DE3745015C2 - Verfahren zum Herstellen von elektronischen Halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektronischen Halbleiterbauelementen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, gemäß Journ. Vac. Sci. & Technol. B, Vol. 4, Jan.-Feb., (1986), S. 299-304.

Aus der japanischen Patentschrift JP-49 44 788 ist ein Verfah­ ren zur Herstellung von Halbleitern bekannt, die aus Verbin­ dungen der III-V-Gruppe unter Verwendung von Organo-Metall- Verbindungen bestehen. Von Nachteil bei diesem Verfahren ist es, daß bei der thermischen Zersetzung der organischen Me­ talle und der Hydride von V-Gruppen-Verbindungen bei der Herstellung eines insbesondere P in Form von beispielsweise InP enthaltenden Verbindungshalbleiters, ein Source-Gas, wie beispielsweise PH3, nicht zersetzt wird, sondern mit den or­ ganischen Metallen reagiert und polymere Zwischenprodukte, wie beispielsweise (-InMePH-)n, bildet. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß P aus dem Verbindungshalbleiter herausgelöst wird, wenn der Verfahrensschritt zur Bildung der kristallinen Schicht bei hohen Temperaturen ausgeführt wird.

Zur Überwindung dieser Nachteile ist es beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift JP-59 87 814 bekannt, ein Verfahren anzuwenden, bei dem ein Substrat mit Laserlicht bestrahlt wird. Dabei wird das Substrat mit Laserlicht einer Energie bestrahlt, die gleich oder höher ist als die Zer­ setzungsenergie der organischen Metalle und/oder von PH3, um die Zersetzung des Source-Gases zu beschleunigen. Darüberhinaus wird das Substrat mit Infrarot-Laserlicht beispielsweise von einem Kohlendioxid-Laser bestrahlt, um die Aufwachstemperatur der kristallinen Schichten zu redu­ zieren. Die Anwendung eines derartigen Verfahrens ist jedoch aus einer Reihe von Gründen extrem schwierig. So ist die Zersetzungsenergie von Source-Gase mit 5-6 eV derart groß, daß Laserlichtquellen mit einer Wellenlänge von 200 nm oder weniger effektivste Zersetzung von Source-Gas dadurch er­ reichen, daß das Substrat mit Laser-Licht bestrahlt wird, dessen Energie gleich ist zur Zersetzungsenergie des Quel­ lengases. Um jedoch auf diese Weise eine Zersetzung zu er­ reichen, müssen Laser-Lichtquellen verwendet werden, die be­ züglich der Lichtwellenlänge in einem weiten Bereich ein­ stellbar sein müssen. Dies ist jedoch ausgesprochen schwie­ rig durchzuführen.

Weiterhin resultiert die Herabsetzung der Aufwachstemperatur unter Verwendung der Strahlung eines Kohlendioxidgas-Lasers in einer Anhebung der Oberflächentemperatur des Substrats, wodurch die angestrebte Reduktion der Aufwachstemperatur vermindert wird.

Zusammengefaßt muß also festgestellt werden, daß der übliche Einsatz von Bestrahlung unter Verwendung von Laserlicht nicht dazu geeignet ist, die oben ausgeführten Nachteile zu beseitigen.

Andererseits wird die Bestrahlung eines Substrats mit Laser­ licht so ausgeführt, daß selektives Wachstum der Halblei­ terschichten auf dem Substrat erreicht wird, basierend auf der selektiven Zersetzung von Source-Gasen innerhalb der Substratoberfläche sowie derart, daß selektives Ätzen des Substrats mit der Einführung des Ätzgases in das Substrat erreicht wird. Diese Vorgänge oder Prozesse erfordern jedoch eine aufwendige Apparatur für die Ablenkung von Laserlicht, wodurch die praktische Ausführung dieser Prozesse auf Schwierigkeiten stößt. Für besagtes selektives Aufwachsen sowie das selektive Ätzen wurde beispielsweise von S. Matsui et al., Journ. Vac. Sci. 3d Technol. B Vol. 4, Jan.-Feb., (1986), S. 299-304, vorgeschlagen, Laserlicht durch Elektronenstrahlen zu er­ setzen. Die dafür verwendete Vorrichtung ist in Fig. 2 dar­ gestellt, wobei ein innerhalb einer Reaktionsröhre 2 ange­ ordnetes Halbleitersubstrat 3 direkt mit Elektronenstrahlen 5 aus einer Elektronenkanone 1 bestrahlt wird, und wobei Source-Gase über einen Gaseinlaß 4 in die Reaktionsröhre 2 eingeführt werden. Um jedoch das Substrat 3 mit den Elek­ tronenstrahlen 5 direkt bestrahlen zu können, müssen die Elektronenstrahlen 5 auf einen Pegel von mehreren 10 keV oder mehr beschleunigt werden, wodurch die Energie der Elektronenstrahlen mehrere 10 keV oder mehr beträgt. Diese Energie ist um ein Vielfaches höher als die Zersetzungs­ energie der Source-Gase, wodurch die selektive Zersetzung der Source-Gase insofern problematisch wird, als Schwierig­ keiten bei der Zersetzungssteuerung aufgewachsener Schichten auftreten. Zusätzlich resultiert die direkte Bestrahlung der Substrate mit den besagten Elektronenstrahlen hoher Energie in einer hohen Stoßbelastung der auf dem Substrat aufgewach­ senen kristallinen Schichten, so daß es mitunter schwierig ist, kristalline Schichten hoher Qualität zu erzeugen.

Zusammenfassend darf also festgestellt werden, daß die di­ rekte Bestrahlung von Halbleitersubstraten mit hochenerge­ tischen Elektronenstrahlen mit einer Reihe von Nachteilen behaftet ist.

Aus dem Buch "Einführung in die Atomphysik", W. Finkelnburg, Springer-Verlag 1967 11. und 12. Auflage, Seite 492 und 493 sind die notwendigen energetischen Verhältnisse zur Anregung und Erzeugung von Sekundärelektronen bekannt. Dort wird ausgeführt, daß die Emission von Sekundärelektro­ nen einen maximalen Wert annimmt, wenn die Primärelektronen eine Energie im Bereich von 0,5 bis 1,5 keV aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren so auszugestalten, daß die Herstellung hochqualitativer Halbleiter gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wärmebelastung des Substrats herabgesetzt, so daß hochqualitative Kristall­ schichten auf dem Substrat erzeugt werden können. Weiterhin werden die Source-Gase selektiv zersetzt, womit die Zusam­ mensetzung bzw. Struktur der Zwischenschichten zwischen den kristallinen Schichten sowie die Struktur innerhalb der Oberfläche jeder kristallinen Schicht erreicht wird, sowie eine Führung der Dotierstoffmengen. Ebenso wird das Ätzen des Substrats in selektiver Weise gewährleistet.

Damit bestehen die wesentlichen Vorteile der Erfindung in der Schaffung

• 1. eines Verfahrens zur Herstellung von beispielsweise aus Verbindungen der III-V-Gruppe bestehenden Halbleitern, das sich auszeichnet durch die Ausbildung hochqualita­ tiver kristalliner Schichten, das selektive Aufwachsen von kristallinen Schichten innerhalb der Oberfläche eines Substrats und/oder das selektive Ätzen des Sub­ strats innerhalb der Substratoberfläche sowie
• 2. eines Verfahrens zur Herstellung von Halbleitern, bei dem Aktivierungsenergie in das Substrat durch die Strahlung von Elektronenstrahlen eingeführt wird, wo­ durch die Aufheiztemperatur der Substrate herabgesetzt ist und die selektive Zersetzung der Source-Gase ermög­ licht wird, was wiederum in hochqualitativen kristalli­ nen Schichten resultiert oder in einem selektiv geätz­ ten Substrat, so daß unter der Verwendung hochqualita­ tiver kristalliner Schichten und/oder des selektiv ge­ ätzten Substrats Halbleiter erzeugbar sind, die her­ vorragende Halbleitereigenschaften aufweisen.

Im nachfolgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung nä­ her erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Herstellung von elektro­ nischen Halbleiterbauelementen unter Verwendung einer Elektronenstrahleinrichtung; und

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Herstellung von elektronischen Halbleiterbauelementen.

Fig. 2 ist bereits eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Halbleitern. Dieses Verfahren besteht darin, ein Halbleitersubstrat mit niederenergetischen Elektronenstrahlen zu bestrahlen, sobald Source-Gase, Ätz-Gase und/oder Source-Gase in das Substrat eingeführt werden, um Halbleiterschichten aufzuwachsen und/oder das Substrat zu ätzen. Die Source-Gase, Source-Mo­ leküle usw. unterliegen unter Einwirkung der Elektronen­ strahlen-Energie einer chemischen Reaktion, so daß die Re­ duktion der Aufheiztemperatur des Substrats unter kontrol­ lierten Bedingungen ebenso ausgeführt werden kann, wie die Verhinderung der Ausbildung von Zwischenprodukten, das se­ lektive Aufwachsen von Halbleiterschichten innerhalb der Substratoberfläche sowie das selektive Ätzen des Substrats usw.

Diese Vorrichtung ist so ausgelegt, daß ein Halbleitersub­ strat 3 im Zentrum einer Reaktionsröhre 2 zu liegen kommt, welche am oberen Ende mit einer Elektronenkanone 1 und an einer Seite mit einem Gaseinlaß 4 versehen ist. Das genau unterhalb der Elektronenkanone 1 angeordnete Substrat 3 wird mit Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 be­ strahlt. Das Innere der Reaktionsröhre 2 ist mittels einer Strahlenführungsblende oder Lochblende 7 in zwei Teile ge­ teilt, wobei der eine Teil die Elektronenkanone 1 enthält und durch eine Differenzialvakuumpumpe 6 unter Vakuum ge­ halten ist, und wobei der andere Teil das Substrat 3 ent­ hält. Der die Elektronenkanone enthaltende obere Teil 1 wird durch die die Abgrenzung zwischen dem oberen und dem unteren Röhrenteil bildenden Blende 7 auf einem Hochvakuum-Niveau gehalten. Eine Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung 8, beispielsweise in Form eines feinmaschigen Gitters oder Metallnetzes ist auf dem Pfad eingesetzt, entlang welchem die Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 das Substrat 3 bestrahlen. Eine elektrische Spannung Vsub ist an das Halbleitersubstrat 3 mittels einer Gleichstromquelle 9 angelegt. Unter der Vorraussetzung, daß die am Filament der Elektronenkanone 1 anliegende Spannung Veg ist, läßt sich der Wert für Vsub durch folgende Gleichung bestimmen:

Vsub = Veg - A,

wobei A die elektrische Spannung ist, die im allgemeinen einen Wert zwischen 0 bis 5 V annimmt und die Elektronen­ strahlenenergie zur Bestrahlung des Substrats 3 veranlaßt.

Wenn das Substrat 3 mit den Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 bestrahlt wird, ist es erforderlich, den Wert von Veg auf einige 10 keV oder mehr einzustellen, da andernfalls ein ausreichend starker Elektronenstrahl nicht erreicht werden kann.

Aus diesem Grunde ist es beim Verfahren nach dem Stand der Technik vorgesehen, das Substrat 3 Elektronenstrahlen 5 auszusetzen, die eine Energie Veg (in Elektronenvolt) aufweisen, die um einen erheblichen Betrag größer ist als die Energie von A (in Elektronenvolt), wodurch wie einleitend beschrieben, Schwierigkeiten bei der selektiven Zersetzung usw. der Reaktionsgase entstehen. Im Gegensatz hierzu wird in vorliegendem Beispiel die elektrische Spannung Vsub derart an das Substrat 3 angelegt, daß die effektive Auftreffenergie der Elektronenstrahlen 5 zur Bestrahlung des Substrats 3 den Wert einer niederenergetischen elektrischen Spannung, Veg-Vsub (d. h. A in Elektronenvolt) einnimmt, also zwischen der elektrischen Spannung am Filament der Elektronenkanone 1, Veg, und der elektrischen Spannung am Substrat 3, Vsub. Der Wert von Vsub kann den Erfordernissen entsprechend geändert werden, so daß die Elektronenstrahlen 5 mit der erforderlichen oder gewünschten Energie auf einfache Weise bzw. problemlos auf das Substrat 3 überführt werden können. Da die Elektronen­ strahl-Bestrahlungseinrichtung 8 die geerdet ist, direkt überhalb des Substrats 3 angeordnet ist, in ähnlicher Weise wie beim Verfahren nach dem Stand der Technik bei dem das Substrat 3 geerdet ist, können die von der Elektronenkanone 1 ausgesandten Elektronenstrahlen 5 darüberhinaus bestim­ mungsgemäß oder einsatzgemäß fokussiert und/oder abgelenkt werden, und zwar ohne jegliche Beeinflussung von der elektri­ schen Spannung am Substrat 3.

Während das Substrat 3, an welches die elektrische Spannung Vsub angelegt ist, mit den Elektronenstrahlen 5 von der Elektronenkanone 1 durch die geerdete Bestrahlungsein­ richtung 8 bestrahlt werden, werden Source-Gase, Ätz-Gase oder Source-Moleküle über den Gaseinlaß 4 in die Reaktions­ röhre 2 eingeführt, um kristalline Schichten auf dem Sub­ strat 3 aufzuwachsen oder um das Substrat 3 zu ätzen. Durch die Weiterverarbeitung der daraus resultierenden Substrate, die mit den kristallinen Schichten oder den geätzten Ab­ schnitten versehen sind, läßt sich ein Halbleiter mit gleichmäßigen Halbleitercharakteristiken schaffen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Herstellen von elektronischen Halbleiterbauele­ menten, wobei selektive Oberflächenreaktionen zum Aufwachsen von kristallinen Schichten auf einem Substrat oder ein Ätzen des Substrates in einer gashaltigen Atmosphäre in einer Reaktorröhre bewirkt werden, wobei an das Substrat eine elektrische Spannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet,
   daß ein geerdeter Zwischenkörper (8) aus einem feinen Sieb oberhalb des Substrates (3) im Elektronenstrahl angeordnet ist, und
   daß zwischen das Substrat (3) und den Zwischenkörper (8) eine elektrische Bremsspannung (Vsub) solcher Größenordnung angelegt wird, daß die effektive Auftreffenergie (A) des Elektronenstrahles (5) auf das Substrat bzw. die Gase auf einen solchen niederenergetischen Bereich reduziert wird, daß ein selektives Aufspalten der in der gashaltigen Atmosphäre oder der im Substrat (3) enthaltenen Materialien stattfindet.