本發(fā)明涉及半導(dǎo)體，特別涉及一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、外延工藝是芯片制造的首道工序，是器件結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)。在硅片表面進行外延薄膜沉積過程中，通過改變摻雜條件進行電阻率調(diào)控，能夠提高器件的電學(xué)參數(shù)性能和應(yīng)用可靠性能。硅外延工藝為傳統(tǒng)外延技術(shù)，應(yīng)用時間最久，且應(yīng)用范圍最廣。

2、目前市場提出了例如sgt?mosfet(屏蔽柵溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)的低導(dǎo)通、高耐壓、低開關(guān)損耗器件的需求，這種器件的性能極大程度上取決于外延層的質(zhì)量。研究表明，多層外延層可提高擊穿電壓，降低比導(dǎo)通電阻，提升器件的電學(xué)性能。然而，多層外延層的生長面臨諸多問題，例如輕摻雜外延層容易受到重摻雜外延層中雜質(zhì)蒸發(fā)與擴散等自摻雜的影響，不同外延層之間的過渡區(qū)較為平緩，影響器件擊穿電壓與穩(wěn)定性，而陡峭且厚度合理的過渡區(qū)是獲得器件優(yōu)異性能的重要因素。此外，由于外延層厚度較薄，反應(yīng)時間較短，常規(guī)外延工藝下獲得的電阻率很難在短時間內(nèi)穩(wěn)定達到預(yù)設(shè)值，極易受到自摻雜的嚴重影響，難以實現(xiàn)分布平坦化。

3、因此有必要提供一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，解決外延層過渡區(qū)平緩問題，同時實現(xiàn)電阻率在短時間內(nèi)達到電阻率預(yù)設(shè)值，以提高擊穿電壓，提升器件電學(xué)性能以及應(yīng)用可靠性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，以解決外延層過渡區(qū)平緩問題，提升器件電學(xué)性能和應(yīng)用可靠性能的目的。

2、為了實現(xiàn)上述目的以及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括：襯底、第一摻砷外延層、無主動摻雜結(jié)構(gòu)層、第二摻砷外延層以及摻磷外延層，其中所述第一摻砷外延層從下至上依次包括第一漸變過渡層和外延限制層，所述第一摻砷外延層的摻雜濃度大于所述第二摻砷外延層的摻雜濃度。

3、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)中，所述第一摻砷外延層和所述第二摻砷外延層的摻雜劑均為砷烷，所述第一摻砷外延層的摻雜濃度為1e18cm-3～1e20cm-3；所述第二摻砷外延層的摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

4、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)中，所述摻磷外延層的摻雜劑為磷烷，且其摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

5、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)中，所述第二摻砷外延層從下至上依次包括第二漸變過渡層和第一外延層；所述摻磷外延層從下至上依次包括第三漸變過渡層和第二外延層。

6、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)中，所述無主動摻雜結(jié)構(gòu)層的厚度為0.5μm～2μm。

7、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)中，所述襯底為摻磷拋光片，且所述襯底的電阻率＜1ohm-cm。

8、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)中，所述半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)還包括位于所述摻磷外延層上的其他外延層，且所述其他外延層的結(jié)構(gòu)層數(shù)量為至少一個。

9、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)中，所述第一摻砷外延層為重摻雜外延層，所述第二摻砷外延層、所述摻磷外延層以及所述其他外延層均為輕摻雜外延層。

10、為了實現(xiàn)上述目的以及其他相關(guān)目的，本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

11、提供一襯底；

12、在所述襯底上生長第一摻砷外延層，其中所述第一摻砷外延層包括依次生長的第一漸變過渡層和外延限制層；

13、在所述第一摻砷外延層上依次生長無主動摻雜結(jié)構(gòu)層、第二摻砷外延層以及摻磷外延層，所述第一摻砷外延層的摻雜濃度大于第二摻砷外延層的摻雜濃度。

14、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，在所述第一摻砷外延層上生長無主動摻雜結(jié)構(gòu)層的步驟之后，所述制備方法還包括：對生長機臺進行高溫烘焙，并在高溫烘焙結(jié)束后增大尾氣負壓，同時進行氣體吹掃。

15、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述高溫烘焙的溫度范圍為1100℃～1200℃。

16、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述吹掃采用的氣體為h2。

17、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，在高溫烘焙結(jié)束后增大尾氣負壓至-4torr～-8torr。

18、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，在所述第一摻砷外延層、無主動摻雜結(jié)構(gòu)層、第二摻砷外延層以及摻磷外延層的生長過程中，生長機臺的基座始終保持45rpm～50rpm的旋轉(zhuǎn)速度。

19、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述第一摻砷外延層和所述第二摻砷外延層的摻雜劑均為砷烷，所述第一摻砷外延層的摻雜濃度為1e18cm-3～1e20cm-3；所述第二摻砷外延層的摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

20、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述摻磷外延層的摻雜劑為磷烷，且其摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

21、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述第二摻砷外延層包括依次生長的第二漸變過渡層和第一外延層；所述摻磷外延層包括依次生長的第三漸變過渡層和第二外延層。

22、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述無主動摻雜結(jié)構(gòu)層的厚度為0.5μm～2μm。

23、可選的，在所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述襯底為摻磷拋光片，且所述襯底的電阻率＜1ohm-cm。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

25、本發(fā)明通過采用第一摻砷外延層作為限制層，利用砷在硅中的溶解度大，分凝系數(shù)大，擴散系數(shù)小等特點，實現(xiàn)了薄層低電阻外延層的制備，抑制了襯底中p原子擴散和蒸發(fā)對輕摻雜外延層的影響，進而獲得過渡區(qū)陡峭的外延層，同時能夠?qū)崿F(xiàn)電阻率在短時間內(nèi)達到電阻率預(yù)設(shè)值，提高擊穿電壓，提升器件電學(xué)性能和應(yīng)用可靠性能的目的。

26、其次，本發(fā)明通過在第一摻砷外延層與第二摻砷外延層之間設(shè)置無主動摻雜結(jié)構(gòu)層，可以吸收生產(chǎn)機臺中殘留的雜質(zhì)，同時可以抑制第一摻砷外延層中砷原子的擴散和蒸發(fā)，減少重摻雜外延層對輕摻雜外延層的影響。

27、而且，本發(fā)明通過無主動摻雜結(jié)構(gòu)層外延生長之后的高溫烘焙，增大尾氣負壓和氫氣吹掃，可以快速徹底排出生產(chǎn)機臺的腔內(nèi)殘留的雜質(zhì)，抑制不同摻雜濃度的外延層之間的相互作用和自摻雜效應(yīng)，提高了外延層的厚度及電阻率參數(shù)的均勻性，大大降低晶格缺陷發(fā)生的概率，進而獲得過渡區(qū)陡峭的外延層。

技術(shù)特征：

1.一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，從下至上依次包括：襯底、第一摻砷外延層、無主動摻雜結(jié)構(gòu)層、第二摻砷外延層以及摻磷外延層，其中所述第一摻砷外延層從下至上依次包括第一漸變過渡層和外延限制層，所述第一摻砷外延層的摻雜濃度大于所述第二摻砷外延層的摻雜濃度。

2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一摻砷外延層和所述第二摻砷外延層的摻雜劑均為砷烷，所述第一摻砷外延層的摻雜濃度為1e18cm-3～1e20cm-3；所述第二摻砷外延層的摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻磷外延層的摻雜劑為磷烷，且其摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二摻砷外延層從下至上依次包括第二漸變過渡層和第一外延層；所述摻磷外延層從下至上依次包括第三漸變過渡層和第二外延層。

5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述無主動摻雜結(jié)構(gòu)層的厚度為0.5μm～2μm。

6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底為摻磷拋光片，且所述襯底的電阻率＜1ohm-cm。

7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)還包括位于所述摻磷外延層上的其他外延層，且所述其他外延層的結(jié)構(gòu)層數(shù)量為至少一個。

8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一摻砷外延層為重摻雜外延層，所述第二摻砷外延層、所述摻磷外延層以及所述其他外延層均為輕摻雜外延層。

9.一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，在所述第一摻砷外延層上生長無主動摻雜結(jié)構(gòu)層的步驟之后，所述制備方法還包括：對生長機臺進行高溫烘焙，并在高溫烘焙結(jié)束后增大尾氣負壓，同時進行氣體吹掃。

11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述高溫烘焙的溫度范圍為1100℃～1200℃。

12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述吹掃采用的氣體為h2。

13.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，在高溫烘焙結(jié)束后增大尾氣負壓至-4torr～-8torr。

14.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，在所述第一摻砷外延層、無主動摻雜結(jié)構(gòu)層、第二摻砷外延層以及摻磷外延層的生長過程中，生長機臺的基座始終保持45rpm～50rpm的旋轉(zhuǎn)速度。

15.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述第一摻砷外延層和所述第二摻砷外延層的摻雜劑均為砷烷，所述第一摻砷外延層的摻雜濃度為1e18cm-3～1e20cm-3；所述第二摻砷外延層的摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

16.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述摻磷外延層的摻雜劑為磷烷，且其摻雜濃度為1e16cm-3～1e18cm-3。

17.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述第二摻砷外延層包括依次生長的第二漸變過渡層和第一外延層；所述摻磷外延層包括依次生長的第三漸變過渡層和第二外延層。

18.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述無主動摻雜結(jié)構(gòu)層的厚度為0.5μm～2μm。

19.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述襯底為摻磷拋光片，且所述襯底的電阻率＜1ohm-cm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，其中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括：襯底、第一摻砷外延層、無主動摻雜結(jié)構(gòu)層、第二摻砷外延層以及摻磷外延層，其中第一摻砷外延層從下至上依次包括第一漸變過渡層和外延限制層，第一摻砷外延層的摻雜濃度大于第二摻砷外延層的摻雜濃度。本發(fā)明通過第一摻砷外延層的設(shè)置，解決外延層過渡區(qū)平緩問題，實現(xiàn)提升器件電學(xué)性能和應(yīng)用可靠性能的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：謝建,黃俊,郭凌霄,謝波,李可為,葉國建
受保護的技術(shù)使用者：成都士蘭半導(dǎo)體制造有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26