JP2000124145A

JP2000124145A - 拡散ソース及びそれを用いた半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000124145A
Application number: JP10293276A
Authority: JP
Inventors: Ken Tsutsui; 謙筒井; Tsuyoshi Uematsu; 強志上松; Mitsunori Ketsusako; 光紀蕨迫; Yoshiaki Yazawa; 義昭矢澤; Shinichi Muramatsu; 信一村松; Yoshinori Miyamura; 芳徳宮村; Hiroyuki Otsuka; 寛之大塚; Jiyunko Minemura; 純子峯邑
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】拡散用マスクを用いない固体ソース拡散にお
ける拡散ソースおよびそれを用いた選択拡散工程を有す
る半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】シリコンに不純物を拡散するための拡散
材を，基板上に複数配置して拡散ソースを構成する。ま
た、これを用いて選択拡散を行い半導体装置を製造す
る。【効果】拡散用マスクの使用により生じる素子製造工
程を削除でき、かつ高温加熱による半導体素子の性能劣
化を防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係り、特に半導体に不純物を拡散するための拡散ソ
ース及びそれを用いた選択拡散方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られている半導体に不純物を
拡散する方法としては超ＬＳＩプロセスデータハンドブ
ック（（株）サイエンスフォーラム：昭和５７年４月１
５日発行）ｐ２２５に記載がある。

【０００３】また、半導体の表と裏側両面に同時に異な
る導電型の不純物を拡散する方法が特開平５−２９２３
８号公報に示されている。典型的な拡散方法を図２
（ａ）に示す。拡散チャンバ４内の試料台５上に試料３
である半導体基板を複数枚ならべ，拡散チャンバ４内に
設置した固体ソース２１，もしくは拡散チャンバ４外に
設置したガス／液体ソース２２から不純物を拡散チャン
バ４内に導入する。拡散不純物を適切に導入するため，
ガス／液体ソース２２よりガスを送気することが一般に
は行われている。ガスは単にキャリアガスであって，固
体ソース２１あるいは液体ソース２２の不純物を試料３
に運ぶものである。さらに不純物を含んでいても良い。
このようにして拡散チャンバ４内を拡散不純物の雰囲気
にして，加熱機構４１により試料３を加熱することで試
料である半導体表面に不純物を拡散する。

【０００４】試料３は、図２（ｂ）に示すように，半導
体ウエハの表面及び裏面が酸化膜の拡散用マスク３１で
覆われている。拡散用マスク３１の形成は、一般的に、
まず試料３であるシリコンウエハの表面及び裏面を、酸
素雰囲気中でたとえば１０００℃で３時間酸化して酸化
膜を形成した後、ホトエッチングにより拡散すべき所望
の位置の酸化膜を選択的に除去して形成する。また、拡
散用マスク３１は、選択的固相拡散の後フッ酸などで除
去される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の拡散用マス
クを用いる固体ソース拡散は、高温の熱処理を複数回必
要とするというプロセス上の問題、および特に高い精度
を要求されないパターンに対する場合における必要以上
の厳密さの問題があった。

【０００６】本発明の目的は、拡散用マスクを用いない
固体ソース拡散における拡散ソースおよびそれを用いた
選択拡散工程を有する半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、シリコンに
不純物を拡散するための拡散材を，基板上に複数配置し
て拡散ソースを構成する、また、これを用いて選択拡散
を行い半導体装置を製造することにより達成できる。

【０００８】さらに本発明の具体的形態は、以下の発明
の詳細な説明および図面から理解される。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１（ａ）に拡散ソースを示す。
拡散ソースは、基板１上に五酸化燐の拡散材２を２次元
状に配置して形成する。五酸化燐の拡散材２は、ＣＶＤ
などで点状に基板１上に堆積する。

【００１０】次に，図１（ｂ）に示すように，この拡散
ソースの拡散材２と試料３であるシリコンウエハとを１
ｍｍの間隔に近接させて，チャンバ４に入れ、窒素雰囲
気中で７５０℃の熱処理を行う。その結果、シリコンウ
エハ３の表面の点状の拡散材２に近接する付近のみに燐
を選択的に拡散することができる。

【００１１】以下、本発明を実施例によって説明する。

【００１２】実施例１拡散ソースの作製実施例を図３（ａ）〜図３（ｅ）に示
す。まず、図３（ａ）は、基板１表面上に拡散材２が拡
散すべき位置に対応して設置されたものである。基板１
としては石英あるいはアルミナなど高温に耐え，不純物
の少ないものを使用することが望ましい。拡散材２とし
ては五酸化燐，窒化硼素など半導体へのｎ型あるいはｐ
型導電性となる不純物を含む化合物を同図のように形成
する。具体的な形成方法を次に２つ示す。

【００１３】（１）基板１上にマスク（拡散材２を置く
所望の位置が開口した板であって，金属よりは石英，ア
ルミナあるいはＳｉＣ等がよい）を置き，その表面
にＣＶＤ，スパッタ法，熱分解法あるいは電子ビーム蒸
着法などによって形成する。

【００１４】（２）五酸化燐，窒化硼素などの拡散材２
を所望の形状に焼結し，基板１上に置いた状態で陽極接
合あるいは高温による直接接合によって形成する。この
場合，基板１としては先の石英，ＳｉＣあるいはアルミ
ナなどの他，シリコン板を表面酸化したもの，もしくは
表面をアルミナで覆ったものであっても良い。

【００１５】図３（ｂ）は、拡散材２を基板１の表面近
傍に埋め込んだものである。具体的な形成方法を次に２
つ示す。

【００１６】（１）基板１表面に機械的に加工（たとえ
ばサンドブラスト法）を加えて所望の位置に穴を形成
し，次に微粉末の拡散材２を充填し，さらに熱を加えて
焼結して形成する。

【００１７】（２）基板１表面に機械的に加工（たとえ
ばサンドブラスト法）を加えて所望の位置に穴を形成
し，拡散材２を焼結したものを基板１の穴へ埋め込んだ
後高温の熱処理を加えて基板１の穴へ拡散材２を固定し
て形成する。

【００１８】図３（ｃ）は，焼結五酸化燐の拡散材２
を２枚の石英の基板１で挟み込んで拡散ソースを形成し
たものである。拡散材２の断面形状を凸型にして拡散材
の固定を確実なものとするとともに、拡散材の量を多く
している。

【００１９】図３（ｄ）は、拡散材２の側面を基板１の
板厚全体に埋め込んだものである。基板１に貫通穴を機
械加工によって作製し，この穴に挿入できるように作製
した柱状の焼結拡散材２を基板１に挿入後熱処理し，さ
らに表面を平滑にするため機械研磨を施して形成する。

【００２０】図３（ｅ）は、図３（ｄ）の拡散ソースと
似ているが，拡散材２の中央部分で表と裏とが貫通した
構造となっている点で異なっている。図３（ｄ）と同様
に作製するが，微粉末の拡散材２を焼結する時に、その
中央部分にあらかじめ石英もしくはアルミナなどの高温
に耐えしかも不純物の少ない材料からなる詰め物を施し
ておくことにより、貫通孔を作る。

【００２１】以上説明した拡散ソースの作製方法では主
に点状の拡散材２を２次元状に配置したものついて述べ
た。しかし，点状のみならず線状の拡散材２など，さら
に面積のある選択拡散に適した拡散材２を有する拡散ソ
ースも同様に作製できる。一例として、線状の拡散材２
の作製について図４を用いて説明する。同図は拡散ソー
スの鳥瞰図である。基板１表面に線状に拡散材２が形成
されている。この拡散ソースは、図３（ａ）の点状拡散
ソースを細長くしたものであり、これと全く同じ方法で
作製できる。すなわち、基板上にマスク（細長い拡散材
２を置く位置が開口した板）を置き，その表面にスパッ
タ蒸着法によって拡散材２を形成する。線状の図３
（ｂ）、図３（ｃ）あるいは図３（ｄ）のような断面構
造の拡散ソースも同じように作製できる。

【００２２】実施例２次に，選択拡散の実施例を図１（ｂ）を用いて説明す
る。シリコンウエハを試料３とする。拡散ソース３０に
は、図４に示した線状の拡散材構造のものを用い、拡散
材２の原料には窒化硼素を用いる。

【００２３】拡散方法は，先ずチャンバ４に窒素ガスを
十分に流しておき，窒素雰囲気にした。次にチャンバ４
の温度を８００℃にしておき，拡散材２と試料３とを２
ｍｍに近接させてチャンバ４に挿入する。次に，加熱機
構４１によって拡散チャンバ４の温度を８５０℃に上げ
る。

【００２４】しかる後，流量比で５０％の酸素と４９％
の窒素と１％の水素の混合ガスをチャンバ４内に導入す
る。この混合ガス中の酸素によって拡散材２の窒化硼素
（ＢＮ）は酸化され酸化硼素（Ｂ₂Ｏ₃）になる。さらに
酸素と水素の反応でできた水が、この酸化硼素と反応し
てＨＢＯ₃が生成される。ＨＢＯ₃は蒸気圧が高く，チ
ャンバ４内で気体となって，試料３に付着，堆積する。
ここで、ＨＢＯ₃の一部はＢ₂Ｏ₃になる。このＢ₂Ｏ₃が
硼素（Ｂ）の拡散源となって、試料３内部にＢが拡散す
る。

【００２５】このような拡散処理を５分間行った後，混
合ガスを窒素ガスに変換し、かつチャンバ４の温度を１
０００℃に上昇してＢの活性化処理を行う。その後、試
料３をチャンバ４から取り出し，試料３表面のＢ₂Ｏ₃等
をフッ酸水溶液で除去して拡散領域の形成が完了する。

【００２６】また、図５に示すように、１つの拡散ソー
スの拡散材２と１つの試料３とを1mm離して配置して対
を構成し、これの複数対を試料台5に載せてチャンバ4の
中に入れる方法をとると、一度の拡散処理によって複数
枚の試料３に選択拡散することができる。１対の構成を
図５中の拡大図に示す。

【００２７】なお、本実施例では、試料３の裏面へ回り
込んだＢ₂Ｏ₃によるＢ拡散の防止について特にその手段
を講じていないが、必要なら膜厚３０ｎｍ程度の熱酸化
膜を形成すると良い。

【００２８】本実施例によれば、拡散用マスクを用いる
ことなく、線状の拡散領域と非拡散領域とが明確に分離
された良好な選択拡散ができるため、大幅な工程，使用
材料の削減ができ，しかも熱処理回数の減少により高温
加熱によるシリコン素子の性能劣化を防ぐことがでる。

【００２９】実施例３拡散ソース３０に図３（ａ）に示した点状の拡散材構造
のものを用い、拡散材２の原料に五酸化燐を用いた以外
は実施例２と同様の選択拡散の実施例を説明する。

【００３０】チャンバ4には常に窒素ガスを挿入し，雰
囲気を100％窒素に保った。チャンバ4の温度を760℃に
し，試料３を30分間チャンバ4内に置いた後，外に取り
出す。点状の拡散材２の位置に対応した試料３の表面に
は点状に五酸化燐が付着している。試料３であるシリコ
ンウエハには燐が点状に選択的に拡散されている。その
後、フッ酸水溶液によって試料３の表面の五酸化燐を除
去する。

【００３１】実施例４拡散装置の一実施例を図６を用いて説明する。本実施例
の特徴は、試料３を石英などの搬送ジグにより，拡散ソ
ースと近接した位置で水平方向に順次移動できる機構と
したことにある。また、この移動を安定にするために，
ガイド６をソース基板１上に設けている。拡散ソースに
は、五酸化燐の拡散材２を基板１上に点状に一列配置し
たものを用いると有効である。

【００３２】加熱機構４１を有するチャンバ４内に拡散
ソースおよびシリコンウェハからなる試料３を図６のよ
うに配置した後、チャンバ４内温度を７７５℃に保ち、
同図の右から左に試料３を次々に挿入搬出すると，複数
の試料３の表面への燐の線状選択拡散が連続的にでき
る。

【００３３】本実施例では、拡散材２と試料３との距離
が０．８ｍｍとなるようにガイド６の高さを調節した
が、ガイド６の高さを高くし拡散材２と試料３との距離
を大きくすることもできる。例えば、この距離を５ｍｍ
にした場合には、拡散材２の位置に対応した試料３の部
分には燐が線状に選択拡散され、かつそれ以外の部分に
は燐の濃度が薄く拡散される。このように拡散材２と試
料３との距離を空けたことで，十分濃い濃度の燐を線状
に選択拡散するとともに，薄い濃度の燐を試料３の表面
の広い範囲に拡散することができる。実施例５拡散装置の一実施例を図７（ａ）、図７（ｂ）を用いて
説明する。本実施例の特徴は、ガスの導入を拡散ソース
を通して行う構造としたことにある。そのための拡散ソ
ースの一例としては、図７（ｂ）に示した構造の拡散材
２として窒化硼素を用いた点状拡散ソースがある。この
点状拡散ソースには、拡散材２の中央部分に表から裏ま
で貫通した貫通孔が設けられている。

【００３４】この点状拡散ソースは、図７（ａ）の拡散
装置において、チャンバ９２内に拡散ソースホルダ１１
で保持される。一方、試料３は試料台５の上に載せる。
この試料台５には、加熱機構４１としてのヒータが埋め
込まれている。試料台５は隔離機構９１によってチャン
バ９２と隔てられ，昇降機構８によって上下する構造と
なっている。この昇降機構８によって試料３と拡散材２
との距離を適当に調節することができる。

【００３５】拡散ソースホルダ１１には、ガスを送気す
ることができるガス導入機構７が設けられており、この
ガス導入機構から点状拡散ソースの貫通孔を通って窒素
ガスが導入される。シリコンウェハからなる試料３を加
熱機構によって８８０℃に加熱した後、窒素ガスに対し
１％の流量比となる水素ガスを混入したガスに切り替
え，５分後に再び窒素ガスのみに切り替える。その後，
試料３を１０００℃に加熱して活性化し，３０分後にチ
ャンバ９２の外へ取り出す。この結果、試料３表面に点
状に硼素を選択拡散することができる。

【００３６】なお、試料３と拡散材２との距離の調節
は、拡散ソースホルダ１１側に昇降機構を設けても良
い。また、試料３の１０００℃加熱による活性化をチャ
ンバ９２の外で行っても良い。また、本実施例では、ガ
スの排気はチャンバ９２の側面から行う（図示せず）。

【００３７】実施例６拡散装置の一実施例を図８を用いて説明する。本実施例
の特徴は、ガスの導入排気を拡散ソースを通して行う構
造としたことにある。そのための拡散ソースとして、点
状拡散ソースを例に取り説明する。この点状拡散ソース
には、基板１の部分および拡散材２の中央部分に表から
裏まで貫通した貫通孔が設けられている。また、拡散ソ
ースホルダ１１には、ガスを送気することができるガス
導入機構７およびガスを排気することができるガス排気
機構７１が設けられており、各々点状拡散ソースの基板
１の貫通孔および拡散材２の貫通孔とつながっている。
これらを通じて、拡散、活性化工程で用いるガスの導入
排気が行われる。他の点は実施例５と同様である。

【００３８】本実施例では、不純物である硼素の周辺へ
の拡散が排気用の貫通孔によって制限されるため、拡散
材２の形状の試料３への転写の忠実度が高い。

【００３９】実施例７半導体装置の製造方法の一実施例として、ダイオードの
製造方法を図９（ａ）〜図９（ｄ）、図１０および図１
１を用いて説明する。

【００４０】試料３としてシリコンウエハを用い、先ず
酸素雰囲気中で１０００℃で１００分の全面熱酸化を行
い，さらにウエハ３の下面の酸化膜を残し他の個所の酸
化膜をフッ酸により除去して、拡散用マスク３１を形成
する。その後、燐拡散を行って、ｎ型拡散層３２を形成
する。この場合は、マスク３１を用いて燐を拡散したく
ないウエハ３の裏面部分を覆うこととした。（図９
（ａ））次に、拡散ソースとして、図４に示した線状の拡散材構
造のものを用い、拡散材２の原料には五酸化燐を用い
て、図５に示す拡散ソースと試料３の配置で、窒素雰囲
気で７５０℃３０分の拡散処理を行い線状のｎ＋型拡散
層３３を得る。（図９（ｂ））次に、フッ酸／フッ化アンモン１／６溶液にて熱酸化
膜の拡散用マスク３１を除去後、拡散ソースとして、図
１（ａ）に示した点状の拡散材構造のものを用い、拡散
材２の原料には窒化硼素を用いて、図５に示す拡散ソー
スと試料３の配置で、ウエハ３の裏面に点状のｐ型拡散
層３４を形成する。具体的拡散条件は、まず８５０℃で
２％の水素を含むＡｒガスを２分間流した後、水素を止
め、ウエハ３の裏面に点状にボロンガラスを堆積する。
その後、Ａｒガス１００％に切り替え、１０００℃で６
０分間のドライブ処理（ボロンの拡散をシリコンウエハ
内部に進めることと，活性化のための熱処理）を行う。
その後、フッ酸水溶液にて表裏面を洗浄し，ボロンガラ
スを除去する。（図９（ｃ））この状態でのウエハ３の表面と裏面との状況を図１０に
示す。表面にはｎ型拡散層３２が全面に有り，さらにｎ
＋型拡散層３３が線状に形成されている。また，裏面に
はｐ型拡散層３４が点状に形成されている。

【００４１】次に、ウエハ３を１０００℃の酸素雰囲気
に１２０分間置き，その全表面に酸化膜３５を形成し，
ｎ＋型拡散層３３とｐ型拡散層３４部分の上部の酸化膜
３５をホトエッチングによって除去した後，表面と裏面
とに真空蒸着法によってアルミニュウムを堆積し，つづ
いてホトエッチング法によって電極３６を形成しダイオ
ードが完成する。（図９（ｄ））この状態でのウエハ３の表面と裏面との状況を図１１に
示す。表側では２本のｎ＋型拡散層３３を１つの電極３
６でまとめている。また、裏面側では点状のｐ型拡散層
の１列を１つの線状電極３６でまとめている。これら
は、図９（ｄ）中でＡと表示したダイオード１個分に相
当する。Ａの単位に切り出すことで単体ダイオードが得
られる。

【００４２】本実施例のダイオードの製造では、ｎ＋型
拡散層３３とｐ型拡散層３４の形成に拡散用マスクを用
いない本発明の選択拡散方法を用いるので、拡散用マス
クの作製工程を省くことができ、大幅な工程，使用材料
の削減ができ、しかも熱処理回数の減少により高温加熱
によるダイオードの性能劣化を防ぐことができる。

【００４３】以上説明してきた選択拡散方法では，その
加熱機構については詳しくは触れなかったが，加熱機構
としてはランプ加熱，電磁誘導加熱，ジュール熱加熱な
ど特に限定されるものではない。また，拡散ソースは、
矩形，円形等の外形に関わりなく使用できる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、熱酸化膜の拡散用マス
クを使用せずに済むため、これの使用により生じる素子
製造工程における熱酸化工程を削除でき、かつ高温加熱
による半導体素子の性能劣化を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の拡散ソースの具体例の斜
視図、図１（ｂ）は拡散法を説明するための図である。

【図２】図２（ａ）は従来の拡散法を説明するための
図、図２（ｂ）は拡散される試料の断面図である。

【図３】本発明の実施例１の種々の拡散ソースの断面図
である。

【図４】本発明の実施例２の選択拡散法に用いる拡散ソ
ースの斜視図である。

【図５】本発明の実施例３の選択拡散法を説明するため
の図である。

【図６】本発明の実施例４の拡散装置の斜視図である。

【図７】図７（ａ）は実施例５の拡散装置の断面図、図
７（ｂ）はこの装置に用いる拡散ソースの一例の斜視図
である。

【図８】本発明の実施例６の拡散装置の断面図である。

【図９】本発明の実施例７のダイオードの製造工程断面
図である。

【図１０】図９（ａ）〜図９（ｃ）の工程後の実施例
７のダイオードの斜視図である。

【図１１】図９（ｄ）工程後の実施例７のダイオードの
斜視図である。

【符号の説明】

１・・基板，１１・・拡散ソースホルダ，２・・拡散
材，３・・試料，４・・チャンバ，５・・試料台，６・
・ガイド，７・・ガス導入機構，８・・昇降機構，２１
・・固体ソース，２２・・ガス／液体ソース，３０・
・拡散ソース，３１・・拡散用マスク，３２・・ｎ型拡
散層，３３・・ｎ＋型拡散層，３４・・ｐ型拡散層，３
５・・酸化膜，３６・・電極，４１・・加熱機構，７
１・・ガス排気機構，９１・・隔離機構，９２・・チ
ャンバ，９３・・搬送機構。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） (72)発明者蕨迫光紀東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者矢澤義昭東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者村松信一東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者宮村芳徳東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者大塚寛之東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者峯邑純子東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンに不純物を拡散するための拡散材
が，基板上に複数配置されていることを特徴とする拡散
ソース。
【請求項２】上記拡散材に貫通孔が設けられていること
を特徴とする請求項１記載の拡散ソース。
【請求項３】上記拡散材の一部は上記基板内に埋め込ま
れていることを特徴とする請求項１記載の拡散ソース。
【請求項４】拡散ソースからシリコン基板の一つの面中
へ、拡散用マスクを用いずに、不純物熱拡散法を用いて
選択的に不純物を導入し不純物領域を形成する工程を有
することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】上記拡散ソースは基板上に複数個の拡散材
が配置されたものであり、上記拡散ソースと上記半導体
基板とを相対移動させることにより、上記複数個の拡散
材の各々に対応する線状の上記不純物領域を形成するこ
とを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】上記拡散材に第１の貫通孔が設けられてい
る上記拡散ソースを用い、キャリアガスを上記第１の貫
通孔を通して送気または排気することを特徴とする請求
項４又は５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】上記拡散ソースの上記拡散材以外の部分に
第２の貫通孔が設けられており、上記キャリアガスを該
第２の貫通孔を通して送気し、かつ上記第１の貫通孔を
通して排気することを特徴とする請求項６記載の半導体
装置の製造方法。
【請求項８】上記拡散ソースおよび上記シリコン基板が
チャンバの中に交互に配置されていることを特徴とする
請求項４記載の半導体装置の製造方法。