JPS59218728A - 半導体基体への不純物導入方法 - Google Patents

半導体基体への不純物導入方法

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JPS59218728A
JPS59218728A JP9321983A JP9321983A JPS59218728A JP S59218728 A JPS59218728 A JP S59218728A JP 9321983 A JP9321983 A JP 9321983A JP 9321983 A JP9321983 A JP 9321983A JP S59218728 A JPS59218728 A JP S59218728A
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glow discharge
impurities
vacuum
semiconductor substrate
impurity
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Noritada Sato
則忠 佐藤
Yasukazu Seki
康和 関
Osamu Ishiwatari
石渡 統
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Manufacturing Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/22Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • H01L21/223Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities using diffusion into or out of a solid from or into a gaseous phase

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】 〔発明の為する技術分野〕 本発明は半導体基体にドナーまたはアクセプタとしての
不純物を導入して基体と不純物濃度が異なる所定の導電
形の領域を形成する方法に関する。
〔従来技術とその問題点〕
この種の半導体領域を形成するためには、熱拡散、エピ
タキシャル成長、イオン注入などが知られている。これ
らの方法は、いずれも半導体基体に800〜1250℃
の熱処理を加える必要がある。
このよりな尚温熱処理は半導体基体中に結晶欠陥が生じ
、また重金属元払が熱処理炉から半導体基体中に拡散す
るため、キャリアーのライフタイムを低下させてしまう
11かに、10にΩ−副以上の高比抵抗を有するシリコ
ンの場合は、その結晶中に含まれる酸素がドナー化する
ため、比抵抗が低下するなどの欠点があシ、母材結晶本
来の時性を維持することは困難である0 このような欠点は、熱処理温度を低くすれば解決するが
、従来技術を用いて、単に温度を低くするだけで絋、形
成される半導体領域の不純物濃度及び拡散深さのばらつ
きが大きく々シ、再現性も悪くなる。例えば、熱拡散法
ではドーパント不純物の半導体基体中での拡散係数が低
下し、800℃以下の熱拡散は不可能に近い。
そのほかに、深さ0.2μm以下の極薄半導体領域を母
材の半導体表面に形成することは極めて困難である。例
えば、イオン注入法でこの極薄半導体領域を形成するた
めには、加速電圧30 keV以下にするか、半導体基
体表面に酸化膜を初めに形成し、その酸化膜を通してド
ーパント不純物のイオンを注入する必要がある。しかし
加速電圧を低くするにつれてイオン電流が得られに<<
、表面不純物濃度を高くすることが困難であシ、酸化膜
を通して注入する場合は酸化膜厚のばらつきが極薄半導
体領域の表面濃度と拡散深さに影響を及ばし、いずれも
実用的ではない。とくに、極薄半導体領域に表面温1x
o20 原’r、/al1以上の不純物注入層を得るこ
とは不可能である。
このような欠点は、例えば、比抵抗10にΩ−副以上の
高純度高比抵抗シリコンを用いて半導体放射線検出素子
を製作する場合、高温熱処理が原因で、半導体基体のキ
ャリアライフタイムが低下し、その結果SN比が悪くカ
シ、あるいは形成される表面ドーピング領域が少くとも
5μm以上の深さを有するため、放射線に対して不感領
域となるこの領域が厚くなるなどの問題がある。
一方、最近工業的に注目されている非晶質半導体に不純
物を導入した領域を形成することについては、すでに種
々の方法が開示されている。例えば嫌う素をドーピング
するために最も一般的に行われる方法はモノシラン(S
iH4)とジポラン(B2H6)を同時に反応槽内に流
入させ、グロー放電を発生させてほう素がドーピングさ
れた非晶質シリコンを得るものである。しかしこの方法
では、薄い層は形成できるものの、はう素を1021原
子/−以上非晶質シリコン中に導入することは不可能に
近く、その比抵抗も低くならない。また二つのガスを同
時に流入させる際、ガス流量比の制御が困難で再現性が
悪いという欠点があった。
〔発明の目的〕
本発明は、これに対して半導体基体を商温に加熱するこ
となく、基体中に浅くて表面不純物濃度の高い所定の導
電形の半導体領域を再現性よく形成できる不純物導入方
法を提供することを目的とする。
〔発明の要点〕
本発明は真空容器内に収容した半導体基体をD丁定の温
度に加熱し、その容器内に不純物を廿むふん囲気中でグ
ロー放電を発生させることによシ半導体基体表匍に不純
物侵入層を形成し、次いで不活性ガスふん囲気中でグロ
ー放電を発生させ先に侵入した不純物を電気的に活性々
不純物に変換することにより上記の目的を達成する。
〔発明の実施例〕
第1図は、本発明を実施するだめの反応槽の概略図で、
真空容器1、電極2a、2b、半導体基体3、真空排気
系4、ドーパント不純物を含むガスボンベ5aと不活性
ガスボンベ5b、及びこれらのガスの圧力と流量を調整
するだめの調整回路6、グロー放市川DC%、 詠7 
a、半導体基体加熱用電源7b、グロー放電時のガス圧
力を調整するための真空バルブ8、及び真空計9から構
成されている。
まず、真空排気系4によυ、真空容器1内を排気し、約
1 x 10−”rorrの真空にしたのち、真空パル
プ8を絞り、真空排気系4の排気速度を下げると同時に
、真空容器1に不純物ガスを調整回路6を通して導入し
、公知のやυ方で電極2a、2b間に電圧を印加してグ
ロー放電を発生させると電極2a上に配置した半導体基
体3にその不純物を含む半導体領域が形成される。次に
、アルゴンなどの不活性ガスふん囲気中でさらにグロー
放電を発生させると、先に侵入した不純物は、グロー放
電時間との経過と共に格子間位置から置換型位置におき
かわシ、電気的に活性な不純物が増加する。
第2図および第3図はその実施例を示すドーパント不純
物濃度分布のプロファイルである0っま9、Y軸はドー
パント不純物濃度、Y軸は半導体基体表面から深さ方向
への距離である。この測定には、工MA(イオン・マイ
クロ・アナライザ)と拡がシ抵抗法とを用いた。IMA
とはよく絞られたイオンビームを試料に照射して、その
試料から二次的に放出される二次イオンを質量分析計に
導き、質量電荷比に分けて検出し、試料の元素分析を行
う方法で、半導体基体に拡散した電気的に活性な不純物
はかシでなく、電気的に不活性々不純物も全て検出する
。一方、拡か9抵抗法は、半導体表面に2本の測定探針
を立て、その間の亀、気抵抗を測定し比抵抗を求める方
法で、電気的に活性な不純物のみを検出する方法である
第2図はシリコン単結晶基板上にほう素を導入した場合
の一例で、この諸条件は下記の通シである。
(11不純物導入条件 半導体基体:シリコン、n型、比抵抗10〜30にΩ−
画、鏡面仕上げ たジボラン台娯 グロー放電時の圧カニ2.0Torr 放電パフ  : DC400〜600V、 0.6rn
lv’cm2電極間距離:50調 放電時間260分 (2)電気的活性化条件 不活性ガス:アルゴン グロー放電時の圧カニ 0. I Torr放tハフ 
−: DC600V 、 0.6mAyも2基体温度=
100〜300℃ 放電時間=120〜36J分 第2図の曲線10はIMAで求めた不純物濃度分布であ
υ、このうち電気的に活性な不純物の濃度分布を拡がシ
抵抗で求めたものが曲線11である0ジボランの分解に
よシ生じ、シリコン単結晶中に侵入したほう素の大部分
はシリコン単結晶の格子間位置に入シ、格子の位置に入
る置換型のほう素原子が少く、その結果電気伝導度に寄
与する量が少いことを示している。曲線12.13.1
4は、このシリコンウェハを、さらにアルゴンガスふん
囲気中で、それぞれ120分、240分。
360分グロー放電を行ったのち、拡がり抵抗法で求め
た濃度分布である。これより、グロー放電の時間を変え
て任意の表面濃度を有する半導体領域が得られることが
わかる。
第3図は、別の実施例を示すもので、第2図と相違する
点は、はう素の代りにυんを拡散させた点で、n型の半
導体領域が形成できる。その条件を次に示す。
(11不純物導入東件 半導体基体:シリコン、P型、比抵抗10〜30RQ−
α鋳面仕上げ 反応温度:300℃ ドーパント不純物ガス:み幽奔テ4壜看水素で1000
 ppmに希釈したZオスフ ィン グロー放電時の圧カニ2.0’l’orr放電パワー:
 DC600、0,6mA/cm2電極間距離:50m
m 放電時間:60分 (2)電気的活性化条件:第2図について示した条件と
同じ 第3図の曲線20はIMAで求めた導入シん濃度分布で
あシ、曲線21は拡がシ抵抗で求めた電気的に活性なシ
んの濃度分布である。また曲線22.23はさらにアル
ゴン中でのグロー放電によりt気的活性化を120分、
240分行ったあとの拡がυ抵抗法で求めた濃度分布で
ある。すなわち、第2図と同様な結果が得られ、放電時
間と共に電気的に活性なシん濃度が増加する。
このようなアルゴンふん囲気中でのグロー放電はスパッ
タリングと呼ばれ、イオン化したアルゴンイオンを、例
えばシリコン表面に衝突させるとシリコン原子がはじき
飛ばされ新しい原子層が露出するので、結晶表面の清浄
化に用いられるものである。しかし、本発明で用いたグ
ロー放電条件?−1従来o、t、バッタリング法にくら
ベアルコンガスの圧力が高く、加速電圧が低いため、シ
リコン表面に侵入したボロン原子値アルゴンイオンにょ
シはしき飛ばされるよシも、むしろシリコン単結晶中に
ノックオンされ、しかも、シリコン表面部の温度が局部
的に高くなシ、その結果、格子間位置に存在するドーパ
ント原子が格子の位置、すなわち置換型になるため電気
伝導度が増加するものと考えられる。
上記の実施例では、はう素およびシんについて述べたが
、アンチモン、ひ素、ガリウム、アルミニウムなど不純
物を同様に導入した半導体領域について、アルゴン、ヘ
リウムなどの不活性ガスふん囲気中でグロー放電を行え
は、もちろん電気的活性度は増加する。そのはかに、光
検出素子などに使用する非晶質シリコン被膜上に、eよ
う素やシんなどの不純物ガス雰囲気でグロー放電後、不
活性ガスふん囲気中グロー放電を行うと、よシ低比抵抗
の不純物層を有するpn構造の極薄非晶質膜も容易に得
られる。
〔発明の効果〕
この発明は、例えば300℃以下の低温度で、単結晶や
非晶質半導体基体中にドーパント不純物を導入させる方
法である。先ず不純物ガスふん囲気中でグロー放電を発
生させて不純物を導入し、ついでアルゴンなどの不活性
ガスふん囲気中でグロー放電を行うと、上記のように電
気的に活性な表面不純物濃度は1016〜to22&・
:5士/dの任意の範囲で、しかも1500A0以下の
深さの不純物導入層が得られる。
すなわち、熱拡散法やイオン注入法では不可能な極薄で
表面不純物濃度の高い半導体領域が得られ、放射線検出
素子に適用した場合は、pr1接合層のような放射線に
対して不感層の領域を薄くできるはかシでなく、低温処
理工程のため結晶本来の特性を保持するので、SN比を
高め、エネルギー分解能力を向上させることができる。
非晶質シリコンを用いた光検出素子では、不純物ドーピ
ング層を形成する際、従来のようにシランガスとドーパ
ントガスとを最適混合比で反応槽内に送るだめの操作が
不要になシ、ドーノくントガスのみを流してグロー放電
及び不活性ガス中のグロー放電を発生させれば良いため
、従来法では不可能に近いような低比抵抗不純物ドーピ
ング層で、しかも極薄層が得られる〇 プレーナ型素子やMO8IC素子では、酸化膜の汚染、
接合深さの変動など、高温熱処理工程によシ生じる特性
の変化が少くなるなどの効果が上記した簡単な装置でも
容易に得られる。とくに熱拡散法やイオン注入法では不
可能な極薄拡散層で高い表面濃度の半導体領域が形成で
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施する九めの反応装置の一例の概略
構成図、第2図はドーパント不純物としてほう素を拡散
した場合の濃度分布を示すプロファイル線図、第3図は
ドーパント不純物として9んを拡散した場合の濃度分布
を示すプロファイル線図である。 1・・・・・・真空容器、2a、2b・・・・・・電極
、3・・・・・・半導体基体、4・・・・・・真空排気
系、5a・・・・・・ドーパントガスボンベ、5b・・
・・・・不活性ガスボンへ、7a・・・・・・グロー放
電用電源、7b・・・・・・基体加熱用電諒。 第1図 0          500         70
00距M (A) 距離φ) 135

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)真空容器内に収容した半導体基体を所定の温度に加
    熱し、前記容器内に不純物を含むふん囲気中でグロー族
    t1を発生させ、次いで不活性ふん囲気中でグロー放1
    dヲ発生させることを4!徴とする半導体基体への不純
    物導入方法。
JP9321983A 1983-05-26 1983-05-26 半導体基体への不純物導入方法 Granted JPS59218728A (ja)

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US06/613,778 US4618381A (en) 1983-05-26 1984-05-24 Method for adding impurities to semiconductor base material

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