JPS61215300A - ３―５族化合物半導体基板のための開放管型拡散方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、半導体本体中に不純物ないしドーパントを拡
散させる方法に関するものである２、さらに具体的には
、本発明はひ化ガリウム（ＧａＡｓ）など■族元素とＶ
族元素の化合物（ｒｍ−ＶＪ型半導体物質）から製造し
た半導体ウエノ・中にＰ型またはｎ型ドーパントを拡散
させる方法に関するものである。

Ｂ、従来の技術 半導体は、整流器、バイポーラ・トランジスタ、電界効
界トランジスタ、ダイオード、フォトダイオード、太陽
電池、半導体レーザ、荷電粒子コレクタなど各種の電子
デバイスの作成に広く使用されている。半導体本体は、
円形、方形、三角形その他部台のよいどんな形にするこ
ともできるが、典型的にはウェハまたはディスクの形で
ある。

半導体デバイスを作成するための製造方法では、慎重に
制御された条件下で半導体本体中に不純物ナイシドーパ
ントを拡散させて、様々な予定寸法の導電層を作成する
拡散ステップを、１回または複数回使用している。過剰
のアクセプタ不純物を含み、電子不足または「正孔」過
剰となる半導体材料のゾーンはＰ型活性を示すと言い、
過剰のドナー不純物を含み過剰の自由電子を与えるゾー
ンはＮＷ活性を示すと言う。一般的なＰ型ドーパントに
は、亜鉛、カドミウム、ベリリウムがある。

よ（使用されるＮ型ドーパントは、シリコン、テ゛ルル
、セレン、硫黄である。既知の拡散方法の代表例には、
米国特許第３３７４１２５号、第３５３００１６号、第
３８５２１２８号、第３９２３５６３号、第５９４３０
１６号、第５９４８６９６号、第５９６１９６６号、第
４２３９５６０号、第４３００９６０号に開示されてい
るものがある。

シリコン半導体で特に有効なあるタイプの拡散方法では
、ドーパントを含む酸化物ガラスを半導体本体に付着し
て、「サンドインチ」状にし、それを拡散温度にまで加
熱して、ドーパントを酸化物ガラス層から移動させ半導
体本体中に拡散させる。拡散後に、酸化物層をドープさ
れた半導体から取り除く。この方法は、拡散後に酸化物
層を適切に販り除くことが非常に難しく、また半導体本
体中のドーパント源の精密な制御が容易には実現できな
いため、ｍ−ｖ型半導体には全（適してはいない。

別のタイプの拡散法では、ドーパントが層中に均一に分
布する（「不定供給源」）または、米国特許第３５３０
０１６号の方法のようにその表面に局在する（「定供給
源」）よ５に成長させた単結晶から切、り取った半導体
本体をドーパント源とすることができ、このドーパント
源を拡散オープン中でドーグすべき半導体本体の近くに
置（。好ましくは、不活性ガスの存在下で、拡散温度に
まで加熱すると、ドーパントがドーパント源からドープ
されていない半導体本体中に拡散する。この種の方法は
、拡散法に特有の高い温度で分解しない半導体材料、例
えばシリコンをドープするには有用であるが、それらの
温度で分解する半導体材料、すなわちひ化ガリウムなど
■族元素とＶ族元素の化合物をベースとする材料では、
修正なしにそのまま実施することはできない。通常の拡
散温度で、ひ化ガリウム半導体本体はその表面で解離ま
たは分解を起こして元素状ひ素を放出する。半導体本体
からひ素（他のｍ−ｖ型半導体材料の場合は、他のＶ族
元素）が失われると、半導体の表面組成が変化し、した
がって満足できる製品が得られない。

後者のタイプの半導体材料中にドーパントを拡散したい
場合は、その半導体のＶ族元素と同一の気相のＶ族元素
を含む拡散雰囲気中でこの工程を行うことが必要である
。拡散雰囲気中に存在するＶ族元素の蒸気圧が少くとも
半導体本体の表面のＶ族元素の平衡蒸気圧が等しくなる
条件下でこの工程を実施することにより、半導体本体か
らのＶ族元素の損失を防止することができ、半導体本体
の表面の初期組成が保持さ糺る。従来はこれを実現する
には、管の一端にドーパント源とＶ族元素を含み、他端
に半導体本体を含む、減圧密封石英管を使用することが
必要であった。この密封管を２ゾ一ン式拡散炉ないし拡
散室に入れて、管の一端にあるドーパントとＶ族元素の
混合物を炉の第１ゾーンで、予定量のドーパントとＶ族
元素が管雰囲気中に移動する温度にまで加熱する。その
間に管の他端にある半導体本体を、炉の第２ゾーンで、
ドーパントの管雰囲気かう半導体本体への拡張が起こる
温度にまで加熱する。この拡張工程、いわゆる「密封管
」拡散工程が終了すると、管を割って、ドープされた半
導体本体を取り出す。

実際には、上記の方法をうま〈実施するには、かなり高
いレベルの技能が必要である。その上、この工程（およ
び米国特許第３８５２１２８号で開示されているものな
ど他のタイプの密封管拡散法）で使用する石英管は比較
的高価であり、しかも−回使用すると必ず壊さなければ
ならないため、一層製造コストが高くつく。この方法の
もう一つの欠点は、管を密封する操作、すなわち管の指
定された端部に強い熱を局部的に加えて管壁の加熱され
る部分を融合することが、ドーグすべき半導体の汚染を
起こしやすいことである。石英を軟化点まで加熱すると
石英中に自然に存在する不純物が放出されて、半導体材
料中に拡散してその組成を許容できない程度まで変えて
しまうことがある。

米国特許第４２３９５６０号に開示されているような開
放管拡散法は、密封管方式よりも経済的に実施できるが
、ｍ−ｖ型半導体材料に関する場合は、かかる材料が拡
散を行うのに必要な温度で分解するという上記の性質の
ために適当ではない。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 ■−Ｖ型半導体本体にＰ型またはＮ型ドーパントを導入
するための比較的簡単で経済的な方法を提供することが
、本発明の一目的である。

本発明の第２の目的音は、上記の方法など既知の密封管
方式の欠点をなくした、ｍ−ｖ型半導体本体用拡散法を
提供することである。

本発明の第３の目的は、所期のドーパントの表面濃度を
拡散を行うのに必要な温度とは独立にし、高いレベルの
スルーグツトが可能で、ドーパントの表面濃度に広範囲
の７レキシビリテイーを与え、「清潔コな、すなわち拡
散源からの望ましくない汚染をほとんど含まない、融通
性のある開放管法を提供することである。

Ｄ０問題点を解決するだめの手段 これらおよびその他の目的は、ｍ−ｖ型半導体本体にド
ーパントを拡散させる本発明の方法によって達成される
。

当該技術で知られている、より経済的で操作が簡単な開
放管式拡散法と同じく、本発明の拡散法は、真空中で行
う必要がなく、また高価な使い捨ての石英管を必要とし
ない。この方法を実現するのに必要な主要装置としては
、一つの加熱ゾーンのみを備え、拡散に必要な温度レベ
ルを実現できる炉があればよい。本発明の方法は比較的
簡単かつ効果的でかなり高いレベルのスループットを提
供できる上、極めて清潔であり、望ましくない汚染を僅
かしか含まないドープされた半導体材料中もたらす。

Ｅ、実施例 本発明にもとづいて半導体本体中に拡散する不純物ない
しドーパントの供給源を、ここでは「付着基板」と呼ぶ
ことにするが、これは例えば直径約２〜１０　ａｍ、　
　厚さ約０．０５〜１．０ｍｍのウェハの形で提供され
ることがしばしばである。その基本的な役割はドーパン
トのキャリアないし供給源として働くことなので、付着
基板は広範囲の材料から作成することができる。すなわ
ち、付着基板は、ドープすべき半導体本体、と同じ材料
、例えばひ化ガリウム（ＧａＡｓ）、　または他の結晶
性材料、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ２）、ゲルマニウム
（Ｇｅ　）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）など、または非
結晶性材料、例えばグラファイト（ｃ）製とすることが
でき、さらにはタングステン（Ｗ）などの金属から製造
することもできる。

付着基板の主表面には、所期の濃度のドーパントを含む
材料層が蒸着されている。この層はドーピングを受ける
半導体本体と同じ材料である。この半導体本体をここで
は、「対象基板」と呼ぶことにする。すなわち付着基板
上のドーパントを含む層も、対象基板と同様にＭ−Ｖ型
半導体材料、つまり少くとも１種の■族元素、すなわち
ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａり、ガリウム（Ｇａ　
）またはインジウム（Ｉｎ）　と少くとも１種のＶ族元
素、すなわち窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ひ素（Ａ３）ま
たはアンチモン（ｓｂ）の化合物から構成される。かか
るドーパントを含む層の材料となる物質の例としては、
ＧａＡｓ、　ＩｎＡｓ、　Ｇａ１ｎＡｓ、　ＡｊＡｓ、
　ＧａＡＡＡｓ、　ＩｎＰ。

ＧａＰ、　ＧａＩｎＰｌＧａＩｎＡｓＰｌＧａＡｊＰが
ある。特に優れた材料ＧａＡａで良い結果が得られてい
る。この層を所期の量のドーパントと一緒に、既知の通
常の蒸着法、例えばＰ−Ｄ、Ｄａｐｋａｓ　等が［結晶
成長雑誌Ｊ　（’　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔ
ａｌ　Ｇｒｏｖｒｔｈ　’　）第５５巻（１９８１年）
のＰ、１０　以下に記載している方法を使って、付着基
板にうま（塗布することができる。例えば、トリメチル
ガリウム（Ｇａ（ｃＨｓ）ｓ）、ア／Ｉ／　シフ　（Ａ
ＩＩＨ３）　、ジエチル亜鉛（Ｚｎ　（ｃＨ２ＣＩ（３
）２）の均一混合物を基板を含む炉に導入して、キャリ
アガスとしての水素の存在下で亜鉛を含むＧａＡｓが基
板上に所期の厚さに付着するまで６５０〜７００°Ｃに
加熱することによって、Ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ　
）ドーパントを含むＧａＡｓの成長層を付着基板に設け
ることができる。アルシンとトリメチルガリウムのモル
比は通常２０：１のオーダーである。もちろん、ジエチ
ル亜鉛の濃度によって、成長層中の亜鉛ドーパントの濃
度が決まる。ドーパントが均一に分布する厚さ約１〜５
ミクロンの成長層を得るには、一般に１０〜３０分間の
加熱で充分である。希望する場合、通常のマスキング法
を用いて、成長層なパターンとして付着基板ないしサセ
プタに設けることができる。この場合、ドーパントは対
象基板中に同一パターンで拡散することになる。拡散層
中に存在するドーパントの表面濃度は、付着基板上の成
長層に含まれるドーパントの量の半分になる。成長層中
のドーパント濃度は、１ｃｍ３当り約１０７〜１０２０
原子と広範囲の値をとることができる。この範囲のドー
パント濃度のとき、拡散工程完了時の対象基板中のドー
パント表面濃度は、１０ｍ３当り約５×１０６〜５×１
０１９原子となる。

本発明によれば、Ｐ型ドーパントとＮ型ドーパントのど
ちらでもＭ−Ｖ型対象基板中に拡散することができる。

本発明で使用できるＰ型ドーパントには、先述の亜鉛以
外に、カドミウム、ベリリウムなどがあり、本発明で使
用でき好成績を与えるＮ型ドーパントには、シリコン（
Ｓｉ）、　　テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ　）、硫黄
（Ｓ）がある。

対象基板の組成についても既に述べた。これはしばしば
、付着基板と同様に、付着基板とほぼ同じ寸法のウェハ
として提供される。対象基板表面の完成なドーピングを
確保するため、付着基板の方がやや面積が大きいことが
好ましい。前述のように、対象基板用の好ましいｍ−ｖ
型材料はＧａＡｓである。

拡散工程の第一段階では、付着基板を、対象基板と接触
させてまたは隣接させて、付着基板のドーパントを含む
層を対象基板の主表面と向き合せ、それらの中心を共通
軸に沿って並べて、加熱炉ないし加熱室に入れる。２枚
の基板は互いに接触させてもよく、また比較的短い間隔
例えば約０．１〜１０ｍｍだけ離してもよい。　付着基
板と拡散基板の対を側対でも都合のよいだけ同時に本発
明の拡散工程にかけることができる。

拡散工程は、化学的に良性の環境で、すなわち酸素その
池の酸化性物質をほとんど含まない環境で実施する。こ
れは、拡散を行なう炉を排気するか、または好ましくは
炉を窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性気体で掃気
して、その中に当初存在した酸素その他の酸化体を除去
することによって実現できる。

工程の次の段階では、拡散温度で対象基板のＶ族元素と
一致するＶ族元素をもたらす物質を加熱炉に導入する。

この物質の目的は、先述のように対象基板を拡散温度に
まで加熱するときに、対象基板の表面組成を保存するこ
とである。すなわち、例えば対象基板がＧａＡｓの場合
、ＧａＡｓの表面組成を保存するために選択される物質
は、拡散温度で気相Ａ３をもたらすものである。

本発明で特に有利なことがわかった、Ａｓを含む物質は
アルシン（Ａ　ｓ　Ｈ３）である。これは拡散温度に達
するとまたはそれ以前に分解して、少量の単原子性およ
び二原子性ひ素（それぞれＡｓとＡｓ２　）および多量
の四原子性ひ素（Ａｓ４）からなる気体混合物を与える
。拡散は真空中でも実施できるが、窒素または水素など
の非酸化性キャリア・ガスの存在下で行うことが好まし
い。水素は付着基板と対象基板の表面に存在する酸化物
を還元できるのでより好ましい。拡散環境の雰囲気中に
存在するＶ族元素の蒸気圧が、選択した拡散温度で対象
基板の表面を離れるＶ族元素の平衡蒸気圧と等しいかま
たはそれよりも大きい場合、対象基板からのＶ族元素の
著しい純損失は起こらず、したがって対象基板の表面組
成は拡散工程中はぼ同一となる。

保護性気相Ｖ族元素の典型的な蒸気圧分圧は、比較的低
い拡散温度では約０．１チと低（、比較的高い拡散温度
では約５チないしそれ以上の高さになる。本発明で使用
できる各種のＶ族物質のリストを、次表に示す。

本発明にもとづいて拡散を実施できる温度は、それ自体
当該技術で知られており、例えばＰ型ドーパントでは約
５００〜８００°Ｃ１好ましくは約５５０〜７５０°Ｃ
，Ｎ型ドーパントでは約７００〜１１００°Ｃ１好まし
くは約７５０〜１０５０℃と広範囲の値をとることがで
きる。拡散速度は指数関数的であり、Ｐ型ドーパントの
場合は約２〜６０分間、ＮＷドーパントでは約１０〜１
２０分間（必要ならばそれ以上）拡散温度に保つと、元
々付着基板中に存在したドーパントの量の約半分が対象
基板中に拡散する。

下記の例は、本発明の拡散工程の例である。

例１ Ａ、亜鉛をドーグしたＧａＡｓ付着基板の調製通常の金
属−有機物化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）系を用いて、ひ化ガ
リウム・ウェハの主表面に、亜鉛ドーパントを含むひ化
ガリウム層を成長させた。ＲＦコイルで取り囲んだ石英
管中に配置したカーボン・サセプタ上に、ひ化ガリウム
・ウェハを載せた。下記の気体混合物を（指示のある場
合を除き）常温で石英管に導入した。

水素　　　　　　　　　３０００ トリメチルガリウム　　　　４．０ アルシン　　　　　　　　　２０．０ ジエチル亜鉛（４〜５℃）１．２ 石英管の内容を１０分間６５０℃に加熱して、厚さ０．
８３ミクロン、面積抵抗率７４．９オーム／平方、ホー
ル移動度７５、面積キャリア密度ｉ、ｉ　ｉ　ｘ　ｉ　
。

７０ｍ２、キャリア密度１−３４　Ｘ　１０１９／　ｃ
ｎｉ３　の亜鉛でドープされた付着基板を得た。

Ｂ、　　ＧａＡｓ対象基板への亜鉛の拡散上記で得られ
た亜鉛でドープされた付着基板を、下向きにして同じ直
径のひ化ガリウム対象基板上に載せ、得られた「サンド
イッチ」を、単一加熱ゾーンを備えた拡散炉ないし拡散
室に入れた。炉を窒素ガスで掃気した後、水素１，００
０−７分とアルシン５Ｃ♂／分の気体混合物を炉に導入
した。炉’ｅ６５０’ｃに加熱し、この拡散温度に１０
分間保った。拡散後に炉を室温にまで冷却し、気体内容
物を窒素ガス気流中で掃気して、下記の拡散領域特性を
もつ亜鉛でドープされたＰ型ひ化ガリウム半導体を取り
除いた。

特　　性　　　　　　　　　　　　値 拡散の厚さくミクロン）１．２ 面積抵抗率（オーム／平方）　　　　　１２３面積キャ
リア密度（キャリア／ｃｍ２）９．０×１０１４移動度
（ｃｍ／　Ｖ、ｇｅｃ　）　　　　　　　５６ドーピン
グ・篩（拡散層７０ｍ３当りの原子数）７．５　Ｘ　１
０１８ 希望する場合、通常の寸法を使って成長層を剥ぎ取り、
ドーバン）Ｙ含む材料の新しい層を成長させて、対象基
板を再利用することもできる。

同様に、付着基板を成長させるために使用するカーボン
・サセプタ上にひ化ガリウム対象基板を載せた。カーボ
ン・サセプタをＺｎでドープされた多結晶層で自動的に
被覆しながら、成長の間このサセプタ上にあるひ化ガリ
ウム基板上にエピタキシャル層を成長させた。次にこの
対象基板を６５０°Ｃで１０分間拡張させた。得られた
拡散領域の特性は次の通りであった。面積抵抗率１９２
オーム／平方、面積キャリア密度ｓ、ａ　ｘ　ｉ　ｏ１
４キャリア／ｃｍ２、移動度５６０ｍ　／Ｖ、　ｓｅｅ
　、ドーピング・レベ／Ｉ／　４．８　Ｘ　１０１８キ
ャリア／ｅｍ。

例２−６ 上記と同様の方法を使って、本発明にもとづき（指示し
た場合を除き）　ＧａＡｓ付着基板とＧａＡｓ対象基板
を用いてさらに拡散を実施した。その結果を第２表と第
３表に示す。（これらの表には上記の第１例も含めであ
る。ン 第２表：付着基板 （１）水素：　　　　　　３０００ｃｍ／分トリメチル
ガリウム：　　４．０　　　ｃｍ／分アルシン：２０．
０ｃｍ／分 （２）約４〜５°Ｃに冷却 （３）常温 （４）層の特性のうち面積抵抗率＝　２８．４オーム／
平方、面積キャリア密度＝　５．２Ｘ　１０７０ｍ　。

移動度＝４３、ドーピング・レベル＝　４．７　Ｘ１０
　７０ｍ Ｆ４発明の効界 本発明によれば、簡単に且つ経済的にＭ−Ｖ型半導体本
体にドーパントを拡散させることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）酸化性物質をほとんど含まない加熱室中で、ドー
   パントを含む層がその主表面に蒸着された付着基板を、
   III−Ｖ型半導体材料から製造された対象基板に近接し
   て且つ上記付着基板のドーパントを含む層が上記対象基
   板の主表面にほぼ向い合うようにして配置すること、 （ｂ）上記対象基板の表面に存在するＶ族元素の平衡蒸
   気圧に等しいかまたはそれよりも高い蒸気圧を示す気相
   のＶ族元素を拡散温度で供給することができる、上記対
   象基板のＶ族元素と一致するＶ族元素の供給源を加熱室
   に導入すること、および（ｃ）予定量のドーパントを上
   記対象基板中に予定深さまで拡散させるのに充分な時間
   、上記付着基板と対象基板を、拡散温度に加熱すること
   、からなる、III−Ｖ型半導体本体中にドーパントを拡
   散させる方法。