JPS6011803B2 - 半導体素子基板表面に不純物拡散層を形成する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、半導体素子基板表面に不純物拡散層を形成
する方法に関するものである。

従釆、半導体素子基板表面に不純物拡散層を形成するに
際して、不純物の供給法としては、塗布法、ガス法、固
体蒸発法、液体バプリング法等があるが、これらのいず
れの方法においても、シート抵抗（ｐｓ）の十分に低い
不純物拡散層を得るには、拡散時間を短縮すること、拡
散温度を低くすること、表面不純物濃度が低い場合でも
良好な拡散が行なえるようにすること等の議題を有して
いた。

すなわち、不純物拡散層のシート抵抗を下げることは、
不純物拡散深さ（Ｘｉ）を大きくすること、あるいは表
面不純物濃度（Ｃｓ）を大きくすることによって可能で
あるが、前者においては拡散時間が長くなってコスト的
に問題があり、一方時間を短かくするためには拡散温度
を高くすれば良いが、この場合半導体素子の結晶性に悪
影響を与えることとなる。

さらに、不純物拡散深さ（×ｉ）が大きいと集積度等の
デバイス寸法等に制約を与えるというような種々の問題
があり、これは採用できない。また、後者すなわち表面
不純物濃度（Ｃｓ）を大きくする場合は、不純物拡散深
さが極く浅い場合には可能であるが、１一肌以上の拡散
深さの場合には、半導体素子基板表面に不純物供Ｖ給過
剰による不純物の蓄積のための合金層が形成され、後工
程において結晶欠陥の発生につながることとなる。また
、合金層を形成しないようにするために、一定量の拡散
不純物を供給した後、不純物供給を停止して押込み拡散
を行なう方法も従釆から行なわれているが、この方法で
も長時間拡散では基板表面で不純物不足による表面不純
物濃度の低下が起り、拡散係数を大きな値に維持するこ
とはできず、シート抵抗を小さくすることは困難である
。さらに前述の合金層の形成を防止する目的で半導体素
子基板表面に不純物を供Ｖ給する前に、予め酸化膜を形
成しておく拡散方法もすでに発表されているが、この場
合には、不純物拡散中に酸化膜は徐々に拡散不純物に侵
されてゆき、長時間の拡散には耐えられずに結局は共晶
を形成するか、あるいは共晶が形成されないほど酸化膜
の厚さが厚ければ、マスク効果により不純物濃度が上が
らず、したがって拡散係数も大きくならず、シート抵抗
も下がらないことになる。本発明者は、上述のような観
点から、不純物濃度関数〔Ｃ（ｘ）〕を、表面不純物濃
度が合金層を形成しない範囲になるように抑え、かつ半
導体素子基板表面の不純物濃度分布を不純物拡散深さに
関して濃度勾配がないようにすることによってシート抵
抗の低下をはかるべく、特に、半導体素子基板表面に、
半導体と不純物元素とが合金層を形成する程には不純物
濃度が高くはないが、拡散係数が特に大きくなるところ
の固港度に近い高濃度拡散を行なった場合に、拡散の初
期においては補誤差関数では近似できない不純物濃度分
布をもつ高濃度不純物拡散層を拡散深さ１山肌以下の部
分に存在するという報告に着目して研究を行なった結果
、この高濃度不純物拡散層を長時間持続させることによ
り、‘ａー 不純物拡散深さが一定の場合、従来得られ
なかった程に不純物拡散届のシート抵抗（ｐｓ）を十分
に低くすることが可能である。

‘ｂ｝ 同一拡散深さ、同一シート抵抗のときは、拡散
時間を短縮でき、また拡散温度を低くすることができる
。

‘ｃ’従来、基板内、基板間、あるいは拡散ロット間で
の不純物拡散深さ、シート抵抗、および表面不純物濃度
などのバラツキを小さくすることは、高濃度の表面不純
物濃度の場合は比較的容易であったが、低濃度の場合に
は困難であったものを、低濃度の場合にもそのバラツキ
を小さくすることができ、しかも表面不純物濃度を広範
囲に選択できる。

という‘ａ】〜【ｃ｝項に示される知見を得、【ｄー
さらに半導体素子基板の表面に、拡散不純物を含まない
薄膜Ａと拡散不純物を高濃度で含む薄膜ＢとをＡＢの順
に交互に５層以上積み重ねて層を形成することによって
、前述の高濃度不純物拡散層が生じているのと同じ状態
にしてやれば、上記‘ａ｝〜‘ｃー項に示される高濃度
不純物拡散層を長時間持続させた場合と同様の作用効果
がもたらされること。

以上｛ａ｝〜【ｄ｝項に示される知見を得たのである。

したがって、この発明は上記知見にもとづいてなされた
ものであって、半導体素子基板を酸化性加熱雰囲気の拡
散炉内に挿入して、その表面に酸化薄膜を形成した後、
前記拡散炉内において、前記酸イ岱薄膜を形成した半導
体素子基板表面に拡散不純物を高濃度に含有する酸化薄
膜を形成するための加熱雰囲気と、拡散不純物を含有し
ない酸化薄膜を形成するための加熱雰囲気との交互形成
を１工程とし、この工程を少なくとも２工程以上行なう
ことによって、所定深さの不純物拡散層を有する半導体
素子を再現性よく製造することに特徴を有するものであ
る。ついで、この発明の方法を実施例により具体的に説
明する。

実施例 １ 第１図には、この発明の方法を実施するのに用いた拡散
炉が概略縦断面図で示されている。

図面において、１が円筒状の石英製炉芯管、２が前記炉
芯管１の両端部に欧着された石英製キャップ、３が前記
炉芯管１内に形成された温度１２８０℃の均熱部、４が
同じく温度１０７０℃の均熱部、５，５′が石英製ボー
ト、Ｓが半導体素子基板としてのシリコン基板、６，７
が加熱装置、８が窒素ガス供給源、そして９が水蒸気供
給源である。したがって、前記構造の実施装置を使用し
てシリコン基板Ｓの表面に不純物拡散層を形成するに際
しては、まず拡散炉における炉芯管１の均熱部３（温度
１２８０ｑｏ）、すなわち拡散不純物を含有しない加熱
大気雰囲気中に、表面に形成されたシリコン酸化膜を選
択エッチングすることによって拡散マスクから表面を露
出させたＰ型１５０弧のシリコン基板Ｓをゆっくりと挿
入することによって、前記シリコン基板Ｓの表面の露出
した部分に厚さ約１０００〜１２００Ａのシリコン酸化
膜を形成した。ついで温度１０７０℃に加熱された灼熱
部４に、４夕の３酸化アンチモンを入れた石英製ボート
５を装着した後、図示のように直ちに石英製キャップ２
を炉芯管１の両端部に装着し、窒素ガス供給源８より２
〆′ｍｉｎの割合で酸素１０％含有の窒素ガスを炉芯管
１内に１雌ご間供給し、拡散炉内奏図気を拡散不純物を
高濃度に含有する加熱雰囲気とした。この場合３酸化ア
ンチモンは３〜４分間の短時間で個渇し、その後は拡散
不純物を含有しない加熱雰囲気が形成されるから、前記
シリコン基板Ｓの表面には、拡散不純物を含まない第１
層薄膜Ａとしてのシリコン酸化膜と、拡散不純物として
のアンチモンを高濃度に含む第２層薄膜Ｂとしての高濃
度アンチモンガラス層と、前記３酸化アンチモンの潤潟
後に形成された不純物を含まない第３層薄膜Ａ′として
の薄いシリコン酸化膜とが形成される。この第３層薄膜
Ａ′の形成によって、それ以後前記第２層薄膜Ｂとして
の高濃度アンチモンガラス層からのアンチモンの外向拡
散が防止される（マスク効果）と共に、つぎの３酸化ア
ンチモン供Ｖ給時に第１層薄膜Ａと同様の働きをする。
つぎに前記窒素ガスの供鼓給を止め、キャップ２をはず
して新たに３夕の３酸化アンチモンを入れたポ−ト５′
を、図示のように均熱部４に追加袋入した後キャップ２
を鉄着し、再度窒素ガス供給源８より同割合で前記炉芯
管１を通して酸素１０％含有の窒素ガスを流して、再び
拡散炉内雰囲気を拡散不純物を高濃度に含有する加熱雰
囲気とし、このように窒素ガスの供給を２０分間行ない
、拡散不純物としてのアンチモンを高濃度に含む第４層
薄膜Ｂ′としての高濃度アンチモンガラス層と、前記３
酸化アンチモンの潤潟後に形成された不純物を含まない
第５層薄膜Ａ″としての薄いシリコン酸化膜とを形成し
た後、弁を切り換えて水蒸気供蛤△源９より水蒸気を前
記窒素ガスにかえて炉芯管内に１耳分間供給して拡散処
理を終了した。この結果、不純物拡散深さ（×ｊ）：４
．２±０．５ム机、シート抵抗（ｐｓ）：１０±ＩＱ／
地の特性をもった不純物拡散層がシリコン基板Ｓの表面
に形成され、その表面にはアンチモンとの合金層は形成
されていなかった。

なお、この実施例の場合、第１層薄膜Ａと第３一層薄膜
Ａ′とは共に一定時間後にはアンチモンによって侵され
てアンチモンガラス層に変化するが、前記アンチモンガ
ラス層に変化するまでは一定量以上のアンチモンがシリ
コン基板表面やアンチモンガラス層に供給されるのを防
げる緩衝膜として作用するため、シリコン基板表面にア
ンチモンとの合金層が形成されることはない。

また第２図の埋込み拡散層の実測値にもとづく不純物濃
度分布図に、この実施例で形成された不純物濃度分布が
曲線ａで示されるように、不純物拡散深さのかなりの深
い部分まで濃度勾配が非常に小さなものとなっている。
これに対して、比較の目的でアンチモンを従来固体蒸発
法を適用して拡散させた場合には曲線ｂに示されるよう
に濃度勾配が著しく大きなものとなっている。しかもこ
の発明によれば表面不純物濃度が高い状態に保持される
ので拡散係数を２倍以上に向上させる効果を長時間にわ
たって維持できるのである。なお、比較の目的で、第３
層薄膜Ａ′を形成することなく連続して３酸化アンチモ
ンを段窺舎する以外は上記実施例におけると同一の条件
で行なった場合には、シリコン基板表面にアンチモンと
の合金層が形成されており、後工程のェピタキシヤル成
長に悪影響を及ぼすものであった。

これらの結果からも第３層薄膜Ａ′が合金層形成防止に
重要な働きをすることが明らかである。実施例 ２ 第１図に示される拡散炉を使用し、上記実施例１におけ
ると同様の仕様で、上記実施例１におけるシリコン基板
よりも比抵抗の低いシリコン基板の表面により浅い不純
物拡散層を形成した。

すなわち、Ｐ型５０弧のシリコン基板を拡散炉における
炉芯管の温度１２８０℃の均熱部にゆっくり挿入する一
方、同じく炉芯管の温度１１２ぴ０の均熱部には４夕、
３夕、および３夕と３回に分けて３酸化アンチモンを入
れたボートを７分毎に１個づつ挿入し、前記ボートの最
初の挿入時点より２０分経過後に酸素１０％含有の窒素
ガスを水蒸気にかえ、５分間保持して拡散処理を終了し
た。この結果、不純物拡散深さ（Ｘｊ）：２．２〜２．
５仏肌、シート抵抗（ｐｓ）：１４．０〜１５．１０／
地、をもったシリコン基板が得られたが、その表面には
アンチモンとの合金層は形成されていなかった。上記実
施例１および実施例２の比較からも明らかなように、不
純物拡散深さを浅く、しかも拡散時間を短か〈する必要
があり、さらにシート抵抗の小さな拡散層が要求される
場合には、不純物滴潟層および高濃度不純物含有のガラ
ス層を数多〈繰り返し形成した状態で拡散処理を行なえ
ばよい。

また、最上層薄膜Ａ′は水蒸気によって形成することが
望ましく、これによって前記ガラス層の安定化とシリコ
ン酸化膜の成長促進がはかれるので不純物の濃縮による
効果が期待できるのである。

上記のように、半導体基板の表面における第１層簿膜Ａ
は拡散炉の高温領域に形成された酸化性雰囲気による酸
化膜形成法によって形成し、第２層薄膜Ｂおよびこれ劇
降の偶数番目薄膜は同じく高温領域に形成された拡散不
純物を所定量だけ含む雰囲気による拡散不純物層形成法
により、さらには第３層薄膜Ａ′およびこれ以降の奇数
番目簿膜は前記の拡散不純物の雰囲気への供給を停止し
、前記雰囲気中の不純物濃度を低下させた状態で形成す
るのが望ましい。

また不純物拡散源としてホウ素およびアンチモンの酸化
物を用いた場合について述べたが、その他の一般に従来
から使用されている拡散不純物、例えばホスフィン、ジ
ボランなどの水素化物、３塩化リンなどのハロゲン化物
、あるいはガリウム・アルミニウム、アンチモンなどの
金属元素なども利用することができる。

上述のように、この発明によれば、不純物濃度関数を表
面不純物濃度が合金層を形成しない範囲にあるようにす
ることができると共に、半導体素子表面の不純物濃度分
布を不純物拡散深さに関して濃度勾配を非常に小さなも
のとすることができ、さらに高濃度不純物拡散ばかりで
なく、拡散温度を高濃度不純物拡散の場合よりも低くし
たり、薄膜を多層にして各薄膜厚さを薄くすることなど
によって低濃度不純物拡散も実施することができ、いず
れの場合もシート抵抗の小さい半導体素子を均一性およ
び再現性が良好な状態で生産効率よく製造することがで
きるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法を実施するのに用いた拡散炉の
概略縦断面図、第２図は埋込み拡散層の実測値にもとづ
く不純物濃度分布図である。 図面において、Ｓ・・・・・・シリコン基板、１・・・
・・・炉芯管、２・・・・・・キャップ、３，４・・・
・・・均熱部、５，５′・・・・・・ボート、６，７…
…加熱装置、８……窒素ガス供給源、９・…・・水蒸気
供ｖ給源。 多ｌ図 多２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体素子基板を酸化性加熱雰囲気の拡散炉内に挿
   入して、その表面に酸化薄膜を形成した後、前記拡散炉
   内において、前記酸化薄膜を形成した半導体素子基板表
   面に拡散不純物を高濃度に含有する酸化薄膜を形成する
   ための加熱雰囲気と、拡散不純物を含有しない酸化薄膜
   を形成するための加熱雰囲気との交互形成を１工程とし
   、この工程を少なくとも２工程以上行なうことを特徴と
   する半導体素子基板表面に不純物拡散層を形成する方法
   。