DE2313768B2 - Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschfchtdiode - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschfchtdiode

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschichtdiode, bei dem auf ein Galliumarsenidsubstrat durch Überleiten einer Arsentrichloridströmung in Wasserstoffträgergas in Gegenwart von Gallium und einem Dotierstoff eine erste epitaktische Galliumarsenidschicht und auf dieser eine zweite epitaktische, sehr dünne Galliumarsenidschicht niedergeschlagen werden und bei dem ein Ohmscher Kontakt und an der zweiten Epitaxieschicht ein Schottky-Sperrschichtkontakt erzeugt werden.
In den letzten Jahren begann man sich für integrierte Mikrowellenschaltungen auf Galliumarsenid-Basis zu interessieren. Galliumarsenid weist spezifische Widerstände von mehr als 106 Ohm cm auf und eignet sich deshalb alls ein Substrat, das die einzelnen Komponenten elektrisch isolieren kann. Außerdem kann Galliumarsenid die Übertragungsverluste in einer integrierten Schaltung minimalisieren und ist insbesondere zur Verwendung bei Schottky-Sperrschichtdioden, die als Varaktoren und als Mischer dienen, geeignet.
Die Schottky-Sperrschichtdiode ist ein sehr verhreitetes und leicht herzustellendes Bauelement und weist nur minimale parasitäre Eigenschaften auf, was ihre überlegene Arbeitsweise im Mikrowellenbereich bewirkt. Obwohl zahllos erprobt, ist diese Diode für die höheren Mikrowellenfrequeiizen nur beschränkt geeigne», was vor allem darauf zurückzuführen ist, daß keine selektiven Galliumarsenid-Niederschläge dünner als 0,5 μΐη erreicht werden konnten, sber teils auch darauf, daß kein hinreichend steiles Dotierungsprofil erhalten werden konnte, d. h. keine hinreichend
ίο kurze Übergangszone zwischen verschieden dotierten GaAs-Zonen.
Aus der USA.-Patentschrift 3612958 ist ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Problem einer unerwünschten
»5 Selbstdotierung durch Diffusion von Dotierstoffen aus dem Substrat in die aufwachsende Epitaxieschicht, also eine unerwünschte Verflachung des Dotierprofils dadurch umgangen wird, daß als Dotierstoffe Zinn, Germanium oder Silicium benutzt werden.
»· Weiterhin ist es bekannt (»Japanese Journal of Applied Physics« Band 11, 1972, Seiten 110 bis 111) bei der Züchtung von GaAs-Schichten aus einem Reaktionsgemisch von Arsentrichlorid und Wasserstoff auf einem GaAs-Substrat eine Ätzbehandlung, die im
«5 übrigen durch zusätzliche Arsentrichlorid-Zufuhr zum für die Züchtung vorgesehenen Reaktionsgasgemisch erfolgt, vorzuschalten, um Oberflächenschäden am Substrat abzutragen und so zu n-n + Grenzflächen mit einem Übergangsbereich kleiner als 0,5 μπι zu
gelangen. Bei derartig hohen Arsentrichloridkonzentrationen läßt sich aber die Ätzung nur schwierig steuern und führt leicht zu ungleichmäßigem Angriff und damit zu unebenen Substratflächen. Außerdem wird dort auch nicht das Problem angesprochen, wie zum Erhalt von nur 0,1 μπι dicken GaAs-Epitaxieschichten vorgegangen werden könnte. Das Problem derart extrem dünner, nichtsdestoweniger aber hoch qualitativer GaAs-Epitaxieschichten bleibt also dort ungelöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so auszubilden, daß GaAs-Epitaxieschichten von nur 0,1 μπι Dicke erhalten werden und daß ein steiles Dotierungsprofil erzeugt wird.
Diese Aufgabe ist nun für das einleitend beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die erste, eine Dicke von 6 bis 8 μπι und eine Ladungsträgerkonzentration von 3 X 1018 bis 5 X 1018 Atome/cm3 aufweisende Epitaxieschicht einer Arsen-
5· trichloridströmungin einem heliumhaltigen Trägergas zur Ätzung und zur Herstellung einer Dotierstoffkonzentration von 5 X 1015 bis 2 X 1017 Atome/cm3 ausgesetzt wird und daß auf die geätzte Schicht die zweite Epitaxieschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 μπι und einer Ladungsträgerkonzentration von 5 X 1015 bis 2 X 1017 Atome/cm3 niedergeschlagen wird und daß der Ohmsche Kontakt an der ersten Epitaxieschicht erzeugt wird.
Durch diese Rückätzung der ersten Epitaxieschicht
Co und der sie begleitenden Ausdiffusion im Oberflächenbereich kann einerseits ein sehr steiler Abfall in der Dotierstoff konzentration erreicht werden, und andererseits erhält man wegen der unverändert gebliebenen Arsentrichloridkonzentration im Reak- tionsgas einen vergleichsweiscn milden Ätzangriff und damit eine vollkommen glatte Unterlage für die zweite Epitaxieschicht. Es ist daher ohne weiteres möglich, eine auch nur 0,1 bis 0,2 μπι dicke zweite Galliumar-
senidschicht epitaktisch aufwachsen zu lassen, wobei zugleich ein sehr steiler Dotierstoffkonzentrationsabf all aufrechterhalten werden kann, weil die zweite epitaktische Schicht mit praktisch derselben Dotierstoffkonzentration wie die Oberflächenkonzentration der ersten Epitaxieschicht aufwächst.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun beschrieben und an Hand der Zeichnungen erläutert winden. Die Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung, die zur Realisierung des vorliegenden Ausführungsbeispiels geeignet ist,
Fig. 2 eine geschnitten dargestellte Vorderansicht eines Galliumarsenidsubstrates, das zur Anwendung im Rahmen des Ausfuhrungsbeispiels geeignet ist,
Fig. 3 eine geschnitten dargestellte Vorderansicht des in Fig. 2 gezeigten Bauelementes, nach dem eine hochdotierte Galliumarsenidschicht darauf epitaktisch niedergeschlagen wurde,
Fig. 4 eine geschnitten dargestellte Vorderansicht des in Fig. 3 gezeigten Bauelementes, nach dem darauf eine zweite Schicht epitaktisch niedergeschlagen wurde, und
Fig. 5 eine geschnitten dargestellte Vorderansicht des in Fig. 4 gezeigten Bauelementes nach der Anbringung elektrischer Kontakte.
Die Fig. 1 stellt die Einrichtung schematisch dar, mit deren Hilfe das Ausführungsbeispiel verwirklicht wird. Dort ist eine Sättigeranlage 11 mit einem Behälter 12 für Arsentrichlorid bzw. Leitungen 13,14 und 14a zum Zuführen und Ableiten von Wasserstoff und Helium zur bzw. von der Sättigeranlage dargestellt. Die Anlage enthält ferner eine Wasserstoffquelle 15, eine Heliumquelle 16, einen Wasserstoffverteiler 17 oder Reiniger, einen Einlaß 18 zum Zuführen eines Dotierstoffes zur Sättigeranlage, einen Einlaß 19 zur Zuführung von Stickstoff zur Sättigeranlage und ein Ventil 20 zur Regulierung des Ausflusses. Die Einrichtung enthält ferner einen Ofen 21 mit einem darin angeordneten Muffenrohr 22 und Quarzreaktionsrohr 23.
Bei der Anwendung des Züchtungsverfahrens wird zunächst die Reaktionskammer erwärmt und Wasserstoff aus der Quelle 15 durch Palladium-Silber-Membranen in Reiniger 17 diffundiert. Der Wasserstoff strömt durch Regelventile zum Behälter 12 für Arsentrichlorid und befördert das Arsentrichlorid zur Reaktionskammer 23.
Außerdem dient die Wasserstoffströmung zur Kontrolle der Verdünnung der Arsentrichloridströmung und des Dotierstofftransportes. Der Behälter 12 wird während der Kristallzüchtung auf einer Temperatur zwischen 15 und 25° C und der Wasserstoffdurchsatz bei 300 bis 400 cm3/Minute gehalten.
Nach vor Einleitung des Dampf transportverfahrens wird eine Galliumquelle 24 in die Reaktionskammer 23 eingebracht, die auch noch ein geeignetes Substrat 25 enthält, das in der Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist.
Das für die Reaktionskammer gewählte Substrat ist halbisolierendes Galliumarsenid mit einem maximalen spezifischen Widerstand von 109 Ohm-Zentimeter. Derartige Materialien werden allgemein entweder durch Sauerstoff- oder Chromdotierungsverfahren, die Fachleuten gut bekannt sind, hergestellt. Es ist für integrierte Mikrowellenschaltungen besonders vorteilhaft, Materialien mit hohem spezifischen Widerstand zu verwende n, um die Übertragungsverluste zu minimalisieren, und um die erforderliche elektrische Isolierung zwischen den Komponenten in einer Schaltung vorzusehen.
Um wieder auf das Züchtungsverfahren zurückzukommen: Die Reaktionskair mer wird so lange erwärmt, bis das Gallium eine Temperatur von 750° C und das Substrat eine Temperatur von 800° C erreicht, wo das epitaktische Wachstum mit einer Wachstumsgeschwindigkeit zwischen 0,2 und 0,3 Mi-
l'» krometer/Minute beginnt. Eine epitaktische Galliumarsenidschicht 31 (Fig. 3) wird bis zu einer Dicke von 6 bis 8 Mikrometer aufwachsen gelassen, wobei durch den Zusatz eines geeigneten Dotierstoffes, z. B. Schwefel, Selen u. dgl. zur Reaktionskammer die Ladungsträgerkonzentration zwischen 3 X 1018 und 5XlO18 Atomen/cm3 gehalten wird. Die Dicke und Ladungsträgerkonzentration der Epitaxieschicht 31 wird durch Überlegungen, die mit dem gewünschten spezifischen Widerstand der niedergeschlagenen
*o Schicht zusammenhängen, bestimmt.
Der nächste Schritt zur Durchführung des erfindungsg?mäßen Ausführungsbeispiels betrifft die Ätzung der Epitaxieschicht 31, wobei gleichzeitig ein Dotierstoffausgleich bewirkt, d. h. eine Dotierstoff-
»5 konzen'iation von 5 Χ 1015 bis 2 X 1017 Atomen/cm3 hergestellt wird. Das wird in der Reaktionsumgebung vorteilhaft durch Zusetzen von Helium hohen Reinheitsgrades (99,9999% Reinheit) zum Wasserstoff trägergas und Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten erreicht, so daß der Heliumdurchsatz 350 bis 450 cm'/Minute und der Wasserstoffdurchsatz 50 bis 20 cm3/ Minute beträgt, wodurch die Ätzung der Epitaxieschicht 31 mit einer Geschwindigkeit von 0,2 bis 0,5 Mikrometer/Minute abläuft und die höhere Geschwindigkeit dem geringeren Wasserstoffdurchsatz und umgekehrt entspricht. Die Ätzung wird fortgeführt, bis 3 bis 3V2 Mikrometer von der Epitaxieschicht 31 fortgeätzt sind. In diesem Augenblick wird die Heliumströmung unterbrochen, der Wasserstoff-
durchsatz wieder auf 300 bis 400 cm3/Minute eingestellt und eine epitaktische Galliumarsenidschicht 32 (Fig. 4) 1 bis 2 Minuten lang 0,1 bis 0,2 Mikrometer dick niedergeschlagen. Nach den oben gemachten Ausführungen beträgt die Ladungsträgerkonzentra-
♦5 tion der Epitaxieschicht 32 5 XiO15 bis 2 x 1017 Atome/cm3. Untersuchungen der sich daraus ergebenden Struktur zeigen einen glatten, gleichmäßigen Übergang zwischen den Schichten, ohne daß sich irgendwelche Schichten an der Grenzfläche bilden. Der letzte Verfahrensschritt zur Herstellung einer betriebsfähigen Schottky-Sperrschichtdiode betrifft die Herstellung eines Ohmschen Kontaktes 33 an der Epitaxieschicht 31 und eines Schottky-Sperrschichtkontaktes 34 an der Epitaxieschicht 32 (Fig. 5) nach bekannten Verfahren.
Beispiel
Es wurde ein halbisolierendes Galliumarsenidsubstrat mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr
f-> 107 Ohm-Zentimeter gewählt. Zuerst wurde das Substrat chemisch poliert, um Beschädigungen an der Oberfläche zu entfernen. Danach wurde das Substrat zusammen mit einer Galliumquelle in eine Anordnung des in Fig. 1 dargestellten Typs eingebracht. Der Behalter für Arsentrichlorid wurde auf einer Temperatur von 25° C und der Wasserstoffdurchsatz auf 300 ctn3/Minute gehalten. Dann wurde mit der Erwärmung der Reaktionskammer begonnen und die Er-
wärmung fortgesetzt, bis das Gallium eine Temperatur von 750° C und das Substrat eine Temperatur von 800° C erreichten, wo dann das epitaktische Wachstum begann. Es wurde Schwefel mit einem Dampfdruck von 10~6 Atmosphären in die Sättigeranlage eingebracht, um den erwünschten Dotierungsgrad zu erzielen. Dann wurde eine 7 Mikrometer dicke epitaktische Galliumarsenidschicht gezüchtet, wobei die niedergeschlagene Epitaxieschicht eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 4 x 1018 Atomen/cm5 aufwies. Im nächsten Schritt wurde die Dotierstoffkonzentration durch Verringerung der der Sättigeranlage zugeführten Dotierstoff menge auf 2 X 10'r Atome/ cm3 reduziert. Außerdem wurde die Zusammensetzung des Ladungsträgergases geändert, um sowohl Helium mit einem Durchsatz von 400 cmVMinute als auch Wasserstoff mit einem Durchsatz von 20 cm3/ Minute nebeneinander anzuwenden und auf diese Weise die Ätzung der Epitaxieschicht zu bewirken.
Die Ätzung wurde 7 Minuten lang fortgeführt, wobei sich ein Ätzabtrag der niedergeschlagenen Epitaxieschicht von 3V2 Mikrometer ergab. Nach der Ätzung wurde die Heliumströmung unterbrochen und der
Wasserstoffdurchsatz auf 300 cmVMinute erhöht. Das epitaktische Wachstum wurde 2 Minuten lang fortgeführt, wobei sich eine 0,1 bis 0,2 Mikromettr dicke epitakti,:che Galliumarsenidschicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von etwa 2 X 10n Ato-
men/cm3 ergab. Das Substrat wurde dann schnell aus dem Ofen entfernt und die Züchtung auf diese Weis«; beendet. Das Bauelement wurde durch Anfügen eines Ohmschen Kontaktes (Gold, Zinn) an die untere Epitaxieschicht und eines Schottky-Sperrschichtkontak- tes (Titan, Platin und Gold) an die obere Epitaxieschicht nach üblichen Verfahren vervollständigt. Das sich ergebende Bauelement zeigte im Vergleich zui Schottky-Sperrschichtdiode eine um die Hälfte geringere parasitäre Kapazität.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschichtdiode, bei dem auf ein Galliumarsenidsubstrat durch Überleiten einer Arsentrichloridströtnung in Wasserstoff trägergas in Gegenwart von Gallium und einem Dotierstoff eine erste epitaktische Galliumarsenidschicht und auf dieser eine zweite epitaktische, sehr dünne Galliumarsenidschicht niedergeschlagen werden und bei dem ein Ohmscher Kontakt und an der zweiten Expitaxieschicht ein Schottky-Sperrschichtkontakt erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, eine Dicke von 6 bis 8 μπι und eine Ladungsträgerkonzentration von 3 X1O18 bis Sx 1O*8 Atome/cm3 aufweisende Epitaxieschicht einer Arsentrichloridströmung in einem heliumhaltigen Trägergas zur Ätzung und zur Herstellung einer Dotierstoffkonzentration von 5 X 1015 bis 2 X 1017 Atomen/cm3 ausgesetzt wird und daß auf die geätzte Schicht die zweite Epitaxieschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 μχη und einer Ladungsträgerkonzentration von 5 X 1015 bis 2 X 1017 Atomen/cm3 niedergeschlagen wird und daß der Ohmsche Kontakt an der ersten Epitaxieschicht erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffdurchsatz 50 bis 20 cnvVMinute und der von Helium 350 bis 450 cm3/Minute beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat einen maximalen spezifischen Widerstand von 109 Ohm-Zentimeter hat.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das heliumhaltige Trägergas eine Mischung von Helium und Wasserstoff ist.
DE19732313768 1972-03-22 1973-03-20 Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschichtdlode Expired DE2313768C3 (de)

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DE2313768B2 true DE2313768B2 (de) 1975-11-20
DE2313768C3 DE2313768C3 (de) 1976-07-01

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