JP3277726B2 - 2段階エピタキシャル成長方法 - Google Patents

2段階エピタキシャル成長方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高濃度の不純物を含有
する基体上に単結晶層を2段階に分けてエピタキシャル
成長させる方法に関し、更に詳細には単結晶層に対する
基体からの不純物の拡散を抑制した2段階エピタキシャ
ル成長方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】不純物、例えばAs を高濃度でドーピン
グしたSi ウェハ上に単結晶層をエピタキシャル成長さ
せる場合には、As が単結晶層にオートドーピングする
のを抑制することが一つの課題である。オートドーピン
グとは、基板に含まれている不純物が、基板の加熱によ
り蒸発して、成長中のエピタキシャル層内に取り込まれ
る現象である。オートドーピングを抑制するための手段
の一つとして、2段階エピタキシャル成長方法が実施さ
れている。2段階エピタキシャル成長方法とは、不純物
を高濃度で含む基板上に単結晶層をエピタキシャル成長
させるに当たり、エピタキシャル成長反応の初期段階で
基板表面をエピタキシャル単結晶層で薄く覆った後、一
旦単結晶のエピタキシャル成長反応を中断して、適当な
置換ガスでプロセスチャンバ内の不純物を含むガスを置
換、排出し、気相中の不純物濃度が十分に低くなった時
に再び単結晶のエピタキシャル成長を行う方法である。
【0003】例えば、As を高濃度で添加したSi ウェ
ハ上にPドープトSi 単結晶をエピタキシャル成長させ
る場合、従来の2段階エピタキシャル成長方法は、図4
に示すような経過時間に対する温度プロファイルに基づ
いて実施されている。尚、縦軸の反応温度は正確にはS
i ウェハを載置するサセプタの温度であるが、近似的に
Si ウェハの温度と見なせる。図4中、、及びは
それぞれ以下に説明する第1層のSi 単結晶の成膜工程
の期間、第2層のPドープトSi 単結晶の成膜工程の期
間及びエピタキシャル成長中断工程の期間を示す。
【0004】従来の2段階エピタキシャル成長方法で
は、常圧CVD装置を使用して、先ず、水素ガス
(H2 )をプロセスチャンバに導入して、ウェハを11
00°C 位に加熱してウェハに前処理を施す。次いで、
1065°C 位に降温し、水素ガスにシランガス(Si
H4)を混合した反応ガスをプロセスチャンバに導入し
て、30秒程度の短い反応時間で膜厚0.1μm の第1
層のSi 単結晶をSi ウェハ上に形成する。次に、第1
層のSi 単結晶層のエピタキシャル成長時とほぼ同じ温
度にウェハを維持しつつエピタキシャル反応を中断して
水素ガスのみを導入し、約10分〜20分プロセスチャ
ンバ内を置換、排気し、ウェハから拡散した不純物を排
出する。続いて、所定膜厚の第2層のPドープトSi 単
結晶層を第1層のSi 単結晶層上に形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の2段階
エピタキシャル成長方法では、オートドーピングを満足
できる程度に抑制することが難しく、そのため、半導体
装置の耐圧が低下し、半導体装置の特性が不良となっ
て、製品歩留りの低下を招いていた。
【0006】よって、本発明の目的は、従来の方法を改
良してオートドーピングを更に抑制できるようにした2
段階エピタキシャル成長方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明者は、従
来の2段階エピタキシャル成長方法におけるオートドー
ピング機構を研究した結果、エピタキシャル反応の中断
期間において基板の温度が第1層の単結晶層のエピタキ
シャル成長時の温度と同じ温度に維持されているため
に、オートドーピングが進行することを見い出した。即
ち、第1には、この期間中においても基板温度が高いた
め、基板の裏面、側面等から基板中の不純物が蒸発して
プロセスチャンバ内に熱拡散する。そのため、エピタキ
シャル成長装置のプロセスチャンバからの不純物の排出
が不完全となり、第2層の単結晶層のエピタキシャル成
長時に不純物が第2層の単結晶層に侵入することによ
り、オートドーピングが進行する。また、第2には、中
断期間中、基板温度が高いため、基板と第1層の単結晶
層との界面付近で、不純物が基板から第1層の単結晶層
に熱拡散する。その結果、単結晶層に基板の不純物が存
在することになる。
【0008】以上の知見に基づき、上記目的を達成する
ために、本発明に係る2段階エピタキシャル成長方法
は、エピタキシャル成長装置のプロセスチャンバに反応
ガスを導入して、高濃度の不純物を含有する基体上に第
1層の単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、第
1層の単結晶層を形成した後、エピタキシャル成長を中
断してプロセスチャンバに置換ガスを流すエピタキシャ
ル成長中断工程と、次いで、第2層の単結晶層をエピタ
キシャル成長させる工程とを備えた2段階エピタキシャ
ル成長方法において、エピタキシャル成長中断工程中、
第1層の単結晶層のエピタキシャル反応温度より50°
C から100°C 低い温度に基体の温度を維持すること
を特徴としている。
【0009】本発明では、単結晶層をエピタキシャル成
長させるときに、反応ガスに不純物ガスを混合すること
により、単結晶層に不純物をドーピングさせることもで
きる。
【0010】本発明で使用する置換ガスは、基体及び第
1層の単結晶層の特性に影響を与えないガスであれば特
に制約はなく、例えば不活性ガス、水素ガス等を使用で
きる。本発明では、エピタキシャル成長中断工程中の基
体温度を第1層の単結晶層のエピタキシャル反応温度よ
り低下させることにより、基体中の不純物がプロセスチ
ャンバに拡散する速度及び第1層の単結晶層に拡散する
速度を大幅に低減することができる。これにより、従来
の2段階エピタキシャル成長方法に比べてオートドーピ
ングを著しく抑制することができる。本発明において、
エピタキシャル成長中断工程中の温度を第1層の単結晶
層のエピタキシャル反応温度より50°C から100°
C 低い温度に規定したのは、50°C より小さい温度差
であれば、本発明の効果が小さく、また逆に100°C
より大きい温度差であれば、基体又は単結晶層に歪み等
の変形が生じるおそれがあるからである。
【0011】
【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて
本発明をより詳細に説明する。図1は本発明に係る2段
階エピタキシャル成長方法を実施するエピタキシャル成
長装置(以下、簡単に装置と略称する)10の構成を示
す概略図である。装置10は、基本的には図1に示すよ
うに、ベルジャ12で囲われたチャンバ14と、チャン
バ14の中央にほぼ直立するガスノズル16と、上面に
ウェハWを載せてガスノズル16を中心に回転するサセ
プタ18と、高周波コイル20とから構成されている。
【0012】ガスノズル16は、エピタキシャル成長さ
せる単結晶層の組成に応じて、窒素ガス、水素ガス、シ
リコンソースガス及び不純物ガスをチャンバ14に供給
する。チャンバ14は、排気孔22より外部のガス吸引
装置(図示せず)により吸引されて所定の圧力に維持さ
れている。高周波コイル20は、高周波誘導加熱方式に
よりサセプタ18を介してウェハWを加熱する。加熱条
件は、高周波発振機に予め入力されたプログラム上で高
周波出力を設定することにより定められる。高周波出力
の設定は、1回の作業(1バッチ)毎に少なくとも3段
階の設定ができる。例えば、最初の第1段目の出力設定
ではウェハを予熱するような条件を設定し、第2段目の
出力設定では第1層及び第2層の単結晶層のエピタキシ
ャル成長の反応温度になるような条件を設定し、第3段
目の出力設定ではエピタキシャル成長中断工程の温度に
なるような条件を設定する。
【0013】実施例 上述の装置10を使用して、本発明に係る2段階エピタ
キシャル成長方法を実施した。図2(a)及び(b)は
それぞれ本エピタキシャル成長方法の工程毎のウェハの
断面図である。先ず、高濃度でAs が添加されているウ
ェハ30を装置10のサセプタ18上に載置し、外部の
吸引装置を起動してチャンバ14をH2 ガスで置換した
後、高周波コイル20によりウェハ30を約1100°
C に昇温して、ウェハ30に前処理に施した。前処理と
は、例えば表面の自然酸化膜を除去することである。次
いで、ウェハ30の温度を約1065°C に降温すると
共にH2 ガス、SiH4ガス、PH3 の混合ガスをチャンバ1
4に導入して約0.1μm の膜厚の第1層のSi 単結晶
32をウェハ30上に成膜した(図2(a)参照)。こ
の所要時間は約30秒であった。次に、混合ガスの導入
を中止して、ほぼ同じ流量のH2 ガスのみをチャンバ1
4の導入すると共にウェハ30の温度を約995°C に
降温し、その条件で約20分放置した。続いて、ウェハ
30の温度を約1065°C に昇温すると共にH2
ス、SiH4ガス、PH3 の混合ガスをチャンバ14に導入し
て所定膜厚の第2層のPドープトSi 単結晶34を第1
層のSi 単結晶32上に成膜した。
【0014】この実施例の経過時間に対する温度プロフ
ァイルは、図3に示すような曲線である。図3中、、
及びはそれぞれ第1層のSi 単結晶32の成膜工程
の期間、第2層のPドープトSi 単結晶34の成膜工程
の期間及びエピタキシャル成長中断工程の期間を示す。
尚、縦軸の反応温度は正確にはSi ウェハを載置するサ
セプタの温度であるが、近似的にSi ウェハの温度と見
なせる。本実施例でエピタキシャル成長したPドープト
Si 単結晶34は、As のオートドーピングが抑制さ
れ、Pが所定の濃度でドーピングされたSi 単結晶を得
ることができた。
【0015】
【発明の効果】本発明によれば、2段階エピタキシャル
成長方法において、エピタキシャル成長中断工程中、第
1層の単結晶層のエピタキシャル反応温度より50°C
から100°C 低い温度に基体の温度を維持することに
より、基体中の不純物がプロセスチャンバに拡散する速
度及び第1層の単結晶層に拡散する速度を大幅に低減す
ることができる。よって、本発明方法は、従来の2段階
エピタキシャル成長方法に比べてオートドーピングを著
しく抑制することができる。本発明方法を適用すれば、
エピタキシャル成長により所定の単結晶層を形成するこ
とができるので、耐圧が高くなり、その結果、半導体装
置の特性及び製品歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る2段階エピタキシャル成長方法を
実施するエピタキシャル成長装置の構成を示す概略図で
ある。
【図2】図2(a)及び(b)はそれぞれ本エピタキシ
ャル成長方法の工程毎のウェハの断面図である。
【図3】本発明方法に係る実施例での経過時間に対する
温度プロファイルである。
【図4】従来の2段階エピタキシャル成長方法における
経過時間に対する温度プロファイルである。
【符号の説明】
10 本発明方法を実施するエピタキシャル成長装置 12 ベルジャ 14 チャンバ 16 ガスノズル 18 サセプタ 20 高周波コイル 22 排気孔 30 ウェハ 32 第1層のSi 単結晶 34 第2層のPドープトSi 単結晶

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エピタキシャル成長装置のプロセスチャ
    ンバに反応ガスを導入して、高濃度の不純物を含有する
    基体上に第1層の単結晶層をエピタキシャル成長させる
    工程と、第1層の単結晶層を形成した後、エピタキシャ
    ル成長を中断してプロセスチャンバに置換ガスを流すエ
    ピタキシャル成長中断工程と、次いで、第2層の単結晶
    層をエピタキシャル成長させる工程とを備えた2段階エ
    ピタキシャル成長方法において、 エピタキシャル成長中断工程中、第1層の単結晶層のエ
    ピタキシャル反応温度より50°C から100°C 低い
    温度に基体の温度を維持することを特徴とするエピタキ
    シャル成長方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のエピタキシャル成長方
    法において、反応ガスに不純物ガスを混合して、第2層
    の単結晶を不純物によりドーピングするようにしたこと
    を特徴とする2段階エピタキシャル成長方法。
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