重掺杂衬底中的扩散控制制造技术

本发明专利技术一般涉及一种抑制在外延硅晶片的衬底／外延层界面附近的硅自填隙式扩散的方法，所述外延硅晶片具有重掺杂的硅衬底和轻掺杂的外延层。通过包括位错环的硅自填隙子汇层来抑制填隙子向所述外延层的扩散。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及外延半导体结构，尤其是用于制造电子部件的外延硅晶片，还涉及其制备方法。更具体而言，外延结构包括用N型掺杂剂(N+) 或P型掺杂剂(P+)重掺杂的单晶硅衬底和用N型或P型掺杂剂轻掺杂 的外延层，其中重掺杂的衬底包括在轻掺杂的外延层附近的具有高浓度的 结构的区域，该区域能够抑制或防止朝向外延层的硅填隙式扩散，由此减 小向所述外延层中的硅填隙式扩散。
技术介绍
通常通过直拉(Czochralski)法来制备单晶硅(其是用于制造半导体 电子部件的大多数工艺的起始材料)，其中将单个的籽晶浸入到熔化的硅 中，然后通过拉拔进行生长。由于熔化的硅净皮包含在石英坩埚中，因此熔 化的珪会受到各种杂质(其中主要为氧)的污染。这样，在从通过该方法 生长的单晶硅切割下来的晶片中存在过饱和浓度的氧。在制造电子器件时所典型采用的热处理循环期间，氧沉淀成核中心形 成并最终生长为大的氧团簇或沉淀物。根据其位置，这样的沉淀物可以是 有利的也可以是有害的。当沉淀物位于晶片的有源器件区域中时，其会危 害器件的操作。当沉淀物位于这些区域之外时，氧沉淀物用作金属的吸引 位置。已经将各种方法用于控制晶片中的氧沉淀物的特性。例如，Falster等 的美国专利No.5，994，761中公开了这样的方法，在快速热退火装置中在晶 片中引入浓度不均匀的空位，由此在随后的氧沉淀物热处理中，氧沉淀物 形成在富空位区中而不形成在贫空位区中。在美国专利No.6，336，968中，Falster公开了这样的方法，其中，通过在含氧的气氛中快速热退火晶片， 或者使晶片緩慢冷却经过空位相对可移动的温度范围，从而制备没有氧沉 淀的晶片。虽然已经证明这些技术是有用的，但目前对于典型的硅晶片而言，包 括高掺杂衬底的外延晶片结构提出有些不同的挑战。例如，重掺杂衬底中 的不受控制的氧沉淀会导致在高温下产生相对大浓度的硅自填隙子 (self-interstitial)(由于其在氧沉淀物生长期间的发射)。相对大浓度的 硅自填隙子反过来又倾向于促进掺杂剂(或其他杂质)从高掺杂的衬底扩 散到较轻掺杂的器件层，由此会潜在地改变某些功率器件中的关键特性， 例如，雪崩击穿电压。这样，如果减小外延层附近的硅填隙子的数目，便 可以抑制掺杂剂向器件层中的扩散。
技术实现思路
本专利技术的各种方面涉及一种在外延硅结构中抑制从重掺杂的衬底向 轻掺杂的外延层的硅自填隙式扩散的方法以及所产生的结构本身。因此，简要地，本专利技术的一个方面是一种外延硅晶片，其包括用N型 掺杂剂(N+)或P型掺杂剂(P+)重掺杂(即，具有小于5mn'cm的电 阻率)的单晶硅衬底以及用N型或P型掺杂剂轻掺杂(即，具有大于约 10mil.cm的电阻率)的外延层。所述重掺杂的衬底包括具有大量位错环的 硅自填隙子汇层(sink layer)，所述珪自填隙子汇层能够抑制硅自填隙子 向所述外延层扩散，其中所述位错环的层位于距离所述衬底与所述外延层 之间的界面至少约250A的深度处。本专利技术还旨在一种制备这样的晶片的方法。本专利技术的其他目的和特征将在下文中部分地显而易见并部分地指出。 附图说明图1示意性地示出具有轻掺杂的外延层晶片的重掺杂的硅衬底，其中 衬底包括硅自填隙子汇层，该硅自填隙子汇层包含位错环。该图未按比例7绘制。图2示意性地示出经历了离子注入的重掺杂的硅衬底。该图未按比例 绘制。图3示意性地示出在用于形成位错环的离子注入和退火之后的重掺杂 的珪衬底。该图未按比例绘制。图4是TEM显微照片，其以75,000倍的放大倍率示出了在硅自填隙 子汇层中的位错环的平面视图。关于附图，贯穿附图的几个视图，对应的参考符号表示对应的部件。具体实施例方式才艮据本专利技术的一个方面，N/N+、 P\P+、 N/P+或P/N+外延珪晶片可被 制备为具有这样的区域，该区域包括在外延层附近的能够作为硅自填隙子 的汇点(sink)的位错环，由此抑制向外延层的扩散。该区域在这里称为 "硅自填隙子汇层，，、"填隙子汇层"或更简单的"汇层"。参考图1，外延晶片1包括硅衬底10、外延层11以及硅自填隙子汇层 14。硅衬底10掺杂有N或P型掺杂剂，外延层11掺杂有N或P型掺杂 剂，其中，相对于外延层ll，珪衬底10被重掺杂。硅自填隙子汇层14包 含大量位错环15，由于例如氧沉淀物的生长，位错环15作为可以从重掺 杂的衬底IO扩散到更轻掺杂的外延层11的硅自填隙子原子的汇点。在一个实施例中，硅衬底10基本上没有氧沉淀核，从而进一步降低掺 杂剂和其他杂质扩散进入外延层ll中的可能性。也就是，在该实施例中， 在氧沉淀热处理(例如，使晶片在800"C的温度下退火四小时，然后在1000 "C的温度下退火十六小时)期间，将不会形成氧沉淀物。/.症观再次参考图1，硅衬底10源于从通过直拉晶体生长法生长的单晶锭切 割下来的单晶硅晶片。单晶硅晶片具有中心轴；通常垂直于中心轴的前表 面和后表面；周边边缘；以及从中心轴延伸到周边边缘的半径。可以抛光 该晶片，或可替代地，研磨且蚀刻该晶片而不进行抛光。此外，该晶片具有作为占支配地位的4^￡点缺陷的空位或自填隙子点缺陷。例如，该晶片 可以从中心到边缘受到空位的支配，从中心到边缘受到自填隙子的支配， 或者该晶片可包含受空位支配的材料的中心核，该受空位支配的材料的中 心核^皮受自填隙子支配的材料的轴对称环所包围。直拉生长的硅典型地具有在约5xl0"到约9xl0卩原子/cn^范围内的氧 浓度(ASTM标准F-121-83 )。通常，单晶硅晶片的氧浓度在直拉法可典 型地获得的范围之内的某处或者甚至在该范围之外。在一个实施例中，单晶硅晶片包括轴对称区域，该区域具有至少为晶 片半径长度的约30%的径向宽度，并且在检测极限为3xl(^缺陷/cm3的情 况下，不具有可检测到的成团的本征点缺陷。该轴对称区域可包含作为支 配性的^点缺陷的空位或硅自填隙子。根据单晶硅锭从硅的熔点(约1410°C )经过约750。C到约350'C的范 围的冷却速率，在单晶硅锭(硅晶片从其切割出来)中会形成氧沉淀成核 中心。在一个实施例中，硅晶片具有这样的成核中心。在另一实施例中， 硅晶片则不具有这样的成核中心。用一种或多种N型或P型掺杂剂重掺杂单晶硅晶片。典型的N型掺 杂剂包括磷、砷、和锑。在一个实施例中，掺杂剂为磷。在另一实施例中， 掺杂剂是砷，而在又一实施例中，掺杂剂是锑。在再一实施例中，使用磷、 砷和锑中的两种或更多种作为掺杂剂。典型的P型掺杂剂包括硼、铝、和 镓。在一个实施例中，掺杂剂为硼。在另一实施例中，掺杂剂是铝，而在 又一实施例中，掺杂剂是镓。在再一实施例中，使用硼、铝、和镓中的两 种或更多种作为掺杂剂。无论掺杂剂如何，总的掺杂剂浓度务便晶片具有 小于约5m^cm的电阻率，这样的材料典型地被称为N+或P+珪。在一个 实施例中，掺杂剂浓度足以提供具有小于约3mft.cm的电阻率的晶片。在 特定实施例中，小于约2m!2.cm的电阻率是优选的。在又一实施例中，掺 杂剂浓度足以提供具有小于约lmft.cm的电阻率的衬底。上述电阻率值对应于通常大于约1.24xl(Tat/cn^的N型掺杂剂浓度。 例如，重掺杂的晶片的N型掺杂剂的浓度可大于约2.25xl019at/cm3，例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备外延硅晶片的方法，所述方法包括以下步骤：　在高掺杂的单晶硅衬底中形成位错环的层，所述高掺杂的硅衬底为通过直拉法生长的锭的切片，所述高掺杂的硅衬底具有中心轴、通常垂直于所述中心轴的前表面和后表面、连接所述前表面和后表面的周边边缘 、从所述中心轴延伸到所述周边边缘的半径、以及小于５ｍΩ.ｃｍ的电阻率，其中所述位错环没有延伸到所述前表面；以及　在所述高掺杂的硅衬底的所述前表面上沉积外延硅层以形成所述外延硅晶片，所述外延层具有大于约１０ｍΩ.ｃｍ的电阻率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RJ法尔斯特，L莫伊拉吉，DM李，赵燦来，M拉瓦尼，VV沃龙科夫，
申请(专利权)人：MEMC电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]