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JPS634934B2 - - Google Patents
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JPS634934B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS634934B2
JPS634934B2 JP57058616A JP5861682A JPS634934B2 JP S634934 B2 JPS634934 B2 JP S634934B2 JP 57058616 A JP57058616 A JP 57058616A JP 5861682 A JP5861682 A JP 5861682A JP S634934 B2 JPS634934 B2 JP S634934B2
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JP
Japan
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annealing
annealed
metal
temperature
metal solution
Prior art date
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Expired
Application number
JP57058616A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS58175828A (en
Inventor
Mitsuo Kawashima
Takeshi Kojima
Toshio Tsurushima
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP57058616A priority Critical patent/JPS58175828A/en
Publication of JPS58175828A publication Critical patent/JPS58175828A/en
Publication of JPS634934B2 publication Critical patent/JPS634934B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • 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
    • H10P30/00Ion implantation into wafers, substrates or parts of devices
    • H10P30/20Ion implantation into wafers, substrates or parts of devices into semiconductor materials, e.g. for doping

Landscapes

  • Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(産業上の利用分野) 本発明は、被アニール材料である半導体の熱ア
ニールに伴う半導体表面の変成を精度よく制御す
る方法に関するものである。 イオン注入により不純物原子を打込まれた半導
体の結晶は大きくみだされ、結晶欠陥が生じた
り、不安定な位置に原子が入つているのが普通で
ある。被アニール材料である半導体の熱アニール
とは、このような結晶欠陥をもつた半導体を、高
温に一定時間保つことによつて、結晶中の原子を
安定な位置に落ちつかせ、結晶欠陥を取除き、デ
バイス動作に必要な機能を回復させるために行う
半導体処理工程のことである。 (従来の技術) このような熱アニール工程において、半導体表
面に何も付着せずに高温にさらすと、半導体中の
揮発し易い成分元素が蒸発してしまい半導体表面
の原子組成は著しく変化し、デバイス動作に必要
な本来の性質が得られない。特に、イオン注入に
よつて欠陥が多く作られた半導体においては、表
面の原子組成の変化が著しい。このため従来は、
操作性の良さや再現性の良さのために一般に横型
の炉を用いて熱アニールを行つており、第1図に
示すように、半導体1の表面に、高温で安定な酸
化膜や窒化膜などの保護膜2を付けて、半導体表
面からの揮発性元素の蒸発を防いでいた。この保
護膜を半導体の上に付けることから、キヤツプ・
アニールと呼ばれるこの方法では、しかしなが
ら、保護膜と半導体の熱膨脹係数が一般に異なる
ことから、高温で保護膜と半導体の間の界面付近
に歪が生じやすい。これが原因で結晶欠陥を生
じ、電気的、光学的性質を損う場合が多い。この
ため、半導体表面に固体物質を付着させないキヤ
ツプレス・アニールと呼ばれる方法が考えられ
た。この場合は、揮発性元素の蒸発を防ぐために
その元素の蒸気圧を高める工夫が必要となる。第
2図は、代表的化合物であるガリウム・ヒ素
(GaAs)を用いた従来のキヤツプレス・アニー
ルの原理説明図であつて、揮発性元素であるヒ素
の蒸気圧を上げるため、金属ヒ素5またはアルシ
ン(AsH3)・ガス6を導入管7を通して流し、
高温下に置いたガリウム・ヒ素試料1上に送り、
半導体表面のヒ素蒸気圧を高めている。この従来
の方法では毒性が強いヒ素や、毒性と共に引火性
も強く危険性の高いアルシンを大量に扱わねばな
らず、ガスの排気や処理の問題が複雑になる。ま
た、金属ヒ素を用いた場合は、第2図に示したよ
うに、ヒ素圧を制御するため、炉中の温度を、ヒ
ーター3によるアニール領域8と、ヒーター3′
によるヒ素蒸発領域9に二分割する必要から、装
置が複雑になり、制御パラメータが多くなるなど
の欠点があつた。特に3元以上の多元化合物半導
体においては非常に困難であり、ほとんど例はな
い。縦型炉を用いた類似の熱処理はあるが、縦型
炉を用いた場合はどうしても縦に高くなり、試料
の交換などの操作性が悪くなる。さらに、試料位
置やガス流量の変化、外壁の温度変化等によつて
温度のばらつきが縦方向に大きく試料1の表面上
における蒸気圧のコントロールがなされていない
のが普通である。ところが熱アニールにおいて
は、この蒸気圧の制御が必須の条件であり、蒸気
圧が多くても少なくてもアニール効果は小さい。 また縦型炉を用いた場合、温度むらによつて
As圧の高すぎるシール箇所などができ、固形
GaAsなどができシールが完全とならない場合が
多々ある。被アニール材料からの揮発性元素を
単に抑制するためにだけ注意が注がれており、そ
れを制御することはなされていない、抑制のた
めの揮発性元素とシールのための金属は別々にな
つており、精度よい蒸気圧制御が不可能である、
イオン注入でごく表面層のみのキヤリアの活性
化のための熱アニールは不可能に近い、等欠点が
あつたがイオン注入で行う表面層の熱アニールに
は、表面での揮発性元素の精度の高い制御が必要
となる。 (発明が解決しようとする問題点) 本発明は、以上の点に鑑み、液体金属に溶ける
揮発性元素(例えばヒ素)の量によつて一定温度
における揮発性元素の蒸気圧が第3図に示したよ
うに変化することを利用することにより、金属ヒ
素や反応管外部から毒性、引火性の強い危険なア
ルシン・ガス等の供給を必要とせず、また、炉中
を単一の温度領域とし、さらに被アニール材料で
ある半導体試料の表面には何も付着させないで行
え、かつ再現性、安定性、信頼性が高まる横型炉
を用いてスライド式で行うことによつて高精度の
蒸気圧制御性を有し、なおかつ量産性をも確保で
きる横型炉キヤツプレス・アニール法を提供する
ことを目的としてなされたものである。さらにま
た熱アニールに際して、多元化合物半導体に対し
ても精度よい蒸気圧の制御を与えるアニール法を
提供することを目的とする。 (問題点を解決するための手段) 横型炉を用いたアニール法を利用し、室温で固
体、アニール温度で液体となる金属に被アニール
材料に含まれる揮発性元素を含ませ、被アニール
材料と前記金属を垂直に配置し、前記金属をアニ
ール温度において前記被アニール材料を収納した
容器の開口部分に流し込み、前記被アニール材料
を収納する空間を密閉し、前記アニール温度にて
前記被アニール材料から出る揮発性元素を制御す
ることを特徴とする横型炉金属溶液シールによる
キヤツプレス・アニール法。 横型炉を用いたアニール法を利用し、被アニー
ル材料に含まれる2種類以上の異なる揮発性元素
を室温で固体かつアニール温度で液体となる金属
に互いに別々に含ませ、それぞれを前記被アニー
ル材料を収納した容器に通じる小穴を有するそれ
ぞれの独立した溜めに入れ、かつ溜めと被アニー
ル材料を垂直に配置することを特徴とする横型炉
金属溶液シールによるキヤツプレス・アニール
法。 (作用) 次に、本発明の作用について説明する。まず、
アニール温度における揮発性元素、例えばガリウ
ム・ヒ素の場合はヒ素,の蒸気圧を既知のデータ
から求め、それに見合う蒸気圧となるように揮発
性元素(例えばヒ素)を第3図のような蒸気圧曲
線から算出した分量だけ室温で固化する金属(例
えば錫)と共に第4図aの上蓋10の溝11の上
の金属溶液溜めに入れ、第4図bのボートにこの
金属の入つた上蓋10を置いた試料収納室全体を
横型炉に入れる。横型炉としたのは、上下方向に
温度が均一であるため、それぞれを垂直配置とし
たため揮発性元素を含む金属溶液溜めの温度と試
料の温度を同一にでき、高精度の蒸気圧制御を行
うことができる。第4図cは試料収納室の全体を
示したものである。炉内の空気を真空で排気し、
窒素,水素,アルゴン等のガスで置換した後加熱
することによつて揮発性元素の溶け込んだ金属溶
液が流れ溝11は金属溶液にて満たされる。次に
前記試料収納室を、金属溶液が十分均一な組成と
なるまで一定時間保持した後、室温に下げ、金属
溶液が固化された後炉から取り出す。この工程は
第4図の試料1の無い状態で行なう。次に室温で
アニールを施す半導体試料1を第4図bの窪み1
3に装着し、上で準備した金属溶液の固化したも
のが入つた上蓋10をかぶせ、炉に入れ、窒素,
水素,アルゴン等のガスで炉内の空気を完全に置
換する。そのためには、炉内を一度真空に引いた
後、前述のガスを炉内に満たした方がよく、さら
により完全に置換するためには、この工程を数回
繰り返した方が良い。その後炉の温度をアニール
温度まで上げ一定に保つ。試料収納室は、この時
まで第5図の17で示した位置の室温部分に置い
ておく。炉の温度が安定した後、試料収納室全体
を、操作棒14と15で高温部に移動させる。こ
の結果、試料収納室全体がアニール温度に達し、
金属溶液は液化し溝に流れ込み、半導体試料を含
む窪み部分の空間(第4図bの13)は金属溶液
で完全に密封される。また、金属溶液からの揮発
性元素の蒸発によつて、この密閉された室の揮発
性元素蒸気圧が高まり、半導体表面からの揮発性
元素の蒸気圧とほぼ等しくすることができるよう
になり、半導体表面からの揮発性元素の蒸発を精
度よく制御できる。アニールに必要な時間が経過
した後、再び試料収納室全体を操作棒14,15
で室温部分17まで引き出し、金属溶液を固化さ
せる。最後に炉の温度を室温まで下げ、反応管の
外へ収納室を取り出し、上蓋10を取りさつて半
導体試料を取り出す。多元化合物半導体の熱アニ
ールに際しては、金属溶液の溜めを数多く作る必
要があり、その作用及び効果は次の実施例の中に
同時に述べる。 (実施例) 第4図は本発明の構成例を示したものである。 本発明のアニールに用いる試料収納室は、第4
図aに示す上蓋と、第4図bに示すボートから成
り、第4図cに示すようにa,b及び最上部の蓋
25を合せて用いる。この試料収納室は横型炉の
中に押入される。第4図aは、ボート12と接す
る面から見た図であり、上蓋10にはボートと接
する面に溝11が切つてあり、その中を第4図c
に示したように金属溶液16で満す。上蓋10の
溝11は、上蓋10の上部の金属溶液の溜めと、
その金属溶液が通る小さい穴を通して結合してあ
り、前記小さい穴を縦断する断面で見ると第4図
cのようになつている。この上部の金属溶液溜め
に室温で固化している金属と揮発性元素とを同時
に入れた後アニール温度以上に全体を温めること
によつて金属を溶解して溝11に流し込み、溝1
1をこの金属溶液で満たし試料収納室を密閉し、
蒸気圧を制御する溜めと被アニール材料を垂直に
配置する構造としたものである。従つて、もし金
属溶液が少なければ、蓋25を取外し上部の金属
溶液溜めに室温で固化している金属と揮発性元素
を再び追加投入することは容易である。金属溶液
溜めと試料位置が上下の関係位置にあるのは、上
下に温度が均一となる横型炉を用いて、金属溶液
溜めにある金属溶液中の揮発性元素の蒸気圧を精
度よく温度で制御するためである。 被アニール材料である半導体試料1はボート1
2に切り込まれた窪み13に入れ、上蓋10が試
料の真上に位置し、上蓋の溝が試料を完全に囲む
ように操作棒14で移動できるようになつてい
る。横型炉をアニール炉として用いることによ
り、試料と金属溶液が垂直構造のため同一温度と
することができ、第4図cに示したようにボート
12と上蓋10とを操作棒14及び15を用いて
互いにスライドすることによつて試料の真上に上
蓋10が来るようにできる。さらに、アニール後
試料を取り出す際、上蓋10を取り除く必要があ
るが、室温で固化しない金属では、金属溶液が上
蓋から漏れ、流れ、試料を金属溶液で汚す危険性
があり、上蓋10を取り除くことができなくな
る。従つて、室温で上蓋10をたすく取り除くた
めには金属溶液は室温で固化するものでなければ
ならない。このような工夫が横型の炉では必要で
あり、スライド方式を用いる限りアニール温度で
液体、かつ室温においては固体となる金属を用い
る必要がある。 室温で固化する金属には、ガリウム、インジウ
ム、錫、鉛、ビスマス、金、銀等及びこれらを二
種類以上適当な割合で混合し、室温で固体とした
混合物が適している。 第5図にはアニールに用いる横型炉に第4図で
示した試料収納室を装着した場合を示す。反応管
4中を加熱ヒーター8に対し、操作棒14,15
を用いて、反応管4の外から試料収納室全体を移
動できる構造となつている。アニール中及びその
前後の間、反応管中を清浄に保つため、水素また
は不活性ガスを第5図19,20で示した方向に
流しておく。 上述した方法を用いて、テルルをイオン注入し
たガリウム・ヒ素結晶の熱アニールを行つた結
果、表面付近の熱変成を全く生ぜず、テルル不純
物の電気的活性化率80%以上、室温での電子移動
率6000cm2/V.sec以上の極めて良好な結果を得
た。このことはガリウム・ヒ素を用いた高速集積
化デバイスの製作工程としての有効性を実証して
いる。さらに、次の表にアニール条件とアニール
結果の1例を示した。温度一定のもとでも揮発性
元素の溶液組成のモル%によつて、表面抵抗が大
きく変動している。このことは逆に温度に少しで
も変化があつたときには、溶液組成が一定でも第
3図からもわかるようにアニール結果が大きく変
ることを示している。即ち、横型炉の使用と金属
溶液と被アニール材料を垂直に配置することが必
須となる。
(Industrial Application Field) The present invention relates to a method for precisely controlling the transformation of a semiconductor surface accompanying thermal annealing of a semiconductor, which is a material to be annealed. Semiconductor crystals into which impurity atoms have been implanted through ion implantation are generally exposed to large extrusions, crystal defects occur, and atoms are placed in unstable positions. Thermal annealing of a semiconductor, which is the material to be annealed, involves keeping a semiconductor with such crystal defects at a high temperature for a certain period of time, allowing the atoms in the crystal to settle into stable positions and removing the crystal defects. , a semiconductor processing process performed to restore the functions necessary for device operation. (Prior Art) In such a thermal annealing process, if the semiconductor surface is exposed to high temperatures without any attachment, the easily volatile component elements in the semiconductor will evaporate and the atomic composition of the semiconductor surface will change significantly. The original properties required for device operation cannot be obtained. In particular, in semiconductors with many defects created by ion implantation, the atomic composition of the surface changes significantly. For this reason, conventionally,
For ease of operation and reproducibility, thermal annealing is generally performed using a horizontal furnace, and as shown in Figure 1, the surface of the semiconductor 1 is coated with an oxide film, nitride film, etc. A protective film 2 was applied to prevent volatile elements from evaporating from the semiconductor surface. By attaching this protective film on top of the semiconductor, the cap
However, in this method called annealing, since the thermal expansion coefficients of the protective film and the semiconductor are generally different, strain tends to occur near the interface between the protective film and the semiconductor at high temperatures. This often causes crystal defects and impairs electrical and optical properties. For this reason, a method called capsule annealing, which does not attach solid substances to the semiconductor surface, was devised. In this case, it is necessary to take measures to increase the vapor pressure of the volatile element in order to prevent it from evaporating. Figure 2 is an explanatory diagram of the principle of conventional capsule annealing using gallium arsenide (GaAs), a typical compound. (AsH 3 )・Gas 6 is flowed through the introduction pipe 7,
Send it onto the gallium arsenic sample 1 placed under high temperature,
The arsenic vapor pressure on the semiconductor surface is increased. This conventional method requires the handling of large quantities of highly toxic arsenic and highly dangerous arsine, which is both toxic and flammable, complicating gas exhaust and treatment issues. In addition, when metallic arsenic is used, as shown in FIG.
Since it is necessary to divide the arsenic evaporation region 9 into two, the device becomes complicated and there are drawbacks such as an increase in the number of control parameters. This is particularly difficult for multi-compound semiconductors with three or more elements, and there are almost no examples. A similar heat treatment using a vertical furnace is available, but when a vertical furnace is used, the height is inevitably high, making it difficult to perform operations such as sample exchange. Furthermore, the temperature varies widely in the vertical direction due to changes in the sample position, gas flow rate, temperature changes on the outer wall, etc., and the vapor pressure on the surface of the sample 1 is usually not controlled. However, in thermal annealing, control of this vapor pressure is an essential condition, and whether the vapor pressure is high or low, the annealing effect is small. Also, when using a vertical furnace, due to temperature unevenness,
This may result in sealing points where the As pressure is too high, resulting in solid
There are many cases where the seal is not complete because of GaAs, etc. Attention is focused solely on suppressing volatile elements from the material being annealed, not controlling them; the volatile elements for suppression and the metal for sealing are separate. Therefore, precise steam pressure control is impossible.
Ion implantation has some drawbacks, such as the fact that it is nearly impossible to perform thermal annealing to activate carriers in only the surface layer, but thermal annealing of the surface layer performed by ion implantation requires A high level of control is required. (Problems to be Solved by the Invention) In view of the above points, the present invention provides that the vapor pressure of the volatile element (for example, arsenic) at a constant temperature is determined by the amount of the volatile element (for example, arsenic) dissolved in the liquid metal. By taking advantage of the changes shown, there is no need to supply metallic arsenic or dangerous arsine gas, which is highly toxic and flammable, from outside the reaction tube, and the furnace can be kept in a single temperature range. In addition, highly accurate vapor pressure control is possible by using a sliding type horizontal furnace, which allows the annealing process to be performed without attaching anything to the surface of the semiconductor sample, which is the material to be annealed, and increases reproducibility, stability, and reliability. The purpose of this work was to provide a horizontal furnace cat press annealing method that has high performance and can also ensure mass production. A further object of the present invention is to provide an annealing method that provides accurate vapor pressure control even for multi-component compound semiconductors during thermal annealing. (Means for solving the problem) Using an annealing method using a horizontal furnace, volatile elements contained in the material to be annealed are impregnated into the metal, which is solid at room temperature and liquid at the annealing temperature, and the metal is mixed with the material to be annealed. The metal is arranged vertically, the metal is poured into the opening of the container containing the material to be annealed at an annealing temperature, the space containing the material to be annealed is sealed, and the metal is poured from the material to be annealed at the annealing temperature. A cap press annealing method using a horizontal furnace metal solution seal, which is characterized by controlling the volatile elements released. Using an annealing method using a horizontal furnace, two or more different volatile elements contained in the material to be annealed are separately included in a metal that is solid at room temperature and liquid at the annealing temperature, and each is added to the material to be annealed. A cat press annealing method using a horizontal furnace metal solution seal, which is characterized in that the material is placed in each independent reservoir having a small hole communicating with the container containing the material, and the reservoir and the material to be annealed are arranged vertically. (Function) Next, the function of the present invention will be explained. first,
The vapor pressure of a volatile element (for example, arsenic in the case of gallium arsenide) at the annealing temperature is determined from known data, and the volatile element (for example, arsenic) is adjusted to the vapor pressure as shown in Figure 3 to obtain a corresponding vapor pressure. Put the amount calculated from the curve into the metal solution reservoir above the groove 11 of the top lid 10 in FIG. 4a, along with a metal that solidifies at room temperature (for example, tin), and place the top lid 10 containing the metal in the boat shown in FIG. 4b. Place the entire sample storage chamber into a horizontal furnace. The reason why we chose a horizontal furnace is because the temperature is uniform in the vertical direction, and by arranging each furnace vertically, we can make the temperature of the metal solution reservoir containing volatile elements the same as the temperature of the sample, allowing for highly accurate vapor pressure control. be able to. FIG. 4c shows the entire sample storage chamber. Evacuate the air in the furnace using a vacuum,
By replacing the metal solution with a gas such as nitrogen, hydrogen, argon, etc. and heating it, the metal solution in which volatile elements are dissolved flows, and the groove 11 is filled with the metal solution. Next, the sample storage chamber is held for a certain period of time until the metal solution has a sufficiently uniform composition, and then the temperature is lowered to room temperature, and after the metal solution is solidified, it is taken out from the furnace. This step is carried out without the sample 1 shown in FIG. Next, the semiconductor sample 1 to be annealed at room temperature is placed in the depression 1 of FIG. 4b.
3, cover with the top lid 10 containing the solidified metal solution prepared above, place it in a furnace, and heat it with nitrogen,
Completely replace the air in the furnace with gas such as hydrogen or argon. For this purpose, it is better to once evacuate the furnace and then fill it with the above-mentioned gas, and to further replace the gas more completely, it is better to repeat this process several times. Thereafter, the temperature of the furnace is raised to the annealing temperature and kept constant. Until this time, the sample storage chamber is kept at room temperature at the position indicated by 17 in FIG. After the temperature of the furnace has stabilized, the entire sample storage chamber is moved to the high temperature section using operating rods 14 and 15. As a result, the entire sample storage chamber reaches the annealing temperature,
The metal solution liquefies and flows into the groove, and the space (13 in FIG. 4b) in the depression containing the semiconductor sample is completely sealed with the metal solution. In addition, due to the evaporation of volatile elements from the metal solution, the vapor pressure of the volatile elements in this sealed chamber increases and can be made almost equal to the vapor pressure of the volatile elements from the semiconductor surface. Evaporation of volatile elements from the semiconductor surface can be precisely controlled. After the time required for annealing has elapsed, the entire sample storage chamber is moved again using the operating rods 14 and 15.
The metal solution is drawn out to room temperature portion 17 to solidify. Finally, the temperature of the furnace is lowered to room temperature, the storage chamber is taken out of the reaction tube, the upper lid 10 is removed, and the semiconductor sample is taken out. When thermally annealing a multi-component compound semiconductor, it is necessary to create many reservoirs of metal solution, and their functions and effects will be described in the following examples. (Example) FIG. 4 shows a configuration example of the present invention. The sample storage chamber used for the annealing of the present invention is the fourth
It consists of an upper lid shown in Figure a and a boat shown in Figure 4b, and used together with a, b and the top lid 25 as shown in Figure 4c. This sample storage chamber is pushed into a horizontal furnace. FIG. 4a is a view seen from the surface in contact with the boat 12, and the upper lid 10 has a groove 11 cut in the surface in contact with the boat, and the inside thereof is shown in FIG.
Fill with metal solution 16 as shown. The groove 11 of the upper lid 10 serves as a reservoir for the metal solution at the upper part of the upper lid 10;
The metal solution is connected through a small hole through which the metal solution passes, and when viewed in a longitudinal section through the small hole, the shape is as shown in FIG. 4c. A metal solidified at room temperature and a volatile element are simultaneously put into this upper metal solution reservoir, and then the whole is heated above the annealing temperature to melt the metal and pour it into the groove 11.
1 with this metal solution and seal the sample storage chamber.
It has a structure in which the reservoir for controlling vapor pressure and the material to be annealed are arranged vertically. Therefore, if the amount of metal solution is small, it is easy to remove the lid 25 and add the metal solidified at room temperature and the volatile element to the metal solution reservoir in the upper part. The reason why the metal solution reservoir and the sample position are located in a vertical relationship is that a horizontal furnace is used to maintain uniform temperature both above and below, and the vapor pressure of volatile elements in the metal solution in the metal solution reservoir can be precisely controlled by temperature. This is to do so. Semiconductor sample 1, which is the material to be annealed, is placed in boat 1.
The specimen is placed in a recess 13 cut into the specimen 2, and the upper lid 10 is positioned directly above the specimen, and can be moved using the operating rod 14 so that the groove of the upper lid completely surrounds the specimen. By using a horizontal furnace as an annealing furnace, the sample and the metal solution can be kept at the same temperature due to their vertical structure, and as shown in FIG. By sliding the top cover 10 with respect to the top cover 10, the top cover 10 can be placed directly above the sample. Furthermore, when taking out the sample after annealing, it is necessary to remove the top lid 10, but with metals that do not solidify at room temperature, there is a risk that the metal solution will leak and flow from the top lid, contaminating the sample with the metal solution, so removing the top lid 10 is not necessary. become unable to do so. Therefore, in order to easily remove the top cover 10 at room temperature, the metal solution must solidify at room temperature. Such measures are necessary in a horizontal furnace, and as long as the slide method is used, it is necessary to use a metal that is liquid at the annealing temperature and solid at room temperature. Suitable metals that solidify at room temperature include gallium, indium, tin, lead, bismuth, gold, silver, etc., and mixtures of two or more of these in appropriate proportions to solidify at room temperature. FIG. 5 shows a case where the sample storage chamber shown in FIG. 4 is attached to a horizontal furnace used for annealing. Operating rods 14 and 15 are connected to the heater 8 that heats the inside of the reaction tube 4.
The structure is such that the entire sample storage chamber can be moved from outside the reaction tube 4 using the . During and before and after annealing, hydrogen or an inert gas is allowed to flow in the directions shown in FIGS. 19 and 20 in order to keep the inside of the reaction tube clean. As a result of thermal annealing of a gallium arsenide crystal implanted with tellurium ions using the method described above, no thermal transformation occurred near the surface, the electrical activation rate of the tellurium impurity was over 80%, and the electron Very good results were obtained with a transfer rate of 6000 cm 2 /V.sec or higher. This proves the effectiveness of this process as a fabrication process for high-speed integrated devices using gallium arsenide. Further, the following table shows an example of annealing conditions and annealing results. Even at a constant temperature, the surface resistance varies greatly depending on the mol% of the volatile element solution composition. On the contrary, this shows that when there is even a slight change in temperature, the annealing result changes greatly even if the solution composition is constant, as can be seen from FIG. That is, it is essential to use a horizontal furnace and to vertically arrange the metal solution and the material to be annealed.

【表】 以上の例では揮発し易い元素としてヒ素を挙げ
たが、同様な元素として、窒素,リン,アンチモ
ン,イオウ,セレン,テルル,亜鉛,カドミウ
ム,水銀等が考えられ、例えばガリウム・リン,
水銀・鉛・テルル・インジウム・リン,ガリウ
ム・アンチモン等の化合物をはじめ、リン,ヒ
素,アンチモンを含むシリコンやゲルマニウム等
の元素半導体の熱アニールにも応用することがで
きる。 以上は揮発性元素として、一種類の元素を考え
てきたが、二種類以上の揮発性元素を含む多元化
合物半導体の熱アニールの場合にも、本方法が適
用できる。例えば、ガリウム・ヒ素中にイオウを
含む場合、錫中にヒ素およびイオウを同時に含む
金属溶液を第4図cの16として用いることによ
つて、上と同様な構成で、ヒ素およびイオウの蒸
気圧を同時に制御することが可能である。 また、二種類以上の金属溶液を用いて独立に、
多くの揮発性元素の蒸気圧を制御することも可能
である。特に多元化合物半導体(例えば
InGaAsP,InAsP等)におけるアニールに際し
ては、これは必須である。例えば第4図aの上蓋
の中央部21を改変し、第6図に示すような2カ
所以上の溜めを被アニール材料と垂直に並ぶよう
に作り、それらの下部に多数の小穴24を開け
る。これらの溜めの中に第6図22,23に示し
たように二種類以上の室温で固体となる金属とそ
れぞれに必要とする揮発性元素を第3図のような
データを基にして入れる。これをアニール温度に
して液化し、これらの金属溶液を小穴24に流し
込むと共に回りは第4図と同様にして、試料の収
納室を密閉すると同時に、小穴を通して蒸気圧の
制御を行うことを目的としたものである。この場
合の小穴の径は、金属溶液を流し込んだ際、表面
張力のために漏れず、金属溶液中の揮発性元素の
ガスだけが出入りするように決める。このような
二種類以上の金属溶液による制御方法は試料が三
元化合物(例えばGaAsPやGaAsSbのような化
合物)や四元化合物(例えばInGaAsP)などの
多元化合物の場合に一段と重要なものになる。こ
れらの多元化合物においてはAs,P,Sbなどが
揮発性元素であり、例えばInGaAsPではAsとP
の蒸気圧が異なり、それぞれの揮発性元素を独立
に精度よく制御する必要が生じる。 従つて、例えばInGaAsPSbの場合には第6図
において16にはGaとAs、22にはInとSb、2
3にはSnとPの組み合せの金属溶液を用い、ア
ニールを実行することができる。このとき室温で
固体となるGa,In,Sn金属に溶け込ます揮発性
元素As,Sb,P,の量はそれぞれの組み合せに
ついて第3図のような蒸気圧曲線より決めること
ができる。このように試料を取り囲む開口部に室
温で固体となる揮発性元素を含む金属溶液を流し
込むことによつて試料を密封し精度よく蒸気圧を
制御することは、横型炉では被アニール材料と金
属溶液を垂直に配置することで熱アニールを行う
ことによつて可能である。また横型炉でなければ
金属溶液と試料温度を垂直配置で均一にすること
はかなり、困難であり、蒸気圧の制御は困難なも
のとなる。 (効果) 以上述べたように、本発明は要するに、横型炉
を用いて半導体の熱アニール工程における揮発性
元素の蒸発を金属に溶解させた揮発性元素からの
蒸気の圧力によつて制御するため、被アニール材
料と金属を垂直に配置することにより均一温度と
し、試料の回りの開口部分に金属溶液を流し込む
ことのできる構造をとることによつて、高温度に
おけるキヤツプレス・アニールを可能にしたアニ
ール方法である。 この発明によつて、横型炉を用いた場合に外部
からのガス圧の制御や、二ケ所以上の温度領域の
形成などを行なわずに、かつ毒性や引火性の強い
危険なガスを使用せずに、キヤツプレス・アニー
ルを行うことが可能となり、処理工程の簡約化の
外に操作性、安全性、信頼性、再現性の向上を計
ることができ、半導体産業に大きく貢献するもの
である。 更に、横型炉を用いることにより被アニール材
料と揮発性元素を含んだ金属溶液が垂直配置によ
つて同一温度となり、被アニール材料の表面にお
ける蒸気圧の制御が容易に行える。また室温で固
体でアニール温度で流体となる金属の使用によ
り、横型炉が使用でき、縦型では不可能である。
被アニール材料の表面と金属溶液の同一温度化が
可能となり揮発性元素の蒸気圧の制御性が向上し
た。
[Table] In the above example, arsenic was cited as an element that is easily volatile, but similar elements include nitrogen, phosphorus, antimony, sulfur, selenium, tellurium, zinc, cadmium, mercury, etc. For example, gallium, phosphorous,
It can be applied to thermal annealing of compounds such as mercury, lead, tellurium, indium, phosphorus, gallium, and antimony, as well as elemental semiconductors such as silicon and germanium containing phosphorus, arsenic, and antimony. Although one type of element has been considered as the volatile element above, the present method can also be applied to thermal annealing of a multi-component compound semiconductor containing two or more types of volatile elements. For example, when sulfur is contained in gallium arsenide, by using a metal solution containing both arsenic and sulfur in tin as 16 in Figure 4c, the vapor pressure of arsenic and sulfur can be It is possible to control both at the same time. In addition, independently using two or more types of metal solutions,
It is also possible to control the vapor pressure of many volatile elements. In particular, multi-compound semiconductors (e.g.
This is essential when annealing (InGaAsP, InAsP, etc.). For example, the central portion 21 of the upper lid in FIG. 4a is modified to create two or more reservoirs as shown in FIG. 6, aligned perpendicularly to the material to be annealed, and a large number of small holes 24 are drilled in their lower portions. As shown in FIGS. 22 and 23 in FIG. 6, two or more types of metals that become solid at room temperature and the volatile elements required for each are placed in these reservoirs based on the data shown in FIG. 3. This is liquefied at the annealing temperature, and these metal solutions are poured into the small hole 24, and the surroundings are similar to those shown in Fig. 4, with the purpose of sealing the sample storage chamber and controlling the vapor pressure through the small hole. This is what I did. In this case, the diameter of the small hole is determined so that when the metal solution is poured, it will not leak due to surface tension and only the volatile element gas in the metal solution will enter and exit. Such a control method using two or more types of metal solutions becomes even more important when the sample is a multicomponent compound such as a ternary compound (for example, a compound such as GaAsP or GaAsSb) or a quaternary compound (for example, InGaAsP). In these multi-element compounds, As, P, Sb, etc. are volatile elements. For example, in InGaAsP, As and P are volatile elements.
have different vapor pressures, and it becomes necessary to control each volatile element independently and accurately. Therefore, for example, in the case of InGaAsPSb, in FIG. 6, 16 has Ga and As, 22 has In and Sb, and 2
In No. 3, annealing can be performed using a metal solution containing a combination of Sn and P. At this time, the amount of volatile elements As, Sb, and P that dissolve into Ga, In, and Sn metals, which are solid at room temperature, can be determined for each combination from the vapor pressure curve shown in Figure 3. In this way, by pouring a metal solution containing a volatile element that becomes solid at room temperature into the opening surrounding the sample, the sample is sealed and the vapor pressure is precisely controlled. This is possible by vertically arranging the wafers and performing thermal annealing. Furthermore, unless the furnace is of a horizontal type, it is quite difficult to equalize the temperature of the metal solution and the sample in a vertical arrangement, making it difficult to control the vapor pressure. (Effects) As described above, the present invention is to use a horizontal furnace to control the evaporation of volatile elements in the thermal annealing process of semiconductors by the pressure of the vapor from the volatile elements dissolved in the metal. , an annealing method that enables cat press annealing at high temperatures by arranging the material to be annealed and the metal perpendicularly to achieve a uniform temperature, and by adopting a structure that allows the metal solution to be poured into the opening around the sample. It's a method. With this invention, when using a horizontal furnace, there is no need to control the gas pressure from the outside, create two or more temperature regions, and there is no need to use highly toxic or flammable dangerous gases. This makes it possible to perform cat press annealing, which not only simplifies the processing process but also improves operability, safety, reliability, and reproducibility, making a major contribution to the semiconductor industry. Furthermore, by using a horizontal furnace, the material to be annealed and the metal solution containing volatile elements are placed at the same temperature due to their vertical arrangement, making it easy to control the vapor pressure at the surface of the material to be annealed. Also, the use of metals that are solid at room temperature and fluid at annealing temperatures allows the use of horizontal furnaces, which is not possible with vertical furnaces.
It became possible to bring the surface of the material to be annealed and the metal solution to the same temperature, improving controllability of the vapor pressure of volatile elements.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のキヤツプ・アニール法の構成図
第2図は従来のキヤツプレス・アニール法の構成
図、第3図は本発明の原理図、第4図は本発明の
構成図、第5図は本発明のアニール方法の操作
例、第6図は本発明の他の実施例の構成図であ
る。 図中、1は半導体試料、2は保護膜、3,3′
は炉ヒーター、4は反応管、5は揮発性元素、6
は揮発性元素を含むガスの流入方向、7はガス導
入管、8はアニール用高温部分、9は揮発性元素
蒸発制御用部分、10は上蓋、11は溝、12は
ボート、13は試料収納室窪み、14は上蓋用操
作棒、15はボート用操作棒、16は金属溶液、
17は室温位置、18はアニール位置、19はキ
ヤリアガス流入方向、20はキヤリアガス流出方
向、21は上蓋中央部分、22,23は異なる組
成の金属溶液、24は小穴、25は最上部の蓋で
ある。
Figure 1 is a block diagram of the conventional cap annealing method. Figure 2 is a block diagram of the conventional cap press annealing method. Figure 3 is a diagram of the principle of the present invention. Figure 4 is a diagram of the configuration of the present invention. Figure 5. 6 is an operational example of the annealing method of the present invention, and FIG. 6 is a block diagram of another embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a semiconductor sample, 2 is a protective film, 3, 3'
is a furnace heater, 4 is a reaction tube, 5 is a volatile element, 6
is the inflow direction of the gas containing volatile elements, 7 is the gas introduction pipe, 8 is the high temperature part for annealing, 9 is the volatile element evaporation control part, 10 is the upper lid, 11 is the groove, 12 is the boat, and 13 is the sample storage Chamber recess, 14 is a top lid operation rod, 15 is a boat operation rod, 16 is a metal solution,
17 is a room temperature position, 18 is an annealing position, 19 is a carrier gas inflow direction, 20 is a carrier gas outflow direction, 21 is a central part of the upper lid, 22 and 23 are metal solutions of different compositions, 24 is a small hole, and 25 is the top lid .

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 横型炉を用いたアニール法において、室温で
固体かつアニール温度で液体となる金属に被アニ
ール材料に含まれる揮発性元素を含ませ、被アニ
ール材料と前記金属を垂直に配置し、前記金属を
アニール温度において前記被アニール材料を収納
した容器の開口部分に流し込み、前記被アニール
材料を収納する空間を密閉し、前記アニール温度
にて前記被アニール材料から出る揮発性元素を制
御することを特徴とする横型炉金属溶液シールに
よるキヤツプレス・アニール法。 2 横型炉を用いたアニール法において被アニー
ル材料に含まれる2種類以上の異なる揮発性元素
を室温で固体かつアニール温度で液体となる金属
に互いに別々に含ませ、それぞれ前記被アニール
材料を収納した容器に通じる小穴を有するそれぞ
れの独立した溜めに入れ、かつ溜めと被アニール
材料を垂直に配置することを特徴とする横型炉金
属溶液シールによるキヤツプレス・アニール法。
[Claims] 1. In an annealing method using a horizontal furnace, volatile elements contained in the material to be annealed are impregnated into a metal that is solid at room temperature and liquid at the annealing temperature, and the material to be annealed and the metal are vertically aligned. The metal is poured into the opening of a container containing the material to be annealed at an annealing temperature, the space containing the material to be annealed is sealed, and volatile elements released from the material to be annealed are removed at the annealing temperature. A cat press annealing method using a horizontal furnace metal solution seal that is characterized by control. 2 In an annealing method using a horizontal furnace, two or more different volatile elements contained in the material to be annealed are separately contained in a metal that is solid at room temperature and liquid at the annealing temperature, and each of the materials to be annealed is housed. A cat press annealing method using a horizontal furnace metal solution seal, which is characterized by placing the material in each independent reservoir having a small hole communicating with the container, and arranging the reservoir and the material to be annealed vertically.
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