JP3791667B2 - Manufacturing method of silicon epitaxial wafer - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶基板上に該シリコン単結晶基板と同一導電型のシリコンエピタキシャル層（以下、単にエピタキシャル層という。）を気相成長させてシリコンエピタキシャルウェーハを製造する際、シリコン単結晶基板とエピタキシャル層との界面において不純物濃度が漸次変化する遷移領域の不純物濃度プロファイルを一定に維持することが重要である。特に、エピタキシャル層全体の抵抗率が特性に影響を与えるパワーＭＯＳ−ＦＥＴ用等のシリコンエピタキシャルウェーハの製造においては、遷移領域の不純物濃度プロファイルを一定に維持することが重要である。ここで不純物濃度プロファイルは、シリコンエピタキシャルウェーハ中における不純物濃度の該ウェーハ厚さ方向の分布を意味する。
【０００３】
しかし、エピタキシャル層の気相成長の際には、シリコン単結晶基板、反応炉の内壁あるいはサセプタ等の治具から不純物が気相中に一旦遊離した後、成長中のエピタキシャル層に再度取り込まれるといういわゆるオートドーピング現象が発生し、遷移領域の不純物濃度プロファイルを変化させる。特に、高濃度に不純物が添加されたシリコン単結晶基板上に該シリコン単結晶基板と同一導電型のシリコンエピタキシャル層を気相成長する際には、シリコン単結晶基板からの影響が大きくなる。オートドーピング量はオートドーピング現象によりエピタキシャル層中に取り込まれている不純物濃度で現されるが、特に、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）あるいは硼素（Ｂ）のようにオートドーピング量の大きい不純物が高濃度に添加されているシリコン単結晶基板の直上にエピタキシャル層を成長させる場合には、オートドーピング現象の影響が大きい。
【０００４】
そこで、遷移領域の不純物濃度プロファイルを一定に維持するために、例えば特開平８−１７７３７号公報においては、半導体ウェーハ面にエピタキシャル層を形成する際に、オートドーピング量を補完するように成長用ガス中のドーパントガスの濃度を成長開始時点から段階的及び／又は連続的に増加させ、設定濃度に達した時点以降は一定に維持して成長を行うことを特徴とするエピタキシャル成長法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、オートドーピング量は、シリコン単結晶基板の不純物濃度、エピタキシャル成長前に行われるシリコン単結晶基板のエッチング量、気相成長温度、気相成長速度のみならず、その時々の反応炉の雰囲気により変化するので、不純物濃度プロファイルは結局オートドーピング量の変化の影響を受け、不純物濃度プロファイルを一定に維持することは困難であった。
【０００６】
本発明の課題は、エピタキシャル層の遷移領域における不純物濃度プロファイルを一定に維持することができるシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法は、
反応炉内にてシリコン単結晶基板の直上にエピタキシャル層を気相成長させることによりシリコンエピタキシャルウェーハを製造する時において、
前記エピタキシャル層の気相成長を開始するまでの間、該気相成長の開始時点において予定されている濃度のドーパントガスをパージする成長前パージ工程と、そのドーパントガスの供給濃度を変化させて前記成長前パージ工程の後にドーパントガスを前記反応炉内に供給する遷移領域の気相成長工程と、その遷移領域の気相成長工程とは異なる一定濃度のドーパントガスを、前記反応炉内に供給する安定領域の気相成長工程とを有するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
上記の各工程に先立って、前記遷移領域の気相成長工程に使われるドーパントガスの濃度を定める工程を備えており、
このドーパントガスの濃度を定める工程は、ドーパントガスを供給せずにエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長することによりノンドープの不純物濃度プロファイルを得る第１の工程と、この得られたノンドープの不純物濃度プロファイルに基づいて当該反応炉におけるオートドーピング量を推定する第２の工程と、この推定されたオートドーピング量による不純物濃度プロファイルよりも高い不純物濃度の不純物濃度プロファイルが得られるドーパントガスの濃度を定める第３の工程とを有し、
このドーパントガスの濃度を定める工程によって得られた濃度のドーパントガスを、前記遷移領域の気相成長工程において前記反応炉内に供給することを特徴とする。
【０００８】
上記本発明においては、オートドーピング現象の影響を受け易い遷移領域における不純物濃度プロファイルを一定に保つために、オートドーピング量よりも高い不純物濃度が得られる濃度のドーパントガスを遷移領域に敢えて供給し、遷移領域の不純物濃度プロファイルの傾斜量を意識的に高濃度側にシフトさせる。つまり、予想されるオートドーピング量よりも不純物濃度が十分高くなるように、遷移領域の不純物濃度プロファイルを予め設定する。これにより、オートドーピング量が変化しても、その量は傾斜した不純物濃度プロファイルの許容変化範囲に納まるようになり、このシリコンエピタキシャルウェーハを用いた半導体装置の特性が、オートドーピング現象の影響をほとんど受けなくなる。
【０００９】
なお、遷移領域の気相成長工程の開始時点においては、シリコン単結晶基板からの不純物の直接拡散（後述する外方拡散）により、エピタキシャル層中の不純物濃度が過剰となりやすくなる。そこで、反応炉内に供給されるドーパントガスの濃度は、気相成長の開始時点におけるエピタキシャル層の不純物濃度を、シリコン単結晶基板の不純物濃度と同じにすることができる濃度以下に設定することで、このような不具合が回避され、遷移領域における不純物濃度プロファイルをより一定に保ちやすくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明に係るドーパントガス供給濃度の設定（図１（ａ））と、その結果得られるシリコンエピタキシャルウェーハ中の不純物濃度プロファイル（図１（ｂ））を模式的に表したものである。なお、以下に示す不純物濃度プロファイルは全て片対数グラフであり、縦軸に示す不純物濃度が対数値である。
【００１１】
図８は、シリコンエピタキシャルウェーハの製造に使用する装置の一例を模式的に示すものであり、反応炉１内のサセプタにシリコン単結晶基板Ｗを保持し、ヒータ２にて所定温度に加熱する。そして、ガス供給用配管３を通じて反応炉１内に、所定比率の原料ガスとドーパントガスとをキャリアガスとともに流すことで、該シリコン単結晶基板Ｗの主表面上に該シリコン単結晶基板Ｗと同一導電型のシリコンエピタキシャル層が気相成長され、シリコンエピタキシャルウェーハが得られる。
【００１２】
ここで、本発明に係る遷移領域の気相成長工程では、オートドーピング量よりも高い不純物濃度が得られる濃度のドーパントガスを供給する。前述したように、オートドーピング量はその時々の反応炉１内の雰囲気により変化するので、シリコンエピタキシャルウェーハの製造を開始する前に、以下の予備調査試験を行うことで該製造に使用する反応炉内の雰囲気状況を確認する。
【００１３】
まず、ドーパントガスを供給しない（ノンドープ）で所望厚さのエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長する。すると、図２に示すようなノンドープの不純物濃度プロファイル（以下、単にノンドーププロファイルという）が得られる。このノンドーププロファイルのエピタキシャル層は、外方拡散支配領域とオートドーピング支配領域とからなる。
【００１４】
ここでいう外方拡散とは、シリコン単結晶基板からエピタキシャル層中に不純物が直接拡散することをいい、外方拡散支配領域では、外方拡散の量が不純物濃度プロファイルの形状を主に決定する。一方、オートドーピング支配領域では、オートドーピング量が不純物濃度プロファイルの形状を主に決定する。外方拡散支配領域は、気相成長の開始時点から略一定の勾配にて不純物濃度を減少させる直線状の区間としてプロファイル上に現われる。他方、オートドーピング支配領域は、該外方拡散支配領域の延長から高濃度側に外れる形にて、該外方拡散支配領域に続く裾野状の曲線領域として現われる。
【００１５】
外方拡散支配領域とオートドーピング支配領域は、外方拡散支配領域の延長線ｌを不純物濃度プロファイル上に引くことにより近似的に求めることができる。延長線ｌと不純物濃度プロファイルが重なっている領域が外方拡散領域であり、延長線ｌから不純物濃度プロファイルが高濃度側に外れ出す境界点をＰとして、そのＰ点以降の領域がオートドーピング支配領域である。Ｐ点においては、外方拡散とオートドーピングの量が拮抗するので、合計でＤ０となる不純物濃度のうち、Ｄ０／２が外方拡散からの寄与分、残余のＤ０／２がオートドーピング現象からの寄与分と考えることができる。すなわち、Ｐ点におけるオートドーピング現象による不純物濃度はＤ０／２であると推定することができる。
【００１６】
次に、所望の不純物濃度を安定領域として形成するために必要なドーパントガスの供給濃度を求める。具体的には、供給するドーパントガスの流量と該ドーパントガスを希釈する水素の流量とを変えることによりドーパントガスの供給濃度を種々に変化させて各種のシリコンエピタキシャルウェーハを製造し、各々その安定領域における平均的な不純物濃度を測定する。図３は、安定領域を有する不純物濃度プロファイルの一例である。ここで、ＤｔとＤｓはそれぞれシリコン単結晶基板とエピタキシャル層の安定領域の不純物濃度である。次に、前記測定結果を集めて、安定領域の不純物濃度をドーパントガスの流量に対してプロットすれば、図６に示すような濃度−流量関係曲線が得られる。ここでは、ドーパントガスの供給濃度変化に対応する安定領域の不純物濃度を決定することが目的であるから、遷移領域の形成に際して特にオートドーピング量を考慮してドーパントガスの供給濃度を設定する必要はない。ただし、当然に、得られる不純物濃度プロファイル（図３）は従来と同様のものとなり、その遷移領域のプロファイルはオートドーピングの量により大きく変化する。
【００１７】
続いて、遷移領域を形成するために、図７（ｂ）に示すドーパントガスの供給濃度プロファイルにおいて、遷移領域の開始点（Ｍ’）でのドーパントガスの供給濃度を、図６の濃度−流量関係曲線を用いて求める。この時、Ｍ’でのドーパントガス供給濃度は、推定されるオートドーピング量よりも高く、かつ、シリコン単結晶基板の不純物濃度Ｄt以下、例えば、Ｄtから所定量αを減じた値（Ｄt−α）にすることができる濃度Ｃ（Ｄｔ−α）に設定する。この時、ドーパントガスの供給濃度をシリコン単結晶基板の不純物濃度Ｄｔよりも高くすることができる濃度にすると、反応炉の内壁あるいはサセプタ等の治具に付着する不純物の量は基板からの不純物の外方拡散量よりも大きくなり、無用にオートドーピング量を増すことになるので、好ましくない。
【００１８】
なお、濃度Ｃ（Ｄｔ−α）でドーパントガスを供給し始める前に、図８のパージ用配管６を介して、設定した濃度のドーパントガスを十分にパージしておくことが重要である。ここでパージとは、ドーパントガスを反応炉１内に供給せずに掛流すことをいう。パージを行わないと、ドーパントガスの流量制御装置が閉状態から設定値に移行するまでの間にガス流量が安定しないので、図４に示すような異常な不純物濃度プロファイルが発生することがあるからである。なお、図８では、このパージを行うために、反応炉１をバイパスさせる形にて原料ガスとドーパントガスとを流すパージ用配管６と、炉内供給とパージとを切り替えるための供給用バルブ４及びパージ用バルブ５が設けられている。
【００１９】
次に、遷移領域のエピタキシャル層が前記したＰ点の厚さｘｐに到達したとき、その不純物濃度が、前述のノンドーププロファイルの点Ｐにおけるオートドーピング量よりも高くなるようにドーパントガスの供給濃度を予め設定しておく。このような供給濃度として、例えば、Ｐ点での不純物濃度が２×Ｄ０になるように設定することができる。これは、具体的には、Ｐ点ではすでにＤ０に相当する不純物濃度が外方拡散とオートドーピング現象により供給されているので、さらにＤ０だけの不純物濃度を得られる濃度Ｃ（Ｄ０）をドーパントガスとして供給することを意味する。点Ｐにおける推定オートドーピング量はＤ０／２なので、ドーパントガスの供給濃度をＣ（Ｄ０）とすることは、オートドーピング量よりも高い濃度に設定することを意味する。
【００２０】
このようにして、図７（ｂ）に示すように、遷移領域の気相成長工程では、オートドーピング量よりも高い不純物濃度が得られる濃度のドーパントガスを常に供給しながら、ドーパントガスの供給濃度を変化させるようにする。ドーパントガスの供給濃度を漸次直線的あるいは段階的に減少させると、例えば図５に示すような不純物濃度プロファイルが得られる。この製造方法によると、遷移領域の気相成長において、前記境界点Ｐに対応するエピタキシャル層の厚さｘｐ以降の部分を成長する際に、少なくとも、オートドーピング量よりも十分に高い不純物濃度が得られる濃度のドーパントガスが常に反応炉内に供給されるので、図７（ａ）に破線で示す、オートドーピング量を上回るようにドーパント供給量を補正しなかった場合の不純物濃度プロファイルよりも、傾斜量が高濃度側にシフトする。これにより、オートドーピング量が変化しても、その量は傾斜した不純物濃度プロファイルの許容変化範囲に納まるようになる。
【００２１】
上記本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。まず、直径１５０ｍｍ、面方位（１００）であり、比較的高濃度の砒素（Ａｓ）を不純物として添加したｎ＋型（不純物濃度：３×１０１９個／ｃｍ３）のシリコン単結晶基板を用意した。なお、基板の裏面には、該裏面からのオートドープを防止するための酸化膜を０．５μｍの厚さに形成してある。まず、予備調査試験として、このシリコン単結晶基板に対し、原料ガスとしてトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）と水素の混合ガスを用い、ドーパントガスを導入せずに、厚さ２０μｍのエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長した。反応炉は水平枚葉式のものを用い、気相成長温度は１１００℃、常圧にて水素をキャリアガスとして用いた。その結果、図２に示すようなノンドープの不純物濃度プロファイルを有するシリコンエピタキシャルウェーハが得られた。Ｐ点での不純物濃度Ｄ０は、およそ５×１０１６個／ｃｍ３であった。
【００２２】
次に、同じ反応炉を用い、水素により希釈したホスフィン（ＰＨ３）をドーパントガスとして用いて、以下のようにして燐（Ｐ）を不純物として基板よりも低濃度に添加したｎ型エピタキシャル層を別のシリコン単結晶基板の直上に気相成長することにより、シリコンエピタキシャルウェーハを製造した。すなわち、遷移領域の開始点（図７（ａ）の点Ｍ）での狙い不純物濃度として、シリコン単結晶基板の不純物濃度Ｄｔ（３×１０１９個／ｃｍ３）よりも低く、かつ、Ｐ点での不純物濃度Ｄ０よりも高い不純物濃度５×１０１７個／ｃｍ３）が得られるようにドーパントガスの供給濃度を調整し、その設定値でドーパントガスをパージした。次いで、上記供給濃度を初期値としてドーパントガスを原料ガスとともに反応炉内に導入することにより、気相成長工程を開始した。遷移領域の気相成長工程では、見込まれるオートドーピング量よりも不純物濃度が常に高くなり、かつ前記Ｐ点に対応する位置での添加される不純物濃度が１×１０１７個／ｃｍ３になるようにドーパントガスの供給濃度を調整して供給した。そして、引き続き該ドーパントガスの供給量を直線的に漸減させた。次に、安定領域の気相成長工程では、不純物濃度が１×１０１５個／ｃｍ３となるように濃度が調整されたドーパントガスを一定の供給濃度にて供給しｎ−型のエピタキシャル層を１５μｍ気相成長した。こうして、全厚さ２０μｍのエピタキシャル層がシリコン単結晶基板上に形成されたシリコンエピタキシャルウェーハが得られた。なお、気相成長温度と炉内圧は予備調査試験と同じである。
【００２３】
このようにして得られたシリコンエピタキシャルウェーハの不純物濃度プロファイルを測定したところ、図５に示すようなプロファイルが得られた。遷移領域の厚さは約５μｍであり、Ｐ点での不純物濃度は１．５×１０１７個／ｃｍ３、安定領域での不純物濃度は１×１０１５個／ｃｍ３であった。そして、Ｐ点と安定領域との間には、略直線的にドーパント濃度の対数値が減少する直線勾配区間が明瞭に形成されていた。遷移領域において、エピタキシャル層の成長開始点からＰ点までの外方拡散支配領域に当る区間でも不純物濃度の対数値が直線的に減少する。すなわち、本実施例における遷移領域の不純物濃度プロファイルは、エピタキシャル層の成長方向において不純物濃度の対数値が直線的に減少する区間を２箇所有する。ドーパントガスの供給量を漸減させる途中に１回以上漸減率を変化させると、不純物濃度の対数値が直線的に減少する区間を遷移領域において３箇所以上にすることができる。
【００２４】
また、遷移領域の気相成長工程においてドーパントガスの供給濃度を変化させる具体的な態様としては、上記のように単調に減少させる態様に限らず、オートドーピング量よりも高い不純物濃度が得られる濃度のドーパントガスであれば、遷移領域における不純物濃度プロファイルを所望の形状とするために、増加させる態様としたり、あるいは供給濃度を一定保持する期間を途中に設けたり、さらには、減少、増加及び一定保持の２以上を適宜組み合わせたりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】遷移領域と安定領域を有するシリコンエピタキシャルウェーハを製造する際の、ドーパントガス供給濃度と、得られるウェーハの不純物濃度プロファイルとの関係を説明する模式図。
【図２】ノンドープの不純物濃度プロファイルの一例を示す模式図。
【図３】安定領域でのドーパントガス供給濃度を決定するための不純物濃度プロファイルの一例を示す模式図。
【図４】ドーパントガスの供給開始に先立って供給管のパージを行わなかった場合に、不純物濃度プロファイルに生ずる不具合を示す模式図。
【図５】本発明の方法により得られる遷移領域と安定領域を有するシリコンエピタキシャルウェーハの、不純物濃度プロファイルの一例を示す模式図。
【図６】ドーパントガスの流量と安定領域の不純物濃度との関係を示す模式図。
【図７】遷移領域を形成する際の、ドーパントガスの供給濃度とオートドーピング量との関係を模式的に説明する図。
【図８】シリコンエピタキシャルウェーハの製造装置の一例を概念的に示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon epitaxial wafer.
[0002]
[Prior art]
When a silicon epitaxial wafer is manufactured by vapor-phase growth of a silicon epitaxial layer having the same conductivity type as the silicon single crystal substrate (hereinafter simply referred to as an epitaxial layer) on the silicon single crystal substrate, the silicon single crystal substrate, the epitaxial layer, It is important to maintain a constant impurity concentration profile in the transition region where the impurity concentration gradually changes at the interface. In particular, in manufacturing a silicon epitaxial wafer for a power MOS-FET or the like in which the resistivity of the entire epitaxial layer affects the characteristics, it is important to keep the impurity concentration profile in the transition region constant. Here, the impurity concentration profile means the distribution of the impurity concentration in the silicon epitaxial wafer in the wafer thickness direction.
[0003]
However, during vapor phase growth of an epitaxial layer, impurities are once released into the vapor phase from jigs such as a silicon single crystal substrate, the inner wall of a reactor or a susceptor, and then taken into the growing epitaxial layer again. A so-called auto-doping phenomenon occurs and changes the impurity concentration profile in the transition region. In particular, when a silicon epitaxial layer having the same conductivity type as that of the silicon single crystal substrate is vapor-phase grown on the silicon single crystal substrate to which impurities are added at a high concentration, the influence from the silicon single crystal substrate becomes large. The autodoping amount is expressed by the impurity concentration taken into the epitaxial layer due to the autodoping phenomenon. In particular, impurities having a large autodoping amount such as phosphorus (P), arsenic (As), or boron (B) are present. When an epitaxial layer is grown directly on a silicon single crystal substrate added at a high concentration, the influence of the auto-doping phenomenon is great.
[0004]
Therefore, in order to keep the impurity concentration profile in the transition region constant, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-17737, a gas for growth is used to supplement the autodoping amount when an epitaxial layer is formed on the semiconductor wafer surface. There has been proposed an epitaxial growth method characterized in that the concentration of the dopant gas is increased stepwise and / or continuously from the start of growth, and is maintained constant after reaching the set concentration. .
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the amount of auto-doping varies depending not only on the impurity concentration of the silicon single crystal substrate, the etching amount of the silicon single crystal substrate performed before epitaxial growth, the vapor phase growth temperature and the vapor phase growth rate, but also the atmosphere in the reactor at that time. Therefore, the impurity concentration profile is eventually affected by the change in the autodoping amount, and it is difficult to keep the impurity concentration profile constant.
[0006]
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon epitaxial wafer that can maintain a constant impurity concentration profile in a transition region of an epitaxial layer.
[0007]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, a method for producing a silicon epitaxial wafer of the present invention is as follows.
When manufacturing a silicon epitaxial wafer by vapor-phase growth of an epitaxial layer directly on a silicon single crystal substrate in a reaction furnace,
Before the vapor phase growth of the epitaxial layer is started, a pre-growth purge step of purging the dopant gas at a concentration which is planned at the start of the vapor phase growth, and the supply concentration of the dopant gas is changed to A transition region vapor phase growth step for supplying a dopant gas into the reactor after the pre-growth purge step, and a constant concentration dopant gas different from those in the transition region vapor phase growth step are supplied into the reaction furnace. A method for producing a silicon epitaxial wafer having a stable region vapor phase growth step,
Prior to each of the above steps, the method includes a step of determining the concentration of the dopant gas used in the vapor phase growth step of the transition region,
The step of determining the concentration of the dopant gas includes the first step of obtaining a non-doped impurity concentration profile by vapor-phase growth of the epitaxial layer directly on the silicon single crystal substrate without supplying the dopant gas. A second step of estimating the auto-doping amount in the reactor based on the non-doped impurity concentration profile, and a dopant gas capable of obtaining an impurity concentration profile having an impurity concentration higher than the impurity concentration profile based on the estimated auto-doping amount A third step of determining the concentration,
The dopant gas having a concentration obtained by the step of determining the concentration of the dopant gas is supplied into the reaction furnace in the vapor phase growth step of the transition region.
[0008]
In the present invention, in order to maintain a constant impurity concentration profile in the transition region that is easily affected by the auto-doping phenomenon, a dopant gas having a concentration that provides an impurity concentration higher than the auto-doping amount is intentionally supplied to the transition region. The amount of inclination of the impurity concentration profile in the transition region is intentionally shifted to the high concentration side. That is, the impurity concentration profile of the transition region is set in advance so that the impurity concentration is sufficiently higher than the expected autodoping amount. As a result, even if the autodoping amount changes, the amount falls within the allowable change range of the inclined impurity concentration profile, and the characteristics of the semiconductor device using this silicon epitaxial wafer hardly affect the autodoping phenomenon. I will not receive it.
[0009]
At the start of the vapor phase growth process of the transition region, the impurity concentration in the epitaxial layer tends to become excessive due to the direct diffusion of impurities from the silicon single crystal substrate (outward diffusion described later). Therefore, the concentration of the dopant gas supplied into the reaction furnace is set to be equal to or lower than the concentration at which the impurity concentration of the epitaxial layer at the start of vapor phase growth can be made the same as the impurity concentration of the silicon single crystal substrate. Such a problem can be avoided, and the impurity concentration profile in the transition region can be more easily maintained.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the invention according to the present invention will be described in detail.
FIG. 1 schematically shows a dopant gas supply concentration setting according to the present invention (FIG. 1A) and an impurity concentration profile (FIG. 1B) in a silicon epitaxial wafer obtained as a result. is there. The impurity concentration profiles shown below are all semi-logarithmic graphs, and the impurity concentration shown on the vertical axis is a logarithmic value.
[0011]
FIG. 8 schematically shows an example of an apparatus used for manufacturing a silicon epitaxial wafer. A silicon single crystal substrate W is held on a susceptor in a reaction furnace 1 and heated to a predetermined temperature by a heater 2. Then, the raw material gas and the dopant gas in a predetermined ratio are flowed together with the carrier gas into the reaction furnace 1 through the gas supply pipe 3 so as to be the same as the silicon single crystal substrate W on the main surface of the silicon single crystal substrate W. A conductive type silicon epitaxial layer is vapor-phase grown to obtain a silicon epitaxial wafer.
[0012]
Here, in the vapor phase growth process of the transition region according to the present invention, a dopant gas having a concentration capable of obtaining an impurity concentration higher than the autodoping amount is supplied. As described above, since the auto-doping amount changes depending on the atmosphere in the reactor 1 at that time, the reactor used for the manufacture by performing the following preliminary investigation test before the manufacture of the silicon epitaxial wafer is started. Check the atmosphere inside.
[0013]
First, an epitaxial layer having a desired thickness is vapor-grown directly on a silicon single crystal substrate without supplying a dopant gas (non-doped). Then, a non-doped impurity concentration profile (hereinafter simply referred to as a non-doped profile) as shown in FIG. 2 is obtained. The epitaxial layer having the non-doped profile is composed of an outward diffusion dominant region and an autodoping dominant region.
[0014]
The term “outward diffusion” here means that impurities are diffused directly from the silicon single crystal substrate into the epitaxial layer. In the outward diffusion dominant region, the amount of outward diffusion mainly determines the shape of the impurity concentration profile. . On the other hand, in the autodoping dominant region, the autodoping amount mainly determines the shape of the impurity concentration profile. The outward diffusion dominant region appears on the profile as a linear section in which the impurity concentration is decreased with a substantially constant gradient from the start of vapor phase growth. On the other hand, the autodoping dominant region appears as a skirt-like curved region following the outward diffusion dominant region in a form deviating to the high concentration side from the extension of the outward diffusion dominant region.
[0015]
The outward diffusion dominant region and the autodoping dominant region can be approximately obtained by drawing an extension line 1 of the outward diffusion dominant region on the impurity concentration profile. The region where the extension line l and the impurity concentration profile overlap is the outward diffusion region, and the boundary point where the impurity concentration profile deviates from the extension line l to the high concentration side is P, and the region after the P point is controlled by auto doping. It is an area. In the point P, the amount of out-diffusion and auto-doping antagonize, among the impurity concentration becomes D 0 in total, D 0/2 is the contribution from the outward diffusion, residual D 0/2 Auto It can be considered as a contribution from the doping phenomenon. That is, it can be estimated that the impurity concentration due to the auto-doping phenomenon at the point P is D 0/2 .
[0016]
Next, the supply concentration of the dopant gas necessary for forming a desired impurity concentration as a stable region is obtained. Specifically, various silicon epitaxial wafers are manufactured by changing the supply concentration of the dopant gas by changing the flow rate of the supplied dopant gas and the flow rate of hydrogen for diluting the dopant gas, and each of the stable regions thereof. The average impurity concentration at is measured. FIG. 3 is an example of an impurity concentration profile having a stable region. Here, Dt and Ds are impurity concentrations in the stable regions of the silicon single crystal substrate and the epitaxial layer, respectively. Next, by collecting the measurement results and plotting the impurity concentration in the stable region against the flow rate of the dopant gas, a concentration-flow rate relationship curve as shown in FIG. 6 is obtained. Here, since the purpose is to determine the impurity concentration in the stable region corresponding to the change in the dopant gas supply concentration, it is necessary to set the dopant gas supply concentration in consideration of the auto- doping amount in particular when forming the transition region. Absent. However, as a matter of course, the obtained impurity concentration profile (FIG. 3) is the same as the conventional one, and the profile of the transition region varies greatly depending on the amount of autodoping.
[0017]
Subsequently, in order to form the transition region, in the dopant gas supply concentration profile shown in FIG. 7B, the dopant gas supply concentration at the start point (M ′) of the transition region is expressed as the concentration-flow rate in FIG. Obtained using the relationship curve. At this time, the dopant gas supply concentration at M ′ is higher than the estimated auto-doping amount and not more than the impurity concentration Dt of the silicon single crystal substrate, for example, a value obtained by subtracting a predetermined amount α from Dt (Dt−α ) Can be set to a density C (Dt-α). At this time, if the supply concentration of the dopant gas is set to a concentration that can be higher than the impurity concentration Dt of the silicon single crystal substrate, the amount of impurities adhering to the inner wall of the reaction furnace or the jig such as the susceptor becomes Since it becomes larger than the amount of outward diffusion and the amount of autodoping is unnecessarily increased, it is not preferable.
[0018]
It is important that the dopant gas having the set concentration is sufficiently purged through the purge pipe 6 in FIG. 8 before the dopant gas is supplied at the concentration C (Dt−α). Here, the purging means flowing the dopant gas without supplying it into the reaction furnace 1. If the purge is not performed, the gas flow rate is not stable until the dopant gas flow rate control device shifts from the closed state to the set value, so that an abnormal impurity concentration profile as shown in FIG. 4 may occur. It is. In FIG. 8, in order to perform this purge, a purge pipe 6 for flowing the source gas and the dopant gas in a form that bypasses the reaction furnace 1, and a supply valve 4 for switching between in-furnace supply and purge. In addition, a purge valve 5 is provided.
[0019]
Then, when the epitaxial layer of the transition region has reached a thickness x p of the point P mentioned above, the impurity concentration, feed concentration of dopant gas to be higher than the auto-doping amount of P in terms of non-doped profile described above Is set in advance. As such supply concentration, for example, the impurity concentration at the point P can be set to 2 × D 0 . This is specifically a concentration of an impurity concentration corresponding to already D 0 at point P because it is supplied by the out-diffusion and auto-doping phenomenon is further obtained the impurity concentration of only D 0 C (D 0) Is supplied as a dopant gas. Estimated auto-doping amount at the point P since D 0/2, to a feed concentration of the dopant gas and C (D 0) means to set a higher concentration than the auto-doping amount.
[0020]
In this way, as shown in FIG. 7B, in the vapor phase growth process of the transition region, the supply concentration of the dopant gas is always supplied while supplying the dopant gas having a concentration higher than the auto-doping amount. To change. When the supply concentration of the dopant gas is gradually decreased in a linear or stepwise manner, for example, an impurity concentration profile as shown in FIG. 5 is obtained. According to this manufacturing method, in the vapor phase growth of the transition region, when the portion after the thickness x p of the epitaxial layer corresponding to the boundary point P is grown, at least an impurity concentration sufficiently higher than the auto-doping amount is obtained. Since the dopant gas of the obtained concentration is always supplied into the reaction furnace, the impurity concentration profile when the dopant supply amount is not corrected so as to exceed the autodoping amount shown by the broken line in FIG. The amount of tilt shifts to the high density side. As a result, even if the autodoping amount changes, the amount falls within the allowable change range of the inclined impurity concentration profile.
[0021]
In order to confirm the effect of the present invention, the following experiment was conducted. First, an n + type (impurity concentration: 3 × 10 19 / cm 3 ) silicon single crystal substrate having a diameter of 150 mm and a plane orientation (100) and having a relatively high concentration of arsenic (As) added as an impurity is prepared. did. An oxide film for preventing autodoping from the back surface is formed on the back surface of the substrate to a thickness of 0.5 μm. First, as a preliminary investigation test, an epitaxial layer having a thickness of 20 μm was formed on a silicon single crystal substrate using a mixed gas of trichlorosilane (SiHCl 3 ) and hydrogen as a raw material gas without introducing a dopant gas. Vapor phase growth was performed directly on the substrate. A horizontal single-wafer reactor was used, and vapor growth temperature was 1100 ° C., and hydrogen was used as a carrier gas at normal pressure. As a result, a silicon epitaxial wafer having a non-doped impurity concentration profile as shown in FIG. 2 was obtained. The impurity concentration D 0 at the point P was approximately 5 × 10 16 pieces / cm 3 .
[0022]
Next, using the same reactor, phosphine (PH 3 ) diluted with hydrogen is used as a dopant gas, and an n-type epitaxial layer in which phosphorus (P) is added as an impurity at a lower concentration than the substrate is formed as follows. A silicon epitaxial wafer was manufactured by vapor-phase growth directly on another silicon single crystal substrate. That is, the target impurity concentration at the start point of the transition region (point M in FIG. 7A) is lower than the impurity concentration Dt (3 × 10 19 / cm 3 ) of the silicon single crystal substrate, and P point The dopant gas supply concentration was adjusted so as to obtain an impurity concentration of 5 × 10 17 ions / cm 3 ) higher than the impurity concentration D 0 at, and the dopant gas was purged with the set value. Next, the vapor phase growth process was started by introducing the dopant gas together with the raw material gas into the reaction furnace with the above supply concentration as an initial value. In the vapor phase growth process of the transition region, the impurity concentration is always higher than the expected auto-doping amount, and the impurity concentration added at the position corresponding to the P point is 1 × 10 17 / cm 3. The dopant gas supply concentration was adjusted and supplied. Subsequently, the supply amount of the dopant gas was gradually decreased linearly. Next, in the vapor phase growth process of the stable region, an n − type epitaxial layer is formed by supplying a dopant gas whose concentration is adjusted so that the impurity concentration is 1 × 10 15 atoms / cm 3 at a constant supply concentration. 15 μm vapor phase growth was performed. Thus, a silicon epitaxial wafer in which an epitaxial layer having a total thickness of 20 μm was formed on the silicon single crystal substrate was obtained. The vapor phase growth temperature and the furnace pressure are the same as in the preliminary investigation test.
[0023]
When the impurity concentration profile of the thus obtained silicon epitaxial wafer was measured, a profile as shown in FIG. 5 was obtained. The thickness of the transition region was about 5 μm, the impurity concentration at the P point was 1.5 × 10 17 atoms / cm 3 , and the impurity concentration in the stable region was 1 × 10 15 atoms / cm 3 . A straight gradient section in which the logarithmic value of the dopant concentration decreases approximately linearly is clearly formed between the point P and the stable region. In the transition region, the logarithmic value of the impurity concentration linearly decreases even in the section corresponding to the outward diffusion control region from the epitaxial growth start point to the P point. In other words, the impurity concentration profile of the transition region in this example has two sections where the logarithmic value of the impurity concentration decreases linearly in the growth direction of the epitaxial layer. If the gradual decrease rate is changed one or more times during the gradual decrease in the supply amount of the dopant gas, the interval in which the logarithmic value of the impurity concentration decreases linearly can be three or more in the transition region.
[0024]
Further, the specific mode of changing the supply concentration of the dopant gas in the vapor phase growth process of the transition region is not limited to the mode of monotonously decreasing as described above, but a concentration at which an impurity concentration higher than the auto-doping amount is obtained. In order to make the impurity concentration profile in the transition region have a desired shape, it is possible to increase it, or to provide a period during which the supply concentration is kept constant, or to decrease, increase, and keep constant. It is possible to combine two or more holdings as appropriate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a relationship between a dopant gas supply concentration and an impurity concentration profile of an obtained wafer when a silicon epitaxial wafer having a transition region and a stable region is manufactured.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a non-doped impurity concentration profile.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of an impurity concentration profile for determining a dopant gas supply concentration in a stable region.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a defect that occurs in an impurity concentration profile when the supply pipe is not purged prior to the start of supplying the dopant gas.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of an impurity concentration profile of a silicon epitaxial wafer having a transition region and a stable region obtained by the method of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the relationship between the flow rate of the dopant gas and the impurity concentration in the stable region.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a relationship between a dopant gas supply concentration and an auto-doping amount when forming a transition region.
FIG. 8 is a diagram conceptually illustrating an example of an apparatus for manufacturing a silicon epitaxial wafer.
Claims (6)
前記エピタキシャル層の気相成長を開始するまでの間、該気相成長の開始時点において予定されている濃度のドーパントガスをパージする成長前パージ工程と、
そのドーパントガスの供給濃度を変化させて前記成長前パージ工程の後にドーパントガスを前記反応炉内に供給する遷移領域の気相成長工程と、
その遷移領域の気相成長工程とは異なる一定濃度のドーパントガスを、前記反応炉内に供給する安定領域の気相成長工程とを有するシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
上記の各工程に先立って、前記遷移領域の気相成長工程に使われるドーパントガスの濃度を定める工程を備えており、
このドーパントガスの濃度を定める工程は、
ドーパントガスを供給せずにエピタキシャル層をシリコン単結晶基板の直上に気相成長することによりノンドープの不純物濃度プロファイルを得る第１の工程と、
この得られたノンドープの不純物濃度プロファイルに基づいて当該反応炉におけるオートドーピング量を推定する第２の工程と、
この推定されたオートドーピング量による不純物濃度プロファイルよりも高い不純物濃度の不純物濃度プロファイルが得られるドーパントガスの濃度を定める第３の工程とを有し、
このドーパントガスの濃度を定める工程によって得られた濃度のドーパントガスを、前記遷移領域の気相成長工程において前記反応炉内に供給することを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。The epitaxial layer directly on the silicon single crystal substrate in a reaction furnace at the time of manufacturing a silicon epitaxial wafer by vapor phase growth,
A pre-growth purging step of purging a dopant gas having a predetermined concentration at the start of the vapor phase growth until the vapor phase growth of the epitaxial layer is started;
A vapor phase growth process of the transition region for supplying a dopant gas into the reaction furnace after the pre-growth purge step by changing the feed concentration of the dopant gas,
The dopant gas different constant concentration from the vapor phase growth step of the transition region, a method for producing a silicon epitaxial wafer which have a a vapor phase growth step of the stable region to supply into the reaction furnace,
Prior to each of the above steps, the method includes a step of determining the concentration of the dopant gas used in the vapor phase growth step of the transition region ,
The step of determining the concentration of the dopant gas is as follows:
A first step of obtaining a non-doped impurity concentration profile by vapor-phase-growing an epitaxial layer directly on a silicon single crystal substrate without supplying a dopant gas;
A second step of estimating an autodoping amount in the reactor based on the obtained non-doped impurity concentration profile;
A third step of determining the concentration of the dopant gas from which an impurity concentration profile having an impurity concentration higher than the impurity concentration profile by the estimated auto-doping amount is obtained;
A method for producing a silicon epitaxial wafer , comprising supplying a dopant gas having a concentration obtained by the step of determining the concentration of the dopant gas into the reaction furnace in the vapor phase growth step of the transition region .
前記ノンドープの不純物濃度プロファイルにおいて、気相成長の開始時点から略一定の勾配にて不純物濃度が減少する外方拡散支配領域と、該外方拡散支配領域に続くオートドーピング支配領域との境界点Ｐに対応する濃度Ｄ０の１／２を、当該境界点Ｐにおけるオートドーピング量とすることを特徴とする請求項１記載のシリコンエピタキシャルウェーハの製造方法。 In the step of determining the concentration of the dopant gas, the second step of estimating the autodoping amount in the reactor is as follows:
In the non-doped impurity concentration profile, a boundary point P between an outer diffusion dominant region where the impurity concentration decreases with a substantially constant gradient from the start of vapor phase growth and an auto doping dominant region following the outer diffusion dominant region. 1/2, method for manufacturing a silicon epitaxial wafer according to claim 1, characterized in that the auto-doping amount at the boundary point P of the corresponding concentration D0 to the.
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