DE69327487T2 - Herstellungsverfahren von Verbindungshalbleitern - Google Patents

Herstellungsverfahren von Verbindungshalbleitern

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Verbund-Halbleiterschicht durch Dampfphasenwachstum eines Verbund-Halbleiterfilms unter Einsatz von Hydrid und Organometallverbindung als Ausgangsmaterialien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu Herstellung eines Verbundhalbleiters, mit dem Ebnung (d. h. Gleichförmigkeit) der Wachstumsschicht und Regulierung der Ablagerung eines verwendeten Schutzfilms durch selektives Wachstum erreicht werden kann.
  • Die GB-A-2.192.198 beschreibt ein Verfahren zum Dampfphasenwachstum eines Halbleiterfilms der Gruppen III-V, wie im ersten Teil von Anspruch 1 dargelegt.
  • Um die Leistung einer Verbund-Halbleitervorrichtung zu verbessern, ist die Entwicklung einer Vorrichtung, bei der ein zweidimensionales Gas verwendet wird, oder einer Quanteneffektvorrichtung forciert worden. Es ist erforderlich, die Wachstumsrate bei der Herstellung dieser Vorrichtungen präzise zu regulieren, und üblicherweise wird ein Molekülstrahl-Epitaxiewachstumsverfahren (in der Folge als MBE-Verfahren bezeichnet) oder ein metallorganische Dampfphasen-Epitaxiewachstumsverfahren (in der Folge als MOVPE-Verfahren bezeichnet) eingesetzt. In der Praxis ist unter Einsatz dieser Wachstumsverfahren eine steile Hetero-Verbindungsgrenzfläche auf der Ebene einer einatomigen Schicht ausgebildet worden.
  • Im Fall der Anwendung dieser Strukturen auf eine Vorrichtung hat die Ebnung der Hetero-Verbindungsgrenzfläche einen starken Einfluß auf die Eigenschaften der Vorrichtung. Beispielsweise ist bei einer Verbundgrenzfläche, die Aluminium enthält, die Migrationsstrecke der Aluminium enthaltenden Verbindungsmoleküle kurz, so daß keine gute Ebnung erfolgt. Dadurch entsteht das Problem, daß die Elektronenmobilität in der Grenzfläche beeinträchtigt wird. In letzter Zeit ist ein selektives Wachstumsverfahren eingesetzt worden; um die Vorrichtungsstruktur zu optimieren. Die Vorteile des selektiven Wachstumsverfahrens bestehen darin, daß einerseits ein qualitativ hochwertiger selektiver Wachstumsbereich und andererseits eine Hochleistungsvorrichtung erhalten werden kann, da ein defektfreies Verfahren bei vergleichsweise niedriger Temperatur durch geführt werden kann. Im allgemeinen wird das selektive Wachstum durch das MOVPE- Verfahren durchgeführt, weil es sich mit dem MBE-Verfahren als sehr schwierig erwiesen hat.
  • Allerdings ergeben sich bei einem Verfahren selektiven Wachstums Einschränkungen bezüglich der Wachstumsbedingungen, des Mischkristall-Anteils, der Maskenbreite usw., damit keinerlei Polykristalle auf einem Schutzfilm abgelagert werden. Insbesondere im Fall einer aluminiumhältigen Verbindung werden umso mehr Polykristalle auf einem Schutzfilm abgelagert, je stärker der Mischkristall-Anteil von Aluminium erhöht wird und je größer die Maskenbreite ist, wodurch sich das Problem ergibt, das die gewünschte Struktur der Vorrichtung nicht erhalten werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das obengenannte Problem zu lösen. Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Halbleiters mit verbesserter Ebnung der Wachstumsoberflächen und hervorragender Leistung der Vorrichtung bereitzustellen.
  • Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im Detail erklärt. Als Ausgangsmaterialien für den Verbund-Halbleiter können gemäß vorliegender Erfindung herkömmliche Hydride und Organometallverbindungen eingesetzt werden, die keine Halogenelemente enthalten. Als solche Hydride werden vorzugsweise Arsin (AsH&sub3;), Phosphin (PH&sub3;) und dergleichen verwendet, und als Organometallverbindungen werden vorzugsweise Trimethylgallium (TMG), Triethylgallium (TEG), Trimethylaluminium (TMA), Trimethylindium (TMI) und dergleichen verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film wächst, indem abwechselnd (A) gasförmige Organometallverbindung eines Gruppe III-Metalls und (B) Halogenid und/oder Halogengas in die Kristallwachstumskammer eingeleitet werden. Das ermöglicht, die Kristallwachstumsoberfläche zu ebnen und das Wachsen von Polykristallen auf einem Schutzfilm zu stoppen.
  • Wie oben angeführt, sollten für das Kristallwachstums gemäß vorliegender Erfindung Ausgangsmaterialien verwendet werden, die keine Halogenelemente enthalten. Der Grund dafür ist, daß die Verwendung von Halogeniden wie Galliumchlorid (GaCl), Diethylgalliumchlorid ((C&sub2;H&sub5;)&sub2;GaCl), Arsentrichlorid (AsCl&sub3;), als Rohmaterial der Gruppe III oder V den Kristallwachstumsmechanismus komplizierter macht und die präzise Steuerung der Wachstumsrate schwierig macht. Der Grund dafür ist auch, daß Quarzröhrchen erodiert werden, wenn eine Aluminium enthaltende Verbindung wachsen soll. Außerdem ist es vorzuziehen, daß im Halogenid- und/oder Halogengas, das gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird, keine Mutterelemente enthalten sind, die in der Verbindung enthalten sind, die wachsen soll. Als Halogene sind in der Praxis Cl&sub2;, I&sub2;, F&sub2; und Br&sub2; geeignet. Als Halogenidgas werden vorzugsweise Halogenwasserstoffgas und Schwefelhalogenidgas verwendet, und Beispiele in der Praxis sind HBr, Hl, HF, HCl, CCl&sub2;F&sub2;, SF&sub6;, CH&sub3;Cl, CCl&sub4; und Gemische davon. Vor allem HCl ist besonders bevorzugt.
  • Die Menge des Halogenidgases und/oder des Halogengases kann geringer sein als in jenem Fall, wo das übliche Ätzen der Halbleiter-Dünnfilmoberfläche durchgeführt wird, und unterliegt keiner speziellen Einschränkung. Sie kann von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung unter Berücksichtigung der Größe und der Temperatur der Wachstumskammer und dergleichen gewählt werden. Der Gesamtdruck des einzuleitenden Gases wird vorzugsweise bei Normaldruck oder darunter gewählt. Die Wachstumstemperatur wird üblicherweise im Bereich von 600 bis 800ºC gewählt.
  • Gemäß vorliegender Erfindung werden das Rohmaterialgas aus Organometallverbindung der Gruppe III oder das Halogenid- und/oder Halogengas abwechselnd in eine Wachstumskammer eingeleitet. Die Dauer für einen einzelnen Zufuhrschritt des Rohma terialgases aus Organometallverbindung der Gruppe III beträgt vorzugsweise 1 min oder weniger und mehr bevorzugt 30 s oder weniger. Wenn diese Dauer 1 min übersteigt, kann keine Ebnung der Kristallwachstumsoberfläche als Ergebnis der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Nachdem die Zufuhr des Rohmaterialgases aus Organometallverbindung der Gruppe III gestoppt wurde, wird das Halogenidgas und/oder das Halogengas zugeführt, und die Dauer beträgt in diesem Fall ebenfalls vorzugsweise 1 min oder weniger und am meisten bevorzugt 30 s oder weniger.
  • Die Nicht-Strömungszeit der obigen zwei Arten von Gasen, wenn sie gewechselt werden, unterliegt keiner speziellen Einschränkung, aber eine längere Zeitdauer verringert die Produktivität. Daher ist es vorzuziehen, daß diese Zeit 10 s oder weniger beträgt, und mehr bevorzugt beträgt diese Zeit 1 bis 10 s, damit Organometallverbindungs-Rohmaterialgas und das Halogenid- und/oder Halogengas sich nicht auf der Wachstumsoberfläche vermischen.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf das herkömmliche Dünnfilm-Wachstum eines Verbund-Halbleiters der Gruppe III-V anwendbar und insbesondere auf das Dünnfilm- Wachstum eines aluminiumhältigen Verbundhalbleiters der Gruppe III-V anwendbar. Als aluminiumhältiges Rohmaterialgas können bekannte Materialien jeglicher Art verwendet werden. Es wird jedoch Trialkylaluminium bevorzugt, weil es eine vergleichsweise einfache Reaktion ergibt, das Verhalten des erzeugten Gases nach seiner Zersetzung eindeutig ist und es einigermaßen preisgünstig ist. Auch in diesem Fall wird als Halogenidgas und/oder Halogengas HCl bevorzugt:
  • Für den Fall, daß der gemäß vorliegender Erfindung erhaltene Film des Verbund- Halbleiters der Gruppe III-V dotiert ist, können verschiedene wohlbekannte Dotiermittel eingesetzt werden. Davon ist ein Dotiermittel besonders wirksam, das in die III-Gruppen Stellen eindringt, was vor allem dann erreicht wird, wenn mit Silizium oder Zink dotiert wird, insbesondere wenn ein aluminiumhältiger Film eines Verbund-Halbleiters der Gruppe III-V mit Silizium oder Zink dotiert wird.
  • Durch das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung können folgende Ergebnisse erzielt werden. 1) Das Wachstum kann unter beinahe gleichen Wachstumsbedingungen wie jenen eines herkömmlichen MOVPE-Verfahrens durchgeführt werden, und es ist möglich, die Hetero-Verbindungsgrenzfläche zu ebnen und die Ebnung der Oberflächenhomologie und der Facettenoberfläche zu verbessern. 2) Qualitativ hochwertiges Kristallwachstum auf einer Maske kann ohne Ablagerung von Polykristallen in einem weiten Bereich erzielt werden. 3) Die erzielte Wachstumsrate kann die gleiche Reproduzierbarkeit und Kontrolle beibehalten wie bei herkömmlichem MOVPE, obwohl die Rate durch Zugabe von Spurenmengen an HCl um einige Prozent verringert werden kann, und es kann gesagt werden, daß es sich dabei um ein in der praktischen Verwendung wirksames Verfahren handelt.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand eines Beispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Fig. 1 ein erklärendes Diagramm des Streifenmusters aus SiNx-Films ist, das im Beispiel und in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 verwendet wird;
  • Fig. 2 das Gasströmungsprogramm zeigt, das im Beispiel verwendet wird;
  • Fig. 3 das Gasströmungsprogramm zeigt, das in Vergleichsbeispiel 1 verwendet wird.
    • BEISPIEL
  • SiNx-Film wurde durch ein CVD-Plasmaverfahren bis zu einer Dicke von 100 nm auf einem GaAs-Substrat abgelagert. Dann wurde das GaAs unter Einsatz von Photolithographie teilweise belichtet. Der Abstand zwischen einem belichteten GaAs-Bereich und dem nächsten belichteten GaAs-Bereich wurde von 2 um bis 1 mm in Streifenmustern variiert, die in Fig. 1 dargestellt sind. Auf diesem Substrat wurde mit Si dotiertes AlAs wachsen gelassen, wobei ein Gasströmungsprogramm eingesetzt wurde, wie in Fig. 2 gezeigt. Es wurden jeweils TMA (Trimethylaluminium) als Rohmaterialgas von Organometallverbindung eines Metalls der Gruppe III, Arsin (AsH&sub3;) als Rohmaterialgas der Gruppe V und HCl als Halogenidgas verwendet. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Wachstumstemperatur 700ºC, der Wachstumsdruck betrug 104 Pa (0,1 Atm) und der Anteil in molarer Konzentration an HCl und TMA war gleich. Außerdem betrug die Wachstumsgeschwindigkeit von AlAs für den Fall, daß kein SiNx-Film vorhanden war, 1 um/h.
  • Zunächst wurde 5 s lang in einer Atmosphäre aus Arsin und H&sub2; als Trägergas TMA eingeleitet. Dann wurde nach einem Intervall von 1 s 5 s lang HCl eingleitet, und es folgte ein weiteres 1 s-Intervall. Dieser vollständige Zyklus wurde wiederholt. Auf diese Weise wurde das in Fig. 2 gezeigte Gasströmungsprogramm durchgeführt, und es wurden 180 Zyklen wiederholt. Während all dieser Zeiträume wurden immer Arsin und H&sub2;, das Trägergas, eingeleitet, und Disilan (Si&sub2;H&sub6;), eine Si-Dotierungsquelle, wurde synchron zusammen mit TMA in einer Menge von 1 · 10&supmin;&sup6;/cm³ zugeführt, was dem Dotierungsanteil entsprach.
  • Als Ergebnis war festzustellen, daß auf dem SiNx-Filmbereich mit einer Breite von mehr als 500 um einige AlAs-Kerne gebildet wurden, aber auf dem SiNx-Film mit einer Breite von weniger als 500 um wurde kein Kern festgestellt. AlAs wuchs selektiv nur auf dem belichteten GaAs, und weiters wurde die Trägerkonzentration des gewachsenen AlAs mit 9 · 1017/cm³ gemessen.
    • Vergleichsbeispiel 1
  • AlAs wurde nach dem Verfahren des obigen Beispiels wachsen gelassen, mit der Ausnahme, daß das Gasströmungsprogramm wie in Fig. 3 gezeigt verwendet wurde, bei dem keine HCl zugeführt wurde. Das Ergebnis war, daß das Wachstum von AlAs-Polykristallen auf beinahe der gesamten Oberfläche aller SiNx-Filme festzustellen war.
    • Vergleichsbeispiel 2
  • AlAs wurde nach dem Verfahren des obigen Beispiels wachsen gelassen, mit der Ausnahme, daß TMA, Disilan, Arsin und HCl kontinuierlich unter H&sub2;-Atmosphäre zugeführt wurden, d. h. ohne daß dessen Zufuhr abgewechselt wurde. Als Ergebnis war, was das selektive Wachstum betrifft, auf die gleiche Weise wie im Beispiel erwähnt, die Bildung sehr weniger AlAs-Kerne auf dem SiNx-Film mit mehr als 500 um Breite festzustellen, und auf dem SiNx-Film mit einer Breite von weniger als 500 um waren überhaupt keine Kerne festzustellen. AlAs wuchs selektiv nur auf dem belichteten GaAs. Die Trägerkonzentration des gezüchteten AlAs wurde jedoch mit 1 · 10&supmin;&sup6;/cm³ oder weniger gemessen.

Claims (5)

1. Verfahren für das Dampfphasen-Wachstum eines Halbleiterfilms einer Verbindung der Gruppen III-V, worin ein Hydrid eines Elements der Gruppe V und eine Organometallverbindung eines Metalls der Gruppe III, die beide keine Halogenelemente als Rohmaterialien für das Wachstum enthalten, in eine Wachstumskammer eingebracht werden und der Verbindungs-Halbleiterfilm der Gruppen III-V auf dem Substrat in der Wachstumskammer wächst, worin wiederholt ein Wachstumsverfahren durchgeführt wird, das die folgenden beiden Schritte umfaßt:
(i) das Einbringen des Rohmaterialgases aus Organometallverbindung des Metalls der Gruppe III in einer Zeitspanne (A) und
(ii) das Einbringen zumindest eines Halogenid- und/oder Halogengases in die Wachstumskammer in einer Zeitspanne (B), die auf die Zeitspanne (A) folgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachstumverfahren ein selektives Wachstumsverfahren ist und die Wachstumstemperatur im Bereich von 600 bis 800ºC liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin jede Zeitspanne des Einbringens von Organometallverbindungsgas eines Metalls der Gruppe III 1 min oder weniger beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin zumindest ein Halogenidgas eingesetzt wird, das aus HCl, HBr, H&sub1;, HF, CCl&sub2;F&sub2;, SF&sub6;, CH&sub3;Cl und CCl&sub4; ausgewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin das Halogenidgas HCl ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Verbindungs-Halbleiter der Gruppen III-V Aluminium enthält.
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