DE3231671C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer einkristallinen Zone aus einem Halbleiter der Gruppe IV (nachstehend als IV-Halbleiter bezeichnet) auf einer Isolatorschicht.

Ein mit einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauelement hat viele Vorteile gegenüber einem üblichen, direkt auf einem Siliciumsubstrat erzeugten Bauelement. Bei einem üblichen Bauelement erzeugt Strahlung, beispielsweise Alpha-Partikelstrahlung, Ladungsträger in einem leitenden Substrat, und diese Ladungsträger führen Störsignale in die aktive Zone des Halbleiterbauelementes ein. Im Gegensatz hierzu erzeugt zwar bei einem isolierten Bauelement diese Strahlung Ladungsträger im Siliciumsubstrat, aber diese Ladungsträger können nicht durch die Isolierschicht hindurchwandern. Sonach werden Störsignale in der aktiven Zone nicht erzeugt. Des weiteren bieten Bauelemente, die auf Isolatoren aufgebaut sind, die Möglichkeit einer niedrigeren Kapazität und damit kürzerer Schaltzeiten als bei üblichen Bauelementen. Schließlich können, da die aktiven Halbleiterzonen von isolierten Bau­ elementen elektrisch getrennt sind, diese getrennten Zonen auf unterschiedlichen Potentialen ohne unerwünschte Wechsel­ wirkungen gehalten werden.

Zum Erhalt der Vorteile isolierter Bauelemente unter Verwen­ dung von IV-Halbleitermaterialien sind zahlreiche Technologien entwickelt worden. Jedoch handelt es sich bei allen diesen Wegen um umständliche Verfahren, die sich nicht ohne weiteres für eine industrielle Fertigung von Bauelementen eignen. Beispielsweise sind große experimentelle Anstrengungen unternommen worden, um Siliciumbauelemente auf Saphirsubstraten herzustellen. Die Herstellung einer hoch qualitativen epitaktischen Siliciumschicht auf einem Saphir­ substrat ist extrem schwierig und teuer.

In ähnlicher Weise sind Methoden zum Herstellen von Silicium­ einkristallen auf Isolatoren wie Siliciumoxide entwickelt wor­ den. Beispielhaft für diese Methoden sind die dielektrischen Isolationsverfahren. (Diese Verfahren sind von K. E. Bean und W. R. Runyon in Journal of the Electrochemical Society, 124, Nr. 1, Seite 5C, (1977) beschrieben worden.) Dielektrische Isolation betrifft ein vielstufiges, umständliches Verfahren, das in Fig. 1 dargestellt ist. Zunächst wird ein Substrat aus hochqualitativem Silicium vorbereitet. Dieses Siliciumsubstrat, Fig. 1A, wird mit einem Isoliermaterial wie Siliciumoxid 3 beschichtet, und Löcher oder Öffnungen 5 werden in das Oxid nach üblichen Methoden, beispielsweise auf fotolithografischem Wege, eingebracht, gefolgt von einer anisotropen chemischen Ätzung. Es werden dann Nuten 7 in die in den Löchern des dielektrischen Materials freiliegenden Teile des Siliciums geätzt. Diese Nuten 7 werden mit einer N⁺-Siliciumschicht 8 epitaktisch beschichtet. Das N⁺-Silicium wird seinerseits mit einem Isolator 9, beispielsweise Siliciumoxid, beschichtet. Der Isolator wird seinerseits wiederum mit einer Polysilicium­ schicht 10 (Schicht aus polykristallinem Silicium) beschichtet. Die erhaltene Struktur ist in Fig. 1F dargestellt. Sodann wird das Ganze umgekehrt, und das Siliciumsubstrat wird abge­ schliffen, bis die Anordnung nach Fig. 1G erhalten wird. Bei dieser Anordnung bezeichnen 12 das verbliebene hochqualitative Silicium, 14 und 15 die Isolierschichten und 16 das Polysilicium.

Die in Fig. 1 beispielhaft dargestellte dielektrische Isolation benötigt also eine Vielzahl komplizierter Verfahrens­ schritte. Diese Methode ist daher bisher nur dort ein­ gesetzt worden, wo die Herstellung von Bauelementen mit kriti­ schen Eigenschaften betroffen und Kosten ein Sekundärfaktor waren. Obgleich sich die Herstellung von Bauelementen innerhalb einer elektrisch isolierten IV-Halbleiterzone als sehr vorteil­ haft erwiesen hat, war die Herstellung solcher Bauelemente in einem Verfahren schwierig, das auch an andere Herstellungs­ methoden als Iabortechnische Herstellung leicht anpaßbar ist. Ein zu dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren ähnliches Verfahren ist aus der DE-OS 17 69 627 bekannt.

Abgesehen davon, daß bei dem aus der DE-OS 17 69 627 bekannten Verfahren der Isolator mit einer kristallinen Siliciumschicht bewachsen wird, entspricht dieses bekannte Verfahren im wesentlichen dem vorstehend anhand der Fig. 1 näher erläu­ terten Verfahren.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 35 49 432 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren zum Erzeugen einer einkristallinen Zone auf einem Halbleiter ist es vorge­ sehen, die das Substrat bedeckende Isolatorschicht mit einem gepulsten Elektronenstrahl mit einer solchen Energie zu be­ aufschlagen, daß das unter der Isolatorschicht liegende Sub­ strat lokal verdampft, so daß im Bereich der Elektronenstrahl­ einwirkung kleine Hügel aus Substratmaterial entstehen, die sich durch den Isolator hindurch erstrecken und Keimstellen für das Wachstum eines einkristallinen IV-Halbleiters bilden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das ein­ gangs genannte Verfahren so auszubilden, daß es sich zur kosten­ günstigen industriellen Fertigung von Bauelementen eignet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 das eingangs beschriebene bekannte Verfahren zum Erzeugen einer einkristallinen Zone aus einem Halbleiter der Gruppe IV auf einer Isolatorschicht und

Fig. 2 bis 7 das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer einkristallinen Zone aus einem Halbleiter der Gruppe IV auf einer Isolatorschicht.

Bauelemente aus IV-Halbleitermaterialien, die auf einer Isolator­ schicht aufgebaut sind, werden dadurch hergestellt, daß zuerst ein Substrat aus einem hochqualitativen kristallinen Material, beispielsweise Silicium, verwendet wird, auf dem das gewün­ schte IV-Halbleitermaterial dem epitaktischen Wachstum unter­ worfen wird. Eine elektrisch isolierende Zusammensetzung, beispielsweise Siliciumnitrid oder ein Siliciumoxid, wird auf dem Substrat erzeugt. Ein durchgehendes Loch wird nach üblichen Methoden in das isolierende Material eingebracht, so daß ein Teil des darunter liegenden Substrats freigelegt wird. Ein Vorläufermaterial wird dann auf der resultierenden Anordnung erzeugt, so daß es den freiliegenden Teil des Substrats durch das durchgehende Loch kontaktiert und sich über wenigstens einen Teil des Isoliermaterials erstreckt und dieses bedeckt. An der Vorläufer/Substrat-Grenzfläche in Bereich des durchgehenden Loches wird Kristallwachstum induziert, und zwar durch Methoden wie Laser-Aufschmelzen des Vorläufermaterials am durchgehenden Loch. Dieses Wachstum wird dann durch den Vorläufer nach üb­ lichen Methoden weitergeführt, beispielsweise durch Zonenreinigungsmethoden.

Der aus dem Vorläufer erzeugte Siliciumkristall wird vom darunterliegenden Substrat elektrisch isoliert durch Entfernen des durchgehenden Loches und des dieses einnehmenden kristalli­ nen Materials. Dieses geschieht beispielsweise durch Ätzen, gefolgt von einer Passivierung beispielsweise durch thermische Oxidation. Dieses Verfahren liefert die gewünschte isolierte Siliciumstruktur.

Brauchbare Strukturen werden auch durch Aufrechterhalten der Verbindung zwischen Substrat und dem vom Vorläufer erzeugten Material hergestellt. Es ist dann möglich, sowohl Bauelemente in das Substrat als auch in das aus dem Vorläufermaterial er­ zeugte Material einzubauen. Das durchgehende Loch und das dieses einnehmende Material wirken als ein elektrischer und thermischer Kontakt zwischen den beiden Bauelementschichten.

Des leichteren Verständnisses halber sei nun zunächst die Erzeugung einer Isolierschicht auf einem geeigneten Substrat zusammen mit der Erzeugung des durchgehenden Lochs beschrieben. Hieran schließt sich die Beschreibung der Erzeugung eines auf dem Isolator aufliegenden einkristallinen Kristallmaterials aus dem Vorläufermaterial an.

1. Substrat, Isolator, und Erzeugung des durchgehenden Lochs

Ein Einkristall aus einem IV-Halbleitermaterial, beispielsweise ein Silicium- oder ein Germaniumeinkristall wird zur Verwendung als Substrat bevorzugt. (Die Zusammensetzung des Substrats ist nicht wesentlich, vorausgesetzt es induziert Keim­ bildung eines IV-Halbleitermaterials. Wegen seiner leichten Ver­ fügbarkeit ist es jedoch am bequemsten, hierzu ein IV-Halbleiter­ material selbst zu benutzen.) Die Hauptfläche des Substrats sollte der kristallographischen Orientierung entsprechen, die für das schließlich auf der Isolierschicht aufliegende Halb­ leitermaterial gewünscht ist. Ist es beispielsweise erwünscht, einen Siliciumeinkristall mit einer kristallographischen (100) Orientierung auf einem Isoliermaterial zu erzeugen, dann wird ein Siliciumsubstrat mit einer der kristallographischen (100)- Ebene entsprechenden Hauptebene verwendet. Die Herstellung dieses Substrates mit der geeigneten kristallographischen Ebene als Hauptfläche erfolgt nach üblichen Methoden. Bei einer bevor­ zugten Ausführungsform wird ein Rohkristall beispielsweise im Czochralski-Verfahren gezüchtet, der längs der gewünschten Ebene orientiert ist und zum Erhalt der gewünschten kristallographi­ schen Ebene zersägt wird. (Siehe S. H. Matlock in Semicondutor Silicon-1977, The Electrochemical Society, Princeton, H. R. Huff und E. Sirtl, Editors, Seiten 32-52 für eine ausführliche Diskussion der üblichen Methoden zur Herstellung von Wafern aus Materialien wie Silicium.) Wenn die speziell benutzte Ebene für einen gegebenen Anwendungsfall nicht wichtig ist, ist die Orientierung des Substrats ebenfalls nicht wichtig, vorausgesetzt die an dem durchgehenden Loch freiliegende Substrat­ zone ist ein Einkristall. Abgesehen von dem Fall, in welchem einkristalli­ nes Material durch eine von mehr als einem durchgehenden Loch ausgehende Vorläuferzone zu erzeugen ist, braucht nur der nicht bedeckte Teil des Substrats am durchgehenden Loch, nicht aber das gesamte Substrat, einkristallin zu sein. Jedoch ist es generell bequemer, ein Substrat zu benutzen, das im wesentlichen ein Einkristall ist.

Eine Isolierschicht wird auf der Hauptfläche des Substrates erzeugt. Die Zusammensetzung der Isolierschicht ist nicht kritisch. Jedoch haben unterschiedliche Isolierschichten unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten und beeinflussen daher den Wachstumsprozeß. In Situationen, bei denen während der Bearbeitung das Substrat deutlich kühler als der Vorläufer ist, erfordert die Verwendung eines Isolators mit geringer Wärmeleitfähigkeit, einer Leitfähigkeit kleiner als 0,1W/cm°K, im allgemeinen zusätzliche Wärme, um den Vorläufer am durchgehenden Loch zu schmelzen. Dieses Phänomen tritt auf, weil der Isolator einen Wärmetransport zum Substrat verhindert. Das Substrat bleibt also deutlich kühler als der Vorläufer, und Wärme wird daher am durchgehenden Loch rasch entfernt, wo der Vorläufer das Substrat direkt berührt. Wenn keine zusätzliche Wärme in hinreichender Menge zuge­ führt wird, schmilzt der Vorläufer in der Mitte des durch­ gehenden Lochs nicht auf. Das polykristalline Zentrum des durchgehenden Lochs verhindert dann die Ausbreitung jeglichen einkristallinen Wachstums, das am Umfang des durch­ gehenden Lochs auftritt. Wenn Wärme lediglich in begrenzter Menge verfügbar ist, beispielsweise wie ein Laser vergleichsweise kleiner Leistung verwendet wird, sind Hilfsmittel, die weiter unten erörtert werden, verfügbar, um solche Probleme zu überwinden und gleichwohl Isolatoren mit niedrigeren Wärmeleitfähigkeiten zu verwenden. Wenn das zur Umformung des Vorläufers in den Einkristall benutzte Verfahren mit Bezug auf die Wärmemenge nicht begrenzt ist oder das Substrat nicht deutlich kühler als der Vorläufer gehalten wird, können Isolatoren mit geringerer (Wärme-) und Leitfähigkeit ver­ wendet werden, vorausgesetzt, daß die erzeugte Wärme nicht so groß ist, daß das Substrat aufgeschmolzen wird. Der Verwendungszweck des Bauelementes bestimmt die Auswahl des Isoliermaterials anhand dessen elektrischer Eigenschaften. Wenn beispielsweise das Bauelement eine Isolation hoher Spannung erforderlich macht, sollte das Isoliermaterial generell eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von wenigstens 10⁶ V/cm haben. Wenn alternativ das Bauelement für niedrige Ströme und Spannungen verwendet werden soll, beispielsweise bei der Digital­ signalverarbeitung, dann sind dielektrische Durchschlags­ festigkeiten größer als 10⁴ V/cm im allgemeinen angemessen. Diese dielektrischen Durchschlagsfestigkeiten beziehen sich auf die Verwendung einer Isolierschicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 100 bis 1000 Nanometer. Deutlich verschiedene Dicken erfordern eine geeignete Einstellung der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit. Schließlich sollte die Isolierschicht nicht Keime aus einer Zusammensetzung aufweisen die eine Keimbildung im Vorläufermaterial verursacht. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird die Ausbreitung des am durchgehenden Loch induzierten Kristallwachstums zum Erhalt eines Einkristalls schwierig. Dieses Kriterium läßt sich für amorphe Isolatoren generell leicht erfüllen. Dahingegen sind polykristalline Isolatoren typischerweise nachteilig. Des weiteren sollten bei für Kleinsignalanwendungsfälle benutzten Bauelementen, z. B. Logikschaltungen, die Anzahl elektroni­ scher Zustände, die an der Grenzfläche zwischen Isolator und einer IV-Materialzone, die als die aktive Zone des Bauelementes vorgesehen ist, erzeugt werden, typischerweise auf weniger als 10¹²/cm⁺² begrenzt werden. Kombinationen von IV-Material und Isoliermaterial wie Silicium und amorphe Siliciumoxide sind für solche Anforderungen geeignet.

Der ausgewählte Isolator wird auf dem Substrat nach üblichen Methoden erzeugt. Wenn beispielsweise ein Siliciumsubstrat verwendet wird, ist es möglich die obere Fläche des Substrats in einer Sauerstoffumgebung zu erwärmen, um so eine Siliciumdioxidschicht auf dem Substrat zu erzeugen. In ähnlicher Weise werden, wenn ein Siliciumnitrid-Isolier­ material gewünscht ist, Methoden wie Plasmaniederschlags­ methoden verwendet, um die gewünschte Schicht niederzuschlagen. (Siehe M. J. Rand, Journal of Vaccum Science and Technology, 16, 420 (1979) bezüglich einer Beschreibung von Siliciumnitrid- Plasmaniederschlag.) Andere Methoden wie Niederschlag durch chemische Reaktion aus der Dampfphase sind ebenfalls zur Her­ stellung des gewünschten Isolators verfügbar.

Die Dicke der Isolierzone hängt wiederum vom Verwendungszweck des zu erzeugenden Bauelements ab. Das Isoliermaterial sollte nicht so dünn sein, daß der gewünschte Widerstand und die zur Isolation des Substrats vom darüberliegenden Kristallmaterial erforder­ liche Durchbruchsspannung nicht erreicht werden. Generell gilt für die meisten Schwachstromanwendungsfälle, daß Leckströme zwischen Substrat und einem aktiven Bereich eines Bauelementes kleiner als 10^-6A sein sollten. Um diese Bedingung zu erfüllen, sind typischerweise Isolierschichten erforderlich, deren spezifische Widerstände größer als 10⁶cm sind und deren Durchbruchspannungen höher als 10 Volt liegen. Für Isolierschichten werden im allgemeinen Dicken im Bereich von 10 Nanometer bis 10 Mikrometer, vorzugsweise im Bereich von 100 Nanometer bis 1 Mikrometer, verwendet, um den gewünschten Widerstand zu erreichen.

Das Isoliermaterial wird so erzeugt, daß die Oberfläche der zusammengesetzten Substrat-Isolator-Struktur sowohl Isolator- als auch Substratzonen umfaßt, d. h. daß durchgehende Löcher erzeugt werden, welche die Isolierschicht durchsetzen. Die Größe des durchgehenden Lochs ist nicht kritisch. Jedoch begrenzen Löcher eines großen Querschnitts die Größe des Isolatorgebiets und daher die Größe des einkristallinen IV-Halbleitermaterialgebietes, das vom darunterliegenden Substrat isoliert ist. Aus ökomischen Gründen ist es daher erwünscht, die Durchgangsloch- Erzeugung auf Querschnitte im Bereich des ein- bis zehnfachen der Dicke der dielektrischen Schicht zu begrenzen. Löcher, die einen sehr kleinen Querschnitt haben, d. h. kleiner als ein Mikrometer sind, sind erwünscht, da durch sie weniger Nutzgebiet eingenommen wird und da thermische Probleme reduziert sind. Jedoch können die derzeitigen lithographischen Methoden bei vielen Anwendungsfällen die Kleinheit der durchgehenden Löcher auf Werte begrenzen, die im allgemeinen größer als ein Mikrometer sind.

Die durchgehenden Löcher werden nach lithographischen Methoden erzeugt. Zunächst ist zu beachten, daß der Ausdruck durchgehendes Loch sowohl den Strukturen nach Fig. 3C, 4D und 5E als auch den Strukturen nach Fig. 2C entspricht. In Fig. 2 wird ein Loch in den Isolator 21 gemacht, um das Substrat 20 freizulegen. In Fig. 3 erstreckt sich das Substrat 30 durch das Isoliermaterial 31 und liegt an den durchgehenden Löchern 39 frei (tatsächlich ist es möglich, daß sich das Substrat am durchgehenden Loch oberhalb des Isolators er­ streckt). Zahlreiche Methoden sind zur Erzeugung solcher durchgehender Löcher verfügbar. Beispielsweise wird, siehe Fig. 2, ein Resistmaterial 23 auf die Isolierschicht 21 nieder­ geschlagen. Sodann wird in diesem Resistmaterial ein Muster herausgearbeitet, so daß die Teile des Isoliermaterials, wo die durchgehenden Löcher zu erzeugen sind, unbedeckt sind. Die resultierende Struktur ist bei 2B dargestellt. Die unbe­ deckten Teile des Isoliermaterials werden dann nach Methoden wie reaktives Ionenätzen geätzt. (Siehe Thin Film Processes, Ed. J. L. Vossen und W. Kern, Academic Press, N. Y. (1973), Chapter V, Seiten 401-557 bezüglich einer Beschreibung der Ätzung zahlreicher Isoliermaterialien.) Die Ätzung wird fort­ gesetzt, bis das darunterliegende Substrat im gezeichneten Muster freiliegt, was zu der Struktur nach 2C führt. Der nachstehend näher beschriebene Vorläufer 24, wird dann eingeführt, um die Struktur nach 2D zu erhalten. Ein geringfügiges Anätzen des Substats ist akzeptabel, da es die erhaltenen Ergebnisse generell nicht verschlechtert. Jedoch sind Methoden wie Ionenstrahlzerstäubungsätzen, die die kristallographische Orientierung des Substrats an der Substrat/Isoliermaterial- Grenzfläche zerstören könnten, nicht erwünscht. Andere Wege zum Erzeugen durchgehender Löcher sind in Fig. 3, 4 und 5 dargestellt. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist es möglich, die durchgehenden Löcher dadurch zu erzeugen, daß mit der Struktur, wie diese bei 2C in Fig. 2 und bei 3A in Fig. 3 dargestellt ist, begonnen wird. Es wird dann eine Schicht aus einem Material - demselben Material wie dieses zur Erzeu­ gung des Substrats benutzt wurde - nach üblichen Methoden, beispielsweise im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren, auf die Struktur niedergeschlagen. Bei diesen Niederschlägen bildet sich eine epitaktische Schicht 34 auf dem Substrat und polykristallines Material 35 auf dem Isoliermaterial aus. Das polykristalline Material wird dann nach üblichen chemischen Methoden selektiv geätzt, um zu der bei 3C dargestellten Struktur zu kommen, bei der sich das Substrat durch die Isolier­ schicht hindurch erstreckt.

Alternativ - siehe Fig. 4 - kann eine gemusterte Schicht eines Schutzmaterials, z. B. Si₃N₄, nach üblichen Methoden beispiels­ weise im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren so niederge­ schlagen werden, daß das Schutzmaterial 42 dasjenige Gebiet des Substrates 40 bedeckt, wo die durchgehenden Löcher schließlich zu positionieren sind. Die freiliegenden Teile des Substrats werden zur Bildung eines Isolators 41 oxidiert. Beispielsweise wird im Falle eines Siliciumsubstrates eine thermische Oxidation durchgeführt. Die Schutzschicht 42 wird dann entfernt. Dieses ergibt die bei 4C dargestellte Struktur, bei der das Gebiet 41 dem thermisch erzeugten Siliciumoxid entspricht. Die solcherart gebildeten durchgehenden Löcher können als solche verwendet werden. Wenn andererseits eine planare Oberfläche z. B. die im Verfahren nach Fig. 3 erhältliche gewünscht ist, dann wird der Teil der Siliciumoxidschicht, der sich aus dem Substrat vorerstreckt, durch teilweises Ätzen entfernt, um die Planar­ struktur entsprechend 4D zurückzulassen. Die derart erhaltene, bei 4D dargestellte Oberfläche ist als solche brauchbar. Es ist auch eine weitere Bearbeitung möglich. Wie in Fig. 5 darge­ stellt, wird die bei 4D erhaltene und bei 5A reproduzierte Struktur weiterbearbeitet durch Ausbilden der Vorläuferschicht 52, die in eine Einkristallzone umzusetzen ist. Dann wird eine Schutzschicht 53, beispielsweise eine Siliciumnitridschicht niedergeschlagen und bemustert, so daß die Schutzschicht überall dort verbleibt, wo eine elektrisch isolierte IV-Halb­ leiterzone gewünscht ist. Die Gebiete 55 des polykristallinen Vorläufers werden durch den Vorläufer durchoxidiert, um isolierende Zonen 56 zu bilden. Die so erhaltene Struktur, die bei 5C dargestellt ist, hat durchgehende Löcher 57. Diese Struktur kann so benutzt werden. Falls erwünscht, kann die Schutzschicht 53 aber auch entfernt werden. Eine Draufsicht auf die resultierende durchgehende Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt, in der 66 dem Gebiet 56 in 5D entspricht und die gestrichelte Linie das durchgehende Loch 67 unterhalb des Vorläufers 62 entsprechend dem Loch 57 bzw. dem Vorläufer 52 umreißt.

Die freiliegenden Teile des Isolators können auch abgeätzt werden, um eine planare Struktur zu erhalten, wie diese bei 5E dargestellt ist.

2. Erzeugung des Vorläufers und dessen Umsetzung in ein einkristallines Material

Beispielsweise wird als Vorläufermaterial ein polykristallines Material auf die Isolierschicht niederge­ schlagen. Dieses polykristalline Material wirkt als der Vor­ läufer für die gewünschte einkristalline Schicht.

Die Umsetzung eines Vorläufers in eine einkristalline Schicht, die auf wenigstens einem Teil der Isolierschicht aufliegt, wird bewerkstelligt durch Induzieren eines Kristallwachstums an der Vorläufer/Substrat-Grenzfläche, die sich in dem durch­ gehenden Loch befindet. Dieses anfängliche Kristallwachstum setzt sich durch das ganze Vorläufermaterial oder durch einen gewünschten Teil desselben fort. Wenn eine Vielzahl durchgehender Löcher verwendet wird, ist es möglich, einen Vorläufer zu benutzen, der das Substrat nur an einem bestimmten Loch kontaktiert, oder einen Vorläufer, der sich zu einer Mehrzahl Löcher erstreckt, oder einen Vorläufer, der sich zu allen Löchern erstreckt. In letzteren beiden Fällen stört, selbst wenn das Wachstum bei einer Mehrzahl Löcher induziert wird, die Ausbreitung jeder Wachstumsstelle nicht mit der einer anderen, und die Wachstumsfronten jedes anfäng­ lichen Wachstums vereinigen sich geeignet, um das Wachstum fortzusetzen, vorausgesetzt daß das Substrat im wesentlichen ein Einkristall ist.

Keimbildung und Ausbreitung des Wachstums werden vorzugsweise nach Zonenreini­ gungsmethoden induziert. (Siehe US-PS 27 39 088 vom 20. März 1956 hinsichtlich einer erschöpfenden Diskussion des Zonenreinigens.) Die erste Zone wird über dem durch­ gehenden Loch erzeugt und so gebildet, daß sie sich zu den Grenzen der Vorläuferschicht erstreckt und beispielsweise eine Zone 72 in Fig. 7 über dem durchgehenden Loch 73 erzeugt wird. Diese Zone wird nach Methoden wie Laser-Schmelzen er­ zeugt.

Wie vorstehend erörtert, kann es sein, daß die benutzte Wärmequelle, z. B. ein Laser, selbst unzureichend Leistung zu liefern ver­ mag, um die flüssige Zone zu bilden. Außerdem ist es möglich, daß ein einer lokalisierten flüssigen Zone zugeordneter seit­ licher Temperaturgradient eine größere Verzerrung der flüssigen Zone Vorschub leistet. Diese Schwierigkeiten werden vermieden durch Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur in der Nähe, jedoch unterhalb des Substratschmelzpunktes, so daß die Energie des Lasers, die zur Erzeugung der gewünschten Zone und der Wärmegradienten am Zonenrand erforderlich ist, wesent­ lich verringert wird. Alternativ ist es möglich, eine Ver­ zerrung der Flüssigzone durch Verwendung eines voll gekapselten Vorläufers zu vermeiden, wie dieses bei 5C dargestellt ist. Auf das Kristallwachstum folgend wird die Schutzkappe 53 nach üblichen Methoden, beispielsweise durch chemisches Ätzen, ent­ fernt. Andere Wärmequellen, die im allgemeinen keine Energie­ begrenzungen haben, z. B. Streifenheizer, Bildöfen oder Elektronenstrahlen sind ebenfalls brauchbar. Unabhängig von der Art der Wärmequelle sollte ein übermäßiges Schmelzen des Substrates vermieden werden, und zwar durch Aufrechthalten eines senkrecht zur Hauptfläche des Substrats verlaufenden Temperaturgradienten, beispielsweise durch Aufsetzen des Substrats auf eine Wärmesenke.

Die anfängliche Zone 72 wird durch das Vorläufermaterial durch­ wandern gelassen. Dieses Wandern - siehe die punktierte Zone 74 - erfolgt durch Bewegen der Wärmequelle oder durch Bewegen des Substrates gegenüber der Wärmequelle. Diese Bewegung sollte vorzugsweise über die ganze Vorläuferschicht hinweg verlaufen. Wenn die Wanderung durch den Vorläufer unvollständig ist, kann das restliche Vorläufermaterial eine unerwünschte polykristalline Formation an den äußeren Enden der schließ­ lichen Zonenposition erzeugen. Wenn jedoch das Material in diesem Gebiet nicht benötigt wird, kann auch bereits aufgehört werden, bevor sich das Kristallwachstum durch das ganze Vorläufermaterial hindurch ausgebreitet hat.

Bei Anwendung der Zonenreinigungsmethode zur Wachstumsausbreitung wird also ein Temperaturgradient zur Erzeugung und Ausbreitung des anfäng­ lichen Wachstums an der Vorläufer/Substrat-Grenzfläche durch das Vorläufermaterial hindurch verwendet. Wie erörtert, sollte die während der Einleitung oder Ausbreitung des Wachstums zuge­ führte Wärme nicht ein Aufschmelzen des darunterliegenden Isoliermaterials oder Substrates induzieren. Statt geeigneter Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, ist es in einigen Situationen bequemer, eine Legierung zu verwenden, die bei einer niedrigeren Temperatur als das reine Halbleitermaterial schmilzt. Wenn beispielsweise polykristallines Silicium als Vorläufer in Ver­ bindung mit einem Siliciumsubstrat verwendet wird, wird die für das Aufschmelzen des festen Vorläufers erforderliche Energie vorteilhaft erniedrigt durch Legieren des Vorläufers mit einem Material wie Aluminium, Zinn, Blei, Germanium, Gold oder einer Mischung hiervon. Die Legierung wird präpariert und dann auf dem Isolator niedergeschlagen, oder es wird ein polykristalliner Siliciumvorläufer auf den Isolator niedergeschlagen, gefolgt von einer darüberliegenden Schicht aus dem gewünschten Legierungsbestandteil. Bei Erzeugung der anfänglichen Zone legiert sich die obere Belegung mit dem Silicium, und man erhält das gewünschte Resultat.

Die nachstehenden Beispiele illustrieren die Verfahrens­ parameter und Materialien, die bei der vorliegenden Erfindung typischerweise benutzt werden.

Beispiel 1

Es wurde ein einkristalliner, polierter Siliciumwafer mit einer einer (100)-Ebene entsprechenden Haupt­ fläche und einem Durchmesser von 76 mm (3 Zoll) verwendet. Der Wafer wurde gereinigt durch aufeinanderfolgendes Ein­ tauchen in Trichloroäthan, Aceton und Methanol. Der Wafer wurde 10 Sekunden lang in eine 10:1-Lösung von HF in Wasser eingetaucht. Eine 1 µm dicke Oxidschicht wurde auf der Haupt­ fläche des Substrates durch thermische Oxidation in Wasser­ dampf bei 1000°C erzeugt. Der Wafer wurde in einen Quarz­ rohrofen verbracht und letzterer auf annähernd 1000°C er­ hitzt. Sauerstoff wurde mit einem Durchsatz von 5 cm³ pro Minute durch einen Wasser-Sprudler hindurchgesprudelt. Der Ausgang dieses Sprudlers wurde dann in den Quarzofen einge­ führt. Die Behandlung des Wafers wurde 6 Stunden lang fort­ gesetzt.

Eine Fotoresist-Schicht wurde dann auf die Oxidbeschichtung im Schleuderauftragsverfahren aufgebracht. Der Resist wurde mit geeigneter aktinischer Strahlung belichtet und entwickelt, um eine quadratische Anordnung von 15 µm×15 µm-Löchern mit einem Mittenabstand von 100 µm zu erhalten. Die Teile der darunterliegenden Siliciumdioxidschicht, die durch die Löcher im Fotoresist hindurchschauten, wurden dann durch chemisches Ätzen in einer wässrigen 10:1-HF-Lösung entfernt. Nach dem chemischen Ätzen wurde der Fotoresist mit Aceton entfernt.

Sodann wurde eine Polysiliciumschicht (Schicht aus polykristallinem Silicium) auf die Struktur mit deren durch­ gehenden Löchern niedergeschlagen. Diese Schicht wurde im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren hergestellt durch Erwär­ men des Substrates auf 625°C und Leiten von Silan über das Substrat. Das Silan wurde zum Erhalt eines Druckes von einem Bar eingeführt. Diese Behandlung wurde fortgesetzt, bis eine Dicke von 0,48 µm aufgewachsen war. Das Verfahren wurde dann unterbrochen und das Substrat der Kühlung auf Raumtemperatur überlassen.

Die niedergeschlagene Polysiliciumschicht wurde durch 10 Sekunden langes Eintauchen in eine 10:1-Lösung von HF in Wasser gereinigt. Der Wafer wurde dann am Probenhalter einer Elektronenstrahlverdampfungsapparatur befestigt, und zwar mit der Polysiliciumfläche als exponierter Seite. Ein Aluminiumtarget wurde mit Elektronen beschickt, die mit einem Potential von 20 keV beschleunigt waren. Der Niederschlag wurde fortgesetzt, bis eine Aluminiumdicke von annähernd 1,6 µm erhalten wurde. (Diese Dicke entspricht einem Aluminium/ Polysilicium-Atomverhältnis von etwa 25 Atomprozent.)

Der Wafer wurde in einen auf 800°C erhitzten Quarzrohrofen eingesetzt. Der Ofen wurde etwa 5 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten, wonach die Temperatur mit einer Geschwin­ digkeit von etwa 20°C pro Minute verringert wurde, bis Raumtemperatur erreicht war. Von der resultierenden Struktur wurde beobachtet, daß sie einen Einkristall gebildet hatte, der sich von jedem durchgehenden Loch aus erstreckt. Der Kristall erstreckte sich annähernd 25 µm über die Kante des Loches. (Die Kristall­ größe bei diesem Beispiel war durch die benutzte Aluminium­ menge in Verbindung mit dem Polysilicium begrenzt. Da ein großer Aluminiumprozentsatz benutzt wurde, wurde der eutektische Punkt der Mischung erreicht, nachdem der Kristall annähernd 25 µm über das durchgehende Loch hinaus gewachsen war. Wenn größere Kristalle gewünscht sind, wird weniger Aluminium ver- wendet.) Die erstarrte Aluminiumlegierung oberhalb der Einkristalle wurde durch chemisches Ätzen entfernt.

Beispiel 2

Es wurde derselben Prozedur wie nach Beispiel 1 gefolgt, außer daß nach dem Niederschlagen der Aluminiumschicht die resul­ tierende Struktur mit aufgetasteter Laserstrahlung bearbeitet wurde. Dieses Laserauftasten wurde bewerkstelligt, indem zu­ nächst die Probe auf einem auf 300°C erhitzten Substrat ge­ haltert wurde. Der Strahl eines 50 Watt-Kohlendioxidlasers wurde zur Erzeugung einer Schmelzzone von annähernd 500 µm im Durchmesser über mehrere durchgehende Löcher hinweg fo­ kussiert. Die Strahlwellenlänge war annähernd 10,6 µm. Der Strahl wurde über die Aluminiumschicht mit einer Ge­ schwindigkeit von 1cm pro Sekunde geführt. Das innerhalb dieser Bahn gebildete Material war einkristallines Silicium, wobei der Kristall mehrere Löcher miteinander verband.

Beispiel 3

Ein wie in Beispiel 1 beschriebener Wafer wurde poliert und ebenfalls wie in Beispiel 1 beschrieben thermisch oxidiert, um eine 20 Nanometer dicke Siliciumdioxidschicht zu erhalten.

Amorphes Siliciumnitrid wurde dann auf diese Siliciumdioxid­ schicht niedergeschlagen. Dieser Niederschlag erfolgte im Dampfreaktionsniederschlagsverfahren. Der Wafer wurde am Substrat einer Dampfreaktionsniederschlagapparatur eingesetzt. Die Apparatur wurde auf 800°C erhitzt, und eine Gaszusammen­ setzung aus Silan und Ammoniak wurde mit einem Verhältnis von 300:1 bei einem Druck von einem Bar eingeführt. Die Behand­ lung wurde fortgesetzt, bis eine Dicke von 100 Nanometer er­ halten war. Die Prozedur wurde dann beendigt und der Wafer gekühlt.

Durch den in Beispiel 1 beschriebenen lithographischen Prozeß wurde ein Anordnung von 5×5 µm²-Löcher mit einem Mittenabstand von 100 µm auf dem ganzen Wafer erzeugt. Das Durchätzen durch die Siliciumnitrid- und die Siliciumoxid­ schicht zur Bloßlegung des Siliciumsubstrates wurde in einer Plasmaätzapparatur unter Verwendung einer CF₄ Atmosphäre durchgeführt. Eine 100 Nanometer dicke Polysiliciumschicht wurde dann auf die Struktur wie in Beispiel 1 beschrieben niedergeschlagen. Der Polysiliciumniederschlag führte zur Bildung ebenfalls von Polysilicium auf dem Siliciumnitrid, aber zu einem epitaktischen Wachstum einer Siliciumzone in den durchgehenden Löchern. Das polykristalline Silicium oberhalb des Siliciumnitrids wurde durch ein chemisches Ätz­ mittel entfernt, wie dieses beschrieben ist von F. Secco D′Aragona in Journal of the Electrochemical Society, 119, 948 (1972). Der Wafer wurde am Probenhalter einer Elektronenstrahlverdampfungsapparatur befestigt. Ein Siliciumtarget wurde mit Elektronen bombardiert, die durch eine Spannung von 20 keV beschleunigt waren. Die Aufdampfung wurde fortgesetzt, bis eine 1/2 µm Siliciumschichtdicke nieder­ geschlagen war.

Die so erzeugte Struktur wurde auf einem annähernd auf 310°C erhitzten Probenhalter befestigt. Ein Argonionenlaser (0,64 µm Wellenlänge) mit einem auf einen Fleck von 50 µm fokussierten Strahl und einer Leistung von 7 Watt wurde zur Behandlung der Probe verwendet. Der Strahl wurde längs einer Zeile durch­ gehender Löcher mit einer Geschwindigkeit von annähernd 5cm pro Sekunde geführt. Die resultierende Struktur enthielt Einkristalle einer ungefähren Größe von 10 µm über jedem durch­ gehenden Loch. Jeder dieser Kristalle besaß die Orientierung des Substratkristalls. Die Größe des Kristalls war durch die relativ niedrige Leistung des verwendeten Lasers begrenzt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erzeugen einer einkristallinen Zone (z. B. 74) aus einem Halbleiter der Gruppe IV (nach­ stehend als IV-Halbleiter bezeichnet) auf einer Isolatorschicht (z. B. 41), gekennzeichnet durch die Schritte

• - Erzeugen der Isolatorschicht auf einer Fläche eines einkristallinen IV-Halbleiter-Substrates (z. B. 40), so daß ein Teil der Substratfläche freiliegend ist,
• - Erzeugen eines Vorläufers aus einem den IV-Halbleiter enthaltenden festen nicht-einkristallinen Material (z. B. 52, 62, 72) auf einem Teil des freiliegenden Substrats und auf einem Teil der Isolatorschicht,
• - Einleiten des Wachstums des einkristallinen IV-Halb­ leiters im Vorläufer unter Verwendung des Substrates als eine Keimstelle und
• - Weiterführen des Wachstums in dem Vorläufer zur Vervoll­ ständigung der einkristallinen Zone.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator und das Substrat eine zusammengesetzte Struktur mit einer im wesentlichen ebenen oberen Fläche bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keimbildungsmaterial Silicium oder Germanium umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial ein Siliciumoxid oder ein Siliciumnitrid umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorläufer Silicium oder eine Siliciumlegierung oder Germanium umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl Keimbildungsstellen verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammengesetzte Struktur erzeugt wird durch Ätzen eines Loches in eine Isolierschicht zum Frei­ legen von Teilen eines darunter liegenden Substrates.