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1. WO1996004677 - SPUTTER EPITAXY OF COMPONENT-QUALITY SILICON-GERMANIUM HETEROSTRUCTURES

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Sputter-Epitaxie von Silizium-Germanium Hetero-strukturβn in Bauelement-Qualität

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung epitaktischer HeteroStrukturen aus Siι_xGex gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Der Begriff '"epitaktische HeteroStruktur" bezeichne allgemein die Gesamtheit eines Substrates und einer darauf gewachsenen epitaktischen Struktur, welche aus kontinuierlichen planaren Schichten oder aus zusammenhängenden oder unzusammenhängenden Keimen beliebiger Grössenverteilung und Form oder einer Kombination von beiden besteht.
In HeteroStrukturen aus gitterfehlangepassten Halbleitern, d.h. Halbleitern, deren Gitterparameter sich um mehr als einige 10-tel Prozent unterscheiden, wirken notwendigerweise grosse elastische Kräfte. Diese können einerseits die elektronische Bandstruktur und die elektrischen Eigenschaften günstig beeinflussen (z.B. durch eine Verringerung der effektiven Massen, Erhöhung der Beweglichkeit, etc.), andererseits aber auch zu störenden Defekten führen, wie z.B. Versetzungen oder Stapelfehler. Elastisch verspannte HeteroStrukturen sind oft in einem metastabilen Zustand. Deshalb sind tiefe Prozesstemperaturen erforderlich, um unerwünschte Relaxation der Kristallgitter zu vermeiden.
Die Skalierung moderner Halbleiterbauelemente zu stets kleineren Dimensionen, sowie neuartige Bauelemente, die sich noch im Entwicklungsstadium befinden, erfordern scharfe Dotierprofile, die sich nicht durch konventionelle Diffusions- und Implantationsprozesse erzeugen lassen. Damit scharfe Dotierprofile während ihrer Her-Stellung oder in späteren Prozess-Schritten nicht aus- schmieren, sind wiederum möglichst tiefe Temperaturen erforderlich.
Die Halbleiter Silizium und Germanium kristallisieren beide in der Diamantstruktur mit Gitter-Parametern, die sich bei Raumtemperatur um etwa 4% unterscheiden. Dies führt dazu, dass sich nur wenige Monolagen von Ge defektfrei epitaktisch (d.h. einkristallin und mit definierter Orientierungsbeziehung zur kristallinen Unterlage) auf ein Si-Substrat abscheiden lassen (L.C. Feldman et al., Phys. Review Letters 59, 664 (1987)). Dasselbe gilt umgekehrt für das epitaktische Wachstum von Si auf Ge. Die beiden Elemente sind aber in jedem Verhältnis mischbar und bilden Legierungen, Siι-xGex, deren Gitterkonstanten sich näherungsweise linear aus denjenigen der beiden Elemente interpolieren lassen. Die Kombination von Si und Ge mit den ebenfalls halbleitenden Siι-xGex-Legierungen ermöglicht es nun, neue HeteroStrukturen und Bauelemente auf Si-Substraten zu synthetisieren, deren elektrische und optische Eigenschaften solchen aus reinem Si weit überlegen sind. Ein Beispiel sind selektiv dotierte, elastisch verspannte, Si-Quantentöpfe auf relaxierten Siι-xGex-Pufferschichten, in denen bei tiefen

Temperaturen bereits Elektronenbeweglichkeiten von 2*10^ cm^/vsec nachgewiesen wurden (Y.H. Xie et al., Journal of Applied Physics 73, 8364 (1993)). Solche Strukturen bilden die Grundlage für künftige ultraschnelle Feldeffekt-Transistoren (MODFETs) .
Wie bereits erwähnt, erfordert die praktische Herstellung von gitterfehlangepassten Halbleiter-Hetero-Strukturen und die Erzeugung scharfer Dotierprofile Techniken des epitaktischen Wachstums, die bei vergleichsweise tiefen Substrattemperaturen arbeiten (typischerweise 500-600 0c oder noch tiefer) . Zur Zeit gibt es zwei Wachstumstechniken, mit deren Hilfe epitaktische Si-Ge HeteroStrukturen mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften synthetisiert wurden:
1) Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) , wobei Si und Ge im Ultrahochvakuum (UHV) aus verschiedenen Quellen verdampft werden, in der Regel aus Elektronenstrahl-Verdampfern (E. Kasper et al., Applied Physics 8,199 (1975), J.C. Bean et al., US 4,529,455).
2) Ultrahochvakuum-Chemische-Gasphasenabschei-dung (UHV-CVD) (B.S. Meyerson, Applied Physics Letters 48, 797 (1986)). Um die Kontamination mit Fremdatomen zu minimieren, liegt das Basisvakuum im UHV-Bereich (< 10"^ mbar) . Der Abscheideprozess selbst findet bei höheren Drücken (- 10~3 mbar) statt durch die Zersetzung reaktiver Gase (SiH4, GeH , etc.) auf der heissen Substratoberfläche.
Die Verdampfung aus Feststoffquellen (Elektronenstrahl-Verdampfer) in der MBE hat den Vorteil, dass die Abscheidegeschwindigkeit nahezu unabhängig von der Substrattemperatur gewählt werden kann. Die Ratenregelung ist jedoch heikel und erfordert erheblichen technischen Aufwand. Eines der grössten Probleme von Si/Ge-MBE ist die Tendenz von Ge und der Dotierstoffe Sb und B an die Oberfläche zu segregieren (P.C. Zalm et al., Applied Physics Letters 55, 2520 (1989), S.S. Iyer et al., in "Sili-con Molecular Beam Epitaxy", Vol. I, ed. by E. Kasper and J.C. Bean, CRC, Boca Raton, 1988, H.Jorke, Surface Science 193, 569 (1988)).
Trotz dieser Probleme wird die MBE-Technik heutzutage gut beherrscht, ist aber teuer und bisher kaum in eine Produktionstechnologie für Halbleiterbauelemente integriert.
Die Adsorption von Gasen (Wasserstoff) im Falle von UHV-CVD scheint das Problem der Segregation weitgehend zu eliminieren (B.S. Meyerson, IBM Journal of Research Developments 34, 806 (1990)). Dafür sind bei dieser Methode die Abscheideraten bei vergleichbaren Substrattemperaturen, vor allem für Si, sehr klein.
Deshalb stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Strukturen der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem mindestens ein Teil dieser Probleme nicht auftritt.
Diese Aufgabe wird vom Verfahren gemäss An-pruch 1 gelöst.
In der hier. beschriebenen Erfindung wird zum ersten Mal die Herstellung von heteroepitaktischen Si/Ge-Strukturen von Bauelement-Qualität durch Sputter-Epitaxie,. insbesondere Magnetron-Sputter-Epitaxie, beschrieben.
Es zeigt sich, dass das Sputtering-Verfahren sich sehr gut für die Herstellung heteroepitaktischer Strukturen eignet. Dies ist erstaunlich, da bisher Sput-tering nur zur Herstellung von homoepitaktischen Strukturen und mit nur massigem Erfolg angewendet wurde (G.K. Wehner et al., Journal of Applied Physics 64, 6754 (1988); T.Ohmi et al., Journal of Applied Physics 66, 4756 (1989); G.K. Wehner et al., Journal of Applied Physics 64, 6754 (1988) .)
Si/Ge-Heteroepitaxie ist wegen der Gitterfehlanpassung von 4 % und den damit verbundenen Problemen (Änderung des Wachstumsmodus von 2-dim. zu 3-dim., Defekt-bildung, etc.) sehr viel anspruchsvoller. Die Erfindung bietet zum ersten Mal die Möglichkeit, die Heteroepitaxie von allen möglichen Kombinationen von Si, Ge und von Sii-xGex mit der für elektronische und optoelektronische Bauelemente notwendigen Qualität durch ein industriell taugliches Verfahren zu realisieren.
Die Sputter-Epitaxie macht die Herstellung sehr scharfer Grenzflächen zwischen den Schichten möglich resp. erlaubt eine genaue Wahl des Verlaufs des Mischwerts x.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung zweier Targets als Materialquellen, wobei zur Herstellung von Siι-xGex mit 0 < x < 1 beide Quellen gleichzeitig betrieben werden. In diesem Falle kann der Wert von x sehr genau gewählt werden.
Vorzugsweise wird zur Herstellung dotierter Schichten der Sputterkammer ein Dotiergas zugesetzt. Da die Gaszufuhr sehr genau geregelt werden kann und da das Gas gegebenenfalls auch als ein Gasstoss mit gegebenem Volumen eingeführt werden kann, wird es möglich, sehr gut definierte Dotierprofile zu erhalten, deren Grenzflächen sehr scharf sein können. Die Dotierprofile können auch auf eine Monolage (Delta-Dotierung) begrenzt sein. Damit wird Modulations-Dotierung, bzw. selektive Dotierung möglich, wobei Dotieratome und zum Leitungsprozess beitragende bewegliche Ladungsträger örtlich getrennt sind.
In den erfindungsgemäss hergestellten Schichten können die Ladungsträger hohe Beweglichkeiten aufweisen, dies aufgrund der strukturellen Perfektion der Si/ Ge-Heterostrukturen, kombiniert mit der Modulations-Dotierung. Die erzielbaren elektrischen Eigenschaften sind vergleichbar mit jenen, die durch die teure MBE-Technik realisierbar sind.
Die Substrattemperaturen können sehr niedrig gewählt werden und zum Beispiel im Bereich von 350 °C oder weniger liegen. Insbesondere lässt sich die Defektdichte relaxierter Siι-xGex-Pufferschichten durch einen Konzentrationsgradienten ebenso erniedrigen, wie für MBE-und UHV-CVD-Schichten demonstriert (F.K. LeGoues et al., Physical Review Letters 66, 2903 (1991)). Dadurch sind alle Kombinationen von verspannten und unverspannten Si, Ge, und Siι-xGeχ Schichten möglich.
Die beschriebenen Kombinationen gestatten die Fabrikation von p- und n-Kanal modulationsdotierten Feld-effekt-Transistoren (MODFETs) , Si/Ge-Heterojunction Bipo- lartransistoren (HBTs) , optoelektronischen Bauelementen wie Infrarot-Leuchtdioden (LEDs) , Infrarot-Detektoren, etc.
Weitere Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Apparatur, in welcher die Schichten der Beispiele 1 bis 6 gewachsen wurden,
Figur 2 eine detaillierte schematische Ansicht des Wachstumsteils der Anlage von Figur 1,
Figur 3 die Θ/2Θ Röntgendiffraktion an einem langperiodigen elementaren Si/Ge Übergitter (10 Perioden Sii5θGe6 auf Si(OOl)),
Figur 4 einen Vergleich der Raman-Spektren von

Si/Ge Übergittern gleichen Aufbaus, welche mit Magnetron-Sputter Epitaxie (I) und Molecular Beam Epitaxy (II) gewachsen wurden,
Figur 5 eine hochauflösende Röntgendiffraktion an einem Si/Sio .93Geo.07 Übergitter auf Si(001) (230ML (Monolayer) Si, 76ML Legierung, 10 Perioden),
Figur 6 den schematischen Aufbau einer expansiv verspannten, modulationsdotierten Si-Quantentopf-Struktur auf einem relaxierten, gradierten Siι-xGex Puffer auf Si(001) und
Figur 7 die Messung des Magnetotransports des 2-dimensionalen Elektronengases in einem verspannten Si Quantentopf: Shubnikov-de Haas Oszillationen im longi-tudinalen (pxx) und Quanten-Hall Effekt im transversalen (pxy) Magnetowiderstand.
Das Verfahren der Sputter-Epitaxie, speziell

Magnetron-Sputter-Epitaxie, von Silizium (Si) - Germanium

(Ge) HeteroStrukturen von Bauelement-Qualität, welches

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wurde in einer Anlage gemäss Figur 1 entwickelt und realisiert.

Die Apparatur besteht aus einer Ultrahochvakuum (UHV) Kammer 1, welche von einer Turbo-Molekularpumpe 2 auf ein Basisvakuum von 10"9 mbar gepumpt wird. Die Anlage ist für die Verwendung von 3-Zoll Scheiben als Substrate konzipiert. Eine separat gepumpte Schleusenkammer 3 erlaubt das Einführen von Substraten, ohne das Vakuum in der Kammer 1 zu brechen. Für den Transfer von Substraten aus der Schleuse 3 in die Wachstumsposition 4 steht im System ein Manipulator 5 zur Verfügung.
Figur 2 zeigt eine detaillierte schematische Ansicht des Wachstumsteils 4 der UHV Kammer. Während des epitaktischen Schichtwachstums liegt ein Substrat auf einem rotierbaren Halter 7 aus Molybdän. Im Gegensatz zu den Arbeiten früherer Autoren (G,K. Wehner et al., Journal of Applied Physics 64, 6754 (1988), Tadahiro Ohmi et al., Journal of Applied Physics 69, 2062, (1991)), die meist ein Bias-Sputtering-Verfahren verwendeten, bei dem an das Substrat eine Spannung von einigen 10 V angelegt wird, ist dieses in unserem Fall geerdet. Das neue Verfahren lässt sich aber auch auf die Bias-Sputtering-Methode anwenden. Die Temperatur des Substrats kann mittels Strahlungsheizung 8 zwischen Raumtemperatur und 1000°C auf ±1° stabilisiert werden. Substrathalter 7 und Heizung 8 lassen sich zusammen mit dem Substrat stufenlos in der Höhe verstellen, was die Regulierung des Abstandes zwischen Sputterquellen und Substrat ermöglicht.
Substrat und Plasmaraum 9 werden durch eine Abschirmung 10 voneinander getrennt. Das Schichtwachstum geschieht durch eine Öffnung in dieser Abschirmung. Ein beweglicher Verschluss 11 gestattet ein rasches Öffnen und Schliessen dieses Durchgangs und somit ein zeitlich wohldefiniertes Starten und Unterbrechen des Flusses gesputterter Teilchen auf das Substrat. Die Plasmakammer 9 enthält drei Planar-Magnetron Sputterquellen 12 mit 5.14 cm (2 Zoll) Target-Durchmesser, welche auf einem gemeinsamen Flansch 13 montiert sind. Verschlüsse 14 vor allen Sputterquellen, welche einzeln geöffnet werden können, verhindern die gegenseitige Kontamination der Targets. Andererseits erlaubt die Möglichkeit, zwei Ver-Schlüsse 14 gemeinsam zu öffnen, das Wachstum von Siι-xGex

Legierungs-Schichten aus separat betriebenen Si und Ge Sputterquellen. Im Zentrum des Flansches 13 werden das Sputtergas und beigemischte Dotiergase in den Plasmaraum 9 eingelassen. Die Flüsse der verwendeten Reinstgase werden durch Massenflussregler 15 kontrolliert, die Gase an-schliessend in einem Sammelrohr gemischt und gemeinsam in die Kammer geführt.
Im folgenden werden das Verfahren der Sputter-Epitaxie, speziell Magnetron-Sputter Epitaxie, von Si/Ge HeteroStrukturen beschrieben und die Besonderheiten dieses Verfahrens hervorgehoben. Schliesslich werden anhand konkreter Beispiele die Ergebnisse des Wachstums mittels Magnetron-Sputter Epitaxie dokumentiert.

Energie der auftreffenden Atome:
Es ist ein bekanntes Problem, dass Sputtering im SiGe-System bei hoher kinetischer Energie der gesput-terten Atome durch Stösse mit der Substratoberfläche zu ausgedehnten, ungeordneten Grenzflächen führen kann (G. Bajor et al., Applied Physics Letters 40, 696 (1982)).
Deshalb findet im erfindungsgemässen Verfahren das Wachstum vorzugsweise bei relativ hohem Edelgas-Partialdruck p zwischen 0.5 Pa (5*10-3 mbar) und 10 Pa (0.1 mbar) und genügend grosser Distanz d zwischen Target und Substrat von z. B. 12 cm statt, so dass das Druck-Ab-stands-Produkt p*d zwischen 0.06 Pa*m und 1.2 Pa-m liegt. Die resultierende mittlere kinetische Energie E der auftreffenden Atome (Emissionsenenergie = 10-30 eV) beträgt (R.E. Somekh, Journal Vacuum Science Technology A2, 1285 (1984)):

Si in Ar: E - 0.06 ... 8 eV
Ge in Ar: E = 0.06 ... 6 eV
Die gesputterten Atome werden durch Stösse mit Edelgasatomen im Raum zwischen Target und Substrat teilweise thermalisiert. Ihre mittlere kinetische Energie kann durch Einstellen des Edelgas-Partialdruckes und des Abstandes Target-Substrat effektiv reguliert werden.
Ein Anwendungsbeispiel sind Mittel- und kurz-periodige Übergitter, die kohärente Grenzflächen mit einer Ausdehnung von nur ca. 2 Monolagen (ML) aufweisen (Beispiel 2) .
Somit kann die Magnetron-Sputter Epitaxie für das definierte Wachstum von elektronischen und optoelektronischen Bauelementen angewendet werden, welche auf scharfen Grenzflächen basieren, z.B. MODFET und andere Bauelemente mit Transport parallel zur Grenzfläche, Intersubband IR- Detektor, Quantum-Well LEDs, sowie Bauelemente, die auf dem resonanten Tunneleffekt beruhen. Zukünftige Bauelemente, welche auf Strukturen mit reduzierter Dimensionalität beruhen, lassen sich ebenfalls mittels Sputter Epitaxie herstellen. In diese Kategorie fallen, neben dem schon erwähnten MODFET (2-dimensionaler Transport) auch optische und elektronische Bauelemente, die auf 1-dimensionalen (Quantum Wires) oder 0-di ensionalen (Quantum Dots) Strukturen basieren.
Ist das System so konzipiert, dass die gesputterten Si- und Ge-Ato e durch Stösse in der Edelgasatmosphäre weitgehend thermalisiert werden, so ergibt sich eine sehr gute Kontrolle der Hetero-Grenzflächen im Bereich einer Monolage.

Festlegung der Schichtdicke:
Gängige Methoden wie MBE brauchen aktive Ratenregelung durch Ratenmessung und Feedback. Im hier beschriebenen Verfahren ändert sich jedoch die Target-Geometrie über sehr lange Zeiträume nur wenig. Sowohl im RF, wie auch im DC Betrieb bleibt deshalb die Rate grundsätzlich gleich, falls man in der Lage ist, die an der Quelle anliegende Leistung konstant zu halten. Somit kann in langen Zeitabständen die Rate geeicht werden, bleibt dann sehr stabil und erlaubt Wachstum gänzlich ohne Ratenmessung.
Deshalb werden langperiodige Übergitter und Legierungs-Übergitter mit perfekter Periodizität (Beispiele 1 und 3 unten) sowie kurzperiodige Übergitter (Beispiel 2) vorzugsweise bei konstanter Leistung mit "timed shutter" hergestellt.
Da die Schichtdicken also sehr einfach über die Oeffnungszeit geregelt werden können, ohne dass eine aufwendige Ratenmessung und -regelung notwendig wäre, eignet sich das vorliegende Verfahren besonders zur industriellen Anwendung.

Dotierung:
Bei konventioneller MBE mit Feststoff-Quellen wird in der Regel aus Effusionszellen mit elementarem Sb, Ga, In oder B dotiert. Als Problem erweist sich dabei die Oberflächen-Segregation von Dotieratomen auf der wachsen-den Schicht. Zu ihrer Unterdrückung müssen sehr tiefe Substrattemperaturen (< 400 ®C) verwendet werden (H.-J. Gossmann et al., Applied Physics Letters 57, 2440 (1990)).
Beim Wachstum durch Sputter-Epitaxie bei erhöhtem Druck lassen sich epitaktische Si-, Ge- oder Sii-xGex-Filme aus gasförmigen Dotierquellen während des Wachstums dotieren. Als Dotierquellen kommen für n-Typ Dotierung vor allem. die Gase Phosphin (PH3) , Arsin (ASH3) oder andere gasförmige Verbindungen von Phosphor, Arsen und auch Antimon (Sb) in Frage. Für p-Typ Dotierung eignen sich hauptsächlich Diboran (B2Hg) oder andere gasförmige Verbindungen von Bor und auch Gallium (Ga) oder Indium (In) . Die Dotiergase werden mit dem Sputtergas ausserhalb der Wachstumskammer gemischt und als Gemisch ins Plasma der Gasentladung eingeführt. Alternativ dazu können separate Einlassdüsen für das Sputtergas und die verschiedenen Dotiergase verwendet werden. Die direkt ins Plasma der Sputterquellen zugeführten Dotiergase werden durch Stösse mit Edelgasatomen, -ionen und freien Elektronen in Radikale aufgespalten. Die Radikale werden auf dem Substrat adsorbiert, in Gitterplätze der wachsenden Si-, Ge- oder Siι-xGex Schicht eingebaut und schon bei einer tiefen Substrattemperatur von 350°C elektrisch aktiviert. Je nach Dicke der zu dotierenden Schicht kommen zwei Verfahren der Dotiergas-Zufuhr zur Anwendung. Zur Dotierung einer Schicht von mindestens einigen zehn Nano-metern Dicke wird das Verhältnis von Sputtergas- zu Dotiergas-Fluss aktiv mit je einem Massenfluss-Regler oder anderen Gasfluss-Reglern kontrolliert. So können beliebige Dotierprofile hergestellt werden. Soll eine möglichst dünne Schicht dotiert werden (Delta-Dotierung) , so wird in Form eines Pulses eine definierte Menge Dotiergas in die Wachstumskammer eingeführt. Die Verweilzeit des Dotiergases und seiner Radikale im System ist bedingt durch den ständigen Fluss des Sputtergases sehr kurz. Das Verhältnis des Dotiergas-Partialdruckes im System zum Partialdruck des Sputtergases ändert sich in der oben beschriebenen Apparatur mit einer Halbwertszeit τ zwischen 2 und 5 Sekunden, was bei einer Wachstumsrate von lA/s einer theoretisch erreichbaren Halbwertsbreite des Dotierprofils von 5A bis 15Ä entspricht.
Vorteile der Gasphasen-Dotierung bei Sputter-Epitaxie sind also die einfache Kontrollierbarkeit der Dotierquellen, die grosse Flexibilität, die elektrische Aktivierung auch bei Tieftemperatur-Wachstum und die Mög-lichkeit zur Herstellung hoher Dotierstoff-Gradienten.

Nebst der Dotierung aus gasförmigen Quellen ist Dotierung aus hochdotierten Sputter-Targets oder reinen Targets aus den entsprechenden Dotierstoffen möglich. Auch diese Methode erlaubt eine sehr gute Kontrolle der Dotierstoff-Zufuhr. Die Dotier-Konzentration wird durch das Verhältnis der Raten aus dotiertem/undotiertem Target bestimmt.
Beispiele für Dotierungen dieser Art: Dotierung von elastisch verspannten Si Quantentöpfen auf relaxierten Siι-xGex Legierungs-Pufferschichten: Delta-Dotierung der Deckschicht. pin-Diode mit Übergitter in der i-Zone: Bulk-Dotierung der n-Si Schicht mit Phosphin.
Beim SchichtWachstum sind thermisch aktivierte Segregations- und Diffusionsprozesse dafür verantwortlich, dass Dotierstoffe in Wachstumsrichtung weiter verschleppt werden, als aufgrund der Verweilzeit des Dotiergases im System bzw. der Dauer der Zugabe von Dotierstoffen aus festen Quellen zu erwarten wäre. (H. Jorke, Surface Science 193, 569 (1988)). Beide Mechanismen lassen sich unterdrücken, wenn bei tiefen Temperaturen gewachsen wird. (H.-J. Gossmann et al., Applied Physics Letters 57, 2440 (1990)). Im Gegensatz zu MBE und vor allem UHV-CVD erlaubt Sputter-Epitaxie hohe Wachstumsraten bei tiefen Substrattemperaturen (z.B. >lA/s bei 350°C, siehe Beispiel 2) , da die veränderbare mittlere kinetische Energie der gesputterten Atome eine lokal höhere Oberflächen-Diffusion bewirkt, im Vergleich zur Oberflächendiffusion, die der aktuellen Substrat-Temperatur entspricht. So können zum Beispiel Übergitter bei sehr hoher Rate und kleiner Temperatur hergestellt werden (Beispiele 1 und 2) .
Zur Erreichung gut definierter Dotierungsprofile liegt die Substrattemperatur möglichst zwischen 300° und 700°C, vorzugsweise bei etwa 350 °C. Bei so tiefen Temperaturen wird die Ge-Segregation vermindert.

Die Gasphasen-Dotierung ist ein sehr einfacher, flexibler Prozess, der beliebig skalierbar für industrielle Produktion ist. Er weist eine hohe Effizienz durch eine hohe erreichbare Konzentrationen und einen hohen Grad elektrischer Aktivierung auf (während Wachstum und Einbau auf Gitterplätzen) .
Dank der Verwendung tiefer Wachstumstemperaturen werden eine gute Kontrolle über das Dotierprofil und grosse Gradienten, insbesondere Delta-Dotierung mδg-lieh. Dies ist wichtig für alle elektronischen und optoelektronischen Bauelemente. Es erfolgt keine VerSchmierung, durch Diffusion.

Reinheit:
Zur Herstellung guter Strukturen ist eine hohe

Reinheit wichtig. Diese Reinheit wird hier durch die Verwendung eines UHV Basisvakuums von höchstens 10~9 mbar erreicht. Äquivalente Reinheitsbedingungen können jedoch auch in anderer Weise erzeugt werden. Ausserdem werden Reinstgase ev. mit Nachreinigung eingesetzt.
Dadurch lassen sich Kontamination und Hintergrunddotierung der Schichten minimieren und gute elektrische und optische Eigenschaften erzielen. Ausserdem müssen die Sputterquellen genügend gekühlt werden, um Diffusion von Fremdatomen in die Targets zu verhindern.

Beispiele:

0. Ge.neinsa.ne Prozess-Schritte aller Wachs-t ums Vorgänge :

Alle in den folgenden Beispielen beschriebenen Wachstumsvorgänge erfolgten ausgehend von einem Basisvakuum von 1-3 -lO"9 mbar. Als Sputtergas wurde Argon (Ar) der Reinheit 6.0 verwendet, während die Sputter- Targets aus einkristallinen Si- und Ge-Scheiben (Reinheit 99.9999) von 2 Zoll Durchmesser bestanden. Die Si-Sputterquelle wurde von einem Hochfrequenz (RF) -Generator (Advanced Energy RFX 600) gespeist. Die Ge-Quelle wurde mit demselben Generator oder einem DC Hochspannungs-Generator (Sorensen DCR 3000-.5) betrieben.
3-Zoll (001) orientierte Si Wafer unterschiedlicher Dotierung wurden als Substrate verwendet. Es kann allerdings auch auf Si-Substrate anderer Orientierung oder Siι-xGex-Substrate mit x = 0 bis 1 gewachsen werden. Dem Einschleusen eines chemisch nicht vorbehandelten Substrates in die Wachstumskammer folgte das Ausheizen des Wafers für mehrere Stunden bei 500°C, um adsorbierte Wassermoleküle von der Oberfläche zu entfernen. Anschliessend wurde die Temperatur mit einer Rate von 20°/min auf 830°C erhöht. Bei 780°C erfolgte das Zünden der Si-Sputterquelle bei hohem Ar Druck und die Stabilisierung der Sputterparameter bei einer Leistung P(RF)=50W (DC Bias V(DC)=120V, Si Wachstumsrate r (Si) =0.2A/s) und einem Argon-Druck p(Ar)=2*10~2 mbar. Bis zum Erreichen der Temperatur von 830°C wurde das Substrat dem Fluss der Si-Quelle in Intervallen von 10°C kurz ausgesetzt und je ca. 1 Monolage (ML) Si auf dem Substrat deponiert. Bei 830°C und unter sehr kleinem Si-Fluss folgte dann während 10 Minuten das Ätzen des natürlichen Oxids des Substrates (M.

Tabe, Jap. Journal of Applied Physics 21, 534 (1981)).

Anstelle der Oxiddesorption oberhalb von 800°C kann auch eine oxidfreie, wasserstoff-ter inierte Substratoberfläche

(chemische Vorbehandlung) verwendet werden.
Um eine wohldefinierte Oberfläche für das

Wachstum der Si/Ge-Schichten zu erzielen wurde eine Si Pufferschicht von ca. 1000Ä Dicke auf der oxidfreien Substratoberfläche aufgewachsen. Das Wachstum dieser Pufferschicht erfolgte bei 650°C, also bei einer Temperatur, welche deutlich oberhalb der Substrattemperatur der an- schliessenden Si/Ge Heteroepitaxie lag. Ziel war es, durch die hohe Temperatur die Mobilität von Si Adatomen zu erhöhen, um eine mögliche Rauhigkeit des Substrats auszugleichen. Als Sputterparameter für das Pufferwachstum wurden typischerweise P(RF)=150W, V(DC)=215V, p(Ar)=2-10~2 mbar, r(Si)=l.lA/s gewählt.

1. Langperiodige kohärente Si/Ge Übergitter auf Si (001) bei tiefen Substrattemperaturen: verspanntes Wachstum gitterfehlangepasster Schichten und Schichtdicken-Reproduzierbarkeit durch Magnetron-Sputter Epitaxie

Bei einer Substrattemperatur TS=350°C wurden langperiodige Übergitter aus reinem Si und Ge auf die oben beschriebene Si Pufferschicht gewachsen. Periodische Schichtfolgen Hessen sich dabei dank extrem stabiler Sputter-Raten durch Anlegen einer konstanten RF-Leistung an die jeweilige Quelle ohne jede Messung oder Regelung der Wachstumsrate erzielen, wobei das Substrat dem Si-oder Ge-Fluss während einer konstanten, vordefinierten Zeit ausgesetzt wurde.
Die Sputterparameter wurden typischerweise wie folgt gewählt, um Strukturen mit typischen Schichtdicken d(Si) ≥ 80ML, 2ML ≤ d(Ge) < 6ML und zwischen 10 und 40

Perioden zu wachsen:

Silizium:
P(RF)=140W, V(DC)=150V,
p(Ar)=5-10"2 mbar, r(Si)=1.0A/s

Germanium:
P(RF)=30W, V(DC)=70V,
p(Ar)=5-10"2 mbar, r(Ge)=0.2Ä/s Zur Untersuchung der resultierenden lang-periodigen Si/Ge Übergitter wurden Rutherford Backscat-tering Spectrometry (RBS) , RBS Channeling und Θ/2Θ Röntgend! ff raktion herangezogen. RBS minimum channeling yields von χmin [ 100] =3.5%, χ_nin [ 110 ] =3.0% und χmin [ 1111 -4 . 0% -vergleichbar mit denjenigen perfekter Kristalle (ca . 3%) -demonstrieren die sehr gute Kristallqualität der unter diesen Bedingungen gewachsenen Übergitter . Es muss betont werden, dass die Wachstumsraten, insbesondere von Si, viel grösser sind als typische Raten beim MBE-Wachstum bei vergleichbar tiefen Temperaturen, und viel grösser als bei UHV-CVD . Figur 3 zeigt das Result at von Θ / 2 Θ Rδntgendiffraktion (Cu Koc-Strahlung) an einer Schicht mit 10 Perioden SiιsoGe6 um den Si (004 ) Reflex . Übergitter-Satellitenreflexe bis +4. /-16. Ordnung können aufgelöst werden , was die sehr gute Pe ri odi z i t ät und Kristallqualität der Schichtstruktur demonstriert . Damit ist gezeigt , dass das Wachstum mittels Magnetron-Sputter Epitaxie sich durch eine hervorragende Stabilität und Reproduzierbarkeit der Wachstumsraten auszeichnet und Wachstum von Schichten definierter Dicke ohne aktive Ratenkontrolle möglich ist .

2. Kurzperiodige kohärente Si/Ge Übergitter auf Si (001) bei tiefen Substrattemperaturen : verspanntes

Wachstum bei überkritischer Schichtdicke und atomar scharfe Si/Ge Grenzflächen durch Magnetron-Sputter

Epitaxie

Eine Reduktion der Schichtdicke pro Periode von Si/Ge Übergittern führt gegenüber Beispiel 1 zu einer erhöhten Grenzflächen-Sensitivität verschiedener Charakterisierungs-Methoden. Dies erlaubt es, die Eigenschaften der Grenzflächen näher zu untersuchen. Im Falle der Sput-ter-Epitaxie von Si/Ge HeteroStrukturen stellt sich die Frage, ob bei genügend kleiner mittlerer kinetischer Energie der auf das Substrat treffenden Atome scharfe Grenzflächen mit wenigen ML Ausdehnung erreicht werden können (G. Bajor et al., Applied Physics Letters 40, 696 (1982) haben lediglich relaxierte Ge-Schichten auf Si(001) gewachsen, welche eine sehr ausgedehnte Legierung von Si und Ge an der Grenzfläche aufwiesen) . Ein Modellsystem, um diese Frage zu studieren, sind Übergitter, deren Periode nur noch einige ML Si und Ge umfasst. Solche Strukturen wurden mit Magnetron-Sputter Epitaxie bei Substrattemperaturen von 350°C gewachsen. Wachstumsparameter waren typischerweise:

Silizium: P(RF)=80W, V(DC)=113V, p(Ar)=5-10~2 mbar, r(Si)=0.5A/s
Germanium: P (RF) =30W, V(DC)=70V, p(Ar)=5-10"2 mbar, r(Ge)=0.2Ä/s

Hochauflösende Transmission-Elektronenmik-roskopie (TEM) an einem SigGeß Übergitter (20 Perioden) zeigte deutlich die periodische Abfolge von Si- und Ge-Schichten, getrennt durch klar definierte Grenzflächen. Aufgrund dieses Resultats lässt sich die Ausdehnung der durchmischten Grenzfläche auf ca. 2ML abschätzen.
Diese Abschätzung wird bestätigt durch Raman- Messungen an verspannten Si-joGeß Übergittern, welche bei 350°C unter den folgenden typischen Bedingungen gewachsen wurden:

Silizium:
P(RF)=140W, V(DC)=200V,
p(Ar)=5-10"2 mbar, r(Si)=1.0A/s

Germanium:
P(RF)=30W, V(DC)=70V, p (Ar) =7 - 10"2 mbar, r (Ge) =0.2A/s

Figur 4 zeigt einen Vergleich der Resultate von Raman-Streuexperimenten an im Aufbau äquivalenten, mittels Magnetron-Sputter Epitaxie (I) und MBE (II) hergestellten Übergitter-Strukturen. Die beiden Wachstumsmethoden führen zu praktisch identischen Resultaten. Die Phononen-Mode der Ge-Schichten (Ge-Ge) des Übergitters weist infolge der tetragonalen Verspannung eine Verschie-bung um 16 c ~l gegenüber der Mode des unverspannten Volumenmaterials (300 cm"1) auf. Diese Verschiebung entspricht kohärentem Wachstum der Ge-Schichten auf Si(001) und der vollen kompressiven biaxialen Verspannung von 4% der Ge-Schichten in der (001) Ebene. Ferner sind gefaltete longitudinal akustische Phononen bis 2. Ordnung zu erkennen, was auf eine gute Periodizität schliessen lässt. Schliesslich zeigt das Verhältnis der Intensität der Si-Ge Mode, welche nur bei nichtidealen, verbreiterten Grenzflächen auftritt, zur Intensität der Ge-Ge Mode, dass Magnetron-Sputter Epitaxie und MBE auch in Bezug auf die Schärfe der Si/Ge Grenzflächen zu gleichwertigen Schichten führen.

3. Si /Si ι -χGex Legierungs-Übergi tter a uf Si (001) : verspannte Legierungsschichten durch Ko-Depo-sition von Si und Ge aus separat betriebenen Si und Ge Sputterquellen

Sil-χGex Legierungs-Schichten mit x = 0 bis 1 weisen eine Gitterkonstante a auf, welche näherungsweise durch lineare Interpolation aus den Gitterkonstanten a(Si) und a(Ge) gegeben ist. Das System Siι-xGex/Si ist deshalb besser gitterangepasst als Ge/Si, was kohärentes Wachstum bis zu grösseren Schichtdicken erlaubt. Trotz dieser Vereinfachung gegenüber elementaren Si/Ge Übergittern stellt das Wachstum von Siχ-χGex Legierungs-Übergittern eine Herausforderung an die Methode der Magnetron-Sputter Epitaxie dar. Denn um die Legierungs-Schichten zu wachsen, müssen die Si und Ge Sputterquellen gleichzeitig betrieben (Co-Sputtering) und die entsprechenden Raten mit 2 Generatoren eingestellt werden.
Um zu zeigen, dass mit Magnetron Sputtering strukturell perfekte Siι-xGex Legierungs-Übergitter gewachsen werden können, wurden bei 450°C 10 Perioden einer Si/Sio .93Geo .07 Struktur hergestellt. Die Legierungsschichten wurden dabei durch kombiniertes DC/RF Co-Sputtering unter folgenden typischen Bedingungen gewachsen:

Silizium:
RF Magnetron-Sputtering,
P(RF)=140W, V(DC)=220V

Germanium:
DC Magnetron-Sputtering,
I(DC)=40mA, V(DC)=500V

Die Zwischenschichten aus reinem Si wurden mit Parametern gemäss Beispiel 1 gewachsen. Das gesamte Wachstum wurde wie in den vorangehenden Beispielen ohne Ratenkontrolle bei konstanten Sputterparametern und definierter Wachstumszeit durchgeführt.
Figur 5 zeigt das Resultat hochauflösender Röntgendiffraktion an dem beschriebenen Legierungs-Über-gitter. Eine kinematische Simulation bestätigt, dass die Amplituden der Übergitter-Reflexe einer perfekt periodischen, kohärenten Struktur mit dem oben beschriebenen Aufbau entsprechen. Durch Magnetron Co-Sputtering von Si und Ge lassen sich also verspannte Sii-xGex/Si ( 001 ) Legierungs-Schichten herstellen. Die Wachstumsraten sind dabei ebenso stabil und reproduzierbar wie im Falle des Sputterns reiner Si- und Ge-Schichten.

4. pπn-Diodenstrukturen mit langperiodigem Si/Ge Übergitter auf Si (001)

Die Qualität verspannter Si/Ge-Heterostruk-turen lässt sich auch anhand von ρ+πn+-Dioden mit einem in der π-Zone eingebauten Si/Ge-Übergitter beurteilen (π-Zone: nicht absichtlich dotierte Schicht, p+ Substrat, n+ Zone durch PH3~Zugabe in situ dotiert) . Die Struktur hat folgenden Aufbau:
- p+ Substrat
- undotierte Si-Pufferschicht von total 5000Ä Dicke, in die das Si/Ge-Übergitter mit einer Periode von ca. 100Ä (Si-Schichten 73ML, Ge 2ML) eingebaut wurde.
- n+ dotierte Si-Deckschicht, mit PH3 dotiert
Die gemessene Durchbruchspannung einer solchen

Struktur beträgt 18V und ist damit vergleichbar mit derjenigen von gleich dimensionierten p+πn+-Dioden aus reinem Si. Daraus lässt sich schliessen, dass die Defektdichte im verspannten Si/Ge-Übergitter sehr gering sein uss.

5. Relaxierte Siι -xGex Legierungs-Schichten auf Si (001)

Im Rahmen eines 'Band-Structure Engineering" von Si/Ge HeteroStrukturen zur Herstellung von Schicht-Systemen mit massgeschneiderten elektrischen und optischen Eigenschaften ist es wichtig, mit einer Wachstumsmethode einen grossen Bereich kompressiver und expansiver Verspannung abzudecken. Durch geschickte Wahl der jeweiligen Verspannung lässt sich zum Beispiel die relative Anordnung der Valenz- und Leitungsbandkanten zweier Schichten einer Si/Ge HeteroStruktur dramatisch verändern.
Siι-χGex Legierungs-Schichten werden bei kohärentem Wachstum auf Si(OOl) aufgrund der Fehlanpassung der Gitterkonstanten kompressiv verspannt. Um hingegen eine Si-Schicht expansiv zu verspannen, muss als Substrat eine Siι-xGex Legierung verwendet werden. Substrate aus gezüchteten Siι-xGex-Kristallen sind aber kaum erhältlich und im Sinne einer Integration von Bauelementen auf Si nicht sinnvoll. Deshalb ist man bestrebt, relaxierte Siι_xGex Legierungen möglichst geringer Defektdichte auf

Si(OOl) zu wachsen, um diese als virtuelle Substrate expansiv verspannter Si- oder Siι_yGey-Filme (y<x) zu verwenden.
Magnetron-Sputter Epitaxie eignet sich sehr gut zur Implementierung der Methode eines abgestuften Siι_xGex Puffers (Abstufung von x zwischen 0 und einem

Endwert x' mit zunehmender Schichtdicke) zur Relaxation der Verspannung einer SiGe-Legierung auf Si(OOl) (F.K. LeGoues et al., Phys. Review Letters 66, 2903 (1991)). Bei Co-Sputtering analog zu Beispiel 3 (Substrattemperatur vorzugsweise zwischen 450°C und 650°C) konnte durch eine Variation des Verhältnisses der Sputter-Raten der Si- und Ge-Quellen die Abstufung in der Ge-Konzentration der Legierungsschicht erreicht werden. Typische Gradienten der Ge-Konzentration in der Pufferschicht lagen zwischen 15%/μm und 60%/μm. Selbst bei sehr grossen Gradienten von 60%/μm zeigten Untersuchungen mit Transmissions-Elektronenmikroskopie eine grosse Dichte von Versetzungen im abgestuften Puffer zusammen mit der für den "Modified Frank-Read" (MFR) Mechanismus typischen Relaxation durch Erzeugung von Versetzungen bis tief ins Substrat. Sii-_xGex

Schichten konstanter Ge-Konzentration x hingegen, welche auf solchen Pufferschichten gewachsen wurden, erwiesen sich innerhalb der Detektionsgrenze von TEM als absolut defektfrei. Die obere Grenze der Versetzungsdichte in solchen relaxierten Legierungs-Schichten kann deshalb mit 107cm~2 angegeben werden.

6. Verspannte Si Quantentöpfe auf relaxierten Siι-xGeχ Legierungs-Pufferschichten: paralleler Transport mit hoher Elektronen-Beweglichkeit zweidimensionaler Elektronengase in gesputterten, verspannten Si Schichten, Herstellung von Quanten-Hall Strukturen mit Magnetron-Sputter Epitaxie

Die relaxierten Siι-xGex Legierungs-Pufferschichten von Beispiel 5 wurden verwendet, um expansiv verspannte, modulationsdotierte Si Quantentopfstrukturen herzustellen. Die expansive Verspannung des mit der Legierungs-Pufferschicht kohärenten Si-Films führte dabei zur Ausbildung eines Quantentopfes im Leitungsband der Si/Siι-xGex HeteroStruktur. Gemäss Figur 6 bestehen ty-pische, mit Magnetron-Sputter Epitaxie gewachsene Strukturen aus einem hochohmigen (800 Ωcm) n-Si(OOl) Substrat mit dem beschriebenen Puffer aus reinem Si 21, gefolgt von einem gradierten Legierungspuffer 22 mit einer maximalen Ge-Konzentration x=30%. Auf diesen Puffer folgt eine uniforme Sio.7Geo.3 Schicht 23 mit einer typischen Dicke von 5000Ä als virtuelles Substrat. Die aktive Schicht 24 besteht aus Si mit der lateralen Gitterkonstante des Sio.7Geo.3 Puffers und einer Dicke von 100A. Die Fremdatome, welche die Ladungsträger für den Transfer in den Quantentopf verfügbar machen, wurden durch einen Phosphin-Puls (n ≥ 5* 10*8 cm~3) während des Wachstums in

Form einer Delta-Dotierschicht 26 in die Probe eingebaut.

Sie werden vom Quantentopf durch einen Sio.7Geo.3 Spacer

25 von 30A Dicke räumlich getrennt, um die Streuung des Elektronengases an ionisierten Störstellen der Delta- Dotierschicht zu reduzieren. Die Schichtfolge wird abgeschlossen durch eine Deckschicht 27 von 200Ä Sio.7Geo.3 und 50Ä Si. Ausser der Delta-Dotierschicht 26 und der obersten Siliziumschicht 28 sind alle Teile der Quanten-topfStruktur nominell intrinsisch, d.h. undotiert.
Figur 7 zeigt das Resultat einer Magneto-Transportmessung an einer mit Magnetron-Sputter Epitaxie hergestellten modulationsdotierten Si-Quantentopf-Struk-tur. Die Probe zeigt in einem Magnetfeld B senkrecht zur Oberfläche die charakteristischen Merkmale eines 2-dimen-sionalen Elektronengases (2DEG) . Im longitudinalen Magnetowiderstand (pXχ) sind ab einer Feldstärke B = 1.5T

Shubnikov-de Haas Oszillationen zu beobachten, während im transversalen Magnetowiderstand (pxy) Quanten-Hallplateaus mit Füllfaktoren v ≤ 8 zu erkennen sind. Aus Hall-Effekt und Magnetowiderstand findet man eine Beweglichkeit des 2DEG von 5000 cm2 V"1 s"1. Wegen des dünnen Spacers ist die Beweglichkeit in diesen Strukturen durch Streuung an ionisierten Störstellen in der Barriere limitiert. Viel höhere Beweglichkeiten lassen sich bei Optimierung der Spacer-Dicke erwarten (K. Ismail et al., Applied Physics Letters 58, 2117 (1991)). Mit Proben wie der von Figur 7 gelang zum ersten Mal die Realisierung eines modulationsdotierten 2DEG und die Beobachtung von Quantenransport (Shubnikov-de Haas Oszillationen, Quanten-Hall Effekt) in gesputterten Halbleiterfilmen. Damit wurde der Nachweis erbracht, dass mit Magnetron-Sputter Epitaxie niedrig-dimensionale Ladungsträgersysteme hoher Beweglichkeit hergestellt werden können, welche in Bauelementen (Si/SiGe MODFET) eine zentrale Rolle spielen werden. Darüber hinaus lassen sich durch Verwendung von verspannten Ge-Quantentöpfen auf Ge-reichen Pufferschichten 2-dimensio-nale Lδchergase hoher Beweglichkeit mit Sputter-Epitaxie realisieren.