JP2573201B2 - 半導体素子の拡散層形成方法 - Google Patents

半導体素子の拡散層形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、半導体素子の拡散層形成方法に係り、例え
ば逆バイアスされるpn接合が基板表面に終端するプレー
ナ構造の半導体素子のガードリング等の形成に適用して
特に有用な拡散層形成方法に関する。
(従来の技術) アバランシェ・フォト・ダイオード(APD)は、pn接
合に高い逆バイアスを印加した状態で受光を行ない、高
電界領域での雪崩増倍作用を利用してキャリアの増倍を
行なう受光素子である。APDの信頼性を高めるために
は、素子のプレーナ化が重要である。プレーナ型APDで
は、受光部のpn接合が基板表面に終端するため、受光部
周辺のpn接合に小さい曲率半径の部分が生じる。この小
さい曲率半径の部分は電界が集中するため、受光部より
先に降伏してしまう。これはエッジ・ブレークダウンと
呼ばれる。このエッジ・ブレークダウンを防ぐために従
来より、受光部周辺にガードリングを形成することが行
われている。受光部のpn接合は階段接合を形成するよう
に不純物拡散が行われるのに対し、ガードリングは不純
物を深くなだらかに拡散させて傾斜接合を形成する。こ
れにより、ガードリング部の受光部に対する耐圧差をで
きるだけ大きくとれるようにしている。例えば、InGaAs
/InP系に代表されるIII−V族化合物半導体を用いたAPD
では、p型拡散層の不純物にはCdが用いられ、ガードリ
ング形成にはBeのイオン注入が一般に用いられる。
しかしながら、一般にイオン注入された不純物は深さ
方向には深く拡散しても、横方向には余り拡散しない。
Beも例外ではない。従ってBeのイオン注入によるガード
リングでは、横方向の不純物濃度勾配がそれ程なだらか
にならず、受光部との耐圧差は期待された程のものは得
られていない。
この様な問題を解決するため、ガードリングの横方向
の不純物濃度分布を等価的になだらかにする構造や方法
がいくつか提案されている。例えば、条件を異ならせた
2回のイオン注入を行なう方法(特開昭60-198786号公
報,特開昭61-101084号公報等)、イオン注入領域周辺
部の基体表面をエッチング除去する方法(特開昭60-198
785号公報)、或いはイオン注入のマスクとなる絶縁膜
に所定の膜厚分布を持たせる方法(特開昭61-101085号
公報)などである。
しかしこれらの方法も一定の効果が得られるものの、
未だ問題がある。前者では、ガードリング形成にイオン
注入工程が2回必要であり、工程が複雑である。しか
も、イオン注入は少なからず基板結晶に欠陥をもたらす
ので、耐圧低下やもれ電流の増加の原因となる。。後者
の方法では、マスクとなる絶縁膜の膜厚分布を正確に制
御するが難しく、工程も複雑であり、歩留り低下やコス
ト高をもたらす。
一方、本発明者らは先に、InGaAsP/InP系APDのガード
リングに不純物としてMgを用いることが有効であるを提
案している(特願昭60-210419号,特願昭60-271568
号)。ところが、Mgをイオン注入した後、半導体基体に
保護膜を設けず、雰囲気を調整して基体を構成する元素
の解離を抑えつつ熱処理を行なういわゆるキャップレス
・アニールを行なうと、注入されたMgが基体から蒸発
(外方拡散)し、基体表面全体に再拡散されるというこ
とが明らかになった。これは、1000K(727℃)でのMgの
蒸気圧が12torrであり、Beの場合の10-7torrに対し、非
常に高いためと考えられる(例えば、Honig et al “VA
POR PRESSURE DATA FOR THE SOLID AND LIQUID ELEMENT
S",RCA REVIEW,june 1969)。またこの様な問題が発生
するのは、Mgのドーズ量が5×1013/cm2以上の場合で
あることも、明らかになった。
(発明が解決しようとする問題点) 以上のように従来のプレーナ型APDでは、受光部に対
して十分な耐圧差を持つガードリングを形成することは
難しく、またガードリングの横方向不純物分布をなだら
かにするための工程は複雑で、工程制御も難しいといっ
た問題があった。
本発明はこの様な問題を解決した半導体素子の拡散層
形成方法を提供することを目的とする。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 本発明は、蒸気圧の高い不純物を基体に導入してキャ
ップレス・アニールを行なった時、導入された不純物は
一旦外方拡散し、再度基体に拡散されるという現象を積
極的に利用する。即ち本発明は、基体の第1導電型半導
体層表面に選択的に第2導電型拡散層を形成するに当た
って、先ず選択的に基体の所定領域に不純物を導入し、
次いで所定の開口をもつマスクが形成された状態で熱処
理を行ない、導入された不純物を外方拡散させ再度マス
クを通して基体に拡散させる。
(作用) この様な方法によれば、得られる拡散層は、直接イオ
ン注入等により形成される部分と、これに隣接する領域
に基体から一旦外部に拡散した不純物が再度気相から基
体に拡散されて形成される部分とから構成され、横方向
になだらかな不純物濃度分布を持つ。しかも拡散層形成
のためのイオン注入工程は1回であり、簡単である。拡
散層のうち雰囲気からの再拡散により形成される部分
は、結晶欠陥が生じることはなく、従って拡散層の耐圧
向上およびもれ電流の防止が図られる。拡散層形成のた
め、例えば最初の不純物イオン注入とその後の熱処理工
程とでマスクを2つ用いたとしても、これらはパターン
が異なるのみである。従って、マスクの膜厚を制御して
イオン注入深さを部分的に異ならせる方法に比べて、工
程制御は容易である。
特に本発明の方法をガードリングの形成に適用すれ
ば、理想的な不純物分布をもつガードリングが得られ、
優れた素子特性を得ることができる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図(a)〜(e)は、InGaAsP/InP系APDに適用し
た一実施例のガードリング形成工程を示す。第1図
(a)は、APD用エピタキシャル・ウェーハに、所定の
絶縁膜7(第1のマスク)を形成し、これにリング状の
開口8を開けた状態である。エピタキシャル・ウェーハ
は、n+型InP基板1に、n+型InPバッファ層2,n型InGaA
sP光吸収層3,n型InGaAsPバッファ層4,n型InPキャリア増
倍層5および低濃度のn-InP層6を順次エピタキシャル
成長して得られる。各層の代表的な不純物濃度と厚み
は、InGaAs光吸収層3が5×1015/cm3,3μm、InGaAsP
バッファ層3は1×1016/cm3,0.5μm、InPキャリア増
倍層4は2×1016/cm3,0.8μm、n-型InP層6は5×1
015/cm3,3μmである。絶縁膜7はこの実施例では0.5
μm以上のCVDSiO2膜であり、その開口8は後に形成さ
れるp型拡散層の外周部即ちpn接合終端部がその内部に
位置するように、外径aと内径bが設定されたリング状
をなす。即ち後に拡散形成されるp型拡散層の径をrと
した時、 b≦r<a なる関係を満たす。具体的には、a=120μm、b=70
μmとする。この状態で第1図(b)に示すようにMgの
イオン注入を行ない、イオン導入層9を形成する。イオ
ン注入条件は加速電圧150KeV、ドーズ量1×1014/cm2
とする。
この後絶縁膜7を除去し、改めて第1図(c)に示す
ように絶縁膜(第2のマスク)10を堆積形成する。この
絶縁膜10は、後の熱処理工程を考えるとウェーハの熱膨
張係数との関係でリン・ケイ酸ガラス(PSG)膜が好ま
しく、厚みは0.3μm以上とする。この絶縁膜10に設け
る開口11の外径cと内径dは先の絶縁膜7の開口8のそ
れとの関係で次のような条件 b≦d<a<c を満たすものとする。具体的には例えば、d=bとし、
cはaより2〜5μm大きく設定する。
この状態で次に、ウェーハの構成元素の解離を防ぐよ
うに調整された雰囲気中で熱処理(キャップレス・アニ
ール)を行なう。具体的には、PH3を6000ppm含むH2
囲気中で750℃,20分の熱処理を行なう。これにより、イ
オン注入層9のMgは一部が一旦開口11から雰囲気中に外
方拡散し、再度開口11からウェーハに拡散して、第1図
(d)に示すように横方向に広がりを持ったp型のガー
ドリング12が形成される。即ちガードリング12は、イオ
ン注入領域で深いpn接合をもち、その外側に雰囲気から
の再拡散により形成された浅いpn接合をもつ状態にな
る。
この後、通常の工程に従って第1図(e)に示すよう
に、受光部を構成するp型拡散層13をCdの熱拡散により
形成し、パシベーション膜14を形成する。パシベーショ
ン膜14には必要なコンタクト孔を開けてp側電極15を形
成し、ウェーハ裏面にはn側電極16を形成する。
なお上記説明ではイオン導入層の形成を絶縁膜7を形
成してイオン注入により行なったが、これは絶縁膜を形
成することなしに、イオンビーム描画方式により形成し
てもよい。
この実施例によるAPDのpn接合の逆方向電流−電圧特
性を、比較例と共に第2図に示す。第2図の曲線21は、
Cdの熱拡散による階段接合の基準特性であり、エッジ・
ブレークダウンがないようにメサ構造とした場合、した
がってガードリングもない場合の特性である。これに対
し、曲線22および23はそれぞれ、BeおよびMgを不純物と
して1回のイオン注入とキャップレス・アニールにより
一般的なガードリングを形成した場合である。そして曲
線24は本発明の実施例の場合である。イオン注入条件
は、Beの場合ドーズ量1×1013/cm2とし、Mgの場合ド
ーズ量1×1014/cm2とした。熱処理はいずれも750℃,2
0分である。このデータから明らかなように、従来の方
法でガードリングを形成した場合、Cdの熱拡散による階
段接合に対して数十Vの耐圧差であるのに対し、この実
施例では100V以上の耐圧差が得られている。
第3図(a)(b)は、InP層にMgをイオン注入した
時の活性化率を測定した結果である。第3図(a)に示
すようにMgの活性化率は、加速電圧100〜200KeVの範囲
で大きい値を示す。またドーズ量が1×1014/cm2を超
えると急激に活性化率が低下することが、第3図(b)
から明らかである。従って、ドーズ量は5×1013/cm2
1×1014/cm2の範囲に選ぶことが望ましい。
第4図は、Mgイオン注入層からの蒸発(外方拡散)と
雰囲気からの再拡散により形成されるpn接合の深さを測
定した結果である。イオン注入条件は、ドーズ量1×10
14/cm2、加速電圧150KeVであり、熱処理温度をパラメ
ータとし、熱処理時間を横軸として拡散深さを示してい
る。700℃,10分以上の熱処理で拡散層は深く形成され始
め、20分でほぼ2μm程度の深さに飽和する。このデー
タから、前述の開口外径aとcの関係は c−a=2〜5μm 程度が適当である。また熱処理温度を800℃以上にする
と表面荒れがひどくなり、実用上問題であることが判明
した。
以上のようにこの実施例によれば、Mgの蒸気圧が高い
性質を利用して、簡単な工程で主接合に対して耐圧差の
大きいガードリングを形成することができる。
第5図(a)〜(d)は他の実施例のAPDのガードリ
ング形成工程を示す。先の実施例と対応する部分には、
同一符号を付して詳細な説明は省く。この実施例では、
受光部を構成する拡散層とガードリングとを同じ不純物
による1回のイオン注入と熱処理により形成する。n+
型InP基板1に、n+型InPバッファ層からn型InP増倍層
5まで順次エピタキシャル成長させることは先の実施例
と同様である。この後第5図(a)に示すように、受光
部の主接合が形成される部分が凸型となるように、その
周辺を所定深さエッチングにより除去する。次いでこの
周辺部に第5図(b)に示すように低濃度のn-型InP層
6を埋込み形成する。この後第5図(c)に示すよう
に、絶縁膜(第1のマスク)17を形成し、これに開口18
を開ける。この絶縁膜17は先の実施例と同様CVDによるS
iO2膜とし、開口18は径eが主接合が形成されるべき領
域より大きい円状とする。そしてこの開口18を通してMg
をイオン注入し、イオン注入層19を形成する。この後絶
縁膜17をエッチング除去し、第5図(d)に示すように
改めて絶縁膜(第2のマスク)20を形成し、これに先の
開口18より大きい径fの円状の開口21を設け、この状態
で熱処理する。絶縁膜20はやはり先の実施例と同様PSG
膜とし、熱処理の条件も先の実施例と同様とする。この
結果、第5図(d)に示すように、n型InP層5の部分
は周辺より比較的高濃度であるために階段接合をなすp
型拡散層22となり、その周辺に傾斜接合をなす先の実施
例と同様のガードリング23が形成される。
この実施例によれば、先の実施例に比べて少ないイオ
ン注入工程で先の実施例と同様の耐圧差の大きいガード
リング構造が実現される。
本発明は、上記実施例に限られるものではなく、更に
種々変形して実施することが可能である。
第6図(a)は、第1図の実施例と同様のInP系APD用
ウェーハ31に第1のマスクを用いてMgイオン注入層32を
形成した後、第2のマスクとなる絶縁膜33を形成した状
態である。この絶縁膜33には同心的に複数のリング状開
口341,342,343,344が形成されている。この状態で先の
実施例と同様の条件で熱処理を行なうと、第6図(b)
に示すようなガードリング35が形成される。先の各実施
例に比べてガードリング35は外に向かってpn接合深さが
非常に緩やかなものとなり、等価的に大きい半径をもつ
ガードリングとなる。複数の開口341〜344の幅はこの実
施例では、図示のように外側程狭くしているが、同じ幅
としても同様の効果が得られる。
第7図は、第2のマスクの開口41,42を完全なリング
状ではなく、円周上で飛び飛びの開口部の集合として形
成した例である。この様なマスクとしても、その開口部
の間隔を適当に選ぶことにより、先の各実施例と同様の
ガードリングを形成することができる。
第2のマスクの開口の内径はイオン注入層の外径より
小さいことは必ずしも必要ではない。例えば、第8図に
示すようにInP系のAPD用ウェーハ51に第1のマスク(図
示せず)を用いて同心的に二つのMgイオン注入層521,52
2を形成する。内側のイオン注入層521はガードリングの
一部となるものであり、外側のイオン注入層522は単に
不純物蒸発源として設けたものである。この状態で図示
のような第2のマスク53を形成する。この第2のマスク
53は、内側のイオン注入層521の僅か外側に一つの開口5
41をもち、外側のイオン注入層522とほぼ一致するもう
一つの開口542をもつ。この様な第2のマスク53を設け
て先の実施例と同様に熱処理を行なうと、イオン注入層
522のMgが開口542を通して蒸発して、開口541を通して
ウェーハ51に再拡散される。これにより先の各実施例と
同様のガードリングが得られる。
以上では、InGaAs/InP型APDのMgによるガードリング
形成の実施例を説明したが、他の半導体材料および不純
物の組合わせでも本発明は有効である。例えば、基体と
してGaAs,GaSb,ZnS,ZnSe,InGaAs,InGaAsPなどを用い、
不純物としてMgと同様に蒸気圧の高いZnやYb,Cd,S,Te,S
e等を用いてガードリングなどの拡散層を形成する場合
に本発明を適用することができる。II-VI族化合物半導
体の場合には、Naをガードリングの不純物とする場合に
本発明は有用である。更に実施例では、ガードリング形
成の際の第1,第2のマスクとして絶縁膜を用いたが、金
属マスクなど他の材料を用いてもよいし、またマスクレ
スで選択イオン注入を行なう場合も、本発明は有効であ
る。更にまた本発明は、APDに限らず、逆バイアスされ
るpn接合が基体表面に終端するプレーナ構造の半導体素
子一般に適用することが可能である。
以上の実施例では、本発明をガードリングの形成に適
用した場合、即ち素子の主接合を構成すべき主拡散層に
対してその周囲に補助的に設けられる拡散層を形成する
場合を専ら説明したが、本発明はこの様な補助拡散層の
形成に限らず、そのまま素子の主接合を構成する拡散層
の形成に利用してもよい。
第9図(a)〜(e)は、本発明をLDD(Lightly Dop
ed Drain)構造のMOSFETに適用した実施例を示す。p型
基板61にゲート絶縁膜62を介してゲート電極63を形成し
(a)、次いで全面にCVD絶縁膜64を堆積する(b)。
そして反応性イオンエッチング法よりCVD絶縁膜64をエ
ッチングしてこれをゲート電極63の側壁部にのみ残し、
この残された絶縁膜64とゲート電極63をマスクとしてイ
オン注入を行ってソース,ドレイン領域にn+型層65,66
を形成する(c)。この後絶縁膜64,62をエッチング除
去してソース,ドレイン領域の基板面を露出させ、熱処
理を行なうことにより、n+型層65,66の不純物を雰囲気
中に拡散させ、再度雰囲気からの拡散によりゲート電極
63に近い位置にn-型層67,68を形成する(d)。最後に
全面をCVD絶縁膜69で覆い、コンタクト孔を開けてソ
ー,ドレインのオーミック電極70,71を形成する
(e)。
こうしてこの実施例によれば、チャネル領域近傍にイ
オンダメージを与えることなく、微細素子に有用なLDD
構造を簡単に形成することができる。
第10図(a),(b)は本発明をLDD構造のMESFETに
適用した実施例である。p型基板81にまず、図示のよう
な積層構造のゲート電極82,83を形成する(a)。下部
ゲート電極82は例えば、基板81がInPあるいはGaAsであ
る場合、WNx等であり、基板81との間にショットキー障
壁を構成する。上部ゲート電極83は下部電極82とは異種
金属であり、上部電極83をマスクとして下部電極82をパ
ターニングする際に十分にオーバーエッチングすること
により、図示のようなオーバーハング状態を形成する。
そして上部ゲート電極83をマスクとし不純物をイオン注
入してソース,ドレイン領域にn+型層84,85を形成す
る。その後熱処理を加え、n+型層84,85の不純物を一部
外方拡散させ、再度雰囲気から基板に拡散させることに
より、下部ゲート電極82に隣接してn-型層86,87を形成
する(b)。
この実施例によっても、チャネル領域に隣接する部分
のn-型層を直接イオン注入によらず形成することがで
き、従って先の実施例と同様の効果が得られる。しかも
この実施例では、イオン注入時は上部ゲート電極83がマ
スクとなり、その後の熱処理工程での不純物再拡散では
下部ゲート電極82がマスクとなるので、これらの工程を
通じて、不純物を導入するマスクパターンを変更する必
要がなく、従って工程は簡単である。
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することができる。
[発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、一旦イオン注入し
た不純物の蒸発,再拡散を利用して横方向になだらかな
不純物濃度分布を形成した,耐圧の高い拡散層を形成す
ることがきる。特にガードリング形成に利用すれば、主
接合に対する耐圧差の大きいガードリングを得ることが
できる。しかも本発明ではイオン注入は1回のみで工程
は簡単であり、イオン注入深さの制御のためにマスク厚
の正確な制御を行なう必要もない。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(e)は本発明の一実施例によるInP系A
PDのガードリング形成工程を示す図、第2図は得られた
ガードリングの耐圧特性を従来法によるものと比較して
示す図、第3図(a)(b)は同実施例のMgのイオン注
入条件と活性化率の関係を示す図、第4図は同じく熱処
理条件と再拡散部の拡散深さの関係を示す図、第5図
(a)〜(d)は他の実施例のガードリング形成工程を
示す図、第6図(a)(b)は更に他の実施例でのガー
ドリング形成工程の要部を示す図、第7図および第8図
は更に他の実施例での熱処理時のマスク構成例を示す
図、第9図(a)〜(e)は本発明をLDD構造のMOSFET
に適用した実施例を示す図、第10図(a)(b)はLDD
構造のMESFETに適用した実施例を示す図である。 6……n-型InP層(第1導電型半導体層)、7……絶縁
膜(第1のマスク)、8……開口、9……Mgイオン導入
層、10……絶縁膜(第2のマスク)、11……開口、12…
…ガードリング、13……p+型層(第2導電型拡散
層)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/812 H01L 29/78 301P 31/107 7376−4M 29/80 F

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体の第1導電型半導体層表面に選択的に
    第2導電型拡散層を形成する方法であって、前記基体に
    選択的に不純物を導入する工程と、前記基体に導入され
    た不純物を外方拡散させ所定の開口をもつマスクを通し
    て再度基体に拡散させる熱処理工程とを備えたことを特
    徴とする半導体素子の拡散層形成方法。
  2. 【請求項2】前記第2導電型拡散層は、素子の主接合を
    構成する主拡散層のガードリングとなる補助拡散層であ
    る特許請求の範囲第1項記載の半導体素子の拡散層形成
    方法。
  3. 【請求項3】前記主接合を構成すべき主拡散層は、前記
    ガードリングを構成すべき補助拡散層形成後に形成され
    る特許請求の範囲第2項記載の半導体素子の拡散層形成
    方法。
  4. 【請求項4】前記不純物を導入する工程は、前記基体の
    素子の主接合を構成すべき主拡散層形成領域周辺部に所
    定の開口をもつマスクを形成し、このマスクを通して行
    なう特許請求の範囲第1項記載の半導体素子の拡散層形
    成方法。
  5. 【請求項5】前記不純物を導入する工程は所定の開口を
    もつ第1のマスクを通して行ない、前記熱処理工程での
    マスクを第2のマスクとして、第1のマスクの開口をリ
    ング状としてその外径をa,内径をb、前記第2のマスク
    の開口をリング状としてその外径をc,内径をdとし、素
    子の主接合を構成すべき主拡散層の径をrとしたとき、 b≦r<a b≦d<a<c なる関係に設定される特許請求の範囲第1項記載の半導
    体素子の拡散層形成方法。
  6. 【請求項6】前記第1導電型半導体層は低濃度n型InP
    層であり、前記第2導電型拡散層はMgのイオン注入によ
    り形成されるガードリングとして補助の拡散層であり、
    このガードリングに囲まれた領域にCdの熱拡散により素
    子の主接合を構成すべき高濃度p型の主拡散層が形成さ
    れる特許請求の範囲第1項記載の半導体素子の拡散層形
    成方法。
  7. 【請求項7】前記低濃度InP層は、不純物濃度2×1015
    /cm3〜1×1016/cm3であり、前記Mgのイオン注入条件
    は加速電圧100〜300KeV、ドーズ量5×1013/cm2〜1×
    1014/cm2である特許請求の範囲第6項記載の半導体素
    子の拡散層形成方法。
  8. 【請求項8】前記熱処理工程は、前記基体を構成する元
    素の解離を防ぐように調整された雰囲気中で行われる特
    許請求の範囲第1項記載の半導体素子の拡散層形成方
    法。
  9. 【請求項9】前記第1導電型半導体層は、主接合を構成
    すべき第2導電型の主拡散層およびガードリングを構成
    すべき第2導電型の補助拡散層形成前に予め前記主拡散
    層形成領域が比較的高濃度でその周囲が低濃度の状態に
    設定されており、前記不純物を導入する工程で用いる第
    1のマスクはその開口が前記主拡散層形成領域を含む円
    状とし、前記熱処理工程で用いる第2のマスクの開口は
    第1のマスクのそれより径の大きい円状として、前記主
    拡散層の形成と補助拡散層形成とを同時に行なうように
    した特許請求の範囲第1項記載の半導体素子の拡散層形
    成方法。
  10. 【請求項10】前記不純物を導入する工程で用いる第1
    のマスクはその開口をリング状とし、前記熱処理工程で
    用いる第2のマスクはその開口を最も内側のものが第1
    のマスクの開口と一部重なる複数のリング状とした特許
    請求の範囲第1項記載の半導体素子の拡散層形成方法。
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