專利名稱：硅晶片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體器件的硅晶片的技術(shù)領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及對在引入了外延生長薄膜的硅晶片內(nèi)產(chǎn)生的失配位錯加以抑制的技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，用于半導(dǎo)體器件的硅晶片要求在其表面層上的器件活性區(qū)域內(nèi)具有無缺陷區(qū)及高度的吸雜能力。作為滿足這些要求的一個例子，使用高度摻雜的基材的外延晶片是通常已知的。此類晶片的一個例子包括ρ/ρ+基材。ρ/ρ+基材是通過以下方法制造的制造硼濃度約為5 X IO19個原子/cm3的ρ+基材，對該ρ+基材實施鏡面拋光和清潔；然后通過氣相外延法在經(jīng)鏡面拋光的P+基材上外延生長5 μ m厚的器件活性層，其中器件活性層以約 1 X IO15個原子/cm3的比較低的硼濃度進(jìn)行摻雜。η/η+基材用于功率MOSFET等。η/η+基材使用高度摻雜諸如磷或砷的η型摻雜劑的η+基材。在該η+基材上沉積以約1 X IO16個原子/cm3的比較低的磷濃度摻雜的η型外延層，以形成η/η+基材。此外，IGBT通常具有通過在ρ型基材上沉積用η型摻雜劑摻雜的硅層及在用η型摻雜劑摻雜的硅層上進(jìn)一步沉積用低濃度η型磷摻雜的硅層而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。ρ型基材是以高的硼濃度摻雜的。經(jīng)摻雜的硅層是用等于或大于IX IO17個原子/ cm3的高濃度η型摻雜劑摻雜的硅層，其用于阻止耗盡層擴(kuò)展。取決于其柵極氧化層的完整性，最上層η型低度摻雜的層的濃度被控制在1 X IO13 個原子/cm3至1 X IO15個原子/cm3的濃度以內(nèi)。通過外延生長沉積的表面層不含缺陷。在器件加工過程中混合的重金屬，尤其是狗污染，被強(qiáng)烈的吸除。因為可以提高器件的產(chǎn)率，所以使用這些高度摻雜的基材的外延晶片被廣泛地用于半導(dǎo)體器件。然而，對于前述晶片，由于硅晶體的晶格常數(shù)的變化，趨向于在基材與用低濃度摻雜劑摻雜的層之間的界面處或者在低濃度外延層與用高濃度摻雜劑摻雜的層之間的界面處產(chǎn)生失配位錯。該失配位錯取決于其形狀會蔓延穿過器件活性層。以垂直功率MOSFET為例，穿透器件活性層的位錯(也稱作螺型位錯)還可能同時伸入底面上的漏極以及表面上的源極。這會導(dǎo)致在源極與漏極之間的漏電流。對于IGBT，在集電極與發(fā)射極之間存在電流漏泄的可能性。該漏電流會升高功率器件在待機(jī)狀態(tài)時的功率消耗。JP 2004-175658公開了一種避免該失配位錯的技術(shù)。JP 2004-175658的發(fā)明公開了一種其中在通過向硅熔體同時摻雜特定量的硼和鍺而生長的硅基材上沉積硅外延層的方法。在該方法中，向硅熔體添加特定量的縮小硅晶體的晶格常數(shù)的硼以及增大硅晶體的晶格常數(shù)的鍺。通過硼縮小晶格常數(shù)的效應(yīng)被通過鍺增大晶格常數(shù)的效應(yīng)抵消。其描述了可以通過該方法生產(chǎn)其中抑制了失配位錯的外延硅晶片。JP 2003-218031描述了另一種抑制失配位錯的技術(shù)。JP 2003-218031公開了以下特征通過在Si基材的表面上外延生長而形成SiC 或GaN薄膜；在生長期間將BP (磷化硼)的鋅混合型(閃亞鉛礦型)單晶用作緩沖層；這能夠抑制由晶格錯配導(dǎo)致的失配位錯。更具體而言，在去除Si基材的原生氧化物薄膜之后，將BCl3和PCl3作為BP的原料引入反應(yīng)管中。在約200至500°C下低溫生長30分鐘。然后升高溫度到900至1200°C，這是用于生長BP晶體的溫度，以生長1至5 μ m厚的BP薄膜。然后，通過外延法在BP薄膜的頂部之上沉積SiC或GaN薄膜。此外，其還描述了可以通過除了 SiC或GaN薄膜以外還形成由SW2或Si3N4制成的薄膜而控制整個半導(dǎo)體晶片的翹曲量。然而，根據(jù)JP 2003-218031所述，若獨立地形成緩沖層以抑制由晶格錯配導(dǎo)致的失配位錯，則緩沖層無法發(fā)揮器件的功能。此外，根據(jù)JP 2004-175658所述，若形成由同時摻雜鍺及高濃度硼的硅熔體制得的硅基材及在該硅基材上沉積用特定濃度的鍺和硼摻雜的外延層，則會導(dǎo)致以下問題。換而言之，若由通過Czochralski法生長的晶體制造硅基材，則發(fā)生諸如摻雜劑的雜質(zhì)的偏析作為不可避免的問題。此外，在硼與鍺的偏析系數(shù)之間存在巨大的差異。因此，在根據(jù)JP 2004-175658 中所述方法的晶體的全部長度上難以保持適當(dāng)?shù)呐鹋c鍺的比例。對于所有由來自該方法的晶體制成的基材而言，難以消除在基材與外延層之間的晶格錯配。此外，若如JP 2004-175658采用諸如Czochralski法或區(qū)域熔融法的晶體生長法，則必須大量消耗昂貴的鍺。因此，增加了晶片的生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是通過本發(fā)明的發(fā)明人的大量研究工作完成的，用以解決上述問題。本發(fā)明提供具有減少的失配位錯和翹曲的硅晶片結(jié)構(gòu)。該硅晶片結(jié)構(gòu)包括硅基材、第一外延層和第二外延層。硅基材具有等于或大于 0. 1Ω · cm的電阻率。第一外延層的供體濃度與受體濃度之差的絕對值為等于或大于1 X IO18個原子/ cm3，且第一外延層是生長在硅基材的一個表面上。第二外延層的供體濃度與受體濃度之差的絕對值為等于或小于5X IO17個原子/ cm3，且第二外延層是生長在第一外延層的一個表面上。第二外延層具有與第一外延層相同的導(dǎo)電型。將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料加入第一外延層。由此，可以控制第一外延層的晶格常數(shù) (B1)相對于硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)的變化量(( - )/ )以及第二外延層的晶格常數(shù)
4(a2)相對于硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)的變化量(( - )/ )小于臨界晶格錯配度。本發(fā)明不使用通過傳統(tǒng)Czochralski法或區(qū)域熔融法形成的高度摻雜的基材。以高濃度雜質(zhì)摻雜的硅層而是完全通過外延生長形成的?？梢酝ㄟ^將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料摻雜進(jìn)入該以高濃度雜質(zhì)摻雜的硅層中而適當(dāng)?shù)乜刂凭Ц癯?shù)。因此，可以消除在以低濃度雜質(zhì)摻雜的硅層與界面之間的晶格錯配。還可以消除失配位錯或翹曲。在本發(fā)明中，在外延生長中摻雜調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料。因此，可以避免在傳統(tǒng)液相生長中摻雜摻雜劑(例如鍺、硼等)時濃度不均勻的問題。本發(fā)明可用于功率MOSFET的用途。對于該用途，具有高的摻雜劑濃度的層優(yōu)選具有低的電阻率，以減小ON電阻，即使與通過傳統(tǒng)液相生長制得的具有高的摻雜劑濃度的基材相比更低的電阻率也可以實現(xiàn)本發(fā)明。


圖IA所示為根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖IB所示為在外延晶片中產(chǎn)生失配位錯的情況下在外延層與硅基材之間的界面的放大的示意圖。圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3所示為P0WERM0SFET和IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的第一方面是包括硅基材、第一外延層和第二外延層的晶片。硅基材具有等于或大于0. 1 Ω -cm的電阻率。第一外延層的供體濃度與受體濃度之差的絕對值為等于或大于1 X IO18個原子/cm3。第一外延層是生長在硅基材的一個面上。第二外延層的供體濃度與受體濃度之差的絕對值為等于或小于5X IO17個原子/
cm 3。第二外延層是生長在第一外延層的表面上。第二外延層具有與第一外延層相同的導(dǎo)電型。將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料加入第一外延層。由此，控制第一外延層的晶格常數(shù)( ) 相對于硅單晶的晶格常數(shù)(Ai)的變化量(( - )/ )以及第二外延層的晶格常數(shù)( )相對于硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)的變化量((a2-asi)/asi)小于臨界晶格錯配度。由此可以解決失配位錯或翹曲的問題。在本發(fā)明中，調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料通過外延生長摻雜。因此，可以避免在傳統(tǒng)液相生長中摻雜摻雜劑(包括調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料)時濃度不均勻的問題。在JP 2006-080278或JP 2006-024728中描述了在硅基材的表面上形成包含鍺作為調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料的硅外延層以避免由晶格錯配導(dǎo)致的螺型位錯，及從硅基材與外延層之間的界面逐漸地或階梯式地減小鍺濃度。然而，這兩個方法均無法抑制失配位錯。如JP 2006-86179中所述，即使在多個包含濃度逐漸地或階梯式改變的鍺的硅外延層之間設(shè)置氮化物薄膜，仍然會產(chǎn)生失配位錯(JP 2006-86179，圖 1)。根據(jù)這些其中鍺濃度逐漸地或階梯式改變的方法，每次鍺濃度僅能升高10%，包含鍺的硅外延層生長1 μ m的厚度。例如為了形成具有30%鍺濃度的外延層，需要生長3 μ m的厚度。在形成外延層的通常速度(約0. lnm/s)下幾乎耗時1小時。因此，產(chǎn)率低。然而，本發(fā)明適當(dāng)?shù)乜刂仆庋訉拥木Ц癯?shù)，不以階梯式改變鍺濃度。因此，不會大幅影響生長速度。下面參考附圖解釋根據(jù)本發(fā)明的硅晶片。圖1 (A)所示為根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案的半導(dǎo)體基材的一個例子的示意圖。首先，根據(jù)本發(fā)明的硅晶片具有以下如圖I(A)所示的結(jié)構(gòu)。通過外延生長法在硅基材(例如未摻雜的、η型或ρ型的硅單晶)10上生長第一外延層11(η型或ρ型)。第一外延層11包含調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料以及供體和/或受體。通過外延生長法在第一外延層上進(jìn)一步生長包含與第一外延層相同導(dǎo)電型的供體和/或受體的第二外延層12。如在下文中參考圖2所述，可以在第一外延層11與硅基材10之間提供包含調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料以及供體和/或受體的P型的第三外延層13。參考圖1 (B)，將在硅基材10與第一外延層11之間的界面作為一個例子舉例。若在硅基材10與第一外延層11之間存在大的晶格常數(shù)差異，則由于失配位錯導(dǎo)致的應(yīng)力會作用在第一外延層上。在外延生長繼續(xù)進(jìn)行時，第一外延層的晶格常數(shù)的變化量超過臨界值(也稱作臨界晶格錯配度)(或者第一外延層11的厚度超過臨界薄膜厚度)。這導(dǎo)致晶體中的缺陷，例如晶格錯配(失配位錯)，其發(fā)揮緩和上述應(yīng)力的作用， 如圖I(B)所示。然而，只要第一外延層的晶格常數(shù)的變化量不超過臨界值(即第一外延層的厚度足夠薄)，則繼續(xù)生長外延層。即使多少會產(chǎn)生晶格錯配，由于外延層晶格的變形而在界面處保持晶格的連續(xù)性，所以生長外延層(共格生長)。為了詳細(xì)解釋根據(jù)本發(fā)明的變化量，可以將晶格常數(shù)的變化在式(1)中加以表不。Δ a/a= β XN式(1)其中，“a”是晶格常數(shù)，“Aa”是晶格常數(shù)的變化，“N”是雜質(zhì)濃度(個原子/cm3)， “ β ”是比例系數(shù)(cm3/個原子)，而“ Δ a/a”是晶格錯配度。晶格錯配度(Aa/a)作為晶格常數(shù)的變化量與雜質(zhì)濃度N成正比。然而，如文獻(xiàn) 1(文獻(xiàn) 1 "Property of Crystalline Silicon”，Inspec/Iee Jan. 2000，ISBN :0852969333)中所述，比例系數(shù)β根據(jù)雜質(zhì)而不同。根據(jù)這一認(rèn)識，若例如使用硼作為受體及使用磷作為供體，則表1中所示的數(shù)據(jù)是已知的。表 1
雜質(zhì)β (cm3/個原子)硼-5. 46 X ICT24磷-7. 20X 1CT25，-1. OOX 1CT24，-1. 80 X ICT24由使用硼和磷作為摻雜劑的方案可以看出，β具有負(fù)值，并使晶格常數(shù)減小。換而言之，若摻雜諸如供體或受體的摻雜劑并且摻雜劑(As、Ge、Sb等)的原子半徑大于硅的原子半徑(1.17 Α)，則包含該摻雜劑的硅晶體的晶格常數(shù)趨向于增大。另一方面，若摻雜劑(Β、Ρ)的原子半徑小于硅的原子半徑(1.17人)，則包含該摻雜劑的硅晶體的晶格常數(shù)趨向于減小。這些現(xiàn)象也發(fā)生于通過外延生長獲得的外延層中以及用摻雜劑摻雜的硅基材中。因此，在將原子半徑小于硅(1.17 Α)的原子元素用于硅外延層作為受體或供體時，需要增大硅外延層的晶格常數(shù)以減小失配位錯。在此情況下，使用原子半徑大于硅的原子元素作為調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料。另一方面，在將原子半徑大于硅(1.17 Α)的原子元素用于硅外延層作為受體或供體時，需要減小硅外延層的晶格常數(shù)。在此情況下，使用原子半徑小于硅的元素(減小硅的晶格常數(shù)的元素)作為調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料。若使用根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料以增大硅的晶格常數(shù)，則調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料優(yōu)選為原子半徑大于硅的原子元素，且其不改變外延層(第一和第三)的電阻。包含鍺或錫的化合物是特別優(yōu)選的。包含鍺的化合物是更加優(yōu)選的。若使用根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料以減小硅的晶格常數(shù)，則調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料優(yōu)選為原子半徑小于硅的材料，且其不改變外延層(第一和第三)的電阻。根據(jù)本發(fā)明的外延層(第一和第三)可以用砷代替用磷進(jìn)行摻雜。砷的β值并不確切已知，但是已知非常小。因此，在摻雜砷時不需要摻雜鍺。若摻雜根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料，則可以選擇性地?fù)诫s原子元素本身或者包含該原子元素的化合物。若使用硼作為硅外延層的受體和/或使用磷作為供體，則摻雜鍺是有效的。由此，可以抵消減小硅的晶格常數(shù)的效應(yīng)。此外，鍺的晶格常數(shù)比硅大4.2%。根據(jù)Vegard定律的簡單近似計算教導(dǎo)，β Ge約為+8. 4X 10_25cm3/個原子，其絕對值與磷幾乎相等，但是其符號相反?？刂茡诫s進(jìn)入根據(jù)本發(fā)明的外延層中的鍺的濃度，由此可以使Aa/ a接近于零。在此，將硅外延層中的各種供體的濃度定義為[X]Dk，其β值為i3Dk，各種受體的濃度為[X]Ak，其β值為β Ak，調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料的β值為β Y，調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料的濃度為[Y]。通過根據(jù)以下的式2加以控制，該系統(tǒng)中晶格錯配的程度(Aa/a)消失，不產(chǎn)生失配位錯。βγΧ[Υ]+Σ βΒ1 Χ[Χ]Β1 +Σ β Akx [X]Ak = 0 式 ο)例如將磷或硼之一用作供體或受體。硼或磷的濃度被定義為[X]，其β值為β χ，鍺濃度為[Ge]，其β值為β<^。優(yōu)選應(yīng)當(dāng)根據(jù)以下的式0-2)中給出的數(shù)值加以控制。
β Ge X [Ge] + β x X [Χ] = 0式 0-2)另一方面，在如上所述共格生長的情況下，若外延層足夠薄，則外延層的晶格可以變形。因此，失配位錯的產(chǎn)生還取決于層厚度。在文獻(xiàn)2中有詳細(xì)的描述(“J.W.Matthews， Α. Ε. Blakeslee [J. Cryst. Growth (Netherlands) vol. 27(1974)p. 118 ；vol. 29(1975)p. 273 ； vol. 32(1976)p. 265”)。換而言之，即使不滿足式( 或0-2)，若該層是薄的，則不會產(chǎn)生失配位錯。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，證實了若滿足式C3)則不會產(chǎn)生失配位錯。βγΧ[Υ]+Σ βΒ1 Χ [X]Dk+ Σ β AkX [X]Ak < γ 式(3)其中，“Y”是無量綱數(shù)，稱作臨界晶格錯配度(或臨界變形度)。在以上的式(3)中，βγΧ [Y]是通過在將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料摻雜進(jìn)入硅單晶中時晶格常數(shù)的變化(Δ )除以硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)而獲得的數(shù)值A(chǔ)iiyAisitj同樣地，^llkX DGllk是通過在將各種供體摻雜進(jìn)入硅單晶中時晶格常數(shù)的變化 (Aank)除以硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)而獲得的數(shù)值Δ^/知。βΑ1 Χ [ ^是通過在將各種受體摻雜進(jìn)入硅單晶中時晶格常數(shù)的變化(A^t)除以硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)而獲得的數(shù)值Δ^/知。因此，式(3)的左側(cè)是通過在用調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料、各種供體和各種受體單獨摻雜硅單晶時晶格常數(shù)的變化之和除以硅單晶的晶格常數(shù)而獲得的。另一方面，在同時將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料、各種供體和各種受體摻雜進(jìn)入硅外延層中時，晶格常數(shù)的變化可以通過將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料、各種供體和各種受體單獨摻雜進(jìn)入硅單晶中而導(dǎo)致的晶格常數(shù)的變化相加而求得。因此，例如可以理解，在根據(jù)本發(fā)明的第一外延層中晶格常數(shù)的變化▲ #(= araSi)等于以上的式(3)的左側(cè)乘以硅單晶的晶格常數(shù)。可以同樣地考慮根據(jù)本發(fā)明的第二和第三外延層的晶格常數(shù)的變化。若在以上的式0-2)中將磷或硼用作供體或受體，及將鍺用作調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料，則獲得以下的式(3-2)。^ceX [Gel + βχΧ [X] < γ式(3-2)其中，“Y”是無量綱數(shù)，稱作臨界晶格錯配度(或臨界變形度)。以上的式中的Y是外延層的層厚度的函數(shù)。通過預(yù)先測定對應(yīng)于厚度的Y，可以容易地獲得適當(dāng)?shù)臄?shù)值。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，Y可以通過以下的式(4)加以表示，其中Τ(μπι)是外延層的厚度。Log(y) =-1. 11 XLog(T)-3. 84式 G)在此，其中“Log”是常用對數(shù)。下面參考附圖闡述本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案。圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選的實施方案的半導(dǎo)體基材的一個例子的截面圖。首先，可以如圖2所示通過以下方法形成根據(jù)本發(fā)明的硅晶片。通過外延生長法在硅基材(例如未摻雜的、η型或ρ型的硅單晶)10上生長包含調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料以及供體和/或受體的P型的第三外延層13。接著，通過外延生長法在第三外延層13上生長包含調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料以及供體和/或受體的η型的第一外延層11。在第一外延層11上生長包含具有與第一外延層11相同導(dǎo)電型的供體和/或受體的第二外延層12。如上所述在硅基材上分別沉積第三外延層、第一外延層和第二外延層之后，可以選擇性地實施熱處理。只要其電阻率等于或大于0. 1 Ω ·_，則根據(jù)本發(fā)明的硅基材沒有特別的限制。電阻率優(yōu)選在1Ω ·αιι至100Ω .CmWRc可以通過公知的方法例如Czochralski法或FZ 法實施根據(jù)本發(fā)明的硅基材制造方法。硅基材是自制的或者是作為商購產(chǎn)品獲得的或者其是η型或ρ型的，都無關(guān)緊要。根據(jù)本發(fā)明的硅基材可以使用包含氫、氮和碳的硅晶體。將氮、氫或碳摻雜進(jìn)入硅晶體(或通過切割生長的硅晶體形成的硅基材)中的方法沒有特別的限制。可以采用任何傳統(tǒng)的方法。更具體而言，作為摻雜氮的方法，通過將具有氮化物薄膜的硅基材加入熔體中，其中生長硅晶體，可以控制待獲得的硅基材的氮濃度。作為摻雜氫的方法，通過將氫混合氣體導(dǎo)入爐中可以控制氫濃度。作為摻雜碳的方法，通過將碳粉摻雜進(jìn)入熔體中，其中生長硅晶體，可以控制硅基材晶片的碳濃度。根據(jù)本發(fā)明的第一外延層優(yōu)選為用摻雜劑和調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料摻雜的硅外延層。第一外延層包含硅作為主要成分。第一外延層包含以下成分至少一種選自以下組中的物質(zhì)作為摻雜劑的供體元素(諸如硼的第13族元素或者包含該元素的任何已知的摻雜劑)以及受體元素(諸如磷或砷的第15族元素或者包含該元素的任何已知的摻雜劑)；以及調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料。若同時包含供體和受體作為摻雜劑，則供體濃度與受體濃度之差的絕對值優(yōu)選為等于或大于ι χ IO18個原子/cm3且等于或小于1 X IO20個原子/cm3。若在第一外延層中包含供體或受體之一，則采用相同的濃度范圍。此外，根據(jù)以上的式C3)控制第一外延層的上述成分的組成比例。第一外延層的厚度優(yōu)選為不大于ΙΟμπι，或者更優(yōu)選為不小于Ιμπι且不大于 5 μ m0若其厚度等于或小于10 μ m，則因為其小于外延層的臨界厚度，所以可以抑制或避免失配位錯。根據(jù)本發(fā)明的第二外延層優(yōu)選為用摻雜劑摻雜的硅外延層。第二外延層包含硅作為主要成分。第二外延層包含以下成分至少一種選自以下組中的物質(zhì)作為摻雜劑的供體元素(諸如硼的第13族元素或者包含該元素的任何已知的摻雜劑)以及受體元素(諸如磷和砷的第15族元素或者包含該元素的任何已知的摻雜劑)。若同時包含供體和受體作為摻雜劑，則供體濃度與受體濃度之差的絕對值優(yōu)選為等于或小于5 X IO17個原子/cm3。若包含供體或受體之一，則采用相同的濃度范圍。此外，根據(jù)以上的式C3)控制第二外延層的上述成分的組成比例。根據(jù)本發(fā)明的第三外延層優(yōu)選為用受體和調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料摻雜的硅外延層。
第三外延層包含硅作為主要成分。第三外延層包含諸如硼的第13族元素或者包含該元素的任何已知的摻雜劑作為受體，以及調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料。若同時包含供體和受體作為摻雜劑，則供體濃度與受體濃度之差的絕對值優(yōu)選為等于或大于ι χ IO18個原子/cm3且等于或小于1 X IO20個原子/cm3。若包含供體或受體之一，則采用相同的濃度范圍。此外，根據(jù)以上的式C3)控制第三外延層的上述成分的組成比例。第三外延層的厚度優(yōu)選為不大于20μπι，或者更優(yōu)選為不小于Ιμπι且不大于 10 μ m。若其厚度等于或小于20 μ m,則其小于臨界薄膜厚度，因此可以抑制和避免失配位
講
T曰ο可以通過CVD (化學(xué)氣相沉積)或MBE (分子束外延)制造根據(jù)本發(fā)明的第一、第
二和第三外延層。對于制造這些層的方法沒有限制。若例如選擇CVD法，則可以使用任何已知的源氣體。源氣體的選擇沒有限制。源氣體可以是任何以下的對于硅元素為SiHCl3、SiH4, SiH2Cl2等；若使用硼作為受體，則對于硼元素為IH6等；若使用磷作為受體，則對于磷元素為PH3等；若使用鍺作為調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料，則為GeH4、GeCl4等；或者任何混合氣體。H2可以用作載氣。生長條件沒有特別的限制，并且可以任意選擇。700至1100°C的溫度及1001 至標(biāo)準(zhǔn)壓力的壓力可以適當(dāng)?shù)赜米饕粋€實施方案。下面闡述根據(jù)本發(fā)明的硅晶片的優(yōu)選的實施方案的實施例。下面作為實施例闡述根據(jù)本發(fā)明的晶片應(yīng)用于η型或ρ型功率MOSFET的情況，如圖3㈧所示。如上所述例如通過Czochralski法制造硅晶片。該晶片優(yōu)選應(yīng)當(dāng)具有等于或大于 0. 1Ω · cm的電阻率，可以是η型、ρ型或未摻雜的。換而言之，對于用作功率MOSFET的漂移層的外延層，晶格錯配應(yīng)當(dāng)足夠低，從而不導(dǎo)致任何問題。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，證實了若控制晶格常數(shù)的變化比例((ai-aSi)/aSi)小于約1 X 10_5，則可以成功地避免失配位錯并且不會使翹曲惡化。隨后在硅基材上形成用摻雜劑(供體和/或受體)高度摻雜的第一外延層。該外延層是對應(yīng)于漏極的層。因此，在許多情況下以等于或大于IX IO19個原子/cm3的濃度摻雜雜質(zhì)或摻雜劑。因此，與使用硅基材尤其是未摻雜的硅基材時相比，晶格常數(shù)發(fā)生變化。在形成第一外延層之后，形成以低濃度摻雜的第二外延層。該第二外延層包含比較低濃度的雜質(zhì)，因為其用于功率器件的漂移層。雜質(zhì)或摻雜劑的濃度通常為等于或小于5X IO17個原子/cm3，晶格常數(shù)的變化是可忽略的。無需摻雜調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料，例如鍺，這不同于高度摻雜的層，例如第一外延層。下面作為實施例闡述根據(jù)本發(fā)明的晶片應(yīng)用于穿透型IGBT的情況，如圖3(B)所示。如上所述制造硅基材，然后形成以不小于1 X IO18個原子/cm3且不大于1 X IO20個原子/cm3的濃度摻雜硼的ρ型的第三外延層。
該層對應(yīng)于IGBT的集電極。然后，形成以不小于1 X IO17個原子/cm3且不大于 IX IO19個原子/cm3的濃度摻雜磷或砷的η型的第一外延層。該層對應(yīng)于耗盡層的場阻止層。上述ρ型或η型的高度摻雜的層取決于其濃度可能會傾向于產(chǎn)生失配位錯。若需要，根據(jù)以上的式C3)將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料例如鍺摻雜進(jìn)入第一和第三外延層中。形成以不小于IX IO13個原子/cm3且不大于IX IO15個原子/cm3的濃度進(jìn)一步摻雜磷或砷的η型層(第二外延層)。該η型層對應(yīng)于雙極的基極。該η型層通常是如上所述低度摻雜的，因此其無需摻雜調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料，例如鍺。實施例下面闡述本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明并不被限制于下述的實施例。換而言之， 下述實施例僅用于示例性的目的。任何具有與本發(fā)明的權(quán)利要求書中所述的技術(shù)思想基本上相同的實施方案者以及任何具有同樣作用效果者均被認(rèn)為是在本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)。實施例1鏡面晶片是通過切割Czochralski法生長的直徑為200mm且磷濃度為5 X IO14個原子/cm3的η型硅單晶錠及通過對切割的晶片實施晶片生產(chǎn)過程制得的。然后，將晶片設(shè)置在用于在燈加熱法中外延氣相生長的單獨裝載型裝置中，并在 1100°C的氫氣氛中實施熱處理以進(jìn)行清潔。然后，在1050°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCl3、GeCl4和PH3的混合反應(yīng)氣體。 通過CVD法在晶片上生長厚度為10 μ m的、供體濃度(磷濃度)為7X IO19個原子/cm3且調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料(鍺濃度)為9X IOw個原子/cm3的第一外延層。第一外延層的鍺濃度和磷濃度是通過SIMS( 二次離子質(zhì)譜)測定的。為了控制第一外延層的鍺濃度和磷濃度，可以改變PH3氣體或GeCl4氣體的濃度， 或者選擇性地可以改變其流量。歷時5分鐘生長10 μ m厚的第一外延層。然后，通過CVD法在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下在第一外延層上生長厚度為 50 μ m的、供體濃度(磷濃度)為IX IO14個原子/cm3的第二外延層。該生長過程歷時20 分鐘。在生長外延層之后，在氬氣氛中于1100°C下對上述晶片實施熱處理1小時。使用X射線形貌裝置研究在所得晶片中產(chǎn)生失配位錯的情況，然后證實沒有產(chǎn)生失配位錯。實施例2鏡面晶片是通過切割Czochralski法生長的直徑為200mm且磷濃度為5 X IO14個原子/cm3的η型硅單晶錠及通過對切割的晶片實施晶片生產(chǎn)過程制得的。然后，將晶片設(shè)置在用于在燈加熱法中外延氣相生長的單獨裝載型裝置中，并在 1100°c的氫氣氛中實施熱處理。然后，在1050°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCl3、GeCl4和的混合反應(yīng)氣體。 通過CVD法在晶片上生長厚度為10 μ m的、受體濃度(硼濃度)為5X IO19個原子/cm3且調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料(鍺濃度)為3. 3 X IO20個原子/cm3的第三外延層(ρ型)。為了控制第三外延層的鍺濃度和硼濃度，可以改變IH6氣體或GeCl4氣體的濃度，
11或者選擇性地可以改變其流量。歷時5分鐘生長10 μ m厚的第三外延層。然后，在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCl3、GeCl4和PH3的混合反應(yīng)氣體。 通過CVD法在第三外延層上生長厚度為10 μ m的、供體濃度(磷濃度)為1 X IO19個原子/ cm3且調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料(鍺濃度)為IX IO19個原子/cm3的第一外延層。該生長過程歷時5分鐘。然后，在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCldPPH3的混合反應(yīng)氣體。通過CVD 法在第一外延層上生長厚度為50 μ m的、供體濃度(磷濃度)為IX IO14個原子/cm3的第二外延層。該生長過程歷時20分鐘。在生長外延層之后，在氬氣氛中于1100°C下對上述晶片實施熱處理1小時。使用X射線形貌裝置研究在所得晶片中產(chǎn)生失配位錯的情況，然后證實沒有產(chǎn)生失配位錯。比較例1鏡面晶片是通過切割Czochralski法生長的直徑為200mm且磷濃度為5 X IO14個原子/cm3的η型硅單晶錠及通過對切割的晶片實施晶片生產(chǎn)過程制得的。然后，將晶片設(shè)置在燈加熱的單獨裝載型外延氣相生長裝置中，并在1100°C的氫氣氛中實施熱處理。然后，在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCl3和PH3的混合反應(yīng)氣體。通過CVD 法在晶片上生長厚度為10 μ m的、供體濃度(磷濃度)為7X IO19個原子/cm3的高度摻雜的外延層。該高度摻雜的外延層的濃度是如上所述通過SIMS測定的。然后，通過CVD法在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下在上述高度摻雜的外延層上生長厚度為50 μ m的、供體濃度(磷濃度)為IX IO14個原子/cm3的低度摻雜的層。該生長過程歷時20分鐘。在生長外延層之后，在氬氣氛中于1100°C下對上述晶片實施熱處理1小時。使用X射線形貌裝置研究在所得晶片中產(chǎn)生失配位錯的情況，證實幾乎所有的晶片均產(chǎn)生失配位錯。比較例2鏡面晶片是通過切割Czochralski法生長的直徑為200mm且磷濃度為5 X IO14個原子/cm3的η型硅單晶錠及通過對切割的晶片實施晶片生產(chǎn)過程制得的。然后，將晶片設(shè)置在燈加熱的單獨裝載型外延氣相生長裝置中，并在1100°C的氫氣氛中實施熱處理。然后，在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCl3和IH6的混合反應(yīng)氣體。通過 CVD法在晶片上生長厚度為ΙΟμπι的、受體濃度(硼濃度)為5Χ IO19個原子/cm3的高度摻雜的P型外延層。為了控制該高度摻雜的ρ型外延層的鍺濃度和硼濃度，可以改變IH6氣體或GeCl4 氣體的濃度，或者選擇性地可以改變其流量。此外，歷時5分鐘生長10 μ m厚的、高度摻雜的P型外延層。然后，在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCldPPH3的混合反應(yīng)氣體。通過CVD 法在高度摻雜的P型外延層上生長厚度為ΙΟμπι的、供體濃度(磷濃度)為IX IO19個原子/cm3的高度摻雜的η型外延層。該生長過程歷時5分鐘。然后，在1150°C及標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件下供應(yīng)SiHCldPPH3的混合反應(yīng)氣體。通過CVD 法在高度摻雜的η型外延層上生長厚度為50 μ m的、供體濃度(磷濃度)為IX IO14個原子 /cm3的低度摻雜的外延層。該生長過程歷時20分鐘。在生長外延層之后，在氬氣氛中于1100°C下對上述晶片實施熱處理1小時。使用X射線形貌裝置研究在所得晶片中產(chǎn)生失配位錯的情況，然后證實幾乎所有的晶片均產(chǎn)生失配位錯。實施例和比較例的電阻率數(shù)據(jù)以及各個外延層的晶格常數(shù)的變化量匯總于以下的表2中。表權(quán)利要求
1.硅晶片，其包括具有等于或大于0. 1 Ω · cm的電阻率的硅基材；在所述硅晶片的一個面上提供的第一外延層，其中供體濃度與受體濃度之差的絕對值為等于或大于1 X IO18個原子/cm3 ；及在所述第一外延層上提供的第二外延層，所述第二外延層具有與所述第一外延層相同的導(dǎo)電型，其中供體濃度與受體濃度之差的絕對值為等于或小于5 X IO17個原子/cm3;其中，通過將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料摻雜進(jìn)入所述第一外延層中，控制所述第一外延層的晶格常數(shù)( )相對于硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)的變化量(( - )/ )以及所述第二外延層的晶格常數(shù)(a2)相對于硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)的變化量(( - )/ )小于臨界晶格錯配度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硅晶片，其中所述臨界晶格錯配度通過以下的式(4)加以表示Log(y) =-1. 11 XLog(T)-3. 84式其中，Y是所述臨界晶格錯配度，而T是第一或第二外延層的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的硅晶片，其中所述調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料是包含鍺的化合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的硅晶片，其還包括在所述第一外延層與所述硅基材之間的P型的第三外延層，所述第三外延層的受體濃度為1 X IO18個原子/cm3，其中所述第一和第二外延層的導(dǎo)電型是η型，及通過將所述調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料摻雜進(jìn)入所述第一和第三外延層中，控制所述第三外延層的晶格常數(shù)(a3)相對于硅單晶的晶格常數(shù)( )的變化量(( - )/ )小于臨界晶格錯配度。
全文摘要
本發(fā)明提供硅晶片，其包括硅基材；位于硅晶片的一個面上的第一外延層，其中供體濃度與受體濃度之差的絕對值被設(shè)定為等于或大于1×1018個原子/cm3；及位于所述第一外延層上的第二外延層，其具有與所述第一外延層相同的導(dǎo)電型，其中供體濃度與受體濃度之差的絕對值被設(shè)定為等于或小于5×1017個原子/cm3；其中通過將調(diào)節(jié)晶格常數(shù)的材料摻雜進(jìn)入所述第一外延層中，控制所述第一外延層的晶格常數(shù)(a1)相對于硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)的變化量((a1-aSi)/aSi)以及所述第二外延層的晶格常數(shù)(a2)相對于硅單晶的晶格常數(shù)(aSi)的變化量((a2-aSi)/aSi)小于臨界晶格錯配度。
文檔編號H01L29/00GK102376749SQ20111022738
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者出合博之, 高山誠治 申請人:硅電子股份公司