JP2744022B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、重金属汚染等を取り除くためのゲッタリン
グサイトを形成する半導体装置の製造方法に係わり、特
にゲッタリングサイトを基板の主表面側に形成する半導
体装置の製造方法に関する。

（従来の技術） 半導体装置の製造工程中に導入される重金属汚染は、
自由電子（成孔）のトラップ，放出の中心を形成した
り、pn接合のリークの原因となり、半導体素子の電気的
特性を劣化させる。例えば、MOS半導体素子において
は、重金属によるリーク電流が相互コンダクタンスの低
下等を引き起こし、歩留り低下の大きな原因となる。一
方、最近の半導体集積回路の素子数の増加、それに伴う
半導体集積回路の素子寸法の減少は、微量な汚染が素子
特性や集積回路の歩留りに影響を与えることを意味す
る。

従来、このような汚染をゲッタリングする方法とし
て、半導体基板の裏面に機械的損傷を与えたり高濃度の
不純物を導入し、これに汚染重金属を吸収する方法が用
いられている。しかしながら、このような裏面処理は製
造工程の初期に行われるため、表面からの汚染を防ぐた
めに余分の工程を必要としたり、多数の熱処理工程を経
るうちに効果が半減してしまう等の欠点があった。

また、集積回路の製造に当たっては、厚いフィールド
酸化膜により素子分離領域には応力がかかり重金属等の
不純物が集まりリーク電流を生じ易くすると言う問題が
あった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、半導体基板の裏面側にゲッタリング
サイトを形成する方法では、表面からの汚染を防ぐため
に余分の工程を行わなければならない、また素子工程の
初期にゲッタリングサイトを形成するため多数の熱処理
を経るうちにゲッタリング能力が落ちてくる問題があっ
た。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、余分の工程を必要とせず、多数の
熱工程を経てもその効果の減少しないゲッタリングサイ
トを形成することができ、半導体素子の製造歩留り向上
等に寄与し得る半導体装置の製造方法を提供することに
ある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、半導体基板上に形成される素子のpn
接合よりも深い領域にイオン注入を行い、それに続く最
初の熱処理条件を最適化して、基板の主表面側にゲッタ
リングサイトを形成することにある。

即ち本発明は、ゲッタリングサイトを持つ半導体装置
の製造方法において、半導体基板の主表面に素子分離の
ためのフィールド酸化膜を形成したのち、この酸化膜を
通して基板にイオン注入を行って結晶欠陥の核を形成
し、次いでこれに続く最初の熱処理を900〜1100℃で15
分以上行い、前記酸化膜の直下に反転層を形成すると共
に前記結晶欠陥の核に酸素を析出させるようにした方法
である。

（作 用） 本発明によれば、半導体基板の主表面側にゲッタリン
グサイトが形成されるので、このゲッタリングサイトに
より素子形成領域における汚染重金属を吸収することが
でき、素子の製造歩留り向上をはかることが可能であ
る。また、基板の裏面側にゲッタリングサイトを形成す
る方法とは異なり、熱処理工程を経るうちにゲッタリン
グ効果が半減する等の不都合もない。

（実施例） まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につ
いて説明する。

本発明者等は、数MeV以上の高エネルギーイオン注入
により基板表面から数μｍの領域に結晶欠陥の核を形成
した後、温度条件を種々変えて熱処理を行った。その結
果、900〜1100℃で熱処理を行った試料では、透過型電
子顕微鏡で測定したところ、イオン注入条件より定まる
Rp（イオンの侵入深さ）の位置に転位ループが観測され
た。さらに、２次イオン質量分析法で測定をしたとこ
ろ、上記電子顕微鏡で観測されたのと同じ位置に酸素の
ピークが観測され、この位置に酸素の析出が起こってい
ることが確認された。

また、900℃未満或いは1100℃より高い熱処理温度で
は上記転位ループが減少するのが観測され、さらに1200
℃,800℃で熱処理した場合にはこのような酸素の析出は
殆ど見られなかった。なお、熱処理時間は差ほど影響な
いが、あまりに短いと900〜1100℃の温度でも酸素の析
出が不十分である。本発明者等の実験によれば、熱処理
時間は15分間以上もあれば十分であることが確認され
た。

このような析出物が形成された試料では、それ以外の
領域に転位は観測されていない。従って、本発明のよう
にイオン注入後900〜1100℃の温度で15分間以上熱処理
することにより、基板の主表面側に酸素の析出層を形成
することができ、この析出層を安定なゲッタリングサイ
トとして使用することが可能となる。

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図は本発明の一実施例方法に係わる半導体装置の
製造工程を示す断面図である。まず、第１図（ａ）に示
す如く、シリコン基板11に加速電圧1.5MeVで不純物12と
しての燐を１×10¹⁵cm^-2イオン注入した。このような基
板を５枚用意した。なお、このイオン注入は室温で行っ
た。次いで、第１図（ｂ）に示す如く、これらの基板11
を非酸化性雰囲気中で、窒素雰囲気中の温度を夫々800,
900,1000,1100,1200℃にして20分間の熱処理を行った。
この熱処理により、第１図（ｃ）に示す如く基板表面側
に酸素の析出層13を形成した。

上記熱処理後に試料の断面構造を透過型電子顕微鏡に
より調べたところ、900,1000,1100℃で熱処理した基板
には第２図に示す如くRpに対応する基板表面10より約1.
7μｍの位置に酸素が析出していることが確認された。
さらに、各基板を２次イオン質量分析法により調べたと
ころ、第３図に示す如く900,1000,1100℃で熱処理した
基板には深さ1.7μｍ付近に燐のピークと共に酸素のピ
ークが存在することが確認された。但し、第３図で
（ａ）は800℃、（ｂ）は900℃、（ｃ）は1000℃，
（ｄ）は1100℃、（ｅ）は1200℃で熱処理した場合を示
している。そして、この酸素の析出物はその後の素子形
成工程においてゲッタリングサイトとして有効に作用す
ることも確かめられた。なお、深さ1.7μｍは通常の素
子の形成に際しては素子形成領域よりも十分深い深さで
あり、このゲッタリングサイトが素子形成に不都合を与
えることはない。

このように本実施例方法では、半導体素子形成の初期
において全面にイオン注入を行うため、イオン注入及び
所定温度の熱処理の２工程でゲッタリングサイトを形成
することができる。また、形成されたゲッタリングサイ
トは酸素の析出物であるため、従来法の燐ゲッタリング
に比べてゲッタリングサイトが多く、外方拡散等の問題
もない。また、本工程後に続く素子形成工程では、900
℃以上の高温プロセスにおいてはプロセス中に酸素が析
出し新たにゲッタリングサイトが形成されるため常にゲ
ッタリング能力が追加される。従って、基板結晶欠陥化
処理工程を、大幅な工程簡略によって容易に且つ確実に
実施することができ、素子製造歩留まりの向上等に寄与
することができる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第４図は本発明の他の実施例方法を説明するための断
面図であり、これは本発明のMOSFET間の素子分離に応用
した例である。

本実施例では、フィールドイオン注入を先の実施例同
様に高エネルギーで行い、先の実施例と同様の熱処理を
施すことにより、フィールド直下に重金属等をゲッタリ
ングする部分を形成するようにしている。第４図（ａ）
に示す如く、シリコン基板41上にフィールド酸化膜42を
形成した後、フィールドのイオン注入43を高エネルギー
で行い、さらに先の実施例と同様の熱処理を施した。こ
れにより、フィールド酸化膜42の直下に反転層44を形成
すると共にその下の領域に酸素析出層45を形成すること
ができた。つまり、フィールドイオン注入とゲッタリン
グ層形成が同時に行えることになる。

ここで、酸素析出層45の位置がフィールド酸化膜42に
近すぎると、素子分離にリークを与える虞れがある。さ
らに、反転層44の不純物濃度は素子分離のためにある一
定以上の量が必要である。従って、イオン注入条件は、
ドーズ量をフィールド酸化膜直下のドーパント濃度が素
子分離に十分な量となるように、またその注入エネルギ
ーを注入ドーパントの投影飛程（Rp）を中心に形成され
る酸素の析出物が素子分離にリークを与えな程度に十分
深くなるように選べばよい。

このようにして条件を選びフィールド酸化膜を介して
イオン注入を行い、その後先の実施例と同様の処理を施
した。その結果、熱処理工程後もドーパントの再拡散は
殆どなく、フィールド酸化膜下での素子分離を行うと同
時に、従来応力により生じていた不純物の影響を取り除
くためのゲッタリングサイトを素子にリークを与えない
程度に十分深い領域に形成することができた。この時の
SIMS分析結果（２次イオン質量分析法で測定をした結
果）を第５図に示す。このように、従来の素子分離イオ
ン注入と略同じ工程数で、更にゲッタリングサイトを形
成することが可能となった。

なお、第４図（ａ）に示す工程の後は、同図（ｂ）に
示す如くゲート酸化膜46を介してゲート電極47を形成
し、さらにゲート電極47をマスクにソース・ドレイン領
域48a,48bの形成のためのイオン注入を行うことによ
り、フィールド酸化膜42により素子分離された２つのMO
SFETが完成することになる。なお、前記ゲッタリングサ
イト形成のためのイオン注入は素子形成後に行うことも
可能である。

かくして本実施例方法によれば、基板表面側の特にフ
ィールド酸化膜直下に酸素析出層を形成することがで
き、この酸素析出層をゲッタリングサイトとして使用す
ることができる。従って、先の実施例と同様に素子製造
歩留りの向上をはかることができる。しかも、フィール
ドイオン注入と同時に酸素析出層形成を行うことができ
るので、製造工程の簡略化をはかることも可能である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。例えば、前記熱処理条件は、900〜1100℃に限
るものではなく、基板表面側に酸素の析出層が形成され
る温度であればよい。本発明者等の実験では、900〜110
0℃の範囲であれば確実に酸素の析出層が形成されるの
が判明している。さらに、熱処理時間は20分に何等限定
されるものではなく、イオン注入量や注入深さ等の条件
により適宜変更可能である。一般的には、15分以上程度
の処理時間であれば十分である。また、イオン注入する
不純物は燐に限るものではなく、ゲッタリングサイトと
して作用するものを適宜選択すればよい。その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施するこ
とができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、半導体基板上に
形成される素子のpn接合よりも深い領域にイオン注入を
行い、それに続く最初の熱処理条件を最適化することに
より、多数の熱工程を経てもその効果の減少しないゲッ
タリングサイトを形成することができ、半導体素子の製
造歩留り向上等に寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体装置の製造工
程を示す断面図、第２図は上記工程後の試料の断面構造
を示す模式図、第３図は上記工程後の試料の２次イオン
質量分析法による分析結果を示す特性図、第４図は本発
明の他の実施例を説明するための工程断面図、第５図は
第４図に続き熱処理工程を施した試料の２次イオン質量
分析法による分析結果を示す特性図である。 11,41……シリコン基板、12,43……燐（注入不純物）、
13,45……酸素析出層、42……フィールド酸化膜、44…
…反転層、46……ゲート酸化膜、47……ゲート電極、48
a,48b……ソース・ドレイン領域。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−51930（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−42840（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−18430（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−188925（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−84813（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の主表面に素子分離のためのフ
   ィールド酸化膜を形成する工程と、次いで前記酸化膜を
   通して前記基板にイオン注入を行って結晶欠陥の核を形
   成する工程と、次いでこれに続く最初の熱処理を900〜1
   100℃で行い、前記酸化膜の直下に反転層を形成すると
   共に前記結晶欠陥の核に酸素を析出させる工程とを含む
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】前記イオン注入の条件として、前記酸化膜
   下のドーパント濃度が素子分離に必要十分となり、且つ
   注入ドーパントの投影飛程（Rp）が素子分離にリーク電
   流を与えない深さに設定したことを特徴とする請求項１
   記載の半導体装置の製造方法。