DE10009876A1 - Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films - Google Patents

Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films geschaffen, das die Schritte umfaßt: Bilden eines amorphen Films (2) auf einem einkristallinen Substrat (1), Bilden einer Öffnung (3) im amorphen Film (2) und dadurch Freilegen eines Teils einer Oberfläche des Substrats (1) und Lenken von Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemischen Strahlen (6-4, 6-5) auf die Oberfläche des Substrats (1) unter ihren Einfallswinkel (THETA) von nicht mehr als 40 Grad bezüglich der Substratoberfläche unter einer reduzierten Atmosphäre und dadurch selektives und epitaktisches Aufwachsen eines einkristallinen Films (8, 9) auf der freigelegten Oberfläche des Substrats (1) und danach in einer zur Oberfläche des Substrats (1) parallelen seitlichen Richtung auf dem amorphen Film (2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films, und insbesondere auf ein Verfah­ ren, das zur Herstellung elektronischer Bauelemente, opti­ scher Bauelemente, integrierter Bauelemente und optoelektro­ nischer integrierter Bauelemente geeignet ist.
Eine Technik zum Erzeugen eines einkristallinen Films auf einem einkristallinen Substrat wird sehr oft für integrierte Schaltungen, elektronische Bauelemente und optische Bauele­ mente verwendet. Der einkristalline Film wird unter Verwen­ dung von Atom- und Molkularstrahlen über epitaktisches Wachs­ tum auf dem einkristallinen Substrat gebildet.
Wegen des Unterschieds in der Gitterkonstante zwischen dem einkristallinen Substrat und dem einkristallinen Film und in dem Substrat selbst enthaltener Versetzungen enthält der auf dem Substrat epitaktisch aufgewachsene Film oft viele Versetzungen. Es wird bevorzugt, Versetzungen zu eliminieren, weil sie bewirken, daß die Lebensdauer der Bauelemente herab­ gesetzt wird und die Eigenschaften der Bauelemente schwanken.
Der Erfinder hat in der japanischen Patentveröffentli­ chung Kokai Hei 1-161822 und Kokoku Hei 6-105797 eine soge­ nannte Mikrokanal-Epitaxietechnik offenbart.
Gemäß der Technik wird auf dem einkristallinen Substrat ein amorpher Isolierfilm gebildet, und in dem Film wird eine streifenförmige Öffnung gebildet, um darin einen einkristal­ linen Film epitaktisch zu züchten bzw. aufzuwachsen. Nachdem die Öffnung durch den kristallinen Film vergraben wurde, dient dann der kristalline Film in der Öffnung als Keim für einen einkristallinen Film, der in einer seitlichen Richtung parallel zu einer Oberfläche des Substrats epitaktisch wächst, um den epitaktisch gewachsenen einkristallinen Film auf dem amorphen Film zu bilden.
Die meisten Versetzungen im Substrat breiten sich im ge­ wachsenen einkristallinen Film in der parallelen Richtung nicht aus, so daß der auf dem amorphen Film gebildete gewach­ sene einkristalline Film viel weniger Versetzungen aufweisen kann.
Da in der obigen Technik ein Epitaxieverfahren mit flüs­ siger Phase verwendet wurde, ist es jedoch schwierig, einen gleichmäßigen Film auf einem großen Substrat zu bilden. Die Technik ist somit für die Verwendung am eigentlichen Ort ei­ ner Halbleiterherstellung und zum Realisieren der oben er­ wähnten Bauelemente nicht zufriedenstellend. Folglich ist ei­ ne Technik erwünscht, um eine Mikrokanal-Epitaxie durch eine Gasphasenepitaxie wie z. B. die Molekularstrahlepitaxie (MBE), eine metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder eine Ha­ logenidquellenepitaxie zu ermöglichen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films auf einem einkristallinen Substrats durch die Mikrokanal- Epitaxietechnik über die Gasphasenepitaxie zu schaffen. Diese Erfindung schafft ein Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films, mit den Schritten:
Bilden eines amorphen Films auf einem einkristallinen Substrat,
Bilden einer Öffnung in dem amorphen Film und dadurch Freilegen eines Teils einer Oberfläche des Substrats, und
Lenken von Atomstrahlen oder Molkularstrahlen auf die Oberfläche des Substrats unter ihrem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad unter einer reduzierten Atmosphäre und da­ durch selektives und epitaktisches Aufwachsen eines einkri­ stallinen Films auf der freigelegten Oberfläche des Sub­ strats.
Der Erfinder führte intensive Untersuchungen durch, um die Mikrokanal-Epitaxie mit dem Gasphasen-Epitaxieverfahren zu verwirklichen. Als Ergebnis stellte er fest, daß durch Einstellen von Einfallswinkeln von Atomstrahlen oder Moleku­ larstrahlen auf eine Oberfläche eines einkristallinen Sub­ strats innerhalb eines gegebenen Winkelbereichs unter einer reduzierten Atmosphäre Atome, die einen einkristallinen Film bilden, nur auf einer in einem amorphen Film geschaffenen Öffnung aufgebracht und epitaktisch aufgewachsen, nicht aber auf dem amorphen Film aufgebracht werden. Auf der Basis die­ ses Befundes gelang es ihm durch Fortsetzen des Epitaxie­ wachstums von der in der Öffnung ausgebildeten einkristal­ linen Schicht, durch das Mikrokanal-Epitaxieverfahren den einkristallinen Film seitlich mit viel weniger Versetzungen auf dem amorphen Film aufzuwachsen.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Probe zum Erläutern des Verfahrens zum Bilden eines einkristallinen Films gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Erfindung wird ein amorpher Film 2 aus Sili­ ciumoxid etc. auf einem einkristallinen Substrat 1 gebildet. In dem Film 2 wird dann durch Ätzen etc. eine Öffnung 3 mit einer Breite "W" ausgebildet, um einen Teil des Substrats 1 freizulegen. Die Öffnung 3 weist auf dem Substrat 1 eine li­ neare Form auf, die in einer zum in Fig. 1 gezeigten Quer­ schnitt senkrechten Richtung langgestreckt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden dann z. B. Atom- und/oder Molekularstrahlen (im folgenden werden Molekular­ strahlen beschrieben) auf eine Oberfläche 1A des Substrats 1 unter ihrem Einfallswinkel θ innerhalb von 40 Grad unter ei­ ner reduzierten Atmosphäre gelenkt. Einfallende Molekular­ strahlen 6-1 oder 6-3 werden gerade da auf dem amorphen Film 2 in einer durch Pfeile dargestellten Richtung reflektiert, oder abgespaltene Atome werden wieder verdampft, ohne auf dem amorphen Film 2 abgelagert zu werden. Andererseits wird ein einfallender Molekularstrahl 6-2 auf der Öffnung 3 kaum re­ flektiert, und Atome, die den Strahl 6-2 bilden, werden auf das Substrat 1 aufgebracht und epitaktisch aufgewachsen. Folglich wird ein einkristalliner Film 4 nur in der Öffnung 3 selektiv gebildet.
Setzt man das selektive Epitaxiewachstum auf der Öffnung 3 fort, wird der einkristalline Film 4 dicker, und ein ein­ kristalliner Film 7, der dicker als der amorphe Film 2 ist, wird gebildet, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die einfallen­ den Strahlen 6-1 und 6-3 werden reflektiert, oder die abge­ spaltenen Atome werden erneut verdampft, ohne auf den amor­ phen Film 2 aufgebracht zu werden, wie in Fig. 1. Anderer­ seits werden die einfallenden Molekularstrahlen 6-2 und 6-5 durch eine obere Oberfläche 7A und eine Seitenfläche 7B des einkristallinen Films 7 kaum reflektiert, und die die Strah­ len bildenden Atome werden weiterhin auf den beiden Oberflä­ chen 7A und 7B des Films 7 epitaktisch aufgewachsen, wobei die letztere als Keim für ein epitaktisches seitliches Über­ wachstum dient.
Das Epitaxiewachstum geht folglich nicht nur in einer zur Oberfläche 1A des einkristallinen Substrats 1 senkrechten Richtung, sondern auch in einer dazu parallelen Richtung wei­ ter. Folglich werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist, ein in der vertikalen Richtung gewachsener einkristalliner Film 8 und ein auf dem amorphen Film 2 in der seitlichen Richtung ge­ wachsener seitlicher einkristalliner Film 9 gebildet.
Selbst wenn Versetzungen in den einkristallinen Filmen 4 und 7 wegen einer Gitterfehlanpassung zwischen dem einkri­ stallinen Substrat 1 und den einkristallinen Filmen 4, 7 er­ zeugt werden oder selbst wenn Versetzungen im Substrat 1 vor­ handen sind, breiten sie sich demgemäß in einer Richtung na­ hezu senkrecht zur Oberfläche 3 des Substrats 1 und nicht in einer zur Oberfläche parallelen Richtung fort. Der in Fig. 3 gezeigte einkristalline Film 8 kann somit Versetzungen auf­ weisen, aber der seitlich auf dem amorphen Film 2 gebildete einkristalline Film 9 weist keine Versetzungen auf. Folglich kann ein einkristalliner Film mit viel geringeren Versetzun­ gen durch die Mikrokanal-Epitaxietechnik über die Gasphasen­ epitaxie gebildet werden.
Wie oben erwähnt wurde, kann gemäß der vorliegenden Er­ findung ein einkristalliner Film mit viel weniger Versetzun­ gen durch die Mikrokanal-Epitaxietechnik über die Gasphasen­ epitaxie gebildet werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann somit wirklich am Ort einer Halbleiterherstellung ver­ wendet werden und ein Herstellungsverfahren eines einkristal­ linen Films liefern, das zum Realisieren integrierter Schal­ tungen geeignet ist.
Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Bilden eines einkristallinen Films werden im folgenden anhand einer sche­ matischen Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine allgemeine Ansicht zum Erläutern eines Ver­ fahrens zum Bilden eines einkristallinen Films gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine allgemeine Ansicht zum Erläutern des nächsten Wachstumsschritts nach dem in Fig. 1 gezeigten Wachstum, und
Fig. 3 eine allgemeine Ansicht zum Erläutern eines Schrittes nach dem in Fig. 2 gezeigten Wachstum.
Die Erfindung wird im folgenden ausführlich beschrieben.
Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfin­ dung verlangt, daß auf einem einkristallinen Substrat ein amorpher Film gebildet wird und in dem amorphen Film eine Öffnung ausgebildet wird, um einen Teil einer Oberfläche des Substrats freizulegen.
Die Öffnung ist in ihrer Form nicht sonderlich be­ schränkt, hat aber vorzugsweise eine lineare oder rechtwinke­ lige Form, insbesondere die lineare Form, deren Querschnitt in Fig. 1 gezeigt ist. Als Folge kann wie in Fig. 3 gezeigt auf dem amorphen Film 2 vom einkristallinen Film 7 aus, der als Keim für den Film 9 dient, ein seitlicher einkristalliner Film 9 gleichmäßig gebildet werden.
Die Öffnung 3 hat wie in Fig. 1 gezeigt vorzugsweise eine Breite "W" von 0,001 µm bis 10 µm, insbesondere 0,005 µm bis 10 µm, und noch spezieller 0,005 µm bis 1 µm. Dadurch kann der Molekularstrahl 6-2 in die Öffnung 3 eingeführt werden, und der einkristalline Film 7, der als Keim für den einkri­ stallinen Film 9 dient, kann aufgewachsen werden.
Außerdem ist die Öffnung in ihrem Herstellungsverfahren nicht besonders beschränkt, sondern kann durch eine Mikrobe­ arbeitungstechnik wie z. B. Photolithographie, Elektronen­ strahllithographie und Röntgenstrahllithographie gebildet werden.
Das für die vorliegende Erfindung verwendbare einkristal­ line Substrat ist nicht besonders beschränkt. Jede Art eines einkristallinen Substrats kann je nach Art des selektiv und epitaktisch auszuwachsenden einkristallinen Films verwendet werden. Beispielsweise können gemäß der vorliegenden Erfin­ dung ein einkristallines Substrat aus Silicium (Si), ein ein­ kristallines Substrat aus Galliumarsenid (GaAs), ein einkri­ stallines Substrat aus Zinkselenid (ZnSe), ein einkristalli­ nes Substrat aus Saphir etc. als das einkristalline Substrat verwendet werden.
Ein den amorphen Film bildender Stoff ist nicht be­ schränkt. Je nach Verwendung eines den einkristallinen Film, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, und das einkristalline Substrat enthaltenden Aufbaus kann jede er­ denkliche Art von Stoff verwendet werden.
Durch Zusammensetzen des amorphen Films aus einem Iso­ lierstoff wie z. B. Siliciumoxid und Siliciumnitrid kann bei­ spielsweise ein sogenannter Aufbau mit SOI-Struktur (Halb­ leiter auf Isolator) gebildet werden. Der Aufbau kann folg­ lich für einen Feldeffekttransistor, einen Hetero-Bipolar­ transistor und eine integrierte Schaltung verwendet werden.
Durch Verwenden eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt wie z. B. Tantal statt des amorphen Isolierfilms kann andererseits ein Aufbau mit einer in einem Halbleitermaterial eingebette­ ten Metallstruktur gebildet werden. Solch ein Aufbau kann für elektronische Bauelemente mit sehr hohen Frequenzen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung erfordert, daß Atomstrahlen oder Molekularstrahlen auf eine Oberfläche des einkristalli­ nen Substrats mit einer Maske unter ihrem Einfallswinkel in­ nerhalb von 40 Grad unter einer reduzierten Atmosphäre einge­ führt werden. Ferner beträgt der Einfallswinkel nicht mehr als 30 Grad, insbesondere nicht mehr als 25 Grad und noch spezieller nicht mehr 20 Grad. Dadurch kann auf dem freige­ legten Teil des Substrats ein gleichmäßiger einkristalliner Film selektiv und epitaktisch aufgewachsen werden.
Der untere Grenzwert des Einfallswinkels ist nicht beson­ ders beschränkt, wenn nur der einkristalline Film in der Öff­ nung epitaktisch aufgewachsen werden kann. Zum Beispiel hat jedoch in dem Fall, daß der amorphe Film 2 mit der linearen Öffnung 3 wie in Fig. 1 gezeigt auf dem einkristallinen Sub­ strat 1 gebildet wird, der amorphe Film 2 eine Dicke d von im allgemeinen 0,001 µm bis 2 µm, und die Öffnung 3 hat eine Breite W von im allgemeinen 0,001 µm bis 10 µm, wie oben er­ wähnt wurde. Zum Einführen des Molekularstrahls 6-2 beträgt somit der Einfallswinkel des Molekularstrahls 6-2 vorzugswei­ se nicht weniger als 5 Grad, insbesondere nicht weniger als 3 Grad.
Die Atomstrahlen oder die Molekularstrahlen werden je nach Herstellungsverfahren eines einkristallinen Films ausge­ wählt. Falls ein einkristalliner Film aus Silicium gebildet wird, wird z. B. ein Atomstrahl aus Silicium auf ein einkri­ stallines Substrat mit einer Maske gelenkt, um den einkri­ stallinen Film aus Silicium durch eine Anlage zur Ultrahoch­ vakuum-Molekularstrahlepitaxie zu bilden. Falls ein einkri­ stalliner Film aus GaAs gebildet wird, werden weiter ein Atomstrahl aus Ga und ein Molekularstrahl aus As2 oder As4 auf ein einkristallines Substrat mit einer Maske gelenkt, um den einkristallinen Film aus GaAs zu bilden.
Was die Stufe des verwendeten Vakuums anbetrifft gibt es keine spezielle Anforderung, und sie wird je nach dem Verfah­ ren zum Bilden eines einkristallinen Films wie oben erwähnt bestimmt. Falls die Anlage zur Ultrahochvakuum-Molekular­ strahlepitaxie verwendet wird, wird z. B. der Innenraum der Anlage vorzugsweise auf einen Druck von etwa 10-7 Torr bis 10-11 Torr evakuiert. Falls eine Anlage zur chemischen Mole­ kularstrahlepitaxie verwendet wird, wird der Innenraum der Anlage überdies vorzugsweise auf einen Druck von etwa 10-3 Torr bis 10-9 Torr evakuiert.
Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann zum Bilden jeder Art von einkristallinem Film verwendet wer­ den. Beispielsweise wird das Herstellungsverfahren vorzugs­ weise zum Bilden von Gruppe-IV-Halbleitern und III-V-Halb­ leiterverbindungen und Halbleiterlegierungen wie z. B. eines einkristallinen Films aus Silicium, eines einkristallinen Films aus GaAs, eines einkristallinen Films aus GaN, Ga1-XAlXAs, II-VI-Halbleiterverbindungen und Halbleiterlegie­ rungen wie z. B. eines einkristallinen ZnSe-Films, eines ein­ kristallinen ZnS-Films, eines einkristallinen CdTe-Films und ZnS1-XSeX und eines einkristallinen Oxidfilms wie z. B. YBCO (Y-Ba-Co-Oxid) verwendet.
Der einkristalline Film aus einer III-V-Halbleiterver­ bindung wird beispielsweise durch das MBE-Verfahren oder ein reduziertes Gasphasen-Epitaxieverfahren gebildet. In diesem Fall werden Atomstrahlen der Gruppe III wie z. B. Ga, Al, In, etc. oder Molekularstrahlen, die Gruppe-III-Elemente enthal­ ten, wie z. B. metallorganische Molekularstrahlen, die Gruppe- III-Elemente wie z. B. Ga(CH3)3(TMG), Al(C2H5)3(TEAl), In(CH3)3(TMIn) und Halogenid-Molekularstrahlen verwendet, die Gruppe-III-Elemente wie z. B. GaCl3, AlCl3, InCl3 enthalten. Außerdem werden Molekularstrahlen der Gruppe V wie z. B. aus As2, P2, Sb4 etc. oder Molekularstrahlen, die Gruppe-V- Elemente enthalten, wie z. B. metallorganische Molekular­ strahlen aus beispielsweise As(CH3)3(TMAs), As(C2H5)3(TEAs), P(CH3)3(TMP) etc., Molekular-Hydridstrahlen, die Gruppe-V- Elemente enthalten, wie z. B. aus AsH3, PH3, NH3 etc. und Ha­ logenid-Molekularstrahlen verwendet, die Gruppe-V-Elemente enthalten, wie z. B. aus AsCl3, PCl3, SBCl3 etc. Die Atom­ strahlen der Gruppe III oder die Molekularstrahlen, die Ele­ mente der Gruppe III enthalten, und die Molekularstrahlen der Gruppe V oder die Molekularstrahlen, die Gruppe-V-Elemente enthalten, werden auf ein auf eine gegebene Temperatur ge­ heiztes einkristallines Substrat gelenkt. Danach reagieren z. B. die Gruppe-III-Elemente und die Gruppe-V-Elemente, die die Molekularstrahlen bilden, miteinander, um die III-V- Halbleiterverbindung zu bilden.
In diesem Fall werden die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe III und Elemente der Gruppe V enthalten, unter ih­ rem Einfallswinkel innerhalb von jeweils 40 Grad auf eine Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt, und ein einkristalliner Film aus der III-V-Halbleiterverbindung kann in den Öffnungen des amorphen Films durch das selektive Epi­ taxiewachstum erzeugt werden.
Falls der einkristalline Film der III-V-Halbleiterver­ bindung gebildet wird, können jedoch nur die Molekularstrah­ len der Gruppe V oder die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe V enthalten, unter ihrem Einfallswinkel innerhalb von 40 Grad, vorzugsweise innerhalb von 30 Grad, eher innerhalb von 25 Grad und am meisten bevorzugt innerhalb von 20 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt wer­ den. Selbst wenn Atomstrahlen der Gruppe III oder Molekular­ strahlen, die Elemente der Gruppe III enthalten, unter ihren Einfallswinkeln auf die Oberfläche gelenkt werden, kann da­ durch der aus der III-V-Halbleiterverbindung geschaffene ein­ kristalline Film in der Öffnung ausgebildet werden. Der Grund ist, daß die in den Molekularstrahlen enthaltenen Elemente der Gruppe V einen Keimbildungsprozeß im Wachstum der III-V- Halbleiterverbindung bestimmen.
Der aus einer II-VI-Halbleiterverbindung geschaffene ein­ kristalline Film wird durch das MBE-Verfahren oder das redu­ zierte Gasphasen-Epitaxieverfahren wie oben erwähnt gebildet. In diesem Fall verwendet man Atomstrahlen der Gruppe II wie z. B. Zn, Cd, Hg etc. oder Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthalten, wie z. B. metallorganische Molekular­ strahlen aus z. B. Zn(CH3)2, Zn(C2H5)2, Cd(CH3) etc. und Halo­ genid-Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthal­ ten, wie z. B. ZnCl2, CdCl2, HgCl2 etc. Außerdem werden Atom­ strahlen der Gruppe VI wie z. B. aus S, Se, Te etc. oder Mole­ kularstrahlen, die Elemente der Gruppe VI enthalten, wie z. B. metallorganische Molekularstrahlen z. B. aus Te(CH3)2, Te(C2H5)2, Se(CH3)2 etc. verwendet. Die Atomstrahlen der Gruppe II oder die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthalten, und die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthalten oder Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe VI enthalten, werden auf ein auf eine gegebene Tempe­ ratur geheiztes einkristallines Substrat gelenkt. Danach rea­ gieren die Elemente der Gruppe II und die Elemente der Gruppe VI, die in den Molekularstrahlen enthalten sind, miteinander, um den Film aus den II-VI-Halbleiterverbindungen zu bilden.
In diesem Fall werden die Elemente der Gruppe II und Ele­ mente der Gruppe VI enthaltenden Molekularstrahlen unter ih­ rem Einfallswinkel innerhalb von jeweils 40 Grad auf eine Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt, und ein einkristalliner Film aus dar II-VI-Halbleiterverbindung wird durch das selektive Epitaxiewachstum in den Öffnungen des amorphen Films und dann seitlich über ihn gebildet.
Falls der einkristalline Film aus der II-VI-Halbleiter­ verbindung geschaffen wird, kann jedoch nur einer der Atom­ strahlen der Gruppe II oder der Elemente der Gruppe II ent­ haltenden Molekularstrahlen und/oder der Atomstrahlen der Gruppe VI oder der Elemente der Gruppe VI enthaltenden Mole­ kularstrahlen unter ihrem Einfallswinkel innerhalb von 40 Grad, vorzugsweise innerhalb von 30 Grad, eher innerhalb von 25 Grad und am meisten bevorzugt innerhalb von 20 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt werden. Dadurch können die Elemente der Gruppe VI enthaltenden Strah­ len und die Elemente der Gruppe II enthaltenden Strahlen un­ ter ihren Einfallswinkeln bzw. nämlich ein Elemente der Grup­ pe II enthaltender Strahl und ein Elemente der Gruppe VI ent­ haltender Strahl mit geringem Einfallswinkel auf die Oberflä­ che gelenkt werden, so daß in der Öffnung der einkristalline Film aus der Verbindung von Halbleitern der Gruppen II und VI gebildet wird. Der Grund ist, daß die Elemente der Gruppe II oder die Elemente der Gruppe VI, die in den Strahlen enthal­ ten sind, die Keimbildungsrate des Films der II-VI- Halbleiterverbindung bestimmen.
Falls der einkristalline Film aus der oben erwähnten III- V-Halbleiterverbindung oder der II-VI-Halbleiterverbindung gebildet wird, kann durch Fortsetzung des Epitaxiewachstums in der Öffnung 3 der Epitaxiefilm 9 in Fig. 3 in einer seit­ lichen Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats gebil­ det werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann folglich der seitliche einkristalline Film 9 aus der III-V-Halbleiterverbindung oder dergleichen auf dem amorphen Film 2 geschaffen werden.
Der auf dem amorphen Film gemäß der vorliegenden Erfin­ dung geschaffene seitliche einkristalline Film weist eine Versetzungsdichte von nicht mehr als 104/cm2, insbesondere nicht mehr als 102/cm2 auf. Selbst wenn eine Differenz in der Gitterkonstante zwischen dem einkristallinen Substrat und dem einkristallinen Film relativ groß ist und in dem Bereich von 0,1% bis 30% liegt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung der einkristalline Film mit einer geringen Versetzungsdichte erhalten werden.
Beispiele Beispiel 1
Ein Siliciumoxidfilm wurde in einer Dicke von 200 nm auf einem einkristallinen Substrat aus Silicium mit einen Durch­ messer von 50 mm und einer Dicke von 0,5 mm durch ein Plasma- CVD-Verfahren gebildet. Durch Photolithographie wurde dann eine lineare Öffnung mit einer Breite von 1 µm wie in Fig. 1 gezeigt geschaffen, um einen Teil einer Oberfläche des Sub­ strats freizulegen.
Nachdem durch Erhitzen Oxidfilme in der freigelegten Oberfläche des Substrats entfernt wurden, wurden Molekular­ strahlen aus SiH4 unter Verwendung einer Molekularstrahl- Epitaxieanlage mit Gasquelle auf die Oberfläche des Substrats unter ihrem Einfallswinkel von 20 Grad gelenkt, wobei das Substrat bei einer Temperatur von 950°C gehalten wurde. Die abgespaltenen Si-Atome wurden dann in den Öffnungen selektiv und epitaktisch aufgewachsen, um darin einen einkristallinen Film zu bilden.
Wurde das Epitaxiewachstum durch sukzessive Einführung der Molekularstrahlen fortgesetzt, trat danach das Epitaxie­ wachstum in einer zur Oberfläche des Substrates parallelen Richtung auf, so daß ein einkristalliner Film auf dem Sili­ ciumoxidfilm zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkri­ stalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm war. Der auf dem Siliciumoxidfilm geschaffene einkristalline Film wies ei­ ne Dicke von 0,2 µm auf.
Wurde der einkristalline Film durch ein Beugungsverfahren mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem Einkristall aus Silicium bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten au­ ßerdem keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
Beispiel 2
Außer daß Siliciumatomstrahlen auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats aus Silicium mit einer Maske unter ihrem Einfallswinkel von 10 Grad mittels einer Anlage zur Ul­ trahochvakuum-Molekularstrahlepitaxie gelenkt wurden, wurde das Wachstum wie in Beispiel 1 beschrieben ausgeführt.
Ein auf dem Siliciumoxidfilm gebildeter einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,2 µm. Wurde der Film durch Beu­ gung mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakteri­ siert, stellte sich außerdem heraus, daß der Film aus einem Siliciumeinkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und es wurde festgestellt, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
Beispiel 3
Außer daß statt des Siliciumoxidfilms ein Ta-Film mit ei­ ner Dicke von 20 nm gebildet wurde, wurde das Wachstum wie in Beispiel 1 beschrieben ausgeführt.
Ein auf dem Ta-Film geschaffener einkristalliner Film hatte eine Dicke von 0,2 µm. Der Film wurde durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen untersucht. Es stellte sich heraus, daß der Film aus einem Siliciumeinkristall be­ stand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten keine Ätzver­ tiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Trans­ missionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
Beispiel 4
Außer daß ein Ta-Film mit einer Dicke von 20 nm statt des Siliciumoxidfilms geschaffen wurde, wurde das Wachstum wie in Beispiel 2 beschrieben ausgeführt.
Ein auf dem Ta-Film geschaffener einkristalliner Film hatte eine Dicke von 0,2 µm. Der Film wurde durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen untersucht. Es stellte sich heraus, daß der Film aus einem Siliciumeinkristall be­ stand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten im Film keine Ätzvertiefungen auf. Der Film wurde dann durch ein Transmis­ sionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte nicht mehr als 102/cm2 be­ trug.
Beispiel 5
Auf einem einkristallinen GaAs-Substrat mit einem Durch­ messer von 50 mm und einer Dicke von 0,5 mm wurde in einer Dicke von 200 nm durch ein Plasma-CVD-Verfahren ein Silicium­ oxidfilm geschaffen. In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben wurde dann eine lineare Öffnung mit einer Breite von 1 µm gebildet.
Das Substrat wurde danach in eine MBE-Anlage gelegt, und As4-Molekularstrahlen und Ga-Atomstrahlen wurden unter Ein­ fallwinkeln von 20 Grad bzw. 40 Grad bezüglich der Oberfläche des Substrats, das bei einer Temperatur von 610°C gehalten wurde, in die Öffnung gelenkt. Die die Molekularstrahlen bil­ denden Atome wurden in den Öffnungen selektiv und epitaktisch aufgewachsen, so daß ein einkristalliner Film aus GaAs gebil­ det wurde.
Das Epitaxiewachstum wurde danach durch sukzessive Ein­ führung der Atom- und Molekularstrahlen fortgesetzt, und man stellte fest, daß das Epitaxiewachstum in einer zur Oberflä­ che des Substrats parallelen seitlichen Richtung auftrat, so daß auf dem Siliciumoxidfilm ein einkristalliner Film zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkristalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm wurde. Der auf dem Siliciumoxidfilm gebildete einkristalline Film wies eine Dicke von 0,5 µm auf.
Wurde der einkristalline Film durch Beugung mit hochener­ getischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte man fest, daß der Film aus einem GaAs-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektro­ nenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/ cm2 betrug.
Beispiel 6
Außer daß ein einkristallines Substrat aus Silicium mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 0,5 mm ver­ wendet wurde und natürliche Oxidfilme auf einer Oberfläche des Substrats durch Erhitzen des Substrats auf eine Tempera­ tur von 1000°C entfernt wurden, bevor in einer Öffnung ein einkristalliner Film geschaffen wurde, wurde das Wachstum wie in Beispiel 5 beschrieben ausgeführt.
Der auf dem Siliciumoxidfilm geschaffene einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,5 µm. Wurde der einkristalline Film durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem GaAs-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten außerdem keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charak­ terisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
Beispiel 7
Ein einkristallines Substrat aus ZnSe mit einer Fläche von 1 cm2 und einer Dicke von 0,5 mm wurde verwendet. Auf dem Substrat wurde durch ein Plasma-CVD-Verfahren ein Silicium­ oxidfilm in einer Dicke von 200 nm gebildet. In der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 wurde dann eine lineare Öff­ nung mit einer Breite von 1 µm geschaffen, um einen Teil der Oberfläche des Substrats freizulegen.
Das einkristalline Substrat wurde danach in eine MBE- Anlage gelegt, und ein Se-Atomstrahl und ein Zn-Atomstrahl wurden unter ihrem Einfallswinkel von 20 Grad bzw. 40 Grad bezüglich der Oberfläche des Substrats, das auf eine Tempera­ tur von 500°C erhitzt wurde, in die Öffnung gelenkt. Die die Molekularstrahlen bildenden Atome wurden dann in den Öffnun­ gen selektiv und epitaktisch aufgewachsen, so daß ein einkri­ stalliner Film aus ZnSe gebildet wurde.
Durch sukzessive Einführung der Atomstrahlen wurde danach das Epitaxiewachstum fortgesetzt. Das Epitaxiewachstum trat in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen seitlichen Richtung auf, so daß auf dem Siliciumoxidfilm ein einkristal­ liner Film zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkri­ stalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm wurde. Der auf dem Siliciumoxidfilm gebildete einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,2 µm.
Wurde der einkristalline Film durch ein Beugungsverfahren mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem ZnSe-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten außerdem kei­ ne Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/ cm2 betrug.
Beispiel 8
Man verwendete ein einkristallines Substrat aus SrTiO3 mit einer Fläche von 1 cm2 und einer Dicke von 0,5 mm, und auf dem Substrat wurde durch ein Plasma-CVD-Verfahren ein Si­ liciumoxidfilm in einer Dicke von 200 nm gebildet. In der gleichen Art und Weise wie im Beispiel 1 wurde dann eine li­ neare Öffnung mit einer Breite von 1 µm geschaffen, um einen Teil einer Oberfläche des Substrats freizulegen.
Das einkristalline Substrat wurde danach in eine MBE- Anlage gelegt. Atomstrahlen aus Y, Ba und Cu wurden dann un­ ter ihren Einfallswinkeln von 20 Grad in die Öffnung gelenkt, und Ozonmoleküle enthaltende Sauerstoff-Molekularstrahlen wurden unter ihrem Einfallswinkel von 30 Grad bezüglich der Oberfläche des Substrats, das auf 800°C geheizt wurde, in die Öffnung gelenkt. Die die Molekularstrahlen bildenden Atome wurden dann in den Öffnungen selektiv und epitaktisch ausge­ wachsen, so daß ein einkristalliner Film aus YBCO gebildet wurde.
Das Epitaxiewachstum wurde danach durch sukzessive Ein­ führung der Atomstrahlen und der Molekularstrahlen fortge­ setzt und trat in einer zur Oberfläche des Substrats paralle­ len seitlichen Richtung auf, so daß auf dem Siliciumoxidfilm ein einkristalliner Film zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkristalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm wur­ de. Der auf dem Siliciumoxidfilm geschaffene einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,2 µm.
Wurde der einkristalline Film durch ein Beugungsverfahren mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem YBCO-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten außerdem kei­ ne Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
Wie aus den obigen Beispielen ersichtlich ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung auf dem amorphen Film wie z. B. dem Siliciumoxidfilm oder dem Ta-Film der einkristalline Film mit viel weniger Versetzungen, z. B. einer Versetzungsdichte von nicht mehr als 102/cm2, gebildet werden.
Obgleich diese Erfindung mit Verweis auf die obigen Bei­ spiele ausführlich beschrieben wurde, ist sie nicht auf die obige Offenbarung beschränkt, und jede Art von Änderung und Abwandlung kann, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen, vorgenommen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein einkristalliner Film nur in einer gegebenen Öffnung selektiv gebildet werden. Unter Verwendung des Films als Keim kann somit eine Mikroka­ nal-Epitaxie durch Gasphasenepitaxie ausgeführt werden. Folg­ lich kann ein einkristalliner Film mit weniger Versetzungen geschaffen werden, der für den eigentlichen Ort einer Halb­ leiterfertigung und zum Realisieren integrierter Schaltungen, elektronischer Elemente, optischer Elemente und dergleichen verwendbar ist.

Claims (16)

1. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films (9), mit den Schritten:
Bilden eines amorphen Films (2) auf einem einkristallinen Substrat (1),
Bilden einer Öffnung (3) im amorphen Film (2) und dadurch Freilegen eines Teils einer Oberfläche (1A) des Substrats (1), und
Lenken von Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemi­ schen Strahlen (6-1, 6-2, 6-3, 6-5) auf die Oberfläche (1A) des Substrats (1) unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 40 Grad bezüglich der Substratoberfläche (1A) unter einer reduzierten Atmosphäre und dadurch selektives und epi­ taktisches Aufwachsen eines einkristallinen Films (4, 7, 8) auf der freigelegten Oberfläche des Substrats (1).
2. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin die Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder die chemischen Strahlen (6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5) unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad einge­ führt werden.
3. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe V in der Perioden­ tafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemi­ sche Strahlen, die Elemente der Gruppe V in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche (1A) des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe III in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Peri­ odentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln (θ) auf die Oberfläche (1A) des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Sub­ strats (1) ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer III-V- Halbleiterverbindung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
4. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 3, worin die aus Elementen der Gruppe V in der Peri­ odentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder die chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe V in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
5. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe III in der Peri­ odentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Peri­ odentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche (1A) des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe V in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrah­ len oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe V in der Periodentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln (A) auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats (1) gelenkt wer­ den und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer III-V-Halbleiter­ verbindung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
6. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 5, worin die aus Elementen der Gruppe III in der Pe­ riodentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
7. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe VI in der Peri­ odentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe VI in der Peri­ odentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe II in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrah­ len oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe II in der Periodentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt werden und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer II-VI-Halbleiterverbin­ dung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
8. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 7, worin die aus Elementen der Gruppe VI in der Pe­ riodentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe VI in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
9. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe II in der Peri­ odentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe II in der Peri­ odentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe VI in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrah­ len oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe VI in der Periodentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln (A) auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt wer­ den und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer II-VI-Halbleiter­ verbindung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
10. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 9, worin die aus Elementen der Gruppe II in der Pe­ riodentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder die chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
11. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Öffnung (3) eine li­ neare Form hät und eine Breite (W) von 0,001 µm bis 10 µm aufweist.
12. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der amorphe Film (2) aus einem Isolierstoff oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt ist.
13. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin der einkristalline Film (9) von dem einkristallinen Film (7, 8), der auf der freige­ legten Oberfläche (1A) des Substrats (1) selektiv und epitak­ tisch aufgewachsen wird, als Keim in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen seitlichen Richtung auf dem amorphen Film (2) epitaktisch aufgewachsen wird.
14. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 13, worin der auf dem amorphen (2) Film gebildete einkristalline Film (9) eine Versetzungsdichte von nicht mehr als 104/cm2 aufweist.
15. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 14, worin Gitterkonstanten des einkristallinen Substrats und des einkristallinen Films sich voneinander un­ terscheiden.
16. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 15, worin eine Differenz in der Gitterkonstante zwi­ schen dem einkristallinen Substrat (1) und dem einkristalli­ nen Film (9) 0,1% bis 30% beträgt.
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