半導体の外方拡散・内方拡散

外方拡散・内方拡散とは

半導体シリコンウェーハにはB・P原子などのドーパントや酸素原子が含まれています。

外方拡散はウェーハ外の雰囲気中への原子の放出だけでなく、基板からエピタキシャル成長膜へのドーパント・酸素の拡散も含みます。

内方拡散も同様に、接合した基板やエピ膜からのドーパント・酸素などの拡散も含んでいます。

外方・内方拡散はDZ層の形成などに活用される一方、ドーパントの拡散によるデバイス特性の劣化など、プラスにもマイナスにも働く現象です。

シリコンウェーハとは？

外方拡散の例：DZ層の形成

酸素の外方拡散はDZ層の形成に有効活用されています。

CZウェーハ中の酸素析出に代表される微小欠陥は、表面数μmのデバイス活性層に存在すると、局所的に電気特性が悪化するため有害です。

DZウェーハでは、表面が無欠陥のため高品質なデバイスを形成できる事に加え、デバイスプロセス中に表面に付着・内方拡散した金属不純物を酸素析出(BMD)でゲッタリングすることが出来る利点があります。

デバイス特性が向上する高品質なSiウェーハを、熱処理による外方拡散を利用し作製したポジティブな例です。

外方拡散の例：オートドーピング

ドーパントの外方拡散は、基板へのエピタキシャル成長時に問題となります。

Siウェーハへのエピ成膜は、エピ反応ガスを流しながら基板を1000-1200℃程度に加熱することで行われます。

オートドーピングが発生すると、エピ層中の抵抗率・抵抗率面内分布が悪化することから問題となります。

基板のドーパント濃度が高く(抵抗率は低い)、エピ膜のドーパント濃度が低い(抵抗率は高い)場合に発生しやすい現象で、外方拡散が悪影響となる例です。

内方拡散の例：酸素雰囲気熱処理

例えば、酸素雰囲気中でSiウェーハを熱処理すると、ウェーハ中に酸素が内方拡散することが知られています。応用例として、Siウェーハの酸素濃度を維持したままVoid消滅熱処理に利用できることが報告されています。

CZ法にて、原子空孔が優勢となる条件で作製した単結晶Siには多数のVoidが含まれています。Void欠陥はH₂またはAr雰囲気下、1200℃ 1hの熱処理で消滅可能であることが知られています。

一方、Siウェーハ表層では、酸素の外方拡散により酸素濃度が低下し、ウェーハの機械的強度が低下してしまいます。そこで、SiウェーハをO₂雰囲気中で熱処理(RTP)を行うことで、酸素の内方拡散により基板中の酸素濃度を維持・増大させ、表面のVoidを消滅させることが出来ます。

比較例のAr-RTPと比べ、O₂-RTPでは基板中の酸素濃度を増大させることが出来ており、内方拡散を活用した例と言えます。