JPH0289308A - シリコン基板のアルミニウム拡散層の形成方法 - 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］ 本発明はシリコン基板中にアルミニウムを不純源として
導入しＰ膨拡散層を形成する方法に関する。

〔従来の技術〕

各種半導体素子の製造過程で半導体基板の表面から不純
物を導入し、必要な伝導型の必要な比抵抗をもつ不純物
拡散層を形成することが一般に行なわれている０例えば
Ｎ型シリコン基板中にＰ形不純物領域を設けてＰＮ接合
を形成する場合などであり、その不純物源としてアルミ
ニウムを用いるのが有効である。不純物源としてのアル
ミニウムはほう素やガリウムに比べてシリコン基板中で
拡散する速度が大きいので、例えば拡散層の深いＰＮ接
合を必要とする高耐圧のサイリスクやダイオードなど電
力用半導体素子のＰ形拡散領域を形成するのに用いられ
ている。このようにシリコン基板中にアルミニウム拡散
層を形成する方法として閉管法、開管法、イオン注入法
、その他蒸着法やスパッタ法などが従来よく知られてい
る。

閉管法はシリコン基板とアルミニウムを同じ透明石英管
の中に置き、この石英管内を真空とした後溶封すること
によりアンプル状となった石英、管を電気炉に装入して
所定温度で所定の時間加熱するものである。アルミニウ
ムは蒸発してシリコン基板表面に付着すると同時に内部
に侵入し拡散する。開管法は酸化アルミニウムの円板と
シリコン基板を交互に例えば数−間隔で厚さ方向に対向
するように立てて並べ、アルゴンガスや水素ガス雰囲気
中で加熱するものであり、酸化アルミニウム円板からア
ルミニウムが飛び出し、これがシリコれている。イオン
注入法はアルミニウムをイオン化して高い加速エネルギ
ーを与えてシリコン基板表面に打ち込み、シリコン基板
表面にアルミニウムの付着層を形成することなく内部に
侵入させた後、所定温度で所定時間熱処理し、引き伸し
拡散によってＰＮ接合の形成を行なうものである。

次にスパッタ法の概要を述べる。第合図はその装置の構
成を模式的に示したものであり、反応槽ｌの中にアルミ
ニウムの対向電極２ａ、２ｂが設けられ電極２ｂ上に必
要とする数のシリコン基板３が！！置される０反応槽１
の外部に設けられ、反応槽ｌ内に接続されるのは、対向
電極２ａ、２ｂを結ぶグロー放電用ＤＣ電源４．ガス圧
力と流量を調整するための調整回路５を介して不活性ガ
スボンベ６、シリコン基板３をヒータ７によって所定温
度に昇温するための加熱用電源７ａ、グロー放電時のガ
ス圧力を調整するための真空バルブ８を介して真空排気
系９および真空計１０などである。この装置を用いて電
極２ａ、２ｂおよびシリコン基板３をセットし、真空排
気系９により反応槽１内を約Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ
とした後、真空バルブ８を絞り真空排気系９の排気速度
を下、げると同時に、例えばアルゴンをガスボンベ６か
ら調整回路５を通して反応槽ｌ内に導入し、ＤＣ電源４
から電極２ａ、２ｂ間に直流電圧を印加してグロー放電
を発生させると、アルミニウムの電８ｉ２ａ、２ｂのア
ルミニウム原子がアルゴンイオンにより叩き出されて電
１２ｂ上に置かれたシリコン基Ｆｉ３の表面に付着する
のである。このようにして表面にアルミニウムの付着層
が形成されたシリコン基板３を反応槽ｌから取り出し、
別途用意した図示してない電気炉で所定温度と所定時間
の熱処理を行なうごとによりアルミニウム拡散層が形成
される。

なお蒸着法もシリコン基板表面にアルミニウムの付着層
を形成した後、熱処理して拡散するという点ではスパッ
タ法と同じである。

以上のようにシリコン基板にアルミニウム拡散層を形成
するには、シリコン基板表面に付着するアルミニウムを
熱拡散する方法、もしくはイオン注入法のようにシリコ
ン基板表面にアルミニウム付着層を形成することなく侵
入層を引き伸し拡散する方法などがある。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述のシリコン基板に対するアルミニウ
ム拡散法にはそれぞれ次のような問題がある。閉管法は
熱処理終了後、石英管を割ってシリコン基板を取り出さ
なければならないために、石英管の繰り返し使用ができ
ないことと、例えば１２５０°Ｃで約２０時間の熱処理
を行なうと、石英管が軟化して凹み、この凹みによって
シリコン基板が押圧されて変形したり、互に融着したり
することなどである。またとくに大口径のシリコン基板
のときは、肉厚の大きい石英管を使用するので、封止作
業の工数などを含めてコストが高くなる。開管法は酸化
アルミニウムに含まれている重金属が、アルミニウムと
一緒に飛び出し、シリコン基板中に侵入してシリコン基
板の少数キャリアのライフタイムを低下させることから
、電力用半導体素子のＰＮ接合を形成するには適してい
ない。またこの方法は概してアルミニウム拡散層の表面
濃度や深さのばらつきが大きい、イオン注入法は、電力
用半導体素子の場合を例にすると拡散層の表面濃度は３
　ＸＩＯ”ａｔｏｍｓ／　ｃｄ、拡散深さは６０〜８０
μｍのＰ影領域を形成するが、このために必要なドーズ
量は約１〜３　Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ／　ｃａであり、
このような高いドーズ量のイオン注入には長時間を要す
る。

また装置が複雑で高価である上に量産性に劣る。

蒸着法やスパッタ法はシリコン基板の表面にアルミニウ
ムの付着層を形成するために、表面のアルミニラム量が
多くなり、表面濃度が高過ぎて拡散層を再現性よく得る
ことができない。付着層形成後、例えば１２５０″Ｃで
２０時間熱処理を行なうとアルミニウムとシリコンとの
合金層が生じて蒸着またはスパッタロフト毎の表面濃度
、拡散深さがばらつき、１０”〜１０”ａｔｏｍｓ／　
ｃ−の表面濃度、６０〜８０μ調の拡散深さをコントロ
ールすることが困難である。

アルミニウムをシリコンの表面に蒸着やスパッタするの
は、元来電極金属膜などとして形成するのに有効な手段
であり、これを拡散層の形成のために用いることは、ア
ルミニウムとシリコンの合金層をつくりやすいという点
では好ましくない。

しかしこれまで述べたアルミニウムの種々の拡散法にお
ける経済性や量産性などを考慮すれば、スパッタ法によ
って生ずる欠点をなくして、シリコン基板にアルミニウ
ム拡散層を形成するのが最も効果的な方法と考えられる
。

そこで本発明者はアルミニウムとシリコンの合金層がア
ルミニウムの拡散に関与しないようにするため、シリコ
ン基板表面にアルミニウムをスパッタして形成したアル
ミニウム付着層を除去し表面から侵入したアルミニウム
侵入層のみを引き伸し熱処理を行ない拡散層を形成する
方法を出願中である。

しかしアルミニウム付着層を除去する工程を省略するこ
とが工数低減のためにもさらに好ましい方法と言える。

したがって本発明の目的はシリコン基板にアルミニウム
をスパッタするに当たって最適条件を定めて行ない、ア
ルミニウム付着層のない侵入層のみを形成し、その後の
熱処理によりシリコン基板表面濃度が１０”〜１０”ａ
ｔｏｍｓ／　ｃｔｌ。

拡散深さが６０〜８０μ−となるアルミニウム拡散層を
再現性よく得るための方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕 上記課題を解決するために、本発明はシリコン基板表面
に下記条件を有するアルミニウムのスパッタを行ない、
その後にこの基板を熱処理することによりシリコン基板
中にアルミニウム拡散層を形成するものである。

雰囲気：アルゴンガス 放電電圧：直流８００〜１０００　Ｖ　／電極間路Ｍ５
０ＩＩＩ１１グロー放電時の圧力：　０．０１＝　０．
５Ｔｏｒｒ〔作用〕 シリコン基板上にアルミニウムをスパッタするとき上記
の多件を用いることにより、通常のスパッタのようなア
ルミニウムの付着層を形成することなく、シリコン基板
表面には、アルミニウム原子が侵入した侵入層のみが存
在する。この状態で引き伸しの熱処理を行なうと、侵入
層のアルミニウム量は少ないから、アルミニウムーシリ
コンの合金層が形成されず、アルミニウムの拡散が一様
に進行し、ばらつきのない最適拡散層が再現性よく得ら
れる。

〔実施例〕

以下本発明の方法を実施例に基づき説明する。

本発明に用いる装置は第２図に示したものと同様である
からその説明は省略する０本発明におけるシリコン基板
へのアルミニウムのスパッタ方法が従来と異なるのは、
従来のスパッタはアルゴンイオンにより叩き出されたア
ルミニウムをシリコン基板表面に付着させて、所定の厚
さのアルミニウム被膜を形成するのに対し、本発明では
アルミニウムがシリコン基板表面に付着することなく、
再現性よくシリコン基板中に侵入させるように放電条件
を制御することにある。

シリコン基板にアルミニウムの侵入層を形成するスパッ
タ条件は次の通りである。シリコン基板はＮ型で比抵抗
１００〜２００Ω、鰭のものを用いた。

シリコン基板の温度は室温でも可能であるが、グルー放
電中にこの基板の温度は上昇するので、定温度を保持す
るためには１５０〜２００°Ｃとすることが望ましい０
反応槽内の雰囲気はアルゴンとし、グロー放電時の圧力
は０．０１〜０．５Ｔｏｒｒの範囲が適切である。　０
．０１Ｔｏｒｒ以下では放電しにくくなるのでさらに高
電圧装置が必要となり、０．０５Ｔｏｒｒ以上になると
電極表面の凹凸部に電流が集中し、部分的に電極が溶は
出すような異常電流が流れるからである。しかし放電状
態を一層安定させるためには０．１〜０．１５Ｔｏｒｒ
とするのが好ましい。放電電圧については電極間距離５
０ｎ当り４００〜１０００　Ｖで行なったが８００−１
０００Ｖとするのが適している。それは８００　Ｖ以下
ではシリコン基板表面にアルミニウムの付着層が形成さ
れてしまい、１０００Ｖ以上になると、高電圧になって
装置の絶縁耐力が問題となり、さらに高電圧装置を必要
とするようになるからである。かくして、放電時間約３
０分でシリコン基板にアルミニウム侵入層を形成するこ
とができる。

第１図は以上のようにして得られたアルミニウム侵入層
を有するシリコン基板の深与方向のアルミニウム濃度分
布曲線図を示したものであり、ＳＩ　Ｍ　Ｓ　（Ｓｅｃ
ｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｙ）により評価した結果である。第１図のたて軸は
アルミニウム濃度を示し、横軸はシリコン基板表面から
の深さ°方向の距離を表わしている。なおたて軸のアル
ミニウム濃度の目盛は、別途イオン注入法により、アル
ミニウムイオンを注入したシリコン基板のアルミニウム
の強度分布を同様にＳＩＭＳで測定し、これから得られ
たピーク位置のアルミニウム強度を基準として求めた。

第１図の曲線■はグロー放電時の直流電源の極性を第２
図に示した電極２ａを負とし、電極２ｂを正としたとき
にシリコン基板３に形成されるアルミニウム侵入層の濃
度分布状態を示し、曲線■は電極２ａを正、電極２ｂを
負に接続した場合のアルミニウム濃度分布状態を示すも
のである。

次いでこれらアルミニウム侵入層を有するシリコン基板
を、別途用意した図示してない電気炉に装入し、例えば
１２５０°Ｃで２５時間、水素雰囲気中の熱処理を施し
て、アルミニウムの拡散を行なうことにより表面濃度１
〜３　Ｘ　１０”ａｔｏｍ−ｓ／　ｃＪ、拡散深さ６０
〜７０μ−のＰ影領域が得られる。これは第１図の曲線
■および曲線■の双方について、はぼ同様な表面濃度、
拡散深さの値となる。

以上のようにスパッタ条件を適切に設定することにより
、シリコン基板表面にアルミニウム付着層を形成するこ
となく、侵入層のみが得られるから、この状態で熱処理
してアルミニウム拡散層を形成する本発明の方法は、イ
オン注入法を用いた場合とほぼ同様の結果となるが、ス
パッタ法は多数のシリコン基板を同時に処理することが
できるので、イオン注入法より量産効果が大きく経済性
が高い。

なお本発明の方法では、スパッタ時のターゲットにアル
ミニウムの電極を用いたが、クーゲット電極は例えばス
テンレス電極の表面にアルミニウム層を蒸着したもの、
またはアルミニウム箔でステンレス電極を覆ったものな
どを用いても、上記と同様の結果を得ることができる。

［発明の効果］ シリコン基板中にアルミニウム拡散層を形成する方法は
種々あるが、拡散源となるアルミニウムが多過ぎ、また
は少な過ぎて濃度や拡散深さのばらつきが大きく、再現
性が悪いものが多（、その点イオン注入法は制御しやす
いものの長時間を要し、経済性に劣るなど多くの問題点
があるのに対して、本発明の方法によれば実施例で述べ
たように、スパッタ法を用いて放電電圧、放電時の圧力
など主要なスパッタ条件を適切に設定して、シリコン基
板表面にアルミニウムの付着層を形成することなく、シ
リコン基板中に侵入層のみを形成させるようにし、その
後、シリコン基板中に存在している侵入層を拡散源とし
て熱処理を行なうため高温、長時間の加熱時にもアルミ
ニウムーシリコン合金層が形成されない、したがって表
面濃度が１０”ａｔｏｍｓ／　ｃ−オーダーで６０〜８
０／７１１の深い拡散層をもつＰ影領域が再現性よく得
られ、しかも取り扱いが簡単で量産性も高いなど他のア
ルミニウム拡散法に比べて多くの利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法によりアルミニウムを拡散したシ
リコン基板の深さ方向のアルミニウム濃度分布曲線図、
第２図はスバ・ンタ装置の構成を示す模式図である。 １・・・反応槽、２ａ、２ｂ・・・対向電極、３・・・
シリコン基板、４・・・ＤＣｔｉｆｌ、６・・・ガスボ
ンへ、９・・・５０゜ ７瓜 Ｊ（ム） −５′

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）スパッタ法を用いてシリコン基板中にアルミニウム
   拡散層を形成するに当たり、下記条件を含むスパッタを
   行ないシリコン基板表面にアルミニウムの侵入層を形成
   した後、この基板に所定の熱処理を施すことを特徴とす
   るシリコン基板のアルミニウム拡散層の形成方法。 雰囲気：アルゴンガス 放電電圧：直流８００〜１０００Ｖ／電極間距離５０ｍ
   ｍグロー放電時の圧力：０．０１〜０．５Ｔｏｒｒ２）
   特許請求の範囲第１項記載の方法においてグロー放電時
   の圧力：０．１〜０．１５Ｔｏｒｒとすることを特徴と
   するシリコン基板のアルミニウム拡散層の形成方法。