JP2003297761A

JP2003297761A - エピタキシャル成長方法

Info

Publication number: JP2003297761A
Application number: JP2002100960A
Authority: JP
Inventors: Teruto Onishi; 照人大西; Toru Saito; 徹齋藤; Yoshihiko Kanzawa; 好彦神澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2003-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】不純物拡散を抑制するためにカーボン（Ｃ）
を導入するバイポーラトランジスタ形成において、高濃
度カーボンにより結晶性が劣化する。【解決手段】高濃度にドーピングされたバイポーラト
ランジスタのベース層において、拡散抑制効果のある電
気的に不活性な不純物、例えばＣをドーピングされた薄
い半導体層を挿入する構成となっており、この構成によ
り、ベース領域の結晶性の劣化をもたらすことなく、ベ
ース層からの不純物の拡散を抑制することが可能とな
る。また、Ｃはエピタキシャル成長時に膜上に吸着させ
た化合物から供給することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はバイポーラトランジ
スタの製造方法に関し、特にエピタキシャル成長ベース
層を用いるバイポーラトランジスタなどの高性能なバイ
ポーラトランジスタのエピタキシャル成長方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】バイポーラトランジスタがｎｐｎ型の構
造を持つ物の場合、ｎ型不純物を含むコレクタ層、ｐ型
不純物を含むベース層、ｎ型不純物を含むエミッタ層か
ら構成されている。高性能のバイポーラトランジスタを
得るためには、これを構成する上記の各層の不純物プロ
ファイルを可能な限りコントロールし、急峻にする必要
がある。逆に言えば、何らかの要因によって不純物プロ
ファイルが、当初の設計からずれてしまった場合、デバ
イス特性は低下する。特に、ベース領域の不純物が、コ
レクタやエミッタ側に拡散してしまった場合、キャリア
が感じるベース層の厚み（実効的なベース長）が増加
し、高速動作特性や、遮断周波数特性が悪くなる。

【０００３】上記のような不純物プロファイルのくずれ
は、主として結晶成長中の熱拡散によって引き起こされ
る。通常、バイポーラトランジスタの製造に当たって
は、イオン注入を中心としたドーピング技術を駆使し
て、コレクタ層、ベース層、エミッタ層を順にして形成
してゆく。ところが、このようなイオン注入によるドー
ピング技術では、不純物原子を注入後、不純物を活性化
させるために熱処理を行う必要がある。この熱処理工程
において、不純物原子が活性化すると同時に、不純物原
子が本来存在すべきはずの層の外に拡散してしまうこと
がある。これが熱拡散による不純物プロファイルのくず
れである。また、イオン注入を用いず、エピタキシャル
成長のみによってコレクタ層、ベース層、エミッタ層を
形成してゆく場合にも、エピタキシャル成長時の基板の
加熱によって各層の不純物プロファイルが崩れてしま
う。バイポーラトランジスタの性能向上のためにヘテロ
接合を形成する方法がある。シリコントランジスタでそ
のようなヘテロ接合を設けるには広いバンドギャップの
材料（ベース上に成長したＧａＰ、ＳｉＣ、アモルファ
スＳｉ）を使用する方法と、狭いバンドギャップの材料
（ベースにＳｉＧｅ合金）を使用する手法が開発されて
いる（特開平６ー７７２４５号公報）。

【０００４】また、ＳｉＧｅをベース層に用いたヘテロ
バイポーラトランジスタにおいて、ベース層全域にボロ
ン（Ｂ）とともにカーボン（Ｃ）を約１×１０¹⁹／ｃｍ
³ドーピングすることでＢ原子の拡散を抑制する方法が
ある（Ｌ．Ｄ．Ｌａｎｚａｒｏｔｔｉｅｔａｌ，
Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．Ｉｎｔ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＤ
ｅｖｉｃｅｓＭｅｅｔ．，２４９（１９９
６））。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｃ原子
を１×１０¹⁹／ｃｍ³もの高濃度でベース層にドーピン
グするため、ベース層の結晶性が劣化したり、キャリア
がベース層を走行中にこれらの不純物によって散乱さ
れ、キャリア寿命が短くなる等の現象が発生し、デバイ
ス特性が悪化してしまう。

【０００６】以上の様に従来の方法では、不純物拡散抑
制とデバイス特性の性能向上を同時に達成することは非
常に困難である。

【０００７】そこで本発明は、不純物拡散を抑制でき、
結晶性を劣化させないエピタキシャル成長方法を提供す
ることを主たる目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、シリコン基板上にエピタキシャ
ル成長により半導体層を成長させるに際し、エピタキシ
ャル成長途中で少なくとも１度以上成長を中断し、電気
的に不活性な元素を含む化合物を前記エピタキシャル膜
上に吸着させ、その後再度エピタキシャル成長を継続す
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１０】（実施の形態１）本実施例は、本発明を適
用したバイポーラトランジスタの一例である。このバイ
ポーラトランジスタは、高濃度にドーピングされたベー
ス層において、拡散抑制効果のある電気的に不活性な不
純物、例えばＣをドーピングされた薄い半導体層を挿入
する構成となっている。換言すれば、コレクタ領域、第
一の不純物を有するベース領域、エミッタ領域を有する
バイポーラトランジスタであって、電気的に不活性な第
二の不純物（例えばＣ）を含有する半導体層を前記ベー
ス領域中に配したことを特徴とするバイポーラトランジ
スタである。

【００１１】この構成により、ベース領域の結晶性の劣
化をもたらすことなく、ベース層からの不純物の拡散を
抑制することが可能となる。すなわち、第二の不純物
が、第一の不純物の拡散を抑制するという作用効果を奏
する。

【００１２】ただし、Ｃはエピタキシャル成長時に膜上
に吸着させた化合物から供給することを特徴とする。

【００１３】従って、具体的には、本実施例のバイポー
ラトランジスタは、第１の伝導型を有するコレクタ層
と、第２の伝導型を有するベース層と、第１の伝導型を
有するエミッタ層と、前記コレクタ層と前記ベースとの
間に形成された電気的に不活性な不純物を含有する不純
物拡散抑制層とを有する構成となっている。

【００１４】上記の構成において、電気的に不活性な不
純物としては、炭素やフッ素などを挙げることができる
が、エピタキシャル成長する際に結晶中に取り込みやす
い炭素を用いることが好ましい。

【００１５】（実施の形態２）以下、第二の実施例であ
るバイポーラトランジスタのエピタキシャル成長ベース
層について図面を参照しながら説明する。

【００１６】図１に本実施例におけるｎｐｎ型ＳｉＧｅ
ヘテロバイポーラトランジスタの主要部のプロセスフロ
ーを示す。なお、ｎｐｎ型ＳｉＧｅヘテロバイポーラト
ランジスタを例に挙げて説明を行うのは、不純物の拡散
を防止しつつ、不純物添加された層をエピタキシャル成
長により薄く形成することがより望まれるデバイスであ
るからである。但し、本発明がヘテロバイポーラトラン
ジスタ以外の一般的なエピタキシャル成長ベース層を形
成したバイポーラトランジスタにも適用できることは言
うまでもない。

【００１７】次に、本実施例におけるバイポーラトラン
ジスタのＳｉＧｅベース層の製造方法について順を追っ
て説明する。

【００１８】まず、エピタキシャル成長を行うＳｉ基板
について説明する。Ｓｉ基板はコレクタになる領域でリ
ン（Ｐ）の注入により形成する。例えば、注入エネルギ
ー３００ｋｅＶ、ドーズ量１．２Ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ²のＰ注入でＳｉ基板表面が約５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／
ｃｍ³の濃度になる。また、エピタキシャル成長前の洗
浄としてＳｉ基板はまず、硫酸−過酸化水素水混合溶液
やアンモニア−過酸化水素水混合溶液にて洗浄を行い、
ウエハー上の異物を除去する。さらに、フッ酸溶液を用
いてＳｉ基板表面の自然酸化膜を取り去る。

【００１９】以上の様にして前処理したＳｉ基板を、例
えば、超高真空化学気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ法）に
よるエピタキシャル装置内に投入する。そして、一旦、
装置内を１×１０^-9Ｔｏｒｒ(1Torr=133.322Pa)以下の
真空にした後、水素ガス雰囲気中で８００℃〜９００℃
の温度に基板を加熱し、清浄Ｓｉ基板表面を露出させ
る。

【００２０】次にＳｉ基板上にエピタキシャル層を成長
させるわけであるが、いずれのエピタキシャル層も、基
板を５００℃から７００℃程度に加熱した状態で行う。
また、望ましくは、原料ガスは装置内で１×１０^-3ない
し１×１０^-2Ｔｏｒｒの圧力になるように調整して導入
する。

【００２１】Ｓｉ基板の上にジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガス
とモノゲルマン（ＧｅＨ₄）ガスを用いてＳｉＧｅ_0.15
層（スペーサー層）を約４０ｎｍ成長させる。最終デバ
イスでは、このスペーサー層中にＰＮ接合が形成される
ように条件設定される。また、この層の中には電気的に
活性なＢまたはＰを意図的に導入していない。

【００２２】その後、成長チャンバ内にメチルシラン
（ＳｉＨ₃ＣＨ₃）を導入し、モノレイヤ程度のメチルシ
ランが吸着するまでＳｉ基板をメチルシランガスにさら
す。このときの表面でのＣの濃度は、１Ｅ２０／ｃｍ³
程度になる。

【００２３】この後、再度、水素ガス雰囲気中で８００
℃〜９００℃の温度に基板を加熱し、表面を清浄化した
後、Ｃ付着ＳｉＧｅ層３の上に、ベース層４を形成す
る。ベース層は、Ｇｅが１５％から０％まで傾斜させた
ＳｉＧｅ混晶からなっており、ｐ型不純物のＢが６Ｅ１
８／ｃｍ³程度ドーピングされ約４０ｎｍの膜厚であ
る。ベース層形成時には、原料ガスとして、Ｓｉ₂Ｈ₆、
ＧｅＨ₄、さらにジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）を同時に装置内に
導入する。次にベース層の上に、エピタキシャル成長さ
れたＳｉ層を５０ｎｍ形成する。最後に、エピタキシャ
ル成長されたＳｉ層の上に、７Ｅ２０／ｃｍ³程度の濃
度のＰをドーピングしたポリシリコンエミッタ層を約３
３０ｎｍ形成する。その後、ＲＴＡ法により９００℃、
１０秒の熱処理を行った。

【００２４】図２にＳＩＭＳ法により分析したＢ，Ｐの
不純物プロファイルを示す。ＳｉＧｅ傾斜部とＳｉＧｅ
スペーサー層の間に挿入したＣ層のカーボン濃度は約１
Ｅ２０ｃｍ^-3であった。

【００２５】ＢのプロファイルからもＣ層部にＢのパイ
ルアップ現象がみられ拡散が抑制されている様子がわか
る。なお、深さ３００ｎｍ付近のカーボンはポリシリコ
ン堆積時の大気中からの吸着カーボンであり、リンのパ
イルアップが見られることからも、そこがポリシリコン
とエピタキシャルベースの界面であることがわかる。

【００２６】以上のようにして形成された本実施の形態
における製造方法によれば、Ｂ原子の拡散抑制のための
カーボンを任意の位置にδドーピング的に配置すること
ができ、結晶性を劣化させずに多くのカーボンを導入す
ることができる。

【００２７】なお、上記実施例では、トランジスタの各
層のドーピングを全てＵＨＶ−ＣＶＤ法で作製したが、
各層のドーピングをイオン注入法で行ってもよい。この
場合でも、拡散抑制のためのＣ層があるため、コレクタ
側への不純物原子の拡散は抑制できる。また、上記実施
例ではＳｉＧｅ傾斜部とＳｉＧｅスペーサー部の間でカ
ーボン吸着工程を実施したが、デバイス設計においてそ
の他の部位にＣ層を導入することは容易である。

【００２８】（実施の形態３）次に図３に本発明の実施
例３におけるｎｐｎ型ＳｉＧｅヘテロバイポーラトラン
ジスタの主要部のプロセスフローを示す。本実施例が実
施の形態２の場合と異なるのは、メチルシラン吸着を堆
積チャンバと異なる別のチャンバにて実施されている点
である。

【００２９】次に以下では本実施例におけるバイポーラ
トランジスタの製造方法について順を追って説明する。

【００３０】まず、上記の実施の形態２と同様の手順で
Ｓｉ基板の洗浄等を行い、エピタキシャル成長を行う装
置内で清浄表面を露出させる。本実施例においても、清
浄Ｓｉ基板表面上に各エピタキシャル層を基板を５００
℃から７００℃程度に加熱した状態で成長させ、成長中
の原料ガスの圧力は、１×１０^-3ないし１×１０^-2Ｔｏ
ｒｒとする。

【００３１】次にＳｉ基板上にエピタキシャル層を成長
させるわけであるが、いずれのエピタキシャル層も、基
板を５００℃から７００℃程度に加熱した状態で行う。

【００３２】Ｓｉ基板の上にジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガス
とモノゲルマン（ＧｅＨ₄）ガスを用いてＳｉＧｅ_0.15
層（スペーサー層）を約４０ｎｍ成長させる。その後、
一度成長チャンバからウエハを搬送用チャンバに移動さ
せる。この搬送用チャンバとは、通常の真空装置はウエ
ハを出し入れするためのロードロック室およびウエハを
処理するための複数の処理チャンバを備え、それらのチ
ャンバ間でウエハをやりとりするための搬送用のチャン
バのことである。さらに、このチャンバは通常、容積が
大きく、真空度も処理チャンバよりは悪化していること
が多い。本実施例ではこの真空度が悪化した搬送用チャ
ンバで約１０分放置したのち、再度処理チャンバに戻し
た。

【００３３】この後、再度、ベース層を形成する。ベー
ス層は、Ｇｅが１５％から０％まで傾斜させたＳｉＧｅ
混晶からなっており、ｐ型不純物のＢが６Ｅ１８／ｃｍ
³程度ドーピングされている。ベース層形成時には、
原料ガスとして、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄、さらにジボラン
（Ｂ₂Ｈ₆）を同時に装置内に導入する。次にベース層の
上に、エピタキシャル成長されたＳｉ層を約３０ｎｍ形
成する。最後に、エピタキシャル成長されたＳｉ層の上
に、３Ｅ２０／ｃｍ³程度の濃度のＰをドーピングした
ポリシリコンエミッタ層を約３３０ｎｍ形成する。その
後、ＲＴＡ法により９００℃、１０秒の熱処理を行っ
た。

【００３４】図４にＳＩＭＳ法により分析したＣの不純
物プロファイルを示す。ＳｉＧｅ傾斜部とＳｉＧｅスペ
ーサー層の間に挿入したＣ層のカーボン濃度は約３Ｅ１
８ｃｍ^-3であった。真空度が悪化した雰囲気でも１Ｅ１
８ｃｍ^-3程度のカーボンが吸着することがわかった。

【００３５】なお、実施例１と同様に深さ約３００ｎｍ
のカーボンはポリシリコン堆積時のものである。

【００３６】以上のようにして形成された本実施例にお
ける製造方法によれば、チャンバー間の移送中にカーボ
ンを吸着させることが可能になる。エピタキシャル成長
のベースを形成するときに不純物ドープ用チャンバとノ
ンドープチャンバを運用上分けることはよく行われるこ
とである。そこで、本実施例におけるスペーサー層と傾
斜ベース層とを異なるチャンバで堆積するときにチャン
バ間移送中の搬送用チャンバでカーボンを吸着させるこ
とができるとスループットの向上が図れることになる。

【００３７】なお、上記実施例では、搬送チャンバで放
置を行っていたが、強制的にカーボンを含む化合物を搬
送チャンバに導入することによって放置時間を短縮する
ことは容易である。さらに、Ｓｉ層の成長を別のチャン
バで実施し、傾斜ベース層とＳｉ層との界面にカーボン
を導入しても構わない。このときはエミッタ側へのボロ
ン拡散が抑制でき、ベースーエッミタ接合部の不純物濃
度の安定性により耐圧やリーク電流特性の安定性が向上
することになる。

【００３８】以上本発明の実施の形態について図面とと
もに説明を行ったが、上記の各実施の形態において、Ｓ
ｉの原料となるガスとしては、上述以外に、モノシラン
（ＳｉＨ₄）、ジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）等のガ
スを用いることもでき、ｎ型不純物のガスとしては、ア
ルシン（ＡｓＨ₃）を用いても良い。また、Ｃの原料ガ
スとしては、メタン、エチレン、アセチレンなどの炭化
水素系有機物を用いることができる。ただし、使用する
材料に酸素やボロン、窒素、リンを含まない化合物であ
ることが望ましい。なぜならそれらは絶縁膜や電気的に
活性な不純物となりデバイス特性を劣化させるためであ
る。

【００３９】また、上記実施の形態では、ｎｐｎ型Ｓｉ
Ｇｅヘテロバイポーラトランジスタを例にとって説明し
たが、本発明による素子構造による不純物の拡散抑制効
果は、ベースにＳｉを用いたＳｉ−ｎｐｎ型及びｐｎｐ
型バイポーラトランジスタに対しても適用できる。さら
に、エピタキシャル成長させたＳｉやＳｉＧｅだけでな
く、ポリシリコンやアモルファスシリコン層においても
同様の効果が期待できる。つまり、不純物をドーピング
したポリシリコン層やアモルファスシリコン層を、Ｃが
ドーピングしたされた層で挟むことによって、有効に不
純物の拡散を抑制することができるのである。

【００４０】次に以下では上記の実施の形態に示したデ
バイス構造でＢ原子の拡散が抑制されるメカニズムにつ
いて簡単に説明する。まず最初にＣ原子とＢ原子を同一
の場所にドーピングした場合のＢ原子の拡散抑制メカニ
ズムを説明する。ＳｉやＳｉＧｅ中では、一旦、格子位
置に入ったＢ原子は、外部から加えられた熱などのエネ
ルギーによって格子間位置にあるＳｉ原子（Ｓｉｓｅ
ｌｆ−ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ）と入れ替わる。この
格子間位置に達したＢ原子は、次に格子位置にあるＳｉ
と入れ変わる。この様な過程を繰り返してＢ原子は次々
と結晶中を拡散してゆくのである。この過程から明らか
なように、Ｂ原子が拡散するためには、まず、格子間位
置にあるＳｉ原子の存在が不可欠である。ところが、Ｂ
原子とともにＣ原子をＳｉやＳｉＧｅ中に同時にドーピ
ングしてやると、Ｃ原子が格子間位置にあるＳｉ原子と
入れ替わってしまい（Ｃ原子が格子間位置Ｓｉを消費す
る）、格子間位置にあるＳｉ原子の濃度が減少する。

【００４１】すると、Ｂ原子は、入れ替わるべき格子間
位置Ｓｉが存在しなくなるので拡散できなくなるのであ
る。

【００４２】次に上記実施の形態の素子構造、つまり、
Ｂをドープした層をＣをドープした層で挟んだ場合のＢ
の拡散抑制メカニズムを説明する。この構造において、
Ｂがコレクタ側やエミッタ側に拡散していく場合、Ｂ原
子は、まずＣ原子がドーピングしてある領域を通過しな
ければならない。しかしながら、Ｃ原子がドーピングし
てある領域には、Ｂ原子の拡散に必要な格子間位置Ｓｉ
の濃度が低くなっており、この領域を通り抜けて拡散し
ていく確率は低くなる。つまり、Ｂ原子にとってＣ原子
がドーピングしてある領域が一種の障壁のようになって
おり、拡散が起こりにくいのである。ベース層の内部で
もＢ原子自体が動きにくい状態になっており、このよう
な効果によっても不純物のベース領域からの外方拡散が
抑制されているものと考えられる。

【００４３】なお、本発明で提案した素子構造では、上
記実施の形態のように均一に不純物をベースにドーピン
グした場合だけでなく、傾斜的にドーピングしたような
不純物プロファイルを持つベース層においても、不純物
プロファイルの崩れを抑制できる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように本発明のバイポーラトラン
ジスタ製造方法によれば、高濃度に不純物がドーピング
された半導体中の不純物拡散が抑制され、不純物プロフ
ァイルが急峻となる。これにより、目的としたデバイス
特性を有する半導体装置を再現性よく製造することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態２におけるバイポーラトラ
ンジスタの製造方法を示す図

【図２】本発明の実施の形態２で作成したバイポーラト
ランジスタの不純物プロファイルを示す図

【図３】本発明の実施の形態３におけるバイポーラトラ
ンジスタの製造方法を示す図

【図４】本発明の実施の形態３で作成したバイポーラト
ランジスタの不純物プロファイルを示す図

フロントページの続き (72)発明者神澤好彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5F003 AP06 BB01 BB04 BF06 BM01 BP08 BP31 5F045 AA07 AB01 AC01 AC08 AC19 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AE15 AE17 AF02 AF03 DA58 HA04 HA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板上にエピタキシャル成長に
より半導体層を成長させる製造方法において、エピタキ
シャル成長途中で少なくとも１度以上成長を中断し、電
気的に不活性な元素を含む化合物を前記エピタキシャル
膜上に吸着させ、その後再度エピタキシャル成長を継続
することを特徴とするエピタキシャル成長方法。
【請求項２】シリコン基板上にエピタキシャル成長に
より半導体層を成長させる製造方法において、電気的に
活性な不純物を含まない半導体層をエピタキシャル成長
し、その後、電気的に不活性な元素を含む化合物を前記
エピタキシャル膜上に吸着させ、その後、電気的に活性
な不純物を含む半導体層をエピタキシャル成長すること
を特徴とする請求項１のエピタキシャル成長方法。
【請求項３】電気的に不活性な元素を含む化合物をエ
ピタキシャル膜上に吸着させるチャンバとエピタキシャ
ル成長させるチャンバとを異ならせることを特徴とする
請求項１または２のエピタキシャル成長方法。
【請求項４】電気的に不活性な元素とはカーボンであ
ることを特徴とする請求項１または２のエピタキシャル
成長方法。
【請求項５】電気的に不活性な元素を含む化合物とは
有機シラン系化合物または炭化水素系化合物であること
を特徴とする請求項１または２のエピタキシャル成長方
法。
【請求項６】コレクタ領域、第一の不純物を有するベ
ース領域、エミッタ領域を有するバイポーラトランジス
タであって、電気的に不活性な第二の不純物を含有する
半導体層を前記ベース領域中に配したことを特徴とする
バイポーラトランジスタ。
【請求項７】第二の不純物が、第一の不純物の拡散を
抑制することを特徴とする請求項６に記載のバイポーラ
トランジスタ。