DE102011003409A1 - Heteroepitaktische Herstellung von Germanium mit geringer Versetzungsdichte auf einem gitterfehlangepassten Substrat - Google Patents

Heteroepitaktische Herstellung von Germanium mit geringer Versetzungsdichte auf einem gitterfehlangepassten Substrat Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Germaniumschicht auf einem gitterfehlangepassten Substrat in einem Reaktor, umfassend Abscheiden von Germanium auf dem Substrat zur Herstellung einer vorläufigen Germaniumschicht mit einer ersten Schichtdicke; anschließendes Rückätzen der vorläufigen Germaniumschicht um einen Bruchteil der ersten Schichtdicke; und anschließendes weiteres Abscheiden von Germanium auf der nach dem Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke der herzustellenden Germaniumschicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Germaniumschicht auf einem gitterfehlangepassten Substrat in einem Reaktor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Halbleiterbauelements, welches eine Germaniumschicht aufweist.
  • Ein heteroepitaktisches Wachstum von Germanium auf Fremdsubstraten, insbesondere auf Silizium, ist für verschiedene Anwendungen von Interesse, beispielsweise für die Herstellung optoelektronischer Bauelemente wie Leuchtdioden, Laserdioden und Photodetektoren.
  • Zwischen den Kristallgittern von Germanium und Silizium besteht jedoch eine relativ hohe Gitterfehlanpassung (strain) von 4,2%. Eine kritische Schichtdicke, die denjenigen Abstand von der Grenzfläche zwischen Silizium und Germanium beschreibt, ab welchem in das aufwachsende Germaniumgitter strukturelle Defekte eingebaut werden, welche die beim pseudomorphen Aufwachsen entstehende Gitterverspannung (stress) relaxieren, liegt im Bereich von nur wenigen Nanometern. Dies führt ohne Anwendung besonderer Wachstumsverfahren zu einem dreidimensionalen Wachstumsmodus der Germaniumschicht auf dem Siliziumsubstrat. Es entstehen auf dem Siliziumsubstrat zunächst einzelne Kristallite, die mit zunehmender Schichtdicke dann lateral zusammenwachsen.
  • Eine Grenzfläche zwischen Silizium und Germanium weist aufgrund dieser Verhältnisse eine hohe Dichte von Versetzungen auf, welche sich als fadenförmige Versetzungen (engl. threading dislocations, TD) in der abgeschiedenen Germaniumschicht ausbreiten. Unter anderem aufgrund solcher fadenförmiger Versetzungen sind die elektrischen Eigenschaften der Germaniumschicht typischerweise degradiert. Beispielsweise ist der Dunkelstrom erhöht, was insbesondere bei Photodetektoren die Empfindlichkeit für den Nachweis photoindizierter Ströme reduziert.
  • Es ist bekannt, zur Reduzierung der Versetzungsdichte im Germanium eine dicke Pufferschicht aus Siliziumgermanium (SiGe) auf dem Siliziumsubstrat vorzusehen. Die Zusammensetzung einer solchen SiGe-Pufferschicht weist einen Gradienten auf. Im substratnahen Bereich ist die Siliziumkonzentration hoch. Sie nimmt mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche zugunsten des Germaniumanteils ab. Auf diese Weise kann eine Germaniumschicht mit einer geringen Gitterfehlanpassung zur darunterliegenden Pufferschicht abgeschieden werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist eine erhöhte Oberflächenrauigkeit der aufwachsenden Schicht. Eine Dichte fadenförmiger Versetzungen (threading dislocation density, TDD) von 2,1 × 106 cm–2 in einer mit 12 μm besonders dicken Germaniumschicht und eine mittlere (RMS, root mean square) Oberflächenrauigkeit von bis zu 47 nm wurden mit diesem Verfahren erzielt (M. T. Currie, et al.:, Appl. Phys. Lett. 72 14 (1998) 1718).
  • Weiterhin ist es bekannt, die Dichte fadenförmiger Versetzungen durch eine Verwendung einer hohen Schichtdicke der abgeschiedenen Germaniumschicht zu reduzieren. Für die Anwendung in Halbleiterbauelementen ist eine hohe Dicke der Germaniumschicht jedoch oft unerwünscht, weil sie eine große Stufe zwischen der Germaniumschicht und dem darunterliegenden Substrat hervorruft und in integrierten Bauelementen die Herstellung eines Kontakts zwischen optoelektronischen Bauelementen und elektronischen Bauelementen erschwert. Bereits die oben erwähnte Schichtdicke von 12 μm ist für eine Anwendung in integrierten optoelektronischen Bauelementen nachteilig.
  • Ein anderer bekannter Ansatz zur Reduzierung der Versetzungsdichte in der Germaniumschicht ist eine direkte Abscheidung von Germanium unmittelbar auf einem Siliziumsubstrat und die Verwendung von thermischen Ausheilprozessen (nachfolgend als Annealing-Prozesse bezeichnet) während oder nach dem Wachstum der Germaniumschicht. Diese Verfahren führen zu einer in etwa vergleichbaren Versetzungsdichte wie bei dem oben beschriebenen Verfahren mit Unterstützung durch eine Pufferschicht, können jedoch zusätzlich eine deutlich geringere Oberflächenrauigkeit in Höhe von bis zu etwa 5 nm (RMS) erzielen.
  • Es ist schließlich bekannt, die Dichte fadenförmiger Versetzungen mit Annealing-Temperaturen im Bereich von 900°C zu reduzieren.
  • Hohe Annealing-Temperaturen führen jedoch zu einer Verschlechterung der Oberfläche, d. h. zu einer Erhöhung der Oberflächenrauigkeit. Zudem erhöhen sie das thermische Budget, was für viele elektronische Bauelemente bei der industriellen Fertigung von integrierten Halbleiterbauelementen in einem CMOS- oder BiCMOS-Prozess nachteilig ist.
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das die Dichte fadenförmiger Versetzungen einer Germaniumschicht auf einem Fremdsubstrat reduziert, ohne die Nachteile der vorstehend beschriebenen Lösungen in Kauf nehmen zu müssen.
  • Das technische Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Germaniumschicht auf einem gitterfehlangepassten Substrat in einem Reaktor, umfassend:
    • – Abscheiden von Germanium auf dem Substrat zur Herstellung einer vorläufigen Germaniumschicht mit einer ersten Schichtdicke;
    • – anschließendes Rückätzen der vorläufigen Germaniumschicht um einen Bruchteil der ersten Schichtdicke; und
    • – anschließendes weiteres Abscheiden von Germanium auf der nach dem Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke der herzustellenden Germaniumschicht.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es nachweislich, Germanium mit einer dünnen Schichtdicke von unter 5 μm herzustellen, die eine besonders geringe Dichte fadenförmiger Versetzungen (TDD) aufweist. Erzielte Werte der TDD liegen beispielsweise bei einer Ge-Schichtdicke von etwa 4,5 μm bei unter 106 cm–2. Das Verfahren erzielt solche Werte der TDD ohne Verwendung von Hochtemperatur-Annealingschritten.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Alternativen zueinander beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nach dem Rückätzen der vorläufigen Germaniumschicht um einen Bruchteil der ersten Schichtdicke ein anschließendes weiteres Abscheiden von Germanium auf der nach dem Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht vor. Dieses weitere Abscheiden wird bevorzugt in ähnlicher Weise durchgeführt wie das vorherige erfindungsgemäße Vorgehen. Daher wird im Rahmen dieser Anmeldung in diesem Zusammenhang auch von einem Ätz-/Abscheidezyklus gesprochen. Dieser ist ein oder mehrmals wiederholt hintereinander ausführbar. Das weitere Abscheiden von Germanium auf der nach dem Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht umfasst also in einem Ausführungsbeispiel:
    • – Abscheiden von Germanium bis zum Erreichen einer zweiten Schichtdicke der vorläufigen Germaniumschicht, die größer oder gleich der ersten Schichtdicke ist;
    • – anschließendes erneutes Rückätzen der vorläufigen Germaniumschicht um einen Bruchteil der zweiten Schichtdicke, vorzugsweise bis zur selben verbleibenden Schichtdicke der vorläufigen Germaniumschicht wie beim vorhergehenden Rückätzen; und
    • – anschließendes weiteres Abscheiden von Germanium auf der nach dem erneuten Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht.
  • Dieses Ausführungsbeispiel sieht zwei Wachstums- und Rückätzzyklen vor, in denen die vorläufige Germaniumschicht zunächst aufgewachsen und anschließend teilweise wieder entfernt wird, bevor abschließend die Germaniumschicht bis zur gewünschten Dicke zu Ende gewachsen wird. In anderen Ausführungsbeispielen wird der Wachstums- und Rückätzzyklus häufiger als zweimal durchgeführt. Dabei wird bevorzugt mit jedem Rückätzschritt die Gesamtdicke der Ge-Schicht nicht erhöht, sondern immer wieder bis zur selben verbleibenden Schichtdicke der vorläufigen Germaniumschicht zurückgeätzt. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise eine noch geringere Dichte fadenförmiger Versetzungen erzielt werden kann, als wenn die verbleibende Schichtdicke nach und nach bei jedem Rückätzschritt erhöht wird.
  • Eine zusätzliche Reduzierung der Dichte fadenförmiger Versetzungen gelingt, wenn im Zuge des Abscheidens von Germanium mindestens zwei Annealing-Zyklen durchgeführt werden, wobei ein Annealing-Zyklus beinhaltet:
    • – Unterbrechen einer Zufuhr eines gasförmigen Germaniumprecursors in den Reaktor;
    • – Durchführen eines Annealing-Prozesses im Reaktor während der Unterbrechung; und
    • – Fortsetzen der Zufuhr des Germaniumprecursors nach Abschluss des Annealing-Prozesses.
  • Dabei wird der Annealing-Prozess vorzugsweise so durchgeführt, dass das Substrat auf eine Temperatur zwischen 700 und maximal 900°C aufgeheizt wird. Eine besonders gute Eindämmung des thermischen Budgets bei zugleich sehr guter Kristallstruktur wird bei Verwendung einer maximalen Substrattemperatur während des Annealing-Prozesses von 800°C erzielt. Im gleichen Sinne wirkt auch ein Nach-Annealing-Prozess (engl. post annealing) nach Ende des Abscheidens der Germaniumschicht. Dieser wird in Ausführungsbeispielen im selben Temperaturbereich durchgeführt, in dem auch die Annealing-Prozesse im Annealing-Zyklus während des Abscheidens von Germanium durchgeführt werden.
  • Zum Rückätzen kann bei Abscheidung in einem Gasphasenreaktor ein gasförmiges Ätzmittel unmittelbar im Reaktor zum Einsatz kommen. Geeignet ist beispielsweise gasförmiges HCl.
  • Die vorstehend beschriebenen Verfahren eignen sich insbesondere zur Abscheidung von Germanium auf Silizium. Hier liegt auch ihr derzeitiges Hauptanwendungsgebiet, nämlich die Abscheidung von Germanium im Zuge der Herstellung von optoelektronischen Bauelementen. Diese können insbesondere mit elektronischen Bauelementen auf ein und demselben Chip integriert sein. Da Germanium eine direkte Bandlücke aufweist, können effiziente Lichtemitter und empfindliche Detektoren im infraroten Spektralbereich gemeinsam mit elektronischen Bauelementen wie beispielsweise Verstärkerschaltungen, Treiberschaltungen oder digitalen Verarbeitungsschaltungen wie Prozessoren hergestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf Silizium als Fremdsubstrat beschränkt. Es ist vielmehr im gleichen Sinne für andere Fremdsubstrate anwendbar, mit denen eine vergleichbar hohe oder sogar noch höhere Gitterfehlanpassung besteht. Ein Beispiel eines anderen, wenn auch verwandten Fremdsubstrats ist eine Siliziumgermanium-Substratoberfläche.
  • Weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1–4 schematische Querschnittdarstellungen eines Substrats mit einer Germaniumschicht während unterschiedlicher Stadien eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verfahrensführung;
  • 5 und 6 schematische Querschnittdarstellungen des Substrats mit der Germaniumschicht aus den 1 bis 4 bei einer zyklischen Wiederholung des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 7 ein Diagramm zum Vergleich der Dichte fadenförmiger Versetzungen bei einer Verfahrensführung nach dem ersten Ausführungsbeispiel und seiner Variante mit einer Abscheidung ohne Rückätz-/Abscheidezyklus; und
  • 8 ein Diagramm zur Darstellung der Dichte fadenförmiger Versetzungen in Abhängigkeit von der Germanium-Schichtdicke mit und ohne Ätz-/Abscheidezyklus.
  • 1 bis 4 zeigen schematische Querschnittdarstellungen eines Substrats mit einer Germaniumschicht während unterschiedlicher Stadien eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verfahrensführung.
  • Bei der Verfahrensführung gemäß den 1 bis 4 wird ein Substrat 10 verwendet, das gegenüber Germanium eine Gitterfehlanpassung aufweist. Das für die industrielle Anwendung wichtigste Substratmaterial ist Silizium. Das nachfolgend erläuterte Verfahren ist jedoch grundsätzlich auch auf allen anderen Substratmaterialien anwendbar, die gegenüber Germanium eine Gitterfehlanpassung aufweisen.
  • In einem ersten Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in 2 dargestellt ist, wird eine vorläufige Germaniumschicht 12 auf dem Siliziumsubstrat 10, hier beispielsweise ein Silizium(100)-Wafer, abgeschieden. Hierzu wird das Siliziumsubstrat 10 zu Beginn vorzugsweise bei 1000°C in einer Wasserstoff(H2)-Gasatmosphäre von seiner nativen Oxidschicht befreit. Anschließend wird das Substrat 10 auf eine Temperatur von 300°C abgekühlt. Um eine wasserstofffreie Siliziumoberfläche zu bilden, wird während des Abkühlungsprozesses die Gasatmosphäre bei 600°C von Wasserstoff H2 zu Stickstoff N2 ausgetauscht. Anschließend wird zunächst bei der Temperatur von 300°C eine nur 50 nm dicke Germaniumschicht aufgewachsen (in 2 nicht separat dargestellt). Als Precursor in einem chemischen Gasphasenabscheideverfahren (chemical vapor deposition, CVD) wird im vorliegenden Beispiel eine Gasmischung von Stickstoff N2 und German GeH4 verwendet. Mit diesem Tieftemperatur-Wachstumsschritt gelingt es, auf der Siliziumoberfläche trotz der hohen Gitterfehlanpassung eine zweidimensionale Germaniumschicht auszubilden, im Unterschied zu einem eingangs erwähnten dreidimensionalen Wachstum.
  • Nach diesem Schritt wird das Substrat 10 mit der nur 50 nm dicken Germaniumschicht in einer Wasserstoffatmosphäre auf 550°C aufgeheizt. Das Wachstum von Germanium zur Bildung der vorläufigen Germaniumschicht 12 wird mit einer Gasmischung von Wasserstoff H2 und GeH4 fortgesetzt. Während dieses Wachstumsschritts wird die Zufuhr des Germaniumprecursors German GeH4 einige Male unterbrochen, um einen Annealing-Zwischenschritt in der Wasserstoffatmosphäre bei maximal 800°C durchzuführen. Der jeweilige Annealing-Zwischenschritt endet mit einem Abkühlen des Substrats auf 550°C, um anschließend bei wieder gestarteter German-Zufuhr das Wachstum in einer H2-GeH4-Gasatmosphäre fortzusetzen. Nach Erreichen einer gewünschten Schichtdicke für die vorläufige Germaniumschicht 12, beispielsweise etwa 930 nm, wird ein weiterer Annealing-Schritt (post annealing) durchgeführt, unter den gleichen Prozessbedingungen wie die Annealing-Zwischenschritte. Mit Hilfe der Annealing-Zwischenschritte und dem abschließenden Annealing gelingt es, eine relativ geringe Dichte fadenförmiger Versetzungen (threading dislocation density, TDD) in der Germaniumschicht zu erzielen. Solche fadenförmigen Versetzungen TD sind in 2 schematisch dargestellt. Sie haben eine besonders hohe Dichte in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Substrat 10 und der Germaniumschicht 12. Eine etwas geringere Anzahl von Versetzungslinine ziehen sich von der Grenzfläche zwischen dem Substrat 10 und der vorläufigen Germaniumschicht 12 bis zur Oberfläche der vorläufigen Germaniumschicht durch. Nicht dargestellt sind in 2 ebenfalls vorhandene fadenförmige Versetzungen, die einen Verlauf parallel zur Grenzfläche nehmen. Unter anderem aufgrund solcher hier nicht dargestellter „gebogener” Versetzungslinien nimmt die Dichte der Versetzungen mit zunehmender Schichtdicke der vorläufigen Germaniumschicht typischerweise ab, was jedoch erst bei Dicken von mehr als 5 μm zu einer deutlichen Verbesserung der Kristallstruktur führt.
  • In einem anschließenden Rückätzschritt, dessen Ergebnis in 3 dargestellt ist, wird die vorläufige Germaniumschicht 12 mit Hilfe von gasförmigen HCl im CVD-Reaktor rückgeätzt. Beispielsweise werden 650 nm der vorläufigen Germaniumschicht 12 entfernt, so dass auf dem Siliziumsubstrat 10 eine vorläufige Germaniumschicht 12 von etwa 280 nm Schichtdicke verbleibt.
  • In einem darauf folgenden Prozessschritt, dessen Ergebnis in 4 dargestellt ist, wird die vorläufige Germaniumschicht 12 durch einen weiteren Germanium-Abscheideschritt auf der nach dem Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht 12 wieder ergänzt. Der dabei aufgewachsene Schichtteil ist in 4 mit dem Bezugszeichen 14 versehen. Die Verfahrensführung bei diesem Abscheideschritt entspricht der, die auch zur Abscheidung der vorläufigen Germaniumschicht 12 (vgl. obige Beschreibung zu 2) verwendet wird. Selbstverständlich kann jedoch hier auf das anfängliche Abscheiden bei tiefen Temperaturen zur Bildung einer zweidimensionalen Germaniumschicht verzichtet werden und gleich bei 550°C in einer H2-GeH4-Atmosphäre abgeschieden werden. Die Gesamtdicke der aus den Schichtteilen der vorläufigen Germaniumschicht 12 und und der darauf abgeschiedenen Germaniumschicht 14 zusammengesetzten Germaniumschicht 20 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 930 nm, ist also mit der ursprünglich abgeschiedenen Schichtdicke der vorläufigen Germaniumschicht 12 identisch. Dies ist jedoch keine notwendige Voraussetzung für das Erzielen der Vorteile Verfahrens. Es können auch geringere oder höhere Schichtdicken gewählt werden, wie weiter unten anhand von 8 näher erläutert wird.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel endet mit diesem Schritt die Verfahrensführung. Es entsteht auf diese Weise eine Germaniumschicht 20, die eine verringerte Dichte fadenförmiger Versetzungen aufweist.
  • In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens, die nachfolgend anhand der 5 und 6 erläutert wird, wird der in den 1 bis 4 dargestellte Zyklus von Abscheiden, Rückätzen und erneutem Abscheiden ausgehend von der Germaniumschicht 20 der 4 noch einmal wiederholt. Dazu wird zunächst die zweite Teilschicht 14 teilweise rückgeätzt und anschließend eine dritte Teilschicht 16 zur Bildung einer Germaniumschicht 20' abgeschieden. Mit dieser Wiederholung des Ätz-/Abscheidezyklus, der hier mit dem Schichtteil 14 der Germaniumschicht 20 durchgeführt wird, um einen neuen Schichtteil 16 der Germaniumschicht 20' mit beispielsweise gleicher Dicke von insgesamt 930 nm herzustellen, gelingt es, die flächenbezogene Dichte der fadenförmigen Versetzungen TD noch einmal zu reduzieren. Dabei wird bevorzugt der Rückätzschritt so durchgeführt, dass die danach verbleibende Schichtdicke wiederum 280 nm beträgt, genau wie nach dem ersten Rückätzschritt, vgl. 3. Der Schichtteil 14 wird also bevorzugt vollständig entfernt, um eine möglichst Dichte fadenförmiger Versetzungen zu erzielen. Diese Dichte ist nach dem dann folgenden Abscheideschritt für den Schichtteil 16 der Germaniumschicht 20' um so geringer, je größer die schließlich erreichte Schichtdicke ist. Jedenfalls werden aber schon bei der Schichtdicke von 930 nm, die entsprechend der 6 erneut erreicht wird, deutlich geringere Werte der Dichte fadenförmiger Versetzungen erzielt als sie mit Verfahren nach dem Stand der Technik erzielt werden. Auch gegenüber dem Verfahrensstand nach 4 ist eine deutliche Verbesserung erzielbar, wie nachfolgend im Einzelnen erläutert wird.
  • Ergebnisse beispielhafter Verfahrensführungen mit einmaligem (1 bis 4) und zweimaligem (1 bis 6) Ätz-/Abscheidezyklus sind in 7 dargestellt. 7 zeigt in einem Diagramm Werte der Dichte fadenförmiger Versetzungen einer Germaniumschicht von etwa 930 nm Dicke auf einem Silizium(100)-Substrat bei Verfahrensführungen nach den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen im Vergleich mit Werten bei einer Abscheidung ohne Rückätz-/Abscheidezyklus. Die Messungen wurden an unterschiedlichen Proben durchgeführt, die jeweils eine Germaniumschichtdicke von etwa 930 nm aufweisen. Alle Proben wurden während des Wachstums dem oben beschriebenen zyklischen Annealing-Prozess unterzogen. Jedoch wurden nur die durch gefüllte Quadrate symbolisierten Proben einem bzw. zwei Ätz-/Abscheidezyklen unterworfen. Dargestellt ist die Dichte TDD fadenförmiger Versetzungen in Einheiten von 107 cm–2 als Funktion der Gesamt-Annealingdauer während des Herstellungsprozesses der betreffenden Schicht in Einheiten von Minuten. Bei der Gesamt-Annealingdauer handelt es sich also um die kumulierten Zeitspannen alter Annealing-Schritte, die während der Verfahrensführung durchgeführt werden. Das Diagramm zeigt in offenen Kreisen TDD-Werte einer Verfahrensführung, die nur Annealing-Schritte, jedoch keinen Ätz-/Abscheidezyklus aufweist. Mit gefüllten Quadraten sind demgegenüber die Werte der erzielten Dichte TDD fadenförmiger Versetzungen dargestellt, die nach einem ersten Ätz-/Abescheidezyklus bzw. nach einem zweiten Ätz-/Abescheidezyklus erzielt werden.
  • Die bei einer Gesamtannealingdauer von etwa 12 Minuten gemessene Versetzungsdichte TDD von etwa 9 × 107 cm–2 entspricht der Versetzungsdichte, wie sie auch bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Stadium der 2 erzielt wird. Wird eine solche Probe anschließend lediglich weiterem Annealing unterworfen, so zeigen die weiteren offenen Kreise in 7, dass keine signifikante Reduzierung der Versetzungsdichte TDD erzielt werden kann. Dagegen ist die mit Hilfe des Ätz-/Abscheidezyklus erzielbare Dichte TDD fadenförmiger Versetzungen signifikant geringer. Sie beträgt nach einem ersten Ätz-/Abscheidezyklus etwa 5 × 107 cm–2, und nach einem zweiten Ätz-/Abscheidezyklus etwa 3 × 107 cm–2. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es in diesem Beispiel also, die Versetzungsdichte TDD um einen Faktor 3 gegenüber einer Verfahrensführung ohne Ätz-/Abscheidezyklus zu reduzieren. Es versteht sich, dass der Ätz-/Abscheidezyklus auch mehr als zweimal wiederholt werden kann, um noch geringere Werte der Versetzungsdichte zu erzielen.
  • 8 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Dichte fadenförmiger Versetzungen in Abhängigkeit von der Germanium-Schichtdicke mit und ohne Ätz-/Abscheidezyklus. Zwei Proben mit einer Schichtdicke von 4,5 μm wurde nach ihrer Herstellung mit unterschiedlichen Verfahrensführungen in mehreren Stufen zu Messzwecken rückgeätzt. Nach jeder Rückätzstufe wurde die an der jeweiligen Oberfläche messbare Dichte TDD fadenförmiger Versetzungen ermittelt. In 8 ist mit offenen Kreisen die Versetzungsdichte TDD einer Probe dargestellt, die ohne Ätz-/Abscheidezyklus, jedoch mit identischer Gesamtannealingdauer hergestellt wurde wie die Vergleichsprobe, die mehreren Ätz-/Abscheidezyklen während ihrer Herstellung unterworfen wurde und deren Versetzungsdichte mit offenen Quadraten symbolisiert ist. Es zeigt sich anhand von 8, dass die erfindungsgemäße Verfahrensführung ihre Vorteile insbesondere bei geringeren Germanium-Schichtdicken im Bereich von bis zu 3,5 μm entfaltet. Bei einer Schichtdicke von etwa 4,5 μm sind die mit und ohne das erfindungsgemäße Verfahren messbaren Versetzungsdichten etwa gleich. Bei geringeren Schichtdicken gelingt jedoch durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Reduzierung der Versetzungsdichte TDD um etwa eine Größenordnung.
  • Da in integrierten Bauelementen, die neben aktiven elektronischen Bauelementen wie Transistoren etc. auch germaniumbasierte Bauelemente wie Lichtemitter oder Fotodetektoren enthalten, eine möglichst geringe Stufenhöhe auf dem Siliziumwafer angestrebt wird, entfaltet das erfindungsgemäße Verfahren gerade in der industriellen Anwendung große Vorteile.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • M. T. Currie, et al.:, Appl. Phys. Lett. 72 14 (1998) 1718 [0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Germaniumschicht auf einem gitterfehlangepassten Substrat in einem Reaktor, umfassend: – Abscheiden von Germanium auf dem Substrat zur Herstellung einer vorläufigen Germaniumschicht mit einer ersten Schichtdicke; – anschließendes Rückätzen der vorläufigen Germaniumschicht um einen Bruchteil der ersten Schichtdicke; und – anschließendes weiteres Abscheiden von Germanium auf der nach dem Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke der herzustellenden Germaniumschicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Abscheiden von Germanium auf der nach dem Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht umfasst: – Abscheiden von Germanium bis zum Erreichen einer zweiten Schichtdicke der vorläufigen Germaniumschicht, die größer oder gleich der ersten Schichtdicke ist; – anschließendes erneutes Rückätzen der vorläufigen Germaniumschicht um einen Bruchteil der zweiten Schichtdicke, insbesondere bis zur selben verbleibenden Schichtdicke der vorläufigen Germaniumschicht wie beim vorangegangenen Rückätzen; und – anschließendes weiteres Abscheiden von Germanium auf der nach dem erneuten Rückätzen verbleibenden vorläufigen Germaniumschicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Rückätzen der vorläufigen Schicht insgesamt mehr als zwei Mal durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Zuge des Abscheidens von Germanium mindestens zwei Annealingzyklen durchgeführt werden, wobei ein Annealingzyklus beinhaltet: – Unterbrechen einer Zufuhr eines gasförmigen Germaniumprecursors in den Reaktor; – Durchführen eines Annealing-Prozesses im Reaktor während der Unterbrechung; und – Fortsetzen der Zufuhr des Germaniumprecursors nach Abschluss des Annealing-Prozesses.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Annealing-Prozess ein Aufheizen des Substrats auf eine Temperatur von zwischen 700°C und 900°C umfasst, vorzugsweise bis maximal 800°C.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem nach einem Ende des Abscheidens der Germaniumschicht ein Nach-Annealing-Prozess durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Rückätzen mit Hilfe von gasförmigem HCl als Ätzmittel durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als Substrat Silizium verwendet wird.
  9. Verfahren zur Herstellung eines integrierten Halbleiterbauelements, das eine Germaniumschicht aufweist, umfassend ein Verfahren zur Herstellung der Germaniumschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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Title
"Benefits and side effects of high temperature anneal used to reduce threading dislocation defects in epitaxial Ge layers on Si substrates", V. Terzieva et al., Thin Solid Films 517 (2008), Seite 172-177. *
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