JPS6043654B2 - ホウ素拡散によるシリコン基体のド−ピング方法 - Google Patents

ホウ素拡散によるシリコン基体のド−ピング方法

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JPS6043654B2
JPS6043654B2 JP54114373A JP11437379A JPS6043654B2 JP S6043654 B2 JPS6043654 B2 JP S6043654B2 JP 54114373 A JP54114373 A JP 54114373A JP 11437379 A JP11437379 A JP 11437379A JP S6043654 B2 JPS6043654 B2 JP S6043654B2
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    • C30B31/00Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
    • C30B31/02Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion materials in the solid state
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、第1の熱処理において、シリコン基体が所
定量のホウ素及び酸素を含む混合ガスに晒 されること
により、多くとも部分的にマスクされたシリコン基体の
表面を覆うホウ素ガラスの層及び上記表面の真下のマス
クされていない領域にSi氏層が生成され、第2の熱処
理において少なくともホウ素の部分がシリコンにドライ
ブ・インされる、ホウ素の拡散によるシリコン基体のド
ーピ ング方法に関するものである。
ホウ素をシリコンに拡散することに関しては、カプセ
ル拡散方法が知られ、この方法は、反応管を流れホウ素
源を含むガスの流れにシリコン基体を晒すことである。
カプセル拡散では、非常に均質で再生可能な結果が得ら
れる。しかしながら、必要な材料及び装置が非常に高価
であるという欠点を有する。例えば、各バッチに対して
高価なりオルツのカプセルが必要であり、高真空ポンプ
及び接続される焼成炉が必要である。さらに、カプセル
拡散は比較的多くの手動操作を含むので、プロセスは自
動処理ラインに組み込まれるのに適していない。カプセ
ル拡散はまた、次のような拡j散、例えば拡散の後で、
マスキングのために次の拡散に必要とされる酸化物が成
長しなければならないようなバイポーラ・トランジスタ
のベース拡散においても、有利でない。装置及び材料に
関しては、ホウ素源を含みシリコン基体を通過して流れ
る(以下“゜開管拡散゛と呼ぶ)ガスの流れによるホウ
素の拡散は、たいして複雑でない。すなわち操作員はほ
とんど介入する必要がないので、この型の拡散は自動生
産ラインに全く適している。一般に使用される開管拡散
においては、ホウ素ガラスはホウ素でドープされるシリ
コン基体の表面に作られるように、高温に加熱されたシ
リコン基体が酸化ホウ素を含むガスの流れに晒される。
酸化ホウ素については、高温に加熱されB2O3で被覆
された窒化ホウ素ウェハを通過するように導かれてガス
の流れの中に入れられる即ちガスの流れの中の酸素が、
室温で液体又は気体のホウ素を含む材料と反応するよう
に用いられる。ホウ素源として好ましいB2O3で被覆
された窒化ホウ素を用いる開管拡散、例えばGerma
nOffenlegungsschrift23l65
2O号に述べられている。
室温で液体であるBBr3がホウ素源として用いられる
開管拡散は、米国特許第3676231号及びジャーナ
ル′6S011dStateE1ectr0nics1
1971年、14巻第281頁以下の66TheInf
1uence0ftheReacti0nKineti
cs0f02andS0urceFI0wRates0
nTheUnifOrmityOfBOrOnandA
r′SenicDiffusiOnsl3及びP.C.
Parekh及びD.R.GOldstein著、ジャ
ーナル66Pr0ceedings0ftheIEEE
“゜第57巻、第9号、196師9月第150頂以下の
′6TheInfIuence0fReacti0nK
ineticsBetweenBBr3and020n
theUnif0rmiTyOfBaseDiffus
iOn゛に述べられている。ホウ素源として室温で気体
状のB2H6を用いるホウ素の開管拡散は、例えばK.
M.Busen等著、66J0uma10ftheEI
ectr0chemica1S0ciety13第11
5巻196詳3月第291頁以下の46E111ps0
metricInvestigati0n0fB0r0
nRichLayers0nSiIic0n21に述べ
られζている。そしB:02の比があまり低くないから
、シリコンの豊富なホウ素相は、上記K.M.Buse
nにより述べられているように、ホウ素ガラスが直接シ
リコン上に付着されて得られる。
上記K.M.lBusen等により述べられているよう
に、SiB湘の形成は良く制御されたホウ素拡散に対し
て効果がある。しかしながら、この好都合な効果は、第
2の熱処理でのホウ素のドライブ●インに先立つてSi
BG相が取り除かれる時にのみ現われる。Bl]Sen
等は、SiB8相の除去に対してシリコンを食刻する食
刻剤に特徴がある、即ち第1のステップにおいて相が1
扮間蒸発する濃硝酸中で、次に3扮間希釈匪中で処理さ
れる2段階処理を用いることを提案している。シリコン
食刻剤の使用は、シリコン・ウェハが集積回路を実装す
るように処理される時には好ましくないし、2段階処理
は、SiB6相が完全に取り除かれることを保証するた
めに、前ノ記論文に述べられているように数回用いなけ
ればならない。食刻処理の信頼性の欠如という点から、
2段階方法は製造プロセスには適していない。それゆえ
に、D.M.BrOwn及びP.R.KennicOt
t著、 ″JOurnaIOftheEIectrO
chemicaI・SOciety゛第118巻、19
71年2月第293頁以下の″GlasssOu!″C
eBDiffusiOninSjandSiO25′で
は、Busen等による論文に比べてSiP)6相の形
成を避けたホウ素拡散を提案している。もちろんこれは
また、Si八相の利点も除外されている。Gernla
nOffenIegun?SChrift23l652
O号に述べられている方法では、K.M.Busenの
主張した利点はBusenにより述べられた方法に用い
られている。すなわち、Si八相は形成の後、高温酸化
ステップで、第2の熱処理に先立つて取り除かれるよう
に容易に溶ける酸化物に変えられる。これらの処理ステ
ップにもかかわらず、上記GermanOffenle
gungsschri旧こ述べられている方法によると
、シリコン基体及び全バッチ上の非常に狭い許容誤差範
囲内の低ドーピング拡散領域(表面抵抗〉300Ω/口
、浸透の深さほぼ1μm)の製造では、均一で再生成可
能な結果は得られない。ぎつしり詰つた高集積回路への
傾向が強くなつているので、上記GermanOffe
nleglln?Schriftに述べられている方法
により得られる結果ではもはや十分満足できるものでな
くなつた。非常にドープされた領域を製造するのに、ホ
ウ素酸化物被覆後の徹底的な酸素処理(それゆえに以下
に詳細に述べられるのだが)は、ある場合には非常に不
都合な効果を持つ。本発明の目的は、時間を節約し、廉
価で非常に均一で高い再生成の結果を提供し、広く用い
られ簡単に制御と検査ができ、自動製造ラインに適用で
きる、ホウ素を用いてシリコンをドーピングする拡散プ
ロセスを提供することである。
ドライブ・インに先立つて、シリコンの豊富な相ではな
くてホウ素ガラスのみを取り除く場合は、K.M.Bu
sen等により述べられた前記論文からの試験は正しい
ことが知られている。
しかしながら、そこで述べられている結果によると、B
usen等は好ましい拡散結果を得るためにはドライブ
・インに先立つてSiB6相は取り除かれなければなら
ないので、これらの試験は各問題を解決するための考え
としては用いることができないと結論してしまつた。驚
いたことに、本発明により開示された方法では、低抵抗
ゾーン同様高抵抗の製造においても非常に狭い許容誤差
範囲で高均一(シリコン基体及びバッチに対して)で高
再生成の結果が得られる。これらの好ましい特徴から、
本発明により開示された方法は、特にぎつしり詰つた、
非常にしばしば用いられる高集積回路の製造に適してい
る。本発明により開示された方法の利点は、特に、この
方法を用いて高集積回路を作る場合、ベース・ゾーンの
製造及びサブコレクタ領域を伴なうサブ アイソレーシ
ヨン(SubisOlatiOn)を示す構造体の製造
の両方に対して、バイポーラ●トランジスタのエミッタ
●コレクタ・ショート回路の数が、公知の方法を用いる
小さな集積密度の回路製造の楊合よりもさらに小さくな
ることである。
緩衝フッ化水素酸中では完全に取り除かれないが、まず
フッ化水素酸で次に熱硝酸でそして最後にもう一度フッ
化水素酸中で処理することにより、残留物を残さずに取
り除かれるホウ素ガラスが得られるような方法で、単位
時間当りの混合ガスに加えられる02:Bの比及びホウ
素源の量は有利に決められる。
水で1:10の比に希釈されたフッ化水素酸に1@間、
それから95゜Cに加熱された濃硝酸に1紛間、そして
最後にフッ化水素酸(1:10)に308間、シリコン
基体をつけることが都合良い。この食刻処理はシリコン
を浸食しないので、特に集積回路が作られるシリコン基
体の処理において重要である。さらにホウ素ケイ酸ガラ
スは、SiB6相がさほど重要な影響を受けることなし
に、この食刻処理で確実に取り除かれるので、この方法
は大規模生産に非常に適している。非常に重要な点は、
この食刻処理により得られる高再生成可能な結果である
。ホウ素源としてBBr3を用い、被覆温度ではBBr
3及び02で形成された、流れるキャリヤー・ガスに含
まれる混合ガスにシリコン・ウェハを晒すと都合良い。
第1の熱処理では、反応管の内径はほぼ8C77!と仮
定するがキャリヤー・ガスの流れは2乃至5リットル/
分で、また0.5乃至1リットル/分の安定した流れで
操作し、被覆の際キャリヤー・ガスにほぼ15乃至30
ミリグラム/分のBBr3量を加え、且つ少なくとも被
覆の際ほぼ20乃至65の02:BBr3のモル比でB
Br3量に酸素量を加えることが好ましい。もし挿作が
内径ほぼ11C!rlの反応管で起こるなら、適したキ
ャリヤー・ガスの流れは3.5乃至8.5リットル/分
であり、適したBBr3の量はほぼ18乃至36ミリグ
ラム/分である。第1の熱処理の際には、シリコン・ウ
ェハの形で存在するシリコン基体はガスの流れに垂直に
してボートに配置されるのだか、フラットな温度プロフ
ィールを示し、管の軸に垂直に提供されてほぼ管の断面
積を満たすように穴をあけられたプレートを通るように
混合用チェンバーからの混合ガスが向けられ、穴をあけ
たプレート及び管の軸に垂直に提供された2つのクオル
ツ・ディスクから成るバッフルで終端を成す反応ゾーン
に上記シリコン基体は都合良く置かれる。
そして混合ガスは、バイブによりクオルツ・ディスク間
から排気され、安定化ガスがバッフルとグランド・キャ
ップでふたをした管の間に導入される(第1図参照)。
ボートのシリコン・ウェハのすべてが同じ条件で晒され
る場合は、反応管の設計及びガスの流れにより反応ゾー
ンが決まる。反応条件は、さらに次のように統一される
。もし管内ではバッチでなく、プリ・ドープされないな
ら、反応ゾーンは連続して被覆温度に保たれる。また管
は酸素でリンスされる。そして所定の期間管内ではバッ
チ処理されないなら、管は再び用いられる前に被覆温度
で所定の期間プリ・ドープされる。また被覆処理の間、
混合ガスの流れは管を通るように向けられる。これゆえ
に、反応ゾーンを取り囲む管のすべての部分が、バッチ
処理の間は反応ガスに等しいホウ素ガラスの層で被覆さ
れ、それでシリコン・ウェハが置かれる反応ゾーンに沿
つた条件の均一性がさらに改良される。もし第1の熱処
理の際、ほぼ850乃至650℃の温度で、ほぼ20乃
至65の02:BBr3のモル比で、ほぼ15乃至30
ミリグラム/分の量のBBr3が加えられ、全体量がほ
ぼ3.5リットル/分で操作され、そして第2の熱処理
が酸素雰囲気中で行なわれるなら、第2の熱処理の後ほ
ぼ0.5乃至1μmの浸透の深さXjを有し、ほぼ30
0乃至700Ω/口の表面抵抗Rsを示すドープされた
領域を製造するのに適している。これゆえに第1の熱処
理は、厚さ及び食刻可能性に関しての高い均一性のホウ
素ガラスを提供する。本発明により開示された方法のこ
のような特別な特徴は、また、本発明により開示された
方法の実施例には、個々のシリコン・ウェハ上ばかりで
なく全バッチ上の低ホウ素ドーピングのような領域には
今まで到達できなかつた結果の均一性及び再生成性(第
3の熱処理の後±5%(表1参照))が存在するという
事実にも現われている。それゆえに、大変きびしい製造
条件に従わなければならないような場合に、特にこの方
法は適している。本発明により開示された方法のこの実
施例は、特に高度に集積化されぎつしり詰つた回路のバ
イポーラ●トランジスタのベース●ゾーンを作るのに適
している。エミッタ・コレクタ・ショート回路が十分避
けられるように、非常に小さなベース幅で狭い許容誤差
範囲内にとどめることが可能である。浸透の深さがほぼ
0.75μmで表面抵抗Rsが400±20Ω/口にド
ープされたゾーン(第3の熱処理後)は、次のようにし
て都合良く作ることができる。すなわち、875±1℃
の温度で、3.2リットル/分のアルゴンと0.08リ
ットル/分の酸素とから成る混合ガスが、1紛間、内径
がほぼ8cmの反応管に設置されたシリコン・ウェハ上
に向けられる。次に前もつて5℃の温度で臭化ホウ素に
浸された0.08リットル/分のアルゴンが加えられた
この混合ガスは、2紛間ウェハ上に注がれ、そして最後
にさらに1紛間最初の混合ガスが使われる。そして冷却
の後、ホウ素ガラス層が取り除か−れ、続いて925±
1℃で1.5リットル/分の酸素を1扮間、次に51分
間水蒸気を、そして最後にさらに1扮間1.5リットル
/分の酸素をシリコン・ウェハ上に注ぎ、ほぼ0.20
0pmの二酸化シリコンがこのプロセスで得られる。第
1の熱処理ではドーピングに必要なホウ素を最小の酸素
でほぼ900乃至1000℃の温度でシリコンに導入し
、及び第2の熱処理では不活性ガス雰囲気で操作する時
に低抵抗のドーピング●ゾーンを作ると都合良い。
第1の熱処理ではシリコン・ウェハが酸素とホウ素源の
両方を含む混合ガスにわずかに晒され、残りの時間にア
ルゴンの流れにのみ晒されるようにして、最小になるよ
うに都合良く、プロセスで用いる酸素は減らされる。本
発明により開示された方法の上記実施例は、絶縁、特に
サブ・アイソレーシヨン領域を作るのに都合良い。特に
サブ●アイソレーシヨン領域の製造においては、エピタ
キシャル層が基板上に成長でき・るように全酸化物層は
十分取り除かれるので、もし再酸化の必要がないなら上
記実施例は好ましい。ホウ素ガラスの除去後に非常に磨
かれた表面が得られることは、エピタキシャルにとつて
都合良い。さらに、エピタキシャル層へのサブ・アイソ
レーシヨン拡散の際に作られた領域からの横方向の外方
拡散は、他の公知の拡散プロセスを用いる場合より本発
明により開示された方法の方がさらに低い。この方法は
さらに時間が節約できて廉価である。低抵抗のドーピン
グ領域の製造では、結果の均一性及び再生成性は高抵抗
ドーピング領域ほど問題にならないが、しかし本発明に
より開示された方法は低抵抗ドーピング領域についても
また、結果の高い均一性及び再生成性を可能にしている
ことは、やはり指摘されるべきだ。浸透の深さが0.8
μmで表面抵抗Rsが32Ω/口であるドープされた領
域を作るのには、次のようにすると都合良い。すなわち
、シリコン・ウェハをほぼ22分の間、ほぼ900乃至
970℃のアルゴン雰囲気中で加熱し、続いて970゜
Cで4分間それらを3.6リットル/分のアルゴン、0
.1リットル/分の酸素及び前もつて+5℃の温度でB
Br3に浸された0.1リットル/分のアルゴンの混合
ガスの流れに晒し、次に5分間1.5リットル/分のア
ルゴンの流れに晒し、続いてアルゴンの流れを保ちなが
らウェハを970℃からほぼ900℃まで2紛の間冷し
、炉から取り出してホウ素ガラスを完全に取り除き、最
後にシリコン・ウェハを8扮間1000℃で窒素又はア
ルゴン雰囲気中で処理すると都合良い。本発明により開
示された方法の実施例から、ホウ素でドープされたサブ
●アイソレーシヨン領域がヒ素でドープされたサブコレ
クタ領域に近接して設けられる構造体の製造に本発明の
方法は実際に適用できることがわかる。
そしこれらの領域の重ね合いを避けるなら、サブ・アイ
ソレーシヨンとサブコレクタ領域は互いに十分離されな
ければならない。半導体技術ではさらに高い実装密度及
び高集積回路の傾向を強めつつあるにもかかわらず、こ
れは多くのスペースを必要とする。しかしながら、今ま
では、少なくともサブ・アイソレーシヨン領域が開管拡
散により作らなければならない場合には、とにかく重ね
合いは避けねばならなかつた。これは、シリコン結晶で
は重ね合つた領域に転位が現われるので必要であつた。
転位は単結晶物質の欠陥である。その上結晶内では広が
る傾向にあるこれらの欠陥の付近では、ドーピング不純
物は乱されていない結晶ゾーンにおける場合よりさらに
速く拡散するので、転位はしばしばバイポーラ・トラン
ジスタのコレクタ●エミッタ●ショート回路の原因にな
る。さらに転位はかなりの数のコレクタ絶縁破壊を生じ
る。G.Schcrer及びE.Biedermann
はAS/Bの重ね合つた領域の転位を厳密に試験した。
彼らは結果を゜゜Generati0n0fDis10
cati0nsinAs/BDOuble−Diffu
sed.AreasinSllllcOn23(ESS
DERC77、BrightOnl977年で行なわれ
た講演の要旨、第14頁以下参照)の論文に述べられて
いる。彼らの調査では、最初にヒ素拡散に晒され、続い
て当分野では公知の方法を用いて、第1の熱処理ではホ
ウ素による被覆が行なわれ、次に第2の熱処理ではホウ
素ガラスを前もつて取り除くことなしに、ホウ素がさら
に酸化雰囲気中でシリコンにドライブ●インされるホウ
素の開管拡散に晒されたシリコン・ウェハが用いられた
。彼らは転位を発見し、゛゜60900の転位゛と呼ば
れる2つの型の転位が実際に.は存在すると結論した。
さらに彼らは、“60際の転位゛が第1の熱処理の後に
すでに現われるのに、4“90のの転位置は酸化ドライ
ブ・インの際に形成されることがわかつた。転位はホウ
素の拡散の他にヒ素の拡散に晒されたこれらのシリコン
・ゾーンにのみ現われることがわかつたので、高濃度の
ホウ素及びヒ素が同時に存在することにより転位の形成
が促進されると考えられた。驚いたことに、本発明によ
り開示された方法を用いると、゜゜600の転位゛も“
゜90方の転位も現われないこと−がわかつた。これは
、本発明により開示された方法を用いた場合、ヒ素でド
ープされた領域(1σ1ヒ素原子/alくヒ素表面濃度
CO)が、SiB6形成のためのホウ素被覆の後はほぼ
1σ2ホウ素原子/dのホウ素表面濃度COを、及びド
ライブ・インの後は7刈『ホウ素原子/c!l(7)C
Oを示す事実の点からも全く驚くことである。これらの
値は、公知の方法を用いて得られる対応する値よりも高
い。これゆえに本発明により開示された方法を用いるこ
とにより、ヒ素及びホウ素でドープされた領域の重なり
合いが例外的な場合には許容できるばかりでなく、この
ような領域が必然的に重なり合わなければならないよう
な場合にそのような効】果を決定できるような非常にぎ
つしり詰つた半導体構造体を作るための仕様が可能とな
つた。こうして以前得られたよりももつと高密度のパッ
ケージングができる。以下の説明では、BBr3は始終
ホウ素源として用いられている。
しかしながら、本発明により開示された方法はこのホウ
素源材料の使用に限定されるものでないことを指摘して
おく。シリコン基体としてディスクの形のシリコン・ウ
ェハが通常集積回路を作るために用いられるように使わ
れる。概して、本発明により開示された方法は3つの処
理ステップから成る。第1の処理ステップは第1の熱処
理からなる。これはホウ素ガラスとシリコンの豊富な相
(SiB6)を形成して、シリコン・ウェハはホウ素酸
化物で被覆される。開管拡散であるこの第1の熱処理で
は、少なくとも一時的にある形態のホウ素及び酸素から
成るガスの流れがシリコン・ウェハ上に注がれる。第2
の処理ステップでは、形成されたホウ素ガラスを取り除
き、第3の処理ステップでは、ホウ素は少なくとも部分
的にシリコンにドライブ●インされる。第1の熱処理に
対しては、通常半導体技術で使われる管状の炉が用いら
れる。これらの炉は反応管を取り囲む円筒の加熱成分を
含む。熱的には、炉の中央で加熱成分の軸に沿つて30
乃至60C!Riの距離にわたり、均一な温度が±1℃
の精度で維持できるように設計されている。すなわち加
熱成分の軸に沿つた温度のプロフィールは、炉の中央で
ほぼ30乃至60C!nの長さにわたりフラットな部分
を示す。本発明の方法を実施するのに用いられる反応管
は種々の型の設計が可能である。第1図には都合良い実
施例が示されている。第1図は、高さと長さの比が特に
スケール的に正しくない。円の断面を有する反応管1は
シリコン・ウェハ13を含むボート12が挿入されて、
端には開口2が示されている。開口2はグランド・キャ
ップ3で閉められる。反応管1の他の閉じた端では、同
軸になつた供給管6を含む供給管4がほぼ管の軸に沿つ
て反応管1に挿入されている。反応管1の外では、供給
管5が供給管4に接続されている。入つてきたガスを集
中的に混ぜるために用いられ、そして開口2に面する側
には穴の開いたプレート10が示されている混合チェン
バー9に、供給管4及び6は挿入される。混合チェンバ
ーは円筒形であり、その外径は反応管1の内径よりわず
かに小さい。開口2の近くで、供給管7は反応管1に挿
入され、上記供給管7と穴の開いたプレート10の間に
は、排気管8が分岐している。排気管8の分岐地点で、
バッフル11が反応管に提供されている。上記バッフル
は互いに平行にそして管の軸に対して同軸で且つ垂直に
配置され、直径が管1の内径よりわずかに小さい2つの
相互に関係した円形のディスクより成る。穴の開いたプ
レート10とバッフル11の間に、プロセスの際にシリ
コン●ウェハ13を含む反応ゾーンがある。このプロセ
スでは、シリコン・ウェハ13はボート12の溝に挿入
されて垂直にそして互いに平行に立てられる。続いて、
グランド・キャップ3及びバッフル11が取り除かれた
後、ボート12は管1の反応ゾーンへ開口2を通つて挿
入される。この場合、直径が管の内径のほぼ3ノ4であ
るシリコン・ウェハ13は反応管の軸に垂直に置かれる
。そして、バッフル11は元の位置に戻され、開口2は
グランド・キャップ3で閉められる。再びボートが取り
出され、上記プロセスが逆にして繰り返される。第1図
に示された部分はすべてもちろんシリコン●ウェハを除
いて、クオルツでできている。反応管1のガスの供給及
び排気は次のように行なわれる。
供給管4から好ましくはアルゴンから成るキャリヤー・
ガスAr′oの流れが供給され、被覆の際にはBBr3
を含む比較的少量のアルゴンが反応管の外から供給管5
より供給される。比較的少量のアルゴンが流体BBr3
を通して注がれることによりBBr3により変えられる
。BBr3の温度での飽和量に対応してアルゴンはBB
r3を吸収する。結局、アルゴン中の所定のBBr3の
濃度は、BBr3が所定の温度に保たれることにより定
まる。必要なら、管6から酸素が供給される。シリコン
・ウェハがホウ素酸化物で被覆される実際の温度に保た
れた混合チェンバーに到達してはじめてBBr3は酸素
と混合される。供給管7を通して所定量のアルゴンAr
sがシリコン●ウェハ13の上を流れるガスを安定する
ために流れる。反応管1へ流れるガスは排気管8から排
気される。ホウ素をドライブ◆インするために、被覆プ
ロセスに対して用いられる型の炉が通常用いられる。ド
ライブ・インのために用いられる反応管はグランド・キ
ャップで閉めることができる開口端を持ち、ここからバ
ッチを炉内へ挿入したり取り出したりする。管の他の端
には、必要とされるガス雰囲気に依存して窒素又はアル
ゴンあるいは酸素又は水蒸気が各々導入されるガス入口
がある。必要なら、入つて来るガスの均一な分布を確実
にするために、バッフルがガス入口と管のほぼ中央の軸
と同軸のボートに互いに平行に配置されたシリコン・ウ
ェハとの間に設置される。反応管へ流れを導くために、
水が反応管の外で蒸気にされて、それから混合されない
ように又は酸素の流れと混合して、反応炉へ自らの圧力
により流れる。ドライブ●インに対しては、被覆プロセ
スの際と同じボートが用いられる。シリコン・ウェハは
、本発明の方法により、シリコン・ウェハの全表面を含
むドープされた領域を作るために、又はシリコン・ウェ
ハの被選択表面領域のみをドーピングするために処理さ
れる。これは大規模な使用ではおそらく最も標準のプロ
セスである。後者の場合は、公知の方法による好ましく
は二酸化シリコンより成り、そしてホウ素がシリコンに
拡散される場合にはこれらのスポットではシリコンまで
伸びた窓を示す拡散マスクで覆われる。ウェハが第1の
熱処理に晒される前に、もしバッチ処理からある時間が
経過しているなら、反応管を前もつて処理しなければな
らない。
即ち反応管をきれいにする。この事前処理については、
必要な温度プロフィールが維持されるように反応管を被
覆温度まで加熱する。それから、管内にシリコン・ウェ
ハを入れずに、あたかもホウ素が本発明の方法によりシ
リコン・ウェハに付着するかのように同じ構成を示す反
応管内を流れる混合ガスが作られる。このプリ・ドープ
により、反応管の壁、バッフル及び混合チェンバー上に
ホウ素ガラスを形成する。もしこのプリ・ドープが到達
する平衡まで行なわれるなら、もしシリコン・ウェハの
バッチ処理が行なわれるなら、前記クオルツ部分に付着
することによりホウ素が失われることはないことが確か
められる。ドーピングのために必要な時間は、シリコン
・ウェハが製造ウェハと同じ条件の下でプロセスに晒さ
れ、続いて試験ウェハ上で特定の表面抵抗及び浸透の深
さ又はドーピング・プロフィールが見い出せるかどうか
がわかることにより決まる。もしこれがそうでなければ
、プリ・ドーピングは続けられる。もしバッチ処理され
ずプリ・ドーピングも存在しないから、反応管はいつも
被覆温度に保たれ、酸素でリンスされることをここで指
摘しておく、多くの数がバッチ(m程度)処理されると
上記のプロセスの条件が観測されたにもかかわらず、抵
抗値は立ち上がつたり又は下がつたりすることが明らか
になる。もしこの立ち上がり又は下がりが大変強くて、
観測値が特定の範囲外となるから、第1の熱処理で用い
られる反応管及び他のすべてのクオルツ装置はホウ素ガ
ラスを取り除いてきれいにしなければならない。第1の
熱処理に晒されることになつているシリコン・ウェハは
、両端で幾つもの十分酸化されたシリコン・ウェハが挿
入できるようにボートの中央部分に配置されることが好
ましい。
さらに2乃至3個の試験用ウェハが製造ウェハと共に処
理される。それから、ボートは被覆温度か又は70乃至
1000Cの温度の反応ゾーンに移入される。後者の場
合、管は2扮間ほぼ被覆温度まで加熱される。最初、シ
リコン・ウェハはアルゴンのみ又は少し酸素が混入した
アルゴンより成るガスの流れに晒される。後で少量のシ
リコン窒化物をシリコンに形成できるので、アルゴンよ
りも窒素の方が好ましい。ホウ素を含む、又はもし第1
のリンスイングがアルゴンのみで行なわれるなら、ホウ
素及び酸素を含むガス雰囲気に晒される前に、シリコン
・ウェハを±1℃の精度で所定の被覆温度に加熱しなけ
ればならない。シリコン・ウェハ上にホウ素ガラスが付
着するのを可能にするために、反応ガスはホウ素と酸素
を含まなければならない。先に指摘したように、BBr
3を含むアルゴンがこのために供給管5から、キャリヤ
ー・ガスとして機能し供給管4を流れるアルゴンに注が
れる。供給管4は酸素を供給する管6と共に混合チェン
バーまで伸びている。拡散を均一にし且つ再生成できる
ようにするには、被覆温度で酸素及びBBr3が互いに
反応することが重要である。このために、混合チェンバ
ー9は温度プロフィールのフラットな部分に実際あるよ
うに反応管に設置される。混合チェンバーでは、混合ガ
スは激しく混ざり、穴の開いたプレート10を通り抜け
てチェンバーを離れる。穴の開いたプレート10とバッ
フル11の形成、穴の開いたプレート10とバッフル1
1の反応ゾーンに関しての幾何的配置、排気管8による
ガスの排気、供給管7による付加アルゴンの流れの導入
とを含むいくつかの要素の結合により、バッチのシリコ
ン・ウェハのすべてが互いに同じガス雰囲気に正確に全
表面にわたつて晒されることが確かめられた、ガス雰囲
気のこの均一性は、均一で再生成できる拡散結果を得る
ためには重要である。しかしながら、02:BBr3の
比及び1分当り反応管を流れるBBr3の量がどのよう
に決定されるかということも重大な要素である。SiB
6相は65より大きい02:BBr3のモル比でさえも
形成される。しかしながら、この02:BBr3の比を
越えることは好ましくない。比較的低い酸素を含むこと
が拡散結果の均一性及び再生成性を改良することになる
。詳細に指摘すると、ホウ素で非常にドープされた領域
の特性にとつて、この製造において酸素の影響ができる
限り低く保たれることが重要である。結果が均一で再生
成できるための他の重要な要素は、もし反応管が内径が
ほぼ8aTtであり、またもし全ガスの流れがほぼ2乃
至5リットル/分であるなら、BBr3の毎分量はほぼ
15乃至30ミリグラムになることである。厳密に観測
されなければならない所定の被覆時間は、所望の表面抵
抗及び被覆温度、並びに第2の熱処理では操作が酸化又
は不活性ガスの雰囲気中で起こるかという事実に依存し
ている。被覆の後、炉から取り出す前に、シリコン・ウ
ェハは正確な所定の時間、被覆温度に維持されるか、あ
るいは始めから上記のように保たれているかどちらかで
ある。続いて、ほぼ2Cy13−間70乃至100℃に
冷却され、従つて炉が冷却される。所定の時間はまた必
要な拡散プロフィールに依存する。室温までウェハを冷
却してから、ホウ素ガラスは取り除かれる。
ホウ素ガラスの食刻性は、製造中に用いられた02:B
Br3の比に依存している。比較的多くの量の酸素が存
在して作られたホウ素ガラスは、希釈フッ化水酸酸に容
易に溶解する。しかしながら、希釈フッ化水素酸はまた
SiO2をも溶かすので、それゆえにシリコン●ウェハ
がマスキング及び表面安定化のために必要とされるSi
O2層を示す場合には、これらの層が制御できずに浸食
されるので、希釈フッ化水素酸でホウ素ガラスを食刻す
ることは都合が悪い。本発明の方法により作られたホウ
素ガラスは、希釈フッ化水素酸によつては完全に取り除
かれない。完全にそして確実に取り除くために、シリコ
ン・ウェハが最初にw秒間、希釈フッ化水素酸(フッ化
水素酸が1に対して水が10)に浸され、続いて1紛間
、95℃まで加熱された濃硝酸で処理され、最後に30
秒間、もう1度希釈フッ化水素酸(1:10)に浸され
る食刻サイクルが開発された。これらの条件では、存在
するSiO2は除去プロセスではほとんど取り除かれな
い。本発明により開示された除去プロセスは、さらにS
iBf!j相及びシリコンが実際に影響を受けないとい
う利点を有する。ホウ素ガラスを除去後、シリコン●ウ
ェハは第2の熱処理に晒される。
ここでは、正確な所定の時間、シリコン・ウェハを不活
性又は酸化雰囲気に晒し、厳密に所定の温度に保つこと
のみが重要である。これらの条件は容易に今日の実験及
び装置で観測される。作られる領域が高ドーピングか低
ドーピングかに依存して、幾分本質的な点が異なる、本
発明により開示された方法の特定の実施例を行なうのが
都合良い。
低ドーピング領域を作る場合、すなわち浸透の深さXj
(P/N接合の深さ)がほぼ0.5乃至1μmで表面抵
抗がほぼ300乃至600Ω/口を示すような領域では
、高再生成性を有し、シリコン・ウェハ及びバッチで均
一な結果を得ることは、今まで!実際に複雑であつた。
先行技術を用いて得られた表面抵抗値の最小許容誤差は
±13%より大きい値であつた。低ドーピング領域を作
るために、本発明による方法を用いた場合、もつと良い
許容誤差が観測されることがわかつた。驚いたことに、
被・覆プロセスでは、特定の02:BBr3の比の観測
及び所定量の範囲でのBBr3の毎分の使用量が重要で
ある。異なる02:BBr3のモル比に対してBBr3
の毎分の量に関してプロットされているのだが、バイポ
ーラ●トランジスタの製造においてはベース拡散からさ
らにシリコン・ウェハが晒される全く高い温度のプロセ
スに晒された後、ホウ素ドープされた領域で測定された
表面抵抗値を表わすダイヤグラムを示す第2図により、
上記の事実は例証される。例1乃至4では、他のプロセ
ス・パラメータは同じであつた(表1参照)。第2図で
は、もしBBr3の少量から多量へ及び比較的低い02
:BBr3のモル比から高いモル比への変化が起lこる
なら、各々表面抵抗値は、これら2つのパラメータの交
換に関しては徐々に無関係になることを示している。0
2:BBr3のモル比がほぼ65の値より大きくなると
、ホウ素ガラスの均一性が減少し、表面抵抗値の広がり
が増加することが、さらにわかつたので、最良の02:
BBr3のモル比はほぼ20乃至60であることが明ら
かになつた。
もし02:BBr3の比がこの範囲内で、被覆時間が2
0分程度で、850乃至950℃の温度で操作されるな
ら、ほぼ300乃至600Ω/口の表面抵抗値を得るた
めには、BBr3の毎分量をほぼ15乃至30ミリグラ
ムにすることが都合良い。第1の熱処理の際、ほぼ3乃
至4リットル/分のアルゴンの流れ及びほぼ0.05乃
至0.15リットル/分の酸素の流れが、内径がほぼ8
C!rlの反応管に提供される直径がほぼ57w&のシ
リコン・ウェハを通過して流れる。さらに、安定化の機
能を有するほぼ0.5リットル/分のアルゴンの流れが
、反応管の開口の方からAr/02の混合ガスの方へ流
れる。被覆の際に、アルゴンと共に入つてくるBBr3
はAr/02混合ガスに混入される。ホウ素のシリコン
へのドライブ・インはホウ素の低ドープされるゾーンの
製造では酸化雰囲気中で行なわれる。そしてマスキング
及び表面安定化のために用いられるSiO2層、プロセ
スで成長する。さらにシリコン中のホウ素のかなりの部
分は酸化物に溶け、それで表面抵抗はかなり増す。酸化
は、最初純粋な酸で行ない、続いて酸化プロセスを加速
するためにさらに水蒸気で行ない、そして最後にもう1
度純粋な酸素で行なう。本発明により開示された方法を
用いるホウ素の高ドープされた領域の製造では、結果の
均一性及び再生成性の必要からばかりでなく、ホウ素で
高ドープされた領域がヒ素で高ドープされた領域と重な
り合つたり又はこのような領域に作られるような楊合に
、結晶の転位が形成されないことを保証するために、酸
素の効果は制限される。それゆえに、高ドープされた領
域の製造では、BBr3と反応してホウ素酸化物となる
酸素は、シリコン・ウェハ上へのホウ素酸化物の付着の
際にのみ混合ガスに付加される。加熱、次の処理及びウ
ェハの冷却の間、アルゴンを含む混合ガスのみが反応管
を通つてウェハ上を流れる。このガスの流れは、反応管
の開口の方からのアルゴンの流れと出合う。3乃至4分
の間起こる被覆段階では、アルゴンの流れのみがウェハ
上で強められ、それにホウ素及び酸素が加えられる。
好ましくは、第1の熱処理をほぼ950乃至1000℃
の温度で、管の内径がほぼ8C!nで全ガスの流れがほ
ぼ2乃至5リットル/分で行ない、02:BBr3のモ
ル比は65より大きくなくて、第2の熱処理のドライブ
・イン・プロセスの後に、浸透の深さがほぼ0.5乃至
1μmで、表面抵抗が30乃至40Ω/口を得るために
は、毎分のBBr3の量をほぼ15乃至30ミリグラム
/分にセットすると良い。本発明の方法により高ドープ
された領域を作るには、第2の熱処理のドライブ・イン
の際にほぼ950乃至1050℃の温度で不活性ガス雰
囲気中で操作が行なわれる。不活性ガス雰囲気中のドラ
イブ・インでは、ある程度ホウ素がシリコンの外に拡散
により失なわれるが、しかし、シリコン中のホウ素の大
部分が成長二酸化シリコンに溶けるような場合、シリコ
ンは酸化ドライブ●インによるよりもほとんどホウ素で
デイプレツシヨンされない。それゆえに、シリコン上に
ホウ素酸化物の必要量を付着するためのこれらの条件の
下では、3乃至5分間の被覆で十分である。もし被覆が
3分以内で行なわれるなら、プロセスを制御することは
困難である。第1及び第2の熱処理の際の典型的な条件
で、本発明による方法を用いて形成したホウ素のプロフ
ィールが第3図に示されている。第3図は、ヒ素を含ま
ないシリコン領域の表面からの距離に対する所与のホウ
素濃度のダイヤグラムを示す。曲線1は第1の熱処理後
のホウ素のプロフィールを示し、曲線■は第2の熱処理
後のホウ素のプロフィールを示す。この図から、第1の
熱処理後は表面でのホウ素の濃度COBは1CPホウ素
原子/C!l程度であり、浸透の深さは0.1μmより
小さいと結論づけられる。ドライブ●インの後、ホウ素
の表面濃度COBはまだ1Pホウ素原子/Cll以上で
あり、浸透の深さはほぼ0.7μmである。ドライブ・
イン後光度測定の分析方法により測定されたホウ素は4
.5×1015ホウ素原子/C!lである。先行技術の
通常の方法による高ドープされたホウ素領域の製造にお
いて得られる対応する値は、第1の熱処理の後ではCO
Bが5.5×1Cf!Oホウ素原子/alでXjが0.
6μmであり、ドライブ●イン後はCOBが3×101
9ホウ素原子/dでXjが1.4μmである。これゆえ
に、本発明の方法による高ドープされた領域の製造にお
ける濃度の値は、先行技術の通常の方法によるこのよう
な領域の製造におけるよりも高い。前にも指摘したよう
に、本発明の方法により作られた高度にヒ素ドープされ
た領域(典型的な表面濃度COA3がほぼ1σ1ヒ素原
子/Cll)と高度にホウ素ドープされた領域との間の
重なり合つたゾーンにおいては、先行技術で知られてい
る結晶の転位が現われないことは全く驚くことである。
本発明により開示された方法をさらに説明するために、
第4A乃至第4E図により半導体構造体の製造が今から
述べられる。
本発明の方法はこのような製造に有利に適用できる。第
4A図は、内にN型に高ドープされた領域22が形成さ
れたP型低ドーピング基板を示す。この基板の全表面の
上に、二酸化シリコン層24が熱酸化により付加されて
いる。この操作の結果が第4B図に示されている。層2
4では、サブ・アイソレーシヨン拡散のための拡散マス
クが、所定の大きさ及び拡散領域の所定の幾何学的配置
に従つて決められた位置では、基板20に到達する開口
26が二酸化シリコン層24に提供されるように、作ら
れる。この結果、第4C図に示されている。続いて、構
造体はP型の高ドープされた領域28を作るために、本
発明の方法に従つて処理される。結果は、またヒ素でN
型に高ドープされた領域22とホウ素でP型に高ドープ
された領域28との間の重ね合つたゾーン29をも示し
ている第4D図に示されている。それから二酸化シリコ
ン層24が取り除かれ、エピタキシャル層30が代つて
全表面上に成長する。外方拡散により、ヒ素原子及びホ
ウ・素原子が部分的にこのプロセスの間領域22又は2
8からこれらの領域の上のエピタキシャル層の領域へ導
入される。こうして、第4E図に示されているN型に高
ドープされた領域22゛及びP型に高ドープされた領域
26″が形成される。続いて、構造体は選択的に他のホ
ウ素拡散に晒されて、本発明の方法が有利に適用される
。このホウ素拡散の際に、P型の低ドーピング領域32
及び34が作られ、領域32は領域26″と共に絶縁の
ために用いられ、領域34はバイポーラ・トランジスタ
のベース●ゾーンとして働く。それから、N型に高ドー
プされた領域36及び38が公知の方法で作られ、領域
36はコレクタ接点を容易にするために及びシリコン表
面とサブコレクタ領域22″との間の接点として働き、
領域38はバイポーラ●トランジスタのエミッタ●ゾー
ンとして働く。最終的に作られた構造体は第4E図に示
されている。第4E図の構造体を作るために前述のホウ
素拡散における本発明の方法の使用は、公知の方法を用
いるのに比べて種々の多くの利点を有する。そし本発明
の方法がサブ・アイソレーシヨン拡散を行なうために用
いられるなら、重なり合つた領域29には結晶転位は存
在しない。もし以下の公知の開管拡散プロセスでサブ・
アイソレーシヨン拡散が行なわれるなら、結晶転位は現
われる。第1に、転位はエピタキシャル層30への領域
22″及び26″の制御できない外方拡散を起こすこと
になる。この他、重なり合つた領域29に近接した構造
体領域への転位の広がりは、バイポーラ●トランジスタ
におけるコレクタ●エミッタ・ショート回路の可能性を
増加させる。サブ・アイソレーシヨン拡散に対する本発
明の方法を使用する他の利点は、拡散の浸透の深さが第
2の熱処理後は先行技術の方法の場合より小さくなるこ
と、その結果エピタキシャル層の成長後のホウ素の横の
外方拡散は、公知のホウ素の拡散プロセス後の場合より
小さくなることである。本発明の方法は低ドープされた
領域例えばベース・ゾーンの製造において、先行技術に
よる方法よりもよりすぐれた均一性及び再生成性の結果
を提供するので、本発明の方法は改良された制御により
、公知のプロセスよりさらに小さなベース幅を可能にす
る。結局、本発明の方法は信頼性のより高いそして同時
により多くぎつしり詰められる集積回路の製造を可能に
すると結論づけることができる。本発明の方法をさらに
説明するために、熱処理で用いられたパラメータ及び6
つの実施例の結果が以下に与えられる。表1の例1乃至
4は低ドープされた領域を作るためのホウ素拡散であり
、表■の例6及び7は高ドープされた領域を作るための
ホウ素拡散である。これらの例では、各々第1の熱処理
後にホウ素ガラスが取り除かれる。例1乃至4では、バ
イポーラ●トランジスタのエミッタを作る場合と同じ温
度条件にシリコン・ウェハが晒される第3の熱処理が行
なわれる。この第3の熱処理の結果がまた表1に与えら
れている。すべての例では、反応管はほぼ8CTrLの
内径であり、シリコン・ウェハはほぼ57w!nの直径
である。表では、k日はアルゴンよりなる主な流れを表
わし、Ar,は主な流れの方へ流れる安定化の流れを表
わし、Ar(BBr3)は5℃のBBr3を通るように
注がれアルゴンの100ミリリットルがBBr3の25
ミリリットルを吸収したBBr3で変化したアルゴンの
流れを表わす。RSl,RS2及びRS3とXjl,X
j2及びXj3は、第1,第2及び第3の熱処理後の各
々表面抵抗と浸透の深さを表わす。圧℃はホウ素ガラス
を表わし、H2ODは水蒸気を表わす。表1は特に最後
の熱処理後のRs値の広がりを示していて、この広がり
は広い抵抗範囲にわたつていることを示している。さら
に例2は、被覆が酸化熱処理により中断された2つのス
テップで行なわれる場合に好ましい結果がまた得られる
ことを示している。表■は特に、第1の熱処理において
は被覆時間の正確な観察が特に重要であることを示して
いる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明により開示された方法のために用いら
れる反応管の概略的な実施例を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 拡散マスクを設けたシリコン基体を準備し、第1の
    熱処理において、BBr_3及びO_2をO_2:BB
    r_3のモル比が20乃至65となるように含んだ混合
    ガスに上記シリコン基体をさらすことにより、上記シリ
    コン基体を覆うホウ素ガラスの層を形成するとともに、
    上記シリコン基体のマスクされない領域にシリコンの豊
    富なホウ素相を形成し、第2の熱処理に先立つて、上記
    ホウ素相に実質的な影響を及ぼすことなく上記ホウ素ガ
    ラスを取り除き、第2の熱処理において、上記ホウ素相
    からホウ素を上記シリコン基体にドライブ・インするこ
    とを含むホウ素拡散によるシリコン基体のドーピング方
    法。 2 最初に希釈フッ化水素酸、次に熱硝酸そして最後に
    もう一度希釈フッ化水素酸中で処理することにより、上
    記ホウ素ガラスを取り除く、特許請求の範囲第1項記載
    のホウ素拡散によるシリコン基体のドーピング方法。
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