JP2007180115A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】水素ラジカルが発生する原料と水素ラジカルが発生しない原料とを使い分けることで、デバイス特性を低下させることなくエミッタ層の成長を行うとともにベース層の活性化を行うことを可能とする。
【解決手段】半導体基板101上に、インジウム・ガリウム・ヒ素を主成分とし、ドーパントとして炭素を含む第1の層(ベース層)105を形成する工程と、前記第1の層(ベース層)105の直上に水素ラジカルが発生するリン原料含む原料を流して、前記第1の層(ベース層)105上にインジウム・リンを主成分とする第2の層(低濃度エミッタ層)106を形成する工程と、前記第2の層(低濃度エミッタ層)106を形成する工程の後、水素ラジカルが発生しないリン原料を流して熱処理を行う工程とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図1By selectively using a raw material that generates hydrogen radicals and a raw material that does not generate hydrogen radicals, an emitter layer can be grown and a base layer can be activated without deteriorating device characteristics.
A step of forming a first layer (base layer) 105 containing indium gallium arsenic as a main component and carbon as a dopant on a semiconductor substrate 101; and the first layer (base layer) 105 A second layer (low-concentration emitter layer) 106 containing indium / phosphorus as a main component is formed on the first layer (base layer) 105 by flowing a raw material containing a phosphorus raw material that generates hydrogen radicals directly on the first layer (base layer) 105. And a step of performing a heat treatment by flowing a phosphorus raw material that does not generate hydrogen radicals after the step of forming the second layer (low-concentration emitter layer) 106.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、インジウム・リン系電子デバイスのヘテロ接合バイポーラトランジスタのデバイス特性を悪化させることなくベース層の活性化が容易な半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which activation of a base layer is easy without deteriorating device characteristics of a heterojunction bipolar transistor of an indium / phosphorus-based electronic device.
インジウム・リン(InP)系材料を用いた半導体電子デバイスは、次世代高速デバイス用途として期待されている。インジウム・リン系電子デバイスのうちヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Hetero junction bipolar Transistor)は、基板上に形成されたn型コレクタ層上にp型ベース層と、このp型ベース層上に形成されたn型エミッタ層とを有している。このp型ベース層に用いられる材料としては、炭素を含有したインジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs:C)化合物が代表的である。このインジウム・リン系電子デバイスを構成する半導体層の成長方法としては、量産性に優れる点とリンの蒸気圧が高い点から、真空装置である分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy)法よりも、有機金属化学的気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法が注目されている。 Semiconductor electronic devices using indium-phosphorus (InP) materials are expected as next-generation high-speed device applications. A heterojunction bipolar transistor (HBT) is a p-type base layer formed on an n-type collector layer formed on a substrate, and the p-type base layer. and an n-type emitter layer. A typical material used for the p-type base layer is an indium gallium arsenide (InGaAs: C) compound containing carbon. As a method for growing the semiconductor layer constituting this indium-phosphorus-based electronic device, it is more organic than the molecular beam epitaxy method, which is a vacuum device, because of its high mass productivity and high vapor pressure of phosphorus. A metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method has attracted attention.
しかし、MOCVD法を用いたInGaAs:Cの結晶成長では、ドーパントである炭素(C)が炭素−水素(C−H)結合のまま取り込まれ、不活性化しており、炭素濃度に比べてP型キャリア濃度が低くなるという問題があった。 However, in the crystal growth of InGaAs: C using the MOCVD method, carbon (C), which is a dopant, is incorporated in a carbon-hydrogen (C—H) bond and inactivated, and is P-type compared to the carbon concentration. There was a problem that the carrier concentration was lowered.
この炭素の不活性化の問題を解決する方法として、InGaAs:Cの結晶成長直後に結晶成長の中断を行い、熱アニールを行う方法が提案されている。しかし、結晶成長直後にアニールを行うと、その後のn型層の成長中に再び炭素の一部が再度不活性化される問題があった。これは、n型層の成長中に発生した水素ラジカルがInGaAs:C層中に再度拡散・混入することによる。また、他の方法として、InGaAs:C、n型層を順次成長し、その後に熱アニールを行う方法も提案されている。しかし、この方法では、活性化を十分に行うことができないという問題があった。これは、厚いn型層によりInGaAs:C中の水素ラジカルが脱離しにくくなることが原因である。 As a method for solving this carbon deactivation problem, a method of interrupting crystal growth immediately after crystal growth of InGaAs: C and performing thermal annealing has been proposed. However, if annealing is performed immediately after crystal growth, there is a problem that part of the carbon is again deactivated during the subsequent growth of the n-type layer. This is because hydrogen radicals generated during the growth of the n-type layer are again diffused and mixed into the InGaAs: C layer. As another method, a method of sequentially growing InGaAs: C and n-type layers and then performing thermal annealing has been proposed. However, this method has a problem that activation cannot be performed sufficiently. This is because the hydrogen radicals in InGaAs: C are not easily desorbed by the thick n-type layer.
前者に対する対策として、InGaAs:C層上にn型層を成長する際に13族原料としてトリメチルインジウム、15族原料としてトリメチルホスフィンのようなの水素ラジカルが生じない原料を用いる方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし、水素ラジカルが生じない原料を用いて結晶成長を行うと、デバイス特性が悪化するという問題があった。 As a countermeasure against the former, a method is disclosed that uses a raw material that does not generate hydrogen radicals such as trimethylindium as a group 13 source and trimethylphosphine as a group 15 source when an n-type layer is grown on an InGaAs: C layer ( For example, see Patent Document 1.) However, when crystal growth is performed using a raw material that does not generate hydrogen radicals, there is a problem that device characteristics deteriorate.
解決しようとする問題点は、デバイス特性を低下させることなくベース層の活性化を行うことができない点である。 The problem to be solved is that the base layer cannot be activated without deteriorating the device characteristics.
本発明は、水素ラジカルが発生する原料と水素ラジカルが発生しない原料とを使い分けることで、デバイス特性を低下させることなくエミッタ層の成長を行うとともにベース層の活性化を行うことを課題とする。 An object of the present invention is to grow an emitter layer and activate a base layer without deteriorating device characteristics by properly using a raw material that generates hydrogen radicals and a raw material that does not generate hydrogen radicals.
本発明の半導体装置の製造方法(第1の製造方法)は、半導体基板上に、インジウム・ガリウム・ヒ素を主成分とし、ドーパントとして炭素を含む第1の層を形成する工程と、前記第1の層の直上に水素ラジカルが発生するリン原料含む原料を流して、前記第1の層上にインジウム・リンを主成分とする第2の層を形成する工程と、前記第2の層を形成する工程の後、水素ラジカルが発生しないリン原料を流して熱処理を行う工程とを備えたことを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing method (first manufacturing method) according to the present invention includes a step of forming a first layer containing indium, gallium, and arsenic as a main component and carbon as a dopant on a semiconductor substrate; A step of forming a second layer containing indium / phosphorus as a main component on the first layer by flowing a raw material containing a phosphorus raw material for generating hydrogen radicals directly on the first layer; and forming the second layer And a step of performing a heat treatment by flowing a phosphorus raw material in which hydrogen radicals are not generated.
本発明の半導体装置の製造方法(第1の製造方法)では、インジウム・リンを主成分とする第2の層を形成する際に水素ラジカルが発生するリン原料を用い、熱処理には水素ラジカルが発生しないリン原料を用いていることから、熱処理時において水素ラジカルの再混入が回避され、第1の層の活性化を第2の層の形成後に効率良く行える。さらに、水素ラジカルが発生するリン原料を用いて第2の層を形成することにより、良好な結晶品質の第2の層が得られるので、デバイス特性低下が回避される。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention (first manufacturing method), a phosphorus raw material that generates hydrogen radicals is used when forming the second layer mainly composed of indium and phosphorus, and the hydrogen radicals are used for the heat treatment. Since a phosphorus raw material that does not occur is used, re-mixing of hydrogen radicals during heat treatment is avoided, and the activation of the first layer can be performed efficiently after the formation of the second layer. Furthermore, by forming the second layer using a phosphorus raw material from which hydrogen radicals are generated, a second layer with good crystal quality can be obtained, so that deterioration in device characteristics is avoided.
本発明の半導体装置の製造方法(第2の製造方法)は、半導体基板上に、インジウム・ガリウム・ヒ素を主成分としドーパントとして炭素を含む第1の層を形成する工程と、前記第1の層の直上に水素ラジカルが発生するリン原料含む原料を流して、前記第1の層上にインジウム・リンを主成分とする第2の層を形成する工程と、前記第2の層を形成する工程の後、水素ラジカルが発生しないヒ素原料含む原料を流して、インジウム・ガリウム・ヒ素を主成分とする第3の層を形成する工程とを備えたことを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing method (second manufacturing method) according to the present invention includes a step of forming a first layer containing indium, gallium, and arsenic as a main component and carbon as a dopant on a semiconductor substrate; A step of forming a second layer containing indium / phosphorus as a main component on the first layer by flowing a raw material containing a phosphorus raw material for generating hydrogen radicals directly on the layer; and forming the second layer And a step of forming a third layer containing indium, gallium, and arsenic as a main component by flowing a raw material containing an arsenic raw material that does not generate hydrogen radicals after the step.
本発明の半導体装置の製造方法(第2の製造方法)では、インジウム・リンを主成分とする第2の層を形成する際に水素ラジカルが発生するリン原料を用い、インジウム・ガリウム・ヒ素を主成分とする第3の層を形成する際に水素ラジカルが発生しないヒ素原料を用いていることから、第3の層を形成する際に水素ラジカルの再混入が回避され、第1の層が活性化される。さらに、水素ラジカルが発生するリン原料を用いて第2の層を形成することにより、良好な結晶品質の第2の層が得られるので、デバイス特性低下が回避される。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention (second manufacturing method), a phosphorus raw material that generates hydrogen radicals when forming the second layer mainly composed of indium / phosphorus is used, and indium / gallium / arsenic is formed. Since the arsenic material that does not generate hydrogen radicals is used when forming the third layer as the main component, re-mixing of hydrogen radicals is avoided when forming the third layer, and the first layer Activated. Furthermore, by forming the second layer using a phosphorus raw material from which hydrogen radicals are generated, a second layer with good crystal quality can be obtained, so that deterioration in device characteristics is avoided.
本発明の半導体装置の製造方法(第1の製造方法)は、水素ラジカルが発生するリン原料を用いてインジウム・リンを主成分とする第2の層を形成するため、第2の層を良好な結晶品質に形成できる。また水素ラジカルが発生しないリン原料を用いて熱処理を行うため、インジウム・ガリウム・ヒ素を主成分とし、ドーパントとして炭素を含む第1の層を効率良く活性化できる。このため、デバイス特性を低下させることなく第2の層の成長を行うとともに第1の層の活性化を行うことができるという利点がある。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention (first manufacturing method), since the second layer mainly composed of indium and phosphorus is formed using a phosphorus raw material that generates hydrogen radicals, the second layer is excellent. It can be formed with good crystal quality. In addition, since heat treatment is performed using a phosphorus raw material that does not generate hydrogen radicals, the first layer containing indium, gallium, and arsenic as a main component and carbon as a dopant can be activated efficiently. For this reason, there is an advantage that the second layer can be grown and the first layer can be activated without deteriorating the device characteristics.
本発明の半導体装置の製造方法(第2の製造方法)は、水素ラジカルが発生するリン原料を用いてインジウム・リンを主成分とする第2の層を形成するため、第2の層を良好な結晶品質に形成できる。また水素ラジカルが発生しないヒ素原料を用いて第3の層を形成するため、この成膜中にインジウム・ガリウム・ヒ素を主成分とし、ドーパントとして炭素を含む第1の層を効率良く活性化できる。このため、デバイス特性を低下させることなく第2の層の成長を行うとともに第1の層の活性化を行うことができるという利点がある。 In the semiconductor device manufacturing method (second manufacturing method) of the present invention, since the second layer mainly composed of indium and phosphorus is formed using a phosphorus raw material from which hydrogen radicals are generated, the second layer is excellent. It can be formed with good crystal quality. In addition, since the third layer is formed using an arsenic material that does not generate hydrogen radicals, the first layer containing indium, gallium, and arsenic as a main component and carbon as a dopant can be efficiently activated during the film formation. . For this reason, there is an advantage that the second layer can be grown and the first layer can be activated without deteriorating the device characteristics.
本発明の半導体装置の製造方法(第1の製造方法)に係る一実施の形態の実施例(第1実施例)を、図1の概略構成断面図によって説明する。 An example (first example) of one embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device (first manufacturing method) of the present invention will be described with reference to a schematic sectional view of FIG.
図1の、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)1では、半導体基板101上に、バッファ層102、サブコレクタ層103、コレクタ層104、炭素(C)をドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(以下、InGaAs:Cと記す)からなる第1の層(以下、ベース層という)105、シリコン(Si)をドーピングしたインジウム・リン(InP)からなる第2の層(以下、低濃度エミッタ層という)106、シリコン(Si)をドーピングしたインジウム・リン(InP)からなる第3の層(以下、高濃度エミッタ層という)107、シリコン(Si)をドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(以下、InGaAsと記す)からなるエミッタキャップ層108が順次形成されている。上記低濃度エミッタ層106のドーピング濃度は、例えば5×1017/cm3である。また、上記高濃度エミッタ層107のドーピング濃度は、例えば1×1019/cm3である。
In the heterojunction bipolar transistor (HBT) 1 of FIG. 1, a
次に、図1に示した本発明に係る製造方法を説明する。上記半導体基板101上の各層は、有機金属化学的気相成長(MOCVD)法により成膜する。この製造方法の特徴の一つは、水素ラジカルが発生するリン原料含む原料を流して低濃度エミッタ層106を形成した後、水素ラジカルが発生しないリン原料を流して熱処理を行い、その後、上記熱処理温度よりも低い温度で、水素ラジカルが発生するリン原料含む原料を流して上記高濃度エミッタ層107を形成した点である。
Next, the manufacturing method according to the present invention shown in FIG. 1 will be described. Each layer on the semiconductor substrate 101 is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). One of the characteristics of this manufacturing method is that a low-concentration emitter layer 106 is formed by flowing a phosphorus raw material that generates hydrogen radicals, and then a heat treatment is performed by flowing a phosphorus raw material that does not generate hydrogen radicals. The high-
まず、インジウム・リン(InP)からなる半導体基板101の基板温度を600℃にして、ホスフィン(PH3)とトリメチルインジウム(TMI)とを原料ガスとして、上記半導体基板101上に、インジウム・リン(InP)を例えば400nmの厚さに成長させて、上記バッファ層102を形成する。
First, the substrate temperature of the semiconductor substrate 101 made of indium / phosphorus (InP) is set to 600 ° C., and phosphine (PH 3 ) and trimethylindium (TMI) are used as source gases to form indium / phosphorus ( InP) is grown to a thickness of 400 nm, for example, to form the
次に、上記半導体基板101の基板温度を600℃に保ったまま、ターシャルブチルアルシン(TBA)とトリメチルガリウム(TMG)とトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記バッファ層102上に、シリコン(Si)を例えば1×1019/cm3にドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(InGaAs:Si)を例えば300nmの厚さに成長させて、上記サブコレクタ層103を成長する。
Next, with the substrate temperature of the semiconductor substrate 101 maintained at 600 ° C., tertiary butylarsine (TBA), trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), and disilane (Si 2 H 6 ) are used as source gases. On the
次に、上記基板温度を600℃に保ったまま、ホスフィン(PH3)とトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記サブコレクタ層103上に、シリコン(Si)を例えば2×1016/cm3にドーピングしたインジウム・リン(InP:Si)を例えば450nmの厚さに成長させて、上記コレクタ層104を成長する。
Next, with the substrate temperature maintained at 600 ° C., silicon (Si) is deposited on the
次に、上記基板温度を例えば480℃(第1の温度)に低下させ、ターシャリブチルアルシン(TBA)とトリエチルガリウム(TEG)とトリメチルインジウム(TMI)と臭化炭素(CBr4)を原料ガスとして、上記コレクタ層104上に、炭素(C)を例えば2×1019/cm3にドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(InGaAs:C)を例えば75nmの厚さに成長させて、上記ベース層(第1の層)105を形成する。
Next, the substrate temperature is lowered to, for example, 480 ° C. (first temperature), and tertiary butylarsine (TBA), triethylgallium (TEG), trimethylindium (TMI), and carbon bromide (CBr 4 ) are used as source gases. On the
次に、上記基板温度を550℃(第2の温度)に上昇させ、水素ラジカルが発生するリン原料としてターシャリブチルホスフィン(TBP)を用いるとともにトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記ベース層105上に、シリコン(Si)を低濃度、例えば5×1017/cm3にドーピングしたインジウム・リン(InP:Si)を例えば75nmに成長させて、第2の層(以下、低濃度エミッタ層とする)106を形成する。 Next, the substrate temperature is raised to 550 ° C. (second temperature), and tertiary butylphosphine (TBP) is used as a phosphorus raw material for generating hydrogen radicals, and trimethylindium (TMI) and disilane (Si 2 H 6 ) are used. As a source gas, indium phosphorus (InP: Si) doped with silicon (Si) at a low concentration, for example, 5 × 10 17 / cm 3 is grown on the base layer 105 to a thickness of 75 nm, for example. A layer (hereinafter referred to as a low-concentration emitter layer) 106 is formed.
次に、上記基板温度を570℃(第3の温度)に上昇させ、水素(H2)または窒素(N2)をキャリアガスとして、水素ラジカルが発生しないリン原料としてトリメチルホスフィンを流す。例えば、トリメチルホスフィンを2×10-3mol/minに、キャリアガスとして水素を50L/minで流し、熱処理雰囲気の圧力を10.0kPaに設定した。 Next, the substrate temperature is raised to 570 ° C. (third temperature), and hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ) is used as a carrier gas, and trimethylphosphine is flowed as a phosphorus raw material that does not generate hydrogen radicals. For example, trimethylphosphine was flowed at 2 × 10 −3 mol / min, hydrogen as a carrier gas at 50 L / min, and the pressure of the heat treatment atmosphere was set at 10.0 kPa.
次に、トリメチルホスフィンを流したま、上記基板温度を570℃に5分間保ち、ベース層105の熱処理(アニール処理)を行い、ベース層105中の炭素を活性化させる。その際、上記キャリアガスも流した状態としてある。 Next, while flowing trimethylphosphine, the substrate temperature is maintained at 570 ° C. for 5 minutes, and heat treatment (annealing treatment) of the base layer 105 is performed to activate carbon in the base layer 105. At that time, the carrier gas is also allowed to flow.
次に、上記基板温度を550℃に下げて、水素ラジカルが発生するリン原料としてターシャリブチルホスフィン(TBP)を用いるとともにトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記低濃度エミッタ層106上に、シリコン(Si)が高濃度に、例えば1×1019/cm3にドーピングされたインジウム・リン(InP:Si)を例えば50nmに成長させて、第3の層(以下、高濃度エミッタ層とする)107を形成する。ここで、ベース層105が再度不活性化するのを避けるためには、高濃度エミッタ層107の成長温度を上記熱処理温度(本例では570℃)よりも低くすることが望ましい。本実施例では、上記の如く550℃に設定した。
Next, the substrate temperature is lowered to 550 ° C., and tertiary butylphosphine (TBP) is used as a phosphorus raw material from which hydrogen radicals are generated, and trimethylindium (TMI) and disilane (Si 2 H 6 ) are used as a raw material gas. On the low-concentration emitter layer 106, indium / phosphorus (InP: Si) doped with silicon (Si) at a high concentration, for example, 1 × 10 19 / cm 3 , is grown to, for example, 50 nm, and the third layer ( Hereinafter, a high-concentration emitter layer) 107 is formed. Here, in order to prevent the base layer 105 from being deactivated again, it is desirable that the growth temperature of the high-
次に、基板温度を550℃に保ったまま、水素ラジカルが発生するリン原料としてターシャリブチルアルシン(TBA)を用いるとともにトリメチルガリウム(TMG)とトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記高濃度エミッタ層107上に、シリコン(Si)が例えば1×1019/cm3にドーピングされたインジウム・ガリウム、ヒ素(InGaAs:Si)を例えば75nmに成長させて、エミッタキャップ層108を形成する。
Next, while maintaining the substrate temperature at 550 ° C., tertiary butylarsine (TBA) is used as a phosphorus raw material for generating hydrogen radicals, and trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), and disilane (Si 2 H 6 ). As a source gas, indium gallium and arsenic (InGaAs: Si) doped with silicon (Si) at, for example, 1 × 10 19 / cm 3 are grown on the high-
以上説明した製造方法によって製造されたヘテロ接合バイポーラトランジスタ1では、ベース層105のキャリア濃度は1.8×1019/cm3となった。つまり、ベース層105中の炭素(C)の活性化率が90%となった。これは、水素ラジカルが発生しないトリエチルホスフィンを流しながら活性化アニールを行うことで、ベース層105が効果的に活性化されたためである。 In the heterojunction bipolar transistor 1 manufactured by the manufacturing method described above, the carrier concentration of the base layer 105 is 1.8 × 10 19 / cm 3 . That is, the activation rate of carbon (C) in the base layer 105 was 90%. This is because the base layer 105 is effectively activated by performing activation annealing while flowing triethylphosphine that does not generate hydrogen radicals.
以上説明した上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ1の製造方法によれば、ベース層105の活性化をエミッタ層(低濃度エミッタ層106、高濃度エミッタ層107)の成長中に行うことができるので、製造工程を簡易にし、製造コストを下げることができる。 According to the manufacturing method of the heterojunction bipolar transistor 1 described above, the activation of the base layer 105 can be performed during the growth of the emitter layer (low-concentration emitter layer 106, high-concentration emitter layer 107). The manufacturing cost can be reduced.
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ1の製造方法によれば、ベース層105上の低濃度エミッタ層106の厚さが75nmと薄いので、この低濃度エミッタ層106の成長後に熱処理を行ったにもかかわらず、ベース層105の活性化を効率的に行うことができる。 Further, according to the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor 1, the thickness of the low-concentration emitter layer 106 on the base layer 105 is as thin as 75 nm, so that the heat treatment is performed after the growth of the low-concentration emitter layer 106. Therefore, the activation of the base layer 105 can be performed efficiently.
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ1の製造方法によれば、低濃度エミッタ層106および高濃度エミッタ層107の成長の原料として、高い純度が得られているターシャリブチルホスフィン(TBP)を用いたので、エミッタ層の不純物濃度を低下させ、エミッタ層の結晶性を向上させることができる。これに対し、低濃度エミッタ層106の成長に用いるリン原料をトリエチルホスフィンやトリスジメチルアミノホスフィン等の水素ラジカルが発生しない原料とした比較用のサンプルでは、ベース層105と低濃度エミッタ層106、高濃度エミッタ層107の間の逆方向リーク電流が増加した。これは水素ラジカルが発生しない原料の純度が低く、低濃度エミッタ層106に不純物が混入したためと思われる。また、このような水素ラジカルが発生しない原料は、分解しにくく、これらの原料中の炭素(C)が低濃度エミッタ層106に混入したためとも考えられる。
In addition, according to the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor 1, tertiary butylphosphine (TBP) having a high purity is used as a raw material for growing the low-concentration emitter layer 106 and the high-
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ1の製造方法によれば、活性化アニールを行った後、高濃度エミッタ層107の成長時に温度を下げたので、水素ラジカルが発生するターシャリブチルホスフィン(TBP)を用いて高濃度エミッタ層107を成長しても、ベース層105中の炭素(C)が再び不活性化することはほとんど起こらない。これは、低温では、拡散が起こりにくいためである。
以上説明した上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ1の製造方法では、低濃度エミッタ層106、高濃度エミッタ層107の成長に用いるリン原料としてターシャリブチルホスフィンを用いたが、ホスフィンを用いることもできる。ホスフィンも、ターシャリブチルホスフィンと同様に、汎用されており、純度が高いためである。
Further, according to the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor 1, since the temperature was lowered during the growth of the high-
In the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor 1 described above, tertiary butylphosphine is used as the phosphorus raw material used for the growth of the low-concentration emitter layer 106 and the high-
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ1の製造方法では、熱処理工程で、水素ラジカルが発生しない原料として、トリメチルホスフィンの他に、例えば、トリエチルホスフィン、トリイソプロピルホスフィン、トリノーマルプロピルホスフィン、トリノーマルブチルホスフィン、およびトリスジメチルアミノホスフィン等を用いることができる。 Further, in the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor 1, in addition to trimethylphosphine, as a raw material from which hydrogen radicals are not generated in the heat treatment step, for example, triethylphosphine, triisopropylphosphine, trinormalpropylphosphine, trinormalbutylphosphine, And trisdimethylaminophosphine can be used.
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ1の製造方法では、熱処理工程における温度を570℃として、低濃度エミッタ層106の膜厚を75nmとしたが、熱処理工程の温度550℃以上650℃以下として、低濃度エミッタ層106の膜厚を20nm以上200nm以下とすることができる。熱処理を効果的に行うためには、温度は550℃以上が好ましい。すなわち、550℃以上とすることで、熱処理工程でベース層105中の水素ラジカルが脱離しやすくなる。ただし、熱処理工程における温度が650℃より高いと、ベース層105および低濃度エミッタ層106の結晶性が悪化する。また、熱処理を効果的に行うためには、低濃度エミッタ層106の膜厚を200nm以下とすることが好ましいが、膜厚が20nmよりも薄いと、高濃度エミッタ層107成長時にベース層105が再度不活性化しやすくなる。逆に、200nmよりも厚いとベース層105中の水素ラジカルが脱離しにくくなる。
In the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor 1, the temperature in the heat treatment step is set to 570 ° C. and the thickness of the low-concentration emitter layer 106 is set to 75 nm, but the temperature in the heat treatment step is set to 550 ° C. or more and 650 ° C. or less. The thickness of the emitter layer 106 can be 20 nm or more and 200 nm or less. In order to effectively perform the heat treatment, the temperature is preferably 550 ° C. or higher. That is, by setting the temperature to 550 ° C. or higher, hydrogen radicals in the base layer 105 are easily desorbed in the heat treatment step. However, when the temperature in the heat treatment step is higher than 650 ° C., the crystallinity of the base layer 105 and the low-concentration emitter layer 106 is deteriorated. In order to effectively perform the heat treatment, the film thickness of the low-concentration emitter layer 106 is preferably 200 nm or less. However, if the film thickness is less than 20 nm, the base layer 105 is formed during the growth of the high-
次に、本発明の半導体装置の製造方法(第2の製造方法)に係る一実施の形態の実施例(第2実施例)を、図2の概略構成断面図によって説明する。 Next, an example (second example) according to an embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device (second manufacturing method) of the present invention will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG.
図2に示したヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)2では、半導体基板201上に、バッファ層202、サブコレクタ層203、コレクタ層204、炭素(C)をドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(以下、InGaAs:Cと記す)からなる第1の層(以下、ベース層という)205、シリコン(Si)をドーピングしたインジウム・リン(InP)からなる低濃度エミッタ層206、シリコン(Si)をドーピングしたインジウム・リン(InP)からなる高濃度エミッタ層107(ここでは、上記低濃度エミッタ層206と高濃度エミッタ層207とを合わせて第2の層とする。)、シリコン(Si)をドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(以下、InGaAsと記す)からなる第3の層(以下、エミッタキャップ層という)208が順次形成されている。
In the heterojunction bipolar transistor (HBT) 2 shown in FIG. 2, a
以下、具体的に製造方法を説明する。上記半導体基板201上の各層は、有機金属化学的気相成長(MOCVD)法により成膜する。この製造方法の特徴の一つは、上記第2の層(低濃度エミッタ層206および高濃度エミッタ層207)を形成するときにはリン原料として水素ラジカルが発生するリン原料を用い、上記第3の層の高濃度エミッタ層207を形成するときにはヒ素原料として水素ラジカルが発生するヒ素原料を用いる点である。 Hereinafter, the production method will be specifically described. Each layer on the semiconductor substrate 201 is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). One feature of this manufacturing method is that when the second layer (the low-concentration emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207) is formed, a phosphorus material that generates hydrogen radicals is used as the phosphorus material, and the third layer is formed. When the high-concentration emitter layer 207 is formed, an arsenic material that generates hydrogen radicals is used as the arsenic material.
まず、インジウム・リン(InP)からなる半導体基板201の基板温度を600℃にして、ホスフィン(PH3)とトリメチルインジウム(TMI)とを原料ガスとして、上記半導体基板201上に、インジウム・リン(InP)を例えば400nmの厚さに成長させて、上記バッファ層202を形成する。
First, the substrate temperature of the semiconductor substrate 201 made of indium / phosphorus (InP) is set to 600 ° C., and phosphine (PH 3 ) and trimethylindium (TMI) are used as source gases to form indium / phosphorus ( The
次に、上記半導体基板201の基板温度を600℃に保ったまま、ターシャルブチルアルシン(TBA)とトリメチルガリウム(TMG)とトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記バッファ層202上に、シリコン(Si)を例えば1×1019/cm3にドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(InGaAs:Si)を例えば300nmの厚さに成長させて、上記サブコレクタ層203を成長する。
Next, while maintaining the substrate temperature of the semiconductor substrate 201 at 600 ° C., tertiary butylarsine (TBA), trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), and disilane (Si 2 H 6 ) are used as source gases. On the
次に、上記基板温度を600℃に保ったまま、ホスフィン(PH3)とトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記サブコレクタ層203上に、シリコン(Si)を例えば2×1016/cm3にドーピングしたインジウム・リン(InP:Si)を例えば450nmの厚さに成長させて、上記コレクタ層204を成長する。
Next, while maintaining the substrate temperature at 600 ° C., phosphine (PH 3 ), trimethylindium (TMI), and disilane (Si 2 H 6 ) are used as source gases to form silicon (Si) on the
次に、上記基板温度を例えば480℃(第1の温度)に低下させ、ターシャリブチルアルシン(TBA)とトリエチルガリウム(TEG)とトリメチルインジウム(TMI)と臭化炭素(CBr4)を原料ガスとして、上記コレクタ層204上に、炭素(C)を例えば2×1019/cm3にドーピングしたインジウム・ガリウム、ヒ素(InGaAs:C)を例えば75nmの厚さに成長させて、上記ベース層(第1の層)205を形成する。
Next, the substrate temperature is lowered to, for example, 480 ° C. (first temperature), and tertiary butylarsine (TBA), triethylgallium (TEG), trimethylindium (TMI), and carbon bromide (CBr 4 ) are used as source gases. On the
次に、上記基板温度を550℃(第2の温度)に上昇させ、水素ラジカルが発生するリン原料としてターシャリブチルホスフィン(TBP)を用いるとともにトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記ベース層205上に、シリコン(Si)を低濃度、例えば5×1017/cm3にドーピングしたインジウム・リン(InP:Si)を例えば50nmに成長させて、第2の層(以下、低濃度エミッタ層とする)206を形成する。 Next, the substrate temperature is raised to 550 ° C. (second temperature), and tertiary butylphosphine (TBP) is used as a phosphorus raw material for generating hydrogen radicals, and trimethylindium (TMI) and disilane (Si 2 H 6 ) are used. As a source gas, indium phosphorus (InP: Si) doped with silicon (Si) at a low concentration, for example, 5 × 10 17 / cm 3 is grown on the base layer 205 to a thickness of 50 nm, for example. A layer (hereinafter referred to as a low-concentration emitter layer) 206 is formed.
次に、上記基板温度を550℃に保ったまま、水素ラジカルが発生するリン原料としてターシャリブチルホスフィン(TBP)を用いるとともにトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記低濃度エミッタ層206上に、シリコン(Si)が高濃度に、例えば1×1019/cm3にドーピングされたインジウム・リン(InP:Si)を例えば10nmに成長させて、高濃度エミッタ層207を形成する。 Next, while maintaining the substrate temperature at 550 ° C., tertiary butylphosphine (TBP) is used as a phosphorus raw material from which hydrogen radicals are generated, and trimethylindium (TMI) and disilane (Si 2 H 6 ) are used as a raw material gas. On the low-concentration emitter layer 206, indium phosphorus (InP: Si) doped with silicon (Si) at a high concentration, for example, 1 × 10 19 / cm 3 , is grown to a thickness of, for example, 10 nm. 207 is formed.
次に、基板温度を550℃に保ったまま、水素ラジカルが発生するヒ素原料としてトリメチルアルシン(TMAs)を用いるとともにトリメチルガリウム(TMG)とトリメチルインジウム(TMI)とジシラン(Si2H6)を原料ガスとして、上記高濃度エミッタ層207上に、シリコン(Si)が例えば1×1019/cm3にドーピングされたインジウム・ガリウム、ヒ素(InGaAs:Si)を例えば75nmに成長させて、エミッタキャップ層208を形成する。 Next, while maintaining the substrate temperature at 550 ° C., trimethylarsine (TMAs) is used as an arsenic raw material that generates hydrogen radicals, and trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), and disilane (Si 2 H 6 ) are used as raw materials. As a gas, indium gallium or arsenic (InGaAs: Si) doped with silicon (Si) at, for example, 1 × 10 19 / cm 3 is grown on the high-concentration emitter layer 207 to, for example, 75 nm to form an emitter cap layer. 208 is formed.
以上説明した製造方法によって製造されたヘテロ接合バイポーラトランジスタ2では、ベース層205のキャリア濃度は1.7×1019/cm3となった。つまり、ベース層205中の炭素(C)の活性化率が85%となった。これは、水素ラジカルが発生しないトリエチルアルシンを流しながらエミッタキャップ層208の成長を行うことで、ベース層205が効果的に活性化されたためである。 In the heterojunction bipolar transistor 2 manufactured by the manufacturing method described above, the carrier concentration of the base layer 205 is 1.7 × 10 19 / cm 3 . That is, the activation rate of carbon (C) in the base layer 205 was 85%. This is because the base layer 205 is effectively activated by growing the emitter cap layer 208 while flowing triethylarsine in which hydrogen radicals are not generated.
以上説明した上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ2の製造方法によれば、ベース層205の活性化をエミッタキャップ層208の成長中に行うことができるので、製造工程を簡易にし、製造コストを下げることができる。 According to the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor 2 described above, the base layer 205 can be activated during the growth of the emitter cap layer 208, so that the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. .
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ2の製造方法によれば、ベース層205上の低濃度エミッタ層(第2の層)206、高濃度エミッタ層(第2の層)207の厚さが合わせても80nmと薄いので、この低濃度エミッタ層206、高濃度エミッタ層207の成長後にベース層205の活性化を行ったにもかかわらず、ベース層205の活性化を行うことができる。 Further, according to the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor 2, even if the thicknesses of the low-concentration emitter layer (second layer) 206 and the high-concentration emitter layer (second layer) 207 on the base layer 205 are matched. Since it is as thin as 80 nm, the base layer 205 can be activated despite the activation of the base layer 205 after the growth of the low-concentration emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207.
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ2の製造方法によれば、低濃度エミッタ層206および高濃度エミッタ層207の成長の原料として、高い純度が得られているターシャリブチルホスフィン(TBP)を用いたので、エミッタ層の不純物濃度を低下させ、エミッタ層の結晶性を向上させることができる。 In addition, according to the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor 2, tertiary butylphosphine (TBP) having a high purity is used as a raw material for growing the low-concentration emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207. The impurity concentration of the emitter layer can be reduced and the crystallinity of the emitter layer can be improved.
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ2の製造方法によれば、トリメチルアルシンを原料ガスに用いたにもかかわらず、デバイス特性の低下はほとんど起こらない。ところで、従来の技術常識では、トリメチルアルシンは原料の純度が悪く結晶成長に用いるのは困難であると考えられていた。しかし、ベース層205上に低濃度エミッタ層206、高濃度エミッタ層207を成長し、その上にInGaAs:Siからなるエミッタキャップ層208を成長する場合、エミッタキャップ層208の結晶品質が悪化してもデバイス特性への影響が小さいことを本発明者は見だし、本発明が有効であることを確認した。 In addition, according to the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor 2, the device characteristics hardly deteriorate even though trimethylarsine is used as the source gas. By the way, in the conventional technical common sense, trimethylarsine was considered to be difficult to use for crystal growth because the purity of the raw material was poor. However, when the low-concentration emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207 are grown on the base layer 205 and the emitter cap layer 208 made of InGaAs: Si is grown thereon, the crystal quality of the emitter cap layer 208 deteriorates. However, the present inventors have found that the influence on the device characteristics is small, and confirmed that the present invention is effective.
以上説明した上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ2の製造方法では、水素ラジカルが発生しないヒ素原料として、トリメチルアルシンの他に、トリエチルアルシン、トリノーマルプロピルアルシン、トリスジメチルアミノアルシンを用いることもできる。 In the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor 2 described above, triethylarsine, trinormalpropylarsine, and trisdimethylaminoarsine can be used in addition to trimethylarsine as an arsenic material from which hydrogen radicals are not generated.
また、上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタ2の製造方法では、低濃度エミッタ層206と高濃度エミッタ層207とを合わせた膜厚を80nmとして、エミッタキャップ層208の成長温度を550℃としたが、低濃度エミッタ層206と高濃度エミッタ層207とを合わせた膜厚を20nm以上200nm以下として、エミッタキャップ層208の成長温度を550℃以上650℃以下にすることができる。ベース層205の活性化アニールを効果的に行うためには、成長温度を550℃以上とすることが好ましい。ただし、この温度が650℃より高いと、ベース層205および低濃度エミッタ層206の結晶性が悪化する。また、アニールを効果的に行うためには、低濃度エミッタ層206と高濃度エミッタ層207とを合わせた膜厚を200nm以下とすることが好ましいが、膜厚が20nmよりも薄いと、高濃度エミッタ層207成長時に、ベース層205が再度不活性化しやすくなってしまう。逆に、低濃度エミッタ層206と高濃度エミッタ層207とを合わせた膜厚が200nmよりも厚いとベース層205中の水素ラジカルが脱離しにくくなる。 In the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor 2, the total thickness of the low-concentration emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207 is 80 nm and the growth temperature of the emitter cap layer 208 is 550 ° C. The total thickness of the emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207 can be set to 20 nm to 200 nm, and the growth temperature of the emitter cap layer 208 can be set to 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. In order to effectively perform the activation annealing of the base layer 205, the growth temperature is preferably set to 550 ° C. or higher. However, when this temperature is higher than 650 ° C., the crystallinity of the base layer 205 and the low-concentration emitter layer 206 is deteriorated. In order to perform annealing effectively, the total film thickness of the low-concentration emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207 is preferably 200 nm or less, but if the film thickness is less than 20 nm, the high concentration When the emitter layer 207 is grown, the base layer 205 is easily deactivated again. On the contrary, if the total thickness of the low-concentration emitter layer 206 and the high-concentration emitter layer 207 is greater than 200 nm, hydrogen radicals in the base layer 205 are difficult to desorb.
101…半導体基板、105…第1の層(ベース層)、106…第2の層(低濃度エミッタ層) DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Semiconductor substrate, 105 ... 1st layer (base layer), 106 ... 2nd layer (low concentration emitter layer)
Claims (4)
前記第1の層の直上に水素ラジカルが発生するリン原料を含む原料を流して、前記第1の層上にインジウム・リンを主成分とする第2の層を形成する工程と、
前記第2の層を形成する工程の後、水素ラジカルが発生しないリン原料を流して熱処理を行う工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first layer containing indium, gallium, and arsenic as a main component and carbon as a dopant on a semiconductor substrate;
Flowing a raw material containing a phosphorus raw material for generating hydrogen radicals directly on the first layer to form a second layer mainly composed of indium and phosphorus on the first layer;
After the step of forming the second layer, a step of performing a heat treatment by flowing a phosphorus raw material that does not generate hydrogen radicals is provided.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature higher than a temperature at which the second layer is formed.
を備えたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The method according to claim 1, further comprising a step of forming a third layer at a temperature lower than a temperature of the heat treatment by flowing a raw material containing a phosphorus raw material that generates hydrogen radicals after the heat treatment. Semiconductor device manufacturing method.
前記第1の層の直上に水素ラジカルが発生するリン原料を含む原料を流して、前記第1の層上にインジウム・リンを主成分とする第2の層を形成する工程と、
前記第2の層を形成する工程の後、水素ラジカルが発生しないヒ素原料を含む原料を流して、インジウム・ガリウム・ヒ素を主成分とする第3の層を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first layer containing indium, gallium, and arsenic as a main component and carbon as a dopant on a semiconductor substrate;
Flowing a raw material containing a phosphorus raw material for generating hydrogen radicals directly on the first layer to form a second layer mainly composed of indium and phosphorus on the first layer;
After the step of forming the second layer, a step of forming a third layer mainly composed of indium, gallium, and arsenic by flowing a raw material containing an arsenic raw material that does not generate hydrogen radicals is provided. A method of manufacturing a semiconductor device.
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