DE68921868T2 - Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Einkristallschicht auf einem Halbleiter oder Metallsilicid und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur, die/das sich zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit Heterostruktur eignet.
  • Im Stand der Technik wurde ein heteroepitaxiales Verfahren als Verfahren zur Bildung beliebiger Halbleiter mit Ausnahme von Si auf einem Silizium-(Si) Einkristallsubstrat vorgeschlagen.
  • Da Si und der von Si verschiedene Halbleiter jedoch unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen, treten in einer Heterogrenzfläche zwischen Si und dem davon verschiedenen Halbleiter nach dem heteroepitaxialen Wachstum viele Fehlstellen auf.
  • Ein Artikel von T.P. Humphreys et al im Japanese Journal of Applied Physics Part 1, Bd. 27, Nr. 8 (1988) S. 1458-1463 offenbarte ein Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur, worin (Wasserstoff)atome auf eine Einkristallschicht aufgebracht werden. Die resultierende Struktur wird anschließend in ein Molekularstrahlepitaxiesystem transferiert und eine zweite Einkristallschicht gebildet. Die beiden Einkristallschichten bestanden aus unterschiedlichen Halbleitern und wiesen daher verschiedene Gitterkonstanten auf.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur nach Anspruch 1 oder 2 bereitgestellt.
  • Die erste Einkristallschicht ist Silizium, und die zweite Einkristallschicht besteht vorzugsweise aus Halbleiter-Einkristallmaterialien wie GaAs oder InP oder aus Metallsilicid-Einkristallmaterialien wie NiSi&sub2; oder CoSi&sub2;. Wenn jedoch die Gitterkonstanten der Materialien für die erste und die zweite Einkristallschicht sehr unterschiedlich voneinander sind, treten in der Heterogrenzfläche wahrscheinlich Fehlstellen auf. Daher liegt die Differenz der Gitterkonstanten zwischen beiden Materialien vorzugsweise innerhalb von 20% und noch bevorzugter innerhalb von 10%. In dieser Hinsicht sind die oben erwähnten Beispiele für die Materialien vorzuziehen.
  • Das Aufbringen der H-Atome oder Halogenatome kann durch Aufsprühen der Atome aus einer Düse auf eine Probe (die erste Einkristallschicht) erfolgen, die z.B. in einem Ultrahochvakuum gehalten wird. In diesem Fall wird die Temperatur der Probe auf vorzugsweise etwa 650ºC oder weniger und der Druck vorzugsweise auf 1,3 10&supmin;&sup7; hPa bis 1,3 10&supmin;&sup8; hPa (10&supmin;&sup7; bis 10&supmin;&sup8; Torr) eingestellt. Nachstehend wird das Ablagerungsbzw. Aufbringungsverfahren in Verbindung mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
  • Die erste Einkristallschicht kann weiterhin auf einem vorbestimmten Substrat ausgebildet sein. Alternativ dazu kann bei Verwendung eines Si-Einkristallsubstrats als Substrat das Substrat selbst als erste Einkristallschicht dienen.
  • Die auf die ersten Einkristallschicht abgelagerten H-Atome oder Halogenatome dienen dazu, Schlenkerbindungen (lose Bindungen) zu beenden, die durch die Gitterverschiedenartigkeit in der Heterogrenzfläche zwischen der ersten und zweiten Einkristallschicht verursacht werden, wodurch die Fehlstellen in der Heterogrenzfläche verringert werden. Wie bereits erwähnt liegt die Zahl der abzulagernden H-Atome oder Halogenatome im Bereich von ± 50% in Bezug auf die Anzahl der Schlenkerbindungen, damit diese beendet werden. Vorzugsweise entspricht die Zahl der H-Atome oder Halogenatome der Anzahl der Schlenkerbindungen.
  • Die Anzahl der Schlenkerbindungen kann unter Verwendung beispielsweise des Elektronenspinresonanzverfahrens problemlos gemessen werden.
  • Es folgt eine ausführliche Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, worin:
  • Fig.1 ein Fließschema einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist; und
  • Figuren 2 und 3 Graphen sind, die die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Es folgt eine Beschreibung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
  • Fig.1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur bestehend aus der Abfolge der Schritte (a) bis (h). Die Schritte (a) bis (d) sind vorgesehen, um eine erwünschte Menge an H-Atomen oder Halogenatomen (F, Cl-Atomen) auf einem Si- Einkristallsubstrat 1 (auf die erste Einkristallschicht) aufzubringen bzw. abzulagern. Diese Schritte erfolgen in einem Ultrahochvakuumverfahren namens Molekularstrahl- Epitaxie- (MBE) Verfahren. Nun wird eine typische Abfolge dieser Schritte bei der Ablagerung bzw. Aufbringung von F-Atomen beschrieben. Als erstes wird das Si-Substrat 1 etwa 15 Minuten lang auf 900ºC erhitzt, um die Oberfläche des Si-Substrats zu reinigen (Schritt (a)). Danach wird die Temperatur des Si-Substrats auf 650ºC gesenkt und F-Gas aus einer Düse aufgesprüht. Selbst wenn zu diesem Zeitpunkt eine große Menge F-Gas aufgesprüht wird, wird eine Einzelschicht F-Atome (≤ 6 x 10¹&sup4;/cm²) durchwegs stabil abgelagert (Schritt (b)), da die Si-F-Bindung stärker als die F-F-Bindung ist. In einem Temperaturbereich von etwa 650ºC oder weniger verdampft eine zweite Schicht oder mehr der F-Atome, da die F-F-Bindung aufgebrochen wird. Die erste Schicht der F-Atome bleibt jedoch stabil, da die Si-F-Bindung stark ist. Die Anzahl der auf der Si-Oberfläche abgelagerten F-Atome kann durch Erhitzen der Probe auf etwa 750ºC über mehrere Hundert Sekunden beliebig gesteuert werden (Schritt (c)). Wenn die Probe beispielsweise 200 Sekunden oder 500 Sekunden lang bei 750ºC erhitzt wird, verringert sich die Anzahl der F-Atome (6 x 10¹&sup4;/cm²) auf 6 x 10¹³/cm² bzw. 6 x 10¹²/cm².
  • Natürlich kann die Anzahl der auf der Si-Oberfläche abzulagernden F-Atome durch Steuern des Drucks des aus der Düse aufzusprühenden F-Gases gesteuert werden. In diesem Fall kann eine gewünschte Anzahl F-Atome auf der Si-Oberfläche in einem einzigen Schritt ohne Wiedererhitzen der Probe aufgebracht werden (siehe (d)). Wird beispielsweise das F-Gas auf das Si-Substrat bei 650ºC unter einem Druck von 2,6 10&supmin;&sup8; hPa (2 x 10&supmin;&sup8; Torr) 5 Sekunden oder 10 Sekunden lang aufgesprüht, so beträgt die Anzahl der am Si-Substrat abgelagerten F-Atome 8 x 10¹³/cm² oder 2 x 10¹&sup4;/cm².
  • Der nächste Schritt dient dazu, eine dünne Heteroeinkristallschicht (eine zweite Einkristallschicht) auf der in Schritt (c) oder (d) gewonnenen Probe zu bilden. Dieser Schritt erfolgt unter Verwendung des Molekularstrahl-Epitaxialwachstumsverfahrens (Schritte (e) und (g)). Diese Schritte werden nun für die Bildung von GaAs als zweiter Einkristallschicht auf dem Si-Substrat als erster Einkristallschicht beschrieben.
  • Beim Molekularstrahl-Epitaxialachstumsverfahren wird zunächst amorphes GaAs als Pufferschicht bis zu einer Dicke von etwa 20 nm bei einer Substrattemperatur von 150 - 400ºC abgelagert bzw. aufgebracht. Dann wird die Substrattemperatur auf 700 - 750ºC erhöht und das Molekularstrahl-Epitaxiewachstum bis zu einer Dicke von etwa 300 nm fortgeführt. Da zu diesem Zeitpunkt die Substattemperatur hoch ist, wird das zuerst gebildete amorphe GaAs und auch das sekundär wachsende GaAs monokristallisiert, um ein Einkristall-GaAs 4 zu erhalten (siehe (f)).
  • Während das Festphasen-Epitaxialwachstumsverfahren, das in den Schritten (e) und (g) dargestellt ist, dem Molekularstrahl-Epitaxialwachstumsverfahren ähnelt, wird eine relativ dicke Schicht von amorphem GaAs 3 abgelagert (Schritt (e)) und erhitzt, um das amorphe GaAs 3 zu monokristallisieren, um ein Einkristall-GaAs 4 zu erhalten (Schritt (g)). Schritt (e) dient dazu, das amorphe GaAs bis zu einer Dicke von etwa 320 nm und in einem Temperaturbereich von 150 - 400ºC abzulagern; Schritt (g) ist vorgesehen, das amorphe GaAs bei einer Ausglühtemperatur von etwa 700ºC 30 Minuten bis 1 Stunde lang zu monokristallisieren. Demzufolge wird Schritt (g) vor allem als Festphasen- Epitaxialwachstumsverfahren bezeichnet.
  • Dann werden die Schritte (a) bis (f) oder die Schritte (a) bis (g) wiederholt, um eine Mehrschicht-Heterostruktur am GaAs und Si zu bilden, wie dies durch Schritt (h) dargestellt wird. Die in Schritt (h) gezeigte Heterostruktur besitzt vier Schichten, die aus der zweiten GaAs-Schicht 4', der Si-Schicht 1', der ersten GaAs-Schicht 4 und dem Si- Substrat 1 bestehen.
  • Wie bereits erwähnt, umfaßt die Heterostruktur in der bevorzugten Ausführungsform GaAs/Si und wird durch das Molekularstrahl-Epitaxialwachstumsverfahren oder das Festphasen-Epitaxialwachstumsverfahren gebildet. Man beachte jedoch, daß die vorliegende Erfindung auch auf eine Heterostruktur anwendbar ist, die sich aus beliebigen anderen Materialien zusammensetzt und durch beliebige andere Verfahren gebildet wird.
  • Wie bereits erwähnt, werden die Halogenatome wie z.B. F-Atome während des Kristallwachstums in die Heterogrenzfläche eingebracht. Alternativ dazu können nach dem Bilden der aus GaAs/Si bestehenden Heterostruktur die Halogenatome, z.B. F- Atome, mittels Ionenimplantation o.dgl. in die Heterostruktur eingebracht werden, um die Gitterfehlstellen zu beheben. In diesem Fall liegen die F-Atome im Si-Substrat, der Heterogrenzfläche und der GaAs-Schicht mit einer bestimmten Tiefenverteilungd vor. Anders ausgedrückt sind unzulässige F-Atome im Si-Substrat und der GaAs-Schicht vorhanden. In Bezug auf die Wirksamkeit ist dieses Verfahren daher schlechter als das in Fig.1 dargestellte.
  • Eine Gitterfehlstellendichte im GaAs/Si-Kristall, der durch das in Fig.1 dargestellte Verfahren gebildet wird, wurde unter Verwendung eines Elektronenmikroskops festgestellt. Fig.2 (Kurve 6) zeigt das Ergebnis der Bewertung der Gitterfehlstellendichte. Wie dies aus Fig.2 ersichtlich ist, wird die Gitterfehlstellendichte durch das Einbringen der F-Atome verringert, was die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung darstellt. Im Graph kennzeichnen Symbole 1 einen Bereich der Versuchsstreuung der Gitterfehlstellendichte. Man beachte weiters, daß es einen Optimalwert für die Anzahl der F-Atome gibt, die zur Minimierung der Gitterfehlstellendichte in die Heterogrenzfläche eingebracht werden. Fig.2 zeigt die anderen Heterostrukturen von CoSi&sub2;/Si (Kurve 5) und InP/Si (Kurve 7), bei denen im wesentlichen die gleiche Wirkung wie bei GaAs/Si erzielt werden kann. Aus Fig.2 geht hervor, daß die vorliegende Erfindung bei einer Vielzahl von Heteromaterialien anwendbar ist. Durch Versuche konnte man auch bestätigen, daß im Falle des Einbringens von H-Atomen und beliebigen anderen Halogenatomen anstelle von F-Atomen im wesentlichen die gleiche Wirkung wie bei den in Fig.2 dargestellten Beispielen erzielt werden kann.
  • Es folgen nähere Erklärungen zur Anzahl der H-Atome oder Halogenatome, die die Wirkung der vorliegenden Erfindung besonders ausgeprägt aufweisen. Im Falle der GaAs/Si-Struktur sind die Gitterkonstanten von GaAs und Si 5.653 bzw. 5.431 Å. Daher besteht zwischen GaAs und Si eine Gitterverschiedenartigkeit von 4%. Anders ausgedrückt sind in der Heterostruktur Schlenkerbindungen von 5,4 x 10¹¹/cm² vorhanden. Im Falle der Heterostrukturen von CoSi&sub2;/Si und InP/Si gibt es eine Gitterverschiedenartigkeit von 1,2 bzw. 8,0%; in den Heterogrenzflächen sind Schlenkerbindungen von 4,9 x 10¹&sup0;/cm² bzw. 2,2 x 10¹²/cm² festzustellen. Bezugnehmend auf die Versuchsergebnisse in Fig.2 beachte man, daß die Anzahl der Schlenkerbindungen dieser Heterostrukturen quantitativ mit der Anzahl der Halogenatome übereinstimmt, die zur Minimierung der Gitterfehlstellendichte erforderlich sind. Das heißt, daß es zur Erzielung der größten Wirkung der vorliegenden Erfindung am besten ist, H-Atome oder Halogenatome in genau jener Zahl einzuführen, die die Schlenkerbindungen in der Heterogrenzfläche gerade beenden kann.
  • Dieser obige optimale Zustand kann in folgender Weise durch einen allgemeinen Ausdruck dargestellt werden. Unter der Annahme, daß die Gitterkonstante eines Substratmaterials durch d (Å) und die Gitterkonstante eines auf dem Substat zu bildenden Heteromaterials durch d ± (x/100) (Å) gekennzeichnet ist (worin x eine Gitterverschiedenartigkeitsrate darstellt), kann die Anzahl der in der Heterogrenzfläche bestehenden Schlenkerbindungen wie folgt ausgedrückt werden:
  • [d x 10&supmin;&sup8; x 100/x)]&supmin;² (cm&supmin;²)
  • Daher kann die Anzahl (N) der zur Minimierung der Gitterfehlstellendichte erforderlichen benötigten Halogenatome wie folgt ausgedrückt werden:
  • N (cm-²) = x²/(d x 10&supmin;&sup6;)²
  • Wenn das Substratmaterial Si ist (d = 5.431 Å), kann der obige Ausdruck wie folgt umformuliert werden:
  • N(cm&supmin;²) = 3,4 x 10¹&sup0; x²
  • Gemäß dem obigen Grundausdruck kann die Beziehung zwischen der Anzahl der Halogenatome in der Grenzfläche und der Gitterverschiedenartigkeitsrate in Fig.3 dargestellt werden, die zeigt, daß die vorliegende Erfindung auf eine Vielzahl an Heterostrukturen anwendbar ist (NiSi&sub2;/Si, GaP/Si, CoSi&sub2;/Si, GaAs/Si, Ge/Si, InP/Si). Im Graph von Fig.3 kennzeichnet die Ordinatenachse die Anzahl der zur Minimierung der Gitterfehlstellendichte erforderliche Anzahl an Halogenatomen, während die Abszissenachse die Gitterverschiedenartigkeitsrate anzeigt. Es ist aus Fig.3 ersichtlich, daß der obige Ausdruck im weiten Bereich von 0,5 - 10% der Gitterverschiedenartigkeitsrate gilt und die vorliegende Erfindung für unterschiedliche Heteromaterialien geeignet ist. Insbesondere zeigt die in Fig.3 dargestellte Kurve die Beziehung zwischen der Gitterverschiedenartigkeitsrate und der Anzahl der Halogenatome, die zur Minimierung der Gitterfehlstellendichte erforderlich sind, d.h. den Ausdruck N (cm-²) = 3,4 x 10¹&sup0;. x², während die Kurven 9 und 10 eine Ober- und eine Untergrenze der Anzahl der Halogenatome darstellen, die zur Erzielung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung fähig sind, welche Ober- und Untergrenze durch Versuche bestimmt werden.
  • Unter Berücksichtigung der Variation in der Ebene und der Versuchsfehler der Gitterfehlstellendichte (siehe Fig.2) ist ein bevorzugter Bereich der Anzahl der Halogenatome gemäß der vorliegenden Erfindung ± 50% in Bezug auf die Werte, die durch den durch Kurve 8 in Fig.3 dargestellten Grundausdruck erhalten werden können.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur, umfassend die Schritte des Ablagerns bzw. Aufbringens von Atomen (2) auf eine Oberfläche einer ersten Einkristallschicht (1) und des Bildens einer zweiten Einkristallschicht (4) auf der ersten Einkristallschicht (1) mit den darauf aufgebrachten Atomen durch heteroepitaxiales Wachstum, wobei die zweite Einkristallschicht (4) eine unterschiedliche Gitterkonstante gegenüber der Gitterkonstante des Materials aufweist, das die erste Einkristallschicht (1) bildet;
worin:
die erste Einkristallschicht (1) aus Silizium besteht;
die zweite Einkristallschicht (4) aus Halbleiter- oder Metallsilicid besteht;
die Atome (2) Wasserstoff- oder Halogenatome sind und bei einer Temperatur von 650ºC oder darunter und einem Druck von 1,3 x 10&supmin;&sup7; hPa bis 1,3 x 10&supmin;&sup8; hPa (10&supmin;&sup7; - 10&supmin;&sup8; Torr) aufgebracht werden, um die Anzahl der aufgebrachten Atome (2) so zu steuern, daß die Anzahl gleich oder im Bereich von ± 50% in bezug auf die Anzahl an Schlenkerbindungen ist, die in der Heterogrenzfläche zwischen der ersten Einkristallschicht (1) und der zweiten Einkristallschicht (4) vorhanden sind; und
die beiden Schritte ohne Unterbrechung durchgeführt werden, ohne die Heterostruktur aus einer Produktionsvorrichtung herauszunehmen.
2. Verfahren zur Herstellung einer Heterostruktur, umfassend die Schritte des Aufbringens von Atomen (2) auf eine Oberfläche einer ersten Einkristallschicht (1) und des Bildens einer zweiten Einkristallschicht (4) auf der ersten Einkristallschicht (1) mit den darauf aufgebrachten Atomen durch heteroepitaxiales Wachstum, wobei die zweite Einkristallschicht (4) eine unterschiedliche Gitterkonstante gegenüber der Gitterkonstante des Materials aufweist, das die erste Einkristallschicht (1) bildet;
worin:
die erste Einkristallschicht (1) aus Silizium besteht;
die zweite Einkristallschicht (4) aus Halbleiter- oder Metallsilicid besteht;
die Atome (2) Wasserstoff- oder Halogenatome sind und bei einer Temperatur von 650ºC oder darunter aufgebracht werden, und worin die erste Einkristallschicht (1) mit den darauf aufgebrachten Atomen anschließend erneut erwärmt wird, um die Anzahl der Atome (2) auf der ersten Einkristallschicht (1) so zu steuern, daß die Anzahl gleich oder im Bereich von ± 50% in bezug auf die Anzahl an Schlenkerbindungen ist, die in der Heterogrenzfläche zwischen der ersten Einkristallschicht (1) und der zweiten Einkristallschicht (4) vorhanden sind; und
die Schritte des Aufbringens der Atome (2), des erneuten Erwärmens der ersten Einkristallschicht (1) und des Bildens der zweiten Einkristallschicht (4) ohne Unterbrechung durchgeführt werden, ohne die Heterostruktur aus einer Produktionsvorrichtung herauszunehmen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schritt des Aufbringens von Wasserstoffatomen oder Halogenatomen auf die Oberfläche der ersten Einkristallschicht das Sprühen von Wasserstoffgas oder Halogengas auf die Oberfläche der ersten Einkristallschicht umfaßt.
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