(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ半導体基板に注入された不純物を活性化するための活性化アニールに先立ち、
前記ＧａＡｓ半導体基板の不純物注入層の形成面である第１面に熱処理用第１保護膜としてＳｉＮ膜を形成し、前記ＧａＡｓ半導体基板の第２面に熱処理用第２保護膜としてＡｌＮ膜を形成し、
その後前記活性化アニールを行う半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置の製造方法に係るものであり、注入した不純物を活性化するためのアニール処理、特に、化合物半導体に注入した不純物活性化のための活性化アニールを基板表面に熱処理用保護膜を形成して行うキャップアニール処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界効果トランジスタなどの半導体素子の活性層（チャネル層）などは、半導体基板に不純物をイオン注入して形成することが多いが、注入した不純物をキャリアとして機能させるには、注入不純物を所望の結晶格子位置に配置し、かつ注入時に生じた半導体基板の結晶欠陥を回復しなければならない。このため、従来より不純物注入層を機能させるために、活性化アニール処理と称される高温の熱処理が行われている。ところが、化合物半導体に対してこのような高温熱処理を直接施そうとした場合、化合物構成元素の物性の違い、即ち、解離圧力の差などにより、化合物半導体自身の組成バランスが失われてしまう。その結果、本来の目的である不純物の活性化が全く起こらないことになってしまう可能性がある。
【０００３】
例えば、ＧａＡｓ化合物半導体の場合、ｎ型の活性層を得ようとする際には、通常、不純物としてＳｉをイオン注入し、Ｇａ格子位置にＳｉイオンを配置させることになる。この際に必要な活性化アニール処理温度は８５０℃程度となる。ところが、ＧａＡｓを構成するＧａとＡｓの平衡蒸気圧は、８５０℃にてそれぞれＧａ：１×１０-7ｔｏｒｒ、Ａｓ：１．５×１０-6ｔｏｒｒであり、Ａｓ圧の方が約１桁高い。このため８５０℃の加熱を行うと、その際Ａｓが、ＧａＡｓ結晶表面から蒸散することになり、熱処理の後は、ＧａとＡｓのストイキオメトリ（化学量論組成）がズレてしまうという結果となる。これらの事情を回避する手法としては、瞬時アニール法や、構成元素の解離を防止するための熱処理用保護膜を基板表面に形成してアニールを行うキャップアニール法、又は解離性の強い構成元素（ＧａＡｓの場合Ａｓ）の蒸気圧下で熱処理するキャップレスアニール法などが知られている。
【０００４】
これらの内、キャップアニール法は、最も簡単な熱処理炉を用いて処理でき、広く採用されている。従来、このキャップアニール法で用いられる熱処理用保護膜の構成は、加熱時の基板変形を避けるため、表裏、つまり第１面及び第２面に同種類の膜を被覆させている。また、その膜材料としては、ＳｉＮが良いと考えられている。その理由としては、保護膜として採用される条件が次のようなものであり、ＳｉＮ膜がこれらの条件の多くを満たしているからである。
【０００５】
（ｉ）高温でのアニール処理時に、基板結晶の表面から構成元素が蒸散するのを防止し、基板構成元素の外部拡散や保護膜中への拡散に対しても十分な障壁となること
（ii）保護膜と結晶界面が熱的に安定で、基板と反応したり、保護膜自身の結晶内部への散拡がないこと
（iii）半導体基板結晶に対する密着性がよく、保護膜にピンホールやクラックが発生しないこと
（iv）アニール後の保護膜の除去が容易であること
図３は、実際にＳｉＮ膜をＧａＡｓ基板に被覆した状態を示している。図３において、ＳｉＮ膜の膜厚は１０００Åとしている。この保護膜の膜厚は、保護膜として膜厚が厚ければ厚いほど信頼できるものとなるが、膜自身の耐熱性から１５００Å程度が限界となる。図３に示すように、ＳｉＮ膜は、基板の第１面及び第２面の両方に形成されている。これは、活性化アニール時には基板全体が加熱されるので第１面及び第２面の両方を保護するためである。
【０００６】
このようにＧａＡｓ基板の表面をＳｉＮ膜で被覆して加熱処理を行うと、図４に示すように保護膜とＧａＡｓ結晶基板表面との間（界面）では、基板中のＡｓの解離圧を支える形で保護膜が作用する。このため、界面からのＡｓの脱離を抑えながら加熱処理できることになる。つまり、ＧａＡｓ母体結晶のストイキオメトリが維持されることになり、母体結晶の崩壊を伴わずアニール処理を行うことが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、デバイス設計上の理由などから、活性層を表面のごく近傍（浅い所）に形成しようとした場合、上述の方法では注入不純物の活性化能率が著しく低下することが知られている。
【０００８】
この原因は、図５に示すように、第１面と第２面に同じＳｉＮ膜を形成していることにある。つまり、図３に示した構造で基板が加熱されると、第１面、第２面の保護膜内にそれぞれ生ずる熱応力が釣り合う形となり、ＧａＡｓ基板の加熱変形が全く生じないことになる。その結果、加熱処理時に生じた熱応力は、全て基板表面と保護膜との界面をせん断する方向に集中してしまい、結果として、ＧａＡｓ基板表面に熱応力が集中することとなる。このように界面に応力が生ずることで、ＧａＡｓ基板の結晶内に欠陥が導入されてしまい、最終的に、不純物の所望の活性化が達成されなくなるのである。
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明は、半導体基板に注入された不純物を活性化するための活性化アニールの際に、熱処理用保護膜による基板表面への熱応力の集中を緩和する方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためにこの発明は、ＧａＡｓ半導体基板に注入された不純物を活性化するための活性化アニールに先立ち、前記ＧａＡｓ半導体基板の不純物注入層の形成面である第１面に熱処理用第１保護膜としてＳｉＮ膜を形成し、前記ＧａＡｓ半導体基板の第２面に熱処理用第２保護膜としてＡｌＮ膜を形成し、その後前記活性化アニールを行う。
【００１１】
この発明では、上記のように基板の表裏面である第１面、第２面に同種類の保護膜を成膜するのではなく、異なる種類の保護膜を第１面と第２面とに形成する。そして、第２面には基板と熱膨張係数の類似した材料を用いた保護膜を形成することで、半導体基板の変形を積極的に促し、熱応力の集中を軽減させる。
【００１２】
特に、上述のＧａＡｓ基板のアニールキャップ方法における条件を満足する膜としては、ＳｉＮ膜が有望である点を考慮し、第１面、例えば半導体素子の活性層などを形成するための不純物の注入層面側に、ＳｉＮ膜を形成する。また基板の第２面には、ＧａＡｓ基板の熱膨張係数に近い膨張係数を有する膜としてＡｌＮ膜を形成し、アニール時に、第１面側のＳｉＮ膜とＧａＡｓ表面とが密着して変形することを妨害しないようにする。
【００１３】
このようにそれぞれ特性の異なる熱処理用保護膜を第１面及び第２面に形成することで、熱処理用保護膜と半導体基板（例えば、ＧａＡｓ基板）の表面との密着構造による基板の熱変形が許容され、加熱処理中においても、その変形により、熱応力の集中を分散・軽減できる。従って、界面に働く応力を低下させて、基板表面からの結晶欠陥の導入を回避することが可能となる。結晶欠陥の導入が回避されることは、半導体素子の活性層などを基板の第１面の表層付近に構成しようとする場合などにおいて、特に有利となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の好適な実施の形態（以下実施形態という）について説明する。
【００１５】
図１は、この発明の実施形態に係る活性化アニール前の半導体基板の構成を示している。半導体基板、ここではＧａＡｓ基板１０の第１面側には不純物（例えばＳｉ）がイオン注入されて注入層１６が形成されており、その第１面を覆うように熱処理用第１保護膜として１０００Åの厚さにＳｉＮ膜１２が形成されている。また、裏面である第２面側には熱処理用第２保護膜として１０００Åの厚さにＡｌＮ膜１４が形成されている。なお、これらの膜厚は、一例であって、必ずしも１０００Åとする必要はない。
【００１６】
第１面側の保護膜にＳｉＮ膜１２を選択した理由は、ＳｉＮ膜１２がアニール時に化学的安定性に優れていることと、処理後の基板１０からの剥離性が良いためである。また、第２面側の保護膜にＡｌＮ膜１４を用いたのは、ＡｌＮの熱膨張係数がＧａＡｓ結晶のそれと類似しているためである。ＧａＡｓと、ＳｉＮであるＳｉ3Ｎ4、ＡｌＮの各熱膨張係数は下記表１の通りである。ＧａＡｓの熱膨張係数６．８×１０-6／℃に対し、Ｓｉ3Ｎ4は３．２×１０-6／℃、そしてＡｌＮは６．１×１０-6／℃であり、ＡｌＮの熱膨張係数は、ＧａＡｓ母体結晶に非常に近い。このため、ＡｌＮ膜１４の形成された第２面側は、あたかも保護膜が無いかのように変形することが可能となる。
【００１７】
【表１】
0003540918.tif 000002
上記ＡｌＮ膜１４を第１面側の熱処理用保護膜として採用しなかったのは、膜の剥離性があまり良くないためである。剥離性が悪いと活性化アニールによって例えば注入層１６が活性層となっても、アニール後に表面にＡｌＮ膜１４が残存して、デバイス構造を構築しようとした際に不都合となるためである。
【００１８】
図２は、図１に示したＧａＡｓ基板を加熱した際の基板の挙動を示している。実際にどのような変形が生じ、どの程度の界面の応力を軽減し得るかということについては、採用するＳｉＮ膜やＡｌＮ膜の特性・膜厚に繊細に依存するが、該略すると図２のようになると考えられる。第１面に形成されたＳｉＮ膜１２は、熱膨張係数がＧａＡｓと異なっているので、アニール時にＳｉＮ膜１２とＧａＡｓ基板１０との界面に応力が働き、これによりＧａＡｓ基板１０は変形しようとする。従来のように第２面にも同じＳｉＮ膜が形成されていると、基板の変形が妨げられるが、この実施形態の場合には、第２面にＧａＡｓと熱膨張係数の類似したＡｌＮ膜１４が形成されている。よって、ＧａＡｓ基板１０の第１面と第２面とで生ずる応力は釣り合わず、またＡｌＮ膜１４はＧａＡｓ基板１０とほぼ同じように熱膨張する。従って、ＧａＡｓ基板１０は、ＡｌＮ膜１４の存在によって妨げられることなく図２のように変形できる。このため基板１０の界面をせん断するような熱応力の集中が緩和される。
【００１９】
実際に、アニール時におけるＧａＡｓ基板１０がどのように変形するかは、実測する以外に手段がないが、８５０℃といった熱雰囲気で基板の変形を直接観察することは困難である。そこで、この実施形態の構成と従来の構成について、基板の変形が可能かどうかにより不純物活性化能率にどのような差が現れるかを評価してみた。
【００２０】
この評価では、６７ＫｅＶでＳｉを３×１０12 atoms／ｃｍ-2注入したＧａＡｓウェハー（厚み６００μｍ）を用い、図３に示すような両面にＳｉＮ膜を形成して得たサンプル（従来型サンプル）と、図１に示すような第１面にＳｉＮ膜、第２面にＡｌＮ膜を形成したサンプル（本発明型サンプル）とを形成し、２種類のサンプルを同時にアニール加熱処理を施した。また、活性化能率の評価は、ホール効果測定によりキャリア総量を測定し、これとＳｉの注入総量との比を採って行っている。結果は、下記表２に示すようになっている。
【００２１】
【表２】
0003540918.tif 000003
従来型サンプルが活性化能率４１％であるのに対し、本発明型サンプルでは４５％の活性化能率が得られており、上述のように第２面に基板と熱膨張係数の類似した材料からなる熱処理用第２保護膜を形成することにより、活性化能率の向上が図られていることがわかる。また、第１面には化学的安定性と剥離性に優れた材料からなる熱処理用第１保護膜を形成する。この熱処理用第１保護膜として要求される条件を満たすような保護膜、例えばＳｉＮ膜を用いることでＧａＡｓの界面が汚染されることがなく、ＧａＡｓのストイキオメトリを維持しながらアニール処理を行うことが可能となる。また、アニール後に半導体素子が形成される第１面の保護膜の剥離性が良いため、保護膜が一部残存するといった問題が防止され、半導体素子製造の上で有利となっている。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明したようにこの発明によれば、同一種類の熱処理用保護膜を半導体基板の第１面と第２面に形成する従来のキャップアニール法に比して、本発明によるキャップアニール法の方が高い活性化能率が得られている。このように高い活性化能率が得られれば、活性化能率に見合った注入量の再調整を行うことで、不純物の注入総量を低減でき、また活性化に寄与しないＳｉの残留量も小さく抑えられる。よって、アニール後に得られるキャリアとしてのモビリティーも高い状態で得られることになる。そして、このような活性化アニールによって形成された活性層を用いてＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor 電界効果トランジスタ）などの素子を形成した半導体装置では、その動作速度をより高速とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る熱処理用保護膜で被覆したＧａＡｓ基板を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱処理用保護膜で被覆した場合の界面応力軽減機構を示す概念図である。
【図３】ＧａＡｓ基板の両面をＳｉＮ膜で被覆した従来のＧａＡｓ基板を示す図である。
【図４】８５０℃熱雰囲気中における従来のＧａＡｓ基板の表面を説明する図である。
【図５】加熱中に従来のＧａＡｓ基板の界面に働く膜応力を説明する図である。
【符号の説明】
１０  ＧａＡｓ基板、１２  ＳｉＮ膜、１４  ＡｌＮ膜、１６  注入層。
【図１】
0003540918.tif 000004
【図２】
0003540918.tif 000005
【図３】
0003540918.tif 000006
【図４】
0003540918.tif 000007
【図５】
0003540918.tif 000008