JPH0821554B2 - 熱拡散方法 - Google Patents

熱拡散方法

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JPH0821554B2
JPH0821554B2 JP2166352A JP16635290A JPH0821554B2 JP H0821554 B2 JPH0821554 B2 JP H0821554B2 JP 2166352 A JP2166352 A JP 2166352A JP 16635290 A JP16635290 A JP 16635290A JP H0821554 B2 JPH0821554 B2 JP H0821554B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱拡散方法に係り、特にウェハに不純物を
均一に拡散する熱拡散方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、半導体装置のゲート電極の形成方法としては、
ウェハ上に形成した絶縁膜(SiO2)上にCVD法により多
結晶シリコン膜を形成し、次いで、この多結晶シリコン
膜へn形不純物であるリン(P)を熱処理炉(複数枚の
ウェハを同時処理できる炉)を用い、POCl3ガス、O2
ス及びN2ガス雰囲気中で拡散処理する方法が知られてい
る。この時の処理温度は、一般に850〜950℃の範囲で行
われる。そして、前記多結晶シリコン膜へのP拡散の方
法は、多結晶シリコン膜表面に不純物であるPを含んだ
拡散源であるP2O5膜を形成し、次いで、当該P2O5とSiが
反応して、多結晶シリコン膜中へPが拡散する。これら
の反応式は、 4POCl3+303→2P2O5+6Cl2……(1) 2P2O5+5Si→4P+5SiO2……(2) で示される。
前記多結晶シリコン膜にPを拡散する際、当該多結晶
シリコン膜の抵抗値を均一にするためにPを均一に拡散
することが必要である。
しかしながら、前記従来例のような拡散方法では、85
0〜950℃という高温条件下の熱処理炉で、拡散源である
P2O5がウェハ上の多結晶シリコン上に形成されるため、
前記P2O5の形成と同時にPの拡散が開始してしまう。そ
して、熱処理炉内で処理されるウェハの枚数は、50〜10
0枚でありウェハが配列されている間隔は通常4〜8mmと
狭く、導入ガスや生成した拡散源であるP2O5がウェハ周
辺から中央に回り込むために、周辺部にP2O5が多く堆積
され、堆積されると同時にPの拡散が開始されるので、
多結晶シリコン膜周辺部に拡散するP濃度が高くなる一
方で、多結晶シリコン膜の中央部に行くに従ってP濃度
が低くなり、P濃度が不均一になるという問題があっ
た。
このような問題を解決するため、拡散時間を長くし
て、多結晶シリコン膜にPが飽和するまで拡散させ、多
結晶シリコン膜の周辺部から中央部にかけてP濃度を均
一にする方法が考えられる。
しかしながら、この方法は、Pが高濃度に拡散される
(固溶限界まで拡散される)ため、SiO2膜と多結晶シリ
コン膜との界面にPが偏析し、P拡散後の工程で行われ
る多結晶シリコン膜のエッチングの際に、第3図に示す
ように、当該多結晶シリコン膜3にアンダーカット(ド
ライエッチング時に生じる多結晶シリコンゲートのゲー
ト酸化膜上付近での彫り込み)13が生じ、例えば、絶縁
ゲート形電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極
(多結晶シリコン膜)3とソース14、ドレイン端が離れ
てしまうので、オフセット状態が生じ半導体装置の不良
原因となる等の課題がある。
このような課題を解決するため、本発明者は、低温に
保持した熱処理炉内でウェハ上の多結晶シリコン膜に拡
散源であるP2O5を形成し、その後熱処理炉を昇温して多
結晶シリコン膜へPを拡散する方法を提案し、出願した
(特願平1−188925号)。
〔発明が解決しようとする課題〕
前記発明は、アンダーカットを生じさせることなく多
結晶シリコン膜へPを均一に拡散するという効果が得ら
れた。しかしながら、この工程中に多結晶シリコン膜表
面に析出物が発生する場合があった。前記析出物は、Si
と拡散すべき不純物が金属結合したものである。この析
出物が発生すると、不純物拡散工程終了後、多結晶シリ
コン膜上に形成したSiO2膜及びP2O5膜を洗浄除去する際
に除去されず多結晶シリコン膜上に残留することにな
る。そして、残留した析出物は、前記多結晶シリコン膜
をフォトレジスト等でマスクし、選択的にエッチングし
てゲート電極,ソース,ドレイン,配線等を形成する際
にマスクと同じ役目を果たす。このため、析出物が多い
場合には、不必要な部分がマスクされ、正当な素子パタ
ーンが得られないことがあるという課題があった。
本発明は、このような課題を解決するため、前記析出
物の発生が無い熱拡散方法を提供することを第1の目的
とし、さらにこの目的に加えて、ウエハへ不純物を均一
に拡散することを第2の目的とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
この第1の目的を達成するために本発明は、O2ガス,
キャリアガス及び不純物拡散源ガスを用いて行う熱拡散
方法において、前記O2ガス濃度は30重量%以上,前記不
純物拡散源ガス濃度は4重量%以下且つ1.6重量%以上
である熱拡散方法であることを特徴とするものである。
そして、第2の目的を達成するために、拡散源形成温
度は700〜850℃であることを特徴とするものである。
〔作用〕
この発明に係わる熱拡散方法によれば、O2ガス,キャ
リアガス及び不純物拡散源ガスを用いて行う熱拡散方法
において、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、前記O2
ス濃度は30%以上,前記不純物拡散源ガス濃度は4%以
下とすることで、ウェハ中に当該不純物を拡散する際、
析出物の発生が無い拡散を行うことができる熱拡散方法
を見いだした。また、不純物拡散源ガス濃度は1.6%以
上とすることで、不純物の均一な拡散を確保する上で十
分な不純物拡散源を形成することができる。つまり、析
出物の発生がない拡散を行うためには、上述のように不
純物拡散源ガス濃度は4%以下とすることが必要である
が、かかる濃度が極端に低くなると、不純物の均一な拡
散を確保することが困難になるから、その下限値が問題
となるが、本発明者の実験によれば、不純物拡散源ガス
濃度を少なくとも1.6%以上とすれば、不純物の均一な
拡散は確保できることが確認されている。
さらに、前記熱拡散方法における拡散源形成温度を70
0〜850℃とすることで、前記ウェハ中に不純物を均一に
拡散することができることも見いだした。
〔実施例〕
次に本発明の実施例について説明する。
(実施例1) 第1図は、半導体装置におけるゲート電極を不純物と
してPを用いて形成する工程を示す断面図、第2図は、
本実施例の拡散工程で使用する熱処理炉(熱拡散装置)
を示す概要図である。
第1図(1)の工程では、シリコンウェハ1を酸化炉
に搬入し、1000℃の加熱状況でシリコンウェハ1表面に
300Åの絶縁膜(SiO2)2を形成する。次に、絶縁膜2
が形成されたシリコンウェハ1を酸化炉から取り出す。
次いで、減圧CVD炉に搬入し、シランガスをキャリアガ
スと共に供給して前記絶縁膜2上に多結晶シリコン膜3
を3500Åの厚さに形成する。この時、1Torrとし、シラ
ンガス400cc/分,キャリアガス500cc/分で供給する。
次に第1図(2)の工程では、第1図(1)の工程で
得たシリコンウェハ1を第2図に示す拡散炉10に搬入し
てP拡散を行う。拡散方法は、先ず拡散炉10内の温度を
750℃に保持する。そして、P拡散源ガスとしてPOCl3
キャリアガスN2でバブリングして、O2と共にガス導入口
7を介して拡散炉10に供給し、多結晶シリコン膜3上に
拡散源であるP2O5膜5を形成する。
この時の各ガスの割合は、POCl3ガス1.6重量%,N2
ス32.4重量%,O2ガス66重量%とし、この工程を2時間
継続する。その後、POCl3ガス及びO2ガスを遮断し、パ
ージN23000cc/分に切り換え、拡散炉10を拡散炉用ヒー
タ11により850℃に昇温して2時間この状態を保持する
ことにより、P2O5はSiO2膜4を形成しながらPを多結晶
シリコン膜3に拡散する。
以上のような熱拡散方法により、多結晶シリコン膜3
にPを均一に分散したウェハ(発明品)を得た。
次に比較例として、本実施例と同様にしてシリコンウ
ェハ上に絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成し、第
2図に示す同装置を用いて、当該多結晶シリコン膜にP
を拡散した(比較品)。但し、拡散炉10内の温度を750
℃に保持する。そして、拡散炉10内に供給する各ガスの
割合は、POCl3ガス5.6重量%,N2ガス84.4重量%,O2ガス
10重量%とし、この工程を2時間継続する。そして、そ
の後拡散炉10を850℃に昇温して2時間保持して拡散を
行った。
以上のような熱拡散方法で得た発明品と比較品の比較
を行った。この結果を第1表に示す。
なお、P濃度分布は、シート抵抗を測定することによ
り求めた。また、析出物は、顕微鏡により測定した。第
1表より、発明品ではPは均一に拡散し、かつ、析出物
が発生しないのに対し、比較品は、直径が0.2〜1μm
程度の析出物が1cm2に約500個発生していた。
以上から、O2ガス濃度が30重量%以上,不純物拡散源
ガス濃度4重量%以下の条件下での熱拡散方法で拡散す
ると、多結晶シリコン膜3へPが均一に拡散され、か
つ、析出物の発生が無いシリコンウェハを得ることがで
きた。
(実施例2) 実施例1と同様にして、ウェハ上に絶縁膜を介して多
結晶シリコン膜を形成し、第2図に示す同装置を用い
て、当該多結晶シリコン膜にホウ素(B)を拡散する。
但し、拡散炉10に導入するガスはO2と共に、B拡散源ガ
スとしてBCl3ガス,キャリアガスとしてN2ガスを用い
る。この時の各ガスの割合は、BCl3ガス3重量%,N2
ス67重量%,O2ガス30重量%とし、この工程を2時間継
続する。以上の熱拡散方法を用いて拡散を行ったとこ
ろ、前記多結晶シリコン膜にBが均一に拡散され、か
つ、析出物の発生も無い良好なウェハを得た。
(実施例3) 実施例1と同様にして、ウェハ上に絶縁膜を介して多
結晶シリコン膜を形成し、第2図に示す同装置を用い
て、当該多結晶シリコン膜にひ素(As)を拡散した。但
し、拡散炉10に導入するガスはO2と共に、As拡散源ガス
としてAsH3ガス,キャリアガスとしてN2ガスを用いる。
この時の各ガスの割合は、AsH3ガス4重量%,N2ガス46
重量%,O2ガス50重量%とし、この工程を2時間継続す
る。以上の熱拡散方法を用いて拡散を行ったところ、前
記多結晶シリコン膜にAsが均一に拡散され、かつ、析出
物の発生も無い良好なウェハを得た。
本実施例では、被拡散体として多結晶シリコンを用い
たが、この他、単結晶シリコン等を用いても良い。ま
た、不純物拡散源ガスとして、POCl3,BCl3,AsH3等を用
いたが、PCl3,BBr3,H3BO3等を用いても良い。
本発明における熱拡散方法の拡散源形成温度は、700
〜850℃、好ましくは700〜800℃の低温で行うことが望
ましい。この温度が700℃未満だと、拡散源(例えば、P
2O5)の形成に時間がかかり、生産性が悪く実用的でな
い。また、850℃を越えると拡散源の形成と共に不純物
の拡散が開始され、シリコン膜周辺部から不純物の拡散
が起こり、ウェハの外周で不純物濃度が高く、ウェハの
中心で不純物濃度が低くなり、不純物が均一に拡散され
ない。
また、本実施例では、熱処理炉として第2図に示すよ
うな装置を使用したが、これに限らず、例えば、横型の
熱処理炉を使用することもできる。
本実施例では、半導体装置におけるゲート電極を形成
する工程の一部について説明したが、これに限らず、ソ
ース,ドレイン,配線等を形成する工程に用いることも
できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように請求項(1)記載の熱拡散方法に
よれば、O2ガス濃度を30重量%以上,不純物拡散源ガス
濃度を4重量%以下且つ1.6重量%以上とすることによ
り析出物の発生を無くすことができる。そして、請求項
(2)記載の発明によれば、この効果に加えてウェハ中
に不純物を均一に拡散することができる。
このため、当該シリコン膜の抵抗値を均一にすること
ができ、素子のパターニング再現精度を向上することが
できる。この結果、信頼性の高い半導体装置を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本実施例に係る工程断面図、第2図は本実施
例に用いる熱処理炉の概要図、第3図はドライエッチン
グ後の従来の多結晶シリコン膜の断面図を示す。 図中、1はシリコンウェハ、2は絶縁膜、3は多結晶シ
リコン膜、4はSiO2膜、5はP2O5膜、6はPの拡散を示
す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】O2ガス,キャリアガス及び不純物拡散源ガ
    スを用いてウェハに不純物の拡散を行う熱拡散方法にお
    いて、前記O2ガス濃度は30重量%以上,前記不純物拡散
    源ガス濃度は4重量%以下且つ1.6重量%以上であるこ
    とを特徴とする熱拡散方法。
  2. 【請求項2】拡散源形成温度は700〜850℃であることを
    特徴とする請求項(1)記載の熱拡散方法。
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