JPS5837977B2 - 開管式アルミニウム拡散法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体ウエーハ中にアルミニウムを拡散させる
技術に関するもので、更に詳しく言えば、開管形の拡散
管内において半導体ウエーハ中にアルミニウムを選択的
に拡散させる方法に関する。

アルミニウムは半導体デバイス製造用の不純物として数
多くの利点を有している。

すなわち、アルミニウムは拡散速度が早い上、降服電圧
の点から見ても高品質の接合を生み出す。

アルミニウムはまた、シリコンの結晶格子中により良く
適合するため，たとえばホウ素のごとき不純物に比べて
歪みを導入することが少ない。

歴史的に見れば、少なくとも浮遊帯域法シリコンに比べ
てかなりの量の酸素を含有するチョクラルスキー法シリ
コン（ＣＺシリコン）を用いて半導体デバイスを製造す
るためにアルミニウムが使用されたことはほとんどなか
った。

ＣＺシリコン中にアルミニウムを拡散させようと試みた
ところ、許容できないほど多数の酸化アルミニウム錯体
が半導体中に生成された。

ＣＺシリコンについてアルミニウム拡散が失敗した結果
、不純物としてアルミニウムを使用することを避ける風
潮が生じ、そして酸素含量の比較的低い浮遊帯域法シリ
コンが多数の半導体デバイスにおいて使用されるように
なった現在でもその風潮は生き続けている。

閉管式拡散法の場合、不純物としてアルミニウムを使用
することはかなりの成功を収めたように思われる。

しかしながら、閉管式拡散法は幾つかの欠点を有してい
る。

一般的に言えば、拡散後のウエーハを取出すため、拡散
用の閉管は少なくともその一部を切断または破壊するこ
とによって開放される。

ところが、管材料として常用されている石英の価格が上
昇してきたため、閉管式拡散法の経済的不利益は次第に
顕著なものとなりつつある。

それ故、伺回も繰返して使用し得る開管内において拡散
工程を実施する方が望ましいわけである。

閉管式アルミニウム拡散法のもう一つの欠点は、達成・
し得る不純物原子の濃度がある種の半導体デバイスの製
造のためにしばしば必要とされるレベルより低いことで
ある。

すなわち、通例は高々約５ Ｘ １ ０１６個／ｃｒｉ
ｔ．の不純物濃度が達戒可能であるけれど，ある種の半
導体デバイスにおいて約１０１９個／ａ以上の不純物濃
度が要求されることは公知である。

このような理由から、閉管式アルミニウム拡散法が使用
される場合があるとは言っても、限られた種類の半導体
デバイスについて極めて稀に使用されるに過ぎない。

更にまた、半導体デバイスの製造において閉管式アルミ
ニウム拡散法が使用される場合にせよ、その目的はブラ
ンケット拡散（すなわち拡散を受けるべきウエーノ＼の
表面・全体にわたる拡散）を施すことにあるのが常であ
る。

このようなブランケット拡散を施し得る能力は有用であ
り、またそのような目的のためにアルミニウムを使用し
得るという利点は顕著であるとは言え、ウエーハの表面
全体ではなく限定された部分だけに所望の領域（たとえ
ば隔離（アイソレーション）領域）を形成するための選
択的な拡散を施す技術は今なお所望されているのである
。

さて、本発明は半導体ウエーハ中にアルミニウムを拡散
させる方法を提供しようとするものである。

それによれば、ウエーハの表面上にアルミニウムパター
ンが形成され、次いで不活性ガスおよび所定量の酸素を
含有する雰囲気中において拡散を行うことによってアル
ミニウムパターンの直下にｐ形領域が形戒される。

本発明の一実施態様に従えば、ウエーハの表面全体にわ
たって予めアルミニウムを沈着させ、次いで拡散の所望
される区域以外のアルミニウムを腐食除去することによ
って半導体ウエーハの表面上・にアルミニウムパターン
が形成される。

本発明の別の実施態様に従えば、ウエーハ表面の拡散が
所望される区域に溝が彫られる。

次いで、ウエーハの表面全体にアルミニウムを沈着させ
てからラップ仕上を施せば、溝の中にのみ残留したアル
ミニウムがパターンを形成することになる。

拡散それ自体は．従来の不純物（たとえばホウ素）を用
いて適度の拡散時間を達成するために必要とされていた
温度より多少低い温度において行われる。

本発明に従ってアルミニウムを使用すれば、ホウ素の拡
散を行うために必要な時間に比べて１／４〜１／３の拡
散時間で済むことが判明した。

あるいはまた、拡散時間の短かいことが特に重要でない
場合には、従来方法に従って可能であった拡散温度より
もかなり低い拡散温度を使用し得ることか本発明の利点
の一つである。

すなわち、従来は１２５０℃以上の温度において拡散を
行うのが通例であったが、本発明に従えば拡散時間が短
かいという利点を保持しながら１２００℃以下の温度に
おいて拡散を行うことができる。

その上、通例使用される不純物（たとえばホウ素）に比
べてアルミニウムの原子はシリコンの結晶格子中により
良く適合するためのウエーハ中に導入される歪みが少な
いという利益も得られ、更には拡散お′よび以後の加工
に際してウエーハが破損することも少なくなるため歩留
りの実質的な向上も得られるのである。

本発明の更に別の実施態様に従えば，ブランケット（全
面）拡散および隔離（アイソレーション）用拡散を同時
に施すことも可能となる。

拡散工程時にウエーハを包囲する不活性ガス流中に所定
量の酸素を導入すれば、アルミニウムパターンが深い隔
離用拡散のための供給源として役立つばかりでなく、ウ
エーハのパターン非形成部分に拡散するアルミニウム原
子の供給源としても役立つために浅いブランケット拡散
が達成されるのである。

本発明のかかる特徴に基づけば、従来における複数の拡
散工程を単一の工程にまとめることができ、その結果と
して経費の節減が得られることになる。

本発明は、添付の図面を参照しながら以下の説明を読む
ことによって最も良く理解されよう。

先ず第１図には、本発明に基づき．開管形の拡散管内に
おいて選択的なアルミニウム拡散を実施するための装置
が示されている。

すなわち、開放形拡散管１２が発熱体１４の内部に配置
されている。

発熱体１４は、当業者にとって公知のごとき通常の拡散
炉の一部を成すものであれば好都合である。

本発明を実施する際の費用をできるだけ節減するために
は、管１２は石英製のものであればよい。

あるいはまた、シリコン製のものを使用することもでき
る。

管１２の両端には、連結具１６および１８が非密封状態
で配置されている。

連結具１６はガス供給源２０と管１２の内部とを連絡し
、それによって管１２を通る定常的なガス流を生み出す
。

ガス供給源２０と連結具１６との間には、管１２に供給
されるガスの流量を調整するための流量調整器２２が連
結されている。

連結具１８は管１２の他端を外界に連結し、それによっ
て管１２からガスを排出するのに役立つ。

連結具１６および１８が管１２に対して示す密封度は閉
管式拡散法の場合ほど高度でなくてもよいが、拡散工程
に際して周囲の空気が管１２の内部に侵入しない程度の
密封は必要である。

ガス供給源２０からのガス流が管１２の内部に正圧を生
み出すため、上記の必要条件を満足させることは容易で
ある。

同様に、管１２の直径が連結具１８の出口直径にまで縮
小する結果、連結具１８からの排出ガス流によって管１
２への周囲の空気の侵入が阻止される。

なお、一層詳しく後述されるごとく、本発明の実施に際
しては少なくとも約１〜２リットル／分のガス流量が好
適であると判明している。

管１２を通過する所望のガス流量は管１２の直径に依存
する。

約１００ｉπの内径を有する管については、少なくとも
１リットル／分、好ましくは２〜３リットル／分のガス
流量を使用すれば良好な結果が得られる。

管の直径がそれより大きい場合や小さい場合には、管径
の違いを補償するようにガス流量を加減すればよいこと
は言うまでもない。

管１２の内部には複数のウエーハ２６が配置されている
。

ウエーハ２６はボート２８によって支持されているが、
このボート２８は滑動的に管１２の内部に出し入れする
ことが可能である。

ウエーハ２６は管１２の内部におけるガス流の方向と垂
直になるように配置されているが、ガス流に対して平行
に配置する方が望ましい場合もある。

なお、後述の通り，拡散を施すため管１２の内部へ挿入
するのに先立って各々のウエーハ２６上にはアルミニウ
ムパターンが形成されている。

ガス供給源２０は不活性ガス（たとえばアルゴンや窒素
）の供給源および酸素の供給源から成る。

それらの総合流量は少なくとも約１〜２リットル／分で
あるが．好適な範囲は２〜４リットル／分である。

なお、ガス流は本質的に不活性ガスから成っていて、そ
れに約Ｏ〜１０％の酸素が混合される。

ここに記載された実施例ではほぼ純粋なアルゴンが使用
されるが、その他のガスを使用することも可能である。

なお、開管式拡散法に適する当業者にとって自明の不活
性ガスばかりでなく、アルミニウムと反応せずかつ（目
標ウエーハと反応したり目標ウエーハ中に拡散したりす
る）望ましくない不純物を導入しないものであれば、い
わゆる不活性ガスでないガスを使用することも可能であ
る。

実際、本発明に従えば窒素が良好な結果をもたらすこと
も判明しているのであり、従って本明細書中で使用され
る「不活性」という表現は半導体およびアルミニウムに
対する不活性を意味するもので必ずしも全ての元素に対
する不活性するものではない。

本発明に従って拡散を施す際の温度は、所望ならば、従
来技術において使用されてきた温度より多少低くてもよ
い。

歩留りが大きくなりかつデバイス中の応力が少なくなる
点から見れば、拡散温度は低い方が望ましい。

とは言え、拡散温度が低ければ長い拡散時間が必要とな
る。

ところが、本発明方法におけるアルミニウムの拡散速度
は従来の不純物（たとえばホウ素）の拡散速度より遥か
に大きいから、低い温度を使用しても拡散時間の延長が
不要であるばかりか、実際には拡散時間を短縮できる場
合の方が多い。

本発明に従えば約１２００〜１２５０℃の温度において
拡散を行うことが好ましいが、それより低い温度も使用
可能である。

本発明方法によれば実質的にあらゆる種類の選択的拡散
を行うことができるとは言え、単一の半導体ウエーハ上
に多数のべレソトとして形成される半導体デバイスを隔
離するために通例使用されるような隔離用拡散を達成す
る手段として本発明は特に適している。

かかるウエーハの一例を第２図に示す。

ウエーハ２９の各々の主面上にはアルミニウムパターン
が形成されている。

形成すべき半導体デバイスの大きさにもよるが，かかる
ウエーハには数千のペレットが含まれることもある。

しかしながら、もっぱら図解を明快かつ容易にするとい
う目的から、第２図には少数のべレソトのみが示されて
いる。

ペレット３０は、ウエーハ２９の表面を被覆する横方向
のアルミニウム線路３１および縦方向のアルミニウム線
路３２によって仕切られている。

本発明に従ってアルミニウムパターンを形成するには、
幾つかの方法がある。

第３図はかかる方法の一つを図解するものである。

すなわち、シリコンウエーハ３６の相対する主面上にア
ルミニウム層３８および４０が設置される。

アルミニウム層３８および４０を得るためには、たとえ
ばスパッタリング、蒸着などによってシリコンウエーハ
上にアルミニウム層を沈着させればよい。

あるいは、任意の公知技術によってウエーハ上にアルミ
ニウムをめっきしてもよい。

なお，ウエーハの各各の主面上に厚さ約３００００人の
アルミニウム層を設置することが好ましい。

次に．拡散に先立ち、アルミニウム層３８および４０の
一部を除去することによって所望のアルミニウムパター
ンが形或される。

そのためには．写真食刻技術を使用することが好ましい
。

すなわち、アルミニウム層の表面に感光性レジストを塗
布し、マスクを通して露光を行い、次いで拡散を施すこ
とが所望される区域以外からはアルミニウム層を腐食除
去すればよい。

本発明に従えば、腐食工程の後、たとえば塩酸や王水を
用いてウエーハの清浄工程を実施することが好ましい。

それによれば、ウエーハの表面から重金属が除去される
と同時にアルミニウム層の一部も除去されることになる
。

本発明に従って満足すべき結果を得るために役立つ一連
の清浄工程を述べれば、先ず２０係程度の濃度を有する
希塩酸中で洗浄して薄い酸化膜を除去し、次に水酸化ア
ンモニウムと過酸化水素との混合溶液（たとえば５０：
５０溶液）を用いて脱脂を行い、それから沸騰王水中で
洗浄して重金属不純物を除去すればよい。

なお、最後の工程によればアルミニウムの一部も除去さ
れる。

ウエーハ３６の上面に残留したアルミニウムパターン４
２および下面に残留したアルミニウムパターン４４は次
の拡散工程におけるアルミニウム供給源となる。

前述の通り、そしてまた一層詳しく後述される通り、拡
散工程は約１２００℃の温度で実施される。

その場合の所要時間は隔離用拡散４６を施すべきウエー
ハ３６の厚さによって決定される。

本発明に従って拡散を行うために必要なアルミニウムパ
ターンを形成する別の方法を第４図に示す。

すなわち、ウエーハ４８の食刻により、最終的にアルミ
ニウムパターンの存在することが所望される区域に溝５
０が設けられる。

かかる溝５０は当業者にとって公知の任意の方法によっ
て形成することができる。

たとえば写真食刻法に基づき、ウエーハ４８の表面に感
光性レジストを塗布し、次いでマスクを通した露光によ
って目的の区域の食刻を行えばよい。

次に、ウエーハ４８の（溝５０を含めた）表面全体にわ
たってアルミニウム層５２を沈着させるが、その厚さは
約３００００人程度であることが好ましい。

アルミニウム層５２を沈着させた後、ウエーハ４８の両
面にラップ仕上を施すことにより、予め設けられた溝５
０の内部を別にすれば全てのアルミニウムが除去される
。

その結果、溝の中に残留したアルミニウムにより，ウエ
ーハ４８の上面および下面にはアルミニウムパターン５
４および５６がそれぞれ形成される。

かかるパターン形戒後のウエーハ４８に対しては，第３
図に関連して前述したような清浄工程を実施することが
好ましい。

次いで開管式アルミニウム拡散法を実施すれば，第４Ｄ
図に示すような領域５１が形成されることになる。

本発明に従って選択的なアルミニウム拡散を行うために
必要なアルミニウムパターンを形成する更に別の方法を
第５図に示す。

すなわち、たとえば水酸化アンモニウム、塩酸、王水な
どを用いた通常の清浄工程により、シリコンウエーハ６
０に金属被覆のための前処理が施される。

次いで、半導体ウエーハ上に金属を沈着させるためのめ
つき、スパッタリング、またはその他の公知技術によっ
てウエーハ６０の上面および下面にアルミニウム層６２
および６４がそれぞれ形成される。

なお、アルミニウム層６２および６４の厚さは少なくと
も約３０００ＯＡとすることが好ましい。

そうすれば、以後の工程によって多少のアルミニウムが
除去されることがあっても、本発明の選択的な開管式ア
ルミニウム拡散法を実施するために十分な厚さのアルミ
ニウム層が残留することになる。

次に、たとえば写真食刻法によってアルミニウム層６２
および６４のパターン形成を行えば、ウエーハ６０の上
面および下面に独立したアルミニウム領域６６および６
８がそれぞれ残留する。

なお、アルミニウム領域６６および６８は第２図に関連
して前述したようなアルミニウム線路を成していれば好
都合である。

パターン形成の後、第３図に関連して述べたごとく塩酸
や王水を用いた清浄工程をウエーハ６０に施して重金属
不純物を除去することが好ましい。

かかる清浄工程においては所望のアルミニウムパターン
から一部のアルミニウムが除去されるけれども、最初の
厚さを十分に大きくしておけば拡散を行うのに十分な厚
さのアルミニウム層が残留するから差支えはない。

清浄工程後の厚さが少なくとも５００人であり、かつそ
れがパターン全体にわたって一様であれば、良好な結果
の得られることが確認されている。

少なくとも５００Ａの厚さを十分な確実さをもって保証
するためには，２０００Ａの公称厚さが好適であると判
明した。

清浄工程の後．約１０００℃の温度で２〜４時間の加熱
を行うことによってアルミニウムがシリコンウエーハと
合金化される。

かかる加熱は約１〜２係の酸素を含有するアルゴンまた
は窒素の雰囲気中において行うことが好ましい。

このような合金化工程によってシリコンウエーハの内部
に領域７０が生じるが、これらはアルミニウムとシリコ
ンとの合金から戒るか、あるいは少なくとも（ １ ０
２０原子／一を越える）極めて高い濃度のアルミニウム
を含有している。

それに加えて、ウエーハ６０を被覆するガラス層７４も
生じる。

なお，領域７０およびガラス層７４はウエーハ６０の上
面および下面の両方に形威される。

以後の加工に先立ち、ウエーハ６０からガラス層Ｔ４を
除去することが好ましい。

そのためには、たとえば，希フツ化水素酸で腐食し、水
酸化アンモニウムと過酸化水素との混合溶液次いで王水
で処理し、それから水洗すればよい。

このような清浄工程によればガラス層７４が除去される
一方、金属アルミニウム層７２も重金属不純物と共に除
去されるから、上面および下面にアルミニウムーシリコ
ン合金領域７０を有する第５Ｅ図のごときウエーハが得
られることになる。

次の拡散工程に際しては、これらの領域７０が好適なア
ルミニウム供給源を成すのである。

拡散工程自体は第１図に関連して前述したような装置を
用いて実施される。

好ましくは，約１咎の酸素を含有する窒素雰囲気中にお
いて約１２００−１２５０℃の温度で拡散が行われ、そ
れによってｐ形領域７５が形成される。

厚さ約８ミルのウエーハを用いて本発明を実施する場合
，デバイス中に追加の領域を形成するため引続いてホウ
素を拡散させることが予定されていれば、実際のアルミ
ニウム拡散は約１０時間にわたって行うだけで事足りる
。

なぜなら、ホウ素拡散は比較的浅い領域を形戒する場合
であっても通例約３０時間を要するから、その間に追加
のアルミニウム拡散が起こるのである。

第５Ｆ図は拡散工程後のウエーハの側断面図である。

なお、アルミニウムーシリコン合金領域は拡散によって
完全に消失するわけではなく、従って相対的に高いアル
ミニウム濃度を持った領域７０がウエーハの表面に残留
することに留意されたい。

第６図は、本発明に従ってブランケット拡散７６および
隔離用拡散７７を同時に施したウエーハの側断面図であ
る。

ブランケット拡散および隔離用拡散を同時に施すべきウ
エーハの前処理は、第３，４または５図に関捜して前述
した通りである。

拡散工程に際しては、気化したアルミニウムの全てが不
活性ガス流中の酸素により酸化されて排除されることが
ないよう、不活性ガス流中の酸素の量を低減させること
が必要である。

すなわち、ブランケット拡散および隔離用拡散を同時に
施すためには、不活性ガス流中の酸素の量を約０〜約１
俤にまで低減させることが必要なのである。

拡散工程の初期段階においては、ブランケット拡散を開
始させるため不活性ガス流中に酸素を導入しない方が望
ましい場合もある。

次いで、ブランケット拡散が開始してから不活性ガス流
中に酸素を導入すれば、既にウエーハ中に存在するアル
ミニウム原子の拡散が妨げられることはないが、ウエー
ハ上に形成されたアルミニウムパターンが新たにアルミ
ニウム原子を供給することは阻止される。

それ故、ブランケット拡散を施された領域中における不
純物濃度は効果的に制御されることになる。

第７図は、本発明方法の使用によって得られる時間的な
利益を図示するグラフである。

この図を見ればわかる通り、たとえば各々の表面から約
４〜４．５ミルの深さの拡散を必要とする厚さ約８〜９
ミルのウエーハの場合、不純物としてホウ素を使用すれ
ば約１６０時間を要する拡散が本発明方法においては約
４５時間で達或し得るのである。

同様に、ホウ素を使用すれば約２３０時間を要する拡散
が約７５時間で達成し得る。

このように．実質的な時間の節約が得られることは明ら
かである。

とは言え、本発明方法が特に有用となるのは、更に厚さ
の大きい大電力用デバイス中に隔離領域を形成すること
が所望される場合である。

第Ｉ図を見ればわかる通り、厚さ約１４ミルのウエーハ
の場合、従来方法に従って拡散を行えば４００時間以上
を要するのに際し、本発明方法に従えばホウ素を用いて
厚さ８ミルのウエーハに同様な拡散を施すために必要な
時間より短かい時間で拡散が達成されるのである。

以上、幾つかの実施例に関連して本発明を詳しく説明し
たが、前記特許請求の範囲によって定義された本発明の
範囲から逸脱することなく形態や細部に一ついて様々な
変更を加え得ることは当業者にとって自明であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための装置の略図、第２
図は本発明方法において使用するため表面上にアルミニ
ウムパターンを配置したシリコンウエーハの上面図、第
３図は第２図に示されたようなパターン付きウエーハを
形成する手順を示す一連の断面図．第４図は本発明の別
の実施態様に従ってパターン付きウエーハを形成する告
順を示す一連の断面図、第５図は本発明の更に別の実施
態様に従ってパターン付きウエーハを形成する手順を示
す一連の断面図、第６図は本発明に従ってブランケット
拡散および選択的な隔離用拡散を同時に施したウエーハ
の断面図、そして第７図は様様な深さにまで拡散を施す
のに要する時間を本発明方法と従来方法との間で比較し
て表わすグラフである。 図中、１２は開放形拡散管、１４は発熱体、１６および
１８は連結具、２０はガス供給源、２２は流量調整器、
２６はウエーハ、２８はボート、３０はペレット，そし
て３１および３２はアルミニウムパターンを表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ウエーハに対し相対的に浅いブランケット拡
   散および相対的に深い選択的な隔離用拡散を同時に施す
   方法において、半導体ウエーハを用意し、前記ウエーハ
   の少なくとも一方の表面のうち相対的に深い隔離用拡散
   を施すことが所望される区域のみにアルミニウムパター
   ンを選択的に形成し，開管形の拡散管内に前記ウエーハ
   を挿入し、前記管の第１の末端に不活性ガス流を導入し
   かつ前記管の第２の末端から前記不活性ガス流を排出さ
   せ、そして前記ウエーハ中にアルミニウムが拡散するの
   に十分な温度に前記管を加熱して、前記アルミニウムパ
   ターンの存在せる区域内ではアルミニウムが前記ウエー
   ハの内部へ直接に拡散して相対的に深い隔離用拡散をも
   たらす一方、前記アルミニウムパターンの存在しない区
   域内では前記アルミニウムパターンから気化したアルミ
   ニウムが前記ウエーハの表面に拡散して相対的に浅いブ
   ランケット拡散をもたらし、該ブランケット拡散が開始
   された後に所定量の酸化性ガスを前記不活性ガス流中に
   導入して，前記アルミニウムパターンからのアルミニウ
   ムの拡散を継続させながらアルミニウムの気化を停止さ
   せることを特徴とする方法。 ２ 前記アルミニウムパターンを選択的に形成する工程
   が、同じ形状で互いに整合したアルミニウムパターンを
   前記ウエーハの両面に形成することからなる、特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記アルミニウムパターンを選択的に形或する工程
   が、前記ウエーハのほぼ表面全体にわたってアルミニウ
   ムを沈着させ、次いで隔離用拡散を施すことが所望され
   る区域以外の区域にある前記アルミニウムの全てを腐食
   除去することからなる、特許請求の範囲第１または第２
   項記載の方法。 ４ 前記不活性ガス流が前記管の内径１００ｍｍに付き
   約１〜約５リットル／分の流量で導入される、特許請求
   の範囲第１または第２項記載の方法。 ５ 前記所定量の酸化性ガスが約Ｏ〜約１俤の酸素から
   成る、特許請求の範囲第５項記載の方法。