DE4040356A1 - Halbleiterbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil, speziell ein solches, bei dem Schichten aus Verbindungshalbleitern epi­ taktisch auf ein SOS (Silicon on Sapphire)-Substrat aufge­ wachsen sind.

In der Vergangenheit wurde mit umfangreichen Forschungen versucht, die Qualität von Halbleiterbauteilen zu verbes­ sern, bei denen eine GaAs-Schicht auf ein Silizium-Substrat aufgewachsen ist. Es bestehen jedoch zwei Hauptprobleme, wenn ein derartiges Halbleiterelement auf MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits) und digitale ICs angewendet werden soll. Das eine ist dasjenige, daß sich das Silizium­ substrat aufgrund einer thermischen Restzugspannung ver­ biegt, die aufgrund des Unterschieds in den thermischen Expansionskoeffizienten von Silizium und GaAs besteht. Dies führt zu Rissen in der GaAs-Schicht. Das andere Problem ist dasjenige, daß das Siliziumsubstrat geringen elektrischen Widerstand aufweist, was die Hochfrequenzeigenschaften des Elements verschlechtert.

Wie durch K. Kasai et al. in J. Appl. Phys. 60 (1986), 1 beschrieben, kann eine (111) GaAs-Schicht epitaktisch direkt auf eine (0001) Fläche von Saphir aufgewachsen werden. Saphir weist einen thermischen Expansionskoeffizienten ähn­ lich wie GaAs auf und ist ein guter Isolator. Die Kristall­ fläche (111) von GaAs ist für praktische Anwendungen jedoch nicht geeignet.

Kürzlich beschrieben T. P. Humphreys et al. in Appl. Phys. Lett. 54 (1989), 1687 die Verwendung eines SOS-Substrats, auf dessen (102) Fläche eine (100) Si-Schicht epitaktisch aufgewachsen wurde. Die Oberfläche der hierbei erzeugten Halbleiterschicht ist jedoch rauh, was zu Verschlechterungen der Bauteileigenschaften und der Möglichkeit des Herstellens feiner Muster führt.

J. B. Posthill et al. beschreiben in Appl. Phys. Lett. 55 (1989), 1756 ein Bauteil mit verbesserten Oberflächeneigen­ schaften. Das beschriebene epitaktische Wachstum von GaAs auf einem SOS-Substrat ist jedoch technisch schwierig auszu­ führen. Außerdem verbleiben Antiphasengrenzen und eine hohe Versetzungsdichte an der Oberfläche der Halbleiterschicht.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Oberfläche einer GaAs-Schicht, wie sie auf einem sphärischen Silizium­ substrat nach einem Verfahren erzeugt wird, wie es in Japanese Journal of Applied Physics, 25 (1986) L 789 be­ schrieben ist. Das sphärische Siliziumsubstrat ist mit 25 und die GaAs-Schicht mit 26 bezeichnet. Bezugszeichen 27a bis 27d bezeichnen Bereiche der Oberfläche der GaAs-Schicht 26 mit im wesentlichen spiegelglatter Fläche. Ein mit 28 be­ zeichneter Bereich ist matt.

Zum Aufwachsen von GaAs auf das Siliziumsubstrat werden die Oberflächen 27a, 27b, 27c und 27d benutzt, die mit einigen Grad Abweichung zur <110<, <10<, <0< bzw. <10< Richtung aus der (001) Fläche geneigt sind. Der auf diesen Oberflä­ chen aufgewachsene GaAs-Kristall ist monokristallin und weist eine im wesentlichen spiegelglatte Oberfläche auf. Oberflächen von Schichten, die gegen die (001) Fläche in <110<, <010<, <00< oder <00< Richtung geneigt sind, führen jedoch nicht zu Einkristallen, und es verbleiben Antiphasen­ domänen, die zur matten Oberfläche 28 führen, was wohlbe­ kannt ist. Dieser Effekt tritt auf, weil Silizium atomar angeordnet wird, während GaAs als zweiatomiges Molekül ange­ lagert wird.

Es ist bekannt, ein (100) Siliziumsubstrat auf der R-Fläche (d. h. (102)) eines Saphirsubstrats aufzuwachsen. In der japanischen Patentanmeldung 1-1 73 709 ist ein Beispiel be­ schrieben, bei dem ein SOS-Substrat verwendet wird, das um 1 bis 8 Grad von der (100) Fläche zur <110<, <10<, <0< oder <10< Richtung (zusammenfassend als [110] bezeichnet wird) abweicht. Auf dieses SOS-Substrat wird GaAs oder ein anderer III-V-Verbindungshalbleiter aufgewachsen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß trotz dieses Festlegens der Flächen, die beim sphärischen Siliziumsubstrat gemäß Fig. 4 zu im wesentlichen spiegelglatten Oberflächen von GaAs auf dem Substrat führen, dennoch nicht immer solche spiegelglat­ ten Oberflächen von GaAs auf dem Siliziumsubstrat und dem SOS-Substrat erhalten werden. Dies kann darin begründet lie­ gen, daß Saphirkristalle dreizählige Rotationssymmetrie auf­ weisen, während Si- und GaAs-Kristalle vierzählig rotations­ symmetrisch sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbau­ teil mit einer auf einem SOS-Substrat erzeugten Schicht von GaAs oder eines anderen III-V-Verbindungshalbleiters anzu­ geben, welche Schicht hohe Qualität und mehrere Bereiche mit im wesentlichen spiegelglatter Oberfläche aufweist.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil ist durch die Merk­ male von Anspruch 1 gegeben. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Gegenstand von Anspruch 2.

Das Verwenden eines gemäß den Ansprüchen orientierten SOS- Substrats hat den Vorteil, daß selbst bei größeren Abwei­ chungen von der anspruchsgemäßen Orientierung, wie sie z. B. zwischen unterschiedlichen Losen bestehen, Verbindungshalb­ leiterschichten hoher Qualität mit im wesentlichen spiegel­ glatter Oberfläche mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Oberfläche von GaAs auf einem in erfindungsgemäßer Weise ausgerichteten sphärischen SOS-Substrat;

Fig. 2 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Kristallrich­ tung des sphärischen SOS-Substrats innerhalb eines Saphir­ kristalls;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Abscheiden einer Schicht eines Verbindungshalbleiters auf einem SOS-Substrat; und

Fig. 4 ein Diagramm entsprechend dem von Fig. 1, jedoch für ein in bekannter Weise ausgerichtetes sphärisches SOS- Substrat.

Wie oben bei der Erläuterung des Standes der Technik be­ schrieben, muß das Substrat für GaAs einen Versatzwinkel aufweisen, wenn einkristallines GaAs auf einem SOS-Substrat hergestellt werden soll. Um die Beziehung zwischen Richtun­ gen von Versatzwinkeln des SOS-Substrats und der Oberflä­ chenglattheit von aufgewachsenen GaAs-Schichten zu unter­ suchen, wird GaAs auf ein sphärisches SOS-Substrat aufge­ wachsen. Fig. 1 zeigt schematisch eine Oberflächenaufnahme (Bezugsaufnahme 1) einer auf ein sphärisches SOS-Substrat aufgewachsenen GaAs-Schicht. Die Kristallrichtung des sphä­ rischen SOS-Substrats ist ebenfalls in der Figur darge­ stellt.

In der Figur bezeichnet 1 ein sphärisches SOS-Substrat, 2 eine GaAs-Schicht und 3a bis 3d bezeichnen Bereiche der GaAs-Oberfläche mit im wesentlichen spiegelglatter Fläche. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet dagegen matte Bereiche der Oberfläche. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Facetten­ fläche, in diesem Fall die (110) Oberfläche von Silizium.

Aus der Figur ist erkennbar, daß GaAs, das auf ein SOS-Sub­ strat mit einem Versatzwinkel gegen die <10< oder <0< Richtung gegen die (001) Fläche von Silizium geneigt ist, in weiten Bereichen eine im wesentlichen spiegelglatte Ober­ fläche zeigt. Weniger gut ist das Ergebnis bei einem Ver­ satzwinkel zur <110< oder zur <10< Richtung zur (001) Ober­ fläche von Silizium.

Fig. 2 stellt die Kristallrichtung des sphärischen SOS-Sub­ strats in bezug auf einen schematisch dargestellten Saphir­ einkristall 6 dar. Mit 7 ist die C <0001< Achse des Saphir­ einkristalls 6 bezeichnet, mit 8 dessen R (102) Fläche und mit 9 eine (001) Siliziumfläche. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß matte Bereiche überall dort entstehen, wo die (001) Si­ liziumoberfläche zur <110<, <100< oder <10< Richtung ge­ neigt ist. Dies bedeutet, daß matte Flächen in weitem Be­ reich auftreten, wenn das SOS-Substrat einen Versatzwinkel gegen eine Richtung dicht zur C <0001< Achsenrichtung von Saphir aufweist, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Anders ge­ sprochen, ist es schwierig, gute Ergebnisse zu erzielen, wenn das SOS-Substrat einen Versatzwinkel zur C <0001< Ach­ senrichtung von Saphir aufweist, während gute Ergebnisse erhalten werden, wenn ein Versatzwinkel zur <10< oder <0< Richtung in der Siliziumoberflächenrichtung besteht, was um­ gekehrt zum oben Beschriebenen ist. Dies ist der Fall, da der Saphirkristall dreizählige Rotationssymmetrie aufweist, während der Siliziumkristall vierzählig rotationssymmetrisch ist. Die dreizählige Rotationssymmetrie von Saphir ist in der (001) Siliziumoberfläche stark ausgeprägt, die nur schwach gegen die <0001< Richtung, d. h. die C-Achse von Saphir geneigt ist.

Gemäß der Erfindung wird der Einfluß des Versatzwinkels des SOS-Substrats auf die Oberflächenqualität von GaAs berück­ sichtigt. Es wird ein Saphirsubstrat verwendet, das einen solchen Versatzwinkel aufweist, daß der auf der R (102) Saphiroberfläche erzeugte Siliziumkristall eine (001) Ober­ fläche aufweist, die um 0,1 bis 10 Grad zur <10< oder <0< Richtung geneigt ist, welche Richtung entfernt von der C <0001< Achse von Saphir ist. Auf das Substrat wird ein III-V-Verbindungshalbleiter aufgewachsen. Ein SOS-Substrat mit einem Versatzwinkel der (001) Siliziumkristalloberfläche zur <10< oder <0< Richtung, die entfernt von der C-Achse von Saphir liegt, wird wie folgt hergestellt.

Der Saphirkristall 6 gemäß Fig. 2 wird zum Erzeugen der Oberfläche, auf die Silizium aufzuwachsen ist, geschnitten. Dies erfolgt entlang einer Schnittfläche, die um etwa 0,1 bis 10 Grad zur <10< oder <0< Richtung der Kristallrich­ tung von Silizium bezogen auf die R (102) Fläche liegt, welche Richtung stark von der C <0001< Achsenrichtung von Saphir abweicht. Silizium mit einer (001) Oberfläche wird auf die Schnittfläche aufgewachsen. Die (001) Siliziumober­ fläche, die auf dem (101) Saphirsubstrat aufgewachsen wird, das um einige Grad gegen die <10< oder <0< Richtung der (001) Siliziumoberfläche geneigt ist und die auf dieser Siliziumschicht erzeugte GaAs-Schicht weisen ziemliche glatte Oberflächen auf, und es ist möglich, gut reproduzierbar einkristalline GaAs-Schichten mit im wesentlichen spiegel­ glatter Oberfläche zu erzielen.

Beim vorigen Ausführungsbeispiel weist die (001) Oberfläche von Silizium einen Versatzwinkel in <10< oder <0< Rich­ tung von Silizium auf, welche Richtung stark von der C-Achse von Saphir abweicht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Richtung und diesen Versatzwinkel alleine beschränkt. Die Richtung und der Versatzwinkel können alle Werte innerhalb des Bereichs der <10< Richtung 3c und des Bereichs der <0< Richtung 3b, welche Bereiche viele spiegelglatte Flä­ chen aufweisen. Um gute GaAs-Kristalle mit im wesentlichen spiegelglatter Oberfläche zu erhalten, ist es von Vorteil, ein SOS-Substrat zu verwenden, das dadurch erhalten wird, daß die (001) Siliziumoberfläche um 0,1 bis 10 Grad zur <10< oder <0< Richtung geneigt ist, die weit von der C-Achse von Saphir entfernt liegt, und ein weiteres Verdre­ hen um einen Winkel um weniger als 45 Grad entlang der <001<-Achse von Silizium erfolgt.

Beim obigen Ausführungsbeispiel wird Silizium mit einer (001) Fläche auf einer R-Saphirfläche erzeugt. Die Silizium­ fläche kann jedoch auch die (100) oder (010) Fläche sein, die äquivalent zur (001) Fläche sind. Wenn die Fläche die (100) Siliziumfläche ist, ist es von Vorteil, den Versatz­ winkel zur <01< oder <0< Richtung einzustellen.

Ein Verfahren zum Abscheiden von GaAs auf dem SOS-Substrat wird nun kurz beschrieben.

Fig. 3 veranschaulicht eine MOCVD-Vorrichtung, die zum Ab­ scheiden von GaAs auf dem SOS-Substrat verwendet wird. Der Aufbau gemäß Fig. 3 weist folgende Teile auf: ein erstes Reaktionsrohr 13 zum Reinigen der Oberfläche von Silizium, ein zweites Reaktionsrohr 14 zum Aufwachsen von GaAs, eine Gasversorgungskammer 10 zum Zuführen von Reaktionsgas zum ersten Reaktionsrohr 13 und zum zweiten Reaktionsrohr 14, eine Druckeinstellkammer 11 zum Einstellen des Drucks im ersten Reaktionsrohr 13 und im zweiten Reaktionsrohr 14, eine Waferbereitstellkammer 12, eine Waferentnahmekammer 15, eine Pumpe 16, einen Wafertransportraum 17, eine Gabel 18, eine Auflage 19, einen Zylinder 20 und ein Torventil 21.

Ein in der Waferbereitstellkammer 12 befindliches SOS-Sub­ strat mit einem Versatzwinkel von einigen Grad zur <10< oder <0< Richtung der (001) Fläche von Silizium wird mit Hilfe der Gabel 18 und des Zylinders 20 über die Wafertrans­ portkammer 17, die mit Wasserstoff gefüllt ist, in das erste Reaktionsrohr 13 überführt. Hier erfolgt ein Glühvorgang bei 1000°C, wobei der natürliche Oxidfilm auf der Siliziumober­ fläche entfernt wird und das Silizium dabei gereinigt wird. Nach dem Reinigen wird das SOS-Substrat durch die Wafer­ transportkammer 17 in das zweite Reaktionsrohr 14 überführt und durch MOCVD-Verfahren wird eine GaAs-Schicht auf dem Siliziumsubstrat erzeugt. Anschließend wird das SOS-Substrat mit dem darauf abgeschiedenen GaAs zur Waferentnahmekammer 15 transportiert, womit das Verfahren abschließt. Bei dieser MOCVD-Vorrichtung werden zwei Reaktionsrohre verwendet, um das Glühen zum Entfernen des Oxidfilms auf der Siliziumober­ fläche und das Abscheiden von GaAs auszuführen. Demgemäß hängt nach dem Glühen zum Entfernen des Oxidfilms kein GaAs an der Siliziumoberfläche an, da sich dieses beim Glühen entfernte. Da die Vorrichtung vom sogenannten Load Lock Typ ist, ist es möglich, GaAs mit im wesentlichen spiegelglatter Oberfläche und hoher Präzision mit hohem Wirkungsgrad herzu­ stellen.

Während beim bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel GaAs als auf dem SOS-Substrat hergestellter Verbindungshalbleiter verwendet wird, ist es auch möglich, andere III-V-Verbin­ dungshalbleiter außer GaAs zu verwenden, z. B. InP.

Die beschriebene Versatzrichtung und der beschriebene Ver­ satzwinkel des SOS-Substrats sind gemäß dem Vorstehenden so bestimmt, daß auch bei relativ großen Schwankungen in Ver­ satzwinkeln, wie sie z. B. zwischen unterschiedlichen Losen auftreten, GaAs-Schichten hoher Qualität und mit im wesent­ lichen spiegelglatter Oberfläche auf einem SOS-Substrat re­ produzierbar erzeugt werden können.

Claims (2)

1. Halbleiterbauteil mit einer Schicht eines III-V-Verbin­ dungshalbleiters auf einem SOS (Silicon on Sapphire)-Sub­ strat, dadurch gekennzeichnet, daß das SOS-Substrat ein sol­ ches ist, bei dem die auf die R (102) Fläche des Saphirsub­ strats aufgewachsene (001) Siliziumkristallfläche unter einem Winkel von 0,1 bis 10 Grad zur <10< oder <0< Rich­ tung geneigt ist, die stark von der <0001< Richtung der C-Achse von Saphir abweicht.

2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Siliziumkristallfläche weiter um einen Winkel von weniger als 45 Grad aus der <10< oder <0< Richtung entlang der (001) Achse verdreht ist.