JP2000091237A

JP2000091237A - 半導体ウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP2000091237A
Application number: JP10255486A
Authority: JP
Inventors: Takemine Magari; 偉峰曲; Toru Otsuka; 徹大塚; Hitoshi Habuka; 等羽深
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】大口径の半導体単結晶基板に対しても、その
主面に抵抗率の均一な半導体薄膜を成長させることがで
きる半導体ウェーハの製造方法を提供する。【解決手段】反応容器４の幅方向中央部及び幅方向周
辺部から、該反応容器４内で回転する半導体単結晶基板
６の主面に対して平行かつ一方向に、半導体原料ガス及
びドーパントガスを供給して、半導体単結晶基板６上に
半導体薄膜９を気相成長させる際、反応容器４の幅方向
周辺部から供給するドーパントガスを、半導体単結晶基
板６の回転方向に対して順方向または逆方向となるどち
らか一方のみに限定して供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、珪素単結晶基板な
どの半導体単結晶基板上に均一な抵抗率分布を有する半
導体薄膜を気相成長させる半導体ウェーハの製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】電子デバイスの微細化に伴い、珪素単結
晶基板上に珪素単結晶薄膜を形成させてなる半導体ウェ
ーハの利用が増加するとともに、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でその抵抗率が一様になるよ
うにすることを指す。また、このような抵抗率の均一化
と共に、半導体ウェーハの大口径化も要求されている。
この大口径化に伴って、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。

【０００３】図３と図４に、通常使用されている水平型
の枚葉式気相成長装置１（以下、単に成長装置１と記載
することがある。）の構成を模式的に示す。図３には成
長装置１の縦断面が、また、図４にはその横断面が示さ
れている。

【０００４】この成長装置１は、ガス導入口２と単一の
ガス排気口３とを備え水平に設置された透明な石英ガラ
ス製の反応容器４と、この反応容器４の外側に配置され
半導体単結晶基板６を加熱する加熱源５と、該加熱源５
と前記反応容器４の外壁を冷却する図示しない冷却手段
と、前記半導体単結晶基板６のサセプタ７とを有する。

【０００５】ガス導入口２は、原料ガス及びドーパント
ガスをキャリアガスである水素Ｈ_２とともに導入する、
３つの水平に並んだガス導入口２１，２２，２３からな
る。反応容器４はその中央底部にサセプタ７を配する構
造とされ、その概ね長手方向の一端部にガス導入口２が
設けられ、他端部に前記ガス排気口３が設けられる。従
って、導入されるガスの流れは、概ね反応容器４の長手
方向に沿ったものとなる。各ガスの流量は、ガス条件制
御器としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）により
個別且つ精密に制御される。

【０００６】前記加熱源５は例えば赤外線ランプによっ
て構成されるものであり、この赤外線ランプに通電する
ことで、半導体単結晶基板６の主面の温度を上げること
ができる。前記サセプタ７は図示しない回転装置に回転
軸８を介して接続され、当該サセプタ７上に載置された
前記半導体単結晶基板６の主面を水平に保持したまま回
転させることができる。

【０００７】半導体単結晶基板６上に半導体薄膜９を気
相成長させるには、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
５０，５１，５２でそれぞれの流量が精密に制御された
水素、半導体原料ガス及びドーパントガスをプロセスガ
スとして、共通のガス配管４１を介して、反応容器４の
幅方向中央部のガス導入口２２及び幅方向周辺部のガス
導入口２１，２３から、反応容器４内で回転軸８を中心
に回転する半導体単結晶基板６の主面に対して平行かつ
一方向に供給する。この際、上記ガス導入口２１，２
２，２３からは、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が供給される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにしてプロ
セスガスを導入し、半導体薄膜を気相成長させる方法に
おいて、半導体単結晶基板の直径が２００ｍｍ以下の場
合には、顕著な抵抗率の不均一の問題は起らなかった。
しかし、直径が２００ｍｍより大きな場合、例えば直径
３００ｍｍの大口径半導体ウェーハを上述した従来の気
相成長方法により製造する場合には、顕著に抵抗率の分
布が不均一になることが分かった。

【０００９】そこで本発明は、上述の技術的な課題に鑑
み、大口径の半導体単結晶基板に対しても抵抗率の均一
な半導体薄膜を気相成長させることのできる半導体ウェ
ーハの製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体ウェーハ
の製造方法は、反応容器の幅方向中央部及び幅方向周辺
部から、該反応容器内で回転する半導体単結晶基板の主
面に対して平行かつ一方向に、半導体原料ガス及びドー
パントガスを供給して、前記半導体単結晶基板上に半導
体薄膜を気相成長させる半導体ウェーハの製造方法にお
いて、前記反応容器の幅方向周辺部から供給するドーパ
ントガスを、前記半導体単結晶基板の回転方向に対して
順方向または逆方向となるどちらか一方のみに限定して
供給することを特徴とする。

【００１１】上記方法においては、前記半導体薄膜の抵
抗率または抵抗率分布に応じて、前記反応容器の幅方向
周辺部から供給するドーパントガスを、前記半導体単結
晶基板の回転方向に対して順方向または逆方向のどちら
かに変更することが好ましい。また、前記半導体薄膜の
抵抗率分布に応じて、前記半導体単結晶基板の回転方向
を変更することが好ましい。さらに、前記半導体単結晶
基板は珪素単結晶基板であり、前記半導体薄膜は珪素単
結晶薄膜であることが好ましい。

【００１２】また、本発明の半導体ウェーハの製造方法
は、反応容器の幅方向中央部及び幅方向周辺部から、該
反応容器内で回転する半導体単結晶基板の主面に対して
平行かつ一方向に、半導体原料ガス及びドーパントガス
を供給して、前記半導体単結晶基板上に半導体薄膜を気
相成長させる半導体ウェーハの製造方法において、前記
半導体薄膜の抵抗率分布に応じて、前記半導体単結晶基
板の回転方向を変更することを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施態様を、図面を参照
しながら以下に説明する。

【００１４】図１に本実施態様の水平型の枚葉式気相成
長装置１の横断面を模式的に示す。図１において、従来
と同じ構成は同じ符号を用いて示し、その説明を省略す
る。また、本実施態様の成長装置１の縦断面は、図３と
同一の構成である。

【００１５】図１に示すように、本実施態様の水平型枚
葉式気相成長装置１において、３つの水平に並んで反応
容器４の幅方向に配設されたガス導入口２１、２２、２
３から導入するプロセスガスは、それぞれ独立に制御さ
れる。すなわち、ガス導入口２１から導入されるプロセ
スガスは、ガス配管１１を介して供給され、水素がマス
フローコントローラ（ＭＦＣ）３０、原料ガスがマスフ
ローコントローラ（ＭＦＣ）３１、ドーパントがマスフ
ローコントローラ（ＭＦＣ）３２で制御される。ガス導
入口２２から導入されるプロセスガスは、ガス配管１２
を介して供給され、水素がマスフローコントローラ（Ｍ
ＦＣ）３３、原料ガスがマスフローコントローラ（ＭＦ
Ｃ）３４、ドーパントがマスフローコントローラ（ＭＦ
Ｃ）３５で制御される。ガス導入口２３から導入される
プロセスガスは、ガス配管１３を介して供給され、水素
がマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３６、原料ガスが
マスフローコントローラ（ＭＦＣ）３７、ドーパントが
マスフローコントローラ（ＭＦＣ）３８で制御される。

【００１６】このように３つのガス導入口２１、２２、
２３には、それぞれドーパントガス条件制御器としての
マスフローコントローラ（ＭＦＣ）３２、３５、３８が
接続されており、導入されるドーパントガスの流量およ
び／または濃度が高精度に制御される。このガス制御に
は、ドーパントガスの導入の遮断、開始、継続などの制
御を含む。また、上記ガス導入口２１、２２、２３から
は、原料ガスとして、例えば、ＳｉＣｌ_４ガス、ＳｉＨ
_２Ｃｌ_２ガス、ＳｉＨＣｌ_３ガス、ＳｉＨ_４ガスなどの
珪素系ガスが導入される。また、ドーパントガスとして
は、例えば、ジボラン（Ｂ _２Ｈ_６）ガス、フォスフィン
（ＰＨ_３）ガスなどが用いられる。

【００１７】この装置を用いて、半導体単結晶基板６上
に気相成長させる半導体薄膜９の抵抗率分布を、各マス
フローコントローラ（ＭＦＣ）３２，３５，３８の組合
せによって調整する。すなわち、各マスフローコントロ
ーラ（ＭＦＣ）３２，３５，３８からのドーパントガス
供給量つまり各ガス導入口２１、２２、２３におけるド
ーパントガス濃度を調整することによって、半導体薄膜
９の抵抗率分布を変える。

【００１８】先ず、図示しない回転装置によって半導体
単結晶基板６を時計回りに回転させながら、マスフロー
コントローラ（ＭＦＣ）３５からガス導入口（反応容器
４の幅方向中央部）２２にのみドーパントガスを供給し
ながら半導体薄膜９を気相成長する。すると、図２に示
す曲線１のように、半導体単結晶基板６の内周部で抵抗
率の均一性が良い一方、外周部側での抵抗率は外周部に
近づくに従い徐々に高くなる。ただしこの場合、目標と
する半導体薄膜９の抵抗率により、抵抗率変化の勾配の
大きさが異なる。すなわち、比較的低抵抗の半導体薄膜
９を成長する場合は外周部の抵抗率が緩やかに上昇して
いくのに対し、比較的高抵抗のものを成長する場合は外
周部の抵抗率が急激に上昇していく傾向がある。

【００１９】次に、前記条件と同様にして、マスフロー
コントローラ（ＭＦＣ）３２からガス導入口２１（反応
容器４の幅方向周辺部左側口）にのみドーパントガスを
供給して気相成長する場合、図２の曲線２のように、内
掲部における半導体薄膜９の抵抗率はほぼ均一になる。
しかし、外周部側での抵抗率は、外周部に近づくに従い
急激に減少する。これはガス導入口２１が半導体単結晶
基板６の回転方向に対して順方向にガスを導入するもの
であり、導入されたドーパントガスは半導体単結晶基板
６の上部でも比較的に広がらずに外周部に集中して供給
される結果、抵抗率が外周部で急峻に低下する傾向とな
ると推測される。

【００２０】さらに、前記条件と同様にして、マスフロ
ーコントローラ（ＭＦＣ）３８からガス導入口２３（反
応容器４の幅方向周辺部右側口）にのみドーパントガス
を供給して気相成長する場合、図２の曲線３のように、
半導体薄膜９の抵抗率は、半導体単結晶基板６の中心か
ら外周部に向かって緩やかに減少する。これはガス導入
口２３が半導体単結晶基板６の回転方向に対して逆方向
にガスを導入するものであり、導入されたドーパントガ
スの流れは乱れて半導体単結晶基板６上に大きく広がる
ように分布してしまい、その結果として抵抗率分布が大
きく広がるために外周部に向かって緩やかに低下する傾
向となると推測される。

【００２１】そこで、反応容器４の幅方向中央部に位置
するガス導入口２２からドーパントガスを供給するとと
もに、反応容器４の幅方向周辺部に位置するガス導入口
２１または２３のいずれかからドーパントガスを供給す
る。すなわち、反応容器４の幅方向周辺部から供給する
ドーパントガスを、半導体単結晶基板６の回転方向に対
して順方向または逆方向のどちらか一方に限定する。

【００２２】ガス導入口２２からドーパントガスを供給
するとともに、ガス導入口２１または２３のいずれかか
らドーパントガスを供給することにより、図２の曲線４
に示すような理想的な抵抗率分布である面内に均一な抵
抗率分布が得られる。例えば、高抵抗率の半導体薄膜９
を形成する場合のように、中央部のガス導入口２２のみ
からドーパントガスを供給すると外周部側での抵抗率が
外周部に近づくに従い比較的急峻に高くなる時は、ガス
導入口２２と半導体単結晶基板６の回転方向に対して順
方向となるガス導入口２１との組合せから、抵抗率分布
の均一化が実現される。逆に、低抵抗率の半導体薄膜９
を形成する場合のように、中央部のガス導入口２２のみ
からドーパントガスを供給すると外周部側での抵抗率が
外周部に近づくに従い比較的緩やかに高くなる時は、ガ
ス導入口２２と半導体単結晶基板６の回転方向に対して
逆方向となるガス導入口２１との組合せから、抵抗率分
布の均一化が実現される。

【００２３】ところで、半導体単結晶基板６の回転方向
は、時計回りと反時計回りのそれぞれが可能であり、そ
の回転方向を変更するだけで、抵抗率分布を制御するこ
とも可能である。

【００２４】例えば、半導体単結晶基板６を時計回りに
回転させながら、中央部のガス導入口２２と反応容器４
の幅方向周辺部左側のガス導入口２１とからドーパント
ガスを供給した結果、半導体単結晶基板６の周辺部の抵
抗率の低下が急峻になってしまった時は、半導体単結晶
基板６の回転方向を反時計回りに逆転させる。すると、
ガス導入口２１から供給されるドーパントガスは半導体
単結晶基板６の回転方向に対して逆方向となるので、半
導体単結晶基板６の周辺部における抵抗率の変化の割合
が比較的小さくなる。

【００２５】

【実施例】次に、本発明者らが行った各実施例に基づい
て本発明の半導体薄膜の成長方法と成長装置をさらに説
明する。実施例は、反応容器４の幅方向周辺部に位置す
るそれぞれの導入口から実際にドーパントガスを流入さ
せて、その面内抵抗率の均一性を調べたものである。

【００２６】まず、図１に示すように、直径３００ｍｍ
のｐ型珪素単結晶基板６を水平型枚葉式気相成長装置１
のサセプタ７に載置した。該成長装置１の反応容器４の
幅は３８０ｍｍであり、大口径の珪素単結晶基板６を
収容できる寸法を有する。ガス導入口２１、２２、２３
の寸法は導入されるガスに応じて適宜選択されるもので
あり、例えば中央部のガス導入口２２だけ周辺部のガス
導入口２１、２３よりも大径とすることもできる。上述
のように、直径３００ｍｍの珪素単結晶基板６を処理す
る反応容器４は、３８０ｍｍの幅を有するため、一例と
して、中央部のガス導入口２２を両端から１９０ｍｍの
位置に設け、周辺部のガス導入口２１、２３を端部より
３０ｍｍの位置に設ける。

【００２７】次に、複数のガス導入口２１、２２、２３
よりなるガス導入口２を介して、１．０％のＨＦガスを
含有する水素ガスを珪素単結晶基板６が約２５℃の状態
で５分間供給し、該珪素単結晶基板６表面の自然酸化膜
を除去した。続いて、反応容器４の外側上部に設けられ
た加熱源である赤外線輻射加熱ランプ５に通電して珪素
単結晶基板６を加熱し、該珪素単結晶基板６の温度が７
００℃より上昇した時に、前記ガス導入口２より２．０
％のＨＣｌガスを含有する水素ガスを１分間導入し、珪
素単結晶基板６の主表面の有機物を除去した。

【００２８】さらに、水平型枚葉式気相成長装置１の外
側上部に設けられた赤外線輻射加熱ランプ５の通電量を
調整し、珪素単結晶基板６を９５０℃に昇温した。該珪
素単結晶基板６が９５０℃に到達した後、該珪素単結晶
基板６を時計回りに回転させながら、水平型枚葉式気相
成長装置１のガス導入口２より、以下に説明する組合せ
のドーパントガス（ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガス）と半導
体原料ガス（トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガス）
とを含有する水素ガスを２分間導入し、平均約２ミクロ
ンの厚さのｐ型珪素単結晶薄膜９が珪素単結晶基板６の
主面に形成された半導体ウェーハを得た。続いて、ジボ
ラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガスとトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ
_３）ガスの供給を停止し、水素ガスのみ水平型枚葉式気
相成長装置１のガス導入口２より供給しながら赤外線輻
射加熱ランプ５の通電を切り、珪素単結晶基板６の温度
を下げた後に反応容器４の外に取り出した。

【００２９】次に、高抵抗率と低抵抗率の珪素単結晶薄
膜９を成長させるのに好適な一条件例について説明す
る。表１はこのような好適な条件例である。

【表１】

【００３０】この表１に示した条件で高抵抗率（抵抗率
１２Ω・ｃｍ目標）と低抵抗率（抵抗率１．５Ω・ｃｍ
目標）の珪素単結晶薄膜９をそれぞれ成長させたとこ
ろ、その面内の抵抗率のばらつきは２．５％、２．０％
と極めてばらつきの小さなものに制御されていることが
判った。これは従来、直径３００ｍｍの珪素単結晶基板
６への気相成長方法で通常得られていた高抵抗率で１３
％、低抵抗率で８％のばらつきに比較すると、本実施例
では格段に抵抗率分布の均一性が改善されていることが
判る。

【００３１】上述の実施態様では、ガス導入口２１、２
２、２３は珪素単結晶基板６の回転中心に揃うように対
称に配置されているが、本発明はこれに限定されず、非
対称に配設することもできる。例えばガス導入口２１、
２２、２３を左右非対称に配置させて、本発明の効果を
増大させることも可能である。また、ガス導入口２１，
２２，２３において、ガスの流速が一様であればさらに
効果的である。

【００３２】また、上述の実施態様において、反応容器
の幅方向周辺部に位置するガス導入口は左右それぞれに
１個ずつであるが、左右それぞれに複数個配置すること
も可能である。また、使用する半導体材料も珪素に限定
されず、他の気相成長可能な半導体材料ガスを使用して
他の半導体材料を成長させることができる。さらに本発
明は、半導体単結晶薄膜のみならず、半導体多結晶薄膜
の気相成長にも適用することが可能である。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、反応容器の幅方向周辺部から
供給するドーパントガスを、半導体単結晶基板の回転方
向に対して順方向または逆方向のどちらか一方に限定し
て気相成長することにより、均一な抵抗率分布を有する
半導体薄膜を得る方法である。本発明によると、上述の
通り、特に大口径の半導体単結晶基板の外周部の抵抗率
を容易に調整することができるので、基板内の抵抗率均
一性をさらに向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体ウェーハの製造方法の一実施態
様において用いる気相成長装置を示す模式縦断面図であ
る。

【図２】本発明の半導体ウェーハの製造方法に基づいて
行った実験結果による抵抗率分布を示すグラフである。

【図３】従来の半導体ウェーハの製造方法の一実施態様
において用いる気相成長装置を示す模式縦断面図であ
る。

【図４】図３の気相成長装置を上から見た構造を示す模
式横断面図である。

【符号の説明】

１水平型枚葉式気相成長装置２，２１，２２，２３ガス導入口３ガス排気口４反応容器５加熱源（赤外線輻射加熱ランプ）６半導体単結晶基板（珪素単結晶基板）７サセプタ８回転軸１１，１２，１３ガス配管３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３
８マスフローコントローラ（ＭＦＣ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者羽深等群馬県安中市磯部２丁目13番１号信越半導体株式会社半導体磯部研究所内Ｆターム(参考） 4K030 AA03 AA06 AA17 AA20 BA29 BB02 CA04 EA01 EA06 FA10 GA06 JA04 KA24 LA02 5F045 AC01 AC03 AC05 AC19 AD13 DA66 DP28 DQ06 EE04 EE15 EE20 EF02 EF08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器の幅方向中央部及び幅方向周辺
部から、該反応容器内で回転する半導体単結晶基板の主
面に対して平行かつ一方向に、半導体原料ガス及びドー
パントガスを供給して、前記半導体単結晶基板上に半導
体薄膜を気相成長させる半導体ウェーハの製造方法にお
いて、前記反応容器の幅方向周辺部から供給するドーパ
ントガスを、前記半導体単結晶基板の回転方向に対して
順方向または逆方向となるどちらか一方のみに限定して
供給することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
【請求項２】前記半導体薄膜の抵抗率に応じて、前記
反応容器の幅方向周辺部から供給するドーパントガス
を、前記半導体単結晶基板の回転方向に対して順方向ま
たは逆方向のどちらかに変更することを特徴とする請求
項１記載の半導体ウェーハの製造方法。
【請求項３】前記半導体薄膜の抵抗率分布に応じて、
前記反応容器の幅方向周辺部から供給するドーパントガ
スを、前記半導体単結晶基板の回転方向に対して順方向
または逆方向のどちらかに変更することを特徴とする請
求項１記載の半導体ウェーハの製造方法。
【請求項４】前記半導体薄膜の抵抗率分布に応じて、
前記半導体単結晶基板の回転方向を変更することを特徴
とする請求項１記載の半導体ウェーハの製造方法。
【請求項５】前記半導体単結晶基板は珪素単結晶基板
であり、前記半導体薄膜は珪素単結晶薄膜であることを
特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載
の半導体ウェーハの製造方法。
【請求項６】反応容器の幅方向中央部及び幅方向周辺
部から、該反応容器内で回転する半導体単結晶基板の主
面に対して平行かつ一方向に、半導体原料ガス及びドー
パントガスを供給して、前記半導体単結晶基板上に半導
体薄膜を気相成長させる半導体ウェーハの製造方法にお
いて、前記半導体薄膜の抵抗率分布に応じて、前記半導
体単結晶基板の回転方向を変更することを特徴とする半
導体ウェーハの製造方法。