专利名称：制造硅外延晶片的方法和硅外延晶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造硅外延晶片的方法，和该方法制造的外延晶片。
背景技术：
具有公知的技术用于在具有在硅单晶衬底上外延生长的硅单晶膜的硅外延晶片(在下文中也简称外延晶片)中通过离子注入其硅单晶膜的工艺形成包含杂质的离子注入层(在下文中也称作硅外延层或简称作外延层)，以及进一步形成另一外延层以由此保留离子注入层作为掩埋层。在一些情况下，在制造元件例如功率MOSFET和垂直双极晶体管的工艺中，必须在外延晶片中形成深度方向较长的杂质添加区(在本说明的下文中也称作垂直添加区)。平面MOSFET产的电流通路主要在杂质添加区的平面内方向，而垂直添加区的制造产生了允许电流在该区的厚度方向上传导的优点，和减小元件导通电阻的优点。
可以通过如特开2001-139399号公报中所述的方法形成深垂直添加区，所述方法重复生长外延层的步骤和离子注入的步骤，但是这会带来容易增加工艺步骤的数量和成本的缺点。特开2002-196573号公报和特开2002-141407号公报因此公开了这样的技术，用于通过在硅单晶衬底的主表面上蚀刻形成沟槽(凹槽)，以及通过生长填充外延层以填充沟槽。
为了满足近来对于更高集成度的硅器件的需求，需要形成具有更小面积和更大深度的垂直添加区，而这需要相应的沟槽具有相当大的开口的深度与宽度的纵横比。特开2001-196573号公报指出一个问题，其中填充外延层当它在沟槽的内壁平面上生长时将关闭沟槽的开口部分，而且更可能在沟槽内留下空隙。作为解决该问题的一种具体方法，公开了这样的方法，一次中断填充外延层的生长、引入新的HCl气体以通过蚀刻除去在开口处阻塞的外延层的不需要部分，并重新开始生长填充外延层。
然而，特开2001-196573号公报没有详述在沟槽的开口处过剩生长填充外延层的根本原因。“如果开口即将被阻塞，就足以停止生长和蚀刻层”的观点只是症状处理，并未给出关键的解决方案。当然，重复外延生长和蚀刻的工艺是复杂和费力的，而且导致了增加的成本。
因此，本发明的主旨是提供制造硅外延晶片的方法，其不太可能因为填充外延层的过剩生长而在沟槽的开口部分处引起阻塞，并能有效抑制沟槽内的填充外延层中的空隙等的存在；同时提供能够实现高质量的硅外延晶片，以及甚至在大的沟槽的纵横比下只具有少量残余空隙等的填充外延层。
专利文献1特开2001-139399号公报；专利文献2特开2001-196573号公报；专利文献3特开2002-141407号公报；非专利文献1D.Kishimoto等人，the Journal of Crystal Growth，240(2002)，52；非专利文献2Ichiro Mizushima等人，Oyo Butsuri(The Japan Societyof Applied Physics)，69(2002)，1187；以及非专利文献3H.Kuribayashi等人，AVS 49thInternational Symposium，SS-TuP12，Nov.3-8(2002).
发明内容
本发明涉及一种制造硅外延晶片的方法，所述硅外延晶片具有在硅单晶衬底的主平面上形成的沟槽，所述沟槽的内部空间填充有由硅单晶构成的填充外延层，其中第一方面的特征在于在定义一角度范围作为过渡平面法线角度范围，并假设一区域作为过渡平面区域的情况下，所述角度范围允许所述衬底的所述主平面的法线矢量α和在所述沟槽的纵向上的内壁平面的法线矢量β以最小旋转角度交迭，所述区域包括在所述沟槽的所述纵向上的开口边缘，在所述过渡平面区域上法线矢量在所述过渡平面法线角度范围内连续改变，确定所述衬底的所述主平面的密勒指数(h1k1l1)和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面的密勒指数(h2k2l2)，以使平面{111}的法线矢量落在所述过渡平面法线角度范围之外；以及获得具有用所述密勒指数(h1k1l1)表示的所述主平面的硅单晶衬底，在所述衬底的所述主平面上形成具有用所述密勒指数(h2k2l2)表示的在所述纵向上的所述内壁平面的沟槽，并允许所述填充外延层在所述沟槽内生长。
本发明的硅外延晶片具有在硅单晶衬底的主平面上形成的沟槽，所述沟槽的内部空间填充有由硅单晶构成的填充外延层；以及在定义一角度范围作为过渡平面法线角度范围，并假设一区域作为过渡平面区域的情况下，所述角度范围允许所述衬底的所述主平面的法线矢量α和在所述沟槽的纵向上的内壁平面的法线矢量β以最小旋转角度交迭，所述区域包括在所述沟槽的所述纵向上的开口边缘，在所述过渡平面区域上法线矢量在所述过渡平面法线角度范围内连续改变，具有确定以使平面{111}的法线矢量落在所述过渡平面法线角度范围之外的所述衬底的所述主平面的密勒指数(h1k1l1)和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面的密勒指数(h2k2l2)。
可以理解，在下面的描述中，使用密勒指数将晶面指数表示为(hkl)(符号{hkl}用于代表性地表示多个结晶对称平面)，而将晶轴方向表示为[hkl](符号<hkl>用于代表性地表示多个结晶对称轴方向)。在密勒指数符号中，通常在指数上方给表示负指数的减号，而本专利说明书出于方便的原因采用将减号置于指数前的符号。
将在硅单晶衬底的表面上出现的晶面的法线矢量定义为具有从在其上具有整个晶体包括衬底的主平面MP和沟槽的内壁平面WP的侧面向在其上没有晶体的侧面的方向性。因此，如图20所示，可以理想化为包括在纵向上的沟槽的开口边缘的区域作为曲面GA，所述曲面在允许衬底的主平面的法线矢量α和内壁平面的法线矢量β交迭的过渡平面法线角度范围θ内，在其上法线γ矢量从法线矢量α侧到法线矢量β侧连续(且单调)变化(所述曲面可以近似为一组具有不同方向的法线矢量γ的微平面)。如果要精确表述，沟槽的开口边缘部分的表面几何学不可以称为具有以结晶连续方式变化的平面指数，但在技术认识中，鉴于理解开口边缘部分处的外延层的生长行为，几何理想化为如图20中所示的允许指数连续变化的曲面(例如，圆形平面)将不会带来问题。
本发明人发现使沟槽的开口更可能被过剩生长的填充外延层阻塞的关键因素在于，其中填充外延层的生长速率很大程度上取决于硅单晶的生长平面的方向，并且也容易受沟槽内壁平面和硅单晶衬底的主平面之间的平面方向的相互关系影响。更具体地说，在沟槽的开口边缘部分作为允许从衬底的主平面的平面方向向沟槽内壁平面的平面方向过渡的过渡平面区域的假设下，并在过渡平面区域包含用具体指数更具体地为平面{111}表示的平面的条件下，发现潜在地使沟槽的开口边缘部分阻塞的填充外延层的过剩生长部分变得更可能形成。
如图9中所示，在硅的外延生长中，平面{111}上的生长速率最小，并且生长速率从最小值根据与平面{111}的角度差异而大大的改变。生长速率在平面{110}上变得最大。现在讨论一些主平面指数，平面{100}上的生长速率比平面{110}上的小30％，平面{111}上的值最小，比平面{110}上的生长速率小50％或更多。对于如图10中所示的示例性情况，其中平面(111)(用[111]表示其法线)包括在包括沟槽开口边缘的过渡平面区域15中，外延层14的生长速率在给出法线[111]的边缘位置处最小，但是，由于生长速率的急剧增加，过剩生长部分3f的形成在从边缘到衬底2的主平面MP侧和到沟槽内壁平面WP侧的越远的位置处变得越不同。现在假设衬底主平面MP的法线矢量为α，而沟槽内壁平面WP的法线矢量为β，可以理解，允许法线矢量α与法线矢量β以最小旋转角度交迭的角度范围(过渡平面法线区域)将包括给出局部最小(并绝对值最小)生长速率的平面(111)的法线[111]。
因此在本发明中，假设包括在沟槽的纵向上的开口边缘的区域作为在其上法线矢量在过渡平面法线角度范围内连续变化的过渡平面区域，确定衬底主平面的密勒指数(h1k1l1)和沟槽内壁平面的密勒指数(h2k2l2)，以使平面{111}的法线矢量落在过渡平面法线角度范围之外。换言之，在其上给出最小生长速率的{111}平面被排除在过渡平面区域之外。这使得可以在由沟槽的开口边缘限制的衬底主平面MP侧上和在沟槽内壁平面WP侧上非常有效地抑制填充外延层的过剩生长，以及随后沟槽开口的窄化。结果，甚至在大的沟槽的纵横比下，在沟槽中的填充外延层内几乎不可能出现材料空隙等，这使得可以提高产量。如此获得的硅外延晶片质量极佳，在填充外延层(对应于附加垂直区域)中只有少量的残留空隙等。
下面是另一个可能的因素。也就是说，当在沟槽的开口边缘中包括平面{111}时，试图吸附在开口上的含Si吸附核素(通常为源自源气体分子的含Si原子团)对硅淀积不起作用，这是因为平面{111}在其上只允许比包括例如平面{100}和平面{110}的衬底主平面和沟槽内壁平面的其它平面允许的生长速率慢的多生长速率，而且变得更可能如图10中的箭头M所指进行迁移，从而流向衬底主平面侧和沟槽内壁平面侧。结果，在边缘{111}的两侧，含Si吸附核素变得更可能进行吸附并从而进行Si淀积和生长，以使得过剩生长更加不同，这是因为当受到迁移影响时含Si吸附核素的浓度向衬底主平面侧或向沟槽内壁平面侧局部变高，这也是因为当平面方向变得远离平面{111}时生长速率增加。换言之，因为在其上只允许小的生长速率的边缘{111}包括在开口边缘区域中，所以边缘{111}和其两侧上的区域之间的生长速率的差别产生所述迁移，以使源材料优先供给到边缘{111}的两侧，由此扩大边缘{111}和其两侧上的区域之间的生长量的差别，超出基于对相应于平面方向的静态生长速率的差别的估计，从而可以使得引起沟槽开口阻塞的过剩生长部分的形成更加不同。上述迁移已经在GaAs单晶上得到了证实，类似于在平面{111}和平面{100}上的面形成行为，典型地如D.Kisimoto等人，The Journal of Crystal Growth，240(2002)52中所述，根据Ichiro Mizushima等人，Oyo Butsuri(The Japansociety of Applied Physics)，69(2000)，1187和H.Kuribayashi等人，AVS 49thInternational Symposium，SS-TuP12，Nov.3-8(2002)，类似的迁移也很可能出现在硅单晶上。相反，本发明可以通过从开口边缘区域排除平面{111}来抑制迁移，同时可以有效抑制沟槽开口的窄化。
总结上述讨论，当在过渡平面法线角度范围内的中间角度位置处包括在其上允许最小生长速率的平面{111}时，当观察点从过渡平面区域上的由平面{111}构成的边缘位置移向任何一个沟槽内壁平面侧或移向衬底主平面侧时，Si的生长速率因此沿增加的方向改变，这使得由于过剩生长部分更可能出现沟槽开口的窄化。因此，通过从过渡平面区域排除平面{111}抑制了不一致。在此情况下，实施例的更加优选模式是，例如，确定衬底主平面的密勒指数(h1k1l1)和在沟槽的纵向上的内壁平面的密勒指数(h2k2l2)，以在过渡平面区域中，在衬底主平面和在沟槽的纵向上的内壁平面之间的中间角度位置处最大化硅的生长速率分布。换言之，如果生长速率的最大值位于过渡平面区域中的边缘位置处，那么当观察点从过渡平面区域上的由平面{111}构成的边缘位置移向任何一个沟槽内壁平面侧或移向衬底主平面侧时，硅的生长速率沿减小的方向改变。另外，从开口边缘排除在其上只允许小的生长速率的平面使得硅源材料向沟槽内壁平面侧和向衬底主平面侧的迁移几乎不可能出现。这使得可以大大抑制过剩生长部分的形成，并有效防止沟槽开口的窄化。
在有些情况下，随着填充外延层的生长工艺，外延层也在沟槽外的衬底主平面的区域上生长，其中如果不需要可以通过抛光除去外延层。抛光可以除去通过外延层生长工艺中在沟槽的开口边缘形成的部分。
考虑到单晶提拉的容易程度和价格优势，衬底(100)被广泛用于制造硅外延晶片的硅单晶衬底。上述特开2001-196573号公报敢于采用衬底(110)，目的在于通过各向异性湿蚀刻形成沟槽，其中为了获得衬底(110)，需要通过Czochralski法、浮区法等在主轴[110]周围生长硅单晶。然而，由于断层的出现，单晶[110]很可能异常地转变成多晶，而且问题在于几乎不可能制备具有大产量的异常重掺杂的单晶。
对于上述其中衬底主平面的密勒指数(h1k1l1)被定义为(100)的情况，优选将沟槽设置为使其深度方向与衬底的厚度方向一致，并设置为定义在纵向上的壁平面(沟槽内壁平面)的密勒指数(h2k2l2)以使在纵向上的壁平面以从5°到45°并包括两端的角度与四个{110}平面中的任何一个相交，所述{110}平面包括轴[100]附近的晶体区域。可以理解，多个具有不同平面指数但与单个共同晶轴平行对准的晶面被定义为关于所述晶轴的“所述包括的晶体区域”，其中所述晶轴被称为“晶体区域轴”。包括关于轴[100]的晶体区域的四个{110}平面是四个(011)、(0-11)、(0-1-1)和(01-1)平面(参照图11)。
对于如图13左面所示的其中衬底主平面为(100)(其中允许约4°的角度偏离幅度，广义上，其中衬底主平面在此情况下也可以被认为是(100)平面)，而沟槽内壁平面为(011)的情况，通过图13右面所示的两个表面上的法线矢量(晶轴方向指数)[100]和
指定的过渡平面法线角度范围θ包括平面(111)上的法线矢量[111]。其中平面(100)和平面(011)相互相交的开口边缘部分将使平面(111)出现在其中，如图13左面所示。也就是说，开口边缘部分可以理解为允许在过渡平面法线角度范围θ内连续变化的过渡平面区域。
图15示出了外延层的生长速率如何在过渡平面法线角度范围θ内变化，在范围θ上，平面方向从(100)通过(111)过渡到(011)。在这里，通过假设平面(111)上的速率为6的相对值表示生长速率。从图中发现，落在角度范围θ的原点上的沟槽内壁平面(011)在所有平面中显示出最大的生长速率(相对基础之上的13)，相反，出现在角度范围θ中间的平面(111)在所有平面中显示出最小的生长速率(相对基础上的6)。包括开口边缘的平面(111)和衬底主平面(100)之间的生长速率的差别ΔE1出现为相对基础上的4，而相对于沟槽内壁平面的生长速率的差别ΔE2出现为7。生长速率的差别的和ΔE1+ΔE2的较大值趋于在开口边缘部分的周围给出较大的生长速率，而上述情况中的ΔE1+ΔE2出现为相对基础上的11。显著影响开口窄化的沟槽内壁平面(011)侧上的生长速率的差别ΔE2尤其出现为7。也就是说，如图10中所示，这构成了促进在沟槽开口处形成过剩生长部分的主要因素。
然而，如果沟槽内壁平面以预定角度与平面{110}相交就可以抑制过剩生长部分的形成，这是因为过渡平面法线角度范围θ以如图13右面的坐标中表示的远离<111>方向旋转，以使在其上允许最小生长速率的平面{111}从沟槽开口处的过渡平面区域中消失。考虑到如图11中所示包括关于轴[100]的晶体区域的四个{110}平面的对称性，沟槽内壁平面和平面{110}之间的相交角度可以为45°或更小。在此情况下，优选将沟槽内壁平面和平面{110}之间的相交角度设定为5°或更大，因为极其小的角度会导致在过渡平面中包括具有接近{111}的平面指数的更高指数的平面，而使得效果不明显。从图9中所示的生长速率的相对值的角度讲，优选基于生长速率的最小值，在过渡平面法线角度范围θ内将生长速率的差别的和ΔE1+ΔE2调节到相对值基础上的8或更小，尤其将关于沟槽内壁平面的生长速率的差别ΔE2调节到5或更小。
如上所述，仍然更加优选确定上述相交角度，并接着确定在纵向上的沟槽内壁平面的平面指数，以在衬底主平面侧和在纵向上的沟槽内壁平面侧之间的中间角度位置处最大化生长速率分布。例如，优选相交角度与包括关于轴[100]的晶体区域的四个{100}平面的任何一个相一致。如图12中所示，当衬底主平面为(100)而沟槽内壁平面为(010)时，平面{111}将不会出现在两个平面之间的过渡平面法线角度范围θ内。在此情况下，过渡平面法线角度范围θ包括平面(110)的法线。图14示出了外延层的生长速率如何在过渡平面法线角度范围θ上变化，在范围θ上，平面方向从(100)通过(111)过渡到(011)。可以看出，生长速率在平面(110)的位置处最大。沟槽内壁平面(010)侧上的生长速率的差别ΔE2出现为约3，而生长速率的差别的和ΔE1+ΔE2出现为约6。发现两个差别从图15中所示的ΔE2＝7和ΔE1+ΔE2＝11显著减小了。如图11中所示，包括沟槽内壁平面的(010)和相应的{110}平面的相交角度为45°。
从图14和图15之间的对比认识到，在将沟槽内壁平面从(011)变到(010)的过程中，过渡平面法线角度范围θ内的生长速率从增长趋势变为下降趋势。因此，与沟槽内壁平面为(010)的情况相比，其中间截面可以包括能够进一步减小生长速率的最大值并进一步减小生长速率的差别ΔE2(或和ΔE1+ΔE2)的相交角度，在此角度处，可以更好地抑制过剩生长部分的形成。然而，可以预期，在更高平面指数的沟槽内壁平面上生长的填充外延层在生长过程中可能在其生长平面上变粗糙，而且生长可能变得与预期的不一致。与此相反，具有方向{100}的沟槽内壁平面在此预期之外，并对过剩生长部分的形成有足够好的抑制效果，以至于除了特别优选用于本发明的实施例，别无他法。
接下来，本发明的制造硅外延晶片的方法的第二方面描述为包括通过以下步骤形成填充外延层将其中形成有沟槽的硅单晶衬底置于反应容器中并加热到预定生长温度，并将源气体供给到所述反应容器同时保持所述状态不变；以及在定义进入所述反应容器的所述源气体的流速作为所述源气体的临界流速的情况下，所述流速用于使关于用所述源气体淀积硅的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与所述生长温度一致，在所述生长温度下生长所述填充外延层同时以比所述源气体的所述临界流速大的流速将所述源气体供给到所述反应容器。
通过进一步的研究，本发明人发现，考虑到使硅均匀生长在沟槽内壁平面上，并考虑到使空隙几乎不可能在填充外延层中产生，有效的是将生长温度设定在不引起与源气体浓度相关的生长速率急剧变化的较低温度区域内，更具体地在允许硅淀积反应以反应速率决定的方式进行的温度范围内。另一方面，沟槽由底部闭合的空间组成，而在特别好的沟槽(具有1μm到3μm的开口宽度，以及20μm到50μm的深度，并都包括两端)中，所述空间基本上被通过与内壁平面的摩擦产生的扩散区占据，以至于源气体只能通过扩散供给到沟槽。当供给的源气体的流速如图16左边所示的那么小时，因为沟槽开口附近的硅淀积，通过扩散进来的源气体的消耗变得相对不同，而且沟槽底部周围源气体浓度变得短缺。生长速率(G.R.)因此甚至在反应速率决定区域中减小，而沟槽开口处硅的生长变得相对更可能进行，于是产生开口窄化的一个原因。
常规的硅外延生长采用超过源气体的过剩流速的载气体(例如H2气)，以使源气体的供给速率的调节对应于供给到反应容器，更具体是供给到沟槽开口的源气体的浓度的调节。图17示出了在不同的生长温度下在单独的供给速率下，同时将作为载气体的H2气的供给速率固定为50/min并改变源气体的供给速率，使用三氯硅烷(TCS:SiHCl3)作为源气体，硅的生长速率的测量结果的Arrhenius图。发现，在任何源气体的供给速率下，该图在较低温度侧的反应速率决定区域中和在较高温度侧的供给速率决定区域中显示出不同的斜率(即，硅生长反应的明显的激活能)。过渡温度被定义为落在通过分别将Arrhenius平面上的较低温度侧和较高温度侧的图进行线性回归获得的回归线的相交点上的温度。当源气体的供给速率增加时，过渡点移向较高温度侧。通过该结果，可以找出源气体的临界流速作为在其下预定生长温度与过渡温度一致的源气体的供给速率。例如，约1,000℃的生长温度给出了约11.5L/min的源气体的临界流速(该值特别针对单独的反应容器，并可根据具体的容器改变)。
在本发明的第二方面中，在定义进入所述反应容器的所述源气体的流速(供给速率)作为所述源气体的临界流速的情况下，所述流速用于使关于用所述源气体淀积硅的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与预定生长温度一致，以比所述源气体的所述临界流速大的流速将所述源气体供给到所述反应容器。如图17中所示，随着源气体的供给速率的增加，过渡温度移向较高温度侧，以使源气体的供给速率在源气体的临界流速上的增加意味着生长温度被无条件地设定在反应速率决定区域内。这因此使得可以增加在沟槽开口周围的源气体的浓度而保持反应速率决定区域，以供给足量的源气体深入到沟槽底部，如图16右面所示，即使源气体在沟槽开口的上部被消耗的更多或更少，并由此使得沟槽内壁平面上的生长速率的深度方向分布更加均匀。因此使得可以抑制在沟槽开口处的硅的过剩生长，于是有效防止开口的阻塞。当结合本发明的制造方法的第一方面时，本发明的制造方法的第二方面更加有效，而且可以进一步加强上述效果。
当确定进入反应容器的源气体的供给速度以获得在沟槽底部的源气体浓度等于或高于反应容器中的源气体浓度时，当以源气体的临界流速将源气体供给到反应容器时，上述效果变得更加明显。这成功地在从开口到底部变化的沟槽内壁平面的深度方向上的整个区域上确保了需要用于维持基于反应速率决定工艺的硅淀积反应的充足的源气体浓度，并使得生长速率的深度方向分布的均匀度达到很高程度。
在此情况下，可以供给源气体同时将反应容器内的压力保持为常压。“常压”在这里指落入1×105Pa的+/-10％的范围内的压力。当在常压的大气下将源气体供给到反应容器时，填充外延层的生长使得可以提升生长速率超过在减小压力的大气下的生长，并可以提高生产效率。较大的生长速率趋于对良好沟槽内的壁平面上的生长速率分布产生较大的影响，并趋于产生残留空隙等的问题，然而采用本发明的制造方法的第二方面(也作为第一方面的结果)可以有效抑制这样的不一致，并可以协调生产效率的提高和产率的提高。当使用具有大的用于硅淀积的反应效率的三氯硅烷时，该效果变得尤其明显。
接着，为了抑制在沟槽开口处的硅的过剩生长，将抑制填充外延层生长的生长抑制气体与源气体一起供给到反应容器也很有效。生长抑制气体可以是抑制源气体的分解反应的气体种类，但是采用用于(淀积)硅的蚀刻气体更有效。更具体地说，如图18中所示，现在假设将作为包括沟槽内壁平面的硅上的蚀刻剂的气体单独供给到沟槽，蚀刻的深度在沟槽开口周围较大，但会因为气体的消耗而逐渐向沟槽底部减小，如曲线(A)所示。另一方面，如在上面重复说明，当供给源气体以用硅填充沟槽(填充外延层)时，生长厚度在沟槽开口周围较大，但会因为气体的消耗而逐渐向沟槽底部减小，如曲线(B)所示。因此，进入反应容器的源气体和蚀刻气体的结合供给使得可以取消曲线(A)所示的蚀刻深度的深度方向分布和曲线(B)所示的生长厚度的深度方向分布，以有效抑制曲线(C)所示的沟槽开口周围的硅的过剩生长，以由此允许填充外延层在沟槽内壁平面上均匀生长。考虑到要加强上述效果，优选使用氯化氢作为蚀刻气体。
特开2001-196573号公报公开了一种交替重复供给源气体和供给蚀刻气体的方法，但是该方法，作为症状处理，基于通过中断供给源气体而代以供给蚀刻气体来除去过剩生长的部分的概念，不仅低效，而且无论如何也不能成功地允许填充外延层在沟槽内壁平面上均匀生长，这是因为该方法是在过剩生长部分在沟槽内壁平面上一次形成的假定之上，这也因为很难选择性地只除去过剩生长部分。
为了在沟槽内壁平面上获得均匀生长的填充外延层，关键是尽可能抑制沟槽开口周围过剩生长部分的产生，以尽可能防止沟槽底部周围的硅生长的抑制被置于不利于硅生长的条件之下。更具体地说，有效的是允许在确保蚀刻气体的供给速率决定模式的温度范围内进行蚀刻反应。因为蚀刻气体的高浓度，确保蚀刻气体的供给速率决定模式的温度范围的采用使得蚀刻效果迅速出现在开口周围，以抑制过剩的硅淀积，而蚀刻效果反而在蚀刻气体到达沟槽底部侧时迅速下降，并没有妨碍层的生长，这是因为蚀刻气体的浓度由于在开口周围的消耗而减小的缘故。
图19示出了在不同的蚀刻温度下同时将作为载气体的H2气的供给速率固定为50L/min并改变源气体的供给速率，使用氯化氢作为蚀刻气体的(100)硅单晶衬底的主平面的蚀刻速率的测量结果的Arrhenius图。类似于硅外延生长的情况(参照图17)，公知，在任何蚀刻气体的供给速率下，该图清楚地示出了较低温度侧的反应速率决定区域和较高温度侧的供给速率决定区域。过渡温度再次被定义为落在通过分别对Arrhenius平面上的较低温度侧和较高温度侧的图进行线性回归获得的回归线的相交点上的温度。当蚀刻气体的供给速率增加时，过渡点移向较高温度侧，以使可以找出蚀刻气体的临界流速作为在其下预定生长温度与过渡温度一致的蚀刻气体的供给速率。例如，约1,000℃的生长温度给出了约1.0L/min的蚀刻气体的临界流速(该值特别针对单独的反应容器，并可根据具体的容器改变)。
在此情况下，在定义需要用于使关于硅蚀刻的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与生长温度一致的进入所述反应容器的所述蚀刻气体的流速作为所述蚀刻气体的临界流速的情况下，可以说优选以比所述蚀刻气体的所述临界流速小的流速将所述蚀刻气体供给到所述反应容器。更具体地说，如从图19中所知，小于蚀刻气体的临界流速的蚀刻气体的流速的减小意味着生长温度将无条件地设定在供给速率决定区域中。这因此使得可以在沟槽开口处实施选择性蚀刻，并可以使沟槽内壁平面上的硅的生长速率的深度方向分布更均匀，而保持在供给速率决定区域。要注意，过小的蚀刻气体流速只会导致不充分的蚀刻效果，因此只要不在沟槽开口处留下过剩生长部分，优选确定蚀刻气体流速的下限。
图1为截面图，示意性地示出了本发明的示例性硅外延晶片；图2为截面图，示意性地示出了本发明的示例性硅外延晶片；图3为示意性截面图，示出了放大的沟槽；图4为说明制造图1中所示的晶片的示例性方法的第一工艺图；图5为相同的第二工艺图；图6为相同的第三工艺图；图7为示意性截面图，示出了在图5所示的工艺中使用的示例性气相生长设备；图8说明了常规制造方法的问题；图9示出了通过离平面(111)的角度的函数表示的在不同的晶面上外延生长硅的生长速率；图10为透视图，示意性地示出了在包括沟槽的开口边缘的过渡平面区附近形成过剩生长部分的过程；图11说明了具有(100)主平面的硅单晶衬底中的各平面方向的相互关系；图12说明了当衬底主平面为(100)而沟槽内壁平面为(010)时过渡平面法线角度范围；
图13说明了当衬底主平面为(100)而沟槽内壁平面为(011)时过渡平面法线角度围；图14示出了过渡平面法线角度范围θ内外延层的生长速率的改变，在该角度范围内，表面上的法线从[100]通过[110]过渡到
；图15示出了过渡平面法线角度范围θ内外延层的生长速率的改变，在该角度范围内，表面上的法线从[100]通过[111]过渡到
；图16说明了在反应速率决定区域中增加源气体超过源气体的临界流速的影响；图17示出了通过在单流速条件下在不同生长温度下硅的生长速率的测量结果的Arrhenius图，而以可变方式改变源气体的供给速率的设定；图18说明了与源气体一起供给蚀刻气体的影响；图19示出了通过在单流速条件下在不同温度下硅的蚀刻速率的测量结果的Arrhenius图，而以可变方式改变蚀刻气体的供给速率的设定；图20说明了过渡平面法线角度范围和过渡平面区的概念；图21为其中形成有平面缺陷部分的填充外延层的TEM观察图；以及图22为从中除去平面缺陷部分的填充外延层的TEM观察图。
标号说明1硅外延晶片2硅单晶衬底3填充外延层11沟槽122反应容器具体实施方式
下列段落将参考附图描述用于执行本发明的最佳方式。
图1为截面图，示意性地示出了本发明的示例性硅外延晶片。硅外延晶片1具有这样的结构，其中在掺杂P、As或Sb的n型硅单晶衬底2的衬底主表面MP上以规则间隔形成多个沟槽11，以将其纵向方向与预定方向对准，并用由掺杂B的p型硅单晶组成的填充外延层3填充每个沟槽11的内部空间。在每两个相邻的填充外延层3之间，形成源自衬底2的n型层区4。如图2中所示，也允许使用p型硅单晶衬底2，并允许形成填充外延层3作为n型层区。如图3中所示，沟槽11的深度为20μm到50μm，并包括两端，而沟槽11(填充外延层3)的宽度W1为1μm到3μm，并包括两端。同样，每两个相邻的填充外延层3、3之间的n型层区4(图2中的p型层区)的宽度为1μm到3μm，并包括两端。
在本实施例中，衬底主平面MP的平面指数为(100)而沟槽11的壁平面WP的平面指数为(010)。沟槽11(填充外延层3)的开口部分的宽度W1几乎等于底部的宽度W2，其中W1可以设定比W2宽(在此情况下，壁平面WP的平面指数将高于(010))。
下面的段落将描述制造硅外延晶片1的示例性方法。首先，如图4中所示，在n型硅单晶衬底2的衬底主平面上，形成氧化硅膜10作为热氧化物膜，作为用于形成通过公知的光刻技术形成的沟槽的窗口10w。然后通过例如反应离子蚀刻的干蚀刻工艺(可以允许湿蚀刻，但是为了增加沟槽的壁平面的陡峭度，更加优选干蚀刻)从窗口10w中暴露的表面在深度方向蚀刻衬底2，以由此形成沟槽11。然后通过湿蚀刻除去氧化硅膜10。特开2002-141407号公报中典型公开了用于形成沟槽的此类方法，并将在此不作详述。
下一步，如图5中所示，在衬底主平面MP侧上气相生长p型硅外延层13。在此工艺中，将硅单晶衬底2置于气相生长设备中，在预定温度下(例如，在1,130℃下在氢气中)退火，并在其上气相生长填充外延层3。
图7为气相生长设备121的侧视截面图。气相生长设备121具有扁平盒型反应容器122，其中通过在其一端形成的气体引入端口171，源气体SG通过流控制截面124以水平和单向的方式供给进入主容器123的内部空间。在主容器123中，将仅一个晶片W以近于水平的方式置于位于基座框架槽110中的基座112上。反应容器122在与其上形成有源气体引入管171的末端部分相反的其末端部分上，具有置于紧接文氏管形式延伸(drawn)截面129的气体释放端口128。通过其引入的源气体SG经过晶片W的表面，然后通过气体释放端口128被释放。通常使用三氯硅烷气体作为源气体SG。将三氯硅烷气体制备为通过将氢气吹入液体三氯硅烷(SiHCl3)中获得的具有恒定浓度的混合气体，然后引入管107同时通过阀门109控制其流速。另一方面，通过阀门105将用于稀释使用的氢气引入管108，两种气体被进一步混合，以最终调节三氯硅烷的浓度，然后允许通过源气体引入端口171流入反应容器122。另一方面，掺杂剂气体(通常将乙硼烷(B2H6)用于添加这里需要的p型杂质)初步用氢气等稀释，并通过管106供给到反应容器122，同时通过质量流量控制器(MFC)104控制其流速。通过电动机M将晶片W与基座112一起旋转，并在其上在源气体SB的供给下生长外延层，同时通过红外加热灯111加热。反应容器122中的压力可以设定为常压，但是为了避免外部气体的吸入，优选稍高于大气压。
在从850℃到1,100℃并包括两端的范围内调节生长温度。如前面参考图17说明的，初步确定需要用于使关于用三氯硅烷气体淀积硅的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与生长温度一致的源气体的临界流速，并以比源气体的临界流速更大的流速将三氯硅烷供给到反应容器122。更具体地说，确定进入反应容器122的三氯硅烷的供给速率，以获得在沟槽11的底部的三氯硅烷浓度等于或高于在以源气体的临界流速将源气体供给到反应容器122时在反应容器122中的三氯硅烷浓度。在该实施例中，在设定生长温度为约1,000℃的情况下，采用图17中所示的从18.5L/min到40L/min的条件范围。
与三氯硅烷一起，通过管102将作为蚀刻气体的氯化氢供给到反应容器122，同时通过阀门103控制其流量。如前面参考图19说明的，在定义需要用于使关于硅蚀刻的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与生长温度一致的进入反应容器122的氯化氢气体的流速作为蚀刻气体的临界流速的情况下，以比蚀刻气体的临界流速小的流速将氯化氢气体供给到反应容器122。在该实施例中，在设定生长温度为约1,000℃的情况下，采用图19中所示的从1.0L/min到0.8L/min的条件范围。
现在回过来参考图5，随着如上所述的外延层13的生长的进行，沟槽11的内部空间被硅外延层填充，此外延层最终将形成填充外延层3。外延层13具有在沟槽外面的衬底主平面MP的区域中淀积的不需要的生长层13a，该层将通过抛光除去，如图6中所示，并由此完成图1中所示的外延晶片1。
在此情况下，采用上述工艺步骤使得可以有效防止如图8中所示的空隙16a、16b残留在填充外延层3中的不一致。对此，可以总结出如下三个原因。
(关键点1)因为衬底主平面MP为(100)而沟槽内壁平面为(010)，所以在法线矢量α和法线矢量β之间或在沟槽11的开口边缘部分中形成的过渡平面法线角度范围，不包括平面{111}，而包括给出如图14中所示的最大生长速率的(110)。因此，当观察点从开口边缘部分移向沟槽内壁平面WP侧或移向衬底主平面MP侧时，硅的生长速率变小，这成功抑制了引起窄化沟槽11的开口的过剩生长部分的形成。
(关键点2)将生长温度设定在其中生长速率不以对三氯硅烷浓度极其敏感的方式改变的低温范围内，更具体地说，将生长温度设定在允许硅淀积反应基于反应决定工艺进行的温度范围内。另外，将三氯硅烷的流速设定为远大于源气体的临界流速，以给沟槽的底部供给充分浓度的三氯硅烷，即使在沟槽开口的上部消耗一定程度的源气体。这确保了充分的三氯硅烷浓度，需要用于维持基于反应速率决定工艺在沟槽内壁平面WP的整个部分上在从开口到底部变化的深度方向上的硅淀积反应，以使沟槽11的底侧上的生长速率可以赶上开口侧上的生长速率，并由此可以使生长速率的深度方向分布均匀。
(关键点3)与三氯硅烷同时供给作为蚀刻气体的氯化氢，而这会抑制沟槽11的开口附近的过剩生长部分的产生。另外，蚀刻反应总是在供给速率决定区域中进行，这是因为以小于相应于生长温度的蚀刻气体的临界流速的流速供给氯化氢。这允许蚀刻效应通过大的氯化氢浓度迅速出现在沟槽11的开口附近，并抑制过剩硅淀积，尽管当气体在开口端周围被消耗之后达到沟槽底部时，氯化氢的浓度会降低，从而蚀刻效应会明显下降并且不会影响层生长。因此，沟槽11的底侧上的生长速率可以赶上开口侧上的生长速率，并因此可以使生长速率的深度方向分布均匀。
现在讨论如图8中所示的填充外延层3中的空隙形成的情形，可以理解，过剩生长部分更可能在沟槽11的开口端附近结合，而这使得第一空隙16a更可能就在其下出现。另一方面，沟槽11底部周围的部分(也就是说，假设沟槽11的深度为d，比位置d/2更接近底部的位置)更可能引起供给的源气体的量的不足，这使得第二空隙16b更容易以例如单独留下的形式出现。因此，也可以理解，关键点1和3主要具有抑制过剩生长部分的作用，而关键点2主要具有促进沟槽底侧上的填充外延层3的生长的作用。如果将抛光深度设定为稍深，可以在抛光衬底主平面MP上的不需要的生长层13a的工艺中在一定程度上除去第一空隙16a，而第二空隙16b一旦残留下来，就不可能修复，从而可以理解工艺中考虑关键点2是极其重要的。这使得可以得到具有在比位置d/2(更优选d/5)更接近底侧的位置上没有空隙16b残留其中的填充外延层3的外延晶片。
如果沟槽内壁平面上的生长进行远超过沟槽底部上的生长时，沟槽内壁平面将在底部抬高之前互相结合，这使得平面缺陷部分，如两个壁平面结合的痕迹，更可能在填充外延层中在沟槽的深度方向上形成。当壁平面的结合在沟槽的深度方向上的某个区域中部分进行时，剩下的未结合的外围区域将被残留下来作为空隙。即使用肉眼看似乎没有残留下这样的空隙，一般也会在平面缺陷部分处残留大量断层和纳米尺寸的微空隙，如图21中的TEM观察结果所示。结果，在器件制造工艺中仍保留了失败的风险，例如，其中因为进入平面缺陷部分的重金属或任何其它杂质而造成污染，因为界面态的形成增加了漏电流，而减小了击穿电压。相反，如上所述在沟槽底部生长的彻底提升允许沟槽底部的抬升在沟槽内壁平面互相结合之前十分迅速的进行，这有效抑制了上述平面缺陷部分的形成，如图21中的TEM观察结果所示。在此情况下获得的填充外延层将在其中没有形成这样的平面缺陷部分，而且即使它可能形成，通常也可以通过抛光容易地除去，这是因为有效防止了缺陷底部的水平置于更接近沟槽的底部超过从口边缘的位置d/5。
权利要求
1.一种制造硅外延晶片的方法，所述硅外延晶片具有在硅单晶衬底的主平面上形成的沟槽，所述沟槽的内部空间填充有由硅单晶构成的填充外延层，包括以下步骤在定义一角度范围作为过渡平面法线角度范围，并假设一区域作为过渡平面区域的情况下，所述角度范围允许所述衬底的所述主平面的法线矢量α和在所述沟槽的纵向上的内壁平面的法线矢量β以最小旋转角度交迭，所述区域包括在所述沟槽的所述纵向上的开口边缘，在所述过渡平面区域上法线矢量在所述过渡平面法线角度范围内连续改变，确定所述衬底的所述主平面的密勒指数(h1k1l1)和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面的密勒指数(h2k2l2)，以使平面｛111}的法线矢量落在所述过渡平面法线角度范围之外；以及获得具有用所述密勒指数(h1k1l1)表示的所述主平面的硅单晶衬底，在所述衬底的所述主平面上形成具有用所述密勒指数(h2k2l2)表示的在所述纵向上的所述内壁平面的沟槽，并允许所述填充外延层在所述沟槽内生长。
2.根据权利要求1的制造硅外延晶片的方法，其中确定所述衬底的所述主平面的所述密勒指数(h1k1l1)和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面的所述密勒指数(h2k2l2)，以在所述过渡平面区域中，在所述衬底的所述主平面和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面之间的中间角度位置处，最大化硅的生长速率分布。
3.根据权利要求1或2的制造硅外延晶片的方法，其中通过以下步骤形成所述填充外延层将其中形成有沟槽的所述硅单晶衬底置于反应容器中并加热到预定生长温度，并将源气体供给到所述反应容器同时保持所述状态不变；以及在定义进入所述反应容器的所述源气体的流速作为所述源气体的临界流速的情况下，所述流速用于使关于用所述源气体淀积硅的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与所述生长温度一致，在所述生长温度下生长所述填充外延层同时以比所述源气体的所述临界流速大的流速将所述源气体供给到所述反应容器。
4.一种制造硅外延晶片的方法，包括以下步骤通过以下步骤形成填充外延层将其中形成有沟槽的硅单晶衬底置于反应容器中并加热到预定生长温度，并将源气体供给到所述反应容器同时保持所述状态不变；以及在定义进入所述反应容器的所述源气体的流速作为所述源气体的临界流速的情况下，所述流速用于使关于用所述源气体淀积硅的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与所述生长温度一致，在所述生长温度下生长所述填充外延层同时以比所述源气体的所述临界流速大的流速将所述源气体供给到所述反应容器。
5.根据权利要求3或4的制造硅外延晶片的方法，其中确定进入所述反应容器的所述源气体的供给速率，以获得在所述沟槽的底部的源气体浓度等于或高于在以所述源气体的所述临界流速将所述源气体供给到所述反应容器时在所述反应容器中可获得的所述源气体浓度。
6.根据权利要求3至5中任何一项的制造硅外延晶片的方法，其中供给所述源气体同时保持所述反应容器内的压力为常压。
7.据权利要求3至6中任何一项的制造硅外延晶片的方法，其中所述源气体为三氯硅烷。
8.据权利要求1至7中任何一项的制造硅外延晶片的方法，其中在所述生长温度下与所述源气体一起将抑制所述填充外延层生长的生长抑制气体供给到所述反应容器。
9.据权利要求8的制造硅外延晶片的方法，其中所述生长抑制气体为对硅有效的蚀刻气体。
10.据权利要求9的制造硅外延晶片的方法，其中所述蚀刻气体为氯化氢。
11.据权利要求9或10的制造硅外延晶片的方法，其中在定义进入所述反应容器的所述蚀刻气体的流速作为所述蚀刻气体的临界流速的情况下，所述流速用于使关于硅蚀刻的反应速率决定区域和供给速率决定区域之间的过渡温度与生长温度一致，以比所述蚀刻气体的所述临界流速小的流速将所述蚀刻气体供给到所述反应容器。
12.一种硅外延晶片，具有在硅单晶衬底的主平面上形成的沟槽，所述沟槽的内部空间填充有由硅单晶构成的填充外延层，包括在定义一角度范围作为过渡平面法线角度范围，并假设一区域作为过渡平面区域的情况下，所述角度范围允许所述衬底的所述主平面的法线矢量α和在所述沟槽的纵向上的内壁平面的法线矢量β以最小旋转角度交迭，所述区域包括在所述沟槽的所述纵向上的开口边缘，在所述过渡平面区域上法线矢量在所述过渡平面法线角度范围内连续改变，具有确定以使平面{111}的法线矢量落在所述过渡平面法线角度范围之外的所述衬底的所述主平面的密勒指数(h1k1l1)和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面的密勒指数(h2k2l2)。
13.根据权利要求12的硅外延晶片，其中确定所述衬底的所述主平面的所述密勒指数(h1k1l1)和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面的所述密勒指数(h2k2l2)，以在所述过渡平面区域中，在所述衬底的所述主平面和在所述沟槽的所述纵向上的所述内壁平面之间的中间角度位置处，最大化硅的生长速率分布。
全文摘要
定义允许衬底的主平面MP的法线矢量α和在填充有填充外延层的沟槽11的纵向上的内壁平面的法线矢量β以最小旋转角度交迭的角度范围作为过渡平面法线角度范围θ，并假设包括在沟槽的纵向上的开口边缘的区域作为在其上法线矢量在过渡平面法线角度范围θ内连续改变的过渡平面区域。然后确定衬底的主平面MP的密勒指数(h
文档编号H01L29/06GK1806313SQ200480016820
公开日2006年7月19日 申请日期2004年6月10日 优先权日2003年6月17日
发明者吉田知佐, 岛崎雅广 申请人:信越半导体株式会社