DE112013001279B4

DE112013001279B4 - Halbleiterbauelement mit einer orientierten Schicht und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE112013001279B4
Application number: DE112013001279.0T
Authority: DE
Inventors: Lutz KIRSTE; Volker Cimalla; Rolf Aidam
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: DE102012203421A1; WO2013131804A1; DE112013001279A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (50) zur Herstellung einer orientierten Schicht (12) auf einem Substrat (10), wobei die Schicht (12) zumindest einen Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur enthält oder daraus besteht, wobei auf dem Substrat (10) in einem ersten Verfahrensschritt (52) eine Nukleationsschicht (11) mittels MBE und/oder MOCVD und/oder MOVPE abgeschieden wird und in einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt (55) die orientierte Schicht (12) mittels eines PVD-Verfahrens abgeschieden wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauelement mit einem Substrat (10) und einer orientierten Schicht (12), welche zumindest einen Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur enthält oder daraus besteht, wobei zwischen dem Substrat (10) und der orientierten Schicht (12) eine Nukleationsschicht (11) angeordnet ist, welche eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 20 nm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer orientierten Schicht auf einem Substrat, wobei die Schicht zumindest einen Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur enthält oder daraus besteht. Schichten der eingangs genannten Art können als Teil einer halbleitenden Bauelementstruktur verwendet werden.
Aus der Praxis ist bekannt, halbleitende elektronische Bauelementstrukturen aus binären, ternären und/oder quaternären Verbindungen herzustellen, welche in Wurtzit-Struktur kristallisieren. Diese Verbindungen werden nachfolgend zusammenfassend als Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur bezeichnet. Solche halbleitenden Bauelemente benötigen zumindest während einiger Herstellungsschritte ein unterliegendes Substrat, welches die mechanische Stabilität der halbleitenden Bauelementstruktur sicherstellt. Beispielsweise kann als Substrat Saphir, Silicium oder Siliciumcarbid verwendet werden. Insbesondere die Verwendung von Silicium ist vorteilhaft, da dieses großflächig kostengünstig erhältlich und weit verbreitet ist. Weiterhin kann ein solches Siliciumsubstrat seinerseits wieder halbleitende Bauelementstrukturen enthalten, beispielsweise in Form von CMOS-Bauelementen. Auf diese Weise kann ein monolithisch integrierter Schaltkreis sowohl Bauelemente auf der Basis von Silicium als auch Bauelemente auf der Basis von Verbindungshalbleitern mit Wurtzit-Struktur enthalten.
Um die unterschiedlichen Gitterkonstanten des Substrates einerseits und der Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur andererseits auszugleichen, ist bekannt, eine Pufferschicht aus Aluminiumnitrid oder Galliumnitrid auf dem Substrat abzuscheiden und die halbleitenden Bauelementstrukturen auf dieser Pufferschicht anzuordnen. Allerdings weist das Substrat und die Pufferschicht unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass eine heteroepitaktisch abgeschiedene Schicht eines Verbindungshalbleiters mit Wurtzit-Struktur auf einem Substrat zu großen mechanischen Spannungen führt. Diese können zur Bildung von Rissen und Defekten oder zu einer temperaturabhängigen Krümmung des Substrates führen, so dass das Substrat keine plane Oberfläche aufweist. Hierdurch kann die nachfolgende Bearbeitung und/oder die Funktion der halbleitenden Bauelemente erschwert oder verhindert werden.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die US 6 692 568 B2 vor, eine Pufferschicht aus einem Gruppe-III-Nitrid mittels reaktivem Ionensputtern bei einer Substrattemperatur bis 1200 °C abzuscheiden.
Das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass die Kristallqualität solcher Schichten geringer ist als die Qualität orientierter Schichten, welche mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, Molekularstrahlepitaxie oder metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung bei höherer Substrattemperatur erzielt werden kann.
Die WO 02 / 044 444 A1 zeigt die Abscheidung von Säulen, welche aus einem Gruppe-III-Nitrid bestehen, auf einem Substrat. Somit zeigt D1 eine vergleichsweise dicke, geschlossene Schicht auf dem Substrat. Da zwischen einzelnen freistehenden Säulen Zwischenräume verbleiben, kann die Säulenstruktur aus der WO 02 / 044 444 A1 keine mechanischen Spannungen aufgrund hoher Temperaturwechsel im Substrat induzieren.
Die WO 2006 / 077 221 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer orientierten GaN- oder AlGaN-Schicht. Diese Schicht soll mittels Gasphasenepitaxie bei hohen Substrattemperaturen abgeschieden werden. So wird als Temperatur für das Wachstum einer dicken GaN-Schicht eine Temperatur von 9000 °C bis 1050 °C offenbart.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer orientierten Schicht anzugeben, welche zumindest einen Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur enthält und welche eine gute Kristallqualität aufweist. Weiterhin soll das Verfahren ein planes Substrat mit der darauf abgeschiedenen Schicht bereitstellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie ein Bauelement gemäß Anspruch 14 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Substrat zu verwenden, welches Saphir, Siliciumcarbid oder Silicium enthält. Daneben können die genannten Substrate Dotierstoffe aufwiesen, um eine vorgebbare elektrische Leitfähigkeit oder Gitterkonstante aufzuweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Substrate daneben unvermeidbare Verunreinigungen aufweisen, beispielsweise Wasserstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff. Ein Substrat, welches Silicium enthält oder daraus besteht, kann darüber hinaus eine laterale Strukturierung und/oder eine Tiefenstrukturierung aufweisen, so dass auf dem Substrat zumindest auf einer Teilfläche elektronische Bauelemente realisiert sind. Diese Bauelemente können beispielsweise Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, Widerstände, Kapazitäten oder Leiterbahnen oder daraus zusammengesetzte komplexere elektronische Schaltungen aufweisen. Die Strukturierung des Substrates kann durch Metallisierungen und/oder dotierte Raumbereiche bzw. Flächenbereiche erzielt werden, welche in an sich bekannter Weise durch Maskieren, Ätzen und Bearbeiten des Substrates erhältlich sind, beispielsweise in einem CMOS-Prozess.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat ein einkristallines Substrat sein, d.h. das Substrat weist zumindest eine, meist aber eine Mehrzahl monokristalliner Domänen oder Bereiche auf, welche durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Einzelne Domänen oder Bereiche können zueinander orientiert sein.
Die abzuscheidende Schicht enthält zumindest einen Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur. Der Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur kann dabei der Kristallklasse dihexagonal-pyramidal angehören und ein hexagonales Kristallsystem aufweisen. Die abzuscheidende Schicht soll bezüglich der Substratoberfläche eine Orientierung aufweisen, d.h. die Kristallrichtung des Substrates und die wesentliche Kristallrichtung der orientierten Schicht weisen eine feste Winkelbeziehung zueinander auf. Die Schicht kann als Ausgangsmaterial zur Herstellung elektronischer Bauelemente durch Strukturieren der Schicht dienen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schicht eine Pufferschicht sein, welche zur Anpassung der Gitterkonstanten und/oder zur elektrischen Isolation zwischen dem Substrat und den elektronischen Bauelementen dient.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verbindungshalbleiter eine Verbindung aus zumindest einem Element der ersten Hauptgruppe des Periodensystems und zumindest einem Element der siebten Hauptgruppe des Periodensystems enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verbindungshalbleiter AgI enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verbindungshalbleiter eine Verbindung aus zumindest einem Element der zweiten Hauptgruppe des Periodensystems und zumindest einem Element der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verbindungshalbleiter ZnO und/oder CdSe und/oder CdS enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verbindungshalbleiter eine Verbindung aus zumindest einem Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems und zumindest einem Element der fünften Hauptgruppe des Periodensystems enthalten oder daraus bestehen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verbindungshalbleiter zumindest ein Element der III. Hauptgruppe des Periodensystems und Stickstoff enthalten. Somit kann es sich bei der abzuscheidenden Schicht um eine binäre, ternäre oder quaternäre Nitridverbindung handeln. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schicht Aluminiumnitrid, Galliumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid enthalten oder daraus bestehen. Die orientierte Schicht kann im Wesentlichen geschlossen sein, d.h. es handelt sich nicht um einzelne Inseln, Säulen oder Domänen, sondern um defektarmes Halbleitermaterial, welches zur Herstellung von elektronischen Bauelementen geeignet ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die orientierte Schicht einkristalline Domänen bzw. Bereiche aufweisen, welche durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Von einer Orientierung im Sinne der vorliegenden Erfindung soll auch dann ausgegangen werden, wenn die Winkelbeziehung der Kristallrichtungen nicht über die gesamte Fläche des Substrates konstant ist, sondern um einen vorgebbaren Betrag abweicht. Beispielsweise können die Kristallrichtungen um einen Wert von +/- 2°, +/- 1° oder +/-0,5° schwanken.
Weiterhin soll das erfindungsgemäß hergestellte Substrat im Wesentlichen eben sein. Für die Zwecke der Erfindung bedeutet dies, dass die Krümmung weniger als 20 km^-1 beträgt, vorzugsweise weniger als 30 km^-1 oder weniger als 50 km^-1. Hierdurch wird die Weiterverarbeitung erleichtert oder erst ermöglicht.
Die erfindungsgemäß hergestellte orientierte Schicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke von mehr als 1 µm, mehr als 2 µm oder mehr als 5 µm aufweisen.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, zur Abscheidung der orientierten Schicht, welche als Ausgangsmaterial für die Herstellung elektronischer Bauelemente auf der Basis von Gruppe-III-Nitriden oder als Pufferschicht dienen kann, zunächst in einem ersten Verfahrensschritt eine Nukleationsschicht mittels MBE und/oder MOCVD und/oder MOVPE abzuscheiden. In einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt kann dann die orientierte Schicht auf der Nukleationsschicht mittels eines PVD-Verfahrens abgeschieden werden. Das vorgeschlagene Verfahren vereint die Vorteile der PVD-Verfahren, nämliche geringe Wachstumstemperaturen, rasches Schichtwachstum und einfache Verfahrensführung ohne Ultrahochvakuum-System mit den Vorteilen der Epitaxieverfahren, welche eine qualitativ hochwertige, epitaktische bzw. heteroepitaktische Schicht bereitstellen können.
Die vorgeschlagene Nukleationsschicht kann in einigen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 3 nm bis etwa 50 nm oder eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 20 nm aufweisen. Die Nukleationsschicht wird in an sich bekannter Weise mittels Molekularstrahlepitaxie, metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung oder metallorganischer Gasphasenepitaxie erzeugt. Beim Abkühlen des Substrates von der Wachstumstemperatur der Nukleationsschicht auf Raumtemperatur werden jedoch keine oder nur geringe mechanische Spannungen in das Substrat induziert, da die Nukleationsschicht nur eine geringe Dicke aufweist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung muss die Nukleationsschicht nicht vollflächig aufgebracht sein, sondern kann in Form einzelner Inseln auf der Substratoberfläche haften. Die genannten Epitaxieverfahren erlauben es, eine Nukleationsschicht bereitzustellen, deren Kristallstruktur sich an die Kristallstruktur des darunter liegenden Substrates anlehnt. Dadurch wird eine feste Winkelbeziehung zwischen der Kristallrichtung des einkristallinen Substrates und der Kristallrichtung der heteroepitaktischen Schicht ermöglicht.
Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass diese einmal erzielte Orientierung der Nukleationsschicht auch beim Abscheiden der orientierten Schicht mit nominell gleicher chemischer Zusammensetzung mittels eines PVD-Verfahrens erhalten bleibt. Obgleich ein PVD-Verfahren bei niedrigerer Temperatur abläuft, welches eine geringere Mobilität der abgeschiedenen Atome auf der Oberfläche zur Folge hat und die kinetische Energie der auf die Oberfläche auftreffenden Ionen bzw. Atome erheblich größer ist, führt ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes PVD-Verfahren völlig überraschend nicht zu einer Durchmischung des Materials der orientierten Schicht mit dem Substratmaterial und auch nicht zu einer Zerstörung der Nukleationsschicht. Vielmehr wurde erstmals erkannt, dass die epitaktische Nukleationsschicht als Keim für ein orientiertes Wachstum einer PVD-Schicht dienen kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das PVD-Verfahren ausgewählt sein aus reaktivem Magnetronsputtern und/oder Laserdeposition und/oder thermischen Verdampfen. Beim Magnetronsputtern kann zumindest ein Element der III. Hauptgruppe als Festkörper bereitgestellt werden, welcher durch auftreffende Inert- und/oder Aktivgasionen zerstäubt wird. Stickstoff kann in diesem Fall aus der Gasphase zugeführt werden, so dass sich die gewünschte Schicht aus zumindest einem Element der III. Hauptgruppe des Periodensystems an Stickstoff ergibt.
Zur Laserdeposition kann ein Targetmaterial durch hochenergetische, meist gepulste Laserstrahlung verdampft werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Metall oder eine Legierung durch Widerstandsheizung oder Elektronenstoßheizung soweit erhitzt werden, dass das Material verdampft. In jedem Fall wird das Substrat mit der darauf angeordneten Nukleationsschicht so angeordnet, dass die abdampfenden Atome, Ionen oder Cluster auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden werden und dort die gewünschte Schicht bereitstellen. Die genannten PVD-Verfahren weisen dabei den Vorteil auf, dass die Substrattemperatur erheblich geringer gewählt sein kann als bei den im ersten Verfahrensschritt verwendeten Epitaxieverfahren. Weiterhin kann die Wachstumsgeschwindigkeit erhöht sein, so dass die orientierte Schicht in kürzerer Zeit abgeschieden werden kann. Aufgrund der geringeren Temperatur werden die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten induzierten mechanischen Spannungen reduziert, so dass eine Wölbung des Substrates verringert werden kann.
Die Temperatur des Substrates im zweiten Verfahrensschritt ist kleiner als 400 °C. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann sie kleiner als 300 °C, kleiner als 100 °C oder kleiner als 50 °C sein. Im genannten Temperaturbereich ist einerseits das Wachstum einer orientierten Schicht mit guter Kristallqualität möglich. Andererseits ist die Temperatur so gering gewählt, dass mechanische Spannungen beim Abkühlen des Substrates am Ende des Wachstumsschrittes weitgehend vermieden werden oder kontrollierbar bleiben.
Die Temperatur des Substrates im ersten Verfahrensschritt ist größer als 600 °C. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann sie größer als 800 °C oder größer als 900 °C sein. Im genannten Temperaturbereich ist die Beweglichkeit der an der Oberfläche des Substrates adsorbierten Atome hinreichend groß, so dass diese durch Hopping-Prozesse in der gewünschten Kristallstruktur kondensieren. Beispielsweise kann dies eine hexagonale Kristallstruktur sein.
In einigen Ausführungsformen kann die orientierte Schicht eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 10 µm oder von etwa 300 nm bis etwa 5 µm aufweisen. Orientierte Schichten dieser Dicke weisen einerseits gute elektrische Isolationswerte auf, um eine Entkopplung der elektronischen Bauelemente vom Substrat zu gewährleisten. Weiterhin kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung nach der Herstellung der orientierten Schicht das Substrat entfernt werden, beispielsweise durch Ätzen. Weiterhin kann bei diesen Schichtdicken ein negativer Einfluss der Kristallstruktur des Substrates auf die Struktur einer auf der orientierten Schicht abgeschiedenen Bauelementstruktur vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist das Verfahren den zusätzlichen Schritt auf, das Substrat in einer oxidierenden Atmosphäre zu tempern. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur dabei mehr als 500 °C oder mehr als 700 °C betragen. Auf diese Weise kann ein abgeschiedenes Gruppe-III-Nitrid zu einem Oxinitrid oxidiert werden. Ein solches Oxinitrid kann verbesserte elektrische oder elektronische Eigenschaften aufweisen, eine veränderte Kristallstruktur aufweisen oder verbesserte Isolationswerte oder Dielektrizitätszahlen ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Verfahrensschritt in einer ersten Vakuumkammer und der zweite Verfahrensschritt in einer zweiten Vakuumkammer durchgeführt werden. Eine solche Verfahrensführung erlaubt vorteilhaft die Verwendung an sich bekannter und meist vorhandener Geräte zur Gasphasenepitaxie bzw. zur PVD-Beschichtung. Somit kann das vorgeschlagene Verfahren in besonders einfacher Weise mit vorhandener Ausrüstung umgesetzt werden, ohne dass es der Beschaffung neuer und aufwändiger Geräte bedarf.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Transfer des Substrates von der ersten Vakuumkammer in die zweite Vakuumkammer an Luft erfolgen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Oberflächen hierdurch nicht beeinträchtigt werden bzw. bestehende Beeinträchtigungen durch einen einfachen Reinigungsschritt in der zweiten Vakuumkammer wieder entfernt werden können. Hierdurch wird das vorgeschlagene Verfahren weiter vereinfacht.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:

1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Substrat mit der darauf angeordneten orientierten Schicht.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens.
3 zeigt Daten einer Röntgenstrukturanalyse einer erfindungsgemäß hergestellten orientierten Schicht.
4 zeigt eine Polfigur der Nukleationsschicht.
5 zeigt eine Polfigur der orientierten Schicht.
6 zeigt eine Messeinrichtung, mit welcher die Daten gemäß 3 bis 5 erhalten werden können.

1 zeigt einen Schnitt durch ein Substrat 10 mit einer darauf angeordneten orientierten Schicht 12. Das Substrat kann beispielsweise Silicium enthalten oder daraus bestehen. Daneben kann das Substrat 10 einen Dotierstoff enthalten, um eine vorgebbare elektrische Leitfähigkeit einzustellen. Das Substrat 10 kann ein Einkristall sein, beispielsweise ein üblicher, in der Mikroelektronik verwendeter Wafer. Das Substrat 10 kann eine Dicke von 50 µm bis 1 mm aufweisen. Der Durchmesser des Substrates kann etwa 10 cm bis etwa 30 cm betragen.
Auf der Oberfläche 101 des Substrates 10 wird zunächst eine Nukleationsschicht 11 abgeschieden. Die Nukleationsschicht 11 kann eine Dicke von etwa 3 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 5 nm bis etwa 20 nm aufweisen. Die Nukleationsschicht 11 kann ein Gruppe-III-Nitrid enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Nukleationsschicht 11 Aluminiumnitrid, Galliumnitrid oder Aluminiumgalliumnitrid enthalten. Die Nukleationsschicht 11 kann wie in 1 dargestellt, vollflächig aufgebracht sein oder in Form einzelner Inseln mit dazwischen liegenden Unterbrechungen auf der Oberfläche 101 ausgebildet sein.
Die Nukleationsschicht 11 wird durch ein an sich bekanntes Epitaxieverfahren erhalten, beispielsweise MBE, MOVPE oder MOCVD. Die Nukleationsschicht kann bei einer Temperatur von mehr als 800 °C oder mehr als 900 °C abgeschieden werden.
Auf die Nukleationsschicht 11 wird die orientierte Schicht 12 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden. Beispielsweise kann die orientierte Schicht 12 durch Sputtern, thermisches Verdampfen oder Laserdeposition abgeschieden werden. Die orientierte Schicht 12 enthält meist dasselbe Material wie die Nukleationsschicht 11. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann jedoch auch ein unterschiedliches Materialsystem eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Orientierung der Nukleationsschicht 11, welche aufgrund des verwendeten Epitaxieverfahrens orientiert auf der Oberfläche 101 des Substrates 10 aufwächst, auch beim Abscheiden mittels eines PVD-Verfahrens erhalten bleibt. Auf diese Weise kann mit einer Sputtertechnik eine orientierte Schicht hoher Kristallqualität abgeschieden werden, obgleich solche Techniken üblicherweise nur für Anwendungen eingesetzt werden, welche keine großen Anforderungen an die Kristallqualität stellen. Beispielhaft sei die Beschichtung von Architekturglas mit einer Wärmedämmschicht genannt. Solche Schichten weisen typischerweise keine Orientierung auf, d.h. die Schicht ist entweder polykristallin oder weist einkristalline Bereiche auf, welche jedoch relativ zu benachbarten Bereichen und relativ zum Substrat verkippt bzw. verdreht sind. Diese Schichten sind für mikroelektronische Anwendungen daher nicht brauchbar. Umso überraschender ist, dass die durch die Nukleationsschicht vorgegebene Orientierung auch beim Abscheiden einer Gruppe-III-Nitridschicht mittels eines PVD-Verfahrens erhalten bleibt.
Anhand von 2 wird das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren nochmals erläutert. Im ersten Verfahrensschritt 51 wird das Substrat 10 in das Vakuum einer Epitaxieanlage eingeschleust. Zuvor kann die Oberfläche grob gereinigt werden, beispielsweise in einem Ultraschallbad und/oder durch Spülen mit verschiedenen Lösemitteln und/oder deionisiertem Wasser. Innerhalb des Vakuums der Epitaxieanlage kann das Substrat 10 noch einer weiteren Reinigung unterzogen werden, beispielsweise durch Ionenätzen oder sputtern.
Im Anschluss daran folgt der erste Verfahrensschritt 52. Im Verfahrensschritt 52 wird mittels MBE und/oder MOCVD und/oder MOVPE oder einer anderen, an sich bekannten Epitaxietechnik eine Nukleationsschicht auf der Oberfläche 101 abgeschieden. Die Nukleationsschicht kann einkristallin sein. Zumindest ist die Nukleationsschicht orientiert auf der Oberfläche 101 abgeschieden, so dass die Kristallrichtung der Nukleationsschicht in einer festen Winkelbeziehung zur Kristallorientierung des Substrates 10 steht.
Die Nukleationsschicht kann eine Dicke von etwa 3 nm bis etwa 50 nm aufweisen. Die Nukleationsschicht wird bei einer Temperatur von mehr als 600 °C, insbesondere mehr als 800 °C oder mehr als 900 °C abgeschieden. In einem Ausführungsbeispiel enthält die Nukleationsschicht AIN und wird aus zwei Molekularstrahlen abgeschieden, welche Aluminium und Stickstoff enthalten oder daraus bestehen.
Im Verfahrensschritt 53 wird das Substrat 10 auf Raumtemperatur abgekühlt und aus dem Ultrahochvakuum der Epitaxieanlage entfernt. Nun erfolgt ein Transfer zu einer Sputteranlage, in welcher die PVD-Beschichtung durchgeführt wird. Der Transfer kann unter Schutzgas oder im Vakuum erfolgen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Transfer auch ohne besondere Schutzvorkehrungen durchgeführt werden.
Im Verfahrensschritt 54 wird das Substrat in das Vakuum einer Sputteranlage eingeschleust. Im Anschluss daran kann das Substrat durch thermische Desorption oder eine Plasmareinigung von anhaftenden Adsorbaten gereinigt werden, um anhaftende Kontaminationen vom vorhergehenden Verfahrensschritt zu entfernen.

Im Anschluss daran erfolgt der zweite Verfahrensschritt 55. Im Verfahrensschritt 55 wird in einem Aktivgas-Sputter-Prozess die orientierte Schicht abgeschieden. Für die in 3 bis 5 gezeigten Messungen wurde eine orientierte Schicht verwendet, welche mit den nachfolgenden Parametern abgeschieden wurde:

Arbeitsdruck:	4,5 × 10^-4 Torr
Target:	Al, 99.999 %
Hochfrequenzleistung:	1340 Watt
Argonreinheit:	99,999 %
Argonfluss:	70 sccm
Stickstoffreinheit:	99,999 %
Stickstofffluss:	40 sccm
Abstand Substrat-Target:	90 mm
Substrat-Biasspannung:	-100 Volt

Auf diese Weise konnte bei niedriger Temperatur eine Aluminiumnitridschicht abgeschieden werden, welche die Orientierung der darunter liegenden Nukleationsschicht beibehalten hat. Die orientierte Aluminiumnitridschicht kann unmittelbar als im Wesentlichen geschlossene Schicht abgeschieden werden, d.h. es handelt sich nicht um einzelne Inseln, Säulen oder Domänen, sondern um defektarmes Halbleitermaterial, welches zur Herstellung von elektronischen Bauelementen geeignet ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die orientierte Schicht 12 mit einer Defektdichte von weniger als 10⁹ cm^-3 erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Nukleationsschicht unmittelbar auf der Oberfläche des Substrates angeordnet sein und die orientierte Schicht bzw. die Aluminiumnitridschicht kann unmittelbar auf der Nukleationsschicht angeordnet sein. Durch die niedrige Temperatur bei der Herstellung der orientierten Schicht ist das Substrat mit der Schicht weitgehend spannungsfrei. Weitere Zwischenschichten zum Ausgleich der Gitterfehlanpassung müssen nicht vorgesehen werden.
Die Schichteigenschaften werden nachfolgend anhand der 3 bis 5 näher erläutert. Die Messungen erfolgten mittels einer Röntgenbeugungsanlage, welche schematisch in 6 dargestellt ist. Wie aus 6 ersichtlich ist, umfasst die Messvorrichtung eine Röntgenquelle 60. Die Röntgenquelle 60 erzeugt durch Abbremsen eines Elektronenstrahles auf einem Kupfertarget charakteristische Röntgenstrahlung und Röntgen-Bremsstrahlung. Der aus der Röntgenquelle 60 austretende Röntgenstrahl 61 wird mittels eines optionalen Monochromators 62 monochromatisiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die CuK_α-Linie der charakteristischen Röntgenstrahlung zur Analyse verwendet.
Die monochromatisierte Röntgenstrahlung trifft auf die Probe 65, im vorliegenden Beispiel das Substrat 10 mit der darauf angeordneten Nukleationsschicht 11 und/oder der orientierten Schicht 12.
Die Probe 65 kann über ein Goniometer um drei Achsen geschwenkt werden. Senkrecht zur Zeichenebene befindet sich dabei die Drehachse des Winkels ω. In der Zeichenebene liegen die Rotationswinkel ϕ und χ. Die von der Probe 65 reflektierte Röntenstrahlung wird im Detektor 62 nachgewiesen. Als Detektor kann ein Halbleiterzähler, beispielsweise ein Germaniumdetektor, oder ein Zählrohr verwendet werden.
3 zeigt die gemessene Intensität der Röntgenstrahlung im Detektor 62 auf der Ordinate und den Winkel 29 (der Drehachse ω) auf der Abszisse. Die Messungen wurden bei konstanten Winkeln ϕ und χ durchgeführt.
Wie 3 zeigt, können drei Streuwinkel des Silicium-Substrates mit [111]-Orientierung nachgewiesen werden. Weiterhin zeigt 3 drei Messsignale, welche drei der sechs Orientierungen des hexagonal kristallisierenden Aluminiumnitrids zugewiesen werden können.
4 zeigt eine Polfigur der Nukleationsschicht. Dies bedeutet, die Probe 65 enthält lediglich das Substrat 10 und die darauf abgeschiedene Nukleationsschicht 11. Die Polfigur entsteht durch Variation der Winkel ϕ und χ. Der Winkel ϕ variiert von 0 bis 90°, wobei unterschiedliche Winkel χ als konzentrische Kreise aufgetragen sind. Die Intensität der im Detektor 62 nachgewiesenen Röntgenstrahlung ist in Form unterschiedlicher Graustufen codiert. Deutlich erkennbar ist die hexagonale Struktur der epitaktisch abgeschiedenen Nukleationsschicht aus Aluminiumnitrid, welche zu sechs deutlichen Signalen bei unterschiedlichem Winkel ϕ und konstantem χ in der Polfigur führt.
5 zeigt schließlich dieselbe Messung wie 4, wobei die Probe 65 das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schichtsystem umfasst, nämlich das Substrat 10 mit der Nukleationsschicht 11 und der gesputterten orientierten Schicht 12. Völlig überraschend wurde erkannt, dass die hexagonale Struktur der Nukleationsschicht 11 auch in der gesputterten Schicht 12 erhalten bleibt. Hätte die gesputterte Schicht 12 die an sich bekannte, polykristalline bzw. faserige Struktur, so würde in der Polfigur gemäß 5 statt der sechs diskreten Maxima ein ringförmiges Signal mit kontinuierlicher Verteilung des Winkel ϕ erkennbar sein. Offenkundig gelingt es jedoch, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schichten hoher Qualität abzuscheiden, welche als Basismaterial für mikroelektronische Bautelemente geeignet ist.

Claims

Verfahren (50) zur Herstellung einer orientierten Schicht (12) auf einem Substrat (10), wobei die Schicht (12) zumindest einen Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur enthält oder daraus besteht, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (10) in einem ersten Verfahrensschritt (52) eine Nukleationsschicht (11) mittels MBE und/oder MOCVD und/oder MOVPE abgeschieden wird und in einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt (55) die orientierte Schicht (12) mittels eines PVD-Verfahrens abgeschieden wird, wobei die Temperatur des Substrates (10) im ersten Verfahrensschritt (52) größer als 600 °C und die Temperatur des Substrates (10) im zweiten Verfahrensschritt kleiner als 400 °C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das PVD-Verfahren ausgewählt ist aus reaktivem Magnetronsputtern und/oder Laserdeposition und/oder thermischem Verdampfen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) zumindest ein Element der III. Hauptgruppe des Periodensystems und Stickstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleationsschicht (11) eine Dicke von etwa 3 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 5 nm bis etwa 20 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrates (10) im zweiten Verfahrensschritt kleiner als 300 °C, kleiner als 100 °C oder kleiner als 50 °C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrates (10) im ersten Verfahrensschritt (52) größer als 800 °C oder größer als 900 °C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierte Schicht (12) eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 10 µm oder von etwa 300 nm bis etwa 5 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin enthaltend den folgenden Schritt: Tempern des Substrates (10) in einer oxidierenden Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur mehr als 500 °C oder mehr als 700 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verfahrensschritt (52) in einer ersten Vakuumkammer und der zweite Verfahrensschritt in einer zweiten Vakuumkammer durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit der orientierten Schicht bei Raumtemperatur eine Krümmung von weniger als 20 km^-1, weniger als 30 km^-1 oder weniger als 50 km^-1 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierte Schicht (12) geschlossen auf dem Substrat abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierte Schicht (12) mit einer Defektdichte von weniger als 10⁹ cm^-3 erzeugt wird.
Halbleiterbauelement mit einem Substrat (10) und einer orientierten Schicht (12), welche zumindest einen Verbindungshalbleiter mit Wurtzit-Struktur enthält oder daraus besteht, wobei zwischen dem Substrat (10) und der orientierten Schicht (12) eine Nukleationsschicht (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleationsschicht (11) eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 20 nm aufweist und die orientierte Schicht (12) vollflächig auf dem Substrat abgeschieden ist und das Substrat eine Krümmung von weniger als 20 km^-1 aufweist.
Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleationsschicht (11) mittels MBE erhältlich ist und/oder die orientierte Schicht (12) durch ein PVD-Verfahren erhältlich ist.
Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Krümmung von weniger als 30 km^-1 oder weniger als 50 km^-1 aufweist.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierte Schicht (12) eine Defektdichte von weniger als 10⁹ cm^-3 aufweist.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierte Schicht (12) geschlossen auf dem Substrat abgeschieden ist.