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DE10009876B4 - Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films - Google Patents

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DE10009876B4
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University of Tokyo NUC
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Abstract

Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films, mit den Schritten:
Bilden eines amorphen Films (2) auf einem einkristallinen Substrat (1), Bilden einer Öffnung (3) im amorphen Film (2) und dadurch Freilegen eines Teils einer Oberfläche (1A) des Substrats (1), und
Lenken von Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemischen Strahlen (6-1, 6-2, 6-3, 6-5) auf die Oberfläche (1A) des Substrats (1) unter einer reduzierten Atmosphäre und dadurch selektives und epitaktisches Aufwachsen eines einkristallinen Films (4, 7, 8) auf der freigelegten Oberfläche des Substrats (1) entlang der Seitenwände des amorphen Films (2),
dadurch gekennzeichnet, dass die Atom-, Molekular- oder chemischen Strahlen unter einem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 40 Grad bezüglich der Substratoberfläche (1A) auf diese gelenkt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films, und insbesondere auf ein Verfahren, das zur Herstellung elektronischer Bauelemente, optischer Bauelemente, integrierter Bauelemente und optoelektronischer integrierter Bauelemente geeignet ist.
  • Eine Technik zum Erzeugen eines einkristallinen Films auf einem einkristallinen Substrat wird sehr oft für integrierte Schaltungen, elektronische Bauelemente und optische Bauelemente verwendet. Der einkristalline Film wird unter Verwendung von Atom- und Molkularstrahlen über epitaktisches Wachstum auf dem einkristallinen Substrat gebildet.
  • Wegen des Unterschieds in der Gitterkonstante zwischen dem einkristallinen Substrat und dem einkristallinen Film und in dem Substrat selbst enthaltener Versetzungen enthält der auf dem Substrat epitaktisch aufgewachsene Film oft viele Versetzungen. Es wird bevorzugt, Versetzungen zu eliminieren, weil sie bewirken, daß die Lebensdauer der Bauelemente herabgesetzt wird und die Eigenschaften der Bauelemente schwanken.
  • Der Erfinder hat in der japanischen Patentveröffentlichung Kokai Hei 1-161822 und Kokoku Hei 6-105797 eine sogenannte Mikrokanal-Epitaxietechnik offenbart.
  • Gemäß der Technik wird auf dem einkristallinen Substrat ein amorpher Isolierfilm gebildet, und in dem Film wird eine streifenförmige Öffnung gebildet, um darin einen einkristallinen Film epitaktisch zu züchten bzw. aufzuwachsen. Nachdem die Öffnung durch den kristallinen Film vergraben wurde, dient dann der kristalline Film in der Öffnung als Keim für einen einkristallinen Film, der in einer seitlichen Richtung parallel zu einer Oberfläche des Substrats epitaktisch wächst, um den epitaktisch gewachsenen einkristallinen Film auf dem amorphen Film zu bilden.
  • Die meisten Versetzungen im Substrat breiten sich im gewachsenen einkristallinen Film in der parallelen Richtung nicht aus, so daß der auf dem amorphen Film gebildete gewach sene einkristalline Film viel weniger Versetzungen aufweisen kann.
  • Da in der obigen Technik ein Epitaxieverfahren mit flüssiger Phase verwendet wurde, ist es jedoch schwierig, einen gleichmäßigen Film auf einem großen Substrat zu bilden. Die Technik ist somit für die Verwendung am eigentlichen Ort einer Halbleiterherstellung und zum Realisieren der oben erwähnten Bauelemente nicht zufriedenstellend. Folglich ist eine Technik erwünscht, um eine Mikrokanal-Epitaxie durch eine Gasphasenepitaxie wie z.B. die Molekularstrahlepitaxie (MBE), eine metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) oder eine Halogenidquellenepitaxie zu ermöglichen.
  • Aus dem Artikel „Microchannel Epitaxy of GaAs on Si(001) Substrates using SiO2 Shadow Masks" von Y. Matsunaga et al., veröffentlicht in Electrochemical Society Proceedings, Band 97-21, Seiten 184-188, ist ein Verfahren zum selektiven epitaktischen Aufwachsen von steilen Galliumarsenid-Rippen auf einem Si-Substrat bekannt, bei dem auf das Substrat zunächst eine GaAs-Epischicht und darüber ein SiO2-Film aufgebracht werden. Durch Photolithographie und Ätzen werden Öffnungen in den SiO2-Film und die Epischicht eingebracht, die bis zum Substrat heruntergehen. Anschließend werden zum Aufwachsen der GaAs-Rippen Ga-Strahlen sowie As4-Strahlen unter einem Einfallswinkel von 80° zur Substratoberfläche in die Öffnungen gelenkt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films auf einem einkristallinen Substrats durch die Mikrokanal-Epitaxietechnik über die Gasphasenepitaxie zu schaffen.
  • Diese Erfindung schafft ein Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films, mit den Schritten:
    Bilden eines amorphen Films auf einem einkristallinen Substrat,
    Bilden einer Öffnung in dem amorphen Film und dadurch Freilegen eines Teils einer Oberfläche des Substrats, und
    Lenken von Atomstrahlen oder Molkularstrahlen auf die Oberfläche des Substrats unter einem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad unter einer reduzierten Atmosphäre und dadurch selektives und epitaktisches Aufwachsen eines einkristallinen Films auf der freigelegten Oberfläche des Substrats entlang der Seitenwände des amorphen Films.
  • Der Erfinder führte intensive Untersuchungen durch, um die Mikrokanal-Epitaxie mit dem Gasphasen-Epitaxieverfahren zu verwirklichen. Als Ergebnis stellte er fest, daß durch Einstellen von Einfallswinkeln von Atomstrahlen oder Molekularstrahlen auf eine Oberfläche eines einkristallinen Substrats innerhalb eines gegebenen Winkelbereichs unter einer reduzierten Atmosphäre Atome, die einen einkristallinen Film bilden, nur auf einer in einem amorphen Film geschaffenen Öffnung aufgebracht und epitaktisch aufgewachsen, nicht aber auf dem amorphen Film aufgebracht werden. Auf der Basis dieses Befundes gelang es ihm durch Fortsetzen des Epitaxiewachstums von der in der Öffnung ausgebildeten einkristal linen Schicht, durch das Mikrokanal-Epitaxieverfahren den einkristallinen Film seitlich mit viel weniger Versetzungen auf dem amorphen Film aufzuwachsen.
  • 1 zeigt einen Querschnitt einer Probe zum Erläutern des Verfahrens zum Bilden eines einkristallinen Films gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß der Erfindung wird ein amorpher Film 2 aus Siliciumoxid etc. auf einem einkristallinen Substrat 1 gebildet. In dem Film 2 wird dann durch Ätzen etc. eine Öffnung 3 mit einer Breite "W" ausgebildet, um einen Teil des Substrats 1 freizulegen. Die Öffnung 3 weist auf dem Substrat 1 eine lineare Form auf, die in einer zum in 1 gezeigten Querschnitt senkrechten Richtung langgestreckt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden dann z.B. Atom- und/oder Molekularstrahlen (im folgenden werden Molekularstrahlen beschrieben) auf eine Oberfläche 1A des Substrats 1 unter ihrem Einfallswinkel θ innerhalb von 40 Grad unter einer reduzierten Atmosphäre gelenkt. Einfallende Molekularstrahlen 6-1 oder 6-3 werden gerade da auf dem amorphen Film 2 in einer durch Pfeile dargestellten Richtung reflektiert, oder abgespaltene Atome werden wieder verdampft, ohne auf dem amorphen Film 2 abgelagert zu werden. Andererseits wird ein einfallender Molekularstrahl 6-2 auf der Öffnung 3 kaum reflektiert, und Atome, die den Strahl 6-2 bilden, werden auf das Substrat 1 aufgebracht und epitaktisch aufgewachsen. Folglich wird ein einkristalliner Film 4 nur in der Öffnung 3 selektiv gebildet.
  • Setzt man das selektive Epitaxiewachstum auf der Öffnung 3 fort, wird der einkristalline Film 4 dicker, und ein einkristalliner Film 7, der dicker als der amorphe Film 2 ist, wird gebildet, wie in 2 dargestellt ist. Die einfallenden Strahlen 6-1 und 6-3 werden reflektiert, oder die abgespaltenen Atome werden erneut verdampft, ohne auf den amorphen Film 2 aufgebracht zu werden, wie in 1. Andererseits werden die einfallenden Molekularstrahlen 6-2 und 6-5 durch eine obere Oberfläche 7A und eine Seitenfläche 7B des einkristallinen Films 7 kaum reflektiert, und die die Strahlen bildenden Atome werden weiterhin auf den beiden Oberflächen 7A und 7B des Films 7 epitaktisch aufgewachsen, wobei die letztere als Keim für ein epitaktisches seitliches Überwachstum dient.
  • Das Epitaxiewachstum geht folglich nicht nur in einer zur Oberfläche 1A des einkristallinen Substrats 1 senkrechten Richtung, sondern auch in einer dazu parallelen Richtung weiter. Folglich werden, wie in 3 gezeigt ist, ein in der vertikalen Richtung gewachsener einkristalliner Film 8 und ein auf dem amorphen Film 2 in der seitlichen Richtung gewachsener seitlicher einkristalliner Film 9 gebildet.
  • Selbst wenn Versetzungen in den einkristallinen Filmen 4 und 7 wegen einer Gitterfehlanpassung zwischen dem einkristallinen Substrat 1 und den einkristallinen Filmen 4, 7 erzeugt werden oder selbst wenn Versetzungen im Substrat 1 vorhanden sind, breiten sie sich demgemäß in einer Richtung nahezu senkrecht zur Oberfläche 3 des Substrats 1 und nicht in einer zur Oberfläche parallelen Richtung fort. Der in 3 gezeigte einkristalline Film 8 kann somit Versetzungen aufweisen, aber der seitlich auf dem amorphen Film 2 gebildete einkristalline Film 9 weist keine Versetzungen auf. Folglich kann ein einkristalliner Film mit viel geringeren Versetzungen durch die Mikrokanal-Epitaxietechnik über die Gasphasenepitaxie gebildet werden.
  • Wie oben erwähnt wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein einkristalliner Film mit viel weniger Versetzungen durch die Mikrokanal-Epitaxietechnik über die Gasphasenepitaxie gebildet werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann somit wirklich am Ort einer Halbleiterherstellung verwendet werden und ein Herstellungsverfahren eines einkristallinen Films liefern, das zum Realisieren integrierter Schaltungen geeignet ist.
  • Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Bilden eines einkristallinen Films werden im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine allgemeine Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Bilden eines einkristallinen Films gemäß der Erfindung,
  • 2 eine allgemeine Ansicht zum Erläutern des nächsten Wachstumsschritts nach dem in 1 gezeigten Wachstum, und
  • 3 eine allgemeine Ansicht zum Erläutern eines Schrittes nach dem in 2 gezeigten Wachstum.
  • Die Erfindung wird im folgenden ausführlich beschrieben. Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verlangt, daß auf einem einkristallinen Substrat ein amorpher Film gebildet wird und in dem amorphen Film eine Öffnung ausgebildet wird, um einen Teil einer Oberfläche des Substrats freizulegen.
  • Die Öffnung ist in ihrer Form nicht sonderlich beschränkt, hat aber vorzugsweise eine lineare oder rechtwinkelige Form, insbesondere die lineare Form, deren Querschnitt in 1 gezeigt ist. Als Folge kann wie in 3 gezeigt auf dem amorphen Film 2 vom einkristallinen Film 7 aus, der als Keim für den Film 9 dient, ein seitlicher einkristalliner Film 9 gleichmäßig gebildet werden.
  • Die Öffnung 3 hat wie in 1 gezeigt vorzugsweise eine Breite "W" von 0,001 μm bis 10 μm, insbesondere 0,005 μm bis 10 μm, und noch spezieller 0,005 μm bis 1 μm. Dadurch kann der Molekularstrahl 6-2 in die Öffnung 3 eingeführt werden, und der einkristalline Film 7, der als Keim für den einkristallinen Film 9 dient, kann aufgewachsen werden.
  • Außerdem ist die Öffnung in ihrem Herstellungsverfahren nicht besonders beschränkt, sondern kann durch eine Mikrobearbeitungstechnik wie z.B. Photolithographie, Elektronenstrahllithographie und Röntgenstrahllithographie gebildet werden.
  • Das für die vorliegende Erfindung verwendbare einkristalline Substrat ist nicht besonders beschränkt. Jede Art eines einkristallinen Substrats kann je nach Art des selektiv und epitaktisch auszuwachsenden einkristallinen Films verwendet werden. Beispielsweise können gemäß der vorliegenden Erfindung ein einkristallines Substrat aus Silicium (Si), ein einkristallines Substrat aus Galliumarsenid (GaAs), ein einkristallines Substrat aus Zinkselenid (ZnSe), ein einkristallines Substrat aus Saphir etc. als das einkristalline Substrat verwendet werden.
  • Ein den amorphen Film bildender Stoff ist nicht beschränkt. Je nach Verwendung eines den einkristallinen Film, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, und das einkristalline Substrat enthaltenden Aufbaus kann jede erdenkliche Art von Stoff verwendet werden.
  • Durch Zusammensetzen des amorphen Films aus einem Isolierstoff wie z.B. Siliciumoxid und Siliciumnitrid kann beispielsweise ein sogenannter Aufbau mit SOI-Struktur (Halbleiter auf Isolator) gebildet werden. Der Aufbau kann folglich für einen Feldeffekttransistor, einen Hetero-Bipolartransistor und eine integrierte Schaltung verwendet werden.
  • Durch Verwenden eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt wie z.B. Tantal statt des amorphen Isolierfilms kann andererseits ein Aufbau mit einer in einem Halbleitermaterial eingebetteten Metallstruktur gebildet werden. Solch ein Aufbau kann für elektronische Bauelemente mit sehr hohen Frequenzen verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung erfordert, daß Atomstrahlen oder Molekularstrahlen auf eine Oberfläche des einkristallinen Substrats mit einer Maske unter ihrem Einfallswinkel innerhalb von 40 Grad unter einer reduzierten Atmosphäre eingeführt werden. Ferner beträgt der Einfallswinkel nicht mehr als 30 Grad, insbesondere nicht mehr als 25 Grad und noch spezieller nicht mehr 20 Grad. Dadurch kann auf dem freigelegten Teil des Substrats ein gleichmäßiger einkristalliner Film selektiv und epitaktisch aufgewachsen werden.
  • Der untere Grenzwert des Einfallswinkels ist nicht besonders beschränkt, wenn nur der einkristalline Film in der Öffnung epitaktisch aufgewachsen werden kann. Zum Beispiel hat jedoch in dem Fall, daß der amorphe Film 2 mit der linearen Öffnung 3 wie in 1 gezeigt auf dem einkristallinen Substrat 1 gebildet wird, der amorphe Film 2 eine Dicke d von im allgemeinen 0,001 μm bis 2 μm, und die Öffnung 3 hat eine Breite W von im allgemeinen 0,001 μm bis 10 μm, wie oben erwähnt wurde. Zum Einführen des Molekularstrahls 6-2 beträgt somit der Einfallswinkel des Molekularstrahls 6-2 vorzugsweise nicht weniger als 5 Grad, insbesondere nicht weniger als 3 Grad.
  • Die Atomstrahlen oder die Molekularstrahlen werden je nach Herstellungsverfahren eines einkristallinen Films ausgewählt. Falls ein einkristalliner Film aus Silicium gebildet wird, wird z.B. ein Atomstrahl aus Silicium auf ein einkristallines Substrat mit einer Maske gelenkt, um den einkristallinen Film aus Silicium durch eine Anlage zur Ultrahoch vakuum-Molekularstrahlepitaxie zu bilden. Falls ein einkristalliner Film aus GaAs gebildet wird, werden weiter ein Atomstrahl aus Ga und ein Molekularstrahl aus As2 oder As4 auf ein einkristallines Substrat mit einer Maske gelenkt, um den einkristallinen Film aus GaAs zu bilden.
  • Was die Stufe des verwendeten Vakuums anbetrifft gibt es keine spezielle Anforderung, und sie wird je nach dem Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films wie oben erwähnt bestimmt. Falls die Anlage zur Ultrahochvakuum-Molekularstrahlepitaxie verwendet wird, wird z.B. der Innenraum der Anlage vorzugsweise auf einen Druck von etwa 10–7 Torr bis 10–11 Torr evakuiert. Falls eine Anlage zur chemischen Molekularstrahlepitaxie verwendet wird, wird der Innenraum der Anlage überdies vorzugsweise auf einen Druck von etwa 10–3 Torr bis 10–9 Torr evakuiert.
  • Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann zum Bilden jeder Art von einkristallinem Film verwendet werden. Beispielsweise wird das Herstellungsverfahren vorzugsweise zum Bilden von Gruppe-IV-Halbleitern und III-V-Halbleiterverbindungen und Halbleiterlegierungen wie z.B. eines einkristallinen Films aus Silicium, eines einkristallinen Films aus GaAs, eines einkristallinen Films aus GaN, Ga1-XAlXAs, II-VI-Halbleiterverbindungen und Halbleiterlegierungen wie z.B. eines einkristallinen ZnSe-Films, eines einkristallinen ZnS-Films, eines einkristallinen CdTe-Films und ZnS1-XSeX und eines einkristallinen Oxidfilms wie z.B. YBCO (Y-Ba-Co-Oxid) verwendet.
  • Der einkristalline Film aus einer III-V-Halbleiterverbindung wird beispielsweise durch das MBE-Verfahren oder ein reduziertes Gasphasen-Epitaxieverfahren gebildet. In diesem Fall werden Atomstrahlen der Gruppe III wie z.B. Ga, Al, In, etc. oder Molekularstrahlen, die Gruppe-III-Elemente enthalten, wie z.B. metallorganische Molekularstrahlen, die Gruppe-III-Elemente wie z.B. Ga(CH3)3(TMG), Al(C2H5)3(TEAl), In(CH3)3(TMIn) und Halogenid-Molekularstrahlen verwendet, die Gruppe-III-Elemente wie z.B. GaCl3, AlCl3, InCl3 enthalten. Außerdem werden Molekularstrahlen der Gruppe V wie z.B. aus As2, P2, Sb4 etc. oder Molekularstrahlen, die Gruppe-V-Elemente enthalten, wie z.B. metallorganische Molekularstrahlen aus beispielsweise As(CH3)3(TMAs), As(C2H5)3(TEAs), P(CH3)3(TMP) etc., Molekular-Hydridstrahlen, die Gruppe-V-Elemente enthalten, wie z.B. aus AsH3, PH3, NH3 etc. und Halogenid-Molekularstrahlen verwendet, die Gruppe-V-Elemente enthalten, wie z.B. aus AsCl3, PCl3, SBCl3 etc. Die Atomstrahlen der Gruppe III oder die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe III enthalten, und die Molekularstrahlen der Gruppe V oder die Molekularstrahlen, die Gruppe-V-Elemente enthalten, werden auf ein auf eine gegebene Temperatur geheiztes einkristallines Substrat gelenkt. Danach reagieren z.B. die Gruppe-III-Elemente und die Gruppe-V-Elemente, die die Molekularstrahlen bilden, miteinander, um die III-V-Halbleiterverbindung zu bilden.
  • In diesem Fall werden die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe III und Elemente der Gruppe V enthalten, unter ihrem Einfallswinkel innerhalb von jeweils 40 Grad auf eine Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt, und ein einkristalliner Film aus der III-V-Halbleiterverbindung kann in den Öffnungen des amorphen Films durch das selektive Epitaxiewachstum erzeugt werden.
  • Falls der einkristalline Film der III-V-Halbleiterverbindung gebildet wird, können jedoch nur die Molekularstrahlen der Gruppe V oder die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe V enthalten, unter ihrem Einfallswinkel innerhalb von 40 Grad, vorzugsweise innerhalb von 30 Grad, eher innerhalb von 25 Grad und am meisten bevorzugt innerhalb von 20 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt werden. Selbst wenn Atomstrahlen der Gruppe III oder Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe III enthalten, unter ihren Einfallswinkeln auf die Oberfläche gelenkt werden, kann dadurch der aus der III-V-Halbleiterverbindung geschaffene einkristalline Film in der Öffnung ausgebildet werden. Der Grund ist, daß die in den Molekularstrahlen enthaltenen Elemente der Gruppe V einen Keimbildungsprozeß im Wachstum der III-V-Halbleiterverbindung bestimmen.
  • Der aus einer II-VI-Halbleiterverbindung geschaffene einkristalline Film wird durch das MBE-Verfahren oder das reduzierte Gasphasen-Epitaxieverfahren wie oben erwähnt gebildet. In diesem Fall verwendet man Atomstrahlen der Gruppe II wie z.B. Zn, Cd, Hg etc. oder Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthalten, wie z.B. metallorganische Molekular strahlen aus z.B. Zn(CH3)2, Zn(C2H5)2, Cd(CH3) etc. und Halogenid-Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthalten, wie z.B. ZnCl2, CdCl2, HgCl2 etc. Außerdem werden Atomstrahlen der Gruppe VI wie z.B. aus S, Se, Te etc. oder Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe VI enthalten, wie z.B. metallorganische Molekularstrahlen z.B. aus Te(CH3)2. Te(C2H5)2, Se(CH3)2 etc. verwendet. Die Atomstrahlen der Gruppe II oder die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthalten, und die Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe II enthalten oder Molekularstrahlen, die Elemente der Gruppe VI enthalten, werden auf ein auf eine gegebene Temperatur geheiztes einkristallines Substrat gelenkt. Danach reagieren die Elemente der Gruppe II und die Elemente der Gruppe VI, die in den Molekularstrahlen enthalten sind, miteinander, um den Film aus den II-VI-Halbleiterverbindungen zu bilden.
  • In diesem Fall werden die Elemente der Gruppe II und Elemente der Gruppe VI enthaltenden Molekularstrahlen unter ihrem Einfallswinkel innerhalb von jeweils 40 Grad auf eine Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt, und ein einkristalliner Film aus der II-VI-Halbleiterverbindung wird durch das selektive Epitaxiewachstum in den Öffnungen des amorphen Films und dann seitlich über ihn gebildet.
  • Falls der einkristalline Film aus der II-VI-Halbleiterverbindung geschaffen wird, kann jedoch nur einer der Atomstrahlen der Gruppe II oder der Elemente der Gruppe II enthaltenden Molekularstrahlen und/oder der Atomstrahlen der Gruppe VI oder der Elemente der Gruppe VI enthaltenden Molekularstrahlen unter ihrem Einfallswinkel innerhalb von 40 Grad, vorzugsweise innerhalb von 30 Grad, eher innerhalb von 25 Grad und am meisten bevorzugt innerhalb von 20 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt werden. Dadurch können die Elemente der Gruppe VI enthaltenden Strahlen und die Elemente der Gruppe II enthaltenden Strahlen unter ihren Einfallswinkeln bzw. nämlich ein Elemente der Gruppe II enthaltender Strahl und ein Elemente der Gruppe VI enthaltender Strahl mit geringem Einfallswinkel auf die Oberfläche gelenkt werden, so daß in der Öffnung der einkristalline Film aus der Verbindung von Halbleitern der Gruppen II und VI gebildet wird. Der Grund ist, daß die Elemente der Gruppe II oder die Elemente der Gruppe VI, die in den Strahlen enthal ten sind, die Keimbildungsrate des Films der II-VI-Halbleiterverbindung bestimmen.
  • Falls der einkristalline Film aus der oben erwähnten III-V-Halbleiterverbindung oder der II-VI-Halbleiterverbindung gebildet wird, kann durch Fortsetzung des Epitaxiewachstums in der Öffnung 3 der Epitaxiefilm 9 in 3 in einer seitlichen Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats gebildet werden.
  • Wie in 3 gezeigt ist, kann folglich der seitliche einkristalline Film 9 aus der III-V-Halbleiterverbindung oder dergleichen auf dem amorphen Film 2 geschaffen werden.
  • Der auf dem amorphen Film gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffene seitliche einkristalline Film weist eine Versetzungsdichte von nicht mehr als 104/cm2, insbesondere nicht mehr als 102/cm2 auf. Selbst wenn eine Differenz in der Gitterkonstante zwischen dem einkristallinen Substrat und dem einkristallinen Film relativ groß ist und in dem Bereich von 0,1 % bis 30 % liegt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung der einkristalline Film mit einer geringen Versetzungsdichte erhalten werden.
  • Beispiele:
  • (Beispiel 1)
  • Ein Siliciumoxidfilm wurde in einer Dicke von 200 nm auf einem einkristallinen Substrat aus Silicium mit einen Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 0,5 mm durch ein Plasma-CVD-Verfahren gebildet. Durch Photolithographie wurde dann eine lineare Öffnung mit einer Breite von 1 μm wie in 1 gezeigt geschaffen, um einen Teil einer Oberfläche des Substrats freizulegen.
  • Nachdem durch Erhitzen Oxidfilme in der freigelegten Oberfläche des Substrats entfernt wurden, wurden Molekularstrahlen aus SiH4 unter Verwendung einer Molekularstrahl-Epitaxieanlage mit Gasquelle auf die Oberfläche des Substrats unter ihrem Einfallswinkel von 20 Grad gelenkt, wobei das Substrat bei einer Temperatur von 950°C gehalten wurde. Die abgespaltenen Si-Atome wurden dann in den Öffnungen selektiv und epitaktisch aufgewachsen, um darin einen einkristallinen Film zu bilden.
  • Wurde das Epitaxiewachstum durch sukzessive Einführung der Molekularstrahlen fortgesetzt, trat danach das Epitaxie wachstum in einer zur Oberfläche des Substrates parallelen Richtung auf, so daß ein einkristalliner Film auf dem Siliciumoxidfilm zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkristalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm war. Der auf dem Siliciumoxidfilm geschaffene einkristalline Film wies eine Dicke von 0,2 μm auf.
  • Wurde der einkristalline Film durch ein Beugungsverfahren mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem Einkristall aus Silicium bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten außerdem keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • (Beispiel 2)
  • Außer daß Siliciumatomstrahlen auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats aus Silicium mit einer Maske unter ihrem Einfallswinkel von 10 Grad mittels einer Anlage zur Ultrahochvakuum-Molekularstrahlepitaxie gelenkt wurden, wurde das Wachstum wie in Beispiel 1 beschrieben ausgeführt.
  • Ein auf dem Siliciumoxidfilm gebildeter einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,2 μm. Wurde der Film durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich außerdem heraus, daß der Film aus einem Siliciumeinkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und es wurde festgestellt, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • (Beispiel 3)
  • Außer daß statt des Siliciumoxidfilms ein Ta-Film mit einer Dicke von 20 nm gebildet wurde, wurde das Wachstum wie in Beispiel 1 beschrieben ausgeführt.
  • Ein auf dem Ta-Film geschaffener einkristalliner Film hatte eine Dicke von 0,2 μm. Der Film wurde durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen untersucht. Es stellte sich heraus, daß der Film aus einem Siliciumeinkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • (Beispiel 4)
  • Außer daß ein Ta-Film mit einer Dicke von 20 nm statt des Siliciumoxidfilms geschaffen wurde, wurde das Wachstum wie in Beispiel 2 beschrieben ausgeführt.
  • Ein auf dem Ta-Film geschaffener einkristalliner Film hatte eine Dicke von 0,2 μm. Der Film wurde durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen untersucht. Es stellte sich heraus, daß der Film aus einem Siliciumeinkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten im Film keine Ätzvertiefungen auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • (Beispiel 5)
  • Auf einem einkristallinen GaAs-Substrat mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 0,5 mm wurde in einer Dicke von 200 nm durch ein Plasma-CVD-Verfahren ein Siliciumoxidfilm geschaffen. In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben wurde dann eine lineare Öffnung mit einer Breite von 1 μm gebildet.
  • Das Substrat wurde danach in eine MBE-Anlage gelegt, und As4-Molekularstrahlen und Ga-Atomstrahlen wurden unter Einfallwinkeln von 20 Grad bzw. 40 Grad bezüglich der Oberfläche des Substrats, das bei einer Temperatur von 610°C gehalten wurde, in die Öffnung gelenkt. Die die Molekularstrahlen bildenden Atome wurden in den Öffnungen selektiv und epitaktisch aufgewachsen, so daß ein einkristalliner Film aus GaAs gebildet wurde.
  • Das Epitaxiewachstum wurde danach durch sukzessive Einführung der Atom- und Molekularstrahlen fortgesetzt, und man stellte fest, daß das Epitaxiewachstum in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen seitlichen Richtung auftrat, so daß auf dem Siliciumoxidfilm ein einkristalliner Film zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkristalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm wurde. Der auf dem Siliciumoxidfilm gebildete einkristalline Film wies eine Dicke von 0,5 μm auf.
  • Wurde der einkristalline Film durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte man fest, daß der Film aus einem GaAs-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • (Beispiel 6)
  • Außer daß ein einkristallines Substrat aus Silicium mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 0,5 mm verwendet wurde und natürliche Oxidfilme auf einer Oberfläche des Substrats durch Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur von 1000°C entfernt wurden, bevor in einer Öffnung ein einkristalliner Film geschaffen wurde, wurde das Wachstum wie in Beispiel 5 beschrieben ausgeführt.
  • Der auf dem Siliciumoxidfilm geschaffene einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,5 μm. Wurde der einkristalline Film durch Beugung mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem GaAs-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten außerdem keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • (Beispiel 7)
  • Ein einkristallines Substrat aus ZnSe mit einer Fläche von 1 cm2 und einer Dicke von 0,5 mm wurde verwendet. Auf dem Substrat wurde durch ein Plasma-CVD-Verfahren ein Siliciumoxidfilm in einer Dicke von 200 nm gebildet. In der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 wurde dann eine lineare Öffnung mit einer Breite von 1 μm geschaffen, um einen Teil der Oberfläche des Substrats freizulegen.
  • Das einkristalline Substrat wurde danach in eine MBE-Anlage gelegt, und ein Se-Atomstrahl und ein Zn-Atomstrahl wurden unter ihrem Einfallswinkel von 20 Grad bzw. 40 Grad bezüglich der Oberfläche des Substrats, das auf eine Temperatur von 500°C erhitzt wurde, in die Öffnung gelenkt. Die die Molekularstrahlen bildenden Atome wurden dann in den Öffnungen selektiv und epitaktisch aufgewachsen, so daß ein einkristalliner Film aus ZnSe gebildet wurde.
  • Durch sukzessive Einführung der Atomstrahlen wurde danach das Epitaxiewachstum fortgesetzt. Das Epitaxiewachstum trat in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen seitlichen Richtung auf, so daß auf dem Siliciumoxidfilm ein einkristalliner Film zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkristalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm wurde. Der auf dem Siliciumoxidfilm gebildete einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,2 μm.
  • Wurde der einkristalline Film durch ein Beugungsverfahren mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem Znse-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten außerdem keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • (Beispiel 8)
  • Man verwendete ein einkristallines Substrat aus SrTiO3 mit einer Fläche von 1 cm2 und einer Dicke von 0,5 mm, und auf dem Substrat wurde durch ein Plasma-CVD-Verfahren ein Siliciumoxidfilm in einer Dicke von 200 nm gebildet. In der gleichen Art und Weise wie im Beispiel 1 wurde dann eine lineare Öffnung mit einer Breite von 1 μm geschaffen, um einen Teil einer Oberfläche des Substrats freizulegen.
  • Das einkristalline Substrat wurde danach in eine MBE-Anlage gelegt. Atomstrahlen aus Y, Ba und Cu wurden dann unter ihren Einfallswinkeln von 20 Grad in die Öffnung gelenkt, und Ozonmoleküle enthaltende Sauerstoff-Molekularstrahlen wurden unter ihrem Einfallswinkel von 30 Grad bezüglich der Oberfläche des Substrats, das auf 800°C geheizt wurde, in die Öffnung gelenkt. Die die Molekularstrahlen bildenden Atome wurden dann in den Öffnungen selektiv und epitaktisch ausgewachsen, so daß ein einkristalliner Film aus YBCO gebildet wurde.
  • Das Epitaxiewachstum wurde danach durch sukzessive Einführung der Atomstrahlen und der Molekularstrahlen fortgesetzt und trat in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen seitlichen Richtung auf, so daß auf dem Siliciumoxidfilm ein einkristalliner Film zu dem Zeitpunkt gebildet wurde, als der einkristalline Film dicker als der Siliciumoxidfilm wurde. Der auf dem Siliciumoxidfilm geschaffene einkristalline Film hatte eine Dicke von 0,2 μm.
  • Wurde der einkristalline Film durch ein Beugungsverfahren mit hochenergetischen Reflexionselektronen charakterisiert, stellte sich heraus, daß der Film aus einem YBCO-Einkristall bestand. Wurde der Film chemisch geätzt, traten außerdem keine Ätzvertiefungen im Film auf. Der Film wurde dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert, und man stellte fest, daß die Versetzungsdichte des Films nicht mehr als 102/cm2 betrug.
  • Wie aus den obigen Beispielen ersichtlich ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung auf dem amorphen Film wie z.B. dem Siliciumoxidfilm oder dem Ta-Film der einkristalline Film mit viel weniger Versetzungen, z.B. einer Versetzungsdichte von nicht mehr als 102/cm2, gebildet werden.
  • Obgleich diese Erfindung mit Verweis auf die obigen Beispiele ausführlich beschrieben wurde, ist sie nicht auf die obige Offenbarung beschränkt, und jede Art von Änderung und Abwandlung kann, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen, vorgenommen werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein einkristalliner Film nur in einer gegebenen Öffnung selektiv gebildet werden. Unter Verwendung des Films als Keim kann somit eine Mikrokanal-Epitaxie durch Gasphasenepitaxie ausgeführt werden. Folglich kann ein einkristalliner Film mit weniger Versetzungen geschaffen werden, der für den eigentlichen Ort einer Halbleiterfertigung und zum Realisieren integrierter Schaltungen, elektronischer Elemente, optischer Elemente und dergleichen verwendbar ist.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films, mit den Schritten: Bilden eines amorphen Films (2) auf einem einkristallinen Substrat (1), Bilden einer Öffnung (3) im amorphen Film (2) und dadurch Freilegen eines Teils einer Oberfläche (1A) des Substrats (1), und Lenken von Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemischen Strahlen (6-1, 6-2, 6-3, 6-5) auf die Oberfläche (1A) des Substrats (1) unter einer reduzierten Atmosphäre und dadurch selektives und epitaktisches Aufwachsen eines einkristallinen Films (4, 7, 8) auf der freigelegten Oberfläche des Substrats (1) entlang der Seitenwände des amorphen Films (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Atom-, Molekular- oder chemischen Strahlen unter einem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 40 Grad bezüglich der Substratoberfläche (1A) auf diese gelenkt werden.
  2. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin die Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder die chemischen Strahlen (6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5) unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
  3. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe V in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe V in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche (1A) des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe III in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Periodentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln (8) auf die Oberfläche (1A) des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats (1) ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer III-V-Halbleiterverbindung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
  4. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 3, worin die aus Elementen der Gruppe V in der Periodentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder die chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe V in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
  5. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe III in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche (1A) des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe V in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe V in der Periodentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln (θ) auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer III-V-Halbleiterverbindung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
  6. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 5, worin die aus Elementen der Gruppe III in der Periodentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
  7. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe VI in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe VI in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe II in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe II in der Periodentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt werden und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer II-VI-Halbleiterverbindung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
  8. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 7, worin die aus Elementen der Gruppe VI in der Periodentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe VI in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (8) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
  9. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 1, worin aus Elementen der Gruppe II in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe II in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel von nicht mehr als 40 Grad auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats (1) gelenkt werden und aus Elementen der Gruppe VI in der Periodentafel bestehende Atomstrahlen, Molekularstrahlen oder chemische Strahlen, die Elemente der Gruppe VI in der Periodentafel enthalten, unter ihren Einfallswinkeln (θ) auf die Oberfläche des einkristallinen Substrats gelenkt werden und dadurch auf der freigelegten Oberfläche des Substrats ein einkristalliner Film (7, 8) aus einer II-VI-Halbleiterverbindung selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird.
  10. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 9, worin die aus Elementen der Gruppe II in der Periodentafel bestehenden Atomstrahlen, die Molekularstrahlen oder die chemischen Strahlen, die Elemente der Gruppe III in der Periodentafel enthalten, unter ihrem Einfallswinkel (θ) von nicht mehr als 25 Grad eingeführt werden.
  11. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Öffnung (3) eine lineare Form hat und eine Breite (W) von 0,001 μm bis 10 μm aufweist.
  12. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der amorphe Film (21 aus einem Isolierstoff oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt ist.
  13. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin der einkristalline Film (9) von dem einkristallinen Film (7, 8), der auf der freige legten Oberfläche (1A) des Substrats (1) selektiv und epitaktisch aufgewachsen wird, als Keim in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen seitlichen Richtung auf dem amorphen Film (2) epitaktisch aufgewachsen wird.
  14. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 13, worin der auf dem amorphen (2) Film gebildete einkristalline Film (9) eine Versetzungsdichte von nicht mehr als 104/cm2 aufweist.
  15. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 14, worin Gitterkonstanten des einkristallinen Substrats und des einkristallinen Films sich voneinander unterscheiden.
  16. Verfahren zum Bilden eines einkristallinen Films nach Anspruch 15, worin eine Differenz in der Gitterkonstante zwischen dem einkristallinen Substrat (1) und dem einkristallinen Film (9) 0,1 % bis 30 % beträgt.
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