Laterales Wachstum von Si- und SiGe-LPE Schichten auf strukturierten Substraten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für die GaN-Technologie spielt das epitaktische laterale Überwachsen ein wichtige Rolle, da so der Versetzungsgehalt der Schichten sehr stark reduziert werden kann. Für die dabei auftretenden Verkippungen gab es bisher keine befriedigende Erklärung. Zwar keine Verkippungen aber Krümmung der Epitaxieschicht wurde im ELO-System Si/SiO2 beobachtet. In diesem ELO-System treten auch unter gewissen Umständen Versetzungen in der Nähe der Oxidkanten auf. Versetzungen sind es aber auch die im ELO-System GaN/SiO2 die Verkippungen am Rande des Saatfensters verursachen. Insofern liegt schon nahe, das ELO-System Si/Si02 als Modellsystem zu betrachten, da hier die Deformationen auch im versetzungsfreien Zustand beobachtbar sein sollten. Bestärkt wird dieser Gedanke dadurch, das solche Krümmungen der Epitaxieschicht auch im ELO-System GaAs/Si02 nachgewiesen. Es war schon vor langem klar [RKB96], dass Adhäsion die Si-Epitaxieschicht in ihrer gekrümmten Position hält. Damit war noch nicht bewiesen, dass Adhäsion die primäre Ursache der Verspannung der Epitaxieschicht ist. Ausgehend von der Hypothese, dass Adhäsion tatsächlich ursächlich ist, lag es nahe, zum einen zu versuchen, auf anderen Schichten als SiOx zu züchten und zum anderen mit neuen Methoden die Deformationen präziser als bisher zu charakterisieren. Letzteres sollte ermöglichen, wenigstens die Größenordnung der wirkenden Spannungen abzuschätzen. Die Krümmung selbst gibt keinen Aufschluss, da wie bei einem Reißverschluss die Spannung direkt am Schloss jene im übrigen Bereich weit übersteigt, dies auch für die Spannungen an der Wachstumsfront bzw. am Start des lateralen Wachstums gelten sollte. Da die hohen Kosten für kommerzielle Masken und kommerziell lithographisch strukturierte Proben den Rahmen des Projekts gesprengt hätten, müsste auf einfache lithographische Methoden zurück gegriffen werden, wie sie im Hause zur Verfügung standen. Im Falle von Siliziumnitrid- und Perowskitschichten erwiesen sich diese Methoden als ungeeignet, so dass auf lonenätzung zurückgegriffen werden müsste. All das erwies sich als großes Hindemis für die Wachstumsexperimente. So ergab es sich, dass für die Röntgenuntersuchungen und partiell auch für Transmissionselektronenmikroskopie auf alte Si/Si02-Proben zurückgegriffen werden müsste, um diese Arbeiten zeitig in Angriff nehmen zu können. Leider standen insbesondere die Proben auf Siliziumnitrid- bzw. Perowskitschichten aus den genannten Gründen erst so spät zur Verfügung, dass sie in die Charakterisiemng mittels Röntgen und TEM nicht mehr einbezogen werden konnten. Dennoch ist als erfreuliches Ergebnis zu vermerken, dass schließlich die hervorragenden Ergebnisse der Bausergmppe reproduziert werden konnten und auch die Züchtung auf Siliziumnitrid- bzw. Perowskitschichten mit ähnlich schönen Resultaten gelang. Aufgrund der vorhandenen alten Proben war ein schöner Vorlauf für die Charakterisierung mittels Röntgenmethoden gegeben, der genutzt wurde, um mittels Labormessungen genauere Angaben zu den wirkenden Spannungen zu gewinnen. Da die so erreichte Ortsauflösung den Anforderungen noch nicht genügte, wurde eine völlig neue Röntgencharakterisierungsmethode eingesetzt - ortsaufgelöste Röntgendiffraktometrie mittels Bragg-Magnifier, die Submikrometer-Ortsauflösung erlaubt. Die Auswertung der entsprechenden Messungen an der Beamline ID19 an der ESRF konnte noch nicht völlig abgeschlossen werden, da sich im Zuge der Auswertung ergab, dass Dispersion doch einen größeren Einfluss hat, als ursprünglich angenommen. Für diese Effekte muss noch ein adäquater Auswertealgorithmus entwickelt werden. Jedoch gibt es aufgrund der Symmetrie des Problems und der Eigenheiten des Bragg-Magnifiers eine Messserie, die praktisch frei von diesen Einflüssen ist, bzw. leicht von diesen bereinigt werden kann. Aus dieser Messserie folgt, dass an der Saatfensierkante unterhalb der Epitaxieschicht Deformationen auftreten, die qualitativ und quantitativ mit jenen vergleichbar sind, die die Oxidschicht im nicht epitaxierten Bereich der Saatfensterkante ausübt. Der interessante Fakt ist dabei, dass die Deformation das umgekehrte Vorzeichen hat, also hier tensile laterale Spannungen auftreten. Diese könnten von einem Volumenschwund der Oxidschicht auf Grund der Ausdiffusion von Sauerstoff herrühren. Wir sind dabei, mittels FEM-Rechnungen diese Hypothese auf ihre Wahrscheinlichkeit zu überprüfen. Zur Bestimmung der Gitterkonstanten der verspannten Siliziumlamelle wurde, aufgrund ihrer hohen Sensibilität gegenüber Verspannungen und ihrer hohen Ortsauflösung, die Methode der konvergenten Beugung (CBED-Convergent Beam Electron Diffracflon) gewählt. Mit Hilfe dieser Methode konnten die Gitteränderungen direkt oberhalb des Saatfensters von 2% und oberhalb der Oxidschicht von weniger als 0,14% gemessen werden. Geht man davon aus, dass die berechneten Änderungen der c-Achse der zugrunde gelegten hexagonalen Zelle im wesenflichen von lateral wirkenden Kräften herrühren, so fügen sich die Ergebnisse in das Bild starker tensiler Spannungen an den Kanten des Saatfensters ein. Auf Grund der hohen Ortsauflösung konnte dicht am Oxid gemessen werden, so dass für die oben erwähnten FEM-Simulationsrechnung auch Deformationswerte in diesem Nahbereich vorliegen, die so die Röntgenergebnisse ergänzen, die ihrerseits vor allem die weiter reichenden Deformationen erfassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analysis of epitaxial laterally overgrown silicon structures by high resolution x-ray rocking curve imaging, Cryst. Res. Technol. 44 (2009) 534
B. Heimbrodt, D. Lübbert, R. Köhler, T. Boeck, A.-K. Gerlitzke, and M. Hanke
