JP2013058644A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板の主表面にｐ型不純物イオンを注入した後にその主表面にシリコンエピタキシャル成長層を形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、エピタキシャル成長層に結晶欠陥が発生することを防止する。
【解決手段】（ａ）シリコン基板１の主表面１ａ上にｐ型埋め込み層形成予定位置に開口をもつフォトレジスト３が形成される。ｐ型埋め込み層形成予定位置において、シリコン基板１の主表面１ａは露出している。（ｂ）イオン注入法により、シリコンよりも質量数が大きいＢＦ₂イオンがシリコン基板１に注入される。（ｃ）フォトレジスト３が除去される。注入領域５のＢＦ₂イオンが熱拡散されて、ボロン拡散層７が形成される。（ｄ）シリコン基板１の主表面１ａに形成された自然酸化膜がフッ酸溶液などで除去される。シリコン基板１の主表面１ａにシリコンエピタキシャル成長層９が形成されて、ｐ型埋め込み層１１が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、シリコン基板の主表面にシリコンエピタキシャル成長層を形成するエピタキシャル成長層形成工程を含む半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置におけるｐ型埋込層の形成方法として、シリコン基板の主表面にイオン注入によりボロンイオンを注入し、熱処理によりｐ型拡散層を形成した後、主表面にシリコンエピタキシャル成長層を形成する方法が一般的である。

図３は、従来の工程を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する工程（ａ）〜（ｆ）は図３中の（ａ）〜（ｆ）に対応している。

（ａ）シリコン基板１０１の主表面１０１ａにバッファ酸化膜１０３が形成される。シリコン基板１０１は例えばボロンが添加されたＰ型単結晶シリコンで形成されている。シリコン基板１の比抵抗は例えば１０Ωｃｍである。バッファ酸化膜１０３は例えば熱酸化法により形成されたものである。バッファ酸化膜１０３の膜厚は５ｎｍ（ナノメートル）〜５００ｎｍで、例えば１０ｎｍである。

（ｂ）写真製版工程を経てフォトレジスト１０５が形成される。フォトレジスト１０５はボロンが注入される領域に開口を備えている。フォトレジスト１０５の膜厚は２００ｎｍ〜２０００ｎｍで、例えば１０００ｎｍである。

（ｃ）イオン注入法により、ボロンイオンがシリコン基板１０１に注入される。ボロンイオンがバッファ酸化膜１０３を通過してシリコン基板１０１に打ち込まれ、ボロンイオンの注入領域１０７が形成される。注入量は例えば１×１０¹²〜１×１０¹⁶（／ｃｍ²）で、例えば１×１０¹⁴（／ｃｍ²）である。注入エネルギーは５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで、例えば１５ｋｅＶである。

ここで、ボロンイオンの注入エネルギーが小さい場合、ボロンイオンがシリコン基板１０１中に十分に打ち込まれずにバッファ酸化膜１０３の中にとどまってしまうことが考えられる。そこで、ボロンイオンの注入エネルギーは、バッファ酸化膜１０３の膜厚に対して、ボロンイオンがシリコン基板１０１中に打ち込まれる程度のエネルギーに設定される。

また、フォトレジスト１０５の膜厚が薄い場合、ボロンイオン注入の際にボロンイオンがフォトレジスト１０５を突き抜けてシリコン基板１０１に打ち込まれてしまうことが考えられる。そこで、フォトレジスト１０５の膜厚は、ボロンイオン注入エネルギーに対して、ボロンイオンがフォトレジスト１０５を突き抜けてシリコン基板１０１に打ち込まれない程度の膜厚に設定される。

（ｄ）フォトレジスト１０５が除去される。シリコン基板１０１が拡散炉内に入れられて熱処理が施される。注入領域１０７のボロンイオンが熱拡散され、ボロン拡散層１０９が形成される。この熱処理は、ボロン拡散層１０９を形成すると同時に、ボロンイオン注入によりシリコン基板１０１内に発生した結晶欠陥を回復させる働きがある。熱処理は、例えば不活性ガス中で、温度は１０００℃、時間は５時間の条件で行なわれる。

（ｅ）バッファ酸化膜１０３が例えばフッ酸溶液によって除去される。
（ｆ）シリコン基板１０１の主表面１０１ａにシリコンエピタキシャル成長層１１１が形成される。エピタキシャル成長は、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスと水素（Ｈ₂）ガスとを用いた１０００℃程度のＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）にて行なわれる。これにより、ｐ型埋め込み層１１３が形成される。

しかしながら、従来の方法では、アニールによってイオン注入欠陥を回復したにもかかわらず、エピタキシャル成長後に積層欠陥が発生するという問題があった。この問題は例えば特許文献１で指摘されている。これは、ボロンイオン注入のようにシリコンが非晶質化しない場合には、表面の結晶性がアニールにより改復しても、射影飛程（Ｒｐ）近傍に欠陥が残っているためである。この残留欠陥は、シリコンエピタキシャル成長層に伸びて成長する。その結果、エピタキシャル成長層表面に結晶欠陥が現われる。

したがって、イオン注入によりシリコン基板表面を非晶質化することが重要である。ボロンイオンを不純物拡散層として形成する必要がある場合、比較的質量の大きいＢＦ₂イオンを用いることが有効である。

ところが比較的質量数の大きい注入種を用いたイオン注入では、バッファ酸化膜中の酸素原子が弾き出されて注入イオン種とともにシリコン基板に打ち込まれてしまう「ノックオン酸素」の現象が起きることが一般的に知られている。シリコン基板内部に打ち込まれた酸素原子は、シリコン基板内に結晶欠陥を発生させる原因となる。ＢＦ₂イオンの場合はボロンイオンよりも質量数が大きいので、ノックオン酸素が多くなり、結晶欠陥の発生が懸念される。

本発明は、シリコン基板の主表面にｐ型不純物イオンを注入した後にその主表面にシリコンエピタキシャル成長層を形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、エピタキシャル成長層に結晶欠陥が発生することを防止することを目的とする。

本発明にかかる半導体装置の製造方法は、ｐ型埋め込み層形成予定位置のシリコン基板の主表面を露出させた状態で、シリコンよりも質量数が大きいｐ型不純物イオンを上記主表面に注入するｐ型不純物イオン注入工程と、上記シリコン基板に対して熱処理を施して上記シリコン基板にｐ型不純物拡散層を形成する熱処理工程と、上記シリコン基板の上記主表面にシリコンエピタキシャル成長層を形成するエピタキシャル成長層形成工程と、をその順に含む。

ここで、シリコン基板の主表面を露出させた状態とは、シリコン基板の主表面に意図的に形成された材料が存在していないことを意味し、いわゆる自然酸化膜が存在する状態を含む。自然酸化膜は、周辺雰囲気中の酸素とシリコン基板のシリコンが結合して形成されるシリコン酸化膜である。

本発明の半導体装置の製造方法は、ｐ型不純物イオン注入工程でシリコンよりも質量数が大きいｐ型不純物イオンをイオン注入するので、イオン注入された領域のシリコン基板を非晶質化できる。その後の熱処理工程で残留欠陥がなくなる。さらに、ｐ型不純物イオン注入工程においてバッファ酸化膜を経ずにシリコン基板にｐ型不純物イオンが注入されるので、ノックオン酸素が発生せず、結晶欠陥の原因となる酸素がシリコン基板中に打ち込まれることがなくなる。これにより、エピタキシャル成長層に結晶欠陥が発生することがなくなる。

本発明の一実施例の工程を説明するための概略的な断面図である。 本発明の他の実施例の工程を説明するための概略的な断面図である。 従来の工程を説明するための概略的な断面図である。

図１は本発明の一実施例の工程を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する工程（ａ）〜（ｄ）は図１中の（ａ）〜（ｄ）に対応している。

（ａ）シリコン基板１は例えばボロンが添加されたＰ型単結晶シリコンである。シリコン基板１の比抵抗は例えば１０Ωｃｍである。写真製版工程を経て、シリコン基板１の主表面１ａ上にフォトレジスト３が形成される。フォトレジスト３はｐ型埋め込み層形成予定位置に開口を備えている。フォトレジスト３の膜厚は２００ｎｍ〜２０００ｎｍで、例えば１０００ｎｍである。ｐ型埋め込み層形成予定位置において、シリコン基板１の主表面１ａに意図的に形成された材料は存在しておらず、シリコン基板１の主表面１ａは露出している。なお、その位置の主表面１ａに自然酸化膜は存在している。

（ｂ）イオン注入法により、ＢＦ₂イオンがシリコン基板１に注入される。ＢＦ₂イオンがシリコン基板１に打ち込まれ、ＢＦ₂イオンの注入領域５が形成される。注入量は例えば１×１０¹²〜１×１０¹⁶（／ｃｍ²）であり、ここでは１×１０¹⁴（／ｃｍ²）である。注入エネルギーは例えば５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで、ここでは１５ｋｅＶである。

ここで、フォトレジスト３の膜厚が薄いとＢＦ₂イオン注入の際にＢＦ₂イオンがフォトレジスト３を突き抜けてシリコン基板１に打ち込まれてしまうことが考えられる。したがって、フォトレジスト３の膜厚は、ＢＦ₂イオン注入エネルギーに対して、ＢＦ₂イオンがフォトレジスト３を突き抜けてシリコン基板１に打ち込まれない程度の膜厚に設定される。

（ｃ）フォトレジスト３が除去される。シリコン基板１が拡散炉内に入れられて熱処理が施される。注入領域５のＢＦ₂イオンが熱拡散されて、ボロン拡散層（ｐ型不純物拡散層）７が形成される。この熱処理は、ボロン拡散層７を形成すると同時に、ＢＦ₂イオン注入によりシリコン基板１内に発生した結晶欠陥及び非晶質層を回復させる働きがある。この熱処理は、例えば不活性ガス中で、温度は１０００℃、時間は５時間の条件で行なわれる。

（ｄ）シリコン基板１の主表面１ａに形成された自然酸化膜がフッ酸溶液などで除去される。シリコン基板１の主表面１ａにシリコンエピタキシャル成長層９が形成される。エピタキシャル成長は、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスと水素（Ｈ₂）ガスとを用いた１０００℃程度のＣＶＤ法によって行なわれる。この結果、ボロン拡散層７がシリコン基板１及びエピタキシャル成長層９からなる基板の内部に埋め込まれて、ｐ型埋め込み層１１が形成される。

この実施例においては、ｐ型埋め込み層１１を形成するためのｐ型不純物イオンがシリコンよりも質量数が大きいＢＦ₂イオンなので、イオン注入された領域のシリコン基板１を非晶質化できる。その後の上記熱処理工程（ｃ）で残留欠陥がなくなる。さらに、上記ｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）においてバッファ酸化膜を経ずにシリコン基板１にＢＦ₂イオンが注入されるので、ノックオン酸素が発生せず、結晶欠陥の原因となる酸素がシリコン基板１中に打ち込まれることがない。これにより、上記エピタキシャル成長層形成工程（ｄ）において、エピタキシャル成長層９に結晶欠陥が発生することがなくなる。

上記の実施例では、上記熱処理工程（ｃ）において、拡散炉内で熱処理を施しているが、熱処理工程だけでなく、例えば熱酸化工程も追加されてもよい。その場合は、例えば、１０００℃の温度条件で３００ｎｍ程度の熱酸化膜が主表面１ａに形成された後に、５時間の熱処理が施される。熱処理温度や酸化膜厚はこれに限らず、ｐ型埋め込み層１１の厚さや抵抗値などを考慮して任意に選択できる。また、熱酸化ではなく、ＣＶＤ法により酸化膜が形成されてもよい。なお、主表面１ａに酸化膜が形成された場合は、上記エピタキシャル成長層形成工程（ｄ）でのエピタキシャル成長の前に、主表面１ａの酸化膜が除去されることが必要である。

図２は本発明の他の実施例の工程を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する工程（ａ）〜（ｅ）は図２中の（ａ）〜（ｅ）に対応している。図２において図１と同じ部分には同じ符号が付されている。

（ａ）図１（ａ）を参照して説明した上記工程（ａ）と同様に、シリコン基板１の主表面１ａ上にフォトレジスト３が形成される。フォトレジスト３はｐ型埋め込み層及びｎ型埋め込み層の形成予定位置に開口を備えている。ｐ型埋め込み層及びｎ型埋め込み層の形成予定位置において、シリコン基板１の主表面１ａに意図的に形成された材料は存在しておらず、シリコン基板１の主表面１ａは露出している。なお、その位置の主表面１ａに自然酸化膜は存在している。

（ｂ）図１（ｂ）を参照して説明した上記ｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）と同様に、ＢＦ₂イオンがシリコン基板１に打ち込まれ、ＢＦ₂イオンの注入領域５が形成される。

（ｃ）イオン注入法により、アンチモンイオンがシリコン基板１に注入される。ＢＦ₂イオンの注入領域５に重なってアンチモンイオンがシリコン基板１に打ち込まれ、ＢＦ₂イオン及びアンチモンイオンの注入領域１３が形成される。注入量は例えば１×１０¹²〜１×１０¹⁶（／ｃｍ²）であり、ここでは１×１０¹⁴（／ｃｍ²）である。注入エネルギーは例えば５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶで、ここでは３０ｋｅＶである。

（ｄ）フォトレジスト３が除去される。シリコン基板１が拡散炉内に入れられて熱処理が施される。注入領域１３のＢＦ₂イオン及びアンチモンイオンが熱拡散されて、ボロン拡散層７とアンチモン拡散層（ｎ型不純物拡散層）１５が形成される。この熱処理は、ボロン拡散層７とアンチモン拡散層１５を形成すると同時に、ＢＦ₂イオン注入及びアンチモンイオン注入によりシリコン基板１内に発生した結晶欠陥及び非晶質層を回復させる働きがある。この熱処理は、例えば不活性ガス中で、温度は１０００℃、時間は５時間の条件で行なわれる。この際、ボロンはアンチモンよりも拡散長が大きいので、ボロン拡散層７がアンチモン拡散層１５を包むような状態となる。

（ｅ）シリコン基板１の主表面１ａに形成された自然酸化膜がフッ酸溶液などで除去される。シリコン基板１の主表面１ａにシリコンエピタキシャル成長層９が形成される。エピタキシャル成長は、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスと水素（Ｈ₂）ガスとを用いた１０００℃程度のＣＶＤ法によって行なわれる。この結果、ボロン拡散層７及びアンチモン拡散層１５がシリコン基板１及びエピタキシャル成長層９からなる基板の内部に埋め込まれて、ｐ型埋め込み層１１及びｎ型埋め込み層１７が形成される。

この実施例においては、図１を参照して説明した実施例と同じく、ｐ型埋め込み層１１を形成するためのｐ型不純物イオンがシリコンよりも質量数が大きいＢＦ₂イオンなので、イオン注入された領域のシリコン基板１を非晶質化できる。さらに、ｎ型不純物イオン注入工程（ｃ）で、ＢＦ₂イオンの注入領域５にアンチモンイオンが注入されるので、シリコン基板１の非晶質化がさらに進む。その後の上記熱処理工程（ｄ）で残留欠陥がなくなる。

さらに、上記ｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）においてバッファ酸化膜を経ずにシリコン基板１にＢＦ₂イオンが注入されるので、ノックオン酸素が発生せず、結晶欠陥の原因となる酸素がシリコン基板１中に打ち込まれることがない。
これらにより、上記エピタキシャル成長層形成工程（ｅ）において、エピタキシャル成長層９に結晶欠陥が発生することがなくなる。

この実施例では、上記熱処理工程（ｄ）において、拡散炉内で熱処理を施しているが、熱処理工程だけでなく、例えば熱酸化工程も追加されてもよい。その場合は、例えば、１０００℃の温度条件で３００ｎｍ程度の熱酸化膜が主表面１ａに形成された後に、５時間の熱処理が施される。熱処理温度や酸化膜厚はこれに限らず、ｐ型埋め込み層１１及びｎ型埋め込み層１７の厚さや抵抗値などを考慮して任意に選択できる。また、熱酸化ではなく、ＣＶＤ法により酸化膜が形成されてもよい。なお、主表面１ａに酸化膜が形成された場合は、上記エピタキシャル成長層形成工程（ｅ）でのエピタキシャル成長の前に、主表面１ａの酸化膜が除去されることが必要である。

また、この実施例では、ｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）及びｎ型不純物イオン注入工程（ｃ）で、同一フォトレジスト３がイオン注入マスクとして用いられているが、これらのイオン注入工程で別々のイオン注入マスクが用いられてもよい。この場合、ｐ型不純物イオンが注入される領域とｎ型不純物イオンが注入される領域は、全く同じ領域であってもよいし、互いに一部分が重なる位置関係であってもよいし、一方の領域が他方の領域に囲まれる位置関係であってもよい。

例えば、少なくともｐ型不純物イオンの注入領域に開口をもつマスク用酸化膜がシリコン基板１の主表面１ａに形成されている状態でフォトレジスト３が形成される。フォトレジスト３がｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）でイオン注入マスクとして用いられる。ｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）の後、フォトレジスト３が除去される。ｎ型不純物イオン注入工程（ｃ）で上記マスク用酸化膜がイオン注入マスクとして用いられる。マスク用酸化膜はアンチモンイオン注入の際にアンチモンイオンがシリコン基板１に到達しない程度の膜厚をもつ。

また別の例として、ｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）の後、フォトレジスト３が除去される。シリコン基板１の主表面１ａにバッファ酸化膜が形成される。バッファ酸化膜の上に、ｎ型不純物イオンの注入領域に開口をもつフォトレジストが形成される。ｎ型不純物イオン注入工程（ｃ）で、そのフォトレジストをイオン注入マスクとして、バッファ酸化膜を介してアンチモンイオンが注入される。ここで、ｎ型不純物イオンの注入がバッファ酸化膜を介して行なわれても、ノックオン酸素に起因するエピタキシャル成長層の結晶欠陥は生じにくい。

また、ｐ型不純物イオン注入工程（ｂ）とｎ型不純物イオン注入工程（ｃ）の順序を入れ替えてもよい。このとき、アンチモンイオン注入の前に、シリコン基板１の主表面１ａにバッファ酸化膜が形成されていても構わないが、その場合は、ＢＦ₂イオン注入の前にバッファ酸化膜が除去されることが必要である。

図１を参照して説明した実施例及び図２を参照して説明した実施例では、ｐ型埋め込み層１１を形成するためのｐ型不純物イオンとして、ＢＦ₂イオンが用いられているが、本発明で用いられるｐ型不純物イオンはＢＦ₂イオンに限定されない。本発明で用いられるｐ型不純物イオンは、イオン注入によりシリコン基板の主表面を非晶質化させることができるｐ型不純物イオンであればよく、例えばガリウムイオンやインジウムイオンなどでもよい。

図２を参照して説明した実施例では、ｎ型埋め込み層１７を形成するためのｎ型不純物イオンとして、アンチモンイオンが用いられているが、本発明で用いられるｎ型不純物イオンはアンチモンイオンに限定されない。本発明で用いられるｎ型不純物イオンは、イオン注入によりシリコン基板の主表面を非晶質化させることができるｎ型不純物イオンであればよく、例えばリンイオンやヒ素イオンなどでもよい。

以上、本発明の実施例が説明されたが、本発明は、実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

１ シリコン基板
１ａ 主表面
７ ｐ型不純物拡散層
９ シリコンエピタキシャル成長層
１１ ｐ型埋め込み層
１５ ｎ型不純物拡散層
１７ ｎ型埋め込み層

特開昭６２‐２１６２３５号公報

Claims (5)

1. ｐ型埋め込み層形成予定位置のシリコン基板の主表面を露出させた状態で、シリコンよりも質量数が大きいｐ型不純物イオンを前記主表面に注入するｐ型不純物イオン注入工程と、
   前記シリコン基板に対して熱処理を施して前記シリコン基板にｐ型不純物拡散層を形成する熱処理工程と、
   前記シリコン基板の前記主表面にシリコンエピタキシャル成長層を形成するエピタキシャル成長層形成工程と、をその順に含む半導体装置の製造方法。
2. 前記ｐ型不純物イオンはＢＦ₂イオン、ガリウムイオン又はインジウムイオンである請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記ｐ型不純物イオン注入工程と前記熱処理工程との間に、前記ｐ型埋め込み層形成予定位置と少なくとも一部分が重なるｎ型埋め込み層形成予定位置の前記シリコン基板の前記主表面を露出させた状態で、シリコンよりも質量数が大きいｎ型不純物イオンを前記主表面に注入するｎ型不純物イオン注入工程を含み、
   前記熱処理工程は、前記シリコン基板に前記ｐ型不純物拡散層を形成するとともにｎ型不純物拡散層を形成する請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記ｐ型不純物イオン注入工程の前に、前記ｐ型埋め込み層形成予定位置と少なくとも一部分が重なるｎ型埋め込み層形成予定位置の前記シリコン基板の前記主表面を露出させた状態で、シリコンよりも質量数が大きいｎ型不純物イオンを前記主表面に注入するｎ型不純物イオン注入工程を含み、
   前記熱処理工程は、前記シリコン基板に前記ｐ型不純物拡散層を形成するとともにｎ型不純物拡散層を形成する請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記ｎ型不純物イオンはアンチモンイオン、リンイオン又はヒ素イオンである請求項３又は４に記載の半導体装置の製造方法。

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