JPS61500521A - 高抵抗及び低抵抗領域を有する3−5族化合物半導体デバイスの製作 - Google Patents

高抵抗及び低抵抗領域を有する3−5族化合物半導体デバイスの製作

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JPS61500521A JP59503952A JP50395284A JPS61500521A JP S61500521 A JPS61500521 A JP S61500521A JP 59503952 A JP59503952 A JP 59503952A JP 50395284 A JP50395284 A JP 50395284A JP S61500521 A JPS61500521 A JP S61500521A
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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】 高抵抗及び低抵抗領域全有するm −V族化合物半導体デバイスの製作 本発明の背景 本発明は高低抵及び低抵抗領域を有するm−v族化合物半導体デバイス、特にそ のような構造を用いて埋込み相互接続が実現される集積回路の製作に係る。
集積回路は典型的な場合、単一の半導体ウェハ中て形成された複数のデバイス( たとえば、部品又は回路)を含む。デバイスはたとえばpn接合分離、エッチさ れた溝による分離又は酸化物分離のような、各種の技術により、相互に電気的に 分離することができる。ウェハ表面上の金属パターンは、選択されたデバイスの アドレス指定を【7たり、あるいはそれらを相互に接続するために用いられる。
しかし、一般にデバイスの相互接続又はアドレス指定には、これらの機能を達成 するために、埋込み半導体チャネルは含まれない。そのような埋込みチャネルを 用いることは、そのようなデバイスの設計に著しい柔軟性がつけ加わるために望 せしい。
本発明の要約 本発明に従うど、■−V族化合物材料の特性が、有利に利用される。すなわち、 それらはイオン注入をした時、高抵抗となるが、子の後mll Nされた熱処理 を行うと、アニーリング温度、材料組成及びそれらに導入されたドーパントに基 本的に依存して、低抵抗に変ったり、あるいは高抵抗のままである。これらの特 性のため、ドーピングの異った■−v族化合物層を交互にし、イオン注入と制御 された熱処理を用い、選択された層を低抵抗(又は導電性)にし、他の層を高抵 抗のままにすることにして集積回路に組立てることにより、埋込み半導体相互接 続及び埋込み半導体バスバーを、実現することが可能になる。高抵抗層はデバイ スを相互に電気的に分離するか、埋込み相互接続又はバスバーとして用いられる 低抵抗(又は高導電性)層の境界を規定するために使用できる。
図面の簡単な説明 第1図は本質的に同一の組成を有するがドーパントは異る■−V族化合物試料の 場合の抵抗率対アニーリング温度のグラフを示す概略図、 第2図は図中に示された温度における陽子照射及びアニーリング後の試料抵抗率 の、照射前のそれに対する比を表で示す図、 第3図はアニーリング後、イオン打込多層構造でいかに選択されたn形層が導電 性となり、選択されたp形層が高抵抗のままとなるような結果を生じるかを示す 概略図、 第4図は本発明の一実施例に従い、n形層f埋込み相互接続どして用いる集積回 路の概略図、第5図は本発明の別の実施例に従い、n形層を埋込みバスバーとし て用いた集積口iδの概略金示す図、第6−8図(位本発明の更に別の実施91 Jに従い、いかに異方:る高さにふ・け、テ、埋込み導電路が半導体構造に組立 1パられZ、かを示す概略図である。。
詳細な記述 #xQAlxAs(0<x< t )及ヒInPノ文5;&III−V族化合物 に、陽子、亀陽子又はヘリウムイ1゛ンのようなイ巧ンを照射し、九時、半導体 は損Sを受ける。イオンド・−・ズ量、伝導形及び態別組成のような多数のパラ メー・夕に依存1.゛C1損傷を受けた半導体は高抵抗(たとえば10’−10 ’Ω−、In )にlる。
一般に、陽子照射材料の抵抗は著しく安定である。しか1,2、ここで示すよう に、その後の熱処理にLす、抵抗率は照射しない材料めそれ(又はそれに近いも の)に低下する。加えて、抵抗率が回復する程度は、材料中に導入されたドーパ ントに依存し、アニーリング条件、特にアニーリング温度に依存する。第1図は この特性を概略的に示す。二つの本質的に同一の材料に、異なるドーピングをす る。すなわち、一方のドーパントはAで、他方のドーパントはB′7′あるが、 両方が同程度のキャリヤ濃度レベルになるようにする。イオン照射の結果、材料 の抵抗率はR1からR2に増す。制御された熱処理(たとえば適当な一組の温度 /時間条件及び分解を防ぐ適当な雰囲気)を受けた時、材料の抵抗率は広い温度 範囲(たとえば0−400℃)で比較的一定(実線部分I)であるが、ある閾値 温度が近づくとともに、増加する。(破線部分■)。しかし、重要なことは、ド ーパントAを有1′る材料の抵抗率は、閾値温度′l′A 又(づ−4−のf・ j近ご急激に減少するが、一方;f−バント9f有7−る材料の抵抗率は、Jり 高いV巳値已度T7? ”)アA又はその付近で、急、檄に減少ずZ)ことであ る。従つ−C,木発明1・7″従う、jl、単−構造(7気とλも・ナデバイス 、I c ) i/c ;:、iHりた二pの441ノ照射材料を、温度TA( T、4 (’ra (Tn ) ”?:’同時にア:i’−)Lすると、A f :ドープしフ?−月*4は低抵抗状態にiζノ)が、βをドープした材料は、高 抵抗のままである。
AtGaAs材料系においで、p形ドーパントのグループZn、My、Geは、 ’rZn <、 Tug <、 T Goの関係にある閾値アニ・−リング温度 を有することを見出した。この結論を支持するちる種の結果が第2図に示され− Cおり、表はアニーリング前後での抵抗率比が、アニーリング温度でどのように 変化するかを示しでいる。試料に3 X 10 ”ladのドーズで、300  kaVの陽子を照射した。開管、0る出棺、拡散型炉中、フォーミングガス雰囲 気内においで、30分間(最大温度において見積られる時間は15分)450℃ ないし7QQ’t:の範囲で、加熱を行った。具体的な温度に依存して、より短 い時間又はより長い時間の7二−リングも・効果的である。この表において、試 料1.4及び5はAl4.40 G a O,60A s で、試料2,3.7 及び9はGILAS 、試料6はAl、y) Ga、g As、試料8はGaA s、o。
Sb、at であった、。要約するとGILA3:211はTz11≦570’ でその最初の抵抗率に戻り、GaAs : Ge及びAtGaAs :Ge は 700℃もの高温ですら、それらの最初の導電率の5分の1より良くなるまで回 復はせず(従って、TGe≧700℃) 、#GaAs : MlはT、4<5 70℃で回復し7たが、GaAs : MlはGeの場合のように振舞った。
この現象が埋込み抵抗領域を有する構造を製作するために、いかに利用できるか を示す例として、以下の層を(100)方向n −GaAs : Si基板上に 以下の順で成長させるために、液相エピタキシーを用いた。3−4μm厚のn− GaAs : Teバッファ層:0.2μm厚のp −A/、ogcm、、、  As : %層;0.6μm厚のp−A/、、。GL、611 As: Ge  ii :0.6μm厚のp −,47,40Gm、60As : Mi 、ii 及び0.15μm厚の高ドープp −GaAs : Ge層である。陽子照射ワ イヤマスクを、最上部表面の右側3分の1上で用い、その表面を3X10’/i のドーズで300 keVの陽子に露出したところ、約2.8μmの深さに、損 傷が生じた。すなわち、損傷及び高抵抗率は、照射された表面から、バッファ層 まで延びた。次に、Ta=570℃で15分間、構造を7ニールした。構造をへ き関し、ステイニングしたところ、非照射部分(構造のマスクされた部分]は暗 く、高導電性を有した。それに対し、構造の照射部分は交互に暗部と明部を示し た。すなわち、明部はTa < TGa >700℃であるため高抵抗を保った Ge−ドープルGILAs層で、一方暗部はAI GaAsの場合、Ta >  T吟’(、570℃であるため高導電性に戻った均ドープ層であった。この。
構造のSEM顕微鏡は、暗色の高導電性材料中に埋込まれた0、 6μm厚のA l40Gj1.eo As : Ge 層の明るい照射部分を、あざやかに示し た。
同様な現象は、ケイ・ステイニング(K 、 5teeples)らが、IEE E Electron Device Letters (アイ・イーイーイー ・エレクトロン・デバイス・レターズ)第EDL−1巻、第5号、72頁(19 80)で述べているように、重陽子照射n形GaAs でも存在する。彼らのデ ータでは、最初の抵抗率に完全(回復することは示されていないか、我々の実験 によると、そのようなことが起るはずであることが示される。その論文の第3図 は、GaAs中のTe、、 Se 、 SL、Ge、Sn及びSの場合について 、7二一リング温度に伴う抵抗率の変化を示している。30分のアニールの場合 、&の閾値温度は約300−350℃で、Te及びseのそれは約350−40 0℃、Sのそれは約5sO−600℃、Go及びSII+のそれは約450−5 00℃であることに注意されたい。更に、この現象はInP / InGaAa Pのような他のm−■族化合物でも存在することが期待され、それらについては 、前述の文献中でも参照されている本件と同時に申請されたF 、 Capas sO(エフ・キャパツソ)らによる出願cケースl 1−3−2−41)に述べ られているように、ヘリウムイオン又は重陽子照射により、高抵抗にすることが できる。
その結果、異なるドーパントとドープした層を含む多層構造において、アニーリ ング温度を適当に選択することによシ、選択された照射層を高抵抗に保ち、一方 他の照射層は低抵抗又は高導電性に戻すことができる。更に、選択性は陽子のエ ネルギーを適当に選ぶことにより、得られる。
従って、本発明に従うと、第3図に示された型の構造は、n形及びp形GaAs  の交互の層11を含み、層が高抵抗くなるようなエネルギー及びドーズでイオ ン照射される。p形ドーパントはceでよく、TG、 > 700 ℃となり、 n形ドーパントはTeでよく、TTe、、〜350−400℃テアル。この構造 をTa 〜5oo℃で7ニールした時、n形GaAs : Te層は低抵抗(又 は高導電性)となるが、一方p形GaAs : Ge層は、高抵抗のままである 。
更に、高導電性n形層に集積化されて接続されたp−n接合17を含むデバイス チャネル15を形成するために、パターン形成されたマスク13を用いてもよい 。この方式の場合、−形GaAs : Te層は集積回路の別々のデバイスを接 続する埋込み半導体相互接続又は埋込み半導体バスバーとして用いてもよい。逆 に、p形層はT埼≦570℃であるようにAlGaAs : Mg でもよく、 n形層はTTe=”Se 〜350−400℃であるように、GaAs :Te 又はSeであってもよい。やはりTa−5oo℃におけるアニーリングにより、 n形層のみが、それらの最初の抵抗率に戻る。この方式において、第3図と同様 であるが4GmAs / GaAs p −n へテロ接合を有する構造が、実 現できる。
埋込み半導体相互接続を用いた本発明の一実施例が、第4図に概略的に示されて いる。この集積回路は、その上に高抵抗p −GaAs 層12が形成される基 板1oを含む。当業者には周知の適当な製作技術によシ、層12上に一組のデバ イスDi、D2及びD3が形成される。デバイスは相互に同一(たとえばトラン ジスタメモリセノりでもよく、相互に異ってもよい(たとえば、光集積回路中の レーザ及びFETドライバ)。デバイスD1及びD3は高抵抗p−形層19によ り、相互に電気的に分離されており、一方D1及びυ2は高導電性n −GaA s層14を通して、相互に電気的接続がされている。高抵抗p −GaAs 層 16が層14の最上部に形成され、構造全体の最上表面を平坦(Cする厚さまで 成長させるのが好ましい。従って、デバイスD1、D2及びD3は、層12゜1 4.16及び19により形成される半導体基体中に、部分的に埋込まれる。もち ろん、これらのデバイスは、具体的な用途に依存して、完全に埋込むこともでき る。
p −GaAs Ii! 12及び16の高抵抗率は、高導電層14により作ら れる導電路を除いて、デバイスD1及びD2を相互に電気的に分離する効果があ る。電気信号は埋込み相互接続として働く層14を通して、デバイスD1及びD 2間で伝達される。デバイスDI及びD2の最上部表面上の各電極18及び20 は、それぞれ外界への相互接続を可能にする。しかし、三次元の集積化も可能で 、電極18及び2,0を構造の側面又は他の位置に配置することも可能である。
Dl及びD2を有する第4図の構造の部分は、プロセス工程の以下の例に従い、 製作してもよい。周知のエピタキシャル成長技術(たとえばLPE%MBg又は CVD)を用いてp−GaAs : Ge1n−GaAs : Te及びp − GaAs : Geの三つのエピタキシャル層12.14及び16を、単結晶基 板10上に成長させる。あるいは、これらの層を局部的なイオン注入及び拡散の 一方又は両方により、形成してもよい。次に、三層に約101s/iのドーズで 1ないし複数回の陽子照射を行い、それにより、層を高抵抗(たとえば10’− 10”Ω−crn)にする。層12.14及び16の厚さに依存して、異なる深 さにある層(たとえば12及び16)を、高抵抗とするために、異なるエネルギ ーでの多数回の陽子照射を用いることも望ましい。更に、デバイスが非常に厚く 、注入機で得られる最高エネルギーにおける陽子でも、層12に到達しない場合 は、層14及び16の成長前に、層12を照射することも可能である。しかし、 このプロセスは、好ましくない。なぜならば、それはプロセス工程を複雑にし、 かつ層12の照射表面上へのエピタキシャル成長は難しくなる可能性があるから である。三つの層を陽子照射し、層の全てが高抵抗になった後、それらに制御さ れた熱処理を施し、それにより、n −lCaAs : Te層14を、低抵抗 (又は高導電性)にし、一方p−GaAs : Ge層12及び16は、高抵抗 のままとする。適当な熱処理には、フォーミングガス雰囲気中でTa−500℃ において15分間構造をアニールすることが含まれる。次に、デバイスD1及び D2が形成される。これらデバイスの製作は、チャネル通過層14及び16のエ ツチングと、各デバイスを構成する層(図示されていない)のエピタキシャル再 成長といった積重的なプロセス技術に限ってもよい。たとえば、そのようなチャ ネル中に成長させる層は、具体的なデバイス設計に依存して、適当なp−n接合 を形成することもある。あるいは、デバイスD1及びD2は、陽子照射からデバ イス領域を適当にマスクし、その後その中にドーパントを拡散又は注入すること により、層14及び16中に形成してもよい。
もちろん、これら技術の組合せを用いてもよい。デバイスD1及びD2のそれぞ れは長方形の領域を占めるように概略的に示されているが、精密な形状は用いる プロセス技術とデバイス設計の両方に依存する。従って、たとえばデバイスは当 業者には周知のように、III−V族化合物半導体中にエツチングできるV溝中 に形成してもよい。
同様にして、デバイスD1及びD3を有する構造の一部分を製作してもよい。
本発明の別の実施例が第5図に描かれており、それは埋込み半導体パスバーが、 7レイ(たとえば半導体メモリ)中のデバイスを相互接続す・るために、いかに 用いられるかを示す。高導電性n −GaAs 層32を単結晶基板34上(た とえば半絶縁性CrドープGaAB基板上)に、エピタキシャル成長させる。一 対のデバイスD1及びD2が層32上に形成され、高抵抗陽子照射p −GaA s層36により、相互に分離される。従って、デバイスD1及びD2は層32及 び36によって形成される半導体基体中に、やはり少くとも一部分が埋込まれ、 デバイス及び層36の厚さは、プレーナ構造を生ずるのに適したものである。半 導体メモリのように、バスバーとして働く層32上の電極38と、デバイスD1 の最上部にある電極41間に適当な電気信号を印加することにより、° デバイ スD1を選択的に動作させる。同様に、デバイスD2は電極38と電極43間に 信号を印加することにより、選択的に動作させる。
第5図の構造はプロセス工程の以下の例により、製作してもよい。層32及び3 6をGaAs の半絶縁性単結晶基板34上に、エピタキシャル成長させる。層 32はn −GaA3 : Teで、層34はp −GaAs : Geである 。
n −GaAB 層36に約101s/mのドーズで、1ないし複数回の陽子照 射を行い、それにより両方の層31及び36を高抵抗(たとえばl Q S − t o 9Ω−crn)にする。
となるように選ぶ。
第4図に関連して述べた5oo℃の7二−リングを含む制御された熱処理により 、n −GIIAs : To層32を低抵抗(又は高導電性)とするが、p  −GaAs : Ge層36は高抵抗のままである。陽子照射工程が完了した後 、第3図に関連して述べた技術のいずれかにより、層36中ニデバイスD1及び D2が形成される。
他の構造も考えられる。特に、第4図及び第5図の構造は、デバイスD1及びD 2を層14の陽子照射前、又は第5図の層32及び36の陽子照射前に形成する というように、異なるプロセス工程を含んでもよい。そのような場合、陽子照射 がデバイスの特性又は動作に悪影響を及ぼす可能性があるならば、デバイスD1 及びD2の最上表面を適当とマスクすることが望ましい。更に、これらの構造は n形層のみ、p形層のみ、又は二つの組合せの中の適当に選択されたドーパント を用いることによシ、実現できる。
加えて、半導体構造中の異なる高さにある埋込み導電路は、イオン打込及びドー パント依存選択アニーリングの組合せにより、製作できる。第6図を参照すると 、二つの異なるドープ層40及び42が、基板44上に形成されている。これら の層はマスクされ、エネルギーE。
においてイオン照射し、マスク48下の領域46を除いて、両方の層(基板44 中まで延びてもよい)中に高抵抗が生じるようにする。層40及び42は照射で 導入された高抵抗を7二−ルアウトするための異る閾値温度を有するように、ド ープされる。特に、層4oの抵抗率はT、でアニールアウトされるが、層42の 抵抗率はより高い温度T4□> T 4Gで7二−ルアウトされる。従って、第 7図に示され、るように、T u < ’]h < T uなる温度で構造を7 二−リングすると、層42は低抵抗(又は高導電)状態に戻り、一方層40は導 電路47を除いて、高抵抗のままである。次に、第8図に示されるように、構造 は異なる位置をマスクされ、より低いエネルギーE r < Exを有するイオ ン又はより浅い浸透深さを有するより重いイオンを照射する。その結果、層42 はマスク5o下の領域を除いて、再び高抵抗になる。後者の領域は第2の導電路 49を形成し、それは導電路47から垂直及び水平方向に、ずれている。これら の導電路は層に沿って(すなわちページ状に)延び、集積回路のデバイスを相互 接続する働きをする。更に、導電路は異なる面にあるから、それらは相互に厳密 に平行である必要はない。すなわち、それらは重なっており、直線に従う必要は ない。
アニーリング温度 イオン 国際tA査報告 ++++++++−PCT/US84101675mイ、ユA−m−w*、 P C?/l;S a410+67sA!DrEX To == ZN’rZR,N AT:ON入L SジaCM REPORT CNFor I!Iore da ta=is abou: =h=m ar、nax +紳@ 0ffiex畠L  Journal of the Evropean i’aten: 0ff ffice、No、12/E12

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.第1のドーパントを有する第1の層14及び第2のドーパントを有する第2 の層16を含む多層III−V族化合物構造(第4図)を形成することを含むデ バイスの製作方法において、 前記層が高抵抗となるようなドーズ及びエネルギーで前記層をイオン照射し、前 記第1層の抵抗率は第1の温度に加熱された時は高く保たれ、その後比較的低抵 抗率に減少し、前記第2層の抵抗率は前記第1の温度とは異る第2の温度に加熱 された時高く保たれ、その後比較的低抵抗率に減少し、 前記層を前記第1及び第2の温度の間の温度に同時に加熱し、前記第1層は低抵 抗になるが前記第2層は高抵抗のままであるようにすることを特徴とする方法。
  2. 2.請求の範囲第1項に記載された方法において、前記構造の表面上にパターン 形成されたマスクを形成することが含まれ、前記イオン照射は前記マスクの開口 を通して行われることを特徴とする方法。
  3. 3.請求の範囲第1項に記載された方法において、前記層に陽子、重陽子及びへ リウムイオンから成るグループから選択されたイオンを照射することを含むこと を特徴とする方法。
  4. 4.請求の範囲第1項に記載された方法において、前記第1のドーパントはドナ で、第2のドーパントはアクセプタであることを特徴とする方法。
  5. 5.請求の範囲第1項に記載された方法において、前記第1及び第2のドーパン トはアクセプタであることを特徴とする方法。
  6. 6.請求の範囲第1項に記載された方法において、前記第1及び第2のドーパン トはドナであることを特徴とする方法。
  7. 7.請求の範囲第2項に記載された方法において、前記第2層は前記第1層上に 形成され、前記ドーパントは前記第2の温度を前記第1の温度より高くし、前記 層を最初高導電性にする効果をもつ構造を形成することが含まれ、 前記構造をイオンが前記層の両方を貫くようなあるエネルギーで照射し、かつイ オンが本質的に前記第2層のみを貫くような低エネルギーで、構造を照射するこ とが含まれることを特徴とする方法。
JP59503952A 1983-11-28 1984-10-18 高抵抗及び低抵抗領域を有する3−5族化合物半導体デバイスの製作 Pending JPS61500521A (ja)

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