JPS60177621A - 半導体素子の製法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、イオン注入による損傷およびその稜の熱処理
によ９２次的に形成される欠陥を除去し、所望の不純物
を導入した良質な結晶を得る半導体素子の製法に関する
ものである。

（従来技術） 従来、イオン注入による損傷およびその後の熱処理によ
シ形成される欠陥を除去するには、次のような方法が用
いられていた。しかし、これらの方法には、いずれも欠
点があった。

（イ）　高温の熱処理によシ、損傷を回復する方法この
方法によれば熱処理の際に、２次的に形成される欠陥が
残るという欠点があった。

（ロ）長時間の低温の熱処理によシ損傷を回復した後、
高温の熱処理によシ久陥を減らす方法。

さきの（イ）の方法よシも欠陥が少なくなる場合がある
が、低温処理の時間が１日以上と長いばかシではなく、
やはシ欠陥が残るという欠点があった。

（ハ）注入損傷を増し、注入領域を完全に非晶質化する
ことによシ、熱処理によ９２次的に形成される欠陥を減
らす方法。

損傷を増すため注入量を増し、あるいは注入時に試料を
冷却する必要があること、および、非晶質領域と単結晶
領域との境界に完全には非晶質化されない中間的な損傷
領域が形成され２次欠陥の原因となることが避けられな
いことの欠点がある。

（発明の目的） 本発明は、これらの欠点を解決するために提案されたも
ので、イオン注入した不純物を取シ去らないで、損傷・
欠陥のみを除去することを特徴とし、その目的は、所望
の不純物を導入した良質な結晶を得ることにある。

（発明の構成） 上記の目的を達成するため、本発明は半導体基板にイオ
ンを注入する工程と、前記のイオン注入後、イオン注入
による損傷を低温の熱処理によシ固相成長によシ回復さ
せる低温熱処理工程と、前記の低温熱処理工程後、注入
による損傷及びその後の熱処理による欠陥が共にないと
ころの注入領域よりも深い領域に注入した不純物を高温
の熱処理によシ拡散するための高温熱処理工程と、前記
の工程後、注入損傷及び欠陥の残在する領域を除去する
除去工程とを備えることを特徴とする半導体素子の製法
を発明の要旨とするものである。

次に本発明の実施例を添附図面について説明する。なお
実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しな
い範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうろことは云
うまでもない。

第１図は、本発明の実施工程における試料の断面構造の
概略を示す。各工程は、順次に、（Ａ）：イオン注入工
程ｓ　（Ｂ）　’低温熱処理工程ｓ　ｆｃ）　’高温熱
処理工程、（Ｄ）及び（Ｅ）：損傷・欠陥領域除去工程
である。なお、（Ｄ）工程は、（Ｃ）工程と同時に行な
うこともできる。以下、各工程について説明する。

（Ａ）　所望の量の不純物を所望の領域にイオン注入す
る。基板ｌを部分的にマスク２で覆うことによシ、それ
以外の部分に選択的に注入できる。３はイオン注入領域
を示す。基板はｓ　Ｓｉ　、　Ｇｅ　、　ＧａＡｓなど
の電子デバイスを製作する半導体結晶である。注入イオ
ンは、ＳｌについてＡｓ　、　Ｐ　、　Ｂなど、ＧａＡ
ｓについてＳｉ　、　Ｚｎ　、　Ｓ　、　Ｂｅなど、電
気伝導を制御するために導入する元素である。

基板・イオン種の選択は、通常の電子デノくイスを設計
・製作する際の基準による。これらの選択によらず、本
発明は有効であった。

イオン注入によシ、損傷が不純物を導入した領域３に形
成される。導入不純物の分布は、基板結晶の種類・不純
物の種類・加速エネルギに依存する。不純物分布は、通
常、ガウス分布で近似され、分布の１次モーメント（射
影飛程）・２次モーメント（標準偏差）で与えられる。

これらの値はよく知られておシ、文献（Ｊ、Ｆ、Ｇｉｂ
ｂｏｎ８．　Ｗ、Ｓ、、Ｔｏｈｏｎｓｏｎ　ａｎｄ　Ｓ
、Ｗ、Ｍｙｌｒｏｉｅ：Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ　ｒａｎｇ
ｅ　５ｔｌｔｉＥｌｔｉｃｓ　（Ｊｏｈｎ　Ｗ：ｌｅｙ
　ａｎｄ　５ｏｎｓ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　１９７５
’：ｌ）などに記るされている。たとえば、ＳｉにＡ日
を２５ｋｅＶで注入したとき、射影飛程は０．０１９μ
ｍ１標準偏差は０．００７μｍである。Ｇａ　Ａｓに８
を２５ｋｅＶで注入した場合、射影飛程は０．０２０μ
ｍ、標準偏差は０．０１３．ｕｍである。

ところで、注入不純物・損傷の導入深さは、注入量・基
板不純物濃度によシ多少変化するものの、概ね、射影飛
程と３倍の標準偏差との和で与えられる。したがって、
この例では、注入不純物・損傷の導入深さは０．０４μ
ｍとなる。ＧａＡａにＳを注入した場合の導入深さは０
．０６μｍとなる。

々お、イオン注入の加速エネルギを低くすると、射影飛
程・標準偏差が共に小さくなシ、注入不純物・損傷が導
入される領域が浅く゛なる。通常のイオン注入装置の加
速電圧は２５〜４００ｋＶであるが、減速電圧を加える
ことによＪｔ２ｓｋｖ以下５ｋＶの加速電圧も行なった
。また、イオン種をＢＦ、などの分子とすることによシ
、実効的な加速エネルギを低くすることも行なった。し
たがって、加速エネルギを低くすることによＬ（０）の
工程において拡散すべき深さおよび（Ｄ）の工程におい
て除去すべき、深さを共に浅く済ませられる。

（Ｂ）　注入により形成された損傷を、低温の熱処理に
よシ固相成長させて回復させる。４は固相成長領域を示
す。熱処理温度・時間は固相成長によシ損傷を回復でき
るよう大きく、シかも、基板・不純物原子の拡散によシ
欠陥が伝搬しないよう小さく、選ぶ。

固相成長の速度は、処理温度の他、基板結晶の種類・結
晶面の方位・導入不純物の種類／濃度に依存する。成長
速度はよく知られておシ、文献（Ｊ、Ｍ、Ｐｏａｔｅ、
　’に、Ｎ、Ｔｕ　ａｎｄ　、ｒ、Ｗ、Ｍａｙｏｒ　［
ｅｄ、］　：　］Ｔｈｉｎｆｉ１ｍｓ−工ｎｔｅｒｄｉ
ｆｆｕｓｉｏｎａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｏｎｓ　〔Ｊｈｏ
ｎＷｉｌｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ
、　１９７８　”：Ｊ　）などに記るされている。たと
えば、Ｓｉの（１１１）面については、６００°Ｃにお
いて０．００３μｍ／分である。ＧａＡｓにＳを注入し
た場合７５０°Ｃ２３０分の熱処理でほぼ十分である。

したがって、損傷領域の厚さを処理温度における成長速
度で除すれば、最低必要な時間がまる。

一方、基板・不純物原子の拡散係数は、処理温度の他、
基板結晶の種類・不純物の種類／濃度に依存する。拡散
係数はよく知られておシ、文献（Ｓ、Ｍ、Ｓｚｅ：　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｄ
ｅｖｉｃｅｓ　ＣＪｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　ａｎｃＬ　５
ｏｎｓ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　１９６９：］、　）な
どに記されている。たとえば、Ｓｉ中における八〇の拡
散係数は、１０００°Ｃにおいて２　Ｘ　１０”−１′
ｃｔｎ２／秒で必る。拡散深さは、基板のあるいは導入
した不純物の濃度によシ多少変化するものの、概ね、処
理温度における拡散係数と処理時間との積の平行根で与
えられる。

この拡散深さが先の損傷深さを越えないよう、熱処理温
度を低くあるいは時間を短くする必要がある。たとえば
、ｓｉ　（１ｕ）面にＡｓを２５ｋｅＶで注入した場合
、６００°Ｃにおいて１５分間の熱処理をすれば、欠陥
を伝搬させずに、損傷を回復できる。この例以外の基板
・注入条件についても、同様にして、固相成長によシ損
傷を回復させ、かつ不純物の拡散深さを注入深さを越え
ないように、熱処理温度・時間を具体的に決定できる。

基板半導体結晶・注入条件によシ多少変化するものの、
概ね、熱処理温度は５００〜７００°０１時間は１５〜
２００分間程度である。通常、成長速度に比べ拡散係数
が小さいので、損傷回復に必要な熱処理温度・時間を余
裕をもって大きくできる。

（０）　注入した不純物を、注入による損傷あるいは熱
処理による欠陥のない領域へ、高温の熱処理によシ拡散
する。５は不純物拡散領域を示す。拡散係数・拡散深さ
の大きさは、先のｆＢ）の工程で説明した。たとえば、
Ｓｉ中の八〇は、１１５０°Ｃにおいて一６０分間の熱
処理をすると、１μｍの深さに到達する。この例以外の
基板・注入条件においても、同様にして、熱処理温度・
時間を決定できる。

なお、拡散する深さが浅すぎると、（Ｄ）の工程におい
て注入した不純物を失う恐れがあるので、充分深く拡散
することが望ましい。

なお、先のｆＢ）の工程を省くと、この（Ｃ）の工程に
おいて欠陥が注入領域よシも数倍深く侵入するため、後
の（ＤＪの工程において拡散・除去の深さを本発明より
も数倍深くする必要がある。

（Ｄ）欠陥が残っている領域を除去する。除去の際、注
入のマスクを残すと注入部分を低くするよう段差を付け
られ（Ｄ図参照）、注入のマスクを取シ去ると段差のな
い平坦面を得ることができる（Ｅ図参照）。除去は、よ
く知られている湿式・乾式エツチングおよび酸化によシ
行々う。湿式エツチングの速度は、基板結晶の種類・溶
液の種類・温度に依存する。湿式エツチングの方法は、
文献（金材、仕出、山香二半導体物性測定法〔日刊工業
新聞社、東京、昭和４０年〕）などによシ知ることがで
きる。Ｓｌを（Ｕｌ）面について湿式エツチングを行う
のには、容積比でＨＮＯ３が６０．ＨＦが１よシなる液
を用い、ＧａＡ３を（１００）面に対して行うのには、
容積比でＨ２ＳＯ４が４．Ｈ２０□が１．Ｈ２Ｏが１よ
シなる液を用いる。乾式エツチングの速度は、基板結晶
の種類・エツチング用ガスの種類真空度・温度に依存す
る。乾式エツチングの方法は、文献（菅野二半導体プラ
ズマプロセス技術〔産業図書、東京、昭和５５年〕）な
どによシ知ることができる。

なお、先の（ｏ）の熱処理を酸化性雰囲気で行なえば、
表面層が酸化膜となシ、この（Ｄ）工程を同時に行なえ
る。酸化速度は酸化温度・雰囲気に依存する。温度が高
いと早くなシ、酸化性雰囲気として水蒸気を混合すると
早く々す、酸化性でない窒素ガスなどを混合すると遅く
なる。酸化速度はよく知られておシ、文献（Ｈ，Ｆ、Ｗ
ｏｌｆ　：　５ｉｌｉｃｏｎ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔ
ｏｒ　ｃｌａｔａ　（Ｐｅｒｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ、
　０ｘｆｏｒｄ、　１９６９）　）などによシ知ること
ができる。たとえば、　１１５０°Ｃにおいて６０分間
の熱処理を酸素ガスと窒素ガスとの１＝３の混合ガス雰
囲気で行なえば、　０．０４μｍの厚さのＳｉを酸化膜
として除去できる。この厚さは、２５ｋｅＶの加速エネ
ルギでＡ日を８１に注入したときの損傷・欠陥を除去で
き、しかも、導入不純物を失わずに済ませられる。

この例以外の基板・注入条件についても、同様にして、
先にめた損傷領域を越える除去深さを決定し、また、除
去する条件を決定した。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によればイオン注入した不
純物を失うことなしに、イオン注入による損傷・欠陥を
除去できるから、所望の不純物を導入した良質な半導体
結晶が得られ、良好な特性の電子デバイスを製作できる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施工程における試料の断面構造の
概略を示す。 １・・・基板、２・・・イオン注入を阻止するマスク、
３・・・イオン注入領域（不純物導入領域、損傷形成領
域）、４・・・同相成長領域、５・・・不純物拡散領域
特許出願人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板にイオンを注入する工程と、前記のイ
   オン注入後、イオン注入による損傷を低温の熱処理によ
   シ′固相成長によシ回復させる低温熱処理工程と、前記
   の低温熱処理工程後、注入による損傷及びその後の熱処
   理による欠陥が共にないところの注入領域よシも深い領
   域に注入した不純物を高温の熱処理によシ拡散するだめ
   の高温熱処理工程と、前記の工程稜、注入損傷及び欠陥
   の残在する領域を除去する除去工程とを備えることを特
   徴とする半導体素子の製法。
2. （２）注入イオンの加速エネルギを低くすることによシ
   、拡散の深さ・除去深さを浅く済ませることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の半導体素子の製法。