Un método de crecimiento de capas de arseniuro de galio sobre capas amortiguadoras de germanio relajadas sobre un sustrato de silicio (10),

y el método incluye una etapa de crecimiento epitaxial de una capa amortiguadora de Ge (20) directamente sobre un sustrato de Si(001) desorientado mediante deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD), seguida por una etapa seleccionada de una de un grupo de etapas que consiste en el recocido térmico y la estructuración de la capa depositada epitaxialmente y una etapa de crecimiento de una capa de arseniuro de galio directamente sobre dicha capa amortiguadora de Ge

Método para producir sustratos de GE virtuales para la integración III/V sobre Si(001).

Antecedentes de la invención

Ha habido muchos intentos de combinar las ventajas de los sustratos de Si grandes, de alta calidad, con las propiedades electrónicas y ópticas superiores de los semiconductores de compuestos III/V, tales como GaAs. La integración monolítica de los dispositivos optoelectrónicos de GaAs sobre sustratos de Si ha sido un objetivo durante más de dos décadas (para una revisión, véase por ejemplo Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 116 (1989)). La desadaptación del 4% de la red cristalina entre GaAs y Si induce, sin embargo, grandes densidades de defectos cuando se pone a crecer epitaxialmente GaAs sobre Si, lo que conduce a propiedades muy degradadas (véase, por ejemplo, Ahrenkiel et al., J. Electrochem. Soc. 137, 996 (1990)).

Para reducir las densidades de defectos, se han ideado diversos tipos de capas amortiguadoras intermedias entre el sustrato de Si y la capa de GaAs. El objetivo de estas capas amortiguadoras epitaxiales es actuar como sustratos virtuales (VS) con un parámetro reticular cercano al de la capa de GaAs.

Así, el parámetro reticular del sustrato virtual debería ser de alrededor de un 4% mayor que el del sustrato de Si. Durante la epitaxia, una capa adapta normalmente su parámetro reticular lateral al del sustrato con tal de que sea lo suficientemente fina. Se debe poner a crecer, por tanto, una capa amortiguadora que actúe como sustrato virtual más allá del grosor crítico para la relajación plástica de deformaciones. Para que se dé la relajación de la deformación, debe haber presentes necesariamente dislocaciones inadaptadas en la interfase sustrato/capa amortiguadora.

Por otra parte, la superficie de la capa amortiguadora debería ser tan perfecta como sea posible para que la capa actúe como sustrato virtual. Los defectos más habituales son las dislocaciones penetrantes asociadas al proceso de la relajación plástica de deformaciones (véase, por ejemplo, Blakeslee, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 148, 217 (1989)).

Se han ideado diversas maneras de reducir la densidad de dislocaciones penetrantes en capas amortiguadoras relajadas. Una posibilidad es usar aleaciones Si_1-xGe_x como capas amortiguadoras. Este esquema hace uso de la miscibilidad del silicio y el germanio a lo largo del intervalo de concentraciones completo de x = 0 a x = 1. En vez de poner a crecer una capa de aleación con una composición constante x, el contenido de Ge se incrementa gradualmente desde x = 0 hasta un valor final x = x_f. Se ha demostrado que esta graduación del contenido de Ge da como resultado densidades de dislocaciones penetrantes menores debido a una interacción de dislocaciones disminuida (véase, por ejemplo, la pat. de EE.UU. nº 5.221.413 de Brasen et al., y Fitzgerald et al., Appl. Phys. Lett. 58, 811 (1991)).

Las proporciones de graduación se deben mantener bajas para garantizar densidades de dislocaciones penetrantes bajas, preferiblemente por debajo del 10% por micrómetro (véase, por ejemplo, Li et al., J. Vac. Sci. Technol. B 16, 1610 (1998)). Las proporciones de graduación mayores se prefirieron, sin embargo, para sustratos virtuales puestos a crecer mediante un método de deposición en fase vapor conocido como deposición química en fase vapor a vacío muy elevado (UHV-CVD), debido a las proporciones de crecimiento muy bajas a la temperatura de sustrato baja utilizada (véase, por ejemplo, la pat. de EE.UU. nº 5.659.187 de Legoues et al.). La clase de métodos de deposición en fase vapor denominada en general deposición física en fase vapor tiene el problema adicional del agotamiento de la fuente, como es evidente en la epitaxia de haces moleculares (MBE), en la que es necesario recargar regularmente los evaporadores de haces de electrones (véase, por ejemplo, Hackbarth et al., Thin Solid Films 369, 148 (2000)).

Los sustratos virtuales hechos a partir de capas amortiguadoras de Si_1-xGe_x graduadas tienen dos desventajas importantes: (1) requieren muchos micrómetros de crecimiento epitaxial para proporciones de graduación lo suficientemente bajas como para asegurar densidades de dislocaciones penetrantes bajas, (2) sus superficies son relativamente rugosas y están caracterizadas por la denominada morfología de surcos entrecruzados asociada al proceso de relajación (véase, por ejemplo, Lutz et al., Appl. Phys. Lett. 66, 724 (1995)).

Debido al gran grosor de la capa, el crecimiento epitaxial consume mucho tiempo para la mayoría de los métodos de la técnica anterior. En la CVD, las velocidades de crecimiento se pueden aumentar de manera sustancial solamente incrementando la temperatura del sustrato. Esto conduce, sin embargo, a una rugosidad superficial claramente incrementada. Las capas amortiguadoras puestas a crecer mediante UHV-CVD graduadas hasta Ge puro han exhibido una rugosidad superficial rms de 210 nm al ponerlas a crecer sobre sustratos de Si(001) en el eje. Se descubrió que los surcos en la superficie que presentaba surcos entrecruzados tenían una profundidad de 600 nm (véase, por ejemplo, la pat. de EE.UU. nº 6.039.803 de Fitzgerald et al.). Se demostró que los surcos estaban asociados a apilamientos de dislocaciones penetrantes debidos a una interacción incrementada de las dislocaciones. Se observaron superficies algo más lisas y menos apilamientos en los sustratos de Si cortados fuera del eje. La rugosidad rms, sin embargo, alcanzó 50 nm incluso en este caso, y los surcos más profundos todavía superaban los 400 nm (véase, por ejemplo, la pat. de EE.UU. nº 6.039.803 de Fitzgerald et al.).

Para mejorar la calidad de la superficie y disminuir la densidad de dislocaciones penetrantes, se descubrió en consecuencia que era necesaria una etapa de pulido químico-mecánico (CMP) intermedia después de graduar a x = 0,5 (véase, por ejemplo, la pat. de EE.UU. nº 6.107.653 de Fitzgerald, y Currie, et al., Appl. Phys. Lett. 72,1718 (1998)). Con tal procedimiento, se podría alcanzar una rugosidad superficial de 24 nm y una densidad de dislocaciones penetrantes (TD) de 2 x 10⁶ cm², lo suficientemente baja para integrar dispositivos III/V portadores minoritarios (véase, por ejemplo, Currie et al., Appl. Phys. Lett. 72,1718 (1998)). Se descubrió que esta densidad de TD era lo suficientemente baja como para permitir la fabricación de dispositivos portadores minoritarios de materiales basados en GaAs puestos a crecer en la parte superior de tales sustratos virtuales. Los ejemplos de tales dispositivos son las células solares (véase, por ejemplo, Ringel et al., Photovoltaic Energy Conversion, Vol. 1, 612 (2003)), y los diodos emisores de luz (véase, por ejemplo, V.K. Yang et al., "Monolithic integration of III-V optical interconnects on Si using SiGe virtual substrates", Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 13, nº 13 (julio de 2002) págs. 377-380), e incluso diodos láser (véase, por ejemplo, M.E. Groenert et al., "Monolithic integration of room-temperature cw GaAs/AlGaAs lasers on Si substrates via relaxed graded GeSi buffer layers", Journal of Applied Physics, vol. 93, nº 1 (1 de junio de 2003) págs. 362-367.

Una característica habitual de todos los procedimientos de CVD es su uso relativamente ineficaz de gases fuente caros, la mayoría de los cuales salen del reactor sin haber sido descompuestos e incorporados en la capa en crecimiento.

El único método de la técnica anterior capaz de hacer crecer capas amortiguadoras graduadas gruesas de una manera económica es el método de deposición en fase vapor conocido como deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD) (véase, por ejemplo, C. Rosenblad et al., Appl. Phys. Lett. 76, 427 (2000)). La aplicación del método para la homoepitaxia rápida de Si y la heteroepitaxia de SiGe de capa deformada se han descrito en la pat. de EE.UU. nº 6.454.855 de von Känel et al., y en la solicitud PCT nº WO 98/58099 de von Känel et al.

Con LEPECVD, también las capas amortiguadoras relajadas que sirven como sustratos virtuales de SiGe se pueden hacer a crecer a velocidades medias superiores a 5 nm/s (véase, por ejemplo, el documento EP 1 315 199 A1 de von Känel). En la patente EP 1315 199, un sistema LEPECVD típico usa como fuente de DC de bajo voltaje la descarga de arco entre un filamento caliente en una cámara de plasma y las paredes de la cámara de crecimiento y/o ánodo auxiliar.... [Seguir leyendo]

1. Un método de crecimiento de capas de arseniuro de galio sobre capas amortiguadoras de germanio relajadas sobre un sustrato de silicio (10), y el método incluye una etapa de crecimiento epitaxial de una capa amortiguadora de Ge (20) directamente sobre un sustrato de Si(001) desorientado mediante deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD), seguida por una etapa seleccionada de una de un grupo de etapas que consiste en el recocido térmico y la estructuración de la capa depositada epitaxialmente y una etapa de crecimiento de una capa de arseniuro de galio directamente sobre dicha capa amortiguadora de Ge.

2. El método de la reivindicación 1, que incluye las etapas de:

(a) limpiar la superficie de una oblea de Si (10) mediante un tratamiento químico húmedo o un tratamiento con plasma de hidrógeno;

(b) cargar la oblea de Si en un reactor de deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD);

(c) incrementar la temperatura del reactor de LEPECVD hasta aproximadamente 600ºC;

(d) poner a crecer epitaxialmente una capa amortiguadora de Ge (20) mediante LEPECVD, hasta que se alcanza un grosor de la capa de Ge dentro del intervalo de 0,75 a 5 μm, por lo que se relajan las capas de Ge y se reduce la rugosidad superficial medida mediante AFM que asciende generalmente a una rms de 1 nm;

(e) elevar la temperatura por encima de 700ºC, preferiblemente hasta alrededor de 900ºC, durante alrededor de 10 minutos en el reactor de LEPECVD o en un horno de recocido distinto; y

(f) cargar la oblea de Si en otra cámara de deposición; y

(g) poner a crecer una capa de GaAs (30) mediante el uso del método de deposición en fase vapor.

3. El método de la reivindicación 2, en el que la capa de Ge (20) se cubre con una capa de protección de óxido (25) antes de llevar a cabo las etapas de recocido, y en el que, tras las etapas de recocido, la capa de óxido se elimina de nuevo.

4. El método de la reivindicación 3, en el que la capa de protección de óxido (25) es una capa de dióxido de silicio de un grosor en general de 100 nm.

5. El método de la reivindicación 1, que incluye las etapas de:

(a) limpiar la superficie de una oblea de Si (10) mediante un tratamiento químico húmedo o un tratamiento con plasma de hidrógeno;

(b) cargar la oblea de Si en un reactor de deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD);

(c) incrementar la temperatura del reactor de LEPECVD hasta aproximadamente 600ºC

(d) poner a crecer epitaxialmente una capa amortiguadora de Ge (20) mediante LEPECVD, hasta que se alcanza un grosor de la capa de Ge dentro del intervalo de 0,75 a 5 μm, por lo que se relajan las capas de Ge y se reduce la rugosidad superficial medida mediante AFM que asciende generalmente a una rms de 1 nm;

(e) modificar cíclicamente la temperatura repetidamente entre aproximadamente 700ºC y 900ºC en el reactor de LEPECVD o en un horno de recocido distinto, por lo que se recuece la heteroestructura, para reducir la densidad de dislocaciones penetrantes a la vez que se conserva la llanura de la capa de Ge; y

(f) cargar la oblea de Si en otra cámara de deposición; y

(g) poner a crecer una capa de GaAs (30) mediante el uso de un método de deposición en fase vapor.

6. El método de la reivindicación 5, en el que la capa de Ge (20) se cubre con una capa de protección de óxido (25) antes de llevar a cabo las etapas de recocido y en el que, tras las etapas de recocido, la capa de óxido se elimina de nuevo.

7. El método de la reivindicación 6, en el que la capa de protección de óxido (25) es una capa de dióxido de silicio de un grosor en general de 100 nm.

8. El método de una de las reivindicaciones 2 y 5, en el que la capa de GaAs (30) de la etapa (g) está compuesta de diferentes capas, por ejemplo con diferentes tipos y niveles de dopaje, para que sea útil en estructuras de células solares o de láseres.

9. El método de una de las reivindicaciones 2 y 5, en el que la capa (30) está compuesta de varias sub-capas que están dopadas de diferente manera.

10. El método de la reivindicación 9, en el que la capa (30) contiene capas de pozos cuánticos o capas de puntos cuánticos, que se sabe que son útiles para aplicaciones de microelectrónica y optoelectrónica, o una región activa de células solares de alta eficacia; o una región activa de láseres de pozos cuánticos y de puntos cuánticos, o una región activa de transistores de efecto de campo de dopado modulado.

11. Un método de crecimiento de capas de arseniuro de galio sobre capas amortiguadoras de germanio sobre un sustrato de silicio desorientado, que incluye las etapas de:

(a) limpiar la superficie de una oblea de Si mediante un tratamiento químico húmedo o un tratamiento con plasma de hidrógeno;

(b) cargar la oblea de Si en un reactor de deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD);

(c) incrementar la temperatura del reactor de LEPECVD hasta aproximadamente 600ºC;

(d) poner a crecer epitaxialmente una capa amortiguadora de Si (12) mediante LEPECVD;

(e) poner a crecer epitaxialmente una capa amortiguadora de Ge (20) mediante LEPECVD, por lo que se crea una heteroestructura, hasta que se alcanza un grosor de la capa de Ge dentro del intervalo de 0,75 a 5 μm, por lo que se relajan las capas de Ge y se reduce la rugosidad superficial medida mediante AFM que asciende generalmente a una rms de 1 nm;

(f) recocer la heteroestructura elevando la temperatura por encima de 700ºC, en el reactor de LEPECVD o en un horno de recocido distinto, durante alrededor de 10 minutos;

(g) cargar la oblea de Si en otra cámara de deposición; y

(h) poner a crecer una capa de GaAs (30) mediante el uso de un método de deposición en fase vapor.

12. Un método de crecimiento de capas de arseniuro de galio sobre capas amortiguadoras de germanio sobre un sustrato de silicio desorientado, que incluye las etapas de:

(a) limpiar la superficie de una oblea de Si mediante un tratamiento químico húmedo o un tratamiento con plasma de hidrógeno;

(b) cargar la oblea de Si en un reactor de deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD);

(c) incrementar la temperatura del reactor de LEPECVD hasta aproximadamente 600ºC

(d) poner a crecer epitaxialmente una capa amortiguadora de Si (12) mediante LEPECVD;

(e) poner a crecer epitaxialmente una capa amortiguadora de Ge (20) mediante LEPECVD, por lo que se crea una heteroestructura, hasta que se alcanza un grosor de la capa de Ge dentro del intervalo de 0,75 a 5 μm, por lo que se relajan las capas de Ge y se reduce la rugosidad superficial medida mediante AFM que asciende generalmente a una rms de 1 nm;

(f) modificar cíclicamente la temperatura repetidamente entre aproximadamente 700ºC y 900ºC en el reactor de LEPECVD o en un horno de recocido distinto, por lo que se recuece la heteroestructura, para reducir la densidad de dislocaciones penetrantes a la vez que se conserva la llanura de la capa de Ge;

(g) cargar la oblea de Si en otra cámara de deposición; y

(h) poner a crecer una capa de GaAs (30) mediante el uso de un método de deposición en fase vapor.

13. El método de las reivindicaciones 11 y 12, en el que la capa de Ge (20) se cubre con una capa de protección de óxido (25) antes de llevar a cabo las etapas de recocido y en el que, tras las etapas de recocido, la capa de óxido se elimina de nuevo.

14. El método de la reivindicación 13, en el que la capa de protección de óxido (25) es una capa de dióxido de silicio de un grosor en general de 100 nm.

15. El método de una de las reivindicaciones 11 y 12, en el que la capa amortiguadora de Si (12) se hace crecer a una velocidad menor que la capa de Ge, por ejemplo por debajo de 1 nm/s.

16. El método de una de las reivindicaciones 2, 5, 11 y 12, en el que se pone a crecer una primera subcapa de GaAs (32) antes de poner a crecer una segunda subcapa de GaAs (30), por lo que se ayuda a reducir el número de dislocaciones penetrantes que penetran desde la capa amortiguadora de Ge (20) hasta la subcapa de GaAs (30).

17. El método de la reivindicación 16, en el que la primera subcapa (32) se pone a crecer mediante epitaxia de capas atómicas (ALE), en el que se suministran Ga y As secuencialmente, lo que da como resultado una superred de Ga/As.

18. El método de una de las reivindicaciones 2, 5, 11 y 12 en el que la capa de Ge (20) está estructurada, y la estructuración se hace mediante una matriz cuadrada de hendiduras o en hendiduras paralelas que tienen una separación de aproximadamente 10 a 20 μm.

19. El método de la reivindicación 18, en el que la profundidad de las hendiduras es menor que el grosor de la capa (20).

20. El método de una de las reivindicaciones 18, 19 en el que las hendiduras tienen preferiblemente una anchura de 1 a 2 micrómetros.

21. El método de la reivindicación 1, en el que la capa de Ge (20) está estructurada, y la estructuración está compuesta de hendiduras definidas mediante fotolitografía, seguida por un ataque químico con iones reactivos, en el que un polímero actúa como una máscara de ataque.

22. El método de la reivindicación 1, en el que la capa de Ge (20) está estructurada, y la estructuración está compuesta de hendiduras definidas mediante fotolitografía, seguida por un ataque químico húmedo.

23. El método de la reivindicación 1, en el que la capa de Ge (20) está estructurada, y la estructuración está compuesta de hendiduras definidas mediante una máscara adecuada para una etapa posterior de ataque químico húmedo que se puede formar mediante un proceso de impresión, en el que se aplica un polímero resistente a la disolución de ataque químico mediante un sello.

24. El método de la reivindicación 1, en el que la capa de Ge (20) está estructurada, y la estructuración incluye elementos en los que el tamaño del elemento no supera un tamaño crítico del orden de 10 - 20 μm, y en el que la separación entre los elementos es del orden de unos cuantos micrómetros, para producir una estructura que da como resultado la reducción de las densidades de dislocaciones penetrantes.

25. El método de la reivindicación 1, en el que la capa de Ge (20) está estructurada, y tras la estructuración de la capa (20), se lleva a cabo una etapa de recocido hasta temperaturas superiores a 700ºC, para inducir el movimiento de las dislocaciones penetrantes hacia las hendiduras.

26. El método de la reivindicación 1, en el que la capa de Ge (20) está estructurada, y la etapa de recocido se repite mediante modificación cíclica de la temperatura, preferiblemente entre 700ºC y 900ºC para inducir el movimiento de las dislocaciones penetrantes hacia las hendiduras.

27. El método de una de las reivindicaciones 2, 5, 11 y 12, en el que la capa (30) comprende una capa de GaAs a la que se le ha añadido una pequeña cantidad de In, en el que la concentración de In se mantiene baja, lo que da como resultado una deformación compresiva de la capa (30) a la temperatura del sustrato usada para el crecimiento mediante MBE o MOCVD.

28. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye además la etapa de poner a crecer una capa de arseniuro de galio (30) mediante deposición química en fase vapor activada por plasma de baja energía (LEPECVD).

29. El método de la reivindicación 28, en el que para hacer crecer la capa de GaAs (30) se introduce un gas reactivo que contiene Ga, tal como trimetil-galio, en la cámara de deposición de LEPECVD al mismo tiempo que un gas que contiene As, tal como arsina (AsH₃), para conseguir velocidades de crecimiento epitaxial superiores a 2 nm/s cuando el plasma es lo suficientemente denso.