DE69116592T2

DE69116592T2 - Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE69116592T2
Application number: DE69116592T
Authority: DE
Inventors: Keijser Marco Stefan De; Opdorp Christianus Johanne Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1990-04-24
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2011-04-20
Also published as: NL9000973A; US5178718A; JPH04226018A; EP0454237A1; DE69116592D1; EP0454237B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung, bei dem ein epitaktisches Aufwachsen aus einer Gasphase auf einer Oberfläche eines einkristallinen Substrats ausgeführt wird, welches Aufwachsen zumindest teilweise aus einem Prozeß besteht, der mehrere Zyklen umfaßt, bei dem pro Zyklus hintereinander eine monoatomare Schicht aus zumindest einem der Elemente Aluminium, Gallium und Indium, die zu der Gruppe III des Periodensystems gehören und eine monoatomare Schicht aus zumindest einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon, die zu der Gruppe V des Periodensystems gehören, gebildet wird.
Das Aufwachsen von Schichten aus Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid mit Hilfe des eingangs erwähnten Verfahrens ist aus einem Beitrag von A. Doi, Y Aoyagi und S. Namba in Appl. Phys. Lett. 49 (13), 29. September 1986, S. 785-787 bekannt.
Gemäß dieser Veröffentlichung kann das Aufwachsen guter atomarer Schichten durch Lasereinstrahlung auf die Oberfläche, auf der die monoatomare Galliumschicht gebildet wird, stimuliert werden.
Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß das Oberflächengebiet, auf dem epitaktisches Aufwachsen erfolgt, bei Verwendung von Laserbestrahlung aus praktischen Gründen sehr begrenzt ist. Auch können während der Laserbestrahlung kurzzeitig hohe Temperaturen auftreten, so daß unerwünschte Diffusion in der festen Phase möglich ist. Laserbestrahl ung beim Vorhandensein einer oder mehrerer Verbindungen des Elements oder der Elemente der Gruppe III in der Gasphase hat den Nachteil, daß vorzeitige Dissoziation auftreten kann, so daß die Gefahr besteht, daß in einem Zyklus mehr als eine monoatomare Schicht des Elements oder der Elemente der Gruppe III gebildet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zumindest einen erheblichen Teil der genannten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein im Anspruch 1 definiertes Verfahren gelöst. Die Erfindung beruht unter anderen auf der Erkenntnis, daß die Verwendung von atomarem Wasserstoff es ermöglicht, die Temperatur so niedrig zu wählen, daß Dissoziation einer Verbindung eines genannten Elements der Gruppe III, beispielsweise Galhum, während der Zuführung dieser Verbindung sowohl in der Gasphase als auch auf der Oberfläche vermieden wird, während eine Umsetzung in das genannte III-Element in einem anderen Teil des Zyklus stattfindet, als in dem, in dem der atomare Wasserstoff zugeführt wird, so daß die Abscheidung des III-Elements auf monoatomare Schichten begrenzt wird.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß die Epitaxie in einem breiten Temperaturbereich auf einer großen Substratoberfläche ausgeführt werden kann, ohne daß kurzzeitige Temperaturanstiege auftreten, während denen Diffusion in der festen Phase erfolgt. Vorzugsweise werden monoatomare Schichten aus Gallium und Arsen gewählt. Der zyklische Prozeß wird in diesem Fall bei einer Temperatur von 400 bis 500º ausgeführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch und im Querschnitt einen Teil einer Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 schematisch und im Querschnitt einen Teil einer Halbleiteranordnung in einem Schritt der Herstellung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Haibleiteranordnung, bei dem ein epitaktisches Aufwachsen auf einer Oberfläche 1 eines einkristallinen Substrats 2 aus einer Gasphase ausgeführt wird (siehe Fig. 1). Das Aufwachsen besteht aus einem Prozeß, der zumindest teilweise mehrere Zyklen umfaßt, wobei für jeden Zyklus hintereinander eine monoatomare Schicht 21 (siehe Fig. 2) mindestens eines der Elemente Aluminium, Gallium und Indium, die zu der Gruppe III des Periodensystems gehören, und eine monoatomare Schicht 22 zumindest eines der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon, die zu der Gruppe V des Periodensystems gehören, gebildet wird.
Das epitaktische Aufwachsen kann auf einer relativ großen Substratoberfläche 2 ausgeführt werden, wenn erfindungsgemäß während eines Teils jedes Zyklus, insbesondere eines Teils, in dem die Gasphase frei von Verbindungen des Elements oder der Elemente der Gruppe III ist, atomarer Sauerstoff zur Oberfläche 1 des Substrats 2 geführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ausgeführt. Diese Anordnung (Reaktionskammer) besteht aus einer Quarzröhre 3 mit einem induktiv erwärmten Siliziumsuszeptor 4 (Durchmesser gleich 32 mm).
Eine Quarzröhre 5 (Innendurchmesser gleich 8 mm), im weiteren Plasmaröhre genannt, ragt in die Reaktorkammer hinein, wobei es möglich ist, in der genannten Plasmaröhre mit Hilfe eines Mikrowellengenerators (Mikrotron 200; 2,45 GHz; 200 W) ein Plasma 11 zu generieren. Die in diesem Plasma erzeugten reaktiven Teilchen (wenn Wasserstoff hindurchströmt: atomarer Wasserstoff) werden durch die Plasmaröhre direkt zu der Oberfläche 1 des Substrats 2 auf dem Suszeptor 4 geleitet.
Das System ist so entworfen, daß ein schnelles Umschalten von Edelgas auf Sauerstoff und umgekehrt durch diese Plasmaröhre möglich ist.
Ausgegangen wird von einem Gallium-Arsenid-Substrat 2 (Sumitomo- Orientierung [001] 2º off. (110) ± 0,50º, n-Typ, Si-dotiert, 1,0 bis 4,0 1018 cm³, Ätzgrubentiefe ≤ 2,0 10³ cm&supmin;²), das mit einem üblichen Verfahren gereinigt wird.
Aufwachskomponenten für Galliumschichten 21 und Arsenschichten 22 sind Trimethylgallium (Ga(CH&sub3;))&sub3;) und Arsin (AsH&sub3;), beide in üblicher Weise in gereinigtem Wasserstoff als Trägergas enthalten. Sie werden oben an der Reaktionskammer eingebracht (bei 6 und 7) und durchqueren das Plasma nicht. Der Hauptwasserstoffstrom wird bei 9 eingebracht und durchquert das Plasma ebenfalls nicht.
Wenn das Substrat auf den Suszeptor 4 gelegt worden ist, wird die Reaktionskammer auf einen Druck von 31 hPa (23 Torr) gebracht, der Suszeptor wird mit einer Geschwindigkeit von 40 Umdrehungen pro Minute gedreht und ungefähr 30 Minuten lang erfolgt Sauerstoffspülen mit zwei slm (Standardliter pro Minute)
Die folgenden Prozeßparameter werden in einem Zyklus verwendet:
a) ein permanenter Hauptstrom 9 aus Sauerstoff von 1250 sccm;
b) ein Gasstrom 10 durch die Plasmaröhre, der aus 960 sccm Helium besteht, außer wenn atomarer Wasserstoff erforderlich ist, dann besteht der Gasstrom 10 aus 1170 sccm Wasserstoff;
c) ein Partialdruck von AsH&sub3; in der Reaktionskammer von 0,15 hPa (0,11 Torr) (Stoffstrom AsH&sub3; = 51810-6 mol/min);
d) ein Partialdruck von Ga(CH&sub3;)&sub3; von 0,015 hPa (0,011 Torr) (Stoffstrom Ga(CH&sub3;)&sub3; = 51 10&supmin;&sup6; mol/min).
Der Suszeptor wird auf eine Aufwachstemperatur von 440ºC gebracht, und das Plasma 11 wird gezündet. Durch das Plasma strömt Helium. Der Mikrowellenhohlraum wird mit komprimierter Luft 8 gekühlt.
Ein Zyklus umfaßt jetzt:
1. 2 Sekunden AsH&sub3;-Zufuhr
2. 15 Sekunden Spülen mit dem Wasserstoffstrom 9 und dem Heliumstrom 10
3. 6 Sekunden Ga(CH&sub3;)&sub3;-Zufuhr
4. 20 Sekunden Spülen mit dem Wasserstoffstrorn 9 und dem Heliumstrom 10.
5. 3 Sekunden Zufuhr von H (atomarer Wasserstoff), wobei der Strom 10 jetzt aus Wasserstoff besteht.
6. 3 Sekunden Spülen mit dem Wasserstoffstrom 9 und dem Heliumstrom 10.
Die gesamte Zyklusdauer beträgt 49 Sekunden und die gesamte Aufwachszeit für 200 Zyklen beträgt daher ungefähr 2,45 Stunden. Die gesamte Dicke von 200 Schichten ist 56,6 nm.
Während des gesamten Zyklus strömt Helium durch das Plasma, außer in Schritt 5, wenn Wasserstoff durch das Plasma strömt.
Das Plasma wird gelöscht, wenn das Aufwachsen beendet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine besonders gute Steuerung der Schichtdicke und eine sehr gute Homogenität der Schichtdicke erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise für die Fertigung von uni formen Quantum-Wells sehr geeignet.
Statt Schichten aus Galliumarsenid können Schichten gebildet werden, die Schichten aus Aluminiumarsenid oder aus Galliumaluminiumarsenid umfassen, die aus monoatomaren Schichten bestehen. Während des Prozesses des epitaktischen Aufwachsens kann sich die Zusammensetzung pro Zyklus verändern oder kann auch der gesamte Prozeß des multizyklischen Aufwachsens in einem üblichen Prozeß des epitaktischen Aufwachsens enthalten sein, in dem Schichten mit einer Dicke von etwa 1 µm aufgewachsen werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung, bei dem auf einer Oberfläche eines auf einen Suszeptor in einer Reaktionskammer plazierten einkristallinen Substrats eine Verbindungshalbleiterschicht in mehreren Aufwachszyklen epitaktisch aufgewachsen wird, wobei pro Zyklus

- ein Wasserstoffstrom permanent über die Oberfläche des Substrats geleitet wird,

- ein Strom aus einer N-, einer P-, einer As- oder einer Sb-Aufwachskomponente über die Oberfläche des Substrats geleitet wird, so daß eine monoatomare Schicht aus N, P, As oder Pb gebildet wird und

- ein Strom aus einer Al-, einer Ca- oder einer In-Aufwachskomponente über die Oberfläche des Substrats geleitet wird, so daß eine monoatomare Schicht aus AI, Ca oder In gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

die Temperatur so niedrig gewählt wird, daß während des Teils jedes Zyklus, in dem die Al-, Ca- oder In-Aufwachskomponente über die Oberfläche des Substrats geleitet wird, eine Dissoziation der Aufwachskoniponente sowohl in der Gasphase als auch auf der Oberfläche des Substrats vermieden wird und daß während eines Teils jedes Zyklus, in dem die Al-, Ca- oder In-Aufwachskomponente nicht über die Oberfläche des Substrats geleitet wird, iii einem Plasma atomarer Wasserstoff gebildet wird und dann über die Oberfläche des Substrats geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß monoatomare Schichten aus Gallium und Arsen gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zyklische Prozeß bei einer Temperatur von 400 bis 500 ºC ausgeführt wird.