JPH1041312A - 化合物半導体の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン注入後の活性化アニールのような高温
の熱処理に適した保護膜を使用した化合物半導体の熱処
理方法を提供する。 【解決手段】 化合物半導体表面を、化合物半導体を構
成する構成元素の窒化物と窒化シリコンからなる膜で覆
い、熱処理を行う。窒化物は、少なくともヒドラジン、
ジメチルヒドラジンあるいはアンモニアのいずれかを含
むガスのプラズマを化合物半導体基板に接触させて形成
する。また、窒化物は、エピタキシャル成長層であって
も良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体基板
及びエピタキシャル薄膜等の熱処理方法に関し、特にイ
オン注入後の活性化アニール等の高温の熱処理方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒
素など砒素を構成元素とする３−５族化合物半導体基板
にイオン注入法により不純物を添加し、導電キャリアと
して利用する場合、注入時に発生する結晶欠陥の復元
や、添加した不純物原子を所望の格子位置に移動させる
ため、活性化と呼ばれる熱処理を必要とする。一般にこ
の熱処理温度は砒素の蒸発温度より高い。そのため、半
導体基板表面から砒素分子が蒸発し、砒素空孔が発生
し、キャリアの活性化率の低下や、半導体基板表面の平
坦性の劣化、さらに半導体基板表面に残留するガリウム
が原因となって、電子デバイスの特性が変動するという
問題があった。

【０００３】砒素の蒸発が原因となる上記問題を解決す
る方法として、雰囲気制御アニール法やキャップアニー
ル法が提案されている。このうち雰囲気制御アニール法
は、熱処理装置の雰囲気中に過剰の砒素圧を加えながら
加熱する方法で、一般に砒素圧源としてアルシンが用い
られている。このアルシンは、非常に毒性が強く、安全
性の面で大きな問題があった。また、アルシンを使用し
ない方法もいくつか提案されているが、熱処理装置の構
造が非常に複雑になったり、十分な砒素圧が得られない
という欠点があった。さらに、砒素圧源の純度が低いた
め半導体基板を汚染するという欠点があった。

【０００４】これに対しキャップアニール法は、半導体
基板表面を熱的に安定な保護膜で覆い熱処理する方法
で、簡便な方法として広く採用されている。特に、短時
間に急熱急冷を行うことができる赤外線ランプを加熱源
としたランプアニール法により熱処理する際、半導体基
板上に形成する保護膜について、多くの研究がなされて
いる。

【０００５】例えば、熱処理する半導体基板をガリウム
砒素とした場合、表面に保護膜として酸化シリコン膜を
形成し熱処理を行うと、ガリウムが酸化シリコン膜中に
拡散し、保護膜としては適当でないという結果が得られ
ている。また、窒化シリコン膜を保護膜とする場合、窒
化シリコンとガリウム砒素の熱膨張率が異なり、保護膜
が剥離したり亀裂が生じ、保護膜として機能しない場合
があった。図２に、ガリウム砒素基板上に直接、窒化シ
リコン膜を１５００オングストローム堆積させ、８５０
℃、２５秒間ランプアニールした後の窒化シリコン膜の
表面状態を示す。表面に亀裂や剥離が見られ、保護膜と
して機能しないことは明らかである。

【０００６】このような欠点を解消した保護膜として、
酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を交互に積層したり、
これらの複合膜を使用する方法が提案されている。しか
し、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を交互に形成する
場合、それぞれの膜をＣＶＤ法で形成するにはそれぞれ
の膜の形成のためのガス組成が異なり、同一反応炉内で
形成したとしても、一方の膜を形成した後、反応ガスを
取り去り、改めて別の膜を形成するためのガスを導入す
るという工程を経なければならず、製造工程が複雑にな
るという欠点があった。また、酸化シリコンと窒化シリ
コンの複合膜である窒化珪素酸膜を形成する場合、窒素
と酸素の組成を制御することが困難であったり、窒化シ
リコン膜に比べて砒素の蒸発を阻止する能力が低いとい
う欠点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来提案さ
れている保護膜とは異なり、簡便な製造方法で形成する
ことができる新たな保護膜を使用する化合物半導体の熱
処理方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、化合物半導体の熱処理方法において、該化合
物半導体基板表面を該半導体基板を組成する元素の窒化
物及び該窒化物上に形成した窒化シリコンからなる膜で
被覆し、熱処理することを特徴とするものである。特
に、前記窒化物は、少なくともヒドラジン、ジメチルヒ
ドラジンあるいはアンモニアのいずれかを含むガスのプ
ラズマを前記化合物半導体表面に接触させて形成させた
り、あるいは前記化合物半導体基板表面に形成されたエ
ピタキシャル成長層とすることにより、複雑な製造工程
を経ることなく、本発明の熱処理方法を実現する保護膜
を形成することができるように構成している。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について、ガリウム砒素基板上に保護膜として窒化ガリ
ウムを介して窒化シリコンを形成する場合を例に取り、
説明する。まず、通常のプラズマＣＶＤ法に使用するチ
ャンバー内にガリウム砒素基板をセットする。チャンバ
ー内を、一旦排気した後、所定の濃度となるようにアン
モニアを導入する。ここで、ガリウム砒素基板は、３０
０〜５００℃程度に加熱しておく。所定の真空度で安定
したところで、高周波電圧を印加し、プラズマを発生さ
せる。ガリウム砒素基板表面は、高温に加熱されるほ
ど、その表面から砒素が蒸発し、ガリウムリッチな表面
となっている。このような表面に、アンモニアプラズマ
が接触すると、表面のガリウムが窒化され、表面に窒化
ガリウムが生成する。

【００１０】その後、ガリウム砒素基板温度を３００℃
程度とし、チャンバー内にモノシランを所定の流量で導
入する。チャンバー内には、アンモニア及び窒素が導入
されており、チャンバー内のモノシランの分圧が高くな
り、所定の分圧に達したところで、窒化ガリウム上に窒
化シリコンが堆積しはじめる。

【００１１】一旦、高周波電圧の印加を停止し、モノシ
ラン、アンモニア及び窒素のそれぞれの分圧を所定の値
に設定し、所定の厚さの窒化シリコンを堆積させる。

【００１２】図１に保護膜の形成方法を模式的に示す。
ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板表面のガリウム原子１及
び砒素原子２は、高温に加熱されると、砒素原子２が蒸
発し、基板表面は、ガリウムリッチな状態となる（図１
Ａ）。このような表面にアンモニアプラズマが接触する
と、窒素原子３がガリウム原子１と結合し、基板表面に
窒化ガリウム（ＧａＮ）が生成すると考えられる（図１
Ｂ）。更に、通常の方法でモノシランプラズマ及びアン
モニアプラズマに接触させることで、窒素原子３とシリ
コン原子が堆積し、窒化シリコン膜が形成されることに
なる。このように形成した窒化ガリウム膜は、ガリウム
砒素基板上に連続的に形成され、ガリウム砒素と窒化シ
リコン間に存在する応力を緩和する構造となる。

【００１３】ガリウム砒素基板にシリコンイオンを注入
した後の活性化アニールに、保護膜として使用した結
果、剥離や亀裂が生成せず、保護膜として有効であるこ
とがわかった。尚、半導体装置を形成する際には、窒化
シリコン及び窒化ガリウムは除去されるから、露出する
表面は、ガリウムと砒素が化学量論的な割合で存在し、
清浄な表面上に半導体装置を形成することができる。

【００１４】次に本発明の第２の実施の形態について説
明する。第１の実施の形態では、ガリウム砒素基板を５
００℃程度に加熱し、アンモニアプラズマと接触させる
のに対し、第２の実施の形態では、ガリウム砒素基板
は、３００℃程度までの加熱にとどめる。この温度で
は、アンモニアプラズマとガリウム砒素基板を接触させ
ても、窒化ガリウムの生成が少ないため、チャンバー内
に導入するガスを変更するのが好ましい。

【００１５】まず、チャンバー内にガリウム砒素基板を
セットする。チャンバー内を、一旦排気した後、所定の
濃度となるようにヒドラジンあるいはジメチルヒドラジ
ンをキャリアガスである窒素ガスとともに導入する。こ
こで、ガリウム砒素基板は、３００℃程度の加熱で十分
である。所定の真空度で安定したところで、高周波電圧
を印加し、プラズマを発生させる。ガリウム砒素基板表
面は、３００℃程度の加熱にとどまるため、その表面か
らの砒素の蒸発は少なく、ほぼ化学量論的な組成の表面
となっている。このような表面に、ヒドラジンプラズマ
あるいはジメチルヒドラジンプラズマが接触すると、表
面に窒化ガリウムが生成する。

【００１６】その後、第１の実施の形態同様、窒化ガリ
ウム上に窒化シリコン膜を形成し保護膜とする。このよ
うに形成した保護膜を活性化アニールに使用した結果、
第１の実施の形態同様、剥離や亀裂の発生が抑えられ、
良好な結果が得られた。

【００１７】上述の実施の形態のほか、プラズマＣＶＤ
法の代わりに熱ＣＶＤ法やスパッタ法により、ガリウム
砒素基板上に窒化ガリウムを形成することも可能であ
る。また、窒化シリコン膜を窒化珪素酸膜や酸化シリコ
ン膜と組み合わせた多層膜としても良い。

【００１８】更に別の実施の形態として、ガリウム砒素
基板上にエピタキシャル成長層を形成し、保護膜として
使用することも可能である。ガリウム砒素基板表面に窒
化ガリウムをエピタキシャル成長させる方法としては、
通常のＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法等を採用することができ
る。窒化ガリウム上に形成する窒化シリコン膜も、エピ
タキシャル成長法により形成することが可能である。ま
た、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させた後、ＣＶ
Ｄ法等により窒化シリコン膜を形成する方法を採用して
も良い。更に、窒化シリコン膜を窒化珪素酸膜や酸化シ
リコン膜と組み合わせた多層膜とすることも可能であ
る。

【００１９】このようにエピタキシャル成長法により形
成した膜を、ガリウム砒素基板にシリコンイオンを注入
した後の活性化アニールの保護膜として使用した場合
も、剥離や亀裂が生成せず、保護膜として有効であるこ
とがわかった。

【００２０】以上３−５族化合物半導体のうち、ガリウ
ム砒素基板を例に説明を行ってきたが、異なる蒸発温度
を有する元素からなる他の化合物半導体、例えばアルミ
ニウムガリウム砒素、インジウム燐、ガリウム燐等にお
いても、本発明が効果的であることはいうまでもない。

【００２１】具体的には、アルミニウムガリウム砒素の
場合は、上述のガリウム砒素とほぼ同一の方法で可能で
ある。インジウム燐の場合は、インジウム燐基板表面を
アンモニア等のプラズマに接触させ、あるいはエピタキ
シャル成長法により、インジウム燐基板表面に、窒化イ
ンジウムを形成し、更にその上に窒化シリコン膜を形成
する。同様にガリウム燐の場合は、ガリウム燐基板上に
窒化ガリウムを形成し、更にその上に窒化シリコン膜を
形成すればよい。これらの場合も、化合物半導体基板と
窒化シリコン膜との熱膨張率の差によって生じる窒化シ
リコン膜の剥離、亀裂の生成が、基板と保護膜間に形成
した窒化物が、応力の緩和層として作用することのよっ
て抑制することが可能となる。

【００２２】更に本発明の熱処理方法は、急速加熱、急
速冷却を行うランプアニール法に限らず、抵抗加熱等砒
素の蒸発が問題となるプロセスを行う際の保護膜として
使用しても、効果的である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、化
合物半導体と保護膜の熱膨張率の差によって生ずる保護
膜の剥離、亀裂の生成を、化合物半導体を組成する元素
の窒化物を介在させることにより抑制することができ
た。この保護膜は、簡便な方法で提供することが可能で
ある。このような保護膜を形成した化合物半導体基板を
熱処理し、半導体装置を形成すれば、化合物半導体基板
表面は、化学量論的な割合で構成元素が存在する清浄な
表面となり、良好な特性の半導体装置を形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明する説明図である。

【図２】従来方法によるランプアニール後の窒化シリコ
ン膜の表面状態を示す。

【符号の説明】

１ ガリウム原子 ２ 砒素原子 ３ 窒素原子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化合物半導体の熱処理方法において、該
   化合物半導体基板表面を該半導体基板を組成する元素の
   窒化物及び該窒化物上に形成した窒化シリコンからなる
   膜で被覆し、熱処理することを特徴とする化合物半導体
   の熱処理方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の化合物半導体の熱処理方
   法において、前記窒化物は、少なくともヒドラジン、ジ
   メチルヒドラジンあるいはアンモニアのいずれかを含む
   ガスのプラズマを前記化合物半導体表面に接触させて形
   成することを特徴とする化合物半導体の熱処理方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の化合物半導体の熱処理方
   法において、前記窒化物は、前記化合物半導体基板表面
   に形成されたエピタキシャル成長層であることを特徴と
   する化合物半導体の熱処理方法。