專利名稱：一種具有高金屬吸雜能力的n/n⁺硅外延片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片及其制備方法。
背景技術(shù)：
以重?fù)絥型直拉硅為襯底，輕摻n型硅作為外延層的n/n+硅外延片，由于可以更為顯著的減少功率器件的功耗，因而該被廣泛可用于功率器件，包括MOS和雙極型器件等。此外，硅外延片的另外一個(gè)主要特點(diǎn)是在于其優(yōu)越的金屬吸雜性能。偏析吸雜與內(nèi)吸雜兩種吸雜機(jī)制決定了硅外延片的吸雜效率。對(duì)于n/n+外延片，產(chǎn)生有效的偏析吸雜則要求襯底中的施主的摻雜濃度要遠(yuǎn)大于外延層中施主的摻雜濃度，才會(huì)導(dǎo)致金屬雜質(zhì)在外延層與襯底中的固溶度的較大差別，如Hoelz等報(bào)道，對(duì)于以重?fù)缴橹崩铻橐r底的n/n+外延片，只有當(dāng)襯底中砷摻雜濃度彡3X IO1Vcm3時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致有效的偏析吸雜(Hoelzl，R, K.J.Range, and L Fabry, Applied Physics a—Materials Science & Processing,(2002), 75，525)。但是實(shí)際上并不是所有外延片襯底中砷摻雜濃度都滿足這個(gè)要求。因而，就有必要在襯底中產(chǎn)生高濃度的氧沉淀，利用內(nèi)吸雜以達(dá)到使金屬雜質(zhì)遠(yuǎn)離器件工作區(qū)的目的。但是對(duì)于以重?fù)絥型直拉硅作為襯底的硅外延片，卻難以在襯底中生成大量的氧沉淀。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的產(chǎn)生有兩個(gè)原因:一方面，在利用化學(xué)氣相沉積制備外延層的過程中，溫度高達(dá)1150°C，如此高的溫度下，使得重?fù)絥型硅襯底中的原生缺陷消融，導(dǎo)致外延片在隨后進(jìn)行的低一高兩步退火過程中難以生成氧沉淀，因而導(dǎo)致不能達(dá)到內(nèi)吸雜的要求(Tsuya, H，Shimura, F，Ogawa, K，Journal of the Electrochemical Society(1982)，129，374)。延長低溫形核時(shí)間到48h，高溫退火后氧沉淀的濃度依舊不能達(dá)到內(nèi)吸雜的要求，導(dǎo)致銅在外延層中形成銅沉淀(Wijaranakula, W.，J.H.Matlock, and H.Mollenkopf, Journal of the Electrochemical Society (1988), 135, 3113)。另一方面，重?fù)降氖┲髟?砷、銻)對(duì)氧沉淀形成的抑制作用所致。施主摻雜濃度超過IO1Vcm3的n型硅，由于可以更為顯著的減少大功率器件中額外的熱損耗及發(fā)熱，得到了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界及科研上的廣泛研究。伴隨的問題是，施主原子對(duì)氧沉淀的抑制作用也顯得更為突出。以往，對(duì)于施主摻雜濃度(砷、銻)彡IO1Vcm3的n型硅，通過緩慢升溫(Ramping)工藝或低溫與高溫兩步熱處理工藝就可以得到高密度的氧沉淀。但是，當(dāng)施主摻雜濃度超過IO19/cm3時(shí),根據(jù)以往這些傳統(tǒng)的ramping工藝與低溫-高溫?zé)崽幚砉に?在外延片襯底內(nèi)得到的氧沉淀密度僅在IOfVcm3或者以下，如此低密度的氧沉淀并不能滿足充分地金屬吸雜的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有高金屬吸雜性能的以重?fù)絥型直拉娃為襯底的n/n+外延片及其制備方法。
本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案:
一種具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片，包括:
輕摻n型硅外延層，所述的外延層層錯(cuò)、位錯(cuò)、霧狀微缺陷或小丘缺陷密度<0.05/cm2,并且所述的外延層不存在氧沉淀及其誘生缺陷；
氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底，所述的氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底的電阻率≤0.005 Q cm，近表面區(qū)域的氮摻雜濃度為7.5 X IO15 1.5 X 1016atom/cm3，在襯底表面200 iim以下的氮濃度≥4.5\1015&如111/(^3，所述的氮摻雜的重?fù)?1型直拉硅襯底中包含穩(wěn)定的氧沉淀形核中心，可生成氧沉淀的密度≥IX 107cm3。

本發(fā)明中的n/n+硅外延片以輕摻n型硅作為外延層，目的是作為器件的工作區(qū)。并且，所述的輕摻n型硅外延層中缺陷密度相對(duì)較低，可以有效的降低漏電流以及提高氧化柵壓的完整性，利于器件性能的提升。本發(fā)明中的n/n+硅外延片使用氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅作襯底，目的在于利用氮原子對(duì)氧沉淀的促進(jìn)作用，以促進(jìn)襯底中高密度氧沉淀的生成，解決長久以來難以在n/n+硅外延片的重?fù)絥型直拉硅襯底中生成高密度的氧沉淀的難題，提供一種具備高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片。氮原子顯著地促進(jìn)重?fù)絥型直拉硅襯底中高密度氧沉淀的生成，有兩個(gè)重要的原因:一方面，重?fù)絥型硅襯底中的氮原子可以顯著地促進(jìn)氧沉淀穩(wěn)定形核中心的生成，在外延層生長過程中，使得氧沉淀形核中心得以保留；另一方面，對(duì)于n/n+硅外延片，氮原子會(huì)與氧原子結(jié)合生成大量的氮氧復(fù)合體，作為氧沉淀的形核中心，最后導(dǎo)致重?fù)絥型直拉硅襯底中高密度氧沉淀的生成。本發(fā)明中的n/n+娃外延片以電阻率< 0.005Q cm的重?fù)絥型直拉娃為襯底,可以更為顯著的減少功率器件的功耗，因而該n/n+硅外延片可用于功率器件，包括MOS晶體
管、雙極型晶體管或二極管等。作為優(yōu)選，所述氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底的電阻率為0.001 0.005 Q cm。作為優(yōu)選，所述氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底近表面區(qū)域的氮摻雜濃度為
9X IO15 1.5 X 1016atom/cm3,在襯底表面 100 u m 以下的氮濃度 ≥ 5 X 1015atom/cm3。實(shí)現(xiàn)如此高濃度的氮摻雜的目的在于，更有效地促進(jìn)穩(wěn)定氧沉淀形核中心的生成。作為優(yōu)選，所述氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底中的氧濃度為7 X IO17 1.5 X IO18/cm3，氧沉淀密度≥I XlOVcm3，其徑向分布變化≤ 0.5。作為優(yōu)選，所述的輕摻n型硅外延層的電阻率為I 50 Q作為優(yōu)選，所述的輕摻n型娃外延層的厚度為5 60lim。本發(fā)明還提供一種功率器件，所述的功率器件包括上述的n/n+的硅外延片，所述的功率器件包括但不限于MOS晶體管、雙極型晶體管或二極管等。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片的制備方法，包括以下步驟:
1)將重?fù)絥型直拉硅在高純N2氣氛下進(jìn)行高溫快速熱處理(RTP)，得到氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底；
2)在上述氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底上生長輕摻n型娃外延層,得到n/n+娃外延
片;
3)將上述硅外延片進(jìn)行低溫與高溫兩步熱處理，得到具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片。作為優(yōu)選，上述制備具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片的方法中，步驟I)中所述的高溫快速熱處理(RTP)溫度為1100 1260°C，熱處理時(shí)間為40 200s，冷卻速率為40 0C /s 60。。/s ；
作為優(yōu)選，步驟3)中所述的低溫?zé)崽幚頊囟葹?00 800°C，熱處理時(shí)間為8 32h ;高溫?zé)崽幚頊囟葹?00 1050°C，熱處理時(shí)間為8 32h。上述的制備具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片的方法中，步驟I)的作用在于實(shí)現(xiàn)重?fù)絥型直拉硅的氮摻雜，得到氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底。重?fù)絥型直拉硅襯底近表面區(qū)域的氮摻雜濃度可以達(dá)到7.5 X IO15 1.5X 1016atom/cm3，在襯底表面200 y m以下的氮濃度 > 4.5 X 1015atom/cm3o上述的制備具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片的方法中，步驟2)的作用在于，以氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃為襯底,在氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃上生長輕摻n型娃外延層，作為器件的工作區(qū)。作為優(yōu)選,輕摻n型娃外延層的電阻率為I 50 Q cm,厚度為5 60 ii m,以便更好地滿足器件工作的需要。上述的制備具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片的方法中，步驟3)的作用在于為了促進(jìn)n/n+硅外延片的重?fù)絥型硅襯底中氧沉淀的形核與長大，上述得到的n/n+硅外延片必須經(jīng)過低溫與高溫兩步熱處理，兩步缺一不可。利用氮原子對(duì)氧沉淀生成的促進(jìn)作用，從而在襯底中得到的氧沉淀密度彡IX 109/cm3。本發(fā)明中所述的n/n+硅外延片使用氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅作為襯底的目的在于，利用氮原子對(duì)氧沉淀的促進(jìn)作用，促進(jìn)襯底中高密度氧沉淀的生成，制得具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片。氮原子對(duì)氧沉淀的促進(jìn)，有兩方面的原因。一方面，重?fù)絥型硅襯底中的氮原子可以顯著地促進(jìn)氧沉淀穩(wěn)定形核中心的生成，使得氧沉淀形核中心在外延層生長過程中得以保留；另一方面，n/n+在低溫退火過程中，氮與氧會(huì)在重?fù)絥型硅襯底中生成大量的氮氧復(fù)合體，作為氧沉淀的形核中心，促進(jìn)重?fù)絥型直拉硅襯底中高密度氧沉淀的生成。為了實(shí)現(xiàn)重?fù)絥型直拉硅的氮摻雜，將重?fù)絥型直拉硅在高純N2氣氛下進(jìn)行高溫RTP熱處理，RTP熱處理起到預(yù)處理的作用。RTP預(yù)處理必須在高溫下進(jìn)行，從而在重?fù)絥型硅中注入足夠多的氮原子，使得重?fù)絥型直拉硅襯底近表面區(qū)域的氮摻雜濃度可以達(dá)到
7.5 X IO15 1.5 X 1016atom/cm3,在襯底表面 200 u m 以下的氣濃度> 4.5 X 1015atom/cm3,從而顯著地促進(jìn)重?fù)絥型直拉硅襯底中氧沉淀穩(wěn)定形核中心的生成。相對(duì)于在N2氣氛下利用直拉法制備直拉硅或者在硅料中投入氮化硅的方法以實(shí)現(xiàn)氮摻雜，本發(fā)明中所述的通過RTP在直拉硅中摻入氮原子的方法，更為快捷，不僅可以減少生產(chǎn)成本，而且不存在傳統(tǒng)摻氮方法中難以控制氮原子在整個(gè)硅錠中分布不均勻的問題。對(duì)重?fù)絥型直拉硅襯底進(jìn)行的RTP的預(yù)處理必須在高純N2氣氛下進(jìn)行，若是在氬氣氣氛下對(duì)直拉硅襯底 進(jìn)行RTP預(yù)處理，隨后在該襯底上生長硅外延層，最后經(jīng)過低溫與高溫兩步熱處理后，襯底中生成的氧沉淀密度提高程度不是很顯著。通常，相對(duì)于n/n+硅外延片，在P型娃外延片的襯底中更容易生成氧沉淀，這是由于重?fù)絥型施主雜質(zhì)對(duì)氧沉淀的抑制作用所致。但是，即使是對(duì)于相對(duì)容易生成氧沉淀的p_/p硅外延片，在經(jīng)過氬氣氣氛下對(duì)直拉硅襯底進(jìn)行RTP預(yù)處理及隨后的低溫與高溫兩步熱處理工藝后，在p_/p硅外延片襯底中生成的氧沉淀密度也僅為5.0 15.0X IOVcm2，不能滿足金屬吸雜所需。經(jīng)過氬氣氣氛下的RTP預(yù)處理后氧沉淀提高程度不明顯的原因在于，氬氣氣氛下的RTP預(yù)處理會(huì)在襯底中注入的空位，生成空位與氧的復(fù)合體，但是這些空位與氧的復(fù)合體在外延生長過程中大部分被消除，所以不能顯著提高氧沉淀濃度。利用本發(fā)明生產(chǎn)的這種以氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅為襯底的n/n+硅外延片，不僅外延層質(zhì)量優(yōu)異，無明顯的層錯(cuò)、位錯(cuò)及霧狀缺陷，并且在經(jīng)過低溫與高溫兩步熱處理后，由于氮原子對(duì)氧沉淀生成的促進(jìn)作用，在重?fù)絥型直拉硅襯底體內(nèi)生成了高密度的氧沉淀，促進(jìn)了該n/n+硅外延片金屬吸雜效率的顯著提高。另外，該n/n+硅外延片以電阻率(0.005 Q -cm的重?fù)絥型直拉硅為襯底，可以更為顯著的減少功率器件的功耗，因而該n/n+硅外延片可用于功率器件，包括MOS晶體管、雙極型晶體管或二極管等。


圖1是本發(fā)明所公布的具備高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片的示意 圖2是實(shí)施例1中的n/n+硅外延片的重?fù)缴橹崩枰r底近表面區(qū)域以及距離表面100 u m以下的氮濃度分布圖(由SIMS測得)；
圖3是實(shí)施例1制得的n/n+硅外延片的解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的氧沉淀的光學(xué)顯微鏡照片；
圖4是實(shí)施例1制得的n/n+硅外延片的表面銅沉淀經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學(xué)顯微鏡照片； 圖5是參比樣品I的解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的原生缺陷的光學(xué)顯微鏡照片；
圖6是吸雜后的參比樣品I的表面銅沉淀經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學(xué)顯微鏡照片；
圖7是參比樣品2的解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的原生缺陷的光學(xué)顯微鏡照片；
圖8是吸雜后的參比樣品2的表面銅沉淀經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學(xué)顯微鏡照片；
圖9是參比樣品3的解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的原生缺陷的光學(xué)顯微鏡照片；
圖10是吸雜后的參比樣品3的表面銅沉淀經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學(xué)顯微鏡照片；
圖11是參比樣品4的解理面經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的原生缺陷的光學(xué)顯微鏡照片；
圖12是吸雜后的參比樣品4的表面銅沉淀經(jīng)擇優(yōu)腐蝕后的光學(xué)顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。如圖1所不,本發(fā)明公布了一種具有高金屬吸雜能力的n/n+娃外延片，該娃外延片包括:
——輕摻n型硅外延層，所述的外延層層錯(cuò)、位錯(cuò)、霧狀微缺陷或小丘缺陷密度(0.05/cm2，并且所述的外延層不存在氧沉淀及其誘生缺陷；
-氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底,所述的氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底的電阻率
(0.005 Q cm，近表面區(qū)域的氮摻 雜濃度為7.5 X IO15 1.5 X 1016atom/cm3，在襯底表面200 iim以下的氮濃度彡4.5\1015&如111/(^3，所述的氮摻雜的重?fù)?1型直拉硅襯底中包含穩(wěn)定的氧沉淀形核中心，可生成氧沉淀的密度> IX 107cm3。
作為優(yōu)選，所述重?fù)溅切凸枰r底的電阻率為0.001 0.005 Ω.cm。作為優(yōu)選，所述重?fù)溅切凸枰r底中氧濃度為7 X IO17 1.5 X 1018/cm3，氧沉淀密度≥lX109/cm3，其徑向分布變化≤0.5。作為優(yōu)選，所述的輕摻η型硅外延層的電阻率為I 50 Ω.cm。作為優(yōu)選，所述的輕摻η型娃外延層的厚度為5 60 μ m。實(shí)施例1
生產(chǎn)以重?fù)缴橹崩铻橐r底，具有高金屬吸雜能力的n/η+硅外延片的制備方法,包括以下步驟:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重?fù)缴橹崩枳鳛閚/η+硅外延片的襯底，襯底電阻率為 0.003 0.005 Ω.cm,氧濃度為 1.02 X IO1Vcm3 ；
2)將該重?fù)缴橹崩杞?jīng)過RCA清洗后，于高純N2氣氛下在快速熱處理爐中1260°C熱處理60s，以50°C /s的冷卻速率快速冷卻，得到氮摻雜的重?fù)缴橹崩枰r底；
3)將該氮摻雜的重?fù)缴橹崩抟r底置于外延爐中，于1150°C下在該襯底上生長厚度為60 μ m、電阻率為14.5 Ω.cm的輕摻磷娃外延層，得到n/n+娃外延片；
4)將該外延片進(jìn)行650°C/16h與1000°C /16h低溫與高溫兩步熱處理，得到具有高金屬吸雜能力的n/η+硅外延片；
圖2是實(shí)施例1步驟2)中的重?fù)缴橹崩柙诮?jīng)過1250°C快速熱處理后，得到的氮摻雜的重?fù)缴橹崩枰r底表面及距離表面100 μ m以下的氮濃度分布圖(由SMS測得)。不難看出，氮摻雜的重?fù)缴橹崩枰r底近表面區(qū)域的氮摻雜濃度可以達(dá)到I X 1016atom/cm3,在襯底表面100 μ m以下的氮濃度> 5 X 1015atom/cm3。將得到的具有高金屬吸雜能力的n/n+娃外延片經(jīng)過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF(49%) =1:1)腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的該外延片截面中氧沉淀的分布情況，其光學(xué)顯微鏡照片見圖3。從圖3可以看到，由于重?fù)缴橹崩枰r底中氮原子對(duì)氧沉淀的促進(jìn)作用，襯底中生成了大量的氧沉淀，并且外延層沒有觀察到缺陷，獲得了高的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證這種吸雜結(jié)構(gòu)的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾污，包括以下步驟:
①實(shí)施例1制得的具有高金屬吸雜能力的n/η+硅外延片經(jīng)過RCA清洗后，在該硅外延片表面滴CuCl2溶液；
②接著進(jìn)行1000°C/2h熱處理，使得表面的銅充分?jǐn)U散穿透整個(gè)硅外延片，使得最后體內(nèi)的銅沾污濃度為1 X 1012Cu/cm3 ；
③最后緩慢拉出硅外延片樣品，在空氣中冷卻；
④將硅外延片置于Secco(HF(49%) IK2Cr2O7 (0.15mol/L) =2:1)腐蝕液中，于30°C下腐蝕5min，最后利用光學(xué)顯微鏡觀察硅外延片上表面的銅沉淀分布，其光學(xué)顯微鏡照片照片見圖4。從圖4中可以看出，沒有銅沉淀在硅外延片表面生成，表明銅被充分的內(nèi)吸雜。在冷卻過程中，表面的銅擴(kuò)散到體內(nèi)，氧沉淀為金屬沉淀形核提供驅(qū)動(dòng)力，因而金屬沉淀優(yōu)先在氧沉淀處生成。由于襯底中存在高濃度的氧沉淀，因而使得銅被充分的內(nèi)吸雜，硅外延片表面無銅沉淀的生成。
對(duì)比實(shí)施例1
為了說明經(jīng)過高純N2氣氛下RTP預(yù)處理，以氮摻雜的重?fù)缴橹崩铻橐r底的n/n+硅外延片在吸雜性能上的優(yōu)越性，經(jīng)過如下步驟生成參比樣品1:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重?fù)缴橹崩枳鳛閚/η+硅外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重?fù)缴橹崩枰r底；
2)將該重?fù)缴橹崩抟r底置于外延爐中，于1150°C下在該襯底上生長厚度為60μ m、電阻率為14.5 Ω.cm的輕摻磷硅外延層，得到n/n+硅外延片(參比樣品I)。將參比樣品I經(jīng)過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的參比樣品I截面中氧沉淀的分布情況，其光學(xué)顯微鏡照片見圖5。從圖5可以看到，在重?fù)缴橹崩枰r底中未觀察到原生缺陷，排除內(nèi)吸雜存在的可能性，因而只可能存在重?fù)缴橹崩枰r底導(dǎo)致的偏析吸雜效果。因而特意引入銅沾污，觀察重?fù)缴橹崩枰r底的銅吸雜效果。按照實(shí)施例1中引入銅沾污的方法(步驟① ④)，對(duì)參比樣品I進(jìn)行處理，得到吸雜后的參比樣品1，其光學(xué)顯微照片見圖6。從圖6看到，在吸雜后的參比樣品I上表面觀察到了大量的銅沉淀，因此，由重?fù)缴橹崩枰r底導(dǎo)致的偏析吸雜并不能充分地滿足銅吸雜的需求。對(duì)比實(shí)施例2
為了說明經(jīng)過高純N2氣氛下RTP預(yù)處理，以氮摻雜的重?fù)缴橹崩铻橐r底的n/n+硅外延片在吸雜性能上的優(yōu)越性，經(jīng)過如下步驟生成參比樣品2:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重?fù)缴橹崩枳鳛閚/η+硅外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重?fù)缴橹崩枰r底；
2)將該重?fù)缴橹崩抟r底置于外延爐中，于1150°C下在該襯底上生長厚度為60μ m、電阻率為14.5 Ω.cm的輕摻磷娃外延層，得到n/η+娃外延片；
3)將該外延片進(jìn)行650°C/16h與1000°C /16h低溫與高溫兩步熱處理，得到n/n+硅外延片(參比樣品2)。將參比樣品2經(jīng)過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的參比樣品2截面中氧沉淀的分布情況，其光學(xué)顯微鏡照片見圖7。從圖7可以看到，在襯底中生成的氧沉淀密度較小，并不能滿足充分的內(nèi)吸雜所需。同樣為了驗(yàn)證這種吸雜結(jié)構(gòu)的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾污。按照實(shí)施例1中引入銅沾污的方法(步驟① ④)，對(duì)參比樣品2進(jìn)行處理，得到吸雜后的參比樣品2，其光學(xué)顯微照片見圖8。從圖8看到，在吸雜后的參比樣品2上表面觀察到了大量的銅沉淀，因此，襯底中的氧沉淀密度并不能滿足充分的銅吸雜的需求。對(duì)比實(shí)施例3
為了說明經(jīng)過高純N2氣氛下RTP預(yù)處理，以氮摻雜的重?fù)缴橹崩铻橐r底的n/n+硅外延片在吸雜性能上的優(yōu)越性，經(jīng)過如下步驟生成參比樣品3:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重?fù)缴橹崩枳鳛閚/η+硅外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重?fù)缴橹崩枰r底；
2)將該重?fù)缴橹崩抟r底置于外延爐中，于1150°C下在該襯底上生長厚度為60μ m、電阻率為14.5 Ω.cm的輕摻磷娃外延層，得到n/η+娃外延片； 3)將該外延片進(jìn)行如下熱處理:以1°C /min的升溫速率，從350°C緩慢升溫到1100。。，并在1100°C下保溫16h，得到n/n+硅外延片(參比樣品3)。將參比樣品3經(jīng)過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的參比樣品3截面中氧沉淀的分布情況，其光學(xué)顯微鏡照片見圖9。從圖9可以看到，在襯底中生成的氧沉淀密度較小，并不能滿足充分的內(nèi)吸雜所需。同樣為了驗(yàn)證這種吸雜結(jié)構(gòu)的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾污。按照實(shí)施例1中引入銅沾污的方法(步驟① ④)，對(duì)參比樣品3進(jìn)行處理，得到吸雜后的參比樣品3，其光學(xué)顯微照片見圖10。從圖10看到，在吸雜后的參比樣品3上表面觀察到了大量的銅沉淀，因此，襯底中的氧沉淀密度并不能滿足充分的銅吸雜的需求。對(duì)比實(shí)施例4
為了說明必須對(duì)氮摻雜的重?fù)缴橹崩铻橐r底的n/η+硅外延片進(jìn)行低溫與高溫兩步熱處理，才可以在重?fù)缴橹崩枰r底中得到高密度的氧沉淀，經(jīng)過如下步驟生成參比樣品4:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重?fù)缴橹崩枳鳛閚/η+硅外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重?fù)缴橹崩枰r底；
2)將該重?fù)缴橹崩杞?jīng)過RCA清洗后，N2氣氛下在快速熱處理爐中1250°C下熱處理60s,以50°C /s的冷卻速率快速冷卻，得到氮摻雜的重?fù)缴橹崩枰r底；
3)將該氮摻雜的重?fù)缴橹崩抟r底置于外延爐中，于1150°C下在該襯底上生長厚度為60 μ m、電阻率為14.5 Ω.cm的輕摻磷娃外延層，得到n/n+娃外延片；
4)將該外延片進(jìn)行900°C/16h單步熱處理,得到n/η+娃外延片(參比樣品4)。將參比樣品4經(jīng)過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的參比樣品4截面中氧沉淀的分布情況，其光學(xué)顯微鏡照片見圖11。從圖11可以看到，在襯底中生成的氧沉淀密度較小，并不能滿足充分的內(nèi)吸雜所需。因而，對(duì)于氮摻雜的重?fù)缴橹崩铻橐r底的n/η+硅外延片，僅僅依靠單步熱處理工藝并不能在襯底中得到高密度的氧沉淀，必須經(jīng)過低溫與高溫兩步熱處理，使氧沉淀充分的形核與長大，從而在襯底中得到高密度的氧沉淀。同樣為了驗(yàn)證這種吸雜結(jié)構(gòu)的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾污。按照實(shí)施例1中引入銅沾污的方法(步驟① ④)，對(duì)參比樣品4進(jìn)行處理，得到吸雜后的參比樣品4，其光學(xué)顯微照片見圖12。從圖12看到，在吸雜后的參比樣品4上表面觀察到了大量的銅沉淀，因此，襯底中的氧沉淀密度并不能滿足充分的銅吸雜的需求。通過實(shí)施例1與參比樣品1、2、3、4的比較，發(fā)現(xiàn)通過快速熱處理在重?fù)缴橹崩枰r底中注入的氮原子，對(duì)氧沉淀的生成有極大的促進(jìn)作用，產(chǎn)生高的內(nèi)吸雜效果。另外，該氮摻雜的重?fù)缴橹崩铻橐r底的n/η.硅外延片若只是進(jìn)行單步熱處理，并不能在重?fù)缴橹崩枰r底中得到高密度的氧沉淀，有必要進(jìn)行低溫與高溫兩步熱處理，使氧沉淀得到形核與長大。因此，本發(fā)明的制備工藝可以提供一種具有高內(nèi)吸雜能力的n/n+硅外延片，達(dá)到較好的內(nèi)吸雜效率，達(dá)到使得金屬雜質(zhì)遠(yuǎn)離器件工作區(qū)的目的。實(shí)施例2
生產(chǎn)以重?fù)戒R直拉硅為襯底，具有高金屬吸雜能力的n/η+硅外延片的制備方法，包括以下步驟: 1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重?fù)戒R直拉硅作為n/η+硅外延片的襯底，襯底電阻率為 0.001 0.003 Ω.cm，氧濃度為 7 X IO1Vcm3 ；
2)將該重?fù)缴橹崩杞?jīng)過RCA清洗后，于高純N2氣氛下在快速熱處理爐中1200°C熱處理40s，以100°C /s的冷卻速率快速冷卻，得到氮摻雜的重?fù)戒R直拉硅襯底；
3)將該氮摻雜的重?fù)戒佒崩抟r底置于外延爐中，于1150°C下在該襯底上生長厚度為20 μ m、電阻率為50 Ω * cm的輕摻磷硅外延層，得到n/n+硅外延片；
4)將該外延片進(jìn)行800°C/8h與1050°C /8h的低溫與高溫兩步熱處理，得到具有高金屬吸雜能力的n/η+娃外延片。將得到的具有高金屬吸雜能力的n/n+娃外延片經(jīng)過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF(49%) =1:1)腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的該外延片截面中氧沉淀的分布情況。在n/η+硅外延片的重?fù)戒R直拉硅襯底中生成了大量的氧沉淀，并且外延層中無缺陷產(chǎn)生，獲得了高的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證這種吸雜結(jié)構(gòu)的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾污，包括以下步驟:
①實(shí)施例2制得的具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片經(jīng)過RCA清洗后，在該硅外延片表面滴CuCl2溶液；
②接著進(jìn)行1000°C/2h熱處理，使得表面的銅充分?jǐn)U散穿透整個(gè)硅外延片，使得最后體內(nèi)的銅沾污濃度為I X 1012Cu/cm3 ；
③最后緩慢拉出硅外延片樣品，在空氣中冷卻；
④將硅外延片置于Secco(HF(49%) IK2Cr2O7 (0.15mol/L) =2:1)腐蝕液中，于30°C下腐蝕5min，最后利用光學(xué)顯微鏡觀察硅外延片上表面的銅沉淀分布。沒有銅沉淀在硅外延片表面生成，表明銅被充分的內(nèi)吸雜。在冷卻過程中，表面的銅擴(kuò)散到體內(nèi)，氧沉淀為金屬沉淀形核提供驅(qū)動(dòng)力，因而金屬沉淀優(yōu)先在氧沉淀處生成。由于襯底中存在高濃度的氧沉淀，因而使得銅被充分的內(nèi)吸雜，硅外延片表面無銅沉淀的生成。實(shí)施例3
生產(chǎn)以重?fù)搅字崩铻橐r底，具有高金屬吸雜能力的n/η+硅外延片的制備方法，包括以下步驟:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重?fù)搅字崩枳鳛閚/η+硅外延片的襯底，襯底電阻率為 0.002 0.004 Ω.cm,氧濃度為 1.5 X IO1Vcm3 ；
2)將該重?fù)缴橹崩杞?jīng)過RCA清洗后，于高純N2氣氛下在快速熱處理爐中1100°C熱處理200s，以40°C /s的冷卻速率快速冷卻，得到氮摻雜的重?fù)搅字崩枰r底；
3)將該氮摻雜的重?fù)搅字崩抟r底置于外延爐中，于1150°C下在該襯底上生長厚度為5μηι、電阻率為I Ω.αιι的輕摻磷娃外延層,得到η/η+娃外延片；
4)將該外延片進(jìn)行600°C/32h與900°C /32h低溫與高溫兩步熱處理，得到具有高金屬吸雜能力的n/η+娃外延片；
將得到的具有高金屬吸雜能力的n/η+娃外延片經(jīng)過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF(49%) =1:1)腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后，利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的該外延片截面中氧沉淀的分布情況。在n/η+硅外延片的重?fù)搅字崩枰r底中生成了大量的氧沉淀，并且外延層中無缺陷產(chǎn)生，獲得了高的內(nèi)吸雜結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證這種吸雜結(jié)構(gòu)的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾污，包括以下步驟:
①實(shí)施例3制得的具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片經(jīng)過RCA清洗后，在該硅外延片表面滴CuCl2溶液；
②接著進(jìn)行1000°C/2h熱處理，使得表面的銅充分?jǐn)U散穿透整個(gè)硅外延片，使得最后體內(nèi)的銅沾污濃度為I X 1012Cu/cm3 ；
③最后緩慢拉出硅外延片樣品，在空氣中冷卻；
④將硅外延片置于Secco(HF(49%) IK2Cr2O7 (0.15mol/L) =2:1)腐蝕液中，于30°C下腐蝕5min，最后利用光學(xué)顯微鏡觀察硅外延片上表面的銅沉淀分布。沒有銅沉淀在硅外延片表面生成，表明銅被充分的內(nèi)吸雜。在冷卻過程中，表面的銅擴(kuò)散到體內(nèi)，氧沉淀為金屬沉淀形核提供驅(qū)動(dòng)力，因而金屬沉淀優(yōu)先在氧沉淀處生成。由于襯底中存在高濃度的氧沉淀，因而使得銅被充分的內(nèi)吸雜，硅外延片表面無銅沉淀的生成。需要說明的是，上述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有高金屬吸雜能力的n/n+娃外延片，該娃外延片包括: 輕摻n型硅外延層，所述的外延層層錯(cuò)、位錯(cuò)、霧狀微缺陷或小丘缺陷密度<0.05/cm2,并且所述的外延層不存在氧沉淀及其誘生缺陷； 氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底，所述的氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底的電阻率(0.005 Q cm，近表面區(qū)域的氮摻雜濃度為7.5 X IO15 1.5 X 1016atom/cm3，在襯底表面200 iim以下的氮濃度彡4.5\1015&如111/(^3，所述的氮摻雜的重?fù)?1型直拉硅襯底中包含穩(wěn)定的氧沉淀形核中心，可生成氧沉淀的密度> IX 107cm3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n/n+的硅外延片，其特征在于:所述氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底的電阻率為0.001 0.005 Q ^cm0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n/n+的硅外延片，其特征在于:所述氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底中氧濃度為7 X IO17 1.5 XlO1Vcm3,氧沉淀密度彡I X 109/cm3，其徑向分布變化(0.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n/n+的硅外延片，其特征在于:所述的輕摻n型硅外延層的電阻率為I 50 Q cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n/n+的硅外延片，其特征在于:所述的輕摻n型硅外延層的厚度為5 60 ii m。
6.備權(quán)利要求1所述的具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片的方法，其特征在于其包括以下步驟: 1)將重?fù)絥型直拉硅在高純N2氣氛下進(jìn)行高溫快速熱處理，得到氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅襯底； 2)在上述氮摻雜的重?fù)絥型直拉娃襯底上生長輕摻n型娃外延層,得到n/n+娃外延片; 3)將上述硅外延片進(jìn)行低溫與高溫兩步熱處理，得到具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的n/n+硅外延片的制備方法，其特征在于:步驟I)中所述的高溫快速熱處理溫度為1100 1260°C，熱處理時(shí)間為40 200s，冷卻速率為40°C /s IOO0C /s。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的n/n+硅外延片的制備方法，其特征在于:步驟3)中所述的低溫?zé)崽幚頊囟葹?00 800°C，熱處理時(shí)間為8 32h ;高溫?zé)崽幚頊囟葹?00 1050°C，熱處理時(shí)間為8 32h。
9.一種功率器件，其特征在于:所述的功率器件包括權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的n/n+的娃外延片。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率器件，其特征在于:所述的功率器件為MOS晶體管、雙極型晶體管或二極管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有高金屬吸雜能力的n/n+硅外延片，包括輕摻n型硅為外延層，外延層中層錯(cuò)、位錯(cuò)等缺陷密度≤0.05/cm2；氮摻雜的重?fù)絥型直拉硅為襯底，襯底的電阻率≤0.005Ω cm，并且襯底中包含穩(wěn)定的氧沉淀形核中心，可生成氧沉淀密度≥1×109/cm3。本發(fā)明還提供上述n/n+硅外延片的制備方法，其步驟包括將重?fù)絥型直拉硅在N2氣氛下進(jìn)行高溫快速熱處理；在熱處理后的重?fù)絥型的直拉硅上生長輕摻n型硅外延層；經(jīng)低溫與高溫兩步熱處理，得到本發(fā)明的n/n+硅外延片。本發(fā)明解決了長久以來難以在n/n+硅外延片重?fù)絥型直拉硅襯底中生成高密度的氧沉淀的難題，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L21/18GK103094316SQ201310032160
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者馬向陽, 董鵬, 楊德仁 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)