DE3305985A1 - Verfahren zum herstellen einer einkristallinen schicht auf einer maske - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer einkristallinen schicht auf einer maske

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer einkristall.inen Schicht auf einer Maske mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats mit einem einkristallinen Bereich vorgegebener kristallographischer Orientierung, an der Oberfläche; Bilden einer Maske auf dem Substrat mit einer Öffnung über dem einkristallinen Bereich; und epitaxiales Aufwachsen einer einkristallinen Schicht auf dem einkristallinen Bereich in einer vorgege-.benen, senkrecht zu den Kanten der Öffnung verlaufenden, ersten kristallographischen Richtung über der Maske. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines einkristallinen Materials auf einer wenigstens eine Öffnung aufweisenden und auf einem Substrat liegenden Maske, wobei die Öffnung in der Maske über einem einkristallinen {lOOj.-. bzw. £lllj -Bereich der Oberfläche des Substrats angeordnet wird und das einkristalline Material von der Oberfläche des Substrats ausgeht sowie die Maske überlappt. Die herzustellende einkristalline Schicht soll vorzugsweise aus Silizium oder Germanium bestehen.
Strukturen mit einer einkristallinen Siliziumschicht auf einer Maske können in der Halbleiterindustrie erhebliche Bedeutung gewinnen. Es wird dadurch beispielsweise die Möglichkeit geschaffen, einkristallines Silizium auf einer isolierenden Maske aus Siliziumdioxid herzustellen und dadurch einen "dreidimensionalen" integrierten Schaltkreis zu schaffen, in welchem Bauelemente in je einer einkristallinen Schicht oberhalb und unterhalb der isolierenden Maske bzw. Zwischenschicht gebildet werden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Siliziumschicht über einer nichtkristallinen Schicht, z.B. auf einer Siliziumdioxid-Schicht, wurde bereits vorgeschlagen. Hierbei wird von einem halbleitenden Substrat
ausgegangen, das an einer Oberfläche einen einkristallinen Bereich besitzt. Auf der Substratoberfläche wird eine Maske, z.B. aus Siliziumdioxid, gebildet. In der Maske wird eine einen- Teil des einkristallinen Bereichs des Substrats freilegende Öffnung gebildet. Dann wird Silizium aus einer gasförmigen Mischung aus einem als Siliziumquelle dienenden Gas sowie einem Trägergas epitaktisch aufgewachsen. Daraufhin wird ein Teil des abgeschiedenen Siliziums durch Behandeln des Substrats mit einer ein Ätzgas und· ein Trägergas enthaltenden Gasmischung· abgeätzt. Das epitaktische Abscheiden und Ätzen des Siliziums wird abwechselnd so oft wiederholt, bis eine einkristalline Siliziumschicht vorbestimmter Dicke auf der Maske aufgewachsen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bisher übliche Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht auf einer Maske so zu verbessern, daß ein möglichst versetzungsfreier bzw. defektfreier Einkristall auf der zuvor auf den einkristallinen Bereich des Substrats aufgebrachten Maske aufwächst. Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei dem Verfahren eingangs genannter Art darin, daß die Öffnung mit ihren Kanten, zumindest die längeren Kanten oder der größte Teil der Gesamtlänge· der Kanten, parallel zu einer vorgegebenen, zweiten kristallographischen Richtung des einkristallinen Bereichs ausgerichtet wird.
Bei Einsatz eines Substrats mit einem einkristallirienTlOOf -Bereich an der Oberfläche wird gemäß weiterer Erfindung die Öffnung in der Maske mit ihren Kanten parallel zu einer vorbestimmten, in der Oberfläche des Substrats liegenden kristallographischen ^pOl>-Richtung des gebildeten einkristallinen Materials ausgerichtet. Werden aus
diesen Familien von £100J-Ebenen und ^DOlV-Richtungen spezielle Ebenen und Richtungen ausgewählt, so gehören z.B. eine (100)-Ebene und eine Q)IOJ-Richtung zusammen.
Wird gemäß weiterer Erfindung ein Substrat mit einkristallinem /ill?-Bereich an der Oberfläche eingesetzt, so wird die Öffnung in der Maske mit ihren Kanten parallel zu einer vorbestimmten, in der Oberfläche des Substrats liegenden, kristallographischen ^211^-Richtung des gebildeten einkristall inen Materials ausgerichtet.
Bei der Lösung geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Qualität des niedergeschlagenen, einkristallinen Films stark von der Konfiguration und Orientierung der Öffnung' in der Maske abhängt. Im Prinzip besteht die erfindungsgemäße Lehre darin, die Konfiguration und Orientierung der Öffnung in der Maske so vorzugeben, daß eine im wesentlichen parallel zu einer bestimmten kristallographischen Richtung der einkristallinen Schicht verlaufende Kante der Öffnung entsteht.
Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht auf eine Hauptfläche einer herkömmlichen kreisförmigen Halbleiterscheibe mit einer Öffnungen aufweisenden Maske;
Fig. 2 Querschnitte der in Fig. 1 dargestellten Halbleibis 4 terscheibe in aufeinanderfolgenden Stufen des Herstellungsverfahrens.
In der Halbleiterindustrie wird einkristallines Material, z.B. Silizium, im allgemeinen in Form von zylindrischen Stäben aufgewachsen. Die Stäbe werden quer zur Zylinderachse geschnitten, so daß einkristalline Halbleiterscheiben entstehen. Je nach der kristallographischen Orientierung des Stabs, entstehen beim Abschneiden Scheiben mit ebenen Hauptflächen, die einer bestimmten kristallographischen Ebene entsprechen. .
In Fig. 1 wird, eine herkömmlich hergestellte Einkristallscheibe 10, die vorzugsweise aus Silizium bestehen sollte, so dargestellt, daß die in der Zeichenebene liegende Hauptfläche 12 der Einkristallscheibe 10 eine Ebene der Familie der /lOoJ-Ebenenfamilie bildet. Zu der £lOO/-Ebenenfamilie gehören die (100)-, (010.)- und (001)-Ebene. Im folgenden wird die Hauptfläche 12 der Einkristallscheibe 10 als (lOO)-Ebene angesehen, obwohl die Hauptfläche 12 auch in jede andere Ebene der £l00j -Ebenenfamilie fallen kann. "
Silizium, ein sehr häufig als Halbleiterscheibe benutztes Material, .besitzt eine Diamantkristall-Stuktur. mit zwei gegeneinander verschobenen, flächenzentrierten Würfeln. Bei vielen Anwendungen mit einkristallinem Silizium als Ausgangsmaterial bzw. Substrat wird die Orientierung bevorzugt so gewählt, daß die (100)-Ebene gemäß Fig. 1 in der Hauptfläche 12 der Halbleiterscheibe 10 liegt. Es ist wünschenswert, die Hauptfläche 12 in die (100.)-Ebene zu verlegen, wenn Siliziumdioxid auf der Hauptfläche 12 erzeugt werden soll, d.h. wenn z.B. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Schaltkreise mit MOSFETs herzustellen sind. Anscheinend befinden sich an einer in einer (lOO)-Kristallebene liegenden Silizium/ Siliziumdioxid-Grenzschicht weniger Oberflächenzustände
pro Flächeneinheit (für Elektronen im Energiebändermodell) und weniger Träger-Einfangstellen als an in andere kristallographische Ebenen des Siliziums fallenden Silizium/Siliziumdioxid-Grenzschichten.
Gemäß Fig. 1 ist es ferner günstig, eine abgefaste Ebene 14 am ' Umfang, der im übrigen kreisförmigen Einkristallscheibe 10 vorzusehen. Mit der Ebene 14 wird die kristallographische Orientierung angezeigt. Wenn die Hauptfläche 12 in einer (lOO)-Ebene liegt, kann die abgefaste. Ebene 14 beispielsweise in einer [jDll]-dichtung liegen. Es wird hier wiederum der Einfachheit halber nur auf die [
-Richtung Bezug genommen, denn jede Richtung der
-Familie von Richtungen, die in er (OOl)-Ebene liegt, kommt in Frage. Zu der ^Oll^-Richtungsfamilie in der (100)-Ebene gehören die (pil] -, \ÖlQ - und JoilJ -Richtung.. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 entspricht die Ebene■ 14 der LOIlJ-Richtung. Es sei darauf hingewiesen, daß die foilj -Richtung sowohl gegenüber der (j?OlJ -Richtung als auch gegenüber der /oiOj -Richtung um 45 geneigt ist und daß die beiden letztgenannten Richtungen in der (100)-Ebene liegen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Maske 16 mit einer Öffnung 18 oder mehreren Öffnungen 18 auf die Hauptfläche 12 der Einkristallscheibe 10 aufgebracht. Vorzugsweise wird die Maske 16 aus Siliziumdioxid hergestellt. Es kommt jedoch eine Vielzahl anderer Materialien, z.B. Siliziumnitrid, Saphir, Spinell oder Granat, in Frage. Jede Öffnung 18 muß eine im wesentlichen gerade Kante 19 besitzen, die parallel zu einer der \010^-Richtungen in der Hauptfläche 12 der Einkristallscheibe 10 liegt. Im folgenden wird der Einfachheit halber angenommen, es handele sich um die Γ~010 I-Richtung. In einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet ein Paar gerader, paralleler Kanten 19 das beherrschende Merkmal jeder Öffnung 18, die sich in Streifenform bis zu den Kanten der Einkristallscheibe 10 erstreckt.
Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht wichtig, daß jede Öffnung streifenförmig ist und/ oder sich über die gesamte Scheibenfläche erstreckt, jedoch ist es für das Verfahrensergebnis und damit für eine überall gute Kristallqualität des anschließend' epitaktisch aufzuwachsenden einkristallinen Materials" am besten, wenn die Öffnungen streifenförmig sind und bis zum Rand der Einkristallscheibe reichen. Diese Lehre basiert auf der Erkenntnis, daß Kristallfehler in der anschließend epitaktisch zu bildenden Schicht vorzugsweise an Ecken der Öffnung entstehen, an denen sich die Wachstumsrichtung ändert. Wenn also die Öffnungen innerhalb der Kanten der Einkristallscheibe enden, ist die optimale Form der Öffnung das Rechteck mit einem unter Berücksichtigung der übrigen Konstruktions- und Verfahrensparameter möglichst großen Verhältnis von Länge zu Breite.
Im gezeichneten Ausführungsbeispiel werden vier Öffnungen 18 dargestellt. Grundsätzlich können auch mehr oder auch weniger Öffnungen, z.B. nur eine Öffnung, vorgesehen werden. Es gibt zwar keine Vorschriften betreffend Zahl und gegenseitigen Abstand der Öffnungen, es ist jedoch wichtig, . daß die Kanten der Öffnungen parallel· zueinander und parallel zu der £oiOj-Richtung verlaufen.'
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längs eines Durchmessers der Einkristallscheibe 10, der die Öffnungen 18 schneidet. Die Maske 16 kann eine Schichtdicke in der Größenordnung zwischen 0,1 und mehreren Mikrometern besitzen. Die
Öffnungen 18 erstrecken sich durch die Maske 16 hindurch, so daß Keimbildungsbereiche 20 auf der Hauptfläche 12 der Einkristallscheibe 10 freigelegt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Scheibe 10 zwar als einkristallines Substrat vorliegen kann, daß es aber nicht nötig ist, das gesamte Substrat aus einkristallinem Material mit in der angegebenen Weise orientierten Keimbildungsbereichen 20 herzustellen. Die Scheibe 10 kann vielmehr beispielsweie auch aus amorphem oder polykristallinem Material bestehen, wenn nur die in den Öffnungen 18 freigelegten Keimbildungsbereiche 20 die gewünschte einkristalline Struktur besitzen und an der Oberfläche eine (100)-Ebene haben.
Gemäß Fig. 3 wird als Nächstes Silizium ep.itaktisch so abgeschieden, daß auf jedem Keimbildungsbereich 20 eine einkristalline Insel 22 durch jede der Öffnungen 18 hindurch oben auf die Maske 16 aufwächst. Um sicherzustellen, daß jede Insel 22 einkristallin wird, kann eine Abscheide-/Ätz-Technik eingesetzt werden, wie sie weiter oben erläutert worden ist. Wenn die Kanten 19 der Öffnungen 18. wie angegeben in der Q)IOj -Richtung orientiert werden, wächst jede Insel 22 seitlich über die Oberfläche der Maske in einer Q)OlJ -Richtung. Beim Aufwachsen in dieser Richtung senkrecht zu den Kanten 19 jeder Öffnung 18 entsteht eine Kirstallstruktur relativ hoher Qualität im Vergleich zum Wachstum in anderen kristallographischen Richtungen.
Nach einer Theorie entstehen Kristalle mit der besten Struktur beim Aufwachsen in der £pOlj -Richtung, da diese Richtung am weitesten von der (oijy -Richtung der kubischen Diamantkristall-Struktur entfernt ist. Die £oij2 -Richtung liegt in einer (lll)-Ebene, welche zur Familie
der Gleitebenen in der kubischen Diamantstruktur gehört 1 Wenn in der foil/-Richtung aufgewachsen wird, können irgendwelche aus beliebigen Gründen entstandenen Defekte leicht in die (lll)-Ebene eintreten und darin durch die ganze Kristallstruktur fortgesetzt werden. Da die G^oTJ -Richtung am weitesten von der jö^ä ~Ric^tung entfernt ist, wird durch das Aufwachsen in der |poj£ -Richtung die Beweglichkeit von Defekten bzw. Kristallfehlern auf ein Minimum herabgesetzt.
Bei Fortsetzung des epitaktischen Aufwachsens können die Inseln 22 gemäß Fig. 4 eventuell verschmelzen, so daß eine im wesentlichen gleichförmige, einkristall ine Siliziumschicht 24 auf der Maske 16 entsteht. Diese e'inkristalline Siliziumschicht 24 kann als Substrat zur Bauelementherstellung ebenso wie eine aus herkömmlich massivem Halbleitermaterial bestehende Scheibe eingesetzt werden. Auf der Oberfläche 26 der Siliziumschicht 24 kann wiederum eine Maske gebildet und die vorbeschriebene Verfahrensfolge wiederholt werden. Stattdessen kann die einkristalline Schicht 24 auch selektiv geätzt werden, so daß ein in bestimmter Weise geformtes Muster oder eine Vielzahl von Siliziuminseln entsteht·. Die Siliziuminseln, können dabei entweder durch die Maske 16 gegenüber dem darunterliegenden Substratmaterial isoliert sein oder das Substrat durch die Öffnungen 18 kontaktieren.
Es sei darauf .hingewiesen, daß an den Grenzschichten, an denen benachbarte Inseln 22 eventuell verschmelzen, kristalline Fehler beobachtet worden sind. Diese werden in Fig. 4 als Liniendefekte 28 und Blasen 30 dargestellt. Die schädliche Wirkung dieser Kristallfehler der Schicht 24 wird jedoch minimiert, wenn die Öffnungen 18 die beschriebene Streifenform oder zumindest die Form eines langgestreckten Rechtecks besitzen.
In dem beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, werden die Hauptflächen des Siliziums bzw. der Scheibe mit kubischer Diamantkristall-Struktur in die (100)-Ebene verlegt. Im Rahmen der Erfindung kommen jedoch weitere bevorzugte kristallographische Aufwachsrichtungen in Frage, wenn die Hauptfläche 12 der Halbleiterscheibe 10 parallel zu einer Ebene der |lll|-Ebenenfamilie liegt. Beispielsweise bei parallel zu der (IU)-Ebene liegender Hauptfläche 12 sollen die Öffnungen 18 so Orientiert werden, daß ihre längeren Kanten 19 parallel zu einer Richtung der ^211y-Familie von Richtungen liegen.
Die Erfindung ist nicht nur auf das kristalline Aufwachsen von Silizium auf einer Siliziumscheibe, auf das homoepitaktische Aufwachsen oder auf Materialien mit kubischer Diamantkristall-Struktur anzuwenden. Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip ist auch anwendbar auf andere im kubischen Diamantgitter kristallisierende Materialien, wie Germanium, und auch auf das heteroepitaktische Aufwachsen eines im Diamantgitter kristallisierenden Materials auf einem anderen im Diamantgitter kristallisierenden Material, z.B. von Germanium auf Silizium. Die Erfindung ist auch einzusetzen bei flächenzentrierten kubischen- Materialien, da die entsprechenden Kristalle eine ähnlich bevorzugte C?°l| ~ oder £Ö1q2 -Richtung auf einer (100)-Ebene besitzen. Srfindungsgemäß können daher auch Epitaxialschichten aus flächenzentrierten kubischen Materialien relativ hoher Qualität ausgehend von einem Keimbildungsbereich mit kubischer Diamantstruktur und umgekehrt erzeugt werden.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum epitaktischen Aufwachsen von Einkristallen hoher Qualität mit flächenzentrierter kubischer oder Diamantgitterstruktur auf einem Substrat mit hexagonaler dichtgepackter Kristallstruktur (Kugelpackung), z.B. auf Saphir (einkristallines AIpO3), eingesetzt werden. Hierbei muß jedoch zunächst bestimmt werden, welche kristallographische Orientierung des Keimbildungsbereichs der bevorzugten
-Aufwachsrichtung in der Epitaxialschicht entspricht.

Claims (13)

Dr.-lng. Reimar König ■ . Cecilienallee "76 A Düsseldorf 3O Telefon «452OOS Patentanwälte 21. Febr. 1983 34 812 B RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.) "Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht auf einer Maske" Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen Schicht (24) auf einer Maske (16) mit folgenden Schritten:
a) Bereitstellen eines Substrats (10) mit einem einkristallinen Bereich (20) vorgegebener kristallographischer Orientierung an der Oberfläche (12);
b) Bilden einer Maske (16) auf dem Substrat (10) mit einer öffnung (18) über dem einkristallinen Bereich (20); und
c) epitaktisches Aufwachsen einer einkristallinen Schicht (24) auf dem einkristallinen Bereich (20) in einer vorgegebenen, senkrecht zu den Kanten (19) der Öffnung (18) verlaufenden, ersten kristallographischen Richtung über der Maske (16).
dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (18) mit ihren Kanten (19) parallel zu einer vorgegebenen, zweiten kristallographischen Richtung des einkristallinen Bereichs (20) ausgerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einkristalliner Bereich (20) mit einer kubischen JlOOI -Diamantgitterebene an der Oberfläche (12) hergestellt wird und daß die Kanten (19) der Öffnung (18) parallel zu einer \OO1/ -Richtung des einkristallinen Bereichs (20) ausgerichtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch-gekennzeichnet, daß ein Substrat (10) aus Silizium eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren .der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske (16) aus Siliziumdioxid gebildet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß eine im' wesentlichen streifenförmige Öffnung (18) hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß eine rechteckige Öffnung (18) hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß eine eirikristalline Schicht (24) aus Silizium aufgewachsen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein einkristalliner Bereich (20) mit einer flächenzentrierten kubischen |_100j-Ebene an der Oberfläche (12) hergestellt wird und daß die Kanten (19) der Öffnung (18) parallel zu einer \ 001? -Richtung des einkristallinen Bereichs (20) ausgerichtet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einkristalline Schicht (24) aus einem im kubischen Diamantgitter aufwachsenden Material gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einkristalline Schicht (24) aus einem im flächenzentrierten kubischen Kristallgitter aufwachsenden Material hergestellt wird.
11. Verfahren zum Herstellen eines einkristallinen Materials (24) auf einer wenigstens eine Öffnung (18) aufweisenden und auf einem Substrat (10) liegenden Maske (16), wobei die Öffnung (18) in der Maske (16) über einem einkristallinen {looj -Bereich der Oberfläche (12) des Substrats (10) angeordnet wird und das einkristalline Material von der Oberfläche (12) des Substrats (10) .ausgeht sowie die Maske (16) überlappt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (18) in der Maske (16) mit ihren Kanten (19) parallel zu einer vorbestimmten,
in der Oberfläche (12) des Substrats (IC) liegenden, kristallographischen ^001^-Richtung des gebildeten einkristallinen Materials (24) ausgerichtet wird.
12. Verfahren .zum Herstellen eines einkristallinen Materials (24) auf einer wenigstens eine Öffnung (18) aufweisenden und auf einem Substrat (10) liegenden Maske (16), wobei eine Öffnung (18) in der Maske (16) über einem einkristallinen £lllj -Bereich an der Oberfläche (12) des Substrats (10) angeordnet wird und das einkristalline Material von der Oberfläche (12) des Substrats (10) ausgeht sowie die Maske (16) überlappt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (18) der Maske (16) mit ihren Kanten (19) parallel zu einer vorbestimmten in
-A-
der Oberfläche (12) des Substrats (10) liegenden, kristallographischen ^211^ -Richtung des gebildeten einkristallinen Materials (24) ausgerichtet wird.-
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine streifenförmige Öffnung (18) in der Maske (16) gebildet wird.
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