DE102011010751A1 - Performing epitaxy process, comprises arranging substrate exhibiting semiconductor surfaces on carrier, heating semiconductor surfaces to temperature provided for epitaxy and epitaxially growing semiconductor material - Google Patents

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Abstract

Performing an epitaxy process, comprises arranging substrate (2) exhibiting semiconductor surfaces on a carrier (3), heating at least the semiconductor surfaces to a temperature provided for the epitaxy and epitaxially growing semiconductor material on the semiconductor surfaces. The substrate is a metal substrate and the semiconductor surfaces are formed by semiconductor layers (1) arranged on the substrate.

Description

Die Erfindung betrifft einen Epitaxieprozess, mit dem Halbleitermaterial auf eine Halbleiteroberfläche aufgewachsen wird.The invention relates to an epitaxial process with which semiconductor material is grown on a semiconductor surface.

Bei Epitaxieprozessen, beispielsweise MOVPE-Prozessen, werden Halbleiterschichten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen epitaktisch auf Oberflächen von Halbleitersubstraten (Wafer) aufgewachsen. Träger aus Graphit dienen hierbei als Auflage für die Wafer. Die Substrate werden auf die für die Epitaxie benötigten Temperaturen von typisch über 500°C gebracht, indem die Träger mittels einer Hochfrequenz-Heizung oder einer Konvektionsheizung aufgeheizt werden. Die Wärme wird durch Wärmeleitung und Konvektion von dem Träger in das Substrat übertragen. In den Substraten auftretende Verspannungen führen zu einer unzureichenden oder ungleichmäßigen thermischen Kopplung zwischen den Substraten und den Trägern.In epitaxial processes, for example MOVPE processes, semiconductor layers for the production of semiconductor devices are epitaxially grown on surfaces of semiconductor substrates (wafers). Graphite supports serve as a support for the wafers. The substrates are brought to the temperatures required for the epitaxy of typically over 500 ° C by the carriers are heated by means of a high-frequency heating or convection heating. The heat is transferred by conduction and convection from the carrier into the substrate. Tensions occurring in the substrates result in insufficient or uneven thermal coupling between the substrates and the supports.

In der US 5 374 564 A und in der FR 2 899 378 B1 sind Verfahren zur Herstellung sehr dünner Halbleiterschichten, die von einem Halbleitersubstrat abgelöst werden, beschrieben. Derartige Verfahren sind auch unter der Bezeichnung Smart-Cut bekannt. Die dünnen Halbleiterschichten können zur weiteren Verarbeitung oder zum Zweck einer besseren Handhabung auf Träger aus unterschiedlichen Materialien aufgebracht werden.In the US 5,374,564 A and in the FR 2 899 378 B1 For example, methods for making very thin semiconductor layers that are peeled from a semiconductor substrate are described. Such methods are also known as smart-cut. The thin semiconductor layers may be applied to substrates of different materials for further processing or for better handling.

Aufgabe der Erfindung ist es, anzugeben, wie in einem Epitaxieprozess eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht werden kann.The object of the invention is to indicate how in a epitaxial process as uniform as possible temperature distribution can be achieved.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Durchführung eines Epitaxieprozesses mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the method for carrying out an epitaxy process with the features of claim 1. Embodiments emerge from the dependent claims.

Bei dem Epitaxieprozess werden Substrate, die Halbleiteroberflächen aufweisen, auf einem Träger angeordnet und auf eine für die Epitaxie vorgesehene Temperatur geheizt, bei der weiteres Halbleitermaterial auf den Halbleiteroberflächen epitaktisch aufgewachsen wird. Bei dem Verfahren sind die Substrate Metallsubstrate, und die Halbleiteroberflächen sind durch Halbleiterschichten gebildet, die auf den Substraten angeordnet sind.In the epitaxial process, substrates having semiconductor surfaces are placed on a support and heated to a temperature intended for epitaxy, in which further semiconductor material is epitaxially grown on the semiconductor surfaces. In the method, the substrates are metal substrates, and the semiconductor surfaces are formed by semiconductor layers disposed on the substrates.

Eine Anordnung einer Halbleiterschicht auf einem Metallsubstrat kann beispielsweise hergestellt werden, indem eine dünne Halbleiterschicht gebildet und auf einem Metallsubstrat dauerhaft befestigt wird, was insbesondere mittels eines an sich bekannten Bond-Verfahrens geschehen kann. Eine dünne Halbleiterschicht erhält man zum Beispiel durch Ablösen einer dünnen Schicht von einem Halbleiterkörper unter Einsatz von Ionenimplantation. Derartige Verfahren sind an sich bekannt, insbesondere unter der Bezeichnung Smart-Cut.An arrangement of a semiconductor layer on a metal substrate can be produced, for example, by forming a thin semiconductor layer and permanently affixing it to a metal substrate, which can be done in particular by means of a bonding method known per se. For example, a thin semiconductor layer is obtained by peeling a thin layer from a semiconductor body using ion implantation. Such methods are known per se, in particular under the name Smart Cut.

Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Substrate induktiv geheizt. Das kann insbesondere mittels einer Hochfrequenz-Heizung geschehen.In one embodiment of the method, the substrates are heated inductively. This can be done in particular by means of a high-frequency heating.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Halbleiterschichten und Substrate mittels Wärmestrahlung und/oder Konvektion geheizt.In a further embodiment of the method, the semiconductor layers and substrates are heated by means of heat radiation and / or convection.

Die Halbleiterschichten und die Substrate können direkt geheizt werden, das heißt ohne Übertragung von Wärme aus dem Träger in die Substrate.The semiconductor layers and the substrates can be heated directly, that is, without transferring heat from the support to the substrates.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden Substrate verwendet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiterschichten übereinstimmt.In a further exemplary embodiment of the method, substrates are used whose thermal expansion coefficient, at least at a temperature in the range between the room temperature and the temperature provided for the epitaxy, coincides with the thermal expansion coefficient of the semiconductor layers.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden Substrate verwendet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers übereinstimmt.In a further embodiment of the method, substrates are used whose coefficient of thermal expansion, at least at a temperature in the range between the room temperature and the temperature provided for the epitaxy, coincides with the thermal expansion coefficient of the carrier.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein von dem Halbleitermaterial der Halbleiterschichten verschiedenartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen, also eine Heteroepitaxie durchgeführt.In a further embodiment of the method, a semiconductor material which is different from the semiconductor material of the semiconductor layers is epitaxially grown, that is to say a heteroepitaxy is carried out.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird auf die Halbleiterschichten ein gleichartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen, also eine Homoepitaxie durchgeführt.In a further embodiment of the method, a similar semiconductor material is epitaxially grown on the semiconductor layers, that is, a homoepitaxy is performed.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Verfahrens anhand der beigefügten Figuren.The following is a more detailed description of examples of the method with reference to the attached figures.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. 1 shows a schematic representation of an arrangement for carrying out the method.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. 2 shows a schematic representation of another arrangement for carrying out the method.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Mehrzahl von Substraten 2, die mit Halbleiterschichten 1 versehen sind, auf einem Träger 3, unter dem eine Heizung 4 angeordnet ist. Die Substrate 2 sind Metallsubstrate, auf denen die Halbleiterschichten 1 als Keimschichten für die durchzuführende Epitaxie gebondet sind. Das Metall kann zum Beispiel ein elementares Metall oder auch eine Legierung sein. Der Träger 3 kann innerhalb einer Epitaxieanlage, beispielsweise einer Anlage für MOVPE (metalorganic vapor-phase epitaxy), beweglich, insbesondere drehbar, angeordnet sein. Der Träger 3 kann ein herkömmlicher Träger, insbesondere aus Graphit, sein. Das Verfahren kann für eine Homoepitaxie, bei der das gleiche Halbleitermaterial auf die Keimschicht aufgewachsen wird, oder für eine Heteroepitaxie, bei der ein unterschiedliches Halbleitermaterial auf die Keimschicht aufgewachsen wird, angewendet werden. Die Halbleiterschichten 1 werden auf die für die Epitaxie vorgesehene Temperatur geheizt, die typisch im Bereich oberhalb von 500°C liegt.The 1 shows a schematic representation of an arrangement of a plurality of substrates 2 that with semiconductor layers 1 are provided on a support 3 under which a heater 4 is arranged. The substrates 2 are metal substrates, on those the semiconductor layers 1 are bonded as seed layers for the epitaxy to be performed. The metal may be, for example, an elemental metal or an alloy. The carrier 3 can be arranged, in particular rotatable, within an epitaxial system, for example a plant for MOVPE (metalorganic vapor-phase epitaxy). The carrier 3 may be a conventional carrier, in particular of graphite. The method can be used for homoepitaxy where the same semiconductor material is grown on the seed layer or for heteroepitaxy where a different semiconductor material is grown on the seed layer. The semiconductor layers 1 are heated to the intended temperature for the epitaxy, which is typically in the range above 500 ° C.

Die Heizung 4 kann eine induktive Heizung, insbesondere eine Hochfrequenz-Heizung, oder auch eine andere Art von Heizung sein. Eine induktive Heizung hat den Vorteil, dass die Metallsubstrate 2 direkt durch Induktion von Wirbelströmen geheizt werden. Die Wärme kann statt dessen oder zusätzlich durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder Wärmestrahlung auf die Halbleiterschichten 1 und auf die Substrate 2 übertragen werden. Wenn die Substrate 2 auf eine Weise geheizt werden, die keine Übertragung von Wärme aus dem Träger 3 in die Substrate 2 erforderlich macht, ist ein möglicherweise ungleichmäßiger thermischer Kontakt zwischen den Substraten 2 und dem Träger 3 unerheblich.The heating system 4 may be an inductive heating, in particular a high-frequency heating, or another type of heating. Inductive heating has the advantage that the metal substrates 2 be heated directly by induction of eddy currents. The heat may instead or in addition by heat conduction, convection and / or thermal radiation to the semiconductor layers 1 and on the substrates 2 be transmitted. If the substrates 2 be heated in a way that does not transfer heat from the carrier 3 into the substrates 2 required is a possibly uneven thermal contact between the substrates 2 and the carrier 3 irrelevant.

Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Anordnung gemäß der 2 unterscheidet sich von der Anordnung gemäß der 1 dadurch, dass die Heizung 4 oberhalb des Trägers 3 über den mit den Halbleiterschichten 1 versehenen Metallsubstraten 2 angeordnet ist. Auch bei dieser Anordnung kann eine direkte, insbesondere induktive Heizung, der Metallsubstrate 2 vorgesehen sein, zum Beispiel mittels einer Hochfrequenz-Heizung 4. Statt dessen können die Halbleiterschichten 1 und Substrate 2 durch Wärmestrahlung und/oder Konvektion geheizt werden.The 2 shows a schematic representation of another arrangement for carrying out the method. The arrangement according to the 2 differs from the arrangement according to the 1 in that the heater 4 above the carrier 3 over the with the semiconductor layers 1 provided with metal substrates 2 is arranged. Also in this arrangement, a direct, in particular inductive heating, the metal substrates 2 be provided, for example by means of a high-frequency heating 4 , Instead, the semiconductor layers 1 and substrates 2 be heated by heat radiation and / or convection.

Die dargestellten Anordnungen sind stark schematisiert und sollen nur die Anwendung des Verfahrens veranschaulichen. Insbesondere die Anzahl der auf dem Träger 3 angeordneten Substrate 2, die Abmessungen der eingezeichneten Komponenten und die Anordnung der Heizung 4 können entsprechend der verwendeten Epitaxieanlage beliebig variiert werden.The illustrated arrangements are highly schematic and are only intended to illustrate the use of the method. In particular, the number of on the carrier 3 arranged substrates 2 , the dimensions of the drawn components and the arrangement of the heater 4 can be varied according to the epitaxy system used.

Wegen der Verwendung von Metallsubstraten 2 weisen die darauf aufgebrachten Halbleiterschichten 1 während des Aufheizens und während des epitaktischen Aufwachsens überall zumindest im Wesentlichen dieselbe Temperatur auf. Dadurch wird ein sehr homogenes epitaktisches Wachstum erreicht. Hierbei wirkt sich auch vorteilhaft aus, dass die Metallsubstrate 2 eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, so dass die Metallsubstrate 2 praktisch homogen aufgeheizt werden und sich alle Bereiche der Halbleiterschichten 1 daher stets in innigem Kontakt mit Metall derselben Temperatur befinden.Because of the use of metal substrates 2 have the semiconductor layers deposited thereon 1 during heating and during epitaxial growth anywhere at least substantially the same temperature. This achieves a very homogeneous epitaxial growth. This also has an advantageous effect that the metal substrates 2 have a good thermal conductivity, so that the metal substrates 2 heated virtually homogeneously and all areas of the semiconductor layers 1 therefore always be in intimate contact with metal of the same temperature.

Wenn das Metall der Substrate 2 so gewählt wird, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiterschichten 1 übereinstimmt, wird ein bereichsweises Ablösen der Halbleiterschichten 1 von den Substraten 2 beim Aufheizen zuverlässig vermieden. Der thermische Kontakt zwischen den Halbleiterschichten 1 und den Substraten 2 bleibt infolgedessen über die gesamte Fläche der Halbleiterschichten 1 gleichmäßig erhalten. Zudem werden die Halbleiterschichten 1 während und nach der Epitaxie durch den sicheren Verbund mit den Metallsubstraten 2 mechanisch stabilisiert.If the metal of the substrates 2 is chosen so that their thermal expansion coefficient at least at a temperature in the range between the room temperature and the temperature provided for the epitaxy with the thermal expansion coefficient of the semiconductor layers 1 coincides, a region-wise detachment of the semiconductor layers 1 from the substrates 2 Reliably avoided during heating. The thermal contact between the semiconductor layers 1 and the substrates 2 As a result, it remains over the entire surface of the semiconductor layers 1 obtained evenly. In addition, the semiconductor layers 1 during and after the epitaxy due to the secure bonding with the metal substrates 2 mechanically stabilized.

Wenn eine Heizung des Trägers 3 und eine Wärmeübertragung aus dem Träger 3 in die Substrate 2 vorgesehen ist, wird das Metall der Substrate 2 vorzugsweise so gewählt, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers 3 übereinstimmt. Auf diese Weise kann ein im Wesentlicher gleichmäßiger thermischer Kontakt zwischen den Substraten 2 und dem Träger 3 über die gesamte Auflagefläche der Substrate 2 gewährleistet werden. Hierbei ist auch die gute thermische Leitfähigkeit der Metallsubstrate 2 von Vorteil.If a heater of the carrier 3 and a heat transfer from the carrier 3 into the substrates 2 is provided, the metal of the substrates 2 preferably chosen such that their thermal expansion coefficient at least at a temperature in the range between the room temperature and the temperature provided for the epitaxy with the thermal expansion coefficient of the carrier 3 matches. In this way, a substantially uniform thermal contact between the substrates 2 and the carrier 3 over the entire contact surface of the substrates 2 be guaranteed. This is also the good thermal conductivity of the metal substrates 2 advantageous.

Die Metallsubstrate 2 können nach der Epitaxie von den überwachsenen Halbleiterschichten 1 entfernt werden, wozu beispielsweise das an sich bekannte Laser-Lift-Off-Verfahren eingesetzt werden kann. Statt dessen können die überwachsenen Halbleiterschichten 1 für weitere Prozessschritte, die nach der Epitaxie erfolgen, auf den Metallsubstraten 2 bleiben.The metal substrates 2 can after the epitaxy of the overgrown semiconductor layers 1 be removed, including, for example, the known laser lift-off method can be used. Instead, the overgrown semiconductor layers 1 for further process steps that take place after the epitaxy on the metal substrates 2 stay.

Die Metallsubstrate 2 dienen in diesem Fall als Handling-Wafer zur Verbesserung der Handhabung und zur Verringerung der Bruchgefahr.The metal substrates 2 serve as a handling wafer in this case to improve handling and reduce the risk of breakage.

Mit dem beschriebenen Verfahren können Temperaturunterschiede innerhalb des Halbleitermaterials während der Epitaxie zuverlässig vermieden oder zumindest drastisch verringert werden. Die herkömmlichen, durch Temperaturgradienten hervorgerufenen Schwankungen in der Zusammensetzung von Mischkristallen und in der Dotierstoffkonzentrationen des Halbleitermateriales können deshalb reduziert werden. Inhomogenitäten der in demselben Epitaxieprozess aufgewachsenen Halbleiterschichten werden mit diesem Verfahren vermieden, so dass engere Toleranzgrenzen eingehalten werden können und die Reproduzierbarkeit im Herstellungsprozess verbessert wird.With the described method, temperature differences within the semiconductor material can be reliably avoided or at least drastically reduced during epitaxy. The conventional, caused by temperature gradients variations in the composition of mixed crystals and in the Dopant concentrations of the semiconductor material can therefore be reduced. Inhomogeneities of the semiconductor layers grown in the same epitaxy process are avoided with this method, so that tighter tolerance limits can be maintained and the reproducibility in the manufacturing process is improved.

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Claims (10)

Verfahren zur Durchführung eines Epitaxieprozesses, bei dem – Substrate (2), die Halbleiteroberflächen aufweisen, auf einem Träger (3) angeordnet werden, – zumindest die Halbleiteroberflächen auf eine für die Epitaxie vorgesehene Temperatur geheizt werden und – Halbleitermaterial auf den Halbleiteroberflächen epitaktisch aufgewachsen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Substrate (2) Metallsubstrate sind und – die Halbleiteroberflächen durch auf den Substraten (2) angeordnete Halbleiterschichten (1) gebildet sind.Method for carrying out an epitaxy process, in which - substrates ( 2 ) having semiconductor surfaces on a support ( 3 ), - at least the semiconductor surfaces are heated to a temperature intended for epitaxy and - semiconductor material is epitaxially grown on the semiconductor surfaces, characterized in that - the substrates ( 2 ) Metal substrates are and - the semiconductor surfaces through on the substrates ( 2 ) arranged semiconductor layers ( 1 ) are formed. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Substrate (2) induktiv geheizt werden.Process according to Claim 1, in which the substrates ( 2 ) are heated inductively. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Substrate (2) mittels einer Hochfrequenz-Heizung (4) geheizt werden.Process according to Claim 1 or 2, in which the substrates ( 2 ) by means of a high-frequency heating ( 4 ) are heated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Halbleiterschichten (1) und die Substrate (2) mittels Wärmestrahlung und/oder Konvektion geheizt werden.Method according to one of Claims 1 to 3, in which the semiconductor layers ( 1 ) and the substrates ( 2 ) are heated by means of heat radiation and / or convection. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 4, bei dem die Halbleiterschichten (1) und die Substrate (2) geheizt werden, ohne dass eine Wärmeleitung aus dem Träger (3) in die Substrate (2) erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 4, in which the semiconductor layers ( 1 ) and the substrates ( 2 ) are heated, without a heat conduction from the carrier ( 3 ) in the substrates ( 2 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Substrate (2) verwendet werden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiterschichten (1) übereinstimmt.Process according to one of Claims 1 to 5, in which substrates ( 2 ) whose coefficient of thermal expansion is at least at a temperature in the range between the room temperature and the temperature intended for the epitaxy with the thermal expansion coefficient of the semiconductor layers ( 1 ) matches. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem Substrate (2) verwendet werden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers (3) übereinstimmt.Process according to one of Claims 1 to 6, in which substrates ( 2 ) whose coefficient of thermal expansion, at least at a temperature in the range between the room temperature and the temperature intended for the epitaxy, can be used with the coefficient of thermal expansion of the support ( 3 ) matches. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Halbleiterschichten (1) mittels eines Bond-Verfahrens dauerhaft mit den Substraten (2) verbunden werden.Method according to one of Claims 1 to 7, in which the semiconductor layers ( 1 ) by means of a bonding process permanently with the substrates ( 2 ) get connected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein von dem Halbleitermaterial der Halbleiterschichten (1) verschiedenartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen wird.Method according to one of claims 1 to 8, wherein one of the semiconductor material of the semiconductor layers ( 1 ) Different types of semiconductor material is epitaxially grown. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem auf die Halbleiterschichten (1) ein gleichartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen wird.Method according to one of Claims 1 to 8, in which the semiconductor layers ( 1 ) a similar semiconductor material is epitaxially grown.
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