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JP3350427B2 - Method of forming semiconductor thin film - Google Patents
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JP3350427B2 - Method of forming semiconductor thin film - Google Patents

Method of forming semiconductor thin film

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JP3350427B2
JP3350427B2 JP35457197A JP35457197A JP3350427B2 JP 3350427 B2 JP3350427 B2 JP 3350427B2 JP 35457197 A JP35457197 A JP 35457197A JP 35457197 A JP35457197 A JP 35457197A JP 3350427 B2 JP3350427 B2 JP 3350427B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶成長法により
半導体薄膜を形成する工程において、半導体基板上に付
着した不純物が原因となって発生する、基板とエピタキ
シャル成長層との界面のリーク電流を抑制可能にする半
導体薄膜の形成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention suppresses a leak current at an interface between a substrate and an epitaxial growth layer, which is caused by impurities attached to a semiconductor substrate in a step of forming a semiconductor thin film by a crystal growth method. The present invention relates to a method for forming a semiconductor thin film which enables the method.

【0002】換言すれば本発明は、高速動作が期待され
る高電子移動度トランジスタや電界効果トランジスタを
製造するための結晶成長技術において、基板とエピタキ
シャル成長結晶との界面に発生するリーク電流を低減す
ることにより、トランジスタ特性の再現性を向上するこ
とができ、デバイス製造の歩留りを改善することができ
る利点を有する、半導体薄膜の形成方法を提供するもの
である。
In other words, the present invention reduces a leak current generated at an interface between a substrate and an epitaxially grown crystal in a crystal growth technique for manufacturing a high electron mobility transistor or a field effect transistor expected to operate at high speed. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of forming a semiconductor thin film, which has an advantage that reproducibility of transistor characteristics can be improved and a yield of device manufacturing can be improved.

【0003】[0003]

【従来の技術】一般に、化合物半導体からなる高移動度
トランジスタや電界効果トランジスタは、化合物半導体
の基板上に、化合物半導体の結晶を成長することによっ
て作製される。また最近では、高速動作を可能にするた
めに、基板にInPを用いて、その上にInGaAs、
InAlAs、InP等の結晶材料を成長したデバイス
構造が多く用いられている。InPの基板には、通常、
高抵抗化のためにFeがドーピングされており、その抵
抗率は107 Ω・cm以上ある。基板結晶はカット、研
磨され、クリーンルーム内で洗浄された後、窒素封入の
状態で容器に入れられるのが一般的である。この時に、
洗浄で用いられる純水中の残留シリカが基板表面を汚染
する。またクリーンルームのフィルタ材もシリカを多く
含むため、クリーンルームの雰囲気が基板表面の汚染を
引き起こす恐れもある。実際に、クリーンルーム内に放
置した基板の表面がシリコンで汚染されるとする報告が
ある(例えば、T. Nittono et al., J. Crystal Growt
h, 170, 762 (1997)参照)。つまり、基板の購入時に
は、通常、表面にはシリコン(シリカ)が付着している
と考えるべきである。このような不純物が付着した基板
を用いてエピタキシャル結晶の成長を行った場合、付着
した不純物は結晶成長後、電気的に活性となり、基板と
エピタキシャル成長層界面にリーク電流を発生させる。
2. Description of the Related Art Generally, a high mobility transistor or a field effect transistor made of a compound semiconductor is manufactured by growing a crystal of the compound semiconductor on a substrate of the compound semiconductor. Recently, in order to enable high-speed operation, InP is used as a substrate, and InGaAs,
A device structure obtained by growing a crystal material such as InAlAs or InP is often used. InP substrates usually have
Fe is doped for increasing the resistance, and the resistivity is 10 7 Ω · cm or more. Generally, the substrate crystal is cut, polished, washed in a clean room, and then put into a container in a state of being filled with nitrogen. At this time,
Residual silica in pure water used for cleaning contaminates the substrate surface. Further, since the filter material of the clean room also contains a large amount of silica, the atmosphere of the clean room may cause contamination of the substrate surface. In fact, it has been reported that the surface of a substrate left in a clean room is contaminated with silicon (for example, T. Nittono et al., J. Crystal Growt
h, 170, 762 (1997)). That is, when purchasing a substrate, it should be generally considered that silicon (silica) is attached to the surface. When an epitaxial crystal is grown using a substrate to which such an impurity is attached, the attached impurity becomes electrically active after the crystal growth and generates a leak current at the interface between the substrate and the epitaxial growth layer.

【0004】デバイスを成長する方法として、通常、有
機金属気相成長法(MOVPE)や分子線エピタキシャ
ル成長法(MBE)が用いられる。基板は容器から取り
出された後、そのまま装置内に入れられる場合と、一
旦、基板表面を数十〜数百nmエッチングしてから装置
内に入れられる場合がある。後者の場合には、基板に付
着した不純物を、一旦エッチングにより除去できるが、
装置に入れるまでの間に大気によって表面は再汚染され
る。このように、基板を装置に導入する際、基板の表面
汚染は通常避けられない。また、逆にエッチングによっ
て表面が汚染される場合もある。例えば熱濃硫酸で基板
をエッチングした場合には、硫黄が基板の表面を汚染す
る。
As a method of growing a device, a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) or a molecular beam epitaxial growth (MBE) is generally used. The substrate may be put into the apparatus as it is after being taken out of the container, or may be put into the apparatus after once etching the substrate surface by several tens to several hundreds of nm. In the latter case, impurities attached to the substrate can be removed once by etching,
The surface is recontaminated by the atmosphere before it enters the device. Thus, when introducing a substrate into the apparatus, surface contamination of the substrate is usually unavoidable. Conversely, the surface may be contaminated by etching. For example, when a substrate is etched with hot concentrated sulfuric acid, sulfur contaminates the surface of the substrate.

【0005】デバイス結晶を成長させる工程の前に、V
族原子の蒸発により基板の表面が荒れないように、V族
原料を基板表面へ供給しながら基板温度を成長温度まで
上昇させるのが一般的である。この時、結晶成長前の基
板温度を、結晶成長温度より高温に保持することによ
り、付着した不純物を脱離させる方法がある。また基板
温度を高温に保持し、かつ、この時のV族原料ガス流量
を増加させて、原料ガスの分解で発生する水素と基板に
付着した不純物を結合させることにより、基板上の不純
物を除去する方法が考案されている(例えば、H. Ishik
awa et al., J.Appl. Phys. Lett, 71, 3898 (1992)に
記載)。 しかしこれらの方法では、完全に付着物を除
去できない場合があり、再現性良く基板とエピタキシャ
ル成長結晶との界面を高抵抗化することが出来ないのが
現状である。
Prior to the step of growing device crystals, V
In general, the temperature of the substrate is increased to the growth temperature while supplying the group V raw material to the surface of the substrate so that the surface of the substrate is not roughened by evaporation of the group atoms. At this time, there is a method in which the adhered impurities are desorbed by maintaining the substrate temperature before crystal growth higher than the crystal growth temperature. The impurities on the substrate are removed by maintaining the substrate temperature at a high temperature and increasing the flow rate of the group V source gas at this time to combine the hydrogen generated by the decomposition of the source gas with the impurities attached to the substrate. Have been devised (eg, H. Ishik
awa et al., J. Appl. Phys. Lett, 71, 3898 (1992)). However, these methods may not be able to completely remove deposits, and at present, it is impossible to increase the resistance of the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal with good reproducibility.

【0006】基板上に付着した不純物を除去するのでは
なく、電気的に補償する方法も提案されている。例え
ば、GaAs基板に付着したn型不純物(Si)を電気
的に補償するために、p型の不純物であるCを二次元的
にGaAs基板上に添加する方法が提案されている(佐
々木他、特開平9−45896に記載)。しかしInP
では、不純物であるCがp型ではなく、n型の不純物と
なるため、前記方法をInP基板を用いた成長に直接応
用することはできない。
There has been proposed a method of electrically compensating instead of removing impurities adhering to a substrate. For example, a method has been proposed in which C, which is a p-type impurity, is two-dimensionally added to a GaAs substrate in order to electrically compensate for an n-type impurity (Si) attached to the GaAs substrate (Sasaki et al. JP-A-9-45896). But InP
In this case, since the impurity C becomes an n-type impurity instead of a p-type impurity, the method cannot be directly applied to growth using an InP substrate.

【0007】InPでp型の不純物になる他の不純物を
二次元的に添加する方法が考えられるが、InPはGa
Asと比較して熱的に安定でないため、不純物を二次元
的に添加する間に、InPの表面状態はP原子の蒸発に
よって変化し、そのためドーピング濃度を制御すること
が難しくなる。さらに基板表面には、研磨および基板の
昇温中に起きる酸化膜や原子の蒸発により、多くの欠陥
が存在する。これらの欠陥の中にはキャリアトラップと
して働くものもあるため、InP基板の上に、直接、不
純物を二次元的に添加する方法では制御性良く、基板に
付着した不純物を電気的に補償することができないのが
現状である。
A method of two-dimensionally adding another impurity that becomes a p-type impurity in InP is considered.
Since it is not thermally stable as compared with As, the surface state of InP changes due to the evaporation of P atoms during the two-dimensional addition of the impurity, which makes it difficult to control the doping concentration. Furthermore, many defects are present on the substrate surface due to evaporation of oxide films and atoms that occur during polishing and heating of the substrate. Since some of these defects act as carrier traps, the method of adding impurities two-dimensionally directly onto the InP substrate has good controllability and electrically compensates for the impurities attached to the substrate. It is not possible at present.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】前述したような、表面
に不純物が付着した基板を用いてデバイス結晶を成長し
た場合、付着した不純物がエピタキシャル結晶成長の後
に活性化し、基板とエピタキシャル成長結晶との界面に
リーク電流を発生させる。またその抵抗は、表面に付着
した不純物量によっても変動する。高電子移動度トラン
ジスタや電界効果トランジスタは、基板に対して横方向
に電流を流し、ソースとドレイン間に流れる電流をゲー
トに印加した電圧で制御することを特徴としている。し
たがって、電圧制御を目的に設計された層構造の他に、
上述したような基板とエピタキシャル成長結晶との界面
にリーク電流が発生した場合、この界面部分にも電流が
流れることになり、ゲート電圧を変化させても所望のト
ランジスタ特性が得られないという問題が発生する。
When a device crystal is grown using a substrate having an impurity attached to its surface as described above, the attached impurity is activated after epitaxial crystal growth, and the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal is grown. To generate a leakage current. The resistance also varies depending on the amount of impurities attached to the surface. A high electron mobility transistor or a field effect transistor is characterized in that a current flows in a lateral direction with respect to a substrate, and a current flowing between a source and a drain is controlled by a voltage applied to a gate. Therefore, in addition to the layer structure designed for voltage control,
If a leak current occurs at the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal as described above, a current also flows at this interface, and a problem arises in that desired transistor characteristics cannot be obtained even when the gate voltage is changed. I do.

【0009】本発明は上記の問題を解決するために提案
されたもので、その目的は、基板とエピタキシャル成長
結晶との界面に発生するリーク電流を、制御性、再現性
良く低減することにある。
The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object of the present invention is to reduce a leak current generated at an interface between a substrate and an epitaxially grown crystal with good controllability and reproducibility.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては特許請求の範囲に記載の方法に
より半導体薄膜を形成する。即ち請求項1に記載のよう
に、半導体基板上に電気的に中性の半導体層を形成する
工程、および半導体基板表面に付着した不純物と電気的
に逆の特性を有する不純物を、前記付着した不純物の電
気的影響を補償するように、前記付着した不純物の面密
度と実質等量だけ添加した層を形成する工程とを経た後
に、所望の半導体薄膜を前記半導体基板上に形成する。
この方法により、基板とエピタキシャル成長結晶薄膜と
の界面に発生するリーク電流を低減することができる。
In order to achieve the above object, in the present invention, a semiconductor thin film is formed by the method described in the claims. That is, as described in claim 1, a step of forming an electrically neutral semiconductor layer on the semiconductor substrate, and the step of depositing the impurity having the property opposite to that of the impurity deposited on the surface of the semiconductor substrate. Forming a layer in which the surface density of the attached impurity is substantially equal to the surface density of the attached impurity so as to compensate for the electrical influence of the impurity; and forming a desired semiconductor thin film on the semiconductor substrate.
With this method, it is possible to reduce the leak current generated at the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal thin film.

【0011】前記電気的に逆の特性を有する不純物の添
加層は、請求項2に記載のように、バルクドープ層とす
ることにより良好な特性が得られる。
Good characteristics can be obtained by forming the impurity-doped layer having the electrically opposite characteristics as a bulk-doped layer as described in claim 2.

【0012】また請求項3に記載のように、半導体基板
としてInPを用い、かつ電気的に逆の特性を有する不
純物としてZnを用い、さらに前記電気的に中性の半導
体層としてInAlAs層を用いることにより良好な特
性が得られる。
According to a third aspect of the present invention, InP is used as a semiconductor substrate, Zn is used as an impurity having an electrically opposite characteristic, and an InAlAs layer is used as the electrically neutral semiconductor layer. Thereby, good characteristics can be obtained.

【0013】また請求項4に記載のように、前記電気的
に中性の半導体層の厚さを1nmないし10nmの範囲
とすることにより良好な特性が得られる。
Further, good characteristics can be obtained by setting the thickness of the electrically neutral semiconductor layer in the range of 1 nm to 10 nm.

【0014】さらに請求項5に記載のように、前記電気
的に逆の特性を有する不純物の濃度を、1×1017cm
-3ないし1×1020cm-3の範囲とすることにより良好
な特性が得られる。
According to a fifth aspect of the present invention, the concentration of the impurity having the electrically opposite characteristic is 1 × 10 17 cm.
Good characteristics can be obtained by a range of -3 to 1 × 10 20 cm -3.

【0015】以上述べたことを実証する実験的根拠を以
下に示す。
Experimental grounds for verifying the above are shown below.

【0016】前述のように半導体基板上に付着した不純
物は一般的にn型である。よって本発明では、補償のた
めに用いる不純物をp型不純物とする。例えば、半導体
基板としてInP基板を用いる場合には、一般的にバッ
ファ層としてInAlAsを成長する。
As described above, impurities deposited on a semiconductor substrate are generally n-type. Therefore, in the present invention, the impurity used for compensation is a p-type impurity. For example, when an InP substrate is used as a semiconductor substrate, InAlAs is generally grown as a buffer layer.

【0017】InAlAsに対してp型の不純物とし
て、Zn、Be、Cが考えられるが、MOVPE法では
純度の高いBeの原料ガスが無いこと、またCの場合に
は水素との結合が起きて、キャリアが完全に活性化しな
い、いわゆるキャリア補償問題があることから、不純物
には制御性の良いZnを用いることが好ましい。さらに
InAlAsは特性上、残留酸素の影響を受けバックグ
ランドのキャリア濃度が変動しやすいので、ドーピング
濃度もバックグランドの不純物濃度の影響を受け難い、
1×1017〜1×1020cm-3の濃度範囲を用いた時に
制御性が良い。
Zn, Be, and C can be considered as p-type impurities with respect to InAlAs. However, in the MOVPE method, there is no high-purity Be source gas, and in the case of C, bonding with hydrogen occurs. Since there is a so-called carrier compensation problem in which carriers are not completely activated, it is preferable to use Zn with good controllability as an impurity. Further, InAlAs has a characteristic that the carrier concentration in the background is easily affected by the residual oxygen, so that the doping concentration is hardly affected by the impurity concentration in the background.
The controllability is good when the concentration range of 1 × 10 17 to 1 × 10 20 cm −3 is used.

【0018】不純物の添加法としては、結晶中に一様に
添加を行う方法、すなわちバルクドープ法と、当該原子
層で二次元的に添加を行う方法、すなわちプレーナドー
プ法がある。この両者の特性を比較する実験を以下に示
す。
As a method of adding impurities, there are a method of adding uniformly in the crystal, that is, a bulk doping method, and a method of adding two-dimensionally in the atomic layer, that is, a planar doping method. An experiment comparing these characteristics will be described below.

【0019】図1は、バルクドーピング法とプレーナド
ーピング法の制御性を比較するための実験結果である。
結晶成長にはMOVPE装置を用いた。成長結晶薄膜は
InAlAsであり、不純物として、ジシランを原料ガ
スとしてSiをドーピングした場合について示した。
FIG. 1 shows experimental results for comparing the controllability of the bulk doping method and the planar doping method.
An MOVPE apparatus was used for crystal growth. The growth crystal thin film is InAlAs, and the case where Si is doped with disilane as a source gas as an impurity is shown.

【0020】図1(a)はバルクドーピングを行った場
合のジシラン流量とキャリアの体積密度(キャリア濃
度)の関係、図1(b)はプレーナドーピングを行った
時のジシラン流量とキャリア面密度(シ−トキャリア濃
度)の関係を示している。バルクドーピングの場合、ジ
シラン流量とキャリアの体積密度は直接関係にあるのに
対して、プレーナドーピングの場合には面密度の増加に
飽和傾向があることが分かる。また、同一条件で成長を
繰り返した場合にも、バルクドーピングの方が再現性が
良い。これは、プレーナドーピングの場合には、高面密
度にドーピングしていることに加えて、ドーピング中に
InAlAsの表面状態が変化して、キャリアの活性化
率が変化するためである。また、図1はSiのドーピン
グを行った場合について示したが、不純物がZnでもそ
のドーピング特性は同様である。
FIG. 1A shows the relationship between the flow rate of disilane and the volume density of carriers (carrier concentration) when bulk doping is performed, and FIG. 1B shows the flow rate of disilane and the carrier areal density when planar doping is performed. (Sheet carrier concentration). It can be seen that in the case of bulk doping, the flow rate of disilane is directly related to the volume density of carriers, whereas in the case of planar doping, the increase in areal density tends to be saturated. Also, even when growth is repeated under the same conditions, bulk doping has better reproducibility. This is because, in the case of planar doping, in addition to doping at a high areal density, the surface state of InAlAs changes during doping, and the activation rate of carriers changes. FIG. 1 shows the case where Si is doped, but the doping characteristics are the same even when the impurity is Zn.

【0021】このように、MOVPE法は一般的に60
0℃以上の高温で成長を行うため、成長中断を必要とす
るプレーナドープでは、不純物添加中に結晶材料の蒸発
が起きる。その結果、表面状態が変化し、ドーピング濃
度の制御性が悪くなる。加えてプレーナドープでは、ド
ープ量を体積密度に換算した場合に非常に高密度とな
り、一般的にドープ量に対しキャリア濃度が飽和する傾
向を示すため、制御性が悪くなるという欠点がある。よ
って不純物のドーピング法としては、バルクドーピング
の方が制御性に優れている。
As described above, the MOVPE method is generally used for 60
Since the growth is performed at a high temperature of 0 ° C. or more, in the case of planar doping that needs to be interrupted, the crystal material evaporates during impurity addition. As a result, the surface state changes, and the controllability of the doping concentration deteriorates. In addition, planar doping has a drawback in that, when the doping amount is converted to volume density, the density becomes very high, and the carrier concentration generally tends to be saturated with respect to the doping amount, so that controllability is poor. Therefore, bulk doping is more controllable as an impurity doping method.

【0022】また、基板とエピタキシャル成長結晶との
界面は結晶性が悪く、欠陥等のキャリアトラップが存在
するため、基板上に直接不純物を添加した層を成長した
場合には、界面に近い成長初期の結晶中でキャリアの活
性化率が変動し、キャリア濃度の制御性が低下する。
In addition, since the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal has poor crystallinity and has carrier traps such as defects, when a layer doped with impurities is directly grown on the substrate, the initial growth near the interface is difficult. The activation rate of the carrier varies in the crystal, and the controllability of the carrier concentration decreases.

【0023】さらに、InP基板に直接、p型不純物を
添加した層を成長した場合には異常拡散の問題も発生す
る。前記のように、InP基板には高抵抗化のためにF
eが添加されている。この基板上に直接Znを添加した
InAlAs結晶を成長した場合、まず、熱拡散によっ
て、ZnがInP基板側に移動し、Feをキックアウト
する。キックアウトされたFeはInAlAs側に拡散
して、今度はZnをキックアウトする。この繰り返しに
よって、InAlAs/InP界面で激しい不純物の相
互拡散が起きる。
Further, when a layer doped with a p-type impurity is grown directly on an InP substrate, a problem of abnormal diffusion also occurs. As described above, the InP substrate has a F
e has been added. When an InAlAs crystal to which Zn is added is directly grown on this substrate, first, Zn moves to the InP substrate side by thermal diffusion to kick out Fe. The kicked out Fe diffuses to the InAlAs side, and then kicks out Zn. This repetition causes severe interdiffusion of impurities at the InAlAs / InP interface.

【0024】この問題を解決するために、p型不純物層
の成長を行う前に、電気的に中性の層を成長することに
よって、キャリア濃度の制御性の向上が図れる。またこ
の時に、挿入される電気的に中性の結晶の厚さは、1n
m(約三分子層)〜10nmの範囲で設計することが可
能である。
In order to solve this problem, the controllability of the carrier concentration can be improved by growing an electrically neutral layer before growing the p-type impurity layer. At this time, the thickness of the electrically neutral crystal to be inserted is 1n
It is possible to design in the range of m (about three monolayers) to 10 nm.

【0025】このように本発明は、結晶成長による半導
体薄膜の形成において、半導体基板上に付着した不純物
が原因で発生する基板とエピタキシャル成長層との界面
のリーク電流を低減することを特徴とする。つまり本発
明により、高速動作が期待される高電子移動度トランジ
スタや電界効果トランジスタを設計通りに動作させるこ
とが可能となり、デバイス製造における歩留りを向上す
ることができる。
As described above, the present invention is characterized in that in forming a semiconductor thin film by crystal growth, a leak current at an interface between a substrate and an epitaxial growth layer, which is generated due to impurities attached to a semiconductor substrate, is reduced. That is, according to the present invention, a high electron mobility transistor and a field effect transistor, which are expected to operate at high speed, can be operated as designed, and the yield in device manufacturing can be improved.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施例について説明
する。図2は本発明の一つの実施例として、InP基板
上に電気的に中性の結晶をまず成長し、次に基板上に付
着した不純物と電気的に逆の特性を持つ不純物をドーピ
ングした結晶を成長することにより、基板とエピタキシ
ャル成長結晶界面に発生するリーク電流を低減した後、
高電子移動度トランジスタの成長を行った場合の層構造
を示す。図2において、1は半導体基板(InP基
板)、2は電気的に中性の層(InAlAsスペーサ
層)、3は電気的に逆の特性を有する不純物としてZn
を添加した層(p−InAlAs層)、4ないし9は半
導体薄膜で、4はInAlAsバッファ層、5はInG
aAsチャネル層、6はInAlAsのスペーサ層、7
はInAlAsにSiをドーピングしたキャリア供給
層、8はInAlAsのバリア層、9はSiをドーピン
グしたn−InGaAsコンタクト層である。基板1の
表面にはn型の不純物であるSiが付着している。
Next, an embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 shows an embodiment of the present invention, in which an electrically neutral crystal is first grown on an InP substrate, and then an impurity is doped with an impurity having a characteristic opposite to that of the impurity deposited on the substrate. After reducing the leakage current generated at the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal by growing
4 shows a layer structure when a high electron mobility transistor is grown. In FIG. 2, 1 is a semiconductor substrate (InP substrate), 2 is an electrically neutral layer (InAlAs spacer layer), and 3 is Zn as an impurity having an electrically opposite characteristic.
(P-InAlAs layer), 4 to 9 are semiconductor thin films, 4 is an InAlAs buffer layer, 5 is InG
aAs channel layer, 6 is a spacer layer of InAlAs, 7
Is a carrier supply layer in which InAlAs is doped with Si, 8 is a barrier layer of InAlAs, and 9 is an n-InGaAs contact layer in which Si is doped. Si, which is an n-type impurity, is attached to the surface of the substrate 1.

【0027】基板とエピタキシャル成長結晶層との界面
のリーク電流は、電流−電圧(I−V)特性から評価し
た。同様の評価はホール効果測定やうず電流測定を用い
ても可能である。図2に示す成長層3、即ち電気的に逆
の特性を有する不純物としてZnを添加したp−InA
lAs層(ドーピング濃度:2×1018cm-3)の厚さ
を変化させた時の抵抗変化を図3に示す。このとき、電
気的に中性の層、即ちInAlAsスペーサ層2の厚さ
は2nmで一定とした。図から、1.5nm付近の膜厚
で最も抵抗が高くなり、最もリーク電流が低減すること
が分かる。図3において、膜厚が薄い場合の抵抗低下
は、基板表面に付着した不純物量が成長層3の中の不純
物量より多いことが原因している。一方、膜厚が厚い場
合の抵抗低下は、成長層3の中の不純物量が、基板に付
着した不純物量よりも多いことによる。つまり、リーク
電流の原因となる不純物と同じ濃度の逆の電気的特性を
持つ不純物をドーピングすれば、リーク電流は低減でき
ることがわかる。今回は、2×1018cm-3のドーピン
グ濃度を用いたが、一般的に良好なドーピング制御が可
能な、1×1017cm-3ないし1×1020cm-3の濃度
範囲の条件下で膜厚を変えても、同様の結果を得ること
は可能である。
The leakage current at the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal layer was evaluated from the current-voltage (IV) characteristics. Similar evaluations can be made using Hall effect measurement or eddy current measurement. The growth layer 3 shown in FIG. 2, that is, p-InA doped with Zn as an impurity having an electrically opposite characteristic.
FIG. 3 shows a change in resistance when the thickness of the lAs layer (doping concentration: 2 × 10 18 cm −3 ) is changed. At this time, the thickness of the electrically neutral layer, that is, the thickness of the InAlAs spacer layer 2 was constant at 2 nm. From the figure, it can be seen that the resistance is highest at a film thickness around 1.5 nm, and the leak current is reduced most. In FIG. 3, the decrease in resistance when the film thickness is small is caused by the fact that the amount of impurities attached to the substrate surface is larger than the amount of impurities in the growth layer 3. On the other hand, the decrease in resistance when the film thickness is large is due to the fact that the amount of impurities in the growth layer 3 is larger than the amount of impurities attached to the substrate. In other words, it can be understood that the leakage current can be reduced by doping an impurity having the same concentration and opposite electric characteristics as the impurity causing the leakage current. In this case, a doping concentration of 2 × 10 18 cm −3 was used. In general, a condition of a concentration range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 that allows good doping control. It is possible to obtain the same result even if the film thickness is changed by the above method.

【0028】以上の実験結果から以下のことがわかる。
即ち、半導体薄膜を形成する方法として、半導体基板上
に電気的に中性の半導体層を形成する工程と、半導体基
板の表面に付着した不純物と電気的に逆の特性を有する
不純物を、前記付着不純物の電気的影響を補償するよう
に、前記付着不純物の面密度と実質等量添加した層を形
成する工程とを経た後に、所望の半導体薄膜を前記半導
体基板上に形成することにより、基板とエピタキシャル
成長結晶薄膜との界面に発生するリーク電流を低減する
ことができる。
The following can be seen from the above experimental results.
That is, as a method of forming a semiconductor thin film, a step of forming an electrically neutral semiconductor layer on a semiconductor substrate and an step of depositing an impurity having a property opposite to that of an impurity deposited on the surface of the semiconductor substrate are performed. After compensating for the electrical influence of the impurities, a step of forming a layer in which the surface density of the attached impurities and a substantially equal amount are added, and then forming a desired semiconductor thin film on the semiconductor substrate, Leakage current generated at the interface with the epitaxially grown crystal thin film can be reduced.

【0029】図4は、図3でリーク電流の低減効果が確
認できた、電気的に逆の特性を有する不純物を添加した
層(p−InAlAs層)3の厚さ1.5nmを用い
て、成長層、即ち電気的に中性の半導体層(InAlA
sスペーサ層)2の厚さを変化させた時の抵抗変化を示
す。図4から、スペーサ層2の厚さが約1nm以上にな
ると、107 Ω以上の高抵抗化が実現されていることが
分かる。一方、スペーサ層2の厚さが薄すぎる場合は、
p−InAlAs層3の中のキャリアの活性化率が低下
し、基板表面に付着した不純物を補償できなくなること
を示している。
FIG. 4 shows that the effect of reducing the leakage current was confirmed in FIG. 3, and the thickness of the layer (p-InAlAs layer) 3 doped with impurities having an electrically opposite characteristic was 1.5 nm. Growth layer, ie, electrically neutral semiconductor layer (InAlA
5 shows a resistance change when the thickness of the (s spacer layer) 2 is changed. FIG. 4 shows that when the thickness of the spacer layer 2 is about 1 nm or more, a high resistance of 10 7 Ω or more is realized. On the other hand, if the thickness of the spacer layer 2 is too thin,
This indicates that the activation rate of the carriers in the p-InAlAs layer 3 decreases, and the impurities attached to the substrate surface cannot be compensated.

【0030】さらに、2×1018cm-3の不純物を添加
した結晶の厚さが1.5nmで高抵抗化が達成できるこ
とは、基板に付着した不純物の面密度が約3×1011
-2であることを示している。一方、InAlAsスペ
ーサ層2のバックグランドは成長室の残留不純物(主に
酸素)によって、1×1015cm-3〜1×1016cm-3
程度で変動するが、リーク電流の低減を制御性良く行う
ためには、スペーサ層2のバックグランドの影響も低減
する必要がある。例えば、InAlAsのバックグラン
ドが最大値の1×1016cm-3になったとしても、10
nmまでの膜厚でスペーサ層2を設計した場合には、そ
のバックグランドのキャリア濃度は、1×1010cm-2
となり、無視できるレベルになる。実際に、10nmの
スペーサ層厚さまで制御性良く、リーク電流を低減する
ことが可能であることが、実験により立証された。
Further, the fact that the crystal having the impurity doped with 2 × 10 18 cm −3 having a thickness of 1.5 nm can achieve a high resistance can be realized because the surface density of the impurity attached to the substrate is about 3 × 10 11 c.
m- 2 . On the other hand, the background of the InAlAs spacer layer 2 is 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 16 cm −3 due to residual impurities (mainly oxygen) in the growth chamber.
In order to reduce the leakage current with good controllability, it is necessary to reduce the influence of the background of the spacer layer 2. For example, even if the background of InAlAs reaches the maximum value of 1 × 10 16 cm −3 ,
When the spacer layer 2 is designed with a film thickness of up to nm, the background carrier concentration is 1 × 10 10 cm −2.
To a negligible level. In fact, it has been proved by an experiment that the leak current can be reduced with good controllability up to a spacer layer thickness of 10 nm.

【0031】図5に、上述の方法により基板とエピタキ
シャル成長結晶との界面の高抵抗化を実施した高電子移
動度トランジスタと、従来の成長法で作製した高電子移
動度トランジスタのしきい値電圧について、その設計値
と実際値のずれを示す。高抵抗化を実施した場合のしき
い値電圧は、実測値がほぼ設計値と一致しているのに対
して、従来法では、設計値からのずれが大きくばらつき
があることが分かる。
FIG. 5 shows the threshold voltage of the high electron mobility transistor in which the interface between the substrate and the epitaxially grown crystal is increased in resistance by the above-described method and the high electron mobility transistor manufactured by the conventional growth method. Shows the deviation between the design value and the actual value. It can be seen that the measured value of the threshold voltage when the resistance is increased substantially matches the design value, whereas the deviation from the design value greatly varies in the conventional method.

【0032】本発明の実施例は、InP基板を用い、高
電子移動度トランジスタを形成する場合について示し
た。しかし、GaAs等の他の半導体基板、電界効果ト
ランジスタ等の他のデバイスの形成にも、本発明は応用
可能であることは言うまでもない。以上の記述では、結
晶成長装置としてMOCVDを用いた場合を示したが、
MBE、CBE、MOMBE、あるいはVPEのいずれ
でも同様の効果が期待できる。
The embodiment of the present invention has been described in connection with the case where a high electron mobility transistor is formed using an InP substrate. However, it is needless to say that the present invention can be applied to formation of other semiconductor substrates such as GaAs and other devices such as field effect transistors. In the above description, the case where MOCVD is used as the crystal growth apparatus has been described.
Similar effects can be expected in any of MBE, CBE, MOMBE, and VPE.

【0033】また、エピタキシャル成長結晶には、In
AlAsのほか、InP、InGaAs、GaAsS
b、AlAsSb、GaAs、AlGaAs、InGa
P等の材料が考えられる。
The epitaxially grown crystal includes In
In addition to AlAs, InP, InGaAs, GaAsS
b, AlAsSb, GaAs, AlGaAs, InGa
Materials such as P are conceivable.

【0034】実施例には、シリコン(シリカ)による汚
染と、これを電気的にZnで補償した場合を示したが、
大気中からの汚染物には、Siのほかに、C、O、Sが
考えられる。さらに、装置に基板を導入した後にも、原
料ガス中の残留不純物が表面汚染を引き起こす場合があ
る。この時の汚染物には、Se、Zn、Mg、Mn等も
考えられる。本発明は、n型、p型の両方を含め、原料
ガスの残留不純物による表面汚染に対しても適用は可能
である。
In the embodiment, the contamination by silicon (silica) and the case where the contamination is electrically compensated for by Zn are shown.
Contaminants from the atmosphere include C, O, and S in addition to Si. Further, even after the substrate is introduced into the apparatus, residual impurities in the source gas may cause surface contamination. The contaminants at this time may include Se, Zn, Mg, Mn, and the like. The present invention can be applied to surface contamination due to residual impurities in the source gas, including both n-type and p-type.

【0035】さらにリーク電流の原因が、表面に付着し
た不純物でない場合も考えられる。例えば、基板や成長
結晶に発生した欠陥が原因となり、リーク電流が発生す
る場合もある。また、基板やエピタキシャル成長結晶の
残留不純物が原因となる場合もある。いずれの場合に
も、リーク電流の発生原因と電気的に逆の特性を持つ不
純物をドーピングする本発明を利用して、これらのリー
ク電流を低減することができる。
Further, it is conceivable that the cause of the leak current is not an impurity attached to the surface. For example, a leak current may occur due to a defect generated in a substrate or a grown crystal. In some cases, residual impurities in the substrate or the epitaxially grown crystal may be the cause. In any case, the leak current can be reduced by using the present invention in which an impurity having a characteristic electrically opposite to the cause of the leak current is doped.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体の
結晶成長法において、半導体基板上に付着した不純物が
原因で起きていた基板とエピタキシャル成長層界面のリ
ーク電流を、電気的に逆特性の不純物を含んだ層を形成
することで低減することができる。このことは、デバイ
ス製造において再現性よく所望のデバイス特性を得るこ
とを可能にする。つまり、設計通りのデバイスを歩留り
良く製造することができることを意味し、各種半導体デ
バイスの実用化および応用を推進する上で大きな効果を
有する。
As described above, according to the present invention, in the semiconductor crystal growth method, the leakage current at the interface between the substrate and the epitaxial growth layer, which is caused by the impurities attached to the semiconductor substrate, can be reduced by using the electrical reverse characteristic. It can be reduced by forming a layer containing impurities. This makes it possible to obtain desired device characteristics with good reproducibility in device manufacturing. In other words, it means that devices as designed can be manufactured with high yield, which has a great effect in promoting the practical use and application of various semiconductor devices.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】バルクドーピングとプレーナドーピングの制御
性を比較して示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a comparison between controllability of bulk doping and planar doping.

【図2】本発明の一実施例に示す方法により形成した半
導体薄膜の断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor thin film formed by the method shown in one embodiment of the present invention.

【図3】図2に示す本発明の一実施例において、不純物
を添加した層3(p−InAlAs層)の厚さと抵抗の
関係を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between the thickness of an impurity-added layer 3 (p-InAlAs layer) and resistance in the embodiment of the present invention shown in FIG.

【図4】図2に示す本発明の一実施例において、電気的
に中性の層2(InAlAsスペ−サ層)の厚さと抵抗
の関係を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between the thickness of an electrically neutral layer 2 (InAlAs spacer layer) and resistance in the embodiment of the present invention shown in FIG.

【図5】本発明の効果を示すために、本発明と従来法で
成長した高電子移動度トランジスタのしきい値電圧の実
測値と設計値のずれを示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a difference between a measured value and a design value of a threshold voltage of a high electron mobility transistor grown by the present invention and a conventional method in order to show the effect of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体基板(InP基板) 2…電気的に中性の半導体層(InAlAsスペーサ
層) 3…電気的に逆の特性を有する不純物を添加した半導体
層(p−InAlAs層) 4…半導体薄膜(InAlAsバッファ層) 5…半導体薄膜(InGaAsチャネル層) 6…半導体薄膜(InAlAsスペーサ層) 7…半導体薄膜(n−InAlAsキャリア供給層) 8…半導体薄膜(InAlAsバリア層) 9…半導体薄膜(n−InGaAsコンタクト層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate (InP substrate) 2 ... Electrically neutral semiconductor layer (InAlAs spacer layer) 3 ... Semiconductor layer (p-InAlAs layer) doped with impurities having electrically opposite characteristics 4 ... Semiconductor thin film ( InAlAs buffer layer 5 Semiconductor thin film (InGaAs channel layer) 6 Semiconductor thin film (InAlAs spacer layer) 7 Semiconductor thin film (n-InAlAs carrier supply layer) 8 Semiconductor thin film (InAlAs barrier layer) 9 Semiconductor thin film (n- InGaAs contact layer)

フロントページの続き (72)発明者 伊藤 弘 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−218590(JP,A) 特開 平7−263365(JP,A) 特開 平2−170545(JP,A) 特開 平4−72720(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812 Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Ito 3-19-2 Nishi Shinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) References JP-A-5-218590 (JP, A) JP-A-7 -263365 (JP, A) JP-A-2-170545 (JP, A) JP-A-4-72720 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/205 H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上に半導体薄膜を形成する方法
において、前記半導体基板上に電気的に中性の半導体層
を形成する工程と、前記半導体基板表面に付着した不純
物と電気的に逆の特性を有する不純物を、前記付着した
不純物の電気的影響を補償するように、前記付着した不
純物の面密度と実質等量だけ添加した層を形成する工程
とを経た後に、前記半導体薄膜を前記半導体基板上に形
成することを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
In a method of forming a semiconductor thin film on a semiconductor substrate, a step of forming an electrically neutral semiconductor layer on the semiconductor substrate and a step of electrically opposite an impurity attached to the surface of the semiconductor substrate. Forming a layer in which an impurity having characteristics is added in an amount substantially equal to the areal density of the attached impurity so as to compensate for the electrical influence of the attached impurity. A method for forming a semiconductor thin film, wherein the method is formed on a substrate.
【請求項2】請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法に
おいて、前記電気的に逆の特性を有する不純物を添加し
た層がバルクドープ半導体層であることを特徴とする半
導体薄膜の形成方法。
2. The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the layer doped with an impurity having an electrically opposite characteristic is a bulk-doped semiconductor layer.
【請求項3】前記半導体基板がInPであり、前記電気
的に逆の特性を有する不純物がZnであり、前記電気的
に中性の半導体層がInAlAsであることを特徴とす
る、請求項1または請求項2に記載の半導体薄膜の形成
方法。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor substrate is InP, said impurity having electrically opposite characteristics is Zn, and said electrically neutral semiconductor layer is InAlAs. Alternatively, the method of forming a semiconductor thin film according to claim 2.
【請求項4】前記電気的に中性の半導体層の厚さが1n
mないし10nmの範囲であることを特徴とする、請求
項3に記載の半導体薄膜の形成方法。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said electrically neutral semiconductor layer has a thickness of 1n.
4. The method according to claim 3, wherein the thickness is in the range of m to 10 nm.
【請求項5】前記電気的に逆の特性を有する不純物の濃
度が、1×1017cm-3ないし1×1020cm-3の範囲
であることを特徴とする、請求項3に記載の半導体薄膜
の形成方法。
5. The method according to claim 3, wherein the concentration of the impurity having the electrically opposite characteristic is in a range of 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 . A method for forming a semiconductor thin film.
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