外延晶片及其制造方法

专利名称：外延晶片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及外延晶片(epitaxial wafer)及其制造方法，详细而言， 涉及不必使用完全的SOI结构的硅晶片、即可以高精度地薄化外延晶 片、谋求降低成本的外延晶片及其制造方法。
背景技术：
已知通过在硅晶片的表层形成埋入氧化膜，从而在埋入氧化膜的 晶片表面側形成包含单晶硅的活性层的SOI (绝缘体上生长的硅外延 晶片，Silicon on insulator)晶片。另外，作为SOI晶片中的一种，正在 开发SIMOX (Separation by Implanted OXygen)晶片。在SIMOX晶片 中，通过从晶片表面向硅晶片的表层注入氧离子以形成离子注入层， 之后对硅晶片进行热处理，从而使离子注入层成为埋入氧化膜(埋入氧 化硅膜)。
SIMOX晶片通过使外延膜在其表面生长以形成外延SIMOX晶 片，从而被用作摄影元件(element)中的一种^CIS (CMOS图像传感器， CMOS Image Sensor)用晶片(例如专利文献1)。图像传感器是指利用半 导体与光反应的性质来捕获影像信息的装置。在CIS中，吸收拍摄外 部被摄物体影像的光，通过作为光敏元件(element)的光电二极管聚集 光电荷。
就CIS用的外延SIMOX晶片而言，在元件(device)形成过程中， 在其外延膜的表面形成元件(device)，之后，在外延膜的表面贴附硅制 晶片。接下来，通过从SIMOX晶片的反面侧起研削和研磨或蚀刻， 以减小SIMOX晶片的厚度。结果得到在外延膜的反面侧(与贴附的晶片之间)埋入有元件(device)的晶片。
此时的氧离子注入条件如下温度为200。C 600。C，注入能量为 20~220 keV，离子注入量为1.5x1017atoms/cm2~2xl018atoms/cm2。当 晶片的薄膜化从硅移向埋入氧化膜时，埋入氧化膜被用作研磨停止材 或蚀刻停止材。这利用的是下述原材料的特性即由于氧化硅与硅的 硬度不同，晶片的研磨阻力发生变化；或者，由于氧化硅和硅对蚀刻 液的蚀刻速率不同，蚀刻速度发生变化。 专利文献1:日本特开2005-333052号公报

发明内容
发明所要解决的课题
如上所述，以往的CIS用晶片以SIMOX晶片作为本体，氧离子 注入量为1.5xl017atoms/cm2~2xl018atoms/cm2。因此，假设在微粒附 着在晶片表面的状态下进行离子注入，则在埋入氧化膜与微粒的对峙 部分产生氧化膜中断的缺陷。在离子注入层的高温退火时，上述缺陷 会导致晶片表面产生凹坑(pit)。即，通过高温退火使离子注入层成为 埋入氧化膜时，在除缺陷部分以外的部分，随着硅的氧化而出现膜厚 增加的现象。随之，在与缺陷部分对峙的硅晶片的部分形成凹坑。以 此为原因，外延生长时在外延膜的表面也会产生凹坑，外延膜的表面 缺陷增加。这是由于硅效仿晶片表面的形状进行生长的缘故。
制造外延SIMOX晶片时，晶片的倒棱部(外周部)不必进行氧离子 的注入。因此，在晶片外周部不存在埋入氧化膜。由此，外延生长时 利用晶片外周部的温度的不均匀化，在外延膜中，不存在埋入氧化膜 的晶片外周部分变厚，在晶片外周部产生滑移(slip)。
并且，在以往的CIS用晶片中，使外延膜在具有埋入氧化膜的 SIMOX晶片表面生长。因此，CIS用晶片需要高温退火，即依据SIMOX 晶片的制造方法，在130(TC以上的高温下对离子注入层进行热处理， 形成包含氧化硅膜的埋入氧化膜。其结果，高温退火装置、特别是SiC制部材的费用增多，外延SIMOX晶片的制造成本上升。
于是，发明人深入研究的结果，发现当氧离子注入量较以往减少， 形成具有硅粒和硅氧化物混合存在的不完全埋入氧化膜的外延晶片 时，上述所有问题点均得以解决，从而完成了本发明。需要说明的是，
以往的外延SIMOX晶片中，在除晶片外周部以外的晶片面内的所有 区域，埋入氧化膜(完全埋入氧化膜)连续。
本发明可以防止在氧离子注入时因微粒附着在晶片表面而产生 外延膜的表面缺陷，防止因外延膜的外周部温度不均而产生晶片外周 部的滑移。而且，本发明的目的在于提供具有金属杂质等的吸除部位、 同时可以降低晶片制造成本的外延晶片及其制造方法。
解决课题的方法
(1)本发明为外延晶片，在该外延晶片中，外延膜在硅晶片的表 面生长，并且通过从上述硅晶片的表面向硅晶片的表层注入氧离子、 以及对该离子注入后的上述硅晶片进行热处理，形成硅粒和硅氧化物 混合存在的不完全埋入氧化膜。
根据上述(l)所述的发明，氧离子注入量较以往的外延SIMOX晶 片的埋入氧化膜的情形有所减少，并且在温度比以往的高温退火低 的、例如外延生长时对离子注入部分进行热处理。由此，在硅晶片的 表层形成不完全埋入氧化膜。因此，与以往的石圭氧化物连续的埋入氧 化膜的情形有所不同，在不完全埋入氧化膜中，氧化膜的膜厚几乎不 会随着硅的氧化而增加。.
其结果，假设在微粒附着在晶片表面的状态下进行离子注入，即 使在晶片表层内产生氧化膜中断的缺陷，也能抑制晶片表面产生凹 坑，进而抑制在晶片表面生长的外延膜的表面产生凹坑。由此，可以 防止离子注入时因微粒附着在晶片表面而引起的外延膜的表面缺陷。 而且，与以往的带有埋入氧化膜的外延SIMOX晶片相比氧离子注入 量少、并且不需要高温退火。因此，与外延SIMOX晶片相比可以降低成本。
另外，该外延晶片中，当外延膜生长时，在晶片面内不完全埋入 氧化膜的形成区域和此外的晶片外周部区域，外延膜的生长不会产生 速度差。这是由于晶片面内的温度分布均匀的缘故。其结果，象以往
的带有埋入氧化膜的外延SIMOX晶片那样，外延膜的外周部分的膜 厚增大的可能性小，可以抑制晶片外周部产生滑移。而且，不完全埋 入氧化膜还兼具硅晶片中所含有的金属杂质的吸除部位。因此，可以 防止硅晶片进而防止元件(device)的金属污染。
外延晶片因埋入氧化膜的有无的不同，而有别于外延SIMOX晶 片。即，在外延晶片中，不是埋入氧化膜、而是不完全埋入氧化膜被 埋入其表层。
硅晶片可以采用单晶硅晶片。对硅晶片的表面进行镜面加工。 硅晶片的直径例如为200 mm、 300 mm、 450 mm等。 "硅晶片的热处理"是指，能够在硅晶片的表层形成不完全埋入氧 化膜的温度(900 1200。C)下进行的热处理。例如，可以采用外延膜生 长时的热处理、元件(device)形成过程中的热处理等。
"硅晶片的表层"是指距硅晶片表面0.05 0.5 〃m的深度范围。不足 0.05;wm时，硅晶片的表面缺陷增加。而超过0.5^m时，无法适应市 售的离子注入机，必需使用离子注入能量大的特殊的注入机。
"不完全埋入氧化膜"是指埋入硅晶片表层的、不完全的氧化硅膜。 而且，在"不完全埋入氧化膜，，中，由含有Si02的SiOx形成的析出氧 化物或带状氧化物等硅氧化物与硅粒以预定比例混合存在，所述硅粒 是硅晶片中的硅通过氧的离子注入而粒状化的硅粒。不完全的氧化硅 膜是指，在离子注入层的整个区域非连续地(断续地)形成氧化硅膜的 状态。
不完全埋入氧化膜的厚度为0.05-0.5/mi。不足0.05/mi时，在硅 晶片的薄化处理时无法充分发挥终点检测部的功能。而超过0.5 //m 时，氧的离子注入时间变长，外延晶片的生产率降低，导致成本上升。"从不完全埋入氧化膜到硅晶片的表面侧"是指晶片表层中不完全 埋入氧化膜与晶片表面之间的部分。
(2) 本发明为外延晶片，其中，通过从上述硅晶片的表面向硅晶 片中注入氧离子，之后对该硅晶片进^f亍热处理，在该硅晶片中注入上 述氧离子的整个区域连续形成上述不完全埋入膜。
"硅晶片中注入氧离子的整个区域"是指不包括晶片倒棱部的整个 平坦度适用区域。
(3) 本发明为外延晶片的制造方法，在该方法中，通过从硅晶片 的表面注入氧离子，在上述硅晶片的表层形成离子注入层，注入该离 子之后，立即使外延膜在上述硅晶片的表面生长，同时利用外延生长 中的晶片加热进行上述离子注入层的热处理，从而形成硅粒与硅氧化 物混合存在的不完全埋入氧化膜，并且从该不完全埋入氧化膜起到上 述硅晶片的表面側形成活性层。
根据上述(3)所述的发明，离子注入时硅晶片表层中的氧离子注入 量较以往的外延SIMOX晶片时少。另外，离子注入层的热处理与温 度较外延SIMOX晶片时的高温退火低的外延生长同时进行。如此操 作，在硅晶片的表层形成不完全埋入氧化膜。因此，与以往的不含硅 粒、且硅氧化物连续的埋入氧化膜的情形有所不同，在不完全埋入氧 化膜中，氧化膜的膜厚几乎不会随着硅的氧化而增加。
其结果，假设在微粒附着在晶片表面的状态下进行离子注入，即 使在晶片表层内产生氧化膜中断的缺陷，也可抑制晶片表面产生凹 坑，进而抑制在晶片表面生长的外延膜的表面产生凹坑。由此，可以 防止氧离子注入时因微粒附着在晶片表面而引起的外延膜的表面缺 陷。而且，与以往的带有埋入氧化膜的外延SIMOX晶片相比氧离子 注入量少，并且不需要高温退火。因此，不需要高温退火装置，成本 比外延SIMOX晶片低。
另外，外延生长时，在晶片面内，相对于以往的埋入氧化膜的形 成区域和此外的晶片外周部区域，外延膜的生长不会产生速度差。因此，象以往的具有埋入氧化膜的外延SIMOX晶片那样，外延膜的外 周部分的膜厚增大的可能性小，可以抑制晶片外周部产生滑移。而且， 不完全埋入氧化膜还兼具硅晶片中所含有的金属杂质的吸除部位。因 此，可以防止硅晶片进而防止元件(device)的金属污染。
离子注入可以按照低能量法(100keV以下)、低剂量法、改良低剂 量法中的任一种SIMOX工艺的离子注入来进行。无论采用哪一种方 法，优选氧的离子注入量为该SIMOX工艺时的50~80°/。。
氧离子注入时，晶片的加热温度例如为200°C 600°C。低于200。C 时，在硅晶片的表层残留有氧的大的注入损伤。而超过60(TC时，来 自离子注入机的脱气量增加。
氧的注入能量为20~220 keV。不足20keV时，硅晶片的表面缺 陷变大。而超过220keV时，无法适应市售的离子注入机，必需使用 离子注入能量大的特殊的注入机。
氧的离子注入量为lx1015 atoms/cm2 4xl017 atoms/cm2。不足 lxi015atoms/cm2时，在硅晶片的薄化处理时无法充分发挥终点检测部 的功能。而超过4xl017atoms/cm2时，氧的离子注入时间变长，外延 晶片的生产率下降，导致成本上升。
氧的离子注入深度为0.05~0.5 ^m。氧的离子注入可以只进行一 次，也可以分多次注入。还可以以多种注入能量注入氧离子。
"刚注入离子之后"是指在离子注入与后续的外延生长之间不介入 其它热处理。
作为通过外延生长形成的外延膜的原材料，可以釆用单晶硅。通 常，外延生长的种类有气相法(VPE)、液相法(LPE)、固相法(SPE)。 特别是在硅的外延生长中，从生长层的结晶性、量产性、装置的简便 性、各种元件(device)结构形成的容易性等方面考虑，主要采用化学气 相生长法(CVD)。
利用CVD法进行的硅的外延生长可如下进行例如将含硅的源 气(source gas)与载气(通常为H2气)一同导入反应炉内，使通过原料气体的热分解或还原而生成的硅在加热至1000。C以上的硅单晶的基板 (按照cz法制作)上析出，从而进行硅的外延生长。需要说明的是，含
硅化合物有多种，但从纯度、反应速度、处理的容易性等方面考虑，
通常使用SiH4、 SiH2Cl2、 SiHCl" SiCU这四种。
作为所使用的外延生长炉，例如可以使用高频诱导加热型或灯加 热型生长炉等。
外延膜的厚度为l~20/mi。不足l〃m时，无法在外延膜上形成元 件(device)。而超过20/mi时，外延晶片的生产率下降，导致成本上升。
外延生长温度(晶片的热处理温度)为1000~1200°C。低于1000°C 时，外延膜的结晶性降低。而超过1200。C时，容易在晶片外周部产生 滑移。
外延生长时间(晶片的热处理时间)为1~20分。不足1分钟时，无 法得到预定的外延膜。而超过20分钟时，容易在晶片外周部产生滑 移。
(4)本发明为外延晶片的制造方法，在该方法中，通过从硅晶片 的表面注入氧离子，在上述硅晶片的表层形成离子注入层，刚注入该 离子之后，立即对上述离子注入层进行热处理，从而形成硅粒与硅氧 化物混合存在的不完全埋入氧化膜，并且从该不完全埋入氧化膜起到 上述硅晶片的表面側形成活性层，进行上述热处理之后，立即使外延 膜在上述硅晶片的表面生长。
根据上述(4)所述的发明，在离子注入中，硅晶片表层的氧离子注 入量较以往的外延SIMOX晶片时少，离子注入层的热处理通过比外 延SIMOX晶片时的高温退火的温度低的退火来进行。如此操作，在 硅晶片的表层形成不完全埋入氧化膜。因此，与以往的埋入氧化膜的 情形有所不同，在不完全埋入氧化膜中，氧化膜的膜厚几乎不会随着 硅的酸化而增加。
其结果，假设在微粒附着在晶片表面的状态下进行离子注入，即 使晶片表层内产生氧化膜中断的缺陷，也可以抑制晶片表面产生凹坑，进而抑制在晶片表面生长的外延膜的表面产生凹坑。由此，在氧 的离子注入时，可以防止因微粒附着在晶片表面而引起的外延膜的表
面缺陷。而且，与以往的带有埋入氧化膜的外延SIMOX晶片相比氧 的离子注入量少，并且不需要高温退火。因此，不需要高温退火的SiC 制部材，比外延SIMOX晶片的成本低。
由于在离子注入后立即进行退火、之后进行外延生长，所以通过 退火而析出的氧形成吸除部位，可以形成高品质的外延膜。
另外，外延生长时，在晶片面内，相对于以往的埋入氧化膜的形 成区域和此外的晶片外周部区域，外延膜的生长不会产生速度差。因 此，象以往的具有埋入氧化膜的外延SIMOX晶片那样，外延膜的外 周部分的膜厚增大的可能性小。由此，可以抑制因温度不均引起的晶 片外周部的滑移的产生。而且，不完全埋入氧化膜还兼具硅晶片中所 含有的金属杂质的吸除部位。因此，可以防止硅晶片进而防止元件 (device)的金属污染。
在形成不完全埋入氧化膜的退火中，晶片的加热温度为 900°C~1200°C。低于卯0。C时，氧析出量少。而超过1200。C时，需要 超高温退火用的特殊的退火炉。
退火中晶片热处理时间为0.5-4小时。不足0.5小时时，氧析出 量少。而若超过4小时，则外延晶片的生产率下降，导致成本上升。
(5)本发明为外延晶片的制造方法，在该方法中，通过从硅晶片 的表面注入氧离子，在上述硅晶片的表层形成离子注入层，该离子注 入之后，立即使外延膜在上述硅晶片的表面生长，在该外延生长后对 上述离子注入层进行热处理，从而形成硅粒与硅氧化物混合存在的不 完全埋入氧化膜，并且从该不完全埋入氧化膜起到上述硅晶片的表面 侧形成活性层。
根据上述(5)所述的发明，由于在外延生长后(包括在元件(device) 处理过程中的热处理)进行退火，所以与退火后进行外延生长的情况相 比氧析出量少，可以得到表面粗糙度小的外延膜。退火中晶片加热温度和热处理时间与上述(4)的情形相同。
(6) 本发明为上述(3)~(5)中任一项所述的外延晶片的制造方 法，其中上述离子注入在上述硅晶片的加热温度为200。C以上、氧离 子注入量为1 xl015 atoms/cm2~4x 1017atoms/cm2的条件下进4亍。
离子注入中的晶片加热温度低于20(TC时，在晶片表层残留氧离 子注入时的损伤。离子注入中优选的加热温度为300°C 600°C。需要 说明的是，通过在200 30(TC的低温下进行离子注入，与下述(7)所示 的分两次进行离子注入的情况相同，可以得到增大氧析出量的效果。
离子注入中的氧离子注入量不足lxl015 atoms/cm2时，在硅晶片 的薄化处理时无法充分发挥终点检测部的功能。而超过4xl017 atoms/cn^时，氧的离子注入时间变长，外延晶片的生产率降低，导致 成本上升。
(7) 本发明为上述(3)~(5)中任一项所述的外延晶片的制造方 法，其中，上述离子注入如下进行在上述硅晶片的加热温度为200°C 以上、氧离子注入量为lxl0"atoms/cm2 4xl0"atoms/cm2的条件下， 通过向上述硅晶片的表层注入氧离子，形成氧离子注入层；形成该氧 离子注入层后，在上述硅晶片的加热温度低于200°C、氧离子注入量 为1 xl015atoms/cm2~4xl016atoms/cm2的条件下，通过向上述氧离子注 入层的晶片表面侧注入氧离子，形成无定形层。
根据上述(7)所述的发明，第1次离子注入(第1离子注入)中，在 加热温度为200。C以上、氧离子注入量为lx1015 atoms/cm2~4xl017 atoms/cm2的条件下向硅晶片的表层注入氧离子。由此，在晶片表层形 成氧离子注入层。在随后的第2次离子注入(第2离子注入)中，在加 热温度4氐于200。C 、氧离子注入量为1 x 1015 atoms/cm2~4x 1016 atoms/cm2 的条件下，从氧离子注入层起到晶片表面侧形成无定形层。之后，通 过对硅晶片实施外延生长，在晶片表层形成连续层合的两层式不完全 埋入氧化膜。
在上述离子注入条件下，不仅氧离子注入层、就连无定形层也成
12为不完全埋入氧化膜的构成体的一部分，因此无定形层使氧析出量增 大。
氧离子注入层与无定形层的上下位置关系是任意的。氧离子注入 层可以在无定形层之上，也可以在其之下。但由于从氧离子注入层起 到晶片表层侧形成损伤，所以通常以无定形层作为上层。
第2离子注入中，在晶片表层中，将氧离子注入到与氧离子注入 层大致相同的深度。
氧离子注入层的厚度为0.025-0.25 〃m。不足0.025 ^m时，在硅 晶片的薄化处理时无法充分发挥终点检测部的功能。而超过0.25 ^um 时，氧的离子注入时间变长，外延晶片的生产率降低，导致成本上升。
无定形层的厚度为0.025-0.25 ,m。不足0.025 /mi时，在硅晶片 的薄化处理时无法充分发挥终点检测部的功能。而超过0.25 pm时， 氧的离子注入时间变长，外延晶片的生产率降低，导致成本上升。
这里的向硅晶片表层注入氧离子按照SIMOX晶片的改良低剂量 法(MLD; Modified Low Dose)来进行。改良低剂量法是指，在低剂量 SIMOX法中，通过在室温附近以低剂量进行最后的氧离子注入，形 成无定形层，可以以更低的剂量形成BOX的方法。
在第1离子注入中，若硅晶片的加热温度低于200°C,则在晶片 表层残留氧离子注入时的损伤。第l离子注入中，优选的加热温度为 300°C~600°C。
在第1离子注入中，当氧离子注入量不足lxl015 atoms/cm2时， 在硅晶片的薄化处理时无法充分发挥终点检测部的功能。而超过 4xl017atoms/cm2时，氧的离子注入时间变长，外延晶片的生产率降低， 导致成本上升。
在第2离子注入中，当硅晶片的加热温度超过200。C时，离子注 入时晶片表层的损伤不充分，无法形成无定形层。第2离子注入中， 优选的加热温度为室温 100。C。当温度在上述范围内时，在晶片表层 能够形成可形成无定形层的离子注入损伤。在第2离子注入中，当氧离子注入量不足1.0xl0"atoms/cn^时， 离子注入时晶片表层的损伤不充分，无法形成无定形层。而超过4xl016 atoms/cn^时，氧的离子注入时间变长，外延晶片的生产率降低，导致 成本上升。
外延生长温度为1000 1200°C。低于100(TC时，外延膜的结晶性 降低。而超过120(TC时，在晶片外周部容易发生滑移。
(8)本发明为上述(4)或(5)所述的外延晶片的制造方法，其中， 上述热处理中，在上述硅晶片的加热温度为90C) 1200。C下进行0.5 4 小时的加热。
退火温度低于900'C时，在注入了氧离子的区域氧的析出量少。 超过120(TC时，需要使用超高温退火用的特殊的退火炉。
若退火时间不足0.5小时，则在注入了氧离子的区域氧析出量少。 若超过4小时，则外延晶片的生产率下降，导致成本上升。
发明效果
根据上述(1)和上述(3) ~ (5)所述的发明，氧的离子注入量较以往 少，并且通过在比高温退火的温度低的外延生长时或离子注入后的预 定时的退火进行离子注入层的热处理。由此，在硅晶片的表层形成不 完全埋入氧化膜。因此，与以往的埋入氧化膜的情形有所不同，即使 对石圭进行热氧化，不完全埋入氧化膜的膜厚也几乎不会增加。而且， 与外延SIMOX晶片相比可以降低成本。
其结果，假设在微粒附着在晶片表面的状态下进行离子注入，即 使在晶片表层内产生氧化膜中断的缺陷，也可以抑制外延膜产生凹 坑，减少外延膜的表面缺陷。
另外，象以往的具有埋入氧化膜的外延SIMOX晶片那样，外延 膜的外周部分的膜厚增大的可能性小，可以抑制晶片外周部发生滑 移。而且，不完全埋入氧化膜还兼具硅晶片中所含的金属杂质的吸除 部位。因此，可以防止硅晶片的金属污染。根据上述(7)所述的发明，在第1 (第l次)离子注入中，在加热温 度为200。C以上、氧离子注入量为lx1015 atoms/cm2~4xlQ17 atoms/cm2 的条件下，向硅晶片的表层注入氧离子，形成氧离子注入层。之后， 在第2(第2次)离子注入中，在加热温度低于200。C、氧离子注入量为 1 x 1015 atoms/cm2 4xl016 atoms/cm2的条件下，在氧离子注入层的晶片 表面侧形成无定形层。接下来，使外延膜在硅晶片的表面生长时，由 下层的氧离子注入层和上层的无定形层形成连续层合的两层式不完 全埋入氧化膜。由此，无定形层使氧析出量增大。


图1是本发明实施例1的外延晶片的包括部分扩大图在内的截面图。
图2是显示本发明实施例1的外延晶片的制造方法的离子注入步 骤的截面图。
图3是显示本发明实施例1的外延晶片的制造方法的外延生长步 骤的截面图。
图4是显示本发明实施例1的外延晶片的制造方法的元件(device) 形成步骤的截面图。
图5是显示本发明实施例1的外延晶片的制造方法的晶片贴合步 骤的截面图。
图6是显示在本发明实施例1的外延晶片的表面研磨时，研磨布 与不完全氧化膜接触时研磨扭矩的变动的曲线图。
图7是显示在本发明实施例1的外延晶片的制造方法中硅晶片中 的氧离子注入量与热处理条件的关系的图。
图8是显示在本发明实施例1的外延晶片的表面研磨时，研磨布 与不充分的不完全氧化膜接触时研磨扭矩的变动的曲线图。
图9是显示本发明实施例1的外延晶片的制造方法的薄膜化步骤 的截面图。图10是本发明实施例2的外延晶片的截面图。
图11是显示本发明实施例2的外延晶片的制造方法的第1离子 注入步骤的截面图。
图12是显示本发明实施例2的外延晶片的制造方法的第2离子 注入步骤的截面图。
符号说明
10、 10A:外延晶片 11:硅晶片
12:不完全埋入氧化膜
13:活性层
14:外延膜
17:离子注入层
18:无定形层
30:外延生长炉
a:硅粒
b:硅氧化物
具体实施例方式
以下，对本发明实施例1的外延晶片及其制造方法进行说明。在 此，以CIS用的外延晶片为例。
实施例
图1~图6中，10为本发明实施例1的外延晶片，制造该外^4.晶 片10时，首先，从硅晶片11的表面向硅晶片11中注入氧离子。之 后，对硅晶片ll进行热处理，在硅晶片11的表层形成硅粒a与硅氧 化物b混合存在的不完全埋入氧化膜12。由此，从不完全埋入氧化膜 12起到硅晶片11的表面侧形成活性层13,并且使外延膜14在硅晶片11的表面生长。
以下，对外延晶片IO进行详细说明。
硅晶片11的厚度为775;tmi，直径为300 mm,主表面的轴方位为 〈100〉的轴方位。
硅晶片11通过依次进行以下步骤来制作。即，利用CZ法从坩锅 内的硅熔液中提取硅单晶，之后将硅单晶切成块、研削外周后，再用 线状锯(wire saw)切成多片薄晶片。接下来，对各晶片进行倒棱、摩擦、 蚀刻、研磨、清洗。
对如此操作而得到的硅晶片11实施氧的离子注入步骤(图2),即 从硅晶片ll的表面注入氧离子，在硅晶片ll的表层形成离子注入层 15。进行离子注入步骤之后，立即将硅晶片11插入外延生长装置的 腔室(夕卜延生长炉)30中，使外延膜14在硅晶片11的表面生长。与此 同时，通过对离子注入层15进行热处理，在晶片表层内形成硅粒a 与硅氧化物b混合存在的不完全埋入氧化膜12。而且，依次实施从不 完全埋入氧化膜12起到硅晶片11的表面侧形成活性层13的外延生 长步骤(图3)。
在离子注入步骤中，向离子注入装置中插入硅晶片11,在晶片的 加热温度为400。C、 50 keV、 1.5x1017 atoms/cm2的条件下，从晶片表 面向硅晶片ll的表层注入氧离子。由此，在距硅晶片11表面0.1/zm 的深度形成包含低级氧化物SiO、 Si203等的离子注入层15。
在外延生长步骤中，将硅晶片11配置在单片式气相外延生长装 置的反应室内，利用气相外延法使外延膜14在硅晶片11的表面生长。
气相外延生长装置是在上下配设有加热器的腔室30的中央部， 平视水平配置有圆形感受器161的装置。在感受器161表面的中央部 形成有凹状的晶片收纳部171,所述晶片收纳部171将硅晶片11以正 反面水平横置的状态收纳。另外，在腔室30的一侧部配设有一对气 体供给口 ，该气体供给口使预定的载气(H2气)和预定的源气(SiHCl3气) 在腔室30的上部空间平行于晶片表面流动。在腔室30的另一侧部形成有两气体的排气口。
外延生长时，首先，将硅晶片11配置在感受器161的晶片收纳
部171中，使晶片正反面水平。接下来，使载气和源气通过对应的气 体供给口导入反应室内。使炉内压力达到0.1 KPa， ^f吏通过源气的热 分解或还原而生成的硅以2 /mi/分钟的反应速度在加热至IIOO'C的高 温的硅晶片ll上析出。由此，使厚5 pm的硅单晶的外延膜14在硅 晶片11的表面上生长。
与此同时，通过外延生长时的晶片加热，进行离子注入层15的 热处理。由此，形成由含有Si02的SiOx形成的析出氧化物或带状氧 化物等硅氧化物b与硅粒a以预定比例混合存在的不完全埋入氧化膜 12，所述硅粒a是硅晶片11中的硅通过氧的离子注入而粒状化的硅粒。 不完全埋入氧化膜12的厚度为0.1 ;mi。而且，从不完全埋入氧化膜 12起到硅晶片11的表面侧形成厚度为0.05 /mi的活性层13。此时， 由于活性层13和外延膜14包含相同的硅，所以两者一体化。如此操 作，制成外延晶片10。
接下来，将得到的外延晶片10移送至元件(device)形成步骤中。 在此，对外延膜14的表面施行预定的光学处理，形成元件(device)151 (图4)。之后，在外延膜14的表面贴附直径300mm、厚775〃m的硅 晶片11 (图5)。然后，从外延晶片IO的反面侧进行研削、研磨，以减 小厚度。此时，不完全埋入氧化膜12发挥选择性除去外延晶片10的 氧化物层的功能。即，不完全埋入氧化膜12在晶片薄膜化移向不完 全埋入氧化膜12时作为研磨停止材。当晶片的表面研磨到达硅氧化 物时，研磨布与不完全埋入氧化膜12接触而滑动。此时，研磨装置 的研磨扭矩降低，通过检测该扭矩，可以检测研磨的停止时刻(图6的 曲线图)。
形成该不完全埋入氧化膜12的氧离子注入条件与石圭晶片11的退 火条件见图7的图示。在图7的图示中，形成不完全埋入氧化膜12 的条件的区域为B区域和C区域。在A区域中，如图8的曲线图所示，不完全埋入氧化膜12的形成不充分，无法检测明确的研磨扭矩
的降低。需要说明的是，D区域是在以往的外延SIMOX晶片中形成 的完全埋入氧化膜的区域。
需要说明的是，作为该晶片的薄膜化处理，可以采用蚀刻来代替 外延晶片IO的研削和研磨。这种情况下，不完全埋入氧化膜12发挥 蚀刻停止材的功能。蚀刻方法有湿蚀刻和干蚀刻。湿蚀刻时，通过使 用HF/HN03/CH3COOH溶液或碱类溶液(例如KOH),当从硅晶片11 蚀刻到不完全埋入氧化膜12时，由于硅与硅氧化物的原材料的蚀刻 速率不同，不完全埋入氧化膜12的蚀刻速度降低。但由于不完全埋 入氧化膜12的湿蚀刻停止功能不完全，所以必需监测膜厚的变化。
干蚀刻时，有将材料暴露于反应气体中的方法(反应性气体蚀刻) 和反应性离子蚀刻等，所述反应性离子蚀刻是指，利用等离子体将气 体离子化/自由基化来进行蚀刻。反应性气体蚀刻中^f吏用的气体通常为 XeF2,而反应性离子蚀刻中使用的气体通常为SF6、 CF4、 CHF3。另 外，按照等离子体发生法进行分类时，可以使用容量结合型、诱导结 合型、ECR-RIE等。由于露出的不完全埋入氧化膜不是完全的氧化 ^:膜，所以通过研磨可以除去。另外，还可以采用下述方法，即通过 在600 1000。C下进行1分钟~30分钟左右的氧化热处理使露出的不完 全埋入氧化膜形成完全的硅氧化物，之后利用HF溶液将其除去。
如此操作，得到在外延膜14的反面侧(与硅晶片11之间)埋入有 元件(device)151的CIS用的外延晶片10 (图9)。
如上所述，在实施例1的外延晶片10中，氧离子注入量较以往 的外延SIMOX晶片的埋入氧化膜的情形(2.5x1017 atoms/cm勺有所减 少。而且，在温度比以往的高温退火(1350。C)低(1100。C)的外延生长时 对离子注入层15进行热处理。
因此，在硅晶片11的表层形成不完全埋入氧化膜12。由此，与 以往的硅氧化物b连续的埋入氧化膜的情形有所不同，在不完全埋入 氧化膜12中，氧化膜的厚度几乎不会随着硅的氧化而增加。其结果，假设在微粒附着在晶片表面的状态下进行离子注入，即使在晶片表层 内产生氧化膜中断的缺陷，也可抑制晶片表面产生凹坑，进而抑制在 晶片表面生长的外延膜14的表面产生凹坑。由此，在氧的离子注入
时，可以防止因微粒附着在晶片表面而引起的外延膜14的表面缺陷。 而且，与以往的外延SIMOX晶片相比氧的离子注入量少，并且不需 要高温退火步骤，所以比外延SIMOX晶片的成本低。
另外，在外延生长时，由于晶片面内的温度分布的均匀化，在晶 片表面相对于不完全埋入氧化膜12的形成区域和此外的晶片外周部 区域，外延膜14的生长几乎不存在速度差。因此，象以往的外延 SIMOX晶片那样，外延膜14的外周部分的膜厚增大的可能性小，可 以抑制晶片外周部发生滑移。而且，不完全埋入氧化膜12还兼具硅 晶片11中所含有的金属杂质的吸除部位。由此，可以防止硅晶片11 进而防止元件(device)的金属污染。
接下来，参照图10~图12,对本发明实施例2的外延晶片及其制 造方法进行说明。
如图10~图12所示，本发明实施例2的外延晶片IOA的特征在 于离子注入步骤由形成下层氧离子注入层17的第1离子注入步骤 和形成上层无定形层18的第2离子注入步骤构成。其中，17、 18两 层在热处理时成为一体，实质上形成不完全埋入氧化膜12这一层。
上述两层结构的离子注入层17、 18如下制作。
即，首先在第1离子注入步骤中，在晶片的加热温度为400°C、 216keV、 1.2xl0"atoms/cm2的条件下，从晶片表面向硅晶片11的表 层注入氧离子。由此，在距硅晶片11表面0.5 ;mi的深度形成氧离子 注入层17 (图11)。
接下来，对硅晶片11施行第2离子注入步骤。即，使晶片的加 热温度达到40。C，在216keV、 4xl015atoms/cm2的条件下，从晶片表 面向珪晶片ll的表层注入氧离子。由此，在距硅晶片11表面0.4/mi 的深度(氧离子注入层17的上侧)形成无定形层18 (图12)。之后，通过对硅晶片11施行实施例1的外延生长步骤，在距晶
片表面5.3 /mi的深度形成厚度为0.2 /mi的实质上为一层的不完全埋 入氧化膜12。通过如此构成，可以将不完全埋入氧化膜12厚膜化。 其它构成、作用、效果与实施例l大致相同，所以省略说明。 接下来，对本发明实施例3的外延晶片的制造方法进行说明。 在本发明实施例3的外延晶片10的制造方法中，与实施例1同 样，向硅晶片11中注入氧离子的步骤仅进行一次。进行外延生长步 骤之后，立即实施在预定条件下加热硅晶片11的退火步骤。由此， 即4吏在外延生长后是不充分的不完全埋入氧化膜12,通过在外延生长 后进行退火步骤，也成为本来的不完全埋入氧化膜12。
外延生长时的热处理条件如下热处理温度为U5(TC,热处理时 间为3.5分钟。退火步骤中的热处理条件为在1%的氧气气氛中，热 处理温度为1200°C、热处理时间为30分钟。
如上所述，由于仅进行一次离子注入步骤、之后施行两次热处理 以形成不完全埋入氧化膜12,所以氧析出量少，可以形成表面粗糙度 小的外延膜。
需要说明的是，可以按照相同的退火条件，在即将进行外延生长 步骤之前进行外延生长步骤后的退火步骤。这种情况下，退火步骤中 析出的氧形成吸除部位，可以形成高品质的外延膜。
其它构成、作用和效果与实施例1大致相同，所以省略i兌明。 接下来，对本发明实施例4的外延晶片的制造方法进行说明。 在本发明实施例4的外延晶片IOA的制造方法中，与实施例2,同 样，向硅晶片11中注入氧离子的步骤进行两次(通过第1离子注入步 骤形成氧离子注入层17,通过第2离子注入步骤形成无定形层18)。 而且，进行外延生长步骤之后，立即施行在预定条件下加热硅晶片11 的退火步骤。 外延生长时的热处理条件如下热处理温度为1150°C、热处理时 间为3.5分钟。退火步骤中的热处理条件为在氩气气氛中，热处理温度为120(TC、热处理时间为4小时。
如上所述，由于进行两次离子注入步骤、之后施行两次热处理以 形成不完全埋入氧化膜12,所以氧析出量少，可以形成表面粗糙度小 的外延膜。
需要说明的是，可以按照相同的退火条件，在即将进行外延生长 步骤之前进行外延生长步骤后的退火步骤。这种情况下，退火步骤中 析出的氧形成吸除部位，可以形成高品质的外延膜。
其它构成、作用和效果与实施例2大致相同，所以省略说明。
产业实用性
本发明例如可以作为CIS用等的外延晶片。
权利要求
1.外延晶片，其中，外延膜在硅晶片的表面生长，并且通过从上述硅晶片的表面向该硅晶片的表层注入氧离子、以及对该离子注入后的上述硅晶片进行热处理，形成硅粒和硅氧化物混合存在的不完全埋入氧化膜。
2. 权利要求l所述的外延晶片，其中，通过从上述硅晶片的表面 向该硅晶片中注入氧离子，之后对该硅晶片进行热处理，在该硅晶片 中注入上述氧离子的整个区域连续而形成上述不完全埋入膜。
3. 外延晶片的制造方法，其中，从硅晶片的表面注入氧离子.， 在上述硅晶片的表层形成离子注入层；注入该离子之后，.立即使外延膜在上述硅晶片的表面生长，同时 利用外延生长中的晶片加热进行上述离子注入层的热处理，从而形成 硅粒与硅氧化物混合存在的不完全埋入氧化膜，并且从该不完全埋入 氧化膜起到上述硅晶片的表面侧形成活性层。
4. 外延晶片的制造方法，其中，从硅晶片的表面注入氧离子， 在上述硅晶片的表层形成离子注入层；注入该离子之后，立即对上述离子注入层进行热处理，从而形成 硅粒与硅氧化物混合存在的不完全埋入氧化膜，并且从该不完全埋入 氧化膜起到上述硅晶片的表面侧形成活性层；进行上述热处理之后，立即使外延膜在上述硅晶片的表面生长。
5. 外延晶片的制造方法，其中，从硅晶片的表面注入氧离子， 在上述硅晶片的表层形成离子注入层；注入该离子之后，立即使外延膜在上述硅晶片的表面生长； 在该外延生长后，对上述离子注入层进行热处理，/人而形成硅粒与硅氧化物混合存在的不完全埋入氧化膜，并且从该不完全埋入氧化膜起到上述硅晶片的表面侧形成活性层。
6. 权利要求3 5中任一项所述的外延晶片的制造方法，其中上述离子注入在上述硅晶片的加热温度为20(TC以上、氧离子注入量为 1 x1015 atoms/cm2~4xl017atoms/cm2的条件下进4亍。
7. 权利要求3~5中任一项所述的外延晶片的制造方法，其中， 上述离子注入如下进4亍在上述硅晶片的加热温度为200。C以上、氧离子注入量为lxl015 atoms/cm2~4x 1017atoms/cm2的条件下，通过向上述硅晶片的表层注入 氧离子，形成氧离子注入层；形成该氧离子注入层后，在上述硅晶片的加热温度低于200°C、 氧离子注入量为1 x 1015atoms/cm2~4x 1016atoms/cm2的条件下，通过向 上述氧离子注入层的晶片表面侧注入氧离子，形成无定形层。
8. 权利要求4或5所述的外延晶片的制造方法，其中，上述热 处理中，在上述硅晶片的加热温度为900 1200。C下进行0.5-4小时的 力口热。
全文摘要
本发明提供可以防止产生外延膜的表面缺陷和该膜外周部的滑移、具有吸除部位、还可以降低制造成本的外延晶片及其制造方法。减少硅晶片表层中的氧离子注入量，在温度低的外延生长时对离子注入层进行热处理，在表层形成不完全埋入氧化膜。因此，可以降低晶片的成本。另外，即使氧化膜因离子注入的状况不佳而中断，也可以抑制外延膜产生凹坑，减少膜的表面缺陷。另外，可以防止膜的外周部的厚度增加，可以抑制晶片外周部的滑移。而且，不完全埋入氧化膜还兼具吸除部位，因此可以防止外延晶片的金属污染。
文档编号H01L21/02GK101615577SQ20091014983
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年6月19日
发明者足立尚志, 远藤昭彦, 野野垣嘉久, 青木嘉郎 申请人:胜高股份有限公司