(57)【要約】【課題】多品種の半導体デバイスを早急に、かつ安価に製造することできる半導体デバイスの製造方法及びその製造装置を提供する。【解決手段】半導体基板上に複数の拡散領域を形成する半導体デバイスの製造方法において、インクジェットヘッドからｐ型あるいはｎ型不純物を含む不純物含有材料を吐出させ、半導体層表面の所定領域を不純物含有材料で被覆し、ｐ型あるいはｎ型不純物を半導体層に導入する工程と、不純物を導入した半導体層上に別の半導体層を形成する工程とを繰り返し行い、拡散領域を形成する。【選択図】　図１
2004103963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に複数の拡散領域を形成する半導体デバイスの製造方法において、
インクジェットヘッドからｐ型あるいはｎ型不純物を含む不純物含有材料を吐出させ、半導体層表面の所定領域を前記不純物含有材料で被覆し、前記ｐ型あるいはｎ型不純物を前記半導体層に導入する工程と、前記不純物を導入した前記半導体層上に別の半導体層を形成する工程とを繰り返し行い、前記拡散領域を形成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体デバイスの製造方法において、
前記不純物含有材料は、液状シリケートガラスからなることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体デバイスの製造方法において、
前記半導体層表面の所定領域を前記不純物含有材料で被覆し、熱処理することにより前記ｐ型あるいはｎ型不純物を前記半導体層に導入した後、該半導体層表面のシリケートガラス層を除去する工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に複数の拡散領域を形成する半導体デバイスの製造装置において、
半導体層表面にｐ型あるいはｎ型不純物を含む不純物含有材料を選択的に形成するインクジェット装置と、前記半導体層表面を被覆する前記不純物含有材料から前記不純物を前記半導体層に導入する熱処理装置と、前記熱処理された不純物含有材料を除去する除去装置と、前記不純物を導入した半導体層上に別の半導体層を形成する半導体エピタキシャル成長装置と、前記半導体基板を前記各装置へ搬送する搬送装置とを備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トランジスタ等の半導体装置やそれらを集積化した集積回路など半導体デバイスの製造方法及びその製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、半導体デバイスは、薄膜の堆積とフォトリソグラフィーによる堆積した薄膜の加工、フォトリソグラフィーを使った選択的な不純物導入、不純物の活性化と拡散のための熱処理等の工程を組み合わせで製造している。また、バイポーラトランジスタのコレクタ領域を形成する場合には、不純物を半導体層に導入した後に、その上に別の半導体層をエピタキシャル成長させる工程を組み合わせて製造している。
【０００３】
これらの工程のうち、フォトリソグラフィーを使った選択的な不純物導入では、レジストマスクを形成する必要がある。レジストマスクを形成するためには、露光用のガラスマスクの作成、半導体基板上へのレジストのパターニング及びその除去のための工程が必要となり、その回数が製造コストに大きな影響を与えていた。そこで、レジストマスクを使用しないで選択的に不純物を導入する方法として、インクジェット法による不純物導入方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２５１２５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のインクジェット法による不純物導入方法では、レジストマスクを使用する必要がないため、多品種を早く、かつ安価に製造することができる。しかしながら、従来のレジストマスクを使用して選択的に不純物を導入する工程のみをインクジェット法に変更しただけでは、さらに早く、安価に製造するには自ずから限界があった。本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、従来の半導体デバイスの製造方法を根本的に見直し、設計から製造までの時間的ロスを最少にすることができ、多品種の半導体デバイスを早く、かつ安価に製造することができる半導体デバイスの製造方法及びその装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願第１の発明の半導体デバイスの製造方法は、半導体基板上に複数の拡散領域を形成する半導体デバイスの製造方法において、インクジェットヘッドからｐ型あるいはｎ型不純物を含む不純物含有材料を吐出させ、半導体層表面の所定領域を前記不純物含有材料で被覆し、前記ｐ型あるいはｎ型不純物を前記半導体層に導入する工程と、前記不純物を導入した前記半導体層上に別の半導体層を形成する工程とを繰り返し行い、前記拡散領域を形成することを特徴とするものである。
【０００７】
本願第２の半導体デバイスの製造装置は、半導体基板上に複数の拡散領域を形成する半導体デバイスの製造装置において、半導体層表面にｐ型あるいはｎ型不純物を含む不純物含有材料を選択的に形成するインクジェット装置と、前記半導体層表面を被覆する前記不純物含有材料から前記不純物を前記半導体層に導入する熱処理装置と、前記熱処理された不純物含有材料を除去する除去装置と、前記不純物を導入した半導体層上に別の半導体層を形成する半導体エピタキシャル成長装置と、前記半導体基板を前記各装置へ搬送する搬送装置とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の半導体デバイスの製造方法は、半導体層に不純物を導入する工程と、その上に別の半導体層を形成する工程とを一つのサイクルとし、これを複数回繰り返すことに特徴がある。この製造方法を効率的に実現するため、本発明の半導体デバイスの製造装置は、各工程を行う処理室を連結し、一体型の装置として構成したことに特徴がある。以下、製造工程に従い説明する。
【０００９】
図１は、本発明による半導体デバイスの製造装置の一例の概念図である。図１の装置では、五角形をした基板搬送室１と、その周りに設けた５つの独立した処理室を有する。
【００１０】
処理室の１つは、装置に基板を投入する入口に当たる基板ロード室２である。残る４つの処理室は、本半導体デバイスの製造工程の一工程を担当する処理室であり、インクジェット装置を配置した塗布室３、ランプアニール装置を配置した熱処理室４、エッチング装置を配置した不純物層除去室５、エピタキシャル成長装置を配置したエピタキシャル成長室６からなる。基板搬送室１には、基板の搬送用ロボット７が配置されている。基板搬送室１及び各処理室は、所定の圧力に設定され、あるいは清浄な雰囲気ガスに置換できる構造となっている。
【００１１】
以下、工程順に説明する。半導体基板８は基板ロード室２にセットされる。基板ロード室８内の圧力が所定の圧力になった後、あるいは清浄な雰囲気ガスで置換された後、搬送用ロボット７により最初の処理室である塗布室３に搬入される。塗布室３内では、予め設定された回路配置データに基づき、所定の導電型、濃度となるように選択された不純物含有材料、一例としてｐ型あるいはｎ型の不純物を含むシリケートガラス液をインクジェット装置により半導体基板表面に塗布する。ここで、シリケートガラス液は、ＢＳＧ（ボロン含有シリケートガラス）材料を溶剤で溶かした液状前駆体、あるいはＰＳＧ（リン含有シリケートガラス）材料を溶剤で溶かした液状前駆体を使用する。液状前駆体に含まれるボロンあるいはリンの含有率は、所望の拡散領域を形成するために適宜調整すればよい。
【００１２】
インクジェット装置は、通常のインクジェットプリンタと原理は同じである。即ちインクジェットヘッド内に、通常のインクの代わりにシリケートガラス液を収納する。このシリケートガラス液は、通常の半導体装置の製造工程において層間絶縁膜の形成などに使用される塗布ガラス液と基本的に同一である。インクジェットヘッドからシリケートガラス液を吐出させる方法は、コンティニュアス型、オンデマンド型いずれでも良いし、さらに、エピゾ素子を用いて、その変形によりヘッド内のスペースを減少させ、この圧力を利用する方法や、ノズル内のヒータを加熱して、生成する泡を利用する方法のいずれでも良い。エピゾ素子を用いる方法では、描画精度が数μｍ〜数十μｍ程度のパターンを形成することができる。
【００１３】
シリケートガラス液が塗布された半導体基板８は、搬送用ロボット７により塗布室３から搬出され、一旦基板搬送室１に戻った後、熱処理室４に搬入される。熱処理室４では、半導体基板８をランプアニール装置により熱処理することにより、シリケートガラス液に含有されていた不純物、例えばボロンを半導体基板１表面に拡散させ、ｐ型拡散層が形成される。この熱処理によりシリケートガラス液は固化し、シリケートガラス層を形成することになる。
【００１４】
熱処理された半導体基板８は、搬送用ロボット７により熱処理室４から搬出され、一旦基板搬送室１に戻った後、シリケートガラス層を除去する場合は、不純物層除去室５へ、不純物含有材料層を除去する必要がない場合は、別の処理室へ搬送される。不純物層除去室５では、半導体基板１表面をフッ酸蒸気に接触させ、表面のシリケートガラス層をエッチング除去することで、清浄化する。ここで、気相除去の方法を採用すると、装置内の真空を破らずに作業を続けられるので効率がよい。また表面の清浄化を保ったまま製造工程を進めることができる点で都合がよい。
【００１５】
表面が清浄化された半導体基板８は、搬送用ロボット７により不純物層除去室５から搬出され、一旦基板搬送室１に戻った後、半導体エピタキシャル層を形成する場合は、エピタキシャル成長室６へ搬送される。半導体エピタキシャル層を形成する必要がない場合は、別の処理室へ搬送される。エピタキシャル成長室６では、半導体基板８表面に半導体単結晶を成長させる。ここで、不純物層除去室５で清浄化された半導体基板８表面に半導体単結晶を成長させるため、表面の清浄化が保たれるように、不純物層除去室５、基板搬送室１が、乾燥不活性ガス雰囲気、例えば窒素やアルゴン雰囲気で満たされているか、所定の圧力に保持されているのが好ましい。
【００１６】
表面に半導体単結晶を成長させた半導体基板８は、搬送用ロボット７によりエピタキシャル成長室６から搬出され、一旦基板搬送室１に戻された後、不純物領域を形成する場合は、塗布室３へ搬送される。不純物領域を形成する必要がない場合は、別の処理室へ搬送される。
【００１７】
以上の工程を繰り返すことにより、半導体基板８表面に不純物領域を備えた半導体層が形成されることになる。なお、半導体基板８を搬送する処理室は、上述の順序に限定されるものでなく、半導体デバイスの形状に応じて種々変更することが可能である。例えば、ｐ型不純物を含有するシリケートガラス液とｎ型不純物を含有するシリケートガラス液は、同時にあるいは別々に、塗布、熱処理、除去の各工程を行うことができる。所要の不純物濃度が異なる場合は、別の材料を印刷するか、あるいは熱処理条件を変えることで対応し、塗布、熱処理、除去の各工程を、同様に繰り返すことができる。また、バイポーラトランジスタのコレクタコンタクト領域のように、導電型が同一の深い拡散領域を形成する場合は、同じ不純物濃度の層を積層して形成することで形成することができる。このように本発明の半導体デバイスの製造装置では、各処理工程を行う装置を一体化しているため、半導体基板表面を大気に曝さずに工程を進めるように構成すれば、半導体基板表面の汚染等がない状態で次の工程に進むことができる。また、ホトマスクを使用することなく不純物領域を形成することができるので、ホトマスクの形成に要する時間と費用を削減して、半導体デバイスを製造することができるという利点を損なうこともない。
【００１８】
このように所望の拡散領域を形成した半導体基板は、通常の半導体装置の製造工程に従い、表面を絶縁膜で保護し、電気的接続のための配線を形成することで、所望の半導体デバイスを形成することができる。
【００１９】
また本発明では、不純物添加材料としては、シリケートガラス液の代わりに半導体デバイスの特性に影響を与えなければ他の材料を選択することが可能であるし、不純物を拡散するための熱処理には、ランプアニール方式の代わりに抵抗線加熱や高周波加熱などの方式を用いても全く問題ない。不純物添加ガラスの除去には、弗酸蒸気による方法の代わりに別のドライ除去方式を採用することができるし、弗酸溶液の塗布や弗酸溶液に浸すことによる、いわゆるウエット方式でも可能である。また、半導体結晶のエピタキシャル成長では、超高真空中での化学的気相成長方式の他、減圧下での水素キャリアガスを用いた化学的気相成長方式や、超高真空中での電子ビーム蒸着方式（いわゆる、分子線エピタキシャル方式）が使用可能であるし、別の半導体層の成長方式を採用することもできる。さらに、基板搬送室１を取り囲むように処理室を配置する構造に限定されるものでもない。
【００２０】
次に本発明の装置を用いて、バイポーラ形トランジスタを製造する場合を例にとり、本発明の実施例を説明する。まず、ｐ型シリコンからなる半導体基板８を用意して装置の基板ロード室２に搬入する。次に搬送用ロボット７により半導体基板８を塗布室３に搬送する。この塗布室３で、半導体基板８上の一部に、ｐ型とｎ型の不純物を含有するシリケートガラス液を回路配置データに基づいて塗布する。
【００２１】
この回路配置データは、図２（ａ）に示すようにｐ型不純物を含むシリケートガラス液により形成される分離領域パターン１０とｎ型不純物を含むシリケートガラス液により形成されるコレクタ埋込層パターン１１とにより構成されている。ｐ型不純物用のインクジェットノズルとｎ型不純物用のインクジェットノズルからそれぞれ別々に吐出されるシリケートガラス液により図２（ａ）に示す配置のパターンが塗布される。
【００２２】
シリケートガラス液が塗布された半導体基板８を搬送用ロボット７により塗布室３から、一旦基板搬送室１に搬出した後、熱処理室４に搬入する。熱処理室４では、ランプアニール装置を用いて１１５０℃、６０秒間熱処理する。これにより、ｎ型不純物とｐ型不純物がシリコン内に拡散する。熱処理温度と時間は、必要な拡散深さと不純物濃度により適宜調節される。熱処理された半導体基板８を搬送用ロボット７により熱処理室４から、一旦基板搬送室１に搬出した後、不純物層除去室５に搬入する、不純物層除去室５では、熱処理によって形成されたシリケートガラス層を弗素蒸気に接触させることにより除去し、半導体基板８表面を清浄化する。
【００２３】
表面を清浄化した半導体基板８を搬送用ロボット７により不純物層除去室５から、一旦基板搬送室１に搬出した後、エピタキシャル成長室６へ搬入する。エピタキシャル成長室６では、内部の真空度が５×１０−７Ｐａ以下に達した後、７５０℃に基板を加熱し、基板の表面の自然酸化膜を除去したのち、ジシランガスとフォスフィンガスを導入し、ｎ型不純物が添加されたシリコン半導体層を得る。このときの温度やガス流量は、必要な成長速度と不純物濃度によって適宜変更する。エピタキシャルシリコン層の厚さは、次の熱処理工程で拡散させるｎ型不純物とｐ型不純物が拡散できる程度の厚さとする。
【００２４】
不純物層が所望の厚さになるまで、図２（ａ）のパターンのシリケートガラス液の塗布からエピタキシャル成長までの工程を複数回繰り返す。その結果、図３（ａ）に示すように、半導体基板８上に、半導体デバイスを周りから電気的に分離するためのｐ＋領域１６及びコレクタ埋め込み層となる域１７が形成されたｎ型エピタキシャル層９が形成される。
【００２５】
同様に図２（ｂ）のパターンの分離領域パターン１０とコレクタ引き出し領域パターン１２のシリケートガラス液を塗布し、熱処理、不純物層除去及びエピタキシャル成長を行う。塗布からエピタキシャル成長までの工程を複数回繰り返すことによって、図３（ｂ）に示すように、分離のためのｐ＋領域１６と、コレクタ引き出しのためのｎ＋領域１８が形成される。
【００２６】
次はベース領域形成のための工程である。まず、図２（ｂ）のパターンの分離領域パターン１０とコレクタ引き出し領域パターン１２のシリケートガラス液を塗布し、熱処理を行い、分離のためのｐ＋領域１６とコレクタ引き出しのためのｎ＋領域１８の形成を行う。つづいて、不純物添加ガラスを除去した後に、図２（ｃ）に示すベース領域パターン１３のシリケートガラス液を塗布する。その後、前の工程より低い温度、あるいは短い時間の熱処理を行い、ｐ＋領域１６より濃度の低いｐ領域を形成する。シリケートガラス層を除去した後、エピタキシャル成長の処理を行う。
【００２７】
そして、図２（ｃ）のパターンシリケートガラス液の塗布からエピタキシャル成長までの工程を複数回繰り返す。その結果、図３（ｃ）に示すように、分離のためのｐ＋領域１６、コレクタ引き出しのためのｎ＋領域１８及びベース領域１９が形成される。
【００２８】
次は、図２（ｄ）のパターンの分離領域パターン１０、コレクタ引き出し領域パターン１２、ベ−ス引き出し領域パターン１４及びエミッタ領域パターン１５のシリケートガラス液を塗布する。ついで、熱処理を行い、分離のためのｐ＋領域１６とコレクタ引き出しのためのｎ＋領域１８のための拡散を行うとともに、エミッタとなるｎ＋領域２１とベースを引き出すためのｐ＋領域２０のための拡散を行う。さらに、シリケートガラス層を除去した後に、図２（ｃ）のベース領域パターン１３のシリケートガラス液を塗布し、前の工程より低い温度、あるいは短い時間の熱処理を行い、ベースのためのｐ領域１９を形成する。つづいて、不純物添加ガラスを除去した後、エピタキシャル成長の処理を行う。
【００２９】
そして、図２（ｄ）のパターンのシリケートガラス液の塗布からエピタキシャル成長までの工程を複数回繰り返す。その結果、図３（ｄ）に示すように、分離のためのｐ＋領域１６、コレクタ引き出しのためのｎ＋領域１８及びベース領域１９が引き続き形成されるとともに、ベースを電気的に引き出すためのｐ＋領域２０とエミッタとなるｎ＋領域２１が形成される。
【００３０】
その後、通常の半導体デバイスの製造工程に従い、表面の保護のための絶縁膜２２、エミッタ電極２５、ベース電極２４、コレクタ電極２３を形成することにより、図３（ｅ）に示すようなバイポーラトランジスタを形成することができる。
【００３１】
本発明では、電極の形成工程は、従来通り、フォトリソグラフィーを用いたが、より柔軟で低コストな工程とするには、電極の形成工程においてもインクジェット方式により、回路配置データによる直接形成するのが望ましい。
【００３２】
本発明は、半導体デバイスとしてシリコンバイポーラ形トランジスタに限らず、接合型電界効果トランジスタ、静電誘導トランジスタ、接合ダイオード、フォトダイオード、太陽電池などへの適用も可能であり、また、ＭＯＳ型トランジスタの基板部分の製造にも応用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、多品種の半導体デバイスの製造においても、製造工場への設備投資の大幅な削減が可能となるとともに、生産効率も著しく高まり、低コストでの半導体デバイスの生産が可能となる。
【００３４】
すなわち、本発明に係る半導体デバイスの製造方法では、少数の製造装置で一枚ずつ半導体基板を処理するので、最小の製造単位を小さくでき、製造に係る工場建物や設備への投資が少なくて済む。
【００３５】
また、作業者や技術者の最小単位も小さくできる。装置を一括型の自動装置にすれば、製造が簡略化されるだけでなく、工場にとってもコストの高い高度なクリンルーム環境が最低限で済むメリットを生じる。
【００３６】
また、生産を拡大する場合の単位を小さくできるので、生産拡大時の設備投資が低く抑えられ、過剰設備を生む危険が大幅に減少する。
【００３７】
さらに、部分的な不純物導入にフォトリソグラフィーを用いないので、マスク製造コストがかからない。また、電子データに基づいて、直接基板上に不純物含有材料を印刷することができることから、設計から製造までの期間を最少にすることができ、多品種の製造に対し早期に対応することが可能となる。
【００３８】
さらに、新製品開発時や製造時の改良試作を直ちに行うことが可能となるので、新製品の開発や製品改良を著しくスピードアップさせることができる。また、一つの製品の生産に要する時間を従来より大幅に短縮できるので、生産計画の管理が容易となり、製品の欠品や不良在庫への対応が極めて容易となり、製品の欠品や不良在庫の心配も大幅に軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体デバイスの製造装置の説明図である。
【図２】本発明の実施例に用いた回路配置パターンの説明図である。
【図３】本発明の実施例のバイポーラトランジスタの説明図である。
【符号の説明】
１：基板搬送室、２：基板ロード室、３：塗布室、４：熱処理室、５：不純物層除去室、６：エピタキシャル成長室、７：搬送用ロボット、８：半導体基板、９：エピタキシャル層、１０：分離領域パターン、１１：コレクタ埋込層パターン、１２：コレクタ引き出し領域パターン、１３：ベース領域パターン、１４：ベース引き出し領域パターン、１５：エミッタ領域パターン、１６：分離領域、１７：コレクタ埋込層、１８：コレクタ引き出し領域、１９：ベース領域、２０：ベース引き出し領域、２１：エミッタ領域、２２：絶縁膜、２３：コレクタ電極、２４：ベース電極、２５：エミッタ電極
【図１】
2004103963.tif 000003
【図２】
2004103963.tif 000004
【図３】
2004103963.tif 000005