DE2643893C3

DE2643893C3 - Verfahren zur Herstellung einer mit einer Struktur versehenen Schicht auf einem Substrat

Info

Publication number: DE2643893C3
Application number: DE2643893A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. 8023 Pullach Krimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1976-09-29
Publication date: 1981-01-08
Also published as: GB1583850A; JPS5342554A; US4133702A; NL7710607A; BE859202A; IT1143690B; FR2366693A1; DE2643893B2; DE2643893A1; FR2366693B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen, mit einer Struktur versehenen Schicht auf einem Substrat durch Ionen von > 10 keV.

In der Haiblutertechnologie werden Halbleiter benötigt, die ein? periodische Überstruktur besitzen, wobei die Periodenlänge größer oder ein Mehrfaches 2Ί der Gitterkonstante des Halbleiters beträgt. So ist z. B. der DE-OS 20 49 684 eine Laserdiode zu entnehmen, die zur Erniedrigung der Schwellenstromdichte mit einer periodischen Dotierungsstruktur versehen ist. Weitere Beispiele, bei denen Halbleiter mit einer Oberstruktur jo versehen werden, sind in d>. Lasertechnik die Abstimmung von Festkörperlasern sowie Lichtwellenleitern. Auch zur Herstellung von ideren Bauelementen werden Halbleiterschichten benötigt, bei denen in engen Abständen /. B. einkristalline und polykristalline i^r> Gebiete oder verschiedenartige einkristalline Gebiete aufeinanderfolgen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in »IEEE Transactions on Electron Devices«, 18 (1971), Seite 45, beschrieben. Bei diesem als selektive Epitaxie bekannten Verfahren werden beispielsweise in einer Halbleiterschicht eng benachbarte, schmale Bereiche mit einkristallinem Gefüge und dazwischenliegenden polykristallinen Bereichen durch Epitaxie herausgebildet. Dazu werden (siehe z. B. I. Rüge: Halbleitertechnologie, 1975. Seite 323) mittels eines fotolithografischen Verfahrens auf der Oberfläche eines einkristallinen Substrats einreine Bereiche aus polykristallinen! Material aufgebracht und sodann eine epitaxiale Abscheidung vorgenommen. Dabei scheidet sich Material auf den Stellen, an denen polykristallines --,o Material vorhanden ist, polykristallin ab und auf den einkristallinen Flächen des Substrats scheidet sich das Material einkristallin ab. Bei der selektiven Epitaxie hänpt der minimale Abstand, den zwei so erzeugte einkristalline Bereiche haben können, davon ab, wie π scharf und wie genau das Bild einer Fotomaske in den Fotolack übertragen werden kann, und ferner auch von dem Grad der I Interätzungen, die bei dem Ätzen an den Fotolaekflanken auftreten, Aus diesem Grund sind Strukturabmessungen Unterhalb von 0,5 jim mit diesem Verfahren nicht mehr erreichbar. Weilerhin ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, auf ein amorphes Substrat Streifen aus einkristallinem Material abzuscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur b^r> Herstellung einer strukturierten, einkristallinen Schicht auf einem Substrat anzugeben, bei dem Strukturabmes* sungen für die einkristallinen Bereiche unterhalb von 100 nm erreicht werden können und mit dem auch auf amorphen Substraten solche einkristallinen Bereiche aufgebracht werden können.

Diese Aufgabe wird bei einein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Ionenstrahl ein elektrostatisches Fadenbiprisma gebracht und das Substrat so angeordnet wird, daß auf ihm eine Teilchen-Interferenzfigur gebildet wird.

Die Erfindung beruht auf den folgenden Überlegungen: Aus der Zeitschrift »Vakuum-Technik«, Bd. 19 (1970), Seiten 187 bis 189, ist bekannt, daß bei der Herstellung von Chromschichten durch Aufdampfen ein orientiertes Wachstum der Chromschichten dann auftreten kann, wenn zugleich mit dem Aufdampfen die Unterlage, auf der das Chrom aufgedampft wird, mit Chrom-Ionen beschossen wird. Weiterhin ist bekannt, daß unter Eigenionenbeschuß aufgedampfte dünne Schichten eine starke Vernetzung mit dem Substrat zeigen und daß selbst bei amorphen Substraten eine bevorzugte Kristallitorientierung der aufgedampften Schichten vorhanden ist (»Physica Status Solidi« (a), Bd. 7 [1971], Seiten 141 bis 150). Das kristalline Wachstum solcher Schichten bei gleichzeitigem Ionenbeschuß kann dadurch erklärt werden, daß durch den Ionenbeschuß eine Orientierung der Keime hervorgerufen wird, an denen das Epitaxialwachstum sich dann fortsetzt und daß die Anlagerung an solche Keime selbst orientiert erfolgt. Die Orientierung der Keime kann jedoch wiederum dadurch hervorgerufen werden, daß die Keime selbst stark aufgeladen werde.1 und daß dadurch in der Oberfläche des Substrats ein starkes elektrisches Feld vorherrscht, durch das eine ein Einkristallwachstum begünstigende Vorzugsrichtung festgelegt wird. Aufgrund eines solchen elektrischen Feldes, das bei Polarisationsfeldern sehr hoch sein kann, erfolgt die Oberflächendiffusion bei dem Wachstumsprozeß zu den Keimen hin nicht isotrop, sondern ebenfalls mit einer Vorzugsrichtung, tin weiterer Effekt der beim Aufdampfen von Schichten unter gleichzeitigem Ionenbeschuß auftritt, ist, daß diese Schichten eine sehr große Haftfestigkeit mit dem Substrat aufweisen. Dieser letzte Um 'and wird bereits bei einem als »ion plating« bekannten Verfahren ausgenutzt (vgl. »Journ. of Vac. Sei. Techn.«, Bd. 10 [1973], Seiten 47 bis 52). Bei diesem Verfahren darf jedoch die kinetische Energie der aufgeschossenen Ionen eine bestimmte Größe nicht überschreiten, da die sonst von ihnen hervorgerufene Zerstäubung größer wird als die Anlagerung des aufgedampften Materials. Die Verwendung niederenergetischer Ionen führt jedoch zu kleinen Stromdichten, was zur Folge hat. daß eine ausreichend hohe Aufladung der Oberflächenkeime durch den aufgeschossenen lonenstrom nicht erreicht wird. Bekanntlich wird daher vorgesehen, daß die Energie der aufgeschossenen Ionen oberhalb von lOkeV liegt. Dabei wird die Stromdichte so bemessen, daß die Gesamtzanl der Teilchen, die aus dem lonenstrom und aus dem Strom der aufgedampften Teilehen kondensieren, kleiner ist als die durch die auftreffenden Ionen wieder zerstäubten Teilchen, Durch die Verwendung von Ionen mit einer kinetischen Energie oberhalb von lOkeV kann eine ausreichend hohe Aufladung der Oberflächenkeime erreicht werden, so daß ein orientiertes Anwachsen an diesen Keimen erfolgen kann. Außerdem wird der Umstand ausgenutzt, daß bewegte Teilchen ebenfalls Wellennatur haben und daß demzufolge auch bei Teilchenstrahlen Interferenzerscheinungen auftreten können. Die zugehörige

Wellenlänge für ein Teilchen mit der Masse m und der Energie Vergibt sich ausderdeBroglie-Gleichung

\^r2mE

So ergibt sich beispielsweise für ein Siliziumteilchen mit der Masse 28 und einer Energie von 10 keV eine Wellenlänge von etwa 2,5 ■ 10-'²cm. Von der Erfindung wird nun der Umstand ausgenutzt, daß ein Teilchenstrahlbündel von bewegten Ionen durch ein elektrostatisches Fadenbiprisma kohärent aufgeteilt werden kann und daß die so gewonnenen beiden kohärenten Teiichenstrahlbündel so überlagert werden können, daß Interferenzerscheinungen auftreten. Als Interferenzfigur kann man beispielsweise ein Feld von parallel verlaufenden, streifenartigen Maxima und Minima erhalten. Nach dem erfindungsgeiTnßen Verfahren wird auf einem Substrat aus der Gasphase eine Schicht abgeschieden und dabei die Substratooerfläche zwei kohärenten Teilchenstrahlbündeln ausgesetzt und so angeordnet, daß auf der Substratoberfläche Maxima und Minima einer Interferenzfigur dieser Teiichenstrahlbündel auftreten. Aufgrund der oben angegebenen Effekte tritt an den Stellen der Maxima ein bevorzugtes, orientiertes Wachstum auf. Ist das Substrat selbst amorph, so kann beispielsweise die abgeschiedene Schicht durch Überlagerung eines aus parallelen Maxima bestehenden Interferenzbildes mit einer Struktur versehen werden, die diesem Interferenzbild entspricht und bei der sich an den Stellen der Maxima einkristalline Streifen ausbilden, zwischen denen polykristallines Material abgelagert ist. Auf diese Weise erhält man eine Schicht mit einer Überstruktur. Weiterhin kann beispielsweise b^i einem einkristallinen Substrat e>n Teilchenstrahl verwendet werden, der Dotierstoffionen enthält. Wird auf dem Substrat eine Schicht epitaxial aus der Gasphase abgeschieden und wird das Substrat so angeordnet, daß an seiner Oberfläche eine Interferenzfigur der beiden Teiichenstrahlbündel vorliegt, so erhält man eine epitaxiale Schicht, di? mit einer periodischen Ootierungsstruktur versehen ist. Weiterhin können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch einkristalline Schichten hergestellt werden, in der einzelne Streifen aus Mischkristallen verlaufen. So kann beispielsweise beim Abscheiden einer Galliumarsenidschicht aus der Gasphase als Teilchensfahl ein Strahl von Phosphoratomen verwendet werden, so daß an den Stellen der Maxima besonders hohe Konzentration von Phosphor vorliegt und daß sich do>-< ein Galliumarsenidphosphidkristall ausbildet. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäDe Verfahren bei der Durchführung einer Molekularstrahl-Epitaxie für Verbindungs-Halbleiter anzuwenden, indem beispielsweise ein Teil eines solchen Molekularstrahls ionisiert wird und sodann durch ein Biprisma geleitet wird.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die Verwendung des elektrostatischen Fadenbiprismas der Abstand der Interferenzstreifen durch Variation der an den Faden gelegten Spannung wie auch durch die Beschleunigungsspannung der Ionen Variiert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht dar'n, daß dasj*tiige Element, das die Struktur des Teilchenstrahl ut'd damit die Struktur in der aufgewachsenen Schiel¹* hervorruft, in einem großen Abstand von dem bestrahlten Substrat angebracht werden kann, so daß die Substratoberfläche nicht gefährdet wird. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß das Aufwachsen der einkristallinen Bereiche unter ■Ί Umständen schon bei Temperaturen von etwa 200° möglich ist und daß bei diesen Temperaturen noch keine unerwünschten Diffusionserscheinungen zwischen der aufgebrachten Schicht und dem Substrat bzw. zwischen den einzelnen Strukturen der aufgebrachten Schicht

κι auftreten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben und näher erläutert
Fig. 1 zeit schematisch, wie ein aus einer Quelle 1

π auftretender Ionenstrahl von einem Biprisma in zwei kohärente, sich einander überlagernde Strahlenbündel aufgeteilt werden kann;

Fig. 2 zeigt schematisch eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

In F i g. 1 ist schematisch dargestellt, wie man zwei zueinander kohärente Strahlenbündel von Teilchen erzeugen kann. Der aus einer Ionenquelle 1 durch den Öffnur _össpalt 2 austretende Ionenstrahl 31 ist auf ein Biprisma 60 gerichtet Von diesem Biprisma 60 wird das Strahlenbündel 31 so aufgeteilt, daß zwei kohärente Teilchenstrahlbündel 14 und 15 entstehen, die von virtuellen Strahlenquellen 10 bzw. 11 herzurühren scheinen. Die beiden Strahlenbündel 14, 15 sind

jo einander überlagert. Es kommt zwischen ihnen zu Interferenzerscheinungen. Das Substrat 5 wird so angeordnet, daß in der Oberflächenebene 6 Interferenzfiguren 7 liegen. Bei einem rechteckigen Öffnungsspalt 2 und einem parallel zu diesem Spalt angebrachten

s^r> Prisma 60 erhält man Interferenzfiguren, die aus parallel verlaufenden Interferenzstreifen 7 bestehen.

In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wiv das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Als Beispiel dient die Herstellung einer Silizium-Schicht, die auf ein Substrat, z. B. ein Substrat aus Saphir, aufgebracht wird. Die Teilchenquelle ist mit 1 bezeichnet. Aus ihr treten sowohl Teilchen ir> neutraler bzw. molekularer Form aus, wie auch Ionen des gleichen Materials. Eine hierfür geeignete Quelle ist ein

Vi Elektronenstrahlverdampfer. bei dem mittels eines Elektronenstrahls das /u verdampfende Material erhitzt wird. Aus einer solchen Quelle treten nicht nur neutrale, sondern auch ionisierte Teilchen aus. Der Teilchenstrahl 3 wird durch ein elektrostatisches Fadenbiprisma

•so geleitet. Es besteht aus /wei Elektroden 62 und 6Λ zwischen denen ein düni.er Faden 61 verläuft. Zwischen c"em F-iden 61 und den Elektroden 62, 63 sind Spannungsquellen 64 bzw. 65 gelegt. Im bevorzugten Fall jedoch wird nur eine Spannungsquello. z. B. b4,

γ, verwendet, wobei die beiden Elektroden 62 und 63 aut dasselbe Potential bzw. bevorzugt auf Erdpotential gelegt werden. Die neutralen Teilchen des Strahls 3 werden von diesem Prisma nicht beeinflußt. Der Strahl der Ionen, der ebenfalls in dem Teilchenstrahl 3

bo enthalten ist, wird jedoch in zwei zueinander kohärente Teilchenstrahlbündel aufgeteilt. Man erhält daher auf der Substratoberfläche für die durch das Fadenprism? durchtretenden Ior?.ninterferenzstreifen 7. Die Teilchenquelle 1 enthält Beschleynigungselektroden, so daß die in dem Teilchenstrahl 3 vorhandenen Ionen eine kinetische Energie oberhalb von lOkeV erhalten. In dem Beispiel wird zur Herstellung einer mit einkristallinen Streifen Ί\ durchsetzten Schicht 8 als Substrat

beispielsweise ein Saphirsubstrat 5 verwendet. Das Substrat befindet sich zwischen zwei Elektroden 41 und 42, die geerdet sind oder zwischen die eine Spannungsquelle 43 gelegt isL Das von diesen beiden Elektroden hervorgerufene elektrische Feld liegt in der Ebene der ι Substratoberfläche 6. Es bewirkt eine Ausrichtung der auf der Oberfläche 6 befindlichen, durch die eintreffenden Ionen aufgeladenen Wachstumskeime. Im Bereich dieser Interferenzmaxima, in denen besonders viele Ionen auftreffen, erhält man eine besonders starke Ansammlung von aufgeladenen Keimen. Zusammen mit dem von den Elektroden 41 und 42 hervorgerufenen elektrischen Feld kommt es in diesem Bereich zu einer orientierten Anlagerung, so daß auf der Substratoberfläche 6 einkristalline Streifen 71 aufwachsen. Der (5 zwischen diesen Streifen liegende Bereich 81 der aufgebrachten Schicht ist polykristallin. Wird die kinetische Energie der aufgeschossenen SiÜziumiohen gleich lÖkeV gesetzt, so isfdie deBroglie-Wellenlänge für die aüftreffenden Ionen etwa 2,5 · 10-^|2cm. Soll der Abstand der einkristallinen Streifen 10 nm betragen, so ist der Abstand α der virtuellen Quellen 10 und 11 gemäß der Gleichung

ti =

zu bestimmen. Dabei bedeutet λ die deBroglie-Wellenlänge und d der Abstand zwischen der ionenquelle und dem Substrat und Δ der Abstand der einkristallinen Streifen 71_ä Wird der Abstand zwischen der Teilchenquelle und der Substratoberfiache gleich 300 cm gewählt, so ergibt sich mit A = 10-⁶cm der Abstand a der virtuellen Quellen zu etwa 7,5 μιτι. der Abstand a kann durch Wahl der an dem Fadenbiprisrha liegenden Spännungen 64 Und 65 entsprechend festgelegt werden. Für das Biprisma 60 wird vorzugsweise ein Faden 61 mit einer Dicke von weniger als 1 μιτι gewählt. Der Abstand der Elektroden 62 Und 63 beträgt etwa 10 mm. Die angelegte Spannung zwischen dem Faden 61 und den Elektroden 62 bzw. 63 beträgt einige Volt; sie hängt allgemein jedoch von der kinetischen Energie E der Ionen ab.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen, mit einer Struktur versehenen Schicht auf einem Substrat durch Ionen von > 10 keV, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ionenstrahl ein elektrostatisches Fadenbiprisma gebracht und das Substrat so angeordnet wird, daß auf ihm eine Teilchen-Interferenzfigur gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß während des Abscheidens der Schicht (8) ein elektrisches Feld aufrechterhalten wird, das eine in der Oberflächenebene (6) des Substrats liegende Komponente besitzt

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