DE102010052542B4 - Semiconductor chip and method for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Halbleiterchip (10) mit einem Halbleiterschichtenstapel (2), der auf einem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride basiert und zumindest eine n-dotierte Schicht (2b) aufweist, wobei als n-Dotierstoff Sn oder Pb Verwendung findet, und wobei die Dotierstoffkonzentration des n-Dotierstoffs in der n-dotierten Schicht (2b) folgende Bedingung erfüllt:D×DisEdge×N≥5×1023 cm−4,mit D der Schichtdicke der n-dotierten Schicht (2b), DiSEdgeder mittleren Versetzungsdichte mit Stufenanteil im Bereich der n-dotierten Schicht (2b) in cm-2mit einem Wert oberhalb von 1 × 108cm-2und N der Dotierstoffkonzentration in der n-dotierten Schicht (2b) in cm-3.Semiconductor chip (10) with a semiconductor layer stack (2) which is based on a group III nitride material system and has at least one n-doped layer (2b), Sn or Pb being used as the n-dopant, and the dopant concentration of the n-dopant in the n-doped layer (2b), the following condition is met: D×DisEdge×N≥5×1023 cm−4, with D being the layer thickness of the n-doped layer (2b), DiSEdge the average dislocation density with a step component in the area of the n-doped layer (2b) in cm-2 having a value above 1x108cm-2 and N the dopant concentration in the n-doped layer (2b) in cm-3.
Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterchip aufweisend einen Halbleiterschichtenstapel basierend auf einem Gruppe-III-Nitrid und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a semiconductor chip having a semiconductor layer stack based on a group III nitride and a method for its production.
Herkömmlicherweise werden häufig Schichten eines Halbleiterschichtenstapels, der auf einem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride basiert, auf einem Heterosubstrat wie beispielsweise Saphir, SiC oder Silizium aufgewachsen. Zur Erzeugung einer n-Typ-Leitfähigkeit in den Schichten des Halbleiterschichtenstapels werden diese häufig dotiert, wobei als n-Dotierstoff meist Silizium verwendet wird, das sich als einfach zu handhabender und effizienter Dotand etabliert hat. Solch eine Dotierung kann jedoch zu einer tensilen Verspannung im Halbleiterschichtenstapel führen, welche die Halbleiterchipleistung negativ beeinflussen und sogar zu Beschädigungen der Halbleiterschichten des Stapels führen kann. Als Beschädigung kann beispielsweise ein Reißen der Schichten des Stapels auftreten. Derartige Beschädigungen aufgrund von Si-Dotierungen sind beispielsweise in der Veröffentlichung „Effect of Si doping on strain, cracking, and microstructure in GaN thin films grown by metalorganic chemical vapor deposition“, Romano et al., J. Appl. Phys., Vol. 87, No. 11, June 1, 2000, beschrieben.Conventionally, layers of a semiconductor layer stack based on a group III nitride material system are often grown on a hetero-substrate such as sapphire, SiC or silicon. In order to generate an n-type conductivity in the layers of the semiconductor layer stack, these are often doped, silicon being used as the n-type dopant in most cases, which has established itself as an easy-to-handle and efficient dopant. However, such a doping can lead to a tensile stress in the semiconductor layer stack, which can negatively affect the semiconductor chip performance and even lead to damage to the semiconductor layers of the stack. Cracking of the layers of the stack, for example, can occur as damage. Such damage due to Si doping is described, for example, in the publication "Effect of Si doping on strain, cracking, and microstructure in GaN thin films grown by metal-organic chemical vapor deposition", Romano et al., J. Appl. Phys., Vol. 87, No. 11, June 1, 2000.
Beispielsweise können beim Aufwachsen eines GaN-Schichtenstapels auf einem Silizium-Aufwachsubstrat, insbesondere beim dabei angewendeten Abkühlprozess, tensile Verspannungen in den Schichten auftreten. Herkömmlicherweise werden derartige tensile Verspannungen mittels einer kompressiven Vorverspannung des Gruppe-III-Nitride Halbleiterschichtenstapels während des Wachstums kompensiert. Derartige Vorverspannungen sind beispielsweise in der Veröffentlichung „GaN-based epitaxy on silicon: stress measurements“, Krost et al., phys. stat. sol. (a) 200, No. 1, 26 - 35 (2003), beschrieben. Diese gewollte kompressive Vorverspannung wird jedoch nachteilig bei einer hohen Dotierung der Schichten mit Silizium abgebaut, sodass wiederum beim Abkühlprozess der Schichten ein Reißen dieser Schichten auftreten kann.For example, when a GaN layer stack is grown on a silicon growth substrate, in particular during the cooling process used, tensile stresses can occur in the layers. Conventionally, such tensile strains are compensated by means of a compressive pre-strain of the group III nitride semiconductor layer stack during the growth. Such prestresses are, for example, in the publication "GaN-based epitaxy on silicon: stress measurements", Krost et al., phys. stat. sol. (a) 200, no. 1, 26-35 (2003). However, this desired compressive prestressing is disadvantageously reduced when the layers are highly doped with silicon, so that in turn the layers can crack during the cooling process of the layers.
Beim Aufwachsen von GaN-Schichten auf einem Saphir-Substrat entsteht dagegen beim Abkühlprozess eine kompressive Verspannung aufgrund der thermischen Fehlanpassung der Materialien. Jedoch können eine hohe Si-Dotierung und/oder eine hohe Schichtdicke der n-dotierten Schichten des Schichtenstapels aufgrund der dadurch erzeugten tensilen Verspannung während der Abscheidung bereits zu einem Reißen in den epitaxierten Schichten führen.When growing GaN layers on a sapphire substrate, on the other hand, compressive stress occurs during the cooling process due to the thermal mismatch of the materials. However, a high Si doping and/or a high layer thickness of the n-doped layers of the layer stack can already lead to cracking in the epitaxial layers during the deposition due to the tensile strain generated thereby.
Dicke und hochdotierte Schichten sind jedoch Voraussetzung zum Beispiel für effiziente Lichtemitter, welche auf billigen und großflächig verfügbaren Siliziumsubstraten hergestellt werden sollen. Zudem finden dicke und hochdotierte Schichten für elektronische Bauelemente wie beispielsweise p-i-n oder Schottky-Transistoren für Hochspannungsanwendungen Verwendung.However, thick and highly doped layers are a prerequisite for efficient light emitters, for example, which are to be produced on cheap silicon substrates that are available over a large area. In addition, thick and highly doped layers are used for electronic components such as p-i-n or Schottky transistors for high-voltage applications.
Die tensilen Verspannungen in derartigen Halbeiterchips zu reduzieren, ist zwar prinzipiell möglich, erfordert aber einen hohen Aufwand. Der Grund dafür ist die typischerweise hohe Versetzungsdichte von größer oder zirka 1 × 109 cm-2 Durch eine Zugabe von Si von größer oder zirka 1 × 1018 cm-3 wird durch Abbiegen der Versetzungen eine bereits eingebaute kompressive Verspannung vermindert, oder auch eine zusätzliche tensile Verspannung erzeugt. Dieser Effekt ist unter anderem in der Veröffentlichung „Si doping effect on strain reduction in compressively strained Al0.49Ga0.51N thin films“, Cantu et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 4, July 28, 2003, beschrieben.Although it is possible in principle to reduce the tensile stresses in such semiconductor chips, it requires a great deal of effort. The reason for this is the typically high dislocation density of greater than or about 1 × 10 9 cm -2 By adding Si of greater than or about 1 × 10 18 cm -3 , an already built-in compressive strain is reduced by bending the dislocations, or even one additional tensile stress generated. This effect is, inter alia, in the publication "Si doping effect on strain reduction in compressively strained Al0.49Ga0.51N thin films", Cantu et al., Appl. physics Lett., Vol. 83, No. 4, July 28, 2003.
Eine hohe Dotierung ist unter anderem jedoch für eine gute Kontaktbildung notwendig, wobei Elektronenkonzentrationen oberhalb von 5 x 1018 cm-3 dafür angestrebt werden.However, high doping is necessary, among other things, for good contact formation, with electron concentrations above 5×10 18 cm -3 being aimed at for this.
Das Aufwachsen von GaN-Schichten auf einem Heterosubstrat führt im Allgemeinen zu einer erhöhten Versetzungsdichte innerhalb der GaN-Schichten. Um diese Versetzungsdichten zu reduzieren finden unter anderem SiNx Maskierungsschichten Verwendung. Derartige Maskierungsschichten sind dem Fachmann unter anderem auch unter dem Begriff „insitu SiN Maskierungsschichten“ bekannt und beispielsweise in der Veröffentlichung „Anti-Surfactant in III-Nitride Epitaxy - Quantum Dot Formation and Dislocation Termination“, Tanaka et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 39 (2000), Pl. 2, No. 8B, beschrieben. Eine derartige Maskierungsschicht wird dabei nach Aufwachsen zumindest einer ersten Gruppe-III-Nitridschicht des Halbleiterschichtenstapels auf dieser partiell aufgebracht. Das Aufbringen der Maskierungsschicht erfolgt typischerweise durch eine Reaktion von Silizium mit Stickstoff (Ammoniak als Quelle). Bei einer entsprechend dünn abgeschiedenen Schicht kann der Fachmann erreichen, dass eine nur partiell ausgebildete SiN-Schicht entsteht. In einem weiteren GaN Abscheidungsschritt wird ausgehend von den nicht mit SiN bedeckten Bereichen eine weitere GaN-Schicht erzeugt. The growth of GaN layers on a hetero-substrate generally leads to an increased density of dislocations within the GaN layers. In order to reduce these dislocation densities, SiN x masking layers are used, among other things. Such masking layers are known to those skilled in the art, inter alia, under the term “insitu SiN masking layers” and are described, for example, in the publication “Anti-Surfactant in III-Nitride Epitaxy—Quantum Dot Formation and Dislocation Termination”, Tanaka et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 39 (2000), Pl. 8B. Such a masking layer is partially applied to at least a first group III nitride layer of the semiconductor layer stack after it has been grown. The masking layer is typically applied by reacting silicon with nitrogen (ammonia as the source). With a correspondingly thinly deposited layer, the person skilled in the art can achieve that an only partially formed SiN layer is formed. In a further GaN deposition step, starting from the areas not covered with SiN, another GaN layer is produced.
Diese wächst zunächst in einer 3-dim Inselstruktur auf den von Material der Nukleationsschicht freien Bereichen der ersten GaN Schicht und breitet sich mit zunehmender Wachstumszeit in lateraler Richtung über die SiN Maskierungsschicht aus. In diesem Bereich ist die Versetzungsdichte deutlich reduziert.This initially grows in a 3-dimensional island structure on the areas of the first GaN layer that are free of material from the nucleation layer and spreads out in the lateral direction over the SiN masking layer as the growth time increases. In In this area, the dislocation density is significantly reduced.
Wird die zweite GaN Schicht für eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit mit Si dotiert, kann die parasitäre Reaktion des Siliziums mit Stickstoff zu SiN ebenfalls auftreten, sodass hier nachteilig ebenfalls ein lediglich partielles Überwachsen stattfindet, und eine gewünschte schnelle Koaleszenz der Wachstumsinseln zu einer geschlossenen versetzungsreduzierten Schicht behindert wird, oder, je nach Prozessführung, die Koaleszenz von unerwünschten sich neu auf der SiN Maske bildenden Keimen ausgeht.If the second GaN layer is doped with Si for improved electrical conductivity, the parasitic reaction of the silicon with nitrogen to form SiN can also occur, with the disadvantage that only partial overgrowth takes place here, and a desired rapid coalescence of the growth islands to form a closed dislocation-reduced layer is hindered or, depending on how the process is carried out, the coalescence is caused by undesired new nuclei forming on the SiN mask.
Die Druckschrift
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Visconti, P. et al. beschreiben in Appl. Phys. Lett., 2000, 77. Jg., Nr. 22, S. 3532-3534 die Versetzungsdichte in GaN bestimmt durch photoelektrochemisches Ätzen und Nassätzen.Visconti, P. et al. describe in Appl. physics Lett., 2000, vol. 77, no. 22, pp. 3532-3534 the dislocation density in GaN determined by photoelectrochemical etching and wet etching.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen verbesserten Halbleiterchip anzugeben, der eine hohe n-Dotierung und gleichzeitig eine verringerte Gefahr des Reißens der Schichten des Halbleiterchips aufweist. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Herstellungsverfahren anzugeben, eine GaN-Schicht auf ein Aufwachssubstrat mit einem hohen Grad an n-Dotierung zu wachsen, bei der die Gefahr einer Beschädigung der GaN-Schicht verringert ist und zusätzlich eine schnelle Koaleszenz einer GaN Schicht nachfolgend einer eventuell aufgebrachten Maskierungsschicht nicht nachteilig gehindert wird.It is the object of the present application to specify an improved semiconductor chip which has high n-doping and at the same time a reduced risk of the layers of the semiconductor chip tearing. It is also the object of the present application to specify a manufacturing method for growing a GaN layer on a growth substrate with a high degree of n-doping, in which the risk of damage to the GaN layer is reduced and, in addition, rapid coalescence of a GaN layer subsequent to a possibly applied masking layer is not disadvantageously prevented.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch einen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Halbleiterchips mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Halbleiterchips und des Verfahrens zu dessen Herstellung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These objects are achieved, inter alia, by a semiconductor chip having the features of
Der Halbleiterchip weist einen Halbleiterschichtenstapel auf, der auf dem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride basiert und zumindest eine n-dotierte Schicht aufweist. Als n-Dotierstoff wird ein schwererer Dotand als Silizium aus der IV. Hauptgruppe oder ein Dotand aus der VI. Hauptgruppe der chemischen Elemente verwendet.The semiconductor chip has a semiconductor layer stack which is based on the group III nitride material system and has at least one n-doped layer. A heavier dopant than silicon from the IV. main group or a dopant from the VI. Main group of chemical elements used.
Der Halbleiterchip findet vorzugsweise Verwendung zur elektronischen Anwendung und weist vorzugsweise hochleitende beziehungsweise hochdotierte n-Schichten im GaN Halbleiterschichtenstapel auf.The semiconductor chip is preferably used for electronic applications and preferably has highly conductive or highly doped n-layers in the GaN semiconductor layer stack.
Als n-dotierte Schicht basierend auf dem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride kann im Rahmen der Anmeldung auch ein n-dotiertes Substrat zu verstehen sein, dass auf dem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride basiert, also beispielsweise auf GaN. In diesem Fall weist der Halbleiterchip somit zumindest als Halbleiterschichtenstapel das n-dotierte Substrat auf, auf dem weitere Schichten aufgebracht sein können.Within the scope of the application, an n-doped substrate based on the group III-nitride material system, ie for example GaN, can also be understood as an n-doped layer based on the group III-nitride material system. In this case, the semiconductor chip thus has the n-doped substrate, at least as a semiconductor layer stack, on which further layers can be applied.
In einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip ein optoelektronischer Halbleiterchip. In diesem Fall weist der Halbleiterchip eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht zwischen der n-dotierten Schicht und einer p-dotierten Schicht auf. Ein optoelektronischer Halbleiterchip ist insbesondere ein Halbleiterchip, der die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten oder Energien in Lichtemission ermöglicht oder umgekehrt. Beispielsweise ist der optoelektronische Halbleiterchip ein strahlungsemittierender Halbleiterchip.In one development, the semiconductor chip is an optoelectronic semiconductor chip. In this case, the semiconductor chip has an active layer provided for generating radiation between the n-doped layer and a p-doped layer. An optoelectronic semiconductor chip is in particular a semiconductor chip that enables the conversion of electronically generated data or energy into light emission or vice versa. For example, the optoelectronic semiconductor chip is a radiation-emitting semiconductor chip.
Bei Verwendung eines wie beanspruchten Dotanden zur n-Dotierung treten vorteilhafterweise die vorab erörterten unerwünschten Effekte betreffend die tensile Verspannung und/oder die parasitäre Reaktion nicht auf. Insbesondere kann mittels eines wie beanspruchten Dotanden die auftretende tensile Verspannung beim Abkühlprozess und/oder die auftretende tensile Verspannung aufgrund der hohen n-Dotierung sowie ein lediglich partielles Überwachsen aufgrund eines hohen Silizium-Gehalts reduziert beziehungsweise verhindert werden.When using a dopant as claimed for the n-doping, the undesired effects discussed above relating to the tensile strain and/or the parasitic reaction advantageously do not occur. In particular, the tensile strain that occurs during the cooling process and/or the tensile strain that occurs due to the high n-doping and only partial overgrowth due to a high silicon content can be reduced or prevented by means of a dopant as claimed.
Zudem ist es möglich, die n-dotierte Schicht oder Schichten des Halbleiterschichtenstapels bei verbesserter n-Leitfähigkeit entsprechend dünn abzuscheiden. Mit dem beanspruchten Dotanden kann somit eine dünne sowie hochdotierte n-Schicht hergestellt werden.In addition, it is possible to deposit the n-doped layer or layers of the semiconductor layer stack in a correspondingly thin manner with improved n-conductivity. A thin and highly doped n-layer can thus be produced with the claimed dopant.
Die Verwendung eines wie beanspruchten Dotanden führt somit zu einer Verringerung der Rissbildung und Beschädigung der n-Schicht des Halbleiterschichtenstapels im Gegensatz zur Verwendung von Silizium als Dotanden. Zudem kann eine dicke hoch n-dotierte Gruppe-III-Nitridschicht auf einem Saphir, Silicium-Carbid- oder Siliziumsubstrat realisiert werden. Dabei muss der Dotand schwerer, beziehungsweise größer als Silizium sein, damit er nicht als amphoterer Dotand oder als p-Dotand wirkt. Alternativ bieten sich Gruppe-VI-Dotanden an.The use of a dopant as claimed thus leads to a reduction in the formation of cracks and damage to the n-layer of the semiconductor layer stack, in contrast to the use of silicon as a dopant. In addition, a thick, highly n-doped Group III nitride layer can be realized on a sapphire, silicon carbide or silicon substrate. The dopant must be heavier or larger than silicon so that it does not act as an amphoteric dopant or as a p-dopant. Alternatively, group VI dopants can be used.
Die aktive Schicht des Halbleiterschichtenstapels enthält bevorzugt einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfachquantentopf (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.The active layer of the semiconductor layer stack preferably contains a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation. The term quantum well structure has no meaning with regard to the dimensionality of the quantization. It includes, but is not limited to, quantum wells, quantum wires, and quantum dots, and any combination of these structures.
Auf einem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride basierend bedeutet hier und im Folgenden, dass die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterschichtenstapels eine epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat abgeschiedene Schichtenfolge ist, die zumindest eine Schicht aus einem Nitrid/III/Verbindungshalbleitermaterial aufweist, vorzugsweise AlnGamIn1-m-nN, wobei 0 ≤ n, m ≤ 1, n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann das Material eine oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIn1-m-nN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.Based on a material system of group III nitrides means here and in the following that the semiconductor layer sequence of the semiconductor layer stack is a layer sequence deposited epitaxially on a growth substrate, which has at least one layer of a nitride/III/compound semiconductor material, preferably Al n Ga m In 1 -mn N, where 0≦n, m≦1, n+m≦1. This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, the material may include one or more dopants as well as additional components that do not substantially change the characteristic physical properties of the Al n Ga m In 1-mn N material. For the sake of simplicity, however, the above formula only contains the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), even if these can be partially replaced by small amounts of other substances.
In einer Weiterbildung ist der n-Dotierstoff Ge, Sn, Pb, O, S, Se oder Te. Dabei können also als n-Dotierstoff ein schwererer Dotand aus der IV. Hauptgruppe der chemischen Elemente als Silizium, also Ge, Sn oder Pb Verwendung finden. Als Dotand aus der VI. Hauptgruppe findet beispielsweise O, S, Se oder Te Verwendung. Diese Dotanden zeigen nicht die unerwünschten Effekte aus dem Stand der Technik, da diese Dotanden nicht zum Abbiegen oder dem Wandern von Versetzungen beitragen und damit eine tensile Verspannung begünstigen.In a development, the n-dopant is Ge, Sn, Pb, O, S, Se or Te. A heavier dopant from main group IV of the chemical elements than silicon, ie Ge, Sn or Pb, can be used as the n-dopant. As a student from the VI. Main group is used, for example, O, S, Se or Te. These dopants do not show the undesired effects from the prior art, since these dopants do not contribute to the bending or migration of dislocations and thus promote tensile stress.
In einer Weiterbildung findet als n-Dotierstoff neben Ge zusätzlich Silizium Verwendung. Die n-dotierte Schicht ist in diesem Fall also mit Ge und Si dotiert. Damit kann die tensile Verspannung und die Dotierung unabhängig voneinander beeinflusst werden.In a further development, silicon is used as an n-dopant in addition to Ge. In this case, the n-doped layer is therefore doped with Ge and Si. The tensile strain and the doping can thus be influenced independently of one another.
In einer Weiterbildung ist die Dotierstoffkonzentration des n-Dotierstoffs in der n-dotierten Schicht größer als 1019 1/cm3. Es wird also eine n-dotierte Schicht auf einem Aufwachssubstrat mit einer hohen Dotierstoffkonzentration aufgewachsen. So kann eine dünne und gleichzeitig hochdotierte n-dotierte Schicht realisiert werden.In a development, the dopant concentration of the n-dopant in the n-doped layer is greater than 10 19 1/cm 3 . An n-doped layer is therefore grown on a growth substrate with a high dopant concentration. A thin and at the same time highly doped n-doped layer can be realized in this way.
In einer Weiterbildung ist der Halbleiterchip eine InGaN-LED. Bevorzugt ist der Halbleiterchip ein Dünnfilmchip. Als Dünnfilmchip wird im Rahmen der Anmeldung ein Halbleiterchip angesehen, während dessen Herstellung das Aufwachssubstrat, auf dem der Halbleiterschichtenstapel epitaktisch aufgewachsen wurde, vorzugsweise vollständig abgelöst ist. Der Halbleiterschichtenstapel des Halbleiterchips kann dabei beispielsweise auf einem Trägersubstrat aufgebracht sein. Bevorzugt ist als Trägersubstrat ein siliziumhaltiges Trägersubstrat vorgesehen, insbesondere dann, wenn bereits das Aufwachssubstrat ein siliziumhaltiges Substrat ist.In one development, the semiconductor chip is an InGaN LED. The semiconductor chip is preferably a thin-film chip. Within the scope of the application, a thin-film chip is a semiconductor chip during the production of which the growth substrate on which the semiconductor layer stack was epitaxially grown is preferably completely detached. The semiconductor layer stack of the semiconductor chip can be applied to a carrier substrate, for example. A silicon-containing carrier substrate is preferably provided as the carrier substrate, in particular when the growth substrate is already a silicon-containing substrate.
In einer Weiterbildung weist der Halbleiterchip eine einseitige elektrische Kontaktierung auf. Die n- und p-dotierten Schichten des Halbleiterschichtenstapels sind somit einseitig, also beispielsweise lediglich von einer Rückseite des Halbleiterschichtenstapels elektrisch kontaktierbar. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung von einer Vorderseite des Halbleiterschichtenstapels erfolgen. Zur elektrischen Kontaktierung sind auf einer Seite des Halbleiterschichtenstapels eine erste und zweite elektrische Anschlussschicht angeordnet, die jeweils zur elektrischen Kontaktierung des Schichtenstapels eines Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind. Die erste und zweite elektrische Anschlussschicht sind dabei beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Trennschicht gegeneinander elektrisch isoliert.In one development, the semiconductor chip has electrical contacting on one side. The n- and p-doped layers of the semiconductor layer stack can thus be electrically contacted on one side, that is to say for example only from a rear side of the semiconductor layer stack. Alternatively, the electrical contact can be made from a front side of the semiconductor layer stack. For electrical contacting, a first and second electrical connection layer are arranged on one side of the semiconductor layer stack, which are each provided for electrical contacting of the layer stack of one conductivity type. In this case, the first and second electrical connection layers are electrically insulated from one another, for example by means of an electrically insulating separating layer.
Die einseitige Kontaktierungstechnik des Chips ermöglicht einen niederohmigen Kontakt. Aufgrund der einseitigen Anordnung der Kontaktierungen kann mit Vorteil die volle Funktionalität der epitaktischen Schichten des Halbleiterschichtenstapels, insbesondere der aktiven Schicht, gewährleistet werden.The one-sided contacting technology of the chip enables a low-impedance contact. Due to the one-sided arrangement of the contacts, the full functionality of the epitaxial layers of the semiconductor layer stack, in particular the active layer, can advantageously be ensured.
Die Dotierstoffkonzentration des n-Dotierstoffs in der n-dotierten Schicht erfüllt folgende Bedingung:
Obige Bedingung kann als Kriterium für die sinnvolle Verwendung eines unüblichen und wie beanspruchten Dotanden in hochdotierten Gruppe-III-Nitridschichten im Vergleich zum normalerweise verwendeten Silizium gesehen werden. Dabei können diese Schichten sowohl heteroepitaktisch auf Saphir, SiC oder Silizium, aber auch homoepitaktisch auf Gruppe-III-Nitrid Substraten, die eine entsprechend hohe Versetzungsdichte von beispielsweise höher als 5 × 106 cm-2 aufweisen, aufgewachsen werden.The above condition can be seen as a criterion for the sensible use of an unusual and claimed dopant in highly doped group III nitride layers in comparison to the silicon normally used. These layers can be heteroepitaxial on sapphire, SiC or silicon, but also homoepitaxial on group III nitride substrates that ent have a correspondingly high dislocation density of, for example, higher than 5×10 6 cm -2 .
Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips umfasst folgende Verfahrensschritte:
- - Bereitstellen eines Aufwachssubstrats,
- - epitaktisches Aufwachsen eines Halbleiterschichtenstapels, der auf einem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride basiert und zumindest eine n-dotierte Schicht aufweist, wobei als n-Dotierstoff ein schwererer Dotand als Silizium aus der IV. Hauptgruppe oder ein Dotand aus der VI. Hauptgruppe der chemischen Elemente verwendet wird.
- - providing a growth substrate,
- - Epitaxial growth of a semiconductor layer stack, which is based on a material system of group III nitrides and has at least one n-doped layer, the n-dopant being a heavier dopant than silicon from group IV. Main group or a dopant from group VI. Main group of chemical elements is used.
Ein derartiges Verfahren ermöglicht das Wachstum von GaN-Schichten auf beispielsweise ein Siliziumsubstrat mit einem hohen Grad an n-Dotierung, bei der die Verspannung im Wesentlichen nicht von der Dotierung beeinflusst wird. Zudem ist es möglich, die n-dotierte Schicht oder Schichten des Halbleiterchips bei verbesserter n-Leitfähigkeit entsprechend dünn abzuscheiden. So kann eine dünne und gleichzeitig hochdotierte n-Schicht hergestellt werden. Dabei kann als Aufwachssubstrat ein siliziumhaltiges Substrat verwendet werden, das vorteilhafterweise kostengünstig ist. Weiterhin wird bei einem derartigen Verfahren bei zusätzlicher Verwendung einer SiN-Maskierungsschicht zur Versetzungsreduktion die nachfolgende Koaleszenz vorteilhafterweise nicht nachteilig beeinflusst.Such a method enables GaN layers to be grown on, for example, a silicon substrate with a high degree of n-doping, in which the strain is essentially unaffected by the doping. In addition, it is possible to deposit the n-doped layer or layers of the semiconductor chip in a correspondingly thin manner with improved n-conductivity. In this way, a thin and at the same time highly doped n-layer can be produced. In this case, a silicon-containing substrate can be used as the growth substrate, which is advantageously inexpensive. Furthermore, with a method of this type, with the additional use of a SiN masking layer for dislocation reduction, the subsequent coalescence is advantageously not adversely affected.
Das Aufwachssubstrat ist in einer Weiterbildung ein SOI-Substrat („silicon on insulator“ Substrat). Alternativ kann das Aufwachssubstrat ein Saphir- oder SiC-Substrat sein.In one development, the growth substrate is an SOI substrate (“silicon on insulator” substrate). Alternatively, the growth substrate can be a sapphire or SiC substrate.
In einer Weiterbildung wird beim Aufwachsen eine Germanium-Wasserstoff Verbindung, eine organische Germanium Verbindung, tert-butyl-German, tert-butyl-Zinn, tert-butyl-Blei, eine metallorganische Verbindung vom Typ R4-Me mit R einem organischen Rest in der Gasphasenepitaxie oder einer Verbindung aus der VI. Hauptgruppe mit Wasserstoff oder einem organischen Rest verwendet.In a further development, a germanium-hydrogen compound, an organic germanium compound, tert-butyl german, tert-butyl tin, tert-butyl lead, an organometallic compound of the R 4 -Me type with R being an organic radical in the gas phase epitaxy or a compound from the VI. Main group used with hydrogen or an organic radical.
Die Dotierung mit Germanium ist vor den anderen Elementen zu bevorzugen, da die zur Verfügung stehenden Precursoren einfach einsetzbar sind und der Dampfdruck des Dotands über der Schicht bei den in der Gruppe-III-Nitrid-Epitaxie häufig herrschenden Prozesstemperaturen oberhalb von 1000 °C gut beherrschbar ist. Die anderen Precursoren sind bis auf Sauerstoff im Prozess dagegen nicht so einfach handhabbar. Sauerstoff jedoch wiederum kann im Epitaxieprozess unerwünscht sein, da er als Hauptkontaminent gilt und zumindest in der metallorganischen Gasphasenepitaxie auch unerwünschte Reaktionen mit den metallorganischen Verbindungen auslösen kann und daher ein potentielles Sicherheitsrisiko in wasserstoffreichen Prozessen darstellt.Doping with germanium is preferable to the other elements, since the available precursors are easy to use and the vapor pressure of the dopant above the layer can be easily controlled at the process temperatures above 1000 °C that often prevail in group III nitride epitaxy is. With the exception of oxygen, the other precursors are not so easy to handle in the process. However, oxygen in turn can be undesirable in the epitaxy process, since it is considered the main contaminant and, at least in metal-organic vapor phase epitaxy, can also trigger undesirable reactions with the metal-organic compounds and therefore represents a potential safety risk in hydrogen-rich processes.
Die in Verbindung mit dem Halbleiterchip genannten Merkmale gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.The features mentioned in connection with the semiconductor chip also apply to the method and vice versa.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den
-
1 ,2A ,2B jeweils einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips, -
2C ein Diagramm, bei dem die Verspannung gegen die Herstellungszeit aufgetragen ist, und -
3 ein Flussdiagramm betreffend ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren.
-
1 ,2A ,2 B each a schematic cross section of an embodiment of a semiconductor chip according to the invention, -
2C a graph of stress versus manufacturing time, and -
3 a flowchart relating to a manufacturing method according to the invention.
In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Bestandteile und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Bestandteile, wie zum Beispiel Schichten, Strukturen, Komponenten und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.In the figures, components that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The components shown and their proportions to one another are not to be regarded as true to scale. Rather, individual parts, such as for example layers, structures, components and areas, can be shown in an exaggerated thickness or with large dimensions for better representation and/or for better understanding.
Auf dem siliziumhaltigen Aufwachssubstrat 1 sind die einzelnen Schichten 2a, 2b, 2c des Halbleiterschichtenstapels 2 aufgewachsen. Der Halbleiterschichtenstapel 2 basiert auf einem Materialsystem der Gruppe-III-Nitride. Vorzugsweise basiert der Halbleiterschichtenstapel 2 auf dem Materialsystem InGaN. Der Halbleiterschichtenstapel 2 weist eine aktive Schicht 2a auf. Die aktive Schicht 2a ist geeignet, im Betrieb des Halbleiterchips 10 elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Halbleiterchip 10 eine LED („Licht emittierende Diode“).The individual layers 2a, 2b, 2c of the
Die aktive Schicht 2a des Halbleiterschichtenstapels 2 ist zwischen einer n-dotierten Schicht 2b und einer p-dotierten Schicht 2c angeordnet. Die n-dotierte Schicht ist im Ausführungsbeispiel der
Die n-dotierte Schicht 2b weist einen schwereren Dotanden als Silizium aus der IV. Hauptgruppe oder einen Dotanden aus der VI. Hauptgruppe der chemischen Elemente auf. Als n-Dotierstoff der IV. Hauptgruppe findet also Ge, Sn und Pb Verwendung. Als Dotand der VI. Hauptgruppe findet beispielsweise O, S, Se oder Te Verwendung.The n-doped layer 2b has a heavier dopant than silicon from the IV. Main group or a dopant from the VI. main group of chemical elements. Ge, Sn and Pb are therefore used as n-dopants of main group IV. As a student of the VI. Main group is used, for example, O, S, Se or Te.
Die Dotierstoffkonzentration des n-Dotierstoffs in der n-dotierten Schicht 2b ist vorzugsweise größer als 5 x 1018 1/cm3. Mit Vorteil kann aufgrund der Wahl des Dotierstoffs die herkömmlicherweise beim Abkühlprozess auftretende oder aufgrund der Dotierstoffkonzentration auftretende tensile Verspannung des Halbleiterschichtenmaterials vermieden werden. Schichten mit einer derart hohen Dotierung sind insbesondere für eine hohe Querleitfähigkeit und optimierte Kontaktwiderstände vorteilhaft. Es ist zudem möglich, die n-dotierte Schicht 2b bei verbesserter n-Leitfähigkeit entsprechend dünn abzuscheiden oder die n-Kontaktflächen bei verbesserten Kontaktwiderständen entsprechend klein zu gestalten.The dopant concentration of the n-dopant in the n-doped layer 2b is preferably greater than 5×10 18 1/cm 3 . Due to the selection of the dopant, the tensile strain of the semiconductor layer material that conventionally occurs during the cooling process or that occurs as a result of the dopant concentration can advantageously be avoided. Layers with such a high level of doping are particularly advantageous for high transverse conductivity and optimized contact resistances. It is also possible to deposit the n-doped layer 2b correspondingly thin with improved n-conductivity or to make the n-contact areas correspondingly small with improved contact resistances.
Die n-dotierte Schicht 2b und die p-dotierte Schicht 2c des Halbleiterschichtenstapels 2 können aus einer Schichtenfolge zusammengesetzt sein. In diesem Fall weist der Halbleiterschichtenstapel 2 eine Mehrzahl von n-dotierten Schichten 2b auf, die zwischen Aufwachssubstrat 1 und aktiver Schicht 2a angeordnet sind. Auf der von dem Aufwachssubstrat 1 abgewandten Seite der aktiven Schicht 2a können in diesem Fall eine Mehrzahl von p-dotierten Schichten angeordnet sein.The n-doped layer 2b and the p-doped layer 2c of the
Die Dotierstoffkonzentration des n-Dotierstoffs in der n-dotierten Schicht oder den n-dotierten Schichten 2b erfüllt vorzugsweise folgende Bedingung:
Aufgrund der Wahl des n-Dotanden können mit Vorteil tensile Verspannungen im Halbleiterchip vermieden werden, wobei gleichzeitig eine dicke und hochdotierte Gruppe-III-Nitridschicht auf Silizium, Saphir oder SiC realisiert werden kann. Mit einem derart schweren n-Dotanden kann somit die aufwändige und von den Anforderungen nicht immer notwendige Reduktion der Versetzungen, die die Zugverspannung bei Dotierung maßgeblich auslösen, umgangen werden, wobei hochdotierte Schichten hergestellt werden können.Due to the selection of the n-dopant, tensile strains in the semiconductor chip can advantageously be avoided, while at the same time a thick and highly doped group III nitride layer can be realized on silicon, sapphire or SiC. With such a heavy n-dopant, the complex reduction of the dislocations, which is not always necessary due to the requirements and which decisively trigger the tensile stress during doping, can thus be avoided, with highly doped layers being able to be produced.
Der Halbleiterchip 10 weist vorteilhafterweise eine einseitige elektrische Kontaktierung auf. Das bedeutet, dass eine erste und zweite elektrische Anschlussfläche auf derselben Seite des Halbleiterchips 10 angeordnet sind und voneinander beispielsweise mittels einer isolierenden Trennschicht elektrisch gegeneinander isoliert sind.The
Durch die Verwendung eines n-Dotanden, der schwerer ist als Silizium, kann eine großflächige, kostengünstige und defektreduzierte Epitaxie und Halbleiterchipprozessierung auf Siliziumsubstraten ermöglicht werden. Insbesondere können dicke n-dotierte Schichten hergestellt werden, die eine verminderte mechanische Beschädigung wie beispielsweise Rissbildung aufweisen. So kann ein verbessertes Verfahren und ein Halbleiterchip mit verbesserten Eigenschaften erzielt werden.By using an n-dopant that is heavier than silicon, a large-area, cost-effective and defect-reduced epitaxy and semiconductor chip processing on silicon substrates can be made possible. In particular, thick n-doped layers can be produced which have reduced mechanical damage such as cracking. An improved method and a semiconductor chip with improved properties can thus be achieved.
In
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der
In
Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der
In
Das Verfahren betrifft beispielsweise die Herstellung eines Halbleiterchips gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Das Diagramm der
Wie in dem Diagramm gezeigt, weisen die Halbleiterschichten mit Silizium im späteren Herstellungsverfahren, insbesondere bei etwa 60 Minuten und mehr, eine geringere Verspannung auf als bei der Dotierung mit German und folglich eine höhere Zugverspannung nach dem Abkühlprozess (80 min). Mittels eines Dotanden wie German kann somit eine mechanische Beschädigung der Schichten, die aufgrund dieser auftretenden Verspannungen auftreten können, reduziert werden.The diagram of
As shown in the diagram, the semiconductor layers with silicon in the later manufacturing process, in particular at around 60 minutes and more, exhibit less stress than with doping with German and consequently higher tensile stress after the cooling process (80 min). A dopant such as German can thus be used to reduce mechanical damage to the layers, which can occur as a result of the stresses that occur.
Das Herstellungsverfahren zu dem Diagramm der
Im Zeitintervall 101 wird in einer Wachstumskammer, beispielsweise einem MOVPE-Reaktor, ein nasschemisch gereinigtes und deoxidiertes Siliziumsubstrat eingelegt und auf zirka 730 °C erhitzt. Anschließend folgt die Zuführung eines Aluminiumprecursors und von Ammoniak. Nach dem Wachstum von zirka 25 nm AlN wird die Probe auf 1050 °C unter weiterem Ammoniakfluss erhitzt und durch Zuführen eines Galliumprecursors das Wachstum einer GaN-Schicht des Halbleiterschichtenstapels gestartet. Als Resultat wirdeine 0,7 µm dicke GaN-Schicht hergestellt, die auf den oberen 500 nm eine Elektronenkonzentration von 5 × 1018 cm-3 aufweist. Aufgrund des Wachstumsprozesses liegt die Stufenversetzungsdichte typischerweise oberhalbvon 2 × 108 cm-2. Unter Verwendung der Bedingung D × DISEDGE × N ≥ 5 × 1023 cm-4 ergibt sich ein Wert von 5 × 1026. Hierzu ist Germanium als Dotierstoff verdünnt in Wasserstoff vorteilhaft geeignet. Durch den Einsatz dieses Dotanden kann eine Rissbildung in der GaN-Schicht auf dem Siliziumaufwachssubstrat vermieden werden. Die Verdünnung von German in Wasserstoff fällt in der Regel geringer aus als für Silan in Wasserstoff, da der Einbau im Vergleich ineffizienter ist und im Gegensatz zur Si-Dotierung mehr dampfdruckgetrieben ist. Beispielsweise isteine Verdünnung von 1%o bis 1 % GeH4 in H2 möglich.
- In
time interval 101, a wet-chemically cleaned and deoxidized silicon substrate is placed in a growth chamber, for example a MOVPE reactor, and heated to approximately 730°C. This is followed by the addition of an aluminum precursor and ammonia. After the growth of about 25 nm AlN, the sample is heated to 1050 °C with a further flow of ammonia and the growth of a GaN layer of the semiconductor layer stack is started by adding a gallium precursor. As a result, a 0.7 µm thick GaN layer is produced, which has an electron concentration of 5 × 10 18 cm -3 on the top 500 nm. Due to the growth process, the step dislocation density is typically above 2 × 10 8 cm -2 . Using the condition D × DIS EDGE × N ≥ 5 × 10 23 cm -4 gives a value of 5 × 10 26 . For this purpose, germanium is advantageously suitable as a dopant diluted in hydrogen. By using this dopant, crack formation in the GaN layer on the silicon growth substrate can be avoided. The dilution of German in hydrogen is generally lower than for silane in hydrogen, since the incorporation is comparatively less efficient and, in contrast to Si doping, is more driven by vapor pressure. For example, a dilution of 1% to 1% GeH 4 in H 2 is possible.
Ein alternatives Herstellungsverfahren zu dem Diagramm der
- Auf eine AIN-Keimschicht wird hochdotiert und direkt eine GaN-Schicht aufgewachsen. Durch eine hohe Versetzungsdichte von größer als 5 × 109 cm-2 am Anfang des heteroepitaktischen Wachstums kann ohne die Erzeugung einer nennenswerten Verspannung eine hohe Ladungsträgerkonzentration erzielt werden und somit ein niedriger Übergangswiderstand zum Siliziumsubstrat ermöglicht werden. Um bei der Dotierung Elektronenkonzentration von 5 x 1018 cm-3 zu realisieren, liegt auf den ersten 100 nm mit Stufenversetzungsdichten von größer als 5 × 109 cm-2 der nach obiger Bedingung errechnete Wert bei größer
als 2,5 × 1027 cm-4. Aufgrund eines Dotanden, der schwerer ist als Silizium, kann die Verspannung mit Vorteil auf ein geringeres Maß reduziert werden.
- An AlN seed layer is highly doped and a GaN layer is grown directly. A high dislocation density of greater than 5×10 9 cm -2 at the beginning of the heteroepitaxial growth can achieve a high charge carrier concentration without generating any appreciable strain, and thus a low contact resistance to the silicon substrate can be made possible. In order to achieve an electron concentration of 5×10 18 cm -3 during doping, the value calculated according to the above condition is greater than 2.5×10 27 cm on the first 100 nm with step dislocation densities of greater than 5×10 9 cm -2 -4 . Due to a dopant that is heavier than silicon, the strain can advantageously be reduced to a lower level.
Eine weitere Anwendung ist das Wachstum dicker n-dotierter Gruppe-III-Nitridschichten, meist mittels HVPE, auf einem Trägersubstrat für die Herstellung von Pseudosubstraten, die, abgelöst vom Trägersubstrat, als hochwertige Substrate für die Hetero- und Homoepitaxie dienen:
- Hier tritt für mit Si hochdotierten, leitfähigen Substraten meist eine starke inhomogene Krümmung auf, welche durch späteres Abschleifen der zum Aufwachssubstrat zeigenden Schicht reduziert wird. Dazu kommt die Schwierigkeit, dass durch die Dotierung und die damit verbundene starke Zugverspannung es während des Wachstums zur Rissbildung kommen kann. Weiterhin wird eine niedrige Versetzungsdichte meist durch ein forciertes 3d Wachstum, entweder nach dem ELOG Verfahren, mittels in-situ abgeschiedener Maskenschichten, wobei diese meist aus SiN bestehen, oder durch eine geringe Bekeimungsdichte, die zu einem 3d-Wachstum führt, erzielt. Die anschließende Koaleszenz wird dabei durch die Dotierung mit Si durch die parasitäre SiN Schichtbildung in unerwünschter Weise beeinflusst. Wird nun anstatt mit Silizium mit einem erfindungsgemäßen Dotanden dotiert, kann die entstehende Zugverspannung am Anfang des Wachstums reduziert werden und bei 3-dimensinonalem Inselwachstum dieses unbeeinflusster und damit einfacher als n-dotierte Schicht realisiert werden. Dies vermeidet in der Folge Risse während des Wachstums und sorgt für eine geringere Substratkrümmung des vom Wachstumssubstrat abgelösten Pseudosubstrats nach dem Wachstum.
- Here, for conductive substrates highly doped with Si, there is usually a strong inhomogeneous curvature, which is reduced by later grinding down the layer pointing to the growth substrate. In addition, there is the difficulty that the doping and the associated strong tensile stress lead to crack formation during growth can come. Furthermore, a low dislocation density is usually achieved through forced 3D growth, either using the ELOG process, using in-situ deposited mask layers, which usually consist of SiN, or through a low seeding density, which leads to 3D growth. The subsequent coalescence is influenced in an undesired manner by the doping with Si through the parasitic SiN layer formation. If a dopant according to the invention is now doped instead of silicon, the resulting tensile stress at the beginning of the growth can be reduced and, in the case of 3-dimensional island growth, this can be realized in a more unaffected and thus simpler way than an n-doped layer. This subsequently avoids cracks during growth and ensures less substrate curvature of the pseudo-substrate detached from the growth substrate after growth.
In
Anschließend im Verfahrensschritt 303 werden die Schichten des Halbleiterschichtenstapels auf die aluminiumhaltige Zwischenschicht aufgebracht. Durch die aluminiumhaltige Zwischenschicht wird in der darauffolgenden Schicht des Halbleiterschichtenstapels eine Kompression erzeugt.Subsequently, in
Im Verfahrensschritt 304 findet anschließend eine Dotierung der Schicht oder Schichten des Halbleiterschichtenstapels statt. Anschließend an den Dotierprozess wird der so hergestellte Halbleiterchip abgekühlt.In
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-
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