JPH01102924A - 半導体基板の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）産業上の利用分野 本発明はイオン注入法による半導体装置の製造工程にお
いて、イオン注入後の熱処理工程に関するものである。

（２）従来の技術 現在半導体素子材料としてはＳｉが多く使用されている
が、半導体素子の作動の高速化、低消費電力化あるいは
記憶素子にあっては大容量化のために、低電解でのキャ
リア移動度が大きく、強電界での飽和ドリフト速度が大
きいＧａＡｓを代表する■−■族化合物半導体が注目さ
れている。

［−Ｖ族化合物半導体は、その少数キャリアの寿命が短
いことなどから、これらを利用することによって電界効
果型トランジスタ（ＦＥＴ）　、接合ケ゛−トＦＥＴ　
、ショットキーバリアーＦＥＴの他、各種ダイオード、
ＩＣ等の高周波、高速動作素子を作成することが可能と
なる。

これらの素子を作成するには、一般にエピタキシャル成
長法、拡散成長法、熱拡散法、イオン注入法などが利用
されている。特にイオン注入法は、従来の熱拡散法によ
るドーピングとは異なり、熱平衡状態を経ない状態を利
用するので、不純物の量深さの正確な制御が可能で、基
板表面の薄膜や不純物層を介してその奥に更に不純物を
ドープでき、注入不純物の横力の拡がりが小さい等の多
くの利点を有するため、半導体素子の作成プロセスとし
て注目されている。

イオン注入法においては、不純物元素をイオン化し、こ
れを高電界中で加速し、高エネルギー状態にして半導体
基板に衝突させて注入する。この際、注入領域の結晶性
が著しく乱れ、特に高イオンの注入にあっては非晶質状
態となることもある。

このような非晶質状態を回復させ、不純物元素を電気的
に活性化させる目的で、７００〜１０００℃という比較
的高い温度で活性化熱処理がおこなわれている。

従来、この熱処理工程においては、所望の温度に加熱さ
れた、電気炉へ予熱した半導体基板を搬入し、所定時間
経過後、搬出する熱処理方法が一般的である。この方法
では、昇温速度及び冷却速度が８０〜ｂ いし、半導体基板内で昇温速度及び冷却速度が不均一と
なっている。

これまで、活性化熱処理の互変と所要時間についてはい
ろいろ検討されているか昇温速度や冷却速度については
検討されておらず、何ら報告は見当らない。

（３）発明が解決しようとする問題点 従来の熱処理方法においては、熱処理後の半導体基板面
内の電気的特性に不均一が生じ、集積回路等の半導体装
置の不良原因となっている。この電気的特性の不均一の
原因は、熱処理時の昇温冷却速度が最適でない事及び半
導体基板内で昇温、冷却速度が均一でない事であシ、そ
れを解決するのが本発明の目的である。

（４）問題点を解決するだめの手段 本発明では、半導体基板にイオン注入を施した後の熱処
理の昇温、冷却過程において、半導体基板内に電気的特
性の不均一が生ずると考え、昇温速度及び冷却速度を制
御する事を特徴とする熱処理方法を検討した結果、ウエ
ノ・−内の電気特性の均一化に効果が有ることを見出し
たものである。

本発明においてはイオン注入を施した半導体基板を室温
で電気炉内へ入れ、ガス置換により、電気炉内を例えば
アルシン３気圧程度の所望のガス雰囲気にする。次いで
、昇温速度を１００℃／分から２０℃／分の範囲で昇温
する。１００℃／分以上の昇温速度では、半導体基板に
熱歪が発生する確率が大きくなる。又２０℃／分以下の
昇温速度では、半導体基板内での電気特性の均一性が悪
化する。７００℃以上に昇温後所定の温度に１０〜２５
分間の所定時間保持をし、冷却速度を４０℃／分から２
℃／分の範囲で冷却を行う。前記、範囲外の冷却速度で
は、半導体基板内での電気的特性の均一性が悪化する。

１００℃に冷却後、半導体基板を電気炉より取り出すこ
とにより達成される。

活性化熱処理温度は一般に７００℃〜１０００℃であシ
、Ｓｌでは高目の温度を選択し、■−■族化合物半導体
では低目の温度が利用され、特にＩｎｐでは７００℃程
度と低い温度が利用できる。熱処理に要する時間は１０
〜２０分間が一般的であり、注入するイオンの種類と量
によシ適宜選択する。

この活性化処理温度では、■−ｖ族化合物半導体の蒸気
圧の高い成分の蒸発が必らずおころので、公知の技術に
従りてＳｉＯ□、ＡｔＮ、Ｓｉ３Ｎ４などの保護膜を基
板やエピタキシャル成長層表面に形成した後、熱処理す
るのが好ましい。保護膜の形成方法としてはＣＶＤ　、
プラズマＣＶＤ　、スノぐツタ法、蒸着法等が使用可能
で、保護膜材質、基板等の性質に合わせて適宜選択すれ
ば良い。

また、活性化熱処理としては最近注目されている蒸気圧
の高い構成元素の蒸気圧下で行うキャップレスアニール
、ビームアニール、フラッシュラングアニールを行うこ
とも可能である。

注入イオンとしては、各種基板の種類に応じて選択でき
、例えばＧａＡｓ基板についていえば、Ｓ。

Ｓｔ　、　Ｓｎ　、　Ｔｅ　、　Ｓｅ等のドナー不純物
（ｎ型）およびＢｅ　、　Ｃｄ　、　Ｍｇ　、　Ｚｎな
どのアクセプタ−（ｐ型）が使用できる。

化合物半導体は一般に解離圧の高いものが多く、活性化
熱処理により高蒸気圧元素成分の蒸発による損失が大き
い。特にイオン注入により結晶性に乱れが生じている注
入領域での蒸発損失が著しく、その結果基板表向の組成
が変化し、これに起因する電気特性の変化が著しい。

本発明の昇温、冷却速度を得るにはウェハーを装入する
炉芯管の周囲にヒーターを配置し、ヒーターの出力を制
御することによシ容易に達成できる。

（５）作用 活性化熱処理温度や熱処理時間ばかりでなく、熱処理に
至る昇温速度や熱処理後の冷却速度が、活性層のキャリ
ア濃度プロファイル及びそのウェハー内の面内均一性に
強く影響を及ぼす。、温度勾配がゆるくなると、ウェハ
ー周辺部に存在したキャリア濃度の低い領域は狭くなり
、キャリア濃度の等しい領域がウェハー面内にウェハー
中心から同心円状に拡大していく。

（６）実施例 ＧａＡｓ半絶縁性基板（以下、ウェハーと称す）にシリ
コンイオンを２５０　ｋｅＶのエネルギーで、２Ｘ１０
　　ｃｍ　　のドーズ量でイオン注入を行った。

次いで第１図のような、電気炉にウェハーをセットし、
電気炉内をガス置換した後に、アルシンを０．４％含む
雰囲気の炉内へ５１／分の流量で流し、次いで第２図に
示すような温度プログラムで熱処理を行った。ここで昇
温速度は４０’Ｃ／分、冷却速度は、５℃／分で行った
。高温保持は８５０℃×１５分であった。

上記熱処理方法で、活性化させたイオン注入層（活性層
）の静電容量をＣ−Ｖ測定法により測定した結果を第３
図に示す。第３図は、２インチ巾のウェハーに１．５瓢
間隔に配置したショットキー電極の静電容量値のウェハ
ー面内分布を示す。こ係と良好な結果であった。８５０
℃の炉内へ直接投入する従来技術で熱処理を行った場合
は、変動係数は、最小でも１％程度であった。

また活性層厚を示すキャリアー濃度分布もウェハー全面
にわたりほぼ一定であった。

実施例では、ＧａＡｓについて述べたが、Ｓｉ　、　Ｉ
ｎＰ。

ＧａＡｔＡｓ等種々の半導体にも本発明は適用できる。

（７）効果 本発明の熱処理方法によシ、半導体基板内での、活性層
のキャリア濃度、活性層厚の均一性が向上する。

電子デバイスの製造においては、活性層の不均一がデバ
イス性能の不良原因となっている。本発明の熱処理方法
を製造プロセスに用いる事により、歩留シの向上、集積
回路の大規模化が図れる。

特に、ＧａＡｓ等の化合物半導体において、活性層の不
均一がデバイス製造上、最大の問題である為、本発明が
有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例に用いた電気炉の構成図を
示す。 第２図は、この発明の実施例に用いた温度プログラムを
示す。 第３図は、この発明の実施例のショットキー電極の容量
値の面内分布図を示す。 特許出願人　　昭和電工株式会社 代理人弁理士　　　菊　　地　　精　　−矢　　口　　
　　　　乎 第１図 １、ヒーター ２、熱電対 ３、ＰＩＤコントローラー ４、石英炉芯管 ５、ガス導入口 ・６．排気口 ア、バルフ 第２図 時間　（分） 第３図 単位、ｐＦ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体基板表面に、素子形成のため所望の導電形を付
   与するイオンを注入した後の熱処理において、１００℃
   ／分から２０℃／分の昇温速度で昇温し、所定の温度で
   所定の時間保持した後、４０℃／分から２℃／分の範囲
   の冷却速度で冷却する事を特徴とする半導体基板の熱処
   理方法。