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Anordnung mit Supergitter-Struktur und Verfahren und Vorrichtung zu ihrer Herstellung. - Dokument DE3888463T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3888463T2 15.09.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0317952
Titel Anordnung mit Supergitter-Struktur und Verfahren und Vorrichtung zu ihrer Herstellung.
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yamaguchi, Hiroshi, Fujisawa-shi Kanagawa-ken 252, JP;
Saito, Keiya, Yokohama-shi Kanagawa-ken 235, JP;
Itoh, Fumikazu, Fujisawa-shi Kanagawa-ken 251, JP;
Ishida, Koji, Musashino-shi Tokyo 180, JP;
Sakano, Shinji E403 Hitachi-koyasudai-apartment, Hachiouji-shi Tokyo 192, JP;
Tamura, Masao, Tokorozawa-shi Saitama-ken 359, JP;
Shukuri, Shoji, Koganei-shi Tokyo 184, JP;
Ishitani, Tohru, Sayama-shi Saitama-ken 350-13, JP;
Ichiguchi, Tsuneo A403 Hitachi-koyasudai-apartment, Hachiouji-shi Tokyo 192, JP
Vertreter Beetz, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Timpe, W., Dr.-Ing.; Siegfried, J., Dipl.-Ing.; Schmitt-Fumian, W., Prof. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Mayr, C., Dipl.-Phys.Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 3888463
Vertragsstaaten DE, FR
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 22.11.1988
EP-Aktenzeichen 881194096
EP-Offenlegungsdatum 31.05.1989
EP date of grant 16.03.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.09.1994
IPC-Hauptklasse H01L 29/205
IPC-Nebenklasse H01L 21/263   H01L 21/265   H01L 21/306   H01L 21/268   H01L 21/316   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Übergitterstruktur oder Supergitterstruktur (eines sogenannten Quantendrahts) und einer dreidimensionalen Übergitterstruktur (einer sogenannten Quantenbox) und Bauelementen wie etwa einem HEMT (High Electron Mobility Transistor), einem Diodenlaser und einem OEIC (opto-elektronischer IC), in denen diese verwendet werden.

Bisher war eine eindimensionale Heteroübergitterstruktur, wie beispielhaft in Fig. 2 gezeigt, bekannt.

Die eindimensionale Übergitterstruktur ist so aufgebaut, daß auf einem Substrat 201 aus GaAs mehrere Schichten aus GaAlAs 202, 204, 206 und 208 und mehrere Schichten aus GaAs 203, 205 und 207 abwechselnd in einer z-Richtung aufgewachsen sind, z. B. durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder durch Materialabscheidung aus der Gasphase (MOCVD) oder Molekularstrahlepitaxie (MOMBE) unter Verwendung einer organometallischen Verbindung. Bei einem so aufgebauten Übergitter sind Leitungsbänder und Valenzbänder unterschiedlicher Niveaus alternierend angeordnet, wie in Fig. 3 dargestellt, da die Elektronenaffinität und die Bandlücke bei GaAs und GaAlAs jeweils unterschiedlich ist. So liegt z. B. im Fall von x = 0,25 die Unterkante des Leitungsbandes von AlxGa1-xAs um 0,3 eV höher als die des Leitungsbandes von GaAs, und die Oberkante des Valenzbandes von AlxGa1-xAs liegt um 0,06 eV tiefer als die des Valenzbandes von GaAs, so daß ein trogartiges Potential gebildet wird, in dem GaAs Tröge bildet und AlGaAs Wälle bildet, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn dabei das Anteilsverhältnis x von Al verändert wird, so ist die Höhe der Wälle proportional zu x.

Das obige ist die eindimensionale Übergitterstruktur, der Quantentrog. Wenn die Wälle breit genug sind, werden Elektronen zwischen den Potentialwällen eingeschlossen und lokalisiert. Wenn hingegen die Wälle schmal sind, bilden Elektronen kleine Minibänder (Subbänder) innerhalb der Leitungsbänder und können sich im Übergitter bewegen.

Bei einer solchen eindimensionalen Quantentrogstruktur wird eine Zustandsdichtekurve, die die Zustandsdichte D(E) von Elektronen als Funktion der Energie darstellt, stufenförmig, wie durch eine durchgezogene Linie in Fig. 5 dargestellt, im Gegensatz zur parabolischen Zustandsdichtekurve im Fall eines Volumenmaterials, wie in Fig. 4 gezeigt.

Wie oben gesagt hat das eindimensionale Übergitter eine sehr künstliche Struktur und zeigt eine sehr spezielle Energiedichtestruktur. Bei Halbleiterlasern, FET's (Feldeffekttransistoren), und dergleichen, in denen dieses Übergitter verwendet wird, sind hervorragende Eigenschaften erreicht worden, die mit einer herkömmlichen Struktur vom Volumentyp unerreichbar sind.

Zum Beispiel bei Halbleiterlasern sind im Vergleich zum Volumentyp hervorragende Effekte beobachtet worden, wie etwa (1) Abnahme des Schwellwertes eines Injektionsstroms, (2) Verbesserung der Ausgangsstabilität bei Temperaturänderung, (3) Erhöhung der Verstärkung und (4) Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit.

Angesichts eines solchen eindimensionalen Übergitters sind zweidimensionale und dreidimensionale Übergitterstrukturen als Vorstellungen vorgeschlagen worden, und ihre Eigenschaften sind theoretisch berechnet worden.

Die Vorstellungen von zweidimensionalen und dreidimensionalen Übergitterstrukturen sind z. B. beschrieben in "H. Sakai; Japanese Journal of Applied Physics, Band 19 (1980), Nr. 12, Seiten L735-L738" und "Y. Arakawa und H. Sakai; Appl. Phys.

Letters, Band 40 (1982), Seiten 939-941".

Bei dem in Fig. 6 gezeigten zweidimensionalen Übergitter (Quantenleitung oder Quantendraht) ist die obige Struktur, bei der die Schichten aus zwei Arten von Material in z-Richtung geschichtet sind, mit periodischen Potentialwällen 601 und 602 auch in y-Richtung gebildet. Bei der in Fig. 7 gezeigten dreidimensionalen Übergitterstruktur (Quantenbox oder Quantenpunkt) sind zusätzlich zu den periodischen Potentialwällen 701 und 702 in y-Richtung periodische Potentialwälle 711 und 712 in x-Richtung gebildet.

Dabei müssen die Potentialwälle 601, 602, 701, 702, 711, 712 . . . etc. in x- Richtung und in y-Richtung nicht als abwechselnde Schichten aus den verschiedenen Materialien GaAs und GaAlAs geschichtet sein, wie in der z-Richtung, sondern sie können gebildet werden, indem räumliche Lücken geschaffen werden.

Die den zweidimensionalen und dreidimensionalen Übergittern in Fig. 6 und 7 entsprechenden Zustandsdichtekurven nehmen die in Fig. 8 bzw. 9 gezeigte Form an. Aus diesen Kurven sind Situationen zu erkennen, in denen Elektronen in einer oder null Dimensionen lokalisiert sind, wodurch deren Zustandsdichten auf immer kleinere Energiebereiche konzentriert werden. Es wird daher vorhergesagt, daß bei Halbleitern, in denen diese Übergitter verwendet werden, die oben erwähnten Merkmale (1) bis (4) weiter verbessert sein werden.

Bislang gab es jedoch kein geeignetes Verfahren zur Herstellung solcher zweidimensionaler und dreidimensionaler Übergitterstrukturen. Dies liegt daran, daß es keine Mittel gab, um schmale alternierende Potentialtröge und -wälle in x- und y-Richtung auf einem Übergitter mit in z-Richtung geschichteter Struktur zu bilden.

Eines der wenigen veröffentlichten experimentellen Beispiele ist der in den Figuren 10a bis 10d dargestellte Versuch von Petroff et al . . Dieser ist beschrieben in "Physics and Application of Semiconductor Superlattices", herausgegeben von der Japanischen Physikalischen Gesellschaft, Seiten 85-87 (1984) oder "P. M. Petroff et al.; Appl. Phys. Lett.", 41 (1982), Seiten 635-638. Bei diesem Beispiel wird die oberste Schicht eines eindimensionalen Übergitters, bei dem Ga0,75Al0,25As 1002, GaAs 1003, Ga0,75Al0,25, As1004, GaAs 1005, Ga0,75Al0,25As 1006 und GaAs 1007 alternierend auf ein GaAs-Substrat 1001 durch ein Mittel (oder eine E1nrichtung) wie etwa Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen sind, mit Fotolack überzogen, der unter Verwendung einer Maske Licht ausgesetzt und dann entwickelt wird, wobei die Maske durch ein Mittel wie etwa Elektronenstrahllithographie gebildet wird, wo durch eine streifenförmige Lackschicht 1008 mit einer Breite von ca. 2 um übrig bleibt, wie in Fig. 10a gezeigt. Dabei ist die Längsrichtung des Streifens senkrecht zur Ebene der Zeichnung.

Wenn anschließend die resultierende Struktur chemischem Ätzen unterworfen wird, wird sogar aufgrund des Vorhandenseins der streifenförmigen Lackschicht ein Teil unterhalb der Lackschicht schräg geätzt, wie durch Bezugszeichen 1009 und 1010 in Fig. 10b dargestellt ist. Das Ätzen kann so beendet werden, daß schließlich Material mit trapezförmigem oder dreieckigem Querschnitt 1011, 1012 stehen bleibt, wie in Fig. 10c gezeigt. Anschließend wird der verbleibende Lack 1008 abgestreift und ein Film 1013 aus Al0,31Ga0,61 As mit großer Bandlücke wird, wie in Fig. 10d gezeigt, zum Schutz der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur durch Molekularstrahlepitaxie oder dgl. gebildet.

Die so hergestellte Struktur ist eine Vielschichtdrahtstruktur, bei der die seitlichen Maße der einzelnen Schichten im Querschnitt unterschiedlich sind. Der Quantendraht 1014 der obersten Schicht kann mit Querschnittsmaßen von 20 nm mal 20 nm gebildet werden, von denen ein Quanteneffekt des zweidimensionalen Übergitters erwartet werden kann. Die Messung von Kathodenlumineszenz bei tiefer Temperatur (ca. 20 K) hat gezeigt, daß, wie in Fig. 11 gezeigt, neben einem Peak 1001 vom ursprünglichen eindimensionalen Übergitter ein neuer Lummiszenzpeak 1002 aufgrund des zweidimensionalen Quanteneffekts auf der kurzwelligen Seite erhalten wird.

Das oben beschriebene bekannte Verfahren zur Herstellung des zweidimensionalen Übergitters (Quantendraht) von Petroff et al. hat die folgenden Nachteile:

(1) Bei einem Quantendraht, dessen Schichten jeweils die gleiche Breite haben, tritt das eigentümliche Potential wie in Fig. 8 gezeigt aufgrund des Periodizitätseffekts deutlich auf. Da im Gegensatz dazu das zweidimensionale Übergitter von Petroff et al. einen dreieckigen Querschnitt hat, unterscheiden sich die Breiten der einzelnen Schichten voneinander, so daß der Periodizitätseffekt schwierig hervorzubringen ist, und wesentliche Merkmale des zweidimensionalen Quantendrahts nur schwerlich zu erzielen sind.

(2) Obwohl schräges Ätzen unter der Lackschicht angewandt wird, ist die Steuerung der Querschnittsform mit diesem Verfahren ziemlich schwierig, und daher ist die Steuerung der Schichtbreiten des Quantendrahts schwierig.

(3) Durch Wiederholen solcher Muster in seitlicher Richtung kann ein Multi- Quantendraht gebildet werden. Es ist jedoch schwierig, die Intervalle der Muster kleiner als mehrere um zu machen und der Effekt der Multiplizität (Periodizität) ist schwierig hervorzubringen.

(4) Um die Staffelung des Übergitters, den Abstand zwischen benachbarten Rillen desselben, die Rillenbreite desselben und deren Tiefe (in z-Richtung) wunschgemäß für einen Zweck oder für beabsichtigte Merkmale zu ändern, müssen Werkzeuge einschließlich eines Maskenmusters usw. neu hergestellt werden, und viel Arbeit und viel Zeit müssen aufgewendet werden.

(5) Statt dessen kann das Muster ohne Verwendung einer Maske durch direktes Belichten der Lackschicht mittels Elektronenstrahllithographie gebildet werden. In diesem Fall können Staffelung, Abstand, Rillenbreite etc. des Übergitters, wie unter Punkt (4) erwähnt, - relativ leicht verändert werden. Doch auch in diesem Fall werden die Prozesse der Mustererzeugung mittels Fotolackschicht und des Ätzens angewandt, so daß die Steuerung der genannten Parameter mit hoher Genauigkeit schwierig ist und viel Arbeit erforderlich ist.

Hinsichtlich der Herstellung zweidimensionaler oder dreidimensionaler Quantentröge können noch die Techniken der amtlichen Veröffentlichungen der japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 250684/1985 und Nr. 222190/1986 erwähnt werden, bei denen ein Ätzprozeß verwandt wird, Nr. 42481/1987, Nr. 36886/1987 und Nr. 108592/1987, bei denen Ionenimplantation mittels fokussiertem Ionenstrahl verwandt wird, und Nr. 89383/1987, bei der ein spezielles Hilfsmittel zur Molekularstrahlepitaxie verwandt wird.

Weitere Verfahren zur Herstellung von GaAs und/oder AlGaAs-Übergitterstrukturen mit Bereichen, in denen durch fokussierte Ionenstrahlimplantation Verunreinigungen implantiert sind, sind offenbart in "Appl. Phys. Letters", Band 51, Nr. 2, Seiten 109-111, "J. of Vac. Sci. and Techn.", Band A 4, Nr. 3, Seiten 933 -937, wobei in letzterer fokussierte Ionenstrahlen mit Durchmessern von weniger als 1 um verwendet werden, sowie "J. of Vac. Sci. and Techn.", Band B 4, Nr. 1, Seiten 358 -360, und "J. of Vac. Sci. and Techn.", Band B 3, Nr. 1, Seiten 67-70.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Probleme der oben genannten bekannten Techniken zu lösen und ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Quantentrogstruktur mit ausgezeichneten Eigenschaften oder einer Vorrichtung mit Übergitterstruktur mit hoher Genauigkeit und Leichtigkeit zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem einzigen Anspruch gelöst.

Die Rillen gehen üblicherweise tief hinunter in ein Substrat, doch ist dies nicht zwingend.

Der Ionenstrahl schießt üblicherweise in eine zu den eindimensionalen Übergitterschichten im wesentlichen vertikale Richtung, soweit dies für das Ionenstrahlsystem möglich ist.

Die Kombination von Materialien der eindimensionalen Übergitter der eindimensionalen Übergitterstruktur, d. h. die Kombination von Trog- und Wallschichtenmaterial kann GaAs/AlxGa1-xAs oder ein III-V-Verbindungssystem mit guter Gitteranpassung, z. B. GaP/GaAsxP1-x, GaAs/InxGa1-xAs, InxGa1-xAs/InyAl1-ayAs oder InP/GaxIn1-xAsyP1-y sein. Auch Kombinationen von Materialien aus II-VI- Verbindungen mit guter Gitteranpassung sind möglich. Als Substratmaterial wird üblicherweise das Material der Trogschichten benutzt, doch kann auch ein anderes Material mit guter Gitteranpassung an das eindimensionale Übergitter benutzt werden.

Wenn das eindimensionale Übergitter aus Trogschichten aus GaAs und Wallschichten aus GaAlAs aufgebaut ist, ist es üblich, die Dicke jeder Trogschicht auf 30 nm oder weniger, vorzugsweise 20 nm oder weniger und meistbevorzugt auf 10 nm oder weniger zu setzen. Das gleiche gilt für die Breite jeder Trogschicht des zweidimensionalen Übergitters, und die Länge jeder der Kanten jedes Trogteiles des dreidimensionalen Übergitters. Im allgemeinen sind daher die Beschränkungen für die Dicke und Breite der Trogschicht des zweidimensionalen Übergitters und für die Länge jeder Kante eines als Trogteil des dreidimensionalen Übergitters fungierenden Sechsflächners im wesentlichen dieselben wie die Beschränkungen für die Dicke der Trogschicht des eindimensionalen Übergitters, das aus derselben Kombination von Materialien hergestellt ist wie die zweidimensionalen und dreidimensionalen Übergitter.

Die eindimensionale Übergitterstruktur, die als Rohling bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt, es kann eine beliebige eindimensionale Übergitterstruktur einschließlich bisher bekannter sein, in der durch Ionenstrahlbeschuß Nuten gebildet werden können.

Die Größe des Potentialwallbereichs der ein-, zwei- oder dreidimensionalen Übergitterstrukturen unterliegt keinen speziellen Beschränkungen. Wenn jedoch die Übergitterstruktur- in eine Vorrichtung eingebaut wird, könnten die Ausmaße des Wallbereichs durch der Vorrichtung eigentümliche Bedingungen beschränkt sein.

Wenigstens ein Potentialtrog kann in jeder Übergitterstruktur enthalten sein, die Anzahl der Potentialtröge unterliegt keiner besonderen oberen Grenze.

Der Fokusdurchmesser des Ionenstrahls zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist auf 0,05 um oder weniger gesetzt, wie oben erwähnt. Wenn der Fokusdurchmesser größer ist, neigen die Seitenwände der gebildeten Nuten unvorteilhafterweise dazu, an ihren Ecken und in deren Nähe stumpf zu werden, und der zwischen der Seitenwand der Nut und den eindimensionalen Übergitterschichten definierte Winkel neigt dazu, von der Senkrechten abzuweichen. Auch um eine Genauigkeit der Endbearbeitung nahezu gleich der Größe (30 nm oder weniger) des Trogbereichs oder besser sicherzustellen, sollte der Fokusdurchmesser des Ionenstrahls wünschenswerterweise auf 0,05 um oder weniger gesetzt werden.

Bei der wie oben beschrieben aufgebauten Erfindung ist die strahlungsintensive Ionenquelle so aufgebaut, daß Ionen eines zu ionisierenden Materials mit hoher Stromdichte vom Ende einer nadelförmigen Spitze abgezogen werden. Daher können diese abgezogenen Ionen, wenn sie durch das ionenoptische System wie etwa ein elektrostatisches Objektiv fokussiert werden, auf einen sehr kleinen Fleck fokussiert werden und einen ausreichenden Strom bilden.

Insbesondere wenn zwei oder mehr Linsen als elektrostatisches Objektiv verwendet werden, können hohe Vergrößerungen eingestellt werden, und bei Verwendung einer Flüssigmetall-Ionenquelle kann ein ultrafeiner Strahl mit einem Durchmesser von 0,05 um oder weniger erhalten werden.

Insbesondere wenn eine Ionenquelle vom Feldionisierungstyp in der Gasphase bei einer sehr niedrigen Temperatur als Ionenquelle eingesetzt wird, kann der Ionenstrahl auch auf einen Durchmesser von 10 nm öder weniger fokussiert werden, da anders als bei der Flüssigmetall-Ionenquelle ein Taylorkegel von mehreren 10 nm an der Spitze einer Nadel nicht gebildet wird und die Energiebreite, die ein den Durchmesser des Fokus bestimmender Faktor ist, ca. 0,1 eV beträgt, was wenigstens eine Größenordnung kleiner ist als im Fall einer Flüssigmetall-Ionenquelle. Da ferner der Ionenstrahl mit hoher Genauigkeit mit Hilfe von Ablenkelektroden und einem Steuersystem für diese abgelenkt werden kann, können die Nutbreite, -tiefe, der Nutabstand und dgl. des Quantentroges nach Wunsch mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. Zusätzlich können die Breiten der einzelnen Schichten festgelegt werden, und der Abstand der Tröge kann im sub-um-Bereich gebildet werden.

Als Element für die Ionenquelle wird meist Ga benutzt. Daneben kann irgendeines von Elementen wie etwa In, Si, Sn, Bi, Pb, Ni, Al, Au und Cu benutzt werden. Auch Legierungen, wie etwa AuSiBe, AlSi, PdNiSiBeB, CuP, SnPbAs, AuSb und AuSi werden verwendet. Ein beliebiges anderes Material kann verwendet werden, wenn ein günstiges experimentelles Ergebnis erhalten worden ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer zweidimensionalen Multi-Quantentrogstruktur (Multi-Quantendraht) gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ohne Ätzgas;

Fig. 1b ist eine perspektivische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer dreidimensionalen Multi- Quantentrogstruktur (Multi-Quantenpunkt) gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ohne Ätzgas;

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung einer vorbekannten eindimensionalen Multi-Quantentrogstruktur;

Fig. 3 ist ein Graph, der die Änderungen der Potentiale in Abhängigkeit von den Positionen in der in Fig. 2 gezeigten eindimensionalen Multi-Quantentrogstruktur zeigt;

Fig. 4 ist ein Graph, der die Zustandsdichtekurve einer Vorrichtung vom Volumentyp zeigt;

Fig. 5 ist ein Graph, der die Zustandsdichtekurve einer eindimensionalen Multi- Quantentrogstruktur zeigt;

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für eine zweidimensionale Multi-Quantentrogstruktur;

Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für eine dreidimensionale Multi- Quantentrogstruktur;

Fig. 8 ist ein Graph, der die Zustandsdichtekurve der in Fig. 6 gezeigten zweidimensionalen Multi- Quantentrogstruktur zeigt;

Fig. 9 ist ein Graph, der die Zustandsichtekurve der in Fig. 7 gezeigten dreidimensionalen Multi- Quantentrogstruktur zeigt;

Fig. 10a bis 10d sind Querschnitte, die ein vorbekanntes Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Quantentrogstruktur zeigen;

Fig. 11 ist ein Graph, der das Lumineszenz-Intensitätsspektrum der in Fig. 10d gezeigten zweidimensionalen Quantentrogstruktur zeigt;

Fig. 12, 13, 14, 19, 28, 29, 30 und 31 sind schematische erläuternde Diagramme, die jeweils eine Bearbeitungsvorrichtung mit fokussiertem Ionenstrahl zeigen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 15 ist ein Graph, der die gewöhnliche Beziehung zwischen dem Ionenstrahlstrom und der Zeit zeigt;

Fig. 16 ist ein Graph, der die verbesserte Beziehung zwischen dem Ionenstrahlstrom und der Zeit zeigt;

Fig. 17 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer gewöhnlichen Bearbeitungssituation in dem Fall, daß eine Nut durch Projektion eines Ionenstrahls gebildet wird;

Fig. 18 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung einer verbesserten Bearbeitungssituation in dem Fall, daß eine Nut durch Ionenstrahlprojektion gebildet wird;

Fig. 20 und 21 sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung der gewöhnlichen Situation bei einer Nut, die durch einen Ionenstrahl erzeugt wird;

Fig. 22 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die die verbesserte Situation bei der Erzeugung einer Nut durch einen Ionenstrahlprozeß zeigt, bei dem ionenstrahlinduziertes Ätzen verwendet wird;

Fig. 23 ist eine schematische Querschnittsdarstellung zur Erläuterung eines Bearbeitungsschrittes, bei dem ein Isolator in der Nut einer zweidimensionalen Übergitterstruktur durch ionenstrahlinduzierte CVD abgeschieden wird;

Fig. 24 ist eine erläuternde Darstellung, die die Überwachung eines Schritt es in einem Prozeß zeigt, in dem ein Ionenstrahl verwendet wird; und

Fig. 25a, 25b, 26a, 26b, 27a und 27b sind erläuternde Darstellungen, die einen Prozeß zum Ändern des Durchmessers eines Ionenstrahls bei der Herstellung einer Nut durch den Ionenstrahl zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen:

Fig. 1a zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Übergitterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung, jedoch ohne Ätzgas. Eine eindimensionale Übergitterstruktur ist so beschaffen, daß auf einem GaAs-Substrat 101 epitaktische Schichten, die aus mehreren Schichten - mehreren hundert Trogschichten (GaAs-Schichten) und Potentialwallschichten (GaAlAs- Schichten) - abwechselnd in Form einer GaAlAs-Schicht 102, einer GaAs-Schicht 103, einer GaAlAs-Schicht 104, einer GaAs-Schicht 105, einer GaAlAs-Schicht 106 und einer GaAs-Schicht 107 (wobei jede der GaAs-Schichten ca. 6 nm dick ist und jede der GaAlAs-Schichten ca. 8 nm dick ist) durch Molekularstrahlepitaxie, MOCVD oder dgl. aufgewachsen sind. Ein Ionenstrahl 113 aus einer strahlungsintensiven Ionenquelle mit eine m Ausgangsstrom von 1 uA bis 10 uA, wie etwa einer Flüssigmetallionenquelle oder einer Tiefsttemperatur-Feldionisierungs-Ionenquelle, wird auf einen Fleck 112 mit einem Durchmesser von 0,05 um oder weniger durch eine elektrostatische Linse fokussiert und wird, während er das eindimensionale Übergitter beschießt, zum überstreichen abgelenkt, wodurch das eindimensionale Übergitter von seiner Vorderseite her sputter-bearbeitet wird, um Nuten 108, 109, 110 und 111 zu erzeugen. Die Nut 111 wird gerade bearbeitet. Die ungefähren Ausmaße sind so, daß die Breite a eines jeden bei der Bearbeitung stehengelassenen Teils mehrere 10 nm beträgt, daß die Breite b jeder Nut mehrere 10 nm beträgt, daß die Dicke c der heteroepitaktischen Schichten ca. 70 nm beträgt, und daß die Länge d jeder Nut mehrere 100 um oder mehr beträgt. Indem der Ionenstrahl hier auf ca. 50 nm eingestellt wird, kann eine Genauigkeit der fertigen Nut von besser als 10 nm erreicht werden. Zusätzlich wird eine sehr scharfe Kantenform durch das Sputtern beim Ionenstrahlprozeß erreicht. In der Figur wird der Ionenstrahl 113 in einer Richtung f bewegt, während in einer Richtung e mit einer Geschwindigkeit von 0,1 um/sec bis 100 um/sec abgefahren wird, um so flächig abzufahren, und die Nut 111 wird durch Wiederholen solcher Schritte gebildet. Als wiederholtes Abfahrverfahren sind jedoch mehrere unterschiedliche Methoden möglich. Indem eine große Anzahl von Nuten in der Größenordnung von mehreren 10 oder mehr auf diese Weise lateral orientiert erzeugt werden, kann ein zweidimensionales Quantendraht-Übergitter gebildet werden. Das heißt, in diesem Fall dienen die durch den Ionenstrahl 113 erzeugten Nuten als Potentialwälle. Das Ausmaß der Lokalisierung der Elektronen im Quantendrahl kann durch Änderung der Nutbreite b geändert werden.

Fig. 1b zeigt eine Struktur, in der zusätzlich Nuten 114, 115, 116 und 117 in einer Richtung senkrecht zu den Nuten 108, 109, 110 und 111 auf die obige Weise durch den fokussierten Ionenstrahl erzeugt sind. Da die Struktur Potentialwälle in beiden orthogonalen Richtungen in Schichtrichtung der epitaktischen Schichten aufweist, kann sie ein dreidimensionales Übergitter (Quantenbox) bilden.

Fig. 12 zeigt eine Bearbeitungsvorrichtung mit fokussiertem Ionenstrahl zum Erzeugen von zweidimensionalen und dreidimensionalen Übergittern, die gemäß der vorliegenden Erfindung anwendbar ist. In einer auf einem schwingungsfreien Gestell 1225 aufgebauten Vakuumkammer 1201, deren Inneres bei einem Druck von 1,33 · 10-6 mb oder darunter gehalten wird, wird eine hoch strahlungsintensive Ionenquelle (in der Figur eine Flüssigmetall-Ionenquelle) erregt und durch eine Stromversorgung zum Beheizen der Spitze 1202 beheizt, die entsprechend einer Beschleunigungsspannung von einer Stromversorgung für die Beschleunigungsspannung 1200 schwebt, und ein Ionenstrahl wird von einem an der Spitze eines Filaments 1203 abgeschiedenen geschmolzenen Metall durch ein elektrisches Feld abgezogen, das durch eine Abziehelektrode 1206 aufgebaut wird, die mit einer Stromversorgung für die Abziehelektrode 1204 verbunden ist. Zusammen mit der Abziehelektrode bilden die Elektroden 1207 und 1208 ein erstes elektrostatisches Objektiv. Eine Stromversorgung für die Linsenelektrode 1205 liefert eine Linsenspannung, die an die Linsenelektrode 1207 angelegt wird. Der Ionenstrahl wird durch das erste Objektiv 1206, 1207, 1208 im wesentlichen kollimiert, und sein Durchmesser ist durch eine Strahlbegrenzungsöffnung 1209 begrenzt. Anschließend passiert der Strahl eine Tastelektrode 1210, die von einer Stromversorgung für die Tastelektrode 1217 versorgt wird, und die dazu dient, den Strahl mit hoher Geschwindigkeit ein- und auszuschalten, dann durch eine Tastöffnung 1211, und wird dann durch zwei Ablenkelektroden 1212 und 1213 abgelenkt, die von einer Ablenkstromversorgung 1218 versorgt werden. Anschließend tritt der Strahl in ein zweites elektrostatisches Objektiv ein, das aus drei Elektroden 1214, 1215 und 1216 aufgebaut ist. In diesem Fall wird bei dem zweiten Objektiv nur an die zentrale Linse eine Spannung durch eine Stromversorgung für das zweite Objektiv 1219 angelegt. Der Ionenstrahl wird durch das zweite Objektiv fokussiert, um eine Probe 1222 auf einem Probenhalter 1223 zu beschießen.

Ein Sekundärteilchendetektor 1221 fängt von der Probe durch die Bestrahlung mit dem Ionenstrahl emittierte Sekundärelektronen oder Sekundärionen ein, verstärkt sie und zeigt ein Raster-Ionenbild auf einer Anzeige 1220 synchron zu einem Ablenkungssignal an, wodurch die Probe beobachtet werden kann. Bezugszeichen 1224 bezeichnet eine Ladevorrichtung zum Austauschen von Proben.

Bei diesem Gerät werden zwei Stufen von Linsen verwendet, so daß die Vergrößerungen größer gemacht werden können, als in einem herkömmlichen Fall, in dem eine Linsenstufe verwendet wird. Daher kann ein ausreichend hoher Strom (50 pA bis 300 pA) auch mit einem befriedigenden ultrafeinen Strahl (0,05 um) erreicht werden, und befriedigende Bearbeitung und Erfassung sind möglich. Außerdem wird bei der Erfassung der Übergitterprobe mit einem solchen ultrafeinen Strahl der Strahl abgelenkt, wodurch die zweidimensionalen bzw. dreidimensionalen Übergitter wie in Fig. 1a bzw. 1b gezeigt, bearbeitet werden können.

Als nächstes wird eine Ausgestaltung beschrieben, die eine Verbesserung des in Fig. 12 gezeigten Geräts ist.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines Ionenstrahl-Bearbeitungsgeräts, bei dem ein Laser-Interferometer 1301 verwendet wird, um die Positionsgenauigkeit der Endbearbeitung zu verbessern. Ein Laserstrahl 1303 vom Laserinterferometer 1301 passiert ein Interferenzprisma 1305, dann ein Fenster 1302 und wird von einem an einem Probenhalter 1223 montierten Reflexionsspiegel 1304 reflektiert, so daß er den obigen Weg zurückläuft. So kann die Position des Halters mit einer Genauigkeit von 10 nm erfaßt werden. Mit Rücksicht auf temperaturbedingte Drift, die Drift des Ionenstrahls aufgrund der Aufladung von Probe und elektrostatischem optischen System durch Ladungen etc., werden in regelmäßigen Zeitabständen Zielmarken aufgesucht, deren Positionen vom Laserinterferometer gemessen werden, und die Ablenkungen des Strahls werden gemäß den Positionswerten korrigiert, wodurch die Einflüsse der Driften eliminiert werden können und die Bearbeitung mit hoher Genauigkeit in der Größenordnung von 10 nm durchgeführt werden kann.

Fig. 14 zeigt ein Beispiel für ein Ionenstrahl-Bearbeitungsgerät, bei dem, wenn der Strom eines Ionenstrahls driftet, der Bearbeitungszeitraum geändert wird, um die Bearbeitungstiefe zu steuern.

Dieses Beispiel wird benutzt, um das nachfolgend beschriebene Problem zu lösen:

In Fig. 15 stellt die Ordinate den Ionenstrahl i und die Abszisse die Zeit t dar.

Im allgemeinen ist der Ionenstrahl nicht immer stabil, sondern er driftet oft und fluktuiert, wie in Fig. 15 dargestellt. Bei der Bearbeitung einer Probe wird angestrebt, die Probe bis zu einer Tiefe A zu bearbeiten, wie in Fig. 17 gezeigt. Ein Bearbeitungszeitraum t&sub1; wird aus einem zu bearbeitenden Volumen V&sub0;, einem Ionenstrahlstrom i&sub0; und der Sputter-Geschwindigkeit (oder dem Bearbeitungsgeschwindigkeitskoeffizienten) der zu bearbeitenden Probe abgeschätzt. Wenn jedoch die Bearbeitung durchgeführt und zum Zeitpunkt t&sub1; ohne Änderung beendet wird, beläuft sich der projizierte Strom auf

was um die Fläche C in Fig. 15 kleiner ist als i&sub0;t&sub1;, so daß die in Fig. 17 dargestellte Bearbeitungstiefe B geringer ausfällt. Bei dem Gerät aus Fig. 14 werden daher die Fluktuationen des Ionenstrahls kompensiert, indem ein in eine Abziehelektrode 1206 fließender Strom I&sub0; durch ein Amperemeter 1401 erfaßt wird, daß ein den Strom anzeigender Wert in ein Digitalsignal durch einen A/D(Analog-Digital)-Wandler 1402 umgewandelt wird, und das das Digitalsignal in eine CPU (Zentralverarbeitungseinheit) 1405 durch einen Optokoppler 1403 eingegeben wird. Die CPU 1405 berechnet nacheinander

Im allgemeinen gilt eine Proportionalitätsbeziehung zwischen dem Strom I(t), der in die Abziehelektrode fließt und dem Ionenstrahlstrom i(t), der auf die Probe projiziert wird. Mit einer Proportionalitätskonstante k gilt daher die Formel

i(t) = ki(t),

auf deren Grundlage die CPU 1405 i(t) ermittelt. Außerdem berechnet sie sequentiell

Zum Zeitpunkt i = t&sub2; (in Fig. 16), zu dem der genannte Wert gleich dem Zielwert i&sub0;t&sub1; geworden ist, betätigt die CPU 1405 eine Taststromversorgung 1217, um den auf die Probe projizierten Ionenstrahlstrom abzubrechen.

Zu diesem Zeitpunkt gilt

und die Fläche D in Fig. 16

ist gleich der Fläche C. In Fig. 18 kann die Bearbeitungstiefe B mit hoher Genauigkeit mit dem Zielwert A in Übereinstimmung gebracht werden.

Das in Fig. 19 gezeigte Gerät enthält eine große Zahl neuartiger Merkmale im Vergleich mit den vorhergehenden Ausgestaltungen. Zunächst wird als Ionenquelle 1908 eine beliebige Legierungs-Ionenquelle aus beispielsweise Au-Si, Au-Si-Be, Al- Si, Pd-Ni-Si-Be-B, NiB oder As-P verwendet. Außerdem werden ein Wien-Filter 1909 und eine Blende zur Massenanalyse 1902 verwendet und das Magnetfeld des Wien-Filters wird geändert durch Ändern eines Stroms, der durch eine Spule geführt wird, so daß ein abgezogener Ionenstrahl durch die Massenanalyseblende 1902 auf eine Probe 1222 geführt wird. Bezugszeichen 1903 bezeichnet eine Stromversorgung für den Wien-Filter. Als Ionenspezies können nur jeweils entsprechende unter den Elementen der Legierungszusammensetzung gewählt werden.

Dies führt zu dem nachfolgend beschriebenen Effekt: Wenn, wie beispielhaft in Fig. 20 dargestellt, ein Ionenstrahl aus Ga 2001 als Bearbeitungs-Ionenquelle benutzt wird, werden einige Ga-Ionen 2002 am Boden des Lochs einer GaAs-Probe 1222 implantiert, und überschüssige Ga-Ionen 2003 fallen körnig an der Oberfläche der Probe aus, so daß die Merkmale des Übergitters beeinträchtigt werden. Um diesem zu begegnen, zieht die Ausgestaltung in Fig. 19 nur As-Ionen von den Ionen der As-Legierung mit Hilfe des Wien-Filters ab und beschießt die Probe mit den As-Ionen. So werden Ga- und As-Ionen in der Zusammensetzung des Übergitters entsprechenden Mengen eingeschossen, wodurch die Defekte eines reinen Gallium- Ionenbeschusses eliminiert werden können.

Wieder bezogen auf Fig. 19 dient eine Gasdüse 1909 zum Einführen eines Gases zum ionenstrahl-induzierten Ätzen oder für ionenstrahl-induzierte CVD aus diesem und zum Projizieren des Gases auf die erfindungsgemäße Probe 1222.

Zunächst wird der Fall beschrieben, daß Gas für ionenstrahl-induziertes Ätzen durch die Düse eingeführt wird. Bei Bearbeitung mit dem fokussierten Ionenstrahl liegen die Wände eines erzeugten Lochs in enger Nachbarschaft zu einer zu sputternden Stelle, und es tritt das Phänomen auf, daß gesputterte und entfernte Atome sich in großen Mengen an den Wänden ablagern. Bezogen auf Fig. 21 werden beim Projizieren eines Ionenstrahl 2201 Atome 2202a, 2202b, 2202c und 2202d gesputtert, und Schichten 2203 und 2204 werden durch Wiederabscheidung der gesputterten Atome an den Seitenwänden eines Lochs gebildet.

Die derartige Bildung von wiederabgeschiedenen Schichten mit großen Anzahlen von Atomen haben zu Problemen dahingehend geführt, daß die Bearbeitungsgeschwindigkeit niedrig ist, daß die bearbeitete Querschnittform je nach Bedingung des wiederholten Abtastens bei der Bearbeitung unterschiedlich ist (z. B. ob eine Probe 1222 wiederholt eine große Anzahl von Malen mit hoher Abtastgeschwindigkeit bearbeitet wird, oder ob sie nur einmal mit niedriger Abtastgeschwindigkeit bearbeitet wird etc.), und daß eine senkrechte Querschnittsform schwer zu erhalten ist. Daher wird ein Material wie etwa Cl&sub2; als Ätzgas aus der Gasdüse 1909 wie in Figur 22 gezeigt eingeführt, und eine bearbeitete Nut mit scharfer Querschnittsform ohne wieder abgeschiedene Schichten, wie in Fig. 22 zu sehen, kann mit hoher Geschwindigkeit durch Ionenstrahl-induziertes Ätzen erzeugt werden, bei dem in einem mit einem Ionenstrahl bestrahlten Bereich das Gas durch die Energie des Ionenstrahls 2201 dissoziiert wird, sich an das Material der Probe 1222 bindet und eine sublimierbare Substanz bildet, so daß das Probenmaterial geätzt und entfernt wird.

Fig. 23 zeigt ein Beispiel für Ionenstrahl-induzierte CVD.

Wenn bei der Herstellung zweidimensionaler oder dreidimensionaler Übergitter wie in Fig. 1a oder 1b gezeigt die gebildeten Nuten intakt gelassen werden, werden die Vorrichtungseigenschaften durch das Eindringen von Fremdmaterial, das Zusammenbrechen der Nuten, die Oxidation der Seitenwände, die Adhäsion von Feuchtigkeit und dgl. beeinträchtigt. Daher wird ein bearbeiteter Nutbereich unter Einführung von Silan SiH&sub4; und Sauerstoff O&sub2; als Gas für die CVD aus einer Düse 2402 mit einem Ionenstrahl 2401 beschossen. Indem Si und O&sub2; in dem durch den Ionenstrahl beschossenen Bereich reagieren, wird e in SiO&sub2;-Film 2403 aufgewachsen und abgeschieden. Auf diese Weise werden die Nuten mit abgeschiedenen Bereichen 2404 und 2405 aufgefällt und die erzeugten Nuten können zur Passivierung stabilisiert und geschützt werden.

In Fig. 19 wird ein Kabel 1905 von einem Halter 1223 aus einer Vakuumkammer 1201 herausgeführt und über ein Galvanometer 1906 mit einem Erdungspunkt 1907 verbunden. Dies dient zur Überwachung des Ionenstrahlprozesses und ist in Fig. 25 deutlich dargestellt. Da der Ionenstrahl 2501 eine Strömung geladener Teilchen ist, fährt der Beschuß mit diesem zum Einfließen von elektrischem Strom in ein Substrat, und der Strom kann durch das Galvanometer 1906 nachgewiesen werden. Im Fall der Abtragungsbearbeitung mit dem Ionenstrahl fluktuiert der Nachweisstrom jedes Mal, wenn eine Einzelschicht (GaAs oder GaAlAs) des Übergitters entfernt worden ist. Außerdem fluktuiert er stark, wenn zum Schluß das GaAs-Substrat erreicht worden ist. So kann die Bearbeitungstiefe überwacht werden. Insbesondere kann herausgefunden werden, bis zu welcher Schicht die Probe abgetragen ist.

Ferner ändern sich in dem Fall, daß wie in Fig. 23 gezeigt durch Laser-CVD ein Abscheidungsfilm gebildet wird, die Wege, entlang derer die Ladungen aus den GaAs/GaAlAs-Schichten der Seitenwände herausfließen, und die Längen der Wege ändern sich je nach abgeschiedener Dicke des Isolators, so daß sich auch der Stromfluß ändert. Aus diesen Gründen können die Dicken der abgeschiedenen Bereiche überwacht werden.

Außerdem ist die Vorrichtung in Fig. 19 mit einer variablen Öffnung 1904 versehen. Diese variable Öffnung ist so aufgebaut, daß Strahlbegrenzungsöffnungen mit verschiedenen Durchmessern mittels einer Vakuumdurchführung von außerhalb der Vakuumkammer 1201 her ausgetauscht werden können. So kann der Durchmesser des zu projizierenden Ionenstrahls geändert werden. Der Vorgang ist in Fig. 25a, 25b, 26a, 26b, 27a und 27b dargestellt. Die Fig. 25a, 26a und 27a entsprechen einem Fall, bei dem ein großer Öffnungsdurchmesser verwendet wird, die Fig. 25b, 26b und 27b entsprechen dem Fall der Verwendung einer Öffnung von kleinem Durchmesser.

Wenn die große Öffnung 2602 der variablen Öffnung 2601 verwendet wird, passiert der Ionenstrahl 2604 diese als dicker Strahl 2605 und wird durch eine zweite Linse 2606 auf einen großen Fleck 2607 oder 2610 mit einem Durchmesser von beispielsweise wenigstens 0,2 um fokussiert. Entsprechend passiert im Fall der Fig. 25b und 26b, wenn die variable Öffnung auf eine kleine Öffnung 2603 umgeschaltet wird, ein dünner Strahl 2614, und ein kleiner Fleck 2609 oder 2611 mit einem Durchmesser von höchstens 0,05 um oder weniger wird erhalten.

Fig. 27a und 27b zeigen beispielhaft die Verwendung der variablen Strahldurchmesser. Wenn mit Hilfe des Ionenstrahls die in Fig. 1a oder 1b gezeigte zweidimensionale oder dreidimensionale Quantentrogstruktur gebildet wird, wird bei Bearbeitung der gesamten Fläche der Nut durch einen dünnen Strahl eine sehr lange Zeit gebraucht. Um die Bearbeitungszeit zu verkürzen, wird der zentrale Bereich 2612 der zu bildenden Nut der Probe 2608 zunächst mit dem großen Fleck, entsprechend einem hohen Strahlstrom, bearbeitet, wie in Fig. 27a dargestellt. Unter diesen Umständen geschieht die Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit. Da jedoch der Strahldurchmesser groß ist, ist die Bearbeitungsgenauigkeit geringer. Anschließend werden die Seitenwände 2613 und der Boden 2615 des Lochs mit dem kleinen Fleck, entsprechend einem geringen Strahlstrom, auf die gewünschten Maße bearbeitet. Unter diesen Umständen ist eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit möglich, die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist jedoch niedrig, und es wird schließlich die Querschnittsform 2616 des bearbeiteten Lochs mit hoher Genauigkeit erreicht.

Mit Hilfe solch eines Verfahrens des Umschaltens der variablen Öffnung kann die Probe mit derselben Genauigkeit und mit wesentlich höheren Geschwindigkeit bearbeitet werden, als wenn nur der dünne Strahl verwendet wird.

Fig. 28 zeigt eine andere Ionenstrahlvorrichtung. In diesem Fall wird ein von einem Laseroszillator 2901 emittierter Laserstrahl 2902 durch einen optischen Schalter 2903 wie etwa ein akustooptisches Bauelement ein- und ausgeschaltet. Anschließend passiert er ein Fenster 2905 und wird von einem konkaven Reflektor 2906 reflektiert und fokussiert, um einen Fleck 2907 auf einer Probe zu bilden. So kann der Laserstrahl auf einen Ionenstrahl-Bestrahlungsbereich gesammelt und projiziert werden.

Unter diesen Umständen wird die nachfolgend beschriebene Funktion erreicht. Im allgemeinen entstehen Gitterdefekte in dem mit einem Ionenstrahl bestrahlten Bereich. Deswegen muß der gestörte Bereich ausgeheilt werden, um normale optische und elektrische Eigenschaften zu erreichen. Ausheilen durch Erhitzen in einem Hochtemperaturofen erfordert lange Zeit und übt erhebliche Einflüsse auf die verschiedenen Bereiche eines Bauelementes aus. Es ist daher sehr wirksam, daß durch Projizieren des Laserstrahls nur auf die erforderlichen Bereiche, wie oben beschrieben, in situ in der Vakuumkammer ausgeheilt wird.

Mit dem Laser 2901 wird bei einem Bauelement, das durch einen Ionenstrahl hergestellt wird, ein durch die Lasereinstrahlung hervorgerufener Strom über einen Leiter 2909 abgeleitet, der eine Sonde 2908 an einer am Bauelement gebildeten Elektrode berührt, und wird durch eine Meßvorrichtung 2910 gemessen, wodurch Eigenschaften in Echtzeit, d. h. während der Durchführung der Ionenstrahlbearbeitung durch die Bearbeitungsvorrichtung oder unmittelbar nach Beendigung der Bearbeitung untersucht werden können.

In Fig. 28 bezeichnet Bezugszeichen 2904 eine Steuerung für den optischen Schalter 2903 und Bezugszeichen 2911 eine Stromversorgung für den Laser 2901.

Fig. 29 zeigt ein Beispiel für eine Ionenstrahlvorrichtung, bei der ein Raster- Elektronenmikroskop 3001 in einer identischen Kammer eingebaut ist. Nachdem eine Probe 1222 durch einen Ionenstrahl bearbeitet oder mit einem CVD-Film versehen worden ist, wird ein Probenhalter 3002 zur Position 3003 des Raster- Elektronenmikroskops bewegt, so daß eine in situ Beobachtung durchgeführt werden kann. Außerdem können durch den Elektronenstrahl des Raster-Elektronenmikroskops Teile mit Defekten durch Elektronenstrahlausheilung ausgeheilt werden.

Fig. 31 zeigt eine Ionenstrahlvorrichtung, bei der der oben beschriebene Einbau des Rasterelektronenmikroskops ersetzt ist durch die Verwendung einer Elektronen- Ionen-Hybridquelle zum Abziehen von Elektronen und Ionen aus ein und derselben Quelle. Durch diese Maßnahme können je nachdem, ob die Abziehspannung der Ionenquelle positiv oder negativ geschaltet ist, entweder Elektronen oder Ionen geschaltet von der Spitze eines kegelförmigen Vorsprungs geschaltet abgeleitet werden, der durch ein flüssiges Metall an der Spitze einer Ionenquellennadel aufgrund des Gleichgewichts zwischen Oberflächenspannung und elektrostatischer Kraft gebildet wird. Zu diesem Zweck verbindet eine Stromversorgung für eine Beschleunigungsspannung 3101 einen Massenanschluß und einen Hochspannungsausgabeanschluß entweder mit einer Stromversorgung 3105 zum Beheizen der Spitze oder mit einem Erdungspunkt über Umschalter 3101a und 3101b, so daß sie umgeschaltet werden kann, um entweder eine positive oder eine negative Beschleunigungsspannung zu erzeugen. Bei einer Stromversorgung 3102 für eine Abziehelektrode, einer Stromversorgung 3103 für eine erste Linse und einer Stromversorgung 3104 für eine zweite Linse werden Spannungsquellen mit sowohl positiven wie auch negativen Ausgangsspannungen verwendet, so daß durch entsprechende Umschalter 3102a, 3103a oder 3104a die Ausgabe an die entsprechende Elektrode positiv oder negativ geschaltet werden kann.

So werden nach der Bearbeitung mit einem Ionenstrahl die Spannungen beim bearbeiten Zustand umgeschaltet, so daß ein Elektronenstrahl abgeleitet wird, mit dem eine Beobachtung auf Grundlage eines rasterelektronenmikroskopischen Bildes durchgeführt werden kann. Eine Probe kann auch im Laufe der Bearbeitung oder Implantation sequentiell beobachtet werden.

Außerdem können bei der Vorrichtung aus Fig. 30 von der Probe 1222 emittierte Auger-Elektronen durch einen Energie-Analysator 3106 nachgewiesen werden, und eine in situ-Analyse (Auger-Spektroskopie) wird mit einem Auger-Elektronenspektroskop 3107 durchgeführt. Die Probe kann auch lokal mit dem Elektronenstrahl erhitzt werden, um so eine Elektronenstrahlausheilung durchzurühren, um Defekte zu beheben, die der Projektion des Ionenstrahls zugeschrieben werden können.

Fig. 31 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung, bei der eine Kammer 3201 für einen stark fokussierten Ionenstrahl und eine Kammer 3203 für Molekularstrahl- Epitaxie (MBE) durch eine Kammer 3202 als Probenaustauschmechanismusabschnitt gekoppelt sind. In der Ultrahochvakuum-MBE-Kammer 3203 ist eine Probe 3208 auf einem Halter 3209 nach unten gerichtet angebracht und Molekularstrahlen (z. B. aus Ga, As, Al und Si), die von Zellen 3204, 3205, 3206 und 3207 mit darumgewickelten Heizungen abgegeben werden, werden nacheinander oder gleichzeitig auf die Probe 3208 aufgedampft. Die Zellen sind jeweils mit Verschlüssen 3204a, 3205a, 3206a und 3207a versehen, die den Molekularstrahl der entsprechenden Materialien passieren lassen oder absperren. Auf diese Weise wird ein eindimensionales Übergitter erzeugt. Der Probenhalter 3209 wird durch einen Probenaustauschmechanismus der Kammer 3202 gewendet, und die Probe wird auf einen Probentisch 1223 in einer Position 3210 gesetzt. Dann wird der Tisch 1223 zur Position 3211 eines Elektronen- Ionen-Hybridstrahlabschnitts bewegt. Da in diesem Fall die drei Kammern 3203, 3202 und 3201 unterschiedliche Vakua haben, sind zwischen benachbarten Kammern Sperrventile 3212 und 3213 angeordnet. Wenn die Probe zum Austausch bewegt wird, werden die Ventile geöffnet und geschlossen, und die Kammern werden evakuiert. Der Elektronen-Ionen-Hybridstrahlabschnitt ist derselbe wie in Fig. 30 und ermöglicht es, Ionenstrahl-CVD, rasterelektronenmikroskopische Beobachtungen und Ausheilung mit einem Elektronenstrahl durchzuführen und den Film mittels Auger-Elektronenspektroskopie zu analysieren.

Da mit dieser Vorrichtung die Filmbildung und die -Analyse innerhalb der Vakuumapparatur durchgeführt werden können, treten keine Probleme hinsichtlich der Verunreinigung, Oxidation oder dergleichen auf, wie etwa, wenn die Probe bei Verwendung separater Apparaturen an atmosphärische Luft gebracht wird, was den großen Vorteil hat, daß die Oberfläche der Probe sauber bleibt, wenn sie der Bearbeitung, CVD, Analyse und Ausheilung unterworfen wird.

Es zeigt sich anhand der obigen Ausgestaltungen, daß die vorliegende Erfindung Mittel liefert, die die Nachteile der bekannten Techniken ausschalten, und mit denen zweidimensionale und dreidimensionale Quantentrogstrukturen einfach und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden können.

Außerdem liefert die Erfindung Mittel, mit denen die Staffelung, Abstand, Breite und Tiefe von Nuten wunsch- und zweckgemäß variiert werden können und mit denen die Trogzwischenräume in Submikrometerdimensionen mit hoher Genauigkeit gebildet werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können Bauelemente wie HEMTs, ULSIs (ultralarge scale integrated circuits) als mehrdimensionale Übergitter hergestellt werden, und ihre Leistungsmerkmale können drastisch verbessert werden.

In allen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen und Symbole identische Teile.


Anspruch[de]

Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit Supergitterstruktur, das aufweist:

i) den Schritt der Herstellung einer eindimensionalen Supergitterstruktur, in der Grabenschichten (103, 105, 107) und Potentialwallschichten (102, 104, 106) abwechselnd gestapelt sind;

ii) den Schritt der Erzeugung eines fokussierten Ionenstrahls (113) mit einem Brennpunktdurchmesser von 0,05 um oder weniger;

iii) den Schritt eines Beschusses der Supergitterschichten der eindimensionalen Supergitterstruktur mit dem Ionenstrahl (113) und des gleichzeitigen Einführens eines Ätzgases zu den Schichten, des geradlinigen Überstreichens des Ionenstrahls in einer Richtung in der Ebene der Supergitterschichten, wodurch wenigstens zwei parallele Nuten (108, 109, 110, 111') gebildet werden, und des geradlinigen Überstreichens in dieser Ebene in einer zu den parallelen Nuten (108, 109, 110, 111') senkrechten Richtung, wodurch wenigstens zwei zu den parallelen Nuten (108, 109, 110, 111') senkrechte Nuten (114, 115, 116, 117) durch ionenstrahl-induziertes Ätzen gebildet werden; und

iv) den Schritt des Abscheidens eines Isolators in den wenigstens zwei parallelen Nuten (108, 109, 110, 111') und den wenigstens zwei zu den parallelen Nuten (108, 109, 110, 111') senkrechten Nuten (114, 115, 116, 117) durch energiestrahl-induzierte chemische Dampfabscheidung (CVD).







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