JPS5917243A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ｎ型シリコン基板−１のｐ型拡散層の形成方
法に係り、特に、ガリウムおよびほう素のイオン打込み
によシ深いｐ型拡散層を形成するのに好適な半導体装置
の製造方法に関する。

従来、ｎ型シリコン基板に深いｐ型拡散層を形成する方
法として、はう素の高温・長時間の拡散や、はう素よシ
拡散が速いアルミニウムやガリウムのアンプル拡散を用
いていた。

′　はう素の深い拡散においては、ｎ型シリコン基板に
イオン打込みやＢＮ対向拡散によシブレゾポジションし
たのち、非常に高温で長時間の拡散を行なっている。

例えば、基板ｆＩｋ度が１ｘｔ０１５　（キャリヤ数／
（ｍ’）のｎ型シリコン基板に、表面濃度が１ＸＩＯ１
９（キャリヤ数之Ｃｍ３）で接合深さが２０（μｍ）の
ｐ型拡散層を形成する場合、はう素置がｌＸｌ０１５　
（個／Ｃｍ−２）のプレデポジションを行なった後、１
２５０ｔＴで５時間のドライブイン拡散をする必要がち
９、プロセスの低温化および短時間化に対して問題があ
った。

また、アルミニウムやガリウムのアングル拡散において
は、アルミニウムやガリウムの蒸気圧が低いため、真空
間を１０−’トール程度に保った封管中に、拡散源およ
びｎ型シリコン基板を入れて拡散を行なっている。

例えば、上８ｉ２真空度に保った封管中でｎ型シリコン
基板（基板濃度＝Ｉ　Ｘ　１０１５ｃｍ−３）に−表面
濃度がｌＸｌＯ１９（キャリヤ数／Ｃｒｎ−３）で接合
深さが２０（μｍ）のｐ型拡散層を形成する場合、１２
５０［で拡散するとして、アルミニウムでは、１時間程
度、ガリウムでは２時間程度の拡散で達成でき、はう素
に比べて非常に短時間ですむが、以下の様な問題があっ
た。

まず第１点は、装置やプロセスが複雑で量産性が低く、
コスト高になってしまう。

第２点として、アンプル拡散後、様々な熱処理プロセス
が入るので、シリコン基板のｐ型拡散層の表面附近のア
ルミニウムやガリウムが外向拡散して、表面附近のｐ型
キャリヤ濃度が低下してしまうため、アングル拡散後、
はう素拡散を行なって表面附近のｐ型キャリヤ濃度を補
なってやる必要があり、拡散プロセスが多くなるという
問題があった。

本発明の目的は、従来の深いｐ型拡散層を形成する方法
の有する上記問題点を解決し、ガリウムおよびほう素の
イオン打込みを用いることによシ、拡散プロセスが容易
で、短時間かつ比較的低温で、深いｐ型拡散層を形成す
ることのできる半導体装置の製造方法を提供することに
ある。

上記目的を達成するため、本発明は、以下の方法によＬ
　　”型シリコン基板にｐ型拡散層を形成するものであ
る。

ｎ型シリコン基板表面上に、ガリウムイオン打込みの飛
程よシ充分厚く、かつ、はう素イオン打込みの飛程より
充分薄いシリコン酸化膜を形成し、さらに、ガリウムイ
オン打込みおよびほう素イオン打込みの飛程よシ充分薄
いシリコン窒化膜を形成する。

その後、上記シリコン窒化膜を通して上記シリコン酸化
膜中にガリウムイオン打込みを行ない、さらに、上記シ
リコン窒化膜および上記シリコン酸化膜を通して上記ｎ
型シリコン基板中にほう素イオン打込みを行なう。

この試料を熱処理すると、窒化膜・酸化膜を通して上記
ｎ型シリコン基板中に打込まれたほう素は活性化および
拡散して、ｐ型拡散層が形成され、また、上記シリコン
酸化膜中に打込まれたガリウムは上記シリコン窒化膜を
マスクとして上記ｎ型シリコン基板に効率良く拡散し、
はう素の拡散によるｐ型拡散層よシ深いガリウムによる
ｐ型拡散層が形成される（これはガリウムの拡散係数が
ほう素よシー桁以上大きい事による）。

このように、本発明はｐ型拡散層の形成において、比較
的浅い部分はほう集鉱散層により、また、比較的深い部
分はガリウム拡散層によシ形成することをガリウムおよ
びほう素の同時イオン打込み、および同時熱処理により
達成できる。

また、通常シリコン基板中のほう素イオン打込み層は、
酸化性雰囲気中で熱処理すると、形成されるシリコン酸
化膜中に取シ込まれるため、シリコン基板中のほう素の
量は減少し、はう素の量の制御性が悪くなるが、本発明
においては、上記シリコン窒化膜が完全に酸化されるま
での熱処理において、はう素が充分深くシリコン基板に
拡散するため１．上記シリコン窒化膜を完全に酸化し、
ひきつづき酸化熱処理をしても、はう素のシリコン酸化
膜へ取シ込まれる量は無視できるほど小さい。

さらに、熱処理を酸化性雰囲気で行なうことによシ、上
記シリコン窒化膜を完全に酸化させることによシ、本発
明によりｐ型拡散層を形成したのちのホトエツチングが
、上記シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の２つの層
の複雑なものから、シリコン酸化膜のみの簡学なものに
なる。

以下、本発明を、電力用トランジスタの深いペース形成
および萬耐圧集積回路のアイソレーション形成に適用し
た実施例を用いて詳細に説明する。

実施例 まず、電力用トランジスタへの適用について、第１図〜
第６図を用いて説明する。

第１図に゛示すように、抵抗率が５Ω・αのｎ型シリコ
ン基板ｌの表面に、水蒸気酸素雰囲気中で１０００ｔ？
、３０分の酸化によシ膜厚が０．３ｐｍのシリコン酸化
膜２を形成し、さらに、通常のＣＶＤ法を用いて膜厚が
２５ｎｍのシリコン窒化膜３を形成し、通常のホトエツ
チング法により、ベース領域以外の部分のシリコン窒化
膜を除去した。

次に、第２図に示すように、水蒸気酸素雰囲気中で１０
０ＯＣ，３時間の酸化を行ない、上記シリコン窒化膜３
をマスクとして、ベース領域以外の部分に、膜厚が０．
９μｍのシリコン酸化膜４全形成した。

このとき、シリコン窒化膜３は、表面から１０ｎｍ酸化
され、その膜上には膜厚１５ｎｍのシリコン酸化膜５が
形成された。

次に、第３図に示すように、ガリウムイオン６を１００
　ｋｅｙで５×１ｏ１５ｉｏｎｓ／ｃｒＩＴ２　　たけ
イオン打込みし、上記シリコン酸化膜５および上記シリ
コン窒化膜３全通して上記シリコン酸化膜２中に、およ
びシリ−コン酸化膜４中にガリウムイオン打込み層７を
形成したのち、はう素イメン８をｉｏ。

ｋｅｖで２　Ｘ　１０　”　５ｉｏｎｓ　／Ｃｒｎ”　
　だけイオン打込ミシ、上記のシリコン酸化膜５、シリ
コン窒化膜３およびシリコン酸化膜２を通してシリコン
基板ｌ中にほう素イオン打込み層９を、また、シリコン
酸化膜４中にほう素イオン打込み層１０を形成した。

その後、第４図に示すように、水蒸気酸素雰囲気中で、
１２５０ｒ、２時間の熱処理を行ない、上記シリコン酸
化膜２中のガリウムをシリコン基板ｌに拡散し、深さ１
７μｍのガリウム拡散層１３を形成し、また、シリコン
基板ｌ中の上記はう素イオン打込み層９のほう素を活性
化ならびに拡散させ、深さ１０μｍのほう集鉱散層１４
を形成し、これらの拡散層をｐ型ベース拡散層とした。

このとき、ｐ型拡散層上にあつ／ヒシリコン窒化膜は完
全に酸化され、ｐ型拡散層上には膜厚が１．２μｍのシ
リ−コン酸化膜１１が形成され、また、ｐ型拡散層以外
の領Ｉ或では、膜厚が２．３μｍのシリコン酸化膜が形
成された。

次に、第５図に示すように、通常のホトエツチング法な
らびに熱拡散法によシ、表向濃度が５×１０２、”、ｃ
ｍ−３で接合深さが１６μｍのｎ型エミンタ拡散墳１シ
を形成した。

このとき、゛−゛ミ１、ツタ拡散層１５は、酸化性雰囲
気中で１２００１ｒ、５時間のシん拡散によシ形成すし
ているので、ｐ型ベース拡散層のほう素およびガリウム
が拡散し、ｐ型ベース拡散層の深さが２２μｍ程度に達
する。

また、ここで、ガリウム拡散層１３の表面附近のガリウ
ム濃度は、ガリウムの外向拡散によシ低下するが、はう
集鉱散層１４のほう素により、ｐ型キャリヤ濃度は保た
れている。

そして、第６図に示すように、通常のホトエッテング法
ならびにアルミニウム蒸着法により、エミッタ電極１７
．ベース電極１８およびコレクタ電極１９を形成するこ
とによシ、電力用トランジスタを作製した。

このようにして得られた電力用トランジスタの特性は、
従来の方法で得られたものと同等であり、また、ベース
拡散層形成のだめの時間を、従来の方法に比べ半分以下
に短縮できた。

さらに、イオン打込み法を用いることにより、素子特性
のバラツキも軽減できるため、制御性が良くなシ、また
、プロセスの自動化・簡素化に期待が持てる。

次に、高耐圧集積回路の°アイソレーション形成への適
用について、第７図〜第１Ｏ図を用いて説明する。

第７図に示すように、ｐ型シリコン基板２０に、通常の
拡散法ならびにエピタキシャル成長法によシ、膜厚１０
　μｍでｎ型濃度５×１０１６ｃｒｎ−３の成長層２１
およびｎ型埋込み層２２の形成された基板を用いて、基
板表面上に通常の熱酸化法により膜厚０．２μｍのシリ
コン酸化膜２３を形成し、さらに、ＣＶＤ法ならびにホ
トエツチング法により、アイソレーション領域に膜厚１
７ｎｍのシリコン窒化膜を形成した。

その後、第８図に示すように、まず、水蒸気酸素雰囲気
中で１０００１ｒ、１時間の酸化を行ない、シリコン窒
化膜２４をマスクとして、膜厚０，５μｍのシリコン酸
化膜２５を形成したのち、ガリウムイオン２６を６０ｋ
ｅｙでｌ　Ｘ　１０　”１ｏｎｓ　／Ｃｍ２だけイオン
打込みし、シリコン酸化膜２３および２５中にガリウム
イオン打込み層２７を形成した。

次に、通常のホトエツチング法を用いて、ベース領域と
すべき部分２８のシリコン酸化膜２５を除去したのち、
はう素イオン２９を６０　ｋｅｙで１．５　Ｘ　１０１
５ｉｏｎｓ／ｃｒＩ？　だけイオン打込みし、シリコン
窒化膜２４のあるアイソレーション領域のエビ成長層２
１にほう素イオン打込み層３０を、ベース領域とすべき
部分２８のエビ成長層２１にほう素イオン打込み層３１
を形成した。

次に、第９図に示すように、乾燥窒素雰囲気中で１１５
０１；、１時間の熱処理および、水蒸気酸素雰囲気中で
１１５Ｏｒ、２時間の熱処理を行ない、深さ１７μｍの
ガリウム拡散層３３および深さ４μｍのほう集鉱散層３
４によりｐ型アインレーション領域を形成し、また、ベ
ース領域とすべき部分２８に表面濃度がＩ　Ｘ　１０１
９Ｃｍ−３で接合深さ４．２μｍのｐ型ベース領域３５
を形成した。

このとき、アイソレーション領域ではシリコン窒化膜が
全部酸化され膜厚０．７μｍのシリコン酸化膜３６が、
ベース領域では膜厚１，１μｍのシリコン酸化膜３７が
、またその他の部分では膜厚１．３μｍのシリコン酸化
膜３８が形成された。

そして、第１０図に示すように、通常のホトエツチング
法、熱拡散法ならびにアルミニウム蒸着法によシ、ｎ型
エミンタ拡散層３９、ｎ型コレクタコンタクト拡散層４
０、アイソレーション電極４１、コレクタ電極４２、ベ
ース電極４３およびエミッタ電極４４を形成することに
より、高耐圧集積回路を作製した。

この結果、本発明の方法によれば、アインレーショシ拡
散層形成のための時間は、半分以下にでき、また、アイ
ソレーション領域およびベース領域へのほう素イオン打
込みおよび拡散が同時にでき、プロセスが非常に簡素化
された。

以上説明したように、本発明によれば、比較的深いｐ型
拡散層を形成する際、浅い部分はは６素より、また深い
部分はガリウムによシ形成するため、ガリウムの拡散係
数の大きい利点を有効に利用でき、熱処理時間がほう集
鉱散のみによるものよシ半分以下ですみ、またプロセス
の低幅化が可能である。

また、イオン打込み法を用いるので、プロセスの制御性
が良く、プロセスの自動化・簡素化が期待できる。

さらに、本発明によシル型拡散層を形成゛する際、熱処
理を酸化性雰囲気で行なえば、ガリウム拡散のだめのシ
リコン窒化膜を完全に酸化できるため、シリコン窒化膜
除去工程を除くことができ、ホトエツチング工程がシリ
コン酸化膜のみの簡単なものにできる。

０の他、本発明によれば、深さが倍半分も異なるｐ型拡
散層が、同時打込みおよび同時熱処理により形成できる
ので、プロセスを１つ除くことができ、プロセスが短時
間化、簡素化される。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明を人心カトランジスタのベー
ス形成に適用した実施例を示す工程図、第７図乃至第１
Ｏ図は本発明を高耐圧集積回路に適用した実施例を示す
工程図である。 １　・−ｎ型シリコン基板、２，４，５，１１，１２゜
１６．２３，２５，３６，３７．３８・・・ンリコン酸
化膜、３．２４・・・シリコン窒化膜、６．２６・・・
カリウムイオン、７．２７・・・ガリウムイオン打込み
層、８．２９・・・はう素イオン、９，１０，３０゜３
１．３２・・・はう素イオン打込み層、１３．３３・・
・ガリウム拡散層、１４，３６．３７・・・はう集鉱散
層、１５．３９・・・ｎ型エミッタ拡散層、１７゜４４
・・・エミッタ電極、１８．４３・・・ベース電極、１
９．４２・・・コレクタ電極、２０・・・ｎ型シリコン
基板、２１・・・ｎ型エピタキシャル成長層、２２・・
・第　１２ 第　２　図 策５図 閉　４　図 循　５　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下記工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造
   方法。 （１）ｎ型シリコン基板表面にガリウムイオン打込みの
   飛程よシ充分厚く、はう素イオン打込みの飛程より充分
   薄い第１のシリコン酸化膜を形成し、さらに上記第１の
   シリコン酸化膜上に、ｐ型拡散層を形成すべき部分のみ
   、ガリウムイオン打込みおよびほう素イオン打込みの飛
   程より充分薄いシリコン窒化膜を形成する工程、 （２）上記シリコン窒化膜をマスクとして、上記ｐ型拡
   散層を形成すべき部分以外の領域に、ガリウムおよびほ
   う素イオン打込みのマスクとして効果を持つに充分な厚
   い第２のシリコン酸化膜を形成する工程、 （３）上記シリコン窒化膜を通して上記第１のシリコン
   酸化膜中にガリウムをイオン打込みし、甘た、上記シリ
   コン窒化膜および上記第１のシリコン酸化膜を通して、
   上記ｎ型シリコン基板中にほう素をイオン打込みする工
   程、および （４）上記基板に熱処理を施し、上記ｎ型シリコン基板
   のほう素を活性化および拡散させ、はう素拡散層を形成
   し、また、上記第１のシリコン酸化膜中のガリウムを上
   ＦｉＥ：　ｎ型シリコン基板に拡散させ、上記はう素拡
   散層よシ深くまでガリウム拡散層を形成することによ！
   ｌ）。 上記第１のシリコン酸化膜下の上記ｎ型シリコン基板中
   にｐ型拡散層を形成する工程。 ２、上記熱処理において、熱処理雰囲気を酸化性雰囲気
   として、上記シリコン窒化膜を全部酸化させることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置の製造
   方法。 ３、上記ｐ型拡散層をアインレーション領域とし、上記
   ｐ型拡散層に囲まれたｎ型層中にほう素のみによる浅い
   ｐ型能動層を形成する際、上記ガリウムイオン打込み後
   、上記浅いｐ型能動層を形成する領域の上記第２のシリ
   コン酸化膜を除去し、」〕記ｎ型層に所定のほう素イオ
   ン打込みおよび熱処理を行ない、上記ｐ型拡散層および
   上記浅いｐ型能動層を同時に形成することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項乃至第２項記載の半導体装置の製
   造方法。