JP5251243B2 - 気相成長装置およびシリコンエピタキシャル膜の気相成長方法 - Google Patents

気相成長装置およびシリコンエピタキシャル膜の気相成長方法 Download PDF

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Description

本発明は、気相成長装置および薄膜の気相成長方法に関し、詳しくは、不純物濃度が連続的に変化した薄膜や、不純物濃度が厚さ方向で大きく変化した薄膜を気相成長させることのできる気相成長装置および薄膜の気相成長方法に関するものである。
図５に示すような標準的な気相成長装置３０では、気相成長を行う反応室４２と、反応室４２に原料ガスを導入する流路３１と、反応室４２からガスを排気する排出口と、ウエーハＷを載置するサセプタとを備えている。また、気相成長装置３０の演算制御機構４１に「レシピ」と呼ばれる処理手順を記載した情報を与えることによって気相成長の処理が実行される。
このレシピは、ウエーハのロード、昇温、前処理、気相成長、降温、ウエーハのアンロードなどのいくつかのステップに分割されており、各ステップごとにバルブの開閉指示、マスフローコントローラの流量設定値などが記載されており、この情報を元にマスフローコントローラ３２、３４、３６、３８に不純物ガス・希釈ガス・希釈不純物ガス・主ガスの流量を調整させたりしている。
このような構成の場合、薄膜を気相成長させている間、すべてのマスフローコントローラの流量設定値は図６に示したように一定であるので、出来上がった薄膜の不純物濃度も成長の開始から終了まで一定となる。
もしこのような構成の気相成長装置で、薄膜の成長開始から終了までの間で濃度が連続的に変化する気相成長薄膜を成長させる場合には、気相成長のステップを多数のステップに分割し、階段状の濃度分布を作って代用するほか無かった。
装置によっては、マスフローコントローラの設定値をステップの最初から最後まで時間に対して直線的に変化させるように設定された装置も存在する。
この場合には、気相成長のステップに記載されたマスフローコントローラの設定値をステップ開始時の設定値とし、次のステップに記載されているマスフローコントローラの設定値をステップ終了時の値として、１つのステップの中で設定値を時々刻々変化させることが出来る。
しかしながらこのように設定した装置でも、それぞれのマスフローコントローラの設定値の変化方法は、時間に対して直線的な変化に限られ、任意な厚さ方向の不純物濃度分布を持つ薄膜を成長させることは出来なかった。
今日のコンピュータ技術の進展を考えれば、レシピ中の気相成長のステップにマスフローコントローラの設定値を時々刻々変化させるためのデータを記載して実行させることは不可能ではないが、標準的な気相成長装置は上記のような仕様になっている。
例えば、シリコンエピタキシャル層中の不純物濃度を成長開始から終了までの間に直線的に１／５０に変化させて厚さ方向に抵抗率の分布を付けたい場合、主ガスに混合される不純物量を成長開始から終了までの間に直線的に１／５０にすればよいが、単純に不純物ガスと希釈ガスの混合比を一定にしたまま、希釈不純物ガスの主ガスへの混合量を１／５０にするわけには行かない。
なぜなら、マスフローコントローラが精度良く流量を調節できる範囲は概ねフルスケールの１０％から１００％であり、１０％以下では誤差が大きくなってしまうからである。そのため、流量の調整幅は精々１０倍程度までであり、抵抗率の変化も１／１０程度が限界であった。このため、これ以上大きく抵抗率が変化した薄膜を作製することは困難であった。
この問題に対応するため、不純物ガスと希釈ガスの混合比を変えて希釈不純物ガスの不純物濃度も連続的に変化させることにすると、こんどは必要な不純物量を主ガスに混合する方法として、希釈不純物ガスの濃度で調節する方法と、主ガスへの混合量で調節する方法の２つの方法が考えられる。
よって、この方法では、不純物ガス・希釈ガス・希釈不純物ガスの三つのマスフローコントローラの設定値をどの様に変化させればよいか一意に定められなくなる。そのため、シリコンエピタキシャル成長のステップ内で三つのマスフローコントローラの設定値を時々刻々変化させる設定は困難であった。
また、特許文献１には、気相成長中に薄膜の膜厚と不純物濃度を測定し、その測定値とデータベースを照らし合わせてガス流量を制御する気相成長装置が開示されているが、この特許文献１に記載の気相成長装置では、薄膜の厚さ方向で不純物濃度が大きく変化した薄膜を作製することはできなかった。
特開平５−３０８０５３号公報
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、厚さ方向に不純物濃度が連続的に変化した薄膜や、不純物濃度が大きく変化した薄膜を容易に気相成長させることができる気相成長装置および薄膜の気相成長方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、サセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる装置であって、少なくとも、気相成長を行う反応室と、該反応室に原料ガスを導入する流路と、前記反応室からガスを排気する排出口と、ウエーハを載置するサセプタと、前記ウエーハを加熱する加熱手段とを備え、前記流路は、不純物ガスを供給する不純物ガス供給路と該不純物ガスの流量を調整する第一の流量調整機構と、希釈ガスを供給する希釈ガス供給路と該希釈ガスの流量を調整する第二の流量調整機構と、流量を調整された前記不純物ガスと前記希釈ガスを混合させた希釈不純物ガスを供給する希釈不純物ガス供給路と該希釈不純物ガスの流量を調整する第三の流量調整機構と、主ガスを供給する主ガス供給路と該主ガスの流量を調整する第四の流量調整機構と、流量を調整された前記希釈不純物ガスと主ガスを混合させた原料ガスを反応室に供給する原料ガス供給路からなり、かつ、前記第一、第二、第三の流量調整機構のガスの流量を、薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように、同時に連続的に変化させることが可能な演算制御機構を備えたものであることを特徴とする気相成長装置を提供する。
このように、本発明の気相成長装置は、不純物ガス・希釈ガス・希釈不純物ガスの流量を、薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように、同時に連続的に変化させることが可能な演算制御機構を備えたものである。
このような演算制御機構を備えたものとすることによって、不純物ガス流量、希釈ガス流量と希釈不純物ガス流量の間に一定の関係を定めることができ、必要な不純物量に対応する不純物ガス流量と不純物ガス濃度を一意に規定することができる。これによって、薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように不純物ガス流量、希釈不純物ガス流量と希釈ガス流量を精度良く容易に同時に変化させることができ、従って、流量調整機構の流量制御の精度の限界に関係なく、厚さ方向に不純物濃度が連続的に変化した薄膜や、不純物濃度が大きく変化（特に約１０倍よりも大きく変化）した薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる気相成長装置となっている。
ここで、前記演算制御機構は、前記薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量とによって規定される該薄膜の不純物プロファイルを用いて前記第一、第二、第三の流量調整機構のガスの流量を同時に連続的に変化させるものであることが好ましい。
このように、演算制御機構が、薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量と、成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定した不純物濃度プロファイルを用いるものとすることで、薄膜のウエーハ側と表面側の不純物濃度を規定することができ、これによって、容易に所望の抵抗率プロファイルの薄膜を気相成長させることのできる気相成長装置となっている。
また、前記演算制御機構は、更に、前記薄膜の不純物濃度の値と成長開始からの経過時間の値を一組以上選択することによって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものとすることができる。
このように、演算制御機構が、不純物濃度プロファイルとして、成長開始時と成長終了時の不純物濃度の値の他に、更に薄膜の不純物濃度と成長開始からの経過時間の値を一組以上選択して規定したものを用いるものとすることによって、薄膜のウエーハ側と表面側の間のある厚さでの不純物濃度を規定する事ができ、より容易に薄膜中も所望の抵抗率プロファイルとなった薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる気相成長装置となっている。
さらに、前記演算制御機構は、更に、前記選択した値と、前記薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度との間を、直線または曲線で補間することができる。
このように、演算制御機構が、更に、前述の選択した値と、薄膜の成長開始時と成長終了時の不純物濃度の間を直線または曲線で補間して規定した不純物濃度プロファイルを用いるものとすることによって、より容易に、かつ精度良く薄膜中も所望の抵抗率プロファイルとなった薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる。
そして、前記演算制御機構は、更に、前記薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度とを結ぶ関数によって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものとすることができる。
このように、演算制御機構が、薄膜の成長開始時と成長終了時の不純物濃度を結ぶ関数によって規定した不純物濃度プロファイルを用いるものとすることによって、薄膜中の間の不純物濃度プロファイルを高精度に規定する事ができ、つまりより高精度に薄膜中の全体で所望の抵抗率プロファイルとなった薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる。
また、本発明は、反応室のサセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上に薄膜を気相成長させる方法であって、少なくとも、不純物ガスを第一の流量調整機構によって、希釈ガスを第二の流量調整機構によって流量を制御して混合させた希釈不純物ガスを、第三の流量調整機構によって流量を制御して第四の流量調整機構によって流量を制御した主ガスと混合させた原料ガスを前記反応室に導入し、かつ前記第一、第二、第三の流量調整機構を流れるガスの流量を、薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように、演算制御によって同時に連続的に変化させて前記反応室に原料ガスを供給しながら気相成長を行うことで、該薄膜の厚さ方向の抵抗率分布を制御することを特徴とする薄膜の気相成長方法を提供する。
このように、不純物ガス・希釈ガス・希釈不純物ガスの流量を、気相成長させる薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように、演算制御して同時に連続的に変化させて原料ガスを反応室に供給しながら気相成長を行うことで、該薄膜の厚さ方向の抵抗率分布を制御して薄膜を気相成長させる。
これによって、薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように不純物ガス流量、希釈ガス流量、希釈不純物ガス流量を精度良く同時に変化させることができ、従って、厚さ方向に不純物濃度が連続的に変化した薄膜や、不純物濃度が大きく変化した薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる。
ここで、前記演算制御は、少なくとも、前記薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される該薄膜の不純物濃度プロファイルを用いて前記第一、第二、第三の流量調整機構を流れるガスの流量を同時に連続的に変化させることが好ましい。
このように、薄膜の成長開始時と成長終了時の不純物濃度を規定することによって、薄膜のウエーハ側と表面側の不純物濃度を規定することができ、これによって、容易に所望の抵抗率プロファイルの薄膜を気相成長させることができる。
また、前記演算制御は、更に、前記薄膜の不純物濃度の値と成長開始からの経過時間の値を一組以上選択することによって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させることができる。
このように、成長開始時と成長終了時の不純物濃度の値の他に、更に薄膜の不純物濃度と成長開始からの経過時間の値を一組以上選択して規定した不純物濃度プロファイルを用いて制御することによって、薄膜のウエーハ側と表面側の間のある厚さでの不純物濃度を規定する事ができ、従って、より容易に薄膜中も所望の抵抗率プロファイルとなった薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる。
さらに、前記演算制御は、前記選択した値と、前記薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度との間を、直線または曲線で補間することによって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させることができる。
このように、前述の選択した不純物濃度と、成長開始時と成長終了時の不純物濃度を直線または曲線で補間することによって得られた不純物濃度プロファイルに従ってガス流量を制御することで、より容易に、かつ精度良く薄膜中も所望の抵抗率プロファイルとなった薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる。
そして、前記演算制御は、更に、前記薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度とを結ぶ関数によって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させることができる。
このように、薄膜の成長開始時と成長終了時の不純物濃度を関数で結ぶことによって、薄膜のウエーハ側と表面側の間の不純物濃度プロファイルを高精度に規定する事ができ、これを用いて制御することでより高精度に薄膜中の全体で所望の抵抗率プロファイルとなった薄膜をウエーハ上に気相成長させることができる。
本発明の気相成長装置および薄膜の気相成長方法によれば、必要な不純物量に対応する不純物ガス、希釈ガス、希釈不純物ガスの各々の流量を、気相成長の際に精度良く時々刻々変化させることができ、これによって、不純物ガスと希釈ガスの混合比を変えて希釈不純物ガス中の不純物濃度も連続的に変化させることができるため、厚さ方向で１０倍以上（約１０００倍）の不純物濃度変化を実現した薄膜を作製することができ、これによって、厚さ方向で、任意の抵抗率プロファイルを有する薄膜を作製することが出来る。
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、厚さ方向に不純物濃度が連続的に変化した薄膜や、不純物濃度が大きく変化した薄膜、特に抵抗率を１０倍以上に変化させた薄膜を、容易に気相成長させることができる気相成長装置および薄膜の気相成長方法の開発が待たれていた。
そこで、本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、不純物ガス・希釈ガス・希釈不純物ガスの流量を、気相成長させる薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように一定の関係を定め、演算制御して同時に連続的に変化させて原料ガスを反応室に供給しながら気相成長を行うことによって、不純物ガスと希釈ガスの混合比を変えつつ希釈不純物ガスの不純物濃度も連続的に変化させることができ、これによって厚さ方向に不純物濃度が連続的に変化した薄膜や、不純物濃度が大きく変化した薄膜を気相成長させることができることを発想し、本発明を完成させた。
以下、本発明について図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の気相成長装置の構造の一例を示した概略図である。
本発明の気相成長装置１０は、少なくとも、気相成長を行う反応室２２と、反応室２２に原料ガスを導入する流路１１と、反応室２２からガスを排気する排出口２３と、ウエーハＷを載置するサセプタ２４と、ウエーハＷを加熱する加熱手段２５とを備えたものである。
そして流路１１は、不純物ガスを供給する不純物ガス供給路１３と該不純物ガスの流量を調整する第一の流量調整機構１２と、希釈ガスを供給する希釈ガス供給路１５と該希釈ガスの流量を調整する第二の流量調整機構１４と、流量を調整された不純物ガスと希釈ガスを混合させた希釈不純物ガスを供給する希釈不純物ガス供給路１７と該希釈不純物ガスの流量を調整する第三の流量調整機構１６と、主ガスを供給する主ガス供給路１９と該主ガスの流量を調整する第四の流量調整機構１８と、流量を調整された希釈不純物ガスと主ガスを混合させた原料ガスを反応室に供給する原料ガス供給路２０からなる。
また、第一、第二、第三の流量調整機構１２、１４、１６のガスの流量を薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように同時に連続的に変化させることができる演算制御機構２１とを備えたものである。
図１に示したような気相成長装置１０における各々の流量調整機構のガスの流量の変化の一例を図２に示す。図２において、横軸は時刻、縦軸は流量を示しており、上から順に第一、第二、第三、第四の流量調整機構の流量変化パターンを示したものである。
このように、第一、第二、第三の流量調整機構１２、１４、１６のガスの流量を薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように同時に連続的に変化させることができる演算制御機構２１を備えた気相成長装置１０は、反応室２２に供給される原料ガス中の不純物ガス濃度を、気相成長の際に、精度良く時々刻々変化させることができる。そのため、作製する薄膜の厚さ方向における不純物プロファイルを連続的に変化させることができる。また、複数の流量調整機構によって原料ガス中の不純物ガス濃度を連続して同時に制御する気相成長装置であるため、従来のように、流量調整機構単体の調整幅に左右されることなく不純物ガス濃度を調整することができる。このため、作製する薄膜の厚さ方向における抵抗率プロファイルを従来より大きく変化させることができ、これによって、厚さ方向で抵抗率が大きく変化した薄膜が気相成長によって形成されたウエーハを得ることができる。
ここで、演算制御機構２１は、薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量とによって規定される該薄膜の不純物プロファイルを用いて第一、第二、第三の流量調整機構１２、１４、１６のガスの流量を同時に連続的に変化させるものとすることができる。
これによって、作製される薄膜の成長開始時と成長終了時の不純物濃度を規定することができるため、例えば仕様により決定される所望の成長開始時と終了時の抵抗率を有する気相成長された抵抗率プロファイルとなるような供給ガスの不純物濃度プロファイルを規定することができる。これによってより容易に第一、第二、第三の流量調整機構のガスの流量を所望の抵抗率プロファイルとなるように同時に連続的に変化させることができる。
また、演算制御機構２１は、更に、薄膜の不純物濃度の値と成長開始からの経過時間の値を一組以上選択することによって規定される不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものとすることができる。
このように作製される薄膜の成長開始時と成長終了時の不純物濃度の値の他に、任意の厚さ方向の一点以上の不純物濃度を規定することによって、表面のみならず薄膜の中身の抵抗率プロファイルをより所望のものとするための供給ガスの不純物濃度プロファイルをより容易に規定することができるため、より容易に所望の抵抗率プロファイルの薄膜を気相成長させることができる。
そして、演算制御機構２１は、更に、上述の選択した値と、薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度との間を、直線または曲線で補間することによって規定される不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものとすることができる。
更に、薄膜の成長開始時と前述の選択した値と成長終了時の不純物濃度の間を直線または曲線で補間して規定した不純物濃度プロファイルを用いて第一、第二、第三の流量調整機構のガスの流量を同時に連続的に変化させれば、薄膜の抵抗率プロファイルを所望のものとするための供給ガスの不純物濃度プロファイルを更に容易にかつ精度良く規定することができる。
さらに、演算制御機構２１は、薄膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該薄膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度とを結ぶ関数によって規定される不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものとすることができる。
このように、薄膜の成長開始時と成長終了時の不純物濃度の間を関数で規定した不純物濃度プロファイルを用いて第一、第二、第三の流量調整機構のガスの流量を同時に連続的に変化させれば、薄膜の抵抗率プロファイルをより所望のものとするための供給ガスの不純物濃度プロファイルをより高精度に規定することができるため、より高精度に所望の抵抗率プロファイルの薄膜を気相成長させることができる気相成長装置とすることができる。
次に、以上のような本発明の気相成長装置１０を用いてウエーハＷ上に薄膜を成長させる本発明の薄膜の気相成長法について説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。
まず、サセプタ２４上にウエーハＷを載置し、反応室２２を真空排気した後に加熱手段２５によってウエーハＷを加熱し、原料ガスを反応室に供給してウエーハＷ上に薄膜を気相成長させる。
そして気相成長させる際に、不純物ガスを第一の流量調整機構１２によって、希釈ガスを第二の流量調整機構１４によって流量を制御して希釈不純物ガスを調整する。そして調整した希釈不純物ガスを、第三の流量調整機構１６によって流量を制御して、第四の流量調整機構１８によって流量を制御した主ガスと混合させて原料ガスを調整し、その原料ガスを反応室２２に導入する。
そしてこのとき、少なくとも第一、第二、第三の流量調整機構１２、１４、１６を流れるガスの流量を、薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように、演算制御機構２１によって演算制御しながら同時に連続的に変化させながら反応室２２に原料ガスを供給しながら気相成長を行う。
この演算制御には、前述のように、処理手順を記載したレシピを用いることが好ましい。
本発明においては、このレシピには、気相成長のステップ以外は従来の気相成長装置と同じようにバルブ開閉やマスフローコントローラの流量設定値が直接記載されている。そして、気相成長のステップだけには、流量調整機構の設定値ではなく、薄膜が所望の抵抗率プロファイルとなるような情報が記録されている。
そして、実際の各々の流量調整機構の設定値は、演算制御機構によって、このレシピの情報から計算で求められ、この値に基づいて、第一、第二、第三の流量調整機構を流れる各々のガスの流量を同時に連続して調整し、薄膜の厚さ方向の抵抗率分布を制御しながら気相成長させる。
このとき、演算制御機構の制御方法としては、前述のように、成長開始時と成長終了時の薄膜の不純物濃度を不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量で規定し、開始時と終了時の間の不純物濃度プロファイルを、薄膜の厚さ方向の位置と不純物濃度の組を列挙したり、その間を直線または曲線で補間するか、開始時と終了時の間の不純物濃度プロファイルを関数で規定したものを用いることができる。
また、演算制御機構２１が、レシピに記載された不純物濃度プロファイルを用いて演算制御するにあたって、第一、第二、第三の流量調整機構を流れる各々のガスの流量の制御値を計算するための関係としては、例えば、不純物ガスのマスフローコントローラの設定値をＳ、希釈ガスのマスフローコントローラの設定値をＤ、希釈された不純物ガスを主ガスに混合するマスフローコントローラの設定値をＩとするとき（いずれも流量ゼロのとき０、フルスケールの流量の時に１となるものとする）、
Ｓ＝１．１−Ｄ （０．１＜Ｄ＜１．０） （式１）
Ｉ＝Ｓ （式２）
の様に、関係式を用いることが望ましい。
この際、三つの流量調整機構で実現できる最も多量に不純物を供給できる流量設定の組み合わせから、最も少ない量の不純物を供給できる流量設定の組み合わせまでの全ての不純物供給量が連続的に表現できるように関係式を定めるのがより望ましい。
上述の様に定めると、不純物ガスの濃度がＣｓのとき、主ガスに混合される不純物の量Ｘは
Ｘ＝Ｃｓ×｛（Ｓ×Ｓｆ）／（Ｓ×Ｓｆ＋Ｄ×Ｄｆ）｝×Ｉ×Ｉｆ （式３）
となるから、逆に主ガスに混合すべき不純物の量Ｘが定まれば、（式１）〜（式３）からＳ、Ｄ、Ｉは一意に定まる。ここでＳｆは不純物ガスのマスフローコントローラのフルスケール、Ｄｆは希釈ガスのマスフローコントローラのフルスケール、Ｉｆは希釈不純物ガスのマスフローコントローラのフルスケールである。
さらに主ガスに混合すべき不純物量Ｘは、成長させたい薄膜の不純物濃度Ｃｅによって定めることが出来る。例えば各マスフローの流量がＳ０、Ｉ０、Ｄ０のとき出来上がったシリコンエピタキシャル層の不純物濃度Ｃｅ０であったという実験結果があれば、ＸとＣｅの関係は
Ｘ＝Ｃｓ×｛（Ｓ０×Ｓｆ）／（Ｓ０×Ｓｆ＋Ｄ０×Ｄｆ）｝×Ｉ０×Ｉｆ×（Ｃｅ／Ｃｅ０）
とできる。
よって、薄膜の厚さ方向の不純物濃度分布Ｃｅと実験データＳ０、Ｉ０、Ｄ０、Ｃｅ０とがレシピで与えられれば、演算制御機構は三つの流量調整機構の設定値Ｓ、Ｄ、Ｉの変化のさせ方を一意に定めることが可能となる。
このとき、薄膜の厚さ方向の不純物濃度分布Ｃｅをレシピに記述するにはいくつかの方法がある。一つは薄膜の厚さ方向の位置と不純物濃度の組を列挙する方法であり、もう一つは不純物濃度分布を数式で表す方法である。
また、薄膜の濃度を指定する変わりに、その薄膜の濃度を得るために必要な不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量の組を指定しても良い。
このように、本発明の薄膜の気相成長方法によれば、不純物ガス・希釈ガス・希釈不純物ガスの流量を、気相成長させる薄膜が厚さ方向で所望の抵抗率プロファイルとなるように一定の関係を定め、演算制御して同時に連続的に変化させて原料ガスを反応室に供給しながら気相成長を行うため、不純物ガスと希釈ガスの混合比を変えつつ希釈不純物ガスの不純物濃度も連続的に変化させることができ、これによって厚さ方向に不純物濃度が連続的に変化した薄膜や、不純物濃度が大きく変化した薄膜を自在に気相成長させることができる。
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示したような気相成長装置１０を用いて、シリコンウエーハ上に、キャリア濃度が直線的に３０倍変化するシリコン薄膜をエピタキシャル成長させた。このとき、第一〜第四の流量調整機構として、４台のマスフローコントローラを準備した。
シリコン薄膜の成長条件は、基板となるシリコンウエーハには、直径２００ｍｍのシリコン単結晶ウエーハを用いた。そして主ガスとしてトリクロロシラン３％、水素９７％の混合ガス、希釈ガスとして水素、不純物ガスとして１ｐｐｍのジボランガスを用いた。そしてシリコンウエーハ上に、厚さ５０μｍのシリコン薄膜をエピタキシャル成長させた。また、第一〜第三のマスフローコントローラを流れる各々のガスの流量の関係式として、前述した（式１）（式２）を用い、図３に示したような流量でエピタキシャル成長させた。
そして、作製したエピタキシャルウエーハのシリコン薄膜の厚さ方向のキャリア濃度を、ＳＲ法によって評価した。その実測値を図４に示す。
図４に示すように、３台のマスフローコントローラを用いて、希釈ガスと不純物ガスと希釈不純物ガスの流量を同時に変化させることによって、３０倍という大きくキャリア濃度を変化させたシリコン薄膜を有したエピタキシャルウエーハを作製できることがわかった。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
本発明の気相成長装置の構造の一例を示した概略図である。 本発明の気相成長装置の流量調整機構の流量変化の一例を示した図である。 本発明の実施例における３台のマスフローコントローラの成長開始からの時間に対する流量の変化を表した図である。 本発明の実施例におけるエピタキシャル層の厚さ方向のキャリア濃度の評価結果を示した図である。 従来の気相成長装置の構造の一例を示した概略図である。 従来の気相成長装置の流量調整機構の流量変化の一例を示した図である。
符号の説明
１０…気相成長装置、
１１…流路、
１２…第一の流量調整機構、 １３…不純物ガス供給路、
１４…第二の流量調整機構、 １５…希釈ガス供給路、
１６…第三の流量調整機構、 １７…希釈不純物ガス供給路、
１８…第四の流量調整機構、 １９…主ガス供給路、
２０…原料ガス供給路、
２１…演算制御機構、
２２…反応室、 ２３…排出口、 ２４…サセプタ、 ２５…加熱機構、
Ｗ…ウエーハ。

Claims (10)

  1. サセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上にシリコンエピタキシャル膜を気相成長させる装置であって、
    少なくとも、気相成長を行う反応室と、該反応室に原料ガスを導入する流路と、前記反応室からガスを排気する排出口と、ウエーハを載置するサセプタと、前記ウエーハを加熱する加熱手段とを備え、
    前記流路は、不純物ガスを供給する不純物ガス供給路と該不純物ガスの流量を調整する第一の流量調整機構と、希釈ガスを供給する希釈ガス供給路と該希釈ガスの流量を調整する第二の流量調整機構と、流量を調整された前記不純物ガスと前記希釈ガスを混合させた希釈不純物ガスを供給する希釈不純物ガス供給路と該希釈不純物ガスの流量を調整する第三の流量調整機構と、主ガスを供給する主ガス供給路と該主ガスの流量を調整する第四の流量調整機構と、流量を調整された前記希釈不純物ガスと主ガスを混合させた原料ガスを反応室に供給する原料ガス供給路からなり、
    かつ、前記第一、第二、第三の流量調整機構のガスの流量を、シリコンエピタキシャル膜が厚さ方向で１０倍以上に変化させた抵抗率プロファイルとなるように、同時に連続的に変化させることが可能な演算制御機構を備えたものであることを特徴とする気相成長装置。
  2. 前記演算制御機構は、前記シリコンエピタキシャル膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量と、該シリコンエピタキシャル膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量とによって規定される該シリコンエピタキシャル膜の不純物プロファイルを用いて前記第一、第二、第三の流量調整機構のガスの流量を同時に連続的に変化させるものであることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
  3. 前記演算制御機構は、更に、前記シリコンエピタキシャル膜の不純物濃度の値と成長開始からの経過時間の値を一組以上選択することによって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものであることを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置。
  4. 前記演算制御機構は、更に、前記選択した値と、前記シリコンエピタキシャル膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該シリコンエピタキシャル膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度との間を、直線または曲線で補間することによって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものであることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。
  5. 前記演算制御機構は、更に、前記シリコンエピタキシャル膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該シリコンエピタキシャル膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度とを結ぶ関数によって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させるものであることを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置。
  6. 反応室のサセプタ上にウエーハを載置し、該ウエーハ上にシリコンエピタキシャル膜を気相成長させる方法であって、
    少なくとも、不純物ガスを第一の流量調整機構によって、希釈ガスを第二の流量調整機構によって流量を制御して混合させた希釈不純物ガスを、第三の流量調整機構によって流量を制御して第四の流量調整機構によって流量を制御した主ガスと混合させた原料ガスを前記反応室に導入し、かつ前記第一、第二、第三の流量調整機構を流れるガスの流量を、シリコンエピタキシャル膜が厚さ方向で１０倍以上に変化させた抵抗率プロファイルとなるように、演算制御によって同時に連続的に変化させて前記反応室に原料ガスを供給しながら気相成長を行うことで、該シリコンエピタキシャル膜の厚さ方向の抵抗率分布を制御することを特徴とするシリコンエピタキシャル膜の気相成長方法。
  7. 前記演算制御は、少なくとも、前記シリコンエピタキシャル膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量、該シリコンエピタキシャル膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される該シリコンエピタキシャル膜の不純物濃度プロファイルを用いて前記第一、第二、第三の流量調整機構を流れるガスの流量を同時に連続的に変化させることを特徴とする請求項６に記載のシリコンエピタキシャル膜の気相成長方法。
  8. 前記演算制御は、更に、前記シリコンエピタキシャル膜の不純物濃度の値と成長開始からの経過時間の値を一組以上選択することによって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させることを特徴とする請求項７に記載のシリコンエピタキシャル膜の気相成長方法。
  9. 前記演算制御は、前記選択した値と、前記シリコンエピタキシャル膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該シリコンエピタキシャル膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度との間を、直線または曲線で補間することによって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させることを特徴とする請求項８に記載のシリコンエピタキシャル膜の気相成長方法。
  10. 前記演算制御は、更に、前記シリコンエピタキシャル膜の成長開始時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長開始時の不純物濃度と、該シリコンエピタキシャル膜の成長終了時の不純物ガス流量、希釈ガス流量、主ガスへの希釈不純物ガスの混合量によって規定される成長終了時の不純物濃度とを結ぶ関数によって規定される前記不純物濃度プロファイルを用いてガス流量を変化させることを特徴とする請求項７に記載のシリコンエピタキシャル膜の気相成長方法。
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