CN100401473C

CN100401473C - 硅外延层的形成方法

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Publication number: CN100401473C
Application number: CNB2003101156926A
Authority: CN
Inventors: 田村明威; 冈哲史
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: CN1607645A

Abstract

在处理室(2)内的被处理基板(W)的半导体基底层上形成硅外延层。这种形成方法包括：在容纳被处理基板(W)的处理室(2)内进行减压的减压工序，向处理室(2)内导入含有硅烷气体的成膜气体，在半导体基底层上气相生长硅外延层的气相生长工序，其间包含氯化氢处理工序和氢气热处理工序。在氯化氢处理工序中，向处理室(2)内导入含有氯化氢气体的第1预处理气体，用第1预处理气体对处理室(2)的环境进行处理。在氢气热处理工序，向处理室(2)内导入含有氢气的第2预处理气体，用第2预处理气体对半导体基底层表面进行处理。

Description

硅外延层的形成方法

技术领域

本发明涉及硅外延层的形成方法。

背景技术

作为制造硅外延晶片(以下简称为外延晶片)的方法，包括在硅单晶基板(以下简称为硅基板)的主表面上气相生长硅外延层(以下简称为外延层)的方法。例如，利用热壁方式下的纵向型低压CVD装置、在这种反应容器(反应室)内设定为(与主流的温度条件1100℃范围相比)比较低的温度(例如600～1000℃)和低压状态。这种状态下在反应容器内供给硅烷气体、二氯硅烷气体的硅原料气体，进行硅外延层的气相生长(以下称为低温外延生长)。

在这种低温外延生长的情况下，由于低温的缘故，利用加热能够抑制从硅基板发生向外延层杂质的向外扩散。而且，更好地获得在基板和外延层界面的急剧性电阻率变化(或杂质浓度的变化)。此外，外延层的生长速度较慢(与高温的情况相比)，可以在相对于所谓的一个舟上装载多片硅基板(例如25～100片的范围)，进行一次气相生长，生产性非常良好。

但是，根据本发明者等人提出的上述方法，利用热壁方式的纵向型低压CVD装置进行低温外延生长的情况下，会出现生长的外延层的雾状水平(表面荒废的程度)增大的现象。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种形成表面状态优良的硅外延层的方法。

根据本发明的观点，提供一种在处理室内、在被处理基板的半导体基底层上形成硅外延层的方法，该方法包括：

在已容纳上述被处理基板的上述处理室内进行减压的减压工序；

在上述减压工序之后，在上述处理室内导入含有氯化氢气体的第1预处理气体的气体，采用第1预处理气体，对上述处理室内的气体进行处理的氯化氢处理工序，上述氯化氢处理工序的上述处理室内环境温度设定为500～800℃、并且压力设定为第1减压压力，以及

在上述减压工序之后，在上述处理室内导入含有氢气的第2预处理气体的气体，利用上述第2预处理气体对上述半导体基底层表面处理的氢热处理工序，上述氢热处理工序的上述处理室内的环境的温度设定为高于800℃、并且压力设定第2减压压力，以及

在上述氯化氢处理工序及上述氢处理工序之后，在上述处理室内导入含有硅烷气体的成膜气体，在上述半导体的基底层上气相生长硅外延层的气相生长工序，以及在上述气相生长工序中上述处理室内环境温度设定为成膜温度且压力设定为减压压力。

在上述氯化氢处理工序中，上述处理室内环境的氯化氢的浓度为0.5～20vol％。上述第1减压压力设定为0.1～10Torr。

而且，在优选方式中，上述硅外延层的形成方法包括：述处理室构成为以在上下设置间隔层叠的状态容纳多个被处理基板，上述处理室内的环境通过上述处理室周围配置的加热器加热，在上述氯化氢处理工序，上述氢气热处理工序以及上述气相生长工序中一起处理上述多个被处理基板。

附图说明

图1是显示根据本发明的实施方式的气相生长装置，热壁方式的纵向型低压CVD装置模式的剖面图。

图2是根据本发明的第1实施方式的硅外延晶片的制造方法的各个工序说明图。

图3A、B、C是显示硅外延层的表面雾状水平(haze level)的图，这些氯化氢处理的条件互不相同。

图4显示相对于图3A、B、C的3个方法所形成的硅外延层的表面周围处的碳浓度的图表。

图5A、B显示硅外延层的表面的雾状水平的图，这些气相生长的条件互不相同。

图6是关于本发明的第2实施方式的硅外延晶片制造方法的各个工序说明图。

图7是关于本发明第3实施方式的硅外延晶片制造方法的各个工序说明图。

图8是关于本发明第4实施方式的硅外延晶片制造方法的各个工序说明图。

具体实施方式

在本发明的开发过程中，本发明者等人研究了关于采用热壁方式的纵向型低压CVD装置进行低温外延生长的情况下、生长的外延层的雾状水平(表面荒废的程度)增大的原因。从下面所述可得知其结果。

在气相生长中，为了使反应容器(处理室)内成为低压环境，例如，采用如油扩散式等泵，抽取反应容器内的气体。为此，就会在配置泵的排气管内(作为泵油的原料)存在很多的浮游碳化合物。但是，在低压环境下，与常压环境下相比、为了减少有害物(分子数)，就要提高分子的移动性，使排气管内的碳化合物在反应容器内容易逆向流动(称为油回流)。受此油回流(ォィルバック)等的影响，在反应容器内就会存在碳化合物。此外，在反应容器内装载晶片时，晶片在反应容器外部吸附的有机物如空气体中的有机物以及由于晶片洗净不良产生的有机物、就会进入反应容器内。实际上，如果在反应容器中存在碳化合物，这种气相生长就很容易在制造出的外延层表面产生雾状(haze)。

向反应容器内供给氯化氢气体，则碳化合物的结合力减弱并容易分解为气体，碳化合物作为导致雾状产生原因。总之，通过在反应容器内实施氯化氢处理，使反应容器内的碳化合物气体化，就使从反应容器内容易排除(排气)成为可能。因此，通过实施氯化氢处理，使得准备出适宜在反应容器内气相生长的洁净环境成为可能。

此外，在将被处理基板搬入反应容器内时，被处理基板上的半导体基底层，例如在硅单晶基板表面，存在自然氧化性。如果向反应容器内供给氢气同时加热反应容器内部，那么氢气去除自然氧化膜，在半导体基底层表面就可以形成适宜气相生长的无遮蔽状态。

即，首先，通过实施氯化氢处理准备反应容器内的环境。然后，通过实施氢气热处理在半导体基底层表面形成适宜气相生长的状态。随后，使用象这样准备的环境，在适当的温度条件下实施气相生长。根据此方法，即使低温、也能形成表面荒废减少，表面状态良好的硅外延层。

下面参照附图说明根据该知识构成的本发明的实施方式。

图1显示作为本发明的实施方式的具有热壁方式的纵向型低压CVD装置模式的气相生长装置的正向剖面图。如图1所示，这种纵向型低压CVD装置1具有例如石英等的反应容器(反应室)2，为了在反应容器2中处理气体，使供给部GS通过供给管3与其相连。为了在反应容器2中使反应容器2中设定为排气减压状态，排气部ES(含有真空泵等)通过排气管4与其相连。在反应容器2周围，为了加热反应容器2内的环境，配置加热器5。

在反应容器2中处理半导体(这里称为硅单晶)基板W时，使其保持在水平状态下且相互有间隔地堆积于晶片舟(保持具)10上。舟10构成为能搭载多片(例如25～100片左右)基板W。在处理中舟10依靠驱动机构6围绕垂直轴驱动旋转。

如图1所示，示出了在反应容器2内配置(搭载)多片硅基板W的舟10状态。但是，在图1中，为了简化，记载很少的硅基板W的总数量、并且在硅基板W中只用符号表示出最上段和最下段的硅基板W。

其次，说明使用如上构成的纵向型低压CVD装置1的本发明实施方式的硅外延层的形成方法。而且，在这里，所述在硅单晶基板(半导体基底层)的主表面上气相生长硅外延晶片的制造方法作为硅外延层形成方法的一个例子被记载。图2所示的是本发明的第1实施方式的硅外延晶片制造方法的各工序的说明图。图2示出了随时间经过所对应的实施工序、各工序的反应容器内的温度以及相应反应容器内所导入的气体。

<硅外延晶片的制造方法>

首先，将硅基板W搬入反应容器2内。即，预先将能搭载多个硅基板W的舟10搬入反应容器2内(工序S1(搬入工序))。而且，在这个阶段，通过供给管3将作为保护气体的N₂气体导入反应容器2内。

随后，停止向反应容器2内导入N₂气体，另一方面启动真空泵。由此，反应容器2内减压为例如1mTorr(0.13Pa左右)(工序S2(减压工序))。

随后，向反应容器2内导入H₂气体的同时，通过加热器5对反应容器2加热。由此，使得反应容器2内的作为下工序实施氯化氢处理的温度条件的环境温度升温(工序S3(升温工序))。

随后，在反应容器2内保持由工序S3升温后的温度，实施氯化氢处理(工序S4)。这时，向反应容器2内导入含有氯化氢气体(HCl)的第1预处理气体，导入时间(例如5分钟以上、30分钟以内，具体地，如10分钟左右)。这时，依旧继续供给H₂气体。这样，H₂气体就具有作为HCl气体运载气体和稀释气体的功能，从底部到顶部的反应容器2内的整体范围内，按均衡的浓度提供HCl。

受油回流等影响在反应容器2中存在碳化合物。由此，由于向反应容器2内导入氯化氢气体，使得碳化合物结合力变弱，并很容易被分解。因为由此分解后的碳化合物是气体，所以容易从反应容器内排出。

总之，由于在反应容器2内导入含有氯化氢气体的第1预处理气体，使得反应容器2内的碳化合物分解，容易除去(排气)成为可能。由此，能够准备出适宜气相生长的环境的清洁化的反应容器2。

而且，在氯化氢处理中，反应容器2内环境的温度是500～800℃，优选为700～800℃，例如设定为700℃左右。这个处理温度在不到500℃时，在短时间内氯化氢不能充分分解被去除的碳化合物。这个温度如果超过800℃，硅基板W表面就会被腐蚀，产生雾状。

此外，在氯化氢处理中，反应容器2内环境的氯化氢浓度是0.5～20vol％，优选设定为1～5vol％。而且，在氯化氢处理中，反应容器2内的减压压力是0.1～10Torr，优选设定为0.1～2Torr。

随后，一方面停止第一预处理气体的导入，增加加热器5的输出。由此，使得反应容器2内的环境温度升温(工序S5(升温工序))为下工序实施氢气热处理的温度条件。

随后，在反应容器2内保持由工序S5升温后的温度，实施氢气热处理(工序S6)。这时，向反应容器2内导入含有氢气(H₂)的第2预处理气体，导入时间(例如15～120分钟，具体地如30分钟左右)。而且，从工序S3(升温工序)到工序S6，继续保持H₂气体的供给。

进行这种氢气热处理，硅基板W就在氢气环境中被氢气热处理(氢老化)。由此，硅基板W表面上的自然氧化膜被去除，该表面露出(成为无遮蔽状态)。

而且，在氢气热处理中，反应容器2内的环境温度为800～1100℃，优选为950～1050℃，例如设定为1050℃左右。这个处理温度未到800℃时，在短时间内氢不能使自然氧化膜充分老化。这个温度如果超过1100℃，就很容易发生层错缺陷，产生更多的层错缺陷。

还有，在氢气热处理中，反应容器2内的环境的氢浓度大约是100vol％，设定SiH₄、HCl、HF等杂质浓度为小于0.1vol％。而且，在氢气热处理中，反应容器2内的减压压力是0.1～20Torr，优选设定为2～8Torr。

随后，一方面停止第2预处理气体的导入，降低加热器5的输出。由此，使得反应容器2内环境温度降温为下工序实施气相生长的温度条件(工序S7(降温工序))。

随后，在反应容器2内保持由工序S7降温后的温度，实施气相生长(工序S8)。这时，向反应容器2内按所设定的时间(例如20～60分钟，具体地如40分钟左右)导入含有硅烷气体(SiH₄)的成膜气体。这时，继续照原样供给H₂气体。而且，从工序S3(升温工序)开始到工序S8为止继续保持H₂气体的供给。由于成膜气体的供给，在硅基板W主表面上，气相生长硅外延层，制造出硅外延晶片。

这时，通过原来的氯化氢处理，从反应容器2内去除碳化合物。总之，通过氢气热处理，硅基板W主表面成为无遮蔽的状态。并且，实施这种气相生长的温度条件是如后所述的抑制表面荒废的适宜条件。因此，这种气相生长能形成使表面荒废减少、表面状态良好的外延层。

而且，在气相生长中，反应容器2内环境的温度是550～750℃，优选为550～700℃，例如设定为660℃。还有，在气相生长中，反应容器2内的减压压力是0.1～10Torr(乇)，优选为0.1～0.2Torr。

在使用硅烷气体时，这个处理温度小于550℃时，采用CVD法气相生长硅外延层存在困难。这个温度如果超过750℃，气相中硅烷气体就会剧烈地热分解，产生很多微粒。

随后，一方面停止向反应容器2内导入硅烷气体，降低加热器5的输出。由此，对反应容器2内环境温度实施降温直到适宜硅外延晶片取出的温度(例如400℃)(工序S9(降温工序))。

随后，将导入反应容器2内的环境从H₂气体切换为N₂气体。还有，使反应容器2内常压化(工序S10(常压工序))后，从反应容器2中例如各个舟10将外延晶片取出(工序S11(取出工序))。

在上述实施过程中，利用氯化氢处理，制备使反应容器2内清洁化的反应容器2内的环境。此外，利用氢气热处理使硅基板W的表面气相生长形成适宜的无遮蔽状态。并且，在适宜的温度条件下进行气相生长。由此，能够制造出表面荒废减少，表面状态好的硅外延晶片。

图3A、B、C是显示硅外延层的表面雾状水平的图，这种氯化氢处理的条件互相不同。图3A示出了按上述第1实施方式的方法，形成外延层并在700℃下进行氯化氢处理的情况。图3B示出了选定在400℃进行氯化氢处理、按上述第1实施方式的方法形成外延层的情况。图3C示出了选定在进行无氯化氢处理下、按上述第1实施方式的方法形成外延层的情况。

在图3A、B、C中，在外延层表面内，用网格方式示出雾状水平为1ppm以上的部分。表示由雾状引起的散射光相对于入射光强度比较关系的大小。当入射光强度1所对应的强度是一百万分之一的散射光时，此散射光的大小用1ppm表示。

如图3C所示，没有进行氯化氢处理而形成的外延层，在其表面边缘部分雾状水平恶化。

如图3B所示，在400℃下进行氯化氢处理形成的外延层，可以看到与未进行氯化氢处理的情况比较有改善。但是，仍然在其表面边缘部分雾状水平恶化。总之，在400℃进行氯化氢处理时，反应容器2内的洁净化不充分。

与此相反，如图3A所示，在700℃进行氯化氢处理形成的外延层，其表面没有发现雾状水平为1ppm以上的部分。总之，在700℃进行氯化氢处理时，获得了图示的反应容器2内的充分洁净化。

图4示出了在用这三种方法形成的硅外延层表面边缘部的碳浓度的图表。如图4所示，当在700℃下进行氯化氢处理制造的情况下，在外延层表面边缘部的碳浓度也变得最低。

图5A、B表示的是硅外延层表面雾状水平的图，它们的气相生长条件互不相同。图5A示出了利用上述第1实施方式方法形成的外延层，这时，使用硅烷气体在660℃下进行气相生长。图5B示出了利用上述第1实施方式方法形成的外延层，这时，使用硅烷气体在700℃下进行气相生长。

如图5B所示，在700℃下进行气相生长时，外延层的整个表面分布着厚度为2ppm水平的雾状。一方面，如图5A所示，在660℃下进行气相生长时，外延层表面雾状水平约为0.2ppm。总之，在使用硅烷气体作为硅原料气体时，为了抑制外延层表面的荒废，优选在不到700℃下进行气相生长。由此，可以形成表面荒废减少，表面状态良好的硅外延层。

而且，使用硅烷气体在700～750℃的温度下进行气相生长也是好的。因为，例如，在这样的温度条件下制造出的外延晶片上产生的水平雾状能够通过进行研磨得到改善。

<第2实施方式>

在上述实施方式中，进行氯化氢处理时，要使反应容器2内的温度保持衡定。然而，例如，在硅基板W搬入反应容器2内之后的升温过程中，开始氯化氢处理也是好的。图6是基于这样观点，对本发明的第2实施方式的硅外延晶片制造方法的各工序的说明图。图6示出了以相对于时间经过而实施的工序、在各工序中反应容器内的温度以及对应反应容器内所导入的气体。

在第2实施方式中，例如，如图6所示，用工序S21代替在图2的工序S3、S4、S5加以说明。即，工序S21作为从硅基板W搬入到反应容器2且对反应容器2减压处理后的升温工序。在S21工序中，由于利用加热器5加热，使得反应容器2内温度升温为下工序实施氢气热处理的温度条件。这时升温的目标温度是800～1100℃，优选为950～1050℃，例如设定在1050℃左右。

在第2实施方式方法中，在这个升温过程中进行氯化氢处理。即，在反应容器2内升温后的温度为500～800℃时，向反应容器2内导入含有氯化氢气体的第1预处理气体，所定时间(例如5分钟以上、30分钟以内，具体地例如10分钟左右)。由此，利用升温过程中的温度条件，进行氯化氢处理。

而且，在第2实施方式中，用工序S21代替了工序S3、S4、S5，其余各工序与第1实施方式(图2)的各工序是相同的。因此，省略其它工序的相关说明。

根据第2实施方式，在硅外延晶片的制造时间效率上提高了一层。

<第3实施方式>

在第1和第2实施方式中，氯化氢处理后实施氢气热处理。然而，总之，象这样在氢气热处理后进行氯化氢处理(第2氯化氢处理)也是可以的。图7是基于这样的观点，对本发明的第3实施方式的硅外延晶片制造方法的各工序的说明图。图7示出了相对于时间经过实施的工序、在各工序中反应容器内的温度以及相应反应容器内所导入的气体。

在第3实施方式中，例如，如图7所示，进行氢气热处理(工序S6)后，降低向加热器5的输出。由此，使得反应容器2内温度降温(工序S31)为实施氯化氢处理的温度条件(500～800℃，优选为700～800℃，例如设定在700℃左右)。

在保持这个温度条件的状态下，进行第2氯化氢处理(工序S32)。这时，向反应容器2内导入含有氯化氢气体的处理气体，所定时间(例如5分钟以上、30分钟以内，具体地例如10分钟左右)。

此后，使反应容器2内温度降温(工序S33(降温工序))为下工序实施气相生长的温度条件(550～750℃，优选为550～700℃，例如设定为660℃)。而且，在反应容器2内保持由工序S33降温后的温度，利用含有硅烷气体(SiH₄)的成膜气体进行气相生长(工序S8)。

而且，在第3实施方式中，用工序S31、S32、S33代替了工序S7，其它各工序与第2实施方式(图6)的各工序是相同的。因此，省略其它工序的相关说明。

根据第3实施方式，由于在气相生长前一直进行氯化氢处理，反应容器2能够得到更适宜的洁净化。

<第4实施方式>

在第1到第3实施方式中，氯化氢处理后实施氢气热处理。但是，象这样在氢气热处理后，进行氯化氢处理也是好的。图8是基于这样的观点，对本发明的第4实施方式的硅外延晶片制造方法的各工序的说明图。图8示出了相对于时间实施的工序、在各工序中反应容器内的温度以及相应反应容器内所导入的气体。

在第4实施方式中，例如，如图8所示，下面代替在图7上的工序S21说明工序S41。即，工序S41作为从硅基板W搬入到反应容器2并对反应容器2进行减压处理后的升温工序。在S41工序中，在向反应容器2内导入H₂的同时，利用加热器5加热，使得反应容器2内温度升温为下工序实施氢气热处理的温度条件。这时升温的目标温度是800～1100℃，优选为950～1050℃，例如设定在1050℃左右。

而且，在第4实施方式中，用工序S41代替了工序S21，其它各工序与第3实施方式(图7)的各工序是相同的。因此，省略其它工序的相关说明。

在第3和第4实施方式中，在氢气热处理后进行氯化氢处理时，反应容器2内的温度保持衡定(例如：700℃左右)。但是，例如，从反应容器2内氢气热处理的温度(例如950℃左右)起到气相生长的温度(例如660℃)的降温过程，进行氯化氢处理也是好的。这时，在硅外延晶片的制造时间效率上提高了一层。

在第1到第4实施方式中，利用纵向型低压CVD装置1进行处理。但是，本发明也适用于使用其它装置，如枚叶式低压CVD装置形成硅外延层的情况。还有，在第1到第4实施方式中，示出了作为硅外延层的形成方法一个例子的硅外延晶片的制造方法。但是，本发明适用于在半导体装置的制造过程中形成硅外延层的情况。

Claims

1.一种在处理室内、在被处理基板的半导体基底层上形成硅外延层的方法，包括：

对容纳上述被处理基板的上述处理室内进行减压的减压工序，

在上述减压工序之后，在上述处理室内导入含有氯化氢气体的第1预处理气体，用上述第1预处理气体处理上述处理室内环境的氯化氢处理工序，在上述氯化氢处理工序中，上述处理室内环境温度设定为500～800℃，并且压力设定为第1减压压力，

上述减压工序后，在上述处理室内导入含有氢气的第2预处理气体，利用上述第2预处理气体处理上述半导体基底层的表面的氢气热处理工序，在上述氢气热处理工序中，上述处理室内环境温度设定为800～1100℃，并且压力设定为第2减压压力，

上述氯化氢处理工序及上述氢气热处理工序后，在上述处理室内导入含有硅烷气体的成膜气体，在上述半导体基底层上气相生长硅外延层的气相生长工序，在上述气相生长工序中将上述处理室内环境温度设定为成膜温度、并且将压力设定为减压压力。

2.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，上述硅烷气体为甲硅烷气体，上述成膜温度为550～700℃。

3.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，上述半导体基底层实质上由硅单晶形成。

4.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，在上述氯化氢处理工序中，上述处理室内环境的氯化氢的浓度为0.5～20vol％。

5.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，上述第1减压压力为0.1～10Torr。

6.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，在上述氢气热处理工序中，上述处理室内环境的氢气的浓度大于等于99.9vol％，杂质设定为小于0.1vol％。

7.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，上述第2减压压力为0.1～20Torr。

8.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，在上述氢气热处理工序前进行氯化氢处理工序的处理。

9.根据权利要求8中所述的硅外延层的形成方法，其中，在使容纳上述被处理基板的上述处理室内环境升温过程中，开始上述氯化氢处理工序。

10.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，在上述氯化氢处理工序前进行上述氢气热处理工序的处理。

11.根据权利要求1中所述的硅外延层的形成方法，其中，上述处理室构成为以在上下设置间隔层叠的状态容纳多个被处理基板，上述处理室内的环境通过上述处理室周围配置的加热器加热，在上述氯化氢处理工序、上述氢气热处理工序以及上述气相生长工序中，一起处理上述多个被处理基板。