【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
【産業上の利用分野】[Industrial application field]
半導体素子製作上、不純物原子の拡散または結晶構成原
子の自己拡散は重要なプロセスである。
本発明はその拡散方法に関するものである。In the fabrication of semiconductor devices, diffusion of impurity atoms or self-diffusion of crystal constituent atoms is an important process. The present invention relates to a diffusion method thereof.
【従来の技術】[Conventional technology]
従来、半導体への不純物の拡散方法としては、Znなと
のように蒸気状態から不純物を供給したり、Siのよう
に蒸気圧の低いものは半導体表面に不純物を堆積させた
後熱処理を行うものが一般的である。また、不純物原子
をイオン状にして直接半導体中に打ち込むイオン打込み
法も盛んに行なわれている。
〔発明が解決しようとしている課題〕
近年、集束イオンビーム技術の発達により数千Å以下に
ビーム径が絞られ、極所的に不純物を注入することが可
能になった。不純物の混入により自己拡散またはへテロ
界面における相互拡散が促進されることはよく知られて
いる。集束イオンビーム法などにより微細に不純物を注
入して、エピタキシャル法により製作した超格子構造を
さらに部分的にかつ選択的に不純物注入部だけの相互拡
散を促進させて超格子の混晶化を起し、層方向にも超格
子構造を構成しようという試みも盛んである。しかし、
このような多次元超格子作製に際し、イオンビームでは
ビーム径を数十人程度に絞ることは非常に困難であり、
なおかつイオン打込みによる半導体結晶の損傷も多大で
あり回復も容易ではない。
(課題を解決するための手段J
本発明は半導体中における不純物原子の拡散または結晶
構成原子の自己拡散を促進させるために、半導体結晶に
電子線照射および熱処理を行い、かつ該熱処理を該電子
線照射と同時または該電子線照射の後に行うことを特徴
とする拡散方法である。
半導体における原子拡散機構は、半導体中における点欠
陥が支配している。一般には、その中でも空格子点が重
要な役割をはたしているといわれている。イオン打込み
による超格子構造混晶化の促進も、原子の注入によって
空格子点ができるためと考えられる6本発明では、この
空格子点形成のために電子線を利用した。電子線の集束
はイオンのそれよりも比較的容易であり、その照射に起
因する半導体結晶の損傷もイオンの場合より少ないこと
が予想される。また、不純物が混入してはこまるような
場合でも電子を使用しているので心配ない。
発明者は、不純物による超格子構造混晶化促進機構とし
て、結晶構成原子が格子点にはいった不純物原子といれ
替わりながら結晶中を拡散しているモデルを提案した。
すなわち、結晶の格子点にはいった不純物は、本来その
格子点にあるべき原子よりも飛び出しやすくその格子点
をつたわって結晶構成原子が拡散してゆくために拡散が
促進される。
このように、電子線照射によって空格子を形成し、なお
かつ前記拡散機構に基づきその空格子点に不純物または
化合物半導体の場合アンチサイト欠陥を積極的に形成し
てやれば、その部分は局所的かつ微細に拡散が促進され
る。
ドーズ量10′4〜10”am−”、加速エネルギー3
0〜+000 keV程度の範囲において本拡散方法は
好適に実施可能である。
[実施例]
実施例■
第1図に示すように、p型GaAs基板I上に分子線エ
ピタキシ(MBE)によりGaAsバッファN2を50
0nm、 AlAs層3を15nm、 GaAs量子井
戸層4を8 nm、 AlAs層5を15nmおよびG
aAsキャップ層6を10nm積層(いずれもドーピン
グなし)して単一量子井戸構造を形成した。これに、5
00 keVに加速した電子(ドーズ量I X 10”
cm−”)を1μm幅で照射し、その後As雰囲気中で
850℃で1時間熱処理した。この試料の断面を透過型
電子顕微鏡で観察したところ、電子線を照射した部分7
のGaAs量子井戸部は混晶化されていたが、そうでな
い部分の量子井戸構造はそのままであった。
本拡散方法は他の半導体または化合物半導体材料におい
ても有効であることはいうまでもない。
実施例11 。
半絶縁性GaAs基板11上にドーピングしていないG
aAsをMBEにより3μm堆積(12)させた試料に
、500 keV 、 ドーズ量I X 10”cm−
”の電子線を照射した(14)、その後表面にスパッタ
リングによりSiをlonm堆積(13)させ、 85
0℃で0.5.1および2時間それぞれ別々に熱処理し
た。その拡散面を二次イオン質量分析器で測定したとこ
ろ、いずれも電子線照射部の拡散深さは、非照射部のお
よそ3倍であった。第3図に電子線照射部と非照射部の
Si拡散深さと熱処理時間との関係を示す。
実施例III
実施例Iと同様の単一量子構造において、AIAsM中
に不純物としてSiをl X 10”cm−’ドーピン
グした。この試料に電子線を500 keV、ドーズ■
I X 10”cm−”で照射した後、He雰囲気中で
850℃、1時間熱処理を行った。そしてその断面を透
過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、やはり電
子線照射部のGaAs単一量子井戸部は混晶化していた
が、そうでない部分はそのままであった。これにより、
電子照射によって不純物による超格子構造の混晶化も起
ることがわかった。
【発明の効果1
1、不純物または自己拡散が促進される。
2、電子線照射による半導体結晶の損傷はイオン注入の
それに比べて小さい。
3、結晶構成原子以外の原子の結晶中への混入がない。
4、電子ビーム径はイオンビーム径より小さくでき、数
十人程度の微細加工が期待できる。Conventional methods for diffusing impurities into semiconductors include supplying impurities from a vapor state, such as with Zn, or depositing impurities on the semiconductor surface with low vapor pressure, such as Si, followed by heat treatment. is common. In addition, an ion implantation method in which impurity atoms are ionized and directly implanted into a semiconductor is also widely used. [Problems to be Solved by the Invention] In recent years, with the development of focused ion beam technology, the beam diameter has been narrowed down to several thousand angstroms or less, making it possible to locally implant impurities. It is well known that the incorporation of impurities promotes self-diffusion or interdiffusion at heterointerfaces. By finely implanting impurities using a focused ion beam method or the like, the superlattice structure fabricated by the epitaxial method is further partially and selectively promoted to interdiffusion only in the impurity implanted areas, causing mixed crystal formation in the superlattice. However, there are also many attempts to construct a superlattice structure in the layer direction as well. but,
When creating such a multidimensional superlattice, it is extremely difficult to narrow down the beam diameter to about a few dozen ion beams.
Furthermore, the damage to the semiconductor crystal caused by ion implantation is considerable and recovery is not easy. (Means for Solving the Problems J) The present invention involves subjecting a semiconductor crystal to electron beam irradiation and heat treatment in order to promote the diffusion of impurity atoms in a semiconductor or the self-diffusion of crystal constituent atoms. This is a diffusion method that is performed simultaneously with or after the electron beam irradiation.The atomic diffusion mechanism in semiconductors is dominated by point defects in the semiconductor.In general, vacancies are the most important among them. The promotion of superlattice structure mixed crystal formation by ion implantation is also thought to be due to the creation of vacancies by the implantation of atoms.6 In the present invention, electron beams are used to form vacancies. The focusing of electron beams is relatively easier than that of ions, and it is expected that the damage to semiconductor crystals caused by electron beam irradiation will be less than that of ions.In addition, it is difficult for impurities to get mixed in. Even in such cases, there is no need to worry because electrons are used.The inventor proposed that the mechanism for promoting superlattice structure mixed crystal formation by impurities is that the constituent atoms of the crystal diffuse through the crystal while replacing the impurity atoms that enter the lattice points. In other words, an impurity that enters a lattice point of a crystal is more likely to jump out than an atom that should originally be at that lattice point, and the constituent atoms of the crystal diffuse through that lattice point, promoting diffusion. In this way, if a vacancy is formed by electron beam irradiation, and if an impurity or an antisite defect in the case of a compound semiconductor is actively formed in the vacancy based on the above-mentioned diffusion mechanism, that part will be locally And the diffusion is finely promoted.Dose: 10'4 to 10"am-", acceleration energy: 3
This diffusion method can be suitably implemented in the range of about 0 to +000 keV. [Example] Example ■ As shown in FIG.
0 nm, AlAs layer 3 15 nm, GaAs quantum well layer 4 8 nm, AlAs layer 5 15 nm and G
A single quantum well structure was formed by stacking 10 nm of aAs cap layers 6 (none of which was doped). To this, 5
Electrons accelerated to 00 keV (dose amount I x 10”
cm-") in a width of 1 μm, and then heat-treated at 850°C for 1 hour in an As atmosphere. When the cross section of this sample was observed with a transmission electron microscope, it was found that the area 7 exposed to the electron beam was
Although the GaAs quantum well part of 1 was mixed crystal, the quantum well structure of the other part remained unchanged. It goes without saying that this diffusion method is also effective for other semiconductor or compound semiconductor materials. Example 11. Undoped G on the semi-insulating GaAs substrate 11
A sample in which aAs was deposited to a thickness of 3 μm by MBE (12) was exposed to 500 keV and a dose of I × 10” cm.
” (14), and then a lonm of Si was deposited on the surface by sputtering (13), 85
Heat treatment was performed at 0° C. for 0.5.1 and 2 hours, respectively. When the diffusion surface was measured using a secondary ion mass spectrometer, the diffusion depth in the electron beam irradiated area was approximately three times that in the non-irradiated area. FIG. 3 shows the relationship between the Si diffusion depth and the heat treatment time in the electron beam irradiated area and non-irradiated area. Example III In a single quantum structure similar to Example I, AIAsM was doped with 1×10 cm of Si as an impurity. This sample was irradiated with an electron beam at 500 keV and at a dose of
After irradiation with I.times.10"cm", heat treatment was performed at 850.degree. C. for 1 hour in a He atmosphere. When the cross section was observed using a transmission electron microscope (TEM), it was found that the GaAs single quantum well portion in the electron beam irradiated portion had become a mixed crystal, but the other portions remained as they were. This results in
It was found that electron irradiation also causes mixed crystallization of the superlattice structure due to impurities. Effects of the invention 1. Impurity or self-diffusion is promoted. 2. Damage to semiconductor crystals caused by electron beam irradiation is smaller than that caused by ion implantation. 3. No atoms other than crystal constituent atoms are mixed into the crystal. 4. The diameter of the electron beam can be made smaller than the diameter of the ion beam, making it possible to perform microfabrication by several dozen people.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第1図は電子照射によりGaAs/AlAs単一量子井
戸構造の混晶化を示した図、第2図は電子照射部にSt
を拡散した試料の断面図、第3図は実施例Ifにおける
、電子線照射部と非照射部のSj拡散深さと熱処理時間
との関係を示した図である。
1・・・・・・p型GaAs基板
2・・・・・・GaAsバッファ層
3.5・・AlAs層
4・・・・・・GaAs単一量子井戸層6・・・・・・
GaAsギャップ層
7・・・・・・電子線照射部混晶層
II・・・・・・半絶縁性GaAs基板12・・・・・
−GaASli
13・・・・・・Si堆積層
14・・・・・・電子線照射領域Figure 1 shows the mixed crystal formation of a GaAs/AlAs single quantum well structure by electron irradiation, and Figure 2 shows St in the electron irradiation area.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a sample in which Sj is diffused, and is a diagram showing the relationship between Sj diffusion depth and heat treatment time in the electron beam irradiated part and non-irradiated part in Example If. 1...P-type GaAs substrate 2...GaAs buffer layer 3.5...AlAs layer 4...GaAs single quantum well layer 6...
GaAs gap layer 7...Electron beam irradiation part mixed crystal layer II...Semi-insulating GaAs substrate 12...
-GaASli 13...Si deposited layer 14...Electron beam irradiation area