JPS5824006B2 - 不純物拡散法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアンチモン拡散法に関し、詳しくは、半導体領
域へアンチモンを高い能率で拡散し、高濃度のアンチモ
ン拡散領域を形成するのにとくに好適なアンチモン拡散
法に関する。

周知のように、半導体ウェハに不純物を拡散させるには
、封管法と開管法が一般に用いられている。

封管拡散法は、加熱温度を一定に保持することによって
、不純物を均一に拡散させることができるが、封管が高
価であり、作業も難しいため、半導体プロセスにおいて
は、不純物源の毒性が強いとか、拡散層に厳しい均一性
が要求されるなどの場合以外は、はとんど使用されない
。

一方、開管拡散法は、不純物源として、たとえばリンや
ホウ素のように、拡散温度において十分な蒸気圧をもっ
た物質を用いるときは、拡散律速状態を作ることは容易
であって、得られる拡散層の均一性やシート抵抗（ｐｓ
）が問題となることはほとんどない。

しかし、たとえばアンチモンのように、拡散温度におい
て十分高い、蒸気圧の得られない不純物を拡散する場合
は、拡散層の表面濃度が高くならないとか、拡散層の均
一性が不十分であるなどの問題が生じやすい。

アンチモンを拡散する場合、拡散層の表面濃度は、拡散
層を形成すべきウェハ表面におけるアンチモン蒸気圧に
よって定まるので、ウエノ入の表面にアンチモンガラス
を形成し、このアンチモンガラスをソースとしてウェハ
中にアンチモンを拡散するようにすれば、アンチモンガ
ラスを使用しない方法よりも、安定した不純物拡散を行
うことができる。

そのため、アンチモンなどの拡散法としては、このよう
に、アンチモンなどのガラスを用いる方法が、最も広く
用いられており、ドーピング量を一定とすれば、ウェハ
表面に供給または到達するアンチモンなどの量は一定と
なるから、拡散処理によって得られる拡散層の表面濃度
や拡散深さは、はぼ一定になる。

しかし、ウェハ表面にアンチモンガラスを形成し、これ
を拡散のソースとして用いる方法は、実用的には極めて
煩雑であるため、半導体装置の大量生産には好ましくな
く、さらに簡便な方法が要望されている。

本発明の目的は、従来の不純物拡散法の有する上記問題
を解決し、アンチモンなど拡散し難い不純物を極めて容
易に拡散し、高濃度の拡散層あるいは拡散領域を形成す
ることのできる、不純物拡散法を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明は不純物を拡散す
べきウェハ表面の近傍もしくは表面上に、アルミニウム
もしくはアルミニウムの化合物ヲ存在させて、アンチモ
ンなどの拡散を気相から行なうものであって、実用上、
アルミナ（Ａ１２０３）の存在において、拡散を行なう
ことが最も好ましい○ 以下、実施例を用いて、本発明の詳細な説明する。

実施例 １ 本実施例は、サファイア（アルミナ）単結晶の板を、ウ
ェハの表面に対向させて、アンチモンの拡散を行なうも
のである。

２段炉管（図示せず）第１帯は７５０°Ｃ１第２帯は１
２００℃にそれぞれ保つ。

上記第１帯中には、白金相中に５ｂ２０３を入れてアン
チモン、拡散ソースとし、第２帯には、第１図に示した
ように、治具６の上にウェハ１〜４を直立にセットし、
ウェハ３，４のアンチモンを拡散すべき表面Ａに、間隔
ｄをもって、サファイヤ板５を配置した。

なお、上記サファイヤ板５は、両面が鏡面仕上げのもの
を使用した。

キャリアガスとして窒素を用い、ソースガス濃度０．６
６モル％、ｄは４ ｍｍ１温度１，２００℃という条件
で４５分間、アンチモンの拡散を行なったところ、サフ
ァイヤ板５と対向しない、ウェハ１゜２のシート抵抗は
、はぼ５３Ω／口であったが、サファイヤ板５と対向す
るウェハ３，４の面Ａのシート抵抗は、いずれも１８Ω
／口となった。

ウェハ１，２に対する拡散は、通常の拡散法によるもの
であることはいうまでもないことであるから、サファイ
ヤ板を対向させることによって、シート抵抗が、従来の
ほぼ１／３に低下したことは明らかである。

すなわち、本発明によれば、従来の方法では抵いシート
抵抗の得られない条件下であっても、低シート抵抗、し
たがって、高表面濃度の拡散層を形成することができ、
浅い低抵抗層の形成、とくにバイポーラＬＳＩのアンチ
モン埋込み層の形成に有効である。

また、本発明は、不飽和雰囲気において飽和拡散を実現
するものであるから、従来の方法を用いて高表面濃度の
拡散層を形成する際に問題となる、アンチモン・フラワ
ーとよばれる拡散欠陥密度の発生を減少させるのにも、
極めて有効である。

実施例 ２ 実施例１で用いたサファイヤ単結晶板５のかわりに、シ
リコン基板上に厚さｉ、ｏｏｏ人のアルミナ膜をＣＶＤ
によって形成したものを用い、他の条件は実施例１と同
じにして、アンチモン拡散を行なった。

その結果、アルミナ膜と対向しないウェハ１゜２のシー
ト抵抗は、はぼ５８Ω／■であったが、アルミナ膜と対
向したウェハ３，４の面Ａのシート抵抗は、いずれも１
８Ω／口となり、ＣＶＤ−アルミナ膜によっても、やは
り好ましい結果の得られることが認められた。

実施例 ３ 実施例１で用いたサファイヤ単結晶板５のかわりに、シ
リコン基板の表面に、アルミニウムイオンを加速電圧４
ＫｅＶ、ドーズ量Ｉ Ｘ １０ ”’／ｃｒＡイオン
打ち込みしたものを使用し、他の条件は実施例１と同じ
にして、アンチモンの拡散を行なつた。

その結果、ウェハ１，２のシート抵抗は、はぼ６０．１
Ω／口であったが、アルミニウムを打ち込んだシリコン
に対向するウェハ３，４のＡ面のシート抵抗は、いずれ
も２１．７Ω／口であり、アルミナを用いた実施例１，
２の場合にくらべると若干劣るが、従来の方法よりも、
はるかにすぐれた結果が得られ、アルミニウムの存在も
、アンチモンの高濃度拡散に有効であることが認められ
た。

実施例 ４ 実施例１で用いたサファイヤ単結晶板５のかわりに、シ
リコン板の表面をアルミナ研摩材／１６６００゜Ａ１５
００あるいは／ｌ’６：２０００によってラッピングし
たものを使用し、他の条件は実施例１と同じにしてアン
チモンの拡散を行なった。

その結果、ウェハ１，２のシート抵抗は、はぼ５８Ω／
口であったのに対し、アルミナ研摩材によってラッピン
グしたシリコン板表面に対向するウェハ３，４の表面Ａ
のシート抵抗は、はぼ１９．１Ω／口であり、サファイ
ヤ単結晶基板などを用いた実施例１，２と同程度の効果
が認められた。

この場合の効果は、ラッピングによって生じた微細な傷
の中に、アルミナ研摩材が入り込み、それが、アンチモ
ンの拡散に有効に作用しているものと考えられる。

第２図は、ウェハの表面からの深さと拡がり抵抗の逆数
の関係を示し、曲線７，８，９は、それぞれサファイヤ
単結晶板を対向させた場合、アルミナ研摩材Ａ１５００
でラッピングしたシリコン板を対向させた場合および従
来法によって得られた結果を示す。

曲線７，８を曲線９と比較すれば明らかなように、本発
明によれば、従来の方法よりもほぼ３倍程度高濃度のア
ンチモン拡散層が形成されていることかわかる。

アルミニウムやアルミナが存在すると、なぜアンチモン
が高濃度に拡散するか、その理由や機構は明らかでない
。

しかし、たとえば、アルミナ研摩材でラッピングするか
わりにＳｉＣを用いてラッピングやサンドブラスト処理
をしたり、あるいは、ダイヤモンドによって研削を行な
ってウェハに対向させても、全く効果はなかった。

一方、アルミナによって研摩する素材は石英板であって
も単結晶シリコン板であっても、アンチモンの拡散には
有効であり、また、研摩材であるアルミナの粒径を変え
たり、表面の仕上りを粗面あるいは鏡面としても、いず
れも有効であった。

しかし、アルミナによってラッピングを行なった表面に
、Ｓｉ３Ｎ４とＣＶＤによって被着して表面を覆うと、
アンチモン拡散に対する効果は全く消失した。

これらの結果と上記実施例から、アンチモンの高濃度拡
散にアルミナやアルミニウムの存在が、極めて有効であ
ることは確かである。

実施例３においては、アルミニウムをイオン打ち込みし
たシリコン板をウェハに対向して、アンチモンの拡散を
行なった。

この場合、アンチモン拡散のために高温度に保たれてい
ること、およびソースとして５ｂ２０３を用いているこ
となどのため、打ち込まれたアルミニウムの少なくとも
一部がアルミナになっていることも、十分考えられる。

したがって、アンチモンの高濃度拡散に関与して有効に
作用するものは、アルミナのみなのか、あるいはアルミ
ニウムでもよいのか、明確ではなＧ’０ しかし、アンチモンを拡散すべき面の近傍に配置して好
ましい結果が得られるのは、アルミナのみではなく、ア
ルミニウムを配置して拡散を行なっても、やはり好まし
い結果が得られる。

実用上の見地からすれば、融点の低いアルミニウムより
も高融点で化学的にも安定なアルミナの方が、はとんど
すべての点において好ましいことは明らかであり、はと
んどの場合は、アルミナが使用される。

アルミナやアルミニウムが近傍に存在することによって
、アンチモンの高濃度拡散が行なわれる理由や機構は明
らかではないが１，５ｂ２０３から単体アンチモンへの
変化が、アルミナまたはアルミニウムの触媒作用によっ
て促進され、外方拡散によって、近傍にあるウェハ表面
に、高い表面濃度で拡散されるものと推定される。

なお、第２図から明らかなように、拡散層の深さは、本
発明と従来法では差は認められず、アルミニウムがウェ
ハ中に拡散される恐れはないことがわかった。

実施例 ５ 実施例４に示した拡散において、キャリアガスである窒
素中に微量の酸素を添加して、１，２００℃、３０分間
のアンチモン拡散を行なった。

ソース・ガス濃度は０．４２〜０．４６モル％、ｄ ＝
２ ｍｍとし、窒素中の酸素含有量を種々に変えてそ
の影響を調べた。

その結果、ウェハ１，２では、０２／Ｎ２＋０２比が０
％、１％、２％および４％と変っても、シート抵抗は、
いずれもほぼ６７Ω／口でほとんど変化しなかった。

しかし、本発明の場合のシート抵抗は、それぞれ２５，
３２．３８および６０Ω／口となり、０２含有量が多く
なるにしたがって、シート抵抗は次第に増大した。

したがって０２／Ｎ２＋０□の値を変えることによって
、シート抵抗の値を所望の値とすることが可能である。

酸素含有量が増加するとシート抵抗の値が大きくなるの
は、上記外方拡散によってウェハ内に入るべきアンチモ
ンが、酸化されて５ｂ２０３または５ｂ２０６になり、
ウェハへの拡散に寄与できなくなるためと考えられる。

実施例 ６ 第３図は、実施例４において、シリコン板の表面をアル
ミナ研摩材／％１５００によってラッピングした基板５
とウェハ３，４の距離ｄと得られたシート電導度（シー
ト抵抗の逆数）の関係を、拡散温度をパラメータとして
表わしたものである。

なお、５ｂ２０．の含有量は０．６５モル％、拡散時間
は６０上であり、第３図において、０は本発明による結
果、または、従来の方法による結果を比較のために示し
たものである。

第３図から明らかなように、ウェハとアルミナラップ板
との距離が小さいと、ウェハのシート電導度は著しく大
きくなり、アンチモンの高７１４度拡散に極めて有効で
あるから、距離ｄはできるだけ小さい方がよい。

ｄがほぼ８〜１０ｍ１１Ｌ以上になると、アルミナラッ
プ板を対向させた効果は著しく減少し、従来方法による
ものとほとんど変らなくなるまで、ｄをこのように大き
くするのは、避けるべきである。

実施例 ７ 上記各実施例はアルミナやアルミニウムをウェハ表面近
傍に配置して、アンチモンの気相拡散を行なった場合を
示した。

しかし、アルミナなどは、ウェハ表面近傍に配置するの
ではなく、表面上に直接存在させてもよＧ）。

すなわち、第４図に示すように、実施例１に用いた装置
を用い、サセプタ６上にシリコンウェハ１１．１２，１
３，１４，１５を直立させて、実施例１と同様にアンチ
モン拡散を行なった。

上記ウェハ１３，１４の一方の表面にはＣＶＤによって
、厚さ５００〜１，０００人のアルミナ膜Ｂが被着され
てあり、ウェハ１５は、アルミナ膜Ｂの効果を確めるた
めのダミーウェハである。

その結果、ウェハ１１，１２のシート抵抗は、はぼ５３
Ω／口、ウェハ１３，１４の表面Ｃのシート抵抗は、い
ずれも３３．５Ω／口であり、アルミナ膜の被着によっ
て、シート抵抗がほぼ１／１．７になることが認められ
た。

実施例 ８ ウェハ表面上に、低真空中でアルミニウム膜を、蒸着し
、沸騰水中で処理してアルミナ膜を形成した。

これを、実施例７と同様にアンチモン拡散に供した結果
、シート抵抗は２４．５９／口で、従来のほぼ２．２倍
の高濃度拡散の行なわれたことを認められた。

実施例 ９ 通常の高周波スパッタ装置を用いて、ウェハ表面に厚さ
１０〜２０人のアルミナ膜を被着して、実施例７と同じ
条件でアンチモンの拡散を行なった。

得られた拡散層のシート抵抗は、はぼ２３．５ Ｑ／■
であり、従来の方法とくらべて、はぼ２．３倍の高濃度
拡散の行なわれていることが認められた。

実施例 １０ 横型反応管中にウェハ７５枚を配置し、トリイソブチル
アルミニウム： （１−Ｃ４Ｈ０）Ａｌと酸素の混合ガ
スを用いるホットウォール（ｈｏｔｗａｌｌ）法によっ
て、ウェハ表面にアルミナ膜を形成し、さらに、実施例
７と同じ条件でアンチモン拡散を行なった。

その結果、形成された拡散層のシート抵抗の平均値は２
４．２９／口、最大値は２７Ω／口、最小値は２３Ω／
口、標準偏差１．２Ω／口であり、十分、実用に供し得
ることが認められた。

アルミナ膜被着用のソースとしては、上記（ｌ Ｃ４
Ｈ９） Ａｉｔばかりでなく、ＡＩ！ （ＯＣ３Ｈ２）
ｓ ｔＡｌ（ＯＣ２Ｈ５）３２．Ａｌ（ＣＨ３）３．Ａ
ｌＣｌ３．Ａｌ（ｉ Ｃ４Ｈ３）３などを使用すること
ができる。

以上説明したように、本発明によれば、拡散層を形成す
べきウェハ表面の上もしくはその近傍にアルミナもしく
はアルミニウムを存在させて、アンチモンを気相拡散さ
せ、従来よりはるかに高濃度のアンチモンの拡散を行な
うものであり、半導体装置製造上得られる利益は極めて
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第４図は本発明の異なる実施例を説明する
ための模式図、第２図および第３図は本発明の効果を示
すための曲線図である。 １〜４，１１〜１５・・・・・・ウェハ、５・・・・・
・サファイヤ単結晶板、６・・・・・・治具、Ｂ・・・
・・・アルミナ膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アンチモン拡散層を形成すべきウェハ表面の上もし
   くは近傍にアルミナもしくはアルミニウムを配置して気
   相から上記アンチモンの拡散を行なうことを特徴とする
   アンチモン拡散法。 ２ 上記アンチモン拡散層を形成すべきウェハ表面と上
   記アルミナもしくはアルミニウムとの距離は、はぼ８〜
   １０ｍｍ以下に選ばれる特許請求の範囲第１項記載のア
   ンチモン拡散法。 ３ 上記拡散は上記アンチモン拡散層を形成すべきウェ
   ハ表面とサファイヤ結晶板とを対向して行なわれる特許
   請求の範囲第２項記載のアンチモン拡散法。 ４ 上記拡散はアルミナもしくはアルミニウムを表面に
   そなえたシリコン板を上記アンチモン拡散層を形成すべ
   きウェハ表面と対向して行なわれる特許請求の範囲第２
   項記載のアンチモン拡散法。 ５ 上記アルミナは、蒸着、スパッタリングもしくはイ
   オン打ち込みによって上記アンチモン拡散層を形成すべ
   きウェハ表面に配置される特許請求の範囲第１項記載の
   アンチモン拡散法。