JP2610264B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
Method for manufacturing semiconductor deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、GaAs等の半導体結晶基板を用いた半導体装
置の製造方法に係り、特にイオン注入による導電型層形
成技術に関する。The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device using a semiconductor crystal substrate such as GaAs, and more particularly, to a technique for forming a conductive layer by ion implantation. .
(従来の技術) 半導体装置を製造するに当たり、半導体基板に不純物
をイオン注入することにより所定導電型層を形成するこ
とはよく知られている。例えばGaAs集積回路では、一般
に半絶縁性GaAs基板を用い、これにイオン注入により活
性層を形成し、またイオン注入によりソース,ドレイン
の高濃度層を形成することが行なわれている。これらの
方法において、半導体装置の高速化,高集積化の要求に
伴ってイオン注入工程の制御性に対する要求も高くなっ
ている。(Prior Art) In manufacturing a semiconductor device, it is well known that a predetermined conductivity type layer is formed by ion-implanting impurities into a semiconductor substrate. For example, in a GaAs integrated circuit, a semi-insulating GaAs substrate is generally used, an active layer is formed by ion implantation, and a high concentration layer of source and drain is formed by ion implantation. In these methods, the demand for controllability of the ion implantation process has been increased along with the demand for higher speed and higher integration of the semiconductor device.
イオン注入により所定の導電型層を形成する場合、基
板の結晶構造との関係で不純物原子が特定の方向でより
深く注入される面チャネリング現象がある。また通常の
例えば(100)面を主面とする半導体結晶基板では、基
板面に垂直にイオン注入すると結晶格子の隙間が大きい
ため、軸チャネリングを起こす。このため従来は、イオ
ン注入に際して基板主面をイオン注入方向に対して数度
傾けて軸チャネリングを避け、また基板面内で数度ない
し数十度回転角を与えて面チャネリングを避けることが
行なわれている。When a predetermined conductivity type layer is formed by ion implantation, there is a surface channeling phenomenon in which impurity atoms are implanted deeper in a specific direction in relation to the crystal structure of the substrate. In a normal semiconductor crystal substrate having, for example, a (100) plane as a main surface, axial channeling occurs due to a large crystal lattice gap when ions are implanted perpendicularly to the substrate surface. For this reason, conventionally, during ion implantation, the substrate main surface is tilted several degrees with respect to the ion implantation direction to avoid axial channeling, and a rotation angle of several degrees to several tens degrees within the substrate surface is used to avoid surface channeling. Have been.
しかしながら現実のイオン注入装置では、チャネリン
グに対する方策のみでは素子間の特性のバラツキを無く
すことはできない。例えばイオンビーム掃引系の調整に
不具合があり、イオンビーム電流が掃引軸上で不均一性
を有する場合、イオン注入のバラツキを生じる。However, in an actual ion implantation apparatus, variations in characteristics between elements cannot be eliminated only by a measure for channeling. For example, when there is a problem in adjustment of the ion beam sweep system and the ion beam current has non-uniformity on the sweep axis, the ion implantation varies.
第6図は、その様なイオン注入のバラツキの一例を示
すもので、ウェーハ面内の不純物濃度分布を等高線パタ
ーンで示したものである。数字は濃度のバラツキを%で
示している。この様な問題は、微細な回路構造をもつ半
導体装置、例えばGaAs基板を用いてMESFETを集積形成す
る超高速ディジタルICや高周波アナログICなどにおいて
特に大きい問題となる。FIG. 6 shows an example of such a variation in ion implantation, in which an impurity concentration distribution in a wafer surface is shown by a contour line pattern. The numbers indicate the variation in concentration in%. Such a problem is particularly serious in a semiconductor device having a fine circuit structure, for example, an ultra-high-speed digital IC or a high-frequency analog IC in which a MESFET is integrated and formed using a GaAs substrate.
(発明が解決しようとする問題点) 以上のように従来のイオン注入法による導電型層形成
法では、チャネリングを防止するだけでは抑え切れない
イオン注入の不均一性がある、という問題があった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, the conventional method of forming the conductive layer by the ion implantation method has a problem that there is a non-uniformity of the ion implantation that cannot be suppressed only by preventing the channeling. .
本発明はこの様な問題を解決した半導体装置の製造方
法を提供することを目的とする。An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device which solves such a problem.
(問題点を解決するための手段) 本発明は、イオン注入により半導体基板に所定導電型
層を形成する際に、基板保持具として、イオンビーム振
幅の中心軸と一致する回転軸を有し、且つこの回転軸に
直交する方向から僅かに傾いた基板保持面を有するもの
を用い、この保持具に基板を保持して回転させながらイ
オン注入を行なうようにしたことを特徴とする。ここで
基板保持面の傾きは4゜〜12゜範囲に設定することが好
ましい。(Means for Solving the Problems) According to the present invention, when a predetermined conductivity type layer is formed on a semiconductor substrate by ion implantation, the substrate holder has a rotation axis coinciding with the central axis of the ion beam amplitude, In addition, a substrate having a substrate holding surface slightly inclined from a direction perpendicular to the rotation axis is used, and ion implantation is performed while holding and rotating the substrate in the holder. Here, the inclination of the substrate holding surface is preferably set in the range of 4 ° to 12 °.
(作用) 本発明の方法によれば、イオン注入されるべき基板面
をイオンビーム軸に対して傾斜させるため、軸チャネリ
ングを避けることができる。また基板保持面内で基板面
を所定角度回転させることにより、面チャネリングを防
止することもできる。そして保持具と共に基板を回転さ
せながらこれにイオン注入を行うことにより、イオンビ
ーム自体に不均一性があったとしてもその影響は相殺さ
れて、基板面内でバラツキの少ないイオン注入が行なわ
れる。(Operation) According to the method of the present invention, since the substrate surface to be ion-implanted is inclined with respect to the ion beam axis, axial channeling can be avoided. By rotating the substrate surface within the substrate holding surface by a predetermined angle, surface channeling can also be prevented. By performing ion implantation on the substrate while rotating the substrate together with the holder, even if there is non-uniformity in the ion beam itself, the influence of the non-uniformity is canceled out, and ion implantation with little variation in the substrate surface is performed.
(実施例) 以下、本発明の実施例を説明する。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described.
第1図は、一実施例での基板保持状態を示す。基板保
持具は、図示しない回転駆動機構に接続される回転軸3
を有し、この回転軸3に直交する方向から所定角度だ
け傾いた基板保持面1を有する。回転軸3はイオンビー
ム4の中心軸と一致する方向に設定される。この様な基
板保持面1にこの実施例では、立方晶の単位格子を持つ
半絶縁性GaAs単結晶のうち(100)主面の基板2を保持
してイオン注入を行った。FIG. 1 shows a substrate holding state in one embodiment. The substrate holder has a rotating shaft 3 connected to a rotation driving mechanism (not shown).
And a substrate holding surface 1 inclined by a predetermined angle from a direction orthogonal to the rotation axis 3. The rotation axis 3 is set in a direction coinciding with the center axis of the ion beam 4. In this embodiment, ions were implanted into such a substrate holding surface 1 while holding a substrate 2 of a (100) main surface of a semi-insulating GaAs single crystal having a cubic unit cell.
第2図は、基板保持面1の傾きの方向AとGaAs基板2
の(0)オリエンテーションフラット5の方向Bと
の関係を示す。FIG. 2 shows the inclination direction A of the substrate holding surface 1 and the GaAs substrate 2
(0) shows the relationship with the direction B of the orientation flat 5.
方向Bと方向Aを一致させた状態は基板2の(0
)方向を回転軸3と直交する面に対し最大に傾斜させ
た状態である。この状態を原点として基板保持面1内で
基板の中心を軸にして基板2を傾けることにより角度λ
を得る。The state in which the direction B and the direction A coincide with each other is (0
And (2) a state in which the direction is inclined to the maximum with respect to a plane orthogonal to the rotation axis 3. By tilting the substrate 2 around the center of the substrate within the substrate holding surface 1 with this state as the origin, the angle λ
Get.
以下、基板とイオンビームの中心との角度関係を角度
と角度λを用いて表わすことにする。Hereinafter, the angular relationship between the substrate and the center of the ion beam will be represented using an angle and an angle λ.
第3図は、この実施例で用いたイオンビームの電流量
分布である。イオン注入装置のビーム調整が不十分であ
り、イオンビームが2次元的に不均等な分布をもつ様子
を示している。FIG. 3 shows a current amount distribution of the ion beam used in this embodiment. This shows that the beam adjustment of the ion implantation apparatus is insufficient and the ion beam has a two-dimensionally uneven distribution.
以上のような条件で半絶縁性GaAs基板にSiのイオン注
入を行い、活性層を形成して、イオン注入の均一性を評
価した。なお測定パラメータとして、第1図の角度、
第2図の角度λ、回転軸3の回転の有無をとり、イオン
注入の均一性をMESFETのピンチオフ電圧(Vp)のバラツ
キ(ΔVp)に換算して表わした。その結果を第1表に示
す。Under the above conditions, Si ions were implanted into a semi-insulating GaAs substrate, an active layer was formed, and the uniformity of the ion implantation was evaluated. In addition, the angle of FIG.
The uniformity of the ion implantation was expressed in terms of the variation (ΔVp) of the pinch-off voltage (Vp) of the MESFET by taking the angle λ and the rotation of the rotating shaft 3 in FIG. Table 1 shows the results.
以上の結果から、特に=4゜〜12゜,λ=30゜の範
囲で、且つ基板に回転を与えながらイオン注入を行うこ
とにより、ΔVpが6%以内となる優れたイオン注入の均
一性が得られることが分る。 From the above results, by performing ion implantation in the range of 4 ° to 12 ° and λ = 30 ° while rotating the substrate, excellent ion implantation uniformity in which ΔVp is within 6% can be obtained. You can see that it is obtained.
また、第4図は、試料2についてイオン注入の濃度分
布を、第6図に対応させて示したものである。FIG. 4 shows the concentration distribution of ion implantation for the sample 2 corresponding to FIG.
なお以上では、λ=30゜に固定した例を説明したが、
次にこの良好結果を得た角度の範囲のなかから、=
10゜に固定した状態でλを22゜〜30゜まで変化させて同
様にイオン注入を行った場合を示す。測定パラメータは
先の測定と同様にした。このときのΔVpのバラツキから
イオン注入の均一性を調べた結果を第2表に示す。In the above, an example in which λ is fixed to 30 ° has been described.
Next, from the range of angles where this good result was obtained, =
This shows a case where ion implantation is performed similarly while changing λ from 22 ° to 30 ° with the angle fixed at 10 °. The measurement parameters were the same as in the previous measurement. Table 2 shows the results of examining the uniformity of ion implantation from the variation of ΔVp at this time.
以上の結果から、特に=10゜,λ=24゜〜28゜の範
囲で、且つ基板に回転を与えながらイオン注入を行うこ
とにより、ΔVpが2%以内となる優れたイオン注入の均
一性が得られることが分る。 From the above results, by performing ion implantation in the range of = 10 ° and λ = 24 ° to 28 ° and while rotating the substrate, excellent ion implantation uniformity in which ΔVp is within 2% can be obtained. You can see that it is obtained.
第5図は、試料2についてイオン注入の濃度分布を、
第6図に対応させて示したものである。FIG. 5 shows the ion implantation concentration distribution for sample 2;
This is shown in correspondence with FIG.
この場合もVpのバラツキは同心円状となりしかも2%
程度にしかならない。従ってこのようにλを規定すれば
だけを規定した場合に比べ基板全面にわたって特性の
近い素子を形成することができる。Also in this case, the variation of Vp is concentric and 2%
Only to the extent. Accordingly, an element having similar characteristics can be formed over the entire surface of the substrate as compared with the case where only λ is specified.
なお、一般に、λはイオン注入におけるチャネリン
グを避けるために設定される傾きであるから、その目的
の範囲で適当な角度を選ぶことができる。また角度を
設定するに当たって、互いに異なる固定角度を有する
複数の基板保持具を交換してもよいし、が可変の機構
をもつ基板保持具を用いることもできる。一個の基板保
持具に複数枚の基板を保持することもできるが、イオン
注入の均一性を上げるためには、一個の基板保持具に一
枚の基板を保持することが望ましい。実施例では半絶縁
性GaAs基板に所定導電型層を形成するためにイオン注入
する例を説明したが、他の半導体結晶、特に化合物半導
体結晶に適用して同様の効果が期待できる。実施例では
立方晶の(100)主面のGaAs基板の場合を説明したが、
(010)や(001)を主面とする基板でも良くさらに(10
0)から例えば7゜程度傾斜した面をもつようなGaAs単
結晶基板を作成して使用することも可能であり、その場
合には、=0゜の設定で基板保持具を回転させること
により、実施例と同様の効果が得られる。In general, λ is an inclination set to avoid channeling in ion implantation, so that an appropriate angle can be selected within a target range. In setting the angle, a plurality of substrate holders having different fixed angles may be exchanged, or a substrate holder having a variable mechanism may be used. Although one substrate holder can hold a plurality of substrates, it is desirable to hold one substrate in one substrate holder in order to improve the uniformity of ion implantation. In the embodiment, an example has been described in which ions are implanted to form a predetermined conductivity type layer on a semi-insulating GaAs substrate. However, similar effects can be expected when applied to other semiconductor crystals, particularly compound semiconductor crystals. In the embodiment, the case of a GaAs substrate having a cubic (100) main surface has been described.
A substrate having (010) or (001) as the main surface may be used.
It is also possible to prepare and use a GaAs single crystal substrate having a plane inclined from, for example, about 7 ° from 0). In this case, by rotating the substrate holder at a setting of = 0 °, The same effect as that of the embodiment can be obtained.
その他本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することができる。In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the spirit thereof.
以上述べたように本発明によれば、所定の傾斜角をも
つ基板保持具に基板を保持してこれを回転しながらイオ
ン注入することにより、チャネリングを防止すると同時
に、イオンビーム密着に不均等があってもその影響を受
けることなく、イオン注入分布の均一性の優れた導電型
層を得ることができる。そしてこの導電型層を用いて、
優れた素子特性の半導体装置を実現することができる。As described above, according to the present invention, by holding a substrate on a substrate holder having a predetermined inclination angle and performing ion implantation while rotating the substrate, channeling can be prevented and, at the same time, unevenness in ion beam adhesion can be prevented. Even if it is, the conductivity type layer excellent in the uniformity of the ion implantation distribution can be obtained without being affected by the influence. And using this conductive type layer,
A semiconductor device having excellent element characteristics can be realized.
第1図は本発明の一実施例における基板保持具を示す
図、第2図は基板保持面上での基板の角度設定を説明す
るための図、第3図は実施例に用いたイオン注入装置の
イオンビーム密度を示す図、第4図と第5図は実施例に
よる基板面内のイオン注入濃度分布を示す図、第6図は
従来法による基板面内のイオン注入濃度分布例を示す図
である。 1……基板保持面、2……GaAs基板 3……回転軸、4……イオンビーム 5……オリエンテーションフラット。FIG. 1 is a diagram showing a substrate holder in one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram for explaining the setting of the angle of a substrate on a substrate holding surface, and FIG. 3 is ion implantation used in the embodiment. 4 and 5 show the ion implantation concentration distribution in the substrate surface according to the embodiment, and FIG. 6 shows the ion implantation concentration distribution example in the substrate surface according to the conventional method. FIG. 1 ... substrate holding surface 2 ... GaAs substrate 3 ... rotation axis 4 ... ion beam 5 ... orientation flat.
Claims (5)
定導電型層を形成する工程を有する半導体装置の製造方
法において、イオンビーム振幅の中心軸と一致する回転
軸を有し、この回転軸に直交する方向から第1の角度θ
傾いた基板保持面を有する基板保持具を用いて、前記第
1の角度による基板保持面の傾きの方向と前記半導体基
板のオリエンテーションフラットの方向との間に第2の
角度λを有するように前記基板保持具に半導体基板を保
持してこれを前記回転軸回りに回転させながらイオン注
入を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of forming a layer of a predetermined conductivity type by ion implantation of impurities into a semiconductor substrate, comprising: a rotating axis coinciding with a central axis of an ion beam amplitude; To the first angle θ
Using a substrate holder having an inclined substrate holding surface, the second angle λ is provided between the direction of the inclination of the substrate holding surface by the first angle and the direction of the orientation flat of the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: holding a semiconductor substrate in a substrate holder; and performing ion implantation while rotating the semiconductor substrate around the rotation axis.
の範囲第1項記載の半導体装置の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein said semiconductor substrate is a GaAs substrate.
請求の範囲第2項記載の半導体装置の製造方法。3. The method according to claim 2, wherein said first angle θ is 4 ° to 12 °.
を特徴とする特許請求の範囲第2項記載の半導体装置の
製造方法。4. The method according to claim 2, wherein said GaAs substrate is a {100} plane substrate.
前記基板の<001>方向であり、前記第2の角度λは24
゜以上28゜以下であることを特徴とする特許請求の範囲
第4項記載の半導体装置の製造方法。5. The direction of the orientation flat is a <001> direction of the substrate, and the second angle λ is 24
5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the length is not less than {28}.
Applications Claiming Priority (2)
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Families Citing this family (2)
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- 1987-05-14 JP JP11581687A patent/JP2610264B2/en not_active Expired - Fee Related
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