JPH01129413A - 半導体基体への不純物導入方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体基体に対する不純物の導入方法に係
り、特に熱拡散によらないで高い活性濃度の不純物を導
入する方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体基体に不純物をドープして基体と不純物濃度の異
なる半導体領域を形成する方法として固相拡散法や気相
拡散法などの熱拡散法が知られているが、これは８００
〜１２５０℃の高温度下で拡散を行なうものであり、そ
のため設備が複雑で高価であり、またその保守が厄介で
ある。また熱拡散法は半導体基体の不純物の面内均一性
に問題があるうえ前記のような高温度の熱処理は半導体
基体中に格子欠陥を生じさせたり重金属元素が基体中に
拡散してキャリアのライフタイムを低下させる等の問題
を生ずる。この問題の解決には、熱拡散温度を下げれば
よいが、８００℃以下では熱拡散の拡散係数が低下する
ので経済性がなく再現性も悪化してしまう。

イオン注入法はこのような半導体ウェハ面内の不純物濃
度の不均一性や高温度処理に伴う種々の問題点を解決で
きるもので、広く半導体装置の製造プロセスに利用され
るに至っているが、非常な高エネルギで半導体に不純物
を打ち込むので半導体表面に損傷を与えてしまう問題が
本質的にあり、また打ち込まれたそのままの状態では不
純物の活性が低いので、半導体表面のダメージを回復し
かつ不純物を活性化するため８００〜１２５０℃の高温
熱処理を必要とし、高温熱処理を完全になくすことがで
きないという問題がある。

このような従来の不純物導入方法の問題点を解決するた
めに本発明者等は先に特開昭５９−２１８７２７号公報
においてプラズマドーピング法による不純物導入方法を
開示した。この方法は半導体基体に４人するべき不純物
元素を含むドーピングガスを水素で稀釈してふんい気ガ
スとし、これをグロー放電によりプラズマ化し、このプ
ラズマによってドーピングガスを分解して半導体基体表
面に不純物を導入する手法である。この方法は２００℃
程度の低温度においても不純物を導入することができる
のでブレーナ素子やＭＯ３ＩＣでは酸化膜汚染や接合深
さ変動さらに高熱による格子欠陥が生じない、さらにプ
ラズマドーピング装置が極めて単純な構造のものを用い
ることができる特徴がある。

また不純物を導入する際のエネルギも小さいために半導
体基体表面の格子欠陥の発生も少ないのである。さらに
このプラズマドーピング法はイオン注入法とは異なり、
半導体基体表面でドープした不純物濃度が高く　（約１
０２３原子／ａＪ）、、深さ方向に濃度が急減するプロ
フィルを示し、濃度分布も約０．２μｌと極めて浅い、
このため浅い接合や浅いオーミックコンタクト層の形成
に有効に使用することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら前述の公報で開示したプラズマドーピング
による不純物の導入方法においては、導入された不純物
の全濃度は確かに高濃度であるが、このうち電気的に活
性な不純物濃度は約１０′４原子／ｄであり、充分な半
導体特性を得ることができないという問題がある。その
ために本発明者等が特開昭５９−２１８７２８号公報で
開示するようにプラズマドーピング法で所定の不純物を
半導体中にドープしたのち、さらにアルゴンプラズマを
用いて導入された不純物の活性化を図ることが行なわれ
る。

しかしながらこの方法では、全体の工程が２工程となる
ために不純物導入に長時間を要（７、能率的な方法とは
言えない問題がある。

この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は半導体
基体を高温に加熱することなく半導体基体中に浅くて表
面不純物濃度の高い半導体領域を・形成できるプラズマ
ドーピングの特徴を生かしながら、しかも全表面不純物
濃度のうちの活性化された不純物濃度をも同時に高くす
ることができるような半導体基体への不純物導入方法を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的はこの発明によれば、密閉容器１内に平行平
板電極対２を備えるとともにその少なくとも一方の電極
に半導体基体３をｉａ置し、この半導体基体の温度を４
００℃以下の所定温度に保持し、前記半導体基体３に導
入するべきリンまたはヒ素の不純物元素を含むドーピン
グガスをへりカムで稀釈したふんい気ガスを所定の圧力
で密閉容器内に満たし、前記平行平板電極対２に直流電
圧を印加してグロー放電により前記ふんい気ガス内にプ
ラズマを発生させることにより達成される。

半導体基体Ｃ導入するべきリンまた１まヒ素の不純物は
それぞれフォスフイン（ＰＨ，）、アルシソ（Ａ５Ｈｚ
）等のドーピングガスとして供給されろ１、これらのガ
スはヘリウムで所定濃度に稀釈されたふんい気ガスとし
て数Ｔｏｒｒの圧力で密閉容器内に溝だされる。平行平
板電極対に直流電圧が印加されグロー放電により上記ふ
んい気ガスはプラズマ化される。

このプラズマはフォスフインまたはアルシン等のドーピ
ングガスを分解し、分解によ−って生（：二た不純物原
子は基体内部に拡散するや半導体基体としては結晶質、
非晶質のシリコ゛／、ゲルマニウム等が用いられる、基
体は平行平板電極対の少なくとも一方の電極に！！２置
される。

〔作用〕

基体内部に拡散したリンあるいはヒ素の不純物原子は半
導体基体中において基体の原子と結合した状態あるいは
結合しない状態となる。基体の原子と結合した不純物原
子は活性で電気特性に関与する。基体の原子と結合しな
い不純物原子は不活性で電気特性に関与しない。

ド・−ピングガスを稀釈するヘリウムガスの原子はプラ
ズマ化されてイ十ンノ：なり、所定電位の電極上におか
れた基体表面にｊＥ突し基体表面を局部的に高温に加熱
する。リンやヒ素の不純物原子はそのために高いエネル
ギを得て基体原子と化学的に結合することができる。

（実施例〕 １（ζ二この発明の実施例を図面に基づいて説明す・“
）　、 （（施例１） 第１図はこの発明の実施例に用いたプラズマド・−ピン
グ装置の概要を示すものでこれは本発明者らが特開昭５
９−２１８７２”／号公報において開示したものと同一
の装置である。即ち、１は反応を行なわせる密閉容器、
２　（２ａ、２ｂ）は平行平板電極対、３は不純物を４
人するべき半導体基体、４は密閉容器を排気するための
真空排気系、５はドーピングカスと稀釈ガスとの混合ガ
スでふんい気ガスとなば）ス）の、６は流量調整回路、
７ａはグロー放電用のｎ　’ｉｉＫ　’４　、ｊ！Ｊ、
、７ｂは半導体基体加熱用電源、８はグロー放電時のガ
ス圧力を調整する真空バルブ、９は密閉容器内のふんい
気ガス圧力を計測する真空計である。

上記のようなプラズマドーピング装置を用いて基体への
不純物４人は次のようにして行われる。

まず真空排気系４を用いて密閉容器１内を排気し、約Ｉ
　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの真空にしたのち、真空バルブ
８を絞り真空排気系４の排気速度を下げる。密閉容器１
にふんい気ガス用混合ガス５を流！調整回路６を通して
導入し、密閉容器内を所定の圧力にする。公知の方法で
電極対２ａ、２ｂ間に直流電圧を印加して密閉容器内の
ふんい気ガスにグロー放電をおこさせ、ふんい気ガスを
プラズマ化して電極２ａ上に載置した半導体基体３に不
純物を導入させる。

ふんい気ガス用混合ガスとして以下の仕様のものを用い
る。

ふんい気ガス用混合ガス５Ａ；ドーピングガスとしてフ
ォスフイン（ＰＨ３）をヘリウムで稀釈して４０００ｐ
ｐａ＋濃度としたもの。

ふんい気ガス用混合ガス５Ｂニドーピングガスとして？
Ｌをうリカノ、で稀釈して２０００ｐｐｍ　ＰＨ変とし
たもの、 ふんい気ガス用混合り′ス５Ｃニド−ピングガスとして
ＰＨ，をヘリウムで稀釈して１１０００ｐｐ　？Ｈ度と
したもの。

半導体基体としては、Ｐ型シリコン基板で比抵抗５００
０Ω・４のものを鏡面研磨して用いる。基体の１」度は
２００℃に保持される。グロー放電時のふんい気ガス圧
力は４　Ｔｏｒｒに調整される。グロー放″ｒＳ、ｆハ
ための直流電圧は９００Ｖ、電流は０．６調＾／−であ
る、平行平板電極対２ａ、２ｂ間の距離は５Ｑｍｍであ
る。グロー放電時間は最大６０分比丘う。

（Ｘ施例２） ふんい気ガス用混合ガスとして以下のものを用いる他は
実施例１の場合と同様にする。

ふんい気ガス用混合ガス５Ｄニドーピングガスとしてフ
ルシン（ＡｓＨ，Ｊ）をヘリウムで稀釈して２００Ｏｐ
ｐ国濃度としたもの。

ふんい気ガス用混合ガス５Ｅ；ドーピングガスとしてＡ
ｓＨ３をヘリウムで稀釈してｌ　Ｏ００ｐ　ｐ　ａｍ　
？Ｈ度としたもの。

ふんい気ガス用混合ガス５ＦニドーピングとしてＡｓｈ
ｓをヘリウムで稀釈して５００ｐｐｍｔＷｆｆとしたも
の。

（比較例） 混合ガスとして以下のものを用いる他は実施例１の場合
と同様にする。

ふんい気ガス用混合ガス５ａ＝ドーピングガスとしてＰ
Ｈ，を水素で稀釈して４０００ｐｐＨ濃度としたもの。

ふんい気ガス用混合ガス５ｂニドーピングガスとしてＰ
Ｈ３を水素で稀釈して２０００ｐｐｍ　濃度としたもの
。

ふんい気ガス用混合ガス５ｃニドーピングガスとしてＰ
Ｈ，を水素で稀釈してＸＯＯＯｐｐｍ　９３度にしたも
の。

ふんい気ガス用混合ガス５ｄニドーピングガスとしてア
ルシンＡｓＨ，を水素で稀釈して２０００ｐｐｍ濃度と
したもの。

ふんい気ガス用混合ガス５ｅ：ドーピングガスとしてＡ
ｓｈｓを水素で稀釈して１０００　ｐ　ｐ　ｍ　ＰＨ度
としたもの。

ふんい気ガス用混合ガス５ｆニドーピングとしてＡｓＨ
，を水素で稀釈して５００　ｐ　ｐ　ｍ　ＰＨ度とした
もの。

第２図はドーピングガスとしてＰＨ，を使用した場合の
活性化リン濃度とグロー放電時間との関係を示す特性図
で曲線２１．２２．２３はそれぞれ前記混合ガス５Ａ、
５Ｂ、５Ｃをふんい気ガスとして使用した場合の特性曲
線であり、さらに曲線３１，３２．３３はそれぞれ前記
混合ガス５ａ、５ｂ、５ｃをふんい気ガスとして使用し
た場合の特性曲線である。

活性化リン濃度は四端子法または拡がり抵抗法を用いて
測定される。リンは半導体基体表面から０．１−の深さ
の範囲内に導入されている。第２図の活性化リン濃度は
半導体基体表面の）４度である。

この図からＩ’１１．をヘリウムで稀釈した場合（曲線
２１．２２．２３＞には活性化リン濃度はグロー放電時
間・約３０分で飽和の傾向を示し、ＰＨ＊４度の高いふ
んい気ガスでは活性化リン濃度も高まることがわかる。

これに対しＰＨ３を水素で稀釈した場合（曲線３１．３
２．３３）　も活性化リン濃度のグロー放電時間依存性
、ふんい気ガス濃度依存性はヘリウム稀釈の場合と同様
であるがヘリウム稀釈の場合と水素稀釈の場合とでは活
性化リン濃度の大きさに違いがあり、ヘリウムで稀釈し
た場合は水素稀釈の場合の３〜４桁活性化リンす度が高
い。ヘリウムで稀釈した場合も水素で稀釈した場合もリ
ンの全不純物濃度は共にＩＱＯ原子／ｃｊ！であること
がＩＭＡ（イオンマイクロアナライザ）による分析の結
果判明しているのでヘリウムで稀釈すると、活性化リン
濃度の全リン濃度に占める割合が高くなることがわかる
。なお本実施例では基体温度を２００℃としたが、これ
に必ずしも限定されるものではなく、半導体基体中に固
溶する酸素が活性化する温度が５００℃であるのでこれ
を考慮して４００　”Ｃ以下であればよい、しかし温度
が低過ぎるとプラズマの温度上昇効果により基体温度の
制御性がわるくなったり、放電時間が長くなったりする
ので通常２００℃以上の温度に設定される。２００〜３
００　’Ｃの範囲に温度を設定すると、活性化不純物濃
度が高まり、あるいは同じ活性化不純物濃度をより短い
放電時間内に得ることができる。またＰＨ，の稀釈につ
いては実施例ではヘリウムを使用しているが、ヘリウム
に１０％以下のアルゴンを混合させてもヘリウム単独の
場合と同様な活性化リン濃度が得られる。

さらにグロー放電電圧については、放電開始電圧以」ニ
であればよいので、例えば５５０ｖ以上の電圧を用いる
ことができる。

以上のようにして半導体基体温度を１０００℃のような
高い温度に加熱することなく、単一のプラズマドーピン
グ工程で基体の浅い部分に活性化リン濃度を高くして不
純物を導入することが可能となる。

第３図はドーピングガスとしてＡｓＨ３を用いた場合の
活性化ヒ素濃度とグロー放電時間との関係を示す。この
図において、曲＆１１２４，２５．２６はそれぞれ前記
混合ガス５０．５Ｅ、５Ｆを用いた場合の特性曲線であ
り、曲線３４，３５．３６はそれぞれ前記混合ガス５ｄ
、５ｅ。

５ｆを使用した場合の特性曲線である。この場合も活性
化ヒ素濃度は四端子法、または拡がり抵抗法で測定され
る。濃度は半導体基体の表面における濃度である。この
図からヘリウムで稀釈されたＡｓＨｘを用いた場合（曲
線２４，２５．２６）が水素で稀釈されたＡｓｈｓを用
いた場合（曲線３４，３５．３６）よりも飽和濃度にお
いて活性化ヒ素濃度が約４桁高いことがわかる。全ヒ素
濃度はヘリウム稀釈、水素稀釈いずれの場合も１０２２
原子／ａ！！である。基体温度についてもリンの場合と
同様に２００〜４００℃の範囲で適当である。

ヒ素の場合も、半導体基体温度を１０００℃のような高
い温度にｊＪＩｌ熱することなく単一のプラズマドーピ
ング工程において基体の浅い部分にしかも活性化ヒ素濃
度を高くして不純物を導入することができる。

（発明の効果〕 この発明によれば、密閉容器内に平行平板電極対を備え
るとともにその少なくとも一方の電極に半導体基体を載
置し、この半導体基体の温度を４００℃以下の所定温度
に保持し、前記半導体基体に導人するべきリンまたはヒ
素の不純物元素を含むドーピングガスをヘリウムで稀釈
したふんい気ガスを所定の圧力で密閉容器内に満たし、
前記平行平板Ｔｉ極対に直流電圧を印加してグロー放電
により前記ふんい気ガス内にプラズマを発生させるので
ドーピングガスがプラズマにより分解されて不純物原子
が基体内部に拡散するとともに、その際ヘリウムイオン
が基体表面に衝突し、基体を局部的に加熱するので基体
中を拡散する不純物原子は基体原子と化学的に結合しや
すくなり、電気的に活性な不純物が多数形成されるよう
になる。このようにして単一のプラズマドーピングにお
いて半導体基体の浅い領域へ高い活性化ｔ：Ａ度で不純
物を導入することが可能となり、プラズマドーピングの
効率を大きく高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマドーピング装置の概略説明図、第２図
はこの発明の実施例に係る活性化リン濃度とグロー放電
時間との関係を従来の関係と対比させた特性図、第３図
はこの発明の他の実施例に係る活性化ヒ素濃度とグロー
放電時間との関係を従来の関係と対比させた特性図であ
る。 １：密閉容器、２　（２ａ、２ｂ）　　：平行平板電極
対、３：半導体基体、４：真空排気系、５　（５Ａ、５
Ｂ、５Ｃ。 ５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ、５ａ、５ｂ、５ｅ、５ｄ、５ｅ、５
ｆ）　　：ふんい気ガス用混合ガス１．６：流量調整回
路、７ａニゲロー放電用直流電源、７ｂ：基体加熱用電
源。 −＞２ イ胃Ａ、、１５１−□山。巖　゛・、゛）１１２５．ン ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ）、■し気つス用
−尾合ウス　　　　　　　ｍｌ　　図り”°ロー祝電時
間（分） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）密閉容器内に平行平板電極対を備えるとともにその
   少なくとも一方の電極に半導体基体を載置し、この半導
   体基体の温度を４００℃以下の所定温度に保持し、前記
   半導体基体に導入するべきリンまたはヒ素の不純物元素
   を含むドーピングガスをヘリウムで稀釈したふんい気ガ
   スを所定の圧力で密閉容器内に満たし、前記平行平板電
   極対に直流電圧を印加してグロー放電により前記雰囲気
   ガス内にプラズマを発生させることを特徴とする半導体
   基体への不純物導入方法。