外延硅片和外延硅片的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及外延硅片和外延硅片的制造方法。
【背景技术】
[0002] 以往已知使外延膜在由硅单晶切割得到的硅片的表面上气相生长而得到的外延 晶片。
[0003] 外延膜中的氧浓度低时，例如在设备工艺等的热处理中，有时外延膜中产生位错， 该位错发生伸展。因而，进行了用于防止这种位错伸展的研究(例如参照专利文献1)。
[0004] 专利文献1中发现外延膜表面的氧浓度与位错的发生有关，并记载了 ：通过将该外 延膜表面的氧浓度设定为1.0X 1017~12X 1017atoms/cm3(ASTM F-121，1979)，能够防止位错 的伸展。并且记载了 ：作为具有这种特性的外延晶片的制造方法，在外延膜的形成工序后， 进行用非氧化性气氛或氧化性气氛处理的氧浓度设定热处理工序。
[0005] 通过进行非氧化性气氛的氧浓度设定热处理工序，固溶于硅片的氧向外延膜扩 散，外延膜的氧浓度上升。
[0006] 另外，通过进行氧化性气氛的氧浓度设定热处理工序，在外延膜的表面形成氧化 膜，该氧化膜的氧向外延膜的内部扩散，并且，硅片的氧向外延膜扩散，外延膜的氧浓度上 升。
[0007] 现有技术文献 专利文献 专利文献1:日本特开2010-141272号公报。
【发明内容】
[0008] 发明要解决的课题 然而，专利文献1记载那样的制造方法中，氧浓度设定热处理工序用与外延膜的形成工 序所用的制造装置不同的装置例如立式炉、单片炉来进行，因此制造设备变多。另外，在外 延膜的形成工序与氧浓度设定热处理工序之间，需要在设备间搬运外延硅片，制造效率降 低。因此，存在外延硅片的制造成本增加的问题。
[0009] 本发明的目的在于，提供能够抑制位错伸展而不会招致制造成本增加的外延硅 片、以及外延硅片的制造方法。
[0010] 用于解决问题的手段 本发明人重复进行了深入研究而着眼于:在将外延硅片的温度从外延膜生长时的温度 开始降低的降温工序中，通过控制降温速率，存在能够控制从硅片向外延膜扩散的扩散量、 即能够控制外延膜的氧浓度的可能性。因而，本发明者进行如下实验。
[0011] 〈实验 1> 利用cz法(切克劳斯基法)制造氧浓度不同的多种单晶锭，由各个单晶锭切出硅片。将 硅片的氧浓度（以下，有时称为"基板氧浓度"）示于表1。
[0012]将硅片的（100)面作为镜面研磨面，使膜厚（以下有时称为"外延膜厚"）为3wii的外 延膜生长于该镜面研磨面。外延膜的生长在三氯硅烷等气体气氛中以1150°C左右的温度进 行。并且，通过在表1所示那样的降温速率（以下有时称为"外延处理的降温速率"）下进行外 延膜生长后的降温工序，将外延硅片冷却至室温，测定外延膜的氧浓度。氧浓度的测定利用 sms(二次离子质谱仪)进行。将距离外延膜表面(硅片的相反侧的表面)的深度尺寸为0.5ii m~l. Own的范围内的平均氧浓度（以下有时称为"表层氧浓度"）示于表1。
[0013] 进而，针对用上述工艺制作的外延硅片进行应力负载试验。
[0014]首先，从外延硅片切出长度3cm、宽度1.5cm的测定用样品。接着，用显微维氏硬度 计对测定用样品的表面(外延膜的表面)施加2g载荷并保持10秒钟，从而导入压痕。并且，以 2cm的支点间距离、800 °C的试验温度对测定用样品实施3点弯曲试验。此时，施加2N的载荷， 使拉伸应力作用于测定用样品的表面侧。
[0015]其后，针对冷却至室温的测定用样品实施2wii的光蚀，使用光学显微镜测定是否存 在从导入至外延膜的压痕产生的外延膜表面处观察到的位错坑。将测定结果示于表1。
[0016] [表 1]
[0017] 如表1所示那样可知：若基板氧浓度恒定，则外延处理的降温速率越小，换言之越 是缓慢冷却，则外延硅片的表层氧浓度变得越高。
[0018] 另外，如表1所不那样可知:若外延娃片的表层氧浓度为2 ? 5 X 1016atoms/cm3(ASTM F-121，1979 )以上，则没有位错伸展(没有位错坑）。
[0019]进而，针对在没有位错伸展的条件下制作的外延硅片，进行了模拟半导体设备制 造工艺的热处理。具体而言，依次进行1000 °C下1小时、900 °C下1小时、800 °C下2小时、650 °C 下3小时的4阶段热处理。另外，各热处理的气氛制成氮气与氧气的混合气氛(氧浓度为3%)。 其后，针对进行了热处理的外延硅片进行上述应力负载试验。
[0020]关于用上述条件进行了热处理的外延硅片可知:没有位错的伸展。
[0021 ]在本实验1中，可知：为了消除位错的伸展，距离外延膜表面的深度尺寸为0.5wn~ 1 .Own的位置的氧浓度为2.5X 1016atoms/cm3以上即可。另一方面，专利文献1中记载了：为 了消除位错的伸展，距离外延膜表面的深度尺寸为80nm~200nm(0.08_~0.2mi)的位置的氧 浓度设定于1 ?〇 X 1017atoms/cm3~12 X 1017atoms/cm3。此处，一般来说，外延膜的氧浓度在娃 片侧变高、在外延膜的表面侧变低，因此，可以认为在专利文献1的构成中，与本实验1为相 同深度位置的氧浓度为1 .OX 1017atoms/cm3~12X 1017atoms/cm3以上。
[0022] 由以上内容可知:与专利文献1的构成相比，即使降低外延膜的氧浓度也能够消除 位错的伸展。
[0023] 本发明是基于上述那样的见解而完成的。
[0024] 即，本发明的外延硅片的特征在于，其为在硅片的表面设置有外延膜的外延硅片， 前述外延膜中的不包括该外延膜的表面在内的位置的氧浓度为2.5 X 1016at〇ms/Cm3(ASTM F-121，1979)以上且不足1 ? 0 X 1017atoms/cm3。
[0025] 另外，本发明的外延硅片的制造方法的特征在于，其为在硅片的表面设置有外延 膜的外延硅片的制造方法，其具备如下工序:使前述外延膜在前述硅片的表面生长的外延 膜生长工序、以及将前述外延硅片的温度从使前述外延膜生长时的温度开始下降的降温工 序，前述降温工序中控制前述外延硅片的降温速率，以使前述外延膜中的不包括该外延膜 的表面在内的位置的氧浓度达到2.5X 1016atoms/cm3(ASTM F-121，1979)以上。
[0026] 根据本发明的外延硅片的制造方法，通过在降温工序中控制降温速率，能够充分 提高外延膜表层部的氧浓度，能够制造可抑制位错伸展的外延硅片。另外，无需设置外延膜 的形成工序以外的工序，因此不会招致制造效率的降低和制造设备的增加。因此，不会招致 制造成本的增加。
[0027] 另外，根据本发明的外延硅片，通过将不包括外延膜表面的位置的氧浓度确保为 至少2.5 X 1016atoms/cm3以上，能够在设备工艺的热处理过程中充分抑制位错的伸展，即使 氧浓度不足1. 〇 X 1017atoms/cm3也能够充分抑制位错的伸展。需要说明的是，氧浓度越高则 越能够增大抑制位错伸展的效果，但会导致制造成本的上升，并不实用。如上所述，本发明 的外延晶片能够提供可抑制位错伸展而不会招致制造成本增加的外延硅片。
[0028] 需要说明的是，本发明中的"外延硅片的温度"包括外延硅片的实际温度和使外延 膜生长时用于容纳硅片的部件(例如，外延装置的反应容器）内的温度这两者。
[0029] 本发明的外延硅片中，前述硅片的氧浓度优选为10X1017atoms/cm 3以上且18X 1017atoms/cm3(ASTM F-121，1979)以下。
[0030] 此处确认了：即使氧从硅片向外延膜扩散，基板氧浓度(硅片的氧浓度)在扩散前 后也基本不变。
[0031] 根据本发明的外延硅片，通过使用将基板氧浓度设定至上述范围的硅片，能够利 用仅控制外延生长处理的降温速率的简单方法而使不发生位错伸展的量的氧扩散至外延 膜。
[0032] 另外，本发明人基于上述实验1的结果进行了以下的实验2、3。
[0033] 〈实验 2> 将外延膜厚设定为2wii，并将基板氧浓度和外延处理的降温速率设定为以下表2的条 件，除此之外，利用与实验1相同的条件进行外延硅片的制作和应力负载试验，测定在外延 膜表面观察到的位错坑。将测定结果示于表2。
[0034] [表 2]
[0035] 〈实验 3> 将外延膜厚设定为4wii，并将基板氧浓度和外延处理的降温速率设定为以下表3的条 件，除此之外，利用与实验1相同的条件进行外延硅片的制作和应力负载试验，测定在外延 膜表面观察到的位错坑。将测定结果示于表3。
[0036] [表 3]
[0037] 如表1~表3所示那样可知：无论外延膜厚如何，若基板氧浓度恒定，则外延处理的 降温速率越小、换言之越缓慢冷却，则越可消除位错的伸展。
[0038] 另外，虽然表2、3中并未示出，但没有位错伸展的外延硅片的表层氧浓度为2.5X 1016atomS/cm3以上。另一方面，具有位错伸展的外延硅片的表层氧浓度不足2.5X 1016atoms/cm3〇