JPS5853500B2 - 不純物拡散方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体に不純物元素を低濃度に拡散する方法に
関する。

従来、半導体に不純物元素を低濃度で拡散するのは非常
に困難であった。

いま、シリコン中に不純物としての■族元素を低濃度に
拡散する場合を考える。

シリコン基板上に■族元素の酸化物を含む二酸化けい素
膜を形成し、これを拡散源としてシリコン中に■族元素
を拡散する方法（ドープドオキサイド拡散法）は、半導
体素子製造上よく用いられる方法である。

しかし、この方法で制御できる表面濃度は１０１８〜１
０２０ｃｒＩＬ−３であり、１０１７ｃＩＩｌ−３以下
の低濃度拡散は制御が難しく、再現性が極端に悪かった
。

その理由としては、表面濃度を１０１７ｃｒ／Ｌ−３以
下の低濃度にするためにはキャリアガス中のドーパント
の量を極端に低くする必要があり、このようにキャリア
ガス中のドーパントの量が低くなるとドープ量の制御が
難しくなるということがあげられる。

また、第１図に示すように、拡散源である不純物含有二
酸化けい素中のＶ族元素の酸化物（Ｐ２０５ ＊ ＡＳ
２０３ ｔ Ｓｂ２０４など）の濃度が数多以上の範囲
では同被膜を不純物源として拡散処理したシリコン基板
の表面濃度は飽和する傾向であるが、■族元素の酸化物
の濃度が小さい範囲では同表面濃度が急速に変化するの
でその制御は非常に難しくなる。

このように通常のドープドオキサイド拡散では低濃度拡
散の制御が困難なため、不純物源と基板との間に１００
λ程度の非常に薄い二酸化けい素膜を介在させ、この薄
膜をとおして■族元素を拡散する方法も試みられている
が、このような薄い膜を制御するのは困難であり、再現
性が悪い。

以上の理由により、ドープドオキサイド拡散法において
は１０１７ｃＩｒＬ−３以下の低濃度拡散を制御するの
は非常に困難であった。

また現在、ｎ型の低濃度拡散を実現するには、イオンイ
ンプランテーションが用いられているが、犬がかりな装
置と長時間のアニーリングが必要なため、より簡単なｎ
型低濃度拡散法が望まれていた。

本発明は上述の問題点を解決し、製造工程が非常に容易
で、再現性の高い低濃度拡散層の得られる不純物拡散方
法を提供することを目的とし、合わせて上記低濃度層と
高濃度層とを選択的に同時に形成できる不純物拡散方法
をも提供するものである。

本発明は、水素原子を含有するガス雰囲気、特に水素ま
たは水素化合物を含む雰囲気中で熱処理を行うことによ
り、第１または第２の被膜としての二酸化けい素膜中の
シリコンと酸素との結合の一部を分離することにより、
二酸化けい素膜中の不純物元素の拡散速度を早め、この
二酸化けい素膜をとおしての不純物元素の拡散を可能に
するものである。

すなわち、第２の被膜としての高濃度の不純物元素を含
んだ二酸化けい素膜から、拡散浸透により低濃度の不純
物元素を含んだ第１の被膜としての二酸化けい素膜を形
成し、この低濃度の不純物元素を含んだ酸化膜を拡散源
に用いるので、二酸化けい素膜中での不純物元素の濃度
、同不純物源としての酸化膜の厚さ、水素または水素化
合物雰囲気中での熱処理の温度ならびに処理時間で表面
濃度および拡散の深さを精度よく制御することができる
。

また、水素化合物としてアンモニアを用いれば水素を用
いるような爆発の危険性を避けることができる。

以下に本発明を図面とともに実施例に基いて説明する。

第２図〜第７図は本発明の各実施例を示す断面図である
。

第２図において、比抵抗１０〜２０Ω鼾のｐ型シリコン
半導体基板１に熱酸化により１０００人の第１の被膜と
しての二酸化けい素膜２を形成し、８００℃の水素ガス
雰囲気中で１時間の熱処理を行った後、その上に膜厚５
０００人のＰ２Ｏ５−８ｉＯ２の第２の被膜としての混
合膜３をＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成する。

Ｐ２Ｏ，−８ｉ０２膜３の付着の条件は、基板１の温度
４００℃、Ｎ２ガス３８１／分、０２ガス１００ｍ１１
分、ＳｉＨ４／Ａｒガス２７０ｍ１１分、ｐＨ３／Ｎ２
ガス２００ｍＡ！／分、ＰＨ３濃度７ ％ ノ混合気体
からの気相反応である。

その後、窒素雰囲気中で１１００℃２時間の拡散処理を
行った。

その結果、ｎ型不純物拡散層４が形成され、その表面濃
度は１×１０１６ｃｒｆＬ−３、深さは０．３３μｍで
あった。

水素雰囲気中で熱処理しなかった試料については、同一
拡散条件の工程においてｐ型シリコン基板１へのｎ型不
純物拡散は生じなかった。

ところで、ｐ型シリコン基板１に直接、Ｐ２Ｏ５８１０
２の混合膜３をＣＶＤ法により形成して、表面濃度を１
×１０１６ｃｆｒＬ−３にしようとしたが、そのために
はＰＨｓ ／ Ｎ２ガスの流量を極端に小さくする必要
が、あり、第１図に示したようにＰ２Ｏ５濃度に対して
表面濃度が急激に変化するので再現性が非常に悪かった
。

本発明の他の実施例として第２図において、比抵抗１０
〜２０Ω礪のｐ型シリコン基板１に熱酸化により１００
０人の酸化けい素膜２を形成し、その上に膜厚５０００
人のＰ２Ｏ５−８ＩＯ２の混合膜３をＣＶＤ法により形
成する。

Ｐ２Ｏ５−Ｓ ｉｏ２混合膜３の形成条件は実施例１と
同一条件である。

その後、水素ガス雰囲気中で１１００℃、２時間の拡散
を行った結果、表面濃度５×１０１６ｃｒｒＬ−３深さ
０．６μｍのｎ型不純物拡散層４がえられた。

水素雰囲気中で９００℃、１時間の熱処理をした後、ち
つ累算囲気中で１１００℃、２時間の拡散を行った場合
は、表面濃度２×１０１６ｃＩｒＬ−３、深さ０．４μ
ｍのｎ型拡散層４がえられた。

また、水素雰囲気中で熱処理をせず、ちつ累算囲気中で
１１００℃、２時間の拡散を行った試料については、ｐ
型半導体基板１にｎ型不純物拡散層は形成されなかった
。

本発明の更に他の実施例として第２図において、比抵抗
６〜１０Ωαのｐ型シリコン半導体基板１の表面に熱酸
化により５０００Ａの酸化けい素膜２を形成し、ＣＶＤ
法ニヨ’） Ｐ ２０５ Ｓ ｔ ０２ （７）混合
膜３を５０００λ形戊する。

ＣＶＤ法は実施例１と同一条件である。

ついで、これをアンモニア気流中（流量２１／分）で１
０００℃、１時間熱処理し、その後ちつ累算囲気中で１
１５０℃、９０分間拡散した。

その結果、表面濃度５×１０１６ｃｒｒＬ′、深さ０．
４μｍのｎ型不純物拡散層４が形成された。

以上説明したように本実施例では、半導体基板に不純物
を１０１７ｃｍ−３以下の低濃度で再現性よく拡散する
ことができる。

以下に本発明を用いて、半導体基板に不純物元素の低濃
度層と高濃度層とを選択的に同時に形成する本発明の実
施例を述べる。

第３図において、ｐ型シリコン基板１を熱酸化すること
により一様な厚さの第１の被膜としての二酸化けい素膜
２を形成し、写真食刻法により同二酸化けい素膜２の一
部を窓あけして二酸化けい素膜２を残す。

次に、この二酸化けい素膜２を水素または水素化合物を
含む雰囲気中で熱処理した後、上記二酸化けい素膜２お
よび同窓部の上記シリコン基板１上に、Ｖ族元素の酸化
物を含む第２の被膜としての二酸化けい素膜３を形成す
る。

そしてこの基板１を所定雰囲気中で熱処理することによ
り、高濃度拡散層４および低濃度拡散層５が形成される
。

また、酸化けい素膜２の代わりに、窒化けい素膜、酸化
けい素膜のうち少なくとも一方を含む膜を用いても可能
である。

実際に実験した結果を以下に示す。

比抵抗６〜１０Ω儂のｐ型シリコン基板１を弔いで、５
０００人の二酸化けい素膜２を形成する。

アンモニア気流（流量２１７分）中において、１０００
℃、１時間の熱処理をして、その後ＣＶＤ法（ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ ｖａｐ−ｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によ
りＰ２Ｏ５−Ｓ ｉ０２の混合膜３を５０００人形成す
る。

Ｐ２Ｏ，−８ｉＯ２膜３の付着の条件は、基板温度４０
０℃、Ｎ２ガス３８１／分、０２ガス１００ｍＪ／分、
５ＩＨ４／Ａｒガス２７０ｍ／／分、ｐＨ３／Ｎ２ガス
２００ ｍｌ１分、ｐＨ３濃度７饅である。

その後、ちつ累算囲気中、１１５０℃で１５０分間拡散
処理した結果、高濃度拡散層４と低濃度拡散層５とが形
成され、高濃度拡散層４の表面濃度は５×１０２０ｃｆ
ｒＬ−３、深さ７μｍで、低濃度拡散層５の表面濃度は
Ｉ Ｘ １０１７ｃｒｆＬ−３、深さは１μｍであった
。

なお、アンモニア雰囲気中で熱処理するかわりに窒素雰
囲気中で熱処理した試料については、低濃度拡散層５は
形成されなかった。

つぎに第４図の実施例について説明する。

ｐ型半導体基板１の表面に熱酸化により二酸化けい素膜
を設け、写真食刻法により二酸化けい素膜の一部の厚さ
を変えて、第４の被膜としての薄い二酸化けい素膜２お
よび厚い二酸化けい素膜２′を形成する。

その後、水素または水素化合物を含む雰囲気中で熱処理
した後、■族元素の酸化物を含む第２の被膜としての酸
化けい素膜３を形成する。

所定雰囲気中で拡散処理することにより、高濃度でかつ
深い拡散領域４および低濃度かつ浅い拡散領域５という
深さと表面濃度の異なるｎ型不純物拡散層を形成するこ
とができる。

なお、■族元素の酸化物を含む二酸化けい素膜３を形成
した後、水素または水素化合物を含む雰囲気中で熱処理
してもよい。

また、二酸化けい素膜２，２′のかわりに、窒化けい素
および酸化けい素膜の少なくとも一方を用いる実験結果
を以下に示す。

比抵抗１０〜２０Ω確のｐ型シリコン基板１の表面に、
熱酸化により１０００人の酸化けい素膜を形成し、その
一部を写真食刻法により窓あけし、さらに１０００人の
酸化けい素膜をＣＶＤ法により形成し、膜厚１０００人
の酸化けい素膜２および膜厚２０００人の酸化けい素膜
２′を形成する。

ついでアンモニア気流（２１／分）中で１０００℃、６
０分間熱処理した後、ＣＶＤ法によりＰ２Ｏ５−８＋
０２の混合膜３を形成した。

その条件は第３図の説明でのべた実施例の条件と同じで
ある。

窒素雰囲気中で１１００℃、２時間拡散した結果、膜厚
１０００人直下にはｎ型不純物拡散層４、膜厚２０００
人直下にはｎ型不純物拡散層５が形成された。

ｎ型不純物拡散層４の表面濃度はｌＸｌ０１７ｃＩｎ、
−”深さ０８μｍであり、ｎ型不純物拡散層５の表面濃
度は４×１０１６ＣｒｒＬ−３、深さ０．４μｍであっ
た。

次に、第５図、第６図の実施例について述べる。

ｐ型半導体基板１を熱酸化することにより第１の被膜と
しての酸化けい素膜２を形成し、その上に■族元素を含
む第２の被膜としての酸化膜３を形成する。

第５図に示す実施例においては、上記工程後酸化膜３上
の所定個所に、第３の被膜としての酸化けい素膜６を形
成し、その後水素または水素化合物を含む雰囲気中で熱
処理を行い、さらに必要な場合は所定雰囲気中で熱処理
を行って、ｎ型低濃度拡散層４を形成する。

酸化けい素膜６のかわりに、多結晶シリコン、窒化けい
素膜、酸化けい素膜の少なくとも一方を含む膜を形成し
てもよい。

第６図に示す実施例においては、酸化膜３上の所定個所
にたがいに膜厚の異なる酸化けい素膜７および８を形成
し、水素および水素化合物の少なくとも一方を含む雰囲
気中で熱処理を行い、さらに必要な場合は所定雰囲気中
で熱処理を行って、ｎ型不純物拡散層４および５を形成
する。

実際には第５図の場合、比抵抗１０〜２０Ω工のｐ型シ
リコン基板１を用い、熱酸化により１０００人の酸化膜
２を形成し、ＣＶＤ法（ｃｈ−ｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏ
ｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、Ｐ２Ｏ。

−８ｉ０２の混合膜３を５０００人形成する。

Ｐ２Ｏ，−５ｉｏ２膜３の付着の条件は、基板温度４０
０℃、Ｎ２ガス３８１／分０２ガス１００ｍ１／分Ｓ
ｉＨ４／ Ａｒ ガス２７０１ｒＬｌ／分、ｐＨ８／Ｎ
２ガス２００ＴｆＬｌ／分、ＰＨ３濃度７係である。

その後、膜厚「μｍの酸化けい素膜６をＣＶＤ法により
形成し、写真食刻法により一部を窓あけし、次に、これ
を水素雰囲気中（流量１１／分）で８００℃、１時間の
熱処理をした後、窒素雰囲気中で１１００℃１時間の拡
散を行った。

その結果、表面濃度１Ｏ１７ｃＩＩＬ−３、深さ０．５
μｍのｎ型不純物拡散層４がえられた。

第７図の実施例においては、ｐ型シリコン基板１上に熱
酸化により第１の被膜としての酸化けい素膜２を形成す
る。

その後、水素および水素化合物の少なくとも一方を含む
客間・気中で熱処理を行ない、該酸化けい素膜２上の所
定個所に、ＣＶＤ法および写真食刻法により酸化けい素
膜９を形成し、さらにＣＶＤ法により■族元素の酸化物
を含む第２の被膜としての酸化けい素膜３を形成し、所
定雰囲気中で熱処理を行い、ｎ型低濃度不純物拡散層４
を形成する。

実際には、１０〜２０Ωαのｐ型シリコン基板１を用い
、熱酸化により２０００人の酸化けい素膜２を形威し、
アンモニア気流（流量２１／分）中、１０００℃、１時
間の熱処理をした後、ＣＶＤ法と食真食刻法を用いて、
膜厚１μｍの酸化けい素膜９を形成する。

ＣＶＤ法により、Ｐ２Ｏ，−Ｓ ｉ０２の混合膜３を形
成し窒素雰囲気中、１１００℃で２時間拡散した結果、
表面濃度７×１０１６ｃＩｒＬ−３、深さ０．５μｍの
ｎ型不純物拡散層４がえられた。

第７図に示す実施例において、酸化けい素膜２を形成し
た後、該酸化けい素膜２上の所定個所に多結晶シリコン
、窒化けい素膜、酸化けい素膜の少なくとも一つを含む
膜を形成し、水素および水素化合物を含む雰囲気中で熱
処理を行い、その後、■族元素の酸化物を含む酸化けい
素膜３を形成し、熱処理を行うことによりｎ型低濃度不
純・物拡散層４を形成することも可能である。

以上説明したように本発明の不純物拡散方法は、不純物
を含有する第２の被膜からの不純物が、活性ガス雰囲気
中で熱処理された第１の被膜に浸透し、この第１の被膜
を拡散源として半導体基板に不純物を拡散するため、半
導体基板に形成される不純物層は非常に低濃度となり、
１０１７ｃｒｒＬ″″３以下の低濃度層も、不純物元素
の濃度、第１または第２の被膜の厚さ、水素原子を含有
するガス雰囲気中での熱処理の温度、ならびに処理時間
等で、半導体基板の表面濃度および不純物の拡散の深さ
を容易に精度良く制御することができる。

また、本発明を用いることにより高濃度層と１０１７ｃ
ＩｒＬ−３以下の低濃度層とを同時に選択的に再現性良
く形成することができる。

以上の実施例においては、半導体基板としてはシリコン
を用い、不純物拡散源としては、リンを用いてｎ型の低
濃度不純物拡散層を形成する過程についてのべたが、リ
ン以外の■族元素ヲ用いること、および口族元素を用い
てｐ型の低濃度不純物拡散層を形成することも可能であ
る。

また、半導体としてシリコン以外のもの、たとえばＧｅ
。

ＧａＡｓ 、 ＧａＰなどを用いることも伺ら本発明の
主旨を妨げるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例における拡散特性を示す図、第２図〜第
７図は本発明の不純物拡散方法の各実施例を示す断面図
である。 １・・・・・・半導体基板、２ 、２’・・・・・二酸
化硅素膜（第１の被膜）、３・・・・・・不純物元素を
含む酸化膜（第２の被膜）、４，５・・・・・・不純物
拡散層、６・・・・・・二酸化硅素膜（第３の被膜）、
７〜９・・・・・・二酸化硅素膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上に不純物の浸透を制御する第１の被膜
   を形成する工程と、前記第１の被膜上に前記不純物を含
   有する第２の被膜を形成する工程と、前記第１の被膜を
   水素原子を含有するガス雰囲気中で熱処理を行なう工程
   とを備えたことを特徴とする不純物拡散方法。 ２ 第１の被膜が酸化硅素膜よりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の不純物拡散方法。 ３ 水素原子を含有するガス雰囲気がアンモニアよりな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の不純物拡散方法。 ４ 第１の被膜が選択的に膜厚を違えて形成されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項または
   第３項に記載の不純物拡散方法。 ５°半導体基板上に不純物の浸透を制御する第１の被膜
   を形成する・工程と、前記第１の被膜上に前記不純物を
   含有する第２の被膜を形成する工程と、前記第２の被膜
   上に水素原子を含有するガスの浸透を制御する第３の被
   膜を選択的に膜厚を違えて形成する工程と、前記第３の
   被膜を形成後、前記第１の被膜を水素原子を含有するガ
   ス雰囲気中で熱処理を行なう工程とを備えたことを特徴
   とする不純物拡散方法。