不純物濃度プロファイルの測定方法、その方法に用いられるウェーハ、および、その方法を用いる半導体装置の製造方法
【課題】半導体層の不純物濃度およびプロファイルを正確に制御することを可能とする不純物濃度プロファイルの測定方法、その方法に用いられるウェーハ、および、それを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０と、前記基板１０の主面上に設けられた半導体層１２，１７であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域１７ａ，１７ｂに形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域１７ａ，１７ｂを取り囲む第２領域１７ｃに形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層１２，１７と、を有するウェーハを用いる。そして、前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化を求める。
【解決手段】基板１０と、前記基板１０の主面上に設けられた半導体層１２，１７であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域１７ａ，１７ｂに形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域１７ａ，１７ｂを取り囲む第２領域１７ｃに形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層１２，１７と、を有するウェーハを用いる。そして、前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、不純物濃度プロファイルの測定方法、その方法に用いられるウェーハ、および、その方法を用いる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の開発や製造にあたり、不純物濃度を正確に測定することは、とても重要である。一例として、バイポーラトランジスタ（Bipolar junction transistor：BJT）は、低雑音であり高速動作が可能であることから、高周波信号の増幅器に用いられる。例えば、エピタキシャル成長によりベース層やエミッタ層を形成するＢＪＴでは、ベース層を１００ｎｍ以下に薄くすることにより最小雑音指数を下げることができ、ギガヘルツ領域の高速動作が可能である。
【０００３】
ｎｐｎ型のＢＪＴでは、ｐ形ベース層に不純物として、例えば、ボロン（Ｂ）が添加される。ベース層におけるボロン濃度が高くなると、ベース抵抗が低くなり電流利得が低下する。一方、ボロン濃度が低くなると、ベース抵抗は高くなるが、電流利得が向上する。そして、ベース層のボロン濃度は、ＢＪＴの用途に応じて最適化される。
【０００４】
さらに、ベース層として、シリコン（Ｓｉ）にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したＳｉＧｅを用いることができる。そして、エミッタ側からコレクタ側へＧｅ濃度を少しずつ増加させることにより、ベース層にコレクタからエミッタへ向かう電界を生じさせることができる。これにより、ＢＪＴの応答速度を向上させることができる。
【０００５】
このように、ＢＪＴでは、ベース層に添加されるｐ形不純物の濃度を正確に制御することが求められる。そして、ベース層に発生する電界はＧｅの濃度傾斜に依存するため、Ｇｅの濃度プロファイルの制御が重要となる。しかしながら、微細加工されたＢＪＴのベース領域において、ｐ形不純物の濃度、さらにＧｅの濃度プロファイルを直接測定することは困難である。そこで、例えば、ＢＪＴのベース層の不純物濃度およびＧｅの濃度プロファイルの正確な制御を可能とする不純物濃度プロファイルの測定方法およびそれを用いた半導体装置の製造方法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０８−１３６４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施形態は、半導体層の不純物濃度およびプロファイルの正確な制御を可能とする不純物濃度プロファイルの測定方法、その方法に用いられるウェーハ、および、それを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る不純物濃度プロファイル測定方法は、基板と、前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、を有するウェーハを用いる。そして、前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化を求める。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る半導体装置の断面を示す模式図である。
【図２】一実施形態に係る半導体層の不純物濃度プロファイルである。
【図３】一実施形態に係るウェーハを示す模式図であり、（ａ）は、ウェーハ上の配置を示す平面図、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれウェーハの部分断面である。
【図４】測定領域の面積が異なる２つの半導体層の不純物濃度プロファイルである。
【図５】測定領域の面積が異なる２つのＧｅ濃度プロファイルである。
【図６】半導体層の不純物濃度を測定領域のサイズに対して示したグラフである。
【図７】エピタキシャル成長装置の断面を例示する模式図である。
【図８】不純物濃度の測定データの変化を例示するグラフである。
【図９】不純物濃度の測定データの別の変化を例示するグラフである。
【図１０】一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る半導体装置１００の断面の一部を例示する模式図である。半導体装置１００は、例えば、ｐ形ベース層５にＳｉＧｅを用いたＢＪＴである。
図１に示すように、半導体装置１００は、シリコン基板１０の上に設けられたｎ形コレクタ層２と、ｎ形コレクタ層２の上に積層されたｐ形ベース層５と、ｎ形エミッタ層９とを備えている。
【００１２】
ｐ形ベース層５は、ＳｉＧｅを含み、ｎ形コレクタ層２の上に直接設けられている。ｐ形ベース層５は、微細加工されたｎ形コレクタ層２の上に設けられる。例えば、ｎ形コレクタ層の表面には、ＢＪＴのベース領域を画するＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)３が設けられる。ベース領域の幅ＷＢは、例えば、２ＧＨｚ帯の低雑音増幅器用途では、通常１μｍ以下である。
【００１３】
ｎ形コレクタ層２の表面に設けられたＳＴＩ３の上には、引き出し配線層６が設けられている。ＳＴＩ３は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である。ｐ形ベース層５と引き出し配線層６とは同時に形成されるが、例えば、ｎ形シリコン層であるｎ形コレクタ層２に上に形成されるｐ形ベース層５は単結晶となるのに対し、ＳＴＩ３のＳｉＯ２膜上に形成される引き出し配線層６は多結晶となり、ｐ形ベース層５と引き出し配線層６との間の結晶構造が異なる。
【００１４】
ｐ形ベース層５および引き出し配線層６の表面にはＳｉＯ２膜７が設けられ、ｎ形エミッタ層９と引き出し配線層６との間を絶縁している。ＳｉＯ２膜７は、ｐ形ベース層５の上に開口を有し、その開口を介してｐ形ベース層５とｎ形エミッタ層９とが接触している。
【００１５】
図２は、半導体装置１００のｐ形ベース層５におけるｐ形不純物ＢとＧｅのプロファイルとを例示している。縦軸にＢおよびＧｅの濃度をそれぞれ示し、横軸にｐ形ベース層５の表面からの深さを示している。これらの濃度プロファイルは、２次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectroscopy：ＳＩＭＳ）法を用いて測定されたものである。
【００１６】
図２に示すように、ｐ形不純物Ｂのプロファイルは、ｐ形ベース層５の表面から約３０ｎｍの深さにピークを有し、そのピーク値は、約１×１０２０ｃｍ−３である。一方、Ｇｅの濃度プロファイルでは、１０ｎｍから４０ｎｍの深さにおいて、Ｇｅ濃度がｐ形ベース層の表面側からコレクタ側に向かって増加し、さらに、４０ｎｍから８０ｎｍの間に、Ｇｅを約１１％含むＳｉＧｅ層が設けられていることがわかる。
【００１７】
次に、図３〜図６を参照して、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を説明する。
【００１８】
図３は、本実施形態に係るウェーハ２０を例示する模式図であり、図３（ａ）は、ウェーハ２０の主面上の配置を示す平面図、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれウェーハの部分断面である。
【００１９】
図３（ａ）に示すウェーハ２０は、半導体装置１００の製作に用いられるエピタキシャルウェーハであり、ウェーハ２０の主面には、素子領域２１と、ＴＥＧ（Test Element Group）領域２３が設けられている。
【００２０】
素子領域２１には、例えば、ｎ形コレクタ層２と、ｐ形ベース層５と、ｎ形エミッタ層９を備えるＢＪＴが設けられる。一方、ＴＥＧ領域２３には、複数のテストパターンが形成される。そして、不純物濃度プロファイルの測定領域を設けることもできる。
【００２１】
図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれＴＥＧ領域２３に設けられた測定領域の断面を模式的に示している。例えば、シリコン基板１０の表面に半導体層１２が形成され、半導体層１２の表面には、ＳＴＩ１４が設けられる。そして、半導体層１２およびＳＴＩ１４の上に半導体層１７が設けられている。半導体層１２は、ｎ形コレクタ層２と同時に形成されるエピタキシャル層であり、ＳＴＩ１４は、素子領域２１に設けられるＳＴＩ３と同時に形成される。半導体層１７は、ｐ形ベース層５および引き出し配線層６と同時に形成されるエピタキシャル層である。
【００２２】
図３（ｂ）に示す不純物濃度プロファイルの測定領域１７ａは、例えば、一辺の幅がＷ１の正方形とすることができる。そして、第１の領域である測定領域１７ａの周りを囲んだ第２の領域１７ｃが形成されている。そして、測定領域１７ａに形成された第１の部分と領域１７ｃに形成された第２の部分とは、それぞれ半導体層１７の一部であり互いに構造が異なる。
【００２３】
すなわち、半導体層１７のうちで測定領域１７ａに形成された第１の部分は、図１に示すｐ形ベース層５に該当し、測定領域１７ａを囲む領域１７ｃに形成された第２の部分は、引き出し配線層６に該当する。そして、測定領域１７ａの幅Ｗ１を、不純物濃度プロファイルが測定可能なサイズとすることにより、素子領域２１に形成されるＢＪＴのｐ形ベース層５の不純物濃度プロファイルをモニターすることができる。
【００２４】
さらに、図３（ｃ）に示すように、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法では、測定領域１７ａとは面積の異なる測定領域１７ｂを、別のＴＥＧ領域２３に設けることができる。例えば、測定領域１７ｂは、一辺の幅がＷ２の正方形とし、Ｗ２＜Ｗ１となるように設ける。
【００２５】
不純物濃度プロファイルの測定には、例えば、ＳＩＭＳ法を用いる。ＳＩＭＳ法は、半導体層の表面から深さ方向の不純物プロファイルを、比較的簡便に測定することができる。ＳＩＭＳ法による測定には、例えば、一辺が１００μｍ以上の方形の測定領域を用いる。そして、微細なＢＪＴのベース領域において、直接ＳＩＭＳ測定することは困難である。そこで、測定領域１７ａの幅Ｗ１および測定領域１７ｂの幅Ｗ２を、例えば、１００μｍ以上とすることにより、ＳＩＭＳ法を用いたｐ形ベース層５の不純物濃度プロファイルをモニターすることができる。
【００２６】
また、上記の例に限らず、半導体装置の製作用ウェーハとは別のテスト用ウェーハを用いることにより、ｐ形ベース層５の不純物濃度プロファイルをモニターすることもできる。例えば、複数のウェーハを同時に処理することが可能なエピタキシャル成長装置であれば、半導体装置１００の製作用ウェーハおよびテスト用ウェーハの両方に同時に半導体層を成長することができる。
【００２７】
そして、ＴＥＧ領域２３もしくはテスト用ウェーハに、面積の異なる少なくとも２以上の測定領域を設けることにより、測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）の面積に依存する不純物濃度プロファイルの変化をモニターすることができる。さらに、３以上の面積の異なる領域を設けることにより、不純物濃度プロファイルの測定領域の面積に依存する変化が直線的でない場合にも精度良くモニターすることができる。
【００２８】
以下、測定領域１７ａもしくはテスト用ウェーハを用いて測定されたＢおよびＧｅの濃度プロファイルについて説明するが、便宜上、ｐ形ベース層５のＢおよびＧｅの濃度プロファイルと称する。
【００２９】
図４は、ｐ形ベース層５のｐ形不純物Ｂの濃度プロファイルの測定例ＡおよびＢを示している。図２と同じように、横軸にｐ形ベース層５の表面からの深さ、縦軸にＢの濃度を示している。測定例Ａは、ｐ形ベース層５と同じエピタキシャル層を基板の全面に均一に形成した測定用ウェーハを用いて測定した濃度プロファイルである。一方、測定例Ｂは、一辺が２００μｍの測定領域において測定した濃度プロファイルである。
【００３０】
測定例Ａの濃度プロファイルに比べて測定例Ｂの濃度プロファイルが低濃度となっている。すなわち、基板全面の広い面積に成長されたｐ形ベース層５に比べて、一辺が２００μｍの限られた領域に形成されるｐ形ベース層５の方がＢ濃度が低下することを示している。
【００３１】
図５は、ｐ形ベース層５におけるＧｅの濃度プロファイルの測定例ＡおよびＢを示している。横軸はｐ形ベース層５の表面からの深さ、縦軸はＧｅの濃度を示している。図４と同じように、測定例Ａは、基板の全面に形成したエピタキシャル層の濃度プロファイルであり、測定例Ｂは、一辺が２００μｍの測定領域において測定した濃度プロファイルである。
【００３２】
図５に示す測定例ＡおよびＢでは、ｐ形ベース層５の表面側から深さ方向に増加するＧｅの濃度プロファイルの傾きが相違することがわかる。すなわち、基板全面の広い面積に成長されたｐ形ベース層５に比べて、一辺が２００μｍの限られた領域に形成されるｐ形ベース層５では、Ｇｅ濃度の傾きが急になることを示している。そして、図５に示す測定例Ａと測定例Ｂとの間のわずかな傾きの差であっても、ｐ形ベース層５に生じる電界強度を変化させＢＪＴの応答速度に影響を与えることがある。
【００３３】
上記のように、図４および図５に示す測定例では、基板全面の広い面積に形成されたｐ形ベース層５と、幅２００μｍの限られた面積の領域に形成されたｐ形ベース層５と、の間において、不純物濃度プロファイルが変化することがわかる。
【００３４】
図６は、ｐ形ベース層５のＢのピーク濃度を測定領域のサイズに対して示したグラフである。同図に示すように、ｐ形ベース層５のＢ濃度は、測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）の一辺の幅Ｗが狭くなるほど低下することがわかる。そして、同図中にプロットした点を結ぶ曲線をＷ＝０の近傍まで外挿すると、素子領域２１に形成されるＢＪＴのｐ形ベース層５のＢ濃度を推定することができる。
【００３５】
例えば、図６に示すグラフでは、実際のＢＪＴにおけるＢのピーク濃度は２〜３×１０１９ｃｍ−３と推定される。これに対し、測定領域の幅Ｗが１０００μｍ以上となるような広い測定領域でモニターされるＢのピーク濃度は、約１×１０２０ｃｍ−３であり、大きな差がある。
【００３６】
このように、ｐ形ベース層５が形成される領域の面積に依存してＢ濃度が変化する現象は、エピタキシャル成長における所謂ローディング効果であり、ｐ形ベース層５と、その周りに形成される領域と、の間におけるＢの取り込み量の差に起因するものと考えられる。
【００３７】
ｐ形ベース層５は、ｎ形コレクタ層２の上に形成される単結晶層である。一方、その周りに形成される引き出し配線層６は、ＳＴＩ３の上に形成される多結晶層である。そして、多結晶層に取り込まれるＢの量は、単結晶層に取り込まれるＢの量よりも多いと考えられる。このため、供給律速の化学反応に支配されるエピタキシャル成長では、ｐ形ベース層５の面積に依存してｐ形ベース層５に取り込まれるＢの量が変化し、上記のローディング効果が生じているものと考えられる。そして、前述したＧｅの濃度プロファイルにおけるＧｅ濃度の傾斜の変化についても、同様にローディング効果として解釈することができる。
【００３８】
上記の通り、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を用いることにより、測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）の面積に依存するローディング効果を測定することができる。そして、測定されたローディング効果を踏まえたエピタキシャル成長の管理が可能となり、例えば、半導体装置１００の製造歩留りを向上させることができる。
【００３９】
次に、図７〜図１０を参照して、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を用いた半導体装置１００の製造方法について説明する。
【００４０】
図７は、本実施形態に係るエピタキシャル成長装置２００を例示する模式断面図である。エピタキシャル成長装置２００は、例えば、減圧型ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置であり、反応室３１の内部に、成長基板３０を載置するサセプタ３２と、原料ガスを供給するシャワーヘッド３３と、を備えている。
【００４１】
成長基板３０は、サセプタ３２の内部に配置されたヒータ３４により加熱され、成長温度に保持される。そして、サセプタ３２に対向する位置に設けられたシャワーヘッド３３から、半導体層の原料ガスであるモノシラン（ＳｉＨ４）およびゲルマン（ＧｅＨ４）、さらにｐ形不純物のドーピングガス（Ｂ２Ｈ６）が供給され、成長基板３０の表面に半導体層をエピタキシャル成長させる。
【００４２】
ＳｉＨ４およびＧｅＨ４、Ｂ２Ｈ６は、ガス配管３５〜３７を介してシャワーヘッド３３に供給され、サセプタ３２に対向する面に設けられた複数のピンホールから成長基板３０に向けて放出される。一方、反応室３１の内部は、排気ポート３９を介して図示しない真空排気系に接続されており、圧力を一定に保つことができる。
【００４３】
上記のエピタキシャル成長装置２００では、例えば、成長温度、および、原料ガスの供給量、反応室内の圧力を成長条件として設定し、所定の半導体層を成長することができる。半導体装置１００のウェーハ２０を製作する場合には、これらの条件を半導体装置１００の仕様に適合させ、各半導体層のエピタキシャル成長を行う。そして、後述するように、エピタキシャル成長した半導体層、例えば、ｐ形ベース層５の検査結果をフィードバックして各成長条件を修正し、ベース層のＢ濃度およびＧｅ濃度の傾斜を所望の範囲に維持することができる。
【００４４】
図８は、ｐ形ベース層５のＢ濃度の測定データの変化を例示するグラフである。図６と同じように、横軸に測定領域の幅Ｗ、縦軸にｐ形ベース層５に添加されたＢのピーク濃度を示している。
【００４５】
図８に示すように、例えば、エピタキシャル成長装置２００の初期特性Ｃ、すなわち、測定領域の幅Ｗに依存するＢ濃度のローディング効果が、エピタキシャル成長を繰り返すにつれて変化し、同図中に示すＤもしくはＥの状態に平行移動する場合がある。このようなローディング効果の変化であれば、１つの幅Ｗの測定領域において、もしくは、基板の全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いてＢ濃度を検査していれば、ＢＪＴのｐ形ベース層５におけるＢ濃度の変化を検出することができる。そして、例えば、ドーピングガスであるＢ２Ｈ６の供給量を制御することにより、初期の状態Ｃに戻すことができる。ローディング効果を考慮しない多くの場合において、このような変化を前提としたエピタキシャル成長装置の管理が行われている。
【００４６】
しかしながら、図８に示すようなＢ濃度の変化が常に起こる訳ではない。例えば、図９は、測定領域の幅Ｗに依存するＢ濃度の別の変化を例示するグラフである。図９に示すように、幅Ｗに対するＢ濃度の傾斜が変化し、初期特性ＣからＧまたはＦの状態に変化することがある。このようなローディング効果の変化に対して、１つの幅Ｗの測定領域、もしくは、基板全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いたＢ濃度の検査では、ＢＪＴのｐ形ベース層５の濃度変化を検出することが難しい。
【００４７】
例えば、幅Ｗが１０００μｍ以上の測定領域、もしくは、基板全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いて、ｐ形ベース層５のＢ濃度をモニターしている場合、エピタキシャル成長装置２００の特性がＣからＦへ変化すると、ＢＪＴのｐ形ベース層５のＢ濃度は変化していないのも関わらず、モニターされたＢ濃度には変化が生じる。一方、ＣからＧの状態に変化している場合には、ＢＪＴのｐ形ベース層５においてＢ濃度が変化しているのも関わらず、モニターされたＢ濃度には変化が生じない。
【００４８】
したがって、図９に示すようなエピタキシャル成長装置２００のローディング効果の変化が生じた場合、１つ幅Ｗの測定領域、もしくは、基板全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いたＢ濃度のモニター方法では、ＢＪＴのｐ形ベース層５のＢ濃度を制御することができず、半導体装置１００の製造歩留りを低下させることになる。
【００４９】
これに対し、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法では、面積の異なる複数の測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）におけるＢ濃度をモニターし、その面積に依存するＢ濃度の変化、すなわち、ローディング効果を監視することができる。したがって、本実施形態に係る測定方法を半導体装置１００の製造工程に導入することにより、製造歩留りを向上させることができる。
【００５０】
次に、図１０を参照して、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を説明する。同図は、半導体装置１００の製造過程におけるエピタキシャル成長装置２００の管理フローを例示している。
【００５１】
エピタキシャル成長工程（Ｓ０１）では、例えば、ｐ形シリコン基板１０の上にｎ形コレクタ層２が成長され、さらに、ＳＴＩ３が形成されたｎ形コレクタ層２の上にｐ形ベース層５が成長される。
【００５２】
そして、エピタキシャル成長装置２００におけるローディング効果の初期状態Ｃが、予め把握されている。例えば、既存のエピタキシャル成長装置のローディング効果に合わせて、エピタキシャル成長装置２００の初期状態Ｃを設定することができる。これにより、各エピタキシャル層の成長条件の設定が容易となる。具体的には、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を用いてエピタキシャル層の評価を行い、その結果に基づいて、成長時の反応室３１の圧力やサセプタ３２の温度を調整し、既存の成長装置のローディング効果と同じ初期状態Ｃを実現する成長条件を決定する。
【００５３】
次に、原料ガスの供給量を調整してエピタキシャル層の成長速度を制御し、ドーピングガスの流量を調整してエピタキシャル層の不純物濃度を設定する。
このような手順を経てエピタキシャル成長装置２００の成長条件が決定され、半導体装置１００の製造を開始することができる。
【００５４】
エピタキシャル成長されたウェーハは、成長後の検査を受ける（Ｓ０２）。
例えば、半導体装置１００の製作に用いられるウェーハ２０は、表面状態、結晶欠陥の有無などが検査される。同時に、例えば、テスト用ウェーハを用いてｐ形ベース層５の不純物濃度を測定する。不純物濃度の測定には、例えば、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）測定法などを用いることができる。
【００５５】
そして、ｐ形ベース層５の不純物濃度が管理範囲を逸脱するような結果が生じた場合には、エピタキシャル成長装置２００を異常と判定し（Ｎ）、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定法を用いて不純物濃度の測定を行う（Ｓ０９）。この際、前述したように、ＴＥＧ領域に幅Ｗの異なる複数の測定領域が設けられたウェーハ２０を用いることができる。また、複数の幅Ｗの異なる測定領域を設けたテストウェーハを用いても良い。これにより、エピタキシャル成長装置２００のローディング効果を把握し、その結果、初期状態Ｃから変化していれば、例えば、反応室３１の圧力やサセプタ３２の温度を調整し、初期状態Ｃに戻す成長条件を決定する。
【００５６】
さらに、ウェーハプロセス（Ｓ０３）の処理を行った後の特性検査１（Ｓ０４）の結果に基づいて、不純物濃度プロファイル測定（Ｓ０９）を実施しても良い。
ウェーハプロセス（Ｓ０３）では、ＴＥＧ領域に所定のパターンが設けられ、その後の検査（Ｓ０４）において種々の特性を測定することができる。例えば、ｐ形ベース層５の抵抗を測定することができる。そして、ｐ形ベース層５の抵抗値が所定の管理範囲を逸脱した場合にエピタキシャル成長装置２００を異常と判定し（Ｎ）、不純物濃度プロファイルの測定を行うことができる（Ｓ０９）。
【００５７】
チップ化工程（Ｓ０６）および組立試験工程（Ｓ０７）の後に実施される半導体装置１００の特性検査２（Ｓ０８）の結果に基づいて、不純物濃度プロファイル測定（Ｓ０９）を実施することもできる。
【００５８】
特性検査２（Ｓ０８）では、半導体装置１００の種々の特性が検査される。そして、エピタキシャル層の不純物濃度、もしくは、結晶組成に関係する特性について、管理範囲を設定し、エピタキシャル成長装置２００の状態をモニターすることも可能である。例えば、ＢＪＴの周波数応答特性を監視することにより、ｐ形ベース層５におけるＧｅ濃度の傾斜の変化をモニターすることができる。そして、周波数応答特性が管理範囲を逸脱した場合にエピタキシャル成長装置２００を異常と判定し（Ｎ）、Ｇｅ濃度のプロファイルを測定を行い、そのローディング効果に基づいて成長条件の調整を実施することができる。
【００５９】
上記の通り、半導体装置１００の製造過程において、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を実行することができる。そして、エピタキシャル成長装置２００のローディング効果の管理を実行することにより、ｐ形ベース層５におけるｐ形不純物Ｂの濃度およびＧｅ濃度の傾きを正確に制御することが可能となり、製造歩留りを向上させることができる。
【００６０】
本実施形態では、ベース層にＳｉＧｅを含むＢＪＴを例に説明したが、エピタキシャル層を備える他の半導体装置に適用できることは言うまでもない。また、測定領域の形状は正方形に限定されるものではなく、例えば、その領域の最小幅Ｗが、ＳＩＭＳ法を用いて測定できる幅以上であれば、いかなる形状であっても良い。また、上記の実施形態で説明した不純物濃度プロファイルには、例えば、化合物半導体を構成する元素のプロファイルも含まれる。
【００６１】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
２・・・ｎ形コレクタ層、 ３、１４・・・ＳＴＩ、 ５・・・ｐ形ベース層、 ６・・・引き出し配線層、 ７・・・ＳｉＯ２膜、 ９・・・ｎ形エミッタ層、 １０・・・シリコン基板、 １２、１７・・・半導体層、 １７ａ、１７ｂ・・・測定領域（第１の領域）、 １７ｃ・・・第２の領域、 ２０・・・ウェーハ、 ２１・・・素子領域、 ２３・・・ＴＥＧ領域、 ３０・・・成長基板、 ３１・・・反応室、 ３２・・・サセプタ、 ３３・・・シャワーヘッド、 ３４・・・ヒータ、 ３５〜３７・・・ガス配管、 ３９・・・排気ポート、 １００・・・半導体装置、 ２００・・・エピタキシャル成長装置
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、不純物濃度プロファイルの測定方法、その方法に用いられるウェーハ、および、その方法を用いる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の開発や製造にあたり、不純物濃度を正確に測定することは、とても重要である。一例として、バイポーラトランジスタ（Bipolar junction transistor：BJT）は、低雑音であり高速動作が可能であることから、高周波信号の増幅器に用いられる。例えば、エピタキシャル成長によりベース層やエミッタ層を形成するＢＪＴでは、ベース層を１００ｎｍ以下に薄くすることにより最小雑音指数を下げることができ、ギガヘルツ領域の高速動作が可能である。
【０００３】
ｎｐｎ型のＢＪＴでは、ｐ形ベース層に不純物として、例えば、ボロン（Ｂ）が添加される。ベース層におけるボロン濃度が高くなると、ベース抵抗が低くなり電流利得が低下する。一方、ボロン濃度が低くなると、ベース抵抗は高くなるが、電流利得が向上する。そして、ベース層のボロン濃度は、ＢＪＴの用途に応じて最適化される。
【０００４】
さらに、ベース層として、シリコン（Ｓｉ）にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したＳｉＧｅを用いることができる。そして、エミッタ側からコレクタ側へＧｅ濃度を少しずつ増加させることにより、ベース層にコレクタからエミッタへ向かう電界を生じさせることができる。これにより、ＢＪＴの応答速度を向上させることができる。
【０００５】
このように、ＢＪＴでは、ベース層に添加されるｐ形不純物の濃度を正確に制御することが求められる。そして、ベース層に発生する電界はＧｅの濃度傾斜に依存するため、Ｇｅの濃度プロファイルの制御が重要となる。しかしながら、微細加工されたＢＪＴのベース領域において、ｐ形不純物の濃度、さらにＧｅの濃度プロファイルを直接測定することは困難である。そこで、例えば、ＢＪＴのベース層の不純物濃度およびＧｅの濃度プロファイルの正確な制御を可能とする不純物濃度プロファイルの測定方法およびそれを用いた半導体装置の製造方法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０８−１３６４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施形態は、半導体層の不純物濃度およびプロファイルの正確な制御を可能とする不純物濃度プロファイルの測定方法、その方法に用いられるウェーハ、および、それを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る不純物濃度プロファイル測定方法は、基板と、前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、を有するウェーハを用いる。そして、前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化を求める。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る半導体装置の断面を示す模式図である。
【図２】一実施形態に係る半導体層の不純物濃度プロファイルである。
【図３】一実施形態に係るウェーハを示す模式図であり、（ａ）は、ウェーハ上の配置を示す平面図、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれウェーハの部分断面である。
【図４】測定領域の面積が異なる２つの半導体層の不純物濃度プロファイルである。
【図５】測定領域の面積が異なる２つのＧｅ濃度プロファイルである。
【図６】半導体層の不純物濃度を測定領域のサイズに対して示したグラフである。
【図７】エピタキシャル成長装置の断面を例示する模式図である。
【図８】不純物濃度の測定データの変化を例示するグラフである。
【図９】不純物濃度の測定データの別の変化を例示するグラフである。
【図１０】一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る半導体装置１００の断面の一部を例示する模式図である。半導体装置１００は、例えば、ｐ形ベース層５にＳｉＧｅを用いたＢＪＴである。
図１に示すように、半導体装置１００は、シリコン基板１０の上に設けられたｎ形コレクタ層２と、ｎ形コレクタ層２の上に積層されたｐ形ベース層５と、ｎ形エミッタ層９とを備えている。
【００１２】
ｐ形ベース層５は、ＳｉＧｅを含み、ｎ形コレクタ層２の上に直接設けられている。ｐ形ベース層５は、微細加工されたｎ形コレクタ層２の上に設けられる。例えば、ｎ形コレクタ層の表面には、ＢＪＴのベース領域を画するＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)３が設けられる。ベース領域の幅ＷＢは、例えば、２ＧＨｚ帯の低雑音増幅器用途では、通常１μｍ以下である。
【００１３】
ｎ形コレクタ層２の表面に設けられたＳＴＩ３の上には、引き出し配線層６が設けられている。ＳＴＩ３は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である。ｐ形ベース層５と引き出し配線層６とは同時に形成されるが、例えば、ｎ形シリコン層であるｎ形コレクタ層２に上に形成されるｐ形ベース層５は単結晶となるのに対し、ＳＴＩ３のＳｉＯ２膜上に形成される引き出し配線層６は多結晶となり、ｐ形ベース層５と引き出し配線層６との間の結晶構造が異なる。
【００１４】
ｐ形ベース層５および引き出し配線層６の表面にはＳｉＯ２膜７が設けられ、ｎ形エミッタ層９と引き出し配線層６との間を絶縁している。ＳｉＯ２膜７は、ｐ形ベース層５の上に開口を有し、その開口を介してｐ形ベース層５とｎ形エミッタ層９とが接触している。
【００１５】
図２は、半導体装置１００のｐ形ベース層５におけるｐ形不純物ＢとＧｅのプロファイルとを例示している。縦軸にＢおよびＧｅの濃度をそれぞれ示し、横軸にｐ形ベース層５の表面からの深さを示している。これらの濃度プロファイルは、２次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectroscopy：ＳＩＭＳ）法を用いて測定されたものである。
【００１６】
図２に示すように、ｐ形不純物Ｂのプロファイルは、ｐ形ベース層５の表面から約３０ｎｍの深さにピークを有し、そのピーク値は、約１×１０２０ｃｍ−３である。一方、Ｇｅの濃度プロファイルでは、１０ｎｍから４０ｎｍの深さにおいて、Ｇｅ濃度がｐ形ベース層の表面側からコレクタ側に向かって増加し、さらに、４０ｎｍから８０ｎｍの間に、Ｇｅを約１１％含むＳｉＧｅ層が設けられていることがわかる。
【００１７】
次に、図３〜図６を参照して、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を説明する。
【００１８】
図３は、本実施形態に係るウェーハ２０を例示する模式図であり、図３（ａ）は、ウェーハ２０の主面上の配置を示す平面図、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれウェーハの部分断面である。
【００１９】
図３（ａ）に示すウェーハ２０は、半導体装置１００の製作に用いられるエピタキシャルウェーハであり、ウェーハ２０の主面には、素子領域２１と、ＴＥＧ（Test Element Group）領域２３が設けられている。
【００２０】
素子領域２１には、例えば、ｎ形コレクタ層２と、ｐ形ベース層５と、ｎ形エミッタ層９を備えるＢＪＴが設けられる。一方、ＴＥＧ領域２３には、複数のテストパターンが形成される。そして、不純物濃度プロファイルの測定領域を設けることもできる。
【００２１】
図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれＴＥＧ領域２３に設けられた測定領域の断面を模式的に示している。例えば、シリコン基板１０の表面に半導体層１２が形成され、半導体層１２の表面には、ＳＴＩ１４が設けられる。そして、半導体層１２およびＳＴＩ１４の上に半導体層１７が設けられている。半導体層１２は、ｎ形コレクタ層２と同時に形成されるエピタキシャル層であり、ＳＴＩ１４は、素子領域２１に設けられるＳＴＩ３と同時に形成される。半導体層１７は、ｐ形ベース層５および引き出し配線層６と同時に形成されるエピタキシャル層である。
【００２２】
図３（ｂ）に示す不純物濃度プロファイルの測定領域１７ａは、例えば、一辺の幅がＷ１の正方形とすることができる。そして、第１の領域である測定領域１７ａの周りを囲んだ第２の領域１７ｃが形成されている。そして、測定領域１７ａに形成された第１の部分と領域１７ｃに形成された第２の部分とは、それぞれ半導体層１７の一部であり互いに構造が異なる。
【００２３】
すなわち、半導体層１７のうちで測定領域１７ａに形成された第１の部分は、図１に示すｐ形ベース層５に該当し、測定領域１７ａを囲む領域１７ｃに形成された第２の部分は、引き出し配線層６に該当する。そして、測定領域１７ａの幅Ｗ１を、不純物濃度プロファイルが測定可能なサイズとすることにより、素子領域２１に形成されるＢＪＴのｐ形ベース層５の不純物濃度プロファイルをモニターすることができる。
【００２４】
さらに、図３（ｃ）に示すように、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法では、測定領域１７ａとは面積の異なる測定領域１７ｂを、別のＴＥＧ領域２３に設けることができる。例えば、測定領域１７ｂは、一辺の幅がＷ２の正方形とし、Ｗ２＜Ｗ１となるように設ける。
【００２５】
不純物濃度プロファイルの測定には、例えば、ＳＩＭＳ法を用いる。ＳＩＭＳ法は、半導体層の表面から深さ方向の不純物プロファイルを、比較的簡便に測定することができる。ＳＩＭＳ法による測定には、例えば、一辺が１００μｍ以上の方形の測定領域を用いる。そして、微細なＢＪＴのベース領域において、直接ＳＩＭＳ測定することは困難である。そこで、測定領域１７ａの幅Ｗ１および測定領域１７ｂの幅Ｗ２を、例えば、１００μｍ以上とすることにより、ＳＩＭＳ法を用いたｐ形ベース層５の不純物濃度プロファイルをモニターすることができる。
【００２６】
また、上記の例に限らず、半導体装置の製作用ウェーハとは別のテスト用ウェーハを用いることにより、ｐ形ベース層５の不純物濃度プロファイルをモニターすることもできる。例えば、複数のウェーハを同時に処理することが可能なエピタキシャル成長装置であれば、半導体装置１００の製作用ウェーハおよびテスト用ウェーハの両方に同時に半導体層を成長することができる。
【００２７】
そして、ＴＥＧ領域２３もしくはテスト用ウェーハに、面積の異なる少なくとも２以上の測定領域を設けることにより、測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）の面積に依存する不純物濃度プロファイルの変化をモニターすることができる。さらに、３以上の面積の異なる領域を設けることにより、不純物濃度プロファイルの測定領域の面積に依存する変化が直線的でない場合にも精度良くモニターすることができる。
【００２８】
以下、測定領域１７ａもしくはテスト用ウェーハを用いて測定されたＢおよびＧｅの濃度プロファイルについて説明するが、便宜上、ｐ形ベース層５のＢおよびＧｅの濃度プロファイルと称する。
【００２９】
図４は、ｐ形ベース層５のｐ形不純物Ｂの濃度プロファイルの測定例ＡおよびＢを示している。図２と同じように、横軸にｐ形ベース層５の表面からの深さ、縦軸にＢの濃度を示している。測定例Ａは、ｐ形ベース層５と同じエピタキシャル層を基板の全面に均一に形成した測定用ウェーハを用いて測定した濃度プロファイルである。一方、測定例Ｂは、一辺が２００μｍの測定領域において測定した濃度プロファイルである。
【００３０】
測定例Ａの濃度プロファイルに比べて測定例Ｂの濃度プロファイルが低濃度となっている。すなわち、基板全面の広い面積に成長されたｐ形ベース層５に比べて、一辺が２００μｍの限られた領域に形成されるｐ形ベース層５の方がＢ濃度が低下することを示している。
【００３１】
図５は、ｐ形ベース層５におけるＧｅの濃度プロファイルの測定例ＡおよびＢを示している。横軸はｐ形ベース層５の表面からの深さ、縦軸はＧｅの濃度を示している。図４と同じように、測定例Ａは、基板の全面に形成したエピタキシャル層の濃度プロファイルであり、測定例Ｂは、一辺が２００μｍの測定領域において測定した濃度プロファイルである。
【００３２】
図５に示す測定例ＡおよびＢでは、ｐ形ベース層５の表面側から深さ方向に増加するＧｅの濃度プロファイルの傾きが相違することがわかる。すなわち、基板全面の広い面積に成長されたｐ形ベース層５に比べて、一辺が２００μｍの限られた領域に形成されるｐ形ベース層５では、Ｇｅ濃度の傾きが急になることを示している。そして、図５に示す測定例Ａと測定例Ｂとの間のわずかな傾きの差であっても、ｐ形ベース層５に生じる電界強度を変化させＢＪＴの応答速度に影響を与えることがある。
【００３３】
上記のように、図４および図５に示す測定例では、基板全面の広い面積に形成されたｐ形ベース層５と、幅２００μｍの限られた面積の領域に形成されたｐ形ベース層５と、の間において、不純物濃度プロファイルが変化することがわかる。
【００３４】
図６は、ｐ形ベース層５のＢのピーク濃度を測定領域のサイズに対して示したグラフである。同図に示すように、ｐ形ベース層５のＢ濃度は、測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）の一辺の幅Ｗが狭くなるほど低下することがわかる。そして、同図中にプロットした点を結ぶ曲線をＷ＝０の近傍まで外挿すると、素子領域２１に形成されるＢＪＴのｐ形ベース層５のＢ濃度を推定することができる。
【００３５】
例えば、図６に示すグラフでは、実際のＢＪＴにおけるＢのピーク濃度は２〜３×１０１９ｃｍ−３と推定される。これに対し、測定領域の幅Ｗが１０００μｍ以上となるような広い測定領域でモニターされるＢのピーク濃度は、約１×１０２０ｃｍ−３であり、大きな差がある。
【００３６】
このように、ｐ形ベース層５が形成される領域の面積に依存してＢ濃度が変化する現象は、エピタキシャル成長における所謂ローディング効果であり、ｐ形ベース層５と、その周りに形成される領域と、の間におけるＢの取り込み量の差に起因するものと考えられる。
【００３７】
ｐ形ベース層５は、ｎ形コレクタ層２の上に形成される単結晶層である。一方、その周りに形成される引き出し配線層６は、ＳＴＩ３の上に形成される多結晶層である。そして、多結晶層に取り込まれるＢの量は、単結晶層に取り込まれるＢの量よりも多いと考えられる。このため、供給律速の化学反応に支配されるエピタキシャル成長では、ｐ形ベース層５の面積に依存してｐ形ベース層５に取り込まれるＢの量が変化し、上記のローディング効果が生じているものと考えられる。そして、前述したＧｅの濃度プロファイルにおけるＧｅ濃度の傾斜の変化についても、同様にローディング効果として解釈することができる。
【００３８】
上記の通り、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を用いることにより、測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）の面積に依存するローディング効果を測定することができる。そして、測定されたローディング効果を踏まえたエピタキシャル成長の管理が可能となり、例えば、半導体装置１００の製造歩留りを向上させることができる。
【００３９】
次に、図７〜図１０を参照して、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を用いた半導体装置１００の製造方法について説明する。
【００４０】
図７は、本実施形態に係るエピタキシャル成長装置２００を例示する模式断面図である。エピタキシャル成長装置２００は、例えば、減圧型ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置であり、反応室３１の内部に、成長基板３０を載置するサセプタ３２と、原料ガスを供給するシャワーヘッド３３と、を備えている。
【００４１】
成長基板３０は、サセプタ３２の内部に配置されたヒータ３４により加熱され、成長温度に保持される。そして、サセプタ３２に対向する位置に設けられたシャワーヘッド３３から、半導体層の原料ガスであるモノシラン（ＳｉＨ４）およびゲルマン（ＧｅＨ４）、さらにｐ形不純物のドーピングガス（Ｂ２Ｈ６）が供給され、成長基板３０の表面に半導体層をエピタキシャル成長させる。
【００４２】
ＳｉＨ４およびＧｅＨ４、Ｂ２Ｈ６は、ガス配管３５〜３７を介してシャワーヘッド３３に供給され、サセプタ３２に対向する面に設けられた複数のピンホールから成長基板３０に向けて放出される。一方、反応室３１の内部は、排気ポート３９を介して図示しない真空排気系に接続されており、圧力を一定に保つことができる。
【００４３】
上記のエピタキシャル成長装置２００では、例えば、成長温度、および、原料ガスの供給量、反応室内の圧力を成長条件として設定し、所定の半導体層を成長することができる。半導体装置１００のウェーハ２０を製作する場合には、これらの条件を半導体装置１００の仕様に適合させ、各半導体層のエピタキシャル成長を行う。そして、後述するように、エピタキシャル成長した半導体層、例えば、ｐ形ベース層５の検査結果をフィードバックして各成長条件を修正し、ベース層のＢ濃度およびＧｅ濃度の傾斜を所望の範囲に維持することができる。
【００４４】
図８は、ｐ形ベース層５のＢ濃度の測定データの変化を例示するグラフである。図６と同じように、横軸に測定領域の幅Ｗ、縦軸にｐ形ベース層５に添加されたＢのピーク濃度を示している。
【００４５】
図８に示すように、例えば、エピタキシャル成長装置２００の初期特性Ｃ、すなわち、測定領域の幅Ｗに依存するＢ濃度のローディング効果が、エピタキシャル成長を繰り返すにつれて変化し、同図中に示すＤもしくはＥの状態に平行移動する場合がある。このようなローディング効果の変化であれば、１つの幅Ｗの測定領域において、もしくは、基板の全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いてＢ濃度を検査していれば、ＢＪＴのｐ形ベース層５におけるＢ濃度の変化を検出することができる。そして、例えば、ドーピングガスであるＢ２Ｈ６の供給量を制御することにより、初期の状態Ｃに戻すことができる。ローディング効果を考慮しない多くの場合において、このような変化を前提としたエピタキシャル成長装置の管理が行われている。
【００４６】
しかしながら、図８に示すようなＢ濃度の変化が常に起こる訳ではない。例えば、図９は、測定領域の幅Ｗに依存するＢ濃度の別の変化を例示するグラフである。図９に示すように、幅Ｗに対するＢ濃度の傾斜が変化し、初期特性ＣからＧまたはＦの状態に変化することがある。このようなローディング効果の変化に対して、１つの幅Ｗの測定領域、もしくは、基板全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いたＢ濃度の検査では、ＢＪＴのｐ形ベース層５の濃度変化を検出することが難しい。
【００４７】
例えば、幅Ｗが１０００μｍ以上の測定領域、もしくは、基板全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いて、ｐ形ベース層５のＢ濃度をモニターしている場合、エピタキシャル成長装置２００の特性がＣからＦへ変化すると、ＢＪＴのｐ形ベース層５のＢ濃度は変化していないのも関わらず、モニターされたＢ濃度には変化が生じる。一方、ＣからＧの状態に変化している場合には、ＢＪＴのｐ形ベース層５においてＢ濃度が変化しているのも関わらず、モニターされたＢ濃度には変化が生じない。
【００４８】
したがって、図９に示すようなエピタキシャル成長装置２００のローディング効果の変化が生じた場合、１つ幅Ｗの測定領域、もしくは、基板全面にｐ形ベース層５が形成されたテストウェーハを用いたＢ濃度のモニター方法では、ＢＪＴのｐ形ベース層５のＢ濃度を制御することができず、半導体装置１００の製造歩留りを低下させることになる。
【００４９】
これに対し、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法では、面積の異なる複数の測定領域（すなわち、半導体層１７の第１の部分）におけるＢ濃度をモニターし、その面積に依存するＢ濃度の変化、すなわち、ローディング効果を監視することができる。したがって、本実施形態に係る測定方法を半導体装置１００の製造工程に導入することにより、製造歩留りを向上させることができる。
【００５０】
次に、図１０を参照して、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を説明する。同図は、半導体装置１００の製造過程におけるエピタキシャル成長装置２００の管理フローを例示している。
【００５１】
エピタキシャル成長工程（Ｓ０１）では、例えば、ｐ形シリコン基板１０の上にｎ形コレクタ層２が成長され、さらに、ＳＴＩ３が形成されたｎ形コレクタ層２の上にｐ形ベース層５が成長される。
【００５２】
そして、エピタキシャル成長装置２００におけるローディング効果の初期状態Ｃが、予め把握されている。例えば、既存のエピタキシャル成長装置のローディング効果に合わせて、エピタキシャル成長装置２００の初期状態Ｃを設定することができる。これにより、各エピタキシャル層の成長条件の設定が容易となる。具体的には、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を用いてエピタキシャル層の評価を行い、その結果に基づいて、成長時の反応室３１の圧力やサセプタ３２の温度を調整し、既存の成長装置のローディング効果と同じ初期状態Ｃを実現する成長条件を決定する。
【００５３】
次に、原料ガスの供給量を調整してエピタキシャル層の成長速度を制御し、ドーピングガスの流量を調整してエピタキシャル層の不純物濃度を設定する。
このような手順を経てエピタキシャル成長装置２００の成長条件が決定され、半導体装置１００の製造を開始することができる。
【００５４】
エピタキシャル成長されたウェーハは、成長後の検査を受ける（Ｓ０２）。
例えば、半導体装置１００の製作に用いられるウェーハ２０は、表面状態、結晶欠陥の有無などが検査される。同時に、例えば、テスト用ウェーハを用いてｐ形ベース層５の不純物濃度を測定する。不純物濃度の測定には、例えば、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）測定法などを用いることができる。
【００５５】
そして、ｐ形ベース層５の不純物濃度が管理範囲を逸脱するような結果が生じた場合には、エピタキシャル成長装置２００を異常と判定し（Ｎ）、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定法を用いて不純物濃度の測定を行う（Ｓ０９）。この際、前述したように、ＴＥＧ領域に幅Ｗの異なる複数の測定領域が設けられたウェーハ２０を用いることができる。また、複数の幅Ｗの異なる測定領域を設けたテストウェーハを用いても良い。これにより、エピタキシャル成長装置２００のローディング効果を把握し、その結果、初期状態Ｃから変化していれば、例えば、反応室３１の圧力やサセプタ３２の温度を調整し、初期状態Ｃに戻す成長条件を決定する。
【００５６】
さらに、ウェーハプロセス（Ｓ０３）の処理を行った後の特性検査１（Ｓ０４）の結果に基づいて、不純物濃度プロファイル測定（Ｓ０９）を実施しても良い。
ウェーハプロセス（Ｓ０３）では、ＴＥＧ領域に所定のパターンが設けられ、その後の検査（Ｓ０４）において種々の特性を測定することができる。例えば、ｐ形ベース層５の抵抗を測定することができる。そして、ｐ形ベース層５の抵抗値が所定の管理範囲を逸脱した場合にエピタキシャル成長装置２００を異常と判定し（Ｎ）、不純物濃度プロファイルの測定を行うことができる（Ｓ０９）。
【００５７】
チップ化工程（Ｓ０６）および組立試験工程（Ｓ０７）の後に実施される半導体装置１００の特性検査２（Ｓ０８）の結果に基づいて、不純物濃度プロファイル測定（Ｓ０９）を実施することもできる。
【００５８】
特性検査２（Ｓ０８）では、半導体装置１００の種々の特性が検査される。そして、エピタキシャル層の不純物濃度、もしくは、結晶組成に関係する特性について、管理範囲を設定し、エピタキシャル成長装置２００の状態をモニターすることも可能である。例えば、ＢＪＴの周波数応答特性を監視することにより、ｐ形ベース層５におけるＧｅ濃度の傾斜の変化をモニターすることができる。そして、周波数応答特性が管理範囲を逸脱した場合にエピタキシャル成長装置２００を異常と判定し（Ｎ）、Ｇｅ濃度のプロファイルを測定を行い、そのローディング効果に基づいて成長条件の調整を実施することができる。
【００５９】
上記の通り、半導体装置１００の製造過程において、本実施形態に係る不純物濃度プロファイルの測定方法を実行することができる。そして、エピタキシャル成長装置２００のローディング効果の管理を実行することにより、ｐ形ベース層５におけるｐ形不純物Ｂの濃度およびＧｅ濃度の傾きを正確に制御することが可能となり、製造歩留りを向上させることができる。
【００６０】
本実施形態では、ベース層にＳｉＧｅを含むＢＪＴを例に説明したが、エピタキシャル層を備える他の半導体装置に適用できることは言うまでもない。また、測定領域の形状は正方形に限定されるものではなく、例えば、その領域の最小幅Ｗが、ＳＩＭＳ法を用いて測定できる幅以上であれば、いかなる形状であっても良い。また、上記の実施形態で説明した不純物濃度プロファイルには、例えば、化合物半導体を構成する元素のプロファイルも含まれる。
【００６１】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
２・・・ｎ形コレクタ層、 ３、１４・・・ＳＴＩ、 ５・・・ｐ形ベース層、 ６・・・引き出し配線層、 ７・・・ＳｉＯ２膜、 ９・・・ｎ形エミッタ層、 １０・・・シリコン基板、 １２、１７・・・半導体層、 １７ａ、１７ｂ・・・測定領域（第１の領域）、 １７ｃ・・・第２の領域、 ２０・・・ウェーハ、 ２１・・・素子領域、 ２３・・・ＴＥＧ領域、 ３０・・・成長基板、 ３１・・・反応室、 ３２・・・サセプタ、 ３３・・・シャワーヘッド、 ３４・・・ヒータ、 ３５〜３７・・・ガス配管、 ３９・・・排気ポート、 １００・・・半導体装置、 ２００・・・エピタキシャル成長装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、
を有するウェーハを用いた不純物濃度プロファイル測定方法であって、
前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化を求めることを特徴とする不純物濃度プロファイル測定方法。
【請求項２】
前記不純物濃度プロファイルを、２次イオン質量分析法を用いて測定することを特徴とする請求項１記載の不純物濃度プロファイル測定方法。
【請求項３】
基板と、
前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに異なる面積を有する複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、
を備え、
前記第１領域において、前記半導体層の不純物濃度ポロファイルの測定が可能であることを特徴とするウェーハ。
【請求項４】
少なくとも３以上の互いに異なる面積を有する前記第１領域に前記半導体層の前記第１の部分がそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項３記載のウェーハ。
【請求項５】
基板と、
前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、
を有するウェーハを用いた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化に基づいて、前記半導体層の成長条件を決定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、
を有するウェーハを用いた不純物濃度プロファイル測定方法であって、
前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化を求めることを特徴とする不純物濃度プロファイル測定方法。
【請求項２】
前記不純物濃度プロファイルを、２次イオン質量分析法を用いて測定することを特徴とする請求項１記載の不純物濃度プロファイル測定方法。
【請求項３】
基板と、
前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに異なる面積を有する複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、
を備え、
前記第１領域において、前記半導体層の不純物濃度ポロファイルの測定が可能であることを特徴とするウェーハ。
【請求項４】
少なくとも３以上の互いに異なる面積を有する前記第１領域に前記半導体層の前記第１の部分がそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項３記載のウェーハ。
【請求項５】
基板と、
前記基板の主面上に設けられた半導体層であって、前記主面上において互いに面積の異なる複数の第１領域に形成された第１の部分と、前記主面上で前記第１領域を取り囲む第２領域に形成され前記第１の部分とは異なる構造を有する第２の部分と、を有する半導体層と、
を有するウェーハを用いた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体層のうちの複数の前記第１の部分の表面から深さ方向の不純物濃度プロファイルを測定し、前記第１の部分の面積に依存する前記不純物濃度プロファイルの変化に基づいて、前記半導体層の成長条件を決定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１１９６１２（Ｐ２０１２−１１９６１２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７０２１８（Ｐ２０１０−２７０２１８）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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