JPH04219927A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH04219927A
JPH04219927A JP2404153A JP40415390A JPH04219927A JP H04219927 A JPH04219927 A JP H04219927A JP 2404153 A JP2404153 A JP 2404153A JP 40415390 A JP40415390 A JP 40415390A JP H04219927 A JPH04219927 A JP H04219927A
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徹 中村
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享裕 尾内
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は不純物拡散法およびその
装置に関し、特に浅い接合を制御性良く形成する不純物
拡散法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来は、「集積回路工学（１）Ｐ．８３
−９４，コロナ社」で論じられているように、半導体基
板表面への不純物拡散は自然酸化膜を通して石英拡散炉
で行われてきた。この時の拡散源としては不純物を含む
ガラス，液体，気体が用いられてきた。しかしこの従来
法では半導体表面に不純物を含むガラス層が形成され、
そこから固相拡散していくために不純物濃度の高精度な
制御が困難であった。また拡散源として気体を用いた場
合でもその濃度，流量で不純物濃度を高精度に制御する
ことは困難であった。
【０００３】また、アプライド，フィジクス，レター第
５６巻第１４号ｐ．１３３４−１３３５（Ａｐｐｌｉｅ
ｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，５６，１４，ｐ
．１３３４）に論じられている方法でも半導体表面に不
純物を吸着させ、不純物層を形成してしまうのでガスの
流量によって拡散層の表面濃度を制御することは困難で
ある。さらにこの方法では真空中で不純物を含むガスを
流すので半導体基板上に均一にガスを分布させることが
困難である
【０００４】。
【発明が解決しようとする課題】従来法では、自然酸化
膜を通して不純物が拡散するので高い温度が必要であり
、また不純物濃度の制御性が悪いという問題が有った。 さらに、ウエハ表面に不純物を含むガラス層が形成され
るので後処理工程が複雑であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】不純物の制御性を良くす
るために、自然酸化膜を除去してから酸素を含まない雰
囲気で急熱急冷プロセスによって拡散を行う。またこの
とき常圧の水素雰囲気で拡散させることにより拡散源で
あるガスが均一に分布し基板内の不純物濃度のバラツキ
を低減することができ、また拡散源であるガスの分圧が
小さいのでウエハ表面に不純物層が付着することなくガ
スから直接拡散させることができる。
【０００６】
【作用】自然酸化膜を除去してあるので従来よりも低温
で不純物を拡散させることができる。また、不純物を含
むガラスが形成されないように水素雰囲気で拡散させる
ので、拡散源として用いるガスの流量、濃度で不純物濃
度を制御することができる。さらに急熱急冷プロセスな
ので不純物分布のダレが少なく、浅い接合を作りやすい
。
【０００７】
【実施例】以下、本発明を実施例に従って説明する。
【０００８】図１はＢ２Ｈ６ガスを用いて本発明を実施
した際の拡散プロファイルの測定結果である。従来のＢ
Ｎ拡散法では７００℃では均一に拡散させることはでき
なかったが、本発明を用いることによって、７００℃で
深さ３０ｎｍの接合を形成することができた。
【０００９】図２は、本発明によってＢ２Ｈ６ガスを用
いて７００℃でボロンを拡散した試料と、従来通り自然
酸化膜を通してＢＮからボロンを拡散した試料とのシー
ト抵抗のウエハ内分布を示している。従来法では分布が
３０％程度あるのに対し、本発明では５％以内となって
いる。
【００１０】図３は本発明の１実施例を示す装置図であ
る。ステンレス製のチャンバ１内にウエハ２を設置し、
マスフローコントローラ６を通してＨ２　を１０ｌ／ｍ
ｉｎ　流して装置内をパージした。次に石英窓３を通し
て赤外ランプ４をウエハに照射し、１０００℃まで加熱
した。 この時の昇温時間は１０秒である。１０００℃で２分間
加熱して自然酸化膜を除去したあとに７００℃まで３秒
で降温し、マスフローコントローラ７からＢ２Ｈ６ガス
（０．５％Ｈ２希釈）を１００ｃｃ／ｍｉｎ　流した。 拡散時間は５分である。水素雰囲気で拡散させているた
めボロン原子の拡散が促進され、その結果表面濃度は１
０１９／ｃｍ３　、幅１０ｎｍの薄い拡散層を形成する
ことができた。 また、Ｂ２Ｈ６ガスを１分間だけ流し、引き続きＨ２　
アニールを３分間行うことにより、表面濃度を３×１０
１８／ｃｍ３　まで下げることができた。
【００１１】図４は本発明の他の実施例を示す装置図で
あり、これは通常の常圧エピタキシャル成長装置と同様
のものであり、ベルジャは石英製である。ウエハ２を装
置内に設置し、ガスノズル５からＮ２　ガス５０ｌ／ｍ
ｉｎ　を１０分間流してからガスをＨ２　に置換し、５
０ｌ／ｍｉｎ　、１０分間流した。次にＨ２　を流した
ままワークコイル１０に電力を印加し、サセプタ９及び
ウエハ２を加熱した。昇温速度は７０℃／ｍｉｎ　であ
る。１０５０℃で１０分間アニールすることにより、自
然酸化膜を完全に除去することができた。このＨ２　ア
ニール中にマスフローコントローラ８からＳｉＨ４　ガ
ス（４％Ｈ２　希釈）２０ｃｃ／ｍｉｎ　を混入すると
ＳｉＯ２　のエッチングが増速されるので８００℃で自
然酸化膜を除去することができた。 その後、Ｈ２　を流したまま８００℃でＢ２Ｈ６ガス（
０．５％Ｈｅ希釈）を２５０ｃｃ／ｍｉｎ、３０分間流
すことによってＰ型拡散層を形成することができた。ボ
ロン拡散層の表面濃度は８×１０１９／ｃｍ３　、拡散
深さは８０ｎｍであった。この時拡散源ガスとしてＢＦ
３，ＢＣｌ３を用いても良い。また、ＰＨ３，ＡｓＨ３
，ＳｂＨ３　を用いるとＮ型拡散層を形成することがで
きる。拡散終了後、ワークコイル１０に印加する電力を
下げてウエハ２の温度を１００℃／ｍｉｎ　の速度で下
げた。温度が４００℃以下になってからチャンバ内をＮ
２　ガスで置換し、ウエハ温度が室温になってから取り
出した。本装置を用いて不純物を拡散させる際に、拡散
源ガスとＳｉＨ４ガスを同時に流すことにより、自然酸
化膜のない清浄なＳｉ上にドーピングしたＳｉ層を５ｎ
ｍ程度堆積し、そこから不純物を拡散させても良い。
【００１２】図５は図４に示した装置を用い、Ｂ２Ｈ６
ガスの流量を変化させて拡散層を形成した際のシート抵
抗の測定結果である。拡散温度は８００℃、拡散時間は
３０分である。Ｂ２Ｈ６ガスは０．１％Ｈ２希釈のもの
である。８００Ωから６００ＫΩの範囲でシート抵抗を
制御することができた。このとき、半導体単結晶表面に
はボロン層あるいはシリコンとボロンの合金層は形成さ
れず、気相から直接拡散させることができた。また、拡
散後にアニールを行わなくても、不純物は十分活性化さ
れていた。
【００１３】図６は本発明の他の実施例を示す装置図で
ある。クリーニング室１１にウエハ２を設置し、マスフ
ローコントローラ６からＨ２　ガスを５０ｌ／ｍｉｎ　
流しながら常圧あるいは１００Ｔｏｒｒ程度の減圧下で
１０分間１０００℃に保ち、自然酸化膜を除去した。こ
のときマスフローコントローラ８からＳｉＨ４　ガスを
１０ｃｃ／ｍｉｎ　流し、８００℃でアニールしても自
然酸化膜を除去することができる。次に温度を下げなが
らターボ分子ポンプ１５，ドライポンプ１６で室内を真
空排気した。この時、拡散室１２も同様に真空排気した
。クリーニング室１１，拡散室１２の真空度が１×１０
のマイナス９乗Ｔｏｒｒになったらゲートバルブ１３を
開き、搬送治具１４でウエハ２を拡散室１２に移動させ
た。そしてマスフローコントローラ６，７からＨ２　ガ
ス、Ｂ２Ｈ６ガスを流し、圧力が３Ｔｏｒｒになるよう
に流量を設定し、電極１７に高周波電力を印加して、プ
ラズマを発生させた。この条件で３０分間ドーピングを
行うことにより、深さ２０ｎｍの拡散層を形成すること
ができた。
【００１４】図７は本発明によってベース領域，エミッ
タ領域を形成したバイポーラトランジスタの断面図であ
る。Ｎ型埋込層２９の上にエピタキシャル成長層２８を
５００ｎｍ堆積し、エミッタ領域，ベース領域となる領
域をホトリソグラフィにより残した。ベース引出用多結
晶層２４およびグラフトベース領域２５を形成したあと
にシリコン窒化膜２２をマスクとして単結晶領域に深さ
２００ｎｍの溝を掘った。溝の側壁にシリコン酸化膜２
３を形成した後にＢ２Ｈ６ガス雰囲気７００℃で３０分
間アニールすることにより３０ｎｍのベース層２７を形
成した。さらに同じ装置内でガスをＰＨ３　に切り替え
、７００℃で５分間アニールしてエミッタ領域２６を形
成した。本方法により、球状の不純物プロファイルを実
現することができた。
【００１５】図８，図９は本発明のほかの実施例を示す
ものである。図８に示すように、図３に示した装置を用
い、水素雰囲気でアニールすることにより自然酸化膜を
除去した後に２００℃まで温度を下げ、Ｂ２Ｈ６ガス（
０．５％Ｈ２希釈）を２分間流してボロン原子をシリコ
ン表面に吸着させた。次にランプ加熱により再び８００
℃まで昇温し、５分間アニールすることによりボロン原
子を拡散させた。この工程を３０回繰り返すことにより
図９に示すような深さ約５０ｎｍの拡散層を形成するこ
とができた。繰り返し回数を１０回とすると、拡散深さ
は１５ｎｍとなった。
【００１６】図１０は本発明の他の実施例を示す半導体
製造装置図である。この装置はロードロック室３１、及
び拡散室３３から成り、それぞれ搬送室３２で連結され
ている。ウエハをロードロック室３１に設置したあとに
マスフローコントローラ６からＮ２　ガスを２０ｌ／ｍ
ｉｎ　流し１０分間放置した。次にガスをＨ２　に切り
替え、１０分間放置した。この時、搬送室３２，拡散室
３３，３４にもＨ２　を２０ｌ／ｍｉｎ　流し、パージ
を行った。次にゲートバルブ１３を開き、ウエハを拡散
室３３に搬送した。そこでＨ２　を２０ｌ／ｍｉｎ　流
したままランプ加熱によりウエハを８００℃まで加熱し
マスフローコントローラ７からＢ２Ｈ６ガス（０．１％
Ｈ２希釈）を１００ｃｃ／ｍｉｎ　５分間流しＰ型拡散
層を形成した。拡散深さは１０ｎｍであった。さらにマ
スフローコントローラ８からＳｉＨ４　ガス（４％Ｈ２
　希釈）２ｌ／ｍｉｎ　を１分間流し、エピタキシャル
層を１０ｎｍ成長させた。その後Ｈ２　ガスを流しなが
ら温度を下げ、２００℃まで下がったらゲートバルブ１
３を開き、ウエハをＨ２　雰囲気で拡散室３４に搬送し
た。そこでウエハを再び加熱しＰＨ３　ガス（０．１％
Ｈ２希釈）を１２０ｃｃ／ｍｉｎ　３分間、ＳｉＨ４　
ガス（４％Ｈ２　希釈）２ｌ／ｍｉｎ　を１分間流すこ
とによりＮ型拡散層及びエピタキシャル成長層を形成し
た。さらに同様の手順によりウエハを拡散室３３に戻し
、Ｂ２Ｈ６ガス（０．１％Ｈ２　希釈）を流してＰ型拡
散層を形成することにより、ＰＮＰ３層の超格子を形成
することができた。これを繰り返すことにより、さらに
多層構造を形成することもできる。本方法により形成し
た超格子の不純物分布を図１１に示す。
【００１７】図１２は図３の装置を用いて拡散層を形成
した際の、表面不純物濃度と拡散温度、Ｂ２Ｈ６ガス流
量の関係を示す図である。拡散時間は３０分である。図
中斜線で示した領域は表面濃度が１０１８から１０１９
／ｃｍ３　になる領域であり、この条件でバイポーラト
ランジスタのベース領域を形成することにより遮断周波
数５０ＧＨｚが達成された。
【００１８】図１３はＢ２Ｈ６ガス流量に対する表面濃
度の変化を示す図である。８００℃で表面濃度を１０１
８から１０２０／ｃｍ３　までの範囲で制御することが
できた。
【００１９】図１４は本方法により形成した拡散層の不
純物分布、および拡散後に瞬間加熱を行った際の不純物
、キャリアの分布である。瞬間加熱を行うとキャリアの
活性化率はほぼ１００％となった。この拡散層の上にＮ
型の多結晶シリコンを堆積して形成したダイオードは逆
方向のリーク電流が１０のマイナス１０乗Ａ／ｃｍ２　
であり良好な電気特性を示した。
【００２０】
【発明の効果】自然酸化膜を介さずに不純物が拡散して
いくのでイオン打ち込み法では不可能な浅い接合を低温
で形成することができる。また、拡散源としてガスを用
いているのでその濃度、流量を調節することによって、
不純物濃度を制御することができる。また、瞬間加熱、
瞬間冷却を行うので急峻な不純物プロファイルを形成す
ることができる。さらに拡散を常圧の水素雰囲気で行っ
ているので不純物原子の半導体単結晶基板への吸着が促
進され、さらに基板上に拡散源のガスが均一に分布する
。また、単結晶表面に不純物を含むガラス層、あるいは
不純物層が形成されないので拡散層の表面濃度を低濃度
から高濃度まで広範囲で変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって形成した拡散層の不純物分布の
測定結果である。
【図２】本発明によって形成した拡散層のシート抵抗の
測定結果である。
【図３】本発明の１実施例を示す半導体製造装置図であ
る。
【図４】本発明の１実施例を示す半導体製造装置図であ
る。
【図５】本発明によって形成した拡散層のシート抵抗の
ガス流量依存性である。
【図６】本発明の１実施例を示す半導体製造装置図であ
る。
【図７】本発明の１実施例を示す半導体装置図である。
【図８】本発明を実施した際の温度シーケンスを示す図
である。
【図９】本発明によって形成した拡散層の不純物分布の
測定結果である。
【図１０】本発明の１実施例を示す半導体製造装置図で
ある。
【図１１】本発明により形成した超格子構造の不純物分
布である。
【図１２】本発明により形成した拡散層の表面不純物濃
度を示す図である。
【図１３】本発明により形成した拡散層の表面不純物濃
度とガス流量の関係を示す図である。
【図１４】本発明により形成した拡散層の不純物とキャ
リアの分布を示す図である。
【符号の説明】
１…ステンレスチャンバ、２…ウエハ、３…石英窓、４
…赤外ランプ、５…ガスノズル、６…キャリアガス用マ
スフローコントローラ、７…拡散源ガス用マスフローコ
ントローラ、８…ＳｉＨ４　用マスフローコントローラ
、９…サセプタ、１０…ワークコイル、１１…クリーニ
ング室、１２…拡散室、１３…ゲートバルブ、１４…搬
送治具、１５…ターボポンプ、１６…ドライポンプ、１
７…電極、１８…高周波電源、１９…ベース電極、２０
…エミッタ電極、２１…エミッタ多結晶シリコン、２２
…シリコン窒化膜、２３…シリコン酸化膜、２４…ベー
ス取り出し多結晶シリコン、２５…グラフトベース領域
、２６…エミッタ領域、２７…真性ベース領域、２８…
エピタキシャル層、２９…Ｎ型埋込層、３０…Ｐ型基板
、３１…ロードロック室、３２…搬送室、３３…拡散室
１、３４…拡散室２。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板に反対導電型の不純物を導入し
    て拡散層を形成する不純物拡散法において、上記基板表
    面の自然酸化膜を除去してから瞬間加熱によって上記不
    純物を拡散させることを特徴とする不純物拡散法。
  2. 【請求項２】上記不純物の拡散源として上記不純物を含
    むガスを用い、上記不純物を含む上記ガスの流量もしく
    は上記ガス中の上記不純物の濃度を変化させることによ
    って、上記拡散層の不純物濃度を制御することを特徴と
    する請求項１記載の不純物拡散法。
  3. 【請求項３】上記不純物を拡散させる前にＳｉＯ２　を
    ＳｉＯに変換する作用のあるガスを流すことにより、上
    記自然酸化膜を除去することを特徴とする請求項１記載
    の不純物拡散法。
  4. 【請求項４】急熱急冷が可能なランプを具備しＳｉＯ２
    　をＳｉＯに変換する作用のあるガス及び水素を導入す
    る機構を具備した前処理室と、急熱急冷が可能なランプ
    を具備し水素及び不純物を含むガスを導入する機構を具
    備した１個以上の拡散室とからなり、上記前処理室と上
    記拡散室の間を水素雰囲気あるいは１０のマイナス７乗
    Ｔｏｒｒ以下の気圧の真空を有するウエハ搬送系で連結
    したことを特徴とする不純物拡散装置。
  5. 【請求項５】半導体基板上に、バイポーラトランジスタ
    のベース領域もしくはエミッタ領域である拡散層を不純
    物拡散形成してなることを特徴とする請求項１記載の不
    純物拡散法。
  6. 【請求項６】半導体単結晶清浄表面を水素で終端し、水
    素によって上記不純物の上記単結晶表面への吸着を促進
    することを特徴とする請求項１記載の不純物拡散法。
  7. 【請求項７】上記不純物を含むガスが分解しない温度で
    、上記不純物を含むガスを流して上記不純物原子を上記
    半導体基板表面に吸着させ、次に７００℃以上で上記不
    純物を拡散させる工程を繰り返すことを特徴とする請求
    項１記載の不純物拡散法。
  8. 【請求項８】上記不純物を含むガスを流しながら、上記
    不純物の拡散及び拡散された上記不純物の活性化を行う
    ことを特徴とする請求項１記載の不純物拡散法。
  9. 【請求項９】上記不純物を拡散させる際に、上記半導体
    基板表面にあらかじめ浅い不純物層を形成することなく
    、気相から直接拡散させることを特徴とする請求項１記
    載の不純物拡散法。
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