DE19751294A1 - Halbleiter-Einrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Halbleiter-Einrichtung und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Einrichtung (ein Halbleiter-Bauelement)
und ein Verfahren zu ihrer (seiner) Herstellung, sie betrifft insbesondere einen
monokristallinen Galliumnitrid-Kristall (Galliumnitrid-Einkristall) und ein Verfah
ren zu seiner Herstellung.
Es ist zu erwarten, daß ein monokristalliner Galliumnitrid-Kristall ein geeigne
tes Material für eine kurzwellige Laserlichtemission mit einer Wellenlänge von
etwa 400 nm oder ein geeignetes Material für einen Hochtemperatur- und
Hochgeschwindigkeits-Transistor ist, es ist bisher jedoch noch nicht gelungen
einen homogenen monokristallinen Galliumnitrid-Kristall herzustellen.
Ein konventionelles Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Einrichtung wird
nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 6(a), 6(b) und 6(c) beschrieben.
Wie in den Fig. 6(a) und 6(b) dargestellt, wird auf einem monokristallinen
(einkristallinen) Substrat 1 aus Saphir bei einer Temperatur von 500°C in einer
Sauerstoff-Atmosphäre unter Verwendung einer Zerstäubungs-Vorrichtung
eine Zinkoxidschicht 2 mit einer Filmdicke von 500 Å (50 nm) gebildet. Danach
wird das monokristalline Substrat 1, das der Bildung der Zinkoxidschicht 2
dient, aus der Zerstäubungs-Vorrichtung entfernt, die Temperatur des mono
kristallinen Substrats 1 wird unter Verwendung einer Halogenid-VPE-Vor
richtung auf 1000°C erhöht und Ammoniak und Galliumchlorid, gebildet
durch Umsetzung zwischen metallischem Gallium und Chlorwasserstoffsäure
gas, werden in die Halogenid-VPE-Vorrichtung eingeleitet zur Bildung eines
Galliumnitrid-Kristalls 3 in einer Filmdicke von etwa 100 µm, wie in Fig. 6(c)
dargestellt.
Auf diese Weise erfolgt das Kristallwachstum des Galliumnitrid-Kristalls im
allgemeinen durch heteroepitaxiales Wachstum unter Verwendung von Saphir
als monokristallinem Substrat 1.
Die Gitterkonstante der Zinkoxidschicht 2 beträgt 3,250 Å (0,3250 nm) in
Richtung der a-Achse des hexagonalen Systems, liegt somit nahe bei der Git
terkonstanten 3,189 Å (0,3189 nm) von Galliumnitrid und wird somit verwendet
zum Ausgleich der Gitter-Fehlanpassung zwischen Saphir und Galliumnitrid.
Bei der Herstellung des Galliumnitrid-Kristalls nach dem konventionellen Ver
fahren zur Herstellung einer Halbleiter-Einrichtung kann jedoch, da das mono
kristalline Substrat auf eine hohe Temperatur von etwa 1000°C erhitzt wird, die
eine für das Wachstum von Galliumnitrid geeignete Temperatur ist, aus der
Zinkoxidschicht Sauerstoff verdampfen, so daß sich die Zinkoxidschicht zer
setzt, oder die Zinkoxidschicht kann durch Ammoniumchlorid, das durch Reak
tion des Ausgangsmaterial-Gases gebildet worden ist, geätzt werden. Infolge
dessen ist es möglich, daß die Zinkoxidschicht ungleichförmig ist, und es war
daher schwierig, auf der gesamten Oberfläche auf der Zinkoxidschicht einen
homogenen Galliumnitrid-Kristall mit einer guten Reproduzierbarkeit zu erzeu
gen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Halbleiter-Einrichtung aus
einem homogenen Galliumnitrid-Kristall und ein Verfahren anzugeben, mit
dessen Hilfe es möglich ist, eine solche Halbleiter-Einrichtung mit einer guten
Reproduzierbarkeit herzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist charakterisiert durch die Bildung einer Zinkoxid
schicht auf einem monokristallinen (einkristallinen) Substrat und die Bildung
einer ersten Galliumnitridschicht in einem Temperatur-Bereich von 0 bis 900°C
und die anschließende Bildung einer zweiten Galliumnitridschicht in einem
Temperatur-Bereich von 900 bis 2000°C. Daher wird erfindungsgemäß in dem
Verfahren zur Bildung der zweiten Galliumnitridschicht eine Zersetzung der
Zinkoxidschicht als Folge der Verdampfung von Sauerstoff aus der Zinkoxid
schicht oder durch eine Ätzung durch das Reaktionsgas wirksam verhindert,
da die Zinkoxidschicht durch die erste Galliumnitridschicht geschützt ist.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1(a), 1(b), 1(c) und 1(d) Schnittansichten, die das Verfahren zur Herstel
lung einer Halbleiter-Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Er
findung erläutern;
Fig. 2 ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeit,
der Temperatur und dem Reaktionsgas in dem gleichen Herstellungsverfahren
zeigt;
Fig. 3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) Schnittansichten, die das Verfahren zur Herstel
lung einer Halbleiter-Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung zeigen;
Fig. 4 ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeit,
der Temperatur und dem Reaktionsgas in dem gleichen Herstellungsverfahren
zeigt;
Fig. 5(a), 5(b), 5(c), 5(d) und 5(e) Schnittansichten, die das Verfahren zur
Herstellung einer Halbleiter-Einrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung erläutert; und
Fig. 6 eine Schnittansicht, die ein konventionelles Verfahren zur Herstellung
einer Halbleiter-Einrichtung erläutert.
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Einrichtung
wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen näher beschrieben.
Wie in den Fig. 1(a) und 1(b) dargestellt, wird durch Zerstäuben eines Zin
koxid-Targets in einer Sauerstoff-Atmosphäre von 0,01 Torr (1,33 Pa) unter
Verwendung einer Zerstäubungs-Vorrichtung eine Zinkoxidschicht 2 in einer
Filmdicke von etwa 500 Å (50 nm) auf einem monokristallinen (einkristallinen)
Substrat 1 aus Saphir gebildet und dann wird, wie in Fig. 1(c) dargestellt,
durch Zerstäuben eines Galliumnitrid-Targets, während die Substrat-Tempera
tur in einer Stickstoff-Atmosphäre von 0,01 Torr (1,33 Pa) bei 500°C gehalten
wird, ein erster Galliumnitrid-Kristall 4 in einer Filmdicke von etwa 500 Å (50
nm) gebildet.
Da der erste Galliumnitrid-Kristall 4 bei einer niedrigen Temperatur von 500°C
gebildet wird, wird die Zinkoxidschicht 2 nicht zersetzt durch Verdampfen von
Sauerstoff aus der Zinkoxidschicht 2 oder die Zinkoxidschicht 2 wird nicht ge
ätzt durch Ammoniumchlorid, das durch Reaktion des Ausgangsmaterialgases
gebildet worden ist, andererseits wird, da der erste Galliumnitrid-Kristall 4 bei
einer niedrigen Temperatur von 500°C gebildet wird, dieser polykristallin.
Infolgedessen wird in einer Ammoniak-Atmosphäre der erste Galliumnitrid-Kri
stall 4 von einem Zeitpunkt T1 bis zu einem Zeitpunkt T2 von Raumtempe
ratur auf 1000°C erhitzt. Durch dieses Erhitzungs-Verfahren wird der polykri
stalline erste Galliumnitrid-Kristall 4 schwach monokristallin (einkristallin) ge
macht. Da dieses Erhitzungs-Verfahren in einer Ammoniak-Atmosphäre durch
geführt wird, kann eine Verdampfung von Stickstoff aus dem ersten Galliumni
trid-Kristall 4 verhindert werden.
Darüber hinaus wird, während die Substrat-Temperatur von dem Zeitpunkt T2
bis zum Zeitpunkt T3 bei 1000°C gehalten wird, durch Einführung von Ammo
niak und Galliumchlorid, das durch Umsetzung zwischen metallischem Gallium
und Chlorwasserstoffsäuregas gebildet wird, in eine Halogenid-VPE-Vorrich
tung ein zweiter Galliumnitrid-Kristall 5 in einer Filmdicke von etwa 100 µm
gebildet, wie in Fig. 1(d) dargestellt. Dieser zweite Galliumnitrid-Kristall 5 wird
auf dem ersten Galliumnitrid-Kristall 4 mit einem passenden Gitter gebildet und
die Bildungs-Temperatur beträgt bis zu 1000°C, so daß auf der gesamten
Oberfläche ein einheitlicher Einkristall gebildet wird.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Oberflächen-Kontamination der Zin
koxidschicht 2 verhindert werden, da der erste Galliumnitrid-Kristall auf der
Zinkoxidschicht 2 gebildet wird, ohne daß die Zinkoxidschicht 2 der Atmosphä
re ausgesetzt ist.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Halbleiter-Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung
näher beschrieben.
Zuerst wird durch Zerstäubung eines Zinkoxid-Targets in einer Sauerstoff-Atmo
sphäre von 0,01 Torr (1,33 Pa) eine Zinkoxidschicht 2 mit einer Filmdicke
von etwa 500 Å (50 nm) auf einem monokristallinen (einkristallinen) Substrat 1
aus Saphir gebildet, wie in den Fig. 3(a) und 3(b) dargestellt.
Danach wird in einer Halogenid-VPE-Vorrichtung, während das monokristalline
Substrat von einem Zeitpunkt T6 bis zu einem Zeitpunkt T7 bei einer Tempera
tur von 500°C gehalten wird, ein erster Galliumnitrid-Kristall 4 mit einer
Filmdicke von etwa 500 Å (50 nm) auf der Zinkoxidschicht 2 gebildet, wie in
Fig. 3(c) dargestellt, durch das Reaktionsgas, das aus Ammoniak und Galli
umchlorid besteht, das durch Umsetzung von metallischem Gallium mit Chlor
wasserstoffsäuregas gebildet worden ist.
Danach wird der erste Galliumnitrid-Kristall 4 von einem Zeitpunkt T7 bis zu
einem Zeitpunkt T8 in einer Ammoniak-Atmosphäre erhitzt. Durch dieses Er
hitzungs-Verfahren wird der erste Galliumnitrid-Kristall 4 schwach monokri
stallin gemacht. Da dieses Erhitzungs-Verfahren in einer Ammoniak-Atmo
sphäre durchgeführt wird, kann eine Verdampfung von Stickstoff aus der ersten
Galliumnitridschicht 4 verhindert werden.
Darüber hinaus wird, während die Substrat-Temperatur von dem Zeitpunkt T8
bis zum Zeitpunkt T9 bei 1000°C gehalten wird, durch Einführen von Ammoni
ak und Galliumchlorid in die Halogenid-VPE-Vorrichtung ein zweiter Galliumni
trid-Kristall 5 in einer Filmdicke von etwa 100 µm gebildet, wie in Fig. 3(d)
dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform kann in gleicher Weise wie bei der ersten Ausfüh
rungsform ein einheitlicher monokristalliner (einkristalliner) zweiter Galliumni
trid-Kristall 5 auf der gesamten Oberfläche erhalten werden.
Auch bei dieser Ausführungsform kann, da der zweite Galliumnitrid-Kristall 5
auf dem ersten Galliumnitrid-Kristall 4 gebildet wird, ohne daß der erste Galli
umnitrid-Kristall 4 der Atmosphäre ausgesetzt ist, eine Oberflächen-Kon
tamination des ersten Galliumnitrid-Kristalls 4 verhindert werden.
Die Fig. 5(a) bis 5(e) zeigen Verfahrens-Schnittansichten, die ein Verfahren
zur Herstellung einer Halbleiter-Einrichtung gemäß einer dritten Ausführungs
form der Erfindung erläutern, und das in den Fig. 5(a) bis 5(d) dargestellte
Verfahren ist das gleiche Verfahren, wie es in den Fig. 1(a) bis 1(d) oder in
den Fig. 3(a) bis 3(d) dargestellt wird, nach dem der monokristalline
(einkristalline) zweite Galliumnitrid-Kristall 5 hergestellt wird.
Nach der Bildung des zweiten Galliumnitrid-Kristalls 5 in dem in Fig. 5(d) dar
gestellten Verfahren, wird das monokristalline (einkristalline) Substrat 1, auf
dem nacheinander die Zinkoxidschicht 2, der erste Galliumnitrid-Kristall 4 und
der zweite Galliumnitrid-Kristall 5 gebildet worden sind, in Königswasser
(Salpetersäure:Chlorwasserstoffsäure = 1 : 3) eingetaucht und die Zinkoxid
schicht 2 wird durch Ätzen entfernt, wie in Fig. 5(e) darstellt, so daß das
monokristalline (einkristalline) Substrat 1 abgezogen und entfernt wird. Als
Folge davon werden der erste Galliumnitrid-Kristall 4 und der zweite Galliumni
trid-Kristall 5 in Form eines einzigen Galliumnitrid-Substrats erhalten. Das so
erhaltene Galliumnitrid-Substrat weist eine elektrische Leitfähigkeit vom n-Typ
auf.
Auf diesem Galliumnitrid-Substrat vom n-Typ werden Galliumnitrid vom n-Typ
und Galliumnitrid vom p-Typ nacheinander gebildet, beispielsweise unter An
wendung eines organischen Metall-Gasphasen-Wachstums-Verfahrens, und
auf beiden Seiten des Galliumnitrid-Substrats vom n-Typ und des Galliumni
trid-Substrats vom p-Typ werden Elektroden gebildet, so daß nach einem sehr
einfachen Verfahren eine Diode mit pn-Übergang hergestellt werden kann. Da
dieses organische Metallgasphasen-Wachstums-Verfahren ein Kristallwachs
tums-Verfahren darstellt, das frei von einer Gitterfehlanpassung ist, weist das
erhaltene Galliumnitrid eine ausgezeichnete Kristallinität auf und bei dieser
Ausführungsform werden daher ausgezeichnete elektrische Eigenschaften,
beispielsweise ein hoher Lichtemissions-Wirkungsgrad und eine hohe Feuch
tigkeits-Beständigkeit in umgekehrter Richtung erhalten.
Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen sollte vom praktischen
Standpunkt aus betrachtet die Bildungs-Temperatur des ersten Galliumnitrid-Kri
stalls 4 und des zweiten Galliumnitrid-Kristalls 5 vorzugsweise 0°C oder
mehr bzw. 2000°C oder weniger betragen.
Wie vorstehend beschrieben, können nach dem erfindungsgemäßen Verfah
ren zur Herstellung einer Halbleiter-Einrichtung Galliumnitrid-Kristalle aus ei
nem einheitlichen Einkristall erhalten werden.
Claims (6)
1. Halbleiter-Einrichtung, gekennzeichnet durch ein monokristallines
(einkristallines) Substrat, eine auf dem monokristallinen (einkristallinen)
Substrat gebildete Zinkoxidschicht, einen auf der Zinkoxidschicht gebildeten
ersten Galliumnitrid-Kristall und einen auf dem ersten Galliumnitrid-Kristall
gebildeten zweiten Galliumnitrid-Kristall.
2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Einrichtung, dadurch ge
kennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
Bildung einer Zinkoxidschicht auf einem monokristallinen (einkristallinen) Substrat,
Bildung eines ersten Galliumnitrid-Kristalls auf der genannten Zinkoxidschicht in einem Temperatur-Bereich von 0 bis 900°C und
Bildung eines zweiten Galliumnitrid-Kristalls auf dem ersten Gallium nitrid-Kristall in einem Temperatur-Bereich von 900 bis 2000°C.
Bildung einer Zinkoxidschicht auf einem monokristallinen (einkristallinen) Substrat,
Bildung eines ersten Galliumnitrid-Kristalls auf der genannten Zinkoxidschicht in einem Temperatur-Bereich von 0 bis 900°C und
Bildung eines zweiten Galliumnitrid-Kristalls auf dem ersten Gallium nitrid-Kristall in einem Temperatur-Bereich von 900 bis 2000°C.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der
Bildung des zweiten Galliumnitrid-Kristalls die Zinkoxidschicht und der erste
Galliumnitrid-Kristall voneinander getrennt werden
4. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
es außerdem die Stufe umfaßt:
Erhitzen des monokristallinen (einkristallinen) Substrats in einer Stickstoff-Ver
bindungs-Atmosphäre nach der Bildung des erstes Galliumnitrid-Kristalls
und vor der Bildung des zweiten Galliumnitrid-Kristalls.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zinkoxidschicht und der erste Galliumnitrid-Kristall kon
tinuierlich gebildet werden, ohne der Atmosphäre ausgesetzt zu sein.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zinkoxidschicht, der erste Galliumnitrid-Kristall und der
zweite Galliumnitrid-Kristall kontinuierlich gebildet werden, ohne der Atmo
sphäre ausgesetzt zu sein.
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