DE10006108A1 - Verfahren zur Epitaxie einkristalliner Aluminiumnitrid-Schichten - Google Patents

Verfahren zur Epitaxie einkristalliner Aluminiumnitrid-Schichten

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Abstract

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Epitaxie einkristalliner, domänenfreier AlN-Schichten auf Si(001)-Substraten anzugeben. DOLLAR A Es wird ein Si(001) off-axis Substrat verwendet, dessen (001)-Oberfläche um einige Grad in die <110> Richtung verkippt ist. Die Si-Oberfläche wird bei einer Temperatur größer als 1100 DEG C so präpariert, dass eine Terassenstruktur mit atomaren Doppelstufen entsteht, deren Stufenkanten parallel zur <-110> Richtung verlaufen. Dann wird eine ein bis zwei Monolagen dicke Aluminiumschicht bei niedriger Substrattemperatur aufgedampft und anschließend durch Zugabe von Stickstoff die Epitaxie von AlN eingeleitet. Während der anschließenden Epitaxie von AlN wird die Substrattemperatur schrittweise bis zur optimalen Epitaxietemperatur erhöht. DOLLAR A Die eindomänigen AlN-Schichten auf Si(001)-Wafern können für akustische Oberflächenwellenbauelemente und als Pufferschichten für die Epitaxie von GaN-Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Epitaxie einkristalliner Aluminiumnitrid- Schichten auf Substraten aus Silizium mit einer (001)-Oberfläche.
Einkristalline Aluminiumnitrid (AlN)-Schichten auf Si(001)-Substraten können die Grundlage für die Herstellung von Halbleiterbauelementen für die Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik, für optoelektronische Anwendungen wie Lichtemitter und Lichtempfänger im kurzwelligen Spektralbereich sowie für akustische Oberflächenwellenfilter bilden. Es ist bekannt, dass einkristalline AlN- Schichten hoher Kristallperfektion und glatter Oberfläche für die nachfolgende Epitaxie elektronischer und optoelektronischer Halbleiterbauelemente auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) sehr gut geeignet sind. Dünne AlN-Schichten werden deshalb allgemein als Pufferschicht für die Epitaxie von GaN- Halbleiterbauelementen eingesetzt.
Ein wesentliches Problem der Halbleiterbauelemente auf der Basis von Gruppe III Nitriden besteht darin, dass bisher aus diesem Material keine genügend großen Kristalle zur Herstellung von Substraten gezüchtet werden können. Deshalb muss auch die Abscheidung von AlN auf anderen Substratmaterialien erfolgen. Dazu werden vor allem Saphir und Siliziumkarbid (US 5670798) eingesetzt. Diese Substratmaterialien sind jedoch teuer und stehen nicht mit so großem Durchmesser wie beispielsweise Si zur Verfügung. Si-Einkristallsubstrate sind dagegen sehr kostengünstig und werden gegenwärtig bereits mit Durchmessern bis zu. 30 cm zur Fertigung von Halbleiterbauelementen eingesetzt. Es ist außerdem sehr vorteilhaft, AlN auf Si-Substraten aufzuwachsen, weil damit die Möglichkeit der Integration von Bauelementen aus Gruppe III-Nitriden mit der konventionellen Si-Elektronik eröffnet wird.
Bei den bisher bekannten Versuchen zur Nutzung von Si-Substraten zur epitaktischen Abscheidung von AlN hat sich jedoch folgendes Problem ergeben:
Ein erfolgreiches Wachstum einkristalliner AlN-Schichten konnte lediglich auf Si- Substraten mit einer (111)-Oberfläche erreicht werden (DE 198 27 198), aber nicht auf den von der Halbleiterindustrie üblicherweise eingesetzten Substraten mit einer (001)-Oberfläche. Das ist insofern ein Mangel, als einerseits großflächige Si(111)- Substrate nicht ohne weiteres zur Verfügung stehen und andererseits eine Integration elektronischer oder optoelektronischer Bauelemente auf der Basis von III-Nitriden mit Standard Si-CMOS Schaltkreisen kaum möglich ist. Gerade das ist aber für den praktischen Einsatz von III-Nitrid Bauelementen sehr wichtig. Beim Wachstum von AlN auf Si(001) entstehen wegen des Gittermisfits und der unterschiedlichen kristallographischen Struktur der Einheitszelle von kubischem Si und wurtzitischem AlN bei der Keimbildung des AlN Domänen unterschiedlicher Orientierung und in der Folge eine säulenartige Schichtstruktur, die dem Einsatz dieser Schichten für elektronische oder optoelektronische Bauelemente im Wege steht.
Unabhängig von der Orientierung des Si-Substrates besteht ein wesentliches Problem darin, dass die Gitterkonstante von AlN nicht mit der von Si übereinstimmt, was eine erfolgreiche Heteroepitaxie sehr erschwert. Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen (EP 0352471, DE 197 25 900, EP 0352472, US 4925810, US 5959308, DE 187 15 572), mit vorstukturierten Substraten zur Epitaxie von III-V Halbleiterschichten auf Si-Substraten zu arbeiten. Unabhängig davon, inwieweit sich ein solches Verfahren mit Erfolg für die Epitaxie von AlN auf Si(001) Substraten einsetzen lässt, besitzt die Verwendung vorstrukturierter Substratoberflächen den Nachteil, dass nur ein Teil der gesamten Substratoberfläche für die Bauelemente aus den aufgebrachten III-V Schichten genutzt werden kann. Für die Heteroepitaxie von GaAs auf Si(100)-Substraten wurde vorgeschlagen (US 4872046, EP 0232082), die Substratoberfläche in die <001< Richtung zu kippen. Dieses Verfahren kann jedoch für die Heteroepitaxie von AlN auf Si(001) nicht angewendet werden, weil AlN im Gegensatz zu GaAs nicht als kubische Schicht wächst.
Zur Heteroepitaxie von GaN auf Si wurde auch vorgeschlagen, vor dem Aufbringen der GaN-Schicht zunächst eine GaAs-Schicht als Pufferschicht auf dem Si-Substrat aufzutragen (EP 0884767). Für die Heteroepitaxie von. AlN auf Si ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet, da die thermische Stabilität der GaAs- Schicht für die Epitaxie von AlN nicht ausreicht.
Die Aufgabe, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, ein Verfahren zur Epitaxie einkristalliner, domänenfreier AlN-Schichten auf Si(001)-Substraten anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 und 3. Dabei sind folgende Aspekte von besonderer Bedeutung:
Als Si(001)-Substrat wird nicht ein Substrat mit einer exakten Ausrichtung der Oberflächennormale in die <001< Richtung verwendet, sonden ein Substrat, dessen (001)-Oberfläche um einige Grad in die <110< Richtung verkippt ist. Es wurde experimentell gefunden, dass die Epitaxie von AlN auf Si(001)- Oberflächen, deren Oberflächennormale parallel zur <001< Richtung liegt oder um einen kleinen Winkel von weniger als 0,5° in eine andere Richtung gekippt ist, die nicht mit der <110< Richtung übereinstimmt, zur Ausbildung von um 30° gegeneinander azimutal verdrehte AlN-Domänen fährt. Die Ursache dafür ist, dass diese beiden Domänen kristallographisch gleichberechtigt sind und deshalb gleich häufig auftreten. Die Domänengrenzen bilden eine Unterbrechung der Translationssymmetrie des AlN-Kristallgitters und wirken sich deshalb negativ auf die elektrischen und optischen Eigenschaften der Bauelemente aus, die auf der AlN-Schicht aufgewachsen werden. Es wurde experimentell gefunden, dass diese Domänenbildung der AlN-Schicht durch das oben erwähnte Kippen der Oberflächennormale in die <110< Richtung vermieden werden kann. Die Ursache dafür ist, dass durch das Kippen der Oberflächennormale nach entsprechender Oberflächenpräparation eine Terassenstruktur auf der Si(001)-Oberfläche entsteht, die das Wachstum nur einer Domäne bevorzugt, so dass die AlN-Schicht eindomänig und im strengen Sinne einkristallin wächst.
Vor der eigentlichen Epitaxie der AlN-Schicht muss das Substrat gut von Oberflächenverunreinigungen gereinigt und eine atomare Terassenstruktur mit Doppelstufen präpariert werden, wobei die Stufenkanten parallel zur <-110< Richtung verlaufen. Anschließend werden zunächst 1 bis 2 Monolagen Aluminium auf das Substrat aufgedampft, bevor dann die AlN-Schicht gewachsen wird.
Wird der Epitaxieprozess wie beschrieben vorbereitet und ausgeführt, so entsteht eine eindomänige, einkristalline wurtzitische AlN-Schicht auf der in <110< Richtung gekippten Si(001)-Oberfläche. Die kristallographische c-Achse dieser AlN(0001)-Schicht ist dabei nicht parallel zur <001< Richtung des Si-Substrates, sondern zur Oberflächennormale des Si-Substrates gerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Heteroepitaxie einkristalliner AlN-Schichten mit sehr guter kristalliner Qualität auf Si(001)-Oberflächen. Diese AlN-Schichten auf Si(001)-Wafern können für akustische Oberflächenwellenbauelemente und als Pufferschichten für die Epitaxie von GaN- Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 den Querschnitt durch ein Si(001) off-axis Substrat nach der Oberflächenpräparation
Fig. 2 die perspektivische Aufsicht auf ein Si(001) off-axis Substrat nach der Oberflächenpräparation
Fig. 3 den Querschnitt durch eine epitaktisch aufgewachsene AlN- Schicht auf dem off-axis Si(001)-Substrat.
Ein off-axis Si(001)-Substrat 1, dessen Oberflächennormale 2 um einen Winkel α = 5° gegenüber der <001< Richtung zur Flächendiagonale <110< (beziehungsweise äquivalente Richtungen) hin gekippt ist, wird nach einer chemischen Reinigung unter Ultrahochvakuumbedingungen bei einer Temperatur von 1120°C mit Si beschichtet, bis im Elektronenbeugungsbild eine geordnete 2 × 1 Überstruktur sichtbar ist. Infolge des angegebenen Kippwinkels α bildet sich auf der Substratoberfläche im Ergebnis der Si-Homoepitaxie eine atomare Terassenstruktur (siehe Fig. 1), deren Terassenkanten atomare Doppelstufen bilden, die parallel zur <-110< Richtung verlaufen (siehe Fig. 2). Anschließend werden bei einer Substrattemperatur von 650°C zwei Monolagen Aluminium aufgedampft, wodurch sich eine 6 × 4 Überstruktur auf den Terassen 4 bildet. Dann wird ein Dampfstrom aktivierten Stickstoffs aus einer Hochfrequenz-Plasmaquelle auf das Substrat gerichtet, so dass sich AlN-Keime auf der Si-Oberfläche bilden. Im Anschluss wird zusammen mit dem Dampfstrom des aktivierten Stickstoffs ein Aluminium-Dampfstrom auf die Substratoberfläche gerichtet und die Substrattemperatur langsam auf die Epitaxietemperatur von 900°C erhöht. Es wächst eine einkristalline, eindomänige wurtzitische AlN(0001)-Schicht 5 mit einer sechszähligen Symmetrie, deren <0001< Richtung parallel zur Oberflächennormale 2 des off-axis Si(001)-Substrats 1 gerichtet ist und deshalb um den Winkel α = 5° von der <0001< Richtung des Si-Substrates 1 abweicht.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1
off-axis Si(001)-Substrat
2
Oberflächennormale des Si(001)-Substrats
3
Doppelstufe
4
Terasse
5
einkristalline, wurtzitische AlN-Schicht
α Winkel zwischen der Oberflächennormale und der <001< Richtung des Si- Substrats

Claims (3)

1. Verfahren zur Epitaxie einkristalliner Aluminiumnitrid-Schichten auf Silizium-Substraten mit einer (001)-Oberfläche dadurch gekennzeichnet,
  • - dass ein Si(001) off-axis Substrat (1) verwendet wird, dessen Oberflächennormale (2) um einen Winkel α gegenüber der <001< Richtung zur Flächendiagonale <110< (oder dazu äquivalente Richtungen) hin gekippt ist,
  • - dass die Si(001) off-axis Substratoberfläche bei einer Temperatur größer als 1100°C so präpariert wird, dass eine Terassenstruktur (4) mit atomaren Doppelstufen (3) entsteht,
  • - dass vor der eigentlichen Aluminiumnitrid (AlN)-Epitaxie bei einer niedrigeren Temperatur als der üblichen Wachstumstemperatur des AlN zunächst eine ein bis zwei Monolagen dicke Aluminiumschicht auf die Si-Oberfläche aufgedampft wird,
  • - dass danach durch Zugabe von Stickstoff die Epitaxie von AlN eingeleitet wird und
  • - dass anschließend die Substrattemperatur während der Epitaxie der AlN-Schicht (5) die Temperatur schrittweise bis zur üblichen Epitaxietemperatur des AlN erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kippwinkel α im Bereich von 2° bis 8° liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die AlN-Schicht mittels plasmagestützter Molekularstrahl-Epitaxie gewachsen wird.
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