(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内にてシリコン単結晶基板の直上にエピタキシャル層を気相成長させることによりシリコンエピタキシャルウェーハを製造する時において、
前記エピタキシャル層の気相成長を開始するまでの間、該気相成長の開始時点において予定されている濃度のドーパントガスをパージする成長前パージ工程と、
そのドーパントガスの供給濃度を変化させて前記成長前パージ工程の後にドーパントガスを前記反応炉内に供給する遷移領域の気相成長工程と、
その遷移領域の気相成長工程とは異なる一定濃度のドーパントガスを、前記反応炉内に供給する安定領域の気相成長工程とを有するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
上記の各工程に先立って、前記遷移領域の気相成長工程に使われるドーパントガスの濃度を定める工程を備えており、
このドーパントガスの濃度を定める工程は、
ドーパントガスを供給せずにエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長することによりノンドープの不純物濃度プロファイルを得る第１の工程と、
この得られたノンドープの不純物濃度プロファイルに基づいて当該反応炉におけるオートドーピング量を推定する第２の工程と、
この推定されたオートドーピング量による不純物濃度プロファイルよりも高い不純物濃度の不純物濃度プロファイルが得られるドーパントガスの濃度を定める第３の工程とを有し、
このドーパントガスの濃度を定める工程によって得られた濃度のドーパントガスを、前記遷移領域の気相成長工程において前記反応炉内に供給することを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記ドーパントガスの濃度を定める工程において当該反応炉におけるオートドーピング量を推定する第２の工程は、
前記ノンドープの不純物濃度プロファイルにおいて、気相成長の開始時点から略一定の勾配にて不純物濃度が減少する外方拡散支配領域と、該外方拡散支配領域に続くオートドーピング支配領域との境界点Ｐに対応する濃度Ｄ０の１／２を、当該境界点Ｐにおけるオートドーピング量とすることを特徴とする請求項１記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記境界点Ｐに対応するエピタキシャル層の厚さをｘＰとして、前記遷移領域の気相成長工程において、前記エピタキシャル層の厚さｘＰ以降の部分を成長する際に、少なくとも前記第３の工程で定めた濃度のドーパントガスを、常に前記反応炉内に供給することを特徴とする請求項２記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記遷移領域の気相成長工程の開始時点で前記反応炉内に供給されるドーパントガスの濃度は、気相成長の開始時点におけるエピタキシャル層の不純物濃度を、前記シリコン単結晶基板の不純物濃度と同じにすることができる濃度以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記遷移領域の気相成長工程において、前記第３の工程で定められた濃度を維持したまま、ドーパントガスの供給濃度を漸次減少させながら、該ドーパントガスを前記反応炉内に供給することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記遷移領域の不純物濃度プロファイルは、前記エピタキシャル層の成長方向において不純物濃度の対数値が直線的に減少する区間を２箇所以上有することを特徴とする請求項５に記載のシリコンエピタキシャル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、シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶基板上に該シリコン単結晶基板と同一導電型のシリコンエピタキシャル層（以下、単にエピタキシャル層という。）を気相成長させてシリコンエピタキシャルウェーハを製造する際、シリコン単結晶基板とエピタキシャル層との界面において不純物濃度が漸次変化する遷移領域の不純物濃度プロファイルを一定に維持することが重要である。特に、エピタキシャル層全体の抵抗率が特性に影響を与えるパワーＭＯＳ−ＦＥＴ用等のシリコンエピタキシャルウェーハの製造においては、遷移領域の不純物濃度プロファイルを一定に維持することが重要である。ここで不純物濃度プロファイルは、シリコンエピタキシャルウェーハ中における不純物濃度の該ウェーハ厚さ方向の分布を意味する。
【０００３】
しかし、エピタキシャル層の気相成長の際には、シリコン単結晶基板、反応炉の内壁あるいはサセプタ等の治具から不純物が気相中に一旦遊離した後、成長中のエピタキシャル層に再度取り込まれるといういわゆるオートドーピング現象が発生し、遷移領域の不純物濃度プロファイルを変化させる。特に、高濃度に不純物が添加されたシリコン単結晶基板上に該シリコン単結晶基板と同一導電型のシリコンエピタキシャル層を気相成長する際には、シリコン単結晶基板からの影響が大きくなる。オートドーピング量はオートドーピング現象によりエピタキシャル層中に取り込まれている不純物濃度で現されるが、特に、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）あるいは硼素（Ｂ）のようにオートドーピング量の大きい不純物が高濃度に添加されているシリコン単結晶基板の直上にエピタキシャル層を成長させる場合には、オートドーピング現象の影響が大きい。
【０００４】
そこで、遷移領域の不純物濃度プロファイルを一定に維持するために、例えば特開平８−１７７３７号公報においては、半導体ウェーハ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用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ことを特徴とするエピタキシャル成長法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、オートドーピング量は、シリコン単結晶基板の不純物濃度、エピタキシャル成長前に行われるシリコン単結晶基板のエッチング量、気相成長温度、気相成長速度のみならず、その時々の反応炉の雰囲気により変化するので、不純物濃度プロファイルは結局オートドーピング量の変化の影響を受け、不純物濃度プロファイルを一定に維持することは困難であった。
【０００６】
本発明の課題は、エピタキシャル層の遷移領域における不純物濃度プロファイルを一定に維持することができるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、
反応炉内にてシリコン単結晶基板の直上にエピタキシャル層を気相成長させることによりシリコンエピタキシャルウェーハを製造する時において、
前記エピタキシャル層の気相成長を開始するまでの間、該気相成長の開始時点において予定されている濃度のドーパントガスをパージする成長前パージ工程と、そのドーパントガスの供給濃度を変化させて前記成長前パージ工程の後にドーパントガスを前記反応炉内に供給する遷移領域の気相成長工程と、その遷移領域の気相成長工程とは異なる一定濃度のドーパントガスを、前記反応炉内に供給する安定領域の気相成長工程とを有するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
上記の各工程に先立って、前記遷移領域の気相成長工程に使われるドーパントガスの濃度を定める工程を備えており、
このドーパントガスの濃度を定める工程は、ドーパントガスを供給せずにエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長することによりノンドープの不純物濃度プロファイルを得る第１の工程と、この得られたノンドープの不純物濃度プロファイルに基づいて当該反応炉におけるオートドーピング量を推定する第２の工程と、この推定されたオートドーピング量による不純物濃度プロファイルよりも高い不純物濃度の不純物濃度プロファイルが得られるドーパントガスの濃度を定める第３の工程とを有し、
このドーパントガスの濃度を定める工程によって得られた濃度のドーパントガスを、前記遷移領域の気相成長工程において前記反応炉内に供給することを特徴とする。
【０００８】
上記本発明においては、オートドーピング現象の影響を受け易い遷移領域における不純物濃度プロファイルを一定に保つために、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。つまり、予想されるオートドーピング量よりも不純物濃度が十分高くなるように、遷移領域の不純物濃度プロファイルを予め設定する。これにより、オートドーピング量が変化しても、その量は傾斜した不純物濃度プロファイルの許容変化範囲に納まるようになり、このシリコンエピタキシャルウェーハを用いた半導体装置の特性が、オートドーピング現象の影響をほとんど受けなくなる。
【０００９】
なお、遷移領域の気相成長工程の開始時点においては、シリコン単結晶基板からの不純物の直接拡散（後述する外方拡散）により、エピタキシャル層中の不純物濃度が過剰となりやすくなる。そこで、反応炉内に供給されるドーパントガスの濃度は、気相成長の開始時点におけるエピタキシャル層の不純物濃度を、シリコン単結晶基板の不純物濃度と同じにすることができる濃度以下に設定することで、このような不具合が回避され、遷移領域における不純物濃度プロファイルをより一定に保ちやすくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明に係るドーパントガス供給濃度の設定（図１（ａ））と、その結果得られるシリコンエピタキシャルウェーハ中の不純物濃度プロファイル（図１（ｂ））を模式的に表したものである。なお、以下に示す不純物濃度プロファイルは全て片対数グラフであり、縦軸に示す不純物濃度が対数値である。
【００１１】
図８は、シリコンエピタキシャルウェーハの製造に使用する装置の一例を模式的に示すものであり、反応炉１内のサセプタにシリコン単結晶基板Ｗを保持し、ヒータ２にて所定温度に加熱する。そして、ガス供給用配管３を通じて反応炉１内に、所定比率の原料ガスとドーパントガスとをキャリアガスとともに流すことで、該シリコン単結晶基板Ｗの主表面上に該シリコン単結晶基板Ｗと同一導電型のシリコンエピタキシャル層が気相成長され、シリコンエピタキシャルウェーハが得られる。
【００１２】
ここで、本発明に係る遷移領域の気相成長工程では、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供給する。前述したように、オートドーピング量はその時々の反応炉１内の雰囲気により変化するので、シリコンエピタキシャルウェーハの製造を開始する前に、以下の予備調査試験を行うことで該製造に使用する反応炉内の雰囲気状況を確認する。
【００１３】
まず、ドーパントガスを供給しない（ノンドープ）で所望厚さのエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長する。すると、図２に示すようなノンドープの不純物濃度プロファイル（以下、単にノンドーププロファイルという）が得られる。このノンドーププロファイルのエピタキシャル層は、外方拡散支配領域とオートドーピング支配領域とからなる。
【００１４】
ここでいう外方拡散とは、シリコン単結晶基板からエピタキシャル層中に不純物が直接拡散することをいい、外方拡散支配領域では、外方拡散の量が不純物濃度プロファイルの形状を主に決定する。一方、オートドーピング支配領域では、オートドーピング量が不純物濃度プロファイルの形状を主に決定する。外方拡散支配領域は、気相成長の開始時点から略一定の勾配にて不純物濃度を減少させる直線状の区間としてプロファイル上に現われる。他方、オートドーピング支配領域は、該外方拡散支配領域の延長から高濃度側に外れる形にて、該外方拡散支配領域に続く裾野状の曲線領域として現われる。
【００１５】
外方拡散支配領域とオートドーピング支配領域は、外方拡散支配領域の延長線ｌを不純物濃度プロファイル上に引くことにより近似的に求めることができる。延長線ｌと不純物濃度プロファイルが重なっている領域が外方拡散領域であり、延長線ｌから不純物濃度プロファイルが高濃度側に外れ出す境界点をＰとして、そのＰ点以降の領域がオートドーピング支配領域である。Ｐ点においては、外方拡散とオートドーピングの量が拮抗するので、合計でＤ０となる不純物濃度のうち、Ｄ０／２が外方拡散からの寄与分、残余のＤ０／２がオートドーピング現象からの寄与分と考えることができる。すなわち、Ｐ点におけるオートドーピング現象による不純物濃度はＤ０／２であると推定することができる。
【００１６】
次に、所望の不純物濃度を安定領域として形成するために必要なドーパントガスの供給濃度を求める。具体的には、供給するドーパントガスの流量と該ドーパントガスを希釈する水素の流量とを変えることによりドーパントガスの供給濃度を種々に変化させて各種のシリコンエピタキシャルウェーハを製造し、各々その安定領域における平均的な不純物濃度を測定する。図３は、安定領域を有する不純物濃度プロファイルの一例である。ここで、ＤｔとＤｓはそれぞれシリコン単結晶基板とエピタキシャル層の安定領域の不純物濃度である。次に、前記測定結果を集めて、安定領域の不純物濃度をドーパントガスの流量に対してプロットすれば、図６に示すような濃度−流量関係曲線が得られる。ここでは、ドーパントガスの供給濃度変化に対応する安定領域の不純物濃度を決定することが目的であるから、遷移領域の形成に際して特にオートドーピング量を考慮してドーパントガスの供給濃度を設定する必要はない。ただし、当然に、得られる不純物濃度プロファイル（図３）は従来と同様のものとなり、その遷移領域のプロファイルはオートドーピングの量により大きく変化する。
【００１７】
続いて、遷移領域を形成するために、図７（ｂ）に示すドーパントガスの供給濃度プロファイルにおいて、遷移領域の開始点（Ｍ’）でのドーパントガスの供給濃度を、図６の濃度−流量関係曲線を用いて求める。この時、Ｍ’でのドーパントガス供給濃度は、推定されるオートドーピング量よりも高く、かつ、シリコン単結晶基板の不純物濃度Ｄt以下、例えば、Ｄtから所定量αを減じた値（Ｄt−α）にすることができる濃度Ｃ（Ｄｔ−α）に設定する。この時、ドーパントガスの供給濃度をシリコン単結晶基板の不純物濃度Ｄｔよりも高くすることができる濃度にすると、反応炉の内壁あるいはサセプタ等の治具に付着する不純物の量は基板からの不純物の外方拡散量よりも大きくなり、無用にオートドーピング量を増すことになるので、好ましくない。
【００１８】
なお、濃度Ｃ（Ｄｔ−α）でドーパントガスを供給し始める前に、図８のパージ用配管６を介して、設定した濃度のドーパントガスを十分にパージしておくことが重要である。ここでパージとは、ドーパントガスを反応炉１内に供給せずに掛流すことをいう。パージを行わないと、ドーパントガスの流量制御装置が閉状態から設定値に移行するまでの間にガス流量が安定しないので、図４に示すような異常な不純物濃度プロファイルが発生することがあるからである。なお、図８では、このパージを行うために、反応炉１をバイパスさせる形にて原料ガスとドーパントガスとを流すパージ用配管６と、炉内供給とパージとを切り替えるための供給用バルブ４及びパージ用バルブ５が設けられている。
【００１９】
次に、遷移領域のエピタキシャル層が前記したＰ点の厚さｘｐに到達したとき、その不純物濃度が、前述のノンドーププロファイルの点Ｐにおけるオートドーピング量よりも高くなるようにドーパントガスの供給濃度を予め設定しておく。このような供給濃度として、例えば、Ｐ点での不純物濃度が２×Ｄ０になるように設定することができる。これは、具体的には、Ｐ点ではすでにＤ０に相当する不純物濃度が外方拡散とオートドーピング現象により供給されているので、さらにＤ０だけの不純物濃度を得られる濃度Ｃ（Ｄ０）をドーパントガスとして供給することを意味する。点Ｐにおける推定オートドーピング量はＤ０／２なので、ドーパントガスの供給濃度をＣ（Ｄ０）とすることは、オートドーピング量よりも高い濃度に設定することを意味する。
【００２０】
このようにして、図７（ｂ）に示すように、遷移領域の気相成長工程では、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常に供給しながら、ドーパントガスの供給濃度を変化させるようにする。ドーパントガスの供給濃度を漸次直線的あるいは段階的に減少させると、例えば図５に示すような不純物濃度プロファイルが得られる。この製造方法によると、遷移領域の気相成長において、前記境界点Ｐに対応するエピタキシャル層の厚さｘｐ以降の部分を成長する際に、少なくとも、オートドーピング量よりも十分に高い不純物濃度が得られる濃度のドーパントガスが常に反応炉内に供給されるので、図７（ａ）に破線で示す、オートドーピング量を上回るようにドーパント供給量を補正しなかった場合の不純物濃度プロファイルよりも、傾斜量が高濃度側にシフトする。これにより、オートドーピング量が変化しても、その量は傾斜した不純物濃度プロファイルの許容変化範囲に納まるようになる。
【００２１】
上記本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。まず、直径１５０ｍｍ、面方位（１００）であり、比較的高濃度の砒素（Ａｓ）を不純物として添加したｎ＋型（不純物濃度：３×１０１９個／ｃｍ３）のシリコン単結晶基板を用意した。なお、基板の裏面には、該裏面からのオートドープを防止するための酸化膜を０．５μｍの厚さに形成してある。まず、予備調査試験として、このシリコン単結晶基板に対し、原料ガスとしてトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）と水素の混合ガスを用い、ドーパントガスを導入せずに、厚さ２０μｍのエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長した。反応炉は水平枚葉式のものを用い、気相成長温度は１１００℃、常圧にて水素をキャリアガスとして用いた。その結果、図２に示すようなノンドープの不純物濃度プロファイルを有するシリコンエピタキシャルウェーハが得られた。Ｐ点での不純物濃度Ｄ０は、およそ５×１０１６個／ｃｍ３であった。
【００２２】
次に、同じ反応炉を用い、水素により希釈したホスフィン（ＰＨ３）をドーパントガスとして用いて、以下のようにして燐（Ｐ）を不純物として基板よりも低濃度に添加したｎ型エピタキシャル層を別のシリコン単結晶基板の直上に気相成長することにより、シリコンエピタキシャルウェーハを製造した。すなわち、遷移領域の開始点（図７（ａ）の点Ｍ）での狙い不純物濃度として、シリコン単結晶基板の不純物濃度Ｄｔ（３×１０１９個／ｃｍ３）よりも低く、かつ、Ｐ点での不純物濃度Ｄ０よりも高い不純物濃度５×１０１７個／ｃｍ３）が得られるようにドーパントガスの供給濃度を調整し、その設定値でドーパントガスをパージした。次いで、上記供給濃度を初期値としてドーパントガスを原料ガスとともに反応炉内に導入することにより、気相成長工程を開始した。遷移領域の気相成長工程では、見込まれるオートドーピング量よりも不純物濃度が常に高くなり、かつ前記Ｐ点に対応する位置での添加される不純物濃度が１×１０１７個／ｃｍ３になるようにドーパントガスの供給濃度を調整して供給した。そして、引き続き該ドーパントガスの供給量を直線的に漸減させた。次に、安定領域の気相成長工程では、不純物濃度が１×１０１５個／ｃｍ３となるように濃度が調整されたドーパントガスを一定の供給濃度にて供給しｎ−型のエピタキシャル層を１５μｍ気相成長した。こうして、全厚さ２０μｍのエピタキシャル層がシリコン単結晶基板上に形成されたシリコンエピタキシャルウェーハが得られた。なお、気相成長温度と炉内圧は予備調査試験と同じである。
【００２３】
このようにして得られたシリコンエピタキシャルウェーハの不純物濃度プロファイルを測定したところ、図５に示すようなプロファイルが得られた。遷移領域の厚さは約５μｍであり、Ｐ点での不純物濃度は１．５×１０１７個／ｃｍ３、安定領域での不純物濃度は１×１０１５個／ｃｍ３であった。そして、Ｐ点と安定領域との間には、略直線的にドーパント濃度の対数値が減少する直線勾配区間が明瞭に形成されていた。遷移領域において、エピタキシャル層の成長開始点からＰ点までの外方拡散支配領域に当る区間でも不純物濃度の対数値が直線的に減少する。すなわち、本実施例における遷移領域の不純物濃度プロファイルは、エピタキシャル層の成長方向において不純物濃度の対数値が直線的に減少する区間を２箇所有する。ドーパントガスの供給量を漸減させる途中に１回以上漸減率を変化させると、不純物濃度の対数値が直線的に減少する区間を遷移領域において３箇所以上にすることができる。
【００２４】
また、遷移領域の気相成長工程においてドーパントガスの供給濃度を変化させる具体的な態様としては、上記のように単調に減少させる態様に限らず、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であれば、遷移領域における不純物濃度プロファイルを所望の形状とするために、増加させる態様としたり、あるいは供給濃度を一定保持する期間を途中に設けたり、さらには、減少、増加及び一定保持の２以上を適宜組み合わせたりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】遷移領域と安定領域を有するシリコンエピタキシャルウェーハを製造する際の、ドーパントガス供給濃度と、得られるウェーハの不純物濃度プロファイルとの関係を説明する模式図。
【図２】ノンドープの不純物濃度プロファイルの一例を示す模式図。
【図３】安定領域でのドーパントガス供給濃度を決定するための不純物濃度プロファイルの一例を示す模式図。
【図４】ドーパントガスの供給開始に先立って供給管のパージを行わなかった場合に、不純物濃度プロファイルに生ずる不具合を示す模式図。
【図５】本発明の方法により得られる遷移領域と安定領域を有するシリコンエピタキシャルウェーハの、不純物濃度プロファイルの一例を示す模式図。
【図６】ドーパントガスの流量と安定領域の不純物濃度との関係を示す模式図。
【図７】遷移領域を形成する際の、ドーパントガスの供給濃度とオートドーピング量との関係を模式的に説明する図。
【図８】シリコンエピタキシャルウェーハの製造装置の一例を概念的に示す図。
【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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