JPH03209816A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に不純物拡散
層の形成方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and particularly to a method for forming an impurity diffusion layer.
従来の半導体装置の拡散層形成について図面を用いて説
明する。第5図はNPNバイポーラ半導体装置において
、ベース拡散層の形成工程の一例を説明するための半導
体チップの断面図である。Formation of a diffusion layer in a conventional semiconductor device will be explained using drawings. FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor chip for explaining an example of a step of forming a base diffusion layer in an NPN bipolar semiconductor device.
まず第5図(a)に示す様に、P型半導体基板1上にコ
レクタ埋込層2を形成後、N型エピタキシャル層5を成
長させ、次でシリコン酸化M3により島状分離領域を形
成する。高濃度のN+型不純物拡散層4により、コレク
タ領域の半導体上部表面への電気的引き出し領域を形成
する。First, as shown in FIG. 5(a), after forming a collector buried layer 2 on a P-type semiconductor substrate 1, an N-type epitaxial layer 5 is grown, and then an island-like isolation region is formed using silicon oxide M3. . The highly concentrated N+ type impurity diffusion layer 4 forms an electrical lead-out region to the semiconductor upper surface of the collector region.
ベース拡散層の形成はまず島状分離領域内の所定の位置
にボロンの様なP型の導電層を形成する不純物を導入す
ることによってなされるが、近年この導入方法として、
イオン注入法が盛んに用いられる様になってきた。イオ
ン注入法による不純物の半導体基板内の所定の位置への
導入は、フォトレジストをマスクとして半導体基板に直
接不純物を注入する方法や、半導体基板上にシリコン酸
化膜を形成し、さらにこのシリコン基板上にフォトレジ
ストを塗布し、このフォトレジストを半導体基板上の不
純物拡散層を形成する所定の位置のみ除去される様にパ
ターニングすることにより、フォトレジストをマスクと
して、シリコン酸化膜を通して不純物をシリコン基板内
に導入する方法などが用いられる。The base diffusion layer is first formed by introducing an impurity such as boron to form a P-type conductive layer at a predetermined position within the island-like isolation region.
Ion implantation methods have come to be widely used. Introducing impurities into a predetermined position in a semiconductor substrate by ion implantation can be done by directly implanting the impurity into the semiconductor substrate using a photoresist as a mask, or by forming a silicon oxide film on the semiconductor substrate and then depositing the impurity on the silicon substrate. By coating the photoresist on the semiconductor substrate and patterning the photoresist so that only the predetermined positions where the impurity diffusion layer will be formed on the semiconductor substrate are removed, the impurities are removed into the silicon substrate through the silicon oxide film using the photoresist as a mask. The method used is to introduce
第5図(b)は後者の方法による半導体基板へのフォト
レジスト膜9をマスクとしたもので゛ある。この時第5
図(b)におけるP型ベース層10の破線G I Hに
沿った、注入されなボロンの濃度を示したのが第6図で
ある。尚、破線GIHは、半導体基板表面と平行である
。FIG. 5(b) shows the latter method using a photoresist film 9 on a semiconductor substrate as a mask. At this time the fifth
FIG. 6 shows the concentration of unimplanted boron along the broken line G I H of the P-type base layer 10 in FIG. 6(b). Note that the broken line GIH is parallel to the surface of the semiconductor substrate.
ボロンの濃度は、フォトレジスト
スクされていない領域では一定の濃度であるが、フォト
レジストの端部を境に、急激に濃度が減少し、ボロンの
濃度勾配がフォトレジストの端部を境に急激に変化する
ことを示している。これは、イオン注入による不純物の
導入は、熱拡散法による不純物の半導体基板内への導入
と比較して半導体基板内での横方向の拡がりが小さいた
めである。最後にアニールを施すことにより半導体基板
内に導入されたボロンは活性化され、P型ベース層10
が形成される。The concentration of boron is constant in the area where the photoresist is not coated, but the concentration decreases rapidly at the edge of the photoresist, and the concentration gradient of boron is sharp at the edge of the photoresist. It shows that the change in This is because the introduction of impurities by ion implantation has a smaller lateral spread within the semiconductor substrate than the introduction of impurities into the semiconductor substrate by thermal diffusion. Finally, by performing annealing, the boron introduced into the semiconductor substrate is activated, and the P-type base layer 10 is activated.
is formed.
上述した従来の半導体装置の製造方法では、イオン注入
法により導入された不純物拡散層の半導体基板と平行な
方向における濃度が、マスクの端部で急激に減少するこ
とにより、不純物拡散層とは逆導電性を持つ周囲の導電
層との境界において急激なキャリア分布の勾配が生じ、
特に不純物拡散層の角端部において、半導体装置動作時
に電界の集中が生じ、バイポーラ半導体装置では、ベー
ス・コレクタ間の耐圧特性の低下,MOS型半導体装置
ては、トレイン近傍でのポットエレクトロンの発生によ
るソース・トレイン間の耐圧の低下など、半導体装置に
おりる特性の低下をひき起ずという欠点がある。In the conventional semiconductor device manufacturing method described above, the concentration of the impurity diffusion layer introduced by ion implantation in the direction parallel to the semiconductor substrate rapidly decreases at the edge of the mask, which is opposite to that of the impurity diffusion layer. A sharp carrier distribution gradient occurs at the boundary with the surrounding conductive layer,
Especially at the corner ends of the impurity diffusion layer, electric field concentration occurs during semiconductor device operation, resulting in a decrease in breakdown voltage characteristics between the base and collector in bipolar semiconductor devices, and generation of pot electrons near the train in MOS semiconductor devices. It has the disadvantage that it does not cause any deterioration in the characteristics of the semiconductor device, such as a decrease in breakdown voltage between the source and the train due to this.
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成
された開口部を有するマスクを用いて不純物をイオン注
入し、不純物の拡散層を形成する半導体装置の製造方法
において、前記マスクの開口部にはデーバーか形成され
ているものである。A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes ion-implanting impurities using a mask having an opening formed on a semiconductor substrate to form an impurity diffusion layer. It is something that is formed by Dever.
次に、本発明について図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be explained with reference to the drawings.
第1図(a)〜(e)は、第1の実施例として本発明を
NPN型半導体装置に適用した場合のベース拡散層形成
の工程を示した半導体チップの断面図、第2図は、第1
図(e)に示した破線ACBに沿ったP型ベース層10
の不純物の濃度分布図である。尚、破線ACBは半導体
基板表面と平行である。FIGS. 1(a) to (e) are cross-sectional views of a semiconductor chip showing the process of forming a base diffusion layer when the present invention is applied to an NPN type semiconductor device as a first embodiment, and FIG. 1st
P-type base layer 10 along the broken line ACB shown in Figure (e)
FIG. 3 is a concentration distribution diagram of impurities in Note that the broken line ACB is parallel to the surface of the semiconductor substrate.
まず第1図(a)に示す様に、P型半導体基板1内の所
定領域にシリコン酸化膜3による島状分離領域、及び島
状分離領域内の所定位置に高濃度のリンなどによるN型
不純物拡散によるコレクタ埋込層2を形成したのちN型
エピタキシャル層5を形成する。次で表面への電気的引
き出し領域としてN+型型数散層4形成後に、半導体基
板表面に厚さ500人程変成シリコン酸化膜6を熱酸化
法などにより成長させる。さらにシリコン酸化膜6上に
CVD法によりシリコン窒化膜7を1 000人程変成
長させ、このシリコン窒化膜7 −T−
上に多結晶シリコン膜8を500人程変成VD法により
成長させる。First, as shown in FIG. 1(a), an island-like isolation region is formed by a silicon oxide film 3 in a predetermined region in a P-type semiconductor substrate 1, and an N-type isolation region is formed by high-concentration phosphorus at a predetermined position within the island-like isolation region. After the collector buried layer 2 is formed by impurity diffusion, an N-type epitaxial layer 5 is formed. Next, after forming the N+ type scattering layer 4 as an electrical lead-out region to the surface, a modified silicon oxide film 6 with a thickness of about 500 layers is grown on the surface of the semiconductor substrate by thermal oxidation or the like. Furthermore, about 1000 silicon nitride films 7 are grown on the silicon oxide film 6 by the CVD method, and about 500 polycrystalline silicon films 8 are grown on the silicon nitride films 7 -T- by the modified VD method.
次いで第1図(b)に示す様に、多結晶シリコン膜8上
にフォトレジスト膜9を塗布した後、ベースを形成する
領域のみレジストM9が除去される様に現像する。Next, as shown in FIG. 1(b), a photoresist film 9 is applied onto the polycrystalline silicon film 8, and then developed so that only the region where the base will be formed is removed.
次に第1図<c>に示すように、フォトレジスト膜9を
マスクとして多結晶シリコン膜8とシリコン窒化膜7の
エツチングをCF4系のガスを用いたケミカルドライエ
ツチングにより行なう。この時多結晶シリコン膜8とシ
リコン窒化膜7とのエツチング速度が大きく異なること
から、シリコン窒化膜7にテーパー7Aが形成される。Next, as shown in FIG. 1<c>, polycrystalline silicon film 8 and silicon nitride film 7 are etched by chemical dry etching using CF4-based gas using photoresist film 9 as a mask. At this time, since the etching rates of the polycrystalline silicon film 8 and the silicon nitride film 7 are greatly different, a taper 7A is formed in the silicon nitride film 7.
これは、ケミカルトライエツチングが等方性のエツチン
グであり、シリコン窒化膜7のエツチング速度に比べて
多結晶シリコン膜8のエツチング速度が大きいため、シ
リコン窒化膜7がエツチングされる間に多結晶シリコン
膜8の半導体基板に対して平行な方向のエツチングが進
み、多結晶シリコン膜8が除去された部分のシリコン窒
化膜7が順次エツチングされることによる。This is because chemical tri-etching is isotropic etching, and the etching speed of polycrystalline silicon film 8 is higher than that of silicon nitride film 7, so while silicon nitride film 7 is being etched, polycrystalline silicon This is because the etching of the film 8 in the direction parallel to the semiconductor substrate progresses, and the portions of the silicon nitride film 7 from which the polycrystalline silicon film 8 has been removed are successively etched.
次に第1図(d)に示す様に、フォトレジスト膜9を剥
離し、多結晶シリコン膜8及びシリコン窒化膜7をマス
クとして、イオン注入法により半導体基板内にP型不純
物、例えばボロンをエネルギー20〜30ke■ ドー
ズ量5X]、O’2〜5 X 10 ”cm−2程度で
導入しP型ベース層10を形成する。この時マスクとな
るシリコン窒化膜7には、テーパー7Aが形成されてお
り、シリコン窒化膜7が除去された部分から外側に向か
って窒化膜厚が連続的に厚くなっており、シリコン窒化
膜が除去された部分ではシリコン酸化M6を通して一定
の濃度でボロンが半導体基板内部に導入され、その部分
は半導体装置の動作時には、ベース領域として働き、半
導体装置の電気的特性を支配する領域となる。一方、シ
リコン窒化膜7のテーパ−7A形成部分より半導体基板
内部に導入されたボロンの濃度は、シリコン窒化膜7の
膜厚の変化に応じて変化する。すなわちシリコン窒化膜
7の膜厚が厚くなるほどボロンの半導体基板内へ導入さ
れる濃度は低くなり、最も膜厚が厚くなり多結晶シリコ
ンM8によってもマスクされている半導体基板内部には
、ボロンは導入されない。Next, as shown in FIG. 1(d), the photoresist film 9 is peeled off, and using the polycrystalline silicon film 8 and silicon nitride film 7 as masks, P-type impurities, such as boron, are implanted into the semiconductor substrate by ion implantation. A P-type base layer 10 is formed by introducing energy at 20 to 30 ke and a dose of 5X] at a dose of O'2 to 5 x 10"cm-2. At this time, a taper 7A is formed on the silicon nitride film 7 that serves as a mask. The thickness of the nitride film increases continuously from the part where the silicon nitride film 7 has been removed toward the outside, and in the part where the silicon nitride film 7 has been removed, boron is formed at a constant concentration in the semiconductor through silicon oxide M6. It is introduced into the inside of the substrate, and that part acts as a base region during the operation of the semiconductor device and becomes a region that controls the electrical characteristics of the semiconductor device. The concentration of introduced boron changes depending on the change in the thickness of the silicon nitride film 7. In other words, the thicker the silicon nitride film 7 becomes, the lower the concentration of boron introduced into the semiconductor substrate becomes. No boron is introduced into the inside of the semiconductor substrate, which has become thicker and is also masked by polycrystalline silicon M8.
次に第1図(e)に示ず様に、ボロンイオン注入時のマ
スクとなった多結晶シリコン膜8とシリコン窒化膜7を
除去する。最後にアニールを行い、イオン注入時に発生
した結晶欠陥を回復する。Next, as shown in FIG. 1(e), the polycrystalline silicon film 8 and silicon nitride film 7, which served as a mask during boron ion implantation, are removed. Finally, annealing is performed to recover crystal defects generated during ion implantation.
第2図に第1図(e)で示したP型ベース層10の破線
ACBに沿ったボロンの濃度分布を示す。FIG. 2 shows the boron concentration distribution along the broken line ACB of the P-type base layer 10 shown in FIG. 1(e).
このように第1の実施例によれは、第2図に示したよう
に、P型ベース層10における不純物の濃度分布はゆる
やかになるため、拡散層の角端部に電界の集中が生じる
ことはなくなる。In this way, the problem with the first embodiment is that, as shown in FIG. 2, the impurity concentration distribution in the P-type base layer 10 becomes gentle, so that electric field concentration occurs at the corner ends of the diffusion layer. will disappear.
第3図(a)〜(f)は本発明の第2の実施例を説明す
るための半導体チップの断面図であり、本発明をN型M
O3半導体装置のソース、ドレイン形成に適用した場合
を示す。FIGS. 3(a) to 3(f) are cross-sectional views of a semiconductor chip for explaining a second embodiment of the present invention.
A case where the present invention is applied to forming a source and a drain of an O3 semiconductor device is shown.
まず第3図(a)に示す様に、P型半導体基板1上にシ
リコン酸化膜3Aにより分離領域を形成する。次にシリ
コン酸化膜6A上に第1の実施例と同様にシリコン窒化
膜7と多結晶シリコン膜8を形成する。First, as shown in FIG. 3(a), an isolation region is formed on the P-type semiconductor substrate 1 using a silicon oxide film 3A. Next, a silicon nitride film 7 and a polycrystalline silicon film 8 are formed on the silicon oxide film 6A in the same manner as in the first embodiment.
次に第3図(b)に示す様に、分離領域内のソース・ド
レインが形成される領域の多結晶シリコン膜8を除去す
る。Next, as shown in FIG. 3(b), the polycrystalline silicon film 8 in the region where the source and drain are to be formed in the isolation region is removed.
次に第3図(c)に示す様に、フォトレジスト膜9Aを
形成したのち、ソース・ドレインが形成される領域のみ
除去する。Next, as shown in FIG. 3(c), after forming a photoresist film 9A, only the regions where the source and drain will be formed are removed.
次に第3図(d)に示すように、CF4系のガスによる
ケミカルドライエツチングを施すことによりシリコン窒
化膜7にテーパー7Aが形成される。原、理は、第1の
実施例で説明したのと同様である。Next, as shown in FIG. 3(d), a taper 7A is formed in the silicon nitride film 7 by chemical dry etching using a CF4 gas. The principle and principle are the same as described in the first embodiment.
次に第3図(e)に示す様に、フォトレジスト膜9Aを
剥離したのちN型不純物、例えばヒ素のイオン注入を行
いソース・ドレイン20を形成する。これによりソース
・トレインのゲート方向へのヒ素の濃度分布は極めてゆ
るやかに変化する。Next, as shown in FIG. 3(e), after the photoresist film 9A is peeled off, an N-type impurity, for example, arsenic, is ion-implanted to form a source/drain 20. As a result, the arsenic concentration distribution in the source train gate direction changes extremely gradually.
9
最後にアニールを施すことにより半導体基板の結晶性を
回復する。9 Finally, annealing is performed to restore the crystallinity of the semiconductor substrate.
第4図に第3図(f)で示したソース・ドレイン20の
破線EFDに沿って導入されたヒ素の濃度分布を示す。FIG. 4 shows the concentration distribution of arsenic introduced along the broken line EFD of the source/drain 20 shown in FIG. 3(f).
このように第2の実施例によれば、ドレイン近傍での強
電界の発生及びそれに伴うホットエレクトロンの発生を
避けることができる。In this way, according to the second embodiment, it is possible to avoid the generation of a strong electric field near the drain and the generation of hot electrons associated with it.
以上説明した様に本発明は、テーパーを有する開口部が
形成されたマスクを用いてイオン注入法により不純物を
半導体基板内部に導入し、拡散層を形成することにより
不純物の濃度をその端部において極めてゆるやかな分布
を持たせることができるため、半導体装置の動作時に不
純物拡散層の端部で発生しやすい強電界を緩和させ、半
導体装置の特性の低下を防ぐことができるという効果が
ある。As explained above, the present invention introduces impurities into a semiconductor substrate by ion implantation using a mask with a tapered opening, and by forming a diffusion layer, the impurity concentration is reduced at the edge of the semiconductor substrate. Since it can have an extremely gentle distribution, it has the effect of alleviating the strong electric field that tends to occur at the end of the impurity diffusion layer during operation of the semiconductor device, and preventing deterioration of the characteristics of the semiconductor device.
0−
第1図(a)〜(e)は本発明の第1の実施例を説明す
るための半導体チップの断面図、第2図は第1図(e)
の破線ACBに沿った不純物の濃度分布図、第3図(a
)〜(f)は第2の実施例を説明するための半導体チッ
プの断面図、第4図は第3図(f)の破線DEFに沿っ
た不純物の濃度分布図、第5図(a)(b)は従来例を
説明するための半導体チップの断面図、第6図は第5図
(b)の破線GIHに沿った不純物の濃度分布図である
。
1・・・P型半導体基板、2・・・コレクタ、3・・・
シリコン酸化膜、4・・・N+型型数散層5・・・N型
エピタキシャル層、6,6A・・・シリコン酸化膜、7
・・・シリコン窒化膜、7A・・・テーパー、8・・・
多結晶シリコン膜、9,9A・・・フォトレジスト膜、
10・・・P型ベース層、20・・・ソース・ドレイン
。0- FIGS. 1(a) to (e) are cross-sectional views of a semiconductor chip for explaining the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is FIG. 1(e).
Figure 3 (a) is a concentration distribution map of impurities along the broken line ACB of
) to (f) are cross-sectional views of the semiconductor chip for explaining the second embodiment, FIG. 4 is an impurity concentration distribution diagram along the broken line DEF in FIG. 3(f), and FIG. 5(a) (b) is a sectional view of a semiconductor chip for explaining a conventional example, and FIG. 6 is an impurity concentration distribution diagram along the broken line GIH in FIG. 5(b). 1...P-type semiconductor substrate, 2...Collector, 3...
Silicon oxide film, 4... N+ type scattered layer 5... N type epitaxial layer, 6, 6A... Silicon oxide film, 7
...Silicon nitride film, 7A...Taper, 8...
Polycrystalline silicon film, 9,9A...photoresist film,
10...P-type base layer, 20...source/drain.
Claims (1)
て不純物をイオン注入し、不純物の拡散層を形成する半
導体装置の製造方法において、前記マスクの開口部には
テーパーが形成されていることを特徴とする半導体装置
の製造方法。In a method for manufacturing a semiconductor device in which an impurity is ion-implanted using a mask having an opening formed on a semiconductor substrate to form an impurity diffusion layer, the opening of the mask is tapered. A method for manufacturing a featured semiconductor device.
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