Low temperature UHV bonding with laser pre-cleaning

Abstract

Neuartige elektronische Anwendungen erfordern häufig einkristalline Schichten sehr hoher Qualität auf passenden Substraten. Verschiedene Methoden wie heteroepitaktisches Wachstum durch Molekularstrahlepitaxie oder chemische Dampfphasenabscheidung resultieren in Schichten mit einer hohen Dichte von Versetzungen, wenn Materialien mit unterschiedlichen Gitterkonstanten wie Silizium und Galliumarsenid verwendet werden. Waferbonden ist eine attraktive, flexible Methode für die Herstellung solcher einkristalliner Schichten auf Substraten, die eine freie Auswahl von Dotierungsprofilen, Oberflächenorientierung, der relativen Rotation der Kristalle und beliebige Gitterfehlanpassungen erlaubt. Es ist ein Ziel der vorliegenden Arbeit, zu zeigen, dass glatte und Oxid-freie Silizium-Silizium und Silizium-GaAs Grenzflächen durch Ultrahochvakuum Waferbonden bei Zimmertemperatur erhalten werden können. Da die meisten Anwendungen homogene Schichten von einigen Hundert nm Dicke auf passenden Substraten erfordern, es ist notwendig, eine Methode zu entwickeln, die es erlaubt eine dünne Schicht zu übertragen, ohne das ganze restliche Material opfern zu müssen. Eine neuartige Methode, die auf Ionenimplantation, Oberflächenaktivierung durch ultraviolette Photonen und UHV Waferbonden basiert, wird für die Übertragung des ultradünnen einkristallinen Siliziums und der GaAs Schichten auf Siliziumsubstrate vorgeschlagen und realisiert. Ein spezieller Schwerpunkt der Arbeit war die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der gebondeten Grenzflächen, indem man temperaturabhängige I/V-Messungen und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) durchführte. Für ein besseres Verständnis des elektrischen Transportes über die gebondeten Grenzflächen wurden numerische Simulationen durchgeführt, die auf dem Drift-Diffusion Modell basierten. Untersuchungen mit der Transmissionselektronenmikroskopie zeigten eine Relaxation der Grenzfläche nach dem Tempern, wobei sich ein fast ideales Versetzungsnetzwerk an der gebondeten Grenzfläche entwickelte.

Novel electronic applications often require high quality single crystalline layers on appropriate substrates. Various methods such as heteroepitaxial growth by molecular beam epitaxy or metalorganic chemical vapour deposition yield devices with a high concentration of threading dislocations when involving materials with different lattice constants such as silicon and gallium arsenide. Wafer bonding is an attractive, flexible choice for the fabrication of such single crystalline layers on top of substrates in terms of doping profiles, surface orientation, crystallographic alignment and lattice mismatch. It is within the scope of the present work to demonstrate that smooth, oxide-free Si-Si and Si-GaAs interfaces can be obtained by ultra-high vacuum bonding at room temperature. Since most applications require uniform layers in the sub-micron thickness range on appropriate substrates, it is necessary to develop a method that would allow reducing the device thickness effectively, without sacrificing the whole wafer. A novel layer transfer approach based on ion implantation, surface activation by photons in the ultra-violet range and UHV bonding is proposed and implemented for the transfer of ultra-thin single crystalline silicon and GaAs layers onto silicon substrates. A special attention was given to the electrical properties of such bonded interfaces, by performing temperature dependent current-voltage measurements and deep level transient spectroscopy. For a better understanding of the electrical transport across the bonded interfaces, numerical simulations based on the drift-diffusion model were performed as well. Transmission electron microscopy investigations showed a relaxation upon annealing by developing an almost ideal dislocation network at the bonded interface.