Da GaN-Bauelemente von Forschungsfabriken in die Großserienfertigung übergehen, hat sich Silizium als das wirtschaftlichste Substrat für die GaN-Epitaxie mit großem Durchmesser herauskristallisiert. Allerdings führt die Skalierung von GaN-on-Si über 150 mm hinaus – und insbesondere in Richtung 200 mm und 300 mm – zu einer mechanischen Herausforderung, die oft einschränkender ist als die Versetzungsdichte oder die Mobilität: Wafer-Durchbiegung und -Verformung.

Im Gegensatz zu elektrischen Defekten treten mechanische Verformungen nicht sofort in IV-Kurven oder Hall-Messungen auf. Stattdessen beeinträchtigen sie heimlich die Ausbeute, indem sie den Lithografiefokus stören, die Overlay-Genauigkeit verringern und das Risiko von Waferbruch während der Handhabung erhöhen. Das Verständnis und die Minderung der Durchbiegung ist daher kein peripheres Materialproblem, sondern ein Kernintegrationsproblem.

Der physikalische Ursprung der Durchbiegung in GaN-on-Si-Strukturen

Die Wafer-Durchbiegung in GaN-on-Si entsteht durch eine Kombination aus thermischer Fehlanpassung, Gitterdehnung und Filmspannungsakkumulation.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von GaN (~5,6 × 10⁻⁶ K⁻¹) ist deutlich höher als der von Silizium (~2,6 × 10⁻⁶ K⁻¹). Während des Abkühlens von Epitaxie-Wachstumstemperaturen von über 1000 °C zieht sich GaN stärker zusammen als das darunterliegende Siliziumsubstrat. Diese differentielle Kontraktion induziert Zugspannung in der GaN-Schicht und Druckspannung in Silizium, was zu einer makroskopischen Waferkrümmung führt.

Mit zunehmendem Waferdurchmesser skaliert diese Krümmung nichtlinear. Eine Durchbiegung, die auf einem 100-mm-Wafer tolerierbar ist, kann die Lithografie-Spezifikationen auf einem 200-mm-Wafer überschreiten, selbst wenn die Filmschichtdicke und -zusammensetzung unverändert bleiben.

Puffer-Schicht-Engineering als erste Verteidigungslinie

Die effektivste Strategie zur Reduzierung der Durchbiegung beginnt nicht mit der aktiven GaN-Schicht, sondern mit dem darunterliegenden Pufferstapel.

Moderne GaN-on-Si-Epitaxie basiert auf komplexen Mehrschicht-Pufferarchitekturen, die typischerweise AlN-Nukleationsschichten gefolgt von graduierten AlGaN- oder Supergitterstrukturen umfassen. Diese Schichten dienen gleichzeitig zwei Zwecken: der Anpassung an die Gitterfehlanpassung und dem Management der thermischen Spannung.

Durch sorgfältiges Abstimmen der Aluminiumzusammensetzungsgradienten, der Pufferdicke und der Supergitterperiodizität ist es möglich, kontrollierte Druckspannung einzuführen, die die während des Abkühlens erzeugte Zugspannung teilweise ausgleicht. Der Puffer wirkt effektiv als mechanischer „Stoßdämpfer“ zwischen GaN und Silizium.

Pufferschichten führen jedoch zu Kompromissen. Übermäßige Dicke reduziert die Wärmeleitfähigkeit und erhöht die Epitaxiezeit, während eine aggressive Spannungskompensation die Rissdichte erhöhen kann. Optimale Designs erfordern daher eine Co-Optimierung der mechanischen und thermischen Leistung und nicht eine brutale Spannungsaufhebung.

Substrat-Orientierung und -Dicke: Ein unterschätzter Hebel

Die Auswahl des Siliziumsubstrats wird oft als feste Randbedingung behandelt, ist aber tatsächlich ein leistungsstarker Abstimmungsparameter.

Dickere Siliziumwafer weisen eine höhere Biegesteifigkeit auf, wodurch die endgültige Durchbiegung bei gleicher Epitaxiespannung reduziert wird. Die Erhöhung der Dicke steht jedoch im Widerspruch zur Gerätekompatibilität und zu Standardhandhabungsprotokollen. Viele Fabriken arbeiten daher innerhalb eines engen Dickenfensters, wodurch die Spannungskontrolle wieder in den Epitaxiestapel gezwungen wird.

Auch die Kristallorientierung spielt eine Rolle. Die meisten GaN-on-Si-Wachstumsverfahren verwenden Si(111), das eine hexagonale Symmetriekompabilität mit GaN bietet. Leichte Fehlschnittwinkel können jedoch die Spannungsrelaxationspfade und das Rissausbreitungsverhalten beeinflussen und sich indirekt auf die makroskopische Verformung auswirken.

Mit zunehmenden Durchmessern geht es beim Substrat-Engineering weniger um die Gitteranpassung und mehr um das mechanische Systemdesign.

Wachstumstemperaturmanagement und thermisches Ramping

Die thermische Vorgeschichte spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der endgültigen Waferform.

Schnelle Temperaturrampen während des Abkühlens neigen dazu, Spannungsgradienten über die Waferdicke „einzuschließen“, wodurch die Durchbiegung und ungleichmäßige Verformung verstärkt werden. Kontrollierte, mehrstufige Kühlprofile ermöglichen eine teilweise Spannungsrelaxation durch Versetzungsgleiten und Grenzflächenkriechen, wodurch die Restkrümmung reduziert wird.

Ebenso reduziert das Absenken der maximalen Wachstumstemperatur – wenn sie mit der Materialqualität kompatibel ist – den gesamten thermischen Ausflug und damit die absolute CTE-Fehlanpassungsdehnung. Dies kann sich zwar geringfügig auf die kristalline Qualität auswirken, aber der Kompromiss kann für die Herstellbarkeit bei großen Durchmessern günstig sein.

In der Praxis erfordert die Wafer-Durchbiegungsoptimierung oft eine Neudefinition der „optimalen“ Wachstumsbedingungen über rein elektronische Leistungskennzahlen hinaus.

Spannungssymmetrie und die Rolle des Rückseiten-Engineerings

Ein neuer Ansatz zur Durchbiegungssteuerung konzentriert sich auf die Wiederherstellung der Spannungssymmetrie über den Wafer.

Rückseitenfilme – wie z. B. konstruierte dielektrische Beschichtungen oder spannungskompensierende Schichten – können nach der Epitaxie aufgebracht werden, um der Vorderseiten-GaN-Spannung entgegenzuwirken. Obwohl dies in der MEMS-Fertigung üblich ist, ist dieses Konzept in der GaN-on-Si-Fertigung noch relativ wenig erforscht.

Rückseitenausdünnungs- und Polierprozesse beeinflussen ebenfalls die endgültige Verformung. Ungleichmäßige Dickenentfernung führt zu Krümmungsgradienten, die die Epitaxie-Durchbiegung entweder verschlimmern oder teilweise korrigieren können, abhängig von der Prozesskontrolle.

Da sich GaN-on-Si in Richtung echter CMOS-Linienkompatibilität bewegt, werden solche ganzheitlichen Strategien zum Ausgleich der Wafer-Spannung wahrscheinlich an Bedeutung gewinnen.

Metrologiegestütztes Feedback: Durchbiegung ist eine Prozessvariable, kein Defekt

Eine der wichtigsten konzeptionellen Veränderungen in der GaN-Epitaxie mit großem Durchmesser ist die Behandlung der Wafer-Durchbiegung als steuerbaren Prozessparameter und nicht als Defekt nach dem Wachstum.

Hochauflösende Durchbiegungs- und Verformungskartierung, korreliert mit Pufferdesign, Temperaturprofilen und Waferhistorie, ermöglicht eine Closed-Loop-Optimierung. In fortschrittlichen Fabriken werden Durchbiegungsziele zunehmend pro Prozessschritt definiert, nicht nur als endgültige Akzeptanzkriterien.

Dieser datengestützte Ansatz bringt die GaN-Fertigung mit der Philosophie in Einklang, die seit langem im Silizium-Dehnungs-Engineering verwendet wird, wo Spannung absichtlich eingeführt, gemessen und genutzt wird, anstatt sie einfach zu minimieren.

Ausblick: Von der Schadenskontrolle zum Spannungsdesign

Die Minimierung der Wafer-Durchbiegung in der GaN-on-Si-Epitaxie mit großem Durchmesser besteht nicht mehr darin, Spannung zu eliminieren – eine unmögliche Aufgabe angesichts grundlegender Materialfehlanpassungen. Stattdessen geht es darum, Spannung intelligent über Längenskalen hinweg zu gestalten, von atomaren Grenzflächen bis hin zur Mechanik des gesamten Wafers.

Da sich die Industrie in Richtung 200 mm und darüber hinaus bewegt, wird der Erfolg weniger von inkrementellen Materialverbesserungen abhängen und mehr von der systemweiten Co-Design von Substraten, Puffern, thermischen Prozessen und Metrologie. In diesem Sinne ist die Wafer-Durchbiegung kein Störparameter, sondern ein diagnostisches Fenster in die mechanische Gesundheit des gesamten Epitaxiestapels.

Für GaN-on-Si kann die Beherrschung der Krümmung letztendlich genauso wichtig sein wie die Beherrschung von Elektronen.