JPS58500681A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体装置の製造方法 発明の分野 この発明は半導体装置の改良に関し、更に詳細には、集積型発光半導体装置の製 造方法に関する。アメリカ合衆国政府はNSF補助金DMR79−09991及 びDMR77−23999による資金援助の結果この発明における権利を有する 。
発明の背景 発光半導体は従来技術において良く知られている。
広範に使用されている発光素子の一つに、例えばGaAs−AtGaAs物質系 を用いて製造されるヘテロ接合発光素子がある。この素子においては、互いに反 対の導電形を有しているバンド・ギャップの大き馳一対の層(AtGaAs)に よって、活性領域(GaAs)がはさみ込まれている。この活性領域とバンド・ ギャップの大きい層との間の界面は一対のへテロ接合を形成する。このヘテロ接 合は効果的なキャリヤと光の閉込めを提供する。
これらの素子は一般に発光ダイオードもしくはレーザとして使用され、電流注入 またはオノティカル・Iンビングによって励起される。
エヌ・ホロニヤツク氏(N、 Ho l onyak) Kよって出願され本願 の譲受人と同じ譲受人に譲渡された米国特許願第209,240号には、改良さ れた発光素子が開示されている。そこに・は、ALAs障壁(barrier  1ayer)によって分離されている1つ以上のGaAs層から活性領域が構成 される発光素子が示されている。AAGaAs三元系層がもともと無秩序状態で あり GaAsとAtG aA sの界面の近傍ではクラスターとなることが知 られているので、従来使用されているAtGaAsの代わシにAtAsを用いて □いる。上記クラスターは該素子にょシ大きい闇値電流を必要とさせるとともに 素子の効率を低くする。上記特許出願に開示されているものを本願では参考にと 導入れている。
上述の如き発光素子は、必ずしもそうである必要はないが、一般に有機金属ガス にょる什学反応を利用した蒸着法(MO−CVD法)によって成長形成される。
このMO−CVD法は、例えば、「エレクトロニック・ノぐッヶーソング・アン ド・プロダクション(ElectronicPackaging and Pr oduction) Jが1978年6月に発行1. タrクミヵル・ベイノぐ −・デポジション・フォー・ニュー・マテリアル・アプリケーションズ(Che micalVapor Deposition for New Materi al Applications)Jという刊行物に記載されている。この種の 素子は、分子ビームエピタキシャル法、液相エピタキシャル法、もしくはその他 の適当な付着技術によって成長形成させることもできる。MO−CVD法及び分 子ビームエピタキンヤル法は一般に好ましい方法の一つである。
上述したすべての方法において、発光素子はウエノ・の形で形成され、このウェ ハは後にカットされて個々の発光ダイオードもしくはレーザとなる。これは、単 一のチップ上に多数の能動素子が組込まれかつ相互に連結されている公知の集積 回路技術と対照的である。これまでのところ、この種の集積化は上述の如き発光 半導体素子に対しては実用的には利用されていない。発光素子を集積化しようと する試みは、食刻された基体中への発光構造の物理的形成を含めて一般にかなり 粗雑々ものであった。この発光構造はディー・フォー・マイアーズ(D、 J、  Mye r s )に付与された米国特許第4.165,474号に示されて いる。
ペテロ接合発光素子を大規模集積回路に集積化する経済的な方法が光データ処理 及び光データ通信の発展に重要な寄与をすることは明らかである。
従って、この発明の目的は、複数の■−■族化合物へテロ接合素子を単一の集積 構造にすることのできる方法を提供することである。
この発明の別の目的は、シンプルかつ現在の半導体加工技術にマツチした、集積 型オプトエレクトロニクス素子を製造する方法を提供することである。
発明の要約 上述の目的に従って、多層式の■−■族化合物半導体構造体に拡散またはイオン 注入の如き方法で無秩序化成分を導入することによって、結晶構造を維持させた 一it該半導体構造体を無秩序化させると共にそのエネルギー・ギャップをシフ ト・アップさせることが可能となる。例えば、C’aA s −AtA sまた はGaAs −AtGaAsよ構成る多層構造体の全部もしくは一部を、亜鉛を 拡散する方法によって、あるいはシリコン・イオン、クリプトン・イオンまたは 亜鉛イオンのイオン注入法によって、本来構造体が有しているエネルギー・ギャ ップよシ大きいエネルギー・ギャップを有する単結晶のAAGaAsに変換させ ることが可能となる。そしてその他の能動素子を、既に確立された半導体加工技 術を用いて、この大きいエネルギへ・ギャップを有する物質中に形成させること が可能となる。
図面の簡単な説明 第1図は米国特許願第209,240号の説明に従って製造された超格子へテロ 接合構造の断面図である。
第2図は第1図の構造体に選択的な無秩序化を行ない更に処理を施した図である 。
第3図は第2図の素子に電極を設けた図である。
第4図は第3図の発光素子の平面図である。
第5図はこの発明に従って製造された電界効果トランジスタを示す。
第6図は集積型光処理装置の平面図である。
好ましい実施例の説明 第1図は米国特許願第209,240号の記載に基づく半導体へテロ接合素子を 示す。素子全体はGaAs半絶縁性基体もしくは導電性基体10上に形成されて いる。一対のバッファ層あるいはコンタクト層12及び14が一対のインジエン ティング/コレクティング(injecting/collecting)領域 (すなわちインジエクティング領域またはコレクティング領域)16及び18を 取シ囲んでいる。この一対の領域16及び18は、必ずしもそうである必要はな いが、反対の導電形であるのが好ましい。超格子(多層)構造部(5uperl atticeatructure) 20は領域16と18の間にはさみ込まれ ておシ、その構造は素子の右側に拡大して図示されている。超格子構造部20は 、バンド・ギャップの大きい障壁層(barrier 1eyers) 24の 間にバンド・ギ−vy、プの小さい活性領域22がはさみ込まれた構造となって いる。
インジエンティング/コレクティング閉込め領域16及び18はバンド・ギャッ プの比較的広い半導体物質から成シ、活性層22はバンド・ギャップの比較的狭 い二元半導体物質から成る。障壁層24は活性層22と格子整合する二元半導体 物質から成る。最も好ましい実施例ではないが、障壁層24は二元の活性層物質 22と格子整合する三元半導体物質であっても良い。
超格子構造部20において、各活性層22は約20〜500 X、好ま゛しくは 20〜200Xの範囲の厚さを有する量子論的井戸(quantum Well )である。各障壁領域24は少なくとも約10X1好ましくは約10〜200X の範囲の厚さでなければならない。活性層22の数は本質的には選択されてしか るべきものであるが、一般には4〜100層であシ、障壁層24の数はそれよシ 1層はど多い。
第1図の例の構造を以下に示す。
層12 1μmGaAs : Se (n〜lXl0 cIn)層16 0.5 2.0μrn Ato、4Ga、6As :5e(n〜5刈0crIL)層24  (厚さ−LB) AAAs (ドーゾ済またはドープせず)層22 (厚さ= LZ ) G aA s (ドーゾ済またはドープせず)層18 0.5−2. 0 ttrn ALo、aGa o、6A s : Zn (p〜2刈Ocm  )層14 1μynGaAs:Zn(p〜2X10 (1m )この発明の一形 態において、超格子部20に亜鉛原子を拡散させることによって、この超格子部 20が組成的に無秩序化したAtxGal−XASとなシ、(−例において)そ のエネルギー・ギャップがEg# 1.61 eV(GaAs層22)からEg  # 2.08 eVに変化することが判明した(鈍い赤色光→黄色光)。
所望の領域にのみ亜鉛の拡散を行なうために、窒化シリコンから成るマスク28 を公知のホトリングラフイック法を用いて層12の表面上に設ける。コンタクト 領域12の露出部分を食刻して取除き、閉込め層16の上面を露出させる。そし て、ZnAs2と共にこの半導体構造体を石英製アンプル中に入れ、それを拡散 用オーブン中に置く。500〜600℃の範囲内の温度で亜鉛が拡散によって結 晶中に導入される。この温度は超格子成分の通常のクロス拡散温度(すなわち〉 750℃)よシ十分下である。拡散時間はもちろん素子の構造に依存するが、1 0〜60分間の拡散時間が適当であることが分かった0 亜鉛原子は露出した領域中に拡散し、超格子部20の活性領域22及び障壁領域 24を組成的に無秩序な合金ALXGa1− xA sにする。換言すれば、多 くの薄い超格子層が、その結晶構造を保持したまま個々の識別性を失なうように 組合わされる。障壁領域24がAtAsであシ、活性領域22がCaAsの場合 x−LB/(LB+Lz)となる。障壁領域24がAZyGa 、−yAsの場 合には、ス〜yLB/(LB十L2)となる。この場合、yはAtAsとみなさ れる障壁層24の割合である。
通常、500〜600℃の温度範囲におけるAt−Gaの相互拡散は無視するこ とができる。しかしながら、亜鉛をAAAs−GaAs超格子中に拡散した場合 には、このような低い温度でも、亜鉛によってAt−Gaの相互拡散が誘起され ることが分かった。このようにして、GaAa−AtAaあるいはGaAs−A txGa、−xAs超格子部は、低温において所望の74ターンに十分無秩序化 され、そしてGaAs層の厚さ及びLZ/L B比に応じてエネルギー・ギャッ プが増加し、直接遷移形から間接遷移形に変化する。
この発明の別の形態においては、シリコン・イオンまたはクリプトン・イオンの 注入によって、超格子部を結晶構造を保持したまま組成的に無秩序化することが 可能となることが判明した。−例では、MO−CVD法によって成長させたAt As −GaAs超格子部は、GaAs(86X)とAths (80X)のド ープしていない層を交互に合わせて26層有しており、全厚さが1μmとなって いる。シリコン・イオンを、室温、375 keV1基体に対して7°の角度で 、超格子構造部にイオン注入した。イオン照射量は10 cam であった。続 いて数個のサンプルをヒ素高含有の雰囲気中で、675℃、4時間アニールした 。アニールを施した場合、組成の無秩序化によシ、無秩序化した領域のエネルギ ー・ギャップがEg# 1.99 eVとなシ、その値は秩序超格子の示すEg  娩1.57 eV よシ実質的に大きくなることが判明した。好ましくは約5 00℃〜700℃の温度範囲内であって超格子が成長形成されたときの温度よシ 低い温度におけるアニールが、これらの例における方法の重要な点であるように 思われる。10 cm のイオン注入量では、アニール前に組成の無秩序化は起 こらず、かなシの結晶の損傷が存在していたものと思われる。超格子が成長形成 されたときの温度よシ低い温度におけるアニールの後ではイオン注入領域内の損 傷は除去され、完全ではないが組成の無秩序部が広がった。
他の例では、亜鉛・イオンとクリプトン・イオンが同様の条件下でイオン注入さ れ、同じ照射量に対する結果はシリコンのイオン注入の場合よシも無秩序化が小 さかったがアニールの後に組成の無秩序化が観測された。
第3図では、窒化シリコン層28が除去され、その代わシに金属層36が設けら れている。同様な金属層が基体10(この場合基体10は導電性である)の主側 に設けられ、発光構造が完成される。この構造の平面図を第4図に示す。
電圧が接点36を介してヘテロ接合レーザに印加された場合(または、接点が無 い場合には素子が光学的にポンピングされた場合)、赤色の光がGaA s活性 層22によって矢印で示される如く長手方向に沿って発せられる。AtxGa  1− XA s領域30及び32はGaAs領域よシもエネルギー・ギャップ( オレンジ色または黄色)が大きいので、赤色光は障害なしにそこを通過すること ができる。ウェハ端部35はファプリー−ペロー反射器として作用し、レーデに 対して非吸収型のAtXG a 1− XA B空洞を形成する。ヘテロ接合レ ーザの空洞の構造は、最適の・や−7オマンス特性になるように設計することが できる。例えば、よシ大きい空洞は、よシ長いフォトンの通過時間、よシ小さい 空洞端損失、よシ大きいQ値及びよシ低い閾値電流のレーザを提供する。
上述の如き複数の発光素子を単一の基体上に成長形成させ、次いで上述の無秩序 化成分−を選択的に導入することによって分離を行ない、モノリシックな環境に て個々の素子が形成される。亜鉛の拡散またはイオン注入を用いた場合、実質的 に半導電性のp影領域が形成源れる。次にこの露出したp影領域を適当なプロト ンのソースを用いて打込み(bombardment)を行なうことによって、 p影領域はその単結晶構造を維持したまま十分に損傷を与えることができ、その 結果、能動素子間に高抵抗率の分離障壁が形成される。このような打込みは打込 みが行なわれた領域の赤色光の“透過には影響を及ぼさない。
厚さくL2)が500Xの活性領域22 (GaAs )を有する超格子部をこ こで説明したように組成的に無秩序化することができる。しかし、最適な結果を 得るためには活性領域22の厚さは約200X以下であるのが好ましい。
第5図は、第1図のへテロ接合構成を用いて製造し上述の無秩序化方法によって 回路の他の部分と分離したショットキー・バリア・電界効果トランジスタの断面 図である。この場合、超格子層20を露出させる溝部を形成するために領域12 及び16が食刻されて除去されている。金属接点50が付着形成されダート電極 として用いられる。N形金属部52及び54が層12及び16中に合金化され超 格子層20と当接している。この金属部52及び54は素子のソース接点及びド レイン接点を提供する。第5図の素子は当選択的無秩序化技術の多用性を示すも ので、複数の素子を単一のモノリシックなチップ内に集積させ次いでエネルギー ・ギャップの大きい無秩序化された領域によって各素子を分離させる。との無秩 序化領域は、必要ならば、後にプロトン打込みによってより犬きか抵抗率を持つ 領域に変換される。所望の場合には、この無秩序 ′化領域内に更に能動素子を 形成できることは明らかである。
第5図に示すショットキー・バリア素子を製造する方法は、層20を移動度が大 きくなるように調整してドープする点、す々わちドナーは障壁層内に成長するが 隣の領域(すなわちGaAs )には成長しない点において、従来と同じである 。素子の上面が適当にマスクされた後に層12及び16は選択的に食刻除去され る。
最後の段階は、再び適当なマスクをした後に接合接点52及び54を合金化する ことを含んでいる。
第6図はこの発明に従って製造された集積型構造体の平面図を示す。ここでは集 積型レーザ/導波路構造を示すために超格子層上のコンタクト層12及び閉込め 層16が取除かれている。レーザ活性領域6o及び62は、それぞれが一対の超 格子導波路64及び66内にて終結していることを除いて、第2図及び第3図に 示したものと同様に形成される。金属接点68(第5図に示したのと同じ)が導 波路66の上に設けられ、逆方向(もしくは順方向〕にバイアスが加えられ下側 の超格子部66と自身との間のショットキー・バリア接合を与える。個々の素子 は上述の如き選択的無秩序化方法によって分離されている。
レーザ60は光を発生するようなモードでバイアスを加えられる。ところが、レ ーザ62は閾値よシ十分下でバイアスを加えられ、導波路64及び66に沿って 伝播する同位相の放射光によシ光学的にポンピングされる。エネルギー・ギャッ プの小さい物質(赤色)が黄色の物質よシ大きい屈折率を示すことから、発せら れた赤色光は(導波路物質の方向に急激な変化がないかぎシ)導波路64及び6 6を構成するエネルギー・ギャップの小さい物質内に停まる傾向がある。接点6 8に適正に電圧を印加することによシ、接合レーザ62において異なった位相の 信号を形成するために導波路66上の信号の位相を変化させる遅延電子光学効果 (retarding electro−optical ejfecりを達成 することができる。これらの条件下で、レーザ62はレイジングを禁止される。
接点68に電圧が加わらない場合、同位相の光学的ポンピングによシレーザ62 のレイジングが可能となり、従ってエレクトロオプティカル論理素子を提供する ことができる。
要約すると、拡散またはイオン注入の如き方法にょって無秩序化成分を導゛入す ることによシ、超格子層を単結晶、構造を維持したまま無秩序化しそのエネルギ ー・ギャップをシフト・アップさせることができる。そして無秩序化/分離方法 によシ集積型エレクトロオプティカル半導体素子の製造が可能となる。
以上この発明をいくつかの実施例につき述べてきたが、すべての場合においてド ーピングを(p −+ n及びn−+pと)変更することができる、及び/又は 、すべての超格子領域をドープするもしくはアンドープする、及び/又は、基体 を半絶縁性にする、等の種々の変更 。
が可能であることが理解される。
浄書(内容に変更なし) Fig、4 手続補正書(方式) %式% 1、事件の表示 P Ci” / U S 82 / 005742発明の名称 半導体装置の製造方法 3 補正をする者 事件との関係 時計出願人 名 称 ユニバーンティ オブ イリノイファンテーション 6補正の対象

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 第1の活性半導体領域を第2の半導体障壁層の間に設けて構成される多層式 半導体構造体を、前記第1及び第2の半導体の両方から成る無秩序合金に変換し 、該合金のエネルギー・ギャップが前記第1の活性半導体領域のエネルギー・ギ ャップよシ大きくなるようにする方法であって、前記多層式半導体構造体中に無 秩序化成分を導入する工程を具備する方法。 2 前記無秩序化成分の導入工程が前記多層式半導体構造体中へのイオン注入で ある請求の範囲第1項に記載の方法。 3、 前記無秩序化成分がシリコンである請求の範囲第1項に記載の方法。 4、前記無秩序化成分がクリプトンである請求の範囲第1項に記載の方法。 5 前記無秩序化成分が亜鉛である請求の範囲第1項に記載の方法。 6 前記無秩序化成分の導入工程がシリコン・イオンのイオン注入である請求の 範囲第2項に記載の方法。 7 前記無秩序化成分の導入工程が亜鉛イオンのイオン注入である請求の範囲第 2項に記載の方法。 8 前記無秩序化成分の導入工程がクリプトン・イオンのイオン注入である。請 求の範囲第2項に記載の方法。 9、 酊記無秩序化成分の導入工程が亜鉛原子の拡散である請求の範囲第1項に 記載の方法。 10、前記第1及び第2の半導体がm−v族化合物半導体である請求の範囲第1 項に記載の方法。 11 前記第1及び第2−の半導体が■−v族化合物半導体である請求の範囲第 2項に記載の方法。 12、前記無秩序化成分の導入後、約500℃〜700℃の範囲内の温度で前記 多層式−構造体をアニールする工程を含む請求の範囲第10項に記載の方法。 13、前記無秩序化成分の導入後、約500℃〜700℃の範囲内の温度で前記 多層式構造体をアニールする工程を含む請求の範囲第11項に記載の方法。 14 前記第1の活性半導体領域の厚さが約500X以下である請求の範囲第1 O項に記載の方法。 15、前記第1の活性半導体領域の厚さが、約500X以下である請求の範囲第 11項に記載の方法。 16 前記第1の活性半導体領域の厚さが約200X以下である請求の範囲第1 0項に記載の方法。 17、前記第1の活性半導体領域の厚さが約200X以下である請求の範囲第1 1項に記載の方法。 18 前記第1の活性半導体領域がGaAsである請求の範囲第1項に記載の方 法。 19、前記第1の活性半導体領域がGaAsである請求の範囲第2項に記載の方 法。 加、 前記第1の活性半導体領域がGaAsである請求の範囲第9項に記載の方 法。 21 前記第2の半導体障壁層がAtAsである請求の範囲第18項に記載の方 法。 22 前記第2の半導体障壁層がAtxGal−イSである請求の範囲第18項 に記載の方法。 n、前記無秩序化成分の導入の後にプロトンのソースによって前記構造体に打込 みを行なう工程を具備する請求の範囲第1項に記載の方法。 々 前記無秩序化成分の導入の後にプロトンのソースによって前記構造体に打込 みを行なう工程を具備する請求の範囲第2項に記載の方法。 5、前記無秩序化成分の導入の後にプロトンのソースによって前記構造体に打込 みを行なう工程を具備する請求の範囲第3項に記載の方法。 あ、前記無秩序化成分の導入の後にプロトンのソースによって前記構造体に打込 みを行なう工程を具備する請求の範囲第9項に記載の方法。 27、少なくとも数個のへテロ接合発光半導体素子を含む複数の半導体素子をモ ノリシック構造に集積化する方法であって、活性半導体領域と障壁半導体領域を 交互にはさみ込んで成る多層部を有し、前記活性半導体領域の厚さが約500X 以下であるヘテロ接合発光半導体素子を形成する工程と、前記素子部をマスクす る工程と、前記素子のマスクされていない部分に無秩序化成分を導入することに よって前記活性領域及び障壁領域を組成的に無秩序化して前記活性領域のエネル ギー・ギャップよシ大きいエネルギー・ギャップヲ有スる物質に変換する工程と を具備する方法。 あ、前記無秩序化成分の導入工程が前記多層型素子中へのイオン注入である請求 の範囲第27項に記載の方法。 墓 前記無秩序化成分がシリコンである請求の範囲第27項に記載の方法。 閣、前記無秩序化成分がクリプトンである請求の範囲第27項に記載の方法。 31、前記無秩序化成分が亜鉛である請求の範囲第27項に記載の方法。 32 前記無秩序化成分の導入工程がシリコン・イオンのイオン注入である請求 の範囲第28項に記載の方法。 33、前記無秩序化成分の導入工程が亜鉛イオンのイオン注入である請求の範囲 第28項に記載の方法。・父、前記無秩序化成分の導入工程がクリプトン・イオ ンのイオン注入である請求の範囲第28項に記載の方法。 関 前記無秩序化成分の導入工程が、亜鉛原子の拡散である請求の範囲第27項 に記載の方法。 37 前記無秩序化成分の導入後、約5oo℃〜700℃の範囲内の温度で前記 素子をアニールする工程を含む請求の範囲第27項に記載の方法。 あ 前記活性半導体゛領域の厚さが約200X以下である請求の範囲第27項に 記載の方法。 39、前記活性半導体領域がGaAsである請求の範囲第27項に記載の方法。 40、前記半導体障壁領域がAAAsである請求の範囲第39項に記載の方法。 41 前記無秩序化成分の導入の後にプロトンのソースによって前記素子に打込 みを行なう工程を具備する請求の範囲第27項に記載の方法。
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