專利名稱：外延涂覆半導體晶片的方法及裝置、以及外延涂覆的半導體晶片的制作方法
技術領域：
本發明涉及外延涂覆半導體晶片的方法及裝置，并且涉及外延涂覆的半導體晶片。
背景技術：
在半導體技術中，由汽相生長晶體特別用于制造外延涂覆半導體晶片。應了解的是，術語“外延”是指單晶基片的平整邊界表面上的單晶層生長，單晶基片通常為基片晶片如半導體晶片。例如在EP714998 A2中所述，該涂覆作用或沉積作用是在化學汽相沉積(CVD)反應器內借助于已知的化學汽相沉積法實施。首先借助于熱源加熱半導體晶片，隨后將其暴露于包括源氣體、載氣及任選摻雜氣體的氣體混合物，以下簡稱加工氣體。
最重要的應用之一是在單晶硅基片(通常為硅晶片)上沉積均相外延層。所用源氣體例如是硅烷如三氯硅烷，所用載氣例如是氫氣。摻雜外延層所用的摻雜氣體是例如屬于化學元素周期表中第III或V主族的氣態化合物。如同源氣體一樣，這些諸如膦或二硼烷的化合物在已加熱的晶片附近分解。然后這些外來原子混入外延層的晶格內。為獲得性能的突然轉變，例如在由基片晶片轉變至外延層時電阻分布的急劇上升，半導體晶片(基片晶片)及外延層通常以不同的方式摻雜。
在外延層的沉積過程中，在背面及邊緣處，用于摻雜基片的元素(基片摻雜物，例如當為硅基片時，硼、砷、磷或銻)會發生不希望的逃逸現象。由于反應器內的擴散作用及對流作用，這些元素可到達晶片正面，在該處這些元素可徑向不均勻地進入外延層內，即一種稱作自動摻雜的現象。自動摻雜導致外延層電阻率的徑向不均勻性。
在這點上，應將半導體晶片的正面及背面加以限定。半導體晶片的正面是實施外延涂覆及試圖在上面制作電子元件的一面。
現有技術已公開了防止自動摻雜的不同方法。因此，例如，通過在半導磁晶片的背面上沉積氧化物層或單晶或多晶或無定形保護層，可防止在實施外延加工中基片摻雜物向外擴散。
制造具有抑制自動摻雜的保護層的外延涂覆半導體晶片所用已知方法的缺點是必須在不同反應器、處理浴及拋光生產線實施額外加工步驟。再者，用氧化物或多晶半導體材料涂覆可增加金屬污染程度。
因此，已經建議許多嘗試以避免自動摻雜現象而無需在外延層沉積之前晶片背面形成保護層。
例如，WO 01/86034 A2及WO 01/86035 A1中曾公開一種晶片形式基片的外延涂覆方法，其中基片背面不象通常那樣置于其整個表面上方的接受器上，而是暴露于清洗氣體如氫氣中。該清洗氣體可與正面加工氣體相同或不同。經由晶片背面擴散出來的摻雜原子至少一部分被清洗氣體帶走。結果，可減低通過晶片邊緣擴散至晶片正面的摻雜物原子比例及由此發生自動摻雜作用的風險。
雖然并非為避免自動摻雜作用，US 5,960,555中描述了類似方法。在此例中，其目的是防止半導體材料沉積在晶片背面上。為此目的，清洗晶片背面所用的氣體與加工氣體不同。背面上的超壓可使背面氣體經由晶片邊緣輕易流至正面。這防止了正面加工氣體滲入背面空間以及由此在晶片背面上沉積半導體材料。所用背面氣體可以是惰性氣體如氬氣、非反應性氣體如氮氣，但也可以是諸如氫氣或氯化氫的氣體。依據US 5,679,405，也可使用惰性氣體如氦氣、氟里昂、四氟化碳或六氟乙烷，以免半導體材料沉積在晶片背面上。
發明內容
現有技術對自動摻雜問題并未提出任何令人滿意的技術方案。所以，本發明的目的是提供一種方法，用于將外延層沉積在半導體晶片上，使其可基本上避免自動摻雜現象，而無需預先在晶片背面上形成保護層。
通過在CVD反應器內外延涂覆半導體晶片正面的方法可達成此目的，半導體晶片正面是暴露于含有源氣體及載氣的加工氣體，而半導體背面暴露于置換氣體，其中所述置換氣體含有不超過5體積％的氫氣，結果，可基本上避免摻雜物擴散至半導體晶片背面之外，氫氣可強化該摻雜物擴散作用。
依照本發明，在外延層沉積過程中，半導體晶片的正面及背面暴露于兩個不同的環境。正面所用氣體(以下稱作加工氣體)含有源氣體及載氣。如果是硅外延，源氣體通常是硅烷如三氯硅烷，載氣通常是氫氣。此外，加工氣體通常含有少量摻雜氣體。
相反，依照本發明，半導體晶片背面僅暴露于基本上不含氫的氣體，即含氫量不超過5體積％，優選不超過2體積％，特別優選不超過0.5體積％。依目前可達到的技術級氣體的純度等級及包含純化劑，背面氣體通常可達到的雜質等級為含10-7體積％氫的范圍。用于背面的氣體、以下稱為置換氣體對沉積反應是惰性的，即與載氣、源氣體、摻雜氣體、半導體基片和/或沉積反應產品均無任何反應。所用置換氣體優選惰性氣體或惰性氣體混合物，特別優選氬氣及氦氣。
已發現氫在自動摻雜作用中擔任重要角色。例如，氫與硼或砷形成快速擴散至硅內的絡合物。此外，在外延常用的溫度下氫將硅除去，另外將摻雜物釋放。所以，在外延加工過程中，如果晶片背面與氫接觸，則更多摻雜物可由晶片背面產生，然后可越過晶片邊緣而徑向不均勻地混入晶片正面的外延層內。如同本發明的方法，如果能避免晶片背面與氫之間的接觸，則基本抑制了摻雜物的向外擴散作用及由此的自動摻雜作用。
相反，WO 01/86034 A2及WO 01/86035 A1中所公開的方法仍就有基片摻雜物向外擴散作用，因為晶片背面所接觸的氣體中有氫或含氫的成分。僅能確保為減低自動摻雜作用的風險，將自背面逸出的摻雜物吸出來。在本發明中，首先避免增加與氫有關的摻雜物向外擴散。
如果在外延層內所允許的電阻不均勻性減低、如果電阻測量的非邊緣區尺寸減小、及如果層與基片間的電阻率差增加，自動摻雜作用的不良效果則增加。這些電阻率是通過基片或外延層的摻雜程度而測定。特別對于基片的電阻率≤100毫歐姆厘米、優選＜50毫歐姆厘米、更優選＜20亳歐姆厘米，以及層的電阻率＞1歐姆厘米、優選＞5歐姆厘米、更優選＞10歐姆厘米，利用本發明方法可能制得的外延層的徑向電阻不均勻性＜10％、優選＜5％、更優選＜3％。電阻不均勻性在標準ASTM F 1392及ASTM F 81予以定義。
因此，本發明還涉及一種基片電阻率≤100毫歐姆厘米、外延層電阻率＞1歐姆厘米的半導體晶片，且無背面涂層，其中外延層的電阻不均勻性＜10％。
依照本發明，因為基本上避免了晶片背面摻雜物向外擴散，半導體晶片內的初始摻雜物濃度仍保持不變。相反，當使用WO 01/86034A2及WO 01/86035 A1中所述的方法，晶片背面上形成基片摻雜物的向外擴散剖面外延加工之后，晶片背面表面的摻雜物濃度較低且朝向晶片內部逐漸增加直至達到初始數值、即外延加工前的數值。晶片背面摻雜物消除的缺點是背面的電阻高于半導體晶片的其余部分。例如當為電源元件時，電流流經基片，由于局部放出熱量而導致不希望的電力損失且必需消除此熱量。
當使用本發明的方法時，可基本上避免這些缺點。依照本發明，可制得具有基本上無摻雜物向外擴散剖面的外延層的半導體晶片。例如，通過比較外延作用前后晶片背面的電阻率，可將此情形加以量化。背面摻雜物向外擴散的程度愈低，這些電阻間的差異愈小。依照本發明所制半導體晶片的特點是該電阻差異最高達15％。
在本發明的方法中，因晶片背面區未供應源氣體，在外延加工過程中，不可能有大量半導體材料沉積在晶片背面上。因此，基本上避免了已知的背面暈圈的形成。背面暈圈是晶片背面邊緣處的區域，由于外延加工過程中半導體材料沉積的不均勻，該區域呈現變化的霧狀。根據本發明處理過的半導體晶片無背面暈圈，因為由于不含氫，晶片背面上不會有沉積反應。
依照本發明，在外延加工過程中，半導體晶片背面所暴露的氣體的含氫量不超過5體積％，優選不超過2體積％，特別優選不超過0.5體積％。然而，晶片正面外延涂層所用加工氣體含有載氣，通常為氫。為防止加工氣體與晶片背面接觸，在本發明的上下文中，一方面半導體晶片正面及另一方面其背面所占據的CVD反應器區域，優選通過已知的“腔室分隔器(chamber divider)”加以空間隔離。例如，WO01/86035 A1給出了技術上實現這些分隔器的可能方法。
為防止加工氣體滲入背面氣體空間且同時確保晶片邊緣也基本上不與載氣如氫氣接觸，優選確保背面氣體空間保持輕微超壓。該輕微超壓導致置換氣體超越晶片邊緣而流入正面氣體空間。如此可使加工氣體更難向背面氣體空間擴散且保持背面氣體空間無加工氣體。再者，惰性置換氣體圍繞晶片邊緣流動，因此基本上避免了晶片邊緣的摻雜物向外擴散及沉積。
置換氣體的流量優選隨加工參數溫度、壓力、氣流及轉動速率的變化加以適當設定，使得置換氣體僅在晶片邊緣而非在晶片正面置換加工氣體，且晶片不浮動。另外，相應常規外延方法常用的數值也可用于這些加工參數及這些氣體混合物(置換氣體除外)。
置換氣體的流量比優選以適當的方法加以設定，以便可同時滿足以下邊界條件1)由于半導體與接受器之間置換氣體的流動所形成的壓力降在半導體晶片上產生對抗重力的力。該力優選小于半導體晶片的重力。
2)半導體晶片周邊上的流速優選夠高，以便抑制晶片邊緣處半導體晶片與接受器間的氫擴散作用，使得半導體晶片與接受器間的氫含量變得不重要。
可使上述兩種條件達到彼此平衡所用的控制變量是(a)自由空間(由已知的袋狀凹槽(pocket)至環形支撐體)的尺寸大小，對大部分晶片面積而言，該自由空間是位于半導體晶片及接受器之間，(b)多個流體通道的半徑或一個流體通道的半徑，(c)置換氣體的體積流量及外延涂覆過程中的溫度。晶片正面氫氣流速的設定是次要的，因為半導體晶片及接受器間氫的滲透基本上是由氫氣擴散作用所驅動。
為將置換氣體供應至晶片背面，就本發明的觀點而言，優選所用的接受器在大部分晶片背面(由已知的袋狀凹槽至環形支撐體)下方給氣體留下自由空間(即使僅僅小的空間)。對于特殊設計具有許多種可能。以舉例方式此處僅提到數種如果所用接受器僅有一個開口，該開口優選應位于接受器的中央。然而，也可能使用一個具有多個孔的接受器，且半導體置于該接受器上占據其整個表面或僅在邊緣處。再者，如果常規接受器具有例如用于容納已知提升銷的孔，也可使用常規接受器。在此情況下，這些孔洞也可用于經由其他連續式接受器供應置換氣體至晶片背面。也可使用用于半導體晶片的環狀支撐體。晶片僅在邊緣處依靠支撐體，而晶片背面的其余部分可自由地接近。
因此，本發明還涉及CVD反應器所用的接受器，其包括基本上平整的表面、CVD反應器內待處理基片置于其上的升高的邊緣區、以及至少一個機械操控基片的裝置，其中所述機械操控基片的裝置具有至少一個開口，經由該開口可將氣體供應至基片的背面。
這些機械操控基片的裝置包括例如中央轉動軸或提升機械裝置。經由已在接受器上出現的這些特殊部位供應氣體對接受器上及(因此)基片上溫度分布的均勻性具有有利影響。接受器內每個額外孔洞對接受器溫度的均勻性及(因此)外延涂覆過程中沉積速率的均勻性具有不良影響，同時對層厚度均勻性及毫微構形具有不良影響。因此，就本發明方法的觀點而論，特別優選經由現有特殊部位如轉動軸或提升銷供應置換氣體。
圖1至4中說明了所述接受器的優選實施方案圖1所示是置換氣體經由中央開口通入的接受器。
圖2所示是置換氣體經由提升銷內的孔洞供應的接受器。
圖3所示是該接受器邊緣區的優選實施方案。
圖4所示為“盤狀”接受器。
具體實施例方式
在下文中，不同圖內的相同標記皆代表相同的元件。
經由中央開口供應置換氣體的接受器(圖1)晶片1置于接受器2上。為將晶片1裝入反應器或自反應器取出，將晶片提升器5升起可將晶片自接受器提起，結果將提升銷3(僅顯示其中之一)及(因此)晶片1提升起來。接受器是由通常可轉動的接受器支撐體4固定。在此情況下，該支撐體4是經設計使得至少在中央部分其與接受器2接觸。現在可經由沿中央軸9的孔洞10供應置換氣體6。在此情況下，該“機械操控基片的裝置”是轉動接受器2及基片的中央軸9。
經由提升銷內孔洞11供應置換氣體的接受器(圖2)如同圖1，但不同的是，在此情況下，用于供應氣體的“機械操控基片的裝置”是用于將基片1升起離開接受器2的提起機械。置換氣體6經由晶片提升器5及提升銷3(作為示例僅顯示一個)內的孔洞11來供應。為便于說明，圖1所公開的位于接受器2中央的孔洞10是封閉著。然而，也可想像得到置換氣體是既經由提升銷3又經由接受器支撐體4來供應。
接受器邊緣區的優選實施方案(圖3)依照本發明的優選實施方案，由于輕微超壓，置換氣體流經晶片邊緣1a周圍。在正面上，少量流動的置換氣體與載氣混合并被載氣稀釋。在置換氣體流經晶片1的邊緣1a之后，通過接受器2外周邊配置的若干通道7讓至少部分置換氣體流入晶片后區而達成正面區置換氣體的進一步減少。這些通道可結合接受器的每個優選實施方案使用。
“盤狀”接受器(圖4)將晶片1置于接受器2上之后，形成孔穴8，該孔穴除容許提升機械裝置如提升銷3通過外是封閉的。
借助于示例，所示圖像是適應于由Applied Materials制造的提升機械裝置及接受器固定器的設計。但通過適當修改，圖1至圖4內所示接受器的可能實際應用也可適用于其他制造商所生產的系統。
例如，由于氣體流量或所用接受器性能的關系，如果本發明方法導致外延加工過程中沉積速率的局部變化，優選通過最優化晶片正面及背面上熱源電力的控制而補償該類不希望的影響。
如果加工持續時間特別短，即例如如果外延層薄，可使用本發明的另一實施方案使用具有提升機械裝置但無孔洞(為產生提升機械裝置所必需的除外)“盤狀”接受器(圖4)，半導體晶片僅在邊緣處置于該盤狀接受器上。所以，半導體晶片及接受器之間具有與反應器其余空間分開的封閉孔穴。在外延層沉積開始前的任何預期時間，至少與晶片背面相連的反應器腔室部分是用置換氣體清洗，此時半導體晶片已舉起，即置于提升機械裝置上。在清洗過程中或之后，降低提升機械裝置，將半導體晶片置于接受器邊緣上，結果將一些置換氣體封閉在盤狀接受器及半導體晶片間的孔穴內。清洗步驟可盡早在任何半導體晶片預處理如熱預處理和/或汽相蝕刻之前或過程中實施，或也可在任何預處理及實際沉積作用之間實施。該清洗步驟可以影響整個反應器腔室或如僅由腔室分隔器分開的反應器腔室的一部分，雖然此部分必須包含半導體晶片背面上的氣體空間。當外延層沉積作用開始時，僅對已置于接受器邊緣上的半導體晶片重要，因此封閉孔穴及反應器腔室其余部分之間基本上不再有任何氣體交流。然后，將加工氣體送入反應器腔室內，實施晶片正面的外延涂覆。再者，半導體晶片背面僅與封閉的置換氣體接觸。在此實施方案中，此種情形僅足以對孔穴內未封閉處(例如容納提升銷的孔洞)所引起的置換氣體損失加以補償。這些損失是將置換氣體控制地供應至該孔穴內而補償。然而，特別優選將晶片背面及盤狀接受器間的孔穴予以基本上封閉，因此則可能在外延加工過程中省去將置換氣體供應至孔穴內。于是，在外延加工過程中僅供以加工氣體。然而，整個加工過程最多可使晶片背面及接受器間孔穴內富集5體積％的氫氣，因此，該實施方案可特別有利地應用于非常短暫的外延加工。
除實際沉積作用外，在半導體基片上形成外延層的過程可還包括預處理及后處理如烘焙、汽相蝕刻等步驟以及任何預期的清洗步驟。在這些處理及清洗步驟中，可能反應器腔室整個空間或僅通過腔室分隔器與反應器腔室空間的其余部分分開的某些部位暴露于置換氣體。正面暴露于置換氣體的程度特別取決于處理步驟。然而，在預處理及后處理過程中也優選使置換氣體對晶片背面產生作用。結果，借助于示例，基本上要避免晶片背面在烘焙過程中與氫氣接觸及在汽相蝕刻過程中與蝕刻氣體接觸。這具有許多優點首先，防止即使在預處理過程中，經由接觸氫氣在晶片背面上及晶片邊緣區摻雜物向外擴散作用的增加。其次，可避免汽相蝕刻過程中晶片背面及晶片邊緣與蝕刻氣體接觸，該項接觸將導致半導體材料除去的不均勻及因此容易形成背面暈圈。再者，可防止接受器遭受蝕刻氣體的化學侵害，這些化學侵害將引起接受器的經常修理或更換。所以本發明的優選實施方案可增加接受器的使用壽命。
實施例在1100℃溫度下，在外延反應器內，將直徑為300毫米、電阻率為10毫歐姆厘米的硅晶片加以均相外延涂覆。在涂覆過程中，該硅晶片以32轉/分鐘的速度圍繞其中央軸轉動。氫氣的流量為50標準升/分鐘，三氯硅烷的流量為17標準升/分鐘及二硼烷的流量為150標準立方厘米/分鐘。在這些條件下，沉積3微米厚、電阻率為5歐姆厘米的摻雜硼的硅層。如圖1所示，依照本發明，在外延涂覆過程中，于硅晶片中央的下方供以氬氣。進料管的半徑為1厘米。接受器的凹處(袋狀凹槽)是經設計使得晶片背面及接受器最低點間的距離為0.5毫米。氬氣是以180標準立方厘米/分鐘的體積流速在晶片的下方流入。在這些條件下，達成了外延涂覆硅晶片正面上徑向電阻變化＜5％的標準。
本發明可用于半導體晶片外延涂覆方面，優選用于直徑≥100毫米的硅晶片。外延涂覆可在大氣壓下或減壓下實施。然而，也可能將該原理用作在一個面上沉積或除去(即蝕刻)材料及沉積或蝕刻化學需要載氣的其他單晶片加工方法的一部分。
權利要求
1.一種基片電阻率≤100亳歐姆厘米且外延層電阻率＞1歐姆厘米的半導體晶片，其沒有背面涂層，其中該外延層的電阻不均勻性＜10％。
2.如權利要求1的半導體晶片，其中外延涂覆后晶片背面上的電阻與外延涂覆前晶片背面上的電阻相差最多15％。
全文摘要
本發明涉及一種在CVD反應器內外延涂覆半導體晶片正面的方法，半導體晶片正面暴露于含有源氣體及載氣的加工氣體，并且半導體晶片背面暴露于置換氣體，其中該置換氣體含有不超過5體積％的氫氣，結果，基本上避免了由氫氣強化的摻雜物擴散出半導體晶片背面。依照本發明的方法，可以得一種基片電阻率≤100毫歐姆厘米且外延層電阻率＞1歐姆厘米的半導體晶片，其沒有背面涂層，其中外延層的電阻不均勻性＜10％。
文檔編號C30B29/00GK1901222SQ20061007989
公開日2007年1月24日 申請日期2003年3月14日 優先權日2002年3月14日
發明者維爾弗里德·馮阿蒙, 呂迪格·施默爾克, 彼得·施托克, 沃爾夫岡·西伯特 申請人:硅電子股份公司