CN113005514B - 气相外延方法 - Google Patents
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Abstract
气相外延方法，具有以下方法步骤：在反应腔中由外延气流的气相在衬底的表面或前面层上生长具有从n掺杂改变至p掺杂的掺杂变化曲线的III‑V层，该外延气流包括至少一个承载气体、用于III.主族中的第一前体和用于V.主族中的第一元素的至少一个第二前体并且被导入到反应腔中，其中，在达到第一生长高度时，借助于外延气流中的第一前体的第一质量流相对于第二前体的第二质量流的、导致p掺杂的比例并且在将用于n掺杂剂的第三前体的第三质量流添加至外延气流的情况下调设出n掺杂初始值，随后，第三质量流和/或第一质量流和第二质量流之间的比例跨越具有至少10μm的生长高度的过渡区域层逐步地改变，直至达到p掺杂目标值。
Description
技术领域
本发明涉及一种气相外延方法。
背景技术
已知不同的用于外延产生半导体层的气相外延设施，例如Aixtron公司的气相外延设施。
这些设施的共同之处在于，外延层由气相沉积或生长在引入反应腔中的衬底上。为此，加热反应腔并且将外延气流导入到反应腔中。
气流的成分取决于要生长的层的类型，其中，典型的前体、如砷化氢和/或三甲基镓提供用于要生长的半导体层的元素并且针对层的掺杂必要时也添加用于掺杂剂的前体。所述前体借助于承载气体导入到反应腔中。为了控制气流的成分，典型地使用质量流调节器。
然而也要注意的是，由于反应历史在反应腔中也还可能存在来自先前的过程中的另外的不期望的元素。这对于产生低掺杂的层恰好可能是有问题的。
发明内容
在该背景下，本发明的任务在于，说明一种扩展现有技术的方法。
所述任务通过具有权利要求1的特征的方法来解决。本发明的有利构型是从属权利要求的主题。
根据本发明的主题，提供一种气相外延方法，其具有以下方法步骤：在反应腔中由包括至少一个承载气体的外延气流的气相在衬底的表面上或在前面层上生长具有从n掺杂改变至p掺杂的III-V层。
在所述生长的方法步骤中，通过承载气体将用于III.主族中的第一元素的第一前体和用于V.主族中的第一元素的至少一个第二前体引导到外延设施、优选MOCVD设施的反应腔中。
在达到第一生长高度时，在外延气流中借助于第一前体的第一质量流相对于第二前体的第二质量流的、导致p掺杂的比例并且在添加用于n掺杂剂的第三前体的第三质量流的情况下调设出n掺杂初始值。
然后，在具有至少10μm的生长高度的过渡区域层中逐步地或者连续地改变第三质量流和/或第一质量流和第二质量流之间的比例，直至达到p掺杂目标值。
显然，III-V层具有III.主族的至少一个组分或多个组分、例如铝或镓，并且具有V.主族的至少一个组分或多个组分，例如铟或砷或磷。
用作为用于外延生长的初始产物的分子被称为前体。相应地，适用于层的成长的前体是由要生长的元素、例如III.主族或V.主族的元素或掺杂剂和至少一个另外的元素组成的分子。
尤其地，在金属有机前体、例如三甲基镓中，至少一个另外的元素是在生长期间释放并且用作为掺杂剂的碳。
如果添加用于掺杂剂的前体，那么被称为直接掺杂，而借助于负责用于层生长的金属有机前体的碳的掺杂被称为自动掺杂。
III-V层的掺杂的水平以及类型也取决于在反应腔中的III.主族的元素和V.主族的元素之间的量比例。
按照所使用的气相设施的类型和尺寸，该量比例在反应腔内部波动，即在不同位置处出现的气流具有不同的V-III量比例。这种波动可以在单个衬底的区域中和/或跨越多个衬底地出现。
根据本发明，这样调设在III.主族的元素和V.主族的元素之间的量比例、即在外延气流中的第一前体的第一质量流相对于第二前体的第二质量流的比例，使得所述量比例在不存在用于n掺杂剂的第三前体的情况下仅由于金属有机的第一前体的碳导致III-V层的p掺杂。
n掺杂初始值通过添加用于n掺杂的第三前体、例如硅烷的足够的质量流来调设。
显然，质量流的改变或两个不同的质量流的比例的改变与相应的分压或分压比例的改变是相当的，或者原则上与量控制/改变是相当的。
也显然的是，所提到的掺杂值的出现在生长期间发生，或者，质量流以连续成长的方式并且在生长或沉积期间改变。
随后，通过斜坡或阶梯、即通过在生长的层中的n掺杂的连续的或逐步的减小达到p掺杂目标值。
要生长的层的掺杂的改变仅通过第三前体、例如硅烷的质量流的减小引起。换言之，n掺杂剂借助于第三前体的供应被减小直至零。由此通过V/III比例的自动掺杂导致要生长的层的p掺杂。
该构型的优点在于，能够在使用用于V.主族的第二前体的小流量的情况下实施气相外延方法。尤其地，如果对于第二前体使用砷化氢或三甲基镓，那么借助于第二前体的小流量能够明显降低制造成本并且强烈提升制造过程的环境友好性。
如果例如从n掺杂初始值出发选择并且保持相应于p掺杂目标值的在III.主族和V.主族的元素之间的量比例，那么随后第三前体的质量流在过渡区域层生长时逐步地或连续地减小为零。由此能够通过V/III比例确定自动掺杂的p掺杂的高度。
在扩展方案中，在关闭第三前体之后附加地改变在III.主族和V.主族的元素之间的量比例，以便达到p掺杂目标值。
根据另外的替代方案，所述掺杂跨越过渡区域层的改变仅通过在III.主族和V.主族的元素之间的量比例的改变引起。在这里，第三前体的质量流在之前、即在V/III比例的改变之前已经减小为零。
例如H2或N2适于作为用于外延气流的承载气体。
通过第三前体的质量流在过渡区域层的生长期间的逐步的或连续的改变，能够实现在p-n过渡部的区域中的可复制的变化曲线。能够可靠地抑制在半导体晶片上的连续的多重p/n过渡部的不期望的形成，正如可靠地抑制在掺杂剂变化曲线中的局部差别的形成那样。另外的优点是，能够可靠地并且有效地补偿例如由反应腔的衬里(Belegung)来自先前的外延相的交叉污染，并且能够由n掺杂出发可靠地制造具有低于5·1015cm-3的低掺杂的层和尤其是p/n过渡部。
由在至少10μm的过渡区域层的生长期间恒定的V/III比例出发，能够减小迄今在半导体晶片上强烈波动的截止电压，该截止电压具有大于20伏或者大于100V的差别。
尤其地，跨越半导体晶片的V-III比例的波动引起不同的局部掺杂并且恰好在低掺杂的情况下特别强烈地起作用。换言之，在半导体晶片上的局部掺杂差由V/III比例的波动决定地和/或由外延设施中的不同的背景掺杂决定地减小。
由于在V-III比例中的局部差别和/或背景掺杂，跃迁式的p-n过渡部、即掺杂在没有中间步进并且跨越非常小(例如最多几纳米)的生长高度的情况下从p向n的改变恰好可以在低掺杂的情况下导致跨越单个半导体晶片和/或多个半导体晶片的非常不同的截止电压。
所述方法的优点在于，能够在使用用于V.主族的第二前体的小流量的情况下实施气相外延方法。尤其地，如果针对第二前体使用砷化氢或三甲基镓，那么能够借助于第二前体的小流量明显降低制造费用并且显著提高制造过程的环境友好性。
与此相对地，通过在质量流的恒定的或近似恒定的V/III比例的情况下所述掺杂跨越过渡区域层的厚度的逐步的或连续的改变，在半导体晶片上实现p-n过渡部的跨越整个反应腔的可复制的变化曲线。
在出现的气流中的差别仅对过渡部的绝对生长深度产生作用，其中，相比于p-n过渡部的不可复制的掺杂变化曲线，在绝对生长深度方面的差对于所达到的截止电压具有较小影响。
本发明的另一优点是，以简单和可复制的方式在对于所使用的气相外延设施没有特定附加的清洁步骤的情况下可靠地实现大于200V的高电压强度。
根据一个实施方式，n掺杂初始值为最高1·1016cm-3或者最高1·1015cm-3或者最高5·1014cm-3。
在另外的实施方式中，p掺杂目标值为最高5·1015cm-3或者最高1·1015cm-3或者最高7·1014cm-3。
根据另外的实施方式，在跨越至少10μm的生长高度达到p掺杂目标值之后以用于p掺杂目标值的调设继续生长。
在替代实施方式中，在通过第三质量流的改变和/或通过第一质量流和第二质量流之间的比例的改变达到p掺杂目标值之后调设出第二p掺杂目标值，其中，第二p掺杂目标值大于p掺杂目标值。
根据扩展方案，过渡区域的生长高度为至少30μm或者至少60μm。
在另外的扩展方案中，所述掺杂跨越过渡区域层以在5μm上最高1·1013cm-3的步进改变。
根据另外的实施方式，所述掺杂跨越过渡区域层以至少四个步进改变。
在另外的实施方式中，在达到n掺杂初始值之后并且在过渡区域层生长之前通过减小在外延气流中的第三质量流使n掺杂初始值跃迁式地降低为第二n掺杂初始值或者跃迁式地调设为最高1·1015cm-3或者最高5·1014cm-3的p掺杂初始值。
根据另外的扩展方案，第三前体是甲硅烷。
在另外的实施方式中，III.主族的元素是镓，并且V.主族的元素是砷。
在扩展方案中，在跨越一生长高度达到掺杂目标值之后，通过第三质量流的跃迁式改变和/或通过第一质量流相对于第二质量流的比例的跃迁式改变调设出第二p掺杂目标值，其中，第二p掺杂目标值大于n掺杂目标值。
附图说明
下面参照附图详细阐释本发明。在这里，相同部件标有相同的附图标记。所示出的实施方式是强烈示意性的，即距离以及横向和竖向延伸尺度是不按比例的，并且(只要没有另外说明)也不具有可推导的相对彼此的几何关系。在附图中，
图1示出布置在反应腔中的衬底的横截面，
图2示出在外延生长期间在掺杂和V.主族的元素相对于III.主族的元素的比例之间的关系，
图3示出根据本发明的气相外延方法的第一实施方式生长的III-V层的掺杂剂浓度变化曲线，
图4示出根据本发明的气相外延方法的第二实施方式生长的III-V层的掺杂剂浓度变化曲线，
图5示出第三前体的质量流随着生长高度的变化曲线。
图6示出根据本发明的气相外延方法的第三实施方式生长的III-V层的掺杂剂浓度变化曲线。
具体实施方式
图1示意性示出气相外延设施的反应腔K的横截面。在反应腔K的底部上布置有衬底S。此外，反应腔K具有气体进入部件O，外延气流F通过所述气体进入部件被导入到反应腔K中。
外延气流F具有承载气体、用于III.主族的元素的至少一个第一金属有机前体(例如三甲基镓，TMGa)、用于V.主族的元素的第二前体(例如砷化氢，Arsin)和用于n掺杂剂的第三前体(例如硅烷)。
气体进入部件O具有在反应腔K中终止的多个管路，通过所述管路分别将外延气流F的一个组分或多个组分引导至反应腔K。
在图2中在曲线图中画出掺杂与V.主族和III.主族的元素的量比例的相关性。尤其明确的是，通过V-III比例不仅能够调节掺杂水平，而且也能够调节掺杂类型、即n或p。
另一方面明确的是，V-III比例跨越晶片或衬底的波动导致不同的掺杂，并且这种波动恰好在低掺杂时特别强烈地起作用，其方式是，所述掺杂在p和n之间不期望地转变。
该构型的优点在于，优选能够在使用用于V.主族的第二前体的小流量的情况下实施气相外延方法。尤其地，如果对于第二前体使用砷化氢或三甲基镓，那么借助于第二前体的小流量能够明显降低制造成本并且强烈提升制造过程的环境友好性。
根据本发明的气相外延方法的第一实施方式在图3中参照掺杂D跨越生长高度x的从高于零的n向p的变化曲线阐释。
首先在第一生长高度x1时，借助于外延气流F中的第一前体(例如三甲基镓)的第一质量流相对于第二前体(例如砷化氢)的第二质量流的、导致p掺杂的比例(图2的曲线的左部分)并且在将用于n掺杂剂的第三前体(例如硅烷)的第三质量流添加给外延气流F的情况下调设出n掺杂初始值DA1。
然后，在过渡区域层的生长期间连续地减小第三前体的第三质量流，直至在第二层厚度x2处达到p掺杂目标值DZ。显然，过渡层区域/>从值x1延伸直至值x2。
然后，外延气流在生长高度x的另外的区域上不再改变，使得随后的III-V层的掺杂保持恒定。
替代地并且在图3中虚线示出地，在所述掺杂以斜坡的形式改变直至p掺杂目标值DZ之前，第三质量流从n掺杂初始值DA1跃迁式减小直至最高1·1015cm-3或最高5·1014cm-3的p掺杂初始值。
在达到p掺杂目标值DZ之后，所述掺杂通过第三质量流MDot和/或在第一质量流和第二质量流之间的比例的改变再次跃迁式地增大为第二p掺杂目标值DZ2并且随后在外延气流没有进一步改变的情况下生长具有恒定p掺杂的层。
在图4中借助掺杂变化曲线D阐明根据本发明的气相外延方法的另外的实施方式，其中，下面仅阐释相对于图3的区别。
在所述掺杂跨越过渡区域层连续地或逐步地改变直至达到p掺杂目标值DZ之前，所述掺杂从n掺杂初始值DA1出发，通过外延气流F中的第三质量流的减小跃迁式地降低为第二n掺杂初始值DA2。
在图5中借助用于n掺杂剂的第三前体的第三质量流MDot的变化曲线阐明根据本发明的气相外延方法的另外的实施方式。
由用于达到n掺杂初始值DA1的质量流初始值MA1出发，第三质量流MDot跃迁式地减小，使得调设出第二质量流初始值MA2并且由此也调设出跃迁式减小的掺杂。
然后，第三质量流MDot连续地减小直至零，由此得到所述掺杂直至p掺杂目标值DZ的斜坡形的改变。
在图6中借助掺杂变化曲线D阐明根据本发明的气相外延方法的另外的实施方式，其中，下面仅阐释相对于图3和图4的区别。
所述掺杂从n掺杂初始值DA1至p掺杂目标值DZ的改变以多个步进实现，使得出现所述掺杂跨越过渡区域层的阶梯形的变化曲线。
Claims (17)
1.气相外延方法，具有以下方法步骤：
-在反应腔(K)中由外延气流(F)的气相在衬底(S)的表面上生长具有从n掺杂改变至p掺杂的掺杂变化曲线的III-V层，该外延气流具有承载气体、用于III.主族中的第一元素的至少一个第一前体和用于V.主族中的第一元素的至少一个第二前体，其中，
-在达到第一生长高度(x1)时，借助于所述外延气流(F)中的所述第一前体的第一质量流相对于所述第二前体的第二质量流的、导致p掺杂的比例并且在将用于n掺杂剂的第三前体的第三质量流(MDot)添加至所述外延气流(F)的情况下调设出n掺杂初始值(DA1)，
-随后，所述第三质量流(MDot)和/或所述第一质量流和所述第二质量流之间的比例跨越具有至少10μm的生长高度(x)的过渡区域层逐步地或连续地改变，直至达到p掺杂目标值(DZ)。
2.根据权利要求1所述的气相外延方法，其特征在于，所述n掺杂初始值(DA1)为最高1·1016cm-3。
3.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，所述p掺杂目标值(DZ)为最高5·1015cm-3。
4.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，在跨越至少10μm的生长高度(x)达到所述p掺杂目标值(DZ)之后以用于所述p掺杂目标值(DZ)的调设继续生长。
5.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，在达到所述p掺杂目标值(DZ)之后通过所述第三质量流(MDot)的改变和/或通过在所述第一质量流和所述第二质量流之间的比例的改变调设出第二p掺杂目标值(DZ2)，其中，所述第二p掺杂目标值(DZ2)大于所述p掺杂目标值(DZ)。
6.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，所述过渡区域层的所述生长高度(x)为至少30μm。
7.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，所述掺杂(D)跨越所述过渡区域层以在5μm上最高1·1013cm-3的步进改变。
8.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，所述掺杂(D)跨越所述过渡区域层以至少四个步进改变。
9.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，在达到n掺杂初始值(DA1)之后并且在所述过渡区域层生长之前，所述n掺杂初始值(DA1)通过所述外延气流(F)中的所述第三质量流(MDot)的减小跃迁式地降低为第二n掺杂初始值(DA2)或者跃迁式地调设为最高1·1015cm-3的p掺杂初始值。
10.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，所述第三前体是甲硅烷。
11.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，所述III.主族的元素是镓并且所述V.主族的元素是砷。
12.根据权利要求1或2所述的气相外延方法，其特征在于，在跨越一生长高度达到所述掺杂目标值(DZ)之后，通过所述第三质量流的跃迁式改变和/或通过所述第一质量流相对于所述第二质量流的比例的跃迁式改变调设出第二p掺杂目标值(DZ2)，其中，所述第二p掺杂目标值大于所述p掺杂目标值(DZ)。
13.根据权利要求2所述的气相外延方法，其特征在于，所述n掺杂初始值(DA1)为最高1·1015cm-3。
14.根据权利要求13所述的气相外延方法，其特征在于，所述n掺杂初始值(DA1)为最高5·1014cm-3。
15.根据权利要求3所述的气相外延方法，其特征在于，所述p掺杂目标值(DZ)为最高1·1015cm-3。
16.根据权利要求6所述的气相外延方法，其特征在于，所述过渡区域层的所述生长高度(x)为至少60μm。
17.根据权利要求9所述的气相外延方法，其特征在于，所述p掺杂初始值为最高5·1014cm-3。
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