JPH0656838B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH0656838B2 JP18700285A JP18700285A JPH0656838B2 JP H0656838 B2 JPH0656838 B2 JP H0656838B2 JP 18700285 A JP18700285 A JP 18700285A JP 18700285 A JP18700285 A JP 18700285A JP H0656838 B2 JPH0656838 B2 JP H0656838B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はGaAs等のIII−V族化合物半導体を用いた
半導体装置の製造方法に係り、特に高濃度p型層を形成
する工程の改良に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
GaAs等のIII−V族化合物半導体は電子の移動度が
大きいことから、高速動作をする電子デバイスへの応用
が進められている。最近は、 JFETやAlGaAsとGaAsのヘテロ接合を用い
たヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)などの
素子製造において、選択的にp型層を形成する技術の向
上が望まれている。これらの素子においては特に高い制
御性を必要とすることから、従来多用されてきた亜鉛
(Zn)拡散法に代わってイオン注入法が専ら用いられ
ている。例えばHBTの製造においては、ベース電極取
りだしのために高濃度外部ベース層を形成する工程でp
型不純物のイオン注入が行われている。この場合p型不
純物としては、比較的大きい射影飛程が得られるベリリ
ウム(Be)やマグネシウム(Mg)がイオン種として
用いられる。
ところでこの種の従来技術の問題として、イオン注入法
によっては高濃度p型層を形成することが困難である、
ということが明らかになってきた。このことを図面を用
いて以下に説明する。
第4図は、半絶縁性GaAs基板にMgを180Ke
Vの加速エネルギーで注入し、表面をCVDSiO
により覆ってAsの解離を防ぎつつ、ハロゲンランプ照
射により熱処理して得られたp型層のシートキャリア濃
度とイオン注入量の関係を示している。注入量が2×1
14/cm2を越える辺りからシートキャリア濃度と注
入量の比例関係が崩れ、注入量2×1015/cm2では
シートキャリア濃度は3×1014/cm2となる。これ
は、注入したMgのうち僅か15%しかアクセプタとし
て作用しないことになる。
第5図はこのMgの注入量が2×1015/cm2の時の
キャリア濃度分布(実線)を示している。図中、破線で
示したLSS理論曲線によれば、ピークキャリア濃度は
1×1020/cmに及ぶはずであるが、実測されたキ
ャリア濃度は5×1018/cmに止まっている。これ
は、注入されたMgのうちアクセプタとして活性化され
る量が少ないのと、熱処理による拡散のためである。
このようにMgの活性化率が小さくなる原因として、G
aAsの化学量論的組成からのずれを考える必要があ
る。MgがGaAsの中でアクセプタとして作用するた
めには、MgがGa格子位置に入りAsと結合する必要
がある。GaAs結晶においては、Ga原子の密度は
2.2×1022/cmであるから、第5図に示したよ
うにMgが1×1020/cm程度注入されると、全て
のMgがアクセプタとして活性化するためには、Ga原
子のうち約1%が格子間位置に移動するか、表面に形成
したSiO膜中に拡散してGa空格子点が供給されな
ければならない。しかし通常0.5%にも及ぶ大きいII
I族とV族の原子比のずれは生じないので、Mgの活性
化が妨げられることになる。
この様な点に鑑み、BeやMgなどのII族不純物の活性
化率を高めるため、V族のAsをイオン注入して補うこと
が考えられる。実際同じII族元素であるZnやCdのイ
オン注入においてAsのイオン注入が活性化率向上に効
果があることが知られている。しかし、Asの原子番号
は33であり、Beの4、Mgの12に比べて大きく重
い元素であるため、BeやMgと同じ射影飛程を得よう
とすると、Asの注入エネルギーは莫大なものとなる。
このため、基板の注入損傷が増加し、かえってキャリア
濃度が低下する、という実験結果が得られている。
このようにGaAs結晶にBeやMgなどII族の軽元素
をイオン注入して高濃度p型層を得ることは、未解決の
技術的課題であった。
〔発明の目的〕
本発明は上述の技術的課題を解決して、III−V族化合
物半導体層にBeやMg等のII族元素のイオン注入によ
り高濃度p型層を形成するようにした半導体装置の製造
方法を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明においては、III−V族化合物半導体層にBeや
Mgをイオン注入する工程と前後して、半導体層の構成
元素としては含まれないリン(P)をイオン注入し、こ
れらのイオン注入工程の後熱処理して高濃度p型層を形
成する。
〔発明の効果〕
前述したようにBeやMgのイオン注入で高濃度p型G
aAs層が得られない理由は、Ga格子点に入る元素で
あるGaとBeまたはMgの量と、As格子点に入るA
sの量のずれが大きいことである。本発明においては、
As格子点に入るAs量の不足を補うために、同じV族
元素であるPをイオン注入し、BeやMgのGa格子位
置への置換を促進し、BeやMgのアクセプタ不純物と
しての活性化率を向上することができる。Pは原子番号
が15であり、Asに比べて小さく軽い元素であるた
め、比較的小さい注入損傷でBeやMgに匹敵する射影
飛程を得ることができる。更に、GaPとGaAsが全
率固溶体をつくることから予想されるように、Pの導入
によってGaAs結晶中に新たな結晶欠陥が誘起される
ことはない。
本発明によれば、例えばMgのイオン注入により従来実
現できなかったような7×1019/cmという高いキ
ャリア濃度のp型層を得ることが可能となった。本発明
を例えばHBTの製造に適用すれば、高濃度外部ベース
層の形成が可能であり、ベース抵抗の低減により動作周
波数の向上を計ったHBTを得ることができる。
〔発明の実施例〕
具体的な素子構造に適用した実施例の説明に先だち、半
絶縁性GaAs基板にMgとPのイオン注入により高濃
度p型層を形成した実験結果を説明する。
第1図は、半絶縁性GaAs基板にMgとPをそれぞれ
180KeVの注入エネギーで同じ量イオン注入した時
のMg注入量と得られたp型層のシートキャリア濃度の
関係(実線)を示したものである。図には、Pイオン注
入を行なわない従来例(破線)を併せて示している。こ
れらのイオン注入後の熱処理は、CVDSiO膜によ
り表面を覆い、ハロゲンランプにより850℃に加熱す
ることで行なった。従来法では、Mg注入量が2×10
14/cm2を越すとキャリア濃度が飽和傾向を示すのに
対して、本発明の方法では、2×1015/cm2という
高い注入量においても不純物活性化率が70%という大
きい値を示し、従来法による場合に比べて約5倍のシー
トキャリア濃度が得られている。更にこのときのキャリ
ア濃度分布を第2図に実線で示す。Pイオン注入の併用
によりV族元素の不足による異常なMgの拡散が抑制さ
れる結果、従来法に比べて急峻なキャリア濃度分布が得
られ、ピークキャリア濃度は7×1019/cmに達し
た。第2図には、180KeVにおけるMgとPのLS
S理論曲線をそれぞれ破線で示したが、特に注入エネル
ギーを増加しなくてもPの飛程がMgのそれに匹敵する
ことが理解される。
第3図は本発明を適用したHBTの断面構造を示す。図
において、1はn型GaAs基板、2はコレクタとな
るn型GaAs層、3はベースとなるp型GaAs層、
4はエミッタとなるn型AlGaAs層、5はn型G
aAs層である。このようにエミッタ接合にAlGaA
s−GaAsヘテロ接合を用いたnpnウェーハをエピ
タキシャル成長法やイオン注入法を利用して形成した
後、本発明の方法によりMgとPをイオン注入して高濃
度p型外部ベース層6を形成する。7はベース電極、
8はSiO膜、9はエミッタ電極、10はボロン
(B)をイオン注入して形成した高抵抗層である。
この実施例によるHBTは、外部ベース層の抵抗が充分
小さく、従って高速動作が可能であった。
なお本発明において、Pの注入量および注入の加速電圧
をMgやBeのそれと等しくすることは必ずしも必要で
はない。例えば、Pの注入量をMg注入量の1/10か
ら10倍程度の範囲で選択して不純物活性化率向上の効
果が得られる。またp型層を形成するための元素として
Mg,Beの他Zn,Cdなど他のII族元素を用いる場
合にも同様にPイオン注入を併用することは有効であ
る。更に本発明はGaAsの他、InAsやAlGaA
s等他のIII−V族半導体にp型層を形成する場合に適
用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による半絶縁性GaAs基板へのMgイ
オン注入量とシートキャリア濃度の関係を示す図、第2
図は同じくキャリア濃度分布を示す図、第3図は本発明
を適用したHBTを示す図、第4図は従来法による半絶
縁性GaAs基板に対するMg注入量とシートキヤリア
濃度の関係を示す図、第5図は同じくキャリア濃度分布
を示す図である。 1……n型GaAs基板、2……n型GaAs層(コ
レクタ)、3……p型GaAs層(ベース)、4……n
型AlGaAs層(エミッタ)、5……n型GaAs
層、6……p型外部ベース層、7……ベース電極、8
……SiO膜、9……エミッタ電極、10……高抵抗
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/73

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】III−V族化合物半導体層にII族元素をイ
    オン注入する工程と、この工程と前後して前記半導体層
    の同じ領域に半導体層の構成元素としては含まれないリ
    ンをイオン注入する工程と、これらのイオン注入工程の
    後熱処理を行なって高濃度p型層を形成する工程とを備
    えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】前記III−V族化合物半導体はGaAsで
    あり、前記II族元素はマグネシウムまたはベリリウムで
    ある特許請求の範囲第1項記載の半導体装置の製造方
    法。
  3. 【請求項3】前記高濃度p型層はヘテロ接合バイポーラ
    トランジスタの外部ベース層である特許請求の範囲第1
    項記載の半導体装置の製造方法。
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