DE3745015C2

DE3745015C2 - Semiconductor mfr. using source and etching gases

Info

Publication number: DE3745015C2
Application number: DE3745015A
Authority: DE
Inventors: Haruhisa Takiguchi; Shinji Kaneiwa; Toshihiko Yoshida; Hiroaki Kudo; Sadayoshi Matsui
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2007-03-24

Abstract

The gases or source molecules are fed to a substrate to promoto growth of chystalline layers on it, or for its etching in semiconductor mfr. Electric protentials are applied to the substrate and to an electron beamradiator grid directly above the substrate, with the electron radiator protential differing from that applied to the substrate.The electron radiator is supplied withelectron beams from an electron gun. The substrate is irradiated by secondary electrons, generated by the electron radiator, and/or by electrons transmitted by the radiator. The radiator is an earthed fine mesh grid

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektronischen Halbleiterbauelementen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, gemäß Journ. Vac. Sci. & Technol. B, Vol. 4, Jan.-Feb., (1986), S. 299-304.The invention relates to a method for producing electronic semiconductor components in the preamble of Claim 1 specified type, according to Journ. Vac. Sci. & Technol. B, Vol. 4, Jan.-Feb., (1986), pp. 299-304.

Aus der japanischen Patentschrift JP-49 44 788 ist ein Verfah ren zur Herstellung von Halbleitern bekannt, die aus Verbin dungen der III-V-Gruppe unter Verwendung von Organo-Metall- Verbindungen bestehen. Von Nachteil bei diesem Verfahren ist es, daß bei der thermischen Zersetzung der organischen Me talle und der Hydride von V-Gruppen-Verbindungen bei der Herstellung eines insbesondere P in Form von beispielsweise InP enthaltenden Verbindungshalbleiters, ein Source-Gas, wie beispielsweise PH3, nicht zersetzt wird, sondern mit den or ganischen Metallen reagiert und polymere Zwischenprodukte, wie beispielsweise (-InMePH-)n, bildet. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß P aus dem Verbindungshalbleiter herausgelöst wird, wenn der Verfahrensschritt zur Bildung der kristallinen Schicht bei hohen Temperaturen ausgeführt wird.A method is known from the Japanese patent specification JP-49 44 788 ren known for the production of semiconductors from Verbin of the III-V group using organometallic Connections exist. This method is disadvantageous it that during the thermal decomposition of the organic Me talle and the hydrides of V group compounds in the Production of a particular P in the form of, for example InP containing compound semiconductor, a source gas such as for example PH3, is not decomposed, but with the or ganic metals reacts and polymeric intermediates, such as (-InMePH-) n. Another The disadvantage of this known method is that P is released from the compound semiconductor when the Process step for forming the crystalline layer high temperatures.

Zur Überwindung dieser Nachteile ist es beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift JP-59 87 814 bekannt, ein Verfahren anzuwenden, bei dem ein Substrat mit Laserlicht bestrahlt wird. Dabei wird das Substrat mit Laserlicht einer Energie bestrahlt, die gleich oder höher ist als die Zer setzungsenergie der organischen Metalle und/oder von PH3, um die Zersetzung des Source-Gases zu beschleunigen. Darüberhinaus wird das Substrat mit Infrarot-Laserlicht beispielsweise von einem Kohlendioxid-Laser bestrahlt, um die Aufwachstemperatur der kristallinen Schichten zu redu zieren. Die Anwendung eines derartigen Verfahrens ist jedoch aus einer Reihe von Gründen extrem schwierig. So ist die Zersetzungsenergie von Source-Gase mit 5-6 eV derart groß, daß Laserlichtquellen mit einer Wellenlänge von 200 nm oder weniger effektivste Zersetzung von Source-Gas dadurch er reichen, daß das Substrat mit Laser-Licht bestrahlt wird, dessen Energie gleich ist zur Zersetzungsenergie des Quel lengases. Um jedoch auf diese Weise eine Zersetzung zu er reichen, müssen Laser-Lichtquellen verwendet werden, die be züglich der Lichtwellenlänge in einem weiten Bereich ein stellbar sein müssen. Dies ist jedoch ausgesprochen schwie rig durchzuführen.To overcome these drawbacks, for example, it is out Japanese Patent Application Laid-Open No. 59 87 814 Apply method in which a substrate with laser light is irradiated. The substrate becomes a laser light Irradiated energy equal to or higher than the Zer Settlement energy of organic metals and / or of PH3, um accelerate the decomposition of the source gas. In addition, the substrate with infrared laser light for example, irradiated by a carbon dioxide laser to reduce the growth temperature of the crystalline layers adorn. However, the application of such a method is extremely difficult for a number of reasons. That's how it is Decomposition energy of source gases with 5-6 eV so large that laser light sources with a wavelength of 200 nm or less effective decomposition of source gas thereby suffice that the substrate is irradiated with laser light, whose energy is equal to the decomposition energy of the source gas. However, in order to decompose in this way range, laser light sources must be used, the be in terms of the light wavelength in a wide range must be adjustable. However, this is extremely difficult rig to perform.

Weiterhin resultiert die Herabsetzung der Aufwachstemperatur unter Verwendung der Strahlung eines Kohlendioxidgas-Lasers in einer Anhebung der Oberflächentemperatur des Substrats, wodurch die angestrebte Reduktion der Aufwachstemperatur vermindert wird.Furthermore, the lowering of the wax-up temperature results using the radiation of a carbon dioxide gas laser in an increase in the surface temperature of the substrate, thereby reducing the growth temperature is reduced.

Zusammengefaßt muß also festgestellt werden, daß der übliche Einsatz von Bestrahlung unter Verwendung von Laserlicht nicht dazu geeignet ist, die oben ausgeführten Nachteile zu beseitigen.In summary, it must be stated that the usual Use of radiation using laser light is not suited to the disadvantages set out above remove.

Andererseits wird die Bestrahlung eines Substrats mit Laser licht so ausgeführt, daß selektives Wachstum der Halblei terschichten auf dem Substrat erreicht wird, basierend auf der selektiven Zersetzung von Source-Gasen innerhalb der Substratoberfläche sowie derart, daß selektives Ätzen des Substrats mit der Einführung des Ätzgases in das Substrat erreicht wird. Diese Vorgänge oder Prozesse erfordern jedoch eine aufwendige Apparatur für die Ablenkung von Laserlicht, wodurch die praktische Ausführung dieser Prozesse auf Schwierigkeiten stößt. Für besagtes selektives Aufwachsen sowie das selektive Ätzen wurde beispielsweise von S. Matsui et al., Journ. Vac. Sci. 3d Technol. B Vol. 4, Jan.-Feb., (1986), S. 299-304, vorgeschlagen, Laserlicht durch Elektronenstrahlen zu er setzen. Die dafür verwendete Vorrichtung ist in Fig. 2 dar gestellt, wobei ein innerhalb einer Reaktionsröhre 2 ange ordnetes Halbleitersubstrat 3 direkt mit Elektronenstrahlen 5 aus einer Elektronenkanone 1 bestrahlt wird, und wobei Source-Gase über einen Gaseinlaß 4 in die Reaktionsröhre 2 eingeführt werden. Um jedoch das Substrat 3 mit den Elek tronenstrahlen 5 direkt bestrahlen zu können, müssen die Elektronenstrahlen 5 auf einen Pegel von mehreren 10 keV oder mehr beschleunigt werden, wodurch die Energie der Elektronenstrahlen mehrere 10 keV oder mehr beträgt. Diese Energie ist um ein Vielfaches höher als die Zersetzungs energie der Source-Gase, wodurch die selektive Zersetzung der Source-Gase insofern problematisch wird, als Schwierig keiten bei der Zersetzungssteuerung aufgewachsener Schichten auftreten. Zusätzlich resultiert die direkte Bestrahlung der Substrate mit den besagten Elektronenstrahlen hoher Energie in einer hohen Stoßbelastung der auf dem Substrat aufgewach senen kristallinen Schichten, so daß es mitunter schwierig ist, kristalline Schichten hoher Qualität zu erzeugen.On the other hand, the irradiation of a substrate with laser light is carried out so that selective growth of the semiconductor layers on the substrate is achieved, based on the selective decomposition of source gases within the substrate surface and in such a way that selective etching of the substrate with the introduction of the etching gas into the substrate is reached. However, these operations or processes require complex apparatus for the deflection of laser light, which causes difficulties in the practical implementation of these processes. For said selective growth and selective etching, for example, S. Matsui et al., Journ. Vac. Sci. 3d technol. B Vol. 4, Jan.-Feb., (1986), pp. 299-304, proposed to replace laser light with electron beams. The device used for this is shown in FIG. 2, wherein a semiconductor substrate 3 arranged inside a reaction tube 2 is irradiated directly with electron beams 5 from an electron gun 1 , and source gases are introduced via a gas inlet 4 into the reaction tube 2 . However, the substrate 3 with the Elek tronenstrahlen to irradiate directly 5, the electron beams 5 must be at a level of several 10 keV or more accelerated, whereby the energy of the electron beams a plurality of 10 keV or more. This energy is many times higher than the decomposition energy of the source gases, which makes the selective decomposition of the source gases problematic in that difficulties arise in the decomposition control of grown layers. In addition, the direct irradiation of the substrates with the said high energy electron beams results in a high impact load on the crystalline layers grown on the substrate, so that it is sometimes difficult to produce high quality crystalline layers.

Zusammenfassend darf also festgestellt werden, daß die di rekte Bestrahlung von Halbleitersubstraten mit hochenerge tischen Elektronenstrahlen mit einer Reihe von Nachteilen behaftet ist.In summary, it can be stated that the di direct irradiation of semiconductor substrates with high energy electron beams with a number of disadvantages is afflicted.

Aus dem Buch "Einführung in die Atomphysik", W. Finkelnburg, Springer-Verlag 1967 11. und 12. Auflage, Seite 492 und 493 sind die notwendigen energetischen Verhältnisse zur Anregung und Erzeugung von Sekundärelektronen bekannt. Dort wird ausgeführt, daß die Emission von Sekundärelektro nen einen maximalen Wert annimmt, wenn die Primärelektronen eine Energie im Bereich von 0,5 bis 1,5 keV aufweisen.From the book "Introduction to Atomic Physics", W. Finkelnburg, Springer-Verlag 1967 11th and 12th edition, page 492 and 493 are the necessary energetic relationships known for excitation and generation of secondary electrons. There it is stated that the emission of secondary electro NEN takes a maximum value when the primary electrons have an energy in the range of 0.5 to 1.5 keV.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren so auszugestalten, daß die Herstellung hochqualitativer Halbleiter gewährleistet ist.The object of the present invention is to begin with to design the process so that the production high quality semiconductor is guaranteed.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst. This task is accomplished by a method according to the Claim resolved.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wärmebelastung des Substrats herabgesetzt, so daß hochqualitative Kristall schichten auf dem Substrat erzeugt werden können. Weiterhin werden die Source-Gase selektiv zersetzt, womit die Zusam mensetzung bzw. Struktur der Zwischenschichten zwischen den kristallinen Schichten sowie die Struktur innerhalb der Oberfläche jeder kristallinen Schicht erreicht wird, sowie eine Führung der Dotierstoffmengen. Ebenso wird das Ätzen des Substrats in selektiver Weise gewährleistet.With the method according to the invention, the thermal load of the substrate reduced so that high quality crystal layers can be generated on the substrate. Farther the source gases are selectively decomposed, with which the composition or structure of the intermediate layers between the crystalline layers as well as the structure within the Surface of each crystalline layer is reached as well a guidance of the dopant quantities. Likewise, the etching of the substrate in a selective manner.

Damit bestehen die wesentlichen Vorteile der Erfindung in der SchaffungThe main advantages of the invention thus lie in of creation

1. a process for the production of, for example Compounds of the III-V group of existing semiconductors, which is characterized by the training of high quality tive crystalline layers, the selective growth of crystalline layers within the surface a substrate and / or the selective etching of the sub strats within the substrate surface as well
2. a process for the production of semiconductors, at the activation energy into the substrate through the Radiation from electron beams is introduced where reduced by the heating temperature of the substrates is and enables the selective decomposition of the source gases light, which in turn is in high quality crystalline resultant layers or selectively etched th substrate so that using high quality tive crystalline layers and / or the selective ge etched substrate semiconductors can be produced have outstanding semiconductor properties.

Im nachfolgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung nä her erläutert werden. Es zeigen:In the following the invention is based on the drawing forth be explained. Show it:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Herstellung von elektro nischen Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer Elektronenstrahleinrichtung; und Figure 1 is a schematic front view of a device for the production of electronic African semiconductor devices according to the invention using an electron beam device. and

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Herstellung von elektronischen Halbleiterbauelementen. Fig. 2 is a schematic front view of a device according to the prior art for the production of electronic semiconductor components.

Fig. 2 ist bereits eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben. Fig. 2 is already described initially in connection with the prior art.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ausführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Halbleitern. Dieses Verfahren besteht darin, ein Halbleitersubstrat mit niederenergetischen Elektronenstrahlen zu bestrahlen, sobald Source-Gase, Ätz-Gase und/oder Source-Gase in das Substrat eingeführt werden, um Halbleiterschichten aufzuwachsen und/oder das Substrat zu ätzen. Die Source-Gase, Source-Mo leküle usw. unterliegen unter Einwirkung der Elektronen strahlen-Energie einer chemischen Reaktion, so daß die Re duktion der Aufheiztemperatur des Substrats unter kontrol lierten Bedingungen ebenso ausgeführt werden kann, wie die Verhinderung der Ausbildung von Zwischenprodukten, das se lektive Aufwachsen von Halbleiterschichten innerhalb der Substratoberfläche sowie das selektive Ätzen des Substrats usw. Fig. 1 shows an apparatus for performing the inventive method for the production of semiconductors. This method consists in irradiating a semiconductor substrate with low-energy electron beams as soon as source gases, etching gases and / or source gases are introduced into the substrate in order to grow semiconductor layers and / or to etch the substrate. The source gases, source molecules, etc. are subject to a chemical reaction under the influence of the electron beam energy, so that the reduction in the heating temperature of the substrate can be carried out under controlled conditions, as can the prevention of the formation of intermediate products selective growth of semiconductor layers within the substrate surface and selective etching of the substrate etc.

Diese Vorrichtung ist so ausgelegt, daß ein Halbleitersub strat 3 im Zentrum einer Reaktionsröhre 2 zu liegen kommt, welche am oberen Ende mit einer Elektronenkanone 1 und an einer Seite mit einem Gaseinlaß 4 versehen ist. Das genau unterhalb der Elektronenkanone 1 angeordnete Substrat 3 wird mit Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 be strahlt. Das Innere der Reaktionsröhre 2 ist mittels einer Strahlenführungsblende oder Lochblende 7 in zwei Teile ge teilt, wobei der eine Teil die Elektronenkanone 1 enthält und durch eine Differenzialvakuumpumpe 6 unter Vakuum ge halten ist, und wobei der andere Teil das Substrat 3 ent hält. Der die Elektronenkanone enthaltende obere Teil 1 wird durch die die Abgrenzung zwischen dem oberen und dem unteren Röhrenteil bildenden Blende 7 auf einem Hochvakuum-Niveau gehalten. Eine Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung 8, beispielsweise in Form eines feinmaschigen Gitters oder Metallnetzes ist auf dem Pfad eingesetzt, entlang welchem die Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 das Substrat 3 bestrahlen. Eine elektrische Spannung Vsub ist an das Halbleitersubstrat 3 mittels einer Gleichstromquelle 9 angelegt. Unter der Vorraussetzung, daß die am Filament der Elektronenkanone 1 anliegende Spannung Veg ist, läßt sich der Wert für Vsub durch folgende Gleichung bestimmen:This device is designed so that a semiconductor substrate 3 comes to rest in the center of a reaction tube 2 , which is provided at the upper end with an electron gun 1 and on one side with a gas inlet 4 . The substrate 3 arranged just below the electron gun 1 is irradiated with electron beams 5 from the electron gun 1 . The inside of the reaction tube 2 is divided into two parts by means of a beam guiding diaphragm or pinhole 7 , one part containing the electron gun 1 and being kept under vacuum by a differential vacuum pump 6 , and the other part holding the substrate 3 . The upper part 1 containing the electron gun is kept at a high vacuum level by the diaphragm 7 forming the boundary between the upper and the lower tubular part. An electron beam irradiation device 8 , for example in the form of a fine-meshed grid or metal network, is used on the path along which the electron beams 5 from the electron gun 1 irradiate the substrate 3 . An electrical voltage Vsub is applied to the semiconductor substrate 3 by means of a direct current source 9 . Assuming that the voltage applied to the filament of the electron gun 1 is Veg, the value for Vsub can be determined using the following equation:

Vsub = Veg - A,Vsub = Veg - A,

wobei A die elektrische Spannung ist, die im allgemeinen einen Wert zwischen 0 bis 5 V annimmt und die Elektronen strahlenenergie zur Bestrahlung des Substrats 3 veranlaßt.where A is the electrical voltage, which generally takes a value between 0 to 5 V and causes the electron beam energy to irradiate the substrate 3 .

Wenn das Substrat 3 mit den Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 bestrahlt wird, ist es erforderlich, den Wert von Veg auf einige 10 keV oder mehr einzustellen, da andernfalls ein ausreichend starker Elektronenstrahl nicht erreicht werden kann.When the substrate 3 is irradiated with the electron beams 5 from the electron gun 1 , it is necessary to set the value of Veg to a few 10 keV or more, otherwise a sufficiently strong electron beam cannot be obtained.

Aus diesem Grunde ist es beim Verfahren nach dem Stand der Technik vorgesehen, das Substrat 3 Elektronenstrahlen 5 auszusetzen, die eine Energie Veg (in Elektronenvolt) aufweisen, die um einen erheblichen Betrag größer ist als die Energie von A (in Elektronenvolt), wodurch wie einleitend beschrieben, Schwierigkeiten bei der selektiven Zersetzung usw. der Reaktionsgase entstehen. Im Gegensatz hierzu wird in vorliegendem Beispiel die elektrische Spannung Vsub derart an das Substrat 3 angelegt, daß die effektive Auftreffenergie der Elektronenstrahlen 5 zur Bestrahlung des Substrats 3 den Wert einer niederenergetischen elektrischen Spannung, Veg-Vsub (d. h. A in Elektronenvolt) einnimmt, also zwischen der elektrischen Spannung am Filament der Elektronenkanone 1, Veg, und der elektrischen Spannung am Substrat 3, Vsub. Der Wert von Vsub kann den Erfordernissen entsprechend geändert werden, so daß die Elektronenstrahlen 5 mit der erforderlichen oder gewünschten Energie auf einfache Weise bzw. problemlos auf das Substrat 3 überführt werden können. Da die Elektronen strahl-Bestrahlungseinrichtung 8 die geerdet ist, direkt überhalb des Substrats 3 angeordnet ist, in ähnlicher Weise wie beim Verfahren nach dem Stand der Technik bei dem das Substrat 3 geerdet ist, können die von der Elektronenkanone 1 ausgesandten Elektronenstrahlen 5 darüberhinaus bestim mungsgemäß oder einsatzgemäß fokussiert und/oder abgelenkt werden, und zwar ohne jegliche Beeinflussung von der elektri schen Spannung am Substrat 3.For this reason, it is provided in the method according to the prior art to expose the substrate 3 to electron beams 5 which have an energy Veg (in electron volts) which is considerably greater than the energy of A (in electron volts), as a result of which described in the introduction, difficulties arise in the selective decomposition etc. of the reaction gases. In contrast to this, in the present example the electrical voltage Vsub is applied to the substrate 3 such that the effective impact energy of the electron beams 5 for irradiating the substrate 3 takes on the value of a low-energy electrical voltage, Veg-Vsub (ie A in electron volts), that is to say between the voltage on the filament of the electron gun 1 , Veg, and the voltage on the substrate 3 , Vsub. The value of Vsub can be changed according to the requirements, so that the electron beams 5 with the required or desired energy can be transferred to the substrate 3 in a simple manner or without problems. Since the electron beam irradiation device 8, which is grounded, is arranged directly above the substrate 3 , in a similar manner to the method according to the prior art, in which the substrate 3 is grounded, the electron beams 5 emitted by the electron gun 1 can moreover be determined or can be focused and / or deflected according to the application, without any influence on the electrical voltage on the substrate 3 .

Während das Substrat 3, an welches die elektrische Spannung Vsub angelegt ist, mit den Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 durch die geerdete Bestrahlungsein richtung 8 bestrahlt werden, werden Source-Gase, Ätz-Gase oder Source-Moleküle über den Gaseinlaß 4 in die Reaktions röhre 2 eingeführt, um kristalline Schichten auf dem Sub strat 3 aufzuwachsen oder um das Substrat 3 zu ätzen. Durch die Weiterverarbeitung der daraus resultierenden Substrate, die mit den kristallinen Schichten oder den geätzten Ab schnitten versehen sind, läßt sich ein Halbleiter mit gleichmäßigen Halbleitercharakteristiken schaffen.While the substrate 3 , to which the electrical voltage Vsub is applied, are irradiated with the electron beams 5 from the electron gun 1 through the grounded irradiation device 8 , source gases, etching gases or source molecules via the gas inlet 4 into the reaction inserted tube 2 to crystalline layers on the sub strate grow 3 or to etch the substrate. 3 By further processing the resulting substrates, which are provided with the crystalline layers or the etched sections, a semiconductor with uniform semiconductor characteristics can be created.

Claims

A method for producing electronic semiconductor components, wherein selective surface reactions for the growth of crystalline layers on a substrate or an etching of the substrate in a gas-containing atmosphere in a reactor tube are effected, an electrical voltage being applied to the substrate, characterized in that
that an earthed intermediate body ( 8 ) is arranged from a fine screen above the substrate ( 3 ) in the electron beam, and
that between the substrate ( 3 ) and the intermediate body ( 8 ) an electrical braking voltage (Vsub) is applied such that the effective impact energy (A) of the electron beam ( 5 ) on the substrate or the gases is reduced to such a low-energy range that a selective splitting of the materials contained in the gas-containing atmosphere or in the substrate ( 3 ) takes place.