Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, insbesondere einer Halbleiterstruktur für die Optoelektronik.

Aus Mangel an großflächigen, einkristallinen Substraten werden Hochleistungs- bzw. optoelektronische Bauelemente aus Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (auch: wide-band- gap-Halbleiter) - wie z.B. GaN, AlGaN oder InGaN -, heute oft heteroepitaktisch auf geeigneten Fremdsubstraten wie z.B. einkristallinem Sapphir oder Siliciumcarbid hergestellt.

Solche Fremdsubstrate können allerdings für die Funktion der darauf hergestellten Bauelemente nachteilige Eigenschaften besitzen. Einige dieser Probleme sind aus CA. Tran et al . , Journal of Crystal Growth 298 (2007) 722 bekannt. Sapphir hat im Vergleich zu anderen Materialien eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, was dazu führt, dass die Verlustwärme in darauf hergestellten Hochleistungs- bzw. optoelektronischen Bauelementen nur schlecht abgeführt werden kann, was die Bauelementfunktion nachteilig beeinflusst. Außerdem ist bekannt, dass LED-Strukturen, die zunächst auf Sapphir erzeugt wurden, anschließend aber auf ein Substrat aus einer Metall- Legierung übertragen werden, günstigere Eigenschaften hinsichtlich des Wirkungsgrades besitzen.

Die Verwendung von Siliciumcarbid (SiC) als Substrat löst aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit das Verlustwärme- Problem. Allerdings stehen nur wenige Verfahren zur Verfügung, SiC kostengünstig und auf größeren Substraten zu erzeugen. BuIk-SiC Substrate stehen nur bis zu einem Durchmesser von 100 mm zur Verfügung.

US6328796 offenbart ein alternatives Verfahren, bei dem eine 3C-SiC Schicht durch Karbonisieren der Oberfläche einer Siliciumscheibe, die als Donorscheibe dient, erzeugt, die SiC- Schicht der Silicium-Donorscheibe anschließend auf eine Trägerscheibe aus polykristallinem SiC gebondet und nachfolgend der Rest der Silicium-Donorscheibe entfernt wird, um die SiC- Schicht freizulegen. Polykristallines SiC als Substrat zu verwenden hat den Vorteil, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GaN und SiC im Gegensatz zu Silicium relativ nahe beieinander liegen. Dies kann für weitere thermische Behandlungsschritte von Vorteil sein.

Aus WO03/034484 ist ein weiteres Verfahren bekannt, mit dem sich mittels Ionenstrahlsynthese („Ion beam synthesis", IBS) dünne, einkristalline Siliciumcarbidschichten des Polytyps 3C auf Siliciumsubstraten erzeugen lassen (IBS 3C-SiC on Silicon). Die Erzeugung der SiC Schicht erfolgt in diesem Verfahren durch Implantation von Kohlenstoffionen in ein Siliciumsubstrat , thermischer Behandlung und Abtragen der durch die Ionenimplantation beschädigten Teile des Siliciumsubstrats .

Die Oberfläche der derart freigelegten SiC Schicht lässt sich mittels chemo-mechanischer Politur auf eine Rauhigkeit von weniger als 0 , 5nm polieren, vgl. EP 1 727 190 Al, so dass sich anschließend GaN epitaktisch aufwachsen lässt.

In WO98/14986 ist ein Verfahren offenbart, mit dem sich zwei Materialschichten durch Bestrahlung der Grenzfläche dieser Materialschichten mit elektromagnetischer Strahlung trennen lassen. Die Trennung beruht dabei auf der thermischen Zersetzung einer der beiden Materialschichten nahe der Grenzfläche. In der Praxis lässt sich dieses Verfahren dazu nutzen optoelektronische Bauelemente aus GaN bzw. InGaN auf Sapphir herzustellen, und nachfolgend das Sapphirsubstrat durch

thermische Zersetzung des GaN bzw. InGaNs nahe der Grenzfläche zwischen Sapphir und GaN bzw. InGaN abzutrennen.

Nachteilig an diesem Laser-Lift-Off-Verfahren ist die Einschränkung auf Materialsysteme, welche sich unter Einfluss elektromagnetischer Strahlung bzw. durch thermische Einwirkung zersetzen. Des Weiteren erfordert dieses technologisch komplexe Verfahren den Einsatz von intensiven Lasern mit Wellenlängen, die energetisch oberhalb der Bandlücke der eingesetzten wide- band-gap-Halbleiter liegen.

Aus der beschriebene Problematik ergab sich die

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, die darin besteht, qualitativ hochwertige epitaktische Schichten für die Optoelektronik zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Verfahren vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, umfassend Bereitstellung einer SC-SiC-Halbleiterschichtstruktur, beinhaltend eine durch Implantation von Kohlenstoff in Silicium erzeugte monokristalline 3C-SiC-Schicht auf einem ersten Substrat aus Silicium, Aufbringen einer zur Erzeugung von optoelektronischen Bauelementen geeigneten epitaktischen Schicht eines Nitridverbindungshalbleiters auf die 3C-SiC

HalbleiterschichtStruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die epitaktische Schicht eines Nitridverbindungshalbleiters auf ein zweites Substrat übertragen wird, indem die Nitridschicht auf eine Oberfläche des zweiten Substrats gebondet und die Silicium und SiC enthaltenden Schichten der 3C-SiC-

Halbleiterschichtstruktur mechanisch oder chemisch abgetragen werden, wobei es sich beim zweiten Substrat um eine Metalllegierung mit hoher Reflektivität von größer oder gleich 80% oder um ein weitgehend transparentes Substrat handelt.

Die Erfinder haben erkannt, dass auch bei z.B. mit GaN epi tdxifcix teil SiC-SLi ukLui. ^" eri das Siliciuϊu oder das poly SiC- Substrat nachteilige Eigenschaften aufweisen, da auch in diesem Fall bei einer in der GaN-Schicht hergestellten Leuchtdiode (LED) ein Teil der emittierten Strahlung vom Substrat absorbiert und somit der Wirkungsgrad gemindert wird.

Unter den verschiedenen zur Verfügung stehenden Verfahren zur Erzeugung von Siliciumcarbidschichten wird die Ionenstrahlsynthese verwendet, da die auf 3C-SiC erzeugten epitaktischen Schichten besonders gute Eigenschaften aufweisen und die Herstellung vergleichsweise günstig ist. So weist IBS- SiC beispielsweise keine Micropipes auf, die in der Optoelektronik als besonders kritisch angesehen werden, zumal sie zu einem Totalausfall von LEDs führen. Außerdem sind die dabei verwendeten Substrate, z.B. Siliciumscheiben, auch in größeren Durchmessern als 100mm verfügbar, aktuell bis zu 300mm. Siliciumscheiben mit Durchmessern von 450mm sind in der Entwicklung.

IBS 3C-SiC hat gegenüber mittels anderer Verfahren erzeugter 3C-SiC-Strukturen sowie gegenüber SiC anderer Polytypen wie 4H und 6H auch den Vorteil, dass es sich allein durch eine CMP- Politur ausreichend glätten und somit für einen nachfolgenden Epitaxieschritt vorbereiten lässt.

Daher wird das 3C-SiC Substrat bevorzugt dadurch erzeugt, dass Kohlenstoffionen in ein Siliciumsubstrat implantiert werden, das Siliciumsubstrat thermisch behandelt wird, wodurch sich in einer bestimmten Tiefe des Siliciumsubstrat eine vergrabene monokristalline Schicht aus 3C-SiC ausbildet, nachfolgend die oberen Schichten des Siliciumsubstrats abgetragen werden, bis die monokristalline 3C-SiC-Schicht freigelegt ist und anschließend eine Oberfläche der freigelegten 3C-SiC-Schicht chemo-mechanisch poliert wird.

Der Begriff Siliciumscheibe soll alle Silicium beinhaltenden

Schβxbeii , U.ϊ-θ Sich dάZ u θXQ ^' ϊlöϊϊ , CiU ϊT C Il Implantation VOiI

Kohlenstoff vergrabene Siliciumcarbidschichten zu erzeugen, umfassen.

Es ist bekannt, dass sich hierfür Siliciumscheiben eignen, die eine Kristallorientierung (100) , (110) oder (111) aufweisen und entweder aus FZ (Floatzone)- oder aus CZ (Czochralski) - gewachsenen Kristallen hergestellt wurden.

Die verwendeten Siliciumscheiben weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 50mm, 100mm, 150mm, 200mm, 300mm oder 450mm auf .

Durch die Implantation von Kohlenstoffionen in eine

Siliciumscheibe, die vorzugsweise unter einem Winkel von 0-20° zu einer Oberflächennormale der Siliciumscheibe erfolgt, und die nachfolgende thermische Behandlung, die vorzugsweise bei einer Temperatur von 1050-1400 ⁰ C für eine Dauer von 2-20 Stunden erfolgt, bilden sich in der Siliciumscheibe eine vergrabene monokristalline 3C-SiC-Schicht sowie nichtkristalline übergangsregionen oberhalb und unterhalb dieser Siliciumcarbidschicht . Die übergangsregionen beinhalten SiC-Präzipitate verschiedener Polytypen, amorphes polykristallines SiC und Silicium. Die obere übergangsregion umfasst außerdem eine Vielzahl implantationsbedingter Defekte.

Er erfolgt nur ein einziger Implantationsschritt. Insbesondere ist im Gegensatz zu WO03 /034484 keine zweite Ionenimplantation von z.B. Heliumionen vorgesehen, um eine Damageschicht zu erzeugen.

Die Implantation von Kohlenstoffionen erfolgt vorzugsweise unter einem flachen Winkel, um einen Gitterführungseffekt (das sog. Channeling) zu unterdrücken. Daher ist es besonders bevorzugt, die Kohlenstoffionen unter einem Winkel von 1-10° zu einer Oberflächennormale der Siliciumscheibe zu implantieren.

Die obere Siliciumschicht sowie die über der vergrabenen monokristallinen 3C-SiC Schicht liegende nichtkπstaiiine übergangsregion werden anschließend entfernt, vorzugsweise mittels eines geeigneten chemischen ätzschrittes, durch Gasphasenätzen oder reaktivem Ionenätzen, mittels thermischer Oxidation und nachfolgendem ätzen oder auch durch mechanische bzw. chemisch-mechanische Abtragsprozesse wie Schleifen, Läppen oder Polieren.

Dadurch wird die vergrabene monokristalline 3C-SiC-Schicht freigelegt .

Die 3C-SiC-Schicht wird dann vorzugsweise mit einem Slurry, das Kolloid-Silicat (Kieselerde) beinhaltet, chemo-mechanisch poliert. Vorbehandlungen der freigelegten 3C-SiC-Schicht vor der CMP-PoIitur sind nicht vorgesehen. Insbesondere sind mechanische Vorpolitur und thermische Oxidation in Kombination mit der CMP-Politur nicht vorgesehen und auch nicht bevorzugt.

Die Polierzeit beträgt vorzugsweise weniger als 30 min.

Besonders bevorzugt ist eine Polierzeit von weniger als 15 min.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Polierzeit von weniger als 5 min .

Die CMP-Politur erfolgt vorzugsweise bei einer Drehzahl eines Poliertellers von 10-100 min ^"1 .

Die CMP-Politur wird vorzugsweise bei einem Polierdruck von größer oder gleich 0,05 bar und kleiner oder gleich 1,0 bar durchgeführt, besonders bevorzugt bei 0,05-0,4 bar und ganz besonders bevorzugt 0,05-0,2 bar.

Ein pH-Wert des verwendeten Slurry kann durch Zugabe beispielsweise von Natronlauge (NaOH) zum Slurry eingestellt werden und beträgt vorzugsweise ph 8-11.

Die CMP-Politur erfolgt vorzugsweise bei einer Poliertemperatur vvoonn 2z0u--600U°~Cι~,, büeessüonndueerrye buteivvυuxrzzuyL ύθi ^υ-4u ^w t üixu. y ^~ α.I ^" ±:ώ jCiβöünαβra bevorzugt bei Raumtemperatur.

Durch die CMP-Politur wird die freigelegte

Siliciumcarbidoberflache vorzugsweise bis auf eine Rauhigkeit von kleiner oder gleich 0,5nm RMS geglättet.

Es können niedrige Rauhigkeitwerte bis zu 0,lnm RMS erreicht werden.

Auf eine Oberfläche der 3C-SiC-Schicht wird anschließend eine epitaktische Schicht aus einem Nitridverbindungshalbleiter abgeschieden .

Die epitaktische Schicht besteht vorzugsweise aus einem Nitridverbindungshalbleiter, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, Indiumnitrid, Galliumaluminiumnitrid und Galliumindiumnitrid, oder um eine Schichtstruktur, umfassend einen oder mehrere Nitridverbindungshalbleiter .

Die Verwendung von Zinkoxid ist ebenfalls bevorzugt. Allerdings ist dieses Material relativ teuer.

Dabei resultiert vorzugsweise eine Schichtstruktur, umfassend eine einen Nitridverbindungshalbleiter beinhaltende epitaktische Schicht, eine monokristalline 3C-SiC-Schicht , eine nichtkristalline übergangsregion sowie den verbleibenden Silicium-Rest der Siliciumscheibe .

Daraufhin wird die z.B. aus einem Nitridverbindungshalbleiter bestehende epitaktische Schicht auf ein zweites Substrat übertragen .

Das zweite Substrat dient dazu, sonst auftretende Absorptionsverluste zu vermindern und insgesamt einen höheren

Licht-Output als bei herkömmlichen GaN-LEDs auf Sapphir oder SiC-Substracen zu gewährleisten.

Das zweite Substrat ist vorzugsweise metallisch und weist eine Reflektivität von 80% oder höher, besonders bevorzugt eine Reflektivität von 90% oder höher auf.

Es eignet sich jedoch auch transparentes oder semitransparentes Substrat mit einem Transmissionskoeffizienten von 50% oder höher, besonders bevorzugt 80% oder höher und ganz besonders bevorzugt 90% oder höher.

Beim zweiten Substrat handelt es sich vorzugsweise um eine Metalllegierung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Substrats aus einer Kupferlegierung.

Ebenfalls geeignet sind Ag, Al und Au (Silber, Aluminium, Gold) .

Geeignet ist auch die Verwendung eines Substrats, das transparentes oder semi-transparentes Material beinhaltet.

Dabei kann es sich zum Beispiel um ein Glassubstrat handeln.

Auf dem Glassubstrat kann sich eine transparente Oxidschicht befinden. Besonders bevorzugt ist Indium-Zinn-Oxid.

Bevorzugt sind auch Substrate oder Schichten, die elektrisch leitfähig sind und aus einem Material bestehen, das einen hohen Transmissionskoeffizienten für die von den auf der Nitridschicht erzeugten LED-Chips emittierte elektromagnetische Strahlung aufweist. Insbesondere eignen sich Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder Zinkoxid.

Ebenfalls bevorzugt sind transparente KunststoffSubstrate oder auch transparenten, strukturierte Substrate.

Die übertragung der epitaktischen ScjhichL erfolgt vorzugsweise durch Bonden der gesamten epitaxierten 3C-SiC-Schichtstruktur mit ihrer epitaxierten Oberfläche auf das zweite Substrat und anschließendem Abtragen aller Schichten der 3C-SiC-

Schichtstruktur, die Silicium oder Siliciumcarbid beinhalten, so dass nur noch die zuvor epitaktisch abgeschiedene Schicht (Nitrid) auf dem zweiten Substrat verbleibt.

Das Abtragen der Schichten erfolgt durch mechanische Prozesse wie Schleifen, Läppen oder Polieren oder durch nass- und trockenchemische ätzprozesse wie z.B. mit TMAH (Tetramethlyammoniumhydroxid) .

Besonders bevorzugt ist es, die Silicium oder Siliciumcarbid enthaltenden Schichten bereits vor dem übertragen der epitaktischen Schicht auf das zweite Substrat zu entfernen, wobei sich auch hierfür mechanische, chemische oder eine Kombination aus mechanischen und chemischen Prozessen eignen.

In diesem Fall wird jedoch zuvor eine Trägerscheibe oder eine Folie (z.B. Karbon) auf die epitaktische Schicht der Schichtstruktur geklebt. Zur Befestigung eignet sich beispielsweise ein Wachs oder ein Harz (Befestigungsmittel) . Es sollte sich um Material handeln, dass sich später in einem Lösungsmittel wie z.B. in Aceton relativ leicht lösen lässt.

Besonders bevorzugt ist es, zunächst eine elektrisch leitfähige reflektierende Schicht aus einem metallischen Material auf die GaN-Schicht aufzubringen. Dazu eignen sich beispielsweise Ag, Al oder Au. Diese Schicht lässt sich beispielsweise aufdampfen. Anschließend wird auf diese Schicht eine Karbonfolie aufgebracht. Zur weiteren Stabilisierung und wegen leichterem Handling wird vorzugsweise des Weiteren eine Trägerscheibe befestigt.

Die Trägerscheibe erleichtert das Handling der epitaktischen Schicht beim Bondingprozess .

NclCli äuülji xiiy βϊi dtsIT Ti ^' ciy ei tsulieiLic: und und Siliciumcarbid enthaltenden Schichten der epitaxierten 3C- SiC-Schichtstruktur wird die epitaktische Schicht auf ein zweites Substrat gebondet .

Das Bonden selbst erfolgt nach einer beliebigen der in der Halbleiterindustrie seit langem bekannten Bondingmethoden.

Dabei handelt es sich im wesentlichen um ein Inkontaktbringen zweier Oberflächen mittels Adhäsion, hydrophilem/hydrophobem Bonden, Aktivierung wenigstens einer der beiden zu bondenden Oberflächen.

Verschiedene dieser Methoden sind in Q. Y. Tong und U. Goesele, „Semiconductor Wafer Bonding", (Science and Technology), Wiley Interscience Publications, detailliert beschrieben.

Anschließend wird das Befestigungsmittel gelöst und die Trägerscheibe von der gebondeten Schicht entfernt.

Es verbleibt die zuvor auf 3C-SiC epitaktisch abgeschiedene Nitrid-Schicht, die mit dem zweiten Substrat verbunden ist.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass durch die Verwendung der Ionenstrahlsynthese und der damit erzeugten 3C-SiC-Schicht ein hervorragendes Substrat für die nachfolgende Abscheidung von Nitridverbindungshalbleitern zur Verfügung gestellt wird, das es ermöglicht, eine qualitativ hochwertige Schicht z.B. eines Gruppe III-Nitrides mittels eines einfachen Bonding- und einfacher z.B. ätz- oder Schleifschritte auf ein anderes Substrat zu übertragen, wobei das zweite Substrat vorzugsweise so ausgewählt wird, dass auf dem Gruppe III-Nitrid erzeugte Bauelemente (LEDs) eine bessere Performance/Energiebilanz zeigen.