專利名稱：外延硅芯片的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種外延硅芯片的制造方法，具體上，是涉及外延硅芯片的制造方法，該外延硅芯片的單晶硅薄膜的表層部的不純物濃度比先前低。
背景技術：
外延硅芯片，例如能以下述方式來進行制造。S卩，將單晶硅基板載置于氣相成長裝置的反應容器內，在使氫氣流動的狀態，將反應容器內升溫至1100°c 1200°C (升溫工序)。 然后，若反應容器內的溫度達到1100°C以上，則在基板表面所形成的自然氧化膜(SiO2 Silicon Dioxide)會被除去。在該狀態下，將三氯娃燒(SiHCl3 Trichlorosilane)等的娃原料氣體、乙硼燒(B2H6 Diborane)或磷化氫(PH3 Phosphine)等的摻雜劑氣體,與氫氣一起供給至反應容器內。如此進行而在基板的主表面上使單晶硅薄膜氣相成長(成膜工序)。如此進行而使薄膜氣相成長后，停止供給原料氣體及摻雜劑氣體，并在保持于氫氣氣氛的狀態下，使反應容器內的溫度降溫(冷卻工序)。但是，在以上述方式來制造外延硅芯片的過程中，若重金屬不純物混入外延層(單晶硅薄膜)內，則使用該基板所制造的器件的特性，會有變異常的情形。特別是在外延層的表層側(成為要制作器件的器件有源層)，若有不純物污染，對器件的不良影響是重大的。作為先前降低外延硅芯片中的重金屬不純物濃度的方法，例如揭示一種方法，是在制造外延硅芯片的冷卻工序中，于400°C以下，將氣氛氣體從氫氣氣氛切換成為氮氣氣氛，來使銅(Cu)析出在芯片表面，隨后除去表層的方法；或是揭示一種制造方法，是利用在比400°C更高溫度的情況下，將氣氛氣體從氫氣氣氛切換成為氮氣氣氛，使Cu不是析出至表面而是析出至主體(內層(bulk))部，來設法使Cu不會析出至表層部(參照專利文獻I)。[先前技術文獻](專利文獻)專利文獻I :日本特許第3664101號公報

發明內容
在單晶硅薄膜的成膜過程中，因為外延硅芯片的重金屬污染會對半導體器件造成各式各樣的不良影響，減少此種污染是重要的。先前，關于銅(Cu)，有提案揭示一種方法，其是在如上述外延硅芯片的成膜過程的冷卻工序中，將降溫時的氫氣取代成氮氣時的切換溫度，設為高溫的工藝步驟(processsequence),藉此來抑制銅析出至表面而減少表面銅污染。但是，關于銅以外的不純物，在工藝步驟中欠缺有效減少不純物的對策，尚無有效的方法。本發明是依據前述的問題而完成，其目的在于提供一種外延硅芯片的制造方法，該外延硅芯片的制造方法能得到一種外延硅芯片，在該外延硅芯片中所含有的重金屬不純物，特別是器件有源層也就是單晶硅薄膜的表層區域的不純物濃度比先前低，且具有優良的器件特性。為了解決上述課題，本發明提供一種外延硅芯片的制造方法，其特征在于進行成膜工序及冷卻工序；所述成膜工序，是一邊供給原料氣體，一邊于氫氣氣氛中使單晶硅薄膜在單晶硅基板上氣相成長；所述冷卻工序，是先算出在單晶硅薄膜中所存在的評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與評價對象不純物的固相臨界濃度一致時的溫度，并 在算出溫度的至少上下50°C的溫度范圍內，將外延硅芯片的成膜后的冷卻速度設為小于200C /sec，來冷卻已通過該成膜工序形成單晶硅薄膜后的外延硅芯片。外延硅芯片中的大部分的不純物，在用以形成單晶硅薄膜的外延反應剛結束后的高溫區域，是以固溶的狀態存在。而且，在冷卻工序中，在達到固溶臨界的溫度時點，該不純物會開始析出。因此，算出評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值(能從過去外延硅芯片制造實際情況來算出)與評價對象不純物的固相臨界濃度一致時的溫度。然后，在該算出溫度的至少上下50°C的溫度范圍內，若將冷卻速度控制為小于20°C /sec來進行冷卻，則評價對象的不純物會析出至內層(bulk)中，其結果，能使不純物不會析出至器件有源層也就是單晶硅薄膜的表層區域。藉此，能得到一種外延硅芯片，其具有已減少表層部的不純物濃度而成的單晶硅薄膜，而能制造出一種器件特性良好的外延硅芯片。此處，優選是將前述冷卻速度設為5°C /sec以上。若至少在事先所求得的溫度范圍內，降低成膜后的外延硅芯片的冷卻速度，則能減少單晶硅薄膜的表層部中的評價對象不純物濃度，然而越降低冷卻速度則冷卻所需的時間越長，致使生產性低落。但是，若冷卻速度為5°C /sec以上，則能在幾乎不會降低生產性的情況下，制造出器件有源層的不純物濃度低的外延硅芯片。又，優選是將前述評價對象不純物設為鎳。通常的外延硅芯片的單晶硅薄膜中的鎳含量，設想為lX109atoms/cm3左右至I X 10natoms/cm3 左右。因此，參照圖2時，成為該濃度范圍的鎳(Ni)的固溶臨界的溫度帶為300°C 400°C。因此，將評價對象不純物設為鎳時，在冷卻工序中，通過將至少從400°C至300°C范圍內的冷卻速度控制為小于20°C/sec，能減少鎳析出至器件有源層也就是單晶硅薄膜的表層部，能效率良好地制造出器件特性優良的外延硅芯片。如以上說明，在單晶硅薄膜的成膜反應后的冷卻工序中，在評價對象不純物的規格值或工序平均值與該不純物元素的固溶臨界濃度一致時的溫度，也就是在污染元素開始過飽和的溫度帶附近(±50°C左右)，以小于20°C /sec的冷卻速度，將外延硅芯片緩慢冷卻。藉此，能抑制外延硅芯片中的不純物(污染元素)往單晶硅薄膜的表層部凝集，并能促進析出在內層。其結果，能得到一種外延硅芯片，其器件有源區域也就是單晶硅薄膜表層部的不純物濃度低。


圖I是表示本發明的外延硅芯片的制造方法的概略的一個例子的流程圖。圖2是表示硅中的鎳的固溶度的溫度相依性的圖。圖3是表示在單晶硅薄膜的成膜反應后的冷卻工序中，于350°C附近的冷卻速度與聚集在單晶硅薄膜表層部的鎳的濃度的關系的圖。
具體實施例方式以下，更具體地說明本發明。先前，有效地減少單晶硅薄膜表層部所含有的重金屬不純物的量的制造方法，幾乎完全未被知道，而該單晶硅薄膜表層部是成為外延硅芯片的器件有源區域。 因此，使用以先前的制造方法所制造的外延硅芯片來制造半導體器件時，即便是使用不純物濃度評價良好的芯片，也有所制造出來的器件發生器件特性低落的情形這樣的問題點。因而，為了解決此種問題點，本發明人重復專心研討及實驗。其結果，作為會對外延硅芯片的表層的不純物濃度造成影響的條件，注意外延層(單晶硅薄膜)成長后的冷卻條件。特別是注意在所含有的重金屬不純物成為過飽和的溫度帶中的冷卻速度，而構想出改變此冷卻速度。而且，進一步專心研討、重復實驗的結果，得到了以下的知識，而完成本發明，即通過先算出在單晶硅薄膜中所存在的評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與固溶臨界濃度一致時的溫度，并在該算出溫度的至少上下50°C的溫度范圍內，將成膜后的外延娃芯片的冷卻速度設為小于20°C /sec,能使評價對象不純物析出至外延娃芯片的主體(內層)中，藉此，能得到一種外延硅芯片，其單晶硅薄膜表層部的不純物濃度低。以下，參照圖面來詳細地說明本發明，但是本發明不被限定于這些實施形態。圖I是表示本發明的外延硅芯片的制造方法的概略的一個例子的流程圖。首先，如圖I所示，使用搬運裝置，將單晶硅基板載置于氣相成長裝置的反應容器內所具備的基座(圖I (a)的裝入工序)。隨后，在使氫氣于反應容器內流動的狀態，將反應容器內的溫度升溫至用以氣相成長單晶硅薄膜的成膜溫度(圖I (b)的升溫工序)。此成膜溫度是設定為能利用氫來除去基板表面的自然氧化膜的1000°c以上的溫度。隨后，在將反應容器內保持于成膜溫度的狀態下，將氫氣及原料氣體和摻雜劑氣體，以各自規定的流量供給，并在氫氣氣氛下，使單晶硅薄膜在單晶硅基板上成長至規定膜厚度(圖I (C)的成膜工序)。然后，停止供給原料氣體和摻雜劑氣體，并一邊流動載氣也就是氫氣，一邊使反應容器內的溫度下降，來冷卻外延硅芯片(圖1(d)的冷卻工序)。在該冷卻工序中，先算出在單晶硅薄膜中所存在的評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與評價對象不純物的固溶臨界濃度一致時的溫度，并在算出溫度的至少上下50°C的溫度范圍內，將外延硅芯片的成膜后的冷卻速度設為小于20°C /sec,以此方式來進行冷卻。又，在800°C至400°C左右的期間，能從氫氣氣氛切換成為氮氣氣氛。
硅芯片中的大部分的不純物，在用以形成單晶硅薄膜的外延反應剛結束后的高溫區域，是以固溶的狀態存在，而在冷卻工序中，從達到固溶臨界溫度的時點，會開始析出。因而，先算出評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與評價對象不純物的固相臨界濃度一致時的溫度，并在此算出溫度的至少上下50 0C的溫度范圍內，若將在單晶硅薄膜的成膜工序后的冷卻工序中的冷卻速度控制為小于20°C /sec，則能使外延硅芯片中的評價對象不純物，不會析出至器件有源層也就是單晶硅薄膜的表層區域，而會析出至內層部因此，相較于先前，單晶硅薄膜的表層部的不純物濃度較低，能作成一種器件特性良好的外延硅芯片。冷卻速度，在小于20°C /sec的范圍內，以越低越佳。此處，能將評價對象不純物設為鎳(Ni)。通常的外延硅芯片的單晶硅薄膜中的鎳含量，設想為I X 109atoms/cm3 I X 10natoms/cm3 的水平。而且，如圖2所示，設想將鎳的污染量設為上述范圍內的SXlCTatoms/cm3左右時，其含量與固溶度一致的溫度為350°C左右。因此，評價對象不純物是鎳時，冷卻中的外延硅芯片的溫度,通過至少從400°C至300°C為止的溫度帶時，將冷卻速度控制為小于20°C /sec。另外，圖2是表示硅中的鎳的固溶度的溫度相依性的圖。又，如圖3所示，認為冷卻速度越快，在單晶硅薄膜的表層部附近，鎳越聚集，冷卻速度越慢時(緩慢冷卻)，則表層附近的鎳濃度越低，而能析出至內層。即，在單晶硅薄膜中所存在的評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與固相臨界濃度一致時的溫度帶，進行緩慢冷卻，藉此，能得到一種外延硅芯片，在該單晶硅薄膜的表層部具有鎳濃度低的區域。另外，圖3是表示在單晶硅薄膜的成膜反應后的冷卻工序中，于350°C附近的冷卻速度與聚集在單晶硅薄膜表層部的鎳的濃度的關系的圖。選擇會對器件特性造成不良影響的鎳來作為評價對象不純物，并在外延硅芯片的溫度為至少從400°C至300°C的溫度區域內，將冷卻速度控制為小于20°C /sec，藉此，能使鎳不會析出至單晶硅薄膜的表層區域而析出至內層部，而能作成一種表層部的鎳濃度低的外延硅芯片。藉此，能制造出一種高質量的外延硅芯片，可將會對器件特性造成不良影響的鎳的濃度抑制為較低。又，能將冷卻速度設為5°C /sec以上。如前述，在單晶硅薄膜中所存在的評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與固溶臨界濃度一致時的溫度的至少上下50°C范圍內，降低成膜后的外延硅芯片的冷卻速度，藉此，能減少單晶硅薄膜的表層部的評價對象不純物濃度，然而，若冷卻速度過慢(緩慢冷卻)，則生產性低落。但是，通過將冷卻速度設為5°C /sec以上，則能在生產性幾乎不會降低的情況下，制造出一種器件有源層的不純物濃度低的外延硅芯片。而且，在維持氮氣氣氛的狀態下，達到取出溫度時，將外延硅芯片從氣相成長裝置取出(圖1(e)的取出工序)。
隨后，通過進行任意的洗凈、捆包、出貨工序等，能制造出一種高質量的外延硅芯片，其評價對象不純物的濃度為規格值或工序平均值以下，且器件特性良好。以如此方式而制造出來的外延硅芯片，其單晶硅薄膜的表層區域的不純物含量少，且半導體器件特性優良。[實施例]以下，表示實施例及比較例來更具體地說明本發明，但是本發明并未被限定于這些例子。 (實施例I 3、比較例I、2)準備5片預先確定鎳濃度為I X 1010atoms/cm3以下(檢測下限)的面方位(100)、P+型(0.015 Q cm)的單晶硅基板，并在其主表面上，于成膜溫度1130°C，使P—型(IOQcm)的單晶娃薄膜，氣相成長5 ii m。另外，作為鎳濃度的確認方法，是選取I片與所準備的5片單晶硅基板相同批次的單晶硅基板，并使用全溶解化學分析法來確認。然后，因為算出所準備的5片單晶硅基板的鎳濃度與固溶臨界濃度一致時的溫度的結果，為大約350°C，所以在對成膜后的外延硅芯片進行冷卻時，將從400°C至300°C之間的冷卻速度，變化為0. 5°C /sec (實施例1)、5°C /sec (實施例2)、18°C /sec (實施例3)、20°C /sec(比較例1)、25°C /sec (比較例2)，來制造外延硅芯片。將5片這些外延娃芯片，通過階段性蝕刻法(step etching,參照日本特開號公報、日本特許3755586號公報等)，抽出單晶硅薄膜的表層I. 5 ii m，并使用ICP-MS裝置(感應耦合等離子體質譜儀)來測定包含鎳的重金屬濃度。其結果，如表I所
/Jn o[表 I]
__實施例I__實施例2__實施例3比較例丨比較例2
從400°C冷卻至300-C
之間的平均冷卻速度0 55182025
(°C/sec)______
表層鎳濃度檢測下限以下檢測下限以下檢測下限以下:~
(atoms/cm3)_ (1.0X IO10 以下)(1.0X1010 以下)(LOXlOui以下)8-0X10 2.0X10此結果，是如表I所示，比較例1、2的冷卻條件的情況，單晶硅薄膜的表層中的鎳濃度，被檢測到8X 1010atoms/cm3>2X 10natoms/cm3。也就是意味著在表層中的鎳濃度是此種程度。另一方面，在實施例2及3的冷卻條件的情況，單晶硅薄膜的表層中的鎳濃度，各自為ICP-MS裝置的檢測下限(l.OXKTatoms/cm3)以下，相較于比較例1、2，是低濃度，SP得知以下的結果相較于利用比較例1、2的條件來冷卻后的芯片，單晶硅薄膜的表層部的鎳不純物量較少。又，雖然利用實施例I的冷卻條件來冷卻后的外延硅芯片，其鎳濃度為ICP-MS裝置的檢測下限(l.OXlO'toms/cm3)以下的濃度，但是因為該實施例I的冷卻速度慢，工序時間會依該變慢的程度而增長。因此，若考慮生產性的問題，得知優選是將冷卻速度設為5°C /sec 以上。另外，本發明不被限定于上述實施形態。上述實施形態是例示性，凡是具有與本發明的權利要求所述的技術思想實質上相同構成，且達成相同作用效果的例子，無論何種例子，都被包含在本發明的技術范圍內。例如，在本發明中，使薄膜氣相成長的氣相成長裝置，并未受到限定，能應用縱型 (扁平型)、桶型(圓筒型)、單片型等各種氣相成長裝置。
權利要求
1.一種外延硅芯片的制造方法，是制造外延硅芯片的方法，其特征在于進行成膜工序及冷卻工序； 所述成膜工序，是一邊供給原料氣體，一邊于氫氣氣氛中使單晶硅薄膜在單晶硅基板上氣相成長； 所述冷卻工序，是先算出在前述單晶硅薄膜中所存在的評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與前述評價對象不純物的固相臨界濃度一致時的溫度，并在算出溫度的至少上下50°C的溫度范圍內，將前述外延硅芯片的成膜后的冷卻速度設為小于20°C /sec，來冷卻已通過該成膜工序形成前述單晶硅薄膜后的外延硅芯片。
2.如權利要求I所述的外延硅芯片的制造方法，其中將前述冷卻速度設為5°C/sec以上。
3.如權利要求I或2所述的外延硅芯片的制造方法，其中將前述評價對象不純物設為鎳。
全文摘要
本發明是一種外延硅芯片的制造方法，其進行成膜工序及冷卻工序；所述成膜工序，是一邊供給原料氣體，一邊于氫氣氣氛中使單晶硅薄膜在單晶硅基板上氣相成長；所述冷卻工序，是先算出在單晶硅薄膜中所存在的評價對象不純物的濃度的規格值或工序平均值與評價對象不純物的固溶臨界濃度一致時的溫度，并在算出溫度的至少上下50℃的溫度范圍內，將外延硅芯片的成膜后的冷卻速度設為小于20℃/sec，來冷卻已通過成膜工序形成單晶硅薄膜后的外延硅芯片。藉此，能提供一種外延硅芯片的制造方法，其能得到一種外延硅芯片，在該外延硅芯片所含有的重金屬不純物，特別是器件有源層也就是單晶硅薄膜的表層區域的不純物濃度比先前低，且具有優良的器件特性。
文檔編號C30B29/06GK102640261SQ201080052898
公開日2012年8月15日 申請日期2010年11月11日 優先權日2009年12月15日
發明者吉田知佐 申請人:信越半導體股份有限公司