JPS61199641A - 化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

化合物半導体素子の製造方法

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JPS61199641A
JPS61199641A JP60040130A JP4013085A JPS61199641A JP S61199641 A JPS61199641 A JP S61199641A JP 60040130 A JP60040130 A JP 60040130A JP 4013085 A JP4013085 A JP 4013085A JP S61199641 A JPS61199641 A JP S61199641A
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JP
Japan
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substrate
heat treatment
layer
film
atmosphere
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JP60040130A
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English (en)
Inventor
Takashi Egawa
孝志 江川
Yoshiaki Sano
佐野 芳明
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10PGENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P95/00Generic processes or apparatus for manufacture or treatments not covered by the other groups of this subclass
    • H10P95/90Thermal treatments, e.g. annealing or sintering
    • H10P95/904Thermal treatments, e.g. annealing or sintering of Group III-V semiconductors

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

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】 (産業上の利用分野) この発明は化合物半導体素子の製造方法、特に化合物半
導体素子に用いる基板の熱処理方法に関する。
(従来の技術) 半導体ディバイスの超高速化、超高機能化或いはディバ
イスの高集積化に最適な化合物半導体として、従来から
■−v族化合物半導体が注目され開発が進められてきた
。これら化合物半導体素子の一例として、 GaAsシ
ョットキゲート電界効果トランジスタとか、GaAs発
光ダイオードとか、GaAs半導体レーザとか其の他の
種々のディバイスが実用化されている・ これらの素子を製造するに当り、基板に能動素子を作り
込む場合や、基板上にMOCVD法、 MBE法或いは
LPE法等によりエピタキシャル層を成長させこのエピ
タキシャル層に能動素子を作り込む場合もある。いずれ
の場合も、基板結晶の転位(Dislocation)
が存在するとしきい値電圧が変動し、素子特性が低下す
るので、転位の少ない或いは転位が無い基板結晶が望ま
れている。
文献(r IEEE TRANSACTIONS OM
 ELECTROMDEVICES J ED−31、
(13) 、 JUN!(1984)) ニ、 LEC
(Liquid Encapsulated Czoc
hralski) GaAs基板をN2雰囲気中でアニ
ールを行ない、この基板を用いてMESFETを作成し
た場合、この基板結晶の転位がどのような密度分布とな
っていたかの実験結果が報告されている。この実験では
、転位密度をエッチビット密度(etch pit d
ensity (−EPD)、以下単にエッチピットと
も称する)分布として調べたものである。この実験結果
により、EPDは、第5図に示すように1円形基板の径
方向に基板中心をほぼ中心としたW型の分布をしている
ため、この基板を用いて得られたFETのしきい値電圧
の面内分布はEPD分布に対応してM型に分布すること
が分かり、しきい値電圧の分散がEPDと相関すること
が確認された。
(発明が解決しようとする問題点) このように、従来市販されているLECGaAs基板を
用いてMES FETを作成する場合、N2雰囲気中で
7ニールを行っているため、転位の表面濃度を減少させ
ることが出来ず、しきい値電圧の均一な面内分布が得ら
れないという問題点があった。
さらに、 GaAs発光ダイオードとか、レーザダイオ
ードを作製する場合には、基板上にハライド系VPE法
、MOCVD法、 IRE法などによって高純度に形成
したエピタキシャル成長層に下地の基板面から転位が伝
播するため、これら半導体素子の寿命が短かったり、或
いは製造歩留まりが低い等といった欠点がある。これが
ため、高価な低転位濃度基板を用いて、その上にエピタ
キシャル成長層を形成する必要があったため、製造単価
が高くなり、経済性の点で問題があった。
そこで、この出願の発明者等は、しきい値電圧の分散を
小さくするために、低転位基板や無転位基板の開発が必
要であるという認識の下に、多くの実験を重ねたところ
、I−V族二元化合物半導体素子を製造する場合、基板
の熱処理を基板材料と関連するガス雰囲気中で行うと、
基板表面の転位密度を低減させ、かつ、均一に分布させ
ることが出来、その結果、この基板を使用してMES 
FETを製造すると、しきい値電圧の面内分布を均一に
することが出来ることを発見した。この事実は、基板中
に含まれる転位の表面密度や、しきい値電圧の面内分布
が熱処理方法に依存していることを意味している。
従って、この発明の目的は、基板表面のエッチピットと
呼ばれる転位の表面密度を減少させると共に、この密度
を均一に分布させる熱処理工程を含む■−v族二元化合
物半導体素子の製造方法を提供することにある。
(問題点を解決するための手段) この目的の達成を図るため、この発明によれば、■−■
族の二元化合物の半導体素子を製造するに当り、 基板結晶の転位密度を減少させるための熱処理をいずれ
か一方の元素の雰囲気中で行うことを特徴とする。
この発明の実施に当っては、熱処理を基板に保護11Q
を設けずに或いは該保護膜を設けて行うのが好適である
この発明の実施に当っては、基板に能動領域を作り込む
場合、この熱処理は基板に最初の不純物イオンを注入す
る前に行うのが好適である。
さらに、この発明の実施に当っては、基板に能動領域を
作り込む場合、この熱処理は基板に不純物イオンを注入
した後の活性化アニールとして行うのが好適である。
さらに、この発明の好適実施例によれば、基板上に形成
したエピタキシャル層に能動領域を作り込む場合には、
このエピタキシャル層を形成する前にこの熱処理を行う
ことが□出来る。
さらに、この発明の好適実施例によれば、基板をGaA
s基板とし、一方の元素の雰囲気を砒素(As)雰囲気
とすることが出来る。
(作用) このように、N−V族二元化合物半導体基板を、イオン
注入前の工程で或いはイオン注入後の活性下のための7
ニールエ程として、二元元素のいずれか一方の元素の雰
囲気中で熱処理を行うので、基板表面の露出面及び基板
表面から数ILI+の深さまで分布する転位を確実に減
少させ、かつ。
この転位分布を確実に均一にすることが出来る。
さらに、このようにして得られた基板はエッチピット密
度が小さくかつその分布も均一であるので、この基板上
にMOCVD法、にBE法或いはLPE法によってエピ
タキシャル成長層を形成しても、このエビ層も転位の少
ない層となり、この層は半導体レーザダイオードや1発
光ダイオードに好適となる。
(実施例) 以下1図面を参照して、この発明の実施例につき説明す
る。
尚、この実施例では一例としてI−V族二元化合物半導
体としてとしてGaAs半導体につき説明する。また、
一方の元素の雰囲気を砒素(As)圧雰囲気として説明
する。
第1図(A)〜(F)はこの発明の詳細な説明するため
の工程図で、各図は製造工程段階でのウェハの状態を概
略的に示す断面図である。
まず、第1図(A)に示すように、通常、市販されてい
る半絶縁性LEG GaAs半導体基板(EPD =1
04〜105/c厘2)1に不純物イオンとしてSiイ
オンを、注入エネルギー80KeV 、  ドーズ量1
.4×10” / cm2の条件で、イオン注入し、3
層2を形成する。
次に、第1図(B)に示すように、1層2上に保護膜3
としての5i07膜を、デボ温度を300℃として減圧
CVD法により、IGOOA程度の膜厚で積層し、続い
てAS圧雰囲気中で800℃で20分程度の熱処理で活
性化アニールを行う。
次に、このS i02膜3を除去し、第1図(C)に示
すように、3層2が形成された基板全面上にW−m膜4
を100OA程度の膜厚でスパッタ形成し、このW−A
Q膜膜上上Ti/Ni層パターン5を300OA程度の
厚みにリフトオフ形成する。
次に、第1図(D)に示すように、Ti/旧暦パターン
5をエツチングマスクとして用いてW−AOO12プラ
ズマエツチングし、このエツチングで残存したW−AQ
膜からなる’W−AQゲート6を形成する。然る後、T
i/Ni層パターン5をマスクとして用いて不純物イオ
ンであるSiを、注入エネルギー100KeVかつドー
ズ量1.5 X 1’O′3/ cm2として、イオン
注入して1層7を形成する。
次に、第1図(E)に示すように、Ti/Xi層パター
ン5を除去した後、 As圧雰囲気中で800℃の温度
で20分程度の熱処理で活性化アニールを行う。
この活性化により図示のようにゲート6の両側に得られ
た二つの1層7はソース及びドレイン領域を形成し、こ
れら領域7間の3層2がチャネル領域を形成する。
次に、第1図(F)に示すように、を層7上にAuGe
/Ni/Auを選択的に積層しオーミック電極8及び9
を形成し、これらをソース及びドレイン電極として、G
aAs MES FETを完成する。
このようにして形成したFETと、3層2及び1層7を
砒素圧を印加しないでアニールして得られたFETとに
関して、しきい値電圧の面内分布の比較を行うことによ
り、砒素圧印加の7ニール法の有効性を検討した。
第2図(A)及び(B)はアンドープLECGaAs基
□板の(100)面に対し、砒素雰囲気の有無及び5i
02保護膜の有無の条件下で熱処理を行った結果を、横
軸に基板の径方向を取り、縦軸に[1001方向の転位
密度(EPD)を取ってそれぞれ示した転位密度で40
分間行い、350℃の温度の腐食液例えばKOHにより
約3ル謹エツチングした後、EPDを測定した。
先ず、第2図(A)に示すように、tooo Aの厚さ
の5i02保護膜を設けH2/At雰囲気中で、熱処理
を行った場合(破線で示す)には、熱処理前(実線で示
す)と比較してEPDの径方向分布は変化せず、W型置
布をしていることが分かる。
しかしながら、第2図(B)に示すように、H2/Ar
/ AsH3CPAsH3=2Torr)の雰囲気中で
熱処理を行った場合には、保護膜の有無(保護膜有りの
場合を破線で示し、保護膜無しの場合を実線で示す)に
関係なく、熱処理前と比較して全体的にEPDが減少し
、特に、中心部のEPDが顕著に減少して均一に分布し
ていることが分かる。
第3図(A)〜(D)は上述した熱処理を行う前後での
エッチビットの顕微鏡写真の主要部分を模写した線図で
ある。(A)は熱処理前の状態を示し。
(B)は100OAの5i02保護膜を付け、H2/A
r雰囲気中で熱処理を行った場合の状態を示し、(C)
は保護膜無しでH2/ Ar/ AsH3の雰囲気中で
熱処理を行った場合の状態を示し、(D)は100OA
の5i02保護膜を付け、H2/ Ar/ AsHsの
雰囲気中で熱処理を行った場合の状態を示す、尚、参考
のため、(A)図に10μmの距離を示しておく。
第3図(A)〜(0)から明らかなように、  5i0
2保護膜の有無のいかんにかかわらず、砒素雰囲気中で
熱処理を行った場合(同図CG>及び(D))にのみ、
エッチビット(代表して11で示す)は熱処理前(同図
(A))のエッチビットと比較して半分以下の大きさと
なっていることが分かる。エッチビットが小さくなる事
実は、第2図(A)及び(B)示したEPD分布からも
明らかなように、EPDが砒素雰囲気中で熱処理を受け
て減少することと対応すると考えられる。また、この図
はGaAs基板の表面から3終鶴の深さにおけるエッチ
ビット11の状態を示しており、この深さにまで熱処理
の効果が及んでいることから、GaAs基板表面から例
えば5000Aの深さく注入層の形成領域)の範囲まで
は、さらに低転位となっているものと考えられる。
上述した実験結果から明らかなように、 GaAs基板
を砒素雰囲気中で、保護膜を設けずに、或いは、基板表
面に対し砒素圧を印加出来るような保、 護膜(例えば
、デポ温度380℃で減圧CVD法により形成したS 
i02膜)を設けて熱処理を行うことによって、基板表
面(イオン注入の領域)に露出した転位密度(エッチピ
ーy))を減少させることが出来ると共に、その分布を
均一化することが出来る。その結果、このような熱処理
を行って得られた基板を用いてMES FETを作製し
た場合、しきい値電圧の面内分布を均一にすることが期
待出来る。さらに、この基板上にエピタキシャル層を成
長させても、基板表面の転位密度が著しく低減している
ので、成長させたエピタキシャル層の転位も従来の場合
よりも著しく低減しかつ均一化することが期待出来る。
次に、このしきい値電圧の均一性についての実験結果に
つき説明する。
第4図(A)は砒素雰囲気を用いないH2/Ar雰囲気
中で基板を熱処理し、及び、同図(B)は砒素雰囲気(
H2/ Ar/ AsHs )中で熱処理を行って、 
MES FETをそれぞれ作製した場合のしきい地竜圧
の分布状態を示す線図である。これら図において、ウェ
ハ面内での各点でのしきい値電圧の平均値からのバラツ
キを白丸印及び黒丸印で示し、白丸は平均値よりも低い
点を示し、黒丸は平均値よりも高い点を示し、さらに、
丸の大きさは平均値からのずれの大きさを示す、この実
験結果によれば、砒素雰囲気中で熱処理を行わなかった
基板では(第4図(A))、しきい値電圧のバラツキS
は10.1%と大きくなり、しかも、径方向のしきい値
電圧の分布もW型となっている。一方、砒素雰囲気中で
熱処理を行った場合には(第4図(B))、バラツキS
は2.8%と著しく低減し、しかも、W型の分布は見ら
れない、このように、砒素雰囲気中で熱処理を行うと、
前述したように、 EPDが減少し、かつ、均一に分布
することに起因して、しきい値電圧の面内分布が改善さ
れるものと考えられる。
この発明は上述した実施例にのみ限定されるものではな
いこと明らかである。
例えば、第2図に示す工程において、n層2形成のため
のイオン注入の前に、 GaAs基板1の表面に砒素圧
が印加される状態で、700℃以上の温度で熱処理を行
い、その後に第1図(A)以下の工程を実行してGaA
s MES FETを作製しても良い、その場合には、
n層2及びtR7の活性化アニールは必ずしも砒素雰囲
気中で行う必要はない、イオン注入前にこのような熱処
理を行うと、この熱処理を長時間にわたり行えるので、
上述した実施例での熱処理の場合の転位密度よりもGa
As基板l基板面(イオン注入層形成領域)の転位密度
を一層低減させることが出来ると共に、その分布を一層
均一化することが出来る。従って、従来よりも非常に均
一なしきい値電圧の面内分布を得ることが期待出来る。
さらに、上述した実施例では、GaAs半導体素子とし
てその雰囲気を砒素雰囲気とした場合につき説明したが
、他方のGa雰囲気中で高温熱処理を行っても前述と同
様な効果を期待出来る。
さらに、この発明はI−V族の他の二元化合物半導体に
適用することが出来ると共に、これを構成するいずれか
一方の元素雰囲気を用いて高温熱処理を行っても良い。
さらに、前述したように、この熱処理を基板に最初にイ
オン注入する前に行っても良いし、イオン注入後の活性
化アニールとして行っても良いし、或いは、別個の工程
として行っても良い。
(発明の効果) 上述した説明からも明らかなように、この発明の化合物
半導体素子の製造方法によれば、転位密度が少なく、し
かも、転位密度分布が均一の基板を容易かつ確実に得る
ことが出来るので、この方法を従来のMES FETの
製造工程中に取り入れることにより、従来よりも著しく
均一なしきい値電圧分布を得ることが出来る。従って多
数のMES FETからなる化合物半導体集積回路の製
造歩留まりを向上させることが出来る。
さらに、基板自体の転位密度を低減し、かつ、分布を均
一化するので、この基板上に成長させるエピタキシャル
層の転位密度も低減しかつその分布も均一化するので、
長寿命の発光素子や半導体レーザを歩留まり良く製造す
ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)〜(F)はこの発明の化合物半導体素子の
製造方法を説明するための工程図、第2図(A)及び(
B)はこの発明の説明に供するエッチビット分布を示す
曲線図、 第3図(A)〜(D)はこの発明の説明に供するエッチ
ビットの状態を示す電子顕微鏡写真の模写図、 第4図(A)及びCB)はこの発明の説明に供する転位
分布状態を示す線図。 第5図は従来の転位分布状態を説明するための曲線図で
ある。 l・・・半導体基板、   2・・・n層3・・・保護
膜、      4・・・W−/IIQ膜5・・・Ti
/旧層パターン、6・・・W一層ゲート7・・・を層、
       8.9・・・オーミック電極11・・・
エッチピッチ。 第1図 2ニア1層 7:で漕 第1図 第5図 第3図 f 口= E P D (x 10’/cn’ )〜 ぺ 偽 偽
 5〜 へ 偽 へ EPD(xlO’/cmす 〜 東 Ch  へ Q 〜 へ 偽 へ−L続ネ市正
 書 昭和61年5月2011 特譜庁長官 7賀 道部 殿 1 ・J覧件の表示  昭和60年特許願040130
S)2発明の名称 化合物半導体素f−の製造方法 3補市をする者 ・19件との関係  特許出願人 住所(〒−105) 東京都港区虎ノ門lr目71%12号 名称(029)沖電気[X株式会社 代表者 橋本 南海男 4代理人 〒170   廿(988)5563住所 
東京都豊島区東池袋1丁目20番地5池袋ホワイトハウ
スビル905号 氏名 (8541)弁理上 大 垣  孝5補+E命令
の[l+[自発 6補市の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄及び図面7補II:、の
内容  別紙の通り (1)、明MBSの第3頁第9行のr (DiSloc
ation)が存在」をr (Dislocation
)が不均一な分布をもって存在Jと訂iEすると共に、
同頁第10行の「低ドするので、転位」をr低ドするの
で、均・な分41をもつ転位Aと訂IFする。 (2)0回、第5頁第11行の「その結果、この基板を
使用してMES JをVその結果、W型のEPII分布
をもつ基板を使用してもこの熱処理方法を利用してME
S J と訂正する。 (3)0回、第7頁第9行の「活性下のための」をr活
性化のための1と訂正する。 (4)、同、第8 A m 18行(7) r300°
Cl ヲr380’CI と訂正する。 (5)9同、第9頁第18行の「除去した後、 As圧
」をr除去した後、保護膜なしでAs圧Jと訂正する。 (6)0回、第12頁第14行の「熱処理の効果」を「
熱処理時の砒素の効果Jと訂正する。 (7)、同、第13頁第19行の「しきい地」をrしき
い値Aと訂正する。 (8)、同、fJS14頁第18行第18行こと明らか
」を19行の「第2図」を1第1図1と訂11ミする。 (9)0図面の第2図(B)及び第3図(A)を、添付
した訂11ミ図の通り訂IFする。 第2図 甲・(

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)III−V族の二元化合物の半導体素子を製造する
    に当り、 基板結晶の転位密度を減少させるための熱処理をいずれ
    か一方の元素の雰囲気中で行うことを特徴とする化合物
    半導体素子の製造方法。
  2. (2)熱処理を基板に保護膜を設けずに或いは該保護膜
    を設けて行うことを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の化合物半導体素子の製造方法。
  3. (3)基板に能動領域を作り込む場合には、熱処理は該
    基板に最初の不純物イオンを注入する前に行うことを特
    徴とする特許請求の範囲第1項または第2項記載の化合
    物半導体素子の製造方法。
  4. (4)基板に能動領域を作り込む場合には、熱処理は該
    基板に不純物イオンを注入した後の活性化アニールとし
    て行うことを特徴とする特許請求の範囲第1項または第
    2項記載の化合物半導体素子の製造方法。
  5. (5)基板上にエピタキシャル層を形成し該エピタキシ
    ャル層に能動領域を作り込む場合には、該エピタキシャ
    ル層を形成する前に熱処理を行うことを特徴とする特許
    請求の範囲第1項または第2項記載の化合物半導体素子
    の製造方法。
  6. (6)基板をGaAs基板とし、一方の元素の雰囲気を
    砒素(As)雰囲気としたことを特徴とする特許請求の
    範囲第1項〜第5項のいづれか一つに記載の化合物半導
    体素子の製造方法。
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