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WO2012034853A1 - Schichtsystem aus einem siliziumbasierten träger und einer direkt auf dem träger aufgebrachten heterostruktur - Google Patents

Schichtsystem aus einem siliziumbasierten träger und einer direkt auf dem träger aufgebrachten heterostruktur Download PDF

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Publication number
WO2012034853A1
WO2012034853A1 PCT/EP2011/064960 EP2011064960W WO2012034853A1 WO 2012034853 A1 WO2012034853 A1 WO 2012034853A1 EP 2011064960 W EP2011064960 W EP 2011064960W WO 2012034853 A1 WO2012034853 A1 WO 2012034853A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
silicon substrate
doped
layer system
silicon
concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/064960
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Dadgar
Alois Krost
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Original Assignee
Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg filed Critical Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority to EP11763613.4A priority Critical patent/EP2616576A1/de
Priority to KR1020137006875A priority patent/KR20130109115A/ko
Priority to US13/824,436 priority patent/US20140001513A1/en
Publication of WO2012034853A1 publication Critical patent/WO2012034853A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B27/00—Single-crystal growth under a protective fluid
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/124—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of semiconductor bodies or of junctions between the regions
    • H10P90/1914—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/85—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10D62/854—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group III-V materials, e.g. GaAs further characterised by the dopants
    • H10P14/20—
    • H10P95/00—
    • H10P14/2905—

Definitions

  • Layer system consisting of a silicon-based support and a heterostructure applied directly to the support
  • the invention relates to a layer system comprising a silicon-based carrier and a heterostructure applied directly to the carrier.
  • Impurities in silicon substrates are usually deliberately added in the form of dopants to adjust the electrical conductivity, but are otherwise usually unwanted and are usually removed by expensive processes from the raw material or during the crystal growing process. Undesirable impurities can have negative effects on components as they can diffuse heavily in silicon and adversely affect their electrical properties.
  • silicon impurities in different concentrations, eg. As a rule, oxygen produced by the Czochralski method (CZ) silicon; In the zone melting process, also called float zone (FZ), impurities are generally present only in the end pieces of the crystal in appreciable concentrations. Oxygen in CZ substrates, for example, causes metal impurities to be etched thereon, which is undesirable in a zone near the later devices, and therefore attempts are made to free at least one near-surface zone thereof by temperature treatment steps.
  • CZ Czochralski method
  • FZ float zone
  • heterostructures on silicon substrates is of interest for many applications in the field of microelectronics, sensors, and optoelectronic devices, whether in conjunction with silicon or using silicon as a cheap, large-area substrate for layer fabrication, which later removes it from the layer becomes.
  • FIG. 1 schematically shows such a substrate 100 on a heated base 104 (partial figure a), which bends through tension in a substrate 101 (partial figure b).
  • plastic deformation occurs, usually beginning at the hotter edge, which is shown as a shaded area in the substrate 102 in subfigure c. As a rule, this area spreads over the entire substrate 103, as shown schematically in subfigure d.
  • Such a plastic deformation is undesirable in that it is usually uncontrollable and thus the growth process can no longer be controlled. Due to different surface temperature, compositional or structural inhomogeneities may occur. It is then also impossible, by skillful selection of the compressive bias, to balance the thermal tensile stress which occurs during cooling in order to obtain a flat wafer consisting of substrate and layer.
  • One way to reduce this problem is the use of thick substrates, as described inter alia in DE 102006008929 A1.
  • the problem now is to find a solution to the problem of plastic deformation in heteroepitaxy or the deposition of strained layers at high temperatures, be it for very thick strained layers or for normally thick substrates after SEMI standard or not excessively thick substrates that would cause many problems in the subsequent processing.
  • the layer system according to the invention comprising a silicon-based carrier with a monocrystalline surface and a heterostructure applied directly to the monocrystalline surface of the carrier is characterized in that the carrier comprises a silicon substrate doped with one or more dopants, the doping being at least 30% of the thickness of the doped silicon substrate and a concentration of the dopants in the doped region of the silicon substrate is predetermined so that an adjusted limit concentration GK satisfies the condition of the formula (1):
  • N dot for the dopant concentration in cm "3 and E A for a dislocation slip inhibiting energy barrier of the dopant in eV.
  • the invention is based on the finding that the plastic deformation of the silicon substrate can be inhibited by providing the silicon with dopants.
  • the necessary concentration depends on how strongly the dopant binds to the offset, which is taken into account by the given formula (1). To reach the limit concentration GK, the effect of several dopants can be summed up.
  • the dopant may be an element, but also a compound.
  • the doped region of the silicon substrate contains only one or two dopants.
  • the dopant is also preferably an element from the group comprising oxygen, nitrogen, carbon, boron, arsenic, phosphorus and antimony or a compound of these substances with one another or of oxygen or nitrogen with a metal, preferably aluminum or a transition metal.
  • the minimum thickness to be doped in the substrate is 30%; preferably 50%; but is ideal as continuous as possible doping of the substrate.
  • modulated doping in the production of substrates or production of monocrystals may also be useful in terms of process technology, but this should fulfill the stated condition for at least 30% of the later substrate thickness.
  • the bonding is also of two different substrate qualities possible, from which a partial doping follows automatically.
  • the doped silicon substrate is doped with carbon in a concentration N dot > 1 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • carbon is very well suited to inhibit plastic deformation, provided that it exceeds said concentration Mechanisms are not yet fully understood, but carbon often causes the formation of carbon-rich precipitates that harden the crystal.
  • the doped silicon substrate with nitrogen (E A ⁇ 1 .7 - 2.4 eV) in a concentration N dot > 1 x 10 15 cm “3 or with oxygen (E A ⁇ 0.57 - 0.74 eV) in a concentration N dot > 1 ⁇ 10 18 cm -3 (see SM Hu, Appl. Phys. Lett. 31, 53 (1977) and A. Giannattasio et al., Physica B 340-342, 996 (2003)).
  • the energy slip barriers that inhibit dislocation slip correspond to the binding energies of the substances at dislocations mentioned in the literature.
  • the large range makes clear that the determination is not easy, which is partly due to the reaction with other materials present in the crystal but also to a different binding to the dislocation and the additional influence of diffusion, which is crucial for the occupation of the offset Dopants is.
  • Rough reference values for the suitability of a dopant can be estimated from the known binding enthalpies or binding energies of silicon with the respective substances, which are usually significantly higher than those mentioned above, the value for the Si-0 bond is several eV. Since the situation in the crystal is much more complex, an experimental determination is indicated.
  • the activation energy can be determined.
  • Other methods based on the temperature-dependent measurement of the force-bending characteristics are also applicable for the determination.
  • the substrates in the MOVPE process if a tension- or pressure-stressed layer is grown on the substrate, it can be determined with an in-situ curvature measurement and a combined surface temperature measurement from which pressure and at which temperature plastic deformation occurs. Ideally, a tension-strained layer is used, since then the measurement of the temperature at the contact point, where it is maximum, takes place and so the result is the least distorted.
  • the activation energy can be determined in the case of known dopant concentration and later determined dislocation line density. With moderate density of dislocations, it is possible to count these in the growth of Group III nitrides under a Nomarskimikroskop. Note that growth must be discontinued from the onset of deformation so as not to cause a large increase in dislocation line density that falsifies the measurement.
  • a high-purity float-zone substrate is ideally suited, but depending on the dopant and a Czochralski grown substrate may be useful.
  • CZ material usually more oxygen is present than in FZ substrates, which has an effect with additional doping, eg with nitrogen or B, also because substances can react with each other.
  • Dopant concentrations of boron, phosphorus, arsenic, antimony and other elements which have very low activation energies which inhibit dislocation slip also show a dislocation glide-inhibiting effect useful from the point of view of concentrations of about 10 20 cm -3
  • concentrations of about 10 20 cm -3 it is not yet clear that cluster or precipitate formation is involved, but even at low energy barriers an effect at high dopant concentrations is to be expected, which can be explained by the high occupation of the silicon bonds with dopants at the dislocation line.
  • the low energy barrier usually also high diffusivity of the substances at high temperatures comes into play which usually causes an accumulation of dislocations.
  • the limit concentration GK minimum concentration
  • the white auxiliary lines mark in FIG. 4 the deformation lines, which in this example only run in two directions.
  • the third direction is not yet pronounced enough to recognize them in the picture.
  • Slight deformations, ie dislocation formation, which do not lead to such a pronounced behavior are generally of no relevance to the layer system according to the invention, since slight deviations from the ideal curvature, which are associated with a weak plastic deformation, which can be caused, for example, by the internal deformation. situ curvature measurement are not recognizable, have no significant impact on the subsequent device behavior.
  • the introduction of the dopants into the crystal can be done in a variety of ways, for example, diffusion or implantation. Due to their usually high purity and perfection, FZ substrates tend to undergo plastic deformation significantly earlier than CZ substrates.
  • Nitrogen offers a special advantage here, as it improves its compensation properties in high-impedance FZ substrates, as they are preferred for high-frequency applications.
  • nitrogen additions to silicon are particularly advantageous because they have a higher stability at dislocations than oxygen additions, which lose some of their inhibitory effect on the dislocation migration already from 800 ° C due to the lower energy barrier; Nitrogen, however, only from 1200 ° C, which allows significantly higher process temperatures. Similar to nitrogen, carbon also behaves, but higher carbon concentrations are required due to different installation behavior in order to achieve a corresponding effect.
  • the carrier comprises a non-doped silicon substrate, on which the heterostructure is applied directly and which is connected to the doped silicon substrate directly or via an intermediate layer.
  • a substrate is highly doped with at least one of the dopants and the other substrate is highly pure, high impedance, and provides the monocrystalline surface upon which the heterostructure grows.
  • FIG. a mostly very thin high-quality substrate 200 made of pure silicon is connected to a very highly doped silicon-based substrate 201, and then results in the carrier 202 (subfigure b).
  • properties of a high quality substrate for epitaxy can be combined with a high strength substrate.
  • the actually inferior, doped substrate can also contain strong crystal defects, as often occur in the form of precipitates at very high dopant concentrations.
  • Such a bonding may be a direct Si-Si bonding or may be done with an adhesion promoting layer therebetween, for example based on oxides, nitrides, oxynitrides, carbides of silicon or other metals. Importantly, this bond is also stable at the process temperatures of Group III nitride growth.
  • Such bonding over an adhesion-promoting layer is shown in FIG.
  • the doped substrate 300 is shown in subfigure 3a, that in subfigure 3b with an adhesion-promoting layer 302 is provided, what z. B. can be done with a sputtering, Aufdampf- or Aufsprüh- or a printing process 301. Then, as shown in FIG.
  • a high-quality silicon cover substrate 303 is applied to this, which is then available in subfigure 3d as a carrier 304 with a high-quality surface and high stability against plastic deformation for the application of the heterostructure.
  • the combination of high-impedance FZ and highly doped CZ substrates is promising for high-frequency applications that require low parasitic capacitances and thus high-resistance buffers and substrates.
  • a high-quality surface region can also be formed by annealing the substrate in an inert atmosphere or in a vacuum in which, at a sufficient temperature, the dopants diffuse out of a surface region of a few hundred nm to a few micrometers in thickness.
  • a reactive atmosphere may promote the outdiffusion through surface reactions.
  • Layers or layer structures are as a rule component layer structures, as are required, for example, in the group III nitrides, in most cases for light-emitting diodes or transistors.
  • a thin-film concept That is, a 4 to 5 micron thick layer is grown on the silicon substrate and then transferred to a new high reflectivity support, later removing the original substrate.
  • the thickness of the layer is necessary for the transfer process itself and to bring in a rough Lichtauskoppeltik can. If one does not use a thin-film process, in turn, the light extraction is improved when using thick layers, since then increases by less lossy reflections of laterally emitted light, the brightness.
  • the layer system is Accordingly, preferably a device layer structure of a high-frequency transistor or a light emitting diode.
  • heterostructure generally refers to strained layers of other materials, such as silicon, that are deposited or thermally processed on silicon substrates above said temperatures, not just the exemplified group III nitrides.
  • silicon deposited or thermally processed on silicon substrates above said temperatures, not just the exemplified group III nitrides.
  • the processing at high temperatures can lead to plastic deformation in strained systems, if they were manufactured, for example, at lower temperatures, which in turn can be prevented by the application of the layer systems according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem aus einem siliziumbasierten Träger mit einer einkristallinen Oberfläche und einer direkt auf der einkristallinen Oberfläche des Trägers aufgebrachten Heterostruktur. Das erfindungsgemässe Schichtsystem zeichnet sich dadurch aus, dass der Träger ein mit einem oder mehreren Dotanden dotiertes Siliziumsubstrat umfasst, wobei sich die Dotierung über mindestens 30% der Dicke des dotierten Siliziumsubstrats erstreckt und eine Konzentration der Dotanden im dotierten Bereich des Siliziumsubstrats so vorgegeben ist, dass eine bereinigte Grenzkonzentration (GK) die Bedingung der Formel (1) erfüllt: wobei i für den jeweiligen Dotanden im Siliziumsubstrat, Ndot für die Dotandenkonzentration in cm-3 und EA für eine das Versetzungsgleiten hemmende Energiebarriere des Dotanden in eV steht.

Description

Schichtsystem aus einem siliziumbasierten Träger und einer direkt auf dem Träger aufgebrachten Heterostruktur
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem aus einem siliziumbasierten Träger und einer direkt auf dem Träger aufgebrachten Heterostruktur.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Verunreinigungen in Siliziumsubstraten werden meist in Form von Dotanden zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit bewusst zugesetzt, sind sonst aber in der Regel unerwünscht und werden in der Regel mit aufwendigen Verfahren aus dem Rohmaterial oder während dem Kristallzuchtprozess entfernt. Unerwünschte Verunreinigungen können für Bauelemente negative Auswirkungen haben, da sie zum Teil stark im Silizium diffundieren und die elektrischen Eigenschaften negativ beeinflussen können. Je nach Herstellungsverfahren finden sich in Silizium Verunreinigungen in unterschiedlichen Konzentrationen, z. B. in der Regel Sauerstoff bei nach dem Czochralski-Verfahren (CZ) hergestellten Silizium; beim Zonenschmelzverfahren, auch Float Zone (FZ) genannt, liegen Verunreinigungen in der Regel nur in den Endstücken des Kristalls in nennenswerten Konzentrationen vor. Sauerstoff in CZ Substraten bewirkt zum Beispiel, dass Metallverunreinigungen daran gegettert werden, was in einer Zone nahe der späteren Bauelemente unerwünscht ist, weshalb man bestrebt ist, mindestens eine oberflächennahe Zone davon durch Temperaturbehandlungsschritte zu befreien.
Von einigen Verunreinigungen, wie z. B. vom Sauerstoff und Stickstoff ist bekannt, dass sie das Versetzungsgleiten maßgeblich blockieren und dadurch das Silizium etwas härten. Die Elastizität innerhalb der normalen Belastungsgrenzen wird dadurch nicht nennenswert beeinflusst.
Das Wachstum von Heteroschichten (Heterostrukturen) auf Siliziumsubstraten ist interessant für viele Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik, Sensorik und für optoelektronische Bauelemente, sei es in Verbindung mit Silizium oder unter Nutzung des Siliziums als billiges, großflächiges Substrat zur Schichtherstellung, das später von der Schicht entfernt wird.
Probleme, die beim Aufwachsen der Heteroschichten auftreten werden, lassen sich insbesondere am Beispiel des Wachstums von Gruppe-Ill-Nitriden, wie AIN, GaN, InN und deren Mischsysteme, auf Silizium erläutern. Das Wachstum solcher Gruppe-Il I-Nitrid- Schichten findet, au ßer bei InN-haltigen Schichten, meist bei Temperaturen oberhalb von 900 °C statt. Dabei ergibt sich beim Wachstum dieser Materialien auf Silizium das Problem, dass der geringe thermische Ausdehnungskoeffizient von Silizium und der im Verhältnis dazu große Ausdehnungskoeffizient der Gruppe-I I I-Nitride zu einer starken Zugverspannung beim Abkühlen führt, die zu einem Reißen der aufgewachsenen Schichten schon bei Schichtdicken unterhalb von 1 μηι führen.
Diesem kann entgegengewirkt werden, indem eine kompressive Vorspannung während des Wachstumsprozesses auf die wachsende Schicht aufgeprägt wird. Wächst man nun eine dicke Schicht oder bei sehr hohen Temperaturen, wie es für AI-reiche Schichten im System AIGaN angezeigt ist, so kommt es prinzipbedingt zum Aufbau einer sehr hohen kompressiven Verspannung, bzw. ohne spezielle Kompression bewirkende Schichten zu einer Zugverspannung der Schicht aufgrund des heteroepitaktischen Wachstums. Dies führt nun dazu, dass sich das Substrat, und hier hochreines und kristallin hochwertigeres FZ früher als CZ Substrate, plastisch deformiert. Figur 1 zeigt schematisch solch ein Substrat 100 auf einer geheizten Unterlage 104 (Teilfigur a), welches sich durch Verspannungen in ein Substrat 101 durchbiegt (Teilfigur b). Überschreiten die Kräfte einen Schwellwert, so tritt, meist am heißeren aufliegenden Rand beginnend, plastische Deformation auf, die in Teilfigur c als schraffierter Bereich im Substrat 102 gezeigt ist. In der Regel breitet sich dieser Bereich über das ganze Substrat 103 aus, wie in Teilfigur d schematisch gezeigt. Solch eine plastische Deformation ist insofern unerwünscht, da sie in der Regel unkontrollierbar ist und somit der Wachstumsprozess nicht mehr beherrscht werden kann. Aufgrund unterschiedlicher Oberflächentemperatur kann es dann zu kompositorischen oder strukturellen Inhomogenitäten kommen. Auch ist es dann unmöglich, durch geschickte Wahl der kompressiven Vorspannung die thermische Zugverspannung, die beim Abkühlen auftritt, auszutarieren, um einen ebenen Wafer, bestehend aus Substrat und Schicht, zu erhalten. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu verringern, ist die Verwendung dicker Substrate, wie unter anderem in der DE 102006008929 A1 beschrieben. Diese letztgenannte Methode versagt jedoch in der Regel endgültig bei Wachstumstemperaturen höher als ca. 1050 °C, da dann das Substrat sehr stark zur plastischen Deformation neigt. Zum anderen versagt sie bei sehr dicken aufgebrachten Schichten, da die Silizium Substratdicke dann auf Werte ansteigen müsste, die sowohl im Herstellungsprozess als auch in nachfolgenden Prozessen schwer handhabbar wären.
Die Aufgabe besteht nun darin, eine Lösung für das Problem der plastischen Deformation in der Heteroepitaxie bzw. der Abscheidung verspannter Schichten bei hohen Temperaturen zu finden, sei es für sehr dicke verspannte Schichten oder um normal dicke Substrate nach SEMI Standard verwenden zu können, bzw. nicht übermäßig dicke Substrate, die in der anschließenden Prozessierung viele Probleme bereiten würden.
Erfindungsgemäße Lösung
Das erfindungsgemäße Schichtsystem aus einem siliziumbasierten Träger mit einer einkristallinen Oberfläche und einer direkt auf der einkristallinen Oberfläche des Trägers aufgebrachten Heterostruktur zeichnet sich dadurch aus, dass der Träger ein mit einem oder mehreren Dotanden dotiertes Siliziumsubstrat umfasst, wobei sich die Dotierung über mindestens 30% der Dicke des dotierten Siliziumsubstrats erstreckt und eine Konzentration der Dotanden im dotierten Bereich des Siliziumsubstrats so vorgegeben ist, dass eine bereinigte Grenzkonzentration GK die Bedingung der Formel (1 ) erfüllt:
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wobei i für den jeweiligen Dotanden im Siliziumsubstrat, Ndot für die Dotandenkonzentration in cm"3 und EA für eine das Versetzungsgleiten hemmende Energiebarriere des Dotanden in eV steht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich die die plastische Deformation des Siliziumsubstrats hemmen lässt, indem das Silizium mit Dotanden versehen wird. Dabei ist die notwendige Konzentration davon abhängig, wie stark der Dotand an die Versetzung bindet, was durch die angegebene Formel (1 ) berücksichtigt wird. Zum Erreichen der Grenzkonzentration GK kann der Effekt mehrerer Dotanden aufsummiert werden. Der Dotand kann ein Element, aber auch eine Verbindung sein. Vorzugsweise enthält der dotierte Bereich des Siliziumsubstrats jedoch nur einen oder zwei Dotanden. Bevorzugt ist der Dotand ferner ein Element aus der Gruppe umfassend Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Bor, Arsen, Phosphor und Antimon oder eine Verbindung dieser Stoffe untereinander oder von Sauerstoff oder Stickstoff mit einem Metall, vorzugsweise Aluminium oder einem Übergangsmetall.
Die Mindestdicke, die im Substrat dotiert sein soll, beträgt 30 %; vorzugsweise 50%; ideal ist aber eine möglichst durchgehende Dotierung des Substrats. Je nach Dotand kann aber auch eine modulierte Dotierung bei der Substratherstellung bzw. Einkristallherstellung prozesstechnisch sinnvoll sein, diese sollte jedoch für mindestens 30 % der späteren Substratdicke die genannte Bedingung erfüllen. Wie später ausgeführt, ist auch das Bonden von zwei unterschiedlichen Substratqualitäten möglich, woraus eine partielle Dotierung automatisch folgt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das dotierte Siliziumsubstrat mit Kohlenstoff in einer Konzentration Ndot > 1 x 1019 cm"3 dotiert. Kohlenstoff ist als isovalenter Dotand in Silizium sehr gut geeignet, plastische Deformation zu hemmen, sofern er die genannte Konzentration überschreitet. Die genauen Mechanismen sind hierbei noch nicht vollständig geklärt, aber bei Kohlenstoff ist häufig die Bildung kohlenstoffreicher Ausscheidungen zu beobachten, die den Kristall härten.
Ergänzend oder alternativ ist das dotierte Siliziumsubstrat mit Stickstoff (EA ~ 1 .7 - 2.4 eV) in einer Konzentration Ndot > 1 x 1015 cm"3 oder mit Sauerstoff (EA ~ 0.57 - 0.74 eV) in einer Konzentration Ndot > 1 x 1018 cm"3 dotiert (siehe S. M. Hu, Appl. Phys. Lett. 31 , 53 (1977) und A. Giannattasio et al., Physica B 340-342, 996 (2003)).
Die hier genannten das Versetzungsgleiten hemmenden Energiebarrieren entsprechen den Bindungsenergien der Stoffe an Versetzungen, die in der Literatur genannt sind. Die große Streubreite verdeutlicht, dass die Bestimmung nicht einfach ist, was zum Teil an der Reaktion mit anderen im Kristall vorhandenen Stoffen liegt aber auch an einer unterschiedlichen Bindung an die Versetzung sowie des zusätzlichen Einflusses der Diffusion, die mitentscheidend für die Besetzung der Versetzung mit dem Dotanden ist. Grobe Richtwerte für die Eignung eines Dotanden lassen sich anhand der bekannten Bindungsenthalpien bzw. Bindungsenergien von Silizium mit den jeweiligen Stoffen abschätzen, welche meist deutlich höher sind als oben genannte, so beträgt der Wert für die Si-0 Bindung mehrere eV. Da die Situation im Kristall deutlich komplexer ist, ist eine experimentelle Bestimmung angezeigt.
Dazu eignen sich unterschiedliche Methoden von denen hier nur einige genannt sind:
In (Christopher A. Schuh, Materials Today 9, 32 (2006)) wird eine Nano-Eindrucktechnik beschrieben. Mit dieser kann in Abhängigkeit der Temperatur und unter Kenntnis der Dotierstoffkonzentration(en) im Vergleich zu undotiertem Material die Aktivierungsenergie aus der Kraft ab der plastische Deformation beginnt bestimmt werden. Zusätzlich zur Bestimmung der Dotierstoff konzentration, z. B. mittels Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS), ist die Kenntnis der gebildeten Versetzungsliniendichte notwendig zur Bestimmung einer Aktivierungsenergie. Diese kann mittels Transmissionselektronenmikroskopischer Methoden aber auch mittels Defektätzen in ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Andere Methoden sind temperaturabhängige Biegeexperimente. Hier wird das Substratmaterial gebogen und die Kraft dazu aufgezeichnet. Der Beginn der plastischen Deformation ist in der Regel durch eine nachlassende Kraft während der Biegung gekennzeichnet. Kenntnis der Dotierstoffkonzentration(en) vorausgesetzt kann so die Aktivierungsenergie bestimmt werden. Andere Methoden, die auf der temperaturabhängigen Messung der Kraft-Biegekennlinien basieren, sind auch für die Bestimmung anwendbar. Es ist auch möglich die Substrate im MOVPE Prozess zu verwenden: wird eine zug- oder druckverspannte Schicht auf dem Substrat gewachsen, kann mit einer in-situ Krümmungsmessung und einer kombinierten Oberflächentemperaturmessung bestimmt werden, ab welchem Druck und bei welcher Temperatur plastische Deformation auftritt. Idealerweise wird eine zugverspannte Schicht verwendet, da dann die Messung der Temperatur am Auflagepunkt, wo sie maximal ist, erfolgt und so das Ergebnis am wenigsten verfälscht wird. Durch die Variation der Wachstumstemperatur, welche in vielen Verfahren problemlos in einem Rahmen von ca. 100 °C variierbar ist, kann so bei bekannter Dotierstoffkonzentration und später bestimmter Versetzungsliniendichte die Aktivierungsenergie bestimmt werden. Dabei ist es bei moderater Dichte der Versetzungen möglich diese beim Wachstum von Gruppe-Ill-Nitriden unter einem Nomarskimikroskop auszuzählen. Zu beachten ist, dass ab Beginn der Deformation das Wachstum unterbrochen werden muss, um keine, die Messung verfälschende, starke Zunahme der Versetzungsliniendichte zu bewirken. Als Referenz ist ein hochreines Float-Zone Substrat ideal geeignet, je nach Dotand kann aber auch ein Czochralski gewachsenes Substrat sinnvoll sein. So ist in CZ Material in der Regel mehr Sauerstoff vorhanden als in FZ Substraten, was bei zusätzlicher Dotierung, z.B. mit Stickstoff oder B, einen Effekt hat, auch weil Stoffe miteinander reagieren können.
Andere Methoden mittels Ultraschalltechniken sind ebenfalls in der Literatur beschrieben (siehe z. B. V.l. Ivanov et al. Phys. Stat. Sol. a 65, 335 (1981 )).
Dotierstoffkonzentrationen von Bor, Phosphor, Arsen, Antimon und anderen Elementen, die sehr geringe, das Versetzungsgleiten hemmende Aktivierungsenergien besitzen, zeigen ab Konzentrationen in Höhe von ca. 1020 cm"3 ebenfalls eine im Sinne der Erfindung nutzbare das Versetzungsgleiten hemmende Wirkung. Ob dies an einer Cluster- bzw. Präzipitatbildung hängt oder nicht, ist bislang nicht zweifelsfrei geklärt. Jedoch ist auch bei niedrigen Energiebarrieren eine Wirkung bei hohen Dotierstoffkonzentrationen zu erwarten. Dies kann mit der dann hohen Besetzung der an der Versetzungslinie vorhandenen Siliziumbindungen mit den Dotanden erklärt werden. Hier kommt die durch die niedrige Energiebarriere meist auch hohe Diffusivität der Stoffe bei hohen Temperaturen ins Spiel die meist eine Akkumulation an Versetzungen bewirkt. Vorzugsweise liegt die Grenzkonzentration GK (Mindestkonzentration), die sich aus Formel (1 ) ergibt bei > 5 x 1015, insbesondere 1 x 1016. Die genannten Grenzen bewirken zwar eine merkliche Härtung des Kristalls, sind aber für viele Prozesse, bei denen stark verspannte Schichten hergestellt werden, ausreichend. So beträgt beim Wachstum einer drei Mikrometer dicken GaN Schicht auf Silizium mittels MOVPE um 1050 °C die thermische Verspannungsenergie etwa 1 .5-2 GPa. Um diese zu kompensieren muss eine entsprechende Druckverspannung während des Wachstums aufgebaut werden. Diese liegt oberhalb der Grenze für plastische Deformation für hochreines Silizium. In kommerziell erhältlichen CZ Kristallen kann aufgrund der Restverunreinigung mit Sauerstoff, Stickstoff und der Verunreinigung mit einem n- oder p-Dotanden solche eine Dicke meist ohne das Auftreten plastischer Deformation realisiert werden, sofern ein Substrat mit einer Dicke > 500 μηι verwendet wird. Dickere Schichten kommen jedoch auch hier bald an eine Grenze, die das Härten des Kristalls im Sinne der Erfindung unumgänglich macht, da die Substratdicken sonst in einen Bereich von 2 mm vordringen müssen, was technologisch aufgrund des Aufwands für das zur Prozessierung notwendige Dünnen und aufgrund des hohen Materialeinsatzes wenig Sinn macht.
Die genannten Mindestkonzentrationen bewirken bei FZ Substraten schon eine wesentliche, für die Schichtstruktur ausreichende, Hemmung der plastischen Deformation. Dabei ist es nicht notwendig, jegliche Versetzungsbildung, wie zum Beispiel in der US 6,258,695 B1 erwünscht, zu verhindern, sondern nur das Versetzungsgleiten, welches zu messbarer plastischer Deformation führt. Diese ist zum Beispiel in Nomarski- beziehungsweise Differential Interferenzkontrast Mikroskopbildern von GaN auf (1 1 1 ) Siliziumschichten einfach am gekreuzten Muster zu erkennen, wie es beispielhaft in Fig. 4 gezeigt ist und in in-situ Krümmungsmessungen am plötzlichen Abknicken bzw. sehr starken Ansteigen der Krümmungswerte, welche nicht durch die aufgeprägte Spannung bzw. den Schichtaufbau erklärbar sind.
Die weißen Hilfslinien markieren dabei in Fig. 4 die Deformationslinien, die in diesem Beispiel nur in zwei Richtungen laufen. Die dritte Richtung ist hier noch nicht ausgeprägt genug, um sie im Bild gut zu erkennen. Leichte Deformationen, d. h. Versetzungsbildung, die nicht zu solch einem ausgeprägten Verhalten führen, sind für das erfindungsgemäße Schichtsystem in der Regel nicht von Belang, da leichte Abweichungen von der idealen Krümmung, die mit einer schwachen plastischen Deformation einhergehen, welche zum Beispiel mit der in-situ Krümmungsmessung nicht erkennbar sind, keine nennenswerte Auswirkungen auf das spätere Bauelementverhalten haben. Das Einbringen der Dotanden in den Kristall kann auf vielfältige Weise, zum Beispiel Diffusion oder Implantation, geschehen. FZ Substrate neigen aufgrund ihrer in der Regel hohen Reinheit und Perfektion deutlich früher zu plastischer Deformation als CZ Substrate. Häufig beträgt die erzielbare Schichtdicke, die ohne plastische Deformation auf FZ Substraten erzielt werden kann, nur etwa die Hälfte im Vergleich zu CZ. Stickstoff bietet hierbei speziell einen Vorteil, da es in hochohmigen FZ Substraten, wie sie für Hochfrequenzanwendungen vorgezogen werden, dessen Kompensationseigenschaften verbessert.
Allgemein sind besonders Stickstoffzugaben zum Silizium vorteilhaft, da sie eine höhere Stabilität an Versetzungen besitzen als Sauerstoffzugaben, die aufgrund der geringeren Energiebarriere schon ab 800 °C einen Teil ihrer hemmenden Wirkung auf das Versetzungswandern verlieren; Stickstoff jedoch erst ab 1200 °C, was deutlich höhere Prozesstemperaturen zulässt. Ähnlich wie der Stickstoff verhält sich auch Kohlenstoff, jedoch sind aufgrund unterschiedlichen Einbauverhaltens höhere Kohlenstoffkonzentrationen notwendig, um eine entsprechende Wirkung zu erzielen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Träger ein nicht-dotiertes Siliziumsubstrat, auf dem direkt die Heterostruktur aufgetragen ist und das mit dem dotierten Siliziumsubstrat direkt oder über eine Zwischenschicht verbunden ist. Nach diesem Ansatz ist also vorgesehen, einen Träger durch Bonden zweier siliziumhaltiger Substrate herzustellen. Ein Substrat ist sehr hoch mit mindestens einem der Dotanden dotiert und das andere Substrat zum Beispiel hochrein, hochohmig und stellt die einkristalline Oberfläche bereit, auf der die Heterostruktur aufwächst. Diese Ausführungsform ist in Fig. 2 schematisch gezeigt. Hier wird ein meist sehr dünnes hochwertiges Substrat 200 aus reinem Silizium mit einem sehr hoch dotierten siliziumbasierten Substrat 201 verbunden und ergibt dann den Träger 202 (Teilfigur b). Durch das Bonden können so Eigenschaften eines hochqualitativen Substrats für die Epitaxie mit einem hochfesten Substrat verbunden werden. Dabei kann das eigentlich minderwertige, dotierte Substrat auch starke Kristalldefekte enthalten, wie sie bei sehr hohen Dotierstoff konzentrationen oft in Form von Präzipitaten auftreten.
Solch ein Bonden kann ein direktes Si-Si Bonden sein oder mit einer dazwischen liegenden haftvermittelnden Schicht erfolgen, beispielsweise auf Basis von Oxiden, Nitriden, Oxinitriden, Carbiden des Siliziums oder anderer Metalle. Wichtig ist, dass diese Verklebung auch bei den Prozesstemperaturen des Gruppe-Ill-Nitridwachstums beständig ist. Solch ein Bonden über eine haftvermittelnde Schicht ist in Fig. 3 gezeigt. Hier ist in Teilfigur 3a das dotierte Substrat 300 gezeigt, das in Teilfigur 3b mit einer haftvermittelnden Schicht 302 versehen wird, was z. B. mit einem Sputter-, Aufdampf- oder Aufsprüh- oder einem Aufdruckprozess 301 geschehen kann. Auf diese wird dann, wie in Teilfigur 3c gezeigt, ein hochwertiges Silizium Decksubstrat 303 aufgebracht, was in Teilfigur 3d dann als Träger 304 mit hochwertiger Oberfläche und hoher Stabilität vor plastischer Verformung für die Aufbringung der Heterostruktur zur Verfügung steht. Speziell die Kombination von hochohmigen FZ und hoch dotierten CZ Substraten ist vielversprechend für Hochfrequenzanwendungen, die geringe parasitäre Kapazitäten und damit hochohmige Puffer und Substrate fordern.
Eine hochwertige Oberflächenregion kann aber auch durch Tempern des Substrats in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum entstehen, bei der bei ausreichender Temperatur die Dotanden aus einer Oberflächenregion von einigen 100 nm bis zu einigen Mikrometern Dicke ausdiffundieren. Je nach Dotand kann neben der inerten Atmosphäre oder einem Vakuum auch eine reaktive Atmosphäre die Ausdiffusion durch Oberflächenreaktionen fördern.
Schichten oder Schichtstrukturen sind in der Regel Bauelementschichtstrukturen, wie sie zum Beispiel bei den Gruppe-Ill-Nitriden meist für Leuchtdioden oder Transistoren benötigt werden. Hier hat es sich gezeigt, dass eine effiziente Lichtauskopplung von Leuchtdioden am besten mit einem Dünnfilmkonzept gelingt. Das heißt, eine 4 bis 5 Mikrometer dicke Schicht wird auf dem Silizium Substrat gewachsen und dann auf einen neuen hochreflektierenden Träger transferiert, wobei das Ursprungssubstrat später entfernt wird. Hier ist die Dicke der Schicht notwendig für den Transferprozess selbst und um eine raue Lichtauskoppelschicht einbringen zu können. Wendet man keinen Dünnschichtprozess an, so ist wiederum die Lichtauskopplung verbessert, wenn man dicke Schichten verwendet, da dann durch weniger verlustbehaftete Reflexionen lateral emittierten Lichts die Helligkeit steigt.
Im Fall von Transistoren sind dicke Schichten besonders für Hochspannungsbauelemente wichtig, da die Durchbruchfeldstärke neben der Materialqualität und dem Kontaktabstand wesentlich von der Dicke der Schicht abhängt. Bei Hochfrequenztransistoren verringert sich der Einfluss des meist noch recht leitfähigen und als absorbierendes RC Glied wirkenden Siliziumsubstrats mit zunehmender Schichtdicke. Aber auch andere Bauelemente, die einen geringen Einfluss des Substrats auf die Bauelementeigenschaften oder dicke Schichten aufgrund ihrer Stabilität benötigen, wie z. B. MEMS, sind ideal geeignet, auf den erfindungsgemäßen Substraten gewachsen zu werden, weil dies für dicke Schichten nur so oder mit sehr dicken und schwer prozessierbaren Substraten gelingt. Das Schichtsystem ist demnach vorzugsweise eine Bauelementschichtstruktur eines Hochfrequenztransistors oder einer Leuchtdiode.
Der Begriff Heterostruktur bezieht sich allgemein auf verspannte Schichten aus anderen Materialien wie Silizium, die auf Siliziumsubstraten oberhalb der genannten Temperaturen abgeschieden oder thermisch prozessiert werden, also nicht nur auf die exemplarisch genannten Gruppe-Ill-Nitride. Auch schon die Prozessierung bei hohen Temperaturen kann bei verspannten Systemen zu plastischer Deformation führen, wenn diese zum Beispiel bei niedrigeren Temperaturen hergestellt wurden, was wiederum durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Schichtsysteme verhindert werden kann.

Claims

Patentansprüche
Schichtsystem aus einem siliziumbasierten Träger mit einer einkristallinen Oberfläche und einer direkt auf der einkristallinen Oberfläche des Trägers aufgebrachten Heterostruktur,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger ein mit einem oder mehreren Dotanden dotiertes Siliziumsubstrat umfasst, wobei sich die Dotierung über mindestens 30% der Dicke des dotierten Siliziumsubstrats erstreckt und eine Konzentration der Dotanden im dotierten Bereich des Siliziumsubstrats so vorgegeben ist, dass eine bereinigte Grenzkonzentration GK die Bedingung der Formel (1 ) erfüllt:
Figure imgf000012_0001
wobei i für den jeweiligen Dotanden im Siliziumsubstrat, Ndot für die Dotandenkonzentration in cm"3 und EA für eine das Versetzungsgleiten hemmende Energiebarriere des Dotanden in eV steht.
Schichtsystem nach Anspruch 1 , bei dem das dotierte Siliziumsubstrat einen oder zwei Dotanden aufweist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das dotierte Siliziumsubstrat mit Sauerstoff in einer Konzentration Ndot > 1 x 1018 cm"3 dotiert ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das dotierte Siliziumsubstrat mit Stickstoff in einer Konzentration Ndot > 1 x 1015 cm"3 dotiert ist.
Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das dotierte Siliziumsubstrat mit Kohlenstoff in einer Konzentration Ndot > 1 x 1019 cm"3 dotiert ist.
6. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Träger ein nicht-dotiertes Siliziumsubstrat umfasst, auf dem direkt die Heterostruktur aufgetragen ist und das mit dem dotierten Siliziumsubstrat direkt oder über eine Zwischenschicht verbunden ist.
7. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bereinigte Grenzkonzentration GK > 5 x 1015 cm"3 ist.
8. Schichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schichtsystem eine Bauelementschichtstruktur eines Hochfrequenztransistors oder einer Leuchtdiode ist.
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