JPS603771B2 - ガリウム拡散法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は三酸化ガリウムを拡散源とした関管法によるガ
リウム拡散法に関するものである。

Ｎ形シリコンを用いて製作されるサィリスタのＰ形層形
成には拡散源としてガリウム（Ｇａ）が広く使用され、
その拡散法としては閉管法と開管法の２種類に大別され
る。閉管法は、拡散時間中表面濃度一定の条件下で拡散
が進行することから、Ｐ形層内の不純物分布が安定して
いるため世界の主流となっている。

これに対し関管法では、拡散時間を通じて表面濃度一定
の条件下で拡散を進めるこれま困難であることから、不
純物分布が不安定のためほとんど使用されていない。し
かしながら関管法は、拡散装置に使用される石英管や石
英治具類がくり返し用いることが可能なため、ランニン
グコストが閉管法に比較して極めて安いためサイリスタ
製作上捨て難い魅力がある。関管法によるガリウム拡散
が、サィリスタの製作に広く使用されない主な理由とし
ては次の事項が考えられる。

‘１ー 拡散源である三酸化ガリウム（Ｇを０３）の制
御が下記に示す第‘１１式から理解されるように、水素
（比）と水蒸気（日２０）を必要とするため、水素の流
量と水蒸気量の徴量変化に対しても三酸化ガリウムの蒸
発速度が大きく変化しやすいのでＰ形層の深さと不純物
分布が影響を受け再現性に欠ける。Ｇａ２０３十２Ｌこ
Ｇａ２０十２ＬＯ Ｇａ２０十日２こ本ａ＋ＱＯ ……‘１）■ 長時間の
ガリウム拡散中に拡散源である三酸化ガリウムが蒸発し
て無くなった場合には、表面濃度一定の条件が成立しな
くなる。

この枕態においてはガリウムの予備拡散時間（ｔ，）終
了後、ガリウムのドライブイン時間（り）が進行する状
態が生じるため、ドライブイン中にはシリコン表面から
ガリウムが放出される現象（ｏｕｔｄｉＨｕｓｉｏｎ）
が生じ、この際の拡散方程式は下記の第‘２１式で与え
られる。

ここで・ Ｃ（ｘ）：表面より深さｘでの不純物濃度Ｃｓ：ガリウ
ム予備拡散中の表面濃度 ８：ドライブイン中のシリコン表面からのガリウムの放
出係数ｔｌ：ガリウム予備拡散時間 ｔ２：ガリウムドライブイン時間 ｔ：ガリウム全拡散時間（ｔ，十ｔ２） Ｄ：ガリウムの拡散係数 上記第■式は拡散時間一定（ｔ，十ｔ２）と仮定すると
、拡散源である三酸化ガリウムが蒸発して無くなるまで
のガリウムの予備拡散時間らが変化すると、ガリウムの
ドライブイン時間らも変わる結果となりＰ形層の深さ、
表面濃度、不純物分布が変化することを示唆しており、
この現象も拡散特性の再現性に欠ける一因となる。

‘３ー サィリスタ製作に適したＰ形層深さは６０〜１
００ミクロンが必要であり、この深さの拡散を行うには
例えばガリウムの拡散温度を１２３０ｏＣ、表面濃度を
５×１ぴ７ＡＴＯＭＳ／ＣＣと仮定すれば６０〜１０畑
時間が必要である。この拡散時間を通して三酸化ガリウ
ムを連続的に蒸発させることは多量の三酸化ガリウムを
消費するばかりでなく、三酸化ガリウムが拡散装置に使
用される石英管内壁に付着、浸透して、石英管の寿命を
極度に低下させるので現実的な方法ではない。即ち拡散
装置面からみても表面濃度を一定に維持することは不可
能であり、この制約も再現性を乏しくする原因となる。
上述した如く、三酸化ガリウムを拡散源とした開管法に
よるガリウム拡散では、拡散特性面で再現性を阻害する
多くの要因を含んでいる。

また従来の方法においては、一回のガリウム拡散で一定
量の三酸化ガリウムを長時間にわたって蒸発させる思想
に基ずく重量制御を行っていたが、この方法はキャリア
ガスの影響を受け易く、ガリウム拡散終了後の拡散特性
面で再現性に欠けていた。

本発明は、上述したような不安定要素の点にかんがみな
されたもので、再現性の高くかつ安定した、サィリスタ
の製作に適した開管法によるガリウム拡散法を提供せん
とするものである。

本発明の特徴とするところは、前記第ｔ２１式において
短時間のガリウムの予備拡散時間（ｔ，）と長時間のド
ライブイン時間（ｔ２）の比を制御することによりＰ形
層内のピーク濃度点と深さを制御する基本拡散工程と、
ガリウムのドライブイン時間（ｔ２）中にシリコン表面
より放出されたガリウム量を補うための補正拡散工程と
を備え、ガリウムの予備拡散と補正拡散はキャリアガス
の影響を少なくするため短時間としたことである。

以下本発明の実施例につき図面により詳細に説明する。

三酸化ガリウムを拡散源とした関管法によるガリウム拡
散では第１図のような装置が使用される。第１図は本発
明の実施例を説明するためのガリウム拡散装置の概要を
示した図であり、１は石英管、２は三酸化ガリウム（Ｇ
ａ２０３）、３は石英治具、４はシリコンウェフア、５
は水蒸気を含んだ水素からなるキャリアガスである。第
１図の装置において三酸化ガリウム２は９５０ｑｏに、
シリコンウェフア４は１２３０ｑＣの温度に、キャリア
ーガス５の流量は３００ｃｃ′ｍｉｎの条件で下記の拡
散が実施された。なおシリコンゥェフア４としては比抵
抗ｌｏｏ○伽、厚さ５００ミクロン、直径２３ミＩＪの
Ｎ形シリコンが用いられた。まず短時間の予備拡散時間
（ｔ，）と長時間のドライブイン時間（ｔ２）から成る
基本拡散について説明する。

予備拡散時間ｔ，として６、１幼時間、ドライブイン時
間ｔ２として９０、８餌時間の組合せで、合計９母時間
のガリウム拡散が実施された。ガリウム拡散終了後のＰ
形層の表面濃度Ｃｓ８と、Ｐ形層内のピーク濃度Ｃｐ９
およびＰ形層の深さＸｉｌｏを第一表に示し、そのＰ形
層内のガリウム濃度分布を第２図に示した。第一表 第一表において、Ｐ形層の表面濃度がＣｓ８がＰ形層内
のピーク濃度Ｃｐ９よりも小さくなっている現象につい
ては、短時間の予備拡散時間ｔ，後、長時間のドライブ
イン時間らのドライブイン中にシリコン表面よりガリウ
ムが放出されたことを意味している。

第一表に示すドライブイン時間ｔ２／予備拡散時間ｔ，
の比の値１５ ７における基本拡散で得られたガリウム
濃度分布を第２図に特性曲線６，７で示す。そのｔ２／
ｔ，の比が１５から７と小さくなる程、表面濃度Ｃｓ８
とピーク濃度Ｃｐ９が高くなり、Ｐ形層の深さＸｉｌｏ
が深くなっていることが第２図より理解されよう。本発
明においては、基本拡散でｔ２／ｔ，の比率制御を行う
ことによりＰ形層のピーク濃度と深さを再現性良く制御
するガリウム拡散法であり本発明のキーポイントである
。ガリウムのドライブイン時間ら中に、シリコン表面か
らガリウム原子が放出されて表面濃度が低下しすぎると
、サィリスタ特性面でｄｖ／ｄｔとゲート電流の減少を
招くので好ましくないよこのためガリウムの基本拡散終
了前にｏｕｔｄｉＨｕｓｉｏｎ分のガリウム原子をシリ
コン表面に補充するための補正拡散が必要となる。

次に補正拡散について説明する。

補正拡散は第２図の濃度分布６，７からも解るように、
基本拡散工程のドライブイン時間中にシリコン表面より
‐放出されたガリウム原子分、即ちシリコン表面より２
０〜３０ミクロン程度の深さ範囲のガリウムを補充すれ
ばよいので、短時間の拡散でよい。第１図の装置におい
て三酸化ガリウム２は９５０００に、シリコン４は１２
３０００の温度で６、１幼時間の補正拡散を行った際の
表面濃度Ｃｓｌ１とＰ形層深さＸｉ１２を第二表に示し
両者の濃度分布を第２図に特性曲線１３，１４で示した
。第二表 第２図の濃度分布から理解されるように、基本拡散工程
と補正拡散工程とを組合せることにより、サィリスタの
特性に適合した種々の拡散プロフィルが得られる。

なお本発明の実施では２種類の例について説明したが、
本発明の範囲内で他の種々の組合せも可能であることは
当業者ならば容易に推察できよつｏ以上詳細に説明した
如く本発明によれば、三酸化ガリウムを拡散源にした開
管法によるガリウム拡散法において、ガリウムの予備拡
散時間とドライブイン時間の比率制御を行う基本拡散と
補正拡散との組合せによって、従来法の三酸化ガリウム
の重量制御法に比較して再現性の極めて高い安定したガ
リウム拡散法を提供することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

÷第１図は本発明の実施例を説明するための拡散装置の
概略図、第２図はＰ形層内の濃度分布を説明するための
特性図である。 １・・・・・・石英管、２・・・・・・三酸化ガリウム
、３・・・・・・石英治臭、４・・・・・・シリコン、
５・・…・キャリアーガス、６，７，１３，１４・・・
・・・ガリウム濃度分布曲線、Ｃｓ８，Ｃｓｌｌ…・・
・表面濃度、Ｃｐ９・・・・・・ピーク濃度、Ｘｉｌｏ
，Ｘｉ１２・・・・・・Ｐ形層深さ。 策／１函簾乙図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 三酸化ガリウムを拡散源とした開管法によるガリウ
   ム拡散法において、Ｐ形層内のピーク濃度と接合深さを
   制御する手段として短時間のガリウムの予備拡散時間と
   長時間のドライブイン時間の比率制御を行う基本拡散工
   程を備え、かつドライブイン時間中にシリコン表面より
   放出されたガリウム原子を補充する手段として基本拡散
   終了前に短時間の補正拡散を行う補正拡散工程を備えた
   ことを特徴としたガリウム拡散法。 ２ 基本拡散工程での短時間の予備拡散と補正拡散とを
   それぞれ１２時間以内でガリウム拡散を行うことを特徴
   とした特許請求の範囲第１項記載のガリウム拡散法。