DE102011010751A1

DE102011010751A1 - Verfahren zur Durchführung eines Epitaxieprozesses

Info

Publication number: DE102011010751A1
Application number: DE201110010751
Authority: DE
Inventors: Dr. Hertkorn Joachim; Dr. Taki Tetsuya; Dr. Engl Karl; Dr. Baur Johannes; Dr. Hahn Berthold; Dr. Härle Volker
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Ein epitaktisches Aufwachsen erfolgt auf Halbleiterschichten (1), die mit Metallsubstraten (2) verbunden sind. Statt durch Wärmeübertragung von einem Träger (3) können die Metallsubstrate (2) direkt, insbesondere induktiv, zum Beispiel mittels einer Hochfrequenz-Heizung (4), geheizt werden, um die Halbleiterschichten (1) auf die für die Epitaxie vorgesehene Temperatur zu bringen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Epitaxieprozess, mit dem Halbleitermaterial auf eine Halbleiteroberfläche aufgewachsen wird.
Bei Epitaxieprozessen, beispielsweise MOVPE-Prozessen, werden Halbleiterschichten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen epitaktisch auf Oberflächen von Halbleitersubstraten (Wafer) aufgewachsen. Träger aus Graphit dienen hierbei als Auflage für die Wafer. Die Substrate werden auf die für die Epitaxie benötigten Temperaturen von typisch über 500°C gebracht, indem die Träger mittels einer Hochfrequenz-Heizung oder einer Konvektionsheizung aufgeheizt werden. Die Wärme wird durch Wärmeleitung und Konvektion von dem Träger in das Substrat übertragen. In den Substraten auftretende Verspannungen führen zu einer unzureichenden oder ungleichmäßigen thermischen Kopplung zwischen den Substraten und den Trägern.
In der US 5 374 564 A und in der FR 2 899 378 B1 sind Verfahren zur Herstellung sehr dünner Halbleiterschichten, die von einem Halbleitersubstrat abgelöst werden, beschrieben. Derartige Verfahren sind auch unter der Bezeichnung Smart-Cut bekannt. Die dünnen Halbleiterschichten können zur weiteren Verarbeitung oder zum Zweck einer besseren Handhabung auf Träger aus unterschiedlichen Materialien aufgebracht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, anzugeben, wie in einem Epitaxieprozess eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Durchführung eines Epitaxieprozesses mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem Epitaxieprozess werden Substrate, die Halbleiteroberflächen aufweisen, auf einem Träger angeordnet und auf eine für die Epitaxie vorgesehene Temperatur geheizt, bei der weiteres Halbleitermaterial auf den Halbleiteroberflächen epitaktisch aufgewachsen wird. Bei dem Verfahren sind die Substrate Metallsubstrate, und die Halbleiteroberflächen sind durch Halbleiterschichten gebildet, die auf den Substraten angeordnet sind.
Eine Anordnung einer Halbleiterschicht auf einem Metallsubstrat kann beispielsweise hergestellt werden, indem eine dünne Halbleiterschicht gebildet und auf einem Metallsubstrat dauerhaft befestigt wird, was insbesondere mittels eines an sich bekannten Bond-Verfahrens geschehen kann. Eine dünne Halbleiterschicht erhält man zum Beispiel durch Ablösen einer dünnen Schicht von einem Halbleiterkörper unter Einsatz von Ionenimplantation. Derartige Verfahren sind an sich bekannt, insbesondere unter der Bezeichnung Smart-Cut.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Substrate induktiv geheizt. Das kann insbesondere mittels einer Hochfrequenz-Heizung geschehen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Halbleiterschichten und Substrate mittels Wärmestrahlung und/oder Konvektion geheizt.
Die Halbleiterschichten und die Substrate können direkt geheizt werden, das heißt ohne Übertragung von Wärme aus dem Träger in die Substrate.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden Substrate verwendet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiterschichten übereinstimmt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden Substrate verwendet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers übereinstimmt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein von dem Halbleitermaterial der Halbleiterschichten verschiedenartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen, also eine Heteroepitaxie durchgeführt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird auf die Halbleiterschichten ein gleichartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen, also eine Homoepitaxie durchgeführt.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Verfahrens anhand der beigefügten Figuren.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Mehrzahl von Substraten 2, die mit Halbleiterschichten 1 versehen sind, auf einem Träger 3, unter dem eine Heizung 4 angeordnet ist. Die Substrate 2 sind Metallsubstrate, auf denen die Halbleiterschichten 1 als Keimschichten für die durchzuführende Epitaxie gebondet sind. Das Metall kann zum Beispiel ein elementares Metall oder auch eine Legierung sein. Der Träger 3 kann innerhalb einer Epitaxieanlage, beispielsweise einer Anlage für MOVPE (metalorganic vapor-phase epitaxy), beweglich, insbesondere drehbar, angeordnet sein. Der Träger 3 kann ein herkömmlicher Träger, insbesondere aus Graphit, sein. Das Verfahren kann für eine Homoepitaxie, bei der das gleiche Halbleitermaterial auf die Keimschicht aufgewachsen wird, oder für eine Heteroepitaxie, bei der ein unterschiedliches Halbleitermaterial auf die Keimschicht aufgewachsen wird, angewendet werden. Die Halbleiterschichten 1 werden auf die für die Epitaxie vorgesehene Temperatur geheizt, die typisch im Bereich oberhalb von 500°C liegt.
Die Heizung 4 kann eine induktive Heizung, insbesondere eine Hochfrequenz-Heizung, oder auch eine andere Art von Heizung sein. Eine induktive Heizung hat den Vorteil, dass die Metallsubstrate 2 direkt durch Induktion von Wirbelströmen geheizt werden. Die Wärme kann statt dessen oder zusätzlich durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder Wärmestrahlung auf die Halbleiterschichten 1 und auf die Substrate 2 übertragen werden. Wenn die Substrate 2 auf eine Weise geheizt werden, die keine Übertragung von Wärme aus dem Träger 3 in die Substrate 2 erforderlich macht, ist ein möglicherweise ungleichmäßiger thermischer Kontakt zwischen den Substraten 2 und dem Träger 3 unerheblich.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Anordnung gemäß der 2 unterscheidet sich von der Anordnung gemäß der 1 dadurch, dass die Heizung 4 oberhalb des Trägers 3 über den mit den Halbleiterschichten 1 versehenen Metallsubstraten 2 angeordnet ist. Auch bei dieser Anordnung kann eine direkte, insbesondere induktive Heizung, der Metallsubstrate 2 vorgesehen sein, zum Beispiel mittels einer Hochfrequenz-Heizung 4. Statt dessen können die Halbleiterschichten 1 und Substrate 2 durch Wärmestrahlung und/oder Konvektion geheizt werden.
Die dargestellten Anordnungen sind stark schematisiert und sollen nur die Anwendung des Verfahrens veranschaulichen. Insbesondere die Anzahl der auf dem Träger 3 angeordneten Substrate 2, die Abmessungen der eingezeichneten Komponenten und die Anordnung der Heizung 4 können entsprechend der verwendeten Epitaxieanlage beliebig variiert werden.
Wegen der Verwendung von Metallsubstraten 2 weisen die darauf aufgebrachten Halbleiterschichten 1 während des Aufheizens und während des epitaktischen Aufwachsens überall zumindest im Wesentlichen dieselbe Temperatur auf. Dadurch wird ein sehr homogenes epitaktisches Wachstum erreicht. Hierbei wirkt sich auch vorteilhaft aus, dass die Metallsubstrate 2 eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, so dass die Metallsubstrate 2 praktisch homogen aufgeheizt werden und sich alle Bereiche der Halbleiterschichten 1 daher stets in innigem Kontakt mit Metall derselben Temperatur befinden.
Wenn das Metall der Substrate 2 so gewählt wird, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiterschichten 1 übereinstimmt, wird ein bereichsweises Ablösen der Halbleiterschichten 1 von den Substraten 2 beim Aufheizen zuverlässig vermieden. Der thermische Kontakt zwischen den Halbleiterschichten 1 und den Substraten 2 bleibt infolgedessen über die gesamte Fläche der Halbleiterschichten 1 gleichmäßig erhalten. Zudem werden die Halbleiterschichten 1 während und nach der Epitaxie durch den sicheren Verbund mit den Metallsubstraten 2 mechanisch stabilisiert.
Wenn eine Heizung des Trägers 3 und eine Wärmeübertragung aus dem Träger 3 in die Substrate 2 vorgesehen ist, wird das Metall der Substrate 2 vorzugsweise so gewählt, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers 3 übereinstimmt. Auf diese Weise kann ein im Wesentlicher gleichmäßiger thermischer Kontakt zwischen den Substraten 2 und dem Träger 3 über die gesamte Auflagefläche der Substrate 2 gewährleistet werden. Hierbei ist auch die gute thermische Leitfähigkeit der Metallsubstrate 2 von Vorteil.
Die Metallsubstrate 2 können nach der Epitaxie von den überwachsenen Halbleiterschichten 1 entfernt werden, wozu beispielsweise das an sich bekannte Laser-Lift-Off-Verfahren eingesetzt werden kann. Statt dessen können die überwachsenen Halbleiterschichten 1 für weitere Prozessschritte, die nach der Epitaxie erfolgen, auf den Metallsubstraten 2 bleiben.
Die Metallsubstrate 2 dienen in diesem Fall als Handling-Wafer zur Verbesserung der Handhabung und zur Verringerung der Bruchgefahr.
Mit dem beschriebenen Verfahren können Temperaturunterschiede innerhalb des Halbleitermaterials während der Epitaxie zuverlässig vermieden oder zumindest drastisch verringert werden. Die herkömmlichen, durch Temperaturgradienten hervorgerufenen Schwankungen in der Zusammensetzung von Mischkristallen und in der Dotierstoffkonzentrationen des Halbleitermateriales können deshalb reduziert werden. Inhomogenitäten der in demselben Epitaxieprozess aufgewachsenen Halbleiterschichten werden mit diesem Verfahren vermieden, so dass engere Toleranzgrenzen eingehalten werden können und die Reproduzierbarkeit im Herstellungsprozess verbessert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5374564 A [0003]
FR 2899378 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Durchführung eines Epitaxieprozesses, bei dem – Substrate (2), die Halbleiteroberflächen aufweisen, auf einem Träger (3) angeordnet werden, – zumindest die Halbleiteroberflächen auf eine für die Epitaxie vorgesehene Temperatur geheizt werden und – Halbleitermaterial auf den Halbleiteroberflächen epitaktisch aufgewachsen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Substrate (2) Metallsubstrate sind und – die Halbleiteroberflächen durch auf den Substraten (2) angeordnete Halbleiterschichten (1) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Substrate (2) induktiv geheizt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Substrate (2) mittels einer Hochfrequenz-Heizung (4) geheizt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Halbleiterschichten (1) und die Substrate (2) mittels Wärmestrahlung und/oder Konvektion geheizt werden.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 4, bei dem die Halbleiterschichten (1) und die Substrate (2) geheizt werden, ohne dass eine Wärmeleitung aus dem Träger (3) in die Substrate (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Substrate (2) verwendet werden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiterschichten (1) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem Substrate (2) verwendet werden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest bei einer Temperatur im Bereich zwischen der Raumtemperatur und der für die Epitaxie vorgesehenen Temperatur mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers (3) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Halbleiterschichten (1) mittels eines Bond-Verfahrens dauerhaft mit den Substraten (2) verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein von dem Halbleitermaterial der Halbleiterschichten (1) verschiedenartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem auf die Halbleiterschichten (1) ein gleichartiges Halbleitermaterial epitaktisch aufgewachsen wird.