JPH02237109A - 半導体装置の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、化合物
半導体結晶基板上に混晶のエピタキシャル層を形成する
方法に関する。

Ｕ従来の技術］ 化合物半導体結晶、例えばＧａΔＳ結晶では比抵抗がｌ
０７Ω・Ｃｌｉ以上ある半絶縁性が容易に得ら？る。ま
た、Ｓｉ等のｎ型イオンの注入により電子移動度の大き
な活性層が得られる。このため、Ｓｉ結晶に代わる次期
超高速デバイス素子として有望視されている。

ＧａＡｓ結晶は、また、Ａ（ＩＡｓ結晶とげ意の比率で
混晶化し、格子定数，屈折率，エネルギバンドギャップ
その他の物性の異なるＧａ，■Ａｆｔ．Ａ　ｓ　（ｘは
混晶比）を形成することが知られている。

特に、ＧａＡｓとＧ　ａ　＋−ｘＡ　（ｌｘＡ　ｓとの
界而は良好なヘテロ接合を形成し、同じ半導体結晶同士
のホモ接合では得られない種々の特性を有するため、光
ＩＣや半導体レーザダイオード等の電子・光デバイスに
多用されている。

ところで、従来、上述したヘテロ接合は■液相エピタキ
シャル，■気相エピタキシャル．■ＭＯＣＶＤ；　■Ｍ
ＢＥ等のエピタキシャル技術により形成される。ここで
これらを簡単に説明する。

■液相エビタ牛シャル技術は、成長させる材料を過飽和
に含んだ融液中に単結晶基板を接触させ、両者の間に温
度勾配をつけることにより基板表面にエピタキンヤル層
を成長させる方法である。

■気相エピタキ７ヤル（塩化物気＋１１エピタキシャル
）技術は、高温気相中での化学反応を利用して結晶基板
上に化合物半導体の単結晶を成長させる方法である。

■ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシャル）技術は、
有機金属化合物をＰＨ，，Ａｓｉａ．等の水素化合物を
用いてＧａＰ，ＧａＡｓ等の化合物半導体単結晶を成長
させる技術である。

■ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）技術は、成長させる
べき材料をｌＯ−８〜ｌ（Ｉ”Ｐａの超高真空中で分子
ビーム状にして、対向する結晶を成長させる方法である
。

これら■〜■のエビタキンヤル成長技術には次のような
長短があった。

■では非常に純度の高い結晶が得られ、結晶の完全性も
高く、しかも技術的に気相エビタキシーよりやさしいと
いう利点がある。しかし、１回に多数の基板上に同時に
単結晶薄膜を成長させることができないので、量産性が
低い。

■は一度に多数の基板上に単結晶薄膜を形成することが
でき、しかも結晶の性質もよいため、液相エピタキシー
より生産向である。しかし、長い歴史があるにもかかわ
らず、現在でも技術的にまだ確立していない点がある。

■は制御性の点から量産性に適し、しかも人面積の基板
上への成長も他の方法より容易であるきいう利点がある
。しかし、熱平衡からずれた結晶成長法を採っているた
め、液相エピタキシーや塩化物気相エビタ牛シーより、
化学量論的組成からのずれが太き《なりやすく、点欠陥
も発生しやすい傾向を持つ。

■は物質によっては、すてに液相エビタキシーあるいは
気相エビタキシーと同程度の性質をもった単結晶薄膜が
つ《れるようになっており、デバイスも作成されている
が、実用的にはまだ確立したものとはいえない。

［発明が解決しようとする課題コ 上述したように■〜■はそれぞれ一長一短があるが、さ
らに次のような共通の欠点があった。

（１）基板上に新たな結晶を形成していく方法なので、
界面から不純物が混入しやすい。

（２）材料の濃度と深さを精密に制御できないので、ウ
ェハ而内で均一な混晶比あるいは均一なエピタキシャル
層の厚さを得ることが困難である。

（３）不確定要素があるので、プロセスの再現性が悪い
。

（４）ウエハ全面にエピタキシャル層を成長させる方法
なので、ウエハ而内の必要部分のみにエビタキンヤル層
を杉成する部分選択エピタキシャル技術が困難である。

本発明の目的は、イオン注入法を用いることによって、
上述した従来技術の欠点を解消して、均質で、不純物混
入の少ない高品質なペテロ接合を容易に製遣することが
可能な半導体装置の製Ｊ貨方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段Ｊ 本発叫の半導体装置の製造方法は、化合物半導体結晶基
板上に、この化合物半導体結晶と混晶可能な元素イオン
を注入し、イオン注入後アニール処理によりイオン注入
部の固相エピタキシャル成長反応を行わせて、化合物半
導体結晶基板と混晶比の異なるエビタ牛シャル層を上記
結晶基板上に形成するようにしたものである。

なお、本発明の望ましい態様としては、化合物半導体結
晶がＧａＡｓ結晶であり、混晶可能な元素がＡ［とＡｓ
元素であり、混晶比の異なるエビタヰシャル層としてＧ
　ａ　１−ＸＡ　（ＩＪ　ｓ結晶を形成することである
。

また、化合物半導体結晶が半絶縁性のＧａＡｓ結晶であ
り、混晶可能な元素がＡｆｔ，Ａｓ，Ｓｉ元素であり、
混晶比の異なるエビタキンヤル層としてＧａｌ−ｘＡｃ
ｘＡｓ結晶を形成すると同時に、上記Ｓｉの注入により
活性層を形成することである。

［作用１ イオン注入技術の特徴は、（ｉ）不純物量をイオン電流
として計測できるため、ドーピング量を高精度に制御可
能である。（１１）不純物分布は、そのイオン質量及び
エネルギにより物理的に決定できるため、精度良く制御
できる。（１１）各種不純物のドーピングが低温下で行
える。（１ｖ）酸化膜，窒化朕などを通して、不純物の
ドーピングが可能である。

このようにイオン注入技術においては、イオンの加速電
圧と注入イオンｍ（ドーズ量）とを制御することにより
、目的の注入深さと、注入イオン密度を容易に得ること
ができる。

しかし、エピタキシャル成長させる結晶基板は、原子が
整然と配列している単結晶なので、原子列に下行近くに
入射したイオンは、目的の深さよりも深い位置まで到達
しやすくなるという、チャネリングと呼ばれる現象がお
こる。

イオン注入により基板表面の浅い位置に活性層を形成す
るには、このチヤ不リングを防止する必要がある。チャ
ネリングは、注入イオンの方位と結晶方位と密接に関連
しているので、チャネリングを防止するために、チャネ
リングが生じないような注入角が選ばれる。

ところが、ある程度の深さに亙って、又は特定の深さの
所に混晶層を形成する場合には、むしろこのチャネリン
グ現象を積極的に使用することができる。即ち、注入イ
オンの方位と結晶方位とを特別な関係に保つことにより
、基板の深さ方向に注入イオンの独特の密度分布を形成
することかできるのである。

結晶基板に打ち込まれた混晶可能なイオンは、打ち込ま
れたままの状態では基仮表面がダメージのために非品質
になったり、単結晶の状態であっても格子間位置や格子
位置など様々な位置を占めているため、電気的に十分に
は活性ではない。従って、アニール処理により、イオン
注入部の固相エピタキシャル成長反応を行わせて、注入
損傷の回復と注入イオンの活性化を行う。

その結果、化合物半導体結晶基板と混晶比の異なるエピ
タキシャル層が上記結晶基板上に杉成される。

ところで、結晶基板全面に注入する場合には、その後素
子間分離が必要となる。しかし、特に加速イオンの通過
を阻止できる被膜を使って、基板表面の任意のＦｉｎ域
にエビタキンヤル層を形成する選択注入を行えば、素子
間分離のためのプロセスを必要としない。これはイオン
注入によって初めて可能になるのである。

また、Ｓ１のイオン注入とアニールにより活性層を形成
した場合には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）
やペテロバイボーラトランジスタ等の電子デバイスに適
用できる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。

第１図は、イオン注入法を用いてＧａＡｓ単結晶基板上
にＧ　ａ　ｌ−ｘＡ　（ｘＡ　ｓのへテロエピタキシャ
ル層を形成した場合の本発明方法の一例を示す。

第１図（ａ）に示すＧａＡｓ結晶基板ｌは、（１００）
面鏡面研磨の３インチ径ＧａＡｓウェハであり、ＬＥＣ
法（液体封止引き上げ法）により作成したアンドープ半
絶縁性結品である。

第２図に示すように、本実施例のイオン注入装置におい
ては、チャネリング現象を積極的に使用するために、通
常チャネリング防止のために採っている傾斜角度（７度
位）よりも大きいチルト角θ＝ｌ１度を採用し、また、
＜Ｏｉｌ＞方向を基準として決めるローティション角φ
＝３０度で注入を行った。

また、第１図（ｂ）に示す注入元素イオンはｌとＡｓで
あり、これらはＡ（固体ソースの過熱とＡｓＨ，ガスソ
ースとを用いた。各イオンの注入条件はＡｌが加速電圧
１　１　０ＫｅＶ，　Ａ　ｓが２　９　０　ＫｅＶで、
ドーズ量は共に２．５ＸｌＯ”Ｃｍ−”である。

これからも分かるように、イオンエネルギの最大値が２
　０　０　ＫｅＶを超えるので、高エネルギイオン注入
装置を採用している。なお、注入時間が延びるけれども
、イオンエネルギを落として中・小型のイオン注入装置
を用いることも可能である。

ところで、上記注入条件では理論上、ＡＩ２とＡＳとの
注入深さは共に約１０００人で、イオン注入層２の結晶
性は完全に破壊されていると考えられるが、注入層２で
のＧａＡｓに対するＡｆｆＡｓの割合、即ちＧａ＋−ｍ
Ａ　（ｌｘＡ　Ｓでの組成比Ｘは約１０％となっている
と考えることができる。

第１図（ｃ）に示すように、注入終了後上記ウェハを８
５０°Ｃで３０分間、Ａｓ雰囲気中フェイス・ツウ・フ
ェイス・アニールし、イオン注入層２の同相エピタキシ
ャル成長反応を行わせて再結晶化を行った。このフエイ
ス・ツウ・フェイス・アニールは、Ａｓが逃げるのを防
止するために行われるアニールであり、ウェハの両面に
ダミーウェハを置き丁度ウェハをサンドイッチ構造にし
てアニールするものである。

アニール後、Ｈｅ温度（４Ｋ）でホトルミネッセンス法
（励起光：アルゴンガスレーザλ・５１４，　Ｓｉｘ）
による光学的評価を、行ったところ、基板からのホトル
ミ不ツセンス光の他に、基板表面のイオン注入層からの
ホトルミネッセンス光（Ｇ　ａ　，−ｘＡ　（ｌｘＡｓ
のＸ＝０．１に対応するホトルミネッセンス光）が観測
された。

これによりＧａＡｓ結晶表面にＧ　ａ　ｏ．ｓＡ　（ｌ
ｏ．＋Ａｓ（混晶比ｘ＝０．１）のエビタ牛シャル層３
が形成されていることが確認できた。

？上述べたように本実施例によれば、単に基板に不純物
を注入して基板の電気的特性（ｎ型１ｐ型等の導電形）
を変えるものと異なり、ＧａＡｓ結晶基板ｌの物性その
ものを変えることになる、Ｇａ＋■ＡＱ．Ａｓのへテロ
エピタキシャル層を形成するようにしている。そして、
高エネルギイオ：４人１置を用いて、このヘテロエピタ
キシャル層を形成したので、不純物混入の少ないエピタ
キシャル層を容易、短時間に形成できる。またイオン注
入法を採用しているので、エピタキシャル層の組成比．
エピタキシャル層の厚さの制御がイオン注入条件の設定
のみで容易に行うことができ、したがってウェハ面内で
均一なヘテロエピタキシャル層を容易に得ることができ
る なお、上記実施例では結晶基板全面にイオンを注入する
場合について説明したが、イオン注入時のマスク設計に
より、基板表面の任意の領域に選択的にイオンを注入す
るようにしてもよい。この選択注入では、選択エピタキ
シャル層を形成することができるので、素子間分離が不
要となり微細？ターン形成が可能となる。

「発明の効果」 本発明によれば、イオン注入とアニール技術の組合せに
より混晶のエピタキシャル層を形成するようにしたので
、均質で、不純物混入の少ない高品質なヘテロ接合を容
易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の製造方法を、ＧａＡ
ｓ結晶基板上にＧａ，■ＡムＡＳのへテロエピタキシャ
ル層を形成する場合に適用した一実施例を示す工程図、
第２図は本実施例で採用したイオン注入角度例を示す説
明図である。 】は化合物半導体結晶基板としてのＧａＡｓ結晶基板、
２はアモルファス化したイオン注入層、３はエピタキシ
ャル層としてのＧ　ａｒ−ｘＡ　ＱｘＡ　ｓ単結晶層で
ある。 第１図 （（１１０＞ （ＯＪＩ＞ 本実施例の｛ｆン江入角の説明図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　化合物半導体結晶基板上に、この化合物半導体結晶と
   混晶可能な元素イオンを注入してイオン注入層を形成し
   、 イオン注入後アニール処理により上記イオン注入層の固
   相エピタキシャル成長反応を行わせて、化合物半導体結
   晶基板と混晶比の異なるエピタキシャル層を上記結晶基
   板上に形成する ことを特徴とする半導体装置の製造方法。