JP2001126989A - 半導体薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ファセットが発生し難い半導体薄膜を半導体層
上に選択的に形成し、かつ成長装置の安全性を向上し、
メンテナンスを容易にする。 【解決手段】加熱した絶縁膜の開口部を有する半導体基
板に半導体の原料ガスおよびドーピングガスをｔ_g時間
照射して半導体層を選択的に成長する工程と、原料ガス
およびドーピングガスの照射を停止し、水素ガスをｔ_e
時間照射することによって絶縁膜上に堆積した半導体の
核をエッチング除去する工程とを交互に繰り返す。 【効果】ファセットの発生を抑制しながら絶縁膜の開口
部の半導体層上に選択的に半導体の薄膜を形成できる。
エッチングガスとして塩素ガスや塩化水素ガスを使用し
ないため、成長装置の配管等を腐食することがなく、安
全性およびメンテナンス性が向上するという特長をも有
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体薄膜の形成
方法に係り、特にシリコンやシリコン・ゲルマニウム等
の半導体薄膜を絶縁膜のパターンを有する基板上へ選択
的に成長するに好適な半導体薄膜の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の単結晶シリコンの選択成長は、例
えば月刊セミコンダクター・ワールド（Ｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ Ｗｏｒｌｄ）（１９８９）ｐｐ．１２１
−１３３に記載されている。

【０００３】この従来例の単結晶シリコンの選択成長方
法を図２を用いて説明する。図２は、従来例の単結晶シ
リコンの選択エピタキシャル成長に関する基板加熱およ
びガスフローシーケンス図である。

【０００４】基板を成長温度である１０００℃まで加熱
した後、シリコンの原料となるジクロルシラン（ＳｉＨ
₂Ｃｌ₂）ガスとキャリアガスである水素ガスとエッチン
グ反応を起こす塩化水素（ＨＣｌ）ガスを同時にウェハ
表面に照射する。

【０００５】ＨＣｌガスの流量によりエッチング反応の
割合が変化するため、ＨＣｌガスの流量が少ないと非選
択成長となり、一方、ＨＣｌガスの流量が多過ぎるとエ
ッチング反応が支配的となりエピタキシャル成長しなく
なる。

【０００６】成長温度が１０００℃、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂流量
が毎分０．３リットル（０．３ｓｌｍ）のとき、ＨＣｌ
ガスを１．３ｓｌｍ導入すると成長速度は約３００ｎｍ
／ｍｉｎである。

【０００７】この方法で選択エピタキシャル成長を行う
と、単結晶基板と絶縁膜の境界ではエピタキシャル成長
が遅く、ファセットと呼ばれる基板とは方位の異なる面
が発生する。代表的なファセットの面方位は［３１
１］、［１１１］である。

【０００８】また、特開平４−１３９８１９号公報には
ジシランガスと塩素ガスを交互に照射した選択成長方法
が記載されている。この従来例の単結晶シリコンの選択
成長方法を図３に示す基板加熱およびガスフローシーケ
ンスを用いて説明する。

【０００９】表面にシリコン酸化膜のパターンを形成し
た基板を成長温度である７００℃まで加熱した後、シリ
コンの原料となるジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガスを照射す
る。シリコン酸化膜上にシリコンの核が形成された状態
でＳｉ₂Ｈ₆の供給を停止し、塩素ガス（Ｃｌ₂）を照射
することにより、シリコン酸化膜上のシリコン核のエッ
チングを行う。

【００１０】選択成長を行う条件は、Ｓｉ₂Ｈ₆流量を毎
分５ｃｃ（５ｓｃｃｍ）、成長時間（ｔ_g）１分、Ｃｌ₂
流量を０．５ｓｃｃｍ、エッチング時間（ｔ_e）を１０
秒以上としている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の単結晶
シリコンの選択成長方法では、ファセットが発生すると
いう問題がある。ファセットが発生すると、エピタキシ
ャル層を用いたデバイスの電気特性の悪化や寄生領域の
増大に伴う特性の劣化が発生する。

【００１２】図４に、従来の選択成長をバイポーラトラ
ンジスタのベース層に適用したときのデバイスの主要部
の断面構造を示す。図中１３、１８はコレクタ層、１９
はベース層、２４はエミッタ層である。

【００１３】ファセット２５が発生することにより、自
己整合的に真性ベース１９と外部ベース２０を接続する
際に接触面積が小さくなるため、外部ベース抵抗が増大
し、バイポーラトランジスタの最大発振周波数が低くな
ってしまう。更に真性ベース１９と外部ベース２０を自
己整合的に接合することから、ファセット２５の発生に
伴い接合部分に隙間２６が生じる。

【００１４】一方、十分に接続するために真性ベース１
９を形成するコレクタ・ベース分離絶縁膜の開口部を広
げると、ベース・コレクタ間の容量が増大するために、
このトランジスタを用いた回路特性が悪化する。

【００１５】他の応用例として、電界効果トランジスタ
のソース・ドレインの取り出し部分に選択的にシリコン
層を形成したときのデバイスの主要部分の断面構造を図
５に示す。シリコン層３１へのドーパントのイオン打ち
込みの際、ゲート側壁３６から発生したファセット３９
のために不純物が基板３１中へ深く拡散してしまう領域
３８ａが発生するため、短チャネル効果が増長され、拡
散容量が増大する。さらにソース・ドレイン引き出し部
分の低抵抗化を図るためのシリサイド化に際し、基板３
１中へ金属分子が浸入してしまい、リーク電流が発生し
てデバイスの特性が劣化するという問題が発生する。

【００１６】さらに別の応用例として、単結晶シリコン
・ゲルマニウムを光受信器の受光部に応用した例を図６
の断面図に示す。ファセット５１周辺に入射した光は界
面で乱反射してしまい受光感度が低下するため、ファセ
ット以外の領域のみを受光部に使用する必要がある。し
かし、受光効率を上げるためには単結晶シリコン・ゲル
マニウム層４５の膜厚を大きくする必要があるため、フ
ァセット領域５１も併せて大きくなってしまう。その結
果、受光部周辺の寄生部分が増大し、応答・高速性が著
しく劣化する。

【００１７】また、エッチング用のＣｌ₂ガスまたはＨ
Ｃｌガスは半導体原料ガスと比較して純度が低いため、
エピタキシャル層中に混入する不純物濃度が増加すると
いう問題がある。さらに、塩素を含んだガスを使用する
ため、製造装置の排気配管等を腐食させるため、毒性お
よび爆発性のある原料ガス、ドーピングガス、エッチン
グガスの漏洩の危険性が増すと共に、装置のメンテナン
スの頻度が増加するという問題がある。

【００１８】そこで、本発明の目的は、半導体薄膜の成
長において、デバイスの高性能化を可能にするために、
ファセットが発生せず、成長薄膜中に含有される不純物
の少ない半導体薄膜を選択的に形成し、成長装置の安全
性が向上し、メンテナンスが容易となる半導体薄膜の選
択成長方法を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体薄膜
の形成方法は、絶縁膜の開口部を有する半導体基板を加
熱し、半導体層を形成する原料ガスを照射して前記絶縁
膜の開口部内に半導体層を堆積すると共に、前記絶縁膜
上に半導体の核を形成する結晶成長工程と、水素ガスを
照射して前記絶縁上の半導体の核を選択的に除去するエ
ッチング工程とを交互に繰り返すことにより、前記絶縁
膜の開口部内のみに半導体層を形成することを特徴とす
るものである。

【００２０】上記エッチング工程においては、半導体基
板を５００〜１０００℃に保持し、かつ、圧力１Ｐａ〜
大気圧の雰囲気で行うことが望ましい。そして、上記結
晶成長工程とエッチング工程とを交互に繰り返すタイミ
ングは、絶縁膜上の半導体の核の大きさに着目して導入
するガス種（半導体層を形成する原料ガス／水素ガス）
を切り換えればよい。基板温度が高ければ大きな核でも
除去できるが、基板温度が低い場合には小さい核の段階
で除去することが好ましい。

【００２１】上記結晶成長工程において、原料ガスにI
Ｖ族元素の化合物ガスを含めば好適である。さらに、上
記結晶成長工程において、ドーピングガスにIII族元素
の化合物ガスを含めば好適である。

【００２２】または、上記結晶成長工程において、原料
ガスはドーピングガスとしてＶ族元素の化合物ガスを含
んでも良い。

【００２３】また、上記エッチング工程において、水素
ガスに微量の原料ガスをエッチング反応の促進剤として
添加すれば好適である。

【００２４】さらに、上記結晶成長工程において、原料
ガスを活性化させる工程を含むこともできる。また、上
記結晶成長工程において、ドーピングガスを活性化させ
る工程を含めても良い。

【００２５】また、上記エッチング工程において、水素
ガスを活性化させる工程を含めば好適である。さらに、
上記エッチング工程において、水素ガスに活性化させた
微量の原料ガス及びドーピングガスを添加すれば好適で
ある。

【００２６】上記半導体薄膜の形成方法において、照射
するガスを活性化する工程を含む場合、半導体基板の温
度を５００℃以下とすればなお好適である。

【００２７】また、上記結晶成長工程の前工程として、
結晶成長工程の加熱温度よりも高い温度に半導体基板を
加熱し、水素ガスを照射して基板表面を清浄化する工程
を付加することが望ましい。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明に係る半導体薄膜の形成方
法の好適な実施の形態は、加熱されたシリコン基板上に
原料となるIＶ族元素の化合物ガス、例えばジシラン
（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガスおよびモノゲルマン（ＧｅＨ₄）ガス
を照射することにより、単結晶シリコン上に単結晶シリ
コン・ゲルマニウム層をエピタキシャル成長する工程
と、原料ガスの照射を中断し、原料ガスの代わりに水素
ガスを基板表面に照射することによって、エピタキシャ
ル成長と同時に絶縁膜上に堆積したシリコンおよびゲル
マニウムの核を選択的に除去する工程とを繰り返し、選
択性を維持しながら単結晶シリコン・ゲルマニウム層を
エピタキシャル成長するものである。

【００２９】このように選択性を維持しながら単結晶シ
リコン・ゲルマニウムを成長することにより、単結晶層
と絶縁膜の境界では、エピタキシャル層が絶縁膜と接し
ながら成長するため、ファセットの発生を抑制すること
ができる。しかもエッチングガスとして塩素ガスや塩化
水素ガスを使用しないため、成長装置の配管等を腐食す
ることがないため、安全性およびメンテナンス性が向上
する。

【００３０】

【実施例】次に、本発明に係る半導体薄膜の形成方法の
更に具体的な実施例につき、添付図面を参照しながら以
下詳細に説明する。

【００３１】＜実施例１＞図１は、本発明に係る半導体
薄膜の形成方法における第１の実施例を示す単結晶シリ
コンの選択エピタキシャル成長に関する基板加熱および
ガスフローシーケンス図である。

【００３２】エピタキシャル成長前に基板表面のクリー
ニングのため、水素ガスを４ｓｌｍ照射した状態で基板
を８５０℃まで加熱する。加熱時間は約１５分であり、
少なくとも１分は８５０℃に保持する。このとき雰囲気
の圧力を１０００Ｐａ以上にすることにより、水素ガス
によるクリーニング効果が顕著に現れ、基板表面の平坦
性を保ったまま清浄表面が得られる。基板を成長温度で
ある６００℃まで冷却した後、シリコンの原料となるジ
シランガス（Ｓｉ₂Ｈ₆：以下、原料ガスと略称）をウェ
ハ表面に照射する。

【００３３】図７は、シリコン基板１上にシリコン酸化
膜２を形成し、さらに開口部パターン７を形成して露出
したシリコン基板１上へ単結晶シリコン層を選択成長さ
せる工程を示した断面図である。以下、この工程図にし
たがって本実施例を順次説明する。

【００３４】図７（ａ）に示すように、原料ガス照射開
始からある一定時間は単結晶シリコン基板１上およびシ
リコン酸化膜２上にはシリコンが成長しない時間が存在
するが、照射を続けるとまず単結晶シリコン１上に単結
晶シリコン層３がエピタキシャル成長を始める。

【００３５】シリコン酸化膜２上ではさらに時間が経過
してからシリコンが堆積を始める。微視的に見ると、初
期段階では、シリコン酸化膜２上にはシリコンの核４が
形成される。

【００３６】さらにエピタキシャル成長を続けると、シ
リコン酸化膜上のシリコンの核が成長し、やがて多結晶
シリコンの膜が形成されてしまうため、微少なシリコン
の核が形成された状態で原料ガスの供給を止め、代わり
に水素ガスを基板表面に照射する。単結晶シリコン基板
１上に成長したエピタキシャルシリコン層３の表面シリ
コン原子は互いに結合しており、表面のダングリングボ
ンドも水素原子と結合した安定な状態となっているた
め、成長温度６００℃では水素ガスによるエッチング反
応は起こらない。

【００３７】一方、シリコン酸化膜２上に形成された微
小シリコン核４は酸化膜表面のシリコン分子や酸素分子
と結合している。酸化シリコンと水素の間には、次式
（１）及び（２）に示すように、

【００３８】

【化１】ＳｉＯ₂ ＋ Ｈ₂ → ＳｉＯ↑ ＋ Ｈ₂Ｏ …（１）

【００３９】

【化２】Ｓｉ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＳｉＯ↑ ＋ Ｈ₂ …（２） 等の酸化・還元反応が存在するため、シリコン核４が小
さければ、成長温度が６００℃においてもエッチング反
応によりシリコン核４は除去可能となる。

【００４０】例えば、成長温度６００℃で単結晶シリコ
ン層を選択成長する場合、図９に示すように成長ステッ
プの時間（ｔ_g）を１０ｓｅｃに設定したら、エッチン
グステップの時間（ｔ_e）は１９ｓｅｃ以上とすること
によって、図７（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜２
上のシリコンの核４が完全に除去される。

【００４１】このように原料ガスからエッチングガス
（水素ガス）への切り換えるタイミングは、シリコン酸
化膜２上に形成された微小シリコン核４の大きさに着目
して行い、設定したエッチングステップ（ｔ_e）内で完
全に除去される。この例では微小シリコン核４の大きさ
約１ｎｍでエッチングステップに切り換えた。

【００４２】その後、図７（ｃ）に示すように再び原料
ガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）を照射して先に成長した単結晶シリコ
ン層３上へのエピタキシャル成長５とシリコン酸化膜２
上への核６の形成とを含むステップ（ｔ_g）と、図７
（ｄ）に示すように水素ガスによるエッチングステップ
（ｔ_e）の両ステップを繰り返すことにより選択成長を
実現する。

【００４３】このとき、シリコン酸化膜２と単結晶シリ
コン５の境界に成長したシリコンは酸化膜２と接してい
る原子以外はエッチングされにくいため、単結晶層５か
らシリコン酸化膜２上に向かって覆うように成長が進行
する。従って、ファセットが発生しない選択成長が実現
可能となる。

【００４４】ここで単結晶シリコンの成長温度は、高温
で成長するとファセットが発生しやすくなることから、
８００℃以下の温度が望ましい。成長温度の上限につい
ては、以下の実施例においても同様である。

【００４５】なお、上記選択エピタキシャル成長方法に
おいて、原料ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ₄）、ト
リシラン（Ｓｉ₃Ｈ₆）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）、
ジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、三塩化シラン（Ｓｉ
ＨＣｌ₃）、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ₄）、モノゲ
ルマン（ＧｅＨ₄）、アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）、エチレン
（Ｃ₂Ｈ₄）、塩化ビニール（Ｃ₂Ｈ₃Ｃｌ）、エタン（Ｃ
₂Ｈ₆）、プロピレン（Ｃ₃Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、
ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）、四塩化炭素（ＣＣｌ₄）、塩化メチ
ル（ＣＨ₃Ｃｌ）、メタン（ＣＨ₄）等のIＶ族元素の化
合物からなる原料ガスを用いても良い。

【００４６】また、原料ガスに加えて、ジボラン（Ｂ₂
Ｈ₆）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）、ホスフィン（Ｐ
Ｈ₃）、三塩化リン（ＰＣｌ₃）、五塩化リン（ＰＣ
ｌ₅）、三塩化砒素（ＡｓＣｌ₃）、五塩化砒素（ＡｓＣ
ｌ₅）、アルシン（ＡｓＨ₃）、スチビン（ＳｂＨ₃）等
のIII族及びＶ族元素の化合物からなるドーピングガス
を同時に照射しても良い。以下の実施例でも、これらの
ガスに関しては同様である。

【００４７】本実施例により、エピタキシャル成長に際
し、腐食性のエッチングガスを全く使用しないため、エ
ピタキシャル成長装置や廃棄配管等の材質が腐食して劣
化を起こすことがない。従って、ガス漏洩等の危険性が
大幅に低減されることに加え、装置のメンテナンスに要
する労力を大幅に削減することが可能となる。

【００４８】＜実施例２＞図１０は、本発明に係る半導
体薄膜の形成方法をバイポーラトランジスタのベース層
形成に適用したときのバイポーラトランジスタ主要部の
縦方向断面構造を示したものである。以下、図１０に示
した構造のバイポーラトランジスタの製造方法を説明す
る。

【００４９】図１０において、参照符号１１はシリコン
基板を示し、このシリコン基板１１に形成した高濃度ｎ
型埋込層１２上に、コレクタ層となる低濃度ｎ型シリコ
ン層１３のエピタキシャル成長を行った後、コレクタ・
ベース絶縁膜１４、多結晶シリコンからなるベース引き
出し電極１５、シリコン酸化膜からなるエミッタ・ベー
ス分離絶縁膜１６を形成する。

【００５０】次いで、コレクタ・ベース分離絶縁膜１
４、ベース引き出し電極１５、エミッタ・ベース分離絶
縁膜１６の開口部を形成する。この開口部への単結晶シ
リコン・ゲルマニウムからなる低濃度コレクタ層１８、
単結晶シリコン・ゲルマニウムからなるｐ型真性ベース
層１９、多結晶シリコン・ゲルマニウムからなるｐ型外
部ベース層２０の形成に、本発明による選択エピタキシ
ャル成長を適用する。

【００５１】シリコン・ゲルマニウムヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタにおけるベース層の選択エピタキシャ
ル成長に関する基板加熱およびガスフローシーケンスを
図１１に示す。

【００５２】実施例１と同様にエピタキシャル成長前に
水素ガスを４ｓｌｍ、圧力１０００Ｐａ以上で導入した
状態で基板を８５０℃に加熱することにより、基板表面
のクリーニングを行った後、基板をエピタキシャル成長
温度である５７５℃まで冷却する。

【００５３】次いで、原料ガスとしてＳｉ₂Ｈ₆ガスとＧ
ｅＨ₄ガスの照射による低濃度コレクタ層１８のエピタ
キシャル成長と、水素ガス照射によるエミッタ・ベース
分離絶縁膜１６上に形成されるシリコン・ゲルマニウム
核のエッチングとを交互に実行する。

【００５４】例えば単結晶シリコン・ゲルマニウムから
なる低濃度コレクタ層１８中のゲルマニウム組成比が１
５％である場合、図８に示すようにｔ_gを１０ｓｅｃに
設定したら、ｔ_eは１５ｓｅｃ以上とすればよい。

【００５５】低濃度コレクタ層１８を形成した後、ベー
ス層となるｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層１９を
同様に形成するため、Ｓｉ₂Ｈ₆ガス、ＧｅＨ₄ガスに加
えＢ₂Ｈ₆ガスを同時に照射する。ｔ_gとｔ_eとは、低濃度
コレクタ層同様、図８の選択成長領域の条件を選べばよ
い。

【００５６】次いでシリコンキャップ層２１を形成する
ため、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスのみの照射による成長ステップと水
素ガスのエッチングステップの繰り返しを行う。Ｓｉ₂
Ｈ₆ガスのみでは、ＧｅＨ₄分子によるエッチング反応が
存在しないため、選択性を維持するためにはｔ_gを短
く、ｔ_eを長くする必要がある。例えば図８より、ｔ_gを
８ｓｅｃに設定した場合、ｔ_eは２０ｓｅｃ以上とすれ
ばよい。

【００５７】以上の選択エピタキシャル成長により、開
口部を形成しているコレクタ・ベース分離絶縁膜１４の
側壁部分にファセットが発生しないため、単結晶シリコ
ン・ゲルマニウムからなる真性ベース１９と多結晶シリ
コン・ゲルマニウムからなる外部ベース２０の接触面積
が大きくなるため、接合部分の抵抗が低減できる。

【００５８】エピタキシャル成長後、エミッタ・ベース
分離絶縁膜２２で外部ベースを覆い、高濃度ｎ型多結晶
シリコンからなるエミッタ電極２３を堆積し、アニール
を行うことによって単結晶シリコンキャップ層内にエミ
ッタ領域２４を形成する。

【００５９】本実施例により、ファセットのない単結晶
半導体層を選択的に形成できるため、バイポーラトラン
ジスタの外部ベース抵抗を低減することができる。ま
た、外部ベース部分の面積を縮小することが可能となる
ため、寄生容量の低減が可能となるため、これらのデバ
イスを用いた回路の高速化・高性能化に有効である。

【００６０】なお、本実施例と同様の構造を有するデバ
イスを、従来の方法で製造した場合には、既に図４で説
明したようにファセットが発生し特性が極めて劣るもの
であった。

【００６１】＜実施例３＞図１２は、本発明に係る半導
体薄膜の形成方法をＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン引
き出し領域の形成に適用したときのＭＯＳＦＥＴ主要部
の縦方向断面構造を示したものである。

【００６２】図中３１はシリコン基板を示しており、素
子分離絶縁膜３２を形成した後、ゲート絶縁膜３３を形
成し、ゲート電極３４、絶縁膜３５を堆積する。ゲート
以外の部分をドライエッチングにより除去した後、ゲー
ト電極３４の側壁に絶縁膜３６を形成する。ソース及び
ドレインの取り出し部に、ソース・ドレイン抵抗の低減
と短チャネル効果を抑制するためにシリコン層３７を選
択成長する。

【００６３】ここで選択成長するシリコン層はエピタキ
シャル成長した単結晶である必要はなく、非晶質シリコ
ンや多結晶シリコンでも良い。ＭＯＳＦＥＴにおけるソ
ース・ドレイン取り出し部へのシリコン層３７の選択成
長に関する基板加熱およびガスフローシーケンスを図１
３に示す。

【００６４】高温で処理を行うと、ゲート電極からゲー
ト絶縁膜を抜けてドーパントがチャネル部に拡散してし
まうため、選択成長前のクリーニングは温度を７００℃
に下げて行う。

【００６５】すなわち、エピタキシャル成長前に水素ガ
スを４ｓｌｍ、圧力１０００Ｐａ以上で導入した状態で
基板を７００℃に加熱することにより、基板表面のクリ
ーニングを行った後、基板をエピタキシャル成長温度で
ある５７５℃まで冷却する。次いで、ジシランガスの照
射によるシリコン層の成長と、水素ガス照射による素子
分離絶縁膜３２、ゲート上絶縁膜３５、ゲート側壁絶縁
膜３６上に形成されるシリコン核のエッチングとを交互
に実行する。

【００６６】例えば図８に示すようにｔ_gを８ｓｅｃに
設定したら、ｔ_eは２０ｓｅｃ以上とすればよい。実施
例１と同様、絶縁膜上でシリコン核の形成およびエッチ
ングを繰り返しながら単結晶基板上に選択成長すること
により、ゲート電極の側壁３６との境界からファセット
が発生することなくシリコン層が成長できる。

【００６７】本実施例により、ゲート電極側壁３６の周
辺におけるファセットが原因となった膜厚の低下が発生
しないため、ソース・ドレイン部分にイオン打ち込みを
行ったとしても、側壁周辺にドーパントが深く注入され
ることがなく、短チャネル効果の抑制が可能となる。

【００６８】また、選択成長したシリコン層３７を低抵
抗化のために金属と反応させてシリサイド化する場合、
ファセットによる側壁周辺の膜厚の低下がないため、金
属原子がシリコン基板中に侵入することを防ぐことがで
き。これにより、リーク電流の抑制と耐圧の向上が可能
となり、デバイスの高速・高性能化が実現でき、これら
のデバイスを用いた回路の高速化・高性能化に有効であ
る。

【００６９】なお、本実施例と同様の構造を有するデバ
イスを、従来の方法で製造した場合には、既に図５で説
明したようにファセットが発生し特性が極めて劣るもの
であった。

【００７０】＜実施例４＞図１４は、本発明に係る半導
体薄膜の形成方法を光受信器における受光部の形成に適
用したときの光受信器における主要部の縦方向断面構造
を示したものである。以下、図１４に示した構造の光受
信器の製造方法を説明する。

【００７１】はじめに、高濃度ｎ型埋め込み層４２を形
成したｐ型シリコン基板４１の全面に低濃度ｐ型シリコ
ン層４３をエピタキシャル成長する。

【００７２】次いで、シリコン酸化膜からなる絶縁膜４
４を堆積し、受光部となる領域に開口部を形成した後、
本発明による選択エピタキシャル成長を適用することに
よって、単結晶シリコン層と単結晶シリコンゲルマニウ
ム層を絶縁膜４４の開口部のみに選択的に交互に成長す
ることにより、光吸収層となるＳｉ／Ｓｉ_1-xＧｅ_x超格
子層４５を形成する。

【００７３】光吸収層の選択エピタキシャル成長に関す
る基板加熱およびガスフローシーケンスを図１５に示
す。実施例１と同様に、エピタキシャル成長前に水素ガ
スを４ｓｌｍ、圧力１０００Ｐａ以上で導入した状態で
基板を８５０℃に加熱することにより、エピタキシャル
成長を行う面となるｐ型シリコン層４３表面のクリーニ
ングを行った後、基板をエピタキシャル成長温度である
５７５℃まで冷却する。

【００７４】次いで、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスとＧｅＨ₄ガスの照
射による単結晶シリコン・ゲルマニウム層のエピタキシ
ャル成長と、水素ガス照射によるシリコン酸化膜上に形
成されるシリコン・ゲルマニウム核のエッチングとを交
互に実行することにより、Ｓｉ／Ｓｉ_1-xＧｅ_x超格子層
４５におけるＳｉ_1-xＧｅ_x層の部分を形成する。

【００７５】例えば単結晶シリコン・ゲルマニウム層中
のゲルマニウム組成比が１５％である場合、図８に示す
ようにｔ_gを１０ｓｅｃに設定したら、ｔ_eは１５ｓｅｃ
以上とすればよい。

【００７６】次に、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスの照射による単結晶シ
リコン層のエピタキシャル成長と、水素ガス照射による
シリコン酸化膜上に形成されるシリコン核のエッチング
とを交互に実行することにより、Ｓｉ／Ｓｉ_1-xＧｅ_x超
格子層４５におけるＳｉ層の部分を形成する。例えば、
図８に示すようにｔ_gを８ｓｅｃに設定したら、ｔ_eは２
０ｓｅｃ以上とすればよい。

【００７７】以上の単結晶シリコン層の選択成長と単結
晶シリコン・ゲルマニウム層の選択成長を複数回交互に
行うことによりＳｉ／Ｓｉ_1-xＧｅ_x超格子層４５を形成
した後、キャップ層となる高濃度ｐ型シリコン層４６を
同様に形成するため、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスに加えＢ₂Ｈ₆ガスを
同時に照射する。

【００７８】ｔ_gとｔ_eは、ドーピングガスであるＢ₂Ｈ₆
の量が微量であり、Ｂ₂Ｈ₆のキャリアガスである水素ガ
スの流量も少ないために、Ｓｉ₂Ｈ₆のみで選択成長を行
う場合とほぼ同じであるため、Ｓｉ／Ｓｉ_1-xＧｅ_x超格
子層４５中の単結晶シリコン層の条件と同じでよい。例
えば図８より、ｔ_gを８ｓｅｃに設定した場合、ｔ_eは２
０ｓｅｃ以上とすればよい。

【００７９】以上の選択エピタキシャル成長により、絶
縁膜４４の側壁部分にファセットが発生しないため、開
口部内に光吸収層とキャップ層がほぼ均一な膜厚で形成
できる。

【００８０】次いで、シリコン窒化膜からなる反射防止
膜４７およびシリコン酸化膜からなる絶縁膜４８を形成
する。ｎ型領域に接続する電極部分を開口して、この開
口部にｎ型のドーパントであるリンをイオン打ち込みに
よって注入し、高濃度ｎ型引き出し層４９を形成する。

【００８１】絶縁膜４８と反射防止膜４７のｐ型電極部
分を選択的に除去し、電極となる金属５０を全面に堆積
した後、部分的に電極５０をエッチングすることによ
り、ｎ型領域の電極とｐ型領域の電極を分離し、最後に
受光部の絶縁膜４８を選択的に除去し、反射防止膜４７
を露出させる。

【００８２】本実施例により、ファセットのない単結晶
半導体層を選択的に形成できるため、光受信器の受光部
を自己整合的に形成したときに、入射光の乱反射が抑制
されることから光受信器の受光効率を増大することがで
きる上、寄生容量が低減できることから光受信器の応答
速度を向上することが可能となり、この光受信器を用い
た回路の高速化・高性能化に有効である。

【００８３】その結果、従来高速化が要求されている光
受信器に用いられてきた化合物半導体からなる光受信器
に変わって、安価なシリコン系の材料・プロセスを用い
た光受信器を実現できるため、システム全体のコスト低
減が可能となる。

【００８４】なお、本実施例と同様の構造を有する光受
信器を、従来の方法で製造した場合には、既に図６で説
明したようにファセットが発生し特性が極めて劣るもの
であった。

【００８５】＜実施例５＞図１６は、本発明に係る半導
体薄膜の形成方法における第５の実施例を示す単結晶シ
リコンの選択エピタキシャル成長に関する基板加熱およ
びガスフローシーケンス図である。

【００８６】実施例１同様、エピタキシャル成長前に基
板表面のクリーニングを行った後、成長温度６００℃ま
で基板を冷却する。

【００８７】原料ガスを流してステップｔ_gでエピタキ
シャル成長を開始した後、シリコン酸化膜上に微小シリ
コン核が形成された時点で原料ガスの供給を一時停止す
る。実施例１と異なるのは、この後のステップｔ_eの微
小シリコン核のエッチングに際し、水素ガスに微量のＳ
ｉ₂Ｈ₆ガスを添加することにより、微小シリコン核のエ
ッチング反応を促進する点である。この例ではＳｉ₂Ｈ₆
ガスを１ｓｃｃｍ添加したが、エッチング温度がこの例
よりも高ければ更に添加量を増やすことができ、逆に低
ければ減らすことになる。

【００８８】基板表面で加熱されたＳｉ₂Ｈ₆分子は活性
な２つの分子に分解した後、シリコン核と酸化膜表面の
境界にある酸素と結合したシリコン原子に対して、先に
示した式（１）及び（２）の反応の他に、次式（３）等
に示す反応により、エッチング作用を引き起こす。

【００８９】

【化３】ＳｉＯ₂ ＋ ＳｉＨ₃＊ → ２ＳｉＯ ＋ Ｈ₂ ＋ Ｈ＊ …（３） 一方、単結晶基板上では最表面のシリコン原子はダング
リングボンドが水素原子で終端されているため、Ｓｉ₂
Ｈ₆ガスを微量添加しただけではエピタキシャル成長は
進行しない。その後は実施例１と同様、シリコン酸化膜
上の微小シリコン核がエッチングされた後に再び原料ガ
スに切り替えてエピタキシャル成長を開始する。

【００９０】なお、上記エッチングステップにおいて、
原料ガス同様、他のIＶ族元素の化合物ガスを水素に添
加しても良い。特にＧｅＨ₄ガスは反応性が高いため、
効率の良いエッチング反応が得られる。

【００９１】＜実施例６＞図１７は、本発明に係る半導
体薄膜の形成方法における第６の実施例を示す単結晶シ
リコンの選択エピタキシャル成長に関する基板加熱およ
びガスフローシーケンス図である。

【００９２】本実施例では、原料ガス、ドーピングガ
ス、エッチングのための水素ガスを照射する前に予めこ
れらのガスを活性化する工程を含む。例えば水素ガスを
照射する直前に例えばプラズマイオン源を設置して水素
ガスを活性な状態にすることにより（１）式のエッチン
グ反応が促進されるため、エピタキシャル成長前のクリ
ーニング温度及び時間を低減できる上、選択性を保つた
めのステップｔ_eも短縮することができる。

【００９３】例えばクリーニング温度は、先の実施例で
はいずれも８５０℃であったが本実施例では７００℃以
下とすることが可能となる。同様に原料ガスおよびドー
ピングガスをプラズマイオン源にて活性化させることに
より、成長温度の低減やステップｔ_gの短縮が可能とな
る。

【００９４】ここで、ガスを活性化させる手段はプラズ
マイオン源に限らず、紫外線発生装置等を用いても良
い。プラズマイオン源の場合には、半導体薄膜形成装置
のガス供給手段の直前に周知のイオン源を設置すればよ
く、また、紫外線発生装置の場合には、前記プラズマイ
オン源と同様にガス供給手段の直前に設置するか、もし
くは半導体薄膜形成装置外から装置内に紫外線を照射す
る構成としてもよい。

【００９５】このようにして、照射するガスを活性化し
ておくことによりエピタキシャル成長温度の低減が可能
となり、ドーパントの拡散を抑制することができる。こ
の場合、ドーパントの拡散を低減するためには、成長温
度を６００℃以下とするのが望ましい。

【００９６】以上の結果から、本実施例によりドーパン
ト拡散の少ない薄膜の形成が可能となり、その結果、デ
バイスの高速・高性能化が実現できる。

【００９７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明により、ファ
セットが発生せず、成長薄膜中に含有される不純物の少
ない半導体薄膜を絶縁膜の開口部に選択的に形成すると
いう所期の目的を達成することができた。また、本発明
ではエッチングガスとして水素ガスを使用するものであ
り、従来のように塩素ガスや塩化水素ガスを使用しない
ため、成長装置の配管等を腐食することがなく、安全性
およびメンテナンス性が向上するという特長をも有して
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体薄膜の形成方法の第１の実
施例を示す基板加熱およびガスフローシーケンス図であ
る。

【図２】従来の半導体薄膜の形成方法を示す基板加熱お
よびガスフローシーケンス図である。

【図３】従来の半導体薄膜の形成方法を示す基板加熱お
よびガスフローシーケンス図である。

【図４】従来の半導体薄膜の形成方法を用いてベース層
を形成したバイポーラトランジスタの断面図である。

【図５】従来の半導体薄膜の形成方法を用いてソース・
ドレイン引き出し部を形成したＭＯＳＦＥＴの断面図で
ある。

【図６】従来の半導体薄膜の形成方法を用いて光吸収層
を層を形成した光受信器の断面図である。

【図７】本発明に係る半導体薄膜の形成方法の第１の実
施例を説明するための、被成長基板を工程順に示した断
面図である。

【図８】成長温度５７５℃の時の、酸化膜上に堆積した
シリコンもしくはシリコン・ゲルマニウム核を除去する
ために必要な成長ステップ時間ｔ_gとエッチングステッ
プ時間ｔ_eとの関係を示す特性曲線図である。

【図９】成長温度６００℃の時の、酸化膜上に堆積した
シリコンもしくはシリコン・ゲルマニウム核を除去する
ために必要な成長ステップ時間ｔ_gとエッチングステッ
プ時間ｔ_eとの関係を示す特性線曲図である。

【図１０】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第２の実施例を説明するための、バイポーラトランジス
タの断面図である。

【図１１】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第２の実施例を示す基板加熱およびガスフローシーケン
ス図である。

【図１２】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第３の実施例を説明するための、ＭＯＳＦＥＴの断面図
である。

【図１３】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第３の実施例を示す基板加熱およびガスフローシーケン
ス図である。

【図１４】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第４の実施例を説明するための、光受信器の断面図であ
る。

【図１５】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第４の実施例を示す基板加熱およびガスフローシーケン
ス図である。

【図１６】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第５の実施例を示す基板加熱およびガスフローシーケン
ス図である。

【図１７】本発明に係る半導体薄膜の形成方法における
第６の実施例を示す基板加熱およびガスフローシーケン
ス図である。

【符号の説明】

１、１１、３１、４１…シリコン基板、２…絶縁膜、
３、５…単結晶シリコン層、
４、６…シリコン核、 ７…絶縁膜の開
口部、１２、４２…高濃度ｎ型埋込層、１３、１８…低
濃度ｎ型コレクタ層（単結晶シリコン）、１４…コレク
タ・ベース分離絶縁膜、 １５…ベース引き出し層（ｐ
型多結晶シリコンもしくは多結晶シリコン・ゲルマニウ
ム）、１６、１７、２２…エミッタ・ベース分離絶縁
膜、１９…真性ベース層（ｐ型単結晶シリコン・ゲルマ
ニウム）、２０…ｐ型外部ベース層（多結晶シリコン・
ゲルマニウム）、２１…低濃度ｐ型キャップ層（単結晶
シリコンもしくは単結晶シリコン・ゲルマニウム）、２
３…エミッタ引き出し層（高濃度ｎ型多結晶シリコ
ン）、２４…エミッタ層（単結晶シリコンもしくは単結
晶シリコン・ゲルマニウム）、２５、３９、５１…ファ
セット、 ２６…ファセットによるすき間、３２…
素子分離絶縁膜、 ３３…ゲート絶縁膜、
３４…ゲート電極、 ３５…絶縁膜、
３６…ゲート側壁絶縁膜、 ３７…積み上げ
ソース・ドレイン層、３８、３８ａ…ソース・ドレイン
拡散層、４３…ｐ型シリコン層、 ４４、
４８…絶縁膜、４５…Ｓｉ／Ｓｉ１−ｘＧｅｘ光吸収
層、４６…ｐ型シリコンキャップ層、 ４７…反射
防止膜、４９…高濃度ｎ型領域、 ５０…
電極。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁膜の開口部を有する半導体基板を加熱
   し、半導体層を形成する原料ガスを照射して前記絶縁膜
   の開口部内に半導体層を堆積すると共に、前記絶縁膜上
   に半導体の核を形成する結晶成長工程と、水素ガスを照
   射して前記絶縁膜上の半導体の核を選択的に除去するエ
   ッチング工程とを交互に繰り返すことにより、前記絶縁
   膜の開口部内のみに半導体層を形成することを特徴とす
   る半導体薄膜の形成方法。
2. 【請求項２】前記水素ガスを照射して絶縁膜上の半導体
   の核を選択的に除去するエッチング工程においては、前
   記半導体基板を５００〜１０００℃に保持し、かつ、圧
   力１Ｐａ〜大気圧の雰囲気で行うことを特徴とする請求
   項１記載の半導体薄膜の形成方法。
3. 【請求項３】前記結晶成長工程とエッチング工程とを交
   互に繰り返すタイミングは、絶縁膜上の半導体の核の大
   きさに着目して導入するガス種を切り換えることを特徴
   とする請求項１もしくは２記載の半導体薄膜の形成方
   法。
4. 【請求項４】上記半導体層を形成する原料ガスには、ド
   ーピングガスを混入させることを特徴とする請求項１乃
   至３のいずれか一つに記載の半導体薄膜の形成方法。
5. 【請求項５】前記結晶成長工程において、原料ガスにI
   Ｖ族元素の化合物ガスを含む請求項１乃至４のいずれか
   一つに記載の半導体薄膜の形成方法。
6. 【請求項６】前記結晶成長工程において、原料ガスにII
   I族元素の化合物ガスを含む請求項１乃至４のいずれか
   一つに記載の半導体薄膜の形成方法。
7. 【請求項７】前記結晶成長工程において、原料ガスにＶ
   族元素の化合物ガスを含む請求項１乃至４のいずれか一
   つに記載の半導体薄膜の形成方法。
8. 【請求項８】前記エッチング工程において、水素ガスに
   微量の原料ガスをエッチング反応の促進剤として添加す
   ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記
   載の半導体薄膜の形成方法。
9. 【請求項９】前記結晶成長工程において、原料ガスを活
   性化させる工程を含む請求項１乃至４のいずれか一つに
   記載の半導体薄膜の形成方法。
10. 【請求項１０】前記結晶成長工程において、ドーピング
    ガスを活性化させる工程を含む請求項４記載の半導体薄
    膜の形成方法。
11. 【請求項１１】前記エッチング工程において、水素ガス
    を活性化させる工程を含む請求項１乃至４のいずれか一
    つに記載の半導体薄膜の形成方法。
12. 【請求項１２】前記エッチング工程において、活性化さ
    せた原料ガス及びドーピングガスの少なくとも１種を水
    素ガスに添加することを特徴とする請求項１乃至４のい
    ずれか一つに記載の半導体薄膜の形成方法。
13. 【請求項１３】前記結晶成長工程の前工程として、前記
    結晶成長工程の加熱温度よりも高い温度に半導体基板を
    加熱し、水素ガスを照射して基板表面を清浄化する工程
    を含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一
    つに記載の半導体薄膜の形成方法。