專利名稱：制造重摻雜半導(dǎo)體晶圓的工藝，及無位錯、重摻雜半導(dǎo)體晶圓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造重摻雜半導(dǎo)體晶圓的工藝，在該工藝中至少使用兩種摻雜物來用于摻雜。本發(fā)明還涉及一種無位錯(dislocation-free)、重摻雜半導(dǎo)體晶圓。
背景技術(shù)：
需要低電阻率的重摻雜半導(dǎo)體襯底，例如，用于功率器件的制造。在常規(guī)工藝中，總是將一種特定的元素作為摻雜劑引入半導(dǎo)體晶圓內(nèi)，以減小襯底電阻(例如硼、磷、砷、銻摻入硅內(nèi)；用于重摻雜硅的典型摻雜劑濃度大于1e18/cm3)。這通常是通過在晶體生長之前或晶體生長期間將摻雜劑添加到熔體內(nèi)，或通過將摻雜劑擴散到半導(dǎo)體晶圓內(nèi)來完成，所述半導(dǎo)體晶圓是從已經(jīng)生長的單晶分離出來的。
半導(dǎo)體材料中的摻雜劑的擴散系數(shù)是非常重要的。由于通常是在高溫下進行外延層的沉積和半導(dǎo)體晶圓的加工，所以摻雜劑可以從襯底擴散到外延層內(nèi)。因此，如果使用具有高擴散系數(shù)的摻雜劑，那么襯底和外延層之間的變化范圍比在使用具有低擴散系數(shù)的摻雜劑時寬。這種現(xiàn)象的結(jié)果是當(dāng)使用擴散系數(shù)高至材料性能會完全轉(zhuǎn)變的這樣一種摻雜劑時，需要更厚的外延層。在半導(dǎo)體元件的工業(yè)化生產(chǎn)中，這種情況會導(dǎo)致更高的生產(chǎn)成本。高擴散系數(shù)的摻雜劑的另一個缺點是來自于已知的外延層沉積期間的自動摻雜現(xiàn)象。假如這種現(xiàn)象發(fā)生，所述摻雜劑經(jīng)由氣相離開襯底進入外延層，并且無意地改變了其電阻率。因此，在半導(dǎo)體材料內(nèi)優(yōu)選使用具有低擴散系數(shù)的摻雜劑。
然而，制造單晶時使用大量摻雜劑會有各種相關(guān)問題，這些問題限制了可以得到的最低襯底電阻熔體內(nèi)的高摻雜濃度能夠?qū)е氯垠w內(nèi)摻雜劑的沉淀和取代性過度冷卻(substitutional supercooling)，在這兩種情況下，都會阻止單結(jié)晶的生長。而且，大量個別摻雜劑可以從熔體中蒸發(fā)出去，這將增加摻雜劑的所需的量，并導(dǎo)致令人討厭的毒性化合物的形成。高摻雜濃度的進一步的問題是在高于某一濃度時，引入到所述半導(dǎo)體材料的一些摻雜劑原子可能會變得電氣性靜止。例如，如果用砷對硅進行重摻雜，以至電阻率下降到約5mOhmcm以下，那么這種情況就會發(fā)生(Quick Reference Manual for SiliconIntegrated Circuit Technology；W.E.Beadle，J.C.C.Tsai & R.D.Plummer；John Wiley & Sons，New York，Chichester，Brisane；pp.2-70，1985))。由于上述影響，只有降至某一最低電阻時，無位錯的晶體生長才成為可能，摻雜劑的極限濃度是由晶體生長所采用的加工程序和摻雜劑類型所決定的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可以得到無位錯半導(dǎo)體晶圓的工藝，該無位錯半導(dǎo)體晶圓的電阻率已經(jīng)降至迄今為止僅用一種特定的摻雜劑所無法達到的范圍。本發(fā)明還提供一種工藝，該工藝能夠制造具有確定摻雜(n-型或p-型)并且性能得到改善的無位錯半導(dǎo)體晶圓，或者能夠簡化具有低電阻率的無位錯半導(dǎo)體晶圓的生產(chǎn)。
本發(fā)明的主題是一種用于制造重摻雜半導(dǎo)體晶圓的工藝，在該工藝中至少使用兩種摻雜劑來用于摻雜，其中所述摻雜劑是電氣性活躍的并且屬于元素周期系統(tǒng)中的同一族。
本發(fā)明的主題還是一種沒有位錯并且用至少兩種摻雜劑來摻雜的半導(dǎo)體晶圓，其中所述摻雜劑是電氣性活躍的并且屬于元素周期系統(tǒng)中的同一族。
該半導(dǎo)體晶圓優(yōu)選是由硅或鍺或硅和鍺的混合物所組成并且具有0.0005至0.1Ohmcm的電阻率，優(yōu)選為0.0005至0.005Ohmcm，特別優(yōu)選為0.0005至0.002Ohmcm。
根據(jù)本發(fā)明使用相同類型的摻雜劑的適當(dāng)組合，使得能夠在簡化的工藝條件下制造材料性能得到改善的半導(dǎo)體襯底。在目前環(huán)境下，如果摻雜劑屬于元素周期系統(tǒng)的同一族，那么它們被視作同一類型。盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)介紹了一些工藝，在這些工藝中同樣使用至少兩種不同的摻雜劑來完成摻雜，但這些工藝與本發(fā)明的基本差異在于這些工藝的部分目的是實現(xiàn)不同的效果，并且未曾提及采用兩種電氣性活躍的且來自元素周期系統(tǒng)同一族的摻雜劑來進行摻雜。在本發(fā)明的上下文中，“電氣性活躍的摻雜劑”一詞是指這樣一種摻雜劑，由于其電子構(gòu)型的特征，該摻雜劑具有大量與半導(dǎo)體材料不同的自由電子。根據(jù)本發(fā)明所述的工藝不包括例如在美國專利US 5,553,566中進行了介紹的采用鍺作為第二摻雜劑對摻磷的硅進行的輔助摻雜(Co-doping)，這是因為鍺與硅相比被認(rèn)為是電中性的。
盡管美國專利US 6,013,129介紹了重摻雜硅的生產(chǎn)，其采用兩種摻雜劑的組合以便取得盡可能高的電導(dǎo)率(“金屬性硅”)，在該工藝中電荷載流子，即，空穴和電子的總數(shù)總是通過將屬于第III族元素(p-型，電施主磷、砷、銻)的摻雜劑和屬于第V族元素(n-型，受主硼、鋁、鎵)的摻雜劑加以組合來達到最大的，同時另外也保證一個元素高于硅而另一個元素低于硅。該工藝的一個缺點是摻雜劑的不同類型意味著所述電荷載流子獲得部分補償，因此需要特別大量的摻雜劑以便允許制造重摻雜半導(dǎo)體晶圓?？偠灾摴に嚥贿m于制造純n-型或p-型襯底。
根據(jù)本發(fā)明，摻雜使用了同一類型的兩種摻雜劑。相應(yīng)地，與僅僅使用一種摻雜劑來取得相同的電阻率的情況相比，每一種摻雜劑只需要很少的量。進一步的一個優(yōu)點是較低的摻雜劑濃度意味著在制造單晶期間總是數(shù)量較少的一種摻雜劑離開熔體。此外，每一種個別的摻雜劑的較少量也減低了每種摻雜劑的電氣性靜止的比例。因此，摻雜劑所需的總量可以進一步降低，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的降低。適當(dāng)選擇摻雜劑的量允許把個別摻雜劑的濃度減少到這樣一種程度，即不會發(fā)生熔體的取代性過度冷卻，以及在使用其他相同條件的情況下，使具有較高摻雜水平的單晶的無位錯生長成為可能。
適當(dāng)選擇摻雜劑和摻雜劑的量還允許取得襯底與沉積在其上的外延層之間更加清晰的變化輪廓。由于擴散系數(shù)不同，外延層與襯底之間的變化輪廓，對應(yīng)于采用不同摻雜劑摻雜所得到的某些摻雜水平，分別具有不同的典型寬度。摻雜劑的適當(dāng)組合允許在摻雜程度(即，襯底電阻)相同的情況下減小變化輪廓的寬度，使得能夠使用較薄的層，并因此在制造工藝中實現(xiàn)成本的節(jié)約。
半導(dǎo)體晶圓的制造包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的步驟，從生長單晶開始，例如通過使用柴氏長晶法從熔體中提拉單晶或通過浮區(qū)(float zone)法使單晶結(jié)晶。該熔體最好由硅組成，如果合適，也可以由鍺或這兩種半導(dǎo)體材料的混合物組成。這些摻雜劑優(yōu)選被添加入到熔體內(nèi)，而不要通過擴散被引入到已經(jīng)從所述單晶中分離出來的所述半導(dǎo)體晶圓內(nèi)。所述已經(jīng)從單晶分離出來的半導(dǎo)體晶圓至少受到一種(同樣標(biāo)準(zhǔn))成形方法的處理，諸如精研(lapping)、研磨或拋光，并且優(yōu)選在主面上具有至少一層外延層，該外延層的電阻率通常與所述重摻雜的襯底晶圓不同。還優(yōu)選把由電子元件所組成的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到所述襯底晶圓的主面上或該外延層上。
用于p-型摻雜的摻雜劑優(yōu)選屬于元素周期系統(tǒng)的第III族，而用于n-型摻雜的摻雜劑優(yōu)選屬于元素周期系統(tǒng)的第V族。特別優(yōu)選使用摻雜劑的組合，這種組合包括元素磷和銻、元素砷和銻、元素磷和砷、元素銻和氮、元素砷和氮或元素磷和氮。
如果有元素硼、磷或砷存在，則所述摻雜劑的濃度優(yōu)選大于1×1018cm-3，如果有銻存在，則優(yōu)選大于1×1017cm-3。特別優(yōu)選，在有元素硼、磷或砷存在的情況下，所述摻雜劑的濃度大于1×1019cm-3，以及在有銻存在的情況下大于1×1018cm-3。還特別優(yōu)選使用摻雜劑的組合，以使所有摻雜劑濃度的總和大于3×1019cm-3。
優(yōu)選這樣的n-型摻雜，其中所述摻雜劑中的一種是銻，并且所述半導(dǎo)體晶圓的電阻率為0.005Ohmcm或更低。同樣優(yōu)選這樣的n-型摻雜，其中所述摻雜劑中的一種是砷，并且所述半導(dǎo)體晶圓的電阻率為0.002Ohmcm或更低。同樣特別優(yōu)選這樣的P-型摻雜，其中所述半導(dǎo)體晶圓的電阻率為0.05Ohmcm或更低。
附圖介紹下面將參考附圖對本發(fā)明進行更加詳細的介紹。


圖1使用了一個實施例來說明通過采用同類型的兩種摻雜劑進行摻雜，能夠制造無位錯半導(dǎo)體晶圓，其電阻率比僅用所述兩種摻雜劑中的一種進行摻雜時得到的晶圓的電阻率要低。
圖2示出在摻雜水平(兩種摻雜劑的濃度之和)總是相同的情況下，對于具有不同擴散系數(shù)的兩種摻雜劑A和B的各種組合，在從重摻雜襯底到未摻雜外延沉積層的變化部分的摻雜劑原子的濃度分布。
實施例直徑超過150mm并且以砷作為摻雜劑的無位錯重摻雜半導(dǎo)體晶圓，其電阻率僅僅能夠降低到0.002Ohmcm左右。在砷濃度較高的情況下，在使用常規(guī)柴氏長晶法工藝制造單晶期間會有位錯形成。相反，如果使用砷和磷進行輔助摻雜，則能夠在甚至不形成位錯的情況下取得極低的電阻率。
圖2示出在摻雜水平(零點位于界面處并且具有標(biāo)準(zhǔn)化的濃度)總是相同的情況下，對于具有不同擴散系數(shù)的兩種摻雜劑A和B的各種組合，在從重摻雜襯底到未摻雜外延沉積層的變化部分的摻雜劑原子的濃度分布。然而，對于通過使用已知工藝能夠取得的最高摻雜水平范圍，變化輪廓較寬，這是因為電氣性靜止的摻雜劑復(fù)合物的出現(xiàn)意味著需要個別摻雜劑更大的量。根據(jù)本發(fā)明采用另外一種電氣性活躍的元素進行輔助摻雜可以減小為達到某一電阻值所需要的摻雜劑濃度的總和。同時，減小了擴散出去的摻雜劑總量，并且更為清晰的變化輪廓成為可能。
權(quán)利要求
1.一種用于制造重摻雜半導(dǎo)體晶圓的工藝，在該工藝中，至少使用兩種摻雜劑來用于摻雜，其中所述摻雜劑是電氣性活躍的并且屬于元素周期系統(tǒng)的同一族。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，用來制造半導(dǎo)體晶圓的半導(dǎo)體材料是硅或鍺或硅和鍺的混合物，并且用于p-型摻雜的摻雜劑屬于第III族，而用于n-型摻雜的摻雜劑屬于第V族。
3.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，使用了摻雜劑的組合，所述組合包含元素磷和銻。
4.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，使用了摻雜劑的組合，所述組合包含元素砷和銻。
5.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，使用了摻雜劑的組合，所述組合包含元素磷和砷。
6.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，使用了摻雜劑的組合，所述組合包含元素銻和氮。
7.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，使用了摻雜劑的組合，所述組合包含元素砷和氮。
8.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，使用了摻雜劑的組合，所述組合包含元素磷和氮。
9.如權(quán)利要求1至8其中一項所述的工藝，其中，如果有元素硼、磷或砷存在，則摻雜劑濃度大于1×1018cm-3，以及如果存在銻，則摻雜劑濃度大于1×1017cm-3。
10.如權(quán)利要求1至9其中一項所述的工藝，其中，在所述半導(dǎo)體晶圓的主面上至少沉積一層外延層。
11.一種沒有位錯并且用至少兩種摻雜劑來摻雜的半導(dǎo)體晶圓，其中，所述摻雜劑是電氣性活躍的，并且屬于元素周期系統(tǒng)的同一族。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體晶圓，所述半導(dǎo)體晶圓具有至少一層沉積在所述半導(dǎo)體晶圓主面上的外延層。
13.如權(quán)利要求11或12所述的半導(dǎo)體晶圓，所述半導(dǎo)體晶圓由硅或鍺或硅和鍺的混合物所組成，并且其中用于p-型摻雜的摻雜劑屬于第III族，而用于n-型摻雜的摻雜劑屬于第V族。
14.如權(quán)利要求11至13其中一項所述的半導(dǎo)體晶圓，所述半導(dǎo)體晶圓具有一種n-型摻雜，其中所述摻雜劑中的一種是銻，并且所述半導(dǎo)體晶圓具有0.005Ohmcm或更低的電阻率。
15.如權(quán)利要求11至14其中一項所述的半導(dǎo)體晶圓，所述半導(dǎo)體晶圓具有一種n-型摻雜，其中所述摻雜劑中的一種是砷，并且所述半導(dǎo)體晶圓具有0.002Ohmcm或更低的電阻率。
16.如權(quán)利要求11至13其中一項所述的半導(dǎo)體晶圓，所述半導(dǎo)體晶圓具有一種p-型摻雜，其中所述半導(dǎo)體晶圓具有0.05Ohmcm或更低的電阻率。
17.如權(quán)利要求11至16其中一項所述的半導(dǎo)體晶圓，所述半導(dǎo)體晶圓具有由電子元件所形成的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造重摻雜半導(dǎo)體晶圓的工藝，在該工藝中，摻雜使用至少兩種電氣性活躍的并且屬于元素周期系統(tǒng)同一族的摻雜劑。本發(fā)明還涉及一種無位錯并且用至少兩種摻雜劑摻雜的半導(dǎo)體晶圓，所述摻雜劑是電氣性活躍的并且屬于元素周期系統(tǒng)的同一族。
文檔編號C30B29/08GK1649092SQ20051000683
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月29日
發(fā)明者魯珀特·克勞特鮑爾, 埃里?！じ襁~爾鮑爾, 羅伯特·沃布赫納, 馬丁·韋伯 申請人:硅電子股份公司