JPS62208638A - 半導体装置の製造方法 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に素子の能動
領域における結晶性を改善して素子特性を向上する方法
の改良に係る。

（従来の技術） ＩＣ等の半導体装置を構成するｌ・ランジスタ等の素子
は、Ｓｉ等の半導体層中でのキャリア（電子またはホー
ル）の移動により所定の動作を行なう。従って、半導体
装置の特性は素子能動領域における結晶状態の良否に大
きく左右される。

例えば３ｉ層の結晶性を乱す要素と−しては転位や積層
欠陥等の結晶欠陥の他、格子中に介入して存在するＦｅ
やＣｕ等の重金属が挙げられる。これらはキャリアの再
結合中心となるから、素子の能動領域に存在する場合に
は特性を劣化する原因になる。バイポーラトランジスタ
の例でいえば、ベース領域近傍に存在する重金属は所謂
バーストノイズの原因になると考えられている（例えば
１９８０年発行の１固体エレクトロニクス」第２３巻。

第１１４７〜１１４９頁）。また、ベース接合を横切る
結晶欠陥が存在すると低電流領域でのｈＦＥ特性が劣化
することが知られている。

このため、結晶状態を改良するために従来がら種々の方
法が行なわれており、特に重金属を能動領域から除去す
る方法としてゲッタリング法が多く用いられている。

従来最も多用されてきた燐ゲッター法は、素子形成が終
了した段階で、Ｓ１ウエハーの裏面に燐を高濃度でドー
プすると共に高温熱処理を行なうものである。そのゲッ
ター作用は、ドープされた燐がＳｉ格子中に介入して歪
を生じ、引き続く熱処理により該歪を平衡状態に復元し
ようとして結晶内に生じる力による。即ち、前記重金属
の拡散速度が３ｉの移動速度よりも早いから、重金属が
前記歪部分に捕捉された状態で平衡に達するからである
。

また、近年では△ｒ、Ｃ，Ｏ，Ｓ　ｉ等をウェハーの裏
面または一部表面に、イΔン汀大してダメージを与え、
該ダメージ層（欠陥）をゲータ−サイｌ−とする所謂イ
ンプラゲッタ法が行なわれ（いる。

この方法ではその後の熱処理でダメージ層がアニールさ
れ、平衡状態に復元する過程で前記重金属が捕捉される
。

（発明が解決しようとする問題点） 燐ゲッター法の場合、既に素子が形成された状態で行な
われるから、シリコン基板の表面側にも燐かドープされ
る事態を防止しなければならず、そのためウェハー表面
を厚いＣＶ　Ｄ　模等で覆うといった余分な工程を必要
とする問題がある。また、燐ゲッター法は通常ＰＯＣｇ
３拡散炉で行なわれるが、拡散チューブ内にＰ２０５等
の不純物が付着し、これがウェハーに付着したり、また
燐ミス１〜がクリーンルーム内に飛散する等、半導体装
置の製造に悪影響を及ぼすことになる。

しかも、近年の半導体装置では素子の微細化に伴ない、
シリコン層表面を覆う絶縁膜を薄く形成する傾向にある
から、厚いＣＶＤ膜による保護を必費とする燐ゲッター
法は最近のプロセスに適合しなくなっている。

他方、インプラゲッター法の場合には上記のような問題
がなく、またウェハーの表面側から任意の所定領域に選
択的にゲッターサイトを形成できる長所を有している。

しかし、ゲッターサイトとなる充分なダメージ層を形成
するには１０１６／ｃｉ以上のドーズ吊が必要で、長時
間のイオン注入を行なわなければならないため、非常に
コストが高くなる問題がある。また、形成されるゲッタ
ーサイ１〜も一般に浅い。例えば１５０　ｋｅＶで８１
をイオン注入した場合に形成されるゲッタサイ］−の深
さは、０．３ｉｇｎ程度である。

更に、その後に高温熱処理を施してゲッタリングする際
、ゲッターサイトの結晶欠陥が周辺領域にまで拡大する
問題がある。このため、例えばバイポーラ型半導体装置
のアイソレーション拡散層のように、素子特性に影響し
ない領域中にゲッターサイトを形成したとしても、ゲッ
タリングの熱５一 工程で結晶欠陥が素子の能動ｆ！４域にまではみ出して
形成されることがある。このような結晶欠陥のはみ出し
がベース接合にまで延出すれば、トランジスタのｈＦＥ
特性が劣化してしまうことになる。

上記事情に鑑み、本発明は燐ゲッター法の場合のように
工程を複雑化することがなく、またインプラゲッター法
に比較し極めて経済的なプロセスで甲結晶シリコン層の
任意の領域に選択的にゲッターサイ１〜を形成でき、し
かも結晶欠陥の拡散といった問題も生じない効果的なゲ
ッタリング法を技術的課題とするものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） インプラゲッター法と同様、本発明では１１結晶シリコ
ン層中に形成される素子の特性に影響を及ぼさないよう
に、前記中結晶シリコン層の所定の領域に選択的にゲッ
ターサイトとなる結晶欠陥を形成する。但し、ゲッター
サイトを形成する方法はインプラゲッター法とは全く異
なる。

即ち、本発明では甲結晶シリコン層の前記所定領城での
み直接接した多結晶シリコン層を形成し、該多結晶シリ
コン層を熱酸化法により全膜厚に亙ってシリコン酸化膜
に転化づる。且つ前記所定領域においては、形成される
シリコン酸化膜の界面が前記単結晶シリコン層の内部に
達づるように熱酸化の条件を設定することにより、前記
所定領域のシリコ２層中にゲッターサイトを形成するこ
ととした。それ以外の製造工程については、従来の一般
的なプロセスを用いればよい。

本発明における前記所定の領域とは、対象となる半導体
装置の種類で異なるが、バイポーラ型半導体装置の場合
にはアイソレーション拡散層領域が好ましい。また、シ
リコン基板の裏面を用いることができる。

また、前記所定の領域が上記アイソレーション拡散層の
ような不純物領域である場合には、前記多結晶リコン層
中に不純物をドープしておき、該不純物ドープ多結晶シ
リコン層を拡散源とし、前記酸化酸化工程における熱処
理により所定の不純物領域を形成するようにするのが望
ましい。

（作用） 本発明におＧＪるゲッタリングについて説明すると、そ
の作用には二つの特徴がある。

第一は、積層された多結晶シリコン層の上から熱酸化し
た場合、単結晶シリコン層の露出表面をそのまま熱酸化
した場合と異なり、形成された熱酸化膜下の単結晶シリ
コン層中にはゲッターサイトとなる多数の結晶欠陥が生
成することである。

周知のように、通常行なわれている単結晶シリコン層表
面の熱酸化ではゲッターサイトとなり得るような結晶欠
陥は発生しないから、この事実は全く予想外の発見であ
った。しかも、ゲッターサイとなる欠陥が従来のインプ
ラゲッター法の場合より深く形成されることも確認され
ている。

本発明において上記のような結晶欠陥が生成する理由は
未だ明らかではない。しかし、一つの可能性として、熱
酸化が多結晶シリコン層から単結晶シリコン層中に進行
する際に、多結晶シリコン層に存在していた粒界が単結
晶シリコン層中に転写される機構を想定することができ
る。何れにしても、本発明では上記熱酸化の際に形成さ
れる結晶欠陥によって、従来のゲッタリング法では得ら
れない効果的なゲッタリングが行なわれるものである。

第二の特徴は、従来のインプラゲッター法で形成された
結晶欠陥と異なり、上記で形成された結晶欠陥はその後
の熱工程でも周辺領域にまで拡大せず、その欠陥領域が
固定されていることである。

この事実も予期しない結束であるが、その原因について
は次のように考えられる。

即ち、従来のインプラゲッタ法ではイオン注入で結晶欠
陥を形成し、その後の熱処理で全体的な結晶系が熱力学
的平衡に達する過程でゲッタリングが行なわれるから、
この過程で結晶欠陥の歪エネルギーが周辺領域に解放さ
れて欠陥領域が拡大する。これに対し、本発明では結晶
欠陥を形成する工程とゲッタリングのための熱工程が同
時に進行し、従ってゲッターサイトの形成とゲッタリン
グの両者が熱的平衡を維持した状態で行なわれる。

そして、重金属を捕捉した状態の欠陥は既に全体の結晶
系の中で熱力学的平衡状態に達し、安定化されているか
ら、もはや周辺領域（こまで拡大することがないものと
思われる。

（実浦例） 本発明をバイポーラ型半導体装置の製造に適用した一実
施例について、以下に説明づる。

（１）　　まず、面方位＜１１１）、ρ−２５〜５０Ω
・ｃｔｔｒのＰ型シリコン基板１を用い、通常のバイポ
ーラプロセスに従ってＮ＋型型埋領領域２形成し、その
上にＮ型シリコ２層３をエピタキシャル成長させる。該
エピタキシャル層３はρＶＧ＝　５〜６Ω・ｃＩＲ，ｔ
ｖａ−１０〜１２譚とする。続いて、エピタキシャル層
３の表面に膜厚６００　ｎ１ｌｌの熱酸化膜４を形成し
、該酸化膜４のアイソレーション拡散領域の形成予定部
上に開孔部を形成とする。更に、ＬＰＣＶＤ法によりウ
ェハーの表面および裏面の全面に、膜厚８０ｎｎ＋のア
ンドープ多結晶シリコン層５．５′を形成する。次いで
、ウェハー表面側を覆う多結晶シリコン層５に対し、加
速電圧４０ｋｅＶ。

ドーズ聞４Ｘ　１０”　／　ｃｄの条件でＢＦ２＋をイ
オン注入する（第１図）。

なお、ここでイオン注入されたＢＦ２＋分子は全て多結
晶シリコン層５中に分布する。

（２）　　次に、ＣＶＤ法により多結晶シリコン層５を
覆う膜厚４００　ｎｍの３ｉ０２膜７を堆積する。続い
て、１２００℃のＮ２雰囲気下で４時間の熱処理を施す
ことにより、多結晶ドープト多結晶シリコン層５を拡散
源としてエピタキシャル層３中にボロンを熱拡散し、Ｐ
型基板１に達するＰ＋型のアイソレーション拡散領域８
を形成する（第２図）。

（３）　　次に、多結晶シリコン層５を覆うＳ　ｉ　０
２１ＩＪ７を希ＨＦ溶液中で除去した後、１１５０℃の
ドライ０２雰囲気下で１時間酸化し、つ■バー表面およ
び裏面の多結晶シリコン層５．５′の全部を酸化膜９，
９′に転化する。その際、多結晶シリコン層と単結晶シ
リコン層が直接接している部分では、ＳｉＯ２／Ｓｉ界
面が元の単結晶シリコン層１．３中に形成されるように
する（第３図）。

上記のようにして、多結晶シリコン層５，５′の上から
単結晶シリコン層１．３の一部表面までを酸化した枯宋
、第５図に示Ｉ　Ｊ、うに、形成された酸化膜９，９′
　トの単結晶シリ」ンＩｔ４’１．３中には多数の結晶
欠陥（欠陥密度１１　！＋Ｘ　１０’　、、’…Ｈ２）
が形成される。なお、第５図は酸化膜９．９′を除去し
た単結晶Ｓ１層１，３表面の偏光電子顕微鏡写真（倍率
８００倍）であり、写真から判断する限り結晶欠陥は主
に積層欠陥と思われる。因みに、従来のインプラゲッタ
ー法で形成される欠陥密度は、ドーズ（至）ＩＸＩＯ”
／ｃＭの３ｉイオン注入の場合で１ｘｌＯ’　ｙ’ｍｍ
２である。積層欠陥数はゲッターサイトの全てを表して
いはいなとしても一つの指標にはなり得るから、この事
実は浸れたゲッタリング効果が得られることを示唆して
いる。

また、第６図は上記酸化工程後におけるエピタキシャル
シリコン層３表面のうち、アイソレーション拡散領域８
の境界部分を示す電子顕微鏡写真（８００倍、偏光なし
）である。この場合に欠陥の状態が第５図の場合と異な
って見えるのは、偏光をかけないで撮影したことによる
。写真から明らかなように、熱酸化膜４で覆われて保護
されていｊ二部分では全く欠陥が形成されていない。比
較のために、３ｉをドーズ１１Ｘ１０”／ｃ＃ｉの条件
でアイソレーション拡散領域にイオン注入し、ゲッタリ
ングを行なった従来例の場合の写真を第７図に示す。こ
の場合には、アイソレーションｖＡ１ｊ１の周囲に円弧
状に拡散した欠陥（滑り線）が認められる。

このように、従来のインプラゲッター法と違って欠陥が
周辺領域にまで拡大しないのは、上記工程の場合には熱
酸化でゲッターサイトになる欠陥が形成されると共に、
該熱工程でゲッタリングが同時に行なわれるためと思わ
れる。即ち、ゲッターサイトの形成およびゲッタリング
が熱的平衡状態で同時進行する結果、発生した欠陥は直
ちに重金属をゲッタリングして安定化し、周辺領域に拡
大するような歪エネルギーが残留しないものと考えられ
る。

上記のように結晶欠陥が素子領域にまで拡大しないこと
は、効果的なゲッタリング作用とあいまって、素子領域
に形成されるトランジスタの特性を顕著に同士し得るこ
とを示唆するものである。

（４）次に酸化１ｌＩ４，９．９’　を除去し、その後
は通常のバイポーラプロセスに従って素子領域内にＮＰ
Ｎトランジスタを形成したく第４図）。図中、１０はＰ
型ベース領域、１１はＮ＋型型板ミッタ領域１２はエミ
ッタ電極、１３はベース電極、１４はコレクタ電極、１
５は層間絶縁Ｉ１１としてのＣＶＤ−８ｉ　０２　Ｆｌ
）テアル。

上記実施例で得られたバイポーラ型半導体装同と、従来
の燐ゲッター法またはインプラゲッター法を用いて同様
に製造したバイポーラ型半導体装置について、各ロット
毎に夫々のトランジスタのバーストノイズ発生率を比較
したところ、第８図に示す結果が得られた。この結果か
ら明らかなように、上記実施例で！ｌｉ造したバイポー
ラｉ〜ランジスタはバーストノイズ発生率について著し
い改善が見られている。既述のように、バーストノイズ
は活性素子領域における重金属の濃度に影響されるもの
であり、この結果は上記実施例の製造工程で効果的なゲ
ッタリングが行なわれたことを示している。

なお、上記実施例ではアイソレーション拡散層の形成を
同時に行なうため、不純物ドープした多結晶シリコン層
を用いているが、アンドープ多結晶シリコン層のまま熱
酸化しても同様のゲッタリング効果を得ることができる
。

また、多結晶シリコン層５．５′の酸化をＮ２１０２の
混合雰囲気下で行ない、不純物の拡散と多結晶シリコン
層の酸化とを同時に行なってもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明によれば従来の半導体装置
の製造方法では得られない優れたゲッタリング効果が得
られ、半導体装置の特性を向上できる等、顕著な効果が
得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明をバイポーラ型半導体装置の製
造に適用した一実施例をその製造工程を追って説明する
ための断面図、第５図および第６図は第１図〜第４図の
実施例で形成された結晶欠陥の状態を示す電子顕微鏡写
真、第７図は従来の一インプラゲッタリング法で形成さ
れた結晶欠陥の状態を示す電子顕微鏡写真、第８図は第
１図〜第４図の実施例で１ｑられたバイポーラトランジ
スタのパース１−ノイズ発生率を従来の製造方法で得ら
れたバイポーラトランジスタのバーストノイズ発生率と
比較して示す絵図である。 １・・・Ｐ型シリコン基板、２・・・Ｎ＋型埋め込み領
域、３・・・Ｎ型エピタキシャルシリコン層、４・・・
熱酸化膜、５．５′・・・多結晶シリコン層、６・・・
ＢＦ２”イオン、７−ＣＶＤ−８ｉ　０２膜、８・・・
Ｐ１型アイソレーション拡散層、９，９′・・・酸化膜
、１０・・・Ｐ型ベース領域、１１・・・Ｎ＋型型板ミ
ッタ領域１２・・・エミッタ電極、１３・・・ベース電
極、１４・・・コレクタ電極、１５・・・層間絶縁膜。 出願人代理人　弁理士　鈴汀武彦 第　１ｐｙ １２　図 毛３　図 第４図 第８図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶シリコン層にトランジスタ等の素子を形成
   するに際し、素子領域となる部分以外の前記単結晶シリ
   コン層領域にのみ直接接触した多結晶シリコン層を堆積
   した後、該多結晶シリコン層を熱酸化して酸化膜に転化
   し、且つその熱酸化膜界面が前記多結晶シリコン層に直
   接接触した前記シリコン単結晶層中にまで侵入するよう
   に前記熱酸化を行なうことを特徴とする半導体装置の製
   造方法。
2. （２）前記多結晶シリコン層が直接接触している単結晶
   シリコン層領域が、シリコン基板の裏面およびエピタキ
   シャルシリコン層表面の所定領域であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の半導体装置の製造方
   法。
3. （３）前記エピタキシャルシリコン層表面の所定領域が
   、バイポーラ型半導体装置におけるアイソレーション拡
   散領域であることを特徴とする特許請求の範囲第（２）
   項記載の半導体装置の製造方法。