低应力的外延硅晶片制造技术

一种低应力的外延硅晶片包含：硅衬底、形成于硅衬底上的第一硅外延层，以及形成于第一硅外延层上的第二硅外延层。硅衬底含有选自硼或磷的掺杂剂，且掺杂剂浓度为100X at%。第一硅外延层含有硅衬底的掺杂剂与锗且具有相反的第一、二侧部，第一侧部邻近硅衬底，所述掺杂剂浓度实质等于硅衬底中掺杂剂的浓度，所述锗浓度自第一侧部朝第二侧部由0at%递增至100Y at%。第二硅外延层含有第一硅外延层的掺杂剂与锗，且掺杂剂的浓度实质等于第一硅外延层中掺杂剂的浓度，锗的浓度实质等于第一硅外延层的第二侧部中锗的浓度。

【技术实现步骤摘要】
低应力的外延硅晶片
本专利技术涉及一种外延衬底(epitaxialsubstrate)，特别涉及一种低应力的外延硅晶片(Siwafer)。
技术介绍
经重掺杂(heavilydoped)的硅晶片基于其本身具有低电阻率(resistivity)的特性，而得以为半导体元件(semiconductordevice)提供优异的电流路径(currentpath)，以减少半导体元件的热损耗(thermallose)，并优化半导体元件的效率。因此，外延成长在经重掺杂的硅晶片上的轻掺杂(lightlydoped)硅外延层，现阶段已被广泛地拿来做为半导体元件使用，而常见的半导体元件则可见有集成电路(IC)或分离式元件(discretedevice)等。虽然所述经重掺杂的硅晶片可为电子元件提供优异的导通路径，然而长晶
的相关技术人员皆知，经重掺杂的硅晶片本身因部分硅原子在硅晶格(lattice)中的晶格位置被原子半径比硅原子小的掺杂剂(dopant)所取代，导致所述经重掺杂的硅晶片本身的晶格常数(latticeconstant)相对小于未经掺杂的硅晶片的晶格常数，并存在晶格收缩(contraction)的问题。因此，经重掺杂的硅晶片与其上方所形成的轻掺杂硅外延层两者间的界面，则是存在有晶格不匹配(latticemismatch)的问题，以致于该轻掺杂硅外延层内部存在有大量的晶格应力(stress)，并因此造成晶格应变(strain)。该轻掺杂硅外延层为了释放此晶格不匹配所衍生的晶格应变不可避免地必须在此界面间产生失配位错(misfitdislocation)，甚或是在该轻掺杂硅外延层中产生出大量的线缺陷(linedefect)，即所谓的贯穿式位错(threadingdislocation)。此等缺陷皆是半导体元件工艺相关
所不乐见的结果，其不仅使得硅晶片因晶格应变而产生翘曲与变形，导致半导体元件工艺中的光刻步骤(photolithographystep)不易实施。此外，贯穿式位错更是电子元件产生漏电流的主因之一。为解决晶格不匹配的问题，本案其中一专利技术人曾于US4,769,689专利案(以下称前案1)中公开一种p型外延结构，其具有硅衬底及形成于该硅衬底上的外延层。该硅衬底具有p型的导电性，并含有硼(boron，B)掺杂剂与锗(germanium，Ge)掺杂剂，且锗掺杂剂不改变该硅衬底的导电性。在前案1中，所述硼掺杂剂与锗掺杂剂在该硅衬底中的浓度比率是其中，CB与CGE分别代表硼掺杂剂在该硅衬底中的浓度与锗掺杂剂在该硅衬底中的浓度，且C的单位是原子百分比。前案1的概念主要是利用与硅原子电性相同的锗掺杂剂原子来取代硅原子在硅晶格中的晶格位置，其基于锗掺杂剂原子半径大于硅原子半径的概念，以使得原本因硼掺杂剂原子而缩减的晶格常数得以获得补偿，并从而改善该硅衬底与该外延层间的晶格不匹配度。此外，本案其中另一专利技术人也曾于US5,744,396专利案(以下称前案2)中公开一种外延n型硅晶片。该n型硅晶片含有磷(phosphorus，P)掺杂剂与锗掺杂剂。在前案2中，磷掺杂剂的浓度是介于1×1018atom/cm3～1.6×1020atom/cm3之间，锗掺杂剂的浓度是1.5倍～2.5倍的磷掺杂剂浓度，且该n型硅晶片主要是采用传统的柴氏长晶法(Czochralskitechnique)来制成。以前案2的柴氏长晶法简单地说明，其首先是在氩气(Ar)环境中，将18kg的多晶硅(polycrystallineSi)以及95g的锗芯片(chip)置入一个石英坩埚(quartzcrucible)中，并加热至1420℃以使多晶硅与锗芯片在该石英坩埚中融解成硅熔汤；进一步地，将内部放置有60g的磷的石英烧杯放置在该硅熔汤表面的上方，以使磷蒸气直接扩散进入该硅熔汤中。正如此
的相关技术人员所知道的，此内部含有锗与磷的硅熔汤进一步地通过拉晶(crystalpulling)以成长为圆柱状n型的硅晶碇(ingot)，并经过晶碇的锯切程序(sawing)以锯切成该外延n型硅晶片。前案2主要是沿用前案1的概念，将前案1所使用的硼掺杂剂更改为磷掺杂剂，以形成n型硅晶片，其同样是利用原子半径大于硅原子的锗掺杂剂原子来补偿晶格收缩的体积，使锗掺杂剂原子在拉晶过程中得以取代硅晶格的部分晶格位置，并由此修正因磷掺杂剂原子而缩减的晶格常数，以解决晶格不匹配的问题。然而，以前案2的n型硅晶片举例说明，长晶厂相关
的技术人员皆知，硅熔汤中的磷掺杂剂原子与锗掺杂剂原子的偏析系数(segregationcoefficient)不同；相对地，在冷却/拉晶的过程中，硅熔汤中的磷掺杂剂原子与锗掺杂剂原子两者的消耗速度也不同。因此，伴随着拉晶时间的改变，也使得n型硅晶碇内的锗掺杂剂原子浓度曲线未能平行于n型硅晶碇内的磷掺杂剂原子曲线，从而导致原本用来补偿硅晶格体积因磷掺杂剂原子而收缩的锗掺杂剂原子含量随着拉晶时间的增加而改变。因此，晶格常数经修正/补偿后的圆柱状n型硅晶碇本身的晶格常数是沿着该圆柱状n型硅晶碇的长度方向而改变的。换言之，前案1与前案2所公开的技术手段虽然可通过锗掺杂剂原子的引入来修正/补偿硅晶格常数因硼(或磷)掺杂剂原子而缩减的晶格常数，并由此改善晶格收缩的问题。但避免不了的是，前案1与前案2所公开的技术手段将因各掺杂剂原子的偏析系数的差异，使长成的圆柱状硅晶碇中只能有部分硅晶碇的锗与掺杂剂(硼或磷)的浓度比是理想值，即，其晶格常数接近完全修正。但其余部分圆柱状硅晶碇的锗与掺杂剂(硼或磷)的浓度比则有异于理想值，其在作为轻掺外延衬底时，该衬底在改善晶格不匹配上的功效就有不同程度的降低，然而，其整体功效仍是正面的。简言之，长成的圆柱状硅晶碇所切出的硅晶片在解决晶格不匹配的程度是不均匀的。因此，改善晶格收缩的问题仍有进一步提升的空间。另外，对于半导体元件工艺等相关下游制造厂商而言，该晶格常数经修正/补偿后的圆柱状硅晶碇所锯切而成的硅晶片，虽然可降低硅晶片与半导体元件间的晶格不匹配问题，并减少半导体元件因贯穿式位错所衍生的漏电流，然而，对于多数质量控管较为严谨的下游制造厂而言，该圆柱状硅晶碇中仅有部分长度的晶格常数才能符合其厂内要求。因此，剩余的圆柱状硅晶碇则未能符合半导体元件工艺等下游制造商的需求。经上述说明可知，外延硅晶片本身晶格收缩的问题仍有改进的空间，寻求各种途径以改善硅晶片本身晶格收缩的问题，并符合各半导体元件工艺等下游制造商的需求以增进长晶效益，是此
的技术人员所待克服的课题。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种低应力的外延硅晶片。于是本专利技术低应力的外延硅晶片，包含：硅衬底、第一硅外延层以及第二硅外延层。该硅衬底含有选自硼或磷的掺杂剂D，且掺杂剂D的浓度为100Xat％。该第一硅外延层形成于该硅衬底上并含有该硅衬底的掺杂剂D与锗，且具有相反设置的第一侧部及第二侧部，该第一侧部邻近该硅衬底，所述掺杂剂D的浓度实质等于该硅衬底中掺杂剂D的浓度，且所述锗的浓度自所述第一侧部朝所述第二侧部由0at％递增至100Yat％。该第二硅外延层形成于该第一硅外延层上并含有该第一硅外延层的掺杂剂D与锗，且掺杂剂D的浓度实质等于该第一硅外延层中掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低应力的外延硅晶片，包含：硅衬底，含有选自硼或磷的掺杂剂D，且掺杂剂D浓度为100X at%；第一硅外延层，形成于所述硅衬底上并含有所述硅衬底的掺杂剂D与锗，且具有相反设置的第一侧部及第二侧部，所述第一侧部邻近所述硅衬底，所述掺杂剂D的浓度实质等于所述硅衬底中掺杂剂D的浓度，且所述锗的浓度自所述第一侧部朝所述第二侧部由0at%递增至100Y at%；及第二硅外延层，形成于所述第一硅外延层上并含有所述第一硅外延层的掺杂剂D与锗，且掺杂剂D的浓度实质等于所述第一硅外延层中掺杂剂D的浓度，锗的浓度实质等于所述第一硅外延层的第二侧部中锗的浓度；其中，X与Y是原子分数，100X与100Y的单位为at%，当所述硅衬底的掺杂剂D是硼时，Y介于5.8X至8X之间，当所述硅衬底的掺杂剂D是磷时，Y介于1.5X至2.5X之间，且所述硅衬底、所述第一硅外延层与所述第二硅外延层呈单晶结构。

【技术特征摘要】
2013.04.12 TW 1021131101.一种低应力的外延硅晶片，包含：硅衬底，含有选自硼或磷的掺杂剂D，且掺杂剂D浓度为100Xat％；第一硅外延层，形成于所述硅衬底上并含有所述硅衬底的掺杂剂D与锗，且具有相反设置的第一侧部及第二侧部，所述第一侧部邻近所述硅衬底，所述掺杂剂D的浓度实质等于所述硅衬底中掺杂剂D的浓度，且所述锗的浓度自所述第一侧部朝所述第二侧部由0at％递增至100Yat％；及第二硅外延层，形成于所述第一硅外延层上并含有所述第一硅外延层的掺杂剂D与锗，且掺杂剂D的浓度实质等于所述第一硅外延层中掺杂剂D的浓度，锗的浓度实质等于所述第一硅外延层的第二侧部中锗的浓度；其中，X与Y是原子分数，100X与100Y的单位为at％，当所述硅衬底的掺杂剂D是硼时，Y介于5.8X至8X之间，当所述硅衬底的掺杂剂D是磷时，Y介于1.5X至2.5X之间，且所述硅衬底、所述第一硅外延层与所述第二硅外延层呈单晶结构。2.根据权利要求1所述的低应力的外延硅晶片，其中，当所述硅衬底的掺杂剂D是硼时，Y实质等于8X。3.根据权利要求1所述的低应力的外延硅晶片，其中，当所述硅衬底的掺杂剂D是磷时，Y实质等...

【专利技术属性】
技术研发人员：林文，邱恒德，
申请(专利权)人：合晶科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71