СТРУКТУРА НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01L29/06 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении ИС на арсениде галлия.

Известна структура для ИС на арсениде галлия, включающая субмикронный слой из нелегированного арсенида галлия, расположенная между субмикронным слоем арсенида галлия n-типа проводимости и полуизолирующей подложкой [1]. Упомянутый нелегированный слой называют буферным слоем, так как его функциональное назначение блокировать распространение дефектов подложки и акцепторной примеси, в ней содержащейся, в слой n-типа проводимости (в активный слой). В указанной структуре электрическая изоляция изготовленных активных элементов ИС (например, полевых транзисторов Шоттки) осуществляется посредством радиационных дефектов, генерируемых в слое n-типа проводимости в пространстве между активными элементами ИС (имплантация протонов либо бора с высокой энергией), а изоляция активных элементов по толще подложки предполагается обеспеченной за счет использования полуизолирующей подложки (уд. сопр. ≈10¹⁰ Ом ˙мм).

Однако на практике изоляция элементов по подложке оказывается неудовлетворительной, что проявляется при рабочих режимах в возникновении паразитных связей между активными топологически несвязанными элементами. Указанный эффект определяют как паразитное управление на подложке (ЭУП). В результате выход годных ИС на арсениде галлия не превышает 1-3%.

Проведенные нами исследования стандартных структур для ИС показали, что конкретные проявления эффектов паразитного управления связаны с особенностями генерационно-рекомбинационных процессов, протекающих с участием двух типов ловушек в полуизолирующих подложках. Основной причиной модуляции является накопление отрицательного заряда вблизи границы канал (подложка из-за эмиссии дырок с ловушек с энергией 0,78 эВ по механизму Френкеля-Пула. Влияние донорного центра (неконтролируемый "фоновый" уровень проявляется в пороговом характере эффектов модуляции, а также во временной задержке переднего фронта импульса тока стока в динамическом режиме работы ИС. Пороговые величины напряжений для ЭУП, обеспечиваемые донорными "фоновыми" ловушками, незначительны (2-3В), что не способствует устойчивости работы ИС из-за ЭУП.

Попытки заменить характер компенсирующей примеси в подложке (например, акцепторные центры, связанные с хромом, заменить на центры типа ЕL2) потребовали более тонкого владения ростовой технологией и в настоящее время пока не привели к успеху [2]. Связано это с тем, что помимо ЕL2 центров в подложке возникают неконтролируемые глубокие центры акцепторной природы, приводящие к ЭУП.

Целью изобретения является устранение эффекта паразитного управления по подложке, для чего в структуре, содержащей буферный субмикронный слой GaAs, расположенный между субмикронным слоем n-типа проводимости и полуизолирующей подложкой, буферный слой выполняют в виде чередующейся последовательности слоев одного типа проводимости и δ-легированных слоев противоположного типа проводимости, а соотношения между поверхностной концентрацией N_δр каждого из δ-слоев и произведением концентрации N_n на толщину d_n в каждом из нелегированных слоев таково:
N _δp = N_n x d_n.

Положительный эффект от введения буферных слоев в виде чередующихся слаболегированных δ-слоев одного типа проводимости и слоев другого типа проводимости заключается в их взаимном обеднении за счет контактной разности потенциалов между ними. Это позволяет удалить активный слой, на котором сформированы ИС, от подложки на расстояния γ_n x d_n, где γ- число пар слоев, например, δр^--n^-, а d_n-≈0,7 мкм - предельная толщина буферного слоя в прототипе (N_n≈5 ˙10¹⁴ - 10¹⁵ см^-3).

Исследования показали, что реально указанным способом удается удалить активный слой на 2,5-3,0 мкм от подложки, т.е. от области локализации заряда, генерируемого с ловушек подложки, это приводит к ослаблению абсолютных величин изменения заряда в активном слое в отношении толщин буферных слоев прототипа и заявляемой структуры:
= = = γ.

Кроме того, за счет падения части напряжения на толще буферного слоя также произойдет увеличение порога ЭУП (удельное сопротивление буферного слоя из решетки δр^--n^- слоев ≥10⁹ Ом˙см), что при четырех периодах составляет значения > 10 кОм для площади паразитного электрода ≈20 мкм².

На чертеже изображена предлагаемая структура.

На полуизолирующей подложке 1 расположены последовательно чередующиеся нелегированные слои 2 n-типа проводимости, толщиной 0,7 мкм с концентрацией фоновой примеси донорного типа ≈10¹⁵см^-3 и слаболегированные δр^- слои 3 с концентрацией акцепторов ≈5˙10¹⁰ см^-2, повторенные четыре раза, затем слой 4 n-типа проводимости с концентрацией ≈10¹⁷ см^-3 и толщиной ≈0,22 мкм.

Результаты измерения ЭУП в таких структурах дали величину пороговых напряжений для ЭУП свыше - 15В при комнатных температурах в условиях фоновых освещений.

Технические преимущества заявляемой структуры перед прототипом заключаются в повышении плотности интеграции ИС и увеличении выхода годных ИС на арсениде галлия, так как плотность расположения активных элементов в плоскости пластины уже не будет ограничиваться предельными пороговыми полями ЭУП.

Применение: изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении ИС на арсениде галлия. Сущность: структура включает субмикронный буферный слой, расположенный между подложкой и субмикронным слоем арсенида галлия n - типа проводимости. Буферный слой выполнен в виде последовательности чередующихся слоев арсенида галлия одного типа проводимости и δ-легированного слоя противоположного типа проводимости, причем поверхностная концентрация легирующей примеси каждого d-слоя удовлетворяет соотношению, приведенному в описании. 1 ил.

СТРУКТУРА НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ, включающая субмикронный буферный слой, расположенный между подложкой и субмикронным слоем арсенида галлия n-типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью уменьшения эффекта паразитного управления по подложке, буферный слой выполнен в виде последовательно чередующихся слоев арсенида галлия одного типа проводимости, и δ -легированного слоя противоположного типа проводимости, при этом поверхностная концентрация легирующей примеси каждого δ-слоя удовлетворяет соотношению
N_δp= Nd_n, ,
где N_δp - поверхностная концентрация легирующей примеси δ - слоя, см^-2;
Nd_n - концентрация легирующей примеси, см^-3, и толщина слоя с другим (по отношению к δ -слою) n^- типом проводимости.