(57)【要約】【課題】バイポーラトランジスタのエミッタ開口部のような微小な領域からシリコン基板へ拡散した不純物の拡散深さを高い精度で正確に測定することを目的とする。【解決手段】Ｓｉ基板上にｐ−ＳｉＧｅ層とｐ−Ｓｉ層が形成されており、その上部に絶縁膜およびＮ型ポリシリコン膜が形成されており、絶縁膜に形成された開口部からの不純物拡散により、ｐ−ＳｉＧｅ層あるいはｐ−Ｓｉ層中に拡散層が形成された構造を有するＰＮ接合ダイオードにおいて、順方向立ち上がり電位が変化する時のＳｉ層膜厚から微小領域の拡散深さを決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成され、第１半導体層とバンドギャップが異なる第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に形成された開口部を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第２導電型の第３半導体層とを備え、前記絶縁膜の開口部から前記第３半導体層に含まれる第２導電型不純物を拡散することにより、第２導電型の拡散層が前記第２半導体層あるいは前記第１半導体層の中に形成された構造のＰＮ接合ダイオードを用いた不純物拡散深さの測定方法において、
前記第２半導体層の膜厚を変えた、複数の前記ＰＮ接合ダイオードを作成する工程と、
複数の前記ＰＮ接合ダイオードの立ち上がり電位を測定する工程と、
前記立ち上がり電位が変化する時の前記第２半導体層の膜厚から前記拡散層の拡散深さを決定することを特徴とする不純物拡散深さの測定方法。
【請求項２】
前記第１半導体層は混晶半導体層であって、構成元素の組成を変えることによりバンドギャップを階段状に変化させることを特徴とする請求項１に記載の不純物拡散深さの測定方法。
【請求項３】
前記第１半導体層の膜厚は５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の不純物拡散深さの測定方法。
【請求項４】
前記半導体基板はシリコン基板であり、
前記第１半導体層はシリコンとゲルマニウムとからなる混晶半導体層であり、
前記第２半導体層はシリコン層であり、
前記第３半導体層はポリシリコン層であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の不純物拡散深さの測定方法。
【請求項５】
前記第１半導体層はシリコンとゲルマニウムとカーボンからなる混晶半導体層であることを特徴とする請求項４に記載の不純物拡散深さの測定方法。
【請求項６】
前記第２半導体層の膜厚を前記半導体基板面内で意図的に分布させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の不純物拡散深さの測定方法。
【請求項７】
第１導電型の半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成され、第１半導体層とバンドギャップが異なる第１導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層上に形成された開口部を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された第２導電型の第３半導体層とを備え、前記絶縁膜の開口部から前記第３半導体層に含まれる第２導電型の不純物を拡散することにより、第２導電型の拡散層が前記第２半導体層あるいは前記第１半導体層の中に形成された構造のＰＮ接合ダイオードを用いたことを特徴とする不純物拡散深さの測定装置。
【請求項８】
前記第１半導体層は混晶半導体層であって、構成元素の組成を変えることによりバンドギャップを階段状に変化させることを特徴とする請求項７に記載の不純物拡散深さの測定装置。
【請求項９】
前記第１半導体層の膜厚は５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の不純物拡散深さの測定装置。
【請求項１０】
前記半導体基板はシリコン基板であり、
前記第１半導体層はシリコンとゲルマニウムとからなる混晶半導体層であり、
前記第２半導体層はシリコン層であり、
前記第３半導体層はポリシリコン層であることを特徴とする請求項７〜９の何れか１項に記載の不純物拡散深さの測定装置。
【請求項１１】
前記第１半導体層はシリコンとゲルマニウムとカーボンからなる混晶半導体層であることを特徴とする請求項１０に記載の不純物拡散深さの測定装置。
【請求項１２】
前記第２半導体層の膜厚を前記半導体基板面内で意図的に分布させることを特徴とする請求項７〜１１の何れか１項に記載の不純物拡散深さの測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は不純物拡散深さの測定方法および測定装置に関し、詳しくは、半導体基板の微小領域にドープされた不純物元素の拡散深さを測定する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、シリコンバイポーラトランジスタでは、エミッタ層の不純物拡散深さによりベース幅が変動し、電流増幅率、遮断周波数等の電気特性が変動してしまう。このためエミッタ拡散深さ、即ちエミッタベース接合位置を正確に把握しておくことは、所望の電気特性を有するトランジスタを設計する際に重要である。
【０００３】
特に、高周波用途に用いられるバイポーラトランジスタでは、トランジスタの高速化を目指し、寄生抵抗や寄生容量を低減するために、ベース電極とエミッタ電極にポリシリコン膜を用いた２層ポリシリコン自己整合構造が用いられている。一般的な２層ポリシリコン自己整合構造を有するバイポーラトランジスタのエミッタ、ベース領域の形成方法について図１１の断面図を用いて説明する。
【０００４】
まず、Ｐ型シリコン基板１０１上にＮ＋型不純物層１０２を介してＮ−型エピタキシャル層１０３を形成する。その後、トレンチ技術および酸化膜埋め込み技術を用いて素子間分離として作用する酸化膜１０４を形成する（図１１（ａ））。
【０００５】
次に、酸化膜１０５、窒化膜１０６をＣＶＤ法により順次堆積させた後、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、窒化膜１０６を開口し、さらにウエットエッチにより開口部の酸化膜１０５を除去することにより、エピ成長領域１１４を形成する。次に、ＬＰ−ＣＶＤあるいはＵＨＶ−ＣＶＤ技術により、基板全面にボロンを含むＳｉ層１０７をエピタキシャル成長させるが、この時、成長温度、原料ガス流量を調整することにより、窒化膜１０６上には膜を堆積させずに、シリコン面上にのみエピタキシャル膜１０７を成長させることができる（図１１（ｂ））。
【０００６】
さらに全面に酸化膜１０８を堆積させ、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、素子領域上の一部に酸化膜１０８を残す（図１１（ｃ））。
【０００７】
その後、ベース引き出し電極となるポリシリコン膜１０９を堆積し、このポリシリコン膜１０９に不純物としてボロンをイオン注入し、全面に酸化膜１１０を堆積させた後、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、酸化膜１１０、ポリシリコン膜１０９を開口してエミッタ開口部１１５を形成する（図１１（ｄ））。
【０００８】
さらに全面に窒化膜を堆積し、異方性ドライエッチング技術により、酸化膜１１０とベースポリシリコン膜１０９の側壁に窒化膜サイドウォール１１１を形成する。その後、ウエットエッチにより、エミッタ開口部１１５内の酸化膜１０８を除去する（図１１（ｅ））。
【０００９】
次に、エミッタ電極となるＮ型ポリシリコン膜１１２を堆積する。続いて、フォトリソグラフィーとエッチング技術を用いて、エミッタポリシリコン膜１１２およびベースポリシリコン膜１０９を加工した後、ＲＴＡなどの熱処理を行い、エミッタポリシリコン膜１１２からＮ型不純物を真性ベース層となるＳｉエピ膜１０７中に拡散させて、エミッタベース接合を形成することにより、バイポーラトランジスタのエミッタ層およびベース層が形成される（図１１（ｆ））。
【００１０】
上記のように形成されたバイポーラトランジスタではＲＴＡ等の熱処理によりエミッタ層が形成されるため、熱処理条件（温度、時間）やエミッタポリシリコン膜１１２中の不純物濃度により、不純物拡散深さは大きく変動する。このため、これらのパラメータと不純物拡散深さとの関係を把握しておくことは、トランジスタを設計する際に非常に重要である。
【００１１】
さらに、上記のようにエミッタポリシリコン膜１１２からの不純物拡散により形成されるエミッタ層では、エミッタ開口部１１５のサイズ（面積）により、エミッタポリシリコン膜１１２からベース層となるＳｉ層１０７へ拡散する不純物の拡散深さが異なる。つまりエミッタ開口部１１５のサイズが小さくなるにつれ、拡散深さが浅くなる傾向が知られている。特にエミッタサイズがサブミクロン程度の微細な近年のバイポーラトランジスタでは、このエミッタサイズによる拡散深さの変化は顕著であり、各エミッタサイズでのエミッタ不純物の拡散深さを測定する手法が求められている。
【００１２】
また、近年、トランジスタを高速化するために、シリコンゲルマニウムをベース層として用いるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＳｉＧｅ−ＨＢＴと略称する）においては、少数キャリア（電子）のベース走行時間を短縮するために、図１２のようにＧｅに組成勾配を持たせたベース構造が採用されている。
【００１３】
ここで、図１２は図１１（ｆ）のＡ−Ａ’方向での断面の濃度プロファイルを示したものであり、１１６がエミッタ層、１１７がＳｉＧｅベース層である。図１２中の１１８はＧｅプロファイル、１１９はベース不純物プロファイル、１２０はエミッタ不純物プロファイルであり、１２１はエミッタベースの接合位置である。また、１２０ａは、エミッタポリシリコン膜１１２からの不純物拡散が浅かった場合のエミッタ不純物プロファイルであり、同様に１２０ｂはエミッタポリシリコン膜１１２からの不純物拡散が深かった場合のエミッタ不純物プロファイルである。
【００１４】
ＳｉおよびＧｅのバンドギャップは、それぞれ約１．１ｅＶ、約０．７ｅＶであり、Ｇｅ濃度１０〜１５％のＳｉＧｅ膜の場合、バンドギャップは、ＳｉとＧｅの間の１．０ｅＶ程度となる。このため、ベース領域のＳｉＧｅ膜１１７中のＧｅ濃度分布を、図１２のようにエミッタ側からコレクタ側に向かって増加させたＧｅ傾斜ベース構造とすることにより、エネルギーバンドギャップＥｇがエミッタ側からコレクタ側に向かって連続的に小さくできるため、下記数式（１）で表される内蔵電界Ｅを発生させ、エミッタからベースに注入された少数キャリアを電界Ｅにより加速させることができる。なお、数式（１）において、ｑは電荷量で、Ｗはベース幅である。
【００１５】
Ｅ＝（１．１ｅＶ−１．０ｅＶ）／ｑＷ      （１）
従って、拡散のみによって少数キャリアがベース領域を走行する従来のシリコンホモ接合バイポーラトランジスタに比べて高速化することができるという利点がある。
【００１６】
しかし、このようなＧｅ傾斜ベース構造では、図１２に示したようにエミッタ不純物の拡散深さの微妙な違いにより、ベース幅だけでなく、エミッタベ−ス接合部のＧｅ組成も変化してしまう。このため、エミッタ不純物の拡散深さの微妙な変動により、エミッタベース接合部のバンドギャップが変動してしまうため、通常のシリコンバイポーラトランジスタの場合よりも、電流増幅率や最大遮断周波数等の電気特性の変動が大きくなってしまう。このことから、ＳｉＧｅ−ＨＢＴにおいてはエミッタ拡散深さを正確に把握することは特に重要である。
【００１７】
半導体基板（以下、ウェハと略称する）にドープされた不純物元素の拡散深さを測定する従来技術としては、二次イオン質量分析法（以下、ＳＩＭＳと略称する）が一般に用いられているが、バイポーラトランジスタのエミッタ部のような微小な領域の拡散深さ測定にＳＩＭＳ分析を用いた場合は、以下のような問題点が生じる。
【００１８】
第１に、一般にバイポーラトランジスタのエミッタ部のような微小な領域（一辺が１μｍ以下）では、サイズ（面積）により、シリコン基板への拡散深さが異なり、サイズが小さくなるにつれて、拡散深さが浅くなる傾向がある。一方、ＳＩＭＳ分析では、一辺が数百μｍ程度の大面積パターンが必要であるため、ＳＩＭＳで求めた拡散深さと実際のトランジスタ部の拡散深さは異なってしまう。
【００１９】
第２に、ＳＩＭＳ分析の深さ方向分解能は５〜１０ｎｍ程度であり、誤差から不純物の濃度プロファイルが前後に広がってしまうため、正確な深さ位置を知ることができない。
【００２０】
また、他の従来技術としては、不純物濃度により酸化速度が異なることを使用し、ウェハ表面の酸化、エッチングを繰り返すことにより、不純物の拡散深さを求める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このような方法では、バイポーラトランジスタのエミッタ拡散層のような微小な領域の拡散深さを正確に測定することは困難である。
【特許文献１】特開平１１−２３３５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、従来技術における上記問題点を解決し、２層ポリシリコン自己整合型バイポーラトランジスタのエミッタ開口部のような微小な領域からシリコン基板へ拡散した不純物の拡散深さを高い精度で正確に測定する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明の不純物拡散深さの測定方法は、第１導電型の半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成され、第１半導体層とバンドギャップが異なる第１導電型の第２半導体層と、第２半導体層上に形成された開口部を有する絶縁膜と、絶縁膜上に形成された第２導電型の第３半導体層とを備え、絶縁膜の開口部から第３半導体層に含まれる第２導電型不純物を拡散することにより、第２導電型の拡散層が第２半導体層あるいは第１半導体層の中に形成された構造のＰＮ接合ダイオードを用いた不純物拡散深さの測定方法において、第２半導体層の膜厚を変えた、複数のＰＮ接合ダイオードを作成する工程と、複数のＰＮ接合ダイオードの立ち上がり電位を測定する工程と、立ち上がり電位が変化する時の第２半導体層の膜厚から拡散層の拡散深さを決定することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の不純物拡散深さの測定装置は、第１導電型の半導体基板上に形成された第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に形成され、第１半導体層とバンドギャップが異なる第１導電型の第２半導体層と、第２半導体層上に形成された開口部を有する絶縁膜と、絶縁膜上に形成された第２導電型の第３半導体層とを備え、絶縁膜の開口部から第３半導体層に含まれる第２導電型不純物を拡散することにより、第２導電型の拡散層が第２半導体層あるいは第１半導体層の中に形成された構造のＰＮ接合ダイオードを用いたことを特徴とする。
【００２４】
上記の構成により、第１半導体層とバンドギャップが異なる第２半導体層の膜厚のみ変えたＰＮ接合ダイオードを複数作成し、各ダイオードの立ち上がり電位を測定すると、ＰＮ接合が第２半導体層中にあるダイオードと第１半導体層中にあるダイオードとで立ち上がり電位が異なるため、不純物の拡散深さに対応する第１半導体層の膜厚で立ち上がり電位に変化点が生じる。即ち、この時の第１半導体層の膜厚が不純物の拡散深さに対応する。従って、微小領域における不純物の拡散深さを高精度に決定することができる。
【００２５】
上記の測定方法および測定装置において、第１半導体層は混晶半導体層であって、構成元素の組成を変えることによりバンドギャップを階段状に変化させることが好ましい。
【００２６】
上記の測定方法および測定装置において、第１半導体層の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
上記の測定方法および測定装置において、半導体基板はシリコン基板であり、第１半導体層はシリコンとゲルマニウムとからなる混晶半導体層であり、第２半導体層はシリコン層であり、第３半導体層はポリシリコン層であることが好ましい。
【００２８】
上記の測定方法および測定装置において、第１半導体層はシリコンとゲルマニウムとカーボンからなる混晶半導体層であることが好ましい。
【００２９】
上記の測定方法および測定装置において、第２半導体層の膜厚を半導体基板面内で意図的に分布させることが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように本発明によれば、ＳｉＧｅ／Ｓｉヘテロ接合を有するダイオードを効果的に利用することにより、自己整合型バイポーラトランジスタのエミッタ開口部などの微小領域からの不純物拡散深さを高い精度でかつ容易に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に本発明の実施形態について図面を用いてさらに具体的に説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における不純物拡散深さ測定用素子の断面構造を示したものである。
【００３３】
本実施形態における不純物拡散深さ測定用素子は、Ｐ型シリコン基板１上にボロン等のＰ型不純物がドーピングされたシリコンとゲルマニウムの混晶半導体のエピタキシャル層２（以下、ｐ−ＳｉＧｅ層と略称する）が形成されており、その上部にボロン等のＰ型不純物がドーピングされたシリコンエピタキシャル層３（以下、ｐ−Ｓｉ層と略称する）が形成されており、さらにｐ−Ｓｉ層３の上部に酸化膜等の絶縁膜４が形成されている。絶縁膜４の一部には、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により、絶縁膜４が除去されたエミッタ開口部５が設けられており、絶縁膜４およびエミッタ開口部５は、リンやヒ素などのＮ型不純物でドーピングされたポリシリコン膜７で覆われている。さらに、エミッタ開口部５からＲＴＡ等の熱処理でＮ型ポリシリコン膜７からＮ型不純物をシリコン基板へ拡散させることにより、エミッタ層６が形成され、ｐ−Ｓｉ層３あるいはｐ−ＳｉＧｅ層２中にＰＮ接合が形成されている。
【００３４】
ここで、図１（ａ）はＰＮ接合がｐ−Ｓｉ層３中に形成されている場合、図１（ｂ）はＰＮ接合がｐ−ＳｉＧｅ層２中に形成されている場合を示している。図１では外部と電気的に接続するための電極部は示していないが、ｐ−ＳｉＧｅ層２をアノード、エミッタ層６（Ｎ型ポリシリコン膜７）をカソードとすることにより、本素子はＰＮ接合ダイオードとして作用させることができる。
【００３５】
本実施形態の特徴は、ＰＮ接合ダイオード中に、ＳｉとＳｉＧｅのヘテロ接合を有することを特徴とし、このヘテロ接合を有効に利用することによりバイポーラトランジスタのエミッタ領域のような微小な領域の不純物拡散深さを高い精度で正確に測定することができる。
【００３６】
一般に、ＰＮ接合ダイオードの立ち上がり電圧は、バンドギャップＥｇが減少するにつれて低下する。即ち、ダイオードの立ち上がり電位Ｖ０は、Ｓｉダイオードの場合で約０．６Ｖであり、Ｇｅダイオードの場合で約０．２Ｖである。ＳｉＧｅ層ではこの間の値となり、Ｇｅ濃度１５％でバンドギャップが０．１ｅＶ程度小さくなるため、ｐ−ＳｉＧｅ膜２中のＧｅ濃度が１５％程度の場合、Ｓｉダイオードと比較して、立ち上がり電位Ｖ０に０．１Ｖ程度のシフト（低下）が見込まれる。
【００３７】
このため、本発明のダイオード素子において、ＰＮ接合がｐ−Ｓｉ層３中に形成される場合（図１（ａ））とｐ−ＳｉＧｅ層２中に形成される場合（図１（ｂ））とでは、順方向電流電圧特性の立ち上がり電位Ｖ０が異なる。
【００３８】
図２にＰＮ接合がｐ−Ｓｉ層３中に形成された場合（８ａ）とｐ−ＳｉＧｅ層２中に形成された場合（８ｂ）のＰＮ接合ダイオードの順方向電流電圧特性を模式的に示した。本発明のダイオード素子では、ＰＮ接合がｐ−Ｓｉ層３とｐ−ＳｉＧｅ層２のどちらに形成されているかで、ｐ−Ｓｉ層３とｐ−ＳｉＧｅ層２のバンドギャップ差に対応した立ち上がり電位Ｖ０の変動が現れる。
【００３９】
以下、具体的に本発明の測定方法について述べる。
【００４０】
本発明の測定方法では、ｐ−ＳｉＧｅ層２の膜厚とＧｅ組成は一定で、ｐ−Ｓｉ層３の膜厚のみ変えたダイオード素子を複数作成し、それぞれの素子の立ち上がり電位Ｖ０を調べる。次に、図３のように得られたＶ０をｐ−Ｓｉ膜３の膜厚に対してプロットすると、ＰＮ接合がｐ−Ｓｉ膜３中にある素子とｐ−ＳｉＧｅ膜２中にある素子で立ち上がり電位Ｖ０が異なるため、図３のように不純物の拡散深さに対応するｐ−Ｓｉ膜厚でＶ０に変化点が生じる。この時のｐ−Ｓｉ層膜厚（Ｔｅｐｉ）がエミッタ層拡散深さ（Ｔｅ）に対応する。このようにｐ−Ｓｉ層３の膜厚に対するＶ０の変化点を調べることにより、微小領域における不純物の拡散深さを決定することができる。
【００４１】
ここでｐ−Ｓｉ層３およびｐ−ＳｉＧｅ層２の膜厚は、ＵＨＶ−ＣＶＤ技術、あるいはＭＢＥ技術、ＬＰ−ＣＶＤ技術を用いることにより、ナノメーターオーダーで制御することができる。このため、特に変化点付近で、少しずつｐ−Ｓｉ層３の膜厚が異なるダイオードを多数作成することにより、ｐ−Ｓｉ膜３成膜時の膜厚制御レベル（ナノメーターオーダー）まで測定精度を上げることができる。
【００４２】
また、実際のｐ−Ｓｉ膜３およびｐ−ＳｉＧｅ膜２の膜厚は、分光エリプソメトリー等の測定技術を用いて成膜直後に測定することができるが、例えば分光エリプソメトリーでは、数Åレベルの精度での測定が可能である。
【００４３】
以上のことから、本発明における不純物拡散深さ測定手法は、ナノメーターオーダーでの測定が可能である。
【００４４】
なお、ｐ−ＳｉＧｅ層３のＰ型不純物濃度は、実際に作成するデバイス構造の対応する領域（例えば、バイポーラトランジスタの場合のエミッタ深さを測定する場合ならば、ベース層）の不純物濃度と同程度であることが望ましい。
【００４５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、意図的にｐ−Ｓｉ層３の膜厚をウェハ面内で分布させることにより、少ないウェハ枚数で第１の実施形態と同様の効果を得ることを目的とするものである。
【００４６】
本発明におけるダイオード素子のｐ−Ｓｉ層３およびｐ−ＳｉＧｅ層２は、ＵＨＶ−ＣＶＤ技術、ＭＢＥ技術やＬＰ−ＣＶＤ技術等の成膜技術を用いて作成することができるが、これらの成膜技術では、ヒーター加熱やランプ加熱により所望の温度にウェハを加熱している。この時、一般にヒーターやランプの熱源を複数のゾーンに分割して制御することにより、ウェハ面内の温度均一性を良くする手法が用いられている。
【００４７】
また、これらの成膜技術では、原料ガスの流量と成膜温度を適宜に選択することにより、成膜速度、すなわちｐ−Ｓｉ層３やｐ−ＳｉＧｅ層２の膜厚をガス流量に依存せず、成膜温度にのみ依存する反応領域（反応律速領域）で成膜を行うことができる。
【００４８】
以上のことから、成膜を反応律速領域で行い、かつ各ゾーンの温度設定を適度に設定することにより、意図的にウェハ面内に膜厚分布を持たせることが容易に実現できる。
【００４９】
さらに、本発明の測定方法の原理からはｐ−Ｓｉ層３のみに面内膜厚分布を持たせることが好ましいと考えられるが、ｐ−ＳｉＧｅ層２は均一性の良い通常の温度設定で成膜し、ｐ−Ｓｉ層３の成膜時のみ温度設定を意図的に変更することにより、容易にｐ−Ｓｉ層３の膜厚のみ面内分布を持ったウェハを作成することができる。
【００５０】
ゾーンでの温度制御の一例として、メインヒーター１０（ウェハ全面を均一に加熱）とサブヒーター１１（ウェハ周辺のみ加熱）での２ゾーン制御の場合のウェハ加熱機構を図４に示す。図４（ａ）がメインヒーター１０で、図４（ｂ）がサブヒーター１１を上部から見た図であり、図４（ｃ）はシリコンウェハがこれらのヒーターによって加熱される場合の様子を示している。なお、実際のプロセスではヒーターとウェハの間にはＳｉＣ製のサセプタ等が設置されるが、図４では簡略化のためこれらは除いてある。
【００５１】
また、この制御機構でのメインヒーター１０とサブヒーター１１の出力比を変えた場合でのウェハ面内のｐ−Ｓｉ層の膜厚分布を図５に示した。図５（ａ）がメイン：サブ＝０．６：１の場合であり、図５（ｂ）がメイン：サブ＝０．７：１の場合である。なお、図５は膜厚の平均値に対する割合（パーセント）で面内分布を表示している。
【００５２】
このようにヒーター比率を任意に変えることにより、所望のＳｉ層膜厚分布を持ったウェハを容易に作成することができる。
【００５３】
さらに、このようにして作成したウェハ上のｐ−Ｓｉ層３およびｐ−ＳｉＧｅ層２の膜厚は、分光エリプソメトリー等の測定技術を用いて数Åオーダーレベルでの測定が可能である。このため、ｐ−Ｓｉ層３とｐ−ＳｉＧｅ層２を成膜した直後に、実際のウェハ面内各点の膜厚を測定しておけば拡散プロセス完了後、測定したダイオード素子の順方向電流電圧特性の立ち上がり電位Ｖ０を、成膜直後に測定しておいたｐ−Ｓｉ層３の面内膜厚分布と対応させることで、図３と同様のグラフを作成することができ、少ないウェハ枚数で第１の実施形態と同様に不純物の拡散深さを高精度で測定することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、ｐ−ＳｉＧｅ層２をＧｅ組成の異なるｐ−ＳｉＧｅ層の積層膜（階段型のＧｅ濃度プロファイル）とすることで、ＰＮ接合が形成され得るｐ−ＳｉＧｅ膜のＧｅ組成（バンドギャップ）、即ちＶ０を複数用意することにより、少ないウェハ数で高精度に不純物の拡散深さを測定することを目的とするものである。
【００５５】
図６は本実施形態におけるダイオード素子の断面構造を示し、図７は本実施形態におけるＧｅ、Ｐ型不純物、Ｎ型不純物のそれぞれの深さ方向における濃度プロファイルを示したものである。また、図８は本実施形態におけるダイオード素子の順方向電流電圧特性を模式的に示したものである。ここで、１９ａはＰＮ接合がｐ−Ｓｉ膜３中に形成された場合、１９ｂはＧｅ低濃度のｐ−ＳｉＧｅ層１３ａ中に形成された場合、さらに１９ｃはＧｅ高濃度のｐ−ＳｉＧｅ層１３ｂ中に形成された場合である。
【００５６】
図８に示したように、ＰＮ接合が形成される層とダイオードの立ち上がり電位Ｖ０との関係は、事前に把握しておくことができるため、本実施形態では、実施形態１のように、ｐ−Ｓｉ層３の膜厚が異なるダイオード素子を多数作成することなく、少ない素子数で拡散層の深さを決定することができる。
【００５７】
また、本実施形態ではｐ−ＳｉＧｅ層２が２層の場合を用いて説明したが、２層であることが本質的なことではなく、３層以上の多層膜としても構わない。特に多層化して各層の膜厚を薄くすることにより拡散深さの測定分解能を上げ、ダイオード１素子で拡散深さを決定することが可能となる。
【００５８】
さらに、本実施形態の説明では、ｐ−ＳｉＧｅ層のＧｅ組成がウェハ表面に近づくに従い低下する例を用いて説明したが、ウェハ表面に近づくにつれ増加する、あるいは増減を繰り返すような構造でも同様の効果が得られる。
【００５９】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、ｐ−ＳｉＧｅ層２の膜厚を数ｎｍ程度まで薄膜化することにより、深さ方向の測定分解能を上げ、不純物拡散深さ測定の精度を向上させることを目的とするものである。
【００６０】
図９は本実施形態におけるダイオード素子の断面構造を示し、図１０は本実施形態において得られるＳｉ層３の膜厚と順方向電流電圧特性の立ち上がり電位Ｖ０との関係を示したものである。
【００６１】
図９、図１０に示したように、ｐ−ＳｉＧｅ層２０を薄膜化することにより、ＰＮ接合が薄いｐ−ＳｉＧｅ層中に形成された時のみ立ち上がり電位Ｖ０が低下し、さらにｐ−Ｓｉ層膜厚が薄くなると、ＰＮ接合が再びＳｉ層（ｐ−Ｓｉ基板中）に形成されるため、立ち上がり電位Ｖ０は元の値に戻る。
【００６２】
図１０のプロットでｐ−ＳｉＧｅ層２０の膜厚を薄くすればする程、ダイオードの立ち上がり電位Ｖ０の凹みがシャープになるため、深さ方向の測定分解能を上げ、より正確に拡散深さを決定することができる。
【００６３】
このように、Ｇｅがデルタドープ的にドープされた素子構造を用いることで、ｐ−ＳｉＧｅ層２０の膜厚程度まで拡散層深さの測定精度を上げることができる。
【００６４】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、ｐ−ＳｉＧｅ層中に微量のＣ原子を添加することを特徴とするものである。
【００６５】
本発明において拡散深さの測定精度を上げるためには、ＳｉＧｅ層中のＧｅ濃度を高くし、バンドギャップ差を大きくすることにより、ダイオードの立ち上がり電位の変化を大きくすることが有効であると考えられる。しかし、一般にＧｅ原子はＳｉ原子に比べて約４％格子定数が大きいため、通常Ｓｉ／ＳｉＧｅへテロ接合界面では格子整合するために歪みが生じている。このためＧｅ濃度を高くした場合、歪みの緩和が生じてしまい、Ｓｉ／ＳｉＧｅへテロ接合界面に結晶欠陥が発生してしまうため、Ｇｅ濃度は１５〜２０％程度までしか上げることができないという制約がある。
【００６６】
しかし、ＳｉＧｅ膜中に原子半径の小さいＣ原子を微量添加することにより、Ｓｉ／ＳｉＧｅへテロ接合界面の歪みを抑制し、Ｇｅ濃度を３０％以上に高濃度化しても結晶欠陥の無いダイオード素子を作成することができる。
【００６７】
ここで、ＳｉにＧｅを加えた場合とは逆に、Ｃ添加によりＳｉＧｅ膜のバンドギャップは大きくなり、Ｓｉのバンドギャップとの差が小さくなってしまうが、Ｃは１％以下の微量な添加で歪みを抑制する効果が得られるため、Ｇｅを高濃度化することの効果の方がはるかに大きい。
【００６８】
また、Ｃ添加を添加することにより以下の効果も得られる。エミッタ拡散層形成のためのＲＴＡ等の熱処理でｐ−ＳｉＧｅ層のＧｅ濃度分布が広がってしまう（Ｓｉ／ＳｉＧｅへテロ接合界面での相互拡散によりＧｅ濃度プロファイルの急峻性が低下）ため、本発明による不純物の拡散深さ測定の測定精度は悪化してしまう。特に、熱処理時の温度が高く、処理時間が長い場合にＧｅ濃度プロファイルの崩れは大きくなる。しかし、ＳｉＧｅ層中に微量のＣを添加することにより、プロファイルの崩れを抑制することもできるため、このような測定精度の悪化を防ぐことができる。
【００６９】
上記の理由から、ｐ−ＳｉＧｅ層へ微量のＣを添加することにより、Ｇｅを高濃度化しても結晶欠陥が無く、熱処理によるＧｅ濃度プロファイルの崩れも無いダイオード素子を作成することが可能となり、ダイオードの順方向特性の立ち上がり電位差ΔＶを大きくすることができ、不純物拡散深さの測定精度を上げることが可能となる。
【００７０】
以上の各実施形態では、第１半導体層がＳｉＧｅの混晶半導体層であり、第２半導体層がＳｉの場合を用いて説明したが、第１半導体層と第２半導体層の間にバンドギャップの差があれば同様の効果が得られる。例えば、第１半導体層がＳｉであり、第２半導体層がＳｉＧｅである場合でも、第２半導体層膜厚に対する順方向立ち上がり電位Ｖ０の変化の方向が逆になるだけであり、同様の手法により不純物拡散深さを決定することができる。
【００７１】
また、本発明は上述した第１〜第５の実施形態に限定されるものではなく、ＳｉとＧｅの混晶半導体層を有する拡散層に代えて、例えばインジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）とＰを含む化合物半導体層を有する拡散層に適用としても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係る不純物拡散深さの測定方法および測定装置は、微小領域からの不純物拡散深さを高い精度でかつ容易に測定するものであり、２層ポリシリコン自己整合型バイポーラトランジスタにおける不純物拡散深さの測定方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるダイオード素子の断面図
【図２】本発明の第１の実施形態におけるダイオードの順方向電流電圧特性図
【図３】本発明の第１の実施形態におけるダイオードの順方向電流電圧特性の立ち上がり電位とＳｉ層膜厚との関係を示した図
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するために用いた２ゾーンヒーター制御機構の一例を示した図、（ａ）はメインヒーターを示した図、（ｂ）はサブヒーターを示した図、（ｃ）はメインヒーターとサブヒーターによるウェハ加熱を示した図
【図５】本発明の第２の実施形態におけるヒーター出力比とウェハ面内の膜厚分布との関係を示した図、（ａ）は出力比率がメイン：サブ＝０．６：１を示した図、（ｂ）は出力比率がメイン：サブ＝０．７：１を示した図
【図６】本発明の第３の実施形態におけるダイオード素子の断面図
【図７】本発明の第３の実施形態におけるダイオード素子の深さ方向濃度プロファイルを示した図
【図８】本発明の第３の実施形態におけるダイオードの順方向電流電圧特性図
【図９】本発明の第４の実施形態におけるダイオード素子の断面図
【図１０】本発明の第４の実施形態におけるダイオードの順方向電流電圧特性の立ち上がり電位とＳｉ層膜厚との関係を示した図
【図１１】一般的な２層ポリシリコン自己整合型バイポーラトランジスタの製造方法を示した工程断面図
【図１２】一般的なＧｅ傾斜ベース構造トランジスタでのＧｅおよびＰ型、Ｎ型不純物の深さ方向濃度プロファイルを示した図
【符号の説明】
【００７４】
１  Ｐ型シリコン基板
２  ｐ−ＳｉＧｅエピタキシャル層
３  ｐ−Ｓｉエピタキシャル層
４  絶縁膜
５  エミッタ開口部
６  エミッタ拡散層
７  Ｎ型ポリシリコン膜
８ａ  順方向電流電圧特性（ＰＮ接合がｐ−Ｓｉ膜中に形成された場合）
８ｂ  順方向電流電圧特性（ＰＮ接合がｐ−ＳｉＧｅ膜中に形成された場合）
９ａ  順方向立ち上がり電位（ＰＮ接合がｐ−Ｓｉ膜中に形成された場合）
９ｂ  順方向立ち上がり電位（ＰＮ接合がｐ−ＳｉＧｅ膜中に形成された場合）
１０  メインヒーター
１１  サブヒーター
１２  シリコン基板
１３ａ  ｐ−ＳｉＧｅ層（Ｇｅ低濃度）
１３ｂ  ｐ−ＳｉＧｅ層（Ｇｅ高濃度）
１４  ｐ−Ｓｉ層領域
１５  ｐ−ＳｉＧｅ層領域
１６  Ｇｅプロファイル
１７  Ｐ型不純物プロファイル
１８ａ  Ｎ型不純物プロファイル（ＰＮ接合がｐ−Ｓｉ膜中に形成された場合）
１８ｂ  Ｎ型不純物プロファイル（ＰＮ接合がｐ−ＳｉＧｅ膜（Ｇｅ低濃度）中に形成された場合）
１８ｃ  Ｎ型不純物プロファイル（ＰＮ接合がｐ−ＳｉＧｅ膜（Ｇｅ高濃度）中に形成された場合）
１９ａ  順方向電流電圧特性（ＰＮ接合がｐ−Ｓｉ膜中に形成された場合）
１９ｂ  順方向電流電圧特性（ＰＮ接合がｐ−ＳｉＧｅ膜（Ｇｅ低濃度）中に形成された場合）
１９ｃ  順方向電流電圧特性（ＰＮ接合がｐ−ＳｉＧｅ膜（Ｇｅ高濃度）中に形成された場合）
２０  ｐ−ＳｉＧｅ層（デルタドープ）
１０１  Ｐ型シリコン基板
１０２  Ｎ＋型不純物層
１０３  Ｎ−型エピタキシャル層
１０４  酸化膜素子分離
１０５  ＣＶＤ酸化膜
１０６  ＣＶＤ窒化膜
１０７  Ｓｉエピタキシャル層
１０８  ＣＶＤ酸化膜
１０９  ベースポリシリコン電極
１１０  ＣＶＤ酸化膜
１１１  窒化膜サイドウォール
１１２  エミッタポリシリコン電極
１１３  エミッタ拡散層
１１４  エピ成長領域
１１５  エミッタ開口部
１１６  エミッタ層
１１７  ＳｉＧｅベース層（Ｇｅ傾斜構造）
１１８  Ｇｅプロファイル
１１９  Ｐ型不純物プロファイル
１２０  Ｎ型不純物プロファイル
１２０ａ  Ｎ型不純物プロファイル（不純物拡散が浅い場合）
１２０ｂ  Ｎ型不純物プロファイル（不純物拡散が深い場合）
１２１  エミッタベース接合位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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