CN102324435A

CN102324435A - 衬底、外延片及半导体器件

Info

Publication number: CN102324435A
Application number: CN201110295490A
Authority: CN
Inventors: 顾昱; 钟旻远; 林志鑫; 陈斌
Original assignee: WAFER WORKS EPITAXIAL CORP
Current assignee: WAFER WORKS EPITAXIAL CORP
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种衬底，包括衬底本体，其特征在于，所述衬底本体背面设置有第一二氧化硅层；在第一二氧化硅层表面设置有多晶硅层；多晶硅层表面设置有第二多晶硅层。本发明的另一个优点是能够提高外延片的平坦度，且可提高外延层的电阻率均匀性。

Description

衬底、外延片及半导体器件

技术领域

本发明涉及一种衬底、外延片及半导体器件。

背景技术

对于半导体器件来说，需要外延层具有完美的晶体结构，而且对外延层的厚度、导电类型、电阻率及电阻均匀性等方面均有一定的要求。半导体的电阻率一般随着温度、掺杂浓度、磁场强度及光照强度等因素的变化而改变。

对于外延层与衬底的组合及产品规格是由后道产品应用所决定。电路与电子元件需要在外延片上制作完成，不同的应用如MOS型中PMOS、NMOS、CMOS和双极型中饱和型和非饱和型。随着集成电路设计朝向轻、薄、短、小及省电化的发展趋势，行动通讯、信息家电等产品无不力求节约能源消耗，对于外延产品要求也不断提高。解决外延片电阻率的变化分布问题，不仅可以满足外延片轻、薄、小、省电发展趋势，还可以提高外延片后道电子元件的使用率，有效降低客户端的产品成本。

衬底，也称为基板。目前大量使用的同质外延片中，衬底与外延层的主体构成的元素相同，均为硅。掺杂剂主要有n型元素及p型元素。n型元素包括砷AS、锑和磷(PH)；p型元素主要是硼元素。

现有的外延片，衬底与外延层两者掺杂剂的种类和浓度不相同。如常用的一种外延片，其衬底为N型，即衬底中掺杂n型原子磷、砷或锑中的一种或几种；其外延层掺杂有p型原子硼。在外延片的生产过程中，存在着普遍的自掺杂现象。自掺杂是由于热蒸发或者化学反应的副产物对衬底的扩散，衬底中的硅及杂质进入气相，改变了气相中的掺杂成分和浓度，从而导致了外延层中的杂质实际分布偏离理想的情况。按产生的原因，自掺杂可分为气相自掺杂、固相外扩散及系统自掺杂。气相自掺杂的掺杂物主要来自晶圆的背面和边缘固相外扩散。固相外扩散的掺杂物主要来自衬底的扩散，掺杂物在衬底与外延层的接触面由衬底扩散至外延层。系统自掺杂的掺杂物来自气体晶片，石墨盘和反应炉腔体等外延片生产装置的内部。

由自掺杂的产生原因可看出，外延片生产过程中，尤其是气相外延的生产方法中，自掺杂现象难以避免。

如图1所示为一种外延片的示意图，由于自掺杂的影响，一般情况下，①处相对于外圈电阻率最高，②、③、④、⑤处次之，最边缘的⑥、⑦、⑧、⑨处阻值相对更低。有些情况下也会存在边缘处电阻率高于靠近圆心处电阻率的情况。衡量电阻均匀性的标准通过计算公式可算出，计算公式：电阻率均匀性＝(MAX-MIN)*100％/(MAX+MIN)，MAX为9个点中最大电阻率数值，MIN为9个点中最小电阻率数值。通过此计算公式计算得出的均匀性数值越小，则其均匀性越高，外延片质量越高。

目前，对于外延片的电阻率均匀性可以接受范围小于5％。而现有技术中的外延片，其电阻率均匀性最低也仅能达到2.5％，按照现有技术生产，电阻率均匀性数值难以再降低。

衬底中的杂质与外延层的杂质的互相扩散，降低了外延层的电阻均匀性。如何提供一种可降低外延层生产过程中的自扩散衬底，以改善外延层电阻率均匀性，一向是业内比较难以克服的问题。

外延层较厚的外延片，其平坦度较差。提高外延片平坦度以提高外延片质量、提高外延片成品率，是本领域需要解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可提高外延层平坦度的衬底。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现

衬底，包括衬底本体，其特征在于，所述衬底本体背面设置有第一二氧化硅层；在第一二氧化硅层表面设置有多晶硅层；多晶硅层表面设置有第二多晶硅层。

优选地是，所述的第一二氧化硅层厚度为3-7um。

优选地是，所述的多晶硅层厚度为6-10um。

优选地是，所述的第二二氧化硅层厚度为0.8-1.2um。

优选地是，在衬底本体正面设置有单晶硅层。

优选地是，所述的单晶硅层为三氯硅烷与氢气在900℃～1050℃下反应，反应生成的单晶硅沉积在衬底本体正面形成。

优选地是，所述的三氯硅烷与氢气通入反应腔内，氢气的流速为120-170slm/s。

优选地是，所述的单晶硅层厚度为2-5μm。

优选地是，所述的衬底本体为N型。

优选地是，所述的N型衬底本体掺杂有砷、磷及锑中的至少一种元素。

优选地是，所述的衬底本体为P型。

优选地是，所述的P型衬底本体掺杂有硼。

本发明的第二个目的是提供一种外延层电阻均匀性高的外延片。

外延片，其特征在于，包括前述的衬底。

本发明的第三个目的是提供一种半导体器件。

半导体器件，其特征在于，包括前述的外延片。

外延层电阻率均匀性是衡量一个外延生产企业实力的重要指标之一，是一种制程能力高低的衡量指标。电阻率均匀性优良会保证后面工艺外延片上的每一个器件电性符合要求。若外延片电阻率均匀性不良，在后续工艺过程中，会大大增加边缘器件报废率，增加工艺成本及降低集成电路产品品质。

本发明中，在衬底本体背面设置第一二氧化硅层、多晶硅层及第二二氧化硅层，可防止衬底本体中的掺杂剂扩散，防止发生自掺杂现象的产生。因此，可以提高外延层的电阻均匀性。

本发明中，在衬底本体正面设置单晶硅层，可将衬底本体与外延层隔开，因此可防止衬底本体与外延层产生自掺杂现象。防止衬底本体中的掺杂剂进入外延层，可提高外延层的电阻率均匀性。

使用本发明中的衬底生产的外延层，其电阻率均匀性可以做到＜1.5％。相比于未使用本发明的可降低外延时自掺杂的外延片衬底生产的外延层，本发明中的外延层电阻率均匀性数据至少可降低1个百分点。使用本发明中的可降低外延时自掺杂的外延片衬底，可降低后续生产成本，提高产品品质。

本发明的另一个优点是能够提高外延片的平坦度。

附图说明

图1为一种外延片电阻率测试点示意图。

图2为本发明中的实施例1-4中的衬底结构示意图。

图3为本发明中实施例5-8的外延片结构示意图。

图4为本发明的实施例9-12的衬底结构示意图。

图5为本发明的实施例13-16的外延片结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述：

实施例1-4

图2为实施例1-4中的外延片用衬底结构示意图。如图2所示，衬底，包括衬底本体1，衬底本体1既可以是N型，即掺杂有砷、磷或锑元素；所述的衬底本体1还可以是P型，即掺杂有硼元素。在衬底本体1背面设置有第一二氧化硅层4。第一二氧化硅层4表面设置有一层多晶硅层5。多晶硅层5表面设置有第二二氧化硅层6

沉积二氧化硅和多晶硅，均可通过现有技术实现。

实施例1-4为重掺砷衬底本体，两者的区别仅在于实施例1-4中在衬底本体背面设置有厚度分别为3um、4.6um、5.5um、6.8um的第一二氧化硅层；厚度分别为6um、7.7um、8.8um、9.7um的多晶硅层及厚度分别为0.8um、1.0um、1.1um、1.2um的第二二氧化硅层。

实施例5-8

图3为实施例5-8中的外延片结构示意图。如图3所示，实施例5-8分别使用实施例1-4中的衬底生长外延层。制造的外延片结构如图3所示，外延片，包括图2所示的衬底，在衬底本体1正面生长外延层3。所述衬底包括衬底本体1，在衬底本体1背面设置有第一二氧化硅层4。第一二氧化硅层4表面设置有多晶硅层5。多晶硅层5表面设置有第二二氧化硅层6。外延层3设置在衬底本体1正面。

对比实施例1-4中，在重掺砷衬底本体背面未设置第一二氧化硅层、多晶硅层及第二多晶硅层，外延层设置在衬底本体正面。

实施例5-8生长的外延层与对比实施例1-4的衬底生长的外延层电阻均匀性对比数据如表1-4所示。每一组对比中，均选用同一批次生产的两片衬底本体，一片在背面设置第一二氧化硅层、多晶硅层及第二二氧化硅层后再生长外延层；另一片直接在正面生长外延层。外延层生长工艺均相同。检测点为如图1所示的1-9个点。

表1：

表2：

表3：

表4：

表1-表4中，点1-点9列分别表示9个点处的电阻率，单位：欧姆·厘米。AVE列表示这九个点处的电阻率平均值。U NI列表示电阻均匀性，即按照电阻率均匀性公式：电阻率均匀性＝(MAX-MIN)*100％/(MAX+MIN)计算的数值。

从表1-表4的数据可以看出，使用实施例1-4中的衬底，生长的外延层电阻均匀性更高。

本发明的另一个优点是能够提高外延片得平坦度。由于越厚越难以获得平坦度高的外延层，因此本发明对外延层较厚，尤其是厚度范围20-100um的外延片的平坦度改善效果更加明显。

衡量平坦度的两个指标为：

总厚度变化量：硅片最大厚度减去最小厚度

局部厚度变化量：硅片表面与参考平面间最高到最低的距离

对比实施例5-8，在衬底本体背面分别设置第一二氧化硅层与多晶硅层，在衬底本体正面生长外延层后，外延片的平坦度对比数据如表5所示。

表5：单位：um。

从表5中的数据可以看出，对比实施例5-8生长外延层时总厚度变化量为2.4um，局部厚度变化量为0.9um；实施例5-8生长外延层时总厚度变化量为约1.3um，局部厚度变化量为0.43um；故本发明中的衬底可减少厚外延后平坦度变化。使用本发明中的衬底，外延片更加平坦。

实施例9-12

图4为实施例9-12中的衬底结构示意图。如图4所示，衬底，包括衬底本体1，在衬底本体1背面设置有第一二氧化硅层4。第一二氧化硅层4表面设置有多晶硅层5。多晶硅层5表面设置有第二二氧化硅层6。衬底本体1正面具有单晶硅层2。单晶硅层2的厚度为2-5μm。其具体厚度可根据外延片的总体厚度、衬底本体的厚度确定。衬底厚度越高，则单晶硅层也越厚。后续生产中，在单晶硅层2表面生长外延层。

衬底本体1既可以是N型，即掺杂有砷、磷或锑元素；所述的衬底本体1还可以是P型，即掺杂有硼元素。

实施例9-12与对比实施例9-12中的衬底均为重掺砷衬底本体，两者的区别在于：实施例9-12中，衬底本体背面设置有厚度分别为3um、4.6um、5.5um、6.8um的第一二氧化硅层；厚度分别为6um、7.7um、8.8um、9.7um的多晶硅层及厚度分别为0.8um、1.0um、1.1um、1.2um的第二二氧化硅层。在衬底本体正面设置有2μm、2.6μm、3.5μm、4.8μm单晶硅层。

实施例13-16

图5为实施例13-16中的外延片结构示意图。如图5所示，实施例13-16分别使用实施例9-12所示的衬底，在单晶硅层2正面形成外延层3。单晶硅层2设置于衬底本体1与外延层3之间。

对比实施例9-12中，直接在衬底本体正面生长外延层。

实施例13-16中的外延层与对比实施例9-12的外延层电阻均匀性对比数据如表6-9所示。每一组对比中，均选用同一批次生产的两片衬底本体，一片在正面设置单晶硅层，同时在背面设置第一二氧化硅层、多晶硅层及第二二氧化硅层后，再在单晶硅层表面生长外延层；另一片直接在正面生长外延层。外延层生长工艺均相同。检测点为如图1所示的1-9个点。

表6：

表7：

表8：

表9：

表6-9中，点1-点9列分别表示9个点处的电阻率，单位：欧姆·厘米。AVE列表示这九个点处的电阻率平均值。UNI列表示电阻均匀性，即按照电阻率均匀性公式：电阻率均匀性＝(MAX-MIN)*100％/(MAX+MIN)计算的数值。

从表6-表9的数据可以看出，使用实施例9-12中的衬底，生长的外延层电阻均匀性更高。

发明人通过实验发现，本发明通过设置二氧化硅层、单晶硅层及多晶硅层，可将衬底本体中的掺杂剂封闭在其内，可防止外延时挥发而产生自掺杂现象。无论是掺磷、锑，还是掺硼，本发明均可起到以上有益效果。无论是重掺衬底本体、轻掺衬底本体，均具有改善外延层电阻均匀性的效果，且可将电阻率均匀性数据降低至少一个百分点。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims

1.衬底，包括衬底本体，其特征在于，所述衬底本体背面设置有第一二氧化硅层；在第一二氧化硅层表面设置有多晶硅层；多晶硅层表面设置有第二多晶硅层。

2.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述的第一二氧化硅层厚度为3-7um。

3.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述的多晶硅层厚度为6-10um。

4.根据权利要求1、2或3所述的衬底，其特征在于，所述的第二二氧化硅层厚度为0.8-1.2um。

5.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，在衬底本体正面设置有单晶硅层。

6.根据权利要求5所述的衬底，其特征在于，所述的单晶硅层为三氯硅烷与氢气在900℃～1050℃下反应，反应生成的单晶硅沉积在衬底本体正面形成。

7.根据权利要求6所述的衬底，其特征在于，所述的三氯硅烷与氢气通入反应腔内，氢气的流速为120-170slm/s。

8.根据权利要求5所述的衬底，其特征在于，所述的单晶硅层厚度为2-5μm。

9.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述的衬底本体为N型。

10.根据权利要求9所述的衬底，其特征在于，所述的N型衬底本体掺杂有砷、磷及锑中的至少一种元素。

11.根据权利要求1所述的衬底，其特征在于，所述的衬底本体为P型。

12.根据权利要求11所述的衬底，其特征在于，所述的P型衬底本体掺杂有硼。

13.外延片，其特征在于，包括权利要求1至12任一权利要求所述的衬底。

14.半导体器件，其特征在于，包括权利要求13所述的外延片。