WO2002000971A1 - Procede de fabrication d'une tranche epitaxiale en silicium et tranche epaxiale en silicium ainsi obtenue - Google Patents

Procede de fabrication d'une tranche epitaxiale en silicium et tranche epaxiale en silicium ainsi obtenue Download PDF

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Hitoshi Kabasawa
Yuji Okubo
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10P32/00—Diffusion of dopants within, into or out of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P32/10—Diffusion of dopants within, into or out of semiconductor bodies or layers
    • H10P32/15—Diffusion of dopants within, into or out of semiconductor bodies or layers from the substrate during epitaxy, e.g. autodoping; Preventing or using autodoping
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
    • C30B31/06—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion material in the gaseous state

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a silicon wafer.
  • the silicon single crystal substrate and the silicon single crystal substrate are manufactured. It is important to maintain a constant impurity concentration profile in the transition region where the impurity concentration gradually changes at the interface with the epitaxial layer. In particular, it is important to maintain a constant impurity concentration profile in the transition region in the manufacture of silicon epitaxial wafers for power MOS FETs where the resistivity of the entire epitaxial layer affects the characteristics. .
  • the impurity concentration profile means the distribution of the impurity concentration in the silicon epitaxial wafer in the thickness direction of the wafer.
  • the impurities are once released into the vapor phase from the silicon single crystal substrate, the inner wall of the reactor, or a jig such as a susceptor, and then re-applied to the growing epitaxial layer.
  • the so-called auto-doping phenomenon which is taken in, occurs, and changes the impurity concentration profile of the transition region.
  • the influence of the silicon single crystal substrate becomes large.
  • the amount of auto-doping is expressed by the concentration of impurities taken into the epitaxial layer by the auto-doping phenomenon.
  • concentration of impurities taken into the epitaxial layer by the auto-doping phenomenon.
  • P phosphorus
  • a s arsenic
  • B boron
  • the auto-doping amount is reduced when forming an epitaxial layer on eight surfaces of a semiconductor.
  • the concentration of the dopant gas in the growth gas is increased stepwise and Z or continuously from the start of growth, and the growth is maintained at a constant level after the set concentration is reached.
  • An epitaxy growth method has been proposed.
  • the amount of auto-doping depends not only on the impurity concentration of the silicon single crystal substrate, the amount of etching of the silicon single crystal substrate performed before the epitaxial growth, the vapor growth temperature and the vapor growth rate, but also on the reactor at that time. Since it changes depending on the atmosphere, the impurity concentration profile is eventually affected by changes in the amount of auto-doping, and it has been difficult to maintain a constant impurity concentration profile.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a silicon epitaxial layer that can maintain a constant impurity concentration profile in a transition region of an epitaxial layer. Disclosure of the invention
  • a method of manufacturing a silicon epitaxial wafer according to the present invention comprises a step of growing a silicon epitaxial wafer directly above a silicon single crystal substrate in a reaction furnace by vapor-phase growth.
  • a vapor phase growth step of a stable region for supplying a constant concentration of dopant gas into the reactor is a vapor phase growth step of a stable region for supplying a constant concentration of dopant gas into the reactor.
  • a dopant gas having a concentration that can obtain an impurity concentration higher than the autodoping amount is supplied into the reaction furnace.
  • a dopant gas having a concentration that can obtain an impurity concentration higher than the auto-doping amount is used in the transition region. It is intentionally supplied to intentionally shift the slope of the impurity concentration profile in the transition region to a higher concentration side.
  • the impurity concentration profile of the transition region is set in advance so that the impurity concentration becomes sufficiently higher than the expected amount of quat doping.
  • the impurity concentration in the epitaxial layer tends to be 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 lower than the concentration at which the impurity concentration of the epitaxial layer at the start of the vapor phase growth can be made the same as the impurity concentration of the silicon single crystal substrate. As a result, such a defect is avoided, and the impurity concentration profile in the transition region becomes more constant.
  • FIG. 1 shows the fabrication of a silicon epitaxial wafer with a transition region and a stable region.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a relationship between a dopant gas supply concentration and an obtained impurity concentration profile of a wafer in comparison.
  • 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 problem that occurs in the impurity concentration profile when the supply pipe is not purged before the supply of the dopant gas.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of an impurity concentration profile of a silicon epitaxial layer 18 having a transition region and a stable region obtained by the method of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a relationship between a flow rate of a dopant gas and an impurity concentration in a stable region.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the relationship between the supply concentration of a dopant gas and the amount of auto-doping when forming a transition region.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing an example of a silicon epitaxy wafer manufacturing apparatus. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a schematic representation of the setting of the dopant gas supply concentration according to the present invention (upper figure) and the resulting impurity concentration profile in the silicon epitaxial wafer (lower figure). is there.
  • the impurity concentration profiles shown below are all semilogarithmic graphs, and the impurity concentration shown on the vertical axis is a logarithmic value.
  • FIG. 8 schematically shows an example of an apparatus used for manufacturing a silicon epitaxial wafer, in which a silicon single crystal substrate W is held in a susceptor in a reaction furnace 1 and heated to a predetermined temperature by a heater 2. Heat. Then, by flowing a predetermined ratio of a source gas and a dopant gas together with a carrier gas into the reaction furnace 1 through the gas supply pipe 3, the silicon single crystal substrate W is formed on the main surface of the silicon single crystal substrate W. Silicon epis of the same conductivity type The epitaxial layer is grown by vapor phase to obtain a silicon epitaxial wafer.
  • a dopant gas having a concentration that can obtain an impurity concentration higher than the autodoping amount is supplied.
  • the auto-doping amount varies depending on the atmosphere in the reaction furnace 1 at that time.Before starting the production of Silicon Epitaxial A-8, the following preliminary investigation test is performed to use it for the production. Check the atmosphere inside the reactor.
  • an epitaxial layer having a desired thickness is vapor-phase grown directly on a silicon single crystal substrate without supplying a dopant gas (non-doped). Then, a non-doped impurity concentration profile as shown in FIG. 2 (hereinafter simply referred to as a non-doped profile) is obtained.
  • the non-doped profile epitaxial layer is composed of an outward diffusion dominant region and an autodoping dominant region.
  • outward diffusion refers to the direct diffusion of impurities from a silicon single crystal substrate into an epitaxial layer.
  • the amount of outward diffusion mainly depends on the shape of the impurity concentration profile. To decide.
  • the amount of auto-doping controlled region the amount of auto-doping mainly determines the shape of the impurity concentration profile.
  • the out-diffusion-dominated region appears on the profile as a linear section in which the impurity concentration is reduced at a substantially constant gradient from the start of vapor phase growth.
  • the auto-doping dominant region appears as a flared curved region following the out-diffusion-dominated region in a form deviating from the extension of the out-diffusion-dominated region to the high concentration side.
  • the outer diffusion dominating region and the autodoping dominant region can be approximately determined by drawing an extension 1 of the outer diffusion dominating region on the impurity concentration profile.
  • the region where extension line 1 and the impurity concentration profile overlap is the out-diffusion region, and the boundary point where the impurity concentration profile deviates from extension line 1 to the higher concentration side is P, and the region after point P.
  • Auto-doping It is a dominant area.
  • D of the impurity concentration. / 2 is Contribution from outdiffusion, residual D. / 2 can be considered as a contribution from the autodoping 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 .
  • the supply concentration of the dopant gas required to form a desired impurity concentration as a stable region is determined. Specifically, by changing the flow rate of the dopant gas to be supplied and the flow rate of hydrogen for diluting the dopant gas, the supply concentration of the dopant gas is varied to produce various silicon epitaxial wafers, The average impurity concentration in each stable region is measured.
  • FIG. 3 is an example of an impurity concentration profile having a stable region.
  • Dt and Ds are the impurity concentrations in the stable region of the silicon single crystal substrate and the epitaxial layer, respectively.
  • a concentration-flow rate relationship curve as shown in FIG. 6 is obtained.
  • the purpose is to determine the impurity concentration in the stable region corresponding to the change in the supply concentration of the dopant gas. There is no. However, naturally, 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 auto-doping.
  • the supply concentration of the dopant gas at the starting point ( ⁇ ') of the transition region is calculated as shown in Fig. 7 (lower figure). Determined using a single flow rate relationship curve.
  • the dopant gas supply concentration at M ′ is higher than the estimated autodoping amount, and is equal to or lower than the impurity concentration Dt of the silicon single crystal substrate, for example, a value obtained by subtracting a predetermined amount ⁇ from Dt ( Set to a concentration C (D t -hi) that can be adjusted to D t -hi.
  • the doping 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 a jig such as a susceptor is reduced. From the substrate This is not preferable because the amount of impurities becomes larger than the outward diffusion amount and the amount of auto-doping is unnecessarily increased.
  • purging means flowing a dopant gas without supplying it into the reactor 1. If purging is not performed, the gas flow rate will not be stable before the dopant gas flow control device changes from the closed state to the set value, and an abnormal impurity concentration profile as shown in Fig. 4 may occur. Because there is.
  • a purge pipe 6 for flowing the raw material gas and the dopant gas in a form bypassing the reactor 1 and a supply valve for switching between supply and purge in the furnace are shown. 4 and a purge valve 5 are provided.
  • the impurity concentration of that is, the dopant gas to be higher than O over preparative doping amount of P in terms of non-doped profile described above The supply concentration is set in advance.
  • the impurity concentration at point P is 2 XD. Can be set so that This is, at point P, already D. Since the impurity concentration equivalent to is supplied by the outward diffusion and the auto-doping phenomenon, D. This means supplying a concentration C (D 0 ) that can obtain only impurity concentration as dopant gas.
  • the estimated autodoping amount at point P is D. Therefore, setting the supply concentration of the dopant gas to C (D 0 ) means setting the concentration higher than the auto-doping amount.
  • the dopant gas is supplied while always supplying a dopant gas having an impurity concentration higher than the autodoping amount.
  • the supply concentration of the punt gas is changed. If the supply concentration of the dopant gas is gradually reduced linearly or stepwise, for example, as shown in FIG. An impurity concentration profile is obtained.
  • the vapor deposition of the transition region when you grow thickness x p rest of Epitakisharu layer corresponding to the boundary point P, at least, sufficiently higher than the auto-doping amount of impurities
  • the concentration of impurities is indicated by the broken line in Fig. 7 (upper figure), when the dopant supply amount is not corrected to exceed the auto-doping amount.
  • the tilt amount shifts to the higher density side than the density profile. As a result, even if the amount of auto-doping changes, the amount falls within the allowable change range of the inclined impurity concentration profile. Further, as shown in FIG.
  • the impurity concentration profile of the transition region has two or more sections in which the logarithm of the impurity concentration gradually decreases in the growth direction of the epitaxial layer. This is because a dopant gas having a concentration that can obtain an impurity concentration sufficiently higher than the photodoping amount after the boundary point P is supplied, and the supply concentration of the dopant gas is gradually or linearly increased. It can be formed by reducing to
  • n + type impurity concentration: 3 ⁇ 10 19 cm 3
  • a s arsenic
  • an n-type epitaxial layer doped with phosphorus (P) as an impurity at a lower concentration than the substrate as follows.
  • a silicon epitaxial wafer was manufactured by vapor-phase growth on a silicon single crystal substrate. That is, the target impurity concentration at the start point of the transition region (point M in FIG. 7 (upper figure)) is lower than the impurity concentration Dt (3 ⁇ 10 19 Zcm 3 ) of the silicon single crystal substrate. And impurity concentration D at point P.
  • the supply concentration of the dopant gas was adjusted so as to obtain a higher impurity concentration of 5 ⁇ 10 17 (Z cm 3 ), and the dopant gas was purged at the set value.
  • a vapor phase growth process was started by introducing the dopant gas into the reaction furnace together with the source gas with the above supply concentration as an initial value.
  • the impurity concentration is always higher than the expected amount of auto doubling, and the impurity concentration added at the position corresponding to the point P is 1 ⁇ 10 17 Z cm 3
  • the supply concentration of the dopant gas was adjusted so that Then, the supply amount of the dopant gas was gradually reduced linearly.
  • a dopant gas whose concentration is adjusted so that the impurity concentration becomes 1 ⁇ 10 15 Z cm 3 is supplied at a constant supply concentration, and the n-type gas is supplied.
  • a 15 m vapor phase was grown on the epitaxial layer.
  • a silicon epitaxial wafer having a total thickness of 20 m of an epitaxial layer formed on a silicon single crystal substrate was obtained.
  • the vapor growth temperature and furnace pressure are the same as in the preliminary investigation.
  • the impurity concentration profile of the silicon epitaxial wafer thus obtained was measured, a profile as shown in FIG. 5 was obtained.
  • the thickness of the transition region was about 5 ⁇ m, the impurity concentration in the P point 1.
  • 5 X 1 0 17 atoms / cm 3 the impurity concentration in the stable region is met 1 X 1 0 15 atoms Z cm 3 was.
  • a linear gradient section where the logarithmic value of the dopant concentration decreases almost linearly was formed between the point P and the stable region.
  • the logarithm of the impurity concentration also decreases linearly in the section corresponding to the outward diffusion control region from the growth start point of the epitaxial layer to point P.
  • the impurity concentration profile of the transition region in the example has two sections where the logarithmic value of the impurity concentration decreases linearly in the growth direction of the epitaxial layer.
  • the specific mode of changing the supply concentration of the dopant gas in the vapor phase growth step of the transition region is not limited to the mode of monotonically decreasing the concentration as described above, but may be a concentration at which an impurity concentration higher than the auto-doping amount can be obtained.
  • the impurity concentration profile in the transition region may be increased in order to obtain a desired shape, or a period in which the supply concentration is kept constant may be provided in the middle. It is possible to appropriately combine two or more of the fixed holdings.

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Description

明細書 シリコンェピタキシャルゥエーハの製造方法及ぴシリコンェピタキシャル
ゥェ一ハ
技術分野
本発明は、 シリコンェピ夕キシャルゥエー八の製造方法に関する。 背景技術
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ェピタキ シャル層 （以下、 単にェピタキシャル層という。 ） を気相成長させてシリコンェピ タキシャルゥエーハを製造する際、 シリコン単結晶基板とェ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、 ェ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 MO S— F E T用等のシリコンェピタキシャルゥエーハの製造におい 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 こで不純物濃度プ口ファイルは、 シリコンェピタキシャルゥエーハ中における不純 物濃度の該ゥエーハ厚さ方向の分布を意味する。
しかし、 ェ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夕等の治具から不純物が気相中に一旦遊離した後、 成長中のェ 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ェピタ 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ェ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 （A s ) 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ェ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。
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— 1 7 7 3 7号公報においては、 半導体ゥエー八面にェ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 Z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ェピタキシャル成長法が提 案されている。
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、 ェピ 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 フアイルを一定に維持することは困難であつた。
本発明の課題は、 ェ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ェピタキシャルゥエー八の製造方法を提供 することを目的とする。 発明の開示
上記の課題を解決するために、 本発明のシリコンェピ夕キシャルゥェ一ハの製造 方法は、 反応炉内にてシリコン単結晶基板の直上にェピタキシャル層を気相成長さ せることによりシリコンェピタキシャルゥエーハを製造するシリコンェピ夕キシャ ルゥエーハの製造方法において、
ェ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、 ドーパントガスの供給濃度を変化させながら該ドーパン卜ガスを反応炉内に供給 する遷移領域の気相成長工程と、
一定濃度のドーパントガスを反応炉内に供給する安定領域の気相成長工程とを有 し、
遷移領域の気相成長工程において、 オートドーピング量よりも高い不純物濃度が 得られる濃度のド一パントガスを反応炉内に供給することを特徴とする。
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っために、 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 想されるォ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 純物濃度プロフアイ >レを予め設定する。 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、 このシリコンェピタキシャルゥエーハを用いた半導体装置の特性が、 オートド 一ピング現象の影響をほとんど受けなくなる。
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、 ェ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ェ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 ちゃすくなる。 図面の簡単な説明
図 1は、 遷移領域と安定領域を有するシリコンェピ夕キシャルゥエー八を製造す る際の、 ドーパントガス供給濃度と、 得られるゥヱーハの不純物濃度プロファイル との関係を対比して説明する模式図。
図 2は、 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は、 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は、 ド一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は、 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ェピ タキシャルゥェ一八の、 不純物濃度プロファイルの一例を示す模式図。
図 6は、 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は、 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は、 シリコンェピタキシャルゥエーハの製造装置の一例を概念的に示す図。 発明を実施するための最良の形態
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、 本発明に係るド一パントガス供給濃度の設定 （上図） と、 その結果得ら れるシリコンェピタキシャルゥエーハ中の不純物濃度プロファイル （下図） を模式 的に対比して表したものである。 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。
図 8は、 シリコンェピタキシャルゥエ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内のサセプ夕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一パントガスとをキヤリァ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ェピ タキシャル層が気相成長され、 シリコンェピタキシャルゥエーハが得られる。
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、 ォ 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 ェピタキシャルゥエー八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。
まず、 ドーパントガスを供給しない （ノンドープ） で所望厚さのェピタキシャル 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ェピタキシャル層は、 外方拡散支配領域とォ ートドーピング支配領域とからなる。
ここでいう外方拡散とは、 シリコン単結晶基板からェ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 口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。
外方拡散支配領域とオートド一ピング支配領域は、 外方拡散支配領域の延長線 1 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 1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 1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、 外方拡散とォー トドーピングの量が拮抗するので、 合計で D。となる不純物濃度のうち、 D。/ 2が 外方拡散からの寄与分、 残余の D。/ 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 D 0/ 2であると推定することができる。
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一パント 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ェピタキシャルゥエーハを製造し、 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、 D tと D sはそれぞれシリコン単結晶基板とェピ 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一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 うな濃度一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 に際して特にオードド一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。
続いて、 遷移領域を形成するために、 図 7 (下図） に示すド一パントガスの供給 濃度プロファイルにおいて、 遷移領域の開始点 （Μ' ) でのド一パントガスの供給 濃度を、 図 6の濃度一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、 つ、 シリコン単結 晶基板の不純物濃度 D t以下、 例えば、 D tから所定量 αを減じた値 （D t—ひ） に することができる濃度 C (D t —ひ） に設定する。 この時、 ドーパントガスの供糸合 濃度をシリコン単結晶基板の不純物濃度 D t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。
なお、 濃度 C (D t—《) 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、 ド一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。
次に、 遷移領域のェピタキシャル層が前記した P点の厚さ x p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におけるォートドーピング量 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 X D。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 D。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 D。だけの不純物濃度 を得られる濃度 C (D 0) をド一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 D。/ 2なので、 ドーパントガスの供給濃度を C (D 0) 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。
このようにして、 図 7 (下図） に示すように、 遷移領域の気相成長工程では、 ォ 一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、 ド一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に対応するェピタキシャル層の厚さ x p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 (上図） に破線で示 す、 オートド一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、 ォ 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。 また、 遷移領域の不純物濃度プロファイルは、 図 5 に示すように、 ェ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の漸減率 が互いに相違する区間を 2箇所以上有したものとなっている。 これは、 前記境界点 P以降にてォ一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 パントガスを供給するとともに、 そのド一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ことにより形成できるものである。
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 1 5 0 m m、面方位 （1 0 0 ) であり、比較的高濃度の砒素 （A s ) を不純物として添加した n +型 （不純物濃度： 3 X 1 0 1 9個ノ c m3) のシリコン単結晶基板を用意した。 な お、 基板の裏面には、 該裏面からのォ一トド一プを防止するための酸ィ匕膜を 0 . 5 / m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 ( S i H C 1 3) 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 2 0 /imのェ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 1 1 0 0 、 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ェピタキシャルゥェ一ハ が得られた。 P点での不純物濃度 D。は、およそ 5 X 1 0 1 6個 Z c m3であった。 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型ェピタキシャル層を別のシリコン単結晶基板の直上に気層成長するこ とにより、 シリコンェピタキシャルゥェ一ハを製造した。 すなわち、 遷移領域の開 始点 （図 7 (上図） 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 D t (3 X 1 019個 Zcm3) よりも低く、 かつ、 P点での不純物濃度 D。 よりも高い不純物濃度 5 X 1 017個 Z c m3) が得られるようにド一パントガスの供 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 一ビ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 X 1 017個 Z c m3になるようにド一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 X 1 015個 Z cm3と なるように濃度が調整されたドーパン卜ガスを一定の供給濃度にて供給し n—型のェ ピタキシャル層を 1 5 m気相成長した。 こうして、 全厚さ 2 0 mのェピ夕キシ ャル層がシリコン単結晶基板上に形成されたシリコンェピタキシャルゥエーハが得 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。
このようにして得られたシリコンェピタキシャルゥェーハの不純物濃度プロファ ィ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 5 ^mであり、 P点での不純物濃度は 1. 5 X 1 017個/ cm3、 安定領域で の不純物濃度は 1 X 1 015個 Z 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、 ェ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、 ェ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。 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。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 反応炉内にてシリコン単結晶基板の直上にェピタキシャル層を気相成長させる ことによりシリコンェピタキシャルゥェ一ハを製造するシリコンェピタキシャルゥ エー八の製造方法において、
前記ェ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一パントガスをパージする成長前パージ工程と、 ドーパントガスの供給濃度を変化させながら該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、
一定濃度のド一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 を有し、
前記遷移領域の気相成長工程において、 ォ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前記反応炉内に供給することを特徴とするシ リコンェピタキシャルゥェ一ハの製造方法。
2 . 前記遷移領域の気相成長工程において、 ド一パントガスの供給濃度を漸次減少 させながら該ドーパントガスを前記反応炉内に供給することを特徴とする請求の範 囲第 1項記載のシリコンェピタキシャルゥエー八の製造方法。
3 . 前記遷移領域の気相成長工程の開始時点で前記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ェピタキシャル層の不純物濃度を、 前記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であるこ とを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項記載のシリコンェピタキシャルゥェ一 ハの製造方法。
4 . 前記遷移頟域の不純物濃度プロファイルは、 前記ェ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箇所以上有することを特 徴とする請求の範囲第 2項に記載のシリコンェピタキシャルゥェ一ハの製造方法。
5 . 前記遷移領域の気相成長は、 ドーパントガスを供給しないでェピタキシャル層 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得られる、 ノンドープの不 純物濃度プロファイルに基づいて前記オートドーピング量を予め推定し、 推定され たォ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前 記反応炉内に供給することを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 4項のいずれか に記載のシリコンェピタキシャルゥエー八の製造方法。
6 . 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 に続くオートド一ピング支配領域との境界点 Pに対応する濃度 D。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の範囲第 5項記 載のシリコンェピタキシャルゥェ一ハの製造方法。
7 . 前記境界点 Pに対応するェピタキシャル層の厚さを x Pとして、 前記遷移領域 の気相成長工程において、 前記ェピタキシャル層の厚さ x P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 ントガスを常に前記反応炉内に供給することを特徴とする請求の範囲第 6項記載の シリコンェピタキシャルゥェ一八の製造方法。
8 . シリコン単結晶基板の直上にェピタキシャル層を気相成長させたシリコンェピ タキシャルゥェ一ハであって、 前記ェピタキシャル層の層厚方向の不純物濃度プロ ファイルが、 前記シリコン単結晶基板とェ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を有してなり、 かつ、 前記遷移領域の不純物濃度プロ ファイルが、 前記ェ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の漸減 率が互いに相違する区間を 2箇所以上有することを特徴とするシリコンェピタキシ ャルゥェ一八。
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