CN113005520A - 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第一传导类型改变至第二传导类型的掺杂的III‑V层，该外延气流具有承载气体、用于III.主族中的元素的至少一个第一前体和用于V.主族中的元素的至少一个第二前体，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比例调设出第一传导类型的第一掺杂初始值，随后使第一掺杂初始值降低为第一传导类型的第二掺杂初始值，随后，跨越具有至少10μm的生长高度的过渡区域层逐步地或连续地改变，直至达到第二传导类型的掺杂目标值。

Description

气相外延方法
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：在衬底的表面上或在前面层上生长具有从第一传导类型改变至第二传导类型的掺杂的III-V层。
第一传导类型是p并且第二传导类型是n。
在反应腔中，由外延气流的气相生长出III-V层。
外延气流具有承载气体和用于III.主族中的元素的至少一个第一前体以及用于V.主族中的元素的至少一个第二前体。
此外，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比例并且在将用于第一传导类型的掺杂剂的另外的前体添加至外延气流的情况下或者在不添加上述另外的前体的情况下调设出第一传导类型的第一掺杂初始值。
然后，通过将用于第二传导类型的掺杂剂的第三前体的第三质量流添加给外延气流和/或通过第一质量流相对于第二质量流的比例的改变，使第一掺杂初始值跃迁式地降低为第一传导类型的第二掺杂初始值或者调设成第二传导类型的最高1·1015cm-3的第二掺杂初始值。
再然后、即在达到第二掺杂初始值之后，通过第三前体的质量流的逐步的或者连续的增大和/或通过第一质量流和第二质量流之间的比例的逐步的或者连续的改变，III-V层的掺杂跨越具有至少10μm的生长高度的过渡区域层逐步地或连续地改变，直至达到第二传导类型的掺杂目标值。
显然，III-V层可以具有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，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、例如三甲基镓中存在至少一个另外的元素，例如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，那么被称为主动掺杂，而借助于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。要注意，半导体晶片的概念也包括没有另外的层的衬底盘。
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，或者原则上与每个量控制/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。
在此，各个步骤、即掺杂跃迁邻接于第一掺杂初始值的出现或者直至掺杂目标值的连续改变邻接于掺杂跃迁要么在时间上直接彼此相邻，或者这些步骤在时间上延迟地发生，其中，在时间上延迟并且在外延气流上没有另外的改变的情况下还相应地构造具有恒定掺杂的层。
首先，调设出第一传导类型的第一掺杂初始值。例如，先前生长的层具有第一传导类型的带着下降的变化曲线的掺杂，其中，在第一生长高度处达到第一掺杂初始值。
通过第三前体的质量流在过渡区域层的生长期间的改变，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，正如可靠地抑制在半导体晶片上或在半导体晶片之间的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抑制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p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，能够明显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100V的差别。
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。
替代地，前面的层或衬底已经具有相应于掺杂初始值的掺杂，使得在达到第一生长高度时的调设相当于保持所述调设。
在另外的替代方案中，先前生长的层或衬底具有较高的掺杂，其中，掺杂跃迁式地、逐步地或连续地降低，直至在第一生长高度处降低为第一初始值。
然后，所述掺杂跃迁式地、即在没有中间步进并且跨越非常小的生长高度、例如最高几纳米的情况下减小。
随后，通过跨越过渡区域层的斜坡或阶梯、即通过在生长的层中的掺杂的连续的或逐步的改变达到掺杂目标值。
所述掺杂跨越过渡区域层的跃迁式改变和所述掺杂的连续的或阶梯形的改变要么仅仅通过第三前体、例如硅烷的质量流的增大实现，要么在III.主族和V.主族的元素之间、即在第一和第二质量流之间的量比例附加地改变。
在另外的替代方案中，所述掺杂的改变仅仅通过在III.主族和V.主族的元素之间的量比例的改变引起。
显然，所有的组合也是可能的，或者，跃迁式的掺杂改变与斜坡形或阶梯形的掺杂改变无关，因此这些措施可以彼此无关地选择。
也显然的是，外延气流在出现第一掺杂初始值时也已经可以具有第三前体的必要时小的质量流，其中，第二传导类型的掺杂剂的出现借助于V-III比例和/或所述另外的前体的质量流相应地补偿。
例如H2或N2适于作为用于外延气流的承载气体。
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。
通过在过渡区域开始时的跃迁式改变、即从还肯定具有第一传导类型的掺杂值到第一或第二传导类型的例如非常低的掺杂值的改变和跨越具有一定层厚度的过渡区域层到第二传导类型的掺杂区域中的另外的逐步的或连续的改变，能够实现p-n过渡部的可复制的变化曲线。
因此，本发明的优点在于，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要求的情况下可靠地实现大于200V的高电压强度。
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。
在另外的实施方式中，第一传导类型的第一掺杂初始值为最高5·1016cm-3或者最高1·1016cm-3。
根据另外的实施方式，第一传导类型的第二掺杂初始值为最高5·1015cm-3或者最高1·1015cm-3或者最高5·1014cm-33或者最高1·1014cm-3。
在另外的扩展方案中，第二传导类型的掺杂目标值为最高1·1015cm-3或者最高5·1014cm-3或者最高1·1014cm-3。
根据另外的扩展方案，过渡区域的生长高度为至少30μm或者至少60μm。
在另外的实施方式中，所述掺杂跨越过渡区域层在5μm的生长高度上改变最高1·1013cm-3。
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，III.主族的元素是镓，并且V.主族的元素是砷，和/或，第三前体是甲硅烷。
在扩展方案中，在达到生长高度上的n掺杂目标值之后，第二n掺杂目标值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来调设，其中，第二n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跨越气相外延方法的生长的III-V层的变化曲线。
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。尤其地，通过气流中的V-III比例、即量比例不仅可以明确地调节掺杂水平，而且也可以明确地调节掺杂类型、即n或p。
另一方面明确的是，V-III比例在半导体晶片或衬底上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。
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)的第二质量流的比例并且在将用于第一传导类型的掺杂剂的另外的前体(例如四溴化碳或二甲基锌)的另外的质量流添加给外延气流F的情况下或者不添加上述另外的质量流的情况下调设出第一传导类型的第一掺杂初始值DA1。
然后，添加用于第二传导类型的掺杂剂的第三前体、例如硅烷的第三质量流和/或跃迁式地改变第一和第二质量流之间的比例，以便调设第一传导类型的第二掺杂初始值DA2或者调设第二传导类型的第二掺杂初始值DA2*(虚线画出)。
然后，在跨越过渡区域层
Figure BDA0002801871780000071
期间连续地改变第三前体的第三质量流和/或第一和第二质量流之间的比例，直至在第二生长高度x2处达到p掺杂目标值DZ。显然，过渡层区域
Figure BDA0002801871780000072
从第一生长高度x1延伸直至第二生长高度x2。
然后，外延气流F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。
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。
所述掺杂从n掺杂初始值DA1至p掺杂目标值DZ的变化以多步进行，使得出现所述掺杂跨越过渡区域层
Figure BDA0002801871780000073
的阶梯形的变化曲线。
在图5中借助质量流MD跨越过渡区域层
Figure BDA0002801871780000074
的厚度从第一生长高度x1直至第二生长高度x2的变化曲线阐明根据本发明的另外的实施方式，其中，下面仅阐释相对于图4的区别。
质量流MD的改变从处于零或接近零的起始值MA直至第三前体的质量流MZ的目标值MZ。质量流的增大能够连续地或至少稳定地实施，即跨越过渡区域层
Figure BDA0002801871780000075
的厚度实现所述掺杂的直线的或至少稳定的增大。在这里，仅画出质量流的直线增大。

Claims (10)

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)的气相在衬底的表面或前面层上生长具有从第一传导类型改变至第二传导类型的掺杂(D)的III-V层，该外延气流具有承载气体、用于III.主族中的元素的至少一个第一前体和用于V.主族中的元素的至少一个第二前体，其中，
所述第一传导类型是p并且所述第二传导类型是n，
-在达到第一生长高度时，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比例并且在将用于所述第一传导类型的掺杂剂的另外的前体添加至所述外延气流(F)的情况下或者在不添加所述另外的前体的情况下调设出所述第一传导类型的第一掺杂初始值(DA1)，
-随后，通过将用于所述第二传导类型的掺杂剂的第三前体的第三质量流添加至所述外延气流(F)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改变，使所述第一掺杂初始值(DA1)跃迁式地降低为所述第一传导类型的第二掺杂初始值(DA2)或者调设为所述第二长安类型的最高1·1015cm-3的第二掺杂初始值(DA2*)，
-随后，通过所述第三前体的质量流的逐步的或连续的增大和/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逐步的或连续的改变，使所述III-V层的掺杂(D)跨越具有至少10μm的生长高度的过渡区域层
Figure FDA0002801871770000011
逐步地或连续地改变，直至达到所述第二传导类型的掺杂目标值(DZ)。
2.根据权利要求1所述的气相外延方法，其特征在于，所述第一传导类型的所述第一掺杂初始值(DA1)为最高5·1016cm-3或者最高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，所述第一传导类型的所述第二掺杂初始值(DA2)为最高5·1015cm-3或者最高1·1015cm-3或者最高5·1014cm-3或者最高1·1014cm-3。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气相外延方法，其特征在于，所述第二传导类型的所述掺杂目标值(DZ)为最高1·1015cm-3或者最高5·1014cm-3或者最高1·1014cm-3。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气相外延方法，其特征在于，所述过渡区域的生长高度为至少30μm或者至少60μm。
6.根据前述权利要求中任一项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
Figure FDA0002801871770000021
以在5μm上的最高1·1013cm-3的步进改变。
7.根据前述权利要求中任一项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
Figure FDA0002801871770000022
以至少四个步进改变。
8.根据前述权利要求中任一项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。
9.根据前述权利要求中任一项所述的气相外延方法，其特征在于，所述第三前体是甲硅烷。
10.根据前述权利要求中任一项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n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n掺杂目标值，其中，所述第二n掺杂目标值大于所述n掺杂目标值(DZ)。
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