DE2644208C3 - Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer Unterlage - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer UnterlageInfo
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- C30B23/02—Epitaxial-layer growth
- C30B23/08—Epitaxial-layer growth by condensing ionised vapours
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer Unterlage, wie es
im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher beschrieben ist.
Zur Herstellung von z. B. MOS-Bauelementen und Bauelementen und integrierten Schaltungen in einer
SOS- (Silicon on Sapphire)-Technik, allgemein Dünnschichtbauelementen, werden in der Halbleitertechnologie
Verfahren benötigt, mit denen auf einkristallinen oder auch amorphen Unterlagen einkristalline Schichten
und Schichtfolgen aus Halbleitermaterial abgeschieden werden können. Bekannte Verfahren zur Herstellung
von solchen Schichten oder auch von Bändern aus Halbleitermaterial sehen Hochtemperaturprozesse vor,
bei denen aus der Gasphase Halbleitermaterial epitaxial abgeschieden wird, ode. bei denen das epitaxiale
Abscheiden aus einer flüssigen Phase an Keimen erfolgt und bei denen große band- oder zylinderförmige
Einkristalline gezogen und anschließend in einzelne Scheiben zerteilt werden. Für das Abscheiden dünner
Schichten aus der Gasphase wird in jüngster Zeit auch ein als »ion plating« bezeichnetes Verfahren angewendet,
bei dem in einem evakuierbaren Gefäß das Substrat, auf dem die Schicht abgeschieden werden soll, zum
Zwecke der Oberflächenreinigung einem Ionenbeschuß ausgesetzt wird. Zum Abscheiden solcher Schichten
wird Material aus einem Tiegel verdampft und auf die Oberfläche des Substrates niedergeschlagen. Während
-dieses Vorganges wird der ionenbeschuß aufrechterhalten, da sich herausgestellt hat, daß unter diesen
Umständen eine gute Haftung zwischen dem abgeschiedenen Film und der Substratoberfläche und ggf. auch ein
orientiertes Wachsen der Schicht erreicht wird. (Vgl.
ίο Journal of Vaccum Science Technology, Bd. 10, No. 1
[1973], S. 47 bis 52) Da das Epitaxialwachstum in
solchen Schichten über eine Keimbildung und anschließendem orientierten Wachstum an solchen Keimen
abläuft, ist es bei diesem Verfahren notwendig, für eine ausreichende Oberflächendiffusion der aufgedampften
Teilchen auf der Substratoberfläche zu sorgen. Dies geschieht bei dem aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren dadurch, daß die Substrattemperatur ausreichend hoch gewählt wird. Darüber hinaus ist
es in den meisten Fällen notwendig, als Substrat einen Einkristall zu verwenden, dessen Gitterstruktur der
Gitterstruktur der aufzuwachsenden Schicht ähnlich ist, damit sich bereits bei der Keimbildung eine Orientierung
herausbildet Hohe Substrattemperaturen sind aber dann von Nachteil, wenn das Substrat selbst
beispielsweise aus einer mit dotierten Zonen versehenen Halbleiterschicht besteht, da bei solchen hohen
Temperaturen aufgrund von Diffusion sich die Dotierungsstärken und Dotierungsgrenzen ändern.
Ein Abscheideverfahren bei niedrigen Substrattemperaturen ist aus der Zeitschrift für angewandte Physik,
22 (1966), Seiten 1 und 2, bekannt. Bei diesem Verfanren wird zur Herstellung einer aus Silber, Kupfer, Eisen,
Silizium, Gold oder Wolfram bestehenden Schicht auf einer Unterlage, z. B. aus Glas, aus einer Verdampfungsquelle das Schichtmaterial verdampft und auf der
Unterlage niedergeschlagen, wobei während des Abscheidens die Oberfläche der Unterlage einem Ionenbeschuß
mit Ionen ausgesetzt wird, deren kinetische Energie beim Auftreffen auf die Oberfläche der
Unterlage wenigstens 10 keV beträgt. Die so hergestellten Schichten weisen einen hohen Grad an Homogenität
auf.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht neben der Erzielung einer hohen Homogenität der Schichten auch in der Erzielung einer hohen Haftfestigkeit zum Substrat und gleichzeitig einer guten Korrosionsbeständigkeit. Außerdem soll auch ein epitaxiales Aufwachsen aus der Gasphase auf amorphen Substraten erreicht werden.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht neben der Erzielung einer hohen Homogenität der Schichten auch in der Erzielung einer hohen Haftfestigkeit zum Substrat und gleichzeitig einer guten Korrosionsbeständigkeit. Außerdem soll auch ein epitaxiales Aufwachsen aus der Gasphase auf amorphen Substraten erreicht werden.
Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Verfahren erfindungsgemäß
nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Verfahren nach der Erfindung hat gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
insbesondere die Vorteile, daß die Substrattemperaturen abgesenkt werden und damit unerwünschte
Diffusionsprozesse oder Kristallgittereffekte im Substrat und in der herzustellenden Schicht vermieden
werden können. Weiterhin wird durch damit ermöglichte Senkung der Substrattemperatur vermieden, daß das
aufgedampfte Material wieder abgedampft oder sich an der Substratoberfläche zersetzt. Weiterhin lassen sich
mit dem Verfahren nach der Erfindung auch mechanische Spannungen, die nach dem Ende des Aufwachsens
beim Abkühlen des Substrates und der aufgewachsenen Schicht auftreten können und die möglicherweise
Kristallschäden zur Folge haben, vermeiden.
Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen: Das eptiaxiale Aufwachsen einer Schicht erfolgt über
eine Anlagerung der aufgedampften Teilchen an Keimen. Eine kristalline, mit einer Orientierung
versehene Schicht erhält man dann, wenn die Keime, an denen die Anlagerung stattfindet, selber eine Orientierung
aufweisen. Eine solche Orientierung der Keinie
läßt sich cVrch eine Asymmetrie des als Substrat
verwendeten Kristalles erreichen, wenn dieser entweder durch eine mechanische Verspannung mit einer die
Keimbildung begünstigenden Vorzugsrichtung versehen wird oder, wenn in der Oberfläche der Unterlage
ein starkes elektrisches Feld vorherrscht, durch das die
Vorzugsrichtung festgelegt wird. Ein solches zur Oberfläche pralleles elektrisches FeIa entsteht dann,
wenn ein Keim an dem eine Anlagerung stattfinden kann, sehr stark elektrisch aufgeladen ist Ir. diesem Fall
entsteht ein Polarisationsfeld mit sehr hohen Feldstärken, und aufgrund dieses hohen elektrischen Feldes
erfolgt die Oberflächendiffusion zu den Keimen hin nicht isotrop, sondern mit einer Vorzugsrichtung. Eine
Aufladung der Keime läßt sich dadurch erreichen, daß zugleich mit dem Aufdampfen des Materials geladene
Teilchen, z. B. Ionen, mit auf die Oberfläche des Substrates aufgeschossen werden. Da bei dem Aufschießen
von Ionen in der Oberfläche der Unterlage Fehlstellen und Verspannungen hervorgerufen werden.
die das chemische Potential der Unterlagen- oder Substratoberfläche verändern, erhält man für das dabei
aufgewachsene Material eine hohe Haftfestigkeit und gleichzeitig auch eine erhöhte Korrosionsfestigkeit.
Dieser letztgenannte Umstand wird bereits bei Jem als
»ion plating« bekannten Verfahren ausgenutzt, bei dem beim Aufdampfen gleichzeitig die Substratoberfläche
mit Edelgasionen beschossen wird. Eine Aufladung der sich auf der Substratoberfläche ausbildenden Keime
wird mit »ion pla:ing«-Verfahren jedoch nicht erreicht. Dies ergibt sich daraus, daß bei dem »ion plating«-Verfahren
die kinetische Energie der aufgeschossenen Ionen eine bestimmte Größe nicht überschreiten darf,
da sonst die von ihnen hervorgerufene Zerstäubung größer wird als die Anlagerung des aufgedampften
Materials. Die Verwendung niederenergetischer Ionen führt jedoch zu kleinen Stromdichten, was weiter zur
Folge hat, daß eine ausreichend hohe Aufladung der Oberflächenkeim .·; nicht erreicht wird.
Eine orientierte Keimbildung und ein damit orientiertes Wachstum der Schicht wird z. B. dadurch erreicht,
daß in der Nähe der Oberfläche der Unterlage eine geerdete Elektrode angebracht wird. Diese geerdete
Elektrode verursacht ein elektrisches Feld zwischen den stark aufgeladenen Keimen und dieser Elektrode. Damit
wird für das Wachstum eine Vorzugsrichtung vorgegeben. Wird die Vorzugsrichtung mit Hilfe einer
mechanischen Spannung, z. B. mittels einer Dehnung, vorgegeben, so erfolgt das Wachstum an den auf der
Oberfläche der Unterlage befindlichen Keimen bzw. die Ausbildung solcher Keime mit einer räumlichen
Orientierung. Dies läßt sich soweh' bei Unterlagen aus
kristallinen Substraten wie aucti bei Unterlagen aus
amorphen Substraten, z. B. auch bei Unterlagen aus Folien von anorganischem oder organischem Material
anwenden. Dei der Verwendung von Folien wäre es überdies möglich, diese Folie von einer Vorratsrolle
abzuwickeln, durch den Abscbeideraum über Druckstufen hindurchzuführen und auf einer weiteren Rolle
wieder aufzuwickeln. Dabei kann gleichzeitig durch Regelung der Drehgeschwindigkeit dieser Rollen ein
Zug auf die Folie ausgeübt werden, so daß dabei die gewünschte Vorzugsrichtung dsr Oberfläche der
Unterlage erreicht wird Es ist weiterhin auch eine Kombination dieser beiden Ausgestaltungen denkbar,
bei der das als Unterlage dienende Substrat sowohl einer mechanischen Verspannung_ wie auch durch
Anbringen einer Elektrode bzw. Überlagerung eines elektrischen Feldes mit einer Vorzugsrichtung versehen
wird. Als Verdampfungsquelle wird für das erfindungsgemäße Verfahren zweckmäßigerweise ein Elektrodenstrahlverdampfer
verwendet, da bei einer solchen Verdampfungsquelle gleichzeitig auch Ionen des verdampften
Materials erzeugt werden. Dies läßt sich aus der Eindringtiefe eines Elektronenstrahls in dem zu
verdampfenden Material ableiten, da die große Eindringtiefe der Elektronen nur damit erklärt werden
kann, daß in dem Festkörper, auf dem der Elektronenstrahl gerichtet ist. ein Plamakanal entsteht In einem
solchen Plasmakanal sind aber eine große Zahl von Ionen vorhanden. Diese Ionen können durch Anlegen
einer Ziehspannung zwischen dem Tiegel, in dem sich das zu verdampfende Material befindet und der
Unterlage bzw. einer Elektrode, die sich in der Nähe der zu bedampfenden Unterlage befindet, auf die Unterlage
hin beschleunigt werden. Gleichzeitig kann mit einer solchen Verdampfungsquelle durch eine Temperaturregelung des Tiegels das Verhältnis zwischen dem
lonenstrom und der Zahl der verdampften Teilchen geregelt werden. Bei sehr kleinen Temperaturen des im
Tiegel befindlichen Materials erhält man bei einer Ziehspannung von etwa 20 kV fast ausschließlich einen
lonenstrom. D^r erforderliche Elektronenstrom in dem
Elektronenstrahlverdampfer beträgt etwa 10 MiA pro mm2 der erhitzten Fläche. Es können aber auch andere
Verdampfungsquellen benützt werden, bei denen gleichzeitig Ionen erzeugt werden. Hierfür ist beispielsweise
auch eine durch Hochfrequenz beheizte Verdampfungsquelle geeignet, da in dem Hochfrequenzfeld
aufgrund von Stoßeffekten ebenfalls Ionen gebildet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben
und näher erläutert.
In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung
dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
Die F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden
kann. In einem Repizienten 1, der über eine Vakuumleitung 2 evakuiert werden kann, befindet sich ein Tiegel 3,
in dem das zu verdampfende Material 4, z. B. Silizium enthalten ist. Über dem Tiegel 3 ist ein Halter 5
angebracht, an dem das Substrat 6, das z. B. aus einem Siliziumkörper besteht, befestigt ist. Dieser Halter 5
sitzt selbst in einer Hochspannungsdurchführung 7 und ist mit einer Hochspannungsquelle 8 verbunden. Das in
dem Tiegel 3 enthaltene Material 4 wird mit Hilfe einer Elektronenkanone 9 mit Elektronen beschossen und
dadurch erhitzt Es entsteht in dem Material 4 eine schmelzflüssige Zone 10, aus der heraus das Material
verdampft. Die Intensität des Elektronenstrahls beträgt beisp'elsweise 10 mA bei einer kinetischen Energie der
Elektronen von beispielsweise 5 kV. Das aus der Zone 10 verdampfte Material wird auf der Oberfläche des
Substrates 6 als Schicht 11 niedergeschlagen. Durch den
Elektronenbeschuß werden in der schmelzflüssigen Zone 10 gleichzeitig auch Ionen 12 des Materials 4, in
dem Beispiel Si-Ionen, erzeugt. Diese Ionen 12 werden durch Anlegen einer Hochspannungsquelle 8 an den
Tiegel 3 einerseits und an den Halter 5 andererseits auf die Substratoberfläche hin beschleunigt. Die zwischen
dem Tiegel umd dem Halter 5 anliegende Spannung beträgt beispielsweise 20 kV. Die Polung dieser
Spannungsquelle ist so, daß der Tiegel 3 gegenüber dem Halter 5 positives Potential besitzt. Die Dichte des von
den Ionen 12 hervorgerufenen Stromes beträgt beispielsweise 5 mA pro cm2 der Substratoberfläche.
Der Strom dieser Ionen 12 bewirkt eine Impuls- und Energieübertragung, und damit bei einem isolierenden
Substrat 6 zusammen mit elektrischen Feldern bereits in der Nukleationsphase ein orientiertes Wachstum der
Schicht 11, ohne daß das Substrat 6 mit Hilfe eines Ofens
14 auf eine hohe Temperatur erhitzt werden müßte. Mit Hilfe dieses Ofens 14 kann das Substrat auf eine
Temperatur von nur etwa 2000C erhitzt werden, damit Strahlenschäden, die von den Ionen 12 hervorgerufen
werden, ausheilen können. Bei einer Temperatur von 200°C können noch keine unerwünschten Diffusionsprozesse im Substrat bzw. zwischen dem Substrat und
der Schicht 11 auftreten. In der Nähe der Subslratoberfläche
beiindet sich weiter eine Hilfselektrode 13, durch die mit der Spannungsquelle 28 ein elektrisches Feld
hervorgerufen wird, das eine in der Oberflächenebene des Substrates liegende Komponente aufweist, und das
eine Orientierung der beim Aufwachsen der Schicht 11
vorhandenen Wachstumskeime bewirkt. Die Elektrode 13 kann auch als Teil des Halters 5 ausgebildet werden
und liegt dann natürlich auf dem Potential des Halters, wobei die Spannungsquelle 28 entfällt.
Die in Fig.2 gezeigte Vorrichtung entspricht im wesentlichen der Vorrichtung nach Fig. 1. Als Träger
für das Substrat 6 dient hier ein Band 15, mit dessen Hilfe das Substrat 6 in den von dem Tiegel 3
ίο ausgehenden Kegel 16 der verdampfenden Teilchen
gefahren werden kann. Gleichzeitig ist in Fig.2 dargestellt, daß auch mit Hilfe eines Gitters 17, das sich
zwischen dem Tiegel 3 und dem Substrat 6 befindet, die beim Verdampfen des Materials 4 entstehenden Ionen
12 auf das Substrat hin beschleunigt werden können. In dem Raum zwischen dem Tiegel 3 und dem Substrat 6
kann weiter auch eine Mikrowellenantenne 18 angeordnet sein, die von einem Mikrowellengenerator 19 erregt
wird. Das von der Mikrowellenantenne 18 dabei ausgehende hochfrequente elektrische Feld kann eine
zusätzliche Ionisierung der aus der Zone 10 des Materials 4 verdampfenden Teilchen bewirken, so daß
ein höherer Strom von Ionen 12 zur Verfügung steht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als
Substrat eine Folie 15 verwendet, und auf diese Folie 15 direkt eine Schicht 11 aufgewachsen. Eine Vorzugsrichtung
läßt sich dabei dadurch erreichen, daß diese Folie 15 in einer durch den Pfeil 29 angedeuteten Richtung
gestreckt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer Unterlage, bei dem aus einer
Verdampfungsquelle das Materia! der Schicht verdampft und auf der Oberfläche der Unterlage
abgeschieden wird, und bei dem während des Abscheidens die Oberfläche der Unterlage einem
Beschüß mit Ionen des abzuscheidenden Materials ausgesetzt wird, deren kinetische Energie beim
Auftreffen auf die Oberfläche der Unterlage wenigstens lOkeV beträgt, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Abscheidens der Schicht (11) ein elektrisches Feld aufrechterhalten
wird, das eine in der Oberflächenebene der Unterlage (6) liegende Komponente besitzt, oder,
daß während des Abscheidens der Schicht (11) in der Unterlage (6) eine mechanische Spannung hervorgerufen
wird, die eine in der Ouerflächenebene der Unterlage (6) liegende Komponente besitzt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage ein amorphes Substrat
eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage eine Folie eingesetzt
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der
Zahl der auf der Oberfläche der Unterlage (6) durch Verdampfung auftreffenden Teilchen des Materials
(4) zu der Zahl der auftreffenden Ionen größer als 10 gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der
Unterlage zusätzlich einem Beschüß mit Dotierstoffionen ausgesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des
Substrates kleiner als etwa 4000C, vorzugsweise bei
etwa 2000C gehalten wird.
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