JPH08236458A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶軸＜１００＞０±１°のシリコン単結晶
基板にエピタキシャル成長する製造方法における上述の
問題点に鑑み、水素還元反応時のオートドープを低減す
るとともにパターンディストーションを発生させること
なく、１μｍ／ｍｉｎ以上の成長速度が得られる半導体
基板の製造方法の提供。 【構成】 エピタキシャル成長するに際し、原材料ガス
ＳｉＨＣｌ₃の場合、成長温度を１１５０℃±１０℃に
保持し、ＳｉＣｌ₄の場合、成長温度を１１５０℃〜１
１９０℃に保持し、従来よりはるかに高速流かつ層流で
キャリアガスを流下させることにより、ＳｉＨＣｌ₃の
場合、該成長速度が２．０μｍ／ｍｉｎ以上、さらに高
速度で流下させると５．０μｍ／ｍｉｎ以上の高速成膜
を可能にし、従来の２倍以上の成長速度で反応すること
が可能であるため、生産性の向上が図れ、しかもスリッ
プやオートドープの少ない高品質の半導体集積回路用シ
リコン単結晶基板が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置、特にＢ
ｉｐ−ＩＣ、ＢｉＣＭＯＳ用等の半導体集積回路用単結
晶シリコン基板の製造方法に係り、特定結晶軸を有する
シリコン単結晶基板にエピタキシャル成長するに際し、
ＳｉＨＣｌ₃またはＳｉＣｌ₄を原材料ガスとして、特定
成長温度に保持し、従来よりはるかに高速かつ層流のキ
ャリアガスを流下させることにより、ＳｉＨＣｌ₃（ト
リクロロシラン）の場合、該成長速度が２．０μｍ／ｍ
ｉｎ以上、さらに高速度で流下させると５．０μｍ／ｍ
ｉｎ以上の高速成膜を可能にした半導体基板の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｂｉｐ−ＩＣ、ＢｉＣＭＯＳ用等半導体
集積回路を製造する際、始発半導体基板として＜１００
＞０±１°の結晶軸を持つシリコン単結晶基板が多用さ
れている。この半導体基板は、少なくとも一方の表面が
鏡面に仕上げられたウェーハで、埋め込み拡散層形成の
ために、パターニングを行った後ドーパント（Ｐ型：
Ｂ、Ｎ型：Ｓｂ，Ａｓ，Ｐ）を任意の部分に拡散し、そ
の後気相成長法によってエピタキシャル成長される。

【０００３】従来、埋め込み層が形成された＜１００＞
０±１°の結晶軸を持つシリコン単結晶ウェーハにエピ
タキシャル成長する場合、気相成長炉はシリンダー炉ま
たはパンケーキ炉が用いられている。この時、注意しな
ければならないのが、エピタキシャル成長後のパターン
ディストーションである。一般にパターンディストーシ
ョンは、成長圧力、成長温度、成長速度、Ｓｉ原材料ガ
スにより影響を受けると言われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、ＳｉＣｌ₄（四
塩化けい素）を原材料ガスとして用いる場合、常圧下の
反応で成長温度が１１８０〜１２００℃、成長速度が１
μｍ／ｍｉｎ以下の条件で製造される。

【０００５】トリクロロシランを原材料ガスとして用い
る場合、これも常圧下で１１８０℃以上、成長速度が１
μｍ／ｍｉｎ以下の条件で製造できるが、石英製の反応
容器壁内部にシリコンおよびシリコンの酸化物が堆積し
（ｗａｌｌ Ｄｅｐｏ）、石英を失透させ温度コントロ
ールができなくなる等の不具合が生じるため、実用的で
はない。

【０００６】また、ジクロロシランまたはモノシランを
原材料ガスとして用いる場合、常圧または減圧下で１０
５０℃〜１１５０℃の反応温度で、成長速度が１μｍ／
ｍｉｎ以下の条件で製造している。

【０００７】しかし、これらの条件はいずれも成長速度
が１μｍ／ｍｉｎ以下であるため、生産性が悪いという
問題がある。さらに、ＳｉＣｌ₄やトリクロロシランの
ような水素還元反応の場合、反応温度が非常に高温とな
り、Ｓｌｉｐと呼ばれる結晶欠陥や埋め込み層からの不
純物のオートドープが大きくなり、エピタキシャル膜の
比抵抗コントロール（反転層の形成も含む）が難しいと
いう不具合が生じる。

【０００８】この発明は、結晶軸＜１００＞０±１°の
シリコン単結晶基板にエピタキシャル成長する製造方法
における上述の問題点に鑑み、水素還元反応時のオート
ドープを低減するとともにパターンディストーションを
発生させることなく、１μｍ／ｍｉｎ以上の成長速度が
得られる半導体基板の製造方法の提供を目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者らは、結晶軸＜１
００＞０±１°のシリコン単結晶基板へのエピタキシャ
ル成長速度の高速化を目的に、反応炉内及び基板近傍の
ガス流れについて種々検討したところ、従来、ある反応
炉において、シリコン単結晶基板（５インチ）１枚当た
りのＨ₂ガス流量は数ｌ〜１５ｌ／ｍｉｎ程度であり、
しかも、ガス流れは乱流でガスの濃度差が発生している
ことに着目し、さらに検討した結果、シリコン単結晶基
板（５インチ）１枚当たりのＨ₂ガス流量を３０〜１２
０ｌ／ｍｉｎと高速流とし、また、ガス流れを１方向
流、すなわち、基板表面に沿って一方向に流れる層流と
することにより、パターンディストーションを大きく改
善できることを知見した。

【００１０】発明者らは、さらに基板近傍のガス流れに
ついて種々検討したところ、キャリアガス流れを層流で
高速流とすることにより、原料ガスのよどみ層はほとん
ど発生せず、局所的なエッチング、デポがなく、常にフ
レッシュなガスが供給されるため反応が安定し、高速化
すること、すなわち、パターンディストーションへの影
響度に関与する因子の中で、ウェーハ１枚当たりの水素
ガス流量及びガス流れは非常に大きな影響を及ぼす因子
であることを知見した。

【００１１】そこで、発明者らは、上記知見に基づく層
流で高速流のキャリアガス流れと反応温度との関係につ
いても検討したところ、Ｓｉソースとしてトリクロロシ
ランの場合、反応温度が１１５０℃±１０℃で、処理炉
内のガス流速が２ｍ／ｍｉｎ以上、あるいはガス置換回
数が３回／ｍｉｎ以上となる高速流かつ層流のキャリア
ガスを流下させると、従来に比べて低温でかつ成長速度
も２〜１０倍というこれまでの常識を越える反応が可能
となることを知見しこの発明を完成した。

【００１２】すなわち、この発明は、不純物の埋め込み
拡散がなされた微細パターンを持つ結晶軸＜１００＞０
±１°のシリコン単結晶基板にエピタキシャル成長する
に際し、ＳｉＨＣｌ₃（トリクロロシラン）を原材料ガ
スとして、処理炉内のガス流速が２ｍ／ｍｉｎ以上、あ
るいはガス置換回数が３回／ｍｉｎ以上の高速流かつ層
流のキャリアガスを流下させ、反応温度を１１５０℃±
１０℃に保持することを特徴とする半導体基板の製造方
法である。

【００１３】また、この発明は、不純物の埋め込み拡散
がなされた微細パターンを持つ結晶軸＜１００＞０±１
°のシリコン単結晶基板にエピタキシャル成長するに際
し、ＳｉＣｌ₄（四塩化けい素）を原材料ガスとして、
処理炉内のガス流速が２ｍ／ｍｉｎ以上、あるいはガス
置換回数が３回／ｍｉｎ以上の高速流かつ層流のキャリ
アガスを流下させ、反応温度を１１５０℃〜１１９０℃
に保持することを特徴とする半導体基板の製造方法であ
る。

【００１４】この発明において、エピタキシャル成長前
の前処理は、高温Ｈ₂雰囲気下でのベーキング、高温Ｈ₂
及び少量のＨＣｌガス雰囲気下でのエッチング処理のい
ずれを採用してもよい。また、気相成長装置は、キャリ
アガス流量を基板表面に沿って一方向に流れる層流で所
定の高速流とすることができれば、縦型、ドーム型、チ
ューブ型等公知のいずれの構成からなる装置を採用する
こともできる。

【００１５】この発明において、反応炉内のキャリアガ
ス流速を限定するのは、層流で高速流とすることによ
り、原料ガスのよどみ層を発生せず、局所的なエッチン
グ、デポをなくし、反応の安定と高速化を図るためであ
るが、かかる効果を得るためには、少なくとも２ｍ／ｍ
ｉｎ以上の流速が必要であり、速い流れであるほど効果
は高いが、流量を増やすと反応容器内の背圧が上昇して
最終的には破壊することになるため、反応炉の構成や使
用する流量制御用マスフローコントローラーの能力に応
じて上限を選定すると良く、実用的には２〜１６ｍ／ｍ
ｉｎである。

【００１６】また、この発明において、反応炉内のキャ
リアガス流速の規定に代えてガス置換回数で規定するこ
ともでき、同様の効果を得るにはガス置換回数が少なく
とも３回／ｍｉｎ以上のガス流量が必要であり、置換回
数が多いほうが好ましいが、上述と同様の理由により、
実用的には３〜２６回／ｍｉｎである。

【００１７】この発明において、Ｓｉソースとしてトリ
クロロシランを用いる場合、反応温度を１１５０℃±１
０℃とするのは、キャリアガス流れを層流で高速流とし
ても、該反応温度域を外れると２．０〜５．０μｍ／ｍ
ｉｎあるいは５．０μｍ／ｍｉｎ以上の成長速度が得ら
れないためである。また、ＳｉソースとしてＳｉＣｌ₄
を用いる場合も、同様の理由で反応温度が１１５０℃〜
１１９０℃域を外れると１．０〜３．０μｍ／ｍｉｎあ
るいは３．０μｍ／ｍｉｎ以上の成長速度が得られな
い。

【００１８】

【作用】この発明は、不純物の埋め込み拡散がなされた
微細パターンを持つ結晶軸＜１００＞０±１°のシリコ
ン単結晶基板にエピタキシャル成長するに際し、原材料
ガスＳｉＨＣｌ₃の場合、成長温度を１１５０℃±１０
℃に保持し、ＳｉＣｌ₄の場合、成長温度を１１５０℃
〜１１９０℃に保持し、従来よりはるかに高速流かつ層
流でキャリアガスを流下させることにより、ＳｉＨＣｌ
₃の場合、該成長速度が２．０μｍ／ｍｉｎ以上、さら
に高速度で流下させると５．０μｍ／ｍｉｎ以上の高速
成膜を可能にし、従来の２倍以上の成長速度で反応する
ことが可能であるため、生産性の向上が図れ、しかもス
リップやオートドープの少ない高品質の半導体集積回路
用シリコン単結晶基板を提供できる。

【００１９】

【実施例】

実施例１ ５インチ径、Ｐ型（Ｂｏｒｏｎ）、比抵抗５〜１０Ωｃ
ｍの結晶軸＜１００＞０±１°の基板に、図１Ａに示す
ごときパターニングを形成後、不純物としてＳｂ（Ｎ
型）を表面濃度１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｃ、拡散深さ
が５μｍの拡散層を形成した後、エピタキシャル成長を
行った。気相成長装置は、メインＨ₂が大流量で層流と
なるガス流れを持つものを使用し、原材料Ｓｉガスとし
てトリクロロシラン、反応温度が１１００〜１１５０
℃、ウェーハ１枚当たりの水素ガス流量が３０〜１２０
ｌ／ｍｉｎ、すなわち、流速が２．３６ｍ／ｍｉｎ〜
９．４５ｍ／ｍｉｎ、ガス置換回数が３．９回／ｍｉｎ
〜１５．６回／ｍｉｎの条件でエピタキシャル成長を行
ったところ、成長速度は２．０〜５．０μｍ／ｍｉｎを
得た。

【００２０】図１Ｂと図２Ａ，Ｂは、ウェーハ１枚当た
りの水素ガス流量を６０ｌ／ｍｉｎ（ガス流速４．７２
ｍ／ｍｉｎ、ガス置換回数７．８回／ｍｉｎ）に設定
し、２０μｍ厚みにエピタキシャル成長させ、５．０μ
ｍ／ｍｉｎの成長速度を得たときの反応温度が１１００
℃、１１３０℃、１１５０℃における得られたパターン
を示す拡大（１０７．５倍）図である。図２Ａに示すご
とく、反応温度が１１００〜１１３０℃の範囲で成長し
た全ての条件は、パターンディストーションが悪く、実
用的ではないが、図２Ｂに示すごとく、パターンディス
トーションは、従来炉の条件（０．５μｍ／ｍｉｎの成
長速度）で作製したものと同等以上の良好なものであっ
た。また、スリップやオートドープについても、なんら
問題のないレベルであった。

【００２１】実施例２ 実施例１の気相成長条件において、反応温度を１１５０
℃とし、得られた２．０μｍ／ｍｉｎ、４．０μｍ／ｍ
ｉｎ、４．５μｍ／ｍｉｎ、５．０μｍ／ｍｉｎの各成
長速度でのパターンを示す拡大（１０７．５倍）図を図
３Ａ，Ｂ、図４Ａ，Ｂにそれぞれ示す。その結果、１１
５０℃で反応した全ての条件でパターンディストーショ
ンは、従来炉の条件で作製したものと同等以上の良好な
ものであった。また、スリップやオートドープについて
も、なんら問題のないレベルであった。

【００２２】実施例３ 実施例１の図１Ａに示す不純物拡散を実施したシリコン
単結晶基板に、実施例１のメインＨ₂が大流量で層流と
なる気相成長装置を用い、ＳｉソースとしてＳｉＣ
ｌ₄、反応温度が１１００〜１１９０℃、ウェーハ１枚
当たりの水素ガス流量が３０〜１２０ｌ／ｍｉｎ、すな
わち、流速が２．３６ｍ／ｍｉｎ〜９．４５ｍ／ｍｉ
ｎ、ガス置換回数が３．９回／ｍｉｎ〜１５．６回／ｍ
ｉｎとなる条件でエピタキシャル成長を行ったところ、
１．０〜３．０μｍ／ｍｉｎの成長速度が得られた。そ
の結果、反応温度が１１００〜１１３０℃の範囲で成長
した全ての条件は、パターンディストーションが悪く、
実用的ではなかった。しかし、１１５０℃以上で反応し
た全ての条件でパターンディストーションは、比較例１
の従来炉の条件で作製したものと同等以上の良好なもの
であった。

【００２３】すなわち、反応温度を１１９０℃、成長速
度が２．０μｍ／ｍｉｎとなるように設定し、ウェーハ
１枚当たりの水素ガス流量が３０ｌ／ｍｉｎ、６０ｌ／
ｍｉｎ、１２０ｌ／ｍｉｎ、流速が２．３６ｍ／ｍｉ
ｎ、４．７２ｍ／ｍｉｎ、９．４５ｍ／ｍｉｎ、ガス置
換回数が３．９回／ｍｉｎ、７．８回／ｍｉｎ、１５．
６回／ｍｉｎにおける基板のパターンを示す拡大（１０
７．５倍）図を図５Ａ，Ｂ，Ｃに示すごとく、パターン
ディストーションは良好なものであり、スリップやオー
トドープについても、なんら問題のないレベルであっ
た。

【００２４】比較例１ ５インチ径、Ｐ型（Ｂｏｒｏｎ）、比抵抗５〜１０Ωｃ
ｍの結晶軸＜１００＞０±１°の基板に、パターニング
形成後、不純物としてＳｂ（Ｎ型）を表面濃度１×１０
¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｃ、拡散深さが５μｍの拡散層を形成
した後、通常のシリンダー炉でウェーハ１枚当たりの水
素ガス流量が１５ｌ／ｍｉｎ、流速が１．１８ｍ／ｍｉ
ｎ、ガス置換回数が１．９回／ｍｉｎ、反応温度を１２
００℃の条件でエピタキシャル成長を行ったところ、
０．２６μｍ／ｍｉｎの成長速度で１８μｍ厚みを得
た。図６Ａ，Ｂ、図７Ａ，Ｂの基板のパターンを示す拡
大（１０７．５倍）図に明らかなようにパターンディス
トーションは良好なものであり、スリップやオートドー
プについても、なんら問題のないレベルであった。

【００２５】

【発明の効果】この発明は、不純物の埋め込み拡散がな
された微細パターンを持つ結晶軸＜１００＞０±１°の
シリコン単結晶基板にエピタキシャル成長するに際し、
原材料ガスＳｉＨＣｌ₃の場合、成長温度を１１５０℃
±１０℃に保持し、ＳｉＣｌ₄の場合、成長温度を１１
５０℃〜１１９０℃に保持し、従来よりはるかに高速流
かつ層流でキャリアガスを流下させることにより、Ｓｉ
ＨＣｌ₃の場合、該成長速度が２．０μｍ／ｍｉｎ以
上、さらに高速度で流下させると５．０μｍ／ｍｉｎ以
上の高速成膜を可能にし、従来の２倍以上の成長速度で
反応することが可能であるため、生産性の向上が図れ、
しかもスリップやオートドープの少ない高品質の半導体
集積回路用シリコン単結晶基板を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａは実施例におけるエピタキシャル成長前のパ
ターニングを形成した基板の拡大（１０７．５倍）図で
あり、Ｂは実施例１の反応温度が１１００℃における基
板の拡大（１０７．５倍）図である。

【図２】Ａは実施例１の反応温度が１１３０℃における
基板の拡大（１０７．５倍）図、Ｂは実施例１の反応温
度が１１５０℃における基板の拡大（１０７．５倍）写
真図である。

【図３】Ａは実施例２の成長速度が２．０μｍ／ｍｉｎ
における基板の拡大（１０７．５倍）図、Ｂは成長速度
が４．０μｍ／ｍｉｎにおける基板の拡大（１０７．５
倍）図である。

【図４】Ａは実施例２の成長速度が４．５μｍ／ｍｉｎ
における基板の拡大（１０７．５倍）図、Ｂは成長速度
が５．０μｍ／ｍｉｎにおける基板の拡大（１０７．５
倍）図である。

【図５】Ａ，Ｂ，Ｃは実施例３のウェーハ１枚当たりの
水素ガス流量が３０ｌ／ｍｉｎ、６０ｌ／ｍｉｎ、１２
０ｌ／ｍｉｎにおける基板のパターンを示す拡大（１０
７．５倍）図である。

【図６】Ａは比較例１におけるエピタキシャル成長前の
パターニングを形成した基板の拡大（１０７．５倍）写
真図であり、Ｂは従来のエピタキシャル成長を行った基
板の拡大（１０７．５倍）写真図である。

【図７】Ａは比較例１におけるエピタキシャル成長前の
パターニングを形成した基板の図６とは角度を変えて見
た拡大（１０７．５倍）図であり、Ｂは従来のエピタキ
シャル成長を行った基板の図６とは角度を変えて見た拡
大（１０７．５倍）図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/20 Ｈ０１Ｌ 21/20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不純物の埋め込み拡散がなされた微細パ
   ターンを持つ結晶軸＜１００＞０±１°のシリコン単結
   晶基板にエピタキシャル成長するに際し、ＳｉＨＣｌ₃
   （トリクロロシラン）を原材料ガスとして、処理炉内の
   ガス流速が２ｍ／ｍｉｎ以上、あるいはガス置換回数が
   ３回／ｍｉｎ以上の高速流かつ層流のキャリアガスを流
   下させ、反応温度を１１５０℃±１０℃に保持すること
   を特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 不純物の埋め込み拡散がなされた微細パ
   ターンを持つ結晶軸＜１００＞０±１°のシリコン単結
   晶基板にエピタキシャル成長するに際し、ＳｉＣｌ
   ₄（四塩化けい素）を原材料ガスとして、処理炉内のガ
   ス流速が２ｍ／ｍｉｎ以上、あるいはガス置換回数が３
   回／ｍｉｎ以上の高速流かつ層流のキャリアガスを流下
   させ、反応温度を１１５０℃〜１１９０℃に保持するこ
   とを特徴とする半導体基板の製造方法。