JP6622106B2 - Compound semiconductor substrate manufacturing method, compound semiconductor substrate, and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板、半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate, and a semiconductor device.
InSb薄膜は電子移動度が大きく、ホール素子や磁気センサの材料として適していることが知られている。磁気センサへの応用では高感度、低消費電力かつ低ノイズが必要とされる。言い換えれば、高電子移動度、膜厚が薄いこと、かつ結晶性が良いことが必須となる。これらの電子デバイスにおけるInSb薄膜は電流リークを防ぐために半絶縁基板であるGaAsやInP基板上に形成されていた。(非特許文献1参照) InSb thin films have a high electron mobility and are known to be suitable as materials for Hall elements and magnetic sensors. Application to a magnetic sensor requires high sensitivity, low power consumption, and low noise. In other words, high electron mobility, thin film thickness, and good crystallinity are essential. InSb thin films in these electronic devices are formed on a GaAs or InP substrate which is a semi-insulating substrate in order to prevent current leakage. (See Non-Patent Document 1)
加工性に優れたInSb薄膜を得るためには、InSb薄膜の表面の状態が重要となる。InSb薄膜の表面が荒れていると、その上にさらに膜を形成する場合や、配線を形成する場合に、膜の結晶性が悪化したり断線したりする可能性があり、加工性が低くなる。 In order to obtain an InSb thin film excellent in workability, the surface state of the InSb thin film is important. If the surface of the InSb thin film is rough, the crystallinity of the film may be deteriorated or disconnected when a film is further formed thereon or when a wiring is formed, resulting in low workability. .
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、加工性に優れた、In及びSbを含む層を備える化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板、半導体装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a compound semiconductor substrate manufacturing method, a compound semiconductor substrate, and a semiconductor device, which are excellent in workability and include a layer containing In and Sb. With the goal.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、電気抵抗率が1×105Ωcm以上である基板の表面の温度を320℃以上360℃以下に保持した状態で、前記基板上に有機金属気相成長法を用いてIn原料とSb原料とZn原料とを供給して、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下であり、膜厚が10nm以上50nm以下である第1の化合物半導体層を成長させる工程と、前記第1の化合物半導体層の表面の温度を460℃以上530℃以下に保持した状態で、前記第1の化合物半導体層上に有機金属気相成長法を用いてIn原料とSb原料とを供給して第2の化合物半導体層を成長させる工程と、を備える化合物半導体基板の製造方法により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors have found that the surface temperature of the substrate having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or higher is maintained at 320 ° C. or higher and 360 ° C. or lower on the substrate. An In raw material, an Sb raw material, and a Zn raw material are supplied to each other using a metal organic vapor phase epitaxy method, the zinc concentration is 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 18 cm −3 or less, and the film thickness is A step of growing a first compound semiconductor layer having a thickness of 10 nm or more and 50 nm or less, and a surface temperature of the first compound semiconductor layer being maintained at 460 ° C. or more and 530 ° C. or less on the first compound semiconductor layer; And a method of growing a second compound semiconductor layer by supplying an In raw material and an Sb raw material using a metal organic vapor phase epitaxy method to the above-mentioned problem. Complete the invention Made.
また本発明の別の態様として、電気抵抗率が1x105Ωcm以上である基板と、前記基板上に形成され、In及びSbを含み、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下である第1の化合物半導体層と、前記第1の化合物半導体層上に形成され、In及びSbを含む第2の化合物半導体層と、を備え、前記第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さが0.5nm以上0.9nm以下である化合物半導体基板により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。 As another aspect of the present invention, a substrate having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or more, and formed on the substrate, containing In and Sb, and a zinc concentration of 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 A first compound semiconductor layer that is 18 cm −3 or less, and a second compound semiconductor layer that is formed on the first compound semiconductor layer and contains In and Sb, the second compound semiconductor layer It was found that the above problems can be solved by a compound semiconductor substrate having an average square roughness of the surface of 0.5 to 0.9 nm, and the present invention has been completed.
本発明の一態様によれば、加工性に優れた、In及びSbを含む層を備える化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板、半導体装置を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a compound semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate, and a semiconductor device, each including an In and Sb-containing layer with excellent workability.
以下、本発明を実施するための形態(以下、本実施形態と称する)について詳細に説明する。
<化合物半導体基板>
本実施形態の化合物半導体基板は、電気抵抗率が1x105Ωcm以上である基板と、基板上に形成され、In及びSbを含み、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下である第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に形成され、In及びSbを含む第2の化合物半導体層と、を備え、第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さが0.5nm以上0.9nm以下である。これにより、加工性に優れた化合物半導体基板が実現される。
Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) will be described in detail.
<Compound semiconductor substrate>
The compound semiconductor substrate of this embodiment includes a substrate having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or more, and formed on the substrate, includes In and Sb, and has a zinc concentration of 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 18. a first compound semiconductor layer that is cm −3 or less, and a second compound semiconductor layer that is formed on the first compound semiconductor layer and contains In and Sb, and on the surface of the second compound semiconductor layer The mean square roughness is 0.5 nm or more and 0.9 nm or less. Thereby, the compound semiconductor substrate excellent in workability is realized.
[基板]
本実施形態の化合物半導体基板において、基板としては、電気抵抗率が1x105Ωcm以上であって、その上に第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層を形成可能なものであれば特に制限されない。基板は、結晶性が良好な第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層を形成する観点から、InSbと同じ結晶対称性を有する基板であることが好ましく、さらに安価かつ大型の基板が入手しやすいことからGaAs、Si、InAsまたはGaSbのいずれか一つで構成される基板であることが好ましい。
[substrate]
In the compound semiconductor substrate of this embodiment, as the substrate, an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or more can be used as long as the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer can be formed thereon. Not limited. From the viewpoint of forming the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer having good crystallinity, the substrate is preferably a substrate having the same crystal symmetry as InSb, and an inexpensive and large substrate is available. Since it is easy to do, it is preferable that it is a board | substrate comprised by any one of GaAs, Si, InAs, or GaSb.
[第1の化合物半導体層]
本実施形態の化合物半導体基板において、第1の化合物半導体層は、基板上に形成され、In及びSbを含み、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下の層である。第1の化合物半導体層は、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下であり、In及びSbを含む層であれば特に限定はされず、その他の原子を含む混晶であってもよい。
[First compound semiconductor layer]
In the compound semiconductor substrate of the present embodiment, the first compound semiconductor layer is formed on the substrate, contains In and Sb, and has a zinc concentration of 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 18 cm −3 or less. Is a layer. The first compound semiconductor layer is not particularly limited as long as it has a zinc concentration of 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 18 cm −3 or less and contains In and Sb. A mixed crystal may be included.
(亜鉛のドーピングの確認方法)
亜鉛のドーピングの有無は、二次イオン質量測定(SIMS)を用いた不純物元素量の測定を行うことによって確認することができる。また後述の第1の化合物半導体層に含まれる亜鉛の濃度についても、SIMSを用いた不純物元素量の測定から求めることができる。
(Confirmation method of zinc doping)
Presence or absence of zinc doping can be confirmed by measuring the amount of impurity elements using secondary ion mass measurement (SIMS). Further, the concentration of zinc contained in the first compound semiconductor layer to be described later can also be obtained from measurement of the amount of impurity elements using SIMS.
(In及びSbを含むことの確認方法)
In及びSbを含むことの有無は、蛍光X線分析(XRF)、ラザフォード後方散乱分光(RBS)、二次イオン質量測定SIMSおよびX線光電子分光(XPS)により確認することが可能である。
また本実施形態の化合物半導体基板において、第1の化合物半導体層の膜厚が10nm以上50nm以下であってもよい。これにより第2の化合物半導体層の結晶性が向上するという効果を奏する。これは、第1の化合物半導体層の膜厚が10nm以上50nm以下であることで、成長核の分散が2次元的な広がりをもつというメカニズムにより、第2の化合物半導体層の結晶性が向上するためである。
(Confirmation method of containing In and Sb)
The presence or absence of In and Sb can be confirmed by X-ray fluorescence analysis (XRF), Rutherford backscattering spectroscopy (RBS), secondary ion mass measurement SIMS, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
In the compound semiconductor substrate of this embodiment, the film thickness of the first compound semiconductor layer may be 10 nm or more and 50 nm or less. As a result, the crystallinity of the second compound semiconductor layer is improved. This is because the film thickness of the first compound semiconductor layer is 10 nm or more and 50 nm or less, and the crystallinity of the second compound semiconductor layer is improved by the mechanism that the dispersion of growth nuclei has a two-dimensional spread. Because.
(膜厚の測定方法)
第1の化合物半導体層の膜厚は、蛍光X線分析(XRF)、二次イオン質量測定(SIMS)、走査型電子顕微鏡(SEM)または透過型電子顕微鏡(TEM)による劈開断面測定により測定することが可能である。
(Measuring method of film thickness)
The film thickness of the first compound semiconductor layer is measured by cleaved cross-sectional measurement using fluorescent X-ray analysis (XRF), secondary ion mass measurement (SIMS), scanning electron microscope (SEM), or transmission electron microscope (TEM). It is possible.
[第2の化合物半導体層]
本実施形態の化合物半導体基板において、第2の化合物半導体層は、第1の化合物半導体層上に形成され、In及びSbを含む層である。第2の化合物半導体層はIn及びSbを含む層であれば特に限定はされず、その他の原子を含む混晶であってもよい。また本実施形態の化合物半導体基板における第2の化合物半導体層は、第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さが0.5nm以上0.9nm以下である。
(平均二乗粗さの定義)
ここでいう表面二乗粗さとは、原子間力顕微鏡(AFM)測定における表面観察から算出される値である。
[Second Compound Semiconductor Layer]
In the compound semiconductor substrate of this embodiment, the second compound semiconductor layer is a layer formed on the first compound semiconductor layer and containing In and Sb. The second compound semiconductor layer is not particularly limited as long as it is a layer containing In and Sb, and may be a mixed crystal containing other atoms. In the second compound semiconductor layer in the compound semiconductor substrate of this embodiment, the mean square roughness of the surface of the second compound semiconductor layer is 0.5 nm or more and 0.9 nm or less.
(Definition of mean square roughness)
The surface square roughness referred to here is a value calculated from surface observation in atomic force microscope (AFM) measurement.
[第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層]
本実施形態の化合物半導体基板において、第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層は、膜厚が10nm以上3000nm以下であり、X線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(1)で算出される範囲を満たしてもよい。
FWHM[arcsec]≦11600×t−0.506[arcsec]・・・(1)
(t=第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層の膜厚(nm))
これにより、加工性に優れるだけでなく、さらに結晶性が良好な化合物半導体基板が実現される。
[Layer Consisting of First Compound Semiconductor Layer and Second Compound Semiconductor Layer]
In the compound semiconductor substrate of this embodiment, the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer has a thickness of 10 nm to 3000 nm, and is calculated from ω scan rocking curve measurement by X-ray diffraction. The full width at half maximum FWHM may satisfy the range calculated by the following formula (1).
FWHM [arcsec] ≦ 11600 × t −0.506 [arcsec] (1)
(T = film thickness (nm) of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer)
As a result, a compound semiconductor substrate having not only excellent workability but also good crystallinity is realized.
(膜厚の測定方法)
第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層の膜厚は、蛍光X線分析(XRF)、二次イオン質量測定(SIMS)、走査型電子顕微鏡(SEM)または透過型電子顕微鏡(TEM)による劈開断面測定により測定することが可能である。
本実施形態の化合物半導体基板において、第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とを区別する方法としては、亜鉛のドーピングの有無によって区別する方法が挙げられる。上述のSIMSを用いた不純物元素量の測定を行い、亜鉛の存在が確認される層が第1の化合物半導体層に該当し、亜鉛の存在が確認されない(測定限界以下の量しか検出されない)層が第2の化合物半導体層に該当する。
(Measuring method of film thickness)
The film thickness of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer is determined by X-ray fluorescence analysis (XRF), secondary ion mass measurement (SIMS), scanning electron microscope (SEM), or transmission electron microscope. It can be measured by cleavage cross-sectional measurement by (TEM).
In the compound semiconductor substrate of the present embodiment, as a method of distinguishing between the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer, a method of distinguishing according to the presence or absence of zinc doping may be mentioned. A layer in which the presence of zinc is confirmed by the measurement of the amount of impurity elements using SIMS described above corresponds to the first compound semiconductor layer, and the presence of zinc is not confirmed (only an amount below the measurement limit is detected) Corresponds to the second compound semiconductor layer.
(半値幅FWHMの定義)
ここでいう半値幅FWHMとは、第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層の主面に対し、X線回折によるωスキャンロッキングカーブを測定したとき、ピークトップ(すなわち、測定された回折強度のピーク値)から回折強度が半分になる角度幅のことである。
(Definition of half-width FWHM)
The full width at half maximum FWHM here is the peak top when the ω-scan rocking curve by X-ray diffraction is measured with respect to the main surface of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer. It is the angle width at which the diffraction intensity is halved from the peak value of the diffraction intensity.
本実施形態の化合物半導体基板における第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層は、膜厚が10nm以上1500nm以下であり、電子移動度EMが下記式(2)で算出される範囲を満たしてもよい。
4.8×10−6×t3−0.035×t2+84×t−2000[cm2V−1s]≦EM[cm2V−1s]・・・(2)
(t=第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層の膜厚(nm))
これにより、加工性に優れるだけでなく、さらに高移動度な化合物半導体基板が実現される。これにより、化合物半導体基板を例えば磁気センサなどのデバイスに応用した際に、高感度なデバイスが実現される。
The layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer in the compound semiconductor substrate of the present embodiment has a thickness of 10 nm to 1500 nm, and the electron mobility EM is calculated by the following formula (2). The range may be satisfied.
4.8 × 10 −6 × t 3 −0.035 × t 2 + 84 × t−2000 [cm 2 V −1 s] ≦ EM [cm 2 V −1 s] (2)
(T = film thickness (nm) of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer)
As a result, a compound semiconductor substrate having not only excellent workability but also higher mobility is realized. Thereby, when the compound semiconductor substrate is applied to a device such as a magnetic sensor, a highly sensitive device is realized.
(電子移動度EMの測定方法)
電子移動度EMは、Van der Pauw法によるホール測定を行うことによって測定することができる。ここで、基板は絶縁体とみなすことができるため、Van der Pauw法によるホール測定を行うことで、第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層の電子移動度EMを測定することが可能である。
本実施形態の化合物半導体基板における第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層のキャリア濃度は1.3x1016cm−3以上1.7x1016cm−3以下であってもよい。これにより、高抵抗な化合物半導体基板が実現され、デバイス化した際に省消費電力なデバイスが実現される。
(Measurement method of electron mobility EM)
The electron mobility EM can be measured by performing hole measurement by the Van der Pauw method. Here, since the substrate can be regarded as an insulator, the electron mobility EM of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer is measured by performing hole measurement by the Van der Pauw method. It is possible.
The carrier concentration of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer in the compound semiconductor substrate of the present embodiment may be 1.3 × 10 16 cm −3 or more and 1.7 × 10 16 cm −3 or less. As a result, a high-resistance compound semiconductor substrate is realized, and a device that consumes less power when realized as a device is realized.
(キャリア濃度の定義と測定方法)
ここでいうキャリア濃度とは、第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層中に含まれる電子の濃度を意味する。またキャリア濃度は、Van der Pauw法によるホール測定を行うことによって測定することができる。ここで、基板は絶縁体とみなすことができるため、Van der Pauw法によるホール測定を行うことで、第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層のキャリア濃度を測定することが可能である。
(Definition and measurement method of carrier concentration)
The carrier concentration here means the concentration of electrons contained in the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer. The carrier concentration can be measured by performing hole measurement by the Van der Pauw method. Here, since the substrate can be regarded as an insulator, the carrier concentration of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer can be measured by performing hole measurement by the Van der Pauw method. Is possible.
<半導体装置>
また、本実施形態の化合物半導体基板を用いて半導体装置を作製してもよい。具体的には、化合物半導体基板の第2の化合物半導体層を活性層とすればよい。または、化合物半導体基板の、第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層を活性層としてもよい。第2の化合物半導体層、または、第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層を活性層として用いる半導体装置の具体例としては、磁気センサやホール素子や赤外線センサ素子等が挙げられる。いずれも公知の方法を用いて作製することが可能である。この半導体装置は、加工性に優れた、In及びSbを含む層を備える化合物半導体基板を備えるため、高特性の半導体装置を得ることが可能である。
<Semiconductor device>
In addition, a semiconductor device may be manufactured using the compound semiconductor substrate of this embodiment. Specifically, the second compound semiconductor layer of the compound semiconductor substrate may be an active layer. Alternatively, a layer formed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer of the compound semiconductor substrate may be used as the active layer. Specific examples of the semiconductor device using the second compound semiconductor layer or the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer as an active layer include a magnetic sensor, a Hall element, an infrared sensor element, and the like. It is done. Any of them can be produced using a known method. Since this semiconductor device includes a compound semiconductor substrate that is excellent in workability and includes a layer containing In and Sb, it is possible to obtain a high-performance semiconductor device.
<化合物半導体基板の製造方法>
次に、本実施形態の化合物半導体層の製造方法について説明する。
本実施形態の化合物半導体基板の製造方法は、電気抵抗率が1×105Ωcm以上である基板の表面の温度を320℃以上360℃以下に保持した状態で、基板上に有機金属気相成長法を用いてIn原料とSb原料とZn原料とを供給し、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下であり、膜厚が10nm以上50nm以下である第1の化合物半導体層を成長させる工程と、第1の化合物半導体層の表面の温度を460℃以上530℃以下に保持した状態で、第1の化合物半導体層上に有機金属気相成長法を用いてIn原料とSb原料とを供給して第2の化合物半導体層を成長させる工程と、を備える。
<Method for producing compound semiconductor substrate>
Next, the manufacturing method of the compound semiconductor layer of this embodiment is demonstrated.
In the method of manufacturing a compound semiconductor substrate according to the present embodiment, metal organic vapor phase growth is performed on the substrate while maintaining the temperature of the surface of the substrate having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or more at 320 ° C. or more and 360 ° C. or less. The In raw material, the Sb raw material, and the Zn raw material are supplied using the method, the zinc concentration is 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 18 cm −3 or less, and the film thickness is 10 nm or more and 50 nm or less. Using the metal organic vapor phase growth method on the first compound semiconductor layer while maintaining the temperature of the surface of the first compound semiconductor layer at 460 ° C. or higher and 530 ° C. or lower. And supplying an In raw material and an Sb raw material to grow a second compound semiconductor layer.
これらの各工程(第1の化合物半導体層成長工程、第2の化合物半導体層成長工程)を備えることにより、所定の膜厚範囲において、加工性に優れた、In及びSbを含む層を備える化合物半導体基板を得ることが可能となる。
第1の化合物半導体層成長工程と第2の化合物半導体層成長工程とを同一の温度条件で行う(つまり、第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とを同一の温度条件で成長させる)方法では、第2の化合物半導体層が3次元的に成長を起こし、第2の化合物半導体層の表面の平坦性が大きく損なわれるという問題が起きてしまう。
By providing each of these steps (first compound semiconductor layer growth step, second compound semiconductor layer growth step), a compound comprising a layer containing In and Sb that is excellent in workability in a predetermined film thickness range. A semiconductor substrate can be obtained.
The first compound semiconductor layer growth step and the second compound semiconductor layer growth step are performed under the same temperature condition (that is, the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are grown under the same temperature condition). ) Causes a problem that the second compound semiconductor layer grows three-dimensionally and the flatness of the surface of the second compound semiconductor layer is greatly impaired.
これに対し、本実施形態のように、基板の温度を320℃以上360℃以下に保持した状態で、第1の化合物半導体層を成長させ、その後、第1の化合物半導体層の表面の温度を460℃以上530℃以下に保持した状態で、第2の化合物半導体層を成長させることで、表面平坦性が良好で、加工性に優れた、In及びSbを含む層を備える化合物半導体基板を得ることが可能となる。 On the other hand, as in the present embodiment, the first compound semiconductor layer is grown in a state where the substrate temperature is maintained at 320 ° C. or higher and 360 ° C. or lower, and then the surface temperature of the first compound semiconductor layer is increased. By growing the second compound semiconductor layer while maintaining the temperature at 460 ° C. or higher and 530 ° C. or lower, a compound semiconductor substrate including a layer containing In and Sb having excellent surface flatness and excellent workability is obtained. It becomes possible.
このメカニズムの詳細については定かではないものの、マイグレーションの度合が低い層を成膜工程の初期に持ってくることにより、基板界面からの3次元成長を抑制できることによるものと推察される。
また第1の化合物半導体層を成長させる工程でZn原料を供給せず、In原料とSb原料のみを供給して成長させた場合、基板から発生するボイドを起点としたドロップが第2の化合物半導体層表面に析出するという問題が起きてしまう。
Although the details of this mechanism are not clear, it is presumed that three-dimensional growth from the substrate interface can be suppressed by bringing a layer with a low degree of migration at the beginning of the film forming process.
Further, when the growth of the first compound semiconductor layer is performed by supplying only the In material and the Sb material without supplying the Zn material, the drop starting from the void generated from the substrate is the second compound semiconductor. The problem of precipitation on the layer surface occurs.
これに対し、本実施形態のように、第1の化合物半導体層を成長させる工程でZn原料を供給して第1の化合物半導体層を成長させることで、表面平坦性が良好で、加工性に優れた、In及びSbを含む層を備える化合物半導体基板を得ることが可能となる。
このメカニズムの詳細については、第1の化合物半導体層にZnを取り込むことにより、基板のボイドから発生する転位をZnが抑制することによるものと推察される。
第1の化合物半導体層成長工程、第2の化合物半導体層成長工程に用いるIn原料、Sb原料及びZn原料としては、有機金属気相成長法に用いることができる原料であれば特に限定されない。
On the other hand, as in this embodiment, by supplying the Zn raw material in the step of growing the first compound semiconductor layer and growing the first compound semiconductor layer, the surface flatness is good and the workability is improved. An excellent compound semiconductor substrate including a layer containing In and Sb can be obtained.
The details of this mechanism are presumed to be due to the suppression of dislocations generated from voids in the substrate by incorporating Zn into the first compound semiconductor layer.
The In raw material, the Sb raw material, and the Zn raw material used in the first compound semiconductor layer growth step and the second compound semiconductor layer growth step are not particularly limited as long as they are raw materials that can be used in the metal organic chemical vapor deposition method.
(基板の温度及び第1の化合物半導体層の表面の温度の測定方法)
基板の温度の測定方法としては、パイロメーターを行うことによって測定することができる。
また本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、In原料がトリメチルインジウム(TMIn)またはトリエチルインジウム(TEIn)であり、Sb原料がトリメチルアンチモン(TMSb)、トリエチルアンチモン(TESb)またはトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)のいずれか一つであり、Zn原料がジメチル亜鉛(DMZn)またはジエチル亜鉛(DEZn)であってもよい。原料分解温度の観点から、上記の原料を用いることが好ましい場合がある。
(Measuring method of substrate temperature and surface temperature of first compound semiconductor layer)
The substrate temperature can be measured by performing a pyrometer.
In the compound semiconductor substrate manufacturing method of this embodiment, the In raw material is trimethylindium (TMIn) or triethylindium (TEIn), and the Sb raw material is trimethylantimony (TMSb), triethylantimony (TESb), or trisdimethylaminoantimony ( Any of TDMASb), and the Zn raw material may be dimethylzinc (DMZn) or diethylzinc (DEZn). From the viewpoint of the raw material decomposition temperature, it may be preferable to use the above raw materials.
また本実施形態の化合物半導体基板の製造方法において、基板がGaAs、Si、InAsまたはGaSbのいずれか一つであってもよい。InSbと同じ結晶対称性を持っていることが好ましく、さらに安価かつ大型の基板が入手しやすいことから上記の基板の材料が好ましい材料として挙げられる。 Further, in the compound semiconductor substrate manufacturing method of the present embodiment, the substrate may be any one of GaAs, Si, InAs, or GaSb. It is preferable to have the same crystal symmetry as InSb, and since a cheap and large-sized substrate is easily available, the above-described substrate material is preferable.
<断面構造の具体例>
次に、本実施形態に係る化合物半導体基板の断面構造の具体例を、図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する全ての図面において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、図面は模式的なものであり、各図における各層の長さ、厚さの寸法は現実のものとは異なり、それらの比等も現実のものとは異なる場合がある。
<Specific example of cross-sectional structure>
Next, a specific example of a cross-sectional structure of the compound semiconductor substrate according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. However, in all the drawings described below, parts corresponding to each other are denoted by the same reference numerals, and description of the overlapping parts will be omitted as appropriate. Further, the drawings are schematic, and the length and thickness dimensions of each layer in each drawing are different from the actual ones, and their ratios may be different from the actual ones.
図1は、本実施形態に係る化合物半導体基板100の構成例を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る化合物半導体基板100は、電気抵抗率が1x105Ωcm以上である基板1と、基板1上に形成された第1の化合物半導体層11と、第1の化合物半導体層11上に形成された第2の化合物半導体層12と、を備える。第1の化合物半導体層11は、In及びSbを含み、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下である。第2の化合物半導体層12は、In及びSbを含み、その表面の平均二乗粗さが0.5nm以上0.9nm以下である。これにより、加工性に優れた化合物半導体基板が実現されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a
なお、図1では示さないが、本実施形態に係る化合物半導体基板100では、第1の化合物半導体層11及び第2の化合物半導体層12からなる層10と、基板1との間にバッファ層が設けられていてもよい。バッファ層は、格子不整合を緩和する観点から、In及びSbを含む層であることが好ましい。また、バッファ層の膜厚に特に制限はないが、全体の膜厚を薄く保つという観点からは、5nm以上、30nm以下であることが好ましい。
Although not shown in FIG. 1, in the
図2は、本実施形態に係る半導体装置200の構成例を示す断面図である。図2に示すように、この半導体装置200は、化合物半導体基板100と、この化合物半導体基板100に形成された素子150とを備える。素子150は、例えばホール素子であり、その上面側に複数の電極151を有する。化合物半導体基板100が備える、第1の化合物半導体層11及び第2の化合物半導体層12からなる層10は、この素子150の少なくとも一部として機能する活性層(例えば、感磁層)である。
なお、図2では、第1の化合物半導体層11及び第2の化合物半導体層12からなる層10と、基板1との間にバッファ層5が設けられている場合を示しているが、本実施形態においてバッファ層5は無くてもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the
FIG. 2 shows the case where the
<実施例>
4インチの半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmであった。
この半絶縁GaAs基板上に、320℃、340℃、360℃の3温度でZnがドープされた第1のInSb層(第1の化合物半導体層)を形成した。In原料としてトリメチルインジウム(TMIn)またはトリエチルインジウム(TEIn)、Sb原料としてトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)またはトリメチルアンチモン(TMSb)を用いた。Znドーピングの原料としてジエチル亜鉛(DEZn)またはジメチル亜鉛(DMZn)を用いた。このZnがドーピングされた第1のInSb層(第1の化合物半導体層)の形成には、MOCVD装置を用いた。第1のInSb層は、SIMS測定からZnのドーピング量を測定し、XRF測定から膜厚を測定した。
<Example>
A 4-inch semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate had an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm.
A first InSb layer (first compound semiconductor layer) doped with Zn at three temperatures of 320 ° C., 340 ° C., and 360 ° C. was formed on the semi-insulating GaAs substrate. Trimethylindium (TMIn) or triethylindium (TEIn) was used as the In raw material, and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) or trimethylantimony (TMSb) was used as the Sb raw material. Diethyl zinc (DEZn) or dimethyl zinc (DMZn) was used as a raw material for Zn doping. An MOCVD apparatus was used to form the first InSb layer (first compound semiconductor layer) doped with Zn. The first InSb layer was measured for the doping amount of Zn from SIMS measurement, and the film thickness was measured from XRF measurement.
この第1のInSb層上に、460℃、500℃、530℃の3温度で第2のInSb層(第2の化合物半導体層)を形成した。In原料としてトリメチルインジウム(TMIn)またはトリエチルインジウム(TEIn)、Sb原料としてトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)またはトリメチルアンチモン(TMSb)を用いた。この第2のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。XRF測定から、InSb層全体の膜厚を測定した。 A second InSb layer (second compound semiconductor layer) was formed on the first InSb layer at three temperatures of 460 ° C., 500 ° C., and 530 ° C. Trimethylindium (TMIn) or triethylindium (TEIn) was used as the In raw material, and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) or trimethylantimony (TMSb) was used as the Sb raw material. An MOCVD apparatus was used to form the second InSb layer. From the XRF measurement, the film thickness of the entire InSb layer was measured.
このようにして形成された試料に対してVan der Pauw法によるホール測定を行い、InSb層全体の電子移動度及びn型キャリア濃度を測定した。またX線回折測定を(004)面に対して実施し、得られたωロッキングカーブ測定から半値幅(FWHM)を測定した。さらに、原子間力顕微鏡測定を10×10μmの範囲で実施し、第2のInSb層表面の平均二乗粗さを測定した。 The sample thus formed was subjected to hole measurement by the Van der Pauw method, and the electron mobility and n-type carrier concentration of the entire InSb layer were measured. Further, X-ray diffraction measurement was performed on the (004) plane, and the half width (FWHM) was measured from the obtained ω rocking curve measurement. Further, atomic force microscope measurement was performed in a range of 10 × 10 μm, and the mean square roughness of the second InSb layer surface was measured.
<比較例>
4インチの半絶縁GaAs基板を用意した。この半絶縁GaAs基板の電気抵抗率は8×107Ωcmであった。
この半絶縁GaAs基板上に、300℃、340℃、380℃の3温度でZnがドープされた第1のInSb層(第1の化合物半導体層)を形成した。In原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、Sb原料としてトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いた。Znドーピングの原料としてジエチル亜鉛(DEZn)を用いた。このZnがドーピングされた第1のInSb層(第1の化合物半導体層)の形成には、MOCVD装置を用いた。第1のInSb層は、SIMS測定からZnのドーピング量を測定し、XRF測定から膜厚を測定した。
<Comparative example>
A 4-inch semi-insulating GaAs substrate was prepared. The semi-insulating GaAs substrate had an electric resistivity of 8 × 10 7 Ωcm.
A first InSb layer (first compound semiconductor layer) doped with Zn at three temperatures of 300 ° C., 340 ° C., and 380 ° C. was formed on the semi-insulating GaAs substrate. Trimethylindium (TMIn) was used as the In raw material, and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) was used as the Sb raw material. Diethyl zinc (DEZn) was used as a raw material for Zn doping. An MOCVD apparatus was used to form the first InSb layer (first compound semiconductor layer) doped with Zn. The first InSb layer was measured for the doping amount of Zn from SIMS measurement, and the film thickness was measured from XRF measurement.
この第1のInSb層上に、440℃、500℃、550℃の3温度で第2のInSb層(第2の化合物半導体層)を形成した。In原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、Sb原料としてトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いた。この第2のInSb層の形成には、MOCVD装置を用いた。XRF測定から、InSb層全体の膜厚を測定した。 A second InSb layer (second compound semiconductor layer) was formed on the first InSb layer at three temperatures of 440 ° C., 500 ° C., and 550 ° C. Trimethylindium (TMIn) was used as the In raw material, and trisdimethylaminoantimony (TDMASb) was used as the Sb raw material. An MOCVD apparatus was used to form the second InSb layer. From the XRF measurement, the film thickness of the entire InSb layer was measured.
このようにして形成された試料に対してVan der Pauw法によるホール測定を行い、InSb層全体の電子移動度及びn型キャリア濃度を測定した。またX線回折測定を(004)面に対して実施し、得られたωロッキングカーブ測定から半値幅(FWHM)を測定した。さらに、原子間力顕微鏡測定を10×10μmの範囲で実施し、第2のInSb層表面の平均二乗粗さを測定した。 The sample thus formed was subjected to hole measurement by the Van der Pauw method, and the electron mobility and n-type carrier concentration of the entire InSb layer were measured. Further, X-ray diffraction measurement was performed on the (004) plane, and the half width (FWHM) was measured from the obtained ω rocking curve measurement. Further, atomic force microscope measurement was performed in a range of 10 × 10 μm, and the mean square roughness of the second InSb layer surface was measured.
<結果>
実施例の結果をまとめたものを表1に示す。また、比較例の結果をまとめたものを表2に示す。なお、表1、表2において、「Seed温度」は、第1の化合物半導体層の成膜温度を意味し、「HT温度」は第2の化合物半導体層の成膜温度を意味する。また、「Seed膜厚」は第1の化合物半導体層の膜厚を意味し、「total膜厚」は第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層の合計の膜厚を意味する。また、表2において、「白濁」とは、試料が白濁しており、移動度、キャリア濃度、結晶性の各種測定の実施が困難であったことを意味する。
<Result>
Table 1 summarizes the results of the examples. Table 2 summarizes the results of the comparative examples. In Tables 1 and 2, “Seed temperature” means the deposition temperature of the first compound semiconductor layer, and “HT temperature” means the deposition temperature of the second compound semiconductor layer. “Seed film thickness” means the film thickness of the first compound semiconductor layer, and “total film thickness” means the total film thickness of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer. In Table 2, “white turbidity” means that the sample is cloudy and it was difficult to perform various measurements of mobility, carrier concentration, and crystallinity.
表1及び表2から、実施例1〜20は比較例1〜8と比べて第2のInSb層の表面の平均二乗粗さが小さいことが分かる。
図3は、実施例1〜20と比較例1〜8について、第1のInSb層と第2のInSb層の合計の膜厚(単位:nm)と、第1のInSb層及び第2のInSb層からなる層の電子移動度(EM)(単位:cm2/Vs)との関係をプロットしたものである。図3において、x軸は膜厚を示し、y軸は電子移動度を示す。またこの図3には、参考例としてMBE法で形成したInSb層についても、膜厚と電子移動度との関係をプロットしている。
From Table 1 and Table 2, it can be seen that Examples 1-20 have a smaller mean square roughness of the surface of the second InSb layer than Comparative Examples 1-8.
FIG. 3 shows the total film thickness (unit: nm) of the first InSb layer and the second InSb layer, the first InSb layer, and the second InSb for Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 8. The relationship between the electron mobility (EM) (unit: cm 2 / Vs) of a layer composed of layers is plotted. In FIG. 3, the x-axis indicates the film thickness, and the y-axis indicates the electron mobility. FIG. 3 also plots the relationship between film thickness and electron mobility for an InSb layer formed by MBE as a reference example.
図3に示すように、実施例1〜20と、比較例1〜8・参考例との間に境界線を引くと、この境界線は、y=4.8×10−6×x3−0.035×x2+84×x−2000、で近似される。図3から分かるように、実施例1〜20のyは、y=4.8×10−6×x3−0.035×x2+84×x−2000以上である。本発明で得られたInSb層は、10≦x≦1500の範囲でy≦4.8×10−6×x3−0.035×x2+84×x−2000という条件を満たす、電子移動度の高いものであることが分かる。 As shown in FIG. 3, when a boundary line is drawn between Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 8 and Reference Example, this boundary line is y = 4.8 × 10 −6 × x 3 − It is approximated by 0.035 × x 2 + 84 × x−2000. As can be seen from FIG. 3, y in Examples 1 to 20 is y = 4.8 × 10 −6 × x 3 −0.035 × x 2 + 84 × x−2000 or more. The InSb layer obtained in the present invention has an electron mobility satisfying the condition of y ≦ 4.8 × 10 −6 × x 3 −0.035 × x 2 + 84 × x−2000 in the range of 10 ≦ x ≦ 1500. It can be seen that it is high.
また図4は、実施例1〜20と比較例1〜8について、第1のInSb層と第2のInSb層の合計の膜厚(単位:nm)と、第1のInSb層及び第2のInSb層からなる層の半値幅(FWHM)(単位:arcsec)との関係をプロットしたものである。図4において、x軸は膜厚を示し、y軸は半値幅を示す。またこの図4においても、参考例としてMBE法で形成したInSb層について、膜厚と半値幅との関係をプロットしている。 FIG. 4 shows the total film thickness (unit: nm) of the first InSb layer and the second InSb layer, the first InSb layer, and the second InSb layer in Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 8. It is a plot of the relationship with the half width (FWHM) (unit: arcsec) of a layer composed of an InSb layer. In FIG. 4, the x-axis indicates the film thickness, and the y-axis indicates the half width. Also in FIG. 4, as a reference example, the relationship between the film thickness and the full width at half maximum is plotted for the InSb layer formed by the MBE method.
図4に示すように、実施例1〜20と、比較例1〜8・参考例との間に境界線を引くと、この境界線は、y=11600×x−0.506、で近似される。図4から分かるように、実施例1〜20のyは、y=11600×x−0.506以下である。本発明で得られたInSb層は、10≦x≦3000の範囲でy≦11600×x−0.506という条件を満たす、結晶性の優れたものであることが分かる。 As shown in FIG. 4, when a boundary line is drawn between Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 8 and the reference example, this boundary line is approximated by y = 11600 × x− 0.506 . The As can be seen from FIG. 4, y in Examples 1 to 20 is y = 11600 × x− 0.506 or less. It can be seen that the InSb layer obtained in the present invention has excellent crystallinity that satisfies the condition of y ≦ 11600 × x− 0.506 in the range of 10 ≦ x ≦ 3000.
<その他>
本発明の技術的思想は、以上に記載した実施形態や実施例に特定されるものではない。当業者の知識に基づいて、本発明の実施形態や実施例に設計の変更等を加えてもよく、また、本発明の実施形態や実施例を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も、本発明の技術的思想に含まれる。
<Others>
The technical idea of the present invention is not limited to the embodiments and examples described above. Based on the knowledge of those skilled in the art, design changes and the like may be added to the embodiments and examples of the present invention, and the embodiments and examples of the present invention may be arbitrarily combined. The added aspect is also included in the technical idea of the present invention.
1 基板
5 バッファ層
10 第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層
11 第1の化合物半導体層
12 第2の化合物半導体層
100 化合物半導体基板
150 素子
151 電極
200 半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1の化合物半導体層の表面の温度を460℃以上530℃以下に保持した状態で、前記第1の化合物半導体層上に有機金属気相成長法を用いてIn原料とSb原料とを供給して第2の化合物半導体層を成長させる工程と、を備える化合物半導体基板の製造方法。 In a state where the temperature of the surface of the substrate having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or higher is maintained at 320 ° C. or higher and 360 ° C. or lower, an In raw material, an Sb raw material, and a Zn are formed on the substrate by metal organic vapor phase epitaxy. And supplying a raw material to grow a first compound semiconductor layer having a zinc concentration of 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 18 cm −3 or less and a film thickness of 10 nm or more and 50 nm or less. ,
In raw material and Sb raw material are supplied onto the first compound semiconductor layer by metalorganic vapor phase epitaxy while the surface temperature of the first compound semiconductor layer is maintained at 460 ° C. or higher and 530 ° C. or lower. And a step of growing a second compound semiconductor layer.
前記Sb原料はトリメチルアンチモン(TMSb)、トリエチルアンチモン(TESb)またはトリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)のいずれか一つであり、
前記Zn原料はジメチル亜鉛(DMZn)またはジエチル亜鉛(DEZn)である請求項1に記載の化合物半導体基板の製造方法。 The In raw material is trimethylindium (TMIn) or triethylindium (TEIn),
The Sb raw material is any one of trimethylantimony (TMSb), triethylantimony (TESb), or trisdimethylaminoantimony (TDMASb),
The method for producing a compound semiconductor substrate according to claim 1, wherein the Zn raw material is dimethylzinc (DMZn) or diethylzinc (DEZn).
前記基板上に形成され、In及びSbを含み、亜鉛の濃度が3×1016cm−3以上4×1018cm−3以下である第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に形成され、In及びSbを含む第2の化合物半導体層と、を備え、
前記第2の化合物半導体層の表面の平均二乗粗さが0.5nm以上0.9nm以下である化合物半導体基板。 A substrate having an electrical resistivity of 1 × 10 5 Ωcm or more;
A first compound semiconductor layer formed on the substrate, containing In and Sb, and having a zinc concentration of 3 × 10 16 cm −3 or more and 4 × 10 18 cm −3 or less;
A second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer and containing In and Sb,
A compound semiconductor substrate in which a mean square roughness of a surface of the second compound semiconductor layer is 0.5 nm or more and 0.9 nm or less.
前記第1の化合物半導体層及び前記第2の化合物半導体層からなる層のX線回折によるωスキャンロッキングカーブ測定から算出される半値幅FWHMが、下記式(1)で算出される範囲を満たす請求項4に記載の化合物半導体基板。
FWHM[arcsec]≦11600×t−0.506[arcsec]・・・(1)
(t=第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層の膜厚(nm)) The film thickness of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer is 10 nm or more and 3000 nm or less,
The half-value width FWHM calculated from the ω-scan rocking curve measurement by X-ray diffraction of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer satisfies the range calculated by the following formula (1). Item 5. A compound semiconductor substrate according to Item 4.
FWHM [arcsec] ≦ 11600 × t −0.506 [arcsec] (1)
(T = film thickness (nm) of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer)
前記第1の化合物半導体層及び前記第2の化合物半導体層からなる層の電子移動度EMが、下記式(2)で算出される範囲を満たす請求項4から請求項7のいずれか一項に記載の化合物半導体基板。
4.8×10−6×t3−0.035×t2+84×t−2000[cm2V−1s]≦EM[cm2V−1s]・・・(2)
(t=第1の化合物半導体層及び第2の化合物半導体層からなる層の膜厚(nm)) The film thickness of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer is 10 nm or more and 1500 nm or less,
The electron mobility EM of the layer composed of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer satisfies the range calculated by the following formula (2). The compound semiconductor substrate as described.
4.8 × 10 −6 × t 3 −0.035 × t 2 + 84 × t−2000 [cm 2 V −1 s] ≦ EM [cm 2 V −1 s] (2)
(T = film thickness (nm) of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer)
Priority Applications (1)
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