WO2000026948A1 - Plaquette a semi-conducteur et dispositif de cristallisation en phase vapeur - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor wafer and a vapor phase growth apparatus, and more particularly to a semiconductor wafer in which a semiconductor thin film having a uniform resistivity distribution is formed on a main surface of a large-diameter silicon single crystal substrate, and a vapor phase used for manufacturing the same. It relates to a growth device. Background art
  • the use of semiconductor wafers in which a silicon single crystal thin film is formed on the main surface of a silicon single crystal substrate has increased, and the resistivity of the silicon single crystal thin film has increased. Is required to be uniform.
  • the uniformity of the resistivity means that the resistivity is made uniform in the plane of the silicon single crystal thin film.
  • a semiconductor wafer is required to have a large diameter.
  • a horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus is mainly used as an apparatus for growing a silicon single crystal thin film on the main surface of a silicon single crystal substrate.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing this conventional horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view thereof.
  • a silicon single crystal is placed at a central bottom in a transparent quartz glass reaction vessel 10 which is horizontally installed.
  • a susceptor 14 for mounting the substrate 12 horizontally is installed, and is connected to a rotating device (not shown) via a rotating shaft 16.
  • a gas inlet 18 is provided at one longitudinal end of the reaction vessel 10.
  • An exhaust port 20 is provided at the other end. For this reason, the flow of the gas introduced from the gas inlet 18 into the reaction vessel 1 and discharged from the exhaust port 20 to the outside is generally placed on the susceptor 14 along the longitudinal direction of the reaction vessel 10. It passes over the main surface of the placed silicon single crystal substrate 12.
  • the gas inlet 18 of the reaction vessel 10 is composed of six inlets 18a, 18b, "', 18f arranged in the width direction of the reaction vessel 10.
  • the two inner inlets hereinafter simply referred to as “inner inlets” 18a, 18 b
  • Two outer inlets hereinafter simply referred to as “outer inlets”
  • 18 e, 18 f, and two inlets between the inner and outer sides hereinafter simply “intermediate inlets”) 18 c and 18 d are imaginary in the longitudinal direction of the reaction vessel 10 and are arranged symmetrically with respect to a central axis passing through the center of the main surface of the silicon single crystal substrate 12 on the susceptor 14.
  • the inner introduction ports 18 a and 18 b are directed to the vicinity of the center of the main surface of the silicon single crystal substrate 12, and the outer inlets 18 e and 18 f are directed to the vicinity of the outer edge of the main surface of the silicon single crystal substrate 12.
  • the inlets 18c and 18d face an intermediate portion between the center and the outer edge of the main surface of the silicon single crystal substrate 12.
  • the common gas pipe 22 branches into three, and each of them passes through an MFC (Mass Flow Controller) 24, 26, 28 as a gas flow controller, and H 2 (Carrier gas) as a carrier gas.
  • MFC Mass Flow Controller
  • H 2 Carrier gas
  • a hydrogen source gas (not shown), a semiconductor source gas gas source (not shown), and a dopant gas source (not shown) are connected to each other.
  • an infrared radiation lamp 30 is arranged as a heating source for heating the silicon single crystal substrate 12 placed on the susceptor 14. By energizing the irradiation lamp 30, the main surface of the silicon single crystal substrate 12 is raised to a predetermined temperature. Further, a cooling means (not shown) for cooling the infrared radiation lamp 30 and the outer wall of the reaction vessel 10 is provided, so that a so-called cold wall type vapor phase growth apparatus is obtained. I have. In this cold-wall type gas phase growth apparatus, since the outer wall surface of the reaction vessel 10 is forcibly cooled by the refrigerant, deposits containing silicon as a main component are deposited on the inner wall surface of the reaction vessel 10. Can be prevented.
  • a silicon single crystal substrate 12 is placed horizontally on a susceptor 14 in a reaction vessel 10. Subsequently, MFC 2 4 from the H 2 gas gas source, common gas pipe 2 2, and 6 Tsunoshirube inlet 1 8 a, 1 8 b,, H 2 gas into the reaction vessel 1 in 0 through 1 8 f To replace the atmosphere in the reaction vessel 10 with hydrogen.
  • the susceptor 14 is rotated clockwise by the rotating device as shown by arrows in FIGS. 5 and 6 while the silicon single crystal substrate 12 is placed horizontally via the rotating shaft 16. Let it. Then, the silicon single crystal substrate 12 on the susceptor 14 is heated by the infrared radiation lamp 30 with no force, and the temperature on the main surface thereof is raised to a predetermined temperature.
  • MFCs 26 and 28, common gas pipes 22 and six inlets 18a, 18b, , A semiconductor source gas and a dopant gas are supplied into the reaction vessel 10.
  • the flow rates of the H 2 gas, the semiconductor source gas, and the dopant gas as the carrier gas are individually and precisely controlled by the MFCs 24, 26, and 28, respectively, and these gases are then mixed.
  • the raw material gas concentration and dopant hardly diffuse in the width direction from each of the six inlets 18a, 18b, ..., 18f arranged in the width direction of the reaction vessel 10. Process gas with the same gas concentration in reaction vessel 10 Will be introduced.
  • the process gas introduced into the reaction vessel 10 flows above the main surface of the silicon single crystal substrate 12 horizontally mounted on the susceptor 14 rotating about the rotation axis 16, Pass substantially parallel to and in one direction. At that time, a chemical reaction occurs, and a silicon single crystal thin film 32 is vapor-phase grown on the main surface of the silicon single crystal substrate 12.
  • the silicon single-crystal thin film 32 on the main surface of the silicon single-crystal substrate 12 using the conventional horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus shown in FIG. 5 and FIG.
  • the silicon single crystal substrate 12 has a diameter of 200 mm or less
  • the resistivity distribution in the diameter direction of the silicon single crystal thin film 32 formed on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 is It was almost uniform.
  • the silicon single crystal substrate 12 has a relatively low dopant concentration of about 10 15 atoms / cm 3 , and the silicon single crystal substrate 12 has a diameter larger than 200 mm, for example, a diameter of 3 In the case of a large diameter of 100 mm, it has been found that there is a problem that slip dislocation is easily generated in the peripheral portion of the silicon single crystal thin film 32. Then, when an integrated circuit is formed in a region where the slip dislocation is generated, there arises a problem that a current leaks. The following are thought to be the causes of this slip dislocation.
  • the outer wall surface of the reaction vessel 10 is forcibly cooled by the refrigerant.
  • the temperature at the peripheral portion of the silicon single crystal substrate 12 tends to be lower than the temperature at the central portion. This tendency is remarkable in the case of a large diameter of 30 O mm, and when the temperature difference between the peripheral portion and the central portion of the silicon single crystal substrate 12 becomes so large that slip dislocation occurs. Conceivable.
  • the output for heating the peripheral portion of the silicon single crystal substrate 12 is made higher than the central portion, and the peripheral portion and the central portion are heated. If the temperature difference of the silicon single crystal thin film 32 is reduced, the resistivity of the peripheral portion of the silicon single crystal thin film 32 becomes a value deviated from the resistivity of the central portion. A problem arises in that the resistivity distribution becomes uneven.
  • the flow rate of the dopant gas supplied on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 must be adjusted in the width direction of the reaction vessel 10. If you change it and adjust it.
  • the present invention has been made in view of the above problem, and has a uniform resistivity and a slip on a main surface of a large-diameter semiconductor single crystal substrate having a diameter of 30 O mm or more, which has a relatively low dopant concentration.
  • the above object is achieved by the following semiconductor wafer and a method of manufacturing the same according to the present invention. That is, the semiconductor ⁇ E one tooth according to the present invention, the following diameter 30 Omm than 400 mm, the dopant concentration of 4 X 10 13 at omsZcm 3 or 3 X 10 18 atoms Z cm 3 main below the semiconductor single crystal substrate A semiconductor thin film having a resistivity distribution in the diameter direction of ⁇ 3% or less is formed on the surface.
  • the semiconductor wafer according to the present invention is a large-diameter semiconductor single crystal substrate having a diameter of 300 mm or more and 400 mm or less, and a dopant concentration of 4 ⁇ 10 13 at oms / cm 3 or more and 3 ⁇ 10 10
  • the resistivity distribution in the diameter direction is ⁇ 3% or less on the main surface without substantially generating slip dislocations.
  • the formation of a semiconductor thin film achieves both the large diameter and the uniform resistivity required for recent semiconductor wafers, thus increasing the yield of semiconductor chips and improving the yield.
  • the semiconductor single crystal substrate has a p-type conductivity and a resistivity of 0.03 ⁇ ⁇ cm or more and 300 ⁇ ⁇ cm or less. Also in this range, when it is considered that a semiconductor device is actually manufactured using a semiconductor wafer, it is particularly desirable that the resistivity be 1 ⁇ ⁇ cm or more and 20 ⁇ ⁇ cm or less. In that case, it is preferable to use boron as a dopant added to the semiconductor single crystal substrate from a practical viewpoint such as ease of handling and control in using the boron.
  • the diameter of the semiconductor single crystal substrate is 300 mm.
  • the diameter of the semiconductor single crystal substrate is 300 mm.
  • 4 X 1 0 13 atoms / cm 3 or more 3 X 1 0 18 at om s / cm 3 or less of the main surface on the resistivity distribution in the diameter direction of the low concentration semiconductor single crystal substrate is uniform below 3% Sat The effect is fully exhibited.
  • the semiconductor single crystal substrate is a silicon single crystal substrate
  • the semiconductor thin film is a silicon single crystal thin film. It is preferred that That is, by achieving both a large diameter and a uniform resistivity in a silicon single crystal wafer, which is the mainstream of the current semiconductor wafers, a wide variety of uses are expected in the manufacture of semiconductor devices.
  • a vapor phase growth apparatus includes a reaction vessel, and a plurality of gas inlets arranged in a width direction of the reaction vessel, and a main surface of a semiconductor single crystal substrate rotating in the reaction vessel.
  • a vapor source for supplying a semiconductor raw material gas in a substantially parallel and unidirectional manner from a plurality of gas inlets and vapor-phase growing a semiconductor thin film on a main surface of a semiconductor single crystal substrate comprising: It has a main dopant gas pipe for supplying a dopant gas to all of the gas inlet ports, and a sub-dopant gas pipe for supplying a dopant gas to a specific one of the plurality of gas inlet ports.
  • the main dopant gas pipe for supplying the dopant gas to all of the plurality of gas inlets and the sub-dopant for supplying the dopant gas to the specific gas inlet are provided.
  • a dopant gas is supplied from all gas inlets to the main surface of the semiconductor single crystal substrate in the reaction vessel through the main dopant gas pipe, and the main Realizing the overall resistivity of the semiconductor thin film to be vapor-phase-grown on the surface near a predetermined target value, and using a specific gas inlet through a sub-doped gas pipe to obtain the main resistance of the semiconductor single crystal substrate in the reaction vessel.
  • the resistivity distribution in the diameter direction of the semiconductor thin film formed on the surface can be reduced to 3% or less of soil.
  • the dopant gas through the main dopant gas pipe and the sub-dopant gas pipe After the supply conditions of the semiconductor thin film are adjusted so that the resistivity distribution in the diameter direction of the semiconductor thin film is uniformed to, for example, ⁇ 3% or less, the target resistivity of the semiconductor thin film is changed to increase or decrease. Even if it becomes necessary to maintain the ratio of the dopant gas supplied via the main drain gas pipe and the sub-main dopant gas pipe, the supply amount of hydrogen gas for diluting the dopant gas is maintained.
  • the target resistivity can be changed while maintaining the uniformity of the resistivity distribution. For this reason, it is possible to easily and promptly respond to a change in the target resistivity of the semiconductor thin film, thereby achieving an improvement in productivity.
  • the plurality of gas inlets are disposed inside the reaction vessel in the width direction and outside the reaction vessel in the width direction.
  • a secondary dopant gas pipe One or two of these inner inlets, outer inlets, and intermediate inlets.
  • the plurality of gas inlets include three types of gas inlets: the inner inlet, the outer inlet, and the intermediate inlet, and the secondary dopant gas pipe supplies the dopant gas.
  • the specific gas inlet to be supplied is one or two of these three types of inner inlet, outer inlet, and intermediate inlet
  • the dopant is supplied through the secondary dopant gas pipe. Gas is supplied only to the inner inlet, only to the outer inlet, only to the intermediate inlet, or alternatively to the inner and intermediate inlets, or to the intermediate and outer inlets It can be supplied to the inlet.
  • the dopant gas supplied to the gas inlet through the main dopant gas pipe that is, the inner inlet, the outer inlet, and the intermediate inlet is imagined in the width direction of the reaction vessel.
  • the central axis passing through the center of the main surface of the semiconductor single crystal substrate Near the center of the main surface of the semiconductor single crystal substrate from the semiconductor inlet, from the outer gas inlet near the outer edge of the semiconductor single crystal substrate, and from the intermediate gas inlet to the center of the main surface of the semiconductor single crystal substrate.
  • the dopant gas supplied entirely from the gas inlets of all three types to the main surface of the semiconductor single crystal substrate via the main dopant gas pipe, and one or two of the three types via the auxiliary dopant gas pipe The resistance of the semiconductor thin film formed on the main surface of the semiconductor single crystal substrate is combined with the dopant gas locally supplied to the main surface of the semiconductor single crystal substrate in the reaction vessel from the specific type of gas inlet. The rate is equalized.
  • a case is described in which a plurality of gas inlets arranged in the width direction of the reaction vessel are composed of three types of gas inlets: an inner inlet, an outer inlet, and an intermediate inlet.
  • an inner inlet an inner inlet
  • an outer inlet an outer inlet
  • an intermediate inlet a gas inlet
  • any one of these three or more gas inlets can be selected as the specific gas inlet for supplying the dopant gas through the secondary dopant gas pipe, or two or more gas inlets can be selected. You can use any combination of mouths.
  • a dopant gas control device for controlling supply of a dopant gas is provided in each of the main dopant gas pipe and the sub-dopant gas pipe.
  • the dopant gas control device is provided in each of the main dopant gas pipe and the sub-dopant gas pipe, a plurality of gases are provided through the main dopant gas pipe.
  • a plurality of gases are provided through the main dopant gas pipe.
  • Half from all gas inlets of inlet The dopant gas supplied to the entire main surface of the conductor single crystal substrate and the dopant gas additionally supplied locally to the main surface of the semiconductor single crystal substrate from a specific gas inlet through a sub-dopant gas pipe are separately provided.
  • the resistivity distribution of the semiconductor thin film can be adjusted with high precision, and even when the semiconductor thin film is formed on the main surface of a large-diameter semiconductor single crystal substrate, the semiconductor The resistivity distribution in the diameter direction of the thin film becomes more uniform.
  • the auxiliary dopant gas pipe is composed of two types of dopant gas pipes
  • a dopant gas control device is installed in each of the two types of dopant gas pipes.
  • the vapor phase growth apparatus is a cold wall type vapor phase growth apparatus.
  • the outer wall surface of the reaction vessel is forcibly cooled by the refrigerant, the deposition of deposits generated during the vapor phase growth on the inner wall surface of the reaction vessel is prevented, and a higher quality semiconductor thin film is formed. Is done. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus used in a method for manufacturing a semiconductor wafer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the temperature of a semiconductor wafer manufactured using the vapor phase growth apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing the resistance in the diameter direction of the semiconductor wafer manufactured using the vapor growth apparatus shown in FIG. It is a graph which shows a rate distribution.
  • FIG. 4 is a graph showing a resistivity distribution in a diameter direction of a semiconductor wafer manufactured using a conventional vapor phase growth apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the device.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view schematically showing a horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus used in a conventional semiconductor wafer manufacturing method.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus used in a method for manufacturing a semiconductor wafer according to one embodiment of the present invention.
  • a vertical cross-sectional view schematically showing a horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus used for manufacturing the semiconductor wafer according to the present embodiment is basically the same as FIG.
  • the above-mentioned FIG. 6 is diverted, and illustration thereof is omitted.
  • the same elements as those of the conventional horizontal single-wafer type vapor phase growth apparatus shown in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
  • a transparent stone placed horizontally is used in the horizontal single-wafer-type vapor-phase growth apparatus used in the method for manufacturing a semiconductor wafer according to the present embodiment.
  • a susceptor 14 on which a silicon single crystal substrate 12 is placed horizontally is installed at the center bottom of a reaction vessel 10 made of British glass, and connected to a rotating device (not shown) via a rotating shaft 16.
  • a gas introduction port 18 is provided at one end in the longitudinal direction of the reaction vessel 10, and an exhaust port 20 is provided at the other end. For this reason, the flow of the gas introduced into the reaction vessel 10 from the gas inlet port 18 and discharged to the outside from the exhaust port 20 is generally placed on the susceptor 14 along the longitudinal direction of the reaction vessel 10. It passes over the main surface of the placed silicon single crystal substrate 12.
  • the gas inlet 18 of the reaction vessel 10 is composed of six inlets 18a, 18b, 18f arranged in the width direction of the reaction vessel 10. I have. And these Of the six inlets 18a, 18b, ..., 18f, the inner inlet 18a, 18b, the outer inlet 18e, 18f, and the intermediate inlet 1
  • the reference numerals 8c and 18d are provided symmetrically with respect to a central axis passing through the center of the main surface of the silicon single crystal substrate 12 on the susceptor 14 and imaginary in the longitudinal direction of the reaction vessel 10.
  • the inner introduction ports 18 a and 18 b are directed to the vicinity of the center of the main surface of the silicon single crystal substrate 12, and the outer inlets 18 e and 18 f are directed to the vicinity of the outer edge of the main surface of the silicon single crystal substrate 12.
  • the inlets 18c and 18d face an intermediate portion between the center and the outer edge of the main surface of the silicon single crystal substrate 12.
  • the six inlets 18a, 18!),..., 18f are all connected to a common gas pipe 22a.
  • the common gas pipe 2 2 a is branched into three, through the MF C 24, 26, 2 8 a as their respective gas flow controller, a gas source of the H 2 gas as a carrier gas (Not shown), a semiconductor source gas source (not shown), and a dopant gas source (not shown).
  • a gas source of the H 2 gas as a carrier gas
  • a semiconductor source gas source not shown
  • a dopant gas source not shown.
  • the inner inlets 18a and 18b are both connected to the first auxiliary dopant gas pipe 22b.
  • the first sub-dopant gas pipe 22 b is connected to a dopant gas source (not shown) via an MFC 28 b as a dopant gas flow controller.
  • the intermediate introduction ports 18c and 18d are both connected to the second auxiliary dopant gas pipe 22c.
  • the second sub-dopant gas pipe 22 c is connected to a gas source of the dopant gas through the MFC 28 c as a dopant gas flow controller. (Not shown).
  • the semiconductor as a raw material gas for example, S i C l 4 (tetrachlorosilane) gas, S i H 2 C 1 2 ( dichlorosilane) gas, S i HC 1:! (Trichlorosilane) gas, or S i H, (monosilane) silicon-based gas such gas is used as a dopant gas, for example, B, etc. 2 H 6 (diborane) gas or PH 3 (phosphine) gas is used.
  • heating is performed by heating the silicon single crystal substrate 12 horizontally mounted on the susceptor 14 to raise the main surface of the silicon single crystal substrate 12 to a predetermined temperature.
  • an infrared radiation lamp 30 is arranged as a source.
  • a cooling means (not shown) for cooling the infrared radiation lamp 30 and the outer wall of the reaction vessel 10 is provided, and a cold wall type vapor phase growth apparatus is obtained.
  • a large-diameter silicon single crystal substrate 1 2 having a relatively low dopant concentration and a diameter of 30 Omm or more was used.
  • a method for forming a silicon single crystal thin film having a uniform resistivity and substantially no slip dislocation on the main surface of the present invention will be described.
  • a large diameter of not less than 30 Omm and not more than 400 mm and a dopant concentration of 4 X 10 i: s at 0111 5 (: A low-concentration silicon single crystal substrate 12 of 111 3 or more and 3 10 18 atoms / cm : i or less is horizontally placed, where the dopant concentration is 4 X 10 I3 at oms Zcm 3
  • the dopant concentration is higher than 3 ⁇ 10 18 atoms Zcm 3
  • an auto-drop phenomenon occurs.
  • the silicon single crystal thin film formed on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 cannot be ignored, and the resistivity distribution in the diameter direction is ⁇ 3% or less. It becomes difficult to do.
  • the dopant concentration is 4 X 10 1 atoms / c ⁇ !
  • the range of 3 to 3 ⁇ 10 18 at omsZcm 3 is approximately equivalent to the range of 0.03 ⁇ ⁇ cm to 300 ⁇ ⁇ cm in terms of resistivity.
  • H gas was introduced into the reaction vessel 10 from the gas source of H 2 gas through the MFC 24, the common gas pipe 22a, and the six inlets 18a, 18b, "', 18f. 2 gas is supplied to replace the atmosphere in the reaction vessel 10 with hydrogen, and the susceptor 14 is placed on a rotating device via the rotating shaft 16 while the silicon single crystal substrate 12 is placed horizontally. Rotate clockwise as shown by the arrows in Fig. 1 and Fig. 6. Then, the infrared radiation lamp 30 moves the silicon single crystal substrate 12 on the susceptor 14 according to a predetermined temperature cycle. The main surface is heated to a predetermined set temperature.
  • the heating output distribution from the infrared radiation lamp 30 is adjusted in advance. That is, in the cold-wall type vapor phase epitaxy apparatus, since the outer wall of the reaction vessel 10 is forcibly cooled by the coolant, the influence of the influence on the outer wall of the silicon single crystal substrate 12 close to the wall is The heat of the department is easily taken away. For this reason, the peripheral portion of the silicon single crystal substrate 12 is heated more strongly than its central portion, so that the temperature difference between the peripheral portion and the central portion is suppressed from increasing, and The temperature distribution is adjusted in advance so that the slip dislocation does not occur in the silicon single crystal thin film formed in step (1).
  • the resistivity of the peripheral portion of the silicon single crystal thin film is larger than that of the central portion. It should be noted that, in the case of n-type, conversely, the resistivity of the peripheral portion of the silicon single crystal thin film tends to be higher than that of the central portion.
  • the semiconductor material gas is supplied from the gas source to the MFC 26, the common gas pipe 22a, and the six inlets 18a, 18b,.
  • the MFCs 28a, 28b, 28c, the common gas pipe 22a, the first sub-dopant gas pipe 22b, and the second sub-dopant gas pipe 22c, respectively, are provided from the dopant gas gas source.
  • the dopant gas is supplied into the reaction vessel 10 through the six inlets 18a, 18b, ..., 18f.
  • the dopant gas supplied from the six inlets 18a, 18b, -'-, and 18f via the common gas pipe 22a functioning as the main dopant gas pipe is reacted. Feed into container 10. Further, the dopant gas supplied through the first auxiliary dopant gas pipe 22b is additionally supplied into the reaction vessel 10 from the inner introduction ports 18a and 18b. Further, the dopant gas supplied from the intermediate inlets 18c and 18d through the second auxiliary dopant gas pipe 22c is additionally supplied into the reaction vessel 10.
  • the basic reference value of the resistivity of the silicon single crystal thin film to be vapor-phase grown on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 is based on the common gas pipe 22a functioning as the main dopant gas pipe.
  • This is mainly realized by adjusting the concentration of the dopant gas supplied from the six inlets 18a, 18b, "", and 18f through the first inlet port.
  • the concentration of the dopant gas additionally supplied from the inner inlets 18a, 18b and the intermediate inlets 18c, 18d as specific gas inlets via the second auxiliary dopant gas pipe 22c, respectively.
  • the flow rates of the H 2 gas and the semiconductor raw material gas as the carrier gas are individually and precisely controlled by the MFC 24 and the MFC 26, respectively.
  • the flow rate of the dopant gas supplied through the common gas pipe 22a functioning as the main dopant gas pipe is precisely controlled by the MFC 28a, and similarly, the first auxiliary dopant gas pipe 22b and the second
  • the flow rates of the dopant gas additionally supplied through the secondary dopant gas pipe 22c are individually and precisely controlled by the MFC 28b and the MFC 28c, respectively.
  • the dopant gases whose flow rates were precisely controlled by the MFCs 28a, 28b, and 28c were then mixed, and the six inlet ports 1 arranged in the width direction of the reaction vessel 10 were formed. 8a, 18b, "', and 18f are introduced into the reaction vessel 10 with almost no diffusion in the width direction.
  • the process gas introduced into the reaction vessel 10 is composed of a silicon single crystal substrate 12 mounted on a susceptor 14 rotating about a rotation axis 16. Passes above the main surface of the main surface substantially parallel to the main surface and in one direction.
  • FIG. 2 is a graph showing a temperature cycle when a semiconductor wafer is manufactured using the vapor phase growth apparatus shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a graph showing a temperature cycle manufactured using the vapor phase growth apparatus shown in FIG. 4 is a graph showing a resistivity distribution in a diameter direction of a semiconductor wafer.
  • the silicon single crystal substrate 12 placed on the susceptor 14 in the reaction vessel 10 has a diameter of 300 mm ⁇ 0.2 mm, and B (boron) is of such a degree that it is not necessary to consider the effect of the auto-doping phenomenon.
  • Resistivity added at a relatively low concentration 1 ⁇ ⁇ 0 111 or more and 200 'cm or less (Converted to a dopant concentration, 6 X 10 "at omsZcm 3 or more 2 X 10 16 At omsZcm 3 or less) is used.
  • H 2 gas is supplied from the six inlets 18a, 18b, "', and 18f to the reaction vessel. Then, the inside of the reaction vessel 10 is brought into an H 2 atmosphere by using the susceptor 14, and the susceptor 14 is rotated clockwise, for example, while the silicon single crystal substrate 12 is placed horizontally by a rotating device. .
  • an infrared radiation lamp 30 as a heating source is energized to heat the silicon single crystal substrate 12 on the susceptor 14, and as shown in the temperature cycle of FIG.
  • the temperature on the surface is increased to 110 ° C (temperature increasing step).
  • the substrate is kept at the temperature of 110 ° C. for a certain period of time, and a heat treatment for removing a natural oxide film formed on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 is performed (heat treatment step).
  • conditions of a heating distribution such that no slip dislocation occurs in the silicon single crystal thin film formed on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 are determined in advance, and heat treatment is performed according to the conditions.
  • a heating output of about 60% is provided near the peripheral portion of the silicon single crystal substrate 12, and a heating output of about 40% is provided near the central portion.
  • the six inlets 18a, 18b, "', 18f A process gas composed of H 2 gas as a carrier gas, a semiconductor raw material gas, and a dopant gas is supplied into the reaction vessel 10 through the reactor.
  • the H 2 gas as a carrier gas is precisely controlled by the MFC 24, and is uniformly distributed from all the inlets 18a, 18b, ..., 18f at a flow rate of 70 liters / min. Supply into reaction vessel 10.
  • a mixed gas obtained by bubbling with hydrogen S i HC 1 3 such as, for example, liquid as the semiconductor material gas, precisely control the gas supplied from this common semiconductor material gas source by MF C 26 , 22 liters and a flow rate of Z min.
  • a common dopant gas source for example, hydrogen-diluted B 2 H 6 gas is used, and six inlets 18 a, 18 are provided through a common gas pipe 22 a functioning as a main dopant gas pipe.
  • the dopant gas supplied via the common gas pipe 22 a functioning as the main dopant gas pipe, and the first sub-dopant gas pipe 22 b and the second sub-dopant gas pipe 22 c are respectively It is controlled individually and precisely by MFC 28a, 28b, 28c.
  • a chemical reaction is caused by the process gas supplied into the reaction vessel 10, and the resistivity is 13 ⁇ ⁇ cm and the resistivity distribution is ⁇ 3% or less on the main surface of the silicon single crystal substrate 12.
  • a p-type silicon single crystal thin film 32 is vapor-phase grown to a thickness of 4 ⁇ (vapor phase growth step).
  • the inside of the reaction vessel 10 is sufficiently purged with the second gas (purge step). Then, the energization of the infrared radiation lamp 30 as a heating source is stopped, and the semiconductor wafer having the silicon single crystal thin film 32 formed on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 is heated to 650 ° C. Cool (cooling step). Thereafter, the semiconductor wafer is taken out of the reaction vessel 10.
  • the resistivity was measured using an SCP (Surface Charge Profiler) device of QC Solutions, located in Woburn, Mass., USA.
  • SCP Surface Charge Profiler
  • SPV Surface Photo Voltage
  • the sample wafer is heat-treated at about 300 ° C. for a short time to make the charge amount of the native oxide film formed on the surface constant, and then G a N (gallium nitride) is formed on the sample wafer surface.
  • G a N gallium nitride
  • Light at a wavelength of 450 nm from an LED (Light Emitting Diode) is applied at about 4 OHz.
  • FIG. 4 is a graph showing a resistivity distribution in a diameter direction of a semiconductor wafer manufactured using the conventional vapor phase growth apparatus shown in FIG.
  • a B 2 H 6 gas diluted with hydrogen was used as a dopant gas, and 160 cm from each of all the inlets 18 a, 18 b, 18 ′, 18 f.
  • the size, resistivity, and carrier gas of the silicon single crystal substrate 12 used are the same except that they are supplied uniformly into the reaction vessel 10 at a flow rate of 3 Z, and are vapor-phase grown at a temperature of 110 ° C.
  • semiconductor raw material gas, flow rate, temperature rise process, heat treatment process, vapor phase growth process, and purge The conditions of the process, the temperature cycle leading to the cooling process, and the conditions for measuring the resistivity of the silicon single crystal thin film 32 are all the same as those in the above embodiment.
  • the resistivity of the silicon single crystal thin film 32 formed on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 using the conventional vapor phase growth apparatus was measured at intervals of 1 Omm in the diameter direction. The results shown in the graph of FIG. 4 were obtained.
  • the vicinity of the outer edge of the silicon single crystal thin film 32 in the comparative example was heated more strongly than the vicinity of the center, so that the polon supplied as the p-type dopant was taken into the silicon single crystal thin film 32.
  • the first sub dopant gas pipe 22 b and the dopant corresponding to the decrease in the resistivity near the outer edge are used. Since the additional supply was performed near the center through the second auxiliary dopant gas pipe 22c, a decrease in the resistivity near the outer edge of the silicon single crystal thin film 32 was not observed.
  • the average resistivity of all the measurement points of the silicon single crystal thin film 32 was 12.97 Q'cm, and the resistance was set to the target value. A value very close to the rate of 13 ⁇ ⁇ cm was obtained.
  • the resistivity distribution of the silicon single crystal thin film 32 is expressed by the following equation.
  • the average resistivity at all the measurement points of the silicon single crystal thin film 32 is 11.62 ⁇ ⁇ cm.
  • the maximum resistivity of the silicon single crystal thin film 32 is 12.02 ⁇ cm and the minimum resistivity is 10.77 ⁇ cm, the resistivity distribution is ⁇ 5.48%, and It exceeded 3%.
  • the resistivity distribution is 10.8%.
  • the silicon single crystal thin film 32 is vapor-phase-grown on the main surface of the semi-silicon single crystal substrate 12 having a large diameter of 300111111 ⁇ 0.2 mm. Even in this case, it has been confirmed that the uniformity of the resistivity distribution in the diameter direction of the silicon single crystal thin film 32 can be sufficiently improved as compared with the conventional case.
  • the present inventors have found that the resistivity distribution of the silicon single crystal thin film 32 shows that the semiconductor raw material gas supplied to the reaction vessel 10 It was clarified that some fluctuations occurred depending on the dopant gas concentration and the reaction temperature.
  • the method for manufacturing a semiconductor wafer according to the above embodiment is applied, when the silicon single crystal thin film 32 is vapor-phase grown on the main surface of the low-concentration doped silicon single crystal substrate 12 having a diameter of 300 mm, It is easily possible to suppress the resistivity distribution of the silicon single crystal thin film 32 to ⁇ 3% or less (according to equation (1)) or 6% or less (according to equation (2)).
  • the resistivity of the silicon single crystal thin film 32 vapor-phase grown on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 The distribution is ⁇ 3% or less (when using the formula (1)) or 6% or less (the formula (2) ). Furthermore, even in the case of a silicon single crystal substrate 12 having a diameter exceeding 40 O mm, a silicon single crystal substrate 12 of this size is manufactured with sufficiently high quality and stable at the present stage. Although it is difficult to do so, it is possible to improve the uniformity of the resistivity distribution in the diameter direction of the silicon single crystal thin film 32 grown on the silicon single crystal substrate 12 main surface by vapor phase growth.
  • the case where the p-type silicon single crystal thin film 32 is grown on the main surface of the silicon single crystal substrate 12 by vapor phase growth is described.
  • There is a tendency to be relatively high near the center so that the inner inlets 18a, 18b and 18b are provided through the first sub-dopant gas pipe 22b and the second sub-dopant gas pipe 22c.
  • the configuration is such that dopant gas is additionally supplied into the reaction vessel 10 from the intermediate inlets 18c and 18d.
  • the resistivity of the silicon single crystal thin film 32 tends to be relatively high in the vicinity of the peripheral portion.
  • the outer inlets 18e, 18f or the outer inlets 18e, 18f and the intermediate inlets 18c, 18d allow additional supply of dopant gas into the reaction vessel 10. Is preferable.
  • the resistivity of the silicon single crystal thin film 32 may locally increase depending on the vapor growth conditions.
  • the specific gas inlet corresponding to the region, that is, the inner inlet It is preferable that a dopant gas is additionally supplied to one or two kinds of inlets selected from the mouth, the outer inlet, and the intermediate inlet through a secondary dopant gas pipe.
  • the inner inlets 18a, 18b and the intermediate inlet 18c, via the first sub-dopant gas pipe 22b and the second sub-dopant gas pipe 22c are additionally supplied into the reaction vessel 10 from 18 d, it is also possible to supply H. gas instead of the dopant gas.
  • the dopant gas supplied from all the inlets 18a, 18b, "', and 18f via the common gas pipe 22a functioning as the main dopant gas pipe is locally supplied. it is possible to dilute.
  • the resistivity distribution of the silicon single crystal thin film 32 can be made uniform as in the case of the above embodiment.
  • the resistivity distribution in the diameter direction on the main surface is ⁇ 3% or less without substantially generating slip dislocations.
  • the formation of the semiconductor thin film achieves both the large diameter and the uniform resistivity that are required of recent semiconductor wafers, thus increasing the yield of semiconductor chips and improving the yield. Can greatly contribute.
  • the main dopant gas pipe for supplying the dopant gas to all of the plurality of gas inlets and the sub-dopant gas for supplying the dopant gas to a specific gas inlet are provided.
  • the dopant gas is supplied from all the gas inlets to the main surface of the semiconductor single crystal substrate in the reaction vessel via the main dopant gas piping, and the main surface of the semiconductor single crystal substrate is supplied.
  • the overall resistivity of the semiconductor thin film to be vapor-grown on it can be achieved near a predetermined target value, and the semiconductor single crystal in the reaction vessel can be supplied from a specific gas inlet via a sub-dope gas pipe.
  • the resistivity distribution of the semiconductor thin film can be adjusted. Therefore, even when a semiconductor thin film is formed on the main surface of a large-diameter semiconductor single crystal substrate, uniformity of the resistivity of the semiconductor thin film can be achieved.
  • the semiconductor thin film After adjusting the supply conditions of the dopant gas through the main dopant gas pipe and the sub-dopant gas pipe so that the resistivity distribution in the diameter direction of the semiconductor thin film is uniformed to, for example, ⁇ 3% or less, the semiconductor thin film Even if it becomes necessary to change the target resistivity of the dopant gas, the dopant gas is diluted while maintaining the ratio of the dopant gas supplied through the main dopant gas pipe and the secondary dopant gas pipe. By controlling the amount of hydrogen gas supplied, the target resistivity can be changed while maintaining the uniformity of the resistivity distribution, so that the target resistivity of the semiconductor thin film can be changed. It is possible to respond easily and quickly, and to improve productivity.
  • the plurality of gas inlets include three types of gas inlets: an inner inlet, an outer inlet, and an intermediate inlet. Since the specific gas inlet for supplying the dopant gas is one or two of the three types, the resistivity of the semiconductor thin film that is vapor-grown on the main surface of the semiconductor single crystal substrate is reduced. A specific gas inlet corresponding to the region where the height is locally high, that is, one or two selected inlets among the inner inlet, the outer inlet, and the intermediate inlet ⁇ Via the IJ dopant gas pipe Since the dopant gas can be additionally supplied, the resistivity of the semiconductor thin film formed on the main surface of the semiconductor single crystal substrate can be made uniform.
  • the main dopant gas pipe And a dopant gas control device that controls the supply of dopant gas to each of the secondary dopant gas pipes allows the entire main surface of the semiconductor single crystal substrate to reach from all gas inlets through the main dopant gas pipe. Since the supplied dopant gas and the dopant gas locally additionally supplied to the main surface of the semiconductor single crystal substrate from a specific gas inlet through a sub-dopant gas pipe are separately controlled, the semiconductor thin film It is possible to adjust the resistivity distribution with high precision, and even when a semiconductor thin film is formed on the main surface of a large-diameter semiconductor single crystal substrate, the resistivity distribution in the diameter direction of the semiconductor thin film can be further improved. It can be uniform.

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Description

明 細 書 半導体ゥェーハ及び気相成長装置 技術分野
本発明は半導体ゥユーハ及び気相成長装置に係り、 特に大口径の珪素単結晶基板 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ゥエーハ 及びその製造に用いられる気相成長装置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ゥェ一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、 半導体ゥュ一ハの大口径化も要求されている。 そして、 この 半導体ゥエ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 1 0内の中央底部に、 珪素単結晶 基板 1 2を水平に載置するサセプタ 1 4が設置され、 回転軸 1 6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 1 0の長手方向の一端にはガス導入口 1 8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 1 8から反応容器 1 ひ 内に導入され、 排気口 2 0から外部に排出されるガスの流れは、 おおむね反応容器 1 0の長手方向に沿ってサセプタ 1 4上に載置された珪素単結晶基板 1 2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 1 0のガス導入口 1 8は、 反応容器 1 0の幅方向に配設され た 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 "'、 1 8 f から構成されている。 これら 6つの導 入口 1 8 a、 1 8 b、 '.'、 1 8 f のうち、 内側の 2つの導入口 （以下、 単に 「内側 導入口」 とレ、う） 1 8 a、 1 8 b、 外側の 2つの導入口 （以下、 単に 「外側導入口」 とレ、う） 1 8 e、 1 8 f 、 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） 1 8 c、 1 8 dは、 それぞれ反応容器 1 0の長手方向に仮想さ れサセプタ 1 4上の珪素単結晶基板 1 2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 1 0の幅方向に仮想されサセプタ 1 4上の珪素単結 晶基板 1 2の主面の中心を通る中心軸上において、 内側導入口 1 8 a、 1 8 bは珪 素単結晶基板 1 2の主面の中心部近傍を向いており、 外側導入口 1 8 e、 1 8 f は 珪素単結晶基板 1 2の主面の外縁部近傍を向いており、 中間導入口 1 8 c、 1 8 d は珪素単結晶基板 1 2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 1 8 a、 1 8 b、 ''.、 1 8 f は共通のガス配管 2 2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 MF C (Mass Flow Controller； マスフローコントローラ） 2 4、 2 6、 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） 、 及びド一パントガスのガス 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 1 0の外側には、 サセプタ 1 4上に載置された珪素単結晶基板 1 2を加熱する加熱源として例えば赤外線輻射ランプ 3 0が配置され、 この赤外線輻 射ランプ 3 0に通電することにより、 珪素単結晶基板 1 2の主面を所定の温度にま で上昇させるようになつている。 更に、 この赤外線輻射ランプ 3 0と反応容器 1 0 の外壁とを冷却するための冷却手段 （図示せず） が設置され、 所謂コールドウォー ノレ （Cold Wal l) 式の気相成長装置となっている。 このコールドウォール式の気相成 長装置においては、反応容器 1 0の外壁面が冷媒によって強制的に冷却されるため、 反応容器 1 0の内壁面に珪素を主成分とする付着物が堆積することを防止すること ができる。
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 1 2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 1 0内のサセプタ 1 4上に珪素単結晶基板 1 2を水平に載置する。 続いて、 H2ガスのガスソースから M F C 2 4、 共通のガス配管 2 2、 及び 6つの導 入口 1 8 a、 1 8 b、 、 1 8 f を介して反応容器 1 0内に H2ガスを供給して、 反 応容器 1 0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 1 6を介 して、 珪素単結晶基板 1 2を水平に載置した状態のままサセプタ 1 4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 3 0に より、 サセプタ 1 4上の珪素単結晶基板 1 2を力 0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 M F C 2 6、 2 8、 共通のガス配管 2 2、 及び 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 · ··、 1 8 f を介して、 反応容器 1 0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 M F C 2 4、 2 6、 2 8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 1 0の幅方向に配設された 6つの 導入口 1 8 a、 1 8 b , ·· · , 1 8 f 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 1 0内 に導入される。
この反応容器 1 0内に導入されたプロセスガスは、 回転軸 1 6を中心に回転する サセプタ 1 4上に水平に載置されている珪素単結晶基板 1 2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 1 2の主面上に珪素単結晶薄膜 3 2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 1 2の主面上に珪素単結晶薄膜 3 2を形成する際に、 珪素 単結晶基板 1 2の直径が 2 0 0 mm以下の場合には、 珪素単結晶基板 1 2の主面上 に形成される珪素単結晶薄膜 3 2の直径方向の抵抗率の分布は略均一であった。 しカゝし、 珪素単結晶基板 1 2のドーパント濃度が 1 0 15 a t o m s / c m3程度と 比較的低く、 珪素単結晶基板 1 2の直径が 2 0 0 mmよりも大きな場合、 例えば直 径 3 0 0 mmの大口径の場合、 珪素単結晶薄膜 3 2の周辺部にスリップ転位が発生 し易いという問題があることが判明した。 そして、 このスリップ転位が発生してい る領域に集積回路を形成すると、 電流のリークが発生するという問題が生じる。 このスリップ転位が発生する原因として、 次のことが考えられる。 即ち、 コール ドウオール式の気相成長装置においては、 珪素単結晶基板 1 2を均一な加熱出力で 加熱した場合、 反応容器 1 0の外壁面が冷媒によって強制的に冷却されていること から、 その影響を受けて、 珪素単結晶基板 1 2の周辺部における温度が中心部の温 度よりも低くなる傾向になる。 そして、 この傾向が、 直径 3 0 O mmの大口径の場 合には顕著に表れ、 珪素単結晶基板 1 2の周辺部と中心部との温度差がスリップ転 位を発生させる程に大きくなると考えられる。
そこで、 珪素単結晶薄膜 3 2の周辺部におけるスリップ転位の発生を防止するた め、 珪素単結晶基板 1 2の周辺部を加熱する出力を中心部よりも高く して、 周辺部 と中心部との温度差を小さくしょうとすると、 今度は、 珪素単結晶薄膜 3 2の周辺 部の抵抗率が中心部の抵抗率からずれた値となり、 珪素単結晶薄膜 3 2の直径方向 の抵抗率分布が不均一になるという問題が生じる。
この珪素単結晶薄膜 3 2の直径方向の抵抗率分布の不均一を改善するためには、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に供給されるドーパントガスの流量を反応容器 1 0の 幅方向に変化させて調整すればょレ、。
しかし、 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において、 反応容器 1 0の幅方向に配設された複数の導入口 1 8 a 、 1 8 b 、 '、 1 8 f から は同一濃度のドーパントガスしか反応容器 1 0内に供給されず、 反応容器 1 0の Φ; 方向にドーパントガスの濃度を変化させることができないため、 珪素単結晶薄膜 3 2の直径方向の抵抗率分布の不均一を解消するような調整を行うことができない。 このため、 各導入口 1 8 a 、 1 8 b 、 " '、 1 8 f の上流部に、 各別にド一パント ガス流量調整バルブを設けて、 ドーパントガス流量を各導入口 1 8 a 、 1 8 b、 - ·'、 1 8 f 毎に個別に調整することも試みてみた。 しかし、 この方法によると、 全ての 導入口 1 8 a 、 1 8 b 、 " '、 1 8 f についてドーパントガス流量を調整する必要が あるため、 実際の調整は非常に繁雑なものとなり、 実用的ではないという問題があ つた。 発明の開示
本発明は、 上記問題点に鑑みてなされたものであり、 ドーパント濃度が比較的低 い直径 3 0 O mm以上の大口径の半導体単結晶基板の主面上に、 抵抗率の均一でス リップ転位が実質的に発生していない半導体薄膜を有する半導体ゥエーハを提供す ると共に、 直径 3 0 O mm以上の大口径の半導体単結晶基板の主面上に、 スリップ 転位を実質的に発生させることなく抵抗率の均一な半導体薄膜を形成することがで きる気相成長装置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ゥユーハ及ぴ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ゥェ一ハは、 直径が 30 Omm以上 400 mm以下で、 ドーパント濃度が 4 X 1013 a t omsZcm3以上 3 X 1018 a t o m s Z c m3以下 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 ± 3%以下の半導体薄膜 が形成されていることを特徴とする。
このように本発明に係る半導体ゥエーハにおいては、 直径が 300mm以上 40 0 mm以下の大口径の半導体単結晶基板であり、 かつドーパント濃度が 4 X 1013 a t om s /c m3以上 3 X 1 018a t om sZc m3以下の低濃度の半導体単結晶基 板であっても、 スリップ転位を実質的に発生させることなく、 その主面上に直径方 向の抵抗率分布が ± 3%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 導体ゥュ一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ゥユーハにおいて、 半導体単結晶基板の導電型が p型であり、 抵抗率が 0. 03 Ω · cm以上 300 Ω · c m以下であることが好適 である。 また、 この範囲においても、 実際に半導体ゥユーハを用いて半導体装置を 作製する場合と考えると、 特に抵抗率が、 1 Ω · c m以上 20 Ω ♦ c m以下である ことが望ましい。 そして、 その際に、 半導体単結晶基板に添加されているドーパン 卜としてボロンを使用することが.、 その使用の際の取り扱いや制御の容易さ等の実 用的な観点から好ましい。
更に、 上記本発明に係る半導体ゥユーハにおいて、 半導体単結晶基板の直径が 3 00mmであることが好適である。 現在の段階では、 直径が 300 mm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、 実際には、 直径 300 mmの大口径の場合に、 ドーパント濃度が 4 X 1 013 a t o m s / c m3 以上 3 X 1 018 a t om s /c m3以下の低濃度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土 3 %以下に均一化するという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、 現在の半導体ゥエー八の主流をなす珪素単結晶ゥ エ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、 本発明に係る気相成長装置は、 反応容器と、 この反応容器の幅方向に配設 された複数のガス導入口とを有し、 反応容器内において回転する半導体単結晶基板 の主面に对して複数のガス導入口から略平行かつ一方向に半導体原料ガスを供給し、 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気相成長装置であって、 複数のガス導入口の全てのガス導入口にドーパントガスを供給する主ドーパントガ ス配管と、 複数のガス導入口のうちの特定のガス導入口にドーパントガスを供給す る副ド一パントガス配管とを有する。
このように本発明に係る気相成長装置においては、 複数のガス導入口の全てのガ ス導入口にドーパントガスを供給する主ドーパントガス配管と特定のガス導入口に ドーパントガスを供給する副ドーパントガス配管とが併設されていることにより、 主ドーパントガス配管を介して全てのガス導入口から反応容器内の半導体単結晶基 板の主面にドーパントガスを供給して、 半導体単結晶基板の主面上に気相成長させ る半導体薄膜の全体的な抵抗率を所定の目標値近傍に実現すると共に、 副ドーパン トガス配管を介して特定のガス導入口から反応容器内の半導体単結晶基板の主面に ドーパントガスを追加供給して、 半導体薄膜の抵抗率分布を調整することが可能に なるため、 大口径の半導体単結晶基板の主面上に半導体薄膜を形成する場合であつ ても、 その半導体薄膜の抵抗率の均一化が達成される。
例えば、 直径が 3 0 Omm以上 40 Omm以下の大口径でかつドーパント濃度が 4 X l 013a t oms/c m3以上 3 X 1 018a t omsZc m3以下の低濃度の半導体 単結晶基板の主面上に形成する半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布を土 3 %以下に することが可能になる。
また、 主ドーパントガス配管及び副ド一パントガス配管を介するドーパントガス の供給条件を、 半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布が例えば ± 3 %以下に均一化ざ れるように調節した後は、 半導体薄膜の目標とする抵抗率が変更されて高く したり 低くしたりする必要が生じた場合であっても、 主ド一パントガス配管及び副主ド一 パントガス配管を介してそれぞれ供給されるドーパントガスの比率を保持したまま、 ドーパントガスを希釈する水素ガスの供給量を制御することにより、 抵抗率分布の 均一性を保持しつつ目標とする抵抗率の変更が実現される。 このため、 半導体薄膜 の目標とする抵抗率の変更に容易にかつ迅速に対応することが可能になり、 生産性 の向上が達成される。
また、 好ましくは、 本発明に係る気相成長装置において、 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、 及びこれらの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、 副ドーパントガス配管がドーパントガスを供給 する特定のガス導入口が、 これら内側導入口、 外側導入口、 及び中間導入口のうち の 1又は 2種類の導入口である。
このように本発明に係る気相成長装置においては、 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、 副ドーパントガス配 管がドーパントガスを供給する特定のガス導入口が、 これら 3種類の内側導入口、 外側導入口、 及び中間導入口のうちの 1又は 2種類の導入口であることにより、 副 ド一パントガス配管を介して、 ドーパントガスが内側導入口のみに供給されたり、 外側導入口のみに供給されたり、 中間導入口のみに供給されたり、 或いはまた、 内 側導入口及び中間導入口に供給されたり、 中間導入口及び外側導入口に供給された りすることが可能になる。
即ち、 主ド一パントガス配管を介してガス導入口、 即ち内側導入口、 外側導入口、 及び中間導入口の 3種類のガス導入口に供給されたドーパントガスを、 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供給する一方において、 半導体単結 晶基板の主面上に気相成長する半導体薄膜の抵抗率が局所的に高くなる領域に対応 する特定のガス導入口、 即ち内側導入口、 外側導入口、 及び中間導入口のうちの選 択された 1又は 2種類の導入口に副ドーパントガス配管を介してドーパントガスを 追加供給することが可能になる。
こうして、 主ドーパントガス配管を介して 3種類全てのガス導入口から半導体単 結晶基板の主面に全体的に供給されるドーパントガスと、 副ドーパントガス配管を 介して 3種類のうちの 1又は 2種類の特定のガス導入口から反応容器内の半導体単 結晶基板の主面に局所的に供給されるドーパントガスとが合わさって、 半導体単結 晶基板の主面上に形成される半導体薄膜の抵抗率が均一化される。
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る場合について述べている 、 半導体単結晶基板の大口径化の進展によっては、 3種類以上のガス導入ロを設 けることも可能である。 その場合、 副ドーパントガス配管がド一パントガスを供給 する特定のガス導入口としては、 これら 3種類以上のガス導入口から任意の 1種類 のガス導入口を選択したり、 2種類以上のガス導入口を任意に組み合わせたりすれ ばよレヽ。
また、 さらに好ましくは本発明に係る気相成長装置において、 主ド一パントガス 配管及び副ドーパントガス配管のそれぞれに、 ド一パントガスの供給を制御するド 一パントガス制御装置が設置される。
このように本発明に係る気相成長装置においては、 主ドーパントガス配管及び副 ドーパントガス配管のそれぞれにド一パントガス制御装置が設置されていることに より、 主ドーパントガス配管を介して複数のガス導入口の全てのガス導入口から半 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と副ドーパントガス配管を 介して特定のガス導入口から半導体単結晶基板の主面に局所的に追加供給されるド 一パントガスとがそれぞれ別個に制御されるため、 半導体薄膜の抵抗率分布を高精 度に調整することが可能になり、 大口径の半導体単結晶基板の主面上に半導体薄膜 を形成する場合であっても、 その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。
なお、 ここで、 副ドーパントガス配管が 2種類のドーパントガス配管からなる場 合には、 それら 2種類のドーパントガス配管のそれぞれにドーパントガス制御装置 が設置されていることが望ましい。 このことにより、 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。
また、 本発明に係る気相成長装置は、 上記のいずれかに係る気相成長装置がコー ルドウォール式の気相成長装置であることが好適である。 この場合、 反応容器の外 壁面が冷媒によつて強制的に冷却されるため、 反応容器の内壁面に気相成長の際に 発生する付着物の堆積が防止され、 より良質の半導体薄膜が形成される。 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ゥエ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ゥ ーハを製造する際の温度サ 図 3は、 図 1の気相成長装置を使用して製造した半導体ゥエーハの直径方向の 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ゥ 一ハの直径方向の 抵抗率分布を示すグラフである。
図 5は、 従来の半導体ゥェ一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、 従来の半導体ゥ 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。 発明の実施の形態
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ゥ 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 体ゥユーハの製造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ゥェ一ハの製造方 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 1 0内の中央底部に、 珪素単結晶基板 1 2を水平に載置する サセプタ 1 4が設置され、 回転軸 1 6を介して回転装置 （図示せず） に接続されて レ、る。
また、 この反応容器 1 0の長手方向の一端にはガス導入口 1 8が設けられ、 その 他端部には排気口 2 0が設けられる。 このため、 ガス導入口 1 8から反応容器 1 0 内に導入され、 排気口 2 0から外部に排出されるガスの流れは、 おおむね反応容器 1 0の長手方向に沿ってサセプタ 1 4上に載置された珪素単結晶基板 1 2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 1 0のガス導入口 1 8は、 反応容器 1 0の幅方向に配設され た 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 · · ·、 1 8 f から構成されている。 そして、 これら 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 ···、 1 8 f のうち、 内側導入口 1 8 a、 1 8 b、 外 側導入口 1 8 e、 1 8 f 、 及び中間導入口 1 8 c、 1 8 dは、 それぞれ反応容器 1 0の長手方向に仮想されサセプタ 1 4上の珪素単結晶基板 1 2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 1 0の幅方向に仮想されサセプタ 1 4上の珪素単結 晶基板 1 2の主面の中心を通る中心軸上において、 内側導入口 1 8 a、 1 8 bは珪 素単結晶基板 1 2の主面の中心部近傍を向いており、 外側導入口 1 8 e、 1 8 f は 珪素単結晶基板 1 2の主面の外縁部近傍を向いており、 中間導入口 1 8 c、 1 8 d は珪素単結晶基板 1 2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 1 8 a、 1 8 !)、 ■··、 1 8 f は、 全て共通のガス配管 22 aに接続されている。 そして、 この共通のガス配管 2 2 aは 3つに分岐し、 そ れぞれガス流量制御器としての MF C 24、 26、 2 8 aを介して、 キャリアガス としての 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） にそれぞれ接続されている。 このように 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 "'、 1 8 f が共通のガス配管 2 2 a及 び MF C 28 aを介してドーパントガスのガスソースに接続されている構成により、 共通のガス配管 22 aは 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 "'、 1 8 f の全てにドーパ ントガスを供給する主ドーパントガス配管として機能する。
また、 内側導入口 1 8 a、 1 8 bは、 共に第 1の副ドーパントガス配管 2 2 bに 接続されている。 そして、 この第 1の副ドーパントガス配管 2 2 bは、 ドーパント ガス流量制御器としての MFC 2 8 bを介して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 1 8 c、 1 8 dは、 共に第 2の副ドーパントガス配管 2 2 cに接続されている。 そして、 この第 2の副ドーパントガス配管 2 2 cは、 ド 一パントガス流量制御器としての MF C 28 cを介してド一パントガスのガスソー ス （図示せず） に接続されている。
なお、 ここで、 半導体原料ガスとして、 例えば S i C l 4 (テトラクロロシラン） ガス、 S i H2C 12 (ジクロロシラン） ガス、 S i HC 1 :! (トリクロロシラン） ガ ス、 又は S i H, (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 (フォスフィン） ガスなどが用い られる。
また、 反応容器 1 0の外側には、 サセプタ 1 4上に水平に載置された珪素単結晶 基板 1 2を加熱して珪素単結晶基板 1 2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 3 0が配置されている。 更に、 この赤外線輻射ラ ンプ 3 0と反応容器 1 0の外壁を冷却するための冷却手段 （図示せず） が設置され、 コールドウオール式の気相成長装置となっている。
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、 ドー パント濃度が比較的低く、 直径が 3 0 Omm以上の大口径の珪素単結晶基板 1 2の 主面上に、 抵抗率が均一でスリップ転位が実質的にない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 1 0内のサセブタ 1 4上に、 直径が 3 0 Omm以上 4 0 0 mm以 下の大口径をもち、 かつド一パント濃度が 4 X 1 0 i:s a t 0111 5 （：1113以上3 1 018 a t o m sノ c m:i以下の低濃度の珪素単結晶基板 1 2を水平に載置する。 なお、 ここで、 ドーパント濃度が 4 X 1 0 I3a t om s Zc m3より低濃度であつ ても特に問題はないが、 実際には殆ど使用されないため、 実用的ではない。 他方、 ドーパント濃度が 3 X 1 018a t o m s Zc m3より高濃度になると、 ォート ド一プ 現象の影響により、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に形成する珪素単結晶薄膜の周辺 部における抵抗率の低下を無視することができなくなり、 その直径方向の抵抗率分 布を ± 3%以下にすることが困難になる。
また、 珪素単結晶基板 1 2の導電型が p型の場合には、 ドーパント濃度が 4 X 101 a t o m s / c π！3〜 3 X 1018a t omsZc m3の範囲は、 抵抗率に換算する と、 0. 03 Ω · c m〜 300 Ω · c mの範囲に略相当する。
続いて、 H2ガスのガスソースから MF C 24、 共通のガス配管 22 a、 及び 6つ の導入口 18 a、 1 8 b、 "'、 1 8 f を介して反応容器 1 0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 1 2を水平に載置した状態のままサセプタ 1 4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 1 2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。
ここで、 次の気相成長工程においてスリップ転位が発生することを防止するため に、 赤外線輻射ランプ 30からの加熱出力分布を予め調整しておく。 即ち、 コール ドウオール式の気相成長装置においては、 反応容器 10の外壁面が冷媒によって強 制的に冷却されていることから、 その影響を受けて、 壁面に近い珪素単結晶基板 1 2の周辺部の熱が奪われ易くなつている。 このため、 珪素単結晶基板 1 2の周辺部 をその中心部よりも強く加熱して、 周辺部と中心部との温度差が大きくなることを 抑制し、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に形成する珪素単結晶薄膜にスリップ転位が 発生しないような温度分布に予め調整しておく。
但し、 この場合、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に気相成長させる珪素単結晶薄膜 の導電型が p型の場合には、 その珪素単結晶薄膜の周辺部の抵抗率が中心部よりも 低くなり、 逆に、 n型の場合には、 その珪素単結晶薄膜の周辺部の抵抗率が中心部 よりも高くなる傾向が表れることに留意する必要がある。
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、 MFC 26、 共通のガス配管 22 a、 及び 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 . 、 1 8 ίを介して、 反応容器 1 0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 MF C 28 a、 28 b、 28 c、 共通のガス配管 22 a、 第 1の副ドーパントガス配管 22 b、 及び第 2の副ドーパ ントガス配管 22 c、 並びに 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 ···、 1 8 f 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、 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 -'-、 1 8 f からは、 主ド一パントガス 配管として機能する共通のガス配管 22 aを介して供給されたドーパントガスを反 応容器 1 0内に供給する。 また、 内側導入口 1 8 a、 1 8 bからは、 第 1の副ド一 パントガス配管 22 bを介して供給されたドーパントガスを反応容器 10内に追加 供給する。 更に、 中間導入口 1 8 c、 18 dからは、 第 2の副ドーパントガス配管 22 cを介して供給されたドーパントガスを反応容器 10内に追加供給する。
このようにして、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に気相成長させる珪素単結晶薄膜 の抵抗率の基本的な基準値は、 主ドーパントガス配管として機能する共通のガス配 管 22 aを介して 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 '"、 1 8 f から供給されるド一パ ントガス濃度の調整により主に略実現する。 そして、 第 1の副ドーパントガス配管 22 b及び第 2の副ドーパントガス配管 22 cを介して特定のガス導入口としての 内側導入口 1 8 a、 1 8 b及び中間導入口 1 8 c、 1 8 dから追加供給されるドー パントガス濃度のそれぞれの調整により、 珪素単結晶薄膜の抵抗率分布の均一化を 略達成する。
また、 このとき、 キャリアガスとしての H2ガス及び半導体原料ガスの流量はそれ ぞれ MF C 24及び MF C 26により個別にかつ精密に制御される。 また、 主ドー パントガス配管として機能する共通のガス配管 22 aを介して供給されるドーパン トガスの流量は MFC 28 aにより精密に制御され、 同様に、 第 1の副ドーパント ガス配管 22 b及び第 2の副ドーパントガス配管 22 cを介して追加供給されるド 一パントガスの流量はそれぞれ MF C 28 b及び MF C 28 cにより個別にかつ精 密に制御される。 そして、 MFC 2 8 a、 2 8 b、 2 8 cによりそれぞれ流量を精密に制御された ド一パントガスは、 その後混合されて、 反応容器 1 0の幅方向に配設された 6つの 導入口 1 8 a、 1 8 b、 "'、 1 8 f から殆ど幅方向に拡散することなく反応容器 1 0内に導入される。
図 1に示される気相成長装置において、 反応容器 1 0内に導入されたプロセスガ スは、 回転軸 1 6を中心に回転するサセプタ 1 4上に載置されている珪素単結晶基 板 1 2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 1 8 a、 1 8 b及び中間導入口 1 8 c、 1 8 dからは、 第 1の副ドーパントガス配管 2 2 b及び第 2の副ドーパントガス配管 2 2 cを介して 追加供給された分だけ、 外側導入口 1 8 e、 1 8 f から供給するドーパントガスよ りも高濃度のドーパントガスを供給する。 そして、 その際に化学反応を生じて、 珪 素単結晶基板 1 2の主面上に珪素単結晶薄膜 32を気相成長させる。 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ゥエーハを製造する際 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 た半導体ゥエ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 1 0内のサセプタ 1 4上に載置する珪素単結晶基板 1 2としては、 直径 300mm± 0. 2 mm、 B (ボロン） がオートド一プ現象の影響を考慮する必要 のない程度の比較的低濃度に添加されている抵抗率 1 Ω · 0 111以上2 00 ' c m以 下 （ドーパント濃度に換算すると、 6 X 1 0"a t omsZcm3以上 2 X 1 016 a t omsZcm3以下） の p型珪素単結晶基板 12を用いる。
そして、 この珪素単結晶基板 1 2を反応容器 10内のサセプタ 14上に水平に载 置した後、 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 "'、 18 f から H2ガスを反応容器 10内 に供給して、 反応容器 1 0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 1 2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 1 2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 1 1 30°Cになるまで昇温する （昇温工程） 。 そして、 そのままこの 1 1 30°Cに一定時間保持して、 珪素単結晶基板 1 2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） 。
なお、 このとき、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に形成する珪素単結晶薄膜にスリ ップ転位が発生しないような加熱分布の条件を予め求めておき、 その条件に従って 熱処理を行う。 ちなみに、 本実施例においては、 珪素単結晶基板 1 2の周辺部近傍 に約 60%の加熱出力を付与し、 中心部近傍に約 40%の加熱出力を付与する。 続いて、 珪素単結晶基板 1 2の主面における温度を 1 1 30°Cから 1 1 00°Cに まで降温した後、 6つの導入口 1 8 a、 1 8 b、 "'、 1 8 f からキャリアガスとし ての H2ガス、 半導体原料ガス、 及びド一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ガスを、 MFC 24により精密に制御し、 7 0リツトル/分の流量で全ての導入口 1 8 a、 1 8 b、 ···、 1 8 f から均等に反応 容器 1 0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 S i HC 13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 MF C 26により精密に制御し、 22リツトル Z分の流量で 全ての導入口 1 8 a、 1 8 b、 '、 18 f から均等に反応容器 10内に供給する。 更に、 共通のドーパントガスソースとしては例えば水素で希釈された B2H6ガスを 用い、 主ドーパントガス配管として機能する共通のガス配管 2 2 aを介して 6つの 導入口 1 8 a、 1 8 b、 "'、 1 8 f の全てから、 90 c m3 /分の流量で反応容器 1 0内に供給する。 同時に、 第 1の副ドーパントガス配管 2 2 bを介して内側導入口 1 8 a、 1 8 bから、 4 c m3Z分の流量で反応容器 1 0内に供給すると共に、 第 2 の副ドーパントガス配管 22 cを介して中間導入口 1 8 c、 1 8 dから、 40 cm3 Z分の流量で反応容器 1 0内に供給する。
これら主ドーパントガス配管として機能する共通のガス配管 2 2 a、 並びに第 1 の副ドーパントガス配管 2 2 b及び第 2の副ドーパントガス配管 2 2 cを介して供 給されるドーパントガスは、 それぞれ MF C 2 8 a、 28 b, 2 8 cにより個別に かつ精密に制御されてレヽる。
こうして反応容器 1 0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 1 2の主面上に、 抵抗率 1 3 Ω · cm、 抵抗率分布 ± 3%以下を目 標値として、 p型の珪素単結晶薄膜 3 2を 4 μ ιη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 1 0内を Η2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 3 0の通電を切つ て、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に珪素単結晶薄膜 3 2が形成された半導体ゥユー ハを 6 50°Cになるまで冷却する （冷却工程） 。 その後、 この半導体ゥェ一ハを反 応容器 1 0内から取り出す。
次に、 このようにして珪素単結晶基板 1 2の主面上に形成した珪素単結晶薄膜 3 2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 S o l u t i o n s社の S C P (Surface Charge Profiler) 装置を 使用した。 この S CP装置は、 その測定原理として、以下に説明する S PV (Surface Photo Voltage) 法を用いている。
即ち、 先ず、 サンプルゥェ一ハを約 3 0 0 °C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、 サンプルゥュ一ハ表面に G a N (窒化ガリウム） L E D (Light Emitting Diode) による波長 4 5 0 n mの光を 約 4 O H zで照射する。
この光の進入深さ約 0 . 4 μ mにおいて光により励起された少数キヤリァがサン プルゥエーハ表面で電位変化を起こすため、 この電位変化を S P V信号として検出 する。 そして、 この S P V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、 サンプルゥエーハ表面から約 1 μ πι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 S C Ρ装置を使用して、 珪素単結晶基板 1 2の主面上に形成した珪 素単結晶薄膜 3 2の抵抗率をその直径方向に 1 O mm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ゥ ニ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 B 2H6ガスを用レ、、 全ての導入口 1 8 a 、 1 8 b、 · '·、 1 8 f のそれぞれから 1 6 0 c m3Z分の流量で 均等に反応容器 1 0内に供給し、 温度 1 1 3 0 °C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 1 2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 3 2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 1 2の主面上に 形成した珪素単結晶薄膜 3 2の抵抗率をその直径方向に 1 Omm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 3 2の外縁部 近傍において、 上記実施例では抵抗率の低下が見られないのに対し、 比較例では抵 抗率が低下し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 3 2の外縁部近傍が中心部近傍よりも強 く加熱されたことにより、 p型ドーパントとして供給されるポロンの珪素単結晶薄 膜 3 2中への取り込み率が高くなり、 抵抗率が低下するのに対して、 上記実施例に おいては、 外縁部近傍における抵抗率の低下に相当するだけのドーパントを第 1の 副ドーパン卜ガス配管 2 2 b及び第 2の副ドーパントガス配管 2 2 cを介して中心 部近傍に追加供給しているため、 珪素単結晶薄膜 3 2の外縁部近傍における抵抗率 の低下が観察されなかったのである。
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 3 2の全測 定点の平均抵抗率は 1 2. 9 7 Q ' c mであり、 目標値とした抵抗率 1 3 Ω · c m 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 3 2の抵抗率分布を、 次式
(最大抵抗率一最小抵抗率） Z (最大抵抗率 +最小抵抗率） （1) を用いて計算すると、 珪素単結晶薄膜 3 2の最大抵抗率が 1 3. 3 8 Ω · cm、 最 小抵抗率が 1 2. 6 8 Ω · c mとなることから、 その抵抗率分布は ± 2. 6 9%と なり、 目標値とした抵抗率分布 ± 3%以下を満足するものであった。
ちなみに、 珪素単結晶薄膜 32の抵抗率分布を、 上記式 （1) の代わりに、 次式 (最大抵抗率一最小抵抗率） Z全測定点の平均抵抗率 （2) を用いて計算すると、 5. 4%となる。
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 1 1. 62Ω · cmである。 また、 この珪素単 結晶薄膜 32の最大抵抗率が 1 2. 02 Ω · cm, 最小抵抗率が 1 0. 77 Ω · c mとなることから、 その抵抗率分布は ±5. 48%となり、 ± 3%を超えるものと なった。 なお、 上記式 （2) を用いて計算した場合には、 その抵抗率分布は 10. 8%となる。
以上のように上記実施例と比較例との比較から、 直径300111111± 0. 2 mmと いう大口径の半珪素単結晶基板 1 2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 1 0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ゥエーハの製造方法を適用す れば、 直径 300 mmの低濃度ドープの珪素単結晶基板 1 2の主面上に珪素単結晶 薄膜 32を気相成長させる場合、 その珪素単結晶薄膜 32の抵抗率分布を ± 3%以 下 （式 （1) による場合） 或いは 6%以下 （式 （2) による場合） に抑制すること は容易に可能である。
そして、 珪素単結晶基板 1 2の直径が 30 Omm以上 40 Omm以下の場合であ つても、 同様に、 その珪素単結晶基板 1 2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 ± 3%以下 （式 （1) による場合） 或いは 6%以下 （式 （2) による場合） に抑制することが可能である。 更にいえば、 直径が 4 0 O mmを超え る珪素単結晶基板 1 2の場合にも、 この大きさの珪素単結晶基板 1 2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 1 2主面上に気相成長させる珪素単結晶薄膜 3 2の直径方向の抵抗率分布の均 —性を改善することは可能である。
また、 上記実施例においては、 珪素単結晶基板 1 2主面上に p型の珪素単結晶薄 膜 3 2を気相成長させる場合について述べているため、 珪素単結晶薄膜 3 2の抵抗 率が中央部近傍で相対的に高くなる傾向があり、 そのため、 第 1の副ドーパントガ ス配管 2 2 b及び第 2の副ドーパントガス配管 2 2 cを介して内側導入口 1 8 a、 1 8 b及び中間導入口 1 8 c、 1 8 dから反応容器 1 0内にドーパントガスが追加 供給されるような構成にしている。
しかし、 n型の珪素単結晶薄膜 3 2を気相成長させる場合には、 珪素単結晶薄膜 3 2の抵抗率が周辺部近傍で相対的に高くなる傾向があるため、 副ドーパントガス 配管を介して外側導入口 1 8 e、 1 8 f 又は外側導入口 1 8 e、 1 8 f 及び中間導 入口 1 8 c、 1 8 dから反応容器 1 0内にドーパントガスが追加供給されるような 構成にすることが好ましい。
更に、 気相成長条件によっては、 珪素単結晶薄膜 3 2の抵抗率が局所的に高くな る場合もあるため、 その場合には、 その領域に対応する特定のガス導入口、 即ち内 側導入口、 外側導入口、 及び中間導入口のうちの選択された 1又は 2種類の導入口 に副ドーパントガス配管を介してドーパントガスを追加供給する構成にすることが 好ましい。
また、 上記実施例においては、 第 1の副ドーパントガス配管 2 2 b及び第 2の副 ドーパントガス配管 2 2 cを介して内側導入口 1 8 a、 1 8 b及び中間導入口 1 8 c、 1 8 dから反応容器 1 0内にドーパントガスが追加供給しているが、 ドーパン トガスの代わりに、 H.,ガスを供給することも可能である。 この場合、 主ドーパントガス配管として機能する共通のガス配管 2 2 aを介して 導入口 1 8 a 、 1 8 b 、 "'、 1 8 f の全てから供給されているドーパントガスを局 所的に希釈することが可能になる。 従って、 珪素単結晶薄膜 3 2の抵抗率が局所的 に低くなる領域に対応する特定のガス導入口に副ド一パントガス配管を介して 112ガ スを追加供給することにより、 上記実施例の場合と同様に、 珪素単結晶薄膜 3 2の 抵抗率分布を均一化することができる。 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ゥエーハ及び気相成長装置によ 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ゥヱーハによれば、 直径が 3 0 O mm以上 4 0 O mm 以下の大口径の半導体単結晶基板であり、 かつドーパント濃度が 4 X 1 0 13 a t o m s Z c m3以上 3 X 1 0 18 a t o m s Z c m3以下の低濃度の半導体単結晶基板であつ ても、 スリップ転位を実質的に発生させることなく、 その主面上に直径方向の抵抗 率分布が ± 3 %以下の半導体薄膜が形成されていることにより、 最近の半導体ゥェ —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、 本発明に係る気相成長装置によれば、 複数のガス導入口の全てのガス導入 口にドーパントガスを供給する主ドーパントガス配管と特定のガス導入口にドーパ ントガスを供給する副ドーパントガス配管とが併設されていることにより、 主ド一 パントガス配管を介して全てのガス導入口から反応容器内の半導体単結晶基板の主 面にドーパン トガスを供給して、 半導体単結晶基板の主面上に気相成長させる半導 体薄膜の全体的な抵抗率を所定の目標値近傍に実現することができると共に、 副ド ーパントガス配管を介して特定のガス導入口から反応容器内の半導体単結晶基板の 主面にドーパントガスを追加供給して、 半導体薄膜の抵抗率分布を調整することが できるため、 大口径の半導体単結晶基板の主面上に半導体薄膜を形成する場合であ つても、 その半導体薄膜の抵抗率の均一化を達成することができる。
例えば、 直径が 3 0 Omm以上 400 mm以下の大口径でかつドーパント濃度が 4 X 1 0Kia t omsZc m3以上 3 X 1 018a t om sZc m3以下の低濃度の半導体 単結晶基板の主面上に形成する半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布を ± 3%以下に することが可能になる。
また、 主ドーパントガス配管及び副ドーパントガス配管を介するド一パントガス の供給条件を、 半導体薄膜の直径方向の抵抗率分布が例えば ± 3%以下に均一化さ れるように調節した後は、 半導体薄膜の目標とする抵抗率を変更する必要が生じた 場合であっても、 主ドーパントガス配管及び副ドーパントガス配管を介してそれぞ れ供給されるドーパントガスの比率を保持したまま、 ドーパントガスを希釈する水 素ガスの供給量を制御することにより、 抵抗率分布の均一性を保持しつつ目標とす る抵抗率の変更を実現することができるため、 半導体薄膜の目標とする抵抗率の変 更に容易にかつ迅速に対応することが可能になり、 生産性の向上を達成することが できる。
また、 さらに好適な本発明に係る気相成長装置によれば、 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種類のガス導入口からなり、 副ドーパント ガス配管がドーパントガスを供給する特定のガス導入口が、 これら 3種類のうちの 1又は 2種類の導入口であることにより、 半導体単結晶基板の主面上に気相成長す る半導体薄膜の抵抗率が局所的に高くなる領域に対応する特定のガス導入口、 即ち 内側導入口、 外側導入口、 及び中間導入口のうちの選択された 1又は 2種類の導入 口に畐 IJドーパントガス配管を介してドーパントガスを追加供給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形成される半導体薄膜の抵抗率を均一化する ことができる。
また、 さらに好適な本発明に係る気相成長装置によれば、 主ドーパントガス配管 及び副ドーパントガス配管のそれぞれにドーパントガスの供給を制御するドーパン トガス制御装置が設置されていることにより、 主ド一パントガス配管を介して全て のガス導入口から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と副ド 一パントガス配管を介して特定のガス導入口から半導体単結晶基板の主面に局所的 に追加供給される ドーパントガスとがそれぞれ別個に制御されるため、 半導体薄膜 の抵抗率分布を高精度に調整することが可能になり、 大口径の半導体単結晶基板の 主面上に半導体薄膜を形成する場合であっても、 その半導体薄膜の直径方向の抵抗 率分布をより均一なものとすることができる。

Claims

請求の範囲
1. 直径が 30 Omm以上 40 Omm以下で、 ドーパント濃度が 4 X 1 013 a t o m sノ c m:i以上 3 X 1 018a t om sZc m3以下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土 3 %以下の半導体薄膜が形成されている
ことを特徴とする半導体ゥェーハ。
2. 請求の範囲第 1項記載の半導体ゥェ一ハにおいて、
前記半導体単結晶基板の導電型が、 p型であり、 抵抗率が、 0. 03 Ω · cm以 上 300 Ω · c m以下である
ことを特徴とする半導体ゥユーハ。
3. 請求の範囲第 2項記載の半導体ゥュ一ハにおいて、
前記半導体単結晶基板の抵抗率が、 1 Ω · cm以上 20Ω · cm以下である ことを特徴とする半導体ゥエーハ。
4. 請求の範囲第 2項又は請求の範囲第 3項に記載の半導体ゥェーハにおいて、 前記半導体単結晶基板に添加されているドーパントとして、 ボロンが使用されて いる
ことを特徴とする半導体ゥェーハ。
5. 請求の範囲第 1項乃至請求の範囲第 4項のいずかに記載の半導体ゥユーハにお 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ゥニーハ。
6. 請求の範囲第 1項乃至請求の範囲第 5項のいずかに記載の半導体ゥエーハにお レ、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ゥェ一ハ。
7 . 反応容器と、 前記反応容器の幅方向に配設された複数のガス導入口とを有し、 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、 前記複数のガ ス導入口から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気相成長装置であって、
前記複数のガス導入口の全てのガス導入口にドーパントガスを供給する主ド一パ ントガス配管と、
前記複数のガス導入口のうちの特定のガス導入口にドーパントガスを供給する副 ドーパントガス配管と、
を有することを特徴とする気相成長装置。
8 . 請求の範囲第 7項記載の気相成長装置において、
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、
前記副ドーパントガス配管がドーパントガスを供給する前記特定のガス導入口が、 前記内側導入口、 前記外側導入口、 及び前記中間導入口のうちの 1又は 2種類の導 入口である
ことを特徴とする気相成長装置。
9 . 請求の範囲第 7項記載の気相成長装置において、
前記主ドーパントガス配管及び前記副ド一パントガス配管のそれぞれに、 ドーパ ントガスの供給を制御するド一パントガス制御装置が設置されている
ことを特徴とする気相成長装置。
1 0 . 請求の範囲第 9項記載の気相成長装置において、
前記副ド一パントガス配管が、 2種類のドーパントガス配管からなり、 前記 2種 類のドーパントガス配管のそれぞれに、 前記ドーパントガス制御装置が設置されて いる
ことを特徴とする気相成長装置。
1 1 . 請求の範囲第 7項乃至請求の範囲第 1 0項のいずれかに記載の気相成長装置 力 コールドウォール式の気相成長装置である
ことを特徴とする気相成長装置。
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