外延硅晶片及外延硅晶片的制造方法与流程

本发明涉及一种外延硅晶片及外延硅晶片的制造方法。

背景技术：

微细化发展的硅器件中，作为器件特性的提高策略，有时对器件活性层，即对晶片表面附近施加应变。

例如，提出有使sige层外延生长于单晶硅基板上，再使应变si层外延生长于该sige层上的应变硅晶片或者是取代sige层而表面氮化的晶片或者是soi晶片。

上述应变si层上，因相较于si晶格常数大的sige层而产生拉伸应变，因为这个应变，si的能带结构发生变化，衰减消除，载流子迁移率提高。因此，通过将该应变si层用作通道区域，与使用通常的块体硅的半导体基板的情况相比，能够实现1.5倍以上的载流子迁移高速化。因此，应变硅晶片非常适用于高速mosfet、modfet、hemt等。

然而，应变硅晶片中，因为施加于晶片表面附近的应变所产生的膜应力非常大，所以有会因该应变而产生朝向晶片表面侧的位错的情况。因此，进行为了抑制这样的位错的研究(例如，参考专利文献1)。

专利文献1中所记载的方法中，在外延生长后进行氧浓度设定热处理，并利用块体的向外扩散与表面氧化膜的向内扩散，试图通过提高外延膜表面的氧浓度来提高强度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-70091号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

然而，近年来因采用三维器件结构而施加于外延膜的应力增加，如专利文献1那样提高氧浓度的方法中，有无法获得充分的强度的可能性。

本发明的目的在于提供一种能够抑制位错产生的外延硅晶片及外延硅晶片的制造方法。

用于解决技术问题的方案

本发明人等反复进行了深入研究，结果发现到当提高外延膜表面的氮浓度时，即使因形成应变层而产生膜应力，也能够抑制位错的产生。并且，推测理由如下。

认为当在外延膜上形成应变层时，因为此时的膜应力，首先应变层与外延膜之间的界面会产生小位错，之后该小位错延展到外延膜。因此，推测到当提高外延膜的氮浓度时，氮会固定附着于上述界面的小位错，由该固定附着，而抑制了位错延展到外延膜。

本发明是基于上述的见解而完成的。

即，本发明的外延硅晶片的特征在于：在硅晶片的表面设置有由硅构成的外延膜，所述外延膜表面的氮浓度为5.0×10¹³atoms/cm³以上。

发明效果

根据本发明，能够提供一种即使在外延膜上形成有应变层，也能够抑制位错产生的外延硅晶片。

另外，本发明的外延膜表面的氮浓度是指以二次离子质量分析装置(sims)测定深度分布的氮浓度中，位于深度80nm以上且200nm以下的位置的氮浓度，优选为位于100nm的位置的氮浓度。其目的是因为在sims测定当中，硅晶片最表面试料污染的影响会导致无法测定氮浓度的关系，从而为了排除这个状况并且正确地判定基于向内扩散的影响。

本发明的外延硅晶片中，从所述外延膜表面起算的深度在3μm的位置的氮浓度优选为5.0×10¹³atoms/cm³以上。

根据本发明，即使因为器件工序中的热处理等导致外延膜表面的氮浓度下降，也能够将上述深度中的氮浓度维持在能够抑制位错产生的水准。

本发明的外延硅晶片中，优选在所述外延膜表面设置有产生10mpa以上到1000mpa的膜应力的应变层。

根据本发明，能够提供一种外延硅晶片，其能够使载流子迁移高速化且抑制位错的产生。

本发明的外延硅晶片中，所述硅晶片的氧浓度优选为10×10¹⁷atoms/cm³以上且15×10¹⁷atoms/cm³以下(astm1979)。

硅晶片的氧浓度小于10×10¹⁷atoms/cm³的情况下，外延膜可能无法获得充分的强度，大于15×10¹⁷atoms/cm³的情况下，外延膜上可能会产生由氧引发的缺陷。

根据本发明，能够抑制上述不良状况的发生。

本发明的外延硅晶片的制造方法，其特征在于，具备：外延膜形成工序，在三氯硅烷气体环境下，在硅晶片的表面形成由硅构成的外延膜；以及氮浓度设定工序，在氮气环境下，对在所述外延膜形成工序中形成了外延膜的硅晶片进行热处理而在所述外延膜上形成氮化膜，并利用该氮化膜的向内扩散来设定所述外延膜表面的氮浓度。

认为作为用于提高外延膜表面的氮浓度的方法有如下：例如在提高氮浓度的硅晶片上形成外延膜，并利用该硅晶片的向外扩散。然而，氮的扩散速度比较快，因此在这样的方法中，向外扩散的氮会透过外延膜而漏出外部，无法充分提高外延膜表面的氮浓度。

相对于此，本申请发明中，利用形成于外延膜上的氮化膜的向内扩散，从而将外延膜表面的氮浓度提高到即使形成应变层也能够抑制位错产生的水准。

本发明的外延硅晶片的制造方法中，具备自然氧化膜去除工序，其去除所述氮化膜形成之前的所述外延膜表面的自然氧化膜，其中所述氮浓度设定工序优选针对去除了所述自然氧化膜的硅晶片进行。

例如，使外延硅晶片移动到氮化膜形成用的热处理装置时，若外延膜暴露于包含氧的环境中，则其表面形成自然氧化膜。当外延膜表面存在自然氧化膜时，可能会阻碍氮朝外延膜而向内扩散。

本发明中，在氮化膜形成之前去除外延膜表面的自然氧化膜，从而能够使氮容易朝外延膜而向内扩散。

本发明的外延硅晶片的制造方法中，所述自然氧化膜去除工序使用与所述氮浓度设定工序相同的热处理装置，优选在氩气环境、氨气环境、以及氢气环境中任意一种环境下进行热处理。

根据本发明，去除自然氧化膜之后，只要通过变更热处理装置的环境这样简单的方法，便能够不将外延膜暴露于氧气环境下来形成氮化膜。

本发明的外延硅晶片的制造方法中，优选具备氮化膜去除工序，其去除所述氮化膜整体。

氮化膜有助于调整外延膜的氮浓度，但需要在器件形成之前去除。

根据本发明，能够省略器件制造商的氮化膜去除处理。并且，外延硅晶片制造商能够进行外延膜表面的检查，能够将品质受到保证的产品出货给器件制造商。

本发明的外延硅晶片的制造方法中，优选具备应变层形成工序，其在所述氮化膜去除工序之后露出的所述外延膜表面，形成产生10mpa以上到1000mpa的膜应力的应变层。

本发明的外延硅晶片的制造方法中，优选所述氮浓度设定工序中，所述热处理的温度x(℃)为850℃以上且1400℃以下，所述热处理的时间y(秒)为1秒以上，且以满足下式(1)的条件下进行所述热处理，

y≥1×10³⁴exp(-0.084x)……(1)。

根据本发明，只有使用上述式(1)的简单的方法，便能够将外延膜表面的氮浓度提高到即使形成应变层也能够抑制位错产生的水准。

附图说明

图1是本发明的一实施方式所涉及的外延硅晶片的剖视图。

图2是显示所述外延硅晶片的制造方法的流程图。

图3是显示在提供有所述外延硅晶片的器件工序中形成应变层的半导体基板的一例的说明图。

图4是显示本发明的实施例所涉及的氮浓度设定工序中热处理的温度和时间与有无位错产生的关系的图表。

具体实施方式

以下，参考附图说明本发明的一实施方式。

[外延硅晶片的结构]

如图1所示，外延硅晶片ew具备硅晶片wf、与设置于该硅晶片wf的表面的外延膜ep。

外延膜ep的膜厚t优选在0.1μm以上且20μm以下。优选在0.1μm以上的理由是因为一般来说sti结构形成在从外延膜ep的表面起算的深度为0.1μm以上的位置。并且，优选在20μm以下的理由是因为如大于20μm的厚度的情况下，有可能因为硅晶片wf与外延膜ep之间晶格失配而对弯曲的膜应力的影响在表面变大，会降低因为氮向内扩散所导致的位错抑制效果。另外，膜厚t进一步优选为大于3μm且在10μm以下。

外延膜ep的表面的氮浓度优选为5.0×10¹³atoms/cm³以上且5.0×10¹⁵atoms/cm³以下，更优选为1×10¹⁴atoms/cm³以上且3×10¹⁵atoms/cm³以下。优选在硅结晶的固溶极限以下导入氮，但有时在外延膜ep上会产生在器件工序中因长时间的热处理导致的由氮引发的缺陷，因此优选设为上述的浓度范围。该氮浓度的测定位置优选从表面起算的深度d为80nm以上且200nm以下的位置，更优选为100nm的位置。

并且，从外延膜ep的表面,深度d在3μm的位置的氮浓度优选为5.0×10¹³atoms/cm³以上。对于深度d在3μm的位置，当外延膜ep的膜厚t大于3μm的情况时，在外延膜ep内，当膜厚t为3μm以下的情况时，在硅晶片wf内。

即使在硅晶片wf内，若深度d在3μm的位置的氮浓度为5.0×10¹³atoms/cm³以上，即便因为器件工序中的热处理等而外延膜ep表面的氮向外扩散而漏出的情况下，氮也会从深度d在3μm的位置供给到外延膜ep的表面而能够抑制位错。

硅晶片wf的氧浓度优选为10×10¹⁷atoms/cm³以上且15×10¹⁷atoms/cm³以下(astm1979)。将氧浓度设定在上述范围，外延膜ep能够获得充分的强度，且抑制外延膜ep上产生由氧引发的缺陷。

[外延硅晶片的制造方法]

如图2所示，具有上述特性的外延硅晶片ew的制造方法具备晶片准备工序s1、外延膜形成工序s2、自然氧化膜去除工序s3、氮浓度设定工序s4、氮化膜去除工序s5、应变层形成工序s6及热处理工序s7。

另外，可以不进行自然氧化膜去除工序s3、氮化膜去除工序s5、应变层形成工序s6、热处理工序s7中的至少一个工序。

晶片准备工序s1中通过cz(提拉)法或mcz(磁场直拉)法等，将被提拉的硅单晶锭进行切片、倒角、磨削、研磨、蚀刻、抛光、清洗、dk(donorkiller；供体杀手)等的热处理等中所需的工序，准备表面经镜面抛光的硅晶片wf。

外延膜形成工序s2中在硅晶片wf上形成指定膜厚t的外延膜ep而获得外延硅晶片ew。此时，在三氯氢硅等气体环境下，以1150℃以上且1280℃以下的处理条件来进行成膜。另外，也能够添加硼、磷等所需的掺杂剂。

自然氧化膜去除工序s3中，去除形成在外延膜ep的自然氧化膜。自然氧化膜去除工序s3例如可以将外延硅晶片ew投入到氮浓度设定工序s4中使用的热处理装置中，且在氩气环境、氨气环境、氢气环境中的任意一种环境下进行热处理来去除自然氧化膜。

无论在氩气环境、氨气环境、氢气环境、或者是它们之中至少2个混合气体环境中的任意一种情况下，热处理温度优选为1000℃以上且1350℃以下。当温度比1000℃低的情况下，有无法完全去除自然氧化膜的可能性，并且，考虑到热处理装置的限制，上限为1350℃。并且，热处理时间优选为1秒以上且60秒以下。为了完全去除自然氧化膜，优选实施1秒以上的热处理。并且，若考虑到生产率，则优选热处理时间较短。认为将热处理温度设定在1000℃以上且1350℃以下的情况下，以60秒以下的热处理能够充分地去除自然氧化膜。

氮浓度设定工序s4中，在氮气环境下，对去除了自然氧化膜的外延硅晶片ew进行热处理而在外延膜ep上形成氮化膜，并利用该氮化膜的向内扩散来设定外延膜ep表面的氮浓度。此时，除了外延膜ep表面及其内部以外，还设定硅晶片wf的氮浓度。

氮浓度设定工序s4中，优选以如下方式进行热处理：热处理的温度x(℃)为850℃以上且1400℃以下，热处理的时间y(秒)为1秒以上，且满足下式(1)，

y≥1×10³⁴exp(-0.084x)……(1)。

当外延膜ep的氮浓度能够设定在上述范围时，热处理方式可以是基于立式炉的分批式处理、板式炉中的急速加热、急速冷却热处理等中的任意方式。热处理的环境气体可以仅是氨气，也可以是氩气与氨气等的混合气体。关于氮浓度设定工序s4中使用的热处理装置，由于仅在去除自然氧化膜之后变更该热处理装置的环境便能够形成氮化膜，因此优选使用与自然氧化膜去除工序s3相同的热处理装置。

氮化膜去除工序s5中，去除在外延膜ep的氮浓度设定中所使用的氮化膜整体。氮化膜去除工序s5中，也可以在去除氮化膜的同时还去除外延膜ep的表面侧。该情况下，去除之后的外延膜ep表面的氮浓度需要维持在能够抑制应变层形成时产生位错的水准。作为去除氮化膜的方法，能够例示利用抛光或蚀刻的方法。

应变层形成工序s6中，在氮化膜去除工序s5之后露出的ep表面上，形成产生10mpa以上到1000mpa的膜应力的应变层。

应变层部分地形成于ep表面，成为器件的一部分。具体而言，如图3所示，应变层除了栅极区域gt的正下方以外，作为源极区域sc、漏极区域dr而形成，由产生如箭头te所示的ep表面的面方向的膜应力的sige膜、sic等构成。应变层只要产生膜应力，则不限定于图3所示的结构，而且其形成方法也没有特别限定。

另外，应变层形成工序s6也可以包含于器件制造工序中，本实施方式中的外延硅晶片ew供应至这样的器件工序。

热处理工序s7例如在与器件工序中的热处理大致相同的条件下进行。由于ep表面的氮浓度设定在上述范围，因此在该热处理工序s7中，即使因为应变层产生10mpa以上到1000mpa的膜应力的情况下，也能够抑制位错产生。

[实施方式的作用效果]

如上所述，将外延硅晶片ew上的外延膜ep表面的氮浓度设定为5.0×10¹³atoms/cm³以上，由此即使外延膜ep上形成应变层，也能够抑制位错产生。

并且，在设定上述外延硅晶片ew的氮浓度时，利用形成于外延膜ep上的氮化膜的向内扩散，从而能够提供一种能够将外延膜ep表面的氮浓度提高到抑制位错产生的水准的制造方法。

实施例

接着，通过实施例对本发明进行进一步详细的说明，但本发明并不受到这些例子的任何限定。

[样本的制造方法]

〔实验例1〕

从通过提拉法(cz法)生长的300mm的单晶硅切取之后实施镜面加工的硅晶片上，以1100℃左右的温度，使外延膜生长成2μm的厚度。

之后，如表1所示，根据需要实施自然氧化膜去除工序后，在氮气环境下实施了如同表所示的条件的热处理(氮浓度设定工序)。在处理时间为180秒以下的情况下，用rta(rapidthermalannealing；快速退火)炉来进行了处理，在时间长于180秒的情况下用立式炉来进行了处理。热处理之后，将形成的氮化膜全部去除，得到了表1所示的25个条件的实验例1的外延硅晶片。

另外，自然氧化膜去除工序中，使用氮浓度设定工序中使用的热处理装置，在1000℃的氢气环境下进行了60秒的热处理。

〔实验例2、3〕

除了使外延膜生长成4μm的厚度以外，通过与实验例1相同的过程，得到了表1所示的25个条件的实验例2的外延硅晶片。

除了使外延膜生长成6μm的厚度以外，通过与实验例1相同的过程，得到了表1所示的25个条件的实验例3的外延硅晶片。

[表1]

[评价]

〔外延硅晶片的氮浓度〕

利用sims来测定根据实验例1、2、3的过程所准备的外延硅晶片的外延膜表层，具体而言，测定了从外延膜表面深度在3μm的位置的氮浓度。

测定结果在实验例1、2、3中相同。将其结果示于表1。

另外，实验例1的外延膜的厚度是2μm，因此表1的结果是硅晶片内的氮浓度。并且，实验例2、3的外延膜的厚度分别是4μm、6μm，因此表1的结果是外延膜内的氮浓度。检测下限是5.0×10¹³atoms/cm³。

如表1所示，没有实施自然氧化膜去除工序的条件7、12、14、17、20、23中，氮浓度小于检测下限。另一方面，在与其相同的条件下，实施氮浓度设定工序，并且也实施自然氧化膜去除工序的条件8、13、15、18、21、24中，氮浓度均在检测下限以上。

由此能够确认，通过在氮浓度设定工序之前实施自然氧化膜去除工序，从而使氮变得容易朝外延膜而向内扩散，能够将氮浓度提高到所希望的水准。

另外，关于表1的氮浓度在检测下限以上的条件，能够推定在外延膜表面的氮浓度也在检测下限以上。其理由如下。

利用硅晶片的向外扩散的情况时，越靠近外延硅晶片的表面侧氮浓度越低，但本实施例中在外延硅晶片表面形成氮化膜，并利用了该氮化膜的向内扩散，因此越靠近表面侧氮浓度变得越高。

〔外延硅晶片的位错产生抑制效果〕

对实验例2的外延硅晶片进行了应力负荷试验。

首先，从外延硅晶片切出长度3cm、宽度1.5cm左右的测定用样本。接着，在测定用样本的表面(外延膜的表面)侧形成了深度100nm、宽度50μm、长度1mm的线状凹陷。然后，以支点间距离2cm、试验温度800℃对测定用样本实施了3点弯曲试验。此时，施加2n的荷载，使拉伸应力作用于测定用样本的表面侧。

之后，针对冷却至室温的测定用样本，实施1μm左右的赖特蚀刻，以光学显微镜观察线状凹陷是否有产生位错坑。

将其结果示于表1。另外，将检测出位错坑的情况标记为“ng”，将未检测出位错坑的情况标记为“ok”。

如表1所示，从外延膜表面起算的深度在3μm位置的氮浓度小于检测下限的所有条件下，检测出了位错坑，而在检测下限以上的所有条件下，未检测出位错坑。

认为这是因通过3点弯曲试验对形成于硅晶片表面的线状凹陷负载应力时，会因为应力集中而产生位错，但在氮浓度高的情况下，在应力集中部产生位错的临界应力增大，其结果抑制了位错产生。另外，能够推测出即使是实验例1、3，也因为氮浓度相同，因此能够得到与表1相同的结果。

从以上，能够确认到将从外延膜表面起算的深度在3μm的位置的氮浓度设为5.0×10¹³atoms/cm³以上，从而能够抑制位错产生。

并且，认为将深度在3μm的位置的氮浓度设定在上述的范围内，即便因为器件工序中的热处理等而外延膜表面的氮向外扩散而漏出的情况下，氮也会从深度在3μm的位置供给到外延膜表面，因此能够获得所希望的强度，其结果能够抑制位错产生。

〔氮浓度设定工序中的热处理条件的数式化〕

关于表1中没有实施自然氧化去除工序的条件7、12、14、17、20、23以外的条件，如图4所示，将氮浓度设定工序中的热处理的温度x与时间y的关系进行了图表化。图表化时，将3点弯曲试验结果为“ng”的情况以“×”表示，“ok”的情况以“○”表示。

然后，求出表示“ok”与“ng”的分界的近似直线，获得了以下的式(2)，相较于上述近似直线靠左侧为“ng”的范围，靠右侧为“ok”的范围。

y＝1×10³⁴exp(-0.084x)……(2)

由此可知，以满足上述式(1)的方式进行氮浓度设定工序中的热处理，从而能够将从外延膜表面起算的深度在3μm的位置的氮浓度设为5.0×10¹³atoms/cm³以上。

附图标记说明

ep-外延膜，ew-外延硅晶片，wf-硅晶片。