DE3526825C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines mono­ kristallinen dünnen Films aus einem Elementhalbleiter, bei dem ein Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 1100°C erhitzt und ein Druck von 1 Pascal und weniger er­ zeugt wird.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-OS 19 00 116 be­ kannt, die weiter unten detailliert gewürdigt ist.

Nach dem Stande der Technik sind ein chemischer Dampfab­ lagerungsprozeß (der nachstehend als CVD-Prozeß bezeichnet ist) und eine Molekularstrahlepitaxie (die nachstehend als MBE-Prozeß bezeichnet ist) als Dampfphasenepitaxial­ techniken zur Bildung eines kristallinen dünnen Films aus einem Elementhalbleiter, der aus einem einzigen Ele­ ment, wie beispielsweise Silicium besteht, an sich bekannt:

Gemäß dem CVD-Prozeß werden eine Siliciumverbindung, die eine Quelle darstellt, und ein Gas, wie beispielsweise Wasserstoffgas, das ein Träger ist, gleichzeitig in eine Reaktionskammer eingeführt, um das Wachsen eines Kristalls mittels thermischer Zersetzung zu bewirken. Jedoch hat die thermische Zersetzung eine schlechte Qualität der durch Wachsen gebildeten Kristallschicht zur Folge. Der CVD- Prozeß ist auch insofern mangelhaft, als dabei Schwierig­ keiten beim Steuern der Dicke der Schicht mit einer Genau­ igkeit so genau wie eine einzelne molekulare Schicht vor­ handen sind.

Andererseits ist der MBE-Prozeß als ein Kristallwachstums­ prozeß bekannt, bei dem Ultrahochvakuum angewandt wird.

Dieser Prozeß umfaßt jedoch als ersten Schritt eine phy­ sikalische Adsorption. Daher ist die Qualität der Kri­ stalle geringer als diejenige der Kristalle, welche durch den CVD-Prozeß, bei dem eine chemische Reaktion ange­ wandt wird, erhalten werden. Weiter ist es aufgrund der Tatsache, daß die Quellen selbst in einem Züchtungsbehäl­ ter vorgesehen sind, schwierig, die Menge an Gas zu steu­ ern, die durch Erhitzen der Quellen erzeugt wird, sowie die Verdampfungsrate der Quellen zu steuern und die Quellen wieder aufzufüllen, was Schwierigkeiten bezüglich des Aufrechterhaltens einer konstanten Wachstumsrate für eine lange Zeitdauer zur Folge hat. Schließlich wird die Eva­ kuierungseinrichtung, mit der zum Beispiel die verdampften Stoffe abgezogen werden, in ihrem Aufbau kompliziert. Endlich ist es schwierig, die stöchiometrische Zusam­ mensetzung des Verbindungshalbleiters genau zu steuern. Infolgedessen ist der MBE-Prozeß insofern mit Mängeln be­ haftet, als es damit nicht möglich ist, Kristalle hoher Qua­ lität zu erhalten.

Im MBE-Prozeß werden einzelne Bestandteilselemente eines Verbindungshalbleiters gleichzeitig durch Vakuumverdam­ pfung abgelagert. Ein Atomschichtepitaxialprozeß (der nach­ stehend als ALE-Prozeß bezeichnet ist) stellt eine Ver­ besserung gegenüber dem MBE-Prozeß dar. Dieser ALE-Prozeß hat insbesondere die Merkmale, daß einzelne Bestandteils­ elemente eines Verbindungshalbleiters abwechselnd abgela­ gert werden, wie in der US-PS 40 58 430 (1977) von T. Suntola et al und auch in der Zeitschrift J. Vac. Sci. Technol., A2, (1984), Seite 418 in einem Artikel von M. Pessa et al beschrieben ist. Obwohl der ALE-Prozeß für das Wachsenlassen einer I-VII-Verbindung, einer II-VI- Verbindung, einer III-V-Verbindung oder eines Oxids ei­ nes solchen Elements geeignet ist, lassen sich keine ausge­ zeichneten Kristalleigen­ schaften insofern erwarten, als der ALE-Prozeß eine Weiterentwicklung des MBE-Prozesses ist. Viel­ mehr ist der ALE-Prozeß nur geeignet, einen Kristall auf einem Substrat aus Glas wachsen zu lassen, und es ist schwierig, mit dem ALE-Prozeß ein selektives epitaxiales Wachsen eines Kristalls, was auf dem Gebiet der Herstel­ lung von integrierten Halbleiterschaltungen und dergleichen wichtig ist, zu erzielen. Es wurde ein Versuch unternommen, das Wachsen eines Kristalls mittels des ALE-Prozesses zu erreichen, indem eine chemische Reaktion angewandt wurde, anstatt daß man auf den ALE-Prozeß, bei dem eine Vakuum­ verdampfung angewandt wird, zurückgegriffen hat. Obwohl der Versuch zur Bildung einer polykristallinen II-VI- Verbindung, wie beispielsweise ZnS, oder einer amorphen Verbindung, wie beispielsweise Ta₂O₅, erfolgreich war, ist er bezüglich des Wachsenlassens eines Einkristalls nicht erfolgreich gewesen. Wie in der US-PS 40 58 430 (1977) beschrieben, basiert der ALE-Prozeß auf dem Prin­ zip des Ablagerns einer molekularen Schicht aus einem der Bestandteilselemente einer Verbindung auf einer molekula­ ren Schicht aus einem anderen Bestandteilselement der Ver­ bindung. Daher ist der ALE-Prozeß auf das Wachsenlassen eines dünnen Films aus einer Verbindung beschränkt und nicht auf das Wachsenlassen eines Elementhalbleiters, wie es beispielsweise Si oder Ge ist, anwendbar. Anderer­ seits hat einer der Erfinder in der Zeitschrift "Elec­ tronic Materials", Dez. 1981, Seite 19 über die Möglich­ keit der Anwendung der weiterentwickelten Version des ALE- Prozesses zum Wachsenlassens eines Einkristalls aus Si be­ richtet. Jedoch gibt diese Veröffentlichung keinerlei praktische Lehre und Information über die Faktoren, wel­ che die Wachstumstemperatur und die Gaseinführungsrate be­ inhalten.

Infolgedessen haben sich der CVD-Prozeß und der MBE-Prozeß beide insofern als mängelbehaftet erwiesen, als es schwie­ rig ist, damit einen hochqualitativen Kristall mit einer Genauigkeit so genau wie eine einzelne molekulare Schicht zu bilden, während sich der ALE-Prozeß auch insofern als mit Mängeln behaftet erwiesen hat, daß damit kein Ein­ kristall durch Wachstum gebildet werden kann, und daß es damit im Prinzip unmöglich ist, einen Elementhalbleiter, wie beispielsweise Si oder Ge, wachsen zu lassen.

Die DE-OS 19 00 116 betrifft ein Verfahren zum epitaxialen Abscheiden von Silicium bei niedrigen Temperaturen, bei wel­ chem es sich um ein konventionelles epitaxiales Aufwachsen­ lassen von Silicium aus der Dampfphase oder um ein epitaxia­ les Aufwachsenlassen von Silicium bei vermindertem Druck handelt. In diesem Verfahren werden Rohgas (beispielsweise SiH₂X₂ mit X = Cl, Br oder J) und ein Trägergas gleichzeitig und kontinuierlich der Oberfläche eines Substrats zugeführt.

Es ist mit diesem Verfahren nach der DE-OS 19 00 116 auf­ grund der vorstehenden Verfahrensweise, wie die Ausführungen weiter oben zeigen, unmöglich, die Dicke des Films so zu steuern, daß er in der Größenordnung einer einmolekularen Schicht liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten gattungsgemäßen Art so zu gestalten, daß damit ein Verfahren zum Bilden eines monokristallinen dünnen Films aus einem Elementhalbleiter, mit dem der dünne Film durch Wach­ sen mit einer Genauigkeit so genau wie eine einzelne moleku­ lare Schicht gebildet werden kann, zur Verfügung gestellt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren die folgenden Ver­ fahrensschritte umfaßt: Einführen von gasförmigen Molekü­ len, welche solche eines Bestandteilselements des Element­ halbleiters enthalten, auf ein in einem Züchtungsbehälter vorgesehenes Substrat während einer Zeitdauer von 0,5 bis 200 s, während der Innendruck des Züchtungsbehäl­ ters innerhalb des Bereichs von 1 bis 10^-6 Pascal ge­ halten wird; Evakuieren des Züchtungsbehälters; Einfüh­ ren von gasförmigen Molekülen, die chemisch mit den vorhe­ rigen gasförmigen Molekülen reaktiv sind, auf das Substrat während einer Zeitdauer von 0,5 bis 200 s, während der Innendruck des Züchtungsbehälters innerhalb des Be­ reichs von 1 bis 10^-6 Pascal gehalten wird; Evakuieren des Züchtungsbehälters; und Wiederholen einer Aufeinander­ folge der obigen Verfahrensschritte, während die Temperatur des Substrats auf 300 bis 1100°C gehalten wird, so daß da­ durch eine Dicke eines monokristallinen dünnen Films aus einem Elementhalbleiter mit einer Genauigkeit so genau wie die Dicke einer einzelnen molekularen Schicht erzielt wird.

Durch einen solchen Kristallwachstumsprozeß kann das Wach­ sen eines hochqualitativen monokristallinen dünnen Films aus dem Elementhalbleiter mit einer Genauigkeit so genau wie eine einzelne molekulare Schicht erzielt werden.

Wenn in dem obigen Verfahren gasförmige Moleküle, die sol­ che eines Dotierungselements des Elementhalbleiters enthalten, gleichzeitig oder abwechselnd mit den gasför­ migen Molekülen, die solche des Bestandteilselements des Elementhalbleiters enthalten oder den gasförmigen Mole­ külen, die mit den gasförmigen Molekülen, welches solche des Bestandteilselements des Elementhalbleiters enthalten, chemisch reaktiv sind, eingeführt werden, kann das Dotierungs­ element mit einer gewünschten Dotierstoff­ konzentrationsverteilung in der Dicken­ richtung des Films verteilt werden, oder eine Molekular­ schicht, welche das Dotierungselement enthält, und eine Molekularschicht, welche das Verunreinigungselement nicht enthält, können zyklisch gebildet werden. Außerdem kann, da das Dotieren in einer Schicht nach der anderen durchgeführt werden kann, und zwar unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Kompensation der Verzerrung der Kristallgitter des Mut­ terhalbleiters aufgrund der Dotierung, eine sehr steile Dotierstoff­ konzentrationsverteilung erzielt werden, wäh­ rend die gute kristalline Qualität bzw. die gute Kristall­ qualität des Films aufrechterhalten wird, so daß eine Halb­ leitereinrichtung, die mit einer sehr hohen Geschwindigkeit bei zufriedenstellenden Betriebscharakteristika arbeiten kann, erzeugt werden kann.

Die vorliegenden sowie weiteren Ziele, Merkmale und Vor­ teile der Erfindung seien nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele, näher erläutert; es zei­ gen:

Fig. 1 und 2 schematische Ansichten, welche den Aufbau einer Einrichtung zum Wachsenlassen von Kristallen ver­ anschaulichen, die vorzugsweise jeweils für die praktischen Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung verwendet wird;

Fig. 3 eine Veranschaulichung des Falles des Dotierens von Silicium (Si) sowohl mit Germium (Ge) als auch mit Bor (B), wobei Fig. 3A ein Aufeinan­ derfolgediagramm von Gasen ist, die in Impuls­ formen eingeführt werden, während Fig. 3B eine schematische Darstellung einer Wachstumsschicht ist, die mit Ge und B dotiert ist; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung, die den Aufbau ei­ ner Einrichtung zum Wachsenlassen von Kristallen veranschaulicht, welche vorzugsweise für die prakti­ sche Durchführung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Es seien nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung be­ schrieben, wozu zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen wird, in der ein Kristallzüchtungsbehälter 1 (das heißt, ein Behälter, in dem Kristalle wachsen gelassen werden) darge­ stellt ist, der aus einem Metall, wie beispielsweise rost­ freiem Stahl, hergestellt ist. Der Züchtungsbehälter 1 ist über ein Absperrventil 2 mit einer Evakuierungseinheit 3 ver­ bunden, die das Innere des Behälters 1 auf ein Ultrahoch­ vakuum evakuiert. Düsen 4 und 5 erstrecken sich zum Ein­ führen einer gasförmigen Verbindung, die ein Bestandteils­ element der Gruppe IV enthält, bzw. einer gasförmigen Ver­ bindung, die mit der vorher erwähnten gasförmigen Verbin­ dung chemisch reaktiv ist, in den Züchtungsbehälter 1. Die Düsen 4 und 5 sind mit Ein-Aus-Ventilen 6 und 7 versehen, durch die die eingeführten Mengen an gasförmiger Verbindung 8, die das Bestandteilselement der Gruppe IV enthält, bzw. an gasförmiger Verbindung 9, die mit der gasförmigen Ver­ bindung 8 chemisch reaktiv ist, gesteuert werden. Ein Hei­ zer 10 zum Erhitzen eines Substrats 12 ist in dem Züch­ tungsbehälter 1 vorgesehen, und mit dem Heizer 10 ist ein Thermoelement 11 zum Messen der Temperatur des Sub­ strats 12 verbunden. Der Heizer 10 weist einen Wolfram­ faden auf, der in einem Quarzglasrohr abgedichtet unter­ gebracht ist, und das Substrat 12, das aus einem Element­ halbleiter gebildet ist, ist auf dem Heizer 10 angebracht. Außerdem ist ein Druckmeßinstrument 13 zum Messen der Größe des inneren Vakuums auf dem Züchtungsbehälter 1 vor­ gesehen.

Ein monokristalliner dünner Film aus einem Elementhalb­ leiter wird in einer nachstehend beschriebenen Weise mit­ tels der Einrichtung zum Wachsenlassen von Kristallen, die den in Fig. 1 gezeigten Aufbau hat, gebildet. Es sei zum Beispiel der Fall des epitaxialen Wachsens eines Ein­ kristalls von Si auf dem Substrat 12 aus Si angenommen. Zunächst wird der Züchtungsbehälter auf ein Vakuum von etwa 10^-7 bis 10^-8 Pascal (nachstehend als Pa abgekürzt) evakuiert, indem das Absperrventil 2 geöffnet und die Ul­ trahochvakuumevakuierungseinheit 3 betrieben wird. Dann wird das Si Substrat 12 mittels des Heizers 10 auf 300 bis 1100°C aufgeheizt, und gasförmiges SiH₂Cl₂ (Dichlorsilan) 8 wird als Gas, das Si enthält, dadurch in den Züchtungs­ behälter 1 eingeleitet, daß man das Ventil 6 für 0,5 bis 10 Sek. offen hält und den Innendruck des Züchtungsbehäl­ ters 1 auf 1 bis 10^-6 Pa, vorzugsweise auf 10^-1 bis 10^-7 Pa, hält. Nach Schließen des Ventils 6 und Absaugen des Gases aus dem Inneren des Züchtungsbehälters 1 wird H₂-Gas 9 als Gas, das chemisch mit dem SiH₂Cl₂-Gas reagiert, in den Züchtungsbehälter 1 dadurch eingeleitet, daß man das Ven­ til 7 für 2 bis 200 Sek. offen hält und den Innendruck des Züchtungsbehälter 1 auf 1 bis 10^-6 Pa, vorzugsweise auf 10^-1 bis 10^-7 Pa, hält. Als Ergebnis hiervor wächst we­ nigstens eine molekulare Schicht von Si auf dem Substrat 12. Infolgedessen kann durch Wiederholen der übrigen Ver­ fahrensschritte zum Bewirken eines aufeinanderfolgenden Wachsens von monomolekularen Schichten ein epitaxial ge­ wachsener dünner Film aus Si, der eine gewünschte Dicke hat, mit einer Genauigkeit so genau wie eine einzelne moleku­ lare Schicht gebildet werden. Als das Si enthaltende Gas kann SiCl₄-Gas, SiHCl₃-Gas, SiH₂Cl₂-Gas, SiH₄-Gas oder eine Gasmischung aus SiH₄ und HCl verwendet werden.

Die Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zum Wachsenlassen von Kristallen, die zum Ausführen eines anderen Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung, welche den Verfah­ rensschritt des Dotierens mit einer oder mehreren Verunreini­ gungen umfaßt, geeignet ist.

In Fig. 2 sind die gleichen Bezugzeichen zur Bezeichnung der gleichen oder von äquivalenten Teilen, die in Fig. 1 auftreten, verwendet worden. Die in Fig. 2 gezeigte Ein­ richtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestell­ ten Einrichtung insofern, als Düsen 14 und 15 zum Einfüh­ ren von gasförmigen Verbindungen in den Züchtungsbehäl­ ter zum Zwecke des Dotierens mit einer oder mehreren Dotierstoffen zusätzlich vorgesehen sind, und daß Ein- Aus-Ventile 16 und 17 jeweils auf den Düsen 14 und 15 bzw. in den Zuleitungen zu den Düsen 14 und 15 vorgesehen sind, so daß die Menge einer gasförmigen Verbindung 18, die ein Bestandteilselement der Gruppe III enthält, und diejenige einer gasförmigen Verbindung, welche ein Bestandteilsele­ ment der Gruppe V enthält, die in den Züchtungsbehälter 1 eingeführt werden, reguliert bzw. gesteuert werden können.

Wenn das Wachsenlassen einer Schicht vom n-Typ mittels der Einrichtung gewünscht wird, werden drei Gase, das heißt, SiH₂Cl₂-Gas (Dichlorsilan) 8, H₂-Gas (Wasserstoff) 9, und AsH₃-Gas (Arsin) 18 als ein Dotierungsgas zyklisch in den Züchtungsbehälter 1 eingeleitet. Ein anderes Ver­ fahren zum Dotieren besteht darin, daß das SiH₂Cl₂-Gas 8 und das AsH₃- Gas 18 gleichzeitig, jedoch abwechselnd mit dem H₂-Gas 9 eingeführt werden, oder daß das H₂-Gas 9 und das AsH₃-Gas 18 gleichzeitig, jedoch abwechselnd mit dem SiH₂Cl₂-Gas 8 eingeführt werden. Weiter kann das H₂-Gas 9 nicht einge­ führt werden, und das SiH₂Cl₂-Gas 8 sowie das AsH₃-Gas 18 können wiederholt abwechselnd eingeleitet werden.

Ein anderes Verfahren besteht darin, einen ersten Zyklus des abwechselnden Einführens des SiH₂Cl₂-Gases 8 und des H₂-Gases 9, sowie einen zweiten Zyklus des gleichzeitigen Einführens des SiH₂Cl₂-Gases 8 und des AsH₃-Gas 18, jedoch abwechselnd mit dem H₂-Gas 9, abwechselnd zu wiederholen, so daß zyklisch abwechselnd eine Schicht, die mit As do­ tiert ist, und eine Schicht, die nicht mit As dotiert ist, gebildet wird. Weiterhin kann ein dritter Zyklus des gleichzeitigen Einleitens des SiH₂Cl₂-Gases 8 und von PH₃-Gas (Phosphin), jedoch abwechselnd mit dem H₂-Gas 9, hinzugefügt werden, so daß zyklisch eine Schicht, die mit As dotiert ist, dessen Atomradius größer als derjenige von Si ist, sowie eine Schicht, die mit P dotiert ist, dessen Atomradius kleiner als derjenige von Si ist, und eine Schicht, die nur aus Si besteht, gebildet werden, wodurch Kristallgitterverzerrungen, die dem Unterschied der Atomradien der Dotieratome gegenüber demjenigen bzw. dem Atomradius des Mutterhalbleiters zuzuschreiben sind, kompensiert werden.

Als Dotierungsquelle kann beispielsweise AsCl₃ (Arsentrichlorid) oder PCl₃ (Phosphortrichlorid) verwendet werden.

Fig. 3 veranschaulicht den Fall, in dem Si zyklisch an ei­ nem konstanten Verhältnis mit Ge dotiert wird, dessen Atomradius größer als derjenige von Si ist, sowie mit B, dessen Atomradius kleiner als derjenige von Si ist. Wie Fig. 3A zeigt, werden anfänglich BCl₃-Gas und SiCl₄-Gas gleichzeitig eingeleitet, und dann wird H₂-Gas eingelei­ tet. Als Ergebnis hiervon wird eine Molekularschicht, in der Si mit B dotiert ist, gebildet, wie in Fig. 3B ge­ zeigt ist. Nachfolgend wird ein Zyklus des Einführens von SiCl₄-Gas, des Absaugens von SiCl₄-Gas, und des Einführens von H₂-Gas gemäß der in Fig. 3A gezeigten Aufeinanderfolge zweimal wiederholt, um zwei Molekularschichten von kri­ stallinem Si zu bilden, wie in Fig. 3B gezeigt ist. Da­ nach wird durch eine entsprechende Einleitung von BCl₃-Gas und SiCl₄-Gas, das Absaugen dieser Gase und Einführen von H₂-Gas eine Molekularschicht von Si, die mit B dotiert ist, gebildet; das Einführen von SiCl₄-Gas, das Absaugen dieser Gase und das Einführen von H₂-Gas werden zweimal wieder­ holt, um zwei Molekularschichten von Si zu bilden; durch Einführen von GaCl₄-Gas und SiCl₄-Gas, Absaugen dieser Ga­ se und Einführen von H₂-Gas wird eine Molekularschicht von Si, die mit Ge dotiert ist, gebildet.

Andererseits wird, wenn eine Bildung einer Wachstumsschicht vom p-Typ mittels der Einrichtung gewünscht wird, B₂ H₆-Gas (Diboran) 19, wie in Fig. 2 angedeutet ist, zyklisch als ein Dotierungsgas eingeleitet, und zwar zusammen mit SiH₂Cl₂-Gas 8 und H₂-Gas 9. Ein anderes Verfahren zum Do­ tieren besteht darin, das SiH₂Cl₂- Gas 8 und das B₂H₆-Gas 19 gleichzeitig, jedoch abwechselnd mit dem H₂-Gas einzuleiten.

Das Verunreinigungsgas kann beispielsweise BCl₃-Gas, BBr₃-Gas, TMG-Gas (Trimethylgallium), TMAl-Gas (Trimethylaluminium), TMIn-Gas (Trimethylindium) sein.

In diesem Falle wird die Strömungsrate des eingeleiteten Dotierungsgases vorzugsweise so gewählt, daß sie zum Beispiel um 10^-3 bis 10^-6 kleiner als diejenige des SiH₂Cl₂-Gases 8 und des H₂-Gases 9 ist, und die zeitliche Länge des Gaseinleitens wird vorzugsweise so gewählt, daß sie etwa 0,5 bis 10 Sek. beträgt, um eine molekulare epi­ taxiale Wachstumsschicht zu bilden, die eine gewünschte Dotierstoffkonzentrationsverteilung in der Dickenrichtung hat. Außerdem ist es ersichtlich, daß es durch geeignete Regulierung bzw. Steuerung der Menge und Zeit der Einführung der Dotierungsgase mög­ lich ist, pn-Übergänge, ungleichförmige Dotierstoffkonzentrationsverteilungen, bipolare Transistorstrukturen, wie beispielsweise npn, npin, pnp und pnip-Strukturen, Feldeffekttransistorstrukturen, wie beispielsweise n⁺in⁺ und n⁺n⁻n⁺-Strukturen, elektrosta­ tische Induktionstransistorstrukturen, pnpn-Thyristor­ strukturen, etc. zu erzielen.

Die vorerwähnten Ausführungsformen wurden unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben, in welchem die Heizquelle zum Erhitzen des Substrats 12 in dem Züchtungsbehälter 1 vor­ gesehen ist. Jedoch kann zum Beispiel, wie in Fig. 4 ge­ zeigt ist, eine Infrarotstrahlung emittierende Lampe 30, die in einem Lampengehäuse 31 untergebracht ist, welches außerhalb des Züchtungsbehälters 1 vorgesehen ist, als Heizquelle verwendet werden, und die Infrarotstrahlung, die von der Lampe 30 emittiert wird, kann durch ein Quarz­ glasfenster 32 nach dem und auf das Substrat 12 gerichtet werden, so daß dadurch das auf einem Aufnehmer 33 gehal­ terte bzw. abgelagerte Substrat erhitzt wird. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung ist insbesondere insofern vor­ teilhaft, als Teile, die für das Kristallwachstum unnötig sind, aus dem Inneren des Züchtungsbehälters 1 entfernt worden sind, und als die Erzeugung von unnötigen Gaskom­ ponenten, die zum Beispiel ein Schwermetall enthalten, aufgrund der Erhitzung durch den Heizer 10 ausgeschaltet werden kann.

Weiter kann ein optisches System 40 auf dem Züchtungs­ behälter 1 angebracht sein, sowie eine äußere Lichtquelle 41, wie beispielsweise eine Quecksilberlampe, eine Schwer­ wasserstofflampe, eine Xenonlampe, ein Exzimer-Laser oder ein Argon-Laser, können vorgesehen sein, um Licht, das eine Wellenlänge im Bereich von 180 bis 66 nm hat, nach den und auf das Substrat 12 zu richten. Wenn derartige Teile vor­ gesehen sind, kann die Temperatur des Substrats 12 zum Bewirken des Wachsens eines Einkristalls, der eine höhere Qualität hat, vermindert sein.

In den vorerwähnten Ausführungsformen kann eine Ionenpumpe oder dergleichen, die an sich bekannt ist, als Ultrahoch­ vakuumevakuierungseinheit verwendet werden. Weiter er­ scheint es überflüssig, darauf hinzuweisen, daß ein Hilfs­ vakuumbehälter und eine Kristalltransporteinheit für das Einführen und den Transport des monokristallinen Substrats leicht hinzugefügt werden können, um die Massenprodukti­ vität zu verbessern.

Zwar ist in den vorgehenden Ausführungsformen prinzipiell auf das Einführen von Si enthaltendem Gas, das für das Wachsenlassen der Kristalle verwendet wird, Bezug genommen worden. Jedoch ist es ohne weiteres ersichtlich, daß Gas von einem Halbleiter, wie beispielsweise Ge, der zur Gruppe IV gehört, auch verwendet werden kann. Außerdem ist das Material des Substrats nicht auf Silicium beschränkt und kann beispielsweise Saphir oder Spinell sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bilden eines monokristallinen dünnen Films aus einem Elementhalbleiter, bei dem ein Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 1100°C erhitzt und ein Druck von 1 Pascal und weniger erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Ver­ fahrensschritte umfaßt: Einführen von gasförmigen Molekü­ len, welche solche eines Bestandteilselements des Element­ halbleiters enthalten, auf ein in einem Züchtungsbehälter (1) vorgesehenes Substrat (12) während einer Zeitdauer von 0,5 bis 200 s, während der Innendruck des Züchtungsbehäl­ ters (1) innerhalb des Bereichs von 1 bis 10^-6 Pascal ge­ halten wird; Evakuieren des Züchtungsbehälters (1); Einfüh­ ren von gasförmigen Molekülen, die chemisch mit den vorhe­ rigen gasförmigen Molekülen reaktiv sind, auf das Substrat (12) während einer Zeitdauer von 0,5 bis 200 s, während der Innendruck des Züchtungsbehälters (1) innerhalb des Be­ reichs von 1 bis 10^-6 Pascal gehalten wird; Evakuieren des Züchtungsbehälters (1); und Wiederholen einer Aufeinander­ folge der obigen Verfahrensschritte, während die Temperatur des Substrats auf 300 bis 1100°C gehalten wird, so daß da­ durch eine Dicke eines monokristallinen dünnen Films aus einem Elementhalbleiter mit einer Genauigkeit so genau wie die Dicke einer einzelnen molekularen Schicht erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (12) bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat mit wenigstens zwei Strahlungen, die unterschiedliche Wellenlängen haben, bestrahlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elementhalbleiter Si ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Mole­ küle, die das Bestandteilselement des Elementhalbleiters enthalten, aus SiH₂Cl₂, SiHCl₃ und SiCl₄ ausgewählt sind und daß die gasförmigen Moleküle, die mit den vorherigen gasförmigen Molekülen chemisch reaktiv sind, Wasserstoff sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Moleküle, welche ein Dotierungselement des Elementhalbleiters enthal­ ten, gleichzeitig oder abwechselnd mit den gasförmigen Mo­ lekülen, welche das Bestandteilselement des Elementhalblei­ ters enthalten, oder den gasförmigen Molekülen, die mit den gasförmigen Molekülen, welche das Bestandteilselement des Elementhalbleiters enthalten, chemisch reaktiv sind, einge­ führt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Wiederho­ lens der Aufeinanderfolge der erwähnten Verfahrensschritte gasförmige Moleküle, die ein Dotierungselement des Element­ halbleiters enthalten, zyklisch gleichzeitig entweder mit Gas eingeführt werden, welches das Bestandteilselement des Elementhalbleiters enthält, oder mit gasförmigen Molekülen, die mit den gasförmigen Molekülen, welche solche des Be­ standteilselements des Elementhalbleiters enthalten, che­ misch reaktiv sind, so daß dadurch eine dotierte und eine nichtdotierte Molekularschicht aufeinanderfolgend gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens zwei Arten von gasförmi­ gen Molekülen, welche jeweils verschiedene Dotierungsele­ mente des Elementhalbleiters enthalten, zyklisch eingeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wenigstens zwei Arten von gasförmigen Molekülen, die jede ein anderes Dotie­ rungselement enthalten, in jeweils unterschiedlichen Zyklen oder zu jeweils unterschiedlichen Zeiten eingeführt werden, so daß die Molekularschichten unterschiedlich dotiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Atomradius von einem der wenigstens zwei Dotierungselemente größer als derjenige des Elementes des Elementhalbleiters ist und daß der Atom­ radius des anderen der wenigstens zwei Dotierungselemente kleiner als derjenige des Elementes des Elementhalbleiters ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eines der wenigstens zwei Dotierungselemente ein Element der Gruppe IV ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dotierungselemente vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.