JPH03214725A

JPH03214725A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH03214725A
Application number: JP1027790A
Authority: JP
Inventors: Mitsutoshi Takahashi; 光俊高橋; Yutaka Sakakibara; 裕榊原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-01-19
Filing date: 1990-01-19
Publication date: 1991-09-19
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JP2810947B2

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、半導体装置の製造において、表面から浅い領
域にｐ型不純物を導入する方法に関するものである。特
に、高精度に濃度制御でき、かつ欠陥がないことが要求
されるプロセス、例えばバイボーラトランジスタのベー
ス形成プロセスへの適用に適するものである。

（従来の技術）表面から浅い領域に、高精度に濃度制御し、かつ欠陥の
無いｐ型不純物層を形成する方法として、ＮＰＮバイボ
ーラトランジスタのｐ型ベース形成プロセスを例に、従
来技術を説明する。

ＮＰＮバイポーラトランジスタのｐ型ベースは、通常、
薄い酸化膜を介し、Ｂイオンを直接Ｓｉ中に注入するこ
とによって形成されてきた。この方法で、深さ２　００
ｎｍ程度以上、不純物濃度３×１０１ＩＩＣｆｆｌ−３
程度以下のベース層形成は可能である。しかし、ベース
領域を薄＜シようとして注入エネルギーを低くしても、
イオン注入時のチャネリング現象のためＢは深い位置ま
で侵入し、これ以上薄くできないという欠点があった。

また、不純物濃度を高くしようとして注入ドーズ量をふ
やすと、ベース層に欠陥が入るという欠点があった。

ベース層を薄くするため、ＢイオンのかわりにＢＦ２”
イオンを直接Ｓｉ中に注入する方法もあった。

この方法は、チャネリングが抑制されるためＢの分布自
体は浅くなるが、Ｆが注入される分だけ欠陥に対しては
より厳しくなるという欠点があった。

これらに代わる方法として、文献（Ｔ．Ｙａｍａｇｕｃ
ｈｉｅｔ　ａｌ．，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，　ｖｏｌ．ＥＤ３５，　
ｎｏ．８，　ｐ．１２４７，八ｕｇ．　１９８８）には
、ボリＳｉにＢをイオン注入し、これから拡散させる方
法が示されている。この方法は、基本的には拡散による
方法であるので欠陥に対して有利である上、濃度的には
ボリＳｔへの注入量で制御でき、深さとしてもかなり浅
いものまで可能である等の利点を有している。

しかし、この方法の最大の欠点は、エミッタ形成法とし
てＡｓを同じボリＳｉにイオン注入し拡散させる方法し
かとれないことである。これは、ベース形成の拡散処理
が入っているため、ポリＳｔのみの除去が困難なためで
ある。このことによる大きな欠点は、次の点である。

（イ）この方法では、形成したベース領域とベース補償
領域をつなぐためのあらたなベース領域（リンクベース
領域）を形成する必要がある。

（口）エミッタは同じボリＳｉのみしか使えない。つま
り、ワイドギャップなヘテロエミッタ材料等をエミック
にはできない。

（ハ）エミッタ形成時の熱処理（エミッタ拡散処理）温
度をある程度高くする必要があるため（通常は８５０℃
以上）、ベース形成時には浅いものができても最終的に
はベースも拡散し、ある程度以上浅いものはできない。

（発明が解決しようとする課題）本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので
、その目的は、バイボーラトランジスタのベース形成等
の半導体装置の製造工程において、均一で、高精度に濃
度制御でき、かつ結晶欠陥のない、非常に浅いＰ型不純
物層を形成する方法を提供することにある。不純物濃度
としては１０１８〜１０１９ｃｍ−”、接合の深さとし
て５０ｎｍ以下を想定している。

また、このような浅い接合形成に於いては、後の熱処理
による拡散で接合位置が変わっては意味が無い。即ち、
エミッタ形成プロセス等の後工程も含め考える必要があ
る。本発明のさらに他の目的は、後工程も含めた浅い不
純物層を形成する方法を提供することにある。より具体
的には、エミッタ形成プロセスとして、不純物を堆積時
添加したワイドギャップ・ヘテロエミッタ材料あるいは
ボリＳｔによる低温形成法を想定しており、これらと組
み合わせ可能な浅いベース形成方法を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するため、本発明はシリコン基板表面
に薄い酸化膜を形成する工程と、該酸化膜中にホウ素の
ハロゲン化物または水素化物の分子イオンをイオン注入
する工程と、ランプアニールにより高温短時間熱処理す
ることによりホウ素をシリコン基板中に浅く間精度に濃
度制御して導入する工程とを含むことを特徴とする半導
体装置の製造方法を発明の要旨とするものである。

さらに本発明は、シリコン基板表面に薄い酸化膜を形成
する工程と、該酸化膜中にホウ素のハロゲン化物または
水素化物の分子イオンをイオン注入する工程と、ランプ
アニールにより高温短時間熱処理することによりホウ素
をシリコン基板中に浅く高精度に濃度制御して導入する
工程と、かつ以後の工程においては８００℃以下の熱処
理のみ行う工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法を発明の要旨とするものである。

（作用）本発明は、ホウ素のハロゲン化物や水素化物を原料とし
てそれらの分子イオンを形成し、現在の標準的なイオン
注入装置を用いて低エネルギー（５〜１０ＫｅＶ　）で
薄い酸化膜中にイオン注入し、ランプアニール等の高温
短時間アニールによりシリコン基板中にＢを浅く拡散す
ることを最も主要な特徴としている。そのため高精度に
濃度制御された、欠陥の無い、５０ｎｍ以下の浅いｐ型
不純物層をうろことができる。

第工図に、本発明の一つの方法で形成した時のＢの不純
物分布を、イオン注入後（ａ）．ランブアニール後（ｂ
）に分けて示す。横軸に深さ，縦軸に濃度をとってある
。

本発明では、酸化膜中でのＢの拡散とＳｉ中でのＢの拡
散の両方を利用している。酸化膜中ＯＢの拡散は非常に
遅いため、酸化膜中のＢの分布は急峻に、かつ、Ｂ分布
と基板との距離をできるだけ小さくし、酸化膜中の拡散
をできるだけ短くする必要がある。そのため、酸化膜厚
は薄くし、低エネルギーでかつ分子イオンを注入する手
法を用いた。

さらに、本発明の特徴は、後述する発明者らの実験結果
に基づき、Ｓｉ中にＢがより拡散容易なランプアニール
法を用いたことにある。

第２図に、本発明の他の方法で形成したときのＢの不純
物分布を、イオン冫主人後（ａ）　．　　ランブアニル
後（ｂ）に分けて示す。第１図に示した方法と青う点は
、第１図に示した方法ではＢのイオン注入後の分布が完
全に酸化膜中のみで３１中には入っていないの６二対し
、第２図δこ示した方法ではＢの分布のテイルのー・部
が、Ｓｔ中に入っていることにある。この場合、３１表
面のＢの濃度はＩＱＩＢ程度以Ｔてある。このテイル部
分の入り方としては、当然ながら欠陥を発生さゼる量以
下に即える必要がある。この方法の利点は、ＳＬ中にＢ
をより拡散さゼ易いごとである。

・ｒオン注入後のプ［アセスとして、イＪン注入に，１
−り酸化１［タ中に分布したＢを有効にｓｉ中に導入す
る熱処理が必要となる。イオン注入までを同一条件で作
成し、従来の電気炉アニールと本発明のランブアニール
を行ったＩ）の、ｐ型領域のシー１・抵抗を比較した実
験結果を第１表に示す。

第１表アニール後のシート抵抗値（実験結果）以上の結果から
電気炉アニールよりランプアニールの方がシート抵抗が
小さい、即ちＳｔ中にＢが拡散しやすいことがわかる。

本発明は、この実験結果を基に構成されたものである。

本発明の特長をまとめると次のようになる。

■ｐ型領域形成は、大部分を拡散に依っているので、欠
陥ははいりにくい。

■拡散量はイオン注入量で制御できるため、高精度に濃
度制御できる。

■ランプアニール時間を制御することにより、非常に浅
い拡散深さを制御できる。

■拡散源に用いた酸化膜は除去が容易なため、前述のボ
リＳｉからの拡散で述べたような欠点はない。すなわち
、不純物を堆積時添加したワイドギャップ・ヘテロエミ
ッタ材料あるいはボリＳｉによる低温形成法によるエミ
ッタとの組み合わせ可能である。

次に、従来技術との差異について述べる。

従来の技術で述べた最も一般的な方法である直接Ｓｉ中
に注入する方法と本発明との差異は明白である。

また従来の技術で述べたボリＳｉに注入しこれから拡散
される方法との差異は、拡散源に用いた膜が除去可能か
否かである。即ち、本発明では酸化膜を拡散源に用いて
いるため、容易に除去可能である。既に述べたように、
拡散源に用いた膜が除去可能か否かは、Ｓｉへテロバイ
ボーラトランジスタを考えた場合、ワイドギャップ材料
が使えるか否かの決定的な違いとなる。

従来の技術のところでは述べなかったが、Ｂを高濃度に
添加したいわゆるＢＳＧ　（ボロンシリゲートガラス）
膜を拡散源としてＳｉ中にＢを拡散させる方法は従来か
ら用いられていた。この方法では、高濃度（１０”ｃｍ
−３以上）に、余り濃度制御性を気にしないプロセス、
たとえばｐ′″層形成には適用可能であった。しかし、
不純物濃度として１０１８・〜１０Ｉ９ａｍ−’を制御
していれる方法に適用が不可能なことは明白で、すなわ
ちＢＳＧ膜はＣＶＤを形成する。ＣＶＤ形成のＢＳＧ膜
中には、Ｂが均一に入っていない。イオン注入にょるＢ
の方が均一に混入しているため、制御しやすいからであ
り、本発明とは基本的に視点および手法が異なっている
。

このような浅い接合形成に於いては、後の熱処理による
拡散で接合位置が変わっては意味が無い。

即ち、エミッタ形成プロセス等の後工程も含め考える必
要がある。Ｂ拡散層の深さを本発明の目的の５０ｎｍ以
下にするには、Ｂの拡散係数から考え、電気炉アニール
で少なくとも８００℃以下に抑えることが必要である。

（実施例）次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例は
一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で
、種々の変更あるいは改良を行いうろことは言うまでも
ない。

（例１）本発明の一例を第３図を基に説明する。

（ａ）　　Ｓｉ基板１の上に酸化膜２を形成する。（第
３図（ａ））酸化膜厚は（ｂ）で述べるイオン注入エネルギーとの関
係で決定されるが、既に述べた理由により、薄い膜（５
０ｎｍ以下の程度の膜）の方が望ましい。酸化膜２は、
９００℃，乾燥酸素中での熱酸化により形成した。

（１））　　酸化膜２中にＢＦ２”イオンを注入し、主
に酸化膜中にホウ素（Ｂ）３を分布させる。（第３図（
ｂ））ホウ素（Ｂ）３の分布として、すでに述べたように第１
図（ａ）の分布にするか、第２図（ａ）の分布にするか
は、酸化膜２の厚さとＢＦ２”イオンの注入エネルギー
．ドーズ量により決まる。

第４図は、酸化膜中にＢＦ２”イオンを注入したときの
Ｂの分布をモンテカルロ計算した結果を示す。横軸に深
さ，縦軸に濃度をとってある。

分子イオンの注入を行うと、工原子当りのエネルギーが
小さくなり、薄い酸化膜中に急峻な分布を得ることがで
きる。この結果から、例えば、ＢＦ１イオンの注入エネ
ルギーを７　ＫｅＶに設定すると、酸化膜を３０ｎｍに
しておけば第１図（ａ）のような分布が、酸化膜を２０
ｎｍにしておけば第２図（ｂ）のような分布が得られる
ことがわかる。

（Ｃ）　　第３図の）の試料をランブアニールし、高精
度に濃度制御されたｐ型拡散層４を形成する。ラ７７”
７−−ル装置はタングステン・ハロケンランプを用いた
ものを使用した。ランブアニール条件の代表例は、１０
００゜ｃ，３０秒である。既に説明したように、この条
件は第１表に示した“ランブアニールの方が電気炉アニ
ールよりＳｉ中に拡散し易い゜゛という発明者らの実験
結果を基にしている。

第５図に、ランプアニール後のＳｔ中のＢｌ度分布の例
を示す。横軸に深さ．縦軸に濃度をとってある。これは
二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により測定したもので
ある。ＳＩＭＳ測定自体のテイルを差し引いて考えると
、１０′８〜ＩＱ１　９ｃｍ−　”の領域で高精度に濃
度制御でき、かつ５０ｎｍ以下の浅い不純物層が形成で
きていることが分かる。

（ａ）〜（Ｃ）のプロセスは、代表的な例を示したもの
であり、この方法に限られたものではない。

例えば、（ａ）において、乾燥酸素中での熱酸化膜の代
わりにウェット酸素中での熱酸化膜、またはＣＶＤ酸化
膜を使うことも可能である。また、（ｂ）においてＢＦ
３ガスを原料とする代わりに、ジポランのようなＢの水
素化物を原料ガスとして分子イオンを注入しても、同様
な効果が得られる。この時、水素原子も同時に注入され
、その水素の効果により酸化膜中におけるＢの拡散係数
が大きくなり拡散しやすくなる。また、（Ｃ）のプロセ
スではタングステン・ハロゲンランプを用いたが、酸化
膜を効率良く加熱するため、紫外域の光を放射するラン
プを用いる方法も考えられる。

（例２）本発明をバイボーラトランジスタに適用した一例を、第
６図について説明する。

（ａ）　　半導体基板上に通常のプロセスを用い、コレ
クタ領域１１、ベース補償領域１３を形成する。１２は
酸化膜を示す。（第６図（ａ））（ｂ）　　熱酸化により表面に薄い酸化膜１４を形成す
る。

（第６図（ｂ））このプロセスは例１の（ａ）と同じプロセスである。

（Ｃ）　　つぎに薄い酸化膜１４中にＢＦ２’イオンを
注入し、主に酸化膜中にホウ素を分布させた後、ランプ
アニールし高精度に濃度制御された浅いベース領域ｌ６
を形成する。（第６図（Ｃ））このプロセスは例１の（
ｂ）〜（Ｃ）と同じプロセスである。

（ｄ）　　全面にＣＶＤ酸化膜１７を形成し、その後、
エミッタ用窓１８を開口する。（第６図（ｄ））ＣＶＤ
酸化膜１７の形成温度は、浅いベース形成後であるので
ベース層の広がりをできるだけ抑える意味から、少なく
ともｓｏｏ’ｃ以下に抑える必要がある。ここでは、Ｔ
ＥＯＳ（トリエチル・オルソシリケート）を用いた減圧
ＣＶＤにより７２０’Ｃで１　００ｒ＋ｍ堆積した。

（ｅ）　　エミッタ用窓１８の露出したＳｔ面を清浄化
した後、ヘテロエミッタ材料１９，ボリＳｔ　２０を堆
積する。（第６図（ｅ））形成温度は、上記と同様、少なくとも８００℃以下に抑
える必要がある。また、ヘテロエミッタ材料１９とボリ
Ｓｔ　２０は、不純物を各々の最適濃度に堆積時添加し
ておく。ヘテロエミッタ材料として、ここでは微結晶Ｓ
ｉＣｘ　：堆積温度４００℃を用いた。

（ｆ）　　ボリＳｔ　２０を表面に被着して、ヘテロエ
ミシタ材料１９の加工を行った後、ベースコンタクト用
窓２１を形成し、バイポーラトランジスタの基本構造が
形成される。（第６図（ｆ））以上（ａ）〜（ｆ）のプ
ロセスは、代表的な例を示したものであり、これらの方
法に限られたものではない。

例えば、（ｄ）において、ホウ素注入された薄い酸化膜
１５上にＣＶＤ酸化膜１７を形成するプロセスを示した
が、薄い酸化膜１５を一旦全て除去してからＣＶＤ酸化
膜１７を形成してもよい。

さらに、薄い酸化膜１５を一旦全て除去した後、浅いベ
ース領域１６の表面を少し（２〜５ｎｍ程度）酸化して
から、ＣＶＤ酸化膜を形成してもよい。

また、（ｅ）〜（ｆ）においては、ヘテロエミッタ材料
１９とポリＳｔ　２０の二層構造を用いたが、ボリＳｉ
のみ、あるいは、ヘテロエミッタ材料のみの構造でもよ
い。さらに、（ｆ＞の状態で、エミッタのｎ型不純物は
３４中に全く入っていない図を示したが、ｎ型不純物を
少しＳｉ中に入れてもかまわない。

また、（ｆ）では基本構造のみを示したが、この後の配
線プロセス（例えば眉間膜形成）においても、少なくと
も８００’Ｃ以下のプロセスにしなくてはいけないこと
は言うまでもない。

第６図では一般的なプレーナ型のバイボーラトランジス
タの例を示したが、Ｓ　Ｓ　Ｔ　（ＳｕｐｅｒＳｅｌｆ
−ａｌｉｇｎｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ）のようにセルファライン構造にしたトランジスタ
にも適用できることは言うまでもない。

（発明の効果）叙上のように本発明によれば、高精度に濃度制御された
、欠陥の無い、５０ｎ『以下の浅いｐ型不純物層を得る
ことができる。これをＮＰＮ　｝ランジスタのベース形
成に適用すれば極めて薄いベース層が得られ、ベース走
行時間を短縮し、トランジスタの高速化を達成できる。

また、ヘテロエミッタ材料と組み合わせたプロセスがと
れるので、文献（Ｍ．　Ｌｌｇａｊｉｎ　ｅｔ　ａｌ，
，　ＩＥＥＢ　Ｔｒａｎｓ．　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖ
ｉｃｅｓ，　ｖｏｌ．　ＥＤ−３６＋　ＮＯ．６，　Ｊ
ｕｎｅ　１９８９）によれば、ｆＴとして１００ＧＨｚ
を越えるＳｔヘテロバイポーラ・トランジスタも期待で
きる。

本発明は、バイボーラトランジスタのベース形成を主な
目的としているが、浅いｐ型層が必要な同様のプロセス
、例えばＰチャネルのＭＯＳＦＥＴの浅いソース，ドレ
イン接合部形成等のプロセスに適用できることは言うま
でもない。

【図面の簡単な説明】

第１図．第２図は本発明におけるホウ素の酸化膜／Ｓｔ
中の分布、第３図は本発明の製造方法の基本的な実施例
、第４図はＢＦ２”イオン注入した際の酸化膜中のホウ
素の分布の計算結果、第５図は本発明により形成した浅
いｐ型層の不純物分析結果（実験結果）、第６図は本発
明をＳｉバイボーラトランジスタ製造に適用した実施例
を示す。１・・・Ｓｔ基板２・・・酸化膜３・・・ホウ素（Ｂ）４・・・ｐ型拡散層１１・・・ｎ　／　ｎ　”基板（コレクタ領域）１２・
・・酸化膜１３・・・ｐ′−領域（ベース補償領域）１４・・・薄
い酸化膜１５・・・ホウ素注入された薄い酸化膜１６・・・ｐ領
域（ベース領域）１７・・・酸化膜１８・・・エミッタ用窓ー　１　９ー１９・・ヘテロエミッタ材料（エミッタ領域）２０・・ボリＳｔ２ｌ・・ベースコンタクト窓 −２　０− １日 ″ｒ′＃８（（１） ↓ ＢＦ＋２Ａオンシ主メ、Ｉ　　↓ （ｂ）（Ｃ）０１０２０３０４０５０課な（ｎｍ）（０）（ｂ）第６図（ｄ）（ｅ）（Ｃ）（ｆ）１９−　へヲロエミ・ゾタ才乳零十（エミヅタ４ｊ域）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリコン基板表面に薄い酸化膜を形成する工程と
、該酸化膜中にホウ素のハロゲン化物または水素化物の
分子イオンをイオン注入する工程と、ランプアニールに
より高温短時間熱処理することによりホウ素をシリコン
基板中に浅く高精度に濃度制御して導入する工程とを含
むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（２）シリコン基板表面に薄い酸化膜を形成する工程と
、該酸化膜中にホウ素のハロゲン化物または水素化物の
分子イオンをイオン注入する工程と、ランプアニールに
より高温短時間熱処理することによりホウ素をシリコン
基板中に浅く高精度に濃度制御して導入する工程と、か
つ以後の工程においては８００℃以下の熱処理のみ行う
工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（３）イオン注入工程に於いて、ホウ素の分布のテイル
の一部がシリコン基板に侵入していることを特徴とする
請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。