WO1999038201A1 - Verfahren zur herstellung einer einkristallinen schicht auf einem nicht gitterangepassten substrat, sowie eine oder mehrere solcher schichten enthaltendes bauelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer einkristallinen schicht auf einem nicht gitterangepassten substrat, sowie eine oder mehrere solcher schichten enthaltendes bauelement Download PDF

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Bernhard HOLLÄNDER
Ralf Liedtke
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a single-crystalline layer on a non-lattice-matched substrate. Furthermore, the invention relates to a component containing one or more such layers according to the preamble of claim 10.
  • dislocations are built in at the interface between the layer formed and the substrate, as a result of this relaxation, - 2 - but also with a disadvantageous number of dislocations, from the interface to the layer surface (so-called threading dislocations). Since most of these dislocations continue through newly grown layers, they significantly degrade the electrical and optical properties of the layer material.
  • the object of the invention is to provide a method of the type described at the outset and a component in which the disadvantages specified above are avoided, in particular the formation of thread mg dislocations is avoided.
  • the object is achieved by a method according to the entirety of the features according to claim 1.
  • the task is further solved by a component according to the entirety of the features according to claim 10. Further expedient or advantageous embodiments or variants can be found on each of these Claims jerk-related subclaims.
  • the object is achieved according to claim 1 in that a buried, defect-rich layer is formed in the single-crystal substrate. It was recognized that the layer formed on the substrate surface is then relaxed and the formation of thread mg dislocations is prevented. It was also recognized that in this way the lattice parameter of the layer thus formed comes closer to the own lattice structure than the originally strained layer, in such a way that the quality of the deposited film does not deteriorate according to the invention through the incorporation of crystal defects. In the method according to the invention, it is also advantageously achieved that the surface roughness of the layer formed is significantly lower compared to conventionally produced layers. Finally, the degree of stress relaxation in the layer according to the invention is significantly increased in an advantageous manner. It can be advantageous to form the buried layer as close as possible to this surface without disturbing the surface structure of the substrate.
  • defect-rich layer buried beneath the substrate surface can be - 4 - implantation.
  • hydrogen can be used as the type of ion.
  • the method claimed in claim 4 provides for an advantageous, dislocation-free formation of the layer formed on the substrate surface at an implantation dose in the range from 1 * 10 14 cm “" 2 to 1 * 10 17 cm “2.
  • the ion implantation can either be before the deposition of the crystalline film or else after the deposition of the crystalline film to form the layer.
  • an ion type for implantation that is matched to the choice of substrate and film material.
  • Light ions or noble gas ions can be particularly suitable for this.
  • the method according to the invention is designed very advantageously in that the defect structure, for example in depth, can be optimized by further implantations.
  • a second implantation by means of a second type of ion favors the increase in the defect density or the increase in the gas bubble density.
  • the method according to the invention is very advantageously supplemented by an annealing treatment for the purpose of thermally induced relaxation and defect reduction.
  • the method according to the invention is not limited to the use of silicon substrates to form a buried, defect-rich layer. Rather, it may be advantageous to use one of the substrate materials listed in claim 9.
  • the component according to the invention as claimed in claim 10, 11 or 12 has the advantage that the microelectronic or optoelectronic properties required by a component can be optimally formed in the layers formed without being adversely affected or disturbed by threading dislocations.
  • the layer produced according to the invention can already be the desired end product.
  • this layer formed according to the invention forms a suitable base, for example as a buffer layer for the growth of a further layer. In this way, it forms a seed layer for the further growth of a single-crystalline film.
  • the method according to the invention for producing a relaxed, single-crystalline layer with a low dislocation density also advantageously includes the production of a buried, defect-rich layer in the substrate by means of hydrogen implantation. This light type of ion allows a precise, defined defect formation within the substrate at the desired depth.
  • Fig. 1 Schematic representation of a according to the previous Ver ⁇ drive by heteroepitaxy on non gittertationange- p motherboardtem substrate layer formed with a plurality of through the surface layer extending threading dislocations; - 6 -
  • Fig. 2 manufactured by the inventive method
  • FIG. 1 shows a layer which was produced by the previous method using heteroepitaxy on a substrate which was not matched to the lattice, with many threading dislocations running through the surface layer.
  • FIG. 2 shows a side view of the layer produced by the method according to the invention.
  • the threading dislocations shown here, which run into the substrate, do not necessarily have to arise.
  • the single-crystalline substrate which has a buried defect-rich layer, is such that the threading dislocations run into the defect-rich layer of the substrate and do not pass through the single-crystalline surface layer (the film).
  • An Si wafer was used as the substrate. Hydrogen with a dose of 1 * 10 16 cm “2 and the energy of approx. 1 keV is implanted into this substrate using a commercially available implantation system, so that a buried defect layer is formed close to the surface without defects in the uppermost atomic layers of the Si substrate.
  • the defect layer thus produced is stable up to approximately 700 ° C., ie the defects are scarcely healed up to this temperature, which enables the subsequent deposition of silicon (Si) and germanium (Ge) in a ratio of 80:20 by means of molecular steel epitaxy (MBE ) at approximately 500 ° C.
  • MBE molecular steel epitaxy
  • Si wafer was used as the substrate.
  • This commercially available substrate was cleaned - as is usual in Si epitaxy - in order to obtain a perfect and clean surface.
  • Si and Ge were then deposited at 500 ° C. in a ratio of 80:20 by means of molecular steel epitaxy (MBE).
  • MBE molecular steel epitaxy
  • the single-crystalline, only 200 nm thick surface layer thus obtained is under mechanical tension.
  • hydrogen is implanted with an implantation device with a dose of 1 • 10 16 cm ⁇ 2 .
  • the implantation energy of the H + ions is selected, for example 20 keV H + , so that the buried, defect-rich layer is formed just below the interface between the surface layer and the Si substrate.
  • Si-Ge layers thus produced can be either directly ver ⁇ turns or serve as an intermediate layer for further epitaxial growth of heterostructures and superlattices.
  • FIG. 3 shows the course of a conventionally produced layer which has surface levels in the range from 1 to 5 nm (nanometer).
  • the course of a layer produced according to the invention shown in FIG. 4 shows a significantly smoother surface without significant surface steps.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Schichten auf nicht gitterangepassten Substraten. Dabei findet ein einkristallines Substrat mit vergrabener, defektreicher Schicht und darauf hergestellter einkristalliner Schicht Einsatz. Die vergrabene, defektreiche Schicht kann durch Wasserstoff-Implantation erzeugt werden.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einem nicht gitterangepaßten Substrat, sowie eine oder mehrere solcher Schichten enthaltendes Bauelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einem nicht gitterangepaßten Substrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein eine oder mehrere solcher Schichten enthaltendes Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Häufig wird die Herstellung einkristalliner Filme durch das zur Verfügung stehende Substratmaterial stark begrenzt, bzw. die Qualität der Filme vermindert. Unterschiedliche Kristallstruktu- ren, sowie unterschiedliche Gitterparameter zwischen Substrat und Schichtmaterial (Gitterfehlanpassung) verhindern in der Regel ein einkristallines Wachstum von Schichten hoher Qualität. Ein für mikroelektronische Anwendungen besonders wichtiges Beispiel sind Silizium-Germanium- (SiGe) -Legierungen auf Silizium (Si) . Werden bei nicht angepaßten Gitterparametern einkristalline Schichten abgeschieden, so hat dies zur Folge, daß diese anfangs mechanisch verspannt aufgewachsen werden, d.h. deren Gitterstruktur unterscheidet sich in diesem Zustand von der eigenen. Überschreitet die abgeschiedene Schicht einen bestimmten Verspannungsgrad, so wird die mechanische Spannung durch Versetzungsbildung abgebaut und die Gitterstruktur kommt der eigenen näher. Diesen Prozeß nennt man Spannungsrelaxation, im folgenden „Relaxation" genannt .
Bei Schichtdicken, die für Bauelemente häufig erforderlich sind, werden durch diese Relaxation Versetzungen an der Grenzfläche zwischen der gebildeten Schicht und dem Substrat eingebaut, wo- - 2 - bei aber auch nachteilig viele Versetzungen, von der Grenzfläche bis zur Schichtoberfläche verlaufen (sog. Threading- Versetzungen) . Da sich die meisten dieser Versetzungen weiter durch neu aufgewachsene Schichten hindurch fortsetzen, ver- schlechtem sie die elektrischen und optischen Eigenschaften des Schichtmaterials erheblich.
Für die moderne Telekommunikation werden schnelle, kostengünstige Transistoren benötigt. Bisherige Transistoren, basierend auf Silizium, zeigen nicht die gewünschten Geschwindigkeiten, wobei solche, die aus Verbindungshalbleitern (GaAs) aufgebaut sind, diese erreichen. Jedoch ist der Einsatz von Verbindungshalbleitern nicht mit der bestehenden, weitverbreiteten Si-Technologie kompatibel. Durch die Verwendung von hochwertigen, relaxierten SiGe-Schichten können, wie bekannt, schnelle Transistoren entwickelt werden, die sich durch die weitgehende Kompatibilität mit der Si-Technologie auszeichnen.
Stand der Technik zur Herstellung von beispielsweise verspan- nungsfreien, qualitativ hochwertigen SiGe-Legierungs-Schichten auf Si-Substrat ist der Einsatz sog. „graded layer". Hierbei handelt es sich um SiGe-Schichten, deren Ge-Konzentration zur Oberfläche hin bis zur Erreichung des gewünschten Ge-Gehalts kontinuierlich oder stufenweise zunimmt. Da zur Einhaltung der Schichtqualität nur ein Anstieg des Ge-Gehalts von ca. 10 Atomprozent pro μm eingesetzt werden kann, sind solche Schichten, je nach erreichter Ge-Konzentration zwei bis drei Mikrometer dick. Für das Schichtwachstum ist dies aus wirtschaftlicher und technologischer Sicht nicht befriedigend. Das Schichtwachstum dieser „graded layer" wird in E.A. Fitzgerald et al . , Thin Solid Films, 294 (1997) 3, beschrieben. Zudem führt dieses Verfahren häufig zu hohen Schichtrauhigkeiten und unvollständiger Relaxation. - 3 -
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art sowie ein Bauelement zu schaffen, bei dem die oben angegebenen Nachteile vermieden werden, insbesondere die Bildung von Threadmg-Versetzungen vermieden wird.
Die Aufgabe wird gelost durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelost durch ein Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 10. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausfuhrungsfor- men oder Varianten finden sich m den auf jeweils einen dieser Ansprüche ruckbezogenen Unteranspruchen.
Die Aufgabe wird gemäß Patentanpruch 1 dadurch gelost, daß im einkristallmen Substrat eine vergrabene, defektreiche Schicht gebildet wird. Es wurde erkannt, daß die auf der Substratoberflache gebildete Schicht sodann relaxiert und dabei die Bildung von Threadmg-Versetzungen verhindert wird. Es wurde zudem erkannt, daß auf diese Weise der Gitterparameter der so gebildeten Schicht der eigenen Gitterstruktur naher kommt als die ursprung- liehe verspannte Schicht, derart, daß die Qualltat des abgeschiedenen Films sich erfmdungsgemaß nicht durch den Einbau von Kristalldefekten verschlechtert. In vorteilhafter Weise wird beim erfindungsgemaßen Verfahren zudem erreicht, daß die Ober- flachenrauhigkeit der gebildeten Schicht im Vergleich zu konven- tionell hergestellten Schichten deutlich geringer ist. Schlie߬ lich ist in vorteilhafter Weise der Spannungsrelaxationsgrad in der erfindungsgemaßen Schicht deutlich erhöht. Es kann vorteilhaft sein, gemäß Patentanspruch 2 die vergrabene Schicht ohne Störung der Oberflachenstruktur des Substrats möglichst nahe an dieser Oberflache zu bilden.
Die Bildung der unterhalb der Substratoberflache vergrabenen, defektreichen Schicht kann gemäß Patentanspruch 3 mittels Io- - 4 - nenimplantation erfolgen. Gemäß Patentanspruch 4 kann Wasserstoff als Ionensorte zum Einsatz kommen.
Das gemäß Patentanspruch 4 beanspruchte Verfahren sieht eine vorteilhafte, versetzungsfreie Bildung der auf der Substratoberfläche gebildeten Schicht vor bei einer Implantationsdosis im Bereich von 1*1014 cm""2 bis 1*1017 cm"2. Die Ionenimplantation kann gemäß Patentanspruch 5 wahlweise entweder vor der Abscheidung des kristallinen Films oder aber auch nach der Abscheidung des kristallinen Films zur Bildung der Schicht erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, ein auf die Wahl des Substrat- und Filmmaterials abgestimmte Ionensorte zur Implantation zu wählen. Be- sonders geeignet können dazu gemäß Patentanspruch 6 leichte Ionen oder Edelgasionen sein.
Gemäß Patentanspruch 7 wird das erfindungsgemäße Verfahren sehr vorteilhaft ausgebildet, indem durch weitere Implantationen die Defektstruktur, beispielsweise in der Tiefe, optimiert werden kann. Zudem begünstigt eine solche zweite Implantation mittels einer zweiten Ionensorte die Erhöhung der Defektdichte oder die Erhöhung der Gasbläschendichte.
Gemäß Patentanspruch 8 wird sehr vorteilhaft das erfindungsgemäße Verfahren zwecks thermisch induzierter Relaxation und Defektreduzierung durch eine Glühbehandlung ergänzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht beschränkt auf den Ein- satz von Silizium-Substraten zur Bildung einer vergrabenen, defektreichen Schicht. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, eines der gemäß Patentanspruch 9 aufgeführten Substratmaterialien einzusetzen. - 5 - Das erfindungsgemäße Bauelement gemäß Patentanspruch 10, 11 oder 12 weist den Vorteil auf, daß die von einem Bauelement geforderten, mikroelektronischen oder optoelektronischen Eigenschaften in den gebildeten Schichten ohne von Threading-Versetzungen nachteilig beeinträchtigt oder gestört zu werden, optimal ausbildbar sind.
Einerseits kann es sich bei der erfindungsgemäß hergestellten Schicht bereits um das gewünschte Endprodukt handeln. Jedoch ist es auch vorstellbar, daß diese erfindungsgemäß gebildete Schicht eine geeignete Basis, zum Beispiel als Pufferschicht für das Aufwachsen einer weiteren Schicht bildet. Auf diese Weise bildet sie eine Keimschicht für das weitere Wachstum eines einkristallinen Films.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer relaxierten, einkristallinen Schicht mit geringer Versetzungsdichte beinhaltet zudem in vorteilhafter Weise die Herstellung einer vergrabenen, defektreichen Schicht im Substrat durch Wasserstoff- Implantation. Diese leichte Ionensorte läßt eine präzische, definierte Defektbildung innerhalb des Substrats in erwünschter Tiefe zu.
Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1: Schematische Darstellung einer nach dem bisherigen Ver¬ fahren mittels Heteroepitaxie auf nicht gitterfehlange- paßtem Substrat hergestellten Schicht mit einer Vielzahl durch die Oberflächenschicht verlaufenden Threading- Versetzungen; - 6 -
Fig. 2: nach dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellte
Schicht mit einer nahezu versetzungsfreien Oberflache;
Fig. 3: Oberflächenstruktur einer konventionell relaxierten Si- Ge-Schicht;
Fig. 4: Oberflachenstruktur einer erfindungsgemaß hergestellten SiGe-Schicht.
Ausfuhrungsbeispiele
In der Zeichnung wird zur Verdeutlichung der erfindungsgemaßen Verfahrensweise in schematischen Darstellungen eine nach bisheriger Verfahrensweise mit einer nach dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellten Schicht verglichen.
In der Figur 1 ist eine Schicht, die nach dem bisherigen Verfahren mit Heteroepitaxie auf nicht gittertehlangepaßtem Substrat hergestellt wurde, wobei viele Threading-Versetzungen durch die Oberflachenschicht verlaufen, gezeigt.
In der Figur 2 ist die nach dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellte Schicht in Seitenansicht gezeigt. Die hier eingezeichneten, in das Substrat hineinlaufenden Threading-Versetzungen, müssen nicht notwendigerweise entstehen.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, gelingt es nach dem als Stand der Technik bekannten Verfahren nicht, auf dem Substrat eine einkristalline, spannungsfreie Oberflächenschicht ohne Threading- Versetzungen abzuscheiden. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Bauteil ist das einkristalline Substrat, das eine vergrabene defektreiche Schicht besitzt, derart beschaffen, daß die Threading-Versetzungen in die defektreiche Schicht des Substrates verlaufen und nicht durch die einkristalline Oberflächenschicht (den Film) verlaufen.
Ausführungsbeispiel 1
Einkristalliner Si-Ge Mischkristall auf wasserstoff-implantier- tem Si-Substrat
Als Substrat wurde ein Si-Wafer verwendet. In dieses Substrat wird mit einer handesüblichen Implantationsanlage Wassertoff mit einer Dosis von 1*1016 cm"2 und der Energie von ca. 1 keV implantiert, so daß eine oberflächennahe, vergrabene Defektschicht entstand, ohne in den obersten Atomlagen des Si-Substrats Defekte zu erzeugen. Die so hergestellte Defektschicht ist bis ca. 700°C stabil, d.h. die Defekte werden bis zu dieser Temperatur kaum ausgeheilt. Dies ermöglicht die nachfolgende Abscheidung von Silizium (Si) und Germanium (Ge) im Verhältnis 80 : 20 mittels Molekularstahlepitaxie (MBE) bei ca. 500°C. Die so erhaltene Oberflächenschicht steht teilweise noch unter mechanischer Spannung.
Durch nachfolgendes Tempern (1100°C, 30s) wurde die mechanische Spannung der Oberflächenschicht abgebaut, wobei die Versetzungen zur vergrabenen, defektreichen Schicht im Si-Substrat verlaufen (Fig.2). Die so hergestellten Si-Ge-Schichten können entweder direkt verwendet werden, oder als Zwischenschicht für weiteres epitaktisches Wachstum von HeteroStrukturen und Übergittern dienen. Ausführungsbeispiel 2
Einkristalliner Si-Ge Mischkristall auf Si und nachgeschalteter Wasserstoffimplantation
Als Substrat wurde ein Si-Wafer verwendet. Dieses käufliche Substrat wurde - wie in der Si-Epitaxie üblich - gereinigt, um eine perfekte und saubere Oberfläche zu erhalten. Anschließend wurde bei 500° C Si und Ge im Verhältnis 80 : 20 mittels Molekularstahlepitaxie (MBE) abgeschieden. Die so erhaltene, einkristalline, nur 200nm dicke Oberflächenschicht steht unter mechanischer Spannung. Nach der Epitaxie der Oberflächenschicht wird mit einer Implantationsanlage Wassertoff mit einer Dosis von 1 • 1016 cm ~2 implantiert. Dabei wird die Implantationsenergie der H+-Ionen so gewählt, z.B. 20 keV H+, daß die vergrabene, defektreiche Schicht dicht unterhalb der Grenzfläche von der Oberflächenschicht zum Si-Substrat entsteht. Durch nachfolgendes Tempern (1100°C , 30s) wird die mechanische Spannung der Oberflä- chenschicht abgebaut, wobei die Versetzungen zur vergrabenen, defektreichen Schicht im Si-Substrat verlaufen (Fig.2). Die so hergestellten Si-Ge-Schichten können entweder direkt ver¬ wendet werden oder als Zwischenschicht für weiteres epitaktisches Wachstum von HeteroStrukturen und Übergittern dienen.
Ein besonderes Merkmal der erfindungsgemäß hergestellten Schichten liegt darin, daß sie eine deutlich geringere Oberflächenrauhigkeit aufweisen als die konventionell hergestellten Schichten. Figur 3 zeigt den Verlauf einer konventionell hergestellten Schicht, die Oberflächenstufen im Bweriech von 1 bis 5nm (nano- meter) aufweist. In Gegensatz dazu zeigt der in Figur 4 dargestellte Verlauf einer erfindungsgemäß hergestellten Schicht eine deutlich glattere Oberfläche ohne wesentliche Oberflächenstufen.

Claims

- 9 -Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Schicht auf einem nicht gitterangepaßten, einkristallinen Substrat, bei dem auf der Oberfläche des Substrats die einkristalline Schicht, insbesondere durch Abscheidung, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einkristallinen Substrat eine vergrabene, defektreiche Schicht gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vergrabene, defektreiche Schicht ohne Störung der Struktur der Substratoberfläche möglichst nahe dieser Substratoberfläche gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vergrabene, defektreiche Schicht im Substrat mittels Ionenimplantation, insbesondere Wasserstoff- Implantation, gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation, insbesondere die Wasserstoffimplanta- tion, mit einer Dosis im Bereich von 1*1014 cm"2 bis 1*1017 cm"2 durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die vergrabene, defektreiche Schicht im - 10 - Substrat vor oder nach Abscheidung der Oberflächenschicht gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation mit leichten Ionen oder Edelgasionen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Implantation zur Erzeugung von Defekten eine weitere Implantation unter Einsatz einer von der ersten Ionensorte verschiedenen zweiten Ionensorte durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidung der epitaktischen, einkristallinen Oberflächenschicht und der Ionenimplantation eine Glühbehandlung nachgeschaltet wird oder diese Glühbehand¬ lung während der Schichtabscheidung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekenn- zeichnet durch Verwendung von Silizium, Germanium, GaAs, SiC, Saphir, oder InP als Substratmaterial.
10. Bauelement mit einer oder mehrerer nach einem der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Schichten.
11. Blaue Diode auf der Basis einer einkristallinen GaN-Schicht auf einem Saphir-Substrat als Bauelement nach Anspruch 10. - 11 -
12. Transistor, insbesondere Modulated Doped Feldeffekttransistor (ModFET) als Bauelement nach Anspruch 10.
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