JPS5840818A - 不純物の導入方法 - 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】 この発明は不純物を半導体材料へ導入する場合に導入深
さ、導入不純物濃度の制御性を大幅に向上することので
きる不純物の導入方法に関する。

半導体工業等において、不純物の導入技術は多くの製造
工程に関わる重要なプロセス技術である。

不純物導入技術としては古い歴史を持った熱拡散技術が
あるが、この熱拡散技術こそがデバイス構造としてのい
わゆるプンーナ化を可能とし、集積回路の発展の基礎と
なった技術である。しかし熱拡散技術によっては数１０
００オングストロ一ム程度あるいはそれ以下の深さでの
不純物導入は困難である。集積度の高い集積回路が要求
されるにつれ、素子の微細化が進むと共に数１０００Ａ
程度あるいはそれ以下の深さでの不純物導入技術として
イオン注入技術が注目され、今や集積回路の製造プロセ
スの必須技術として育成されたことは周知のとおりであ
る。今やイオン注入技術なしにシリコン集積回路は考え
られない。シリコン材料に対するイオン注入技術がほぼ
確立された一方、ＩＩＩ−Ｖ化合物材料に対してはきわ
めて未熟である。

しかし、より高速で動作する集積回路実現に対する要望
はシリコンに較べ、電子の移動度の速いシリコンでほぼ
確立したイオン注入技術がｍ　−■化合物材料に対して
同様に適用できない点について示そう。半導体材料への
イオン注入は大まかに２つの段階すなわち不純物元素あ
るいは不純物元素を含んだ化合物分子吟をイオン化］−
１電Ｊ！４等で加速した高速粒子を半導体表面に衝突さ
せ、高速化された粒子のエネルギーをもって半導体中に
不純物を注入する第１の段階、注入段階と注入段階で半
導体中に導入された不純物を目的とする材料物性を反映
する結晶内格子位置に該不純物な再配列する第２の段階
、アニール段階を経て完結する。

第１の注入段階は被注入半導体試料表面の準備段階やそ
の注入時加熱吟、シリコンを扱う場合に対するとは異な
る点は多々あるものの比較的Ｉｌｌ　−■化合物に被注
入試料が変わったために変更しなげればならない点は少
ない。

シリコンから■−■化合物に被不純物導入制料が変わっ
た場合に大幅な変更ないし工夫をしなければならないの
は、第２の７ニ一ル段階である。

第２のアニール段階とは、具体的にはレーザ・アニール
、電子ビーム・アニール等の技術をも含むが基本的には
熱処理と考えてよかろう。単−元′　素から構成されて
いるシリコンではまず単結晶技術が進歩しており、きわ
めて高い純度を持ち、結晶欠陥の少ない単結晶素材が容
易に得られ、かつシリコン元素が蒸気圧も低く、また素
材シリコンの酸化膜が物理的にも化学的にも安定’Ｗｃ
二酸化硅素であるというまさに六賦の性質を備えている
ため、第２のアニール段階も技術的に比較的容易であり
、はぼ問題は解決されている。

他方、ＩＩＩ　−Ｖ化合物半導体へのイオン注入技術で
は、第２のアニール段階がイオン注入技術確立の上で最
も問題がある。具体的に■−ｖ化合物主にＧａＡｓ等に
イオン注入技術を適用して作った不純物導入層に見られ
る問題を示すと、導入深さあるいは導入不純物の導入層
内分布の被拡散試料面内不均一、また非再現性、さらに
は試料内部への導入不純物の深いすそひき（ティル（ｔ
ａｌｌ）と呼ぶことが多い。）等がある。上記した不均
一、非再現性が問題なことは首５までもないが、上記テ
ィルはイオン注入技術を用いて作った電界効果トランジ
スタ等の高周波特性や雑音特性を損う原因となることで
問題となることは良く知られている。

さて、上記したｌ１ｌ−Ｖ化合物半導体へのイオン注入
層に見られる各種問題点は、Ｉｆｆ　−Ｖ化合物が次に
示す諸点でシリコンとは異なっているために生じると考
えられる。即ち、ＩＩＩ−ｖ化合物半導体は、（１１蒸
気圧が大きいＶ族元素と小さいＩｌｌ族元素の結びつい
た化合物で熱的に分解が生じやすく不安定であり、化学
量論的ずれを生じやすい、（２）結晶技術がシリコンに
較べ困難であり、また精製技術も十分でないため、結晶
内に多くの不純物、空孔、析出物、転位等の構造欠陥お
よびその不均一性が制御できずに存在している、（３）
イオン注入技術の第２の段階、アニール段階で注入不純
物の外部への逃げを採掘する保腹膜として適当なものが
ない、といった点でイオン注入技術確立にあたってシリ
コンとは著しく異なる問題をかかえている。

（１）および（３）で示した■−■化合物での問題はイ
オン注入技術の第２段階、アニール段階と直接結びつく
問題点であることは明らかである。さらに（２）はアニ
ール段階での構造欠陥が導入不純物と相互作用するため
にイオン注入層製作上の不均一性非再現性、さらにはテ
イルの原因となると考えられる。

しかし、（１１の問題はｎｌ　−Ｖ化合物の本性を示し
たに過ぎず、また（３）の問題は理想的に近い採掘膜は
ないものの、気相反応法による二酸化硅素膜や窒化硅累
膜を保睦膜として用いる方法である程度の改良がはかれ
る。特に保護膜を同一装置を使用し、同一条件で形成す
るならば、（３）の問題はかなりの程度回避し【イオン
注入層の再現性をもたせることが可能である。

（２）の問題は単結晶技術の改良が必要なことを物語っ
ていることは明らかであるが、■−■化合物材料をシリ
コンに準するレベルの高い品質に仕上げるにはきわめて
多くの困難と時間が必要であろうし、（２）の問題は従
来の常識から言えば、いわゆるプロセス技術では解決が
できないと考えられてきたものであるので、従来（２）
に伴うと考えられる問題は結晶技術の進歩を待つ以外な
いと考えられてきた。

この発明の目的は、■−■化合物拐刺へのイオン注入技
術の未確立の大きな原因の一つであるＩＩＩ−Ｖ化合物
結晶自体の低品質に起因すると考えられる問題を大幅に
回避し、イオン注入層の深さ、導入不純物分布の面内均
一性および再現性を大幅に向上することのできる不純物
導入方法を提供することにある この発明によるならば、ＩＩＩ−Ｖ化合物へのイオン注
入技術の未確立原因のうちいわば結晶技術の進歩を待つ
以外ないと考えられてきた点をプロセス技術によって大
幅に補うことができるものである。

シリコンにおいてはウェファ表面の重金属等を除くため
にウェファ裏面をサンド・シラスト等して歪を導入し、
しかる後に熱処理することに」；リウェファ表面にある
重金属等をすνｌ′壷プラスト等で導入した転位等にゲ
ッタリングするエクストリンシックゲッタリング法や、
シリコン結晶中に存在する酸素の熱処理に伴５Ｍ、集効
果を利用して重金属蝉ゲッタリングするイントリンシッ
ク・ゲッタリング法と呼ぶ熱処理段階がある。ゲッタリ
ング法による熱処理は言葉の示す如く、シリコンデバイ
ス形成に関係しないウェファ内にいわば重金属４！すと
らえるものであるが、本発明の熱処理方法ではエクスト
リンシック・ゲッタリングのように歪導入を行うもので
はなく、かつイントリンシック・ゲッタリングのように
結晶内に存在する特殊な不純物を必要とするものではな
い。

本発明の熱処理方法は、一定条件熱処理のもとに不純物
導入領域のＩｌｌ　−Ｖ化合物の化学世論比や該熱処理
温度での不純物組成、あるいは量のウェファ間、ウェフ
ァ内、結晶ロフト間の均質化をはかるものである。

従って、シリコンにおいて知られるイントリンシックΦ
ゲッタリングのようにウェファ内の酸素濃度に応じた熱
処理条件の変更等は全く必要としたい。すなわち一定の
不純物導入層を得たい場合には、ロフト、ウェファの変
更があろうとも一定条件での熱処理を施し、後の不純物
導入を行えばよい。

この発明によれば、被不純物導入拐刺であるところのｍ
−ｖ化合物半導体ウェファの少なくとも不純物導入表面
近傍を熱処理する工程と、該熱処理後に該不純物導入表
面より不純物を注入する工程を含むことを特徴とする半
導体材料への不純物の導入方法が得られる。

以下、この発明の実施例として（）ａＡｓへの８１のイ
オン注入に用いた場合について図を用いて詳細に説明す
る。

ＧａＡｓ試料は故意に不純物を添加せずに引き上げ法で
製作したもの、Ｃｒ（クローム）元素を添加してボート
法で製作したいずれも半絶縁性のものを用いた。半絶縁
性ＧａＡｓ基板はＧａＡｎ電界効果トランジスタの製作
や、ＧａＡｔｒ集積回路製作にあたって用いられるもの
でこうした試料へイオン注入を行い表面層としての導電
層を形成することけ実用的にもきわめて重要であると共
に、イオン注入層の宵。

気的特性等の評価にきわめて都合がよい。また、不純物
としてのＳｉはＳｅ、Ｔｅ、Ｓなど午共にル形導電性を
ＧａＡａ　ｌｌｌで与える代表的な不純物である。

従来のイオン注入では前１６したように第１の注入段階
をもってイオン注入プロセスが始まるが、この発明の方
法ではますパ第１の注入段階に先立つアニール工程、す
なわち第θ段階とも呼ぶブリアニール段階にはじまる。

第０のブリアニール段階の実施例について説明しよう。

ブリアニールの封管中で行なった。この時の封管の断面
図を第１図に示す。

第１図で石英封入管１１にばＧａＡｊＩ被不純物導入ウ
ェファ１２をウェファたて１３にたて、さらに約０．５
ｎ直径程度の粉砕したＧａＡｓ粉１４を用意した。石英
封入管１１の内容積は〜３００　ｍｌでＧａＡｓウェフ
ァ１２の直径は約１．５インチで本実験では数枚のウェ
ファ（３０枚程度の収容は可能）を用意した。

また、用意するＧａＡａ粉１４のｆｌＵ量は約１ｇとし
九石英管封入に先立ってＧａＡｇウェファ１２は容量比
３：１：１の１ｂｓＯａ　＊　Ｈ２Ｏ２およびａｇｏか
らなる混液で約３０秒エッヂングし表面清浄化をはかっ
た。

また１石英封入管１１内部は〜１０　　ｍｍＨ，の真空
度以下となる状態で封じである。第１図は示したように
用意した石英封入管を９００℃で６０分の熱処理を施す
ことがプリアニール段階の実施例である。

このプリアニール段階ではＧａＡｓウェファ１２の表面
層、約１ｐｍがプリアニールにより変質する。この変質
はＰＬ強度の変化から観測できる。また、この時ＧａＡ
ｓ粉１３が存在するためにＧａＡｓウェファ１３０表面
は熱分解から採掘される。

即ち、プリアニール段階では、　ＧａＡ−ウェファ１２
がプリアニール以前の結晶成長段階や、その後の温度降
下等での制御できずＫもっていたウェファ内、ウェファ
間、さらには引き上げあるいはボート法で製作されたロ
フト間での特性のバラツキを９００℃でのクリアニール
段階で表面近く約１μｍの結晶層に限るが均一化するも
のである。ＧａＡｓウェファ表面層１μｍは石英封入管
ｌｌ中での（ａＡｓが存在する場合の９００℃の温度下
での単結平衡状態でのＧａＡｍにプリアニールにより変
質し、表面層は結晶成長時にもっていたＧａＡｍ−ット
間、ウェファ間、ウェファ内で異なる特性から均一な特
性となる。

こうして表面要約１μｍを均一な性質にプリアニール段
階で仕上げた後、通常行なわれているようにイオン注入
段階に入る。ここでは１００ｋＶで加速し、Ｓｔを９０
０Ａの深さにイオン注入した。しかる後、第２図に示す
ようＫ　５ｉ（ｈ膜２１をＧａＡｓウェファ１２のイオ
ン注入層２２０面に約１００ＯＡの厚さで堆積しこれを
窒素ガス中で８００℃、　２０分のアニールを行い、ア
ニール段階を終了した。アニール段階を終了したＧａＡ
ｓウェファ１２の不純物導入層２３の厚さは約２００Ｏ
Ａである。この後８１０．膜を除去し、不純物導入層２
３表面に２００μｍ直径、ピッチ５００μｍでシミツト
キー金ＲＡｕをドツト状に蒸着、同じく表面にオーム性
電極を形成し、不純物濃度評価とピンチオフ電圧の評価
を行なった。まずオーム性電極とシ日ットキー金属Ａｌ
ｌドツト間にシ旨ットキー逆バイアス状態での容皿−電
圧特性から不純物濃度分布を求め、イオン注入不純物Ｊ
ＨＣ対する、アニール段階後の不純物導入層２３内での
イオン化不純物１の比、即ちイオン化率を見積もるとウ
ェファ内、ウェファ間、ロット間で８５〜９０俤となり
、きわめて均一性が良いことがわかった。さらに、シ璽
ットキーＡｕ電極間に電圧印加した時、電圧−容ｌ特性
は第３図のようになるが、容量が一定値を示す電圧Ｖｐ
即ち一般にピンチオフ電圧Ｖｐけやはりウェファ内、ウ
ェファ間、ロット間で１４５ｖ±０．１ｖの範囲におさ
まり、きわめて均一性が良いことがわかった。ちなみに
プリアニール段階を踏まえずに同様にイオン注入段階、
アニール段階を経過した２〜３のロットから切り出した
ＧａＡｇウェファではイオン化率は６０％から９０％ま
で変動し、ピンチオフ電圧Ｖｐも１．５ｖから±０．５
Ｖ程度の変動をきたした。

高く均質なイオン化率、および均一性の良好なピンチオ
フ電圧はプリアニール時間６０分の場合でプリアニール
温度７００℃以上で同様な結果が得られさらに低い温度
でもイオン化率、ピンチオフ電圧の改善が見られる。

さらに、プリアニール温度９００℃の場合にはプリアニ
ール時間は１０分間で十分高いイオン化率、均一なピン
チオフ電圧が９００℃、１時間のプリアニールの場合と
同様に得られる。また時間を６０分以上行なった場合で
もこの間の事情は同様であった。

当然のことながら、プリアニール段階を低温で行なう場
合には、プリアニール時間は長時間となり、高温で行な
えば短時間で注入不純物のイオン化率は高くなる。また
実施例では封入管中でのプリアニール方法を説明したが
、開管法ブリアニールで行なってもよく、また表面近傍
のみのアニールであるためンーザ・アニールや電子ビー
ムｅアニールも同様に有効である。

さらＫＩＩＪＩ不純物導人材料として実施例においては
ＧａＡｌ半絶縁性基板に対して行なったが、油基板の種
類、さらにはＩｎＰやその他■−■化合物またＩｌｌ　
−Ｖ化合物混晶に対しても適用されること、また不純物
としてもＳｉＫ限らないことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はプリアニールの封管の断面図である。 図において、１１は石英封入管、１２は被不純物導入ウ
ェファ、　１３はウェファたて、１４はＧａＡｓ粉を示
す。 第２図はアニール段階を終了したウェファ断面を示す。 図において、１２はＧａＡｓウェファ、２１は８１０Ｂ
膜、２２はイオン注入層、２３は不純物導入層を示す。 第３図はショットキーＡｕ電極間に電圧を印加したとき
の電圧−容量特性を示す。 躬ｌｎ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被不純物導人材料であるところの■−■化合物半導体ウ
   ェファの少な（とも不純物導入表面近傍を該不純物尋人
   材料の融点以下で熱処理する工程と、該熱処理後にＩ該
   不純物導入表面より不純物を注入する工程を少なくも含
   むことを特徴とする■−■化合物半導体材料への不純物
   の導入方法。