JP2003297754A - シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オートドープを抑制しながら、シリコン単結
晶基板の主表面上に、該シリコン単結晶基板よりも高抵
抗率のシリコンエピタキシャル層を好適に気相成長する
ことを可能とす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。 【解決手段】 シリコンエピタキシャルウェーハを製造
するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であ
る。常圧気相成長および減圧気相成長が可能な気相成長
装置１０の反応容器１内に配置したシリコン単結晶基板
３の主表面上にシリコンエピタキシャル層を減圧気相成
長する。この際の反応容器１内へのキャリアガスの導入
流量を、常圧気相成長の際の導入流量よりも大流量に設
定する。

Description

【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】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。）の主表面上にシ
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。）を気相成長してシリコンエピタキ
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。）を製造する方法が知られている。ま
た、このようなシリコンエピタキシャルウェーハの製造
方法の１つに、高濃度にＡｓ（ヒ素）をドープしたシリ
コン基板（以下、ヒ素基板と称することがある。）を用
いる方法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エピタキシ
ャルウェーハの製造方法において、例えば、シリコン基
板よりも高抵抗率のエピタキシャル層を気相成長させる
場合には、気相成長の際にシリコン基板からドーパント
が放出されることによってオートドープが発生し、エピ
タキシャル層の抵抗率が所望の値よりも低下することが
ある。ヒ素基板は、加熱により、ドーパントであるヒ素
を放出しやすいため、ヒ素基板の主表面上に、該ヒ素基
板よりも高抵抗率のエピタキシャル層を気相成長させる
場合には、オートドープの影響によるエピタキシャル層
の抵抗率の低下が、特に顕著となる。

【０００４】シリコン基板からのオートドープの影響
は、一度に気相成長する基板枚数の増加に伴い（つま
り、同一バッチにおける反応容器内への基板仕込み枚数
が多いほど）大きくなる。これは、基板枚数が多くなる
と、基板から放出されるドーパントの量も多くなるため
である。このため、従来、例えば、ヒ素基板上に該ヒ素
基板よりも１万倍以上高抵抗率のエピタキシャル層を気
相成長する場合には、一度に気相成長する基板枚数を減
らす（場合によっては、１枚にする）ことで、オートド
ープの影響を抑制している。

【０００５】また、オートドープを抑制する他の方法と
しては、低ドープ層あるいはノンドープ層を予め成長さ
せる方法（以下、キャップデポ法という。）が知られて
いる。このキャップデポ法では、例えばヒ素基板上に
０．５μｍ〜１μｍ程度のノンドープエピタキシャル層
（以下、キャップ層ともいう。）を気相成長してから、
該キャップ層上に、所望の抵抗率のエピタキシャル層を
成長させる。このキャップデポ法によれば、キャップ層
が、高ドープのヒ素基板主表面を被覆することにより、
気相成長の初期にヒ素基板から放出されるドーパントを
吸収するとともに、オートドープの影響を抑制すること
ができる。

【０００６】さらに、オートドープを抑制する他の方法
に、気相成長を行う反応容器内を減圧環境にすることに
より単位体積あたりのドーパント量を抑制して、オート
ドープを抑制する方法がある。

【０００７】しかしながら、上記の方法では、ヒ素基板
の主表面上に、該ヒ素基板よりも例えば１万倍以上高抵
抗率のエピタキシャル層を気相成長させることは困難な
ことであった。

【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、オートドープを抑制しなが
ら、シリコン単結晶基板の主表面上に、該シリコン単結
晶基板よりも高抵抗率のシリコンエピタキシャル層を好
適に気相成長することを可能とす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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】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、常圧気相成長および減
圧気相成長が可能な気相成長装置の反応容器内に配置し
たシリコン単結晶基板の主表面上にシリコンエピタキシ
ャル層を減圧気相成長してシリコンエピタキシャルウェ
ーハを製造するシリコンエピタキシャルウェーハの製造
方法において、反応容器内へのキャリアガスの導入流量
を、常圧気相成長の際の導入流量よりも大流量に設定す
ることを特徴としている。

【００１０】また、本発明は、ヒ素がドープされたシリ
コン単結晶基板（ヒ素基板）の主表面上に、該シリコン
単結晶基板よりも高抵抗率のシリコンエピタキシャル層
を減圧気相成長する場合に適用することが好ましい一例
である。この場合、例えば、抵抗率が０．００１Ω・ｃ
ｍ以上、０．００３Ω・ｃｍ以下のシリコン単結晶基板
を用いる。

【００１１】また、本発明は、シリコンエピタキシャル
層を２層に形成するに際し、このうちシリコン単結晶基
板の直上の１層目は、ドーパントガスを供給しないで成
長することが好ましい一例である。この場合、例えば、
２層目のシリコンエピタキシャル層を、抵抗率が前記シ
リコン単結晶基板の１万倍以上となるように成長する。

【００１２】なお、反応容器内へのキャリアガスの導入
流量は、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶
基板の主表面上に抵抗率が２０Ω・ｃｍ以下のｎ型シリ
コンエピタキシャル層を常圧気相成長する際の導入流量
よりも大流量に設定することが好ましい。

【００１３】本発明によれば、減圧気相成長の際に反応
容器内に導入するキャリアガスの流量を、常圧気相成長
の際の導入流量よりも大流量に設定することにより、オ
ートドープの影響を大幅に抑制することができる。その
結果、シリコン単結晶基板の主表面上に、該シリコン単
結晶基板よりも高抵抗率のシリコンエピタキシャル層を
好適に気相成長することが可能となる。より具体的に
は、例えば、抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ以上、０．０
０３Ω・ｃｍ以下のヒ素基板の主表面上に、該ヒ素基板
よりも１万倍以上高抵抗率のシリコンエピタキシャル層
を気相成長して、シリコンエピタキシャルウェーハをバ
ッチ式で製造する場合に、一度に気相成長する基板枚数
を減らしたりする必要がなくなるので生産性が向上す
る。或いは、ヒ素基板上に気相成長可能なエピタキシャ
ル層の抵抗率範囲が広がるので、従来製造不可能であっ
た半導体デバイスの製造も可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
係る実施の形態について説明する。

【００１５】先ず、図１を参照して、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用いる気相
成長装置１０について説明する。気相成長装置１０は、
図１に示すように、例えば、いわゆるバレル型の気相成
長装置である。この気相成長装置１０は、気相成長を行
うための反応容器１と、この反応容器１内に配設されて
シリコン基板３を支持するサセプタ２と、反応容器１内
に原料ガスおよびキャリアガスを含む気相成長用ガスを
導入するための気相成長用ガス導入管６と、サセプタ２
内空にパージガスを導入するためのパージガス導入管９
と、反応容器１を加熱する加熱装置（例えばハロゲンラ
ンプ）７と、反応容器１からの排気を行う排気管８と、
該排気管８を介して反応容器１内の雰囲気を吸引するこ
とにより該反応容器１内を減圧状態にすることが可能な
ポンプ（図示略）とを備えて概略構成されている。この
うち、サセプタ２は、例えば、平断面形状が略正六角形
となるとともに、該平断面が下部に向かうにつれて大寸
法となるようなテーパー状に構成された筒状のものであ
る。このサセプタ２は、軸周りに回動可能な状態で反応
容器１内に吊下げ支持されている。このサセプタ２の六
つの外周面の各々には、例えば、上段、中段、下段の３
つずつの座ぐり４（つまり本実施の形態の場合、座ぐり
４の数は、６×３＝１８）が形成されている。この座ぐ
り４には、気相成長の際にシリコン基板３が立てかけ状
態で配される。なお、このような気相成長装置１０とし
ては、具体的には、例えば、アプライド マテリアルズ
インコーポレイテッド製モデルＮｏ．７８１０のバレ
ル型気相成長装置等が適当である。

【００１６】このような気相成長装置１０を用いて気相
成長を行うには、サセプタ２の座ぐり４にシリコン基板
３を主表面が外向きとなるように立てかけて配置する。
さらに、加熱装置７によりシリコン基板３を加熱すると
ともに、サセプタ２を軸周りに回転させながら、該サセ
プタ２の内空にパージガス導入管９を介してパージガス
（水素等）を導入する一方で、反応容器１の上部のガス
導入管６等より反応容器１内に気相成長用ガスを導入す
る。これにより、該気相成長用ガスに含まれる原料ガス
（例えばトリクロロシラン等）をシリコン基板３の主表
面上に供給して、該主表面上にエピタキシャル層を気相
成長することができる。

【００１７】なお、この気相成長装置１０は、常圧気相
成長および減圧気相成長が可能であり、このうち減圧気
相成長を行う場合には、上記ポンプにより排気管８を介
して反応容器１内の雰囲気を吸引することにより該反応
容器１内を減圧状態にする。

【００１８】ここで、常圧気相成長を行う際に気相成長
用ガス導入管６を介して反応容器１内に導入するキャリ
アガス（気相成長用ガスの大部分を占める）の流量は、
例えば１４０リットル／分に設定する（例えば、抵抗率
が０．１Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板の主表面上
に抵抗率が２０Ω・ｃｍ以下のｎ型シリコンエピタキシ
ャル層を常圧気相成長する場合）。なお、この際にパー
ジガス導入管９を介してサセプタ２内空に導入するパー
ジガス流量は、例えば５０リットル／分に設定する。し
かしながら、反応容器１内へのキャリアガス導入流量を
常圧気相成長の際と同程度に設定して減圧気相成長を行
う場合には、高濃度にヒ素がドープされたシリコン基板
（ヒ素基板）の主表面上に、該シリコン基板よりも１万
倍以上高抵抗率のエピタキシャル層を気相成長させるこ
とが困難である。

【００１９】これに対し、本実施の形態では、減圧気相
成長を行う際の反応容器１内へのキャリアガスの導入流
量を、常圧気相成長の際の導入流量よりも大流量（例え
ば１８０リットル／分）に設定する。これにより、減圧
気相成長の際における反応容器１内の雰囲気の置換効率
を高めることができ、オートドープの影響を大幅に低減
することができる。この結果、例えば、抵抗率が０．０
０１Ω・ｃｍ以上、０．００３Ω・ｃｍ以下のヒ素基板
の主表面上に、該ヒ素基板よりも１万倍以上高抵抗率の
エピタキシャル層を気相成長して、エピタキシャルウェ
ーハをバッチ式で製造する場合に、一度に気相成長する
基板枚数を減らしたりする必要がなくなるので生産性が
向上する。

【００２０】＜第１実施例＞ここで、本発明に係る好適
な実施例について説明する。この実施例では、気相成長
装置１０のサセプタ２の全ての座ぐり４に、抵抗率０．
００１Ω・ｃｍ以上０．００３Ω・ｃｍ以下のヒ素ドー
プの直径１２５ｍｍのシリコン基板を１枚ずつ配置して
（つまり、３×６＝１８枚のシリコン基板を同一バッチ
にして）、反応容器１内へのキャリアガスの導入流量を
１８０リットル／分、反応容器１内の圧力を７０Ｔｏｒ
ｒ（約９３ｈＰａ）に、それぞれ設定して、減圧条件下
でキャップデポ法によりエピタキシャルウェーハを製造
した場合を示す。なお、サセプタ２内空に導入するパー
ジガス流量は、常圧気相成長の場合と同様に５０リット
ル／分とした。また、１層目にはノンドープで膜厚１μ
ｍのエピタキシャル層を形成し、２層目には燐（Ｐ）ド
ープのエピタキシャル層を、１層目と２層目とを合わせ
て約６．５μｍの膜厚となるように形成した。この実施
例により、図２に示すように、表面からの深さ１μｍの
抵抗率が３０Ω・ｃｍ（シリコン基板の１万倍）を優に
越える３３Ω・ｃｍ程度のエピタキシャル層を有するエ
ピタキシャルウェーハを、サセプタ２の全ての座ぐり４
にシリコン基板を配置して（同一バッチにおける仕込み
枚数を減らすことなく）製造することができた。

【００２１】＜第２実施例＞また、図３に、１層目と２
層目とを合わせた膜厚を約７μｍに変更した他は、上記
の第１実施例と同様の条件で減圧気相成長を行うことに
より製造したエピタキシャルウェーハにおける、エピタ
キシャル層の深さ方向に沿った抵抗率プロファイルを示
す。この場合も、エピタキシャル層の表層部における抵
抗率が、約４２Ω・ｃｍ程度と良好である。

【００２２】なお、これらの実施例１、２では、上記の
ように、ヒ素がドープされたシリコン基板の主表面上
に、該シリコン基板よりも高抵抗率のエピタキシャル層
を減圧気相成長している。しかも、抵抗率が０．００１
Ω・ｃｍ以上、０．００３Ω・ｃｍ以下のシリコン基板
を用いている。加えて、２層からなるエピタキシャル層
を、シリコン基板の直上に１層目を成長する際にはドー
パントガスを供給しないで減圧気相成長している（つま
り、１層目をノンドープにしてキャップデポ法により減
圧気相成長している）。また、２層目のエピタキシャル
層を、抵抗率がシリコン基板の１万倍以上となるように
成長している。

【００２３】＜比較例＞また、図４は、同一バッチにお
けるサセプタ２への仕込み枚数と、製造されたエピタキ
シャルウェーハにおけるエピタキシャル層の深さ方向に
沿った抵抗率との対応を示す図である。すなわち、図４
には、サセプタ２の全ての座ぐり４にシリコン基板（計
１８枚）を配置し、反応容器１内の圧力を常圧（７６０
Ｔｏｒｒ（約１０１３ｈＰａ））、反応容器１内へのキ
ャリアガス導入流量を１４０リットル／分に、それぞれ
設定した場合（比較例１；常圧気相成長）、サセプタ２
の全ての座ぐり４にシリコン基板を配置し、反応容器１
内の圧力を９０Ｔｏｒｒ、反応容器１内へのキャリアガ
ス導入流量を１４０リットル／分に、それぞれ設定した
場合（比較例２）、サセプタ２の下段と中段（計２段）
にシリコン基板（計１２枚）を配置し、その他は比較例
２と同様の場合（比較例３）、サセプタ２の下段のみに
シリコン基板（計６枚）を配置し、その他は比較例２、
３と同様の場合（比較例４）の、各々のエピタキシャル
層の抵抗率プロファイルを示す。なお、比較例１〜４の
何れの場合も、抵抗率０．００１Ω・ｃｍ以上、０．０
０３Ω・ｃｍ以下のヒ素ドープのシリコン基板を用い、
１層目にはノンドープで膜厚１μｍのエピタキシャル層
を形成し、２層目には燐ドープのエピタキシャル層を、
１層目と２層目とを合わせて約６μｍの膜厚となるよう
に形成した。この図４に示すうちで、比較例１（常圧気
相成長）の場合のエピタキシャル層の抵抗率（表層部）
は、１５．９Ω・ｃｍと、その他（減圧気相成長の比較
例２〜４）の場合よりも低い。つまり、常圧気相成長の
場合（比較例１）よりは減圧気相成長の場合（比較例２
〜４）の場合の方が、抵抗率の高いエピタキシャル層を
有するエピタキシャルウェーハを製造することができ
る。また、比較例２の場合は、比較例１よりは抵抗率
（表層部）が上昇するものの２７．８Ω・ｃｍと低い。
さらに、比較例３、４の場合は、それぞれ抵抗率（表層
部）が４１Ω・ｃｍ、６４．９Ω・ｃｍと高い（シリコ
ン基板の抵抗率の１万倍を越える）が、何れもサセプタ
２に配置するシリコン基板の枚数（同一バッチにおける
仕込み枚数）を減らしているため生産性が悪い。

【００２４】また、図２は、反応容器内の圧力および反
応容器内へのキャリアガス導入流量とエピタキシャル層
の抵抗率（表面から深さ１μｍの抵抗率）との対応を示
す図である。なお、図２に示す比較例５、６、７のエピ
タキシャルウェーハは、反応容器１内の圧力および反応
容器内へのキャリアガス導入流量以外の条件は、上記の
第１実施例と同様にして製造した。図２に示すように、
反応容器１内の圧力を９０Ｔｏｒｒ（約１２０ｈＰ
ａ）、キャリアガス導入流量を１００リットル／分に設
定して減圧気相成長を行った場合（比較例５）には、エ
ピタキシャル層の抵抗率が僅か２４Ω・ｃｍ程度であ
る。また、比較例５の場合よりもキャリアガス導入流量
のみを（１４０リットル／分に）増加させた場合（比較
例６）には、比較例５よりは上昇するが、こちらもエピ
タキシャル層の抵抗率が２７Ω・ｃｍ程度である。ま
た、比較例６の場合よりも反応容器１内の圧力のみを
（７０Ｔｏｒｒに）低下させた場合（比較例７）には、
比較例６よりはエピタキシャル層の抵抗率が上昇する
が、こちらも３０Ω・ｃｍに満たない２９Ω・ｃｍ程度
である。このように、サセプタ２の全ての座ぐり４にヒ
素ドープ低抵抗率シリコン基板を配置して減圧気相成長
を行う場合、反応容器１内へのキャリアガス導入流量
が、常圧気相成長の際の導入流量と等しい１４０リット
ル／分以下（比較例５、６、７、２）では、何れの場合
にも（圧力を７０Ｔｏｒｒに設定した比較例７でも）、
エピタキシャル層の抵抗率（表層部）が３０Ω・ｃｍに
達するエピタキシャルウェーハを製造することができな
かった。つまり、反応容器１内へのキャリアガス導入流
量が、常圧気相成長の際の導入流量と等しい１４０リッ
トル／分以下では、サセプタ２の全ての座ぐり４にシリ
コン基板を配置した場合には、抵抗率が０．００１Ω・
ｃｍ以上、０．００３Ω・ｃｍ以下のヒ素基板の主表面
上に、該ヒ素基板よりも１万倍以上高抵抗率のエピタキ
シャル層を気相成長することができなかった。

【００２５】以上のように、本実施の形態によれば、減
圧気相成長の際に反応容器内に導入するキャリアガスの
流量を、常圧気相成長の際の導入流量よりも大流量に設
定することにより、オートドープの影響を大幅に抑制す
ることができる。その結果、シリコン単結晶基板の主表
面上に、該シリコン単結晶基板よりも高抵抗率のシリコ
ンエピタキシャル層を好適に気相成長することが可能と
なる。より具体的には、例えば、抵抗率が０．００１Ω
・ｃｍ以上、０．００３Ω・ｃｍ以下のヒ素基板の主表
面上に、該ヒ素基板よりも１万倍以上の高抵抗率のエピ
タキシャル層を気相成長して、エピタキシャルウェーハ
をバッチ式で製造する場合に、一度に気相成長する基板
枚数を減らしたりする必要がなくなるので生産性が向上
する。或いは、ヒ素基板上に気相成長可能なエピタキシ
ャル層の抵抗率範囲が広がるので、従来製造不可能であ
った半導体デバイスの製造も可能となる。

【００２６】なお、上記の実施の形態では、キャップデ
ポ法を適用する場合のみについて説明したが、本発明
は、反応容器１内へのキャリアガスの導入流量を、常圧
気相成長の際の導入流量よりも大流量に設定すれば良い
ため、キャップデポ法は適用しなくてもオートドープの
抑制効果を奏する。また、低抵抗率のｎ⁺型のシリコン
単結晶基板上に高抵抗率のｎ^-型のシリコンエピタキシ
ャル層を気相成長させる例についてのみ説明したが、本
発明はこれに限らず、例えば、ｐ⁺型のシリコン単結晶
基板上にｐ^-型のシリコンエピタキシャル層を気相成長
させる場合、ｎ⁺型のシリコン単結晶基板上にｐ^-型のシ
リコンエピタキシャル層を気相成長させる場合およびｐ
⁺型のシリコン単結晶基板上にｎ^-型のシリコンエピタキ
シャル層を気相成長させる場合等に、本発明のシリコン
エピタキシャルウェーハの製造方法を適用しても良く、
この場合にも、オートドープを好適に抑制できる。さら
に、バレル型の気相成長装置を用いる場合について説明
したが、これに限らず、例えば、横型の多数枚式の気相
成長装置を用いる場合に適用しても良い。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、減圧気相成長の際に反
応容器内に導入するキャリアガスの流量を、常圧気相成
長の際の導入流量よりも大流量に設定することにより、
オートドープの影響を大幅に抑制することができる。そ
の結果、シリコン単結晶基板の主表面上に、該シリコン
単結晶基板よりも高抵抗率のシリコンエピタキシャル層
を好適に気相成長することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】気相成長装置を示す模式図である。

【図２】反応容器内の圧力および反応容器内へのキャリ
アガス導入流量とエピタキシャル層の抵抗率との対応を
示す図である。

【図３】エピタキシャル層の抵抗率プロファイルを示す
図である。

【図４】同一バッチにおける仕込み枚数とエピタキシャ
ル層の抵抗率プロファイルとの対応を示す図である。

【符号の説明】

１ 反応容器 ３ シリコン単結晶基板 １０ 気相成長装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 常圧気相成長および減圧気相成長が可能
   な気相成長装置の反応容器内に配置したシリコン単結晶
   基板の主表面上にシリコンエピタキシャル層を減圧気相
   成長してシリコンエピタキシャルウェーハを製造するシ
   リコンエピタキシャルウェーハの製造方法において、 前記反応容器内へのキャリアガスの導入流量を、常圧気
   相成長の際の導入流量よりも大流量に設定することを特
   徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。
2. 【請求項２】 ヒ素がドープされたシリコン単結晶基板
   の主表面上に、該シリコン単結晶基板よりも高抵抗率の
   シリコンエピタキシャル層を減圧気相成長することを特
   徴とする請求項１に記載のシリコンエピタキシャルウェ
   ーハの製造方法。
3. 【請求項３】 抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ以上、０．
   ００３Ω・ｃｍ以下のシリコン単結晶基板を用いること
   を特徴とする請求項２に記載のシリコンエピタキシャル
   ウェーハの製造方法。
4. 【請求項４】 前記シリコンエピタキシャル層を２層に
   形成するに際し、このうち前記シリコン単結晶基板の直
   上の１層目は、ドーパントガスを供給しないで成長する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のシリコンエ
   ピタキシャルウェーハの製造方法。
5. 【請求項５】 ２層目のシリコンエピタキシャル層を、
   抵抗率が前記シリコン単結晶基板の１万倍以上となるよ
   うに成長することを特徴とする請求項４記載のシリコン
   エピタキシャルウェーハの製造方法。
6. 【請求項６】 前記反応容器内へのキャリアガスの導入
   流量を、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶
   基板の主表面上に抵抗率が２０Ω・ｃｍ以下のｎ型シリ
   コンエピタキシャル層を常圧気相成長する際の導入流量
   よりも大流量に設定することを特徴とする請求項１〜５
   のいずれかに記載のシリコンエピタキシャルウェーハの
   製造方法。