JPS61144820A - 中濃度拡散層の形成法 - 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】 〔発明の技術分野〕 制御電極を有する半導体制御整流素子の厚さ方向をｐｉ
ｎ化するために必要な中濃度領域（バッファ層）を、拡
散法で形成することを目的とした半導体素子製造プロセ
ス分野に関するものである。

〔従来技術〕

基板と同一の導電形を有し、これに連なった中濃度領域
（以下バッファ層と呼ぶ）を備え厚さ方向をｐｉｎ化し
た半導体制御整流素子は、高速化。

高耐圧化を行った場合に、バッファ層を備えないｐｎ構
造の素子に比較して、素子の損失が少ないために広く使
用されている。

バッファ層を備えた素子としては、逆導電サイリスタ、
ＭＯ８形翫界効果トランジスタ（ＭＯ８ＦＥＴ）　。

静電誘導サイリスタ（ＳＩＴＹ）等がある。ここでは５
ＩＴＹを例にとり、ｎバッファ層につき説明する。

第２図は８ＩＴＹの構造を示す断面図であり、１はｐ″
層、２はｎ一層、２′はｎバッファ層、３はｐ＋ゲート
層、４はｎ”＃５はチャネル、７はアノード電極、８は
カソード電極、９はゲート電極である。

高比抵抗から成るｎ′″層２の基板を出発素材とした場
合のｎバッファＭ２′の不純物密度は、空乏層の拡がり
に対して抑制効果があり且つｎバッファ層２′に接した
ｐ＋層ｌからのホールの注入効率を確保するために、一
般にはｌＸｌ０”〜ｌＸｌ０１？Ａｔ０ｍ１／ｃｍ”程
度の範囲が必要である。

ｎバッファ層の厚さは素子設計によっても変るが、一般
的には３０〜５０μｍが必要である。

従来技術Ｋｋいてはｎバッファ層の形成には、制御性の
良さと厚さを厚くすることが可能なため、エピタキシャ
ル成長法が主流となっていた。

〔従来技術の問題点〕

エピタキシャル成長法によるｎバッファ層の形成は、濃
度制御性が良い反面、エピタキシャル成長時に発生する
結晶欠陥が伴うため不良品の発生率が高いこと、製造装
置が高価なこと、およびロフト当りの処理枚数が例えば
拡散法に比べて少ないことなどにより、製造コスト高と
なる欠点があった０ 更に、次に説明するように、製造工程の複雑なことも欠
点となっていた。

第５図はエピタキシャル成長法により形成されたｎバッ
ファ層を有するウェファをマスク工程へ送るための前工
程を示す工程図である。

エピタキシャル成長法により形成されたｎバッファ層２
′を有するウェファから半導体素子を完成させるため、
表面にマスクを施こすためには、第５図に示すようなａ
雑な工程を経なくてはならない０ すなわち、（ａ）はｎ−基板２にｎバッファ層２′をエ
ピタキシャル成長せしめた形状を示しているが、この形
状においてはｎ−基板２のｎバッファ層２′と反対側の
面には、エピタキシャル成長時に薄い多結晶層ｌＯが成
長している。この多結晶層１０がある状態では、この層
の上からマスクを形成してｐｎ接合を形成する工程に直
接移ることはできない。

この多結晶ｌＯをミラポリッシェにより除去するために
、ミラポリッシェ時にｎバッファ層２′の表面に疵を付
けないよう、ウェファの両面に（ｂ）に示すごとく酸化
膜６．６′を形成することによって保護する。

しかる後、多結晶層１０を酸化膜６′と共にミラポリッ
シ為により除去し、（Ｃ）に示す形状としてｎ−基板の
表面を露出せしめた後、この面にｐｎ接合を選択的に形
成せしめるための酸化膜６を形成し、（ｄ）Ｋ示す形状
とした後に次工程であるマスク作業工程へ進む。

この説明からも理解されるように、ｎバッファ層２′を
エピタキシャル成長法により形成することは、ｎバッフ
ァ層２′の形成後の後処理が複雑になっている。

□　　　以上説明した賭点が従来技術の問題点であり、
本発明は、−拡散法によりｎバッファ層を形成せしめる
ことにより、低コストでｎバッファ層の形成を可能とす
ると共に、ｎバッファ層形成後の後処理を簡素化しよう
とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記のように拡散法によってｎバッファ層を形
成しようとするものである。ｎ形拡散不純物源としては
、燐（Ｐ）の固体拡散源または三基′化ホ久ホリル（Ｐ
ＯＣｊｇ）などを用いて、一般的な拡散装置によって目
的を達成することができる。

しかしながら、拡散源に燐を用いて拡散法でｎ膨拡散層
を得る場合には、高い表面不純物濃度領域（１０〜１０
　ａｔｏｍｓ／ｌｙｎ”　）の形成には優れているが、
中濃度領域（１０〜１０ａｔｏｍｓΔ♂）の形成には実
現性および再現性が良くなかりた。

本発明は従来のこの難点を克服するために、次の点に特
別の配慮を行った。

（１）表面不純物濃度を目的の範囲に入れるために、燐
の予備拡散温度を可能な限り低く設定すること。

（２）予備拡散で得た表面不純物濃度を更に低くするた
めに、予備拡散工程の後に予備拡散温度よりも高い温度
の熱酸化工程を入れること。

（３）燐の追い込み拡散は熱酸化工程で生じた酸化膜を
除去した後に実施すること。

これら３点を考慮して予備拡散条件と追い込み拡散後の
表面不純物濃度との関係を実験手法によって確認し、そ
の結果から目的とするｎバッファ層を得るものである。

〔実施例〕

第３図は予備拡散装置の概念図であり、ｎ，１２゜１３
はキャリヤーガスの系統を示し、ｎは常時反応管１５に
流す窒素ガス（Ｎ、）　、　１２は三塩化ホスホリル（
ＰＯ（Ｊａ　）の中をバブルさせて捕捉したガスを反応
管１５に導く窒素ガス（Ｎ２）、１３は反応管１５内に
導入されたＰＯＣｌ３ガスを熱反応で５酸化燐（Ｐ２Ｏ
３）に変えるのに必要な酸素ガス（０２）であり、１４
は不純物源である三塩化ホスホリル（ＰＯＣｈ）、１５
は断面積６０ｃｒｎ２を有する反応管、１６はシリコン
基板保持用治具、１７はシリコン基板、１８は加熱用ヒ
ーターである。

の温度を１０℃と低く設定する。次に、ＰＯＣｊａガス
用のキャリヤーガスとしての窒素ガス１２をｓｏ　ｃｃ
　／ｍｌｎとして、常時流通せしめる窒素がスｎの１０
００ｃｃ／ｍｊｎ　と酸素ガス１３の４ＱＱｃｃ／ｍｉ
ｎとの和に対し３．５％とした。

このような構成のもとで、予備拡散の温度は可能な限り
低くすることを目的として７００〜８００℃の範囲で、
また予備拡散時間は再現性とシリコン保持用治具１６内
のシリコン基板１７のシート抵抗のバラツキを少なくす
ることを考慮して６０分に限定した。実験に用いたシリ
コン基板１７は比抵抗２０００口、直径５０顛、厚さ０
．４翼肩のｎ形基板である。

実施例を第４図の工程図を用いて説明する。囚に示すご
とく高抵抗のｎ形シリコンからなるｎ一層２の一方の表
面に酸化膜６″を備えたシリコン基板が準備され、酸化
膜６″′のない方の面にｓ３図で説明した予備拡散装置
により三塩化ホスホリルを用いてｎ形予備拡散層２“が
形成される。この時の拡散条件は、前述の如＜７００〜
８００℃の温度で、時間は６０分とした。

ｎ形予備拡散層２“形成後、予備拡散で得られた燐（Ｐ
）の表面不純物濃度をより低くするために、１０００℃
の温度で２時間の熱酸化を行い、ｎ形予備拡散層２″の
表面に酸化膜６″を約０．７μｍの厚さに形成した形状
を（Ｂ）に示す。

これに続いて、表面の酸化膜６′を一旦除去した後、最
終工程であるｎ形予備拡散層２＃の追い込み拡散を、酸
化雰囲気中において温度１２３０℃で５０時間行うこと
により、（Ｃ）に示すように厚さ３０〜５０μｍのｎバ
ッファ層２′を得ることができる。この追い込み拡散に
よりて、表面に酸化膜６も同時に形成されるが、この酸
化膜６は次工程であるマスク工程にそのまま利用できる
。

このようにして、拡散法によってｎバッファ層２′を得
ることができるが、重要なことはｎバッファ層の表面不
純物濃度の範囲であるから、この点について以下詳細に
説明する。

第１図は予備拡散温度とシート抵抗との関係を示すグラ
フであり、第４図の（Ａ）で示した工程中の予備拡散温
度を横軸に取り、シート抵抗の値を縦軸に対数目盛で示
したもので、曲線■は工程（４）により形成したｎ形予
備拡散層２″の表面シート抵抗の値を、曲線■は工程（
Ｃ）終了後のｎバッファ層２′の表面シート抵抗の値を
示す。

第１図で注目すべき点は、曲線■には予備拡散温度が７
４０℃近くでｃ、ｙｊｔｉｃａｌ　ｐｏｉｎｔが現れて
いることである。曲線Ｉにはこのような点は現れていな
い０ 本発明はまさにこのｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐｏｉｎｔに着
目して、目的とするｎバッファ層を得るための予備拡散
条件と、ｎバッファ層の表面不純物密度とを決定しよう
とするものである。

曲線■のｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐｏｉｎｔの出現は、予備
拡散後の熱酸化によって生じるものと推定される。この
理由として考えられることは、７４０℃以下の温度で予
備拡散を行った時のｎ形予備拡散層２′の厚みは０．１
〜０．２μｍ程度と推定されるので、このように極めて
薄い予備拡散層を形成した後に、予備拡散温度よりも高
い温度で熱酸化を行うことに原因がある。

すなわち、１０００℃の温度で２時間の熱酸化を行うと
、０．７μｍ程度の酸化膜６′が形成されるが、シリコ
ンと酸素の結合組織上から、０．７μｍの酸化膜が形成
された時には、予備拡散層のシリコン表面は約０．３μ
ｍ酸化膜に吸収されることになる。換言すれば、０．３
μｍ、１７シリコンの表面がエツチングされたと考えて
よい。

このために、予備拡散温度が７４０℃以下では、シリコ
ン内に拡散するよりも多くの燐（Ｐ）原子が、予備拡散
層の表面で熱酸化によって損失し、濃度不足をきたす。

従って、追い込み拡散後では表面不純物濃度の低下をき
たし、シート抵抗が高くなり、ｎバッファ層としては不
適当である。

第６図は第１図の曲線■の場合におけるｎバッファ層表
面のシート抵抗と表面不純物濃度との関係を示すグラフ
であり、横軸にシート抵抗の値を。

縦軸に表面不純物濃度の値を、いずれも対数目盛でとり
である。

ｎバッファ層として適用できる表面不純物濃度は、大略
Ｉ　Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ／ｃｍ”以上でＩ　Ｘ　１０
”ａｔｏｍｓＡ”以下が一般的な範囲である。従りて、
この表面不純物濃度を確保するために必要な追い込み拡
散後のシート抵抗は１００〜６００　Ｑ／Ｄである。

追い込み拡散後にこのシート抵抗を確保するための予備
拡散温度は、第１図から７４０℃〜７９０℃の範囲とす
ればよい。この時のｎ形予備拡散層２′のシート抵抗は
１３００〜５５０Ω乃の範囲となる。

特に再現性よく安定した表面不純物濃度を得るためには
、Ｃｒ口１ｃａｌ　ｐｏｉｎｔよりやや高めの温度とし
て７５５±５℃の範囲で予備拡散を行うことが望ましい
０こうして得られる表面不純物濃度は２．５　Ｘ　１０
”〜４Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ’♂テアル。

以上詳細に説明したように、本発明においては燐（Ｐ）
の予備拡散で表面不純物濃度を制御し、更に予備拡散温
度よりも高い温度の熱酸化で、前工程で得た表面不純物
濃度よりも更に表面不純物濃度を減少させる工程を挿入
し、しかる後に追い込み拡散を行うことによって、従来
困難でありた拡散法による中濃度層の形成を可能ならし
めたものである。

尚、本実施例においてはｎ形不純物源として三塩化ホス
ホリル（ＰＯＣｊｓ）を用いたものについて説明したが
、これに限定されるものではな（、ｎ形の固体不純物源
等を用いても前述の条件を満たせば同様の効果を得るこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明においては、実施例で詳述したように、拡散法で
ｎ形の中濃度層を形成する際に、予備拡散条件と追い込
み拡散後の表面不純物濃度との関係を分析することによ
り、ｎバッファ層に適した範囲を再現性よく安定に裏作
できるようになった。

すなわち、本発明にかかる中濃度拡散層の形成法によっ
て、半導体制御整流素子のバッファ層を量産効果が高い
拡散法を用いて製造することを可能にしたものであり、
その経済的効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

Ｍ１図の燐の予備拡散温度と予備拡散後および追い込み
拡散後のシート抵抗の関係を示すグラフ、第２図はｎバ
ッファ層を適用した靜電銹導サイリスタの一例の構造を
示す断面図、第３図は予備拡散装置の概念図、第４図は
本発明にかかる中濃度拡散層の形成法を示す工程図、第
５図はエピタキシャル成長法により形成されたｎバッフ
ァ層を有するウェファをマスク工程へ送るための前工程
を示す工程図、第６図は第１図の曲線■の場合における
ｎバッファ層表面のシート抵抗と表面不純物濃度との関
係を示すグラフである。 ｌ・・・・・・ｐ＋層、２・・・・・イ層、２′・・・
・・・ｎバッファ層、２″・・・・・・ｎ形予備拡散層
、３・・・・・・ｐ＋ゲート層、４・・・・・・ｎ＋層
、５・・・・・・チャネル、６．６’、６″、６′＃・
・・・・・酸化膜、７・・・・・・アノード電極、８・
・・・・・カソード電極、９・・・・・・ゲート電極、
１０・・・・・・多結晶層、ｎ．１２・・・・窒素ガス
、１３・・・・・・酸素ガス、１４・・・・・・三塩化
ホスホリル、１５・・・・・・反応管、１６・・・・・
・シリコン基板保持具、１７・・・・・・シリコン基板
、１８・・・・・・加熱用ヒーター。 垢２図 島３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高抵抗のｎ形シリコン基板にｎ形中濃度層を拡散法
   で形成するに際して、まずｎ形不純物の予備拡散を行う
   工程を備え、次に予備拡散温度よりも高い温度で熱酸化
   を行う工程を備え、終りに熱酸化工程で形成された酸化
   膜を除去した後、追い込み拡散を行う工程を備えたこと
   を特徴とする中濃度拡散層の形成法。 ２、ｎ形不純物の予備拡散温度は７４０℃以上７９０℃
   以下の範囲で行う特許請求の範囲第１項記載の中濃度拡
   散層の形成法。 ３、予備拡散を行った時に得られたシート抵抗の範囲が
   ５５０〜１３００Ω／□である特許請求の範囲第２項記
   載の中濃度拡散層の形成法。