JPH11204450A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不純物を気相からシリコン中に拡散させる場
合、不純物の性質によって、高濃度化が困難、あるいは
過剰に不純物が吸着してしまう、といった問題がある。 【解決手段】 不純物を含む層を吸着させたあとに、不
純物の外方拡散や再蒸発を抑制あるいは促進するととも
に蒸気圧を変化させる作用を持つ層を付着させることに
よって不純物濃度を制御する。 【効果】 不純物層を吸着した後にＯ２などを供給する
ことで、Ｎ型不純物の場合は不純物単体よりも蒸気圧の
低い化合物を形成して再蒸発を抑制し、より高濃度化を
図ることができた。Ｐ型不純物の場合は不純物単体より
も蒸気圧の高い化合物を形成して再蒸発を促進し、過剰
なボロンを除去することができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高性能半導体装置及
びその製造方法、特に高濃度の不純物拡散層を低温にて
形成する拡散方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術をＰＨ３ガスを拡散源として
シリコン中にリンを拡散させる例を用いて説明する。図
１８は水素雰囲気でシリコン表面の自然酸化膜を除去し
た後にＰＨ３ガスを流してリンを拡散させた試料の、リ
ンプロファイルを示している。いずれの温度においても
リンのピーク濃度は１０の２０乗／ｃｍ３以下であり、
それぞれの温度におけるシリコン中のリンの固溶限に達
していない。ピーク濃度はＰＨ３ガスの分圧を上げるこ
とによって増加するが、１０の２０乗／ｃｍ３以上まで
達することは困難である。なお、本技術はインターナシ
ョナルコンファレンス・オン・ソリッド・ステート・デ
バイセズ・アンド・マテリアルズ１９９７年ｐｐ．１１
０ー１１１（Extended Abstract of the 1997 Internat
ional Conference in Solid State Devices and Materi
als、 pp. 110-111）に述べられている。

【０００３】さらに別の従来例をＢ２Ｈ６ガスを拡散源
としてシリコン中にボロンを拡散させる例を用いて説明
する。図１９は高真空中でシリコン表面の自然酸化膜を
除去した後にＢ２Ｈ６ガスを流してボロンを拡散させた
試料の、ボロンプロファイルを示している。ボロンのピ
ーク濃度は１０の２０乗／ｃｍ３以上であり、シリコン
中のボロンの固溶限以上に達している。これはシリコン
基板表面に不活性なボロンが蓄積されていることを意味
しており、ボロンの活性化率は低い。なお、本技術はア
プライド・フィジックス・レターズ、５６、 ｐｐ．１
３３４ー１３３５、１９９０年（Applied Physics Lett
ers、 56、 pp.1334-1335、 (1990)）に述べられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例のように気
相から不純物を拡散させようとする際には、表面に付着
した不純物の性質によって、リンのように高濃度化が困
難、あるいはボロンのように濃度が高すぎる等の問題が
生じる場合がある。さらに、半導体製造プロセスの低温
化という意味では、上記リン拡散の例のように１０００
度以上の拡散温度を必要とするプロセスは実用的ではな
い。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、不純物原子あるいは分子を含む層を付着させた後
に、同一雰囲気中で不純物の外方拡散や揮発を抑制する
原子あるいは分子を付着させた後に熱拡散させることに
よって高濃度不純物拡散層を形成する。あるいは不純物
原子あるいは分子を含む層を付着させた後に、同一雰囲
気中で不純物の外方拡散や揮発を促進する原子あるいは
分子を付着させた後に熱拡散させることによって不活性
な不純物を取り除き活性化率の高い高濃度不純物拡散層
を形成する。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は請求項１、２、３、５、６
に記載した本発明の一実施例であり、水素雰囲気でＰＨ
３ガスを拡散源としてシリコンにリンを拡散させた際の
プロセスタイムチャートである。常圧のチャンバにシリ
コン基板を設置し、窒素によるパージを充分行った後に
チャンバ内を水素で置換した。水素の流量は毎分５０リ
ットルである。水素雰囲気でウエハを温度Ｔ１まで加熱
して時間ｔ１の間表面の自然酸化膜を除去した後に温度
をリン吸着温度Ｔ２まで下げた。ここでＴ１は８００℃
から１０００℃、Ｔ２は５００℃から６００℃である。
温度がＴ２になった時点から時間ｔ２の間１％水素希釈
のＰＨ３ガスを毎分１００ミリリットル流し、不純物層
を吸着させた後、ガスをＮ２Ｏに切り替え、時間ｔ３の
間不純物吸着層を酸化した。 Ｎ２Ｏガスの流量は毎分
１００ミリリットルである。ここでＮ２Ｏの代わりにＯ
２やＯ３、あるいはＣｌやＢｒを用いてもよい。その後
再び温度をＴ３まで上昇させリンをシリコン中に拡散し
た。ここでＴ３はＴ１とＴ２の間の温度が良い。酸素を
供給した場合としない場合のシリコン中のリン分布を図
２に示す。酸素を供給したことによって表面のリン濃度
を２０倍程度増加させることができた。

【０００７】このプロセスでリンを拡散させた際のシリ
コン表面の模式図を図３に示す。ＰＨ３の分解生成物で
あるＰ、ＰＨ、ＰＨ２などは基板１に到達し、シリコン
表面に吸着層２を形成する。この吸着層は揮発性が高い
ため、露出している状態で不純物拡散のためのアニール
を行うと、リン吸着層は雰囲気中に脱離してしまい、高
濃度化は困難である。そこでこの吸着層にＮ２Ｏなどの
ガスにより酸素を供給することで安定化層３を形成して
からアニールすることで高濃度化を図ることができた。
なお、この安定化層３を形成するためにＢｒ、Ｃｌなど
を供給しても同様な効果が得られる。図４はリンおよび
その化合物の蒸気圧曲線である。リンの蒸気圧は６００
℃から１０００℃程度の拡散温度では非常に高いため、
図３に示した吸着層２はシリコン表面から脱離し、気相
中に再蒸発する確率が高い。一方Ｐ２Ｏ３、ＰＢｒ３な
どの化合物の蒸気圧は５００℃以上ではリンの蒸気圧よ
り低くなり、シリコン表面に残留する確率が高いため図
３中の安定化層３によって高濃度化を図ることができ
た。リンのシリコン表面への吸着量を示す図５によれば
吸着量は５５０℃で最大となり、それ以上の温度では再
蒸発によって吸着量が減っていることがわかる。この結
果よりリン吸着温度Ｔ２は５５０℃とすることが高濃度
化に有効である。

【０００８】図６は請求項１、２、３、５、６に記載し
た本発明の一実施例であり、リンのさらなる高濃度化を
図った際のタイムチャートである。ガス流量、圧力、温
度などを図１に示した実施例と同様にし、リン吸着、酸
素供給、アニールによるリン拡散、酸化層除去を繰り返
すことによって図７に示すような高濃度拡散層を形成す
ることができた。リン吸着層へ酸素を供給して形成され
る酸化層は水素中のアニールにより容易に除去すること
ができるため、シリコン清浄表面に再びＰＨ３を供給し
てリン吸着層を形成することできた。

【０００９】図８は請求項１、２、４、７、８に記載し
た本発明の一実施例であり、水素雰囲気でＢ２Ｈ６ガス
を拡散源としてシリコンにボロンを拡散させた際のプロ
セスタイムチャートである。常圧のチャンバにシリコン
基板を設置し、窒素によるパージを充分行った後にチャ
ンバ内を水素で置換した。水素の流量は毎分５０リット
ルである。水素雰囲気でウエハを温度Ｔ１まで加熱して
時間ｔ１の間表面の自然酸化膜を除去した後に温度をボ
ロン吸着温度Ｔ２まで下げた。ここでＴ１は８００℃か
ら１０００℃、Ｔ２は５００℃から8００℃である。温
度がＴ２になった時点から時間ｔ２の間０．１％水素希
釈のＢ２Ｈ６ガスを毎分１００ミリリットル流し、不純
物層を吸着させた後、ガスをＮ２Ｏに切り替え、時間ｔ
３の間不純物吸着層を酸化した。 Ｎ２Ｏガスの流量は
毎分１００ミリリットルである。ここでＮ２Ｏの代わり
にＯ２やＯ３、あるいはＢｒやＣｌを用いてもよい。そ
の後再び温度をＴ３まで上昇させボロンをシリコン中に
拡散した。ここでＴ３はＴ１とＴ２の間の温度が良い。
酸素を供給した場合としない場合のシリコン中のボロン
分布を図９に示す。ここでＴ１は９００℃、Ｔ２は６０
０℃、Ｔ３は８００℃、ｔ１は５分、ｔ２は３０分、ｔ
３は３分である。酸素を供給しない場合は表面のボロン
濃度は１０の２２乗／ｃｍ３以上であり、その大部分は
不活性である。酸素を供給したことによって表面のボロ
ン濃度を一桁以上減少させることができ、また活性化率
を９０％以上に向上することができた。

【００１０】このプロセスでボロンを拡散させた際のシ
リコン表面の模式図を図１０に示す。Ｂ２Ｈ６の分解生
成物であるＢ、ＢＨ、ＢＨ２、ＢＨ３などは基板４に到
達し、シリコン表面に吸着層５を形成する。この吸着層
は揮発性が低いため、この状態で不純物拡散のためのア
ニールを行っても雰囲気中に外方拡散することはなく、
シリコン表面に残留する。その結果、不活性なボロンが
表面に蓄積され表面モフォロジーの悪化などの問題を引
き起こす可能性がある。そこでこの吸着層にＮ２Ｏなど
のガスにより酸素を供給することで揮発性の高い安定化
層６を形成してからアニールすることで不活性なボロン
を除去し、活性化率の高い高濃度拡散層を形成すること
ができた。なお、この安定化層６を形成するためにＢ
ｒ、Ｃｌなどを供給しても同様な効果が得られる。図１
１はボロンおよびその化合物の蒸気圧曲線である。ボロ
ンの蒸気圧は６００℃から１０００℃程度の拡散温度で
は非常に低いため、図１０に示した吸着層５はシリコン
表面に残留し、雰囲気中に脱離することは少ない。しか
し、Ｏ２やＢｒを供給することでボロンよりも蒸気圧の
高いＢ２Ｏ３、ＢＢｒ３などの安定化層６を形成するこ
とで、シリコン表面から不活性なボロンを除去すること
ができた。

【００１１】図１２から１５は請求項９および１０に示
した本発明の一実施例であり、容量素子の下部電極とな
る多結晶シリコン中にリンを拡散して高濃度化を図った
王冠型容量素子の工程図である。図１２のような化学的
気相堆積法による非晶質リンドープシリコンから成る王
冠形状１０を形成した。これは容量素子の下部電極とな
るものである。非晶質シリコン中のリン濃度は１かける
１０の２０乗／ｃｍ３から２かける１０の２０乗／ｃｍ
３程度が良い。その後、アニールを行い多結晶化させる
と図１３に示すように表面に半球状の結晶粒１１が形成
された。アニール温度は６００℃から８００℃、圧力は
１０のマイナス６乗パスカルから１０パスカル程度であ
る。この処理により下部電極の表面積を増大させ、より
大きい容量値を得ることができる。この半球状結晶粒に
は非晶質シリコン中のリンが十分拡散しないため、リン
濃度は１０の２０乗／ｃｍ３以下である。半球状結晶粒
中のリン濃度が十分でない場合は所期の容量値を得られ
ない、という問題を引き起こす。そこで請求項１に記載
した方法によりリンを半球状結晶粒中に拡散させた。す
なわち、常圧のチャンバに容量素子の下部電極を形成し
たシリコン基板を設置し、窒素によるパージを充分行っ
た後にチャンバ内を水素で置換した。水素の流量は毎分
５０リットルである。水素雰囲気でウエハを９００℃ま
で加熱して５分間表面の自然酸化膜を除去した後に温度
をリン吸着温度の５５０℃まで下げた。その後１５分間
水素と共に１％水素希釈のＰＨ３ガスを毎分１００ミリ
リットル流し、不純物層を吸着させた後、ガスをＯ２に
切り替え、５分間不純物吸着層を安定化させるための層
を形成した。 Ｏ２ガスの流量は毎分１０ミリリットル
である。その後再び温度を８００℃まで上昇させリンを
多結晶シリコン中に拡散した。その結果結晶粒中のリン
濃度を２かける１０の２０乗／ｃｍ３程度にすることが
できた。なお、この処理は非晶質シリコン表面に半球状
結晶粒を形成するためのアニールと同時に行っても良
い。すなわち、非晶質リンドープシリコンから成る王冠
形状１０を形成した後に常圧のチャンバにウエハを設置
し、アニールを行って半球状結晶粒を形成する際に同時
にＰＨ３ガスを供給すれば同様の効果を得ることができ
た。その後図１４に示すように容量用の絶縁膜１２およ
び上部電極１３となるリンドープ多結晶シリコンを堆積
し、容量素子を形成した。図１５は本発明の効果を示す
もので得られた容量の測定値を示している。本発明を用
いて半球状結晶粒に高濃度のリンを拡散したことで、従
来の１．３倍の容量値が得られた。

【００１２】図１６は請求項１１に示した本発明の一実
施例であり、容量素子とＭＯＳ型トランジスタから成る
メモリ素子である。図１５に示したように本発明により
容量値を増大させたため、信号電圧が大きくとれ、安定
な動作を実現することができた。

【００１３】図１７は請求項１２に示した本発明一実施
例を示すもので本発明による半導体装置を用いた計算機
である。本実施例は本発明を実施したシリコン半導体集
積回路を、命令や演算を処理するプロセッサ５００が複
数個並列に接続された高速大型計算機に適用した例であ
る。本実施例では、本発明を実施した高速シリコン半導
体集積回路の集積度が高いため、命令や演算を処理する
プロセッサ５００や、システム制御装置５０１や主記憶
装置５０２などを、一辺が１０〜３０ｍｍのシリコン半
導体チップで構成できた。主記憶装置５０２の中には請
求項９乃至１１に記載した半導体装置が用いられてい
る。これら命令や演算を処理するプロセッサ５００と、
システム制御装置５０１と、化合物半導体集積回路から
成るデータ通信インターフェイス５０３を同一セラミッ
ク基板５０６に実装した。また、データ通信インターフ
ェイス５０３と、データ通信制御装置５０４を同一セラ
ミック基板５０７に実装した。これらセラミック基板５
０６並びに５０７と、主記憶装置５０２を実装したセラ
ミック基板を大きさが一辺約５０ｃｍ程度、あるいはそ
れ以下の基板に実装し、大形計算機の中央処理ユニット
５０８を形成した。この中央処理ユニット５０８内デー
タ通信や複数の中央処理ユニット間データ通信、あるい
はデータ通信インターフェイス５０３と入出力プロセッ
サ５０５を実装した基板５０９との間のデータ通信は、
図中の両端矢印線で示される光ファイバ５１０を介して
行われた。この計算機では、命令や演算を処理するプロ
セッサ５００やシステム制御装置５０１や主記憶装置５
０２などのシリコン半導体集積回路が並列に高速で動作
し、また、データの通信を光を媒体として行ったため
に、１秒間当りの命令処理回数を大幅に増加することが
できた。

【００１４】

【発明の効果】気相拡散法における１０の２０乗／ｃｍ
３以上の高濃度領域における不純物濃度の制御性を向上
させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示すプロセスタイムチ
ャート。

【図２】本発明の第一の実施例を示す不純物プロファイ
ル。

【図３】本発明の第一の実施例を示す表面反応模式図。

【図４】本発明の第一の実施例を示す蒸気圧曲線。

【図５】本発明の第一の実施例を示すリン吸着曲線。

【図６】本発明の第二の実施例を示すプロセスタイムチ
ャート。

【図７】本発明の第二の実施例を示す不純物プロファイ
ル。

【図８】本発明の第三の実施例を示すプロセスタイムチ
ャート。

【図９】本発明の第三の実施例を示す不純物プロファイ
ル。

【図１０】本発明の第三の実施例を示す表面反応模式
図。

【図１１】本発明の第三の実施例を示す蒸気圧曲線。

【図１２】本発明の第四の実施例を示す容量素子の製造
工程図。

【図１３】本発明の第四の実施例を示す容量素子の製造
工程図。

【図１４】本発明の第四の実施例を示す容量素子の製造
工程図。

【図１５】本発明の第四の実施例を示す容量素子の容量
値。

【図１６】本発明の第五の実施例を示すメモリ素子の断
面図。

【図１７】本発明の第六の実施例を示す大型計算機。

【図１８】従来例を示す不純物プロファイル。

【図１９】従来例を示す不純物プロファイル。

【符号の説明】

１・・半導体基板、２・・リン不純物吸着層、３・・安
定化層、４・・半導体基板、５・・ボロン不純物吸着
層、６・・安定化層、１０・・多結晶シリコンから成る
容量素子下部電極、１１・・半球状結晶粒、１２・・容
量素子絶縁膜、１３・・多結晶シリコンから成る容量素
子上部電極、１４・・ビット線、１５・・ワード線、１
６・・容量素子、１７・・ソースドレイン、５００・・
シリコン半導体集積回路から成る命令や演算を処理する
プロセッサ、５０１・・シリコン半導体集積回路から成
るシステム制御装置、５０２・・シリコン半導体集積回
路から成る主記憶装置、５０３・・化合物半導体集積回
路から成るデータ通信インタフェイス、５０４・・デー
タ通信制御装置、５０５・・入出力プロセッサ、５０６
・・セラミック基板、５０７・・セラミック基板、５０
８・・中央処理ユニット、５０９・・入出力プロセッサ
実装基板、５１０・・データ通信用光ファイバ。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板に該半導体基板とは反対の導電
   型を示す不純物を導入して拡散層を形成する不純物拡散
   法において、半導体表面を清浄化して活性にする工程
   と、不純物原子あるいは分子を含む層を付着させる工程
   と、同一雰囲気中で不純物の外方拡散や揮発を抑制、あ
   るいは促進する作用を持つ原子あるいは分子を含む層を
   付着させる工程と、熱拡散によって該不純物を該半導体
   基板中に拡散させる工程を含むことを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
2. 【請求項２】上記半導体基板がシリコンであることを特
   徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】上記反対導電型を示す不純物が、ヒ素、リ
   ン、アンチモンなどのＮ型を示す不純物であることを特
   徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】上記反対導電型を示す不純物が、ボロン、
   ガリウム、インジウムなどのＰ型を示す不純物であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】上記不純物の外方拡散を抑制する原子ある
   いは分子が、上記反対導電型を示す不純物と反応して、
   該反対導電型を示す不純物よりも蒸気圧の低い物質を形
   成する作用を持つものであることを特徴とする請求項１
   乃至４記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】上記反対導電型を示す不純物よりも蒸気圧
   の低い物質が、Ｐ2Ｏ3、Ｐ２Ｏ５、ＰＢｒ３、ＰＣｌ３
   であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製
   造方法。
7. 【請求項７】上記不純物の外方拡散を促進する原子ある
   いは分子が、上記反対導電型を示す不純物と反応して、
   該反対導電型を示す不純物よりも蒸気圧の高い物質を形
   成する作用を持つものであることを特徴とする請求項１
   乃至４記載の半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】上記反対導電型を示す不純物よりも蒸気圧
   の高い物質が、Ｂ２Ｏ３、ＢＢｒ３、ＢＣｌ３であるこ
   とを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】請求項１乃至８記載の製造方法を用いて不
   純物拡散層を形成したことを特徴とする半導体装置。
10. 【請求項１０】上記半導体装置が多結晶シリコンを用い
    た容量素子であることを特徴とする請求項９記載の半導
    体装置。
11. 【請求項１１】上記半導体装置が多結晶シリコンを用い
    た容量素子とＭＯＳ型トランジスタからなるメモリ装置
    であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
12. 【請求項１２】上記半導体装置が大型計算機で使用され
    ることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載
    の半導体装置。