DE112010001477T5

DE112010001477T5 - Anpassung des Gitterparameters einer Schicht aus verspanntem Material

Info

Publication number: DE112010001477T5
Application number: DE112010001477T
Authority: DE
Inventors: Frederic Dupont; Pascal Guenard
Original assignee: Soitec SA
Current assignee: Soitec SA
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2030-02-16
Also published as: FR2943174B1; DE112010001477B4; CN102349148A; CN102349148B; FR2943174A1; US8785293B2; WO2010103356A1; US20110294245A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen des Gitterparameters einer Keimschicht (3) aus verspanntem Material, das die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfasst: a) es wird eine Struktur geschaffen, die eine Keimschicht (3) aus verspanntem Material, mit einem Gitterparameter A, einem Nenn-Gitterparameter An und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE, eine Schicht (2) niedriger Viskosität und ein Zwischensubstrat (1) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1 aufweist; b) eine Wärmebehandlung wird durchgeführt, um die Keimschicht (3) aus verspanntem Material zu entspannen; und c) die Keimschicht (3) wird auf ein Trägersubstrat (5) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE5 übertragen, wobei das Zwischensubstrat (1) und das Trägersubstrat (5) so gewählt werden, dass A1 < An und CTE1 ≤ CTE3 und CTE5 > CTE1 oder A1 > An und CTE1 ≥ CTE3 und CTE5 < CTE1.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen des Gitterparameters einer Keimschicht aus verspanntem Material. Insbesondere ermöglicht es das epitaxiale Aufwachsen von Halbleitermaterialien für elektrische, optoelektronische und photovoltaische Einsatzzwecke.
Stand der Technik
Wenn Substrate nicht verfügbar sind oder in Form selbsttragender Bulk-Erzeugnisse sehr teuer sind, können sie als dünnere Schichten durch epitaxiales Aufwachsen auf Keimsubstrate gewonnen werden. Die Eigenschaften dieser Keimsubstrate sind jedoch nicht immer vollkommen an die Materialien angepasst, die aufgewachsen werden sollen. Beispielsweise haben die Keimsubstrate möglicherweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen Gitterparameter, die sich von denjenigen der Materialien unterscheiden, die aufgewachsen werden sollen. Dies kann dazu führen, dass die epitaxial aufgewachsene Schicht, die im Folgenden als Epitaxieschicht (epilayer) bezeichnet wird, verspannt wird, und zwar entweder unter Druck oder unter Zug. Oder es kann eine Anzahl von Defekten, wie beispielsweise Versetzungen oder Brüche, während des Aufwachsens der Struktur oder beim Abkühlen derselben entstehen, wodurch die Wirksamkeit der Vorrichtungen verringert wird, die anschließend auf diesen Schichten ausgebildet werden.
Es sind Verfahren zum Entspannen derartiger Schichten aus verspanntem Material, insbesondere durch Einfügen einer Schicht niedriger Viskosität zwischen der verspannten Schicht und einem Trägersubstrat, bekannt. Indem eine Wärmebehandlung bei oder über der Glasübergangstemperatur der Schicht niedriger Viskosität angewendet wird, kann dann die verspannte Schicht entspannt werden. Diese Verfahren führen jedoch nicht zu vollständig zufriedenstellenden Ergebnissen, da sich die verspannte Schicht nicht immer oder vollständig in einem elastischen Zustand entspannt. Die Struktur, die ausgebildet wird, indem Schichten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften übereinander angeordnet werden, kann auch altern, und die zu entspannende Schicht kann vom Rest der Struktur abgezogen werden. Des Weiteren kann, wenn das Material unter Druck verspannt ist, die elastische Entspannung zur Faltenbildung des Materials führen, so dass die Rauigkeit und die Amplitude zwischen Spitzen und Tälern der faltigen Schicht den gewünschten Einsatzzwecken dann im Wege steht. Wenn das Material unter Zug verspannt ist, kommt es bei der Entspannung häufig zu Rissen und größerer Oberflächenrauigkeit.
Dokument US 2007/0072324 von Krames et al beschreibt die Ausbildung von Gräben in einer nicht verspannten Keimschicht zur Herstellung von Inseln bzw. Bereichen aus Material, auf die laterales epitaxiales Aufwachsen eines Materials mit einem anderen Gitterparameter folgt, durch das die Verspannung in der epitaxial aufgewachsenen Schicht des Materials gelöst wird. Dieses Dokument erwähnt auch die Möglichkeit des Übertragens einer zunächst verspannten Keimschicht auf einen Träger über eine Schicht niedriger Viskosität und des anschließenden Anwendens einer Wärmebehandlung, um wenigstens teilweise Entspannung zu bewirken. Der Gitterparameter der zweiten Schicht nähert sich so seinem Nenn-Gitterparameter. Anschließendes homoepitaxiales Aufwachsen auf der Keimschicht ermöglicht es, ein Material zu gewinnen, das weniger verspannt ist als das Material der ursprünglichen Keimschicht. Das Dokument schlägt des Weiteren Übertragen einer Keimschicht auf ein Trägersubstrat vor, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient die Keimschicht bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen unter Spannung setzt, so dass sich ihr Gitterparameter dem des bei dieser Temperatur epitaxial aufgewachsenen Materials nähert.
Die Dokumente US 7 348 260 sowie US 6 794 276 offenbaren ebenfalls ähnliche Verfahren.
Diese Dokumente beschreiben jedoch nicht, wie der Gitterparameter einer Keimschicht eines anfänglich unter Zug oder Druck verspannten Materials so angepasst wird, dass die Spannung umgekehrt wird und in Abhängigkeit von der gewünschten anschließenden Anwendung ein unter Druck verspanntes bzw. unter Zug verspanntes Material gewonnen wird, insbesondere zum epitaxialen Aufwachsen eines Materials mit einer niedrigen Defektdichte.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Abhilfe bezüglich der erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu schaffen und insbesondere das Problem des Anpassens des Gitterparameters einer Keimschicht an den gewünschten Einsatzzweck, speziell bei Epitaxie, zu lösen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den folgenden aufeinanderfolgenden Schritten gelöst:

a) es wird eine Struktur geschaffen, die aufweist:
– eine Keimschicht aus verspanntem Material, mit einem Gitterparameter A, einem Nenn-Gitterparameter A_n und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE,
– eine Schicht niedriger Viskosität und
– ein Zwischensubstrat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE
b) eine Wärmebehandlung wird durchgeführt, um die Keimschicht aus verspanntem Material zu entspannen; und
c) die Keimschicht wird auf ein Trägersubstrat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE übertragen, wobei das Zwischensubstrat und das Trägersubstrat so gewählt werden, dass: A₁ < A_n und CTE1 ≤ CTE3 und CTE5 > CTE1 oder A₁ > A_n und CTE1 ≥ CTE3 und CTE5 < CTE1.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden das Zwischen- und das Trägersubstrat so gewählt, dass: A₁ < A_n und CTE5 ≥ CTE3 oder A₁ > A_n und CTE5 ≤ CTE3.
Gemäß einer Entwicklungsform der Erfindung folgt auf Schritt c), in dem die Keimschicht übertragen wird, ein Schritt d), der das epitaxiale Aufwachsen einer oder mehrerer Schichten aus Material auf der Keimschicht umfasst, die einen Gitterparameter A₃ bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen der Schicht/en hat.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden das Zwischen- und das Trägersubstrat entsprechend ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1 bzw. CTE5 so ausgewählt, dass der Gitterparameter A₃ bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen genauso groß ist wie oder größer als A_n, wenn A₁ < A_n.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung werden das Zwischen- und das Trägersubstrat entsprechend ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1 bzw. CTE5 so gewählt, dass der Gitterparameter A₃ bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen genauso groß ist wie oder kleiner als A_n, wenn A₁ > A_n.
Vorteilhafterweise ist insbesondere die Entspannung der Keimschicht in Schritt b) vollständig.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Entspannung der Keimschicht in Schritt b) eine laterale elastische Verformung.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Keimschicht in Inseln bzw. Bereiche aus Material unterteilt.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden die Inseln bzw. Bereiche aus Material durch Ätzen oder elektromagnetisches Bestrahlen der Keimschicht ausgebildet.
Vorteilhafterweise werden insbesondere Strukturen, die auf die Inseln bzw. Bereiche der Keimschicht ausgerichtet sind, in wenigstens einem Abschnitt der Dicke der Schicht niedriger Viskosität ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Schicht niedriger Viskosität aus wenigstens einem Material niedriger Viskosität, insbesondere Material, das ein Borphophorsilikatglas ist, das zwischen 3% und 7% Bor, vorzugsweise zwischen 3% und 5% Bor, enthält.
Vorteilhafterweise wird die Entspannung in Schritt b) beim Vorhandensein eines Versteifungsmittels ausgeführt, das sich auf der freien Fläche der Keimschicht befindet.
Gemäß einer Entwicklungsform der Erfindung wird die Keimschicht aus verspanntem Material entsprechend den folgenden aufeinanderfolgenden Schritten ausgebildet:

e) Abscheidung der Keimschicht aus verspanntem Material auf einem Keimbildungs-Substrat;
f) Verbinden der Keimschicht mit dem Zwischensubstrat über die Schicht niedriger Viskosität; und
g) wenigstens teilweises Entfernen des Keimbildungssubstrats.

Vorteilhafterweise wird insbesondere das Keimbildungssubstrat teilweise entfernt und die Versteifungsschicht wird wenigstens teilweise durch einen Rückstand des Keimbildungssubstrats gebildet.
Gemäß der Erfindung umfasst die Übertragung der Keimschicht in Schritt c):

– das Bonden der Keimschicht auf das Trägersubstrat über eine Bond-Schicht; und
– das Entfernen des Zwischensubstrats mit einem mechanischen Dünnätzverfahren, mittels elektromagnetischer Bestrahlung, durch Bruch entlang einer geschwächten Zone oder durch chemisches Ätzen.

Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung umfassen sowohl die Keimschicht als auch die Epitaxieschicht ein III-N-Einkristallmaterial (group III-nitride single-crystal material).
Vorteilhafterweise besteht die Keimschicht insbesondere aus einem polaren Material, und die Epitaxie in Schritt d) wird an einer Fläche des III-Elementes bzw. der III-Elemente des Materials der Keimschicht ausgeführt.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung:

– bestehen die in Schritt d) aufgewachsene Epitaxieschicht und die Keimschicht aus InGa; und
– hat die Epitaxieschicht einen Indium-Gehalt, der genauso hoch ist wie oder höher als der der Keimschicht, insbesondere einen Gehalt, der ungefähr 2% höher ist als der der Keimschicht.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird das Zwischensubstrat aus Silizium, SiC, p-SiC und Quarz ausgewählt, und das Trägersubstrat besteht aus Saphir.
Gemäß einer Entwicklungsform der Erfindung ist/sind die Epitaxieschicht/en eine oder mehrere aktive Schicht/en, insbesondere eine oder mehrere aktive Schicht/en für Laser-Komponenten für Fotovoltaik-Komponenten oder für Leuchtdioden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ersichtlich, wobei:
1 die Schritte des Entspannens einer Keimschicht und des Umkehrens der Verspannung darin, gefolgt von einem Schritt des epitaxialen Aufwachsens, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 die Veränderung des Gitterparameters einer Keimschicht bei Temperaturänderung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt, wenn A₁ < A_n;
3 die Änderung des Gitterparameters einer Keimschicht bei Temperaturänderung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt, wenn A₁ > A_n;
4 und 5 eine Struktur gemäß speziellen Ausführungsformen der Erfindung darstellen, bei denen die Keimschicht in Form von Inseln bzw. Bereichen aus Material vorliegt; und
6 die Schritte zum Herstellen der Keimschicht und zum Entspannen der Keimschicht beim Vorhandensein eines Versteifungsmittels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine Struktur 10, die eine Keimschicht 3 aus verspanntem Material, eine Schicht 2 niedriger Viskosität sowie ein Zwischensubstrat 1 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1 umfasst. Die Keimschicht 3 hat einen Gitterparameter A₁, einen Nenn-Gitterparameter A_n sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE3.
Eine Wärmebehandlung, wie sie in Schritt b) in 1 dargestellt ist, wird angewendet, um die Keimschicht 3 wenigstens teilweise zu entspannen. Wenn die Temperatur der Struktur 10 wieder auf Raumtemperatur zurückgegangen ist, beträgt der Gitterparameter der Keimschicht 3 A₂, wobei dieser näher an A_n liegt.
In Schritt c) in 1 wird die Schicht 3 dann auf ein Trägersubstrat 5 mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE5 übertragen, wobei das Zwischensubstrat 1 und das Trägersubstrat 5 so ausgewählt werden, dass die folgenden Ungleichungen gelten: A₁ < A_n und CTE1 ≤ CTE3 und CTE5 > CTE1 oder A₁ > A_n und CTE1 ≥ CTE3 und CTE5 < CTE1.
Jeder erwähnte Wärmeausdehnungskoeffizient stellt einen Durchschnittswert über den gesamten relevanten Temperaturbereich beim Verfahren der Erfindung dar. Die Beziehungen zwischen den Koeffizienten gelten während des gesamten Verfahrens.
Es wird bekannt sein, dass ein Material als an der Grenzflächenebene mit dem Material, auf dem es aufliegt, unter Zug bzw. unter Druck verspannt bezeichnet wird, wenn sein Gitterparameter größer ist oder kleiner als sein Nenn-Gitterparameter A_n in dieser Ebene, d. h. sein Gitterparameter im natürlichen Zustand. Vorteilhaftweise bezieht sich die Erfindung insbesondere sowohl auf anfänglich unter Zug verspannte Schichten, wobei in diesem Fall A₁ größer ist als A_n, als auch auf anfänglich unter Druck verspannte Schichten, bei denen A₁ größer ist als A_n.
Es ist auch anzumerken, dass der Begriff „Schicht” im weitesten Sinne des Wortes zu verstehen ist, d. h. die Schicht kann durchgehend oder unterbrochen sein.
Der Terminus „Schicht niedriger Viskosität” ist so zu verstehen, dass damit eine Schicht aus amorphem Material bezeichnet wird, das fließt und viskos wird, wenn seine Temperatur über seine Glasübergangstemperatur ansteigt. Vorzugsweise wird für die Erfindung eine Schicht niedrigerer Viskosität eingesetzt, d. h. eine, bei der die Glasübergangstemperatur relativ niedrig ist. Die Glasübergangstemperatur eines Oxids mit hoher Viskosität liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1000°C oder sogar 1200°C, während die Glasübergangstemperatur eines Oxids niedriger Viskosität zwischen 600°C und 1000°C liegt.
Das amorphe Material der Schicht 2 niedriger Viskosität gemäß der Erfindung kann Glas sein, so beispielsweise Glas auf Siliziumbasis, oder ein Oxid, wie beispielsweise SiO₂, das mit Bor oder mit Bor und Phosphor dotiert ist, so dass ein Borsilikatglas (BSG) oder ein Borphosphorsilikatglas (BPSG) entsteht. Der Anteil an Phosphor bestimmt die Glasübergangstemperatur des Oxids, so dass es möglich ist, die Zusammensetzung des Oxids so festzulegen, dass es bei der gewünschten Temperatur viskos wird. Beispielsweise beträgt die Glasübergangstemperatur einer BPSG-Schicht, die 4,5% Bor enthält, ungefähr 650°C.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann das Übertragen der Keimschicht 3 auf das Trägersubstrat 5 einschließen, dass im Voraus eine Frontschicht 4 auf der Schicht 3 und/oder auf dem Trägersubstrat 5 abgeschieden wird. Die Schicht 3 und das Substrat 5 werden dann über die Bondschicht 4 in Kontakt gebracht, und anschließend wird die Zwischenschicht 1 mit einem bekannten Verfahren, wie beispielsweise mechanischem Dünnätzen, chemischem Ätzen, elektromagnetischer Bestrahlung oder Bruch entlang einer geschwächten Zone, beispielsweise mittels Implantation ionischer Spezies entsprechend dem sogenannten SmartCut-Verfahren, entfernt. Die Bondschicht 4 wird vorzugsweise so gewählt, dass sie aus einem Material besteht, das bei den Temperaturen nicht fließt, die beim Einsatz der so ausgebildeten Struktur 11 erreicht werden. Bei einem epitaxialen Aufwachsen umfasst die Schicht 4 üblicherweise Siliziumoxid SiO₂.
Vorteilhafterweise schlägt die Erfindung vor, die Materialien des Zwischensubstrats 1 und des Trägersubstrats 5 so auszuwählen, dass die Koeffizienten CTE1 und CTE5 die Änderung des anfänglichen Gitterparameters A₁ der Keimschicht 3 in Abhängigkeit von dem gewünschten späteren Einsatz positiv beeinflussen.
Es ist bekannt, dass die Wärmeausdehnung einer Struktur, wie beispielsweise der Struktur 10, die eine Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 μm enthält und auf ein Substrat größerer Dicke gebondet ist, durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats bestimmt wird. Daher kann der Gitterparameter der Keimschicht 3, die auf ein Substrat 1 oder 5 gebondet ist, in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats angepasst werden, ohne dass das Material darunter leidet.
Ein Beispiel für die Änderung des Gitterparameters der Keimschicht 3 in den verschiedenen Schritten des Verfahrens gemäß der Erfindung 1st in 2 dargestellt. Die Linien D₁, D_n und D₅ stellen die temperaturabhängige Änderung des Gitterparameters eines entspannten Materials mit Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1, CTE3 bzw. CTE5 dar.
Bei Raumtemperatur ist der Gitterparameter A₁ der Keimschicht 3 geringer als sein Nenn-Gitterparameter A_n, d. h. das Material steht unter Druck. Bei der Anwendung der Wärmebehandlung in Schritt b) ändert sich der Gitterparameter entsprechend der Ausdehnung des Zwischensubstrats 1, auf das die Keimschicht 3 gebondet ist. Die Änderung des Parameters ist mit dem gleichen Anstieg wie dem der Linie D₁ dargestellt.
Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung zum Entspannen der Keimschicht 3 ausreicht, tritt wenigstens teilweise Entspannung des Gitterparameters der Schicht 3 ein, und er kann, wie in 2 angedeutet, den Nenn-Gitterparameter A_n erreichen. Bei dieser Temperatur wird die Schicht 3 von dem Substrat 1 getrennt und unterliegt nicht mehr der Auswirkung der Wärmeausdehnung.
Wenn sich die Struktur 10 abkühlt und die Temperatur unter die Fließtemperatur der Schicht 2 fällt, wird die Keimschicht 3 wieder mit dem Zwischensubstrat 1 verbunden. Der Gitterparameter der Schicht 3 unterliegt dem Einfluss des Zusammenziehens des Zwischensubstrats 1 entsprechend seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1. Seine temperaturabhängige Änderung ist mit der Linie D₁ dargestellt. Da der Koeffizient CTE1 niedriger ist als der Koeffizient CTE3, ist der Anstieg der Linie D_n stärker als der der Linie D₁. So erreicht der Gitterparameter der Schicht 3 den Wert A₂, der größer ist als der Nenn-Gitterparameter A_n bei Raumtemperatur.
Die Schicht 3 wird dann in dem in 1 gezeigten Schritt c) auf ein Trägersubstrat 5 übertragen, um die Struktur 11 auszubilden. Der Koeffizient CTE5 des Substrats 5 ist entschieden größer als der Koeffizient CTE1.
Die Anwendung einer Wärmebehandlung auf die Struktur 11 führt dann zu einer Änderung des Gitterparameters der Keimschicht 3 entsprechend der Linie D₅, die die Ausdehnung des Materials entsprechend dem Koeffizienten CTE5 veranschaulicht. Da der Anstieg von D₅ größer ist als der von D₁, kann der Gitterparameter der Keimschicht 3 dann unabhängig von der auf die Struktur 11 wirkenden Temperatur größer sein als A₁.
Wenn die Beziehung CTE5 ≥ CTE3 erfüllt ist, kann der Gitterparameter der Keimschicht 3 dann unabhängig von der auf die Struktur 11 wirkenden Temperatur größer sein als der Nenn-Gitterparameter A_n.
So ermöglicht es die Auswahl der Koeffizienten CTE1 und CTE5 des Zwischensubstrats 1 bzw. des Trägersubstrats 5, den Gitterparameter der Keimschicht 3 so anzupassen, dass das ursprünglich unter Druck verspannte Material unter Zug gebracht werden kann.
Umgekehrt stellt 3 ein Beispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung dar, bei dem der Gitterparameter A₁ anfänglich größer ist als der Parameter A_n, d. h., wenn die Keimschicht 3 unter Zugspannung steht.
Der Gitterparameter der Keimschicht 3, der auf das Zwischensubstrat 1 gebondet ist, ändert sich zunächst mit dem Gefälle der Linie D₁. Bei der Entspannungstemperatur der Schicht 3 kann sich das Material zumindest teilweise entspannen und seinen Nenn-Gitterparameter A_n erreichen. Da der Koeffizient CTE1 höher ist als der Koeffizient CTE3 der Keimschicht 3, kann der Gitterparameter A₂ bei Rückkehr zu Raumtemperatur kleiner sein als A₁ und A_n. Die Übertragung der Keimschicht 3 auf ein Trägersubstrat 5, dessen Koeffizient CTE5 deutlich niedriger ist als der Koeffizient CTE1, ermöglicht es dann, unabhängig von der wirkenden Temperatur, einen Gitterparameter der Keimschicht 3 zu erzielen, der kleiner ist als A₁.
Vorteilhafterweise kann der Gitterparameter der Keimschicht 3, wenn die Ungleichung/Gleichung CTE5 ≤ CTE3 erfüllt ist, bei jeder wirkenden Temperatur kleiner sein als der Nenn-Gitterparameter A_n. Es ist damit mit dem Verfahren der Erfindung möglich, die anfängliche Verspannung des Materials der Schicht 3 umzukehren, d. h. aus einer anfänglich unter Zug verspannten Keimschicht 3 eine unter Druck verspannte Keimschicht 3 zu gewinnen.
Da jeder der erwähnten Wärmeausdehnungskoeffizienten einen Durchschnittswert darstellt, variiert die Änderung des dazugehörigen Gitterparameters linear über den betreffenden Temperaturbereich, wie dies in 2 dargestellt ist.
Gemäß einer speziellen Entwicklungsform der Erfindung wird dann, wie 1 darstellt, in Schritt d) des Verfahrens der Erfindung eine Schicht 6 epitaxial auf die Keimschicht 3 der Struktur 11 aufgewachsen. Dabei können das Material des Zwischensubstrats 1 und das Material des Trägersubstrats 5 gemäß ihren Ausdehnungskoeffizienten CTE1 und CTE5 so ausgewählt werden, dass, wenn das Verfahren der Erfindung angewendet wird, der bei der Temperatur T_e zum epitaxialen Aufwachsen erreichte Gitterparameter A₃ der Schicht 3 dem Gitterparameter der Epitaxieschicht 6 entspricht.
Daher kann ein Material, das in sogenannter Bulk-Form nicht ohne weiteres verfügbar ist und/oder für das kein Keim-Substrat mit einem ähnlichen Gitterparameter existiert, homoepitaxial auf eine Keimschicht 3 aus diesem Material aufgewachsen werden, die zunächst in verspannter Form vorliegt. Die Kristallqualität der Epitaxieschicht 6, wie beispielsweise die Dichte und die Größe von Defekten, wird so optimiert.
Ein Material einer Schicht 6 kann auch heteroepitaxial auf die Schicht 3 aufgewachsen werden, deren ursprüngliche Verspannung umgekehrt wurde, um einen Gitterparameter zu erzielen, der dem der Schicht 6 gleicht. Beispielsweise wird eine Keimschicht 3 aus GaN, die zunächst unter Druck stand, auf ein Silizium-Substrat übertragen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als der von GaN, um die Struktur 10 herzustellen. Die Entspannungs-Wärmebehandlung führt dazu, dass Zug auf die GaN-Schicht 3 wirkt. Die Übertragung der Keimschicht 3 auf ein Saphir-Trägersubstrat 5, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient höher ist als der von GaN, ermöglicht es, die Spannung in der Keimschicht 3 zu erhöhen und den Gitterparameter A₃ zu erreichen, der dem der InGaN-Schicht 6 bei ihrer Temperatur T_e zum epitaxialen Aufwachsen gleicht.
Um optimale Auswirkung auf den Gitterparameter der Keimschicht 3 zu erzielen, wird die Entspannungs-Wärmebehandlung so angewendet, dass die Verspannung in der Schicht 3 vollständig beseitigt wird. Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung durchgeführt, indem die gesamte Struktur 10 in einer Erhitzungseinrichtung erhitzt wird, so dass alle Schichten, die die Struktur 10 bilden, gleichmäßig erhitzt werden. Es wäre jedoch auch vorstellbar, eine lokale Wärmebehandlung an der Schicht 2 niedriger Viskosität durchzuführen.
Vorzugsweise wird die Entspannung unter Bedingungen ausgeführt, die hauptsächlich laterale elastische Verformung ermöglichen. Die Oberfläche der Schicht 3 bleibt dadurch klein, so dass sie gut an das Trägersubstrat 5 gebondet werden kann.
Diese Bedingungen können den Einsatz einer Versteifungsschicht 13 an der Oberfläche der Schicht 3 einschließen. Das Material der Versteifungsschicht 13 muss dann thermomechanische Eigenschaften und eine Dicke haben, die geeignet sind, um eine ausreichende Steifigkeit bei den betreffenden Temperaturen zu gewährleisten. In Abhängigkeit von der Verspannung und dem Gitterparameter des Materials des Versteifungsmittels 13 kann letzteres die Entspannung der Schicht 3 teilweise behindern. Die Versteifungsschicht 13 kann dann nach der Wärmebehandlung, die zu teilweiser Entspannung geführt hat, entfernt werden, um eine komplementäre Entspannungs-Wärmebehandlung auszuführen. In jedem Fall wird das Versteifungsmittel 13 entfernt, um in Schritt c) des Verfahrens die Schicht 3 auf das Trägersubstrat 5 zu übertragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Keimschicht 3, wie in 4 dargestellt, in Inseln aus Material geschnitten werden. Diese Inseln ermöglichen es, die Entspannung durch Faltenbildung oder Rissbildung einzuschränken und gleichzeitig laterale Entspannung zu fördern. Die Inseln können jede beliebige Form und Größe haben. Es kann sich um Inseln aus Material in Form von Streifen oder länglichen Parallelepipeden handeln. Quadratisch geformte Inseln werden aus praktischen Gründen bezüglich ihrer Herstellung bevorzugt, wobei ihre Abmessungen in Abhängigkeit von der anfänglichen Verspannung des Materials zwischen beispielsweise 100 μm × 100 μm und 3 mm × 3 mm variieren können. Sie können durch elektromagnetische Bestrahlung unter Verwendung einer Strahlungsquelle ausgebildet werden, deren Wellenlänge den Absorptionseigenschaften des Materials entspricht. Beispielsweise wird ein Laser eingesetzt, um Inseln in einem Nitridmaterial vom III-N-Typ auszubilden, d. h. ein Laser mit einer Wellenlänge von weniger als 400 nm wird eingesetzt, um Gräben zu ätzen und GaN-Inseln auszubilden. Diese Inseln können auch durch Maskieren und Ätzen ausgebildet werden, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
Gemäß einer Variante der Erfindung werden Strukturen, die auf die Inseln der Keimschicht 3 ausgerichtet sind, in wenigstens einem Abschnitt der Dicke der Schicht 2 niedriger Viskosität ausgebildet, um die Entspannung des verspannten Materials zu erleichtern. In Abhängigkeit von dem jeweiligen Fall werden die Strukturen direkt durch die Dicke der Schicht 2 niedriger Viskosität hindurch hergestellt, um, wie in 5 gezeigt, separate Inseln zu erhalten. Vorzugsweise haben die aus der Schicht 2 ausgebildeten Inseln die gleiche Größe wie die Inseln der Keimschicht 3.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Versteifungsschicht 13 auch in der Form von Inseln auf den Inseln der Schicht 3 geschnitten, um die Entspannung zu optimieren.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen der Struktur 10. Die Keimschicht 3 wird, wie in 6 dargestellt, beispielsweise durch Epitaxie auf einem massiven Keimbildungssubstrat 12 oder einem Substrat abgeschieden, das aus einer Schicht auf einem Träger (nicht dargestellt) besteht. Der Gitterparameter des Materials der Schicht 3 unterscheidet sich von dem des Materials des Substrats 12, auf das es epitaxial aufgewachsen ist. Die Epitaxie kann unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, wie beispielsweise metallorganischer chemischer Bedampfung (MOCVD) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE), ausgeführt werden, und so wird die Schicht 3 aus verspanntem Einkristall oder polykristallinem Material gewonnen. Die Dicke dieser Schicht 3 ist vorzugsweise begrenzt, um zu verhindern, dass die kumulative Verspannung zu plastischer Verformung führt, durch die die kristallografische Qualität des Materials beeinträchtigt wird. Die Dicke kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der eingesetzten Materialien zwischen 50 nm und 2 μm variieren, ohne dass Defekte in Form von Versetzungen oder Rissen beim Aufwachsen entstehen.
In Schritt f) des in 6 dargestellten Verfahrens wird das Zwischensubstrat 1 mit der Schicht 3 beispielsweise mittels Wafer-Direktbonden (auch als Molekularhaftung bezeichnet) über eine Schicht 2 niedriger Viskosität verbunden, die im Voraus ausgebildet wird. Diese Schicht 2 hat normalerweise eine Dicke, die von 0,1 μm bis 5 μm reicht.
In Schritt g), der in 6 dargestellt ist, wird das Keimbildungssubstrat 12 beispielsweise durch mechanisches oder chemisches Dünnätzen oder durch elektromagnetische Bestrahlung an der Grenzfläche mit der Schicht 3 wenigstens teilweise von der Schicht 3 entfernt. Wenn das Substrat 12 vollständig entfernt worden ist, kann eine Versteifungsschicht 13 direkt auf der freiliegenden Fläche der Schicht 3 in der gewünschten Dicke abgeschieden werden. Wenn das Keimbildungssubstrat 12 teilweise entfernt ist, kann das verbleibende Keimbildungssubstrat 12 wenigstens teilweise die Versteifungsschicht 13 bilden.
Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung besteht die Keimschicht 3 aus einem III-N-, vorzugsweise Einkristallmaterial, das binäre, ternäre und quaternäre Legierungen aus III-Elementen und Stickstoff umfasst. Wenn die Schicht 3 aus III-N-Material auf dem Keimbildungssubstrat 12 ausgebildet wird, hat sie vorzugsweise eine freiliegende Fläche mit III-Polarität. Die doppelte Übertragung der Keimschicht 3 von dem Keimbildungssubstrat 12 auf das Zwischensubstrat 1 und dann auf das Trägersubstrat 5 gemäß der Erfindung ermöglicht es vorteilhafterweise, eine freiliegende Fläche mit III-Polarität herzustellen, die bekanntermaßen vorteilhafter als die N-Fläche für die Epitaxie einer Schicht 6 aus polaren III-N-Materialien ist.
Vorzugsweise ist das III-N-Material ein Einkristall-InGaN mit einem Indium-Gehalt zwischen 3 und 35%. Noch besser ist es, wenn das InGaN einen Indium-Gehalt zwischen 5 und 10% hat.
Gemäß dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung wird das Material der Schicht 2 niedriger Viskosität so gewählt, dass die Entspannungs-Wärmebehandlung zwischen 750°C und 1050°C und vorzugsweise zwischen 850°C und 950°C ausgeführt werden kann. Die Schicht 2 niedriger Viskosität besteht beispielsweise aus einem Borphosphorsilikatglas, dessen Boroxid-Gehalt vorzugsweise zwischen 3% und 7% und noch besser zwischen 3% und 5% liegt.
Das Zwischensubstrat 1 wird vorzugsweise aus Silizium, SiC, p-SiC, InP, InAs und Quarz ausgewählt, wobei diese Materialien einen Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1 haben, der niedriger ist als der Koeffizient CTE3 von III-N-Materialien, der ungefähr bei 5,6 × 10^–6 K^–1 liegt. Das Trägersubstrat 5 besteht beispielsweise aus Saphir, GaAs oder Germanium, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient CTE5 höher ist als der Koeffizient CTE3. Dadurch kann die Keimschicht 3 einen Gitterparameter A₃ erreichen, der größer ist als ihr Nenn-Parameter A_n bei der Temperatur T_e für die Epitaxie einer entspannten Schicht 6.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das Material der Keimschicht 3 und das der Epitaxieschicht 6 Einkristall-InGaN. Vorzugsweise ist der Indium-Gehalt der Schicht 6 höher als der der Keimschicht 3, wobei Verspannung der Schicht 3 gemäß der Erfindung Erzielung eines Gitterparameters A₃ bei der Temperatur T_e zum epitaxialen Aufwachsen ermöglicht, der dem der Schicht 6 gleicht.
Beispielsweise ermöglicht es eine Schicht 3 aus InGaN mit einem Indium-Gehalt zwischen 3 und 5%, eine entspannte InGaN-Schicht bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen aufzuwachsen, die einen Indium-Gehalt hat, der 2% höher ist als der der Keimschicht 3. Da die Schicht 6 entspannt ist, ist ihre Dicke nicht ausschlaggebend, sie kann zwischen 100 nm und 2 μm liegen. Diese Schicht 6 hat dann die kristallographischen Eigenschaften, die erforderlich sind, um sie als eine oder mehrere aktive Schicht/en für Laser- oder Fotovoltaik-Komponenten oder für Leuchtdioden einzusetzen.
Als ein Beispiel wird eine Ausführungsform gemäß der Erfindung im Folgenden beschrieben. Eine Schicht 3 aus Indium-Gallium-Nitrid (InGaN), die 6% Indium enthält und eine Dicke von 100 nm hat, wird, wie unter Bezugnahme auf 6 zu sehen ist, epitaxial auf einem Saphir-Keimbildungssubstrat 12 einer Pufferschicht aus Galliumnitrid (GaN) mit einer Dicke von 3 μm abgeschieden.
Eine Schicht 2 niedriger Viskosität, die aus Borphosphatsilikatglas mit einem Bor-Gehalt von 4,5% besteht, wird dann mit einer Dicke von ungefähr 500 nm auf der InGaN-Schicht 3 abgeschieden.
Eine Schicht 2 aus Borphosphorsilikatglas wird mit einer Dicke von 1 μm auf dem Silizium-Zwischensubstrat 1 abgeschieden, und dann werden die freiliegenden Flächen der auf dem Träger 1 und der InGaN-Schicht 3 abgeschiedenen Schichten aus Borphosphorsilikatglas poliert (in den Figuren nicht dargestellt), beispielsweise mit einem Verfahren des chemisch-mechanischen Polierens (CMP), bevor sie in engen Kontakt miteinander gebracht werden. Die Schicht 2 niedriger Viskosität aus Borphosphorsilikatglas, die so ausgebildet wird, hat eine Dicke von ungefähr 1 μm, da während des Polierens 500 nm Material entfernt werden.
Das Trägersubstrat 5 wird dann entfernt, so beispielsweise durch elektromagnetische Bestrahlung an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 5 und der GaN-Pufferschicht. Die verbleibende Galliumnitrid-Schicht auf der Schicht 3 hat eine Dicke von ungefähr 150 nm und dient, wie in 6 dargestellt, als Versteifungsschicht 13 auf der Schicht 3.
So wird, wie unter Bezugnahme auf Schritt g) in 6 zu sehen ist, die InGaN-Schicht 3 gewonnen, die über die Schicht 2 niedriger Viskosität auf das Zwischensubstrat 1 übertragen wurde und mit der Versteifungsschicht 13 bedeckt ist.
Optional werden die Restschicht 13, die verspannte InGaN-Schicht 3 und die Schicht 2 niedriger Viskosität mit einem üblichen Lithographie-/Ätzprozess geätzt, um quadratische Inseln herzustellen, die jeweils Versteifungsschichten 13, Schichten 3 aus verspanntem Material und Schichten 2 niedriger Viskosität mit Abmessungen von 1 mm × 1 mm umfassen.
Eine Wärmebehandlung gemäß Schritt b), der in 1 dargestellt ist, wird an der Struktur 10 durchgeführt, um die Schicht 2 niedriger Viskosität auf eine Temperatur oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur zu ätzen, beispielsweise eine Wärmebehandlung bei 850°C über einen Zeitraum von 4 Stunden, um vollständige laterale Entspannung zu erzielen, d. h. ohne Faltenbildung oder andere Beeinträchtigung der kristallinen Qualität des Materials der InGaN-Schicht 3.
Wenn die Temperatur wieder Raumtemperatur erreicht, dehnt das Silizium-Zwischensubstrat 1 die InGaN-Schicht 3, die so einen Gitterparameter A₂ erreicht, der größer ist als der Nenn-Gitterparameter A_n.
Die Versteifungsschicht 13 wird entfernt, um die Fläche der Schicht 3 mit N-Polarität aufgrund ihrer Übertragung auf das Substrat 1 freizulegen. Eine ergänzende Entspannungs-Wärmebehandlung kann ausgeführt werden, um die Schicht 3 vollständig zu entspannen. Diese Schicht wird dann über eine SiO₂-Bondschicht 4 auf ein Saphir-Trägersubstrat 5 gebondet, und das Substrat 1 wird entfernt, um die Struktur 11 auszubilden, wie dies in Schritt c) in 1 dargestellt ist. Die auf das Substrat 5 übertragene InGaN-Schicht 3 hat dann eine freiliegende Fläche mit Gallium-Polarität.
Die Struktur 11 wird dann auf eine Temperatur T_e von 900°C erhitzt, um eine InGaN-Schicht 6 mit einem Indium-Gehalt von 10% epitaxial aufzuwachsen. Diese Wärmebehandlung führt dazu, dass sich das Saphir-Substrat 5 ausdehnt, wodurch eine entsprechende Dehnung auf die Keimschicht 3 wirkt. Der Gitterparameter A₃ der Schicht 3, der entsprechend den Werten von CTE1 und CTE5 auf 0,32349 nm geschätzt wird, ist kompatibel mit dem Gitterparameter von InGaN mit einem Indium-Gehalt von 10%. Eine verspannungsfreie InGaN-Schicht 6 mit einem Indium-Gehalt von 10% wird dann bei der Temperatur T_e auf der Keimschicht 3 ausgebildet. Die Schicht 6 kann als eine aktive Schicht für Fotovoltaik- oder Laser-Komponenten oder für Leuchtdioden verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0072324 [0004]
US 7348260 [0005]
US 6794276 [0005]

Claims

Verfahren zum Anpassen des Gitterparameters einer Keimschicht (3) aus verspanntem Material, das die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfasst: a) es wird eine Struktur (10) geschaffen, die aufweist: – eine Keimschicht (3) aus verspanntem Material, mit einem Gitterparameter A, einem Nenn-Gitterparameter A_n und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE3, – eine Schicht (2) niedriger Viskosität und – ein Zwischensubstrat (1) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1; b) eine Wärmebehandlung wird durchgeführt, um die Keimschicht (3) aus verspanntem Material zu entspannen; und c) die Keimschicht (3) wird auf ein Trägersubstrat (5) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE5 übertragen, wobei das Zwischensubstrat (1) und das Trägersubstrat (5) so gewählt werden, dass: A₁ < A_n und CTE1 ≤ CTE3 und CTE5 > CTE1 oder A₁ > A_n und CTE1 ≥ CTE3 und CTE5 < CTE1.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei A₁ < A_n und CTE5 ≥ CTE3 oder A₁ > A_n und CTE5 ≤ CTE3.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf Schritt c) ein Schritt d) folgt, der das epitaxiale Aufwachsen wenigstens einer Epitaxieschicht (6) auf der Keimschicht (3) umfasst, die einen Gitterparameter A₃ bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen der Schicht (6) hat.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Zwischen-Substrat (1) und das Trägersubstrat (5) entsprechend ihren jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1 und CTE5 so ausgebildet werden, dass der Gitterparameter A₃ bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen genauso groß ist wie oder größer als A_n, wenn A₁ < A_n.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Zwischen-Substrat (1) und das Trägersubstrat (5) entsprechend ihren jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE1 und CTE5 so ausgewählt werden, dass der Gitterparameter A₃ bei der Temperatur zum epitaxialen Aufwachsen genauso groß ist wie oder kleiner als A_n, wenn A₁ > A_n.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entspannung der Keimschicht (3) in Schritt b) vollständig ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entspannung der Keimschicht (3) in Schritt b) eine laterale elastische Verformung ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Keimschicht (3) in Inseln oder Bereiche aus Material unterteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Strukturen, die auf die Inseln bzw. Bereiche der Keimschicht (3) ausgerichtet sind, in wenigstens einem Abschnitt der Dicke der Schicht (2) niedriger Viskosität ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entspannung in Schritt b) beim Vorhandensein einer Versteifungsschicht (13) ausgeführt wird, die sich auf der freien Fläche der Keimschicht (3) befindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Übertragung der Keimschicht (3) in Schritt c) umfasst: – das Bonden der Keimschicht (3) auf das Trägersubstrat (5) über eine Bond-Schicht (4); und – das Entfernen des Zwischen-Substrats (1) mit einem mechanischen Dünnätzverfahren, mittels elektromagnetischer Bestrahlung, durch Bruch entlang einer geschwächten Zone oder durch chemisches Ätzen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 11, wobei sowohl die Keimschicht (3) als auch die Expitaxieschicht (6) ein III-N(Gruppe-III-Nitrid)-Einkristallmaterial umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei: die in Schritt d) aufgewachsene Epitaxieschicht (6) und die Keimschicht (3) aus InGaN bestehen; und die Epitaxieschicht (6) einen Indium-Gehalt hat, der genauso groß ist wie oder größer als der der Keimschicht (3), insbesondere einen Gehalt, der ungefähr 2% höher ist als der der Keimschicht (3).
Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 13, wobei das Zwischen-Substrat (1) aus Silizium, SiC, p-SiC und Quarz ausgewählt wird und das Trägersubstrat (5) aus Saphir besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei die Epitaxieschicht/en (6) eine oder mehrere aktive Schicht/en ist/sind, insbesondere eine oder mehrere aktive Schicht/en für Laser-Komponenten, für Fotovoltaik-Komponenten oder für Leuchtdioden.