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JP4794022B2 - Semiconductor device - Google Patents
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JP4794022B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はSi基板上に積層した化合物半導体を動作層とする電界効果トランジスタ(Metal Semiconductor Field Effect Transistor) や高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor) などの半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
化合物半導体を用いた半導体装置は、シリコン半導体に比べて一般に高速、高周波域で動作することが可能であり、高速ディジタル信号処理用、あるいはマイクロ波増幅用などの高速、高周波トランジスタとして、MES(Metal Semiconductor) FETやHEMT(High Electron Mobility Transistor)などの電界効果トランジスタが用いられ、次第にその利用は広がっている。にもかかわらず、化合物半導体のみによるバルク基板の口径は未だ3〜4インチ程度であり、大口径化、低価格化が達成されているシリコン基板と比較し、その上に形成される半導体装置の量産化を困難とする一因となっている。
【0003】
そこで、シリコン基板上にIII −V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる化合物半導体基板が注目されている。シリコン基板上に化合物半導体をエピタキシャル成長させることで基板の大口径化と低コスト化が可能となる。また、シリコン基板上に化合物半導体層を形成した基板は機械的強度に優れ、且つ熱伝導性が高いため、半導体装置を形成した際の放熱性に優れ、ハンドリングが容易であるなどの特徴を有する。また、化合物半導体は優れた光学特性と電気特性を併せ持つため、シリコン基板上に優れた結晶性の化合物半導体層が成長できれば、MESFETやHEMTなどの電子デバイスとLEDやLDなどの光デバイスを同一基板上に作製した光・電子混成デバイスを作製することも可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコン基板上に化合物半導体を形成した半導体装置の短所としてはシリコン基板上に化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させる際に、初期成長時の温度履歴のため、化合物半導体層にシリコン原子が拡散侵入し、これが化合物半導体に対してドーパントとなって化合物半導体層が低抵抗化し、半導体装置の高周波特性が悪化するという問題があった。
【0005】
すなわち、シリコン基板上に化合物半導体を複数積層して形成し、この化合物半導体層の一部を動作層とする半導体装置を形成した場合、シリコン基板と化合物半導体の界面に低抵抗層が形成され、半絶縁性GaAs基板または半絶縁性InP基板上に形成された半導体装置と比較して大きな寄生容量のために、電流利得遮断周波数fT や最大発振周波数fMAX などの高周波特性が著しく劣化した電界効果トランジスタしか得られなかった。
【0006】
従来の半導体装置の例として、シリコン基板上にGaAsを形成してMESFETを形成した場合の例について示す。シリコン基板上にいわゆる2段階成長法でGaAs層を形成し、その上に形成したn−GaAs層をチャネルとしたMESFETを通常の製造プロセスにより形成する。100μm×100μmのゲートパッドを有するゲート長が1μmでゲート幅が100μmのMESFETを試作したところ、電流利得遮断周波数fT =4.9GHz、最大発振周波数fMAX =5.2GHzのデバイスしか得られなかった。これはゲートパッドの寄生容量の増大に起因する。同一の寸法形状で半絶縁性GaAs基板上に試作したところ、fT =12GHz以上、fMAX =20GHz以上の半導体装置が得られた。
【0007】
例えば特開平8−51121号には、ゲートパッド下にSiO2 を挿入することによって、高周波特性を改善することが提案されている。
【0008】
しかしながら、ゲートパッド下に挿入するSiO2 を厚くすると、高周波特性は改善するが、厚くしたとしても1.5μm程度が限度であり、このとき、上記寸法形状の半導体装置を形成すると、電流利得遮断周波数fT =6.6GHz、最大発振周波数fMAX =7.3GHz程度までは改善するが、半絶縁性GaAs基板上に試作した場合と比較してやはり高周波特性が劣っていた。
【0009】
また、DC通電試験を行うと、電流値が変動するという問題があった。なお、このDC通電試験とは、エピタキシャル成長膜の信頼性を簡易的に評価するために、ゲート電極を開放した状態でソース・ドレイン間に一定の電圧を印加して電流値の変動を調べるものである。半導体装置の信頼性評価は、高温放置試験やDC通電試験など様々な手法で行われるが、DC通電試験はエピタキシャル成長膜に高い電界が加わり続けた際の材料特性を簡易的に判断することができる。
【0010】
従来のシリコン基板上に化合物半導体を形成した半導体装置で、ゲートを開放した状態でソース・ドレイン間に8Vを印加するDC通電試験を行ったところ、図2(b)に示すように、28800秒後には20%以上の電流値の低下が見られた。なお、図2は後述する本発明の実施例の半導体装置のDC通電試験の結果である。
【0011】
次に、高周波特性の劣化の原因とDC通電試験による電流値の減少の原因について簡単に説明する。まず、MESFETの電流利得遮断周波数fT を例にとって高周波特性の劣化原因について説明する。従来のシリコン基板上に化合物半導体を積層して形成した基板の場合、シリコン原子が化合物半導体層に拡散するため、シリコン基板と化合物半導体基板との界面に低抵抗層が生じる。そのため、電流利得遮断周波数fT は、電子飽和速度をvs 、有効ゲート長をLeff 、相互コンダクタンスをgm 、ゲート寄生容量をCparaとして、一般に、
【0012】
【数1】

Figure 0004794022
【0013】
と書ける。ゲート電極パッドや配線などとの間の寄生容量Cparaは、半絶縁性GaAs基板上に形成されたMESFETが0.03〜0.05pFであるのに対して、従来のGaAs/SiのMESFETの場合、0.6〜0.7pF、あるいはSiO2 を挿入したものでは0.15pFと大きいものであった。このように、界面の低抵抗層が原因となる寄生容量の増大が高周波特性の劣化の原因となっている。
【0014】
次に、DC通電試験によるMESFETの電流値の減少の原因について説明する。これはミスフィット転位などが原因ではなく、エピタキシャル成長膜中の引っ張り応力が原因であることがわかった。例えばGaAs/SiのMESFETではGaAsの線膨張係数がSiの約2倍であることから、成長後の降温によってエピタキシャル成長膜に引っ張り応力が生じる。このような引っ張り応力により、伝導帯の底付近の分散関係がΓを正のエネルギー値として、近似的に、
【0015】
【数2】
Figure 0004794022
【0016】
と書ける。Γ(>0)は引っ張り応力による伝導帯の低下を意味する。ここで、mは伝導電子の有効質量、Ecは伝導帯の底のエネルギーである。このとき、伝導帯中の電子の状態密度N(E)は、
【0017】
【数3】
Figure 0004794022
【0018】
となる。
【0019】
また、伝導帯中の電子の数は、
【0020】
【数4】
Figure 0004794022
【0021】
と書ける。これらから分かるように、Γは伝導帯の状態密度や電子数を増やす。すなわち、GaAs/SiのMESFETでは、エージング前の初期状態で、エピタキシャル成長膜のチャネル部に加わっている引っ張り応力によってGaAs/GaAsと比較して状態密度が大きく、電流値が増大している状態となっている。そこで長時間のエージングによって局所的な応力緩和が起こり、増えていた電流値が小さくなると考えられる。つまり、Γ(>0)が時間の経過と共に減少し、それが電流値の減少として観測される。
【0022】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高周波特性の劣化とDC通電試験による電流値の減少を解消した化合物半導体装置を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る半導体装置では、Si単結晶基板上に化合物半導体層を設けた半導体装置において、前記化合物半導体層が第一の化合物半導体層と第二の化合物半導体層を順に積層して形成されており、前記第一の化合物半導体層がGaAs層と不純物としてCを含むInxAlyGa1-x-yAs層(0<x≦0.05、0.2≦y≦0.6)から形成されており、前記第二の化合物半導体層がIntGa1-tAs層(t≧0.2)を含む層で形成されており、このIntGa1-tAs層(t≧0.2)をチャネルとして用いる。
【0024】
上記半導体装置では、前記GaAs層が100〜200Åの厚みに形成されていることが望ましい。
【0025】
また、上記半導体装置では、前記第一の化合物半導体層における水銀プローブ式C−V測定による不純物密度が2×1016atoms・cm-3以上である領域の厚みが0.1μm以下であることが望ましい。
【0026】
さらに、上記半導体装置では、前記Int Ga1-t As層(t≧0.2)上にPtを含むショットキー電極が形成されていることが望ましい。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、各請求項に係る実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図1は請求項1に係る半導体装置の実施例の断面図であり、1はSi基板、2はGaAs層、3はInAlGaAs層、4はi−InGaAs層、5はn−InGaAs層、6はn+ −InGaAs層、7はオーミック電極、8はゲート電極、9bはSiO2 膜である。
【0028】
抵抗率2〜6×103 Ωcm程度の高抵抗Si基板1上に、第一の化合物半導体層としてGaAs層2が150Å、その上にIn0.02Al0.49Ga0.49As層3が2.6μm形成されており、その上に第二の化合物半導体層としてi−InGaAs層4が1.6μm、およびチャネルとして働くn−In0.2 Ga0.8 As層5、コンタクト層として働くn+ −In0.2 Ga0.8 As層6が積層されている。
【0029】
このような化合物半導体層は、(110)方向に数度のオフ角をもつ(100)Si基板1をカーボンサセプタ上に設置し、有機金属材料を加熱分解して他の有機金属材料構成元素と高温で反応させる有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により形成される。すなわち、まず900〜950℃で熱処理した後、400〜450℃に下げて保持し、GaAs層2を150Å成長した後、通常の成長温度である620℃まで昇温し、In0.02Al0.49Ga0.49As層3を2.6μm成長させ、続いて基板温度を580℃まで下げてIn0.2 Ga0.8 As層4〜6を成長する。In0.2 Ga0.8 As層4はエピタキシャル成長膜中の応力低減に好適に用いられ、デバイスの信頼性の向上に寄与することを我々は見出した。この理由に関しては後述する。Inの組成を0.02から0.2まで徐々に変化させたり、いわゆるメタモルフィック成長などの成長方法でIn組成をさらに大きくしてもよい。
【0030】
第一の半導体層2、3中のIn0.02Al0.49Ga0.49As層3は、不純物としてC(カーボン)を含んでおり、このC(カーボン)はIn0.02Al0.49Ga0.49As層3のAsサイトに不純物として混入し、Si基板1からのSi不純物の拡散によるn型キャリアを補償する働きをする。
【0031】
図3は、アセック社製水銀プローブ式C−V測定装置による従来の半導体装置と本発明の実施例の半導体装置のエピタキシャル成長膜の深さ方向キャリア密度の測定結果であり、横軸は深さ0μmをSi基板1とGaAs層2の界面に選んである。測定は100〜200kHzで行った。深さ方向のキャリア密度の測定は、深さ分解能の低下などのために、電気化学的エッチングによるC−V測定では測定が困難なことが多いが、空乏層の広がり具合から深さを算出する水銀プローブ式C−V測定では可能である。この測定は第一の半導体層2、3まで成長が終了した時点で成長を中断して行うか、第二の半導体層4、5、6以降の化合物半導体層をエッチング除去した後に行なう。
【0032】
従来の半導体装置の場合は、シリコン基板1から約0.35μmまでは3×1016atoms・cm-3以上のキャリア密度であり、約0.85μmまでは1×1016atoms・cm-3以上のキャリア密度であった。
【0033】
本発明の実施例の場合、In0.02Al0.49Ga0.49As層3の成長条件としてV族ガス中のアルシンのモル数のIII 族ガス中のトリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムの合計のモル数に対する比で定義されるV/III 比を100〜150に定めることにより、不純物密度が3×1016cm-3以上であるエピタキシャル成長膜の厚みが0.1μm以下まで低減した。
【0034】
このような第一の半導体層2、3を形成することによって、MESFETやHEMTなどの寄生容量は低減し、高周波特性が大幅に向上する。本実施例では100μm×100μmのゲートパッドを有するゲート長が1μmでゲート幅が100μmの場合、Cparaは0.05pFまで下がり、電流利得遮断周波数fT =13GHz、最大発振周波数fMAX =24GHzのMESFETが得られた。
【0035】
図5(a)は、本発明の実施例の半導体装置の出力インピーダンスS22の測定結果を示す。測定にはウイルトロン製ネットワークアナライザー37369Aを用いて20MHzから20GHzまで行った。図5(b)は、従来のSi基板上のGaAs層を動作層とする半導体装置の測定結果であり、図5(c)は、GaAs基板上のGaAsエピタキシャル層を動作層とする半導体装置の測定結果である。これらから分かるように、従来のSi基板上のGaAs層を動作層とする半導体装置では、リアクタンス成分の影響を大きく受けている。これは界面の導電層が原因であると思われる。それに対して本実施例では、第一の半導体層2、3を基板からのSi不純物の拡散によるn型キャリアを補償する構造を採ったため、GaAs基板上の半導体装置とほぼ同等の出力インピーダンスS22が得られていることがわかる。
【0036】
このような補償による高抵抗化を目的とする不純物C(カーボン)のドーピングは、第一の化合物半導体層2、3の一部にInxAlyGa1-x-yAs層(0x≦0.05、0.2≦y≦0.6)3を用いることによって容易に達成することができる。Al組成yを大きくすると、C(カーボン)がAsサイトに入りやすくなり、補償を容易にする。Al組成yを大きくしすぎると、半導体装置のチャネル温度の上昇に起因する信頼性の悪化の原因となる。そのため、Al組成としては0.2≦y≦0.6が好適に用いられる。また、Inを数%混入させることによって半導体基板の表面モホロジーが良好となる。
【0037】
また、第一の半導体層2、3中のSi基板側にGaAs膜2を100〜200Å形成するが、100Å以下にすると表面モホロジーが劣化する。GaAs膜2を200Å以上形成した場合、寄生容量が増大して高周波特性が劣化する原因となる。
【0038】
また、Si基板1に直接AlGaAsなどを成長させることができた場合、高周波特性にはさらに有利に働く可能性があるが、AlGaAsの実効固化温度(後で定義する)がGaAsよりもやや高いため、そりや応力を増大させる。本実施例の場合、Siと実効固化温度(後で定義する)が高いInxAlyGa1-x-yAs層(0x≦0.05、0.2≦y≦0.6)の間にGaAs層2が100〜200Å形成されているため、線膨張係数差によるそりおよび応力の駆動力が減ることになり、そりおよび応力の低減の点で有利である。
【0039】
次に、In0.2 Ga0.8 As層4、5、6による応力および基板そりの低減の効果について説明する。我々は様々な層構造のヘテロエピタキシャル成長基板におけるそりや応力の実験データを詳細に比較して検討することにより、下に示す(2)で定義した実効固化温度がIn0.2 Ga0.8 As層4、5、6で小さくなることを見出した。この実効固化温度の低下がエピタキシャル成長膜中の応力の低減に対応する。以下、そのメカニズムを説明する。
【0040】
図4に示すようなn−1層のエピタキシャル成長層α1 〜αn を積層したヘテロエピタキシャル基板を考える。このヘテロエピタキシャル基板は、成長温度が非常に高温であるため、転位が容易に動くことができ、このような転位の生成と運動によって各層α1 〜αn の線膨張係数の相違による応力や格子定数の相違による応力は緩和され、ウエハのそりなどは発生せず平坦であり、ほとんどエピタキシャル成長膜中に応力は生じない。しかしながら、ある温度以下になると、このような転位の生成や運動は生じなくなり、応力を緩和することができず、各エピタキシャル成長層α1 〜αn の間に大きさが等しく反対向きに力が働くと同時にウエハがそり始め、応力が生じ始める。この温度は各層α1 〜αn によって異なり、以下では各層α1 〜αn の実効固化温度と呼ぶことにする。それぞれのエピタキシャル成長層α1 〜αn 、および基板のヤング率を上方から順にE1 、E2 、E3 、‥‥‥、En とし、エピタキシャル成長膜の厚みをh1 、h2 、h3 、‥‥‥、hn などとし、膜iにかかる応力σi は引っ張り応力を正として、
【0041】
【数5】
Figure 0004794022
【0042】
‥‥‥‥‥‥(1)
と書ける。但し、bは基板の直径、ρは曲率半径、yu はエピタキシャル成長基板の上面からの距離、ym は中立面の位置であり、図4に示すように、エピタキシャル成長層α1 〜αn 間に働く力Fを定めた。(1)の第一項はエピタキシャル成長層α1 〜αn 間に働く力Fによる応力であり、第二項は曲げによる応力である。このような応力と同時に、大きさがb2 /8ρのそりが生じる。
【0043】
(1)式中の中立軸の位置ym は曲げ応力の断面内総和が0であることから求まり、
【0044】
【数6】
Figure 0004794022
【0045】
となる。また、曲率半径ρは曲げモーメントMtot および断面2次モーメントIi から容易に求まり、
【0046】
【数7】
Figure 0004794022
【0047】
と書ける。ここで、Mtot およびIi は、それぞれ曲げモーメントおよび断面2次モーメントであり、次のように書ける。
【0048】
【数8】
Figure 0004794022
【0049】

【0050】
【数9】
Figure 0004794022
【0051】
一方、(1)式中のFは、ここでは格子定数の相違によって生じる歪みの大部分が転移や結晶欠陥によって緩和され、熱歪みとエピタキシャル成長層との間に働く力による歪みの和が各層で等しいと近似し、
【0052】
【数10】
Figure 0004794022
【0053】
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(2)
と書ける。ここで、ΔTi は実効固化温度と室温との温度差である。実際は、格子定数差に起因する歪みの項が各式に加わると考えることができるが、それは第一近似では線膨張係数の相違に起因する熱歪みが支配的であると考え、実効固化温度の再定義によってくりこむことができる。(2)式中のΔTi および上に述べた実効固化温度は、そのような量として理解されなければならない。また、先に形成される下の層の実効固化温度が低いときは、その実効固化温度以下で初めて連続体近似が成り立つため、その下の層の実効固化温度と一致させなければならない。ここで、(2)式の解を本実施例のようにn=4の場合に書き下しておく、
【0054】
【数11】
Figure 0004794022
【0055】
【数12】
Figure 0004794022
【0056】
【数13】
Figure 0004794022
【0057】
このF1 〜F3 と(1)から、エピタキシャル成長膜に働く応力が求まることとなる。我々は(2)で定義した実効固化温度と様々なヘテロエピタキシャル膜構造のそりの実験結果を比較検討し、様々な化合物半導体混晶の実効固化温度を決定した。例えばGaAsの実効固化温度は350℃程度であり、In0.2 Ga0.8 Asの実効固化温度は240℃程度である。
【0058】
本実施例の場合の応力と基板そりをIn0.2 Ga0.8 As層4、5、6の代わりにGaAs層を用いた場合と比較して述べる。本実施例のIn0.2 Ga0.8 As4、5、6の代わりにGaAs層を用いた場合、(1)から求まる全応力(エピタキシャル成長膜の残留応力)は9.2×108 dyn/cm2 であり、3インチ基板の場合のそりはb2 /8ρ〜79μmとなる。それに対して、本実施例の場合、(1)から求まる全応力(エピタキシャル成長膜の残留応力)は2.6×108 dyn/cm2 となり、3インチ基板の場合のそりはb2 /8ρ〜51μmとなる。
【0059】
このように、In0.2 Ga0.8 Asを用いることにより、そりおよび応力が低減するのは、In0.2 Ga0.8 Asの実効固化温度が240℃程度と、GaAsの実効固化温度350℃程度と比較して小さいからであると思われる。また、Int Ga1-t As層4、5、6の実効固化温度はt〜0.2付近で急激に低下する。そのため、t≧0.2とすると、このような基板そりおよびエピタキシャル成長膜の残留応力が小さくなる。
【0060】
本実施例のMESFETのDC通電試験による電流値変動を図2(a)に記す。このように、従来の図2(b)と比較して電流値の変動は小さくなった。これはエピタキシャル成長膜に残留しているひっぱり応力による伝導帯の低下がそもそも小さいため、通電試験による電流値変化も小さくなったと思われる。
【0061】
このような半導体基板を用いてMESFETやHEMTを含む半導体装置が以下に示すプロセスによって形成される。すなわち、図6(a)に示すように、通常のフォトリソグラフィによって所望のメサ領域を限定し、硫酸、過酸化水素、水の混合液をエッチャントとしてInGaAs膜4の途中までエッチングする。レジストを除去した後、一回り小さいメサ領域をフォトレジストにより形成し、同様に化合物半導体膜5、6をエッチングする。このエッチングはゲート電極の断線を妨げるため、第一回のエッチングよりもやや浅くすることが望ましい。このようにして、高さの異なる2段のメサが形成される。
【0062】
次に、図6(b)に示すように、プラズマCVD法またはスパッタリング法によって基板全面にSiO2 またはSiNx y などからなる絶縁膜9aを約1.5μm形成し、フォトレジスト開口パターンを形成した後、メサ領域上の化合物半導体層6が完全に露出するように、バッファフッ酸などによって絶縁膜9aをエッチングする。すると、化合物半導体層4上には絶縁膜9aが残り、メサ領域上には化合物半導体層6が露出する。なお、この絶縁膜9aのエッチングにはRIE(反応性イオンエッチング)法やCDE(ケミカルドライエッチング)法を用いてもよい。
【0063】
次に、図7(a)に示すように、ゲート電極を形成する。プラズマCVD法などを用いて基板全面にSiO2 からなる絶縁膜9bを0.5μm形成する。続いて、ゲート電極形成用のフォトレジスト開口パターンを形成し、図7(b)に示すように、SiO2 膜9bをエッチングする。このエッチングには、BHF(バッファードフッ酸)(HF:H2 O:NH4 F=1:10:10)を用いる。なお、エッチングに先立ってプラズマアッシャーを用いてアッシング処理を行ない、エッチャントが開口内に進入できるように前処理を行うことにより、微細な開口からのウエットエッチングを容易に行うことができる。
【0064】
次に、図7(c)に示すように、n+ −InGaAs層6のリセスエッチングを行う。まず、アッシング前処理によってエッチング液が開口部に進入できるようにした後、硫酸、過酸化水素水を混合した水溶液を用いてn+ −InGaAs層6が完全にエッチングされるまでエッチングし、図7(d)に示すように、Pt、Au/Pt/Ti、Au/Al/Ptなどからなるゲート電極8を抵抗加熱真空蒸着装置を用いて形成する。ゲートはフォトレジスト10をマスクとして形成されるため、フォトレジスト10の開口幅によってゲート長は決定される。
【0065】
本実施例のように、n−InGaAs層5上にゲート電極8を形成する場合、ゲート電極8はPtを含む電極であることが望ましい。Ptを含む電極とInGaAs層とのショットキー接合はその障壁高さが約1.2eVであり、GaAsとAlやTiとのショットキー障壁高さ約0.8eVと比較して高い。このため、大信号動作させたとき、電流のスイング幅を大きくとることができ、大きな出力を得ることができる。また、増幅器の設計自由度が増すため、互いにトレイドオフの関係にある線形性と高効率性を同時に満たす増幅器などが比較的容易に形成できる。
【0066】
その後、図7(e)に示すように、フォトレジスト10をリフトオフすることにより、フォトレジスト10とその上のゲート電極8を除去する。
【0067】
最後に、オーミックコンタクト層6上にオーミック電極7を形成するための開口パターン(不図示)を形成し、絶縁膜9bをバッファフッ酸でエッチングした後、オーミックコンタクト層6上にAuGe/AuまたはAuGe/Ni/Auからなるをオーミック電極7を蒸着してリフトオフによりパターニングし、熱処理によって合金化することで、図1に示すような半導体装置が形成される。
【0068】
なお、MESFETの代わりに、InAlAs/InGaAsあるいはAlGaAs/InGaAs型のHEMTを形成しても同様の効果があることは当業者には明らかである。
【0069】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に係る半導体装置によれば、Si単結晶基板上に設けた第一の化合物半導体層がGaAs層と不純物としてCを含むInxAlyGa1-x-yAs層(0≦x≦0.05、0.2≦y≦0.6)から形成されており、バッファ層の高抵抗化が達成され、電流利得遮断周波数、最大発振周波数などの高周波特性が大幅に向上する。また、第一の化合物半導体層上に形成される第二の化合物半導体層がIntGa1-tAs層(t≧0.2)を含む層で形成されており、このIntGa1-tAs層(t≧0.2)をチャネルとして用いることから、エピタキシャル成長膜内の残留応力が低減し、半導体装置の優れた信頼性を確保することができる。また、同時に基板そりも低減することができ、歩留まりを大幅に向上させることができる。
【0070】
また、請求項2に係る半導体装置では、第一の化合物半導体層中のSi単結晶基板側のGaAs層の厚みを100〜200Åに形成したので、基板そりや応力を小さく保ちつつ、高周波特性を向上させることができる。また、表面モホロジーも良好な半導体基板を得ることができ、半導体装置の製造歩留まりが向上する。
また、請求項3に係る半導体装置によれば、第一の化合物半導体層における水銀プローブ式C−V測定による不純物密度が2×1016cm-3以上であるエピタキシャル成長膜の厚みが0.1μm以下となるように各種成長条件を調節し、カーボンなどの不純物の量を最適化したため、高周波特性が向上する。
【0071】
さらに、請求項4に係る半導体装置によれば、前記Int Ga1-t As層(t≧0.2)上にPtを含むショットキー電極を形成したため、ショットキー障壁高さが大きくなり、ゲート耐圧が大きくなる。また、大信号動作の際のスイング幅を大きくとることができるため、ドレイン効率や電力付加効率などが向上し、高周波用の半導体装置を形成した際に消費電力を小さくすることができる。また、ショットキー障壁高さが大きいため、優れた特性のエンハンスメント型の半導体装置を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置のゲート電極と垂直な方向の断面図である。
【図2】(a)は本発明に係る半導体装置のDC通電試験の結果であり、(b)は従来のSi基板上のGaAsを動作層とする半導体装置のDC通電試験の結果である。
【図3】水銀プローブ式C−V測定による深さ方向のキャリア密度の測定結果である。
【図4】エピタキシャル成長膜中のそりおよび応力低減を説明するための図である。
【図5】(a)は本発明に係る半導体装置の出力インピーダンスS22の測定結果であり、(b)は従来の半導体装置の出力インピーダンスS22の測定結果であり、(c)はGaAs基板上の半導体装置の出力インピーダンスS22の測定結果である。
【図6】(a)〜(b)は、本発明に係る半導体装置の製造方法のゲート電極と平行な方向の断面図である。
【図7】(a)〜(e)は、本発明に係る半導体装置のゲート電極の形成方法を説明するための図である。
【符号の説明】
1‥‥‥Si基板、2‥‥‥GaAs層、3‥‥‥InAlGaAs層、4‥‥‥i−InGaAs層、5‥‥‥n−InGaAs層、6‥‥‥n+ −InGaAs層、7‥‥‥オーミック電極、8‥‥‥ゲート電極、9(a)‥‥‥SiO2 膜、9(b)‥‥‥SiO2 膜、10‥‥‥フォトレジスト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device such as a field effect transistor (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) and a high electron mobility transistor (High Electron Mobility Transistor) having a compound semiconductor laminated on a Si substrate as an operation layer.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor device using a compound semiconductor can generally operate at a higher speed and a higher frequency range than a silicon semiconductor. As a high-speed, high-frequency transistor for high-speed digital signal processing or microwave amplification, MES (Metal Semiconductor) Field effect transistors such as FETs and HEMTs (High Electron Mobility Transistors) are used, and their use is gradually expanding. Nevertheless, the diameter of the bulk substrate made of only the compound semiconductor is still about 3 to 4 inches, and the semiconductor device formed on the substrate is larger than the silicon substrate that has been increased in size and price. This contributes to the difficulty of mass production.
[0003]
Accordingly, attention has been focused on a compound semiconductor substrate in which a III-V compound semiconductor layer is epitaxially grown on a silicon substrate. By epitaxially growing a compound semiconductor on a silicon substrate, it is possible to increase the diameter of the substrate and reduce the cost. In addition, since a substrate in which a compound semiconductor layer is formed on a silicon substrate has excellent mechanical strength and high thermal conductivity, it has characteristics such as excellent heat dissipation when a semiconductor device is formed and easy handling. . In addition, since compound semiconductors have excellent optical and electrical characteristics, if an excellent crystalline compound semiconductor layer can be grown on a silicon substrate, electronic devices such as MESFET and HEMT and optical devices such as LED and LD can be used on the same substrate. It is also possible to fabricate the optical / electronic hybrid device fabricated above.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, a disadvantage of a semiconductor device in which a compound semiconductor is formed on a silicon substrate is that when a compound semiconductor layer is heteroepitaxially grown on a silicon substrate, silicon atoms diffuse and penetrate into the compound semiconductor layer due to a temperature history during initial growth. This causes a problem that the compound semiconductor layer becomes a resistance to the compound semiconductor and the resistance of the compound semiconductor layer is lowered, and the high frequency characteristics of the semiconductor device are deteriorated.
[0005]
That is, when a compound device is formed by laminating a plurality of compound semiconductors on a silicon substrate and a semiconductor device having a part of the compound semiconductor layer as an operation layer is formed, a low resistance layer is formed at the interface between the silicon substrate and the compound semiconductor, Due to the large parasitic capacitance compared to the semiconductor device formed on the semi-insulating GaAs substrate or semi-insulating InP substrate, the current gain cutoff frequency f T And maximum oscillation frequency f MAX Only field effect transistors with significantly deteriorated high frequency characteristics such as were obtained.
[0006]
As an example of a conventional semiconductor device, an example in which MESFET is formed by forming GaAs on a silicon substrate will be described. A GaAs layer is formed on a silicon substrate by a so-called two-stage growth method, and a MESFET using the n-GaAs layer formed thereon as a channel is formed by a normal manufacturing process. When a MESFET having a gate length of 1 μm and a gate width of 100 μm having a gate pad of 100 μm × 100 μm was prototyped, the current gain cutoff frequency f T = 4.9 GHz, maximum oscillation frequency f MAX Only a device of = 5.2 GHz was obtained. This is due to an increase in the parasitic capacitance of the gate pad. When prototyped on a semi-insulating GaAs substrate with the same size and shape, f T = 12 GHz or more, f MAX = A semiconductor device of 20 GHz or more was obtained.
[0007]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 8-51121, there is SiO under the gate pad. 2 It has been proposed to improve the high-frequency characteristics by inserting.
[0008]
However, SiO inserted under the gate pad 2 When the thickness is increased, the high-frequency characteristics are improved, but even if the thickness is increased, the limit is about 1.5 μm. At this time, when the semiconductor device having the above-described shape is formed, the current gain cutoff frequency f is increased. T = 6.6 GHz, maximum oscillation frequency f MAX Although the frequency is improved up to about 7.3 GHz, the high frequency characteristics are still inferior compared with the case of trial manufacture on a semi-insulating GaAs substrate.
[0009]
In addition, when the DC current test is performed, there is a problem that the current value fluctuates. In this DC current test, in order to simply evaluate the reliability of the epitaxially grown film, a constant voltage is applied between the source and the drain with the gate electrode opened to examine the fluctuation of the current value. is there. The reliability evaluation of a semiconductor device is performed by various methods such as a high temperature storage test and a DC current test. The DC current test can easily determine the material characteristics when a high electric field is continuously applied to the epitaxial growth film. .
[0010]
In a semiconductor device in which a compound semiconductor is formed on a conventional silicon substrate, a DC energization test in which 8 V is applied between the source and the drain with the gate opened is performed, as shown in FIG. 2B, for 28800 seconds. Later, a decrease in current value of 20% or more was observed. FIG. 2 shows the results of a DC current test of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention to be described later.
[0011]
Next, the cause of the deterioration of the high frequency characteristics and the cause of the decrease in the current value due to the DC current test will be briefly described. First, the current gain cutoff frequency f of the MESFET T The cause of the deterioration of the high-frequency characteristics will be described with reference to FIG. In the case of a substrate formed by stacking compound semiconductors on a conventional silicon substrate, silicon atoms diffuse into the compound semiconductor layer, so that a low resistance layer is generated at the interface between the silicon substrate and the compound semiconductor substrate. Therefore, the current gain cutoff frequency f T Is the electron saturation rate v s , The effective gate length is L eff , Transconductance g m , The gate parasitic capacitance is C para As a general rule,
[0012]
[Expression 1]
Figure 0004794022
[0013]
Can be written. Parasitic capacitance C between gate electrode pad and wiring para The MESFET formed on the semi-insulating GaAs substrate is 0.03 to 0.05 pF, whereas the conventional GaAs / Si MESFET is 0.6 to 0.7 pF or SiO 2 2 It was as large as 0.15 pF. Thus, the increase in parasitic capacitance caused by the low resistance layer at the interface causes the deterioration of the high frequency characteristics.
[0014]
Next, the cause of the decrease in the current value of the MESFET due to the DC current test will be described. It was found that this was not caused by misfit dislocations but by tensile stress in the epitaxially grown film. For example, in a GaAs / Si MESFET, the linear expansion coefficient of GaAs is about twice that of Si, so that a tensile stress is generated in the epitaxial growth film due to the temperature drop after growth. Due to such tensile stress, the dispersion relation near the bottom of the conduction band is approximated with Γ as a positive energy value,
[0015]
[Expression 2]
Figure 0004794022
[0016]
Can be written. Γ (> 0) means a decrease in the conduction band due to tensile stress. Here, m is the effective mass of conduction electrons, and Ec is the energy at the bottom of the conduction band. At this time, the density of states N (E) of electrons in the conduction band is
[0017]
[Equation 3]
Figure 0004794022
[0018]
It becomes.
[0019]
The number of electrons in the conduction band is
[0020]
[Expression 4]
Figure 0004794022
[0021]
Can be written. As can be seen, Γ increases the density of states and the number of electrons in the conduction band. That is, in the GaAs / Si MESFET, in the initial state before aging, the state density is larger than that of GaAs / GaAs due to the tensile stress applied to the channel portion of the epitaxial growth film, and the current value is increased. ing. Therefore, it is considered that local stress relaxation occurs due to long-term aging, and the increased current value becomes small. That is, Γ (> 0) decreases with time, and this is observed as a decrease in current value.
[0022]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a compound semiconductor device that eliminates deterioration of high-frequency characteristics and a decrease in current value due to a DC current test.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, in the semiconductor device according to claim 1, in the semiconductor device in which a compound semiconductor layer is provided on a Si single crystal substrate, the compound semiconductor layer includes a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor. layer When Are stacked in order, and the first compound semiconductor layer is a GaAs layer. Contains C as an impurity In x Al y Ga 1-xy As layer (0 <x ≦ 0.05, 0.2 ≦ y ≦ 0.6) When And the second compound semiconductor layer is made of In. t Ga 1-t It is formed of a layer including an As layer (t ≧ 0.2). t Ga 1-t An As layer (t ≧ 0.2) is used as the channel.
[0024]
In the semiconductor device, the GaAs layer is preferably formed to a thickness of 100 to 200 mm.
[0025]
In the semiconductor device, the impurity density of the first compound semiconductor layer measured by mercury probe CV measurement is 2 × 10. 16 atoms · cm -3 The thickness of the above region is desirably 0.1 μm or less.
[0026]
Further, in the semiconductor device, the In t Ga 1-t It is desirable that a Schottky electrode containing Pt is formed on the As layer (t ≧ 0.2).
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments according to the claims will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a semiconductor device according to claim 1; 1 is a Si substrate, 2 is a GaAs layer, 3 is an InAlGaAs layer, 4 is an i-InGaAs layer, 5 is an n-InGaAs layer, and 6 is n + -InGaAs layer, 7 is an ohmic electrode, 8 is a gate electrode, 9b is SiO 2 It is a membrane.
[0028]
Resistivity 2-6 × 10 Three On the high-resistance Si substrate 1 of about Ωcm, a GaAs layer 2 as a first compound semiconductor layer has a thickness of 150 Å, and an In layer on it. 0.02 Al 0.49 Ga 0.49 The As layer 3 is formed to 2.6 μm, and the i-InGaAs layer 4 is 1.6 μm as the second compound semiconductor layer thereon, and n-In which functions as the channel 0.2 Ga 0.8 As layer 5, n acting as contact layer + -In 0.2 Ga 0.8 As layer 6 is laminated.
[0029]
In such a compound semiconductor layer, a (100) Si substrate 1 having an off angle of several degrees in the (110) direction is placed on a carbon susceptor, and an organometallic material is thermally decomposed to form other organometallic material constituent elements. It is formed by a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) that is reacted at a high temperature. That is, first, after heat treatment at 900 to 950 ° C., the temperature was lowered to 400 to 450 ° C., and the GaAs layer 2 was grown to 150 ° C. and then heated to 620 ° C. which is a normal growth temperature. 0.02 Al 0.49 Ga 0.49 As layer 3 is grown to 2.6 μm, and then the substrate temperature is lowered to 580 ° C. 0.2 Ga 0.8 As layers 4-6 are grown. In 0.2 Ga 0.8 We have found that the As layer 4 is suitably used for stress reduction in the epitaxially grown film and contributes to the improvement of device reliability. This reason will be described later. The composition of In may be gradually changed from 0.02 to 0.2, or the In composition may be further increased by a growth method such as so-called metamorphic growth.
[0030]
In in the first semiconductor layers 2 and 3 0.02 Al 0.49 Ga 0.49 The As layer 3 contains C (carbon) as an impurity, and this C (carbon) is In. 0.02 Al 0.49 Ga 0.49 It functions as an impurity in the As site of the As layer 3 and compensates for n-type carriers due to diffusion of Si impurities from the Si substrate 1.
[0031]
FIG. 3 shows the measurement results of the carrier density in the depth direction of the epitaxially grown film of the conventional semiconductor device and the semiconductor device of the example of the present invention by the mercury probe CV measuring device manufactured by ASEC, and the horizontal axis is the depth of 0 μm. Is selected at the interface between the Si substrate 1 and the GaAs layer 2. The measurement was performed at 100 to 200 kHz. The measurement of the carrier density in the depth direction is often difficult to measure by CV measurement by electrochemical etching due to a decrease in depth resolution, but the depth is calculated from the extent of the depletion layer. This is possible with the mercury probe CV measurement. This measurement is performed by stopping the growth when the growth to the first semiconductor layers 2 and 3 is completed, or after removing the compound semiconductor layers after the second semiconductor layers 4, 5 and 6 by etching.
[0032]
In the case of a conventional semiconductor device, 3 × 10 from the silicon substrate 1 to about 0.35 μm. 16 atoms · cm -3 The carrier density is 1 × 10 up to about 0.85 μm. 16 atoms · cm -3 The carrier density was above.
[0033]
In the embodiment of the present invention, In 0.02 Al 0.49 Ga 0.49 As a growth condition of the As layer 3, the V / III ratio defined by the ratio of the number of moles of arsine in the group V gas to the total number of moles of trimethylindium, trimethylaluminum, and trimethylgallium in the group III gas is set to 100 to 150. By defining the impurity density, 3 × 10 16 cm -3 The thickness of the epitaxial growth film as described above was reduced to 0.1 μm or less.
[0034]
By forming such first semiconductor layers 2 and 3, parasitic capacitances such as MESFET and HEMT are reduced, and the high frequency characteristics are greatly improved. In this embodiment, when the gate length having a gate pad of 100 μm × 100 μm is 1 μm and the gate width is 100 μm, C para Decreases to 0.05 pF and the current gain cutoff frequency f T = 13 GHz, maximum oscillation frequency f MAX = 24 GHz MESFET was obtained.
[0035]
FIG. 5A shows the output impedance S of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. twenty two The measurement results are shown. The measurement was performed from 20 MHz to 20 GHz using a network analyzer 37369A manufactured by Wiltron. FIG. 5B shows a measurement result of a conventional semiconductor device having a GaAs layer on a Si substrate as an active layer, and FIG. 5C shows a semiconductor device having a GaAs epitaxial layer on a GaAs substrate as an active layer. It is a measurement result. As can be seen from these, the conventional semiconductor device having the GaAs layer on the Si substrate as the operation layer is greatly affected by the reactance component. This is probably due to the conductive layer at the interface. On the other hand, in the present embodiment, the first semiconductor layers 2 and 3 have a structure that compensates for n-type carriers due to diffusion of Si impurities from the substrate. twenty two It can be seen that is obtained.
[0036]
Doping of the impurity C (carbon) for the purpose of increasing resistance by such compensation is performed on part of the first compound semiconductor layers 2 and 3 with In. x Al y Ga 1-xy As layer (0 < x ≦ 0.05, 0.2 ≦ y ≦ 0.6) 3 can be easily achieved. When the Al composition y is increased, C (carbon) is likely to enter the As site, facilitating compensation. If the Al composition y is too large, the reliability will be deteriorated due to an increase in the channel temperature of the semiconductor device. Therefore, 0.2 ≦ y ≦ 0.6 is preferably used as the Al composition. Moreover, the surface morphology of the semiconductor substrate is improved by mixing a few percent of In.
[0037]
Further, the GaAs film 2 is formed in a thickness of 100 to 200 mm on the Si substrate side in the first semiconductor layers 2 and 3, but the surface morphology deteriorates if the thickness is less than 100 mm. When the GaAs film 2 is formed in a thickness of 200 mm or more, the parasitic capacitance increases and the high frequency characteristics are deteriorated.
[0038]
In addition, when AlGaAs or the like can be grown directly on the Si substrate 1, there is a possibility that the high-frequency characteristics may work more advantageously, but the effective solidification temperature of AlGaAs (defined later) is slightly higher than that of GaAs. , Increase warping and stress. In the case of this example, In is high in Si and effective solidification temperature (defined later). x Al y Ga 1-xy As layer (0 < Since the GaAs layer 2 is formed in the range of 100 to 200 mm between x ≦ 0.05 and 0.2 ≦ y ≦ 0.6), the driving force of warpage and stress due to the difference in linear expansion coefficient is reduced. And advantageous in terms of stress reduction.
[0039]
Next, In 0.2 Ga 0.8 The effect of reducing stress and substrate warpage by the As layers 4, 5, and 6 will be described. By examining in detail the experimental data of warpage and stress on heteroepitaxial growth substrates of various layer structures, the effective solidification temperature defined in (2) below is In 0.2 Ga 0.8 It has been found that As layers 4, 5, and 6 become smaller. This reduction in effective solidification temperature corresponds to a reduction in stress in the epitaxially grown film. The mechanism will be described below.
[0040]
N-1 epitaxial growth layer α as shown in FIG. 1 ~ Α n Consider a heteroepitaxial substrate with stacked layers. Since this heteroepitaxial substrate has a very high growth temperature, dislocations can move easily, and each layer α can be generated by the generation and movement of such dislocations. 1 ~ Α n The stress due to the difference in the linear expansion coefficient and the stress due to the difference in the lattice constant are alleviated, the wafer is not warped and is flat, and almost no stress is generated in the epitaxially grown film. However, when the temperature falls below a certain temperature, such dislocation generation and movement do not occur, stress cannot be relaxed, and each epitaxial growth layer α 1 ~ Α n At the same time, a force is applied in the opposite direction, and at the same time, the wafer begins to warp and stress begins to occur. This temperature is α 1 ~ Α n Each layer α 1 ~ Α n This will be referred to as the effective solidification temperature. Each epitaxial growth layer α 1 ~ Α n , And the Young's modulus of the substrate in order from the top 1 , E 2 , E Three ... E n And the thickness of the epitaxially grown film is h 1 , H 2 , H Three ………………, h n And the stress σ applied to the film i i Is the tensile stress positive,
[0041]
[Equation 5]
Figure 0004794022
[0042]
(1)
Can be written. Where b is the diameter of the substrate, ρ is the radius of curvature, and y u Is the distance from the top surface of the epitaxial growth substrate, y m Is the position of the neutral plane, and as shown in FIG. 1 ~ Α n The force F that works between them was determined. The first term of (1) is the epitaxial growth layer α 1 ~ Α n The stress is due to the force F acting between them, and the second term is the stress due to bending. At the same time, the magnitude is b 2 A warp of / 8ρ occurs.
[0043]
(1) Neutral axis position y in the equation m Is obtained because the sum of the bending stresses in the cross section is 0,
[0044]
[Formula 6]
Figure 0004794022
[0045]
It becomes. The radius of curvature ρ is the bending moment M tot And moment of inertia of section I i Easily obtained from
[0046]
[Expression 7]
Figure 0004794022
[0047]
Can be written. Where M tot And I i Are bending moment and cross-sectional second moment, respectively, and can be written as follows.
[0048]
[Equation 8]
Figure 0004794022
[0049]
,
[0050]
[Equation 9]
Figure 0004794022
[0051]
On the other hand, in the equation (1), F is largely relaxed by the transition and crystal defects here due to the difference in lattice constant, and the sum of the strain due to the force acting between the thermal strain and the epitaxial growth layer is different in each layer. Approximate to be equal,
[0052]
[Expression 10]
Figure 0004794022
[0053]
…………………………………………………………………………………… (2)
Can be written. Where ΔT i Is the temperature difference between the effective solidification temperature and room temperature. Actually, it can be considered that a strain term due to the difference in lattice constant is added to each equation, but in the first approximation, it is considered that the thermal strain due to the difference in linear expansion coefficient is dominant, and the effective solidification temperature Can be renormalized by redefinition. (2) ΔT in the equation i And the effective solidification temperature mentioned above must be understood as such quantity. In addition, when the effective solidification temperature of the lower layer formed earlier is low, the continuum approximation is not established until the effective solidification temperature is lower than the effective solidification temperature. Here, the solution of equation (2) is written down when n = 4 as in this embodiment.
[0054]
[Expression 11]
Figure 0004794022
[0055]
[Expression 12]
Figure 0004794022
[0056]
[Formula 13]
Figure 0004794022
[0057]
This F 1 ~ F Three From (1), the stress acting on the epitaxial growth film is obtained. We compared the effective solidification temperature defined in (2) with the experimental results of warpage of various heteroepitaxial film structures, and determined the effective solidification temperature of various compound semiconductor mixed crystals. For example, the effective solidification temperature of GaAs is about 350 ° C., and In 0.2 Ga 0.8 The effective solidification temperature of As is about 240 ° C.
[0058]
In this example, the stress and the substrate warp 0.2 Ga 0.8 A description will be given in comparison with a case where a GaAs layer is used instead of the As layers 4, 5 and 6. In this example 0.2 Ga 0.8 When a GaAs layer is used instead of As4, 5 and 6, the total stress obtained from (1) (residual stress of the epitaxially grown film) is 9.2 × 10 8 dyn / cm 2 The warpage in the case of a 3-inch substrate is b 2 / 8ρ to 79 μm. On the other hand, in this example, the total stress (residual stress of the epitaxially grown film) obtained from (1) is 2.6 × 10 6. 8 dyn / cm 2 And the warpage in the case of a 3-inch substrate is b 2 / 8ρ to 51 μm.
[0059]
In this way, In 0.2 Ga 0.8 By using As, warpage and stress are reduced by In. 0.2 Ga 0.8 This is probably because the effective solidification temperature of As is about 240 ° C., which is smaller than the effective solidification temperature of GaAs of about 350 ° C. Also, In t Ga 1-t The effective solidification temperature of the As layers 4, 5, 6 rapidly decreases in the vicinity of t to 0.2. Therefore, when t ≧ 0.2, the residual stress of such a substrate warp and epitaxial growth film is reduced.
[0060]
FIG. 2A shows current value fluctuations in the DC energization test of the MESFET of this example. Thus, the fluctuation of the current value was smaller than that of the conventional FIG. This is probably because the decrease in the conduction band due to the pulling stress remaining in the epitaxially grown film was small in the first place, and the change in the current value due to the energization test was also small.
[0061]
Using such a semiconductor substrate, a semiconductor device including MESFET and HEMT is formed by the following process. That is, as shown in FIG. 6A, a desired mesa region is limited by normal photolithography, and etching is performed halfway through the InGaAs film 4 using a mixed solution of sulfuric acid, hydrogen peroxide, and water as an etchant. After removing the resist, a slightly smaller mesa region is formed with a photoresist, and the compound semiconductor films 5 and 6 are similarly etched. Since this etching hinders disconnection of the gate electrode, it is desirable that the etching be slightly shallower than the first etching. In this way, two-stage mesas with different heights are formed.
[0062]
Next, as shown in FIG. 6B, the entire surface of the substrate is formed by a plasma CVD method or a sputtering method. 2 Or SiN x O y After forming an insulating film 9a made of, for example, about 1.5 μm and forming a photoresist opening pattern, the insulating film 9a is etched with buffer hydrofluoric acid or the like so that the compound semiconductor layer 6 on the mesa region is completely exposed. . Then, the insulating film 9a remains on the compound semiconductor layer 4, and the compound semiconductor layer 6 is exposed on the mesa region. The insulating film 9a may be etched by RIE (reactive ion etching) or CDE (chemical dry etching).
[0063]
Next, as shown in FIG. 7A, a gate electrode is formed. SiO is applied to the entire surface of the substrate using a plasma CVD method or the like. 2 An insulating film 9b made of 0.5 μm is formed. Subsequently, a photoresist opening pattern for forming a gate electrode is formed, and as shown in FIG. 2 The film 9b is etched. For this etching, BHF (buffered hydrofluoric acid) (HF: H 2 O: NH Four F = 1: 10: 10) is used. Note that wet etching from a fine opening can be easily performed by performing an ashing process using a plasma asher prior to etching and performing a pretreatment so that the etchant can enter the opening.
[0064]
Next, as shown in FIG. + -Recess etching of the InGaAs layer 6 is performed. First, an etching solution can enter the opening by ashing pretreatment, and then an aqueous solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide solution are mixed is used. + Etching until the InGaAs layer 6 is completely etched, and as shown in FIG. 7D, a gate electrode 8 made of Pt, Au / Pt / Ti, Au / Al / Pt, etc. Use to form. Since the gate is formed using the photoresist 10 as a mask, the gate length is determined by the opening width of the photoresist 10.
[0065]
When the gate electrode 8 is formed on the n-InGaAs layer 5 as in this embodiment, the gate electrode 8 is preferably an electrode containing Pt. The Schottky junction between the Pt-containing electrode and the InGaAs layer has a barrier height of about 1.2 eV, which is higher than the Schottky barrier height of GaAs and Al or Ti of about 0.8 eV. For this reason, when a large signal operation is performed, the current swing width can be increased and a large output can be obtained. In addition, since the degree of freedom in designing the amplifier is increased, it is possible to relatively easily form an amplifier that satisfies the linearity and the high efficiency that are in a trade-off relationship with each other.
[0066]
Thereafter, as shown in FIG. 7E, the photoresist 10 and the gate electrode 8 thereon are removed by lifting off the photoresist 10.
[0067]
Finally, an opening pattern (not shown) for forming the ohmic electrode 7 is formed on the ohmic contact layer 6, the insulating film 9b is etched with buffer hydrofluoric acid, and then AuGe / Au or AuGe is formed on the ohmic contact layer 6. A semiconductor device as shown in FIG. 1 is formed by depositing an ohmic electrode 7 made of / Ni / Au, patterning it by lift-off, and alloying it by heat treatment.
[0068]
It is obvious to those skilled in the art that the same effect can be obtained by forming an InAlAs / InGaAs or AlGaAs / InGaAs type HEMT instead of the MESFET.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device of the first aspect, the first compound semiconductor layer provided on the Si single crystal substrate is the GaAs layer. Contains C as an impurity In x Al y Ga 1-xy As layer (0 ≦ x ≦ 0.05, 0.2 ≦ y ≦ 0.6) When Therefore, the resistance of the buffer layer is increased, and the high frequency characteristics such as the current gain cutoff frequency and the maximum oscillation frequency are greatly improved. The second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer is In t Ga 1-t It is formed of a layer including an As layer (t ≧ 0.2). t Ga 1-t Since the As layer (t ≧ 0.2) is used as the channel, the residual stress in the epitaxial growth film is reduced, and the excellent reliability of the semiconductor device can be ensured. At the same time, substrate warpage can be reduced, and the yield can be greatly improved.
[0070]
Further, in the semiconductor device according to claim 2, since the thickness of the GaAs layer on the Si single crystal substrate side in the first compound semiconductor layer is formed to be 100 to 200 mm, the high frequency characteristics are maintained while keeping the substrate warpage and stress small. Can be improved. In addition, a semiconductor substrate having a good surface morphology can be obtained, and the manufacturing yield of semiconductor devices can be improved.
According to the semiconductor device of the third aspect, the impurity density in the first compound semiconductor layer measured by mercury probe CV measurement is 2 × 10. 16 cm -3 Various growth conditions are adjusted so that the thickness of the epitaxially grown film is 0.1 μm or less, and the amount of impurities such as carbon is optimized, so that the high frequency characteristics are improved.
[0071]
Furthermore, according to the semiconductor device of claim 4, the In t Ga 1-t Since the Schottky electrode containing Pt is formed on the As layer (t ≧ 0.2), the Schottky barrier height increases and the gate breakdown voltage increases. In addition, since the swing width during large signal operation can be increased, drain efficiency, power addition efficiency, and the like are improved, and power consumption can be reduced when a high-frequency semiconductor device is formed. Further, since the Schottky barrier height is large, an enhancement type semiconductor device having excellent characteristics can be easily formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view in a direction perpendicular to a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention.
2A is a result of a DC energization test of a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 2B is a result of a DC energization test of a conventional semiconductor device using GaAs on an Si substrate as an operating layer.
FIG. 3 is a measurement result of carrier density in the depth direction by mercury probe type CV measurement.
FIG. 4 is a diagram for explaining warpage and stress reduction in an epitaxially grown film.
FIG. 5A is an output impedance S of a semiconductor device according to the present invention. twenty two (B) is the output impedance S of the conventional semiconductor device. twenty two (C) is the output impedance S of the semiconductor device on the GaAs substrate. twenty two It is a measurement result.
6A to 6B are cross-sectional views in the direction parallel to the gate electrode of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
7A to 7E are views for explaining a method for forming a gate electrode of a semiconductor device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Si substrate, 2 ... GaAs layer, 3 ... InAlGaAs layer, 4 ... i-InGaAs layer, 5 ... n-InGaAs layer, 6 ... n + -InGaAs layer, 7 ... Ohmic electrode, 8 ... Gate electrode, 9 (a) ... SiO 2 Membrane, 9 (b) ... SiO 2 Film, 10 ... Photoresist

Claims (4)

Si単結晶基板上に化合物半導体層を設けた半導体装置において、前記化合物半導体層が第一の化合物半導体層と第二の化合物半導体層を順に積層して形成されており、前記第一の化合物半導体層がGaAs層と不純物としてCを含むInxAlyGa1-x-yAs層(0<x≦0.05、0.2≦y≦0.6)から形成されており、前記第二の化合物半導体層がIntGa1-tAs層(t≧0.2)を含む層で形成されており、このIntGa1-tAs層(t≧0.2)をチャネルとして用いることを特徴とする半導体装置。In a semiconductor device in which a compound semiconductor layer is provided on a Si single crystal substrate, the compound semiconductor layer is formed by sequentially stacking a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer, and the first compound semiconductor layer is formed from an in x Al y Ga 1-xy as layer containing C as the GaAs layer and the impurity (0 <x ≦ 0.05,0.2 ≦ y ≦ 0.6), the second compound semiconductor layer is formed of a layer containing in t Ga 1-t as layer (t ≧ 0.2), the use of this in t Ga 1-t as layer (t ≧ 0.2) as a channel A semiconductor device characterized by the above. 前記GaAs層が100〜200Åの厚みに形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。  2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the GaAs layer is formed to a thickness of 100 to 200 mm. 前記第一の化合物半導体層における水銀プローブ式C−V測定による不純物密度が2×1016atoms・cm-3以上である領域の厚みが0.1μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The thickness of the region where the impurity density in the first compound semiconductor layer is 2 × 10 16 atoms · cm −3 or more as measured by mercury probe CV measurement is 0.1 μm or less. The semiconductor device described. 前記IntGa1-tAs層(t≧0.2)上にPtを含むショットキー電極が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a Schottky electrode containing Pt is formed on the In t Ga 1-t As layer (t ≧ 0.2).
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