DE2944118A1 - Semiconductor selective epitaxial layer forming system - uses laser radiation with mask forming pattern for different crystal growth rates - Google Patents

Semiconductor selective epitaxial layer forming system - uses laser radiation with mask forming pattern for different crystal growth rates

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Abstract

The method of forming structured epitaxial layers on semiconductor elements uses molecular radiation which is directed towards the substrate on which is formed a pattern of different crystal regions. Laser radiation is applied selectively to produce a pattern of light and shadow zones, by using a mask. This causes different rates of crystal growth, so that single crystal regions alternate with polycrystalline regions. This forms part of an epitaxial etching system, the wavelength and intensity of the laser radiation being modified selectively. The laser beam may be made up of two sets of radiation of two different wavelengths.

Description

Verfahren zum Herstellen strukturierter EpitaxieschichtenMethod for producing structured epitaxial layers

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen strukturierter Epitaxieschichten für Halbleiterbauelemente, bei dem Strukturunterschiede durch Laserlicht herbeigeführt werden.The invention relates to a method for producing structured Epitaxial layers for semiconductor components in which structural differences are caused by Laser light can be brought about.

Bei Halbleiterbauelementen lassen sich dünne, einkristalline Schichten mittels Epitaxie aus der Gasphase erzeugen. Sowohl bei der Molekularstrahlepitaxie im Ultrahochvakuum - MBE - als auch bei der chemischen Abscheidung aus der Gasphase - CVD - muß das Substrat, auf dem die Schicht aufwächst, auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, um einkristallinen Kristallwuchs zu gewährleisten. Die auf der Oberfläche des Substrats aufgrund einer Verdampfung, durch Sputtern oder durch chemische Zersetzung ankommenden Atome benötigen eine gewisse kinetische Energie, um sich dort ein- oder zweidimensional frei bewegen zu können, bis sie die energetisch günstige Lage, d.h. einen Gitterplatz gefunden haben. Die hierzu erforderliche Energie wird dem Vorrat thermischer Energie des Substrats entnommen. Reicht die thermische Energie des Substrats hierfür nicht aus, nimmt die Zahl der Fehlbesetzungen von Gitterplätzen bis zu einem polykristallinen Wachstum zu.In the case of semiconductor components, thin, monocrystalline layers can be used generate by means of epitaxy from the gas phase. Both in molecular beam epitaxy in ultra-high vacuum - MBE - as well as chemical deposition from the gas phase - CVD - the substrate on which the layer grows must be at an elevated temperature be held to ensure monocrystalline crystal growth. The one on the Surface of the substrate due to evaporation, sputtering or chemical Incoming atoms need a certain kinetic energy to decompose to be able to move freely there in one or two dimensions until they are energetically favorable Location, i.e. have found a lattice site. The energy required for this is taken from the supply of thermal energy of the substrate. The thermal energy is sufficient of the substrate is not sufficient for this, the number of incorrectly occupied lattice sites increases up to a polycrystalline growth.

Unterschiedlich kristalline Schichten sind für besondere Anwendungszwecke bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen durchaus erwünscht. So ist es z.B. aus "Journal of Applied Physics", Band 46, Nr. 2 (Februar 1975) Seiten 783 bis 785 bekannt, polykristalline und einkristallines GaAs getrennt voneinander auf einem Substrat wachsen zu lassen. Die sich ergebende Struktur weist einkristalline, elektrisch gut leitende Bereiche auf, die voneinander durch polykristallines halbleitendes Material isoliert sind. Zur Herstellung einer solchen Struktur sind Fenster in einer Si02-Schicht vorzusehen, die ansonsten ein Cr-dotiertes halbleitendes GaAs-Substrat überdeckt. GaAs, das nachfolgend unter Anwendung der Molekularstrahlepitaxie abgelagert wird, führt zu einer gleichzeitigen Ausbildung von monokristallinem Material über unbedecktem Substrat und von polykristallinem Material über der SiO2-Schicht. Different crystalline layers are for special purposes absolutely desirable in the manufacture of semiconductor components. So it is e.g. from "Journal of Applied Physics" Volume 46, No. 2 (February 1975) pages 783-785 known, polycrystalline and monocrystalline GaAs separately from each other on one Substrate to let it grow. The resulting structure is single crystal, electrical highly conductive areas separated from each other by polycrystalline semiconducting Material are insulated. To make such a structure, windows are in one Provide SiO2 layer, which is otherwise a Cr-doped semiconducting GaAs substrate covered. GaAs subsequently deposited using molecular beam epitaxy leads to a simultaneous formation of monocrystalline material uncovered substrate and polycrystalline material over the SiO2 layer.

Eine Streifenstruktur weisen auch Halbleiterlaser auf, die insbesondere für die Einstrahlung in Monomode-Lichtleitfasern ausgebildet sind. Aus "Applied Physics Letters", Band 29, Nr. 3 (1. August 1976), Seiten 164 bis 166 geht hervor, daß Streifen mit einer Breite bis hinab zu 5 /um erzeugt werden können. Hierbei wurde ebenfalls die Molekularstrahlepitaxie bei einer Substrat-Temperatur von 5800 C sowie die herkömmliche Photolithographie- und Atztechnik angewendet.A strip structure also have semiconductor lasers, in particular are designed for radiation into single-mode optical fibers. From "Applied Physics Letters ", Vol. 29, No. 3 (August 1, 1976), pages 164 to 166, it appears that stripes with a width down to 5 / µm can be produced. Here also became the molecular beam epitaxy at a substrate temperature of 5800 C as well as the conventional photolithography and etching technique.

Hohe Substrattemperaturen sind jedoch mit mehreren Nachteilen verbunden. Besonders unangenehm ist die Diffusion von Dotierstoffen, durch die beabsichtigte abrupte Obergänge verwischen. Außerdem neigen Materialien mit hohem Dampfdruck ihrer Elemente zur Zersetzung und damit zur Störung der Gitterstruktur an der Oberfläche. In "Applied Physics Letters" 33(3) (1. August 1978), Seiten 227 bis 230 wird auf die Vorzüge hingewiesen, die sich durch eine Kombination eines Ausheilens mittels Laser und der Molekularstrahlepitaxie erzielen lassen. Während sonst für die Ausbildung von Einkristallen, z.B. bei Silizium, Temperaturen um 12000 C bei chemischer Abscheidung aus der Dampfphase oder bis 9000 C bei Molekularstrahlepitaxie erforderlich sind, kann eine bei tieferer Temperatur abgeschiedene, dann aber polykristalline Schicht bei Zimmertenperatur und in Luft auf einem Einkristall-Substrat bis in einige /um Tiefe durch Laserbestrahlung ausgeheilt werden. Das heißt, dort, wo der Laserstrahl auftrifft, bildet sich aus dem amorphen dünnen Film durch Aufschmelzen und gerichtete Erstarrung der zuvor aufgebrachten amorphen Schicht eine einkristalline Epitaxie-Schicht aus.However, there are several disadvantages associated with high substrate temperatures. Diffusion of dopants through the intended is particularly unpleasant blur abrupt transitions. Also, materials with high vapor pressure tend to have their Elements for decomposition and thus for disrupting the lattice structure on the surface. Applied Physics Letters 33 (3) (August 1, 1978), pages 227-230 refer to pointed out the benefits of a combination of a healing means Let laser and molecular beam epitaxy achieve. While otherwise for training of single crystals, e.g. silicon, temperatures around 12000 C with chemical deposition from the vapor phase or up to 9000 C for molecular beam epitaxy are required, can be a layer deposited at a lower temperature, but then a polycrystalline layer at room temperature and in air on a single crystal substrate down to a few μm Depth can be healed by laser irradiation. That is, where the laser beam is occurs, is formed from the amorphous thin film by melting and directed Solidification of the previously applied amorphous layer a monocrystalline epitaxial layer the end.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit, Strukturen mittels Laser herbeizuführen, ist aus Applied Physics Letters" 35(2) (15. Juli 1979), Seiten 175 bis 177, bekannt. Es handelt sich dabei um laserinitiierte heterogene photochemische Reaktionen, die sowohl für die Entfernung von Material (Atzen) als auch für die Ablagerung von Elementen oder Verbindungen anwendbar sind und von solchen Laserbehandlungen deutlich zu unterscheiden sind, bei denen von streng thermischen Wirkungen ausgegangen wird, wie z.B.Another advantageous application, structures by means of Laser inducing is from Applied Physics Letters "35 (2) (July 15, 1979), pp 175 to 177, known. These are laser-initiated heterogeneous photochemicals Reactions relevant to both the removal of material (etching) and the Deposition of elements or compounds are applicable and of such laser treatments clearly distinguishable from which are assumed to be strictly thermal effects becomes, e.g.

beim oben erwähnten Ausheilen oder auch bei chemischer Ablagerung aus der Dampfphase, bei denen die Oberflächen mittels Laser aufgeheizt werden. Bei der laserinitiierten photochemischen Reaktion wird z.B. eine räumlich strukturierte Abscheidung von Material aus metallorganischen Verbindungen herbeigeführt, indem beim CVD-Verfahren Laserlicht eingestrahlt wird, das diese metallorganischen Verbindungen dissoziiert. Das Metall kann sich dann im Bereich des Laserstrahls auf dem Substrat ablagern. Die Energie der hierfür eingesetzten Laserstrahlung reicht jedoch für eine pyrolytische Ablagerung nicht aus. Wird dagegen die gleiche Energiemenge statt kontinuierlich in kurzzeitigen Pulsen zugeführt, kann es zu einer plötzlichen, schnellen Erwärmung kommen, da das abgelagerte Material die Energie absorbiert und die Wärme nicht unendlich schnell abgeleitet wird. Bei genügend hoher Energiedichte kann es an einem örtlichen heißen Punkt auf dem Substrat sowohl zu einer photolytischen als auch zu einer pyrolytischen Ablagerung kommen. Bei noch höheren Energiedichten kann auch eine Verdampfung aus dem Metallfilm auftreten. Aufgrund der Temperaturverteilung im Substrat sind örtliche Grenzen in solchen Fällen ungenauer als bei reiner photolytischer Ablagerung. Eine Beeinflussung der Kristallinität bei solchen photolytischen Ablagerungen ist während ihres Entstehens ohne besondere Maßnahmen nicht möglich.during the above-mentioned annealing or chemical deposition from the vapor phase, in which the surfaces are heated by laser. at the laser-initiated photochemical reaction becomes, for example, a spatially structured one Deposition of material from organometallic compounds brought about by in the CVD process laser light is irradiated, which these organometallic compounds dissociated. The metal can then be in the area of the laser beam on the substrate deposit. However, the energy of the laser radiation used for this is sufficient for pyrolytic deposition does not occur. On the other hand, the same amount of energy is held fed continuously in short pulses, it can be sudden, rapid Warming occurs as the deposited material absorbs the energy and the heat is not derived infinitely quickly. If the energy density is high enough, it can at a local hot point on the substrate both to a photolytic as well as pyrolytic deposition. With even higher energy densities Evaporation from the metal film can also occur. Due to the temperature distribution In such cases, local boundaries in the substrate are less precise than in purely photolytic ones Deposit. Affecting the crystallinity of such photolytic deposits is not possible during its creation without special measures.

Die Erfindung geht davon aus, daß die für die Ausbildung einer gewünschten Kristallinität strukturierter Epitaxieschichten benötigte Energie den Atomen (oder Molekülen) nicht unbedingt über einen Vorrat an thermischer Energie des Substrates zugeführt werden muß.The invention assumes that for the formation of a desired Crystallinity of structured epitaxial layers required energy for the atoms (or Molecules) do not necessarily have a supply of thermal energy in the substrate must be supplied.

Damit könnten die nachteiligen Auswirkungen bei erhöhter Temperatur des Substrates, insbesondere Diffusionen und Zersetzungen von vornherein unterbunden werden. Gemäß der Erfindung wird dazu während eines Epitaxie-/#tzprozesses die Gleichgewichtsreaktion an der Grenzfläche Kristall-Gasphase durch Laserlicht bestimmt, wobei das Substrat kalt bleiben oder auf geringfügig erhöhte Temperatur gebracht werden kann. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß Photonen nur als ganze Vielfache von Eo = h 9 emittiert oder absorbiert werden können. Durch die Wahl der jeweils zutreffenden Wellenlänge des Laserlichts erhalten die sich an der Grenzfläche befindlichen Atome die für die freie Bewegung auf der Suche nach einem Gitterplatz benötigte kinetische Energie in der auch benötigten Dosis.This could reduce the adverse effects of increased temperature of the substrate, in particular diffusion and decomposition prevented from the outset will. According to the invention, the equilibrium reaction is used for this purpose during an epitaxy / etching process Determined by laser light at the crystal-gas phase interface, the substrate can stay cold or be brought to a slightly elevated temperature. Here use is made of the fact that photons can only be expressed as integer multiples of Eo = h 9 can be emitted or absorbed. By choosing whichever is applicable The atoms at the interface receive the wavelength of the laser light the kinetic required for free movement in search of a lattice site Energy in the dose you need.

Ein wesentlicher Vorzug der Erfindung besteht darin, daß diese Vorgänge gleichzeitig mit einer Ablagerung von Atomen auf der Grundfläche bzw. mit einem Abtragen oder Ätzen stattfinden können, also z.B. ein einkristallines Wachstum zusammen mit der Ablagerung auftritt, so daß sonst übliche voneinander getrennte Arbeitsgänge zusammengefaßt werden können. Außerdem verringern sich Probleme der Reinhaltung gegenüber unterbrochen ablaufenden Epitaxieprozessen, und es läßt sich sowohl Zeit als auch Material bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen einsparen.A major advantage of the invention is that these processes simultaneously with a deposition of atoms on the base or with a Ablation or etching can take place, e.g. a single crystal growth together occurs with the deposit, so that otherwise usual separate operations can be summarized. In addition, problems of keeping clean are reduced compared to interrupted running epitaxial processes, and it takes both time as well as saving material in the manufacture of semiconductor components.

Die Gleichgewichtsreaktion an der Grenzfläche Kristall-Gasphase stellt in jedem Augenblick ein ausgewogenes Verhältnis der einzelnen Prozesse dar, die aufgrund der herrschenden chemischen und physikalischen Gegebenheiten stattfinden. Ein Oberschuß metallischer Elemente in der Gasphase führt demgemäß zu einer Anlagerung des Metalls am Kristall, ein Oberschuß angeregter Kristallatome bzw.The equilibrium reaction occurs at the crystal-gas phase interface at every moment a balanced relationship between the individual processes that take place due to the prevailing chemical and physical conditions. An excess of metallic elements in the gas phase accordingly leads to an accumulation of the metal on the crystal, an excess of excited crystal atoms or

anorganische oder organische ätzmittel zu einem Abbau aus dem Feststoff. Mikroskopisch gesehen laufen damit beide Prozesse, Aufwachsen einer Epitaxieschicht und Abtragen oder Atzen parallel ab, wobei im allgemeinen der eine oder der andere Prozeß überwiegt. Soweit bei solchen Gleichgewichtsreaktionen kinetische Energie benötigt wird, die eine freie Bewegung bestimmter Atome ermöglichen, wird bei der erfindungsgemäßen Lösung mittels Laserlicht eingegeriffen.inorganic or organic caustic agents break down from the solid. From a microscopic point of view, both processes run, the growth of an epitaxial layer and ablation or etching in parallel, generally one or the other Process predominates. So much for kinetic energy in such equilibrium reactions is needed that allow certain atoms to move freely at the solution according to the invention intervened by means of laser light.

Es handelt sich hierbei also nicht um thermische Wirkungen und streng genommen auch nicht um eine photochemische Reaktion, sondern unter einem solchen Gesichtspunkt um eine photokristallographische Wirkung des Laserlichts. Die auch sonst ablaufenden Prozesse bei pyrolytischer oder photolytischer Ablagerung oder Abtragung sollen durch eine derartige photokristallographische Wirkung keineswegs ersetzt, wohl aber beeinflußt und gesteuert werden, so daß sich also z.B. gleichzeitig mit der Ablagerung von Atomen auf dem Substrat und einem Aufwachsen einer Epitaxieschicht in dieser gewünschte Kristallinitäten einstellen, die bei bekannten, herkömmlichen Verfahren erst nachträglich herbeizuführen sind.So it is not a question of thermal effects and is severe taken not to be a photochemical reaction, but under one Point of view about a photocrystalllographic effect of the laser light. That too otherwise occurring processes with pyrolytic or photolytic deposition or Such a photocrystallographic effect is by no means intended to erode replaced, but influenced and controlled, so that e.g. at the same time with the deposition of atoms on the substrate and growth of an epitaxial layer set in this desired crystallinities that are known in the conventional Proceedings are only to be brought about afterwards.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine senkrecht zur Wachstumsrichtung unterschiedliche kristalline Struktur mittels eines Licht-Schatten-Musters des Laserlichts, z.B. durch Abbildung einer Maske auf der Grenzfläche herbeizuführen. Bei Verwendung von Licht lassen sich mit optischen Abbildungssystemen endliche Abstände zwischen Maske und Substratoberfläche einhalten. Derartige Masken brauchen insbesondere nicht -wie bei der Photolithographie - unmittelbar auf der Substratoberfläche aufgebracht zu sein. Die unmittelbare Strukturierung der wachsenden Epitaxie-Schicht entsprechend dem Licht-Schatten-Muster macht sonst übliche Arbeitsgänge: Photolithopraphie-Atzen überflüssig.There is a particularly advantageous embodiment of the invention therein, a different crystalline structure perpendicular to the direction of growth by means of a light-shadow pattern of the laser light, e.g. by imaging a Bring about mask on the interface. When using light, with optical imaging systems finite distances between mask and substrate surface retain. Such masks do not need in particular - as is the case with photolithography - To be applied directly to the substrate surface. The immediate structuring of the growing epitaxial layer according to the light-shadow pattern otherwise Usual operations: photolithographic etching superfluous.

Wie bereits weiter oben erwähnt ist, werden die für die Zuführung kinetischer Energie für die freie Beweglichkeit von Atomen mittels Laserlicht eingestrahlten Photonen nur als ganze Vielfache von Eo = h 9 emittiert bzw. absorbiert. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf dieser Tatsache und nutzen die Möglichkeit, durch entsprechende Wahl der Wellenlänge und Intensität des Laserlichts benachbarte aufwachsende und abzutragende Bereiche unterschiedlicher Kristallinität zu erhalten. An sich bekannte vorteilhafte benachbarte poly- und einkristalline Bereiche, die hohen bzw.As already mentioned above, these are used for feeding kinetic energy for the free mobility of atoms by means of laser light Photons only emitted or absorbed as whole multiples of Eo = h 9. Further preferred embodiments of the invention are based on this fact and make use of it the possibility of choosing the wavelength and intensity of the laser light accordingly Adjacent growing and ablated areas of different crystallinity to obtain. Advantageous neighboring polycrystalline and monocrystalline crystals known per se Areas that are high or

geringen elektrischen Widerstand aufweisen, können auf einfache Weise dadurch hergestellt werden, daß sich aufgrund der Wellenlänge und Intensität des Laserlichts und eines entsprechenden Licht-Schatten-Musters auf der Grenzfläche in beschatteten Flächen polykristalline Schichten und in beleuchteten Flächen Einkristalle ausbilden. Hierbei ist insbesondere an ein Aufwachsenlassen einer Epitaxieschicht auf einem Substrat gedacht, dem sowohl eine chemische Abscheidung aus der Gasphase als auch die Molekularstrahlepitaxie zugrunde liegen kann.have low electrical resistance, can easily way are produced in that due to the wavelength and intensity of the Laser light and a corresponding light-shadow pattern on the interface in shaded areas polycrystalline layers and in illuminated areas single crystals form. In particular, an epitaxial layer is allowed to grow on on a substrate thought to be both a chemical vapor deposition as well as molecular beam epitaxy.

Eine weitere bedeutungsvolle Möglichkeit besteht bei entsprechend hoher Substrattemperatur darin, die Wellenlänge und Intensität des Laseriichts so zu wählen, daß sich in Beschatteten Flächen einkristalline Bereiche ausbilden und in Deleuchteten Flächen das Laserlicht derselben Wellenlänge kinetische Energie in einer solchen Dosis zur Verfügung stellt, daß die an der Grenzfläche absorbierte Energie in diesen beleuchteten Bereichen zum Herauslösen von Atomen aus dem Kristallverband und damit zu einem selektiven Abtragen epitaktischer Bereiche ausreicht. Auf diese Weise können z.B. bei chemischer Ablagerung aus der Gasphase elektrisch gut leitende einkristalline Streifen oder Bereiche erzeugt werden, denen Bereiche mit Nullwachstum bzw. zur gleichen Zeit abgeätzte Bereiche benachbart sind.Another meaningful possibility exists with accordingly high substrate temperature in it, the wavelength and intensity of the laser light so to choose that monocrystalline areas are formed in shaded areas and In illuminated areas the laser light of the same wavelength has kinetic energy in such a dose that the absorbed at the interface Energy in these illuminated areas to detach atoms from the crystal structure and thus sufficient for a selective removal of epitaxial areas. To this In the case of chemical deposition from the gas phase, for example, they can conduct electricity well monocrystalline stripes or areas are generated, which areas with zero growth or areas that are etched off at the same time are adjacent.

Eine im wesentlichen auf den Grundlagen des reaktiven Atzens beruhende weitere Möglichkeit führt insgesamt zu einem Abtragen oder Atzen, wobei die an der Grenzfläche absorbierte Energie des Laserlichts zum Herauslösen von Atomen aus dem Kristallverband mit erhöher Abtragungsgeschwindigkeit verwendet werden soll. D.h. in beschatteten Flächen findet übliches reaktives Atzen statt und in beleuchteten Flächen wird durch Laser1icht initiiert stärker abgetragen. Da beleuchtete und beschattete Bereiche unterschiedlich stark, d.h. selektiv abgetragen werden, ergeben. sich Strukturen der Epitaxieschicht, die sich durch ihre Tieffrabmfssungen unterscheiden.One based essentially on the principles of reactive etching Another possibility leads to a total removal or etching, with the at the Energy of the laser light absorbed to release atoms from the interface Crystal dressing with a higher removal rate should be used. I.e. The usual reactive etching takes place in shaded areas and in illuminated areas Areas is removed more intensely when initiated by laser light. Da illuminated and shaded Areas of varying strength, i.e. being selectively removed, result. structures the epitaxial layer, which differ in their deep color dimensions.

@@@tere Ausführungsf@@ren der @@@@@@ eziehen sich auf gleichzeitig stattfandende untersch@@dlich @irkungen, diemit Laserlicht rend der @rstellung vonE@@@@@@ @@@@@ten auftreten können, wozu allerdings gleichzeitig Laserlicht mindestens zweier diskreter Wellenlängen benötigt wird. Unter dieser Voraussetzung ist es beispielsweise möglich, das Laserlicht mit der einen diskreten Wellenlänge zur Ausbildung polykristalliner bzw. einkristalliner Bereiche einzusetzen, während das Laserlicht anderer diskreter Wellenlängen zur Ablagerung von Metallatomen dient, die aus organischen Verbindungen in der Gasphase im Strahlengang dieses Laserlichts herausgelöst werden. Für die Ablagerung an sich muß das Substrat auf verhältnismäßig niedriger Temperatur gehalten werden, um eine thermische Zersetzung zu verhindern. Damit einkristallines Wachstum bereits bei der Abscheidung stattfindet, wird die dafür benötigte Energie in Form von Photonen mittels Laserlicht zugeführt, ohne die dabei gleichzeitig stattfindenden anderen Prozesse zu beeinträchtigen. @@@ tere execution f @@ ren the @@@@@@ apply to the same time taking place different effects, which with laser light rend the creation of E @@@@@@ @@@@@ ten can occur, But what about laser light at the same time at least two discrete wavelengths is required. Under this condition it is possible, for example, to use the laser light with one discrete wavelength to use for the formation of polycrystalline or monocrystalline areas, while the laser light of other discrete wavelengths is used to deposit metal atoms, those of organic compounds in the gas phase in the beam path of this laser light be detached. For the deposition itself, the substrate must be proportionate low temperature to prevent thermal decomposition. So that monocrystalline growth already takes place during the deposition, the The energy required for this is supplied in the form of photons by means of laser light, without to impair the other processes taking place at the same time.

Ebenfalls im wesentlichen auf der Zuführung benötigter Energie in Form von Photonen mittels Laserlicht beruht eine weitere vorteilhafte Ausführungsforn der Erfindung, bei der Laserlicht der einen diskreten Wellenlänge dazu dient, Kristallatome zur Unterstützung der chemischen Reaktion mit freien Radikalen anzuregen, während die Laserlichtquelle mit der anderen diskreten Wellenlänge dafür sorgt, daß im Atzmittel die für die chemische Reaktion benötigten freien Radikale gebildet erden. Bei Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Laserlichtquellen können ein gemeinsamer Strahlengang und eine gemeinsame Maske oder getrennte Strahlengänge mit mehreren Masken vorgesehen werden.Also essentially on the supply of energy required in Another advantageous embodiment is based on the form of photons by means of laser light of the invention, in which laser light of one discrete wavelength is used to generate crystal atoms to encourage chemical reaction with free radicals while the laser light source with the other discrete wavelength ensures that in the etchant ground the free radicals required for the chemical reaction. Using from two or more different laser light sources can share a common beam path and a common mask or separate beam paths with multiple masks are provided will.

In der Zeichnung sind einige beispielhafte Ausführungsformen und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung schematisch dargestellt. Dabei zeigen: Fig. 1: einen Querschnitt durch ein Substrat, auf dem, durch Laserlicht beeinflußt, eine strukturierte Epitaxieschicht aufwächst; Fig. 2: einen Querschnitt durch ein Substrat, auf dem, durch Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen beeinflu@@ eine strukturierte Epitaxieschicht aufwachst; Fig. 3: einen Que~s yr f durch ein Substrat, von dem, durch Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen beeinflußt, eine strKtrirrte Epitaxieschicht durch selektives Abtraqen gebildet wird; Fig. 4: einen Querschn tt durch einen in herkömmlicher Art und Weise hergestellten Halbleiterlaser und Fig. 5: einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser gem.Some exemplary embodiments and possible applications are shown in the drawing of the invention shown schematically. They show: FIG. 1: a cross section through a substrate on which, influenced by laser light, a structured epitaxial layer grows up; Fig. 2: a cross section through a substrate on which, by laser light different wavelengths influen @@ a structured epitaxial layer wakes up; Fig. 3: a qua ~ s yr f through a substrate, from which, by laser light of different wavelengths, a stricter epitaxial layer is affected selective Abtraqen is formed; Fig. 4: a cross section through a conventional Manner manufactured semiconductor laser and FIG. 5: a cross section through a semiconductor laser acc.

Fig. 4, jedoch mit einer durch Laserlichtbestrahlung während des Kristallv#0-chstums erzeugten Epitaxieschicht. Fig. 4, but with a laser light irradiation during the Crystalline epitaxial layer generated.

Auf dem in Fig. 1 dargestellten Substrat 11 wird eine Epitaxieschicht mit unterschiedlichen kristallinen Bereichen 12 und 13 nach dem MBE-Verfahren durch Beschuß mit Molekularstrahlen 16 erzeugt. Gleichzeitig mit der. Molekularstrahlen 16 wird Laserlicht 15 auf bestimmte Bereiche der Substratoberfläche eingestrahlt. Das hierbei entsteherde Licht-Schatten-Muster auf der Oberfläche des Substrats 11 wird durch Einblenden einer Maske 14 in den Strahlengang des Laserlichts 15 gebildet. Durch das auf den beleuchteten Bereichen der Oberfläche des Substrats 11 auftretende Laserlicht 15 wird den sich dort befindlichen Atomen diejenige kinetische Energie zur Verfügung gestellt, die diese auf der Suche nach einem geeigneten Platz im Kristallgitter benötigen. Auf diese Weise entsteht in beleuchteten und beschatteten Bereichen unterschiedliches Kristallwachstum, nämlic Einkristalle 13 in den beleuchteten Bereichen und polykristallines Wachstum 12 in den Schattenbereichen. Die Temperatur des Substrats 11 wird dabei auf tieferen Werten gehalten, die für die unterschiedlichen, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen geeigneten Materialien spezifisch sind und noch nicht zu nachteiligen Nebenwirkungen, wie z.B. Diffusion von Dotierstoffen oder Zersetzung an der Oberfläche, führen.An epitaxial layer is formed on the substrate 11 shown in FIG. 1 with different crystalline areas 12 and 13 according to the MBE process Bombardment with molecular beams 16 is generated. Simultaneously with the. Molecular beams 16, laser light 15 is radiated onto certain areas of the substrate surface. The resulting light-shadow pattern on the surface of the substrate 11 is formed by fading in a mask 14 into the beam path of the laser light 15. Due to that occurring on the illuminated areas of the surface of the substrate 11 Laser light 15 is the kinetic energy of the atoms located there made available to those looking for a suitable place in the crystal lattice require. In this way, different things are created in illuminated and shaded areas Crystal growth, namely single crystals 13 in the illuminated areas and polycrystalline Growth 12 in the shadow areas. The temperature of the substrate 11 becomes kept at lower values for the different, for the production of Semiconductor components suitable materials are specific and not yet to adverse side effects, such as diffusion of dopants or decomposition on the surface, lead.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Substrat 21 wird eine Epitaxieschicht 22 in einer gewünschten Strukturierung nach dem CVD-Verfahren abgeschieden, indem sich über der Oberfläche des Substrats 21 ein als breiter Pfeil angedeuteter Gasstrom 26 hinwegbewegt. Das gleichzeitig einwirkende Laserlicht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen und unterschiedlicher Intensität - dargestellt ist ein langwelligeres Laserlicht 25a und ein kurzwelligeres Laserlicht 25b - gelangt in gewünschten Bereichen mittels der Maske 24 unter Bildung eines Licht-Schatten-Musters auf die Oberfläche des Substrats 21 und den Raum davor. Eine der einstrahlenden Laserlichtwellen 25a/25b - oder auch mehrere mit unterschiedlichen Wellenlängen und Intensitäten-dient in bekannter Art und Weise dazu, die Bindung von Metallatomen mit organischen Molekülen aus dem Gasstrom 26 aufzubrechen, so daß sich die Metallatome auf der Oberfläche des Substrates 21 absetzen. Hierbei muß die Temperatur des Substrats 21 so niedrig gehalten werden, daß keine thermische Zersetzung der organischen Moleküle auftritt. Das an denselben Stellen auf der Oberfläche des Substrats 21 auftreffende Laserlicht einer weiteren diskreten Wellenlänge und Intensität bewirkt, daß die sich ablagernde Epitaxieschicht 22 einkristallin aufwächst, indem die für die Suche nach einem geeigneten Gitterplatz benötigte kinetische Energie in der erforderlichen Dosis in Form von Photonen zur Verfügung gestellt wird.In the case of the substrate 21 shown in FIG. 2, an epitaxial layer is used 22 deposited in a desired structure according to the CVD process by A gas flow indicated as a broad arrow appears over the surface of the substrate 21 26 moved away. The simultaneously acting laser light of several different Wavelengths and different intensities - a longer wave is shown Laser light 25a and a shorter-wave laser light 25b - reaches the desired areas by means of the mask 24 with the formation of a light-shadow pattern on the surface of the substrate 21 and the space in front of it. One of the incident laser light waves 25a / 25b - or several with different wavelengths and intensities - is used in known way to do this, the bonding of metal atoms with organic molecules break up from the gas stream 26, so that the metal atoms on the surface of the substrate 21. Here, the temperature of the substrate 21 must be so low be kept so that no thermal decomposition of the organic molecules occurs. The laser light incident at the same locations on the surface of the substrate 21 Another discrete wavelength and intensity causes the deposition Epitaxial layer 22 grows monocrystalline by the search for a suitable Lattice space required kinetic energy in the required dose in the form of Photons is made available.

Die Fig. 3 unterscheidet sich von Fig. 2 dadurch, daß keine Ablagerung sondern ein strukturiertes Abtragen von der Oberfläche des Substrats 31 durchgeführt wird, indem durch reaktives Atzen Teile der Schicht 33 örtlich begrenzt, selektiv abgetragen werden. Das sich über dem Substrat 31 entlang bewegende, durch den breiten Pfeil 36 angedeutete Atzmittel wird beim Durchtritt durch den Strahlengang des Laserlichts mindestens einer diskreten Wellenlänge und Intensität - dargestellt sind auch hier ein langwelligeres Laserlicht 35a und ein kurzwelligeres Laserlicht 35b - in Radikale zerlegt, die eine flüchtige Verbindung mit den Atomen des Kristalls eingehen können. Durch eine Laserlichtquelle einer weiteren diskreten Wellenlänge und Intensität, z.B. das Laserlicht 35b oder ein nicht dargestelltes Laserlicht 35c, werden die Atome des Kristalls an der Substratoberfläche in einen angeregten Zustand versetzt, so daß die chemische Reaktion mit den freien Radikalen des Ätzmittels begünstigt wird. Mit der Maske 34 wird das der gewünschten Struktur entsprechende Licht-Schatten-Muster erzeugt, wobei in den unbeleuchteten Bereichen entweder überhaupt keine Reaktionen stattfinden oder nur in geringem Umfang gegenüber den beleuchteten Bereichen, so daß das Material zumindest unterschiedlich stark selektiv abgetragen werden kann.Fig. 3 differs from Fig. 2 in that no deposit Instead, a structured removal from the surface of the substrate 31 is carried out is selective by locally delimiting parts of the layer 33 by reactive etching be removed. The moving across the substrate 31, through the wide The etching agent indicated by arrow 36 is used when passing through the beam path of the laser light at least one discrete wavelength and intensity - are also shown here a long-wave laser light 35a and a short-wave laser light 35b - in radicals decomposed, which can form a volatile bond with the atoms of the crystal. By a laser light source of another discrete wavelength and intensity, e.g., the laser light 35b or a laser light not shown 35c, the atoms of the crystal on the substrate surface are excited into a State shifted so that the chemical reaction with the free radicals of the etchant is favored. The mask 34 is used to create the structure that corresponds to the desired structure Light-shadow patterns are generated, with either in the unlit areas at all no reactions take place or only to a small extent compared to the illuminated ones Areas, so that the material is removed selectively at least to different degrees can be.

Die Fig. 4 zeigt den Aufbau eines bekannten Halbleiterlasers (siehe auch weiter oben "Applied Physics Letters" Band 29, Nr. 3 (1. August 1976) Seiten 164 bis 166), der nach dem MBE-Verfahren hergestellt wurde. Das Substrat 41 (n GaAs ) trägt die untere Mantelschicht 42 (N-A10,35 Ga0,65As> mit einer Stärke von 3 um Die aktive Schicht 43 ( n-GaAs ) ist 0,18 /um dick und trägt die obere Mantelschicht 44 ( P - A10,35Ga0,65As) von 1 /um Stärke. Die Maskierschicht 45 #i02) trägt eine polykristalline, isolierende Schicht 46 (P-Al0,35Ga 0,65As)mit einer Stärke von 2,5 /um, der ein Streifen 47 aus einkristallinem, hochleitendem Material gleicher Zusammenset- zung wie die Schicht 46 eingelagert ist. Eine Kontaktschicht 48 (p - GaAs ) mit 0,5 um Dicke und eine Metallschicht 49 zum Kontaktieren des Bauelements befinden sich an der Oberfläche. Der Streifenaufbau wird hierbei mittels der Maskierschicht 46 aus SiO2 herbeigeführt, aus der entsprechende Löcher bzw. Streifen heraus geätzt werden mußten, damit die danach aufgebrachte Epitaxieschicht über der durch derartige Fensteröffnungen freigelegten oberen Mantelschicht 44 als ein einkristalliner Streifen 47 und über der Maskierschicht 45 als polykristalline, hochohmige Schicht 46 aufwächst.4 shows the structure of a known semiconductor laser (see also above "Applied Physics Letters" Volume 29, No. 3 (August 1, 1976) pages 164 to 166), which was manufactured using the MBE process. The substrate 41 (n GaAs ) carries the lower cladding layer 42 (N-A10.35 Ga0.65As> with a thickness of 3 µm The active layer 43 (n-GaAs) is 0.18 µm thick and carries the upper cladding layer 44 (P - A10.35Ga0.65As) of 1 / µm thickness. The masking layer 45 # i02) carries a polycrystalline insulating layer 46 (P-Al0.35Ga 0.65As) with a thickness of 2.5 / µm, which is the same as a strip 47 of single-crystal, highly conductive material Composite how the layer 46 is incorporated. A contact layer 48 (p - GaAs) with a thickness of 0.5 µm and a metal layer 49 for contacting the component are on the surface. The strip structure is created here by means of the masking layer 46 brought about from SiO2, etched out of the corresponding holes or strips had to be so that the then applied epitaxial layer over the by such Window openings exposed upper cladding layer 44 as a single crystal strip 47 and grows over the masking layer 45 as a polycrystalline, high-resistance layer 46.

Der in Fig. 5 dargestellte Halbleiter-Streifenlaser unterscheidet sich von dem in Fig. 4 dargestellten bekannten Bauelement durch das Fehlen einer Maskierschicht. Bei sonst völlig gleichem Aufbau des bekannten und des in Fig. 5 dargestellten Bauelements wird der unterschiedliche Krise) tuch der g#eichzeitig entstehenden isolieenden -chit 46 und hochlgisendert treifenfcrminen Schicht 47 durch die Bestrahlung mit Laserlicht während des Wachstums erzeugt. Da hierzu keine Unterbrechung der Epitaxie zum Aufbringen einer Maskierschicht und die Erzeugung von Fensteröffnungen mittels üblicher Photolithographie erforderlich ist, das Substrat also zwischenzeitlich eine Kammer mit Ultrahochvakuum nicht verlassen muß, lassen sich höhere Reinheiten der Schichten und besonders der Grenzflächen erzielen. Hinzu kommen die Vorteile, mit geringerer Substrattemperatur arbeiten zu können und daß andersartige Arbeitsgänge - Aufsputtern von SiO2, Aufbringen von Photoresist, Belichten, Entwickeln, Atzen, Strippen des Resist, Reinigen - entfallen. The semiconductor strip laser shown in FIG. 5 differs from the known component shown in Fig. 4 by the lack of a Masking layer. With otherwise completely the same structure of the known and that in FIG illustrated component is the different crisis) cloth at the same time resulting insulating chit 46 and highly coated strip-free mine layer 47 by the irradiation with laser light generated during the growth. There is no interruption for this the epitaxy for applying a masking layer and the creation of window openings is required by means of conventional photolithography, so the substrate in the meantime does not have to leave a chamber with an ultra-high vacuum, higher purities can be achieved the layers and especially the interfaces. Added to this are the advantages To be able to work with a lower substrate temperature and that different operations - Sputtering of SiO2, application of photoresist, exposure, development, etching, Stripping the resist, cleaning - not necessary.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Beeinflussung des Kristallwachstums bei der Herstellung strukturierter Epitaxieschichten für Halbleiterbauelemente durch Laserlicht läßt sich insbesondere für Elemente der IV. Gruppe des Periodensystems, die III -Verbindungshalbleiter und ihre Mischkristalle (ternär und quaternär) sowie für II - VI-Verbindungen anwenden. Diese Beeinflussung von Wachstumsprozessen - wobei ein Atzen einem Wachstum mit negativer Geschwindigkeit entspricht - führt zur gleichzeitigen Ausbildung gewünschter Strukturen bei ansonsten gleicher Behandlung.The influencing of the crystal growth proposed by the invention in the production of structured epitaxial layers for semiconductor components Laser light can be used in particular for elements of group IV of the periodic table, the III compound semiconductors and their mixed crystals (ternary and quaternary) and use for II - VI connections. This influencing of growth processes - where an etch corresponds to a growth with negative speed - leads for the simultaneous formation of the desired structures with otherwise the same treatment.

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Claims (7)

Patentansprüche U Verfahren zum Herstellen strukturierter Epitaxieschichten für Halbleiterbauelemente, bei dem Strukturunterschiede durch Laserlicht herbeigeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichgewichtsreaktion an der Grenzfläche Kristall-Gasphase während eines Epitaxie-Atzprozesses durch Laserlicht bestimmt wird. Claims U Method for producing structured epitaxial layers for semiconductor components in which structural differences are brought about by laser light are, characterized in that the equilibrium reaction at the interface Crystal gas phase determined by laser light during an epitaxial etching process will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine senkrecht zur Wachtstumsrichtung unterschiedliche kristalline Struktur mittels eines Licht-Schatten-Musters auf der Grenzfläche herbeigeführt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that one is perpendicular Crystalline structure different from the direction of growth by means of a light-shadow pattern is brought about on the interface. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge und Intensität des Laserlichts so gewählt wird, daß sich in beschatteten Flächen polykristalline und in beleuchteten Flächen einkristalline Bereiche ausbilden. 3. The method according to claim 2, characterized in that the wavelength and intensity of the laser light is chosen so that it is in shaded areas Form polycrystalline areas and single-crystal areas in illuminated areas. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge und Intensität des Laserlichts so gewählt wird, daß sich in beschatteten Flächen einkristalline Bereiche ausbilden und in beleuchteten Flächen die absorbierte Energie zum Herauslösen von Atomen aus dem Kristallverband und damit zu einem selektiven Abtragen epitaktischer Bereiche ausreicht. 4. The method according to claim 2, characterized in that the wavelength and intensity of the laser light is chosen so that it is in shaded areas Form monocrystalline areas and the absorbed energy in illuminated areas to detach atoms from the crystal structure and thus to a selective one Removal of epitaxial areas is sufficient. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge und Intensität des Laserlichts so gewählt wird, daß die an der Grenzfläche absorbierte Energie zum Herauslösen von Atomen aus dem Kristallverband in beleuchteten Flächen mit erhöhter Abtragungsgeschwindigkeit und damit zu einem unterschiedlichen selektiven Abtragen der epitaktischen Schicht verwendet wird.5. The method according to claim 2, characterized in that the wavelength and the intensity of the laser light is chosen so that that absorbed at the interface Energy for detaching atoms from the crystal lattice in illuminated surfaces with increased removal rate and thus to a differently selective Ablation of the epitaxial layer is used. 6. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht mindestens zweier diskreter Wellenlängen eingesetzt wird, von denen das Laserlicht mit der einen diskreten Wellenlänge zur Ausbildung polykristalliner bzw. einkristalliner Bereiche und das Laserlicht anderer diskreter Wellenlängen zur Ablagerung von aus organo-metallischen Verbindungen in der Gasphase herausgelösten Metallatomen an den beleuchteten Flächen dient.6. The method according to claim 2 and 3, characterized in that laser light at least two discrete wavelengths is used, of which the laser light with one discrete wavelength for the formation of polycrystalline or monocrystalline Areas and the laser light of other discrete wavelengths for the deposition of off organometallic compounds in the gas phase detached metal atoms serves the illuminated surfaces. 7. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, oder Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht zweier diskreter Wellenlängen eingesetzt wird, von denen das Laserlicht mit der einen diskreten Wellenlänge zur Anregung der Kristallatome an der Grenzfläche zur Unterstützung der chemischen Reaktion mit den freien Radikalen eines Ätzmittels dient, die durch die zweite Laserlichtquelle erzeugt werden.7. The method according to claim 2 and 4, or claim 2 and 5, characterized characterized in that laser light of two discrete wavelengths is used, of which the laser light with a discrete wavelength to excite the crystal atoms at the interface to support the chemical reaction with the free radicals an etchant, which are generated by the second laser light source.
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