(57)【要約】【課題】同一バッチで製造するシリコンウェーハに形成されるシリコン薄膜間の抵抗率をより均一化できるシリコンウェーハの製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】反応容器２内に配置したシリコン単結晶基板Ｗの表面上に、ボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造する。シリコンウェーハの製造装置１は、ジボランからボロンへ熱分解させる過程の途中で生成されるジボラン中間体を反応容器２内のシリコン単結晶基板配置領域Ｒに導入できるようにジボランを加熱するための加熱装置７を備える。【選択図】        図１
2004186376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に配置したシリコン単結晶基板の表面上にボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造するシリコンウェーハの製造装置において、ジボランからボロンへ熱分解させる過程の途中で生成されるジボラン中間体を反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入できるようにジボランを加熱するための加熱装置を備えることを特徴とするシリコンウェーハの製造装置。
【請求項２】
前記加熱装置は、前記反応容器の外部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハの製造装置。
【請求項３】
反応容器内に配置したシリコン単結晶基板の表面上にボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造するシリコンウェーハの製造方法において、ジボランを加熱によりボロンに分解させる過程でジボラン中間体を生成し、ジボラン中間体を反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記シリコン単結晶基板配置領域に導入する前に、ジボランを３００℃より高く７００℃より低い温度に加熱することを特徴とする請求項３に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
シリコン薄膜の抵抗率を、シリコン薄膜の成長速度により制御することを特徴とする請求項３に記載のシリコンウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハの製造装置及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、シリコン単結晶基板（以下、シリコン基板と略称することがある。）の表面上にシリコン薄膜（以下、薄膜と略称することがある。）を気相成長させてシリコンウェーハを製造する方法が知られている。
ここで、薄膜としては、シリコン多結晶薄膜を成長させる場合とシリコン単結晶薄膜（シリコンエピタキシャル層）を成長させる場合とがある。
なお、このうち薄膜としてシリコンエピタキシャル層（以下、エピタキシャル層と略称することがある。）を気相成長（エピタキシャル成長）させて製造したシリコンウェーハをシリコンエピタキシャルウェーハ（以下、エピタキシャルウェーハと略称することがある。）という。
【０００３】
このようなエピタキシャルウェーハを製造する方法の１つとして、ホットウォール式の縦型減圧ＣＶＤ装置を用いた低温エピタキシャル成長法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この低温エピタキシャル成長法は、反応容器内を（主流の成長温度条件である１１００℃程度と比べて）比較的低温（例えば、６００℃〜１０００℃）且つ減圧状態に設定し、シリコン原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ４）ガス或いはジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガス、及び、ドーパントガスとして例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスを反応容器内に導入することにより行われる。
この低温エピタキシャル成長の場合、低温であるが故に、加熱によってシリコン基板からエピタキシャル層へのドーパントの外方拡散が発生してしまうことを抑制できるため、基板とエピタキシャル層との遷移領域における抵抗率変化（或いはドーパント濃度変化）の急峻性を好適に得られるという利点がある。また、エピタキシャル層の成長速度は（成長温度が１１００℃程度の場合と比べて）遅いものの、いわゆるボートに搭載した多数枚（例えば２５〜１２５枚程度）のシリコン基板に対して一度に気相成長を行うことができるため、生産性が良いという利点もある。
【０００４】
同様に、ホットウォール式の縦型減圧ＣＶＤ装置を用い、シリコン基板の表面上にシリコン多結晶薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造する場合にも、生産性が良いという利点がある。
【０００５】
一方、気相成長膜にスリップ転位が生じることを防止するために、導入前に反応ガスを加熱する半導体気相成長方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７―１５３６９５号公報
【特許文献２】
特開昭５８―７８１７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１に示すように、ホットウォール式の縦型減圧ＣＶＤ装置を用いた気相成長により、ボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜が形成されたシリコンウェーハを製造する場合、同一バッチで製造したシリコンウェーハであっても、ボートにおける搭載位置に応じて各シリコンウェーハに形成された薄膜間の抵抗率にバラツキを生じることがある。
より具体的には、反応容器内におけるジボランガスの導入領域の近くで気相成長が行われた薄膜の方が抵抗率が低く（ボロン濃度が高く）、遠ざかるに従って抵抗率が高く（ボロン濃度が低く）なる傾向がある。
そこで、薄膜の抵抗率にバラツキが生じることを抑制するためには、処理枚数を減らしジボランガスの導入領域からある程度離れた領域のみで気相成長を行うか、或いは、装置コスト、メンテナンス及び品質の面で不利となるが、処理枚数を減らさないために、反応容器の長手方向に複数のガス供給口を有するドープ用ノズルとボート回転機構とを導入して気相成長を行う必要がある。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、装置コスト、メンテナンス及び品質の面で不利となる前記ドープ用ノズル及びボート回転機構の導入を行わずに、同一バッチで製造するシリコンウェーハに形成されるシリコン薄膜間の抵抗率をより均一化できるシリコンウェーハの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のシリコンウェーハの製造装置は、反応容器内に配置したシリコン単結晶基板の表面上にボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造するシリコンウェーハの製造装置において、ジボランからボロンへ熱分解させる過程の途中で生成されるジボラン中間体を反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入できるようにジボランを加熱するための加熱装置を備えることを特徴としている。
ここで、前記加熱装置は、前記反応容器の外部に配置されていることが好ましい一例であるが、加熱装置を反応容器内に配置するようにしても良い。
【００１０】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、反応容器内に配置したシリコン単結晶基板の表面上にボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造するシリコンウェーハの製造方法において、ジボランを加熱によりボロンに分解させる過程でジボラン中間体を生成し、ジボラン中間体を反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入することを特徴としている。
ここで、前記シリコン単結晶基板配置領域に導入する前に、ジボランを３００℃より高く７００℃より低い温度に加熱することが好ましい。
また、シリコン薄膜の抵抗率を、シリコン薄膜の成長速度により制御することが好ましい。
【００１１】
本発明のシリコンウェーハの製造装置及び製造方法によれば、反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入する前に、ジボランを加熱装置等により加熱して、反応容器内での寿命がボロンよりも長いジボラン中間体の生成が十分な状態としてからシリコン単結晶基板配置領域に供給することができるので、シリコン単結晶基板配置領域の全域で好適にボロンのドーピングを行うことができる。よって、装置コストの上昇、メンテナンス性の低下或いはパーティクルの発生原因となるドープ用ノズルやボート回転機構を導入することなく、また、処理枚数を減らすこともなく、同一バッチで製造するシリコンウェーハに形成されるシリコン薄膜間の抵抗率をより均一化することができる。
【００１２】
なお、上記特許文献２においては、気相成長膜へのスリップ転位の発生防止を目的として、反応ガスを熱分解しない程度に加熱する構成となっているが、本発明においては、シリコン薄膜間の抵抗率の均一化を目的として、ジボランをジボラン中間体となるまで加熱（熱分解）する構成となっている。つまり、本発明の目的及び構成は、特許文献２に開示された発明の目的及び構成とは異なっている。すなわち、ジボランは加熱により分解されてボロンとなるため、反応容器内のドーパントガス導入口付近と排気口付近とでボロン濃度にバラツキが生じ、薄膜間の抵抗率のバラツキが大きくなる。本発明によれば、ジボランを加熱して熱的に比較的安定なジボラン中間体とすることで、ボロンまで分解される前に、ジボラン中間体をシリコン単結晶基板配置領域の全域へ行きわたらせることができ、これにより、シリコンウェーハに形成されるシリコン薄膜間の抵抗率の均一化を図っている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
【００１４】
先ず、反応容器内に配置したシリコン基板を加熱し、該シリコン基板の表面上にドーパントとしてのボロンを含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造する方法においては、ドーパントガスとしてジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスを反応容器内に導入する。理想的には、導入されたジボランは、熱分解しないように比較的低温でシリコン基板近傍まで導かれ、高温加熱されたシリコン基板の表面ではじめて分解が進み、ボロンがドーピングされるのが好ましい。しかし、ホットウォール式の装置の場合、反応容器壁面の温度はシリコン基板と同程度であるために、導入されたジボランは壁面で直ぐに分解消費され、ジボランガスの導入領域から遠いシリコン基板に到達できない現象が生ずる。
ここで、ジボランの熱分解反応は、
Ｂ２Ｈ６→２Ｂ＋３Ｈ２
のように書き表すことができるが、ジボランを低温で加熱することにより、例えばＢｖＨｗ（ｖ：３〜６）で表されるジボラン中間体が生成することが実験的に確認されている。
本発明は、ジボラン中間体をドーパントガスとして積極的に利用するものである。
【００１５】
そこで、本実施の形態のシリコンウェーハの製造装置は、反応容器内に配置したシリコン単結晶基板の表面上にボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造するための装置において、ジボランからボロンへ熱分解させる過程の途中で生成されるジボラン中間体を反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入できるようにジボランを加熱するための加熱装置を備える。
また、本実施形態のシリコンウェーハの製造方法では、反応容器内に配置したシリコン単結晶基板の表面上にボロンをドーパントとして含有するシリコン薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造する方法において、ジボランを加熱によりボロンに分解させる過程でジボラン中間体を生成し、ジボラン中間体を反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入する。
【００１６】
図２（ａ）は、ジボランガスを室温の反応容器内に導入し、排出されたガスをＭａｓｓスペクトル分析したものである。
同様に、図２（ｂ）はジボランガスを３００℃の反応容器内に導入して分析した結果を示し、図２（ｃ）は７００℃における分析結果を示す。
これらの図において、質量数が３０〜８０程度のスペクトルがジボラン中間体の存在を示していると考えられるため、ジボラン中間体は、室温では殆ど生成されず、３００℃で多く生成され始めるものの、７００℃では殆どがジボラン中間体の状態を通り越してボロンとなってしまうことが分かる。
つまり、ジボランは、例えば３００℃以上７００℃未満の温度に加熱されることにより、ジボラン中間体になりやすい。
そして、ジボランをジボラン中間体の生成が十分な状態としてから反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入することにより、該シリコン単結晶基板配置領域のいずれのシリコン基板の表面上にもボロンのドーピングが十分なシリコン薄膜を気相成長させることができる。
【００１７】
次に、本実施の形態のシリコンウェーハの製造装置及び製造方法の例について具体的に説明する。
【００１８】
本実施の形態では、本発明に係るシリコンウェーハの製造装置の好適な一例として、ホットウォール式の縦型減圧ＣＶＤ装置、及び、この縦型減圧ＣＶＤ装置を用いたシリコンウェーハの製造方法について説明を行う。
【００１９】
図１に示すように、縦型減圧ＣＶＤ装置１は、例えば、石英などからなる反応容器２と、該反応容器２内にドーパントガスを導入するためのドーパントガス導入管３と、反応容器２内からガスを排気するための排気管４と、反応容器２の周囲に配設された加熱装置５と、反応容器２内に配されるボート１０を支持するボート支持具６と、反応容器２内を減圧するための図示しない真空ポンプ等を備えて概略構成されている。
ここで、反応容器２内において、ボート１０に搭載された状態のシリコン単結晶基板Ｗが配置される領域がシリコン単結晶基板配置領域Ｒを構成している。
【００２０】
加えて、本実施の形態の縦型減圧ＣＶＤ装置１は、ジボランからボロンへ熱分解させる過程の途中で生成されるジボラン中間体を反応容器２内のシリコン単結晶基板配置領域Ｒに導入できるように、ジボランガスを加熱してジボラン中間体とするための加熱装置７を備えている。この加熱装置７は、具体的には例えばヒーター等の加熱部材７１を内部に備えた筐体として構成され、当該加熱装置７の内部を通過するジボランガスを加熱部材７１により加熱できるようにしたものである。
【００２１】
なお、ドーパントガス導入管３は、反応容器２において、例えばシリコン単結晶基板配置領域Ｒよりも下側に導入されていて、ドーパントガス導入管３より反応容器２内に導入されたジボランガスはシリコン原料ガスとともに上昇してシリコン単結晶基板配置領域Ｒを通過し、排気管４より排気される。
【００２２】
また、ボート１０は、多数枚（例えば２５枚〜１２５枚程度；本実施の形態の場合、例えば１２５枚）のシリコン基板Ｗを、互いに上下に間隔を設けて各々略水平状態に搭載することができるように構成されている。
なお、図１は、多数枚のシリコン基板Ｗが配置（搭載）されたボート１０を反応容器２内に配置した状態を示すが、この図１では簡単のため、シリコン基板Ｗの数を少なく記載しているとともに、図示したシリコン基板Ｗのうちで最上段および最下段のシリコン基板Ｗにのみ符号を付している。
【００２３】
次に、以上のような構成の縦型減圧ＣＶＤ装置１を用いて行う本実施の形態のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。
【００２４】
先ず、シリコン基板Ｗを反応容器２内に投入する。即ち、予め多数枚のシリコン基板Ｗが搭載されたボート１０を反応容器２内に搬入する。
なお、この段階では、反応容器２内にはパージガスとしてＮ２ガスが導入されている。
【００２５】
その後、反応容器２内へのＮ２ガスの導入を停止する一方で、真空ポンプを駆動して反応容器２内を例えば１ｍＴｏｒｒ程度（０．１３３Ｐａ程度）に減圧する。
【００２６】
次に、反応容器２内にＨ２ガスを導入しながら該反応容器２内を加熱装置５により加熱し、該反応容器２内を水素熱処理温度（例えば８００℃以上１０００℃以下；好ましくは、例えば９５０℃程度）となるまで昇温する。
次に、水素熱処理を行う。この水素熱処理を行うことによりシリコン基板Ｗは水素雰囲気中でエッチングされて、その表面上の自然酸化膜が除去され、シリコン面が露出する（ベアな状態となる）。
【００２７】
次に、加熱装置５の出力を下げることにより、反応容器２内を気相成長温度（例えば５５０℃以上７５０℃未満；好ましくは６００℃以上７００℃未満、具体的には６６０℃程度）となるまで降温する。
次に、気相成長を行う。すなわち、原料ガス導入管３’を介して反応容器２内にシリコン原料ガスとしてモノシランガス（ＳｉＨ４）をＨ２ガスとともに導入し、該ガスを反応容器２内のシリコン基板Ｗの表面上に供給する。
これにより、シリコン基板Ｗの表面上にエピタキシャル層を気相成長させてエピタキシャルウェーハを製造する。
【００２８】
ここで、気相成長の際には、Ｈ２ガスで希釈したジボランガスを加熱装置７により加熱し、ジボラン中間体としてからドーパントガス導入管３を介して反応容器２内のシリコン単結晶基板配置領域Ｒにドーパントガスとして導入する。
より具体的には、加熱装置７によりジボランを例えば３００℃より高く７００℃より低い温度に加熱して反応容器２内に導入する。
これにより、ジボランをジボラン中間体の生成が十分な状態としてから反応容器２内のシリコン単結晶基板配置領域Ｒに導入できる。
すると、シリコン単結晶基板配置領域Ｒ内の全てのシリコン基板Ｗの表面上に、ボロンが好適にドーピングされたエピタキシャル層を気相成長させることができる。
つまり、同一バッチで製造するエピタキシャルウェーハの抵抗率をより均一化することができる。
【００２９】
このようにエピタキシャルウェーハを製造したら、反応容器２内へのシリコン原料ガス及びドーパントガスの導入を終了する一方で、反応容器２内をエピタキシャルウェーハの取り出しに適した温度（例えば、４００℃程度）に降温する。
【００３０】
その後、反応容器２内の雰囲気をＨ２ガスからＮ２ガスに切り換えるとともに反応容器２内を常圧化した後、反応容器２からエピタキシャルウェーハを例えばボート１０ごと取り出す。
【００３１】
以上により、エピタキシャル層の抵抗率が同一バッチでより均一化されたエピタキシャルウェーハを得ることができる。
【００３２】
ここで、図３を参照して、加熱装置７によるジボランの加熱温度について検討した結果を説明する。
図３には、Ｈ２ガスにより１０００ｐｐｍに希釈されたジボランガスを加熱装置７により６００℃に加熱した場合、３００℃に加熱した場合、１５０℃に加熱した場合、加熱しなかった場合（室温）のそれぞれについて同一バッチで製造したエピタキシャルウェーハ間でのエピタキシャル層の抵抗率分布を示す。
より具体的には、ボート１０の最上段部、やや上段部、やや下段部、最下段部の４箇所（加熱無しの場合は３箇所のみ）で気相成長して得られたエピタキシャルウェーハ間におけるエピタキシャル層の抵抗率分布を示す。
なお、いずれの場合も、反応容器２内の圧力を０．３Ｔｏｒｒ程度（４０Ｐａ程度）とし、反応容器２へのジボランガスの供給流量は１０００ｃｍ３／分とした。
図３に示すように、加熱装置７によりジボランガスを１５０℃に加熱した場合と３００℃に加熱した場合は、いずれも、加熱しなかった場合とほとんど同様に、同一パッチで製造したエピタキシャルウェーハ間におけるエピタキシャル層の抵抗率に大きなバラツキがあった。
つまり、加熱装置７によるジボランガスの加熱温度が３００℃以下の場合は、同一パッチで製造したエピタキシャルウェーハ間におけるエピタキシャル層の抵抗率分布を殆ど改善することができない。このため、ジボランガスの加熱温度は、３００℃より高く７００℃より低い範囲であるのが好ましい。
なお、具体的には、ジボランガスの加熱温度が３００℃以下の場合、シリコン単結晶基板配置領域Ｒの下側、すなわち、ドーパントガス導入管３の近くで製造したエピタキシャルウェーハの方が抵抗率が小さくなった。つまり、ドーパントガス導入管３の近くに配置されたエピタキシャルウェーハへは未分解のジボランガスが到達しており、ウェーハ表面で高濃度のボロンが析出したと考えられる。
これに対して、加熱装置７によりジボランガスを６００℃に加熱した後反応容器２内に導入した場合は、図３から明らかなように、同一パッチで製造したエピタキシャルウェーハ間におけるエピタキシャル層の抵抗率を大幅に均一化することができた。
つまり、加熱装置７によりジボランを６００℃に加熱して反応容器２内に導入することにより、同一バッチで製造するエピタキシャルウェーハ間におけるエピタキシャル層の抵抗率をより均一化することができる。
【００３３】
抵抗率の制御に関しては、以下に説明するように、シリコン薄膜の成長速度を変更することにより、または、ジボランガスの供給流量を変えることにより可能である。
すなわち、図５は、エピタキシャル層の成長速度を約０．０２μｍ／分から０．０５μｍ／分程度まで変化させた場合の各々についてプロットしたエピタキシャル層の抵抗率のデータを示す。なお、いずれの場合にも、加熱装置７によりジボランを６００℃に加熱し、反応容器２内へのジボランガスの供給流量は５０ｃｍ３／分とした。
図５から明らかなように、エピタキシャル層の成長速度と抵抗率は正の比例関係を示しており、エピタキシャル層の成長速度の設定によりエピタキシャル層の抵抗率を制御できる。また、図４に示すように、ジボランガスの供給流量を変更することによっても抵抗率の制御が可能である。
【００３４】
以上のような実施の形態によれば、反応容器２内のシリコン単結晶基板配置領域Ｒに導入する前に、ジボランガスを加熱装置７により加熱してジボラン中間体の状態としてからシリコン単結晶基板配置領域Ｒに供給することができるので、シリコン単結晶基板配置領域Ｒ内の全域で好適にボロンのドーピングを行うことができる。よって、同一バッチで製造するシリコンウェーハに形成されるシリコン薄膜間の抵抗率をより均一化できる。
【００３５】
なお、上記の実施の形態では、縦型減圧ＣＶＤ装置１を用いる例について説明したが、これに限らず、例えば枚葉式等、その他の気相成長装置を用いてシリコンウェーハを製造する場合に本発明を適用しても良い。
また、上記においては、エピタキシャルウェーハを製造する場合について説明したが、これに限らず、シリコン基板の表面上にシリコン多結晶薄膜を気相成長させてシリコンウェーハを製造する場合に本発明を適用しても良い。
さらに、上記においては、加熱装置７を反応容器２の外部に配置した例を説明したが、加熱装置７は反応容器２の内部に配置しても良い。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、反応容器内のシリコン単結晶基板配置領域に導入する前に、ジボランを加熱してジボラン中間体の状態としてからシリコン単結晶基板配置領域に供給することができるので、シリコン単結晶基板配置領域の全域で好適にボロンのドーピングを行うことができる。よって、同一バッチで製造するシリコンウェーハに形成されるシリコン薄膜間の抵抗率をより均一化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホットウォール式の縦型減圧ＣＶＤ装置を示す模式的な正面断面図である。
【図２】ジボラン中間体の生成率のジボラン加熱温度への依存性を説明するための図である。
【図３】エピタキシャル層の抵抗率分布のジボラン加熱温度への依存性を示す図である。
【図４】エピタキシャル層の抵抗率のジボラン供給流量への依存性を示す図である。
【図５】エピタキシャル層の抵抗率の成長速度への依存性を示す図である。
【符号の説明】
２    反応容器
Ｗ    シリコン単結晶基板
１    縦型減圧ＣＶＤ装置（シリコンウェーハの製造装置）
Ｒ    シリコン単結晶基板配置領域
７    加熱装置
【図１】
2004186376.tif 000003
【図２】
2004186376.tif 000004
【図３】
2004186376.tif 000005
【図４】
2004186376.tif 000006
【図５】
2004186376.tif 000007