JP4361892B2 - シリコンからなるドーピングされた半導体ウェーハを製造する方法およびこの種の半導体ウェーハ - Google Patents

Description

本発明の対象は、リンを電気的活性のドーピング物質として含有し、付加的にゲルマニウムがドーピングされ、所定の熱伝導率を有する、シリコンからなる、ドーピングされた半導体ウェーハを製造する方法である。
本発明の対象は更にゲルマニウムが２×１０^２０原子／ｃｍ^３までの濃度でドーピングされ、電気的活性のドーピング物質を有し、熱伝導率（ＷＬ）および比電気抵抗（ｓＷ）に関して決められた特性を有する、シリコンからなる半導体ウェーハである。

半導体ウェーハが電子部品のための基材（基板）としてできるだけ決められた物理特性を有する場合が基本的に有利である。理想的には基板はすべての主要なパラメーターがウェーハ内部でおよび同じ規格の異なるウェーハの間で少ない変動を有するべきである。基板の熱伝導率は電子部品を製造する場合の方法の実施に関しておよび製造した製品の特性に関して大きな意義を有する１つの重要な特性である。従ってシリコンからなる半導体ウェーハの熱伝導率は電子部品に処理する間のその特性および製造した部品の可能な使用分野を決定的に決定する。従って部品を製造するために、良好に決定された、均一な熱伝導率を有する基板が望ましい。

しかしながらシリコンからなる半導体ウェーハの熱伝導率の測定は手間がかかり、費用がかかり、従って製造の一般的な実施に使用できない。熱伝導率は音響的部分と電子的部分から形成される。単結晶シリコンにおいて室温で両方の寄与が重要である。熱伝導率の電子的部分は主に基板の電気的伝導率に比例しており、音響的部分は固体内の原子質量の分配に関係する。同位体の純粋なシリコンが特に高い熱伝導率を有するが、ドーピング元素が熱伝導率を低下することが知られている。

本発明の課題は、予め決定された熱伝導率を有するシリコンからなる半導体ウェーハの製造を可能にする方法を提供することである。

前記課題は、リンを電気的活性のドーピング物質として含有し、付加的にゲルマニウムがドーピングされ、所定の熱伝導率を有する、シリコンからなるドーピングされた半導体ウェーハを製造する方法により解決され、シリコンから単結晶を製造し、半導体ウェーハに更に処理し、その際電気的に活性なドーピング物質の濃度の選択によりおよび場合によりゲルマニウムの濃度の選択により熱伝導率を調節することを特徴とする。

本願の発明者は、リンが電気的活性のドーピング物質としてドーピングされているシリコンに関して、熱伝導率が物理的特性として確定され、以下の式；
ｋ＝１／（６.８×１０^−３＋α×ｃ（Ｄｏｔ）） （１）
により少ない％の正確性をもって表現され、その際熱伝導率は２２℃の温度で単位Ｗ／ｍＫで表され、ｃ（Ｄｏｔ）は原子／ｃｍ^３の単位で示される電気的に活性なドーピング物質の選択された濃度であり、αは以下の値を有する係数であることを見出した：
６.４２×１０ ^−２３ 。

熱伝導率を式（１）により予め決定された値の範囲に含まれない値に調節することが所望の場合は、２×１０^２０原子／ｃｍ^３までの濃度を有するゲルマニウムの付加的なドーピングにより前記値の範囲を、従来達成できなかった領域に拡大することができる。この場合に熱伝導率は、式：
ｋ＝（１−５.６×１０^−２１×ｃ（Ｇｅ）＋１.４×１０^−４１×ｃ（Ｇｅ）^２）／（６.８×１０^−３＋α×ｃ（Ｄｏｔ）） （２）
に相当してゲルマニウムおよび電気的に活性のドーピング物質の濃度の選択により調節され、その際ｋは２２℃の温度でＷ／ｍＫの単位で示される熱伝導率であり、ｃ（Ｇｅ）およびｃ（Ｄｏｔ）は原子／ｃｍ^３の単位で示されるゲルマニウムおよび電気的に活性のドーピング物質の選択される濃度であり、αは以下の値を有する係数である：
６.４２×１０ ^−２３ 。

本発明の対象は、ゲルマニウムが２×１０^２０原子／ｃｍ^３までの濃度でドーピングされ、ホウ素がドーピングされ、熱伝導率（ＷＬ）および比電気抵抗（ｓＷ）に関して以下の特性の組み合わせ：
ａ）ＷＬ＜１０５Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＞５ｍΩｃｍ
ｂ）ＷＬ＝９０Ｗ／ｍＫ〜３０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝５〜３ｍΩｃｍ
ｃ）ＷＬ＝８０Ｗ／ｍＫ〜２０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝３〜２ｍΩｃｍ
ｄ）ＷＬ＝７０Ｗ／ｍＫ〜２０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝２〜１.５ｍΩｃｍ
ｅ）ＷＬ＜５０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＜１.５ｍΩｃｍ
を有する、場合により堆積したエピタキシャル被膜を有する、シリコンからなる半導体ウェーハである。

本発明の対象は更に、ゲルマニウムが２×１０^２０原子／ｃｍ^３までの濃度でドーピングされ、リンがドーピングされ、熱伝導率（ＷＬ）および比電気抵抗（ｓＷ）に関して以下の特性の組み合わせ：
ａ）ＷＬ＝９０Ｗ／ｍＫ〜５０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝１.５〜１.２ｍΩｃｍ
ｂ）ＷＬ＝８０Ｗ／ｍＫ〜４０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝１.２〜０.９ｍΩｃｍ
ｃ）ＷＬ＝７５Ｗ／ｍＫ〜３０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＜０.９ｍΩｃｍ
を有する、場合により堆積されたエピタキシャル層を有するシリコンからなる半導体ウェーハである。

ドーピング物質としてゲルマニウムを他の作用のためにいずれにしても使用し、式（１）による電気的ドーピング物質の決められた濃度の選択により達成できる熱伝導率より低い熱伝導率が存在する場合に、ゲルマニウムおよび電気的に活性のドーピング物質のドーピングが特に有利である。ドーピング物質としてのゲルマニウムの他の作用として、特に機械的強度の増加および格子電圧の低下が挙げられ、例えば米国特許第５５５３５６６号、米国特許第５７４４３９６号、米国特許第４６３１２３４号、特開平１５−１６０３９５号および特開平１５−１４６７９５号はこれに関係する。

付加的に単結晶は、例えば窒素および／または炭素との同時ドーピングの形で、熱伝導率にかなり少ない影響を有する、なお他のドーピング物質を含有することができる。

電気的に活性なドーピング物質はすでに単結晶を製造する際に溶融物に含まれていてもよく、その際単結晶は有利にチョクラルスキー法により引き出される。電気的に活性なドーピング物質は後で初めて拡散またはイオン注入により単結晶から分離された半導体ウェーハに導入することができる。ゲルマニウムは有利に溶融物と一緒に用意される。

基本的にチョクラルスキー法により引き出されたシリコンからなる単結晶内のドーピング物質の軸方向の分布はそれぞれのドーピング物質の溶離定数により決定される。しかし更に単結晶内のドーピング物質の半径方向および軸方向の分布が影響されることがあることも知られている。最も重要な影響要因は単結晶および坩堝の回転方向および回転速度および圧力比および引き出し工程中の保護ガスの貫流が属する。これらのパラメーターの適当な選択によりドーピング物質含量中で少ない半径方向および軸方向の変動を有して単結晶を製造することが可能である。例えば圧力比の適当な選択によりシリコン溶融物からの砒素、アンチモンまたはリンの蒸発を、単結晶内の比電気抵抗の軸方向および半径方向の変動が少ない％であるように調節することができる。従って本発明の方法と組み合わせてパラメーターの選択に応じて熱伝導率の決められた軸方向の経過を有する単結晶または単結晶の他の部分にわたり均一な熱伝導率を生じることが可能である。正確に決められた熱伝導率により処理および生成物特性での好ましくない変動が減少する。

電気的に活性なドーピング物質としてホウ素を使用して、本発明の方法は特に有利であり、その際半導体ウェーハの熱伝導率（ＷＬ）および比電気抵抗（ｓＷ）に関して以下の特性の組み合わせが生じる。
ａ）ＷＬ＜１０５Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＞５ｍΩｃｍ
ｂ）ＷＬ＝９０Ｗ／ｍＫ〜３０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝５〜３ｍΩｃｍ
ｃ）ＷＬ＝８０Ｗ／ｍＫ〜２０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝３〜２ｍΩｃｍ
ｄ）ＷＬ＝７０Ｗ／ｍＫ〜２０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝２〜１.５ｍΩｃｍ
ｅ）ＷＬ＜５０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＜１.５ｍΩｃｍ。
その際比電気抵抗の半径方向の変動は有利に８％未満である。

電気的に活性なドーピング物質としてリンを使用して本発明の方法は特に有利であり、その際半導体ウェーハの熱伝導率（ＷＬ）および比電気抵抗（ｓＷ）に関して以下の特性の組み合わせが生じる。
ａ）ＷＬ＝９０Ｗ／ｍＫ〜５０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝１.５〜１.２ｍΩｃｍ
ｂ）ＷＬ＝８０Ｗ／ｍＫ〜４０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝１.２〜０.９ｍΩｃｍ
ｃ）ＷＬ＝７５Ｗ／ｍＫ〜３０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＜０.９ｍΩｃｍ。
その際比電気抵抗の半径方向の変動は有利に１０％未満である。

実施例（リンドーピング）
リンをドーピングした単結晶シリコンの熱伝導率の経過を、式（１）を使用した場合に予想されるように、ドーピング物質濃度に依存して連続した線で記載する。測定点は式（２）を使用して本発明により製造した単結晶シリコンの異なる試料で測定した熱伝導率を示す。

リンをドーピングした単結晶シリコンの熱伝導率の経過をドーピング物質濃度に依存して連続した線で記載したグラフである。

Claims (7)

1. リンを電気的活性のドーピング物質として含有し、付加的にゲルマニウムがドーピングされ、所定の熱伝導率を有する、シリコンからなるドーピングされた半導体ウェーハを製造する方法において、シリコンから単結晶を製造し、半導体ウェーハに更に処理し、その際単結晶が２×１０ ^２０ 原子／ｃｍ ^３ までの濃度を有するゲルマニウムを含有し、熱伝導率を、式：
   ｋ＝（１−５.６×１０^−２１×ｃ（Ｇｅ）＋１.４×１０^−４１×ｃ（Ｇｅ）^２）／（６.８×１０^−３＋α×ｃ（Ｄｏｔ））
   に相当してゲルマニウムおよび電気的に活性のドーピング物質の濃度の選択により調節し、その際ｋは２２℃の温度でＷ／ｍＫの単位で示される熱伝導率であり、ｃ（Ｇｅ）およびｃ（Ｄｏｔ）は原子／ｃｍ^３の単位で示されるゲルマニウムおよび電気的に活性のドーピング物質の選択される濃度であり、αは以下の値：
   ６.４２×１０ ^−２３
   を有する係数であることを特徴とするシリコンからなるドーピングされた半導体ウェーハを製造する方法。
2. 単結晶を、チョクラルスキー法により、ゲルマニウムを含有する、シリコンからなる溶融物から引き出し、半導体ウェーハに、拡散またはイオン注入により電気的に活性なドーピング物質をドーピングする、請求項１記載の方法。
3. 半導体ウェーハに電気的に活性なドーピング物質としてリンがドーピングされ、半導体ウェーハの熱伝導率（ＷＬ）および比電気抵抗（ｓＷ）に関して以下の特性：
   ａ）ＷＬ＝９０Ｗ／ｍＫ〜５０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝１.５〜１.２ｍΩｃｍ
   ｂ）ＷＬ＝８０Ｗ／ｍＫ〜４０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＝１.２〜０.９ｍΩｃｍ
   ｃ）ＷＬ＝７５Ｗ／ｍＫ〜３０Ｗ／ｍＫ、ｓＷ＜０.９ｍΩｃｍ
   の組み合わせが得られるようにリン濃度を選択する請求項１または２記載の方法。
4. 比電気抵抗の半径方向の変動が１０％未満である請求項３記載の方法。
5. 半導体ウェーハを電子パワー半導体部品のための基板として使用する請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 半導体ウェーハにエピタキシャル層を堆積する請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 単結晶に付加的に窒素、炭素または窒素と炭素の組み合わせからなる同時ドーピングがドーピングされている請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。

Images