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JPH0714064B2 - 化合物半導体の表面をパッシベートする方法 - Google Patents
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JPH0714064B2 - 化合物半導体の表面をパッシベートする方法 - Google Patents

化合物半導体の表面をパッシベートする方法

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JPH0714064B2
JPH0714064B2 JP1171776A JP17177689A JPH0714064B2 JP H0714064 B2 JPH0714064 B2 JP H0714064B2 JP 1171776 A JP1171776 A JP 1171776A JP 17177689 A JP17177689 A JP 17177689A JP H0714064 B2 JPH0714064 B2 JP H0714064B2
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Cleaning Or Drying Semiconductors (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、化合物半導体−絶縁体界面を有する半導体構
造の製造に関し、絶縁体を付着する前に化合物半導体の
表面をパッシベート（安定化）する方法に関する。
B.従来技術 近年、GaAsのような化合物半導体基板上に酸化物もしく
は窒化物のような絶縁材料を成長させる分野で、熱心な
技術的な研究が行われている。この研究の背後の推進力
は、第III−Ｖ族化合物半導体基板上にMOS装置を実現さ
せたいという念願からきている。従来、GaAsにMOS構造
を製造する試みは成功していないが、それは露出したGa
Asの表面上もしくは事実上すべての材料との界面に、ほ
とんど常に存在する極めて高密度の界面状態による。高
密度の界面状態が存在すると、GaAsの界面フエルミ準位
の束縛即ちピニング（pining）の原因となる。
第III−Ｖ族基板上にMOS構造を製造する際には、この表
面フエルミ準位は束縛が解かれて、フエルミ準位はゲー
ト電極に印加されるバイアス電圧によって変化できなけ
ればならない。このフエルミ準位の移動によって装置
は、ゲートに印加されるバイアスの極性に依存して、反
転モードもしくは蓄積モードで動作可能になる。
化合物半導体基板の表面上に絶縁体を付着する従来の試
みは、絶縁体−基板界面の欠陥によって大部分失敗して
いる。たとえば、GaAs表面は２種類の酸化物、As2O3及
びGa2O3より成る。As2O3は品質が悪く、金属の働きをす
る。Ga2O3は500℃迄安定な高品質の酸化物である。これ
等の表面の酸化物は約20乃至30Åの厚さを有する。GaAs
の表面は、As2O3の熱安定性が貧弱であり、GaAsの表面
上には遊離したヒ素が存在するので問題がある。
従来、絶縁材料の付着の前に化合物半導体表面をパッシ
ベートする試みがなされた。米国特許第4645683号は、G
aAs基板を水素及びアルシン多極プラズマ中で処理して
これ等の酸化物を除去する方法を開示している。次に基
板は窒素多極プラズマ中で処理されて、窒化ガリウム及
び窒化ヒ素の保護層が与えられる。次に窒化シリコンが
この保護層上に付着されている。この過程を改良する試
みの中には、プラズマ処理の前に、塩酸の溶液中で最初
化学的に浄化して、酸化物の厚さを減少することが含ま
れる。これについては、1987年刊フィロソフィカル・マ
ガジン、第55巻、第771−719頁のフリーデル等による論
文“窒素多極プラズマ中でのGaAsのパッシベーションの
光放出による研究”（Friedel、et al、“Photoemissio
n study of the Passivation of GaAs in a Nitrogen M
ultipolar Plasma."Philosophical Magazine、vol.55、
pp.717−719、1987）に開示されている。この論文は極
めて高密度の界面状態が依然存在し、MOS FETの製造を
さまたげていることを認めている。
C.発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、絶縁材料を付着する前に化合物半導体
表面をパッシベートする改良方法を与えることにある。
D.問題点を解決するための手段 本発明の方法は、検出可能な量の陽イオンの窒化物のな
い化合物半導体基板の表面上に陰イオン窒化物層を形成
することによって、化合物半導体の表面をパッシベート
（安定化）する。本発明に従えば、陰イオン窒化物層は
基板をアニールして、陽イオン及び陰イオンの酸化物を
含む、陰イオン豊富な表面層を形成することによって形
成される。陽イオン及び陰イオン酸化物は次に表面から
除去され、化合物半導体の表面上に陰イオンの層が残さ
れる。これ等の酸化物は代表的には希釈塩酸を使用する
ウェット・エッチ処理によって除去される。エッチ後、
基板は空気中をプラズマ反応室に移動される。移動中、
酸素が基板に、おそらくヒ素層中に化学吸着される。反
応室中で基板は水素中でプラズマ浄化される。この時の
処理は低圧、低電圧が好ましい。陰イオン層のN2による
窒化によって、基板の表面上に陰イオン窒化物層が形成
される。この陰イオン層には検出可能な量の陽イオン窒
化物はない。この窒化物形成段階は元素のヒ素をパッシ
ベートし、表面の電荷を減少する。さらに、酸化物は表
面に存在しない。
その後、絶縁材料をパッシベートした化合物半導体表面
上に付着する。絶縁材料は、低電圧、低圧プラズマ中の
電子ビーム蒸着技術、スパッタリング技術、もしくはPE
CVD技術によって、現在の位置で付着されることが好ま
しい。化合物半導体表面のパッシベーションによって界
面状態の密度は極めて低い水準に減少し、フエルミ準位
はバンド・ギャップ全体の間を移動することができる。
結果の絶縁薄膜は均一で、透明である。このようにし
て、GaAs基板上にMOSFET装置の製造が実現される。
E.実施例 本発明の方法に従えば、化合物半導体の基板の表面は、
化合物半導体の表面上に検出可能な量の陽イオン窒化物
がない、陰イオン窒化物の極めて薄い層を形成すること
によってパッシベート（安定化）される。この陰イオン
の窒化物層の上に絶縁材料の層が付着される。絶縁材料
と基板間の界面は極めて低い状態密度を有し、従ってフ
エルミ準位がバンド・ギャップ全体間で移動できるよう
になっている。本発明は以下ガリウム・アーセナイドの
基板に関して詳細に説明する。しかしながら、本発明の
方法は他の第III−Ｖ族化合物及び任意の第II−VI族化
合物を含む任意の化合物半導体に適応可能である。
バルク・ガリウム・アーセナイドの基板は本発明に従っ
て、基板を300−500℃の温度で先ずアニールすることに
よってパッシベートされる。基板は窒素もしくはアルゴ
ンの雰囲気中でアニールされることが好ましい。アニー
ル前のガリウム・アーセナイド基板の表面は酸化ヒ素及
び酸化ガリウムより成る。アニール後、表面層はヒ素が
豊富となり、酸化ガリウムと少量の酸化ヒ素を含んでい
る。酸化ヒ素の大部分は次の反応式に従って元素のヒ素
に変化する。
As2O3+2GaAs→Ga2O3+4As 上記の反応から形成された酸化ガリウムは表面上にすで
に存在する酸化ガリウムと結合し、多量の酸化ガリウ
ム、それにヒ素及び少量の酸化ヒ素を含む層が形成され
る。結果の構造を希釈HCl中でウェット・エッチする。
これによって酸化ガリウム及び酸化ヒ素が剥脱され、ヒ
素の極めて薄い層が残される。ヒ素の層の厚さは単原子
層（モノレア）程度である。
エッチ後、基板は空気中を移動されるが、これによって
酸素が基板に化学吸着される。酸素はヒ素の層中に化学
吸着されるらしいと考えられる。酸素は化学吸着される
が、基板上には酸化ヒ素もしくは酸化ガリウムは存在し
ない。次に基板はプラズマ反応室中に導入される。反応
室中で基板は水素中で150乃至300℃の温度でプラズマ浄
化される。H2プラズマ浄化は低圧で遂行されることが好
ましい。代表的には、H2プラズマ浄化は１乃至10mトル
の範囲の圧力及び−50乃至−250Vdcの範囲の電圧で行わ
れる。H2プラズマによって、表面から化学吸着した酸素
が剥脱されることによって、GaAs表面が減少する。H2プ
ラズマはRFプラズマ過程によって生じたものであること
が好ましい。表面層には酸化ガリウム及び酸化ヒ素はな
いが、元素のヒ素はなくなっていない。従って、ガリウ
ム・アーセナイド基板の表面上の単原子層のヒ素は残っ
ている。
次に基板はN2の中で、同じく好ましくは低圧及び低電圧
でRFプラズマ浄化を受ける。N2プラズマの条件の範囲
は、H2プラズマについて上述された条件の範囲と同じで
ある。さらにN2及びH2プラズマ浄化は同じ場所で行われ
ることが好ましい。H2プラズマ処理後の、単原子層のヒ
素を含む基板の表面は反応性が高い。RFによる窒化は窒
化ヒ素の層を形成することによってGaAs表面をパッシベ
ートする。窒素はヒ素と同じ原子価を有するので、As−
Ｎ結合が形成される。従って元素のヒ素がパッシベート
されるが、これによって構造の表面電荷が減少する。代
表的な場合、電荷は1013eV/cm2から1011eV/cm2に減少す
る。AsN層中には検出可能な量の窒化ガリウムを含まな
い。このようにして、パッシベートされたガリウム・ア
ーセナイド基板には絶縁材料の付着に適した表面を有す
る。ガリウム・アーセナイドの表面は、半導体／絶縁体
界面に存在する状態密度が、フエルミ準位がバンド・ギ
ャップ全体の間を移動できる度に十分低くなるようにパ
ッシベートされている。
第２図に示すように、構造10は第１の主表面14及び第２
の主表面16を有するガリウム・アーセナイド基板12を有
する。AuGeNiのような金属コンタクト18は、最初のアニ
ーリング段階中に表面16上に形成することができる。本
発明の方法に従って、表面14がパッシベートされた後の
基板12は窒化ヒ素の極めて薄い層20を有する。窒化ヒ素
20上には絶縁層22が付着される。この層22は第２図の例
では酸化ガリウムである。絶縁層22上にはゲート・コン
タクト24が付着されて、構造が完成される。
絶縁層（酸化ガリウム層22は、低電圧、低圧O2プラズマ
中で電子ビーム蒸着により付着される。第２図に示され
ているように、電子ビーム蒸着のための機構はRF源30に
結合された陰極28を有する反応室26を含んでいる。パッ
シベートされたガリウム・アーセナイド基板32は陰極28
と接触して位置付けられている。純粋なガリウム36を含
むるつぼ34が室中に置かれていて、O2プラズマはライン
38を通して酸素を導入することによって発生され、これ
によってGa2O3がパッシベートされたガリウム・アーセ
ナイド基板上に反応によって付着される。好ましい実施
例では、基板は先ずライン40を開いて水素プラズマを発
生し、次にライン40を閉じてライン42を開いて窒素プラ
ズマを発生することにより室26中の同じ位置でパッシベ
ートされることが好ましい。酸化物の付着のための圧力
及び電圧の範囲は好ましくは夫々１乃至10mトル及び−5
0乃至−250Vdcである。温度条件は24乃至260℃の範囲に
あることが好ましい。酸化ガリウム層は均一で透明であ
り、1000Å以上の厚さに成長できる。サンプルとしての
酸化物は直径51mmのウエハに950乃至1100Åの範囲の厚
さに付着された。楕円計分析結果は、この酸化物が1.50
乃至1.90の範囲の屈折率を有することを示した。
本発明の実施例に従い、バルク・ガリウム・アーセナイ
ドの基板が450℃でアニールされた。この段階中にAuGeN
i金属コンタクトが合金めっきで形成された。基板の対
向表面をＸ線写真分光法（XPS）で分析した結果、この
表面にはかなりな量の酸化ガリウム、並びに少量の酸化
ヒ素及び元素のヒ素を含むことがわかった。基板は次に
希釈HCl溶液中に浸漬されて表面から酸化ガリウム及び
酸化ヒ素がエッチされた。XPS分析の結果、酸化物は存
在せず、ヒ素の非常に薄い層のみが残されていることが
わかった。エッチの後、基板は空気中を運ばれたが、こ
れによって酸素が基板上に化学吸着した。XPS分析によ
り、酸化ヒ素も酸化ガリウムも存在しないことがわかっ
た。次に基板はプラズマ反応室に導入され、ここで基板
は200℃の温度に保持されて水素中でプラズマ浄化を受
けた。水素は5mトルの圧力に保持され、印加電圧は−15
0Vdcであった。H2プラズマ浄化は１分間行われた。H2浄
化後に基板のXPSの分析は酸素が存在しないこを示し
た。
次に基板は、200℃の温度に保持して、N2中でプラズマ
窒化された。この時の圧力も同じく5mトルであり、電圧
は−150Vdcである。H2プラズマ浄化も同じく１分間行わ
れた。XPS分析の結果、窒化ヒ素を示す肩状の曲線がみ
られた。このことは、窒化ヒ素層は検出可能な量の窒化
ガリウムを含まないことを示している。
この後に、Ga2O3の層が低電圧、低圧O2プラズマを通す
純粋なガリウムの電子ビーム蒸着によって付着された。
プラズマ圧は2mトルであり、電圧は−100Vdcである。温
度は24℃であった。楕円計分析により、この酸化物の屈
折率は1.58を有することがわかった。この酸化物層の厚
さは略75nmであった。オージェ電子分光法の分析結果
は、ガリウム及び酸素の存在だけを示し、ヒ素の存在は
示されなかった。
酸化ガリウムの付着は、空気による界面の汚染を防止す
るために好ましくはそのままの位置で行う必要がある。
酸化ガリウムの付着後も、界面には薄いAsN層が残って
いる。酸化ガリウムの表面上に金のコンタクトが付着さ
れて、MOSダイオードが形成され、バイアス電圧がこの
構造に印加された。第３図は1MHzの周波数における、MO
Sのキャパシタンス（Ｃ）対電圧の関係を示すグラフで
ある。同じく参考迄にＱとバイアス電圧の関係も示され
ている。空乏状態から蓄積状態への遷移は急である。蓄
積状態のキャパシタンスCaccから、Ga2O3の比誘電率ε
ｉはCacc＝εｉεA/toxを使用して誘電できる。ここで
Ａはダイオードの面積、toxは酸化物の厚さである。tox
＝75nm及びＡ＝3.84×10-3cm2の場合、εｉは8.3とな
る。最小のキャパシタンスCminは次の式から求めること
ができる。
εｓ＝12.9、Nd（ドーパント濃度）＝２×1017cm-3、ni
（真性キャリア譲渡）＝1.79×106cm-3の場合は、Cmin
＝205pFとなる。この値は第３図のキャパシタンス値に
極めて近い。従って、比誘電率が低いために、中間レベ
ルに酸化ガリウムの絶縁体を有する集積回路が製造され
る。さらに、酸化ガリウムはF+を含むプラズマ中ではエ
ッチされないので、すぐれた反応性イオン・エッチング
・マスクとなる。
本発明は、化合物半導体の表面をアニーリング段階及び
ウェット・エッチ段階で前処理して、表面上にヒ素の単
原子層を残す、化合物半導体の表面をパッシベートする
方法を与える。ヒ素の単原子層を有する基板は次にH2プ
ラズマ浄化及びN2プラズマ浄化を受け、非常に薄い窒化
ヒ素層を有する基板が形成される。次に酸化ガリウムの
ような絶縁材料の層が付着される。このパッシベーショ
ンによって界面状態密度が非常に低くなり、フエルミ・
レベルはバンド・ギャップ全体を通して移動できるよう
になる。
F.発明の効果 本発明に従えば、絶縁材料を付着する前に化合物半導体
表面をパッシベートする改良方法が与えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、化合物半導体表面を水素プラズマ及び窒素プ
ラズマ浄化し、表面上に絶縁層を付着するための機構を
示した図である。 第２図は、本発明の半導体構造の断面図である。 第３図は、本発明の半導体構造のキャパシタンス対印加
電圧の特性を示すグラフ図である。 10……半導体構造、12……GaAs基板、18……金属コンタ
クト、20……窒化ヒ素層、22……絶縁層、24……ゲート
・コンタクト、26……反応室、28……陰極、30……RF
源、32……基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピイーター・デヴイド・ホー スイス国シイー・エイチ8820 ヴエーデン スヴイル、アイントラツハトシユトラーセ 11番地 (72)発明者 デイーン・リン・レイスイ アメリカ合衆国ニユーヨーク州マホパッ ク、マウンテン・ビユー・ドライブ230番 地 (56)参考文献 特開 昭58−56425（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（イ）化合物半導体基板をアニールして、
    陰イオン豊富な表面層を形成し、 （ロ）上記陰イオン豊富な表面層を窒素プラズマ中で窒
    化し、上記基板の表面上に陰イオン窒化物層を形成する
    段階を有する化合物半導体の表面をパッシベートする方
    法。
  2. 【請求項２】上記陰イオン窒化物層を形成する段階は、 （イ）上記基板をアニールして、陽イオン酸化物及び陰
    イオン酸化物を含む、陰イオン豊富な表面層を形成し、 （ロ）上記表面から陽イオン酸化物及び陰イオン酸化物
    を除去して、上記表面上に陰イオン層を残し、 （ハ）上記表面を水素プラズマ中で浄化し、 （ニ）上記陰イオン層を窒素プラズマ中で窒化し、上記
    基板の表面上に陰イオン窒化物層を形成する段階を有す
    ることを特徴とする、請求項（１）に記載の化合物半導
    体の表面をパッシベートする方法。
JP1171776A 1988-07-20 1989-07-03 化合物半導体の表面をパッシベートする方法 Expired - Lifetime JPH0714064B2 (ja)

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