Heteroepitaxieschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine einkristalli- ne bzw. quasi-einkristalline, nicht-diamantene Heteroepitaxieschicht bzw. eine Heteroepitaxieschicht mit geringer Fehlorientierung, Substrate für derartige Schichten sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Derartige heteroepitaktische Schichten werden insbeson- dere in der Elektronik, beispielsweise für Halbleiterbauelemente, beispielsweise aus GaN, GaAs oder A1N, benötigt. Insbesondere für den Bereich der Mikroelektronik eignen sich Halbleiterschichten mit geringer Fehlorientierung (im Folgenden auch als quasi- einkristalline oder auch als einkristalline Schichten bezeichnet) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, epitaktische Schichten sowie Wachstumssubstrate und Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen, wobei die Schichten zuverlässig, überprüfbar und kosten-
die Schichten zuverlässig, überprüfbar und kostengünstig in ausreichender Größe hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Wachstumssubstrat nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, die Schicht bzw. das Schichtsystem nach Anspruch 17 und die Verwendungen nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Schichten sowie ihrer Verwendungen werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Verfahren nun- mehr als Substrat einkristallines Silizium in (100) oder (111) -Orientierung vorgeschlagen, wobei auf dieses Substrat mindestens eine epitaktisch orientierte, vornehmlich oxidische Pufferschicht abgeschieden wird. Auf diese Pufferschicht wird epitaktisch eine Metallschicht auch als Folge mehrerer Metallschichten wie beispielsweise Platin auf Iridium, abgeschieden. Diese besteht aus oder enthält Übergangsmetalle der 4., 5. und/oder 6. Periode des Periodensystems der Elemente mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K, also mit Ausnahme der Metalle Mangan (Mn) , Zink (Zn) , Technetium (Tc) , Cadmium (Cd) , Lanthan (La) und Quecksilber (Hg) . Weiterhin ausgenommen sind die Lanthanide. Es können als Material für die Metallschicht also insbesondere Scandium (Sc) , Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr) , Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni), Kupfer (Cu) , Yttrium (Y) , Zirkon (Zr), Niob (Nb) , Molybdän (Mo), Ruthenium (Ru) , Rhodium (Rh) , Palladium (Pd) , Silber (Ag) , Hafnium (Hf) , Tantal (Ta) , Wolfram (W) , Rhenium (Re) , Osmium (Os) , Iridium (Ir) , Platin (Pt) und Gold (Au) verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind hierbei die hoch-
schmelzenden Metalle, insbesondere Iridium, Platin, Rhenium, Ruthenium, Molybdän, Wolfram und/oder Tantal.
Silizium-Einkristalle als Substrat sind großflächig verfügbar, kostengünstig und besitzen eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist vorteilhaft für die Kühlung von Leistungsbauelementen mit hohen thermischen Verlusten. Die Wärmeausdehnung von Silizium unterscheidet sich deutlich von der typischer Oxideinkristalle. Es bietet sich deshalb für Funktionsschichten mit ähnlichen Werten als Substrat an, da es zu niedrigeren thermischen Eigenspannungen führt. Die Abscheidung der Pufferschicht, vornehmlich Oxide wie z. B. Strontiumtitanat (STO), Aluminiumoxid (A1203) , Magnesiumoxid (MgO) , Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) , Ceroxid (Ce02) , aber auch Karbide, wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) oder Nitride, wie Titannitrid (TiN) , kann beispielsweise mittels Vakuumverfahren, MBE, PLD, CVD oder PVD erfolgen.
Oxide wie oben angegeben ermöglichen eine gute Haftung von darauf abgeschiedenen Metallschichten, insbesondere Iridiumschichten. Es ist daher möglich, auf diesen Pufferschichten mit geeigneten Methoden, wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfen oder Sput- tern, quasi-einkristalline Metallschichten abzuscheiden. Als Metalle eignen sich dabei die oben genannten Übergangsmetalle. Überraschenderweise stellte sich hierbei heraus, dass die Metallschichten ganz wesent- lieh besser orientiert sein können als die darunter liegenden Pufferschichten. Denn die Pufferschichten können typischerweise noch große Fehlorientierungen von > 2°, > 1° oder auch > 0,5° aufweisen, während die aufgebrachten Metallschichten qualitativ hochwer- tig und einkristallin bzw. quasi-einkristallin, beispielsweise mit einer Fehlorientierung < 0,5° oder <
0,2°, sind. Entscheidend ist dabei, dass die gegeneinander leicht fehlorientierten Domänen der Pufferschicht lateral sehr klein sind. Die Ausrichtung der Metallinseln ergibt sich dann aus einer Mittelung der Orientierungen der darunter liegenden Pufferschichtdomänen. Dies führt zu einer Erhöhung der Texturschärfe für die Metallschicht. Der Effekt ist umso ausgeprägter je mehr Domänen einbezogen werden.
Damit liegt ein ideales Wachstumssubstrat für eine nachfolgende Deposition einkristalliner bzw. quasi- einkristalliner Schichten als Funktionsschichten auf der Metallschicht vor. Die Deposition des Schichtmaterials kann beispielsweise über MBE, CVD oder andere herkömmliche Verfahren erfolgen.
Dieses erste Verfahren und die so hergestellten epitaktischen Funktionsschichten betreffen dabei beliebige epitaktisch abgeschiedene Materialien, also ins- besondere Halbleiter wie GaN, A1N, GaAs, InP, oxidische Materialien wie ZnO, SrTiθ3, Hochtemperatursupraleiter, Ferroelektrika, Ferromagnetika und dergleichen mit der Ausnahme von Diamant .
Ein zweiter Ansatz geht nunmehr nicht von bestimmten Substraten aus, sondern kann ein beliebiges, auch nicht-einkristallines Substrat, beispielsweise auch ein amorphes Substrat, verwenden. Auf dieses wird eine biaxial texturierte oxidische Pufferschicht aufge- bracht. Diese Pufferschicht wird dabei mittels ionen- strahlunterstützter Abscheidung aufgebracht.
Diese Pufferschicht kann wie beim vorher beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren eine oxidische Schicht aus denselben Materialien wie dort beschrieben sein, beispielsweise MgO oder YSZ. Durch die
ionenstrahlunterstützte Beschichtung wird die Pufferschicht auf beliebigen Substraten derart texturiert, dass die Texturschärfe dieser biaxial texturierten IBAD-Schicht ausreicht, um auf ihr eine quasi- einkristalline Metallschicht wie im ersten Verfahren aufzubringen. Für Schichten, die mittels IBAD abgeschieden wurden, werden Texturschärfen mit Werten von 2 bis 4° erreicht. Hierauf können dann wie in den Beispielen, insbesondere in Beispiel 6, gezeigt, qua- si-einkristalline Metallschichten abgeschieden werden. Damit ist es erstmals möglich, auf jedem beliebigen Substrat und damit auch auf Substraten beliebiger Größe, wie beispielsweise Endlosbändern im Bereich der Hochtemperatursupraleiter, einkristalline Metallschichten bereitzustellen. Auch ist es möglich, Sinterproben mit gezielt für die spätere Funktionsschicht maßgeschneiderten Ausdehnungskoeffizienten als Substrate zu verwenden. Damit steht die gesamte Palette an Materialien (Metalle, Oxide, Halbleiter u. dgl.) wie im ersten Verfahren einkristallin bzw. qua- sieinkristallin auf großen Flächen zur Verfügung. Wesentlich dabei ist, dass eine ausreichend texturierte Pufferschicht auf beliebigen Substraten ausschließlich mittels Ionenstrahlunterstützung abgeschieden werden kann.
Mit Hilfe dieser quasi-einkristallinen bzw. einkristallinen Metallschicht, die als Wachstumssubstrat dient, können dann großflächige einkristalline Be- Schichtungen als Funktionsschichten vorgenommen werden. Als Anwendungen kommen hierbei beispielsweise großflächige Solarzellen auf Si- oder CuInSe-Basis in Frage. Letztere werden bisher polykristallin auf Glas aufgesputtert . Wird der Sputterprozess jedoch nur so durchgeführt, dass zuerst mittels Ionenstrahlunterstützung eine texturierte Pufferschicht entsteht und
anschließend eine einkristalline Metallschicht aufgebracht wird, so sind anschließend die Herstellung großflächiger, billiger, einkristalliner Solarzellen auf billigen Substraten, wie Glas und Keramik, mög- lieh. Da das Aufbringen der Metallschicht ein technologisch einfacher zusätzlicher Prozessschritt ist, kann die erzeugte Texturverbesserung zu sehr günstigen Herstellungskosten führen.
Vorteilhaft an den vorgeschlagenen Verfahren ist, dass das Substrat hochskalierbar und preisgünstig ist. Weiterhin haften auf diesem Substrat die erzeugten quasi-einkristallinen Metallschichten und die erzeugten Epitaxieschichten hervorragend.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei den beiden vorgenannten Verfahren, insbesondere bei geeigneter Prozessführung d. h. bei langsamer Abscheidung der Metallschicht auf der Pufferschicht, die Metallschicht ganz wesentlich besser orientiert sein kann als die darunter liegende Pufferschicht. Derartige Pufferschichten, insbesondere Ce02, YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid) , Y2O3, MgO, Strontiumtitanat (SrTi03) , Karbide, Nitride und dergleichen, besitzen typischerweise noch große Fehlorientierungen von > 1°, können nunmehr jedoch dennoch als Unterlage für das Aufwachsen von quasi- einkristallinen oder einkristallinen Metallschichten dienen.
In einem dritten erfindungsgemäßen Verfahren wird als Substrat ein Oxideinkristall verwendet. Dabei kann es sich beispielsweise um Saphir handeln. Auf diesen Oxideinkristall wird unmittelbar eine Schicht aus ei- nem hochschmelzenden Metall aufgebracht. Als hochschmelzende Metalle können dabei die für die beiden
vorherigen Verfahren verwendeten Metalle, wie beispielsweise Iridium u. dgl., verwendet werden. Die Metallschicht kann dabei beispielsweise durch thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, PLD oder Sputtern aufgebracht werden.
Diesem Ansatz liegt zu Grunde, dass selbst auf Oxidschichten mit deutlicher Mosaizität exzellent orientierte quasieinkristalline Metallschichten wachsen können. Daher wird vorgeschlagen, Metallschichten als ideale Wachstumssubstrate zu verwenden. Oxidische Einkristalle statt Silizium sind dann als Substrate für die Metallschichten zu verwenden, wenn z.B. die thermische Anpassung des Oxidkristalls an die spätere Funktionsschicht besser ist als die von Silizium.
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist es also, dass Metallschichten erzeugt werden können, die eine polare und azimutale Fehlorientierungsverteilung mit einer geringen Breite, beispielsweise < 0,3°, besitzen. In diesem Falle können die erfindungsgemäßen quasi-einkristallinen Funktionsschichten auf dieser Metallschicht erzeugt werden. Die vorliegende Anmeldung betrifft daher auch ein Wachstumssubstrat zur Erzeugung von quasi-einkristallinen Funktionsschichten mit einem wie oben beschriebenen Unterbau aus Substrat, Pufferschicht und Metallschicht, wobei die polare und azimutale Fehlorientierungsverteilung der Metallschicht eine geringe Breite, beispielsweise < 0,3°, aufweist. Derartige Substrate können insbesondere durch Ionenstrahlunterstützung bei der Abscheidung (IBAD) der Pufferschicht erzeugt werden (IBAD = Ion Beam Assisted Deposition) .
Als Pufferschicht für das Wachstum (001) -orientierter Metallschichten eignen sich dabei nicht nur kubische
oxidische Materialien, sondern alle Materialien, die eine quadratische oder rechteckige Oberflächenelemen- tarzelle aufweisen, beispielsweise auch Saphir.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, nach der Abfolge von Sustrat/Pufferschicht/Me- tallschicht bzw. Substrat/Metallschicht nochmals eine Oxidschicht auf die Metallschicht aufzubringen. Dazu kann dasselbe Oxid wie für die Pufferschicht verwen- det werden oder auch ein anderes Oxid. Mittels dieser Schicht wird verhindert, dass die gewünschte epitaktische Funktionsschicht direkt auf der Metallschicht wächst. Dadurch wird eine Interdiffusion zwischen Metallschicht und Epitaxieschicht verhindert.
Die nach den oben genannten Verfahren hergestellten einkristallinen Metallschichten können auch mit ihrer dem Substrat zugewandten Seite als Wachstumssubstrate dienen. Hierzu wird zuerst auf der dem Substrat abge- wandten Seite der Metallschicht eine weitere Schicht aufgewachsen. Diese dient dann später als Substrat und als Wärmesenke für Halbleiterbauelemente und dergleichen. Anschließend wird mittels HF/HN03 das ursprüngliche Substrat, beispielsweise Silizium wegge- ätzt. Auch die oxidische Pufferschicht wird beispielsweise mittels Sputtern entfernt. Anschließend kann man die freigelegte Oberfläche der Metallschicht als Wachstumssubstrat nutzen. Sie kann zuvor jedoch auch auf einfache Art und Weise getempert oder kurz weitergewachsen werden, um so eine optimale Oberflächenqualität zu erhalten.
Dabei ist es möglich, auf der Metallschicht ein beliebiges Material abzuscheiden, z.B. eine Substanz mit einer guten Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten an die spätere Funktionsschicht oder mit beson-
ders hoher Wärmeleitfähigkeit.
Als Alternative hierzu könnte mittels des oben beschriebenen zweiten Verfahrens auf eine polykristal- line Diamantscheibe als Substrat mittels IBAD eine texturierte MgO-Schicht aufgebracht werden, die anschließend mit einer einkristallinen Metallschicht beschichtet wird. Ein derartiges Wachstumssubstrat für beispielsweise Halbleitermaterialien, die auf die einkristalline Metallschicht aufgebracht werden, stellt ein ideal wärmeleitendes Wachstumssubstrat dar. Derartige Substrate werden insbesondere im Bereich der Optoelektronik und der Hochleistungselektronik benötigt.
Im Folgenden werden nun einige Beispiele erfindungsgemäßer Verfahren und erfindungsgemäßer epitaktischer Schichten beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 ein Schema der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 Schichtsysteme, auf denen Heteroepitaxie- schichten abgeschieden werden können;
Fig. 3 die Erzeugung einer erfindungsgemäßen Heteroepitaxieschicht;
Fig. 4 Alternativen bezüglich des Substrates zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Heteroepitaxieschicht;
Fig. 5 bis Fig. 14 experimentelle Ergebnisse an erfindungsgemäßen Heteroepitaxieschichten,
Fig. 15 die Erzeugung einer erfindungsgemäßen Schicht mittels ionenstrahl-unterstützter Abscheidung.
Fig. 1 zeigt ein Schema für die Herstellung der erfindungsgemäßen Wachstumssubstrate .
In Fig. 1 ist unter Punkt la die Herstellung eines Wachstumssubstrates nach dem ersten Verfahren dargestellt. Hierbei wird auf einen Si-Einkristall 2 in 001- bzw. 111-Orientierung eine epitaktische, oxidische Pufferschicht 3 aufgebracht. Wie in Fig. 1 angedeutet, kann diese noch eine gewisse Fehlorientierung aufweisen. Auf diese Pufferschicht wird dann mittels thermischem Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, PLD, Sputtern o. dgl. eine Metallschicht 4 aufgebracht. Die freie Oberfläche der Metallschicht 4 bildet dann die Wachstumsoberfläche für eine Funktions- schicht 5, wie sie beispielsweise unter Punkt 3 der Figur 1 im Gesamtaufbau der Schichtfolge dargestellt ist.
Unter Punkt lb in Figur 1 ist das zweite Verfahren zur Herstellung eines Wachstumssubstrates dargestellt. Hierbei wird nun ein beliebiges Substrat 2 verwendet, das beispielsweise amorph, polykristallin oder auch einkristallin sein kann. Das Substrat kann dabei derart ausgewählt werden, dass beispielsweise die thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder die thermische Leitfähigkeit zur Anwendung der auf dem Substrat aufgebrachten Funktionsschicht passt. Auf dieses beliebige Substrat wird nun mittels ionen- strahlunterstützter Abscheidung eine oxidische, bi- axial texturierte Pufferschicht 3 aufgebracht. Auf diese Pufferschicht wird nun wiederum wie in Punkt la
eine Metallschicht aufgebracht, deren freie Oberfläche für das Aufwachsen der Funktionsschicht dient.
Unter Punkt lc ist nun das dritte Verfahren zur Her- Stellung eines erfindungsgemäßen Wachstumssubstrates dargestellt. Hierzu wird auf einem oxidischen Einkristall, beispielsweise Saphir, unmittelbar eine Metallschicht durch thermisches Verdampfen, Elektronen- strahlverdampfen, PLD, Sputtern o. dgl. aufgebracht. Die freie Oberfläche der Metallschicht 4 dient wiederum als Wachstumsoberfläche für die gewünschte Funktionsschicht .
Gemeinsam ist allen drei Verfahren, dass zuletzt eine epitaktische Metallschicht aus einem hochschmelzenden Metall erzeugt wird, die sich hervorragend für die epitaktische Abscheidung einer Funktionsschicht eignet. Als Funktionsschichten sind dabei Halbleitermaterialien, Supraleiter, Ferromagnetika, Ferroelektri- ka u. dgl. geeignet. Diamant in jeglicher Form, insbesondere als amorpher, polykristalliner oder einkristalliner Diamant, wird als Material für die Funktionsschicht hier ausgeschlossen. Wie unter Punkt 3 der Figur 1 dargestellt, ist es auch möglich, auf die Me- tallschicht eine zusätzliche oxidische Pufferschicht aufzubringen, auf die dann unmittelbar die epitaktische Funktionsschicht aufgebracht werden kann. Hierdurch ist eine Trennung von Metallschicht und Funktionsschicht möglich. Zusätzlich kann jedoch auf die zusätzliche oxidische Pufferschicht eine weitere Metallschicht aufgebracht werden. In diesem Sinne können auch noch weitere Abfolgen von Pufferschichten und Metallschichten auf der Schichtenfolge abgeschieden werden, um zuletzt die epitaktische Funktions- schicht auf der obersten Pufferschicht oder obersten Metallschicht abzuscheiden.
Fig. 2 zeigt nun verschiedene erfindungsgemäße Wachstumssubstrate (Unterlagen) für das Aufwachsen von He- teroepitaxieschichten, z.B. Halbleiterschichten, wo- bei als Material der epitaktischen Funktionsschicht Diamant ausgeschlossen wird. Fig. 2A zeigt dabei einen Strontiumtitanat-Einkristall 2 mit einer Iridiumschicht 4 mit 150 nm Dicke. Auf dieser Iridiumschicht kann nun nach dem dritten Verfahren eine Halbleiter- schicht abgeschieden werden. In Fig. 2B wird ein Silizium-Einkristall 2 mit einer Pufferschicht 3 aus Strontiumtitanat versehen. Auf diese wird eine 150 nm dicke Iridiumschicht aufgewachsen, wobei die Iridiumschicht eine weitaus geringere Fehlorientierung auf- weist als das Strontiumtitanat 3. In Fig. 2C wird als Pufferschicht Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid mit einer Dicke von 20 nm verwendet. In Fig. 2D sind zwei Pufferschichten 3a, 3b aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid 3a mit einer Dicke von 1,5 nm und Ceroxid 3b mit einer Dicke von 50 n vorgesehen. In Fig. 2E sind drei Pufferschichten vorgesehen, nämlich eine Schicht aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid 3a mit einer Dicke von 1,5 nm, eine Schicht 3b aus Ceroxid mit einer Dicke von 50 nm und eine Schicht 3c aus Strontiumtitanat mit einer Dicke von 50 nm.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Funktionsschicht.
Hierzu wird in Fig. 3A auf einem Silizium-Einkristall mit 001 bzw. 111-Orientierung mittels Laserablation, Sputtern, MBE oder CVD eine Pufferschicht 3, beispielsweise Oxide wie Strontiumtitanat SrTi03, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) , Bariumtitanat (BaTi03) , Yttriumoxid Y203, Magnesiumoxid MgO, Titanoxid Ti02, Aluminiumoxid AI2O3, abgeschieden. In Fig.
3B wird auf diese Pufferschicht 3 eine einkristalline Iridiumschicht 4 mittels PVD, MBE, Laserablation oder Sputtern aufgetragen. Ebenso sind Platin, Rhenium, Ruthenium und andere hochschmelzende Metalle mögliche Alternativen.
In Fig. 3C ist gezeigt, wie auf der einkristallinen Iridium- bzw. Platinschicht im Abscheideprozess der Funktionsschicht Keime 5 abgeschieden werden. In Fig. 3D ist zu sehen, wie bei weiterem Wachstum auf der Iridiumschicht die Keime sich zu einer defektarmen, quasi-einkristallinen Funktionsschicht 5 auswachsen.
In Fig. 4 ist dargestellt, dass die Iridiumschicht 4 quasi-einkristallin bzw. mit geringer Fehlorientierung erzeugt werden kann, auch wenn die Pufferschicht 3 eine hohe Fehlorientierung aufweist. In Fig. 4A ist dabei ein System aus Pufferschicht 3 und Iridiumschicht 4 auf einem 001-orientierten Silizium- Einkristall 2 abgeschieden.
Die Figuren 4B und 4C erläutern weiterhin das Prinzip der Texturverbesserung von Metallschichten auf Pufferschichten nach der vorliegenden Erfindung. In Fig. 4B befindet sich auf einem Substrat 2 eine Pufferschicht 3 mit großen Domänen 3a-3g. Auf dieser Pufferschicht 3 ist eine Metallschicht 4 aus einzelnen Inseln 4a-4c vor der Koaleszenz abgeschieden. In Fig. 4C ist ebenfalls eine Pufferschicht 3 in Form einzel- ner Domänen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g auf einem Substrat 2 abgeschieden. Die Domänen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g sind jedoch verglichen mit Fig. 4B lateral weniger ausgedehnt (kleiner) . Als Folge mittein nun während des Aufwachsens der Metallschicht 4 die In- sein 4a-4c der Metallschicht 4 über sehr viel mehr Domänen, wodurch die Texturverbesserung/-verschmä-
lerung sehr viel ausgeprägter ist. Dadurch wird eine erheblich bessere Textur der letztlich erzeugten Metallschicht 4 erzielt.
Messungen an derartigen Schichtfolgen wie sie im Weiteren dargestellt werden, belegen, dass das Iridium sehr viel besser orientiert ist als die darunter liegende Pufferschicht. Derartige Schichtfolgen sind also ideale Wachstumssubstrate für einkristallines bzw. quasi-einkristallines Wachstum von heteroepitakti- schen abgeschiedenen Materialien.
Fig. 5 zeigt einen Vergleich bezüglich der Textur von Iridiumschichten, die auf SrTi03/Si (001) bei 650° C aufgewachsen werden. Fig. 5A zeigt dabei, dass unter normalen Standardwachstumsbedingungen (Wachstumsrate 0,05 nm/s) im Wesentlichen eine Iridiumschicht mit einer 111-Textur aufwächst, die jedoch nicht erwünscht ist. Unter optimierten Abscheidungsbedingun- gen (Wachstumsrate 0,002 nm/s für die ersten 15 nm, danach 0,05 nm/s) wächst auf der Strontiumtitanat- schicht jedoch eine Iridiumschicht mit 001-Textur nahezu frei von 111-Texturkomponenten auf (Fig. 5B) .
Hier wie im folgenden werden alle Röntgendiffrak- tionsmessungen mit Ausnahme der Polfiguren mit einem Röntgendiffraktometer 3003PTS HRXRD der Fa. Seifert mit TS-Goniometer durchgeführt.
Die Messung der Polfiguren erfolgte mit einem
Diffraktometer D5000 der Fa. Siemens mit Kupferröhre mit Punktfokus und ausgerüstet mit einer offenen Eu- lerwiege.
Der Messbereich in Fig. 5 betrug 40°-48° in 2 Theta, 0° Polarwinkel.
Beispiel 1
In einem ersten Beispiel (Fig. 6) wurde auf einem Si- liziumsubstrat eine 100 nm dicke epitaktische Strontiumtitanat- (001) -Schicht mit Tilt- und Twistwerten von ca. 0,6° bzw. 1,3° abgeschieden. Auf diese wurde eine Iridiumschicht mittels Elektronenstrahlverdamp- fen im Hochvakuum mit einer Dicke von 150 nm bei ei- ner Abscheidetemperatur von 650 °C abgeschieden. Die Wachstumsraten betrugen für die ersten 15 nm 0,002 nm/s und bis zu einer Schichtdicke von 150 nm anschließend 0,05 nm/s.
Fig. 6 zeigt die Röntgendaten der Iridiumschicht, wobei zu erkennen ist, dass die Halbwertsbreite der Fehlorientierungsverteilung für die Iridiumschicht deutlich kleiner ist als für die Strontiumtitanat- schicht .
Fig. 6A zeigt dabei die Rockingkurven des SrTi03 (002) -Reflexes bei 2 Theta = 46,47° sowie des Ir(002) Reflexes bei 2 Theta = 47,32°. Die Messkurven wurden auf gleiche Höhe normiert. Fig. 6B zeigt den azimutalen Scan des SrTiθ3 (101) -Reflexes bei 2 Theta = 32,40° und einem Polarwinkel Chi = 45° sowie den azimutalen Scan des Ir (311) -Reflexes bei 2 Theta = 83,44° und einem Polarwinkel Chi = 72,45'o
Beispiel 2
In einem weiteren Beispiel (Fig. 7) wurde als Substrat wiederum Silizium verwendet und hierauf eine 20 nm dicke epitaktische Strontiumtitanat (001) -Schicht mit Tilt- und Twistwerten von ca. 0,4° bzw. 1,4° abgeschieden. Auf diese Strontiu titanatpufferschicht
wurde eine Iridiumschicht wie in Beispiel 1 aufgebracht. Fig. 7 A zeigt die Rockingkurven des SrTiO3(002) Reflexes bei 2 Theta = 46,47° sowie des Ir(002) Reflexes bei 2 Theta = 47,32°. Die Messkurven wurden auf gleiche Höhe normiert. Fig. 7B zeigt den azimutalen Scan des SrTiO3(101) Reflexes bei 2 Theta = 32,40° und einem Polarwinkel Chi = 45° sowie den azimutalen Scan des Ir(311) Reflexes bei 2 Theta = 83,44° und einem Polarwinkel Chi = 72,45°. Es zeigt sich, dass die Fehlorientierungsverteilung der Iridiumschicht erheblich geringer ist als diejenige der Strontiumtitanatschicht .
Beispiel 3
In einem weiteren Beispiel (Fig. 8) wurde auf ein Si- lizium(OOl) -Substrat eine 20 nm dicke epitaktische Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid (YSZ) -Schicht mittels gepulster Laserablation von einem gesinterten YSZ-Target in einer Sauerstoffatmosphäre von 10~4 mbar bei einer Substrattemperatur von 770 °C abgeschieden. Für die Laserablation wurde ein Kryptonflu- oridexzimerlaser bei 8 Hz mit einer Pulsdauer von 30 ns verwendet. Hierdurch ergab sich eine Wachstumsrate von 0,005 nm pro Puls. Die Orientierung der YSZ-
Schicht in Röntgenbeugungsmessungen ergab einen Tilt von 1,4° und einen Twist von 1,2°.
Auf diese YSZ-Schicht wurde eine Iridiumschicht mit- tels Elektronenstrahlverdampfer im Hochvakuum aufgebracht. Diese Schicht wurde wie in Beispiel 1 aufgebracht.
Fig. 8 zeigt die zugehörigen Röntgendaten sowohl der YSZ-Schicht als auch der Iridiumschicht.
Beispiel 4
In einem weiteren Beispiel (Fig. 9) wurde auf Silizium (001) eine 1,5 nm dicke epitaktische Yttriumstabilisierte Zirkonoxidschicht wie in Beispiel 3 aufgebracht. Auf diese wurde eine 50 nm dicke Cer- oxidschicht bei identischen Laserparametern und einer Wachstumsrate von 0,016 nm pro Puls aufgebracht.
Die Orientierung der Ceroxidschicht ergab in Röntgen- messungen einen Tilt von 0,85° und einen Twist von 1,32° (siehe Fig. 9). Auf diese Ceroxid-Pufferschicht wurde nun wiederum eine Iridiumschicht wie in Bei- spiel 3 aufgebracht, die einen Tilt und Twist von
0,35° bzw. 0,29° aufwies (siehe Röntgendaten in Fig. 9) .
Beispiel 5
In einem weiteren Beispiel (Fig. 10) wurde eine Ytt- rium-stabilisierte Zirkonoxidschicht und eine Ceroxidschicht auf ein Silizium (001) -Substrat wie in Beispiel 4 aufgebracht. Auf die Ceroxidschicht wurde eine weitere 50 nm dicke Strontiumtitanatschicht bei identischen Laserparametern und einer Wachstumsrate von 0,016 nm pro Puls aufgebracht.
Auf diese Strontiumtitanatschicht folgte eine Iridi- umschicht wie im Beispiel 4. Fig. 10 zeigt nun die
Röntgendaten der Strontiumtitanatschicht und der Iridiumschicht, wobei sich als Tilt und Twist für die Strontiumtitanatschicht Werte von 0,99° und 1,51° und als Tilt und Twist für die Iridiumschichtwerte von 0,44° und 0,37° ergaben.
Beispiel 6
In einem weiteren Beispiel (Fign. 11 und 12) wurde auf Silizium (111) eine 50 nm dicke epitaktische Ytt- rium-stabilisierte Zirkonoxidschicht unter Wachstumsbedingungen wie im vorigen Beispiel aufgebracht. Auf diese YSZ-Schicht folgt nun eine Iridiumschicht wie in dem vorigen Beispiel. Fig. 11 zeigt die Röntgendaten der YSZ-Schicht und der Iridiumschicht. Es erga- ben sich Tilt- und Twistwerte von 2 , 11 ° und 2,13° für die YSZ-Schicht und 0,31° und 0,25° für Tilt und Twist der Iridiumschicht.
Insbesondere dieses Beispiel zeigt, dass auch auf Pufferschichten von relativ hoher Mosaizität auf Silizium (111) hervorragende epitaktische Iridiumschichten mit 111-Orientierung abgeschieden werden können. Fig. 12 zeigt die Polfigur einer derart hergestellten Iridiumschicht.
Beispiel 7
In einem weiteren Beispiel wurde eine 20 nm dicke epitaktische Strontiumtitanat (001) -Schicht auf Sili- zium (001) mit Tilt und Twistwerten von 0,4° bzw.
1,4° abgeschieden. Mittels Elektronenstrahlverdampfer im Hochvakuum wurde eine Iridiumschicht wie im vorigen Beispiel abgeschieden. Die Wachstumsrate für die ersten 25 nm betrug jedoch 0,025 nm/s und damit das über 12fache wie bei den bisherigen Beispielen.
Für die Iridiumschicht wurde ein Tilt und Twist von 0,27 und 0,39° festgestellt.
Dieses Beispiel zeigt, dass die Wachstumsrate für
Iridium im ersten Teilschritt über einen großen Be-
reich variiert werden kann, ohne damit eine wesentliche Verschlechterung der Textur der Iridiumschicht in Kauf nehmen zu müssen.
Beispiel 8
In einem weiteren Beispiel (Fig. 13) wurde auf einem Einkristall aus MgO und einer Metallschicht aus Ir (Dicke 150 nm) eine weitere oxidische Schicht aus Strontiumtitanat abgeschieden. Die Abscheidung erfolgte bei einer Substrattemperatur von 750°C mittels PLD bei 8 Hz, 700 m Pulsenergie und einem O∑-Druck von 6,2 x 10"3 mbar. Die Dicke der SrTiθ3-Schicht betrug 200 nm.
Figur 13 zeigt hierzu die Rockingkurven und φ-Scans für die Iridium-Pufferschicht mit ca. 0,3°. Dies zeigt, dass die Iridiumschicht nicht perfekt epitaktisch ist und sogar etwas fehlorientierter als die entsprechenden Schichten in den Beispielen 2 und 3. Für die Strontiumtitanatschicht wurden dennoch Werte von 0,4° bestimmt. Kombiniert man die Iridiumschichten von Beispiel 2 und 3 auf Silizium mit den SrTiθ3~ Schichten des vorliegenden Beispiels, so sind damit SrTiθ3-Schichten auf Silizium zu erwarten, die den bisherigen Stand der Technik für SrTi03 direkt auf Silizium deutlich übertreffen. Der technische Aufwand ist darüber hinaus wesentlich geringer als für das MBE-Wachstum von SrTi0 direkt auf Silizium.
Beispiel 9
In einem weiteren Beispiel (Fig. 14) wurde auf entsprechende Ir/MgO-Schichten Ceroxid Ce02 aufgewach- sen.
Die Abscheidung erfolgte bei einer Substrattemperatur von 750°C mittels PLD bei 8 Hz, 700 mJ Pulsenergie und einem 02-Druck von 2,5 x 10~4 mbar. Die Dicke der SrTi03-Schicht betrug 200 nm.
Auch hier erhält man ohne jegliche weitere Optimierung auf Anhieb einen Wert von 0,6° polar und azimutal, wie er in Figur 14 dargestellt ist. Dies erlaubt analoge Schlüsse wie im vorhergehenden Beispiel.
Beispiel 10
Figur 15 zeigt nun die Herstellung von quasi- einkristallinen bzw. einkristallinen Funktionsschich- ten auf einem beliebigen Substrat nach dem oben beschriebenen zweiten Verfahren. Ein derartiges Substrat kann amorph, polykristallin oder auch einkristallin sein. Es ist so beispielsweise möglich, das jeweils günstigste Substrat, beispielsweise bezüglich der Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten zu wählen. Geeignete Werte können dabei auch gezielt angestrebt werden, indem entsprechende polykristalline Sinterproben als Substrat verwendet werden.
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist hier nun, dass die oxidischen Pufferschichten biaxial tex- turiert auf das Substrat aufgewachsen werden. Dies zeigt Figur 15A. Eine derartige biaxial texturierte Pufferschicht auf praktisch beliebigen Substratmate- rialien ist jedoch nur möglich, wenn das Aufwachsen unter gleichzeitigem Ionenbeschuss erfolgt, beispielsweise mit Edelgasen oder Sauerstoff, unter schrägem Winkel (sog. ionenstrahlunterstützte Beschichtung, IBAD = Ion Beam Assisted Deposition) . Das Beschichtungsmaterial selbst kann dabei über CVD- oder PVD-Verfahren, wie thermisches Verdampfen,
Elektronenstrahlverdampfen, PLD oder Sputtern, auf das Substrat aufgebracht werden. Dies ist in Figur 15A dargestellt, wo auf ein beliebiges Substrat 2 unter Ionenbeschuss aus einer Ionenquelle 10 das oxidi- sehe Beschichtungsmaterial der Pufferschicht 3 aufgebracht wird. Auf diese Zwischenschicht 3 wird anschließend eine Metallschicht 4 aufgebracht. Das Ergebnis ist hier, wie in Fig. 15B dargestellt, eine einkristalline Metallschicht auf einer beliebigen Un- terlage, die nunmehr als universelles Wachstumssubstrat verwendet werden kann.
Vorteilhaft hierbei ist also nun, dass wie in Figur 15 gezeigt, ein universelles einkristallines Wachs- tumssubstrat für heteroepitaktische Schichten auf einer beliebigen Unterlage hergestellt werden kann. Die Materialien des Substrates können dabei den jeweiligen Anforderungen entsprechend ausgewählt werden, beispielsweise an die heteroepitaktisch abzuscheiden- de Schicht thermisch angepasst werden.