DE2726265A1 - Verfahren zum zuechten genetischer halbleiteroxidschichten - Google Patents
Verfahren zum zuechten genetischer halbleiteroxidschichtenInfo
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Description
BLUMBACH · WESEi^ BEFt-GT-N KRAMER
ZWIRNER - HIRSCH · BREHM
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
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Fatentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Züchten amorpher,
stöchiometrischer, genetischer Halbleiteroxidschichten mit einem scharfen Grenzflächenbereich.
Unter genetischem Halbleiteroxid wird das durch Oxidation des Halbleitermaterials an dessen Oberfläche selber erzeugte (also
ein nicht von fremden Quellen herrührendes) Oxid verstanden.
Oxidschichten spielen eine wichtige Rolle in der Halbleitertechnologie,
beispielsv/eise als Isolatoren bei den MOS-Feldeffekttransistoren
und als Passivierungsschichten und Entkopplungszonen bei anderen Halbleiterbauelementen.
Oxidschichtzüchtungsmethoden sind allgemein bekannt. In der Siliciumtechnologie herrschen hauptsächlich zwei Züchtungsmethoden
für genetische Siliciumoxidschichten vor. Nach der ersten Methode wird ein Siliciumsubstrat Sauerstoff bei etwa
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Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
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1100 0C ausgesetzt. Als Folge hiervon setzt sich Silicium mit
Sauerstoff unter Bildung einer Siliciumoxidschicht um. Alternativ kann das Siliciumsubstrat einem Sauerstoff-Hochenergieplasma
ausgesetzt werden, was gleichfalls zum Aufwachsen einer Oxidschicht führt. In Abhängigkeit von der Energie des Plasmas
können bis zu 500 Nanometer dicke Schichten hergestellt v/erden.
Während die Siliciumtechnologie hochentwickelt ist, hat die
vergleichbare Technologie der Verbindungshalbleiter, wie GaAs
noch nicht einen derartigen Verfeinerungsgrad erreicht. Derartige Verbindungshalbleiter sind vor allem wegen ihres hohen
Energiebandabstandes und ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit wünschenswert. Folglich ist eine jede Methode höchst wünschenswert,
mit der Verbindungshalbleiter-Oxidschichten hergestellt werden können. Die beiden vorstehend für die Oxidation von Silicium
angegebenen Methoden sind schon bei der Herstellung von GaAs-Oxidschichten angewandt v/orden, haben sich aber als
deutlich weniger praktikabel erwiesen. So ist die Erhitzun?;nmethode
für GaAs unzweckmäßig, weil das Arsen bei den hierbei zur Anwendung gelangenden Temperaturen hochflüchtig ist mit
der Folge, daß die resultierende Oxidschicht nicht stöchiometrisch
ist. Außerdem bleibt bei diesen Temperaturen die GaAs-Oxidschicht nicht amorph, sondern wird kristallin. Andererseits
führt die Hochenergieplasmamethode zu bedeutsamen strahlungsinduzierten Schäden und zu einem schlecht definierten
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Grenzflächenbereich zwischen Oxidschicht und Substrat. Unter diesen Bedingungen wird die Grenzfläche viele Oberflächenzustände
und eingefangene Ladungen zugeordnet haben, die die Oxidschicht für viele Anwendungsfälle ungeeignet machen.
In Journal of Applied Physics, Band 37 (1966) Seite 2924 beschreibt
O. A. Weinreich eine Niedrigtemperaturplasma-Oxidationsmethode zum Züchten von GaAs-Oxidschichten. Die Schicht wird in
einem Gasentladungsquarzrohr gezüchtet, in dem ein Sauerstoffplasma
aufrechterhalten wird. Weinreich gibt an, daß der für das beobachtete Schichtwachstum verantwortliche Hauptmechanismus
das Abziehen negativer Sauerstoffionen aus dem Plasma und deren Diffusion in das GaAs-Substrat ist. Da Plasmen sehr niedrige
Anionendichten haben, erfordert diese Methode Plasmen mit großen Ladungspartikeldichten und große Sauerstoffhintergrunddrücke,
um die erforderliche Anzahl negativer Sauerstoffionen
zu erreichen. Die zum Aufrechterhalten solcher Plasmen erforderliche Energie ist vergleichsweise hoch, ein Umstand, der von
detaillierten Untersuchungen dieser Methode abgehalten hat. Weinreichs Feststellungen hinsichtlich der Wichtigkeit negativer
Sauerstoffionen legten die Unwirksamkeit von Plasmen niedriger Dichte nahe, und sowohl Weinreich als auch andere einschlägige
Fachleute haben nahezu 10 Jahre lang Untersuchungen an Plasmen niedriger Dichte.zu diesem Anwendungszweck vermieden.
Dieses kann als Bestätigung dafür gewertet werden, daß sich die
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Fachwelt von den Vorstellungen Weinreichs hatte überzeugen lassen.
Entsprechend der Erfindung kann ein Wachstum von genetischem Halbleiteroxid wirksam bewerkstelligt werden durch Auftreffenlassen
von Elektronen mit bestimmter Dichte und Energie auf ein Halbleitersubstrat bei Gegenwart eines bestimmten Sauerstoffdruckes.
Im Prinzip v/erden gemäß der Erfindung nur eine Elektronenquelle, eine Einrichtung zum Richten der Elektronen auf das Substrat
und eine Vorrichtung benötigt, die den erforderlichen Sauerstoffdruck
in der Reaktionskammer aufrechtzuhalten vermag. Bei einer
speziellen Ausführungsform wird jedoch ein Plasma benutzt. Früher war in der Theorie angenommen worden, daß die normalerweise
in Plasmen vorhandenen negativen Ionen und nicht die Elektronen für das Schichtwachstum verantwortlich wären. Mit der vorliegenden
Erfindung ist jedoch gefunden worden, daß der Hauptmechanismus, der für das Wachsen eines Halbleiteroxidfilms in
einem Plasma verantwortlich ist, nicht in erster Linie den normalerweise im Plasma vorhandenen negativen Ionen zuzuschreiben
ist; vielmehr treten die im Plasma vorhandenen Elektronen in Wechselwirkung mit Atomen und Molekülen in der Nähe der Oberfläche
des Substrates, um das beobachtete Filmwachstum zu erzeugen. Deshalb kann die Plasmaoxidationsmethode bei viel nie-
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drigeren Ladungspartikeldichten und Hintergrunddrücken ausgeführt v/erden, als dieses bisher für möglich erachtet wurde.
Hohe Partikeldichten sind nicht zur Verbesserung des Prozeßwirkungsgrades erforderlich. Stattdessen hebt die Erfindung
auf die Elektronendichte sov/ie auf Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades ab, mit dem diese Elektroden zur Oberfläche des
Halbleiters transportiert werden.
So wurde als ein Ergebnis gefunden, daß wirksames Wachstum von Halbleiteroxidschichten wie GaAs-Oxid unter Verwendung von
Plasmen einer Partikeldichte η < 10 Partikel/cm und Hintergrunddrücken
Pb< 9 x 10 ^ Torr bewerkstelligt v/erden kann. Bei
diesen Drücken und Ladungspartikeldichten ist die dem Plasma normalerweise zugeordnete Gleichgewichtsdichte von negativen
Sauerstoff ionen zu niedrig, um nennensv/ertes Filmwachstum zu bewirken. Y/enn jedoch die Plasmaelektronen zum Halbleitersubstrat
wirksam geführt werden, beispielsv/eise mit Hilfe eines Magnetfeldes, dann tritt wirksames Oxidschichtwachstum selbst
bei den angegebenen niedrigen Partikeldichten und Hintergrunddrücken auf.
Die nach dieser Methode gezüchteten Schichten sind amorph und stöchiometrisch und haben einen scharfen Grerizflächenbereich,
dessen Ausdehnung etwa 2 % der Oxidschicht beträgt. Während der
Prozeß selbstbegrenzend ist, können Schichten von v/enigstens bis zu 500 Nanometer Dicke erzeugt v/erden. Die normalerweise
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bei Hochenergieplasmen oder Hochteraperaturprozessen auftretenden Schaden sind bei diesem Verfahren nicht vorhanden.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Ansicht einer Apparatur zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Plasmaapparatur zur Verwendung bei einer alternativen Ausführungsform dec
Verfahrens,
Fig. 3 die Abhängigkeit der Oxidschichtdicke von der Oxidationszeit
bei verschiedenen Vorspannungen,
Fig. 4 eine I-V-Kennlinie für einen im vorliegenden Verfahren
hergestellten MOS-Kondensator,
Fig. 5 eine typische C-V-Kennlinie eines im vorliegenden Verfahren
hergestellten MOS-Konder.sators,
Fig. 6 eine auf einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit HeteroStruktur aufgewachsene Oxidschicht,
Fig. 7 die Darstellung des Wachstums einer Oxidschicht auf einem ausgewählten Bereich einer Halbleiteroberfläche
unter Anwendung des vorliegenden Verfahrens in Verbindung mit einer Schattenmaskierungsmethode und
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Fig. 8 einen einfachen Transistor, der unter Verwendung der in Fig. 7 dargestellten Methode hergestellt ist.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Wachstum einer genetischen Halbleiteroxidschicht durch Richten
einer bestimmten Elektronendichte auf ein Halbleitersubstrat bei Gegenwart eines bestimmten Sauerstoffdruckes wirksam bewerkstelligt
werden kann. Entsprechend dem vorliegenden Verfahren wird die Oxidschicht nicht niedergeschlagen, sondern gezüchtet.
Die Oxidschicht kann in gewissen Bereichen des Substrates selektiv gezüchtet werden, indem das Substrat geeignet maskiert
wird oder indem die Elektronen auf bestimmte Bereiche des Substrates selektiv hingelenkt werden. Das Verfahren kann zur
Züchtung von Oxidschichten auf Substraten benutzt werden, die an metallische Oberflächen oder Leiter, z. B. Goldanschlüsse
verbunden worden sind. Der Prozeß beeinträchtigt die leitende metallische Oberfläche nicht und deren Gegenwart verringert die
Wirksamkeit des Verfahrens nicht. Die Elektronenquelle ist für die Durchführung des Verfahrens nicht kritisch und nachstehend
werden noch zwei geeignete Elektronenquellen beschrieben.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird ein einfacher Wolframfaden 11 zur Erzeugung eines Elektronen-Stroms benutzt. Diese Elektronen
v/erden dann zu einer Wechselwirkungszone geführt, wo ein
Halbleitersubstrat 17 in einer geeigneten Og-Atmosphäre angeordnet
ist. Der Druck ist so gewählt, daß die Elektronen wenigstens
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eine mittlere freie Weglänge bezüglich Elektronen/Sauerstoff-Wechselwirkungen
durchqueren, bevor sie das Substrat erreichen. Im allgemeinen sollte der Sauerstoffdruck kleiner als 9 x 10"^
Torr sein. Liegt der Sauerstoffdruck oberhalb 9 x 10"^ Torr,
dann wird die Elektronen/Sauerstoff-Wechselwirkung so groß, daß nur wenig Elektronen in der Nähe des Substrates in Elektronen/Sauerstoff-Wechselwirkung treten, wo diese Wechselwirkung
für die Bewerkstelligung des Schichtwachstums am wirksamsten ist. Bei typischen Ausführungsformen, v/o der Abstand zwischen
Elektronenquelle und Substrat in der Größenordnung von einem Meter beträgt, wird der Sauerstoffdruck auf Werte zwischen
1 χ 10 Torr und 9 x 10 J Torr eingestellt.
Der Elektronenstrahl 16 braucht in seinem Querschnitt nicht beschränkt zu sein und kann jede bequeme Größe haben. Um jedoch
kommerziell praktikable Wachstumsgeschwindigkeiten zu erhalten, haben sich Dichten von 10 bis 10 Elektronen/cnr als
11
brauchbar erwiesen, wobei Dichten von weniger als 10 Elektronen/cm-5
für kommerzielle Anwendungszwecke empfehlenswert sind. Der Strahl braucht nicht ausschließlich, sondern nur im wesentlichen
aus Elektronen zusammengesetzt sein. Solange der Elektronenfluß (Elektronen cm" Sekunde ) wenigstens zweimal
größer ist als der Fluß anderer Strahlbestandteile, bleibt das Verfahren wirksam.
Der Elektronenstrahl wird auf das Substrat durch geeignete Füh-
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rungsmittel hingelenkt. Bei der Durchführung des Verfahrens
wird das Halbleitersubstrat gegenüber der Elektronenquelle mit Hilfe einer geeigneten Vorspanneinrichtung, beispielsweise der
Spannungsquelle 29 in Fig. 2, positiv vorgespannt. Vorspannungswerte zwischen 0,2 und 500 Volt wurden als wirksam befunden.
Die Vorspannung lenkt die Elektronen zum Substrat hin. Es wurde gefunden, daß bei oberhalb 500 Volt liegenden Vorspannungswerten das Oxidschichtwachstura weniger v/irksam wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Anlage zugleich in einem Magnetfeld 20 untergebracht, das zur v/eiteren Führung
des Elektronenstrahls auf das Substrat hin dient. Zusätzliche elektrische oder magnetische Felder oder andere Lenkhilfen
können zur Unterstützung der Elektronen-Lenkung benutzt v/erden. Die Orientierung der Halbleiteroberfläche wird die Anzahl der
pro Zeiteinheit auf die Oberfläche einfallenden Elektronen und folglich die Wirksamkeit des Prozesses bestimmen. Eine
annähernd senkrecht zum Elektronenstrahl erfolgende Orientierung der Substratoberfläche erhöht die Oxidschichtwachstumsgeschwindigkeit.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 handelt es sich bei dem Faden 11 um eine etwa 3,8 cm lange Wolframwendel. Der Faden
liegt in Form einer zweidimensionalen Spirale vor und ist senkrecht
zum Elektronenstrahl ausgerichtet. Für Elektronenemission wird der Wolframfaden mit 600 Watt Heizleistung bei 20 Volt be-
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trieben. Während dieses Versuches wird eine Elektronenerzeugungszone
12 bei einem Druck von etwa 10" Torr aufrecht gehalten. Ein Differentialpumprohr 13 erlaubt die Aufrechterhaltung
einer Druckdifferenz von wenigstens einer Größenordnung zwischen einer Wechselwirkungszone 14 und der Elektronenerzeugungszone
12. Bei dieser Ausführungsform ist eine einzige Pumpe 15 zur Evakuierung der Apparatur vorgesehen. Es können
Jedoch auch gesonderte Pumpen für die Wechselwirkungs- und die Erzeugungszone verwendet werden. Außer einer Quelle 18
wird Sauerstoff über ein Ventil 19 in die Wechselwirkungszone mit einem Durchsatz zugeführt, der für einen Druck von etwa
10 Torr innerhalb der Wechselwirkungszone ausreichend ist.
Ein Magnetfeld 20 von mehr als 50 Gauss kann verv/endet v/erden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird mit Plasmaoxidationsmethoden
gearbeitet. Bisher wurde angenommen, daß das bei solchen Plasmen beobachtete Oxidwachstum der relativ kleinen
Anzahl in einem Sauerstoffplasma enthaltener negativer Sauerstoffionen zuzuordnen wäre. Das Plasma besteht aus positiv
und negativ geladenen Teilchen. Die negativen Teilchen sind hauptsächlich Elektronen; jedoch ist auch eine kleine Anzahl
negativ geladener Atome im Plasma vorhanden. Wenn dieses die Quelle der negativen Ionen ist, die für die Oxidations
verantwortlich sind, dann müssen hohe Plasmadichten verwendet werden, um die erforderliche Anzahl negativer Ionen liefern zu
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können, die für praktikables Filmwachstum notwendig sind. Folglich
wurden bei den bekannten Verfahren mit Plasmen gearbeitet, die hohe Ladungsdichten und hohe Hintergrunddrücke aufwiesen.
Derartige Plasmen erfordern große Leistungsquellen für ihre Zündung und Aufrechterhaltung.
Bei dem vorliegenden, mit der Plasmamethode arbeitenden Verfahren ist man nicht notwendigerweise von der im Plasma vorhandenen
Dichte negativer Sauerstoffionen abhängig, sondern von
der Elektronendichte. Der Schwerpunkt liegt auf einem wirksamen Elektronentransport in bestimmter Dichte und mit bestimmter
Energie aus dem Plasma zum Halbleitersubstrat bei Gegenwart eines bestimmten Sauerstoffdruckes.
Eine Plasmaapparatur zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei wird ein Plasma zur Erzeugung
der Elektronen verwendet, die zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens erforderlich sind. In Fig. 2 bedeuten 21 eine typische
Speiseenergiequelle und 22 und 23 die Elektroden, zwischen denen das Plasma erzeugt wird. Die Elektrode 23 hat eine Öffnung,
durch die das Plasma transportiert werden kann, um die im Plasma erzeugten Elektronen zum Substrat hin wirksam transportieren
zu können. Bei der Apparatur sind eine Vorspannungsquelle 29, die eine Vorspannung zwischen 0,2 und 500 Volt liefert,
und ein äußeres Magnetfeld 24 vorgesehen. Das Feld ist
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im allgemeinen größer als 50 Gauss. Das Magnetfeld kann wie üblich durch stromdurchflossene Spulen erzeugt werden. Ausgefeiltere
Methoden können gleichfalls benutzt werden. Das Magnetfeld dient zur Unterstützung der Lenkung der Elektronen
auf das Substrat hin und erlaubt bei einer gegebenen Ladungsdichte niedere Drücke.
Die Elektronen werden zum geeignet gehalterten Substrat 25 hin transportiert. Die Substratoberfläche ist senkrecht zum
Magnetfeld orientiert, um sie einer maximalen Elektronenanzahl auszusetzen. Sauerstoff wird in die Wechselwirkungszone von
einer Sauerstoffquelle 31 über eine Gaszuleitung 26 und ein Ventil
27 eingeführt. Der Sauerstoffhintergrunddruck kann mit
Hilfe einer Pumpe 28 niedrig gehalten werden und liegt im allgemeinen niedriger als 9 x 10~^ Torr. Für Plasmadichten η
kleiner als 10 Partikel/cm kann nach dieser Methode gearbeitet
werden. Wenn Sauerstoff in die Wechselwirkungszone unabhängig eingeführt wird, dann kann das Plasmastützgas ein jedes
der typischen inerten Plasmastützgase, wie He, N2, Ar, Kr,
Xe sein. Sauerstoff kann jedoch auch als das Plasmastützgas verwendet werden und wird in diesem Fall am Einlaß 26 zugeführt.
Mit dem vorliegenden Verfahren sind Schichten auf GaAs, GaP und GaAlAs gezüchtet worden. Eine richtige Einstellung der
Parameter liefert ein Wachstum auch bei anderen Verbindungshalbleitern oder elementaren Halbleitern, wie Silicium.
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Wie erwähnt, ist das Oxidwachstuai am wirksamsten, wenn die
Halbleiteroberfläche senkrecht zum Elektronenstrahl orientiert ist. Folglich wird selektives Oxidwachstum auftreten, wenn
ein Halbleiterkörper in der Wechselwirkungszone angeordnet wird. Jene Teile des Körpers, die im wesentlichen senkrecht
zum Elektronenstrahl orientiert sind, werden ein viel rascheres Oxidwachstum erfahren, als die anderen Teile des Körpers, insbesondere
jene, die im wesentlichen parallel zum Elektronenstrahl orientiert sind. Die früheren Wachstumsmethoden waren
im allgemeinen isotrop und hatten deshalb keine bevorzugte Wachsturasrichtung.
Die dem Verfahren eigene Richtungsbevorzugung gestattet ein selektives Aufwachsen von Oxidschichten unter Verwendung von
Schattenmaskierungsmethoden. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des Wachstums einer Oxidschicht im vorliegenden
Verfahren in Verbindung mit einer Schattenmaskierung. Entsprechend Fig. 7 ist der Halbleiter 72 unter einem Winkel θ zwischen
0,5 Grad und 89,5 Grad gegenüber dem Elektronenstrahl 71 orientiert. Als Ergebnis dieser Orientierung ist die Halbleiteroberfläche
der Zone 75 dem Elektronenstrahl nicht ausgesetzt, auf ihr bildet sich daher kein Oxidwachstum aus. Die
Halbleiteroberfläche der Zone Ik ist dem Elektronenstrahl ausgesetzt,
in dieser Zone tritt daher entsprechend dem vorliegenden Verfahren ein Oxidwachstum auf. Die Zonen 73 und 75
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- 13 -
bleiben von gleichförmiger Leitfähigkeit und sind gegenüber
der der Zone 74 verschieden. Bei diesem Beispiel wirkt ein Teil des Körpers selber als die Schattenmaske. Alternativ kann
ein zv/eiter Körper als die Maske verwendet v/erden. Die bei dem vorliegenden Verfahren anwendbaren Maskiermethoden sind nicht
auf Schattenraasken beschränkt, die das maskierte Gebiet nicht berühren, sie können auch Masken umfassen, die mit dem maskierten
Gebiet in Kontakt stehen. In Fig. 8 ist das Bauelement nach Fig. 7 mit einer leitenden Schicht 81 versehen worden, um
elektrischen Kontakt zur Halbleiterzone 73 zu haben. Der elementare Transistor, der dabei entsteht, ist ein besonders einfaches
Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens bei dessen Anwendung in Vorbindung mit Schattenmaskierungsnethoden.
Es können jedoch auch kompliziertere Anordnungen nach dieser Methode hergestellt werden.
Nachstehend sind Beispiele angegeben.
Ein Sauerstoffplasma (Dichte «10 Teilchen/cm , Te^ 4eV) wurde
bei einem Hintergrunddruck von 2 χ 10 Torr und einer Umgebungstemperatur
von rund 40 0C mit einem Paar Hochfrequenz-Aluminiumelektroden
(Fig. 2) erzeugt. Die Elektroden wurden im Gleichgewicht beim selben Gleichstrompotential mit einer typischen
Hochfrequenzquelle von 300 Watt zwischen 20 und 30 MIIz
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betrieben. Das so im Quellenbereich der Plasmaapparatur erzeugte Plasma wurde durch ein äußeres Magnetfeld von 500 Gauss
eingesdnürt. Die Plasmasäule hatte einen Durchmesser von 5 cm und v/ar 50 cm lang. Ein GaAs-Plättchen wurde zunächst in verdünntem
HCl gereinigt und dann auf einem Monel-Substrathalter
montiert und in dem Sauerstoffplasma untergebracht. Die Plättchenoberfläche
war 30 cm von den Elektroden entfernt, um eine Zerstäubungsverunreinigung von den Aluminiumelektroden zu vermeiden,
und war senkrecht zu den Magnetfeldlinien orientiert. Das Substrat wurde mit 50 bis 90 Volt gegenüber dem Plasma positiv
vorgespannt, um Elektronen einzusammeln.
Fig. 3 zeigt die Oxiddicke χ (gemessen mit einem Talystep-Gerät)
als Funktion der Zeit für verschiedene Vorspannungswerte Vß gegenüber dem Plasma. Die beobachtete Farbe für jede
Schichtdicke ist in der rechts angegebenen Farbkarte angeführt. Das Schichtwachstum beginnt mit schnellerem als parabolischem
Verlauf (~t ), fällt jedoch nach einigen Minuten ab ir*t ).
Die Oxidationsgeschv/indigkeit wird von der an das Substrat angelegten Vorspannung, der Diffusion der geladenen Teilchen
im GaAs-Oxid und dem Ladungsteilchenfluß aus dem Plasma bei der Oxid/Plasma-Grenzfläche gesteuert. Letzterer hängt von der
Vorspannung Vg, der Plasmadichte und der Temperatur ab.
Die im Plasma gezüchteten Oxidschichten wurden mit Röntgenstrah-
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lungs- und Elektronenbeugung analysiert und als amorph befunden.
Ellipsometrische Messungen (λ= 546,1 nm) ergaben einen
Brechungsindex von 1,9» und diese Schichten hatten eine Dicken-Gleichförmigkeit
(eine Funktion der Gleichförmigkeit der Plasmadichte) von besser als 10 %. Die Schichten wurden in verdünntem
HCl leicht und in kochendem Wasser langsam (/vio nm/Minute)
aufgelöst. Die Schichtspannung wurde aus einer Änderung der
Plättchenkrümmung bestimmt, sie lag bei einer Zugspannung von 1,5 bis 2 χ 109 Dyn cm"2.
Für elektrische Messungen wurde das Oxid von der Rückseite des Plättchens entfernt und wurden Aluminiumtüpfelchen auf die
Vorderseite durch eine mechanische Maske hindurch aufgedampft. Auf der Rückseite wurde ein großflächiger Aluminiumkontakt auf
dem GaAs erzeugt. Stromspannungs- und Kapazitätsspannungsmessungen
wurden in einer Prüfeinrichtung durchgeführt, die mit einer Elektroglas 910 Prüfeinheit arbeitete. Die Apparatur war
in einer lichtdichten, mit trockenem N2 beaufschlagten Balgen-Box
untergebracht.
Fig. 4 zeigt typische Stromspannungskennlinien bei Zimmertemperatur
für ein oxidiertes GaAs (100-Orlentierung, Te-dotiert,
ND<*{2 χ 10 ' cm"5). Die IV-Diagramme waren von der Polarität
der Feld-Metallplatte unabhängig, was anzeigt, daß der Strom hauptsächlich durch Volumenleitfähigkeit durch das Dielektrikum
begrenzt war.
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Die Hochfrequenz CV-Kurve, die in Fig. 5 dargestellt ist, wurde für eine 100 Nanometer dicke Oxidschicht erhalten, die auf
einer Dampfphasenepitaxieschicht aus (10O)-GaAs (S-dotiert,
Njjftf 2 χ 10 cm" , »10 um dick) gezüchtet war. Diese Proben
erfuhren auch eine Temperung in H2 (30 Minuten lang bei Λ50 0C)
vor dem Aufdampfen der Aluminiumtüpfeichen. Diese Behandlung
reduzierte Grenzflächenzustände wesentlich, beseitigte diese aber nicht vollständig, die die CV-Kurven zum "Ausziehen" verursachen
und die Bildung dner Inversionsschicht verhindern. Die MOS-Probe in Fig. 5 hatte eine flache Bandspannung von
-0,6 (± 0,2) und eine fixierte Ladungsdichte von 2,2 χ 1011 cm"
Nach einer 15 Minuten langen Vorspannungs/Temperatur-Al"? erung
bei 250 0C und einer Gate-Vorspannung von ±10 V/cm verschöbe
sich die CV-Kurven um + 0,5 Volt bzw. -3,4 Volt.
Die Filmzusammensetzung wurde mit Hilfe einer 2 Mev He -Ionenrückstreuung
und durch ioneninduzierte Röntgenstrahlungsmessungen bestimmt. Diese Untersuchungen zeigten, daß die Oxidschichten
homogen waren und ein Gallium : Arsenverhältnis von 0,9 bis 1,2 bei einem O:(Ga+As)-Verhältnis von etwa 1,5 hatten, woraus
zu schließen ist, daß sich das Oxid hauptsächlich aus Ga2O^ und
As2O, zusammensetzt. Die Dichte der Oxidschichten lag bei
5 g/cm . Vorläufige Aurjer-Messungen ergaben, daß die Oxid/ Substrat-Grenzfläche um einiges dünner war als 80 Angtröra. Weitere
Untersuchungen haben ergeben, daß die Grenzflächenzone zwischen 1 und 3 % der Oxidschicht beträgt und kleiner als 2 1/2/ί
der Oxidschicht sein kann.
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Eine GaAs-Oxidschicht wurde im wesentlichen, wie nach Beispiel 1
gezüchtet. Bei diesem Boifipiel wurden jedoch die Elektronen
von einem Wolframfaden der in Fig. 1 dargestellten Art emittiert. Der Druck in der Elektronenerzeugungszone war 10""1" Torr.
während ein Sauerstoff druck von 2 χ 10""^ Torr in der Wechselwirkungszone
aufrechterhalten λ/urde. Ein Magnetfeld von annähernd 200 Gauss diente zur Einschnürung der Elektronen und
richtete diese auf das Substrat.
Auf InP, GaP und GaAlAs wurden Oxidschichten unter Verwendung der Apparatur nach Beispiel 1 auiwachsengelassen.
Eine Oxidschicht wurde auf der Oberfläche des in Fig. 6 dargestellten
Heterostruktur-Halbleiterkörpers unter Verwendung der Apparatur nach Fig. 1 gezüchtet. Bei diesem Beispiel bestand
die dem Elektronenfluß dargebotene Oberfläche aus Zonen verschiedener Halbleiterzusammensetzungen 61, wie diese in Fig.
dargestellt sind. Die speziell dargestellte HeteroStruktur arbeitet als ein Festkörperlaser. Die Zusammensetzung der Oxidschicht
60 ist an jedem betrachteten Punkt von der an diesem Punkt herrschenden Substratzusaiimensetzung abhängig. Je nach
dem darunterliegenden Substrat wurden geeignete Oxide gleich-
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zeitig auf dem Substrat gezüchtet, sie dienten als Passivierungszonen.
Diese Oxidschichten schützen das darunterliegende Substrat vor Verunreinigungen aus der Umgebung, während sie
das innerhalb des Lasers erzeugte Licht durchlassen.
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Claims (13)
1. Verfahren zum Züchten einer genetischen Halbleiteroxidschicht,
bei dem ein Halbleitersubstrat in einer Sauerstoffumgebung angeordnet und ein Elektronenstrahl auf das Substrat
hingelenkt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Sauerstoffumgebung bei einem Druck von weniger als
9 χ Λ0 Torr und die Dichte des Elektronenstrahls bei V/er-
R 1 ? ^5
ten zwischen 10 und 10 Elektronen pro cnr gehalten werden,
daß das Substrat gegenüber dem Elektronenstrahl unter einem Winkel (Θ) orientiert wird, der von weitgehend paralleler
bis zu weitgehend senkrechter Orientierung gegenüber
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München: R. Kramer Dip!.-Ing. . W. Weser Oipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat.
Wiesbaden: P. G Blu-nbach Dipi.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
dem Strahl reicht, und daß die Hinlenkung- der Elektronen auf
das Substrat durch eine positive Vorspannung des Substrates gegenüber der Elektronenquelle mit einer Spannung zwischen
0,2 und 500 Volt bewerkstelligt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannung auf zwischen 50 uucl
90 Volt gelegene Werte eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Hinlenkung der Elektronen auf
das Substrat hin des weiteren mit Hilfe eines Magnetfeldes von mehr als 50 Gauss bewerkstelligt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß als die Elektronenquelle
ein Faden verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektronen in einem
Plasma erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche des Halbleiters
im wesentlichen senkrecht zum Elektronenstrahl orientiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genetische Halbleiteroxidschicht
auf einem ausgewählten Teil der Halbleiteroberfläche niedergeschlagen wird, indem ein benachbarter Teil
der Halbleiteroberfläche vor dem Elektronenstrahl abgeschirmt wird, während der ausgewählte Teil der Halbleiteroberfläche
dem Elektronenstrahl ausgesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der benachbarte Teil der Halbleiteroberfläche
vor dem Elektronenstrahl mit Hilfe einer Schattenmaske abgeschirmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper gegenüber dem
Elektronenstrahl derart orientiert wird, daß ein Teil des Halbleiterkörpers selber als Schattenmaske den benachbarten
Teil der Halbleiteroberfläche vor dem Elektronenstrahl abschirmt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteroxidschicht
auf einem Verbindungshalbleiter gezüchtet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des Halbleiters
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von GaAs, GaP, InP und GaAlAs ausgegangen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e kennzeichnet , daß der Elektronenstrahl gegen
die Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit Heterostruktur
(Fig. 6) gerichtet wird.
13. Amorphe, genetische Halbleiteroxidschicht, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Verfahren nach den
Ansprüchen 1 bis 12 hergestellt worden ist.
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