磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶及其硅外延片

摘要

本发明公开了磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶及其硅外延片。磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶，磷作为主要掺杂元素，砷、锑中的一种或二种作为辅助掺杂元素，所述的磷的浓度大于等于4.6×10

说明书

技术领域

    本发明涉及直拉硅单晶领域。

背景技术

    将以砷为主要掺杂元素的重掺砷直拉硅单晶（砷的浓度为1.2×10¹⁹-3.4×10¹⁹/cm³)制造成硅抛光片，再将该抛光片制造成外延电阻率大于1Ω.cm的外延片，该外延片经过半导体器件的高温加工过程后在垂直表面方向外延层电阻率的分布如图1所示。硅外延层与抛光衬底之间的电阻率由高到低的区域被称为外延过渡区。若抛光衬底中除砷外还含有少量的磷，其对应的外延过渡区就比只含有砷的抛光衬底对应的外延过渡区宽，磷的浓度大于5×10¹⁴/cm³时其对外延过渡区的影响就会明显表现出来。高温过程后外延过渡区更宽意味着外延层的有效厚度更小、器件的击穿电压更低，这是器件制造过程中要努力避免的。重掺锑直拉硅单晶中混入少量的磷或砷时会发生同样的问题。因为担心其它掺杂剂的引入会降低器件的击穿电压，目前制造N型重掺直拉硅单晶时掺入的都是单一的掺杂剂，即在磷、砷、锑中根据需要任选一种作为掺杂元素掺入到直拉硅单晶中(浓度大于1×10¹⁸/cm³)，在掺入前述三种掺杂剂的任意一种时，严格限制另外两种掺杂剂元素在所生长的直拉硅单晶中的浓度，技术指标一般要求它们的浓度小于1×10¹⁴/cm³。目前还没有人制造销售磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶及由其加工的硅外延片，也没有人提出过相关的理论。

    目前，制造商要求在尽量降低半导体分立器件的尺寸的同时降低器件的正向压降或导通电阻，这主要依靠降低制造分立器件所用的外延片的抛光片衬底的电阻率来实现。要得到电阻率低的抛光片衬底就需要在生长重掺直拉硅单晶时掺入更多的磷或砷或锑等掺杂剂。

    为了得到尽可能低的分立器件的正向压降或导通电阻，目前所使用的N型重掺直拉硅单晶主要为电阻率小于0.003Ωcm或0.002Ωcm的重掺砷直拉硅单晶（掺杂剂砷的浓度大于2×10¹⁹/cm³)和电阻率小于0.0015Ωcm的重掺磷直拉硅单晶(掺杂剂磷的浓度大于4×10¹⁹/cm³)。因为掺杂浓度无法继续提高，重掺锑直拉硅单晶（掺杂剂锑的浓度范围为1×10¹⁸/cm³-6×10¹⁸/cm³)的使用量已经很小了。

    继续提高单独以磷或砷作掺杂剂的N型重掺直拉硅单晶中的掺杂元素的浓度（降低硅单晶的电阻率）会碰到外延晶格失配变得严重的问题，由这种直拉硅单晶加工的外延片的晶格失配导致的半导体器件成品率损失会变得不能接受。

发明内容

本发明的目的是提供一种磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶及其硅外延片。

    一种磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶，磷作为主要掺杂元素，砷、锑中的一种或二种作为辅助掺杂元素，所述的磷的浓度大于等于4.6×10¹⁹/cm³,在掺杂元素中占比大等于60%，辅助掺杂元素在掺杂元素中的占比为0.1%-40%。

    所述的辅助掺杂元素砷的在掺杂元素中的占比0.1%-40%。

    所述的辅助掺杂元素锑的在掺杂元素中的占比0.1%-40%。

    所述的辅助掺杂元素砷和锑在掺杂元素中的占比之和为0.1%-40%。

    一种采用所述的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶制备的硅外延片，将所述的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶加工成抛光片，再用抛光片做衬底制造硅外延片。

    一种所述的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶的制备方法，步骤如下：

1）、多晶硅熔化：将先石英坩埚装入直拉硅单晶炉内，再在石英坩埚内装满多晶硅，抽真空，通电将多晶硅熔化，调节输入功率使硅熔体温度稳定在1460±20℃；

2）、掺入主要掺杂元素磷：将称量好的红磷装入石英杯内，再将石英杯悬挂在石英钟罩内，将石英钟罩悬挂在硅单晶炉提拉室的籽晶夹头上，抽真空，打开提拉室下部的隔离阀，将石英钟罩下降到距离石英坩埚内硅熔体表面5-10mm的位置使掺杂剂完全挥发被硅熔体吸收；

3）、砷和/或锑的掺入：掺入砷和/或锑的方法与掺入磷的方法相同；

4）、单晶生长：完成掺杂元素的掺入后，按照通常的硅单晶生长程序进行硅单晶的生长过程，生长出所述的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶。

本发明的有益效果：能消除或显著减少硅外延片中因晶格失配引起的滑移线的N型重掺直拉硅单晶，可以有效减少或消除在由高掺杂浓度的N型重掺直拉硅单晶加工的抛光片上生长外延层时产生的失配位错线缺陷；且在解决该问题的同时不会产生在高温过程后半导体器件过渡区变宽的问题；改变了业界惯例即在硅单晶中磷砷锑中的多种不能同时作为掺杂剂。

附图说明

    图1 为背景技术中，在器件高温过程后重掺砷衬底外延片的电阻率在深度方向的分布。

具体实施方式

在表一中示出了硅、磷、砷、锑的共价半径对比。

表一为硅磷砷锑共价半径对比

 硅磷砷锑原子的共价半径（）1.111.061.21.4

   实际生产中由于原子的共价半径的差异，单独掺入高浓度磷到硅单晶中会导致晶格收缩，重掺磷硅单晶的晶格常数相对于不掺杂硅单晶减小；与磷相反，单独掺入高浓度的砷或锑到硅单晶中会导致硅晶格膨胀，重掺砷或重掺锑硅单晶的晶格常数相对于不掺杂硅单晶增大。因为硅外延层的电阻率都比较高，对应的掺杂剂通常为磷且浓度比较低，约为10¹³-10¹⁵/cm³数量级,使用由掺入高浓度磷、砷、或锑的N型重掺硅单晶加工的抛光片作衬底生长外延层时，由于硅外延层与抛光片衬底的晶格常数差异太大，会产生晶格失配，在外延层上会观察到被称为失配位错线的线状缺陷。外延片存在失配位错线会增加半导体器件的漏电流和成品率损失。

               

    本发明的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶主要有三种类型，第一种类型是以磷和砷两种元素作为掺杂剂生长的N型重掺直拉硅单晶，磷是主要掺杂元素，浓度大于等于4.6×10¹⁹/cm³,在直拉硅单晶的掺杂元素中占比大于等于60%，辅助掺杂元素砷的在掺杂元素中占比0.1%-40%；第二种类型是以磷和锑两种元素做为掺杂剂的N型重掺直拉硅单晶，磷是主要掺杂元素，浓度大于等于4.6×10¹⁹/cm³,在直拉硅单晶的掺杂元素中占比大于等于60%，辅助掺杂元素锑在掺杂元素中的占比0.1%-40%；第三种是以磷、砷和锑三种元素作为掺杂剂的N型重掺直拉硅单晶，磷是主要掺杂元素，浓度大于等于4.6×10¹⁹/cm³,在直拉硅单晶的掺杂元素中占比大于等于60%，辅助掺杂元素砷和锑在掺杂元素中的占比之和为0.1%-40%。

    本发明的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶，利用了硅晶体中，磷原子的共价半径比硅原子的共价半径小，砷和锑原子的共价半径比硅原子的共价半径大的性质，利用砷或锑来补偿磷（使用两种元素共掺杂时）的体积效应或利用砷和锑来补偿磷（使用三种元素共掺杂时）的体积效应，使高掺杂浓度的N型重掺直拉硅单晶的晶格常数相对于本征硅单晶的晶格常数的变化减小到允许值，能够消除或显著减少在由这样的直拉硅单晶加工成的抛光片上生长硅外延层时产生的因晶格失配引起的位错线缺陷。由于是将砷或锑作为辅助掺杂元素、将磷作为主要掺杂元素，磷的扩散系数比砷与锑大，较少量的砷和锑的加入不会显著影响半导体器件在高温过程后的外延过渡区的宽度，对后续加工成的半导体器件的击穿电压也没有显著的影响。

    表二为硅中磷、砷、锑的扩散系数对比，磷的扩散系数最大，砷次之，锑最小。在重掺砷直拉硅单晶中混入少量磷、在重掺锑直拉硅单晶中混入少量磷或砷会显著影响由其外延片加工成的半导体器件的外延过渡区的宽度。因为磷的扩散系数远大于砷和锑的扩散系数，在重掺磷直拉硅单晶中混入少量的砷和锑时，不会显著影响由其外延片加工成的半导体器件的外延过渡区的宽度，即不会因降低器件高温过程后外延层的有效厚度而降低半导体器件的击穿电压。这里的“少量”是指辅助掺杂元素的浓度大于5×10¹⁴/cm³且浓度低于主掺元素的浓度。本发明的一种磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶及由其加工的硅外延片，解决了硅抛光片衬底掺杂浓度高时产生的外延层晶格失配问题，且在解决该问题的同时不会产生半导体器件在高温过程后过渡区变宽的问题。

                             表二

 磷砷锑1200℃时在硅中的扩散系数cm²/s5×10^-122.5×10^-133.6×10^-13

    所述的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶的制备方法，步骤如下：

1）、多晶硅熔化：将先石英坩埚装入直拉硅单晶炉内，再在石英坩埚内装满多晶硅，抽真空，通电将多晶硅熔化，调节输入功率使硅熔体温度稳定在1460±20℃；

2）、掺入主要掺杂元素磷：将称量好的红磷装入石英杯内，再将石英杯悬挂在石英钟罩内，将石英钟罩悬挂在硅单晶炉提拉室的籽晶夹头上，抽真空，打开提拉室下部的隔离阀，将石英钟罩下降到距离石英坩埚内硅熔体表面5-10mm的位置使掺杂剂完全挥发被硅熔体吸收；

3）、砷和/或锑的掺入：掺入砷和/或锑的方法与掺入磷的方法相同；

4）、单晶生长：完成掺杂元素的掺入后，按照通常的硅单晶生长程序进行硅单晶的生长过程，生长出所述的磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶。

    本发明的一种磷砷锑共掺杂的N型重掺直拉硅单晶及由其加工的硅外延片解决了硅抛光片衬底高掺杂浓度时产生的外延层晶格失配问题，且在解决该问题的同时不会产生半导体器件在高温过程后过渡区变宽的问题。

实施例

    表三示出了构成本发明N型重掺直拉硅单晶的5个具体实例，外延片的直径为150mm。

表三

实例磷（浓度,原子/cm³）砷（浓度,原子/cm³）锑（浓度,原子/cm³）外延层厚度(μ）外延层电阻率(Ω.cm)表面失配位错(条/片）17.3×10¹⁹0020612027.1×10¹⁹2.2×10¹⁸02061637.0×10¹⁹02.8×10¹⁸206544.9×10¹⁹2.6×10¹⁹0206055.3×10¹⁹1.3×10¹⁹1.1×10¹⁹2060

   由表三可见，在N型重掺直拉硅单晶中除使用磷元素做主要掺杂元素外，同时再加入锑或砷能有效补偿单独地掺入相近浓度的磷所产生的硅晶格常数的减小，可以显著减少或消除在使用这样的直拉硅单晶加工成的抛光片上生长硅外延层时产生的失配位错线缺陷。