JPS5816333B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、アルミニウムなどの拡散係数の大きい不純
物の拡散層を有する半導体装置およびその製造方法に関
するものである。

半導体への不純物の選択的拡散技術、とくにＰ型半導体
へのＮ形不純物の選択拡散技術およびＮ形半導体へのＰ
形不純物の選択技術は、半導体装置製造において重要な
技術である。

従来一般に行われている選択拡散方法は、リン、ボロン
等の不純物が高温加熱しても半導体酸化膜を拡散通過し
にくいという性質を利用するものである。

ボロンと同類のＰ形不純物であるアルミニウムは、シリ
コンに対してボロンより拡散係数が太きい。

そのため、ボロンとアルミニウムを等しい表面濃度、等
しい温度で同一時間シリコンウェハに拡散すると、アル
ミニウムの方がより深く拡散される。

したがってＮ形半導体へＰ形不純物を拡散してＰＮ接合
を形成する場合、ボロンを用いるよりもアルミニウムを
用いた方が作業能率が高く経済的である。

しかし、アルミニウムには高温においてシリコン酸化膜
を容易に通過するという性質があるために、ボロンやリ
ンを選択拡散するようにはシリコン酸化膜を用いて選択
拡散できないという欠点がある。

アルミニウムを選択拡散する方法の一つとして、半導体
基板の上に選択的にアルミニウムを合金化して合金層を
形成し、しかるのちにこの合金層をアルミニウムのＰ形
不純物源として、半導体基板を１０００〜１２５０℃に
加熱しアルミニウムを半導体基板内に拡散する方法があ
る。

しかしこの方法では、原因は明確ではないが、アルミニ
ウムが一様に拡散されず接合面が凹凸になるように拡散
されるという欠点がある。

これを以下において詳細に説明する。

従来、アルミニウムの選択拡散は次のよ５にして行われ
ていた。

すなわち第１図に示すように、Ｎ形半導体基板１にアル
ミニウム２を選択的に（例えば円状に）蒸着し、しかる
のちＮ形半導体基板１を６００〜７００℃程度に加熱し
て、第２図に示すようにＮ形半導体基板１にアルミニウ
ムの合金層３を形成する。

次に第２図に示すようにＮ形半導体基板１の上に残って
いるアルミニウム２を、強酸又は強アルカリ液でエツチ
ング（ｅｔｃｈｉｎｇ ） して除去する。

除去した後の状態を第３図に示す。

次にＮ形半導体基板１を拡散炉の中に入れて、１０００
〜１２５０℃程度の高温に加熱する。

これにより第４図に示すＰ形不純物層４が形成される。

Ｎ形半導体基板１とＰ形不純物層４によってできたＰＮ
接合面５は第４図に示すように凸凹になる。

第５図は第４図のＮ形半導体基板１を上面よりみた図で
あり、第４図は第５図のｒＶ−ＩＶ線断面図である。

Ｎ形半導体基板１０表面に露出したＰＮ接合面端も同様
に一様な円状ではなく凸凹をともなった略円状になる。

第６図は、Ｐ形不純物としてボロンを、Ｎ形不純物とし
てリンを用いて、公知のボロンおよびリンの選択拡散法
を用いて一枚のシリコンウェハに複数個のプレーナ形サ
イリスタを形成したシリコンウェハの部分断面図である
。

Ｎ形シリコンウニ・ハロの両面の一部７、〜７４よりシ
リコン酸化膜８をマスクにしてボロンを選択拡散してＰ
影領域Ｐ１を形成する。

しかるのち、ボロンの選択拡散によりサイリスタのＰ形
エミッタ層ＰＥとＰ形ベース層ＰＢを形成し、更にリン
の選択拡散によりＮ形エミッタ層ＮＥを形成してプレー
ナ形サイリスタを得る。

Ｐ形エミッタ層ＰＥがサイリスタの陽極であり、Ｎ形エ
ミッタ層ＮＥがサイリスタの陰極であり、そしてＰ形ベ
ース層ＰＥがサイリスタのゲートである。

このプレーナ形サイリスタの順方向および逆方向の耐圧
を大きくするためには、Ｎ形シリコンウェハ６の比抵抗
値を太きくし、且つＮ形ベース層ＮＢの厚みｔを厚（す
る。

これは公知である。

しかし、高い耐圧のサイリスタを得ようとすれば、Ｎ形
ベース層ＮＢの厚みｔを厚（するので、Ｎ形シリコンウ
ェハ６内に形成した複数個のサイリスタを電気的に絶縁
分離するための絶縁分離帯用のＰ影領域Ｐ１を形成する
に当り、Ｎ形シリコンウェハ６の両面の一部７．〜１４
よりボロンを長時間拡散しなげればならない。

即ち、高い耐圧のプレーナ形サイリスタを得ようとすれ
ば、絶縁分離帯用のＰ影領域Ｐ１の形成のため、非常に
長い時間にわたってボロンを拡散することが必要である
。

例えばＮ形シリコンウエノ・６の厚みが１５０μｍの場
合、Ｐ影領域Ｐ１の形成のために１２５０℃でボロンを
約１５０時間の間拡散しなげればならない。

この絶縁分離帯用のＰ影領域Ｐ１を形成するための拡散
時間を短（する手段として、ボロンよりも拡散係数の大
きいアルミニウムを拡散して絶縁分離帯用のＰ影領域Ｐ
１を形成する方法がある。

例えばアルミニウムを用いて厚み１５０μｍのＮ形シリ
コンウニ・・６に絶縁分離帯用のＰ影領域Ｐ１を形成す
るためには、１２５０℃でアルミニウムを約４０時間拡
散すればよい。

これは、ボロンの１５０時間にくらべ約１／４［間であ
り、アルミニウムの拡散はプレーナ形サイリスタ製造に
非常に有用であることがわかる。

しかしながら前述した如く、アルミニウムを拡散に用い
ると、形成されるＰＮ接合面が凸凹面になるという欠点
がある。

そのため、第７図に示す如＜、Ｎ形シリコンウェハ６の
両面の一部７、〜７４よりアルミニウムを選択拡散する
と、短時間で絶縁分離帯用のＰ影領域Ｐ１が形成される
が、ＰＮ接合面５は凸凹である。

第７図は第８図に平面図で示すＮ形シリコンウニ・・６
の■−■線断面図である。

第８図に示す如く、Ｎ形シリコンウェハ６の表面に露出
したＰＮ接合面端も凸凹となる。

次に、ボロンとリンの公知の選択拡散により第９図に示
すようにＰ形ベース層ＰＢ、Ｐ形エミッタ層ＰＥおよび
Ｎ形エミッタ層ＮＥを形成してプレーナ形サイリスタを
得る。

こ５して得られたプレーナ形サイリスタは、アルミニウ
ムの拡散によって形成されたＰＮ接合面５が凸凹であり
且つ第１０図に示すよ５にＮ形シリコンウェハ６の表面
に露出したＰＮ接合面端も凸凹である。

なお、第９図は第１０図に平面図で示すＮ形シリコンウ
ニ・・６の酸化膜８の除去前のＩＸ−ＩＸ線断面図であ
る上記のプレーナ形サイリスタの陽極に負電圧が陰極に
正電圧が印加される場合（逆方向電圧印加であり、この
時のザイリスタの耐圧を逆方向耐圧という）、印加電圧
はＰＮ接合面５に印加されることになる。

ＰＮ接合面５の端面ば一様でなく凸凹であるために、Ｎ
形シリコンウェハ６の表面に露出したＰＮ接合面端の延
べ長さが長くなり、それが漏れ電流の原因になる。

また、電圧の集中点が発生することもあって、ＰＮ接合
面５の電圧阻止能力が著しく小さくなって、設計通りの
逆耐圧が得られないという重大な欠点を生ずる。

このように従来のアルミニウムの選択拡散を用いたプレ
ーナ形すイリス夛は耐圧低下の問題を生ずる。

この発明は、アルミニウムなどの拡散係数の大きい不純
物の拡散層境界領域の電界集中を弱め耐電圧低下を防止
することを目的としたものである。

前記目的を達成するためにこの発明においては、半導体
基板にアルミニウムなどの拡散係数の大きい第１の不純
物を拡散させると共に、前記拡散係数の大きい不純物と
同じ導電形の、ボロンなどの拡散係数の小さい第２の不
純物の層を、前記第１の不純物の半導体基板表面におけ
る拡散領域を包含する領域にわたって形成して、その両
者により１つの不純物領域を構成する。

このようにすることにより、少なくとも半導体基板表面
において第１の不純物の拡散による領域が第２の不純物
の不純物領域内にあるため、不純物領域全体の半導体表
面部における耐電圧は第２の不純物が形成する半導体基
板との境界の耐電圧により定まり、従来と同様に所定の
耐電圧とし５る。

電界集中は特に半導体基板表面部において高いので、第
２の不純物の層の深さは第１の不純物の拡散層のそれよ
りも浅くすればよく、第２０不純物の層を形成するため
の時間は長くない。

したがって不純物領域を形成するための時間は、第２の
不純物のみを用いる場合に較べて短くなる。

第１１図はこの発明の一実施例を示すもので、第１２図
に平面図で示すＮ形半導体基板１のＸＩ −■線断面図
である。

第１１図において、１はＮ形半導体基板、４は通常のア
ルミニウム拡散技術により形成されたＰ形不純物層、９
はボロンを拡散したＰ形不純物層、１０はＰＮ接合面で
ある。

； Ｐ形不純物層９は、通常の選択拡散技術によりＮ形
半導体基板１の表面部においてＰ形不純物層４を包含す
るように広く形成されている。

第１２図に第１１図に示すＮ形半導体基板１の平面図で
示す。

この第１２図に示すように、ボロンを選択拡散すること
によって形成したＰＮ接合面１０は一様な面であり、表
面に露出したＰＮ接合面１０の端面も当然のことながら
一様な円状である。

したがって、特に電界中の高い基板表面部において、電
界は平滑なＰＮ接合面１０に一様に分布し、部分的な電
界集中がなくなるため耐電圧が向上する。

Ｐ形不純物層９の深さはＰ形不純物層４のそれよりも浅
くてよいので、その層形成時間は短くてよい。

次にこの発明をプレーナ形サイリスタに適用した場合に
ついて説明する。

第１３図はこの発明にもとづいて製造されたプレーナ形
サイリスタの断面図である。

これにおいてはアルミニウムの選択拡散ののち、Ｎ形シ
リコンウェハ６の表面に露出している絶縁分離帯用のＰ
影領域Ｐ１ をとりかこむようにボロンを拡散して、Ｐ
形不純物層９を形成した。

その結果Ｐ形不純物層９と絶縁分離帯用のＰ影領域Ｐ１
とは電気的に短絡することになる。

次いで、ボロンとリンを公知の選択拡散技術によって拡
散し、Ｐ形エミッタ層ＰＥ、Ｐ形ベース層ＰＥおよびＮ
形エミッタ層ＮＥを形成してプレーナ形サイリスタとし
た。

第１３図は第１４図に平面図で示すプレーナ形サイリス
タのＸ■−■線断面図である。

なお、第１４図は酸化膜８を除去して示したものである
。

このプレーナ形サイリスタの陽極に負電圧を、陰極に正
電圧を印加すると、電圧はＰＮ接合面５と１０の内、Ｎ
形ベース層ＮＢと接する接合面に印加される。

特にＮ形シリコンウェハ６の表面部では、ＰＮＮ接合面
０に電圧が印加される。

このＰＮ接合面１０は、第１４図に示すように設計通り
の図柄をしたなめらかな形となる。

したがってシリコンウェハ表面に露出している部分のＰ
Ｎ接合面１０の延べ長さがアルミニウムの選択拡散によ
る凸凹のＰＮ接合面５の延べ長さよりも小さくしたがっ
て漏れ電流も小さい。

且つ、ＰＮ接合面１０が設計通りの滑らかな図柄をして
おり電圧の集中点もないため、良好な電圧阻止能力をも
っており、プレーナ形サイリスタは設計通りの逆耐圧を
有することになる。

このように、上記の如く、この発明を実施したプレーナ
形サイリスタでは、その製造（特に絶縁分離拡散）時間
が短くてすみ、且つ良好な電気的特性を与えることがで
きる。

なお、以上に説明した実施例においては、ＰＮ接合構造
（第１１．１２図）およびプレーナ形サイリスタ（第１
３，１４図）を示したが、この発明はトランジスタ、ト
ライブックあるいはその他の半導体素子の製造に同様に
実施しうる。

以上説明したように、この発明においては、半導体基板
にアルミニウムなどの拡散係数の大きい第１の不純物を
拡散させると共に、前記拡散係数の大きい不純物と同じ
導電形の、ボロンなどの拡散係数の小さい第２の不純物
の層を、前記第１の不純物の半導体基板表面における拡
散領域の周辺を取り囲んで包含する領域にわたって形成
して、その両者により１つの不純物領域を構成するので
、第１の不純物領域の半導体基板表面における凹凸形状
は、取り囲んだ第２の不純物領域によって打消され、し
かも第２の不純物領域は拡散係数の小さい第２の不純物
を用いているため半導体基板表面における形状は凹凸が
ないので、その不純物領域の耐電圧などの緒特性を損な
うことなく不純物領域作成のための時間を低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はアルミニウムの選択拡散方法を説明す
るための断面図、第５図は第４図に示す半導体基板の平
面図、第６図は従来のブレーナ形すイリスタを示す断面
図、第１図および第９図はプレーナ形サイリスタを形成
するシリコンウェハ・断面図、第８図および第１０図は
それぞれ第１図および第９図に示すシリコンウェハの平
面図、第１１図はこの発明を実施した半導体基板の断面
図、第１２図はその平面図、第１３図はこの発明を実施
したプレーナ形サイリスタの断面図、第１４図はその平
面図である。 図中、１はＮ形半導体基板、４はＰ形不純物層、５はＰ
Ｎ接合面、６はＮ形シリコンウエノ１．８は酸化膜、９
はＰ形不純物層、１０はＰＮ接合面である。 なお、図中の同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 拡散係数の大きい第１の不純物を拡散した第１の不
   純物領域と、少な（とも半導体基板表面部において第１
   の不純物領域の周縁を取り囲んで包含する前記第１の不
   純物と同じ導電形の拡散係数の小さい第２の不純物を導
   入した第２の不純物の層で構成される１組の不純物領域
   を有することを特徴とする半導体装置。 ２ 第２の不純物の層を拡散層とした特許請求の範囲第
   １項記載の半導体装置。 ３ 第１の不純物をアルミニウムとし、第２の不純物を
   ボロンとした特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半
   導体装置。 ４ 半導体基板に拡散係数の大きい第１の不純物を拡散
   する工程、前記半導体基板に拡散形成された第１の不純
   物領域のうち前記半導体基板表面にできた拡散領域の周
   縁を取り囲んで包囲する部分から前記第１の不純物と同
   じ導電形の拡散係数の小さい第２の不純物を注入する工
   程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 ５ 第１の不純物を拡散する工程は、第１の不純物を半
   導体基板に選択的に合金化する工程と半導体基板を高温
   加熱して半導体基板に合金化した第１の不純物を拡散す
   る工程を含む特許請求の範囲第４項記載の半導体装置の
   製造方法。 ６ 第２の不純物を注入する工程は、酸化膜をマスクと
   して第２の不純物を選択拡散する工程を含む特許請求の
   範囲第４項記載の半導体装置の製造方法。 ７ 第１の不純物を拡散する工程は、第１の不純物を半
   導体基板に選択的に合金化する工程と半導体基板を高温
   加熱して半導体基板に合金化した第１の不純物を拡散す
   る工程を含み、第２の不純物を注入する工程は、酸化膜
   をマスクとして第２の不純物を選択拡散する工程を含む
   特許請求の範囲第４項記載の半導体装置の製造方法。 ８ 第１の不純物をアルミニウムとし、第２の不純物を
   特徴とする特許請求の範囲第４項乃至第７項のいずれか
   に記載の半導体装置の製造方法。