JP3948577B2

JP3948577B2 - 半導体単結晶薄膜の製造方法

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Publication number: JP3948577B2
Application number: JP28131097A
Authority: JP
Inventors: 等羽深; 徹大塚
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2017-09-29
Also published as: JPH11102871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の表面に半導体単結晶薄膜を形成して、いわゆる半導体エピタキシャルウェーハを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のように電子デバイスの微細化および高集積化が高度に進展し、デバイスが取り扱う電荷量が減少するに伴い、半導体基板中の微小欠陥の影響がますます顕著となっており、半導体基板の無欠陥化が切望されている。
かかる無欠陥化を半導体基板の表層部で実現可能なものとして、半導体基板上にさらに半導体単結晶薄膜をエピタキシャル成長させた、いわゆるエピタキシャルウェーハが知られている。エピタキシャル成長技術によれば、エピタキシャルウェーハ内部に急峻な不純物濃度勾配を形成したり、高濃度層の上部に低濃度層を形成することが比較的容易に行えるため、エピタキシャル成長技術はバイポーラ・トランジスタやショットキ・バリア・ダイオードの作製には必須のものである。
【０００３】
エピタキシャルウェーハの半導体単結晶薄膜については、電子デバイスの微細化に伴ってより一層の薄膜化と膜厚および抵抗率の高度な均一化とが要求されている。しかし、デバイス・チップの大型化と共に半導体基板が大口径化し、形成すべき半導体単結晶薄膜の面積も増大していることから、この要求に十分に応えることは年々困難となりつつある。
大口径の半導体基板上に半導体単結晶薄膜を成長させるためのエピタキシャル成長装置としては、半導体基板水平載置型の枚葉式エピタキシャル成長装置が主に用いられている。特開平４−２３３７２３号公報には、かかるエピタキシャル成長装置における膜厚均一化の対策として、半導体基板に平行な面内でこの半導体基板の端部に隣接して設けられる長穴状のガス流入口を複数本の溝に分割し、個々の溝におけるガス濃度あるいはガス流量を制御可能としたガス供給多岐管が開示されている。
【０００４】
ところで通常、半導体エピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャル成長装置の反応容器内では、該反応容器内に載置された半導体基板よりも下方側の領域への意図しない半導体薄膜の堆積を防ぐために、エピタキシャル成長に影響を与えないガス、典型的にはキャリアガスと同じガスが、パージガスとして供給されている。
図５は、従来の一般的なエピタキシャル気相成長装置の構成例である。
この装置は、長手方向の一端にガス供給口２２、他端に排気口２３を備えた扁平な反応容器２１と、この反応容器２１の下方側に位置し、半導体基板Ｗを載置するためのサセプタ２５を収容するサセプタ収容部２４と、このサセプタ収容部２４の底部中央に接続され、上記サセプタ２５の回転軸２６を挿通させるための脚部３０と、この脚部３０の中途部にて上記回転軸２６に接続され、該回転軸２６を矢印ｅ方向に回転可能とする回転アセンブリ２７と、上記脚部３０に接続され、その内部にパージガスを導入するための第１のパージガス供給管２８と、上記サセプタ収容部２４に接続され、その内部にパージガスを導入するための第２のパージガス供給管２９と、反応容器２１の天井面の外部に配列され、半導体基板Ｗを均一に加熱するための複数の赤外線ランプ３１と、サセプタ収容部２４の底面の外部に配され、サセプタ２５表面の温度を測定することにより半導体基板Ｗの温度を検出するための放射温度計３２を主な構成要素とする。
【０００５】
上記装置において半導体基板Ｗ上に珪素単結晶薄膜を成長させる場合、反応容器２１内にはガス供給口２２から例えばＨ₂（水素）に代表されるキャリアガスと、このキャリアガスで希釈されたＳｉＨＣｌ₃（トリクロロシラン）等の原料ガスと、必要に応じて供給されるＢ₂Ｈ₆等のドーパントガスとが混合されてなる反応ガスが、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）により流量制御された後に矢印ａ方向に導入され、半導体基板Ｗの主面に対して略平行なガス流が形成される。
なお、前述の特開平４−２３３７２３号公報に開示されるガス供給多岐管は、上記ガス供給口２２の形状が複数本の溝に分割された長穴状とされたものに相当し、個々の溝についてガス流量が個別に制御されることで、半導体基板の面内に所定のガス濃度分布が与えられている。
【０００６】
一方、上記サセプタ収容部２４内には、パージガスとして例えばＨ₂ガスがマスフローコントローラ（ＭＦＣ）により流量制御された後に、第１のパージガス供給管２８および第２のパージガス供給管２９を通じて導入される。上記サセプタ収容部２４は、サセプタ２５の直径よりもやや大きい直径を有し、その内壁面と該サセプタ２５の外縁との間には環状のわずかな隙間がある。したがって、第１のパージガス供給管２８および第２のパージガス供給管２９から導入されたパージガスは、それぞれ矢印ｂおよび矢印ｃで示されるように、サセプタ収容部２４から上記の隙間を通過して反応容器２１内に到達する。パージガスはそこで未反応の反応ガスや反応副生成物を含むガス流と合流し、排気口２３から矢印ｄ方向に沿って排気される。
【０００７】
上述のようなパージガスのガス流は、反応容器２１内の反応ガスがサセプタ収容部２４側へ流入することを防ぎ、該サセプタ収容部２４の内壁面上に多結晶状の珪素薄膜が堆積することを防止する役割を果たしている。
サセプタ収容部２４の内壁面における多結晶膜の堆積防止は、下記の２つの理由により重要である。
ひとつは、装置内のパーティクルレベルを抑制することによる珪素単結晶薄膜の膜質向上と、その結果として装置のメンテナンス頻度を削減できることによる生産性の向上である。
もうひとつは、放射温度計３２による温度測定精度の維持である。放射温度計３２は、サセプタ収容部２４の器壁を通して観測されたサセプタ２５の裏面の発光輝度にもとづいて半導体基板の温度を算出しているため、珪素薄膜の堆積により器壁が白濁すると、発光輝度が実際よりも低く観測され、半導体基板の温度が誤って低く算出されてしまうからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように重要な役割を果たしているパージガスであるが、このパージガスの流量をあまり増大させると、半導体基板面内における半導体単結晶薄膜の膜厚の均一化が妨げられることが経験的に知られている。このため、パージガス流量は通常、必要最低限に抑えられている。
ところが、条件によっては必要最低限のパージガス流量下でも半導体単結晶薄膜の膜厚分布や抵抗率分布の均一性が損なわれる場合がある。このような場合、反応ガスの流量を変更せず、パージガス流量をさらに低下させることで対処すると、サセプタ収容部２４の内壁面上へ意図しない多結晶膜の堆積が発生してしまい、反応容器２１の交換などメンテナンス頻度の上昇による生産性の低下や、放射温度計３２による半導体基板の温度の管理精度の低下を招く原因となっていた。
【０００９】
そこで本発明は、サセプタ収容部２４の内壁面への多結晶膜の堆積を招かず、かつこれと同時に、半導体基板面内では良好な半導体単結晶薄膜の膜厚分布や抵抗率分布を達成することを可能とする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】
本発明者らは、上述の目的を達成するために、サセプタ収容部２４に供給されるパージガスが反応容器２１内、特に半導体基板表面付近の反応ガス濃度に与える影響について、流体力学的な解析を行った。その結果、たとえ半導体基板の面内に所定の濃度分布となるように原料ガスが供給されている場合であっても、パージガスの流量によっては主として半導体基板の外周側の反応ガス濃度がパージガスにより変化することを見出した。
また本発明者らは、原料ガスとしてシラン系ガスを用いた時に、原料ガスの濃度を半導体基板の中央部よりも周辺部に相対的に高く設定することにより均一な膜厚分布が得られること、さらに、低温域で珪素系半導体基板の主面の自然酸化膜と付着有機物膜を除去することにより、抵抗率分布を高度に均一化することが可能となることを見出した。
【００１１】
本発明の半導体単結晶薄膜の製造方法は、かかる知見にもとづいて提案されるものであり、半導体単結晶薄膜の形成に関与する原料ガスが半導体基板の直径方向に沿って所定の濃度分布を持つように、かつ該半導体基板の主面に対して略平行、一方向に供給されている時、この濃度分布をパージガスの流量に応じて最適化するものである。
このとき、上記原料ガスの濃度分布と共に、上記反応ガスの総流量を上記パージガスの流量に応じて最適化することも好適である。
【００１２】
上述のような原料ガスの濃度分布を作り出すための実際的な方法としては、上記半導体基板を反応容器の下方側に位置するサセプタ収容部に収容されるサセプタの上に載置し、上記パージガスは該サセプタ収容部内に導入された後に該半導体基板の裏面側から該半導体基板の外縁を経由して該反応容器内にて上記反応ガスと合流させ、上記原料ガスの濃度分布は該反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について該原料ガスの濃度を独立に設定することが簡便である。
このときのパージガスの流量は、上記サセプタ収容部の内壁面上における半導体多結晶膜の堆積を抑制し得る流量に調整することが肝要である。
また、上記原料ガスの濃度分布を、上記反応容器の幅方向の中央部では相対的に低濃度、かつ幅方向の周辺部では相対的に高濃度となるごとく設定することは、周辺部におけるパージガスによる希釈効果を相殺する上で有効である。
【００１３】
上記半導体基板として珪素系半導体基板、上記原料ガスとしてシラン系ガスを用いると、珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長が可能となる。このとき、この半導体単結晶薄膜の成長に先立つ前処理として、上記珪素系半導体基板の一方の主面に対し、０℃以上１００℃未満の温度域にてＨＦとＨ₂の混合ガスを用いた自然酸化膜の除去と、５００℃以上８００℃未満の温度域でＨＣｌとＨ₂の混合ガスを用いた付着有機物の除去とをこの順に行うと、次工程で極めて均一な珪素単結晶薄膜を成長させることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において原料ガスの濃度分布は、反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について独立に原料ガスの濃度を設定することにより達成することができる。このようなガスの供給方法は、例えば図１に示されるようなエピタキシャル気相成長装置を用いて実現することができる。
【００１５】
この装置は、長手方向の一端にガス供給管２、他端に排気口３を備えた扁平な反応容器１と、この反応容器１の下方側に位置し、半導体基板Ｗを載置するためのサセプタ５を収容するサセプタ収容部４と、このサセプタ収容部４の底部中央に接続され、上記サセプタ５の回転軸６を挿通させるための脚部１０と、この脚部１０の中途部にて上記回転軸６に接続され、該回転軸６を矢印Ｇ方向に回転可能とする回転アセンブリ７と、上記脚部１０に接続され、その内部にパージガスを導入するための第１のパージガス供給管８と、上記サセプタ収容部４に接続され、その内部にパージガスを導入するための第２のパージガス供給管９と、サセプタ収容部４の底面側の外部に配され、半導体基板Ｗの温度を検出するための放射温度計１１を主な構成要素とする。
【００１６】
上記反応容器１の幅方向、すなわち短手方向の長さは、半導体基板Ｗの直径よりもやや大とされる程度に選択される。このことにより、反応容器１内のガス流が近似的に層流を形成した状態で半導体基板Ｗの主面に沿って通過するようになされている。直径３００ｍｍの半導体基板Ｗに対する処理を想定した場合、反応容器１の幅は例えば３８０ｍｍ程度に設定される。
なお、上記反応容器１の天井面側の外部には半導体基板Ｗを均一に加熱するための複数の赤外線ランプが配列されているが、ここでは煩雑さを避けるために図示を省略し、光の入射方向のみ矢印Ｌで示してある。なお、半導体基板Ｗを加熱するための赤外線ランプは、上記反応容器１の底部側の外部に配列されることもある。
【００１７】
上記ガス供給管２は、一例として平行に３分割された流路を有し、各流路の末端、すなわち反応容器１に接続される開口端は、反応容器１の幅方向に沿って扁平な矩形形状を有するガス導入口２ａ，２ｂ，２ｃとされている。図示される例では、中央のガス導入口２ｂが開口面積全体の２／３を占め、左右のガス導入口２ａ，２ｃが１／６ずつを占める設計とされている。各ガス導入口２ａ，２ｂ，２ｃから放出されたガスは、それぞれ矢印Ａ，Ｂ，Ｃで示されるごとく、半導体基板Ｗの主面に対して略平行なガス流を形成し、反応容器１内を排気口３に向かって流れる。
【００１８】
図１には、珪素単結晶基板上への珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長を想定し、大別して２つのガス供給系統を示した。
そのひとつは、ドーパントガスのジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）、原料ガスのＳｉＨＣｌ₃、前処理用ガスのＨＣｌ、およびキャリアガスのＨ₂を導入する第１のガス供給系統１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃである。Ｂ₂Ｈ₆は、ｐ型珪素単結晶薄膜を成長させる際のドーパントである。また、ＨＣｌガスはエピタキシャル成長に先立ち、珪素単結晶基板の表面の付着有機物を除去するためのガスであり、Ｈ₂で希釈された状態で供給される。このＨＣｌガスを用いた前処理については、実施例２で後述する。
第１のガス供給系統１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、それぞれに独立に備えられたマスフローコントローラ（ＭＦＣ）群１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを用いて目的に応じた組成を有する混合ガス、すなわち反応ガスを調整し、この反応ガスを所望の流量にてそれぞれガス導入口２ａ，２ｂ，２ｃから反応容器１内へ供給する。
【００１９】
なお、珪素単結晶薄膜の成膜用の原料ガスとしては、上記のＳｉＨＣｌ₃以外にも様々なシラン系ガスを用いることができ、例えばＳｉＨ₄，ＳｉＨ₂Ｃｌ₂，ＳｉＣｌ₄等のモノシラン誘導体、あるいはジシランやトリシランの誘導体を例示することができる。ここで、ジシランやトリシランを用いる場合は、モノシラン誘導体を用いる場合に比べて低温成長が可能である。
また、ドーパントとしては、上記のＢ₂Ｈ₆以外にもｎ型ドーパントであるフォスフィン（ＰＨ₃）、その他公知の化学物質を用いることができる。
【００２０】
一方、第２のガス供給系統１４は、フッ化水素（ＨＦ）をＨ₂ガスで希釈して供給するための系統である。このＨＦは、エピタキシャル成長に先立ち、珪素単結晶基板の表面の自然酸化膜を除去するために用いられる。このＨＦを用いた前処理については、実施例２で後述する。ＨＦは常温で液体であるが、蒸気圧が大きく容易に気化するため、この気化成分をマスフローコントローラ（ＭＦＣ）群１５を用いてＨ₂と混合し、反応容器１へ供給する。
【００２１】
本装置の上記サセプタ収容部４内には、パージガスとして例えばＨ₂ガスがそれぞれＭＦＣ１７，１８による流量制御を経て、第１のパージガス供給管８および第２のパージガス供給管９から導入される。上記サセプタ収容部４は、サセプタ５の直径よりも大きい直径を有し、その内壁面と該サセプタ２５の外縁との間にはわずかな環状の隙間がある。この隙間の幅は、例えば５ｍｍとした。第１のパージガス供給管８から導入されたＨ₂ガスは、矢印Ｅで示されるように、回転アセンブリ７と脚部１０の内部を通過して上記の隙間から反応容器１へ到達し、排気口３から矢印Ｄで示されるように排気される。また、第２のパージガス供給管９から導入されたＨ₂ガスは、矢印Ｆで示されるように、やはり上記の隙間を抜けて反応容器１へ到達し、同様に排気される。
【００２２】
このような装置構成においては、特に半導体基板Ｗの外周部においてパージガスの希釈効果による原料ガス濃度の低下が予測されるため、本発明では原料ガスの濃度分布を、半導体基板の中央部では相対的に低く、かつ外周部では相対的に高く設定しておくことが好適である。
【００２３】
ところで、エピタキシャル成長の成否は半導体基板の表面状態に大きく依存することが知られている。特に、珪素単結晶基板上に珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる場合、該珪素単結晶基板表面の自然酸化膜や付着有機物を十分に除去し、清浄化しておくことが必要である。この清浄化の方法としては、まず、０℃以上１００℃未満の温度域でＨＦとＨ₂の混合ガス（ＨＦ混合ガス）を用いて自然酸化膜を除去した後、５００℃以上８００℃未満の温度域でＨＣｌとＨ₂の混合ガス（ＨＣｌ混合ガス）を用いて付着有機物の除去を行うことが極めて好適である。
なお、上記ＨＦ混合ガス中のＨＦ濃度はおおよそ０．５％以上とすることが好適である。０．５％未満では自然酸化膜の除去速度が著しく低下する。一方、１〜１００％において自然酸化膜の除去に要する時間には大差はない。
また、ＨＦ混合ガスによる処理時間はおおよそ０．５〜５分の範囲とすることが好適である。０．５分より短時間では自然酸化膜が十分に除去されず、５分より長時間では効果にほとんど差異が認められない上、スループットが低下する原因となる。実用上は３分程度で十分である。
【００２４】
上記の自然酸化膜の除去方法は、本願出願人が別の研究結果にもとづいて提案したものであり、該自然酸化膜に本来的に収着されている水分を反応開始触媒として利用しながら低温で自然酸化膜を除去する方法である。温度が０℃よりも低い場合には、自然酸化膜が除去できなくなるか、あるいはエッチング反応速度が低下してスループットが低下するおそれがあり、逆に１００℃よりも高い場合には自然酸化膜に収着されている水分が脱離して反応開始触媒が無くなってしまうので、エッチング反応が進行しなくなる。
一方、ＨＣｌ混合ガスによる付着有機物の除去時の温度については、５００℃以下であると除去が進行せず、８００℃を越えると珪素単結晶基板の表面が腐食されて微小な凹凸が発生するおそれが大きい。なお、ＨＣｌ混合ガスの濃度はおおよそ０．１〜１０％とすることが好適である。０．１％未満では付着有機物の除去効果が小さく、１０％以上では珪素単結晶基板の表面に微小な凹凸が生ずることがある。また、ＨＣｌ混合ガスによる処理時間はおおよそ１秒〜１０分の範囲とすることが好適である。１秒より短時間では付着有機物が十分に除去されず、１０分より長時間では効果にほとんど差異が認められない上にスループットが低下する原因となる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２６】
実施例１
本実施例では、前掲の図１に示したエピタキシャル気相成長装置を用いたノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、パージガスであるＨ₂ガスの流量を一定とし、中央のガス導入口２ｂと左右のガス導入口２ａ，２ｃからのＳｉＨＣｌ₃ガスの供給濃度比の違いによる膜厚分布の変化について検討した。
使用した単結晶基板Ｗは、珪素からなる直径３００ｍｍのｐ型低抵抗基板（抵抗率＝０．０１Ω・ｃｍ）である。
本実施例では、プロセス全体を通じて反応容器１内の圧力を常に１気圧に維持し、また、このときの第１のパージガス供給管８および第２のパージガス供給管９から導入されるパージガスの合計流量は、常に１６リットル／分とした。
【００２７】
まず、半導体基板Ｗの前処理を行った。すなわち、半導体基板Ｗをサセプタ５上に載置し、第１のガス供給系統１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを用いてＨ₂ガスを導入した。この状態で、図示されない赤外線ランプに通電して半導体基板Ｗを１１００℃に昇温し、その温度に１分間保持した。これにより、珪素単結晶基板の表面に付着していた珪素酸化膜および有機物を還元分解除去した。
【００２８】
次に、上記赤外線ランプ通電量を調整して半導体基板Ｗの温度を１０００℃とし、直ちに反応ガスであるＳｉＨＣｌ₃とＨ₂の混合ガスを、ガス導入管２より１分間導入した。上記混合ガスの組成は、Ｈ₂ガス７５リットル／分に１２ｇ／分のＳｉＨＣｌ₃を添加した組成とした。
ここで、中央のガス導入口２ｂと左右のガス導入口２ａ，２ｃからのＣｌ₃の供給濃度比（以下、「左：中央：右」と表記する。）を左：中央：右＝１：１：１とした場合、左：中央：右＝４：１：４とした場合、および左右のみに同じ濃度で流した場合、すなわち左：中央：右＝１：０：１とした場合の３通りの実験を行った。このとき、各ガス導入口２ａ，２ｂ，２ｃから流出する上記混合ガスの流速が均一となるよう、ＭＦＣ群１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを用いて各導入口へ供給する反応ガスの量を制御した。
１分間の成膜を終了した後、赤外線ランプの通電を遮断すると同時にＳｉＨＣｌ₃の供給を停止し、Ｈ₂ガスのみ流した状態で基板の温度を室温まで下げ、反応容器１外へ取り出した。得られたものは、珪素単結晶基板上に珪素単結晶薄膜が成膜されたエピタキシャルウェーハである。
【００２９】
図２に、上記３通りのＳｉＨＣｌ₃ガス供給濃度比における膜厚分布の測定結果を示す。図中、横軸はエピタキシャルウェーハ中心からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸はノンドープ珪素単結晶薄膜の成長速度（μｍ／分）を表す。この成長速度は、膜厚分布の直接の指標となるものである。つまり、成長速度が小さい場所では膜厚が薄く、成長速度が大きい場所では膜厚が厚い。また、左：中央：右＝１：１：１の場合の結果をグラフＩ、左：中央：右＝４：１：４の場合の結果をグラフII、および左右のみの場合、すなわち左：中央：右＝１：０：１の場合の結果をグラフIII でそれぞれ表す。
中央と左右からのＳｉＨＣｌ₃の供給濃度比を均一とした場合（グラフＩ）には、エピタキシャルウェーハの外周側で成長速度が著しく低下し、左右のみから供給した場合（グラフIII ）には、エピタキシャルウェーハの中央部の成長速度が著しく低下した。
これに対して、左：中央：右＝４：１：４の場合（グラフII）の場合には、成長速度がエピタキシャルウェーハの面内で均等しており、均一な膜厚分布が達成されている。このとき、サセプタ５の裏面にわずかに多結晶珪素の堆積が生じたが、その堆積範囲は外周端から内側へ向かって１ｍｍの範囲内にとどまっていた。
【００３０】
本実施例においては、中央のガス導入口２ｂと左右のガス導入口２ａ，２ｃからの原料ガスの供給濃度比を左：中央：右＝４：１：４とした場合に最良の結果が得られたが、最良の結果をもたらす供給濃度比は、サセプタ収容部４とサセプタ５との間に形成される隙間の幅や、パージガスの流量等の条件により異なる。しかし、半導体基板Ｗの外周部においては、パージガスにより原料ガスの濃度が低下するため、該原料ガスの濃度分布が半導体基板Ｗの中央部では相対的に低濃度、かつ外周部では相対的に高濃度となるように供給濃度比を最適化することが肝要である。
【００３１】
なお、半導体基板Ｗの下側のパージガス流量を２リットル／分以下に低下させた場合には、左：中央：右＝１：１：１であっても均一な膜厚分布が得られたが、サセプタ収容部４の内壁の全面にわたって多結晶珪素の堆積が生じ、放射温度計１１による温度計測にも支障をきたした。
以上の結果から、本発明のように原料ガスの濃度分布を最適化すれば、パージガス流量が多くてもエピタキシャルウェーハ面上の成長速度が均等になるので、半導体単結晶薄膜の膜厚を均一化することができ、しかもエピタキシャルウェーハの裏面側への不要な堆積を確実に防止できることが明白である。
【００３２】
実施例２
本実施例では、ｐ⁺型珪素単結晶基板上へのエピタキシャル成長において、前処理方法の違いによる抵抗率分布の変化について検討した。
使用した単結晶基板Ｗは、珪素からなる直径３００ｍｍのｐ⁺型低抵抗基板（抵抗率＝０．０１Ω・ｃｍ）である。
また、本実施例では反応ガスとして、Ｈ₂ガス７５リットル／分に１２ｇ／分のＳｉＨＣｌ₃と極微量のＢ₂Ｈ₆を添加したものを使用した。その他の条件、すなわち反応容器１内の圧力（１気圧）、パージガスの合計流量（１６リットル／分）は、いずれも実施例１と同じである。また、ＳｉＨＣｌ₃とＢ₂Ｈ₆とＨ₂を混合してなる反応ガスの供給濃度比も、実施例１で良好な結果が得られたことを受けて、左：中央：右＝４：１：４に調整した。
【００３３】
半導体基板Ｗの前処理は、次の２通りの方法で行った。
１番目の方法は、実施例１と同様、Ｈ₂ガス雰囲気下、１１００℃、１分間の熱処理を行うものである。
２番目の方法は、第２のガス供給系統１４を用いてＨＦをＨ₂で１％に希釈したＨＦ混合ガスを２３℃で３分間供給し、次に第１のガス供給系統１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを用いてＨ₂で１％に希釈したＨＣｌ混合ガスを７００℃で１分間供給するものである。
この後は、実施例１と同様にしてｐ型珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させた。
【００３４】
図３に、上記２通りの前処理を経て形成されたｐ型珪素単結晶薄膜の抵抗率分布の測定結果を示す。図中、横軸はエピタキシャルウェーハ中心からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸はｐ型珪素単結晶薄膜の抵抗率（Ω・ｃｍ）を表す。また、前処理を上記１番目の方法で行ったを経た場合の結果をグラフＩＶ、上記２番目の方法で行った場合の結果をグラフＶでそれぞれ表す。
１番目の方法で前処理を行った場合（グラフＩＶ）では、膜厚分布は均一であったが、外周側の３〜５ｍｍの範囲内で抵抗率が低下した。この傾向は、左：中央：右の原料ガスの供給濃度比を変化させても解消することはできず、また抵抗率分布の均一化は抵抗率の目標値を高く設定する（すなわちドープ量を減らす）ほど困難となった。
これに対し、２番目の方法で前処理を行った場合（グラフＶ）では、膜厚分布が均一であることはもちろん、エピタキシャルウェーハの外周部においても抵抗率が低下せず、全体にほぼ均一な抵抗率分布が達成された。
【００３５】
上述の抵抗率分布の差は、前処理時の半導体基板Ｗの加熱温度に起因している。
１番目の方法は前処理温度が高いので、低抵抗基板中のホウ素原子が気相中に外方拡散し、パージガスに運ばれて半導体基板Ｗの外周部に滞留する。このホウ素原子は、ＳｉＨＣｌ₃が導入されエピタキシャル成長が開始される段階になってもまだ気相中に残存しており、これがエピタキシャル成長時に膜内に取り込まれるために、珪素単結晶薄膜の外周部に低抵抗領域が形成されるのである。
これに対し、２番目の方法は１番目の方法に比べて前処理温度が低いので、特にｐ⁺型低抵抗率基板のドーパント原子であるホウ素の気相中への気化を効果的に抑制できる。したがって、気相中のドーパント濃度が均一化され、これにより珪素単結晶薄膜の抵抗率分布も均一化されることが把握された。
【００３６】
実施例３
本実施例では、ノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、反応ガスの主体を占めるキャリアガスとパージガスとの流量比の違いによる膜厚分布の変化について検討した。
使用した半導体基板Ｗは、珪素からなる直径３００ｍｍのｐ⁺型低抵抗基板（抵抗率＝０．０１Ω・ｃｍ）である。
反応ガスとしては、Ｈ₂ガス７５リットル／分あたり１２ｇ／分のＳｉＨＣｌ₃を添加したＳｉＨＣｌ₃混合ガスを使用した。また、ＳｉＨＣｌ₃ガスの供給濃度比は、実施例１で良好な結果が得られたことを受けて、左：中央：右＝４：１：４に調整した。
反応容器１内の圧力は常に１気圧とした。
さらに、前処理は実施例２で述べた２番目の条件にしたがった。
【００３７】
エピタキシャル成長は、下記の４通りのガス流量の組合せＶＩ〜ＩＸにもとづいて行った。ただし、本実施例では反応ガスの流量をその主体をなすＨ₂ガスの流量とみなし、これをキャリアＨ₂と称することにする。パージガス流量はこれに対応して、パージＨ₂と表記する。
ＶＩ：キャリアＨ₂＝５０リットル／分，パージＨ₂なし
ＶII ：キャリアＨ₂＝７５リットル／分，パージＨ₂＝３２リットル／分
ＶIII ：キャリアＨ₂＝５０リットル／分，パージＨ₂＝１６リットル／分
ＩＸ：キャリアＨ₂＝１００リットル／分，パージＨ₂＝１６リットル／分
【００３８】
図４に、上記４通りの流量の組合せにおける膜厚分布の測定結果を示す。図中、横軸はエピタキシャルウェーハ中心からの距離（ｍｍ）を表し、縦軸はノンドープ珪素単結晶薄膜の成長速度（μｍ／分）を表す。この成長速度は、膜厚分布の直接の指標となるものである。また各グラフの名称ＶＩ〜ＩＸは、上記の流量の組合せに対応している。
グラフＶＩの場合、珪素単結晶薄膜の厚さはエピタキシャルウェーハの外周側で厚くなった。また、パージガス流が存在しないため、サセプタ収容部４の内壁の全面にわたって多結晶珪素の堆積が生じた。
グラフＶIIでは、キャリアＨ₂はグラフＶＩと同じとしたままパージＨ₂の流量を一挙にキャリアＨ₂の半分近くまで高めたが、パージＨ₂の比率が高すぎてエピタキシャルウェーハの外周側でＳｉＨＣｌ₃の濃度が低下したために、外周側で膜厚が顕著に減少してしまった。しかし、サセプタ収容部４への多結晶珪素の堆積は認められなかった。
【００３９】
グラフＶIII では、グラフＶIIに比べてキャリアＨ₂もパージＨ₂も全体的に低減させたが、パージＨ₂がキャリアＨ₂の３０％以上の割合で供給されているために、外周側で膜厚が減少する傾向は相変わらずであった。ただし、サセプタ収容部４への多結晶珪素の堆積は認められなかった。
グラフＩＸでは、パージＨ₂はグラフＶIII と同じとしたままキャリアＨ₂の流量を一挙にその２倍に高めたところ、外周部でわずかに膜厚が増すものの、ほぼ良好な膜厚分布が達成された。また、サセプタ収容部４への珪素堆積は、わずかにサセプタ５の裏面において外周端から内側へ１ｍｍほど入った範囲内に認められる程度であった。
【００４０】
このように、パージガス流量が相対的に不足であると反応ガスの熱拡散現象により外周側で膜厚が増大する傾向があり、逆にパージガス流量が相対的に過多であると反応ガスが希釈されて外周側の膜厚が減少する傾向がある。本実施例では、反応ガスとパージガスの流量比が半導体単結晶薄膜の膜厚分布に大きく影響を与えていることが確認され、本発明のような原料ガスの濃度分布の制御の重要性および有効性が実証された。
【００４１】
以上、本発明を３例の具体的な実施例にもとづいて説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。例えば、本発明に用いるエピタキシャル気相成長装置としては、図１に示したような枚葉式の装置のみならず、複数枚の半導体基板を同時に処理する形式の装置も利用可能である。
シラン系ガスを用いて珪素単結晶基板上に珪素単結晶薄膜を気相成長させるに際しては、エピタキシャル成長温度をいずれも１０００℃としたが、これより若干ずれても構わない。ただし、８００℃以下では成長速度が小さくなりすぎて工業的に有用でなく、１２００℃を越えると熱応力に起因して半導体基板の変形が生じるので適切ではない。
また、上記の実施例では半導体単結晶薄膜としてノンドープあるいはｐ型の珪素単結晶薄膜を成膜する場合について説明したが、ｎ型の珪素単結晶薄膜であってもよく、さらには、珪素系の薄膜に限られず、ゲルマニウム系半導体薄膜であってもよい。
さらに本発明は、ＭＯＣＶＤ法による化合物半導体の単結晶薄膜の成膜にも適用可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によればパージガスの流量に応じて原料ガスの濃度分布を調節するので、半導体単結晶薄膜の膜厚や抵抗率分布の均一性を損なうことなく、エピタキシャルウェーハの裏面側への意図しない堆積を防止することができる。上記原料ガスの濃度分布は、反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について独立にガス流量を設定することにより、容易かつ精度良く達成することができる。
上記濃度分布を反応容器の幅方向の中央部で相対的に低く、外周部で相対的に高く設定することにより、膜厚や抵抗率分布の均一化が容易となる。
【００４３】
本発明では半導体基板として珪素単結晶基板、上記反応ガスとしてシラン系ガスを主体とするガスを用いることにより、極めて良質な珪素単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることが可能となる。珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長に先立っては、この成長温度より低い温度域にて珪素酸化膜と有機物膜とを予め除去しておくことにより、抵抗率分布の均一性を改善することができる。
したがって本発明は、ある種の微細な電子デバイスの形成に不可欠なエピタキシャル半導体基板を、優れた品質と生産性をもって製造することに大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いられるエピタキシャル気相成長装置の構成例を示す概略斜視図である。
【図２】ノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、ＳｉＨＣｌ₃ガスの濃度分布の違いによる膜厚分布の変化を表すグラフである。
【図３】ｐ型珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、前処理方法の違いによる抵抗率分布の変化を表すグラフである。
【図４】ノンドープ珪素単結晶薄膜のエピタキシャル成長において、キャリアＨ₂とパージＨ₂の流量比の違いによる膜厚分布の変化を表すグラフである。
【図５】従来の一般的なエピタキシャル気相成長装置の構成例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１反応容器
２ガス導入管
２ａ，２ｃガス導入口（左右）
２ｂガス導入口（中央）
３排気口
４サセプタ収容部
５サセプタ
６回転軸
７回転アセンブリ
８第１パージガス供給管
９第２パージガス供給管
１０放射温度計
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ第１のガス供給系統
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１５ＭＦＣ群
１４第２のガス供給系統
Ｗ半導体基板

Claims

半導体単結晶薄膜の形成に関与する原料ガスが半導体基板の直径方向に沿って所定の濃度分布を持つように、該原料ガスを含む反応ガスの一方向流れを該半導体基板の主面に対して略平行に形成しながら該主面上に半導体単結晶薄膜を成長させる一方で、該半導体基板の裏面側から供給されるパージガスを該半導体基板の外縁を経由して該反応ガスと合流させた後に排気する半導体単結晶薄膜の製造方法であって、
前記半導体基板を、反応容器の下方側に位置するサセプタ収容部に収容されるサセプタの上に載置し、前記パージガスを、該サセプタ収容部内に導入した後に該半導体基板の裏面側から該半導体基板の外縁を経由して該反応容器内にて前記反応ガスと合流させ、
前記パージガスの流量を、前記サセプタ収容部の内壁面上における半導体多結晶膜の堆積を抑制し得る流量に調整するとともに、
前記原料ガスの濃度分布を、該反応容器の幅方向に沿って配列された複数のガス供給口について該原料ガスの濃度を、前記反応容器の幅方向の中央部では相対的に低濃度、かつ幅方向の周辺部では相対的に高濃度となるごとく設定することを特徴とする半導体単結晶薄膜の製造方法。
前記原料ガスの濃度分布と共に、前記反応ガスの総流量も前記パージガスの流量に応じて最適化することを特徴とする請求項１記載の半導体単結晶薄膜の製造方法。
前記半導体基板として珪素系半導体基板、前記原料ガスとしてシラン系ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の半導体単結晶薄膜の製造方法。
前記半導体単結晶薄膜の成長に先立ち、前記珪素系半導体基板の一方の主面に対し、０℃以上１００℃未満の温度域にでＨＦとＨ₂の混合ガスを用いた自然酸化膜の除去と、５００℃以上８００℃未満の温度域でＨＣｌとＨ₂の混合ガスを用いた付着有機物の除去とをこの順に行って該主面を清浄化することを特徴とする請求項３記載の半導体単結晶薄膜の製造方法。