DE102004030612B3

DE102004030612B3 - Halbleitersubstrat und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102004030612B3
Application number: DE102004030612A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Min. Dr. Dantz; Andreas Dipl.-Phys. Dr. Huber; Brian Murphy; Reinhold Wahlich
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: FR2872343B1; US20050287767A1; CN1716577A; CN100358128C; US7803695B2; JP4465306B2; FR2872343A1; KR100745598B1; US20090065891A1; JP2006013511A; US7491966B2; KR20060045830A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats, umfassend eine Trägerscheibe (2) und eine Schicht (8) aus einkristallinem Halbleitermaterial auf einer Seite der Trägerscheibe (2), wobei das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: DOLLAR A a) Herstellung einer Vertiefungen (3) enthaltenden Schicht an der Oberfläche einer Donorscheibe (1), bestehend aus dem einkristallinen Halbleitermaterial, DOLLAR A b) Verbinden der Vertiefungen (3) enthaltenden Schicht der Donorscheibe (1) mit der Trägerscheibe (2), DOLLAR A c) thermische Behandlung zum Verschließen der Vertiefungen (3) an der Grenzfläche (4) zwischen der Trägerscheibe (2) und der Donorscheibe (1), so dass eine Schicht von Hohlräumen (6) innerhalb der Donorscheibe (1) entsteht, und DOLLAR A d) Spalten der Donorscheibe (1) entlang der Schicht von Hohlräumen (6), sodass eine Schicht (8), bestehend aus dem Halbleitermaterial, auf der Trägerscheibe (2) zurückbleibt. DOLLAR A Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Halbleitersubstrat, umfassend eine Trägerscheibe (2) und eine Schicht (8), bestehend aus einkristallinem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (8) eine Dicke von 100 nm oder weniger, eine Schichtdickengleichmäßigkeit von 5% oder weniger und eine HF-Defekt-Dichte von 0,02/cm·2· oder weniger aufweist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Halbleitersubstrat, umfassend eine Trägerscheibe und eine Schicht bestehend aus einkristallinem Halbleitermaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats und ein dabei entstehendes Zwischenprodukt.
Im Stand der Technik sind Scheiben als Vorprodukte für die Herstellung elektronischer Bauelemente bekannt, die eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufweisen. Alternativ kann die dünne Halbleiterschicht durch eine elektrisch isolierende Schicht von einem ebenfalls aus Halbleitermaterial bestehenden Substrat getrennt sein. Ist das Halbleitermaterial der dünnen Schicht Silicium, so spricht man von SOI-Scheiben („silicon on insulator").
Es sind auch mehrere Verfahren zur Herstellung derartiger Scheiben bekannt. Bei den meisten bekannten Verfahren wird dicht unterhalb der Oberfläche einer Halbleiterscheibe (der sog. Donorscheibe) eine Trennschicht, beispielsweise eine Schicht mit Hohlräumen erzeugt. Die derart vorbereitete Donorscheibe wird mit einer zweiten Scheibe, der Trägerscheibe, verbunden. Anschließend wird die Donorscheibe entlang der Trennschicht gespalten. Dadurch wird eine Schicht der Donorscheibe auf die Trägerscheibe übertragen.

DE 10131249 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial von einer Donorscheibe auf eine Trägerscheibe übertragen wird. Auf der für den Transfer vorgesehenen Seite der Donorscheibe werden zunächst Strukturen aus sich periodisch wiederholenden Vertiefungen vorgegebener Geometrien erzeugt. Diese Vertiefungen werden anschließend durch eine thermische Behandlung oberflächlich verschlossen, sodass sich eine Schicht mit sich periodisch wiederholenden Hohlräumen unter einer geschlossenen Schicht an der Oberfläche des Materials bildet.

(Die Erzeugung von Vertiefungen auf der Oberfläche einer Siliciumscheibe und das oberflächliche Verschließen der Vertiefungen durch eine thermische Behandlung sind auch in EP 1427010 A1 beschrieben.) Die derart vorbereitete Donorscheibe wird mit einer Trägerscheibe verbunden. Danach wird, beispielsweise durch eine weitere thermische Behandlung, die Donorscheibe entlang der Schicht, die die Hohlräume enthält, gespalten.

Das beschriebene Verfahren umfasst eine Vielzahl von Schritten und ist daher vergleichsweise aufwändig. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren gemäß dem Stand der Technik nicht die Übertragung beliebig dünner Schichten, da die Dicke der Schicht durch die zur Erzeugung der Vertiefungen eingesetzte Lithographie limitiert ist. Um sehr dünne Schichten mit einer Dicke von beispielsweise weniger als 10 nm zu erhalten, muss eine dickere Schicht, beispielsweise mit einer Dicke von 50 nm, auf die Trägerscheibe übertragen und anschließend die Schichtdicke durch geeignete Maßnahmen reduziert werden, wie in DE 10131249 A1 beschrieben. Beispielsweise kann eine Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von 100 nm und einer Standardabweichung von 5 % bezogen auf die mittlere Schichtdicke übertragen werden. Dies bedeutet, dass bis zu 32 % der Fläche 5% (d. h. 5 nm) oder mehr und 0,3 % der Fläche sogar 15 % (d. h. 15 nm) oder mehr von der mittleren Schichtdicke abweichen. Wird die Dicke der übertragenen Schicht anschließend auf 15 nm reduziert, so führt die nach dem Übertragen und Trennen vorhandene Standardabweichung von 5 % dazu, dass statistisch auf etwa 0,15 % der Fläche die übertragene Schicht aus Halbleitermaterial vollständig entfernt wird. Bei einer Scheibe mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Fläche von 707 cm² wird die Schicht aus Halbleitermaterial somit auf einer Fläche von etwa 1 cm² vollständig entfernt. Diese Bereiche sind als HF-Defekte detektierbar. Wird in der beschriebenen Art und Weise die Dicke einer übertragenen Halbleiterschicht sehr stark reduziert, wirkt sich die nach dem Übertragen und Trennen vorhandene Schichtdickenhomogenität direkt auf die HF-Defekt-Dichte nach der Dickenreduktion aus. Hinzu kommt, dass durch die herkömmlichen Verfahren zur Dickenreduktion die absolute Schichtdickenhomogenität tendenziell eher verschlechtert wird, sodass bei sehr geringen Enddicken die HF-Defekt-Dichte nochmals ansteigt.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bestand somit darin, eine Schichtstruktur mit einer ultra-dünnen Halbleiterschicht und einer gleichzeitig sehr niedrigen HF-Defekt-Dichte sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch Halbleitersubstrat nach Anspruch 7 sowie ein ein Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrats umfassend eine Trägerscheibe und eine Schicht aus einkristallinem Halbleitermaterial auf einer Seite der Trägerscheibe, wobei das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst:

a) Herstellung einer Vertiefungen enthaltenden Schicht an der Oberfläche einer Donorscheibe bestehend aus dem einkristallinen Halbleitermaterial,
b) Verbinden der Vertiefungen enthaltenden Schicht der Donorscheibe mit der Trägerscheibe,
c) thermische Behandlung zum Verschließen der Vertiefungen an der Grenzfläche zwischen der Trägerscheibe und der Donorscheibe, sodass eine Schicht von Hohlräumen innerhalb der Donorscheibe entsteht und
d) Spalten der Donorscheibe entlang der Schicht von Hohlräumen, sodass eine Schicht bestehend aus dem Halbleitermaterial auf der Trägerscheibe zurückbleibt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben:
1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Übertragung einer dünnen Schicht eines Halbleitermaterials von einer Donorscheibe auf eine Trägerscheibe.
2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Übertragung einer dünnen Schicht eines Halbleitermaterials von einer Donorscheibe auf eine Trägerscheibe, wobei die Trägerscheibe auf einer Fläche eine zusätzliche Schicht trägt, mit der die Vertiefungen enthaltende Schicht der Donorscheibe verbunden wird.
Erfindungsgemäß wird zunächst in Schritt a) die aus dem gewünschten Halbleitermaterial bestehende Donorscheibe 1 vorbereitet, indem auf einer ihrer Flächen eine Vertiefungen 3 enthaltende Schicht hergestellt wird. Die Vertiefungen 3 können regelmäßig oder unregelmäßig geformt sein. Sie können beispielsweise durch Lithographie und Trench-Ätzen (siehe beispielsweise DE 10131249 A1 ) oder durch anodisches Ätzen (siehe beispielsweise EP 553852 B1 ) hergestellt werden.
Die Donorscheibe 1 wird anschließend in Schritt b) derart mit einer Trägerscheibe 2 verbunden, dass die Schicht mit Vertiefungen 3 zwischen den beiden verbundenen Scheiben liegt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird somit im Gegensatz zum Stand der Technik eine Vertiefungen 3 enthaltende Schicht direkt mit einer Trägerscheibe 2 verbunden. Falls die Trägerscheibe 2, wie in 2 dargestellt, eine zusätzliche Schicht 9 trägt, ist die Donorscheibe 1 mit der zusätzlichen Schicht 9 verbunden. Wenn die Trägerscheibe 2 eine Halbleiterscheibe ist, kann die zusätzliche Schicht 9 beispielsweise eine isolierende Schicht sein, beispielsweise ein Oxid des Halbleitermaterials. In diesem Fall kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine SOI-Scheibe hergestellt werden, wenn als Donorscheibe 1 eine Siliciumscheibe eingesetzt wird.
In Schritt c) werden die verbundenen Scheiben bei einer geeigneten Temperatur thermisch behandelt. Die Temperatur ist abhängig von dem Material, aus dem die Donorscheibe 1 besteht. Die Temperatur muss so hoch sein, dass eine ausreichende Mobilität der Atome der Donorscheibe 1 an der Grenzfläche 4 gewährleistet ist. Besteht die Donorscheibe 1 aus Silicium, so findet die thermische Behandlung vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen 500 °C und dem Schmelzpunkt von Silicium statt. Besonders bevorzugt ist eine thermische Behandlung zwischen 900 °C und 1100 °C. Die thermische Behandlung kann beispielsweise unter einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre stattfinden. Durch die thermische Behandlung wird, falls erforderlich, die Verbindungskraft an der Grenzfläche 4 der verbundenen Scheiben verstärkt. In erster Linie werden jedoch die Vertiefungen 3 an der Grenzfläche 4 zwischen der Donorscheibe 1 und der Trägerscheibe 2 durch Oberflächendiffusion der Atome des Halbleitermaterials verschlossen, so dass geschlossene Hohlräume 6 entstehen, die vollständig innerhalb der Donorscheibe 1 liegen und nicht mehr direkt an die Trägerscheibe 2 oder die zusätzliche Schicht 9 der Trägerscheibe 2 angrenzen. Infolge der durch die thermische Behandlung angeregten Oberflächendiffusion beginnen sich die Vertiefungen 3 im Bereich der Grenzfläche 4 zu verengen, um sich schließlich vollständig zu verschließen. Die Form der Vertiefungen 3 bzw. Hohlräume 6 bleibt hierbei nahezu gleich. Während der thermischen Behandlung bildet sich somit an der Grenzfläche 4 eine durchgehende Schicht 7 bestehend aus dem Halbleitermaterial der Donorscheibe 1.
Nach der thermischen Behandlung weisen die verbundenen Scheiben folgende Struktur auf: An die Trägerscheibe 2 (oder die zusätzliche Schicht 9) schließt sich eine dünne, durchgehende, einkristalline Schicht 7 des Halbleitermaterials an, darauf folgt die verbleibende Schicht mit Hohlräumen 6 und darauf wiederum der Rest 5 der Donorscheibe.
Diese Struktur wird anschließend in Schritt d) entlang der verbleibenden Schicht mit Hohlräumen 6 gespalten, sodass lediglich eine dünne Schicht 8 des Halbleitermaterials auf der Trägerscheibe 2 verbleibt. Die Spaltung kann unter Einwirkung einer mechanischen Kraft erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines Gasstrahls, eines Flüssigkeitsstrahls, eines Keils, durch Biegebeanspruchung oder weitere geeignete Maßnahmen, die auch in Kombination eingesetzt werden können.
Vorzugsweise wird die Spaltung aber durch eine weitere thermische Behandlung erreicht. Direkt nach dem Verschließen der Oberfläche in Schritt c), d. h. sobald sich eine durchgehende, dünne, wenige Atomlagen dicke Schicht 7 gebildet hat, beginnen die Hohlräume 6 im Bestreben der Energieminimierung ihre inneren Oberflächen zu reduzieren und somit eine kugelige Form anzustreben. Durch die Verbreiterung der Hohlräume 6 verbinden sich diese miteinander und trennen schließlich die dünne einkristalline Schicht 7, 8 vom Rest 5 der Donorscheibe. Die Bedingungen dieser weiteren thermischen Behandlung entsprechen vorzugsweise denen des Schritts c), da dieselben Mechanismen der Oberflächendiffusion benutzt werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Halbleitersubstrat, umfassend eine Trägerscheibe 2 und eine Donorscheibe 1 bestehend aus einkristallinem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Donorscheibe 1 über eine Vertiefungen 3 enthaltende Schicht an ihrer Oberfläche mit der Trägerscheibe 2 verbunden ist.
Dieses Halbleitersubstrat entsteht als Zwischenprodukt in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. beim Verbinden der Vertiefungen 3 enthaltenden Schicht der Donorscheibe 1 mit der Trägerscheibe 2. Es besteht aus einer Abfolge mehrerer Schichten und zeichnet sich durch eine, vorzugsweise ebene, innere Grenzfläche 4 aus, entlang derer eine Schicht mit geschlossenen Hohlräumen existiert. Diese Hohlräume sind so angeordnet, dass sie auf einer Seite die innere Grenzfläche 4 berühren und somit die Wände der Hohlräume aus den beiden Materialien bestehen, die durch die Grenzfläche 4 getrennt werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Halbleitersubstrat, umfassend eine Trägerscheibe 2 und eine Schicht 8 bestehend aus einkristallinem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht 8 eine Dicke von 100 nm oder weniger, eine Schichtdickengleichmäßigkeit von 5 % oder weniger und eine HF-Defekt-Dichte von 0,02/cm² oder weniger aufweist.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein derartiges Halbleitersubstrat, das eine Schicht 8 bestehend aus einkristallinem Halbleitermaterial mit einer geringeren Dicke, genauer gesagt von 80 nm oder weniger, bevorzugt 50 nm oder weniger und besonders bevorzugt 20 nm oder weniger sowie die im vorangehenden Absatz aufgeführten Eigenschaften aufweist.
Dabei ist der Ausdruck „Schichtdickengleichmäßigkeit" gleichbedeutend mit dem 6σ-Wert, d. h. dem sechsfachen Wert der Standardabweichung.
Das erfindungsgemäße Halbleitersubstrat, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden kann, zeichnet sich durch eine sehr dünne aus dem Halbleitermaterial bestehende Schicht 8 mit guter Schichtdickengleichmäßigkeit und einer sehr geringen HF-Defekt-Dichte aus. Die maximale HF-Defekt-Dichte des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats beträgt lediglich 20 % des in DE 10131249 A1 erreichten Werts von 0,1/cm². Die sehr geringe Defektdichte führt zu einer hohen Ausbeute bei der Bauelementeherstellung, die gute Schichtdickenhomogenität hat gute, homogene Transistoreigenschaften wie z. B. Einsatzspannung zur Folge. Das Halbleitersubstrat eignet sich daher hervorragend für die Fertigung von anspruchsvollen elektronischen Bauelementen.
Das Verbinden einer Vertiefungen enthaltenden Oberfläche mit einer Trägerscheibe kombiniert mit der Nutzbarmachung der Oberflächendiffusion und des Bestrebens, die Oberflächenenergie und damit die Oberfläche selbst zu minimieren, ist ein völlig neuer Ansatz. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zur Herstellung von SOI-Scheiben wird bei dieser Technologie keine einkristalline Schicht mit vordefinierter, konstanter Dicke mit der Trägerscheibe verbunden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren bildet sich die geschlossene Schicht erst nach dem Verbinden mit der Trägerscheibe.
Die vorliegende Erfindung stellt ein vergleichsweise einfaches Verfahren zur Verfügung, das gegenüber DE 10131249 A1 eine verringerte Anzahl von Prozessschritten aufweist Durch den einfacheren Prozessablauf ist das Verfahren wirtschaftlicher und einfacher zu beherrschen und bietet daher weniger Fehlerquellen.
Das in DE 10131249 A1 angegebene Verfahren erlaubt die Übertragung einer Schicht mit einer Dicke von nicht wesentlich weniger als 50 nm, da die Dicke der übertragenen Schicht durch die Lithographie begrenzt ist. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können deutlich dünnere Schichten übertragen werden, da die Atome im Bereich der mit Vertiefungen versehenen Oberfläche, die direkt mit der Trägerscheibe verbunden werden, durch die Verbindung mit der Trägerscheibe an ihren jeweiligen Positionen fixiert werden und für die Oberflächendiffusion nicht zur Verfügung stehen. Dagegen können Atome von den Seitenwänden und vom Boden der Vertiefungen entlang der Oberfläche der Vertiefungen Richtung Trägerscheibe diffundieren. Infolgedessen verschließen sich die ehemaligen Öffnungen der Vertiefungen direkt an der Grenzfläche zur Trägerscheibe. In der weiteren Temperaturbehandlung haben die neu gebildeten länglichen Hohlräume das Bestreben nach minimalem Energiezustand, d. h. kugeliger Form. Sie wachsen in die Breite und schrumpfen in der Tiefe. Durch Anordnung und Größe der länglichen Vertiefungen lässt sich direkt die Dicke der Schicht nach dem Trennen einstellen – von wenigen Nanometern Dicke bis hin zu mehreren Mikrometern. Kleine Durchmesser und geringe Abstände der Vertiefungen führen zu einer geringen Dicke der übertragenen Schicht, während große Dimensionen und größere Abstände zu größeren Schichtdicken führen.
Bei dem in DE 10131249 A1 angegebenen Verfahren sind dagegen auch die Atome in den Bereichen zwischen den Öffnungen der Vertiefungen, d. h. auf der Oberfläche, die gemäß der vorliegenden Erfindung direkt mit der Trägerscheibe verbunden ist, frei beweglich und stehen damit der Oberflächendiffusion zu Verfügung. Infolgedessen verrundet sich bei DE 10131249 A1 auch die Kante zwischen Vertiefung und Oberfläche, was wiederum zur Folge hat, dass sich die Hohlräume nicht exakt an der Oberfläche, sondern in einer gewissen Tiefe verschließen. Daher bilden sich beim Schließen der Vertiefungen über den daraus entstandenen Hohlräumen flache „Mulden", die dann im weiteren Verlauf des Prozesses wieder mit Material gefüllt werden, was zu einer Erhöhung der Schichtdicke führt.
Da das erfindungsgemäße Verfahren somit die Übertragung sehr dünner Schichten erlaubt, können Nachbearbeitungsschritte teilweise oder vollständig entfallen, die der Reduktion der Schichtdicke dienen. Daher ist die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke (d. h. der sechsfache Wert der Standardabweichung der Schichtdicke) im Wesentlichen nur von der Homogenität der Durchmesser der Vertiefungen abhängig und liegt deshalb im Bereich von 5 % oder weniger.
Die HF-Defekt-Dichte wird besonders im Fall sehr dünner Schichten, beispielsweise mit einer Dicke von 10 nm oder weniger, sehr stark durch die Schichtdickenhomogenität beeinflusst. Dies gilt, wie oben beschrieben, besonders dann, wenn eine dickere Schicht übertragen und anschließend die Schichtdicke reduziert wird. Da die vorliegende Erfindung die Übertragung sehr dünner Schichten erlaubt, kann in der Regel auf eine anschließende Reduktion der Schichtdicke verzichtet werden. Da die übertragenen Schichten außerdem eine sehr gute Schichtdickenhomogenität aufweisen, ist die HF-Defekt-Dichte mit 0,02/cm² oder weniger bei erfindungsgemäßen Substraten sehr gering.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die Übertragung einkristalliner Halbleiterschichten auf beliebige Trägerscheiben, sofern auf dem Halbleitermaterial eine nennenswerte Oberflächendiffusion erreicht werden kann. Die Übertragung kann dadurch unterstützt werden, dass man vor der Verbindung der beiden Scheiben in Schritt b) eine nur wenige Atomlagen dicke polykristalline oder amorphe Schicht auf die Trägerscheibe 2 aufbringt. Diese Schicht besteht aus einem Material, das mit dem zu übertragenden Halbleitermaterial identisch ist oder zumindest einen Bestandteil des zu übertragenden Materials enthält. Die Aufbringung der polykristallinen oder amorphen Schicht erfolgt beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, von engl. „chemical vapour deposition").
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten:

A) SOI-Substrate werden hergestellt, indem als Donorscheibe 1 eine einkristalline Siliciumscheibe und als Trägerscheibe 2 eine Scheibe bestehend aus einem elektrisch isolierenden Material wie Glas oder Saphir verwendet wird. Als Trägerscheibe 2 kann auch eine Halbleiterscheibe, beispielsweise eine polykristalline oder vorzugsweise einkristalline Siliciumscheibe verwendet werden, die auf ihrer Oberfläche eine elektrisch isolierende Schicht 9 (siehe 2), beispielsweise eine Siliciumoxid-Schicht trägt.
B) GeOI-Substrate („Germanium on Insulator") werden genauso hergestellt wie SOI-Substrate (Punkt A)), wobei jedoch als Donorscheibe 1 eine einkristalline Germaniumscheibe verwendet wird.
C) Eine Siliciumcarbid-Schicht auf einem beliebigen Substrat wird hergestellt, indem als Donorscheibe 1 eine einkristalline Scheibe bestehend aus Siliciumcarbid verwendet wird.
C) Ein SGOI-Substrat („Silicon-Germanium on Insulator") wird hergestellt, indem als Donorscheibe 1 eine Siliciumscheibe verwendet wird, die zumindest auf einer Fläche eine einkristalline Silicium-Germanium-Schicht der Zusammensetzung Si_xGe_1-x (0 < x < 1) trägt. Als Trägerscheibe 2 kann eine Scheibe bestehend aus einem elektrisch isolierenden Material verwendet werden oder eine Halbleiterscheibe, beispielsweise eine polykristalline oder vorzugsweise einkristalline Siliciumscheibe, die auf ihrer Oberfläche eine elektrisch isolierende Schicht 9 (2), beispielsweise eine Siliciumoxid-Schicht, trägt. Nach Durchführung der Schritte a) bis d) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf dem SGOI-Substrat zusätzlich eine dünne, verspannte Siliciumschicht abgeschieden werden.
D) Um ein sSOI-Substrat („Strained Silicon on Insulator") herzustellen, wird zunächst eine einkristalline, spannungsfreie Silicium-Germanium-Schicht der Zusammensetzung Si_xGe_1-x (0 < x < 1) auf einer Siliciumscheibe abgeschieden. Auf dieser wiederum wird eine dünne, verspannte Siliciumschicht (engl. „strained silicon layer") abgeschieden, in der anschließend in Schritt a) durch Lithographie und Trench-Ätzen oder anodisches Ätzen Vertiefungen 3 hergestellt werden. Die so vorbereitete Donorscheibe 1 wird in Schritt b) mit einer elektrisch isolierenden Schicht 9 einer Trägerscheibe 2 (beispielsweise der oxidierten Oberfläche einer Siliciumscheibe) verbunden. Die verbundenen Scheiben werden anschließend den Schritten c) und d) des erfindungsgemäßen Verfahrens unterworfen.

Beispiel 1
Dieses Beispiel bezieht sich auf 2. In die Oberfläche einer Siliciumscheibe 1 wurden mittels Lithographie und Ionenstrahlätzen nach dem Stand der Technik periodisch regelmäßige Vertiefungen 3 mit einem runden Querschnitt erzeugt. Die Vertiefungen hatten eine Tiefe von 3,5 μm, einen Durchmesser von 0,4 μm und der Abstand von Mitte zu Mitte der Vertiefungen betrug 0,8 μm. In einem weiteren Schritt wurde die mit Vertiefungen versehene Silicium-Oberfläche mit einer Siliciumscheibe 2, die eine Siliciumoxidschicht 9 trug, verbunden (gebondet). Hierzu wurde ein handelsüblicher Bonder verwendet. Die miteinander verbundenen Scheiben wurden einer thermischen Behandlung mit insgesamt 10 h Dauer und einer Maximaltemperatur von 1100 °C unterzogen. Die Behandlung wurde unter einer Argon-Atmosphäre bei einem Druck von 0,1 MPa durchgeführt. Durch diese thermische Behandlung wurde zum einem die Stärke der Verbindung zwischen den beiden Scheiben erhöht, zum anderen schlossen sich die Vertiefungen 3 direkt an der Grenzfläche 4 zur Siliciumoxid-Schicht 9 auf der Siliciumscheibe 2 und bildeten eine dünne einkristalline Silicium-Schicht 7. Im weiteren Verlauf der thermischen Behandlung verschmolzen die neu entstandenen Hohlräume 6, sodass ein durchgehender Hohlraum zwischen der neu entstandenen Silicium-Schicht 8 und dem Rest 5 der ehemals mit Vertiefungen versehenen Siliciumscheibe entstand. Die dünne einkristalline Silicium-Schicht 8 war nun nur noch mit der Oxidschicht 9 verbunden.
Beispiel 2
In die Oberfläche einer herkömmlichen mit Silicium-Germanium beschichteten Siliciumscheibe (Dicke der Silicium-Germanium- Schicht etwa 4 μm) wurden mittels Lithographie und Ionenstrahlätzen nach dem Stand der Technik periodisch regelmäßige Vertiefungen mit einem runden Querschnitt erzeugt. Die Vertiefungen hatten eine Tiefe von 3,5 μm, einen Durchmesser von 0,4 μm und der Abstand von Mitte zu Mitte der Vertiefungen betrug 0,8 μm. In einem weiteren Schritt wurde die mit Vertiefungen versehene Silicium-Germanium-Oberfläche mit einer Siliciumscheibe mit oxidierter Oberfläche verbunden (gebondet). Hierzu wurde ein handelsüblicher Bonder verwendet. Das miteinander verbundene Scheibenpaar wurde dann einer Temperaturbehandlung mit insgesamt 10 h Dauer und einer Maximaltemperatur von 1100 °C unterzogen. Der Druck betrug 0,1 MPa und als Atmosphärengas wurde Ar gewählt. Durch diese Temperaturbehandlung wurde zum einem die Stärke der Verbindung zwischen den beiden Scheiben erhöht, zum anderen schlossen sich die Vertiefungen direkt an der Grenzfläche zur oxidierten Siliciumscheibe und bildeten eine dünne einkristalline Silicium-Germanium-Schicht. Im weiteren Verlauf der Temperaturbehandlung verschmolzen die neu entstandenen Hohlräume, sodass ein durchgehender Hohlraum zwischen der neu entstandenen Silicium-Germanium-Schicht und der ehemals mit Vertiefungen versehenen Siliciumscheibe. Die dünne einkristalline Silicium-Germanium-Schicht war nun nur noch mit der Oxidschicht verbunden, so dass ein SGOI-Substrat vorlag.
Beispiel 3
Zunächst wurde auf einer mit einer relaxierten Silicium-Germanium-Schichtbeschichteten Siliciumscheibe eine verspannte Siliciumschicht abgeschieden. In die Oberfläche der verspannten Siliciumschicht wurde mittels Lithographie und Ionenstrahlätzen nach dem Stand der Technik periodisch regelmäßige Vertiefungen mit einem runden Querschnitt erzeugt. Die Vertiefungen hatten eine Tiefe von 3,5 μm, einen Durchmesser von 0,4 μm und der Abstand von Mitte zu Mitte der Vertiefungen betrug 0,8 μm. In einem weiteren Schritt wurde die mit Vertiefungen versehene verspannte Siliciumoberfläche mit einer Siliciumscheibe mit oxidierter Oberfläche verbunden (gebondet). Hierzu wurde ein handelsüblicher Bonder verwendet. Das miteinander verbundene Scheibenpaar wurde dann einer Temperaturbehandlung mit insgesamt 10 h Dauer und einer Maximaltemperatur von 1100 °C unterzogen. Der Druck betrug 0,1 MPa und als Atmosphärengas wurde Ar gewählt. Durch diese Temperaturbehandlung wurde zum einem die Stärke der Verbindung zwischen den beiden Scheiben erhöht, zum anderen schlossen sich die Vertiefungen direkt an der Grenzfläche zur oxidierten Siliciumscheibe und bildeten eine dünne, einkristalline, verspannte, Siliciumschicht. Im weiteren Verlauf der Temperaturbehandlung verschmolzen die aus den Vertiefungen entstandenen Hohlräume, so dass ein durchgehender Hohlraum zwischen einer neu gebildeten Siliciumschicht und der ehemals mit Vertiefungen versehenen verspannten Siliciumschicht entstand. Die dünne, einkristalline, verspannte Siliciumschicht war nun nur noch mit der Oxidschicht verbunden, so dass ein sSOI-Substrat vorlag.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubstrats umfassend eine Trägerscheibe (2) und eine dünne einkristalline Schicht (8) aus Halbleitermaterial auf einer Seite der Trägerscheibe (2), wobei das Verfahren folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: a) Herstellung einer Vertiefungen (3) enthaltenden Schicht an der Oberfläche einer Donorscheibe (1) bestehend aus dem einkristallinen Halbleitermaterial, b) Verbinden der Vertiefungen (3) enthaltenden Schicht der Donorscheibe (1) mit der Trägerscheibe (2), c) thermische Behandlung zum Verschließen der Vertiefungen (3) an der Grenzfläche (4) zwischen der Trägerscheibe (2) und der Donorscheibe (1), sodass eine Schicht von Hohlräumen (6) innerhalb der Donorscheibe (1) entsteht und d) Spalten der Donorscheibe (1) entlang der Schicht von Hohlräumen (6), sodass eine dünne einkristalline Schicht (8) bestehend aus dem Halbleitermaterial auf der Trägerscheibe (2) zurückbleibt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spalten der Donorscheibe (1) in Schritt d) durch eine thermische Behandlung erfolgt, während der sich die Hohlräume (6) miteinander verbinden und die dünne einkristalline Schicht (7, 8) vom Rest (5) der Donorscheibe trennen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) zusammengefasst als eine kontinuierliche thermische Behandlung durchgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen der thermischen Behandlung in den Schritten c) und d) gleich sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt b) auf zumindest einer Fläche der Trägerscheibe (2) eine amorphe oder polykristalline Schicht aufgebracht wird, die aus einem Material besteht, das zumindest einen Bestandteil enthält, der mit einem Bestandteil der Donorscheibe (1) identisch ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der amorphen oder polykristallinen Schicht mit der Zusammensetzung der Donorscheibe (1) identisch ist.
Halbleitersubstrat, umfassend eine Trägerscheibe (2) und eine Donorscheibe (1) bestehend aus einkristallinem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Donorscheibe (1) über eine Vertiefungen (3) enthaltende Schicht an ihrer Oberfläche mit der Trägerscheibe (2) verbunden ist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Donorscheibe (1) eine Siliciumscheibe, eine Siliciumscheibe mit einer Silicium-Germanium-Schicht, eine Siliciumscheibe mit einer Silicium-Germanium-Schicht und einer verspannten Siliciumschicht, eine Germaniumscheibe oder eine Siliciumcarbid-Scheibe ist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (2) eine Siliciumscheibe mit einer Oxidschicht (9) ist.
Halbleitersubstrat, umfassend eine Trägerscheibe (2) und eine dünne einkristalline Schicht (8) bestehend aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne einkristalline Schicht (8) eine Dicke von 100 nm oder weniger, eine Schichtdickengleichmäßigkeit von 5 % oder weniger und eine HF-Defekt-Dichte von 0,02/cm² oder weniger aufweist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne einkristalline Schicht (8) aus Silicium, verspanntem Silicium, Silicium-Germanium, Germanium oder Siliciumcarbid besteht.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (2) eine Siliciumscheibe mit einer Oxidschicht (9) ist.
Halbleitersubstrat gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne einkristalline Schicht (8) eine Dicke von 80 nm oder weniger aufweist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne einkristalline Schicht (8) eine Dicke von 50 nm oder weniger aufweist.
Halbleitersubstrat gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne einkristalline Schicht (8) Halbleitermaterial eine Dicke von 20 nm oder weniger aufweist.