制造III/VSi模板的方法

申请号 CN201280016643.4 申请日 2012-01-25 公开(公告)号 CN103548114B 公开(公告)日 2016-10-12
申请人 纳斯普III/V有限责任公司; 发明人 B.库纳特;
摘要 本 发明 涉及制造单片模板的方法,该模板包含Si晶片,在该Si晶片表面上 外延 施加有III/V 半导体 层,该III/V半导体的晶格常数与Si的相差小于10%,所述方法包括以下步骤:A)任选地,使Si晶片表面脱 氧 ,B)任选地,在脱氧的Si晶片表面上 外延生长 Si层,C)任选地,对该Si晶片表面或该Si层表面进行 烘烤 步骤和/或蚀刻步骤,D)在350‑650℃的晶片 温度 下,在该Si晶片表面上或者在步骤A)‑C)之一的过程中所形成的表面上外延生长III/V半导体层,生长速率是0.1‑2μm/h,层厚是1‑100nm,E)在500‑800℃的晶片温度下,在步骤D)所获得的层上外延生长与步骤D)所施加的III/V半导体相同或者不同的III/V半导体层,生长速率是0.1‑10μm/h,层厚是10‑150nm。
权利要求

1.一种制造单片模板的方法,所述模板包含Si晶片,在所述Si晶片表面上外延施加有III/V半导体层,所述III/V半导体的晶格常数与Si相差小于10%,所述方法包括以下步骤:
在步骤B)中,在600-1200℃的晶片温度,0.01-20μm/h的生长速率和0-5μm的层厚下,在Si晶片表面上外延生长Si层,该步骤B)是在步骤C)之前进行的,
在步骤C)中,将活性含Cl的气体以0-5μm/h的蚀刻速率在600-1200℃的晶片温度下以
0-60min的时间导过所述Si层表面,该步骤C)是在步骤D)之前进行的,
在步骤D)中, 在350-650℃的晶片温度下,在所述Si层表面上外延生长III/V半导体层,生长速率是0.1-2 μm/h,并且层厚是1-100nm,
在步骤D)后的步骤E)中,在500-800℃的晶片温度,0.1-10μm/h的生长速率和10-150nm的层厚下,外延生长与步骤D)所生长的III/V半导体相同或者不同的III/V半导体层。
2.根据权利要求1的方法,其中在步骤B)前进行步骤A),该步骤A)是通过在惰性气氛中烘烤到800到1200℃的晶片温度以1s-30min的时间来进行的。
3.根据权利要求1的方法,其中在步骤D)中,所述III/V半导体层是通过原子层沉积(ALD)外延生长的。
4.根据权利要求1的方法,其中所述Si晶片的所述表面是(001)Si表面,在方向<110>上偏离0-6°,其中在≤1°的位错处,所述位错的方向可以不同于方向<110>。
5.根据权利要求1的方法,其中在步骤D)中生长的III/V半导体是GaxByAlzP半导体,其中x=0-1,y=0-0.1和z=0-1,其中对于GaxByAlzP,x、y和z之和总是1。
6.根据权利要求1的方法,其中在步骤D)中生长的III/V半导体是GaNwPv半导体,其中w=
0-0.1和v=1-w。
7.根据权利要求1的方法,其中在步骤E)中生长的III/V半导体是GaxByAlzP半导体,其中x=0-1,y=0-0.1和z=0-1,其中对于GaxByAlzP,x、y和z之和总是1。
8.根据权利要求1的方法,其中在步骤E)中生长的III/V半导体是GaNwPv半导体,其中w=
0-0.1和v=1-w。
9.根据权利要求1的方法,其中在步骤D)中生长的III/V半导体在1015-1021 cm-3的掺杂浓度下与Zn、Te、S、C、Mg和/或Si掺杂。
10.根据权利要求1的方法,其中在步骤E)中生长的III/V半导体在1015-1021 cm-3的掺杂浓度下与Zn、Te、S、C、Mg和/或Si掺杂。
11.根据权利要求1的方法,其中所述Si晶片的直径大于6cm。
12.根据权利要求1的方法,其中所述Si晶片的直径大于10cm。
13.根据权利要求1的方法,其中所述Si晶片的直径大于20cm。
14.一种单片模板,其可通过根据权利要求1-13之一的方法获得。
15.根据权利要求14的模板的用途,其用于在Si基底上,单片集成III/V基半导体部件。
16.根据权利要求15的用途,其中所述Si基底具有直径大于6cm的掩模结构。
17.根据权利要求15的用途,其中所述Si基底具有直径大于10cm的掩模结构。
18.根据权利要求15的用途,其中所述Si基底具有直径大于20cm的掩模结构。
19.根据权利要求15的用途,其中所述部件选自晶体管、激光器二极管、LED、检测器和太阳能电池
20.根据权利要求15的用途,其中在步骤E)后,外延生长了另外III/V半导体层,并且形成了包含III/V半导体的电子部件。

说明书全文

制造III/V Si模板的方法

发明领域

[0001] 本发明涉及,优选在直至300mm(直径)和更大的基底上,分别制造III/V Si模板或白板的方法,涉及通过这样的方法制造的模板和涉及这样的模板的用途。
[0002] 发明背景和现有技术
[0003] 分别在计算机和微芯片工艺中的众多快速进步基于集成电路的单个部件的成功小型化。集成电路简单来说是用于数据加工的半导体部件和无源部件的电子连接,所述部件被制造在硅基底表面的薄晶体层中。集成的电子部件如晶体管、二极管电阻器和电容器的数量非常大。为了提高微芯片的性能并同时降低制造成本,在每一代新技术中,部件的组装密度都得以明显提高。集成电路的最重要的部件是硅基CMOS逻辑电路,其具有n-或p-MOS-FET晶体管(互补金属化物半导体)。具体地,过去几十年中,硅和二氧化硅的物理性能已经使得晶体管尺寸能够明显降低。相应地,微芯片开发中晶体管密度每24个月就能够翻倍。
[0004] 晶体管简单来说是通过外部栅电压(在控制电极处的电压)控制的电阻。这些部件的关键性能特征是高时钟率和运行中的低热耗散。迄今为止,这些性能特征能够通过晶体管的结构缩减来提高。但是,与此同时,单个部件的尺寸是如此小,以至于达到了基础的物理限度,并且进一步的微型化将不会导致改进。同时,除了硅和二氧化硅之外,在这个位置使用了新材料来制造集成电路,所述材料的物理性能导致了部件功能的改进。
[0005] 具体地,讨论了III/V半导体材料在CMOS工艺中的使用。III/V半导体晶体类由各50%的III族和V族的化学元素组成。各自化学元素的结合性能决定了III/V半导体化合物的电子和光学性能。因为在III/V半导体材料类中组成选择余地非常大,相应地可以实现非常不同的半导体部件。III/V半导体层在Si基集成电路上的集成允许一方面改进现有的功能性,如用于晶体管的III/V通道层的应用。另一方面,能够获得新的器件概念,如用于光学数据处理的III/V激光器二极管在微芯片平上的集成。
[0006] 用于改进集成电路性能而应用新材料的另一关键点是集成方法。其中不管新材料和/或器件概念,重要的是保持低制造成本。与混合集成方法(参见例如EP0297483)相反,III/V半导体层在Si基底上的单片生长是一种非常廉价的方法。这里将III/V半导体混合晶体直接与硅载体基底相连(参见仅作为例子的US5937274或PCT/DE2006/000140)。
[0007] 因为硅和III/V半导体不同的材料类别,对于单片连接来说必须考虑以下方面:硅和III/V类元素的原子结合性能非常不同,因此大部分III/V晶体的晶格常数不同于硅的晶格常数。该晶格常数的差异又将导致在Si上沉淀III/V膜过程中形成位错缺陷。此外,在硅和III/V晶体之间的界面处的相互扩散和/或在晶体生长过程中的污染效应可能会导致难以控制的在各自主晶(host crystal)中的掺杂。
[0008] 由Si和III/V晶体的不同的晶基引起了另一个问题:如果Si表面包含非原子双层步进Si叠层,则在III/V膜中将形成反相缺陷。从80年代开始,研究了III/V层在硅上的单片集成。基本上解决了上述在直至2英寸直径的小的Si基底上沉积III/V的难题,但是在具有与硅不同的晶格常数的III/V材料的集成过程中,位错的形成仍然使得实现具有足够寿命的高度有效的部件变得复杂化。
[0009] 因为硅和III/V混合晶体的不同的晶基,III/V层中的反相缺陷会在单片沉淀过程中快速形成。这些缺陷又削弱了部件的操作性能。反相缺陷的形成可以通过硅表面的特殊制备来避免。
[0010] 如果通过两个Si原子层的特殊的基底预处理双步骤(每个步骤制备一个Si原子层),则无反相缺陷的III/V集成是可能的。但是这种表面制备优选在轻微错位的[(001)在<110>方向上偏离2°-6°]基底上是可能的。在文献B.Kunert,I.Németh,S.Reinhard,K.Volz,W.Stolz,Thin Film Solid 17(2008) 140中,首次揭示了GaP在精确取向的基底上的无缺陷沉淀,但是该基底规格仍然要符合另外的要求:(001)在<110>方向上偏离(小于)<0.15°。
[0011] 因为现在的Si基 CMOS工艺非常复杂和先进,因此新材料的集成必须与CMOS制造方法非常精确地匹配。目前的CMOS方法的任何较大的干涉或变化都将显著增加开发成本。CMOS 标准Si基底在取向上的规格是(001)在任意方向上偏离+/-0.5。但是,CMOS技术向错位的[(001)在<110>方向上偏离2°-6°]基底的转化将是过于昂贵和不经济的,这归因于所述方法的重新调整。
[0012] 但是,(001)在<110>方向上偏离<0.15°的上述基底规格将落入CMOS方法的规格内。但是归因于这种小的错位,具体的晶片锯切方法是非常复杂和昂贵的,并且仍然是一个大的技术挑战。与此同时,在实际的CMOS工艺中,该Si基底尺寸是直径300mm(一些工厂用甚至更小的晶片来工作)。但是,具有在<110>方向上<0.15°的错位的300mmSi晶片的大规模制造将显著增加制造成本,并因此这些基底的应用在经济上将有问题。所以,对于CMOS方法而言,特别是在300mmSi基底上的无反相III/V集成是一个未解决的技术和经济问题。
[0013] 另一技术挑战是由硅和III/V半导体晶体化合物的不同热膨胀系数引起的。当集成方法中没有系统考虑晶格常数对于温度的不同依赖性时,在III/V层中形成可能会位错或者裂纹。对于大的基底直径,Si晶片甚至会受影响(晶片倒装)和形成弛豫缺陷。
[0014] 本发明的技术目标
[0015] 因此本发明的技术目标是提出一种制造具有最少位错缺陷、最少反相缺陷的单片III/V Si模板的方法,并且允许使用直径为200mm、300mm或更大的相对大的Si晶片,其任选地可以具有掩模结构。
[0016] 本发明的基本要点
[0017] 为了实现这个技术目标,本发明教导了一种制造单片模板的方法,该模板包含Si晶片,在该Si晶片表面上外延施加有III/V半导体层,该III/V半导体的晶格常数与Si的相差小于10%,所述方法包括以下步骤:A)任选地,使Si晶片表面脱氧,B)任选地,在脱氧的Si晶片表面上外延生长Si层,C)任选地,对该Si晶片表面或该Si层表面进行烘烤步骤和/或蚀刻步骤,D)在350-650℃的晶片温度下,在该Si晶片表面上或者在步骤A)-C)之一的过程中所形成的表面上外延生长III/V半导体层,生长速率是0.1-2μm/h,层厚是1-100nm,E)在500-800℃的晶片温度下,在步骤D)所获得的层上外延生长与步骤D)所施加的III/V半导体相同或者不同的III/V半导体层,生长速率是0.1-10μm/h,层厚是10-150nm。
[0018] 本发明因此包括一种在Si基底上结晶沉淀第IV族材料以及 III/V半导体化合物的特殊方法。这些Si基底具有200mm、300mm和更大的直径,并且任选地被借助于掩模结构化。该晶体沉淀或晶体生长分别典型地通过气相外延生长来进行。使用这种方法,也能够有目的地和理想地实现薄的无位错III/V半导体层在Si基底上的集成。
[0019] 在所述方法开始时,该Si基底可以在第一方法步骤中烘烤,来从表面除去二氧化硅。在接下来的步骤中,如果需要,可以沉淀硅缓冲层(silicon buffer)。取决于集成概念,该硅缓冲层可以是掺杂的。该具有或不具有另外的缓冲层的Si基底表面例如但不必需是专制备的,这取决于晶体位错(偏离或者正确地取向)。步骤D)和E)的沉淀在两个方法步骤中发生:首先在低温生长薄的III/V膜(步骤D)),然后将反应器温度显著升高,用于进一步的晶体沉淀(步骤E))。根据层厚和生长温度调整III/V层的组成,层厚以避免形成位错和裂纹或者尽可能的减少它们。
[0020] 与大部分其他的III/V混合晶体相反,薄的GaP层在Si基底上不形成位错缺陷地单片集成是可能的,因为所述两种晶体具有相似的晶格常数。因此GaP作为第一III/V成核层的施加在技术上是非常重要的,因为这也显著简化了具有不同晶格常数的材料的进一步的集成。这种GaP/Si模板因此可以用于在Si微电子上的非常不同的III/V材料和(电子)部件概念。目前,各种企业、协会和大学在研究在应用GaP/Si模板下的具体集成概念。
[0021] 本发明首次使得能够在精确的和位错的直径直至300mm的硅基底上沉淀几乎无位错的III/V半导体材料。在该方法设计中,还考虑了在III/V材料沉淀前,可以实现具有任意掺杂的硅缓冲层。这个步骤是特别有帮助的,以一方面优化基底表面,从而特别是对于掩模结构化方法来说允许选择性硅过度生长和对于常规CMOS金属化来说允许沉淀调整的Si接触层。300mm晶片的使用对应于当前的Si基CMOS工艺,因此在相应的晶片上的集成方法允许与CMOS工艺目前的发展现状的最大相容。
[0022] 此外,通过使用300mm基底,确保了制造成本的理想的成本有效性。具体地,因为该方法已经在与自动圆盘处理器相连的外延生长体系中实现,因此自动的基底转移是可能的。
[0023] 除了本发明在Si微工艺中的应用之外,III/V材料在大面积Si基底上的沉淀对于其他应用也是有利的。这里的目的是得益于这样的事实,即,Si基底与常规III/V基底相比廉价得多,并且也可以制造较大的基底圆盘。
[0024] 通过在Si基底上集成常规的III/V基部件,如LED、检测器或者太阳能电池,能够显著降低制造成本。在这一点上,使用位错的((001)在<110>方向上偏离2°-6°)Si基底也是可能的。
[0025] 具体地,描述了本发明的方法以下优选变体。
[0026] 该Si晶片的待涂覆表面优选是(001)Si表面,在方向<110>上具有0-6°,特别是0-2°的位错。另外该Si晶片可以具有掩模结构。对于≤1°的位错,该位错的方向可以不同于<
110>。
[0027] 步骤A)可以通过在惰性气氛中烧烤到从800到1200℃,特别是从900到1100℃,例如950-1050℃的晶片温度以1s-30min的时间,特别是1-30min的时间,例如5-15min的时间来进行。该惰性气氛可以是氮气或氢气。(总)气体压可以为50-1000mbar,优选100-300mbar。总气体流量可以为6-200l/min,特别是6-50l/min,例如40-50l/min。
[0028] 在步骤B)中,可以在600-1200℃,特别是725-1100℃,例如850-1050℃的晶片温度下生长该Si层,生长速率是0.01-20μm/h,特别是1-10μm/h,例如3-10μm/h,层厚是0-5 μm,特别是0.1-2 μm,例如0.5-1.5μm。在另外使用气态Si离析物(educt)下该惰性气氛可以是氮气或者氢气。任选地,进行了p-或者n-掺杂浓度是1015-1021 cm-3,例如1017-1021 cm-3,的B、Ga、P、Sb和/或As的掺杂。(总)气体压力可以是50-1000mbar,优选100-300mbar。总气体流量可以是6-200l/min,特别是6-50l/min,例如40-50l/min。
[0029] 在步骤C)中,惰性气体或保护性气体(例如N2或Ar)分别或者活性气体可以以0-5μm/h,优选0-2μm/h的蚀刻速率,在600-1200℃,特别是725-1100℃,例如850-1050℃的晶片温度下以0-60min,特别是0-15min,例如1-10min的时间导过表面。作为活性气体,可以使用例如HCl或氢气(其余的是例如氮气)。(总)气体压力可以是50-1000mbar,优选600-900mbar。总气体流量可以是6-200 l/min,特别是6-50 l/min,例如10-15 l/min。
[0030] 在步骤D)中,可以生长GaxByAlzP或GaNwPv半导体,其中x=0-1,y=0-0.1和z=0-1,或者w=0-0.1和v=1-w,特别是 x=1,y=0和z=0,其中对于GaxByAlzP,x、y和z之和总是1。晶片温度可以优选是400-625℃,特别是420-500℃。III/V 生长速率可以是0.1-2μm/h,特别是0.5-1.5个单层/秒,例如1个单层/秒。生长模式可以是连续的,优选通过流速调制外延生长(FME)和通过原子层沉淀(ALD),还可以用于所述层的通常或者专门另外描述。层厚优选是
2-50nm,特别是2-8nm。气体比例V/III可以是5-200,特别是10-150,例如50-70。(总)气体压力可以是50-1000mbar,优选50-500mbar,特别是50-150mbar。总气体流量可以是6-200 l/
15 21 -3 17 21 -3
min,特别是6-60 l/min,例如40-60 l/min。任选地,在10 -10  cm ,例如10 -10  cm 的p-或者n-掺杂浓度下进行Zn、Te、S、C、Mg和/或Si掺杂。但是该程序也可以无掺杂地来进行。
[0031] 在步骤E)中,可以生长GaxByAlzP或GaNwPv半导体,其中x=0-1,y=0-0.1和z=0-1,或者w=0-0.1和v=1-w,特别是 x=0-1,y=0-0.06和z=0-1,其中对于GaxByAlzP,x、y和z之和总是1。晶片温度可以优选是525-725℃,特别是650-700℃。III/V 生长速率可以是0.1-10μm/h,特别是0.5-5μm/h,例如2-2.5μm/h。层厚优选是30-100nm,特别是40-70nm。气体比例V/III可以是5-200,特别是10-100,例如10-30。(总)气体压力可以是50-1000mbar,优选50-
900mbar,特别是50-150mbar。总气体流量可以是6-200 l/min,特别是6-60 l/min,例如40-
60 l/min。任选地,在是1015-1021cm-3,例如1017-1021cm-3的p-或者n-掺杂浓度下进行Zn、Te、S、C、Mg和/或 Si的掺杂。但是该程序也可以无掺杂地来进行。
[0032] 本发明此外涉及一种可通过本发明的方法获得的单片模板。它还涉及这种模板的用途,其用于在Si基底上,特别是在直径大于6cm,优选大于10cm,特别是大于20cm的Si基底上,单片集成III/V基半导体层的部件,如晶体管、激光器二极管、LED、检测器和太阳能电池。在步骤E)之后,可以外延生长另外的III/V半导体层,并且可以形成包含III/V半导体的电子部件。
[0033] 在下面,借助于仅代表实施方案的非限定性实施例更详细地解释了本发明。
[0034] 实施例1:所用装置。
[0035] 晶体沉淀通过气相外延生长来进行。为此目的,需要外延生长系统,其允许在300mm(直径)Si基底上的晶体生长。此外,在该方法中基座的温度分布在径向上不同,以精确调整Si晶片的温度曲线。优选使用来自Aixtron的CCS(Close Couple Showerhead)Crius系统。
[0036] 所有所述的方法步骤都可以在单个外延反应器中进行。为了使得污染效应最小或者调整集成方法适应进一步的方法步骤,也可以使用两个外延反应器。其中,推荐在方法步骤C)和/或 D)之后有任选的基底转移。
[0037] 实施例2:分别所用的物质或气体。
[0038] 下面的离析物或前体分别可以用于该方法中:
[0039] 用于硅的离析物:硅烷、二氯硅烷、二硅烷、三硅烷、新五硅烷(neopenta-silane)、四氯硅烷(SiCl4)、二叔丁基硅烷(DitButSi)。
[0040] 用于镓的离析物:三乙基镓(TEGa)、三甲基镓(TMGa)、三叔丁基镓。
[0041] 用于的离析物:三乙基硼烷(TEB)、三叔丁基硼烷、二硼烷、硼烷-胺加合物,如二甲基-基硼烷。
[0042] 用于的离析物:三甲基铝(TMAl)、三叔丁基铝、胺加合物,如二甲基-氨基铝。
[0043] 用于磷的离析物:叔丁基膦(TBP)、膦。
[0044] 用于砷的离析物:叔丁基胂(TBA)、胂、三甲基胂(TMA)。
[0045] 用于锑的离析物:三乙基锑(TESb)、三甲基锑(TMSb)。
[0046] 用于掺杂III/V层的离析物:二乙基碲(DETe)、二甲基锌(DMZn)、二乙基锌(DEZn)、二叔丁基硅烷、硅烷、二叔丁基硫醚(di-tertiary-butyl-sulfide)、双环戊二烯基镁、四硼甲烷。
[0047] 含Cl的离析物:HCl、二氯硅烷、SiCl4。
[0048] 氮气或氢气被用作载气。
[0049] 下面的离析物是优选的:硅烷、二硅烷、二氯硅烷、HCl、TEGa、TEB、TMAl和TBP。优选的载气是氢气。
[0050] 实施例3:GaP在精确的(exact)硅上(001)。
[0051] 作为实施例,描述了薄的GaP层在300mm硅基底上的沉淀。在这个实施例中,Si基底是p-掺杂的和精确取向的。该GaP层为50nm厚,并且是在3*1018 cm-3范围内n-掺杂的。使用下面的离析物:硅烷、TEGa、TBP和DETe。
[0052] 将Si晶片借助于自动圆盘转移系统从Brooks转移到来自Aixtron的CCS Crius反应器中。将净化的氢气用作载气,而硅烷、TEGa、TBP和DETe可用作用于Si、Ga、P和Te的离析物。
[0053] 在第一步骤中,在10分钟的烘烤步骤(步骤A)中从基底表面上除去天然二氧化硅。反应器的压力是200mbar,总气体流量是48 l/min,晶片温度是1000℃。
[0054] 对于1μm厚Si缓冲层的沉淀(步骤B)),调整了下面的生长参数:反应器压力200mbar,总气体流量48 l/min,晶片温度900℃。在这些条件下,硅烷流量8.9E-4mol/min将导致生长速率为4μm/h。
[0055] 在缓冲层生长后,制备了硅表面(步骤C))。为此目的,向反应器中导入5min的5.4E-3mol/min的HCl流。该表面处理引发了双层步进(stepped)Si叠层(terrace)的形成,以使得反相缺陷的形成最小。反应器压力是700mbar,总流量是12 l/min。
[0056] GaP层接下来的成核再次使得生长条件的调整成为必要:步骤D)中晶片温度降低到450℃,和调整反应器压力为100mbar和总气体流量为48 l/min。III/V离析物的摩尔流量对于TEGa是2.52E-4mol/min和对于TBP是1.51E-2mol/min。在III/V成核的第一步骤中,向反应器中供给TBP 10秒钟(TBP预流)。接着是按照FME(流速调制外延生长)的GaP生长。这特别是意味着在TBP预流后,将下面的用于反应器的离析物转换次序重复几次:1s生长间断,没有离析物,-> 1s TEGa -> 1s生长间断,没有离析物,-> 1s TBP。这种转换循环重复22
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