(57)【要約】【課題】半導体ウェーハの比抵抗ばらつきがあっても、ツェナーダイオードの降伏電圧ばらつきを低減させ、製品歩留りを大きく改善させる半導体ウェーハの不純物拡散方法及び不純物拡散装置を提供する。【解決手段】ランプアニール炉１は、光源２、反射板３、石英板４、チャンバ５、石英ピン６、試料台７、集光レンズ８からなる。集光レンズ８は、その下面８ａが凸状に形成されており、光源２から出た光が、直接又は反射板３に反射されて集光レンズ８の下面８ａで屈折し、半導体ウェーハ９の中央部に、効率良く集光される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハの不純物拡散方法において、不純物を半導体ウェーハ上に堆積した後、熱処理により前記不純物を前記半導体ウェーハ内に拡散する際に、前記半導体ウェーハの比抵抗に合せて、前記熱処理の温度を制御することを特徴とする半導体ウェーハの不純物拡散方法。
【請求項２】
前記半導体ウェーハの比抵抗が小さい領域に、より高い温度を加えることを特徴とする半導体ウェーハの請求項１記載の不純物拡散方法。
【請求項３】
光源からの光を半導体ウェーハに照射して、前記半導体ウェーハに不純物を熱拡散する不純物拡散装置において、前記半導体ウェーハの中央部により多くの光を集光させて加熱する集光手段を設けたことを特徴とする不純物拡散装置。
【請求項４】
前記集光手段が、前記光源と前記半導体ウェーハの間に設けた集光レンズよりなることを特徴とする請求項３記載の不純物拡散装置。
【請求項５】
前記集光手段が、前記光源の背面近傍に設けた反射板よりなることを特徴とする請求項３記載の不純物拡散装置。
【請求項６】
多数の光源からの光を半導体ウェーハに照射して、半導体ウェーハに不純物を拡散する不純物拡散装置において、前記半導体ウェーハの中央部により多くの光を集光させて加熱するために、前記光源の出力を各々独立に制御することを特徴とする不純物拡散装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハの不純物拡散方法及び不純物拡散装置に関し、特に電気的特性ばらつきの少ない高品質の半導体素子を高歩留りで得るための半導体ウェーハの不純物拡散方法及び不純物拡散装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ツェナーダイオードのような半導体素子が形成される半導体ウェーハの不純物拡散方法としては、熱拡散法等が一般的に知られている。これは、半導体ウェーハ上に形成された酸化シリコン膜をマスクとして、半導体ウェーハの必要な部分にのみ、不純物原子を熱的に押込み、拡散させるものである。
【０００３】
図５は、従来の不純物拡散装置として使用される横型拡散炉５１の概略構成を示す断面図である。横型拡散炉５１において、５２は反応管、５３はヒータ、５４はガス導入ノズル、５５はポート、５６はキャップ、５７はツェナーダイオードを形成するための半導体ウェーハである。
【０００４】
当初は、ガス導入ノズル５４から不純物を含んだ反応ガスを反応管５２へ導入し、半導体ウェーハ５７へ供給しながら、ヒータ５３により加熱して不純物の拡散を行っていた。しかし、反応ガスを反応管５２へ導入する際に乱流が生じ易く、その結果、半導体ウェーハ５７への不純物拡散量にばらつきが生じて、電気的特性不良を招いていた。これを解決するために、現在では、予め半導体ウェーハ５７上に不純物層を形成した後、熱処理によって不純物の拡散を行う方法が採用されている。
【０００５】
現在の半導体ウェーハの不純物拡散方法について説明する。先ず、ホウ酸を数％含む有機化合物溶液（例えばＰＢＦ（ポリボロンフィルム））を用いて、塗布装置（図示せず）により低速回転で半導体ウェーハ５７上に塗布した後、５００度以上の酸素雰囲気でアニールを行う。これにより、膜中の有機ポリマーを二酸化炭素と水に分解し、半導体ウェーハ５７上に酸化ホウ素膜を形成する。次に、この酸化ホウ素膜が形成された半導体ウェーハ５７を、図５に示す横型拡散炉５１のポート５５に搭載し、反応管５２の入口（図左側）より反応管５２の中央部へ導入し、キャップ５６によって反応管５２を密閉する。次に、窒素ガスなどの不活性ガス５８を、ガス導入ノズル５４から反応管５２内へ導入した後、ヒータ５３に通電して反応管５２内の半導体ウェーハ５７を加熱する。これにより、不純物であるボロンが、半導体ウェーハ５７に高濃度で選択拡散される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術には、以下のような問題があった。ＰＢＦ（ポリボロンフィルム）を使用することにより、半導体ウェーハ全面に不純物を均一に形成でき、半導体ウェーハ面内におけるツェナーダイオードの降伏電圧のばらつきを、ある程度は改善することができた。しかし、近年のツェナーダイオードの要求品質はさらに厳しいものであり、さらに降伏電圧のばらつき幅を抑え、高品質のツェナーダイオードを高歩留りで作製することが求められている。この降伏電圧のばらつき原因を詳細に調査した結果、半導体ウェーハにおける比抵抗のばらつきが、大きく関係していることが判明した。
【０００７】
このことについて、図面を参照して説明する。図６は、半導体ウェーハに多数形成されるツェナーダイオード６１を示す断面図であり、図７（ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体ウェーハ面内における比抵抗、熱処理温度、降伏電圧分布の関係を示す図である。
【０００８】
ツェナーダイオード６１は、通常、Ｎ型シリコン基板にＰ型不純物を選択ドーピングして作製される。図６に示すように、Ｎ型シリコン基板６２は、比抵抗が数ｍΩ〜数Ωになるようにリンがドーピングされており、不純物を添加しながら種結晶を回転させて引き上げる方法（ＣＺ法）により作製される。このＮ型シリコン基板６２は、シリコン酸化膜６３に形成した窓孔６３ａからＰ型不純物のボロンが選択ドーピングされてＰ型領域６４が形成されるとともに、Ｐ−Ｎ接合６５が形成される。Ｐ型不純物のボロンは、Ｎ型シリコン基板６２のリン濃度が高いために、高濃度が要求されるので、従来、Ｎ型シリコン基板６２は、ボロンの高濃度拡散による結晶の格子均整を保つため、通常＜１１１＞結晶軸が用いられる。
【０００９】
ところで、従来の＜１１１＞結晶軸のＮ型シリコン基板６２は、ＣＺ法により作製されているため、結晶を引き上げる際にファセット成長を起こし、Ｎ型シリコン基板６２のウェーハ面内リン濃度分布は、中央部のリン濃度が高くなり、外周部が低くなるために、比抵抗分布もそれに従い、図７（ａ）に示す通り、中央部が低く、外周部が高くなる。この＜１１１＞結晶軸を用いたＮ型シリコン基板６２に、Ｐ型不純物を選択ドーピングした後、図７（ｂ）に示すような均一な熱処理を行うとＰ型不純物が同じ深さで拡散するので、降伏電圧のウェーハ面内分布は、上記のＮ型シリコン基板６２の比抵抗分布の影響を受け、図７（ｃ）に示すように、中央部が低く、外周部が高くなってしまう。
【００１０】
現在、ツェナーダイオード６１の電圧規格は非常に細かく区分されているため、このような降伏電圧にばらつきがあると、製品の歩留りが大きく低下するとともに、品質にも大きく影響する。その対策として、例えば、大口径ウェーハを使用して、比抵抗が平坦な中央部のみから製品を作製することなどが考えられるが、外周部のウェーハが無駄になるとともに、大口径ウェーハに合わせて半導体製造設備も改造する必要があるので、多大なコスト増を招く結果になる。
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決するために考えられたもので、その目的は、半導体ウェーハの不純物拡散方法及び不純物拡散装置において、半導体ウェーハの比抵抗ばらつきがあっても、ツェナーダイオードの降伏電圧ばらつきを低減させ、製品歩留りを大きく改善させる半導体ウェーハの不純物拡散方法及び不純物拡散装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の半導体ウェーハの不純物拡散方法は、不純物を半導体ウェーハ上に堆積した後、熱処理により前記不純物を前記半導体ウェーハ内に拡散する際に、前記半導体ウェーハの比抵抗に合せて、前記熱処理の温度を制御することを特徴とする。このようにすれば、半導体ウェーハの比抵抗のばらつきに合せて、不純物の拡散深さを精度良く制御することができるので、半導体ウェーハ面内の特性ばらつきを大きく改善することができる。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体ウェーハの不純物拡散方法であって、前記半導体ウェーハの比抵抗が小さい領域に、より高い温度を加えることを特徴とする。この方法により、比抵抗の小さい領域には不純物層を深く形成し、比抵抗の大きい領域には不純物層を浅く形成するので、半導体ウェーハ面内の特性ばらつきを大きく改善することができる。
【００１４】
また、請求項３記載の半導体ウェーハの不純物拡散装置は、光源からの光を半導体ウェーハに照射して不純物を拡散する不純物拡散装置において、前記半導体ウェーハの中央部により多くの光を集光させて加熱する集光手段を設けたことを特徴とする。この構成により、光源から出射された光を、半導体ウェーハの比抵抗の低い中央部に集光し、不純物の拡散深さを調整できるので半導体ウェーハ面内の特性ばらつきを大きく改善することができる。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の半導体ウェーハの不純物拡散装置であって、前記集光手段が、前記光源と前記半導体ウェーハの間に設けた集光レンズよりなることを特徴とする。この構成により、光源から出射された光を効率良く、半導体ウェーハの比抵抗の低い中央部に集光することができる。また、装置構成も簡単である。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項３記載の半導体ウェーハの不純物拡散装置であって、前記集光手段が、前記光源の背面近傍に設けた反射板よりなることを特徴とする。この構成によっても、光源から背面側に出射された光を効率良く、半導体ウェーハの比抵抗の低い中央部に集光することができる。また、装置構成も簡単である。
【００１７】
また、請求項６記載のツェナーダイオードの不純物拡散装置は、多数の光源からの光を半導体ウェーハに照射して不純物を拡散する不純物拡散装置において、前記半導体ウェーハの中央部により多くの光を集光させて加熱するために、前記光源の出力を各々独立に制御することを特徴とする。この構成により、光源から出射された光を効率良く、容易に半導体ウェーハの比抵抗の低い中央部に集光することができる。また、装置構成も簡単であり、温度の制御性にも優れる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の半導体ウェーハの不純物拡散装置であるランプアニール炉１の概略構成を示す断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、半導体ウェーハ面内における比抵抗、熱処理温度、降伏電圧分布の関係を示す図である。
【００１９】
図１に示すランプアニール炉１は、光源２、反射板３、石英板４、チャンバ５、石英ピン６、試料台７、集光レンズ８からなる。光源２はキセノンランプからなり、光源２から出た光が、直接又は反射板３に反射されて集光レンズ８と石英板４を通して、半導体ウェーハ９を照射して加熱するものである。このとき、反射板３は、光源２から出た光を効率よく反射するために逆樋状になっている。チャンバ５は、半導体ウェーハを保持する空間を作るものであり、内部は窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気になっている。石英ピン６は、半導体ウェーハ９が石英板４とほぼ平行になるように支持するためのもので、試料台７に取付け、固定されている。
【００２０】
集光レンズ８は、その下面８ａが凸状に形成されており、光源２から直接あるいは反射板３に反射された光が、集光レンズ８の下面８ａで屈折し、半導体ウェーハ９の中央部に効率良く集光されるようになっている。
【００２１】
次に、本発明のツェナーダイオードの不純物拡散方法について説明する。先ず、半導体ウェーハ９に不純物層を形成する。そのために、ホウ酸を数％含む有機化合物溶液（例えばＰＢＦ（ポリボロンフィルム））を用いて、塗布装置（図示せず）により低速回転で半導体ウェーハ９上に塗布した後、５００℃以上の酸素雰囲気でアニールする。これにより、膜中の有機ポリマーを二酸化炭素と水に分解し、半導体ウェーハ９上に酸化ホウ素膜を形成する。この酸化ホウ素膜が形成された半導体ウェーハ９を、図１のランプアニール炉１のチャンバ５内の石英ピン６上に載置する。次に、チャンバ５内を窒素ガスなどの不活性ガスで満たし、光源２を点灯させて、半導体ウェーハ９を上方から照射して加熱する。このとき、上述した集光レンズ８により、図２（ａ）に示すように半導体ウェーハ９の比抵抗の低い中央部が、図２（ｂ）に示すように高温で処理され、不純物であるボロンが深く拡散する。その結果、図２（ｃ）に示すように、中央部の降伏電圧が向上し、半導体ウェーハ９面内の降伏電圧のばらつきが大きく改善され、ほぼ均一になる。
【００２２】
本発明に係る半導体ウェーハの不純物拡散方法では、ＰＢＦを形成した半導体ウェーハを、不純物拡散装置にて熱処理する際に、ウェーハ中央部と外周部の熱処理温度を、ウェーハの比抵抗に合わせて変え、半導体ウェーハの比抵抗の低い中央部にランプからの光を集光させ、より高温になるようにしたので、不純物の拡散深さがコントロールでき、半導体ウェーハの降伏電圧ばらつきを抑えることができる。また、本実施例では、集光レンズの下面が凸状の平凸レンズについて説明したが、両面が凸状の両凸レンズを使用してもよい。この場合、レンズの両面ともが屈折面として作用するので、焦点距離が短くなって、より半導体ウェハーの中央部に光を集光することができる。
【００２３】
また、本発明の不純物拡散装置の他の形態について、他の図面を用いて説明する。図３（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施の形態を示す不純物拡散装置であるランプアニール炉３１、３３の断面図である。図３（ａ）に示すランプアニール炉３１は、半導体ウェーハ９の比抵抗の低い中央部にランプ２からの光を集光させる手段として、光源の背面近傍に反射板３２を設けたものである。その他の構成は図１と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。本形態の特徴は、光源２から背面側に出射される光を、反射板３２により効率良く、半導体ウェーハ９の中央部に集光するようにしたことである。これにより、半導体ウェーハ９の中央部をより高温にでき、不純物を深く拡散できる。また、半導体ウェーハ９面内の熱処理温度分布をより緩やかにしたいときは、図３（ｂ）に示すように、反射板３２に多数の孔３２ａを形成して、孔３２ａから漏れる光を、反射板３で反射させて半導体ウェーハ９の外周部に分配して調整することができる。孔３２ａの数を少くすれば、半導体ウェーハ９の中央部がより高温になる熱処理が可能であり、孔３２ａの数を多くすれば、半導体ウェーハ９の全体を緩やかに熱処理することが可能である。
【００２４】
また、図４（ａ）、（ｂ）は、その他の構成を示す不純物拡散装置であるランプアニール炉４１の断面図及び光源の配置を示す図である。ランプアニール炉４１は、多数の光源４２から光を照射して、半導体ウェーハ９を加熱する構成であり、光源４２の背面には反射板４３が設置されている。その他の構成は図１と同じであるので、同一符号を付して説明は省略する。ランプアニール炉４１の特徴は、多数の光源４２の各々に電源４４を設け、光源４２の出力を独立して制御できるようにしたことである。半導体ウェーハ９面内における比抵抗分布に合わせ、各光源４２の電源４４を各々、独立に制御することにより、容易に熱処理温度分布を変えることができる。また、温度の制御性にも優れる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体ウェーハの不純物拡散方法及び不純物拡散装置によれば、半導体ウェーハ上に不純物層を形成して、熱処理により内部へ拡散する際に、半導体ウェーハの比抵抗に合わせて、熱処理の温度を制御するようにした。これにより、不純物の拡散深さが調整でき、半導体ウェーハ面内での特性ばらつきが格段に改善され、製品の歩留りや品質が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による不純物拡散装置の概略構成を示す断面図
【図２】本発明の半導体ウェーハ面内における比抵抗、熱処理温度、降伏電圧分布の関係を示す図
【図３】本発明の他の実施の形態による不純物拡散装置の概略構成を示す断面図
【図４】本発明の他の実施の形態による不純物拡散装置の概略構成を示す断面図及び光源の配置を示す図
【図５】従来の不純物拡散装置の概略構成を示す断面図
【図６】従来のツェナーダイオードを示す断面図
【図７】従来の半導体ウェーハ面内における比抵抗、熱処理温度、降伏電圧分布の関係を示す図
【符号の説明】
１　ランプアニール炉
２　光源
３　反射板
４　石英板
５　チャンバ
６　石英ピン
７　試料台
８　集光レンズ
８ａ　下面
９　半導体ウェーハ
３１　ランプアニール炉
３２　反射板
３２ａ　孔
３３　ランプアニール炉
４１　ランプアニール炉
４２　光源
４３　反射板
４４　電源
５１　横型拡散炉
５２　反応管
５３　ヒータ
５４　ガス導入ノズル
５５　ポート
５６　キャップ
５７　半導体ウェーハ
５８　不活性ガス
６１　ツェナーダイオード
６２　Ｎ型シリコン基板
６３　シリコン酸化膜
６３ａ　窓孔
６４　Ｐ型領域
６５　Ｐ−Ｎ接合
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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