JPS6250971B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置の製造方法に関するもので
あり、加熱工程における省電力化を計るとともに
局所加熱を可能ならしめる事を目的とする。また
本発明の別の目的は極めて浅い接合深さの拡散層
の形成を可能ならしめる事にある。

半導体産業においてはシリコンを始めとする半
導体ウエーハに酸化・拡散・シンタなど様々の熱
処理を施すことにより半導体装置を得ているが、
現在これらの加熱の大部分は電気炉によつてなさ
れている。半導体ウエーハの大口径比が着々と進
行しつつある今日、炉心管の大きさも急激に増加
して電気炉を運転させることは非常に多額のコス
トを要するようになつた。しかも通常は安定性を
重視するため電気炉は連続運転されるので電力以
外にもキヤリアガスとしての窒素ガスなどが大量
に必要である。1000℃以上の高温炉ではウエーハ
の出し入れ時にそりを生じるので900℃待機式
式、すなわち炉温度を900℃に保ちウエーハを炉
心管中央部に移動した後に所定の温度に昇温して
所定の熱処理を施し、その後再び900℃に降温し
てからウエーハを取り出す方式が採用されてお
り、いくらかの省電力化に寄与はしているが本質
的には電気炉の消費電力を小さくすることは不可
能と言える。

電気炉の持つ機能からして当然ではあるが、電
気炉中に放置されたウエーハは表面より裏面にい
たるまで均一に加熱される。しかしながら通常拡
散層の深さは高々10μｍしかなく、ウエーハの厚
みは200〜500μｍであるからウエーハの大部分は
無駄に加熱されているにすぎない。半導体集積回
路が形成される表面より10μｍ程度が均一に加熱
されれば十分なのである。必要としない部分まで
を加熱することはウエーハに結晶欠陥を生成せし
めたり必要としない不純物の混入をもたらすので
あり、とくに半絶縁性基板のGaAsなどでは基板
そのものの変質という致命的な結果を招くのであ
る。また最近のように集積度が向上してパターン
の微細化が進むと拡散層間の距離も必然的に短か
くなり、熱拡散法ではもちろんイオン注入とアニ
ールによる拡散をもつてしても後述するように拡
散層の横方向への拡がりを小さくできなくなつて
しまつた。このため３μｍ以下のデザインルール
における高密度化への取組はかなり困難と言わざ
るを得ない。またウエーハ上の特定の領域を選択
的に加熱して性能の向上や変更を計ることなど電
気炉では原理的に不可能である。

つぎに拡散について考えてみよう。拡散工程は
半導体基板内に拡散層を形成したり、あるいは多
結晶半導体層に導電性を与えるために不純物を導
入する工程である。従来は高温電気炉中に半導体
基板を挿入してBBr₃やPOCl₃などのガス雰囲気中
に放置するか、あるいはPSG（燐ガラス）やBSG
（硼素ガラス）を半導体基板に低温で堆積した後
高温電気炉中に放置することによつてなされてい
た。このような高温拡散方法は、例えばCMOSに
おけるＰウエル形成などのような低濃度拡散にお
いては制御性が悪いために、また中〜高濃度拡散
においては均一性と再現性向上のために最近では
イオン注入による拡散に置き換えられてしまつ
た。

イオン注入による拡散とは、イオン化した不純
物原子または不純物分子を加速器を用いて半導体
に打ち込み、その後アニールと称する熱処理によ
つて半導体基板に打ち込まれた不純物を電気的に
活性化することにより拡散層を形成する方法であ
る。したがつて浅い接合深さの拡散層の形成に適
していることが容易に分るであろう。なぜならば
深い拡散層を得るためには不純物を深く打ち込ま
ねばならず、このためには途方もなく大きな加速
エネルギーを必要とするからである。したがつて
イオン注入で深い拡散層を得るためには高温で長
時間のドライブインが必要である。またイオン注
入では不純物が方向性を持つて打ち込まれるため
従来の熱拡散法に比べると拡散層の横方向への拡
がりが小さく、浅い接合深さの拡散層の形成が容
易なこととも相まつて高密度集積回路においては
不可欠の拡散技術となつている。

しかしながらイオン注入で不純物を浅く打ち込
む事は可能であつても第１図に示すようにアニー
ルによつて拡散が進行して最終的な拡散深さが増
加することは避けられない。第１図において点線
は半導体基板に打ち込まれた不純物のイオン注入
後の、また実線はアニール後の深さ方向の分布を
示している。アニールは不純物の活性化とともに
半導体基板内にイオン注入によつて発生した結晶
欠陥を回復させて再結晶化させるためには不可欠
で、打ちこまれた不純物の量と加速エネルギーに
よつて異なるが、800〜1000℃、15〜60分程度の
熱処理が必要とされており、電気炉を使用するか
らには拡散の進行を阻止することは困難である。

最近にわかに注目を集めているレーザアニール
はレーザ光の有する光エネルギーをウエーハの一
主面上に照射されることによりなされる新しい加
熱技術である。レーザ光は周知のようにコヒーレ
ントで単位面積あたりの光エネルギー密度が極め
て高い。ウエーハの一主面上に照射されたレーザ
光はウエーハ表面より指数関数的に減衰しながら
吸収されていく。この吸収に伴なつてレーザ光の
エネルギーがウエーハに熱となつて与えられる。
レーザ光のエネルギー密度はCW（連続発進）で
10^2〜3W／cm²、Ｑスイツチをかけると10^6〜9W／cm²
極めて高い。Ｑスイツチをかけた場合にはパルス
幅が10μsec以下となつて10^1〜3J／cm²となり、ウ
エーハ表面はレーザ光を照射されるとほぼ瞬時に
して1000℃以上に加熱され、照射が終ると直ちに
冷却していくという大きな特徴を有している。こ
のためイオン注入で形成された拡散層にレーザア
ニールを行なうと打ちこまれた不純物原子は拡散
される間もなく半導体基板の格子点に移動して活
性化されるということである。すなわちレーザア
ニールではイオン注入によつて形成された拡散層
の深さ方向への分布がほとんど動かないと言われ
ている。このことは高密度MOS集積回路にとつ
てはシヨートチヤンネル効果によるMOSトラン
ジスタのしきい値電圧Ｖ_Tの低下やソース・ドレ
イン間のパンチスルーによる耐圧低下の防止に極
めて有効であり、またバイポーラ集積回路ではエ
ミツタのコレクタ領域への突き抜け防止に効果的
である点で極めて重要なことである。

この他にも多結晶あるいは無定形半導体にレー
ザアニールを施すことにより結晶性の改善を試み
て、例えば燐をドープした多結晶シリコンのシー
ト抵抗を10Ω／□以下にできた事例など従来の拡
散および熱処理技術では極めて困難もしくは不可
能であつた事項の幾つかがレーザアニールで可能
となつたことは注目に値しよう。しかしながらレ
ーザアニールに使用するようなハイパワーのレー
ザ光のビームスポツトを10μｍ以下に絞るのは極
めて困難であるためウエーハ上にレーザビームを
走査する場合に照度むらによる不均一性を阻止で
きないし、また選択的照射を可能とするためのマ
スク材または反射材の形成も末だ成功していない
ために局所加熱も実現していない。さらにレーザ
光の吸収は集積回路を構成する酸化シリコン膜，
窒化シリコン膜，多結晶シリコン膜，シリコン基
板などの吸収係数によつて大きく左右されるため
にウエーハ表面から一様に加熱されるわけではな
いことも実施にあたつては考慮を要することであ
ろう。そして透明性基板、例えばサフアイア基板
上のシリコン薄膜などでは半導体層が薄すぎるた
めにレーザ光の吸収量が著しく低下してしまうな
どレーザアニールが全ての物質を加熱可能でない
ことも忘れてはなるまい。

上述したようにウエーハの加熱に関しては電気
炉による均一加熱とレーザアニールによる光エネ
ルギの吸収加熱の２通りの方法があり、前者では
赤外線の、また後者では光のエネルギを使用して
いる。またウエーハへの拡散に関しては電気炉に
よる固相または液相拡散と、イオン注入と電気炉
またはレーザによるアニールの２通りの方法があ
る。本発明はこれら２通りの方法とは全く異なる
原理に基づく新規な加熱・拡散方法であつて、電
磁波のエネルギを利用する点に特徴があり、電磁
波のエネルギを一旦ウエーハ表面に被着された金
属層に熱として移し、金属層を熱源として絶縁性
被膜または不純物を含む被膜とウエーハを加熱す
ることにより熱処理または拡散を行なうものであ
る。以下図面とともに本発明の実施例について説
明する。

第２図は半導体基板１に自己整合型のソース
２、ドレイン３拡散がなされ、全面に絶縁膜６、
ひきつづき高融点金属層７が被着形成された状態
を示し、４はゲート酸化膜、５は多結晶シリコン
であつてMOSトランジスタの断面図である。い
ま高融点金属層７としてモリブデン（Mo）を選
ぶと導電率はσ＝1.72×10⁷／ｍであるから10G
Hzの電磁波に対する表皮厚はδ＝√２＝
1.23μｍとなる。そこでMo膜７の膜厚を1.5μｍ
に選べばMo膜７に浸透していく電磁波のエネル
ギは90％以上吸収されることが分る。つぎにMo
膜が10GHzの電磁波に対して示す表面インピーダ
ンスはZm＝（１＋ｊ）／δσ＝0.047（１＋ｊ）
であるからMo膜７中に吸収される電磁波の電力
はＰ_M＝2Yo²E²Re（Zm）となり、一方自由空間
８中の電磁波の電力はＰ＝１／２YoE²であるからMo 膜７中に吸収される電力比は ＰＭ／Ｐ＝4YoRe（Zm） ＝４Ｒｅ（Ｚｍ）／Ｚｏ４×０．０４７／３７７＝
4.9×10^-4 となる。ここでYo，Zoはそれぞれ電磁波の自由
空間中におけるアドミツタンスとインピーダンス
である。したがつて単位面積あたり10KWの電力
密度の電磁界中に放置されたMo膜７は単位面積
あたり4.9Wの電力を授与され、しかもこのエネ
ルギはジユール損として全て熱になつてしまう。
いま３インチウエーハに厚さ1.5μｍのMo膜７が
被着されているとするとMo膜の総重量はわずか
に0.07ｇであるので、このMo膜７を1000℃に加
熱昇温するのに必要な熱量は4.2caとなり仕事
量に換算すれば42.6ジユールであるから３インチ
ウエーハあたり10KWの電力密度で10GHzの電磁
波を照射するとMo膜７は17.6／4.9＝3.6秒で1000
℃にまで昇温することができる。ただし、実際に
はMo膜７の昇温につれて自由空間８への輻射熱
損および絶縁性被膜６を介して半導体基板１への
伝導熱損が存在するために1000℃に昇温するため
にはもう少し電磁波の照射時間は増すが、電磁波
の電力密度も調整することによりMo膜７で発生
する熱量と上記熱損失がバランスした状態で所定
の高温度の熱平衡状態を保持できることは明らか
である。絶縁性被膜６を介しての伝導熱損が半導
体基板１の表面を加熱するわけであり、これによ
つて例えば導電性を与えるために不純物をドープ
した多結晶シリコン５やイオン注入で不純物を打
ちこんだソース２、ドレイン３の熱処理がなされ
る。この数〜数十秒の加熱時間はレーザアニール
と比べるとずい分長いものであるが、電気炉によ
る加熱と比べると格段に短かく、しかも半導体基
板１の表面から均一に加熱されるという特徴はレ
ーザアニールでは得られないすぐれた特長であ
る。また半導体基板１、絶縁性被膜６およびMo
膜７よりなる熱系は極めて質量が小さいために加
熱温度の変更は数秒以下という短かさで、電気炉
の炉温度変更が10〜30分かかることを考えると極
めてスピーデイな加熱処理の可能なことも分るで
あろう。

第３図は他の実施例を示す断面図であつてMo
膜９は選択的に被着形成されている。上述したよ
うにMo膜のみを熱源とする本発明においてはMo
膜９直下の領域のみを選択的に加熱することが可
能で、第３図ではMo膜９直下の多結晶シリコン
層５，１０のみの抵抗値を変化させながら、ソー
ス２、ドレイン３の拡散層の抵抗値や拡散深さに
全く影響を与えない熱処理が実施できる。

この第２の実施例においてはMo膜９でおおわ
れていない半導体基板１にも電磁波が浸透してい
く。たとえば半導体基板１がシリコンで比抵抗が
１Ωcmのとき10GHzの電磁波に対して表皮厚が
500μｍとなつてシリコン基板１の厚みと同じに
なりシリコン基板１もかなり加熱されるためにシ
リコン基板１の比抵抗に応じて電磁波の周波数を
変えないと本発明の効果、すなわちウエーハ表面
より均一に加熱される効果が弱められる。半導体
基板１が極めて薄いか、あるいは半導体基板１の
比抵抗が大きければ半導体基板１で吸収される電
磁波の電力は半導体基板１を加熱できるほど大き
くはならないので、半導体基板１としてシリコン
ではなくCrをドープしたGaAsのような半絶縁性
基板もしくはサフアイアやガラスのような絶縁性
基板を基板とする半導体装置においては第２の実
施例は極めて有効である。とくに半絶縁性基板を
用いたGaAsでは拡散層近傍のみを高温加熱でき
るので電気炉の場合と比べると基板の半絶縁性が
破壊されないという画期的な熱処理が可能であ
る。

第４図は本発明の第２の要点である加熱拡散を
行なう場合の断面図を示す。通常のガス拡散や固
相拡散と同じように半導体基板１上に絶縁膜１１
を被着し場合によつては絶縁膜１１上に多結晶シ
リコン層１２，１３を選択的に形成しさらに絶縁
膜１４を全面に形成し、前記１４に開口部１５
を、前記１４，１１を通して開口部１６を形成
し、多結晶シリコン層１３および半導体基板１の
一部を露出させた状態が第４図ａである。ひきつ
づき第４図ｂに示すように全面に不純物を含む被
膜１７例えばPSG（燐ガラス）と絶縁性被膜６′
例えば酸化シリコン膜を被着し、さらに第一の実
施例のように全面に高融点低抵抗金属層７を被着
形成する。そして金属層７としてMoを選びその
膜厚を1.5μｍとし、10GHzの高周波電磁界中に
放置すれば３インチウエーハあたり10KWの電力
密度では数内至数十秒でMo膜は1000℃に昇温可
能であることは既に述べた。1000℃の高温にある
Mo膜７を熱源として絶縁膜６′を介して不純物を
含む被膜１７および半導体基板１の表面付近が加
熱されることにより拡散がなされるわけで、半導
体基板１には開口部１６より不純物が拡散され、
拡散層１８が形成される。このときもちろん多結
晶シリコン層１３にも不純物が拡散される。本発
明拡散法の最大の特徴は高融点金属層のみが短時
間だけ高温状態を提供可能なためにウエーハ表面
の近傍にのみ不純物が拡散されることで、拡散層
１８の深さを0.1μｍ以下にすることが初めて可
能となつた。

第５図は第４の実施例を示す断面図でMo膜９
は選択的に被着形成されており、第２の実施例と
同じくMo膜９直下のみの加熱が可能となる。し
たがつて第４図ｂに示す工程で拡散の終了した多
結晶シリコン１３や拡散層１８に余分な加熱を施
すことなくMo膜９直下の多結晶シリコン層１２
にのみ不純物を含む被膜１７より不純物を拡散さ
せることが可能である。このことは多数回の拡散
工程を必要とする集積回路においては重要な意味
を持ち、拡散層の深さが熱処理やアニールの度毎
に深くなつていく欠点を回避できるという大きな
利点である。

第４の実施例も第２の実施例と同じく絶縁性ま
たは半絶縁性の基板を用いる半導体装置において
特に有効と言える。

半導体基板１上または不純物を含む絶縁性被膜
１７上に形成される絶縁性被膜６′は、高融点低
抵抗金属層７または９が高周波電力を吸収して昇
温，溶融した場合に不純物を含む被膜１７さらに
は半導体基板１や半導体層５，１０，１２，１３
などに拡散していつて合金を形成するのを防止す
るためのマスク材として必須の材料であり、一方
で不純物を含む被膜１７や半導体基板１あるいは
半導体層に熱を伝える役目も担うわけであるから
あまり厚い膜厚は好ましくなく１μｍ以下の厚み
が望ましい。また材質に関してはシリコン系の半
導体装置の製造において用いられる酸化シリコン
膜，窒化シリコン膜，アルミナ膜またはこれらの
多層膜が一般的であるが要は絶縁性の耐熱物質で
あつて好ましくは熱伝導率が大きく、下地の半導
体基板１と熱膨張係数が接近していることが要求
される。

高融点低抵抗金属材としてはもちろん融点が高
いほど加熱能力が向上し、また抵抗値が小さいほ
ど表皮厚が薄くなつて選択的パターン出しが容易
かつ微細化が可能となるので実施例のMo以外に
もTaやＷが極めて有用である。なおこれらの高
融点金属の薄膜形成にはスパツタによる蒸着が一
般的であろう。本発明において表皮厚よりも高い
周波数で電磁波の吸収加熱を行なう理由は、高融
点金属膜中に吸収可能なだけ高周波電磁界のエネ
ルギを吸収させて加熱の効率を上げるためであ
る。

また、不純物を含む被膜１７としては引用した
PSGの他に、BSGや砒素シリカフイルムなど硅素
ガラス系に限らず、半導体基板１に被着できる性
質を備えていれば十分なことは説明を要しないだ
ろう。

以上述べたように本発明による加熱，拡散等の
方法は従来の電気炉を用いた加熱，拡散方法と比
べると数〜数百秒間の加熱あるいは拡散時間だけ
高周波電力を与えればよいのであるからそのラン
ニングコストは著しく小さなものとなる。またレ
ーザアニールとほぼ同等の加熱処理能力が可能で
ありながら半導体装置表面の材質を問わず高融点
金属層直下から均一に加熱することが可能なこ
と、また高融点金属層の選択的形成によつて局所
加熱および局所拡散が可能となつたこと、さらに
はレーザ光による吸収発熱が期待できないガラス
基板上の半導体薄膜にも加熱，拡散が可能となつ
たことなど数多くの優れた特長を有している。

そして0.1μｍ以下の浅い接合深さの拡散層が
可能であり、イオン注入の場合のように必要とし
ない不純物まで打ちこまれるノツクオン現象や不
純物の分布がだらだらと尾を引くチヤネリング現
象のない拡散層が得られる。本発明は加熱時間の
短かい拡散であるから拡散層の深さも浅く、した
がつて拡散層の濃度こう配の変化を急峻にできる
という大きな利点を併せ持つていることを付記し
ておく。

以上のように、本発明は半導体装置の製造に格
別の作用効果を発揮することができ、半導体装置
の製造に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン注入された不純物原子のイオン
注入直後（点線）と電気炉によるアニール終了後
（実線）の拡散深さを示す分布図、第２図、第３
図は本発明の実施例による加熱工程の断面図、第
４図ａ，ｂ、第５図は同じく本発明の実施例の拡
散を示す工程断面図である。 １……半導体基板、２……ソース、３……ドレ
イン、４……ゲート酸化膜、５……多結晶シリコ
ンゲート、６，６′……絶縁膜、７，９……高融
点金属層、１０，１２，１３……多結晶シリコン
層、１１，１４……絶縁膜、１５，１６……開口
部、１７……不純物を含む被膜、１８……拡散
層、８……自由空間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板または半導体層上に絶縁膜を介し
   て高融点金属よりなる金属薄膜を形成し、前記金
   属薄膜の厚みを表皮厚とする周波数よりも高い周
   波数の高周波電磁界中に前記半導体基板または半
   導体層を有する基板を放置し、前記金属薄膜を熱
   源として前記半導体基板または半導体層を加熱す
   ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 ２ 高融点金属材としてモリブデン、またはタン
   タル、もしくはタングステンの少なくとも１つを
   用い、絶縁膜として酸化シリコン、または窒化シ
   リコン、もしくはアルミナの少なくとも１つを用
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の半導体装置の製造方法。 ３ 半導体基板または半導体層上に不純物を含む
   被膜と絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上に高融点金
   属よりなる金属薄膜を形成した後、前記金属薄膜
   の厚みを表皮厚とする周波数よりも高い周波数の
   高周波電磁界中に前記半導体基板または半導体層
   を有する基板を放置し、前記金属薄膜を熱源とし
   て前記不純物を含む被膜より前記半導体基板また
   は半導体層に不純物を拡散することを特徴とする
   半導体装置の製造方法。 ４ 高融点金属材としてモリブデン、またはタン
   タル、もしくはタングステンの少なくとも１つを
   用い、絶縁膜として酸化シリコン、または窒化シ
   リコン、もしくはアルミナの少なくとも１つを用
   い、不純物を含む被膜としてPSG（燐ガラス）、
   またはBSG（硼素ガラス）、もしくは砒素を含む
   シリカフイルムを用いることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の半導体装置の製造方法。