JPH03173421A - 不純物ドーピング方法 - 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、バイポーラトランジスタあるいは絶縁ゲー
ト電界効果トランジスタに代表される半導体装置の製造
工程において、所望の導電型と比抵抗を有する領域を形
成する際に用いられる不純物ドーピング方法に関する。

〔従来の技術〕

不純物ドーピング技術を代表するものとしては、従来よ
りイオン注入法がある。イオン注入法の原理は、まず不
純物原子をイオン化し、次に質量分離し、さらに所定の
エネルギーに加速し、半導体層の表面に注入するもので
ある。イオン注入法は、不純物導入量を正確に制御でき
る事、あるいは絶縁膜を介して不純物ドーピングが容易
にできる事等の利点を有している。この為、イオン注入
法は従来の半導体プロセスにおける不純物ドーピングの
技術として広く利用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらイオン注入法は、従来より以下の様な、そ
の原理に起因する様々な問題点を有していた。即ち、注
入される不純物イオンが持つ運動エネルギーによって半
導体層表面に損傷が生じる虞れがある。又注入される不
純物原子は、その加速エネルギーによって決まる分散を
有する正規分布状に導入される為、半導体層の深い部分
に急峻な濃度プロファイルを形成する事が不可能である
。

さらに、半導体素子の微細化に伴い、シャドウ効果によ
るデバイス特性の非対称性が生ずる。加えてチャネリン
グが発生する事により浅い接合を形成する事が容易でな
い。逆に、浅い接合を形成する為には不純物イオンの加
速電圧を下げてイオン注入を行なう必要があるが、イオ
ンビームの収束性が低下する等結果的に製造装置のスル
ーブツトが下がってしまう。

〔問題点を解決する為の手段〕

上述した従来の技術の問題点を解決する為に、この発明
は半導体層の活性表面に不純物元素を含む化合物気体を
化学吸着させる事によって、半導体層表面に不純物拡散
源を形成し、さらに不純物拡散源からの不純物原子の同
相拡散を利用して半導体バルク中への不純物ドーピング
を行なっている。

第１図は本発明にかかる不純物ドーピング方法の基本原
理を示す工程図である。第１図（Ａ）に示す様に、半導
体基板１の半導体層表面に活性面を形成する。この処理
は、例えば半導体基板ｌを真空状態で加熱し、水素ガス
を導入する事により、半導体層表面に存在する不活性被
膜を除去する事により行なう。

次いで第１図（Ｂ）に示す工程において、基板１を加熱
した状態で半導体層活性面に対して半導体成分を有する
気体及び不純物成分を有する気体を供給し、半導体成分
及び不純物成分を含む吸着層２を形成する。この吸着処
理は、例えば上記成分を有する複数の気体を間欠的に半
導体層活性面に供給し吸着層を堆積する分子層エピタキ
シャル成長工程により行なわれる。用いる原料ガスとし
ては、半導体成分Ｓ１を有する気体ＳｉＣΩ２Ｈ２及び
不純物成分Ｂを有する気体Ｂ　２　Ｈｅを利用し、Ｓｉ
及びＢを含む吸着層を形成する。

最後に第１図（Ｃ）に示す工程において、基板１を加熱
する事により吸着層２に含まれる不純物成分を半導体層
に同相拡散し拡散層３を形成する。

上述した一連の処理により、不純物のドーピングが行な
われるのである。

本発明にかかる不純物ドーピング方法は、例えばゲート
電極からなる半導体層の活性面と、ソース領域及びドレ
イン領域を規定する半導体層の活性面に吸着層を同時に
形成し、不純物をゲート電極とソース領域及びドレイン
領域に固相拡散する場合に有効に用いられる。

〔作　　用〕

本発明の詳細な説明する為に、まず本発明にかかる不純
物ドーピング方法を実施する為の装置を説明する。第２
図は不純物ドーピング装置の模式図である。図示する様
に、シリコンからなる半導体層を有するシリコン基板１
を石英製の真空チャンバ１２の内部中央付近にセットす
る様になっている。基板１の温度は赤外線ランプ加熱方
式あるいは抵抗加熱方式を用いた加熱系１３を制御する
事により、所定の温度に設定可能である。チャンバ１２
の内部はターボ分子ポンプを主排気ポンプとした複数の
ポンプから構成された高真空排気系１４を用いて高真空
に排気可能となっている。チャンバ１２内部の真空度は
圧力計１５を用いて常時モニタリングされている。シリ
コン基板１の搬送は、チャンバ１２に対してゲートバル
ブ１８ａを介して接続されたロード室Ｉ７とチャンバＩ
２との間で、ゲートバルブ１６ａを開けた状態で搬送機
構１８を用いて行なわれる。なお、ロード室１７は、シ
リコン基板１のロード室１７への出入れ時と搬送時を除
いて、通常はゲートバルブ１８ｂを開いた状態でロード
室排気系１９により高真空排気されている。真空チャン
バ１２には、ガス導入制御系２０を介してガス供給源２
１が接続されている。ガス供給源２１は、本発明にかか
る不純物ドーピングを行なう為に必要な複数の原料ガス
を貯蔵しているガスボンベを内蔵している。ガス供給源
２■からチャンバ１２へ導入される原料ガスの種類、導
入時間、導入圧力等はガス導入制御系２０を用いてコン
トロールされる。

次に第１図及び第２図を参照して本発明の作用を詳細に
説明する。まず、半導体層表面の活性化処理あるいは清
浄化処理を行なう。シリコン基板１をバックグランド圧
力がｌＸ１Ｏ’Ｐａ以下に保持された真空チャンバの中
央部にセットし、基板温度を例えば８５０℃に保持して
ガス供給源より水素ガスをチャンバ１２の内部に導入す
る。水素ガスは例えばチャンバ内部の圧力が１．３Ｘ　
ＩＧ−２Ｐａになる様な条件で一定時間導入される。こ
れによってシリコン基板の半導体層表面に形成されてい
た不活性被膜即ち自然酸化膜が除去され、化学的に活性
なシリコン表面が露出する。この活性化処理は続いて行
なわれる吸着処理の前処理として重要である。即ち吸着
層は半導体層の活性面に対してのみ選択的に形成される
からである。

続いて、吸着処理は原料ガスを間欠的にチャンバに導入
する事により行なわれる。この時、原料ガスとしては、
半導体成分を有する第一の気体及Ｑ不純物成分を有する
第二の気体を用いる。第一の気体としては、例えば半導
体成分Ｓｉを有する気体ＳｉＣΩ２Ｈ２が用いられ、第
二の気体としてはＰ型の不純物成分Ｂを有する気体Ｂ２
Ｈ６が用いられる。かかる第−及び第二の気体を間欠的
にチャンバ内に導入して半導体活性面にＳｉ及びＢを含
む吸着層を形成するのである。

第３図は第−及び第二のガスの導入サイクルの一例を示
すタイムチャートである。１サイクルは例えば２７秒の
周期を有し、第一のガスＳｉＨ２Ｃｇ２は１サイクル中
２０秒間導入される。

一方第二のガスＢ　２　Ｈｅは１サイクル中１０秒間導
入される。このガス導入中、シリコン基板は６００℃な
いし９００℃の温度範囲において加熱保持されており、
ＳｉＨＣＤ　　及びＢ　２　Ｈｅは熱分解さ２ れ、半導体成分Ｓ１及び不純物成分Ｂを含む吸着層が形
成される。この時、導入される５ｉＨＣ，Ｑ　　ガスの
圧力はＩ　Ｘ　１Ｏ−６ＴＯｒｒないし２ １　Ｘ　ｌｏ’Ｔｏｒｒに設定され、Ｂ２ＨＢガスの導
入量は５ｉＨＣＮ　　ガスに対して１Ｏ−７ないし１０
−１に２ 設定される。

第一のガス及び第二のガスを間欠的に導入する事により
、いわゆる分子層エピタキシャル成長が行なわれ、吸着
層の膜厚は分子層レベルで制御する事が可能となる。第
４図は、１サイクル当りの成長膜厚とＢＨのＳ　ｉＨ２
Ｃｉ’　２に対する圧Ｂ 力比との関係を示すグラフである。図示する様に、３ ＢＨのＳ　ｉＨ２Ｃ（１２に対する圧力比を１０６ 以下とする事により、安定的な吸着層の堆積を行なう事
ができる。

最後に、吸着層に含まれる不純物Ｂを拡散源とした不純
物拡散を行ない拡散層を形成する。同時に不純物原子Ｂ
の活性化も行なわれる。この拡散層形成処理は、基板を
高真空状態の下で、所定時間加熱する事により行なわれ
る。又この拡散工程は、常圧下で熱処理を行なう事でも
同じ効果がある。

第５図はこの様にして拡散された不純物元素Ｂの拡散濃
度と、ＢＨのＳｉＨ２０ｇ２に対す６ る圧力比との関係を示すグラフである。このグラフから
明らかな様に、圧力比を所望の値に設定する事により、
半導体層バルク中における不純物元素の拡散濃度を調節
する事ができる。

なお、吸着層の形成は、原料ガスを間欠的に導入して行
なわれる場合の他、原料ガスを連続的に導入して行なっ
てもよい。この場合、例えば５ｉＨＣｊ７　　ガスの導
入圧力をｌＸｌ０−８２ ＴｏｒｒないＬ　Ｉ　Ｘ　ｌＯ’Ｔｏｒｒに設定し、Ｂ
２Ｈ６ガスのＳｉＨＣｌ３　　ガスに対する圧力比を１
０−７ない２ しｌｏ−１に設定する。

本発明にかかる不純物ドーピング方法によれば、不純物
拡散源となる吸＠層は、半導体成分及び不純物成分の両
者を含む構成となっている。かかる吸着層を用いて固相
拡散を行なうと、得られた拡散層の不純物の活性化が促
進されるという作用がある。

〔実　施　例〕

以下第６図を参照して本発明にかかる不純物ドーピング
方法を絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造に応用し
た実施例を詳細に説明する。この実施例は、素子領域に
Ｐ型の不純物ボロンを導入してＰチャネルのＭＩＳ）ラ
ンジスタを製造するものである。第６図（Ａ）に示す様
に、シリコンからなる半導体基板３１が準備される。基
板３１の表面には素子分離領域を規定するフィールド酸
化膜３２が形成されている。フィールド酸化膜３２は例
えば選択的熱酸化処理により形成され、素子領域を囲む
様に配置されている。素子領域にはゲート絶縁膜３３と
ゲート電極３４が形成されている。ゲート絶縁膜３３は
シリコン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはこれらの膜の
二層構造から構成されている。

又ゲート電極３４は多結晶シリコンからなり例えば化学
気相成長法により堆積される。この様にして準備された
素子領域の表面は自然酸化膜３５によって被覆されてい
る。

第６図（Ｂ）に示す工程において、素子領域表面の活性
化処理あるいは清浄化処理が行なわれ、自然酸化膜３５
が除去される。この結果、ゲート電極３４の表面及びゲ
ート絶縁膜３３によって被覆されていない素子領域の表
面は活性化される。

第６図（Ｃ）に示す工程において、５ｉＨ２ＣΩ２ガス
及びＢ　２　Ｈｅガスが間欠的に導入され、活性面上に
吸着層３６を形成する。吸着層３６はＳ　ｉＨ２Ｃ、Ｃ
’　２ガス及びＢ２Ｈ６ガスの熱分解により生じたＳｉ
及びＢを含む。吸着層の膜厚はガスの導入サイクル数に
従って決まり、ＳｉとＢの組成比は原料ガスの圧力比に
よって決まる。

最後に第６図（Ｄ）に示す工程において、アニルが行な
われ、吸着層３６に含まれる不純物Ｂはゲート電極３４
に固相拡散されゲート電極の導電率を所望の値に設定す
るとともに、素子領域にも固相拡散されＰ型の不純物に
富んだソース領域３７及びドレイン領域３８を形成する
。ソース領域３７及びドレイン領域３８の拡散濃度及び
拡散深度は吸着層３６に含まれる不純物Ｂの量に依存し
ている。この不純物Ｂの量は分子層エピタキシャル成長
法に従って極めて精密に制御する事ができる。

以上述べてきた実施例においては、シリコン半導体層に
対するＰ型のドーピングガスとしてジボラン（Ｂ２Ｈ６
）を用いた。しかしながら、Ｐ型のドーピングガスとし
ては他にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）や三塩化ホウ素
（８０ｇ３）等に代表される■族元素の化合物も有効で
ある。

あるいはシリコン半導体層に対するＮ型のドーピングガ
スとしては、アルシン（Ａ　ｓ　Ｈａ　）、三塩化リン
（ＰＣｊ７３）、五塩化アンチモン（ＳｂＣｇ　）、ホ
スフィン（ＰＨ３）等が利用できる。又上述した実施例
においては、清浄化処理、吸着処理及び拡散処理に関し
て典型的な基板温度を示した。−数的に使用可能な温度
範囲としでは、表面清浄化に対しては、バックグランド
圧力及び雰囲気ガスとの関連を含めて、８００℃ないし
１２００℃の範囲が適当である。又吸着処理の基板温度
としては６００℃ないし９５０℃の範囲が適当である。

又拡散処理の基板温度は吸着処理の基板温度と同程度か
やや高めの温度である。

〔発明の効果〕

上述した様に、本発明によれば、活性面に対して半導体
成分を有する気体及び不純物成分を有する気体を供給し
、半導体成分及び不純物成分を含む吸着層を形成し、加
熱により吸着層に含まれる不純物成分を半導体層に同相
拡散し拡散層を形成する事により不純物ドーピングを行
なっている。

この為、従来のイオン注入による不純物ドーピング方法
に比べて、浅い接合型式を得る事が可能であり、深さ方
向に対する濃度プロファイルを容易に制御する事ができ
る。さらに、イオン注入の場合に問題となっていた、半
導体層表面の損傷、シャドウ効果等を防止する事ができ
る。又本発明にかかる不純物ドーピング方法は本質的に
化学的工程であるのでバッチ処理が可能でありスルーブ
ツトが高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は不純物ドーピング方法の工程図、第２図は不純
物ドーピング装置のブロック図、第３図は原料ガスの導
入サイクルを示すタイムチャート、第４図は１サイクル
当りの成長膜厚とＢ　２　ＨｅのＳ　Ｌ　Ｈ２ＣＤ　２
に対する圧力比との関係を示すグラフ、第５図は不純物
濃度とＢ２Ｈ６のＳｉＨ２０ｇ２に対する圧力比との関
係を示すグラフ、及び第６図は絶縁ゲート電界効果トラ
ンジスタの製造方法を示す工程図である。 １・・・半導体基板　　　　　２・・・吸着層３・・・
拡散層 出　願　人　　セイコー電子工業株式会社代 理 人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体層表面に活性面を形成する第一工程と、活性
   面に対して半導体成分を有する気体及び不純物成分を有
   する気体を供給し、半導体成分及び不純物成分を含む吸
   着層を形成する第二工程と、加熱により吸着層に含まれ
   る不純物成分を半導体層に固相拡散し拡散層を形成する
   第三工程とからなる不純物ドーピング方法。 ２、第一工程は、半導体層表面に存在する不活性被覆を
   除去する工程である請求項１に記載の不純物ドーピング
   方法。 ３、第二工程は、気体を間欠的に供給し吸着層を堆積す
   る分子層エピタキシャル成長工程である請求項１に記載
   の不純物ドーピング方法。 ４、第二工程は、半導体成分Ｓｉを有する気体ＳｉＣｌ
   ＿２Ｈ＿２及び不純物成分Ｂを有する気体Ｂ＿２Ｈ＿６
   を供給し、Ｓ＿ｉ及びＢを含む吸着層を形成する工程で
   ある請求項１に記載の不純物ドーピング方法。 ５、ゲート電極からなる半導体層の活性面と、ソース領
   域及びドレイン領域を規定する半導体層の活性面に吸着
   層を同時に形成し、不純物をゲート電極とソース領域及
   びドレイン領域に固相拡散する請求項１に記載の不純物
   ドーピング方法。