(57)【要約】【課題】遷移領域における抵抗率分布を急峻に変化させる、あるいは所定の抵抗率分布に維持することのできるエピタキシャル成長方法を提供する。【解決手段】キャリアガスが流通する反応炉内にドーパントガスを供給した後、シリコン原料ガスを供給してエピタキシャル成長を行う。ドーパントガスの供給開始からシリコン原料ガスの供給開始に至るまでの時間を調整することにより、エピタキシャル層内に形成される遷移領域の抵抗率分布を調整する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内にシリコン原料ガスを供給してシリコンウェーハ表面にエピタキシャル層を気相成長させるエピタキシャル成長方法において、キャリアガスが流通する反応炉内にドーパントガスを供給した後、シリコン原料ガスを供給してエピタキシャル成長を行うことを特徴とするエピタキシャル成長方法。
【請求項２】
反応炉内のドーパント濃度が所定濃度に達した後、シリコン原料ガスを供給することを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル成長方法。
【請求項３】
ドーパントガスの供給開始からシリコン原料ガスの供給開始に至るまでの時間を調整することにより、エピタキシャル層内に形成される遷移領域の抵抗率分布を調整することを特徴とする請求項１または請求項２記載のエピタキシャル成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリコンウェーハ表面にエピタキシャル層を気相成長させるためのエピタキシャル成長方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のパワー素子の素材として、シリコンウェーハの表面に単結晶シリコン薄膜（エピタキシャル層）を形成したエピタキシャルウェーハが使用されている。ここに使用されるシリコンウェーハは、Ｓｂ、Ｂ、Ａｓ等のドーパントが高濃度に添加された低抵抗率のシリコンウエーハであり、一方、エピタキシャル層は、Ｐ、Ｂ等のドーパントが低濃度に添加された高抵抗率のエピタキシャル層であるのが通例である。
【０００３】
通常、エピタキシャルウェーハは、反応炉内に水素（Ｈ２  ）等のキャリヤガスを供給させた状態で、シリコン原料ガス（ＳｉＨ２Ｃｌ２  、ＳｉＨＣｌ３  、ＳｉＣｌ４ガス等）および、ドーパントガス（ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６ガス等  ）を反応炉内に供給することにより、加熱されたシリコンウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相成長することにより製造される。
【０００４】
エピタキシャル成長を行う場合、シリコンウェーハとエピタキシャル層との界面において、抵抗率（ドーパント濃度）が漸次変化する遷移領域がエピタキシャル層内に形成される。この抵抗率が漸次変化する遷移領域は、デバイス領域として使用される所定の抵抗率を有するエピタキシャル層の範囲を制限することから、遷移領域における抵抗率分布をできるだけ急峻に変化する抵抗率分布に維持することが必要となる。特に、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のパワー素子の素材として使用されるエピタキシャルウェーハにおいては、エピタキシャル層全体の抵抗率がその特性そのものにも強く影響することから、遷移領域の抵抗率分布を所定分布に維持することが必要にもなる。
【０００５】
ところが、シリコンウェーハ上にシリコンエピタキシャル層を気相成長させる際、高温のエピタキシャル成長処理が実施されることから、エピタキシャル成長処理中にウェーハ内のドーパントが外方拡散し、外方拡散したドーパントがエピタキシャル層内に取り込まれる現象、いわゆるオートドープ現象が発生する。このため、遷移領域のドーパント濃度プロファイルが変化してしまい、抵抗率分布が急峻にならない、あるいは所定の抵抗率分布が得られないといった問題がある。
【０００６】
そこで、オートドープによる遷移領域のドーパント濃度プロファイルの変化を抑制することを目的に、シリコンウェーハ表面にエピタキシャル層を形成する際に、オートドーピング量を補完するように成長ガスであるシリコン原料ガス中のドーパントガスの濃度を成長開始時点から段階的及び／又は連続的に増加させ、設定濃度に達した時点以降は一定に維持して成長を行うエピタキシャル成長方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、同じ目的で、オートドーピング量よりも高い不純物濃度が得られる濃度のドーパントガスを遷移領域に敢えて供給し、遷移領域の不純物濃度プロファイルの傾斜量を意識的に高濃度側にシフトさせるエピタキシャル成長方法を提案しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１７７３７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０１９８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１あるいは特許文献２に記載される発明によれば、オートドープに起因した遷移領域の抵抗率分布の変化を抑制するには有効な手段であると推測される。しかしながら、遷移領域の抵抗率変化はオートドープの影響によるものだけではなく、遷移領域における抵抗率分布を急峻に変化させる、あるいは所定の抵抗率分布を得るには更なる改善が必要である。
【０００９】
本発明は、上述した問題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、遷移領域における抵抗率分布を急峻に変化させることができ、遷移領域の抵抗率分布を所定分布に維持できるエピタキシャル成長方法を提供することにある。特に、オートドープに起因しない遷移領域の抵抗率変化を防止する、あるいは調整できるエピタキシャル成長方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記した原因を解明するため種々検討した結果、エピタキシャル反応炉内にシリコン原料ガスとドーパントガスを供給するタイミングによって、エピタキシャル層内に形成される遷移領域の抵抗率分布が変化することを知見した。
【００１１】
通常、エピタキシャル反応炉内に供給するシリコン原料ガスおよびドーパントガスは、反応炉内に供給する前に、まず所定の流量に安定化するまで排ガス排出間に連結されるベント配管内に流通させる操作が行われる。そして、マスフロメータ等でそのガス流量が所定流量に安定化したことを確認した後、バルブ切り替え操作を行って、キャリアガス配管にシリコン原料ガスとドーパントガスを導入させる。これにより、キャリアガスと共にシリコン原料ガスおよびドーパントガスの混合ガスが反応炉内に同時に供給される。
【００１２】
ところが、このようなエピタキシャル成長開始当初からシリコン原料ガスとドーパントガスの混合ガスを反応炉内に供給した場合には、遷移領域の抵抗率分布の変化が緩慢となり急峻な抵抗率変化が得られなかった。一方、反応炉内にシリコン原料ガスを供給する前に反応炉内にドーパントガスを供給し、その後にシリコン原料ガスを供給した場合には、遷移領域の抵抗率分布の変化が急峻な抵抗率変化が得られた。
【００１３】
どちらも、エピタキシャル成長条件は同一成長条件であることから、それぞれの抵抗率分布に差が生じたことは、エピタキシャル成長処理中のオートドープの影響によるものとは考えられない。また、エピタキシャル成長処理に先立つ所定の水素ベーク処理終了後からシリコン原料ガスの供給開始するまでの時間はどちらも同じであったにも係わらず、抵抗率分布に差が観察されたことを勘案すると、炉内に滞留していたドーパントガスがエピタキシャル層内に取り込まれた影響によるものとも考えられない。やはり、ドーパントガス供給開始からシリコン原料ガス供給開始までのタイムラグが遷移領域の抵抗率変化に何らかの影響を与えているものと推測される。
【００１４】
前述したようにドーパントガスは反応炉内に供給する前には十分に所定流量に調整されてはいるものの、恐らく、ドーパントガスを反応炉内に供給するためにキャリアガスへのバルブ切り替え操作を実施した際、配管と反応炉内との圧力バランスの差が発生し、所定量以上の流量のドーパントガスが反応炉内に流れ込んでしまい、シリコン原料ガスとドーパントガスの混合ガス供給では、供給と同時にエピタキシャル成長が進行することから、遷移領域の抵抗率分布の変化が緩慢になったものと推測される。
【００１５】
本発明はかかる知見を基礎として完成されたものであり、本発明の請求項１に係わるエピタキシャル成長方法は、反応炉内にシリコン原料ガスを供給してシリコンウェーハ表面にエピタキシャル層を気相成長させるエピタキシャル成長方法において、キャリアガスが流通する反応炉内にドーパントガスを供給した後、シリコン原料ガスを供給してエピタキシャル成長を行うことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項２に係わるエピタキシャル成長方法は、請求項１記載のエピタキシャル成長方法において、反応炉内のドーパント濃度が所定濃度に達した後、シリコン原料ガスを供給することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の請求項３に係わるエピタキシャル成長方法は、請求項１または請求項２記載のエピタキシャル成長方法において、ドーパントガスの供給開始からシリコン原料ガスの供給開始に至るまでの時間を調整することにより、エピタキシャル層内に形成される遷移領域の抵抗率分布を調整することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の請求項１に係わるエピタキシャル成長方法によれば、ドーパント供給を開始した際には、シリコン原料ガスを反応炉内に供給しないことから、エピタキシャル成長は起こらない。このため、ドーパント供給開始時に所定量以上の流量のドーパントガスが流入することによるエピタキシャル層内の抵抗率変化を回避することができる。
【００１９】
本発明の請求項２に係わるエピタキシャル成長方法によれば、反応炉内のドーパント濃度が所定濃度に達した後、シリコン原料ガスを供給することから、遷移領域における抵抗率分布の変化が急峻な抵抗率分布を得ることができる。
【００２０】
本発明の請求項３に係わるエピタキシャル成長方法によれば、予め、ドーパントガスの供給開始からシリコン原料ガスの供給開始に至るまでの時間とエピタキシャル層内に形成される遷移領域の抵抗率分布との相関を求めておけば、以後、ドーパントガスの供給開始からシリコン原料ガスの供給開始に至るまでの時間を調整することにより、所望とする任意の遷移領域の抵抗率分布を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は本発明のエピタキシャル成長方法で使用するエピタキシャル装置の一例を模式的に示すものであり、高周波加熱により多数枚のウェーハを同時にエピタキシャル成長を行う方式の横型エピタキシャル成長装置である。まず、反応炉１内のサセプタ３上にシリコンウェーハＷを複数枚配置し、ガス供給管４を通じて反応炉１内にキャリアガスを供給し、ガス排出管１０よりキャリアガスを反応炉１外に排出することにより、反応炉１内にキャリアガスを流通させた状態で、高周波コイル２によりウェーハＷを所定温度に加熱する。
【００２２】
一方、シリコン原料ガスおよびドーパントガスは、反応炉内に供給する前に、予め所定の流量に安定化するまで排ガス排出管１０に連結されるベント配管９内に流通させる操作を行う。すなわち、ガス供給管４への接続バルブ５，７を閉状態、ベント配管９への接続バルブ６，８を開状態にして、シリコン原料ガスおよびドーパントガスをベント配管９内に流通させる。
【００２３】
その後、図示しないマスフロメータ等でそれぞれのガス流量が所定流量に安定化したことを確認した後、ベント配管９への接続バルブ８を閉状態、ガス供給管４への接続バルブ７を開状態にするバルブ切り替え操作を行って、最初にドーパントガスのみをキャリアガスと共にガス供給管４から反応炉１内に供給する。
【００２４】
ドーパンガス供給を所定時間おこなった後、ベント配管９への接続バルブ６を閉状態、ガス供給管４への接続バルブ５を開状態にするバルブ切り替え操作を行って、反応炉１内にシリコン原料ガスをキャリアガスと共に供給する。以後、ガス供給管４より、シリコン原料ガスおよびドーパントガスがキャリアガスと共に、反応炉１内に供給され、シリコンウェーハＷの主表面上にシリコンエピタキシャル層が気相成長される。
【００２５】
本発明では、ドーパントガス供給開始からシリコン原料ガス供給開始するまでのタイムラグを設けたことにより、ドーパントガス供給開始時におけるドーパントガス高濃度化の影響を回避することができ、遷移領域における抵抗率の変化を急峻にすることができる。また、予めドーパントガスの供給開始からシリコン原料ガスの供給開始に至るまでの時間とエピタキシャル層内に形成される遷移領域の抵抗率分布との相関を求めておけば、所望とする抵抗率分布の遷移領域を得ることができる。ドーパントガス供給開始からシリコン原料ガス供給開始するまでの時間は特に限定されるものではないが、少なくとも１０秒以上の間隔をあけることが望ましい。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示し、比較例と対比することにより、本発明の効果を明らかにする。
【００２７】
本実施例では、図２に示す高周波加熱方式で多数枚同時処理式の横型エピタキシャル成長装置を使用し、ＩＧＢＴ用のエピタキシャルウェーハを作成した。ＩＧＢＴ用のエピタキシャルウェーハは、シリコンウェーハの表面に第１層の低抵抗エピタキシャル層を気相成長させ、第２層の高抵抗エピタキシャル層を気相成長させることによって作成される。
【００２８】
本発明例および従来例の統一条件として、直径２００ｍｍ、主表面の面方位（１００）、比抵抗０．０１〜０．０２ΩｃｍのＰ＋型のシリコンウエーハを用い、１１００℃で１分間の水素ベーク後、シリコン原料ガスであるＳｉＨＣ１３ガスおよびドーパントガスであるＰＨ３ガスを水素ガスと共に反応炉内に供給して、エピタキシャル成長温度１１００℃で、厚さ約１０μｍ、比抵抗０．０５ΩｃｍのＮ型の第１エピタキシャル層を成長させた。その後、ＳｉＨＣ１３ガスおよびＰＨ３ガスの供給を停止して、反応炉内を水素ガスで十分に置換した。
【００２９】
次に、本発明例としてドーパントガスであるＰＨ３ガスの供給を開始した後、シリコン原料ガスであるＳｉＨＣ１３ガスの供給を行い、エピタキシャル成長温度１１００℃で、上記した第１のエピタキシャル層の上に、厚さ約５０μｍ、比抵抗５０ΩｃｍのＮ型の第２エピタキシャル層を成長させた。ここで、本発明例としてＰＨ３ガスの供給開始からＳｉＨＣ１３ガスの供給開始を行うまでの時間を２０秒、６０秒の２水準について、それぞれ第２エピタキシャル層を成長させた。また、従来例としてＰＨ３ガスの供給開始からＳｉＨＣ１３ガスの供給開始を行うまでの時間を０秒、すなわち、ドーパントガスとシリコン原料ガスを同時に供給開始して、他の条件は同様に第２エピタキシャル層を成長させた。なお、本発明例および従来例における第１エピタキシャル成長処理後から第２エピタキシャル成長を行うためのシリコン原料ガス供給を開始するまでの時間は、どちらも同じある。
【００３０】
本発明例および従来例で得られたそれぞれのエピタキシャルシリコウエーハについて、遷移領域付近の抵抗率分布をＳＲ測定器を用いて測定した。その結果を図１に示す。図１から明らかなように、ドーパントガスとシリコン原料ガスを同時に供給を開始した従来例（細線）では、遷移領域における抵抗率変化の立ち上がりが緩慢であり、遷移領域の幅が大きいのに対し、ドーパントガス供給開始からシリコン原料ガス供給開始を行うまでのタイムラグを設けた本発明例（太線、点線）では、その時間間隔が長くなるほど、遷移領域における抵抗率変化の立ち上がりが急峻になり、遷移領域の幅が小さくなることが分かる。
【００３１】
【本発明の効果】
以上説明したように、本発明のエピタキシャル成長方法によれば、オートドープに起因しない遷移領域の抵抗率変化を防止あるいは調整することができる。これにより、遷移領域における抵抗率分布を急峻に変化させたり、所望とする抵抗率分布を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および従来のエピタキシャルウェーハの遷移領域付近の抵抗率変化を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長装置を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１  反応炉
２  高周波コイル
３  サセプタ
４  ガス供給管
５  原料ガスバルブ
６  原料ガスバルブ
７  ドーパントガスバルブ
８  ドーパントガスバルブ
９  ベント配管
１０ガス排出管
Ｗ  ウェーハ
【図１】
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【図２】
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