专利名称：由硅制造掺杂半导体晶片的方法以及该半导体晶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由硅制造掺杂半导体晶片的方法，这些半导体晶片含有电活性掺杂剂，如硼、磷、砷或锑，任选额外用锗掺杂，并具有特定的热导率。本发明还涉及由硅制成的半导体晶片，其用锗以最大为2×1020原子/立方厘米的浓度加以掺杂，且这些半导体晶片含有电活性掺杂剂并具有关于热导率(WL)和电阻率(sW)的特定性能。
背景技术：
若半导体晶片作为电子元件的基材(基片)尽可能地具有特定的物理性能，则原则上是有利的。基片的所有重要参数在一个晶片内以及在相同规格的不同晶片之间应理想地仅具有小幅的波动。基片的热导率是一个重要的性能，其对电子元件的制造中加工过程的进行以及有关成品的性能具有重要意义。因此，由硅所制半导体晶片的热导率决定其在加工成电子元件时的性能，以及成品元件可能的使用范围。因此，制造元件需要具有良好地加以确定且一致的热导率的基片。
然而由硅所制半导体晶片的热导率的测量复杂且成本昂贵，因此在通常的制造实践中并不进行测量。热导率是由声子部分和电子部分共同组成。在室温下这两部分在单晶硅中均极为重要。热导率的电子部分基本上与基片的电导率成正比，而声子部分则与固体中原子质量的分布有关。众所周知，纯同位素硅的热导率特别高，而掺杂元素使热导率降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种由硅制造具有预定热导率的半导体晶片的方法。
该目的是通过一种由硅制造掺杂半导体晶片的方法而实现的，这些掺杂半导体晶片含有一种诸如硼、磷、砷或锑的电活性掺杂剂，并任选额外用锗掺杂，且具有特定的热导率，其特征在于，由硅制成单晶，并进一步加工成半导体晶片，其中所述热导率是通过选择电活性掺杂剂的浓度并任选通过选择锗的浓度加以调节。
本申请的发明人发现，对于用诸如硼、磷、砷或锑的电活性掺杂剂掺杂的硅，热导率作为物理性质确切地加以确定，并通过下式加以说明k＝1/(6.8×10-3+α×c(掺杂剂)) (1)其精度为几个百分点，其中在22℃的温度下热导率以W/mK为单位计，c(掺杂剂)为以原子/立方厘米为单位的所选定的电活性掺杂剂的浓度，而α为系数，其取决于电活性掺杂剂并具有以下值掺杂剂硼 磷 砷 锑α9.57×10-236.42×10-232.11×10-221.30×10-21。
若需要将热导率设置成不包含在由式(1)预先给定的取值范围中的值，则可通过额外用锗以最大为2×1020原子/立方厘米的浓度进行掺杂以扩展该取值范围，而且在目前尚未达到的区域内。在这些情况下，通过选择锗和电活性掺杂剂的浓度并依照下式设置热导率k＝(1-5.6×10-21×c(Ge)+1.4×10-41×c(Ge)2)/(6.8×10-3+α×c(掺杂剂)) (2)其中，k为22℃的温度下以W/mK为单位的热导率，c(Ge)和c(掺杂剂)为以原子/立方厘米为单位的所选定的锗和电活性掺杂剂的浓度，而α为系数，其取决于电活性掺杂剂并具有以下值掺杂剂 硼 磷 砷 锑α9.57×10-236.42×10-232.11×10-221.30×10-21。
本发明还涉及由硅制成的半导体晶片，其任选具有外延沉积涂层，并用锗以最大为2×1020原子/立方厘米的浓度以及硼加以掺杂，且这些半导体晶片具有关于热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＜105W/mK；sW＞5mΩ·cmb)WL＝90W/mK-30W/mK；sW＝5-3mΩ·cmc)WL＝80W/mK-20W/mK；sW＝3-2mΩ·cmd)WL＝70W/mK-20W/mK；sW＝2-1.5mΩ·cme)WL＜50W/mK；sW＜1.5mΩ·cm。
此外，本发明还涉及由硅制成的半导体晶片，其任选具有外延沉积涂层，并用锗以最大为2×1020原子/立方厘米的浓度以及磷加以掺杂，且这些半导体晶片具有关于热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＝90W/mK-50W/mK；sW＝1.5-1.2mΩ·cmb)WL＝80W/mK-40W/mK；sW＝1.2-0.9mΩ·cmc)WL＝75W/mK-30W/mK；sW＜0.9mΩ·cm。
若由于其他作用而原本使用锗作为掺杂剂，且在热导率应低于根据由式(1)的电掺杂剂的特定浓度的选择而可达到的热导率的情况下，特别优选用锗和电活性掺杂剂加以掺杂。锗作为掺杂剂的其他作用，特别是增强机械强度和降低晶格应力在考虑之内，例如US-5,553,566、US-5,744,396、US-4,631,234、JS-2003160395 A和JP-2003146795 A中所述。
单晶还可额外含有对热导率仅具有相对较小影响的其他掺杂剂，例如以用氮和/或碳共掺杂的形式。
在制造单晶时熔体中可以已经含有该电活性掺杂剂，其中该单晶优选根据Czochralski法进行拉伸。但也可稍后才通过扩散或离子注入将该电活性掺杂剂引入从单晶分离的半导体晶片中。优选与熔体一起提供锗。
在根据Czochralski法拉伸的由硅制成的单晶中掺杂剂的轴向分布基本上由各掺杂剂的偏析常数确定。但此外单晶中掺杂剂的径向和轴向分布会产生影响也是已知的。单晶和坩埚的旋转方向和转速以及压力状况和保护气体在拉伸过程中的流量均属于最重要的影响因素。通过适当地选择这些参数，可制造掺杂剂含量在径向和轴向变化小的单晶。因此例如通过适当地选择压力状况，可控制砷、锑或磷从硅熔体中的蒸发，从而使单晶中电阻率在轴向和径向的变化仅为几个百分点。与根据本发明的方法相结合，根据参数的选择，可制造具有确切地限定热导率轴向分部的单晶或在单晶的大部分范围内具有均匀热导率的单晶。通过精确限定的热导率，可降低加工过程以及产品性能的非期望的改变。
根据本发明的方法特别优选用硼作为电活性掺杂剂，由该方法得出关于半导体晶片的热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＜105W/mK；sW＞5mΩ·cmb)WL＝90W/mK-30W/mK；sW＝5-3mΩ·cmc)WL＝80W/mK-20W/mK；sW＝3-2mΩ·cmd)WL＝70W/mK-20W/mK；sW＝2-1.5mΩ·cme)WL＜50W/mK；sW＜1.5mΩ·cm。
在此情况下，电阻率的径向变化优选为小于8％。
根据本发明的方法特别优选用磷作为电活性掺杂剂，由该方法得出关于半导体晶片的热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＝90W/mK-50W/mK；sW＝1.5-1.2mΩ·cmb)WL＝80W/mK-40W/mK；sW＝1.2-0.9mΩ·cmc)WL＝75W/mK-30W/mK；sW＜0.9mΩ·cm。
在此情况下，电阻率的径向变化优选为小于10％。
图1为用磷掺杂的单晶硅热导率分布与掺杂剂浓度的关系图。
具体实施例方式
实施例(掺杂磷)图1中，连续的线表明应用式(1)所预期的用磷掺杂的单晶硅的热导率分布与掺杂剂浓度的函数。测量点所示为以应用式(2)根据本发明所制单晶硅的不同试样加以衡量的热导率。
权利要求
1.一种由硅制造掺杂半导体晶片的方法，这些掺杂半导体晶片含有一种诸如硼、磷、砷或锑的电活性掺杂剂，并任选额外用锗掺杂，且具有特定的热导率，其特征在于，由硅制成单晶，并进一步加工成半导体晶片，其中所述热导率是通过选择电活性掺杂剂的浓度并任选由锗的浓度加以调节。
2.根据权利要求1所述的由硅制造掺杂半导体晶片的方法，这些掺杂半导体晶片含有一种诸如硼、磷、砷或锑的电活性掺杂剂，并具有特定的热导率，其特征在于，由硅制成单晶，并进一步加工成半导体晶片，其中通过选择电活性掺杂剂的浓度并依照下式设置所述热导率k＝1/(6.8×10-3+α×c(掺杂剂))其中，k为22℃的温度下以W/mK为单位的热导率，c(掺杂剂)为以原子/立方厘米为单位的所选定的电活性掺杂剂的浓度，而α为系数，其取决于电活性掺杂剂并具有以下值掺杂剂 硼 磷 砷 锑α9.57×10-236.42×10-232.11×10-221.30×10-21。
3.根据权利要求1所述的由硅制造掺杂半导体晶片的方法，这些掺杂半导体晶片含有锗和一种诸如硼、磷、砷或锑的电活性掺杂剂，并具有特定的热导率，其特征在于，由硅制成单晶，并进一步加工成半导体晶片，其中所述单晶含有浓度最大为2×1020原子/立方厘米的锗，通过选择锗和电活性掺杂剂的浓度并依照下式设置热导率k＝(1-5.6×10-21×c(Ge)+1.4×10-41×c(Ge)2)/(6.8×10-3+α×c(掺杂剂))其中，k为22℃的温度下以W/mK为单位的热导率，c(Ge)和c(掺杂剂)为以原子/立方厘米为单位的所选定的锗和电活性掺杂剂的浓度，而α为系数，其取决于电活性掺杂剂并具有以下值掺杂剂硼 磷 砷 锑α9.57×10-236.42×10-232.11×10-221.30×10-21。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述单晶是根据Czochralski法由含有电活性掺杂剂和任选的锗的硅熔体进行拉伸的，并加以控制使得浓度尽可能为c(掺杂剂)的电活性掺杂剂以及任选的浓度为c(Ge)的锗加入所述单晶中。
5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述单晶是根据Czochralski法由含有锗的硅熔体进行拉伸的，并加以控制使得浓度为c(Ge)的锗加入所述单晶中，并通过扩散或离子注入将电活性掺杂剂掺入所述半导体晶片中，并加以控制使得浓度尽可能为c(掺杂剂)的电活性掺杂剂加入所述半导体晶片中。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，掺入硼作为电活性掺杂剂，并选择硼的浓度以得到关于半导体晶片的热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＜105W/mK；sW＞5mΩ·cmb)WL＝90W/mK-30W/mK；sW＝5-3mΩ·cmc)WL＝80W/mK-20W/mK；sW＝3-2mΩ·cmd)WL＝70W/mK-20W/mK；sW＝2-1.5mΩ·cme)WL＜50W/mK；sW＜1.5mΩ·cm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，电阻率的径向变化小于8％。
8.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，将磷作为电活性掺杂剂掺入半导体晶片中，并选择磷的浓度以得到关于半导体晶片的热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＝90W/mK-50W/mK；sW＝1.5-1.2mΩ·cmb)WL＝80W/mK-40W/mK；sW＝1.2-0.9mΩ·cmc)WL＝75W/mK-30W/mK；sW＜0.9mΩ·cm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，电阻率的径向变化小于10％。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，所述半导体晶片作为电子功率半导体元件的基片使用。
11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，在所述半导体晶片上沉积一层外延层。
12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，额外将至少一种其他掺杂剂掺入所述单晶中。
13.根据权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，额外将氮、碳或氮和碳的组合实施共掺杂而掺入所述单晶中。
14.由硅制成的半导体晶片，其任选具有外延沉积涂层，并用锗以最大为2×1020原子/立方厘米的浓度以及硼加以掺杂，且这些半导体晶片具有关于热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＜105W/mK；sW＞5mΩ·cmb)WL＝90W/mK-30W/mK；sW＝5-3mΩ·cmc)WL＝80W/mK-20W/mK；sW＝3-2mΩ·cmd)WL＝70W/mK-20W/mK；sW＝2-1.5mΩ·cme)WL＜50W/mK；sW＜1.5mΩ·cm。
15.由硅制成的半导体晶片，其任选具有外延沉积涂层，并用锗以最大为2×1020原子/立方厘米的浓度以及磷加以掺杂，且这些半导体晶片具有关于热导率(WL)和电阻率(sW)的以下性能组合a)WL＝90W/mK-50W/mK；sW＝1.5-1.2mΩ·cmb)WL＝80W/mK-40W/mK；sW＝1.2-0.9mΩ·cmc)WL＝75W/mK-30W/mK；sW＜0.9mΩ·cm。
全文摘要
本发明涉及一种由硅制造掺杂半导体晶片的方法，这些掺杂半导体晶片含有一种诸如硼、磷、砷或锑的电活性掺杂剂，并任选额外用锗掺杂，且具有特定的热导率，其中，由硅制成单晶，并进一步加工成半导体晶片，而所述热导率是通过选择电活性掺杂剂的浓度并任选由锗的浓度加以调节。本发明还涉及根据该方法由硅制成的半导体晶片，其具有关于热导率和电阻率的特定性能。
文档编号C30B29/06GK1913107SQ20051009141
公开日2007年2月14日 申请日期2005年8月10日 优先权日2004年8月12日
发明者鲁珀特·克劳特鲍尔, 克里斯托夫·弗赖, 西蒙·齐特泽尔斯伯格, 洛塔尔·莱曼 申请人:硅电子股份公司