JP2783410B2 - 半導体装置の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に半導体
基板の主面に不純物イオンを打ち込むプロセスに適用し
て有効な技術に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体装置の製造工程では、従来よりpn接合を形成す
る際などに、イオン打込み方が用いられている。

このイオン打込みは、不純物イオンの注入量を正確に
制御できる利点がある反面、半導体基板に欠陥を誘起す
るため、イオン打込み後、基板をアニールすることによ
って、欠陥を回復させ、注入された不純物イオンを電気
的に活性化させてやる必要がある。そのため、従来よ
り、同一チャンバ内においてイオン打込みとアニールと
を同時に、または連続して行ったり、イオン打込みとア
ニールとを交互に繰り返したりすることのできるような
装置構造が種々提案されている（特開昭54−161267号、
特開昭54−162452号、特開昭54−162453号、特開昭56−
100412号、特開昭56−115527号、特開昭56−120134号、
特開昭58−111324号、特開昭60−107249号、特開昭61−
107725号、特開昭61−131354号、実開昭61−15731号各
公報参照）。なお、イオン打込み装置については、例え
ば株式会社工業調査会、昭和61年11月発行、「電子材料
・1986年別冊」P84〜P88に、また、アニール装置につい
ては、同じく株式会社工業調査会、昭和62年11月発行、
「電子材料・1987年別冊」P65〜P72にそれぞれ記載され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、半導体基板上にバイポーラ集積回路を製造
する工程では、例えばバイポーラ・トランジスタのベー
ス領域やエミッタ領域を形成する工程で上記したイオン
打込み／アニールが利用されている。特に、ベース領域
の形成工程では、基板にホウ素（Ｂ）のような拡散係数
の大きい不純物イオンを高濃度に打込むため、このとき
誘起された基板の欠陥をどの程度回復できるかが、完成
したバイポーラ・トランジスタの信頼性を大きく左右す
る。

しかしながら、本発明者の検討によれば、従来のイオ
ン打込み／アニール技術は、上記したベース領域を形成
する際のイオン打込みによって誘起された基板の欠陥を
充分に回復させることができない、という欠点がある。
特に、ベース領域形成後、ベース領域上に自己整合的に
引き出し電極を形成する工程が伴われる場合には、ベー
ス領域に残留した欠陥が引き出し電極形成時の熱処理に
よって成長する結果、コレクタ−エミッタ間およびコレ
クタ−ベース間のリーク電流が増大し、最終的には耐圧
劣化不良を引き起こす、という事実が本発明者によって
見出された。

本発明は、上記した従来のイオン打込み／アニール技
術の問題点に着目してなされたものであり、その目的
は、イオン打込みによって誘起された半導体基板の欠陥
を有効に回復させることのできる技術を提供することに
ある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

（１）本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の
主面に第１および第２のイオン種を打ち込む際、前記半
導体基板を支持手段に載置し、前記支持手段を所定の速
度で回転させながら、前記半導体基盤を前記第１のイオ
ン種を発生する第１の加速イオン発生源と、前記第２の
イオン種を発生する第２の加速イオン発生源と、波長1.
2μｍ以上の赤外成分を含まない光を発生する輻射加熱
源とに相対させ、前記第１のイオン種を注入し、続いて
前記第２のイオン種を注入するイオン打ち込みと、短時
間アニールとを交互に繰り返すものである。

（２）本発明の半導体装置の製造装置は、２種以上の不
純物イオンを交互に打ち込むための２以上の加速イオン
発生源と、波長1.2μｍ以上の赤外成分を含まない光を
発生する輻射加熱源とが半導体基板を支持する基板ホル
ダに相対して配置され、前記基板ホルダには冷却機構と
回転機構とが設けられているものである。

（３）本発明の半導体装置の製造装置は、２種以上の不
純物イオンを交互に打ち込むための２以上の加速イオン
発生源と、輻射加熱源とが半導体基板を支持する基板ホ
ルダに相対して配置され、前記輻射加熱源と前記半導体
基板ホルダとの間には、前記輻射加熱源で発生した光の
うち、波長1.2μｍ以上の赤外成分を除去するためのフ
ィルタが設けられているものである。

（４）本発明の半導体装置の製造装置は、２種以上の不
純物イオンを交互に打ち込むための２以上の加速イオン
発生源と、波長1.2μｍ以上の赤外成分を含まない光を
発生する輻射加熱源とが半導体基板を支持する基板ホル
ダに相対して配置され、前記基板ホルダには冷却機構と
回転機構と静電吸着機構が設けられているものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、一のイオン種の打ち込みによ
って誘起された、イオン半径の相違からくる半導体基板
の歪を、イオン半径を補償する他のイオン種の打ち込み
によって速やかに緩和することができるので、半導体基
板に複合欠陥が誘起されるのを有効に防止することがで
きる。また、半導体基板を構成する単結晶シリコンの基
礎吸収スペクトルと同じスペクトルの光で基板をアニー
ルすることにより、半導体基板の昇温レートが大きくな
るので、イオン打ち込み後のアニールを短時間で行うこ
とができる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例である半導体製造装置の
略平面図、第２図は、この半導体製造装置の基板ホルダ
を示す第３図のII−II線部分破断断面図、第３図は、基
板ホルダの正面図、第４図（ａ）〜（ｋ）は、本実施例
による半導体装置の製造方法を示す半導体基板の要部断
面図である。

第１図に示すように、本実施例の半導体製造装置１
は、チャンバ２内に二つの加速イオン発生源3a,3bと、
輻射加熱源４と、半導体基板５を支持する基板ホルダ
（支持手段）６とを備えている。

二つの加速イオン発生源3a,3bは、チャンバ２の壁面
に沿って所定の間隔を置いて配置され、互いに異なる種
類の不純物イオンを基板５の表面交互に打込むことがで
きるようになっている。

輻射加熱源４は、例えば波長0.2μｍ以上の光を発生
するXeアークランプで構成されている。本実施例では、
この輻射加熱源４の前面に、２枚の透明な石英ガラス4
a,4a間に水4bを封入したフィルター４が設けられ、この
水4bを通過した上記光のうち、波長1.2μｍ以上の赤外
成分のみが選択的に除去されるようになっている。すな
わち、基板５に照射される赤外光は、そのスペクトル
が、シリコン単結晶の基礎吸収スペクトル（λ≦1.2μ
ｍ）とほぼ一致するようになっている。

チャンバ２の中央に設置された基板ホルダ６の先端部
には、ウエハ状態にある複数枚の基板５が装着されるよ
うになっている。この基板ホルダ６は、回転機構７を介
してチャンバ２の水平面内を所望の速度で回転されるよ
うになっている。

上記基板ホルダ６には、第２図、第３図に示すような
冷却機構と静電吸着機構とが設けられている。すなわ
ち、基板ホルダ６の内部には、導電材料からなる中空の
内枠８が挿入され、この内枠８の内部に流入される、例
えばフルオルクロル炭化水素や液体窒素からなる冷媒９
によって、アニール後の基板５を速やかに冷却できるよ
うになっている。

上記内枠８の外周には、例えば高誘電体セラミックか
らなる絶縁枠10が嵌着され、さらにその外周には、導電
材料からなる筒状の外枠11が設けられている。この筒状
の外枠11の直径は、基板ホルダ６の先端部に装着される
基板５の直径よりも小さい。

すなわち、この基板ホルダ６は、イオン束に面する先
端部の表面積が基板５の表面積よりも小さいので、加速
イオン発生源3a,3bから発生した不純物イオンが、基板
ホルダ６に打込まれないようになっている。

上記基板ホルダ６の外枠11と内枠８との間には、直流
電圧が印加されるようになっており、外枠11が接地側に
接続されている。すなわち、絶縁枠10を介して互いに絶
縁された外枠11と内枠８との間に高電圧が印加されるこ
とによって、基板ホルダ６の外周に静電気が誘起され、
その静電引力で基板５が基板ホルダ６の先端部に吸着さ
れるようになっている。

次に、上記した製造装置１を用いた半導体装置の製造
方法の一例を説明する。

第４図（ａ）は、バイポーラ・トランジスタを製造す
る工程の中途段階にある基板５を示している。

この基板54は、例えばp^-形シリコン単結晶からなり、
主面の所定の領域には、ヒ素（As）などのｎ形不純物を
拡散したコレクタ埋込み層12と、ホウ素イオンを打込ん
だｐ形のチャネルストッパ層13とが形成されている。基
板５の上に成長させたエピタキシャル層14には、例えば
選択酸化法で作成された素子分離領域15と、リン（Ｐ）
イオンなどｎ形不純物イオンを打込んだコンタクト取出
し領域16とが形成されている。このコンタクト取出し領
域16、およびベースとエミッタとが形成される領域の基
板５上には、例えば500Å程度の薄いSiO₂膜17が形成さ
れている。

上記素子分離領域15とSiO₂膜17との表面には、例えば
500Å程度の薄いSi₃N₄膜18が被着され、このSi₃N₄膜18
の表面には、例えば2500Å程度のポリシリコン膜19が被
着されている。ポリシリコン膜19の表面には、このポリ
シリコン膜19の酸化により作成された、例えば1000Å程
度のSiO₂膜20が形成され、さらにこのSiO₂膜20の表面に
は、例えば1400Å程度のSi₃N₄膜21が被着されている。

そこで、まず第４図（ｂ）に示すように、ホトレジス
トマスク（図示せず）を用いたエッチングでSi₃N₄膜21
とSiO₂膜20とをパターニングした後、このパターニング
をマスクに用いてポリシリコン膜19にホウ素イオンを打
込み、その後、アニールを行うことによって、ポリシリ
コン膜19の一部を選択的に低抵抗化する。このときのホ
ウ素イオンの打込みエネルギーは、例えば40keVであ
り、イオン注入量は、例えば１×10¹⁶/cm²である。ま
た、アニール条件は、例えば800℃、30分である。

次に、第４図（ｃ）に示すように、例えば熱リン酸を
用いたエッチングでSi₃N₄膜21を除去した後、例えばヒ
ドラジンを用いてSiO₂膜20をマスクとしてSiO₂膜20の端
部下方のポリシリコン膜19をサイドエッチングによりエ
ッチングする。

続いて、第４図（ｄ）に示すように、例えばフッ酸／
フッ化アンモニウム混液を用いたエッチングでSiO₂膜20
を除去し、例えば、熱リン酸を用いたエッチングでSi₃N
₄膜18の一部を除去した後、ホウ素イオンが打込まれて
いない箇所のポリシリコン膜19を、例えばヒドラジンを
用いたエッチングで選択的に除去し、さらに、例えばフ
ッ酸／フッ化アンモニウム混液を用いたエッチングでSi
O₂膜17の一部を除去することによって、ベース領域を形
成すべき箇所の基板５を一部露出させる。

以上の工程の後、下記の方法で基板５にベース領域を
形成する。

すなわち、前記製造装置１の基板ホルダ６の先端に基
板５を静電吸着させ、基板ホルダ６を一定速度で回転さ
せる。するとまず、二つの加速イオン発生源3a,3bのう
ち、第１の加速イオン発生源3aから発生したホウ素イオ
ンが基板５の表面に打ち込まれる。このとき、基板５の
表面が非晶化されないようにするため、一度に打ち込ま
れるホウ素イオンの注入量は、１×10¹⁵/cm²を超えない
量とし、本実施例では、例えば１×10¹²/cm²である。ま
た、ホウ素イオンのエネルギーは、例えば10keVであ
る。

基板ホルダ６がさらに回転すると、基板５が第２の加
速イオン発生源3bの正面に位置し、ゲルマニウム（Ge）
イオンが基板５の表面に打ち込まれる。このゲルマニウ
ムイオンの打込みは、ホウ素イオンの打込みによって誘
起された基板５の歪を緩和させるために行われる。ゲル
マニウムイオンの注入量は、ホウ素イオンの注入量と同
じく、例えば１×10¹²/cm²とし、一度に打ち込まれる注
入量は、１×10¹⁵/cm²を超えない量とする。

また、そのエネルギーは、基板５に注入されたホウ素
イオンの深さ分布と一致させるため、例えば50keVとす
る。

基板ホルダ６がさらに回転すると、基板５が輻射加熱
源４の正面に位置し、フィルター４を通過した光によっ
て基板５の表面のアニールが行われる。このときのアニ
ール温度は、例えば600℃である。本実施例では、上記
光のスペクトルをシリコン単結晶の基礎吸収スペクトル
（λ≦1.2μｍ）とほぼ一致させ、基板５の昇温レート
を大きくしてあるので、アニールを極く短時間で行うこ
とができ、例えばホウ素イオンの注入量が１×10¹⁵/cm
の場合は、１秒でよい。

また、例えばホウ素イオンの注入量が１×10¹²/cm²の
場合は、1nsないし1msでよい。

アニールが完了すると、基板５は、輻射加熱源４の正
面から第１の加速イオン発生源3aの正面に移動し、その
間にステージの温度まで冷却される。

このようにして、基板５に、例えば５×10¹⁵/cm²のホ
ウ素イオンが注入されるまで、ホウ素イオンの打込み
と、ゲルマニウムイオンの打込みと、アニールとを交互
に繰り返すことによって、欠陥の無いベース領域22が形
成される（第４図（ｅ））。

以上のようにしてベース領域22を形成した後、第４図
（ｆ）に示すように、基板５の表面に、例えば4000Å程
度のポリシリコン膜23を被着し、続いて、例えば950
℃、30分の条件で基板５を熱処理する。この熱処理によ
り、ベース領域22に打込まれたホウ素イオンの一部がポ
リシリコン膜23中に拡散する。

次に、例えばヒドラジンを用いてポリシリコン膜23を
エッチングすると、第４図（ｇ）に示すように、ベース
領域22から拡散したホウ素イオンが含まれた箇所のポリ
シリコン膜23のみが残り、このポリシリコン膜23とポリ
シリコン膜19とからなるベース引き出し電極24が自己整
合的に形成される。

続いて、第４図（ｈ）に示すように、基板５の表面
に、例えば3500Å程度のSiO₂膜25を被着した後、このSi
O₂膜25の表面に、例えば500Å程度の薄いSi₃N₄膜26を被
着し、ホトレジストマスクを用いたエッチングでベース
領域22上のSiO₂膜25とSi₃N₄膜26とを除去した後、基板
５を熱処理する。この熱処理によって、ベース引き出し
電極24の一部が酸化され、例えば3000Å程度のSiO₂膜27
が形成される。

次に、第４図（ｉ）に示すように、ベース領域22上に
露出したSi₃N₄膜18と、その下層のSiO₂膜17とをホトレ
ジストマスクを用いたエッチングで除去した後、基板５
の表面に、例えば3000Å程度のエミッタ引き出し電極用
ポリシリコン28を被着する。

続いて、第４図（ｊ）に示すように、ポリシリコン膜
28にヒ素イオンなどのｎ形不純物イオンを打込んだ後、
アニールを行い、ポリシリコン膜28を低抵抗化する。そ
の際、ポリシリコン膜28に注入されたヒ素イオンがベー
ス領域22の一部に拡散し、エミッタ領域29が形成され
る。このときのヒ素イオンの打込みエネルギーは、例え
ば80keVであり、イオン注入量は、例えば２×10¹⁶/cm²
である。また、アニール条件は、例えば900℃、20分で
ある。その後、ホトレジストマスクを用いたエッチング
でポリシリコン膜28をパターニングすることによって、
エミッタ引き出し電極30を形成する。

最後に、第４図（ｋ）に示すように、基板５の表面
に、例えばPSG（Phospho Silicate Glass）膜31を被着
した後、ホトレジストマスクを用いたエッチングでベー
ス引き出し電極24、エミッタ引き出し電極30およびコン
タクト取出し領域16にそれぞれコンタクトホール32を開
孔し、配線33を形成することによって、バイポーラ・ト
ランジスタが完成する。

以上のような本実施例によれば、次のような効果を得
ることができる。

（１）．ホウ素イオンの打込みによって基板５にベース
領域22を形成する際、基板５の表面を非晶化しない程度
にホウ素イオンを注入するイオン打込みと、このイオン
打込みによって誘起された基板５の歪を緩和するための
ゲルマニウムイオンの打込みと、短時間アニールとを交
互に繰り返すようにしたので、基板５に複合欠陥が発生
するのを防止することができ、欠陥の無いベース領域22
を形成することができる。

（２）．欠陥の無いベース領域22上にベース引き出し電
極を形成するので、ベース引き出し電極24形成時の熱処
理工程でベース領域22に複合欠陥が発生することがな
い。これにより、コレクタ領域12とエミッタ領域29の
間、およびコレクタ領域12とベース領域22との間のリー
ク電流増大や耐圧不良を低減することができる。

（３）．上記（１）、（２）により、信頼性の高いバイ
ポーラ・トランジスタが得られる。

（４）．半導体製造装置１のチャンバ２内に加速イオン
発生源3a,3bと、輻射加熱源４と、回転機構７を備えた
基板ホルダ６とを設けたので、イオン打込み／アニール
工程のスループットを向上させることができる。

（５）．基板ホルダ６に冷却機構を設けたので、アニー
ル後の基板５を速やかに冷却することができ、低温でイ
オン打込みを行うことができる。これにより、欠陥の無
い、かつ、浅いベース領域22を形成することができる。

（６）．基板ホルダ６の先端部の表面積を基板５の表面
積よりも小さくしたので、不純物イオンが基板ホルダ６
に打込まれることがない。すなわち、基板ホルダ６の表
面から汚染物質が叩き出されることがないので、基板５
の表面への汚染物質の付着が防止され、これにより、複
合欠陥の誘起を防止することができる。

（７）．チャンバ２内に２つの加速イオン発生源3a,3b
を設け、２種の不純物イオンを交互に注入できるように
したので、一度のホウ素イオンの打込みによって誘起さ
れた基板５の歪をその後のゲルマニウムイオンの打込み
によって速やかに緩和することができる。

（８）．輻射加熱源４の前面にフィルター４を設け、基
板５に照射される赤外光のスペクトルをシリコン単結晶
の基礎吸収スペクトルとほぼ一致させたので、基板５の
昇温レートが大きくなり、アニール時間を短縮化するこ
とができる。

（９）．基板ホルダ６に静電吸着機構を設けたので、基
板５と基板ホルダ６との密着性が向上し、基板５の温度
制御が容易になる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づ
き具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更
可能であることはいうまでもない。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた
発明をその背景となったバイポーラ・トランジスタのベ
ース領域の製造技術に適用した場合について説明した
が、本発明は、それに限定されるものではなく、イオン
打込み／アニールを利用する半導体装置の製造技術に広
く適用することができる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものに
よって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおり
である。

２種以上の不純物イオンを交互に注入するための２以
上の加速イオン発生源と、波長1.2μｍ以上の赤外成分
を含まない光源を備えた輻射加熱源とを、基板ホルダに
相対させ、この基板ホルダに冷却機構と回転機構と静電
吸着機構とを設けた半導体製造装置とすることにより、
２種以上の不純物イオンを所望の時間間隔を置いて交互
に注入することができるため、一のイオン種の打込みに
よって誘起された基板の歪を他のイオン種の打込みによ
って速やかに緩和させることができる。また、シリコン
単結晶の基礎吸収スペクトルと同じスペクトルを有する
光源で基板をアニールできるため、基板の昇温レートが
大きくなり、アニール時間を短縮することができる。さ
らに、基板を基板ホルダに密着させることができるの
で、基板の温度制御が容易になり、低温でイオン打込み
を行うことができるため、浅いpn接合を形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である半導体製造装置の略
平面図、 第２図は、この半導体製造装置の基板ホルダを示す第３
図のII−II線部分破断断面図、 第３図は、基板ホルダの正面図、 第４図（ａ）〜（ｋ）は、本実施例による半導体装置の
製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。 １……半導体製造装置、２……チャンバ、3a,3b……加
速イオン発生源、４……輻射加熱源、4a……石英ガラ
ス、4b……水、５……半導体基板、６……基板ホルダ
（支持手段）、７……回転機構、８……内枠、９……冷
媒、10……絶縁体、11……外枠、12……コレクタ埋込み
層、13……チャネルストッパ層、14……エピタキシャル
層、15……素子分離領域、16……コンタクト取出し領
域、17,20,25,27……SiO₂膜、18,21,26……Si₃N₄膜、1
9,23,28……ポリシリコン膜、22……ベース領域、24…
…ベース引き出し電極、29……エミッタ領域、30……エ
ミッタ引き出し電極、31……PSG膜、32……コンタクト
ホール、33……配線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大和田 伸郎 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日 立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 宇田 日出 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日 立製作所デバイス開発センタ内 (56)参考文献 特開 昭54−47473（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−200723（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−107725（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−131354（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−11446（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−82730（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/265 H01L 21/26

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の主面に第１および第２のイオ
   ン種を打ち込む際、前記半導体基板を支持手段に載置
   し、前記支持手段を所定の速度で回転させながら、前記
   半導体基盤を前記第１のイオン種を発生する第１の加速
   イオン発生源と、前記第２のイオン種を発生する第２の
   加速イオン発生源と、波長1.2μｍ以上の赤外成分を含
   まない光を発生する輻射加熱源とに相対させ、前記第１
   のイオン種を注入し、続いて前記第２のイオン種を注入
   するイオン打ち込みと、短時間アニールとを交互に繰り
   返すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】短時間アニールを行った後、半導体基板の
   温度が支持手段の温度とほぼ同じになってから、次の不
   純物イオンを打ち込む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。
3. 【請求項３】２種以上の不純物イオンを交互に打ち込む
   ための２以上の加速イオン発生源と、波長1.2μｍ以上
   の赤外成分を含まない光を発生する輻射加熱源とが半導
   体基板を支持する基板ホルダに相対して配置され、前記
   基板ホルダには、冷却機構と回転機構とが設けられてい
   ることを特徴とする半導体装置の製造装置。
4. 【請求項４】前記基板ホルダのイオン束に面する表面積
   は、前記半導体基板の表面積よりも小さいことを特徴と
   する請求項３記載の半導体装置の製造装置。
5. 【請求項５】２種以上の不純物イオンを交互に打ち込む
   ための２以上の加速イオン発生源と輻射加熱源とが半導
   体基板を支持する基板ホルダに相対して配置され、前記
   輻射加熱源と前記基板ホルダとの間には、前記輻射加熱
   源で発生した光のうち、波長1.2μｍ以上の赤外成分を
   除去するためのフィルタが設けられていることを特徴と
   する半導体装置の製造装置。
6. 【請求項６】２種以上の不純物イオンを交互に打ち込む
   ための２以上の加速イオン発生源と、波長1.2μｍ以上
   の赤外成分を含まない光を発生する輻射加熱源とが半導
   体基板を支持する基板ホルダに相対して配置され、前記
   基板ホルダには、冷却機構と回転機構と静電吸着機構と
   が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装
   置。