JP2005333071A - 不純物原子の拡散方法および拡散装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロット間における拡散深さのばらつきが小さい不純物原子の拡散方法および拡散装置を提供する。
【解決手段】 化合物半導体ウエハ１に不純物原子を拡散させる方法であって、石英管１０において仕切り材１３により仕切られた、第１の部屋１１に化合物半導体ウエハ１を収納し、第２の部屋１２に不純物原子を含む拡散源２を収納する工程と、第１の部屋および第２の部屋を真空排気して石英管を封止する工程と、石英管を加熱し設定拡散温度において仕切り材１３を開放して化合物半導体ウエハ１への不純物原子の拡散を開始させる工程とを含む不純物原子の拡散方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロット間における拡散深さのばらつきが小さい不純物原子の拡散方法および拡散装置に関する。

熱拡散法により化合物半導体ウエハに不純物原子を拡散させる方法として、化合物半導体ウエハと拡散源とを一緒に石英管中に真空封入して熱拡散を行なう閉管法（アンプル法）が行なわれている（たとえば、特許文献１または特許文献２参照）。

しかし、図３に示すように、上記閉管法においては、化合物半導体ウエハと拡散源とを同一の空間内に共存しているため、熱拡散に際して、閉管内の温度を上昇させて行くと、拡散温度として設定した設定拡散温度Ｔ₂になる前から、拡散源の不純物原子が化合物半導体ウエハに拡散を開始する（このときの温度を、拡散開始温度Ｔ₁という）。また、ロット間において閉管内の温度プロファイルを同じように制御することは困難である。したがって、ロット間における化合物半導体ウエハへの不純物原子の拡散深さのばらつきが大きくなり、安定した不純物拡散層の形成が困難であった。
特公平０２−０２４３６９号公報 特開平０６−１５１３４１号公報

上記状況に鑑みて、本発明は、ロット間における拡散深さのばらつきが小さい不純物原子の拡散方法および拡散装置を提供することを目的とする。

本発明は、化合物半導体ウエハに不純物原子を拡散させる方法であって、石英管において仕切り材により仕切られた、第１の部屋に化合物半導体ウエハを、第２の部屋に不純物原子を含む拡散源を収納する工程と、第１の部屋および第２の部屋を真空排気して石英管を封止する工程と、石英管を加熱し設定拡散温度において仕切り材を開放して化合物半導体ウエハへの不純物原子の拡散を開始させる工程とを含む不純物原子の拡散方法である。

本発明にかかる不純物原子の拡散方法において、化合物半導体ウエハをＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハとし、不純物原子をｐ型不純物原子とすることができる。また、第１の部屋に、さらにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハの表面層を構成するＶ族元素を含むＶ族元素源を収納することができる。

本発明は、化合物半導体ウエハに不純物原子を拡散させる装置であって、石英管において仕切り材により仕切られた第１の部屋と第２の部屋とを含み、第１の部屋は化合物半導体ウエハを収納する部屋であり、第２の部屋は不純物原子を含む拡散源を収納する部屋であり、設定拡散温度において仕切り材を開放する機構を含む不純物原子の拡散装置である。

本発明にかかる不純物原子の拡散装置において、仕切り材を石英および石英とは線膨張係数が異なる材料によって構成することができる。さらに、石英とは線膨張係数の異なる材料と石英との線膨張係数の差を２．５×１０^-6Ｋ^-1以上とすることができる。また、設定拡散温度において、仕切り材を機械的に開放する機構を含むことができる。

上記のように、本発明によれば、ロット間における拡散深さのばらつきが小さい不純物原子の拡散方法および拡散装置を提供することができる。

（実施形態１）
本発明にかかる一の不純物原子の拡散方法は、図１および図２を参照して、化合物半導体ウエハ１に不純物原子を拡散させる方法であって、石英管１０において仕切り材１３により仕切られた、第１の部屋１１に化合物半導体ウエハ１を、第２の部屋１２に不純物原子を含む拡散源２を収納する工程と、第１の部屋１１および第２の部屋１２を真空排気して石英管１０を封止する工程と、石英管１０を加熱し設定拡散温度において仕切り材１３を開放して化合物半導体ウエハ１への不純物原子の拡散を開始させる工程とを含む。

図１〜図３を参照して、設定拡散温度Ｔ₂において、仕切り材１３を開放することにより、拡散源２から生成した不純物原子が初めて第２の部屋１２から第２の部屋１１に移動して化合物半導体ウエハ１に拡散することが可能となるため、設定拡散温度Ｔ₂になった時間から正確に不純物原子の拡散を開始させることができる。また、本拡散方法における拡散開始時刻ｔ₂から所定時間経過した拡散終了時刻ｔ₃において、石英管１０を冷却することによって正確に不純物原子の拡散を終了させることができる。すなわち、本拡散方法により、閉管法において、正確に設定拡散温度Ｔ₂において設定拡散時間ｔ（ここで、ｔ＝ｔ₃−ｔ₂である）となる不純物原子の拡散が可能となり、ロット間における不純物原子の拡散深さのばらつきを小さくすることができる。

ここで、図１および図２を参照して、本発明にかかる一の不純物原子の拡散方法をさらに具体的に説明する。まず、石英管１０において仕切り材１３により互いに気密に仕切られた２つの部屋のうち、第１の部屋１１に化合物半導体ウエハ１を、第２の部屋１２に拡散源２を収納し、第１の部屋および第２の部屋を真空排気して石英管１０を封止することにより、第１の部屋および第２の部屋をそれぞれ密閉する。第１の部屋および第２の部屋を真空排気にするときの真空度は、特に制限はないが、不純物原子の拡散を容易にする観点から、１．３３×１０^-3Ｐａ（１×１０^-5Ｔｏｒｒ）以下が好ましい。次に、第１の部屋１１と第２の部屋１２をヒータ１９で加熱する。第１の部屋１１および第２の部屋１２の温度が上昇して設定拡散温度に達したときに、第１の部屋１１と第２の部屋１２とを仕切る仕切り材１３を開放することにより、第２の部屋１２の拡散源２から第１の部屋１１の化合物半導体ウエハ１に不純物原子を拡散させる。次に、設定拡散時間経過後に、石英管１０を冷却し第１の部屋１１を開封して、化合物半導体ウエハ２を取り出して不純物拡散を終了させる。

なお、設定拡散温度において仕切り材１３を開放する方法については、特に制限はない。たとえば、図１に示すように、仕切り材１３を主として構成する石英１３ａの一部に、石英とは線膨張係数が異なる材料１３ｂを接合部１３ｃにおいて接合して、熱膨張係数の違いにより設定拡散温度において石英とは線膨張係数が異なる材料１３ｂが石英１３ａから外れて開口部１４を形成する方法がある。また、図２に示すように、設定拡散温度において仕切り材開放装置１７により、機械的に仕切り材１３を開放する方法がある。

本拡散方法は、化合物半導体ウエハがＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハであり、不純物原子がｐ型不純物原子である場合に、好ましく適用することができる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハへの不純物原子の拡散を正確に行なうためには、設定拡散温度および設定拡散時間の正確な設定が必要だからである。特に、ｐ型不純物原子は、拡散開始温度が低いものが多く、本拡散方法によらなければ、正確に不純物原子の拡散温度を設定することが困難になるからである。

ここで、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハとは、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とを含有する化合物半導体ウエハをいう。ＩＩＩ族元素としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどが挙げられ、Ｖ族元素としては、Ｎ、Ｐ、Ａｓなどが挙げられる。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハに対してｐ型不純物原子となるものとしては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄなど２価の原子価をとる金属元素の原子が挙げられる。

（実施形態２）
本発明にかかる別の不純物原子の拡散方法は、図１および図２を参照して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハ（化合物半導体ウエハ１）にｐ型不純物原子を拡散させる方法であって、仕切り材１３により仕切られた、第１の部屋１１にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハ（化合物半導体ウエハ１）を収納し、第２の部屋１２にｐ型不純物原子を含む拡散源２を収納し、さらに第１の部屋１１にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハの表面層を構成するＶ族元素を含むＶ族元素源３を収納する工程と、第１の部屋および第２の部屋を真空排気して、石英管１０を封止する工程と、設定拡散温度において仕切り材１３を開放して、第２の部屋１２の拡散源２から第１の部屋１１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハ（化合物半導体ウエハ１）にｐ型不純物原子の拡散を開始させる工程を含む不純物原子の拡散方法である。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハの表面層を構成するＶ族元素の原子、特に、Ｐ原子などは、蒸気圧が高く、熱拡散の際にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハから飛散して失われることがあることから、第１の部屋１１にＶ族元素の原子を含むＶ族元素源３を共存させることにより、不純物原子の熱拡散の際にＶ族元素の原子が飛散することを防止して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハの品質を維持することができる。また、本実施形態においてはＶ族元素源３を第１の部屋１１に収納したが、Ｖ族元素源３を第１の部屋１１とともに第２の部屋１２にも収納することも、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハの表面層を構成するＶ族元素の原子の飛散を防止する観点から好ましい。

（実施形態３）
本発明にかかる一の不純物原子の拡散装置は、図１を参照して、化合物半導体ウエハ１に不純物原子を拡散させる装置であって、石英管１０において仕切り材１３により仕切られた第１の部屋１１と第２の部屋１２を含み、第１の部屋１１は化合物半導体ウエハ１を収納する部屋であり、第２の部屋１２は不純物原子を含む拡散源２を収納する部屋であり、拡散温度として設定した設定拡散温度において仕切り材１３を開放する機構を含む不純物原子の拡散装置である。

さらに具体的には、本発明にかかる一の不純物原子の拡散装置は、設定拡散温度において仕切り材１３を開放する機構として、石英１３ａおよび石英とは線膨張係数が異なる材料１３ｂによって構成される仕切り材１３が採用される。すなわち、仕切り材１３を主として構成する石英１３ａの一部に開口部１４が設けられ、石英とは線膨張係数が異なる材料１３ｂが接合部１３ｃにおいて石英１３ａと接合させることにより、開口部１４が塞がれている。

石英とは線膨張係数が異なる材料１３ｂを石英１３ａに接合しているため、線膨張係数の差、開口部の大きさ、接合部の接合強度などを調節することにより、設定拡散温度において接合部１４がはずれ、仕切り材１３が開放するように設計することができる。

本拡散装置においては、石英とは線膨張係数の異なる材料と石英との線膨張係数との差が２．５×１０^-6Ｋ^-1以上であることが好ましい。線膨張係数の差が２．５×１０^-6Ｋ^-1未満であると、設定拡散温度において石英１３ａから石英とは線膨張係数の異なる材料１３ｂが外れるように設計することが難しくなる。

ここで、石英ガラスの線膨張係数は０．６×１０^-6Ｋ^-1であり、線膨張係数との差が２．５×１０^-6Ｋ^-1以上である石英とは線膨張係数が異なる材料としては、ソーダ石灰ガラス（線膨張係数：１０．７×１０^-6Ｋ^-1）、鉛ソーダ石灰ガラス（線膨張係数：９．８×１０^-6Ｋ^-1）、鉛カリガラス（線膨張係数：９．６×１０^-6Ｋ^-1）、アルミノケイ酸塩ガラス（線膨張係数：４．３×１０^-6Ｋ^-1）、タングステン用ガラス（線膨張係数：３．７×１０^-6Ｋ^-1）、モリブデン用ガラス（線膨張係数：４．８×１０^-6Ｋ^-1）、コバール用ガラス（線膨張係数：４．７×１０^-6Ｋ^-1）、ウランガラス（線膨張係数：４．０×１０^-6Ｋ^-1）などが挙げられる。

（実施形態４）
本発明にかかる別の不純物原子の拡散装置は、図２を参照して、化合物半導体ウエハ１に不純物原子を拡散させる装置であって、石英管１０において仕切り材１３により仕切られた第１の部屋１１と第２の部屋１２とを含み、第１の部屋１１は化合物半導体ウエハ１を収納する部屋であり、第２の部屋１２は不純物原子を含む拡散源２を収納する部屋であり、設定拡散温度において仕切り材１３を開放する機構を含む不純物原子の拡散装置である。

さらに具体的には、本発明にかかる別の不純物原子の拡散装置は、設定拡散温度において仕切り材１３を開放する機構として、設定拡散温度において仕切り材１３を機械的に開放する仕切り材開放装置１７を備える。図２においては、化合物半導体ウエハ１を載せるウエハ台１６に仕切り材開放装置１７が設けられており、設定拡散温度において、石英管１０の左側が下になるように傾き、ウエハ台１６が左に移動して仕切り材開放装置１７の刃が仕切り材の一部１３ｐを開放するように設計されている。

（実施例１）
図１を参照して、直径（Ｄ）６０ｍｍ、肉厚２ｍｍの石英ガラス管（石英管１０）を、仕切り材１３を主として構成する肉厚２ｍｍの石英ガラス（石英１３ａ）で仕切り、第１の部屋になる区域と第２の部屋になる区域とを形成した。仕切り材１３の中央部には直径（Ｄ₀）２０ｍｍの開口部１４があり、この開口部１４を塞ぐように接合部１３ｃにおいて石英とは線膨張係数の異なる材料１３ｂである孔径（Ｄ₀）２０ｍｍ、肉厚２ｍｍのソーダ亜鉛ガラスを融着した。第１の部屋となる区域に化合物半導体ウエハ１である直径５０．８ｍｍ（２インチ）×厚さ３５０μｍのＧａＡｓウエハを収納し、第２の部屋となる区域に不純物原子であるＺｎ原子を含む拡散源２として１４０ｍｇの金属Ｚｎ粒を収納し、第１の部屋および第２の部屋を真空排気した後密封した。ここで、第１の部屋の大きさは直径（Ｄ）６０ｍｍ×長さ（Ｌ₁）２２０ｍｍ、第２の部屋の大きさは直径（Ｄ）６０ｍｍ×長さ（Ｌ₂）８０ｍｍとした。また、第１の部屋および第２の部屋の真空排気後における真空度は２．６６×１０^-4Ｐａ（２×１０^-6Ｔｏｒｒ）とした。

次に、ヒータ２により第１の部屋１１および第２の部屋１２を昇温させ、設定拡散温度５２０℃において、石英とは線膨張係数が異なる材料１３ｂが石英１３ａから外れることにより仕切り材１３が開放され、第２の部屋１２の金属Ｚｎ粒子から発生したＺｎ原子が第１の部屋１１のＧａＡｓウエハに拡散した。設定拡散時間として６０分間経過後、石英管１０を冷却し第１の部屋１１を開封してＧａＡｓウエハを取り出し、Ｚｎ原子の拡散を終了させた。本実施例におけるＺｎ原子の拡散を１００ロット行なったところ、平均拡散深さは３．５９μｍ、拡散深さの標準偏差は０．１０μｍであった。結果を表１にまとめた。

(実施例２）
第１の部屋に直径５０．８ｍｍ（２インチ）×厚さ３５０μｍのＩｎＰウエハ（化合物半導体ウエハ１）とＶ族元素源３である２８ｍｇの単体Ｐ（赤リン）粒とを収納し、第２の部屋に１４０ｍｇの金属Ｚｎ粒（拡散源２）とＶ族元素源３である１０ｍｇの単体Ｐ（赤リン）粒とを収納したこと、設定拡散温度を６００℃、設定拡散時間を２１分間としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＩｎＰウエハにＺｎ原子を拡散させた。本実施例におけるＺｎ原子の拡散を１００ロット行なったところ、平均拡散深さは３．６３μｍ、拡散深さの標準偏差は０．１０μｍであった。結果を表１にまとめた。

（比較例１）
従来の閉管法と同様にして、仕切り材１３による仕切りを設けないで、直径６０ｍｍ×長さ３００ｍｍ、肉厚２ｍｍの石英ガラス管（石英管）内に、直径５０．８ｍｍ（２インチ）×厚さ３５０μｍのＧａＡｓウエハ（化合物半導体ウエハ）と１４０ｍｇの金属Ｚｎ粒（拡散源）とを収納して、真空排気した後密封した。ここで、真空排気後における閉管内の真空度は２．６６×１０^-4Ｐａ（２×１０^-6Ｔｏｒｒ）とした。この閉管を５２０℃のヒータで加熱することによりＧａＡｓウエハへのＺｎ原子の拡散を行なった。なお、本比較例における拡散時間は、ヒータの加熱を開始したときから６０分とした。本実施例におけるＺｎ原子の拡散を１００ロット行なったところ、平均拡散深さは３．５７μｍ、拡散深さの標準偏差は０．２５μｍであった。結果を表１にまとめた。

表１から明らかなように、従来の閉管法による不純物原子の拡散における拡散深さの標準偏差が０．２５μｍであったのに対し、本発明にかかる不純物原子の拡散深さの標準偏差は０．１０μｍと小さくなり、拡散深さのばらつきが小さくなっていることが確認できた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

上記のように、本発明は、ロット間における拡散深さのばらつきが小さい不純物原子の拡散方法および拡散装置に広く用いることができる。

本発明にかかる一の不純物原子の拡散装置を示す模式図である。 本発明にかかる別の不純物原子の拡散装置を示す模式図である。 閉管法による熱拡散における温度プロファイルを示す模式図である。

符号の説明

１ 化合物半導体ウエハ、２ 拡散源、３ Ｖ族元素源、１０ 石英管、１１ 第１の部屋、１２ 第２の部屋、１３ 仕切り材、１３ａ 石英、１３ｂ 石英とは線膨張係数が異なる材料、１３ｃ 接合部、１３ｐ 仕切り材の一部、１４ 開口部、１６ ウエハ台、１７ 仕切り材開放装置、１９ ヒータ。

Claims (7)

1. 化合物半導体ウエハに不純物原子を拡散させる方法であって、
   石英管において仕切り材により仕切られた、第１の部屋に前記化合物半導体ウエハを、第２の部屋に前記不純物原子を含む拡散源を収納する工程と、
   前記第１の部屋および前記第２の部屋を真空排気して、前記石英管を封止する工程と、
   前記石英管を加熱し、設定拡散温度において前記仕切り材を開放して、前記化合物半導体ウエハへの不純物原子の拡散を開始させる工程とを含む不純物原子の拡散方法。
2. 前記化合物半導体ウエハがＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハであり、前記不純物原子がｐ型不純物原子である請求項１に記載の不純物原子の拡散方法。
3. 前記第１の部屋に、さらに前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハの表面層を構成するＶ族元素を含むＶ族元素源を収納する請求項２に記載の不純物原子の拡散方法。
4. 化合物半導体ウエハに不純物原子を拡散させる装置であって、
   石英管において仕切り材により仕切られた第１の部屋と第２の部屋とを含み、
   前記第１の部屋は前記化合物半導体ウエハを収納する部屋であり、前記第２の部屋は前記不純物原子を含む拡散源を収納する部屋であり、
   設定拡散温度において、前記仕切り材を開放する機構を含む不純物原子の拡散装置。
5. 前記仕切り材が、石英および石英とは線膨張係数が異なる材料によって構成されている請求項４に記載の不純物原子の拡散装置。
6. 前記石英とは線膨張係数の異なる材料と前記石英との線膨張係数の差が２．５×１０^-6Ｋ^-1以上である請求項５に記載の不純物原子の拡散装置。
7. 前記設定拡散温度において、前記仕切り材を機械的に開放する機構を含む請求項４に記載の不純物原子の拡散装置。

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