JPS62500340A - 電荷蓄積空乏領域放電保護装置及び方法 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 電荷蓄積空乏領域放電保護装置及び方法発明の背景 発明の分野 本発明は、一般的には半導体デバイスの空乏領域（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ　ｒｅｇ ｉｏｎ）　ｆ　％離（ｉｏｎｉｚｉｎｇ　）放射線又は粒子、又はその他のスプ リアスキャリヤによる放電から保護するために内部遮蔽を備えるための構造物お よび製作方法に関するものでアク、更に詳しく云うとデバイス基板内に吸収され た電離放射線又は粒子による、又は付近の領域から注入又はポンプ（ｐｕｍｐ　 ）されたキャリヤによる望ましくない放電を防ぐためにターイナミツク電荷蓄積 デバイスの空乏領域を遮蔽する改良された手段および方法に関する。

背景技術 電荷蓄積は半導体デバイスおよび集積回路にしばしば用いられる技術である。そ の動作が厳密に電荷蓄積に依存するデバイスの例としてはダイナミックランダム アクセスメモリ、バケットブリゲート（ｂｕｃｋｅｔ　ｂｒｉ　−ｇａｄｅ　） シフトレジスタおよび電荷結合イメージングデバイスがある。その他の多くの糖 類の半導体デバイスおよび集積回路もまた電荷蓄積音用いている。空乏領域電荷 蓄積はドープしたＰ領域とＮ領域を隣接させることによって形成された物理Ｐ− Ｎ接合を用いて行われる。しかし、空乏領域はまた例えはＭＯＳコンデンサ（ｃ ａｐａｃｆｔｏｒ　）などによっても生じる。十分に大きな電圧がＭＯＳコンデ ンサ又はそれと同等の物の両端に印加されると、Ｐ−Ｎ接合に発見される空乏領 域に類似した空乏領域が半導体表面とバルク（ｂｕｌｋ）との間に作られる。そ のようにして生じた空乏領域は電荷蓄積デバイスのために同様に十分使用できる 。こ＼で用いられている”接合への電荷の蓄積″という意味は、永久的にドープ したＰ−Ｎ接合又は誘起された電界（ｆｉｅｌｄ　１ｎｄｕｃｅｄ　）によって 作られるか又は任意の他の手段によって作られた空乏領域に蓄積された電荷を含 むことを意図している。

電荷蓄積の使用に関連して生じる重要な問題は、蓄積された電荷が空乏領域に達 する少数キャリヤ又は電子−正孔キャリヤ対によって放電されやすいことである 。これらの自由キャリヤは多数の源、例えば接合領域内での発生、近くの別の接 合からの注入、又は接合領域の外からの、即ち底の方にある半導体基板のバルク （ｂｕｌｋ　）内からの拡散から生じることがある。放電の結果として、蓄積さ れた電荷によって表わされる情報が減衰する。もし放電が著しいと、電荷の形で 蓄積された情報は完全に失われることがある。この結果、蓄積された情報を表わ す電荷は通常定期的にリフレツシュされなければならない。電荷蓄積空乏領域内 で作られる、又はその空乏領域に達する単位時間あた９の自由キャリヤ数が多け れば多い程、この蓄積された情報は一層しばしばリフレッシュされなければなら ない、即ち失われた電荷は一層しばしば置換されなければならない。

空乏領域内での熱キヤリヤ発生は蓄積された電荷を散逸させる可能性がある。熱 キヤリヤ発生とキャリヤ寿命とは関係がある。空乏領域における熱キヤリヤ発生 を最小限にするために、キャリヤ寿命をできるだけ長くしなければならない、従 って、電荷蓄積のために用いられる空乏領域をそのなかに作る長寿命材料を得る ために大きな努力が払われる。しかし、寿命が長くなればなる程、デバイスの他 の場所からのキャリヤ、例えば底の方の基板において発生した、又は近くの接合 から注入されたキャリヤが空乏領域に拡散して蓄積された情報企放電する確率が 高くなる。従って、蓄積された′電荷の散逸に寄与しそれによってより頻回のリ フレッシュ全必要とするかもしれないすべてのキャリヤ源を減らそうと試みる場 合には、矛盾する要件に直面することになる。

半導体材料内に吸収された電離放射線および粒子はイオン化によって自由キャリ ヤ全発生させる。一般に屯荷蓄績デバイスの空乏領域は比較的薄いので、そこで は直接的にはイオン化事象は殆んど起きない。更に、空乏領域はデバイス表面近 くにしばしば位置しているので、比較的低エネルギーの放射線又は粒子だけがそ こで吸収される可能性がある。これらの低エネルギー粒子は表面保護層によって 容易にろ過して取り除くことができるので、容易に避けられる。しかし、よりエ ネルギーの強い放射線又は粒子は表面の層を通過して基板のバルク（ｂｕｌｋ　 ）に吸収される。基板内で起きるイオン化事象によって自由にされたキャリヤ対 は、半導体基板が長い寿命を有すると容易に空乏領域に拡散できる。これらのバ ルクで発生したキャリヤは多くの種類の電荷蓄積デバイスにおいて蓄積時間が短 い重要な原因となることが発見されている。

インディヒユージング（ｉｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ　）キャリヤの放電効果全減 少させる１つの方法は、バルク寿命を短くしてより多くのバルク発生キャリヤが 蓄積デバイスの空乏層に達する前に再結合するようにすることである。例えばシ リコンデバイスに普通用いられる２つのキャリヤ寿命制御方法は電子衝煤（ｂｏ ｍｂａｒｄｍｅｎ、ｔ　）と金ドーピングである。電子衝撃は結晶格子に欠陥を 導入することによって寿ｆｉｔ　ｋ短くすると考えられる。寿命制御のために衝 撃によって生じた格子欠陥を用いる場合の不利な点は、そのような欠陥がその後 の高温処理ステップの期間中にアニールアラ）　（ａｎｎｅａｌ　ｏｕｔ　）す ることである。金ドーピングは寿命を制御するもう１つの方法である。しかし、 金ドーピングは必要な空間分Ｍ（５ｐａｔｉａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　）が できない０例えば１金は通常の処理温度では非常に急速にシリコン内へ拡散する ので、金は非常に短い時間でウェハの厚さ全体全通って移動する。更に、これら の方法で得ることができる寿命短縮量はすべてのインディヒユージングキャリヤ （ｉｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ　ｃａｒｒｉｅｒｓ）の迅速な再結合にとって不十 分なことがしばしばある。

寿命制御構造を提供するために提案されているもう１つの方法は、寿命の短い基 板で始め、その上に寿命の長い表面層全成長させそのなかに電荷蓄積デバイスを 作ろうと試みることである。しかし、この方法は基板が汚染したり又はエピタキ シャルｒｆ１（ｅｐｉ−１ａｙｅｒ　）に欠陥を生じさせそのためその寿命を短 くする傾向があるので実用的であることは証明されていない。

更に最近になってアルゴンが寿命の局所的短縮を得る手段として研究されるよう になった。しかし、イオン注入アルゴンによる寿命短縮は結晶格子に対する物理 的損傷に王に関係があるように思われる。イオン衝撃の場合と同様に、この効果 は注入後加熱によって著しくアニール（ａｎｎｅａｌ　）される。この点は大き な欠点となる。という訳は、実用的デバイス製造方法は処理したウェハをその後 の製造ステップの期間中に高温に加熱する必要が一般にあるからである。

従って、注入された自由キャリヤ又はバルクで発生した自由キャリヤから電荷蓄 積デバイスを遮蔽する手段および方法に対する必要が今尚存在している。従って 、本発明の目的はバルクで発生したキャリヤ又は注入されたキャリヤから電荷蓄 積接合全遮蔽する改良された手段および方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、電荷蓄積デバイスの製作のだめの長寿命領域金偏え ると同時に、バルクで発生した又は注入されたキャリヤのインディヒユージョン （１ｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　）に対する遮蔽として働く隣接する短寿命領域を 備える改良された手段および方法を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、そのようなキャリヤ遮蔽の位置、側面の範囲お よび厚さを制御する改良された手段および方法を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、そのようなキャリヤ遮蔽における非常に高い密 度の寿命短縮中心全達成する改良された手段および方法全提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、そのようなキャリヤ遮蔽における寿命短縮中心 の密度全先行技術ではこれまでに得られなかった値にまで高める手段および方法 を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、半導体基板と化学的に反応して安定した再結合 中心を作る不純物音用いて自由キャリヤ遮蔽を得る改良された手段および方法全 提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、その効果が加熱によって殆んどアニール（ａｎ ｎｅａｌ　）されない自由キャリヤ遮蔽を得る改良された手段および方法を提供 することである。

発明の要約 上述の、およびその他の目的および利点の達成は、第１および第２主表面を有す る半導体基板と、第１主表面に隣接し１つ又は複数の電荷蓄積デバイス金含むよ うに適合した長寿命領域と、高寿命領域の下にある半導体基板中の短寿命領域と 金言み、短寿命領域はキャリヤ再結合中心全作る反応性イオン全＠む、放射線か ら遮蔽された電荷蓄積デバイス全作る手段が提供されている本発明によって行わ れる。寿命全短縮する不純物は基板材料中のその不純物の固体溶解限度を超える ドースレベルにまで注入する（　ｉｍｐｌａｎｔ）することが絶対に必要である 。短寿＠領域は第１および第２王表面の離隔距離に比べると小さく第１王表面に はｙ平行に位置している所定の厚さのブレーナ（ｐｌａｎａｒ　）領域ｋｇむこ とが望ましい。シリコンの場合には、短寿命領域は周期律表の第３又は第５列か らのものでない寿命短縮不純物イオンの注入によって作ることが好ましい。約３ ０　ｐｐｍ原子を超える濃度およびＩ　Ｘ　１０　”／　ａｍｚを超えるドース １で注入された酸素イオンは短寿命領域を作るのに有用である。

主表面および電荷蓄積デバイス領域を含むように適合したその表面に隣接した第 １領域金有する半導体基板を備え、基板の溶解温度で基板中の反応性不純物イオ ンの固体溶解限度を超えるドース壕で第１領域の下の第２領域に寿命短縮反応性 不純物イオンを注入し、注入した物質を第１所定温度にまで加熱し不純物イオン と基板材料とを化学的に反応させ第２領域にキャリヤ寿命を短縮した安定帯を作 ること金含む放射線を遮蔽した電荷蓄積デバイス全作る方法も更に提供されてい る。電荷蓄積デバイスは注入ステップ前、加熱ステップ後、又は注入ステップと 加熱ステップとの間に作ってもよい。注入ステップは基板の溶解温度における寿 命短縮不純物イオンの固体溶解限度金少なくとも１けたの大きさだけ超えるドー ス１で寿命短縮反応性不純物イオンを注入すること金甘むことが望ましい。

別の実施例では、基板表面を寿命短縮反応性不純物イオンの注入前又は注入後に 電荷蓄積デバイスの製作に適したエピタキシャル層によって覆うと便利かもしれ ない。酸素は反応性寿命短縮不純物イオンとして用いるのに適した材料である。

炭素は注入された酸素イオンの反応を制御するための核形成中心として作用する ため基板に含めてもよい。酸素をシリコンに用いる場合には、酸素イオン金Ｉ　 Ｘ　１０１５／　ｃｍ”　ｆ超えるドースおよび／又は約１０”／ｃｍ’ｅ超え る最高レベルまで注入することが望ましい。

図面の簡単な説明 第１図は先行技術による電荷蓄積デバイス領域を含む半導体基板の一部の簡略化 された概略的断面図を示す。

第２図は本発明による電荷蓄積デバイス領域を含む半導体基板の一部の簡略化さ れた概略的断面図を示す。

第３図は本発明の別の実施例による電荷蓄積デバイス領域およびバイポーラデバ イス領域ヲ含む半導体基板の一部の簡略化された概略的断面図全売す。

第４図は本発明の更に別の実施例による電荷蓄積デバイス領域を含む半導体基板 の一部の簡略化された概略的断面図を示す。

第５図Ａ〜第５図■は本発明による種々の製造段階中の代替の製造順序を用いた 電荷蓄積デバイス領域を有する半導体基板の一部の１ｍ略化された概略的断面図 を示す。

第６図は種々の注入エネルギーおよびドースについて基板表面からの深さの関数 としての期待されたシリコン中酸素濃度に対する計算値？示す。

第７図Ａおよび第７図Ｂはｊ１ｉｉ々の酸素注入ドースについて基板表面からの 深さの関数としての正規化有効寿命のグラフ全売す。

第８図はエピタキシャル法で被覆した酸素注入シリコン基板中のＮ”Ｐダイオー ドについて漏れ電流（Ｉ）対空乏深度（ω）、および漏れ電流電荷と空乏深度と の比（ｄＩ／ｄω）対空乏深度（ω）のグラフ金示す。

図面の簡単な説明 第１図はそこに電荷蓄積デバイス領域１２および１４ヲＭする半導体基板１１の 一部１０ヲ示す。電荷蓄積デバイス領域１２は基に１１の電子伝導形とは反対の 電子伝導形にドープされているので、デバイス領域校と基板１１との間にはＰ− Ｎ接合が存在する。領域りの周りには幅１２ｂの空乏領域１２ａがある。ＭＯ３ 構造１４は基板１１上にある誘電体１４ｂ　′（ｉ：覆っている金属￥ＩＬ極１ ４ａを宮む。適当にバイアスされると、ＭＯ８構造１４は電極１４ａの下にある 基板１１の表面１１ｕの部分を空乏化しく　ｄｅｐｌｅｔｅ　）、幅１４ｅ　ｋ 有する空乏領域１４ｄを作る。空乏領域１４ｄは電極１４ａに印加された電荷、 又は誘電体領域１４ｂ内にトラップ（ｔｒａｐ　）された電荷から起きる。空乏 領域１４ｄはこの印加された、又はトラップされた電荷により引き起こされる。

印加された。又はドラッグされた電荷が取り除かれると、空乏領域１４ｄは消失 する。基板１１と反対の電子伝導形全有するドープされた領域１３もまた備えら れていて近くの接合と電荷蓄積領域１２および１４との相互作用を示す。

基板１１がエネルギーをもった粒子又は放射線、例えば射ｆ’ＪＪ　（ｒａｙ） 　１５ａによって示されているアルファ粒子、父は射線０ａｙ）　１５ｂによっ て示されている′Ｉ！離放射線にさらされると、粒子又は放射線の一定の割合が 表面吸収されると、イオン化事象が起きて第１し１に示すように電子−正孔自由 キャリヤ対が作られる。同様に、粒子１５ａもその進路に沿って一連のイオン化 事象を起こすことができ、そのうちの１つが深さ１５ｃにおいて起きるものとし て描かれている。イオン化事象によって作られた自由キャリヤ対の寿命が十分に 長いと、それらの対は距離１６ヲ越えて拡散し空乏領域１２ａ又は１４ｄに達す ることができ、そこでそれらの対はデバイス領域１２又は１４に蓄積されていた 電荷を放電するのに寄与する。

エネルギー金有する粒子又は電離放射線の吸収によって基板ｌｌ内に発生した自 由キャリヤは半導体電荷蓄積デバイスにおける蓄積された情報消失の主要な原因 であることは技術上周知である。基板内のキャリヤ寿命が長ければ長い程キャリ ヤ拡散距離は長くなり、自由キャリヤ全作るイオン化事象が空乏層の拡散距離内 で起きる確率は高くなる。そのなかに電荷蓄積デバイス１２又は１４ヲ作る基板 １１用として短寿命材料を用いることはできない。という訳は、基板１１のバル クにおける寿命を短縮する物理的機序もまた空乏領域１２ａ又は１４ｄを横切る 漏れ電流の発生−再結合を増加させ、それによりたとえ基板１１から到着する自 由キャリヤがなくてもこれら空乏領域が電荷全蓄積する能力を低下させるからで ある。デバイス性能を良くするためには、空乏領域を長寿ａ材料内に置くことが 絶対に必要である。

金およびその他同種類の物質のような周知の寿命短縮物質（ｌｉｆｅｔｉｍｅ　 ｋｉｌｌｅｒｓ　）は局所的な寿命短縮物質として１吏用することはできない。

金はシリコン中にきわめて迅速に拡散するので、速やかにウェハの厚さ全体に侵 入し、それによりあらゆる場所の寿命を位かくするので、電荷蓄積デバイスをそ のなかに作る長寿命表面層がどこにも存在しなくなる。更に、金は活性（ａｃｔ ｉｖｅ）デバイス領域において優先的に分離する（ａｅｇｒｅｇａｔｅ　）傾向 があるが、これは電荷蓄積デバイスにとって特に望ましぐない。

アルゴンはシリコン内での拡散速度は金よりも遅いが、アルゴンもまた効果的な 自由キャリヤ再結合領域を作るための実際的な寿命短縮物質ではない。という訳 は、アルゴンで得られる寿命類縮は最初Ｉよ約１０−４のファクタ（、ｆａｃｔ ｏｒ　）であるが、注入したウェハの加熱後には約１０−２に低下するからであ る。これは十分な遮蔽全行うには不十分である。更に、金もアルゴンも大部分の 半導体材料と化学的に反応しないので、これらの材料によって作られた寿命短縮 物質コンプレックスは本来不安定である。

ＩＪｆ、荷蓄積デバイスの挙動に悪影響を与える更にもう１つの機序（ｍｅｃｈ ａｎｉｓｍ）は近くの接合１３によって示される。近くの接合１３が順方向にバ イアスされると、少数キャリヤが矢印１３ａによって示されているように基板に 注入される。電荷蓄積デバイス周囲の材料は長寿命材料でなければならないので 、注入されたキャリヤ１３ａのかなシの部分は電荷蓄積デバイス球および１４の 空乏領域１２ａおよび１４ｄに達し、丁度電離粒子又は放射線１５ａ−ｂによっ てバルク内に発生するキャリヤが行うのと同じように放ｔｔ起こさせることがあ る。同様な効果は電荷ボンピング（ｃｈａｒｇｅ　ｐｕｍｐｉｎｇ　）と呼ばれ る現象によって基板１１の表面を横切って通っている導体により、またその他の デバイス領域によって生じるかもしれない。これらの導体又はデバイスの電圧が 例えばメモリ書込み又は読出動作の期間中に変化すると、少数キャリヤが電荷蓄 積デバイス’ｋｆむ近くの表面領域内に注入されるかもしれない。そのような注 入および電荷ボンピング効果は電荷蓄積デバイスの性能を低下させるので望まし くなく、避けるべきである。ダイナミックランダムアクセスメモリは行又は列妨 害（ｄｉｓｔｕｒｂ　）効果としてしばしば現われるそのような現象に特に感受 性を示す。従って、そのような現象および効果から電荷蓄積デバイスを遮蔽する ことは特に重要である。

先行技術のこれらの、およびその他の欠点は本発明によって作られた第２図の構 造で克服できる。第２図はそこに電荷蓄積デバイス１２および１４が作られてい る半導体基板３１０部分を示す。射線１５は電離粒子１５ａ又は放射＃　１５ｂ を示す。接合１３は第１図に関連して説明したのと同じ機能を有する。電荷蓄積 デバイス１２および１４は表面３１ｕに隣接する基板３１の帯３１ａに作られて いる。基板３１は長寿命材料のものが選ばれているので、帯３１ａもまたこの性 質を有する。このことは、デバイス１２および１４に存在する再結合一発生電流 がきわめて小さく、デバイス１２および１４は本来すぐれた電荷蓄積性を有する こと全保証する。電離粒子又は放射線１５によって基板３１の部分３１ｂに発生 する電子−正孔対が帯３１ａのデバイス１２および１４に達するのを防ぐために 、非常に寿命の短い帯又は領域３１ｃがデバイス帯３１ａのすぐ下に置かれてい る。デバイス帯３１ａの厚さは、デバイス１２および１４に関連した空乏領域１ ２ａおよび１４ｄが膨張して短寿命領域３１ｃと接触してはならないという要求 と矛盾しないためできるだけ薄くすることが望ましい。ドープした領域１３０近 くに非常に寿命が短い帯３１ｃ金置くことによって、非常に寿命が短い帝３１ｃ もまたドープした領域１３から基板３１へ注入されるキャリヤ１３ａの大部分全 吸収するシンク（ｓｊｎｋ）としての役目をする。これは近くの接合１３から、 又は少数キャリヤ金デバイス構造の表面領域へ注入する点で同じ方法で挙動する 隣接する電荷ポンプ領域から注入された少数キャリヤに対する電荷蓄積デバイス １２および１４の感度を低下させる。

帯又は領域３１ｃが射線１５によって発生した、又は領域１３から注入された、 又は電荷ボンピングによって注入されたキャリヤの効果から電荷蓄積デバイス１ ２および１４ヲ効果的に遮蔽するためには、領域３１ｃにおける寿命がきわめて 短いことが絶対に必要である。領域３１Ｃにおける再結合中心の密度が非常に高 くて、領域又は帯３１ｃに入る殆んどすべての自由キャリヤが電荷蓄積デバイス に達する前に再結合しなければならない。

反応性寿命短縮不純物を基板材料中の不純物の通常の固体溶解限度を大幅に超え る濃度にまで注入することによって、非常に高濃密の永久的寿命短縮不純物を領 域又は帯３１ｃの幅３２ｃにおけるよう基板３１内の狭い帯に作シうろことが発 見されている。例えば、酸素原子は表面から１ミクロン又はそれ以上下に位置す る厚さ１〜２ミクロンのバンド（ｂａｎｄ　）で、シリコンの溶解温度でシリコ ン中の酸素の固体溶解度を大幅に超える過飽和最高濃度でもってシリコンウェハ 中に注入できる。更に、そのような過飽和酸素帯は、基本表面の単結晶性を破壊 することなしに、又は上にある材料中に高品質の電荷蓄積デバイスを作ることを 不可能にするほどの高密度の表面欠陥を生じさせることなしに基板内で制御され た深度において作ることができることが発見されている。更に、過飽和酸素帯は その後の熱処理の期間中安定しているので、注入後の高温処理ステップは著しい アニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）　ｋ生じさせない、即ち過飽和酸素帯中の 非常に短い自由キャリヤ寿命は注入後の加熱で短縮したり、又はなくならないこ とが発見されている。過飽和酸素帯の安定性は、酸素が半導体材料と化学的に反 応して安定した５ｉＯｚ相を作る能力を有することによると考えられる。この安 定したＳｉＯｘ相はきわめて局在的であシ、非常にこまかく分割されており、過 飽和酸素濃度のためにその後の加熱ステップの期間中に半導体結晶中で再溶解す ることができない。

注入されたイオンの過飽和濃度と基板３１の材料との反応によって形成できる再 結合中心の高濃度の結果として、帯３１ｃにおける自由キャリヤ寿命は、他の方 法、例えば結晶内の溶液中にすでにある不純物の反応又は活性化によって、又は 拡散によって導入された不純物を用いることによって得られるその寿命よシも著 しく短くなる可能性がある。通常溶液中の不純物の濃度は、基板の融点における 基板中のその不純物の固体溶解度によって制限される。その融成物に溶解してい る更にそれ以上の量は凝固すると分離される。従って、溶解した、又は拡散する 不純物の沈殿は固体溶解度によって決定される濃度に本来制限される。

イオン注入を用いると、そこに電荷蓄積デバイスを作ることができる長寿命帯３ ４ａの下の基板３１内に（ｉｆ３１ｃｋ埋込むことができる。反応性イオンの過 飽和帯の注入によって、非常に低い値の有効寿命（例えば１５〜２００ピコ秒〕 が帝３１ｃに得られる。基板材料と反応すると、半導体および注入したイオンか ら形成されたこれらの高濃度のコンプレックスは、基板３１のバルク部分３ｉｂ 内に吸収された射線１５が発生させた電子−正孔キャリヤ対から、又は領域１３ から注入された又は電荷ポンピングによって導入された少数キャリヤから電荷蓄 積デバイス１２および１４金遮蔽する作用をする。

先行技術と比較した場合の本発明のもう１つの特徴が第３図に示されており、こ の第３図は電荷蓄積デバイスエ２および１４および従来のバイポーラデバイス５ ３ヲ宮む上部表面５１ｕＱ有する基板５１の部分力の概略形を簡略化した断面図 で示す。従来のバイポーラデバイス５３は分離壁５３ａ、埋込層領域５３ｂ、コ レクタ領域５３ｃ。

ベース領域５３ｄおよびエミッタ領域５３８′ｔ−含む。本発明による厚さ５２ ｄのイオン全注入した短寿命キャリヤ遮蔽帯５１ｄが点５１ｅまでだけ横に延び ておシ、バイポーラデバイス５３によって占められている領域内までは延びてい ない。キャリヤ遮蔽のこの側方への局在化はキャリヤ遮蔽５１ｄの注入期間中に バイポーラデバイス５３を含ませようとする基板５１の部分をマスクすることに よって容易に達成される。

本発明のもう１つの芙施例が第４図に示されておシ、この第４図においては上方 表面６Ｌｕを有する半導体基板６１の部分６０ヲ簡略化した概略的断面図で示す 。イオン注入によって作られた短寿命遮蔽領域６１ｄは基板６１内に位宣し、基 板６１の厚さ６２ｄのバルク部分６１ｂ内に起きたイオン化事象によって発生し た自由キャリヤから電荷蓄積デバイス比および１４全保護する役目全する。

しかし、電荷蓄積デバイスＬおよび１４　’ｊｉ−基板６１の表面６１ｕに直接 に置くのではなく、エピタキシャル層６３ｔ−基板６１の表面６１ｕ上に成長さ せ、デバイス化および１４を層６３の表面６３ｕに作る。層６３はデバイス１２ および１４の空乏領域を含むのに十分な厚さ６３ａを有することが望ましい、と いう訳は、層６３は層は高度の完全度をもって作ることができるかもしれないか らである。これはデバイス化および１４の特性を改善させる。層６３が高度の完 成変音もつためには、エピタキシャル層６３が厚さ６２ａの領域６１ａによって キャリヤ遮蔽帯６１ｄから分離することが望ましい。遮蔽帯６１ｄ　ｉエピタキ シャル層より以前に作るためには、阜さ６２ａはエピタキシャル層６３内に伝播 するかもしれない表面６１ｕの注入欠陥の発生を不可能にするのに十分な大きさ でなければならない。０．５〜１ミクロンの距離が厚さ６２ａにとって十分であ ることが発見されている。

例 第２図・〜第４図のデバイス構造は下記に述べる方法によって作ることができる 。第５図Ａ−第５図工は種種の完成度の段階において本発明によって作られ、ま た種々の代わりの製作方法によって作られたデバイス１２〜１４　”ｄ−含む半 導体基板７１の部分７０の簡略化した概略的断面図を示す。本発明の第１実施例 では、電荷蓄積デバイス領域比および１４は技術上周知の方法によって基板（第 ５図Ａ−第５図Ｂ）の表面７１ｕに作られている。電荷蓄積デバイス領域１２お よび１４を作った後に、デバイス領域１２および１４ヲ介してイオン７４ヲ注入 し、表面７１１３下の深度７２ａ　ＶＣおいて幅７２ｂの埋込層領域７１Ｃ１− 作シ自由キャリヤ遮蔽として作用させる（第６図Ｃ）。

酸素はシリコンに自由キャリヤ遮蔽領域７１ｃ　ｆ：作るのに適した材料である ことが発見されている。表面７１ｕの下の遮蔽領域７１ｃの深さは注入エネルギ ーを変えることによって変化させることができる（第６図参照）。

例えば約４００　ｋｅ　Ｖのエネルギーで位置をシリコンに注入すると、注入さ れた酸素分布の中心は表面７１ｕより約１ミクロン下に位置する。８００　ｋｅ 　Ｖでは注入分布中心は表面７１ｕの約２ミクロン下で、り　Ｆ）　、３，５０ ０　ｋｅ　Ｖではその中心は表面７１ｕより約４ミクロン下である。特定の濃度 レベルにおける注入された分布の幅はエネルギーと総ドースによって決まる。種 々の注入エネルギーおよびドースについての濃度対表面からの深度のプロフィル は第６図に示しである。第６図のプロフィルはシリコンおよび酸素の既知の特性 に基づいて計算されている。これらの計算されたプロフィルは深さの関数として 電気的寿命測定から推定した分布ピークの位置および分布の幅の対応する値とよ く相関し、注入した不純物プロフィル全無理なく表わすものと考えられる。

第５図りおよび第５図Ｅは本発明の方法２作る代わりの順序を示す。第５図Ａに 示されている裸の基板７１から始めて、寿命短縮不能物７４を基板７１に注入し く第５図Ｄ）、基板７１における厚さ７２ａの長寿命領域７１ａの下に横たわる 幅７２ｂの短寿命遮蔽領域７１ｃ　ｆ作る。

短寿命遮蔽領域７１ｃの注入に続いて、電荷蓄積デバイス領域比および１４を従 来の技術を用いて基板７１の表面７１ｕに作る（第５図Ｅ）。これが好ましい方 法である。

成る場合には、電荷蓄積デバイス１２および１４をエピタキシャル層に作ること が望ましい。完全した構造が第５図工に示されており、この図では基板７１はそ の上に厚さ７３ａのエピタキシャル層７３　ｔ−有し、この層７３に電荷蓄積デ バイス領域しおよび１４が作られている。幅７２ｂの短寿命キャリヤ遮蔽領域７ １ｅは幅の厚さ７２ａのもとのま＼の（ｕｎｄｉｓｔｕｒｂｅｄ　）領域７１ａ の下の基板７１に位置している。第５図工の構造を得る方法は第５図Ｆ−第５図 Ｈに示してちる。エピタキシャル層全利用するプロセスの第１実施例では、裸の 基板７１（第５図Ａ）にイオン７４ヲ注入し、第５図りに示しであるように短寿 命埋込遮蔽４７１ｃｇ作る。次にエピタキシャル層７３を第５図Ｆに示されてい るように基板７１の表面７１ｕに実施されている。

このプロセスの代わシの実施例では、埋込んだ短寿命遮蔽層７１ｃを作る前に、 裸の基板７１（第５図Ａ）をエピタキシャル層７３で被覆する（第５図Ｇ）。次 に、エピタキシャル法で被覆した基板にイオンを注入し、第５図Ｈに示しである ように埋込んだ短寿命遮蔽層７１Ｃを作る。

第５図Ａ、第５図り、第５図Ｆ、又は第５図Ａ、第５図Ｇ、第５図Ｉ（のＩｌｌ 序に従って埋込んだ短寿命遮蔽層７１ｃ’ｉ言みエピタキシャル層７３が上に載 っている基板７１の組合せがひとたび得られると、技術上周知の従来の方法によ ってデバイス領域り、１３又は１４がエピタキシャル層７３に作られる。当業者 は、注入ステップがエピタキシャル層７３の実施前に行われる（例えば第５図Ｄ ）か、又はエピタキシャル層７３の実施後に行われる（例えば第５図Ｈ）か、に よって相異なる注入エネルギーを使用しなければならないことを認識するであろ う。注入エネルギーの差は、イオン７４が貫通して、注入が層７３の形成前に行 われるか又は形成後に行われるかに応じて基板７１の表面７１ｕの下の深さ７２ ａ１又はＲ７３の表面７３ｕの下の深さ７２　ａ　＋　７３　ａにおいて領域７ １ｃに堆積しなければならない材料の厚さの差を考慮するのに必要である。

実験結果 注入領域の中心（ｉ−ｆｆ面７１ｕ下約０．５〜５ミクロン又はそれ以上の深度 にはソ位置させるように短寿命遮蔽領域７１ｃ　ｆ基板７１内に注入できること が発見されている。試験ではこれは上に横たわる領域７１ａの性質を著しく低下 させずに達成できることが示されている。この点は重要である。という訳は、領 域７１ａが領域７１ｅの注入によって悪影響全うけると、層７１ａに作られた電 荷蓄積デバイス１２および１４が悪影響全うけ、その性質が低下するからである 。同様に、領域７１ａが領域７１Ｃの注入によって悪影響をうけると、その上に 成長したエピタキシャル層７３もまた性質が低下する。

研摩した転位のないシリコンウェハを測定に用いた。

０２源から誘導したＯ＋イオンを用いてエクストリオン（Ｅｘｔｒｉｏｎ　）型 ４００−１０インプランタ（１ｎｐｌａｎｔｅｒ）内で４００ｋａＶで酸素注入 を行った。総ビーム電流は０＋の約１００マイクロアンペアでアシ、その約６０ ％がウエノ・に突きささった（　５ｔａｃｋ）。エクストリオンインプランタハ 米国、マサチューセッツ州、グロスターにあるバリアン社（Ｖａｒｉａｎ＋　Ｉ ｎｃ−）のエクストリオン部門によって製造されている。０２ガスとともに供給 されたデュオプラズマトロンソース（Ｄｕｏ−ｐｌａａｍａｔｒｏｎ　５ｏｕｒ ｃｅ　）　ｆ用いてゼネラルイオネツクスタンデトロン（Ｇｅｎｅｒａｌｌｏｎ ｅｘ　Ｔａｎｄａｔｒｏｎ　）インプランタ内で３，５００　ｋｅ　Ｖで注入を 行った。ビーム電流はＯ＋４′の約２マイクロアンペアであり、その殆んど全部 がウエノ・に突きささった（ｓｔｕｃｋ　）。ゼネラルイオネツクスイングラン タに関する注入は米国、オハイオ州、ディトンにあるユニバーサルエネルギーシ ステムズ社（Ｕｎｆｅｒｓａｌ　ＥｎｅｒｇｙＳｙｓｔｅｍｓ　）　を介してえ た。代表的な注入ドースおよびエネルギーは第１表に示しである。注入は一般に 株のシリコンウェハに行われた。仝大−−Ａ）；−−′−−しかし、サンプル５ Ｗ５−ＡおよびＢは注入前に帆０２　ミクロンの酸化物層で被覆した。この収化 物層はイオン貫入深度に容易に評価できる影響を与えるには薄すき゛た。注入期 間中ウェハ温度ｋ　ｆａ制御する試みは行われなかった。注入後ウェハは第１表 に示すように加熱し、その酸素とシリコン基板材料と全反応させ、再結合中心を 活性化して安定した５ｉＯｚコンプレツクスを作った。一般的に云って、酸素注 入はテストダイオードおよびＭＯＳコンデンサを作る前に行った。エピタキシャ ル層を用いた場合には、酸素注入バ一般にエピタキシャル層形成前に行った。エ ピタキシャル層、ダイオードおよびＭＯＳコンデンサは技術上周知である従来の 技術を用いて作った。

第３図のデバイス領域１２〜１４に類似したダイオードおよびＭＯＳコンデンサ は従来のデバイス製作技術を用いて第５図Ａ−＠５図Ｉに関する一般手続概略に 従って作った。例えば酸素注入Ｐ形シリコンウェハは酸素中で約１０００℃で酸 化させ、マスキングのだめの表面酸化物層を作った。フォトレジスト層を適用し て表面酸化物層の開口部の範囲をきめ、その開口部を通して燐ドーパントを用い て約９５０℃ｒ（おける従来の拡散によってＮ”Ｐダイオードを作った。　接会 形底後、ウニハラ９００℃および１０５０℃で再酸化し、ＭＯＳコンデンサ用の ゲート酸化物を作った。従来の技術を用いて金属層を蒸着させパターン全形成し 、ＭＯＳコンデンサの電極およびＮ−Ｐダイオードとの接点を作った。

個々のウェハの平均バルク寿命値は技術上周知の方法を用いてダイオード−関す る逆回復時間測定値から計算した。発生寿命値は周知のツエルブス）　（Ｚｅｒ ｂｓｔ）法を用いてダイオードに隣接す不Ｍｏｓコンデンサに関するキャパ７タ ンス緩和時間測定値から計算した。寿命測定のほかにも、ダイオードの漏れ電流 ｔ一定電圧関数として測定した。ＭＯＳコンデンサおよびＮ”Ｐダイオードの空 乏層全注入された短寿命帯を通して一掃（ｓｗｅｅｐ　）できるようにするため に、開始ウェアおよびエピタキシャル層の抵抗率および酸素注入深度を選んだ。

この方法により短寿命帯の有無が、コンデンサおよびダイオード特性、および計 算された帯における寿命の長さから検出できた。酸素注入から保護されている場 所における半導体表面の寿命も参考のため測定した。第１表に識別しである下記 のサンプルについてのこれらの測定結果は第７図Ａ、第７図Ｂおよび第８図に示 しである。

第１表 酸素注入エネルギー、ドース。

５ＷＩ−Ａ　４００　３Ｘ１０１５７Ｘ１０１９４　５　（３０＠９００）ＳＷ Ｉ−Ｂ　４００　１ＸＩＯ”２Ｘ１０”　４　５　（３０＠９００ＪＳＷ２−Ａ 　３，５００　３　ＸＩＯ”　３　Ｘｌ０１９０　４　［３０＠９００ＪＳＷ２ −Ｂ　３，５００　１　ＸＩＯ”　Ｉ　ＸＩＯ”　０　４　（３００９００ＪＳ Ｗ３−Ａ　３．５００　１　Ｘ］、０”　Ｉ　ＸＩＯ”　０　４　（６００８０ ０＋５Ｗ３−Ｂ３，５００　３Ｘ１０”３Ｘ１０”　０　４　３０＠１０５０； 又は５Ｗ３−０３，５００　６Ｘ１０′５６Ｘ１０”　０　４　６０＠１０５（ Ｆ）ＳＷ５−Ａ　４００　３　Ｘｌ０１５７刈０”　４　５　（３０＠９００＋ ５Ｗ５−Ｂ　４００　１ＸＩ（１１６２Ｘ１０”　４　５　３０＠１０５０Ｊ“ エピタキシャル層の厚さ”の列の数字は注入されたウェハの上のエピタキシャル 層の厚さである。第１衣に示されている“最高深度”は上にあるエピタキシャル 層ヲ含む注入濃度プロフィルのピークの表面下推定深度である。エピタキシャル 層を用いた場合には、テストデバイスはエピタキシャル層に作った。第１表のサ ンプルの場合には、注入深度とエピタキシャル層の厚さは協同して（ｉｎ　ｔａ ｎｄｅｍ　）変化したので、注入プロフィルはテストデバイスが作られた表面下 約４〜５ミクロンに位置した。この手続音用いるとエピタキシャル層を用いた場 合の結果とエピタキシャル層ヲ用いなかった場合の結果とをかなシ直接的に比較 できた。

注入貫入深度および濃度プロフィルは、注入したイオンの停止距離およびその結 果生じるプロフィルを推定するための技術上周知の方法を用いて計算した。これ らの計算結果は第６図に詳細に示しである。本発明の方法によって得られた第１ 表に示されている最高酸素濃度は、シリコン中の酸素の固体溶解限界、即ち約１ −２刈０”／　ｃｍ８ｆ犬幅に上回っている点に注目すべきである。

第１表に示されている熱サイクルのほかに、第１表のウェハはテストダイオード およびＭＯＳコンデンサの製作期間中に更に注入後加熱をうけた。これらの追加 加熱サイクルは最初の酸化の場合にはｔｏｏｏ℃で９０〜１６５分間、燃拡散期 間中は９５０℃で２５分間、再酸化の期間中は９００℃で７５〜１１５５．）間 、ゲート酸化の場合には１０５０℃で１３５分間であった。エピタキシャル層で 被覆されたウェハは、テストデバイスの製作前のエピタキシャル層の成長期間中 は１１６０℃で４分間の追加加熱サイクル全実施された。

第７図Ａおよび第７図Ｂは、第１表のサンプルについて表面における寿命に正規 化されたＮ＋　ＰダイオードのＩ−Ｖ特性から計算した有効寿命を構造中への深 さの関数としてグラフで示したものである。ｒ−ｖ特性から計算された有効発生 寿命は、隣接するＭＯＳコンデンサに関する緩和時間測定値から決定した値に対 して検査した。これらの値は一般的によく一致した。

酸素注入分布のピークは構造物表面から４〜５ミクロン下にあると推定された。

表面における有効寿命は別個に決定され約１５０マイクロ秒であった。第７図Ａ 〜第７図Ｂの種々の曲線は第１表の値に対する対応を示すためにラベルが付けら れている。第７図Ａおよび第７図Ｂのすべての曲線は、零バイアス空乏領域深度 においてｉｓｏマイクロ秒の表面寿命値へ向う傾向を示している。空乏領域深度 は第７図Ａおよび第７図Ｂの底部の尺度で与えられておシ、表面からの深度は第 ７図Ａおよび第７図Ｂの上方の尺度で与えられている点に注意せよ。深度はいづ れもミクロンで測定されている。

第７図Ａおよび第７図Ｂに呈示されている結果は、約３Ｘ１０１５イオン／ｃｍ ２のドースでは、有効寿命は約１５０マイクロ秒の表面値から１５０　＋　１秒 以下の値にさがることを示している。これは１０　〜１０　の範囲における寿命 短縮比である。一般的に云うと、ドースが多ければ多い程注入された帯における 寿命はより多く短縮される。約１×１０１６イオン／ｃｍ２のドースでは、有効 寿命は約１５０マイクロ秒の表面値から約２〜２００ピコ秒の範囲Ｋまでさがる 。これは１０−７もの明らかな燈縮比である。従って、本発明の方法はもとのま ＼の（ｕｎｄｉ３−ｔｕｒｂｅｄ　）表面層の下に埋込まれたきわめて寿命の短 い層全提供する。

第７図に呈示されているデータは３，５００　ｋｅ　Ｖ酸素イオン音用いて注入 したエピタキシャル層のないサンプルに対応する。第６図に示すように、注入分 布のピークは表面下約４ミクロンのところにあると予想され、約１０１８／ｃｍ ’の濃度における半値増はＩ　Ｘ　１０”／　ｃｍ２のドースでは約１ミクロン 、１×１０７０ｍのドースでは約１．５ミクロンと推定される。従って、約ｘｘ ｔｏ１５／ｅｍ”以上のドースでは表面から約３ミクロンの深さで、Ｉ　Ｘ　１ ０”／　ｃｍ”に近づくドースでは表面から約２．５ミクロンの深さで寿命の有 意の短縮が観察されるはずである。第７図Ａにグラフで示しである：４昔の低下 はこれらの予測とかなりよく対応し、予想されるように、より大量のドースの曲 線はより浅い深度でより速やかな低下を示す。

第７図Ｂのデータは、４００　ｋｅＶで注入され、厚さ約４ミクロンのエピタキ シャル層で上を覆われたサンプルに対応する。第６図の計算は、４００ｋｅＶで 行われた酸素注入の幅は３，５００　ｋｅ　Ｖで行われたその幅よシ大幅に狭い 。従って、第７図Ｂにおける寿命の低下は第７図Ａと比べて表面からよシ深いと ころで起き一層徐々に起きるはずである。これが観察される事実である。

このことは表面下の注入された分布の深さは、注入エネルギー又はエピタキシャ ル層の厚さ、又はその両方を変えることによって制御できることを示している。

これらのサンプルに観察された注入した領域についての寿命の非常に低い値およ び非常に大きな寿命短縮比は、下記に更に詳しく説明するように注入した酸素を 活性化させるために、又は注入を行った後のエピタキシャル層およびテストデバ イスの製作に関連してウェハ全長い間加熱した後に測定される点にも注目すべき である。従って、先行技術の方法と違って、反応性イオンの過飽和層を注入する 本発明の手段と方法は、寿命短縮中心が注入後の加熱期間中にアニールする著し い傾向全示しにくい。このことは本発明によって得られる非常に短い寿命は非常 に安定していることを示す。これは非常に望ましい性質である。

注入した酸素は相異なるバイアス値ｔこおけるＮ＋Ｐダイオードの漏れ電流全直 接に１ｉｌｌｌ定することによって観察できる。これらの結果は４００　ｋｅ　 Ｖで３　Ｘ　１０１ｓイオン／ａｍ”のドースまで注入され次に厚さ４ミクロン のエピタキシャル層で被覆したサンプルＡＳＷＩ−Ａについて第８図に与えられ ている。Ｎ”Ｐダイオードはエピタキシャル層に作られ、その面積は６　Ｘ　１ ０−”　ａｍ２　であった。

第８図の実線曲線は漏れ電流（Ｉ）対空乏深度（ω）のグラフである。空乏領域 幅はバイアス電圧を変えることによって変化する。対数−均等目盛が第８図には 用いラレテいる。零に近いボルトバイアスでは空乏層は非常に薄いので、ダイオ ードの下にある注入された酸素帯内まで延びない。表面材料は非常に長い寿稲を 有しており従って非常に低い熱発生率を有するので、漏れ電流はこれらの条件下 では非常に少なく、例えば約ｔｏ−１，０アンペアである。漏れ電流がそのよう に少ないという事実は、注入された領域の上の表面層が注入プロセスによって損 傷金うけていないということ、又は少なくとも生じたかもしれない損傷がテスト デバイスがそのなかに作られているエピタキシャル層内まで伝播していないこと のも９１つの証拠である。ダイオードに対するバイアスが大きくなるにつれて、 空乏領域は拡が９、漏れ電流は多くなる。空乏領域が寿命の短い（熱発生率の高 い）注入された帝に触れていない限りにおいては、漏れ電流は比較重化々に増加 する。しかし、バイアス電圧が拡張する空乏領域が寿命の短い（熱発生率の高い ）注入された帯金通過する点まで高まると、漏れ面光は劇的に増加する。このこ とが起きるのは短寿命を与える同じ深い再結合中心が大きい熱発生電流を与える からである。漏れ電流の大きな変化は空乏深度がごく僅かに変化しても起き、短 寿命注入帯は計算された注入プロフィルから予想されるように非常に薄いことを 示すことが第８図から知ることができる。ひとたび空乏領域が注入された帯金体 を包み込むと、漏れ電流は再び頭打ちになる。という訳は、空乏領域が更に拡張 しても著しくより多い再結合一発生中心を取シ込む（ｓｗｅｅｐ−ｉｎ　）こと をしないからである。

なお大きな空乏幅では、漏れ電流の漸増が通常のダイオードについて予想される ように再開する。

第８図の破線曲線は空乏深度の関数としてのＩ−ωプロットのヌローブ（ｄＩ／ ｄω）ｋ示す。空乏領域が埋込まれた短寿命注入領域全通り抜ける点に対応する 大きなピークが観察される。破線曲線上の星印によって示されるこのピークは接 合テコク・ン１表面下約５ミクロンと計算された。

第８図の曲線は、本発明の教示によって作られた短寿命遮蔽領域又は帯は、注入 された基板又はエピタキシャル層の表面を乱したシ又は損傷させず、それは非常 に薄いものであシ、深い再結合一発生中心の非常に高い密度を与えるという直接 的な観察証拠を与える。

本発明の１つの特徴は、短寿命遮蔽領域は区域の点でも深度の点でも局在化でき ることである。区域局在化は注入期間中にウェハ表面全マスクすることによって 、例えばレジスト又はその他の注入抵抗性材料の重い（ｈｅａｖｙ）　１ｍ　’ ｘ用いることによって行われる。この方法により、自由キャリヤ遮蔽帯を作る寿 命短縮イオンをウェハの成る区域には注入できるが他の区域には注入できないよ うになる。更に、第６図、第７図Ａおよび第７図Ｂから明らかなように、注入し た帯の深度は注入エネルギーおよび／又はエピタキシャル層の厚さｗ　ｗｒａ節 することによって変えることができる。最小深度はデバイス空乏層が遮蔽領域内 に貫入しないという要件によって定められる。最大深度はよシ大量のエネルギー 注入および／又はより厚いエピタキシャル層を用いることによって多数ミクロン の範囲にわたって変化することができる。しかし、最大遮蔽効果は、遮蔽帯を空 乏層に接触させずにできる空乏層に近づけておいた場合に得られる。例えば深い 空乏層全収容するために大きな深度が必要な場合には、エピタキシャル層構造を 用いることが好ましい。という訳は、第６図にみられるように、より大きなイオ ン貫入深度を得るためにエネルギーを増やすと、同一ドースでも一定濃度におけ る注入された帯の幅は広くなシ、ピーク濃度は低下するからである。従って、基 板に浅い短寿命遮蔽領域金用いている電荷蓄積デバイスはその後その上にエピタ キシャル層で被覆すると、性能が良くなることが期待され、好ましい。

基板全注入期間中又は注入後に加熱して注入した不純物と基板材料とを反応させ 、非常に多くの深い再結合中心を与える化学的に結合したコンプレックスを形成 すると、注入された不純物の寿命短縮作用は安定していることが発泡されている 。このプロセスはこ＼では一般に活性化と云われる。シリコン中の注入された酸 素は５ｉＯＸコンプレツクスを作ると考えられる。これらのコンプレックスは透 過電子顕微鏡音用いて観察されており、非常に小１　＜　、ｆｌｌえは約１００ オングストローム（１０−８ｍ）の大きさに分割されているようにみえる。

このコンプレックスはより大きな転位によって取りかこまれている。活性化され た再結合中心が安定性全作ち、基板内で再溶解されたりさもなければアニール（ ａｎｎｅａｌ　ａｗａｙ　）　Ｌ／ないようにするためには注入された不純物の 濃度は半導体材料中のイオンの固体溶解限度を上回らなければならない。活性化 加熱はいかなる種類の加熱手段で行ってもよい。第１表のサンプルの場合には、 活性化力り熱は一般に！老雰囲気内でシリコンのような半導体の拡散又は酸化に 一般に用いられる種類の通常の管状炉内で行った。時間および温度は第１表に示 しである。

しかし、活性化プロセスは等温加熱技術を用いて行うことが好ましい。米国、マ サチューセッツ州、グロスターにあるパリアン−エクストリオン社（Ｖａｒ　ｊ 、ａｎ　−Ｅｘｔｒｉｏｎ　）が製造しているＩＡ−２０００型急速等温アニー リング（ＲＩＡ）装置が適している。注入されたウェハ又は基板をＲＩＡ装置の 真空室に入れ、そこでウェハ又は基板は高温、例えば９００〜１３００℃に保た れている高温ヒータブロックからシャッタによって熱から絶縁され分離される。

アニーリングサイクルを開始するためには、シャッタ？すばやく側方へ移動させ 、ウェハがヒータからの高温放射線に突然さらされるようにする。

ウェハの熱質量は小さいので、その温度はきわめて急速に上昇する。ウェハのう しろに置かれた光高温計がその温度を測定するのに用いられる。ひとたびウェハ が所望するアニーリング温度に達すると、シャッタが閉じられ、再びウェハの小 さい熱質量とウェハがらの急速な放射エネルギー消失の故に、ウェハ温度は室温 に向って非常に急速に下がる。従って、ＲＩＡ装置を用いると、数秒又は数十秒 の間にウェハを室温から９００〜１３００℃へ加熱し、室温付近まで冷やすこと ができる。

例えば、５〜３０秒で１１００　℃以上に加熱し、更に５〜３０秒で約８００℃ 以下に温度を下げることができる。この処理は注入した寿命短縮不純物イオンの 活性化には特に望ましい。という訳は、この処理は注入された不純物分布を拡げ る可能性のある実質的な熱拡散のための時間を見越しておかなくても活性化が行 われる。

Ｊ、Ｌ、クルマ（ｃｂｒｕｍａ　）らによる係属中の米国出願第５８８　、６２ ８号に報告されているように、ＲＩＡかＡｓのような通常のドーパントの非常に 高濃度の注入をアニールするのに用いられる場合には、ＲＩＡアニーリング又は 活性化の結果として注入された分布は評価できるほどは横の方へ広からず、不純 物分布はＲＩＡ前よシＲＩＡ後の方がよシ急勾配になる（ｓｔｅｅｐ　）ように 思われる。この同じ効果が寿命制御のためにこ＼で用いられている不純物の種類 によっても観察されると考えられる。従って、注入した不純物を用いて寿命短縮 遮蔽層を備えるためにＲＩＡ　全周いることはきわめて望ましい。

という訳は不純物は後になってから著しく拡がることなく活性化されうるからで ある。対数−均等目盛の濃度プロフィルで非常に急勾配のス刀−１・（ｓｋｆｒ り全もった非常に高濃度の寿命短縮物質物金得ることができる。このことによシ 最犬遮蔽効果全つるためにキャリヤ遮蔽領域を空乏領域貫入帯の近くに置くこと ができる。

酸素はキャリヤ遮蔽領域金作るのに適当な不純物イオンであることが発見されて いるが、その他の不純物も使用できる。しかし、不純物の選択は特別の要件によ って制約される。一部の不純物は適当ではない。例えば、寿命短縮物質として有 効であるためには、不純物は深い再結合中心、即ち使用される半導体材料の禁止 帯の幅の中央付近に位置する再結合レベルを与えなければならない。キャリヤ再 結合全促進する深い中心ＸＵレベルの作用は、１９６７年にニューヨークのジョ ンウイリーアンドサンズ社（Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ　）から 発行されたＡ、Ｓ、グローブ（Ｇｒｏｖｅ　）著“半導体デバイスの物理および 技術″の第５，２章”再結合プロセスの反応速度論”に説明されている。

また、高そ度の浅いドナー又はアクセプタレベル２与える不純物もあまり望まし くない。という訳は浅いドナー又はアクセプタレベルは一般に通常の温度でイオ ン化されるからである。従って、そのような不純物は電子伝導率および形に大幅 な変化を生じさせ、このことは一般に望ましくない。シリコンに注入されると、 元素周期律表のｎｌａ族およびＶａ族からの多数の元素は高密度の浅いレベル全 与えることが一般に知られている。そのような元素の例は［ｎ８２１ＮからのＢ 　、　ｈｉおよびＧａであり、Ｖａ族からのＰ　＋　Ａ３および５ｂ−ｃある。

そのような元素は望ましくない。こ＼で用いられている”周期律表”という語＋ ；：上県、１．）Ｑ　Ｊｌダ州、ボウカラトンにあるＣＲＣプレス社発行の１物 理化学ハンドブツモ “元素の周期律表″全天う。

寿命短縮不純物による電子伝導率に対する何らかの効果が通常観察される。とい う訳は、多数の寿命短縮不純物もまた成る程度の浅いドナー又はアクセプタレベ ルを与えるからである。例えば酸素は弱いＮ形不純物であるが、それでも適当で ある。窒素もＶ、族に含まれるがそれでも寿命短縮物質として有用な元素と思わ れている。という訳は、窒素はシリコン中で強いドーパント原子になるとは考え られないが、深い再結合レベル全方えると予想されるからである。

更に、非常に急速に比較的低温度で拡散する不純物は有用ではない。という訳は 、その後の加熱ステップの期間中にそれらの不純物は電荷蓄積デバイスの空乏領 域によって占められている表面部分へ拡がる可能性があるからである。このこと は電荷蓄積デバイスにおける漏れ電流を増加させ、その電荷蓄積性を低下させる 。金は深い再結合中心を与える材料の例であるが、その拡散率があまりにも昼す ぎる。シリコンをベースにしたデバイスでは、デバイス役作に重要な温度範囲、 応す己拡欣率りの値？有する寿命短の不純物は有用とはＩＨｌわｆＬ　７ａ：い １、 最後に、大部分は注入期間中に不純物又は粒子が生じさせる格子損傷により、又 は反応しなかった沈殿物（例えばガスの泡）によって深い再結合中心金与える不 純物又は粒子は、その後の加熱期間中に寿命短縮効果がアニールする（　ａｎｎ ｅａｌ　ａｗａｙ　）　傾向があるのであま９望ましくない。希ガスはこの種順 の不純物の例である。特にアルゴンは熱でアニール可能な再結合中心を与えるこ とが知られている。そのような材料は一般に基板と化学的に結合した安定したコ ンプレックスを作らない。

要約すると、本発明によシ自由キャリヤ遮蔽領域の形成に用いるのに適した不純 物イオンは、深い再結合中心又はレベルを与え、基板材料と化学的に反応し、そ の後の加熱の期間中に殆んど再吸収又はアニール（ａｎｎｅａｌ　ｏｕｔ）　Ｌ ない結合コンプレックス全作シ、その後のデバイス製造および使用に必要な温度 で半導体基板内の所定の帯において注入されたイオン全維持すること全不可能に するほど高い拡散率を有しない元素のなかから選ばなければならない。更に、高 密度の浅いドナー又はアクセプタレベル全方えない元素のなかから元素金遣ぶ０ とが望ましい。シリコンの場合には、の関係を満足させる拡散率を有する材料は 適当とは思われず、周期律表のＩ［［ａ族およびＶａ族からの共通のドナーおよ びアクセプタは望ましくない。

シリコン中の炭素は溶液から沈殿し深い再結合レベル全作る酸素の性質に影響全 英えることが発見されている。このことが起きる正確な機序ははっきりとは判っ ていない。だが炭素は酸素のような寿命短縮不純物の核形成および反応を制御す る有用な手段を与える。

本発明のさらにもう１つの実施例では、炭素全半導体基板に注入し、溶解した、 又は注入された酸素、又はその他の反応性寿命短縮不純物の局在化された核形成 および反応を刺激する。炭素が存在すると、酸素は手当り次第に核形成および反 応全行うのではなく、炭素に、又は炭素の近くで優先的に反応する。従って、炭 素は基板内の寿命短縮コンプレックスの分布のより優れた制御全可能にする。代 わりの方法として、炭素全光づ最初に注入し、後から注入する酸素又はその他の 埒砧短縮物質の核形成および反応全促進するために炭素注入領域音用いて酸素又 はその他の寿命短縮不純物全注入してもよい。炭素はまた再結合中心そのものと しても機能できる。

上記に本発明全説明したが、本発明は半導体基板におけるｔヒ荷蓄槓デバイスを 入射放射縁又は粒子から、又は近くの接合から又は電荷ポンピングによって注入 されるキャリアから遮蔽する改良された手段および提供するものであることが明 らかであろう。本発明の手段および方法は’［１ｉ：荷蓄積デバイスの製作に適 した長寿命表面層のすぐ下に非常に寿命が短い自由キャリヤ遮蔽帯又は領域を提 供するものであることが更に明らかである。更に、キャリヤ遮蔽帯に与えること ができる寿命短縮不純物の濃度は非常に高く、少なくとも通常の固体溶解度全上 回る濃度である。この結果、キャリヤ遮蔽領域に本発明によって得られる寿命短 縮比も非常に大きく、例えば１０−７又はそれ以上にもなる。更に選ばれた不純 物イオンは基板材料と化学的に反応し、ム゛コいところにある再結合レベル全売 す結合コンプレックス全作るので、遮蔽島の寿命短縮性は時間および温時に対し 安定している。更に、本発明の手段および方うにするために側方向にも、また遮 蔽効果の最適調整ができるようにするために深度の点でも局在化することができ る。更に、上にある表面領域又は注入された基板の表面上に成長したエピタキシ ャル層に有害な影響を与えずに、寿命の短いキャリヤ遮蔽領域をデバイス基板に 埋込むことができる。

本発明を半尋体材料と寿命短縮不純物の特定の組合せについて説明したが、本発 明の教示は本発明の教示に従って選択された他の半導体利料および／又はその他 の寿命短縮不純物にあてはまることは当業者には明らかであろう。従ってそのよ うなすべての変形は下記の請求の範囲に含まれることが意図されている。

Ｆ”ｌＧ；−、３ノ Ｆ’ＩＣ，５１３ Ｆ’ＩＣ，５Ｃ ＦＩＣ，５Ｉ 表面力＼らの深さ　、ミクロン） ＦＩＣ−７Ａ 表面力＼らの深さ　（ミクロン） Ｆ’ＩＣ；；−，７１３ 逆漏れ霊ン庇　■　（アンペア） ｄＩ／ｄω（アンペΣ・７ミクロン） 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．（補正）．第１および第２主表面を有するシリコン基板と、 前記第１表面に隣接した第１寿命帯を有し、電荷蓄積デバイスを収容する第１領 域と、 第１領域の下にある第２領域とを含み、前記第２領域は周期律表のＩＩＩａ族又 はＶａ族からのものでない反応性不純物を含み、 前記不純物は前記第１寿命帯より短い寿命を前記第２領域に生じさせるのに十分 な深い再結合中心を与え、前記不純物は（Ｄ）０．５≦５０ミクロン／平方根時 の関係を満足させる温度範囲９００〜１３００℃のシリコン中拡散率Ｄを有する 元素の種類から選択され、前記不純物は前記基板中の前記不純物の固体溶解度を 超える最高濃度を有する、 半導体デバイス。
2. ２．（補正）．前記不純物は酸素であり、前記最高濃度はアニーリング後に１× １０１９不純物原子／ｃｍ８又はそれ以上の値を有する前記請求の範囲第１項の 半導体デバイス。
3. ３．（補正）．前記第２領域は約４００ｋｅＶ又はそれ以上のエネルギーで１× １０１５イオン／ｃｍ２又はそれ以上のドースまで酸素イオンを注入することに よつて作られる前記請求の範囲第１項の半導体デバィス。
4. ４．（補正）．第１表面および第１表面下で重ね合された第１および第２領域を 有するシリコン基板を含み、前記第１表面に隣接する前記第１領域は電荷蓄積デ バイスを作るのに適した第１寿命を有し、前記第１領域の下にある前記第２領域 は、前記基板中の前記不純物イオンの固体溶解度を超える不純物イオンの最高濃 度を有し、 前記不純物イオンは、 前記基板と化学的に反応し１３００℃を下回る又は１３００℃に等しい温度にま で加熱する期間中ほぼ不動であり、前記第２領域に入る少数キヤリヤの再結合を 促進するため深い再結合中心を与え、前記第２領域は前記第１寿命より短い第２ 寿命を有するのでそこに入る殆んどすべての少数キヤリヤは前記第２領域で再結 合し、硼素，アルミニウム，ガリウム，燐，砒素又はアンチモン不純物に比べて より少数のイオン化された浅いドナー又はアクセプタを与える 元素の種類から選択される、 半導体デバイス。
5. ５．（補正）．前記不純物は酸素であり、前記最高濃度は１×１０１９不純物イ オン／ｃｍ８又はそれ以上の値を有する前記請求の範囲第４項の半導体デバイス 。
6. ６．王表面および前記表面に隣接し電荷蓄積デバイスを受け入れるように適合し た第１領域を有するシリコン基板を備える工程、 （Ｄ）１／２≦５０ミクロン／平方根時の関係を満足させる温度範囲９００〜１ ３００℃のシリコン中拡散率を有する元素の種類から寿命短縮イオンを選択し、 周期律表のＩＩＩａ族およびＶａ族からの元素は含めないようにする工程、前記 基板中の前記寿命短縮イオンの固体溶解度を超えるドースまで前記第１領域下の 第２領域に前記寿命短縮イオンを注入する工程、 前記の注入された基板を第１温度にまで加熱して前記寿命短縮イオンを活性化し 、前記第２領域内に短縮したキヤリヤ寿命の帯を作る工程、を含む、半導体デバ イスを作る方法。
7. ７．（補正）．前記注入ステツプは、約４００ｋｅＶのエネルギーで１×１０１ ５イオン／ｃｍ２又はそれ以上のドースまで酸素イオンを注入することを含む前 記請求の範囲第６項の方法。
8. ８．（補正）．シリコン基板を備える工程、前記基板の表面下所定の距離におい て、前記基板中の前記イオンの固体溶解度を超える濃度にまで酸素，窒素又は炭 素イオンの層を注入する工程、前記基板を所定の上昇した温度にまで加熱して前 記イオンと前記基板とを反応させ、高キヤリヤ再結合遮蔽層を作る工程とを含む 、 半導体基板に高キヤリヤ再結合遮蔽層を作る方法。
9. ９．（補正）．前記注入ステツプは少なくとも１桁の大きさ（ｏｎｅ　ｏｒｄｅ ｒ　ｏｆ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）だけ前記固体溶解度を上回るドースまで前記イ オンを注入することを含む前記請求の範囲第８項の方法。
10. １０．（補正）．前記注入ステツプは約４００ｋｅＶ又はそれ以上のエネルギー で１×１０１５イオン／ｃｍ２を超えるドースまで前記イオンを注入することを 含む前記請求の範囲第８項の方法。