JPH0481560B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 産業上の利用分野 本発明は半導体結晶の基板へ、イオンを注入す
る方法に関する。さらに詳しく言えば、化合物半
導体集積回路の活性層を形成するためのイオン注
入方法に関する。

(イ) 従来の技術 化合物半導体装置を製造するために、目的に応
じてｎ層又はｐ層を半導体基板にドープしなけれ
ばならない。

ｎ層又はｐ層を基板上に製作する方法として、
イオン注入法、エピタキシヤル成長法、熱拡散法
などがある。

エピタキシヤル成長法は、基板上に一様な不純
物濃度の結晶層を形成するのに好適である。しか
し、狭い範囲に活性層を作る、という事は難し
い。

熱拡散法は不純物の分布が表面で最も高く、内
部へゆくに従い減少する。所望の不純物濃度のプ
ロフイルを得るのは難しい。さらに、化合物半導
体の場合、基板の温度をあまり高くできないの
で、熱拡散法は有力な方法ではない。

イオン注入法は、不純物の量と不純物分布の深
さとを正確に制御できる。また、室温でイオン注
入できるので、半導体製造プロセスに於て、不可
欠の技術となつている。

イオン注入は、ドープすべき不純物元素をイオ
ン化し、10〜数百KeVの運動エネルギーになる
よう加速して、半導体基板へ打ち込み、不純物ド
ーピングを行う方法である。

化合物半導体単結晶にイオン注入を行う場合、
結晶の低指数の軸方向にイオンが入射すると、チ
ヤンネリング現象が発生する。低い指数をもつ軸
の方向に於ては、比較的、〓間が大きい。このた
め、この〓間を通つてイオンが奥まで進入するこ
とがある。表面に於て、原子に衝突しなかつたイ
オンは、原子列に沿つて、小角散乱を繰返えしな
がら、結晶の奥深くまで到達する。低い面指数を
持つ面に直角に結晶構造を見た時に現われるこの
連続的な〓間のことをチヤンネルという。チヤン
ネルの中をイオンが進んでゆくことをチヤンネリ
ングと呼んでいる。

チヤンネリング現象には、結晶軸に沿う軸チヤ
ンネリングと、２つの結晶面間の空間に沿う面チ
ヤンネリングの２つの場合がある。

いずれのチヤンネリングが起つている場合で
も、注入イオンの進入深さが制御できない、とい
う欠点がある。また、所望の濃度よりも実際の不
純物濃度が低くなつてしまうという難点もある。
このため、計算値よりもキヤリヤ濃度が低くな
る。

また、深さ方向での不純物の分布が変化するの
で、結晶の深部でのキヤリヤ濃度の分布が減少し
にくいというテール現象もこれに伴つて起こる。

このように、チヤンネリングが起こると、均一
性が高くて、テールを引かない不純物濃度分布を
得る事ができない。

チヤンネリング現象を防ぐために、従来から、
いくつかの方法が提案されている。

イオンビームの走査方向と、ウエハ面の法線と
を一致させず、ウエハ面を傾むける、という方法
がある。

ここで走査方向には、第１走査方向（縦方向）
と第２走査方向とがある。これらは対等であつて
優劣はない。互に直交する方向である。

イオンビームの方向と、ウエハの法線とを一致
させると、チヤンネリングが起こりやすいので、
これを僅かに喰い違うようにする。

イオンビームをウエハ面法線から傾むけるので
あるが、傾斜の方向として、イオンビームの第１
走査方向が含まれる面内にウエハ面法線を傾斜さ
せる、という事がある。

もうひとつは、第２走査方向が含まれる面内に
ウエハ面法線を傾斜させるという事もある。

これらの傾きによつて、チヤンネルが塞ざさ
れ、イオンビームの阻止断面積が増加し、チヤン
ネリングの発生が抑えられる。

しかし、これらの２つの改良は、軸チヤンネリ
ングを或る程度防ぐことができても、面チヤンネ
リングを防ぐことはできない。

そこで第３の方法として、第１走査方向にウエ
ハ面法線を傾け、さらに結晶支持板上で結晶をあ
る角度だけ回転しておき、この面にイオンビーム
を入射させる、という事が考えられた。

しかし、この改良も、結晶表面が良好で原子配
列が揃つている場合、比較的高次の指数のチヤン
ネリングを防ぐことができない。

第４の案として、第１走査方向を含む面内でウ
エハ法線を傾け、第２走査方向を含む面内でも、
ウエハ法線を傾け、さらに、結晶支持板をある角
度だけ回転しておく、という方法もある。

この方法は、チヤンネリング防止に極めて有効
であるが、ウエハの支持に特殊な治具を必要とす
る。また大量処理に適しない、という難点もあ
る。

これらと異なる改良案として、結晶表面に薄膜
を形成し、薄膜を通してイオンビームを入射させ
る方法がある。結晶表面に非晶質の絶縁膜を予め
形成しておき、膜にイオンビームを当てる。イオ
ンビームは膜によつて散乱され、入射方向を変え
るので、チヤンネリングを防ぐことができる、と
いうわけである。

しかし、高エネルギーの加速ビームの場合、表
面膜による散乱はあまりおこらず、素通りしてし
まう。結晶面へ入る時点で、それほど、ランダム
なビームになつているわけではない。このためチ
ヤンネリングを有効に防ぐ事ができない。

さらに、薄膜法は、膜を形成するプロセス、膜
を剥離するプロセスが増えることになる。このよ
うに表面薄膜法にもなお欠点があつた。

(ウ) 発明が解決しようとしている問題点 詳しく説明したように、従来のイオン注入法
は、化合物半導体基板へのイオン注入に於て、チ
ヤンネリングを効果的に防止できないか、たとえ
防止できても処理が困難である、という欠点を有
している。

本発明の目的は、軸チヤンネリング及び面チヤ
ンネリングのいずれもを、比較的高次の指数のも
のまで、効果的に、しかも容易に防止する方法を
提供することである。

(エ) 問題点を解決するための手段 本発明者は、チヤンネリングを防ぐために、次
のように考えた。イオンの入射方向から眺めた際
に、結晶原子がなるべく重ならないような方向か
らイオン注入すれば、イオンが結晶の表面近く
で、結晶原子と衝突する機会が多くなる。つま
り、結晶原子によつて囲まれる空〓部（チヤンネ
ル）がない方向からイオン注入すればイオンは結
晶の奥までゆくことなく、表面近くで、原子と衝
突する。

表面近くで原子と衝突し、奥深くまで到達しな
いので、チヤンネリングを有効に防ぐことができ
る。

結晶原子が重なつて見える方向というのは、低
い指数をもつ結晶軸の方向か、又は低い指数をも
つ結晶面に平行な方向である。

従来の半導体ウエハは、低い指数をもつ面に平
行にスライスして作ることが多かつた。これは後
に半導体デバイスを作つた時に、スクライブする
際劈開面を利用できるなどの長所があるからであ
る。

従つて、（100）ウエハ、（111）ウエハ、（011）
ウエハなどが作られる。

（100）ウエハというのは、（100）面又はそれ
と等価な面がウエハの表面になつている、という
事である。

従来のイオン注入法の改良は、既に説明したよ
うに、イオンビームの入射方向をウエハ面の法線
から僅かにずらすものであつた。ウエハの面は
（100）面である。

本発明では、このように対称性の高いウエハを
作らない。ウエハの法線に関して対称性のあるウ
エハでは、ビームを傾けたところでチヤンネリン
グを防ぐ効果は乏しいし、注入処理を困難にする
だけだからである。

そこで、本発明では、ウエハの面が、（100）面
から5゜以上傾いた面であるようにする。傾き角ψ
の上限は、半導体プロセスに於て、スクライビン
グなどの工程を妨げない、という条件によつて決
まる。これは、ウエハの上にどのような半導体デ
バイスを作るのかという事によつて決まる。

ウエハの面が傾いているという事の他に、本発
明では、イオンビームとウエハ法線のなす角θを
7゜以上に設定する。またイオンビームをウエハ面
に投影した時、ビーム投影線が劈開方向となす角
を10゜以上にする。

３つの条件を満すようにして、不純物イオンの
注入を行う事が本発明の特徴である。

本発明の方法は、化合物半導体単結晶基板へ不
純物イオンを注入する方法として広く用いる事が
できる。特に、GaAs、InP、GaP、InAs、InSb
などの−族化合物半導体基板のイオン注入に
有効である。

さらに、本発明の方法を適用する際に、化合物
半導体結晶基板上にSiN、SiO₂、SiNO等のアモ
ルフアス膜をあらかじめ付着させ、膜を通してイ
オン注入する、ということも、チヤンネリング現
象を防止するためのに有効である。

図面によつて説明する。

第１図は半導体基板と、イオンビームの関係を
説明するための略斜視図である。

半導体ウエハ１は、（100）面から5゜以上傾いた
面で切断されたウエハである。

ウエハ側周に、（100）面と平行な面を示すため
に破線を記入した。（100）面２が実際に側周に見
えるわけではないが、ウエハ上面が（100）面で
ないことを明示するために、（100）面２を記す。

ウエハの側面には、オリエンテーシヨンフラツ
ト３が形成されている。これは（０１ １）から
5゜傾いた面である。その他の劈開面にオリエンテ
ーシヨンフラツトを付してもよいのはもちろんで
ある。

ウエハの面の中心をＯとする。Ｏ点から法線を
ウエハ面に立てた。

半直線OQを反対側に延ばし、延長上にＰ点を
とる。

Ｐ点は＜011＞方向に、Ｑ点は＜０１ １＞方向
に近似しているが、全く合致しているわけではな
く、5゜傾いている。

Ｏ点を通り直線PQに直交する直線を引き、両
側に点Ｒ，Ｓをとる。

Ｒは＜０１１＞方向に、Ｓは＜01１＞方向に近
似しているが、合致しているのではない。

こうして、劈開方向に対応して、Ｐ，Ｒ，Ｑ，
Ｓの４つの方向が確定する。

さらに、Ｏ点を頂点として、頂角を14゜（半頂角
が7゜）になる逆円錐を想定する。これを禁止円錐
ｇと呼ぶ。

また、４つの劈開方向OP，OR，OQ，OSを中
心線として、円周角が20゜となるような扇形ｐ，
ｒ，ｑ，ｓを考える。第１図に於て斜線を付して
示した。これを禁止扇形と呼ぶことにする。

中心Ｏを通る走査面とウエハ面の交線によつて
第１、第２走査方向を定義することにする。

第１図に於て、破線によつて、第１走査方向
−、第２走査方向−を表わした。

イオンビーム４は、いずれかの走査方向に沿つ
てウエハ上を走査する。

本発明に於てはイオンビームのウエハに対する
傾きを問題にする。入射位置は問題にならない。

そこで、ウエハ中心Ｏを通るイオンビーム４の
方位によつて、イオンビームに課される条件を説
明する。このようにしても一般性を失わないの
は、もちろんである。

イオンビームの任意の一点をＮとする。∠
MON＝θとする。これはイオンビームのウエハ
法線に対する傾き角である。

Ｎから法線に下した垂線の足をNMとする。Ｎ
からウエハ面に下した垂線の足をＨとする。Ｈを
含む半径OKをビーム投影線という。これはイオ
ンビーム４をウエハ面上に投影した線である。

基準となる半直線OQと、ビーム投影線OKの
なす角をφとする。

半直線OQは厳密に定義できる。Ｑはオリエン
テーシヨンフラツトの上辺での中点である。した
がつてオリエンテーシヨンフラツトの上辺にOQ
は直交する。Ｏ点が定まつており、オリエンテー
シヨンフラツトも定まつているから、このような
半直線は確定する。ただし、オリエンテーシヨン
フラツト面がOQに直交するわけではない。

イオンビームの入射方向は、結局、θとφによ
つて完全に指定することができる。

既に述べた本発明のイオンビームに関する条件
は、θは7゜以上であるということで、これはイオ
ンビームが禁止円錐ｇの外にある、ということで
ある。

もうひとつのイオンビームに課された条件は、
φが10゜〜80゜、100゜〜170゜、190゜〜260゜、280°
〜
350゜のいずれかに存在しなければならない、とい
うことである。つまり、ビーム投影線OKが、禁
止扇形ｐ，ｑ，ｒ，ｓの外側にある、ということ
である。

(オ) 作 用 本発明によるイオン注入方法においては、結晶
の低指数チヤンネリング方向のみならず比較的高
次のチヤンネリング方向も避けてイオン注入す
る。このため結晶原子とイオンとの衝突頻度が高
くなる。注入イオンは、結晶の奥深くまで進入す
ることができない。従つて、注入イオンの深さ方
向の分布を均一に、しかも再現性よく制御でき
る。さらに、テール現象をも改善することができ
る。

イオンビームの角方位の選択について、第２図
によつて説明する。これは、（100）面に全原子を
投影した投影図である。

−族化合物半導体が、閃亜鉛鉱型の結晶構
造をもつので、このような図になる。白丸と黒丸
は、族又は族の原子のそれぞれいずれかに対
応している。

四角の枠は、ひとつの単位格子を示している。
枠の頂点と、辺の中点と枠の中心に同一種類の原
子が位置する。

白丸をＢ原子、黒丸をＡ原子と仮に呼ぶ。白丸
について枠の中に位置が定まる。Ａ原子の方は、
中心のＢ原子の斜め四方に存在する。

Ｂ原子にとつて最近接原子はＡ原子であり、こ
れは４つある。その位置は斜め方向の上下左右で
ある。Ｂ原子にとつて２番目に近いものは左右上
下にあるＢ原子である。

結局ABAB原子で重まれる部分に空〓が生ず
る。これが軸方向のチヤンネルである。

Ａ原子の下には必ずＡ原子がある。格子間隔の
１／２ずつの長さを置いてＡ原子が下方に続いてい
る。Ｂ原子についても同じである。

同じ種類の原子が無限に重なり合つていること
になる。このような方向からイオンビームを当て
ると、空〓に入るイオは殆ど原子と衝突しないで
深奥部にまで達する。

＜100＞方向にイオンビームを当てる、という
事がこれに対応する。

イオンビームをθだけ傾ける、という事は、第
２図に於て視線をθだけ斜めに傾ける、という事
である。

視線を傾けると、ある原子の下に隠れていた原
子が現われてくる。第２図はそのような有様をも
例示している。傾き角θは、どれだけ隠れていた
原子が現われるか？という尺度になる。θが大き
ければ、原子の重なりが減少し、チヤンネルが消
失してゆく。したがつてθは、或る程度大きくな
くてはならない。

本発明では、そこでθを7゜以上としている。

重なりが解けてゆく方向についても、有効な方
向とあまり有効でない方向がある。最近接原子の
存在する方向に重なりが解けていつたとしても、
Ａ原子の重なりの下へＢ原子が入つてゆくだけで
あるので、新たな重なりが生じる。あまり有効で
ない。

中心のＢ原子について、斜線によつて、禁止さ
れるべき方向を示した。これは劈開方向である。
つまり第１図に於てOP，OQ，OS，ORの方向で
ある。禁止扇形ｐ，ｑ，ｓ，ｒと、第２図の斜線
部とが対応する。イオンビーム４のビーム投影線
がOQに重なるということは、第２図で視線を斜
め45゜の方向へかたむけるということである。原
子の重なりが少しは減るが異なる種類の原子と重
なり合うようになるから、チヤンネルはあまり減
少しない。

チヤンネルを有効に減少させるには、第２図に
於てＢ−Ａ結合を中心とする扇形からはなれた方
向にイオンを入射させるようにしなければならな
い。

第１図に於て、ビーム投影線が禁止扇形に含ま
れないようにする、というのは、結局、チヤンネ
ルを効に減少させるために要求されているのであ
る。

次に、ウエハの面そのものが、（100）面から5゜
以上傾いているというのは、ウエハの法線方向か
らみても既に、Ａ原子、Ｂ原子の重なりが解けて
いる、という事である。

(カ) 実施例 化合物半導体単結晶として、GaAsを例にと
り、本発明のイオン注入法と従来のイオン注入法
で不純物イオンを注入し、キヤリア濃度の分布を
測定した。

半絶縁性GaAs単結晶インゴツトから、（100）
面から、（０１１）面に向つて7゜傾いた面となる
ようウエハを切り出した。

つまり、第１図に於て、ウエハの＜100＞方向
は、半径OSの方向へ7゜傾いているということで
ある。

オリエンテーシヨンフラツトとして（０１ １）
面をとつた。

イオンビームと、ウエハ法線のなす角θは7゜で
ある。またビーム投影線OKと、OQのなす角φ
は30゜である。

さらに、ここでは第１走査方向−と、ビー
ム投影線OKとを合致させている。

イオンビームの傾き面NHOMと、ウエハの
（100）からの傾き面の狭角が120゜（＝30゜＋90゜）で
あり、それぞれの法線の傾き角が7゜であるから、
イオンビームは、＜100＞方向から、12゜傾いてい
るわけである。

このようなGaAsウエハに、ｎ型不純物とし
て、Siイオンを注入する。

Siイオンの加速エネルギーは150KeVである。
注入量は１×10¹³／cm²である。

この後窒化ケイ素膜を付け、これを保護膜とし
て利用し、Asの揮発を防ぎながら、800℃で20分
間熱処理した。これによつて結晶性を回復させ
る。窒化ケイ素膜を除き、リソグラフイ技術を用
いてパターンを形成した。そして蒸着によつて
280μmφのAlの円電極と、円電極をとりまく電極
を形成した。

このようなウエハについて、容量電圧特性を測
定した。これによつて、キヤリア濃度の深さ方向
の分布を求めた。

第３図にこの結果を示す。横軸は深さ、縦軸は
キヤリア濃度（cm^-3）である。

実施例と記入したものが、結果である。

深さが0.088μmの付近にピークがあり、キヤリ
ヤ濃度は６×10¹⁷cm^-3である。比較的急速に濃度
が減少し、深さが0.115μmで、キヤリア濃度が
10¹⁶cm^-3以下になる。

比較のために、（100）面ウエハを用いて同じよ
うなイオン注入を行つた。イオンビームの方位角
は、実施例と同じで、θ＝7゜、φ＝30゜である。Si
の加速エネルギーや注入量も同一である。結局ウ
エハの面の角度が異なるだけである。このウエハ
に同様に電極を付けて、容量電圧特性を測定し、
キヤリア濃度を求めた。この結果を第３図の中に
破線で示した。ピークの位置が、より深い方に少
しずれている。0.091μm程度である。ピークより
深い側で、濃度分布が低下する。しかし、低下の
割合いは少ない。キヤリア濃度が10¹⁶cm^-3になる
のは、0.125μmである。

このような差は、ウエハ面が（100）面からず
れている事に由来する。

(キ) 実施例 実施例の条件に加えて、ウエハの表面に窒化
ケイ素膜を付け、この膜を通して、Siイオンを注
入した。

13.56MHzの高周波プラズマCVD装置にSiH₄と
NH₃の混合ガスを導入し、GaAsウエハの上に、
1000Åの膜厚の窒化ケイ素膜を形成した。

その他の条件は、実施例と同じである。

ウエハは（100）面から、7゜傾いている。オリ
エンテーシヨンフラツトは（０１ １）にある。
イオンビームの方位はθ＝7゜、φ＝30゜である。

Siの加速エネルギーは150KeVで、注入量は１
×10¹³cm^-2である。この後800℃で20分間熱処理
し、結晶性を回復させる。同様に電極を付けて、
容量電圧特性を測定した。キヤリア濃度を深さの
函数として求めた。第３図に結果を示す。

実施例や比較例よりもピークの位置が浅い方
に変位している。ピークの位置は0.054μmであ
る。また、0.089μm程度で10¹⁶cm^-3以下になり、
キヤリヤ濃度の減少が深さ方向に関して速くな
る。テール現象が改善される。

(ク) 効 果 本発明によるイオン注入法は、チヤンネリング
現象を効果的に防止し、キヤリア濃度分布につい
てのテール現象も改善することができる。注入す
べき不純物イオンを所期のドーズ量で効果的に注
入することを可能にする。このため、ロツト間の
電気特性の再現性が良い。従つて、同一特性の半
導体装置を大量生産することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン注入法の方位関係を説
明するための半導体ウエハとイオンビームの斜視
図。第２図は（100）方向から僅かに傾いた方向
から化合物半導体の結晶構造を見た場合の投影
図。第３図は実施例、実施例と比較例につい
ての深さ方向のキヤリア濃度の測定結果を示すグ
ラフ。 １…ウエハ、２…（100）面、３…オリエンテ
ーシヨンフラツト、４…イオンビーム、６…結晶
支持板、ｇ…禁止円錐、ｐ，ｑ，ｒ，ｓ…禁止扇
形、Ｏ…ウエハ中心、ON…イオンビームの入射
方向、OK…ビーム投影線、OP，OQ，OR，OS
…劈開方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 化合物半導体単結晶のウエハに、加速した不
   純物イオンを注入する方法に於て、ウエハが
   （100）面から5°以上傾いた表面を持ち、ウエハに
   立てた法線とイオンビームのなす角θが7゜以上で
   あり、イオンビームをウエハ上に投影したビーム
   投影線がウエハ面上の４つの劈開方向と10゜以上
   の角度をなすようにした事を特徴とする結晶への
   イオン注入方法。 ２ 化合物半導体単結晶がGaAs、InP、GaP、
   InAs又はInSbである特許請求の範囲第１項記載
   の結晶へのイオン注入方法。 ３ 化合物半導体単結晶ウエハの上に、窒化ケイ
   素、酸化ケイ素又は窒化酸化ケイ素の膜を予め形
   成しておき、膜を通してイオン注入するようにし
   た特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の結晶
   へのイオン注入方法。