DE102015109677A1

DE102015109677A1 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips und Wachstumssubstrat

Info

Publication number: DE102015109677A1
Application number: DE102015109677.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Gotschke; Werner Bergbauer; Jürgen Off; Thomas Lehnhardt; Alexander Frey
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2016-12-22

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips, insbesondere von Leuchtdiodenchips, eingerichtet und umfasst die Schritte: – Erzeugen einer Modulation an einer Wachstumsseite (20) eines Wachstumssubstrats (2), und – nachfolgend Wachsen einer Halbleiterschichtenfolge (4) auf dem Wachstumssubstrat (2), wobei durch die Modulation die Halbleiterschichtenfolge (4), in Draufsicht gesehen, abwechselnd stellenweise druckverspannt und stellenweise zugverspannt gewachsen wird, sodass während des Wachsens eine Durchbiegung (B) des Wachstumssubstrats (2) reduziert wird, im Vergleich zu einem Wachsen ohne der Modulation.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips angegeben. Darüber hinaus wird ein Wachstumssubstrat zum Erzeugen von Halbleiterchips angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Halbleiterschichtenfolge über ein Wachstumssubstrat hinweg homogen wachsbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mit dem Verfahren ein Halbleiterchip hergestellt. Bei dem Halbleiterchip handelt es sich bevorzugt um einen optoelektronischen Halbleiterchip. Insbesondere handelt es sich bei dem Halbleiterchip um einen Leuchtdiodenchip oder um einen Laserdiodenchip. Es kann der Halbleiterchip zur Aussendung von blauem Licht oder von nahultraviolettem Licht eingerichtet sein. Eine Emissionswellenlänge des fertig hergestellten Halbleiterchips liegt beispielsweise bei mindestens 380 nm oder 410 nm und/oder bei höchstens 520 nm oder 480 nm oder 460 nm. Die Emissionswellenlänge ist dabei die Wellenlänge maximaler Intensität, auch als Peak Wavelength bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Erzeugens einer Modulation an einer Wachstumsseite eines Wachstumssubstrats. Das Wachstumssubstrat ist dabei dazu eingerichtet, dass darauf eine Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen wird. Insbesondere wird die Halbleiterschichtenfolge unmittelbar auf das Wachstumssubstrat aufgewachsen, beispielsweise epitaktisch. Die Modulation an der Wachstumsseite kann eine Modulation der Wachstumsseite selbst, beispielsweise durch eine geometrische Variation einer Oberflächenstruktur, oder eine Modulation in einer Schicht direkt oder mittelbar an der Wachstumsseite sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Wachsen der Halbleiterschichtenfolge nach dem Erzeugen der Modulation. Als Halbleiterschichtenfolge wird hierbei insbesondere derjenige Teil der Halbleiterschichtenfolge verstanden, der funktionell zur Strahlungserzeugung eingerichtet ist oder der funktionell für die Strahlungserzeugung notwendig ist. Beispielsweise sind solche funktionellen Schichten dann Quantentopfschichten, Stromverteilungsschichten, Mantelschichten oder Ladungsträgerblockierschichten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch die Modulation die Halbleiterschichtenfolge, insbesondere in Draufsicht auf die Wachstumsseite gesehen, stellenweise druckverspannt und stellenweise zugverspannt gewachsen. Druckverspannte und zugverspannte Bereiche folgen, in Draufsicht gesehen, bevorzugt abwechselnd aufeinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist während des Wachsens der Halbleiterschichtenfolge eine Durchbiegung des Wachstumssubstrats reduziert, im Vergleich zu einem Wachsen ohne eine solche Modulation. Mit anderen Worten dient die Modulation dazu, ein Durchbiegen des Wachstumssubstrats zumindest während des Wachsens zu vermeiden oder zu reduzieren.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips, insbesondere von Leuchtdiodenchips, eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte:

– Erzeugen einer Modulation an einer Wachstumsseite eines Wachstumssubstrats, und
– nachfolgend Wachsen einer Halbleiterschichtenfolge auf dem Wachstumssubstrat, wobei durch die Modulation die Halbleiterschichtenfolge, in Draufsicht gesehen, abwechselnd stellenweise druckverspannt und stellenweise zugverspannt gewachsen wird, sodass während des Wachsens eine Durchbiegung des Wachstumssubstrats reduziert wird, im Vergleich zu einem Wachsen ohne eine solche Modulation.

Durch Gitterfehlanpassungen und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen einem Wachstumssubstrat und einer darauf etwa epitaktisch gewachsenen Schicht kommt es zu Verspannungen in dem System Wachstumssubstrat-Epitaxieschicht. Hierdurch biegt sich das Wachstumssubstrat während des Epitaxieprozesses in Abhängigkeit von der Wachstumstemperatur, einer Zusammensetzung der Epitaxieschicht und einer Schichtdicke der Epitaxieschicht durch. Aufgrund dieser Durchbiegung können Inhomogenitäten in den Wachstumsbedingungen über das Wachstumssubstrat hinweg auftreten. Beispielsweise kann hierdurch lokal eine Schichtdicke oder temperaturinduziert die Zusammensetzung und damit etwa eine Emissionswellenlänge verändert sein, im Vergleich zu einer Zielemissionswellenlänge. Nach dem Epitaxieprozess kann die Verspannung auch zu einer Durchbiegung des bewachsenen Wachstumssubstrats führen. Es kann eine Handhabung des Wachstumssubstrats in durchgebogenem Zustand erschwert sein, im Vergleich zu unverspannten Wachstumssubstraten.
Zu einer Reduzierung der Durchbiegung des Substrats ist es möglich, Wachstumssubstrate mit größeren Dicken zu wählen. Dies ist jedoch mit höheren Kosten verbunden, entweder in der Anschaffung oder auch in einem nachträglichen Schritt eines Dünnens des Substrats auf eine gewünschte Dicke.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist eine Durchbiegung eines Wachstumssubstrats während und nach dem Wachsen der Halbleiterschichtenfolge verringerbar oder vermeidbar. Durch eine Variation der für das Anwachsen relevanten Oberflächen über die Wachstumsseite hinweg entstehen unterschiedliche Verspannungen in den jeweiligen Regionen. Dies führt für das Gesamtsystem zu gegenläufigen Verspannungen und damit zu einer Reduktion der Durchbiegung insgesamt. Hierdurch können dünnere Wachstumssubstrate verwendet werden. Auch sind hinsichtlich der Prozessparameter größere Toleranzen während des epitaktischen Wachstums der Halbleiterschichtenfolge anwendbar. Weiterhin können höhere Dotierstoffkonzentrationen in Teilschichten der Halbleiterschichtenfolge gewählt werden, womit eine höhere Effizienz der fertigen Halbleiterchips einhergehen kann. Durch homogenere Halbleiterschichtenfolgen ist auch eine Ausbeute erhöhbar, beispielsweise hinsichtlich der gewünschten Emissionswellenlänge. Durch homogenere Epitaxiebedingungen ist auch eine Vorwärtsspannung der fertig hergestellten Leuchtdiodenchips optimierbar. Auch in weiteren Chipprozessen, wie etwa einem Vereinzeln, ist eine reduzierte Verbiegung des Wachstumssubstrats vorteilhaft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Wachstumsseite durch eine Oberflächenstrukturierung des Wachstumssubstrats gebildet. Die Oberflächenstrukturierung erstreckt sich bevorzugt über das ganze Wachstumssubstrat und über die ganze Wachstumsseite hinweg. Die Oberflächenstrukturierung ist bevorzugt durch Erhebungen und/oder durch Senken in der Wachstumsseite gebildet. Dabei kann die Wachstumsseite im Mittel gesehen nahezu bis komplett planar geformt sein, unter Vernachlässigung der Oberflächenstrukturierung. Mit anderen Worten ist das Wachstumssubstrat dann an der Wachstumsseite, über das gesamte Wachstumssubstrat hinweg gesehen, weder konkav noch konvex geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Modulation durch eine Variation von Strukturgrößen und/oder einer Flächenbelegung der Wachstumsseite mit der Oberflächenstrukturierung gebildet. Mit anderen Worten variiert dann aufgrund der Modulation eine mittlere Größe und/oder eine mittlere Flächenbelegung der Wachstumsseite mit der Oberflächenstrukturierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberflächenstrukturierung durch eine Vielzahl von domförmigen Erhebungen gebildet. Domförmig kann bedeuten, dass die Erhebungen näherungsweise halbkreisförmig oder halbellipsenförmig gestaltet sind, im Querschnitt gesehen. Insbesondere sind die domförmigen Erhebungen entlang einer Achse senkrecht zur Wachstumsseite jede für sich rotationssymmetrisch geformt. Solche Erhebungen sind im Falle von Saphirsubstraten als strukturiertes Saphirsubstrat, auch als Patterned Sapphire Substrate oder kurz PSS bezeichnet, bekannt. Alternativ können die Erhebungen auch kegelförmig oder pyramidenförmig ausgeformt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Höhe der Erhebungen und/oder ein Durchmesser an einem Fußpunkt der Erhebungen aufgrund der Modulation um mindestens 2 % oder 5 % oder 7,5 % oder 10 % oder 15 % variiert. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Variation bei höchstens 40 % oder 30 % oder 20 % oder 15 %. Die Variation bezieht sich hierbei, wie auch im Folgenden, bevorzugt auf die maximale Differenz des variierten Parameters. Liegt eine Variation der Höhe beispielsweise bei 10 %, so bedeutet dies, dass der Quotient aus der maximalen Höhe und der minimalen Höhe, reduziert um 1, bei 0,1 liegt. Entsprechendes gilt auch bevorzugt hinsichtlich aller anderen Variationsgrößen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Erhebungen und/oder die Oberflächenstrukturierungen eine Höhe von mindestens 0,2 µm oder 0,3 µm oder 1 µm oder 1,4 µm und/oder von höchstens 5 µm oder 3 µm oder 2,2 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt ein maximaler Durchmesser der Erhebungen und/oder der Oberflächenstrukturierungen bei mindestens 0,2 µm oder 1 µm oder 2 µm und/oder bei höchstens 10 µm oder 5 µm oder 3 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt bei den Erhebungen und/oder den Oberflächenstrukturierungen der Durchmesser bei mindestens einem Faktor 1,1 oder 1,2 der Höhe der Erhebungen und/oder Oberflächenstrukturierungen. Weiterhin ist es möglich, dass der Durchmesser die Höhe um höchstens einen Faktor 3 oder 2 oder 1,5 übersteigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Wachstumssubstrat um ein lichtdurchlässiges Substrat. Es ist möglich, dass das Wachstumssubstrat in den fertig hergestellten Halbleiterchips noch vorhanden ist. Lichtdurchlässig bedeutet dabei insbesondere, dass das Wachstumssubstrat bei der Emissionswellenlänge der Halbleiterchips strahlungsdurchlässig ist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Wachstumssubstrat um ein Saphirsubstrat. In einer Alternative ist es möglich, dass während des Herstellungsverfahrens das Wachstumssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge abgelöst und durch ein Trägersubstrat ersetzt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Modulation in einer Nukleationsschicht an der Wachstumsseite realisiert. Die Nukleationsschicht befindet sich bevorzugt in direktem Kontakt zu der Wachstumsseite des Wachstumssubstrats.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Nukleationsschicht aus einem von dem Wachstumssubstrat verschiedenen Material gebildet. Insbesondere basiert die Nukleationsschicht mindestens zum Teil auf einem Halbleitermaterial. Es ist möglich, dass die Nukleationsschicht auf demselben oder auf einem von der Halbleiterschichtenfolge verschiedenen Materialsystem basiert. Es ist möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge unmittelbar auf die Nukleationsschicht aufgewachsen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Modulation durch eine Variation einer Materialzusammensetzung, einer Dicke und/oder einer Oberflächenmorphologie der Nukleationsschicht gebildet. Bevorzugt geht die Modulation mindestens mit einer Variation der Materialzusammensetzung der Nukleationsschicht einher.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Nukleationsschicht um eine Schicht oder um ein System aus mehreren Teilschichten aus AlN und/oder AlON. Dabei liegt ein Sauerstoffgehalt in allen oder in wenigstens einer Teilschicht bevorzugt bei mindestens 0.2 Masse-% oder 1 Masse-% oder 3 Masse-% und/oder bei höchstens 10 Masse-% oder 7 Masse-% oder 4 Masse-%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Modulation durch eine Variation des Sauerstoffgehalts der Nukleationsschicht erzielt. Das heißt, über das Wachstumssubstrat hinweg, in Draufsicht gesehen, ändert sich mit der Modulation gezielt der Sauerstoffgehalt in der Nukleationsschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Nukleationsschicht aus einer Vielzahl von Säulen zusammengesetzt, insbesondere aus einer Vielzahl von AlON-Säulen. Die Modulation ist dann bevorzugt zumindest durch eine Variation einer Größe der Säulen gebildet. Die Größe bezieht sich hierbei auf einen mittleren Durchmesser und/oder auf eine mittlere Höhe der Säulen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Durchmesser der Säulen der Nukleationsschicht bei mindestens 10 nm oder 20 nm oder 40 nm und/oder bei höchstens 200 nm oder 100 nm oder 60 nm oder 40 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt eine mittlere Höhe der Säulen bei mindestens 10 nm oder 30 nm oder 60 nm und/oder bei höchstens 200 nm oder 100 nm oder 50 nm oder 40 nm. Dabei berühren sich benachbarte Säulen bevorzugt, sodass durch die Nukleationsschicht insgesamt eine zusammenhängende, durchgehende Schicht gebildet ist mit einem Bedeckungsgrad der Wachstumsseite des Wachstumssubstrats von bevorzugt mindestens 95 % oder 99 % oder vollständig.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Höhe, der Durchmesser und/oder die Materialzusammensetzung innerhalb einer Modulationsperiode um mindestens 5 % oder 10 % oder 15 % und/oder um höchstens 40 % oder 20 % oder 15 % variiert. Wie auch bei der Oberflächenstrukturierung bezieht sich die Variation bevorzugt auf einen maximalen Unterschied innerhalb der Modulationsperiode des entsprechenden Parameters.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird während des Erzeugens der Nukleationsschicht das Wachstumssubstrat lokal unterschiedlich geheizt. Somit liegen an unterschiedlichen Stellen des Wachstumssubstrats unterschiedliche Temperaturen vor. Hierdurch kann die Modulation hinsichtlich der Nukleationsschicht erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein gezielt eingestellter Temperaturunterschied an der Wachstumsseite beim Erzeugen der Nukleationsschicht für die Modulation bei mindestens 15 °C oder 25 °C oder 40 °C und/oder bei höchstens 200 °C oder 100 °C oder oder 80 °C oder 60 °C. Dabei liegt eine mittlere Temperatur beim Erzeugen der Nukleationsschicht bevorzugt bei mindestens 300 °C oder 350 °C oder 500 °C oder 700 °C oder 900 °C oder 980 °C und/oder bei höchstens 1150 °C oder 1100 °C oder 1050 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Nukleationsschicht auf die Wachstumsseite aufgesputtert. Alternativ ist es möglich, dass die Nukleationsschicht durch chemische Gasphasenabscheidung oder MOVPE erzeugt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Periodizität der Modulation über das Wachstumssubstrat hinweg bei mindestens 1/12 oder 1/10 oder 1/8 eines Durchmessers oder eines mittleren Durchmessers des Wachstumssubstrats, in Draufsicht gesehen. Alternativ oder zusätzlich liegt die Periodizität bei höchstens der Hälfte oder 4/10 oder 1/3 oder 1/4 des Durchmessers oder des mittleren Durchmessers des Wachstumssubstrats. Die Periodizität kann hierbei über das Wachstumssubstrat hinweg konstant sein oder auch einer Variation unterzogen sein, sodass sich die Periodizität über das Wachstumssubstrat hinweg beispielsweise um mindestens 5 % oder 10 % und/oder um höchstens 30 % oder 20 % ändert.
Unter Periodizität wird hierbei insbesondere eine Periodenlänge verstanden, also im Falle einer Variation etwa einer Höhe der Erhebungen der Wachstumsseite die Distanz von einer Region maximaler Höhe bis zur nachfolgenden Region maximaler Höhe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Periodizität oder Periodenlänge bei mindestens 2 mm oder 5 mm oder 8 mm oder 10 mm und/oder bei höchstens 50 mm oder 30 mm oder 20 mm. Insbesondere erstreckt sich die Modulation über mindestens ein Zehnfaches oder Zwanzigfaches oder Dreißigfaches einer mittleren Kantenlänge der fertig hergestellten Halbleiterchips hinweg. Die Modulation ist also dann nicht auf einzelne Halbleiterchips beschränkt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Modulation in einem radialen Muster, in Draufsicht auf die Wachstumsseite gesehen, das heißt eine Variation erfolgt in radialer Richtung und somit rotationssymmetrisch. Mit anderen Worten liegen dann Bereiche zum Beispiel gleicher Höhe der Erhebungen auf konzentrischen Kreisen um eine geometrische Mitte des Wachstumssubstrats herum, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Modulation in einem Schachbrett-Muster, in Draufsicht auf die Wachstumsseite gesehen. Das heißt, die Variation erfolgt entlang zweier zueinander orthogonaler Richtungen. Bereiche zum Beispiel mit großer Höhe und kleiner Höhe der Erhebungen, erfolgt dann entlang der zwei Richtungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Modulation mit einem sägezahnartigen Muster. Das heißt, die zu variierende Größe schwankt zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert, wobei ein sprunghafter Übergang zwischen Gebieten, in denen konstant der Minimalwert vorliegt, hin zu Gebieten, in denen konstant der Maximalwert vorliegt, durchgeführt wird. Alternativ ist es möglich, dass die Modulation sinusförmig erfolgt, sodass die zu modulierende Größe kontinuierlich einen sinusartigen Verlauf aufweist.
Darüber hinaus wird ein Wachstumssubstrat angegeben. Das Wachstumssubstrat ist für ein Verfahren eingerichtet, wie in Verbindung mit einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Wachstumssubstrat offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform sind in der Wachstumsseite des Wachstumssubstrats Oberflächenstrukturierungen gebildet. Die Oberflächenstrukturierungen sind durch eine Vielzahl von domförmigen Erhebungen realisiert. Eine Höhe der Erhebungen und ein Durchmesser an Fußpunkten der Erhebungen ist um mindestens 7,5 % und um höchstens 40 % variiert. Dabei liegt eine Periodizität oder Periodenlänge der Variation der Höhen und der Durchmesser der Erhebungen zwischen einschließlich 1/12 und 4/10 eines Durchmessers des Wachstumssubstrats, insbesondere in Draufsicht gesehen.
Nachfolgend werden hier beschriebene Verfahren und hier beschriebene Wachstumssubstrate unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 3 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Halbleiterchips,
4 schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von Wachstumssubstraten für hier beschriebene Verfahren,
5 einen schematischen Verlauf einer Durchbiegung eines hier beschriebenen Wachstumssubstrats in einem hier beschriebenen Verfahren, und
6 schematische Darstellungen von Modulationen für hier beschriebene Verfahren.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterchips 1 gezeigt. Der Halbleiterchip 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge 4 auf, die epitaktisch auf eine Wachstumsseite 20 eines Wachstumssubstrats 2 aufgewachsen ist. An der Wachstumsseite 20 weist das Wachstumssubstrat 2 eine Vielzahl von Erhebungen 22 auf, die domförmig gestaltet sind. In Schnittdarstellung erscheinen die Erhebungen 22 näherungsweise halbkreisförmig. Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Erhebungen 22 kegelförmig oder pyramidenförmig gestaltet sind und in Schnittdarstellung dann dreieckig erscheinen.
Über das Aufwachssubstrat 2 hinweg sind Höhen und Durchmesser der Erhebungen 22 variiert. Durch diese Modulation wächst die Halbleiterschichtenfolge 4 stellenweise zugverspannt und stellenweise druckverspannt auf, sodass sich abwechselnd Gebiete mit Zugverspannung und mit Druckverspannung ergeben.
Hierdurch wird ein Durchbiegen des Wachstumssubstrats 2 sowie der Halbleiterschichtenfolge 4 beim Wachsen reduziert im Vergleich zu einer konstant zugverspannt oder konstant druckverspannt gewachsenen Halbleiterschichtenfolge 4.
In 1, linke Seite, weisen die Erhebungen 22 einen Durchmesser D1 und eine Höhe H1 auf, die jeweils größer ist als eine Höhe H2 und ein Durchmesser D2 der Erhebungen 22 rechts in 1. Die Erhebungen in der linken Figurenhälfte der 1 befinden sich beispielsweise in einem Maximum einer Modulationsperiode und die Erhebungen 22 in der rechten Figurenhälfte in einem Minimum. Ein Abstand zwischen dem Maximum und dem Minimum liegt beispielsweise bei ungefähr 1 Zoll im Falle eines Wachstumssubstrats mit einem Durchmesser von 6 Zoll. Bei dem Wachstumssubstrat 2 handelt es sich bevorzugt um einen Saphirwafer und bei der Halbleiterschichtenfolge 4 um eine AlInGaN-Schichtenfolge.
Die Höhen H1, H2 sowie die Durchmesser D1, D2 sind bevorzugt in gleicher Weise variiert, beispielsweise um ungefähr 12 %. Das heißt, für die beispielhafte Variation von 12 % gilt: D1/D2 – 1 = 0,12 = H1/H2 – 1 = B1/B2 – 1, wobei B1, B2 einen mittleren Abstand benachbarter Erhebungen 22 bezeichnet.
Ein Mittelwert der Durchmesser D1, D2 liegt beispielsweise bei 2,7 µm und ein Mittelwert der Höhen H1, H2 beispielsweise bei 1,7 µm. Für einen Mittelwert des Abstands B1, B2 gilt zum Beispiel ein Wert von 3 µm.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Unmittelbar auf der Wachstumsseite 20 des Wachstumssubstrats 2 befindet sich eine Nukleationsschicht 3, die beispielsweise über Sputtern auf dem Aufwachssubstrat 2 gebildet ist. Direkt auf der Nukleationsschicht 3 befindet sich die Halbleiterschichtenfolge 4. Bei dem Wachstumssubstrat 2 handelt es sich bevorzugt um ein Saphirsubstrat und die Nukleationsschicht 3 basiert auf AlON. Die Halbleiterschichtenfolge 4 ist wiederum eine AlInGaN-Schichtenfolge.
In der Nukleationsschicht 3 ist mit einer Periodenlänge P insbesondere ein Sauerstoffgehalt variiert. Eine Variation des Sauerstoffgehalts liegt beispielsweise bei zirka 9 %, sodass ein Quotient aus dem maximalen Sauerstoffgehalt und dem minimalen Sauerstoffgehalt, reduziert um 1, gleich 0,09 ist. Der unterschiedliche Sauerstoffgehalt in der Nukleationsschicht 3 wird beispielsweise durch unterschiedliche Temperaturen des Wachstumssubstrats 2 während des Erzeugens der Nukleationsschicht 3 realisiert. Eine Dicke der Nukleationsschicht 3 liegt bevorzugt bei mindestens 10 nm und/oder bei höchstens 200 nm. Eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge 4 liegt, wie bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, bei mindestens 1,5 µm und/oder bei höchstens 9 µm. Der variierte Sauerstoffgehalt ist in 2 durch eine Schraffur in der Nukleationsschicht 3 symbolisiert.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 3 gezeigt, ist die Nukleationsschicht 3 durch eine Vielzahl von Säulen gebildet, die die Wachstumsseite 20 vollständig oder im Wesentlichen vollständig bedecken. Variiert ist über die Periodenlänge P hinweg eine Größe der Säulen, wobei bevorzugt ein Durchmesser und eine Höhe der Säulen in gleicher Weise variiert werden, sodass sich in den Minima jeweils schmale, niedrige Säulen befinden und in Maxima breite, hohe Säulen. Mit anderen Worten wird dann bevorzugt ein Aspektverhältnis der Säulen nicht oder nicht signifikant variiert. Es ist möglich, dass zusätzlich zu einer Geometrie der Säulen der Nukleationsschicht 3 auch die Materialzusammensetzung, insbesondere der Sauerstoffgehalt, variiert wird.
Das Wachsen der Nukleationsschicht 3 erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von ungefähr 500 °C. Ein Temperaturunterschied beim Wachsen der Nukleationsschicht 3 zwischen den Maxima und den Minima liegt insbesondere bei ungefähr 20 °C bis 150 °C. Es ist möglich, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, dass ein Sauerstoffgehalt in Richtung weg von dem Wachstumssubstrat 2 kontinuierlich zunimmt. Insbesondere kann sich unmittelbar an dem Wachstumssubstrat 2 ein Aluminiumnitridbereich befinden.
Die Temperatur beim Erzeugen der Nukleationsschicht 3 wird beispielsweise durch Heizstangen an einer der Nukleationsschicht 3 abgewandten Seite des Wachstumssubstrats 2 eingestellt.
In 4 sind Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von Wachstumsseiten 20 sowie auf Nukleationsschichten 3 gezeigt. Die Modulation der Oberflächenstrukturierungen, siehe 1, oder der Nukleationsschicht 3, siehe 2 und 3, ist durch eine Grauschattierung schematisch illustriert.
Gemäß 4A liegt eine radiale Variation vor, sodass Regionen mit gleichen Strukturgrößen oder mit gleicher Materialzusammensetzung durch konzentrische Kreise gebildet sind.
Gemäß 4B erfolgt eine Modulation in Form eines schachbrettartigen Musters entlang zweier orthogonaler Richtungen. Das heißt, Minima und Maxima einer Modulationsgröße wechseln sich dann entlang zweier Richtungen ab.
Gemäß 4C erfolgt die Modulation rechteckförmig oder quadratisch in einer radialen Richtung. Bereiche gleicher Strukturgröße oder gleicher Materialzusammensetzung liegen somit auf Rechtecken oder Quadraten, deren Mittelpunkt mit einem Mittelpunkt des Wachstumssubstrats 2 zusammenfallen kann.
In 5 ist schematisch eine Krümmung c entlang eines Radius r des Wachstumssubstrats aufgetragen, insbesondere für ein Ausführungsbeispiel, wie in Verbindung mit 4A gezeigt. Die Krümmung c ist abwechselnd negativ und positiv, sodass von einer Mitte des Wachstumssubstrats 2 zu einem Rand des Wachstumssubstrats 2 hin eine Durchbiegung insgesamt reduziert ist, im Vergleich zu einem Wachstum der Halbleiterschichtenfolgen 4 ohne eine solche Modulation, wonach nur insgesamt ein einziger konkav oder konvex gekrümmter Bereich vorhanden wäre. Die maximale Krümmung c des Wachstumssubstrats 2 liegt, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, bevorzugt bei höchstens 100 1/km oder 50 1/km.
In 6 sind schematisch mehrere Variationsmöglichkeiten illustriert. Gezeichnet ist dabei jeweils eine Amplitude A der zu variierenden Größe, also beispielsweise der Säulengröße oder der Materialzusammensetzung der Nukleationsschicht 3 oder einer Größe der Erhebungen 22 an der Wachstumsseite 20.
Gemäß der Kurve a erfolgt die Variation der Amplitude A sinusförmig und daher kontinuierlich. Ebenso ist es möglich, dass die Variation, siehe die Kurve b, kontinuierlich in einem dreieckigen Sägezahnmuster erfolgt. Anders als dargestellt ist es bei der Kurve b möglich, dass in den Maxima und Minima abgerundete Ecken vorliegen. Schließlich erfolgt gemäß der Kurve c eine Variation sprunghaft zwischen Maximalwerten und Minimalwerten.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

10: Halbleiterchip
2: Wachstumssubstrat
20: Wachstumsseite
22: domförmige Erhebung
3: Nukleationsschicht
4: Halbleiterschichtenfolge
A: Amplitude
c: Krümmung
d: Durchmesser des Wachstumssubstrats
D: Durchmesser der domförmigen Erhebungen
H: Höhe der domförmigen Erhebungen
P: Periodizität
r: Radius

Claims

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterchips (10) mit den Schritten: – Erzeugen einer Modulation an einer Wachstumsseite (20) eines Wachstumssubstrats (2), und – nachfolgend Wachsen einer Halbleiterschichtenfolge (4) auf dem Wachstumssubstrat (2), wobei durch die Modulation die Halbleiterschichtenfolge (4), in Draufsicht gesehen, abwechselnd stellenweise druckverspannt und stellenweise zugverspannt gewachsen wird, sodass während des Wachsens eine Durchbiegung (B) des Wachstumssubstrats (2) reduziert wird, im Vergleich zu einem Wachsen ohne der Modulation.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Wachstumsseite (20) durch eine Oberflächenstrukturierung des Wachstumssubstrats (2) gebildet ist, wobei die Modulation durch eine Variation von Strukturgrößen der Oberflächenstrukturierung gebildet ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Oberflächenstrukturierung durch eine Vielzahl von domförmigen Erhebungen (22) gebildet ist, wobei eine Höhe (H) der Erhebungen (22) und ein Durchmesser (D) an Fußpunkten der Erhebungen (22) um mindestens 7,5 % und um höchstens 40 % variiert sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Erhebungen (22) je eine Höhe (H) zwischen einschließlich 0.2 µm und 3 µm und einen Durchmesser (D) an den Fußpunkten zwischen einschließlich 0,2 µm und 5 µm aufweisen, wobei der Durchmesser (D) um mindestens einen Faktor 1,1 und um höchstens einen Faktor 2 größer ist als die Höhe (H), wobei das Wachstumssubstrat (2) ein Saphirsubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Modulation durch eine Nukleationsschicht (3) an der Wachstumsseite (20) gebildet ist, wobei die Nukleationsschicht (3) aus einem von dem Wachstumssubstrat (2) verschiedenen Material gebildet ist, und wobei die Modulation durch eine Variation einer Materialzusammensetzung, einer Dicke und/oder einer Oberflächenmorphologie der Nukleationsschicht (3) gebildet ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Wachstumssubstrat (2) ein Saphirsubstrat ist, wobei die Nukleationsschicht (3) aus AlON gebildet ist, wobei die Modulation durch die Variation des Sauerstoffgehalts und/oder durch die Variation einer Größe von AlON-Säulen, aus denen die Nukleationsschicht (3) zusammengesetzt ist, gebildet ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Variation durch die Größe der AlON-Säulen gebildet wird, wobei ein mittlerer Durchmesser der Säulen zwischen einschließlich 10 nm und 60 nm liegt und eine mittlere Höhe der Säulen zwischen einschließlich 10 nm und 50 nm liegt, wobei die Höhe der Säulen für die Modulation um mindestens 5 % und um höchstens 40 % variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem während des Erzeugens der Nukleationsschicht (3) das Wachstumssubstrat (2) lokal unterschiedliche Temperaturen aufweist und so die Modulation erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Temperaturunterschied beim Erzeugen der Nukleationsschicht (3) für die Modulation bei mindestens 15 °C und bei höchstens 80 °C liegt, wobei eine mittlere Temperatur beim Erzeugen der Nukleationsschicht (3) zwischen einschließlich 350 °C und 1150 °C liegt und die Nukleationsschicht (3) auf die Wachstumsseite (20) aufgesputtert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulation eine Periodizität (P) aufweist, die zwischen einschließlich 1/12 und 4/10 eines Durchmessers (d) des Wachstumssubstrats (2) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulation eine Periodizität (P) aufweist, die zwischen einschließlich 8 mm und 50 mm liegt, wobei die Halbleiterschichtenfolge (4) auf AlInGaN basiert und die Halbleiterschichtenfolge (4) unmittelbar auf die Nukleationsschicht (3) oder unmittelbar auf die Wachstumsseite (20) epitaktisch aufgewachsen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulation mit einem radialen Muster erfolgt, in Draufsicht auf die Wachstumsseite (20) gesehen, sodass eine Variation in radialer Richtung und rotationssymmetrisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Modulation mit einem schachbrettartigen Muster erfolgt, in Draufsicht auf die Wachstumsseite (20) gesehen, sodass eine Variation entlang zweier zueinander orthogonalen Richtungen erfolgt.
Wachstumssubstrat (2) für ein Verfahren mit Rückbezug zumindest auf Anspruch 3, wobei die Wachstumsseite (20) des Wachstumssubstrats (2) durch eine Oberflächenstrukturierung mit einer Vielzahl von domförmigen Erhebungen (22) gebildet ist, wobei eine Höhe (H) der Erhebungen (22) und ein Durchmesser (D) an Fußpunkten der Erhebungen (22) um mindestens 7,5 % und um höchstens 40 % variiert ist, und wobei eine Periodizität (P) der Variation der Höhe (H) und der Durchmesser (D) der Erhebungen zwischen einschließlich 1/12 und 4/10 eines Durchmessers (d) des Wachstumssubstrats (2) liegt.