JPH0324055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、Ｐ型材料としてボロンを用いて
CMOS（相補型金属酸化物半導体）デバイスを製
造する方法に関し、詳述すれば、前記デバイスの
製造に当たつて、Ｐ型材料を半導体基板に拡散さ
せる不純物拡散方法に関する。

（従来の技術） バイポーラとMOSとを製造するのに、ここ長
年にわたり、拡散技術が使われている。従来の拡
散技術は、よく知られているように三つのカテゴ
リー、即ち、固相拡散法、液相拡散法、イオンイ
ンプランテーシヨン（イオン注入）法とに分けら
れている。いずれも、シリコン基板用ウエハーに
Ｐ型材料を注入するのに、２ステツプ法が採られ
ている。

２ステツプ法によれば、プレデポジシヨンと呼
称されている第１ステツプで、固相源、液源、高
エネルギーイオンビーム源のいずれかからＰ型材
料をシリコンウエハーに深く注入している。この
固相源として従来用いられているものは、複数の
窒化ボロンのウエハーであつて、石英ボート上に
シリコンウエハーと交互に配置されている。ま
た、従来より使われている液源としては、一般
に、BBr₃の如くの気化注入物（ドーパント）か
らなり、これを、ウエハーが配置されている石英
ボートを囲繞するシリカ製封管ないし炉芯管から
なる反応室に導入している。

元素としてのボロンは、B₂O₃とシリコンウエ
ハーとの間での表面反応により生成されるように
なつている。このように生成されたボロン元素は
シリコンウエハーに拡散してボロン注入層を形成
するが、その時のボロンの表面濃度は、シリコン
ウエハーの温度における固溶度の限界値に相当し
ている。B₂O₃の濃度が多ければ、一般にボロン
スキンと呼称されていて、ボロンの含量が高い数
百オングストロームの厚さのホウ化シリコンの表
面層が形成されることになる。

他方、第１ステツプの後に実施される第２ステ
ツプには、低温酸化とか、単に拡散とか、アニー
ルとか幾つかの呼びかたがあるが、このステツプ
では、酸化雰囲気の下でウエハーを加熱すること
により、所定の深さにわたり注入物を基板に拡散
させている。その際、ウエハーを加熱する手段と
しては、拡散炉、黒鉛反応釜、それに高エネルギ
ー照射ランプなどが知られている。

ボロンスキンの内層のシリコンは、一般にN₂
の如くの不活性ガスを酸素とともに反応室へ導入
して酸化させられ、その後弗化水素酸の下でアン
ダーカツトすることによりスキンを除去する。活
発なN₂分子によるシリコンウエハーの暴露面の
点食（ピツチング）は、酸素の作用により防がれ
ており、また、ウエハーを加熱することにより、
ウエハーに対する損傷を効果的に除去できる。

従来の金属酸化物半導体の製造方法において
は、前記した第１ステツプにおいてＰ型注入物を
イオンインプランテーシヨン法により注入するの
が一般的である。その際、不純物のビームを高エ
ネルギーに加速した後、シリコンウエハーの表面
に照射することで、所定深さにわたつて不純物を
注入させている。

イオンインプランテーシヨン法が始めて受け入
れられるようになつた契機は、Ｐチヤンネル
MOSトランジスターの閾値電圧が調節できるか
らであつた。MOSトランジスターの閾値電圧
（ターンオン電圧）は、トランジスターのゲート
部位の直下における基板への注入の度合
（substrate doping）の関数として定まるから、
イオンインプランテーシヨン法でゲート酸化物を
介して不純物を注入することにより、トランジス
ターの閾値電圧を一層好ましいレベルへと下げる
ことができる。その後、フオトレジストを用いた
操作とともに余分のイオンインプランテーシヨン
のステツプを用いると、エンハンスメント形（通
常はオフ）とデイプリーシヨン形（通常はオン）
との両方のトランジスターを同一チツプ上に作る
ことができ、従つて、回路設計の自由度が非常に
広くなる利点があることが知られるようになつ
た。

イオンインプランテーシヨン法は、NMOS集
積回路を製作するには特に好ましいものとなつて
いる。このような回路における酸化物の固定表面
電荷密度は、場合によつては、浅く注入したＰ型
シリコン基板の表面を反転させるに十分なもので
ある。それ故、Ｐ型不純物を酸化物とシリコンと
の界面の直下に注入するのにイオンインプランテ
ーシヨン法を利用するのが普通であり、そうする
ことで表面電荷密度による影響と相殺することが
できる。この方法でも、前述のように同一ウエハ
ー上にエンハンスメント形とデイプリーシヨン形
との両方のトランジスターが作れるように、リン
を注入する工程を別に用いている。

さらに、イオンインプランテーシヨン法は、
CMOSトランジスターのＰ型ウエルを形成する
のに、プレポジツシヨン源としても利用されてい
る。

しかし、イオンインプランテーシヨン法を実施
するのに用いる装置ないし設備は、ハイテクを要
する複雑なものである。従つて、従来の固相拡散
技術ないし液相拡散技術に比べれば、イオンイン
プランテーシヨン法は半導体の不純物注入法とし
ては非常にコストのかかるものである。また、イ
オンインプランテーシヨン法にはこの他に問題点
がないわけでもなく、例えば、高エネルギーイオ
ン照射（ion bombardment）を行つていること
からシリコン結晶構造に損傷を与えやすい。

殆どのNMOS製造方法では主たる注入物とし
てリンが使われていることから、大部分のMOS
製造工場では、所要の浅い接合ができ、しかも、
MOSデバイスを製造するのに必要な高抵抗率が
得られるボロン注入法を開発する試みは、今まで
なされていなかつた。これは、当業界にあつて長
年にわたり根ざした、イオンインプランテーシヨ
ン法に対する偏見と固相拡散技術に対する先入観
の所産である。

例えば、バイポーラトランジスターの製造にお
いて用いられている窒化ボロンのウエハーは、絶
対といえるほど、湿気にさらすことは許されな
い。しかも、ボロンのウエハーはナトリウム、リ
チウム、カリウムなどのイオンによる汚染を受け
やすく、また、使用するに先立つて積み重ねた
り、貯蔵していると、粒子による汚染を受けやす
いなど取扱い上、問題点がある。

バイポーラトランジスターはシリコン内で作用
するが、MOSデバイスは、シリコンの表層で作
用する。従つて、バイポーラデバイスの製法の研
究は、遥かに強力なイオンインプランテーシヨン
装置がなければ困難な深層接合をいかにして作る
か、に集中されていた。それがために、バイポー
ラデバイスを製造するに当たつては固相拡散技術
を、また、浅層接合形MOSデバイスを製造する
に当たつてはイオンインプランテーシヨン法を利
用するのが当然の帰結になつている。

（発明の趣旨） 本発明は、従来のイオンインプランテーシヨン
法に代わる方法にして、Ｐ＋シート抵抗が全体に
わたつて小さい浅層接合を備えることで特徴ずけ
られるMOSデバイスを製造するために、半導体
基板に固相材料源、即ち、ボロンデイスクからＰ
型不純物を拡散させる方法を提供するのを目的と
したものである。

本発明で用いるボロンデイスクとしては、米国
ニユージヤーシー州のエミユールシトーン
（Emulsitone）社より商標「ボロデイスク
（Borodisc）」として販売されているものがある。
従来使わている窒化ボロンウエハーにとつて代わ
るものであり、主として大型バイポーラデバイス
（large geometry bipolar device）の製造に使
われているものである。

本発明の方法は、概して、まずパツシベーシヨ
ン（表面安定化）を行い、その後酸化させること
で、Ｐ型不純物を含有するボロンデイスクを一
枚、ないし、複数枚用意するとこから始まり、そ
の後、拡散操作するに先立つて保存しておく。保
存している間、酸化工程を周期的に繰り返して、
ボロンデイスクの表面に充分な酸化物が形成され
るようにする。

拡散工程においては、反応室内の石英ボート上
に一枚か、それ以上の基板となるウエハーととも
にボロンデイスクを配置しておく傍ら、窒素と酸
素の混合気を、所定温度の下で所定時間にわたつ
て、ボロンデイスクに浴びせる。そうすれば、Ｐ
型ボロンがボロンデイスクからウエハーの表層に
拡散される。

本発明の好ましい実施例においては、前述のパ
ツシベーシヨン工程は、反応室内の石英ボートに
ボロンデイスクを載置する傍ら、所定流量と所定
温度の窒素ガスに所定時間にわたりそのボロンを
暴露させることにより実施される。このパツシベ
ーシヨンにより、デイスクに含まれるボロンが表
面に流出して表面上の湿気を拭去するようにな
る。

また、前記した酸化工程は、パツシベーシヨン
をしたデイスクを、所定流量と所定温度の酸素ガ
スに所定時間にわたつて暴露させることにより実
施され、そうすることでデイスクの表面上にボロ
ンの含量が高い酸化層が生成される。

（実施例） 以後、添付図面を参照しながら、本発明の好ま
しい実施例を詳述する。尚、添付図面は第１図の
みであつて、本発明による方法を実施するにあた
つて用いられる拡散装置を概略側断面図にて示す
ものである。

前述のようにエミユールシトーン社より販売さ
れているボロンデイスクは、Ｐ型シリコンウエハ
ー上にB₂O₃／BN／SiO₂を積層形成したものであ
る。一般にこのボロンデイスクは４個の容器に包
装され、そのうち２個の容器は気密状にシールさ
れているのが普通である。このようにボロンデイ
スクはしつかりと包装されているから、そのボロ
ンデイスクを実地使用するに先立つては、従来窒
化ボロンウエハーを使用するときには洗浄が必要
だつたのに比べて、そのような洗浄を行う必要は
ない。

本発明の方法を実施するには、一例として第１
図に示した拡散装置を用いる。この拡散装置は、
ボロンデイスク１を支えるスロツトが形成されて
いる石英ボート３と、反応室を構成するシリカ製
炉芯管４とを備え、炉芯管４は、その内部に石英
ボート３を収容した状態で加熱炉５に挿入される
ようになつている。

炉芯管４の一端は石英板４ａが取り付けられて
おり、この石英板４ａには（図示せず）が形成さ
れているので、反応室内で生成した排ガスがこの
穴を介して外部に流出し、かくて、図示しない排
気フアンにより排ダクト６へと排出されるように
なつている。

ボロンデイスク１を石英ボート３上に載置する
にあたつては、所定数のスロツトおきに載置す
る。例えば、石英ボード３上のスロツトの数が50
スロツトであり、前記所定数（空けておくべきス
ロツトの数）が３スロツトとすれば、13枚のボロ
ンデイスクが載置されることになる。炉芯管４と
しては、一般に４基の石英ボートを収容できる
が、石英ボートと加熱炉のいずれか、または、両
方の構造によつては、石英ボートの収容能力を５
基ないし６基とすることもできる。

石英ボート３に載置したボロンデイスク１を炉
芯管４内の反応室に装填したのち、温度が好まし
くは1020℃で、窒素ガスが4.0slpm（１分当たりの
基準リツトル）の流量で流れている窒素雰囲気の
下で約45分にわたつて、パツシベーシヨンを行
う。その際、窒素ガスはボンベ８から弁１０を介
して、炉芯管４の他端に形成した供給口７を経て
反応室に供給される。そうすると、ガラス状のボ
ロン膜がボロンデイスク１の表面に滲出し、これ
が注入物の表面を均し、また、その表面に付着し
ている湿気を拭去するようになる。

このようにパツシベーシヨンを行つた後は、パ
ツシベーシヨンしたデイスクを、温度が好ましく
は1020℃で、酸素ガスが4.0slpm（１分当たりの基
準リツトル）の流量で流れている酸素雰囲気に暴
露することにより、酸化させる。この酸化作用に
より、デイスクの表面上にはボロンの含量が高い
酸化層が生成される。この酸素ガスも、窒素ガス
と同様に、ボンベ９から弁１１と供給口７とを介
して反応室に供給される。

ボロンデイスクを保存するには、そのボロンデ
イスク１を炉芯管４に装填して、温度が約50℃
で、窒素ガスが8.0slpmの流量で流れている窒素
雰囲気に暴露させるのが好ましい。

拡散工程を実施するに当たつては、第１図に示
したように、ボロンデイスク１とシリコンウエハ
ー２とを、一枚のボロンデイスク１の両側に一対
のシリコンウエハー２が位置するように石英ボー
ト上に載置した後、ソフトウエアによる制御の下
で一度に炉芯管４に装入する。この装入工程は
７、８分要するのが普通である。その後、約
4slpmの流量の窒素ガスを、炉芯管４の供給口７
を介して反応室に流入させる。このような窒素ガ
スの供給は、拡散工程が終わるまで続ける。

次に、約10分にわたる温度安定期間を設け、そ
の後、約28分かけて約800℃から1020℃へと温度
を上昇させるべく、加熱炉５を介してシリカ製の
炉芯管４を加熱する。

温度が1020℃に達したら、その温度を維持する
傍ら、流量40scsm（１分当たりの基準立方セン
チ）の割合で酸素ガスを、供給口７を介して反応
室に導入する。この酸素ガスの導入は約35分間続
けるが、シリコンウエハーのシート抵抗（sheet
resistance）を制御するのであれば、５分単位で
酸素ガス導入時間の延長を計つてもよい。こうす
ることで、大部分のボロンがボロンデイスク１か
らシリコンウエハー２へと移行（トランスフア
ー）する。

次に、約55分かけて1020℃から800℃へと、温
度を一度に下げる。この時でも酸素ガスの供給は
続ける。

然る後、石英管内を窒素と酸素とを含有する混
合ガス雰囲気となして、約10分かけてウエハーを
室温近くまで冷却するべく放置する。冷却した後
は、実地使用に供出する。言うまでもなく、ウエ
ハーを炉から取り出す前に、酸素と窒素の供給を
停止する。

実験の結果によれば、シート抵抗が１平方あた
り1.4から22.0Ωで、そのシート抵抗の基準偏差
値（standard deviation）が１平方あたり0.1か
ら0.6Ω（ohms／square）の基板を得るために
は、温度が約1020℃で、窒素が99％、酸素が１％
の割合になつているのが好ましいことがわかつ
た。

前述したように、デポジシヨン工程の初めの段
階においては、窒素と酸素の混合ガス雰囲気の代
わりに純窒素雰囲気の下で行うのが好ましい。こ
の工程の初めの段階（即ち、温度が1020℃に達す
るまで）に酸素が存在しないのであれば、ボロン
デイスクが酸化されるようなことは殆んどなく、
注入され酸化物がシリコンウエハーの表層に移動
することも殆んどない。従つて、シリコンウエハ
ーに不純物が深く注入されることもなく、シート
抵抗を高く、しかも、均一にすることができるの
で、低注入レベルおけるシート抵抗の基準偏差値
を低パーセントにおさえることができる。

拡散工程は約150分とするのが望ましく、その
時間の内、実際の注入時間は、1020℃で約35分で
あり、残りの時間は、800℃ないし、800〜1020℃
の温度の時に費やされる。

炉芯管４の内部温度分布、即ち、反応室の温度
分布は、種々の要因により、炉芯管の一端から他
端にかけて変動する。特に、このような温度分布
の変化は石英ボート３を炉芯管４に対して装入し
たり、装出したりしている時に起こる。即ち、装
入操作時には、扉を開けるのみならず、冷えたシ
リコンウエハーとボロンデイスクを炉芯管に挿入
するのであるから、炉芯管の装入口近傍における
内部温度が急激に下がる。それに、装出操作にし
ても、炉芯管の装入口の開扉に伴つて、同様に装
入口近傍の内部温度が下がる。しかし、たとえ装
出に備えて炉芯管の扉を開けたとしても、取り出
すウエハーは加温されたものであるから、内部温
度の低下はいくらか補償される。以上のことか
ら、前述の温度（即ち、800〜1020℃の温度）は、
シリカ製の炉芯管４における平均温度、それも、
炉芯管４の中心部の平均温度をあらわしている。

炉芯管４の内部温度が1020℃に達した後に酸素
ガスを導入する代わりに、窒素ガスの導入につい
て説明したのと同様に、工程の初めから酸素ガス
を導入して、これをその工程の終わりまで続ける
ようにしてもよい。しかし、前述したように、温
度が1020℃に達して直ちに酸素ガスを流し込め
ば、低注入レベルにおけるシート抵抗の基準偏差
値の割合を低く押さえることができる。

また、各ボロンデイスクとそれに隣接す半導体
ウエハーとの間の間隔を0.09インチとすれば、良
好なシート抵抗を得ることができるのが判明し
た。例えば、温度が約1020℃で、窒素が99％、酸
素が１％の割合になつているのであれば、シート
抵抗の平均基準偏差値は、１平方当たり0.68Ωで
あつた。

本発明による方法で製造したデバイスと、窒化
ボロンウエハーを用る従来の方法で製造したデバ
イスのそれぞれの特性を実験で比較したところ、
下記のように将来性の期待できる成果が得られ
た。即ち、従来の方法（窒化ボロンウエハーを使
用）で製造したMOSデバイスは、平均最終Ｐ＋
シート抵抗が１平方当たり75Ωで、その時の基準
偏差値が１平方当たり17Ωであつたのに対して、
本発明による方法（ボロンデイスクを使用）で製
造したデバイスでは、Ｐ＋シート抵抗が同様に70
Ωで、その時の基準偏差値はほんの５Ωにすぎな
かつた。また、ボロンデイスクを用いて実験的に
ウエハーを製造したところ、拡散操作後（即ち、
次段の熱加工を行う前段）のシート抵抗は１平方
当たり14.874Ωであり、基準偏差値は１平方当た
り0.07Ωであつた。これに対して、窒化ボロンウ
エハーを用いて同様に製造したところ、拡散操作
後のシート抵抗は14.635Ωであり、その基準偏差
値は0.48Ωであつた。

更に、ボロンデイスクを利用して製造したウエ
ハーは、窒化ボロンウエハーを用いて製造したも
のに比べて、欠陥密度（defect density）がお凡
そ半分以下であつた。

イオンインプランテーシヨン法は、本発明の方
法によるのと同様シート抵抗と基準偏差値をもた
らしてくれるけれども、本発明の方法に比べれ
ば、実施するのに非常に複雑な操作を要するとと
もに、コストがかかるものである。引き続き実験
してみたところ、本発明の方法によるもとと、従
来のイオンインプランテーシヨン法によるものと
では、デバイスの歩留まりは同率ではあるが、イ
オンインプランテーシヨン法によるウエハーでの
基準偏差値ははるかに大きいものであつた。従つ
て、ボロンデイスクとイオンインプランテーシヨ
ン法は共に、Ｐ＋プレデポジシヨンに使えるもの
の、ボロンデイスクの方がデバイス歩留まりの点
において、偏差が少ないなどの利点がある。

尚、石英ボートはスロツトを50スロツト有する
ものとして一例を説明したが、必ずしも50スロツ
トでなくてもよいのは言うまでもない。

（利点） 半導体基板にＰ型材料をプレデポジシヨンする
のにボロンデイスクを用いる方法は、窒化ボロン
ウエハーを用いる従来の方法に比べて種々の利点
を備えている。例えば、拡散操作を行う前にボロ
ンデイスクを用意するのに要する時間は、既に説
明したように、ボロンデイスクならでは洗浄工程
が要らないことから、窒化ボロンウエハーを用い
る従来の方法に於けるよりも短くてすみ、また、
従来の方法におけるパツシベーシヨンに要する時
間が約120時間であるのに対し、本発明の方法に
おいてはそれが短時間（約45分）せすむ。

更に、窒化ボロンウエハーを用いたものでは、
プレデポジシヨンが数日にわたつて行なわれるの
が普通であるのに、本発明による方法でのボロン
デイスクに対するパツシベーシヨン工程と酸化工
程とは数時間で終わらせることができる。

また、窒化ボロンウエハーは、湿気とイオンに
よる影響を非常に受けやすいが、本発明の方法で
用いるボロンデイスクは、前述したように、その
ようなことはない。

それに、ボロンデイスクを用いるのであれば、
拡散操作前にボロンデイスクの表面にエツチング
しにくいガラス層が形成されるようなことは殆ど
ないから、低温酸化操作を行う必要はない。ま
た、ボロンデイスクは厳格に包装してメーカーか
ら出荷されているから、運送時や貯蔵時にボロン
デイスクが汚染されることはない。従つて、Ｐ＋
シート抵抗の均一性を正確に制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による方法を実施するにあた
つて用いられる拡散装置の概略側断面図である。 １……ボロンデイスク、２……シリコンウエハ
ー、３……石英ボート、４……炉芯管、５……加
熱炉。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ CMOSデバイスを製造するに当たり、半導
   体基板用ウエハーにＰ型材料を拡散させる方法で
   あつて、反応室に半導体基板用ウエハーを装入す
   るに先立つてボロンデイスクを前記反応室内でパ
   ツシベーシヨンした後に酸化させ、その後、前記
   ウエハーとボロンデイスクとが反応室内に装入さ
   れた状態で、該反応室を所定拡散温度まで加熱す
   ると共に窒素ガスを第１所定時間に亙つて前記ウ
   エハーとボロンデイスクとに浴びせ、然る後、前
   記所定拡散温度の下で窒素と酸素からなる混合ガ
   スを第２所定時間にわたり前記ボロンデイスクと
   前記ウエハーとに浴びせることにより、Ｐ型材料
   を前記ボロンデイスクから前記ウエハーの表面に
   拡散させることを特徴とする不純物拡散方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の方法であつ
   て、ボロンデイスクの前記パツシベーシヨンが、
   反応室内のおいて前記所定拡散温度の下で窒素ガ
   スに前記ボロンデイスクを第３所定時間にわたり
   暴露させて、前記ボロンデイスクに含まれるボロ
   ンがその表面に流出して湿気を拭去することから
   なること。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の方法であつ
   て、ボロンデイスクの前記酸化が、反応室内のお
   いて前記拡散温度の下で酸素ガスに前記ボロンデ
   イスクを第４所定時間にわたり暴露させて、パツ
   シベーシヨンしたボロンデイスクの表面上に高ボ
   ロン含有酸化層を生成させることからなること。 ４ 特許請求の範囲第１項から第３項のいずれか
   １項に記載の方法であつて、前記ボロンデイスク
   が、シリコンウエハー上にB₂O₃／BN／SiO₂を成
   層してなること。 ５ 特許請求の範囲第１項から第４項のいずれか
   １項に記載の方法であつて、前記拡散温度が約
   1020℃であること。 ６ 特許請求の範囲第１項から第５項のいずれか
   １項に記載の方法であつて、前記混合ガスが99％
   のN₂と１％のO₂とからなること。 ７ 特許請求の範囲第１項から第６項のいずれか
   １項に記載の方法であつて、前記第１所定時間と
   第２所定時間との合計が約150分であること。 ８ 特許請求の範囲第１項から第７項のいずれか
   １項に記載の方法であつて、前記ボロンデイスク
   と前記ウエハーとが反応室に装入された状態にあ
   つては、前記ボロンデイスクと前記ウエハーとは
   石英ボート上に載置されていると共に、約0.09イ
   ンチ互いに隔離されていること。 ９ 特許請求の範囲第１項から第８項のいずれか
   １項に記載の方法であつて、反応室内でボロンデ
   イスクを酸化させた後で、しかも、該ボロンデイ
   スクをウエハーと共に反応室に装入するに先立つ
   て、温度が50℃で、約8.0slpmの流量でN2が流れ
   ている雰囲気の下で前記ボロンデイスクを保存す
   ること。 １０ 特許請求の範囲第２項に記載の方法であつ
   て、前記第３所定時間が約45分であること。 １１ 特許請求の範囲第３項に記載の方法であつ
   て、前記第４所定時間が約30分であること。