JP2011066225A - 半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハ不純物のエピタキシャル層へのオートドーピングを抑え、特性のばらつきを生じることなく、信頼性の高い、良好な特性を有する半導体ウェーハ、半導体装置を形成することが可能な半導体製造方法を提供する。
【解決手段】反応室内でウェーハを保持し、反応室内を、所定の圧力に制御し、ウェーハを加熱し、回転させながら、上方からウェーハ上にプロセスガスを整流して供給し、余剰なプロセスガスおよびプロセスガスより生成された反応副生成物を含むウェーハ上の排ガスを、ウェーハの端部上の主流速が０．７〜２．０ｍ／ｓｅｃとなるように制御して、ウェーハ上より外周方向に排出し、ウェーハ上にエピタキシャル層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハ上に、加熱しながらプロセスガスを供給し、高速回転しながら成膜を行なう半導体製造方法に関する。

一般に、半導体装置の製造に用いられるＳｉウェーハとして、高不純物濃度のＣＺウェーハ上に、低不純物濃度で欠陥の少ないエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルウェーハが用いられる。このようなエピタキシャルウェーハを用いることにより、コストの安いＣＺウェーハを用いながら、接合耐圧が高く、信頼性の高い、良好な特性を有する半導体装置を形成することができる。

このようなエピタキシャルウェーハを形成する際、加熱により高不純物濃度のＣＺウェーハの裏面あるいは側面より不純物の外方拡散が発生し、エピタキシャル層にドーピングされるいわゆるオートドーピング現象が発生する。そのため、面内抵抗にばらつきが生じるという問題が生じる。そこで、通常は裏面に酸化膜を形成することにより、不純物の外方拡散を抑制する手法がとられている。

しかしながら、新たに裏面酸化膜を形成するための工程を要することから、生産性が低下し、コストアップとなってしまう。また、裏面にウェーハと熱膨張率の異なる酸化膜を形成すると、熱履歴により、ウェーハが反り、均一な成膜が困難となるとともに、凹凸に変形してウェーハが跳ね、ウェーハを所望の位置に保持できなくなるといった問題が生じる。

オートドーピングを抑制する新規な手法としては、ウェーハ裏面から拡散する不純物を排出する手法が提案されている（例えば特許文献１など参照）。しかしながら、このような手法では、装置構成が複雑になる上、ウェーハ側面からの外方拡散によるオートドーピングを抑制することは困難であるという問題がある。

特開２００６−４１４３６号公報

上述したように、特に側面からの外方拡散によるオートドーピングを抑制することが困難であるという問題がある。

本発明は、ウェーハ不純物のエピタキシャル層へのオートドーピングを抑え、特性のばらつきを生じることなく、信頼性の高い、良好な特性を有する半導体ウェーハ、半導体装置を形成することが可能な半導体製造方法を提供することを特徴とするものである。

本発明の半導体製造方法は、反応室内でウェーハを保持し、反応室内を、所定の圧力に制御し、ウェーハを加熱し、回転させながら、上方からウェーハ上にプロセスガスを整流して供給し、余剰なプロセスガスおよびプロセスガスより生成された反応副生成物を含むウェーハ上の排ガスを、ウェーハの端部上の主流速が０．７〜２．０ｍ／ｓｅｃとなるように制御して、ウェーハ上より外周方向に排出し、ウェーハ上にエピタキシャル層を形成することを特徴とする。

本発明の半導体製造方法においては、ウェーハを、６００〜１３００ｒｐｍで回転させることが望ましい。

また、本発明の半導体製造方法において、排ガスのウェーハの端部上の流速は、プロセスガスの供給流量を制御することにより調整されることが望ましい。

また、本発明の半導体製造方法において、排ガスのウェーハの端部上の流速は、ウェーハを保持するウェーハ保持部材の端部と反応室の壁面との距離を制御することにより調整されることが望ましい。

さらに、本発明の半導体製造方法は、ウェーハが、形成されるエピタキシャル層より高濃度の不純物を含み、ウェーハの少なくとも裏面及び側面より不純物が外方拡散されるとき、特に有効である。

本発明の半導体製造方法により、ウェーハ不純物のエピタキシャル層へのオートドーピングを抑え、特性のばらつきを生じることなく、信頼性の高い、良好な特性を有する半導体ウェーハ、半導体装置を形成することが可能となる。

本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様におけるガスの流れを示す図。 本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。

以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

（実施形態１）
図１に本実施形態に用いられる半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、導入されたウェーハを保持するウェーハ保持部材であるホルダー１２が設けられ、その下部にホルダー１２を支持するリング１３が設けられている。このリング１３の内部には、ウェーハを加熱するインヒータ１４ａ、アウトヒータ１４ｂと、リフレクタ１５が設置されている。そして、このリング１３は、反応室１１下部の開口部を介して、ウェーハｗを回転させる回転駆動機構１６と接続されている。

反応室１１上部には、ガス種およびその流量を制御する機構（図示せず）と接続され、反応室１１に所定流量のプロセスガスを供給するガス供給口１７と、圧力計（図示せず）、ポンプ（図示せず）などから構成される反応室１１内を所定の圧力に制御する機構と接続され、反応室１１より所定の流量でガスを排出するガス排出口１８が設置されている。

そして、回転体１３の上方には、供給されたプロセスガスを整流してウェーハ上に供給する整流板１９が設けられ、反応室１１の壁面を覆うライナー２０と一体化されている。

このような半導体製造装置を用いて、例えばＳｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する。先ず、例えば高濃度に不純物（Ｂ:ホウ素）がドープされたＳｉからなるφ２００ｍｍのウェーハｗを、反応室１１に導入し、ホルダー１２上に載置する。なお、ウェーハｗには、オートドーピングを抑制するために有効な裏面酸化膜は形成されていない。そして、ウェーハｗの温度が１０８０℃となるように、インヒータ１４ａ、アウトヒータ１４ｂの温度を制御するとともに、ウェーハｗを、回転駆動機構１６により、例えば９００ｒｐｍで回転させる。

そして、ガス供給口１７より、プロセスガスを、例えばジクロロシラン（以下ＤＣＳと記す）：０．１４５ＳＬＭ(０．２４５Ｐａ・ｍ^３／ｓ)、Ｈ_２（キャリアガス）：５８．５ＳＬＭ（９８．９Ｐａ・ｍ^３／ｓ）で導入し、整流板１９を介して整流状態でウェーハｗ上供給する。さらに、ガス排出口１８からの排出量を調整し、反応室１１内の圧力を４０ｋＰａとなるように制御して、ウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を成長させる。

図２に、ウェーハｗ端部におけるガスの流れと不純物の移動を模式的に示す。ウェーハｗ上に供給され、余剰となったＤＣＳを含むプロセスガス、反応副生成物であるＨＣｌなどの排ガスは、矢印で示すように、ウェーハｗの回転により外周方向に排出される。一方、ウェーハｗ中の不純物（Ｂ）は、その一部が加熱による固相拡散により、形成されるエピタキシャル層に移動するとともに、破線矢印で示すように、その裏面および側面より、外方拡散によりウェーハｗとホルダー１２との間隙をとおり上方に移動する。

このとき、ウェーハｗ上には、例えば７ｍｍ程度の反応境界層が形成されており、ウェーハｗの端部上の主流速、すなわち反応境界層上の流速が０．７〜２．０ｍ／ｓｅｃとなるように制御されている。そして、このように制御されることにより、ウェーハｗの端部上の排ガスの主流は、端部上方で対流を発生させることなく層流となるとともに、反応境界層はウェーハｗ表面から主流まで速度勾配を有する層流となる。外方拡散した不純物（Ｂ）は、ウェーハｗ上で対流しないため、ウェーハｗ上のエピタキシャル層にオートドーピングされることなく、排ガスとともにウェーハｗの外周方向に排出される。

このようにして、裏面酸化膜を形成することなくオートドーピングを抑制することができ、特性のばらつきを生じることなく、信頼性の高い、良好な特性を有する半導体ウェーハ、半導体装置を形成することが可能となる。

（実施形態２）
図３に本実施形態に用いられる半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、反応室１１の構成は実施形態１とほぼ同様であるが、整流板の下部に環状の整流フィンが固定されている点で異なっている。

すなわち、上端の内径より下端の内径が大きく、石英、ＳｉＣなどで形成され、ウェーハｗ上から外周方向に排出されるガスを下方に整流するための環状の整流フィン２１が、整流板１９および反応室１１の壁面を覆うライナー２０と一体化されている。そして、昇降機構２２と接続され、昇降可能となっている。

このような半導体製造装置を用いて、先ず、実施形態１と同様に、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗを、反応室１１に導入し、ホルダー１２上に載置する。次いで、昇降機構２２によりライナー２０を降下させて、整流板１９とウェーハｗ、および整流フィン２１とホルダー上面を近づけ、ホルダー１２と反応室の壁面を構成する整流フィン２１との距離を所定の値となるように制御する。このとき、水平距離より垂直距離を制御することがより有効である。そして、このように制御することにより、ウェーハｗの端部上の排ガスの主流速を、０．７〜２．０ｍ／ｓｅｃとする。

なお、壁面とは、必ずしも反応室自体の壁面ではなく、排ガスが到達する面を意味する。具体的には、整流フィンの斜面、ライナーの壁面などである。

そして、実施形態１と同様に、例えばＳｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する。このとき、成膜条件は、例えばウェーハ温度：１０８０℃、ウェーハ回転速度：９００ｒｐｍ、プロセスガスの導入条件を、ＤＣＳ：０．２５ＳＬＭ(０．４２３Ｐａ・ｍ^３／ｓ)、Ｈ_２（キャリアガス）：５０ＳＬＭ（８４．５Ｐａ・ｍ^３／ｓ)、反応室１１内の圧力：４０ｋＰａとする。

外方拡散した不純物（Ｂ）は、実施形態１と同様に、ウェーハｗ上で対流しないため、ウェーハｗ上のエピタキシャル層にオートドーピングされることなく、排ガスとともにウェーハｗの外周方向に排出される。

このようにして、整流フィンを設け、壁面との距離を制御することにより、ウェーハｗの端部上の排ガスの主流速を所定の速度に制御することができる。そして、実施形態１と同様に、オートドーピングを抑制することができ、特性のばらつきを生じることなく、信頼性の高い、良好な特性を有する半導体ウェーハ、半導体装置を形成することが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態においては、実施形態２と同様の半導体製造装置が用いられるが、プロセスガスとしてトリクロロシラン（以下ＴＣＳと記す）を用いている点で異なっている。

先ず、実施形態１と同様に、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗを、反応室１１に導入し、ホルダー１２上に載置し、ホルダー１２の端部と壁面を構成する整流フィン２１との距離ｄを所定の距離に制御する。このようにウェーハｗの端部と壁面との距離（最短距離）を制御することにより、ウェーハｗの端部上の排ガスの主流速を、０．７〜２．０ｍ／ｓｅｃとする。

そして、実施形態１と同様に、例えばＳｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する。このとき、成膜条件は、例えばウェーハ温度：１１４５℃、ウェーハ回転速度：９００ｒｐｍ、プロセスガスの導入条件を、ＴＣＳ：３．３ＳＬＭ(５．５８Ｐａ・ｍ^３／ｓ)、Ｈ_２（キャリアガス）：７４．２ＳＬＭ（１２５．４Ｐａ・ｍ^３／ｓ)、反応室１１内の圧力：９３．３ｋＰａとする。

外方拡散した不純物（Ｂ）は、実施形態１と同様に、ウェーハｗ上で対流しないため、ウェーハｗ上のエピタキシャル層にオートドーピングされることなく、排ガスとともにウェーハｗの外周方向に排出される。

このように、濃度（粘性）の高いＴＣＳを用いた場合でも、ウェーハｗの端部上の排ガスの主流速を所定の速度に制御することにより、実施形態１と同様に、オートドーピングを抑制することができる。そして、特性のばらつきを生じることなく、信頼性の高い、良好な特性を有する半導体ウェーハ、半導体装置を形成することが可能となる。

なお、これら実施形態において、ウェーハｗの端部上の主流速を所定の速度としたが、０．７〜２．０ｍ／ｓｅｃであればよい。０．７ｍ／ｓｅｃ未満では、排ガス速度が遅すぎて、ウェーハｗの端部上部に対流が発生するため、外方拡散した不純物がウェーハｗ上にオートドーピングされてしまう。一方、２．０ｍ／ｓｅｃを越えると、外周方向への排ガス速度が大きくなりすぎ、反応室壁面からの逆流により対流が発生するため、外方拡散した不純物がウェーハｗ上に到達し、オートドーピングされてしまう。

そして、これら実施形態によれば、半導体ウェーハｗの裏面に酸化膜を形成することが不要になるため、エピタキシャル膜の成膜プロセスを高い生産性で形成することが可能となる。そして、ウェーハ製造の歩留り向上と共に、素子分離工程及び素子形成工程を経て形成される半導体装置の歩留りの向上、素子特性の安定を図ることが可能となる。

特にＮ型ベース領域、Ｐ型ベース領域や、絶縁分離領域などに１００μｍ以上の厚膜成長が必要な、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体装置のエピタキシャル形成工程に適用されることにより、良好な素子特性を得ることが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、Ｓｉ基板上にＳｉ単結晶層を形成する場合を説明したが、ポリＳｉ層形成時にも適用できる。また、化合物半導体基板上に、例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど他の化合物半導体層を形成する場合にも適用可能である。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

ｗ…ウェーハ
１１…反応室
１２…ホルダー
１３…リング
１４ａ…インヒータ
１４ｂ…アウトヒータ
１５…リフレクタ
１６…回転駆動機構
１７…ガス供給口
１８…ガス排出口
１９…整流板
２０…ライナー
２１…整流フィン
２２…昇降機構

Claims (5)

1. 反応室内でウェーハを保持し、
   前記反応室内を、所定の圧力に制御し、
   前記ウェーハを加熱し、回転させながら、上方から前記ウェーハ上にプロセスガスを整流して供給し、
   余剰な前記プロセスガスおよび前記プロセスガスより生成された反応副生成物を含む前記ウェーハ上の排ガスを、前記ウェーハの端部上の主流速が０．７〜２．０ｍ／ｓｅｃとなるように制御して、前記ウェーハ上より外周方向に排出し、
   前記ウェーハ上にエピタキシャル層を形成することを特徴とする半導体製造方法。
2. 前記ウェーハを、６００〜１３００ｒｐｍで回転させることを特徴とする請求項1に記載の半導体製造方法。
3. 前記排ガスの前記ウェーハの端部上の流速は、前記プロセスガスの供給流量を制御することにより調整されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体製造方法。
4. 前記排ガスの前記ウェーハの端部上の流速は、前記ウェーハを保持するウェーハ保持部材の端部と前記反応室の壁面との距離を制御することにより調整されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造方法。
5. 前記ウェーハは、形成される前記エピタキシャル層より高濃度の不純物を含み、前記ウェーハの少なくとも裏面より前記不純物が外方拡散されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体製造方法。

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