JP2010040586A - 半導体装置の製造方法およびこれに用いられる半導体ウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ面内ばらつきが小さく収率の高い半導体装置を提供する。また、サージクランプ電圧の上昇を抑制し、サージ吸収性能に優れたツェナーダイオードを提供する。
【解決手段】第１導電型の半導体ウェハ１表面に、エピタキシャル成長法により所望の厚さの前記半導体ウェハよりも低濃度の第１導電型の不純物濃度を有するエピタキシャル成長層１ｅを形成し、前記エピタキシャル成長層表面から拡散し、前記第１の不純物が、前記半導体ウェハ中の前記第１導電型を有する第２の不純物が前記半導体ウェハ中から拡散して存在する深さまで拡散して到達させ、前記エピタキシャル成長層の厚さ全体にわたって前記第１および第２の不純物を拡散させることにより、比抵抗の面内均一性に優れたウエハを得る。該ウエハに、第２導電型を有する第３の不純物を導入し、該第２導電型の不純物領域および前記第１導電型の半導体とでツェナーダイオードを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置の製造方法およびこれに用いられる半導体ウェハにかかり、特にツェナーダイオードのツェナー電圧特性の高精度化に関する。

通常、ツェナーダイオードの製造に際しては、図９に一例を示すように、チョクラルスキー（ＣＺ）引き上げ法で形成したＮ型のシリコンウェハ１を出発材料とし、このシリコンウェハにイオン注入や拡散を行なうことでボロンなどのＰ型不純物２を導入し、ＰＮ接合を形成して、所望のツェナー電圧を有する素子を形成している。３は保護膜、４は表面電極である。

ＣＺ引き上げ法で形成したシリコンウェハを用いて形成したツェナーダイオードは、ウェハ面内において大きなツェナー電圧ばらつきがあった、すなわちＮ型のシリコンウェハは、ＣＺ法により形成されたインゴットをスライスして形成されるが、ＣＺ法では、不純物が単結晶インゴットの中心よりに偏析するという物理的特性を有している。このため、ウェハの面内不純物濃度は、図１０に示すように、ウェハの中心部で高く、ウェハの外周ほど低くなるという傾向がある。

そして、中心部で不純物濃度が高いウェハ表面にＰ型不純物を導入して形成されるＰＮ接合においては、ウェハ中心部でバンドギャップが小さくなり、図１１に示すように、ツェナー電圧はウェハ中心部で低くなる。

このためツェナー電圧Ｖｚは中心部が低く外周部ほど高くなりばらつきが大きくなっていた。このようにばらつきのあるウェハでは細分化されたＶｚ規格を満足して製品化され、出荷し得る素子数が少なく制限され、収率が低下するため、結果的に製品コストが高騰するという問題があった。

ＣＺ法で形成した４インチのＮ型シリコンウェハにＰ型不純物を導入して形成したツェナーダイオードのウェハ面内比抵抗（左軸）およびツェナー電圧（右軸）は図１２のウェハ面内位置に対して図１３に示すようにツェナー電圧Ｖｚはウェハ中心部が低く外周部ほど高くなりばらつきが大きくなっている。

一方、近年特に、ツェナーダイオードに求められる特性範囲は極めて小さくなってきており、図１４にツェナーダイオードの基板抵抗とツェナー電圧との関係を示すように、アバランシェを生じる電圧であるツェナー電圧（Ｖｚ）は、ウェハ面内でばらつきが生じ易く、ばらつき幅Ｗに対して求められる規格幅Ｗ０は極めて小さく、良品となる素子数、収率は低下する一方であり、極めて深刻な問題となっている。

そこで、抵抗が場所的に不均一に分布する一導電型の半導体ウェハに他導電型の不純物を注入してツェナーダイオードを形成するにあたり、高濃度の一導電型の基板の裏面にエピタキシャル成長によって所定厚の低濃度の一導電型の半導体層を形成し、この低濃度一導電型の半導体層にイオン注入によって所定量の一導電型不純物をドーピングすることで、低濃度の一導電型の半導体層の表面から所定の深さまでを、所望の一導電型の高濃度不純物濃度の半導体層とし、この高濃度一導電型の半導体層の所定箇所に低導電型の半導体層を形成するようにしたツェナーダイオードの製造方法が提案されている（特許文献１）。

特開平３−１０１２７３号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、高ドーズ量の注入条件が必要となり、スループットが低下し、コストアップを生じるという問題があった。また、低濃度の一導電型の半導体層の表面から所定の深さまでを、所望の一導電型の高濃度不純物濃度の半導体層としているため、低濃度の領域が残っており、この領域は高抵抗であるため、サージクランプ電圧が上昇し、サージ吸収性能が低下するという問題があった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、ウェハ面内ばらつきが小さく収率の高い半導体装置を提供することを目的とする。
また、サージクランプ電圧の上昇を抑制し、サージ吸収性能に優れたツェナーダイオードを提供することを目的とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体ウェハ表面に、エピタキシャル成長法により所望の厚さの前記半導体ウェハよりも低濃度の第１導電型の不純物濃度を有するエピタキシャル成長層を形成する工程と、前記第１導電型を有する第１の不純物を前記エピタキシャル成長層表面から拡散し、前記第１の不純物が、前記半導体ウェハ中の前記第１導電型を有する第２の不純物が前記半導体ウェハ中から拡散して存在する深さまで拡散して到達し、前記エピタキシャル成長層の厚さ全体にわたって前記第１および第２の不純物を拡散する工程と、前記拡散する工程で得られた第１導電型の拡散層表面に、第２導電型を有する第３の不純物を導入し、第２導電型の不純物領域を形成する工程と、前記第２導電型の不純物領域および前記第１導電型の半導体ウェハ裏面に電極を形成し回路素子を形成する工程と、ダイシングにより個々の回路素子に分割する工程とを含むことを特徴とする。

この構成によれば、ウェハ面内において所望の表面濃度を安定して得ることができ、面内ばらつきを低減することができ、細分化されたツェナー電圧の要望を満足できることから、歩留まりが向上する。また、エピタキシャル成長だけでは困難であった低抵抗層の形成が可能となる。またエピタキシャル成長層にはエピタキシャル成長層の表面側からと第１導電型の半導体ウェハ面側からとの不純物の拡散により、エピタキシャル成長層の厚さ全体にわたって不純物が拡散し高抵抗領域が残留していないため、サージクランプ電圧の上昇を抑制することができ、サージ吸収性能に優れたツェナーダイオードを提供することが可能となる。

また本発明は、第１導電型の半導体ウェハと、前記第１導電型の半導体ウェハ表面に形成された、エピタキシャル成長層とを具備し、前記エピタキシャル成長層は、前記エピタキシャル成長層表面から拡散された第１導電型を有する第１の不純物が、前記半導体ウェハ中から拡散された前記第１導電型を有する第２の不純物とが混在する領域を有するように、前記第１導電型の不純物の濃度プロファイルが前記エピタキシャル成長層の表面から所定の深さまで一定であることを特徴とする。
この構成によれば、エピタキシャル成長層には表面側からウェハ面側からとの不純物の拡散により、エピタキシャル成長層の厚さ全体にわたって不純物が拡散し高抵抗領域が残留していないため、サージクランプ電圧の上昇を抑制することができ、サージ吸収性能に優れたツェナーダイオードを提供することが可能となる。

以上説明してきたように、本発明の方法によれば、ウェハ面内において、ツェナー電圧のばらつきを低減することができ、比抵抗の面内均一性に優れたウェハを得ることができる。従って、高精度に制御されたツェナー電圧をもつツェナーダイオードなどの半導体装置を得ることができる。従って細分化されたツェナー電圧ばらつきへの要望を満足することができ、コストダウンをはかることが可能となる。

次に、本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法について説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態の半導体装置（ツェナーダイオード）を形成した半導体ウェハの面内における比抵抗を測定した結果を示す図、図２（ａ）乃至（ｃ）は、同半導体ウェハの製造工程を示す図であり、図３（ａ）乃至（ｃ）は、同製造工程におけるエピタキシャル成長層の形成されたウェハ表面すなわちエピタキシャル成長層表面からの深さと不純物濃度との関係を示す図である。また図４（ａ）乃至（ｃ）は、同半導体ウェハを用いたツェナーダイオードの製造工程を示す図、図５はその製造工程で得られたツェナーダイオードを示す図、図６は同ツェナーダイオードのツェナー電圧を測定した結果を示す図である。

本実施の形態１のウェハは、図１に示すように、高濃度のシリコンウェハ１の表面に低濃度のエピタキシャル成長層を形成した後、所望の濃度の同一導電型の不純物を注入し、エピタキシャル成長層表面側とシリコンウェハ１側とから同一導電型の不純物を拡散することで、所望の濃度で比抵抗が面内で均一な表面を得ることができるものである。

ツェナーダイオードの形成に先立ち、面内均一性に優れたウェハを形成する方法について説明する。

まず、シリコンインゴットからスライスを行い、高濃度Ｎ型ドープのなされたシリコンウェハ１を得る。ここでは第１の不純物として第１導電型（Ｎ型）を有するアンチモンＳｂがドープされた、０．００４から０．０３Ωのシリコンウェハ１を得る。そしてこのシリコンウェハ１表面にエピタキシャル成長により、図２（ａ）に示すように、第２の不純物としてのリンを含む厚さ２０μｍ比抵抗０．５〜３Ωｃｍのエピタキシャル成長層１ｅを形成する。このとき不純物濃度Ｃのプロファイルは図３（ａ）に示すように、シリコンウェハ１からエピタキシャル成長層１ｅに向かう部分で大きな濃度段差を有している。ここでエピタキシャル成長層の厚みは１０〜２５μｍであればよい。

次いで、図２（ｂ）に示すように、このエピタキシャル成長層１ｅの形成されたウェハ１の表面に、不純物としてリンをイオン注入し、Ｎ型不純物領域１Ｎを形成する。このときドーパントガスとしてはフォスフィンＰＨ３を用い、１Ｅ１５atoms/cm^３、加速電圧１００ｋｅＶでイオン注入を行う。なお注入条件は1E13cm^-2〜1E17cm^-2の範囲であればよい。

そして、図２（ｃ）に示すように、１２００℃１００時間程度の拡散を行う。このとき、ウェハ１側が高濃度であるため不純物濃度Ｃのプロファイルは図３（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１からエピタキシャル成長層１ｅに、第２の不純物が向かうとともに、エピタキシャル成長層１ｅ表面側からウェハ１に第１の不純物が向かうため、エピタキシャル成長層１ｅの表層側からのリンの拡散とウェハの表面からの第２の不純物であるアンチモンが再分布されて不純物濃度のせりあがりが生じる。このようにして図３（ｃ）に示すように、エピタキシャル成長層１ｅ表面側からおよび裏面に高濃度のＮ型不純物領域１Ｎを形成する。ここでＮ型不純物領域１Ｎの深さは１０〜２５μｍとなるようにする。図７に本実施の形態で用いる拡散炉を示す。ここでは横型拡散炉を用いておりこの横型拡散炉１００内にサセプタ１０１に多数個所定間隔で配列して搭載されたウェハ１を所定時間、維持することで表面の不純物が効率よく内部に拡散される。
このようにして、濃度勾配がなだらかで、面内濃度の均一なウェハ表面を得る。
このウェハの表面の比抵抗を測定した結果図１に示したように、面内均一性を得ることができた。このときの表面濃度は２Ｅ１６atoms/cm^３程度となっている。なお、注入条件を１Ｅ１３cm^-2〜１Ｅ１７cm^-2の範囲にとったとき、表面濃度は２Ｅ１６atoms/cm^３〜１Ｅ２０atoms/cm^３となる。

続いて、上記Ｎ型シリコンウェハ表面にＮ型不純物領域を形成したウェハを出発材料とし、ツェナーダイオードを形成する。まず、図４（ａ）に示すように、ウェハ１表面に第１のレジスト（図示せず）を形成し、浅い拡散層を形成すべき領域に窓明けを行った後、Ｐ型の不純物を注入する。次いでウェハ１表面に第２のレジスト（図示せず）を形成し、深い拡散層を形成すべき領域に窓明けを行った後、Ｐ型の不純物を注入し、１２００℃程度で拡散を行いＰ型拡散層２ｄを形成する。ここで浅い拡散層２は深さ３μｍ、深い拡散層２ｄは１０μｍ程度とし、表面濃度は１Ｅ１９atoms/cm^３とした。ここでも図７に示した横型拡散炉を用いた。

この後、図４（ｂ）に示すように保護膜３として熱酸化膜を形成しこれをパターニングする。そしてこのＰ型拡散層２にコンタクトするように真空蒸着によりアルミニウム層を形成し、フォトリソグラフィによりレジストパターンをパターニングし、表面電極４を形成する（図４（ｃ））。

そして、裏面にアルミニウム層を形成し、裏面電極５とし、図５に示すツェナーダイオードを得ることができる。
この結果、面内均一性に優れたツェナ電圧をもつツェナーダイオードを得ることができる。

４インチウェハについて本発明の方法で形成したウェハを用いた場合のツェナー電圧Ｖzのばらつきは従来のＣＺ法で引き上げたウェハを用いた場合比べ、約２分の１程度になることがわかる。従って本実施の形態のツェナーダイオード用ウェハの場合、ツェナー電圧のばらつきが、大幅に低減され、製造歩留まりが大幅に向上する。

また、これを５インチウェハに適用した場合にも同程度の面内均一性を維持することができた。次に示す表は、従来例および本発明の４インチウェハを用いて形成したツェナーダイオードの測定結果を示す表である。

本発明の方法で形成したツェナーダイオードは、ウェハ面内における比抵抗のばらつきが従来のＣＺ法で引き上げたウェハを用いた場合ウェハ面内におけるツェナー電圧のばらつきが６．２５程度であったものが、本発明では３．１１と約半分になっている。従って本実施の形態のツェナーダイオード用ウェハの場合、ツェナー電圧のばらつきが、大幅に低減され、製造歩留まりが大幅に向上する。

なお前記実施の形態１では、図７に示した横型拡散炉を用いて不純物拡散を行うようにしたが、図８に示すように縦型拡散炉を用いることで、さらに均一な拡散を実現することが可能となる。縦型拡散炉方式の拡散においては、この縦型拡散炉２００内にサセプタ２０１に多数個所定間隔で配列して搭載されたウェハ１を所定時間、維持することで表面の不純物が効率よく内部に拡散される。

また、前記実施の形態では、気相拡散の例について説明したが、ボロン含有ポリマーを塗布して、拡散炉中でボロンを拡散させるいわゆる固相拡散を行うようにしてもよい。

なお、前記実施の形態では、高濃度ウェハを構成する第１の不純物とエピタキシャル成長層表面から拡散させる第２の不純物とは異なる物質を用いたが、拡散速度の差などを有効に活用し、所望の不純物濃度プロファイルを持つように選択すればよい。
またこの第１および第２の不純物は同一物質でもよい。

また、半導体ウェハは、アンチモンドープで、基板抵抗が、０．０１から０．０３Ωｃｍであるのが望ましい。０．０１Ωｃｍに満たないと基板からエピタキシャル成長層への拡散が多く、均一性が悪くなる。また、０．０３Ωｃｍを超えると基板からエピタキシャル成長層への拡散が少なく、均一性が悪くなる。

さらにまた、拡散温度は、１２００〜１３００℃とするのが望ましい。１２００℃に満たないと、所望の均一性を有るには拡散時間が１００時間以上必要となり量産に適さない。１３００℃を超える温度は既存拡散炉の使用温度限界を超え量産に適さない。
また、前記エピタキシャル成長層は、厚みを１０〜２５μｍとするのが望ましい。１０μｍに満たないとカ゛ート゛リンク゛層が浅くなり、サージ特性が低下する。２５μｍを超えると表面拡散層の深さ方向の濃度均一性が低下する。
また、エピタキシャル成長層は、不純物濃度が所望の濃度より１桁以上低いことが望ましい。一桁を満たないとエピ層の濃度バラツキの影響を受け、所望の濃度バラツキを得るのが困難となる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２のツェナーダイオードの製造方法について説明する。
前記実施の形態では、Ｎ型のシリコンウェハを用いた例について説明したが、Ｐ型のシリコンウェハを用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
このように、ツェナーダイオードの形成のために、面内均一性に優れたウェハを形成することができる。

以上説明してきたように、本発明によれば、面内均一性に優れたウェハ表面を得ることができることから、大型ウェハを用いたツェナーダイオードをはじめディスクリートデバイスを始めとし、ＬＳＩに至るまで種々の半導体装置に適用可能である。

本発明の実施の形態１のウェハの面内均一性を示す説明図 同ウェハの製造工程を示す図 同ウェハの製造工程における不純物濃度プロファイルの変化を示す図 同ウェハを用いたツェナーダイオードの製造工程を示す図 本発明の実施の形態１のツェナーダイオードを示す図 本発明の実施の形態１のツェナーダイオードのＩＶ特性を測定した結果を示す図 本発明の実施の形態で用いられる横型拡散炉を示す図 本発明の実施の形態で用いられる横型拡散炉を示す図 従来例のツェナーダイオードウェハを示す図 従来例のツェナーダイオードウェハの面内不純物濃度分布を示す図 従来例のツェナーダイオードウェハの面内比抵抗分布を示す図 ウェハ面内位置を示す図 従来例のツェナーダイオードウェハの比抵抗（左軸）およびツェナー電圧（右軸）ウェハ面内依存性を示す図 従来例のツェナーダイオードウェハのツェナー電圧と規格で要求されるツェナー電圧Ｗ０との関係を示す図

符号の説明

１ ウェハ
１Ｎ 高濃度不純物拡散領域
２ Ｐ型拡散層
３ 保護膜
４ 表面電極
５ 裏面電極

Claims (5)

1. 第１導電型の半導体ウェハ表面に、エピタキシャル成長法により前記半導体ウェハよりも低濃度の第１導電型の不純物濃度を有するエピタキシャル成長層を形成する工程と、
   前記第１導電型を有する第１の不純物を前記エピタキシャル成長層表面から拡散し、前記第１の不純物が、前記半導体ウェハ中の前記第１導電型を有する第２の不純物が前記半導体ウェハ中から拡散して存在する深さまで拡散しうるように、前記エピタキシャル成長層の厚さ全体にわたって前記第１および第２の不純物を拡散する工程と、
   前記拡散する工程で得られた第１導電型の拡散層表面に、第２導電型を有する第３の不純物を導入し、第２導電型の不純物領域を形成する工程と、
   前記第２導電型の不純物領域および前記第１導電型の半導体ウェハ裏面に電極を形成し回路素子を形成する工程と、
   ダイシングにより個々の回路素子に分割する工程とを含む半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の不純物は前記第２の不純物と同一物質である半導体装置の製造方法。
3. 第１導電型の半導体ウェハと、
   前記第１導電型の半導体ウェハ表面に形成された、エピタキシャル成長層とを具備し、
   前記エピタキシャル成長層は、前記エピタキシャル成長層表面から拡散された第１導電型を有する第１の不純物が、前記半導体ウェハ中から拡散された前記第１導電型を有する第２の不純物とが混在する領域を有し、前記第１導電型の不純物の濃度プロファイルが前記エピタキシャル成長層の表面から所定の深さまで一定である半導体ウェハ。
4. 請求項３に記載の半導体ウェハであって、
   前記エピタキシャル成長層の抵抗が４から５０ｍΩｃｍである半導体ウェハ。
5. 請求項３または４に記載の半導体ウェハであって、
   前記エピタキシャル成長層は、厚みが１０〜２５μｍである半導体ウェハ。

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