DE69233203T2

DE69233203T2 - Verfahren zum selektiven Abscheiden von Aluminium enthaltenden Schichten

Info

Publication number: DE69233203T2
Application number: DE69233203T
Authority: DE
Inventors: Cammy Renee' Scotch Plains Abernathy; Stephen John Summit Pearton; Fan Warren Ren; Patrick William Greenbrook Wisk
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: JPH05226248A; US5459097A; JP3392888B2; EP0544437A3; DE69233203D1; EP0544437A2; EP0544437B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Galliumarsenid-Halbleitervorrichtungen und insbesondere Verfahren zum selektiven Züchten von Aluminium enthaltenden Schichten wie Aluminiumgalliumarsenid.
Hintergrund der Erfindung
Wegen ihrer hohen Geschwindigkeiten und direkten Bandlücken-Fähigkeiten bieten Galliumarsenid-Vorrichtungen beträchtliche Aussichten auf Verwendung als elektronische und photonische Vorrichtungen und integrierte Leiterkreise hoher Geschwindigkeit. Derartige Vorrichtungen weisen typischerweise eine Mehrzahl von Schichten aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid auf, die für Leitfähigkeit vom n- oder p-Typ dotiert und dafür ausgelegt sind, als elektronische Halbleitervorrichtungen wie als bipolare oder Feldeffekt-Transistoren oder als photonische Vorrichtungen wie als Photodetektoren oder Oberflächenemissionslaser zu arbeiten.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer Galliumarsenid-Schichtstruktur ist Molekularstrahlepitaxie wie das Verfahren der metallorganischen Molekularstrahlepitaxie (MOMBE, metalorganic molecular beam epitaxy), das beschrieben wird von G. J. Davies et al, 3 Chemtronics 3 (1988). Andere Molekularstrahl-Verfahren werden beschrieben von W. T. Tsang, Journal of Electronic Materials, S. 235 (1986).
Ein Molekularstrahl-Verfahren beinhaltet im wesentlichen das Anordnen eines Substrats in einer Niederdruck-Wachstumskammer, das Erhitzen des Substrats und das Lenken eines Molekularstrahls gasförmiger Moleküle, die sich unter Bildung einer gewünschten Schicht zersetzen, auf das Substrat. Als MBE bezeichnete Verfahren verwenden typischerweise nur elementare Quellen für die Elemente der Gruppe III, der Gruppe V und der Dotierungen, während MOMBE-Verfahren eine breite Vielzahl elementarer und zusammengesetzter Gasquellen, die mindestens eines der Elemente der Gruppe III oder der Dotierung liefern, verwenden. Typische MOMBE-Verfahren, die bei der Herstellung von pnp- und npn-Transistoren verwendet werden, sind beschrieben in den verwandten Anmeldungen von C. R. Abernathy et al., EP-A-O 501 686 und EP-A-O 501 684.
Ein unerwünschtes Merkmal von Molekularstrahlverfahren des Stands der Technik ist ihre Verwendung von Arsin (AsH₃) oder Arsen als eine Quelle beim Züchten von Aluminumgalliumarsenid. Eine Anzahl von Bauelement-Herstellungsschemata erfordert selektives Neuwachstum von Aluminiumgalliumarsenid-Schichten in nicht maskierten begrenzten Bereichen maskierter Substrate. Bei den gewünschten niederen Temperaturen (≤ 600°C) ist ein Neuwachstum unter Verwendung von Arsin oder Arsen nicht selektiv, was zu einem Wachstum nicht nur an dem nicht maskierten Substrat, sondern auch auf der Maske führt.
Bemühungen, selektives AlGaAs-Wachstum zu erreichen, haben nur begrenzten Erfolg erzielt. As oder As₂ haftet an der Maskenoberfläche und katalysiert die Zersetzung von Al-Vorläufern. Wachstumstemperaturen oberhalb 600°C sind erforderlich, um eine Kristallkernbildung von Al enthaltenden Materialien auf der Maskenoberfläche zu verhindern. Aber zur Herstellung vieler elektronischer Bauelemente sind niedrigere Wachstumstemperaturen erwünscht. Dementsprechend gibt es einen Bedarf an verbesserten Verfahren zum selektiven Züchten von Aluminium enthaltenden Schichten.
Zusammenfassung der Erfindung
Aluminiumgalliumarsenid-Schichten werden durch Molekularstrahl-Verfahren unter Verwendung von Phenylarsin (PhAs) als ein Arsen-Vorläufer gezüchtet. Weil PhAs reaktiver als Arsin und weniger reaktiv als Arsen ist, zersetzt es sich selektiv auf III-V-Oberflächen, aber nicht auf Maskenmaterialien. Daher erlaubt eine Züchtung unter Verwendung PhAs im Gegensatz zu konventionellen Verfahren ein selektives Wachstum auf nicht maskierten Galliumarsenid-Oberflächen, hemmt aber ein Wachstum auf typischen Maskenmaterialien wie Sili ziumnitrid. Die Züchtung findet bei einer Temperatur im Bereich von 500° bis 550°C statt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen In den Zeichnungen:
1 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte beim Züchten einer Aluminium enthaltenden Schicht zeigt;
2 ist ein schematischer Querschnitt eines typischen Werkstücks, auf dem eine Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid gezüchtet werden kann;
3 zeigt das Werkstück von 2 nach dem Züchten;
4 ist eine grafische Darstellung gemessener Konzentrationen gegen die Tiefe unter Verwendung verschiedener Vorläufer; und
5 ist eine schematische Ansicht eines bevorzugten elektronischen Bauelements.
Genaue Beschreibung
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 veranschaulicht die Schritte beim Abscheiden einer Aluminium enthaltenden Schicht und die 2 und 3 zeigen schematische Querschnitte eines typischen Werkstücks vor und nach dem Abscheidungsverfahren von 1.
Wie in 1A gezeigt ist, besteht der erste Schritt darin, ein Werkstück 10 bereitzustellen, das ein Substrat 9 mit einer Oberflächenschicht 13 aus III-V-Halbleiter der Galliumarsenid-Familie aufweist.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Werkstück 10 eine Maskierungsschicht 11 aus Siliziumnitrid, die nur einen vorbestimmten Bereich 12 einer Halblei terschicht 13 freilässt. Ein derartiges Werkstück kann das Ergebnis mehrerer vorangehender Schritte sein, die einen gewünschten Stapel unterschiedlich dotierter Halbleiterschichten (nicht gezeigt) in dem Bereich unter der Maske 11 und selbst in dem unter der Schicht 13 liegenden Bereich erzeugen. Der Halbleiter kann irgendein Material der Galliumarsenid-Familie sein, wozu Galliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid, Indiumgalliumarsenid, Aluminiumarsenid, Aluminiumindiumarsenid oder Aluminiumindiumphosphid gehören.
Der nächste in 1B gezeigte Schritt besteht darin, das Werkstück in einer evakuierten Kammer, die als Wachstumskammer bezeichnet werden kann, zu erhitzen. Das Werkstück 10 wird in einer Wachstumskammer wie einer INTE-VAC Gas Source Gen II, evakuiert auf einen niedrigen Druck von weniger als 0,013 Pa (10^–4 torr), angebracht und auf eine Temperatur im Bereich von 500°C bis 550°C erhitzt. Vorteilhafterweise ist die ausgesetzte Halbleiteroberfläche, wie hergestellt, im wesentlichen frei von Verunreinigungen wie Restoxiden oder die Oberfläche wird mittels auf dem Gebiet wohlbekannter Techniken sorgfältig gereinigt.
Wie in 1 C gezeigt ist, besteht der nächste Schritt darin, die Halbleiteroberfläche gasförmigen Molekülen von Phenylarsin und gleichzeitig einem gasförmigen Aluminium-Vorläufer wie Trimetylaminalan (TMAAl) auszusetzen. Da das gewünschte Aluminium enthaltende Material AlGaAs ist, sollte die Oberfläche auch einem gasförmigen Gallium-Vorläufer wie Trimetylgallium (TMG) ausgesetzt werden. Phenylarsin ist erhältlich von Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, PA. Bevorzugt werden die Vorläufer alle mittels eines H₂-Trägergases, das mit einer Strömungsrate im Bereich von 0,1 – 20 Standard-cm³ auf das Substrat gelenkt wird, in die Wachstumskammer eingeführt. Das Ergebnis ist selektives epitaxiales Wachstum von Aluminiumgalliumarsenid auf der Halbleiteroberfläche mit einer Rate in der Größenordnung von 9,5 nm/min.
Die sich ergebende Struktur ist schematisch in 3 veranschaulicht. Wie man sehen kann, ist die Wachstumsschicht 14 selektiv auf der Halbleiterschicht 13 und nicht auf der Maskenschicht 11 gebildet. Gewünschtenfalls kann die Maskenschicht 11 durch Auflösen von Siliziumnitrid in heißer Phosphorsäure selektiv entfernt werden.
Dieses Verfahren unter Verwendung von PhAs hat viele Vorteile gegenüber der früheren Verwendung von Arsin als ein Arsen-Vorläufer. PhAs schafft ein selektives Wachstum über einen breiteren Bereich von Wachstumstemperaturen als Arsin. Insbesondere schafft es selektives Wachstum bei niederen Temperaturen (500°C–550°C), die für die Herstellung von elektronischen und photonischen Halbleiter-Bauelementen wünschenswert sind.
PhAs ist insbesondere brauchbar beim selektiven Züchten von Schichten vom p-Typ aus Aluminiumgalliumarsenid, weil es den Einbau von Kohlenstoff, der für Aluminiumgalliumarsenid ein Dotierungsmittel vom p-Typ ist, nicht ausschließt. Die Ergebnisse dieses Effekts sind durch Bezugnahme auf 4 ersichtlich, die für aufeinanderfolgende Schichten, die unter Verwendung verschiedener Vorläufer gezüchtet wurden, die Konzentration verschiedener Elemente gegen die Tiefe grafisch darstellt. Wie veranschaulicht, führte das Züchten mit Triethylgallium (TEG), Trimethylaminalan (TMAAl) und Arsin zu einem Kohlenstoff-Anteil von etwa 5 × 10¹⁶ cm^–3. Im Gegensatz dazu erhöhte sich der Kohlenstoff-Gehalt auf etwa 1,8 × 10¹⁸ cm^–3, wenn dieselben Flussmittel der Gruppe III mit Phenyarsin kombiniert wurden.
5 ist eine schematische Ansicht eines Galliumarsenid-Bauelements in Form eines pnp-Transistors mit obenliegendem Emitter ("Emitter-up"), das vorteilhaft unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann. Das in 5 dargestellte Bauelement 40 besteht aus einem Substrat 41, das nacheinander gezüchtete Schichten 42, die als Transistor-Subkollektor dienen, trägt, einem Kollektor 43 und einem Basisbereich 44, der wiederum aus den Schichten 45, 46 und 47 besteht. Es ist passend, die Schicht 46 als die funktionelle Basisschicht mit umschließenden Schichten 45 und 47 (im allgemeinen zusammensetzungsmäßig abgestuft), die als Abstandhalter-Bereiche dienen (manche Fachleute bezeichnen die Gesamtheit des Bereichs 44 als den Basisbereich), zu beschreiben. Als nächstes folgt der Emitter-Schicht 48 eine optionale Schicht 49 und schließlich Schichten 50 und 51, wobei die drei Schichten den Emitter-Kontaktbereich darstellen.
Tabelle 1 unten legt detailliert die Verfahren dar, die zur Herstellung dieser Hauptschichten des Bauelements von 5 verwendet wurden. Der Begriff DMAAs bezeichnet Tris-dimethylaminoarsen, und das Verfahren der Verwendung von DMAAs zur Bildung einer Galliumarsenid-Schicht ist in der gleichfalls anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Method for selectively growing gallium-containing layers" (EP-A-O 544 438) des Anmelders, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde, beschrieben.

Claims

Verfahren zum Züchten einer Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid auf einem Werkstück, mit folgenden Schritten: es wird ein Werkstück bereitgestellt, das eine Oberflächenschicht aus III– IV-Halbleitermaterial der Galliumarsenid-Familie umfasst und ferner eine Siliziumnitridmaske aufweist, die einen Teil der Oberflächenschicht abdeckt, während ausgewählte Teile freiliegen; das Werkstück wird in einer Kammer reduzierten Druckes auf eine Temperaturs im Bereich von 500–550°C erwärmt; das Werkstück wird einem gasförmigen Aluminium-Vorläufer, einem gasförmigen Gallium-Vorläufer und PhAs ausgesetzt, um eine Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid auf den ausgewählten Teilen des Oberflächenbereichs selektiv zu züchten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Aluminium-Vorläufer Trimethylaminalan aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gallium-Vorläufer Trimethylgallium aufweist.