JPH06112146A - 拡散型シリコン素子基板の製造方法 - Google Patents

拡散型シリコン素子基板の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 MOS系パワー素子を製造するのに用いるこ
とができる拡散型シリコン素子基板を得る。 【構成】 MOS系パワー素子を製造するに用いる拡散
型シリコン素子基板の製造方法において、拡散工程のド
ライブイン処理に続いて、400〜500℃、1〜20
時間のサーマルドナー生成熱処理を行い、次いで600
〜650℃、8〜24時間のサーマルドナー化抑制熱処
理をそれぞれ酸素ガスを含む雰囲気ガス中で行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はパワーMOSFET等の
MOS系パワー素子を製造するに用いる拡散型シリコン
素子基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、MOS系パワー素子用の高抵抗率
シリコン素子基板としては、高抵抗率のシリコンエピタ
キシャル層を低抵抗率エピタキシャル基板上に形成して
なるエピタキシャル型シリコン素子基板を用いていた。
しかし、シリコンエピタキシャル層の形成には非常にコ
ストがかかるという問題があり、低コストで製造できる
拡散型シリコン素子基板での代替が望まれていた。
【0003】図2はエピタキシャル型シリコン素子基板
の断面構造を示す。このエピタキシャル型シリコン素子
基板は、抵抗率約0.01Ωcmの低抵抗率エピタキシ
ャル基板11上に、例えば、抵抗率50Ωcm、厚さ約
50μmの高抵抗率シリコンエピタキシャル層10が形
成された構造になっている。
【0004】また、図3は本発明で製造しようとする拡
散型シリコン素子基板の断面構造を示す。この拡散型シ
リコン素子基板は図2に示したエピタキシャル型シリコ
ン素子基板と類似の構造になっており、図2の低抵抗率
エピタキシャル基板11に相当するのは高抵抗率シリコ
ン基板、例えば、約50ΩcmのFZシリコン基板に高
濃度で不純物拡散した部分、すなわち不純物拡散層21
であり、図2の高抵抗率シリコンエピタキシャル層10
に相当するのは不純物未拡散部分、すなわち高抵抗率層
20である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図3に示したMOS系
パワー素子用拡散型シリコン素子基板を従来の技術で製
造した場合、酸素が高抵抗率層20にまで拡散する。こ
の様に高抵抗率層中に高濃度の酵素が含まれると、素子
製造工程、特に450℃前後の温度で行われるアルニミ
ウム電極のシンタリングで前記酸素(格子間酸素)がサ
ーマルドナー化し、高抵抗率層の抵抗率が変動してしま
い、所定の素子特性が得られないという問題がある。こ
のサーマルドナーの生成を抑制することが、当業界にお
ける課題であった。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のMOS系パワー素子を製造するに用いる拡
散型シリコン素子基板の製造方法においては、拡散工程
におけるドライブイン処理に続いて、400〜500℃
で1〜20時間のサーマルドナー生成熱処理、次いで6
00〜700℃で8〜24時間のサーマルドナー化抑制
熱処理をそれぞれ酸素ガスを含む雰囲気ガス中で行う工
程を含むことを特徴とするものである。
【0007】ドライブイン処理は、従来公知の方法を用
いて、例えば、拡散層の厚さが210μmの場合、12
80℃、250時間の処理を行えばよい。上記した本発
明特有の熱処理の処理条件が上記温度範囲及び時間範囲
に達しない場合には本発明特有の効果を達成できない
し、上記時間範囲を越えると作業能率上不利となる。
【0008】シリコン基板を酸素ガスを含まない雰囲気
ガス中で熱処理を行うとシリコン基板表面にエッチング
等で処理不能の不動態膜を形成し、以後の工程で支障を
きたすため、シリコン基板の熱処理は酸素ガスを含む雰
囲気ガス中で行うことが好ましい。
【0009】
【作用】拡散型シリコン素子基板を製造する場合、不純
物拡散は、通常酸素ガスを含む雰囲気ガス中で行われる
ため、拡散工程、特に高温度(例えば1280℃)で長
時間(例えば250時間)行うドライブイン処理で雰囲
気ガス中に含まれる酸素が高抵抗率層まで拡散する。
【0010】本発明のMOS系パワー素子用拡散型シリ
コン素子基板の製造方法においては、拡散工程のドライ
ブインに続いて、前記400〜500℃の熱処理を行う
とドライブイン処理で拡散・導入された高抵抗率層中の
格子間酵素はSi−Oクラスターとしてドナー性を示す
程に成長するとともに、そのサーマルドナー濃度はほぼ
飽和状態になる。この状態では、N型シリコンの抵抗率
は低下し、P型シリコンの抵抗率は高くなるか、又はN
型に反転する。
【0011】次に、本発明の方法で前記600〜700
℃の熱処理を行うと、前記400〜500℃の熱処理で
サーマルドナー化する程に成長していたSi−Oクラス
ターのほとんどは、析出核になる程にさらに大きく成長
し、一部はドナー性を示さない程に分解・縮退する。い
ずれの場合も、ドナー性が消え電気的に中性となる。こ
の状態では、高抵抗率層の抵抗率はドーパント濃度によ
って決まる本来の抵抗率に回復している。
【0012】ドライブイン処理中に拡散・導入された格
子間酸素が上記のような形態になると、以後の素子製造
プロセスにおいて、サーマルドナー化が可能な熱処理、
例えば、450℃前後の温度でのアルミニウム電極のシ
ンタリングが行われても、サーマルドナー化する確率は
非常に小さくなる。これは、形成された前記析出核はそ
れ自体サーマルドナー化しにくいうえに、素子製造プロ
セス中の拡散工程等で、近傍の格子間酸素を取り込み、
更に大きく成長してほとんどサーマルドナー化しない析
出物になるためと考えられる。
【0013】また、前記本発明の方法で分解・縮退され
たSi−Oクラスターは、一部サーマルドナー化する
が、そのほとんどはサーマルドナー化しない形態にまで
分解・縮退していると考えられる。
【0014】従って、酸素ガスを含む雰囲気ガスで拡散
工程のドライブインを行う場合、本発明の方法を用いれ
ば、高抵抗率層の格子間酸素のサーマルドナー化が抑制
され、サーマルドナーによる抵抗率の変動が防止でき、
エピタキシャル型シリコン素子基板を用いなくても、拡
散型シリコン素子基板により、MOS系パワー素子を製
造することができる。
【0015】本明細書においては、前記400〜500
℃の熱処理をサーマルドナー生成熱処理といい、前記6
00〜700℃の熱処理をサマールドナー化抑制熱処理
と称する。
【0016】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的
に説明する。
【0017】実施例1〜9 下記条件のシリコン基板を用いて拡散型シリコン素子基
板を製造した。 (1)育成方法:FZ法 (5)方 位 :
(100) (2)直 径 :100mm (6)厚 さ :
565μm (3)導電型 :n(燐ドープ)(7)面仕上げ :
エッチド仕上げ (4)抵抗率 :100Ωcm
【0018】上記条件のシリコン基板に従来公知のPO
Cl3 法で燐デポジションを行った後、基板表面の燐ガ
ラスを除去し、然る後、ドライブインを行った。
【0019】図1に示すごとく、ドライブイン工程で
は、最初に650℃で保持された拡散炉に上記燐デポジ
ションされたFZシリコン基板を挿入し、3.5℃/分
の昇温速度で1280℃まで昇温する。次に1280℃
で250時間保持し、基板表面から210μmの深さま
で燐を拡散する。
【0020】その後、1℃/分の降温速度で、400℃
(実施例1〜3)、450℃(実施例4〜6)及び50
0℃(実施例7〜9)までそれぞれ降温し、この温度で
10時間保持してサーマルドナー生成熱処理を行った。
次に、3.5℃/分の昇温速度で600℃(実施例1,
4,7)、650℃(実施例2,5,8)及び700℃
(実施例3,6,9)までそれぞれ昇温し、この温度で
10時間保持してサーマルドナー化抑制熱処理を行っ
た。
【0021】なお、前記ドライブイン、サーマルドナー
生成熱処理及びサーマルドナー化抑制熱処理における雰
囲気ガスは窒素(N2 )ガスと酸素(O2 )ガスとの混
合ガスであり、その混合比は10:3のものを用いた。
【0022】前記ドライブイン、サーマルドナー生成熱
処理及びサーマルドナー抑制熱処理が終了後、片面をラ
ツピング加工、次いで鏡面研磨加工を行い、厚さ260
μm(拡散層の厚さ、210μm+高抵抗率層の厚さ5
0μm)の拡散型シリコン素子基板を製造した。
【0023】上記実験で得た拡散型シリコン素子基板に
パワーMOSFETの製造工程でのゲート酸化、ソース
拡散に相当するシミレーシヨン熱処理(前記N2 ガスと
2ガスとの混合ガス雰囲気での1100℃、60分→
1000℃、60分→1200℃、300分→1000
℃、60分の熱処理)を行った後、前記アルミニウム電
極シンタリングに相当する450℃、300分の熱処理
(サーマルドナー生成熱処理)を上記と同じ雰囲気ガス
中でおこなった。
【0024】次に、表面に形成した熱酸化膜をフッ酸で
除去した後、広がり抵抗法(SR法)で広がり抵抗を測
定し、その測定値を換算して高抵抗率層の抵抗率を得た
〔応用物理、45:43、1976参照〕。その結果を
表1に示した。
【0025】なお、比較ため、前記サーマルドナー生成
熱処理及びサーマルドナー化抑制熱処理を行わない場合
も、前記と同じ方法で抵抗率を求め表1に比較例1とし
て併記した。
【0026】
【表1】
【0027】表1の結果から、本発明の方法で得られた
拡散型シリコン素子基板においては、MOS系パワー素
子の製造プロセスでサーマルドナー化しやすい450℃
前後の温度でのアルミニウム電極のシンタリングが行わ
れても高抵抗率層の抵抗率がほとんど変動しないことが
わかる。
【0028】これは、本発明のサーマルドナー生成熱処
理及びサーマルドナー化抑制熱処理を行うことにより形
成されたSix y 析出核が素子製造プロセスでの高温
度熱処理(例えば、前記ゲート酸化、ソース拡散)で近
傍に存在する酸素を取り込んで更に大きく成長し、もは
やほとんどサーマルドナー化しない形態、すなわち析出
物になったためと推察される。
【0029】これに対し、比較例1の結果から明らかな
ように、ドライブイン処理後、サーマルドナー生成熱処
理及びサーマルドナー化抑制熱処理処理を行わない場
合、すなわち拡散型シリコン素子基板を従来の技術で製
造した場合、450℃の熱処理をすると、高抵抗率層中
に存在する格子間酸素はサーマルドナー化し、その抵抗
率は100Ωcmから70Ωcm前後まで低下してしま
う。
【0030】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば、高抵抗率層
中に存在する格子間酸素はサーマルドナー化が制御さ
れ、サーマルドナーによる抵抗率の変動が防止でき、エ
ピタキシャル型シリコン素子基板を用いなくても、低コ
ストで得られる拡散型シリコン素子基板によりMOS系
パワー素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法の実施例における熱処理シーケンス
を示す図面である。
【図2】エピタキシャル型シリコン素子基板の断面構造
を示す図面である。
【図3】本発明方法により製造する拡散型シリコン素子
基板の断面構造を示す図面である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤塚 武 新潟県中頚城郡頚城村大字城野腰新田596 番地−2 直江津電子工業株式会社内 (72)発明者 岡田 淳一 新潟県中頚城郡頚城村大字城野腰新田398 番地−5 信越半導体株式会社犀潟工場内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 MOS系パワー素子を製造するに用いる
    拡散型シリコン素子基板の製造方法において、拡散工程
    におけるドライブイン処理に続いて、400〜500℃
    で1〜20時間のサーマルドナー生成熱処理、次いで6
    00〜700℃で8〜24時間のサーマルドナー化抑制
    熱処理をそれぞれ酸素ガスを含む雰囲気ガス中で行う工
    程を含むことを特徴とする拡散型シリコン素子基板の製
    造方法。
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