JP2021100117A - 気相エピタキシー法 - Google Patents

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Abstract

【課題】クロスコンタミネーションを抑制できる第ＩＩＩ−Ｖ族層の気相エピタキシー法を提供する。【解決手段】担体ガスと、第１の前駆体と、第２の前駆体とを含むエピタキシーガス流Ｆからの気相による、反応チャンバＫ内の基板Ｓ表面上または先行する層上での、第１の導電型から第２の導電型へと変化するドーピングを有する第ＩＩＩ−Ｖ族層の成長を有する気相エピタキシー法であって、第１の成長高さの達成時に、該エピタキシーガス流における、該第１の前駆体の第１の質量流量と該第２の前駆体の第２の質量流量との比を利用して、該第１の導電型の第１のドーピング初期値を調整し、続いて、該第１のドーピング初期値を、該第１または低い第２の導電型の第２のドーピング初期値へと下げ、続いて、少なくとも１０μｍの成長高さを有する遷移領域層により、該第２の導電型のドーピング目標値の達成まで段階的または連続的に変化させる。【選択図】図３

Description

本発明は、気相エピタキシー法に関する。
半導体層をエピタキシャル形成させるための非常に様々な気相エピタキシー装置が知られており、例えばＡｉｘｔｒｏｎ社の装置が知られている。
それらの装置に共通するのは、反応チャンバ内に導入した基板上に、気相からのエピタキシャル層を蒸着ないしは成長させることである。そのためには、反応チャンバを加熱してエピタキシーガス流を反応チャンバ内に導入する。
ガス流の組成は、成長させるべき層の種類に従うが、典型的には、例えばアルシンおよび／またはＴＭＧａのような、成長させるべき半導体層用の元素を供給する前駆体が添加され、かつ層をドーピングするためには、適宜、ドーパント用前駆体も添加される。前駆体は、担体ガスを利用して反応チャンバ内に案内される。ガス流の組成を制御するために、典型的にはマスフローコントローラを使用する。
ただし、リアクタ履歴（Reaktorhistorie）に起因し、反応チャンバ内には事前のプロセスに由来する望ましくない別の元素もなおかつ存在し得ることも顧慮する必要がある。このことは、ドープ量の少ない層を形成させる際にまさに問題になりかねない。
この背景をもとに、本発明の課題は、従来技術を発展させる方法を提示することにある。
この課題は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。本発明の有利な形態が、従属請求項の主題である。
本発明の主題によると、工程段階：基板表面上または先行する層上での、第１の導電型から第２の導電型へと変化するドーピングを有する第ＩＩＩ−Ｖ族層の成長を有する気相エピタキシー法が提供される。
第１の導電型はｐであり、かつ第２の導電型はｎである。
反応チャンバ内において、エピタキシーガス流からの気相により第ＩＩＩ−Ｖ族層を成長させる。
該エピタキシーガス流は、担体ガスと、第ＩＩＩ主族からの元素用の少なくとも１つの第１の前駆体と、第Ｖ主族からの元素用の少なくとも１つの第２の前駆体とを有する。
さらに、第１の成長高さ（Aufwachshoehe）の達成時に、エピタキシーガス流における、第１の前駆体の第１の質量流量と第２の前駆体の第２の質量流量との比を利用して、かつ第１の導電型のドーパント用のもう１つの前駆体をエピタキシーガス流に添加するかまたは添加せずに、第１の導電型の第１のドーピング初期値を調整する。
続いて、その第１のドーピング初期値を、第２の導電型のドーパント用の第３の前駆体の第３の質量流量の、エピタキシーガス流への添加により、および／または第１の質量流量と第２の質量流量との比の変化により、急激に、第１の導電型の第２のドーピング初期値へと下げるか、または最高で１×１０１５ｃｍ−３の、第２の導電型の第２のドーピング初期値へと調整する。
再び続いて、つまり第２のドーピング初期値の達成後、第３の前駆体の質量流量の段階的または連続的な上昇により、および／または第１の質量流量と第２の質量流量との比の段階的または連続的な変化により、第ＩＩＩ−Ｖ族層のドーピングを、少なくとも１０μｍの成長高さを有する遷移領域層（Uebergangsbereichsschicht）により、第２の導電型のドーピング目標値の達成まで段階的または連続的に変化させる。
第ＩＩＩ−Ｖ族層は、第ＩＩＩ主族の少なくとも１つの成分さらには複数の成分、例えばアルミニウムまたはガリウム、および第Ｖ主族の少なくとも１つの成分または複数の成分、例えばインジウムまたはヒ素またはリンを有することが自明である。
前駆体と呼ばれるのは、エピタキシャル成長の出発生成物（Ausgangsprodukt）として利用される分子である。それに応じて、前駆体は、成長させるべき元素、例えば、第ＩＩＩ主族もしくは第Ｖ主族の元素、またはドーパント、および少なくとも１つのさらなる元素からなる分子である。
特に、有機金属前駆体、例えばＴＭＧａの場合、少なくとももう１つの元素、例えば、成長中に放出されてドーパントとして作用する炭素が存在する。
ドーパント用前駆体を添加する場合、これは活性ドーピング（aktive Dotierung）と呼ばれ、有機金属前駆体の炭素を利用するドーピングはオートドーピングと呼ばれる。
第ＩＩＩ−Ｖ族層のドーピングの程度および種類は、反応チャンバ内における第ＩＩＩ主族の元素と第Ｖ主族の元素との量比にも依存する。
使用する気相装置の種類およびサイズに応じて、その量比は反応チャンバ内で変動し、つまり、異なる場所では、流入するガス流が、異なるＶ／ＩＩＩ量比を有する。そのような変動は、個々の半導体ディスクの範囲内で、および／または複数の半導体ディスクを越えて起こり得る。半導体ディスクの用語には、もう１つの層を伴わない基板ディスクも含まれていることを付け加えておく。
質量流量の変化または２つの異なる質量流量の比の変化は、該当する分圧ないしは分圧比の変化と同等であること、ないしは基本的にそれぞれの量制御／量変化と同等であることが自明である。
前述のドーピング値の調整は成長中に行われること、ないしは連続的に成長させ、成長中ないしは蒸着中に質量流量を変化させることも自明である。
その際、個々のステップ、つまりドーピング飛躍（Dotierungssprung）が第１のドーピング初期値の調整に、ないしはドーピング目標値までの連続的な変化がドーピング飛躍に、時間的に互いに直接に続くかまたは時間的に遅延して行われ、それに応じて、時間的な遅延のもとエピタキシーガス流のさらなる変化を伴うことなく、ドーピング量が一定であるもう１つの層が形成される。
まず、第１の導電型の第１のドーピング初期値が調整される。例えば、あらかじめ成長させた層が、第１の導電型の低下する推移を伴うドーピングを有し、第１の成長高さにおいて第１のドーピング初期値が達成される。
遷移領域層の成長中に第３の前駆体の質量流量を変化させることにより、ｐｎ接合の領域で再現可能な推移を達成することができる。
半導体ディスク上で、望ましくない複数の直列ｐｎ接合の形成を、半導体ディスク上での、または半導体ディスク間でのドーパント推移における局所差の形成と同様に確実に抑制することができる。
もう１つの利点は、例えば、先行するエピタキシー相に由来するリアクタチャンバの占有によるクロスコンタミネーションを確実かつ効果的に抑制でき、５×１０１５ｃｍ−３未満のドープ量の少ない層、および特に、ｐ型ドーピングを起点としたｐｎ接合を確実に製造できることである。
少なくとも１０μｍの遷移領域層の成長中の一定のＶ／ＩＩＩ比を起点に、１００Ｖ超の差異を伴う、従来の半導体ディスク上で著しく変動する逆電圧を低下させることができる。
言い換えると、Ｖ／ＩＩＩ比の変動に起因する、および／またはエピタキシー装置内での異なるバックグラウンドドーピングに起因する半導体ディスク上での局所ドーピング差が低下する。
別法として、先行する層または基板がすでに、ドーピング初期値に相当するドーピングを有するため、第１の成長高さに達した際の調整は、設定の維持に相当することになる。
さらなる一別法では、あらかじめ成長させた層または基板が、より大きい量のドーピングを有し、そのドーピングを、第１の成長高さまで急激、段階的または連続的に第１の初期値へと下げる。
続いて、ドーピングを急激に、つまり中間ステップを伴わずに、かつ非常にわずかな成長高さ、例えば最高で数ナノメートルにより低下させる。
続いて、スロープまたはステップにより、つまり成長する層中の遷移領域層にわたるドーピングの連続的または段階的な変化によりドーピング目標値を達成する。
ドーピングの急激な変化も、遷移領域層にわたる、ドーピングの連続的または段階的な変化も、第３の前駆体、例えばシランの質量流量の上昇のみによって行うか、または第ＩＩＩ主族の元素と第Ｖ主族の元素との量比、つまり第１の質量流量と第２の質量流量との量比も追加的に変化させるかのいずれか一方である。
さらなる一別法では、ドーピングの変化を、第ＩＩＩ主族の元素と第Ｖ主族の元素との量比の変化のみによって引き起こす。
すべての組み合わせも可能であり、また急激なドーピング変化はスロープ状またはステップ状のドーピング変化には依存しないため、方法は互いに独立に選択可能であることが自明である。
さらに、エピタキシーガス流が、第１のドーピング初期値の調整時にもすでに、第３の前駆体の、適宜、わずかな質量流量を有し得ることが自明であり、第２の導電型のドーパントの存在は、Ｖ／ＩＩＩ比および／またはさらなる前駆体の質量流量を利用して相応に補整される。
エピタキシーガス流用の担体ガスとしては、例えば、Ｈ２またはＮ２が適切である。
急激なｐｎ接合は、Ｖ／ＩＩＩ比の局所差ゆえ、および／またはバックグラウンドドーピングゆえ、少ないドーピング量においてまさに、個々の半導体ディスクおよび／または複数の半導体ディスクを越えて、非常に異なる逆電圧をもたらしかねない。
遷移領域の開始での急激な変化、つまり第１の導電型をなおも確実に有するドーピング値から、例えば、第１または第２の導電型の非常に低いドーピング値への変化、およびある一定の層厚を有する遷移領域層による、第２の導電型のドーピング領域内への段階的または連続的なさらなる変化により、ｐｎ接合の再現可能な推移を達成することができる。
それゆえ、本発明の利点は、簡便かつ再現可能な方法で、使用する気相エピタキシー装置に特別な要件が課されることなく、２００Ｖ超の高い絶縁耐力が確実に達成されることである。
本方法の利点は、第Ｖ族用の第２の前駆体のわずかな流量を利用しながら気相エピタキシー法を行えることにある。特に、第２の前駆体用にアルシンまたはＴＧＭａを使用する場合、第２の前駆体のわずかな流量を利用して、製造費を明らかに下げることができ、かつ製造プロセスの環境への配慮を著しく高めることができる。
それに対して、質量流量のＶ／ＩＩＩ比が一定またはほぼ一定である場合の、遷移領域層の厚さにわたるドーピングの段階的または連続的な変化により、反応チャンバ全体にわたって再現可能な、半導体ディスク上でのｐｎ接合の推移が達成される。
流入するガス流中での差異は、単に、接合の絶対的な成長深さ（Wachstumstiefe）にしか影響を及ぼさず、ただし、絶対的な成長深さの点での差異は、達成される逆電圧に対して、ｐｎ接合の再現不可能なドーピング推移（Dotierungsverlauf）よりもわずかな影響を及ぼす。
さらなる一実施形態では、第１の導電型の第１のドーピング初期値が、最高で５×１０１６ｃｍ−３または最高で１×１０１６ｃｍ−３である。
別の一実施形態によると、第１の導電型の第２のドーピング初期値が、最高で５×１０１５ｃｍ−３または最高で１×１０１５ｃｍ−３または最高で５×１０１４ｃｍ−３または最高で１×１０１４ｃｍ−３である。
別の一変形形態では、第２の導電型のドーピング目標値が、最高で１×１０１５ｃｍ−３または最高で５×１０１４ｃｍ−３または最高で１×１０１４ｃｍ−３である。
さらなる一変形形態によると、遷移領域の成長高さは、少なくとも３０μｍまたは少なくとも６０μｍである。
別の一実施形態では、遷移領域層を横切るドーピングを、５μｍの成長高さにわたり最高で１×１０１３ｃｍ−３だけ変化させる。
さらなる一実施形態によると、遷移領域層を横切るドーピングを、少なくとも４ステップで変化させる。
さらなる実施形態では、第ＩＩＩ主族の元素はガリウムであり、第Ｖ主族の元素はヒ素であり、かつ／または第３の前駆体はモノシランである。
一変形形態では、成長高さによりｎ型ドーピング目標値に達した後、第３の質量流量の急激な変化により、および／または第１の質量流量と第２の質量流量との比の急激な変化により、第２のｎ型ドーピング目標値を調整し、ただし、第２のｎ型ドーピング目標値はｎ型ドーピング目標値よりも大きい。
以下に、図面に関連付けて本発明をより詳細に説明する。その際、同種の要素には同一の符号を付す。説明する実施形態は、著しく図式化されており、つまり間隔ならびに横方向および垂直方向の長さは一定率でなく、異なる指定がない限り、互いに導出可能な幾何学的関係も有しない。
反応チャンバ内に配置された基板の横断面図である。 エピタキシャル成長中の、ドーピングと、第Ｖ主族の元素と第ＩＩＩ主族の元素との比との関係を示す図である。 気相エピタキシー法の本発明の第１の実施形態による、成長させた第ＩＩＩ−Ｖ族層を横切るドーパント濃度推移を示す図である。 気相エピタキシー法の本発明の第２の実施形態による、成長させた第ＩＩＩ−Ｖ族層を横切るドーパント濃度推移を示す図である。 気相エピタキシー法の、成長させた第ＩＩＩ−Ｖ族層にわたる、第３の前駆体の質量流量の推移を示す図である。
図１の図解は、気相エピタキシー装置のリアクタチャンバＫの横断面図を概略的に示す。リアクタチャンバＫの床には、基板Ｓが配置されている。さらに、リアクタチャンバＫは、リアクタチャンバＫ内にエピタキシーガス流Ｆを導入するガス入口要素Ｏを有する。
エピタキシーガス流Ｆは、担体ガスと、第ＩＩＩ主族の元素用の少なくとも１つの第１の有機金属前駆体、例えばＴＭＧａと、第Ｖ主族の元素用の第２の前駆体、例えばアルシンと、第３のｎ型ドーパント用前駆体、例えばシランとを有する。
ガス入口要素Ｏは、リアクタチャンバＫ内で終了する複数の導管を有し、それらの導管により、エピタキシーガス流Ｆのそれぞれ１つの成分または複数の成分をリアクタチャンバＫへと案内する。
図２の図解では、第Ｖ主族の元素と第ＩＩＩ主族の元素との量比に対するドーピングの依存性をグラフにプロットしている。特に、ドーピングの程度のみならず、ドーピングの種類、つまりｎまたはｐも、Ｖ／ＩＩＩ比、つまりガス流中での量比によって調整できることが明らかになる。
他方、半導体ディスク上ないしは基板上でのＶ／ＩＩＩ比の変動が、異なるドーピングをもたらすこと、およびそのような変動が、ドーピング量が少ない場合はまさに、特に著しく影響を及ぼすことが明らかになる。
図３の図解では、本発明による気相エピタキシー法の第１の実施形態を、成長高さｘにわたるドーピングＤの推移をもとに具体的に示す。
まず、ないしは第１の成長高さｘ１において、エピタキシーガス流Ｆにおける、第１の前駆体、例えばＴＭＧａの第１の質量流量と、第２の前駆体、例えばアルシンの第２の質量流量との比を利用して、かつ第１の導電型のドーパント用のもう１つの前駆体、例えば四臭化炭素またはジメチル亜鉛のもう１つの質量流量をエピタキシーガス流Ｆに添加するかまたは添加せずに、第１の導電型の第１のドーピング初期値ＤＡ１を調整する。
続いて、第１の導電型の第２のドーピング初期値ＤＡ２または（破線でプロットしてあるように）第２の導電型の第２のドーピング初期値ＤＡ２＊を調整するために、第２の導電型のドーパント用の第３の前駆体、例えばシランの第３の質量流量を添加し、かつ／または第１の質量流量と第２の質量流量との比を急激に変化させる。
続いて、第３の前駆体の第３の質量流量および／または第１の質量流量と第２の質量流量との比を、遷移領域層ＵＥにわたって、第２の成長高さｘ２においてｐ型ドーピング目標値Ｄｚに達するまで連続的に変化させる。遷移領域層ＵＥが、第１の成長高さｘ１から第２の成長高さｘ２まで延在することは自明である。
続いて、エピタキシーガス流Ｆを、成長高さｘの引き続く領域にわたってさらには変化させないため、続く第ＩＩＩ−Ｖ族層のドーピングは一定のままになる。
図４の図解では、ドーピング推移Ｄをもとに、本発明による気相エピタキシー法のさらなる一実施形態を具体的に示し、ただし、以下では、図３の図解との相違点のみを説明する。
ｎ型ドーピング初期値ＤＡ１からｐ型ドーピング目標値Ｄｚへのドーピングの変化は、複数ステップで行われ、その結果、遷移領域層ＵＥにわたるドーピングのステップ状推移が生じることになる。
図５の図解では、第１の成長高さｘ１から第２の成長高さｘ２までの遷移領域層ＵＥの厚さにわたる質量流量ＭＤの推移をもとに、本発明による気相エピタキシー法のさらなる一実施形態を具体的に示し、ただし、以下では、図４の図解との相違点のみを説明する。
質量流量ＭＤの変化は、ゼロまたはほぼゼロに位置する初期値ＭＡから、第３の前駆体の質量流量ＭＺの目標値ＭＺまで行う。質量流量の上昇は、連続的または少なくとも恒常的に行うことができ、つまり、遷移領域層ＵＥの厚さにわたって、直線的または少なくとも恒常的なドーピングの上昇が起こる。本明細書では、質量流量の直線的な上昇のみをプロットしてある。

Claims (10)

  1. 工程段階：
    − 担体ガスと、第ＩＩＩ主族からの元素用の少なくとも１つの第１の前駆体と、第Ｖ主族からの元素用の少なくとも１つの第２の前駆体とを含むエピタキシーガス流（Ｆ）からの気相による、反応チャンバ（Ｋ）内の基板表面上または先行する層上での、第１の導電型から第２の導電型へと変化するドーピング（Ｄ）を有する第ＩＩＩ−Ｖ族層の成長を有する気相エピタキシー法であって、
    前記第１の導電型がｐであり、かつ前記第２の導電型がｎであり、
    − 第１の成長高さの達成時に、前記エピタキシーガス流（Ｆ）における、前記第１の前駆体の第１の質量流量と前記第２の前駆体の第２の質量流量との比を利用して、かつ前記第１の導電型のドーパント用のもう１つの前駆体を前記エピタキシーガス流（Ｆ）に添加するかまたは添加せずに、前記第１の導電型の第１のドーピング初期値（ＤＡ１）を調整し、
    − 続いて、前記第１のドーピング初期値（ＤＡ１）を、前記第２の導電型のドーパント用の第３の前駆体の第３の質量流量の、前記エピタキシーガス流（Ｆ）への添加により、および／または前記第１の質量流量と前記第２の質量流量との前記比の変化により、急激に、前記第１の導電型の第２のドーピング初期値（ＤＡ２）へと下げるか、または最高で１×１０１５ｃｍ−３の、前記第２の導電型の第２のドーピング初期値（ＤＡ２＊）へと調整し、
    − 続いて、前記第３の前駆体の前記質量流量の段階的または連続的な上昇により、および／または前記第１の質量流量と前記第２の質量流量との前記比の段階的または連続的な変化により、前記第ＩＩＩ−Ｖ族層のドーピング（Ｄ）を、少なくとも１０μｍの成長高さを有する遷移領域層（ＵＥ）により、前記第２の導電型のドーピング目標値（ＤＺ）の達成まで段階的または連続的に変化させる気相エピタキシー法。
  2. 前記第１の導電型の前記第１のドーピング初期値（ＤＡ１）が、最高で５×１０１６ｃｍ−３または最高で１×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする、請求項１記載の気相エピタキシー法。
  3. 前記第１の導電型の前記第２のドーピング初期値（ＤＡ２）が、最高で５×１０１５ｃｍ−３または最高で１×１０１５ｃｍ−３または最高で５×１０１４ｃｍ−３または最高で１×１０１４ｃｍ−３であることを特徴とする、請求項１または２記載の気相エピタキシー法。
  4. 前記第２の導電型の前記ドーピング目標値（ＤＺ）が、最高で１×１０１５ｃｍ−３または最高で５×１０１４ｃｍ−３または最高で１×１０１４ｃｍ−３であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の気相エピタキシー法。
  5. 前記遷移領域の前記成長高さが、少なくとも３０μｍまたは少なくとも６０μｍであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の気相エピタキシー法。
  6. 前記遷移領域層（ＵＥ）を横切る前記ドーピング（Ｄ）を、５μｍにわたり最高で１×１０１３ｃｍ−３のステップで変化させることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の気相エピタキシー法。
  7. 前記遷移領域層（ＵＥ）を横切る前記ドーピング（Ｄ）を、少なくとも４ステップで変化させることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の気相エピタキシー法。
  8. 前記第ＩＩＩ主族の元素がガリウムであり、前記第Ｖ主族の元素がヒ素であることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の気相エピタキシー法。
  9. 前記第３の前駆体がモノシランであることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の気相エピタキシー法。
  10. 成長高さによる前記ｎ型ドーピング目標値（ＤＺ）の前記達成後、前記第３の質量流量の急激な変化により、および／または前記第１の質量流量と前記第２の質量流量との前記比の急激な変化により、第２のｎ型ドーピング目標値を調整し、ただし、前記第２のｎ型ドーピング目標値が前記ｎ型ドーピング目標値（ＤＺ）よりも大きいことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の気相エピタキシー法。
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