DE2653532C2

DE2653532C2 - Züchtungsverfahren für epitaktische Halbleiterschichten

Info

Publication number: DE2653532C2
Application number: DE2653532A
Authority: DE
Inventors: Daniel Leon Murray Hill N.J. Rode
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-12-01
Filing date: 1976-11-25
Publication date: 1985-11-07
Also published as: JPS6054279B2; GB1561177A; DE2653532A1; IT1069886B; FR2333567A1; FR2333567B1; JPS5268079A; US4050964A

Description

ίο 1.1 Grad bis 0,2 Grad.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem AlxGai_»As. mit χ zwischen 0 und 0,36, aus flüssiger Phase auf eine (lll)-B-Ebene eines GaAs-Substrates zwischen 730 und 880⁰C epitaktisch niedergeschlagen wird, gekennzeichnet durch Fehlorientieren des Substrates gegenüber der (111)-B-Ebene um einen Winkel im Bereich von 1,0 Grad bis 0,5 Grad.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Niederschlagen einer III-V-Verbindung in einer Vorrichtung mit einem Lösungshalter mit einer Mehrzahl tragförmiger Kammern zur Aufnahme von Vorratslösungen der III- und V-Materialien und einem Keimhalter zum Halten eines Sättigungskeims und des Substrates, die beide aus der III-V-Verbindung bestehen, wobei der Halter unterhalb der Kammern so verschoben wird, daß der Sättigur.gskeim dem Substrat unter jeder Kammer voreilt, dadurch gekennzeichnet, das der Sättigungskeim um einen Winkel, der wenigstens so groß ist wie der Fehlorientierungswinkel des Substrates, feStforienticrt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Silicium aus der Dampfphase auf einem Siliciumsubstrat bei Temperaturen zwischen 950 und 1200° C epitaktisch niedergeschlagen wird, gekennzeichnet durch Fehlorientieren des Substrates gegenüber der (111 )-Ebene in der (TT2)-Richtung um einen Winkel im Bereich von 1,10 Grad bis 0,20 Grad.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf einer fehlorienti-:-ten Fläche eines Halbleitersubstrates.

Eines der Probleme, das beim epitaktischen Aufwachsenlassen von Halbleiterschichten fortwährend auftritt, ist die Gegenwart von in dtr aufwachsenden Oberfläche zu beobachtenden Fehlern, die es schwierig machen, glatte Oberflächen und gleichförmig dicke Schichten zu erhalten. Beispielsweise werden bei der Herstellung

optischer Wellenleiter und pn- Übergangslaser GaAs- und AlGaAs-Schichten im Flüssigphasenepitaxieverfahren auf GaAs-Siibstraten gezüchtet. Bei solchen Vorrichtungen ist es insbesondere wichtig geworden, extrem gleichförmige dünne Schichten zu erhalten, die nur 150 nm dick sein können. Der erforderliche Gleichförmigkeitsgrad kann am besten am Beispiel eines GaAs-Übergangslasers verstanden werden, der durch eine stimmulierte Emission bei einer Wellenlänge von etwa 900 nm im Vakuum (250 nm im Material*- fekennzeichnet ist.

Hier müssen die Schichten der aktiven Laserzone auf ein Zehntel einer Wellenlänge optisch eben sein, also auf etwa 25 nm genau glatt sein. Die Bauelemente werden auf (100)- oder (11 l)B-GaAs-Substraven gezüchtet, denen offenbar grundsätzlich gewisse Instabilitäten an den aufwachsenden Kristallflächen eigen sind. Diese Instabilitäten äußern sich in Form einer Terrassenbildung, die den Schichten eine schindeiförmige oder geriffelte Morphologie mit einer Rauhigkeit von .etwa 40 bis 80 nm geben, die oberhalb des für optische Glätte angegebenen Wertes liegt.

Obgleich solche Terrassen theoretisch dadurch eliminiert werden können, daß das Substrat genau längs einer kristallographischen Hauptebene ausgerichtet wird, sind in der Praxis die einschlägigen Kristallschneidmethoden nur innerhalb Toleranzen von etwa ± 0,1 Grad genau. Selbst eine solch kleine Abweichung reicht aus, um bei epitaktischen Schichten zu einer Terrassenbildung zu führen, wozu auf D. K. Rode in J. Crystal Growth, Band

so 27,1974, Seiten 313—315, insbes. F i g. 1 für den Fall der Züchtung einer GaAs-Schicht im Flüssigphasenepitaxieverfahren auf einem um nur etwa 0,07 Grad fehlorientierten GaAs-Substrat verwiesen wird.

Aus der GB-PS 10 10 308 ist es bekannt, die Oberf'ächenqualität von einkristallinen Siliciumkörpern zu verbessern durch Niederschlagen von Siliciumschichten auf Siliciumsubstrate, die so geschnitten sind, daß sie um wenigstens ³/₈ Grad und nicht mehr als 5 Grad gegen eine (111)-Ebene in der <211 >-Richtung geneigt sind.

Vorzugsweise ist dabei das Substrat um 1 $ Grad geneigt. Hierdurch soll ein Aufwachsen kleiner Pyramiden oder von Hügeln oder Warzen verhindert werden.

Nach der DE-OS 15 44 233 soll die Oberflächengüte epitaktisch aus der Dampfphase aufgewachsener Siliciumschichten verbessert werden können durch Verwendung von Halbleitersubstraten, die um irgendeinen Winkel von mehr als 20 Minuten gegen die (lll)-Ebene fehlorientiert sind. Hierdurch soll eine Bildung von Fischaugendefekten vermieden werden können.

Die bekannten Verfahren geben allenfalls gewisse Anhaltspunkte, wie zu verfahren ist, um Siliciumschichten mit in der einen oder anderen Richtung verbesserter Oberflächengüte zu erhalten, schweigen sich aber darüber aus, wie generell zu verfahren wäre, wenn andere Halbleitermaterialien und andere Oberflächendefekte, insbesondere das Terrassenwachstum, das für III-V-Halbleiter typisch ist, aber auch bei anderen Halbleitern zu beobachten ist, betroffen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der einleitend angegebenen Art bereitzustellen, mit dem ein Terrassenwachstum unabhängig vom speziellen Halbleitermaterial gezielt vermieden und damit die Oberflächengüte entscheidend verbessert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und wird mit jenen der Unteransprüche vorteilhaft weitergebildet

^; Mit anderen Worten kann gemäß der Erfindung die Glätte aufgewachsener Epitaxieschichten auf einem

; Substrat verbessert werden durch Fehlorientieren der Aufwachsfläche des Substrates vor dem Niederschlag der : Schicht um einen kleinen, kritischen Winkel, der angenähert gleich dem Auftritt/Stich-Winkel von Terrassen ist,

■:'■- weiche entstünden, wenn die Schicht auf eine zu einer kristallographischen Hauptebene nominell parallel ■. verlaufenden Aufwachsfläche niedergeschlagen würde. Der kritische Winkel nimmt mit zunehmender Wachstumstemperatur ab und ist eine Funktion der Kristallzusammensetzung. Die Richtung, längs der das Substrat jj: fehlorientiert wird, ist wenigstens für die sogenannten HI-V-Verbindungshalbleiter unkritisch.
r.i So sind beispielsweise Al_xGa₁-,As-Schichten im Flüssigphasenepitaxieverfahren auf fehlorientierten

£ (100)-GaAs-Substraten gezüchtet worden. Bei einer Wachstumstemperatur T_g von 780⁰C reichte der kritische 'i Winkel 0_C von 0,91 Grad bis 03 Grad für Werte von χ zwischen 0 und 036. In ähnlicher Weise lag für Ar = 0 der P kritische Winkel 6_C im Bereich von 1,12 Grad bis weniger als 0,2 Grad für eine Wachstumstemperatur 7> U zwischen 730 und 880° C.

;- Wenn andererseits AUGai-^As auf fehlorientierten (111 )B-GaAs-Substraten bei T_g = 780°C aufwachsenge-

, ^; lassen wurde, reichte der kritische Winkel f?_c von 1,08 Grad bis 0,42 Grad für Werte von χ zwischen 0 und 036. In - ähnlicher Weise lag für χ =-■ 0 der kritische Winkel 6_C zwischen 039 Grad und 0,73 G rad bei Wachstumstemperaturen Tg zwischen 730 und 830⁰C. Für Al*Gat_*As-Schichten kann deshalb geschlossen werden, daß 0_C mit ■■':■ zunehmendem χ abnimmt

Terrassen treten auch beim epitaktischen Wachstum anderer III-V-Verbindungen, wie GaP, InP und GaSb auf. Außerdem bilden sich Pyramiden, die den Terrassen analog sind, beim Aufwachsen von epitaktischem '■■-■i Siüciujn durch Gasplattierung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich glattere E^iaxieschichten

^; auch bei diesen Materialien und ebenso auchbei anderen Halbleitern erzielen.
•. Nachstehend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen

erläutert; es zeigt

'.■'■ Fig. 1 eine Nomarski-Kontrastmikroaufnahme von Terrassen auf einer 3μΐη dicken GaAs-Schicht, die im

Flüssigphasenepitaxieverfahren (Wachstumsgeschwindigkeit etw^ 0,1 μπι pro Minute bei 780⁰C) auf einem i-·': nominell nach (100) orientierten GaAs-Substrat (fehlorientiert ump= 0,07 Grad) gezüchtet wurde, und
^f Fig.2 ein Talysurf-Höhenprofil der Schicht nach Fig. 1 zur Darstellung des Winkels 6_C = 0,91 Grad zwischen Auftritt und Stich einer Terrasse (beachte die 200 :1 Vertikal/Horizontal-Vergrößerung).

Zur graphischen Darstellung der Erfindung sei das spezielle Beispiel einer GaAs-Schicht betrachtet, die im

■" Flüssigphasenepitaxieverfahren bei 780°C auf einem nominell nach (100) orientierten GaAs-Substrat aufge-

v. wachsen ist Wie erwähnt, würden keine Terrassen gebildet, wenn das Substrat genau längs der (100)-Ebene '■'^Λ}. geschnitten sein würde. Jedoch führt selbst eine kleine Fehlorientierung des Substrats um nur φ = 0,07 Grad zu

' zahlreichen Terrassen, wie dieses in Fig. 1 dargestellt ist Unter Verwendung der allgemein bekannten Talysurf-

Apparatur wurde das Höhenprofil der Schicht ermittelt; es hat das in F i g. 2 dargestellte Aussehen. Sodann K wurde der Winkel 6_C zwischen Auftritt (= Stufenoberseite) und Stich (= Stufenvorderseite) an einer Mehrzahl ψ Terrassen gemessen. Als Mittelwert für die erhaltenen Winkel ergab sich ungefähr &_c = 0,9 Grad.
G Entsprechend der Erfindung werden die Terrassen durch eine Fehlorientierung des Substrats um annähernd

\K e_c praktisch beseitigt, was zu glatteren Epitaxieschichten führt. Wie oben erwähnt ist 0_e der Auftritt/Stich-Wm-{'.'*■ kel, wobei :1er Auftritt typischerweise eine kristallographische Hauptebene und der Stich eine stabile Oberfläche U oder Kristallfacette ist. Eine stabile Oberfläche oder ein Stich ^;st anhand der Änderung der Kristalloberflächen^r energie E₁ in Abhängigkeit von der Substratfehlorientierung θ definiert, D. h. eine stabile Oberfläche hat ein

Oberflächenenergieminimum bei etwa θ* Anders formuliert ist άΕ^άθ gleich Null bei etwa 6_C für eine stabile j Oberfläche, während eine instabile Oberfläche kein solches Minimum besitzt. Wenn die Substratfehlorientierung ■;*; kleiner als 6_C (aber nicht genau gleich Null) ist, dann befindet sich die Kristalloberfläche in Spannung, und es 0 entstehen Terrassen während des epitaktischen Wachstums. Wenn andererseits die Substratfehlorientierung ;. größer als ö_c ist, setzt Kompression ein, und während des Wachstums entstehen Berg- und Tal-Instabilitäten.

iv-: d. h., eine wellige Oberfläche.

' Die vorstehende Prozedur wurde für mehrere AUGai _ ,As-Zusammensetzungen auf nominell nach (100) oder

# (111)B orientierten GaA^-Substraten wiederholt, wobei im Flüssigphasenepitaxieverfahren und bei Wachstums-'> temperaturen zwischen 730 und 88O⁰C gearbeitet wurde. Die kritischen Winkel 0_C wurden gemessen und sind ti nachstehend wiedergegeben:

■j: Tabelle

X	Substrat-	öfbeiWachstumstemperaluren 7^voii	780° C	83O⁰C	880⁰C
	orientg.	73O⁰C	0.91	_	<0,2
O	(100)	1,12	1.08	0,83	—
	(111)	0,99	0.36	0.33	<0,2
0,18	(100)	0,42	0,48	0.48	0.51
	(111)	0,87	0,24	0,16	<0,2
0,36	(100)	—	0.42	0.44	0.60
	(111)	—

Der Fehler bei eier experimentellen Bestimmung von #,-ist etwa 10% oder ± 0.05, je nachdem, welcher dieser beiden Werte der größere ist. Sonach sieht man innerhalb der Meßfehlergrenzen, daß bei epitaktischem

Niederschlagen von AI,Gai_,Asfx = 0 bis 0,36) aus der flüssigen Phase auf ein nominell nach (111)B orientiertes GaAs-Substrat bei Wachstumstemperaturen im Bereich von 730 bis 880° C Terrassen gebildet werden, bei denen der gemessene Wert ö_cim Bereich von l.OGrad bis 0,5 Grad gelegen ist. Der entsprechende Wertebereich für 6_C bei (IOO)-GaAs-Substraten beträgt 1,1 Grad bis 0,2 Grad.

Zur Demonstration, daß die Fehlorientierung eines Substrates um θ_€ eine Terrassenbildung praktisch beseitigt, wurden GaAs-AIGaAs-Doppelheterostrukturen (DH) auf nominell nach (100) orientierten GaAs : Si-Substraten sowie auf GaAs : Si-Substraten gezüchtet, die gegenüber (100) um den Winkel 6_C = 0,9 ± 0,1 Grad fehlorientiert waren. Es wurde eine übliche Schiffchen/Schieber-Apparatur zur Züchtung der Schichten im Flüssigphasenepitaxieverfahren bei einer Wachstumstemperatur von 780°C und einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 0,l°C/Minute benutzt. Im einzelnen wurden auf dem Substrat die folgenden Schichten für Bauelemente gezüchtet, die definiert waren als LZ 106 (nominelles (lOO)-Substrat) und LZ 115 sowie LF 711 (um 0,9°C ± 0,1 Grad fehlorientierte Substrate): eine etwa 2,0 μιπ dicke n-Alo.iiGao.MAs-Schicht, eine etwa 0,15 μΐη dicke p-GaAs-Schicht (die aktive Zone), eine etwa 0.8 |im dicke p-AlojeGao.wAs-Schicht und eine etwa 1.2 μίτι dicke p-GaAs-Schicht (LZ 115) oder eine etwa 1,2 μπι dicke p-AlojiGao.M-Schicht (LF 711).

Soweit diese Bauelemente als DH-Übergangslaser brauchbar sind, ist die Glätte der aktiven Zone, wo die stimulierte Strahlung erzeugt wird, besonders wichtig. Die Gegenwart von Terrassen in der aktiven Zone erhöht die Verluste und damit auch die Schwellenwerte für stimulierte Emission. Wenn die obere Schicht des DH-Übergangslasers eine p-GaAs-Schicht (Lz 115) ist, dann können die Terrassen in der aktiven Zone üblicherweise von der Gegenwart von Terrassen in der oberen Schicht abgeleitet »v?rä?n Terrassen in der oberen Schicht können mit üblichen Nomarski-Kontrastmikroaufnahmen festgestellt werden. Wenn andererseits die obere Schicht p-Aloj6Gao.64As(LF711) ist, dann brauchen Terrassen in der aktiven Zone nicht in der oberen Schicht wiedergegeben zu sein. Unter Verwendung üblicher Photolumineszenzmethoden können aber die AlojeGaftwAs-Schichten durch grünes Laserlicht zur Erzeugung von Ladungsträgern angeregt werden, die ihrerseits die aktive Zone anregen. Terrassen erscheinen dann als räumliche Intensitätsmodulation der Emission aus der aktiven Zone entsprechend einer Modulation der Dicke der aktiven Zone.

Durch Normarski-Kontrastmethoden konnte gezeigt werden, daß das Bauelement LZ 106 (nominelles (IOO)-Substrat) Terrassen in der oberen Schicht besaß und deshalb wahrscheinlich auch Terrassen in der aktiven Zone hatte, während bei dem Bauelement LZ 115 (gegenüber MOO) um 0,9 Grad ± 0,1 Grad fehlorientiertes Substrat) die Terrassen praktisch eliminiert waren. In ähnlicher Weise wurde durch Photolumineszenzmethoden gezeigt, daß das Bauelement LF 711 (gegenüber (100) um 0,9 Grad ± 0,1 Grad fehlorientiertes Substrat) keine Terrassen in der aktiven Zone besaß.

Es sei bemerkt, daß bei mehrschichtigen Anordnungen mit Schichten verschiedener Zusammensetzung, z. B. bei DH-Übergangslasern oder Wellenleitern ein gewisser Kompromiß zwischen den Werten von 6_C für verschiedene Schichtzusammensetzungen erforderlich werden kann. Wenn die Beseitigung von Terrassen in einer

bestimmten Schicht (beispielsweise in der aktiven Zone eines DH-Übergangslasers) wichtiger ist als bei anderen, dann sollte 0_C so gewählt werden, daß Terrassen in dieser Schicht reduziert oder beseitigt werden, wenngleich sie dann sonst wo entstehen können.

Zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen sind möglich. Beispielsweise wurden Pyramiden, die den Terrassen analog sind, bei epitaktischen Siiiciumschichten beobachtet, die durch Gasplattierung (= Abscheidung durch eine chemische Reaktion aus der Dampfphase) auf nicht richtig fehlorientierten Siliciumsubstraten gezüchtet wurden. Der Ausdruck Terrassen, wie er hierin benutzt wird, soll daher auch Pyramiden und ähnliche Kristallunregelmäßigkeiten umfassen. Für Pyramiden ist der kritische Winkel θ_€ als der Winkel zwischen einer kristallographischen Hauptebene (entspricht dem Auftritt) und einer stabilen Oberfläche definiert, die eine geneigte Seite der Pyramide (entspricht dem Stich) bildet. Die epitaktischen Schichten wurden auf nominellen (111)-Siliciumsubstraten durch die übliche Reduktion von SiCU mit H2 gezüchtet Für Wachstumstemperaturen zwischen 950°C und 1200°C liegt der kritische Winkel &_c zwischen l.lOGrad ± 0,05 Grad und 0,20 Grad ± 0,05 Grad. Im Gegensatz zu den NI-V-Verbindungen ist für Silicium jedoch die Richtung der Fehlorientierung wichtig. D. h, das Substrat sollte gegenüber der (111)-Ebene (Auftritt) in der (TT2)-Richtung fehlorientiert sein, weil in der (TT2)-Richtung die Kristallfläche oder -facette eine stabile Oberfläche (Stich) ist Im Gegensatz hierzu ist in der entgegengesetzten Richtung, der (112)-Richtung die Seite der Pyramide eine instabile Oberfläche, auf der eine Ne^jung zur Ausbildung von Defekten, z. B. kleiner Hügel, während des epiiaktischen Wachstums besteht Selbstverständlichst allgemein bekannt, daß die (I12)-Richtung_kristallographisch äquivalentjnit der (121)-Richtung und der (2TT)-Richtung ist jedoch entgegengesetzt zur (112)-Richtung verläuft, die zur (121)- und (211)-Richtung äquivalent ist Eine Fehlorientierung von (111)-Siliciumsubstraten um 0_e in der (TT2)-Richtung wird daher das Auftreten von Pyramiden praktisch verhindern.

Es sei bemerkt daß der in der einleitend erwähnten GB-PS angegebene Fehlorientierungswinkelbereich für eine (lll)-Siliciumsubstratfläche mit dem vorliegend angegebenen kritischen Winkel nicht vergleichbar ist: Denn, abgesehen davon, daß der dort angegebene Winkelbereich (Vg bis 5 Grad) viel zu groß ist, um aussagekräftig zu sein, wird dort der Winkel in der (112)-Richtung gemessen, während vorliegend der Winkel in der

(TT2)-Richtung gemessen wird. Diese beiden Richtungen sind aber kristallographisch nicht äquivalent, sondern einander entgegengerichtet wobei wie erwähnt die Seite der Pyramide in der (112)-Richtung eine instabile Kristallfläche ist und deshalb nicht einem Stich (einer stabilen Oberfläche) entspricht wie dieser hier definiert ist Schließlich wird ein anderer Oberflächendefekt-Typ, der als Meniskusauflösungslinien oder Harken-Spuren

bekannt ist bei der Züchtung von GaAs-AlGaAs-Doppelheterostnikturlasem mit Streifengeometrie im Flüssigphasenepitaxieverfahren auf nominellen (100)-GaAs-Substraten beobachtet Diese Linien entsprechen Lükken oder Leersteilen in der aktiven Zone. Sie sind etwa parallel und äquidistant und verlaufen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schiebers. Obgleich das Auftreten von Harkenlinien durch Orientierung des Kontaktstreifens parallel zu den Linien reduziert werden kann, wurde gefunden, daß bei relativ sauberen Flüssigphase-

nepitaxiesystemen Harkenlinien beseitigt werden, wenn 1. statt dessen die Schichten auf (11 l)B-GaAs-Substraten, ob diese nun fehlorientiert sind oder nicht, gezüchtet werden, oder wenn 2. die Schichten auf GaAs-Substraten gezüchtet werden, die gegenüber der (100)-Ebene um etwa &. fehlorientiert sind und der oder die GaAs-Sättigungskeime um einen ähnlichen oder größeren Betrag fehlorientiert werden (beispielsweise haben sich bis zu 5
Grad als wirksam erwiesen). Der Zweck einer Fehlorientierung des Sättigungskeimes ist der, Atomstufen auf 5 dem Keim in vergleichsweise großer Anzahl zu erzeugen. Diese Stufen erleichtern die Übersättigung der
Vorratslösungen (insbesondere von ternären Lösungen, wie AlGaAs), was wiederum die Wahrscheinlichkeit
red'viiert, daß Harkenlinien auftreten. In diesem Zusammenhang wurde ein übliches Flüssigphasenepitaxiesysteir. benutzt, d. h. ein Lösungshalter mit einer Mehrzahl trogförmiger Kammern, in denen Vorratslösungen
untergebracht sind, und ein Keimhalter, in den sowohl ein oder mehrere Sättigungskeime als auch das Substrat to eingesetzt sind. Der Keimhalter ist unterhalb der Kammern verschieblich so gelagert, daß der Sättigungskeim
dem Substrat unter jeder Kammer voreilt. Weitere Einzelheiten hierzu siehe D. L. Rode in J. Crystal Growth,
Band 20, Seiten 13-23(1973).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 15

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen einer Halbleitermaterialschicht auf einer fehlorientierten Fläche eines Halbleitersubstrats, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche um einen Winkel fehl-

orientiert ist gleich dem Winkel Ö_c zwischen Auftritten und Stichen der bei der gleichen Temperatur auf einer zur kristallographischen Hauptebene des Substrates nominell parallelen Räche entstehenden Terrassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Al*Gai_,As, mit xzwischen 0 und 036, aus flüssiger Phase auf eine (100)-Ebene eines GaAs-Substrates zwischen 730 und 880^cC epitaktisch niedergeschlagen wird, gekennzeichnet durch Fehlorientieren des Substrates gegenüber der (100)-Ebene um einen Winkel im Bereich von