DE1521804C3 - Verfahren zum chemischen Polieren von Substraten der III- V- Verbindungshalbleiter - Google Patents

Verfahren zum chemischen Polieren von Substraten der III- V- Verbindungshalbleiter

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Description

3 4
ausgesetzt sind, das mit einer oder mehreren Korn- benutzt, jedoch können andere Halogenwasserstoff-
,Tonenten des zu polierenden Korpers untersättigt ist. verbindungen in gleicher Weise benutzt werden. Es
Zur Einstellung der Feinheit der polierten Ober- sei angemerkt, daß die Bedingungen bei der Be-
flächen kann der Sättigungsgrad verändert werden. nutzung anderer Halogenwasserstoffverbindungsn
Die im Gasgemisch enthaltenen Komponenten des 5 bezüglich der Temperatur, bei welcher der Polier-
ru polierenden Körpers greifen direkt in den Polier- Vorgang eintritt, etwas abweichende Werte aufweisen,
Vorgang ein und bestimmen somit im wesentlichen aber es gibt keinerlei Grund zu der Annahme, daß
die Abtragungsgeschwindigkeit. der Poliervorgang bei geeigneten Temperaturen und
Bei einem weiteren vorgeschlagenen Verfahren bei Benutzung von Gasen der Gruppe V des Perizum Herstellen reiner Oberflächen von Halbleiter- io odischen Systems der Elemente grundsätzlich nicht körpern mit Hilfe eines halogenwasseistoffhaltigen ebenfalls möglich sein sollte. Der Halogenwasser-Gasgemisches, das neben dem Halogenwasserstoff Stoffgenerator 2 besteht aus einer erhitzten Jodquelle, Wasser und eine Halogenverbindung des Halbleiter- die eine Wasserstoff-Jod-Mischung in Gasform abstoffs enthält, wird dieses Gasgemisch für die Dauer gibt. Diese Mischung aus Wasserstoff und Jod von 1 bis 60 Minuten über den Halbleiterkörper bei 15 passiert weiter ein erhitztes Platinbett, wobei sich einer Temperatur von etwa 50 bis 500° C unterhalb die gewünschte Jodwasserstoffverbindung bildet. seiner Schmelztemperatur geleitet. Dabei findet eine Eine detaillierte Beschreibung eines derartigen Jod-Ätzreaktion im Sinne einer regelbaren Abtragung Wasserstoffgenerators findet man in einem Artikel der Oberfläche des Halbleiterkörpers statt. Die im »Journal of the Electrochemical Society«, Halogenverbindung des Halbleiterstoffs wirkt direkt ao Vol. 112, Nr. 3, vom März 1965, auf Seite 315 von auf den Ätzvorgang ein. A. Reismaη und M. Berkenblit unter dem
Beide genannten Verfahren berücksichtigen nicht Titel »Substrate Orientation Effects and Germanium
die Tatsache, daß bei Verbindungshalbleitern bei Epitaxy in a open Tube HJ Transport System«,
hohen Temperaturen eine Dissoziation des Halbleiters Nach Bildung des Jodwasserstoffes wird dieser von
eintreten kann. Bei dieser Dissoziation wird eine as dem Wasserstoffgas in die Queile 3 transportiert,
Komponente des Halbleiters an dessen Oberfläche einem Gefäß, welches Material der Gruppe V des
entfernt, wodurch eine Schicht übrigbleibt, die im Periodischen Systems der Elemente enthält. Dieses
wesentlichen nur aus der anderen Komponente wird mittels einer geeigneten Vorrichtung auf eine
besteht. Temperatur erhitzt, die ausreicht, das entsprechende
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Auf- 30 Element der Gruppe V auf den gewünschten Druck gäbe zugrunde, ein Verfahren zum Polieren von innerhalb des Systems zu bringen. Das Vorhanden-Halbleitersubstraten aus IH-V-Verbindungshalb- sein eines bestimmten Partialdruckes des Gases der leitermaterial im Bereich zwischen einer Minimal- V. Gruppe dient dazu, eine Dissoziation des Vertemperatur und der Schmelztemperatur des Halb- bindungshalbleiters zu verhindern, die sich ohne leiters aufzuzeigen, das eine Dissoziation des Halb- 35 besondere zusätzliche Maßnahme bei dessen Aufleitermaterials verhindert und glatte, zum anschlie- heizung auf die zur Durchführung des Poliervorgangs ßenden epitaktischen Aufwachsen von Halbleiter- erforderlichen Temperatur einstellen würde,
material geeignete Oberflächen liefert und das sich Elemente der Gruppe V des Periodischen Systems, durch einfache und leicht zu steuernde Verfahrens- wie Arsen, Phosphor und Antimon, können in Verschritte auszeichnet. 40 bindung mit Verbindungshalbleitern III-V beispiels-
Die obige Aufgabe wird bei dem anfangs genann- weise in Arseniden, Phosphiden und Antimoniden
ten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß des Galliums und Indiums benutzt werden. Um bei
die Reaktion in Abwesenheit einer gasförmigen einem Verbindungshalbleiter, z.B. bei Galliumarsenid,
Komponente des im Halbleiter enthaltenen Elementes eine Polierwirkung zu erhalten — hierbei entspricht
der V. Gruppe des Periodischen Systems der EIe- 45 das Gallium dem Kation und das Arsen dem Anion
mente durchgeführt wird und daß der Partialdruck der Verbindung — muß, wie bereits erwähnt, eine
dieser dampfförmigen Komponente größer ist als Dissoziation der zu behandelnden Verbindung ver-
derjenige des im Halbleiter enthaltenen Elementes hindert werden. Zu diesem Zwecke wird das Element
der V. Gruppe des Periodischen Systems der EIe- aus der V. Spalte des Periodischen Systems benutzt,
mente. 5° wobei der Gasdruck dieses Elementes demjenigen
Einzelheiten der Erfindung gehen aus eier folgen- des Anions der zu schätzenden Verbindung ent-
den Beschreibung eines bevorzugten Ausführungs- sprechen muß. Wird daher Galliumarsenid als Ver-
beispiels sowie aus den Zeichnungen hervor; in die- bindungshalbleiter benutzt, so ist Arsen maß-
sen bedeutet gebend für die Einstellung des gewünschten Gas-
F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum 55 druckes. Bei Indiumantimonid trifft dies für Antimon
Polieren von Substraten eines Verbindungshalbleiters zu, und bei Galliumphosphid legt der Phosphor den
nach der Lehre der vorliegenden Erfindung, genannten Gasdruck fest.
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer etwas modifi- Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zierten Vorrichtung zum Polieren eines Substrates wird im folgenden an einem speziellen Ausführungseiner III-V-Halbleiterverbindung. 60 Idspiel unter Benutzung von Galliumarsenid als
In der Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Appa- Ill-V-Verbindungshalbleiter beschrieben, wobei das
ratur gezeigt, welche ;sur Durchführung des Verfah- Galliumarsenid-Substrat einem Poliervorgang unter-
rens nach der Erfindung geeignet ist. Eine Wasser- zogen werden soll. Es versteht sich aber, daß auch
stoffquelle 1, welche das Trägergas liefert, ist mit andere, weiter unten genannte Verbindungshalbleiter
dem Halogenwasserstoffgenerator 2 verbunden. In 65 im wesentlichen in der gleichen Weise behandelt
dem der Beschreibung zugrunde liegenden speziellen werden können.
Verfahren nach der Lehre der vorliegenden Erfin- Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird der Wasserstoff
dune wird als Halogenwasserstoff Jodwasserstoff der Quelle 1, der Jodwasserstoffdampf des Genera-
tors 2 und der Arsendampt der Quelle 3 in eine ser Form anwesende Arsen nimmt an der Reaktion Polierkammer 4 weitergeleitet, welche in einer geeig- selbst nicht teil. Die Wirkung dieses Gasdruckanteils neten Weise auf eine Temperatur aufgeheizt wird, besteht lediglich darin, eine Dissoziation des Galliumdie zur Realisierung des Poliereffektes des in der arsenidsubstrates zu unterbinden. Polierkammer angebrachten Galliumarsenidsubstra- 5 Ein Gaspolierverfahren, wie es im vorstehenden tes ausreicht. Als hierfür geeignete Temperatur beschrieben wurde, kann durchgeführt werden mit wurde der Bereich von 1000° C bis unmittelbar Substraten aus Galliumarsenid, welche zuvor einem unterhalb des Schmelzpunktes des Galliumarsenids Läpp- oder einem chemischen Polier-Prozeß unter-(124O0C) als brauchbar gefunden. Ohne weitere worfen wurden. Es wurde jedoch herausgefunden, zusätzliche Maßnahmen würde jedoch eine Disso- »o daß eine unerwünschte Abrundung von Ecken stattziation des Galliumarsenids eintreten, und es würde findet, wenn mechanisch geläppte Galliumarsenidausschließlich Arsen von der Oberfläche des Gal- substrate dem Verfahren zugrunde gelegt werden, liumarsenidsubstrates entfernt, wobei eine Schicht Durch Benutzung chemisch polierter Substrate kann übrgbleiben würde, die im wesentlichen aus reinem dieser Eckenabrundungseffekt vermieden werden, da Gallium besteht. Diese Dissoziation des Gallium- 15 in diesem Falle die Zeit des eigentlichen Gaspoliearsenids wird verhindert durch Erzeugung und Auf- rens klein gehalten werden kann; infolgedessen ist rechterhaltung eines Überschußdruckes von Arsengas (sofern ebene Oberflächen gewünscht werden) ein innerhalb der Polierkammer 4. Bei einer Ätzung bei chemisches Vorpolieren vor dem eigentlichen Gas-1000° C innerhalb der Polierkammer 4 wird hierzu polierprozeß zu empfehlen.
ein Arsendruck von 15 Torr benutzt, und bei Tem- ao Ein geeignetes chemisches Polierverfahren wurde peraturen von 1100 und 1200° C sind Arsenpartial- von A. Reisman und R. L. Rohr unter dem Titel drücke von 60 und 300 Torr ausreichend zur Ver- »Chemical Polishing of a Substrate« vorgeschlagen. hinderung der Dissoziation. Experimentelle Ergebnisse zeigten, daß es möglich
Die in F i g. 1 gezeigte Polierkammer 4 kann auch ist, alle Substrate ohne Rücksicht auf ihre spezielle als Niederschlagskammer benutzt werden, indem »5 kristallographische Orientierung mittels eines Gasman diese einfach mit der Quelle S verbindet, die polierverfahrens zu behandeln. Die minimal veraus einem Gefäß mit dem niederzuschlagenden wendbare Poliertemperatur jedoch scheint von die-Material besteht Das Halbleitermaterial kann Ger- ser Orientierung abzuhängen. Zum Beispiel kann ein manium oder Galliumarsenid oder auch eine andere Substrat aus Galliumarsenid mit einer [111]-A-Orien-Halbleitersubstanz sein, die epitaktisch niedergeschla- 30 tierung bei Temperaturen von HOO0C bis geringgen werden soll. Die polierten Substrate müssen in- fügig unterhalb des Schmelzpunktes des Galliumfolge dieser zusätzlich erweiterten Vorrichtung aus arsenitls (1240° C) poliert werden, jedoch nicht ihrer schützenden Umhüllung nicht entfernt werden, unterhalb von 11000C. Ein Substrat aus Gallmmvielmehr kann der Niederschlagsschritt unmittelbar arsenid mit einer Orientierung [Hl]B kann jedoch auf den Polierschritt folgen. Das Bezugszeichen 6 be- 35 poliert werden bei Temperaturen von etwa 1000° C zeichnet einen Ausgang aus dem System, der in die bis geringfügig unterhalb des Schmelzpunktes von umgebende Atmosphäre führt. Ein derartiges System Galliumarsenid. Es sei bemerkt daß die zu wählenwird ein offenes oder ein mit offenem Gefäß arbei- den Temperaturen darin kritisch sind, daß ein Poiiertendes System genannt; die Summe der Partialdriicke effekt nicht erreichbar ist bei Temperaturen, die under verschiedenen benutzten Dampfarter. sind hierbei 40 terhalb der genannten Mindestwerte liegen, auch gleich dem Atmosphärendruck. wenn bei diesen niedrigeren Temperaturen ein Atz-
In Fig. 1 und 2 kann der Halogenwasserstoff- effekt stattfindet welcher mit der Entstehung von generator 2 ersetzt werden durch emen Tank, welcher rohen, mit Atzgruben durchsetzten Oberflächen verJodwasserstoff enthält. Ein solcher ist käuflich bunden ist.
erhältlich und ist durch den Block 7 in Fig. 2 « Die folgenden kristallographischen Orientierungen angedeutet In Fig. 1 wurde der Block 3 beschrieben sind andere Beispiele von Galliumarsenidsubstratals eine Quelle aus festem Arsen oder einem anderen Onentierungen, welche mittels eines Gaspolierver-Element der V. SpaUe des Periodischen Systems, je- fahrens bei Temperaturen von HOO0C und bei doch kann auch eine Verbindung aus Arsen, Anti- Arsenpartialdrüeke von etwa 60 Torr behandelt mon oder Phosphor benutzt werden, welche durch 50 wurden. Zersetzung elementares Arsen, Antimon oder Phos- /21Π Α phor abgibt Als Verbindungen sind beispielsweise /211SB AsH3, SbH, oder PH, geeignet Der Block 8 in Fi g. 2 ) j Q0; bedeutet eine Quelle einer Verbindung der Gruppe V * - - -'
sskssessss
in die Poherkammer 4 eingeführt, so reagieren der
Jodwasserstoff and das Galliumarsenid und bilden Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Er-
hierbei das Monojodid und das Trijodid des Galliums 65 findung scheint der Druck, mit welchem der Halogen-
und gleichzeitig Arsen in der Gasphase. Das hierbei wasserstoff eingeführt wird, nicht kritisch zu sein
anfallende Arsen in der Gasphase addiert sich zu Der Parüaldruck des Gases der Spalte V des System;
dem bereits vorhandenen Arsengasdruck. Das in die- der Periodischen Elemente jedoch muß wenigstens
gleich sein dem Dissoziationsdruck des III-V-Verbindungshalbleiters bei der innerhalb der Polierkammer herrschenden Temperatur.
Bezüglich der Flußraten der benutzten Konstituenden versteht sich, daß die Qualität des Polier-
effektes nicht von diesen abhängt. Jedoch ist be rigeren Flußraten das System größeren relative derungen der Materialabtragsraten bezüglic Substrates ausgesetzt, als dies bei höheren FIu der Fall ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. wurden große Anstrengungen unternommen, geeig-
    .. . nete Verfahren zum Polieren von Materialien wie
    Patentansprüche: SilSum Germanium und Verbindungshalbleiter-
    1. Verfahren zum chemischen Polieren von ^*f*?%*?£%^Ue™a^ bekannt, bei Substraten der ffl-V-Verbindungshalbleiter, bei 5 Es^ sindI gewisse oaspg j „ der Bedi dem das zu polierende Substrat mit einem ^^"^^Xf^ederschlagsapparatur in der Wasserstoffhalogenid im Gasstrom zur Reaktion ge η 'nn°™™ ^^ en Keimes vorausgesetzt wird, gebracht wird und diese Reaktion zwischen einer gfjJ^J^fJÄ darin, daß das Material für den Poliervorgang erforderlichen Minimal- Die Pol jryjrtung Je , ^ temperatur und der Schmelztemperatur des zu « 2εΓδΐ2"^™η^;εοι wfrd, auf die das Halbbehandelnden Verbindungshalbleiter* stattfindet, ^™°£f™^?£nd epitaktisch wieder aufdadurch gekennzeichnet daß d,,Re- le™"erden kann. Derartige Systeme sind veraktion in Anwesenheit einer gasformigen Korn- gewacnseri wci eeeenüber den Temperatuponente des im Halbleiter enthaltenen Elementes haltmsmaß g.emP°n™d^g A n ufrechterhaltung einer Zr V. Gruppe des Periodischen Systems der ,5 ren f-J^X^o'daB WmSuS die-Elemente durchgeführt wird und daß der Partial- definierten Gasphase, so aau 0. druck dieser dampfförmigen Komponente größer ser Voraussetzungen die K.onstituenae; 3^ °em ist als derjenige des im Halbleiter enthaltenen Substratknstall eher abgetragen als autgewacnsen
    des Periodischen werden Kombinationen von mechanischem
    .TcSjrSTp^^pnKh 1, dadurch undÄhern ^^^^
    gekennzeichnet, daß ein mit offenem Gefäß aje^a^ot nwi^^^
    arbeitendes System benutzt wird. von miKrosKupiM-u ... weiche letzten
    3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch z. B. von dünnen ™^*£^™
    gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Substrat 25 Endes die anschließend aufbrachten niec
    aus GaAs besteht und daß die Reaktion bei min- genen Schichten ""S""1
    destens 1000° C durchgeführt und zur Unter- wird in manchen ™!e^"h™ J"^1
    drückung einer Dissoziation des GaAs ein Arsen- kristallograph.sche Onemierune auf dem
    gasdruck von 15 bis 300 Torr aufrechterhalten ' " '*'"
    wird. 30
    Wird. 30 ZWai 1!1 fclllV» vuv, .. _
    4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch nicht in allen kristallographischen Richtungen durchgekennzeichnet, daß die zu behandelnden Sub- geführt werden kann. Schließlich kann ein Polierstrate aus den Arseniden, Phosphiden oder Anti- verfahren, welches für einen Halbleiter durchführbar moniden des Galliums oder des Indiums be- ist, bei einem anderen Halbleiter undurchführbar stehen. 35 sein, insbesondere wenn es sich um ein Gaspolier
    verfahren handelt. An dieser Stelle soll zunächst
    etwas gesagt werden über den Unterschied zwischen
    dem Begriff des Ätzens und demjenigen des Polierens. Unter besonderer Berücksichtigung von Gas-40 polierverfahren werden diese Begriffe am besten
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein dadurch definiert, daß man den Charakter der durch Verfahren zum chemischen Polieren von Substraten die jeweiligen Verfahren hervorgerufenen Oberder III-V-Verbindungshalbleiter, bei dem das zu flächen betrachtet. Der Begriff des Polierens betrifft polierende Substrat mit einem Wasserstoffhalogenid ein Verfahren, bei dem Material unter Anstrebung im Gasstrom zur Reaktion gebracht wird und diese 45 einer glatten, fehlerfreien und von Ungleichmäßig-Reaktion zwischen einer für den Poliervorgang keiten freien Oberfläche abgelöst wird; der Begriff erforderlichen Minimaltemperatur und der Schmelz- »Ätzen« wird angewendet für ein Verfahren, bei temperatur des zu behandelnden Verbindungshalb- dem Material mit dem Ergebnis einer rauhen, mit leiters stattfindet. Das genannte Verfahren gestattet Ätzgruben durchsetzten Oberfläche abgetragen wird. die Herstellung glatter polierter Substrate, die sehr 50 Beim Polieren kann man auch mit einer rauhen, geeignet für eine anschließende epitaktische Be- mit Ätzgruben durchsetzten Oberfläche beginnen, schichtung sind. jedoch resultiert nach einem weiteren Verlauf des
    Eine der wichtigsten Voraussetzungen bei jeder Prozesses eine glatte Oberfläche ohne Ätzgruben, epitaktischen Beschichtung besteht darin, von einem Nach einem durchgeführten Ätzverfahren wird das glatten, polierten Substrat auszugehen, auf welches 55 Ausgangsmaterial, ob es nun zu Beginn poliert oder die epitaktischen Niederschläge aufgewachsen wer- rauh bzw. von Ätzgruben durchzogen war, nach den. Bei epitaktischen Kristallzüchtungsprozessen dem Abschluß des Verfahrens rauh erscheinen und wird die kristalline Struktur des niedergeschlagenen mit Ätzgruben behaftet sein. Während das Ätzen Materials stark beeinflußt oder geradezu gesteuert leicht durchgeführt werden kann, da die Vorausdurch die kristalline Struktur, welche das nieder- 60 Setzungen hierfür einen breiten Variationsbereich geschlagene Material auf dem Substrat vorfindet. aufweisen, ist ein Polieren, wenn überhaupt, nur Daher werden strukturelle Kristallunvollkommen- mit bestimmten Ätzmitteln und, wie später noch heiten oder durch eine mechanische Bearbeitung wie gezeigt werden wird, auch dann nur unter ganz Sägen, Läppen usw. oder einfach durch die Hand- besonderen Voraussetzungen durchführbar, habung an der Atmosphäre entstandene Schäden 65 Es wurde bereits ein Verfahren zum chemischen leicht innerhalb der epitaktisch niedergeschlagenen Feinpolieren vorgeschlagen, bei dem zu polierende Materialschichten reproduziert, wodurch sich in der Plättchen einen mit ihnen reagierenden und daher Regel weniger brauchbare Schichten ergeben. Daher eine Abtragung bewirkenden Gas oder Gasgemisch
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