薄膜晶體晶片的製造方法、使用該晶片的半導體器件及其製造方法
2023-05-20 14:06:21 2
專利名稱：薄膜晶體晶片的製造方法、使用該晶片的半導體器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及表面穩定性優異的半導體晶片的製造方法以及使用它的具有良好的歐姆電極特性的半導體器件及其製造方法。
背景技術：
GaAs、GaP、GaN等的3-5族化合物半導體晶體，被廣泛用於在微波波段以上的高頻區使用的高速電子元件或者各種發光二極體等的發光元件之類的半導體器件的製造。利用上述的化合物半導體晶體製造半導體器件的場合，不用說半導體晶體自身的電特性是重要的，但從器件應用的觀點考慮，將半導體晶體與外部器件電連接的電極部分的電特性也重要。即，能夠得到在與外部器件之間能夠效率好地流通電流的歐姆連接的電極的形成成為重要的技術課題。
一般地由於半導體中的導帶能級或者價電子帶能級與電極金屬的功函不同的情況多，因此為了通過電極向半導體晶體內平穩地流入電流，有必要選擇具有適合於目標半導體層的帶結構的功函的電極材料。
可是，即使從上述的觀點選擇安裝在半導體晶體上的電極材料，由於半導體晶體的表面的不穩定性，也存在發生勢壘、其損害電流的平穩流動的問題。例如GaAs系化合物半導體的場合，高密度的表面缺陷能級自然地形成，在該缺陷能級附近固定了費密能級，且該能級在禁帶內形成，因此在表面附近形成成為勢壘的倒空層的情況多。這種情況意味著不取決於使用的電極金屬的種類而產生一定的倒空層，由於該倒空層的影響，即使適當地選擇電極的材料，得到理想的歐姆特性事實上也變得困難。
為了應對該問題，在過去，考慮出下述構成在半導體晶體和電極之間形成禁帶寬小、勢壘小的InGaAs等的晶體層作為電極連接層，緩和電極和半導體晶體之間的能隙的構成；或者利用一旦提高雜質添加濃度，倒空層厚度就變薄的事實，添加多量的雜質，直到倒空層變薄至來自電極的電流由於隧道效應而平穩地向半導體晶體流動的程度的構成，這些構成成為公知。
可是，當設置InGaAs層作為電極連接層時，由於在形成於半導體晶體的最上層的GaAs層之上形成晶格常數與之不同的InGaAs層等，因此對做成的半導體器件內部產生不合理的壓縮或拉伸應力。因此發生變形、或表面形態惡化，因此對於微細圖案，發生斷線和其他不良情況。另一方面，當通過大量添加雜質而減薄成為勢壘的倒空層的厚度時，損害半導體的熱穩定性，做成的半導體器件的操作不穩定，操作的可靠性降低。
發明內容
本發明目的在於，提供能夠解決現有技術中的上述問題、表面穩定性優異的半導體晶片的製造方法以及使用它的具有良好的歐姆電極特性的半導體器件及其製造方法。
為了解決上述課題，本發明通過在GaAs之類的3-5族化合物半導體的單晶上積層適宜的晶體結構的Si層，能夠得到表面穩定性優異、且具有良好的歐姆電極特性的半導體積層結構。
本發明如下(1)一種半導體器件，是使用了3-5族化合物半導體單晶的半導體器件，在該器件中，具備經摻雜的3-5族化合物半導體單晶外延層、在該3-5族化合物半導體單晶外延層上形成的Si層、在該Si層上作為歐姆電極而形成的金屬電極。
(2)根據上述(1)所述的半導體器件，上述3-5族化合物半導體單晶外延層被摻雜成n型，上述金屬電極是電子用歐姆電極。
(3)根據上述(1)所述的半導體器件，上述3-5族化合物半導體單晶外延層被摻雜成p型，上述金屬電極是空穴用歐姆電極。
(4)根據上述(1)-(3)的任1項所述的半導體器件，上述3-5族化合物半導體單晶是選自GaAs、InGaAs、以及InP的任1種單晶。
(5)根據上述(1)-(4)的任1項所述的半導體器件，上述Si層是在上述3-5族化合物半導體單晶外延層上外延生長的單晶層。
(6)根據上述(1)-(4)的任1項所述的半導體器件，上述Si層在上述3-5族化合物半導體單晶外延層上以多晶層或非晶層的形式形成。
(7)根據上述(1)-(6)的任1項所述的半導體器件，上述金屬電極包含鋁。
(8)一種製造3-5族化合物半導體器件用的薄膜晶體晶片的方法，在該製造方法中，在同一外延生長爐內進行下述工序通過外延生長在半導體襯底上積層所需要的化合物半導體薄膜晶體層而得到3-5族化合物半導體單晶的工序、和在該3-5族化合物半導體單晶上通過外延生長形成Si層的工序。
(9)根據上述(8)所述的方法，上述外延生長採用有機金屬氣相外延生長法(MOVPE法)或者分子束外延法(MBE法)進行。
(10)根據上述(8)所述的方法，上述3-5族化合物半導體單晶是GaAs單晶。
(11)根據上述(8)所述的方法，在形成上述Si層的場合，與上述Si層接合的上述3-5族化合物半導體單晶的薄膜層利用Si摻雜成n型。
(12)根據上述(8)所述的方法，上述化合物半導體薄膜晶體層含有As，在形成上述Si層的場合，利用與上述Si層接合的上述3-5族化合物半導體單晶的薄膜晶體層中的As將上述Si層摻雜成n型。
(13)根據上述(8)-(12)的任1項所述的方法，以單晶層、多晶層、或者非晶層的形式形成上述Si層。
(14)一種製造使用了3-5族化合物半導體單晶的半導體器件的方法，在該製造方法中，包括在同一外延生長爐內進行通過外延生長在半導體襯底上積層所需要的化合物半導體薄膜晶體層而得到3-5族化合物半導體單晶的工序、和在該3-5族化合物半導體單晶上通過外延生長形成Si層的工序之後，在該Si層上形成起歐姆電極作用的金屬電極。
通過在3-5族化合物半導體單晶外延層上形成Si層，能夠抑制在3-5族化合物半導體單晶外延層表面形成表面缺陷能級，能夠有效防止不需要的勢壘的形成。由於Si層表面狀態平坦、且化學穩定性優異，因此通過使用對於Si層具有適宜的功函的金屬、例如鋁等來形成電極，能夠製成良好的歐姆電極。
附圖的簡單說明
圖1是表示本發明的半導體器件的實施方案的一例的截面圖。
實施發明的最佳方案以下參照附圖詳細說明本發明的一例實施方案。圖1用截面圖表示出本發明的半導體器件的一例實施方案。圖1所示的半導體器件，是使用3-5族化合物半導體晶體而構成的異質結雙極電晶體(HBT)1。HBT1使用GaAs單晶10構成，它是在構成以使得據此作為HBT元件而發揮功能的公知構成的HBT用3-5族化合物半導體單晶。GaAs單晶10，是在GaAs襯底2之上採用有機金屬氣相外延生長法(MOVPE法)或者分子束外延法(MBE法)等適宜的外延生長法，在適宜的外延生長爐內順序積層形成緩衝層3、n+-GaAs層(導電層)4、n-GaAs層(集電極層)5、p-GaAs層(基極層)6、n-InGaP層(發射極層)7、n+-GaAs層(發射極引出(cap)層)8從而製造。
GaAs單晶10的最上層n+-GaAs層8是被摻雜成n型的GaAs層，它在本發明中相當於(n型)「摻雜的3-5族化合物半導體單晶外延層」。為了在該n+-GaAs層8的上方設置作為歐姆電極的發射極電極，在n+-GaAs層8的正上方積層形成Si層11，在Si層11之上形成由鋁(Al)構成的電極層12作為電子用歐姆電極。
這樣，通過在因化學不穩定而易形成表面缺陷能級的n+-GaAs層8上積層形成Si層11，能夠有效防止n+-GaAs層8中產生倒空層之類的勢壘。通過在Si層11上形成能夠得到對Si良好的歐姆連接的鋁電極12，建立電極12和n-InGaP層(發射極層)之間的良好的歐姆連接。
一般地GaAs晶體在空氣中迅速氧化，由於因此時的晶面無序而形成的倒空層的作用，產生高密度的表面能級，妨礙形成良好的歐姆電極。因此，在外延生長爐中使n+-GaAs層8生長後，接著在同一外延生長爐中使採用MOVPE法或者MBE法等外延生長Si層11，由此不會產生不穩定的表面能級，而能夠形成Si/GaAs異質結。
具體講優選的是在GaAs襯底2之上採用MOVPE法或者MBE法等適宜的外延生長法，使從緩衝層3到n+-GaAs層(發射極引出層)8在適宜的外延生長爐內順序積層形成，形成GaAs單晶10後，接著向該外延生長爐內供給矽烷(SiH4)或者乙矽烷(Si2H6)等的Si原料，採用上述的適宜的外延生長法熱分解Si原料，通過使由此生成的Si在n+-GaAs層8上生長，從而使Si層11生長。在此，Si層11優選作為在GaAs晶體n+-GaAs層8上外延生長的單晶層而形成。可是，Si層11未必限定於作為單晶層形成，也可以採用多晶的形態、或者非晶的形態形成。
在此，為了使歐姆連接更加有效果，考慮在表面缺陷能級附近固定的費密能級，優選利用As、P等將Si層11摻雜成n型。另外，Si層11厚度並沒有臨界值，但希望是幾十埃-幾百埃的範圍。出於同樣的理由，希望對n+-GaAs層8也實施n型摻雜。
在GaAs和Si之間導帶末端能級有一些差別，但其差異小，通過對Si層11及n+-GaAs層8這兩層如上述那樣進行n型摻雜，能夠減小至其結電阻可忽略的程度。該n型摻雜能夠對n+-GaAs層8及Si層11各層採用各自適宜的方法實施，但即使不特別進行有意的摻雜，在n+-GaAs層8上形成Si層11時，通過n+-GaAs層8和Si層11之間因加熱產生的相互擴散也能夠各自實現足夠濃度的摻雜量。
由於Si層11表面非常穩定且表面能級小，因此與在Si半導體技術中同樣，使用作為具有適當的電子親合力的金屬的鋁，在Si層11和電極12之間能夠實現良好的歐姆連接。此結果，通過電極12將GaAs單晶10與外部的器件電連接，能夠使兩者良好地歐姆連接。
在上述實施方案中，說明了發射極電極的構成，但對於基極層的基極電極及對於集電極層的集電極電極的場合也同樣地能夠設置良好的歐姆電極。另外，本發明的半導體器件，不限定於HBT元件，不用說能廣泛適用於發光二極體元件、HEMT元件等。
在上述實施方案中，說明了3-5族化合物半導體單晶外延層摻雜成n型、金屬電極是電子用歐姆電極的情況。
另一方面，本發明也同樣適用於3-5族化合物半導體單晶外延層摻雜成p型、金屬電極是空穴用歐姆電極的情況，能夠獲得同樣的效果。
產業實用性根據本發明，通過在3-5族化合物半導體單晶外延層上形成Si層，能夠有效防止不需要的勢壘的形成，能夠使Si層和電極之間形成良好的歐姆連接狀態。其結果，通過電極在3-5族化合物半導體單晶和外部器件之間能夠效率好地流動電流。
權利要求
1.一種半導體器件，是使用了3-5族化合物半導體單晶的半導體器件，在該器件中，具備經摻雜的3-5族化合物半導體單晶外延層、在該3-5族化合物半導體單晶外延層上形成的Si層、和在該Si層上作為歐姆電極而形成的金屬電極。
2.根據權利要求1所述的半導體器件，上述3-5族化合物半導體單晶外延層被摻雜成n型，上述金屬電極是電子用歐姆電極。
3.根據權利要求1所述的半導體器件，上述3-5族化合物半導體單晶外延層被摻雜成p型，上述金屬電極是空穴用歐姆電極。
4.根據權利要求1-3的任1項所述的半導體器件，上述3-5族化合物半導體單晶是選自GaAs、InGaAs、以及InP的任1種單晶。
5.根據權利要求1-4的任1項所述的半導體器件，上述Si層是在上述3-5族化合物半導體單晶外延層上外延生長的單晶層。
6.根據權利要求1-4的任1項所述的半導體器件，上述Si層在上述3-5族化合物半導體單晶外延層上以多晶層或非晶層的形式形成。
7.根據權利要求1-6的任1項所述的半導體器件，上述金屬電極包含鋁。
8.一種製造3-5族化合物半導體器件用的薄膜晶體晶片的方法，在該製造方法中，在同一外延生長爐內進行下述工序通過外延生長在半導體襯底上積層所需要的化合物半導體薄膜晶體層而得到3-5族化合物半導體單晶的工序、和在該3-5族化合物半導體單晶上通過外延生長形成Si層的工序。
9.根據權利要求8所述的方法，上述外延生長採用有機金屬氣相外延生長法(MOVPE法)或者分子束外延法(MBE法)進行。
10.根據權利要求8所述的方法，上述3-5族化合物半導體單晶是GaAs單晶。
11.根據權利要求8所述的方法，在形成上述Si層的場合，與上述Si層接合的上述3-5族化合物半導體單晶的薄膜層利用Si摻雜成n型。
12.根據權利要求8所述的方法，上述化合物半導體薄膜晶體層含有As，在形成上述Si層的場合，利用與上述Si層接合的上述3-5族化合物半導體單晶的薄膜晶體層中的As將上述Si層摻雜成n型。
13.根據權利要求8-12的任1項所述的方法，以單晶層、多晶層、或者非晶層的形式形成上述Si層。
14.一種製造使用了3-5族化合物半導體單晶的半導體器件的方法，該製造方法包括在同一外延生長爐內進行通過外延生長在半導體襯底上積層所需要的化合物半導體薄膜晶體層而得到3-5族化合物半導體單晶的工序、和在該3-5族化合物半導體單晶上通過外延生長形成Si層的工序之後，在該Si層上形成起歐姆電極作用的金屬電極。
全文摘要
通過外延生長形成GaAs單晶10的n
文檔編號H01L21/205GK1706033SQ20038010155
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月10日 優先權日2002年10月15日
發明者秦雅彥 申請人:住友化學株式會社