JPH0368133A - 固相拡散方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野〉 この発明は、半導体装置の超微細化に寄与し得る固相拡
散方法に関する。

（従来の技術） 近年、半導体技術の発展にともなって、半導体装置の微
細化、高集積化が進んでいる。このような半導体装置の
製造方法における不純物の導入法としては、従来からイ
オン注入法や固相拡散法が使用されており、現在ではイ
オン注入法が主流を占めている。

素子の微細化を進める上では、上記した方法で不純物が
導入されて形成される不純物層の深さを浅く形成する必
要がある。これは、不純物層を浅く形成することで、不
純物層の横方向への広がりを抑制するためである。これ
により、不純物層からなるトランジスタのソース領域及
びドレイン領域における平面方向の寸法の設計値との誤
差を小さくして、両領域間に挟まれて形成されるゲート
電極のゲート長を短かくかつ高精度に安定して形成する
ことが可能となる。この結果、トランジスタの占有面積
が縮少され、素子の微細化を図ることができるようにな
る。

このように、素子の微細化にあっては、不純物層の深さ
を浅く形成しなければならないが、現在多用されている
イオン注入法では、比較的高濃度に不純物を浅く打ち込
むことは極めて困難であり、不純物層を浅くするには限
界がある。このため、０．１５μｍ以下の極めて浅い不
純物層で形成される接合が必要となる素子の超微細化に
あっては、イオン注入法は不向となる。

そこで、不純物を導入する方法として従来から用いられ
ている同相拡散方法が、原理的には有利となる。

この固相拡散法は、不純物を含む拡散源の層を不純物を
導入しようとする被導入層上に形成し、熱拡散により不
純物を導入するものである。

例えば、シリコン基板に対してＰ型の不純物として一般
的に用いられているボロン（Ｂ）を含むガラス層（８８
ＧＩｌ）を拡散源として、シリコン基板にボロンを導入
するドープトオキサイド法の場合には、ガラス層中の拡
散係数はシリコン基板中の拡散係数に比して２桁以上も
小さくなる。このため、このような不純物の拡散にあっ
てはガラス層中の不純物の拡散で律速される場合が多い
。

したがって、シリコン基板にボロンの不純物を例えばＩ
　Ｑ　２０　Ｃ１Ｂ−３以上の高濃度に導入しようとす
る場合には、上記濃度以上のより高濃度なボロンを含む
ＢＳＧ膜を使用して、１０００℃以上の比較的高温の例
えば窒素ガス雰囲気中で拡散処理を行なわなければなら
ない。このような拡散処理にあっては、ウェハーへのス
トレスを抑制するために徐々に拡散炉へ搬入または搬出
する必要がある。このため、この間に不純物が拡散され
て、不純物が導入される領域が広がってしまう。この結
果、浅い接合の不純物層を形成することが困難となる。

また、ランプ加熱炉を利用して、短時間で熱拡散を行な
う方法があるが、このような短時間拡散では、不純物層
を浅く形成することは可能となるが、その反面、バラツ
キが大きくなり、所望の不純物層を安定して得ることは
困難となる。このため、量産時には生産性の低下を招く
ことになる。

（発明が解決しようとする課題〉 以上説明したように、不純物を導入する方法として従来
から用いられているイオン注入法及び固相拡散法にあっ
ては、高濃度で接合深さが極めて浅い不純物層を安定し
て形成することは困難であった。このため、素子の微細
化を進める上での障害となっていた。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり
、その目的とするところは、高濃度かつ接合深さが極め
て浅い不純物層を安定して形成することができ、半導体
装置の超高密度化、超高集積化に寄与し得る同相拡散方
法を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために、半導体層上に不純物を含む
膜を形成し、次いで熱処理することにより前記膜に含ま
れる不純物を前記半導体層に拡散させて導入する固相拡
散方法において、この発明は、前記熱処理を水素を２％
以上、６０％以下の範囲内の割合で含む雰囲気中で行な
うことを要旨とする。

（作用〉 上記方法において、この発明は、不純物を含む膜中での
不純物の拡散係数及び１．不純物を含む膜と半導体層と
の界面の偏析係数を増大させるようにしている。

（実施例〉 以下、図面を用いてこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係わる固相拡散方法によ
って形成される不純物層の深さ方向への濃度ブＯファイ
ルの実験結果を従来と比して示した図である。

この発明の詳細な説明する実施例での固相拡散方法にお
ける特徴とするところは、水素を含んだ窒素ガスの雰囲
気中で熱処理を行なうことにある。

第１図に示す実験例は、シリコンの半導体に対してＰ型
の不純物となるボロン（Ｂ）を導入してＰ型の不純物層
を形成したものであり、実験条件としては、２Ｘ２０”
ｃｒ３程度の比較的低濃度のボロンを含むＢＳＧ膜を拡
散源として、１０００℃程度の温度の水素（Ｈ２）を１
０％程度含む窒素ガスと窒素ガスのみの雰囲気中で、熱
拡散処理を３０分程度行なったものである。なお、第１
図において、水素を含む雰囲気の場合の結果を点線で示
し、水素を含まない場合の結果を実線で示している。

第１図から明らかなように、水素を含む雰囲気中でボロ
ンをシリコンへ熱拡散させた場合では、水素を含まない
場合に比べて、ボロンのシリコン基板に対する表面濃度
がａｉｉｍ度になる。これは、水素を含むガスを拡散雰
囲気とすることにより、ＢＳＧＩＩｆｌ中の拡散係数及
び、ＢＳＧ膜／シリコン界面の偏析係数が増大して、シ
リコン表面におけるボロンの濃度が増大するためである
。この様に拡散雰囲気に水素を含むガスを採用する事に
より、この偏析係数を増大できる事は、本発明が初めて
見い出したものである。また、第１図から明らかなよう
に、シリコン基板の極めて浅い領域において、ボロン濃
度のピーク値が得られている。

これらのことから、Ｉ　Ｑ２　Ｉ　Ｃ１３以上の高濃度
にボロンを含むＢＳＧ膜を拡散源として用いれば、比較
的低温での熱拡散処理においても、ＬＤＤ構造の電界効
果トランジスタのソース、ドレイン領域の様な高濃度の
不純物層を０．１５μｍ以下といった極めて浅い接合深
さで形成することが可能となる。特にこの様な浅い接合
層を形成するには、雰囲気中の水素濃度を２％以上、６
０％以下にするのが良く、特に５％以上、４０％以下に
するのが好ましく、そのなかでも５％以上、２０％以下
にするのが望ましい。その理由は、偏析係数を大きくで
きる点から水素濃度をこの範囲に設定するのが望ましい
。しかも２％より低いと所望の接合層を得るのに時間が
かかりすぎ、製造上現実的ではなく、また６０％より高
くなると、拡散時の熱によって雰囲気が極めて爆発しや
すくなって危険である。また、不純物の拡散処理を比較
的低温で長時間にわたって行なうため、短時間での拡散
に比べて、所望の不純物層を安定して形成することが可
能となる。

したがって、低温での拡散処理においても、十分に高濃
度でかつ接合深さが極めて浅い不純物層を安定して形成
することができるようになる。

次に、この発明の一実施例に係る固体拡散方法を用いて
、ＭＯ８型ＦＥＴを製造する一製造方法を、第２図に示
す製造工程断面図を参照して説明する。

まず、ｎ型で単結晶のシリコン基板１１に従来から用い
られている選択酸化法により、素子分離領域となるフィ
ールド絶縁膜１２を選択的に形成する。これにより、こ
のフィールド絶縁［１１２で囲まれた素子形成領域が形
成される。続いて、素子領域上のシリコン基板を熱酸化
して酸化膜を形成し、この酸化膜の上に多結晶シリコン
膜を堆積形成する。その後、レジストパターンをマスク
にして、シリコン基板１１上に堆積形成された酸化膜及
び多結晶シリコン膜の一部をエツチング除去する。これ
により、シリコン基板１１上にゲート酸化膜１３を介し
て多結晶シリコン膜からなるゲート電極１４を形成する
。ひき続いて、全面にシリコン酸化１１１１５をＣＶＤ
法により堆積形成し、このシリコン酸化１１１５の一部
を側壁残存技術によりエツチングして、ゲート電極１４
の側壁部にのみシリコン酸化ｇ１１５が残存するように
形成する（第２図（ａ））。

次に、全面に例えばＣＶＤ法を用いて、５Ｘ１０２１　
ｃｒ３程度以上の濃度にボロンを含んだＢＳＧＩ１１６
を堆積形成する（第２図（ｂ））。

次に、水素を含んだ例えば窒素ガスの雰囲気中において
、例えば９００℃程度の比較的低温で３０分の熱処理を
行なう。これにより、ＢＳＧ膜１膜中６中ロンがシリコ
ン基板１１に熱拡散して、ゲート電極１４の両側のシリ
コン基板１１中に、１Ｑ　２０　Ｃｇｌ−３程度の不純
物濃度で０．１５μｍ程度の極めて浅い接合深さのソー
ス領域及びドレイン領域となるＰ型の不純物層１７を形
成する。また、この熱拡散時において、ＢＳＧ膜１膜中
６中ロンが多結晶シリコン膜からなるゲート電極１４中
に拡散され、ゲート電極１４が低抵抗のＰ型シリコン膜
となる。なお、上記の熱処理における処理温度は、低す
ぎると拡散が不十分となり所望の不純物濃度が得られな
くなり、一方、高ずぎると拡散の制御性が悪くなるため
、実用的な温度範囲として７００〜１１００℃程度の範
囲で選択するようにすればよい（第２図（Ｃ））。

最後に、前面にＣＶＤ法によりシリコン酸化膜１８を堆
積形成した後、このシリコン酸化ｍｉａ及びＢＳＧ膜１
膜部６極形成用のコンタクトホールを開口形成する。続
いて、アルミニウムやモリブデン等の金属で電極配線１
９を形成し、ＰチャネルのＭＯ８型ＦＥＴが完成する（
第２図〈ｄ〉）なお、上記実施例では、ＢＳＧ膜１膜部
６ポロンを拡散させた後、このＢＳＧＩｌｌ　６を残存
させた工程を示したが、希フッ酸溶液等でＢＳＧ膜１膜
部６離して除去するようにしても良い。

このように、この発明の一実施例の固相拡散方法を用い
れば、高濃度で極めて浅い接合のソース領域及びドレイ
ン領域を有するトランジスタを容易に製造することが可
能となる。また、熱処理温度を前述した範囲内で低くし
ても、拡散源の不純物濃度を高くしておけば、十分な不
純物濃度を確保することが可能であるため、さらに浅い
接合のソース領域及びドレイン領域のトランジスタを製
造することが可能となる。したがって、この発明の固相
拡散方法にあっては、素子の微細化に極めて有効な拡散
方法となる。

なお、この発明は、上記実施例に限ることはなく、拡散
雰囲気のガスを水素を含んだアルゴンやヘリウム等の不
活性ガスであっても良い。また上記実施例では、この発
明の固相拡散方法をシリコン基板の表面部における拡散
に適用したが、溝の側壁等の立体形状の表面への拡散に
適用することも可能であり、このような場合であっても
、不純物を高濃度かつ均一に導入することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、水素を含む雰
囲気中で熱拡散処理を行なうようにしたので、拡散源で
の不純物の拡散係数及び、拡散源と被拡散層との界面の
偏析係数を比較的低温での熱処理であっても増大させる
ことができる。これにより、表面濃度が高くかつ接合深
さの極めて浅い不純物層を安定して形成することが可能
となる。

この結果、半導体装置の超高密度化、超高集積化を達成
し得る固相拡散方法を提供することができるようになる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る固相拡散方法におけ
る不純物層の接合深さと不純物濃度との関係を示す図、
第２図はこの発明の固相拡散方法を適用した半導体装置
の一製造方法を示す工程断面図である。 １１・・・シリコン基板、１２・・・フィールド酸化膜
、１３・・・ゲート酸化膜、１４・・・ゲート電極、１
５・・・シリコン酸化膜、 １６・・・ＢＳＧＩｌｌ、　　１７・・・不純物層、１
８・・・シリコン酸化膜、 １９・・・電極配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体層上に不純物を含む膜を形成し、次いで熱処理す
   ることにより前記膜に含まれる不純物を前記半導体層に
   拡散させて導入する固相拡散方法において、 前記熱処理を水素を２％以上、６０％以下含む雰囲気中
   で行なうことを特徴とする固相拡散方法。