(57)【要約】【課題】不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布を制御することができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１に備わるバイポーラ型トランジスタ１０のベース拡散層１２を形成する際に、Ｎ型エピタキシャル層１３のベース拡散層１２となるべく予め定められる領域に対して、加速エネルギとドーズ量とを変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入する。これによって、ベース拡散層１２の深さ方向における不純物の濃度分布を制御し、所望の濃度分布を有するベース拡散層１２を形成することができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示すベース拡散層１２を形成することができる。【選択図】      図１
2004221201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体内に不純物が拡散された不純物拡散層を有する半導体装置の製造方法であって、
前記不純物拡散層を形成する工程は、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に対して、加速エネルギとドーズ量とを変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記加速エネルギを連続的に変化させる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。
【請求項３】
前記不純物イオンには、同一の組成で価数の異なる複数種類のイオンが用いられることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記不純物イオンには、同一の価数で質量の異なる複数種類のイオンが用いられることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記不純物拡散層は、バイポーラ型トランジスタのベース拡散層であることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法によって製造されることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より詳細には、バイポーラ型トランジスタを備える半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置に設けられるバイポーラ型トランジスタは、半導体内に不純物が拡散されて成る不純物拡散層であるエミッタ拡散層、ベース拡散層およびコレクタ拡散層を含んで構成される。ベース拡散層の形成には、トランジスタの高性能化および高信頼性化のために、再現性良く不純物拡散層を形成することのできるイオン注入法を用いることが主流となっている。
【０００３】
図１１（ａ）は、従来技術による半導体装置５の構成を簡略化して示す概略断面図であり、図１１（ｂ）は、半導体装置５に備わるバイポーラ型トランジスタ５０のエミッタ拡散層５１およびベース拡散層５２における熱処理後の不純物濃度プロファイルを模式的に示す図である。図１１（ｂ）において、縦軸はエミッタ拡散層５１の表面５１ａまたはベース拡散層５２の表面５２ａからの深さを示し、横軸は不純物濃度を示す。また図１１（ｂ）において、破線で示すライン５７はエミッタ拡散層５１の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面の濃度プロファイルを示し、実線で示すライン５８はベース拡散層５２の切断面線ＩＶ−ＩＶにおける断面の濃度プロファイルを示す。半導体装置５に備わるバイポーラ型トランジスタ５０には、Ｐ型半導体基板５６上に、Ｎ型不純物が拡散されたＮ型エピタキシャル層５３およびＮ＋埋込み層５４から成るコレクタ拡散層５５と、Ｐ型不純物が拡散されたベース拡散層５２と、Ｎ型不純物が拡散されたエミッタ拡散層５１とが形成される。
【０００４】
イオン注入法を用いてベース拡散層５２を形成する場合、Ｎ＋埋込み層５４が形成されたＰ型半導体基板５６の表面にＮ型エピタキシャル層５３を形成し、Ｎ型エピタキシャル層５３のベース拡散層５２となるべく予め定められる領域に対して、所望の不純物濃度を得ることのできるドーズ量において特定の加速エネルギで不純物イオンを打込み、次の工程において熱処理を施すことによって、ベース拡散層５２を形成する。ベース拡散層５２における不純物の濃度プロファイルは、イオン注入後の熱処理工程で決定される。すなわち、イオン注入後に行う熱処理の時間および加熱温度などを調整することによって、ベース拡散層５２の濃度分布を制御している（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
安永・岡本・森崎著，「電子・情報基礎シリーズ（第２巻）半導体工学」，初版，株式会社近代科学社，１９９１年１月２０日，ｐ．２４６−２４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に記載の技術では、一回のイオン注入によってベース拡散層５２を形成するので、熱処理後のベース拡散層５２の不純物濃度は、図１１（ｂ）に示すように、深さの増加に伴い減少する。また不純物の濃度分布のピークは、ベース拡散層５２の表面５２ａには存在せず内部に存在するので、ベース拡散層５２の表面５２ａ付近の不純物濃度も前述のピークの濃度に比べて若干低くなる。このように、ベース拡散層の不純物濃度は、深さ方向に対して一定でなく、深さに依存して変動するので、たとえばエミッタ拡散層の深さにばらつきが発生した場合には、トランジスタを構成するベース拡散層とエミッタ拡散層との接合部分のベース拡散層の不純物濃度が一定の値にならず、ベース拡散層とエミッタ拡散層との接合部分のキャリア濃度で決定される電流増幅率（ｈｆｅ）にばらつきが発生し、デバイスとして一定の性能を有する製品を安定して供給することができないという問題が生じる。
【０００７】
またこの技術では、所望の濃度分布を得るために、イオン注入後に長時間の熱処理が必要となる場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布を制御することができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体内に不純物が拡散された不純物拡散層を有する半導体装置の製造方法であって、
前記不純物拡散層を形成する工程は、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に対して、加速エネルギとドーズ量とを変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１０】
本発明に従えば、半導体装置に設けられる不純物拡散層を形成する工程は、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に対して、加速エネルギとドーズ量とを変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入する工程を含む。ここで、半導体とは、不純物を含まない真性半導体から成る基板および層、ならびに後述の図１に示されるように、不純物を含む不純物半導体から成る基板および層をも含む。不純物拡散層の表面から内部に向かう深さ方向の不純物の濃度分布は、イオン注入時の加速エネルギとドーズ量すなわち注入イオン数とに依存する。たとえば、低い加速エネルギでイオン注入を行うと、不純物の濃度分布のピークは不純物拡散層の表面付近に形成されるので、表面付近に不純物が高濃度に拡散された不純物拡散層を形成することができる。また高い加速エネルギでイオン注入を行うと、不純物の濃度分布のピークは、低い加速エネルギでイオン注入を行う場合よりも深い位置に形成されるので、内部に不純物が高濃度に拡散された不純物拡散層を形成することができる。本発明の半導体装置の製造方法では、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に対して、加速エネルギを変化させて複数回のイオン注入を行う、すなわち同一領域に対して２種以上の異なる加速エネルギでイオン注入を行うので、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度プロファイルは、各加速エネルギにおいて得られる濃度プロファイルの重ね合わせになる。たとえば、低い加速エネルギによるイオン注入と高い加速エネルギによるイオン注入とを同一の領域に対して行うと、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度プロファイルは、低い加速エネルギの場合に得られる濃度プロファイルと高い加速エネルギの場合に得られる濃度プロファイルとの重ね合わせになる。すなわち、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布は、浅い位置にピークを有する濃度分布と深い位置にピークを有する濃度分布とが合成されたものになる。したがって不純物が高濃度に注入された部分を深さ方向に幅広く形成することができる。また本発明の半導体装置の製造方法では、同一領域に対して加速エネルギを変化させて不純物イオンを注入する際にドーズ量も変化させるので、所望の濃度分布を有する不純物拡散層を形成することができる。同一のドーズ量で加速エネルギを変化させて不純物イオンを注入する場合、加速エネルギが高くなるに従い不純物の濃度分布のピーク濃度は減少する傾向を示すので、深さ方向に対して一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することはできないけれども、本発明の半導体装置の製造方法では、前述のようにドーズ量を変化させるので、ドーズ量を調整することによって各加速エネルギにおいて得られる濃度分布のピーク濃度を略等しくすることができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能である。したがって、前述のように、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に対して、加速エネルギとドーズ量との両方を変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入することによって、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布を制御し、所望の濃度分布を有する不純物拡散層を形成することができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能である。また、前述のように高い加速エネルギで不純物イオンを注入することによって不純物の濃度分布のピークをより深い位置に形成することができるので、所望の濃度分布を得るために行うイオン注入後の熱処理の時間を短縮することが可能になる。
【００１１】
また本発明は、前記加速エネルギを連続的に変化させることを特徴とする。
本発明に従えば、加速エネルギを連続的に変化させて不純物イオンの注入を行う。このことによって、不純物の濃度分布のピーク位置を不純物拡散層の表面付近から内部まで連続的に移動させることができるので、不純物が高濃度に注入された部分を連続して幅広く形成することができ、深さ方向に対してより一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能となる。
【００１２】
また本発明は、前記不純物イオンには、同一の組成で価数の異なる複数種類のイオンが用いられることを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、不純物イオンには、同一の組成で価数の異なる複数種類のイオンが用いられる。同一の組成で価数の異なるイオンを注入する場合、イオンの飛程距離は、加速エネルギと価数とに比例する。たとえば、同一の加速エネルギで、同一の組成の１価のイオンおよび２価のイオンを注入した場合、２価のイオンは、１価のイオンに比べ、約２倍の飛程距離を有するので、１価のイオンよりも深い位置に注入される。このように、多価イオンを用いることによって、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域のより深い位置への不純物イオンの注入が可能となる。したがって、前述のように同一の組成で価数の異なる複数種類のイオンを用いてイオン注入を行うことによって、表面からより深い位置までほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を容易に形成することができる。また所望の濃度分布を得るために行うイオン注入後の熱処理の時間を短縮することができる。
【００１４】
また本発明は、前記不純物イオンには、同一の価数で質量の異なる複数種類のイオンが用いられることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、不純物イオンには、同一の価数で質量の異なる複数種類のイオンが用いられる。同一の価数で質量の異なるイオンを同一の加速エネルギで注入する場合、イオンの飛程距離は、質量に反比例し、質量が大きくなる程短くなるので、質量の大きいイオンの方が質量の小さいイオンよりも浅い位置に注入される。このように、質量の大きいイオンを用いることによって、半導体の不純物拡散層となるべくあらかじめ定められる領域の極めて表面付近に不純物イオンを注入することが可能となる。したがって、前述のように同一の価数で質量の異なる複数種類のイオンを用いてイオン注入を行うことによって、一回のイオン注入で不純物拡散層を形成する場合に発生する不純物拡散層の表面付近における不純物濃度の低下を抑えることができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を容易に形成することができる。
【００１６】
また本発明は、前記不純物拡散層は、バイポーラ型トランジスタのベース拡散層であることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、前記不純物拡散層はバイポーラ型トランジスタのベース拡散層である。本発明の半導体装置の製造方法では、前述のように、不純物拡散層であるベース拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布を制御することができるので、ベース拡散層とエミッタ拡散層との接合部分のキャリア濃度を制御することができ、トランジスタの性能の１つである電流増幅率（ｈｆｅ）を容易に制御することができる。また、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示すベース拡散層を形成することができるので、エミッタ拡散層を形成する際に、エミッタ拡散層の伸びすなわちエミッタ拡散層の深さにばらつきが発生した場合においても、ベース拡散層とエミッタ拡散層との接合部分のキャリア濃度はベース拡散層の不純物濃度で決定され、ほぼ一定の値になる。したがって、ベース拡散層からのキャリアの注入効率がほぼ一定で、電流増幅率（ｈｆｅ）のばらつきが低減された信頼性の高いバイポーラ型トランジスタを備える半導体装置を得ることができる。また、ベース拡散層の不純物濃度を高くかつ深さ方向に対してほぼ一定にすることができるので、ベース拡散層とエミッタ拡散層との接合部分のベース拡散層内部において、エミッタ拡散層からの空乏層の伸びを抑える、すなわちベース拡散層側の空乏層の幅の増加を抑えることができ、ベース拡散層とエミッタ拡散層との間の耐圧を上げることが可能となる。
【００１８】
また本発明は、前記半導体装置の製造方法によって製造されることを特徴とする半導体装置である。
【００１９】
本発明に従えば、半導体装置は、前記半導体装置の製造方法によって製造される。このことによって、所望の濃度分布を示す不純物拡散層を有する半導体装置、特に、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を有する信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の実施の一形態である半導体装置１の構成を簡略化して示す概略断面図であり、図１（ｂ）は、半導体装置１に備わるバイポーラ型トランジスタ１０のエミッタ拡散層１１およびベース拡散層１２における熱処理後の不純物濃度プロファイルを模式的に示す図である。図１（ｂ）において、縦軸はエミッタ拡散層１１の表面１１ａまたはベース拡散層１２の表面１２ａからの深さを示し、横軸は不純物濃度を示す。また図１（ｂ）において、破線で示すライン１７はエミッタ拡散層１１の切断面線Ｉ−Ｉにおける断面の濃度プロファイルを示し、実線で示すライン１８はベース拡散層１２の切断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面の濃度プロファイルを示す。
【００２１】
半導体装置１に備わるバイポーラ型トランジスタ１０には、Ｐ型不純物を含む半導体から成るＰ型半導体基板１６上に、Ｎ型不純物が拡散されたＮ型エピタキシャル層１３およびＮ＋埋込み層１４から成るコレクタ拡散層１５と、Ｐ型不純物が拡散されたベース拡散層１２と、Ｎ型不純物が拡散されたエミッタ拡散層１１とが形成される。
【００２２】
不純物拡散層であるベース拡散層１２は、図１（ｂ）に示すように、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す。したがって、信頼性の高い半導体装置１を得ることができる。
【００２３】
図１に示すバイポーラ型トランジスタ１０を備える半導体装置１の製造方法を説明する。図２〜図８は、半導体装置１の製造における各工程の状態を模式的に示す断面図である。
【００２４】
図２は、Ｐ型半導体基板１６の一方の表面に酸化膜２１を形成した後、Ｎ＋埋込み層１４となるべく予め定められる領域２２に対応する位置の酸化膜２１を除去した状態を示す図である。Ｐ型不純物、たとえばホウ素（元素記号：Ｂ）などのＩＩＩ族元素などを含むシリコンなどの半導体から成るＰ型半導体基板１６の一方の表面を酸化して酸化膜２１を形成した後、フォトリソグラフィ法などによってＮ＋埋込み層１４となるべく予め定められる領域２２（以下、このような領域を形成予定領域と称する）に対応する位置の酸化膜２１を除去し、Ｎ＋埋込み層形成予定領域２２のＰ型半導体基板１６の表面を露出させる。
【００２５】
図３は、Ｐ型半導体基板１６のＮ＋埋込み層形成予定領域２２に、Ｎ型不純物を拡散させた状態を示す図である。残存する酸化膜２１をマスクとして、Ｐ型半導体基板１６のＮ＋埋込み層形成予定領域２２に、Ｎ型不純物、たとえば砒素（元素記号：Ａｓ）およびリン（元素記号：Ｐ）などのＶ族元素を高い濃度で導入する。その後、熱処理を施すことによって導入した不純物イオンを拡散させる。このとき、Ｎ＋埋込み層形成予定領域２２のＰ型半導体基板１６の表面には、酸化膜２３が形成される。
【００２６】
図４は、Ｎ＋埋込み層１４およびＮ型エピタキシャル層１３を形成した状態を示す図である。前述の図３に示すＮ＋埋込み層形成予定領域２２に形成された酸化膜２３を除去した後、分子線エピタキシ法などによって、Ｎ＋埋込み層形成予定領域２２にＮ型不純物を高濃度に含む半導体結晶薄膜を成長させ、Ｎ＋埋込み層１４を形成する。次いで、酸化膜２１を除去した後、Ｐ型半導体基板１６およびＮ＋埋込み層１４上に、分子線エピタキシ法などによって、Ｎ型不純物をＮ＋埋込み層１４よりも低い濃度で含む半導体結晶薄膜を成長させ、Ｎ型エピタキシャル層１３を形成する。これによって、コレクタ拡散層１５が形成される。
【００２７】
図５は、Ｎ型エピタキシャル層１３の表面に酸化膜２４を形成した後、ベース拡散層形成予定領域２５に対応する位置の酸化膜２４を除去した状態を示す図である。たとえば、Ｎ型エピタキシャル層１３が形成されたＰ型半導体基板１６を高温の酸素雰囲気中に曝すことによって、Ｎ型エピタキシャル層１３の表面に酸化膜２４を形成した後、フォトリソグラフィ法などによってベース拡散層形成予定領域２５に対応する位置の酸化膜２４を除去し、ベース拡散層形成予定領域２５のＮ型エピタキシャル層１３の表面を露出させる。
【００２８】
図６は、ベース拡散層１２を形成した状態を示す図である。残存する酸化膜２４をマスクとして、半導体層であるＮ型エピタキシャル層１３のベース拡散層形成予定領域２５に対して、Ｐ型の不純物イオンたとえばホウ素（Ｂ）などのＩＩＩ族元素のイオンを、加速エネルギとドーズ量とを変化させ、複数回に分けて注入する。その後、熱処理を施すことによって、注入された不純物イオンの拡散を行い、ベース拡散層１２を形成する。このとき、ベース拡散層１２の表面には、酸化膜２６が形成される。
【００２９】
図７は、エミッタ拡散層形成予定領域２７に対応する位置の酸化膜２６を除去した状態を示す図である。たとえば、フォトリソグラフィ法などによってエミッタ拡散層形成予定領域２７に対応する位置の酸化膜２６を除去し、エミッタ拡散層形成予定領域２７のベース拡散層１２の表面を露出させる。
【００３０】
図８は、エミッタ拡散層１１を形成した状態を示す図である。前述の図７に示す酸化膜２６をマスクとして、ベース拡散層１２のエミッタ拡散層形成予定領域２７に、Ｎ型不純物たとえば砒素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）などのＶ族元素を熱拡散法などによって拡散させ、エミッタ拡散層１１を形成する。酸化膜２４および酸化膜２６を除去し、たとえばスパッタ法などによって導電膜を形成した後、パターニングすることによって、図示しないエミッタ電極、ベース電極およびコレクタ電極を形成する。これによって、バイポーラ型トランジスタ１０が形成される。以上のようにしてバイポーラ型トランジスタ１０を備える半導体装置１を製造する。
【００３１】
以上のように、本実施形態による半導体装置の製造方法では、図６に示すベース拡散層１２を形成する工程において、半導体層であるＮ型エピタキシャル層１３のベース拡散層形成予定領域２５に対して、加速エネルギとドーズ量とを変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入する。
【００３２】
このことによって、不純物拡散層であるベース拡散層１２の深さ方向における不純物の濃度分布を制御し、所望の濃度分布を有するベース拡散層１２を形成することができる。したがってベース拡散層１２とエミッタ拡散層１１との接合部分のキャリア濃度を制御することができ、トランジスタの性能の１つである電流増幅率（ｈｆｅ）を容易に制御することができる。また、前述の図１（ｂ）に示すように、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示すベース拡散層１２を形成することができるので、エミッタ拡散層１１を形成する際に、エミッタ拡散層１１の伸びすなわちエミッタ拡散層１１の深さにばらつきが発生した場合においても、ベース拡散層１２とエミッタ拡散層１１との接合部分のキャリア濃度はベース拡散層１２の不純物濃度で決定され、ほぼ一定の値になる。したがって、ベース拡散層１２からのキャリアの注入効率がほぼ一定で、電流増幅率（ｈｆｅ）のばらつきが低減された信頼性の高いバイポーラ型トランジスタを備える半導体装置を得ることができる。また、ベース拡散層１２の不純物濃度を高くかつ深さ方向に対してほぼ一定にすることができるので、ベース拡散層１２とエミッタ拡散層１１との接合部分のベース拡散層１２内部において、エミッタ拡散層１１からの空乏層の伸びを抑える、すなわちベース拡散層１２側の空乏層の幅の増加を抑えることができ、ベース拡散層１２とエミッタ拡散層１１との間の耐圧を上げることが可能となる。
【００３３】
図９は、シリコン（元素記号：Ｓｉ）基板に対して、ドーズ量１．０×１０１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ２）で１価のホウ素イオン（イオン式：Ｂ＋）を注入した場合の深さ方向における不純物濃度プロファイルと加速エネルギとの関係を示す図である。図９において、横軸はシリコン基板の表面からの深さ（μｍ）を示し、縦軸は不純物濃度（ｉｏｎｓ／ｃｍ２）を示す。また図９において、縦軸は対数目盛である。なお図９では、ライン３１で示される加速エネルギが３０ｋｅＶの場合の濃度プロファイル、ライン３２で示される加速エネルギが５０ｋｅＶの場合の濃度プロファイル、ライン３３で示される加速エネルギが７０ｋｅＶの場合の濃度プロファイル、ライン３４で示される加速エネルギが１００ｋｅＶの場合の濃度プロファイルおよびライン３５で示される加速エネルギが２００ｋｅＶの場合の濃度プロファイルのみを示す。
【００３４】
ベース拡散層１２などの不純物拡散層の表面から内部に向かう深さ方向の不純物の濃度分布は、イオン注入時の加速エネルギとドーズ量すなわち注入イオン数とに依存する。たとえば、ライン３１で示される加速エネルギが３０ｋｅＶの場合またはライン３２で示される加速エネルギが５０ｋｅＶの場合のように、低い加速エネルギでイオン注入を行うと、不純物の濃度分布のピークは不純物拡散層の表面付近に形成されるので、表面付近に不純物が高濃度に拡散された不純物拡散層を形成することができる。また、ライン３５で示される加速エネルギが２００ｋｅＶの場合のように、高い加速エネルギでイオン注入を行うと、不純物の濃度分布のピークは、低い加速エネルギでイオン注入を行う場合よりも深い位置に形成されるので、内部に不純物が高濃度に拡散された不純物拡散層を形成することができる。
【００３５】
本実施形態による半導体装置の製造方法では、前述のように、半導体層であるＮ型エピタキシャル層１３のベース拡散層形成予定領域２５に対して、加速エネルギを変化させて複数回のイオン注入を行う、すなわち同一領域に対して２種以上の異なる加速エネルギでイオン注入を行うので、不純物拡散層であるベース拡散層１２の深さ方向における不純物の濃度プロファイルは、各加速エネルギで得られる濃度プロファイルの重ね合わせになる。たとえば、低い加速エネルギによるイオン注入と高い加速エネルギによるイオン注入とを同一の領域に対して行うと、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度プロファイルは、低い加速エネルギの場合に得られるライン３１のような濃度プロファイルと、高い加速エネルギの場合に得られるライン３５のような濃度プロファイルとの重ね合わせになる。すなわち、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布は、浅い位置にピークを有する濃度分布と深い位置にピークを有する濃度分布とが合成されたものになる。したがって不純物が高濃度に注入された部分を深さ方向に幅広く形成することができる。また高い加速エネルギで不純物イオンを注入することによって不純物の濃度分布のピークをより深い位置に形成することができるので、所望の濃度分布を得るために行うイオン注入後の熱処理の時間を短縮することが可能になる。
【００３６】
しかしながら、同一のドーズ量では、図９に示すように、加速エネルギが高くなるに従い不純物の濃度分布のピーク濃度は減少する傾向を示すので、加速エネルギを変化させて複数回に分けて不純物イオンを注入しても、深さ方向に対して一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することはできない。本実施形態による半導体装置の製造方法では、前述のように、同一領域に対して加速エネルギを変化させて不純物イオンを注入する際にドーズ量も変化させるので、加速エネルギ毎にドーズ量を調整することによって、図９に示すようなピーク濃度の減少を解消することができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能である。
【００３７】
図１０（ａ）は、加速エネルギ毎にドーズ量を調整して不純物イオンの注入を行った場合の深さ方向における不純物濃度プロファイルを模式的に示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す３つの濃度プロファイルを重ね合わせて得られる濃度プロファイルを模式的に示す図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、横軸は不純物拡散層の表面からの深さを示し、縦軸は不純物濃度を示す。なお図１０（ａ）および図１０（ｂ）では、図９と同様に、縦軸は対数目盛であり、不純物濃度の値は常用対数値である。また図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、ライン３６は加速エネルギをＡとした場合の濃度プロファイルを示し、ライン３７は加速エネルギをＡより高いＢ（Ｂ＞Ａ）とした場合の濃度プロファイルを示し、ライン３８は加速エネルギをＢより高いＣ（Ｃ＞Ｂ＞Ａ）とした場合の濃度プロファイルを示す。
【００３８】
図１０（ａ）に示すように、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布のピーク位置は、ライン３６で示される加速エネルギがＡである場合、ライン３７で示される加速エネルギがＡよりも高いＢである場合、ライン３８で示される加速エネルギがＢよりも高いＣである場合の順に深くなっている。すなわち、深さ方向における濃度分布のピーク位置は、図９と同様に、加速エネルギが高い程深くなっている。しかしながら、図１０（ａ）では、加速エネルギ毎にドーズ量を調整しているので、ライン３６、ライン３７およびライン３８で示される濃度分布のピーク濃度は略等しくなっている。したがって、ライン３６、ライン３７およびライン３８で示される濃度プロファイルを重ね合わせて得られる濃度プロファイル、すなわち図１０（ｂ）のライン３９で示される濃度プロファイルでは、不純物濃度が深さ方向に対してほぼ一定の値になっている。特に、図１０（ｂ）では、各加速エネルギで得られる濃度プロファイルすなわちライン３６、ライン３７およびライン３８が交差する付近における不純物濃度の和が、ライン３６、ライン３７またはライン３８で示される濃度分布のピーク濃度にほぼ等しくなっているので、不純物濃度が深さ方向に対してより一定の値になっている。またライン３９で示される濃度プロファイルは、ライン３６で示される加速エネルギがＡである場合、ライン３７で示される加速エネルギがＢである場合およびライン３８で示される加速エネルギがＣである場合の３回のイオン注入を、同一の領域に対して行った場合に得られる濃度プロファイルに相当する。このことから、各加速エネルギで得られる濃度分布のピーク濃度が略等しくなるようにドーズ量を調整することによって、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成できることが判る。
【００３９】
ただし、実際にイオン注入を行った際の不純物の濃度分布は、注入される不純物イオンの質量が、基板を構成する原子たとえばシリコン（Ｓｉ）原子などの質量と大きく異なる場合には、左右非対称となる。たとえば、前述の図９に示すように、シリコン（Ｓｉ）原子よりも質量の小さい１価のホウ素イオン（Ｂ＋）をシリコン基板に注入した場合、注入される不純物イオンが原子核衝突によって広い角度で散乱される確率が増えるので、不純物の濃度分布は基板表面側に偏った分布を示す。しかしながら、このように濃度分布が左右非対称になる場合であっても、基板表面の不純物濃度がピーク濃度よりも極端に大きくなることはない。たとえば前述の図９に示すように、ライン３３で示される加速エネルギが７０ｋｅＶの場合の基板表面での不純物濃度は、ライン３１で示される加速エネルギが３０ｋｅＶの場合の約１／１０であるので、各加速エネルギでの濃度分布を足し合わせても、基板表面の不純物濃度がピーク濃度よりも極端に大きくなることはない。したがって、前述のように加速エネルギとドーズ量との両方を変化させることによって、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示すベース拡散層を形成することが可能である。
【００４０】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法では、ドーズ量を調整することによって各加速エネルギで得られる濃度分布のピーク濃度を略等しくすることができ、前述の図１に示すベース拡散層１２のように、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能である。
【００４１】
ドーズ量は、各加速エネルギで得られる濃度分布のピーク濃度を略等しくするためには、たとえば以下のように調整される。たとえば、同一の領域に対して異なる加速エネルギで２回のイオン注入を行う際に、２回目の注入を１回目よりも高い加速エネルギで行う場合には、２回目のドーズ量を１回目よりも多くする。逆に、２回目の注入を１回目よりも低い加速エネルギで行う場合には、２回目のドーズ量を１回目よりも少なくする。このようにドーズ量を調整することによって、各加速エネルギで得られる濃度分布のピーク濃度を略等しくすることができる。
【００４２】
またドーズ量は、各加速エネルギで得られる濃度分布のピーク濃度が所望の値となるように調整されてもよい。これによって、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布を制御し、所望の濃度分布を有する不純物拡散層を形成することができる。たとえば、加速エネルギが高くなるに従い濃度分布のピーク濃度が増加するようにドーズ量を調整すれば、前述の図１１に示すベース拡散層５２とは逆に、深さの増加に伴って不純物濃度が増加する不純物拡散層を形成することができる。
【００４３】
不純物イオンの注入は、２回に分けて行ってもよく、また３回以上の複数回に分けて加速エネルギおよびドーズ量を離散的に変化させながら行ってもよい。
【００４４】
また不純物イオンの注入は、加速エネルギを連続的に変化させながら行ってもよい。この場合、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に対して注入するドーズ量の全量を予め決めておき、その量の不純物イオンが最終的に半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に注入されるように、加速エネルギを連続的に変化させながら不純物イオンの注入を行う。これは、加速エネルギを極めて少量ずつ変化させて複数回に分けて不純物イオンを注入することに相当する。したがって、このように加速エネルギを連続的に変化させて不純物イオンの注入を行うことによって、不純物の濃度分布のピーク位置を不純物拡散層の表面付近から内部まで連続的に移動させることができるので、不純物が高濃度に注入された部分を連続して幅広く形成することができる。またこの場合には、ドーズ量の全量を変えるのではなく、加速エネルギの変化に伴ってドーズ量を変化させることによって、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布を制御することができる。たとえば、加速エネルギの増加に伴ってドーズ量を増加させることによって、深さ方向に対してより一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することができる。
【００４５】
不純物イオンには、１種類のイオンだけでなく、同一の組成で価数の異なる複数種類のイオンを用いることが好ましい。同一の組成で価数の異なるイオンを注入する場合、イオンの飛程距離は、加速エネルギと価数とに比例する。たとえば、同一の加速エネルギで、同一の組成の１価のイオンと２価のイオンたとえば１価のホウ素イオン（イオン式：Ｂ＋）と２価のホウ素イオン（イオン式：Ｂ２＋）とを注入した場合、２価のイオンであるＢ２＋イオンは、１価のイオンであるＢ＋イオンに比べ、約２倍の飛程距離を有するので、Ｂ＋イオンよりも深い位置に注入される。このように、多価イオンを用いることによって、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域のより深い位置への不純物イオンの注入が可能となる。したがって、前述のように同一の組成で価数の異なる複数種類のイオンを用いてイオン注入を行うことによって、表面からより深い位置までほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を容易に形成することができる。また所望の濃度分布を得るために行うイオン注入後の熱処理の時間を短縮することができる。
【００４６】
さらに不純物イオンには、同一の価数で質量の異なる複数種類のイオンを用いることが好ましい。同一の価数で質量の異なるイオンを同一の加速エネルギで注入する場合、イオンの飛程距離は、質量に反比例し、質量が大きくなる程短くなるので、質量の大きいイオンの方が質量の小さいイオンよりも浅い位置に注入される。たとえば、不純物イオンの原料として三フッ化ホウ素（化学式：ＢＦ３）ガスを用いた場合、不純物イオンとしては１価のホウ素イオン（Ｂ＋）と１価の二フッ化ホウ素イオン（イオン式：ＢＦ２＋）とが得られるけれども、質量の大きいＢＦ２＋イオンの方が質量の小さいＢ＋イオンよりも浅い位置に注入される。このように、質量の大きいイオンを用いることによって、半導体の不純物拡散層となるべくあらかじめ定められる領域の極めて表面付近に不純物イオンを注入することが可能となる。したがって、前述のように同一の価数で質量の異なる複数種類のイオンを用いてイオン注入を行うことによって、前述の図１１に示す一回のイオン注入で不純物拡散層を形成する場合に発生する不純物拡散層の表面付近における不純物濃度の低下を抑えることができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を容易に形成することができる。
【００４７】
なお、前述の図６に示す工程において、Ｎ型エピタキシャル層１３のベース拡散層形成予定領域２５に複数回に分けて不純物イオンを注入する際には、そのうちの少なくとも１回をベース拡散層形成予定領域２５以外の領域に抵抗領域などを形成するために利用してもよい。これによって、バイポーラ型トランジスタ１０と同時に、電界効果型トランジスタなどの他の素子を形成することができる。
【００４８】
以上に述べたように、本実施の形態の半導体装置１に備わるバイポーラ型トランジスタ１０は、Ｐ型半導体基板１６上に、Ｎ型半導体層であるコレクタ拡散層１５、Ｐ型半導体層であるベース拡散層１２およびＮ型半導体層であるエミッタ拡散層１１を形成したＮＰＮ型トランジスタであるけれども、これに限定されることなく、Ｎ型不純物を含む半導体から成るＮ型半導体基板上に、コレクタ拡散層としてＰ型不純物を拡散させたＰ型半導体層を形成し、ベース拡散層としてＮ型不純物を拡散させたＮ型半導体層を形成し、エミッタ拡散層としてＰ型不純物を拡散させたＰ型半導体層を形成したＰＮＰ型トランジスタであってもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、図６に示す工程において、半導体層であるＮ型エピタキシャル層１３のベース拡散層形成予定領域２５に対して、加速エネルギとドーズ量とを変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入することによって、不純物拡散層であるベース拡散層１２の深さ方向における不純物の濃度分布を制御し、所望の濃度分布を有するベース拡散層１２を形成している。
【００５０】
このような不純物イオンの注入方法は、バイポーラ型トランジスタのベース拡散層の形成に限定されることなく、エミッタ拡散層もしくはコレクタ拡散層の形成、または半導体装置に設けられる他の不純物拡散層、たとえば電界効果型トランジスタのチャネル部、ソース部およびドレイン部の形成などにも用いることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、半導体の不純物拡散層となるべく予め定められる領域に対して、加速エネルギとドーズ量との両方を変化させ、複数回に分けて不純物イオンを注入するので、不純物拡散層の深さ方向における不純物の濃度分布を制御し、所望の濃度分布を有する不純物拡散層を形成することができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能である。
【００５２】
また本発明によれば、加速エネルギを連続的に変化させて不純物イオンの注入を行うので、不純物の濃度分布のピーク位置を不純物拡散層の表面付近から内部まで連続的に移動させ、不純物が高濃度に注入された部分を連続して幅広く形成することができ、深さ方向に対してより一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を形成することが可能となる。
【００５３】
また本発明によれば、不純物イオンには、同一の組成で価数の異なる複数種類のイオンが用いられるので、表面からより深い位置までほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を容易に形成することができ、また所望の濃度分布を得るために行うイオン注入後の熱処理の時間を短縮することができる。
【００５４】
また本発明によれば、不純物イオンには、同一の価数で質量の異なる複数種類のイオンが用いられるので、一回のイオン注入で不純物拡散層を形成する場合に発生する不純物拡散層の表面付近における不純物濃度の低下を抑えることができ、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を容易に形成することができる。
【００５５】
また本発明によれば、バイポーラ型トランジスタの電流増幅率（ｈｆｅ）を容易に制御することができ、ベース拡散層からのキャリアの注入効率がほぼ一定で、電流増幅率（ｈｆｅ）のばらつきが低減された信頼性の高いバイポーラ型トランジスタを備える半導体装置を提供することができるとともに、ベース拡散層とエミッタ拡散層との間の耐圧を上げることが可能となる。
【００５６】
また本発明によれば、所望の濃度分布を示す不純物拡散層を有する半導体装置、特に、深さ方向に対してほぼ一定の不純物濃度を示す不純物拡散層を有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の一形態である半導体装置１の構成を簡略化して示す概略断面図であり、図１（ｂ）は、半導体装置１に備わるバイポーラ型トランジスタ１０のエミッタ拡散層１１およびベース拡散層１２における熱処理後の不純物濃度プロファイルを模式的に示す図である。
【図２】Ｐ型半導体基板１６の一方の表面に酸化膜２１を形成した後、Ｎ＋埋込み層１４となるべく予め定められる領域２２に対応する位置の酸化膜２１を除去した状態を示す図である。
【図３】Ｐ型半導体基板１６のＮ＋埋込み層形成予定領域２２に、Ｎ型不純物を拡散させた状態を示す図である。
【図４】Ｎ＋埋込み層１４およびＮ型エピタキシャル層１３を形成した状態を示す図である。
【図５】Ｎ型エピタキシャル層１３の表面に酸化膜２４を形成した後、ベース拡散層形成予定領域２５に対応する位置の酸化膜２４を除去した状態を示す図である。
【図６】ベース拡散層１２を形成した状態を示す図である。
【図７】エミッタ拡散層形成予定領域２７に対応する位置の酸化膜２６を除去した状態を示す図である。
【図８】エミッタ拡散層１１を形成した状態を示す図である。
【図９】シリコン基板に対して、ドーズ量１．０×１０１５（ｉｏｎｓ／ｃｍ２）で１価のホウ素イオンを注入した場合の深さ方向における不純物濃度プロファイルと加速エネルギとの関係を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、加速エネルギ毎にドーズ量を調整して不純物イオンの注入を行った場合の深さ方向における不純物濃度プロファイルを模式的に示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す３つの濃度プロファイルを重ね合わせて得られる濃度プロファイルを模式的に示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、従来技術による半導体装置５の構成を簡略化して示す概略断面図であり、図１１（ｂ）は、半導体装置５に備わるバイポーラ型トランジスタ５０のエミッタ拡散層５１およびベース拡散層５２における熱処理後の不純物濃度プロファイルを模式的に示す図である。
【符号の説明】
１  半導体装置
１０  バイポーラ型トランジスタ
１１  エミッタ拡散層
１２  ベース拡散層
１３  Ｎ型エピタキシャル層
１４  Ｎ＋埋込み層
１５  コレクタ拡散層
１６  Ｐ型半導体基板
２１，２３，２４，２６  酸化膜
２２  Ｎ＋埋込み層形成予定領域
２５  ベース拡散層形成予定領域
２７  エミッタ拡散層形成予定領域
【図１】
2004221201.tif 000003
【図２】
2004221201.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004221201.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004221201.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004221201.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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