WO2005010231A2 - Cvd-verfahren zum abscheiden mindestens einer iii-v-n-schicht auf einem substrat - Google Patents

Cvd-verfahren zum abscheiden mindestens einer iii-v-n-schicht auf einem substrat Download PDF

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    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi

Definitions

  • CND ner driving for depositing at least one III -N- ⁇ layer on a substrate
  • gallium nitrite layers are of great economic importance.
  • the use of a lattice-matched substrate is essential for the deposition of such a 113 V ⁇ layer.
  • Gallium nitrite single crystals with a low density and large diameter are not available, since single crystalline gallium nitrite substrates with a low density are very difficult to produce for several physical and chemical reasons. One therefore helps one another in technology
  • Substrates of a different composition whose crystalline properties come as close as possible to the properties of the layer. These substrates, which largely have crystallographic properties that correspond to those of the layer to be deposited on them, include sapphire and silicon carbide.
  • the invention is based on the object of developing the generic method in the direction of cost-effective production.
  • the subject of claim 1 is first and foremost a CVD method for depositing at least one IH-V- ⁇ layer on a substrate with a composition that differs from the composition of the layer.
  • a CVD method for depositing at least one IH-V- ⁇ layer on a substrate with a composition that differs from the composition of the layer.
  • the crystallographic properties of the substrate largely correspond to those of the layer to be deposited, at least in the area of the surface to be coated.
  • the substrate consists of a mechanical support and a germ plate attached to it.
  • the Carrier is characterized by high thermal conductivity and at the same time provides mechanical stability.
  • the material of the carrier is chosen so that it has the required mechanical stability at high temperatures and with rapid temperature changes.
  • the germ plate is attached to the mechanical support. The essential thing about the germ plate is the provision of a surface for the growth of the layer.
  • the germ plate has the properties desired for epitaxial growth, such as lattice constant, thermal conductivity, chemical properties, electrical properties and other crystallographic properties.
  • the seed layer can be very thin. Basically, it is sufficient if it is only a few nanometers thick. However, the thickness of the seed layer can also be more than 100 nm and even up to 300 ⁇ m.
  • This seed layer is preferably glued to the mechanical support. The wafer bonding method is preferably used for this purpose. However, other methods are also conceivable.
  • the germ plate is preferably a multi-component germ plate. This multi-component seed plate can be coated in a coating system with the appropriate measuring points for important process parameters, for example temperature, surface properties with a group of DI-N connecting conductors.
  • the carrier can consist of silicon. But it is also conceivable to manufacture it from metal. A thickness between 100 nm and 300 ⁇ m is considered advantageous.
  • the carrier preferably consists of a (100) silicon crystal.
  • a (111) suicium crystal can be used as the seed plate.
  • the (100) suicium carrier can be provided with a seed layer not only of (111) silicon. It is also envisaged to use silicon carbide, gallium nitrite or LGO or LAO as the seed layer.
  • a gallium nitrite seed layer can be produced using the HVPE process with a low dislocation density. In general, it is advantageous if the seed layer is produced using the MOCVD process.
  • the substrate constructed in this way is coated in a CVD device and in particular in a MOCVD coating system.
  • process gases for example arsine, phosphine or the like, are introduced into a process chamber as carriers of the V component.
  • the HI components are introduced into the process chamber as organometallic compounds.
  • These process gases are introduced separately from one another in such a way that a reaction of the process gases with one another in the gas phase is largely excluded.
  • the crystal growth takes place by decomposing the process gases on the hot surface of the substrate.
  • carrier gases hydrogen, nitrogen or noble gases
  • Gallium nitrite grows in a temperature range between 1100 and 1200 ° C. In a preferred development of the method it is provided that the actual, active layer is not deposited directly onto the substrate or the seed layer.
  • a buffer layer or sequence of buffer layers is first applied to the seed plate. This is also done in the MOCVD process.
  • the buffer layer can consist of AlGalnN or AlGalnN layer sequences.
  • the electrical properties of the buffer layer can be set independently of the mechanical support by doping.
  • the buffer layers can be deposited at different deposition temperatures in order to reduce any residual tension between the multi-component seed plate and the actual layer or actual layer sequence for the components.
  • Transistor components, light-emitting components or detector components come into consideration as components in which the actual layer is the active layer.
  • a seed plate made of thin silicon carbide is preferably used.
  • Seed plates made of thin silicon, gallium nitrite, LAO or LGO can be used in the production of active layers for light-emitting components become.
  • a thin single-crystalline plate is used as the seed plate for the production of active layers of detectors.
  • a (100) -oriented silicon single crystal wafer is used as the mechanical carrier, the thickness of which is 275 + 25 ⁇ m.
  • a silicon carbide seed plate is applied to this mechanical support. This is done by wafer bonding.
  • the layer thickness of the silicon carbide seed plate is 220 nm.
  • the surface of the silicon carbide seed plate has a crystallographic property which largely corresponds to that of galhum nitrite AIN layer deposited.
  • the thickness of this ALN layer is approximately 70 to 80 nm.
  • a GaN layer is deposited on this AIN layer.
  • the GaN layer has a thickness between 1 and 1.2 ⁇ m.
  • the growth process can be monitored in a suitable manner by means of optical sensors. In this embodiment, the growth of A1N begins two-dimensionally.
  • the GaN grows epitaxially on this AIN layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein CVD-Verfahren zum Abscheiden mindestens III-V-N-Schicht bzw. mindestens einer III-N-­Schicht auf einem Substrat mit einer von der Zusammensetzung der Schicht abweichenden Zusammensetzung, wobei die kristallographischen Eigenschaften des Substrates zumindestens im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche so gewählt sind, dass die Schicht oder eine die Schicht unterliegende Pufferschicht unmittelbar darauf abscheidbar ist; weiter ist vorgesehen, dass das Substrat aus einem mechanischen Träger und einer darauf aufgebrachten Keimplatte besteht, und dass die Keimplatte vom Träger trennbar ist.

Description

CND-Nerfahren zum Abscheiden mindestens einer III -N-Ν- Schicht auf einem Substrat
m-N-Ν-Schichten, insbesondere Galliumnitrit-Schichten haben eine große wirt- schaftliche Bedeutung. Wesentlich für die Abscheidung einer derartigen 113- V- Ν-Schichtistdie Verwendung eines gitterangepaßten Substrates. Galliumnitrit- Einkristalle mit niedriger Nersetzungsdichte und großem Durchmesser sind nicht verfügbar, da einkristalline Galliumnitrit^Substrate mit niedriger Nersetzungsdichte aus mehreren physikalischen und auch chemischen Gründen nur sehr schwer herstellbar sind. Man behilft sich in der Technik deshalb mit
Substraten einer anderen Zusammensetzung, deren kristalline Eigenschaften den Eigenschaften der Schicht möglichst nahe kommen. Zu diesen Substraten, die weitestgehend kristallographische Eigenschaften besitzen, die denen der darauf abzuscheidenden Schicht entsprechen, gehören Saphir und Siliciumkar- bid.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren in Richtung einer kostengünstigen Fertigung weiterzubilden.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
Gegenstand des Anspruches 1 ist zunächst und im Wesentlichen ein CVD- Verfahren zum Abscheiden mindestens einer IH-V-Ν-Schicht auf einem Substrat mit einer von der Zusammensetzung der Schicht abweichenden Zusammenset- zung. Um ein Anwachsen der Schicht zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die kristallographischen Eigenschaften des Substrates zumindestens im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche weitestgehend denen der darauf abzuscheidenden Schicht entsprechen. Wesentlich ist, dass das Substrat aus einem mechanischen Träger und einer darauf aufgebrachten Keimplatte besteht. Der Träger zeichnet sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit aus und liefert gleichzeitig die mechanische Stabilität. Das Material des Trägers ist so gewählt, dass es die erforderliche mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen und bei schnellen Temperaturänderungen besitzt. Auf dem mechanischen Träger ist die Keimplatte aufgebracht. Wesentlich an der Keimplatte ist die Bereitstellung einer Oberfläche zum Anwachsen der Schicht Die Keimplatte besitzt dazu die für das epitaktische Wachstum gewünschten Eigenschaften wie Gitterkonstante, thermische Leitfähigkeit, chemischen Eigenschaften, elektrischen Eigenschaften und andere kristallographischen Eigenschaften. Die Keimschicht kann sehr dünn sein. Grundsätzlich reicht es aus, wenn sie nur wenige Nanometer dick ist Die Dicke der Keimschicht kann aber auch mehr als 100 nm betragen und sogar bis zu 300 um. Diese Keimschicht wird bevorzugt auf den mechanischen Träger aufgeklebt. Hierzu dient vorzugsweise das Waferbondingverfah- ren. Es sind aber auch andere Verfahren denkbar. Vorzugsweise handelt es sich bei der Keimplatte um eine mehrkomponentige Keimplatte. Diese mehrkom- ponentige Keimplatte kann in einer Beschicht ngsanlage mit den entsprechenden Meßpunkten für wichtige Prozessparameter, beispielweise Temperatur, Oberflächeneigenschaften mit einem Gruppe DI-N-Verbindungsleiter beschichtet werden. Der Träger kann aus Silicium bestehen. Es ist aber auch denkbar, ihn aus Metall zu fertigen. Eine Dicke zwischen 100 nm und 300 um wird als vorteilhaft angesehen. Bevorzugt besteht der Träger aus einem (100) SiKcium- Kristall. Als Keimplatte kann ein (111) Süicium-Kristall verwendet werden. Der (100) Suicium-Träger kann mit einer Keimschicht nicht nur aus (111) Silicium versehen sein. Es ist auch vorgesehen, als Keimschicht Süiciumkarbid, Galli- umnitrit oder LGO bzw. LAO zu verwenden. Eine GalliumnitritKeimschicht kann im HVPE- Verfahren mit niedriger Versetzungsdichte hergestellt werden. Ganz allgemein ist es von Vorteil, wenn die Keimschicht im MOCVD- Verfahren hergestellt wird. Die Beschichtung des derartig aufgebauten Substrates erfolgt in einer CVD- Vorrichtung und insbesondere in einer MOCVD-Beschichtungsanlage. In dieser Beschichtungsanlage werden Prozessgase, beispielsweise Arsin, Phosphin oder dergleichen als Träger der V-Komponente in eine Prozesskammer einge- bracht. Die HI-Komponenten werden als metallorganische Verbindungen in die Prozesskammer eingeleitet. Das Einleiten dieser Prozessgase erfolgt derart getrennt voneinander, dass eine Reaktion der Prozessgase untereinander in der Gasphase weitestgehend ausgeschlossen ist Das Kristallwachstum findet durch Zerlegung der Prozessgase auf der heissen Oberfläche des Substrates statt. Zusätzlich zu den Prozessgasen werden Trägergase (Wasserstoff, Stickstoff oder Edelgase) in die Prozesskammer eingeleitet. Das Wachstum von Galliumnitrit erfolgt in einem Temperaturbereich zwischen 1100 und 1200°C. In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die eigentliche, aktive Schicht nicht unnriittelbar auf das Substrat bzw. die Keim- Schicht abgeschieden wird. Es ist vielmehr vorgesehen, dass zunächst eine Pufferschicht oder Pufferschichtenfolge auf die Keimplatte aufgebracht wird. Auch dies erfolgt im MOCVD- Verfahren. Die Pufferschicht kann aus AlGalnN bzw. AlGalnNSchichtfolgen bestehen. Die elektrischen Eigenschaften der Pufferschicht können unabhängig vom mechanischen Träger durch Dotierung einge- stellt w erden. Die Pufferschichten kö nnen bei unterschiedlichen Depo sitio n- stemperaturen abgeschieden werden, um etwaige Restverspannungen zwischen der mehrkomponentigen Keimplatte und der eigentlichen Schicht bzw. eigentlichen Schichtfolge für die Bauelemente abzubauen. Als Bauelemente, bei denen die eigentliche Schicht die aktive Schicht ist, kommen Transistorbau- elemente, lichtemittierende Bauelemente oder Detektorbauelemente in Betracht Bei der Herstellung von aktiven Schichten für Transistoren wird vorzugsweise eine Keimplatte aus dünnem Siliciumkarbid verwendet. Bei der Herstellung von aktiven Schichten für lichtemittierende Bauelemente können Keimplatten aus dünnem Silicium, Galliumnitrit, LAO oder LGO verwendet werden. Für die Herstellung von aktiven Schichten von Detektoren wird als Keimplatte eine dünne einkristalline Platte verwendet. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als mechanischer Träger eine (lOO)-orientierte Silicium- Einkristallscheibe verwendet, deren Dicke 275 + 25 um beträgt. Auf die- sen mechanischen Träger wird eine Keimplatte aus Siliciumkarbid aufgebracht Dies erfolgt durch Waferbonding. Die Schichtdicke der Siliciumkarbid- Keimplatte beträgt im Ausführungsbeispiel 220 nm. Die Oberfläche der Silici- umkarbid-Keimplatte hat eine kristallographische Eigenschaft, die weitestgehend der von Galhumnitrit entspricht Bei einer Temperatur von 1190°C wird in einer Wasserstoffatmosphäre mit TMA1 und Ammoniak als Prozessgase zunächst eine AIN-Schicht abgeschieden. Die Dicke dieser ALN-Schicht beträgt etwa 70 bis 80 nm. Nach Absenken der Prozesstemperatur auf 1120°C wird auf dieser AIN-Schicht eine GaN-Schicht abgeschieden. Die GaN-Schicht besitzt eine Dicke zwischen 1 und 1,2 um. Der Wachstumsprozess kann in geeigneter Weise mittels optischer Sensoren überwacht werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel beginnt das Wachstum von A1N zweidimensional. Auf dieser AIN- Schicht wächst epitaktisch das GaN.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offen- barung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/ beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. CVD-Verfahren zum Abscheiden mindestens HI- V-N- Schicht bzw. mindestens einer HI-N-Schicht auf einem Substrat mit einer von der Zusammen- setzung der Schicht abweichenden Zusammensetzung, wobei die kristal- lographischen Eigenschaften des Substrates zumindestens im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche so gewählt sind, dass die Schicht oder eine die Schicht unterlegende Pufferschicht unmittelbar darauf abscheidbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem mechanischen Trä- ger und einer darauf aufgebrachten Keimplatte besteht.
2. CVD-Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimplatte vom Träger trennbar ist
3. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimplatte auf den Träger aufgeklebt ist
4. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü- ehe oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine mehrkompo- nentige Keimplatte.
5. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Keim- platte eine Dicke zwischen 100 nm und 300 um besitzt.
6. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine Dicke von 100 nm bis 300 um besitzt.
7. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Trägers ein Halbleiter oder ein Metall ist.
8. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein (lOO)-orientierter Silicium-Kristall ist.
9. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimplatte ein (lll)-orientierter Silicium-Kristall ist
10. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü- ehe oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine Keimplatte aus SC, GaN, LGO bzw. LAO.
11. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine mittels MOCVD o der HVPE abgeschiedene Keimplatte.
12. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch mindestens eine auf die Keimplatte aufgebrachte Pufferschicht oder Pufferschichtenfolge, auf welche die mindestens eine Schicht abgeschieden wird.
13. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Puffer- schicht oder Pufferschichtenfolge aus AlGalnN besteht.
14. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten der Pufferschichtenfolge bei unterschiedlichen Temperaturen und/ oder mit einer unterschiedlichen Dotierung abgeschieden werden.
15. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht eine elektrisch leitende Schicht ist.
16. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht eine aktive Schicht eines lichtemittierenden Bauelementes ist
17. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht eine aktive Schicht eines Transistorbauelementes ist.
18. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht eine aktive Schicht eines Detektor-Bauelementes ist.
19. CVD-Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet dass die mindestens eine Schicht in einem MOCVD- Verfahren abgeschieden wird, bei dem die Ausgangsstoffe gasförmige Hydride bzw. metallorganische Verbindungen sind, die sich bei der Prozesstemperatur auf der beheizten Oberfläche des Substrates thermisch zerlegen.
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