WO2004082001A1 - Verfahren zur herstellung einer spannungsrelaxierten schichtstruktur auf einem nicht gitterangepassten substrat sowie verwendung eines solchen schichtsystems in elektronischen und/oder optoelektronischen bauelementen - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer spannungsrelaxierten schichtstruktur auf einem nicht gitterangepassten substrat sowie verwendung eines solchen schichtsystems in elektronischen und/oder optoelektronischen bauelementen Download PDF

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silicon
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    • Y10S438/933—Germanium or silicon or Ge-Si on III-V

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a layer system, comprising a stress -related, monocrystalline layer structure on a substrate, each having a different lattice structure. Furthermore, the invention relates to the use of such a layer system in electronic and / or optoelectronic components.
  • the method of producing a strained layer such as a strapped layer.
  • B. strained silicon on a thin stress-relieved layer system z.
  • B. consisting of silicon germanium.
  • MOSFETs metal oxide field effect transistors
  • An increase in performance is usually achieved by reducing the transistor dimensions.
  • This is very complicated and expensive, since the key technologies of chip production, such as lithography processes and etching processes, have to be replaced by more efficient systems.
  • An alternative way is to use more powerful materials.
  • Layers strongly limited by the available substrate material, or reduced the quality of the layers. Different crystal structures, as well as different lattice parameters between the substrate and the layer material (lattice mismatch) usually prevent a monocrystalline growth of layers of high quality. If monocrystalline layers are deposited in the case of non-matched lattice parameters, this has the consequence that they are initially clamped mechanically on surfaces, ie. H. their lattice structure differs from their own in this state. If the deposited layer exceeds a certain degree of strain, the mechanical stress is reduced by dislocation formation and the lattice structure comes closer to its own. This process is called stress relaxation, hereinafter referred to as "relaxation”.
  • dislocations are incorporated at the interface between the formed layer and the substrate by this relaxation, but also disadvantageously many dislocations, from the interface to the layer Surface run (so-called threading dislocations). As most of these dislocations continue through newly grown layers, they significantly degrade the electrical and optical properties of the layer material.
  • Si-Ge silicon or silicon germanium
  • Si-C silicon-carbon
  • Si-Ge-C silicon-germanium-carbon
  • the tetragonal distortion in strained silicon may be greater than about 1.3%. This can be realized accordingly, that strained silicon on a "virtual substrate", z. B. consisting of a 100% relaxed Si-Ge layer having at least 30 atom% Ge, epitaxially applied.
  • the silicon germanium (SiGe) material system is thermodynamically a completely miscible system, the compound can be prepared in any concentration.
  • silicon and germanium are characterized by identical crystal structures, they differ, however in the lattice parameter by 4.2%, ie that an SiGe layer or a pure Ge layer grows strained on silicon. Carbon can only be up to approx. 2 atom% substitution part to reduce the lattice parameter.
  • SiGe silicon germanium
  • graded layer SiGe layers whose Ge concentration increases continuously or stepwise towards the surface until the desired Ge content is reached. Since only an increase in the Ge content of about 10 atomic% per ⁇ m can be used to maintain the layer quality, such layers are up to 10 micrometers thick, depending on the Ge concentration achieved. For layer growth, this is not satisfactory from an economic and technological point of view.
  • the object of the invention is a process for the production of a stress-relaxed layer structure on a nem not lattice-matched substrate such.
  • B a Si-Ge layer package on a silicon substrate or a silicon on insulator (SOI) substrate to provide that does not have the defects indicated in the prior art.
  • strained Si is to be produced on unstressed silicon germanium (SiGe) or other suitable materials, each with a different lattice structure, which are advantageously required while ensuring the planarity for the further processing of components.
  • SiGe unstressed silicon germanium
  • the object of the invention is achieved by a manufacturing method according to the main claim.
  • Advantageous embodiments result from the claims appended hereto.
  • the object is achieved by the use of the produced layer structure in components according to the subsidiary claims.
  • a very well relaxing layer structure can be formed on a non-lattice-matched substrate, unlike previously customary, by applying a layer structure which has a relatively high lattice structure.
  • parameter mismatch ⁇ fi at the boundary with the substrate should be at least 1.5%, advantageously even more than 2%, in particular even about 4%.
  • Examples of such a layer sequence with a correspondingly high lattice parameter mismatch include a Si substrate with an applied Ge layer or a Si substrate with an applied SiGe layer having at least 30 atomic% Ge content.
  • the layer structure in the middle region of the layer structure has a composition with a further lattice parameter mismatch ⁇ f 2 which is less than fi, advantageously as low as half that of the substrate.
  • a layer structure therefore either has at least two concrete layers with different compositions and different lattice parameter mismatches ( ⁇ fi and ⁇ f 2 ) relative to the substrate, or at least one graded layer in which the germanium concentration varies perpendicular to the substrate surface.
  • Examples of a suitable two-layer structure include, inter alia, germanium-Si-Ge, or Si ⁇ _ x Ge x -Si ⁇ _ y Ge y with x> y, or GeC-SiGe. In general, these layers can also have an additional 1-2 atomic% carbon.
  • a first advantageous variation of the germanium concentration in a graded layer of the layer structure is a continuously decreasing concentration from the substrate / layer structure interface to the surface of the layer structure.
  • ⁇ f 2 means the lattice parameter mismatch of the surface composition of the layered structure to the substrate.
  • a further advantageous variation is the formation of a U-profile in which the germanium concentration at the substrate / layer structure interface and at the surface of the layer structure is higher than in the middle region of the layer structure.
  • ⁇ f 2 means the lattice parameter mismatch of the composition in the middle region of the layer structure, or that of the composition with the lowest Ge content in the layer structure relative to the substrate.
  • Particularly suitable materials for a graded layer structure are, in particular, Si-Ge, Si-C and Si-Ge-C.
  • the total layer thickness of the epitaxial layer structure should be selected so that a certain thickness, at which the dislocations have a density of more than 10 3 / cm 2 (defect density), is undershot.
  • the first layer adjoining the substrate has a layer thickness which is smaller than the so-called critical layer thickness for this layer.
  • the critical layer thickness defines the maximum layer thickness for this layer, which still allows defect-free growth on the non-lattice-matched substrate. At a layer thickness below this critical layer thickness can therefore usually strictly pseudomorphic, ie completely defect-free growth can be achieved.
  • the layer thickness of the first layer to be deposited will be interpreted by a person skilled in the art according to how large the critical layer thickness or how large the lattice parameter mismatch is. In general, the higher the lattice parameter mismatch, the lower the critical layer thickness. In the case of the materials listed here, the layer thickness of a first layer is generally between 1 and 20 nm, advantageously between 1 and 15 nm. In the combination of Si substrate and a pure germanium layer applied thereto, the suitable layer thickness of the germanium layer is even only 3 to 4 In the case of a three-layer structure of the layer structure, this applies correspondingly to both the first and the third layer.
  • the layer thickness of the second layer is usually selected to be significantly higher (50 to 400 nm). It is only important that the total layer thickness of the layer structure is kept so small that the dislocation density is regularly less than 10 3 / cm 2 .
  • the first layer may be, for example, a pure germanium layer only a few monolayer thick on silicon or a Si-Ge layer with a high Ge content on silicon.
  • a second, much thicker Si-Ge layer with a certain concentration z is possible.
  • the total layer thickness di and d 2 may here that critical thickness does not exceed "arise 2 during growth. This implies that the total layer thickness also on the so-called” at the dislocations with a density of> 10 3 cm critical layer thickness ", which guarantees strictly pseudomorphic, ie completely defect-free, growth.
  • an epitaxial layer having a continuous concentration gradient is deposited on the substrate.
  • the concentration gradient can be both continuous, as well as, for example, U-shaped.
  • the method can also be used to produce a three-layer system based on the 2-layer system.
  • a further third layer is applied to the first layer and the second layer.
  • This has a high concentration and a small layer thickness similar to the first layer.
  • the purpose of the use of these special layer systems is to optimize the relaxation parameters determining layer parameters such that a significantly higher degree of relaxation and thus a smaller dislocation density in the virtual substrate thus produced are also possible with greater lattice mismatch (eg at higher geometries). Concentration) after suitable ion implantation and thermal treatment can be achieved.
  • the plastic relaxation by dislocations depends on the layer density and the respective strain.
  • the effect to be achieved that relatively high lattice distortion occurs in the initial region between the substrate and the layer structure can be realized within the scope of the invention not only by applying a first layer with high lattice parameter mismatch with respect to the substrate, but also by inserting the substrate itself of carbon has a relation to the layer structure increased lattice parameter mismatch.
  • a predominantly relaxed layer structure can be produced, which is the advantage of low surface roughness of less than 1 mm and regularly after the growth of only a low defect density of less than 10 e cm "2, in particular of less than 10 5 cm" 2 has. This is particularly advantageous for applying further strained layers to this layer structure.
  • a further, thin layer can additionally be epitaxially deposited on the layer structure.
  • epitaxial silicon is suitable for this purpose. This deposition, if the layer thickness is sufficiently small, can be done before or after, or between, the following process steps of ion implantation and thermal treatment.
  • a defect region is subsequently generated primarily below this epitaxial layer structure by ion implantation.
  • the epitaxial layer structure is also damaged.
  • the implantation conditions are chosen such that, as a rule, no complete amorphization of the epitaxial layer structure takes place and the defects in the epitaxial layer structure can be healed as far as possible.
  • This layer sequence of substrate with defect area and applied layer structure and optionally a further epitaxially applied layer is then thermally treated so that the layer structure, which represents the virtual substrate, voltage-relaxed above the defect area.
  • the layer structure which represents the virtual substrate, voltage-relaxed above the defect area.
  • at least one epitaxial layer structure with a changed strain state is obtained directly on a substrate.
  • the implantation can optionally also be carried out using partial implantation of a mask in subregions of the substrate, in particular a wafer. In such a case, the stress state of the epitaxial layer structure will relax substantially only above the implanted defect regions.
  • the aforementioned layer sequence of substrate / defect region and epitaxial layer structure can be produced in various ways.
  • a layer structure can be epitaxially deposited on a substrate and subsequently (partially) a defect region can be generated primarily below the interface of the deposited layer.
  • the production of the layer sequence can advantageously be varied, for example by producing the defect region before or after deposition of a first epitaxial layer on the substrate.
  • the defect areas can be by ion implantation preferably with light ions (hydrogen, helium, fluorine, boron, carbon, nitrogen, sulfur, etc.) or ions of the layer or substrate material itself, ie z.
  • light ions hydrogen, helium, fluorine, boron, carbon, nitrogen, sulfur, etc.
  • ions of the layer or substrate material itself ie z.
  • Si or Ge can be carried out in the case of a Si / SiGe heterostructure in such a way that the ions are present primarily underneath the first epitaxially deposited or still to be deposited layer.
  • the implantation of light ions avoids excessive damage to the epitaxial layer system. It is advantageous to use ions that avoid unwanted contamination or doping of the structure. In this sense, also noble gas ions (Ne, Ar, Kr, etc.) can be used.
  • the implantation dose and depth are adjusted to the layer thickness of the epitaxial layer structure and the mass and energy of the selected ion. It is advantageous to generate the maximum damage below the first layer deposited on the substrate. This is especially true for ions that cause blistering or cracking (hydrogen, helium, fluorine, neon, argon, etc.). The formation of bubbles or cavities at the substrate / epitaxial layer structure interface and in the epitaxial layer structure itself should be avoided.
  • An advantage of Si implantation compared to implantation with very light ions (hydrogen or helium) is that the dose can be significantly reduced (by a factor of 100). This shortens the implantation times and thus considerably increases the wafer throughput as substrate used.
  • the layer sequence is treated thermally in this way, or the thermal budget kept so small that the implanted areas of the "virtual substrate” relax.
  • the defects caused by the implantation eg. B. were generated with helium or Si, arise during the subsequent annealing, defect clusters and dislocations, which run partly from the substrate to the epitaxial layer structure.
  • These defects and those produced in the epitaxial layer structure cause relaxation of the lattice strains.
  • a thin, partially or completely stress-relieved, epitaxial layer structure with small crystal defects arises, which can advantageously be used as a "virtual substrate".
  • the relaxation can alternatively be triggered by an oxidation with 0 or water.
  • oxidation As a treatment or else a combination of oxidation and thermal treatment.
  • concentration of elements which are important for the functioning of the component within the layer structure (eg Ge enrichment in SiGe).
  • the process utilizes process steps established in silicon technology so that the technology can also be transferred to very large wafers (eg 300 mm Si wafers).
  • At least one further epitaxial layer can be deposited on this layer sequence.
  • the substrate below the first epitaxial layer structure is in a relaxed state.
  • the material of the further epitaxially applied layer on the epitaxial layer structure is again in a strained state.
  • the further deposited layer may be of the same material as the substrate. Since the epitaxial layer structure is kept thin regularly, z. B. less than about 300 nanometers, in particular less than 200 nm, it is ensured that an excellent thermal conductivity is obtained within the entire layer sequence.
  • the epitaxial layer structure and the further layer deposited thereon represent, due to the thinness of the layers, a single layer in nearly one plane with the substrate.
  • in-plane means accordingly that the height of the steps resulting from deposition up to the second layer Surface of the substrate are not larger than the range of the depth of field of the imaging optics of lithography. Then it is ensured that in the course of further process steps, the planarity between "virtual substrate” and substrate is sufficient.
  • the layer sequence of the virtual substrate and optionally the further deposited layer has z. B. a thickness of about 100 to 400, especially 100 to 200 nanometers or even thinner.
  • MOSFETs first include the gate dielectric (eg, Si0 2 ), source and drain contact, the gate contact, and possibly spacers, as well as underlying differently doped channel, source, and Drain areas are manufactured and embedded in a passivation layer or insulator layer. You are not bound to specific transistor types or components. Instead of a silicon substrate can also be an SOI
  • Substrate (Si on Si0) are used for the deposition of the layer structure.
  • the use of heavier ions is also particularly advantageous if the silicon layer thickness on the oxide is so thin that z. B. no hydrogen or no more helium bubbles can be generated. This allows a fairly small total layer thickness on the oxide, which z. B. is particularly advantageous for the production of special components on SOI.
  • the layer system produced according to the invention can be transferred to a carrier wafer by wafer bonding without polishing the surface is required.
  • the cleavage of the layer system can be done by an additional hydrogen and / or helium implantation, so-called SMART-cut process. Alternatively, etching can also be used.
  • the separation can then take place in such a way that either only the further epitaxial layer or also the layer structure is transferred to the new wafer, generally to Si0 2 .
  • these can be advantageously etched selectively.
  • z. B. strained silicon can be made directly on Si0 2 .
  • Figure 1 Schematic layer system comprising a
  • Figure 2 Schematic layer system comprising a substrate and an epitaxially applied layer structure with a gradual, continuous concentration curve perpendicular to the layer plane.
  • Figure 3 Schematic layer system comprising a substrate and an epitaxially applied layer structure with a gradual, U-f ⁇ rmigen concentration curve perpendicular to the layer plane, and another strained layer.
  • Figure 4 Schematic layer system comprising a
  • Substrate with buried defect structure, a 2-layer, epitaxially applied layer structure, an implantation mask and a further stressed layer are fabricated using a 2-layer, epitaxially applied layer structure, an implantation mask and a further stressed layer.
  • FIG. 1 shows the production of a virtual substrate with two monocrystalline layers each having a different lattice structure.
  • the layer growth preferably follows with gas phase epitaxy or molecular beam epitaxy.
  • a silicon substrate epitaxially epitaxial layer 1, for example, a pure germanium layer with a few nanometers thickness epitaxially deposited.
  • a thin Si-Ge layer with a high Ge content or a Si-C layer with 1-2 atomic% of carbon can also be used.
  • a silicon germanium (SiGe) layer 2 having a Ge concentration with a certain concentration z.
  • a higher overall layer thickness is advantageous since, as a rule, this will lead to smaller dislocation densities in the stress-relaxed virtual substrate.
  • a Si-Ge layer can be applied with a strong inhomogeneous concentration curve in the layer. It is essential that the growth is started with a higher Ge concentration, possibly even with pure germanium, and then the concentration is lowered (eg to 30 atomic%).
  • a U-shaped concentration profile can be used in the layer 4.
  • a symmetrical stress build-up in the layer system can also be achieved by depositing a further layer on the layer 2, if this further layer has similar or identical properties of the layer 1. The total layer thickness must in all cases be below the layer thickness at which already during the growth dislocations with disturbing concentration (maximum 10 3 cm 2 ) arise.
  • a thin layer z. B. of silicon (layer 5 in Figure 4) are deposited.
  • a defect area z. B. be generated by ion implantation.
  • This may advantageously a He-implantation with a dose of about I x 10 16 cm "2 are carried out.
  • the energy of the ions is fitted so adapted to the layer thickness, that the average range of the ions about 100-200 nm below the
  • an Si implantation for example, with an energy of about 150 keV and a dose of about
  • Layer sequences according to the invention on the substrate can, as in the first exemplary embodiment, have a thickness of approximately 50 to 500 nanometers or less in order to meet these requirements.
  • Another layer 5 may be epitaxially deposited on the relaxed silicon germanium (SiGe) layer 2 ( Figure 4). This further layer 5 is then braced with appropriate lattice mismatch. You can z. Example of silicon, or silicon germanium (SiGe) with a different germanium concentration than in the epitaxial layer 2, or consist of a multiple layer. In the case of silicon, strained silicon is present. The thinness of the layers 1, 2 and 5, however, the planarity in the sense of the above definition of the various regions of the layers 1, 2, and 5 and the thermal conductivity is ensured to the substrate. Layer 5 from FIG. 4 (strained Si) can be advantageously used for producing ultrafast MOSFETs, in particular n-type and p-channel MOSFETs, owing to the higher mobility of the charge carriers.
  • p-MOSFETs on non-strained regions of the layer structure. These areas arise, for example, when a mask was used during ion implantation. Since only the regions of the layer structure that are located above a buried defect region of a substrate regularly relax, the regions of the layer structure which remain above the region protected by the mask remain Regions of the substrate are regularly clamped.
  • III-V compounds in particular III-V nitrides (GaN, AlN, InN) as well as oxidic perovskites may be arranged as first epitaxial layers.
  • suitable materials are arranged on a suitable substrate, so that at least one layer (5) with a different lattice structure can be produced on the "virtual substrate" thus produced. Thereafter, a production of the components to the production of the components, for. B. transistors are continued.
  • the layer sequences produced by one of the methods according to the invention can be used in particular for the production of metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) and modulated doped field effect transistors (MODFET). It is also possible to produce resonant tunnel diodes, in particular a resonant silicon germanium (SiGe) tunnel diode or quantum cascade laser, on such a "virtual substrate.” It is also conceivable to produce a photodetector from one of the layer sequences Layer sequence of GaAs as layer 5 on a "virtual substrate” made of silicon germanium (SiGe) 1, 2 to produce a laser.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistors
  • MODFET modulated doped field effect transistors
  • Epitaxial layer 1 (eg silicon germanium or ultrapure germanium or SiC) with a layer thickness d x .
  • epitaxial layer 2 (eg Si-Ge or Si-Ge C) of a certain Ge concentration and a layer thickness d 2 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen, spannungsrelaxierten Schichtstruktur mit einer oder mehrere Schichten auf einem Substrat mit jeweils unterschiedlicher Gitterstruktur. In einer speziellen Ausgestaltung dient das Verfahren vorteilhaft zur Herstellung von verspanntem Silizium auf einer spannungsrelaxierten Si-Ge-Schichtstruktur. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Schichtsystems in Bauelemente, wie beispielsweise MOSFETs, MODFETs, resonanten Tunneldioden, Photodetektoren oder Quantenkaskadenlasern.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung einer spannungsrelaxierten Schichtstruktur auf einem nicht gitterangepassten Substrat sowie Verwendung eines solchen Schichtsystems in elektronischen und/oder optoelektronischen Bauelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SchichtSystems, umfassend eine spannnungsrela- xierte, einkristalline SchichtStruktur auf einem Substrat, mit jeweils unterschiedlicher Gitterstruktur. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Schichtsystems in elektronischen und/oder optoelektronischen Bauelementen. Im Speziellen dient das Verfahren zur Herstellung einer verspannten Schicht, wie z. B. von verspanntem Silizium, auf einem dünnen spannungsrelaxierten Schichtsystem z. B. bestehend aus Silizium-Germanium.
Stand der Technik
Die rasch fortschreitende Nanoelektronik erfordert ste- tig schnellere Transistoren, insbesondere metal oxide field effect transistors (MOSFETs) . Eine Leistungssteigerung wird in der Regel durch Verkleinerung der Transistordimensionen erzielt. Dies ist aber sehr aufwendig und teuer, da die Schlüsseltechnologien der Chip-Her- Stellung, wie die Lithographieverfahren und die Ätzver- fahren durch leistungsfähigere Systeme ersetzt werden müssen. Ein alternativer Weg, ist die Verwendung von leistungsfähigeren Materialien. Hier bietet sich insbesondere der Einsatz von verspanntem Silizium, verspann- tem Silizium-Germanium (Si-Ge) bzw. Silizum-Kohlenstoff (Si-C) und Silizium-Germanium-Kohlenstoff (Si-Ge-C) an. Solch elastisch verspannte Schichtsysteme setzen allerdings epitaktisches Wachstum auf speziellen Substraten, bzw. auf spannungsrelaxierten Schichten, sogenannten "virtuellen Substraten" voraus, deren Herstellung mit geringer Defektdichte sehr aufwendig und schwierig ist . (F. Schaeffler, Semiconductor Sei. Techn. 12 (1997) p. 1515-1549) . Häufig wird nämlich die Herstellung einkristalliner
Schichten durch das zur Verfügung stehende Substratmaterial stark begrenzt, bzw. die Qualität der Schichten vermindert. Unterschiedliche Kristallstrukturen, sowie unterschiedliche Gitterparameter zwischen Substrat und Schichtmaterial (Gitterfehlanpassung) verhindern in der Regel ein einkristallines Wachstum von Schichten hoher Qualität. Werden bei nicht angepassten Gitterparametern einkristalline Schichten abgeschieden, so hat dies zur Folge, dass diese anfangs mechanisch verspannt auf a- chen, d. h. deren Gitterstruktur unterscheidet sich in diesem Zustand von der eigenen. Überschreitet die abgeschiedene Schicht einen bestimmten Verspannungsgrad, so wird die mechanische Spannung durch Versetzungsbildung abgebaut und die Gitterstruktur kommt der eigenen nä- her. Diesen Prozess nennt man Spannungsrelaxation, im Folgenden "Relaxation" genannt.
Bei Schichtdicken, die für Bauelemente häufig erforderlich sind, werden durch diese Relaxation Versetzungen an der Grenzfläche zwischen der gebildeten Schicht und dem Substrat eingebaut, wobei aber auch nachteilig viele Versetzungen, von der Grenzfläche bis zur Schicht- Oberfläche verlaufen (sog. Threading-Versetzungen) . Da sich die meisten dieser Versetzungen weiter durch neu aufgewachsene Schichten hindurch fortsetzen, verschlechtern sie die elektrischen und optischen Eigen- Schäften des Schichtmaterials erheblich.
Die Verwendung von Silizium bzw. Siliziumgermanium (Si- Ge) , Silizum-Kohlenstoff (Si-C) , oder Silizium- Germanium-Kohlenstoff (Si-Ge-C) in einem bestimmten elastischen Verzerrungszustand verbessert die Material- eigenschaften, insbesondere die für Bauelemente eminent wichtige Ladungsträgerbeweglichkeit der Elektronen und Löcher. Der Einsatz dieser und anderer höherwertigen Materialien erlaubt eine erhebliche Performancesteigerung von Si basierenden Hochleistungsbauelementen, wie MOSFET und MODFETs, ohne die kritischen Strukturgrößen der Bauelemente verändern zu müssen. Um allerdings mit dem gleichen SchichtSystem neben einer erhöhten Elektronenbeweglichkeit auch eine wesentliche Verbesserung der Löcherbeweglichkeit zu erzielen, muss nach Oberhu- ber et al . , Physical Review B 58(15) (1998) p. 9941-
9948 die tetragonale Verzerrung in verspanntem Silizium größer als etwa 1,3 % sein. Dies lässt sich demnach dadurch realisieren, dass verspanntes Silizium auf einem "virtuellen Substrat", z. B. bestehend aus einer zu 100 % relaxierten Si-Ge-Schicht mit mindestens 30 Atom- % Ge, epitaktisch aufgebracht wird.
Da das Siliziumgermanium- (SiGe) -Materialsystem thermo- dynamisch ein völlig mischbares System ist, kann die Verbindung in beliebiger Konzentration hergestellt wer- den. Silizium und Germanium zeichnen sich zwar durch gleiche Kristallstrukturen aus, unterscheiden sich aber im Gitterparameter um 4,2 %, d. h. dass eine SiGe- Schicht oder eine reine Ge-Schicht auf Silizium verspannt aufwächst. Kohlenstoff kann in Silizium nur bis zu ca . 2 Atom-% substitutioneil eingebaut werden, um den Gitterparameter zu verkleinern.
Stand der Technik zur Herstellung von beispielsweise verspannungsfreien, qualitativ hochwertigen Siliziumgermanium- (SiGe) -Legierungsschichten auf Silizium- Substrat ist der Einsatz sog. "graded layer". Hierbei handelt es sich um SiGe-Schichten, deren Ge-Konzen- tration zur Oberfläche hin bis zur Erreichung des gewünschten Ge-Gehalts kontinuierlich oder stufenweise zunimmt. Da zur Einhaltung der Schichtqualität nur ein Anstieg des Ge-Gehalts von ca. 10 Atom-% pro μm einge- setzt werden kann, sind solche Schichten, je nach erreichter Ge-Konzentration bis zu 10 Mikrometer dick. Für das Schichtwachstum ist dies aus wirtschaftlicher und technologischer Sicht nicht befriedigend.
Das Schichtwachstum dieser "graded layer" wird in E . A. Fitzgerald et al . , Thin Solid Films, 294 (1997) 3-10, beschrieben. Zudem führt dieses Verfahren zu hohen Schichtrauhigkeiten, zu Versetzungsmultiplikation und so zu kristallographischen Verkippungen von Bereichen, so dass ein aufwendiges Polieren der Schichten erfor- derlich wird.
Aus Leitz et al . , Applied Physics Letters, Vol. 79(25) (2001), p. 4246-4248 sowie aus Cheng et al . , Mat . Res . Soc. Symp., Vol. 686 (2002) AI.5.1- AI .5.6 sind Verfah- ren zur Herstellung von Strukturen mit Waferbonden und Ätzen vorgestellt. Nachteilig sind diese Verfahren teu- er und technologisch sehr aufwendig, da viele sehr anspruchsvolle Prozessschritte umfasst sind.
In WO 99/38201 wurde bereits ein Verfahren vorgestellt, das die Herstellung von dünnen spannungsrelaxierten Si- Ge-Pufferschichten erlaubt. Nachteilig an diesem Verfahren ist allerdings, dass der erzielbare Relaxationsgrad relativ klein ist (typischerweise 50 - 70 %) , dieser mit zunehmendem Ge-Gehalt stark abnimmt und die Versetzungsdichte in der relaxierten Si-Ge Schicht relativ hoch ist. Beispielsweise wurde für eine 28 Atom-% germaniumhaltige, 100 nm dicke Si-Ge-Schicht eine Versetzungsdichte im Bereich von 107 cm"2 bestimmt (Luys- berg et al . ; Journal of Applied Physics 92 (2002) p. 4290) . Besonders eingeschränkt wird das Verfahren bei noch höheren Ge-Konzentrationen, da die Schichtdicke der zu relaxierenden Si-Ge-Schicht dann noch kleiner (< 100 nm) gehalten werden muss. Dies ist erforderlich, da sich ansonsten bereits während des Wachstums Verset- zungen bilden.
Der erreichbare Relaxationsgrad und somit auch die minimale Versetzungsdichte hängen in homogenen Si-Geschichten stark von der Schichtdicke ab, da die Kraft, die auf eine Fadenversetzung wirkt, proportional zur Schichtdicke ist.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstel- lung einer spannungsrelaxierten Schichtstruktur auf ei- nem nicht gitterangepassten Substrat, wie z. B einem Si-Ge Schichtpaket auf einem Silizium-Substrat oder einem Silicon on Insulator (SOI) Substrat, bereit zu stellen, das die im Stand der Technik aufgezeigten Män- gel nicht aufweist.
Insbesondere soll in einer vorteilhaften Ausgestaltung verspanntes Si auf unverspanntes Siliziumgermanium (Si- Ge) oder anderen geeigneten Materialien mit jeweils unterschiedlicher Gitterstruktur hergestellt werden, die vorteilhaft unter Gewährleistung der Planaritat für die weitere Prozessierung von Bauteilen erforderlich benötigt werden.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung elektronische und/oder optoelektronische Bauteile zur Verfügung zu stellen, die die obengenannte vorteilhafte Schicht- Struktur aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Herstellungsverfahren gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Aus- gestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Patentansprüchen. Ferner wird die Aufgabe durch die Verwendung der hergestellten SchichtStruktur in Bauteilen gemäß der Nebenansprüche gelöst.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde überraschend gefunden, dass eine sehr gut relaxierende SchichtStruktur auf einem nicht gitterangepassten Substrat, anders als bislang üblich, durch Aufbringen einer Schichtstruktur ausgebildet werden kann, die eine relativ hohe Gitter- parameterfehlanpassung Δfi an der Grenze zum Substrat aufweist. Diese Gitterparameterfehlanpassung an der Grenze zum Substrat sollte mindestens 1,5 %, vorteilhaft sogar mehr als 2 %, insbesondere sogar ca. 4 % betragen. Beispiele einer solchen Schichtenfolge mit einer entsprechend hohen Gitterparameterfehlanpassung sind u. a. ein Si-Substrat mit einer aufgebrachten GeSchicht oder ein Si-Substrat mit einer aufgebrachten Si-Ge-Schicht mit mindestens 30 Atom.-% Ge-Gehalt. Neben der hohen Gitterparameterfehlanpassung Δfi an der Grenze zum Substrat weist die Schichtstruktur in dem mittleren Bereich der SchichtStruktur eine Zusammensetzung mit einer weiteren Gitterparameterfehlanpassung Δf2 auf, die gegenüber dem Substrat kleiner ist als fi, vorteilhaft sogar nur halb so hoch. Eine solche Schichtstruktur weist daher entweder wenigstens zwei konkrete Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und unterschiedlichen Gitterparameterfehlanpassungen (Δfi und Δf2) gegenüber dem Substrat auf, oder aber wenigstens eine gradiert aufgebaute Schicht, bei der die Germaniumkonzentration senkrecht zur Substrat- Oberfläche variiert.
Beispiele für eine geeignete zweischichtige Schichtstruktur (Abfolge: erste Schicht, die an das Substrat angrenzt, zweite Schicht) sind u. a. Germanium - Si-Ge, oder Siι_xGex - Siι_yGey mit x > y, oder auch GeC - SiGe. Im allgemeinen können diese Schichten auch noch zusätzlich 1-2 Atom-% Kohlenstoff aufweisen.
Eine erste vorteilhafte Variation der Germaniumkonzent- ration in einer gradierten Schicht der SchichtStruktur ist eine kontinuierlich abfallende Konzentration von der Grenzfläche Substrat/Schichtstruktur zur Oberfläche der Schichtstruktur hin. In diesem Fall bedeutet Δf2 die Gitterparameterfehlanpassung der Oberflächenzusam- mensetzung der Schichtstruktur gegenüber dem Substrat.
Eine weitere vorteilhafte Variation ist die Ausbildung eines U-Profils, bei dem die Germaniumkonzentration an der Grenzfläche Substrat/Schichtstruktur und an der Oberfläche der Schichtstruktur höher ist, als in dem mittleren Bereich der Schichtstruktur. In diesem Fall bedeutet Δf2 die Gitterparameterfehlanpassung der Zusammensetzung in dem mittleren Bereich der Schichtstruktur, bzw. die der Zusammensetzung mit dem geringsten Ge-Gehalt in der Schichtstruktur gegenüber dem Sub- strat.
Als besonders geeignete Materialien für eine gradierte Schichtstruktur sind insbesondere Si-Ge, Si-C und Si- Ge-C zu nennen.
Die Gesamtschichtdicke der epitaktischen Schichtstruk- tur ist so zu wählen, dass eine bestimmte Dicke, bei der die Versetzungen eine Dichte von mehr als 103/cm2 (Defektdichte) aufweisen, unterschritten wird. Bei einer mehrschichtigen Schichtstruktur muss zudem sichergestellt sein, dass die erste, an das Substrat angren- zende Schicht eine Schichtdicke aufweist, die kleiner ist als die sogenannte kritische Schichtdicke für diese Schicht. Die kritische Schichtdicke definiert die maximale Schichtdicke für diese Schicht, bei der noch ein defektfreies Wachstum auf dem nicht gitterangepassten Substrat möglich ist. Bei einer Schichtdicke unterhalb dieser kritischen Schichtdicke kann daher in der Regel streng pseudomorphes, d. h. völlig defektfreies Wachstum erzielt werden.
Die Schichtdicke der abzuscheidenden, ersten Schicht wird ein Fachmann danach auslegen, wie groß die kriti- sehe Schichtdicke, bzw. wie groß die Gitterparameterfehlanpassung ist. Im Allgemeinen gilt, je höher die Gitterparameterfehlanpassung, desto geringer die kritische Schichtdicke. Bei den hier aufgeführten Materialien liegt die Schichtdicke einer ersten Schicht in der Regel zwischen 1 und 20 nm, vorteilhaft zwischen 1 und 15 nm. Bei der Kombination Si-Substrat und eine darauf aufgebrachte reine Germaniumschicht beträgt die geeignete Schichtdicke der Germaniumschicht sogar nur 3 bis 4 nm. Bei einem dreischichtigen Aufbau der Schicht- Struktur gilt dies entsprechend sowohl für die erste, als auch für die dritte Schicht.
Die Schichtdicke der zweiten Schicht wird in der Regel deutlich höher gewählt (50 bis 400 nm) . Wichtig ist nur, dass die Gesamtschichtdicke der Schichtstruktur derart klein gehalten wird, dass die Versetzungsdichte regelmäßig kleiner als 103/cm2 ist.
Im Rahmen dieser Erfindung hat sich herausgestellt, dass eine solche, vorgenannte epitaktisch aufgebrachte, einkristalline Schichtstruktur oberhalb eines vergrabe- nen, durch Ionenimplantation in der Substratschicht erzeugten Defektbereichs, bei einer thermischen und/oder oxidativen Behandlung sehr gut spannungsrelaxiert. Dies gilt insbesondere bei dem Einsatz von Materialien für die Schichtstruktur, die gegenüber den im Stand der Technik eingesetzten Materialien eine relativ hohe Gitterfehlanpassung im Bezug auf das Substrat aufweisen. Der Anteil der erfindungsgemäßen spannungsrelaxierten Schichtstruktur liegt nach einer thermischen und/oder oxidativen Behandlung in der Regel höher als 60 %, insbesondere höher als 70 %. Eine solche Schichtstruktur mit einem hohen Grad an Relaxation und einer sehr kleinen Versetzungsdichte wird auch "virtuelles Substrat" genannt .
In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens geht man von einer Schichtenfolge auf einem Substrat aus, auf dem mindestens zwei epitaktische Schichten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und unterschiedlicher Schichtdicke epitaktisch abgeschieden werden, wobei die erste Schicht mit einer Schichtdicke di eine große Änderung des Gitterparameters und somit eine große elastische Verzerrung zum Substrat aufweist. Die erste Schicht kann beispielsweise eine nur wenige Mono- lagen dicke reine Germaniumschicht auf Silizium oder eine Si-Ge-Schicht mit hohem Ge-Gehalt auf Silizium sein. Die Schichtdicke der ersten Schicht di (z. B. dx = 1 - 20 nm) muss kleiner als die sogenannte kritische Schichtdicke sein, damit defektfreies Wachstum möglich ist. Darauf wird dann beispielsweise eine zweite, wesentlich dickere Si-Ge-Schicht mit einer bestimmten Konzentration z. B. 30 Atom.-% Ge und einer Schichtdicke d2 (d2 >> di; z. B. 50 nm < d2 < 400 nm) abgeschieden. Die Gesamtschichtdicke di und d2 darf dabei jene kritische Dicke nicht überschreiten, bei der Versetzungen mit einer Dichte > 103 cm"2 während des Wachstums entstehen. Dies impliziert, dass die Gesamtschichtdicke auch über der sogenannten "kritischen Schichtdicke", die streng pseudomorphes, d. h. völlig defektfreies Wachstum garantiert, liegen darf.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zu dem vormals erwähnten Zweischicht-System, wird eine epitaktische Schicht mit einem kontinuierlich verlaufenden Konzentrationsgradienten auf dem Substrat abgeschieden. Das Konzentrationsgefalle kann dabei sowohl stetig, als auch beispielsweise U-förmig verlaufen.
Alternativ kann bei dem Verfahren auch ein Dreischicht- System in Anlehnung an das 2-SchichtSystem erzeugt werden. Dabei wird auf die erste Schicht und die zweite Schicht eine weitere dritte Schicht aufgebracht. Diese weist ähnlich wie die erste Schicht eine hohe Konzentration und eine kleine Schichtdicke auf. Dadurch kann, ähnlich wie in der Ausführungsform mit dem U-förmigen Konzentrationsprofil, eine symmetrische Spannungsverteilung in der Schichtstruktur erzeugt werden.
Die Verwendung dieser speziellen Schichtsysteme hat zum Ziel, die für die Relaxation bestimmenden Schichtparam- ter so zu optimieren, dass ein wesentlich höherer Relaxationsgrad und somit eine kleinere Versetzungsdichte in dem so erzeugten virtuellen Substrat auch bei größerer Gitterfehlanpassung (z. B. bei höherer Ge-Konzen- tration) nach geeigneter Ionenimplantation und thermi- scher Behandlung erreicht werden kann. Die plastische Relaxation durch Versetzungen hängt von der Schicht- dichte und der jeweiligen Verspannung ab.
Anders als beim Stand der Technik, wo Pufferschichten mit gradiertem Ge-Gehalt eingesetzt werden, wobei das Wachstum an der Grenzfläche zum Substrat in der Regel mit einem kleinen Ge-Gehalt begonnen wird und nur schrittweise erhöht wird, um die Gitterparameteränderungen bewusst klein zu halten, wird im Rahmen der Erfindung ein ganz neuer Ansatz zur Herstellung solcher vorteilhaften Schichtstrukturen gewählt . Innerhalb eines sehr dünnen Schichtbereiches (entweder erste Schicht in einer zwei oder dreischichtigen Schichtstruktur oder Anfangsbereich einer gradierten Schichtstruktur) wird die elastische Gitterverzerrung an der Substratgrenzfläche durch geeignete Wahl der Schichtkomposition hoch angesetzt. In einem sich daran anschließenden Bereich (zweite Schicht in einer zwei oder dreischichtigen Schichtstruktur oder Mittel- bzw. Oberflächenbereich einer gradierten Schichtstruktur) wird die Komposition entweder sofort oder graduell auf den Ge-Gehalt abgesenkt für den die erwünschte Relaxation erzielt werden soll. Dieser Effekt kann durch einen dritten Bereich (dritte Schicht einer dreischichtigen Schichtstruktur mit hoher Ge-Konzentration oder Oberflächenbereich einer gradierten (SchichtStruktur mit U-Profil) verstärkt werden.
Der zu erzielende Effekt, dass im Anfangsbereich zwischen Substrat und Schichtstruktur eine relativ hohe Gitterverzerrung auftritt, kann im Rahmen der Erfindung nicht nur durch das Aufbringen einer ersten Schicht mit hoher Gitterparameterfehlanpassung bezüglich des Substrates realisiert werden, sondern auch dadurch, dass das Substrat selbst durch Einbringen von Kohlenstoff eine gegenüber der Schichtstruktur erhöhte Gitterparameterfehlanpassung, aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine überwiegend relaxierte Schichtstruktur erzeugt werden, die zu- dem vorteilhaft eine geringe Oberflächenrauhigkeit von regelmäßig weniger als 1 mm und nach dem Wachstum nur eine geringe Defektdichte von weniger als 10e cm"2, insbesondere von weniger als 105 cm"2 aufweist. Dies ist besonderes vorteilhaft für das Aufbringen weiterer verspannter Schichten auf diese Schichtstruktur.
Um in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens verspanntes Silizium zu erzeugen oder auch einen Schutz des Schichtsystems zu erreichen, kann zusätzlich eine weitere, dünne Schicht epitaktisch auf der Schicht- Struktur abgeschieden werden. Dazu ist insbesondere epitaktisches Silizium geeignet. Diese Abscheidung kann, wenn die Schichtdicke ausreichend klein ist, vor oder nach oder zwischen den folgenden Prozessschritten der Ionenimplantation und der thermischen Behandlung erfolgen.
Gemäß dem Hauptanspruch des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anschließend primär unterhalb dieser epitaktischen Schichtstruktur durch eine Ionenimplantation ein Defektbereich erzeugt. Je nach Schichtdicke, Ionensorte, -energie und -dosis wird auch die epitaktische Schichtstruktur dabei geschädigt. Die Implantationsbedingungen werden derart gewählt, dass in der Regel keine vollständige Amorphisierung der epitaktischen Schichtstruktur erfolgt und die Defekte in der epitaktischen Schichtstruktur weitestgehend ausgeheilt werden können.
Diese Schichtenfolge aus Substrat mit Defektbereich und aufgebrachter Schichtstruktur und gegebenenf lls einer weiteren epitaktisch aufgebrachten Schicht wird dann thermisch so behandelt, so dass die Schichtstruktur, die das virtuelle Substrat darstellt, oberhalb des Defektbereichs spannungsrelaxiert . Dadurch erhält man unmittelbar mindestens eine epitaktische Schichtstruktur mit geändertem Verspannungszustand auf einem Substrat. Die Implantation kann optional auch unter Verwendung einer Implantationsmaske nur in Teilbereichen des Substrates, insbesondere eines Wafers erfolgen. In einem solchen Fall wird der Verspannungszustand der epitaktischen Schichtstruktur im wesentlichen nur oberhalb der implantierten Defektbereiche relaxieren.
Mit unterschiedlicher Gitterstruktur werden im Rahmen dieser Erfindung Materialien mit verschiedenen Gitterparametern oder verschiedenen Kristallstrukturen verstanden. Die vorgenannte Schichtenfolge aus Substrat/Defektbereich und epitaktischer Schichtstruktur kann auf verschiedene Wege hergestellt werden. Es kann beispielsweise auf einem Substrat epitaktisch eine Schichtstruktur abgeschieden werden und anschließend (partiell) ein Defektbereich primär unterhalb der Grenzfläche der abgeschiedenen Schicht erzeugt werden. An diese Reihenfolge der Verfahrensschritte ist man allerdings nicht gebunden. Die Herstellung der Schichtenfolge kann vorteilhaft variiert werden, beispielsweise indem man den Defektbereich vor oder nach Abscheidung einer ersten epitaktischen Schicht auf dem Substrat herstellt.
Es sei erwähnt, dass im Sinne dieser Erfindung auch weitere Schichten in Ergänzung vorgesehen sein können, beispielsweise eine in der Praxis vorliegende dünne Übergangsschicht zwischen Substrat und erster epitakti- scher Schicht, die aus dem gleichen Material wie das Substrat besteht.
Die Defektbereiche können durch Ionenimplantation vorzugsweise mit leichten Ionen (Wasserstoff, Helium, Flu- or, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel etc.) oder Ionen des Schicht- bzw. Substratmaterials selbst, also z. B. Si oder Ge bei einer Si/SiGe HeteroStruktur in der Art erfolgen, dass die Ionen primär unterhalb der ersten epitaktisch abgeschiedenen oder noch abzuschei- denden Schicht vorliegen. Die Implantation von leichten Ionen vermeidet eine zu starke Schädigung des epitaktischen Schichtsystems. Es ist vorteilhaft Ionen zu verwenden, die ungewollte Kontamination bzw. Dotierung der Struktur vermeiden. In diesem Sinne sind auch Edelgas- ionen (Ne, Ar, Kr etc.) einsetzbar. Die Implantations- dosis und die -tiefe werden an die Schichtdicke epitaktischen Schichtstruktur und der Masse und Energie des gewählten Ions angepasst werden. Es ist vorteilhaft, die maximale Schädigung unterhalb der ersten auf dem Substrat aufgebrachten Schicht zu erzeugen. Dies gilt insbesondere für Ionen, die zu einer Bläschen- oder Rissbildung führen (Wasserstoff, Helium, Fluor, Neon, Argon, usw.) . Die Bildung von Bläschen, bzw. Hohlräumen an der Grenzfläche Substrat/epitaktische Schichtstruk- tur und in der epitaktischen Schichtstruktur selbst sind zu vermeiden. Ein Vorteil einer Si-Implantation im Vergleich zur Implantation mit sehr leichten Ionen (Wasserstoff oder Helium) ist es, dass die Dosis erheblich (um Faktor 100) reduziert werden kann. Dies ver- kürzt die Implantationszeiten und erhöht dadurch den Waferdurchsatz als eingesetztes Substrat erheblich. Die Schichtenfolge wird thermisch so behandelt, bzw. das thermische Budget so klein gehalten, dass die implantierten Bereiche des "virtuellen Substrates" span- nungsrelaxieren. Aus den Defekten, die durch die Im- plantation, z. B. mit Helium oder Si erzeugt wurden, entstehen beim anschließenden Tempern, Defektcluster und Versetzungen, die zum Teil vom Substrat zur epitaktischen Schichtstruktur laufen. Diese Defekte und die in der epitaktischen Schichtstruktur erzeugten bewirken eine Relaxation der Gitterverspannungen. Es entsteht in der Regel eine dünne, teilweise oder ganz spannungsre- laxierte, epitaktische SchichtStruktur mit geringen Kristallbaufehlern, die vorteilhaft als "virtuelles Substrat" eingesetzt werden kann. Die Relaxation kann alternativ auch durch eine Oxidation mit 0 oder Wasser ausgelöst werden. Anstelle einer rein thermischen Behandlung zur Bildung relaxierter Bereiche kann demnach eine Oxidation als Behandlung, oder auch eine Kombination von Oxidation und thermischer Be- handlung eingesetzt werden. Hierdurch lässt sich auch die Konzentration von Elementen, die für die Funktionsweise des Bauelements wichtig sind, innerhalb der SchichtStruktur (z. B. Ge Anreicherung in SiGe) erhöhen. Das Verfahren nutzt Prozessschritte, die in der Silizium-Technologie etabliert sind, so dass die Technologie auch auf sehr große Wafer (z. B. 300 mm Si-Wafer) übertragen werden kann.
Im Anschluss hieran kann erfindungsgemäß mindestens ei- ne weitere epitaktische Schicht auf dieser Schichtenfolge abgeschieden werden. Das Substrat unterhalb der ersten epitaktischen Schichtstruktur liegt in relaxiertem Zustand vor. Das Material der weiteren epitaktisch aufgebrachten Schicht auf der epitaktischen Schichtstruktur liegt wiederum in verspanntem Zustand vor. Die weitere abgeschiedene Schicht kann aus dem gleichen Material sein wie das Substrat. Da die epitaktische Schichtstruktur regelmäßig dünn gehalten wird, z. B. kleiner als ca. 300 Nanometer, insbesondere kleiner als 200 nm, ist gewährleistet, dass eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit innerhalb der gesamten Schichtenfolge erhalten wird. Die epitaktische Schichtstruktur und die darauf abgeschiedene weitere Schicht stellt auf Grund der Dünne der Schichten eine einzige Schicht in nahezu einer Ebene mit dem Substrat dar. Mit dem Begriff "in einer Ebene" ist demgemäß gemeint, dass die Höhe der durch Abscheidung entstehenden Stufen bis zur Oberfläche des Substrats nicht größer sind als der Bereich der Tiefenschärfe der Abbildungsoptik der Lithographie. Dann ist gewährleistet, dass im Zuge weiterer Verfahrensschritte die Planaritat zwischen "virtuellem Substrat" und Substrat ausreichend ist. Die Schichtenfolge des virtuellen Substrates und gegebenenfalls der weiteren abgeschiedenen Schicht weist z. B. eine Dicke von ca. 100 bis 400, insbesondere 100 bis 200 Nanometer auf oder ist sogar noch dünner. Die Herstellung eines "System on a chip" (verschiedene Bauelemente mit verschiedenen Funktionen in einer Ebene) ist somit vorteilhaft im Rahmen der Erfindung möglich. Hierzu können für die Herstellung z. B. von MOSFETs zunächst das Ga- te-Dielektrikum (z. B. Si02) , Source und Drain-Kontakt, der Gate-Kontakt, und gegebenenfalls Spacer sowie darunter liegende anders dotierte Kanal-, Source- und Drain-Bereiche gefertigt und in einer Passivierungs- schicht bzw. Isolatorschicht eingebettet werden. Dabei ist man nicht an bestimmte Transistortypen oder Bauteile gebunden. Anstelle eines Silizium-Substrates kann auch ein SOI
Substrat (Si auf Si0) für die Deposition der Schichtstruktur eingesetzt werden. Die Verwendung von schwereren Ionen ist auch dann besonderes vorteilhaft, wenn die Silizium Schichtdicke auf dem Oxid so dünn wird, dass z. B. keine Wasserstoff- oder keine Heliumbläschen mehr erzeugt werden können. Dies ermöglicht eine recht kleine Gesamtschichtdicke auf dem Oxid, was z. B. für die Herstellung spezieller Bauelemente auf SOI von besonderem Vorteil ist . Das erfindungsgemäß hergestellte Schichtsystem kann auf einen Trägerwafer durch Waferbonden übertragen werden, ohne dass ein Polieren der Oberfläche erforderlich ist. Das Abspalten des Schichtsystems kann dabei durch eine zusätzliche Wasserstoff- und/oder Heliumimplantation, sogenannter SMART-Cut Prozess erfolgen. Alternativ kann auch Abätzen eingesetzt werden. Die Abtrennung kann dann so erfolgen, dass entweder nur die weitere epitaktische Schicht oder auch die Schichtstruktur auf dem neuen Wafer, in der Regel auf Si02, übertragen wird. Insbesondere im Fall von Si-Ge-Schichten als Schichtstruktur können diese vorteilhaft selektiv abgeätzt werden. Dadurch kann z. B. verspanntes Silizium direkt auf Si02 hergestellt werden. Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von vier Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt werden soll. Dabei zeigen
Figur 1: Schematisches Schichtsystem, umfassend ein
Substrat und eine 2 -lagige, epitaktisch aufgebrachte Schichtstruktur.
Figur 2 : Schematisches Schichtsystem, umfassend ein Substrat und eine epitaktisch aufgebrachte Schichtstruktur mit einem graduellen, stetigen Konzentrationsverlauf senkrecht zur Schichtebene.
Figur 3 : Schematisches Schichtsystem, umfassend ein Substrat und eine epitaktisch aufgebrachte Schichtstruktur mit einem graduellen, U-fδrmigen Konzentrationsverlauf senkrecht zur Schichtebene, sowie eine weitere verspannte Schicht .
Figur 4: Schematisches Schichtsystem, umfassend ein
Substrat mit vergrabener DefektStruktur, eine 2 -lagige, epitaktisch aufgebrachte Schichtstruktur, eine Implantationsmaske sowie eine weitere verspannte Schicht.
Ausführungsbeispiele :
Figur 1 zeigt die Herstellung eines virtuellen Substrates mit zwei einkristallinen Schichten mit jeweils unterschiedlicher Gitterstruktur. Das Schichtwachstum er- folgt vorzugsweise mit Gasphasenepitaxie oder mit Molekularstrahlepitaxie. Auf einem Silizium-Substrat wird epitaktisch Schicht 1, beispielsweise eine reine Germaniumschicht mit wenigen Nanometern Dicke epitaktisch abgeschieden. Alternativ kann auch eine dünne Si-Ge- Schicht mit hohem Ge-Gehalt oder eine Si-C-Schicht mit 1 - 2 Atom-% Kohlenstoff verwendet werden. Anschließend wird eine Siliziumgermanium- (SiGe) -Schicht 2 mit einer Ge-Konzentration mit einer bestimmten Konzentration z. B. 30 Atom-% Ge und einer Schichtdicke d2 von 50-250 nm abgeschieden. Es ist zu beachten, dass eine höhere Gesamtschichtdicke von Vorteil ist, da in der Regel dies zu kleineren Versetzungsdichten in dem spannungsrelaxierten virtuellen Substrat führen wird.
Alternativ dazu kann wie in Figur 2 und Figur 3 dargestellt eine Si-Ge-Schicht mit einem stark inhomogenen Konzentrationsverlauf in der Schicht aufgebracht werden. Wesentlich dabei ist, dass das Wachstum mit hδhe- rer Ge-Konzentration, evtl. sogar mit reinem Germanium, begonnen wird und dann die Konzentration (z. B. auf 30 Atom-%) abgesenkt wird. Für einen symmetrischen Spannungsaufbau kann wie in Figur 4 gezeigt in der Schicht 4 ein U-förmiger Konzentrationsverlauf verwendet wer- den. Ein symmetrischer Spannungsaufbau in dem Schicht- System kann auch durch Abscheidung einer weiteren Schicht auf die Schicht 2 erreicht werden, wenn diese weitere Schicht ähnliche oder gleiche Eigenschaften der Schicht 1 aufweist. Die Gesamtschichtdicke muss in al- len Fällen unterhalb der Schichtdicke liegen, bei der bereits während des Wachstums Versetzungen mit störender Konzentration (maximal 103 cm-2) entstehen.
Wahlweise kann auch zusätzlich eine dünne Schicht z. B. aus Silizium (Schicht 5 in Figur 4) deponiert werden.
Unterhalb dieser deponierten Schichten kann ein Defekt- bereich z. B. durch Ionenimplantation erzeugt werden. Hierfür kann vorteilhaft eine He-Implantation mit einer Dosis von ca. I x 1016 cm"2 durchgeführt werden. Die Energie der Ionen wird an die Schichtdicke so ange- passt, dass die mittlere Reichweite der Ionen ca. 100-200 nm unterhalb der ersten Grenzfläche, also im Substrat liegt. Alternativ zur He-Implantation kann auch eine Si-Implantation beispielsweise mit einer Energie von ca. 150 keV und einer Dosis von etwa
1 x 1014 cm"2 bei 100 nm Schichtdicke der Siliziumgermanium- (SiGe) -Schicht 1 und 2. Die implantierten Ionen erzeugen Kristalldefekte in und unterhalb der SiGe- Schicht . Anschließend erfolgt für einige Minuten als thermische Behandlung eine Temperung bei 900 °C in einer inerten N2-Atmosphäre . Es kann auch ein anderes inertes Gas (z.B. Argon) oder ein Gas, das für die Zwecke der Erfindung geeignet ist, verwendet werden (z. B. 02 oder Formiergas) . Über dem Defektbereich entsteht bei diesem Temperaturregime, das nicht zu hoch gewählt sein darf, eine spannungsrelaxierte Siliziumgermanium (SiGe) - Schichtstruktur. Diese Temper- oder Oxidationstempera- tur kann an das gesamte Schichtsystem und an den Bau- elementeprozess angepasst und so auf wesentlich tiefere Temperaturen abgesenkt werden. Beispielsweise kann eine Schichtrelaxation nach geeigneter Ionenimplantation bereits bei Temperaturen um 600 °C erreicht werden.
Erfindungsgemäße Schichtenfolgen auf dem Substrat können wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Dicke von ca. 50 bis 500 Nanometer oder weniger aufweisen um diese Anforderungen zu erfüllen.
Es kann eine weitere Schicht 5, epitaktisch auf der relaxierten Siliziumgermanium- (SiGe) -Schicht 2 aufgebracht werden (Figur 4) . Diese weitere Schicht 5 ist dann bei entsprechender Gitterfehlanpassung verspannt. Sie kann z. B. aus Silizium, oder auch aus Siliziumgermanium (SiGe) mit anderer Germaniumkonzentration als in der epitaktischen Schicht 2, oder auch aus einer Mehrfachschicht bestehen. Im Falle von Silizium, liegt ver- spanntes Silizium vor. Durch die Dünne der Schichten 1, 2 und 5 ist jedoch die Planaritat im Sinn der obigen Definition der verschiedenen Bereiche der Schichten 1, 2, und 5 sowie die thermische Leitfähigkeit zum Substrat gewährleistet . Schicht 5 aus Figur 4 (verspanntes Si) kann auf Grund der höheren Beweglichkeiten der Ladungsträger vorteilhaft zur Herstellung von ultraschnellen MOSFETs, insbesondere n-und p-Kanal MOSFETs verwendet werden.
Auch an nicht verspannten Bereichen der Schichtstruktur können vorteilhaft p-MOSFETs hergestellt werden. Diese Bereiche entstehen beispielsweise, wenn während der Ionenimplantation eine Maske verwendet wurde. Da regelmäßig nur die Bereiche der Schichtstruktur relaxieren, die oberhalb eines vergrabenen Defektbereiches eines Substrates liegen, bleiben die Bereiche der Schichtstruktur, die oberhalb der durch die Maske geschützten Bereiche des Substrates angeordnet sind regelmäßig verspannt .
Man kann darüber hinaus auch von anderen Schichtenfolgen und Prozessierungen ausgehen: Neben Siliziumgermanium (SiGe) und Si-Ge-C und Si-C als erste epitaktische Schichten 1 und 2, bzw. 3 oder 4 können ferner allgemein III-V-Verbindungen, insbesondere III-V-Nitride (GaN, AlN, InN) sowie auch oxidische Perovskite als erste epitaktische Schichten angeordnet sein. Wichtig ist in jedem Fall nur, dass geeignete Materialien auf einem geeigneten Substrat angeordnet werden, so dass mindestens eine Schicht (5) mit unterschiedlicher Gitterstruktur, auf dem so erzeugten "virtuellen Substrat" hergestellt werden kann. Danach kann eine Herstellung der Bauelemente bis zur Herstellung der Bauelemente, z. B. Transistoren fortgeführt werden.
Die nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichtenfolgen können insbesondere zur Herstellung von metal-oxide-semiconductor Feldeffekt- Transistoren (MOSFET) und modulated doped Feldeffekt- Transistor (MODFET) herangezogen werden. Es ist auch möglich resonante Tunneldioden, insbesondere eine reso- nante Siliziumgermanium- (SiGe) -Tunneldiode oder Quan- tenkaskadenlaser auf so einem „virtuellen Substrat" herzustellen. Weiterhin ist denkbar einen Photodetektor aus einer der Schichtenfolgen herzustellen. Ferner ist denkbar, ausgehend von einer Schichtenfolge von GaAs als Schicht 5 auf einem "virtuellen Substrat" aus Siliziumgermanium (SiGe) 1, 2 einen Laser herzustellen. Bezugszeichenliste :
1 Epitaktische Schicht 1, (z. B. Siliziumgermanium oder Reinstgermanium oder SiC) mit einer Schichtdicke dx . 2 Epitaktische Schicht 2 (z. B. Si-Ge oder Si-Ge- C) einer bestimmten Ge-Konzentration und einer Schichtdicke d2.
3 Epitaktische Si-Ge Schicht mit einem stark abfallenden Ge-Konzentrationsprofil 4 Epitaktische Si-Ge Schicht mit einem U-förmigen
Ge-Konzentrationsprofil
5 Abgeschiedene Silizium- oder SiGe- oder Mehrfachschicht, z. B. verspanntes Silizium
6 Defektbereich im Substrat, nahe der ersten Grenzfläche zur epitaktischen Schicht.
7 Maske für die Ionenimplantation

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer spannungsrelaxierten, einkristallinen Schichtstruktur (1, 2, 3, 4) auf einem nicht gitterangepassten Substrat, mit den Schritten - auf einem Substrat wird epitaktisch eine einkristalline SchichtStruktur, umfassend wenigstens eine Schicht, aufgebracht, wobei die Schichtstruktur an der Grenzfläche zum Substrat eine größere Gitterparameterfehlanpassung zum Substrat aufweist als innerhalb der Schichtstruktur,
- die GesamtSchichtdicke der epitaktischen Schichtstruktur wird so gewählt wird, dass die Versetzungsdichte nach dem Wachstum kleiner als 103 cm"2 ist, - die Schichtstruktur wird mit Ionen primär durchstrahlt, wobei in der Schichtstruktur vorwiegend Punktdefekte und im Substrat nahe der epitakti- schen Schichtstruktur ein ausgedehnter Defektbereich erzeugt wird, - die Energie der implantierten Ionen wird derart gewählt, dass die mittlere Reichweite größer als die Gesamtschichtdicke der epitaktischen Schicht- Struktur ist,
- die epitaktische Schichtstruktur wird nach der Im- plantation im Temperaturbereich von 550 - 1000°C in einer inerten, reduzierenden oder oxidierenden Atmosphäre derart behandelt, dass die Schichtstruktur oberhalb des Defektbereiches spannungsre- laxiert, eine Defektdichte kleiner als 106 cm"2, insbesondere kleiner als 105 cm"2 und eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 1 nm aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Schicht- Struktur aufgebracht wird, die an der Grenzfläche zum Substrat eine Gitterparameterfehlanpassung von wenigstens 1,5 %, insbesondere von wenigstens 2 % aufweist .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem eine Schichtstruktur aufgebracht wird, die an der Grenzfläche zum Substrat eine wenigstens doppelt so große Gitterparameterfehlanpassung zum Substrat aufweist als innerhalb der Schicht truktur.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Schichtstruktur oberhalb des Defektbereichs zu mindestens 60 %, vorteilhaft zu wenigstens 70 % spannungsrelaxiert.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei dem eine Schichtstruktur, umfassend Silizium-Germanium (SiGe) oder Silizium-Gemanium-Kohlenstoff (SiGeC) oder Siliciumcarbid (SiC) auf dem Substrat aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Schicht mit einem abfallenden Konzentrationsprofil an Ge als Schichtstruktur auf einem Substrat aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Schicht mit einem U-förmigen Konzentrationsprofil an Ge als Schichtstruktur auf einem Substrat aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei dem eine Schichtstruktur, umfassend einen III-V-Verbin- dungshalbleiter, insbesondere ein III-V-Nitrid, einen II-VI-Verbindungshalbleiter oder einen oxidischen Perovskiten auf dem Substrat aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei dem eine SchichtStruktur, umfassend wenigstens zwei Schichten, aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine erste, dünne, pseudomorphe Ge-Schicht mit einer Schichtdicke di, die unterhalb der kritischen Schichtdicke für pseudomorphes Wachstum von Ge auf Si liegt, und eine zweite Siι-xGex Schicht (2) mit einer Dicke d2 >> di als Schichtstruktur auf einem Substrat aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zwei Si-Ge
Schichten, als Schichtstruktur auf dem Substrat aufgebracht werden, einer ersten Siι_xGex Schicht mit einer Dicke d± und einer zweiten Siι-yGey Schicht (2) mit einer Dicke d und mit x > y und d2
Figure imgf000030_0001
12. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine erste, dünne, pseudomorphe Si-C Schicht (1) mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 - 2 Atom-% und einer Schichtdicke di und eine zweite Siι_xGex Schicht (2) mit einer Schichtdicke d2 >> di als Schichtstruktur auf einem Substrat aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem wenigstens eine Schicht mit einem zusätzlichen Kohlenstoffgehalt von 1 - 2 Atom-% aufgebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 9 bis 12, bei dem eine SchichtStruktur, umfassend wenigstens drei Schichten, aufgebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei als erste und als dritte Schicht der Schichtstruktur jeweils eine Schicht aufgebracht wird, die hinsichtlich der Zusammensetzung und der Schichtdicke identisch sind.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem für die Implantation He Ionen mit einer Dosis von etwa 1 x 1016 cm"2 zur Erzeugung des Defektbe- reichs (6) eingesetzt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem für die Implantation Si, mit einer Dosis von etwa 1 x 1014 cm"2 zur Erzeugung des Defektbereichs (6) eingesetzt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem für die Implantation Wasserstoff-, Kohlenstoff-, Stickstoff-, Fluor-, Bor-, Phosphor-, Arsen-, Silizium-, Germanium-, Antimon-, Schwefel-, Neon-, Argon-, Krypton oder Xenon-Ionen zur Erzeugung des Defektbereichs (6) eingesetzt werden.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Ionenimplantation mit Hilfe einer lithographischen Maske (7) durchgeführt wird, so dass die Schichtstruktur nur an den implantierten Bereichen spannungsrelaxiert .
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, bei dem SOI (silicon on insulator) als
Substrat mit einer Si-Schicht, deren Schichtdicke unterhalb von 120 nm liegt, eingesetzt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem Silizium, Siliziumgermanium (SiGe) , Silizium- carbid (SiC) , Saphir oder ein oxidisches Perovskit als Substrat eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem auf die epitaktische Schichtstruktur eine weitere epitaktische Schicht derart vor oder nach der Ionenimpementation und der thermischen Behandlung abgeschieden wird, dass eine verspannte Schicht ausgebildet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 1 bis 21, bei dem die epi- taktische Schichtstruktur auf ein zweites Substrat, insbesondere auf ein Substrat mit einer Si02-Schicht , gebondet wird, zumindest das erste Substrat abgetrennt wird und anschließend eine weitere epitaktische Schicht derart auf der Schichtstruktur abgeschieden wird, dass eine verspannte Schicht ausgebildet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die weitere epitaktische Schicht auf ein zweites Substrat, insbesondere auf ein Substrat mit einer Si02-
Schicht gebondet wird, und sodann zumindest das erste Substrat und die Schichtstruktur abgetrennt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 22 bis 24, bei dem als weitere epitaktische Schicht eine Schicht umfassend Silizium, Siliziumgermanium (SiGe) - oder eine Si-Ge-C-Schicht oder eine Germaniumschicht abgeschieden wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem an einem verspannten Silizium-Bereich als weiterer Schicht n- und oder p-MOSFETs hergestellt werden .
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22 bis 25, bei dem an verspannten Siliziumgermani- um- (SiGe) -Bereichen als weitere epitaktische Schicht oder als nicht relaxierte Schichtstruktur p-MOSFETs hergestellt werden.
28. Verwendung eines SchichtSystems, hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 25, in einem Bauelement.
29. Verwendung eines Schichtsystems nach Anspruch 28, in einem modulated doped Feldeffekt-Transistor
(MODFET) oder metal-oxide-semiconductor Feldeffekt-Transistor (MOSFET) als Bauelement.
30. Verwendung eines Schichtsystems nach Anspruch 28 in einer Tunneldiode, insbesondere in einer Siliziumgermanium- (SiGe) -Tunneldiode als Bauelement.
31. Verwendung eines SchichtSystems nach Anspruch 28, in einem Photodetektor als Bauelement.
32. Verwendung eines Schichtsystems nach Anspruch 28 in einem Laser, insbesondere in einem Quantenkas- kadenlaser auf Si-Ge-Basis als Bauelement.
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