一種具有高金屬吸雜能力的n/n⁺矽外延片及其製備方法

2024-02-19 13:45:15

專利名稱：一種具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片及其製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，具體涉及一種具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片及其製備方法。
背景技術：
以重摻n型直拉矽為襯底，輕摻n型矽作為外延層的n/n+矽外延片，由於可以更為顯著的減少功率器件的功耗，因而該被廣泛可用於功率器件，包括MOS和雙極型器件等。此外，矽外延片的另外一個主要特點是在於其優越的金屬吸雜性能。偏析吸雜與內吸雜兩種吸雜機制決定了矽外延片的吸雜效率。對於n/n+外延片，產生有效的偏析吸雜則要求襯底中的施主的摻雜濃度要遠大於外延層中施主的摻雜濃度，才會導致金屬雜質在外延層與襯底中的固溶度的較大差別，如Hoelz等報導，對於以重摻砷直拉矽為襯底的n/n+外延片，只有當襯底中砷摻雜濃度彡3X IO1Vcm3時，才會導致有效的偏析吸雜(Hoelzl，R, K.J.Range, and L Fabry, Applied Physics a—Materials Science & Processing,(2002), 75，525)。但是實際上並不是所有外延片襯底中砷摻雜濃度都滿足這個要求。因而，就有必要在襯底中產生高濃度的氧沉澱，利用內吸雜以達到使金屬雜質遠離器件工作區的目的。但是對於以重摻n型直拉矽作為襯底的矽外延片，卻難以在襯底中生成大量的氧沉澱。導致這一現象的產生有兩個原因:一方面，在利用化學氣相沉積製備外延層的過程中，溫度高達1150°C，如此高的溫度下，使得重摻n型矽襯底中的原生缺陷消融，導致外延片在隨後進行的低一高兩步退火過程中難以生成氧沉澱，因而導致不能達到內吸雜的要求(Tsuya, H，Shimura, F，Ogawa, K，Journal of the Electrochemical Society(1982)，129，374)。延長低溫形核時間到48h，高溫退火後氧沉澱的濃度依舊不能達到內吸雜的要求，導致銅在外延層中形成銅沉澱(Wijaranakula, W.，J.H.Matlock, and H.Mollenkopf, Journal of the Electrochemical Society (1988), 135, 3113)。另一方面，重摻的施主原子(砷、銻)對氧沉澱形成的抑制作用所致。施主摻雜濃度超過IO1Vcm3的n型矽，由於可以更為顯著的減少大功率器件中額外的熱損耗及發熱，得到了半導體產業界及科研上的廣泛研究。伴隨的問題是，施主原子對氧沉澱的抑制作用也顯得更為突出。以往，對於施主摻雜濃度(砷、銻)彡IO1Vcm3的n型矽，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澱。但是，當施主摻雜濃度超過IO19/cm3時,根據以往這些傳統的ramping工藝與低溫-高溫熱處理工藝,在外延片襯底內得到的氧沉澱密度僅在IOfVcm3或者以下，如此低密度的氧沉澱並不能滿足充分地金屬吸雜的需求。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有高金屬吸雜性能的以重摻n型直拉娃為襯底的n/n+外延片及其製備方法。
本發明採用以下的技術方案:
一種具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片，包括:
輕摻n型矽外延層，所述的外延層層錯、位錯、霧狀微缺陷或小丘缺陷密度<0.05/cm2,並且所述的外延層不存在氧沉澱及其誘生缺陷；
氮摻雜的重摻n型直拉娃襯底，所述的氮摻雜的重摻n型直拉娃襯底的電阻率≤0.005 Q cm，近表面區域的氮摻雜濃度為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，所述的氮摻雜的重摻11型直拉矽襯底中包含穩定的氧沉澱形核中心，可生成氧沉澱的密度≥IX 107cm3。

本發明中的n/n+矽外延片以輕摻n型矽作為外延層，目的是作為器件的工作區。並且，所述的輕摻n型矽外延層中缺陷密度相對較低，可以有效的降低漏電流以及提高氧化柵壓的完整性，利於器件性能的提升。本發明中的n/n+矽外延片使用氮摻雜的重摻n型直拉矽作襯底，目的在於利用氮原子對氧沉澱的促進作用，以促進襯底中高密度氧沉澱的生成，解決長久以來難以在n/n+矽外延片的重摻n型直拉矽襯底中生成高密度的氧沉澱的難題，提供一種具備高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片。氮原子顯著地促進重摻n型直拉矽襯底中高密度氧沉澱的生成，有兩個重要的原因:一方面，重摻n型矽襯底中的氮原子可以顯著地促進氧沉澱穩定形核中心的生成，在外延層生長過程中，使得氧沉澱形核中心得以保留；另一方面，對於n/n+矽外延片，氮原子會與氧原子結合生成大量的氮氧複合體，作為氧沉澱的形核中心，最後導致重摻n型直拉矽襯底中高密度氧沉澱的生成。本發明中的n/n+娃外延片以電阻率< 0.005Q cm的重摻n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+矽外延片可用於功率器件，包括MOS晶體
管、雙極型電晶體或二極體等。作為優選，所述氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底的電阻率為0.001 0.005 Q cm。作為優選，所述氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底近表面區域的氮摻雜濃度為
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。實現如此高濃度的氮摻雜的目的在於，更有效地促進穩定氧沉澱形核中心的生成。作為優選，所述氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底中的氧濃度為7 X IO17 1.5 X IO18/cm3，氧沉澱密度≥I XlOVcm3，其徑向分布變化≤ 0.5。作為優選，所述的輕摻n型矽外延層的電阻率為I 50 Q作為優選，所述的輕摻n型娃外延層的厚度為5 60lim。本發明還提供一種功率器件，所述的功率器件包括上述的n/n+的矽外延片，所述的功率器件包括但不限於MOS電晶體、雙極型電晶體或二極體等。本發明的另一個目的是提供上述具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片的製備方法，包括以下步驟:
1)將重摻n型直拉矽在高純N2氣氛下進行高溫快速熱處理(RTP)，得到氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底；
2)在上述氮摻雜的重摻n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)將上述矽外延片進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+矽外延片。作為優選，上述製備具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片的方法中，步驟I)中所述的高溫快速熱處理(RTP)溫度為1100 1260°C，熱處理時間為40 200s，冷卻速率為40 0C /s 60。。/s ；
作為優選，步驟3)中所述的低溫熱處理溫度為600 800°C，熱處理時間為8 32h ;高溫熱處理溫度為900 1050°C，熱處理時間為8 32h。上述的製備具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片的方法中，步驟I)的作用在於實現重摻n型直拉矽的氮摻雜，得到氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底。重摻n型直拉矽襯底近表面區域的氮摻雜濃度可以達到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上述的製備具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片的方法中，步驟2)的作用在於，以氮摻雜的重摻n型直拉娃為襯底,在氮摻雜的重摻n型直拉娃上生長輕摻n型娃外延層，作為器件的工作區。作為優選,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。上述的製備具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片的方法中，步驟3)的作用在於為了促進n/n+矽外延片的重摻n型矽襯底中氧沉澱的形核與長大，上述得到的n/n+矽外延片必須經過低溫與高溫兩步熱處理，兩步缺一不可。利用氮原子對氧沉澱生成的促進作用，從而在襯底中得到的氧沉澱密度彡IX 109/cm3。本發明中所述的n/n+矽外延片使用氮摻雜的重摻n型直拉矽作為襯底的目的在於，利用氮原子對氧沉澱的促進作用，促進襯底中高密度氧沉澱的生成，製得具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片。氮原子對氧沉澱的促進，有兩方面的原因。一方面，重摻n型矽襯底中的氮原子可以顯著地促進氧沉澱穩定形核中心的生成，使得氧沉澱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，氮與氧會在重摻n型矽襯底中生成大量的氮氧複合體，作為氧沉澱的形核中心，促進重摻n型直拉矽襯底中高密度氧沉澱的生成。為了實現重摻n型直拉矽的氮摻雜，將重摻n型直拉矽在高純N2氣氛下進行高溫RTP熱處理，RTP熱處理起到預處理的作用。RTP預處理必須在高溫下進行，從而在重摻n型矽中注入足夠多的氮原子，使得重摻n型直拉矽襯底近表面區域的氮摻雜濃度可以達到
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,從而顯著地促進重摻n型直拉矽襯底中氧沉澱穩定形核中心的生成。相對於在N2氣氛下利用直拉法製備直拉矽或者在矽料中投入氮化矽的方法以實現氮摻雜，本發明中所述的通過RTP在直拉矽中摻入氮原子的方法，更為快捷，不僅可以減少生產成本，而且不存在傳統摻氮方法中難以控制氮原子在整個矽錠中分布不均勻的問題。對重摻n型直拉矽襯底進行的RTP的預處理必須在高純N2氣氛下進行，若是在氬氣氣氛下對直拉矽襯底 進行RTP預處理，隨後在該襯底上生長矽外延層，最後經過低溫與高溫兩步熱處理後，襯底中生成的氧沉澱密度提高程度不是很顯著。通常，相對於n/n+矽外延片，在P型娃外延片的襯底中更容易生成氧沉澱，這是由於重摻n型施主雜質對氧沉澱的抑制作用所致。但是，即使是對於相對容易生成氧沉澱的p_/p矽外延片，在經過氬氣氣氛下對直拉矽襯底進行RTP預處理及隨後的低溫與高溫兩步熱處理工藝後，在p_/p矽外延片襯底中生成的氧沉澱密度也僅為5.0 15.0X IOVcm2，不能滿足金屬吸雜所需。經過氬氣氣氛下的RTP預處理後氧沉澱提高程度不明顯的原因在於，氬氣氣氛下的RTP預處理會在襯底中注入的空位，生成空位與氧的複合體，但是這些空位與氧的複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澱濃度。利用本發明生產的這種以氮摻雜的重摻n型直拉矽為襯底的n/n+矽外延片，不僅外延層質量優異，無明顯的層錯、位錯及霧狀缺陷，並且在經過低溫與高溫兩步熱處理後，由於氮原子對氧沉澱生成的促進作用，在重摻n型直拉矽襯底體內生成了高密度的氧沉澱，促進了該n/n+矽外延片金屬吸雜效率的顯著提高。另外，該n/n+矽外延片以電阻率(0.005 Q -cm的重摻n型直拉矽為襯底，可以更為顯著的減少功率器件的功耗，因而該n/n+矽外延片可用於功率器件，包括MOS電晶體、雙極型電晶體或二極體等。


圖1是本發明所公布的具備高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片的示意 圖2是實施例1中的n/n+矽外延片的重摻砷直拉矽襯底近表面區域以及距離表面100 u m以下的氮濃度分布圖(由SIMS測得)；
圖3是實施例1製得的n/n+矽外延片的解理面經擇優腐蝕後的氧沉澱的光學顯微鏡照片；
圖4是實施例1製得的n/n+矽外延片的表面銅沉澱經擇優腐蝕後的光學顯微鏡照片； 圖5是參比樣品I的解理面經擇優腐蝕後的原生缺陷的光學顯微鏡照片；
圖6是吸雜後的參比樣品I的表面銅沉澱經擇優腐蝕後的光學顯微鏡照片；
圖7是參比樣品2的解理面經擇優腐蝕後的原生缺陷的光學顯微鏡照片；
圖8是吸雜後的參比樣品2的表面銅沉澱經擇優腐蝕後的光學顯微鏡照片；
圖9是參比樣品3的解理面經擇優腐蝕後的原生缺陷的光學顯微鏡照片；
圖10是吸雜後的參比樣品3的表面銅沉澱經擇優腐蝕後的光學顯微鏡照片；
圖11是參比樣品4的解理面經擇優腐蝕後的原生缺陷的光學顯微鏡照片；
圖12是吸雜後的參比樣品4的表面銅沉澱經擇優腐蝕後的光學顯微鏡照片。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖詳細說明本發明。如圖1所不,本發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型矽外延層，所述的外延層層錯、位錯、霧狀微缺陷或小丘缺陷密度(0.05/cm2，並且所述的外延層不存在氧沉澱及其誘生缺陷；
-氮摻雜的重摻n型直拉娃襯底,所述的氮摻雜的重摻n型直拉娃襯底的電阻率
(0.005 Q cm，近表面區域的氮摻 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，所述的氮摻雜的重摻11型直拉矽襯底中包含穩定的氧沉澱形核中心，可生成氧沉澱的密度> IX 107cm3。
作為優選，所述重摻η型矽襯底的電阻率為0.001 0.005 Ω.cm。作為優選，所述重摻η型矽襯底中氧濃度為7 X IO17 1.5 X 1018/cm3，氧沉澱密度≥lX109/cm3，其徑向分布變化≤0.5。作為優選，所述的輕摻η型矽外延層的電阻率為I 50 Ω.cm。作為優選，所述的輕摻η型娃外延層的厚度為5 60 μ m。實施例1
生產以重摻砷直拉矽為襯底，具有高金屬吸雜能力的n/η+矽外延片的製備方法,包括以下步驟:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重摻砷直拉矽作為n/η+矽外延片的襯底，襯底電阻率為 0.003 0.005 Ω.cm,氧濃度為 1.02 X IO1Vcm3 ；
2)將該重摻砷直拉矽經過RCA清洗後，於高純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，得到氮摻雜的重摻砷直拉矽襯底；
3)將該氮摻雜的重摻砷直拉娃襯底置於外延爐中，於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+矽外延片；
圖2是實施例1步驟2)中的重摻砷直拉矽在經過1250°C快速熱處理後，得到的氮摻雜的重摻砷直拉矽襯底表面及距離表面100 μ m以下的氮濃度分布圖(由SMS測得)。不難看出，氮摻雜的重摻砷直拉矽襯底近表面區域的氮摻雜濃度可以達到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+娃外延片經過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF(49%) =1:1)腐蝕液擇優腐蝕後，利用光學顯微鏡觀察得到的該外延片截面中氧沉澱的分布情況，其光學顯微鏡照片見圖3。從圖3可以看到，由於重摻砷直拉矽襯底中氮原子對氧沉澱的促進作用，襯底中生成了大量的氧沉澱，並且外延層沒有觀察到缺陷，獲得了高的內吸雜結構。為了驗證這種吸雜結構的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾汙，包括以下步驟:
①實施例1製得的具有高金屬吸雜能力的n/η+矽外延片經過RCA清洗後，在該矽外延片表面滴CuCl2溶液；
②接著進行1000°C/2h熱處理，使得表面的銅充分擴散穿透整個矽外延片，使得最後體內的銅沾汙濃度為1 X 1012Cu/cm3 ；
③最後緩慢拉出矽外延片樣品，在空氣中冷卻；
④將矽外延片置於Secco(HF(49%) IK2Cr2O7 (0.15mol/L) =2:1)腐蝕液中，於30°C下腐蝕5min，最後利用光學顯微鏡觀察矽外延片上表面的銅沉澱分布，其光學顯微鏡照片照片見圖4。從圖4中可以看出，沒有銅沉澱在矽外延片表面生成，表明銅被充分的內吸雜。在冷卻過程中，表面的銅擴散到體內，氧沉澱為金屬沉澱形核提供驅動力，因而金屬沉澱優先在氧沉澱處生成。由於襯底中存在高濃度的氧沉澱，因而使得銅被充分的內吸雜，矽外延片表面無銅沉澱的生成。
對比實施例1
為了說明經過高純N2氣氛下RTP預處理，以氮摻雜的重摻砷直拉矽為襯底的n/n+矽外延片在吸雜性能上的優越性，經過如下步驟生成參比樣品1:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重摻砷直拉矽作為n/η+矽外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重摻砷直拉矽襯底；
2)將該重摻砷直拉娃襯底置於外延爐中，於1150°C下在該襯底上生長厚度為60μ m、電阻率為14.5 Ω.cm的輕摻磷矽外延層，得到n/n+矽外延片(參比樣品I)。將參比樣品I經過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優腐蝕後，利用光學顯微鏡觀察得到的參比樣品I截面中氧沉澱的分布情況，其光學顯微鏡照片見圖5。從圖5可以看到，在重摻砷直拉矽襯底中未觀察到原生缺陷，排除內吸雜存在的可能性，因而只可能存在重摻砷直拉矽襯底導致的偏析吸雜效果。因而特意引入銅沾汙，觀察重摻砷直拉矽襯底的銅吸雜效果。按照實施例1中引入銅沾汙的方法(步驟① ④)，對參比樣品I進行處理，得到吸雜後的參比樣品1，其光學顯微照片見圖6。從圖6看到，在吸雜後的參比樣品I上表面觀察到了大量的銅沉澱，因此，由重摻砷直拉矽襯底導致的偏析吸雜並不能充分地滿足銅吸雜的需求。對比實施例2
為了說明經過高純N2氣氛下RTP預處理，以氮摻雜的重摻砷直拉矽為襯底的n/n+矽外延片在吸雜性能上的優越性，經過如下步驟生成參比樣品2:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重摻砷直拉矽作為n/η+矽外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重摻砷直拉矽襯底；
2)將該重摻砷直拉娃襯底置於外延爐中，於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)將該外延片進行650°C/16h與1000°C /16h低溫與高溫兩步熱處理，得到n/n+矽外延片(參比樣品2)。將參比樣品2經過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優腐蝕後，利用光學顯微鏡觀察得到的參比樣品2截面中氧沉澱的分布情況，其光學顯微鏡照片見圖7。從圖7可以看到，在襯底中生成的氧沉澱密度較小，並不能滿足充分的內吸雜所需。同樣為了驗證這種吸雜結構的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾汙。按照實施例1中引入銅沾汙的方法(步驟① ④)，對參比樣品2進行處理，得到吸雜後的參比樣品2，其光學顯微照片見圖8。從圖8看到，在吸雜後的參比樣品2上表面觀察到了大量的銅沉澱，因此，襯底中的氧沉澱密度並不能滿足充分的銅吸雜的需求。對比實施例3
為了說明經過高純N2氣氛下RTP預處理，以氮摻雜的重摻砷直拉矽為襯底的n/n+矽外延片在吸雜性能上的優越性，經過如下步驟生成參比樣品3:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重摻砷直拉矽作為n/η+矽外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重摻砷直拉矽襯底；
2)將該重摻砷直拉娃襯底置於外延爐中，於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)將該外延片進行如下熱處理:以1°C /min的升溫速率，從350°C緩慢升溫到1100。。，並在1100°C下保溫16h，得到n/n+矽外延片(參比樣品3)。將參比樣品3經過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優腐蝕後，利用光學顯微鏡觀察得到的參比樣品3截面中氧沉澱的分布情況，其光學顯微鏡照片見圖9。從圖9可以看到，在襯底中生成的氧沉澱密度較小，並不能滿足充分的內吸雜所需。同樣為了驗證這種吸雜結構的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾汙。按照實施例1中引入銅沾汙的方法(步驟① ④)，對參比樣品3進行處理，得到吸雜後的參比樣品3，其光學顯微照片見圖10。從圖10看到，在吸雜後的參比樣品3上表面觀察到了大量的銅沉澱，因此，襯底中的氧沉澱密度並不能滿足充分的銅吸雜的需求。對比實施例4
為了說明必須對氮摻雜的重摻砷直拉矽為襯底的n/η+矽外延片進行低溫與高溫兩步熱處理，才可以在重摻砷直拉矽襯底中得到高密度的氧沉澱，經過如下步驟生成參比樣品4:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重摻砷直拉矽作為n/η+矽外延片的襯底，襯底電阻率為0.003 0.005 Ω.cm，氧濃度為1.02 X 1018/cm3，得到重摻砷直拉矽襯底；
2)將該重摻砷直拉矽經過RCA清洗後，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，得到氮摻雜的重摻砷直拉矽襯底；
3)將該氮摻雜的重摻砷直拉娃襯底置於外延爐中，於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經過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF (49%) =1:1)腐蝕液擇優腐蝕後，利用光學顯微鏡觀察得到的參比樣品4截面中氧沉澱的分布情況，其光學顯微鏡照片見圖11。從圖11可以看到，在襯底中生成的氧沉澱密度較小，並不能滿足充分的內吸雜所需。因而，對於氮摻雜的重摻砷直拉矽為襯底的n/η+矽外延片，僅僅依靠單步熱處理工藝並不能在襯底中得到高密度的氧沉澱，必須經過低溫與高溫兩步熱處理，使氧沉澱充分的形核與長大，從而在襯底中得到高密度的氧沉澱。同樣為了驗證這種吸雜結構的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾汙。按照實施例1中引入銅沾汙的方法(步驟① ④)，對參比樣品4進行處理，得到吸雜後的參比樣品4，其光學顯微照片見圖12。從圖12看到，在吸雜後的參比樣品4上表面觀察到了大量的銅沉澱，因此，襯底中的氧沉澱密度並不能滿足充分的銅吸雜的需求。通過實施例1與參比樣品1、2、3、4的比較，發現通過快速熱處理在重摻砷直拉矽襯底中注入的氮原子，對氧沉澱的生成有極大的促進作用，產生高的內吸雜效果。另外，該氮摻雜的重摻砷直拉矽為襯底的n/η.矽外延片若只是進行單步熱處理，並不能在重摻砷直拉矽襯底中得到高密度的氧沉澱，有必要進行低溫與高溫兩步熱處理，使氧沉澱得到形核與長大。因此，本發明的製備工藝可以提供一種具有高內吸雜能力的n/n+矽外延片，達到較好的內吸雜效率，達到使得金屬雜質遠離器件工作區的目的。實施例2
生產以重摻銻直拉矽為襯底，具有高金屬吸雜能力的n/η+矽外延片的製備方法，包括以下步驟: 1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重摻銻直拉矽作為n/η+矽外延片的襯底，襯底電阻率為 0.001 0.003 Ω.cm，氧濃度為 7 X IO1Vcm3 ；
2)將該重摻砷直拉矽經過RCA清洗後，於高純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，得到氮摻雜的重摻銻直拉矽襯底；
3)將該氮摻雜的重摻鋪直拉娃襯底置於外延爐中，於1150°C下在該襯底上生長厚度為20 μ m、電阻率為50 Ω * cm的輕摻磷矽外延層，得到n/n+矽外延片；
4)將該外延片進行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+娃外延片經過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF(49%) =1:1)腐蝕液擇優腐蝕後，利用光學顯微鏡觀察得到的該外延片截面中氧沉澱的分布情況。在n/η+矽外延片的重摻銻直拉矽襯底中生成了大量的氧沉澱，並且外延層中無缺陷產生，獲得了高的內吸雜結構。為了驗證這種吸雜結構的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾汙，包括以下步驟:
①實施例2製得的具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片經過RCA清洗後，在該矽外延片表面滴CuCl2溶液；
②接著進行1000°C/2h熱處理，使得表面的銅充分擴散穿透整個矽外延片，使得最後體內的銅沾汙濃度為I X 1012Cu/cm3 ；
③最後緩慢拉出矽外延片樣品，在空氣中冷卻；
④將矽外延片置於Secco(HF(49%) IK2Cr2O7 (0.15mol/L) =2:1)腐蝕液中，於30°C下腐蝕5min，最後利用光學顯微鏡觀察矽外延片上表面的銅沉澱分布。沒有銅沉澱在矽外延片表面生成，表明銅被充分的內吸雜。在冷卻過程中，表面的銅擴散到體內，氧沉澱為金屬沉澱形核提供驅動力，因而金屬沉澱優先在氧沉澱處生成。由於襯底中存在高濃度的氧沉澱，因而使得銅被充分的內吸雜，矽外延片表面無銅沉澱的生成。實施例3
生產以重摻磷直拉矽為襯底，具有高金屬吸雜能力的n/η+矽外延片的製備方法，包括以下步驟:
1)選取直徑為200mm的〈100〉晶向的重摻磷直拉矽作為n/η+矽外延片的襯底，襯底電阻率為 0.002 0.004 Ω.cm,氧濃度為 1.5 X IO1Vcm3 ；
2)將該重摻砷直拉矽經過RCA清洗後，於高純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，得到氮摻雜的重摻磷直拉矽襯底；
3)將該氮摻雜的重摻磷直拉娃襯底置於外延爐中，於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+娃外延片經過Yangl (CrO3 (0.5mol/L):HF(49%) =1:1)腐蝕液擇優腐蝕後，利用光學顯微鏡觀察得到的該外延片截面中氧沉澱的分布情況。在n/η+矽外延片的重摻磷直拉矽襯底中生成了大量的氧沉澱，並且外延層中無缺陷產生，獲得了高的內吸雜結構。為了驗證這種吸雜結構的金屬吸雜的有效性，特意引入了銅沾汙，包括以下步驟:
①實施例3製得的具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片經過RCA清洗後，在該矽外延片表面滴CuCl2溶液；
②接著進行1000°C/2h熱處理，使得表面的銅充分擴散穿透整個矽外延片，使得最後體內的銅沾汙濃度為I X 1012Cu/cm3 ；
③最後緩慢拉出矽外延片樣品，在空氣中冷卻；
④將矽外延片置於Secco(HF(49%) IK2Cr2O7 (0.15mol/L) =2:1)腐蝕液中，於30°C下腐蝕5min，最後利用光學顯微鏡觀察矽外延片上表面的銅沉澱分布。沒有銅沉澱在矽外延片表面生成，表明銅被充分的內吸雜。在冷卻過程中，表面的銅擴散到體內，氧沉澱為金屬沉澱形核提供驅動力，因而金屬沉澱優先在氧沉澱處生成。由於襯底中存在高濃度的氧沉澱，因而使得銅被充分的內吸雜，矽外延片表面無銅沉澱的生成。需要說明的是，上述實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
權利要求
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型矽外延層，所述的外延層層錯、位錯、霧狀微缺陷或小丘缺陷密度<0.05/cm2,並且所述的外延層不存在氧沉澱及其誘生缺陷； 氮摻雜的重摻n型直拉娃襯底，所述的氮摻雜的重摻n型直拉娃襯底的電阻率(0.005 Q cm，近表面區域的氮摻雜濃度為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，所述的氮摻雜的重摻11型直拉矽襯底中包含穩定的氧沉澱形核中心，可生成氧沉澱的密度> IX 107cm3。
2.根據權利要求1所述的n/n+的矽外延片，其特徵在於:所述氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底的電阻率為0.001 0.005 Q ^cm0
3.根據權利要求1所述的n/n+的矽外延片，其特徵在於:所述氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底中氧濃度為7 X IO17 1.5 XlO1Vcm3,氧沉澱密度彡I X 109/cm3，其徑向分布變化(0.5。
4.根據權利要求1所述的n/n+的矽外延片，其特徵在於:所述的輕摻n型矽外延層的電阻率為I 50 Q cm。
5.根據權利要求1所述的n/n+的矽外延片，其特徵在於:所述的輕摻n型矽外延層的厚度為5 60 ii m。
6.備權利要求1所述的具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片的方法，其特徵在於其包括以下步驟: 1)將重摻n型直拉矽在高純N2氣氛下進行高溫快速熱處理，得到氮摻雜的重摻n型直拉矽襯底； 2)在上述氮摻雜的重摻n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)將上述矽外延片進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+矽外延片。
7.根據權利要求6所述的n/n+矽外延片的製備方法，其特徵在於:步驟I)中所述的高溫快速熱處理溫度為1100 1260°C，熱處理時間為40 200s，冷卻速率為40°C /s IOO0C /s。
8.根據權利要求6所述的n/n+矽外延片的製備方法，其特徵在於:步驟3)中所述的低溫熱處理溫度為600 800°C，熱處理時間為8 32h ;高溫熱處理溫度為900 1050°C，熱處理時間為8 32h。
9.一種功率器件，其特徵在於:所述的功率器件包括權利要求1-5任一項所述的n/n+的娃外延片。
10.根據權利要求9所述的功率器件，其特徵在於:所述的功率器件為MOS電晶體、雙極型電晶體或二極體。
全文摘要
本發明提供一種具有高金屬吸雜能力的n/n+矽外延片，包括輕摻n型矽為外延層，外延層中層錯、位錯等缺陷密度≤0.05/cm2；氮摻雜的重摻n型直拉矽為襯底，襯底的電阻率≤0.005Ω cm，並且襯底中包含穩定的氧沉澱形核中心，可生成氧沉澱密度≥1×109/cm3。本發明還提供上述n/n+矽外延片的製備方法，其步驟包括將重摻n型直拉矽在N2氣氛下進行高溫快速熱處理；在熱處理後的重摻n型的直拉矽上生長輕摻n型矽外延層；經低溫與高溫兩步熱處理，得到本發明的n/n+矽外延片。本發明解決了長久以來難以在n/n+矽外延片重摻n型直拉矽襯底中生成高密度的氧沉澱的難題，具有良好的應用前景。
文檔編號H01L21/18GK103094316SQ201310032160
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月25日 優先權日2013年1月25日
發明者馬向陽, 董鵬, 楊德仁 申請人:浙江大學