JPH05335559A - 二重拡散層の作り込み方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体の表面部に互いに深さが異なるｎ形層と
ｐ形層からなる二重拡散層を作り込む際に深い方の拡散
層内の不純物を設定どおり正確な濃度で作り込めるよう
にする。 【構成】二重拡散層10の浅い方の例えばｎ形層11の不純
物としての砒素Asと深い方のｐ形層12の不純物としての
ボロンＢをボロンの平均飛程が砒素Asの平均飛程より大
きくなるように図１(b) と図１(c) の工程でそれぞれイ
オン注入した後に図１(d) の工程で砒素AsとボロンＢを
同時に熱拡散させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバイポーラトランジスタ
や電界効果トランジスタ用の半導体表面部に互いに深さ
が異なるｎ形層とｐ形層からなる二重拡散層を不純物の
イオン注入とその熱拡散により作り込む方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】種々の半導体素子や集積回路装置を構成
するｎ形やｐ形の拡散層を半導体内に作り込むに際して
は最近ではイオン注入法が益々広く利用されるに至って
おり、原則的には所定の不純物をイオン注入したつど熱
拡散処理を施して拡散層とするのが本来であるが、多数
の拡散層に対して一々熱拡散処理を施すのでは工程数が
増え熱処理時間も掛かるので、比較的浅い拡散層につい
ては複数個の拡散層用に不純物をそれぞれイオン注入し
て置いた上で同時に熱拡散処理を施すことにより半導体
装置の製造工程を合理化する場合が多い。

【０００３】本発明はかかる同時熱処理により導電形と
深さが互いに異なる２個の拡散層をほぼ同じ場所に重ね
た二重拡散層を作り込む場合に関し、この場合には従来
から両拡散層用にそれぞれ熱拡散速度が異なる不純物を
用い、この速度差を利用して２個の拡散層を互いに異な
る深さに作り込むのが通例である。例えば、 npn形のバ
イポーラトランジスタのエミッタ層用の浅い高不純物濃
度のｎ形層とベース層用のそれより深く面積がやや広い
ｐ形層とからなる二重拡散層を作り込む場合、ｎ形層用
には低拡散速度の砒素を, ｐ形層用にはそれより高拡散
速度のボロンをそれぞれ不純物としてイオン注入し、熱
拡散処理によりエミッタ層とベース層を同時に作り込む
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の同時熱拡散によ
り少ない工程数かつ短い熱処理時間で二重拡散層を作り
込むことができるが、その深い方の拡散層, 上の例では
ベース層用のｐ形層内の不純物濃度が設定値からずれて
ばらつきやすく、このためトランジスタの特性が変動し
やすくなる問題がある。かかるｐ形層の不純物濃度の設
定値からの狂いは浅い方の拡散層, 上の例ではエミッタ
層用のｎ形層の下側部分に出やすく、かつｎ形層の不純
物濃度が高いほど大きくなる傾向がある。

【０００５】この問題を実際のトランジスタについて調
査した結果によれば、浅く高不純物濃度のｎ形層用に砒
素を 4.5ｘ10¹⁵原子／cm² の高ドーズ量で, 深いｐ形層
用にボロンをそれより１桁程度低い２ｘ10¹⁴原子／cm²
のドーズ量でそれぞれイオン注入した場合、熱拡散処理
後のｐ形層の半導体表面に露出した部分では面抵抗が65
0Ω／□であるに対し、そのｎ形層の下側部分の面抵抗
は３ｋΩ／□と 4.6倍にも高くなっていてボロン濃度の
不足が認められ、この面抵抗に対応する不純物濃度から
換算するとイオン注入したボロンの20％程度しか利用さ
れていないことになる。これを補うためドーズ量を５倍
に上げると半導体面に与えるダメージが当然大きくな
る。本発明はかかる問題を解決して二重拡散層をばらつ
きが少ない正確な不純物濃度で作り込むことを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明方法では、前述の
ように半導体の表面部に互いに深さが異なるｎ形層とｐ
形層からなる二重拡散層を作り込むに際し、ｎ形層およ
びｐ形層用の不純物を半導体の表面部に両層用の不純物
の一方の平均飛程が他方の平均飛程より大きくなるよう
それぞれイオン注入した後、両層用の不純物を同時に熱
拡散させることにより上述の目的を達成する。

【０００７】なお、上述の二重拡散層中の浅い拡散層が
ｎ形で深い拡散層がｐ形の場合は、ｎ形層用の不純物に
は砒素やアンチモンを，ｐ形層用の不純物にはボロンを
それぞれ用いるのがよく、ｎ形層用不純物を 50keV程度
の加速電圧でイオン注入する場合その平均飛程よりｐ形
層用のボロンの平均飛程を深くするためこれを 60keV以
上の加速電圧でイオン注入するのがよい。また、本発明
方法でも二重拡散層中の浅い方の拡散層用に熱拡散速度
が低い不純物を, 深い方の拡散層用にそれより熱拡散速
度が高い不純物をそれぞれ用いるのが望ましい。さら
に、深い拡散層用不純物を熱拡散後に二重拡散層内に形
成すべきpn接合の深さより大な平均飛程でイオン注入す
るのが、とくにｎ形層とｐ形層用の不純物の拡散速度に
あまり差がない場合や浅い拡散層用の不純物の熱拡散速
度が深い拡散層用の不純物の熱拡散速度より高い場合に
有利である。

【０００８】本発明方法は二重拡散層内に形成すべきpn
接合の深さが比較的浅い場合に適用するのが有利で、pn
接合の深さが 0.3μｍ以下, より望ましくは 0.2μｍ以
下の場合に適用するのがとくに有利である。さらに、本
発明方法はとくにバイポーラトランジスタのベース・エ
ミッタ領域や, ＤＭＯＳトランジスタないしは高耐圧Ｍ
ＯＳトランジスタのベース・ソース領域を構成する二重
拡散層に適用するのが有利で、いずれの場合でもベース
層を二重拡散層中の深い方の拡散層とするのがよい。本
発明をＭＯＳトランジスタ類に適用する場合、そのゲー
ト酸化膜の上に追加酸化膜を少なくとも数十Å, より望
ましくは数百Å以上の厚みに付けた後にｎ形層とｐ形層
用の不純物をイオン注入するのがよい。

【０００９】

【作用】本発明は二重拡散層のｎ形層とｐ形層用の不純
物をイオン注入して同時熱拡散させる際、浅い方の拡散
層用の例えばｎ形の不純物がそれとは逆のｐ形不純物で
ある深い方の拡散層用の不純物を熱拡散中に取り込みな
いし捕捉してしまうのが従来の問題点の原因である点に
着目したもので、前項中の構成にいうように深い方の拡
散層用不純物である一方の不純物の平均飛程が浅い方の
拡散層用不純物である他方の不純物の平均飛程, より望
ましくは二重拡散層内に形成すべきpn接合の深さより大
きくなるようにイオン注入することにより、両拡散層用
の不純物を同時に熱拡散させる際に深い方の拡散層用不
純物である例えばｐ形不純物が浅い方の拡散層内に取り
込まれないしは捕捉される効果を減殺して、二重拡散層
中の深い方の拡散層を従来よりばらつきが少ない正確な
不純物濃度で作り込むことに成功したものである。

【００１０】

【実施例】以下、図を参照しながら本発明の実施例を説
明する。図１は本発明による二重拡散層の作り込み方法
をＤＭＯＳトランジスタのベース・ソース領域に適用し
た実施例を主な工程ごとの状態で示すトランジスタの要
部拡大断面図、図２は二重拡散層用の不純物のイオン注
入および熱拡散の実験結果を示す不純物濃度分布図であ
る。図１の実施例では二重拡散層が浅いｎ形層とそれよ
り深いｐ形層とからなり、ｎ形層用不純物を砒素とし,
ｐ形層用不純物をボロンとするが、本発明はもちろんこ
れに限らず種々の場合に適用できる。

【００１１】図１(a) は本発明方法を適用する前の状態
を示す。ＤＭＯＳトランジスタ用のウエハの基板１ない
しエピタキシャル層はｎ形で、これにチャネル形成層で
あるｐ形のウエル２が例えば10¹⁷原子／cm³ 程度の不純
物濃度で深く拡散され、その表面に250 Å程度の薄いゲ
ート酸化膜３が付けられ、かつその上側に多結晶シリコ
ンを成長させフォトレジストのマスク膜Ｍによる指定パ
ターンでエッチングを施すことによりゲート４が形成さ
れているものとする。

【００１２】図１(b) は二重拡散層中の浅い方のｎ形層
用不純物のイオン注入工程を示す。イオン注入用マスク
にはゲート４とフォトレジストのマスク膜M1を用い、ｎ
形の不純物ないしはドナーとして砒素Asを例えば4.5 ｘ
10¹⁵原子／cm² のドーズ量,50keVの加速電圧で例えば
0.036μｍの平均飛程の深さにイオン注入して後述のｎ
形層11用の導入不純物11ａとする。図の右側にこのイオ
ン注入された砒素Asの深さｄに対する不純物濃度Ｃの分
布がC1ａで示されている。

【００１３】図１(c) は深い方のｐ形層用不純物のイオ
ン注入工程を示す。ゲート４と別のマスク膜M2をイオン
注入用マスクとして、ｐ形の不純物ないしアクセプタと
してボロンＢを例えば５ｘ10¹³原子／cm² のドーズ量,
60keVの加速電圧で砒素Asの場合より数倍深い例えば
0.2μｍの平均飛程でイオン注入して導入不純物12ａと
する。図の右側にその不純物濃度分布をC2ａで示す。な
お、図１(b) の砒素Asのイオン注入と図１(c) のボロン
Ｂのイオン注入は後述のチャネリング問題を除外して工
程順序を入れ換えることが可能である。

【００１４】また、両不純物を図のようにゲート酸化膜
３のみを通してウエル２の表面部にイオン注入すること
でもよいが、その表面の結晶格子に与えるダメージをで
きるだけ減少させるため、図１(a) の工程に入る前に少
なくとも数十Å, この実施例では数百Åの膜厚の追加酸
化膜を例えば 900℃, 数十分程度の熱酸化処理により付
けて置くのが、ＤＭＯＳトランジスタの場合にはダメー
ジによる耐圧の低下や動作しきい値のばらつきを防止す
る上でとくに望ましい。

【００１５】図１(d) は熱拡散工程を示す。熱処理は例
えば 900℃, 1hr.の条件で行ない、上述の導入不純物11
ａと12ａである砒素AsとボロンＢをそれぞれ 0.2〜0.25
μｍと 0.5〜O.7 μｍの深さに拡散させてｎ形層11とｐ
形層12からなる二重拡散層10とする。図の右側にこの熱
拡散後の砒素AsとボロンＢの濃度分布がC1とC2でそれぞ
れ示されている。この実施例では二重拡散層10内のpn接
合面はウエル２の表面から 0.2μｍ程度の深さに形成さ
れる。

【００１６】図１(e) にＤＭＯＳトランジスタの完成時
の状態を示す。このトランジスタはｎ形層11をソース
層, ｐ形層12をベース層, ｐ形のウエル２をチャネル形
成層,ｎ形の基板１をドレイン領域とそれぞれするが、
ドレイン用にｎ形の接続層５を設けるのが望ましいので
図１(b) の工程で基板１の表面の所定範囲にも砒素Asを
イオン注入して置き、図１(d) の工程でそれを熱拡散さ
せてドレイン接続層５を作り込む。この熱拡散工程後は
燐シリケートガラス等の層間絶縁膜６を成膜して要所に
窓を開口し、かつ電極膜７用にアルミを被着してフォト
エッチングによりソースＳとドレインＤとゲートＧ用の
電極を形成する。さらに電極膜７上を窒化シリコン等の
保護膜で覆うのが通例であるが図では省略されている。

【００１７】本発明方法では、上述のように図１(b) の
工程でイオン注入する砒素Asの平均飛程より図１(c) の
工程でイオン注入するボロンＢの平均飛程をかなり深く
し、イオン注入後のボロンＢのピーク濃度の深さでは砒
素Asの濃度を充分低く抑えるので、イオン注入したボロ
ンＢの大部分を図１(d) の工程でｐ形層12内に熱拡散さ
せてアクセプタ量を従来の３倍以上にも増加させ、ｐ形
層12にこの実施例ではＤＭＯＳトランジスタのベース層
としての機能を確実に果たさせてトランジスタ性能のば
らつきを減少させることができる。

【００１８】図２(a) に図１と同様な二重拡散層に対す
るイオンマイクロアナライザによる分析結果を示す。図
の横軸は深さｄ, 縦軸は不純物濃度Ｃであり、イオン注
入後のボロンＢの不純物濃度分布がBiで, 熱拡散後の砒
素AsとボロンＢの不純物濃度分布がAdとBdで, ボロンＢ
を単独でイオン注入した場合の熱拡散後の不純物濃度分
布がBd０でそれぞれ示されている。なお、この実験試料
ではpn接合が半導体面から0.15μｍの深さに形成されて
いる。熱拡散後のボロンの不純物濃度分布Bdの左側のピ
ークからわかるように砒素Asが拡散されたｎ形層11内に
ボロンＢが若干取り込まれているが、ｐ形層12内のボロ
ン濃度はボロン単独の場合の不純物濃度分布Bd０と比べ
て大差はなく、イオン注入されたボロンＢの大部分がｐ
形層12に貢献していることがわかる。

【００１９】図２(b) はｎ形不純物として燐Ｐを用いた
場合の実験結果を同図(a) と同様な要領で示すもので、
イオン注入時のボロンＢの不純物濃度分布がBi, 熱拡散
後の燐ＰとボロンＢの不純物濃度分布がPdとBd, ボロン
Ｂだけをイオン注入した時の熱拡散後の不純物濃度分布
がBd０でそれぞれ示されている。ボロンのイオン注入時
の不純物濃度分布Biのピークより熱拡散後の不純物濃度
分布Bdのピークが浅い方にずれていることから、燐Ｐの
場合にもｎ形層がボロンを取り込む効果をもつことがわ
かる。なお、この実験では燐の効果を確かめるために不
純物濃度が高く取られているが、二重拡散層を作り込む
場合はドーズ量がもちろん下げられる。しかし、燐Ｐは
熱拡散速度が高くその不純物濃度分布Pdが図のようによ
く延びるので、二重拡散層を作り込むにはボロンを前述
のようにpn接合を形成すべき深さより大な平均飛程でイ
オン注入するのが望ましい。

【００２０】図２(c) にｎ形不純物として同様に燐を用
いた場合につきｐ形不純物としてのボロンとのイオン注
入の順序の違いがボロンの濃度分布に与える影響を実験
した結果を同図(a) と同じ要領で示す。イオン注入時の
燐Ｐの不純物濃度分布がPi,ボロンＢを先にイオン注入
した場合と燐Ｐを先にイオン注入した場合のボロンＢの
イオン注入時の不純物濃度分布がBi１とBi２でそれぞれ
示されている。なお、これら二つの場合について燐Ｐの
不純物濃度分布Piには差が認められなかった。図示のよ
うに分布Bi２がピークになる平均飛程は0.18μｍで分布
Bi１の平均飛程0.20μｍより浅く、これから燐を先にし
た方が若干であるがボロンをイオン注入し難くなること
がわかる。

【００２１】これは原子半径が大きな燐を先にイオン注
入すると半導体面が非晶化しボロンが注入され難くなる
ためと考えられる。しかし、ボロンを先にイオン注入す
ると半導体面にいわゆるチャネリングが発生してトラン
ジスタの特性がその悪影響を受けるおそれがあるので、
実際には燐を先にイオン注入する方がよい。同様に、図
１の実施例の場合も原子半径の大な方の砒素をボロンよ
り先にイオン注入するのがチャネリングを防止する上で
有利である。

【００２２】

【発明の効果】以上のとおり本発明方法では、半導体の
表面部に互いに深さが異なるｎ形層とｐ形層とからなる
二重拡散層を作り込むに際して、ｎ形層とｐ形層用の不
純物を半導体の表面部に対して不純物の一方の平均飛程
が他方の平均飛程よりも大きくなるようイオン注入した
後に両層用の不純物を同時に熱拡散させることにより、
次の効果を得ることができる。

【００２３】(a) ｎ形層とｐ形層用の不純物のイオン注
入時の濃度分布の重なりが減少するので、深い方の拡散
層用にイオン注入した不純物が熱拡散工程中に逆の導電
形の浅い方の拡散層に捕捉される割合を減少させて利用
効率を従来の３倍以上に向上することができ、本発明方
法により二重拡散層をばらつきが少ない正確な不純物濃
度で作り込んでトランジスタの性能を向上しかつ特性の
ばらつきを減少させることができる。 (b) 二重拡散層中の深い方の拡散層用の不純物の利用効
率が上がるので従来のように不純物を余分にイオン注入
する必要がなくなり、本発明によって不純物のドーズ量
を下げて半導体表面に与える結晶欠陥を減少させ、欠陥
に基づくトランジスタの耐圧低下を防止し電界効果トラ
ンジスタでは動作しきい値のばらつきを減少させること
ができる。 本発明方法はイオン注入時の不純物に対する加速電圧を
若干上げるだけで実施することができ、工程数やコスト
を全く増加させることなく上述の半導体装置の性能を向
上させ品質のばらつきを減少させる効果を上げることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二重拡散層の作り込み方法をＤＭＯＳ
トランジスタに適用した実施例を主な工程ごとの状態で
示し、同図(a) は本発明方法を適用する前、同図(b) は
ｎ形層用不純物のイオン注入工程、同図(c) は砒素用不
純物のイオン注入工程、同図(d) は熱拡散工程、同図
(e) はトランジスタの完成時の状態をそれぞれ示すＤＭ
ＯＳトランジスタの要部拡大断面図である。

【図２】本発明方法に関連する二重拡散層用不純物のイ
オン注入と熱拡散に関する実験結果を示し、同図(a) は
不純物が砒素とボロンの場合、同図(b) は不純物が燐と
ボロンの場合、同図(c) は燐とボロンのイオン注入順序
を入れ換えた場合にそれぞれ関する実験結果の不純物濃
度分布図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板ないしエピタキシャル層 ２ 二重拡散層が作り込まれるウエル 10 二重拡散層 11 ｎ形層 12 ｐ形層 As ｎ形層用の不純物としての砒素 Ｂ ｐ形層用の不純物としてのボロン Ｃ 不純物濃度 C1 砒素の不純物濃度分布 C2 ボロンの不純物濃度分布 ｄ 不純物のイオン注入ないし拡散の深さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/73 8617−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 21/265 Ａ 7377−4Ｍ 29/72

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体の表面部に互いに深さが異なるｎ形
   層とｐ形層からなる二重拡散層を作り込む方法であっ
   て、両層用の不純物を半導体の表面部に対してｎ形層と
   ｐ形層用の不純物の一方の平均飛程が他方の平均飛程よ
   り大になるようそれぞれイオン注入した後に、ｎ形層と
   ｐ形層用の不純物を同時に熱拡散させることを特徴とす
   る二重拡散層の作り込み方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の方法において、ｎ形層と
   ｐ形層用の不純物の一方を熱拡散後の二重拡散層内に形
   成すべきpn接合面の深さより大な平均飛程でイオン注入
   することを特徴とする二重拡散層の作り込み方法。
3. 【請求項３】請求項１に記載の方法において、二重拡散
   層のｐ形層の深さがｎ形層より大であり、ｎ形層用の不
   純物に砒素を，ｐ形層用の不純物にボロンをそれぞれ用
   いることを特徴とする二重拡散層の作り込み方法。