JPH0628283B2 - 半導体基板に拡散領域を形成する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板中に拡散領域を形成する方法に関
し、特に単独でまたは溝絶縁構造と組み合わせて、拡散
領域がチャンネル・ストップ構造を形成するような場合
に有用な方法に関する。

〔従来の技術〕

最近のＶＬＳＩ集積回路の構造は、装置の密度をより高
くするとともに動作速度をより速くするために、各最小
形状部寸法および分割線がかってないほど縮小されてい
る。最小形状部寸法および最小分割線は、特別なリソグ
ラフ処理に用いる最小マスク寸法に依存している。また
リソグラフ処理自体の精度も、ウエハ表面構造および特
別な処理工程（エッチング、注入、拡散）に関連した形
状の変化等を含む種々の要素に依存している。

ＶＬＳＩおよび将来の最新装置には、より高密度の集積
化が必要となる。そのため、集積回路の製造技術とし
て、非常に小さい横寸法のチャンネル・ストップを形成
する技術が強く望まれている。同じ理由で、横寸法が非
常に微小な溝絶縁構造を形成する技術も望まれている。

第１図は溝構造１３の垂直側壁に沿って狭いチャンネル
・ストップ１２を有する望ましいＮＭＯＳ ＦＥＴ１１
を例示している。ＮＭＯＳ ＦＥＴ１１は、ＣＭＯＳ
（相補ＭＯＳ）構造の一部を構成しており、ｎ形エピタ
キシャル層１５の中に設けられたｐウェル１４に形成さ
れている。ＦＥＴ１１は重くドープされたソースおよび
ドレイン領域１６、１７およびＬＤＤ（軽くドープされ
たドレイン）領域１８を含み、それらはすべて導電的に
ドープされたポリシリコン・ゲート１９と自己整合的に
形成される。またＦＥＴ ＩＣ構造体はゲート酸化物側
壁スペーサー２１、内部平坦化用誘電体２２およびアル
ミニウム相互連結体２３を含む。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし残念ながら、リソグラフ処理および特別な処理工
程による従来技術を使用して第１図に示すような構造の
狭いチャンネル・ストップを形成する試みは、以下に示
す２つの制約により、成功していない。すなわち、チャ
ンネル・ストップを形成するため広く用いられている従
来技術は、従来のリソグラフ・マスクキングおよびドー
ピング技術を用いる。しかし、従来のリソグラフ・マス
クキングでは相当大きな整列許容度がなければならな
い。またドーピング技術においては、ドーパントのドラ
イブ・サイクル中チャンネル・ストップ領域の横拡散の
可変性がなければならない。これらの２つの制約のた
め、従来技術は第１図のような狭チャンネル・ストップ
構造を形成するためには適切ではない。

米国特許第４，２０９，３５０号は、デポジションおよ
びリアクティブ・イオン・エッチングを使用してチャン
ネル・ストップを形成し、チャンネル・ストップの幅を
定めることでリソグラフ・マスクの使用を回避するよう
にした方法を開示している。チャンネル・ストップ拡散
領域の水平／横幅は、拡散領域のための不純物ドーパン
ト源となる高ドープ層の寸法によって定められる。この
公知の方法は、第２図に示すチャンネル・ストップ２７
の形成過程を説明することによって理解できる。これら
のチャンネル・ストップは次のようにして形成される。
第１に、半導体基板２９の上に、二酸化シリコンまたは
これと同様な拡散バリヤ層２８が形成される。次に、リ
アクティブ・イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて拡散
バリヤ層２８に開口３１を形成する。その後、ドープド
絶縁体またはポリシリコン・ソース層を拡散バリヤ層２
８の上からデポジットした後、リアクティブ・イオンに
よりエッチングして拡散バリヤ層２８の側壁の垂直部３
２のみにドープド絶縁体を残す。その後、残留部３２の
底から垂直拡散によって基板のチャンネル・ストップ２
７を形成する。チャンネル・ストップ２７の幅は、拡散
バリヤ層２８の側壁のドーパント・ソース層３２のデポ
ジットされた幅により、決定される。

この公知の方法では、第１の層の側壁を使用することに
より、その下の基板に垂直拡散して第２のドープド層を
設ける。拡散バリヤ層２８が層３２からの横拡散を阻止
するため、層３２から垂直下方向の基板２９に向かって
拡散する。

この際、非常に浅いチャンネル・ストップ・ドーパント
の拡散の場合と異なり、このようにある程度深い垂直拡
散を行なう場合には、チャンネル・ストップの垂直拡散
中に生じる横拡散によって、本体比較的小さかったはず
のチャンネル・ストップの横方向寸法が大きくなってし
まうことに注意しなければならない。

従って、本発明は、小さな横寸法の拡散領域を形成する
ことができる半導体基板の拡散領域を形成する方法を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、選ばれた基板領域をエッチングして前記基板
の大体垂直な側壁を形成し、垂直側壁および水平表面を
含む、その結果形成された表面の上にドープド材料層を
形成し、前記層に対して異方性エッチング媒体を用いて
前記垂直側壁上の側壁部を除き前記基板表面から前記層
を除去し、その結果生じた構造体を加熱して、前記側壁
部から前記基板に対するドーパントの拡散を行って前記
拡散領域を形成する各工程を含む半導体基板の拡散領域
形成方法を提供する。

〔作用〕

本発明の方法の作用を簡単に説明すると、それは垂直側
壁領域を含む基板の表面構造上に二酸化シリコンのよう
なドープド誘電体材料層を形成することによって、半導
体基板の垂直に配置された表面に浅い拡散領域を形成
し、前記基板をエッチングして誘電体層の水平部を除去
し、一方垂直側壁部をそのままに残し、前記基板を加熱
して前記垂直側壁層部から前記基板の垂直側壁に対して
横方向からドーパントをドライブすることにより、シリ
コンと誘電体との間のドーパントの偏析係数またはガラ
スの選択的加熱によって、シリコン誘電体界面に沿って
垂直方向に不純物を濃縮することを内容とするものであ
る。

本発明の利点は、この方法が容易であり、精密に制御可
能であって、拡散領域について希望する寸法および濃度
レベルを提供することができるということである。

この方法は、ドープド誘電体層を除去し、次いでエッチ
ングした領域に誘電体材料を満たすことにより、チャン
ネル・ストップと溝絶縁構造を形成するのに適してい
る。

この実施態様において、ＣＭＯＳ集積回路のために使用
されるウェル形成のための不純物注入領域は、チャンネ
ル・ストップ・ドーパントをデポジットし、ドライブイ
ンする前にまたはその後に形成される。

また、チャンネル・ストップの製造中、水平／横ドーピ
ング濃度およびチャンネル・ストップ拡散の輪郭は、前
記偏析係数と共にアニールの時間／温度、誘電体層の側
壁厚および誘電体層のドーパント不純物濃度によって制
御される。

以下、図面に基いて本発明を実施例により説明する。

〔実施例〕

本実施例のチャンネル・ストッパ形成方法は、シリコン
および二酸化シリコンまたはその他の適当な誘電体の中
のボロンの偏析係数を利用して、側壁に形成されている
ボロンシリケート・ガラスから基板の溝側壁に対してボ
ロンを熱ドライブする。この発明の方法は、自己整合ゲ
ート技術にも適用可能である。

チャンネル・ストップと溝絶縁とを結合した構造を製造
する際の典型的な開始構造を第４図に示す。４０は、固
有抵抗１〜２０Ω-ｃｍを有するｐ-シリコン基板であ
る。ＣＭＯＳ集積回路の基板として、第１図に示すよう
に、ｎ-エピタキシャル層に形成したｐウェルを用いる
こともできる。基板４０のマスクとしては、典型的な例
であるホトレジスト・マスク４１に限らず、窒化シリコ
ン、二酸化シリコンまたはそれらの組み合わせを含む多
数の材料のいづれかを使用してもよい。Ｘ線またはイオ
ン・ビームで露光するのに適したマスク組成物を使用す
ることもできる。

ホトレジストを使用しする場合、ホトレジスト層を基板
上に形成し、露光および現像することにより、溝の場所
に対応する開口４２を有するエッチング・マスク４１を
作成する。チャンネル・ストップの形状は、溝絶縁構造
の形状により制限されない。また、図面の寸法は表現の
便宜上から選ばれたものであって、原寸を縮尺または拡
大したものではない。

次に、例えばプラズマ・エッチングまたはリアクティブ
・イオン・エッチング（ＲＩＥ）のような異方性エッチ
ング・プロセスを使用して、エッチングにより典型的に
は深さ約１〜６ミクロンの溝４３を形成する。

これにより、基板表面には、ほぼ水平な基板表面部４４
と、ほぼ垂直な側壁４６及びほぼ水平な底部４７からな
る溝とが形成された状態となる。このエッチングのため
の好ましいエッチング処理方法の１つとして、窒素トリ
フルオリド（ＮＦ３）のようなフッ素・エッチャント・
ガスを使用するリアクティブ・イオン・エッチングがあ
る。このような異方性リアクティブ・イオン・エッチン
グ処理によると、機械的エッチング要素すなわちイオン
・ボンバードメント要素（衝撃破壊要素）４８が横方向
エッチングを伴う化学反応によるエッチング要素をはる
かに上回るので、その後に形成されるチャンネル・スト
ップおよび溝絶縁構造体の横幅を最小とするのに必要
な、望ましい垂直側壁を形成することができる。

次に第５図を参照して、溝のエッチング後の処理プロセ
スについて説明する。

まず、例えば、ＣＨＦ３エッチャント・ガスを使用する
プラズマ灰化プロセスによって、マスク４１を除去す
る。次に基板表面に、高純度にドープされた絶縁層４９
を形成する。ボロンは偏析係数の点からドーパントとし
て好ましいものである。しかし、例えば１０．６マイク
ロメートルＣＯ２レーザを用いてドープド絶縁物領域を
シリコン領域よりはるかに高熱で加熱するというような
選択的加熱を行なう場合には、燐またはヒ素を使用する
ことができる。絶縁層４９は、その形成後、例えばスチ
ーム内での熱酸化または化学蒸着によってドープするこ
ともできる。しかし、絶縁層４９はその形成中にドープ
されるのが好ましい。１実施例においては、ドープド絶
縁層４９は約０．５〜８重量％の不純物を含み、厚さ
０．１〜０．２５マイクロメートルにデポジットされた
ボロンシリケート（または燐シリケートまたはヒ素ドー
プド）ガラスである。この層は、低圧プラズマ補助化学
的気相蒸着リアクタを使用し、温度３８０℃および圧力
１トルにおいて、ドーパント・ガスとして、例えば、リ
アクタント・ガスＳｉＨ４およびＮ２ＯおよびＢＦ３
（またはＰＨ３）を使用して形成される。

この温度および圧力については一定の幅があること及び
このようなガラス層を形成するための他の異なるプロセ
スを使用することができることは当業者であれば容易に
認識可能であろう。絶縁層（ガラス層）４９の厚さおよ
びドーピング・レベルは、チャンネル・ストップの濃度
を制御するためのその後のシリコンへのドライブインの
時間／温度の関係で選ばれる。

次の工程は、再び基板表面構造部分に異方性エッチング
処理を行なうことである。この工程により、水平表面部
４４、４７に形成されているガラス層４９を除去する一
方、第６図に示す構造を作るために、溝の側壁に垂直部
分にはガラス層４９を残す。このようなエッチング処理
に適したプロセスはＣＨＦ３を使用したリアクティブ・
エッチングである。前述したように、そのような異方性
リアクティブ・イオン・エッチング処理においては、イ
オン・ボンバードメント要素（衝撃破壊要素）は化学反
応エッチング要素をはるかに上回るので、垂直側壁部４
９Ｖは除去されず、絶縁層４９の水平部だけを除去す
る。ボロンシリケート・ガラスのような特別なドープド
層をエッチングするために、他の適当なリアクティブ・
イオン・エッチングまたはプラズマ・エッチングを選択
することもできる。例えば、絶縁層の異方性エッチング
はポーゲ（Ｐｏｇｇｅ）の米国特許第４，２５６，５１
４号に開示されている。それによると、まず、シリコン
基板に溝構造を形成し、その結果生じた水平および垂直
表面に酸化シリコンの様な絶縁体層を形成する。次に、
絶縁体層はエッチングされて、溝の垂直側壁上の層の部
分が狭い拡散マスクを規定するように溝の底部分から絶
縁体層を除去する。

第６図から第７図に至る次の工程は、溝側壁酸化物４９
Ｖからシリコン溝側壁４６に対してボロン・ドーパント
を横方向にドライブインすることである。約０．１〜
０．２マイクロメートルの深さにチャンネル・ストップ
１２を形成するために、急速な熱アニールすなわち反応
炉拡散を使用することができる。典型的な１５０ナノメ
ートル酸化物厚および１０20〜１０21原子／ｃｍ３酸化
物ドーピング・レベルのとき、窒素環境のような非酸化
環境下において約９００〜１，１００℃の反応炉 アニール温度を用いて約２〜５時間熱アニールすると、
約１０13原子／ｃｍ３濃度で溝側壁に対して０．１マイ
クロメートルの有効拡散深さのチャンネル・ストップ１
２を形成することができる。拡散の方向および大きさ
は、ボロンのシリコン内における偏析係数と二酸化シリ
コン内の偏析係数に基いて決定される。

燐ドープド（ホスホシリケート）ガラスまたはヒ素ドー
プド・ガラス４９を使用することもできる。しかし、こ
れらの偏析係数は、燐およびヒ素がシリコンに対して偏
析する傾向にあることを示している。そのため、選択的
加熱を行なうことによりシリコンに対しする偏析を制御
して、非常に浅いドーピングを行なうよう制御する。例
えば１０．６マイクロメートルで動作するＣＯ２レーザ
はヒ素ドープド・ガラスまたは燐ドープド・ガラスを選
択的に加熱するが、シリコンはレーザに対して透過性を
有するため、比較的冷えた状態に維持される。これによ
り、冷たいシリコンに隣接する熱くなったガラスからシ
リコン溝の側壁に沿って外側に拡散し、浅い０．１マイ
クロメートル幅の拡散１２が形成される。

第８図に示すように、溝構造体１３はその溝内に二酸化
シリコンの誘電体層５１を形成することによって完成す
る。酸化物は、反応ガスＳｉＨ４およびＯ２を使用した
温度４５０℃および圧力１トルの低圧化学蒸着によって
デポジットさせることができる。

以上のプロセスは、ＩＣ製造シークエンスに容易に組み
入れることができる。例えば、ＣＭＯＳ構造に使用する
ウェル形成のための注入は、基板側のドーピングの前ま
たは後で行なうことができる。

チャンネル・ストップを形成するための熱ドライブのパ
ラメータは、その後に行なわれる熱処理を考慮し、完成
時のＩＣ構造のドーパント領域の形状およびチャンネル
・ストップ寸法が最適状態となるように変更することが
できる。また、以上説明したチャンネル・ストップ構造
および製造技術はＮＭＯＳ，ＰＭＯＳ，ＣＭＯＳ，バイ
ポーラ構造を含むその他の集積回路構造に容易に組み入
れることができる。

〔発明の効果〕

本処理方法は自己調整ゲート技術にも適用できる。その
上、この方法によると、今までチャンネル・ストッパ領
域の最小サイズを制限していたリソグラフ・マスク形成
及び垂直拡散の両方が不要になる。また、本発明の方法
によると、チャンネル・ストップの寸法および濃度レベ
ルを容易且つ精密に制御することができる。さらに、シ
リコン半導体基板に形成された側壁を使用することで、
このチャンネル・ストップ製造プロセスは溝絶縁製造技
術とうまく統合し、溝絶縁およびチャンネル・ストップ
とを組合せた構造を形成する理想的な方法となってい
る。

図面の簡単な説明 第１図は、溝絶縁構造体の垂直側壁に形成されたチャン
ネル・ストップを有する集積回路構造の断面図である。

第２図および第３図は、基板拡散領域／チャンネル・ス
トップを製造するための従来技術を例示した半完成の集
積回路の断面略図である。

第４図乃至第８図は、本発明によるチャンネル・ストッ
プまたは組み合わせチャンネル・ストップ−溝絶縁構造
体を製造するシークエンス中からとった集積回路構造の
各断面図を表わす。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−256740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−32548（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−501809（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板領域をエッチングして該基板（４０）
   にほぼ垂直な側壁（４６）を形成し、 前記垂直側壁（４６）および水平表面（４４、４７）を
   含む表面上にドープ層（４９）を形成し、 異方性エッチングにより、前記垂直側壁（４６）上のド
   ープ層である側壁ドープ層（４９Ｖ）を残して、前記基
   板表面から前記ドープ層（４９）を除去し、 生成した構造体を加熱して前記側壁ドープ層（４９Ｖ）
   から前記基板（４０）に対してドーパントの横拡散を行
   わせて拡散領域（１２）を形成する各工程を含むことを
   特徴とする、半導体基板（４０）に拡散領域（１２）を
   形成する方法。