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Dokumentenidentifikation DE4244822C2 12.06.1997
Titel Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
Anmelder Mitsubishi Denki K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kaneno, Nobuaki, Itami, Hyogo, JP;
Kizuki, Hirotaka, Itami, Hyogo, JP;
Hayafuji, Norio, Itami, Hyogo, JP;
Shiba, Tetsuo, Itami, Hyogo, JP;
Tada, Hitoshi, Itami, Hyogo, JP
Vertreter Kuhnen, Wacker & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 02.12.1992
DE-Aktenzeichen 4244822
File number of basic patent 42405394
Offenlegungstag 22.07.1993
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.06.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.06.1997
IPC-Hauptklasse H01L 21/328
IPC-Nebenklasse H01S 3/19   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung erläutert, bei dem eine erste Halbleiterschicht (2-5) epitaktisch auf einem Halbleitersubstrat (1) aufgewachsen wird, und eine Isolierfilmstrukturierung (6) auf der ersten Halbleiterschicht (2-5) gebildet wird, wobei Abschnitte der ersten Halbleiterschicht (2-5) durch Naßätzen entfernt werden, unter Verwendung der Isolierfilmstrukturierung (6) als Maske, so daß ein Steg mit einer umgekehrten Mesaform stehenbleibt. Endabschnitte der Isolierfilmstrukturierung (6) werden durch Ätzen derart entfernt, daß die Breite der Isolierfilmstrukturierung der Breite des Steges angenähert wird. Des weiteren wird eine zweite Halbleiterschicht (30, 31) epitaktisch auf entgegengesetzte Seiten des Steges aufgewachsen und es wird eine dritte Halbleiterschicht (8, 50) zu epitaktisch auf dem Steg und der zweiten Halbleiterschicht (30, 31) aufgewachsen. Erfindungsgemäß wird die zweite Halbleiterschicht (30, 31) ebenmäßig, ohne konkave Abschnitte bei den entgegengesetzten Seiten des Steges aufgewachsen. Des weiteren wird die dritte Halbleiterschicht (8, 50) ebenmäßig auf dem Steg und die zweite Halbleiterschicht (30, 31) aufgewachsen und eine Elektrode (9, 10) verbindet ebenmäßig und zuverlässig die Oberfläche der dritten Halbleiterschicht (8, 50). Als Ergebnis kann eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die bessere Eigenschaften und höhere Zuverlässigkeit aufweist, und welche mit hoher ...

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, mittels welchem die in den Deutschen Patentanmeldungen P 42 40 539.4 und P 42 44 820.4 offenbarten Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung unter Verwendung einer geeigneten Vorrichtung in die Praxis umgesetzt werden können.

Fig. 9(a) zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Halbleiterlaservorrichtung vom Stegwellenleitertyp ("ridge waveguide type"). In Fig. 9(a) bezeichnet das Bezugszeichen 400 eine n-Typ GaAs-Serien-Halbleiterlaservorrichtung. Eine erste Mantelschicht 2 ("cladding layer") vom AlGaAs-n-Typ ist auf dem n-Typ GaAs-Substrat 1 angeordnet. Eine p-Typ AlGaAs-Aktivschicht 3 ist auf der ersten Mantelschicht 2 vom n-Typ AlGaAs angeordnet. Eine zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs mit einem Steg in umgekehrter Mesaform ist auf der p-Typ AlGaAs-Aktivschicht 3 angeordnet. Eine erste Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs ist auf dem Steg der zweiten Mantelschicht 4 angeordnet. Eine n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und eine zweite Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs sind auf beiden Seiten des Steges angeordnet. Eine p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 ist auf der zweiten Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs angeordnet. Eine p-Seitenelektrode 10 und eine n-Seitenelektrode 11 sind auf der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 und der rückseitigen Oberfläche des n-Typ GaAs- Substrates 1 jeweils angeordnet. Fig. 9(b) zeigt eine n-Typ GaAs-Halbleiterlaservorrichtung mit demselben Aufbau wie die Vorrichtung gemäß Fig. 9(a), bei der die p-Typ GaAs- Kontaktschicht 9 dicker ausgebildet ist als bei der Fig. 9(a).

Es folgt die Beschreibung des Herstellungsverfahrens. Die Fig. 10(a)-10(e) veranschaulichen die Herstellungsschritte bei dem Verfahren zur Herstellung des in Fig. 9(a) dargestellten Halbleiterlasers. Zunächst werden gemäß der Darstellung nach Fig. 10(a) auf dem n-Typ GaAs-Substrat 1 aufeinanderfolgend die erste Mantelschicht 2 vom n-Typ AlGaAs, die p-Typ AlGaAs-Aktivschicht 3, die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs sowie die erste Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs aufgewachsen (erster Epitaxiewachstumsschritt). Vorzugsweise werden diese Schichten durch metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) aufgewachsen.

Danach werden gemäß der Darstellung nach Fig. 10(b) ein SiN-Film 6 und ein Photolack 7 aufeinanderfolgend auf der ersten Deckschicht 5 abgeschieden, und es wird der SiN-Film 6 in einer Streifenform durch an sich bekannte Photolithographie- und selektive Ätzschritte strukturiert.

Danach wird, wie es in Fig. 10(c) veranschaulicht ist, nach der Entfernung des Photolackes 7 die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs und die erste Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs selektiv durch Naßätzen unter Verwendung des SiN-Filmes 6 als Maske entfernt, wodurch ein Steg mit einer umgekehrten Mesaform verbleibt. Das Naßätzen sollte so durchgeführt werden, daß die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs auf der p-Typ AlGaAs-Aktivschicht 3 an den entgegengesetzten Seiten des Steges verbleiben kann.

Daran anschließend werden gemäß der Darstellung nach Fig. 10(d) die n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und die zweite Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs aufeinanderfolgend auf der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs aufgewachsen, vorzugsweise durch MOCVD, um den Steg einzugraben (zweiter Epitaxiewachstumsschritt).

Nach der Entfernung des Sin-Films 6 wird die p-Typ GaAs- Kontaktschicht 9 auf der ersten Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs und der zweiten Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs vorzugsweise durch MOCVD aufgewachsen (dritter Epitaxiewachstumsschritt). Darin anschließend werden die p-Seitenelektrode 10 und die n-Seitenelektrode 11 jeweils auf der p-Typ GaAs- Kontaktschicht 9 an der rückseitigen Oberfläche des n-Typ GaAs-Substrates 1 gebildet, wodurch die Halbleiterlaservorrichtung 400 gemäß Fig. 10(e) vervollständigt wird. Falls die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 dick bei dem dritten Epitaxiewachstumsschritt aufgewachsen wird, wird die in Fig. 9(b) dargestellte Laserstruktur erhalten.

Im Betrieb wird eine Vorwärtsvorspannung über das n-Typ GaAs-Substrat 1 und die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 angelegt, so daß Strom in die p-Typ AlGaAs-Aktivschicht 3 über den Steg mit der umgekehrten Mesaform fließt und Ladungsträger in der p-Typ AlGaAs-Aktivschicht eingeschlossen werden, so daß sich Ladungsträgerrekombinationen ergeben, welche die Erzeugung von Laserlicht bewirken. Da hierbei die Absorption von Licht und die Konzentration von Strom durch die n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 bewirkt werden, wird ein Unterschied im Brechungsindex in horizontaler Richtung der Aktivschicht 3 erzeugt, so daß die Ausstrahlung von Licht auf die transversale Richtung begrenzt ist. Dieses geführte Licht unterliegt einer Resonanz in einem Fabry- Perot-Resonator, der durch in longitudinaler Richtung des streifenförmigen Steges gegenüberliegend zueinander angeordnete Spaltkristallflächen gebildet ist, so daß Laseroszillation auftritt.

Diese Halbleiterlaservorrichtung vom Stegwellenleitertyp besitzt die folgenden Nachteile.

Fig. 11 zeigt die Wiedergabe eines Elektronenmikroskopbildes, welches in Schnittansicht den Wafer nach dem in Fig. 10(d) gezeigten zweiten Epitaxiewachstumsschritt darstellt. Während der selektiven Ätzung zur Bildung der Stegstruktur mit umgekehrter Mesaform werden Abschnitte der Deckschicht 5 unterhalb der beiden Enden des als Ätzmaske dienenden SiN-Filmes 6 in nachteiliger Weise weggeätzt, wodurch sich überhängende Abschnitte 6a ergeben. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Haftung zwischen der den SiN-Film oder dergleichen enthaltenden Ätzmaske und der Epitaxiewachstumsschicht schlecht ist und das Ätzmittel in die Grenzfläche hierzwischen eindringt. Falls solche überhängenden Abschnitte 6a bei dem zweiten Epitaxiewachstumsschritt vorhanden sind, d. h., bei dem Schritt des aufeinanderfolgenden Wachsens der n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und der zweiten Decksicht 50 vom p-Typ GaAs auf die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs, werden die reaktiven Gase nicht an die überhängenden Abschnitte 6a zugeführt, so daß sich ein ungleichförmiges Wachstum ergibt und Hohlräume 21 erzeugt werden.

Wenn der SiN-Film 6 entfernt wird, und die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 auf den ersten und zweiten Deckschichten 5 und 50 durch das dritte Epitaxiewachstum aufgewachsen wird, werden konkave Abschnitte auf der Oberfläche der Kontaktschicht 9 gebildet. Da zusätzlich das Kristallwachstum ungleichförmig unterhalb der überhängenden Abschnitte 6a durchgeführt ist, sind die Kristalleigenschaften der darauf angeordneten p-Typ GaAs Kontaktschicht 9 schlecht, so daß insgesamt die Eigenschaften der Halbleitervorrichtung verschlechtert werden. Bei der Bildung konkaver Abschnitte auf der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 ergibt sich zusätzlich, daß ein als p-Seitenelektrode 10 dienender Metallfilm nicht gleichförmig auf der Kontaktschicht abgeschieden wird, wodurch sich eine Vorrichtung mit nur geringer Zuverlässigkeit ergibt. Falls insbesondere die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 dünn ausgebildet ist, wie es in Fig. 9(a) dargestellt ist, kann die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 im ungünstigsten Fall aufgrund der konkaven Bereiche zwischen der ersten Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs auf dem Steg und der zweiten Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs brechen, wobei die p- Seitenelektrode 10 auf der Kontaktschicht 9 ebenfalls brechen kann, so daß sich eine weitere Verringerung in der Zuverlässigkeit der Vorrichtung ergibt.

Falls sich die kristallinen Eigenschaften der epitaktisch aufgewachsenen Schicht, die an entgegengesetzten Seiten des Steges erneut aufgewachsen wird, verschlechtern, ist die Dicke der epitaktisch aufgewachsenen Schicht nicht gleichförmig, und der Steg wird unvorteilhafterweise hervorstehen. Falls dabei die p-Typ GaAs-Kontaktschicht, 9 gebildet wird, wird ein konvexer Abschnitt auf der Oberfläche der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 gebildet, und es wird eine mechanische Spannung an den Steg bei den nachfolgenden Schritten angelegt, wie beispielsweise bei dem Schritt des Polierens der rückseitigen Oberfläche des Substrates, bei dem Schritt der Befestigung des Halbleiterchips auf einem Gehäuse durch Löten, während die Stegseite mit einer Wärmesenke verbunden ist (Übergang nach unten) und dergleichen, so daß der Steg zerstört werden kann. Zusätzlich hierzu haftet der konvexe Abschnitt der Kontaktschicht nicht eng an der Wärmesenke, so daß sich eine Neigung des Laserstrahls ergibt.

In der Zwischenzeit wurden in den japanischen veröffentlichten Patentanmeldungen Nrn. 63-269593 und 1-287980 und in Mitsubishi Denki Giho Vol. 62, Nr. 11 (1988), S. 958 bis 961 Halbleiterlaservorrichtungen vom Stegwellenleitertyp vorgeschlagen, bei denen eine p-Typ AlGaAs-Bufferschicht oder eine p-Typ GaAs-Bufferschicht auf einer p-Typ AlGaAs -Mantelschicht aufgewachsen wird, welche auf beiden Seiten eines Steges freiliegt, und anschließend eine n-Typ GaAs- Stromblockierschicht aufgewachsen wird. Da bei diesen Laservorrichtungen das Kristallwachstum der p-Typ AlGaAs- oder GaAs-Bufferschicht langsam auf der p-Typ AlGaAs-Mantelschicht fortschreitet, wird die Kristallschicht bis zu einem gewissen Grad unterhalb der vorstehend beschriebenen überhängenden Abschnitte aufgewachsen. Es ist jedoch unmöglich, die Hohlräume unterhalb der überhängenden Abschnitte vollständig aufzufüllen, so daß die vorstehend beschriebenen Probleme bis dato nicht vollständig gelöst werden konnten.

Fig. 12 zeigt die Sauerstoffkonzentrationen als Ergebnis einer SIMS-Analyse in der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs und der n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 bei den Herstellungsschritten gemäß den Fig. 10(a)-10(e). Da die Oberfläche der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs während der Ätzung zur Bildung des Steges der Atmosphäre ausgesetzt ist, befindet sich viel Sauerstoff auf der Oberfläche der Mantelschicht 4. Als Folge davon wird ein Grenzflächenniveau zwischen der Mantelschicht 4 und der Stromblockierschicht 8 bei der fertiggestellten Vorrichtung erzeugt und damit einhergehend ein Leckstrom in diesem Bereich erzeugt, so daß die Eigenschaften der Vorrichtung verschlechtert werden.

Falls der Steg durch Naßätzen gebildet wird, werden feine Vertiefungen auf der freigelegten Oberfläche der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs gebildet. Die Tiefe jeder Vertiefung entspricht der Dicke von einigen Atomschichten, d. h. 10 bis 20 Angström. Falls die n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 epitaktisch auf der zweiten Mantelschicht 4 vom n-Typ AlGaAs aufgewachsen wird, da das n-Typ GaAs nicht gut mit dem p-Typ AlGaAs zusammenpaßt, erscheinen die Vertiefungen ebenfalls auf der Oberfläche der n-Typ GaAs- Stromblockierschicht 8, so daß die Kristalleigenschaften der Stromblockierschicht 8 verschlechtert werden, mit der Folge einer Verschlechterung der Vorrichtungseigenschaften.

Als eine Lösung des vorstehend dargestellten Problemes wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung vom Steghohlleitertyp vorgeschlagen, welches in der japanischen veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 64- 84780 veröffentlicht ist. Bei diesem Verfahren wird nach der Bildung des Steges durch Naßätzen die Oberfläche einer ersten Halbleiterschicht, welche auf beiden Seiten des Steges freiliegt, durch Dampfphasenätzung in einer Reaktionskammer geätzt, und es wird eine zweite Halbleiterschicht auf die erste Halbleiterschicht in derselben Reaktionskammer aufgewachsen. Obwohl in diesem Fall die Konzentration von Sauerstoff auf der Kristalloberfläche verringert wird und die auf der Kristalloberfläche aufgrund der Naßätzung erzeugten Vertiefungen verringert werden, da das Dampfphasenätzen und das Kristallwachstum in derselben Reaktionskammer durchgeführt werden, beeinflussen die bei dem Dampfphasenätzen erzeugten Reagenzien das Kristallwachstum, wodurch sich wiederum eine schlechte Kristalleigenschaft der aufgewachsenen Schicht ergibt.

In den Deutschen Patentanmeldungen P 42 40 539.4 und P 42 44 820.4 sind Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung offenbart, welche gegenüber dem zuvor genannten Stand der Technik Verbesserungen darstellen und die zuvor erwähnten Probleme beseitigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung zu schaffen, mittels welchem die in den Deutschen Patentanmeldungen P 42 40 539.4 und P 42 44 820.4 offenbarten Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaservorrichtung unter Verwendung einer geeigneten Vorrichtung in die Praxis umgesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Halbleiterlaservorrichtung zur Verdeutlichung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2(a)-2(f) schematische Schnittansichten von Prozeßschritten bei einem Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaservorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Halbleiterlaservorrichtung zur Verdeutlichung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4(a)-4(f) schematische Schnittansichten zur Darstellung von Prozeßschritten bei einem Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaservorrichtung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung eines Problems, welches sich aufgrund einer übermäßigen Ätzung eines SiN-Filmes bei dem Schritt gemäß Fig. 4(d) ergibt;

Fig. 6 eine Kurve zur Darstellung einer Beziehung zwischen der Substrattemperatur und der Reaktionszeit bei dem Schritt des Aufwachsens einer GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht, einer n-Typ GaAs-Stromblockierschicht und einer zweiten Deckschicht vom p-Typ GaAs bei dem in den Fig. 2(a)-2(f) dargestellten Verfahren;

Fig. 7 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer vorteilhaften MOCVD-Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Kurve zur Darstellung des SIMS-Ergebnisses eines Profils der Sauerstoffdichte in einer zweiten Mantelschicht vom p-Typ AlGaAs und einer n-Typ GaAs-Stromblockierschicht, welche in einer Halbleiterlaservorrichtung enthalten sind, die durch die MOCVD-Vorrichtung gemäß Fig. 7 hergestellt ist;

Fig. 9(a) und 9(b) schematische Schnittansichten zur Darstellung von Halbleiterlaservorrichtungen;

Fig. 10(a)-10(e) schematische Schnittansichten zur Darstellung von Prozeßschritten bei einem Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaservorrichtung gemäß Fig. 9(a);

Fig. 11 eine Darstellung eines Elektronenmikroskopbildes einer Schnittansicht eines Wafers nach einem zweiten Epitaxiewachstumsschritt gemäß Fig. 10(d);

Fig. 12 eine Kurve zur Darstellung von Sauerstoffkonzentrationen aufgrund einer SIMS-Analyse in einer zweiten Mantelschicht vom p-Typ AlGaAs und einer Stromblockierschicht vom n-Typ GaAs bei den Schritten gemäß den Fig. 10(a)-10(e).

Fig. 1 zeigt in schematischer Schnittansicht eine erste Halbleiterlaservorrichtung zur Verdeutlichung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein n-Typ GaAs-Substrat. Auf dem Substrat 1 ist eine erste Mantelschicht 2 ("cladding layer") vom n-Typ AlGaAs angeordnet. Auf der ersten Mantelschicht 2 vom n-Typ AlGaAs ist eine P-Typ AlGaAs -Aktivschicht 3 angeordnet. Auf der p-Typ AlGaAs-Aktivschicht 3 ist eine zweite Mantelschicht 4 vom n-Typ AlGaAs angeordnet. Auf der zweiten Mantelschicht 4 vom n-Tvp AlGaAs ist eine erste Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs angeordnet. Ein Teil der zweiten Mantelschicht 4 vom n-Typ AlGaAs und der ersten Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs bilden einen Steg mit einer umgekehrten Mesaform. Eine p-Typ AlGaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 ist auf der zweiten Mantelschicht 4 vom n-Typ AlGaAs und den Seitenoberflächen des Steges angeordnet. Eine n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und eine zweite Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs sind aufeinanderfolgend auf der Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 zum Vergraben des Steges angeordnet. Eine p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 ist auf den ersten und zweiten Deckschichten 5 und 50 vom p-Typ GaAs angeordnet. Eine p-Seitenelektrode 10 bzw. eine n-Seitenelektrode 11 sind jeweils auf der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 bzw. der rückseitigen Oberfläche des n-Typ GaAs-Substrates 1 angeordnet.

In den Fig. 2(a)-2(f) ist ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaserstruktur gemäß Fig. 1 dargestellt.

Wie es in Fig. 2(a) dargestellt ist, werden zu Beginn auf dem n-Typ GaAs-Substrat 1 mit einer Dicke von 1 µm die erste Mantelschicht 2 vom n-Typ AlGaAs mit einer Dicke von 1,5 µm, die p-Typ AlGaAs-Aktivschicht 3 mit einer Dicke von 0,05 µm, die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs mit einer Dicke von 1,5 µm und eine zweite Deckschicht 5 vom p- Typ GaAs mit einer Dicke von 0,5 µm aufgewachsen. Vorzugsweise werden diese Schichten bei etwa 750°C durch MOCVD aufgewachsen.

Daran anschließend wird ein SiN-Film auf die erste Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs bis zu einer Dicke von etwa 1000 Angström durch thermisches CVD abgeschieden, und es wird ein Photolack auf dem SiN-Film abgeschieden und in einer Streifenform mit einer Breite von 6 bis 8 µm durch konventionelle Photolithographie- und Ätzschritte strukturiert. Daran anschließend wird unter Verwendung eines Photolackes als Maske der SiN-Film durch eine Gasmischung CF&sub4; und O&sub2; solange weggeätzt, bis die Oberfläche der ersten Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs freiliegt. Daran anschließend wird der Photolack entfernt, wodurch sich der SiN-Film 6 gemäß Fig. 2(b) ergibt.

Darauf folgend werden unter Verwendung des SiN-Filmes 6 als eine Maske die erste Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs und die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs mit einem Ätzmittel, enthaltend Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser weggeätzt, wodurch die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs mit 0,2 bis 0,3 µm auf der Aktivschicht 3 verbleibt, und sich somit der gemäß Fig. 2(c) dargestellte Steg ergibt. Da dabei das Ätzen unter dem SiN-Film 6 fortfährt, wird ein überhängender Abschnitt 6a von etwa 0,8 µm Breite bei den beiden Enden des SiN-Filmes 6 gebildet.

Daran anschließend wird die GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 mit einer Dicke von etwa 500 Angström auf der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs aufgewachsen, während die Temperatur des Substrates auf 450°C verringert wird. Daran anschließend wird die Temperatur des Substrates auf 750°C angehoben, um eine thermische Reinigung durchzuführen. Während des Wachstums der GaAs-Niedrigtemperatur- Bufferschicht 30 haften amorphe Ga- und As-Atome ebenmäßig an der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs und der ersten Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs, wodurch die Seitenwände des Steges und die rückseitige Oberfläche der überhängenden Abschnitte 6a bedeckt werden und die aufgrund der Naßätzung verursachten feinen Vertiefungen auf der oberen Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs aufgefüllt werden. Zusätzlich erfolgt während der thermischen Reinigung bei 750°C eine Neuanordnung der amorphen Ga- und As-Atome, wodurch die GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 eine monokristalline GaAs-Schicht mit gleichförmiger Zusammensetzung wird. Das thermische Reinigen wird für 20 Minuten durchgeführt.

Daran anschließend wird die Temperatur des Substrats auf 700°C verringert, welche die übliche Wachstumstemperatur von GaAs darstellt, und es werden die n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und die zweite Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs aufeinanderfolgend auf der Bufferschicht 30 aufgewachsen, wie es in Fig. 2(d) dargestellt ist. Da hierbei diese Schichten auf der GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 mit verbesserter Kristalleigenschaft aufgewachsen werden, werden die Kristalleigenschaften dieser Schichten beträchtlich verbessert. Fig. 6 zeigt ein bei dem vorstehend beschriebenen Wachstumsprozeß verwendetes Temperaturprofil, bei dem die Bezugsziffer 81 eine Zeitdauer für das Aufwachsen der Niedrigtemperatur-Bufferschicht, die Bezugsziffer 82 eine Zeitdauer für das thermische Reinigen und die Bezugsziffer 83 eine Zeitdauer für das Aufwachsen der Stromblockierschicht 8 und der zweiten Deckschicht 50 bezeichnet.

Daran anschließend wird gemäß Fig. 2(e) der SiN-Film 6 durch Plasmaätzen entfernt, und es wird eine p-Typ GaAs- Kontaktschicht 9 mit einer Dicke von etwa 2,5 µm durch MOCVD bei etwa 750°C aufgewachsen. Daran anschließend werden eine p-Seitenelektrode 10 und eine n-Seitenelektrode 11 auf der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 und der rückseitigen Oberfläche des Substrats 1 jeweils gebildet, wodurch sich die in Fig. 2(f) dargestellte Halbleiterlaservorrichtung ergibt.

Wenn entsprechend dem Verfahren gemäß den Fig. 2(a)-2(f) die GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 auf der Oberfläche der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs gebildet wird, haftet amorphes GaAs an den Seitenwänden des Steges und der rückseitigen Oberfläche der überhängenden Abschnitte 6a, so daß die rückseitige Oberfläche der überhängenden Abschnitte 6a mit der Bufferschicht 30 bedeckt ist. Zusätzlich füllt das amorphe GaAs die feinen Vertiefungen der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs auf. Da die GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 in eine monokristalline Schicht durch das thermische Reinigen geändert wird, werden die Kristalleigenschaften der epitaktisch auf die Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 aufgewachsenen n-Typ GaAs-Stromblockierschichten 8 und der zweiten Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs verbessert. Demzufolge werden die Seitenwände des Steges durch die epitaktisch aufgewachsenen Schichten 8 und 50 vergraben, ohne konkave Abschnitte bei gegenüberliegenden Seiten des Steges zu bilden, so daß die Kristalleigenschaft der auf den Deckschichten 5 und 50 aufgewachsenen p-Typ GaAs-Kontaktschicht verbessert ist, und die p-Seitenelektrode 10 ebenmäßig und zuverlässig mit der Oberfläche der p-Typ GaAs-Kontaktschicht verbunden ist. Als Ergebnis hiervon wird eine Halbleiterlaservorrichtung mit guten Eigenschaften und hoher Zuverlässigkeit zur Verfügung gestellt.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemäß den Fig. 2(a)-(f) die GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht 30 eine Dicke von 500 Angström aufweist, können dieselben Wirkungen wie vorstehend beschrieben erhalten werden, wenn die Bufferschicht 30 etwa 200-1000 Angström dick ist.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemäß den Fig. 2(a)-(f) die Wachstumstemperatur der Bufferschicht 30 etwa 400°C beträgt, kann sie auch innerhalb eines Bereiches von 300°C-550°C gesteuert sein. Insbesondere ergibt eine Wachstumstemperatur von 350°C-450°C höchst zufriedenstellende Ergebnisse.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemäß den Fig. 2(a)-(f) die GaAs-Niedrigtemperatur-Bufferschicht verwendet wird, kann auch eine AlGaAs-Niedrigtemperatur Bufferschicht verwendet sein, wobei sich dieselben Wirkungen wie vorstehend beschrieben ergeben.

Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht eine zweite Halbleiterlaservorrichtung zur Verdeutlichung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 4(a)-4(f) zeigen schematische Schnittansichten von Schritten bei einem Verfahren zur Herstellung der Halbleiterlaservorrichtung gemäß Fig. 3. Bei diesen Figuren bezeichnen dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 dieselben oder korrespondierende Teile. Die Bezugsziffer 300 bezeichnet eine Halbleiterlaservorrichtung und die Bezugsziffer 7 bezeichnet einen Photolack.

Im folgenden wird das Herstellungsverfahren beschrieben.

Der Schritt gemäß Fig. 4(a) ist identisch mit dem Schritt gemäß Fig. 2(a), so daß dessen weitere Beschreibung weggelassen werden kann. In Fig. 4(b) wird der SiN-Film 6 auf der ersten Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs unter Verwendung des Photolacks 7 auf dieselbe Art und Weise wie bei dem Verfahren gemäß den Fig. 2(a)-2(f) strukturiert. Bei dem Verfahren gemäß den Fig. 4(a)-4(f) wird jedoch der Photolack 7 bei diesem Schritt nicht entfernt. Daran anschließend wird unter Verwendung des SiN-Filmes 6 und des Photolackes 7 als eine Maske die erste Deckschicht 5 vom p-Typ GaAs und die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs auf dieselbe Art und Weise wie bei dem Verfahren gemäß den Fig. 2(a)-2(f) weggeätzt, so daß ein Steg gemäß Fig. 4(c) stehenbleibt. Daran anschließend werden gemäß Fig. 4(d) die überhängenden Abschnitte 6a des SiN-Filmes 6 durch Plasmaätzen mit CF4-Gas entfernt, wobei der Photolack 7 als eine Maske verwendet wird. Daran anschließend wird gemäß Fig. 4(e) der Photolack 7 entfernt, und es werden eine n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 mit einer Dicke von etwa 1,0 µm und eine zweite Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs mit einer Dicke von etwa 0,5 µm auf den entgegengesetzten Seiten des Steges durch MOCVD aufgewachsen, während die Temperatur des Substrates bei 750°C gehalten wird. Daran anschließend wird der SiN-Film 6 durch Plasmaätzen unter Verwendung einer Gasmischung entfernt, welche CF&sub4; und O&sub2; enthält. Daran anschließend wird eine p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 mit einer Dicke von etwa 2,5 µm auf den Deckschichten 5 und 50 durch MOCVD aufgewachsen. Daran anschließend werden eine n-Seitenelektrode 11 und eine p-Seitenelektrode 10 auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats 1 und der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 jeweils gebildet, wodurch sich schließlich die in Fig. 4(f) dargestellte Halbleiterlaservorrichtung ergibt.

Die somit hergestellte Halbleiterlaservorrichtung weist dieselbe Struktur auf wie die eingangs beschriebene Laservorrichtung gemäß Fig. 9. Jedoch werden bei dem Verfahren gemäß den Fig. 4(a)-4(f) keine größeren Hohlräume wie die in Fig. 9 gezeigten in der n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und der zweiten Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs gebildet.

Entsprechend dem Verfahren gemäß den Fig. 4(a)-4(f) werden die bei dem Schritt der Strukturierung des Steges gebildeten überhängenden Abschnitte 6a des SiN-Filmes 6 durch Plasmaätzen entfernt, und anschließend werden die n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und die zweite Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs epitaktisch auf gegenüberliegenden Seiten des Steges aufgewachsen. Dabei wird die Versorgung mit Quellengasen während des Kristallwachstums ebenmäßig und gleichförmig durchgeführt, so daß die Stromblockierschicht 8 und die zweite Deckschicht 50 auf den beiden Seiten des Steges aufgewachsen werden, ohne daß konkave Abschnitte erzeugt werden. Desweiteren wird die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 ebenmäßig auf diesen Schichten aufgewachsen, und die p-Seitenelektrode 10 verbindet die Oberfläche der p-Typ GaAs-Kontaktschicht ebenmäßig und zuverlässig. Als Ergebnis hiervon wird eine Halbleiterlaservorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt, die gute Leistungseigenschaften und hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Fig. 5 zeigt in einer Schnittansicht eine Struktur bei dem Fall, bei dem das Ätzen der überhängenden Abschnitte übermäßig so lange fortschreitet, bis die Oberfläche der ersten Deckschicht 5 an den beiden Enden des Steges freiliegt, wobei die n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und die p-Typ GaAs-Deckschicht 50 auf beiden Seiten des Steges aufgewachsen werden. In diesem Fall werden unvorteilhafterweise Erhöhungen auf der Deckschicht 50 gebildet, die eine Unebenheit der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 verursachen. Um dieses Problem nach dem Ätzen der überhängenden Abschnitte 6a zu vermeiden, werden die Seitenwände des Steges ein wenig naßgeätzt unter Verwendung eines Ätzmittels aus Weinsäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure, um die Breite des Steges um etwa 0,1 µm zu verringern. In diesem Fall wird die Oberfläche der p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 weiter eingeebnet, so daß sich eine Halbleiterlaservorrichtung mit einer höheren Zuverlässigkeit ergibt.

Fig. 7 zeigt schematisch eine vorteilhafte MOCVD-Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Vorrichtung umfaßt eine MOCVD-Kammer 53 für das Kristallwachstum, eine Elektroncyclotronresonanz-Plasmakammer (im folgenden als ECR-Plasmakammer bezeichnet) für das Dampfphasenätzen und Wafer-Lagerkammern 41 und 54. Diese Kammern sind durch ein Wafer-Transportmittel 45 verbunden, welches automatisch einen Wafer von einer Kammer zur anderen Kammer befördert.

Im folgenden wird die Betriebsweise dieser Vorrichtung beschrieben.

In einer Wafer-Lagerkammer 41, welche mit Stickstoff gefüllt ist, sind eine Vielzahl von Wafern gespeichert. Zunächst wird die Wafer-Lagerkammer 41 durch Abpumpen des Stickstoffs in der Kammer 41 vermittels einer Turbomolekularpumpe 42 (im folgenden als TMP bezeichnet) evakuiert. Daran anschließend wird Wasserstoff in die Kammer 41 durch die TMP 42 eingeführt und ein Gatterventil 43 geöffnet. Dabei ist das Innere des Waferfördermittels 45 und das Innere eines Ladesystems 55 ("load lock system") mit Wasserstoff gefüllt. Daran anschließend erhebt sich ein vertikal bewegbarer Wafertransporter 44 und nimmt einen Wafer aus der Wafer-Lagerkammer 41 heraus. Der Wafer wird automatisch in die ECR-Plasmakammer 48 durch das Wafertransportmittel 45 gebracht. Die ECR-Plasmakammer 48 ist mit einem Ätzgaseinlaß 46, einem Mikrowelleneinlaß 47, Magnetspulen 49 und einer vertikal bewegbaren Bühne 50a ausgestattet. In der ECR- Plasmakammer 48 wird Trockenätzen an dem Wafer durchgeführt. Daran anschließend wird der Wafer aus der ECR-Plasmakammer 48 herausgenommen und durch das Wafertransportmittel 45 an die MOCVD-Kammer 53 gebracht. Die MOCVD-Kammer 53 ist mit einem Quellengaseinlaß 52 und einer vertikal bewegbaren Bühne 50b ausgestattet. Ein Quellengas, welches eine organo-metallische Zusammensetzung aufweist, wird in die Kammer 53 durch den Einlaß 52 eingeführt. In der MOCVD-Kammer 53 wird ein Kristallwachstum auf den Wafer ausgeführt. Daran anschließend wird der Wafer aus der MOCVD-Kammer 52 herausgenommen und über das Wafertransportmittel 45 an eine Wafer-Lagerkammer 54 gebracht. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Wafern, die in der Wafer-Lagerkammer 41 gespeichert sind, nacheinander durch das Wafertransportmittel 45 befördert, einem Trockenätzen und dem Kristallwachstum unterzogen und schließlich in der Wafer-Lagerkammer 54 gelagert.

Es folgt die Beschreibung der Verarbeitungsschritte zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 7. Nach dem Schritt des Bildens des Steges bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemäß den Fig. 4(a)-4(f) wird der Wafer, d. h. das n-Typ GaAs- Substrat 1 in der Wafer-Lagerkammer 41 gelagert. Daran anschließend wird in der ECR-Plasmakammer 48 ein Plasmaätzen unter Verwendung eines Wasserstoffplasmas an der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs durchgeführt, welche auf der Oberfläche freiliegt, und daran anschließend wird der Wafer an die MOCVD-Kammer 53 durch das Wafertransportmittel 45 in Wasserstoffatmosphäre gebracht. In der MOCVD-Kammer 53 werden die n-Typ GaAs-Stromblockierschicht 8 und die zweite Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs aufgewachsen, und anschließend werden die p-Typ GaAs-Kontaktschicht 9 und die p-Seiten- und n-Seitenelektroden 10 und 11 gebildet.

Fig. 8 zeigt ein Profil einer Sauerstoffdichte durch SIMS in der zweiten Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs und der n- Typ GaAs-Stromblockierschicht 8. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, ist der Sauerstoff nicht bei der Grenzfläche zwischen diesen Schichten lokalisiert, wodurch ein Leckstrom bei diesem Bereich verringert wird.

Da desweiteren die Kristalleigenschaften der n-Typ GaAs- Stromblockierschicht 8 und der zweiten Deckschicht 50 vom p-Typ GaAs verbessert sind, sind die Vorrichtungseigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung im Vergleich zur Vorrichtung, welche gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren gemäß den Fig. 4(a)-4(f) hergestellt ist, erheblich verbessert.

Obwohl bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren die ECR- Plasmakammer 48 und die MOCVD-Kammer 53 verwendet sind, können zwei MOCVD-Kammern verwendet sein, wobei eine von ihnen als eine Kammer für die Dampfphasenätzung verwendet wird, in der ein Dampfphasenätzen unter Verwendung von HCl, Cl&sub2; oder H&sub2;S-Gas an die zweite Leiterschicht 4 vom p-Typ AlGaAs durchgeführt wird. Alternativ kann anstelle der ECR- Plasmakammer 48 eine RIE-(Reaktives Ionenätzen)-Kammer verwendet sein, in der ein Ionenstrahlätzen an die zweite Mantelschicht 4 vom p-Typ AlGaAs angewendet wird. Auch bei diesen Fällen können dieselben Wirkungen wie bei dem vorhergehenden Verfahren erzielt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Steg durch Entfernen vorbestimmter Abschnitte der Halbleiterepitaxieschichten, einschließlich einer AlGaAs-Schicht durch Naßätzen gebildet, und Trockenätzen wird angewendet auf die Oberfläche der AlGaAs-Schicht, welche an entgegengesetzten Seiten des Steges freiliegt, in einer ersten Reaktionskammer. Daran anschließend wird der Wafer in eine zweite Reaktionskammer gebracht, und eine GaAs-Schicht wird epitaktisch auf die AlGaAs-Schicht aufgewachsen, ohne daß die Oberfläche der AlGaAs-Schicht der Atmosphäre ausgesetzt wird. Demzufolge wird die AlGaAs-Schicht nicht durch die Reaktionsprodukte in dem Ätzprozeß beeinflußt, so daß die GaAs-Schicht mit verbesserten Kristalleigenschaften auf der sauberen Oberfläche der AlGaAs-Schicht aufgewachsen wird. Als Ergebnis hiervon kann eine Halbleitervorrichtung mit guten Eigenschaften und hoher Zuverlässigkeit erzielt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, das die folgenden Schritte aufweist:

    epitaktisches Aufwachsen von ersten Halbleiterschichten (2-5) einschließlich einer AlGaAs-Schicht (4) auf ein Halbleitersubstrat (1);

    Entfernen von vorbestimmten Abschnitten der ersten Halbleiterschichten (2-5) durch Naßätzen, um einen Steg mit einer umgekehrten Mesaform stehenzulassen;

    Durchführen eines Trockenätzens an der AlGaAs-Schicht (4), welche an bei entgegengesetzten Seiten des Steges freiliegt, in einer ersten Reaktionskammer (48);

    Überbringen des Wafers an eine zweite Reaktionskammer (53), ohne die Oberfläche der AlGaAs-Schicht (4) der Atmosphäre auszusetzen;

    epitaktisches Aufwachsen einer zweiten Halbleiterschicht (8, 50), die GaAs aufweist, auf die AlGaAs- Schicht (4) in der zweiten Reaktionskammer (53); und

    epitaktisches Aufwachsen einer dritten Halbleiterschicht (9) auf den Steg und die zweite Halbleiterschicht (8, 50).
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mittels einer Vorrichtung durchgeführt wird, welche aufweist:

    eine MOCVD-Kammer (53), in welcher ein Reaktionsgas, das eine Organometallzusammensetzung aufweist, pyrolisiert ist und eine Verbund-Halbleiterein-Kristallschicht mit einer vorbestimmten Zusammensetzung auf einem Halbleitersubstrat aufgewachsen wird;

    eine Ätzkammer (48) zum Trockenätzen; und

    ein Wafertransportmittel zum automatischen Befördern des Halbleitersubstrates unter Wasserstoffatmosphäre oder Vakuum, welches zwischen der MOCVD-Kammer (53) und der Ätzkammer (48) angeordnet ist.






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