JP2005220013A - 高度にドープされた半導体ウェハの製造法および転位のない高度にドープされた半導体ウェハ - Google Patents
高度にドープされた半導体ウェハの製造法および転位のない高度にドープされた半導体ウェハ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高度にドープされた半導体ウェハを製造する方法であって、単一のドープ剤を使用する場合よりも少量のドープ剤で、比抵抗の小さな、転位のない半導体ウェハを製造する。
【解決手段】電気的に活性であり、化学元素の周期律表の同じ群に属している少なくとも２つのドープ剤がドーピングのために使用される。
【選択図】なし
【解決手段】電気的に活性であり、化学元素の周期律表の同じ群に属している少なくとも２つのドープ剤がドーピングのために使用される。
【選択図】なし
Description
本発明の対象は、高度にドープされた半導体ウェハの製造法であり、この場合には、少なくとも２つのドープ剤がドーピングに使用される。また、本発明の対象は、転位のない高度にドープされた半導体ウェハである。
低い比抵抗を有する高度にドープされた半導体サブストレートは、例えば出力構造素子の製造に必要とされる。従来の方法において、サブストレートの抵抗を減少させるために、それぞれ一定の元素は、ドープ剤として半導体ウェハ中に導入される（例：ケイ素中のＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ；高度にドープされたケイ素にとって典型的なドープ剤濃度は、１ｅ１８／ｃｍ3より高い）。これは、通常、溶融液へのドープ剤の添加によって結晶成長の前または間に行なわれるかまたは半導体ウェハ中へのドープ剤の拡散によって行なわれ、この半導体ウェハは、成長された単結晶と分離される。
半導体材料中でのドープ剤の拡散定数は、著しく重要である。エピタキシャル層の析出および半導体ウェハの処理は、通常高い温度で行なわれるので、ドープ剤は、サブストレートからエピタキシャル層中に拡散する。従って、よりいっそう大きな拡散定数を有するドープ剤を使用する場合には、サブストレートとエピタキシャル層との移行範囲は、小さい拡散係数を有するドープ剤を使用する場合よりも広い。これは、大きな拡散係数を有するドープ剤を使用する場合には、材料の性質が完全に移行するまで厚手のエピタキシャル層が必要とされることを生じる。半導体素子の工業的製造において、これは、よりいっそう高い製造費をまねく。更に、大きな拡散係数を有するドープ剤の欠点は、エピタキシャル層の析出の場合に所謂自動ドーピングによって生じる。この場合には、ドープ剤は、サブストレートから気相を経てエピタキシャル層中に到達し、不所望にも比抵抗を変化させる。従って、半導体材料中で小さな拡散係数を有するドープ剤が有利に使用される。
しかし、単結晶を製造する場合には、大きなドープ剤量の使用は、最少の達成しうるサブストレート抵抗を制限する、種々の問題と関連している：溶融液中での高いドープ剤濃度は、溶融液中でのドープ剤の分離および代替の過冷却をまねき、このことは、双方の場合に単結晶の成長を妨害する。その上、大量の個々のドープ剤は、溶融液から蒸発する可能性があり、このことは、ドープ剤の必要とされる量を高め、毒性の化合物の望ましくない形成をまねきうる。更に、高いドープ剤濃度を有する問題は、一定の濃度から、半導体材料中に導入されたドープ剤原子の一部分が電気的に不活性になりうることにある。これは、例えば比抵抗が約５ミリΩｃｍ未満に減少する程度に強く砒素でケイ素がドーピングされることを生じる（Quick Reference Manual for Silicon Integrated Circuit Technology; W.E. Beadle, J.C.C. Tsai & R.D. Plummer; John Wiley & Sons, New York, Chinchester, Brisbane; 第2〜70頁, 1985）。記載された効果のために、転位のない結晶成長は、一定の最少の抵抗になるまで可能であり、この場合ドープ剤の限界濃度は、結晶成長の処理の実施およびドープ剤の種類によって定められる。
Quick Reference Manual for Silicon Integrated Circuit Technology; W.E. Beadle, J.C.C. Tsai & R.D. Plummer; John Wiley & Sons, New York, Chinchester, Brisbane; 第2〜70頁, 1985
Quick Reference Manual for Silicon Integrated Circuit Technology; W.E. Beadle, J.C.C. Tsai & R.D. Plummer; John Wiley & Sons, New York, Chinchester, Brisbane; 第2〜70頁, 1985
本発明には、前記に記載されたような課題が課された。
本発明は、これまで一定のドープ剤だけを用いた場合には、得ることができなかった比抵抗の範囲内で比抵抗が減少されている、転位のない半導体ウェハを使用することができる方法を提供することである。また、本発明は、改善された性質を有する一定のドーピング部（ｎ型またはｐ型）を有する、転位のない半導体ウェハを製作することができ、低い比抵抗を有する、転位のない半導体ウェハの製造を簡易化する方法を提供する。
本発明の対象は、高度にドープされた半導体ウェハを製造する方法であって、少なくとも２つのドープ剤がドーピングのために使用される、高度にドープされた半導体ウェハの製造法であり、この方法は、ドープ剤が電気的に活性であり、化学元素の周期律表の同じ群に属していることによって特徴付けられる。
また、本発明の対象は、転位のない、少なくとも２つのドープ剤でドープされている半導体ウェハであり、この半導体ウェハは、ドープ剤が電気的に活性であり、化学元素の周期律表の同じ群に属していることによって特徴付けられる。
半導体ウェハは、有利にケイ素もしくはゲルマニウムまたはケイ素とゲルマニウムとの混合物からなり、０．０００５〜０．１Ωｃｍ、有利に０．０００５〜０．００５Ωｃｍ、特に有利に０．０００５〜０．００２Ωｃｍの比抵抗を有する。
本発明による同じ型のドープ剤の適当な組合せの使用は、簡易化された処理条件下で改善された材料特性を有する半導体サブストレートの製造を可能にする。この場合、ドープ剤が元素の周期律の同じ群に属する場合には、ドープ剤は、同じ型と見なされる。実際には、公知技術水準で少なくとも２つの異なるドープ剤でドーピングする方法が記載されている。しかし、これは、２つの異なるドープ剤の一部分が別の作用の方向を向き、元素の周期律表の同じ群からの２つの電気的に活性のドープ剤を用いるドーピングが全く行われないことによって、本発明と決定的に区別される。”電気的に活性のドープ剤”の概念は、本発明の範囲内で電子配置のために半導体材料からずれた数の遊離電子を有するドープ剤を示す。例えば、米国特許第５５５３５６６号明細書に記載されているような、燐でドーピングされたケイ素を、第２のドープ剤としてのゲルマニウムで共ドーピング（Co-Dotierung）することは、本発明による方法には含まれない。それというのも、ゲルマニウムは、ケイ素と比較して電気的に中性であると見なすことができるからである。
実際に、米国特許第６０１３１２９号明細書には、できるだけ高い導電率（”金属ケイ素”）を達成させるという目的で、２つのドープ剤の組合せで高度にドープされたケイ素を製造することが記載されている。しかし、この方法の場合には、それぞれ第ＩＩＩ族の元素のドープ剤（ｐ型、電気的供与体Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ）を第Ｖ族の元素のドープ剤（ｎ型、受容体Ｂ、Ａｌ、Ｇａ）と組み合わせることにより、全体数の電荷キャリヤー、即ち正孔および電子は、最大になり、この場合には、さらに、１つの元素がケイ素よりも大きくなり、１つの元素がケイ素よりも小さくなることに注目される。この方法の欠点は、高度にドープされた半導体ウェハを製造し得るために、電荷キャリヤーが異なるドープ剤種のために一部分が補充され、したがって特に高いドープ剤量が必要とされることにある。純粋なｎ型またはｐ型のサブストレートの製造のためには、前記方法は、概して不適当である。
本発明によれば、ドーピングのために、同じ種類の２つのドープ剤が使用される。相応して、全てのドープ剤には、同じ比抵抗を１つのドープ剤だけで調節しなければならない場合よりも明らかに僅かな量が必要とされる。また、好ましくは、僅かなドープ剤濃度のために、単結晶の製造の場合には、それぞれ１つの種類の僅かなドープ剤が溶融液から逃出する。付加的に、微少量の全ての個々のドープ剤によって、全てのドープ剤の電気的に不活性の含量も少なくなる。それによって、全体的に必要とされる量のドープ剤は、さらに減少されてよく、このことは、減少された製造費を生じる。全ての個々のドープ剤の濃度は、ドープ剤量の適当な選択によって、溶融液の代替の過冷却が起こらず、その他の通常の条件を維持しながらよりいっそう高いドーピング量での単結晶の転位のない成長が可能になる程度に減少させることができる。
また、ドープ剤およびドープ剤量の適当な選択は、サブストレートとその上に析出されたエピタキシャル層との間の鮮鋭な移行プロフィールを可能にする。エピタキシャル層とサブストレートとの間の移行プロフィールは、異なる拡散係数のために一定のドーピング度の際に異なるドープ剤でそれぞれ異なる典型的な拡がりを有する。移行プロフィールの拡がりは、ドープ剤の適当な組合せによって同じドーピング度（即ち、サブストレート抵抗）で減少されることができ、このことは、薄手の層の使用、ひいては製作工程での費用の節約を可能にする。
半導体ウェハの製造は、単結晶の成長で開始され、例えばチョクラルスキー法によって溶融液から単結晶を引き上げるか、または帯域引き上げによって単結晶を結晶化させるような当業者にとって通常の工程を含む。溶融液は、有利にケイ素、場合によってはゲルマニウムまたは２つの半導体材料の混合物からなる。ドープ剤は、有利には既に溶融液に添加され、最初は拡散によって単結晶から分離された半導体ウェハ中には導入されない。単結晶から分離された半導体ウェハは、同様に普通の成形方法、例えばラッピング、研磨またはポリシングに掛けられ、有利には、側面上に少なくとも１つのエピタキシャル層が備えられ、この場合このエピタキシャル層の比抵抗は、高度にドープされたサブストレートウェハの比抵抗から一般にずれている。また、好ましいのは、サブストレートウェハの粗面上またはエピタキシャル層上への電子構成素子の構造体の施与である。
ｐ型ドーピングのためのドープ剤は、有利に元素の周期律表の第ＩＩＩ族に属し、ｎ型ドーピングのためのドープ剤は、有利に元素の周期律表の第Ｖ族に属する。特に好ましいのは、元素ＰおよびＳｂ、元素ＡｓおよびＳｂ、元素ＰおよびＡｓ、元素ＳｂおよびＮ、元素ＡｓおよびＮまたは元素ＰおよびＮを含むドープ剤の組合せを使用することである。
元素Ｂ、ＰまたはＡｓが存在する場合には、ドープ剤の濃度は、有利に１＊１０１８ｃｍ−３より大きく、Ｓｂの場合には、有利に１＊１０１７ｃｍ−３より大きい。特に有利には、元素Ｂ、ＰまたはＡｓが存在する場合には、ドープ剤の濃度は、１＊１０１９ｃｍ−３より大きく、Ｓｂの場合には、１＊１０１８ｃｍ−３より大きい。また、特に好ましいのは、全てのドープ剤の濃度の総和が３＊１０１９ｃｍ−３より大きい程度にドープ剤の組合せを使用することである。
特に好ましいのは、ドープ剤の１つがアンチモンであるｎ型ドーピングであり、半導体ウェハは、０．００５Ωｃｍまたはそれ以下である比抵抗を有する。同様に好ましいのは、ドープ剤の１つがアンチモンであるｎ型ドーピングであり、半導体ウェハは、０．００２Ωｃｍまたはそれ以下である比抵抗を有する。また、特に好ましいのは、ｐ型ドーピングであり、この場合半導体ウェハは、０．０５Ωｃｍまたはそれ以下である比抵抗を有する。
次に、本発明を図につきさらに詳説する。
例（図１）
１５０ｍｍを上廻る直径およびドープ剤としての砒素を有する、転位のない高度にドープされた半導体ウェハは、約０．００２Ωｃｍの比抵抗になるまでに受け入れることができる。よりいっそう高い砒素濃度の場合には、従来のチョクラルスキー法での単結晶の製造の際に転位が生じる。これとは異なり、砒素および燐で共ドーピングを行なう限り、転位の形成なしに明らかによりいっそう低い比抵抗を達成することができる。
１５０ｍｍを上廻る直径およびドープ剤としての砒素を有する、転位のない高度にドープされた半導体ウェハは、約０．００２Ωｃｍの比抵抗になるまでに受け入れることができる。よりいっそう高い砒素濃度の場合には、従来のチョクラルスキー法での単結晶の製造の際に転位が生じる。これとは異なり、砒素および燐で共ドーピングを行なう限り、転位の形成なしに明らかによりいっそう低い比抵抗を達成することができる。
図２は、それぞれ同じドーピング度の場合の異なる拡散係数を有する２つのドープ剤ＡおよびＢの種々の組合せに関連して高度にドープされたサブストレートからドープされていないエピタキシャル析出層への移行部でのドーピング原子の濃度プロフィールを示す（境界面で零点および規格化された濃度で）。しかし、公知方法で達成可能な最大のドーピング度の範囲に関連して、移行プロフィールは、よりいっそう拡がりを有する。それというのも、電気的に不活性のドープ剤複合体が発生することによって、よりいっそう大量の個々のドープ剤が必要とされるからである。本発明によれば、他の電気的に活性の元素を用いての共ドーピングによって、一定の抵抗の達成に必要とされるドープ剤濃度の総和は、減少される。それによって、同時に拡散する全体量のドープ剤は減少し、鮮鋭な移行プロフィールが可能になる。
Claims (17)
- 高度にドープされた半導体ウェハを製造する方法であって、少なくとも２つのドープ剤がドーピングのために使用される、高度にドープされた半導体ウェハの製造法において、ドープ剤が電気的に活性であり、化学元素の周期律表の同じ群に属していることを特徴とする、高度にドープされた半導体ウェハの製造法。
- 半導体ウェハを製造するための半導体材料として、ケイ素もしくはゲルマニウムまたはケイ素とゲルマニウムとの混合物が使用され、ｐ型ドーピングのためのドープ剤が第ＩＩＩ属に属し、ｎ型ドーピングのためのドープ剤が第Ｖ族に属する、請求項１記載の方法。
- 元素ＰおよびＳｂを含むドープ剤の組合せが使用される、請求項１または２記載の方法。
- 元素ＡｓおよびＳｂを含むドープ剤の組合せが使用される、請求項１または２記載の方法。
- 元素ＰおよびＡｓを含むドープ剤の組合せが使用される、請求項１または２記載の方法。
- 元素ＳｂおよびＮを含むドープ剤の組合せが使用される、請求項１または２記載の方法。
- 元素ＡｓおよびＮを含むドープ剤の組合せが使用される、請求項１または２記載の方法。
- 元素ＰおよびＮを含むドープ剤の組合せが使用される、請求項１または２記載の方法。
- 元素Ｂ、ＰまたはＡｓが存在する場合にドープ剤の濃度が１＊１０１８ｃｍ−３より大きく、Ｓｂの場合には、１＊１０１７ｃｍ−３より大きい、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
- 半導体ウェハの側面上には、少なくとも１つのエピタキシャル層が析出される、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
- 転位のない、少なくとも２つのドープ剤でドープされている半導体ウェハにおいて、ドープ剤が電気的に活性であり、化学元素の周期律表の同じ群に属していることを特徴とする、転位のない、少なくとも２つのドープ剤でドープされている半導体ウェハ。
- 半導体ウェハの側面上に析出された少なくとも１つのエピタキシャル層を有する、請求項１１記載の半導体ウェハ。
- ケイ素もしくはゲルマニウムまたはケイ素とゲルマニウムとの混合物からなる、ｐ型ドーピングの場合のドープ剤が第ＩＩＩ属に属し、ｎ型ドーピングの場合のドープ剤が第Ｖ族に属する、請求項１１または１２記載の半導体ウェハ。
- ドープ剤の１つがアンチモンであるｎ型ドーピングを有し、半導体ウェハが０．００５Ωｃｍまたはそれ以下である比抵抗を有する、請求項１１から１３までのいずれか１項に記載の半導体ウェハ。
- ドープ剤の１つが砒素であるｎ型ドーピングを有し、半導体ウェハが０．００２Ωｃｍまたはそれ以下である比抵抗を有する、請求項１１から１４までのいずれか１項に記載の半導体ウェハ。
- ｐ型ドーピングを有し、半導体ウェハが０．０５Ωｃｍまたはそれ以下である比抵抗を有する、請求項１１から１３までのいずれか１項に記載の半導体ウェハ。
- 電子構造素子によって形成された構造を有する、請求項１１から１６までのいずれか１項に記載の半導体ウェハ。
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