JP3450163B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
法に関し、特にBipolarトランジスタおよびBi
CMOSトランジスタに用いられる半導体装置の製造方
法に関する。
ら納品までの納期)を短縮するために、Bipola
r、BiCMOSトランジスターの埋め込みコレクタ層
を形成する方法として、従来エピタキシャル成長により
行っていたのを、高エネルギーイオン注入(数百keV
以上の加速電圧のイオン注入をいう。)により行うこと
が試みられている。
レクタ抵抗を低くする必要があるので、高エネルギーイ
オン注入の際に、従来ウェル形成等で用いられてきた不
純物ドース(<5×1013cm-2)よりも高いドースが
要求されている。しかし、ドースを高くするとコレクタ
耐圧が低下するためにコレクタ抵抗と耐圧の兼ね合いか
ら1×1014cm-2程度のドースを用いることが望まし
い。
1×1014cm-2近傍の条件でイオン注入を行い、その
後の熱処理を電気炉もしくは昇温速度10℃/sec以
下の条件でRTA(Rapid Thermal An
nealing)を行ってp +/n接合を形成すると、
イオン注入の投影飛程付近から試料表面につき抜けた欠
陥の影響により接合リーク電流が非常に高い問題があっ
た。
s.Soc.Symp.Proc.Vol.396 7
39頁 (1996、Materials Resea
rch Society)では、50℃/sec以上の
昇温速度を用いた熱処理を行うことにより、接合リーク
電流を低減できることが開示されている。また、前記欠
陥は熱処理温度が800℃以上になると急激に成長し始
まることから、800℃以上の温度範囲において昇温速
度50℃/sec以上の条件で昇温して熱処理を行えば
リーク電流を低減できること、また、室温から100℃
/sec以上の昇温速度を用いて熱処理温度1050℃
の熱処理を行うよりも、室温から温度が600℃に到達
するまでは1℃/secの昇温速度で、温度が600℃
以上では100℃/secの昇温速度で熱処理温度10
50℃の熱処理を行う方がリーク電流を低くかつウェハ
ー内の個々のチップにおける接合リーク電流のバラツキ
を約1/2にできることが開示されている。
℃/sec程度の昇温速度では、イオン注入の投影飛程
から伸びた前記欠陥が、逆バイアスを印加することによ
って生じる空乏層の拡がる領域まで成長してしまうこと
がある。空乏層が欠陥の存在する深さに達した時点で接
合リーク電流が増大するために、前記従来技術ではウェ
ハー面内のリーク電流のバラツキが50%程度になるこ
とがある。
の接合リーク電流の平均値を低減させる点で非常に有効
であるが、バラツキを低減するためにさらに改良が望ま
れていた。
たものであり、高エネルギーでイオン注入を行った場合
であっても、リーク電流が小さく、同時にリーク電流の
バラツキが小さい半導体の製造方法を提供することを目
的とする。
は、半導体基板中に数百keV以上のエネルギーでイオ
ン注入を行う工程と、第1の熱処理を行う工程と、その
後、前記第1の熱処理を行った温度を昇温を開始する温
度とし、その昇温を開始する温度は600℃以上800
℃以下で、200℃/sec以上の昇温速度で、100
0℃以上1200℃以下の温度まで昇温する工程と、を
有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
または、半導体基板中にイオン注入する工程と、その後
の昇温する工程とによって不純物埋め込み層を形成する
半導体装置の製造方法において、第1の熱処理を行う工
程と、前記昇温する工程が、前記第1の熱処理を行った
温度を昇温を開始する温度とし、その昇温を開始する温
度が600℃以上800℃以下で、200℃/sec以
上の昇温速度で、1000℃以上1200℃以下の温度
まで昇温する工程であることを特徴とする半導体装置の
製造方法である。または、半導体基板中に数百keV以
上のエネルギーでイオン注入を行う工程と、その後、2
00℃/sec以上の昇温速度で、1000℃以上12
00℃以下の温度まで昇温する工程と、前記昇温する工
程後に、1000℃以上1200℃以下の温度で電気炉
を用いて熱処理を行う熱処理工程を有することを特徴と
する半導体装置の製造方法である。または、半導体基板
中にイオン注入する工程と、その後の昇温する工程とに
よって不純物埋め込み層を形成する半導体装置の製造方
法において、前記昇温する工程が、200℃/sec以
上の昇温速度で、1000℃以上1200℃以下の温度
まで昇温する工程であり、前記昇温する工程後に、10
00℃以上1200℃以下の温度で電気炉を用いて熱処
理を行う熱処理工程を有することを特徴とする半導体装
置の製造方法である。または、前記200℃/sec以
上の昇温速度で、1000℃以上1200℃以下の温度
まで昇温する工程で、昇温を開始する温度が600℃以
上800℃以下であることを特徴とする。
度で昇温を開始する温度は、600℃以上800℃以下
が好ましい。
数百keV以上のエネルギーでイオン注入を行う工程
と、この半導体基板を、50℃/sec以上の昇温速度
で、1000℃以上1200℃以下の温度まで昇温する
工程と、この昇温する工程の後、1000℃以上120
0℃以下の温度で電気炉を用いて熱処理を行う工程と、
を有する半導体装置の製造方法である。または、半導体
基板中にイオン注入する工程と、その後の昇温工程とに
よって不純物埋め込み層を形成する半導体装置の製造方
法において、前記昇温工程が、イオン注入した半導体基
板を、50℃/sec以上の昇温速度で、1000℃以
上1200℃以下の温度まで昇温する工程であり、さら
に、この昇温工程の後、1000℃以上1200℃以下
の温度で電気炉を用いて熱処理を行う工程を有する半導
体装置の製造方法である。
た欠陥が成長しにくい条件で熱処理を行うので、空乏層
の拡がる領域にまで、熱処理工程中に欠陥(転移)が達
することがない。従って、リーク電流およびそのバラツ
キを従来よりも低減できるのである。また、熱処理温度
を1200℃以下で行うことにより、それ以上の温度で
熱処理を行ったときに生じるようなウェハー面内にスリ
ップ(断層)が入ることがない。
い昇温速度を含む50℃/sec以上の昇温速度を用い
る。このとき、イオン注入によって生じた欠陥が成長し
て、空乏層の拡がる領域にまで欠陥(転移)が達するこ
とがあるが、さらに1000℃以上1200℃以下の温
度で熱処理を行うことにより欠陥(転移)を回復できる
ので、リーク電流およびそのバラツキを従来よりも低減
することができる。
明を具体的製造方法を示して説明する。
工程断面図であり、図2は第1の実施形態を用いた場合
の熱処理温度1150℃における昇温速度と接合リーク
電流バラツキの関係を示した図である。
ン単結晶基板1上にフィールド酸化膜2を形成し、シリ
コン酸化膜3を7nm厚で形成した。次に、P(燐)イ
オンを加速電圧1MeV、ドース1×1014cm-2の条
件でイオン注入する。次にRTA法により、室温からの
昇温速度を100℃/sec(比較例)、200℃/s
ec、300℃/secおよび400℃/secの各条
件で、熱処理温度1150℃まで昇温し、図1(b)に
示すようなn型埋め込み層4を形成した。
加速電圧30keV、ドース3×1015cm-2の条件
で、P型層5を形成する位置に選択的にイオン注入し、
さらに、埋め込み層4とのコンタクトをとるために、n
型埋め込み層コンタクト層6を形成する位置にP(燐)
を選択的に70keV、5×1015cm-2および250
keV、3×1013cm-2の条件でイオン注入し、電気
炉を用いて温度900℃の条件で数分間の熱処理を行う
ことによって、p型層5およびn型埋め込み層コンタク
ト層6を形成した。
びシリコン酸化膜3に開口を設け、p型層5に接続する
アルミ電極8およびn型埋め込み層コンタクト層6に接
続するアルミ電極9を形成して図1(d)に示す断面構
造を持つp/nダイオードをウェハー面内に53箇所形
成した。
板裏面側10を接地し、アルミ電極8に−5Vの電圧を
印加し、アルミ電極9において接合リーク電流を測定す
ることによって得られた接合リーク電流のウェハー面内
のバラツキ(相対標準偏差:σ/x)と、昇温速度の関
係を調べた。この結果を図2に示す。
は、n型埋め込み層の形成時に熱処理温度1150℃に
おいて、昇温速度として200℃/sec以上の条件を
用いることによって、100℃/secの条件に比べて
1/10以下に低減できることがわかった。
熱処理温度(到達温度)を700、800、900、9
85、1015、1100および1150℃に変えてそ
の特性を調べた。
度)が800℃以下であるか、または1100℃以上の
場合にリーク電流のバラツキが小さいことがわかる。一
方、図4から、熱処理温度が800℃以下であるか、1
000℃以上であればリーク電流が小さいことがわか
る。
上の温度であっても、1000℃を少し越えた程度の1
015℃では、リーク電流は小さいが、バラツキが大き
いように見える。そこで、熱処理温度1015℃で製作
したダイオードのリーク特性を調べると、大部分は図5
中の曲線Aに示すような特性であるが、曲線Bのような
特性を示す素子が若干数あるために、数値上バラツキが
大きくでることがわかった。
処理温度を用いた場合、図5中の曲線Cのようなリーク
特性を示す。即ち、見かけ上バラツキは小さくてもリー
ク電流が大きくて好ましくないことがわかる。
た場合には、リーク電流が小さく、かつバラツキも小さ
いので、一見好ましいように見えるが、その後の後工程
で800℃以上の高温に晒されると、イオン注入によっ
て生じた欠陥(転移)が成長してリーク電流が増大する
ので、実際上は好ましくない。
製造方法と同様にして図1(d)に示す断面構造を持つ
p/nダイオードをウェハー面内に53箇所形成した
が、図1(b)のn型埋め込み層4を形成したときのア
ニール方法を次のように変更した。
装置に試料を導入し、第1の処理温度までの第1の昇温
速度を1℃/secとして、第1の熱処理温度600
℃、700℃、800℃、900℃(比較例)および1
000℃(比較例)の各温度まで昇温し、この第1の熱
処理温度で1分間熱処理を行った後、さらに第2の昇温
速度を200、300および400℃/secの各条件
として、第2の熱処理温度1150℃まで昇温して、n
型埋め込み層4を形成した。
cとしたときに、第1の熱処理温度、即ち200℃/s
ec昇温を開始する温度と、接合リーク電流のウェハー
面内のバラツキ(相対標準偏差)との関係を示したもの
である。
00℃以下の温度において200℃/secの昇温を開
始すればバラツキを低減できることがわかる。
℃に加熱してあるRTA装置に試料を導入し、昇温速度
1℃/secで第1の熱処理温度600℃に達するまで
加熱した後に、第2の昇温速度200、300および4
00℃/secで昇温し1150℃の第2の熱処理温度
で熱処理を行った場合(図7中の実施形態2の線)と、
実施形態1のように室温から200〜400℃/sec
の昇温速度で試料の加熱を開始し熱処理温度1150℃
の条件で熱処理を行った場合(図7中の実施形態1の曲
線)との、接合リーク電流のウェハー面内のバラツキ
(相対標準偏差)を比較したものである。
用いると、いずれの昇温速度を用いても接合リーク電流
のウェハー面内のバラツキは実施形態1の熱処理方式を
用いた場合に比べて約1/2に低減できることがわか
る。
速度として1℃/secを用いて説明したが、第1の昇
温速度は、特に重要ではなく、第1の熱処理温度として
600℃以上800℃以下の温度で熱処理することが重
要である。第1の熱処理を行う理由は、ここで基板全体
の温度を均一にすることにより、その後高速昇温する際
に基板温度のバラツキが大きくならないようにするため
である。また、600℃以上にするのは、600℃に達
しない温度では黒体輻射による基板温度の均一化の効果
が得られにくいからである。
基板温度が均一になるように適宜設定することができ
る。
願の第2の発明を具体的製造方法を示して説明する。
(d)に示す断面構造を持つp/nダイオードをウェハ
ー面内に53箇所形成したが、図1(b)のn型埋め込
み層4を形成するときのアニール方法を次のように変更
した。
500℃に加熱してあるRTA装置に試料を導入し、昇
温速度1℃/secで熱処理温度600℃まで昇温し、
1分間熱処理を行った後、さらに昇温速度50および1
00℃/secの条件で、熱処理温度1015℃および
1100℃まで昇温した後、この温度で30秒間熱処理
を行った。
の試料を電気炉に導入し、入出炉温度800℃、熱処理
温度1015〜1200℃の範囲で、種々の熱処理時間
を設定して熱処理を行いn型埋め込み層4を形成した。
バラツキ(相対標準差)が、20%となる電気炉で行っ
た第2の熱処理(追加熱処理)の熱処理温度と熱処理時
間の関係を示したものである。例えば、RTA処理条件
が熱処理温度1015℃、昇温速度100℃/secで
ある場合は、図8中の黒丸のラインより上ではバラツキ
が20%より小さいことを示している。従って、バラツ
キを20%以下にするには、このライン上か、ラインよ
り上の領域の追加熱処理温度と追加熱処理時間を選ぶ必
要がある。
上記のように第2の熱処理を行うことにより、低減する
ことができることがわかる。また、この際の熱処理温度
を下げるとバラツキの回復時間が長くなり、温度を高く
するとバラツキ回復までの時間を短くすることができる
ことがわかる。また、昇温速度を50℃/secまで下
げても、バラツキを回復できることがわかる。
としても、バラツキを低減することはできなかった。さ
らに、1200を越えた温度で熱処理を行うと結晶にス
リップ等の結晶欠陥が入る問題がある。
昇温速度を50℃/secまで低下することができる
が、このような第2の熱処理を行う方法を、200℃/
sec以上の高速昇温速度を用いた場合に適用しても、
バラツキ低減の効果があった。このとき、第2の熱処理
は、昇温に用いたRTA装置内で行うことが可能であ
り、例えば、1150℃まで昇温後、1000〜120
0℃の温度範囲で熱処理を行えば同様の効果が得られ
た。
置を用いても電気炉を用いてもどちらでも同様の効果が
得られる。しかし、一般に、RTA装置は、半導体基板
を1枚ずつ処理するのに対して、電気炉では、複数枚
(100枚程度)の半導体基板を一括に熱処理すること
ができるので、トータルの熱処理時間を大幅に短縮でき
る。
別途行うことにより、処理能力の大きい電気炉等の加熱
炉を用いることができるので、製造時間を極めて短縮す
ることができる。
ーでイオン注入を行った場合であっても、接合リーク電
流のバラツキの原因となる欠陥が空乏層の拡がる領域ま
で成長しないので、リーク電流が小さく、同時にリーク
電流のバラツキが小さい半導体を製造することができ
る。
る。
電流バラツキの関係を示した図である。
る。
である。
昇温開始温度と接合リーク電流バラツキの関係を示した
図である。
電流のバラツキを比較した図である。
ラツキが20%となる第2の(追加)熱処理温度と時間
を示した図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板中に数百keV以上のエネル
ギーでイオン注入を行う工程と、第1の熱処理を行う工程と、 その後、前記第1の熱処理を行った温度を昇温を開始す
る温度とし、その昇温を開始する温度は600℃以上8
00℃以下で、200℃/sec以上の昇温速度で、1
000℃以上1200℃以下の温度まで昇温する工程
と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 半導体基板中にイオン注入する工程と、
その後の昇温する工程とによって不純物埋め込み層を形
成する半導体装置の製造方法において、第1の熱処理を行う工程と、 前記昇温する工程が、前記第1の熱処理を行った温度を
昇温を開始する温度とし、その昇温を開始する温度が6
00℃以上800℃以下で、200℃/sec以上の昇
温速度で、1000℃以上1200℃以下の温度まで昇
温する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項3】 半導体基板中に数百keV以上のエネル
ギーでイオン注入を行う工程と、 その後、200℃/sec以上の昇温速度で、1000
℃以上1200℃以下の温度まで昇温する工程と、 前記昇温する工程後に、1000℃以上1200℃以下
の温度で電気炉を用いて熱処理を行う熱処理工程を有す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 半導体基板中にイオン注入する工程と、
その後の昇温する工程とによって不純物埋め込み層を形
成する半導体装置の製造方法において、 前記昇温する工程が、200℃/sec以上の昇温速度
で、1000℃以上1200℃以下の温度まで昇温する
工程であり、 前記昇温する工程後に、1000℃以上1200℃以下
の温度で電気炉を用いて熱処理を行う熱処理工程を有す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記200℃/sec以上の昇温速度
で、1000℃以上1200℃以下の温度まで昇温する
工程で、昇温を開始する温度が600℃以上800℃以
下であることを特徴とする請求項3または請求項4のい
ずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 半導体基板中に数百keV以上のエネル
ギーでイオン注入を行う工程と、 この半導体基板を、50℃/sec以上の昇温速度で、
1000℃以上1200℃以下の温度まで昇温する工程
と、 この昇温する工程の後、1000℃以上1200℃以下
の温度で電気炉を用いて熱処理を行う工程と、を有する
半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 半導体基板中にイオン注入する工程と、
その後の昇温工程とによって不純物埋め込み層を形成す
る半導体装置の製造方法において、 前記昇温工程が、イオン注入した半導体基板を、50℃
/sec以上の昇温速度で、1000℃以上1200℃
以下の温度まで昇温する工程であり、 さらに、この昇温工程の後、1000℃以上1200℃
以下の温度で電気炉を用いて熱処理を行う工程を有する
半導体装置の製造方法。
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