JP3525141B2 - 抵抗率が低いｎ型又はｐ型金属シリコンの製造方法 - Google Patents
抵抗率が低いｎ型又はｐ型金属シリコンの製造方法Info
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System
- H01L29/167—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System further characterised by the doping material
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ，超ＬＳＩ半導
体デバイス等の基板材料として使用される抵抗率が低い
金属シリコン単結晶を製造する方法に関する。
体デバイス等の基板材料として使用される抵抗率が低い
金属シリコン単結晶を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】シリコンは、ＬＳＩ，超ＬＳＩ半導体デ
バイス等の基板材料として使用されている。シリコンに
ｎ型ドーパントを添加するとキャリアが電子のｎ型半導
体が得られ、ｐ型ドーパントを添加するとキャリアがホ
ールのｐ型半導体が得られる。それぞれの物性を利用し
て、種々の機能をもつ半導体デバイスが作製される。作
製された半導体デバイス間に回路を構成する際、ｎ型又
はｐ型になったシリコンであっても依然として大きな抵
抗率を示すため、シリコン自体を配線に使用できない。
そこで、シリコン表面にＡｕやＡｌ等の金属薄膜を蒸着
等の手段によって形成し、この金属薄膜を配線に使用し
ている。
バイス等の基板材料として使用されている。シリコンに
ｎ型ドーパントを添加するとキャリアが電子のｎ型半導
体が得られ、ｐ型ドーパントを添加するとキャリアがホ
ールのｐ型半導体が得られる。それぞれの物性を利用し
て、種々の機能をもつ半導体デバイスが作製される。作
製された半導体デバイス間に回路を構成する際、ｎ型又
はｐ型になったシリコンであっても依然として大きな抵
抗率を示すため、シリコン自体を配線に使用できない。
そこで、シリコン表面にＡｕやＡｌ等の金属薄膜を蒸着
等の手段によって形成し、この金属薄膜を配線に使用し
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】金属薄膜を配線に使用
する場合、超微細な配線ができず、半導体領域に拡散す
る金属原子が深い不純物電位を作りキャリアを不活性化
する等の制約が加わる。そのため、半導体デバイスの高
密度集積化には限度があり、高性能化，小型化に対する
要求が苛酷になって来ている最近の傾向に十分対応でき
ない。本発明は、このような要求に応えるべく案出され
たものであり、ｎ型及びｐ型の特性を与える元素Ｐ，Ｂ
でシリコンを同時にドーピングすることにより、従来よ
りも一段と高い高キャリア濃度でドーピングされ、配線
としても使用可能な金属シリコン単結晶を得ることを目
的とする。
する場合、超微細な配線ができず、半導体領域に拡散す
る金属原子が深い不純物電位を作りキャリアを不活性化
する等の制約が加わる。そのため、半導体デバイスの高
密度集積化には限度があり、高性能化，小型化に対する
要求が苛酷になって来ている最近の傾向に十分対応でき
ない。本発明は、このような要求に応えるべく案出され
たものであり、ｎ型及びｐ型の特性を与える元素Ｐ，Ｂ
でシリコンを同時にドーピングすることにより、従来よ
りも一段と高い高キャリア濃度でドーピングされ、配線
としても使用可能な金属シリコン単結晶を得ることを目
的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明に従ったｎ型又は
ｐ型シリコンの製造方法は、その目的を達成するため、
Ｐ及びＢを１：(１＋α)又は(１＋α)：１の原子割合
〔ただし、１≦α≦５〕でシリコン単結晶の成長雰囲気
に添加し、シリコンを１０20〜１０22ｃｍ-3の高キャリ
ア濃度にドーピングすることを特徴とする。この方法
は、引上げ成長法，エピタキシャル成長法，選択拡散法
の何れの方法でも実施可能である。
ｐ型シリコンの製造方法は、その目的を達成するため、
Ｐ及びＢを１：(１＋α)又は(１＋α)：１の原子割合
〔ただし、１≦α≦５〕でシリコン単結晶の成長雰囲気
に添加し、シリコンを１０20〜１０22ｃｍ-3の高キャリ
ア濃度にドーピングすることを特徴とする。この方法
は、引上げ成長法，エピタキシャル成長法，選択拡散法
の何れの方法でも実施可能である。
【０００５】引き上げ成長法では、(１＋α)又は(１＋
α)：１の原子割合でＰ，Ｂを添加した融液を使用す
る。エピタキシャル成長法では、ＭＢＥ法，ＭＯＣＶＤ
法等においてＰ，Ｂの分子状ビームとＳｉの原子状ビー
ムを同時に飛ばして成長させる。選択拡散法では、基板
上に蒸着したＰ，Ｂをアニールにより拡散させ、Ｐ，Ｂ
で同時ドーピングされた領域を形成する。
α)：１の原子割合でＰ，Ｂを添加した融液を使用す
る。エピタキシャル成長法では、ＭＢＥ法，ＭＯＣＶＤ
法等においてＰ，Ｂの分子状ビームとＳｉの原子状ビー
ムを同時に飛ばして成長させる。選択拡散法では、基板
上に蒸着したＰ，Ｂをアニールにより拡散させ、Ｐ，Ｂ
で同時ドーピングされた領域を形成する。
【０００６】
【作用】シリコンをＰ又はＢで単独ドーピングする従来
の方法では、１０19ｃｍ-3程度にしかドーピングできな
い。これ以上にＰ又はＢでドーピングしても、補償機構
によりキャリア濃度を増やすことができない。これは、
本来のＳｉ原子位置をＰ又はＢが置換しないためＳｉの
原子空孔やドープした原子が格子間位置に入ったドナー
が出現してキャリアの捕獲中心や補償が生じることによ
り、抵抗がそれ以上に低下しなくなることに原因があ
る。
の方法では、１０19ｃｍ-3程度にしかドーピングできな
い。これ以上にＰ又はＢでドーピングしても、補償機構
によりキャリア濃度を増やすことができない。これは、
本来のＳｉ原子位置をＰ又はＢが置換しないためＳｉの
原子空孔やドープした原子が格子間位置に入ったドナー
が出現してキャリアの捕獲中心や補償が生じることによ
り、抵抗がそれ以上に低下しなくなることに原因があ
る。
【０００７】これに対し、Ｐ及びＢで同時ドーピングす
ると、１０20ｃｍ-3を超える高濃度までドーピングする
ことが可能になることを見い出した。同時ドーピングに
よってキャリア濃度が高くなる理由を本発明者等は次の
ように推察した。単独ドーピングでは、ドーパントの単
独の電荷による１／ｒ（ｒ：距離）に比例する長距離ク
ーロン斥力によりキャリアが散乱する。これに対し、Ｐ
及びＢの同時ドーピングでは、アクセプタ(＋)及びドナ
ー(−)の電荷が同時に存在することによりキャリアが短
距離の双極子散乱（１／ｒ3）で散乱されるようにな
る。そのため、キャリアの移動度（モビリティ）が同時
ドーピングの場合には一桁以上大きくなることにより、
低抵抗が実現する。
ると、１０20ｃｍ-3を超える高濃度までドーピングする
ことが可能になることを見い出した。同時ドーピングに
よってキャリア濃度が高くなる理由を本発明者等は次の
ように推察した。単独ドーピングでは、ドーパントの単
独の電荷による１／ｒ（ｒ：距離）に比例する長距離ク
ーロン斥力によりキャリアが散乱する。これに対し、Ｐ
及びＢの同時ドーピングでは、アクセプタ(＋)及びドナ
ー(−)の電荷が同時に存在することによりキャリアが短
距離の双極子散乱（１／ｒ3）で散乱されるようにな
る。そのため、キャリアの移動度（モビリティ）が同時
ドーピングの場合には一桁以上大きくなることにより、
低抵抗が実現する。
【０００８】また、Ｐ，Ｂの同時ドーピングにより、図
１と図２に模式的に対比して示すように、シリコン結晶
の歪みエネルギが緩和され、高濃度まで歪みが溜らずに
ドーピングすることができる。また、ドナーとなるＰ及
びアクセプタとなるＢがそれぞれ(−)及び(＋)に帯電
し、ｎ型(−)及びｐ型(＋)のドーパントが同時に存在す
ることになるので、(−)と(＋)の間のクーロン力により
静電エネルギが低下して結晶が安定化するため、補償効
果が生じることなく高濃度までドーピングすることがで
きる。
１と図２に模式的に対比して示すように、シリコン結晶
の歪みエネルギが緩和され、高濃度まで歪みが溜らずに
ドーピングすることができる。また、ドナーとなるＰ及
びアクセプタとなるＢがそれぞれ(−)及び(＋)に帯電
し、ｎ型(−)及びｐ型(＋)のドーパントが同時に存在す
ることになるので、(−)と(＋)の間のクーロン力により
静電エネルギが低下して結晶が安定化するため、補償効
果が生じることなく高濃度までドーピングすることがで
きる。
【０００９】この状態でＰ：Ｂ＝(１＋α)：１の原子割
合で同時ドーピングすると、キャリアが電子の低抵抗ｎ
型シリコンが得られる。また、Ｐ：Ｂ＝１：(１＋α)の
原子割合で同時ドーピングすると、キャリアがホールの
低抵抗ｐ型シリコンが得られる。そして、Ｐ，Ｂ単独で
は１０19ｃｍ-3程度しかドーピングできなかったシリコ
ンに対し、キャリアが１０20ｃｍ-3を超える高濃度まで
ドーピングできる。このように高濃度にドーピングされ
たシリコンは、絶縁体から金属に転移することにより、
１０-2〜１０-5Ω・ｃｍと十分に低い抵抗率をもつ金属
物性を示す。したがって、高濃度にドーピングされたシ
リコンは、従来のようにＡｕ，Ａｌ等の金属薄膜を設け
る必要なく、各種デバイスを接続する配線として使用す
ることができる。
合で同時ドーピングすると、キャリアが電子の低抵抗ｎ
型シリコンが得られる。また、Ｐ：Ｂ＝１：(１＋α)の
原子割合で同時ドーピングすると、キャリアがホールの
低抵抗ｐ型シリコンが得られる。そして、Ｐ，Ｂ単独で
は１０19ｃｍ-3程度しかドーピングできなかったシリコ
ンに対し、キャリアが１０20ｃｍ-3を超える高濃度まで
ドーピングできる。このように高濃度にドーピングされ
たシリコンは、絶縁体から金属に転移することにより、
１０-2〜１０-5Ω・ｃｍと十分に低い抵抗率をもつ金属
物性を示す。したがって、高濃度にドーピングされたシ
リコンは、従来のようにＡｕ，Ａｌ等の金属薄膜を設け
る必要なく、各種デバイスを接続する配線として使用す
ることができる。
【００１０】
【実施例】実施例１：
真空チャンバ１の内部に配置したルツボ２に入れたシリ
コン原料を高周波加熱コイル３で１５５０℃で加熱溶融
し、シリコン融液４を調製した。Ｐの混合量を６×１０
20ｃｍ-3，１×１０22ｃｍ-3，２×１０22ｃｍ-3，６×
１０22ｃｍ-3と変え、その１／２に当る量のＢを同時に
シリコン融液４に混合溶解した。シリコン融液４が均質
になった時点で、シリコン融液４に種結晶５を接触させ
てなじませ、回転させながら１ｃｍ／時の速度で徐々に
シリコン単結晶６を引き上げた。
コン原料を高周波加熱コイル３で１５５０℃で加熱溶融
し、シリコン融液４を調製した。Ｐの混合量を６×１０
20ｃｍ-3，１×１０22ｃｍ-3，２×１０22ｃｍ-3，６×
１０22ｃｍ-3と変え、その１／２に当る量のＢを同時に
シリコン融液４に混合溶解した。シリコン融液４が均質
になった時点で、シリコン融液４に種結晶５を接触させ
てなじませ、回転させながら１ｃｍ／時の速度で徐々に
シリコン単結晶６を引き上げた。
【００１１】得られたシリコン単結晶についてキャリア
濃度を測定した結果を表１に示す。表１から明らかなよ
うに、Ｐ及びＢの同時ドーピングで得られた単結晶は、
ＢをドーピングしないＰ単独ドーピングに比較してキャ
リア濃度が１００倍以上に高くなっていた。このことか
ら、Ｐ及びＢの同時ドーピングにより高濃度ドーピング
が可能となり、低抵抗のｎ型金属シリコンが得られるこ
とが判る。
濃度を測定した結果を表１に示す。表１から明らかなよ
うに、Ｐ及びＢの同時ドーピングで得られた単結晶は、
ＢをドーピングしないＰ単独ドーピングに比較してキャ
リア濃度が１００倍以上に高くなっていた。このことか
ら、Ｐ及びＢの同時ドーピングにより高濃度ドーピング
が可能となり、低抵抗のｎ型金属シリコンが得られるこ
とが判る。
【００１２】
【００１３】実施例２：
分子ビーム蒸着結晶成長装置を用い、気相成長法で得ら
れるシリコンのエピタキシャル層にＰ及びＢを同時ドー
ピングした。この場合、真空度１０-10トールに維持し
た真空チャンバ１１内にシリコン基板１２を配置し、高
周波加熱コイル１３で原子ビーム状にしたＳｉビームを
流量１０-6トールで送り込み、シリコン基板１２上にシ
リコン結晶１４をエピタキシャル成長させると同時に、
加熱コイル１５，１６でビーム化されたＢビーム１７，
Ｐビーム１８を供給する。Ｐの混合量を１０21ｃｍ-3，
１.５×１０22ｃｍ-3，１.５×１０23ｃｍ-3に変え、そ
の１／３に当る量のＢを同時ドーピングした。
れるシリコンのエピタキシャル層にＰ及びＢを同時ドー
ピングした。この場合、真空度１０-10トールに維持し
た真空チャンバ１１内にシリコン基板１２を配置し、高
周波加熱コイル１３で原子ビーム状にしたＳｉビームを
流量１０-6トールで送り込み、シリコン基板１２上にシ
リコン結晶１４をエピタキシャル成長させると同時に、
加熱コイル１５，１６でビーム化されたＢビーム１７，
Ｐビーム１８を供給する。Ｐの混合量を１０21ｃｍ-3，
１.５×１０22ｃｍ-3，１.５×１０23ｃｍ-3に変え、そ
の１／３に当る量のＢを同時ドーピングした。
【００１４】得られたシリコン結晶１４についてキャリ
ア濃度を測定した結果を表２に示す。表２から明らかな
ように、Ｐ及びＢの同時ドーピングで得られたシリコン
結晶は、ＢをドーピングしないＰ単独ドーピングに比較
してキャリア濃度が１００〜５００倍と高くなってい
た。このことから、Ｐ，Ｂの同時ドーピングにより高濃
度ドーピングが可能となり、低抵抗のｎ型金属シリコン
が得られることが判る。
ア濃度を測定した結果を表２に示す。表２から明らかな
ように、Ｐ及びＢの同時ドーピングで得られたシリコン
結晶は、ＢをドーピングしないＰ単独ドーピングに比較
してキャリア濃度が１００〜５００倍と高くなってい
た。このことから、Ｐ，Ｂの同時ドーピングにより高濃
度ドーピングが可能となり、低抵抗のｎ型金属シリコン
が得られることが判る。
【００１５】
【００１６】実施例３：
シリコン単結晶基板２１に、ドナー２２となるＰ及びア
クセプタ２３となるＢを図４に示すように蒸着した後、
１２００℃で炉中アニーリングすることにより、Ｐ，Ｂ
をシリコン単結晶中に拡散させた。シリコン単結晶基板
２１には、図５に示すようにＰ，Ｂの拡散によって同時
ドーピングされた領域２４が生じた。アニール時間を変
えてＰ，Ｂのドーピング量を変えた結果を、Ｂの蒸着な
しでＰ単独ドーピングした場合と比較して表３に示す。
表３にみられるように、Ｐ及びＢの同時ドーピングで得
られたシリコン結晶は、ＢをドーピングしないＰ単独ド
ーピングに比較してキャリア濃度が１００〜３５０倍と
高くなっていた。このことから、Ｐ，Ｂの同時ドーピン
グにより高濃度ドーピングが可能となり、低抵抗のｎ型
金属シリコンが得られることが判る。
クセプタ２３となるＢを図４に示すように蒸着した後、
１２００℃で炉中アニーリングすることにより、Ｐ，Ｂ
をシリコン単結晶中に拡散させた。シリコン単結晶基板
２１には、図５に示すようにＰ，Ｂの拡散によって同時
ドーピングされた領域２４が生じた。アニール時間を変
えてＰ，Ｂのドーピング量を変えた結果を、Ｂの蒸着な
しでＰ単独ドーピングした場合と比較して表３に示す。
表３にみられるように、Ｐ及びＢの同時ドーピングで得
られたシリコン結晶は、ＢをドーピングしないＰ単独ド
ーピングに比較してキャリア濃度が１００〜３５０倍と
高くなっていた。このことから、Ｐ，Ｂの同時ドーピン
グにより高濃度ドーピングが可能となり、低抵抗のｎ型
金属シリコンが得られることが判る。
【００１７】
【００１８】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、シリコンに比較してイオン半径の大きい元素Ｐ及び
イオン半径の小さい元素Ｂを１：(１＋α)又は(１＋
α)：１〔１≦α≦５〕の原子割合で同時ドーピングす
ることにより、従来では１０19ｃｍ-3程度までしかドー
ピングできなかったシリコンを１０20〜１０22ｃｍ-3の
高いキャリア濃度でドーピングすることが可能となる。
このように高濃度でドーピングされたシリコンは、従来
のｎ型又はｐ型シリコンに比較して抵抗率が大幅に低
く、配線としても使用可能である。したがって、金属薄
膜を配線として使用する必要がないため、半導体デバイ
スの大幅な高密度集積が可能となる。
は、シリコンに比較してイオン半径の大きい元素Ｐ及び
イオン半径の小さい元素Ｂを１：(１＋α)又は(１＋
α)：１〔１≦α≦５〕の原子割合で同時ドーピングす
ることにより、従来では１０19ｃｍ-3程度までしかドー
ピングできなかったシリコンを１０20〜１０22ｃｍ-3の
高いキャリア濃度でドーピングすることが可能となる。
このように高濃度でドーピングされたシリコンは、従来
のｎ型又はｐ型シリコンに比較して抵抗率が大幅に低
く、配線としても使用可能である。したがって、金属薄
膜を配線として使用する必要がないため、半導体デバイ
スの大幅な高密度集積が可能となる。
【図１】 Ｐ単独ドーピングしたシリコン結晶の模式図
【図２】 Ｐ，Ｂ同時ドーピングしたシリコン結晶の模
式図
式図
【図３】 Ｐ，Ｂ同時ドーピングする引上げ法の説明図
【図４】 Ｐ，Ｂ同時ドーピングする気相成長法の説明
図
図
【図５】 Ｐ，Ｂ同時ドーピングする選択拡散法の説明
図
図
【図６】 Ｐ，Ｂの拡散によって同時ドーピングされた
領域をもつシリコン単結晶基板の断面図
領域をもつシリコン単結晶基板の断面図
１：真空チャンバ ２：ルツボ ３：高周波加熱コ
イル ４：シリコン融液 ５：種結晶 ６：シリ
コン単結晶 １１：真空チャンバ １２：シリコン基板 １３：
高周波加熱コイル １４：シリコン結晶 １５，１６：加熱コイル １
７：Ｂビーム １８：Ｐビーム ２１：シリコン単結晶基板 ２２：ドナー ２３：
アクセプタ ２４：同時ドーピングされた領域
イル ４：シリコン融液 ５：種結晶 ６：シリ
コン単結晶 １１：真空チャンバ １２：シリコン基板 １３：
高周波加熱コイル １４：シリコン結晶 １５，１６：加熱コイル １
７：Ｂビーム １８：Ｐビーム ２１：シリコン単結晶基板 ２２：ドナー ２３：
アクセプタ ２４：同時ドーピングされた領域
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(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｌ 21/208 Ｈ０１Ｌ 21/28 ３０１Ａ
21/28 ３０１ 21/88 Ｐ
Claims (4)
- 【請求項１】 Ｐ及びＢを１： ( １＋α ) 又は ( １＋α ) ：
１の原子割合〔ただし、１≦α≦５〕でシリコン単結晶
の成長雰囲気に添加し、シリコンを１０ 20 〜１０ 22 ｃｍ
-3 の高キャリア濃度にＰ，Ｂで同時ドーピングすること
を特徴とする抵抗率が低いｎ型又はｐ型金属シリコンの
製造方法。 - 【請求項２】 １： ( １＋α ) 又は ( １＋α ) ：１の原子割
合でＰ及びＢを添加した融液を使用してシリコン単結晶
を引き上げる請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 気相から金属Ｓｉをエピタキシャル成長
させる際、Ｓｉビームに加えてＰ及びＢの分子状ビーム
を同時に供給し、エピタキシャル成長したシリコン結晶
をＰ，Ｂで同時ドーピングする請求項１記載の方法。 - 【請求項４】 シリコン単結晶基板にＰ及びＢをそれぞ
れ蒸着し、アニールしてＰ及びＢを拡散させ、Ｐ，Ｂで
同時ドーピングした領域を形成する請求項１記載の方
法。
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