DE3610890A1 - Herstellung von halbleiterbauelementen mit iii-v-verbindungshalbleitern - Google Patents

Herstellung von halbleiterbauelementen mit iii-v-verbindungshalbleitern

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Description

Beschreibung
Herstellung von Halbleiterbauelementen mit III-V-Verbindungshalbleitern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit III-V-Verbindungshalbleitern.
In den letzten Jahren sind große Fortschritte in der Halbleitertechnologie hauptsächlich wegen der Entdeckung neuer Materialien und neuer Methoden zum Herstellen besserer Materialien gemacht worden. Diese Fortschritte haben zu neuen Anwendungsmöglichkeiten für halbleitende Materialien bei der Bauelementfertigung geführt, wobei häufig unterschiedliche Herstellungsmethoden erforderlich wurden. Typischerweise zielen diese Methoden auf den Erhalt kleinerer Baugrößen, genauerer Anordnung verschiedener geometrischer Merkmale in dem Bauelement, genauererFormen verschiedener geometrischer struktureller Merkmale, größerer
Haftung metallischer Substanzen an Halbleiteroberflächen
Von besonderer Bedeutung ist die Entwicklung von Halbleiterbauelementen (ζ. Β. integrierten Schaltungen, optoelektronischen Halbleiterbauelementen, Speichern), die aus Ill-V-Verbindungshalbleitern aufgebaut sind. Diese Halbleitermaterialien haben eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften einschließlich höherer Ladungsträgerbeweglichkeiten, vorteilhafter optischer Eigenschaften usw. Bei der Herstellung von Bauelementen mit III-V-Verbindungshalbleitern ist es höchst erwünscht, Gebiete hohen spezifischen Widerstands in dichter Nachbarschaft zu η-leitenden Gebieten zu erzeugen. Dieses kann zur Ausbildung zahlreicher Arten von Schaltungen oder integrierten Bauelementen ebenso zur Isolation eines Schaltungstyps oder eines Teils einer Schaltung von einem anderen Teil einer Schaltung verwendet werden. Eine rasche und bequeme Herstellung solcher Merkmale ist in der Tat in vielen Anwendungsfällen höchst wünschenswert.
Es existiert ein laufendes großes Interesse am Einbau von Wasserstoff in Halbleitern. Hierzu wird beispielsweise verwiesen auf T. S. Shi et al., Physica Status of Solidi A, Vol. 74, Seiten 329 bis 341 (1982);
W. L. Hansen et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-29, Nr. 1, Seiten 738 bis 744 (Februar 1982); J. W. Corbett et al., Physics Letters, Vol. 93A, Nr. 6, Seiten 303 bis 304 (24. Januar 1983); und P. S. Peercy, Nuclear Instruments and Methods,-Vol. 182, Seiten 337 bis 349 (1981). Eine Reihe Veröffentlichungen beschreiben die Verwendung von atomarem Wasserstoff zur Neutralisierung verschiedener tiefer Energie-
von
niveauzentren als Folge entweder Linien- oder Punktdefekten in zahlreichen Halbleitern. Hierzu wird beispielsweise verwiesen auf J. L. Benton et al., Applied Physics Letters, Vol. 36, Nr. 8, Seiten 670 bis 671 (15. April 1980); S. J. Pearton et al., Physical Review B, Vol. 26, Nr. 12, Seiten 7105 bis 7108 (15. Dezember 1982); S. J. Pearton, Applied Physics Letters, Vol. 40, Nr. 3, Seiten 253 bis 255 (1. Februar 1982); J. Lagowski et al., Applied Physics Letters, Vol. 41, Nr. 11, Seiten 1078 bis 1080 (1. Dezember 1982); S. J. Pearton, Journal of Applied Physics, Vol. 53, Nr. 6, Seiten 4509 bis 4511 (Juni 1982); und C. H. Seager et al., Journal of Applied Physics, Vol. 52, Nr. 2, Seiten 1050 bis 1055 (1981). Außerdem sind Versuche beschrieben worden, Bor-Flachakzeptoren in Silicium durch atomaren Wasserstoff zu neutralisieren. Hierzu sei beispielsweise verwiesen aufC. Sah et al., Applied Physics Letters, Vol. 43, Nr. 2, Seiten 204 bis
206 (15. Juli 1983) und J. I. Pankove et al., Physical Review Letters, Vol. 51, Nr. 24, Seiten 2224 bis 2225 (12. Dezember 1983). Es hat sich jedoch erwiesen, daß diese Resultate die Folge von Hydroxylionen und nicht die Folge von Wasserstoffatomen sind, wozu verwiesen wird auf W. L. Hansen et al., Applied Physics Letters, Vol. 44, Nr. 6, Seiten 606 bis 608 (15. März 1984).
η Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit III-V-Verbindungshalbleitern ist es höchst erwünscht, ein Verfahren zum Neutralisieren von Donator-Spezies in III-V-Verbindungshalbleitern zu haben, um Zonen hohen Widerstandes erzeugen zu können. Insbesondere ist es dabei erwünscht, ein Verfahren zu haben, mit dem eine solche neutralisierte Zone genau angeordnet und lokalisiert werden kann. Ebenso hocherwünscht ist ein Herstellungsverfahren, bei dem eine neutralisierte Zone teilweise in eine Donatorzone zurückverwändeIt wird, und zwar wiederum mit hoher Präzision hinsichtlich der Lage der Donatorzone.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem dotierten III-V-Verbindungshalbleiter, wobei wenigstens ein Teil der dotierten Gebiete durch Diffusion von atomarem Wasserstoff in Gebiete relativ hohen Widerstandes umgewandelt werden. Nur Flachdotierstoffe sind von Interesse (beispiels-
2/3
weise Silicium, Schwefel, Zinn, Tellur, Selen etc.), und zwar wegen ihres extensiven Gebrauchs bei der Dotierung von III-V-Halbleitermaterial und ihrer großen Wirkung auf die halbleitenden Eigenschaften des Materials. Typischerweise richtet sich das Interesse auf Dotierstoffe, die Energieniveaus auf innerhalb etwa 25 meV des Leitungsbandes erzeugen, obgleich 150 meV ebenfalls verwendet werden können. Ebenfalls richtet sich ein Interesse auf Situationen, in denen die Wasserstoffatome die Dotierstoffe neutralisieren, da dieses hochstabile Widerstandsgebiete erzeugt. Die Einführung von atomarem Wasserstoff erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Wasserstoffplasmas, obgleich andere Verfahren (beispielsweise elektrolytische Einfügung von atomarem Wasserstoff) ebenfalls benutzt werden können. Es wird angenommen, daß sich der atomare Wasserstoff an ein Donatoratom bindet, und zwar unter Bildung eines tiefen Energienievaus, das mit dem Elektron gefüllt ist, das sonst für das Leitungsband geliefert worden wäre. Dieses verringert die freie Ladungsträgerdichte und erhöht damit den elektrischen Widerstand in den behandelten Gebieten. Beispielsweise verringert bei η-leitendem GaAs(Si) (= mit Silicium dotiertem GaAs) eine Wasserstoffplasma-Exposition bei 250 0C die spezifische Leitfähigkeit für freie Ladungsträger um mehrere Größenordnungen. Der Effekt kann rückgängig ge-
macht werden durch kurzzeitiges (etwa 3 Minuten langes) Erwärmen des betroffenen Gebietes auf hohe Temperaturen (typischerweise etwa 420 0C). Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich auch das dem Wasserstoffplasma ausgesetzte Gebiet nach zahlreichen Methoden, beispielsweise mit Hilfe einer Maskierung, vorzeichnen. Ebenso kann die Umkehrprozedur selektiv umrissen erfolgen, beispielsweise mit Hilfe einer wärmereflektierenden Maske oder mit Hilfe eines Strahlungsbündels (z. B. Laserstrahles oder Elektronenstrahles), um örtliche Erwärmung zu erzeugen. Zahlreiche Bauelementarten können unter Verwendung dieses Verfahrens einschließlich Streifengeometrie-Laser und integrierte Schaltungen der verschiedensten Typen hergestellt werden.
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine Schrägansicht eines im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Doppelheterostruktur-Lasers mit Streifengeometrie und
Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt einer Feldeffekttransistor-(FET-) Schaltung auf einem Halbleiterchip, bei der die Schaltungsisolation im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt worden ist.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß in n-leitende 111-V-Verbindungen eindi^fundierter atomarer Wasserstoff die Dotierung neutralisiert und den spezifischen Widerstand des betroffenen Gebietes sehr stark erhöht. Ein solches Verfahren wird generell am besten oberhalb 200 0C bis zu einer oberen Grenze, die durch die Halbleiterstabilität bestimmt ist, ausgeführt. Gleichfalls wurde beobachtet, daß die Erwärmung eines dotierten und durch atomaren Wasserstoff neutralisierten Gebietes auf hohe Temperaturen (im allgemeinen auf mehr als etwa 275 0C) in Abwesenheit von atomarem Wasserstoff das betroffene Gebiet in den ursprünglichen η-leitenden Halbleiterzustand zurücküberführt.
Die Erfindung ist auf III-V-Verbindungshalbleiter mit Flachdonator-Dotierung anwendbar. Flachdonator-Dotierstoffe sind jene Dotierstoffe, die Energieniveaus dicht beim Leitungsband erzeugen. Im allgemeinen werden Energieniveaus innerhalb etwa 25 Millielektronenvolt (meV) des Leitungsbandes wegen eines hohen Dotierwirkungsgrades bevorzugt. Dabei sind Energieniveaus innerhalb 9 oder sogar innerhalb 6 meV noch bevorzugter.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann am Substratmaterial (typischerweise GaAs und InP) oder an einer epitaktischen
361089P
Schicht (häufig aus einem binären,- ternären oder quaternären Material), die auf einem Substrat gewachsen ist, durchgeführt werden. Typische epitaktische Materialien auf Galliumarsenid sind die folgenden: Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid und galliumarsenidgitterangepaßtes Galliumindiumphosphxd. Typische epitaktische Materialien auf Indiumphosphid sind Indiumphosphid, Indiumgalliumarsenid (z. E. Inn --Gan .7As) und Aluminiumindiumarsenid (z. B. Aln .-Inn --As). Typische Dotierstoffe für η-leitende Ill-V-Verbindungshalbleiter sind Silicium, Schwefel, Zinn und Tellur.
Für InP und phosphorhaltige epitaktische Schichten (beispielsweise InGaAsP) sollte Vorsorge dafür getroffen werden, daß einem Oberflächenverlust an Phosphor während der Behandlung mit atomarem Wasserstoff vorgebeugt wird. Dieses kann geschehen entweder durch eine gegenüber atomarem Wasserstoff durchlässige aber gegenüber Phosphor nicht durchlässige Schutzschicht oder durch Verwendung einer gasförmigen Phosphorquelle, um eine Verarmung der InP-Oberflache zu vermeiden. Andere Verbindungen benötigen ebenfalls Schutz, beispielsweise InGaAs, wo Arsen weniger stark als in GaAs gebunden ist.
Allgemein gesprochen ist das Verfahren zum Neutralisieren
von Flachdonatoren in III-V-Halbleiterverbindungen die Einführung von atomarem Wasserstoff in das Gebiet, wo die Flachdonatoren gelegen sind. Die bevorzugte Temperatur des III-V-Verbindungshalbleiters liegt dabei zwischen 200 und 400 0C, wobei der Bereich von 225 bis 300 0C am meisten bevorzugt ist. Unterhalb etwa 200 0C findet die Donatorenneutralisation unverhältnismäßig langsam statt; oberhalb etwa 400 0C heilt sich der Effekt von selbst wieder aus, so daß es manchmal schwierig ist, die volle Donatorneutralisationswirkung zu erhalten. Der Temperaturbereich von 225 bis 300 0C liefert rasche und maximale Neutralisierung der Donatordotierstoffe.
Wie oben angegeben, ist das Verfahren auf massives Material und auf geschichtetes Material anwendbar. Typische Anwendungsfälle für massives Material sind üblicherweise isolierende Oberflächenschichten (beispielsweise auf GaAs-Substraten) zu erzeugen. Bei Schichtstrukturen muß hinsichtlich der Eindringtiefe des atomaren Wasserstoffes aufgepaßt werden. Für schwach dotiertes Material findet eine Wasserstoffneutralisation bis auf eine beträchtliche Tiefe (beispielsweise bis auf 2 μΐη für eine Ladungsträgerkonzentration von etwa 2 χ 10 cm" ) statt. Bei stärker dotierten Schichten ist die Eindringtiefe etwas niedriger (typischerweise 0,6 μια für Ladungsträgerkonzentrationen
von 2,4 χ 1017 cm"3 und etwa 0,4 um für 2 χ 1018 cm"3). Größere Eindringtiefe ist möglich bei höheren Temperaturen oder längeren Behandlungszeiten.
Außergewöhnlich gute Resultate werden bei siliciumdotierterm Galliumarsenid mit Dotiertiefen weniger als etwa 100 nm oder sogar 70 nm erhalten. Typischerweise werden solche Proben hergestellt durch Niederschlagen dünner dotierter Galliumarsenidschichten auf ein isolierendes Substrat, wie halbisolierendes Galliumarsenid. Flachionenimplantierte Proben können ebenfalls benutzt werden. Solche Proben, insbesondere wenn sie auf Ladungsträgerkonzen-
17 —3 trationen von mehr als etwa 10 cm dotiert sind, liefern große Ausschläge im spezifischen Widerstand und können zur Vorzeichnung von Schaltungen oder Isolation zahlreicher Schaltungsteile oder eines integrierten Schaltungsfeldes dienen.
Ein typisches Wasserstoffplasmaverfahren ist in der Arbeit von R. P. H. Chang et al., "Hydrogen Plasma Etching of Semiconductors and Their Oxides" in Journal of Vacuum Science and Technology, Vol. 20, Nr. 1 (Januar 1982) beschrieben. Jedoch wird die Wasserstoffeinfügung zwecks Donatorenneutralisation am besten bei niedrigeren Plasma-Leistungsdichten ausgeführt, da dann ein Plasmaätzen des
Halbleiters auf einen vernachlässigbaren Wert verringert
wird. Elektrochemische Einführung von atomarem Wasserstoff ist zur Neutralisierung der elektrischen Aktivität
von ^lachdonatoren in III-V-Verbindungshalbleiter ebenfalls brauchbar. Das elektrochemische Verfahren kann auch im Temperaturbereich von 200 bis 400 0C durchgeführt
werden. Der Bereich bei 250 0C (beispielsweise 225 bis
300 0C) ist der am meisten bevorzugte Bereich.
Es wurden verschiedene Proben atomarem Wasserstoff ausgesetzt, und ihre elektrischen Eigenschaften wurden vor und nach der Behandlung gemessen, um die Wirkung des atomaren Wasserstoffes auf die elektrischen Eigenschaften dieser
Proben zu demonstrieren und zu zeigen, daß der Effekt auf atomaren Wasserstoff zurückgeht.
Die Proben wurden mit "A, B, C, ..." bezeichnet. Alle
Proben waren (100)-orientiertes Galliumarsenid. Die ersten drei Proben waren im Molekularstrahlepitaxieverfahren gezüchtete Schichten. Dabei war die Probe A eine 3 μπι dicke Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentration von
15 —3
2,2 χ 10 cm ; die Probe B war eine 1,2 μπι dicke Schicht
17 -3
mxt einer anfänglichen Dotierung von 2,4 χ 10 cm ; und die Probe C war eine 50 nm dicke Schicht mit einer La-
18 —3
dungsträgerkon7.entration von 2 χ 10 cm . Die Probe D
war ein massiver siliciumdotierter Galliumarsenidkristall, der im horizontalen Bridgman-Verfahren hergestellt war.
18 — 3 Die Ladungsträgerkonzentration war 1,4 χ 10 cm . Die Probe E war eine siliciumimplantierte Probe. Die Implantation wurde auf halbisolierendem, undotiertem Galliumarsenid ausgeführt, das im Czochralski-Verfahren mit Flüssigverkapselung gezüchtet war. Beim Implantations-
29 schritt wurden die Proben 60 keV Si-Ionen auf eine
12 -2
Dosis von 3 χ 10 cm ausgesetzt und 20 Minuten lang in einer gesteuerten As-H^-Atmosphäre bei 850 °C geglüht.
Die Behandlung mit Wasserstoffplasma erfolgte in einem kapazitiv gekoppelten Parallelplattenreaktor (Technics PEII), der bei Niederfrequenz (etwa 30 kHz) betrieben wurde. Diese Niederfrequenz erzeugt ein Bombardement mit energiereichen Ionen (z. B. mit EL, H ) auf dem Substrat, ebenso dessen Aussetzen gegenüber atomarem Wasserstoff. Die Behandlung erfolgte 30 Minuten lang bei 250 0C, einem H2-Druck von 98,9 Pascal (750 mTorr) und einer Plasmaleistungsdichte von 0,08 Wem . Die Amplitude der Niederfrequenzspannung an der angesteuerten Elektrode betrug 280 Volt. Es wurde mit einem Durchsatz von 100 Standardkubikzentimeter gereinigtem H? gearbeitet. GaAs-Wafer wurden in organischen Lösungsmitteln gereinigt und in verdünntes HF zur Beseitigung von genetischem
Oxid unmittelbar vor Einsetzen in den kalten Substrattisch eingetaucht. Eine Erwärmung auf 250 0C erfolgte unter strömendem N2 bei etwa 66,7 Pascal (500 mTorr). Nach der Plasmabehandlung wurden die GaAs-Wafer der Abkühlung unter einer !!--Atmosphäre bei einem Druck von einigen hundert Pascal belassen. Das Ausmaß einer Plasmaätzung des GaAs wurde ebenfalls bestimmt; es war kleiner als 10 nm. Eine Heliumplasmabehandlung wurde unter identischen Bedingungen, außer daß die Niederfrequenzamplitude etwas größer war (300 V) durchgeführt.
Ein elektrochemischer Wasserstoffeinbau erfolgte bei derselben Temperatur aus einem H_PO,-Elektrolyten in einer einfachen 2-Elektroden-Zelie, die aus einer siliciumimplantierten GaAs-Kathode und einer Kohlenstoffanode be-
stand. Es wurde eine konstante Stromdichte von etwa 10 _2
Ampere cm benutzt, wobei allerdings das meiste der geführten Ladung in H2-Entwicklung ging. Ein solches Verfahren ist bereits zur Neutralisierung tiefer Energieniveauzentren in kristallinem Silicium benutzt worden (S. J. Pearton et al., Journal of Applied Physics, Vol. 55, Seiten 1221 bis 1223 (1984)).
An der Schicht B wurden Hall-Messungen bei 300 0K und 77 0K unter Verwendung der Methode nach Van der Pauw aus-
geführt. Der spezifische Widerstand von Schicht C wurde abgeleitet aus I-V-Messungen unter Verwendung der Übertragungslei tungsmethode . Kapazitäts-Spannungs-Messungen bei 20 kHz wurden bei 300 0K zur Untersuchung des SiIiciumaktivierungsprofils in allen Proben (ausgenommen Schicht C) vor und nach der "Hydrierung" ausgeführt. Für C-V-Profile wurde eine MSI-Modell-102-Quecksilbersonde zusammen mit einem HP 4275A-LCR-Meßgerät benutzt. Bei nichthydrierten implantierten Proben folgten die elektrisch aktiven Profile dem erwarteten Profil mit Spitzendotie-
17 -3 rungsdichten von etwa 3,5 χ 10 cm bei 0,05 μΐη von der Oberfläche recht genau. Nach einer Hydrierungsbehandlung der implantierten Proben entweder im Plasma oder in der elektrolytischen Zelle war die elektrische Aktivität des Silicium-Dotierstoffs vollständig neutralisiert, wobei die implantierte Zone denselben spezifischen Widerstand hatte wie nichtimplantierte Wafer. Darüberhinaus zeigen die C-V-Profile der Molekularstrahlepitaxie-Proben A und B ebenso der η -leitende massive Kristall eine starke Verringerung der Ladungsträgerkonzentration im dicht bei der Oberfläche gelegenen Schichtteil. Die Tiefe, auf die die Ladungsträgerkonzentration modifiziert wurde, steht in umgekehrter Abhängigkeit vom Niveau der Si-Dotierung. Bei den beiden höher dotierten Proben trat eine Abnahme der Ladungsträgerkonzentration im oberflächennahen Bereich von
mehr als einer Größenordnung auf. Der genaue Wert dichter bei der Oberfläche konnte wegen der großen Raumladungsbreite bei der Vorspannung Null nicht bestimmt werden, was ein weiterer Beweis für eine Oberflächenschicht hohen spezifischen Widerstandes ist. Eine Behandlung der Siimplantierten Proben im Heliumplasma führte zu keiner Änderung des Ladungsträgerkonzentrationsprofils. Diese Resultate zeigen unzweideutig, daß eine Einführung von Wasserstoff in GaAs(Si) in der Lage ist, die Silicium-Donatoren zu deaktivieren.
Verschiedene Messungen wurden zur Bestimmung der Wirkung der Wasserstoffneutralisierung auf Donatoren-Ladungsträger ausgeführt. Zu diesen Messungen gehörten Ha11-Messungen und Leitfähigkeitsmessungen vor und nach der Wasserstoffdiffusion bei verschiedenen Temperaturen. Insbesondere sind die Ladungsträgerdichte und Ladungsträgerbeweglichkeit vor und nach der Wasserstoffdiffusion signifikant.
Die nachstehende Tabelle zeigt einige der Resultate der durchgeführten Hall-Messungen und Leitfahigkeitsmessungen an Proben B und C bei Zimmertemperatur und Temperatur des flüssigen Stickstoffs. Die Schicht der Probe B und der Probe C war 1,2 μΐη bzw. 0,05 um dick. Vor der Wasserstoffpia smabehandlung war das Dotierstoffniveau der Schicht
17 -3
der Probe B 2,4 χ 10 cm ; und die Probe C war auf
18 —3
2 χ 10 cm dotiert. In der Tabelle beziehen sich die Symbole M300 K), μ(300 K) und ^(300 K) auf die Ladungsträgerdichte, die Ladungsträgerbeweglichkeit bzw. Leitfähigkeit je bei 300 0K.
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Für die Probe B ist die angegebene Ladungsträgerkonzentration ein Mittelwert über die Gesamtdicke von 1,2 \im. Dieser Wert ist etwa 2 mal kleiner als der Anfangswert. Dieses Verhältnis ist mit dem Umstand in Einklang, daß Wasserstoff die Siliciumatome innerhalb der ersten 0,5 μπι dieser Schicht deaktiviert. Da die gemessene Beweglichkeit μ die Ladungsträgerbeweglichkeit in der nicht von den Wasserstoffatomen erreichten Zone ist, bleibt diese Größe vor und nach der Hydrierung wie erwartet dieselbe. Fiir die stark dotierte Dünnschicht (Schicht C) wird eine Zunahme des spezifischen Widerstandes um wenigstens sechs Größenordnungen beobachtet, was eine drastische Abnahme der Konzentration an freien Ladungsträgern anzeigt.
Die vorstehenden Messungen und Resultate zeigen unzweideutig, daß eine Diffusion von atomarem Wasserstoff in mit Flachdonatoren dotierten III-V-Verbindungshalbleitern die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials im betroffenen Gebiet drastisch zu verringern und Gebiete hohen Widerstandes in dotierten III-V-Verbindungshalbleitern zu erzeugen vermag.
Besonders einleuchtende Anwendungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren sind nachstehend anhand der Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Doppelheterostruktur-(DH-)Laser 10 mit Streifengeometrie, dessen aktive Zone 19 auf einen schmalen Kanal unter Verwendung einer Wasserstoff-Diffusion eingegrenzt ist. Die Laserstruktur 10 ist aufgebaut aus einem p-GaAs-Substrat 11 nebst Metallelektrode 12 und einer Reihe epitaktischer Schichten, nämlich p-Al Ga1- As 13, n-GaAs oder p-GaAs 14, η-Al Ga1- As 15 und n+ GaAs 16. Mit atomarem Wasserstoff werden die Schichten in den Teilen 17 und 18 außerhalb de-s aktiven Gebietes in ihrem Widerstand hochgesetzt, während die aktive Zone 19 ungeändert bleibt. Üblicherweise wird eine Maske benutzt, um den atomaren Wasserstoff (beispielsweise von einem Plasma herrührend) am Erreichen der aktiven Zone zu hindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Herstellung der elektrischen Isolation zwischen Schaltungskomponenten auf demselben Halbleiterchip benutzt werden. Eine solche elektrische Isolation wird häufig durch eine Mesastruktur vorgesehen, d. h. durch eine tatsächliche Materialentfernung, um einen elektrischen Einfluß von einer FET-Struktur auf eine benachbarte FET-Struktur zu vermeiden. Die Verwendung einer Neutralisation mit atomarem Wasserstoff liefert eine viel leichtere Prozedur mit weniger
Beschädigungswirkung für das Halbleiterwafer, wobei eine planare Waferoberfläche, die für nachfolgende Verfahrensschritte, beispielsweise Aufbringen eines Photoresists, geeigneter ist, beibehalten werden kann.
Ein typisches Beispiel zeigt Fig.2, nämlich - in Seitenansicht - einen Teil einer Halbleiterschaltung. Bei der Schaltung 30 handelt es sich um ein Paar FETs mit gemeinsamer Elektrode, wobei der eine FET im Anreicherungsmode und der andere FET im Verarmungsmode betrieben ist. Solche FET-Paar-Schaltungen sind als Inverter bekannt und werden verbreitet in zahlreichen Bauelementen einschließlich digitaler Bauelemente benutzt. Das FET-Paar ist gegenüber anderen FET-Paaren auf dem selben Chip elektrisch isoliert.
Die FET-Paar-Schaltung 30 ist auf einem nicht dargestellten halbisolierenden Galliumarsenid-Substrat aufgebaut. Auf der Oberseite des Substrates befindet sich eine epitaktische Pufferschicht 31 aus undotiertem Galliumarsenid. Oberhalb der Pufferschicht befindet sich eine η -AlGaAs-Schicht 32 (typischerweise eine mit Silicium auf eine
18 "~3 Konzentration von etwa 1,5 χ 10 cm t 50 % dotierte Al0 28Ga0 72As~Schicht^' gefolgt von einer n+-GaAs-Schicht 33 (typischerweise mit Silicium auf eine Konzen-
1 R —?
tration von etwa 2,0 χ 10cm ± 50 % dotiert). Typi-
srhe Dickenwerte der Schichten sind 30 bis 40 nm für die AlGaAs-Schicht 32 und etwa 50 nm für die GaAs-Schicht 33. Diese Anordnung erzeugt eine schmale Zone 34 eines zweidimensionalen Elektronengases im undotierten, halbisolierenden Substrat, wo Dotierstoffelemente die Elektronenbeweglichkeit nicht einschränken.
Die FET-Paar-Schaltung ist aus zwei FETs (Anreicherungsmoden-FET und Verarmungsmoden-FET) mit gemeinsamer Elektrode 35 aufgebaut, die als die Drainelektrode des Anreicherungsmoden-FET's und als die Sourceelektrode des Verarmungsmoden-FET 's dienen. Die anderen Elektroden des Anreicherungsmoden -FET 's sind die Gateelektrode 36 und die Sourceelektrode 37. Für den Verarmungsmoden-FET sind die Gateelektrode 38 und die Drainelektrode 39 ebenfalls dargestellt, Diesem FET-Paar ist von ähnlichen Paaren auf dem Halbleiterchip mit Hilfe einer Zone 40, 41 isoliert, in der die Donatoren unter Verwendung von atomarem Wasserstoff neutralisiert worden sind. Typischerweise erfolgt dieses mit Hilfe einer geeigneten Maskierung und einem Wasserstoffplasma, um die Wasserstoffimprägnierung auf den gewünschten Bereich zu begrenzen, um so eine Zone hohen spezifischen Widerstandes zwischen benachbarten FET-Paaren zu erzeugen.
Ein anderer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist die Verwendung einer Erholungsprozedur, mit der die wasserstoffneutralisierte Zone in eine η-leitende Zone zurückverwandelt werden kann. Dieses erfolgt durch Erwärmen, und zwar generell 1 Sekunde langes bis 1 Stunde langes Erwärmen auf einen Temperaturbereich oberhalb 275 0C. Häufig ist eine vollständige Erholung gewünscht, und dieses kann bei Temperaturen oberhalb von etwa 385 0C innerhalb weniger Minuten erreicht werden. Eine Temperatur von etwa 420 0C ist für sehr rasche Erholung bequem. Obgleich höhere Temperaturen ebenfalls zu rascher Erholung führen, sind übermäßig hohe Temperaturen (beispielsweise oberhalb 800 0C) zu vermeiden, um keine Beschädigung von Materialien oder Schaltungsbauelementen zu verursachen.
Zahlreiche Methoden können zur Durchführung dieses Gesichtspunktes des vorliegenden Verfahrens benutzt werden. Eine Wärme- oder Strahlungsabschirmung kann zum Schütze von Gebieten hohen Widerstandes benutzt werden, so daß eine Erholung nur gewisser, vorbestimmter Zonen des III-V-Verbindungshalbleiters sichergestellt ist. Von besonderem Interesse ist hier die Verwendung eines Lasers, typischerweise einer solchen Frequenz, daß eine für rasche Erwärmung auf die Tiefe der Wasserstoffneutralisation geeignete Eindringtiefe erhalten wird. Die Verwendung eines
Lasers erlaubt ein Einschreiben der aktiven Gebiete auf der Oberfläche des Halbleiters unter Verwendung eines entsprechend geführten Laserstrahls.
Ein typisches Beispiel ist der StreifengeometrielaseT nach Fig. 1. Hier ist es erwünscht, die halbleitende Z auf einen Streifen 19 herab zur Mitte des Bauelementes z\i begrenzen. Um dieses zu erreichen, werden die Schichten 13, 14, 15, 16 auf der Oberseite der Struktur atomarem Wasserstoff ausgesetzt und danach wird ein Laser benutzt, einen Streifen 19 bis herab zur Mitte der Laserstruktur zu erwärmen, um diesen Streifen in halbleitendes Material wieder umzuwandeln.
Leerseite -

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum Herstellen eines III-V-Halbleiterbauelementes aus wenigstens einem Ill-V-Verbindungshalbleiter mit einer dotierten Zone mit einem oder mehreren Donator-Dotierstoffen, insbesondere zur Herstellung von Heterostruktur-Lasern oder Feldeffekttransistoren in Strexfengeometrie, wobei wenigstens etwas der Donator-Dotierstoffe in einem gewünschten Teil (19) der dotierten Zone neutralisiert wird, um den spezifischen Widerstand dieses Teils der dotierten Zone zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß - für die Donator-Dotierstoffe Flachdonator-Dotierstoffe verwendet werden, die Energieniveaus derart erzeugen, daß der Unterschied zwischen den Energieniveaus und dem Leitungsband zwischen 0 und 150 Millielektronenvolt (meV) liegt, und
    - die Neutralisierung ausgeführt wird durch Einbau von atomarem Wasserstoff in den gewünschten Teil (19).
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß der Energieunterschied zwischen 0 und 25 meV, vorzugsweise zwischen 0 und 6 meV liegt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet , daß der Einbau des atomaren Wasserstoffes in die dotierte Zone bei Temperaturen oberhalb 200 0C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 225 und 300 0C, vorgenommen wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet, daß der III-V-Verbindungshalbleiter ausgewählt wird aus Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid und Galliumind.iumphosphid oder aus Indiumphosphid, Indiumgalliumarsenid, Aluminiumindiumphosphid und Indiumgalliumarsenidphosphid.
    5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet , daß bezüglich des Flachdonator-Dotierstoffes von wenigstens
    einem der Elemente Silicium, Schv/efel, Zinn, Selen und Tellur ausgegangen wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennze ichnet , daß Silicium für den Dotierstoff verwendet wird.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß als Quelle für den in die dotierte Zone eingebauten atomaren Wasserstoff ein Wasserstoffplasma verwendet wird.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der atomare Wasserstoff in die dotierte Zone auf elektrochemischem Wege eingebaut wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch Wiederhalbleitendmachen wenigstens eines Teils des mit atomarem Wasserstoff behandelten Teils der dotierten Zone durch wenigstens eine Sekunde langes Erwärmen auf eine Temperatur von mehr als 275 0C.
    0O. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennze ichnet , daß eine Sekunde lang bis eine Stunde lang auf 385 bis 800 0C erwärmt wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 1O,
    gekennzeichnet durch Erwärmen mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl.
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