WO2003054939A1 - Verfahren zum abscheiden von iii-v-halbleiterschichten auf einem nicht-iii-v-substrat - Google Patents

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Alois Krost
Armin Dadgar
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    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02647—Lateral overgrowth

Definitions

  • the invention relates to a method for depositing III-V semiconductor layers on a non-III-V substrate, in particular sapphire, silicon, silicon oxide substrate or another silicon-containing substrate, in a process chamber of a reactor made of gaseous starting materials a III-V layer, in particular a buffer layer, is deposited on a III-V seed layer.
  • III-V semiconductors for example gallium arsenide or indium phosphide or mixed crystals, leads to a high defect density of the grown layer due to the lattice mismatch that is usually present.
  • the gallium arsenide or indium phosphide layer is deposited according to the invention in the MOCVD process / in which gaseous starting materials, for example TMG, TMI, TMAl, arsine or phosphine NH3 are introduced into the process chamber of a reactor, where the silicon substrate is located on a heated substrate holder ,
  • gaseous starting materials for example TMG, TMI, TMAl, arsine or phosphine NH3
  • the object of the invention is to provide a method by means of which the defect density of the grown layer can be reduced.
  • the masking layer is deposited as a quasi-monolayer. This creates a quasi-monolayer.
  • the masking layer preferably consists of a different semiconductor material than the seed layer or the layer deposited thereon, for example the buffer layer.
  • the masking layer can consist of Si x N or SiO x . But it can also consist of metal. As a result of the deposition of this masking layer on the generally less than 100 nm thick seed layer, the seed layer is covered except for randomly distributed island areas.
  • the masking layer After the masking layer has been deposited, a very thin layer is formed on the III-V seed layer or on the substrate, on which no III-V material grows. The majority of the surface is masked. However, this layer or mask is not closed, but rather forms island-shaped free spaces in which a free III-V surface of the germ layer is present. These island-like III-V surface sections form germ zones for the III-V buffer layer to be deposited thereafter.
  • the buffer layer is deposited from one or more gaseous III material and one or more gaseous V material. The germ growth initially occurs only in the area of the free 111 V surfaces, i.e. on the islands, at locations that are at a distance from one another.
  • this layer (buffer layer) are initially selected so that essentially lateral growth takes place. The germs therefore initially grow towards each other until an essentially closed layer has formed. With this method, areas with a very low defect density are formed over a large area. After the surface has been closed, the growth parameters can be changed such that the growth takes place primarily in the vertical direction.
  • a seed layer denoted by k made of, for example, gallium arsenide, aluminum nitride, aluminum gallium nitride, gallium aluminum arsenide or the like is deposited on the silicon substrate.
  • a masking layer of, for example, silicon nitride or silicon oxide is then deposited onto this seed layer k in the manner described above.
  • any layer on which further germination of the III-V material is suppressed during the subsequent deposition of the buffer layer is suitable as a masking layer.
  • the actual buffer layer is then deposited on the masked seed layer. This is shown in drawing 2.
  • the growth there initially takes place only in the lateral direction. The individual islands enlarge towards each other. There is increased lateral growth. The germs can coalize so quickly.
  • dislocated facets can also be used, for example, to bend in the lateral direction. New dislocations then only form in the coalescence regions of the laterally growing layers. For a low defect density, a large distance between the crystal nuclei or
  • Drawing 3 shows the complete III-V layer with c.
  • the seed layer itself serves to uniformly argue the substrate and, in the case of non-polar substrates, to orient the crystal growing thereon. This is not necessary when using the insulating sapphire as a substrate, and an in-situ Si _, N v mask deposited directly on the substrate can also be used here to improve the crystallographic properties. Such a masking cannot be controlled in the case of silicon-containing substrates such as SiC or SiGe layers and in particular in the case of pure silicon, because the substrate is completely nitrided or oxidized too quickly and the seed layer is necessary to specify the polarity.
  • this can also be carried out at lower temperatures than at the later growth temperatures and / or with starting materials, such as Aluminum, which have a lower mobility.
  • starting materials such as Aluminum, which have a lower mobility.
  • a generally undesirable island growth of the seed layer can thus be avoided and the polarity or orientation for the subsequent layer growth can be specified.
  • aluminum-containing seed layers are also particularly suitable in order to improve the crystal orientation.
  • a variant of the invention provides that a plurality of masking layers are deposited within the buffer layer.
  • the masking layer is applied in situ, ie immediately after the application of a III-V layer in the same process chamber, without the substrate being covered or removed from the process chamber.
  • the layers can be produced in a variety of ways. For example, only oxygen can be introduced into the process chamber to produce a masking layer. Oxide formation then occurs. This is particularly advantageous if the III-V layer contains aluminum. An aluminum oxide masking layer then forms. Silicon can also be deposited together with oxygen. Metallic masks can also be used. For example, tungsten can be used.
  • An amorphous masking layer has the effect of interrupting the crystal periodicity.
  • the masking layer can also be achieved by degradation of the semiconductor surface, for example at high temperatures.
  • the openings of the masking layers can be a distance of several hundred Have nanometers up to a few micrometers. As the growth starts from the openings, the layers above the masks grow in single crystals until the individual germs touch. In this case, the germs grow almost without dislocations up to the coalescence points. There may again be dislocations.
  • a mask is deposited again on a first region of a buffer layer.
  • This buffer layer section then acts to a certain extent as a seed layer for a III-V semiconductor layer to be deposited thereon.
  • This layer sequence can be repeated many times, which leads overall to a reduction in the dislocation density.
  • the process is then also carried out in such a way that the process parameters are set in each case after the deposition of a masking layer in such a way that lateral growth initially preferably takes place so that the gaps close.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von III-V-Halbleiterschichten auf einem Nicht-III-V-Substrat, insbesondere Saphir-, Silizium-, Siliziumoxid-Substrat oder einem anderen siliziumhaltigen Substrat, wobei in einer Prozesskammer eines Reaktors aus gasförmigen Ausgangsstoffen auf das Substrat oder auf eine III-V-Keimschicht eine III-V-Schicht, insbesondere Pufferschicht abgeschieden wird. Zur Reduzierung der Defekt-Dichte der aufgewachsenen Schicht ist vorgesehen, dass unmittelbar auf die III-V-Keimschicht oder direkt auf das Substrat eine die Keimschicht unvollständig oder nahezu unvollständig bedeckende Maskierungsschicht aus im Wesentlichen amorphem Material abgeschieden wird. Die Maskierungsschicht kann ein Quasi-Monolayer sein und aus verschiedenen Materialien bestehen.

Description

Verfahren zum Abscheiden von IH-V-Halbleiterschichten auf einem Nicht- III-V-Substrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von III-V-Halbleiter- schichten auf einem Nicht-III-V-Substrat, insbesondere Saphir-, Silizium-, Siliziumoxid-Substrat oder einem anderen siliziumhaltigen Substrat, wobei in einer Prozesskammer eines Reaktors aus gasförmigen Ausgangsstoffen auf eine III-V-Keimschicht eine III-V-Schicht, insbesondere Pufferschicht abgeschieden wird.
Das epitaktische Wachstum von Gruppe-III-Gruppe-V-Halbleitern auf Fremdsubstraten ist derzeit aus Kostengründen angestrebt, weil bspw. Silizium- Substrate deutlich preisgünstiger sind, als III-V-Substrate und insbesondere Galliumarsenidsubstrate und weil eine Integrationsmöglichkeit mit der übrigen Silizium-Elektronik angestrebt wird. Das Abscheiden von III-V-Halbleitern, bspw. Galliumarsenid oder Indiumphosphid oder Mischkristallen daraus führt aufgrund der meist vorhandenen Gitterfehlanpassung zu einer hohen Defektdichte der aufgewachsenen Schicht. Die Abscheidung der Galliumarsenid- bzw. Indiumphosphid-Schicht erfolgt erfindungsgemäß im MOCVD- Verfahren/ in dem gasförmige Ausgangsstoffe, bspw. TMG, TMI, TMAl, Arsin oder Phosphin NH3 in die Prozesskammer eines Reaktors eingeleitet werden, wo auf einem beheizten Substrathalter das Siliziumsubstrat liegt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem die Defektdichte der aufgewachsenen Schicht reduziert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei der Anspruch 1 darauf abzielt, dass unmittelbar auf die III-V-Keimschicht eine die Keimschicht unvollständig oder nahezu unvollständig bedek-
BESTATIGUNGSKOPIE kende Maskierungsschicht aus im Wesentlichen amorphem Material abgeschieden wird. Dieses Material soll möglichst noch die Eigenschaft besitzen, ein III-V- Wachstum abzuweisen. Die Maskierungsschicht wird erfindungsgemäß als Quasi-Monolage abgeschieden. Es entsteht somit ein Quasi-Monolayer. Die Maskierungsschicht besteht bevorzugt aus einem anderen Halbleitermaterial als die Keimschicht bzw. die darauf abgeschiedene Schicht, bspw. die Pufferschicht. Die Maskierungsschicht kann aus Si x N oder SiO x bestehen. Sie kann aber auch aus Metall bestehen. Zufolge des Abscheidens dieser Maskierungsschicht auf der in der Regel weniger als 100 nm dicken Keimschicht wird die Keimschicht bis auf zufällig verteilte Inselbereiche abgedeckt. Nach dem Abscheiden der Maskierungsschicht entsteht somit eine sehr dünne Schicht auf der III-V-Keimschicht oder dem Substrat, auf welcher kein III-V-Material wächst. Der überwiegende Bereich der Oberfläche ist maskiert. Diese Schicht bzw. Maske ist aber nicht geschlossen, sondern bildet inselförmige Freiräume, in denen eine freie III-V-Oberfläche der Keimschicht vorhanden ist. Diese inselartigen III- V-Oberflächenabschnitte bilden Keimzonen für die danach abzuscheidende III- V-Pufferschicht. Nach Abscheiden der Keimschicht wird die Pufferschicht aus einem oder mehreren gasförmigen III-Material und einem oder mehreren gasförmigen V-Material abgeschieden. Dabei erfolgt das Keimwachstum zunächst nur im Bereich der freien 111-V-Oberflächen, also an den Inseln, an entfernt voneinander liegenden Orten. Die Wachstumsparameter dieser Schicht (Pufferschicht) werden zunächst so gewählt, dass im Wesentlichen laterales Wachstum stattfindet. Die Keime wachsen demzufolge zunächst aufeinander zu, bis eine im Wesentlichen geschlossene Schicht entstanden ist. Bei diesem Verfahren entstehen großflächig Bereiche mit sehr geringer Defektdichte. Nach dem Schließen der Oberfläche können die Wachstumsparameter derart geändert werden, dass das Wachstum vornehmlich in der vertikalen Richtung stattfindet. In der beigefügten Zeichnung 1 ist auf das Siliziumsubstrat eine mit k bezeichnete Keimschicht aus bspw. Galliumarsenid, Aluminiumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid, Galliumaluminiumarsenid oder dergleichen abgeschieden. Auf diese Keimschicht k wird sodann in der zuvor beschriebenen Weise eine Maskie- rungsschicht aus bspw. Siliziumnitrid oder Siliziumoxid abgeschieden. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein siliziumhaltiges Gas und ein stickstoffhaltiges Gas oder ein sauerstoffhaltiges Gas in die Prozesskammer eingeleitet werden. Als Maskierungsschicht ist prinzipiell jede Schicht geeignet, auf der eine weitere Bekeimung des III-V-Materials beim darauffolgenden Abscheiden der Puf- ferschicht unterdrückt wird. Auf der maskierten Keimschicht erfolgt dann das Abscheiden der eigentlichen Pufferschicht. Dies ist in der Zeichnung 2 dargestellt. Das Wachstum erfolgt dort zunächst nur in lateraler Richtung. Die einzelnen Inseln vergrößern sich in Richtung aufeinander zu. Es herrscht verstärkt ein laterales Wachstum. Die Keime können so schnell koalisieren. Je nach Kri- stalltyp lassen sich außerdem z.B. durch schräge Facetten Versetzungen vorzugsweise in die laterale Richtung abbiegen. Neue Versetzungen bilden sich dann nur in den Koaleszenzregionen der lateral wachsenden Schichten. Für eine niedrige Defektdichte ist daher ein großer Abstand der Kristallkeime bzw.
/ noch offenen Stellen der Masken anzustreben. Dieser kann einige μm betragen.
Die Zeichnung 3 zeigt mit c die vollständige III-V-Schicht.
Die Keimschicht selbst dient zum gleichmäßigen Bekennen des Substrates und bei unpolaren Substraten zur Orientierung des darauf wachsenden Kristalls. So ist dies bei Verwendung des isolierenden Saphirs als Substrates nicht erforderlich und eine direkt auf dem Substrat abgeschiedene In-situ Si _, N v -Maske kann auch hier zur Verbesserung der kristallographischen Eigenschaften genutzt werden. Solch eine Maskierung ist bei siliziumhaltigen Substraten wie, SiC- oder SiGe-Schichten und insbesondere bei reinem Silizium nicht kontrollierbar, da das Substrat zu schnell komplett nitriert bzw. oxidiert und die Keimschicht zur Vorgabe der Polarität notwendig ist.
Zum Erzielen einer gleichmäßigen Bekeimung kann diese auch bei niedrigeren Temperaturen als bei den späteren Wachstumstemperaturen durchgeführt werden und/oder mit Ausgangsstoffen, wie z.B. Aluminium, die eine niedrigere Mobilität besitzen. Somit kann ein in der Regel unerwünschtes Inselwachstum der Keimschicht vermieden und die Polarität bzw. Orientierung für das anschließende Schichtwachstum vorgegeben werden. Bei III-Nitrid-Schichten sind außerdem aluminiumhaltige Keimschichten besonders geeignet, um die Kristallorientierung zu verbessern.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass mehrere Maskierungsschichten innerhalb der Pufferschicht abgeschieden werden. Auch hier erfolgt das Aufbrin- gen der Maskierungsschicht In-situ, also unmittelbar nach dem Aufbringen einer III-V-Schicht in derselben Prozesskammer, ohne dass das Substrat abgedeckt oder der Prozesskammer entnommen wird. Die Schichten können auf vielerlei Arten hergestellt werden. So kann bspw. zur Erzeugung einer Maskie- rungsschicht lediglich Sauerstoff in die Prozesskammer eingebracht werden. Es entsteht dann eine Oxidbildung. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die III-V-Schicht aluminiumhaltig ist. Es bildet sich dann eine Aluminiumoxid- maskierungsschicht. Es kann ebenfalls Silizium zusammen mit Sauerstoff abgeschieden werden. Auch metallische Masken sind verwendbar. Beispielsweise kommt Wolfram in Betracht.
Eine amorphe Maskierungsschicht besitzt die Wirkung, dass die Kristallperi- odizität unterbrochen wird. Die Maskierungsschicht lässt sich auch durch eine Degradation der Halbleiteroberfläche z.B. bei hohen Temperaturen erzielen. Die Öffnungen der Maskierungsschichten können einen Abstand von mehreren 100 Nannometer bis einigen Mikrometer besitzen. Da das Wachstum von den Öffnungen ausgeht, wachsen die Schichten oberhalb der Masken einkristallin, bis sich die einzelnen Keime berühren. Die Keime wachsen in diesem Falle quasi versetzungsfrei bis zu den Koaleszenzstellen. Dort kann es erneut zu Ausbil- düngen von Versetzungen kommen.
Es ist vorgesehen, dass auf einen ersten Bereich einer Pufferschicht erneut eine Maske abgeschieden wird. Dieser Pufferschicht- Abschnitt wirkt dann gewissermaßen als Keimschicht für eine darauf abzuscheidende III-V-Halbleiter- schicht. Diese Schichtenfolge kann vielfach wiederholt werden, was insgesamt zur einer Verringerung der Versetzungsdichte führt. Auch dann wird der Pro- zess so geführt, dass jeweils nach dem Abscheiden einer Maskierungsschicht die Prozessparameter so eingestellt werden, dass zunächst bevorzugt ein laterales Wachstum stattfindet, damit sich die Lücken schließen.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollin- haltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen
BESTATIGUNGSKOPIE

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Abscheiden von III-V-Halbleiterschichten auf einem Nicht- III-V-Substrat, insbesondere Saphir-, Silizium-, Siliziumoxid-Substrat oder einem anderen siliziumhaltigen Substrat, wobei in einer Prozesskammer eines Reaktors aus gasförmigen Ausgangsstoffen auf das Substrat oder auf eine III-V-Keimschicht eine III-V-Schicht, insbesondere Pufferschicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf die III-V- Keimschicht oder direkt auf das Substrat eine die Keimschicht unvollständig oder nahezu unvollständig bedeckende Maskierungsschicht aus im Wesentlichen amorphem Material abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht ein Quasi-Monolayer ist.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht aus einem anderen Halbleitermaterial als die Keimschicht bzw. die Puffer- Schicht besteht.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht Si N oder SiO, ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht ein Metall ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumsparameter der Pufferschicht zunächst auf verstärkt laterales Wachstum eingestellt werden, bis zum Schließen der Schicht.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht dünner als 100 nm ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass in der III-V-Puffer- schicht eine Vielzahl von Maskierungsschichten abgeschieden sind.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zyklisch Pufferschichtabschnitte und Maskierungsschichten abgeschieden werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht eine das Abscheiden einer III-V-Schicht abweisende Oberfläche hat.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht und/ oder die Pufferschicht aluminiumhaltig ist und die Maskierungsschicht durch Einleiten von Sauerstoff erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheideprozess
BESTATIGUNGSKOPIE ein MOCVD-Prozess, ein CVD-Prozess oder eine In-situ- Abfolge dieser Prozesse ist.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheide ein VPE- oder MBE-Prozess ist.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Pufferschicht Bauelementeschichtenfolgen abgeschieden werden.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Bauelementeschichtenfolgen Bauelemente gefertigt werden.
BESTATIGUNGSKOPIE
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