JPH0376129A - 窒化ホウ素を用いた電子装置の作製方法 - 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】 「発明の利用分野」 本発明は、窒化ホウ素に不純物を添加した後、パルス光
のレーザアニールを行い電子装置を作製する方法に関す
るものである。

「従来の技術」 窒化ホウ素を用いた電子装置に関しては、まだ開発が始
まったばかりであり、トランジスタや集積回路への応用
は少なくない。とりあえずダイオードとし、この応用と
して紫外光または青色の可視光発光素子への応用が試み
られている。

窒化ホウ素を用いて発光素子およびその他の電子装置を
作るという試みは、三島修氏（無機材料研究所〉によっ
て示されている。（例えばニューダイヤモンド　Ｖｏ１
４　　Ｎα３　ｐ２１〜２５参照）しかし、この窒化ホ
ウ素を用いた発光素子に不純物をイオン注入法により添
加し、それに対しパルス化したレーザ光を照射してアニ
ールを行う方法はまったく示されていない。

「従来の欠点」 窒化ホウ素に不純物をその場所、温度を精密に制御して
添加するという試みもまったくなされていない。特にこ
のためには、イオン注入法が有効であると考えられるが
、窒化ホウ素が非平衡状態において合成されているため
、単にイオン注入をしても、その後のアニールをシリコ
ン半導体と同じく熱のみにより行っても何ら効果がない
ことが知られている。またたとえ真空中で１４００°Ｃ
に加熱しても、この単なる加熱は平衡系でのアニールの
ため、イオン注入法によってできた格子欠陥を完全に消
滅させることができない。このため、窒化ホウ素に対し
、局部的に価電子制御をシリコン半導体と同様に行うこ
とは不可能とされていた。不純物を単にイオン注入をし
たのではなく、窒化ホウ素中の窒素またはホウ素に置換
し、非平衡状態、非平衡系でのアニール方法の確立が求
められていた。

「発明の目的」 本発明では、窒化ホウ素中にＰ型不純物であるベリリウ
ムを、またＮ型不純物であるシリコンを用いた。

窒化ホウ素は、光学的エネルギバンド巾が６．４ｅＶま
たはそれ以上もあるため、ハロゲンランプ等でのアニー
ルは平衡系でのアニールであり、またランプの光エネル
ギは１〜１．５ｅＶでしかないため、透光してしまい、
有効に働かせることができない。

本発明は、かかる欠点を除去するために威されたもので
ある。即ち、窒化ホウ素に対し、不純物を窒化ホウ素中
にイオン注入法を用いて添加する。これにレーザ光、特
に７０ｎｍ〜５００ｎｍの波長、好ましくは２６０ｎｍ
以下の波長（電気的には４．８ｅＶ以上の光エネルギ）
のパルス巾ｌｌ１１秒以下のレーザ光を照射し、その照
射雰囲気を真空または４Ｎ以上の純度の不活性気体また
は水素気体中で行うことにより、イオン注入により生じ
た不対結合手の存在による格子欠陥の減少または除去に
努めてきたものである。

「発明の構成」 本発明は、珪素基板上の窒化ホウ素、ダイヤモンド上の
窒化ホウ素または窒化ホウ素母材等の窒化ホウ素の上部
または内部にイオン注入法を用いて不純物を添加して不
純物領域を作る。

この不純物が注入された窒化ホウ素にパルス光の紫外光
レーザを照射し、格子欠陥を減少または除去し、添加さ
れた不純物の活性化を行わんとするものである。

本発明では特に波長７０〜２６０ｎｍ、パルス巾５〜２
０Ｏｎ秒としたパルスレーザ光を照射したものである。

　レーザ照射される部分をその補助エネルギとして１４
００°Ｃ以下の温度に加熱させ、窒化ホウ素中でのベリ
リウム、シリコン等の不純物の偏析を防ぐため、レーザ
光の照射に際して基板温度は一１９６〜１４００°Ｃの
温度例えば室温で行った。

本発明方法において、イオン注入法により添加される不
純物としては、これまで公知の元素周期律表ＩＩａ族の
元素、代表的にはベリリウムまたは元素周期律表ＩＶｂ
族の元素のＣ９５ｉ、Ｇｅ、、特にＳｉを用いた。

イオン注入される窒化ホウ素は、単に窒化ホウ素単体、
シリコン等の半導体上に形成させた膜状または単結晶性
の窒化ホウ素、またセラもツタ例えば窒化珪素上に形成
された膜状または粒状窒化ホウ素であってもよい。例え
ばシリコン基板上に窒化ホウ素を作るにはその中に基板
の珪素が添加されＮ型となるため、イオン注入はベリリ
ウムを添加した。窒化珪素上部の一部領域にイオン注入
法により不純物の添加層（不純物領域）を設ける。この
不純物領域を形成すると同時に、この領域はイオン注入
に伴う損傷層（アモルファス層および一部アモルファス
またはグラファイト成分が生ずる層）となる。

このため、ここに非平衡系のパルスアニール方法である
エキシマレーザ光を用いて光アニルを行い、不純物を活
性にし、欠陥の除去かつ格子歪を緩和した。

Ｆ　ｚ　（１５７ｎｍ）　、　ＡｒＦ　（１９３ｎｍ）
　、　ＫｒＣ１（２２２ｎｍ）等の波長の５〜２００ｎ
ｍ秒のパルス巾のレーザでもよい。

パルス数は１〜３０ＰＰＳ（１秒間に１〜３０ハルスノ
照射）例えば１ｏｐｐｓを行い、同時に基板をｌ〜５　
ｍｍ／秒の速さで走査した。

これは、従来公知の珪素半導体をイオン注入した後、単
に熱のみのアニールをして単結晶化し、同時に不純物を
活性化（ドナー化またはアクセプタ化）する時、珪素が
溶融して、ロングレンジオーダの元素の移動を伴いつつ
再結晶化する平衡系とは大きく異なる。

本発明の応用として、第３図にその製造工程を示す。そ
の概要を記す。不純物添加をし、かつレーザアニールを
行った領域と添加をしない窒化ホウ素の裏面とに一対の
電極を設ける。この一対の電極間に同様のパルス電流ま
たは直流電流を流して電子装置、例えば発光装置、例え
ば可視光発光装置を設けた。

以下に本発明を実施例に従って記す。

「実施例１」 本発明の電子装置の実施例を第３図に示す。

本発明を成就するための単結晶または多結晶の窒化ホウ
素（立方晶形を有する窒化珪素、いわゆるＣＢＮ）の形
成装置の概要を第２図に示す。

有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置により作製した。

形成された窒化ホウ素に不純物を選択的にイオン注入し
、その不純物領域を有する基体を第１図に示すエキシマ
レーザを用い、パルスレーザアニール装置によりアニー
ルを施している。

即ち、第３図（Ａ）に示す如く、単結晶または多結晶窒
化ホウ素（２）を窒化ホウ素、ダイヤモンドまたはシリ
コン半導体基板（１）上に形成した。窒化ホウ素膜を有
磁場マイクロ波ＣＶＤ装置を用いて作製した。この有磁
場マイクロ波ＣｖＤ装置により、被膜を形成する方法等
に関しては、本発明穴の出願になる特願昭６１−２９２
８５９　（薄膜形成方法　昭和６１年１２月８日出願）
に示されている。

本発明の窒化ホウ素を形成する概要を以下に示す。

窒化珪素母体またはシリコン単結晶基板（１）を基体と
して有磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ装置（以下単にプ
ラズマＣＶＤ装置ともいう）内に配設した。プラズマＣ
ＶＤ装置は、２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波エネ
ルギを最大１０ＫＷまで、マイクロ波発振器（１８）　
、アテニュエイタ（１６）、石英窓（１５）より、反応
室（１９）に加えることができる。磁場（１７）　、　
（１７°）でヘルムホルツコイルを用い、８７５ガウス
の共鳴面を構成せしめるため最大２．２ＫＧにまで加え
た。このコイルの内部の基板（１）をホルダ（１３）に
基板おさえ（１４）で配設させた。

基板位置移動機構（１２）で反応炉内での位置を調節し
、１０−３〜１０−”ｔｏｒｒまで真空引きをした。

この後これらに対し、ジボラン（Ｂ２Ｈ４）、有機ボロ
ン、例えばトリメチルボロン（Ｂ（ＣＨ３）３）（２４
）とアンモニア（ＮＨ３）または窒素（Ｎｚ）　（２３
）を水素（２１）　テ４０〜２００体積！（１００体積
％の場合はＣＨ３０Ｈ：Ｈｚ＝１：１に対応）例えば７
０体積％に希釈して導入した。必要に応じてＰ型不純物
としてモノシラン（ＳｉＨ４）を系（２２）より導入し
て、Ｎ型の窒化ホウ素（２）を第３図（Ａ）に示す如（
にして形成した。例えばＢ２）１６とＮＨ，とを１＝１
　とし、これを水素で０．２〜１０％に希釈した。

圧力は０．０１〜３０ｔｏｒｒ例えば０　、２６　ｔｏ
ｒｒとした。

２．２ＫＧ（キロガウス〉の磁場を加えて、基板の位置
またはその近傍が８７５ガウスとなるようにした。マイ
クロ波は５に−を加え、このマイクロ波と基板ホルダか
らの熱エネルギで基板の温度を４００〜１４００℃、例
えば１０００°Ｃとした。

するとこのマイクロ波エネルギで分解されプラズマ化し
たホウ素および窒素は、基板上に結晶成長し、単結晶ま
たは多結晶の正方晶形の窒化ホウ素（２）を第３図（Ａ
）に示した如＜、０．５〜５μｍ例えば平均厚さ１．３
μＩＩ＋（成膜時間３時間）の成長をさせることができ
た。

第３図（Ａ）において、基板（１）を珪素とした場合、
上には成膜中に窒化珪素が一部アロイ化して形成され、
また珪素が窒化珪素中にオートドープしてＮ型のＣＢＮ
となる。

次に第３図（Ｂ）に示す如く、これら窒化ホウ素（２）
の上に窒化珪素膜（７）を０．５μｍの厚さに作り、フ
ォトレジスト（８）を３μｍの厚さに形成した。このフ
ォトレジストおよび窒化珪素膜（７）をマスクとして、
イオン注入法によりベリリウムを２０〜３００ＫｅＶの
加速電圧で窒化ホウ素（２）中に不純物として添加し、
不純物領域（１０〉を選択的に作製した。この不純物は
ｌＸｌ０”〜５　ＸＩＯ”ｃｍ−３と比較的中濃度とし
た。

これら全面からフォトレジストおよび窒化珪素膜を除去
した。

第１図は本発明に用いたレーザアニール装置の概要を示
す。

この装置を用いてレーザアニールを行った。

まず図面において、窒化ホウ素内に不純物領域（１０）
が形成された基体（第３図（Ｂ）の全体）をチェンバ（
４０）内のホルダ（３７）上に配設した。ホルダにはヒ
ータが配設されている。エキシマレーザ（ＫｒＦ　２４
８ｒｖ）　（３１）　（パルス巾１０〜５０ｎ秒）より
のレーザ光は光学系（３２〉をへて石英窓（３６）を介
し基体（３０）に照射する。レーザビーム（３５）は光
学系走査装置（３２）を用いてＸ方向またはＹ方向（３
４）に走査されている。チャンバ〈４０）内はターボ分
子ポンプを用いＩ　Ｘｌ０−’〜Ｉ　Ｘｌ０１０ｔｏｒ
ｒの真空度に排気させている。

エキシマレーザのエネルギは３０〜５００ｒａ　Ｊ　／
　ｃ　ｍ　”の範囲で調整した。パルス巾５〜５０ｎ秒
、パルス周波数は１〜３０ＰＰＳとした。例えば２００
＋ｗＪ、１０ＰＰＳとした。さらにレーザビームは１〜
５１１ＩＩＩ／秒で走査した。レーザビームは５〜１０
ｍｍ　　であった。真空中でのレーザ光の照射のため、
窒化ホウ素の表面において酸素と反応することがなく、
好都合であった。

この窒化ホウ素の下側はもし直接シリコン基板と接して
いると、窒化ホウ素とこの基板の珪素と反応しやすい。

そして下面をＮ４型のオーム接触構造とさせることがで
きる。

レーザ光の波長として、２４８ｎｍ（光学的エネルギ５
ｅＶ）は窒化ホウ素の光学的エネルギ巾と近いため、窒
化ホウ素での光吸収を大きくすることができる。もちろ
ん格子欠陥はさらに２〜４ｅＶと小さいため、かかる欠
陥にエネルギを集中的に注入し、かかる欠陥を非平衡状
態を得つつキュアアニールしミクロな欠陥の集合体（ク
ラスタ）を減少または除去することもできる。

基板表面は光軸（図面では垂直）に対して垂直に配設し
た。しかし、照射光のすべてが窒化ホウ素に十分に吸収
されるように、レーザ光の光軸と基板表面とを平行また
は斜めとすることにより、即ちレーザ光のすべてを窒化
ホウ素のみに照射吸収させることにより、下地基板の融
点が大きくない材料、即ち珪素の上面に非酸化物セラく
ツクスがない基板の温度上昇を防ぎつつ、窒化ホウ素に
パルスレーザアニールを行うことは有効である。

アニールに際し、不活性基体としては４Ｎ（９９゜９９
％以上の純度）のＨｅ、　Ａｒを用いた。基体の温度は
一１９７〜１４００°Ｃとした。

かくしてＰＮ接合（第３図（２０）　）を有せしめるこ
とができた。

第３図（Ｃ）においてこの窒化ホウ素（２）の上側に電
極（５−１）　、　（５−２）を真空蒸着法、スパッタ
法で形成した。この電極としては一方を透明導電膜とし
、その上にアルミニウム電極（５−２）を形成した。さ
らにそれぞれにワイヤボンドを施し、全体に窒化珪素膜
（６）の反射防止膜を兼ねた保護膜を形成した。

また基板の裏面には他の電極（５−３）をアルミニウム
で形成した。

すると、第３図（Ｃ）において、電気的には下側電極（
５−３）−Ｎ型窒化ホウ素（２）−Ｐ型窒化ホウ素の不
純物領域−透光性の上側電極（５−２）構成とし、ＰＮ
接合（２０）を利用してわずか２〜１０Ｖの低い印加電
圧で紫外光または青色の光を外部に発生させる構造にす
ることができた。

第３図（Ｃ）の構造において、一対をなす電極間に２〜
ｌ０Ｖ（直流〜１００Ｈｚデューイ比１）例えば２０Ｖ
の電圧を印加した。本発明の紫外光のレーザアニールを
行わないと、不純物領域（１０）内には再結合中心が多
数存在するため、発光に必要な電圧は７０〜２００ｖも
の高電圧を必要としてしまった。さらに発光した光も青
ではなく、緑色も混在してしまった。しかし、本発明の
レーザアニールをすることにより、その印加電圧を実用
レベルに下げ、かつ不純物領域から紫外光または青色の
発光をさせることが可能となった。

ピーク波長は４００ｎｍであり、紫外光または青色であ
った。また強度は１８カンデラ／−を有していた。

この実施例は電流を縦方向に流すため、構造が簡単であ
る。しかし領域（１０）に二種類の不純物（ＢｅとＳｉ
）が混合しているため、イオン注入のドープ等を大きく
しなければならず、量産的には必ずしもよくない。

「効果」 これまで窒化ホウ素中に不純物の添加がイオン注入法に
より成膜中にできても、その添加された不純物を精密に
活性化できなかった。しかし本発明は、イオン注入に加
えてレーザアニールを行うことにより、添加された不純
物を活性化させることが可能となった。そしてそのドー
プ量を一定にすることにより、きわめて制御性の高い電
子装置を作ることができるようになった。

本発明は、１つの発光素子を作る場合を主として示した
。しかし同一基板上に複数の窒化ホウ素を用いたトラン
ジスタ、耐熱性のダイオード（整流素子）、それらを集
積化させた電子装置を作り、この電子装置を完成した後
、適当な大きさにスクライブ、ブレイクをして１つづつ
単体または集積化した発光装置とすることは有効である
。さらにかかる電子装置を含めて、同じ窒化ホウ素を用
い、またこの上または下側のシリコン半導体を用いてダ
イオード、トランジスタ、抵抗、コンデンサを一体化し
て作り、複合した集積化電子装置を構成せしめることは
有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いたレーザアニール装置の概要を示
す。 第２図は本発明の窒化ホウ素を形成するための有磁場マ
イクロ波装置の１例を示す。 第３図は本発明方法により作られた窒化ホウ素電子装置
の１例を示す。 １・・・・・・・・基体 ２・・・・・・・・窒化ホウ素 ５−１．５−２．５−３　・・・電極 １０・・・・・・・・不純物領域 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単結晶または多結晶の窒化ホウ素内部に不純物を添
   加して不純物領域を形成する工程 と、前記窒化ホウ素の前記不純物領域にパ ルス化したレーザ光を照射する工程とを有 せしめることを特徴とする窒化ホウ素を用 いた電子装置の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、レーザ光は７０〜
   ３００ｎｍ波長のパルス化した光よりなることを特徴と
   する窒化ホウ素を用いた電 子装置の作製方法。