JP2014045168A - 不純物拡散方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ダミーの被処理基板を使用しても、バッチ処理単位間で不純物導入量の安定性を取ることが可能な不純物拡散方法を提供すること。
【解決手段】 （１）基板載置治具に、被処理基板およびダミーの被処理基板ＤＷ（ＳｉＯ２）を載置する工程と、（２）被処理基板およびダミーの被処理基板ＤＷ（ＳｉＯ２）が載置された基板載置治具を、処理装置の処理室に収容する工程と、（３）基板載置治具が収容された処理室内において、被処理基板の被拡散部位に対し、不純物を気相拡散させる工程とを具備し、上記（３）工程において、気相拡散させる不純物がボロンであるとき、ダミーの被処理基板（ＤＷ（ＳｉＯ２））として、ダミーの被処理基板の外表面が、ボロンを吸着しない性質を持つ物質（シリコン酸化物膜１２）であるものを使用する。
【選択図】図６

Description

この発明は、不純物拡散方法に関する。
バッチ式熱処理装置において、被処理基板未載置の空き領域があっても、熱処理の面内、面間均一性および再現性を高く維持するために、ダミーウエハを用いる熱処理方法が、特許文献１に記載されている。
特許文献１においては、空き領域があった場合、製品ウエハを処理ガスの流れ方向の上流側に寄せた状態で保持し、この製品ウエハ群の直ぐ下流側にダミーウエハを保持させる。これにより、空き領域があった場合であっても、熱処理の面内、面間均一性及び再現性を高く維持できる、という利点を得ている。
特開２０００−３４０５５４号公報
近時、トランジスタの微細化に伴って、不純物導入量のより厳密な制御が求められるようになってきている。トランジスタの微細化が進むと、今までは微視的過ぎて問題とならなかったような不純物導入量のわずかなばらつきであっても、例えば、仕事関数の変動や、抵抗値の変動として顕著に現れるようになってきたためである。
バッチ式熱処理装置においてダミーの被処理基板、いわゆるダミーウエハを使用することは、不純物導入量のより厳密な制御のために有効な手法の一つである。ダミーウエハを使用することで、ダミーウエハを使用しない場合に比較して、不純物導入量の面内均一性、並びにバッチ処理単位中の複数の製品ウエハ間での面間均一性を向上させることができる。
しかしながら、バッチ式熱処理装置においてダミーウエハを使用しつつ、不純物、例えば、ボロンを気相拡散させた場合、気相拡散を繰り返すごとに製品ウエハへのボロン導入量が微量ながらも増えていく、という現象が確認された。このため、バッチ処理単位間で不純物導入量の安定性が取り難い、という新たな事情が生じている。
この発明は、ダミーの被処理基板を使用しても、バッチ処理単位間で不純物導入量の安定性を取ることが可能な不純物拡散方法を提供する。
この発明の一態様に係る不純物拡散方法は、ダミーの被処理基板を使用しつつ、被処理基板が有する被拡散部位に対し、不純物を気相拡散させる不純物拡散方法であって、（１）基板載置治具に、前記被処理基板および前記ダミーの被処理基板を載置する工程と、（２）前記被処理基板および前記ダミーの被処理基板が載置された前記基板載置治具を、処理装置の処理室に収容する工程と、（３）前記基板載置治具が収容された処理室内において、前記被処理基板の前記被拡散部位に対し、不純物を気相拡散させる工程とを具備し、前記（３）工程において、前記気相拡散させる不純物がボロンであるとき、前記ダミーの被処理基板として、前記ダミーの被処理基板の外表面が、ボロンを吸着しない性質を持つ物質であるものを使用する。
この発明によれば、ダミーの被処理基板を使用しても、バッチ処理単位間で不純物導入量の安定性を取ることが可能な不純物拡散方法を提供できる。
（Ａ）図および（Ｂ）図はモニタウエハの一作成例を示す断面図 モニタウエハおよびダミーウエハのウエハボートへの一載置例を示す断面図 酸素ガスパージ無しのプロセスレシピの一例を示すタイミングチャート 酸素ガスパージ有りのプロセスレシピの一例を示すタイミングチャート シリコンダミーウエハの一例を示す断面図 シリコン酸化物ダミーウエハの一例を示す断面図 評価例１の評価結果を示す図 評価例２の評価結果を示す図 評価例３の評価結果を示す図 評価例４の評価結果を示す図 （Ａ）図〜（Ｄ）図はオートドーピングのモデル例を示す断面図 ボロン気相拡散後のシリコンダミーウエハの表面組成を調べた結果を示す図 ボロン気相拡散後のシリコン酸化物ダミーウエハの表面組成を調べた結果を示す図 評価例４のプロセスレシピの一例を示すタイミングチャート 第１の実施形態に係る不純物拡散方法を実施することが可能な縦型バッチ式熱処理装置の一例を概略的に示す断面図 石英基板を用いたダミーウエハの一例を示す断面図
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
（第１の実施形態）
＜モニタウエハ作成＞
製品ウエハを模擬したモニタウエハを作成する。
図１Ａおよび図１Ｂは、モニタウエハの一作成例を示す断面図である。
まず、図１Ａに示すように、シリコン基板１上にシリコン酸化物膜２を形成した後、原料ガスとしてモノシラン又はジシランを用いたＣＶＤ法により、膜厚約２０ｎｍのノンドープアモルファスシリコン膜３を形成する。
次いで、図１Ｂに示すように、ノンドープアモルファスシリコン膜３に対して、温度８５０度、窒素雰囲気、３０分間のアニールを行い、ノンドープアモルファスシリコン膜３を結晶化させてノンドープポリシリコン膜３ａとする。このようにしてモニタウエハＭＷが作成される。
第１の実施形態においては、モニタウエハＭＷのノンドープポリシリコン膜３ａに対して、不純物、例えば、ボロンを気相拡散させる。ノンドープポリシリコン膜３ａは、不純物が拡散される被拡散部位である。
＜モニタウエハ洗浄＞
気相拡散を行う前、モニタウエハＭＷを十分に洗浄する。このために、まず、モニタウエハＭＷを濃度１％の希フッ酸で３分間洗浄する。次いで、モニタウエハＭＷを１０分間水洗し、希フッ酸を十分に洗い流す。この後、さらにモニタウエハＭＷを１０分間水洗する。次いで、モニタウエハＭＷを１０分間スピンドライする。スピンドライ後、１０分以内に、ウエハボートに載置して熱処理装置の処理室に収容した。
このようにボロンを気相拡散させる前に、モニタウエハＭＷを十分に洗浄しておくこと、および洗浄後から処理室に収容するまでの時間を管理（自然酸化膜の成長管理）することで、後述するモニタ評価における精度、並びに信頼性を高めておく。
＜モニタウエハおよびダミーウエハ載置＞
図２は、モニタウエハおよびダミーウエハのウエハボートへの一載置例を示す断面図である。
第１の実施形態においてはモニタウエハＭＷが複数作成される。
十分に洗浄された複数のモニタウエハＭＷは、図２に示すように、基板載置治具であるウエハボートＷＢに高さ方向に積層されて載置される。高さ方向は、水平方向に対して、例えば、垂直な方向である。さらに、ウエハボートＷＢには複数のモニタウエハＭＷに加え、複数のダミーウエハＤＷが載置される。図２においては、一載置例として、ウエハボートＷＢの上段側に複数のモニタウエハＭＷが載置され、下段側に複数のダミーウエハＤＷが載置された例が示されている。
このように、ウエハボートＷＢに、複数のモニタウエハＭＷと、複数のダミーウエハＤＷとを載置した状態で処理室内に収容し、処理室内において、モニタウエハＭＷそれぞれのノンドープポリシリコン膜３ａに対してボロンを同時に気相拡散する。
＜モニタウエハ評価＞
モニタウエハ評価として、次の４つを行った。
評価例１
気相拡散温度 ： ７００℃
気相拡散時間 ： ６０分
ダミーウエハ ： シリコンダミーウエハ
酸素ガスパージ： 無し
上記条件のボロン気相拡散を５つのバッチ処理単位（Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ５）で連続して行い、５つのバッチ処理単位毎にノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量を計測した。
また、シリコンダミーウエハの入れ換えはせず、バッチ処理単位毎にモニタウエハＭＷを入れ換えた。
評価例２
気相拡散温度 ： ７００℃
気相拡散時間 ： ６０分
ダミーウエハ ： シリコンダミーウエハ
酸素ガスパージ： 有り
上記条件のボロン気相拡散を３つのバッチ処理単位（Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ３）で連続して行い、３つのバッチ処理単位毎にノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量を計測した。
また、シリコンダミーウエハの入れ換えはせず、バッチ処理単位毎にモニタウエハＭＷを入れ換えた。
評価例３
気相拡散温度 ： ７００℃
気相拡散時間 ： ６０分
ダミーウエハ ： シリコン酸化物ダミーウエハ
酸素ガスパージ： 有り
上記条件のボロン気相拡散を３つのバッチ処理単位（Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ３）で連続して行い、３つのバッチ処理単位毎にノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量を計測した。
また、シリコン酸化物ダミーウエハの入れ換えはせず、バッチ処理単位毎にモニタウエハＭＷを入れ換えた。
評価例４
気相拡散温度 ： ７００℃
気相拡散時間 ： ２０分
ダミーウエハ ： シリコン酸化物ダミーウエハ
酸素ガスパージ： 無し
上記条件のボロン気相拡散を５つのバッチ処理単位（Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ５）で連続して行い、５つのバッチ処理単位毎にノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量を計測した。
また、シリコン酸化物ダミーウエハの入れ換えはせず、バッチ処理単位毎にモニタウエハＭＷを入れ換えた。
＜酸素ガスパージ無しのプロセスレシピ＞
酸素ガスパージ無しのプロセスレシピのタイミングチャートの一例を図３に示す。
図３に示すように、まず、時刻ｔ０において、モニタウエハＭＷおよびダミーウエハＤＷが載置されたウエハボートＷＢを処理室内に収容する。収容する際のロード温度は、例えば、４００℃とする。
次に、時刻ｔ１において、処理室内の圧力を大気圧から下げ、処理室内を真空引きする。
次に、時刻ｔ２において、処理室内に供給する不活性ガスの流量、本例では窒素（Ｎ２）ガスの流量を６５０ｓｃｃｍとし、処理室内の圧力を真空引きの圧力から、９３１０Ｐａ（約７０Ｔｏｒｒ：１Ｔｏｒｒを１３３Ｐａとして計算）に上げる。
次に、時刻ｔ３において、処理室内の圧力が９３１０Ｐａに達したら、昇温速度１０℃／ｍｉｎで、処理室内の温度をロード温度４００℃から気相拡散温度７００℃まで昇温する。
次に、時刻ｔ４において、処理室内の温度が７００℃に達したら、処理室内の圧力を９３１０Ｐａから５９９８Ｐａ（約４５．１Ｔｏｒｒ）に下げる。
次に、時刻ｔ５において、処理室内の圧力が５９９８Ｐａに達したら、不純物ソースガス、本例では三塩化ボロン（ＢＣｌ３）ガスを流量１ｓｃｃｍで処理室内に流す。これにより、ボロン気相拡散処理が開始される。
次に、時刻ｔ６において、ボロン気相拡散の予定処理時間、本例では６０分が経過したら、三塩化ボロンガスの供給を止める。これにより、ボロン気相拡散工程が終了される。また、ボロン気相拡散工程の終了とともに、処理室内の圧力を５９９８Ｐａから下げ、処理室内を真空引きする。
次に、時刻ｔ７において、処理室内に、再度、窒素ガスを供給するとともに、処理室内の圧力を真空引きの圧力から、１３３Ｐａ（約１Ｔｏｒｒ）に上げる。
次に、時刻ｔ８において、処理室内の圧力が１３３Ｐａに達したら、処理室内の温度を７００℃からアンロード温度、例えば、４００℃に下げる。
次に、時刻ｔ９において、処理室内の温度が４００℃に達したら、処理室内の圧力を１３３Ｐａから下げ、真空引きする。
次に、時刻ｔ１０において、処理室内の圧力を真空引きの圧力から大気圧に上昇させる。
次に、時刻ｔ１１において、処理室内の圧力が大気圧に達したら、モニタウエハＭＷおよびダミーウエハＤＷが載置されたウエハボートＷＢを処理室内から搬出する。
このようにして、酸素ガスパージ無しのプロセスレシピの一例に基づいた、モニタウエハＭＷへの気相拡散処理が終了する。
＜酸素ガスパージ有りのプロセスレシピ＞
酸素ガスパージ有りのプロセスレシピのタイミングチャートの一例を図４に示す。
図４に示すように、酸素ガスパージ有りのプロセスレシピは、酸素ガスパージ無しのプロセスレシピと、時刻ｔ６までは同一である。時刻ｔ６の後に酸素ガスパージ処理が追加される。
まず、時刻ｔ６の後の時刻ｔ１２において、処理室内の圧力を真空引きの圧力から、１３３Ｐａに上げるとともに、処理室内に、窒素ガスを流量１０００ｓｃｃｍで供給する。これにより、処理室内は窒素ガスでパージされる。
次に、時刻ｔ１３において、窒素ガスパージの予定処理時間が経過したら、窒素ガスの供給を止めるとともに、処理室内に、酸素（Ｏ２）ガスを流量１０００ｓｃｃｍで供給する。これにより、処理室内は酸素ガスでパージされる。
次に、時刻ｔ１４において、酸素ガスパージの予定処理時間、本例では５分が経過したら、酸素ガスの供給を止めるとともに、処理室内の圧力を１３３Ｐａから下げ、処理室内を真空引きする。
次に、時刻ｔ７において、処理室内に、再度、窒素ガスを供給するとともに、処理室内の圧力を真空引きの圧力から、１３３Ｐａ（約１Ｔｏｒｒ）に上げる。これ以降の処理は、酸素ガスパージ無しのプロセスレシピの時刻ｔ８から時刻ｔ１１までの処理と同一である。
＜シリコンダミーウエハおよびシリコン酸化物ダミーウエハ＞
図５はシリコンダミーウエハの一例を示す断面図、図６はシリコン酸化物ダミーウエハの一例を示す断面図である。
図５に示すように、シリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）には、シリコン基板１０の外表面に、ノンドープアモルファスシリコン膜１１が形成されている。ノンドープアモルファスシリコン膜１１は、例えば、モニタウエハＭＷのノンドープアモルファスシリコン膜３と同様に、原料ガスとしてモノシラン又はジシランを用い、ＣＶＤ法にて形成したものである。
また、図６に示すように、シリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）には、シリコン基板１０の外表面に、シリコン酸化物膜１２が形成されている。シリコン酸化物膜１２は、原料ガスとして、例えばＴＥＯＳを用い、シリコン基板１０の外表面上にＣＶＤ法により形成したもの、又はシリコン基板１０の外表面を熱酸化して形成したものである。
＜評価結果＞
評価例１〜評価例４の結果を、図７〜図１０に示す。
・評価例１の結果
図７に、評価例１の結果を示す。
図７に示すように、評価例１においては、最初のバッチ処理単位Ｒｕｎ１から、２回目のバッチ処理単位Ｒｕｎ２、…、５回目のバッチ処理単位Ｒｕｎ５と、ボロン気相拡散を行うごとにノンドープポリシリコン膜３ａ中のボロンドーズ量が増えている。
図７に示す評価結果においては、バッチ処理単位Ｒｕｎ１では１．３６×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であったボロンドーズ量が、バッチ処理単位Ｒｕｎ５では１．９５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２まで増加している。
なお、本明細書において、ボロンドーズ量は、１ｃｍ２あたりにあるボロン原子の数、と定義する。ボロン原子の数は、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ：Ｘ−ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて、ボロン気相拡散後のノンドープポリシリコン膜３ａのボロンの蛍光Ｘ線強度を測定し、測定された蛍光Ｘ線強度から求めた。
・評価例２の結果
図８に、評価例２の結果を示す。
図８に示すように、評価例２においても、評価例１と同様に、最初のバッチ処理単位Ｒｕｎ１、２回目のバッチ処理単位Ｒｕｎ２、そして、３回目のバッチ処理単位Ｒｕｎ３と、ボロン気相拡散を行うごとにノンドープポリシリコン膜３ａ中のボロンドーズ量が増えている。
図８に示す評価結果においては、バッチ処理単位Ｒｕｎ１では１．２４×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であったボロンドーズ量が、バッチ処理単位Ｒｕｎ３では２．０３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２まで増加している。
なお、評価例１と評価例２とは、酸素ガスパージを行うか否かが相違する。酸素ガスパージを行わない評価例１のボロンドーズ量の面内均一性は７．８〜１０．２％であったが、酸素ガスパージを行う評価例２のボロンドーズ量の面内均一性が４．２〜６．４％となった。この結果から、酸素ガスパージを行うことで、ボロンドーズ量の面内均一性を向上できることがわかった。
また、評価例１と評価例２とは、ダミーウエハＤＷとして、図５に示したシリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）を用いる点で一致している。シリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）を用いると、ノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量は、ボロン気相拡散を行うごとに増加する傾向がある。
この知見を元に、ダミーウエハＤＷを、図６に示したシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）に変更し、評価を続けた。
・評価例３の結果
図９に、評価例３の結果を示す。
図９に示すように、ダミーウエハＤＷをシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）とした評価例３においては、評価例１、２に比較して、最初のバッチ処理単位Ｒｕｎ１、２回目のバッチ処理単位Ｒｕｎ２、３回目のバッチ処理単位Ｒｕｎ３において、ノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量が安定した。
図９に示す評価結果においては、以下のようにボロンドーズ量が安定した。
バッチ処理単位Ｒｕｎ１： ３．６４×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
バッチ処理単位Ｒｕｎ２： ３．８７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
バッチ処理単位Ｒｕｎ３： ３．８７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
このように、ダミーウエハＤＷをシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）とすることで、バッチ処理単位Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ３間で、不純物導入量、本例ではボロンドーズ量の安定性を取ることが可能となる。
また、ボロンドーズ量の面内均一性についても、０．９〜２．７％となり、同じく酸素ガスパージを行う評価例２と比較してもさらに向上している。
さらに、ボロン気相拡散処理の条件は、評価例１、２と同じ７００℃、６０分であるが、最初のバッチ処理単位Ｒｕｎ１のボロンドーズ量が、評価例１、２と比較して約３倍に増加している。
このような評価例３の結果、つまりボロンドーズ量がバッチ処理単位間で安定すること、並びに同じ気相拡散条件ならばボロンドーズ量が増加することを考慮すると、処理室内においてシリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）に起因したオートドーピングが発生しているのではないか、との推測がなりたつ。
図１１Ａ〜図１１Ｄは、オートドーピングのモデル例を示す断面図である。
図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、最初のバッチ処理単位Ｒｕｎ１においてボロンを気相拡散すると、シリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）の表面にボロン１３が吸着する。
次に、図１１Ｃおよび図１１Ｄに示すように、ボロン１３が吸着されたシリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）をそのまま次のバッチ処理単位Ｒｕｎ２に用いると、シリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）の表面からボロン１３の一部が脱離し、脱離したボロン１３がモニタウエハＭＷのノンドープポリシリコン膜３ａに導入されてしまう。
このようにして、処理室内に供給される不純物ソースガス、例えば、三塩化ボロンガスに、さらにシリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）の表面から脱離したボロン１３が加わることで、バッチ処理単位Ｒｕｎ２におけるノンドープポリシリコン膜３ａへのボロンドーズ量は、その前のバッチ処理単位Ｒｕｎ１に比較して増加する。
このようなシリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）に起因したオートドーピングに対し、シリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）の場合には、その表面にボロンが吸着されず、よって、オートドーピングが発生していない、と考えることができる。
そこで、ボロン気相拡散後のシリコンダミーウエハおよびシリコン酸化物ダミーウエハの表面組成を、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて調べてみた。
図１２はボロン気相拡散後のシリコンダミーウエハの表面組成を調べた結果を示す図、図１３はボロン気相拡散後のシリコン酸化物ダミーウエハの表面組成を調べた結果を示す図である。
図１２に示すように、ボロン気相拡散後のシリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）の表面組成は、ボロン８３．９％、シリコン１２．０％、酸素４．１％であった。このように、シリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）表面のボロン：シリコンの割合は７：１であり、表面のほぼ全てがボロンで覆われていることが分かる。
対して、図１３に示すように、ボロン気相拡散後のシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）の表面組成は、シリコン３４．７％、酸素６５．３％であり、ボロンは検出されなかった。即ち、シリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）は、その外表面がシリコン酸化物膜１２で覆われており、シリコン酸化物膜１２の表面には、ボロンが吸着されないことが分かる。つまり、シリコン酸化物膜１２は、ボロンを吸着しない性質を持つ膜である。
したがって、評価例３のように、ボロンを気相拡散させる際、ダミーウエハＤＷとしてシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）を用いることで、ダミーウエハＤＷを使用することに起因したオートドーピングを抑制することができる。この結果、ダミーウエハＤＷを使用しても、バッチ処理単位間で不純物導入量の安定性を取ることが可能な不純物拡散方法を得ることができる。
さらに、評価例３では、処理室内に供給される不純物ソースガス、例えば、三塩化ボロンガスに含まれたボロンが、シリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）の表面に吸着されて消費されてしまうことがない。このため、ノンドープポリシリコン膜３ａへの、単位時間当たりのボロンドーズ量を増加させることができる、という利点についても同時に得ることができる。
・評価例４の結果
評価例４においては、評価例３の知見に基づき、評価例３に対して以下の考慮（１）、（２）をさらに施した。
考慮（１） 評価例３においては、ボロンドーズ量の良好な面内均一性が得られることから、酸素ガスパージ無しでも良好な面内均一性を得ることはできないか。
考慮（２） 評価例３においては、単位時間当たりのボロンドーズ量を増加できることから、ボロン気相拡散処理時間を短縮することはできないか。
図１４に、評価例４のプロセスレシピの一例を示す。
図１４に示すように、評価例４においては、上記考慮（１）および考慮（２）を採用し、酸素ガスパージを省略し、ボロン気相拡散時間を２０分に短縮としている。
なお、図１４中の時刻ｔ０〜ｔ１１は、図３を参照して説明した時刻ｔ０〜ｔ１１に対応する。
図１０に、評価例４の結果を示す。
図１０に示すように、評価例４においても、評価例３と同様に、バッチ処理単位Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ５間で、ノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量は安定している。
具体的には、以下の通りである。
バッチ処理単位Ｒｕｎ１： １．５３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
バッチ処理単位Ｒｕｎ２： １．５３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
バッチ処理単位Ｒｕｎ３： １．４５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
バッチ処理単位Ｒｕｎ４： １．４７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
バッチ処理単位Ｒｕｎ５： １．４７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２
また、ボロンドーズ量の面内均一性についても、１．１〜２．２％であり、酸素ガスパージが無くても、評価例３と同様に良好な面内均一性が得られている。
もちろん、酸素ガスパージは不要ということではなく、さらに良好な面内均一性を得るために、評価例３のように酸素ガスパージを行なうことも可能である。
反対に、例えば、スループットを向上させるために、処理時間を短縮したい場合には、評価例４のように、酸素ガスパージを省略することが可能であることが評価例４によって実証された。つまり、酸素ガスパージを行うか否かは、適宜選択することが可能な事項である。
さらに、評価例４においては、気相拡散処理の条件を評価例１〜３の７００℃、６０分間に対し、７００℃、２０分間と気相拡散時間を１／３に短縮した。ボロンドーズ量であるが、評価例４においては１．４５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２〜１．５３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であり、気相拡散時間を６０分とした評価例１、２のバッチ処理単位Ｒｕｎ１に対して同レベル以上の値が得られている。
このような評価例４であると、ボロンを気相拡散させる際、ダミーウエハＤＷとしてシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）を用いるので、評価例３と同様にノンドープポリシリコン膜３ａのボロンドーズ量を、バッチ処理単位Ｒｕｎ１〜Ｒｕｎ５間で安定させることができる。
また、シリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）を用いることで、酸素ガスパージを省略しても、ボロンドーズ量の良好な面内均一性を維持することができる。
さらに、シリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）にはボロンが吸着しないので、ボロンがダミーウエハＤＷで消費されないので、単位時間あたりのボロンドーズ量を向上させることができる。
したがって、所望のボロンドーズ量とするための気相拡散時間を、シリコンダミーウエハＤＷ（Ｓｉ）を用いる評価例１、２に比較して短縮することができ、気相拡散処理のスループットを向上させることができる。さらに、上述した通り、酸素ガスパージを省略すると、よりスループットを向上させることも可能である。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態に係る不純物拡散方法を実施することが可能な処理装置の例に関する。
図１５は、第１の実施形態に係る不純物拡散方法を実施することが可能な縦型バッチ式熱処理装置の一例を概略的に示す断面図である。
図１５に示すように、縦型バッチ式熱処理装置（以下熱処理装置という）１００は、有天井で円筒状の外壁１０１を備えている。外壁１０１は、例えば、石英製であり、外壁１０１の内側を、複数の被処理体を収容し、複数の被処理体に対して一括して熱処理を施す処理室１０２とする。本例では、被処理体としてシリコンウエハのような半導体ウエハＷを例示し、処理室１０２内において、半導体ウエハＷに対し、一括した熱処理、本例では不純物の気相拡散処理が施される。不純物の一例は、第１の実施形態において説明したようにボロンである。また、半導体ウエハＷは、第１の実施形態において説明したモニタウエハＭＷに対応する。
外壁１０１の下端は開口となっており、この開口には円筒状のマニホールド１０３が連結される。マニホールド１０３は、例えば、ステンレススチールである。外壁１０１の下端とマニホールド１０３の上端とは、Ｏリング等のシール部材１０４を介して連結される。マニホールド１０３の下端は開口となっており、この開口を介してウエハボートＷＢが処理室１０２の内部に挿入される。ウエハボートＷＢは、例えば、石英製であり、複数本の支柱１０５を有している。支柱１０５には、図示せぬ溝が形成されており、この溝により、複数枚の半導体ウエハＷが、例えば、複数枚のシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）とともに一度に支持される。これにより、ウエハボートＷＢは、半導体ウエハＷおよびシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）を、複数枚、例えば、５０〜１５０枚を多段に載置することができる。
ウエハボートＷＢは、石英製の保温筒１０６を介してテーブル１０７の上に載置される。テーブル１０７は、例えば、ステンレススチール製の蓋部１０８を貫通する回転軸１０９上に支持される。蓋部１０８は、マニホールド１０３の下端の開口を開閉する。蓋部１０８の貫通部には、例えば、磁性流体シール１１０が設けられ、回転軸１０９を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部１０８の周辺部とマニホールド１０３の下端との間には、例えば、Ｏリングよりなるシール部材１１１が介設され、処理室１０２の内部のシール性を保持している。回転軸１０９は、例えば、ボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１１２の先端に取り付けられている。これにより、ウエハボートＷＢおよび蓋部１０８等は、一体的に鉛直方向に昇降されて処理室１０２に対して挿脱される。
外壁１０１の天井部には、排気管１１３が接続されている。排気管１１３は排気装置１１４に接続されている。排気装置１１４は図示せぬ真空ポンプ等を含んで構成され、熱処理に使用したガスを処理室１０２の内部から排気し、また、処理室１０２の内部の圧力を処理に適切な圧力となるように調節する。
外壁１０１の外側には、加熱装置１１５が、処理室１０２の周囲を取り囲むように設けられている。加熱装置１１５は、処理室１０２の内部の温度を処理に適切な温度となるように調節し、被処理体、本例では複数の半導体ウエハＷを加熱する。
熱処理装置１００は、処理室１０２の内部に、熱処理に使用するガスを供給する処理ガス供給機構１３０を有している。
本例の処理ガス供給機構１３０は、不純物ソースガス供給源１３１ａ、および不活性ガス供給源１３１ｂを含んでいる。不純物ソースガスは、本例では三塩化ボロン（ＢＣｌ３）ガスが用いられている。また、不活性ガスには窒素（Ｎ２）ガスが用いられている。不純物ソースガスは、第１の実施形態で説明した気相拡散処理に用いられ、不活性ガスは、パージに用いられるパージガスや、また、気相拡散処理における希釈ガスとして用いられる。
不純物ソースガス供給源１３１ａは、流量制御器（ＭＦＣ）１３２ａおよび開閉弁１３３ａを介してガス供給口１３４ａに接続されている。同様に、不活性ガス供給源１３１ｂは、流量制御器（ＭＦＣ）１３２ｂおよび開閉弁１３３ｂを介してガス供給口１３４ｂに接続されている。ガス供給口１３４ａ、１３４ｂはそれぞれ、マニホールド１０３の側壁を水平方向に沿って貫通するように設けられ、供給されたガスを、マニホールド１０３上方にある処理室１０２の内部に向けて拡散させる。
熱処理装置１００には、制御部１５０が接続されている。制御部１５０は、例えば、マイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるプロセスコントローラ１５１を備えており、熱処理装置１００の各構成部の制御は、プロセスコントローラ１５１が行う。プロセスコントローラ１５１には、ユーザーインターフェース１５２と、記憶部１５３とが接続されている。
ユーザーインターフェース１５２は、オペレータが熱処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うためのタッチパネルディスプレイやキーボードなどを含む入力部、および熱処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイなどを含む表示部を備えている。
記憶部１５３は、熱処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ１５１の制御にて実現するための制御プログラムや、熱処理装置１００の各構成部に処理条件に応じた処理を実行させるためのプログラムを含んだ、いわゆるプロセスレシピが格納される。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、プロセスレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して適宜伝送させるようにしてもよい。
プロセスレシピは、必要に応じてユーザーインターフェース１５２からのオペレータの指示等にて記憶部１５３から読み出され、読み出されたプロセスレシピに従った処理をプロセスコントローラ１５１が実行することで、熱処理装置１００は、プロセスコントローラ１５１の制御のもと、要求された処理を実行する。本例では、熱処理装置１００は、プロセスコントローラ１５１の制御のもと、上記第１の実施形態において説明した不純物拡散方法を実行する。本例においては、処理ガス供給機構１３０は、酸素ガス供給源を有していない。このため、図１５に示す熱処理装置１００は、第１の実施形態中の評価例４に従った処理を実行する。特に図示はしないが、処理ガス供給機構１３０に酸素ガス供給源を持たせると、第１の実施形態中の評価例３に従った処理を実行することができる。
上記第１の実施形態に係る不純物拡散方法は、例えば、図１５に示すような縦型バッチ式熱処理装置１００によって実施することができる。
以上、この発明を第１、第２の実施形態に従って説明したが、この発明は、上記第１、第２の実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記第１の実施形態においては、処理条件を具体的に例示したが、処理条件は、上記具体的な例示に限られるものではなく、適宜変更が可能である。
また、上記第２の実施形態においては、縦型バッチ式熱処理装置を例示したが、第１の実施形態に係る不純物拡散方法は、縦型以外のバッチ式熱処理装置を用いて実施することも可能である。
また、上記第１の実施形態においては、不純物が拡散される被拡散部位、例えば、不純物を拡散させる膜としてノンドープポリシリコン膜３ａを例示したが、不純物を拡散させる膜は、ノンドープアモルファスシリコン膜であってもよいし、ノンドープ単結晶シリコン膜であってもよい。
このように被拡散部位が、例えば、シリコンのような半導体材料であるときには、半導体材料の状態は、“アモルファス”および“結晶”のどちらの状態であってもよい。さらに、半導体材料の状態が“結晶”であるときには、その“結晶”は、“単結晶”であっても、“多結晶”であってもどちらでもよい。
また、被拡散部位は、ノンドープに限られるものでもなく、予め不純物が含有されていてもかまわない。この場合には、被拡散部位に対し、不純物を追加で拡散させることになる。
また、被拡散部位は、ノンドープポリシリコン膜３ａのような膜に限られることはなく、被処理基板自体、例えば、半導体ウエハＷ（シリコン基板１）自体が被拡散部位となっていてもよい。
また、上記第１の実施形態においては、ダミーウエハＤＷとして、外表面が、シリコン酸化物膜で覆われているシリコン酸化物ダミーウエハＤＷ（ＳｉＯ２）を用いた。しかし、ダミーウエハＤＷは、その外表面がシリコン酸化物膜で覆われているものに限られるものではない。ダミーウエハＤＷとしては、その外表面が、ボロンを吸着しない性質を持つ膜で覆われているものであれば、上記第１の実施形態で述べた利点と同様の利点を得ることができる。つまり、ボロンの気相拡散に際し、ダミーウエハＤＷを使用したとしても、バッチ処理単位間で不純物導入量の安定性を取ることができる。
ボロンを吸着しない性質を持つ膜を構成することが可能な物質としては、上記第１の実施形態で述べた酸化物の他、例えば、窒化物を挙げることができる。
酸化物の例としては、上記第１の実施形態で述べたシリコンの酸化物の他、例えば、金属の酸化物を挙げることができる。
窒化物の例としては、シリコンの窒化物を挙げることができる。
さらに、ダミーウエハＤＷの基板として、第１の実施形態においては、シリコン基板１０を用いたが、シリコン基板１０の他、ＳｉＣ基板や化合物半導体基板なども用いることができる。この場合、ＳｉＣ基板や化合物半導体基板などのシリコン以外の基板の外表面は、ボロンを吸着しない性質を持つ膜で覆っておく。そのためには、例えば、シリコン以外の基板の外表面上に、ＣＶＤシリコン酸化物やＣＶＤ金属酸化物などの酸化物、あるいはＣＶＤシリコン窒化物などの窒化物を堆積する。このようにして、シリコン以外の基板の外表面を、ボロンを吸着しない性質を持つ膜で覆えばよい。
また、ダミーウエハＤＷとして、石英基板を用いることも可能である。図１６に石英基板を用いたダミーウエハＤＷ（Ｑｕａｒｔｚ）の一例を示す。石英はシリコンの酸化物である。このため、図１６に示すように、石英基板２０の外表面は、ボロンを吸着しない性質を持つ物質になっている。したがって、石英基板２０を用いたダミーウエハＤＷ（Ｑｕａｒｔｚ）においては、その該表面を、必ずしもボロンを吸着しない性質を持つ膜で覆う必要はない。
このようにダミーウエハＤＷは、その外表面を、ボロンを吸着しない性質を持つ膜で覆うばかりでなく、その全体を、例えば、ダミーウエハＤＷ（Ｑｕａｒｔｚ）が持つ石英基板２０のように、ボロンを吸着しない性質を持つ物質としてもよい。
また、上記第２の実施形態おいて説明した熱処理装置であるが、熱処理装置においては、処理室内の構成材料、代表例としては、外壁１０１に対応するプロセスチューブ、ウエハボートＷＢ、保温筒１０６などを石英製とする他、処理室内の構成材料のうち、処理室の内部に露呈される外表面を、シリコン酸化物や金属酸化物などの酸化物、又はシリコン窒化物などの窒化物で覆っておくことが好ましい。処理室内の構成材料を上記酸化物で覆っておくことで、処理室内の構成材料に起因したオートドーピングを抑制することができ、バッチ処理単位間での不純物導入量の安定性を、さらに向上させることが可能となる。
その他、この発明はその要旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。
１…シリコン基板、２…シリコン酸化物膜、３…ノンドープアモルファスシリコン膜、３ａ…ノンドープポリシリコン膜、１０…シリコン基板、１１…ノンドープアモルファスシリコン膜、１２…シリコン酸化物膜、ＷＢ…ウエハボート、ＭＷ…モニタウエハ、ＤＷ（ＳｉＯ２）…シリコン酸化物ダミーウエハ、Ｗ…半導体ウエハ。

Claims (12)

  1. ダミーの被処理基板を使用しつつ、被処理基板が有する被拡散部位に対し、不純物を気相拡散させる不純物拡散方法であって、
    （１） 基板載置治具に、前記被処理基板および前記ダミーの被処理基板を載置する工程と、
    （２） 前記被処理基板および前記ダミーの被処理基板が載置された前記基板載置治具を、処理装置の処理室に収容する工程と、
    （３） 前記基板載置治具が収容された処理室内において、前記被処理基板の前記被拡散部位に対し、不純物を気相拡散させる工程とを具備し、
    前記（３）工程において、前記気相拡散させる不純物がボロンであるとき、前記ダミーの被処理基板として、前記ダミーの被処理基板の外表面が、ボロンを吸着しない性質を持つ物質であるものを使用することを特徴とする不純物拡散方法。
  2. 前記（１）工程から前記（３）工程までを、バッチ処理単位の複数の被処理基板で行った後、
    次のバッチ処理単位の複数の被処理基板に対して前記（１）工程から前記（３）工程まで行う際、前記ダミーの被処理基板は入れ換えないことを特徴とする請求項１に記載の不純物拡散方法。
  3. 前記（３）工程の後、酸素ガスパージを行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の不純物拡散方法。
  4. 前記（３）工程の後、酸素ガスパージを行わずに処理を終了することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の不純物拡散方法。
  5. 前記ボロンを吸着しない性質を持つ物質は、
    酸化物
    窒化物
    のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の不純物拡散方法。
  6. 前記酸化物は、
    シリコンの酸化物
    金属の酸化物
    のいずれかから選ばれることを特徴とする請求項５に記載の不純物拡散方法。
  7. 前記窒化物は、
    シリコンの窒化物
    であることを特徴とする請求項５に記載の不純物拡散方法。
  8. 前記ダミーの被処理基板は、石英であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の不純物拡散方法。
  9. 前記被処理基板の前記被拡散部位が半導体材料であり、前記（３）工程において、前記ボロンが前記半導体材料に気相拡散されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の不純物拡散方法。
  10. 前記半導体材料の状態は、
    アモルファス
    結晶
    のいずれかの状態であることを特徴とする請求項９に記載の不純物拡散方法。
  11. 前記半導体材料の状態が前記結晶であるとき、前記結晶は、
    単結晶
    多結晶
    のいずれかの状態であることを特徴とする請求項１０に記載の不純物拡散方法。
  12. 前記気相拡散に使用される不純物ソースガスが、三塩化ボロンガスであることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の不純物拡散方法。
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