JPH11186183A

JPH11186183A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH11186183A
Application number: JP35031197A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakano; 浩仲野; Kazuhiro Shirahata; 和博白幡
Original assignee: NEC Yamagata Ltd
Current assignee: NEC Yamagata Ltd
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】塗布拡散源を用いる拡散方法において、不純物
拡散層の層抵抗バラツキおよび結晶欠陥を大幅に低減さ
せる。【解決手段】半導体基板上に不純物含有の塗布溶液を塗
布しこの塗布溶液をガラス化熱処理した後、希釈酸素ガ
ス雰囲気中で半導体基板に熱処理を施し不純物を熱拡散
させる。ここで、上記熱処理は拡散層形成工程あるいは
それに続く押込層形成工程とで構成され、拡散層形成工
程の温度はガラス化熱処理の温度より高く押込層形成工
程の温度より低く設定される。そして、拡散層形成工程
での希釈酸素ガス量は３体積％以上でありしかも５体積
％以下になるように設定される。また、上記押込層形成
工程での希釈酸素ガス量は１体積％以上でありしかも５
体積％以下になるように設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係わり、特に半導体基板への不純物の拡散方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造たとえばバイポーラト
ランジスタでのベース領域あるいは埋込層の形成のため
の不純物拡散を行うのに、不純物ソースとして塗布拡散
源となるポリボロンフィルム（ＰＢＦ）あるいはスピン
・オン・ガラス（ＳＯＧ）塗布膜が使用されることはよ
く知られている。ここで、塗布拡散源であるＰＢＦある
いはＳＯＧ塗布膜は回転塗布法で半導体ウェーハ上に形
成され熱処理が施されて、上記不純物が半導体基板表面
に不純物拡散される。

【０００３】このような拡散手法として、種々の方法が
検討され使用されている。この中で、従来の技術として
特開平４−１０２３１６号公報に記載されている拡散手
法について以下に図６を一部参照して説明する。

【０００４】初めに、半導体ウェーハ上にＰＢＦをスピ
ン塗布法で塗布し溶剤を熱で飛散させる。そして、窒素
中あるいは酸素を含む雰囲気中４５０〜８００℃で熱処
理を施しＢ₂Ｏ₃（ボロンガラス）を形成する（以下、
焼成あるいはガラス化熱処理という）。

【０００５】次に、半導体ウェーハを窒素中で９００℃
程度に昇温しボロンガラス層から所望濃度のボロン不純
物を半導体ウェーハ内へ浅く拡散させる（以下、デポ工
程あるいは拡散層形成工程という）。そして、デポ工程
中に半導体ウェーハ内へ拡散せずに余分なボロン不純物
の残存するボロンガラス層は、デポ工程終了後にフッ酸
水溶液等でエッチング除去される。

【０００６】続いて、このボロンガラス層を除去した半
導体ウェーハを拡散炉に投入し、上記デポ工程で半導体
ウェーハ内へ浅く拡散させたボロン不純物を所望の深さ
まで引伸し拡散する（以下、ドライブ・イン工程あるい
は押込層形成工程という）。ここで、半導体ウェーハを
ドライブ・イン工程用の拡散炉に投入する時の拡散炉の
温度（ドライブ・イン工程の投入温度）の設定が重要で
ある。

【０００７】そこで、ドライブ・イン工程について図６
に基づいて説明する。図６に示すように、デポ工程終了
後ボロンガラス層を除去した半導体ウェーハを、上記デ
ポ温度よりも高い投入温度でドライブ・イン工程用の拡
散炉に投入する。ここで、雰囲気ガスは酸素ガスであ
る。そして、半導体ウェーハをドライブ・イン工程用の
拡散炉に投入後、１１００℃程度に昇温し、所定時間一
定温度に保持してボロン不純物を所定の深さまでドライ
ブ・インする。ここで、雰囲気ガスはパイロジェニック
ガス（Ｈ₂−Ｏ₂）あるいは酸素ガスである。そして、
拡散炉の温度を８００℃に降温し半導体ウェーハを拡散
炉から取り出す。

【０００８】以上のようにして、半導体ウェーハ内にボ
ロンを不純物拡散する。以上の説明では、不純物ソース
としてＰＢＦが使用される場合について説明している
が、ＳＯＧが使用される場合も同様に不純物拡散を行
う。この場合には、ボロン不純物以外の不純物、例えば
リンあるいはヒ素不純物も同様にして半導体ウェーハ内
に不純物拡散される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、先述した従来
の技術では、ボロン等の不純物の半導体ウェーハ内での
比抵抗のバラツキを低減するのが難しくなる。例えば、
ボロン不純物の濃度が１０¹⁸原子／ｃｍ³程度でその深
さが３μｍ程度の不純物拡散層を形成する場合に、拡散
層抵抗は３００Ω／□程度になるが、上記の技術ではこ
の層抵抗のバラツキを３σで５％以下に低減するのは全
く困難となる。

【００１０】また、この方法では確かに酸化誘起積層欠
陥（ＯＳＦ）は低減するが、発明者の試行実験ではＯＳ
Ｆ密度を０個／ｃｍ²程度まで安定して低減するのは困
難であることが判明した。

【００１１】本発明の目的は、上記のような不純物拡散
層の層抵抗バラツキおよび結晶欠陥の大幅な低減を容易
にする簡便な拡散方法を提供し、大口径ウェーハで高性
能な半導体装置を製造できるようにすることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このために本発明の半導
体装置の製造方法は、半導体基板上に不純物含有の塗布
溶液を塗布する工程と、前記半導体基板上の塗布溶液を
焼成する工程と、前記焼成後、希釈酸素ガス雰囲気中で
前記半導体基板に熱処理を施し前記不純物を熱拡散させ
る工程とを含む。

【００１３】ここで、前記熱処理は第１の熱処理工程あ
るいはこれに続く第２の熱処理工程とで構成され、第１
の熱処理工程の温度は前記焼成の温度より高く前記第２
の熱処理の温度より低く設定される。そして、前記第１
の熱処理工程での希釈酸素ガス量が３体積％以上であり
しかも５体積％以下になるように設定される。あるい
は、前記第２の熱処理工程での希釈酸素ガス量が１体積
％以上でありしかも５体積％以下になるように設定され
る。

【００１４】また、本発明の半導体装置の製造方法で
は、前記焼成が低い温度から高い温度にかけて３段階の
異なる温度でその順に行われ、前記３段階の最後の段階
での雰囲気ガスが希釈酸素ガスになるように設定され
る。ここで、前記塗布溶液は所望の不純物を含有するポ
リボロンフィルムあるいはＳＯＧ塗布膜である。

【００１５】本発明では、不純物拡散を行うために、塗
布拡散源を形成した半導体基板の熱処理工程で、その雰
囲気ガスに適正の濃度に希釈した酸素ガスを用いる。こ
の希釈した酸素は、塗布拡散源に含まれる炭素原子を除
去すると共に、半導体基板表面の熱酸化を抑制する。そ
して、この炭素に起因する半導体基板の結晶欠陥の発生
を抑制すると同時に、形成した不純物拡散層の層抵抗バ
ラツキを大幅に低減するようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の第１の実施の形態
を図面を参照して説明する。初めに、図１の工程フロー
に基づいて本発明の概略を説明する。図１に示すよう
に、ＰＢＦ塗布溶液あるいはＳＯＧ塗布溶液を半導体ウ
ェーハ上に回転塗布する。ここで、この塗布溶液には多
量のボロン不純物が含まれる。

【００１７】次に、従来の技術で説明したのと同様な方
法で、このような塗布溶液を塗布した半導体ウェーハに
酸素雰囲気でガラス化熱処理を施し、半導体ウェーハ上
にボロンガラス層を形成する。

【００１８】次に、半導体ウェーハを窒素による希釈酸
素ガス雰囲気中の拡散炉内で熱処理し拡散層形成を行
う。すなわち、第１の熱処理工程で上記雰囲気中でボロ
ンガラス層から所望濃度のボロン不純物を半導体ウェー
ハ内へ浅く拡散させる。すなわち、ボロン不純物をデポ
させる。それから、半導体ウェーハ内に残存するボロン
ガラス層は、上記拡散層形成工程終了後にフッ酸水溶液
等でエッチング除去されることになる。

【００１９】次に、ボロンガラス層を除去した半導体ウ
ェーハを拡散炉に再度挿入し、上記拡散層形成工程で半
導体ウェーハ内へ浅く拡散させたボロン不純物を所望の
深さまで引伸し拡散して押込層形成を行う。すなわち第
２の熱処理工程を施す。ここで、拡散炉内は希釈酸素ガ
ス雰囲気になるように設定することが重要である。

【００２０】このような第１の実施の形態について、図
２と図３を参照して具体的に説明する。ここで、図２は
本発明による場合のボロンの不純物拡散の工程順の断面
図である。また、図３は拡散炉の温度、ガス雰囲気等の
具体的な条件を示す。

【００２１】図２（ａ）に示すように、導電型がＮ型の
シリコン基板１表面を熱酸化し、膜厚が５００ｎｍ程度
のシリコン酸化膜を形成した後、フォトリソグラフィ技
術とエッチング技術とで拡散マスク２を形成する。そし
て、スピン塗布法によりシリコン基板１表面にＰＢＦ３
を塗布する。

【００２２】次に、窒素雰囲気中１００〜２００℃温度
で熱処理を施す。この熱処理によりＰＢＦ３のシロキサ
ン結合を行う。続けて、希釈酸素ガス雰囲気中７００〜
８５０℃温度で熱処理を施す。この熱処理でＰＢＦ３を
ボロンガラスに変換する。このようにして、図２（ｂ）
に示すようなボロンガラス層４を形成する。

【００２３】次に、半導体ウェーハを希釈酸素ガス雰囲
気中の拡散炉内で熱処理し拡散層形成を行う。すなわ
ち、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板１表面に拡
散マスク２で区画する拡散層５を形成する。具体的に
は、図３（ａ）に示すように、例えば７５０℃温度であ
り希釈酸素ガス雰囲気にある拡散炉に図２（ｂ）状態の
半導体ウェーハを投入する。次に、拡散炉内を、酸素量
が２体積％である窒素希釈酸素ガス雰囲気に変え、炉温
度を８８０℃に昇温する。そして、所定の時間たとえば
２０分間ボロン不純物を拡散する。この拡散後、炉温度
を再度７５０℃に降温し半導体ウェーハを炉より取り出
す。このようにして、層抵抗が１６０Ω／□程度の拡散
層５を形成する。

【００２４】次に、半導体ウェーハ内に残存するボロン
ガラス層４をフッ酸水溶液でエッチング除去する。

【００２５】次に、図２（ｄ）に示すように、ボロンガ
ラス層を除去した半導体ウェーハを拡散炉に再度挿入
し、上記拡散層形成工程で半導体ウェーハ内へ浅く拡散
させたボロン不純物を所望の深さまで引伸し拡散して押
込層６を形成する。ここで、押込層６の表面には熱酸化
膜７が拡散マスク２に区画され薄く形成される。

【００２６】具体的には、図３（ｂ）に示すように、８
５０℃温度であり希釈酸素ガス雰囲気にある拡散炉に、
拡散層５を有する半導体ウェーハを投入する。次に、拡
散炉内を、酸素量が１体積％である窒素希釈酸素ガス雰
囲気に変え、炉温度を１１４０℃に昇温する。そして、
所定の時間たとえば１０分間ボロン不純物を引伸し拡散
する。この拡散後、炉温度を再度８５０℃に降温し半導
体ウェーハを炉より取り出す。このようにして、層抵抗
が３００Ω／□程度の押込層６を形成する。

【００２７】次に、本発明の効果について表１と表２お
よび図４に基づいて説明する。ここで、表１と表２は、
図２（ｃ）で説明した拡散層５の形成工程での希釈酸素
ガス量、あるいは、図２（ｄ）で説明した押込層６の形
成工程での希釈酸素ガス量、をそれぞれ変化させ最終段
階で測定したシリコン基板１上の平均的ＯＳＦ密度を示
している。また、図４は、図２（ｄ）で説明した押込層
６の形成工程での希釈酸素ガス量のみを変化させ最終段
階で測定した押込層６の層抵抗の半導体ウェーハ内での
平均的なバラツキを示している。なお、以下の説明で断
らない限り、他の条件は図２で説明したのと同一となっ
ている。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１から判るように、本発明の方法では、
拡散層５の形成工程での希釈酸素ガス量が３体積％以上
になるとＯＳＦ密度が０個／ｃｍ²になる。そして、酸
素量がこの値以上であればＯＳＦは全く皆無となる。こ
のような現象は、拡散層形成温度を１０００℃程度まで
高くしても同様に起こる。なお、表１では、押込層形成
工程では、拡散炉内は窒素雰囲気となっており酸素の混
入は無い。

【００３０】

【表２】

【００３１】また、表２からは、押込層６の形成工程で
の希釈酸素ガス量が１体積％以上で効果が発生し、ＯＳ
Ｆ密度が０個／ｃｍ²になることが判る。そして、この
場合も酸素量がこの値以上であればＯＳＦは全く皆無と
なる。この場合でも、押込層形成温度を１２００℃まで
高くしても同様に起こることが確認されている。

【００３２】このような現象の機構は、現在は未だ明ら
かでないが、ＰＢＦ３内の炭素あるいはボロンガラス層
４に残存する炭素が影響しているようである。

【００３３】そして、図４からは、押込層形成工程での
希釈酸素ガス量が５体積％を超えると急激に層抵抗バラ
ツキが増大することが判る。なお、図４の層抵抗バラツ
キは３σでの値となっている。図４から判るように、希
釈酸素ガス量が５体積％以下であれば層抵抗バラツキは
２％程度であり、層抵抗バラツキが従来の場合に比べて
大幅に低減する。

【００３４】このような現象は、この工程で形成される
熱酸化膜のバラツキに大きく依存している。このため
に、上記のような層抵抗バラツキの希釈酸素ガス量依存
性は、拡散層５の形成工程でも同様に発生する。すなわ
ち、ボロンガラス層４の被着した状態での図２（ｃ）工
程の熱処理で、拡散炉内の雰囲気ガスに酸素が混入して
いるとシリコン基板１の表面が熱酸化される。これは、
ボロンガラス層４が多孔性を有しているために上記の酸
素がボロンガラス層４を透過しシリコン基板１表面を熱
酸化するからである。そして、希釈酸素ガス量が５体積
％以上になり熱酸化の量が多くなると層抵抗バラツキが
増大する。

【００３５】以上に説明したように、本発明の目的であ
る結晶欠陥および層抵抗バラツキの大幅な低減では、拡
散層形成工程（従来の技術でのデポ工程）での拡散炉内
の希釈酸素ガス量が３体積％〜５体積％であると非常に
効果的となる。同様に、押込層形成工程（従来の技術で
のドライブ・イン工程）での拡散炉内の希釈酸素ガス量
は１体積％〜５体積％で非常に効果的となる。

【００３６】次に、本発明の第２の実施の形態を図面を
参照して説明する。この場合は、ＰＢＦあるいはＳＯＧ
塗布溶液のガラス化熱処理が、第１の実施の形態の場合
と異なる。以下、この点について図５に基づいて説明す
る。図５はガラス化熱処理を説明するための工程フロー
である。第１の実施の形態では、ＰＢＦ等の塗布溶液を
半導体ウェーハ上に回転塗布した後、先述したように溶
剤を熱で飛散させ、そして、窒素中あるいは酸素を含む
雰囲気中４５０〜８００℃で熱処理を施す。

【００３７】これに対して、第２の実施の形態では、Ｐ
ＢＦあるいはＳＯＧ塗布溶液を半導体ウェーハ上に回転
塗布した後、第１熱処理を施す。ここで、この第１熱処
理は１００〜２００℃での窒素雰囲気中で行われる。そ
して、引き続いて第２熱処理を施す。ここで、この第２
熱処理は３００〜４００℃での窒素雰囲気中で行われ
る。さらに、第３熱処理を施す。この第３熱処理は７０
０〜８５０℃での窒素での希釈酸素ガス雰囲気中で行わ
れる。

【００３８】このようにして、ガラス化熱処理を施した
後は、第１の実施の形態で説明したのと同様にして拡散
層形成工程および押込層形成工程を経て、半導体基板に
不純物拡散がなされる。

【００３９】この第２の実施の形態では、ボロンガラス
層等のガラス層中の炭素量がこのガラス化熱処理工程で
大幅に低減する。このために、第１の実施の形態の場合
よりＯＳＦ等の結晶欠陥を低減しやすくなる。

【００４０】以上の実施の形態では、半導体基板にボロ
ン不純物を拡散する場合について具体的に説明した。本
発明の方法はこれに限定されるものでない。ＳＯＧ塗布
溶液にリン不純物あるいはヒ素不純物を含有し、このＳ
ＯＧ塗布溶液を不純物ソースとする場合でも、本発明の
方法は適用できるものである。

【００４１】また、上述の実施の形態では、酸素ガスが
窒素で希釈される場合で説明されているが、本発明にお
いては、アルゴンあるいはヘリウム等の不活性ガスで希
釈されても同様な効果が発生するものである。

【００４２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の半導体
装置の製造方法では、半導体基板上に不純物含有の塗布
溶液を塗布し所定の方法でこの塗布溶液を焼成した後、
希釈酸素ガス雰囲気中で半導体基板に熱処理を施し不純
物を熱拡散させる。ここで、上記熱処理は第１の熱処理
工程あるいはそれに続く第２の熱処理工程とで構成さ
れ、第１の熱処理工程の温度は前記焼成の温度より高く
前記第２の熱処理温度より低く設定される。そして、第
１の熱処理工程での希釈酸素ガス量は３体積％以上であ
りしかも５体積％以下になるように設定される。また、
上記第２の熱処理工程での希釈酸素ガス量は１体積％以
上でありしかも５体積％以下になるように設定される。

【００４３】このようにすることで、半導体装置の製造
工程で塗布拡散源を用いる不純物拡散において、拡散層
あるいは押込層の層抵抗バラツキが大幅に低減するよう
になる。しかも、結晶欠陥の発生がほぼ完全に防止され
るようになる。

【００４４】そして、半導体装置の特性変動も大幅に低
減し半導体装置の良品歩留まりが向上して、半導体装置
の製造コストが大幅に低減するようになる。また、半導
体ウェーハが大口径化しても高性能な半導体装置が製造
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための工
程フロー図である。

【図２】上記実施の形態の具体例を説明するための工程
順の断面図である。

【図３】上記具体例での熱処理条件を説明するための図
である。

【図４】本発明の効果を説明するためのグラフである。

【図５】本発明の第２の実施の形態を説明するための工
程フロー図である。

【図６】従来の技術を説明するための熱処理条件を示す
図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２拡散マスク３ＰＢＦ４ボロンガラス層５拡散層６押込層７熱酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に不純物含有の塗布溶液を
塗布する工程と、前記半導体基板上の塗布溶液を焼成す
る工程と、前記焼成後、希釈酸素ガス雰囲気中で前記半
導体基板に熱処理を施し前記不純物を熱拡散させる工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記熱処理が第１の熱処理工程と続く第
２の熱処理工程とで成り、第１の熱処理工程の温度は前
記焼成の温度より高く前記第２の熱処理温度より低く設
定されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項３】前記第１の熱処理工程での希釈酸素ガス
量が３体積％以上でありしかも５体積％以下になるよう
に設定されていることを特徴とする請求項２記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項４】前記第２の熱処理工程での希釈酸素ガス
量が１体積％以上でありしかも５体積％以下になるよう
に設定されていることを特徴とする請求項２または請求
項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記焼成が低い温度から高い温度にかけ
て３段階の異なる温度でその順に行われ、前記３段階の
最後の段階での雰囲気ガスが希釈酸素ガスであることを
特徴とする請求項１から請求項４のうち１つの請求項に
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】前記塗布溶液がポリボロンフィルムとな
ることを特徴とする請求項１から請求項５のうち１つの
請求項に記載の半導体装置の製造方法。