JP2725790B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は、逆回復時間の速いPN接合を有する半導体装
置の製造方法に関し、特に特性のばらつきを抑えた半導
体装置の製造方法に関する。
(ロ)従来の技術 第3図に示すNPNトランジスタ等の半導体装置を高速
スイッチング動作させる場合、そのスイッチング時間短
縮を図る為、トランジスタの製造工程においてサブスト
レート(1)上にコレクタ領域(2)、ベース領域
(3)およびエミッタ領域(4)から成る半導体素子を
形成した後、少数キャリアのライフタイムを短くする物
質として金(Au)、白金(Pt)等の重金属(ライフタイ
ムキラー)を各領域(2)(3)(4)に拡散させる手
法が例えば特開昭62−73730号公報(H01L 21/322)に記
載されている。拡散の手段としては、各領域(2)
(3)(4)表面を露出してその表面に膜厚500〜1000
Åの重金属薄膜を蒸着し、800〜1000℃、60〜120分のN2
雰囲気での熱処理を処すことにより、前記ライフタイム
キラー物質を基板中へ拡散させる。このライフタイムキ
ラーの拡散によりシリコン中の格子位置あるいは格子間
位置に固溶した重金属の不純物準位が再結合中心となっ
て、動作時、領域間を移動する電子あるいは正孔を前記
再結合中心でトラップさせることによりトランジスタの
スイッチング時間を短縮させている。
上記Au,Ptはシリコン中に深い不純物準位を形成する
ので優れたライフタイムキラーとして働くが、シリコン
中の固溶度がいずれも1014〜1016atoms・cm-3と小さい
ので、過剰の重金属が拡散中又は拡散後の冷却時にシリ
コン結晶中の転位や空孔などの結晶欠陥部に析出物とし
て析出し易く、析出した重金属はリーク電流の要因とな
ると共に、逆回復時間Trrが短くなるので、Au,Ptのライ
フタイムキラー効果はある濃度を超えると急激に効果が
増大する階段状の特性を持つことになる。その為、ライ
フタイムキラー添加時の温度依存性が大きく、添加量の
コントロールが極めて困難であった。
さらに、Au,Ptはシリコン基板中に“M字型”あるい
は“U字型”の濃度分布を示し、シリコン基板表面で不
純物濃度が高くなる傾向を示すので、基板表面にPN接合
を形成する実際のデバイス製造においては前記コントロ
ールの困難さを一層増大させる。
(ハ)発明が解決しようとする課題 この様に、従来の手法はライタイムキラー効果が急激
に増大するので、ライフタイムキラー添加時の温度依存
性が大きく、添加量のコントロールが極めて困難である
欠点があった。
(ニ)課題を解決するための手段 本発明は上記従来の課題に鑑みて成され、ライフタイ
ムキラーとして鉄(Fe)を用い、Feの不純物準位が直接
ライフタイムキラー効果を発揮することの無い1010〜10
12atoms・cm-1の範囲で導入すると共に、Feを核として
析出核(結晶欠陥)を育成し、この析出核を再結合中心
とすることによりライフタイムのコントロール性に優れ
た半導体装置の製造方法を提供するものである。
(ホ)作用 本発明によれば、FeはFu,Ptと同様に、固溶した重金
属が持つ不純物準位が再結合中心として働く他、前記2
者とは異り、これを核としその後の熱処理によって析出
核(結晶欠陥)を育成することが可能である。その為、
Feを固溶度以下で析出物の析出しにくい、且つ重金属の
不純物準位がライフタイムキラーとして顕著な効果を示
さない低不純物濃度に適宜設定し、前記析出核だけをキ
ャリアの再結合中心とすることにより、ライフタイムを
高精度にコントロールすることができる。
(ヘ)実施例 以下、本発明を適用したNPNトランジスタの一実施例
を図面を参照しながら詳細に説明する。
先ず第1図Aに示すように、比抵抗ρ=1〜1000Ω・
cm、厚さt=500〜1000μmのN型のシリコン単結晶基
板(11)の表面を完全に露出した後オキシ塩化リン(Po
cl3)のデポジションにより基板(11)表面にリンガラ
ス膜を堆積し、基板(11)表面にリン(P)の高濃度デ
ポジット層(13)を形成して前記リングラス膜を除去す
る。
次いで第1図Bに示すように、数百〜千枚のシリコン
基板(11)を多結晶シリコン粒子から成る溶着防止用パ
ウダーを各々挾んで重ね合せ(スタック)た状態で拡散
炉内に挿入し、ランピング後1270℃、ドライO2雰囲気中
で60〜150時間の熱処理を処すことにより、前記高濃度
デポジット層(13)を100〜200μm拡散して高濃度コレ
クタ層(14)とする。
その際、イオン注入法等を利用してシリコン基板(1
1)表面に鉄(Fe)を導入しておき、上記熱処理で拡散
させることによりシリコン基板(11)中のFeの不純物濃
度を1010〜1012atoms・cm-3とする。Feの拡散係数は10
-6〜10-7cm/secと極めて速く、且つ高温長時間の熱処理
を与えるので、Feは多数枚のシリコン基板(11)にまた
がって拡散され、上記熱処理によりシリコン基板(11)
中のFeの濃度分布を均一とすることができる。また、シ
リコン中のFeの固溶度が1015〜1016atoms・cm-3であり
且つ高温長時間の熱処理を与えることで濃度分布を均一
にするので、Fe自身が析出物として結晶欠陥部分に析出
することも無い。
この状態でシリコン中に固溶したFeの各々は、シリコ
ン結晶中の格子位置あるいは格子間位置に固溶してシリ
コン単結晶に歪を与え、これが析出核形成の為の核(1
5)となる。また、固溶したFeはシリコンのバンドギャ
ップ内に深い不純物準位(ドナー準位)を形成するが、
1010〜1012atoms・cm-3に設定すると低濃度であるの
で、不純物準位によるライフタイムキラー効果は薄い。
次に第1図Cに示すように、シリコン基板(11)の片
面をグラインド加工等の機械的研削又はメカノメミカル
加工等の化学・機械的研削によりラッピングし、次いで
鏡面加工(ポリッシング)することにより全体の厚みt
をデバイスの耐圧に対応した厚さに削る。
次に第1図Dに示すように、シリコン基板(11)表面
に熱酸化によりシリコン酸化膜(16)を形成し、通常の
フォトリソグラフィー技術により酸化膜(16)をパター
ニング、これを選択マスクとしてBNあるいはPBFから選
択的にボロン(B)を拡散することにより、シリコン基
板(11)のN-型領域(17)表面にP型ベース領域(18)
を形成する。ボロン(B)のイオン注入によっても良
い。このベース拡散は800乃至1000℃に保持された拡散
炉内に拡散ボートに載置された多数枚のウェハーを挿入
し、挿入後一定の割合で温度上昇(ランピング)して12
30℃、ドライO2雰囲気内で30〜50時間の熱処理により行
なわれる。拡散後の温度下降(ランピング)は5〜7℃
/min以下の割合にする。それ以上の速さで急激に冷却す
るとFeが析出物として析出し易い。
次に第1図Eに示すように、シリコン基板(11)表面
に再度熱酸化膜(16)を形成、パターニングし、今度は
Pocl3から選択的にリン(P)を拡散することにより、
ベース領域(18)表面にN+型エミッタ領域(19)を形成
する。リン(P)のイオン注入によっても良い。このエ
ミッタ拡散は1100℃、ドライO2およびN2雰囲気中で60〜
300分の熱処理により行なわれる。拡散後の温度下降
(ランピング)も5〜7℃/min以下とする。
上記ベース拡散等の熱処理により、固溶したFeによる
核(15)を育成して析出核(20)を形成する。析出核
(20)の育成は、Fe濃度、処理温度、処理時間およびこ
れらの処理プログラムにより大きく左右されるので、適
切に制御する。析出核(20)は、おそらくはリン(P)
のゲッタリング作用によってエミッタ領域(19)下部の
N−型領域(17)に多数集合する。この析出核(20)は
Feを中心とする結晶欠陥であり、Feが持つ不純物準位よ
りは育成された結晶欠陥が主に再結合中心として働く。
尚、エミッタ拡散以後に900〜1000℃、N2雰囲気中での
数〜十数時間程度の熱処理を処すことにより、析出核
(20)の育成をコントロールしてライフタイムを制御す
ることも可能である。むろん、熱処理後の温度下降(ラ
ンピング)も5〜7℃/min以下とする。ベース領域(1
8)内部ではFeがボロン(B)と結合して化合物を形成
するので、析出核(20)育成とはならず固溶したままの
状態となる。Fe濃度が1014atoms・cm-3を超えると、Fe
がボロン(B)と結合してベース領域(18)表面のN-
領域(17)とのPN接合部分に偏折し易く、PN接合リーク
を増大させる。
この様に、FeはAu,Ptとは異り、重金属の不純物準位
が再結合中心として働く他に、Fe原子が核となりその後
の熱処理によって析出核を育成することが可能である。
析出核(20)もまた、再結合中心として働くので、Fe濃
度を低濃度に選択することによってライフタイムのコン
トロールを析出核(20)によってのみ行うことができ
る。従って、Fe濃度を1010〜1012atoms・cm-3とし析出
核(20)の育成によってのみライフタイムコントロール
とすることにより、その効果が拡散後の熱処理により緩
やかに表れるので、ライフタイムを正確に且つ制御性良
くコントロールすることができる。
上記Fe濃度に拡散する手法として、他に溶着防止用パ
ウダー(12)を利用する手法がある。このパウダー(1
2)は石英ガラス等の拡散治具を用いることのできない1
250℃以上の熱処理を行う際シリコン基板(11)が互に
溶着するのを防止する目的で用いられるもので、主とし
てコレクタ拡散時に使用されスタックしたシリコン基板
(11)の間に挾むものである。材料は粒径数+μmの多
結晶シリコン(Poly−Silicon)から成る。通常、上記
パウダー(12)は純度テンナインが保証され重金属や不
純物イオン等は除去されるものであるが、このパウダー
(12)に重量比で2〜500PPMのFe元素を混在せしめる。
パウダー(12)内に混在させるには以下の手法により行
う。先ずパウダー(12)は、多結晶シリコン(Poly−Si
licon)の固体からボールミルと称される装置によって
粉砕された後その粒径をJIS#1200程度の大きさに揃え
る為200メッシュ程度の網目の大きさを有する篩にかけ
られる。その際、多結晶シリコンの硬度が比較的高いの
で、メッシュを通過する時に多結晶シリコン粒子がメッ
シュの材質を削り取り、削り取られた材質がパウダー
(12)内に混在する。従って、メッシュの材質をステン
レススチール等の鉄材料とし、その硬度、網目の大き
さ、メッシュを通過させる回数等を適宜選択することに
より、所望量だけ混在させることができる。
そして、シリコン基板(11)表面に上記パウダー(1
2)を適量散布して付着させ、パウダー(12)を間に挾
むように数百〜千枚のシリコン基板(11)を密着させて
重ね合せ(スタック)、この状態で前記コレクタ拡散を
行う。前記石英ガラス治具を用いていなければ、処理温
度は1250℃以上の高温に設定できる。
上記熱処理によって、パウダー(12)と拡散源としパ
ウダー(12)に混在したFeをシリコン基板(11)中へ拡
散する。パウダー(12)内のFe混在量を2〜500PPMとす
れば、拡散後のFe濃度を1010〜1012atoms・cm-3にでき
る。また、パウダー(12)を用いることにより、石英ガ
ラスが使えない1250℃以上の高温且つ長時間の熱処理が
可能なので、Feを多数枚のシリコン基板(11)にまたが
って拡散でき、スタックした全てのシリコン基板(11)
においてFe濃度を均一にできるので、これがライフタイ
ムコントロールの容易さを増す。
(ト)発明の効果 以上説明した如く、本発明によればFeを再結合中心と
してでなく、低濃度にコントロールすることによりFeを
核として析出核を育成し、この析出核を再結合中心とす
るので、ライフタイムキラー効果を緩やかに発生させる
ことができ、そのコントロールが容易である利点を有す
る。また、Fe拡散後のベース拡散等の工程で同時に析出
核を育成することにより、工程数を増大せずにライフタ
イムコントロールができる利点を有する。さらに、コレ
クタ拡散の高温長時間の熱処理によりスタックしたシリ
コン基板(11)全体に均一にFe拡散ができるので、これ
がコントロールの容易さを増大する利点をも有する他、
Fe濃度を基板の厚み方向で均一となるようにしてから析
出核(20)の育成を行うので、シリコン基板11内の相当
深い位置にライフタイムキラーとして作用する結晶欠陥
を形成することが可能となる利点をも有する。
【図面の簡単な説明】
第1図A乃至第1図Eは夫々本発明の製造方法を説明す
る為の断面図、第2図は本発明を説明する為の断面図、
第3図は従来例を説明する為の断面図である。 (11)はシリコン基板、(15)は重金属による核、(2
0)は析出核である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン基板に鉄(Fe)を1250〜1300℃の
    熱処理で拡散し、前記基板中の不純物濃度を1010〜1012
    atoms・cm-3で均一な濃度分布に形成する工程と、 前記基板の表面に、少なくとも1つのPN接合を形成する
    拡散領域を形成すると共に、該拡散の熱処理により前記
    基板内部に鉄を核としてライフタイムキラーとしての結
    晶欠陥を育成する工程と、を具備することを特徴とする
    半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】前記1250〜1300℃の熱処理によって前記シ
    リコン基板に高濃度コレクタ層となる一導電型の不純物
    を拡散することを特徴とする請求項1記載の半導体装置
    の製造方法。
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