DE2644208B2

DE2644208B2 - Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einer Unterlage

Info

Publication number: DE2644208B2
Application number: DE2644208A
Authority: DE
Inventors: Eberhard F. Dr. 8023 Pullach Krimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1980-07-31
Also published as: JPS5343684A; IT1087608B; GB1532759A; NL7710742A; DE2644208C3; FR2366057A1; DE2644208A1; FR2366057B1; US4140546A; BE859265A

Description

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 flüssigen Phase an Keimen erfolgt und bei denen große band- oder p.ylinderförmige Einkristalline 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, 3ΐίί dem die üc

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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 Ionenbeschuß 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. (Vgl. journal of Vaccum Science Technology, Bd. 10, No. 1 [1973], S. 47 bis 52.) Da das Epitaxialwachstum in solchen Schichten über eine Keimbildung und anschließendem orientierten Wachstum an solchen Keimen abläuft, ist es bei diesem Verfahren notwendig, für eine ausreichende Oberflächendiffusion der aufgedampften Teilchen auf der Substratoberfläche zu sorgen. Dies geschieht bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren dadurch, daß die Substrattemperatur ausreichend hoch gewählt wird. Darüber hinaus ist es in den meisten Fällen notwendig, ais Substrat einen Einkristall zu verwenden, dessen Gitterstruktur der Gitterstruktur der aufzuwachsenden Schicht ähnlich ist, damit sich bereits bei der Keimbildung eine Orientierung herausbildet. Hohe Substrattemperaturen sind aber dann von Nachteil, wenn das Substrat selbst beispielsweise aus einer mit dotierten Zonen versehenen Halblei'erschicht besteht, da bei solchen hohen Temperaturen aufgrund von Diffusion sich die Dotierungsstärken und Dotierungsgrenzen ändern.

Ein Abscheideverfahren bei niedrigen Substrattemperaturen ist aus der Zeitschrift für angewandte Physik, 22 (1966), Seiten 1 und 2, bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Herstellung einer aus Silber, Kupfer, Eisen, Silizium, Gold oder Wolfram bestehenden Schicht auf einer Unterlage, z. B. aus Glas, aus einer Verdampfungsquelle das Schichtmaterial verdampft und auf der Unterlage niedergeschlagen, wobei während des Abscheidens die Oberfläche der Unterlage einem Ionenbeschuß mit Ionen ausgesetzt wird, deren kinetische Energie beim Auftreffen auf die Oberfläche der Unterlage wenigstens 10 keV beträgt. Die so hergestellten Schichten weisen einen hohen Grad an Homogenität auf.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht neben der Erzielung einer hohen Homogenität der Schichten auch in der Erzielung eLier hohen Haftfestigkeit zum Substrat und gleichzeitig einer guten Korrosionsbeständigkeit. Außerdem soll auch ein epitaxiales Aufwachsen aus der Gasphase auf amorphen Substraten erreicht werden.

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

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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 Kristallgittereffekte im Substrat und in der herzustellenden Schicht vermieden werden können. Weiterhin wird durch damit ermöglichte Senkung der Substrattemperatur vermieden, daß Jas aufgedampfte Material wieder abgedampft oder sich an der Substratoberfläche zersetzt. Weiterhin lassen sich mit dem Verfahren nach der Erfindung auch mechanicphp ζηαηηιιηαρη Ηϊί» narh rtpm FnHp Af*^ A ilf u/arh^pns

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 eptiaxiale Aufwachsen einer Schicht erfolgt über eine Anlagerung der aufgedampften Teilchen an Keimen. Eine kristalline, mit einer Orientierung versehene Schicht erhält man dann, wenn die Keime, ;.n denen die Anlagerung stattfindet, selber eine Orientierung aufweism. Eine solche Orientierung der Keime läßt sich durch eine Asymmetrie des als Substrat verwendeten Kristalles erreichen, wenn dieser entweder durch eine mechanische Verspannung mit einer die Keimbildung begünstigenden Vorzugsrichtung versehen wird oder, wenn in der Oberfläche der Unterlage ein starkes elektrisches Feld vorherrscht, durch das die Vorzugsrichtung festgelegt wird. Ein solches zur Oberfläche pralleles 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 Oberflächt des Substrates aufgeschossen werden. Da bei dem Aufschießen von Ionen in der Oberfläche der Unterlage Fehlstellen und Verspannungen hervorgerufen werden, die das chemische Potential der Unterlagen- oder Substratoberfläche verändern, erhält man für das dabei aufgewachsene Material eine hohe Haftfestigkeit und gleichzeitiig auch eine erhöhte Korrosionsfestigkeit. Dieser letztgenannte Umstand wird bereits bei dem als »ion plating« bekannten Verfahren ausgenutzt, bei dem beim Aufdampfen gleichzeitig die Substratoberfläche mit Edelgasionen beschossen wird. Eine Aufladung der sich auf der Substratoberfläche ausbildenden 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 niederenergetischer Ionen führt jedoch zu kleinen Stromdichten, was weiter zur Folge hat, daß eine ausreichend hohe Aufladung der Oberfiächenkeim; nicht erreicht wird.

Eine orientierte Keimbildung und ein damit orientiertes Wachstum der Schicht wird z. B. dadurch erreicht, daß in der Nähe der Oberfläche der Unterlage eine geerdete Elektrode angebracht wird. Diese geerde<e Elektrode verursacht ein elektrisches Feld zwischen den stark aufgeladenen Keimen und dieser Elektrode. Damit wird für das Wachstum eine Vonugsrichtung vorgegeben. Wird die Vorzugsrichtung mit Hilfe einer mechanischen Spannung, z. B. mittels einer Dehnung, vorgegeben, so 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 krisiallinen Substraten 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 AKcr-hpirlpranrn ΓιΚί»Γ MrIIr¹IiCtH-

fen hindurchzuführen und auf einer weiteren Rolle wieder aufzuwickeln. Dabei kann gleichzeitig durch Regelung der Drehgeschwindigkeit dieser Rollen ein Zug auf die Folie ausgeübt werden, so daß dabei die gewünschte Vorzugsrichtung 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. Oberlagerung eines elektrischen Feldes mit einer Vorzugsrichtung versehen wird. Als Verdampfungsquelle wird für das erfindungsgemäße Verfahren zweckmäßigerweise ein Elektrodenstrahlverdampfer 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 Plamakanal 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 lonenstrom und der Zahl der verdampften Teilchen geregelt werden. Bei sehr kleinen Temperaturen des im Tiegel befindlichen Materials erhält man bei einer Zierupannung von etwa 20 kV fast ausschließlich einen lonenstrom. Der erforderliche Elektronenstrom in dem Elektronenstrahlverdampfer beträgt etwa IO mA pro mm² 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 erläutert.

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. Silizium 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 eint 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 Subs^t.r2tc^c ^* ^!s Schicht 11 niprjprijpschlatyen. 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 beträgt beispielsweise 5 mA pro cm² 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 Strahlenschäden, die von den Ionen 12 hervorgerufen werden, ausheilen können. Bei einer Temperatur von 200° C 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 eine 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.2 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

κι ausgehenden Kegel 16 der verdampfenden Teilchen gefahren werden kann. Gleichzeitig ist in F i g. 2 dargestellt, daß auch mit Hilfe eines Gitters 17, das sich zwischen 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 29 angedeuteten Richtung gestreckt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 abgeschieden wird, und bei dem während des Abscheidens die Oberfläche der Unterlage einem Beschüß mit Ionen des abzuscheidenden Materials ausgesetzt wird, deren kinetische Energie beim iu Auftreffen auf die Oberfläche der Unterlage wenigstens 10keV beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abscheidens der Schicht (11) ein elektrisches Feld aufrechterhalten wird, das eine in der Oberflächenebene der Unterlage (6) liegende Komponente besitzt, oder, daß während des Abscheidens der Schicht (11) in der Unterlage (6) eine mechanische Spannung hervorgerufen wird, die eine in der Oberflächenebene der Unterlage (6) liegende Komponente besitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage ein amorphes Substrat eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage eine Folie eingesetzt 2> wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der Zahl der auf der Oberfläche der Unterlage (6) durch Verdampfung auftreffenden Teilchen des Materials (4) zu der Zahl der auf treffenden Ionen größer als 10 gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Unterlage zusätzlich einem Beschüß mit Dctierstoff- J5 ionen ausgesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Substrates kleiner als etwa 400⁰C, vorzugsweise bei etwa 200°C gehalten wird.