СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Российский патент 2015 года по МПК H01L21/205 

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к способам изготовления полупроводниковых гетероструктур, предназначенных, прежде всего, для мощных полевых транзисторов СВЧ.

Как известно, полупроводниковые структуры арсенида галлия (GaAs) до недавнего времени являлись основными полупроводниковыми структурами для полевых транзисторов СВЧ.

Быстродействие таких полевых транзисторов с субмикронными длинами канала составляет 10-12 ГГц.

Существенный прогресс в части повышения быстродействия обеспечило изобретение полупроводниковых гетероструктур, представляющих собой последовательность слоев, активная область которых состоит из легированных широкозонных и нелегированных узкозонных слоев.

Это обеспечивает существенное увеличение быстродействия таких полевых транзисторов (до 100 ГГц и более).

Известен способ эпитаксиального выращивания слоев полупроводниковых соединений типа III-V, в том числе эпитаксиальных структур, плазмохимический, в котором с целью повышения качества и расширения функциональных возможностей в вакуумной камере, в которой поддерживается плазма при таких значениях плотности и давления, при которых частицы газов и металлов диффузно распространяются в плазменной области, испаряют по меньшей мере один металл, активируют частицы газа и металла, затем осуществляют реакции между парами металлов и высокоактивными газами неметаллических элементов, в результате которых на нагретой подложке, погруженной в плазму, выращивают слой полупроводникового соединения [1].

Данный способ отличается высокой плотностью дефектов полупроводниковой гетероструктуры, обусловленной наличием в газовой фазе плазмы, приводящей к нарушению поверхности полупроводниковой гетероструктуры и соответственно низкому выходу годных.

Известен способ изготовления полупроводниковой структуры молекулярно-лучевой эпитаксией, основанный на испарении напыляемых материалов из твердого состояния, включающий формирование легированного слоя путем резистивного нагрева электрическим током источника материала, легированного примесью, в котором с целью повышения качества полупроводниковых структур формирование легированного слоя полупроводниковой структуры осуществляют одновременным испарением основного нелегированного материала и основного материала, легированного примесью.

При формировании легированного слоя полупроводниковой структуры поддерживают постоянной плотность потока основного материала путем подбора электрического тока, пропускаемого через источник этого материала, и электрического тока, пропускаемого через источник материала, легированного примесью.

При уменьшении или увеличении тока через источник нелегированного материала соответственно увеличивают или уменьшают электрический ток через источник материала, легированного примесью [2] - прототип.

Данный способ - молекулярно-лучевой эпитаксии по сравнению с первым аналогом (плазмохимическим способом) обеспечивает снижение плотности дефектов, обусловленных наличием плазмы.

Однако данный способ в силу использования метода резистивного нагрева, приводящего к нестабильности во времени испарения напыляемых материалов, отличается низкой воспроизводимостью параметров и соответственно низким выходом годных.

Техническим результатом изобретения является повышение выхода годных путем обеспечения воспроизводимости заданных функциональных свойств и характеристик слоев полупроводниковой гетероструктуры и повышение выходной мощности и выхода годных полевых транзисторов СВЧ.

Указанный технический результат достигается заявленным способом изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ, включающим расположение предварительно обработанной монокристаллической полуизолирующей подложки арсенида галлия на подложкодержатель в реакторе газофазной эпитаксии, запуск газа-носителя - водорода, нагрев подложкодержателя до рабочей температуры, запуск ростовых технологических газов и последующее наращивание в едином технологическом цикле последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры, в котором каждый из последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры наращивают при следующих технологических режимах -

буферный слой GaAs при температуре (550-580)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (1,11-1,13), триметилгаллия (0,065-0,067), в течение (560-1480) с,

донорный слой n⁺-GaAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (2,45-2,47), триметилгаллия (0,125-0,127), моносилана (0,004-0,006), в течение (5-7) с,

спейсерный слой GaAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (4,01-4,03), триметилгаллия (0,125-0,127), в течение (8-12) с,

канальный слой In_yGa_1-yAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (4,01-4,03), триметилгаллия (0,071-0,073), триметилиндия (0,047-0,049), в течение (16-24) с,

спейсерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (4-8) с,

донорный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), моносилана (0,010-0,014), в течение (7-13) с,

барьерный слой Al_xGa-1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (7-30) с,

стоп-слой In_zGa_1-zP при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: триметилгаллия (0,052-0,054), триметилиндия (0,077-0,081), фосфина (17,8-18,0), в течение (10-13) с,

барьерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре (620-63 0)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (42-78) с,

градиентный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), монотонном, линейном уменьшении триметилалюминия от (0,015-0,019) до ноля, моносилана (0,004-0,006), в течение (18-26) с,

контактный слой n⁺-GaAs из двух частей - нижней и верхней при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), моносилана нижней части - (0,004-0,006), верхней - (0,009-0,011), в течение - нижней части (112-188) с, верхней - (38-74) с,

причем в соответствующем упомянутом слое содержание химических элементов x, y, z определяются неравенствами 0,2≤x≤0,24, 0,2≤у≤0,28, 0,48≤z≤0,51 соответственно,

наращивание проводят при потоке газа-носителя - водорода, ммоль/с (10,2-12,20).

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры, а именно совокупность указанных технологических режимов при наращивании каждого из последовательности полупроводниковых слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры, в совокупности с собственно последовательностью их наращивания обеспечивает:

во-первых, заданные функциональные свойства и характеристики - толщину слоев, состав - качественный и количественный, концентрацию легирующей примеси заданной полупроводниковой гетероструктуры,

во-вторых, снижение плотности дефектов в буферном GaAs, канальном In_yGa_1-yAs, стоп-слое - In_zGa_1-zP, градиентном Al_xGa_1-xAs слоях, при этом в каждом из указанных слоев в силу различных причинно-следственных связей и, как следствие этого, - повышение выхода годных.

в-третьих, снижение токов утечки в полевом транзисторе СВЧ благодаря наращиванию указанным образом буферного GaAs, барьерного Al_xGa_1-xAs слоев полупроводниковой гетероструктуры и, как следствие, - повышение выходной мощности.

Указанные диапазоны температуры и потоков технологических газов для роста слоев полупроводниковой гетероструктуры являются оптимальными для обеспечения

а) низкой плотности дефектов,

б) резкого профиля легирования полупроводниковой гетероструктуры,

в) заданного элементного состава химического соединения слоев полупроводниковой гетероструктуры.

Указанные диапазоны времени роста слоев полупроводниковой гетероструктуры являются оптимальными для обеспечения заданных толщин слоев полупроводниковой гетероструктуры.

Указанные диапазоны содержания химических элементов x, y, z обеспечивают минимальные механические напряжения в каждом из соответствующих слоев и тем самым снижение плотности дефектов и, как следствие, - повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур и выхода годных полевых транзисторов СВЧ.

Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при температуре роста как ниже, так и выше указанного диапазона температур недопустимо, в первом случае - из-за увеличения плотности дефектов, во втором - из-за диффузионного размытия профиля легирования.

Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при значениях потоков технологических газов как ниже, так и выше указанного их диапазона недопустимо из-за увеличения плотности дефектов и отклонения от заданного элементного состава.

Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при нарушении указанных значений временного диапазона недопустимо из-за не обеспечения заданных толщин слоев полупроводниковой гетероструктуры.

Наращивание каждого из указанных слоев полупроводниковой гетероструктуры при выходе в них содержания химических элементов за указанные пределы не допустимо из-за резкого увеличения механических напряжений.

Итак, совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ в полной мере обеспечит указанный технический результат - снижение плотности дефектов и повышение выхода годных полупроводниковой гетероструктуры, повышение выходной мощности, полевого транзистора СВЧ и выхода его годных.

Примеры конкретной реализации заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ.

Пример 1.

На монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия GaAs-S-INS-EPD1000-T62(76,2)M/LE-AV-LM Hitachi Gable толщиной 650 мкм посредством метода газофазной эпитаксии на установке (AIX 2400 G3) в едином технологическом цикле выращивают прямую последовательность слоев заявленной полупроводниковой гетероструктуры -

буферный слой GaAs при температуре 565°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 1,12, триметилгаллия 0,066, в течение 1200 с,

донорный слой n⁺-GaAs при температуре 610°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 2,46, триметилгалли 0,126, моносилана 0,005, в течение 6 с,

спейсерный слой GaAs при температуре 610°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 4,02, триметилгаллия 0,126, в течение 10 с,

канальный слой In_yGa_1-yAs при температуре 610°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 4,02, триметилгаллия 0,072, триметилиндия 0,048, в течение 20 с, при у, равном 0,24,

спейсерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, в течение 6 с, при x, равном 0,22,

донорный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, моносилана 0,012, в течение 10 с, при х, равном 0,22,

барьерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, в течение 18 с, при x, равном 0,22,

стоп-слой In_zGa_i-zP при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: триметилгаллия 0,053, триметилиндия 0,079, фосфина 17,9, в течение 11 с, при z, равном 0,49,

барьерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, триметилалюминия 0,017, в течение 60 с, при x, равном 0,22,

градиентный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, монотонном, линейном уменьшении триметилалюминия от 0,017 до ноля, моносилана 0,005, в течение 22 с, при x, равном 0,22,

контактный слой n⁺-GaAs из двух частей - нижней и верхней при температуре 625°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина 5,36, триметилгаллия 0,116, моносилана нижней части - 0,005, верхней - 0,010, в течение - нижней части 150 с, верхней - 56 с,

причем для всех упомянутых слоев при потоке газа-носителя - водорода, ммоль/с, 11,2.

Примеры 2-5.

Изготовлены образцы заявленной полупроводниковой гетероструктуры аналогично примеру 1, но при других параметрах технологических режимов наращивания слоев полупроводниковой гетероструктуры, согласно формуле изобретения (примеры 2-3) и за ее пределами (примеры 4-5).

На изготовленных образцах полупроводниковой гетероструктуры была измерена плотность дефектов размером 0,2-1,6 мкм и 1,6-63,0 мкм на установке Surfscan 6220 согласно технологической карте КРПГ.57802.00046.

Изготовленные образцы полупроводниковой гетероструктуры были использованы для изготовления мощных полевых транзисторов СВЧ.

На изготовленных образцах мощных полевых транзисторов СВЧ была измерена выходная мощность на рабочей частоте 10 ГГц.

Данные сведены в таблицы 1-5, в каждой из которых отражены данные технологического режима соответственно примеру конкретной реализации заявленного способа изготовления полупроводниковой гетероструктуры.

Как видно из таблицы:

1. Образцы полупроводниковой гетероструктуры, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения, имеют плотность дефектов от 1,51 см^-2 до 5,58 см^-2 размером дефектов (0,2-1,6) мкм и от 1,07 см^-2 до 6,44 см^-2 размером дефектов (1,6-63,0) мкм (примеры 1-3)

в отличие от образцов, изготовленных за пределами, указанными в формуле изобретения, плотность дефектов которых составляет от 95,6 см^-2 до 577,0 см^-2 размером дефектов (0,2-1,6) мкм и от 116,0 см^-2 до 992,0 см^-2 размером дефектов (1,6-63,0) мкм (примеры 4-5),

плотность дефектов образца-прототипа - 35,5 см^-2 размером дефектов (0,2-1,6) мкм и 46,7 см^-2 размером дефектов (1,6-63,0) мкм.

2. Мощные полевые транзисторы СВЧ, изготовленные на полупроводниковой гетероструктуре, изготовленной согласно заявленной формуле изобретения, имеют выходную мощность порядка 1,2 Вт/мм (примеры 1-3) в отличие от образцов - за пределами, указанными в формуле изобретения, выходная мощность которых порядка 0,8 и 0,3 Вт/мм (примеры 4-5 соответственно).

Данные относительно выхода годных прототипа отсутствуют.

Таким образом, способ изготовления заявленной полупроводниковой гетероструктуры для полевых транзисторов СВЧ обеспечит по сравнению с прототипом снижение плотности дефектов примерно в (6-23) и (7-43) раза в обеих группах размеров дефектов соответственно.

Выходная мощность полевых транзисторов составляет 1,2 Вт/мм, что на сегодня является хорошим результатом.

Источники информации

1. Патент РФ №2462786, МПК H01L 21/205, приоритет 28.02.2006, опубл. 27.09.2012 г.

2. Патент РФ №2473148, МПК H01L 21/205, приоритет 07.07.2011 г., опубл. 20.01.2013 г. - прототип.

Изобретение относится к электронной технике. Способ изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ включает расположение предварительно обработанной монокристаллической полуизолирующей подложки арсенида галлия на подложкодержатель в реакторе газофазной эпитаксии, запуск газа-носителя - водорода, нагрев подложкодержателя до рабочей температуры, запуск ростовых технологических газов и последующее наращивание в едином технологическом цикле последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры. Каждый из последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры - буферный слой GaAs, донорный слой n⁺-GaAs, спейсерный слой GaAs, канальный слой In_yGa_1-yAs, спейсерный слой Al_xGa_1-xAs, донорный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs, барьерный слой Al_xGa_1-xAs, стоп-слой In_zGa_1-zP, барьерный слой Al_xGa_1-xAs, градиентный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs, контактный слой n⁺-GaAs - наращивают при определенных технологических режимах, причем содержание химических элементов x, y, z определяются неравенствами 0,20≤x≤0,24, 0,21≤y≤0,28, 0,48≤z≤0,51 соответственно. Изобретение обеспечивает снижение плотности дефектов и повышение выхода годных полупроводниковых гетероструктур, повышение выходной мощности и выхода годных полевого транзистора СВЧ. 5 табл.

Способ изготовления полупроводниковой гетероструктуры для мощного полевого транзистора СВЧ, включающий расположение предварительно обработанной монокристаллической полуизолирующей подложки арсенида галлия на подложкодержатель в реакторе газофазной эпитаксии, запуск газа-носителя - водорода, нагрев подложкодержателя до рабочей температуры, запуск ростовых технологических газов и последующее наращивание в едином технологическом цикле последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры, отличающийся тем, что каждый из последовательности слоев заданной полупроводниковой гетероструктуры наращивают при следующих технологических режимах - буферный слой GaAs при температуре (550-580)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (1,11-1,13), триметилгаллия (0,065-0,067), в течение (560-1480) с, донорный слой n⁺-GaAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (2,45-2,47), триметилгаллия (0,125-0,127), моносилана (0,004-0,006), в течение (5-7) с, спейсерный слой GaAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (4,01-4,03), триметилгаллия (0,125-0,127), в течение (8-12) с, канальный слой In_yGa_1-yAs при температуре (605-615)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (4,01-4,03), триметилгаллия (0,071-0,073), триметилиндия (0,047-0,049), в течение (16-24) с, спейсерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (4-8) с, донорный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), моносилана (0,010-0,014), в течение (7-13) с, барьерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (7-30) с, стоп-слой In_zGa_1-zP при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: триметилгаллия (0,052-0,054), триметилиндия (0,077-0,081), фосфина (17,8-18,0), в течение (10-13) с, барьерный слой Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), триметилалюминия (0,015-0,019), в течение (42-78) с, градиентный слой n⁺-Al_xGa_1-xAs при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), монотонном, линейном уменьшении триметилалюминия от (0,015-0,019) до ноля, моносилана (0,004-0,006), в течение (18-26) с, контактный слой n⁺-GaAs из двух частей - нижней и верхней при температуре (620-630)°C, потоке технологических газов, ммоль/с: арсина (5,35-5,37), триметилгаллия (0,115-0,117), моносилана нижней части - (0,004-0,006), верхней - (0,009-0,011), в течение - нижней части (112-188) с, верхней - (38-74) с, причем в соответствующем упомянутом слое содержание химических элементов x, y, z определяются неравенствами 0,20≤x≤0,24, 0,21≤y≤0,28, 0,48≤z≤0,51 соответственно, наращивание проводят при потоке газа-носителя - водорода, ммоль/с (10,2-12,2).