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1、(10)申请公布号 CN 102412271 A (43)申请公布日 2012.04.11 C N 1 0 2 4 1 2 2 7 1 A *CN102412271A* (21)申请号 201110274044.X (22)申请日 2011.09.15 H01L 29/36(2006.01) (71)申请人上海晶盟硅材料有限公司 地址 201707 上海市青浦区北青公路8228 号二区48号 (72)发明人顾昱 钟旻远 林志鑫 (74)专利代理机构上海脱颖律师事务所 31259 代理人李强 (54) 发明名称 外延片衬底、外延片及半导体器件 (57) 摘要 本发明公开了一种外延片衬底，其特征在。
2、于， 在N型衬底掺杂有p型杂质原子。按照本发明 技术方案生产的外延片，电阻率均匀性可以做到 1.5，可降低后续生产成本，提高产品品质。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 15 页 附图 2 页 CN 102412283 A 1/1页 2 1.外延片衬底，其特征在于，在N型衬底掺杂有p型杂质原子。 2.根据权利要求1所述的外延片衬底，其特征在于，p型杂质原子为硼原子。 3.根据权利要求2所述的外延片衬底，其特征在于，以衬底的体积为准，所述硼原子的 掺杂量为210 15 110 19 个/cm 3 。 4.根据权利要求1。
3、所述的外延片衬底，其特征在于，所述N型衬底掺杂有磷、砷或锑中 的至少一种元素。 5.外延片，其特征在于，包括权利要求1至4任一权利要求所述的外延片衬底。 6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，所述的外延片厚度大于5微米。 7.半导体器件，其特征在于，包括权利要求5所述的外延片。 权 利 要 求 书CN 102412271 A CN 102412283 A 1/15页 3 外延片衬底、 外延片及半导体器件 技术领域 0001 本发明涉及一种外延片衬底、外延片及半导体器件。 背景技术 0002 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。
4、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。 0003 对于外延片与衬底片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苛刻。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。 0004 衬底，也称为基板。目前。
5、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。 0005 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。
6、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。 0006 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。 0007 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，处相对于 外圈电阻率最高，、处次之，最边缘的、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(MA。
7、X-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。 0008 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。 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 2/15页 4 0009 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。如何改 善杂质扩散的情况，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。 发明。
8、内容 0010 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电阻率均匀 性的外延片衬底。 0011 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现： 0012 外延片衬底，其特征在于，在N型衬底掺杂有p型杂质原子。 0013 优选地是，p型杂质原子为硼原子。 0014 优选地是，以衬底的体积为准，所述硼原子的掺杂量为210 15 110 19 个/cm 3 。 0015 优选地是，所述N型衬底掺杂有磷、砷或锑中的至少一种元素。 0016 本发明的另一个目的是提供一种提高外延层电阻率均匀性的方法。 0017 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现 0018 本发明的第二个目的是提。
9、供一种电阻率均匀性好的外延片。 0019 外延片，其特征在于，包括前述的外延片衬底。 0020 优选地是，所述的外延片厚度大于5微米。 0021 更优选地是，所述的外延片厚度小于140微米。 0022 本发明的第三个目的是提供一种半导体器件，其特征在于，包括前述的外延片。 0023 当硅中掺入掺杂V族元素，如磷、砷AS或锑时，以电子导电为主，成为N态，即N型。 当硅中掺入掺杂III族元素，如硼时，以空穴导电为主，成为P态，即P型。 0024 一般情况下，硅的生长速率相对保持稳定。硼的掺入量将随生长温度上升而增加， 而磷和砷的掺入量却随温度上升而下降。 0025 本申请发明人通过研究发现，当N型。
10、衬底掺入p型元素，掺入极微量的电活性杂质 硼，衬底电导率就可降为原来的千分之一。因此，在N型衬底注入硼元素时，能大大降低外 延片自掺杂的情况所引起的不良影响，提高外延层的电阻均匀性，可显著的提升外延片质 量。 0026 外延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。使用本发明中的衬底生产的外延层，电阻率均匀性可以 做到1.5，可降低后续生产成本，提高产品品质。 附图说明 0027。
11、 图1为一种外延片示意图； 0028 图2为本发明生产的外延片检测点示意图； 0029 图3为距离边缘2mm处的硼原子扩散长度曲线图； 0030 图4为外延片中心点处的硼原子扩散长度曲线图； 0031 图5为掺砷和掺磷的衬底中的硼原子扩散长度对比图。 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 3/15页 5 具体实施方式 0032 下面结合实施例对本发明进行详细的描述： 0033 硼原子的掺杂方法可以采用以下方法： 0034 通过离子注入的方法，在衬底制作二氧化硅或多晶硅的时候，掺入杂质硼原子。在 衬底制作二氧化硅的目的是为了减少微缺陷对硅片表面质量影响或防止硅外延。
12、工艺过程 中“重掺杂”硅片的自掺杂作用。 0035 离子植入法是利用施加高电压，使各离子化的元素产生碰撞，进而产生物理性的 取代。这时候，由于离子的经过，使硅结晶遭受破坏，所以之后必须经过RTP(快速退火处 理)进行修复。现在杂质掺入技术的重心，已从传统的热扩散法，转移到离子植入法+退火 处理法。后者不但具有较佳的控制性，且为低温制程，此外又有可计算杂质原子掺入量的优 点。 0036 离子植入法的优点在于其为低温制程，且可操控植入量，此外利用光阻作为光罩， 可进行杂质掺入的选择，以及在基板内任意深度掺入任意量的杂质。离子植入是将离子经 高能加速，碰撞硅基板进行植入，因此也称为离子注入。碰撞的离。
13、子，随着入射能量(加速 电压)、离子种类、基板的状态等不同，决定离子植入的深度，而离子经过的路径也伴随结晶 缺陷的产生。 0037 植入的离子在硅的单一晶格内反复碰撞直到停止。 0038 离子植入法的设备：随着离子植入制程的广泛使用，其装置也相形重要。针对不同 的应用目的，必须选用适合剂量、加速电压(植入能量)的离子植入装置。目前离子植入装 置，区分为四种形式：中电流离子植入机、高电流离子植入机、高能量离子植入机、低能量离 子植入机。绝缘层的产生，也就是氧的植入等，需要使用高能量离子植入机。此外，源极/ 汲极的形成，适合于低能量、足够电流的装置，因此使用高电流离子植入机即可。 0039 硼原子。
14、的植入方法也可以采用现有技术中的其他方法，只要能将硼原子均匀分布 植入N型衬底即可。 0040 检测衬底掺杂的原子数量，可采用SRP、ICP-MS或SIMS二次离子质谱仪。其中， ICP-MS主要是用利用HF粹取表面金属后检测掺杂原子的数量。SIMS二次离子质谱仪具有 超灵敏的微分子检测能力、超高解析的多层外延纵深成分分布鉴别能力同时拥有快速的检 测速度与高精确度。利用离子击穿样品，样品表面将溅射出中性原子、分子及其相关离子。 直接检测被溅射处的离子讯号，是目前二次离子质谱仪的检测方式。在外延成分检测与材 料表面的成分检测，成分检测的灵敏度与定量的精确度是需要注意的事项。SIMS成分检测 的灵。
15、敏度为1ppb。因此，SIMS有相当优越的微成分定量能力。 0041 N型衬底中植入的硼原子个数检测方法也可以采用现有技术中的其他方法。 0042 实施例1-32中所掺入的硼原子个数如表1所示，以衬底体积为准，单位：个/cm 3 。 0043 表1 0044 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 4/15页 6 0045 实施例33-48中所掺入的硼原子个数如表2所示，以衬底体积为准，单位：个/cm 3 。 0046 表2 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 5/15页 7 0047 0048 利用离子注入法，在掺砷衬底掺杂硼原。
16、子，掺杂硼原子后，再制造外延片。分别选 取四组外延片对比，每组外延片中包括两片未掺杂硼原子的外延片与其中一个实施例的外 延片。如图2所示，分别检测图2中的外延层A、B、C、D、E五个点处的电阻率数值，图2中， A点为圆心，B、C、D、E四个点距离外延片边缘10mm。四组外延层的数据如表3-表6所示， 表3-表6中，1、2、3、4、5五列分别表示A、B、C、D、E五个点处的电阻率。AVE列表示这五 列的电阻率平均值。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。 0049 表3：(欧姆厘米) 0050 0051 表4：(。
17、欧姆厘米) 0052 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 6/15页 8 0053 表5(欧姆厘米) 0054 0055 表6(欧姆厘米) 0056 0057 从表3-表6中的数据可以看出，在掺砷的衬底掺杂硼原子后，制造的外延层阻值 均匀性将优于未掺杂硼原子的外延层阻值均匀性。 0058 利用离子注入法，在掺砷衬底掺杂硼原子，掺杂硼原子、外延层生长完成后，采用 SIMS二次离子质谱仪，分别检测外延片圆心处及距离边缘2mm处的硼原子的扩散长度，距 离边缘2mm处的硼原子扩散长度曲线图如图3所示。圆心处的硼原子扩散长度曲线如图4 所示。从图3和图4可以看出，在掺砷。
18、衬底中掺杂硼原子，生产外延片过程中，衬底圆心处 及靠近边缘处的硼原子扩散长度无明显差异。 0059 利用离子注入法，在电阻率0.005ohm-cm(欧姆厘米)的重掺掺砷衬底及重掺 掺磷衬底中分别掺杂硼原子，硼原子掺杂个数为210 17 个/cm 2 。掺杂、外延层生长完成后， 分别检测外延片圆心处及距离边缘2mm处的硼原子扩散长度，对比曲线如图5所示。从图 5可以看出，无论是重掺掺砷衬底中掺杂硼原子还是重掺掺磷衬底中掺杂硼原子，其用于生 产外延片过程中，圆心处和靠近边缘处的硼原子扩散长度规律趋同。 0060 由于磷和锑化学性质相似，掺杂硼原子对掺磷衬底影响与对掺锑衬底的影响相 似。 0061 。
19、掺砷基板中掺杂硼原子210 17 个/cm 3 。掺杂硼原子之前和之后的基板生产的外 延片，分别选取电阻率高和低的两组外延层电阻率均匀性对比，数据如表7、表8所示。检测 点为如图1所示的1-9个点。 0062 表7：(欧姆厘米) 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 7/15页 9 0063 点1 点2 点3 点4 点5 点6 点7 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.959 0.967 0.976 0.971 0.97 0.97 0.978 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.967 0.974 0.974 0.973 0.973 0.973 0.977 006。
20、4 续表7 0065 点8 点9 AVE MAX MIN UNI 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.978 0.968 0.971 0.978 0.959 0.98 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.974 0.977 0.974 0.977 0.967 0.51 0066 表8(欧姆厘米) 0067 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 8/15页 10 点 1 点 2 点 3 点 4 点 5 点 6 点 7 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 1 8 . 7 7 1 1 8 . 6 4 9 1 8 . 8 2 8 1 8 . 7 6 6 1 8 . 4 5 9。
21、 1 8 . 2 3 7 1 8 . 7 3 7 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 1 8 . 6 8 6 1 8 . 6 1 1 1 8 . 6 1 3 1 8 . 4 2 6 1 8 . 4 3 3 1 8 . 2 6 3 1 8 . 6 8 2 0068 续表8 0069 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 9/15页 11 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 18.69 17.85 18.56 18.828 17.85 2.67 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 18.627 18.53 18.542 18.686 18.263 1.14 0070 掺磷基板中掺硼。
22、原子210 17 个/cm 3 。掺杂硼原子之前和之后的基板生产的外延 片，两组外延层电阻率均匀性对比数据如表9所示。检测点为如图1所示的1-9个点。 0071 表9：(欧姆厘米) 0072 点8 点9 AVE MAX MIN UNI 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 10/15页 12 点 1 点 2 点 3 点 4 点 5 点 6 点 7 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0 . 5 2 4 6 0 . 5 3 0 8 0 . 5 3 1 0 . 5 2 8 0 . 5 2 9 0 . 5 4 0 . 5 4 2 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0 . 5 。
23、2 2 0 . 5 2 8 0 . 5 2 8 0 . 5 2 6 0 . 5 2 7 0 . 5 2 6 0 . 5 2 4 0073 续表9 0074 点8 点9 AVE MAX MIN UNI 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.542 0.543 0.535 0.543 0.5246 1.72 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 11/15页 13 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.523 0.521 0.535 0.528 0.521 0.67 0075 掺磷基板中掺杂硼原子310 18 个/cm 3 。掺杂硼原子之前和之后的基板生产的外 延片，两组。
24、外延层电阻率均匀性对比数据如表10所示。检测点为如图1所示的1-9个点。 0076 表10：(欧姆厘米) 0077 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 12/15页 14 点 1 点 2 点 3 点 4 点 5 点 6 点 7 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 1 8 . 1 7 3 1 8 . 2 6 6 1 8 . 2 0 1 1 8 . 2 0 7 1 7 . 9 4 8 1 7 . 9 0 1 1 8 . 2 1 3 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 1 8 . 2 7 1 8 . 2 2 7 1 8 . 2 3 7 1 8 . 2 6 7 1 8 . 1 。
25、3 8 1 8 . 2 5 7 1 8 . 2 0 5 0078 续表10 0079 点8 点9 AVE MAX MIN UNI 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 13/15页 15 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 18.218 17.638 18.085 18.266 17.638 1.75 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 18.228 17.969 18.255 18.27 17.969 0.83 0080 掺锑基板中掺硼原子410 16 个/cm 3 。掺杂硼原子之前和之后的基板生产的外延 片，两组外延层电阻率均匀性对比数据如表11所示。检测点为如图1所。
26、示的1-9个点。 0081 表11：(欧姆厘米) 0082 点1 点2 点3 点4 点5 点6 点7 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.99 0.972 0.98 0.965 0.974 0.973 0.979 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.96 0.971 0.98 0.967 0.973 0.972 0.966 0083 续表11 0084 点8 点9 AVE MAX MIN UNI 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.979 0.973 0.975 0.99 0.965 1.28 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 0.968 0.976 0.97 0.98 0.96 1.03 0085。
27、 掺锑基板中掺硼原子310 18 个/cm 3 。掺杂硼原子之前和之后的基板生产的外延 片，两组外延层电阻率均匀性对比数据如表12所示。检测点为如图1所示的1-9个点。 0086 表12(欧姆厘米) 0087 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 14/15页 16 点 1 点 2 点 3 点 4 点 5 点 6 点 7 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 1 8 . 2 4 1 8 . 3 5 9 1 8 . 3 2 8 1 8 . 2 0 3 1 7 . 8 7 8 1 7 . 8 6 2 1 8 . 1 9 1 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 1 8 . 1 7。
28、 2 1 8 . 1 5 8 1 8 . 2 7 9 1 8 . 1 6 1 7 . 8 6 1 8 . 0 9 4 1 8 . 0 2 0088 续表12 0089 点8 点9 AVE MAX MIN UNI 未掺杂硼原子的衬底生产的外延层 17.754 17.201 18.002 18.359 17.201 3.26 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 15/15页 17 掺杂硼原子的衬底生产的外延层 17.964 17.83 18.041 18.279 17.83 1.24 0090 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。 说 明 书CN 102412271 A CN 102412283 A 1/2页 18 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102412271 A CN 102412283 A 2/2页 19 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102412271 A 。