[发明专利]高电阻率硅结构和用于制备该结构的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及高电阻率CZ硅结构，和用于制备该硅结构的方法。具体的，高电阻率硅结构包括大直径CZ硅晶片或者由该硅晶片得到的衬底，其中，该晶片或衬底的电阻率与该晶片或衬底中的受主原子(例如硼)的浓度脱离联系，该结构的电阻率远大于基于该结构中的所述受主原子的浓度计算出的电阻率。这种晶片尤其适用于例如高频(例如微波或RF)应用。

背景技术

传统上，砷化镓(GaAs)晶片已经普遍用于高电阻率器件。砷化镓不仅具有载流子迁移率必然很高的优点，而且还提供了高电阻率衬底的可能性，这对于在射频应用和单片电路中的器件隔离和衬底串扰、传输线损耗最小化以及制造高Q电感是需要的。

但是，近来，随着在用于制备高电阻率单晶硅晶片的制造技术中已经实现的改进，这种晶片在高电阻率电子工业中的使用得到扩展。使用两种方法制造单晶硅：直拉(Czochralski，CZ)方法和浮区(FZ)方法。尽管电阻率达到大约10kohm-cm或更高的FZ硅在市场上可买到，但是这种材料具有局限性。例如，这种材料的制造成本高，缺少许多应用所需的机械稳定性-这至少部分是由于其中的低氧含量造成的-并且尺寸受限。例如，不能获得直径为300mm或更大的这种材料，而这是正在开发的工业标准。

尽管CZ硅解决了与FZ硅相关联的许多限制，但是由目前的技术制备的CZ硅也不是没有局限性。例如，硼是CZ硅内的常见杂质。为了生长具有足够高的纯度以直接实现这种高电阻率的CZ材料，硼浓度通常不超过1.3×10¹³原子/厘米³。在商业环境中制造具有或者超过这种纯度等级的CZ硅很困难且成本高昂。例如，通常需要完全合成的坩埚。但是，一旦实现了这种低硼浓度，会存在第二个挑战，即存在热施主。由于CZ硅内存在间隙氧，所以在用作集成电路制造过程的一部分的热处理期间产生热施主。

热施主的形成在低电阻率晶片内通常不是问题，这是因为在通常形成热施主的高于300℃并小于500℃的温度范围内的停留时间比较短，通常为大约1到2个小时，并且在n型或p型掺杂中引入的多数载流子通常将占主导。但是，对于其中添加的掺杂剂浓度低的高电阻率应用，在器件处理步骤内形成热施主是影响最终晶片电阻率的主要因素。(参见例如W.Kaiser et al，Phys.Rev.，105，1751，(1957)，W.Kaiser et al，Phys.Rev.，112，1546，(1958)，Londos et al，Appl.Phys.Lett.，62，1525，1993)。因此，对于高电阻率CZ应用，残留的间隙氧浓度将对器件处理期间的热施主形成率产生很大影响。

到目前为止，针对CZ热施主问题提出的解决方案基本上涉及相同的方法：即，这些方法试图抑制硅衬底内的氧浓度使其远低于单独通过CZ方法可实现的氧浓度。其思想是，对于初始衬底电阻率的每个目标值，存在足够低的氧浓度，从而热施主的产生将不是问题。通常，此方法包含使生长进入的(grown-in)间隙氧从固溶体沉淀出的热处理。但是，此方法成本高且费时，它包括长时间处于高温下，通常数十个小时。

发明内容

因此，简而言之，本发明针对一种高电阻率CZ单晶硅晶片。该晶片具有至少150mm的标称直径，并且包含热施主浓度[TD]和受主浓度[A]，其中比率[TD]∶[A]在大约0.8∶1和大约1.2∶1之间。

本发明还针对一种包含CZ单晶硅衬底的高电阻率硅结构，该衬底具有热施主浓度[TD]和受主浓度[A]，其中比率[TD]∶[A]在大约0.8∶1和大约1.2∶1之间。

本发明还针对一种具有CZ单晶硅衬底的高电阻率硅结构，该衬底包含硼并且具有远大于基于所述硼的浓度计算出的电阻率的电阻率。在一个优选实施例中，该电阻率比基于硼浓度计算出的电阻率大至少大约5或者大约10倍。

本发明还针对一种高电阻率CZ单晶硅晶片，所述晶片具有至少大约150mm的标称直径，包含硼，并且具有远大于基于所述硼的浓度计算出的电阻率的电阻率。在一个优选实施例中，该电阻率比基于硼浓度计算出的电阻率大至少大约5或者大约10倍。