垂直半导体结构元件和用于在制造这种类型的垂直半导体结构元件时产生突变的端点探测信号的方法与流程-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36175664发布日期:2023-11-25 01:44阅读:6333来源:国知局
垂直半导体结构元件和用于在制造这种类型的垂直半导体结构元件时产生突变的端点探测信号的方法与流程

1.本发明涉及一种垂直半导体结构元件和一种用于在制造这种类型的垂直半导体结构元件时产生突变的
(abrupten)
端点探测信号的方法



背景技术:

2.布置在硅衬底上的基于氮化镓的垂直半导体结构元件,需要缓冲层,用于调整
gan

si
之间的晶格失配
(gitterfehlpasses)
并且用于减小衬底拱曲

在此,缓冲层这样张紧,使得所述缓冲层补偿
gan
层的张力

缓冲层阻碍从半导体结构元件的前侧到后侧的电流流动,因为缓冲层是电绝缘的

为了防止该绝缘,借助在半导体结构元件下方的后侧沟槽选择性地移除不导电的缓冲层,使得半导体结构元件的漂移区的后侧可以借助欧姆金属半导体触点与位于该漂移区下方的半导体接触层触点接通

3.这样做的缺点是,难以确定如下时间点:在该时间点,不导电的缓冲层被完全移除并且对半导体接触层的蚀刻开始

如果后侧沟槽由于提前结束该移除过程而在缓冲层内终止,则不发生垂直的电流流动

如果后侧沟槽在漂移层内终止,则半导体结构元件的
on
电阻过高并且半导体结构元件的击穿电压小

4.本发明的任务在于克服该缺点



技术实现要素:

5.垂直半导体结构元件包括半导体衬底,该半导体衬底具有前侧和后侧,其中,前侧与后侧对置

半导体衬底具有第一化学元素

在半导体衬底的前侧上布置有缓冲层,该缓冲层具有第二化学元素

在缓冲层上布置有半导体接触层,其中,在半导体接触层上布置有垂直半导体结构元件

根据本发明,在缓冲层与半导体接触层之间布置有蚀刻控制层

蚀刻控制层具有至少一个第三化学元素,该第三化学元素与第一化学元素和第二化学元素不同

换言之,第三化学元素既不以值得注意的浓度包含在缓冲层中,也不以值得注意的浓度包含在半导体衬底中

6.这样做的优点在于,半导体接触层可以构型得非常薄,其中,垂直半导体结构元件的
on
电阻低

附加地,外延层堆叠的总厚度小,由此工艺成本低,因为需要产生少量的用于机械张力的补偿层

7.在一种构造方案中,第三化学元素包括锗



铁或者铟

8.这样做的有利之处在于,这些元素可以简单地作为掺杂元素借助常见的前体气体
(precursorgase)
在外延生长过程中注入
(inkorporiert)
到蚀刻控制层中,而由此不降低位于该蚀刻控制层下方的层的晶体质量

在使用锗的情况下的优点在于,锗起到n掺杂的作用

9.垂直半导体结构元件包括半导体衬底,该半导体衬底具有前侧和后侧,其中,前侧与后侧对置,该半导体衬底具有第一化学元素和另外的化学元素,所述另外的化学元素具
有第一背景浓度

在半导体衬底的前侧上布置有缓冲层,其中,缓冲层具有第二化学元素和所述另外的化学元素,所述另外的化学元素具有第二背景浓度

在缓冲层上布置有半导体接触层,其中,在半导体接触层上布置有垂直半导体结构元件的有源区域

根据本发明,在缓冲层与半导体接触层之间布置有蚀刻控制层

蚀刻控制层包括所述另外的化学元素,所述另外的化学元素具有第三背景浓度

第三背景浓度比第一背景浓度和第二背景浓度大

10.在一种构型中,所述另外的化学元素是碳

11.这样做的有利之处在于,不损坏晶体质量

12.在一种扩展方案中,第三背景浓度包括在
1e18 cm^-3

1e19 cm^-3
之间的范围

13.这样做的优点在于,在蚀刻控制层的外延生长中可以容易实现高的碳浓度

14.在一种扩展方案中,蚀刻控制层具有在
20nm

200nm
之间的层厚度

15.这样做的优点在于,在这样的层厚度的情况下,借助常见的端点探测方法,可以在产生后侧沟槽期间容易地识别出该层的到达和该层的移除

同时,通过选择蚀刻控制层的层厚度,用于蚀刻控制层的生长的附加花费变得低

16.在另一种构型中,第一化学元素包括硅

硅和硼

硅和磷

硅和砷或者硅和锑,第二化学元素包括铝和镓和氮

17.在另一种构型中,垂直半导体结构元件具有氮化镓

18.这样做的优点在于,可以在低的特定的
on
电阻和低的切换损失的情况下实现具有高的击穿电压的半导体结构元件

19.在一种构型中,垂直半导体结构元件是肖特基二极管
、pn
二极管

垂直的扩散
mosfet、
平面栅极
mosfet、
沟道栅极
mosfet、
电流孔径垂直电子晶体管
(current-aperture vertical electron transistor)、vgroove hemt
或者鳍式
fet。
20.根据本发明的用于在制造垂直半导体结构元件时产生突变的端点探测信号的方法,其中,该垂直半导体结构元件具有半导体衬底

缓冲层

半导体接触层和垂直半导体结构元件的有源区域,该半导体衬底具有前侧和后侧,其中,前侧与后侧对置,并且该半导体衬底具有第一化学元素,缓冲层布置在该半导体衬底上,其中,该缓冲层具有第二化学元素,包括:产生蚀刻控制层,该蚀刻控制层布置在缓冲层与半导体接触层之间,其中,该蚀刻控制层具有第三化学元素,第三化学元素与第一化学元素和第二化学元素不同

另外,该方法包括:借助蚀刻过程产生后侧沟槽,其中,后侧沟槽从半导体衬底的后侧出发在半导体接触层的方向上延伸,借助端点探测系统检测突变的端点探测信号,并且根据该端点探测信号结束蚀刻过程

21.这样做的优点在于,可以有针对性地在到半导体接触层的过渡部上停止该蚀刻过程,因为能够借助常见的端点探测方法来探测到达该层

22.由下面对实施例的描述或由从属权利要求得出另外的优点

附图说明
23.下面根据优选的实施方式和所附附图阐述本发明

附图示出:
24.图1示出来自现有技术的垂直半导体结构元件,
25.图2示出根据本发明的垂直半导体结构元件,
26.图3示出用于在制造根据本发明的垂直半导体结构元件时产生突变的端点探测信
号的方法,
27.图4示出在制造根据本发明的垂直半导体结构元件时在产生后侧沟槽时在蚀刻过程期间端点信号的示例性的第一信号曲线和该端点信号的示例性的第二信号曲线

具体实施方式
28.图1示出来自现有技术的垂直半导体结构元件
100。
垂直半导体结构元件
100
包括半导体衬底
101
,该半导体衬底具有前侧和后侧,其中,前侧与后侧对置

在前侧上布置有缓冲层
102。
在缓冲层
102
上布置有半导体接触层
104。
半导体接触层
104
是高掺杂的并且n型导电的

在半导体接触层
104
上布置有垂直半导体结构元件的有源区域

该垂直半导体结构元件在此示例性地是
mosfet
的单位单元
(einheitszelle)
,并且具有
gan。
垂直半导体结构元件
100
的有源区域包括漂移层
105
,该漂移层布置在半导体接触层
104


漂移层
105
是低掺杂的并且n型导电的

在漂移层
105
上布置有本体层
106。
本体层
106

p
型导电的

在本体层
106
上布置有源极接触区域
107
以及源极电极
110。
源极接触区域
107
是高掺杂的并且n型导电的

在源极接触区域
107
上布置有绝缘区域
112。
前侧沟槽
108
从绝缘区域
112
出发在后侧的方向上延伸,并且在漂移层
105
内终止

在前侧沟槽
108
上施加有栅极电介质
109。
用栅极电极
111
填充前侧沟槽
108。
后侧沟槽
113
从后侧出发在前侧的方向上延伸

在后侧上布置有漏极电极
114。
29.在垂直半导体结构元件
100
运行期间,在本体层
106
中通过将栅极电压施加到栅极电极
111
上,形成导电的通道,使得电流在源极电极
110
与漏极电极
114
之间流动

为了可以确保垂直半导体结构元件
100
的低的
on
电阻,后侧沟槽
113
必须在接触半导体层
104
内终止

由于在导致缓冲层
102
的局部移除的蚀刻停止时的工艺公差和工艺控制,半导体接触层
104
的厚度必须选择得非常大

该厚度包括例如在
500nm
与1μm之间的范围,尤其是略大于
500nm
的范围,例如大于
500nm
的范围

30.半导体衬底
101
包括硅,缓冲层
102
包括镓

氮和铝

半导体接触层
104
包括镓

氮和硅

因此,对于端点信号,端点探测系统可以只检测元素镓



氮和硅

由于缓冲层
102
和半导体接触层
104
可以具有相同的化学元素,因此,不会产生明显的

突变的端点信号

虽然硅不存在于缓冲层
102
中,然而来自半导体衬底
101
的硅产生高的背景信号,使得借助该化学元素也不能够产生突变的端点信号,由此半导体接触层
104
必须选择得非常厚,以便防止半导体接触层的过度蚀刻

31.图2示出根据本发明的垂直半导体结构元件
200。
垂直半导体结构元件
200
包括半导体衬底
201
,该半导体衬底具有前侧和后侧,其中,前侧与后侧对置

半导体衬底
201
具有第一化学元素

在前侧上布置有缓冲层
202
,该缓冲层具有第二化学元素

在缓冲层
202
上布置有蚀刻控制层
203。
蚀刻控制层
203
具有至少一个第三化学元素

第三化学元素与第一化学元素和第二化学元素不同

在蚀刻控制层
203
上布置有半导体接触层
204。
半导体接触层
204
是高掺杂的并且n型导电的

在半导体接触层
204
上布置有垂直半导体结构元件的有源区域

垂直半导体结构元件
200
在此示例性地示出为
mosfet
的单位单元,并且包括氮化镓

垂直半导体结构元件
200
的有源区域具有漂移层
205
,该漂移层布置在半导体接触层
204


漂移层
205
是低掺杂的并且n型导电的

在漂移层
205
上布置有本体层
206。
本体层
206

p
型导电的

在本体层
206
上布置有源极接触区域
207
以及源极电极
210。
源极接触区域
207
是高
掺杂的并且n型导电的

在源极接触区域
207
上布置有绝缘区域
212。
前侧沟槽
208
从绝缘区域
212
出发在后侧的方向上延伸,并且在漂移层
205
内终止

在前侧沟槽
208
上施加有栅极电介质
209。
用栅极电极
211
填充前侧沟槽
208。
后侧沟槽
213
从后侧出发在前侧的方向上延伸

在后侧上布置有漏极电极
214。
32.半导体衬底
201
包括第一化学元素,例如硅

硅和硼

硅和磷

硅和砷或者硅和锑

缓冲层
202
包括第二化学元素,例如铝

镓和氮,可以由多个单个层组成,所述单个层具有这些第二元素的不同化学计量

蚀刻控制层
203
包括经掺杂的氮化镓

蚀刻控制层
203
掺杂有至少一个第三化学元素,例如锗





铟或碳

优选地,包含有锗,因为锗附加地起到n掺杂的作用,使得即使在不完全移除蚀刻控制层
203
的情况下,也能够实现从垂直半导体结构元件
200
的前侧到后侧的垂直的电流流动

33.蚀刻控制层
203
具有在
20nm

200nm
之间的层厚度

此外,蚀刻控制层
203
优选包括与半导体接触层
204
相同的晶格结构和相似的晶格常数

半导体接触层
204
包括经硅掺杂的氮化镓,并且具有大于
1e18 1/cm^3
的掺杂物浓度

34.附加地,可以在缓冲层
201
内或者在缓冲层
201
与半导体接触层
204
之间嵌入另外的蚀刻控制层,以便获得关于后侧沟槽的蚀刻深度的另外的信息

35.在另一个实施例中,半导体衬底
201
除了第一化学元素之外附加地包括另外的化学元素,该另外的化学元素具有第一背景浓度

缓冲层除了第二化学元素之外附加地包括该另外的化学元素,该另外的化学元素具有第二背景浓度

第一背景浓度和第二背景浓度在此可以是相同的

蚀刻控制层
203
具有该另外的化学元素,该另外的化学元素具有第三背景浓度

第三背景浓度比第一背景浓度和第二背景浓度高

该另外的化学元素是碳

碳由于工艺的原因不仅以微不足道的浓度存在于半导体衬底
201
中,还以值得注意的浓度存在于缓冲层
202
中,在含有铝的缓冲层
202
的情况下例如以大约
1e17 1/cm^3
的浓度存在于该缓冲层中,并且可以在那里被视为背景元素

碳可以在蚀刻控制层
203
中具有高达
1e19 1/cm^3
的浓度,其中,这不降低晶体质量

由于碳在缓冲层
202
中和在蚀刻层
203
中的浓度区别,在到达半导体接触层
204
时产生突变的端点信号

36.与图1中的现有技术相比,高掺杂的半导体接触层
204
构型得更薄

半导体接触层
204
具有在
100nm

500nm
之间的层厚度

这意味着,用于干化学过度蚀刻的安全缓冲部更小

37.在硅上的
gan
层堆叠的总厚度在技术上受到限制

由于较薄的半导体接触层
204
,可以增加漂移层
205
,使得垂直半导体结构元件
200
可以具有较高的截止电压

38.垂直半导体结构元件
200
可以构型为肖特基二极管
、pn
二极管

垂直的扩散
mosfet、
平面栅极
mosfet、
沟道栅极
mosfet、
电流孔径垂直电子晶体管
、vgroove hemt
或者鳍式
fet。
在此,垂直半导体结构元件
200
也可以在一个或者多个后侧沟槽上方包括晶体管的多个单位单元

39.垂直半导体结构元件
200
在电动车辆或者混合动力车辆的电驱动系中应用,例如在
dc/dc
转换器或者逆变器中应用,以及在车辆充电器或者用于家用器具的逆变器中应用

40.图3示出根据本发明的用于在制造根据本发明的垂直半导体结构元件时产生突变的端点探测信号的方法
300
,其中,垂直半导体结构元件包括半导体衬底

缓冲层

半导体接触层和垂直半导体结构元件的有源区域,该半导体衬底具有前侧和后侧,其中,前侧与后侧
对置,并且该半导体衬底具有第一化学元素,该缓冲层布置在半导体衬底上并且具有第二化学元素

该方法
300
从步骤
310
开始,在该步骤中,在缓冲层上产生蚀刻控制层,其中,该蚀刻控制层具有第三元素,该第三元素与第一化学元素和第二化学元素不同

在此,蚀刻控制层以外延的方式产生

在随后的步骤
320
中,借助蚀刻过程产生后侧沟槽,其中,后侧沟槽从半导体衬底的后侧出发在半导体接触层的方向上延伸

在随后的步骤
330
中,借助端点探测系统检测突变的端点信号

在随后的步骤
340
中,根据该端点探测信号结束该蚀刻过程

41.图4示例性地示出光学发射光谱的端点信号的第一信号曲线
401
和二次离子质谱的第二信号曲线
402
,在该光学发射光谱中,吸收线的信号来源于气态化合物,该气态化合物包括第三化学元素或者另外的化学元素,在该二次离子质谱中,根据经蚀刻的元素的质量来证实该经蚀刻的元素

同样在半导体结构元件的横截面视图中示出在四个时间点
a、b、c
和d的蚀刻进展

干化学蚀刻例如借助含氯气体在电容耦合的或者感应耦合的等离子体蚀刻系统中进行

干物理蚀刻例如借助氩离子轰击进行

在蚀刻开始时和在蚀刻缓冲层期间在时间点a和b,端点信号
401

402
保持恒定,因为没有材料从蚀刻控制层中蚀刻出来或被带到气相中

在此,蚀刻条件必须如此选择,使得所述蚀刻条件在
gan

aln
之间不是选择性的

如果在时间点c到达蚀刻控制层,则端点信号
401

402
突变发生变化

在该时间点c,蚀刻工艺也可以已经被改变,其中,蚀刻条件被改变,所述蚀刻条件导致较缓慢的

受到控制的蚀刻,所谓的软着陆

在蚀刻控制层在时间点d完全被移除之后,端点信号
401

402
再次恢复为其最初的或几乎最初的值

端点探测系统的实际的信号曲线也可以使用端点信号的导数

重要的是,通过蚀刻控制层产生明显的

突变的端点信号,该端点信号允许准确地探测到达半导体接触层的时间点

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