JP2810175B2 - 気相成長方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、III−Ｖ族化合物半導体薄膜の気相成長法
に係り、特にイオン注入されたインジウムを含む半導体
結晶上にインジウム系化合物半導体薄膜を成長せしめる
に際し、イオン注入された原子の電気的な活性化と、上
記薄膜の成長を同一の系内で熱処理温度とほぼ同じ温度
で、且つ連続的に実施せしめ、もって省力化、効率化の
向上と共に、高品位インジウム系化合物半導体薄膜の成
長を可能ならしめる気相成長法に関するものである。

［従来の技術］ 近年のマイクロ波帯域通信の発達に伴い、最近では更
に高周波帯域で動作可能なリン化インジウム（InP）等
を母体材料とするリン化インジウム電界効果トランジス
タ（Field Effect Transistor;FET）などの高周波デバ
イスの開発が進められている。

これらデバイス用の動作層の形成にあたっては、得ら
れる動作層の電気的特性の均一性、あるいはまた量産性
の面から従来よりもっぱらイオン注入法が使用されてい
る。

このイオン注入法においては、シリコン（Si）等所望
のイオンを注入し、然る後にイオン注入に伴い生ずる被
注入物の表面近傍の結晶の乱れを再結晶化により回復さ
せ、注入された原子を電気的に活性化させるべく熱処理
が施される。

またリン化インジウム結晶については、デバイス作成
上重要となるショットキー（Schottky）接合が安定的に
得られにくいため、上記イオン注入法及びその後の熱処
理によりイオン注入領域の結晶性を回復させ、注入され
た原子の電気的活性化により形成された注入層表面に気
相成長法等により、リン化インジウムに比較して高いバ
ンドギャップ（band gap）を有する化合物半導体薄膜を
堆積することが多く採用されている。

この場合、イオン注入後薄膜成長を円滑に実施するた
め、アニールに使用した熱処理装置とは異なる気相成長
装置により、異なる温度条件においてエピタキシャル層
を堆積することが行なわれている。

［発明が解決しようとする課題］ イオン注入されたインジウム系半導体結晶上に気相成
長させる従来の方式においては、イオン注入された原子
を活性化するための熱処理を実施する温度と、然る後に
実施される気相成長に採用される温度とが通常異なるこ
とに基づき、これら両者の工程は互いに異なる装置でし
かも時間的に不連続に実施されている。

このため、これら両者の工程により所望のデバイス用
動作層を得る際にあっては余分の工程を費やし、もって
デバイスの生産効率の低下を招く欠点があった。

ましてや、熱処理された上記半導体結晶を、然る後の
気相成長を実施する系へ移動させる際に、半導体結晶の
表面に大気との接触により酸素、二酸化炭素等の分子の
吸着が起こり、結果としてデバイス特性の向上に重大な
支障を来している。

これを防ぐべく上記のイオン注入し熱処理された半導
体結晶上に気相成長により薄膜を堆積させる前に、この
熱処理された半導体結晶の表面をエッチング等により処
理することが行なわれている。

しかしながら、元来均一性に優れるイオン注入法で、
均一な膜厚を有する動作層の形成が果たされたとしても
上記エッチング処理により除去される表面層の厚さに不
均一さが生じるため、デバイス特性の均一化につき極め
て不利な事態を招く問題点があった。

［課題を解決するための手段］ 上述の如く、従来の工程の有する種々の欠点ならびに
問題点は、根本的にイオン注入の後に行なわれるインジ
ウム系化合物半導体の熱処理工程に要される温度と、該
熱処理された基体上にインジウム系化合物半導体薄膜を
成長させる工程の温度とが異なること、それに伴い装置
の運用効率の面から該熱処理済基体を一旦熱処理装置か
ら取り出し、薄膜成長装置に装入することが要求されて
いるところにある。

すなわち、一般に熱処理工程の温度の方が高いが故に
生ずるＰ、As等の揮散し易いＶ族元素の散逸による結晶
表面の粗化を防止したいとの判断から、両工程で採用さ
れる温度を低い温度で同一にすることにより、従来法の
欠点ならびに問題は排除され得ることを勘案し、本発明
者らは上記両工程で採用される温度を同一にすることを
困難としていた原因に付き鋭意検討した。

その結果、インジウム系化合物半導体薄膜の気相成長
工程で採用する温度を熱処理工程のそれと同一にならし
めるに際しては、気相成長工程の高温化に伴うインジウ
ム系化合物半導体薄膜の成長速度の低下等を防止でき、
実用的で現実的な膜成長速度を与え得るインジウムの気
相成長用供給源を新たに考察する必要があるとの知見を
基に本発明に至った。

すなわち、本発明はインジウムを含む化合物半導体結
晶上にイオンを注入した後、気相成長法により周期律表
第III族及び第Ｖ族化合物半導体膜を堆積せしめる気相
成長法において、イオン注入された該インジウム系化合
物半導体結晶を550℃〜650℃の温度に20分〜80分間保持
せしめ熱処理を施す第一工程と該熱処理された半導体結
晶上に、該熱処理を施した同一系内において、熱処理し
た温度とほぼ同一の温度でインジウムを少なくとも一つ
の構成元素として含むIII−Ｖ族化合物薄膜を、第一の
工程に時間的に連続して成長せしめる第二の工程とから
なる気相成長方法である。

ここで、本発明でいうインジウムを含む化合物半導体
としては、リン化インジウム、ガリウム−インジウム−
リン、アルミニウム−ガリウム−インジウム−リン等が
挙げられる。

注入されるイオンとしては、通常一般に使用されてい
る原子量29のケイ素が使用できる。

気相成長に使用される第III族及び第Ｖ族の元素とし
てはアルミニウム、ガリウム、リン、砒素等を挙げるこ
とが出来るが、他の第III族、第Ｖ族元素であってもよ
い。

イオン注入後の熱処理温度は、550℃〜650℃が適当で
ある。550℃より低いと再結晶の速度が遅くなって長時
間必要となるし、逆に650℃より高いと再結晶の速度は
早くなるが次工程でのエピタキシャル層の堆積が遅くな
るので好ましくない。

熱処理の時間は、注入イオン、化合物半導体の種類等
により変わるが、一般に熱処理温度と関係があり、熱処
理温度が高い場合は短く、低い場合は長くなる。

インジウム供給源としては１価のインジウム化合物が
好ましく、実例としてはモノシクロペンタジエニルイン
ジウム、モノメチルインジウム、モノエチルインジウ
ム、モノメチルシクロペンタジエニルインジウム、モノ
クロルインジウム、モノブロムインジウム等有機又は無
機の化合物が使用できる。

特にモノシクロペンタジエニルインジウムは入手しや
すく、取扱い易いので好ましい。

［作 用］ イオン注入されたインジウム系半導体結晶の熱処理に
際し、また、該インジウム系半導体結晶上へインジウム
系化合物半導体薄膜を成長させる際に、イオン注入され
た原子の電気的活性化をするための熱処理を施す第一の
工程と少なくともインジウムを一つの構成元素として含
むIII−Ｖ族半導体薄膜を成長させるための第二の工程
を時間的に連続させることによりデバイス生産効率の向
上をはかるものである。また、本発明の方法は従来の第
一の工程及び第二の工程を別々に行なうことにより必然
的にイオン注入後、アニールされた半導体結晶は大気と
接触し、酸素あるいは二酸化炭素と接触することを回避
するものである。

したがって、本発明の方法では同一装置内で連続して
アニールと気相成長を行なうため酸素、二酸化炭素分子
の吸着が妨げ、デバイス特性の均一化に多大な効果を発
揮するものである。

本発明のごとく、基板のアニールの第一工程と、III
−Ｖ族半導体薄膜を成長させる第二工程を、同一の装置
内で連続的に行なうためには、この二つの工程をほぼ同
一の温度（ほぼ±20℃以内）にすることが必要であり、
またこの範囲の温度内に納めることが可能ならば、同一
装置内で連続して二つの工程を行なうことが可能である
ことからそれぞれの工程の許容範囲を検討した。

その結果、意外にも従来700℃〜750℃で行なわれてい
た熱処理工程を550℃〜650℃の低温において、20〜80分
間行なうことによりほぼ同一の効果を満たすことがわか
り、本発明に到達したものである。

これは、700℃〜750℃により熱処理時間は若干延長さ
れるが、冷却、取り出し、エッチング等の工程を省略で
きるので全体工程としては短時間で済むメリットがあ
る。また、熱処理中のＰ、As等の散逸を防止できる効果
も有することが判明した。

なお、操作が大幅に簡略化されているので無塵室も小
さくて済むうえ、雰囲気による基板の酸化等の汚染もな
いので第一工程のアニールの時間が若干延長があったと
しても全体としてはほとんど差がなく、本発明による装
置の簡略化、操作の省略化によるメリットは大きい。

［実施例］ 本発明に係る具体的な実施例として、イオン注入され
たリン化インジウム結晶表面上にショットキー接合を形
成させるため、リン化インジウム基板より高いバンドギ
ャップを有する化合物半導体薄膜を成長させる場合に付
き以下説明する。

鉄を添加した高抵抗リン化インジウム単結晶基板（10
1）に質量29のケイ素イオンを加速電圧100KeV、ドーズ
量3.0×10¹²cm^-2の条件で注入し、イオン注入層（102）
を形成せしめた熱処理前のウェハを使用した。第１図は
模式的断面図である。

ついで、該ウェハを熱処理兼気相成長装置内にセット
し、高純度アルゴンガスで10％の濃度に希釈されたフォ
スフィンを600cc/minの割合に流しながら熱処理温度を6
00℃、処理時間を40分間として行った。

次に、流通ガスをモノシクロペンタジエニルインジウ
ム、フォスフィン、トリメチルガリウムに切り替え、水
素ガス気流と共に第一工程と同一温度においてガリウム
−インジウム−リン層を気相成長（MOCVD）させた。こ
の場合のインジウムの供給は、シクロペンタジエニルイ
ンジウムを入れた容器を70℃の恒温槽に浸漬し、これに
高純度水素ガスを通過させることにより行なった。

フォスフィンの供給は、熱処理と同じガスを流通させ
ることにより行なった。

ガリウムの供給は、トリメチルガリウムを入れた容器
を０℃の恒温槽に浸漬し、高純度水素でバブリングさせ
ることにより行なった。

上記の３種のガスは、高純度水素ガス6.0/minと共
に気相成長装置に送入した。エピタキシャル成長層の厚
さは150Åであった。

上述の本発明に基づく第一ならびに第二の工程を経て
得られたエピタキシャルウェハの構造を模式的に第２図
に示す。

第２図に示す構造のウェハにつきその優位性を従来例
のそれと比較検討するために電子濃度プロファイルを測
定し、第３図に示した。第３図に示すように本発明に依
る気相成長方法で与えられるウェハにあっては、第一の
工程に基づくイオン注入層と第二の工程に依る気相成長
薄膜層との界面において電子濃度プロファイルの異常、
例えばプロファイル上のバンプ（bump）、ピーク（pea
k）等の発生も認められない。

［効 果］ 以上の如く、本発明によればイオン注入されたウェハ
をイオン注入原子の活性化のために実施をする熱処理工
程（第一工程）と同一装置内で、ほぼ同一の温度で連続
的に該ウェハ上にインジウムを少なくとも一つの構成元
素として含む化合物半導体薄膜を成長させることにあ
る。

この結果、従来例のごとく工程の不連続性に基づく熱
処理後のウェハをエピタキシャル工程に入る前に大気に
さらし、表面を汚染すること、更にその除去のためにエ
ピタキシャル成長の前処理としてエッチング処理を必要
とし、エッチングにより均一性を失うこと等の不要の汚
染、不要の工程を排除でき、特にイオン注入によって与
えられる電子濃度プロファイルの高い均一性（これは必
然的にデバイス特性の均一化も達成する。）を達成でき
る大きなメリットを有する。

更にイオン注入されたリン化インジウム結晶上にリン
化インジウムよりも高いバンドギャップを有する薄膜層
を形成せしめれば、FET等のデバイス作成上重要となる
ショットキー接合を極めて簡便な操作で容易に、安定的
に且つ短時間で製造できる効果も有する。

なお、本実施例においては鉄を添加した高抵抗リン化
インジウム結晶へケイ素イオンを注入し、熱処理後ガリ
ウム−インジウム−リン薄膜を成長させる気相成長方法
を例にして説明したが、本発明に係る効果は鉄以外のコ
バルト、クロム等の遷移金属を添加した高抵抗リン化イ
ンジウム結晶でもよく、結晶の面方位もまた（100）に
限定されることもない。更には、注入種もケイ素に限ら
ず発揮し得る。また、アニール雰囲気もホスフィン雰囲
気に限定されず成長させる化合物半導体薄膜もガリウム
−インジウム−リンに限定されないのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明の第一工程ならびに第二工
程に係るウェハを模式的に示す断面図である。 第３図は、ウェハの電子濃度プロファイルを示す図であ
る。 101:鉄添加高抵抗リン化インジウム単結晶 102:²⁹Siイオン注入層 201:鉄添加高抵抗リン化インジウム単結晶 202:熱処理により活性化した注入層 203:MOCVD法により形成したガリウム−インジウム−リ
ン薄膜

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/265 H01L 21/324

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インジウムを含む化合物半導体結晶上に、
   イオンを注入した後気相成長法により周期律表第III族
   及び第Ｖ族化合物半導体膜を堆積せしめる気相成長法に
   おいて、イオン注入された該インジウム系化合物半導体
   結晶を550℃〜650℃の温度に20分〜80分間保持せしめ熱
   処理を施す第一工程と、該熱処理された半導体結晶上に
   該熱処理を施した同一系内において、熱処理した温度と
   ほぼ同一の温度でインジウムを少なくとも一つの構成元
   素として含むIII−Ｖ族化合物薄膜を第一の工程に時間
   的に連続して成長せしめる第二の工程とからなることを
   特徴とする気相成長方法。