專利名稱：外延生長法的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有異質結界面的III-V族系化合物半導體薄膜的形成方法，特別涉及適合于制造將InP層作為蝕刻阻止層(蝕刻控制層)使用的高電子遷移率晶體管(HEMT)的外延生長方法。
背景技術：
過去，高電子遷移率晶體管(以下簡記為HEMT)結構的外延晶體，采用利用有機金屬氣相生長法(MOCVD法)或分子束外延生長法(MBE法)形成的III-V族系化合物半導體薄膜構成。例如，提出了在InP襯底上層疊形成InAlAs層、InGaAs層等半導體層，再形成InP層作為蝕刻阻止層的結構。圖6表示出這種具有由InP層構成的蝕刻阻止層的HEMT結構的基本結構。
圖6所示的HEMT結構，在由InP構成的半絕緣性襯底101上層疊非摻雜的InAlAs層(緩沖層)102、非摻雜的InGaAs層(電子渡越層)103、非摻雜的InAlAs層(間隔層)104、摻雜了n型雜質的InAlAs層(電子供給層)105、非摻雜的InAlAs層(間隔層)106、非摻雜的InP層(蝕刻阻止層)107、摻雜了n型雜質的InAlAs層(電阻降低層)108、摻雜了n型雜質的InGaAs層(電阻降低層)109而構成。
n型InAlAs層108及n型InGaAs層109通過蝕刻被分割，InP層107從被蝕刻的區域露出。另外，在被分割的InGaAs層109上形成成為源電極或漏電極的歐姆電極110、111，在露出的InP層107上形成成為柵電極的肖特基電極。
在上述HEMT結構中，InP層107的蝕刻速度(磷酸系或檸檬酸系的蝕刻劑)與InAlAs層108或InGaAs層109的蝕刻速度比較，是幾十分之一至幾百分之一，因此蝕刻劑的浸蝕少，可得到非常高的選擇性。因此，蝕刻進行到InP層107之下的InAlAs層105、106，起到防止HEMT的高頻特性等器件特性降低的作用。
另外，在上述的HEMT結構中，在InAlAs層106、108和InP層107的邊界形成不同V族元素的異質結界面(以下稱為異質界面)。在利用了這樣的異質結的器件中，其異質界面上原子的組成分布的陡度及平坦性大大左右器件特性。例如，在形成該異質界面時，當形成條件差，As混入InP層107，或在界面形成混合了As和P的遷移層時，作為蝕刻阻止層的InP層107的選擇性會顯著降低。
另外，將InP層107作為蝕刻阻止層使用的場合，InP層107的膜厚越薄越好，通常定為3-6nm左右的膜厚。這樣非常薄地形成InP層107的場合，特別是異質界面的形成條件對InP層107的選擇性的影響大，因此將異質界面的形成條件最優化變得重要。
于是，關于采用MOCVD法形成HEMT而言，調整使InP層107生長時的原料氣體的供給量，以使得在蝕刻InAlAs層107或InGaAs層108等時，InP層107的被蝕刻的密度達到所規定值以下(例如特開平11-266009號公報)。
在采用MBE法形成HEMT時，通過設置在分子束源的快門和閥的ON/OFF，相應于各半導體層的形成而控制原料元素的分子束的照射。圖7是表示采用以往的外延生長法形成InAlAs層與InP層的異質界面時的原料供給順序的時間圖。在工序A中，通過照射In、Al、As的分子束來形成InAlAs層，在工序B中，通過照射In、P的分子束來形成InP層。再者，通過不停止地照射In分子束，并同時切換As分子束和P分子束的照射，就連續地形成InAlAs層和InP層。
此時，在MBE法中，由于沒有象MOCVD法那樣的氣體流動，因此認為所供給的分子束的切換能夠瞬時地完成。實際上，就III族元素的分子束(例如Al分子束)來看，確認了在工序B中對襯底供給的分子束強度對應于快門的驅動時間(通常1秒以下)為1％以下。
與之相對，判明由于V族元素(As)與III族元素比，蒸氣壓高，因此停止了分子束的供給后也在生長室內殘留該分子，在形成異質界面時易引起元素的混合。可是，由于未考慮該殘留V族分子來確定生長條件(異質界面的形成條件)，因此當分子束源的閥的開關速度或快門的工作狀態變化時，與殘留V族元素的量(殘留V族元素的分子束強度)對應，InAlAs層或InGaAs與InP層的異質界面的特性微妙地變化。另外，當這樣地形成作為HEMT的蝕刻阻止層的InP層時，發生選擇性降低的不良情況。
本發明為了解決上述課題，著眼于MBE法的外延生長中的V族元素切換時的殘留V族元素量而完成，因此其目的是提供實現形成具有穩定特性的異質界面，進而實現形成具有高選擇性的InP蝕刻阻止層的外延生長方法。
發明內容
本發明是采用分子束外延生長法形成具有III-V族系化合物半導體的異質結的半導體薄膜的外延生長方法，具備下述工序照射至少一種以上的III族元素的分子束和第1V族元素的分子束，形成第1化合物半導體層的第1工序；停止上述III族元素的分子束和上述第1V族元素的分子束的照射，中斷生長直到上述第1V族元素的供給量變為上述第1工序中的供給量的1/10以下的第2工序；和照射至少一種以上的III族元素的分子束和第2V族元素的分子束，在上述第1化合物半導體層上形成與上述第1化合物半導體不同的第2化合物半導體層的第3工序。據此，能夠使第1V族元素在第2化合物半導體層中的混入量為所規定的值以下(例如按組成計為0.05以下)。
另外，本發明是采用分子束外延生長法形成具有III-V族系化合物半導體的異質結的半導體薄膜的外延生長方法，具備下述工序照射至少一種以上的III族元素的分子束和第1V族元素的分子束，形成第1化合物半導體層的第1工序；在停止上述III族元素的分子束和上述第1V族元素的分子束的照射的同時，照射第2V族元素的分子束，中斷生長直到上述第1V族元素的供給量變為上述第1工序中的供給量的1/10以下的第2工序；和進一步照射至少一種以上的III族元素的分子束，在上述第1化合物半導體層上形成與上述第1化合物半導體不同的第2化合物半導體層的第3工序。在此，在第2工序中，由于照射了V族元素的分子束，但未照射III族元素的分子束，因此外延層的生長被中斷。據此，在第3工序中，從開始第2化合物半導體層的形成之初就能夠以所要求的分子束強度供給第2V族元素，因此能夠進一步降低第1V族元素在第2化合物半導體層中的混入量。
另外，以上述第1化合物半導體層為InAlAs層或InGaAs層，以上述第2化合物半導體層為InP層或InGaP層。即，對在InAlAs層或InGaAs層上形成作為蝕刻阻止層的InP層從而作成HEMT的場合有效。另外，也能夠適用于使形成的化合物半導體層相反，以上述第1化合物半導體層為InP層或InGaP層，以上述第2化合物半導體層為InAlAs層或InGaAs層的情況。
以下關于完成本發明的情況，舉出例子說明在InAlAs層上形成InP層的情況。
起初，著眼于在InP襯底上使InAlAs層生長后，殘留在生長室內的本底As分子在使InP層生長時進入到InP層中的情況，調查了所進入的As量與InP層(As混入著)的蝕刻速度的關系。具體講，通過調整關閉As分子束源的閥時的開度(閥的開關速度)，改變與本底對應的As的分子束強度，使InP層生長，調查了那時的As混入量和InP(As混入)層針對磷酸系蝕刻劑的蝕刻速度的關系。
圖3表示出As混入量和InP層的蝕刻速度的關系。例如，使用3nm厚的InP層作為蝕刻阻止層的場合，當要得到30秒以上的對磷酸系蝕刻劑的抗性時，要求蝕刻速度低于0.1nm/秒。此時，從圖3看，作為混入到InP層中的As量，按組成計必須為0.05以下。優選混入到InP層中的As量為0.02以下，如果這樣，則蝕刻速度變為0.05nm/秒以下，因此在使用InP層作為蝕刻阻止層時，能夠得到更高的選擇性。
接著，調查了伴隨MBE裝置的快門和閥的開閉的As和P的分子束強度的變化。圖4是表示供給·停止As分子束時分子束強度變化的說明圖，圖5是表示供給·停止P分子束時分子束強度變化的說明圖。在時間坐標的10秒時，打開快門和閥開始分子束的供給，在30秒時關閉快門和閥停止分子束的供給。
從圖4看，As分子束的強度在停止分子束的供給后約1秒變成約1/14，約10秒變成1/50以下。另一方面，從圖5看，P分子束的強度在停止分子束的供給后約1秒變成約1/7，約10秒變成1/100以下。據此可知，V族元素由于蒸氣壓高，因此停止分子束的供給后也在生長室內殘留相對于生長時的供給量為百分之幾的該分子，在形成異質界面時易引起元素的混合。另外，在供給P分子束時，在達到所要求的分子束強度之前需要幾秒鐘。
進而研討在InAlAs層上形成InP層時的工藝，通過實驗解析異質界面的遷移層厚度和As混入量的關系，探求最佳的異質界面形成工藝，以此為目的進行了實驗。發現相對于InAlAs層生長時的供給量，As分子束強度變為1/10以下之后，開始InP層的生長，由此As混入量按組成計為0.05以下，從而完成了本發明。
根據本發明，涉及一種外延生長方法，是采用分子束外延生長法形成具有III-V族系化合物半導體的異質結的半導體薄膜的外延生長方法，具備下述工序照射至少一種以上的III族元素的分子束和第1V族元素的分子束，形成第1化合物半導體層的第1工序；停止上述III族元素的分子束和上述第1V族元素的分子束的照射，中斷生長直到上述第1V族元素的供給量變為上述第1工序中的供給量的1/10以下的第2工序；照射至少一種以上的III族元素的分子束和第2V族元素的分子束，在上述第1化合物半導體層上形成與上述第1化合物半導體不同的第2化合物半導體層的第3工序，因此，能夠使第1V族元素在第2化合物半導體層中的混入量為所規定的值以下(例如按組成計為0.05以下)。
因此，采用本發明的外延生長方法，形成作為HEMT結構中的蝕刻阻止層的InP層的場合，得到非常高的選擇性，因此能夠實現精細的蝕刻。
圖1是本實施方案的形成了異質結界面的外延生長層的截面結構圖。
圖2是表示本發明的外延生長方法的原料供給順序的時間圖。
圖3是表示As混入量與InP層的蝕刻速度的關系的說明圖。
圖4是表示供給·停止As分子束時分子束強度變化的說明圖。
圖5是表示供給·停止P分子束時分子束強度變化的說明圖。
圖6是普通的HEMT結構的截面圖。
圖7是表示現有技術的外延生長方法的原料供給順序的時間圖。
具體實施例方式
以下基于附圖具體說明本發明的優選實施方案。
圖1是本實施方案的半導體薄膜，采用MBE法在InP襯底10上使InAlAs層20生長，再在其上面生長InP層30從而形成。該InAlAs層20與InP層的異質界面相當于圖6所示的HEMT結構的InAlAs層106與InP層107的異質界面。
圖2是表示本發明的外延生長方法的原料供給順序的時間圖。首先，在定時T0開始In、Al、As分子束的照射，在InP襯底10上使InAlAs層20生長，在定時T1停止In、Al、As分子束的照射，形成了200nm厚的InAlAs層20(工序a)。
接著，在定時T1停止In、Al、As分子束的照射的同時，開始P分子束的照射，只As分子束強度變為工序a中的As分子束強度的1/10的時間(例如30秒)中斷生長(工序b)。在該工序b中，雖照射了P分子束，但未照射In分子束，因此未形成InP層30。另外，從圖5看，在P的供給量達到所要求的分子束強度之前需要幾秒鐘，但通過在As分子束停止的同時開始P分子束的照射，在工序c中從開始之初就能夠以所要求的分子束強度供給P分子束。
接著，通過在定時T2開始In分子束的照射，開始InP層30的生長，在定時T3停止In、P分子束的照射，形成了3.0nm厚的InP層30(工序c)。
關于采用上述的方法得到的半導體薄膜，使用磷酸系蝕刻劑進行蝕刻處理，測定直到InP層30消失的蝕刻時間，評價了InP層30的抗蝕刻性。其結果，直到40秒時InP層30的表面沒有變化，在45秒時表面白色混濁，在50秒時被完全去除了。即，本實施方案的InP層30的蝕刻速度是0.06nm/秒，從圖3推定As在InP層30中的混入量按組成計為0.025左右。這樣，根據本發明的外延生長方法，As在InP層30中的混入量被降低到不給予InP層30的抗蝕刻性以影響的程度，因此作為蝕刻阻止層的InP層30具有非常高的選擇性。
接著，作為比較例，說明采用現有技術形成的半導體薄膜。圖7是表示現有技術的外延生長方法的原料供給順序的時間圖。
首先，在定時t0開始In、Al、As分子束的照射，在InP襯底10上使InAlAs層20生長，在定時t1停止Al、As分子束的照射，形成了200nm厚的InAlAs層20(工序A)。此時，不停止In分子束而是連續地照射。
接著，在定時t1停止Al、As分子束的照射的同時，開始P分子束的照射，使InP層30生長，在定時t2停止In、P分子束的照射，形成了3.0nm厚的InP層30(工序B)。
關于采用上述的方法得到的半導體薄膜，使用磷酸系蝕刻劑進行蝕刻處理，測定直到InP層30消失的蝕刻時間，評價了抗蝕刻性。其結果，通過20秒的蝕刻，InP層30被完全去除了。即，比較例的InP層的蝕刻速度是0.15nm/秒，從圖3推定As在InP層30中的混入量按組成計為0.084左右。據此認為，在現有技術中，由于不停止In分子束的供給，并在剛停止As分子束的照射后就開始P分子束的照射，使InAlAs層20和InP層30連續生長，因此殘留在生長室內的As混入到InP層30中，InP層30的抗蝕刻性降低。
如上述，在本發明中，在形成InAlAs層與InP層的異質界面時，通過相應于As分子束強度的衰減，暫時停止外延生長，由此能夠抑制不需要的V族元素(As)混入到InP層30中，因此能夠形成陡的異質界面。因此，將InP層作為蝕刻阻止層使用時，即使非常薄地形成InP層，其特性(抗蝕刻性)也不會降低，并具有高選擇性。
以上基于實施方案具體說明了本發明人完成的發明，但本發明并不限定于上述實施方案，在不脫離其要旨的范圍能夠進行變更。例如，在本實施方案中，敘述了在InAlAs層上形成InP層的情況，但用InGaAs層代替InAlAs層，用InGaP層代替InP層也得到同樣的效果。另外，形成的層結構相反，例如即使是在InP層或InGaP層上形成InAlAs層或InGaAs層的情況也得到同樣的效果。
產業實用性本發明能夠用于形成具有不同V族元素的異質界面的III-V族系化合物半導體薄膜的技術、例如將InP層作為蝕刻阻止層(蝕刻控制層)使用的高電子遷移率晶體管(HEMT)的制造。
權利要求
1.一種外延生長方法，是采用分子束外延生長法形成具有III-V族系化合物半導體的異質結的半導體薄膜的外延生長方法，其特征在于，具備照射至少一種以上的III族元素的分子束和第1V族元素的分子束，形成第1化合物半導體層的第1工序；停止上述III族元素的分子束和上述第1V族元素的分子束的照射，中斷生長直到上述第1V族元素的供給量變為上述第1工序中的供給量的1/10以下的第2工序；和照射至少一種以上的III族元素的分子束和第2V族元素的分子束，在上述第1化合物半導體層上形成與上述第1化合物半導體不同的第2化合物半導體層的第3工序。
2.一種外延生長方法，是采用分子束外延生長法形成具有III-V族系化合物半導體的異質結的半導體薄膜的外延生長方法，其特征在于，具備照射至少一種以上的III族元素的分子束和第1V族元素的分子束，形成第1化合物半導體層的第1工序；在停止上述III族元素的分子束和上述第1V族元素的分子束的照射的同時，照射第2V族元素的分子束，中斷生長直到上述第1V族元素的供給量變為上述第1工序中的供給量的1/10以下的第2工序；和進一步照射至少一種以上的III族元素的分子束，在上述第1化合物半導體層上形成與上述第1化合物半導體不同的第2化合物半導體層的第3工序。
3.根據權利要求1或2所述的外延生長方法，其特征在于，上述第1化合物半導體層為InAlAs層或InGaAs層，上述第2化合物半導體層為InP層或InGaP層。
4.根據權利要求1或2所述的外延生長方法，其特征在于，上述第1化合物半導體層為InP層或InGaP層，上述第2化合物半導體層為InAlAs層或InGaAs層。
全文摘要
一種外延生長方法，是采用分子束外延生長法形成具有III－V族系化合物半導體的異質結的半導體薄膜的外延生長方法，具備下述工序照射至少一種以上的III族元素的分子束和第1V族元素的分子束，形成第1化合物半導體層的第1工序；停止上述III族元素的分子束和上述第1V族元素的分子束的照射，中斷生長直到上述第1V族元素的供給量變為上述第1工序中的供給量的1/10以下的第2工序；和照射至少一種以上的III族元素的分子束和第2V族元素的分子束，在上述第1化合物半導體層上形成與上述第1化合物半導體不同的第2化合物半導體層的第3工序。
文檔編號C30B29/10GK1833311SQ20048002038
公開日2006年9月13日 申請日期2004年4月28日 優先權日2003年7月15日
發明者高草木操, 金井進 申請人:株式會社日礦材料