WO2024068041A1 - Halbleiterscheibe mit gan-zwischenschichten zur ausbildung von gan-halbleiterbauelementen - Google Patents

Halbleiterscheibe mit gan-zwischenschichten zur ausbildung von gan-halbleiterbauelementen Download PDF

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layer
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semiconductor wafer
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Atsushi Nishikawa
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Azur Space Solar Power Gmbh
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    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor wafer for forming GaN semiconductor components.
  • Such semiconductor wafers primarily have a silicon substrate with an overlying buffer layer system, the top layer of the buffer layer system comprising a GaN layer.
  • GaN semiconductor components in particular power transistors or LEDs, are produced on the GaN layer by growing and structuring additional layers.
  • the aim here is to make the epitaxial growth of the GaN layer or the GaN sublayers as dislocation-free and monocrystalline as possible.
  • the number of defects e.g. the number of thread-like dislocations, as much as possible and to deposit a defect-free monocrystalline GaN layer in order to achieve the highest possible yield in the production of semiconductor components containing GaN or consisting of GaN.
  • the layers of the buffer layer system including the GaN layer, are usually produced using gas phase epitaxy processes, called MOVPE.
  • MOVPE gas phase epitaxy processes
  • the respective semiconductor layers are produced by means of deposition from the gas phase.
  • organic carrier gases such as. B Trimethylgallium ((CH3)3Ga) and ammonia (NH3) with the addition of hydrogen are used as carrier gas in the growth of gallium nitride, the reaction taking place using the reaction formula can be described. Due to the presence of large amounts of carbon and hydrogen, small amounts of hydrogen and carbon are also unintentionally and unavoidably incorporated into the semiconductor crystal, ie into the GaN
  • Methods for producing GaN layers are known from DE 10 2006 008 929 Al, EP 2 767 620 Al, DE 102 56 911 Al, US 2006/0281284 Al and US 2013/0087762 Al.
  • the object of the invention is to provide a device that advances the prior art.
  • a semiconductor wafer for forming GaN semiconductor components is provided, the semiconductor wafer having a diameter of at least 100 mm. It goes without saying that the semiconductor wafer can in particular also have a diameter of 150 mm or 200 mm or 300 mm or 450 mm.
  • the semiconductor wafer has a substrate with an upper side and a lower side, the substrate consisting of silicon on the upper side.
  • a transition layer is cohesively connected to the top of the substrate.
  • a formed first GaN layer is arranged in a materially bonded manner on the transition layer.
  • the first GaN layer includes a first GaN sublayer and a second GaN sublayer, wherein the second GaN sublayer is formed on the first GaN sublayer.
  • the second GaN sublayer has on average a smaller number of thread-like dislocations than the first GaN sublayer.
  • the first GaN sublayer has a first layer thickness and the second GaN sublayer has a second layer thickness, wherein the second layer thickness is greater than or equal to the first layer thickness.
  • the semiconductor wafer comprises a substrate, wherein the substrate comprises or consists of a single layer or, in another embodiment, the substrate comprises or consists of a plurality of layers arranged in a stack.
  • a single crystal silicon layer is formed on the top of the substrate.
  • only the top side consists of a single-crystalline layer.
  • the thickness of the topmost single-crystalline layer includes a thickness in a range from 10 nm to 100 pm.
  • the entire surface preferably comprises or consists of a single-crystalline layer.
  • the entire substrate consists of silicon, i.e. a single single-crystalline silicon layer.
  • the crystal orientation of the single crystal layer is either ⁇ 100> or ⁇ 111>. It goes without saying that the single-crystalline layer can, however, also have other crystal directions, in particular a ⁇ 110> or ⁇ 011> or ⁇ 001> direction. It should be noted that the term “on average” means a total number of thread-like dislocations based on the entire area of the first or the entire area of the second GaN partial layer. With the aforementioned definition, the areal density of thread-like dislocations determined in this way applies Dislocations of the second GaN sublayer is smaller than the size of the area density of thread-like dislocations of the first GaN sublayer.
  • the number of filamentary dislocations on small selected areas of the second GaN sublayer is compared to small selected areas of the first GaN sublayer, it is possible that the number of filamentary dislocations on the second GaN sublayer is equal to or even larger than the number of filamentary dislocations on the first GaN sublayer.
  • GaN layer or GaN sublayer refers to a layer that comprises at least the elements Ga and N. Furthermore, it should be noted that all layers always include unintentional and unavoidable impurities and intentionally introduced dopants.
  • the GaN layer or GaN sublayer has, in addition to the elements Ga and N, also other elements such as In and / or Al and / or further elements of the III or V main group.
  • the proportion of the other elements of main group III and/or the number of elements in relation to main group V is less than 10%, preferably less than 5%, most preferably less than 1%.
  • the GaN layer or the respective GaN partial layer consists exclusively of the elements Ga and N, although unintentional and unavoidable impurities and intentionally introduced dopants are still included.
  • the aforementioned layers comprising at least the transition layer and the first GaN layer are part of a semiconductor buffer layer sequence.
  • the purpose of the semiconductor buffer layer sequence is to provide a GaN layer that is as defect-free as possible in order to be able to produce GaN semiconductor components.
  • An advantage of building a GaN layer from several, i.e. at least two, GaN sublayers is that the quality of the top GaN sublayer improves in comparison with a GaN layer comprising or consisting of a single GaN sublayer.
  • One reason for improving the layer quality of the GaN layer is, among other things, a reduction in the number of thread-like dislocations.
  • Another advantage is that the area of the majority of crystallites increases in the second GaN partial layer compared to the first GaN partial layer. This in particular reduces the number of thread-like dislocations.
  • the surface of the crystallites under consideration is formed parallel to the respective layer surface and is also referred to below as the lateral surface.
  • the average size of the crystallites in the second GaN sublayer is increased compared to the average size of the crystallites in the first GaN sublayer.
  • the “average size of the crystallites” means the arithmetic mean, i.e. the total sum of the lateral surfaces divided by the number of crystallites.
  • At least one deposition parameter on the MOVPE system is changed between the two GaN partial layers, ie at the point where an interface is formed between the two GaN partial layers. It is understood that the change in the changed separation parameter is greater than the uncertainty caused by the system conditions. accuracy of the respective deposition parameter.
  • the size of the parameter change or the lower limit for the parameter change is at least 2 times or at least 10 times or at least 50 times the inaccuracy specified for the parameter by the control system on the MOVPE. It is understood that if several separation parameters are changed, the above statements apply to each of the changed separation parameters.
  • the first GaN sublayer and the second GaN sublayer have the same stoichiometry.
  • the difference in the stoichiometry between the two GaN partial layers based on the elements of the III main group is less than 2% and the difference in the stoichiometry based on the elements of the V main group is less than 2%.
  • the difference in the curvature of the semiconductor wafer when depositing the first GaN sublayer and the second GaN sublayer is less than 5 km 1 .
  • both layers, the first GaN sublayer and the second GaN sublayer exert the same or approximately the same stress on the substrate.
  • the first GaN sublayer is almost or completely stress-free during deposition and/or immediately after deposition, i.e. neither compressively nor tensilely strained.
  • the second GaN partial layer is almost or completely stress-free during deposition and/or immediately after deposition, i.e. neither compressively nor tensilely strained.
  • the size of the wafer curvature is, in a first approximation, independent of the diameter of the semiconductor wafer.
  • the first GaN sublayer has a first lattice constant and the second GaN sublayer has a second lattice constant.
  • the first lattice constant is the same size as the second lattice constant.
  • the difference between the two lattice constants is less than 1% or less than 0.5% or less than 0.3%.
  • the second GaN sublayer is formed integrally on the first GaN sublayer.
  • a connection layer is formed between the first GaN sublayer and the second GaN sublayer.
  • the lattice constant of the connection layer is the same size as the lattice constant of the first GaN sublayer and/or the same size as the lattice constant of the second GaN sublayer or in another alternative the lattice constant of the connection layer is different to the lattice constant of the first GaN sublayer and/or or to the lattice constant of the second GaN sublayer.
  • the thickness of the compound layer is in a range between 0.5 nm and 100 nm, preferably between 0.5 nm and 30 nm.
  • the difference in the lattice constant between the connection layer and the first and/or the second GaN partial layer is in each case or in total less than 1% or less than 0.5% or less than 0.3%.
  • the ratio of the sum of the thread-like dislocations of the second GaN sublayer to the sum of the thread-like dislocations of the first GaN sublayer is between 2 and 1000 or between 5 and 40.
  • the sum is determined from the total number of thread-like dislocations of the entire layer.
  • the sum of the thread-like dislocations is determined on the surface of the respective GaN sublayer.
  • the difference in the sum of the thread-like dislocations at the interface between the second GaN sublayer and the first GaN sublayer is between 2 and 1000 or between 5 and 40.
  • the interface comprises the bottom of the second GaN sublayer and the top of the first GaN sublayer.
  • the surface density of the thread-like dislocations in the first GaN partial layer is in a range between 2*10 9 cm' 2 and l*10 10 cm' 2 and the surface density of the thread-like dislocations in the second GaN partial layer is in a range between l*10 7 cm' 2 and l*10 9 cm' 2 .
  • the surface density of the thread-like dislocations on the underside in the first GaN partial layer is greater than 5*1O 10 cm' 2 . Furthermore, the surface density of the thread-like dislocations on the top of the first GaN sublayer is in a range between 2*10 9 cm' 2 and l*10 10 cm' 2 and the surface density of the thread-like dislocations on the top of the second GaN sublayer is in an area between l*10 7 cm' 2 and l*10 9 cm' 2 .
  • the first GaN partial layer in contrast to the second GaN partial layer, has a larger total number of thread-like dislocations with an oblique course.
  • oblique course refers to the course of the thread-like dislocations within the respective GaN sublayer deviating from a vertical direction, i.e. deviating from the direction of the normal on the top of the respective GaN sublayer.
  • the course of the thread-like dislocations within the respective GaN partial layer has both vertical or, in a first approximation, vertical sections and that the course only assumes an oblique course as the length of the thread-like dislocation increases. It is desirable that the oblique course of the thread-like dislocations is as horizontal as possible, ie parallel the top of the respective GaN partial layer.
  • At least 50% or at least 80% of the thread-like dislocations in the first GaN sublayer have an oblique course.
  • the dislocation angle is greater than 10° or 30° or 50°.
  • the step angle in the first GaN partial layer for the oblique thread-like dislocations is greater than 50° or greater than 30°.
  • the ratio of the thickness of the second GaN sublayer to the thickness of the first GaN sublayer is in a range between 1 and 100, or in a range between 1 and 10, or in a range between 1 and 3.
  • the thickness of the first GaN partial layer is in a range between 50 nm and 300 nm and / or the thickness of the second GaN partial layer is in a range between 300 nm and 5000 nm.
  • the first GaN layer has a total layer thickness of at least 0.35 pm and a maximum thickness of 5 pm.
  • MOVPE is a possible and common process for producing the GaN layers.
  • GaN layers can also be produced using processes such as MBE or LPE or HVPE.
  • both the first GaN sublayer and the second GaN sublayer have a carbon concentration that is unintentionally and inevitably generated, i.e., as explained above, necessarily generated by the deposition process.
  • the carbon concentration is greater in the first GaN sublayer than in the second GaN sublayer.
  • At least one deposition process parameter in the formation of the first GaN sublayer differs from one of the deposition process parameters for the formation of the second GaN sublayer, as a result of which the second GaN sublayer has a higher unintentional and unavoidable carbon concentration than the first GaN sublayer.
  • the ratio of the unintentional and unavoidable carbon concentration between the second GaN sublayer and that of the first GaN sublayer is in a range between 2 and 1000 or in a range between 4 and 200 or in a range between 10 and 100.
  • the unintentional and unavoidable carbon concentration in the first GaN sublayer is constant or decreases in the direction towards the second GaN sublayer.
  • the unintentional and unavoidable carbon concentration is constant or decreases along the path from the interface between the transition layer and the first GaN sublayer to the interface between the first GaN sublayer and the second GaN sublayer.
  • the unintentional and unavoidable carbon concentration in the first GaN sublayer is in a range between 1*10 17 cm' 3 and 5*10 18 cm' 3 and in the second GaN sublayer the unintentional and unavoidable carbon concentration is in a range between 5*10 15 cm' 3 and 5*10 16 cm' 3 .
  • both the first GaN sublayer and the second GaN sublayer have an oxygen concentration that is unintentionally and inevitably generated, ie, as explained above, forcibly generated by the deposition process. The oxygen concentration is greater in the first GaN sublayer than in the second GaN sublayer.
  • At least one deposition process parameter in the formation of the first GaN sublayer differs from one of the deposition process parameters for the formation of the second GaN sublayer, as a result of which the second GaN sublayer has a higher unintentional and unavoidable oxygen concentration than the first GaN sublayer.
  • the ratio of unintentional and unavoidable oxygen concentration at the boundary layer between the second GaN partial layer and the first GaN partial layer is in a range between 2 and 5000 or in a range between 4 and 200 or in a range between 10 and 100.
  • the unintentional and unavoidable oxygen concentration in the first GaN sublayer is constant or decreases in the direction of the second GaN sublayer.
  • the unintentional and unavoidable oxygen concentration is constant or decreases along the path from the interface between the transition layer and the first GaN sublayer to the interface between the first GaN sublayer and the second GaN sublayer.
  • the unintentional and unavoidable oxygen concentration in the first GaN sublayer is in a range between 2*10 17 cm' 3 and 5*10 18 cm' 3 and in the second GaN sublayer the unintentional and unavoidable oxygen concentration is in a range of l*10 15 cm' 3 and l*10 17 cm' 3 .
  • the density of the filamentary dislocations in the first GaN sublayer is at least 2 times and at most 1000 times as large as the density of the filamentary dislocations in the second GaN sublayer.
  • a plurality of spots that are integrally formed with the upper side and that contain oxygen are formed on the upper side of the silicon layer of the substrate.
  • the oxide spots are formed on the upper side of the silicon layer and below the transition layer.
  • the oxygen-containing spots cover at least 0.005% and at most 35% of the top surface of the substrate.
  • the oxygen-containing spots cover at least 5% and at most 50% of the top surface of the substrate.
  • the layers are each formed over the entire surface.
  • the term “entire surface” refers to the entire surface of the semiconductor wafer.
  • the spots consist predominantly of silicon oxide, i.e. consist of oxide or at least include oxide. In other words, the oxide spots remain and are removed from the subsequent layers Under no circumstances, however, do the oxide spots form a coherent layer on the top of the silicon layer.
  • the spots can be used to improve the quality of the semiconductor buffer layer sequence, i.e. the GaN layers on the respective top side.
  • the coalescence during the growth of the semiconductor buffer layer sequence can be improved.
  • the oxygen-containing spots preferably cover a minimum of 0.2% to a maximum of 20% or a minimum of 0.01% to a maximum of 30% or a minimum of 0.1% to a maximum of 25% of the top side of the substrate and are cohesive with the top side of the substrate tied together.
  • the spots containing oxygen each have an extent of at least 10 nm or at least 50 nm or at least 100 nm. The spots can have a wide variety of shapes.
  • the spots containing oxygen each have an extension of a maximum of 5 m or a maximum of 1 pm or a maximum of 0.5 pm.
  • the oxygen-containing spots have a thickness in a range between a monolayer and 4 nm, with the thickness of the monolayer being approximately 0.4 nm.
  • the oxygen-containing spots comprise or consist of a silicon dioxide and/or a silicon monoxide, collectively referred to below as silicon oxide.
  • the silicon oxide is formed as a naturally grown oxide. Natural oxide, i.e. silicon oxide, grows in an oxygen-containing environment.
  • the density of natural oxide is below the density of a thermally grown oxide.
  • Naturally grown oxide is understood here to mean a silicon oxide that is preferably formed at room temperature, but most preferably at a temperature below 100°C or below 200°C.
  • the thickness of the natural oxide is between a monolayer, i.e. approximately 0.4 nm and 4 nm. In a further development, the thickness of the natural oxide is between 1 nm and 2 nm.
  • a thermally grown oxide is understood here to mean a silicon oxide that is preferably grown at a temperature above 500°C.
  • the density of the thermal oxide is more than 30% higher than that of the natural oxide.
  • the oxygen-containing patches include silicon oxide and oxynitride, or are made of silicon oxide, or are made of oxynitride.
  • the oxygen-containing spots on the top are almost evenly distributed.
  • the term “uniformly distributed” means that the spots are evenly distributed over the entire surface of the semiconductor wafer.
  • the number of spots on an area of the wafer that comprises at least 20% of the total area is not more than 50% of the number of spots in a second equally large area on the semiconductor wafer differs.
  • the semiconductor buffer layer sequence has a thickness of at least 1 pm or at least 4 pm and a maximum thickness of 30 pm. In one embodiment, the semiconductor buffer layer sequence has a thickness of between 0.5 pm and 10 pm or between 1.0 pm and 5 pm on the top side.
  • the transition layer comprises or consists of a layer sequence of at least two different layers.
  • the transition layer has a nucleation layer consisting of AlN and completely or partially covering the upper side of the substrate.
  • the nucleation layer has a layer thickness of at least 5 nm and at most 50 nm. It is understood that if oxide spots are present on the upper side of the substrate, the nucleation layer at least partially covers the oxide spots.
  • the nucleation layer has a plurality of holes.
  • the proportion of the area of the holes on the top side of the nucleation layer, ie the total hole area, is between 1% and 30% of the total area of the nucleation layer.
  • the proportion of the total hole area is calculated from the total area of the holes on the entire layer area divided by the total area of the nucleation layer. If the transition layer on a top side consists exclusively of the top side of the nucleation layer, it is understood that the transition layer has the distribution and number of holes of the nucleation layer.
  • the holes are, in a first approximation, evenly distributed over the entire surface of the nucleation layer.
  • the hole area is in a range between 5% and 20% based on the entire surface of the nucleation layer.
  • a masking layer comprising (Al)GaN or consisting of (Al)GaN is formed on the nucleation layer and at least partially covers the nucleation layer.
  • the masking layer has a surface and an aluminum content between 0% and 10% based on all elements of III. main group of the periodic table.
  • the thickness of the masking layer has a layer thickness of at least 100 nm or at least 300 nm and a maximum of 900 nm. In another development, the masking layer has a thickness between 400 nm and 600 nm.
  • the first GaN layer is formed on the masking layer.
  • the first GaN layer is formed directly on the surface of the masking layer.
  • a sequence of an intermediate layer and a second layer comprising GaN is formed on the first GaN layer.
  • the second GaN layer comprises a first GaN sublayer or consists of a first GaN sublayer.
  • the second GaN layer comprises a first GaN sublayer and a second GaN sublayer or the second GaN layer consists of a first GaN sublayer and a second GaN sublayer.
  • a plurality of sequences are formed on the first GaN layer. At least one sequence and at most 10 sequences are formed on the first GaN layer.
  • the sequence has a thickness between 0.5 pm and 10 pm or between 1.0 pm and 5 pm. In a further development, the sequence has a thickness of at least 1 pm or of at least 4 pm and at most a thickness of 30 pm.
  • the intermediate layer includes AI.
  • the intermediate layer comprises AIGaN or consists of AIGaN.
  • FIG. 1 shows a cross section of a semiconductor wafer with a GaN layer, the GaN layer being divided into a first GaN partial layer and a second GaN partial layer,
  • Figure 3 shows a cross section on a semiconductor wafer with a further embodiment of the layer arrangement
  • Figure 4 shows a cross section on a semiconductor wafer with a detailed view of the differences in the thread-like dislocations between the first GaN partial layer and the second GaN partial layer.
  • the layer arrangements shown below above the substrate are part of a semiconductor buffer layer sequence, with a so-called active layer for producing GaN semiconductor components being formed above the semiconductor buffer layer sequence, which is generally not to be viewed as part of the semiconductor buffer layer sequence.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a semiconductor wafer consisting of a substrate 10, preferably a silicon substrate, with an upper side OS and a lower side US.
  • the substrate 10 consists of monocrystalline silicon at least on the top and has a diameter of at least 100 mm.
  • a transition layer UES with a top side OF is formed on the top side OS of the substrate 10, wherein the transition layer UES is integrally connected to the substrate 10.
  • a first GaN layer GS is integrally arranged on the top side OF of the transition layer UES.
  • the first GaN layer GS comprises or consists of a first GaN sublayer GN1 with a thickness D1 and a second GaN sublayer GN2 with a thickness D2, wherein the thickness of the first GaN sublayer GN1 is less than or equal to the thickness D2 of the second GaN sublayer.
  • An interface GRZ is formed between the first GaN sublayer GN1 and the second GaN sublayer GN2.
  • An intermediate layer ZW is formed above the first GaN layer.
  • the intermediate layer ZW is cohesively connected to the top of the first GaN layer GS.
  • a further GaN layer GAU is formed on the top of the intermediate layer ZW.
  • the intermediate layer ZW and the further GaN layer together form a sequence AF.
  • the further GaN layer GAU comprises or consists of a first GaN sublayer and/or a second GaN sublayer.
  • FIG. 2 shows the course of the lattice constant of the semiconductor wafer, shown in connection with the illustration in FIG. 1. Only the differences from the illustration in FIG. 1 are explained below.
  • the first GaN sublayer GN1 has a first lattice constant Gl.
  • the second GaN sublayer GN2 has a second lattice constant G2.
  • the first lattice constant GN1 and the second lattice constant GN2 are almost equal or exactly the same.
  • spots OXF are shown in dashed lines, i.e. optionally containing oxygen. It should be noted that the spots OXF, referred to below as oxide spots, are distributed as evenly as possible on the top side OS, but the spots OXF have irregular outlines and sizes (not shown) and cover at least 0.005% and a maximum of 50% of the top side OS of the substrate 10.
  • the optional spots OXF are shown as part of the transition layer UES.
  • the transition layer UES comprises a nucleation layer NUS and a masking layer MASK formed on the nucleation layer NUS.
  • the masking layer MASK forms the top surface OF of the transition layer UES.
  • a thin connection layer VS is optionally arranged at the interface GRZ between the first GaN sublayer GN1 and the second GaN sublayer GN2.
  • connection layer VS has the same lattice constant as the underlying first GaN sublayer GN1.
  • FIG. 4 shows a cross section on a semiconductor wafer with a detailed view of the first GaN layer GS with differences in thread-like dislocations FV between the first GaN partial layer GN1 and the second GaN partial layer GN2.
  • the second GaN partial layer GN2 has, on average, a smaller number of thread-like dislocations FV than the first GaN partial layer GN1.
  • the thread-like dislocations FV in the first GaN partial layer GN1 also usually have a more oblique course than the thread-like dislocations FV in the second GaN partial layer GN2.
  • the first GaN sublayer has a lower quality than the second GaN sublayer GN2.
  • the number of thread-like dislocations FV in the second GaN sublayer GN2 is also smaller than in the first GaN sublayer GN1.
  • the size of the crystallites in the second GaN partial layer GN2 is also significantly larger than in the first GaN partial layer GN1.

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Abstract

Halbleiterscheibe zur Ausbildung von GaN-Halbleiterbauelementen mit einem Durchmesser von wenigstens 100 mm aufweisend, ein Substrat, mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei das Substrat an der Oberseite aus Silizium besteht, und eine Übergangsschicht stoffschlüssig mit der Oberseite des Substrats verbunden ist, und eine auf der Übergangsschicht stoffschlüssig ausgebildete erste GaN-Schicht vorgesehen ist, wobei die erste GaN-Schicht eine erste GaN-Teilschicht und eine zweite GaN-Teilschicht umfasst, und die zweite GaN-Teilschicht auf der ersten GaN-Teilschicht ausgebildet ist, wobei die zweite GaN-Teilschicht im Mittel eine geringere Anzahl von fadenförmigen Versetzungen aufweist als die erste GaN-Teilschicht, und die erste GaN-Teilschicht eine erste Schichtdicke und die zweite GaN-Teilschicht eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke oder gleich groß ist.

Description

HALBLEITERSCHEIBE MIT GAN-ZWISCHENSCHICHTEN ZUR AUSBILDUNG VON GAN-HALBLEITERBAUELEMENTEN
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterscheibe zur Ausbildung von GaN- Halbleiterbauelementen.
Derartige Halbleiterscheiben weisen vor allem ein Siliziumsubstrat mit einem aufliegenden Pufferschichtsystem auf, wobei die oberste Schicht des Pufferschichtsystems eine GaN-Schicht umfasst. Auf der GaN-Schicht werden mittels Aufwachsen und Strukturieren von weiteren Schichten GaN- Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungstransistoren oder LEDs, hergestellt.
Ziel hierbei ist es, das epitaktische Wachstum insbesondere der GaN-Schicht bzw. der GaN-Teilschichten möglichst versetzungsfrei und einkristallin auszubilden. Anders ausgedrückt, die Zahl der Defekte, z.B. die Anzahl der fadenförmigen Versetzungen möglichst zu verringern und eine defektfreie einkristalline GaN-Schicht abzuscheiden, um eine möglichst hohe Ausbeute bei der Herstellung der GaN umfassenden oder aus GaN bestehenden Halbleiterbauelemente zu erreichen.
Die Herstellung der Schichten des Pufferschichtsystems einschließlich der GaN-Schicht erfolgt üblicherweise unter Verwendung von Gas- Phasenepitaxieverfahren, genannt MOVPE. Hierbei werden die jeweiligen Halbleiterschichten mittels einer Abscheidung aus der Gasphase erzeugt.
Zur Herstellung der GaN-Schicht aus der Gasphase werden organische Trägergase wie z. B Trimethylgallium ((CH3)3Ga) und Ammoniak (NH3) unter Zugabe von Wasserstoff als Trägergas beim Wachstum von Galliumnitrid verwendet, wobei die Reaktion sich mittel der Reaktionsformel
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beschreiben lässt. Durch die Anwesenheit großer Mengen Kohlenstoff und Wasserstoff werden auch unabsichtlich und unvermeidlich geringe Mengen von Wasserstoff und Kohlenstoff mit in den Halbleiterkristall d.h. in die GaN-
BESTÄTIGUNGSKOPIE Schicht eingebaut.
Während Wasserstoff sich durch Tempern in einer Inertgasatmosphäre oder im Vakuum entfernen lässt, um z.B. nicht die für die p-Typ-Leitung notwendigen Akzeptoren zu passivieren, führt der durch das Verfahren bedingte unvermeidliche und unbeabsichtigte Einbau von Kohlenstoff zu einer p- Dotierung bzw. zu einer Erhöhung der Rest-Leitfähigkeit.
Trotz aufwendiger Verfahren sämtliche Verunreinigungen zu vermeiden, die sich aus der Benutzung von zur Herstellung der GaN-Schicht nötigen Vorrichtungen und Ausgangsstoffe wie z.B. Metallorganika ergeben, finden sich unabsichtliche und unvermeidliche Verunreinigungen wie z.B. Sauerstoff in der GaN-Schicht.
Verfahren zur Herstellung von GaN-Schichten sind aus der DE 10 2006 008 929 Al, der EP 2 767 620 Al, der DE 102 56 911 Al, der US 2006/0281284 Al und der US 2013/0087762 Al bekannt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch eine Halbleiterscheibe zur Ausbildung von GaN- Halbleiterbauelementen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Entsprechend dem Gegenstand der Erfindung wird eine Halbleiterscheibe zur Ausbildung von GaN-Halbleiterbauelementen bereitgestellt, wobei die Halbleiterscheibe einen Durchmesser von wenigstens 100 mm aufweist. Es versteht sich, dass die Halbleiterscheibe insbesondere auch 150 mm oder 200 mm oder 300 mm oder 450 mm Durchmesser aufweisen kann.
Des Weiteren weist die Halbleiterscheibe ein Substrat, mit einer Oberseite und einer Unterseite auf, wobei das Substrat an der Oberseite aus Silizium besteht. Außerdem ist eine Übergangsschicht stoffschlüssig mit der Oberseite des Substrats verbunden. Auf der Übergangsschicht ist stoffschlüssig eine ausgebildete erste GaN-Schicht angeordnet.
Die erste GaN-Schicht umfasst eine erste GaN-Teilschicht und eine zweite GaN-Teilschicht, wobei die zweite GaN-Teilschicht auf der ersten GaN- Teilschicht ausgebildet ist.
Die zweite GaN-Teilschicht weist im Mittel eine geringere Anzahl von fadenförmigen Versetzungen auf als die erste GaN-Teilschicht.
Ferner weist die erste GaN-Teilschicht eine erste Schichtdicke und die zweite GaN-Teilschicht eine zweite Schichtdicke auf, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke oder gleich ist.
Es versteht sich, dass die Halbleiterscheibe ein Substrat umfasst, wobei das Substrat eine einzige Schicht umfasst oder aus einer einzigen Schicht besteht oder in einer anderen Ausführungsform umfasst oder besteht das Substrat aus einer Mehrzahl von stapelförmig angeordneten Schichten.
Es sei angemerkt, dass bei dem Substrat an der Oberseite eine einkristalline Siliziumschicht ausgebildet ist. In einer Ausführungsform besteht ausschließlich die Oberseite aus einer einkristallinen Schicht. In einer Weiterbildung umfasst die Dicke der obersten einkristallinen Schicht eine Dicke in einem Bereich von 10 nm bis 100 pm. Vorzugsweise umfasst oder besteht die gesamte Oberfläche aus einer einkristallinen Schicht.
In einer Ausführungsform besteht das gesamte Substrat aus Silizium, d.h. aus einer einzigen einkristallinen Siliziumschicht.
Vorzugsweise ist die Kristallorientierung der einkristallinen Schicht entweder <100> oder <111>. Es versteht sich, dass die einkristalline Schicht jedoch auch andere Kristallrichtungen aufweisen kann, insbesondere eine <110> oder <011> oder <001> Richtung. Es sei angemerkt, dass mit dem Begriff „im Mittel" eine Gesamtzahl von fadenförmigen Versetzungen bezogen auf die gesamte Fläche der ersten oder auf die gesamte Fläche der zweiten GaN-Teilschicht verstanden wird. Mit der vorgenannten Definition gilt, dass die so ermittelte Flächendichte an fadenförmigen Versetzungen der zweiten GaN-Teilschicht geringer ist als die Größe der Flächendichte an fadenförmigen Versetzungen der ersten GaN- Teilschicht.
Anders ausgedrückt, sofern die Anzahl von fadenförmigen Versetzungen auf kleinen ausgewählten Flächen der zweiten GaN-Teilschicht mit kleinen ausgewählten Flächen der ersten GaN-Teilschicht verglichen wird, ist es möglich, dass die Anzahl der fadenförmigen Versetzungen auf der zweiten GaN- Teilschicht gleich groß oder sogar größer ist als die Anzahl von fadenförmigen Versetzungen auf der ersten GaN-Teilschicht.
Auch sei angemerkt, dass mit der Formulierung GaN-Schicht oder GaN- Teilschicht eine Schicht verstanden wird, die wenigstens die Elemente Ga und N umfasst. Des Weiteren ist anzumerken, dass bei allen Schichten immer unabsichtliche und unvermeidliche Verunreinigungen und absichtlich eingebrachte Dotierstoffe mitumfasst sind.
In einer Weiterbildung weist die GaN-Schicht oder GaN-Teilschicht zusätzlich zu den Elementen Ga und N auch andere Elemente wie beispielsweise In und / oder AI und / oder weitere Elemente der III bzw. der V Hauptgruppe auf.
In einer anderen Weiterbildung liegt der Anteil der anderen Elemente der III Hauptgruppe und / oder die Anzahl der Elemente bezogen auf die V. Hauptgruppe unter 10%, vorzugsweise unter 5%, höchst vorzugsweise unterhalb von 1%.
In einer anderen Weiterbildung besteht die GaN-Schicht oder die jeweilige GaN-Teilschicht ausschließlich aus den Elementen Ga und N, wobei jedoch unabsichtliche und unvermeidliche Verunreinigungen und absichtlich eingebrachte Dotierstoffe trotzdem mitumfasst sind. Es sei angemerkt, dass die vorgenannten Schichten umfassend wenigstens die Übergangsschicht und die erste GaN-Schicht Teil einer Halbleiterpufferschichtfolge sind. Zweck der Halbleiterpufferschichtfolge ist wie eingangs bereits erwähnt, eine möglichst defektfreie GaN-Schicht bereitzustellen, um GaN-Halbleiterbauelemente herstellen zu können.
Ein Vorteil des Aufbaus einer GaN-Schicht aus mehreren, d.h. wenigstens zwei GaN-Teilschichten ist es, dass sich die Qualität der obersten GaN- Teilschicht im Vergleich mit einer GaN-Schicht umfassend oder bestehend aus einer einzigen GaN-Teilschicht verbessert.
Ein Grund für die Verbesserung der Schichtqualität der GaN-Schicht ist unter anderem eine Reduktion der Anzahl der fadenförmigen Versetzungen.
Ein anderer Vorteil ist, dass sich in der zweiten GaN-Teilschicht im Vergleich zu der ersten GaN-Teilschicht die Fläche der Mehrzahl der Kristallite vergrößert. Hierdurch wird insbesondere die Anzahl der fadenförmigen Versetzungen reduziert. Die betrachte Fläche der Kristallite ist jeweils parallel zu der jeweiligen Schichtfläche ausgebildet und wird nachfolgend auch als laterale Fläche bezeichnet.
Anders ausgedrückt, die mittlere Größe der Kristallite in der zweiten GaN- Teilschicht ist im Vergleich zur mittleren Größe der Kristallite der ersten GaN- Teilschicht erhöht. Mit der „mittleren Größe der Kristallite" wird hierbei das arithmetische Mittel d.h. die Gesamtsumme der lateralen Flächen dividiert durch die Anzahl der Kristallite verstanden.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Unterschiede zwischen den beiden GaN-Teilschichten durch eine Änderung in den Wachstumsbedingungen erzeugen lassen. Zwischen den beiden GaN-Teilschichten, d. h. an der Stelle an der sich eine Grenzfläche zwischen den beiden GaN-Teilschichten ausbildet, wird wenigstens ein Abscheideparameter an der MOVPE Anlage geändert. Es versteht sich hierbei, dass die Änderung des geänderten Abscheideparameters größer ist, als die durch die Anlagebedingungen bedingte Unge- nauigkeit des jeweiligen Abscheideparameters.
In einer Weiterbildung beträgt die Größe der Parameteränderung oder die untere Grenze für die Parameteränderung mindestens das 2-fache oder mindestens das 10-fache der oder mindestens das 50-fache der durch das Regelsystem an der MOVPE für den Parameter vorgegebenen Ungenauigkeit. Es versteht sich, dass bei mehreren geänderten Abscheideparametern die vorgenannten Aussagen für jeden der geänderten Abscheideparameter gelten.
In einer Weiterbildung weisen die erste GaN-Teilschicht und die zweite GaN- Teilschicht die gleiche Stöchiometrie auf.
In einer anderen Weiterbildung ist der Unterschied in der Stöchiometrie zwischen den beiden GaN-Teilschichten bezogen auf die Elemente der III- Hauptgruppe kleiner als 2% und der Unterschied in der Stöchiometrie bezogen auf die Elemente der V-Hauptgruppe kleiner als 2%.
In einer Ausführungsform ist der Unterschied in der Krümmung der Halbleiterscheibe beim Abscheiden der ersten GaN-Teilschicht und der zweiten GaN-Teilschicht kleiner als 5 km 1 ist. Anders ausgedrückt, beide Schichten, die erste GaN-Teilschicht als auch die zweite GaN-Teilschicht, üben den gleichen oder näherungsweise den gleichen Stress auf die Unterlage aus.
In einer Weiterbildung ist die erste GaN-Teilschicht bei der Abscheidung und / oder unmittelbar nach der Abscheidung nahezu oder vollständig stressfrei, d.h. weder kompressiv noch tensil verspannt.
In einer Weiterbildung ist die zweite GaN-Teilschicht bei der Abscheidung und / oder unmittelbar nach der Abscheidung nahezu oder vollständig stressfrei, d.h. weder kompressiv noch tensil verspannt.
In einer Weiterbildung ist die Größe der Scheibenkrümmung in einer ersten Näherung unabhängig von dem Durchmesser der Halbleiterscheibe. In einer Ausführungsform weist die erste GaN-Teilschicht eine erste Gitterkonstante und die zweite GaN-Teilschicht eine zweite Gitterkonstante auf. Vorzugsweise ist die erste Gitterkonstante gleich groß wie die zweite Gitterkonstante ist. In einer anderen Weiterbildung ist der Unterschied zwischen den beiden Gitterkonstanten kleiner als 1% oder kleiner als 0,5% oder kleiner als 0,3%.
In einer anderen Ausführungsform ist die zweite GaN-Teilschicht stoffschlüssig auf der ersten GaN-Teilschicht ausgebildet.
In einer Weiterbildung ist zwischen der ersten GaN-Teilschicht und der zweiten GaN-Teilschicht eine Verbindungsschicht ausgebildet. Vorzugsweise ist die Gitterkonstante der Verbindungsschicht gleich groß wie die Gitterkonstante der ersten GaN-Teilschicht und / oder gleich groß wie die Gitterkonstante der zweiten GaN-Teilschicht oder in einer anderen Alternative ist die Gitterkonstante der Verbindungsschicht unterschiedlich zu der Gitterkonstante der ersten GaN-Teilschicht und / oder zu der Gitterkonstante der zweiten GaN- Teilschicht.
In einer Ausführungsform liegt die Dicke der Verbindungschicht in einem Bereich zwischen 0,5 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 0,5 nm und 30 nm.
In einer anderen Weiterbildung ist der Unterschied der Gitterkonstante zwischen der Verbindungsschicht und der ersten und / oder der zweiten GaN- Teilschicht jeweils oder insgesamt kleiner als 1% oder kleiner als 0,5% oder kleiner als 0,3%.
In einer Ausführungsform liegt das Verhältnis der Summe der fadenförmigen Versetzungen von der zweiten GaN-Teilschicht zu der Summe der fadenförmigen Versetzungen der ersten GaN-Teilschicht zwischen 2 und 1000 oder zwischen 5 und 40. Hierbei bestimmt sich die Summe aus der gesamten Zahl der fadenförmigen Versetzungen der gesamten Schicht. Vorzugsweise wird die Summe der fadenförmigen Versetzungen an der Oberfläche der jeweiligen GaN-Teilschicht bestimmt. In einer anderen Ausführungsform liegt der Unterschied in der Summe der fadenförmigen Versetzungen an der Grenzfläche der zweiten GaN-Teilschicht zu der ersten GaN-Teilschicht zwischen 2 und 1000 oder zwischen 5 und 40 liegt. Hierbei umfasst die Grenzfläche die Unterseite der zweiten GaN- Teilschicht und die Oberseite der ersten GaN-Teilschicht.
In einer Weiterbildung liegt die Oberflächendichte der fadenförmigen Versetzungen in der ersten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen 2*109 cm'2 und l*1010 cm'2 und die Oberflächendichte der fadenförmigen Versetzungen in der zweiten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen l*107 cm'2 und l*109 cm'2.
In einer Weiterbildung ist die Oberflächendichte der fadenförmigen Versetzungen an der Unterseite in der ersten GaN-Teilschicht größer als 5*1O10 cm' 2. Des Weiteren liegt die Oberflächendichte der fadenförmigen Versetzungen an der Oberseite der ersten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen 2*109 cm'2 und l*1010 cm'2 und die Oberflächendichte der fadenförmigen Versetzungen an der Oberseite der zweiten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen l*107 cm'2 und l*109 cm'2.
In einer anderen Weiterbildung weist die erste GaN-Teilschicht im Unterschied zu der zweiten GaN-Teilschicht eine größere Gesamtzahl fadenförmigen Versetzungen mit einem schrägen Verlauf auf. Es sei angemerkt, dass der Begriff „schräger Verlauf' den Verlauf der fadenförmigen Versetzungen innerhalb der jeweiligen GaN-Teilschicht abweichend von einer senkrechten Richtung d.h. abweichend von der Richtung der Normalen auf der Oberseite der jeweiligen GaN-Teilschicht bezeichnet.
Es versteht sich hierbei, dass der Verlauf der fadenförmigen Versetzungen innerhalb der jeweiligen GaN-Teilschicht sowohl senkrechte oder in einer ersten Näherung senkrechte verlaufende Abschnitte aufweist und der Verlauf erst mit zunehmender Länge der Verlauf der fadenförmigen Versetzung einen schrägen Verlauf annimmt. Hierbei ist es wünschenswert, dass der schräge Verlauf der fadenförmigen Versetzungen möglichst horizontal d.h. parallel zu der Oberseite der jeweiligen GaN-Teilschicht verläuft.
In einer Ausführungsform weisen von den fadenförmigen Versetzungen in der ersten GaN-Teilschicht wenigstens 50 % oder wenigstens 80 % einen schrägen Verlauf auf. In einer Weiterbildung ist der Versetzungswinkel größer als 10° oder 30° oder 50°.
In einer Weiterbildung ist in der ersten GaN-Teilschicht der Stufenwinkel bei den schräg verlaufenden fadenförmigen Versetzungen größer als 50° oder größer als 30°.
In einer anderen Ausführungsform liegt das Verhältnis der Dicke der zweiten GaN-Teilschicht zu der Dicke der ersten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen 1 und 100 oder in einem Bereich zwischen 1 und 10 oder in einem Bereich zwischen 1 und 3.
In einer anderen Weiterbildung liegt die Dicke der ersten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen 50 nm und 300 nm und / oder die Dicke der zweiten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen 300 nm und 5000 nm.
In einer anderen Ausführungsform weist die erste GaN-Schicht eine Gesamtschichtdicke von mindestens 0,35 pm und eine Dicke von maximal 5 pm auf.
Wie eingangs angemerkt, werden bei der Gasphasenabscheidung zur Herstellung der GaN-Schicht aufgrund der Vorrichtungen und Ausgangsstoffe, die für die Herstellung der GaN-Schicht mittels MOVPE benötigt werden, bei dem Wachstum der GaN-Schicht unvermeidlich Kohlenstoff und Sauerstoff eingebaut. Die Art des Einbaus wird auch als unabsichtlicher Einbau bezeichnet. Hierbei sei angemerkt, dass MOVPE ein mögliches und übliches Verfahren für die Herstellung der GaN-Schichten ist. Insbesondre lassen sich GaN- Schichten auch mit Verfahren wie MBE oder LPE oder HVPE herstellen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich mittels der Änderung der Wachstumsbedingungen von der Abscheidung der ersten GaN-Teilschicht zu der zweiten GaN-Teilschicht die Höhe des unabsichtlichen Einbaus von Kohlen- Stoff und Sauerstoff ändert.
In einer Ausführungsform weist sowohl die erste GaN-Teilschicht als auch die zweite GaN-Teilschicht eine unabsichtlich und unvermeidlich, d.h. wie oben ausgeführt, zwangsweise durch den Abscheideprozess erzeugte Kohlenstoffkonzentration auf. Die Kohlenstoffkonzentration ist hierbei in der ersten GaN- Teilschicht größer als in der zweiten GaN-Teilschicht.
Anders ausgedrückt, wenigstens ein Abscheideprozessparameter bei der Herstellung der ersten GaN-Teilschicht unterscheidet sich von einem der Abscheideprozessparameter für die Herstellung der zweiten GaN-Teilschicht, wobei in Folge die zweite GaN-Teilschicht eine höhere unabsichtliche und unvermeidbare Kohlenkonzentration als die erste GaN-Teilschicht aufweist.
In einer Weiterbildung liegt an der Grenzfläche das Verhältnis der unabsichtlichen und unvermeidlichen Kohlenstoffkonzentration zwischen der zweiten GaN-Teilschicht zu der von der ersten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen 2 und 1000 oder in einem Bereich zwischen 4 und 200 oder in einem Bereich zwischen 10 und 100.
In einer anderen Weiterbildung ist in der ersten GaN-Teilschicht die unabsichtliche und unvermeidliche Kohlenstoffkonzentration in Richtung zu der zweiten GaN-Teilschicht konstant oder nimmt ab.
In einer Ausführungsform ist in der ersten GaN-Teilschicht die unabsichtliche und unvermeidliche Kohlenstoffkonzentration entlang der Strecke von der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der ersten GaN-Teilschicht bis zu der Grenzfläche zwischen der ersten GaN-Teilschicht und der zweiten GaN-Teilschicht konstant oder nimmt ab.
In einer Ausführungsform liegt in der ersten GaN-Teilschicht die unabsichtliche und unvermeidliche Kohlenstoffkonzentration in einem Bereich zwischen l*1017 cm’3 und 5*1018 cm’3 und in der zweiten GaN-Teilschicht liegt die unabsichtliche und unvermeidliche Kohlenstoffkonzentration in einem Bereich von 5*1015 cm'3 und 5*1016 cm'3. In einer Ausführungsform weist sowohl die erste GaN-Teilschicht als auch die zweite GaN-Teilschicht eine unabsichtlich und unvermeidlich, d.h. wie oben ausgeführt, zwangsweise durch den Abscheideprozess erzeugte Sauerstoffkonzentration auf. Die Sauerstoffkonzentration ist hierbei in der ersten GaN- Teilschicht größer als in der zweiten GaN-Teilschicht.
Anders ausgedrückt, wenigstens ein Abscheideprozessparameter bei der Herstellung der ersten GaN-Teilschicht unterscheidet sich von einem der Abscheideprozessparameter für die Herstellung der zweiten GaN-Teilschicht, wobei in Folge die zweite GaN-Teilschicht eine höhere unabsichtliche und unvermeidbare Sauerstoffkonzentration als die erste GaN-Teilschicht aufweist.
In einer Weiterbildung liegt an der Grenzschicht das Verhältnis unabsichtlichen und unvermeidlichen Sauerstoffkonzentration zwischen der zweiten GaN-Teilschicht zu der ersten GaN-Teilschicht in einem Bereich zwischen 2 und 5000 oder in einem Bereich zwischen 4 und 200 oder in einem Bereich zwischen 10 und 100.
In einer anderen Weiterbildung ist in der ersten GaN-Teilschicht die unabsichtliche und unvermeidliche Sauerstoffkonzentration in Richtung zu der zweiten GaN-Teilschicht konstant oder nimmt ab.
In einer Ausführungsform ist in der ersten GaN-Teilschicht die unabsichtliche und unvermeidliche Sauerstoffkonzentration entlang der Strecke von der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der ersten GaN-Teilschicht bis zu der Grenzfläche zwischen der ersten GaN-Teilschicht und der zweiten GaN-Teilschicht konstant oder nimmt ab.
In einer Weiterbildung liegt in der ersten GaN-Teilschicht die unabsichtliche und unvermeidliche Sauerstoffkonzentration in einem Bereich zwischen 2*1017 cm’3 und 5*1018 cm’3 und in der zweiten GaN-Teilschicht liegt die unabsichtliche und unvermeidliche Sauerstoffkonzentration in einem Bereich von l*1015 cm’3 und l*1017 cm’3. In einer Ausführungsform ist die Dichte der fadenförmigen Versetzungen in der ersten GaN-Teilschicht wenigstens 2-fach und maximal 1000-fach so groß als die Dichte der fadenförmigen Versetzungen in der zweiten GaN- Teilschicht.
In einer anderen Ausführungsform sind auf der Oberseite der Siliziumschicht des Substrats mehrere stoffschlüssig mit der Oberseite stoffschlüssig ausgebildete und Sauerstoff aufweisende Flecken ausgebildet. Hierdurch sind die Oxidflecken auf der Oberseite der Siliziumschicht und unterhalb der Übergangsschicht ausgebildet.
In einer Weiterbildung bedecken die Sauerstoff aufweisenden Flecken mindestens 0,005% und höchstens 35% der Oberseite des Substrats. Alternativ bedecken die Sauerstoff aufweisenden Flecken mindestens 5% und höchstens 50% der Oberseite des Substrats.
Es versteht sich, dass die Schichten jeweils ganzflächig ausgebildet sind. Hierbei wird mit dem Begriff „ganzflächig" vorliegend die gesamte Fläche der Halbleiterscheibe bezeichnet. Des Weiteren sei angemerkt, dass die Flecken vorwiegend aus Siliziumoxid bestehen, d.h. aus Oxid bestehen oder wenigstens Oxid umfassen. Anders ausgedrückt, die Oxidflecken verbleiben und werden von den nachfolgenden Schichten überdeckt. Keinesfalls bilden jedoch die Oxidflecken eine zusammenhängende Schicht an der Oberseite der Siliziumschicht aus.
Ein Vorteil ist, dass sich überraschenderweise mit den Flecken die Qualität der Halbleiterpufferschichtfolge, d. h. der GaN-Schichten an der jeweiligen Oberseite, verbessern lässt. Insbesondere lässt sich die Koaleszenz beim Wachstum der Halbleiterpufferschichtfolge verbessern.
In einer Weiterbildung bedecken die Sauerstoff aufweisenden Flecken vorzugsweise minimal 0,2% bis maximal 20% oder minimal 0,01% bis maximal 30% oder minimal 0,1% bis maximal 25% der Oberseite des Substrats und sind stoffschlüssig mit der Oberseite des Substrats verbunden. In einer anderen Weiterbildung weisen die Sauerstoff aufweisenden Flecken jeweils eine Ausdehnung von mindestens 10 nm oder von mindestens 50 nm oder mindestens 100 nm auf. Dabei können die Flecken verschiedenste Formen aufweisen.
In einer Weiterbildung weisen die Sauerstoff aufweisende Flecken jeweils eine Ausdehnung von maximal 5 m oder maximal 1 pm oder maximal 0,5 pm auf.
In einer Weiterbildung weisen die Sauerstoff aufweisenden Flecken eine Dicke in einem Bereich zwischen einer Monolage und 4 nm auf, wobei die Dicke der Monolage etwa bei 0,4 nm liegt.
In einer Ausführungsform umfassen oder bestehen die Sauerstoff aufweisenden Flecken aus einem Siliziumdioxid und/oder aus einem Siliziummonoxid, zusammenfassend nachfolgend als Siliziumoxid bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Siliziumoxid als natürlich gewachsenes Oxid ausgebildet. Natürliches Oxid, d.h. Siliziumoxid, wächst in einer sauerstoffaufweisenden Umgebung auf.
Es sei jedoch angemerkt, dass sich die Bildung des natürlichen Oxids in einer feuchten Umgebung beschleunigt. Hierbei liegt die Dichte von natürlichem Oxid unterhalb der Dichte eines thermisch gewachsenen Oxids. Unter natürlich gewachsenem Oxid wird vorliegend ein Siliziumoxid verstanden, das vorzugsweise bei Raumtemperatur, jedoch höchst vorzugsweise bei einer Temperatur unterhalb von 100°C oder unterhalb von 200°C ausgebildet wird. Die Dicke von dem natürlichen Oxid ist zwischen einer Monolage, d.h. etwa 0,4 nm und 4 nm. In einer Weiterbildung beträgt die Dicke des natürlichen Oxids zischen 1 nm und 2 nm.
Unter einem thermisch gewachsenen Oxid wird vorliegend ein Siliziumoxid verstanden das vorzugswiese bei einer Temperatur oberhalb 500°C gewachsen wird. Vorzugsweise ist die Dichte des thermischen Oxids mehr als 30% höher als die des natürlichen Oxids.
In einer anderen Ausführungsform umfassen die Sauerstoff aufweisenden Flecken Siliziumoxid und Oxynitrid oder bestehen aus Siliziumoxid oder bestehen aus Oxynitrid.
In einer Weiterbildung sind die Sauerstoff aufweisenden Flecken auf der Oberseite nahezu gleichverteilt. Unter dem Begriff „gleichverteilt" wird vorliegend verstanden, dass die Flecken sich auf der gesamten Oberfläche der Halbleiterscheibe gleichmäßig verteilt befinden. Wobei in einer Ausführungsform die Anzahl der Flecken auf einem Bereich der Scheibe der wenigstens 20% der Gesamtfläche umfasst nicht mehr als 50% von der Anzahl der Flecken in einem zweiten gleich großen Bereich auf der Halbleiterscheibe abweicht.
In einer Weiterbildung weist die Halbleiterpufferschichtfolge eine Dicke von wenigstens 1 pm oder von wenigstens 4 pm und höchstens eine Dicke von 30 pm auf. In einer Ausführungsform weist die Halbleiterpufferschichtfolge an der Oberseite eine Dicke zwischen 0,5 pm und 10 pm oder zwischen 1,0 pm und 5 pm auf.
In einer anderen Ausführungsform umfasst oder besteht die Übergangsschicht aus einer Schichtfolge aus wenigstens zwei unterschiedlichen Schichten.
In einer Weiterbildung weist die Übergangsschicht eine aus AIN bestehende und die Oberseite des Substrats vollständig oder teilweise überdeckende Nukleationsschicht auf. Die Nukleationsschicht umfasst eine Schichtdicke von mindestens 5 nm und höchstens 50 nm. Es versteht sich, dass bei einer Anwesenheit von Oxidflecken auf der Oberseite des Substrats die Nukleationsschicht wenigstens teilweise die Oxidflecken überdeckt.
In einer anderen Weiterbildung weist die Nukleationsschicht eine Vielzahl von Löchern auf. Vorzugsweise beträgt der Anteil der Fläche der Löcher an der Oberseite der Nukleationsschicht, d.h. die gesamte Lochfläche, zwischen 1% und 30% der gesamten Fläche der Nukleationsschicht.
Hierbei berechnet sich der Anteil der gesamten Lochfläche aus der Gesamtfläche der Löcher auf der gesamten Schichtfläche dividiert durch die gesamte Fläche der Nukleationsschicht. Sofern die Übergangsschicht an einer Oberseite ausschließlich aus der Oberseite der Nukleationsschicht besteht, versteht es sich, dass die Übergangsschicht die Verteilung und die Anzahl der Löcher der Nukleationsschicht aufweist.
In einer Weiterbildung sind die Löcher in erster Näherung auf der gesamten Oberfläche der Nukleationsschicht gleich verteilt.
In einer anderen Weiterbildung liegt die Löcherfläche bezogen auf die gesamte Oberfläche der Nukleationsschicht in einem Bereich zwischen 5% und 20%.
In einer Ausführungsform ist auf der Nukleationsschicht eine (AI)GaN umfassende oder aus (AI)GaN bestehende und die Nukleationsschicht zumindest teilweise überdeckende Maskierschicht ausgebildet.
In einer Weiterbildung weist die Maskierschicht eine Oberfläche und ein Aluminium-Gehalt zwischen 0% und 10% bezogen auf alle enthaltenen Elemente der III. Hauptgruppe des Periodensystems auf. Die Dicke der Maskierschicht weist eine Schichtdicke von mindestens 100 nm oder mindestens 300 nm und maximal 900 nm auf. In einer anderen Weiterbildung weist die Maskierschicht eine Dicke zwischen 400 nm und 600 nm auf.
In einer Weiterbildung ist auf der Maskierschicht die erste GaN-Schicht ausgebildet. Vorzugsweise ist die erste GaN-Schicht unmittelbar auf der Oberfläche der Maskierschicht ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist auf der ersten GaN-Schicht eine Abfolge aus einer Zwischenschicht und einer zweiten GaN umfassenden Schicht ausgebildet ist. Es versteht sich, dass die zweite GaN-Schicht eine erste GaN-Teilschicht umfasst oder aus einer ersten GaN-Teilschicht besteht. In einer Weiterbildung umfasst die zweite GaN-Schicht eine erste GaN- Teilschicht und eine zweite GaN-Teilschicht oder die zweite GaN-Schicht besteht aus einer ersten GaN-Teilschicht und einer zweiten GaN-Teilschicht.
In einer Ausführungsform sind auf der ersten GaN-Schicht mehrere Abfolgen ausgebildet. Hierbei sind auf der ersten GaN-Schicht zumindest eine Abfolge und höchstens 10 Abfolgen ausgebildet.
In einer Ausführungsform weist die Abfolge eine Dicke zwischen 0,5 pm und 10 pm oder zwischen 1,0 pm und 5 pm auf. In einer Weiterbildung weist die Abfolge eine Dicke von wenigstens 1 pm oder von wenigstens 4 pm und höchstens eine Dicke von 30 pm auf.
In einer Weiterbildung umfasst die Zwischenschicht AI. In einer anderen Weiterbildung umfasst die Zwischenschicht AIGaN oder besteht aus AIGaN.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigen, die
Figur 1 einen Querschnitt einer Hableiterscheibe mit einer GaN- Schicht, wobei die GaN-Schicht in eine erste GaN- Teilschicht und eine zweite GaN-Teilschicht unterteilt ist,
Figur 2 ein Verlauf der Gitterkontstante der Halbleiterscheibe, dargestellt in Zusammenhang mit der Abbildung der Fig.l,
Figur 3 einen Querschnitt auf einer Halbleiterscheibe mit einer weiteren Ausführungsform der Schichtanordnung, Figur 4 einen Querschnitt auf einer Halbleiterscheibe mit einer detaillierten Ansicht auf die Unterschiede bei den fadenförmigen Versetzungen zwischen der ersten GaN-Teilschicht und der zweiten GaN-Teilschicht.
Die nachfolgend oberhalb des Substrats darstellten Schichtanordnungen sind Teil einer Halbleiterpufferschichtfolge, wobei oberhalb der Halbleiterpufferschichtfolge eine sogenannte aktive Schicht zur Herstellung von GaN- Halbleiterbauelementen ausgebildet ist, die im Allgemeinen nicht als Teil der Halbleiterpufferschichtfolge anzusehen ist.
Die Abbildung der Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hableiterscheibe besteht aus einem Substrat 10, vorzugsweise aus einem Siliziumsubstrat, mit einer Oberseite OS und einer Unterseite US. Das Substrat 10 besteht wenigstens an der Oberseite aus monokristallinem Silizium und weist einen Durchmesser von wenigstens 100 mm auf.
An der Oberseite OS des Substrats 10 ist eine Übergangsschicht UES mit einer Oberseite OF ausgebildet, wobei die Übergangsschicht UES stoffschlüssig mit dem Substrat 10 verbunden ist. Auf der Oberseite OF der Übergangsschicht UES ist stoffschlüssig eine erste GaN-Schicht GS angeordnet.
Die erste GaN-Schicht GS umfasst oder besteht aus einer ersten GaN- Teilschicht GN1 mit einer Dicke Dl und einer zweiten GaN-Teilschicht GN2 mit einer Dicke D2, wobei die Dicke der ersten GaN-Teilschicht GN1 kleiner oder gleich der Dicke D2 der zweiten GaN-Teilschicht ausgebildet ist. Zwischen der ersten GaN-Teilschicht GN1 und der zweiten GaN-Teilschicht GN2 ist eine Grenzfläche GRZ ausgebildet.
Oberhalb der ersten GaN-Schicht ist eine Zwischenschicht ZW ausgebildet. Vorliegend ist die Zwischenschicht ZW stoffschlüssig mit der Oberseite der ersten GaN-Schicht GS verbunden. An der Oberseite der Zwischenschicht ZW ist eine weitere GaN-Schicht GAU ausgebildet. Die Zwischenschicht ZW und die weitere GaN-Schicht bilden zusammen eine Abfolge AF.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind mehrere Abfolgen AF aufeinander angeordnet. Es versteht sich, dass bei jeder der Abfolgen AF die weitere GaN-Schicht GAU eine erste GaN-Teilschicht und oder eine zweite GaN-Teilschicht umfasst oder besteht.
Die Abbildung der Figur 2 zeigt Verlauf der Gitterkontstante der Halbleiterscheibe, dargestellt in Zusammenhang mit der Abbildung der Fig. 1. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der Figur 1 erläutert.
Die erste GaN-Teilschicht GN1 weist eine erste Gitterkonstante Gl auf. Die zweite GaN-Teilschicht GN2 weist eine zweite Gitterkonstante G2 auf. Im vorliegenden Fall sind die erste Gitterkonstante GN1 und die zweite Gitterkonstante GN2 nahezu gleich oder genau gleich groß.
Eine als optionale Abfolge aus der Zwischenschicht ZW und der weiteren GaN-Schicht ist gestrichelt dargestellt, wobei die Gitterkonstante vorliegend gleich bleibt.
Die Abbildung der Figur 3 zeigt einen Querschnitt auf einer Halbleiterscheibe mit einer weiteren Ausführungsform der Schichtanordnung. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung den vorangegangenen Abbildungen erläutert.
Auf der Oberseite OS des Siliziumsubstrats 10 sich gestrichelt, d.h. optional, Sauerstoff aufweisenden Flecken OXF dargestellt. Es sei angemerkt, dass die nachfolgend als Oxidflecken bezeichnetet Flecken OXF an der Oberseite OS möglichst gleichmäßig verteilt sind, jedoch weisen die Flecken OXF nicht dargestellte unregelmäßige Umrisse und Größen auf und bedecken mindestens 0,005% und maximal 50% der Oberseite OS des Substrats 10. Die optionalen Flecken OXF sind als Teil der Übergangsschicht UES dargestellt. Die Übergangsschicht UES umfasst eine Nukleationsschicht NUS und eine auf der Nukleationsschicht NUS ausgebildete Maskierschicht MASK auf. Die Maskierschicht MASK bildet die Oberseite OF der Übergangsschicht UES aus.
An der Grenzfläche GRZ zwischen der ersten GaN-Teilschicht GN1 und der zweiten GaN-Teilschicht GN2 ist optional eine dünne Verbindungsschicht VS angeordnet.
Die Verbindungsschicht VS weist die gleiche Gitterkonstante wie die unterliegende erste GaN-Teilschicht GN1 auf.
Die Abbildung der Figur 4 zeigt einen Querschnitt auf einer Halbleiterscheibe mit einer detaillierten Ansicht auf die erste GaN-Schicht GS mit Unterschieden bei fadenförmigen Versetzungen FV zwischen der ersten GaN-Teilschicht GN1 und der zweiten GaN-Teilschicht GN2.
Die zweite GaN-Teilschicht GN2 weist im Mittel eine geringere Anzahl von fadenförmigen Versetzungen FV auf als die erste GaN-Teilschicht GN1. Auch weisen die fadenförmigen Versetzungen FV in der ersten GaN-Teilschicht GN1 meist einen schrägeren Verlauf auf als die fadenförmigen Versetzungen FV in der zweiten GaN-Teilschicht GN2. Anders ausgedrückt die erste GaN- Teilschicht weist eine geringere Qualität als die zweite GaN-Teilschicht GN2 auf.
Auch sind die Anzahl der fadenförmigen Versetzungen FV in der zweiten GaN-Teilschicht GN2 geringen als in der ersten GaN-Teilschicht GN1. Hierdurch ist auch die Größe der Kristallite in der zweiten GaN-Teilschicht GN2 wesentlich größer als in der ersten GaN-Teilschicht GN1.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterscheibe zur Ausbildung von GaN-Halbleiterbauelementen mit einem Durchmesser von wenigstens 100 mm aufweisend
- ein Substrat (10), mit einer Oberseite (OS) und einer Unterseite (US), wobei das Substrat (10) an der Oberseite (OS) aus Silizium besteht, eine Übergangsschicht (UES) stoffschlüssig mit der Oberseite (OS) des Substrats verbunden, eine auf der Übergangsschicht (UES) stoffschlüssig ausgebildete erste GaN-Schicht (GS), dadurch gekennzeichnet, dass die erste GaN-Schicht (GS) eine erste GaN-Teilschicht (GN1) und eine zweite GaN-Teilschicht (GN2) umfasst, und die zweite GaN-Teilschicht (GN2) auf der ersten GaN-Teilschicht (GN1) ausgebildet ist, wobei die zweite GaN-Teilschicht (GN2) im Mittel eine geringere Anzahl von fadenförmigen Versetzungen (FV) aufweist als die erste GaN-Teilschicht (GN1), und die erste GaN-Teilschicht (GN1) eine erste Schichtdicke (Dl) und die zweite GaN-Teilschicht (GN2) eine zweite Schichtdicke (D2) aufweist, wobei die zweite Schichtdicke (D2) größer als die erste Schichtdicke (Dl) oder gleich groß ist.
2. Halbleiterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied in der Krümmung der Halbleiterscheibe beim Abscheiden der ersten GaN-Teilschicht (GN1) und der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) kleiner als 5 km'1 ist.
3. Halbleiterscheibe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste GaN-Teilschicht (GN1) eine erste Gitterkonstante (Gl) und die zweite GaN-Teilschicht (GN2) eine zweite Gitterkonstante (G2) aufweist, wobei die erste Gitterkonstante (Gl) gleich groß wie die zweite Gitterkonstante (G2) ist oder der Unterschied zwischen den beiden Gitterkonstanten (Gl, G2) kleiner als 1% ist. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite GaN-Teilschicht (GN2) stoffschlüssig auf der ersten GaN-Teilschicht (GN1) ausgebildet ist oder zwischen der ersten GaN-Teilschicht (GN1) und der zweiten GaN- Teilschicht (GN2) eine Verbindungsschicht (VS) ausgebildet ist, wobei die Gitterkonstante der Verbindungsschicht (VS) gleich groß ist wie die Gitterkonstante der ersten Teilschicht (GN1) oder die Gitterkonstante der Verbindungsschicht (VS) ist unterschiedlich zu der Gitter konstante der ersten GaN-Teilschicht (GN1) oder der zweiten GaN-Teilschicht (GN2). Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Summe der fadenförmigen Versetzungen (FV) von der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) zu der Summe fadenförmigen Versetzungen (FV) der ersten GaN- Teilschicht (GN1) zwischen 2 und 1000 oder zwischen 5 und 40 liegt. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächendichte der fadenförmigen Versetzungen der ersten GaN-Teilschicht (GN1) in einem Bereich zwischen 2*109 cm'2 und l*1010 cm'2 und die Oberflächendichte der fadenförmigen Versetzungen (FV) in der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) in einem Bereich zwischen l*107 cm'2 und l*109 cm'2 liegt. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste GaN-Teilschicht (GN1) im Unterschied zu der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) eine größere Gesamtzahl fadenförmiger Versetzungen (FV) mit einem schrägen Verlauf aufweist. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den fadenförmigen Versetzungen (FV) in der ersten GaN-Teilschicht (GN1) wenigstens 50 % oder wenigstens 80 % einen schrägen Verlauf aufweisen. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke (D2) der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) zu der Dicke (Dl) der ersten GaN- Teilschicht (GN1) in einem Bereich zwischen 1 und 100 oder in einem Bereich zwischen 1 und 10 oder in einem Bereich zwischen 1 und 3 liegt. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste GaN-Teilschicht (GN1) und die zweite GaN-Teilschicht (GN2) jeweils unabsichtlich eingebauten Sauerstoff und/oder unabsichtlich eingebauten Kohlenstoff aufweisen, wobei die Konzentration von Sauerstoff und/oder Kohlenstoff in der ersten GaN-Teilschicht (GN1) größer als in der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) ist. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenzschicht (GRZ) das Verhältnis der Konzentration von unabsichtlich eingebautem Kohlenstoff zwischen zweiten GaN-Teilschicht (GN2) zu der von der ersten GaN- Teilschicht (GN1) in einem Bereich zwischen 2 und 1000 oder in einem Bereich zwischen 4 und 200 oder in einem Bereich zwischen 10 und 100 liegt. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grenzschicht (GRZ) das Verhältnis der Konzentration von unabsichtlich eingebautem Sauerstoff zwischen zweiten GaN-Teilschicht (GN2) zu der von der ersten GaN- Teilschicht (GN1) in einem Bereich zwischen 2 und 5000 oder in einem Bereich zwischen 4 und 200 oder in einem Bereich zwischen 10 und 100 liegt. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten GaN-Teilschicht (GN1) die unabsichtliche Sauerstoffkonzentration in einem Bereich zwischen 2*1017 cm'3 und 5*1018 cm'3 und in der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) von l*1015 cm'3 und l*1017 cm'3 liegt.
14. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten GaN-Teilschicht (GN1) die unabsichtliche Kohlenstoffkonzentration in einem Bereich zwischen l*1017 cm'3 und 5*1018 cm'3 und in der zweiten GaN-Teilschicht (GN2) von 5*1015 cm'3 und 5*1016 cm'3 liegt. 15. Halbleiterscheibe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste GaN-Schicht (GS) eine Gesamtschichtdicke von mindestens 0,35 pm und einer von maximal 5 pm aufweist.
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