在化学汽相沉积反应器内外延涂覆半导体晶片正面的方法技术

本发明专利技术涉及一种在ＣＶＤ反应器内外延涂覆半导体晶片正面的方法，半导体晶片正面暴露于含有源气体及载气的加工气体，并且半导体晶片背面暴露于置换气体，其中该置换气体含有不超过５体积％的氢气，结果，基本上避免了由氢气强化的掺杂物扩散出半导体晶片背面。依照本发明专利技术的方法，可以得一种基片电阻率≤１００毫欧姆厘米且外延层电阻率＞１欧姆厘米的半导体晶片，其没有背面涂层，其中外延层的电阻不均匀性＜１０％。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及外延涂覆半导体晶片的方法及装置，并且涉及外延涂覆的半导体晶片。最重要的应用之一是在单晶硅基片(通常为硅晶片)上沉积均相外延层。所用源气体例如是硅烷如三氯硅烷，所用载气例如是氢气。掺杂外延层所用的掺杂气体是例如属于化学元素周期表中第III或V主族的气态化合物。如同源气体一样，这些诸如膦或二硼烷的化合物在已加热的晶片附近分解。然后这些外来原子混入外延层的晶格内。为获得性能的突然转变，例如在由基片晶片转变至外延层时电阻分布的急剧上升，半导体晶片(基片晶片)及外延层通常以不同的方式掺杂。在外延层的沉积过程中，在背面及边缘处，用于掺杂基片的元素(基片掺杂物，例如当为硅基片时，硼、砷、磷或锑)会发生不希望的逃逸现象。由于反应器内的扩散作用及对流作用，这些元素可到达晶片正面，在该处这些元素可径向不均匀地进入外延层内，即一种称作自动掺杂的现象。自动掺杂导致外延层电阻率的径向不均匀性。在这点上，应将半导体晶片的正面及背面加以限定。半导体晶片的正面是实施外延涂覆及试图在上面制作电子元件的一面。现有技术已公开了防止自动掺杂的不同方法。因此，例如，通过在半导磁晶片的背面上沉积氧化物层或单晶或多晶或无定形保护层，可防止在实施外延加工中基片掺杂物向外扩散。制造具有抑制自动掺杂的保护层的外延涂覆半导体晶片所用已知方法的缺点是必须在不同反应器、处理浴及抛光生产线实施额外加工步骤。再者，用氧化物或多晶半导体材料涂覆可增加金属污染程度。因此，已经建议许多尝试以避免自动掺杂现象而无需在外延层沉积之前晶片背面形成保护层。例如，WO 01/86034 A2及WO 01/86035 A1中曾公开一种晶片形式基片的外延涂覆方法，其中基片背面不象通常那样置于其整个表面上方的接受器上，而是暴露于清洗气体如氢气中。该清洗气体可与正面加工气体相同或不同。经由晶片背面扩散出来的掺杂原子至少一部分被清洗气体带走。结果，可减低通过晶片边缘扩散至晶片正面的掺杂物原子比例及由此发生自动掺杂作用的风险。虽然并非为避免自动掺杂作用，US 5,960,555中描述了类似方法。在此例中，其目的是防止半导体材料沉积在晶片背面上。为此目的，清洗晶片背面所用的气体与加工气体不同。背面上的超压可使背面气体经由晶片边缘轻易流至正面。这防止了正面加工气体渗入背面空间以及由此在晶片背面上沉积半导体材料。所用背面气体可以是惰性气体如氩气、非反应性气体如氮气，但也可以是诸如氢气或氯化氢的气体。依据US 5,679,405，也可使用惰性气体如氦气、氟里昂、四氟化碳或六氟乙烷，以免半导体材料沉积在晶片背面上。
技术实现思路
现有技术对自动掺杂问题并未提出任何令人满意的技术方案。所以，本专利技术的目的是提供一种方法，用于将外延层沉积在半导体晶片上，使其可基本上避免自动掺杂现象，而无需预先在晶片背面上形成保护层。通过在CVD反应器内外延涂覆半导体晶片正面的方法可达成此目的，半导体晶片正面是暴露于含有源气体及载气的加工气体，而半导体背面暴露于置换气体，其中所述置换气体含有不超过5体积％的氢气，结果，可基本上避免掺杂物扩散至半导体晶片背面之外，氢气可强化该掺杂物扩散作用。依照本专利技术，在外延层沉积过程中，半导体晶片的正面及背面暴露于两个不同的环境。正面所用气体(以下称作加工气体)含有源气体及载气。如果是硅外延，源气体通常是硅烷如三氯硅烷，载气通常是氢气。此外，加工气体通常含有少量掺杂气体。相反，依照本专利技术，半导体晶片背面仅暴露于基本上不含氢的气体，即含氢量不超过5体积％，优选不超过2体积％，特别优选不超过0.5体积％。依目前可达到的技术级气体的纯度等级及包含纯化剂，背面气体通常可达到的杂质等级为含10-7体积％氢的范围。用于背面的气体、以下称为置换气体对沉积反应是惰性的，即与载气、源气体、掺杂气体、半导体基片和/或沉积反应产品均无任何反应。所用置换气体优选惰性气体或惰性气体混合物，特别优选氩气及氦气。已发现氢在自动掺杂作用中担任重要角色。例如，氢与硼或砷形成快速扩散至硅内的络合物。此外，在外延常用的温度下氢将硅除去，另外将掺杂物释放。所以，在外延加工过程中，如果晶片背面与氢接触，则更多掺杂物可由晶片背面产生，然后可越过晶片边缘而径向不均匀地混入晶片正面的外延层内。如同本专利技术的方法，如果能避免晶片背面与氢之间的接触，则基本抑制了掺杂物的向外扩散作用及由此的自动掺杂作用。相反，WO 01/86034 A2及WO 01/86035 A1中所公开的方法仍就有基片掺杂物向外扩散作用，因为晶片背面所接触的气体中有氢或含氢的成分。仅能确保为减低自动掺杂作用的风险，将自背面逸出的掺杂物吸出来。在本专利技术中，首先避免增加与氢有关的掺杂物向外扩散。如果在外延层内所允许的电阻不均匀性减低、如果电阻测量的非边缘区尺寸减小、及如果层与基片间的电阻率差增加，自动掺杂作用的不良效果则增加。这些电阻率是通过基片或外延层的掺杂程度而测定。特别对于基片的电阻率≤100毫欧姆厘米、优选＜50毫欧姆厘米、更优选＜20亳欧姆厘米，以及层的电阻率＞1欧姆厘米、优选＞5欧姆厘米、更优选＞10欧姆厘米，利用本专利技术方法可能制得的外延层的径向电阻不均匀性＜10％、优选＜5％、更优选＜3％。电阻不均匀性在标准ASTMF 1392及ASTMF 81予以定义。因此，本专利技术还涉及一种基片电阻率≤100毫欧姆厘米、外延层电阻率＞1欧姆厘米的半导体晶片，且无背面涂层，其中外延层的电阻不均匀性＜10％。依照本专利技术，因为基本上避免了晶片背面掺杂物向外扩散，半导体晶片内的初始掺杂物浓度仍保持不变。相反，当使用WO 01/86034A2及WO 01/86035 A1中所述的方法，晶片背面上形成基片掺杂物的向外扩散剖面外延加工之后，晶片背面表面的掺杂物浓度较低且朝向晶片内部逐渐增加直至达到初始数值、即外延加工前的数值。晶片背面掺杂物消除的缺点是背面的电阻高于半导体晶片的其余部分。例如当为电源元件时，电流流经基片，由于局部放出热量而导致不希望的电力损失且必需消除此热量。当使用本专利技术的方法时，可基本上避免这些缺点。依照本专利技术，可制得具有基本上无掺杂物向外扩散剖面的外延层的半导体晶片。例如，通过比较外延作用前后晶片背面的电阻率，可将此情形加以量化。背面掺杂物向外扩散的程度愈低，这些电阻间的差异愈小。依照本专利技术所制半导体晶片的特点是该电阻差异最高达15％。在本专利技术的方法中，因晶片背面区未供应源气体，在外延加工过程中，不可能有大量半导体材料沉积在晶片背面上。因此，基本上避免了已知的背面晕圈的形成。背面晕圈是晶片背面边缘处的区域，由于外延加工过程中半导体材料沉积的不均匀，该区域呈现变化的雾状。根据本专利技术处理过的半导体晶片无背面晕圈，因为由于不含氢，晶片背面上不会有沉积反应。依照本专利技术，在外延加工过程中，半导体晶片背面所暴露的气体的含氢量不超过5体积％，优选不超过2体积％，特别优选不超过0.5体积％。然而，晶片正面外延涂层所用加工气体含有载气，通常为氢。为防止加工气体与晶片背面接触，在本专利技术的上下文中，一方面半导体晶片正面及另一方面其背面所占据的CVD反应器区域，优选通过已知的“腔室分隔器(chamber divider)”加以空间隔离。例如，WO01/86035 A1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在ＣＶＤ反应器内外延涂覆半导体晶片正面的方法，该半导体晶片正面暴露于含有源气体及载气的加工气体，并且半导体晶片背面暴露于置换气体，其中该置换气体含有不超过５体积％的氢气，基本上避免了由氢气强化的掺杂物扩散出半导体晶片背面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2002-3-14 10211312.21.一种在CVD反应器内外延涂覆半导体晶片正面的方法，该半导体晶片正面暴露于含有源气体及载气的加工气体，并且半导体晶片背面暴露于置换气体，其中该置换气体含有不超过5体积％的氢气，基本上避免了由氢气强化的掺杂物扩散出半导体晶片背面。2.如权利要求1的方法，其中所述半导体晶片在沉积外延层之前至少在CVD反应器内经至少一个预处理步骤，至少半导体晶片背面暴露于含有不超过5体积％氢气的置换气体。3.如权利要求1或2的方法，其中所述半导体晶片在沉积外延层之后至少在CVD反应器内经至少一个后处理步骤，至少半导体晶片背面暴露于含有不超过5体积％氢气的置换气体。4.如权利要求1-3之一的方法，其中所述置换气体的压力高于加工气体，并且因此形成自半导体晶片背面区流出至该半导体晶片正面区内的气流。5.如权利要求1-3之一的方法，其中所述半导体晶片置于提升机械装置上，至少与半导体晶片背面相连的部分CVD反应器是用置换气体清洗，然后将该提升机械装置下降，以便将半导体晶片背面置于盘状接受器上，半导体晶片边缘基本上紧密地终止于盘状接受器，因此盘状接受...

【专利技术属性】
技术研发人员：维尔弗里德冯阿蒙，吕迪格施默尔克，彼得施托克，沃尔夫冈西伯特，
申请(专利权)人：硅电子股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]