JPH0287620A - シリコン基板のアルミニウム拡散層の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリコン基板中にアルミニウムを不純源として
導入しＰ膨拡散層を形成する方法に関する。

［従来の技術］ 各種半導体素子の製造過程で半導体基板の表面から不純
物を導入し、必要な伝導型の必要な比抵抗をもつ不純物
拡散層を形成するごとが一般に行なわれている。例えば
Ｎ型シリコン基板中にＰ形不純物領域を設けてＰＮ接合
を形成する場合などであり、その不純物源としてアルミ
ニウムを用いるのが有効である。不純物源としてのアル
ミニウムはほう素やガリウムに比べてシリコン基板中で
拡散する速度が大きいので、例えば拡散層の深いＰＮ接
合を必要とする高耐圧のサイリスタやダイオードなど電
力用半導体素子のＰ形拡散領域を形成するのに用いられ
ている。このようにシリコン基板中にアルミニウム拡散
層を形成する方法として閉管法、開管法、イオン注入法
、その他茎着法やスパッタ法などが従来よく知られてい
る。

閉管法はシリコン２ｇ　＋ｉとアルミニウムを同じ透明
石英管の中に置き、この石英管内を真空とした後溶封す
ることによりアンプル状となった石英管を電気炉に装入
して所定温度で所定の時間加熱するものである。アルミ
ニウムは蒸発してシリコン基板表面に付着すると同時に
内部に侵入し拡散する。開管法は酸化アルミニウムの円
板とシリコン基板を交互に例えば数―間隔で厚さ方向に
対向するように立てて並べ　アルゴンガスや水素ガス雰
囲気中で加熱するものであり、酸化アルミニウム円板か
らアルミニウムが飛び出し、これがシリコれている。イ
オン注入法はアルミニウムをイオン化して高い加速エネ
ルギーを与えてシリコン基板表面に打ち込み、シリコン
基板表面にアルミニウムの付着層を形成することなく内
部に侵入させた後、所定温度で所定時間熱処理し、引き
伸し拡散によってＰＮ接合の形成を行なうものである。

次にスパック法の概要を述べる。第３図はその装置の構
成を模式的に示したものであり、反応槽１の中にアルミ
ニウムの対向電極２ａ、２ｂが設けられ電極２ｂ上に必
要とする数のシリコン基板３がＲ置される。反応槽１の
外部に設けられ、反応槽１内に接続されるのは、対向型
ｉ２ａ、２ｂを結ぶグロー放電用ＤＣ電源４．ガス圧力
と流量を調整するための調整回路５を介して不活性ガス
ポンへ６．シリコン基板３をヒータ７によって所定温度
に昇温するための加熱用型ａ７　ａ　、グロー放電時の
ガス圧力を調整するための真空バルブ８を介して真空排
気系９および真空計１０などである。この装置を用いて
電極２ａ、２ｂおよびシリコン基板３をセットし、真空
排気系９により反応槽１内を約Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒ
ｒとした後、真空バルブ８を絞り真空排気系９の排気速
度を下げると同時に、例えばアルゴンをガスボンベ６か
ら調整回路５を通して反応槽１内に導入し、ＤＣＴｔ、
源４から電極２ａ、２ｂ間に直流電圧を印加してグロー
放電を発生させると、アルミニウムの電極２ａ、２ｂの
アルミニウム原子がアルゴンイオンにより叩き出されて
電極２ｂ上に置かれたシリコン基板３の表面に付着する
のである。このようにして表面にアルミニウムの付着層
が形成されたシリコン基板３を反応槽１から取り出し、
別途用意した図示してない電気炉で所定温度と所定時間
の熱処理を行なうことによりアルミニウム拡散層が形成
される。

なお薄着法もシリコン基板表面にアルミニウムの付着層
を形成した後、熱処理して拡散するという点ではスパッ
ク法と同じである。

以上のようにシリコン基板にアルミ；、ラム拡散層を形
成するには、シリコン基板表面に付着するアルミニウム
を熱拡散する方法、もしくはイオン注入法のようにシリ
コン基板表面にアルミニウム付着層を形成することなく
侵入層を引き伸し拡散する方法などがある。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上述のシリコン基板に対するアルミニウ
ム拡散法にはそれぞれ次のような問題がある。閉管法は
熱処理終了後、石英管を割ってシリコン基板を取り出さ
なければならないために、石英管の繰り返し使用ができ
ないことと、例えば１２５０°Ｃで約２０時間の熱処理
を行なうと、石英管が軟化して凹み、この凹みによって
シリコン基板が押圧されて変形したり、互に融着したり
することなどである。またとくに大口径のシリコン基板
のときは、肉厚の大きい石英管を使用するので、封止作
業の工数などを含めてコストが高くなる。開管法は酸化
アルミニウムに含まれている重金属が、アルミニウムと
一緒に飛び出し、シリコン基板中に侵入してシリコン基
板の少数キャリアのライフタイムを低下させることから
、電力用半導体素子のＰＮ接合を形成するには適してい
ない。またこの方法は概してアルミニウム拡散層の表面
濃度や深さのばらつきが大きい。イオン注入法は、電力
用半導体素子の場合を例にすると拡散層の表面濃度は３
　Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ　／　ｃｒｄ　、拡散深さは６
０〜８０１ｍのＰ影領域を形成するが、このために必要
なドーズ量は約１〜３　ＸＩＯ”ａｔｏ翔ｓ　／　ｃ−
であり、このような高いドーズ量のイオン注入には長時
間を要する。

また装置が複雑で高価である上に量産性に劣る。

蒸着法やスパッタ法はシリコン基板の表面にアルミニウ
ムの付着層を形成するために、表面のアルミニウム量が
多くなり、表面濃度が高過ぎて拡散層を再現性よく得る
ことができない。付着層形成後、例えば１２５０°Ｃで
２０時間熱処理を行なうとアルミニウムとシリコンとの
合金層が生して蒸着またはスパッタロット毎の表面濃度
、拡散深さがばらつき、１０　”　−１０”　ａ　ｔｏ
ｍｓ　／　ｃｄの表面濃度、６０〜８０μｍの拡散深さ
をコントロールすることが困難である。

アルミニウムをシリコンの表面に蒸着やスパッタするの
は、元来電極金属膜などとして形成するのに有効な手段
であり、これを拡散層の形成のために用いることは、ア
ルミニウムとシリコンの合金層をつくりやすいという点
では好ましくない。

しかしこれまで述べたアルミニウムの種々の拡散法にお
ける経済性や１産性などを考慮すれば、スパッタ法によ
って生ずる欠点をなくして、シリコン基板にアルミニウ
ム拡散層を形成するのが最も効果的な方法と考えられる
。

したがって本発明の目的はスパッタ法を用いて、シリコ
ン基板に表面濃度１０１６〜１０　”　ａ　ｔｏｎｓ　
／　ｃｉ　、拡散深さ６０〜８０μｍを有するアルミニ
ウム拡散層を再現性よく形成する方法を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明はスパッタ法を用い
て、シリコン基板表面にアルミニウムの付着層を形成し
た後、この付着層を除去し、この状態でシリコン基板を
熱処理することにより、シリコン基板中にアルミニウム
拡散層を形成するものである。

〔作用〕

スバ・７タ法によりシリコン基讐反上にアルミニウムの
付着層を形成したとき、アルミニウム付着層とシリコン
基板表面との界面から、シリコン基板内にもアルミニウ
ム原子が侵入する。したがって、付着層を除去した後の
シリコン基板表面には、アルミニウムの侵入層のみが存
在することになり、この状態で引き伸しの熱処理を行な
うと、侵入層のアルミニウム量は少ないからアルミニウ
ムーシリコンの合金層が形成されることなく、アルミニ
ウムの拡散が一様に進み、ばらつきのない最適な拡散層
が再現性よく得られる。

〔実施例〕

以下本発明の方法を実施例に基づき説明する。

本発明に用いる装置は第３図に示したものとほぼ同様で
あるからその説明を省略する。ただＤＣ電源の代りにＲ
Ｆ′１ｉｌｌｔとすることもできるので、ここではＲＦ
電源を用いて両電捲間に高周波電圧を印加した。また不
活性ガスはアルゴンを用い、スバ、り条件は下記の通り
である。

アルゴンガス圧カニ　１−２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒス
パッタ時のパ’７−　：　５〜６Ｗ、　　ＲＦ　　１３
．４５Ｍ　Ｈｚスバ、タ時間：３〜５分 ソリコン基板の温度：　　２００’Ｃ かくして厚さ約３μｍのアルミニウム薄膜を、シリコン
基板表面に付着させることができる。これを反応槽から
取り出した後、例えば約１０倍に希釈した弗化水素酸水
／８液に浸漬して、アルミニウムの付着層を除去する。

第１図はこの状態のシリコン基板の深さ方向のアルミニ
ウムの濃度分布曲線図を示したものであり、Ｓ　Ｉ　Ｍ
　Ｓ　　（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎ　Ｍａｓｓ　５ｐ
ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により評価した結果である。第
１図のたて軸はアルミニウム濃度を示し、横軸はシリコ
ン基板表面からの深さ方向の距離を表わしている。なお
たて軸のアルミニウム濃度の目盛は、別途イオン注入法
により、アルミニウムイオンを注入したシリコン基板の
アルミニウムの強度分布を、同様にＳＩＭＳで測定し、
これから得られたピーク位置のアルミニウム強度を基準
として求めた。シリコン基板表面にアルミニウムをスパ
ッタしたとき、その付着層のシリコン基板との界面に第
１図に示すようなアルミニウム侵入層が形成されている
ことがわかる。

引き続き、このアルミニウム侵入層を有するシリコン基
板を電気炉に装入し、例えば１２５０°Ｃで２５時間、
水素雰囲気中の熱処理を施して、アルミニウムの拡散を
行なうことにより、表面濃度１〜３×ｌＯ１０１７ａｔ
ｏ／ｃｌ、　　拡散深さ６０〜７０ＩｍのＰ＃領領域得
られる。第２図はそのときのシリコン基板における深さ
方向のアルミニウム４度分布曲線図を第１図と同様にし
て求めた結果である。

以上のように、アルミニウムの付着層を除去し、侵入層
のみを熱処理する本発明の方法は、イオン注入法を用い
た場合とほぼ同様の結果が得られるが、スパッタ法は多
数のシリコン基板を同時処理することができるので、イ
オン注入法より量産効果が大きく経済性が高い。

なお本発明の方法ではスパッタ時のターゲットに、アル
ミニウムの電極を用いたが、ターゲット電極は例えばス
テンレス電極の表面に、アルミニウム層を蒸着したもの
、またはアルミニウム箔でステンレス電極を覆ったもの
などを用いても、上記と同様の結果を得ることができる
。

〔発明の効果〕

シリコン基板中にアルミニウム拡散層を形成する方法は
種々あるが、拡散源となるアルミニウムが多過ぎ、また
は少な過ぎて、濃度や拡散深さのばらつきが大きく、再
現性が悪いものが多く、その点イオン注入法は制御しや
すいものの長時間を要し、経済性に劣るなど多くの問題
があるのに対して、本発明の方法によれば実施例で述べ
たように、スパッタ法を用いてシリコン基板表面にアル
ミニウムの付着層を形成したとき、シリコン７！仮中に
もアルミニウム原子が侵入することに着目し、アルミニ
ウム付着層を除去した後に、シリコン基板中に存在して
いるアルミニウム侵入層のみをアルミニウムの拡散源と
して熱処理を行うようにしたために、アルミニウムーシ
リコン合金層が形成されることなく、高耐圧電力用半導
体素子のＰＮ接合に最適な表面濃度と拡散深さが、高効
率で極めて再現性よく得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法におけるアルミニウム付着層除去
後のシリコン基板の深さ方向のアルミニウム濃度分布曲
線図、第２図は本発明の方法における熱処理後のアルミ
ニウム濃度分布曲線図、第３図はスパッタ装置の構成を
示す模式Ｖである。 １・・・反応槽、２ａ、２ｂ・・・対向電極、３・・・
ソリコン基板、４・・・ＤＣ電源、６・・・ガスボンへ
、９・・・う栗　ご　（入） モ　１　図 湿ご免ｍ） 第　２　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）スパッタ法を用いてシリコン基板中にアルミニウム
   拡散層を形成するに当たり、シリコン基板主表面にアル
   ミニウムの付着層を形成した後、この付着層のみを除去
   し、次いで付着層と同時に基板中に形成されているアル
   ミニウムの侵入層の残存した基板に所定の熱処理を施す
   ことを特徴とするシリコン基板のアルミニウム拡散層の
   形成方法。