DE2806766A1

DE2806766A1 - Molekularstrahl-epitaxieverfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2806766A1
Application number: DE19782806766
Authority: DE
Inventors: Chin-An Chang; Leroy Ligong Chang; Leo Esaki
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1978-12-07
Also published as: JPS5528544B2; IT7820149A0; IT1109159B; CA1102013A; FR2391769A1; FR2391769B1; GB1598051A; JPS53147462A

Description

28067öS

Anmelderin: International Business Machines j

Corporation, Armonk, N. Y. 10504 j

oe/se j

Molekularstrahl-Epitaxieverfahren und Vorrichtung zu · seiner Durchführung :

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufwachsen von ι Halbleiterschichten auf einem Substrat im Vakuum mittels der Molekularstrahl-Epitaxietechnik, bei dem mindestens ein mindestens ein aus Atomen oder Molekülen bestehendes Quell- j

material enthaltender, thermischer Molekularstrahl auf ;

das Substrat geleitet wird und eine Vorrichtung, insbeson- :

dere zur Durchführung dieses Verfahrens, in der eine das j

Substrat und die Anordnungen zum Erzeugen des oder der j

Quellmaterial enthaltenden Molekularstrahlen enthaltende Va- j

kuumkammer vorhanden ist. !

Die Molekularstrahl-Epitaxie ist ein Verfahren zum epitaxialen Aufwachsen insbesondere von Verbindungshalbleiterfilmen, bei dem ein oder mehrere thermische Molekularstrahlen mit einer kristallinen Oberfläche unter ültrahochvakuumbedingungen reagieren. Das Verfahren ist wohl bekannt.

Eine umfassende Diskussion des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens und der Vorrichtungen, um es durchzuführen, findet sich in der Veröffentlichung "Progress in Solid State Chemistry", Band 10, Teil 3, 1975, Seiten 157 ff., in dem Artikel "Molecular Beam Epitaxy" von A.Y. Cho und J.R. Arthur.

Eine weitere ausführliche Diskussion des Standes der Technik, die Molekularstrahl-Epitaxie betreffend, findet sich in dem Buch "Epitaxial Growth Part A^H der Materials Science Serien. In dem Artikel "Molecular-Beam Epitaxy" von L.L. Chang und R. Ludeke werden im Abschnitt 2.2 auf den Seiten 37 bis 72 YO 976 065

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die Theorie und die im Stand der Technik benutzten Verfahren abgehandelt.

Die mittels der bekannten Verfahren aufgewachsenen Schichten lassen bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit, der Elektronenbeweglichkeit, der Photolumineszenz usw. zu wünschen übrig, wodurch ihre Anwendbarkeit eingeschränkt ist.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um mittels der Molekularstrahl-Epitaxietechnik Halbleiterschichten derart auf einfache Weise aufzuwachsen, daß sie die für ihre Verwendung in der Halbleitertechnik notwendige Qualität aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs und mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 7 gelöst.

Die bekannten Schichten zeigen insbesondere deshalb nicht die wünschenswerte Qualität, weil Sauerstoff, dessen Anwesenheit in der Restgasatmosphäre in der Vakuumkammer unvermeidlich ist, in die Schichten während des AufWachsens eingebaut wird. Wasserstoff, welcher gemäß der Erfindung in die Vakuumkammer eingeleitet wird, reagiert mit dem Sauerstoff und entfernt ihn dadurch von der Oberfläche der aufwachsenden Schicht. Dadurch ist es möglich, Halbleiterschichten mit sehr vorteilhaften Eigenschaften zu erhalten. Durch das Einleiten einer geringen Menge Wasserstoff wird das bekannte Verfahren nur geringfügig geändert, so daß dessen Vorteile nach wie vor in vollem Umfang ausgenutzt werden können. Insbesondere ist sichergestellt, daß der Wasserstoff, schon wegen der geringen verwendeten Menge nicht seinerseits in irgendeiner Weise einen ungünstigen Einfluß auf die Eigenschaften der aufwachsenden Schichten hat. Bei der Konstruktion der Vorrichtung, welche vorteilhafterweise für YO 976 065

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die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt werden kann, gelang es, eine im wesentlichen vollständige Entfernung des Sauerstoffs sicherzustellen, aber trotzdem die Vorteile der bekannten Vorrichtung für die Molekularstrahl-Epitaxietechnik auszunutzen und eine Verschlechterung der Vakuumbedingungen zu vermeiden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand von durch eine Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Molekularstrahl-Epitaxiesystems, zu welchem Mittel zum Einlassen eines Wasserstoff-Strahls gehören.

Zunächst soll das Molekularstrahl-Epitaxiesystem beschrieben werden, welches in schematischer Darstellung in der Figur gezeigt ist und zu dem die Vakuumkammer 10, in welcher ein Ultrahochvakuum mittels Vakuumpumpen aufrechterhalten wird, gehört. Innerhalb der Kammer 10 ist eine Quelle 12, wie z.B. aus Gallium, Aluminium, Arsen oder Zinn gezeigt, es können jedoch auch, je nach der gewünschten Anwendung, mehr als eine Quelle aus den oben genannten oder anderen Materialien' in der Kammer vorhanden sein, wobei auch eine Mehrzahl von Quellen durch das Teil 12 repräsentiert werden soll. In der Kammer 12 befindet sich auch ein Substrat 20. Die soweit beschriebene und illustrierte Vorrichtung stellt ein konventionelles Molekularstrahl-Epitaxiesystem dar, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist. Es sei angemerkt, daß sich in einem solchen System bei der praktischen Anwendung noch ; mehrere andere Bauteile und Elemente befinden und angewandt j werden. Eine vollständigere Apparatur ist in der Fig. 1 \

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des oben erwähnten Artikels von Chang und Ludeke in dem Buch "Epitaxial Growth Part A" gezeigt, wobei zu der dort gezeigten Apparatur Elemente wie z.B. Quellenheizungen, Abdeckbleche für die Quelle bzw. die Quellen und das Substrat bzw. die Substrate, Substrathalter, Substratheizungen, Elektronenstrahlkanonen, Ummantelungen, Abschirmungen und andere im Stand der Technik bekannte Teile eines funktionsfähigen Systems_{gehören. Diese Elemente sind in der Zeichnung der Einfachheit halber weggelassen worden, da ihre Funktionsweise und ihr Zweck wohl bekannt sind.

Neu in dem Molekularstrahl-Epitaxiesystem in der Zeichnung ist die Wasserstoffquelle 14, welche dazu benutzt wird, um einen Wasserstoffstrahl, gesteuert durch das Ventil 16 über eine Leitung in die Vakuumkammer einzulassen. Der Wasserstoff strahl kann, wenn dies gewünscht wird, durch die Atomisier- oder Ionisiervorrichtung 18 atomisiert bzw. ionisiert werden.

Der Ausdruck "Molekularstrahl-Epitaxie" wird benutzt, um das epitaxiale Aufwachsen von Filmen insbesondere aus Verbindungshalbleitern mittels eines Verfahrens zu beschreiben, welches die Reaktion von einem oder mehreren thermischen Molekularstrahlen mit einer kristallinen Oberfläche unter Ultrahochvakuumbedingungen beinhaltet.

Ein Molekularstrahl wird als ein gerichteter Strahl von neutralen Molekülen oder Atomen in einem Vakuumsystem definiert. Die Strahldichte ist gering und das Vakuum hoch, so daß Zusammenstöße zwischen den Strahlmolekülen und zwischen dem Strahl und dem Restgas nicht in nennenswertem Umfang vorkommen. Der Strahl wird im allgemeinen durch Erhitzen einer ι Festsubstanz, welche in einer Effusionszelle enthalten ist, ! erzeugt. Die Austrittsöffnung der zelle ist klein im Vergleich zu der mittleren freien Weglänge des Dampfes in der

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Zelle, so daß der Molekülfluß in die Vakuumkammer hinein durch Effusion erfolgt. In der Zelle existiert ein Quasi-Gleichgewicht, so daß sowohl die Dampfzusammensetzung als auch die Effusionsgeschwindigkeiten des Strahls im Gegensatz zu dem bei der freien Verdampfung vorliegenden Fall konstant und thermodynamisch vorhersagbar sind.

Der Strahl wird durch die Austrittsöffnung und möglicherweise durch andere Spalte oder Abdeckbleche auf ein Substrat geleitet, wo die Situation im allgemeinen weit von einem Gleichgewicht entfernt ist. Unter den richtigen Bedingungen, welche hauptsächlich von der Kinetik bestimmt sind, wird der Strahl kondensieren und als Folge davon wird Keimbildung und Kristallwachstum stattfinden.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 wird noch einmal festgestellt, daß die konventionellen Teile, welche in einem typischen Molekularstrahl-Epitaxiesystem Anwendung finden, wie z.B. Ionenpumpen, Sublimationspumpen, Ummantelungen für die Aufnahme von flüssigem Stickstoff, Quellenöfen, d.h. resistiv geheizte Effusionszellen, welche z.B. aus Graphit oder Bornitrid bestehen, Thermoelemente, Quellen- und Substratabdeckbleche und Substrathalter, in der Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen sind, da die Funktionsweise eines solchen Systems in der zum Stand der Technik gehörenden Literatur gut erklärt ist.

Das Substrat 20 besteht üblicherweise aus einem einkristallinen Material, das gereinigt, poliert und geätzt worden ist. Es kann, muß aber nicht, aus demselben Material wie dasjenige bestehen, welches niedergeschlagen werden soll. Man wird dies davon abhängig machen, ob Homoepitaxie (homoepitaxy) gewünscht wird oder nicht. Das Substrat 20 wird während des AufWachsens auf erhöhten Temperaturen gehalten, welche üblicherweise für das epitaxiale Wachstum notwendig

sind. Es kann auch vor dem Aufwachsen hauptsächlich zum YO 976 065

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Zwecke der Reinigung und nach dem Aufwachsen zur Durchführung verschiedener Wärmebehandlungen erhitzt werden.

In der vorliegenden Beschreibung repräsentiert das Teil entweder ein einzelnes Quellmaterial oder eine Vielzahl von Quellmaterialien, welche dazu benutzt werden können, entweder vielschichtige oder Verbindungshalbleiter-Filme zu erzeugen und die oben erwähnten Teile der Vorrichtung, wie z.B. Heizungen, Thermoelemente und Ummantelungen.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, das Molekularstrahl-Epitaxieverfahren und die zugehörige Vorrichtung zu verbessern, wozu ein Wasserstoffstrahl eingelassen wird, was zur Folge hat, daß sich die Oberflächenglätte des Materials, die Elektronenbeweglichkeit, die Photolumineszenz und die Einlagerung von Dotierungsstoffen verbessert. Der Wasserstoffstrahl wird von einer Wasserstoffquelle 14 erzeugt, welche selektiv Wasserstoff in die Kammer 10 durch das Ventil 16 und die Austrittsöffnung 18 liefert. Das Eindringen von Wasserstoff bei dem Molekularstrahl-Epitaxieverfahren verbessert die Ergebnisse aus den folgenden Gründen. Eines der ernstesten Hindernisse, die maximale Qualität von mittels Molekularstrahl-Epitaxie gewachsenen Proben zu erreichen, ist die Anwesenheit von Sauerstoff. Wenn Sauerstoff in die aufgewachsenen Filme eingebaut wird, bildet es tiefliegende Niveaus, welche die Wirkung von Fallen für Ladungsträger haben und die elektronischen Eigenschaften der gewachsenen Filme stark beeinflussen. Das Sauerstoffproblem ist bei der Anwesenheit von Al, beispielsweise beim Aufwachsen von GaAlAs, welches ein allgemein gewünschtes Material ist, besonders ausgeprägt. Um das Sauerstoffproblem zu überwinden, wendet die vorliegende Erfindung das Einlassen von Wasserstoff an, um den Sauerstoff von der Oberfläche während des Aufwachsens zu entfernen. Bei der Untersuchung von zwei aufgewachsenen

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GaAlAs-Proben, wobei beim Aufwachsen der einen Probe mit Waserstoffzusatz und beim Aufwachsen der anderen Probe ohne Wasserstoffzusatz gearbeitet worden war, wurde gefunden, daß /die unter Wasserstoffzusatz aufgewachsene Probe im Vergleich zur anderen Probe einen dreifachen Anstieg in der gemessenen Ladungsträgerkonzentration und einen 5fachen Anstieg in der Elektronenbeweglichkeit aufwies. Die Zunahme in der Ladungskonzentration ist normalerweise mit einer Abnahme der Elektronenbeweglichkeit verbunden. Ein zusätzlich gemessenes Ergebnis beim Vergleich der beiden Proben war eine 1Ofache Zunahme in der Photolumineszenz.

:Bei einer typischen Ausbildung des erfindungsgemäßen Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens liegt der Wasserstofffluß von

i ■

der Quelle 14 in die Kammer 10, welcher mittels des Ventils

14 15 ⁱ

,16 gesteuert wird, zwischen etwa 10 und etwa 10 Molekülen j ;pro cm (der dem Strahl ausgesetzten Substratoberflächejund : Sekunde. Im Vergleich dazu liegt der auftreffende Gallium- ; fluß bei 4 . 10 Atomen pro cm und Sekunde, wenn die Auf- j :wachsgeschwindigkeit von GaAs bei 2 8 pro Sekunde liegen j

j Isoll. D.h. daß der Wasserstofffluß bei einem Wert gehalten j 'wird, welcher etwa doppelt so groß ist wie der des Galliums. ,Natürlich kann der Wasserstofffluß entsprechend der Βρει ziellen Geometrie des Molekularstrahl-Epitaxiesystems, j welches benutzt wird, eingestellt werden, um den gewünschten ! !Wasserstofffluß zu erhalten. j

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Leerseite

Claims

PAT ENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Aufwachsen von Halbleiterschichten auf einem Substrat im Vakuum mittels der Molekularstrahl-Epitaxietechnik, bei dem mindestens ein mindestens ein aus Atomen oder Molekülen bestehendes Quellmaterial enthaltender thermischer Molekularstrahl auf das Substrat geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aufwachsende Schicht einem Wasserstoffstrahl ausgesetzt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quellmaterial mindestens ein Material aus der Gruppe Ga, Al, As und Sn verwendet wird»

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffmenge auf die Menge des auf das Substrat auftreffenden Quellmaterials abgestimmt wird.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer auf das Substrat auftreffenden Ga-Menge von

a 14

14 2
etwa 4 · 10 Atomen/cm · Sekunde die Anzahl der auftreffenden H₀-Moleküle auf einen Wert zwischen 10

1 κ ο
und 10 /cm · Sekunde eingestellt wird.

Verfahren nach Anspruch 4„ dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis zwischen auftreffenden Ga-Atomen und H₂-Molekülen auf etwa 1:2 eingestellt wird.

Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei der Herstellung von mehrschichtigen oder Verbindungshalbleiter-Filmen.

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ORIGINAL

7. Vorrichtung zum Aufwachsen von Halbleiterschichten auf j ein Substrat, insbesondere unter Anwendung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, in der eine das Substrat und die Anordnungen zum Erzeugen des oder der Quellmaterial enthaltenden Molekularstrahlen enthaltende Vakuumkammer vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserstoffquelle (14) und Mittel vorhanden sind, um kontrollierte Mengen Wasserstoff aus der Quelle (14) in die Vakuumkammer

; (10) einzulassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel so ausgebildet sind, daß der Wasserstoff

! in Form eines auf das Substrat gerichteten Strahls aus i einer in der Vakuumkammer (10) befindlichen Austritts- ! Öffnung (18) strömt.

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