磷掺杂硅单晶制造技术

本发明专利技术涉及直径至少为175mm且轴向长度在50mm至1000mm范围内的磷掺杂硅单晶，所述磷掺杂硅单晶在横向平面中具有的掺杂剂原子密度为从磷掺杂硅锭切割的晶片提供了5Ωcm至2000Ωcm范围内的目标电阻率(ρNTD)，其中，当在800℃至1300℃范围内的温度下将硅退火之后测量电阻率时，对于至少75％的从磷掺杂硅单晶切割的晶片，获得3％或更小的根据SEMI标准SEMI MF81测定的RRV值，本发明专利技术涉及从所述磷掺杂硅单晶切割的晶片或多个晶片，以及涉及制造磷掺杂硅单晶的方法。本发明专利技术的产品特别适用于高功率电子器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磷掺杂硅单晶
本专利技术涉及磷掺杂硅单晶、磷掺杂硅单晶的制造方法、多个晶片和硅晶片。所述磷掺杂硅单晶具有的掺杂剂密度允许从磷掺杂硅单晶中切割出具有改善的径向电阻率变化(RRV)值的晶片。本专利技术的硅晶片特别适用于高功率电子器件。
技术介绍
半导体材料(例如硅)的单晶棒通常使用两种通用方法即切克劳斯基(Czochralski,CZ)法或浮区(float-zone,FZ)法之一来制造。这两者都是众所周知的，并且依赖于在熔融材料的再固化过程中形成单晶。硅单晶用作制备硅晶片的原材料，硅晶片从硅单晶切割而来。取决于应用，硅晶片可以用并且需要用特定电阻率值来描述，电阻率以例如Ωcm或相应的单位表示。硅的电阻率ρ取决于材料中的掺杂剂密度，例如磷和/或硼，以及它们的关系，该关系描述在等式(1)中：等式(1)其中n是磷原子的密度(并且认为硼原子以不显著的量存在于原材料中，例如小于10ppta)，μm是硅中的电子迁移率且q是电子电荷。q的值为1.602·10-19C，μm的典型值例如在室温下为1450cm2/s。由于硅中使用的掺杂剂原子通常是磷和/或硼，因此可以通过控制硅中磷和硼原子的量来控制硅的电阻率。可以在硅单晶的制造过程中将掺杂剂原子施加到硅材料。例如，可以通过将熔融硅分别暴露于气态磷化氢(phosphine，PH3)或二硼烷(diboran，B2H6)来施加磷和硼，使得在再固化时相应原子包含在硅中。该过程通常称为气体掺杂(gasdoping)。应注意的是可以施加其他气体，但磷化氢和二硼烷是工业中最常用的。或者，通过用中子辐照材料可以将固体硅中的硅原子转化为磷原子。具体地，当同位素30Si被中子辐照时，30Si将被转变成同位素31Si，31Si以半衰期为2.6小时衰变为稳定的磷同位素31P。天然硅具有约3％的30Si，因此可以使用中子辐照来增加硅中磷供体原子的密度。该过程称为中子嬗变掺杂(neutrontransmutationdoping，NTD)。以下表示为D的中子的必要剂量或注量(fluence)可以由等式(2)计算而得：等式(2)其中K1是给定中子能谱的材料常数，ρNTD和ρi分别是NTD辐照后的电阻率和初始电阻率，即中子辐照前的电阻率。常数K1在等式(3)中定义：等式(3)其中N30Si是硅中30Si的密度，σ30Si是30Si的平均吸收截面。利用上述q和μm的值，K1将为2.612·1019Ωcm-1。硅晶片的电阻率可以在硅晶片表面上变化，这既是由于随机变化，也是由于用于在硅中包括掺杂原子的过程引起的系统变化。晶片的质量以及由此从所述晶片切割的单晶的质量可以通过材料的电阻率分布来描述，其中在整个单晶横截面上均匀的电阻率等于高质量。对硅晶片而言，硅电阻率的均匀性通常使用RRV值来分类，RRV值在等式(4)中定义(根据SEMI标准SEMIMF81)：等式(4)其中ρmax是记录到的晶片的最高电阻率，ρmin是记录到的晶片的最低电阻率。为了确定晶片的RRV值，在晶片表面上记录了几个电阻率值，该晶片表面对应于单晶的横截面，从该单晶切割出晶片。通常认为NTD处理提供磷供体原子的最佳分布，这种最佳分布通常产生约5-7％或更低的RRV值。但是，对于大的硅晶体，例如直径超过150mm，由于穿透硅锭的中子的吸收，中子辐照将甚至不会通过直径的横截面(cross-sectionofthediameter)。RRV值对硅晶片而言是组合值(包括随机变化和系统变化)，但是在RRV值中可能看不出晶片表面上的任何系统变化。NTD和气体掺杂都在硅单晶中具有磷原子分布中的系统变化。NTD工艺在设计用于辐照例如长达约600mm长度的晶体的核反应器中进行。所述反应器包括中子源，并且通常设计用于为晶体提供来自狭缝的中子，该狭缝平行于晶体轴，因此可以认为晶体中的横向平面暴露于点状中子辐射源。在国际原子能机构的IAEA-TECDOC-1681(维也纳2012)(ISBN978-92-0-130010-2)中总结了硅的NTD的历史，以及在Topsil半导体材料的应用说明“用于高功率电子器件的中子嬗变掺杂(NTD)硅”(2013年10月)中描述了NTD工艺的实际应用，其可在以下网址找到：http://www.topsil.com/media/56052/ntd_application_note_long_version_october2013.pdf。Kim等人(2009,Estimationoffuturedemandforneutron-transmutation-dopedsiliconcausedbydevelopmentofhybridelectricvehicleanditssupplyfromresearchreactors,13thEuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications,2009.EPE'09,pp.1-10)和Park等人(2013,NeutrontransmutationdopinginHANAROreactor,http://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/SupplementaryMaterials/TECDOC_1713_CD/template-cd/datasets/papers/ParkSJ％20NTD％20Silicon％20HANARO％20Jun2010.pdf)提供了有关NTD工艺及其近期发展的进一步讨论。在暴露于辐照期间，晶体在反应器中旋转以确保中子通量的均匀分布。但是，硅的衰减长度约为19cm，因此对于大直径例如150mm以上的晶体，晶体的边缘将暴露于比晶体中心更大的注量，从而导致磷供体原子的不均匀分布。如公司网站所示，经NTD处理的直径为200mm的硅片可从TopsilGlobalWafersA/S获得。Topsil半导体材料的应用说明“用于高功率的200mm<100>NTD硅晶片”(2014年2月)公开了以NTD工艺处理的200mm直径硅晶片的实例，其中RRV小于7％。通常，电阻率分布曲线(resistivityprofiles)显示出系统偏差，其中相比更接近于目标电阻率的边缘附近的电阻率而言，中心附近的电阻率更高，这对应于更低的注量。由等式(2)可以看出，对于使用更高注量获得的更低的目标电阻率，该系统效应更明显。在DE102010028924中提供了NTD处理大直径硅单晶的另一个实例。辐照之前在CZ工艺中制备了直径为200mm的硅单晶以提供50Ωcm的径向电阻率，从该硅单晶切割出RRV值低至2.5％的晶片。其中NTD处理将在高直径晶体边缘附近产生更高的注量，并由此在边缘附近产生更高的掺杂剂原子密度，基于气体的掺杂工艺通常会在单晶中心附近产生更高的掺杂剂原子密度。DE102004034372公开了制造硅单晶的方法，其中在FZ步骤中采用气体掺杂以提供单晶的第一电阻，然后进行中子辐照处理以提供第二电阻。DE102004034372的目的是提供制造硅单晶的方法，其中即使电阻低，电阻在平面内的成本低且生产率高的分散也很低。DE102004034372的实施例公开了直径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.直径至少为175mm且轴向长度在50mm至1000mm范围内的磷掺杂硅单晶，所述磷掺杂硅单晶在横向平面中具有的掺杂剂原子密度为从磷掺杂的硅锭切割的晶片提供了5Ωcm至2000Ωcm范围内的目标电阻率(ρNTD)，其中，当在800℃至1300℃范围内的温度下将硅退火之后测量电阻率时，对于至少75％的从磷掺杂硅单晶切割的晶片获得3％或更小的根据SEMI标准SEMI MF81测定的RRV值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.08 EP 16154695.71.直径至少为175mm且轴向长度在50mm至1000mm范围内的磷掺杂硅单晶，所述磷掺杂硅单晶在横向平面中具有的掺杂剂原子密度为从磷掺杂的硅锭切割的晶片提供了5Ωcm至2000Ωcm范围内的目标电阻率(ρNTD)，其中，当在800℃至1300℃范围内的温度下将硅退火之后测量电阻率时，对于至少75％的从磷掺杂硅单晶切割的晶片获得3％或更小的根据SEMI标准SEMIMF81测定的RRV值。2.根据权利要求1所述的磷掺杂硅单晶，其中对于至少10个从所述磷掺杂硅单晶切割的晶片，获得3％或更小的RRV值。3.根据权利要求1或2所述的磷掺杂硅单晶，其中对于至少75％的从所述磷掺杂硅单晶切割的晶片，获得2％或更小的RRV值。4.根据权利要求1至3中任一项所述的磷掺杂硅单晶，其中退火之后在所述硅晶片的表面上记录的5个或更多个电阻率值提供了平均电阻率ρav，并且定义为ρav/ρNTD的归一化平均电阻率在0.95至1.05范围内。5.根据权利要求4所述的磷掺杂硅单晶，其中对于至少10个从所述磷掺杂硅单晶切割的晶片，所述归一化平均电阻率ρav/ρNTD在0.95至1.05范围内。6.根据权利要求4或5所述的磷掺杂硅单晶，其中对于至少75％的从所述磷掺杂硅单晶切割的晶片，所述归一化平均电阻率ρav/ρNTD在0.95至1.05范围内。7.根据权利要求1至6中任一项所述的磷掺杂硅单晶，其中所述磷掺杂硅单晶的直径在175mm至225mm范围内。8.根据权利要求1至6中任一项所述的磷掺杂硅单晶，其中所述磷掺杂硅单晶的直径在275mm至325mm范围内。9.根据权利要求1至6中任一项所述的磷掺杂硅单晶，其中所述磷掺杂硅单晶的直径在425mm至475mm范围内。10.根据权利要求7或8所述的磷掺杂硅单晶，其中氧含量低于2·1016cm-3。11.根据权利要求8或9所述的磷掺杂硅单晶，其中氧含量高于1017cm-3。12.从根据权利要求1至11中任一项所述的磷掺杂硅单晶切割的多个晶片。13.根据权利要求12所述的多个晶片，其中所述多个晶片中的每个晶片具有3％或更小的RRV值。14.根据权利要求12所述的多个晶片，其中所述多个晶片对于RRV具有4％或更小的规格上限(USL)，其中对于所述多个晶片，USL定义为平均RRV加上3个标准偏差。15.根据权利要求12至14中任一项所述的多个晶片，其中所述多个晶片对于归一化平均电阻率ρav/ρNTD具有5％的USL和-5％的规格下限(LSL)，其中，对于所述多个晶片，USL定...

【专利技术属性】
技术研发人员：泰斯·莱斯·斯维加德，马丁·格莱斯瓦恩吉，克里斯蒂安·伽米洛夫特·辛德里森，苏尼·布·杜恩，安德斯·雷，
申请(专利权)人：TOPSIL环球晶圆股份公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK