JPH03173429A - 半導体素子分離領域の形成方法 - 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、半導体集積回路の素子分離領域の形成方法に
関する。

〔従来の技術〕

従来から半導体素子分離領域の形成方法としてはいわゆ
るＬＯＧＯ３技術が知られていた。この技術は半導体基
板の表面をマスクを介して選択的に熱酸化し、いわゆる
フィールド酸化膜と呼ばれる分離領域を形成するもので
ある。又従来から、選択的熱酸化処理を行なう前に、基
板表面に対してイオン注入により不純物を導入し、フィ
ールドドープ層を形成していた。このフィールドドープ
層はフィールド酸化膜と半導体基板との界面に存在し界
面における半導体層の反転を防止し素子の電気的分離を
完全に行なう為のものである。従って従来から素子分離
領域はフィールド酸化膜層とフィールドドープ層の二層
構造により構成されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらマスクを介して選択的熱酸化を行なった場
合には、フィールド酸化膜の端部即ちバーズビークと呼
ばれる部分がマスクの下に侵入し素子領域の有効面積を
狭めてしまうという問題点があった。加えて、イオン注
入により不純物を導入してフィールドドープ層を形成し
ようとすると、不純物がマスクを突抜けてその下に存在
する半導体基板面を汚染してしまうという問題点があっ
た。

〔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に鑑み、本発明は素子領域
の有効面積を狭める事がなく且つ素子領域を不純物で汚
染する事のない半導体素子分離領域の形成方法を提供す
るものである。

上記目的を達成する為に、本発明にかかる半導体素子分
離領域の形成方法は、半導体基板の表面に存在する不活
性膜を除去し活性面を露出するｉｆｆ浄化工程と、活性
面に対して不純物成分を有する気体を基板加熱状態で供
給し不純物吸着層を形成する吸着」工程と、不純物吸着
層の上に絶縁層を堆積し該絶縁層と半導体基板面との界
面に不純物吸着層に起因するフィールドドープ層を形成
する堆積工程と、該絶縁層及びフィールドドープ層の積
層を部分的に除去する事により半導体基板面が露出した
素子領域と該積層により被覆された分離領域を規定する
分離工程とからなる事を特徴とする。

好ましくは吸着工程は、シリコン半導体基板の活性面に
対して不純物成分ボロンを有する気体ジボランを供給し
ボロンを含む不純物吸着層を形成する様に行なわれる。

又好ましくは、該不純物吸着層に含まれる不純物を半導
体基板に同相拡散する事により該不純物吸着層を不純物
拡散層に転換する工程を含んでいる。

〔作　　用〕

本発明によれば、まず半導体基板面に対して不純物吸着
層を形成しその上に絶縁層を堆積している。この二層構
造を所定のバタンに従って除去する事により素子領域及
び分離領域を設けているので、素子領域は設定されたバ
タン通りの寸法面積を有し、且つ不純物吸着層もエツチ
ングにより除去されているので素子領域は不純物ドープ
されない状態に保たれている。加えて分離領域は絶縁層
とフィールドドープ層の積層構造となっている為完全な
素子分離を行なう事ができる。

〔実　施　例〕

以下図面に従って本発明の好適な実施例を詳細に説明す
る。

第１図は半導体素子分離領域の形成方法を示す工程図で
ある。第１図（Ａ）に示す工程において、素子分離領域
を形成しようとする半導体基板１を準備する。半導体基
板１の表面は通常不活性膜２により被覆されている。半
導体基板１がシリコン単結晶である場合には不活性膜２
はシリコンの自然酸化膜である。

第１図（Ｂ）に示す工程において、半導体基板１の表面
に存在する不活性膜２を除去し活性面を露出させる。こ
の工程は例えば半導体基板１を高真空状態に放置し加熱
する事により行なわれる。この際還元性のガス例えば水
素ガスを導入すると不活性膜の除去が促進される。

第１図（Ｃ）に示す工程において、活性面に対して不純
物成分を有する気体を基板加熱状態で供給し不純物吸着
層３を形成する。この吸着工程は例えばシリコンからな
る半導体基板１の活性面に対して不純物成分ボロンを有
する気体ジボランを供給しボロンを含む不純物吸着層３
を形成する事により行なわれる。不純物吸着層３の吸着
量は供給される不純物ガスの蒸気圧及び供給時間並びに
基板温度を調節する事により適当に設定する事か可能で
ある。

第１図（Ｄ）に示す工程において、不純物吸着層３に含
まれる不純物を半導体基板１に固相拡散する事により不
純物吸着層３を不純物拡散層４に転換している。この工
程は必ずしも必要なものではないが、不純物吸着層３を
不純物拡散層４に転換する事により不純物の活性化が行
なわれる。不純物がボロンである場合には不純物拡散層
４は比較的高濃度のＰ型拡散層となる。この不純物拡散
処理は基板１を加熱する事により行なわれるので特にこ
の工程を行なわなくとも、前工程あるいは後工程におけ
る熱履歴により不純物の拡散が不可避的に行なわれる。

第１図（Ｅ）に示す工程において、不純物拡散層４の上
に絶縁層５が堆積される。この絶縁層５は例えば二酸化
シリコンを化学気相成長する事により形成する事ができ
る。図から明らかな様に、絶縁層５と半導体基板１の界
面に高濃度の不純物拡散層４が介在する形となっている
。この結果、不純物拡散層４は界面近傍の半導体層の反
転を防止し閾値電圧を高める様に機能するので有効なフ
ィールドドープ層６となる。

最後に第１図（Ｐ）に示す工程において、所定のパター
ンに従って絶縁層５及びフィールドドープ層６からなる
積層を部分的に除去する。この結果半導体基板面が露出
した素子領域７と該積層により被覆された分離領域８が
規定される。図示する様に素子領域７はあらかじめ設定
されたバタン通りの寸法面積を有するので最大限に有効
活用される。そして素子領域７からはフィールドドープ
層６も取除かれているので不純物がドープされていない
シリコン基板面が露出している事になる。

方分離領域８は絶縁層５及びフィールドドープ層６から
なる積層により被覆されているので素子の分離が完全に
行なわれる。

第１図（Ｇ）に示す工程は、例として素子領域７に絶縁
ゲート電界効果トランジスタ９を形成する場合を示して
いる。

第２図は本発明の要部をなす清浄化工程、吸着工程及び
拡散工程の一連の処理を一貫して行なう為の装置を示す
ブロック図である。図示する様に不活性膜によって被覆
されたシリコン半導体基板１は石英製の真空チャンバ１
２の内部中央付近にセットされる。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
Ｉ３を制御する事により、所定の温度に保持される。真
空チャンバ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
により高真空に排気可能となっている。

真空チャンバ１２の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
、真空チャンバ１２に対してゲートバルブＬ８ａを介し
て接続されたロード室１７と真空チャンバ１２との間で
、ゲートバルブ１ｌｉａを開いた状態で搬送機構１８を
駆動して行なわれる。なお、ロード室１７は、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１６ｂを開いた状態でロード室排気系１９に
より高真空に排気されている。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２１が接続されて
いる。ガス供給源２１は前述した一連の処理を行なうの
に必要な原料ガスを貯蔵した複数のガスボンベを内蔵し
ている。

ガス供給源２１から真空チャンバ１２へ導入される原料
ガスの種類、導入圧力及び導入時間等は、ガス導入制御
系２０を用いてコントロールされる。

第３図は基板清浄化、不純物吸着層の形成及び不純物の
拡散活性化を行なう一連の工程に対応したプロセスシー
ケンスチャートである。第３図において横軸は時間であ
り、縦軸は基板温度と真空チャンバの圧力を示している
。

第２図及び第３図を参照して、本発明の主要な工程とな
る表面清浄化、吸着層形成、不純物拡散即ちアニールの
各工程を詳細に説明する。まずシリコン基板１の表面を
清浄化する工程が行なわれる。シリコン基板１をＩ　Ｘ
　ｌＯ’Ｐａ以下の真空度に保持されている真空チャン
バに投入しシリコン基板１の基板温度を８５０℃にまで
昇温し基板温度の安定化を待つ。基板温度が安定化した
状態で水素ガスをガス供給源からガス導入制御系を介し
てチャンバに導入する。水素ガスは例えば真空チャンバ
内部の圧力が１．３Ｘ　１Ｏ−２Ｐａになる様な条件で
一定時間導入される。これによりシリコン基板１の表面
に被覆されていた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。なお水素ガスを導入しなく
ても、基板１を高真空状態に放置し基板加熱を行なう事
により表面清浄化を行なう事も可能である。

次に清浄化され活性面が露出されたシリコン基板１に対
してボロンあるいはボロンを含む化合物の吸着層を形成
する工程を行なう。即ち表面の清浄化が完了した後、水
素ガスの導入を停止し、基板温度を若干下げて８２５℃
に設定する。この設定温度８２５℃に到達し安定した後
、シリコン基板１の活性表面にボロンを含む化合物ガス
であるジボラン（Ｂ２Ｈ６）を供給する。ジボランガス
の供給は例えばジボランを窒素ガスで５％に希釈した原
料ガスを用いて真空チャンバの圧力が１．３×１Ｏ−２
Ｐａとなる様な条件で一定時間行なわれる。これにより
ボロンあるいはボロンを含む化合物の吸着層が形成され
る。しかしながら厳密にいうと、ボロンの吸着層あるい
はボロンを含む化合物の吸着層の形成と同時に、ジボラ
ン導入時の基板温度及びジボラン導入圧力で決まる一定
の割合で、不純物ボロンの半導体基板バルク中への拡散
も進行すると思われる。

最後に必要に応じて不純物ボロンの拡散工程が行なわれ
る。即ち不純物吸着層を形成した後ジボランガスの導入
を停止し真空中でアニールを行なう事により、不純物吸
着層を拡散源とした同相拡散が行なわれ不純物拡散層が
形成されると同時に不純物原子の活性化が行なわれる。

この発明ではボロンの吸着量及びアニール条件（基板加
熱温度と基板加熱時間）を制御する事によって、所望の
不純物濃度及び接合深さを有する不純物拡散層を形成す
る事ができる。なおこの実施例においては不純物吸着層
の形成に引続いて行なわれるアニルが真空チャンバ内に
て実施されているが、不純物吸着層の形成が完了した後
に真空チャンバから基板を取出してランプアニール等を
行なってもよい。

第４図は第３図に示すプロセスシーケンスチャートに従
って得られた試料における、ボロンの深さ方向の濃度プ
ロファイルである。但し、第４図に示したボロンのプロ
ファイルは二次イオン質量分析計を用いて得られたもの
である。この試料の場合、質量分析における基板表面で
の分析精度を高める為に、基板のアニール工程完了後に
真空チャンバから取出した基板の表面に約４５０人の厚
さを有するアモルファスシリコン層を室温にて形成した
後に分析を行なっている。従って第４図に示す濃度プロ
ファイルにおいては元の基板表面は横軸で約４５ｎｍ付
近の位置にある事になる。濃度プロファイルから明らか
な様に不純物拡散層の深さは本実施例の場合には約７０
０人となっている。

以上の説明から明らかな様に、この発明は化学的に活性
な半導体基板表面上に少なくとも分離領域におけるシー
ルド層のドーパントとなる不純物元素を含んだ物質の吸
着層を形成し、その吸着層を不純物拡散源として半導体
基板中への不純物ドーピングを行なう所にその原理的特
徴を有している。発明者の詳細な研究によれば、不活性
膜上においては半導体基板の活性面に比べて、不純物吸
着層が殆んど形成されていないかあるいは少なくとも１
桁以上少ない量の吸着不純物しか残らない事が判明して
いる。特に、シリコン表面にボロンを吸着させる場合に
は、活性面上のボロン吸着層に比べて不活性膜上の吸着
層のボロンの量が量的に少ないだけでなく、不純物吸着
層形成後のアニール等の熱工程において、活性面上のボ
ロン吸着層に比べて不活性膜上のボロン吸着層がより不
安定であるという事がわかっている。従って、不純物吸
着処理に先立って基板の不活性面を除去する工程は重要
である。

以上に述べた実施例においては、シリコン半導体基板表
面に対してジボランガスを用いてＰ型の不純物吸着層を
形成しＰ型のフィールドドープ層を得ている。しかしな
がらジボランガス以外にも、例えばトリメチルガリウム
（ＴＭＧ）や三塩化ホウ素（Ｂ（Ｊ）３）等に代表され
る■族元素の化合物気体を用いてシールド層を形成する
事もできる。

同様にＮ型のシールド層を形成するには、Ｎ型の不純物
成分を有する気体化合物例えばアルシン（ＡｓＦ３）、
三塩化リン（２０ｇ３）、五塩化アンチモン（Ｓｂ０ｇ
５）、ホスフィン（ＰＨ３）等を利用する事もできる。

又以上に述べた実施例においては基板面の清浄化を行な
う為に基板温度を８５０℃に保持し、不純物吸着層を形
成する為に基板温度を８２５℃に保持していた。発明者
の研究によると、一般に表面清浄化の為の基板温度とし
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℃の範囲が利用可能であ
り、又吸着層形成の為の基板温度としては４００℃ない
し９５０℃の温度範囲が利用可能である。

最後に以上に述べた実施例においては、不純物吸着層を
直接半導体基板の活性面に堆積させている。しかしなが
ら、下地処理としてまず基板の活性面に対してシリコン
のエピタキシャル成長層を堆積させその上に不純物吸着
層を形成してもよい。

逆に不純物吸着層の上にシリコンエピタキシャル成長層
を堆積しその上に分離領域となる絶縁膜を形成してもよ
い。さらに不純物吸着層及びシリコンエピタキシャル成
長層を複数層重ねて形成してもよい。加えて所定の不純
物導入量を得る為に不純物吸着層の堆積及びアニールを
複数回繰返してもよい。

〔発明の効果〕

以上に述べた様に、本発明によれば、半導体基板活性面
に堆積された不純物吸着層の上に絶縁層を堆積し該絶縁
層と半導体基板面との界面に不純物吸着層に起因するフ
ィールドドープ層を形成する様にしている。そして該絶
縁層及びフィールドドープ層の積層を部分的に所定のバ
タンに従って除去する事により半導体基板面が露出した
素子領域と該積層により被覆された分離領域を規定する
様にしている為、素子領域は所定のパタンに従った最大
の有効活用面積を有するという効果がある。加えて素子
領域から不純物吸着層に起因するフィールドドープ層が
除かれているので、素子領域にドーパントが拡散せずに
保たれるという効果がある。さらに、分離領域を形成す
る絶縁層の下にフィールドドープ層が配置されているの
で完全な素子分離効果が得られる。以上により本発明に
かかる半導体素子分離領域の形成方法を用いれば半導体
集積回路の微細化がより一層進むという顕著な効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体素子分離領域の形成工程図、第２図は半
導体素子分離領域形成に用いる装置のブロック図、第３
図は半導体素子分離領域形成のプロセスシーケンスチャ
ート、及び第４図は分離領域におけるシールド層の不純
物濃度プロファイルを示すグラフである。 １・・・シリコン半導体基板　２・・・不活性膜３・・
・不純物吸着層　　　　４・・・不純物拡散層５・・・
絶縁層 ６・・・フィールドドープ層　７・・・素子領域８・・
・分離領域

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板の表面に存在する不活性膜を除去し活性
   面を露出する第一工程と、 活性面に対して不純物成分を有する気体を基板加熱状態
   で供給し不純物吸着層を形成する第二工程と、 不純物吸着層の上にフィールド絶縁膜としての絶縁層を
   堆積し該絶縁層と半導体基板面との界面に不純物吸着層
   に起因するフィールドドープ層を形成する第三工程と、 該絶縁層及びフィールドドープ層の積層を部分的に除去
   する事により半導体基板面が露出した素子領域と該積層
   により被覆された分離領域を規定する第四工程とからな
   る半導体素子分離領域の形成方法。 ２、第二工程は、シリコン半導体基板の活性面に対して
   不純物成分ボロンを有する気体ジボランを供給しボロン
   を含む不純物吸着層を形成する工程である請求項１に記
   載の形成方法。 ３、該不純物吸着層に含まれる不純物を半導体基板に固
   相拡散する事により該不純物吸着層を不純物拡散層に転
   換する工程を含む請求項１に記載の形成方法。 ４、第三工程は、二酸化シリコンからなる絶縁層を堆積
   する工程である請求項１に記載の形成方法。