Verfahren zur Herstellung von SGOI- und GeOI- Halbleiterstrukturen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von SGOI- und GeOI-Halbleiterstrukturen.

Stand der Technik

Im Stand der Technik werden SOI („Silicon on insulator")- Strukturen üblicherweise entweder durch den sog. SIMOX („Separation by ion implantation of oxygen" ) -Prozess oder mittels Layer Transfer-Verfahren hergestellt.

Beim SIMOX-Verfahren wird in ein Siliciumsubstrat Sauerstoff in hohen Dosen implantiert, dieses anschließend bei hohen Temperaturen (> 1200 ⁰ C) thermisch behandelt und oxidiert, um eine vergrabene Oxidschicht im Siliciumsubstrat zu erzeugen.

Beim Layer Transfer-Verfahren wird dicht unterhalb der

Oberfläche einer Siliciumscheibe (der sog. Donorscheibe) eine Trennschicht erzeugt. Bei der Trennschicht handelt es sich beispielsweise um eine Schicht mit Hohlräumen, die üblicherweise durch Implantation von Wasserstoff in diesen Bereich erzeugt wird. Die derart vorbereitete Donorscheibe wird dann mit einer zweiten Scheibe, der Trägerscheibe, verbunden („Bonding") . Anschließend wird die Donorscheibe entlang der Trennschicht gespalten. Dadurch werden eine oder mehrere Schichten der Donorscheibe auf die Trägerscheibe übertragen. Verfahren zur Herstellung von SOI-Scheiben mittels Layer

Transfer sind beispielsweise in EP 533551 Al, WO 98/52216 Al oder WO 03/003430 A2 beschrieben.

SIMOX- und Layer Transfer-Verfahren eignen sich auch zur Herstellung von SGOI („Silicon/Germanium on insulator")- und/oder GeOI ( „Germanium on insulator" ) -Strukturen:

US 2005/0153487 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines SGOI-Substrats, umfassend zwei Sauerstoff-Implantationen (High-dose & Low-dose) in ein Siliciumsubstrat bei Implantations-Energien von 100-220 keV, nachfolgender Abscheidung einer 10-500 nm dicken Germanium beinhaltenden Schicht (z.B. einer Silicium-Germanium (SiGe) -Schicht) auf dem Substrat und anschließender, aus mehreren Teilschritten bestehender, thermischer Behandlung des Substrats.

In Applied Physics Letters Vol. 79, Number 12, p. 1798-1800, T. Tezuka et al . wird berichtet, eine SiGe-Schicht mittels CVD („Chemical Vapour Deposition") auf einem SIMOX-Substrat abzuscheiden, anschließend in Sauerstoffatmosphäre einer thermischen Behandlung zu unterziehen, wodurch das Substrat oxidiert, die SiGe-Schicht somit nach unten und nach oben durch Siθ ₂ -Schichten, die für Germaniumatome eine Diffusionsbarriere darstellen, begrenzt ist, wodurch innerhalb der kondensierten SiGe-Schicht ein homogenes Germaniumprofil erzeugt wird. Nach Entfernen der oberen Siθ ₂ -Schicht ergibt sich ein versetzungsfreies SGOI-Substrat mit homogenem Germaniumprofil.

In US2005/0039100 Al ist ein Verfahren zur Erzeugung von SGOI- und GeOI-Strukturen beschrieben, bei dem durch Implantation von Wasserstoffionen einer Energie von 100 keV in eine oxidierte, Germanium beinhaltende Donorscheibe, Bonding an Trägerscheibe und anschließende thermische Behandlung eine GeOI-Struktur auf eine Trägerscheibe übertragen wird. Die dabei erzeugte GeOI- Scheibe umfasst eine Germaniumschicht, eine vergrabene SiO ₂ - Schicht, wobei sich zwischen Siθ ₂ -Schicht und Ge-Schicht eine Siliciumtrennschicht befindet.

Die im Stand der Technik bekannten Verfahren sind aufgrund der Verwendung von hochenergetischen Implantationstechnologien (Implantationsenergien Sauerstoff, Wasserstoff von 100-220 keV) sowie wegen zusätzlicher Prozessschritte, wie z.B. einem Bonding-Schritt beim Layer Transfer-Verfahren bzw. wegen sehr hoher Prozesstemperaturen relativ aufwändig und teuer.

Aufgabenstellung

Daher bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein wesentlich kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung von SGOI- und GeOI- HalbleiterStrukturen bereitzustellen.

Beschreibung

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von SGOI- und GeOI-Halbleiterstrukturen, umfassend a) Bereitstellen eines Substrats aus monokristallinem Silicium; b) Abscheiden einer Germaniumschicht auf dem Substrat, die aus wenigstens einer Atomlage Germanium besteht; c) Implantation von Sauerstoffionen in das mit einer Germaniumschicht versehene Substrat, wobei die Implantationsenergie größer oder gleich IeV und kleiner oder gleich lkeV beträgt; d) thermische Behandlung des Sauerstoffimplantierten Substrats bei einer Temperatur von größer oder gleich 600 ⁰ C und kleiner als 938°C.

Zunächst wird in Schritt a) ein Substrat aus monokristallinem Silicium bereitgestellt.

Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine polierte

Siliciumscheibe, die gemäß Stand der Technik durch Ziehen eines Silicium-Einkristalls, Abtrennen einer Scheibe von diesem Einkristall, mechanische Bearbeitungsschritte wie Schleifen oder Läppen, Reinigungs- und ätzschritte sowie Glättung der Scheiben-Oberfläche durch Polieren, hergestellt wird.

Auf dieses Substrat wird anschließend in Schritt b) eine Germaniumschicht abgeschieden. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gemäß Stand der Technik. Die abgeschiedene Germaniumschicht umfasst wenigstens eine Atomlage Germanium.

Die Germaniumschicht kann entweder pseudomorph abgeschieden werden oder als relaxierte Schicht.

Um eine pseudomorphe Schicht zu erhalten, muss je nach gewählter Abscheidetemperatur die jeweilige kritische Dicke bei jener Abscheidetemperatur unterschritten werden.

In der Literatur wird berichtet, dass die kritische Dicke für pseudomorphes Wachstum von Germanium auf Silicium bei d < d _crit , mit d ~ 2 - 4 nm liegt. (J.W. Matthews, A.E. Blakeslee in J.Crystal Growth, 27, (1974) 118)

Vorzugsweise ist die Dicke der abgeschiedenen Germaniumschicht kleiner als jene kritische Dicke für pseudomorphes Wachstum von Germanium auf Silicium. Dadurch wird vermieden, dass Relaxationsvorgänge zu Versetzungen in der Ge-Schicht führen.

Es können aber auch dickere Schichten abgeschieden werden. Dabei kommt es zu einer zumindest teilweisen Relaxation der Germaniumschicht .

In Schritt c) werden Sauerstoff-Ionen in das mit einer Germaniumschicht versehene Substrat implantiert. Die Implantationsenergie liegt bei IeV - lkeV.

Vorzugsweise beträgt die Implantationsenergie IeV - 50OeV.

Die Implantationsdosis beträgt vorzugsweise größer oder gleich IxIO ¹⁴ cm ^"2 und kleiner oder gleich IxIO ¹⁷ cm ^"2 . Sie wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der gewünschten End-Oxiddicke nach thermischer Behandlung gewählt.

Dabei werden die Sauerstoff-Ionen oberflächennah und vorzugsweise nur bis in eine Tiefe von größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 30 nm unterhalb der Substratoberfläche implantiert .

Zusätzlich wird die Implantationsrichtung vorzugweise so gewählt, dass die Wechselwirkung des Sauerstoff mit dem Germanium-Gitter möglichst gering wird. Dies ist bei Implantation entlang der <110> Richtung erfüllt. („Channeling Effekt") .

Die genauen Implantationsbedingungen werden darüber hinaus dabei vorzugsweise so gewählt, dass sich in der über dem Siliciumsubstrat bereits abgeschiedenen Germaniumschicht keine Implantationsbedingten Defekte zeigen. Dabei wird auch der Effekt genutzt, dass Germanium mit Sauerstoff bei niedrigen Implantationsenergien elastisch wechselwirkt.

So ist eine zusätzliche Heizung des Siliciumsubstrats bei Temperaturen von 200 ⁰ C oder weniger während der Implantation bevorzugt, um die Bildung von Implantationsdefekten noch stärker zu unterdrücken.

Im Anschluss an die Sauerstoffimplantation wird vorzugsweise eine dünne Siliciumschicht („Deckschicht") auf der

Germaniumschicht abgeschieden. Dies erfolgt vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) .

Die Dicke der abgeschiedenen Siliciumschicht beträgt vorzugsweise größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich

100 nm, ganz besonders bevorzugt größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 50 nm.

Diese Deckschicht hat die Funktion, die dünne Germaniumschicht vor bzw. während der nachfolgenden thermischen Behandlung zu schützen, erleichtert die Handhabung der Siliciumscheibe und ermöglicht die Wahl eines breiteren Prozessfensters bei der nachfolgenden thermischen Behandlung.

Weiterhin wird das mit einer Germaniumschicht versehene und Sauerstoff-implantierte Substrat in Schritt d) einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur von größer oder gleich 600 ⁰ C und kleiner als 938 ⁰ C unterzogen.

Die Behandlungstemperatur liegt vorzugsweise bei größer oder gleich 650 ⁰ C und kleiner oder gleich 800 ⁰ C.

Die Dauer der thermischen Behandlung liegt vorzugweise bei weniger als 1 Stunde, typischerweise bei 10-30 Minuten.

Durch diese thermische Behandlung diffundiert der Sauerstoff bis an die Germanium-Grenzfläche. Dort wird die Sauerstoff- Diffusion gestoppt, da die Germaniumschicht eine Diffusionsbarriere darstellt.

Es bildet sich durch Phasenumwandlung eine Siθ ₂ -Oxidationszone direkt unterhalb der vorzugsweise pseudomorphen Ge-Schicht.

Die Dicke der Oxidationszone (End-Oxiddicke) liegt dabei vorzugsweise bei 30 nm oder weniger, besonders bevorzugt bei 10 nm oder weniger.

Die Germaniumschicht bleibt strukturell erhalten, da sich Germanium wesentlich schlechter als Silicium oxidieren läßt, und ausserdem eine sehr niedrige Diffusivität aufweist.

Nach, der thermischen Behandlung in Schritt d) wird, falls zuvor eine Silicium-Deckschicht abgeschieden wurde, diese vorzugsweise wieder entfernt. Dadurch bildet sich eine GeOI- Scheibe.

Wird die Silicium-Deckschicht nicht enfernt, was ebenfalls bevorzugt ist, entsteht eine SGOI-Scheibe.

Wurde vor der thermischen Behandlung in d) keine Silicium- Deckschicht abgeschieden, führt das beschriebene Verfahren ebenfalls zu einer GeOI-Scheibe .

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer SGOI-Halbleiterstruktur, umfassend a)

Bereitstellen eines Substrats aus monokristallinem Silicium; b) Abscheiden einer Germaniumschicht auf dem Substrat, die aus wenigstens einer Atomlage Germanium besteht; c) Implantation von Sauerstoffionen in das mit einer Germaniumschicht versehene Substrat, wobei die Implantationsenergie größer oder gleich 1 eV und kleiner oder gleich 1 keV beträgt; d) Abscheiden einer Deckschicht aus monokristallinem Silicium auf der Germaniumschicht; e) thermische Behandlung des Sauerstoffimplantierten Substrats bei Temperaturen von größer oder gleich 900 ⁰ C und kleiner oder gleich 1300 ⁰ C.

Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Verfahren im wesentlichen durch das Abscheiden einer Silicium- Deckschicht auf dem Substrate in Schritt d) und durch eine modfizierte thermische Behandlung in Schritt e) .

In diesem Fall erfolgt nämlich die thermische Behandlung derart, dass sich die Germaniumschicht während der thermischen Behandlung, vorzugsweise gegen Ende der thermischen Behandlung, ganz auflöst und sich schließlich eine SGOI-Scheibe bildet.

Zunächst wird in Schritt a) ein Substrat aus monokristallinem Silicium bereitgestellt.

Auf dieses Substrat wird anschließend in Schritt b) eine

Germaniumschicht abgeschieden. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine chemische GasphasenabScheidung (CVD) gemäß Stand der Technik. Die abgeschiedene Germaniumschicht umfasst wenigstens eine Atomlage Germanium.

Die Germaniumschicht kann entweder pseudomorph abgeschieden werden oder als relaxierte Schicht.

Um eine pseudomorphe Schicht zu erhalten, muss je nach gewählter Abscheidetemperatur die jeweilige kritische Dicke bei jener Abscheidetemperatur unterschritten werden.

Vorzugsweise ist die Dicke der abgeschiedenen Germaniumschicht kleiner als jene kritische Dicke für pseudomorphes Wachstum von Germanium auf Silicium.

Es können aber auch dickere Schichten abgeschieden werden. Dabei kommt es zu einer zumindest teilweisen Relaxation der Germaniumschicht .

In Schritt c) werden Sauerstoff-Ionen in das mit einer Germaniumschicht versehene Substrat implantiert. Die Implantationsenergie liegt bei IeV - lkeV.

Vorzugsweise beträgt die Implantationsenergie IeV - 50OeV.

Die Implantationsdosis beträgt vorzugsweise größer oder gleich IxIO ¹⁴ cm ^"2 und kleiner oder gleich IxIO ¹⁷ cm ^"2 . Sie wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der gewünschten End-Oxiddicke nach thermischer Behandlung gewählt.

Dabei werden die Sauerstoff-Ionen oberflächennah und vorzugsweise nur bis in eine Tiefe von größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 30 nm unterhalb der Substratoberfläche implantiert .

Anschließend wird in Schritt d) eine Siliciumschicht („Deckschicht") auf der Germaniumschicht abgeschieden. Dies erfolgt vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) .

Die Dicke der abgeschiedenen Siliciumschicht beträgt vorzugsweise größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm, ganz besonders bevorzugt größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 50 nm.

In e) erfolgt eine thermische Behandlung des mit einer Germaniumschicht und einer Silicium-Deckschicht versehenen, Sauerstoff-implantierten Substrats bei Temperaturen von 900- 1300 ⁰ C.

Vorzugsweise erfolgt die thermische Behandlung durch einen Temperaturverlauf, bei der sich die Behandlungstemperatur gegen Ende der thermischen Behandlung der Schmelztemperatur von Germanium (938 ⁰ C) annähert oder aber diese deutlich überschreitet, also bis zu einer Temperatur von 1300 ⁰ C erfolgt, und dadurch zu einer beschleunigten Ausdiffusion des Germaniums führt .

Vorzugsweise wird bei dieser thermischen Behandlung die Temperatur um kleiner oder gleich 100 ⁰ C pro Minute, ganz besonders bevorzugt um 10-50 ⁰ C pro Minute, erhöht ( „Anneal- Rampe") .

Auch hier bildet sich zunächst durch Phasenumwandlung eine SiO ₂ -Oxidationszone unterhalb der Germaniumschicht. Die Sauerstoff-

Diffusion wird auch in diesem Fall an der Grenzfläche Germanium/Silicium gestoppt.

Zusammenfassend erfordern die beschriebenen Verfahren im wesentlichen jeweils nur einen relativ einfachen

Epitaxieschritt (Abscheiden von Germanium bzw. Abscheiden einer Silicium-Deckschicht) sowie einen niederenergetischen Implantationsschritt (IeV - lkeV) und sind damit erheblich kostengünstiger und somit wirtschaftlicher als die bisher für die Erzeugung von GeOI- bzw. SGOI-Strukturen verwendeten Technologien .

Auf die SiGe- bzw. Ge-Schichten der SGOI- und/oder GeOI- Strukturen werden vorzugsweise epitaktische Schichten aufgebracht (z.B. epitaktische Schichten aus SiGe und/oder Ge, um die entsprechenden Schichtdicken zu erhöhen) . Derartige SiGe- bzw. Ge-Oberflachen dienen vorzugsweise als einkristalline Templates für weiteres epitaktisches Wachstum z.B. von III-V-Halbleitern wie GaAs oder GaN.

Beispiel

In einem ersten Prozess-Schritt wird auf einer monokristallinen Siliciumscheibe eine defektfreie isomorphe Germaniumschicht in einem CVD-Reaktor abgeschieden. Dazu wird eine mittels Flusssäure gereinigte Siliciumscheibe in den Reaktor geladen, in Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von T = 850 ⁰ C („Low-temp bake") aufgeheizt, anschließend auf eine Prozesstemperatur von 400 ⁰ C abgekühlt und schließlich eine

Germaniumschicht von 4 nm Dicke mittels des Abscheidegases GeH ₄ abgeschieden .

In einem zweiten Prozessschritt erfolgt eine Sauerstoff- Implantation. Dazu wird die Ge/Si-Scheibe in eine Plasma-Kammer

geladen, anschließend Sauerstoff in eine oberflächennahe Schicht bei einer Ionenenergie von 100 eV und einer Dosis von 1.5xlO ¹⁶ cm ^"2 implantiert.

Dabei wird ein Sauerstoffprofil eingestellt, bei dem Sauerstoff bis in eine Tiefe von etwa 10 nm unterhalb der Scheibenoberfläche implantiert wird. Die

Sauerstoffkonzentration beträgt 5xlO ¹⁶ cm ^"3 in der Sauerstoffimplantierten Schicht.

Im nächsten Prozessschritt wird eine Siliciumschicht abgeschieden. Dabei wird die Sauerstoff-implantierte Ge/Si- Scheibe in eine CVD-Anlage geladen und eine Siliciumschicht einer Dicke von 50 nm bei einer Temperatur von T = 500 ⁰ C und SiH ₄ als Siliciumquelle abgeschieden wird.

Im nächsten Schritt erfolgt eine thermische Behandlung in einem Temperofen bei einer Temperatur von 850 ⁰ C für die Dauer von 2 min.

Anschließend wird die Siliciumschicht in einem nasschemischen ätzprozess entfernt. Dabei entsteht eine GeOI-Scheibe .

Alternativ erfolgt die thermische Behandlung in einem Temperofen für die Dauer von 10 min und einer Anneal-Rampe von 900 ⁰ C bis 1100 ⁰ C. Dies entspricht der modifizierten thermischen Behandlung, bei der sich die Germaniumschicht gegen Ende der Behandlung vorzugsweise ganz auflöst. Die Silicium-Deckschicht wird in diesem Fall nicht entfernt. Dabei entsteht eine SGOI- Scheibe.

Die Dicke des Oxids wurde mittels Ellipsometrie gemessen und betrug 10 nm ± 1.5 nm. Die Durchbruchfeidstärke des Oxids wurde mittels elektrischer Testung bestimmt und betrug 8 MV/cm.

Figuren

Die Erfindung soll nun anhand der Figuren 1 bis 3 veranschaulicht werden.

Fig. 1 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer SGOI- bzw. einer GeOI-Scheibe.

Fig. 2 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer GeOI-Scheibe.

Fig. 3 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer SGOI-Scheibe mittels modifizierter thermischer Behandlung.

Fig. 1 a)-f) zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung von SGOI- und GeOI-Scheiben. Zunächst wird in Schritt (a) ein Substrat 1 bereitgestellt. Auf Substrat 1 wird in Schritt b) eine Germaniumschicht 2 abgeschieden. In Schritt c) werden Sauerstoffionen in eine Region 3 von Substrat 1 implantiert. In Schritt d) wird auf Germaniumschicht 2 eine Silicium-Deckschicht 4 abgeschieden. In e) erfolgt eine thermische Behandlung, dabei bildet sich eine Oxidschicht 3a innerhalb von Substrat 1 und es entsteht eine SGOI-Scheibe. Im optionalen Schritt f) wird die Deckschicht 4 entfernt und es ergibt sich eine GeOI-Scheibe.

Fig. 2 a)-d) zeigt den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer GeOI-Scheibe. In Schritt a) wird Substrat 1 bereitgestellt. In b) wird eine Germaniumschicht 2 auf Substrat 1 abgeschieden. In c) werden Sauerstoffionen in eine Region 3 von Substrat 1 implantiert. In d) erfolgt eine thermische Behandlung, es bildet sich eine Oxidschicht 3a innerhalb von Substrat 1 und es entsteht eine GeOI-Scheibe.

Fig. 3 a)-β) zeigt den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer SGOI-Scheibe mittels modfifizierter thermischer Behandlung. In a) wird Substrat 1 bereitgestellt. In b) wird auf Substrat 1 eine Germaniumschicht 2 abgeschieden. In c) werden Sauerstoffionen in eine Region 3 von Substrat 1 implantiert. In d) wird auf Germaniumschicht 2 eine Silicium- Deckschicht 4 abgeschieden. In e) erfolgt eine thermische Behandlung in einer Anneal-Rampe von 900-1300 ⁰ C, dabei bilden sich eine Oxidschicht 3a innerhalb von Substrat 1, eine SiGe- Schicht 5, die sich aus der ursprünglichen Germaniumschicht 2 und einem Teil von Deckschicht 4 bildet. Der verbleibende Teil 4a der Deckschicht wird nicht entfernt. Dadurch entsteht eine SGOI-Scheibe.