DE2813250A1

DE2813250A1 - Verfahren zur herstellung von verbindungshalbleiterchips

Info

Publication number: DE2813250A1
Application number: DE19782813250
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Morimoto
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1977-04-05
Filing date: 1978-03-28
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2813250C2; US4147573A; JPS5653204B2; JPS53123659A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbindüngshalbleiterchips, indem man einen Verbindungshalbleiter epitaxial .auf einem einkristallinen Substrat, bestehend :aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV, aufwachsen lässt.

Bei Verbindurigshälbleitern kann der Bandabstand oder die Energielücke -zwischen/den Bändern nach Wunsch durch Veränderung der Srt "und der Zusammensetzung der Verbindungsbestandteile geändert Werden. Beispielsweise kann eine lichtemittierende Diode unter Verwendung solch eines Verbindungshalbleiters hergestellt werden derart, dass die Diode Licht beliebiger Wellenlänge im Bereich von Rot bis Grün emittieren kann, wobei die Wellenlänge durch⁷ die Zusammensetzung des Verbindungshalbleiters bestimmt ist.Ändere Arten von Verbindungshalbleitern mit einer sehr hohen Eilektronenbeweglichkeit sind als ültrahochfrequenzeinrichtungen

Die genannten Verbindungshalbleiter haben jedoch den Nachteil, dass :die^; Verfahren zur Herstellung der Kristallschichten kompll zierte-utid hochentwickelte Techniken erfordern, und dass die Materialien teuer sind. Folglich sind die aus Verbindungshalbleitern bestehenden einkristallinen Chips sehr teuer, und es ist ausserordentlich schwierig, Chips mit grosser ^Flache zu erzeugen, was auf die mit den Herstellungstechniken verbundenen Einschränkungen zurückzuführen ist.

Sb werden beispielsweise lichtemittierende Dioden aus Galliumphosphid (GaP) ,die grünes Licht emittieren, gewöhnlich dadurch !hergestellt, dass man eine epitaxiale Schicht aus GaP auf .einem GaP-Substrat oder einem GaAs-Substrat aufwachsen lässt,-wobei man die kristalline Schicht aus der Dampfphase

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oder aus der flüssigen Phase epitaxial wachsen lässt. Sodann bildet man einen pn-übergang in dieser epitaxialen Schicht aus. Das GaP-Substrat oder das GaAs-Substrat ist jedoch sehr teuer und kann nicht in grossflächigen Chips hergestellt werden. Daher ist das Produkt des bekannten Verfahrens' sehr teuer. Ferner ist es bei der Herstellung einer epitaxialen Schicht nach dem oben beschriebenen Verfahren gewöhnlich erforderlich, das Substrat auf einer hohen Temperatur, normalerweise bei etwa 9oo° C oder mehr, zu halten. Solch eine hohe Temperatur des Substrats bewirkt jedoch, dass der Verbindungshalbleiter, beispielsweise der Ill-V-Verbindungshalbleiter, zerfällt, und dass. das. Verbindungshalbleiterelement der Gruppe V entweicht. Daher wird die erzeugte Halbleiterverbindung in ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung falsch. Aus diesem Grund ist es erforderlich, das Element der Gruppe V in einem Bereich mit relativ hohem Druck zu halten, um das Entweichen dieses Elements zu verhindern. Dies macht jedoch Schwierigkeiten, so dass das Herstellungsverfahren für Verbindungshalbleiter sehr kompliziert wird.

Um billige und grossflächige GaP-Chips herzustellen, hat man versucht, als Substrat ein Halbleiterelement der Gruppe IV, beispielsweise Silicium oder Germanium, zu verwenden. Aus diesen Materialien können grosse und in ihrer Qualität gute Chips leicht und billig hergestellt werden. In diesem Fall treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn man eine kristalline Schicht mit hoher Qualität auf einem solchen Substrat ausbilden will, weil die Gitterkonstante, der thermische Ausdehnungskoeffizient und andere Parameter des Substrats sich von den entsprechenden Parametern der epitaxial abzuscheidenden Schicht, beispielsweise GaP, unterscheiden. Die auf solch einem Substrat abgeschiedene epitaxiale Schicht neigt auch dazu, sich mechanisch von dem Substrat zu lösen.

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Ausserdem ist es bei dem herkömmlichen Verfahren erforderlich, das Substrat "auf einer hohen Temperatur während des epitaxialen AufwachsVerfahrens zu halten, so dass das Silicium oder das Germanium in dem Substrat dazu neigt, in die epitaxiale Schicht hineinzudiffundieren, so dass die elektrischen Eigenschaften der epitaxialen Schicht beeinträchtigt werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungshalbleiterchips anzugeben, durch das eine epitaxiale Schicht mit hoher Kristallqualität aus einem Verbindungshalbleiter auf einem Substrat, bestehend aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV, gebildet ;werden kann.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist in dem Hauptanspruch gekennzeichnet, während die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens charakterisieren. Das erfindungsgemässe Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. Der Verbindungshalbleiterchip kann billig, grossflächig und mit hoher Qualität hergestellt werden. Der erfindungsgemäss hergestellte Verbindungshalbleiterchip kann ohne komplizierte Verfahrensschritte und ohne komplizierte Vorrichtungen mit einer vorgegebenen stöchiometrischen Zusammensetzung hergestellt werden. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird die Herstellung von Verbindungshalbleiterchips vereinfacht und die Produktionszeit verkürzt. ""*;

Einige Gesichtspunkte des erfindungsgemässen Verfahrens können wie folgt zusammengefasst werden. Zunächst wird ein einkristallines Substrat, bestehend aus einem halbleitenden Element der Gruppe IV, verwendet. Die Oberfläche des Substrats wird durch die sog. Ionenstrahlätzung gereinigt, wobei die Oberfläche des Substrats mit Ionenstrahlen eines inerten Gases bombadiert wird. Die Verbindungsbestandteile des Verbindungshalbleiters

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werden getrennt in mehreren Tiegeln aufgeheizt und verdampft, um die Verbindungsbestandteile in die Dampfphase zu überführen. Die Dämpfe der Verbindungsbestandteile werden in einen Hochvakuumsbereich mit einem Druck von I/loo oder weniger des Drucks der Dämpfe der Verbindungsbestandteile eingösprüht, um Atomgruppen oder Agglomerate aus den Verbindungsbestandteilen zu bilden. Die Agglomerate werden ionisiert, um ionisierte Agglomerate zu bilden. Den ionisierten Agglomerate^ wird eine zusätzliche kinetische Energie erteilt, indem man sie ein elektrisches Feld durchlaufen lässt, so dass die Agglomerate auf die gereinigte Oberfläche des Substrats auftreffen, wo die ionisierten Agglomerate zusammen mit den nichtionisierten Agglomeraten abgeschieden werden und die gewünschte Dünnschicht bilden.

Ein Ausführungsbeispiel· der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird nun anhand der beiliegenden Fig.1 beschrieben, die eine schematische Seitenansicht ist.

Es ist ein Substrathalter 1 vorgesehen, um ein einkristallines Substrat 2 aus einem Element der Gruppe IV, beispielsweise aus Silicium (Si), zu halten. In im wesentlichen geschlossenen Tiegeln 3a und 3b sind die zu verdampfenden Materialien 5a und 5b enthalten, die aus den Bestandteilen des Verbindungshalbleiters oder aus diese Bestandteile enthaltenden Verbindungen bestehen und die verdampft werden, um den Verbindungshalbleiter in epitaxialem Wachstum zu erzeugen. Die Tiegel 3a und 3b haben Injektionsdüsen 4a bzw» 4b mit kleinem Durchmesser. Die Tiegel 3a und 3b werden dazu verwendet, die darin befindlichen Materialien 5a und 5b aufzuheizen und zu verdampfen. Zu diesem Zweck können die Tiegel 3a und 3b beispielsweise durch direkte Widerstandsheizung beheizt werden, wobei man einen grossen Strom direkt durch die Tiegel 3a und 3b, die aus einem Widerstandsmaterial bestehen, fHessen lässt, um diese aufzuheizen. Man kann auch eine Widerstandsheizung verwenden,

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bei der Heizelemente um die Tiegel 3a und 3b herum angeordnet sind, um die Tiegel aufzuheizen. Eine weitere Möglichkeit ist die Aufhiezung durch Elektronenbeschuss, bei dem die Tiegel zur Aufheizung mit Elektronen bombadiert werden. Eine weitere Möglichkeit ist schliesslich die Hochfrequenz-Induktionsheizung, bei der die Tiegel 3a und 3b oder die zu verdampfenden Materialien 5a und 5b durch Hochfrequenz—Induktion aufgeheizt werden.

Die Ionisatxonsbereiche 6a und 6b sind in der Nähe der Tiegel 3a und 3b vorgesehen, um die in diesem Raum vorhandenen Agglomerate zu ionisieren, wie noch beschrieben wird. In den Ionisationsbereichen sind Heizdrähte 7a und 7b vorgesehen, die bei einer Beheizung Thermionen emittieren. Das Substrat 2 wird von einer Hiezung 8 auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt. Um die Dicke einer aus dem Verbindungshalbleiter bestehenden Dünnschicht, die epitaxial auf dem Substrat 2 gewachsen ist, zu messen, ist ein Dicken-Messgerät 9 vorgesehen. Zum Abschirmen des Substrats 2 gegen die darauf auftreffenden ionisierten Agglomerate, falls eine solche Abschirmung erforderlich ist, ist ein Verschluss 1o vorgesehen. Die Teile der Vorrichtung, die im Betrieb im Vakuum liegen sollen, sind unter einer Glocke 11 angeordnet, die über einen O-Ring 13 luftdicht auf einer Grundplatte 12 gelagert ist. Die Vakuumglocke 11 wird durch eine Evakuierungsöffnung 14 bis auf Hochvakuum evakuiert.

Als Stromquellen, um den Tiegeln 3a und 3b den zur Aufheizung erforderlichen grossen Strom zuzuführen, sind die Stromquellen 15a und 15b vorgesehen. Um die elektrischen Felder zwischen dem Tiegel 3a und dem Elektrodenteil 17a des Heizdrahtes 7a und zwischen dem Tiegel 3b und dem Elektrodenteil 17b des Heizdrahtes 7b zu erzeugen, sind Spannungsquellen 16a und 16b angeschlossen. Die genannten elektrischen Felder beschleunigen die für die Ionisation erforderlichen Elektronenströme. Als Schutz

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gegen einen übermässigen Strom sind Schutzwiderstände Ra und Eb vorgesehen. Die Heizdrähte 7a und 7b sind^ an einer Stromquelle 17 angeschlossen. Eine Beschleunigungsspannungsquelle 18 dient dazu, ein elektrisches Feld zur Beschleunigung der ionisierten Agglomerate zwischen den Elektrodenteilen 17a und 17b und dem Substrathalter 1 zu erzeugen. Wenn der Substrathalter 1 aus einem isolierenden Material besteht oder wenn die Verwendung des Substrathalters 1 als Elektrode unerwünscht ist, kann die Beschleunigungsspannungsquelle 18 zwischen den Elektrodenteilen 17a und 17b und einer Elektrode angeschlossen sein, die an einer geeigneten Stelle zwischen dem Substrathalter

1 und den Ionisationsbereichen 6a und 6b angeordnet ist.

Zur Stromversorgung der Heizung 8 zum Aufheizen des Substrats

2 ist eine Stromquelle 2o vorgesehen. Ein Tiegel 22 ist an einer geeigneten Stelle in der Glocke 11 angeordnet, um eine Dotierungssubstanz 21, beispielsweise einen Donor, zu verdampfen. Die Dotierungssubstanz 21 wird dazu verwendet, den Leitfähigkeitstyp der Verbindungshalbleiter-Dünnschicht zu kontrollieren, die epitaxial auf dem Substrat 2 wächst. Der Tiegel 22 ist mit einer Heizung 2 3 versehen, die von einer Stromquelle 24 versorgt wird.

Ein Gas-Zuleitungsrohr 25 ist dazu vorgesehen, um ein inertes Gas, beispielsweise Argon, einzuführen, welches bei der Ionenstrahlätzung verwendet wird, wodurch die Oberflädhe des Substrats 2 als Vorbehandlung des Substrats gereinigt wird. Durch das Gas-Zuleitungsrohr kann auch Stickstoff oder Sauerstoff eingeführt werden, wobei¹ diese Gase zusammen mit der Dotierungssubstanz 21 Strahlungs-RekombinationsZentren bilden, wenn beispielsweise Halbleiterchips zur Herstellung von lichtemittierenden Dioden aus GaP hergestellt werden sollen.

Auf den Aussenflächen der Wände der Tiegel 3a und 3b sind Tem-

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peraturfühler 26a und 26b vorgesehen, um die Temperaturen der Tiegel 3a bzw. 3b zu messen. An dem Substrat 2 und an dem Tiegel 22 sind ebenfalls Temperaturfühler 27 bzw. 28 vorgesehen, um die Temperaturen dieser Teile zumessen. Die Ausgangssignale der Temperaturfühler 26a und 26b werden Temperaturreglern 29a bzw. 29b zugeführt, die die Ausgangsleistungen der zur Behiezung der Tiegel vorgesehenen Stromquellen 15a und 1:5b entsprechend den Abweichungen der gemessenen Temperaturen von den Solltemperaturen regeln, so dass die Tiegel 3a und 3b auf den eingestellten Temperaturen gehalten werden. Auf ähnliche Weise werden die Ausgangssignale der Temperaturfühler 27; und 28 Temperaturreglern 3o bzw. 31 zugeführt, die die Ausgangsleistungen der Stromquellen 2o und 24 so regeln, dass die Temperaturen des Substrats 2 und des Tiegels 22 auf den eingestellten Werten gehalten werden.

Ein Vakuummessgerät 32, beispielsweise ein Ionisations-Messgerät, dient dazu, das Vakuum in der Glocke 11 zu messen. Die Tiegel 3a und 3b sind mit Tiegelmänteln 33a und 33b versehen, um die,Tiegel zu kühlen und thermisch abzuschirmen, so dass die Temperaturen der Tiegel 3a und 3b genau gesteuert werden können und der Einfluss der Tiegel auf andere Teile der Apparatur auf ein Minimum herabgesetzt wird.

Mit der oben beschriebenen Vorrichtung wird das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Verbindungshalbleiter-Chips wie folgt durchgeführt:

Zunächst wird^: das einkristalline Substrat 2, welches aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV, beispielsweise aus Silicium oder Germanium, besteht, auf dem Substrathalter 1 befestigt. Die zu verdampfenden Materialien 5a und 5b, die aus den Bestandteilen des herzustellenden Verbindungshalbleiters bestehen oder diese Bestandteile enthalten, werden in die Tiegel 3a bzw. 3b

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-Ιο-

eingefüllt. Wenn beispielsweise ein III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt werden soll, wird Gallium oder Indium in den Teigel 3a und Phosphor oder Arsen in den Tiegel 3b eingefüllt. Des weiteren wird die Dotierungssubstanz 21, die zur Festlegung des Leitfähigkeitstyps der Verbindungshalbleiter-Dünnschicht verwendet wird, die epitaxial auf dem Substrat 2 gezogen wird, in den Tiegel 22 eingeführt. Wenn das Substrat 2 ein η-Halbleiter ist, ist der auf dem Substrat 2 gezogene Halbleiter ebenfalls ein η-Halbleiter. Wenn daher ein III-V-Verbindungshalbleiter hergestellt werden soll, wird beispielsweise Schwefel oder Selen in den Tiegel 22 als Dotierungssubstanz eingeführt, wobei diese Elemente als Donoren in dem III-V-Verbindungshalbleiter wirken. Dann wird die Glocke 11 durch das Vakuumsystem (nicht gezeigt) auf ein Hochvakuum evakuiert,

_2
so dass ein Druck von 1o Torr oder weniger, vorzugsweise

-4
1o Torr oder weniger, herrscht.

Dann wird eine geringe Menge eines inerten Gases, beispielsweise Argon, in den Ionisationsbereich 6a eingeführt, so dass das

Vakuum in der Glocke 11 einen Wert von 1 bis 1o Torr erreicht, wenn das Vakuum in der Glocke ursprünglich etwa 1o Torr war. Dann wird der Heizdraht 7a durch die Stromquelle 17 aufgeheizt, so dass er Thermionen abgibt. Gleichzeitig wird durch die Spannungsquelle 16a ein Elektronenstrom von dem Heizdraht 7a zu dem Ionisierungsbereich 6a erzeugt. Durch diesen Elektronenstrom wird das in den Ionisationsbereich 6a eingeführte inerte Gas ionisiert. In diesem Fall führt eine Erhöhung der Menge an inertem Gas, welches in den Ionisationsbereich 6a eingeführt wird, zu einer Glimmentladung zwischen dem Heizdraht 7a und dem Ionisationsbereich 6a, so dass der Ionisierungswirkungsgrad des eingeführten inerten Gases erheblich verbessert wird. Andererseits bewirkt die Glimmentladung, dass ein grosser Strom zwischen dem Heizdraht 7a und dem Ionisationsbereich 6a fliesst. Dieser Strom wird jedoch durch den Widerstand Ra begrenzt, so dass er keinen schädlichen Einfluss auf

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den Heizdraht 7a, den Ionisationsbereich 6a und die Stromquelle 16a hat.

Wenn der Verschluss 1o sodann geöffnet wird, wird das ionisierte inerte Gas durch die Beschleunigungsspannungsquelle 18, die zwischen dem Heizdraht 7a und dem Substrathalter 1 angeschlossen ist, in Richtung auf das Substrat beschleunigt, wobei dem ionisierten inerten Gas kinetische Energie erteilt wird. Das beschleunigte Gas trifft sodann auf die Oberfläche des Substrats 2 auf, wobei diese Oberfläche durch Ätzen gereinigt wird. Bei diesem Verfahren ist die Zeit, die zum Ätzen erforderlich ist, vorzugsweise etwa 1o bis 3o Minuten. Die erforderliche Zeit hängt von dem Ionisierungsstrom für das inerte Gas, der Spannung der Beschleunigungsspannungsquelle 18 und anderen Parametern ab.

Bei dem beschriebenen Verfahren zum Reinigen der Oberfläche des Substrats 2 durch Ionenstrahlätzung kann es vorkommen, dass an dem Substrat 2 eine Deformation oder dergleichen erzeugt wird. Daher wird gewöhnlich der Verschluss 1o geschlossen und die Heizung 8 durch die Stromquelle 2o eingeschaltet, so dass das Substrat 2 auf eine Temperatur von 5oo°C bis 1ooo C aufgeheizt wird, um die Deformation oder dergleichen auszuheilen oder eventuelle Spannungen zu beseitigen.

Danach wird das inerte Gas, beispielsweise Argon>.;welches während der vorangegangenen Verfahrensschritte in die Glocke 11 eingeführt worden ist, aus der Glocke durch die Evakuierungsöffnung 14 evakuiert, so dass der Innenraum der Glocke 11 wieder

_2 auf das ursprüngliche Vakuum mit einem Druck von 1o Torr oder

-4
weniger, vorzugsweise 1o Torr oder weniger, gebracht wird.

Dann werden die Tiegel 3a und 3b durch die Stromquellen 15a und 15b geheizt ,um die zu verdampfenden Materialien 5 a und 5b, die

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in den Tiegeln vorhanden sind, zu verdampfen. Wenn die Ver— bindungsbestandteile, die in den Tiegeln 3a und 3b vorhanden sind, beispielsweise Gallium bzw. Phosphor sind, wird der Tiegel 3a vorzugsweise auf 137o°C und der Tiegel 3b vorzugsweise auf etwa 31o C aufgeheizt, und der Dampfdruck' des Phosphors in dem Tiegel 3b wird etwa auf dem zehnfachen Druck von dem Druck des Galliums in dem Tiegel 3a gehalten, so dass die von der Oberfläche des Substrats wieder abdampfende Phosphormenge kompensiert wird.

Die Temperaturen der Tiegel 3a und 3b werden von den Temperaturfühlern 26a bzw. 26b gemessen. Die Ausgänge der Temperaturfühler 26a bzw. 26b werden den Temperaturreglern 29a bzw. 29b zugeführt, die die Ausgangsleistungen der Stromquellen 15a und 15b entsprechend den Abweichungen der Messwerte von den Sollwerten regeln, so dass die Temperaturen der Tiegel 3a und 3b unabhängig voneinander auf den vorgegebenen Werten gehalten werden können. Daher werden Dampfdrücke der zu verdampfenden Materialien 5a und 5b automatisch gesteuert, so dass sie auf den jeweils erforderlichen, vorgegebenen Werten gehalten werden können.

Sodann werden die Dämpfe Am und Bm der zu verdampfenden Materialien 5a und 5b, die in den Tiegeln 3a bzw. 3b erzeugt werden, durch die Injektionsdüsen 4a und 4b in die Ionisierungsbereiche 6a und 6b strahlartig eingesprüht. Die I<onisationsbereiche 6a und 6b, die auch als Ionisationskammern bezeichnet werden können, werden auf einem Hochvakuum mit einem Druck von 1/1oo oder weiliger der Dampfdrücke der Dämpfe Am bzw. Bm gehalten. Wenn die Dämpfe Am und Bm aus den Injektionsdüsen herausgesprüht werden, werden sie durch adiabatische Expansion unterkühlt, so dass sie Agglomerate Ac bzw. Bc bilden. Die Agglomerate Ac und Bc sind Atomgruppen, die normalerweise aus etwa I00 bis 2ooo Atomen bestehen, die durch van der Waals-

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Kärfte lose zusammengehalten werden. Es ist nicht zwingend notwendig, dass die gesamte Menge der Dämpfe Am -und Bm, die aus den Injektionsdüsen abgesprüht werden, in Agglomerate Ac und ;Bc verwandelt werden. Daher sind auch Moleküle oder Atome der jeweiligen Substanzen vorhanden. Diese Bestandteile haben jedöeh keinen Einfluss auf die Arbeitsweise der Vorrichtung oder den Effekt des erfindungsgemässen Verfahrens.

Die auf/diese Weise gebildeten Agglomerate Ac und Bc bewegen sich.durch die Tonisationsbereiche 6a und 6b in Richtung aufdas Substrat 2 weiter. Sie bilden dabei Agglomeratstrahlen aufgründ der kinetischen Ernergie und der Bewegungsrichtung, ;die ihnen beim Aussprühen aus den Injektionsdüsen erteilt wurde* ϊ-';■■-■' ; '■: .-■■- ■;'■

Inzwischen emittieren die Heizdrähte 7a und 7b, die durch die •Stromquelle 17 versorgt werden, Thermionen, die unter der Wirkung der Spannungsquellen 16a und 16b zu Elektronenströmen ζΐΐΞ ammenge fas st werden, die von den Heizdrähten 7a und 7b zu den Ionisationsbereichen 6a und 6b fHessen, durch die die Agglomerate Ac und Bc hindurchtreten. Auf diese Weise werden die-; Agglomerate Ac und Bc mit den Thermionen der Elektronenströme bombadiert. Wenn wenigstens eines der Atome in einem Agglomerat Ac öder Bc ionisiert wird, wird das Agglomerat in ein; ionisiertes Agglomerat umgewandelt, mit anderen Worten werden die Agglomerate Ac und Bc in ionisierte Agglomerate Ai bzw. Bi verwandelt.

Wenn nun der Verschluss 1 ο offen ist, werden die ionisierten-Agglomerate Ai und Bi durch ein elektrisches Feld, welches von der Beschleunigungsspannungsquelle 18 aufgebaut wird, in Richtung auf das Substrat 2 beschleunigt, wobei sie eine grosse -kinetische Energie erhalten. Dadurch schlagen die ionisierten Agglomerate Ai und Bi auf dem Substrat 2 zusammen mit den neu-

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tralen Agglomeraten Ac und Bc, die in den Ionisierungsbe— reichen 6a und 6b nicht ionisiert wurden, auf ^ Die neutralen Agglomerate Ac und Bc, die auf dem Substrat 2 auftreffen, haben die kinetische Energie, die den Dämpfen beim Aussprühen aus den Injektionsdüsen 4a bzw. 4b erteilt wurde, Das Substrat 2 wird auf einer Temperatur gehalten, die für das e'pitaxiale Wachstum des gewünschten Verbindungshalbleiters auf dem Substrat 2 erforderlich ist, beispielsweise auf einer Temperatur zwischen 5oo°C und 6oo°C. Zum Auft dient, wie bereits erwähnt, die Heizung

ratur zwischen 5oo°C und 6oo°C. Zum Aufheizen des Substrats

Die kinetische Energie der ionisierten Agglomerate Ai unc Bi und die kinetische Energie der neutralen Agglomerate Ac und Bc, die auf dem Substrat 2 auftreffen, wird zum Teil in Sputter-Energie, Wärmeenergie und dergleichen umgewandelt. Bei der Anfangsstufe des Verfahrens wird die Oberfläche des Substrats 2 abgesputtert, so dass atomare Teile des Substratmaterials auf dem Substrat 2 zusammen mit den ionisierten Agglomeraten Ai und Bi und den neutralen Agglomeraten Ac und Bc, die auf dem Substrat auftreffen, erneut abgeschieden werden, um eine sog. Zwischenschicht zu bilden, so dass eine Fehlabstimmung zwischen dem Substrat 2 und der darauf epitaxial wachsenden Schicht auf ein Minimum herabgesetzt werden kann.

Die erwähnten Effekte ermöglichen es, eine Dünnschicht hoher Qualität epitaxial auf dem Substrat aufwachsen zu lassen, wobei die Dünnschicht eine andere Gitterkonstante und andere thermische Ausdehnungskoeffizienten hat als das Substrat. Dies ist bekanntlich mit den herkömmlichen Techniken schwierig.

Ausserdem wird durch die Wärmeenergie, die aus der Umsetzung der kinetischen Energie der neutralen und ionisierten Agglomerate stammt, das Substrat 2 örtlich aufgeheizt _r so dass die Epitaxial-Temperatur wirksam aufrecht erhalten werden kann. Zusätzlich werden die ionisierten Agglomerate Ai und Bi und

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die neutralen Agglomerate Ag und Bc durch die kinetische Energie, die sie beim Aufschlagen auf die Oberfläche des "■"Substrats 2 haben, iii ihre atomaren Bestandteile zerlegt. Die atomaren Bestandteile wandern dann an der Oberfläche des Substrats 2 entlang, wobei die Bildung der Dünnschicht erleichtert wird. Insbesondere verbinden sich die Verbindungsbestandteile, die in den ionisierten Agglomeraten Ai und Bi bzw. den neutralen Agglomeraten Ac und Bc vorhanden sind, chemisch miteinander, um eine epitaxiale Schicht E aus dem Verbindungshalbleiter, beispielsweise Galliumphosphid (GaP), zu bilden. Die Verbindungshalbleiter-Dünnschicht hat ausgezeichnete Kristalleigenschaften und eine hohe Haftung an dem Substrat 2 sowie eine starke Bindung zwischen den Atomen der Schicht selbst.

Kurz gesagt wirken der Sputtereffekt, der durch die ionisierten Agglomerate Ai und Bi und die neutralen Agglomerate Ac und Bc bewirkt wird, um eine ausgezeichnete Abscheidungsoberfläche zu erzeugen, und der Oberflächenwanderungseffekt, der beim Auftreffen der Agglomerate auf die Substratoberfläche auftritt, in der Weise zusammen, dass eine epitaxiale Dünnschicht E aus dem gewünschten Verbindungshalbleitermaterial erzeugt wird, die eine ausgezeichnete Kristallqualität und eine hohe Adhäsion auf dem Substrat hat, wobei die Temperatur des Substrats auf einem so niedrigen Wert wie etwa 6oo C gehalten wird. ■*·♦;

Es ist besonders vorteilhaft, dass die Dampfdrücke der zu verdampfenden Materialien 5a und 5b durch die jeweiligen Stromquellen 15a bzw. 15b separat gesteuert werden können, so dass die erzeugten Dampfmengen auf vorgegebenen Werten gehalten werden können. Auch die Leistung der Beschleunigungsspannungsquelle 18 kann nach Wunsch geändert werden. Durch eine richtige Einstellung der Spannungen dieser Stromquellen und Spannungs-

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guellen kann der epitaxialen Schicht des Verbindungshalbleiters eine vorgegebene, stöchiometrische Zusammensetzung gegeben werden.

Zur Dotierung der Verbindungshalbleiter-Dünnschicht: wird wie folgt vorgegangen:

Während die Dünnschicht durch die neutralen Agglomerate Ac und Bc und die ionisierten Agglomerate Ai und Bi aufgebaut wird, wird die Heizung 23 durch die Stromquelle 24 erregt und die Dotierungssubstanz 21 oder der Donor, die in dem Tiegel 22 enthalten ist, wird auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt, die durch den Temperaturregler 31 eingestellt ist. Dadurch wird die Dotierungssubstanz mit einem vorgegebenen Dampfdruck verdampft, und die dampfförmige Dotierungssubstanz 21, die die Oberfläche des Substrates 2 zusammen mit den ionisierten Agglomeraten Ai und Bi und den neutralen Agglomeraten Ac und Bc erreicht, diffundiert in die epitaxiale Dünnschicht E ein, so dass die Dotierungssubstanz in einem vorgegebenen Mengenverhältnis in die Dünnschicht eingebaut wird und die Dünnschicht n-leitend wird.

Wenn die Temperatur des Tiegels 22 schrittweise oder kontinuierlich verändert wird, kann die Konzentration der Dotierungssubstanz in der epitaxialen Schicht E schrittweise oder kontinuierlich geändert werden. Wenn zusätzlich ein Gas, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, welches zur Bildung von strahlenden RekombinationsZentren beiträgt, zusammen mit der Dotierungssubstanz 21 in die Glocke 11 durch das Gas-Zuleitungsrohr 25 eingeführt wird, können strahlenden Rekombinations-Zentren in der epitaxialen Schicht E gebildet werden, die grünes oder rotes Licht abstrahlen. In der vorstehend beschriebenen Weise kann eine epitaxiale Schicht E aus einem Verbindungshalbleiter mit einem vorgegebenen Leitfähigkeitstyp auf dem Substrat 2 ausgebildet werden, welches aus einem Halbleiter,

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bestehend aus einem Element der Gruppe IV, gebildet ist.

Wenn ein pn-übergang hergestellt werden soll, wird die Dotierungssubstanz 21 in dem Tiegel 22 durch eine Dotierungssubstanz ersetzt, die zu dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu dem der epitaxialen Schicht E führt. Beispielsweise wird eine Dotierungssubstanz verwendet, die Akzeptoren in der Verbindungshalbleiter^Dünnschicht E bildet. Auf diese Weise kann ein pn-übergang durch Wiederholung des oben beschriebenen Verfahrens gebildet werden.

Ein pn-übergang kann auch in der folgenden Weise hergestellt werden:

Ohne Beheizung der Tiegel 3a und 3b wird nur der Tiegel 22 gehiezt, so dass der Dampf der Dotierungssubstanz 21 die epitaxiale.Schicht E erreicht. Gleichzeitig wird das Substrat 2 auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt. Auf diese Weise wird die Dotierungssubstanz 21 zur Bildung von Akzeptoren in die epitaxiale Schicht E vom n-Leitfähigkeitstyp durch thermische Diffusion eingeführt, um den pn-übergang zu bilden.

Wenn die Oberfläche der epitaxialen Schicht mit dem in der oben beschriebenen Weise hergestellten pn-übergang und die rückseitige Oberfläche des Substrats 2 mit Elektroden verseilen werden, die in ohm¹sehern Kontakt mit diesen Flächen hergestellt werden, beispielsweise durch Aufdampfen im'Vakuum und Tempern, kann man einen Halbleiterchip zur Herstellung einer lichtemittierenden Diode erhalten,indem man das Produkt aus der Glocke 11. entnimmt und den Chip entsprechend ritzt. Wenn der Halbleiterchip auf einem Kontaktierungsrahmen oder einer anderen Grundplatte montiert wird und in einem Gehäuse eingeschlossen ist, kann eine Lampe mit einer lichtemittierenden Diode, oder eine Anzeigeeinrichtung mit einer lichtemittierenden Diode-hergestellt werden. Selbstverständlich kann auch eine

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monolithische Anzeigeeinrichtung leicht unter Einsatz der herkömmlichen Methoden hergestellt werden.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips die Schritte aufweist, dass die Oberfläche des Substrates eines Halbleiters aus einem Element der Gruppe IV durch die Ionenstrahlen eines inerten Gases, beispielsweise Argon, geätzt wird, um Verunreinigungen mit schädlichem Einfluss auf das epitaxiale Wachstum zu entfernen und die Wachsturnsfläche für die kristalline Schicht auf dem Substrat zu reinigen, und dass Strahlen aus Agglomeraten und ionisierten Agglomeraten der Verbindungsbestandteile der gewünschten Verbindung erzeugt werden, so dass die Strahlen auf der Substratoberfläche auftreffen, um die gewünschte Schicht durch epitaxiales Wachstum zu bilden.

Das erfindungsgemässe Verfahren hat die folgenden Vorteile und vorteilhaften Wirkungen:

Die Oberfläche des Substrats, auf der die einkristalline Schicht ausgebildet werden soll, wird zuverlässig gereinigt. Die Agglomeratestrahlen haben verschiedene spezifische Effekte, beispielsweise die Bildung einer ausgezeichneten Aufdampfoberfläche für die epitaxiale Schicht und den sog. Oberflachen-Wanderungseffekt. Diese Merkmale und Effekte ermöglichen es, eine Verbindungshalbleiter-Dünnschicht durch epita-xiales Wachstum mit einer hohen Kristallqualität auf einem Substrat, bestehend aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV, zu bilden, was bisher als unmöglich erachtet wurde.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird ein Substrat aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV verwendet, welches mit geringen Kosten, mit verhältnismässig grossen Abmessungen und guter Qualität leicht hergestellt werden kann. Die epitaxiale

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..Schicht des Verbindungshalbleiters kann auf der Oberfläche des Substrats in der oben beschriebenen Weise hergestellt werden. Folglich sind die Produkte, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, wesentlich preiswerter als die bisher bekannten Produkte. Folglich kann durch das erf/indungsgemässe Verfahren ein Verbindungshalbleiterchip zu einem aüsserordentlich niedrigen Preis hergestellt werden.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren kann die epitaxiale Schicht bei einer Temperatur wachsen, die niedriger ist als die Temperatur, die bei den herkömmlichen Verfahren mit epitaxialem Wachstumaus der flüssigen Phase angewendet werden muss . Daher diffundieren die Verunreinigungen kaum von dem Substrat in die epitaxiale Schicht, so dass die epitaxiale Schicht mit hoher Qualität hergestellt werden kann.

Die Verbindungsbestandteile des Verbindungshalbleiters werden getrennt in den Tiegeln bereitgestellt und von diesen Tiegeln verdampft, so.dass neutrale und ionisierte Agglomerate gebildet werden können. Daher kann die Zusammensetzung des Produktes leicht-gesteuert werden, so dass eine epitaxiale Schicht aus einem Verbindungshalbleiter mit genau stöchiometrischer Zusammensetzung leicht hergestellt werden kann.

Das erfindüngsgemässe Verfahren kann in einer einzigen Glocke kontinuierlich durchgeführt werden, und zwar vonMem Verfahrensschritt der Reinigung der Substratoberfläche bis zu den Verfahrensschritten, die zur Bildung eines pn-überganges und zur Herstellung der Elektroden erforderlich sind. Daher wird die Herstellung vereinfacht und die Produktionszeit verkürzt.

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Leerseite

Claims

PATEr-JTAKWALTE KLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG GROSSE

DIPL.-PHYSIKER

DIPL-INGENIEUR

Futaba Denshi Kogyo Kabushiki Kaisha, Chiba-ken, Japan

HERZOG-WILHELM-STR. 17 D-8 MÜNCHEN 2

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Verfahren zur Herstellung von Verbindungshalbleiterchips

Patentansprüche

1 .) Verfahren zur Herstellung von Verbindungshalbleiterchips, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eines einkristallinen Substrats aus einem Halbleiterelement der Gruppe IV durch einen aus inertem Gas gebildeten Ionenstrahl geätzt wird, dass das Substraten einer Hochvaküumatmosphäre gehalten wird, dass die zu verdampfenden Materialien separat verdampft werden, die aus den Verbindungsbestandteilen, der gewünschten Halbleiterverbindung bestehen oder diese Verbindungsbestandteile enthalten, um die Verbindungsbestandteile in die Dampfphase zu überführen, dass die Dämpfe in den Hochvakuumsbereicht eingesprüht werden, um Agglomerate aus den Verbindungsbestandteilen zu bilden, dass die Agglomerate zur Bildung ionisierter Agglomerate ionisiert werden, und dass den ionisierten Agglomeraten zusätzliche kine-

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tische Energie erteilt wird, so dass sie auf der Oberfläche des Substrats auftreffen, um eine epitaxiale -Schicht aus dem Verbindungshalbleiter auf der Oberfläche des Substrats zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dotierungssubstanz zur Festlegung des Leitfähigkeitstyps der Halbleiterverbindung zusätzlich verdampft wird, so dass die Dotierungssubstanz zusammen mit den verdampften Verbindungsbestandteilen auf dem Substrat auftrifft.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den ionisierten Agglomeraten dadurch eine zusätzliche kinetische Energie erteilt wird, dass man sie ein elektrisches Feld durchlaufen lässt, bevor sie auf die Oberfläche des Substrats auftreffen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass des weiteren eine epitaxiale Schicht aus einem zweiten Verbindungshalbleitermaterial auf der vorher hergestellten epitaxialen Schicht des ersten, einen vorgegebenen Leitfähig— keitstyp aufweisenden Verbindungshalbleitermaterials ausgebildet wird, und dass die zweite Verbindungshalbleiterschicht einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem der ersten Verbindungshalbleiterschicht aufweist zur Bildung eines pn-Übergangs zwischen den beiden Schichten.

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