JPS6119101B2 - - Google Patents

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JPS6119101B2
JPS6119101B2 JP54112473A JP11247379A JPS6119101B2 JP S6119101 B2 JPS6119101 B2 JP S6119101B2 JP 54112473 A JP54112473 A JP 54112473A JP 11247379 A JP11247379 A JP 11247379A JP S6119101 B2 JPS6119101 B2 JP S6119101B2
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aluminum source
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JP54112473A
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Futsushingu Changu Maiku
Roosuchi Arufuretsudo
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General Electric Co
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Publication date
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Publication of JPS6119101B2 publication Critical patent/JPS6119101B2/ja
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/22—Diffusion 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
    • H01L21/223—Diffusion 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S252/951—Doping agent source material for vapor transport
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体デバイスの製造に関するもので
あつて、更に詳しく言えば、開管式拡散法により
半導体基板中にアルミニウムを拡散させてｐ形領
域を形成する方法に関する。
真性半導体や不純物半導体のウエーハ中に不純
物添加領域を形成するための拡散技術は、産業界
において広く実行されている。ｐ形およびｎ形の
領域を形成するためには数多くの不純物が使用可
能である。その中には、特にｐ形領域形成用とし
てのホウ素がある。ホウ素は多くの点で満足すべ
きものであるが、たとえば通例使用されるような
1250℃という比較的高い温度下においてもシリコ
ン中への拡散速度は著しく遅い。更に温度を高く
すれば拡散速度は早くなるが、満足すべき歩留り
が所望されるなら避けるべきである。なぜなら、
温度が高くなるほどウエーハの破損が増加するか
らである。
他方、高い逆電圧に耐え得る高品質の接合が形
成されるという点から見れば、アルミニウムが望
ましい不純物であることが知られている。その
上、シリコンに対するアルミニウムの拡散速度は
比較的早いから、これを使用すれば従来法に比べ
て実質的な時間の節約が達成できる。
従来、アルミニウムは閉管式の拡散法により使
用されてある程度の成功を収めてきた。しかしな
がら、経費の節減が特に重要な用途においては閉
管式の拡散法を避けるべきである。各回の拡散作
業後に密閉されれた管を開放する費用および拡散
作業前に管を密閉して排気する費用は、開管式拡
散法の場合に比べると一般にかなり多いものであ
る。その上、閉管式のアルミニウム拡散によつて
得られる表面不純物濃度は1016個／cm3程度の比較
的低い値に限られる。多くの用途の場合、このよ
うな低い濃度は不満足であり、そのためアルミニ
ウム拡散が工業的方法として使用されたことはこ
れまでなかつた。
シリコン中への拡散速度について言えば、第
族および第族の元素中でアルミニウムが最も早
いように思えることは既に1965年に認められてい
た。この点に関しては、たとえば、応用物理学誌
（Journal of Applied Physics）第27巻第１号収
載のミラーおよびサベジ（Miller ＆ Savage）
の論文「シリコン単結晶中へのアルミニウムの拡
散」を参照されたい。更にまた、拡散過程中にア
ルミニウムが石英に反応する結果、拡散管内にお
けるアルミニウム分圧が低下し、従つて拡散を受
けるウエーハ中の最終不純物濃度が低下すること
も観察されていた。そこで、タンタル製外管の内
部にシリコン製の密閉内管を使用し、かつそれら
を拡散炉の石英管によつて包囲すれば、更に高い
不純物濃度が得られるものと考えられた。かかる
多管式の拡散法は、アルミニウムを用いた閉管式
の拡散法において比較的高い不純物濃度が得られ
るという点では明らかに成功を収めた。しかしな
がら、複雑な装置が必要となるため経費は極めて
高いものとなつた。その時以来、閉管内でアルミ
ニウム拡散を行なえばある程度の成功を収め得る
こが次第に認められるに至つた。ところで、開管
および閉管内におけるアルミニウムの拡散技術は
たとえば米国特許第3341377、3914138および
4038111号明細書中に記載されている。しかる
に、これらはいずれも拡散を受けるべきウエーハ
の表面上に直接塗布またはその他の方法で適用さ
れたアルミニウム供給源からの拡散に関するもの
である。拡散を受けるべきウエーハの表面上にア
ルミニウムを直接適用することが必要とされた理
由は、アルミニウムが容易に酸化して安定な酸化
物となるため、それの分解によつて元素状のアル
ミニウムを得ることが困難なためであると思われ
る。その結果、約1016または1017個／cm3の表面濃
度は達成されたように思われるが、好ましくは開
管内において高い表面濃度および少ない経費を達
成するという相互依存的な課題が明確に解決され
たとは言えない。
さて本発明は、拡散を受けるべきウエーハ（以
後は目標ウエーハと呼ぶ）をアルミニウム供給源
と共に拡散炉内に挿入するるような開管式のアル
ミニウム拡散法に関する。この場合、アルミニウ
ム供給源は目標ウエーハから物理的に離隔してい
る（すなわち目標ウエーハの表面上に適用されて
はいない）。かかる「離隔供給源」としては各種
のものが使用可能であつて、その実例としては、
たとえば不活性るつぼ等の中に配置された元素状
アルミニウム、目標ウエーハと交互に配置された
アルミニウム合金ウエーハ、目標ウエーハと交互
に配置されたアルミニウム被覆ウエーハ、、およ
び目標ウエーハと交互に配置された（たとえばシ
リコンの）アルミニウム含有ウエーハが挙げられ
る。
実質的に酸素を含まない不活性ガスの流れを拡
散炉の開管の一端に導入しかつ他端から放出すれ
ば、それはアルミニウム蒸気をアルミニウム供給
源から目標ウエーハへ輸送するための媒質として
働くことになる。その場合の流量は少なくとも１
〜２リツトル／分であることが好ましい。なお、
本発明の一実施例に従えば、キヤリヤガスとして
アルゴンガスが２〜３リツトル／分の流量で使用
される。
添付の図面に関連してなされる以下の説明を読
めば、本発明は一層良く理解されよう。
先ず第１図を見ると、本発明を実施するための
装置が示されている。好ましくは石英またはシリ
コンで作られた円筒形の管１２が加熱手段１４の
内部に配置されている。かかる管１２と加熱手段
１４との組合せによつて構成された炉１５は、拡
散法を実施するため半導体業界において通例使用
される形式のものであつて、それ自体が本発明の
一部を成すわけではない。
管１２は第１および第２の開放端を有してい
て、それらはガス供給源２０への接続のための連
結具１６およびガス放出用の連結具１８がそれぞ
れ接続されている。かかる連結具１６および１８
は、閉管式拡散装置に含まれる見かけの同じ密封
連結具とは区別すべきものである。すなわち、密
封連結具の目的が管内を低圧状態に排気すること
にあるのに対し、連結具１６および１８は本発明
の新規な拡散法に含まれる加熱工程に際し管１２
を通して一種類のガスまたは混合ガスを所定の流
量で連続的に流すために役立つものであればよ
い。管１２を通つて流れるガスの望ましい流量は
管１２の内径に依存する。約100mmの内径を持つ
た管の場合、少なくとも１リツトル／分好ましく
は２〜３リツトル／分のガス流量を使用すれば良
好な結果が得られる。なお、それよりも太い管や
細い管を使用する場合には、管の寸法の違いを補
償するようにガスの流量を加減すれば良いことは
言うまでもない。
所要のガスの流れを確保するため、ガス供給源
２０が連結具１６の入口２５に接続されている。
後述のごとく和に各種の成分ガスを供給するた
め、流量調整器２２を複数のガス供給源に接続す
ることもできる。とは言え、各々の成分ガス毎に
独立したガス供給源および流量調整器を設けるこ
とが好ましい。本発明の別の実施態様に従えば、
予め混合した単一のガス供給源および単一の流量
調整器を設ける方が望ましい場合もある。図示の
ごとき好適な実施態様では単一のガスが使用さ
れ、従つて単一のガス供給源および単一の流量調
整器のみが要求されている。
保持具またはボード２６上には、アルミニウム
拡散を受けるべき複数の目標ウエーハ２４が配置
されている。その場合、ガスが不純物原子を目標
ウエーハの露出面に沿つて輸送するよう、管１２
を通るガスの流れと平行に目標ウエーハを配置す
ることが好ましい。かかる目標ウエーハはまた、
それらの間を通つてガスが流れ得るように充分な
間隔を置いて配置すべきである。なお、ウエーハ
同士の間隔を約9/32インチとすればウエーハの表
面全体に十分なガスの流れが供給されることが判
明している。
管１２の内部においては、連結具１６と目標ウ
エーハ２４との間に不純物原子の供給源２８が配
置されている。そのためには、拡散に際して使用
される温度に耐えると同時にガス中に不要の不純
物を導入しないようなるつぼ３０等の容器に入れ
た固体アルミニウム供給源を使用するのが好都合
である。数多くのるつぼ材料が有用であることは
当業者にとつて自明であろうが、サフイア製のる
つぼを使用すれば有利であることが判明してい
る。サフイアは高い融点を有する上、純度が高い
ため拡散に際してガス中に不要の不純物が導入さ
れる恐れはない。
目標ウエーハの急激な温度サイクルは避けるこ
とが好ましい。従つて、加熱手段１４は目標ウエ
ーハの挿入後に駆動され、それによつて管１２が
拡散温度にまで加熱されるのが通例である。
目標ウエーハを高温区域に導入するには、それ
らをボート２６上に配置してからボート２６を管
１２の内部へ滑り込ませればよい。その際には、
たとえば、管１２の下流側の連結具１８を取外
し、目標ウエーハを載せたボートを管１２の端部
に挿入し、それから連結具を再び取付ければよ
い。
通例、各群の目標ウエーハを処理するたびに固
体アルミニウム供給源２８を交換する必要はな
い。このことは、比較的多数の目標ウエーハを処
理する場合に極めて経済的である。固体アルミニ
ウム供給源２８の補充は、通例、目標ウエーハ中
に所望の不純物濃度を生み出すのに十分なアルミ
ニウム蒸気がもはや得られなくなつた時点におい
て行われる。
形成したいと望む拡散領域の特性に応じた適当
な時間にわたつて拡散作業を行つた後、拡散炉１
５からボート２６を取出して冷却すれば完成ウエ
ーハ２４が得られる。次いで、新しい目標ウエー
ハ群を拡散炉内に導入すればよいわけで、その際
に管１２に特別の処置を行う必要はない。
本発明の一実施例について述べれば、拡散炉１
５は1200℃に加熱される。100mmの内径を持つた
石英またはシリコン製の管１２を通して、実質的
に純粋なアルゴンガスが２〜３リツトル／分の流
量で流される。かかるガス中に酸素が存在するこ
とは特に避けるべきである。約100Ω・cmの抵抗
率を持つたｎ形導電型の浮遊帯域法によるシリコ
ンの目標ウエーハが約20グラムの元素状アルミニ
ウムと共に管１２の内部へ導入される。次いで、
約35時間にわたつて拡散作業が実施される。上記
の条件に従えば、少なくとも約1017〜約1018個／
cm3の表面不純物濃度および約70μｍの深度を有し
かつウエーハ本体との間に高品質で高耐圧のpn
接合を形成するｐ形の表面層を含んだウエーハが
得られる。たとえばホウ素を用いながら従来法に
従つて同種の領域を形成しようとすれば、３〜４
倍の時間が必要である。その上、得られる接合の
特性（特に高い逆電圧に耐える能力）も劣ること
になる。上述の実施例においては実質的に純粋な
アルゴンガスが使用されているが、その他のガス
も使用可能である。当業者にとつて自明であるよ
うな開管式拡散法に適する不活性ガスは勿論のこ
と、アルミニウムと反発せずかつ（目標ウエーハ
と反応したり目標ウエーハ中に拡散したりする）
不要の不純物を導入しないものであれば、厳密な
意味では不活性でないようなガスを使用すること
もできる。本発明に従えば、窒素が良好な結果を
もたらすことが判明している。なお、本明細書中
において使用される「不活性」という表現は半導
体およびアルミニウムに対して不活性であること
を意味するのであつて、必ずしも全ての構成要素
に対して不活性であることを意味するわけではな
い。
次に、別の実施態様に従つて本発明を実施する
ための装置が第２図に示されている。第２図の装
置は多くの点で第１図の装置に類似しているか
ら、同種の構成要素は同じ参照番号によつて表わ
されている。第１図と第２図との相違点は、管１
２の内部における目標ウエーハの配置およびアル
ミニウム原子供給源の性質にある。ボート４０上
には複数の供給源ウエーハ４２およびほゞ同数の
目標ウエーハ４４が載せられている。かかるウエ
ーハは管１２の内部においてガスの流れに対しほ
ぼ垂直となるように配置されており、しかも目標
ウエーハ同士の間隔および目標ウエーハと供給源
ウエーハとの間隔はそれらの間でガスの流れが起
こるように選ばれている。なお、約3/16〜15/32
インチの間隔を使用すれば良好な結果の得られる
ことが判明している。ガスの流れに対して垂直と
なるように配置した方が１回に処理できるウエー
ハの数は多くなるが、上述のごとくガスの流れに
平行となるようにウエーハを配置してもよいこと
は勿論である。目標ウエーハ４４はあらゆる点で
第１図の目標ウエーハ２４と同じものである。た
だし、ここでは固体アルミニウム供給源２８の代
りに供給源ウエーハ４２が使用されている。供給
源ウエーハ４２は各種の形態を取り得る。供給源
ウエーハ４２に関する費用を最低源に抑えるため
には、アルミニウムを含有するシリコン製のウエ
ーハを使用することが好ましい。この場合には、
ウエーハの作製に際してアルミニウムを添加すれ
ばよい。すなわち、溶融状態のシリコン中にアル
ミニウムを添加し、次いで引上げ法によつて得ら
れたインゴツトからウエーハ４２を切取ればよい
のである。このようにしてシリコン単結晶に不純
物原子を添加する方法は公知である。供給源ウエ
ーハ４２中に存在するアルミニウムの量は、拡散
作業後において目標ウエーハ中に所望の最終不純
物濃度を与えるのに十分なものであることが好ま
しい。1018〜1020個／cm3の範囲内の最大アルミニ
ウム濃度を有する供給源ウエーハを使用すれば、
本発明の拡散法にとつて必要な量のアルミニウム
の得られることが判明している。上述のごとくに
アルミニウム含有シリコンから成る供給源ウエー
ハは、その中に存在するアルミニウムが減少して
目標ウエーハに十分な表面不純物濃度が得られな
くなるまでは繰返して使用することができる。各
回の拡散作業後には、新しい供給源を用いた場合
と同じ表面不純物濃度が常に達成されるようにす
るため、供給源ウエーハの清浄操作を行うことが
しばしば望ましい。一般に、塩酸または王水中で
腐食を行えば供給源ウエーハを十分清浄にするこ
とができる。
本発明の別の実施態様に従えば、アルミニウム
合金化を施した供給源を使用することができる。
すなわち、シリコンや類似の基材から成るウエー
ハの表面に合金化したアルミニウム被膜を設置し
たものを使用するわけで、かかる被膜は本発明の
開管式拡散法に際してアルミニウム原子を放出す
る。アルミニウム合金化シリコンウエーハを作製
するには、シリコンウエーハの表面上にアルミニ
ウムをめつきし、それからウエーハを約1000℃に
加熱してアルミニウムとシリコンとを合金化すれ
ばよい。このような供給源ウエーハを使用すれ
ば、本発明の開管式拡散法に際してアルミニウム
が容易に放出される。
上述のごときアルミニウム供給源（すなわち不
活性るつぼに入れて目標ウエーハの上流側に配置
された元素状アルミニウム供給源およびボート上
において目標ウエーハと交互に配置された供給源
ウエーハ）に共通の特徴は、それらが目標ウエー
ハから離隔していることである。すなわち、多く
の時間および経費を要する操作によつて不純物含
有物質を目標ウエーハの表面に被着させる必要は
ないのである。
上述のごとき本発明の実施態様のいずれに従つ
ても、約1018〜1019個／cm3程度の最終不純物濃度
を得ることができる。しかも、そのための所要時
間はホウ素等を用いて同程度の不純物濃度を得る
ために従来必要とされた時間に比べてかなり短か
いものである。大きい拡散深度を維持しながらも
表面不純物濃度を低下させることが所望される場
合には、本発明に従つて微量の酸素をガス中に導
入することが望ましい。その場合の酸素量は約０
〜約１（容量）％好ましくは約０〜約0.5（容
量）％であつて、酸素量の増加に伴つて最終表面
不純物濃度を約５×1018個／cm3から約1016個／cm3
にまで低下させることができる。
本発明のこのような特徴は、従来の開管式およ
び閉管式拡散法によつては達成できなかつた高度
の融通自在性をもたらす。その上、アルミニウム
供給源または供給源ウエーハ中におけるアルミニ
ウムの濃度を変化させることによつて最終不純物
濃度を変化させることもできる。
次の第３図は、本発明方法の使用によつて得ら
れる時間的な利益を図解するグラフである。この
図からわかる通り、たとえば約４〜4.5ミルの拡
散深度を持つた領域をウエーハ中に形成する場
合、不純物としてホウ素を使用すれば約160時間
を要するのに対し、本発明に従えば約45時間で済
む。同様に、ホウ素を使用すれば約230時間を要
する拡散作業が約75時間で済むのである。また、
これらの所要時間は単一表面からの拡散に関する
ものであるから、ウエーハを貫通して拡散を行う
場合には、両側から同時に拡散を行えば（単一表
面からの拡散の場合に比べて）所要時間が半分で
済む。このように、実質的な時間の節約が得られ
ることは明らかである。本発明は、実質的な厚さ
を持つた大電力デバイス中にｐ形領域を形成する
ことが所望される場合に特に有用である。第３図
のグラフからわかる通り、厚さ約７ミルの拡散領
域を形成するためには、従来法によれば400時間
を越える時間が必要であるのに対し、本発明方法
によれば厚さ４ミル程度の拡散領域を形成する場
合と大差のない時間で拡散が達成できるのであ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明方法を実施するための装置の一
部を切欠いた斜視図、第２図は別の実施態様に従
つて本発明方法を実施するための装置の断面図、
そして第３図はホウ素およびアルミニウムに固有
の拡散時間を比較したグラフである。 図中、１２は管、１４は加熱手段、１５は拡散
炉、１６および１８は連結具、２０はガス供給
源、２２は流量調整器、２４は目標ウエーハ、２
６はボート、２８は固体アルミニウム供給源、３
０はるつぼ、４０はボート、４２は供給源ウエー
ハ、そして４４は目標ウエーハを表わす。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 開放拡散管の内部にシリコン半導体ウエーハ
    を配置して前記ウエーハ中にアルミニウムを拡散
    させる方法において、前記ウエーハから隔たつて
    前記管内にアルミニウム供給源を配置し、周囲大
    気が前記管内に侵入するのを実質的に防止するの
    に十分な流量、すなわち前記管の内径100mmあた
    り少なくとも１リツトル／分の流量で前記管を通
    して非酸化性の不活性ガスを流し、それから前記
    管内にアルミニウム蒸気を発生させるのに十分な
    温度に前記管を加熱してアルミニウム原子を前記
    ウエーハ中に拡散させることを特徴とする方法。 ２ 前記アルミニウム供給源が繰返して使用可能
    なアルミニウム供給源から成る、特許請求の範囲
    第１項記載の方法。 ３ 前記流量が約２〜３リツトル／分である、特
    許請求の範囲第１または２項記載の方法。 ４ 前記アルミニウム供給源が元素状アルミニウ
    ム供給源から成る、特許請求の範囲第１〜３項の
    いずれか１項に記載の方法。 ５ 前記不活性ガスがアルゴンガスおよび窒素ガ
    スから成る群より選ばれたガスである、特許請求
    の範囲第１項記載の方法。 ６ 前記ウエーハにおける表面不純物濃度が少な
    くとも1017個／cm3に達するまで前記アルミニウム
    供給源および前記ウエーハが加熱される特許請求
    の範囲第１項記載の方法。 ７ 前記ウエーハにおける表面不純物濃度が少な
    くとも1018個／cm3に達するまで前記アルミニウム
    供給源および前記ウエーハが加熱される特許請求
    の範囲第１項記載の方法。 ８ 前記ウエーハにおける表面不純物濃度が少な
    くとも1019個／cm3に達するまで前記アルミニウム
    供給源および前記ウエーハが加熱される、特許請
    求の範囲第１項記載の方法。 ９ 前記不活性ガス中に約０〜約0.5（容量）％
    の酸素を導入することによつて前記拡散を少なく
    とも部分的に抑制する、特許請求の範囲第１項記
    載の方法。 １０ 前記アルミニウム供給源がアルミニウムを
    添加した半導体材料のウエーハから成る、特許請
    求の範囲第１項記載の方法。 １１ 前記アルミニウム供給源が表面に合金化し
    たアルミニウム層を持つ半導体材料のウエーハか
    らなる、特許請求の範囲第１項記載の方法。 １２ 前記アルミニウム供給源がアルミニウムを
    拡散させた半導体材料のウエーハから成る、特許
    請求の範囲第１項記載の方法。 １３ 前記アルミニウム供給源が表面上にアルミ
    ニウム層をめつきした基板から成る、特許請求の
    範囲第１項記載の方法。 １４ 前記基板が半導体の基板である、特許請求
    の範囲第１３項記載の方法。 １５ 前記基板がシリコン性の基板である、特許
    請求の範囲第１４項記載の方法。 １６ 前記アルミニウム供給源が前記ウエーハの
    上流側に配置される、特許請求の範囲第１〜１５
    項のいずれか１項に記載の方法。 １７ 複数のウエーハを複数のウエーハ状アルミ
    ニウム供給源と交互に配置することによつて複数
    のウエーハが同時に拡散を受ける、特許請求の範
    囲第１〜１５項のいずれか１項に記載の方法。
JP11247379A 1978-09-05 1979-09-04 Method of diffusing open tube aluminum Granted JPS5548925A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/939,669 US4235650A (en) 1978-09-05 1978-09-05 Open tube aluminum diffusion

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