JP5264204B2 - 半導体ウエハの不純物拡散方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハの片面又は両面に不純物拡散領域を形成させる半導体ウエハの不純物拡散方法に関する。
詳しくは、半導体ウエハの片面又は両面に拡散源を含む不純物源層が形成されたウエハを複数枚準備する工程と、これらウエハの間に緩衝材として粉体を介在させて重ね合わせる工程と、この重ね合わされたウエハを加熱して上記不純物拡散層の拡散源から不純物を該半導体ウエハの片面又は両面に拡散させる工程とを含む半導体ウエハの不純物拡散方法に関する。

従来、この種の半導体ウエハの不純物拡散方法として、同種の不純物源層を対向させて複数枚の半導体ウエハをカーボン治具などを用いて積層し、これら不純物源層の間に粉体層として平均粒径約５０μｍのシリコンを充填することでウエハ積層体が形成され、このウエハ積層体を石英からなる円環状の包囲体内に略同心状に配置し、これらウエハ積層体の外周と包囲体の内周との間及びウエハ積層体の上面の空間に粉体カバーの粉体を充填し、更にウエハ積層体上の粉体の上に錘部材を載置するなどして該ウエハ積層体を粉体カバーにより包囲した状態で加熱して、第１及び第２の不純物源層から各不純物を半導体ウエハに同時拡散させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
それにより、前記ウエハ積層体の外周を包囲する粉体カバーは、不純物拡散時に不純物源層から拡散した不純物が、粉体層を通じてウエハ積層体の外へ移動する際の障壁となって、不純物の移動速度を低下させている。

特開２００３−２２９３７４号公報（第１−５頁、図１−４）

しかし乍ら、このような従来の半導体ウエハの不純物拡散方法では、各半導体ウエハの不純物源層の間にシリコン粉体を充填することで粉体層としているが、これらウエハとシリコン粉体との間には相互に引き合う力が無いため、ウエハを傾けるとシリコン粉体が重力により落ちてしまう。
そのため、ウエハを水平に保持しつつその不純物源層の上にシリコン粉体を堆積し、その上にウエハを積み重ねて上下縦方向へ積み上げていた。
それにより、ウエハを縦積みするにはその高さに限界があって一度に大量の半導体ウエハを同時拡散させることができず、生産性に劣るという問題があった。

そこで、本発明のうち第一の発明は、ウエハの配置角度に関係なく粉体の塗布面を重力に阻害されずに維持できる半導体ウエハの不純物拡散方法を提供することを目的としたものである。
第二の発明は、第一の発明の目的に加えて、粉体を効率的に塗布しながら塗布後も粉体の落下を確実に防止することを目的としたものである。
第三の発明は、第一の発明または第二の発明の目的に加えて、大量のウエハＷをバッチ処理で一度にまとめて加熱処理することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち第一の発明は、粉体に静電気を帯びさせて各ウエハに付着し塗布することを特徴とするものである。
第二の発明は、第一の発明の構成に、前記粉体を粉砕することで各粉体間に摩擦帯電を発生させ、この摩擦帯電を利用して、粉砕された粉体を各ウエハに散布する構成を加えたことを特徴とする。
第三の発明は、第一の発明または第二の発明の構成に、前記ウエハを横型拡散炉内に並列密接状に配置して加熱処理する構成を加えたことを特徴とする。
第四の発明は、第一の発明、第二の発明または第三の発明の構成に、前記粉体の粒径は１０μｍ以下である構成を加えたことを特徴とする。
第五の発明は、第一の発明〜第四の発明のいずれかの構成に、前記粉体の塗布膜厚は１ｍｍ以下である構成を加えたことを特徴とする。

本発明のうち第一の発明は、粉体に静電気を帯びさせて各ウエハに付着し塗布することにより、粉体が静電気力でウエハの表面全体に亘って略均一な密度及び厚さで塗布され、各ウエハを傾斜させたり略垂直状に立てても、粉体からなる塗布面が落下せず各ウエハ間に保持される。
従って、ウエハの配置角度に関係なく粉体の塗布面を重力に阻害されずに維持することができる。
その結果、ウエハ上にシリコン粉体を載せるだけでウエハを傾けるとシリコン粉体が重力により落ちてしまう従来のものに比べ、拡散処理中にウエハ同士の緩衝材としての十分な機能を果たすと共に、塗布皮膜の嵩成長によって熱拡散時の保護膜としての機能も可能となる。

第二の発明は、第一の発明の効果に加えて、粉体として、それよりも大きな粉体を事前に粉砕することで所定の粒径に形成し、その粉砕時において各粉体間に発生した摩擦帯電を利用して、各粉体をウエハに散布することにより、各粉体がウエハの表面全体に強力な静電気力で付着して保持される。
従って、粉体を効率的に塗布しながら塗布後も粉体の落下を確実に防止することができる。

第三の発明は、第一の発明または第二の発明の効果に加えて、ウエハを横型拡散炉内に並列密接状に配置して加熱処理することにより、各ウエハが略垂直状に立つ横積み状態で横型拡散炉の軸方向へ載置可能となる。
従って、大量のウエハをバッチ処理で一度にまとめて加熱処理することができる。
その結果、水平に保持されたウエハの上にシリコン粉体を堆積して上下縦方向へ積み上げる従来のものに比べ、生産効率を著しく向上できると共に、拡散炉内に粉体カバーを別途用意する必要がないからその分だけコストの低減化が図れる。

本発明による半導体ウエハの不純物拡散方法の実施形態として、図１（ａ）〜（ｇ）に示す如く、拡散炉Ｄを用いた固相拡散によりシリコン半導体ウエハＷの表面Ｗ１，Ｗ２のどちらか一方又は両方に不純物を拡散（ドライブイン）させる拡散ウエハの製造方法について説明する。

上記半導体ウエハＷとしては、例えばラップ処理後に洗浄したものを複数枚用意し、その一方の主面Ｗ１に、リン（Ｐ）やアンチモン（Ｓｂ）などのＮ形不純物からなる拡散源をスピン法などにより塗布するか又は印刷して、この不純物の拡散温度より低い温度（約５００℃以上）で焼成することにより、Ｎ形不純物が硬化して第１不純物源層１を形成する。

また、上記半導体ウエハＷの他方の主面Ｗ２には、ボロン（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）やガリウム（Ｇａ）などのＰ形不純物からなる拡散源をスピン法などにより塗布するか又は印刷して、この不純物の拡散温度より低い温度（約５００℃以上）で焼成することにより、Ｐ形不純物が硬化して第２不純物源層２を形成する。

そして、これら複数枚の半導体ウエハＷを用い、各々の一方の主面Ｗ１に形成された上記第１不純物源層１同士と、他方の主面Ｗ２に形成された上記第２不純物源層２同士が相互に向き合うように配置させ、これら半導体ウエハＷの間には緩衝材として後述する粉体３の塗布層を介して積み重ねる（スタックする）ことにより、ウエハ積層体Ｓを形成する。

上記粉体３としては、酸化アルミニウムを使用し、この酸化アルミニウムの平均粒径が５０μｍよりも小さく、この酸化アルミニウムの占める平均密度が０．７９以上且つ３．３８ｇ/ｃｍ³以下とする。
好ましくは約１〜１０μｍの酸化アルミニウムを使用し、この粉体３の介在量を好ましくは約１０μｍ〜１ｍｍにコントロールして、該ウエハ積層体Ｓ内の隣接するウエハＷの対向面同士を接近させる。

このウエハ積層体Ｓの介在に用いられる粉体３の介在量コントロール方法としては、上述の範囲の平均粒径を有する酸化アルミニウムの粉体３に静電気を帯びさせて各半導体ウエハＷに付着させることにより、各ウエハＷの表面全体に亘り略均一な密度（酸化アルミニウムの占める平均密度が約０.８〜３.４ｇ/ｃｍ^３）及び厚さ（約１０μｍ〜１ｍｍ）で塗布すると共に、その帯電量を調整することにより該粉体３の塗布密度及び厚さを上述の範囲となるようにコントロールする。

より詳しく説明すれば、上記静電気を利用した塗布方法として、例えばコロナ放電などの粉体荷電手段が内蔵された粉体静電ガンで塗料に帯電させ、アースした被塗物に静電気を使って塗布する静電粉体塗装法を利用することが考えられる。
しかし、現状で平均粒径が約１０μｍ以下の粉体を塗布するのに適した静電粉体塗装法は見あたらない。
そこで、上記粉体３として、その平均粒径が約１０μｍよりも大きな粉体を事前に粉砕することで粒径が約１０μｍ以下となるようし、その粉砕時において各粉体３間に発生した摩擦帯電を利用して、これら粉体３をアースしたウエハＷに散布することにより、その表面全体に付着して略均一な密度及び厚さで塗布される方法を採用している。

一方、前記拡散炉Ｄは、例えば従来周知構造の横型拡散炉であり、石英管Ｄ１と、ボードＤ２と、石英管Ｄ１の周囲に配設された均熱管Ｄ３及びヒータＤ４とを備え、このボードＤ２に上記ウエハ積層体Ｓを各ウエハＷが略垂直に立つ横積み状態にして載置した後、石英管Ｄ１に挿入してから、例えば窒素ガスなどの不活性ガスＤ５を石英管Ｄ１内に供給しつつ、均熱管Ｄ３及びヒータＤ４により不純物の拡散開始温度（約８００℃）〜シリコンの溶融温度（約１３５０℃）まで昇温して所定時間熱処理する。

次に、斯かる半導体ウエハＷの不純物拡散方法を工程順に従って説明する。
先ず、図１（ａ）に示す如く、洗浄処理されたウエハＷの一方の主面Ｗ１に、リンやアンチモンなどのＮ形不純物を塗布又は印刷する。
その後、図１（ｂ）に示す如く、このＮ形不純物が塗布又は印刷されたウエハＷを、該Ｎ形不純物の拡散温度より低い温度（約５００℃以上）で焼成して、第１不純物源層１が形成される。

これに続いて、図１（ｃ）に示す如く、上記ウエハＷの他方の主面Ｗ２に、ボロンやアルミニウムなどのＰ形不純物を塗布又は印刷する。
その後、図１（ｄ）に示す如く、該Ｐ形不純物の拡散温度より低い温度（約５００℃以上）で焼成して、第２不純物源層２が形成される。

このようにして得られたウエハＷには、図１（ｅ）に示す如く、上記粉体３として帯電した酸化アルミニウムを付着させて、その表面全体に亘り略均一な高密度（酸化アルミニウムの占める平均密度が約０.８〜３.４ｇ/ｃｍ^３）及び厚さ（約１０μｍ〜１ｍｍ）で塗布する。

ここで、上記粉体３として平均粒径が約１０μｍ以下のものと、平均粒径が約２０μｍ以上のものを同重量ずつ用意し、これらを同じ塗布装置を使い塗布環境が同条件下でウエハＷに塗布する実験を行った。
その結果は、これら両者の塗布面を３５０倍と、３，５００倍に拡大して目視により観察したところ、図２に示す如く、粉体の粒径が約１０μｍ以下の方が２０μｍ以上に比べて、ウエハＷの表面への付着が容易であり、しかも粉体の粒径が大きくなる程、塗布密度が「疎」となり易いことが解った。

更に、上記粉体３として粒径が約１０μｍ以下のものを使用し、同じ塗布装置を使い塗布環境が同条件下でウエハＷに対し、その膜厚が約１ｍｍ(1000μｍ)以下と１ｍｍよりも厚くなるように塗布する実験を行った。
その結果は、これら両者の塗布面を３５０倍と、３，５００倍に拡大して目視により観察したところ、図３に示す如く、塗布膜厚が約１ｍｍ以下の方が１ｍｍよりも厚いものに比べて、剥離し難くなることが解った。
その理由としては、塗布により各粉体３同士が凝集して成長する工程で、塗布膜厚が１ｍｍよりも厚いものになると、その自重に対する帯電能力不足が剥離の原因と推察される。

そして、このようなウエハＷを、図１（ｆ）に示す如く、各々の一方の主面Ｗ１に形成された上記第１不純物源層１同士と、他方の主面Ｗ２に形成された上記第２不純物源層２同士が相互に対向するように積み重ねると、これらウエハＷの間には粉体３の酸化アルミニウムからなる塗布層が介在してウエハ積層体Ｓとなる。

その後、図１（ｇ）に示す如く、このウエハ積層体Ｓを各ウエハＷが略垂直状に立つ横積みに向きを変えてから、上記拡散炉ＤのボードＤ２上に載置する。
この際、粉体層３の酸化アルミニウムの粉体を静電気の利用によって各ウエハＷの表面全体に付着したため、ウエハ積層体Ｓが横積みに向きを変えて各ウエハＷが略垂直状に立っても、それらに付着した酸化アルミニウムの粉体は静電気力により重力で落下せず、そのまま付着保持される。

特に、粉砕により発生した摩擦帯電で各粉体３をウエハＷへ向けて散布すれば、図４に示す実験結果のように、この摩擦帯電方法は、例えば静電粉体塗装法などに使用される誘導帯電方法（コロナ放電の荷電強・荷電弱）など、他の帯電方法よりも強力な静電気力であり、しかも帯電力の大きさは「塗布の成長速度」や「塗布膜保持量(厚さ)」にも影響を及ぼすため、粉体３を効率的に塗布できると共に、また塗布後も強力な静電気力で粉体３の落下を確実に防止できるという利点がある。

このボードＤ２によってウエハ積層体Ｓを石英管Ｄ１内に挿入し、窒素ガスなどの不活性ガスＤ５を石英管Ｄ１内に供給しながら、均熱管Ｄ３及びヒータＤ４により熱処理を行うと、高温度雰囲気（約８００℃〜１３５０℃）中で各ウエハＷの第１不純物源層１及び第２不純物源層２に含まれる各不純物が、一方の主面Ｗ１及び他方の主面Ｗ２に同時拡散される。

この際、これら第１不純物源層１及び第２不純物源層２に含まれる各不純物のドープ（供給）量が高くても、粉体３の酸化アルミニウムの砥粒、密度及び粉体３の塗布層の厚みを本発明で示すようにコントロールすることで、粉体３の塗布層における酸化アルミニウムの粒子を介して対向する同種の不純物源層間に移動するものの、該酸化アルミニウムの粒子に沿って移動し該粉体３の塗布層の側面から外部空気に拡散する不純物の量が抑制される。
これと同時に、その余分な不純物は粉体３の酸化アルミニウムが吸着する。
それにより、各粉体３の塗布層の側面から外部空気に拡散する各不純物の量が抑制されるため、異種の不純物による混合拡散を抑制できる。

また、粉体３の塗布層の厚みを１０μｍ以上とすることで粉体３の酸化アルミニウムは、不純物源層から拡散する不純物（特に拡散係数の大きいリン）によって不純物源層と一体化せず残存するため容易に剥離可能となって、拡散時にウエハ積層体Ｓとして積層された各ウエハを熱処理後に容易に分離できる。
これと逆に粉体３の塗布層の厚みを１ｍｍ以下とすることで、粉体３の塗布層の酸化アルミニウムで吸収される不純物の量が所望する程度以上となることを抑制し、半導体ウエハ両面の不純物拡散領域の不純物拡散濃度を所望する濃度（例えば１×１０^３〔Ａ/ｃｍ^３〕以上とすることができる。

従って、斯かる半導体ウエハＷの不純物拡散方法は、特開２００３−２２９３７４号に開示されるような粉体カバーに代えて、従来から用いられている横型拡散炉Ｄを使用するため、バッチ処理により一度にまとめて大量に加熱処理可能となるから、それによって製造される半導体基体の生産効率を著しく向上できると共に、粉体カバーを用意する必要がないからその分だけコストの低減化が図れるという利点がある。

尚、前示実施例では、前記半導体ウエハＷの表面Ｗ１，Ｗ２の両方に異なる不純物を拡散させる場合を示したが、これに限定されず、半導体ウエハＷの表面Ｗ１，Ｗ２のどちらか一方のみに不純物を拡散させても良い。
更に、前記粉体３として酸化アルミニウムを使用したが、これに限定されず、酸化アルミニウムと同様な機能があれば、酸化アルミニウムの代用品を用いても良い。
また、前記拡散炉Ｄとして横型拡散炉を使用したが、これに限定されず、例えば特開２００３−２２９３７４号に開示されるような粉体カバーを使用せずに縦型拡散炉を使用しても良い。

本発明の一実施例を示す半導体ウエハの不純物拡散方法の概略図であり、その工程順に従って（ａ）〜（ｇ）に示している。 粉体粒径の違いによる塗布状態の観察結果を示す比較表である。 粉体塗布膜厚の違いによる塗布状態の観察結果を示す比較表である。 帯電方法と粉塗布密度成長に関するグラフである。

符号の説明

Ｗ 半導体ウエハ Ｗ１ 一方の主面
Ｗ２ 他方の主面 １ 第１不純物源層
２ 第２不純物源層 ３ 粉体
Ｓ ウエハ積層体 Ｄ 拡散炉

Claims (5)

1. 半導体ウエハ（Ｗ）の片面（Ｗ１）又は両面（Ｗ１，Ｗ２）に拡散源を含む不純物源層（１，２）が形成されたウエハ（Ｗ）を複数枚準備する工程と、
   これらウエハ（Ｗ）の間に緩衝材として粉体（３）を介在させて重ね合わせる工程と、
   この重ね合わされたウエハ（Ｗ）を加熱して上記不純物拡散層（１，２）の拡散源から不純物を該半導体ウエハ（Ｗ）の片面（Ｗ１）又は両面（Ｗ１，Ｗ２）に拡散させる工程とを含む半導体ウエハの不純物拡散方法において、
   前記粉体（３）に静電気を帯びさせて各ウエハ（Ｗ）に付着し塗布することを特徴とする半導体ウエハの不純物拡散方法。
2. 前記粉体（３）として、それよりも大きな粉体を事前に粉砕することで所定の粒径に形成し、その粉砕時において各粉体（３）間に発生した摩擦帯電を利用して、各粉体（３）をウエハ（Ｗ）に散布する請求項１記載の半導体ウエハの不純物拡散方法。
3. 前記ウエハ（Ｗ）を横型拡散炉（Ｄ）内に並列密接状に配置して加熱処理する請求項１又は２記載の半導体ウエハの不純物拡散方法。
4. 前記粉体（３）の平均粒径は１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１、２または３のいずれか記載の半導体ウエハの不純物拡散法。
5. 前記粉体（３）の塗布膜厚は１０μｍ以上且つ１ｍｍ以下である請求項１〜４のいずれか記載の半導体ウエハの不純物拡散法。