JPH033330A - 半導体結晶基体上への絶縁膜の形成方法 - Google Patents

半導体結晶基体上への絶縁膜の形成方法

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JPH033330A
JPH033330A JP13824489A JP13824489A JPH033330A JP H033330 A JPH033330 A JP H033330A JP 13824489 A JP13824489 A JP 13824489A JP 13824489 A JP13824489 A JP 13824489A JP H033330 A JPH033330 A JP H033330A
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JP
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insulating film
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semiconductor crystal
crystal substrate
ammonium sulfide
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JP13824489A
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Hiroshi Ishimura
石村 浩
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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】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体結晶基体上への絶縁膜の形成方法にか
かり、特に構成元素として燐(P)を含む化合物半導体
、とりわけ燐化インジウム(InP)を用いた高周波・
高出力絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(以下MIS
と略称する)のゲート絶縁膜に用いて好適な絶縁膜の形
成方法に関する。
(従来の技術) InPは、現在マイクロ波半導体素子用材料の主流を占
めているGaAsに比べて、電子飽和速度が大きく、ま
た熱伝導率が大きいなどの特徴があるため、GaAsを
上回る高周波動作が期待される半導体素子用材料として
注目を集めている。InPでは、GaAsのように逆方
向リーク電流の小さい良−好なショットキ接合を形成す
ることが難しいため、InPを用いた素子の構造として
は、金属/絶縁体/半導体構造(以下MISと略称する
)をゲートとする絶縁ゲート型電界効果トランジスタが
中心に開発されてきた。InP MISFETを実用化
するに当たっての最も大きな問題点の一つは、ドレイン
電流が時間と共に変動する所Ifffi流ドリフトが生
ずることである。この゛電流ドリフトの原因については
現在のところ不明な点も多いが、絶縁膜/InP(Is
界面と略称)に存在する界面準位への電子の充放電によ
り、動作チャネル中の電子濃度が時間と共に変動するこ
とが主な原因の一つと考えられている。従ってIS界面
の界面準位密度を極力低減させることが、電流ドリフト
を低減させるための必要条件となる。このために、従来
種々の絶縁膜形成方法、例えば熱鍛化法、陽極増化法、
化学的気相堆積(CVD)法等により、種々の絶縁膜、
例えば、In、 O。
膜、陽極酸化膜、二酸化珪素(Sin、)膜、窒化珪素
膜(Sia N4 )等を形成することが試みられてき
た。
しかしながら、InPの様な■−■族化合物半導体にお
いては、一般に■族元素の蒸気圧が高いため、400℃
以上の温度で絶縁膜を堆積しようとすると、■族元素で
ある燐(P)の解離が進みInP表面(IS界面)に欠
陥が発生し、このことが高密度の界面準位の生成につな
がる。従って、良好なIS界面を形成するためには、出
来るだけ低温下において絶縁膜を形成することが必要と
考えられ、低温で堆積が可能な、低温CVD法、 光C
VD法、プラズマCVD法等の方法を用いて、堆積温度
250〜300℃で絶縁膜を形成することが試みられて
いる。事実これらの方法により形成した、Sin、、S
i、 N4膜等で比較的良好な界面特性が報告されてい
る。さらに最近になって、アイヤー等によりアプライド
フィジックスレター誌第53巻の134ページ(App
l、 Phys。
Lett、、 53(1988)134)に開示されて
いるように、InPの表面を硫化アンモニウム((NH
,)、S、)溶液に浸した後5in2膜を堆積すると、
IS界面の界面準位密度が低減することが分かってきた
しかしながら、本発明者の実験によると、硫化アンモニ
ウム((NuJzsx)溶液に浸す処理は、確かにSi
O□/InP界面の特性を従来よりは改善するものの1
例えばこのSiO□膜をゲート絶縁膜とするInPMI
SFETにおいては30分間でドレイン電流が約10%
も変動した。InPの表面を硫化アンモニウム((NH
4)ZS、)溶液に浸す処理をしないで堆積した5in
2膜を用いたInP MISFETにおいては、約50
〜100%の電流変動が観測されたことと比較すると、
大幅にドリフト量は低減するものの、未だ改善の効果は
不充分であると言わざるを得なかった。これがため実用
に供し得るInP MISFETを製造することができ
ないのが実情であった。
(発明が解決しようとする課題) 以上述べたように、従来、界面準位密度が小さく良好な
特性を有するIS界面を形成すべく、種々の堆積方法で
種々の絶縁膜の堆積が試みられてきたが、未だ改善の効
果は不十分であった。このため、電流ドリフトが生じな
い良好な特性のMISFETを実現する絶縁膜を形成し
得る堆積方法が見いだせなかった。
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、燐
をその構成元素とする化合物半導体結晶、とりわけIn
Pを用いたMISFETのゲート絶縁膜に用いて好適な
絶縁膜の形成方法を提供することを目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 本発明にかかる半導体結晶基体上への@縁膜の形成方法
は、構成元素として燐(P)を含む半導体結晶基体の主
面に対し硫化アンモニウム(NH4)zSx溶液による
処理を施す工程と、前記半導体結晶基体の主面に構成成
分として燐(P)及び窒素(N)を含む絶縁膜を形成す
る工程を偏えたことを特徴とする。また、前記において
、硫化アンモニウム(NH,)、S、溶液による処理が
硫化アンモニウム(NH4)2Sx溶液に浸漬する処理
であり、または、硫化アンモニウム(NH4)2sx溶
液の蒸気に曝す処理であり、さらに、前記の各々につい
て、構成成分としての燐及び窒素を含む絶縁膜が窒化燐
(PN)膜であること5さらには、前記の各々において
、構成元素として燐を含む半導体結晶基体が燐化インジ
ウム(InP)であることを実施態様とするものである
。なお、前記硫化アンモニウム(NH4)aS、tにお
けるXは正の数で、2以上であることが好ましい。
(作 用) 本発明は、本発明者が種々検討と実験を重ねた結果、半
導体結晶基体の主面を硫化アンモニウム((N)!、)
2S、)溶液に浸す、あるいは硫化アンモニウム((N
H4)2S、)溶液の蒸気に晒す処理によってその後形
成されたIS界面の界面準位密度が低減される効果は、
前記処理後に堆積する絶縁膜の種類に大きく依存するこ
とを新たに見いだしてなされたものであり、特に構成成
分として燐CP)及び窒素(N)を含む絶縁膜、−例の
窒化燐(PN)膜を堆積することにより、従来のSiO
□/InP界面に比べて界面準位密度が著しく低減する
ことを見出してなされたもので、本発明により電流ドリ
フトが生じない良好な特性MISFETを提供できる。
尚、ここで用いる窒化燐(PN) Rという用語は、一
般的に化学式PxNy(x及びyはいずれも正の整数)
で表される化学量論的組成比からずれた化合物をも含め
た総称に用いられる。
(実施例) 以下、本発明の一つの実施例を図面を参照して説明する
第1図はこの発明に係る方法で絶縁膜を形成する装置の
一例を示す模式図である。図中、1はマイクロ波励起の
ラジカル生成器、2は反応室、3は1nP基板、4はI
nP基板を保持するためのサセプタである。前記ラジカ
ル発生部1は反応室2とは空間的に分離されている。ま
た、サセプタ4中にはヒータが埋込まれており、前記I
nP基板3を所望の温度に加熱できるようになっている
。前記ラジカル生成器1には窒素ガス導入管5が設けら
れており、生成された窒素ラジカルは、導管6を通じて
反応室2に導入される。この反応室2には、ホスフィン
(PH;i)を導入するためのガス導入管7が別に設け
られている。さらに反応室2の下方にはガス排出口8が
設けられ、その先は排気ポンプ(図示省略)に連なり反
応室2内を1O−3Torr程度の減圧状態にすること
が可能な構成になっている。
このような構成の装置を用いInP基板上にPH膜を形
成する工程について以下に説明する。先ず。
InP基板3を約50℃に加熱した硫化アンモニウム(
(〜)I4)zSx)溶液に5分間浸す、なお、この硫
化アンモニウム((NH4)2Sx)におけるXは正の
数で、2以上のものに著効が認められる。ついで、純水
洗浄し、乾燥後サセプタ4上に載置し、排出口8より反
応室2中を約10−’、 Torrにまで排気する。次
にサセプタ4に埋込まれたヒータに通電し、  InP
基板3を所定の温度、例えば250℃に加熱する。基板
温度が定常値に達した時点で、ガス導入管5゜7より所
定量の窒素及びPH3を反応室2中にそれぞれ流入させ
る1次にラジカル生成器1を作動させ窒素ラジカルを発
生させる。この窒素ラジカルは導管6を通して反応室2
に導入され、  PH,から供給される。#(P)と反
応して、 PNNO3InP基板3上に堆積される。
このようにして形成したPH膜の比抵抗及び絶縁破壊電
界強度は、膜厚が50nmの場合で各々5×1014Ω
・C11,7×10@vノC1lであった。これはMI
SFET用のゲート絶縁膜として充分に実用に供しうる
ものである。また、上述の方法で形成したIS界面を有
し金属電極面積が2X10−3cdのMISダイオード
を作成し、周波数I MHzにおける容量−電圧特性の
測定から見積った界面準位密度の最小値は、3X 10
”cm−”aV−’以下と、従来の堆積方法によって形
成されたMIS界面に比べて大幅に界面準位密度が低下
していることが確認された。
本発明による方法で形成したPH膜をゲート絶縁膜とす
るデイプレッション型InP MISF[ETを作成し
、ドレイン電流ドリフトを測定したところ、第2図に実
線で示すごとく、ドリフト量は3%以内と極めて小さな
ものであった。尚、第2図は、ソース、ドレイン間に5
vを印加し、 ゲートバイアス電圧を、時刻(t)=0
でOvから一4vまでステップ状に変化させた場合のド
レイン電流の時間変化をドレイン電流の初期値で正規化
して示したものである。
第2図には、本発明の効果を明確にするために、硫化ア
ンモニウム溶液に浸したInP表面に5in2膜を堆積
温度250℃で堆積し、これをゲート絶縁膜とする同一
構造のInP MISFETを作成し、同一バイアス条
件でドリフトを測定した結果を破線で併せて示しである
。Sin、膜では30分で9%のドリフトが生じており
、本発明に係る方法で堆積したゲート絶縁膜を用いたI
nP MISFETでは電流ドリフトが大幅に低減して
いることが分かる。
尚、上記実施例においては絶縁膜の堆積温度が250℃
の場合について説明したが、実施例において説明した装
置、方法を用いれば、堆積温度が室温であっても吸湿性
が見られない良好な膜質のPN膜が堆積可能であり5本
発明は何ら堆積条件に拘束されるものではない。さらに
は、PN膜の堆積方法は、上記実施例で説明した装置、
方法に限られることなく、例えば光CVD法等によって
もよい。
また、一般には絶縁膜堆積後に約300℃の熱処理を施
すが、本発明の実施例においては350〜400℃の熱
処理を施すことによって、さらに膜質の向上と安定化を
はかることができる。
さらに、硫化アンモニウム処理後に堆積する絶縁膜はP
N膜に限られるものではなく、燐及び窒素を成分として
含む絶縁膜、例えば、InPNやPAsN、あるいはこ
れらの窒化膜を最下層とした二層以上の積層膜、例えば
SiN/PN構造でも本発明の効果は変わらない。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、MIS界面の界面準
位密度を大幅に低減させ、この方法による絶縁膜をMI
SFET用のゲート絶縁1摸に適用した場合には、ドレ
イン電流のドリフト量も従来に比べて大幅に低減させる
ことが出来る。
尚、本文中においては1本発明を半導体基体3がInP
である場合について実施例を述べたが、燐化ガリウム(
GaP)等燐を含む半導体に本発明を適用しても優れた
効果を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る絶縁膜形成のための装置の一例
を示す要部の断面図、第2図は、本発明の方法によって
形成した絶縁膜をゲート絶縁膜として用いたMISFE
Tのドレイン電流の時間変化を、従来の方法によるゲー
ト絶縁膜とについて比較した結果を示す線図である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)構成元素として燐(P)を含む半導体結晶基体の
    主面に対し硫化アンモニウム(NH_4)_2S_x溶
    液による処理を施す工程と、前記半導体結晶基体の主面
    に構成成分として燐(P)及び窒素(N)を含む絶縁膜
    を形成する工程を備えた半導体結晶基体上への絶縁膜の
    形成方法。
  2. (2)硫化アンモニウム(NH_4)_2S_x溶液に
    よる処理が硫化アンモニウム(NH_4)_2S_x溶
    液に浸漬する処理であることを特徴とする請求項1に記
    載の半導体結晶基体上への絶縁膜の形成方法。
  3. (3)硫化アンモニウム(NH_4)_2S_x溶液に
    よる処理が硫化アンモニウム(NH_4)_2S_x溶
    液の蒸気に曝す処理であることを特徴とする請求項1に
    記載の半導体結晶基体上への絶縁膜の形成方法。
  4. (4)構成成分としての燐及び窒素を含む絶縁膜が窒化
    燐(PN)膜であることを特徴とする請求項1ないし3
    のいずれかに記載の半導体結晶基体上への絶縁膜の形成
    方法。
  5. (5)構成元素として燐を含む半導体結晶基体が燐化イ
    ンジウム(InP)であることを特徴とする請求項1な
    いし4のいずれかに記載の半導体結晶基体上への絶縁膜
    の形成方法。
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