DE69823450T2 - Vorrichtung mit einer Oxidschicht auf GaN und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Vorrichtung mit einer Oxidschicht auf GaN und Verfahren zur Herstellung Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Gegenstände, die eine Metall-Oxid-Halbleiter-Struktur (MOS-Struktur) umfassen, und Verfahren zur Herstellung der Gegenstände.
  • Hintergrund
  • Die heutige Leistungselektronik basiert auf Silicium. Obgleich die momentane Si-Technologie die momentanen Anforderungen erfüllen kann, sind die über das Jahr 2000 hinaus erwarteten Anforderungen für die Hochleistungselektronik so hart, dass es unwahrscheinlich scheint, dass sie durch eine Si-gestützte Technologie erfüllt werden können. Zu den Anforderungen zählen die thermische Stabilität, die Geschwindigkeit (Mobilität und Sättigungsgeschwindigkeit) und ein hohes Durchschlagfeld.
  • Angesichts der erwarteten Unfähigkeit der Si-gestützten Leistungselektronik (z. B. Dioden, Thyristoren, Gateabschalt-Thyristoren, MOSFETs), die zukünftigen Anforderungen zu erfüllen, werden mögliche alternative Technologien betrachtet, wobei Halbleiter mit breitem Bandabstand vielversprechend erscheinen. Ein Vergleich der physikalischen Eigenschaften und der Verfügbarkeit der wichtigsten Anwärter unter den Halbleitern legt nahe, dass SiC (Siliciumcarbid) und GaN (Galliumnitrid) unter anderem wegen ihrer ausgezeichneten Durchschlag- und Transporteigenschaften die am meisten erwünschten Halbleiter mit hohem Bandabstand für die Leistungselektronik sind.
  • Bevor Leistungsvorrichtungen in einer SiC-gestützten oder GaN-gestützten Technologie implementiert werden können, müssen viele Verarbeitungsprobleme gelöst werden. Bedeutend unter diesen Problemen ist das Wachstum einer Oxidlage auf dem Halbleiter, so dass die anspruchsvollen Grenzflächenanforderungen erfüllt sind.
  • Das Wachstum eines Oxids hoher Qualität auf SiC ist nachgewiesen worden. Siehe beispielsweise S. Ryu u. a. IEEE Electron Device Letters, Bd. 18(5), S. 194, Mai 1997. Allerdings ist es bisher unmöglich, das Aufwachen eines Oxids hoher Qualität auf GaN zu bewirken. Somit es sehr wünschenswert, dass eine Technik verfügbar ist, die das Aufwachsen dieses Oxids auf GaN bewirkt. Diese Anmeldung offenbart eine solche Technik sowie einen Gegenstand, der eine Lage mit diesem Oxid auf GaN umfasst.
  • Glossar und Definitionen
  • Mit einem Oxid "hoher Qualität" auf einer Halbleiterfläche ist hier ein Oxid gemeint, das die Modulation der Halbleiteroberflächenladung durch Änderung der Diodenspannung, d. h. der Spannung über die MOS-Struktur, ermöglicht.
  • Ein "Ga-Gd-Oxid" (oder "Gd-Ga-Oxid") ist hier ein Mischoxid, das Ga, Gd und Sauerstoff enthält, wobei die Menge des Sauerstoffs nicht notwendig die stöchiometrische Menge ist, die einem Gemisch von Ga2O3 und Gd2O3 entspricht. Tatsächlich gibt es Anzeichen dafür, dass die Menge des Sauerstoffs typischerweise unter der stöchiometrischen liegt.
  • Mit einer "im Wesentlichen atomar reinen" Fläche ist hier eine Fläche gemeint, die weniger als 1% einer Einzellage (vorzugsweise weniger als 0,1%) Störstellenatomabdeckung aufweist. Der Grad der Störstellenatomabdeckung kann mit einer bekannten Technik (XPS) gemessen werden. Siehe beispielsweise P. Pianetta u. a., Phys. Rev. Letters, Bd. 35(20), S. 1356 (1975). Die Bedingung ist typischerweise erfüllt, wenn die Bedingungen so sind, dass
    Figure 00020001
    höchstens 100 Langmuir beträgt, wobei p(t) der Störstellenpartialdruck, tc die Zeit des Abschlusses der Störstellenentfernung von der GaN-Fläche und tm die Zeit der Fertigstellung der ersten Einzellage des Ga-Gd-Oxids auf der GaN-Fläche ist. Ein "Langmuir" ist ein herkömmliches Maß für die Flächenexposition, d. h. 1,33 × 10–4 Pa-Sekunden (1 × 10–6 Torrsekunden).
  • Eine Fläche ist hier "im Wesentlichen atomar geordnet", falls eine Flächenrekonstruktion beobachtet wird. Mittel zum Beobachten einer Flächenrekonstruktion sind herkömmlich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung ist in einem Gegenstand, der eine Halbleitervorrichtung umfasst, z. B. in einer Diode, in einem Thyristor oder in einem MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET), ausgeführt. Die Halbleitervorrichtung umfasst eine Oxidlage auf einer Hauptfläche eines Halbleiterkörpers. Typischerweise umfasst die Vorrichtung außerdem eine Metalllage auf der Oxidlage.
  • Es ist wesentlich, dass der Halbleiterkörper ein GaN-Körper (typischerweise ein GaN-Einkristallkörper) ist und dass die Oxidlage eine Ga-Gd-Oxidlage hoher Qualität umfasst.
  • Außerdem ist die Erfindung in einem Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands ausgeführt, der eine Halbleitervorrichtung umfasst, die eine Oxidlage auf einer Hauptfläche eines Halbleiterkörpers aufweist. Es ist wesentlich, dass der Halbleiterkörper ein GaN-Körper ist und dass das Verfahren das Bilden einer Oxidlage auf einer Hauptfläche des GaN-Körpers dadurch, dass die Hauptfläche einem verdampfenden Stoff von einer Ga5Gd3O12-Verdampfungsquelle ausgesetzt wird, umfasst, so dass ein Ga-Gd-Oxid hoher Qualität ausgebildet wird. Dies erfordert typischerweise eine Verarbeitung der GaN-Fläche, so dass wenigstens der wichtige Abschnitt der Fläche im Wesentlichen atomar rein und im Wesentlichen atomar geordnet ist, wobei die atomare Reinheit wenigstens aufrechterhalten wird, bis auf der GaN-Fläche die erste Einzellage von Ga-Gd-Oxid ausgebildet wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt schematisch eine MOS-Struktur gemäß der Erfindung;
  • 2 und 3 zeigen elektrische Daten für eine beispielhafte MOS-Struktur gemäß der Erfindung;
  • 4 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung gemäß der Erfindung, d. h. einen GaN-gestützten MOSFET; und
  • 5 und 6 zeigen die Oxidzusammensetzung für zwei verschiedene Substrattemperaturen.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfinder haben festgestellt, dass ein Verfahren, das ähnlich einem kürzlich bekannt gewordenen Verfahren, das das Aufwachsen eines Oxids mit Vorrichtungsqualität auf GaAs bewirkt, verwendet werden kann, um das Aufwachsen eines Oxids hoher Qualität auf GaN zu bewirken. Angesichts der wesentlichen Unterschiede hinsichtlich der chemischen und physikalischen Eigenschaften zwischen GaAs und GaN wird diese Feststellung als unerwartet angesehen. Beispielsweise besitzt das Erstere ein kovalente Bindung und weist eine kubische Symmetrie auf, während das Letztere eine Ionenbindung besitzt und eine hexagonale Symmetrie aufweist. Siehe z. B. S. Kurtin u. a., Physical Review Letters, Bd. 22(26), S. 1433 (1969).
  • Hinsichtlich des Verfahrens, das das Aufwachsen eines Oxids auf GaAs bewirkt, siehe beispielsweise die US-Patente 5.550.089 und 5.451.548 sowie die US-Patentanmeldungen lfd. Nr. 08/408.678, 08/741.010 und 08/804.782.
  • Wichtige Merkmale des Verfahrens gemäß der Erfindung sind:
    • a) Vorsehen des GaN-Körpers;
    • b) Vorbereiten der Hauptfläche, so dass wenigstens ein wichtiger Abschnitt der Fläche im Wesentlichen atomar rein und im Wesentlichen atomar geordnet ist; und
    • c) Bilden der Oxidlage durch einen Prozess, der das Aussetzen des wichtigen atomar reinen und atomar geordneten Abschnitts einem verdampfenden Stoff von einer Ga5Gd3O12-Verdampfungsquelle umfasst, so dass eine erste Einzellage des Oxids gebildet wird, bevor eine 1%ige Flächenabdeckung mit Störstellenatomen erreicht ist, wobei das Aufwachsen der Ga-Gd-Oxidlage fortgesetzt wird, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.
  • Der GaN-Körper ist allgemein ein Einkristallkörper mit einer Hauptfläche, die typischerweise eine (0001)-Orientierung besitzt oder (im Bereich von etwa 5°) nahe bei der (0001)-Orientierung liegt. Obgleich der GaN-Körper ein getrennter Körper (z. B. ein Wafer) sein kann, ist der GaN-Körper in vielen Fällen eine Einkristalllage auf einem Einkristallsubstrat (z. B. auf einem Al2O3-Substrat). Diese Kombinationen sind kommerziell verfügbar und dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt.
  • Ein wichtiges Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Vorbereitung der Hauptfläche des GaN-Körpers, so dass wenigstens ein wichtiger Abschnitt der Fläche im Wesentlichen atomar rein und im Wesentlichen atomar geordnet ist. Dies kann durch eine geeignete Technik (z. B. durch Spalten in UHV, beispielhaft bei 1,33 × 10–6 Pa) erreicht werden. Eine bevorzugte Technik umfasst das Erwärmen des GaN-Körpers in UHV während einer Zeitdauer, die ausreichend ist, so dass sie zu einer im Wesentlichen vollständigen Desorption des ursprünglichen Oxids und weiterer Störstellen von der Fläche führt und zur Flächenrekonstruktion führt. Es ist wünschenswert, dass der Zustand der Fläche, z. B. mittels Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugung, in situ beobachtet wird. Die Temperatur des GaN-Körpers liegt typischerweise im Bereich von 530°C–630°C, beispielhaft bei 580°C, und die Zeit bei dieser Temperatur typischerweise im Bereich von 1 Minute bis 1 Stunde, beispielhaft bei 5 Minuten. Der Druck in der Desorptionskammer beträgt typischerweise 1,33 × 10–6 Pa (10–8 Torr) oder weniger, beispielhaft 1,33 × 10–8 Pa (10–10 Torr).
  • Ein weiteres wichtiges Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung ist die In-situ-Ablagerung (d. h. die Ablagerung, ohne der umgebenden Atmosphäre auszusetzen) der Oxidlage auf der im Wesentlichen atomar reinen und geordneten GaN-Fläche. Die Ablagerung kann in der gleichen Unterdruckkammer wie die Störstellendesorption ausgeführt werden.
  • Ein nochmals weiteres wichtiges Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Wahl der Ablagerungstechnik und des Ablagerungsmaterials. Trotz Bemühungen zur Verwendung anderer Materialien wurden bisher die besten Ergebnisse durch die E-Strahl-Ablagerung eines Gallium-Gadolinium-Granat-Einkristalls (GGG-Einkristalls; Ga5Gd3O12-Einkristalls) erhalten. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass später eine andere akzeptable Ablagerungstechnik und/oder ein anderes akzeptables Ablagerungsmaterial entdeckt werden. Angesichts der Anforderung einer im Wesentlichen atomar reinen GaN-Fläche ist offensichtlich, dass diese Technik mit dem UHV verträglich sein muss. Außerdem muss das Ablagerungsmaterial mit der Anforderung verträglich sein, dass sich bei tm höchstens eine 1%ige Störstellenabdeckung angesammelt hat. Dies legt die Notwendigkeit eines Ablagerungsmaterials nahe, das beim Erwärmen und Schmelzen keine wesentlichen Störstellenmengen freisetzt. Ein GGG-Einkristall ist ein solches Material, wie es polykristallines GGG und möglicherweise andere dichte Materialien, die Ga-Oxid freisetzen, sein können.
  • Wie in der obenerwähnten '782-er Patentanmeldung ausführlich beschrieben worden ist, hängt die Zusammensetzung des abgeschiedenen Ga-Gd-Oxidfilms von der Substrattemperatur ab. Siehe die 5 und 6 hierin, die zeigen, dass das Ga : Gd-Verhältnis stark von der Temperatur abhängt. Die Substrattemperatur während der Oxidablagerung liegt typischerweise im Bereich von 20°C–650°C, wobei der Bereich von 400–600°C momentan bevorzugt wird.
  • Nach Abschluss der Oxidablagerung (Dicke beispielhaft im Bereich von 10–100 nm) wird, beispielhaft durch eine Schattenmaske, allgemein auf dem Oxid ein Kontaktmaterial abgelagert. Dies ist herkömmlich und erfordert keine ausführliche Darstellung. Beispielhaft ist das Kontaktmetall in der Reihenfolge von dem Oxid Pt/Ti/Pt/Au.
  • An beispielhaften MOS-Strukturen gemäß der Erfindung wurden herkömmliche elektrische Messungen ausgeführt. Die Messungen haben den Nachweis erbracht, dass die MOS-Strukturen gemäß der Erfindung die Grundanforderungen für eine MOS-Vorrichtung, d. h. niedriger Leckstrom sowohl unter Vorspannung in der Durchlassrichtung als unter Vorspannung in der Sperrrichtung und ausgezeichnete Ladungsmodulation, erfüllten.
  • 1 zeigt schematisch eine beispielhafte MOS-Struktur 10 gemäß der Erfindung, wobei sich die Bezugszeichen 11–14 jeweils auf ein dielektrisches Substrat (z. B. Al2O3), auf eine GaN-Lage, auf die Ga-Gd-Oxidlage und auf die Metallkontaktlage beziehen. Die elektrischen Kontakte sind ebenfalls angegeben.
  • 2 zeigt die Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung für eine beispielhafte MOS-Struktur auf einem n-GaN (Si-dotierten GaN). Die Figur zeigt die ausgezeichnete Ladungsmodulation von der Anreicherung (positiv) bis zur Verarmung (negativ) in Reaktion auf die Spannungsänderung bei verschiedenen Frequenzen. Im Unterschied zu typischen SiO2/Si-MOS-Strukturen wurde, möglicherweise als eine Folge der Ionenbindung des GaN, die zu einer sehr langen Trägerlaufzeit führen kann, keine Invasion beobachtet. Siehe beispielsweise Kurtin u. a., op. cit.
  • 3 zeigt den Strom in Abhängigkeit von der Spannung für die MOS-Struktur aus 2. Im Gegensatz zu Schottky-Kontakten, die bei etwa 0,7 V eingeschaltet werden, zeigt die Figur sowohl unter Vorspannung in der Durchlass- als auch in der Sperrrichtung bis zu etwa ±4 Volt einen sehr niedrigen Leckstrom.
  • Die obenbeschriebene MOS-Struktur ist selbst als spannungsgesteuerter Kondensator nützlich, besitzt aber eine größere Nützlichkeit in aktiven, GaN-gestützten elektronischen Vorrichtungen wie etwa in GaN-gestützten MOSFETs, die die wesentlichen Elemente für eine GaN-gestützte CMOS-Technologie sind. Die Verwendung der MOS-Struktur gemäß der Erfindung in GaN-gestützten aktiven Vorrichtungen ist beabsichtigt. Eine beispielhafte solche Vorrichtung ist schematisch in 4 gezeigt, in der sich die Bezugszeichen 40–45 jeweils auf ein Al2O3-Substrat, auf den p-(z. B. mit 2 × 17 cm–3 Mg dotierten)GaN-Körper, auf die n-(z. B. Si-implantierten)Source- und Drain-Gebiete und auf die ohmschen (z. B. Ti-Al/WSi/Au-) Drain- und Sourcekontakte beziehen. Das Bezugszeichen 46 bezieht sich auf das Ga-Gd-Oxid (Gateoxid), das Bezugszeichen 47 auf den Metall-(z. B. Pt/Ti/Pt/Au-)Gatekontakt und das Bezugszeichen 48 auf das Feldoxid (beispielhaft ebenfalls Ga-Gd-Oxid). Das Bezugszeichen 49 bezieht sich auf Isolationsimplantationsgebiete (beispielsweise implantierten Sauerstoff).
  • Beispiel
  • Eine MOS-Struktur gemäß der Erfindung wurde wie folgt vorbereitet. Es wurde ein (0001)-orientiertes Saphirsubstrat mit einem Durchmesser von 2 Zoll mit einem (0001)-orientierten 3-μm-GaN-Einkristall darauf vorbereitet. Der Saphir/GaN-Körper wurde von einem kommerziellen Lieferer erhalten. Das Aufwachsen des GaN wurde durch MOCVD unter Verwendung von Triethylgallium und -ammonium bewirkt. Zur Dotierung des n-GaN mit etwa 1017 cm–3 Si wurde Disilan verwendet.
  • Der Saphir/GaN-Körper wurde mit Indium auf einem Molybdänblock angebracht. Eine kleine Menge In wurde außerdem auf dem GaN angeordnet, um einen ohmschen Kontakt für das GaN zu schaffen. Der Mo-Block mit dem Saphir/GaN-Körper darauf wurde in einer Kammer eines MBE-Systems angeordnet und 5 Minuten in UHV auf 580°C erwärmt, um die ursprünglichen Oxide zu desorbieren. Zur Überwachung der Probenfläche wurde die Reflexions-Hoch energie-Elektronenbeugung (RHEED) verwendet, die angab, dass die Fläche im Wesentlichen atomar rein und atomar geordnet war. Die Kammer war mit einer mittels E-Strahl erwärmten Bedampfungsvorrichtung ausgestattet, die mit einer Menge eines GGG-Einkristalls (Gallium-Gadolinium-Granat-Einkristalls; Ga5Gd3O12-Einkristalls) beschickt wurde.
  • Nach der Oxiddesorption wurde die Probe auf 535°C gehalten und die GaN-Fläche der Probe einem verdampfenden Stoff von einer Verdampfungseinrichtung ausgesetzt, so dass sich mit einer Rate von etwa 0,05 nm/s auf der Fläche eine 40 nm-GaGd-Oxidlage bildete. Die Erwärmung und die Oxidablagerung wurden unter Unterdruckbedingungen ausgeführt, so dass die GaN-Fläche zum Zeitpunkt der Fertigstellung der ersten Einzellage des Ga-Gd-Oxids im Wesentlichen atomar rein war (< 1% einer Einzellagen-Störstellenabdeckung).
  • Nach Abschluss der Oxidablagerung wurde auf der Oxidfläche mit einem E-Strahl-Ablagerungssystem unter Verwendung einer Schattenmaske eine gemusterte Metalllage (5 nm Pt/25 nm Ti/50 nm Pt/300 nm Au) abgeschieden. Damit wurde die Bildung einer MOS-Struktur abgeschlossen, worauf herkömmliche elektrische Messungen folgten. Beispielhafte Ergebnisse sind in den 2 und 3 gezeigt, die nachweisen, dass die MOS-Struktur gemäß der Erfindung ein Oxid hoher Qualität auf dem GaN aufwies und die Grundanforderungen für eine MOS-Vorrichtung erfüllte.

Claims (5)

  1. Gegenstand, der eine Metall-Oxid-Halbleiter-Vorrichtung (MOS-Vorrichtung) enthält, die auf einer Hauptfläche eines Halbleiterkörpers eine Oxidlage aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper ein GaN-Einkristallkörper ist und die Oxidlage eine Ga-Gd-Oxidlage hoher Qualität ist, die so gewählt ist, dass die MOS-Vorrichtung bei einer angelegten Spannung einer ersten Polarität eine Ladungsverarmung zeigt und bei einer angelegten Spannung einer zweiten Polarität eine Ladungsanreicherung zeigt.
  2. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Hauptfläche eine Orientierung besitzt, die im Bereich von 5° der (0001)-Orientierung liegt.
  3. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die MOS-Vorrichtung ein Feldeffekttransistor ist und die Ga-Gd-Oxidlage eine Gateoxidlage ist, die zwischen der Hauptfläche und einer Metallkontaktlage angeordnet ist.
  4. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Ga-Gd-Oxid ferner so gewählt ist, dass die Vorrichtung bei 20°C einen Kriechstrom von höchstens 0,1 nA zeigt, falls über die Ga-Gd-Oxidlage eine Spannung von ±4 V angelegt wird.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, der eine Metall-Oxid-Halbleiter-Vorrichtung (MOS-Vorrichtung) umfasst, die auf einer Hauptfläche eines Halbleiterkörpers eine Oxidlage aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Halbleiterkörper vorgesehen wird, der ein GaN-Einkristallkörper ist; b) die Hauptfläche des Halbleiterkörpers so vorbereitet wird, dass wenigstens ein wichtiger Abschnitt der Oberfläche im Wesentlichen atomar rein und im Wesentlichen atomar geordnet ist; und c) die Oxidlage auf der Hauptfläche des GaN-Körpers dadurch gebildet wird, dass die Hauptfläche einem verdampften Stoff von einer Ga5Gd3O12-Verdampfungsquelle ausgesetzt wird, so dass eine erste Einzellage des Oxids gebildet ist, bevor eine 1%ige Oberflächenabdeckung mit Störstellenatomen erreicht ist.
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