DE2644208A1

DE2644208A1 - Verfahren zur herstellung einer einkristallinen schicht auf einer unterlage

Info

Publication number: DE2644208A1
Application number: DE19762644208
Authority: DE
Inventors: Eberhard F Dr Krimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1978-04-06
Also published as: GB1532759A; FR2366057B1; BE859265A; IT1087608B; FR2366057A1; DE2644208C3; NL7710742A; JPS5343684A; US4140546A; DE2644208B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München VPA Tg ρ 7 13g ßRJ]

Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer Unterlage.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht "auf einer Unterlage, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher beschrieben ist.

Zur Herstellung von z.B. MOS-Bauelementen und Bauelementen und integrierten Schaltungen in einer SOS- (Silicon on Sapphire)-Technik, allgemein Dünnschichtbauelementen, werden in der Halbleitertechnologie Verfahren benötigt, mit denen auf einkristallinen oder auch amorphen Unterlagen einkristalline Schichten und Schichtfolgen aus Halbleitermaterial abgeschieden werden können. Bekannte Verfahren zur Herstellung von solchen Schichten oder auch von Bändern aus Halbleitermaterial sehen Hochtemperaturprozesse vor, bei denen aus der Gasphase Halbleitermaterial epitaxial abgeschieden wird, oder bei denen das epitaxiale Abscheiden aus einer flüsssigen Phase an Keimen erfolgt und bei denen große band- oder zylinderförmige Einkristalle gezogen und anschließend in einzelne Scheiben zerteilt werden. Für das Abscheiden dünner Schichten aus der Gasphase wird in jüngster Zeit auch ein als "ion plating" bezeichnetes Verfahren angewendet, bei dem in einem evakuierbaren Gefäß das Substrat, auf dem die Schicht abgeschieden werden soll, zum Zwecke der Oberflächenreinigung einem Ionenbeschuß ausgesetzt wird. Zum Abscheiden solcher Schichten wird Material aus einem Tiegel-verdampft und auf die Oberfläche des Substrates niedergeschlagen. Während dieses Vorganges wird der

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lonenbesehuß aufrechterhalten, da sich herausgestellt hat, daß unter diesen Umständen eine gute Haftung zwischen dem abgeschiedenen Film und der Substratoberfläche und ggf» auch ein orientiertes Wachsen der Schicht erreicht wird. (YgI. Journal of vacuum science technology , Bd. 10, Mo. 1 (1973) S. 47 52). Da das Epitaxialwachstum in solchen Schichten über eine Keimbildung und anschließendem orientierten Wachstum an solchen Keimen abläuft, ist es bei diesem ¥erfahren notwendig, für eine ausreichende Oberflächendiffusion der aufgedampften Teilchen auf der Substratoberfläche zu sorgen. Dies geschieht bei dem aus dem Stand der Technik bekannten ¥erfahren dadurch, daß die Substrattemperatur ausreichend hoch gewählt wird. Darüherhinaus ist es in den meisten Fällen notwendig» als Substrat ein Einkristall zu verwenden, dessen Gitterstruktur der G-itterstruktur der aufzuwachsenden Schicht ähnlich ist, damit sich bereits bei der Keimbildung eine Orientierung herausbildet. Hohe Subtstrattemperaturen sind aber dann von Nachteil» wenn das Substrat selbst beispielsweise aus einer mit dotierten Zonen versehenen Halbleiterschicht besteht» da bei solchen hohen Temperaturen aufgrund von Diffusion sieh· die Dotierungsstärken und Dotierungsgrenzen, ändern.

Aufgabe der Erfindung ist daher_¥ für ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes ¥erfahren< weitere Maßnahmen anzugeben, die epitaxiales Aufwachsen auf einem Substrat auch bei niedrigen Substrattempera-fairea ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist» Maßnahmen anzugeben „ mit denen ein epitaxiales Aufwachsen a«s der Gasphase auch auf amorphen Substraten erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des" Patentanspruches 1 angegebenen ¥erfahren erfindungsgemäß nach der in kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

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Das Verfahren nach der Erfindung hat gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren insbesondere die Vorteile, daß die Substrattemperaturen abgesenkt werden und damit unerwünschte Diffusionsprozesse oder Küri stallgittereff ekte im Substrat und in der herzustellenden Schicht vermieden werden können. Weiterhin wird durch damit ermöglichte Senkung der Substrattemperatur vermieden, daß das aufgedampfte Material wieder abdampft oder sich an der Substratoberfläche zersetzt-Weiterhin lassen sich mit dem Verfahren nach der Erfindung auch mechanische Spannungen, die nach dem Ende des Aufwachsens beim Abkühlen des Substrates und der aufgewachsenen Schicht auftreten können und die möglicherweise Kristallschäden zur Folge haben, vermeiden.

Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen: Das epitaxiale Aufwachsen einer Schicht erfolgt über eine Anlagerung der aufgedampften Teilchen an Keimen. Eine kristalline, mit einer Orientierung versehenen Schicht erhält man dann, wenn die Keime» an denen die Anlagerung stattfindet, selber eine Orientierung aufweisen. Eine solche Orientierung der Keime läßt sich durch eine Asymmetrie des als Substrat verwendeten Kristalles erreichen, wenn dieser beispielsweise durch eine mechanische Verspannung mit einer die Keimbildung begünstigenden Vorzugsrichtung versehen wird. Eine Orientierung der Keime bzw. eine orientierte Anlagerung an Keime läßt sich aber auch dadurch erreichen» daß in der Oberfläche des Substrates ein starkes elektrisches Feld vorherrscht, durch das die Vorzugsrichtung festgelegt wird. Ein solches zurOberfläche paralleles elektrisches Feld entsteht dann, wenn ein Keim, an dem eine Anlagerung stattfinden kann, sehr stark elektrisch aufgeladen ist. In diesem Fall entsteht ein Polarisationsfeld mit sehr hohen Feldstärken, und aufgrund dieses hohen elektrischen Feldes erfolgt die Oberflächendiffusion zu den Keimen hin nicht isotrop, sondern mit einer Vorzugsrichtung. Eine Aufladung der Keime läßt sich dadurch erreichen, daß zugleich mit dem Aufdampfen des Materials geladene Teilchen z.B. Ionen, mit auf die Oberfläche des Substrates aufgeschossen werden. Da bei dem Aufschießen von Ionen in der Substratoberfläche Fehl-

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stellen und Verspannungen hervorgerufen werden, die das chemische Potential der Substratoberfläche verändern, erhält man für das dabei aufgewachsene Material eine hohe Haftfestigkeit und gleichzeitig auch eine erhöhte Korrosionsfestigkeit. Dieser letztgenannte Umstand wird bereits bei dem als "ion platin* bekannten Verfahren ausgenutzt, bei demteim Aufdampfen gleichzeitig die Substratoberfläche mit Edelgasionen beschossen wird. Eine Aufladung der sich auf der Substratoberfläche ausbildenen Keime wird mit "ion plating"-Verfahren jedoch nicht erreicht. Dies ergibt sich daraus, daß bei dem "Ion plating"-Verfahren die kinetische Energie der aufgeschossenen Ionen eine bestimmte Größe nicht überschreiten darf, da sonst die von ihnen hervorgerufene Zerstäubung größer wird als die Anlagerung des aufgedampften Materials. Die Verwendung nieder-' energetischer Ionen führt jedoch zu kleinen Stromdichten, was weiter zur Folge hat, daß eine ausreichend hohe Aufladung der Oberflächenkeime nicht erreicht wird.

Entsprechend bevorzugtαϊ Ausgestaltungen der Erfindung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine orientierte Keimbildung und ein damit orientiertes Wachstum der Schicht dadurch erreicht, daß in der Nähe der Oberfläche der Unterlage eine geerdete Elektrode angebracht wird. Diese geerdete Elektrode verursacht ein elektrisches Feld zwischen den stark aufgeladenen Keimen und dieser Elektrode. Damit wird für das Wachstum eine Vorzugsrichtung vorgegeben. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erhält man die Vorzugsrichtung dadurch, daß mit Hilfe einer mechanischen Verspannung, z.B. einer Dehnung, der Unterlage eine Anisotropie aufgezwungen wird. Auch in diesem Falle erfolgt das Wachstum an den auf der Oberfläche der Unterlage befindlichen Keimen bzw. die Ausbildung solcher Keime mit einer räumlichen Orientierung. Dies läßt sich sowohl bei Unterlagen aus kristallinen Substrat wie auch bei Unterlagen aus amorphen Substraten, z.B. auch bei Unterlagen aus Folien von anorganischem oder organischem Material anwenden. Bei der Verwendung von Folien wäre es überdies möglich, diese Folie von einer Vorratsrolle abzuwickeln, durch den Abscheideraum über Druckstufen hindurchzuführen und auf einer weiteren Rolle wieder

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aufzuwickeln. Dabei kann gleichzeitig durch Regelung der Drehgeschwindigkeit dieser Rollen ein Zug auf die Folie ausgeübt werden, so daß dabei die gewünschte Vorzügsrichtung der Oberfläche der Unterlage erreicht wird. Es ist weiterhin auch eine Kombination dieser beiden Ausgestaltungen denkbar, bei der das als Unterlage dienende Substrat sowohl einer mechanischen Verspannung wie auch durch Anbringen einer Elektrode bzw. Überlagerung eines elektrischen Feldes mit einer Vorzugsrichtung versehen wird. Als Verdampfungsquelle wird für das erfindungsgemäße Verfahren zweckmäßigerweise ein Elektronenstrahlverdampfer verwendet, da bei einer solchen Verdampfungsquelle gleichzeitig auch Ionen des verdampften Materials erzeugt werden. Dies läßt sich aus der Eindringtiefe eines Elektronenstrahls in dem zu verdampfenden Material ableiten, da die große Eindringtiefe der Elektronen nur damit erklärt werden kann, daß in dem Festkörper, auf dem der Elektronenstrahl gerichtet ist, ein Plasmakanal entsteht. In einem solchen Plasmakanal sind aber eine große Zahl von Ionen vorhanden. Diese Ionen können durch Anlegen einer Ziehspannung zwischen dem Tiegel, in dem sich das zu verdampfende Material befindet ,und der. Unterlage bzw. einer Elektrode, die sich in der Nähe der zu bedampfenden Unterlage befindet, auf die Unterlage hin beschleunigt werden. Gleichzeitig kann mit einer solchen Verdampfungsquelle durch eine Temperaturregelung des Tiegels das Verhältnis zwischen dem Ionenstrom und der Zahl der verdampften Teilchen geregelt werden. Bei sehr kleinen Temperaturen des im Tiegel befindlichen Materials erhält man bei einer Ziehspannung von etwa 20 kV fast ausschließlich einen Ionenstrom. Der erforderliche

Elektronenstrom in dem Elektronenstrahlverdampfer beträgt etwa ρ —

10 mA pro mm der erhitzten Fläche. Es können aber auch andere Verdampfungsquellen benützt werden, bei denen gleichzeitig Ionen erzeugt werden. Hierfür.ist beispielsweise auch eine durch Hochfrequenz beheizte Verdampfungsquelle geeignet, da in dem Hochfrequenzfeld aufgrund von Stoßeffekten ebenfalls Ionen gebildet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben und näher er-

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läutert.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. In einem Repizienten 1, der über eine Vakuumleitung 2 evakuiert werden kann, befindet sich ein Tiegel 3, in dem das zu verdampfende Material 4, z.B. SiIizium, enthalten ist. Über dem Tiegel 3 ist ein Halter 5 angebracht, an dem das Substrat 6, das z.B. aus einem Siliziumkörper besteht, befestigt ist. Dieser Halter 5 sitzt selbst in einer Hochspannungsdurchführung 7 und ist mit einer Hochspannungsquelle 8 verbunden. Das in dem Tiegel 3 enthaltene Material 4 wird mit Hilfe einer Elektronenkanone 9 mit Elektronen beschossen und dadurch erhitzt. Es entsteht in dem Material 4 eine schmelzflüssige Zone 10, aus der heraus das Material verdampft. Die Intensität des Elektronenstrahls beträgt beispielsweise 10 mA bei einer kinetischen Energie der Elektronen von beispielsweise 5 kV. Das aus der Zone 10 verdampfte Material wird auf der Oberfläche des Substrates 6 als Schicht 11 niedergeschlagen. Durch den Elektronenbeschuß werden in der schmelzflüssigen Zone 10 gleichzeitig auch Ionen 12 des Materials 4, in dem Beispiel Si-Ionen, erzeugt. Diese Ionen 12 werden durch Anlegen einer Hochspannungsquelle 8 an den Tiegel 3 einerseits und an den Halter 5 andererseits auf die Substratoberfläche hin beschleunigt. Die zwischen dem Tiegel und dem Halter 5 anliegende Spannung beträgt beispielsweise 20 kV. die Polung dieser Spannungsquelle ist so, daß der Tiegel 3 gegenüber dem Halter 5 positives Potential besitzt.

Die Dichte des von den Ionen 12 hervorgerufenen Stromes be-

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trägt beispielsweise 5 mA pro cm der Substratoberfläche. Der Strom dieser Ionen 12 bewirkt eine Impuls- und Energieübertragung, und damit bei einem isolierenden Substrat 6 zusammen mit elektrischen Feldern bereits in der Nukleationsphase ein orientiertes Wachstum der Schicht 11, ohne daß das Substrat 6 mit Hilfe eines Ofens 14 auf eine hohe Temperatur erhitzt werden müßte. Mit Hilfe dieses Ofens 14 kann das Substrat auf eine Temperatur' von nur etwa 200°C erhitzt werden, damit Strah-

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lenschäden, die von den Ionen 12 hervorgerufen werden, ausheilen können. Bei einer Temperatur von 200⁰C können noch keine unerwünschten Diffusionsprozesse im Substrat bzw. zwischen dem Substrat und der Schicht 11 auftreten. In der Nähe der Substratoberfläche befindet sich weiter eine Hilfselektrode 13, durch die mit der Spannungsquelle 28 ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, das einer in der Oberflächenebene des Substrates liegende Komponente aufweist, und das eine Orientierung der beim Aufwachsen der Schicht 11 vorhandenen Wachstumskeime bewirkt. Die Elektrode 13 kann auch als Teil des Halters 5 ausgebildet werden und liegt dann natürlich auf dem Potential des Halters, wobei die Spannungsquelle 28 entfällt.

Die in Fig. Z- gezeigte Vorrichtung entspricht im wesentlichen der Vorrichtung nach Fig. 1. Als Träger für das Substrat 6 dient hier ein Band 15, mit dessen Hilfe das Substrat 6 .in den von dem Tiegel 3 ausgehenden Kegel 16 der verdampfenden Teilchen gefahren werden kann. Gleichzeitig ist in Fig. 2 dargestellt, daß auch mit Hilfe eines Gitters 17, das sich zwisehen dem Tiegel 3 und dem Substrat 6 befindet, die beim Verdampfen des Materials 4 entstehenden Ionen 12 auf das Substrat hin beschleunigt werden können. In dem Raum zwischen dem Tiegel 3 und dem Substrat 6 kann weiter auch eine Mikrowellenantenne 18 angeordnet sein, die von einem Mikrowellengenerator 19 erregt wird. Das von der Mikrowellenantenne 18 dabei ausgehende hochfrequente elektrische Feld kann eine zusätzliche Ionisierung der aus der Zone 10 des Materials 4 verdampfenden Teilchen bewirken, so daß ein höherer Strom von Ionen 12 zur Verfügung steht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als_ Substrat eine Folie 15 verwendet, und auf diese Folie 15 direkt eine Schicht 11 aufgewachsen. Eine Vorzugsrichtung läßt sich dabei dadurch erreichen, daß diese Folie 15 in einer durch den Pfeil 23 angedeuteten Richtung gestreckt wird.

18 Patentansprüche
2 Figuren

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44 Leerseite

Claims

Patentansprüche 7SP 7 1 39 BRD

1. Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer Unterlage,bei dem aus einer Verdampfungsquelle das Material der Schicht verdampft und auf der Oberfläche der unterlage wieder abgeschieden wird, und bei dem während des Abscheidens die Oberfläche der Unterlage einem Ionenbeschuß ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Ionenbeschuß mit Ionen (12) erfolgt, deren kinetische Energie beim Auftreffen auf die Oberfläche der Unterlage (6) wenigstens 10 keV beträgt, und daß der Strom der auf die Oberfläche der unterlage auftreffenden Ionen (12) so gewählt wird, daß für die Oberfläche der Unterlage (6) die Summe aus der Verdampfungsrate und der durch die Ionen verursachten Zerstäubung kleiner ist als die von den Ionen (12) zusammen mit den aufgedampften Teilchen hervorgerufene Kondensationsrate.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net", daß eine isolierende Unterlage verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß der Strom der auf die Oberfläche der Unterlage (6) auftreffenden Ionen (12) kleiner als 10 mA cm gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß der Ionenbeschuß mit Ionen des abzuscheidenden Materials (4) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet , daß während des Abscheidens der Schicht (11) ein elektrisches Feld aufrechterhalten wird, das eine in der Oberflächenebene der Unterlage liegende .Komponente besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeich net , daß zur Ausbildung des elektrischen Feldes in Nähe der Oberfläche der Unterlage (6) eine Elektrode (13) angebracht

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7- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet , daß die Elektrode (5, 13) als Teil der Unterlage (6) ausgebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß während des Abscheidens in der Unterlage (6) eine mechanische Spannung hervorgerufen wird, die eine in der Oberflächenebene der Unterlage liegende Komponente besitzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net , daß zur Ausbildung der mechanischen Spannung die Unterlage gestreckt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet , daß als Unterlage ein amorphes Substrat verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet , daß als Unterlage (S) eine Folie (15) verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet , daß das abzuscheidende Material in einem Tiegel (3) mit einem Elektronenstrahl erhitzt und daraus verdampft wird, und daß zwischen dem Tiegel (3) und der Unterlage und/oder einer in der Nähe der Unterlage angebrachten Elektrode (5, 17), eine Spannung von mehr als 10 kV angelegt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet , daß das Verhältnis aus der Zahl der auf der Oberfläche der Unterlage (6) durch Verdampfung auftreffenden Teilchen des Materials (4) zu der Zahl der auftreffenden Ionen größer als 10 gewählt wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Schichten unterschiedlichen Materials aufeinander abgeschieden werden.

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15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet , daß als abzuscheidendes Material (4) Halbleitermaterial verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net , daß als abzuscheidendes Material (4) Silizium verwendet wird.

17.' Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet , daß ein Teil der zum Ionenbeschuß verwendeten Ionen (12) Dotierstoffionen sind.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge

kennzeichnet ,' daß die Temperatur des Substrates ν kleiner als etwa 400°C, vorzugsweise bei etwa 20O⁰C gehalten wird.

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