DE10352655A1

DE10352655A1 - Heteroepitaxieschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10352655A1
Application number: DE2003152655
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Phys. Dr. Schreck; Stefan Gsell; Thomas Dipl.-Phys. Bauer; Johannes Goldfuss; Bernd Prof. Dr. Stritzker
Original assignee: Universitaet Augsburg
Current assignee: Universitaet Augsburg
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2005-06-30
Also published as: WO2005047574A2; WO2005047574A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wachstumssubtrat zur Herstellung von nicht-diamantenen epitaktischen Schichten mit einem Substrat (2) aus einkristallinem Silizium, mindestens einer auf dem Substrat angeordneten epitaktischen, vorteilhafterweise oxidischen Pufferschicht sowie mindestens einer auf der Pufferschicht angeordneten Metallschicht (4), enthaltend oder bestehend aus einem Übergangsmetall der 4., 5. und/oder 6. Periode, mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine einkristalline bzw. quasi-einkristalline, nicht-diamantene Heteroepitaxieschicht bzw. eine Heteroepitaxieschicht mit geringer Fehlorientierung, Substrate für derartige Schichten sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Derartige heteroepitaktische Schichten werden insbesondere in der Elektronik, beispielsweise für Halbleiterbauelemente, beispielsweise aus GaN, GaAs oder AlN, benötigt. Insbesondere für den Bereich der Mikroelektronik eignen sich Halbleiterschichten mit geringer Fehlorientierung (im Folgenden auch als quasi-einkristalline oder auch als einkristalline Schichten bezeichnet).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, epitaktische Schichten sowie Wachstumssubstrate und Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen, wobei die Schichten zuverlässig, überprüfbar und kostengünstig in ausreichender Größe hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Wachstumssubstrat nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, die Schicht bzw. das Schichtsystem nach Anspruch 17 und die Verwendungen nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Schichten sowie ihrer Verwendungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Verfahren nunmehr als Substrat einkristallines Silizium in (100) oder (111)-Orientierung vorgeschlagen, wobei auf dieses Substrat mindestens eine epitaktisch orientierte, vornehmlich oxidische Pufferschicht abgeschieden wird. Auf diese Pufferschicht wird epitaktisch eine Metallschicht auch als Folge mehrerer Metallschichten wie beispielsweise Platin auf Iridium, abgeschieden. Diese besteht aus oder enthält Übergangsmetalle der 4., 5. und/oder 6. Periode des Periodensystems der Elemente mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K, also mit Ausnahme der Metalle Mangan (Mn), Zink (Zn), Technetium (Tc), Cadmium (Cd), Lanthan (La) und Quecksilber (Hg). Weiterhin ausgenommen sind die Lanthanide. Es können als Material für die Metallschicht also insbesondere Scandium (Sc), Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Yttrium (Y), Zirkon (Zr), Niob (Nb), Molybdän (Mo), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Hafnium (Hf), Tantal (Ta), Wolfram (W), Rhenium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt) und Gold (Au) verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind hierbei die hoch schmelzenden Metalle, insbesondere Iridium, Platin, Rhenium, Ruthenium, Molybdän, Wolfram und/oder Tantal.

Silizium-Einkristalle als Substrat sind großflächig verfügbar, kostengünstig und besitzen eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist vorteilhaft für die Kühlung von Leistungsbauelementen mit hohen thermischen Verlusten. Die Wärmeausdehnung von Silizium unterscheidet sich deutlich von der typischer Oxideinkristalle. Es bietet sich deshalb für Funktionsschichten mit ähnlichen Werten als Substrat an, da es zu niedrigeren thermischen Eigenspannungen führt. Die Abscheidung der Pufferschicht, vornehmlich Oxide wie z. B. Strontiumtitanat (STO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), Ceroxid (CeO₂), aber auch Karbide, wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) oder Nitride, wie Titannitrid (TiN), kann beispielsweise mittels Vakuumverfahren, MBE, PLD, CVD oder PVD erfolgen. Oxide wie oben angegeben ermöglichen eine gute Haftung von darauf abgeschiedenen Metallschichten, insbesondere Iridiumschichten. Es ist daher möglich, auf diesen Pufferschichten mit geeigneten Methoden, wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern, quasi-einkristalline Metallschichten abzuscheiden. Als Metalle eignen sich dabei die oben genannten Übergangsmetalle. Überraschenderweise stellte sich hierbei heraus, dass die Metallschichten ganz wesentlich besser orientiert sein können als die darunter liegenden Pufferschichten. Denn die Pufferschichten können typischerweise noch große Fehlorientierungen von > 2°, > 1° oder auch > 0,5° aufweisen, während die aufgebrachten Metallschichten qualitativ hochwertig und einkristallin bzw. quasi-einkristallin, beispielsweise mit einer Fehlorientierung < 0,5° oder < 0,2°, sind. Entscheidend ist dabei, dass die gegeneinander leicht fehlorientierten Domänen der Pufferschicht lateral sehr klein sind. Die Ausrichtung der Metallinseln ergibt sich dann aus einer Mittelung der Orientierungen der darunter liegenden Pufferschichtdomänen. Dies führt zu einer Erhöhung der Texturschärfe für die Metallschicht. Der Effekt ist umso ausgeprägter je mehr Domänen einbezogen werden.

Damit liegt ein ideales Wachstumssubstrat für eine nachfolgende Deposition einkristalliner bzw. quasi-einkristalliner Schichten als Funktionsschichten auf der Metallschicht vor. Die Deposition des Schichtmaterials kann beispielsweise über MBE, CVD oder andere herkömmliche Verfahren erfolgen.

Dieses erste Verfahren und die so hergestellten epitaktischen Funktionsschichten betreffen dabei beliebige epitaktisch abgeschiedene Materialien, also insbesondere Halbleiter wie GaN, AlN, GaAs, InP, oxidische Materialien wie ZnO, SrTiO₃, Hochtemperatursupraleiter, Ferroelektrika, Ferromagnetika und dergleichen mit der Ausnahme von Diamant.

Ein zweiter Ansatz geht nunmehr nicht von bestimmten Substraten aus, sondern kann ein beliebiges, auch nicht-einkristallines Substrat, beispielsweise auch ein amorphes Substrat, verwenden. Auf dieses wird eine biaxial texturierte oxidische Pufferschicht aufgebracht. Diese Pufferschicht wird dabei mittels ionenstrahlunterstützter Abscheidung aufgebracht.

Diese Pufferschicht kann wie beim vorher beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren eine oxidische Schicht aus denselben Materialien wie dort beschrieben sein, beispielsweise MgO oder YSZ. Durch die ionenstrahlunterstützte Beschichtung wird die Pufferschicht auf beliebigen Substraten derart texturiert, dass die Texturschärfe dieser biaxial texturierten IBAD-Schicht ausreicht, um auf ihr eine quasi-einkristalline Metallschicht wie im ersten Verfahren aufzubringen. Für Schichten, die mittels IBAD abgeschieden wurden, werden Texturschärfen mit Werten von 2 bis 4° erreicht. Hierauf können dann wie in den Beispielen, insbesondere in Beispiel 6, gezeigt, quasi-einkristalline Metallschichten abgeschieden werden. Damit ist es erstmals möglich, auf jedem beliebigen Substrat und damit auch auf Substraten beliebiger Größe, wie beispielsweise Endlosbändern im Bereich der Hochtemperatursupraleiter, einkristalline Metallschichten bereitzustellen. Auch ist es möglich, Sinterproben mit gezielt für die spätere Funktionsschicht maßgeschneiderten Ausdehnungskoeffizienten als Substrate zu verwenden. Damit steht die gesamte Palette an Materialien (Metalle, Oxide, Halbleiter u. dgl.) wie im ersten Verfahren einkristallin bzw. quasieinkristallin auf großen Flächen zur Verfügung. Wesentlich dabei ist, dass eine ausreichend texturierte Pufferschicht auf beliebigen Substraten ausschließlich mittels Ionenstrahlunterstützung abgeschieden werden kann.

Mit Hilfe dieser quasi-einkristallinen bzw. einkristallinen Metallschicht, die als Wachstumssubstrat dient, können dann großflächige einkristalline Beschichtungen als Funktionsschichten vorgenommen werden. Als Anwendungen kommen hierbei beispielsweise großflächige Solarzellen auf Si- oder CuInSe-Basis in Frage. Letztere werden bisher polykristallin auf Glas aufgesputtert. Wird der Sputterprozess jedoch nur so durchgeführt, dass zuerst mittels Ionenstrahlunterstützung eine texturierte Pufferschicht entsteht und anschließend eine einkristalline Metallschicht aufgebracht wird, so sind anschließend die Herstellung großflächiger, billiger, einkristalliner Solarzellen auf billigen Substraten, wie Glas und Keramik, möglich. Da das Aufbringen der Metallschicht ein technologisch einfacher zusätzlicher Prozessschritt ist, kann die erzeugte Texturverbesserung zu sehr günstigen Herstellungskosten führen.

Vorteilhaft an den vorgeschlagenen Verfahren ist, dass das Substrat hochskalierbar und preisgünstig ist. Weiterhin haften auf diesem Substrat die erzeugten quasi-einkristallinen Metallschichten und die erzeugten Epitaxieschichten hervorragend.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei den beiden vorgenannten Verfahren, insbesondere bei geeigneter Prozessführung d. h. bei langsamer Abscheidung der Metallschicht auf der Pufferschicht, die Metallschicht ganz wesentlich besser orientiert sein kann als die darunter liegende Pufferschicht. Derartige Pufferschichten, insbesondere CeO₂, YSZ (Yttrium-Stabilisiertes Zirkonoxid), Y₂O₃, MgO, Strontiumtitanat (SrTiO₃), Karbide, Nitride und dergleichen, besitzen typischerweise noch große Fehlorientierungen von > 1°, können nunmehr jedoch dennoch als Unterlage für das Aufwachsen von quasi-einkristallinen oder einkristallinen Metallschichten dienen.

In einem dritten erfindungsgemäßen Verfahren wird als Substrat ein Oxideinkristall verwendet. Dabei kann es sich beispielsweise um Saphir handeln. Auf diesen Oxideinkristall wird unmittelbar eine Schicht aus einem hochschmelzenden Metall aufgebracht. Als hochschmelzende Metalle können dabei die für die beiden vorherigen Verfahren verwendeten Metalle, wie beispielsweise Iridium u. dgl., verwendet werden. Die Metallschicht kann dabei beispielsweise durch thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, PLD oder Sputtern aufgebracht werden.

Diesem Ansatz liegt zu Grunde, dass selbst auf Oxidschichten mit deutlicher Mosaizität exzellent orientierte quasieinkristalline Metallschichten wachsen können. Daher wird vorgeschlagen, Metallschichten als ideale Wachstumssubstrate zu verwenden. Oxidische Einkristalle statt Silizium sind dann als Substrate für die Metallschichten zu verwenden, wenn z.B. die thermische Anpassung des Oxidkristalls an die spätere Funktionsschicht besser ist als die von Silizium.

Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist es also, dass Metallschichten erzeugt werden können, die eine polare und azimutale Fehlorientierungsverteilung mit einer geringen Breite, beispielsweise < 0,3°, besitzen. In diesem Falle können die erfindungsgemäßen quasi-einkristallinen Funktionsschichten auf dieser Metallschicht erzeugt werden. Die vorliegende Anmeldung betrifft daher auch ein Wachstumssubstrat zur Erzeugung von quasi-einkristallinen Funktionsschichten mit einem wie oben beschriebenen Unterbau aus Substrat, Pufferschicht und Metallschicht, wobei die polare und azimutale Fehlorientierungsverteilung der Metallschicht eine geringe Breite, beispielsweise < 0,3°, aufweist. Derartige Substrate können insbesondere durch Ionenstrahlunterstützung bei der Abscheidung (IBAD) der Pufferschicht erzeugt werden (IBAD = Ion Beam Assisted Deposition).

Als Pufferschicht für das Wachstum (001)-orientierter Metallschichten eignen sich dabei nicht nur kubische oxidische Materialien, sondern alle Materialien, die eine quadratische oder rechteckige Oberflächenelementarzelle aufweisen, beispielsweise auch Saphir.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, nach der Abfolge von Sustrat/Pufferschicht/Metallschicht bzw. Substrat/Metallschicht nochmals eine Oxidschicht auf die Metallschicht aufzubringen. Dazu kann dasselbe Oxid wie für die Pufferschicht verwendet werden oder auch ein anderes Oxid. Mittels dieser Schicht wird verhindert, dass die gewünschte epitaktische Funktionsschicht direkt auf der Metallschicht wächst. Dadurch wird eine Interdiffusion zwischen Metallschicht und Epitaxieschicht verhindert.

Die nach den oben genannten Verfahren hergestellten einkristallinen Metallschichten können auch mit ihrer dem Substrat zugewandten Seite als Wachstumssubstrate dienen. Hierzu wird zuerst auf der dem Substrat abgewandten Seite der Metallschicht eine weitere Schicht aufgewachsen. Diese dient dann später als Substrat und als Wärmesenke für Halbleiterbauelemente und dergleichen. Anschließend wird mittels HF/HNO₃ das ursprüngliche Substrat, beispielsweise Silizium weggeätzt. Auch die oxidische Pufferschicht wird beispielsweise mittels Sputtern entfernt. Anschließend kann man die freigelegte Oberfläche der Metallschicht als Wachstumssubstrat nutzen. Sie kann zuvor jedoch auch auf einfache Art und Weise getempert oder kurz weitergewachsen werden, um so eine optimale Oberflächenqualität zu erhalten.

Dabei ist es möglich, auf der Metallschicht ein beliebiges Material abzuscheiden, z.B. eine Substanz mit einer guten Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten an die spätere Funktionsschicht oder mit beson ders hoher Wärmeleitfähigkeit.

Als Alternative hierzu könnte mittels des oben beschriebenen zweiten Verfahrens auf eine polykristalline Diamantscheibe als Substrat mittels IBAD eine texturierte MgO-Schicht aufgebracht werden, die anschließend mit einer einkristallinen Metallschicht beschichtet wird. Ein derartiges Wachstumssubstrat für beispielsweise Halbleitermaterialien, die auf die einkristalline Metallschicht aufgebracht werden, stellt ein ideal wärmeleitendes Wachstumssubstrat dar. Derartige Substrate werden insbesondere im Bereich der Optoelektronik und der Hochleistungselektronik benötigt.

Im Folgenden werden nun einige Beispiele erfindungsgemäßer Verfahren und erfindungsgemäßer epitaktischer Schichten beschrieben.

Es zeigen

1 ein Schema der vorliegenden Erfindung;

2 Schichtsysteme, auf denen Heteroepitaxieschichten abgeschieden werden können;

3 die Erzeugung einer erfindungsgemäßen Heteroepitaxieschicht;

4 Alternativen bezüglich des Substrates zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Heteroepitaxieschicht;

5 bis 14 experimentelle Ergebnisse an erfindungsgemäßen Heteroepitaxieschichten,

15 die Erzeugung einer erfindungsgemäßen Schicht mittels ionenstrahl-unterstützter Abscheidung.

1 zeigt ein Schema für die Herstellung der erfindungsgemäßen Wachstumssubstrate.

In 1 ist unter Punkt 1a die Herstellung eines Wachstumssubstrates nach dem ersten Verfahren dargestellt. Hierbei wird auf einen Si-Einkristall 2 in 001- bzw. 111-Orientierung eine epitaktische, oxidische Pufferschicht 3 aufgebracht. Wie in 1 angedeutet, kann diese noch eine gewisse Fehlorientierung aufweisen. Auf diese Pufferschicht wird dann mittels thermischem Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, PLD, Sputtern o. dgl. eine Metallschicht 4 aufgebracht. Die freie Oberfläche der Metallschicht 4 bildet dann die Wachstumsoberfläche für eine Funktionsschicht 5, wie sie beispielsweise unter Punkt 3 der 1 im Gesamtaufbau der Schichtfolge dargestellt ist.

Unter Punkt 1b in 1 ist das zweite Verfahren zur Herstellung eines Wachstumssubstrates dargestellt. Hierbei wird nun ein beliebiges Substrat 2 verwendet, das beispielsweise amorph, polykristallin oder auch einkristallin sein kann. Das Substrat kann dabei derart ausgewählt werden, dass beispielsweise die thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder die thermische Leitfähigkeit zur Anwendung der auf dem Substrat aufgebrachten Funktionsschicht passt. Auf dieses beliebige Substrat wird nun mittels ionenstrahlunterstützter Abscheidung eine oxidische, biaxial texturierte Pufferschicht 3 aufgebracht. Auf diese Pufferschicht wird nun wiederum wie in Punkt 1a eine Metallschicht aufgebracht, deren freie Oberfläche für das Aufwachsen der Funktionsschicht dient.

Unter Punkt 1c ist nun das dritte Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wachstumssubstrates dargestellt. Hierzu wird auf einem oxidischen Einkristall, beispielsweise Saphir, unmittelbar eine Metallschicht durch thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, PLD, Sputtern o. dgl. aufgebracht. Die freie Oberfläche der Metallschicht 4 dient wiederum als Wachstumsoberfläche für die gewünschte Funktionsschicht.

Gemeinsam ist allen drei Verfahren, dass zuletzt eine epitaktische Metallschicht aus einem hochschmelzenden Metall erzeugt wird, die sich hervorragend für die epitaktische Abscheidung einer Funktionsschicht eignet. Als Funktionsschichten sind dabei Halbleitermaterialien, Supraleiter, Ferromagnetika, Ferroelektrika u. dgl. geeignet. Diamant in jeglicher Form, insbesondere als amorpher, polykristalliner oder einkristalliner Diamant, wird als Material für die Funktionsschicht hier ausgeschlossen. Wie unter Punkt 3 der 1 dargestellt, ist es auch möglich, auf die Metallschicht eine zusätzliche oxidische Pufferschicht aufzubringen, auf die dann unmittelbar die epitaktische Funktionsschicht aufgebracht werden kann. Hierdurch ist eine Trennung von Metallschicht und Funktionsschicht möglich. Zusätzlich kann jedoch auf die zusätzliche oxidische Pufferschicht eine weitere Metallschicht aufgebracht werden. In diesem Sinne können auch noch weitere Abfolgen von Pufferschichten und Metallschichten auf der Schichtenfolge abgeschieden werden, um zuletzt die epitaktische Funktionsschicht auf der obersten Pufferschicht oder obersten Metallschicht abzuscheiden.

2 zeigt nun verschiedene erfindungsgemäße Wachstumssubstrate (Unterlagen) für das Aufwachsen von Heteroepitaxieschichten, z.B. Halbleiterschichten, wobei als Material der epitaktischen Funktionsschicht Diamant ausgeschlossen wird. 2A zeigt dabei einen Strontiumtitanat-Einkristall 2 mit einer Iridiumschicht 4 mit 150 nm Dicke. Auf dieser Iridiumschicht kann nun nach dem dritten Verfahren eine Halbleiterschicht abgeschieden werden. In 2B wird ein Silizium-Einkristall 2 mit einer Pufferschicht 3 aus Strontiumtitanat versehen. Auf diese wird eine 150 nm dicke Iridiumschicht aufgewachsen, wobei die Iridiumschicht eine weitaus geringere Fehlorientierung aufweist als das Strontiumtitanat 3. In 2C wird als Pufferschicht Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid mit einer Dicke von 20 nm verwendet. In 2D sind zwei Pufferschichten 3a, 3b aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid 3a mit einer Dicke von 1,5 nm und Ceroxid 3b mit einer Dicke von 50 nm vorgesehen. In 2E sind drei Pufferschichten vorgesehen, nämlich eine Schicht aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid 3a mit einer Dicke von 1,5 nm, eine Schicht 3b aus Ceroxid mit einer Dicke von 50 nm und eine Schicht 3c aus Strontiumtitanat mit einer Dicke von 50 nm.

3 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Funktionsschicht.

Hierzu wird in 3A auf einem Silizium-Einkristall mit 001 bzw. 111-Orientierung mittels Laserablation, Sputtern, MBE oder CVD eine Pufferschicht 3, beispielsweise Oxide wie Strontiumtitanat SrTiO₃, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), Bariumtitanat (BaTiO₃), Yttriumoxid Y₂O₃, Magnesiumoxid MgO, Titanoxid TiO₂, Aluminiumoxid Al₂O₃, abgeschieden. In 3A wird auf diese Pufferschicht 3 eine einkristalline Iridiumschicht 4 mittels PVD, MBE, Laserablation oder Sputtern aufgetragen. Ebenso sind Platin, Rhenium, Ruthenium und andere hochschmelzende Metalle mögliche Alternativen.

In 3C ist gezeigt, wie auf der einkristallinen Iridium- bzw. Platinschicht im Abscheideprozess der Funktionsschicht Keime 5 abgeschieden werden. In 3D ist zu sehen, wie bei weiterem Wachstum auf der Iridiumschicht die Keime sich zu einer defektarmen, quasi-einkristallinen Funktionsschicht 5 auswachsen.

In 4 ist dargestellt, dass die Iridiumschicht 4 quasi-einkristallin bzw. mit geringer Fehlorientierung erzeugt werden kann, auch wenn die Pufferschicht 3 eine hohe Fehlorientierung aufweist. In 4A ist dabei ein System aus Pufferschicht 3 und Iridiumschicht 4 auf einem 001-orientierten Silizium-Einkristall 2 abgeschieden.

Die 4B und 4C erläutern weiterhin das Prinzip der Texturverbesserung von Metallschichten auf Pufferschichten nach der vorliegenden Erfindung. In 4B befindet sich auf einem Substrat 2 eine Pufferschicht 3 mit großen Domänen 3a-3g. Auf dieser Pufferschicht 3 ist eine Metallschicht 4 aus einzelnen Inseln 4a-4c vor der Koaleszenz abgeschieden. In 4C ist ebenfalls eine Pufferschicht 3 in Form einzelner Domänen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g auf einem Substrat 2 abgeschieden. nie Domänen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g sind jedoch verglichen mit 4B lateral weniger ausgedehnt (kleiner). Als Folge mitteln nun während des Aufwachsens der Metallschicht 4 die Inseln 4a-4c der Metallschicht 4 über sehr viel mehr Domänen, wodurch die Texturverbesserung/-verschmä lerung sehr viel ausgeprägter ist. Dadurch wird eine erheblich bessere Textur der letztlich erzeugten Metallschicht 4 erzielt.

Messungen an derartigen Schichtfolgen wie sie im Weiteren dargestellt werden, belegen, dass das Iridium sehr viel besser orientiert ist als die darunter liegende Pufferschicht. Derartige Schichtfolgen sind also ideale Wachstumssubstrate für einkristallines bzw. quasi-einkristallines Wachstum von heteroepitaktischen abgeschiedenen Materialien.

5 zeigt einen Vergleich bezüglich der Textur von Iridiumschichten, die auf SrTiO₃/Si(001) bei 650° C aufgewachsen werden. 5A zeigt dabei, dass unter normalen Standardwachstumsbedingungen (Wachstumsrate 0,05 nm/s) im Wesentlichen eine Iridiumschicht mit einer 111-Textur aufwächst, die jedoch nicht erwünscht ist. Unter optimierten Abscheidungsbedingungen (Wachstumsrate 0,002 nm/s für die ersten 15 nm, danach 0,05 nm/s) wächst auf der Strontiumtitanatschicht jedoch eine Iridiumschicht mit 001-Textur nahezu frei von 111-Texturkomponenten auf (5B).

Hier wie im folgenden Werden alle Röntgendiffraktionsmessungen mit Ausnahme der Polfiguren mit einem Röntgendiffraktometer 3003PTS HRXRD der Fa. Seifert mit TS-Goniometer durchgeführt.

Die Messung der Polfiguren erfolgte mit einem Diffraktometer D5000 der Fa. Siemens mit Kupferröhre mit Punktfokus und ausgerüstet mit einer offenen Eulerwiege.

Der Messbereich in 5 betrug 40°-48° in 2 Theta, 0° Polarwinkel.

Beispiel 1
In einem ersten Beispiel (6) wurde auf einem Siliziumsubstrat eine 100 nm dicke epitaktische Strontiumtitanat-(001)-Schicht mit Tilt- und Twistwerten von ca. 0,6° bzw. 1,3° abgeschieden. Auf diese wurde eine Iridiumschicht mittels Elektronenstrahlverdampfen im Hochvakuum mit einer Dicke von 150 nm bei einer Abscheidetemperatur von 650 °C abgeschieden. Die Wachstumsraten betrugen für die ersten 15 nm 0,002 nm/s und bis zu einer Schichtdicke von 150 nm anschließend 0,05 nm/s.
6 zeigt die Röntgendaten der Iridiumschicht, wobei zu erkennen ist, dass die Halbwertsbreite der Fehlorientierungsverteilung für die Iridiumschicht deutlich kleiner ist als für die Strontiumtitanatschicht.
6A zeigt dabei die Rockingkurven des SrTiO₃(002)-Reflexes bei 2 Theta = 46,47° sowie des Ir(002) Reflexes bei 2 Theta = 47,32°. Die Messkurven wurden auf gleiche Höhe normiert. 6B zeigt den azimutalen Scan des SrTiO₃(101)-Reflexes bei 2 Theta = 32,40° und einem Polarwinkel Chi = 45° sowie den azimutalen Scan des Ir(311)-Reflexes bei 2 Theta = 83,44° und einem Polarwinkel Chi = 72,45°.
Beispiel 2
In einem weiteren Beispiel (7) wurde als Substrat wiederum Silizium verwendet und hierauf eine 20 nm dicke epitaktische Strontiumtitanat(001)-Schicht mit Tilt- und Twistwerten von ca. 0,4° bzw. 1,4° abgeschieden. Auf diese Strontiumtitanatpufferschicht wurde eine Iridiumschicht wie in Beispiel 1 aufgebracht. 7A zeigt die Rockingkurven des SrTiO₃(002) Reflexes bei 2 Theta = 46,47° sowie des Ir(002) Reflexes bei 2 Theta = 47,32°. Die Messkurven wurden auf gleiche Höhe normiert. 7B zeigt den azimutalen Scan des SrTiO₃(101) Reflexes bei 2 Theta = 32,40° und einem Polarwinkel Chi = 45° sowie den azimutalen Scan des Ir(311) Reflexes bei 2 Theta = 83,44° und einem Polarwinkel Chi = 72,45°. Es zeigt sich, dass die Fehlorientierungsverteilung der Iridiumschicht erheblich geringer ist als diejenige der Strontiumtitanatschicht.
Beispiel 3
In einem weiteren Beispiel (8) wurde auf ein Silizium(001)-Substrat eine 20 nm dicke epitaktische Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid (YSZ)-Schicht mittels gepulster Laserablation von einem gesinterten YSZ-Target in einer Sauerstoffatmosphäre von 10^–4 mbar bei einer Substrattemperatur von 770 °C abgeschieden. Für die Laserablation wurde ein Kryptonfluoridexzimerlaser bei 8 Hz mit einer Pulsdauer von 30 ns verwendet. Hierdurch ergab sich eine Wachstumsrate von 0,005 nm pro Puls. Die Orientierung der YSZ-Schicht in Röntgenbeugungsmessungen ergab einen Tilt von 1,4° und einen Twist von 1,2°.
Auf diese YSZ-Schicht wurde eine Iridiumschicht mittels Elektronenstrahlverdampfer im Hochvakuum aufgebracht. Diese Schicht wurde wie in Beispiel 1 aufgebracht.
8 zeigt die zugehörigen Röntgendaten sowohl der YSZ-Schicht als auch der Iridiumschicht.
Beispiel 4
In einem weiteren Beispiel (9) wurde auf Silizium(001) eine 1,5 nm dicke epitaktische Yttrium-stabilisierte Zirkonoxidschicht wie in Beispiel 3 aufgebracht. Auf diese wurde eine 50 nm dicke Ceroxidschicht bei identischen Laserparametern und einer Wachstumsrate von 0,016 nm pro Puls aufgebracht.
Die Orientierung der Ceroxidschicht ergab in Röntgenmessungen einen Tilt von 0,85° und einen Twist von 1,32° (siehe 9). Auf diese Ceroxid-Pufferschicht wurde nun wiederum eine Iridiumschicht wie in Beispiel 3 aufgebracht, die einen Tilt und Twist von 0,35° bzw. 0,29° aufwies (siehe Röntgendaten in 9).
Beispiel 5
In einem weiteren Beispiel (10) wurde eine Yttrium-stabilisierte Zirkonoxidschicht und eine Ceroxidschicht auf ein Silizium (001)-Substrat wie in Beispiel 4 aufgebracht. Auf die Ceroxidschicht wurde eine weitere 50 nm dicke Strontiumtitanatschicht bei identischen Laserparametern und einer Wachstumsrate von 0,016 nm pro Puls aufgebracht.
Auf diese Strontiumtitanatschicht folgte eine Iridiumschicht wie im Beispiel 4. 10 zeigt nun die Röntgendaten der Strontiumtitanatschicht und der Iridiumschicht, wobei sich als Tilt und Twist für die Strontiumtitanatschicht Werte von 0,99° und 1,51° und als Tilt und Twist für die Iridiumschichtwerte von 0,44° und 0,37° ergaben.
Beispiel 6
In einem weiteren Beispiel (11 und 12) wurde auf Silizium (111) eine 50 nm dicke epitaktische Yttrium-stabilisierte Zirkonoxidschicht unter Wachstumsbedingungen wie im vorigen Beispiel aufgebracht. Auf diese YSZ-Schicht folgt nun eine Iridiumschicht wie in dem vorigen Beispiel. 11 zeigt die Röntgendaten der YSZ-Schicht und der Iridiumschicht. Es ergaben sich Tilt- und Twistwerte von 2,77° und 2,13° für die YSZ-Schicht und 0,31° und 0,25° für Tilt und Twist der Iridiumschicht.
Insbesondere dieses Beispiel zeigt, dass auch auf Pufferschichten von relativ hoher Mosaizität auf Silizium (111) hervorragende epitaktische Iridiumschichten mit 111-Orientierung abgeschieden werden können. 12 zeigt die Polfigur einer derart hergestellten Iridiumschicht.
Beispiel 7
In einem weiteren Beispiel wurde eine 20 nm dicke epitaktische Strontiumtitanat (001)-Schicht auf Silizium (001) mit Tilt und Twistwerten von 0,4° bzw. 1,4° abgeschieden. Mittels Elektronenstrahlverdampfer im Hochvakuum wurde eine Iridiumschicht wie im vorigen Beispiel abgeschieden. Die Wachstumsrate für die ersten 25 nm betrug jedoch 0,025 nm/s und damit das über 12fache wie bei den bisherigen Beispielen.
Für die Iridiumschicht wurde ein Tilt und Twist von 0,27 und 0,39° festgestellt.
Dieses Beispiel zeigt, dass die Wachstumsrate für Iridium im ersten Teilschritt über einen großen Be reich variiert werden kann, ohne damit eine wesentliche Verschlechterung der Textur der Iridiumschicht in Kauf nehmen zu müssen.
Beispiel 8
In einem weiteren Beispiel (13) wurde auf einem Einkristall aus MgO und einer Metallschicht aus Ir (Dicke 150 nm) eine weitere oxidische Schicht aus Strontiumtitanat abgeschieden. Die Abscheidung erfolgte bei einer Substrattemperatur von 750°C mittels PLD bei 8 Hz, 700 mJ Pulsenergie und einem O₂-Druck von 6,2 × 10^–3 mbar. Die Dicke der SrTiO₃-Schicht betrug 200 nm.
13 zeigt hierzu die Rockingkurven und φ-Scans für die Iridium-Pufferschicht mit ca. 0,3°. Dies zeigt, dass die Iridiumschicht nicht perfekt epitaktisch ist und sogar etwas fehlorientierter als die entsprechenden Schichten in den Beispielen 2 und 3. Für die Strontiumtitanatschicht wurden dennoch Werte von 0,4° bestimmt. Kombiniert man die Iridiumschichten von Beispiel 2 und 3 auf Silizium mit den SrTiO₃-Schichten des vorliegenden Beispiels, so sind damit SrTiO₃-Schichten auf Silizium zu erwarten, die den bisherigen Stand der Technik für SrTiO₃ direkt auf Silizium deutlich übertreffen. Der technische Aufwand ist darüber hinaus wesentlich geringer als für das MBE-Wachstum von SrTiO₃ direkt auf Silizium.
Beispiel 9
In einem weiteren Beispiel (14) wurde auf entsprechende Ir/MgO-Schichten Ceroxid CeO₂ aufgewachsen.
Die Abscheidung erfolgte bei einer Substrattemperatur von 750°C mittels PLD bei 8 Hz, 700 mJ Pulsenergie und einem O₂-Druck von 2,5 × 10^–4 mbar. Die Dicke der SrTiO₃-Schicht betrug 200 nm.
Auch hier erhält man ohne jegliche weitere Optimierung auf Anhieb einen Wert von 0,6° polar und azimutal, wie er in 14 dargestellt ist. Dies erlaubt analoge Schlüsse wie im vorhergehenden Beispiel.
Beispiel 10
15 zeigt nun die Herstellung von quasi-einkristallinen bzw. einkristallinen Funktionsschichten auf einem beliebigen Substrat nach dem oben beschriebenen zweiten Verfahren. Ein derartiges Substrat kann amorph, polykristallin oder auch einkristallin sein. Es ist so beispielsweise möglich, das jeweils günstigste Substrat, beispielsweise bezüglich der Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten zu wählen. Geeignete Werte können dabei auch gezielt angestrebt werden, indem entsprechende polykristalline Sinterproben als Substrat verwendet werden.
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist hier nun, dass die oxidischen Pufferschichten biaxial texturiert auf das Substrat aufgewachsen werden. Dies zeigt 15A. Eine derartige biaxial texturierte Pufferschicht auf praktisch beliebigen Substratmaterialien ist jedoch nur möglich, wenn das Aufwachsen unter gleichzeitigem Tonenbeschuss erfolgt, beispielsweise mit Edelgasen oder Sauerstoff, unter schrägem Winkel (sog. ionenstrahlunterstützte Beschichtung, IBAD = Ion Beam Assisted Deposition). Das Beschichtungsmaterial selbst kann dabei über CVD- oder PVD-Verfahren, wie thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, PLD oder Sputtern, auf das Substrat aufgebracht werden. Dies ist in 15A dargestellt, wo auf ein beliebiges Substrat 2 unter Ionenbeschuss aus einer Ionenquelle 10 das oxidische Beschichtungsmaterial der Pufferschicht 3 aufgebracht wird. Auf diese Zwischenschicht 3 wird anschließend eine Metallschicht 4 aufgebracht. Das Ergebnis ist hier, wie in 15B dargestellt, eine einkristalline Metallschicht auf einer beliebigen Unterlage, die nunmehr als universelles Wachstumssubstrat verwendet werden kann.
Vorteilhaft hierbei ist also nun, dass wie in 15 gezeigt, ein universelles einkristallines Wachstumssubstrat für heteroepitaktische Schichten auf einer beliebigen Unterlage hergestellt werden kann. Die Materialien des Substrates können dabei den jeweiligen Anforderungen entsprechend ausgewählt werden, beispielsweise an die heteroepitaktisch abzuscheidende Schicht thermisch angepasst werden.

Claims

Wachstumssubstrat zur Herstellung von nicht-diamantenen epitaktischen Schichten mit einem Substrat (2) aus einkristallinem Silizium, mindestens einer auf dem Substrat angeordneten epitaktischen, vorteilhafterweise oxidischen Pufferschicht sowie mindestens einer auf der Pufferschicht angeordneten Metallschicht (4) enthaltend oder bestehend aus einem Übergangsmetall der 4., 5. und/oder 6. Periode mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K.
Wachstumssubstrat zur Herstellung von nicht-diamantenen epitaktischen Schichten mit einem Substrat (2) aus einem beliebigen Material oder dieses enthaltend, mindestens einer epitaktischen, vorteilhafterweise oxidischen Pufferschicht, die mit einem ionenstrahlunterstützten Abscheideverfahren (IBAD) auf das Substrat aufgebracht wurde, sowie mindestens einer auf der Pufferschicht angeordneten Metallschicht (4) enthaltend oder bestehend aus einem Übergangsmetall der 4., 5. und/oder 6. Periode mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K.
Wachstumssubstrat nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein amorphes, polykristallines oder einkristallines Material enthält oder daraus besteht.
Wachstumssubstrat nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Glas, Keramik, polykristallinen oder einkristallinen Diamant enthält oder daraus besteht.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht eine mittels eines Vakuumverfahrens, PVD, CVD, Laserablation (PLD), Sputtern und/oder MBE abgeschiedene Schicht ist.
Wachstumssubstrat zur Herstellung von nicht-diamantenen epitaktischen Schichten mit einem Substrat (2) aus einem Oxideinkristall sowie mindestens einer auf dem Substrat (2) angeordneten Metallschicht enthaltend oder bestehend aus einem Übergangsmetall der 4., 5. und/oder 6. Periode mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Metallschicht eine weitere epitaktische, vorteilhafterweise oxidische Pufferschicht angeordnet ist.
Wachstumssubstrat nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Pufferschicht eine mittels eines Vakuumverfahrens, PVD, CVD, Laserablation (PLD), Sputtern und/oder MBE oder mittels eines ionenstrahlunterstützten Abscheideverfahrens (IBAD) aufgebrachte Schicht ist.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Metallschicht mindestens eine weitere Schicht folge aus mindestens einer weiteren Pufferschicht und mindestens einer weiteren Metallschicht enthaltend oder bestehend aus einem Übergangsmetall der 4., 5. und/oder 6. Periode mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K angeordnet ist.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht ein hochschmelzendes Metall, insbesondere Iridium, Rhenium, Ruthenium, Molybdän, Wolfram, Tantal und/oder Platin enthält oder daraus besteht.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pufferschicht und/oder die mindestens eine weitere Pufferschicht eine oxidische Pufferschicht (3), Strontiumtitanat (SrTiO₃), Bariumtitanat (BaTiO₃), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), Y2O3, MgO und/oder Ceroxid (CeO₂) und/oder ein Karbid und/oder ein Nitrid enthält oder daraus besteht.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pufferschicht und/oder die mindestens eine weitere Pufferschicht eine Dicke zwischen 1 und 2000 nm, vorteilhafterweise zwischen 1 und 100 nm, vorteilhafterweise 10 bis 50 nm aufweist.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindes tens eine weitere Metallschicht eine Dicke zwischen 10 und 1000 nm, vorteilhafterweise zwischen 50 und 200 nm aufweist.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pufferschicht und/oder die mindestens eine weitere Pufferschicht eine Fehlorientierung > 2°, vorteilhafterweise > 1°, vorteilhafterweise > 0,5d bzgl. Verkippung (tilt) und/oder Verdrehung (twist) aufweist.
Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Metallschicht und/oder die mindestens eine weitere Metallschicht mit einer Abscheiderate < 0,4 nm/min, vorteilhafterweise < 0,2 nm/min, zumindest bis die Metallschicht eine geschlossene Oberfläche aufweist, abgeschieden wurde.
Verfahren zur Herstellung von nicht-diamantenen epitaktischen Schichten (5) mit geringer Fehlorientierung durch Abscheidung von Material auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Material auf einem Wachstumssubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche abgeschieden wird.
Epitaktisch abgeschiedene, nicht-diamantene Funktionsschicht mit geringer Fehlorientierung auf einem Wachstumssubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Funktionsschicht nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Material Halbleiter, GaN, GaAs, AlN, InP, CuInSe, Si, oxidische Materialien, ZnO, SrTiO₃, supraleitende oder hochtemperatursupraleitende Materialien, ferromagnetische und/oder ferroelektrische Stoffe oder dergleichen, jedoch nicht polykristallinen oder einkristallinen Diamant enthält oder daraus besteht.
Funktionsschicht (5) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (5) eine Fehlorientierung < 2°, vorteilhafterweise < 1°, vorteilhafterweise < 0,5° in Verkippung (Tilt) und Verdrehung (Twist) aufweist.
Funktionsschicht (5) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Verfahren nach Anspruch 16 herstellbar ist bzw. hergestellt wurde.
Verwendung einer Schicht nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend die Schichten auf der dem Substrat zugewandten Seite der Metallschicht zumindest in einer vorbestimmten Dicke, beispielsweise 10 μm, zumindest bereichsweise vorteilhafterweise durch Ätzen und/oder durch Polieren, entfernt werden und die freigelegte Oberfläche der Metallschicht als Wachstumssubstratoberfläche zur Abscheidung von Materialien verwendet wird.
Verwendung eines Wachstumssubstrates, einer Schicht (5) bzw. eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Bauelement bzw. zur Herstellung eines Bauelementes in der Elektronik, Mikroelektronik, für Photovoltaik-Solarzellen, Optoelektronik, Leuchtdioden, Halbleiterlaser, Hochtemperatursupraleiter, Ferromagnetika, Ferroelektrika oder sonstige beschichtete Bänder.
Verwendung eines Wachstumssubstrates und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Wachstumssubstrat (2) für das epitaktische Wachstum von Halbleitermaterialien, Ferroelektrika oder Ferromagnetika.
Verwendung nach Anspruch 22 zur Herstellung elektronischer Hochleistungsbauelemente, insbesondere für hohe Temperaturen, hohe Leistungen und/oder hohe Frequenzen.