[发明专利]磷掺杂硅单晶

说明书

本发明涉及直径至少为175mm且轴向长度在50mm至1000mm范围内的磷掺杂硅单晶，所述磷掺杂硅单晶在横向平面中具有的掺杂剂原子密度为从磷掺杂硅锭切割的晶片提供了5Ωcm至2000Ωcm范围内的目标电阻率(ρ_NTD)，其中，当在800℃至1300℃范围内的温度下将硅退火之后测量电阻率时，对于至少75％的从磷掺杂硅单晶切割的晶片，获得3％或更小的根据SEMI标准SEMI MF81测定的RRV值，本发明涉及从所述磷掺杂硅单晶切割的晶片或多个晶片，以及涉及制造磷掺杂硅单晶的方法。本发明的产品特别适用于高功率电子器件。

技术领域

本发明涉及磷掺杂硅单晶、磷掺杂硅单晶的制造方法、多个晶片和硅晶片。所述磷掺杂硅单晶具有的掺杂剂密度允许从磷掺杂硅单晶中切割出具有改善的径向电阻率变化(RRV)值的晶片。本发明的硅晶片特别适用于高功率电子器件。

背景技术

半导体材料(例如硅)的单晶棒通常使用两种通用方法即切克劳斯基(Czochralski,CZ)法或浮区(float-zone,FZ)法之一来制造。这两者都是众所周知的，并且依赖于在熔融材料的再固化过程中形成单晶。硅单晶用作制备硅晶片的原材料，硅晶片从硅单晶切割而来。

取决于应用，硅晶片可以用并且需要用特定电阻率值来描述，电阻率以例如Ωcm或相应的单位表示。硅的电阻率ρ取决于材料中的掺杂剂密度，例如磷和/或硼，以及它们的关系，该关系描述在等式(1)中：

等式(1)

其中n是磷原子的密度(并且认为硼原子以不显著的量存在于原材料中，例如小于10ppta)，μ_m是硅中的电子迁移率且q是电子电荷。q的值为1.602·10^-19C，μ_m的典型值例如在室温下为1450cm²/s。由于硅中使用的掺杂剂原子通常是磷和/或硼，因此可以通过控制硅中磷和硼原子的量来控制硅的电阻率。可以在硅单晶的制造过程中将掺杂剂原子施加到硅材料。例如，可以通过将熔融硅分别暴露于气态磷化氢(phosphine，PH₃)或二硼烷(diboran，B₂H₆)来施加磷和硼，使得在再固化时相应原子包含在硅中。该过程通常称为气体掺杂(gas doping)。应注意的是可以施加其他气体，但磷化氢和二硼烷是工业中最常用的。

或者，通过用中子辐照材料可以将固体硅中的硅原子转化为磷原子。具体地，当同位素³⁰Si被中子辐照时，³⁰Si将被转变成同位素³¹Si，³¹Si以半衰期为2.6小时衰变为稳定的磷同位素³¹P。天然硅具有约3％的³⁰Si，因此可以使用中子辐照来增加硅中磷供体原子的密度。该过程称为中子嬗变掺杂(neutron transmutation doping，NTD)。以下表示为D的中子的必要剂量或注量(fluence)可以由等式(2)计算而得：

等式(2)

其中K₁是给定中子能谱的材料常数，ρ_NTD和ρ_i分别是NTD辐照后的电阻率和初始电阻率，即中子辐照前的电阻率。常数K₁在等式(3)中定义：

等式(3)

其中N^30Si是硅中³⁰Si的密度，σ^30Si是³⁰Si的平均吸收截面。利用上述q和μ_m的值，K₁将为2.612·10¹⁹Ωcm^-1。