JP3671418B2 - 半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は半導体ウェーハ及びその製造方法に係り、特に大口径の半導体基板の主面上に均一な抵抗率分布を有する半導体薄膜が形成されている半導体ウェーハ及びその製造方法に関するものである。
背景技術
近年の電子デバイスの微細化に伴って、珪素単結晶基板の主面上に珪素単結晶薄膜が形成されている半導体ウェーハの利用が増加すると共に、珪素単結晶薄膜の抵抗率の均一化が要求されてきている。この抵抗率の均一化とは、珪素単結晶薄膜面内において、その抵抗率が一様になるようにすることをいう。また、このような抵抗率の均一化と共に、半導体ウェーハの大口径化も要求されている。そして、この半導体ウェーハの大口径化に伴って、珪素単結晶基板の主面上に珪素単結晶薄膜を成長させる装置として水平型の枚葉式気相成長装置が主に使用されている。
以下、通常に使用されている水平型の枚葉式気相成長装置を、図5及び図6を用いて説明する。ここで、図5はこの従来の水平型の枚葉式気相成長装置を模式的に示す横断面図であり、図6はその縦断面図である。
図5及び図6に示されるように、従来の水平型の枚葉式気相成長装置においては、水平に設置された透明な石英ガラス製の反応容器10内の中央底部に、珪素単結晶基板12を水平に載置するサセプタ14が設置され、回転軸16を介して回転装置(図示せず)に接続されている。
また、この反応容器10の長手方向の一端にはガス導入口18が設けられ、その他端部には排気口20が設けられる。このため、ガス導入口18から反応容器10内に導入され、排気口20から外部に排出されるガスの流れは、おおむね反応容器10の長手方向に沿ってサセプタ14上に載置された珪素単結晶基板12の主面上方を通過するようになっている。
また、この反応容器10のガス導入口18は、反応容器10の幅方向に配設された6つの導入口18a、18b、…、18fから構成されている。これら6つの導入口18a、18b、…、18fのうち、内側の2つの導入口(以下、単に「内側導入口」という)18a、18b、外側の2つの導入口(以下、単に「外側導入口」という)18e、18f、及び内側と外側の中間の2つの導入口(以下、単に「中間導入口」という)18c、18dは、それぞれ反応容器10の長手方向に仮想されサセプタ14上の珪素単結晶基板12の主面の中心を通る中心軸に対して対称に配設されている。
更に詳細にいえば、反応容器10の幅方向に仮想されサセプタ14上の珪素単結晶基板12の主面の中心を通る中心軸上において、内側導入口18a、18bは珪素単結晶基板12の主面の中心部近傍を向いており、外側導入口18e、18fは珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍を向いており、中間導入口18c、18dは珪素単結晶基板12の主面の中心部と外縁部とに挟まれた中間部を向いている。
また、これら6つの導入口18a、18b、…、18fは共通のガス配管22に接続されている。そして、この共通のガス配管22は3つに分岐し、それぞれガス流量制御器としてのMFC(Mass Flow Controller;マスフローコントローラ)24、26、28を介して、キャリアガスとしてのH2(水素)ガスのガスソース(図示せず)、半導体原料ガスのガスソース(図示せず)、及びドーパントガスのガスソース(図示せず)にそれぞれ接続されている。
また、反応容器10の外側には、サセプタ14上に載置された珪素単結晶基板12を加熱する加熱源として例えば赤外線輻射ランプ30が配置され、この赤外線輻射ランプ30に通電することにより、珪素単結晶基板12の主面を所定の温度にまで上昇させるようになっている。更にこの赤外線輻射ランプ30と反応容器10の外壁を冷却するための冷却手段(図示せず)が設置されている。
次に、図5及び図6に示される従来の水平型の枚葉式気相成長装置を用いて、珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜を形成する方法を説明する。
先ず、反応容器10内のサセプタ14上に珪素単結晶基板12を水平に載置する。続いて、H2ガスのガスソースからMFC24、共通のガス配管22、及び6つの導入口18a、18b、…、18fを介して反応容器10内にH2ガスを供給して、反応容器10内の雰囲気を水素に置換する。また、回転装置により、回転軸16を介して、珪素単結晶基板12を水平に載置した状態のままサセプタ14を図5及び図6中の矢印で示すように時計回りに回転させる。そして、赤外線輻射ランプ30により、サセプタ14上の珪素単結晶基板12を加熱し、その主面における温度を所定の温度にまで上昇させる。
続いて、半導体原料ガス及びドーパントガスの各ガスソースから、それぞれMFC26、28、共通のガス配管22、及び6つの導入口18a、18b、…、18fを介して、反応容器10内に半導体原料ガス及びドーパントガスを供給する。
このとき、キャリアガスとしてのH2ガス、半導体原料ガス、及びドーパントガスの流量はそれぞれMFC24、26、28により個別にかつ精密に制御されると共に、これらのガスはその後混合されて、反応容器10の幅方向に配設された6つの導入口18a、18b、…、18fのそれぞれから殆ど幅方向に拡散することなく原料ガス濃度及びドーパントガス濃度が同一のプロセスガスとして反応容器10内に導入される。
この反応容器10内に導入されたプロセスガスは、回転軸16を中心に回転するサセプタ14上に水平に載置されている珪素単結晶基板12の主面上方を、その主面に対して略平行かつ一方向に通過する。そして、その際に化学反応を生じて、珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜32を気相成長させる。
上述のようにして、図5及び図6に示される従来の水平型の枚葉式気相成長装置を用い、珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜32を形成する際に、珪素単結晶基板12の直径が200mm以下の場合には、珪素単結晶基板12の主面上に形成される珪素単結晶薄膜32の直径方向の抵抗率の分布は略均一であった。
しかし、珪素単結晶基板12の直径が200mmよりも大きな場合、例えば直径300mmの大口径の場合、珪素単結晶薄膜32の直径方向の抵抗率の分布に顕著な不均一が発生した。即ち、直径300mmの珪素単結晶薄膜32の外縁分近傍における抵抗率がそれ以外の中央部における抵抗率よりも急激に低下した。
この珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍における抵抗率の急激な低下は、いわゆるオートドープ現象に起因すると考えられる。ここで、オートドープ現象とは、次のような現象をいう。
即ち、珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜32を気相成長させる際に、この高温に加熱された珪素単結晶基板12の主裏面から、反応雰囲気ガスのH2ガスによりエッチングされた珪素単結晶基板12中に添加されていた不純物が反応雰囲気ガス中に遊離して、ドーパントガスが発生する。そして、この珪素単結晶基板12の主裏面から発生したドーパントガスは、珪素単結晶基板12の側面を通って主面側に回り込み、気相成長中の珪素単結晶薄膜32に再度取り込まれる。こうして、珪素単結晶薄膜32には、本来のガス導入口18から導入されたドーパントガスに加えて、珪素単結晶基板12の主裏面から発生したドーパントガスが供給されることになるため、必要以上の不純物が添加されて、珪素単結晶薄膜32の抵抗率が目的の値よりも低下することになる。そして、珪素単結晶基板12の主裏面から発生し、その側面を通って主面側に回り込むドーパントガスの濃度は、珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍ほど高くなるため、珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍において抵抗率の急激な低下が生じる。
ところで、このようなオートドープ現象は、原理的には珪素単結晶基板12の大きさによらずに発生するものである。しかし、実際には、珪素単結晶基板12の直径が200mmよりも小さかった従来の場合、このオートドープ現象に起因する珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍における抵抗率の低下はそれほど顕著ではなく、従って珪素単結晶薄膜32の抵抗率の分布は一定の許容範囲内に入っていた。
ところが、最近の半導体ウェーハの大口径化の要請に対応すべく、本発明者が直径300mmかつ低抵抗率の珪素単結晶基板12を用いて、その主面上に珪素単結晶薄膜32を気相成長させたところ、上述のように、オートドープ現象に起因する珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍における抵抗率の急激な低下が生じて、その直径方向の抵抗率の分布に顕著な不均一が生じるという問題が顕在化したのである。
なお、このオートドープ現象の発生を抑制する手段としては、珪素単結晶基板12の主裏面上に窒素珪素又は酸化珪素からなる被膜を形成することが知られている。但し、この方法は、珪素単結晶基板12の主裏面上に形成したオートドープ防止用の被膜が発塵源や金属汚染源となる恐れがあるため、珪素単結晶基板12の主面上に形成する珪素単結晶薄膜32の品質を劣化させるという問題が生じる。また、珪素単結晶基板12の主裏面上にオートドープ防止用の被膜を形成することに加えて、更にその後このオートドープ防止用の被膜を除去するという余分な工程が必要となるため、生産性が低下して、製造コストが割高になるという問題も生じる。
発明の開示
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、直径300mm以上の大口径の半導体単結晶基板の主面上に抵抗率の均一な半導体薄膜を有する半導体ウェーハを提供すると共に、直径300mm以上の大口径の半導体単結晶基板の主裏面上にオートドープ防止用の被膜を形成することなく、その主面上に抵抗率の均一な半導体薄膜を形成する半導体ウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題は、以下の本発明に係る半導体ウェーハ及びその製造方法により達成される。
即ち、本発明に係る半導体ウェーハは、直径が300mm以上400mm以下、抵抗率が0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下のp型半導体単結晶基板の主面上に直径方向の抵抗率分布が8%以下の半導体薄膜が形成されていることを特徴とする。
ここで、半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布を表す数値、即ち8%以下という数値は、次式
(最大抵抗率−最小抵抗率)/全測定点の平均抵抗率 (1)
を用いて計算したものである。
このように本発明に係る半導体ウェーハにおいては、直径が300mm以上400mm以下の大口径の半導体単結晶基板であり、かつ抵抗率が0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下の低抵抗のp型半導体単結晶基板であっても、その主面上に直径方向の抵抗率分布が8%以下の半導体薄膜が形成されていることにより、最近の半導体ウェーハに要請される大口径化と抵抗率の均一化が共に達成されるため、半導体チップの収量の増大と歩留りの向上の実現に大いに寄与する。
なお、上記本発明に係る半導体ウェーハにおいて、p型半導体単結晶基板の主面上に形成されている半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布が±4%以下であることが好適である。
ここで、半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布を表す数値、即ち±4%以下という数値は、次式
(最大抵抗率−最小抵抗率)/(最大抵抗率+最小抵抗率) (2)
を用いて計算したものである。
この場合、最近の半導体ウェーハに要請される抵抗率の均一化が高い精度で達成され、半導体チップの歩留りの向上の実現に更に寄与する。
また、上記本発明に係る半導体ウェーハにおいて、半導体単結晶基板の直径が300mmであることが好適である。現在の段階では、直径が300mmまでは高品質にかつ安定して半導体単結晶基板を作製することが可能であるために、0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下の低抵抗の半導体単結晶基板の主面上に直径方向の抵抗率分布が8%以下(上記(1)式により計算した場合)或いは±4%以下(上記(2)式により計算した場合)に均一化する作用が十全に発揮される。
また、半導体単結晶基板が珪素単結晶基板であり、半導体薄膜が珪素単結晶薄膜であることが好適である。即ち、現在の半導体ウェーハの主流をなす珪素単結晶ウェーハにおいて大口径化と抵抗率の均一化が共に達成されることにより、半導体装置の製造において広範で多様な利用が期待される。
また、本発明に係る半導体ウェーハの製造方法は、反応容器の幅方向に配設された複数のガス導入口から、この反応容器内において回転する半導体単結晶基板の主面に対して略平行かつ一方向に半導体原料ガスを供給し、この半導体単結晶基板の主面上に半導体薄膜を気相成長させる半導体ウェーハの製造方法であって、これら複数のガス導入口のうちの内側寄りのガス導入口から、ドーパントガスを供給する。
このように本発明に係る半導体ウェーハの製造方法においては、反応容器の幅方向に配設された複数のガス導入口から半導体単結晶基板の主面に対して略平行かつ一方向に半導体原料ガスを供給する際に、これら複数のガス導入口のうちの内側寄りのガス導入口からドーパントガスを供給することにより、即ち複数のガス導入口のうちの外側のガス導入口からはドーパントガスを供給しないことにより、半導体単結晶基板の主面の外縁部近傍に供給されるドーパントガスの濃度はそれ以外の中央部に供給されるドーパントガスの濃度よりも相対的に低くなる。但し、半導体単結晶基板の主面の外縁部近傍には、オートドープ現象により半導体単結晶基板の主裏面から発生し、その側面を通って主面側に回り込むドーパントガスが供給される。このため、ガス導入口から供給されるドーパントガスとオートドープ現象により供給されるドーパントガスとをトータルすると、半導体単結晶基板の主面全体に供給されるドーパントガスの濃度を略均一にすることが可能になる。その結果、半導体単結晶基板の主面上に気相成長させる半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布はより均一なものとなる。
また、さらに好適な本発明に係る半導体ウェーハの製造方法は、複数のガス導入口が、反応容器の幅方向の内側に配設された内側導入口、反応容器の幅方向の外側に配設された外側導入口、及び内側導入口と外側導入口との間に配設された中間導入口の3種類の導入口からなり、これら複数のガス導入口のうちの内側寄りのガス導入口が、内側導入口及び中間導入口である。
このように本発明に係る半導体ウェーハの製造方法においては、複数のガス導入口が内側導入口と外側導入口と中間導入口の3種類のガス導入口からなり、反応容器の幅方向に仮想され半導体単結晶基板の主面の中心を通る中心軸上において、内側ガス導入口からは半導体単結晶基板の主面の中心部近傍に、外側ガス導入口からは半導体単結晶基板の外縁部近傍に、中間ガス導入口からは半導体単結晶基板の主面の中心部と外縁部とに挟まれた中間部にそれぞれ半導体原料ガスが供給されるが、その際に内側導入口及び中間ガス導入口からはドーパントガスが供給され、外側導入口からはドーパントガスが供給されないことにより、半導体単結晶基板の主面の外縁部近傍に供給されるドーパントガスの濃度はそれ以外の中央部及び中間部に供給されるドーパントガスの濃度よりも相対的に低くなる一方、外縁部近傍にはオートドープ現象によるドーパントガスが供給されるため、これら両方のドーパントガスをトータルすると、半導体単結晶基板の主面全体に供給されるドーパントガスの濃度は略均一になる。従って、半導体単結晶基板の主裏面にオートドープ防止用の被膜を形成するという余分な工程を設けることなく、半導体単結晶基板の主面上に気相成長させる半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布がより均一なものとなる。
なお、ここでは、反応容器の幅方向に配設された複数のガス導入口のうち、ドーパントガスを供給する内側寄りのガス導入口として、内側導入口と中間導入口の2種類のガス導入口を設けた場合について述べているが、半導体単結晶基板の大きさによっては、ドーパントガスを供給する内側寄りのガス導入口として3種類以上のガス導入口を設けることも可能である。
また、さらに好適な本発明に係る半導体ウェーハの製造方法は、内側導入口及び中間導入口から供給されるドーパントガス量をそれぞれ別個に制御する。
このように本発明に係る半導体ウェーハの製造方法においては、反応容器の幅方向に仮想され半導体単結晶基板の主面の中心を通る中心軸上において、半導体単結晶基板の主面の外縁部近傍を除く中心部近傍及び中間部にそれぞれ供給されるドーパントガスの量をそれぞれ別個に制御することにより、中央部及び中間部に供給されるドーパントガスの濃度をより均一にすることが可能になるため、半導体単結晶基板の主面上に気相成長させる半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布は更により均一なものとなる。
なお、上記本発明に係る半導体ウェーハの製造方法において、半導体単結晶基板としては、直径300mm以上400mm以下、その中でも特に直径300mmであって、抵抗率0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下のp型半導体単結晶基板を用いることが好適である。
即ち、半導体単結晶基板が直径300mm以上400mm以下、その中でも特に現段階において高品質かつ安定して作製可能な直径300mmの大口径基板の場合に、オートドープ現象に起因する半導体単結晶薄膜の外縁部近傍における抵抗率の低下が顕著に現れるため、ガス導入口からこの外縁部近傍へのドーパントガスの供給を止めることにより半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布を均一にする作用が十全に発揮される。
なお、本発明に係る半導体ウェーハの製造方法において、半導体単結晶基板の直径は、本質的に直径300mm以上400mm以下に限定されるものではなく、400mmを越える場合にも適用可能な製造方法である。この場合には、上述したように、例えばドーパントガスを供給する内側寄りのガス導入口として3種類以上のガス導入口を設ける等の処置を取ることにより対応することが考えられる。
また、半導体単結晶基板の抵抗率が0.01Ω・cmより低い低抵抗基板の場合には、オートドープ現象の影響が更に増大し、これに起因する半導体単結晶薄膜の外縁部近傍における抵抗率の低下が急激すぎるため、単にガス導入口からこの外縁部近傍へのドーパントガスの供給を止めるだけでは、半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布を均一する作用を十全に発揮することが困難になる。他方、半導体単結晶基板の抵抗率が0.02Ω・cmより高い高抵抗基板の場合には、オートドープ現象の影響が減少し、これに起因する半導体単結晶薄膜の外縁部近傍における抵抗率の低下が小さくなるため、単にガス導入口からこの外縁部近傍へのドーパントガスの供給を止める必要がなくなり、場合によってはこの外縁部近傍へのドーパントガスの供給を止めることが却って半導体薄膜全体における抵抗率分布を不均一化する恐れも生じる。従って、半導体単結晶基板の抵抗率が0.01Ω・cm〜0.02Ω・cmの範囲内の場合に、ガス導入口から外縁部近傍へのドーパントガスの供給を止めることにより半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布を均一する作用が最も効果的に発揮される。
また、上記本発明に係る半導体ウェーハの製造方法において、半導体単結晶基板が珪素単結晶基板であり、半導体薄膜が珪素単結晶薄膜であることが好適である。即ち、現在の半導体ウェーハの主流をなす珪素単結晶ウェーハにおいて大口径化と抵抗率の均一化が共に達成されることにより、半導体装置の製造において広範で多様な利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハの製造方法に使用する水平型の枚葉式気相成長装置を模式的に示す横断面図である。
図2は、図1の気相成長装置を使用して半導体ウェーハを製造する際の温度サイクルを示すグラフである。
図3は、図1の気相成長装置を使用して製造した半導体ウェーハの直径方向の抵抗率分布を示すグラフである。
図4は、従来の気相成長装置を使用して製造した半導体ウェーハの直径方向の抵抗率分布を示すグラフである。
図5は、従来の半導体ウェーハの製造方法に使用する水平型の枚葉式気相成長装置を模式的に示す横断面図である。
図6は、従来の半導体ウェーハの製造方法に使用する水平型の枚葉式気相成長装置を模式的に示す縦断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る半導体ウェーハの製造方法に使用する水平型の枚葉式気相成長装置を模式的に示す横断面図である。なお、本実施形態に係る半導体ウェーハの製造方法に使用する水平型の枚葉式気相成長装置を模式的に示す縦断面図は、上記図6と基本的に同様であるため、説明中に上記図6を流用することとし、その図示は省略する。また、上記図5及び図6に示す従来の水平型の枚葉式気相成長装置の構成要素と同一の要素には同一の符号を付して、その説明を省略又は簡略化する。
図1及び上記図6に示されるように、本実施形態に係る半導体ウェーハの製造方法に使用する水平型の枚葉式気相成長装置においては、水平に設置された透明な石英ガラス製の反応容器10内の中央底部に、珪素単結晶基板12を水平に載置するサセプタ14が設置され、回転軸16を介して回転装置(図示せず)に接続されている。
また、この反応容器10の長手方向の一端にはガス導入口18が設けられ、その他端部には排気口20が設けられる。このため、ガス導入口18から反応容器10内に導入され、排気口20から外部に排出されるガスの流れは、おおむね反応容器10の長手方向に沿ってサセプタ14上に載置された珪素単結晶基板12の主面上方を通過するようになっている。
また、この反応容器10のガス導入口18は、反応容器10の幅方向に配設された6つの導入口18a、18b、…、18fから構成されている。そして、これら6つの導入口18a、18b、…、18fのうち、内側導入口18a、18b、外側導入口18e、18f、及び中間導入口18c、18dは、それぞれ反応容器10の長手方向に仮想されサセプタ14上の珪素単結晶基板12の主面の中心を通る中心軸に対して対称に配設されている。
更に詳細にいえば、反応容器10の幅方向に仮想されサセプタ14上の珪素単結晶基板12の主面の中心を通る中心軸上において、内側導入口18a、18bは珪素単結晶基板12の主面の中心部近傍を向いており、外側導入口18e、18fは珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍を向いており、中間導入口18e、18dは珪素単結晶基板12の主面の中心部と外縁部とに挟まれた中間部を向いている。
また、内側導入口18a、18bは共通のガス配管22aに接続されている。この共通のガス配管22aは3つに分岐し、それぞれガス流量制御器としてのMFC24a、26a、28aを介して、H2ガスのガスソース(図示せず)、半導体原料ガスのガスソース(図示せず)、及びドーパントガスのガスソース(図示せず)に接続されている。
また、同様に、中間導入口18c、18dは共通のガス配管22bに接続されている。この共通のガス配管22bは3つに分岐し、それぞれガス流量制御器としてのMFC24b、26b、28bを介して、H2ガスのガスソース(図示せず)、半導体原料ガスのガスソース(図示せず)、及びドーパントガスのガスソース(図示せず)に接続されている。
更に、同様に、外側導入口18e、18fは共通のガス配管22cに接続されている。この共通のガス配管22cは2つに分岐し、それぞれガス流量制御器としてのMFC24c、26cを介して、H2ガスのガスソース(図示せず)及び半導体原料ガスのガスソース(図示せず)に接続されている。但し、この外側導入口18e、18fに接続されている共通のガス配管22cは、ドーパントガスのガスソースには接続されておらず、従ってドーパントガスのガス流量を制御するMFCも接続されていない。
なお、ここで、半導体原料ガスとして、例えばSiCl4(テトラクロロシラン)ガス、SiH2Cl2(ジクロロシラン)ガス、SiHCl3(トリクロロシラン)ガス、又はSiH4(モノシラン)ガスなどの珪素系ガスが用いられ、ドーパントガスとして、例えばB2H6(ジボラン)ガス又はPH3(フォスフイン)ガスなどが用いられる。
また、反応容器10の外側には、サセプタ14上に水平に載置された珪素単結晶基板12を加熱して珪素単結晶基板12の主面を所定の温度にまで上昇させる加熱源として例えば赤外線輻射ランプ30が配置され、更にこの赤外線輻射ランプ30と反応容器10の外壁を冷却するための冷却手段(図示せず)が設置されている。
次に、図1及び上記図6に示される水平型の枚葉式気相成長装置を用いて、珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜を形成する方法を説明する。
先ず、反応容器10内のサセプタ14上に珪素単結晶基板12を水平に載置する。続いて、H2ガスのガスソースからMFC24a、24b、24c、共通のガス配管22a、22b、22c、及び6つの導入口18a、18b、…、18fを介して反応容器10内にH2ガスを供給し、反応容器10内の雰囲気を水素に置換する。また、回転装置により、回転軸16を介して、珪素単結晶基板12を水平に載置した状態のままサセプタ14を図1及び上記図6中の矢印で示されるように時計回りに回転させる。そして、赤外線輻射ランプ30により、サセプタ14上の珪素単結晶基板12に対して、所定の温度サイクルに従った加熱を行い、その主面における温度を所定の設定温度にまで上昇させる。
続いて、所定の温度サイクルに従い、その気相成長工程において、半導体原料ガスのガスソースから、それぞれMFC26a、26b、26c、共通のガス配管22a、22b、22c、及び6つの導入口18a、18b、…、18fを介して、反応容器10内に半導体原料ガスを供給すると共に、ドーパントガスのガスソースから、それぞれMFC28a、28b、共通のガス配管22a、22b、及び4つの導入口18a、18b、…、18dを介して、反応容器10内にドーパントガスを供給する。
このとき、キャリアガスとしてのH2ガス、半導体原料ガス、及びドーパントガスの流量はそれぞれMFC24a、24b、24c、MFC26a、26b、26c、及びMFC28a、28bにより個別にかつ精密に制御される。そして、MFC24a、26a、28aによりそれぞれ流量を精密に制御されたH2ガス、半導体原料ガス、及びドーパントガスは、その後混合されて、反応容器10の幅方向に配設された内側導入口18a、18bからプロセスガスとして殆ど幅方向に拡散することなく反応容器10内に導入される。
また、同様にして、MFC24b、26b、28bによりそれぞれ流量を精密に制御されたH2ガス、半導体原料ガス、及びドーパントガスも、その後混合されて、反応容器10の幅方向に配設された中間導入口18c、18dからプロセスガスとして殆ど幅方向に拡散することなく反応容器10内に導入される。
更に、同様にして、MFC24c、26cによりそれぞれ流量を精密に制御されたH2ガス及び半導体原料ガスも、その後混合されて、反応容器10の幅方向に配設された外側導入口18e、18fからプロセスガスとして殆ど幅方向に拡散することなく反応容器10内に導入される。但し、これらの外側導入口18e、18fからドーパントガスが反応容器10内に導入されることはない。
この反応容器10内に導入されたプロセスガスは、回転軸16を中心に回転するサセプタ14上に載置されている珪素単結晶基板12の主面上方を、その主面に対して略平行かつ一方向に通過する。このとき、内側導入口18a、18b及び中間導入口18c、18dから供給されたキャリアガスとしてのH2ガス、半導体原料ガス、及びドーパントガスが珪素単結晶基板12の主面の中心部近傍及び中間部を通過するのに対して、外側導入口18e、18fから供給されたH2ガス及び半導体原料ガスは珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍を通過するものの、この外側導入口18e、18fからはドーパントガスが供給されない。そして、その際に化学反応を生じて、珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜32を気相成長させる。
以上のように本実施形態によれば、反応容器10の幅方向に配設された6つの導入口18a、18b、…、18fから構成されるガス導入口18から回転する珪素単結晶基板12の主面に対して略平行かつ一方向にプロセスガスを供給する際に、内側導入口18a、18b及び中間導入口18c、18dからは、キャリアガスとしてのH2ガス、半導体原料ガス、及びドーパントガスが珪素単結晶基板12の主面の中心部近傍及び中間部に供給され、外側導入口18e、18fからは、H2ガス及び半導体原料ガスのみが珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍に供給され、この外縁部近傍にはドーパントガスが供給されないことにより、珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍に供給されるドーパントガスの濃度はそれ以外の中央部近傍及び中間部に供給されるドーパントガスの濃度よりも相対的に低くなる。但し、この珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍にはオートドープ現象によるドーパントガスが供給される。このため、ガス導入口18から供給されるドーパントガスとオートドープ現象により供給されるドーパントガスとをトータルすると、珪素単結晶基板12の主面全体に供給されるドーパントガスの濃度は略均一になる。言い換えれば、オートドープ現象により珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍にドーパントガスが供給されることを予め計算に入れ、外側導入口18e、18fからこの外縁部近傍へのドーパントガスの供給を止めることによって、結果的に主面全体に供給されるドーパントガスの濃度を略均一にするものである。従って、半珪素単結晶基板12の主裏面にオートドープ防止用の被膜を形成するという余分な工程を設けることなく、半珪素単結晶基板12の主面上に気相成長させる珪素単結晶薄膜32の直径方向の抵抗率分布をより均一なものとすることができる。
また、内側導入口18a、18bから供給されるドーパントガスの供給量と中間導入口18c、18dから供給されるドーパントガスの供給量とをそれぞれMFC28a、28bによって個別に制御することにより、珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍を除く中央部及び中間部に供給されるドーパントガスの濃度をより均一になるように高精度に調整することが可能になるため、珪素単結晶薄膜32の直径方向の抵抗率分布を更により均一なものとすることができる。
(実施例)
以下、図1及び上記図6に示される水平型の枚葉式気相成長装置を用いて、珪素単結晶基板の主面上に珪素単結晶薄膜を形成する際の具体的な条件及びその条件に基づいて形成した珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布について、図2及び図3を用いて説明する。
ここで、図2は図1に示す気相成長装置を使用して半導体ウェーハを製造する際の温度サイクルを示すグラフであり、図3は図1の気相成長装置を使用して製造した半導体ウェーハの直径方向の抵抗率分布を示すグラフである。
反応容器10内のサセプタ14上に載置する珪素単結晶基板12としては、直径300mm±0.2mm、B(硼素)が高濃度に添加された抵抗率0.01Ω・cm〜0.02Ω・cmのp型低抵抗の珪素単結晶基板12を用いる。
そして、この珪素単結晶基板12を反応容器10内のサセプタ14上に水平に載置した後、6つの導入口18a、18b、…、18fからH2ガスを反応容器10内に供給して、反応容器10内をH2雰囲気にする。また、回転装置によって珪素単結晶基板12を水平に載置した状態のままサセプタ14を例えば時計回りに回転させる。
続いて、加熱源としての赤外線輻射ランプ30に通電して、サセプタ14上の珪素単結晶基板12を加熱し、図2の温度サイクルに示されるように、珪素単結晶基板12の主面における温度が1130℃になるまで昇温する(昇温工程)。そして、そのままこの1130℃に一定時間保持して、珪素単結晶基板12の主面上に形成された自然酸化膜を除去するための熱処理を行う(熱処理工程)。
続いて、珪素単結晶基板12の主面における温度を1130℃から1070℃にまで降温した後、6つの導入口18a、18b、…、18fからキャリアガスとしてのH2ガス、半導体原料ガス、及びドーパントガスからなるプロセスガスを反応容器10内に供給する。
このとき、キャリアガスとしてのH2ガスは、MFC24a、24b、24cにより個別にかつ精密に制御し、合計70リットル/分の流量で全ての導入口18a、18b、…、18fから均等に反応容器10内に供給する。また、半導体原料ガスとしては例えば液体のSiHCl3を水素でバブリングして得られた混合ガスを用い、この共通の半導体原料ガスソースから供給されるガスをMFC26a、26b、26cにより個別にかつ精密に制御し、合計22リットル/分の流量で全ての導入口18a、18b、…、18fから均等に反応容器10内に供給する。更に、ドーパントガスとしては例えば水素で希釈されたB2H6ガスを用い、この共通のドーパントガスソースから供給されるガスをMFC28a、28bにより個別にかつ精密に制御し、内側導入口18a、18bからそれぞれ50cm3/分の流量で反応容器10内に供給すると共に、中間導入口18c、18dからそれぞれ300cm3/分の流量で反応容器10内に供給する。勿論、外側導入口18e、18fからB2H6ガスを供給することはない。
また、ここで、反応容器10の幅方向に配設されている6つの導入口18a、18b、…、18fは、片側180mmの幅を有している。そして、内側導入口18a、18bのそれぞれ内側から中間導入口18c、18dのそれぞれの外側までの幅が約110mmある。このため、内側導入口18a、18b及び中間導入口18c、18dから供給されたドーパントガスを含有するプロセスガスは珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍約40mmを除く中心部近傍及び中間部を通過する。また、外側導入口18e、18fから供給されたドーパントガスを含有しないプロセスガスは珪素単結晶基板12の主面の外縁部近傍約40mmを通過する。
こうして反応容器10内に供給されたプロセスガスにより化学反応を生じさせて、珪素単結晶基板12の主面上に、抵抗率2.2Ω・cm、抵抗率分布8%以下(上記(1)式により計算した場合)或いは±4%以下(上記(2)式により計算した場合)を目標値としてp型の珪素単結晶薄膜32を4μmの厚さに気相成長させる(気相成長工程)。
続いて、気相成長工程の終了後、反応容器10内をH2ガスによって十分にパージする(パージ工程)。そして、加熱源としての赤外線輻射ランプ30の通電を切って、珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜32が形成された半導体ウェーハを650℃になるまで冷却する(冷却工程)。その後、この半導体ウェーハを反応容器10内から取り出す。
次に、このようにして珪素単結晶基板12の主面上に形成した珪素単結晶薄膜32の抵抗率を測定する。
なお、この抵抗率の測定には、アメリカ合衆国マサチューセッツ州ウォバーンに所在するQC Solutions社のSCP(Surface Charge Profiler)装置を使用した。このSCP装置は、その測定原理として、以下に説明するSPV(Surface Photo Voltage)法を用いている。
即ち、先ず、サンプルウェーハを約300℃において短時間に熱処理し、表面に形成されている自然酸化膜の電荷量を一定にした後、サンプルウェーハ表面にGaN(窒化ガリウム)LED(Light Emitting Diode)による波長450nmの光を約40Hzで照射する。
この光の進入深さ約0.4μmにおいて光により励起された少数キャリアがサンプルウェーハ表面で電位変化を起こすため、この電位変化をSPV信号として検出する。そして、このSPV信号が空乏層の幅と比例し、この空乏層の幅が珪素中の不純物濃度と比例することから、サンプルウェーハ表面から約1μmの深さにおける不純物濃度を検出し、更にその検出値を抵抗率に換算する。
そして、このSCP装置を使用して、珪素単結晶基板12の主面上に形成した珪素単結晶薄膜32の抵抗率をその直径方向に10mm間隔で測定したところ、図3のグラフに示されるような結果を得た。
(比較例)
次に、上記実施例との比較を行うため、従来の水平型の枚葉式気相成長装置を用いて、珪素単結晶基板の主面上に珪素単結晶薄膜を形成した珪素単結晶薄膜の抵抗率分布について、図4を用いて説明する。
ここで、図4は上記図5に示す従来の気相成長装置を使用して製造した半導体ウェーハの直径方向の抵抗率分布を示すグラフである。
この比較例においては、ドーパントガスとして水素で希釈されたB2H6ガスを用い、全ての導入口18a、18b、…、18fのそれぞれから200cm3/分の流量で均等に反応容器10内に供給し、温度1100℃において気相成長させる点を除けば、使用する珪素単結晶基板12の大きさや抵抗率、キャリアガスや半導体原料ガスの種類や流量、昇温工程から熱処理工程を経て気相成長工程を行い、更にパージ工程、冷却工程に至る温度サイクルの条件、珪素単結晶薄膜32の抵抗率の測定条件等、全て上記実施例の場合と同様とする。
このようにして、従来の気相成長装置を使用して珪素単結晶基板12の主面上に形成した珪素単結晶薄膜32の抵抗率をその直径方向に10mm間隔で測定したところ、図4のグラフに示されるような結果を得た。
次に、上記実施例の図3のグラフに示される結果と比較例の図4のグラフに示される結果とを比較する。
先ず、図3及び図4のグラフを直接に比較すると、珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍においては共に抵抗率が低下しているものの、上記実施例における抵抗率の低下の度合は比較例における抵抗率の低下の度合よりも十分に小さくなっていることが明らかである。
これは、比較例における珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍には、外側導入口18e、18fからB2H6ガスが流量200cm3/分で供給されることに加えて、オートドープ現象によりBが高濃度に添加された低抵抗の珪素単結晶基板12の主裏面から遊離したドーパントが更に添加されるため、珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍における抵抗率の低下の度合が極めて大きなものになるのに対し、上記実施例における珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍には、オートドープ現象によるドーパントの添加があるだけで、外側導入口18e、18fからのB2H6ガスの供給はないため、珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍における抵抗率の低下が生じても、その度合は相対的に小さなものとなるからである。
また、上記実施例と比較例とを数値的に比較すると、次のようになる。即ち、上記実施例においては、図3のグラフに示されるように、珪素単結晶薄膜32の全測定点の平均抵抗率は2.23Ω・cmであり、目標値とした抵抗率2.2Ω・cmに極めて近い値が得られている。また、この珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布を、上記(1)式を用いて計算すると、最大抵抗率が2.32Ω・cm、最小抵抗率が2.15Ω・cmとなることから、その抵抗率分布は7.7%となり、目標値とした抵抗率分布8%以下を満足するものであった。
また、珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布を、上記(2)式を用いて計算すると、その抵抗率分布は±3.8%となり、目標値とした抵抗率分布±4%以下を満足するものであった。
これに対して、比較例においては、図4のグラフに示されるように、珪素単結晶薄膜32の全測定点の平均抵抗率は6.39Ω・cmである。また、この珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布は57.9%(上記(1)式により計算した場合)或いは±35.0%(上記(2)式により計算した場合)となり、それぞれ目標値とした8%或いは±4%を遥かに越えるものとなった。
以上のように上記実施例と比較例との比較から、直径300mm±0.2mmという大口径の半珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜32を気相成長させる場合であっても、その珪素単結晶薄膜32の直径方向の抵抗率分布の均一性が従来よりも十分に改善できることが確認された。
なお、本発明者が上記実施例の条件以外にも種々の条件を変化させて実験を繰り返した結果、珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布は、反応容器10に供給する半導体原料ガス及びドーパントガスの濃度や反応温度によって多少の変動を生じることが明らかになった。しかし、上記実施形態に係る半導体ウェーハの製造方法を適用すれば、直径300mmの低抵抗の珪素単結晶基板12の主面上に珪素単結晶薄膜32を気相成長させる場合に、その珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布を8%以下(上記(1)式により計算した場合)或いは±4%以下(上記(2)式により計算した場合)に抑制することは容易に可能であった。
そして、珪素単結晶基板12の直径が300mm以上400mm以下の場合であっても、同様にして、その珪素単結晶基板12主面上に気相成長させる珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布を8%以下(上記(1)式により計算した場合)或いは±4%以下(上記(2)式により計算した場合)に抑制することが可能であった。更にいえば、直径が400mmを超える珪素単結晶基板12の場合にも、この大きさの珪素単結晶基板12は現在の段階では十分に高品質にかつ安定して作製することが困難ではあるが、その珪素単結晶基板12主面上に気相成長させる珪素単結晶薄膜32の直径方向の抵抗率分布の均一性を改善することは可能である。
但し、珪素単結晶基板12の抵抗率が0.02Ω・cmよりも高くなるに従って、オートドーブ現象による影響は減少するため、珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍における抵抗率の低下量は小さくなり、珪素単結晶薄膜32全体の抵抗率分布を均一化するためには外側導入口18e、18fからもドーパントガスを供給する必要が生じる場合があった。
また、珪素単結晶基板12の抵抗率が0.01Ω・cmよりも低い場合、オートドーブ現象による影響が増大するため、外側導入口18e、18fからのドーパントガスの供給を止めても、珪素単結晶薄膜32の外縁部近傍における抵抗率の低下を防止して、珪素単結晶薄膜32の抵抗率分布を8%以下(上記(1)式により計算した場合)或いは±4%以下(上記(2)式により計算した場合)に抑制することは困難になった。従って、この場合には、珪素単結晶基板12の主裏面にオートドーブ防止用の被膜を形成することが必要になった。
産業上の利用可能性
以上、詳細に説明した通り、本発明に係る半導体ウェーハ及びその製造方法によれば、次のような効果を奏することができる。
即ち、本発明に係る半導体ウェーハによれば、直径が300mm以上400mm以下の大口径の半導体単結晶基板であり、かつ抵抗率が0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下の低抵抗の半導体単結晶基板であっても、その主面上に直径方向の抵抗率分布が8%以下(上記(1)式により計算した場合)或いは±4%以下(上記(2)式により計算した場合)の半導体薄膜が形成されていることにより、最近の半導体ウェーハに要請される大口径化と抵抗率の均一化が共に達成されるため、半導体チップの収量の増大と歩留りの向上の実現に大いに寄与することができる。
また、本発明に係る半導体ウェーハによれば、直径が300mm以上400mm以下の大口径で、かつ抵抗率が0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下の低抵抗の半導体単結晶基板の主面上に直径方向の抵抗率分布が±4%以下(上記(2)式により計算した場合)の半導体薄膜が形成されていることにより、最近の半導体ウェーハに要請される大口径化と抵抗率の均一化が共に達成されるため、半導体チップの収量の増大と歩留りの向上の実現に大いに寄与することができる。
また、本発明に係る半導体ウェーハの製造方法によれば、反応容器の幅方向に配設された複数のガス導入口から半導体単結晶基板の主面に対して略平行かつ一方向に半導体原料ガスを供給する際に、これら複数のガス導入口のうちの内側寄りのガス導入口からドーパントガスを供給することにより、即ち複数のガス導入口のうちの外側のガス導入口からはドーパントガスを供給しないことにより、ガス導入口から供給されるドーパントガスとオートドープ現象により供給されるドーパントガスとをトータルして、半導体単結晶基板の主面全体に供給されるドーパントガスの濃度を略均一にすることが可能になるため、半導体単結晶基板の主裏面にオートドープ防止用の被膜を形成するという余分な工程を設けることなく、半導体単結晶基板の主面上に気相成長させる半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布の均一性を向上させることができる。
また、さらに好適な本発明に係る半導体ウェーハの製造方法によれば、複数のガス導入口が内側導入口と外側導入口と中間導入口の3種類の導入口からなり、反応容器の幅方向に仮想され半導体単結晶基板の主面の中心を通る中心軸上において、内側導入口からは半導体単結晶基板の主面の中心部近傍に、外側導入口からは半導体単結晶基板の外縁部近傍に、中間導入口からは半導体単結晶基板の主面の中心部と外縁部とに挟まれた中間部にそれぞれ半導体原料ガスを供給する際に、内側ガス導入口及び中間ガス導入口からはドーパントガスが供給され、外側ガス導入口からはドーパントガスが供給されないことにより、内側ガス導入口及び中間ガス導入口から半導体単結晶基板の主面の中心部近傍及び中間部に供給されるドーパントガスとオートドープ現象により半導体単結晶基板の主面の外縁部近傍に供給されるドーパントガスとをトータルして、半導体単結晶基板の主面全体に供給されるドーパントガスの濃度を略均一にすることが可能になるため、半導体単結晶基板の主裏面にオートドープ防止用の被膜を形成するという余分な工程を設けることなく、半導体単結晶基板の主面上に気相成長させる半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布の均一性を向上させることができる。
また、さらに好適な本発明に係る半導体ウェーハの製造方法によれば、反応容器の幅方向に仮想され半導体単結晶基板の主面の中心を通る中心軸上において、半導体単結晶基板の主面の外縁部近傍を除く中心部近傍及び中間部に供給されるドーパントガス量をそれぞれ別個に制御することにより、中央部及び中間部に供給されるドーパントガスの濃度をより均一にすることが可能になるため、半導体単結晶基板の主面上に気相成長させる半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布の均一性を更に向上させることができる。
なお、オートドープ現象に起因する半導体単結晶薄膜の外縁部近傍における抵抗率の急激な低下は直径300mm以上の大口径基板の場合に顕著に発生し、また半導体単結晶基板の抵抗率が0.01Ω・cmより低いも低抵抗基板の場合にはオートドープ現象に起因する半導体単結晶薄膜の外縁部近傍における抵抗率の低下が急激すぎる一方、0.02Ω・cmよりも高い高抵抗基板の場合にはオートドープ現象に起因する半導体単結晶薄膜の外縁部近傍における抵抗率の低下が小さいことから、上記の効果は直径が300mm以上、抵抗率が0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下の半導体単結晶基板を用いる場合に十全に発揮される。
Claims (6)
- 反応容器の幅方向に配設された複数のガス導入口から、前記反応容器内において回転する半導体単結晶基板の主面に対して略平行かつ一方向に半導体原料ガスを供給し、前記半導体単結晶基板の主面上に半導体薄膜を気相成長させる半導体ウェーハの製造方法であって、
前記複数のガス導入口のうちの内側寄りのガス導入口から、ドーパントガスを供給し、外側のガス導入口からは前記ドーパントガスを供給しないことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。 - 請求の範囲第1項記載の半導体ウェーハの製造方法において、
前記複数のガス導入口が、前記反応容器の幅方向の内側に配設された内側導入口、前記反応容器の幅方向の外側に配設された外側導入口、及び前記内側導入口と前記外側導入口との間に配設された中間導入口の3種類の導入口からなり、
前記複数のガス導入口のうちの内側寄りのガス導入口が、前記内側導入口及び前記中間導入口である
ことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。 - 請求の範囲第2項記載の半導体ウェーハの製造方法において、
前記内側導入口及び前記中間導入口から供給されるドーパントガスの量を、それぞれ別個に制御する
ことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。 - 請求の範囲第1項乃至請求の範囲第3項のいずれかに記載の半導体ウェーハの製造方法において、
前記半導体単結晶基板が、直径300mm以上400mm以下、抵抗率0.01Ω・cm以上0.02Ω・cm以下のp型半導体単結晶基板である
ことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。 - 請求の範囲第4項記載の半導体ウェーハの製造方法において、
前記半導体単結晶基板の直径が、300mmである
ことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。 - 請求の範囲第1項乃至請求の範囲第5項のいずれかに記載の半導体ウェーハの製造方法において、
前記半導体単結晶基板が、珪素単結晶基板であり、
前記半導体薄膜が、珪素単結晶薄膜である
ことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
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