DE19856245A1 - Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird, wird zur Herstellung unterschiedlicher Schichten zwischen unterschiedlichen Trägergasen gewechselt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird.
Zur Herstellung von Halbleiterschichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy = MOVPE oder metalorganic chemical vapor deposition = MOCVD) auf einem Träger (Substrat) eignen sich insbesondere Halbleiter bestehend aus III-V- und II-VI-Verbindungen, d. h. binäre stöchiometrische Verbindungen sowie ternäre oder quaternäre nichtstöchiometrische Mischkristalle, bestehend aus Elementen der Gruppen III (Aluminium, Gallium, Indium) und V (Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon) des Periodensystems sowie solche aus Elementen der Gruppen II (Magnesium, Zink, Cadmium, Quecksilber) und VI (Schwefel, Selen, Tellur). Einige Beispiele für Halbleiter mit binären Verbindungen sind GaAs, GaN, InP oder ZnSe. Ternäre Halbleiter sind z. B. AlGaAs, GaInAs, GaInP, AlGaN oder InAsSb. Unter die quaternären Halbleiter fallen GaInAsP, AlGaInAs, AlGaInP oder MgZnSSe.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung von Mehrfachschichten, d. h. Schichtstrukturen bestehend aus Halbleiterschichten unterschiedlicher Zusammensetzung, die in einem Arbeitsgang aus feststoffbildenden Substanzen (Prozeßgasen) nacheinander abgeschieden werden. Diese Schichten können als Volumenschichten oder als Quantenfilme gitterangepaßt oder gitterfehlangepaßt auf geeigneten Substraten, z. B. GaAs, InP oder Saphir, abgeschieden werden. Während der Fertigung werden die Prozeßgase jeweils zu Beginn einer neuen Schicht gewechselt oder die Gasflüsse neu eingestellt.
Für die Verwendung derartiger Schichtstrukturen zur Produktion optischer oder elektronischer Bauelemente müssen die Schichtdicken und bei nichtstöchiometrischen Mischkristallen auch die chemische Zusammensetzung der einzelnen Schichten der Schichtstruktur gewissen Anforderungen bezüglich ihrer lateralen Homogenität über die Waferfläche genügen. Diese Anforderungen gelten speziell für die Schichten innerhalb der Schichtstruktur, welche großen Einfluß auf die Eigenschaften des Bauelements haben. Die aktive Schicht einer Laserdiode ist dafür ein Beispiel. Je höher die Homogenität ist, umso höher ist die Fertigungsausbeute von Bauelementen mit den geforderten Kenndaten und umso geringer ist der erforderliche Kontrollaufwand bei der Produktion. Wichtig sind für die Produktion mittels MOVPE aber auch die Abscheidedauer und Verbrauch von Prozeßgasen. Eine höhere Wachstumsrate verringert die Dauer eines Wachstumsprozesses und spart teures Prozeßgas.
Bei dem bekannten Epitaxieverfahren MOVPE werden die für die gewünschte Schichtstruktur erforderlichen chemischen Elemente als gasförmige Verbindungen (Prozeßgase) verdünnt in einem Trägergas (z. B. Wasserstoff) bei definiertem Druck in eine Reaktorkammer geleitet, wo sie sich an einem heißen Suszeptor erhitzen, zerfallen und auf einem heißen Substrat als einkristalliner Film abgeschieden werden.
Bei der MOVPE sind die Schichtdicke und die chemische Zusammensetzung der epitaktischen Schichten im allgemeinen nicht völlig homogen. Eine inhomogene chemische Zusammensetzung kann nur bei ternären und quaternären Mischkristallen auftreten, prinzipiell jedoch nicht bei binären stöchiometrischen Verbindungen. Die laterale Inhomogenität hat u. a. folgende Gründe: Die Prozeßgase scheiden sich an allen heißen Flächen, also auf dem Substrat, dem Suszeptor und an den Seitenwänden und der Decke der Reaktorkammer ab. Die Prozeßgase erfahren somit eine Verarmung in Strömungsrichtung und wegen der Abscheidung an den Seitenwänden auch eine Verarmung quer zur Strömungsrichtung. Beides bewirkt eine Schichtinhomogenität. Ferner führen lokale Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit, der Gastemperatur und der Substrattemperatur zu inhomogener Abscheidung.
Um eine möglichst gute Homogenität zu erreichen, werden bekanntermaßen folgende Maßnahmen getroffen: Die Geometrie der Reaktorkammer und des Gaseinlaßsystems werden so konstruiert, daß das Gasgemisch möglichst gut vermischt und mit homogener Geschwindigkeit über das Substrat strömt. Das Substrat rotiert während der Abscheidung, um Inhomogenitäten auszugleichen. Die Heizung und die Form des Suszeptors werden so ausgelegt, daß das Gasgemisch und das Substrat eine möglichst homogene Temperatur haben. Ferner wird die Schichthomogenität durch geeignete Wahl der Prozeßparameter optimiert. Dazu gehören die Substrattemperatur, der Reaktordruck, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit sowie die Art und der Partialdruck der Prozeßgase und des Trägergases.
Als Trägergas für die MOVPE wird üblicherweise Wasserstoff verwendet. Stickstoff als Trägergas wird lediglich seit kurzem in einigen wenigen Forschungslabors eingesetzt. Die Bevorzugung des Wasserstoffs rührt daher, daß die erforderliche Gasreinheit bei H2 seit Jahrzehnten mittels Palladium-Diffusionszellen erreichbar ist, während N2 von der notwendigen Reinheit mit vertretbarem Aufwand erst seit wenigen Jahren mittels sogenannter Getter-Zellen erzeugt werden kann.
Der Anteil des Trägergases am Gesamtstrom bei der MOVPE liegt in der Regel über 90%. Die physikalischen Eigenschaften des Trägergases haben daher einen starken Einfluß auf den Wachstumsprozeß und auf die laterale Homogenität. Dies wird unten genauer erläutert.
In Jochum S. et al. "Very high compositional homogeneity of 1.55 µm strain-compensated InGaAsP MQW structures by MOVPE under N2 atmosphere", Proc. Int. Conf. MOVPE IX, La Jolla, USA, 5/31/98-6/4/98, J. Crystal Growth (im Druck) wird beschrieben, wie N2 als Trägergas bei der Fertigung von Laserdioden eingesetzt wird. Siehe dazu ferner Piataev, V. et al.: "Strain-compensated MQW InGaAsP/InGaAsP gain- and index-coupled laser arrays grown by MOVPE under N2". Proc. 10th Int. Conf. InP and Related Materials, Tsukuba, Japan, May 1998, IEEE Catalog 98H36129, S. 357 und Kuphal, E. et al.: "Higher yield of 1.55 µm DFB lasers through MOVPE growth under N2 atmosphere with excellent homogeneity". Proc. 4th Int. Workshop EXMATEC, Cardiff, Wales, 21.-24. Juni 1998, J. Mater. Science and Engineering (im Druck).
Die Homogenität der gefertigten Schichten ist unter N2-Trägergas besser als unter H2. Dies ist dadurch zu begründen, daß zum einen die Wärmeleitfähigkeit von N2 um den Faktor 6,6 geringer als diejenige von H2 ist, was bewirkt, daß der vertikale Temperaturgradient über dem Suszeptor steiler ist. Dies bewirkt eine Verringerung der Deposition an den Reaktorwänden und eine geringere Verarmung der Gasphase, was die Homogenität verbessert. Zweitens ist die Diffusion der Prozeßgase durch das Trägergas N2 geringer als durch H2. Damit ist auch die Dicke der Diffusionsgrenzschicht δ in N2 dünner. Dies bedeutet, daß nur eine geringe Schichthöhe des über dem Substrat strömenden Gases zum epitaktischen Wachstum beiträgt. Damit wird der Einfluß der Reaktordecke und der Reaktorseitenwände vermindert, was die Homogenität ebenfalls verbessert.
Das Trägergas N2 hat jedoch den Nachteil, daß die Wachstumsrate rg kleiner ist als unter H2.
Das Verhältnis der Wachstumsraten rg(N2)/rg(H2) ist bei dem üblicherweise angewendeten diffusionsbegrenzten Wachstum gegeben durch das Verhältnis der oben erwähnten Diffusionsgrenzschichtdicken δ, welche wiederum proportional zur Wurzel aus dem Diffusionskoeffizienten D des betrachteten Prozeßgases im Trägergas sind. Für das Beispiel des Prozeßgases Trimethylgallium (TMGa) gilt:
rg(N2)/rg(H2) = δ(N2)/δ(H2) = (DN2,TMGa/DH2,TMGa)½ = 0,49. (1a)
Für das Prozeßgas Trimethylindium (TMIn) ergibt sich entsprechend:
rg(N2)/rg(H2) = 0,48. (1b)
Eine große Zahl von InGaAsP-Proben wurde unter Verwendung von TMGa und TMIn abgeschieden. Der Mittelwert der Verhältnisse der experimentell bestimmten Wachstumsraten unter N2 und H2 beträgt in sehr guter Übereinstimmung mit den theoretischen Werten nach Gleichung (1):
rg(N2)/rg(H2) = 0,48 ± 0,02 (2)
Die Wachstumsrate unter H2 ist also bei gleichen Wachstumsbedingungen gut doppelt so hoch wie unter N2. Dies ist gleichbedeutend mit einer Halbierung der Wachstumszeit und des Gasverbrauchs. Die Gaskosten sind im wesentlichen bestimmt durch die Kosten der Prozeßgase und nicht des Trägergases. Ferner ist bei einer höheren Wachstumsrate die Einbaueffizienz (die auf dem Substrat abgeschiedene Materialmenge bezogen auf die eingesetzte Prozeßgasmenge) höher, und somit entsteht auch weniger Abgas von unverbrauchten Prozeßgasen. Diese Abgase müssen chemisch gebunden und umweltgerecht entsorgt werden, was ebenfalls kostenintensiv ist. Vom Standpunkt der wirtschaftlichen Produktion aus gesehen ist also das Trägergas H2 dem N2 vorzuziehen wegen der kürzeren Fertigungszeit, der geringeren Gaskosten und der geringeren Entsorgungskosten. Aus Schichten innerhalb der Schichtstruktur, die mit stark diffundierenden Elementen (z. B. Zink) dotiert sind, kann ein Teil der Dotieratome während des Epitaxieprozesses bei hoher Temperatur in darunter- oder darüberliegende Schichten ausdiffundieren. Diese unerwünschte Ausdiffusion ist umso geringer, je kürzer der Epitaxieprozeß andauert, d. h. je größer rg ist. Auch im Hinblick auf minimale Ausdiffusion ist demnach das Trägergas Wasserstoff dem Stickstoff vorzuziehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine wirtschaftliche Massenfertigung mehrschichtiger Halbleiterstrukturen von guter lateraler Homogenität bei geringer Fertigungsdauer und geringem Materialverbrauch ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Herstellung unterschiedlicher Schichten zwischen unterschiedlichen Trägergasen gewechselt wird. Auf diese Weise können Schichten innerhalb der herzustellenden Schichtstruktur, die eine hohe laterale Homogenität erfordern, mit einem dafür günstigen Trägergas, beispielsweise Stickstoff, abgeschieden werden, wohingegen Schichten, welche nur eine geringe laterale Homogenität erfordern, aber wegen ihrer großen Schichtdicke mit einer höheren Wachstumsrate abgeschieden werden sollen, mit einem anderen Trägergas, wie Wasserstoff, gefertigt werden.
Indem beispielsweise die Trägergase H2 und N2 während der Wachstumsprozesse der einzelnen Schichten gewechselt werden, können die Vorteile beider Trägergase im gleichen Fertigungsgang in der jeweiligen Schicht genutzt werden. Für den Wechsel der Trägergase sind schaltbare Ventile vorgesehen, welche den Zustrom der Trägergase in den Reaktor steuern.
Insbesondere können auch die Fertigungsdauer und damit die Herstellkosten erheblich verkürzt werden, da für Strukturen, welche hochgenaue dünne Schichten aufweisen, ein für diese Schichten gut geeignetes Trägergas verwendet werden kann. Zur Fertigung der übrigen, dickeren Schichten werden weiterhin Trägergase verwendet, welche eine hohe Wachstumsrate ermöglichen.
Aufgrund der durch Wechseln der Trägergase ermöglichten guten Homogenität der dünneren Schichten erhöht sich die Fertigungsausbeute bei der Herstellung mehrschichtiger Halbleiterstrukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich gegenüber den bislang verwendeten Verfahren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß als Trägergase Wasserstoff und Stickstoff verwendet werden. Die Verwendung anderer Trägergase ist jedoch nicht ausgeschlossen.
Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß als unterschiedliche Trägergase Mischungen von Trägergasen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet werden. Die physikalischen Eigenschaften dieser Gasmischungen resultieren aus der gewichteten Mittelung der Eigenschaften der reinen Gase. Daraus ergibt sich der Einfluß des Mischungsverhältnisses auf die Schichthomogenität und die Wachstumsrate.
Zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen, beispielsweise einer Laserdiode, ist bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als Trägergas eine erste Schicht von einem Leitfähigkeitstyp (n oder p) auf das Substrat aufgebracht wird, daß zur Bildung der aktiven Schicht unter Verwendung von überwiegend Stickstoff als Trägergas eine zweite, dünnere Mischkristall-Schichtenfolge aufgebracht wird und daß schließlich wiederum unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als Trägergas wenigstens eine weitere, dicke Schicht vom anderen Leitfähigkeitstyp (p oder n) aufgebracht wird.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon wird anhand mehrerer Figuren nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 das Verhalten der Schichthomogenität bei Verwendung von N2 und H2 als Trägergas und
Fig. 2 den Aufbau einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Laserstruktur.
Fig. 1 zeigt die drastische Verbesserung der Schichthomogenität bei Verwendung von N2 gegenüber H2 als Trägergas bei zwei Abscheideversuchen mit ansonsten identischen Prozeßparametern. Abgeschieden wurden kompensiert verspannte InGaAsP-Vielfachpotentialtopf (multi-quantum well = MQW)-Strukturen, welche eine Wellenlänge der Photolumineszenz von ca. 1550 nm aufweisen und für die Erzeugung von Laserdioden für die optische Nachrichtentechnik verwendet werden. Die Wellenlänge der Photolumineszenz ist ein Maß für die Homogenität der chemischen Zusammensetzung und der Schichtdicken dieser Schichtstruktur. In Fig. 1 wurde die Photolumineszenzwellenlänge lambda punktweise über 40 mm längs des Durchmessers (x) einer 50 mm-Scheibe gemessen. Die Standardabweichung σ(lambda) der Wellenlänge vom Mittelwert beträgt in diesem Beispiel 0.55 nm unter N2 und 6.50 nm unter H2, und die Differenz Delta lambda zwischen maximaler und minimaler Wellenlänge beträgt 2.0 nm unter N2 und 20.5 nm unter H2. Um eine sehr gute laterale Homogenität zu erzielen, ist demnach das Trägergas N2 dem H2 vorzuziehen.
Die Halbleiterschichtstrukturen zur Herstellung von optischen und elektronischen Bauelementen, wie etwa Laserdioden, optische Wellenleiter oder Transistoren, enthalten in der Regel dünne Mischkristallschichten, die eine sehr gute laterale Homogenität erfordern, und dicke binäre Schichten, bei denen die Homogenitätsanforderungen nur gering sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel einer durch Epitaxie erzeugten Halbleiterlaserstruktur erläutert. Fig. 2 zeigt schematisch den typischen Aufbau einer Laserstruktur auf einem InP-Substrat 1 (Dicke 350 µm). Auf dem Substrat 1 wird zunächst eine dicke binäre Pufferschicht 2 (Dicke ca. 500 nm) aus InP unter überwiegend H2 als Trägergas abgeschieden. Es folgt die als aktive Schicht dienende dünne MQW-Schichtstruktur 3 (Dicke ca. 200 nm) mit alternierend aufgeschichteten InGaAsP-Schichten verschiedener quaternärer Zusammensetzung mit hoher Anforderung an die Homogenität. Die aktive Schicht 3 muß sehr homogen sein, weil die Zusammensetzungen und Schichtdicken dieser Schicht 3 die Wellenlänge der Laserstrahlung bestimmen. Die aktive Schicht wird daher unter überwiegend N2 als Trägergas abgeschieden. Darüber folgt eine dicke binäre Mantelschicht 4 (Dicke ca. 2000 nm) aus InP, die wiederum unter überwiegend H2 als Trägergas abgeschieden wird. Bei den dicken binären Schichten 2, 4 kann in diesem Fall keine Schwankung der Zusammensetzung auftreten, da das InP eine stöchiometrische Verbindung ist; eine Inhomogenität der InP-Schichtdicken, welche aus der Verwendung von Wasserstoff als Trägergas resultiert, ist für das Bauelement nicht kritisch. Somit werden zur Fertigung der Laserdiode gemäß Fig. 2 zusammen über 90% der gesamten Schichtdicke mit der durch die Verwendung von H2 als Trägergas erhöhten Wachstumsrate gefertigt.
Der in einer Laserdiode erforderliche p-n-Übergang wird dadurch erzeugt, daß die Pufferschicht 2 n-dotiert und die Mantelschicht 4 p-dotiert wird oder umgekehrt. Das für InP als p-Dotierstoff üblicherweise verwendete Zink weist ein erhöhtes Diffusionsvermögen bei der Abscheidetemperatur auf, so daß eine störende Ausdiffusion in die aktive Schicht 3 stattfinden kann. Dieses Verhalten wird dadurch minimiert, daß der gesamte Abscheideprozeß relativ kurz ist, da fast die gesamte Schichtdicke bei erhöhter Wachstumsrate unter Wasserstoff als Trägergas stattfindet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung unterschiedlicher Schichten (2, 3, 4) zwischen unterschiedlichen Trägergasen gewechselt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergase Wasserstoff und Stickstoff verwendet werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als unterschiedliche Trägergase Mischungen von Trägergasen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet werden.
4. Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen durch Epitaxie feststoffbildender, in einem Trägergas verdünnter Prozeßgase auf einem zur Herstellung der Schichten erhitzten Substrat, mit welchem das Gemisch aus Trägergas und den Prozeßgasen in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als Trägergas eine erste Schicht (2) von einem Leitfähigkeitstyp (n oder p) auf das Substrat (1) aufgebracht wird, daß zur Bildung der aktiven Schicht unter Verwendung von überwiegend Stickstoff als Trägergas eine zweite, dünnere Mischkristall-Schichtenfolge (3) aufgebracht wird und daß schließlich wiederum unter Verwendung von überwiegend Wasserstoff als Trägergas wenigstens eine weitere, dicke Schicht (4) vom anderen Leitfähigkeitstyp (p oder n) aufgebracht wird.
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