JP2791138B2 - ヘテロエピタキシャル構造を形成する方法と集積回路 - Google Patents
ヘテロエピタキシャル構造を形成する方法と集積回路Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は半導体材料及び装置の成長、更に具体的に
云えば、シリコン上砒化ガリウムの様なヘテロエピタキ
シャル成長とこの様なヘテロ構造内の装置に関する。
云えば、シリコン上砒化ガリウムの様なヘテロエピタキ
シャル成長とこの様なヘテロ構造内の装置に関する。
従来の技術及び問題点 多くの研究者が、シリコン・ウェーハ上に半導体装置
級の砒化ガリウム(GaAs)の成長、並びにGaAs内に能動
装置を製造することを研究してきた。こう云う装置はGa
As内の担体の移動度が高いことと、シリコン基板の一層
大きな機械的な強度及び熱伝導度との組合せを有する。
例えば、1985 IDEM Tech. Digest 332所載のR.フィッシ
ャー他の論文「Si基板上のGaAs/AlGaAsヘテロ接合バイ
ポーラ・トランジスタ」には、シリコン基板の上に成長
させたGaAs/AlGaAsヘテロ接合バイポーラ・トランジス
タが報告されており、これは厚さ0.2μmのベースに対
してβ=13の電流利得を有する。同様に、1985 IEDM Te
ch. Digest 468所載のG.ターナー他の論文「シリコン及
びサファイア上シリコン基板の上に成長させたGaAs層に
作ったピコ秒光検出器」では、シリコン上GaAs内に製造
された光導電検出器に対し、60ピコ秒の応答時間が報告
されている。こう云う論文では、シリコン上GaAs内に製
造したMESFETの様な多数担体装置が、ホモエピタキシャ
ル装置に近い性能を持つことも述べられている。これに
勇気づけられて、相互接続ワイヤの数を減らす為に、デ
ータ速度の高い光結合部を利用する為に、同じウェーハ
の上にGaAs/AlGaAs光電装置及び高周波装置及びシリコ
ン装置を集積する努力が払われている。非晶質GaAsの選
択的な再結晶は非結晶GaAsの高い比抵抗を利用すること
ができる。例えば、48Appl. Phys. Lett. 1516(1986
年)所載のA.クリスト他の論文「レーザ再結晶化による
(100)シリコン上(100)GaAsの形成」を参照された
い。
級の砒化ガリウム(GaAs)の成長、並びにGaAs内に能動
装置を製造することを研究してきた。こう云う装置はGa
As内の担体の移動度が高いことと、シリコン基板の一層
大きな機械的な強度及び熱伝導度との組合せを有する。
例えば、1985 IDEM Tech. Digest 332所載のR.フィッシ
ャー他の論文「Si基板上のGaAs/AlGaAsヘテロ接合バイ
ポーラ・トランジスタ」には、シリコン基板の上に成長
させたGaAs/AlGaAsヘテロ接合バイポーラ・トランジス
タが報告されており、これは厚さ0.2μmのベースに対
してβ=13の電流利得を有する。同様に、1985 IEDM Te
ch. Digest 468所載のG.ターナー他の論文「シリコン及
びサファイア上シリコン基板の上に成長させたGaAs層に
作ったピコ秒光検出器」では、シリコン上GaAs内に製造
された光導電検出器に対し、60ピコ秒の応答時間が報告
されている。こう云う論文では、シリコン上GaAs内に製
造したMESFETの様な多数担体装置が、ホモエピタキシャ
ル装置に近い性能を持つことも述べられている。これに
勇気づけられて、相互接続ワイヤの数を減らす為に、デ
ータ速度の高い光結合部を利用する為に、同じウェーハ
の上にGaAs/AlGaAs光電装置及び高周波装置及びシリコ
ン装置を集積する努力が払われている。非晶質GaAsの選
択的な再結晶は非結晶GaAsの高い比抵抗を利用すること
ができる。例えば、48Appl. Phys. Lett. 1516(1986
年)所載のA.クリスト他の論文「レーザ再結晶化による
(100)シリコン上(100)GaAsの形成」を参照された
い。
シリコン上のヘテロエピタキシャルGaAsを基本とする
装置構造を構成す場合の重要な制約の1つは、2種類の
材料の間で格子パラメータが4.1%違うことであった。
この格子の不釣合いにより、ヘテロ界面に不整合の転位
の網目が形成されることになる。典型的なエピタキシャ
ル成長の条件のもとでは、この様な不整合欠陥のかなり
の部分が界面から糸状に伸びて、後でその中に装置を製
造するGaAs領域に入込む。シリコン上GaAs技術の実用性
の重大な制約となったのは、この様な糸状の転位(これ
は再結合中心及び散乱中心としても作用し得る)の存在
である。
装置構造を構成す場合の重要な制約の1つは、2種類の
材料の間で格子パラメータが4.1%違うことであった。
この格子の不釣合いにより、ヘテロ界面に不整合の転位
の網目が形成されることになる。典型的なエピタキシャ
ル成長の条件のもとでは、この様な不整合欠陥のかなり
の部分が界面から糸状に伸びて、後でその中に装置を製
造するGaAs領域に入込む。シリコン上GaAs技術の実用性
の重大な制約となったのは、この様な糸状の転位(これ
は再結合中心及び散乱中心としても作用し得る)の存在
である。
シリコン上GaAsの様な格子が釣合わない半導体で糸状
の転位が伝搬するのを消滅させるか又は抑制する為の多
数の方式が報告されている。この内の著名なものは、欠
陥を減少する為の成長後の熱アニーリングである。50Ap
pl. Phys. lett. 31(1987年)所載のJ.W.リー他の論
文、50Appl. Phys. Lett. 992(1987年)所載のチョイ
他の論文、及び49Appl. Phys. Lett. 815(1986年)所
載のN.チャンド他の論文を参照されたい。成長後のアニ
ーリングそれ自体は、シリコン基板上のGaAs層内の大域
的な欠陥を減少する効果があることが証明されている。
然し、今の時点では、装置の劣化を招く糸状転位の密度
を下げる点でのその有効性を判断する十分なデータがな
い。同様に、米国特許第4,632,712号では、糸状転位を
捕捉する為にGaAsの成長を中断している。この代わり
に、多数の研究者が、転位を抑制する為に、成長過程の
間、組成による又は温度サイクルにより超格子を使うこ
とを研究している。1986年GaAs及び関連化合物の国際シ
ンポジウム111(1987年)所載のL.W.リーの論文、26 Ja
pan. J.Appl. Phys. L536(1987年)所載のソガ他の論
文、及び50Appl. Phys. Lett. 407(1987年)所載のR.
D.デュピュイ他の論文参照。この文献からは、中間の超
格子の主な効果は、糸状転位がヘテロ界面に対して斜め
にではなく、それと平行伝搬する傾向を持つ様に、(熱
サイクルによる層の場合は熱効果により、又は化学的な
超格子の場合は格子の膨脹により)歪みの場を加えるこ
とによって、糸状転位をそらせることであると思われ
る。4J.Vac. Sci. Tech. A2200(1986年)所載のスジラ
ーギ他の論文参照。
の転位が伝搬するのを消滅させるか又は抑制する為の多
数の方式が報告されている。この内の著名なものは、欠
陥を減少する為の成長後の熱アニーリングである。50Ap
pl. Phys. lett. 31(1987年)所載のJ.W.リー他の論
文、50Appl. Phys. Lett. 992(1987年)所載のチョイ
他の論文、及び49Appl. Phys. Lett. 815(1986年)所
載のN.チャンド他の論文を参照されたい。成長後のアニ
ーリングそれ自体は、シリコン基板上のGaAs層内の大域
的な欠陥を減少する効果があることが証明されている。
然し、今の時点では、装置の劣化を招く糸状転位の密度
を下げる点でのその有効性を判断する十分なデータがな
い。同様に、米国特許第4,632,712号では、糸状転位を
捕捉する為にGaAsの成長を中断している。この代わり
に、多数の研究者が、転位を抑制する為に、成長過程の
間、組成による又は温度サイクルにより超格子を使うこ
とを研究している。1986年GaAs及び関連化合物の国際シ
ンポジウム111(1987年)所載のL.W.リーの論文、26 Ja
pan. J.Appl. Phys. L536(1987年)所載のソガ他の論
文、及び50Appl. Phys. Lett. 407(1987年)所載のR.
D.デュピュイ他の論文参照。この文献からは、中間の超
格子の主な効果は、糸状転位がヘテロ界面に対して斜め
にではなく、それと平行伝搬する傾向を持つ様に、(熱
サイクルによる層の場合は熱効果により、又は化学的な
超格子の場合は格子の膨脹により)歪みの場を加えるこ
とによって、糸状転位をそらせることであると思われ
る。4J.Vac. Sci. Tech. A2200(1986年)所載のスジラ
ーギ他の論文参照。
然し、公知の方法でも、シリコンの上にエピタキシャ
ル成長させたGaAsに許しがたい程高い糸状転位の密度が
ある。
ル成長させたGaAsに許しがたい程高い糸状転位の密度が
ある。
種々の研究者は、MBE成長並びにGaAsとAlXGa1-XAsの
高温処理の間、ガリウム及びアルミニウムが失われるこ
とを研究している。47Appl. Phys. Lett. 286(1985
年)所載のT.コジマ他の論文「分子ビーム・エピタキシ
ャル装置に於ける反射高エネルギ電子回折強度振動を用
いて観測された層毎の昇華」、47Appl. Phys. Lett. 72
6(1985年)所載のJ.ヴァン・ホーブ他の論文「分子ビ
ームエピタキシャル法に於けるAlGaAs及びGaAsの成長の
質量作用制御」、23Jpn. J.Appl. Phys. L351(1984
年)所載のM.カワベ他の論文「分子ビーム・エピタキシ
ャル法によって成長させたAlXGa1-XAsからのGAの選択的
な脱着」、Jpn. J. Appl. Phys. L89(1985年)所載の
H.タナカ他の論文「分子ビーム・エピタキシャル法によ
って製造された単一縦モード・セルフアライン(AlGa)
As二重ヘテロ構造レーザ、及び3J. Vac. Sci. Tech. B5
72(1985年)所載のR.ヘッキングボトムの論文「分子ビ
ーム・エピタキシャル法の熱力学的な考察:GaAs/Ga1-XA
lXAs系に於ける高温成長」を参照されたい。研究による
と、ガリウムがアルミニウムよりも一層高い速度で失わ
れ、AlXGa1-XAsがAlAsの表面層を実際に形成し、それが
ガリウムの損失を更に抑制することが分かった。
高温処理の間、ガリウム及びアルミニウムが失われるこ
とを研究している。47Appl. Phys. Lett. 286(1985
年)所載のT.コジマ他の論文「分子ビーム・エピタキシ
ャル装置に於ける反射高エネルギ電子回折強度振動を用
いて観測された層毎の昇華」、47Appl. Phys. Lett. 72
6(1985年)所載のJ.ヴァン・ホーブ他の論文「分子ビ
ームエピタキシャル法に於けるAlGaAs及びGaAsの成長の
質量作用制御」、23Jpn. J.Appl. Phys. L351(1984
年)所載のM.カワベ他の論文「分子ビーム・エピタキシ
ャル法によって成長させたAlXGa1-XAsからのGAの選択的
な脱着」、Jpn. J. Appl. Phys. L89(1985年)所載の
H.タナカ他の論文「分子ビーム・エピタキシャル法によ
って製造された単一縦モード・セルフアライン(AlGa)
As二重ヘテロ構造レーザ、及び3J. Vac. Sci. Tech. B5
72(1985年)所載のR.ヘッキングボトムの論文「分子ビ
ーム・エピタキシャル法の熱力学的な考察:GaAs/Ga1-XA
lXAs系に於ける高温成長」を参照されたい。研究による
と、ガリウムがアルミニウムよりも一層高い速度で失わ
れ、AlXGa1-XAsがAlAsの表面層を実際に形成し、それが
ガリウムの損失を更に抑制することが分かった。
エミッタ・アップHBT技術では、亜鉛を打込んだベー
スに過成長エミッタをデポジットする為にMOCVDを使う
ことが最近実証された。7 IEEE Elec. Dev. Lett. 203
(1986年)所載のJ.W.タリーの論文「完全に平面状のヘ
テロ接合バイポーラ・トランジスタ」及び7 IEEE Elec.
Dev. Lett. 615(1986年)所載のJ.W.タリー、W.ハン
ト及びB.B.オブライエンの論文「イオン打込みベースを
用いたヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ」参照。こ
の打込みの後、打込まれたドーパントを活性化しなけれ
ばならないし、打込みによる損傷は除去しなければなら
ないが、その間表面が能動的なベース/エミッタ界面に
なるから、表面の完全さを保たなければならない。然
し、公知の方法は、アニールの間砒素が失われるか或い
はアニール・キャップによって応力が導入されると云う
問題がある。
スに過成長エミッタをデポジットする為にMOCVDを使う
ことが最近実証された。7 IEEE Elec. Dev. Lett. 203
(1986年)所載のJ.W.タリーの論文「完全に平面状のヘ
テロ接合バイポーラ・トランジスタ」及び7 IEEE Elec.
Dev. Lett. 615(1986年)所載のJ.W.タリー、W.ハン
ト及びB.B.オブライエンの論文「イオン打込みベースを
用いたヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ」参照。こ
の打込みの後、打込まれたドーパントを活性化しなけれ
ばならないし、打込みによる損傷は除去しなければなら
ないが、その間表面が能動的なベース/エミッタ界面に
なるから、表面の完全さを保たなければならない。然
し、公知の方法は、アニールの間砒素が失われるか或い
はアニール・キャップによって応力が導入されると云う
問題がある。
問題点を解決する為の手段及び作用 この発明は、ヘテロエピタキシャル成長と打込み部の
活性化の両方の為に、半導体層に対する格子が釣合った
アニーリング・キャップを提供すると共に、アニールし
た半導体を用いて製造された装置を提供する。好ましい
実施例は、シリコン上のヘテロエピタキシャル成長のGa
Asを含み、AlXGa1-XAsキャップ層を持つと共に、アニー
ル後、このキャップ層の上に成長させた別のGaAsを持っ
ている。装置がこの別のGaAs層の中に製造される。他の
好ましい実施例は、GaAsをAlXGa1-XAsでキャップした
後、AlXGa1-XAsを通じてドーパントを打込み、それと共
にMESFET及びヘテロ接合バイポーラ・トラジスタの様な
装置を製造する為の活性化アニールを行なう。
活性化の両方の為に、半導体層に対する格子が釣合った
アニーリング・キャップを提供すると共に、アニールし
た半導体を用いて製造された装置を提供する。好ましい
実施例は、シリコン上のヘテロエピタキシャル成長のGa
Asを含み、AlXGa1-XAsキャップ層を持つと共に、アニー
ル後、このキャップ層の上に成長させた別のGaAsを持っ
ている。装置がこの別のGaAs層の中に製造される。他の
好ましい実施例は、GaAsをAlXGa1-XAsでキャップした
後、AlXGa1-XAsを通じてドーパントを打込み、それと共
にMESFET及びヘテロ接合バイポーラ・トラジスタの様な
装置を製造する為の活性化アニールを行なう。
実 施 例 次に図面について説明するが、図面は見易くする為の
略図である。
略図である。
第1の好ましい実施例のヘテロエピタキシャル構造が
第1図に簡略側面断面図で示されており、全体を100で
示してあるが、これはシリコン基板102、1.5μmの厚さ
のGaAsバッファ層104、厚さ0.1μmのAlXGa1-XAs層10
6、厚さが数原子層しかないAlAs層108及び厚さが2.5μ
のGaAs層110を含む。MESFET 112及びJFETの様な能動装
置をGaAs層110の中に製造することができ、或いは層11
0、GaAs及びAlXGa1-XAs層と共に、層110内に製造された
ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタの両方を含む様に
成長させることができる。
第1図に簡略側面断面図で示されており、全体を100で
示してあるが、これはシリコン基板102、1.5μmの厚さ
のGaAsバッファ層104、厚さ0.1μmのAlXGa1-XAs層10
6、厚さが数原子層しかないAlAs層108及び厚さが2.5μ
のGaAs層110を含む。MESFET 112及びJFETの様な能動装
置をGaAs層110の中に製造することができ、或いは層11
0、GaAs及びAlXGa1-XAs層と共に、層110内に製造された
ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタの両方を含む様に
成長させることができる。
第1の好ましい実施例の構造を製造する第1の好まし
い実施例の方法は、第2図に示す時間−温度成長を含
み、次に述べる様に、第3a図乃至第3d図の側面断面図に
示した工程を含む。
い実施例の方法は、第2図に示す時間−温度成長を含
み、次に述べる様に、第3a図乃至第3d図の側面断面図に
示した工程を含む。
(a)シリコン基板102(直径が約3インチ、厚さが25
ミルで<100>方向の配向を持つ)を分子ビームエピタ
キシャル法(MBE)装置に挿入し、極めて高い真空内で1
0乃至15分間950℃で焼成することによって綺麗にする。
これによって基板102から天然の酸化物の様な表面の汚
染物が除去される。950℃の温度で操作する場合を示し
た第2図の左側部分を参照されたい。
ミルで<100>方向の配向を持つ)を分子ビームエピタ
キシャル法(MBE)装置に挿入し、極めて高い真空内で1
0乃至15分間950℃で焼成することによって綺麗にする。
これによって基板102から天然の酸化物の様な表面の汚
染物が除去される。950℃の温度で操作する場合を示し
た第2図の左側部分を参照されたい。
(b)基板102の温度を450℃に下げ、厚さ約0.2μmGaAs
層をゆっくりと(0.3μm/時)成長させる。この低温成
長により、初期バッファ層が得られるが、これはシリコ
ンとGaAsの間の4.1%の格子の不整合による不整合転位
を局限する助けになる。低温のGaAs成長を止める。基板
102の温度を550℃に上げ、約0.9μm/時の速度で1.3μm
のGaAsを成長させて、バッファ層104を完成する。第2
図の左側の中心に2回のGaAs成長の操作が示されてお
り、第3a図は側面断面図である。別の方法としては、基
板の温度を450℃から550℃に上げるとき、GaAs成長を続
ける。
層をゆっくりと(0.3μm/時)成長させる。この低温成
長により、初期バッファ層が得られるが、これはシリコ
ンとGaAsの間の4.1%の格子の不整合による不整合転位
を局限する助けになる。低温のGaAs成長を止める。基板
102の温度を550℃に上げ、約0.9μm/時の速度で1.3μm
のGaAsを成長させて、バッファ層104を完成する。第2
図の左側の中心に2回のGaAs成長の操作が示されてお
り、第3a図は側面断面図である。別の方法としては、基
板の温度を450℃から550℃に上げるとき、GaAs成長を続
ける。
(c)基板の温度550℃に保ちながら、GaAsの成長からA
lXGa1-XAsの成長に切換え、X=0.35として、厚さ0.1μ
mのAlXGa1-XAs層106の成長する。第2図の中心及び第3
b図を参照されたい。
lXGa1-XAsの成長に切換え、X=0.35として、厚さ0.1μ
mのAlXGa1-XAs層106の成長する。第2図の中心及び第3
b図を参照されたい。
(d)AlXGa1-XAsの成長を止め、基板102の温度を5乃
至15分間850℃に高め、バッファ層104(並びにAlXGa1-X
As層106)にある双晶、積重ね欠陥及び大部分の糸状転
位をアニールによって除く。このアニールの間砒素雰囲
気(約10-5トル)を保って、表面の砒素を安定な状態に
保つ。ガリウムが表面から選択的に脱着され、後にアル
ミニウムが残る。この為表面にAlAs(層108)の数単独
層が形成され、このAlAsがガリウムのこれ以上の外方拡
散と脱着を抑制する。表面に於ける熱力学的な平衡は大
体次の様のようなものである。
至15分間850℃に高め、バッファ層104(並びにAlXGa1-X
As層106)にある双晶、積重ね欠陥及び大部分の糸状転
位をアニールによって除く。このアニールの間砒素雰囲
気(約10-5トル)を保って、表面の砒素を安定な状態に
保つ。ガリウムが表面から選択的に脱着され、後にアル
ミニウムが残る。この為表面にAlAs(層108)の数単独
層が形成され、このAlAsがガリウムのこれ以上の外方拡
散と脱着を抑制する。表面に於ける熱力学的な平衡は大
体次の様のようなものである。
AlXGa1-XAs xAlAs+(1−x)Ga+1/2(1−x)As2 第2図の中心及第3c図を参照されたい。キャップ層10
6がなく、同じ砒素雰囲気(10-5トル)のもとでは、そ
の場所でのアニーリングに使うことができる最高温度は
約700℃であることに注意されたい。これは、GaAsの昇
華に対する調和温度が約640℃であり、調和温度より約5
0℃以上高い所が実際的な限界であるからである。(GaA
sの昇華に対する調和温度は、Ga及びAs2の蒸気圧が等し
くなる温度である。)これと対照的に、AlAsの昇華に対
す調和温度は約800℃であり、AlXGa1-XAs/GaAsの界面は
900℃まで安定である。
6がなく、同じ砒素雰囲気(10-5トル)のもとでは、そ
の場所でのアニーリングに使うことができる最高温度は
約700℃であることに注意されたい。これは、GaAsの昇
華に対する調和温度が約640℃であり、調和温度より約5
0℃以上高い所が実際的な限界であるからである。(GaA
sの昇華に対する調和温度は、Ga及びAs2の蒸気圧が等し
くなる温度である。)これと対照的に、AlAsの昇華に対
す調和温度は約800℃であり、AlXGa1-XAs/GaAsの界面は
900℃まで安定である。
(e)基板102の温度を550℃に下げ、GaAsの成長を再開
して、層110を2.5μm厚さに形成する。AlAs層108及びA
lXGa1-XAs層106は実質的にGaAsバッファ層104と格子が
釣合っていることに注意されたい(GaAsとAlXGa1-XAsの
格子の不整合は僅か0.15x%であり、層106及び108は非
常に薄いので、この不整合が歪みによって補償され
る)。この為、GaAs層110が、転位密度の小さい、格子
が釣合った材料の上に低い温度で成長させら、従って、
層110は損傷も積重ね欠陥もなく転位密度も低い。第2
図の右側部分及び第3d図参照。第4図は第3d図と同じ構
造であるが、層の厚さが異なる場合の通過型電子顕微鏡
写真(TEM)である。GaAs層110がその場所から外したア
ニールを必要としない。実験によると、このアニールに
よってのそれ以上の改善は見られない。
して、層110を2.5μm厚さに形成する。AlAs層108及びA
lXGa1-XAs層106は実質的にGaAsバッファ層104と格子が
釣合っていることに注意されたい(GaAsとAlXGa1-XAsの
格子の不整合は僅か0.15x%であり、層106及び108は非
常に薄いので、この不整合が歪みによって補償され
る)。この為、GaAs層110が、転位密度の小さい、格子
が釣合った材料の上に低い温度で成長させら、従って、
層110は損傷も積重ね欠陥もなく転位密度も低い。第2
図の右側部分及び第3d図参照。第4図は第3d図と同じ構
造であるが、層の厚さが異なる場合の通過型電子顕微鏡
写真(TEM)である。GaAs層110がその場所から外したア
ニールを必要としない。実験によると、このアニールに
よってのそれ以上の改善は見られない。
(f)層状基板102をMBE装置から取出し、標準的な処理
により、GaAs層110内にMESFET 112(又はその他の任意
の装置)を形成する。例えば、チャンネル領域及びソー
ス並びにドレイン領域のイオン打込みをし、Ti/Pt/Auゲ
ートをデポジットし、リフトオフによりGe/Ni/Auのソー
ス及びドレインのオーミック接点をデボジットする。こ
れによって第1図の構造が得られる。不活性化、相互接
続及びパッケージ作業により、集積回路の一部としての
構造が完成するが、図面を見やすくする為、これらは省
略してある。
により、GaAs層110内にMESFET 112(又はその他の任意
の装置)を形成する。例えば、チャンネル領域及びソー
ス並びにドレイン領域のイオン打込みをし、Ti/Pt/Auゲ
ートをデポジットし、リフトオフによりGe/Ni/Auのソー
ス及びドレインのオーミック接点をデボジットする。こ
れによって第1図の構造が得られる。不活性化、相互接
続及びパッケージ作業により、集積回路の一部としての
構造が完成するが、図面を見やすくする為、これらは省
略してある。
GaAs及びシリコンはかなり異なる熱膨脹係数を持ち、
従って成長の温度が低いことにより、最終的な構造の熱
応力が少なくなる。この為、シリコン上GaAsの一層高い
MOCVDによる成長よりも、一層温度の低いMBE成長の方が
好ましい。更に、MOCVDで使われる金属有機化合物に大
量の炭素が存在する為、MOCVD成長よりも、MBE成長の方
が一層綺麗である。
従って成長の温度が低いことにより、最終的な構造の熱
応力が少なくなる。この為、シリコン上GaAsの一層高い
MOCVDによる成長よりも、一層温度の低いMBE成長の方が
好ましい。更に、MOCVDで使われる金属有機化合物に大
量の炭素が存在する為、MOCVD成長よりも、MBE成長の方
が一層綺麗である。
第2の好ましい実施例の方法は、打込まれたGaAsの活
性化アニールにAlXGa1-XAsキャップ層を用い、第5a図乃
至5b図に側面断面図で示す次に述べる工程を含む。
性化アニールにAlXGa1-XAsキャップ層を用い、第5a図乃
至5b図に側面断面図で示す次に述べる工程を含む。
(a)GaAs 202(これは第3d図に示す構造のGaAs層110
に対応するものであってよい)にAlXGa1-XAsキャップ層
204を0.05μm(500Å)の厚さに成長させ、フォトレジ
スト206を回転付着させ、露出して現像する。その後、
シリコンの様なドーパントのイオン打込みをAlXGa1-XAs
層204を介してGaAs 202に対してイオン打込みするが、
この時パータンを定めたフォトレジスト206を打込みマ
スクとして使い、損傷された結晶格子を持つ不純物領域
210を形成する。典形的にはこの打込みはシリコン・イ
オンでは、100keVのエネルギで10×1013/cm2の量で行な
われ、n+領域210を形成する。第5a図参照。領域210は最
終的なヘテロ接合p−n−pバイポーラ・トランジスタ
のベースにすることができる。
に対応するものであってよい)にAlXGa1-XAsキャップ層
204を0.05μm(500Å)の厚さに成長させ、フォトレジ
スト206を回転付着させ、露出して現像する。その後、
シリコンの様なドーパントのイオン打込みをAlXGa1-XAs
層204を介してGaAs 202に対してイオン打込みするが、
この時パータンを定めたフォトレジスト206を打込みマ
スクとして使い、損傷された結晶格子を持つ不純物領域
210を形成する。典形的にはこの打込みはシリコン・イ
オンでは、100keVのエネルギで10×1013/cm2の量で行な
われ、n+領域210を形成する。第5a図参照。領域210は最
終的なヘテロ接合p−n−pバイポーラ・トランジスタ
のベースにすることができる。
(b)その後フォトレジスト206をはがし、打込み部
を、砒素雰囲気内のキャップとしてAlXGa1-XAs 204を用
いてアニールする。第1の好ましい実施例の場合と同じ
く、ガリウムがキャップから脱着され、数単独層のAlAs
208を残すが、これがそれ以上のガリウムの外方拡散を
防止する。第5b図参照。
を、砒素雰囲気内のキャップとしてAlXGa1-XAs 204を用
いてアニールする。第1の好ましい実施例の場合と同じ
く、ガリウムがキャップから脱着され、数単独層のAlAs
208を残すが、これがそれ以上のガリウムの外方拡散を
防止する。第5b図参照。
(c)アニールの後、GaAsに対してAlXGa1-XAsを選択的
にエッチするHFを用いて、AlAs 208及び残りのAlXGa1-X
As 204をGaAs 202から取除く。従来の方法は窒化シリコ
ンのキャップを使っているが、窒化シリコンは非晶質で
あって(GaAs 202と格子が釣合わず)、界面のGaAsに応
力を加え、これはGaAs層のひび割れを招くことがある。
格子が釣合ったキャップ204を使うことによって、この
応力が避けられる。
にエッチするHFを用いて、AlAs 208及び残りのAlXGa1-X
As 204をGaAs 202から取除く。従来の方法は窒化シリコ
ンのキャップを使っているが、窒化シリコンは非晶質で
あって(GaAs 202と格子が釣合わず)、界面のGaAsに応
力を加え、これはGaAs層のひび割れを招くことがある。
格子が釣合ったキャップ204を使うことによって、この
応力が避けられる。
第3の好ましい実施例の方法は、Al0.5Ga0.5Asのキャ
ップをアニール・キャップ及び打込みスペーサの両方と
して用いる。第6a図乃至第6b図は、エミッタ・ダウン形
過成長へテロ接合バイポーラ・トランジスタのベース形
成過程を示しており、第6a図に出発時の最初のエピタキ
シャル部分を示すと共に、第6b図にベース打込みの輪郭
を示している。過成長過程では、エピタキシャルAl0.5G
a0.5As 308又は窒化シリコンの様なスペーサ層をベース
区域の上にデボジットして、ベースの打込み深さを調節
する為のスペーサとして作用させることができる。ベー
スの電界を最大にして、電子通過時間が最小になる様に
する為、ベース・ドーピング濃度のピークはエミッタ・
ベース接合で起こる様にすべきである。スペーサの厚さ
を調節して、打込みのピークが、所定の打込みエネルギ
及び流量に対してエミッタ/ベース界面で起こる様にす
ることができる。AlXGa1-XAsスペーサ層308に於けるア
ルミニウム濃度が高い(50%)ことにより、ベース打込
み部の活性化アニールの後、その下にあるGaAsベース表
面からの除去が容易になる。窒化シリコン又はその他の
材料の代わりに、スペーサ層としてAlXGa1-XAs 308を使
うことによる別の利点は、アニーリングの時、AlXGa1-X
Asが砒素分の多いキャップとして作用して、ベースの表
面領域の分解を防ぐことである。急速な熱アニーリング
が、1個のウェーハ・プロセスに於けるプロセスの複雑
さにより、砒素の過圧を使うことを妨げる。然し、砒素
分の多いキャップ、即ち、AlXGa1-XAs 308は、GaAsの表
面の完全さを保つ助けになる。スペーサ層を除去した
後、GaAsコレクタ層をベース層の上に成長させることが
できる。
ップをアニール・キャップ及び打込みスペーサの両方と
して用いる。第6a図乃至第6b図は、エミッタ・ダウン形
過成長へテロ接合バイポーラ・トランジスタのベース形
成過程を示しており、第6a図に出発時の最初のエピタキ
シャル部分を示すと共に、第6b図にベース打込みの輪郭
を示している。過成長過程では、エピタキシャルAl0.5G
a0.5As 308又は窒化シリコンの様なスペーサ層をベース
区域の上にデボジットして、ベースの打込み深さを調節
する為のスペーサとして作用させることができる。ベー
スの電界を最大にして、電子通過時間が最小になる様に
する為、ベース・ドーピング濃度のピークはエミッタ・
ベース接合で起こる様にすべきである。スペーサの厚さ
を調節して、打込みのピークが、所定の打込みエネルギ
及び流量に対してエミッタ/ベース界面で起こる様にす
ることができる。AlXGa1-XAsスペーサ層308に於けるア
ルミニウム濃度が高い(50%)ことにより、ベース打込
み部の活性化アニールの後、その下にあるGaAsベース表
面からの除去が容易になる。窒化シリコン又はその他の
材料の代わりに、スペーサ層としてAlXGa1-XAs 308を使
うことによる別の利点は、アニーリングの時、AlXGa1-X
Asが砒素分の多いキャップとして作用して、ベースの表
面領域の分解を防ぐことである。急速な熱アニーリング
が、1個のウェーハ・プロセスに於けるプロセスの複雑
さにより、砒素の過圧を使うことを妨げる。然し、砒素
分の多いキャップ、即ち、AlXGa1-XAs 308は、GaAsの表
面の完全さを保つ助けになる。スペーサ層を除去した
後、GaAsコレクタ層をベース層の上に成長させることが
できる。
第4の好ましい実施例の方法は、AlXGa1-XAsスペーサ
層を介してコレクタ層にベースを打込んで、エミッタ・
アップ型HBTを製造する他は、第3の好ましい実施例と
同様である。この場合も、アニールは典形的には急速な
熱アニールであるが、その後、AlXGa1-XAsキャップを除
去し、エミッタを成長させる。
層を介してコレクタ層にベースを打込んで、エミッタ・
アップ型HBTを製造する他は、第3の好ましい実施例と
同様である。この場合も、アニールは典形的には急速な
熱アニールであるが、その後、AlXGa1-XAsキャップを除
去し、エミッタを成長させる。
第5の好ましい実施例の方法は、第3及び第4の好ま
しい実施例と同様である。平面状HBTの全ての層の完全
な成長の後、構造の一番上にあるx〜0.5のAlXGa1-XAs
のスペーサ層を使って、打込み部の活性化を改善すると
共に、一層よいオーミック接点が得られる様にする。HB
Tの製造では、ベースはスペーサを介してP+打込み部
と接触し、コレクタにはペーサを介してN+打込み部が
達する。こう云う打込み部は、砒素の加圧を使うことが
実際的でない場合、活性化アニール、典形的には急速な
熱アニールを必要とする。AlXGa1-XAsスペーサ層が表面
を砒素分の多い状態に保ち、HF内でそれを除去した後、
良好な砒素分の多いGaAsの上にオーミック接点を形成す
ることが一層よくなる。
しい実施例と同様である。平面状HBTの全ての層の完全
な成長の後、構造の一番上にあるx〜0.5のAlXGa1-XAs
のスペーサ層を使って、打込み部の活性化を改善すると
共に、一層よいオーミック接点が得られる様にする。HB
Tの製造では、ベースはスペーサを介してP+打込み部
と接触し、コレクタにはペーサを介してN+打込み部が
達する。こう云う打込み部は、砒素の加圧を使うことが
実際的でない場合、活性化アニール、典形的には急速な
熱アニールを必要とする。AlXGa1-XAsスペーサ層が表面
を砒素分の多い状態に保ち、HF内でそれを除去した後、
良好な砒素分の多いGaAsの上にオーミック接点を形成す
ることが一層よくなる。
変形と利点 関連する材料のアニール・キャップと、こう云うアニ
ールを用いて作られた装置の特徴を生かしながら、好ま
しい実施例の処理の変形が考えられる。例えばAlXGa1-X
As/GaAs超格子をMBEに於けるAlGaAsのアニール・キャッ
プとして使うことができる。この場合、AlXGa1-XAsは一
層高い温度(例えば600℃)で、そしてGaAsは一層低い
温度(例えば550℃)で成長させて、組成並びに熱サイ
クルによる超格子(これが転位の伝搬を妨げる)とAlXG
a1-XAsアニール・キャップの両方の利点が得られる。更
に、第1の好ましい実施例で、バッファ層及び最上層
は、xの異なるAlXGa1-XAsの様な異なる材料であってよ
く、各々の層はxの異なる部分層を含んでいてよい。実
際、GaAsP,InGaAs,InAlGaAsP等の様に、AlGaAs以外の材
料系又はII−VI族系をキャップ層として、蒸気圧が一層
低い成分と共に使うことができる。更に、種々の材料系
では、種々の成長温度及び温度サイクルを使うことがで
きる。アニールされる層に対するキャップの格子の釣合
わせは、欠陥を避ける位に接近していればよい。この
為、薄い歪みのかかった層のキャップを使うこともでき
る。
ールを用いて作られた装置の特徴を生かしながら、好ま
しい実施例の処理の変形が考えられる。例えばAlXGa1-X
As/GaAs超格子をMBEに於けるAlGaAsのアニール・キャッ
プとして使うことができる。この場合、AlXGa1-XAsは一
層高い温度(例えば600℃)で、そしてGaAsは一層低い
温度(例えば550℃)で成長させて、組成並びに熱サイ
クルによる超格子(これが転位の伝搬を妨げる)とAlXG
a1-XAsアニール・キャップの両方の利点が得られる。更
に、第1の好ましい実施例で、バッファ層及び最上層
は、xの異なるAlXGa1-XAsの様な異なる材料であってよ
く、各々の層はxの異なる部分層を含んでいてよい。実
際、GaAsP,InGaAs,InAlGaAsP等の様に、AlGaAs以外の材
料系又はII−VI族系をキャップ層として、蒸気圧が一層
低い成分と共に使うことができる。更に、種々の材料系
では、種々の成長温度及び温度サイクルを使うことがで
きる。アニールされる層に対するキャップの格子の釣合
わせは、欠陥を避ける位に接近していればよい。この
為、薄い歪みのかかった層のキャップを使うこともでき
る。
第2の好ましい実施例では、アニール過程は炉のアニ
ール、急速熱アニール、又は他の種類のアニール或いは
組合せのアニールであってよく、他の材料系に用いるこ
とができる。実際、好ましい実施例並びに変形の出発時
の基板には絶縁体上シリコンの様に複合であってもよい
し、或いはシリコン上二酸化シリコン・パターンの様な
非晶質材料パターンや凹部を含んでよい。更に、第3、
第4及び第5の好ましい実施例では、打込み及びキャッ
プつきアニールにより、(MESFET及びJFETの様な)HBT
以外の装置を製造することができるし、種々の装置の集
積回路も製造することができる。関連した材料のキャッ
プつきアニールを用いれば、エミッタ/ベース及びオー
ミック/半導体の様な対応する界面は改良された表面状
態の密度を持ち、比抵抗が一層小さくなる。
ール、急速熱アニール、又は他の種類のアニール或いは
組合せのアニールであってよく、他の材料系に用いるこ
とができる。実際、好ましい実施例並びに変形の出発時
の基板には絶縁体上シリコンの様に複合であってもよい
し、或いはシリコン上二酸化シリコン・パターンの様な
非晶質材料パターンや凹部を含んでよい。更に、第3、
第4及び第5の好ましい実施例では、打込み及びキャッ
プつきアニールにより、(MESFET及びJFETの様な)HBT
以外の装置を製造することができるし、種々の装置の集
積回路も製造することができる。関連した材料のキャッ
プつきアニールを用いれば、エミッタ/ベース及びオー
ミック/半導体の様な対応する界面は改良された表面状
態の密度を持ち、比抵抗が一層小さくなる。
この発明は以上の説明に関連して、更に下記の実施態
様を有する。
様を有する。
(1)ヘテロエピタキシャル構造を形成する方法に於い
て、第1の材料の層の上に第2の材料のヘテロエピタキ
シャル層を形成し、該ヘテロエピタキシャル層の上にキ
ャップ層を形成し、該キャップ層は第2の材料と実質的
に格子が釣合っており、前記ヘテロエピタキシャル層及
びキャップ層をアニールし、前記キャップ層の上に第3
の材料の最上層を形成する工程を含み、該第3の材料が
実質的に前記キャップ層と格子が釣合っている方法。
て、第1の材料の層の上に第2の材料のヘテロエピタキ
シャル層を形成し、該ヘテロエピタキシャル層の上にキ
ャップ層を形成し、該キャップ層は第2の材料と実質的
に格子が釣合っており、前記ヘテロエピタキシャル層及
びキャップ層をアニールし、前記キャップ層の上に第3
の材料の最上層を形成する工程を含み、該第3の材料が
実質的に前記キャップ層と格子が釣合っている方法。
(2)(1)項に記載した方法に於いて、第1の材料が
シリコンであり、第2及び第3の材料が共にGaAsであ
り、キャップ層がAlXGa1-XAs,0<x≦1.0である方法。
シリコンであり、第2及び第3の材料が共にGaAsであ
り、キャップ層がAlXGa1-XAs,0<x≦1.0である方法。
(3)(2)項に記載した方法に於いて、アニーリング
が約850℃で砒素雰囲気内で行なわれる方法。
が約850℃で砒素雰囲気内で行なわれる方法。
(4)(1)項に記載した方法に於いて、前記形成する
ことが分子ビーム・エピタキシャル成長によるものであ
り、前記アニーリングはその場所で行なわれる方法。
ことが分子ビーム・エピタキシャル成長によるものであ
り、前記アニーリングはその場所で行なわれる方法。
(5)(1)項に記載した方法に於いて、キャップ層が
超格子である方法。
超格子である方法。
(6)(5)項に記載した方法に於いて、超格子が温度
サイクルを用いて成長させられる方法。
サイクルを用いて成長させられる方法。
(7)(1)項に記載した方法に於いて、ヘテロエピタ
キシャル層が第1の温度に於ける成長の後、第1の温度
よりも高い第2の温度に於ける成長によって形成される
方法。
キシャル層が第1の温度に於ける成長の後、第1の温度
よりも高い第2の温度に於ける成長によって形成される
方法。
(8)半導体層をアニールする方法に於いて、半導体層
の上に実質的に格子が釣合ったキャップを形成し、該半
導体層及びキャップを加熱し、加熱の後キャップを取り
除く工程を含む方法。
の上に実質的に格子が釣合ったキャップを形成し、該半
導体層及びキャップを加熱し、加熱の後キャップを取り
除く工程を含む方法。
(9)(8)項に記載した方法に於いて、更に前記加熱
の前に、前記半導体層に前記キャップを介してドーパン
トを打込む工程を含む方法。
の前に、前記半導体層に前記キャップを介してドーパン
トを打込む工程を含む方法。
(10)(9)項に記載した方法に於いて、半導体層がGa
Asであり、キャップがAlXGa1-XAs,0<x≦1.0である方
法。
Asであり、キャップがAlXGa1-XAs,0<x≦1.0である方
法。
(11)(9)項に記載した方法に於いて、半導体層がGa
Asであり、キャップがAlXGa1-XAsであって、x=0.5で
ある方法。
Asであり、キャップがAlXGa1-XAsであって、x=0.5で
ある方法。
(12)(8)項に記載した方法に於いて、半導体層がGa
Asであり、キャップがAlXGa1-XAs,0<x≦1.0であり、
前記形成することがエピタキシャル成長により、前記加
熱が急速熱アニーリングである方法。
Asであり、キャップがAlXGa1-XAs,0<x≦1.0であり、
前記形成することがエピタキシャル成長により、前記加
熱が急速熱アニーリングである方法。
(13)シリコンの下側層、該シリコン上のヘテロエピタ
キシャル・バッファ層、該バッファ層と実質的に格子が
釣合っていて、その上にあるキャップ層、並びに該キャ
ップ層の上にあって、実質的にそれと格子が釣合ってい
る装置を含み、該キャップ層が前記バッファ層の材料よ
りも揮発性が小さい材料で作られている化合物基板と、
前記装置内にある装置と、該装置の間の相互接続部とを
有する集積回路。
キシャル・バッファ層、該バッファ層と実質的に格子が
釣合っていて、その上にあるキャップ層、並びに該キャ
ップ層の上にあって、実質的にそれと格子が釣合ってい
る装置を含み、該キャップ層が前記バッファ層の材料よ
りも揮発性が小さい材料で作られている化合物基板と、
前記装置内にある装置と、該装置の間の相互接続部とを
有する集積回路。
(14)(13)項に記載した集積回路に於いて、キャップ
層がAlXGa1-XAs,0<x≦1.0で構成され、前記バッファ
及び装置層が共にGaAsで作られている集積回路。
層がAlXGa1-XAs,0<x≦1.0で構成され、前記バッファ
及び装置層が共にGaAsで作られている集積回路。
(15)第1の化合物半導体の層と、表面並びに前記層内
にある少なくとも1つのドープ領域と、該少なくとも1
つのドープ領域上にある金属接点とを有し、該金属接点
及びドープ領域の間の界面は、前記金属接点を形成する
前に、第2の化合物半導体で作られたキャップを用い
て、前記ドープ領域をアニールすることを特徴としてお
り、前記第2の化合物半導体は前記第1の化合物半導体
と関係を有するが、それと異なる半導体装置。
にある少なくとも1つのドープ領域と、該少なくとも1
つのドープ領域上にある金属接点とを有し、該金属接点
及びドープ領域の間の界面は、前記金属接点を形成する
前に、第2の化合物半導体で作られたキャップを用い
て、前記ドープ領域をアニールすることを特徴としてお
り、前記第2の化合物半導体は前記第1の化合物半導体
と関係を有するが、それと異なる半導体装置。
(16)(15)項に記載した半導体装置に於いて、前記層
がAlXGa1-XAsで作られており、前記キャップがAlyGa1-y
Asであって、y>xである半導体装置。
がAlXGa1-XAsで作られており、前記キャップがAlyGa1-y
Asであって、y>xである半導体装置。
(17)シリコン上GaAsのような格子不釣合半導体材料の
ヘテロエピタキシが、シリコン(102)上のGaAs(104)
第一成長、そしてAlXGa1-XAs格子釣合キャップ(106)
の成長、次にAlXGa1-XAsキャップ(106)と欠陥とのア
ニール除去、砒素の脱着制限、最後にキャップ上への直
接の更なるGaAs(110)の成長によって達成される。格
子釣合キャップは打込みアニール・キャップとしても使
用される。
ヘテロエピタキシが、シリコン(102)上のGaAs(104)
第一成長、そしてAlXGa1-XAs格子釣合キャップ(106)
の成長、次にAlXGa1-XAsキャップ(106)と欠陥とのア
ニール除去、砒素の脱着制限、最後にキャップ上への直
接の更なるGaAs(110)の成長によって達成される。格
子釣合キャップは打込みアニール・キャップとしても使
用される。
第1図は第1の好ましい実施例の構造の側面断面図、第
2図は第1の好ましい実施例の方法の時間−温度曲線を
示すグラフ図、第3a図乃至第3d図は第1の好ましい実施
例の方法の工程を示す側面断面図、第4図は第1の好ま
しい実施例の結晶の構造の透過形電子顕微鏡写真を示す
図、第5a図及び第5b図は第2の好ましい実施例の方法の
工程を示す側面断面図、第6a図及び第6b図は第3の好ま
しい実施例の方法を示す図である。 主な符号の説明 102:シリコン基板 104:GaAsバッファ層 106:AlXGa1-XAs層 108:AlAs層 110:GaAs層
2図は第1の好ましい実施例の方法の時間−温度曲線を
示すグラフ図、第3a図乃至第3d図は第1の好ましい実施
例の方法の工程を示す側面断面図、第4図は第1の好ま
しい実施例の結晶の構造の透過形電子顕微鏡写真を示す
図、第5a図及び第5b図は第2の好ましい実施例の方法の
工程を示す側面断面図、第6a図及び第6b図は第3の好ま
しい実施例の方法を示す図である。 主な符号の説明 102:シリコン基板 104:GaAsバッファ層 106:AlXGa1-XAs層 108:AlAs層 110:GaAs層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 29/73 29/812 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/337 - 21/338 H01L 27/095 H01L 27/098 H01L 29/775 - 29/778 H01L 29/80 - 29/812 H01L 21/203 H01L 21/363
Claims (2)
- 【請求項1】ヘテロエピタキシャル構造を形成する方法
に於いて、第1の材料の層の上に第2の材料のヘテロエ
ピタキシャル層を形成し、該ヘテロエピタキシャル層の
上にキャップ層を形成し、該キャップ層は第2の材料と
実質的に格子が釣合っており、前記ヘテロエピタキシャ
ル層及びキャップ層をアニールし、前記キャップ層の上
に第3の材料の最上層を形成する工程を含み、該第3の
材料が実質的に前記キャップ層と格子が釣合っている方
法。 - 【請求項2】シリコンの下側層、該シリコン上のヘテロ
エピタキシャル・バッファ層、該バッファ層と実質的に
格子が釣合っていて、その上にあるキャップ層、並びに
該キャップ層の上にあって、実質的にそれと格子が釣合
っている装置層を含み、該キャップ層が前記バッファ層
の材料よりも揮発性が小さい材料で作られている化合物
基板と、前記装置内にある装置と、該装置の間の相互接
続部とを有する集積回路。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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US264237 | 1988-10-28 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02244729A JPH02244729A (ja) | 1990-09-28 |
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Family
ID=23005164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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EP (1) | EP0365875B1 (ja) |
JP (1) | JP2791138B2 (ja) |
KR (1) | KR0142191B1 (ja) |
DE (1) | DE68923756T2 (ja) |
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