JP2855903B2

JP2855903B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2855903B2
Application number: JP3220041A
Authority: JP
Inventors: 文彦佐藤
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH04355930A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特にシリコン・バイポーラトランジスタの製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】バイポーラトランジスタの電流増幅率ｈ
_FEを向上する一手段として、ベース領域表面に薄いシリ
コン酸化膜を形成し同膜を介する不純物拡散によりエミ
ッタ領域を形成することが知られている。より詳細に
は、ベース領域を覆う絶縁層に開孔を形成してベース領
域の一部を露出させ、その露出部分にシリコン酸化膜を
形成する。そのシリコン酸化膜上に不純物を含有する多
結晶シリコン層を形成し、同層からシリコン酸化膜を介
して不純物をベース領域内に拡散させ、エミッタ領域を
形成するのである。

【０００３】このようなトランジスタでは、単結晶上に
形成すべきシリコン酸化膜の膜厚や特性がｈ_FEの向上等
に重要な役割をはたす。

【０００４】かかるシリコン酸化膜の形成方法として特
開平２−２１０８２０号公報が２つの方法を提案してい
る。第一の方法として以下のとおりである。すなわち、
直径４インチのｎ及びｐ型（１００）０．０１〜０．０
２ΩｃｍのＳｉ基板をＲＣＡ洗浄後、４０ｃｃの電子銃
式Ｓｉ蒸着器を備えたＭＢＥ装置内に導入する。Ｓｉ基
板表面に１０オングストロームのアモルファス・シリコ
ン堆積後８００℃１分の清浄化処理によって表面の自然
酸化膜を除去後、５００℃で３０００オングストローム
のエピタキシャル層を成長し、バッファー層としてい
る。基板温度を室温に下げ、ノズルから純度９９．９９
９９％の酸素を酸素分圧５×１０の−５乗Ｔｏｒｒとし
てＭＢＥ装置内にリークしながら同時に電子銃式Ｓｉ蒸
着器からＳｉ分子線を照射してシリコン酸化膜を形成す
る。そして成長室内にリークさせた酸素を排気して、真
空度１×１０の−９乗Ｔｏｒｒ雰囲気中で基板温度を５
００℃としてＳｉ分子線を照射して多結晶シリコンを堆
積させている。

【０００５】第２の方法として、加熱したシリコン基板
に酸素分子だけを照射する低圧熱酸化を開示している。
すなわち、Ｓｉ（１００）清浄面を基板温度５００℃、
酸素分圧５×１０の−５乗Ｔｏｒｒで約３０分酸化し
て、次に第一の方法と同様にしてＳｉ分子線を照射して
多結晶シリコンを堆積する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この従来の界面シリコ
ン酸化膜の形成方法では、以下に述べるような問題点が
あった。

【０００７】従来技術の第一の方法によって形成された
界面シリコン酸化膜はジャパニーズジャーナルオブ
アプライドフィジックス，２８巻１０号（１９８９年
１０月）Ｌ１６７８〜Ｌ１６８１ページ（Ｊａｐａｎｅ
ｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃｓＶＯＬ．２８，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅ
ｒ，１９８９，ｐｐＬ１６７８−Ｌ１６８１ “Ｓｉ
／ＳｉＯｘ／ＳｉＨｏｌｅ−ＢａｒｒｉｅｒＦａｂ
ｒｉｃａｔｉｏｎｆｏｒＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒｓＵｓｉｎｇＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅ
ａｍＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”）の図１ａ（Ｆｉｇ１．
（ａ））に示されている様に、化学量論的組成比の合っ
たシリコン酸化膜、すなわちＳｉＯ₂よりもＳｉを多く
含んでいる。その様子を図１２に示す。図１２で曲線１
２０はシリコンと酸素の組成比が１：２の場合で、残り
は従来法による堆積温度をかえたものである。シリコン
酸化膜を堆積させる時のシリコン基板温度を下げれば下
げる程、膜の組成比は、ＳｉＯ₂膜に近づくが、たとえ
室温（Ｒ．Ｔ．）で形成したとしても、シリコン酸化膜
の組成は、結合エネルギーが１００ｅＶ近傍においても
ピークをもつことからＳｉ過剰の膜である。後に詳述す
るが、Ｓｉ過剰なシリコン酸化膜を多結晶シリコン／単
結晶シリコンの界面に有するシリコンバイポーラトラン
ジスタの場合、電流増巾率ｈ_FEの向上効果が認められな
いと言う問題があった。また、従来技術の第二の方法を
用いた場合、高温とは言えないが、５００℃で約３０分
間、酸素分子を照射しているので著しく処理能力が低
い。

【０００８】本発明の目的は、単結晶シリコン層と多結
晶シリコン層との間にシリコンに対する酸素の化学量論
的組成比が実質的に１：２であるシリコン酸化膜をもっ
た半導体装置の製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、単結晶シリコン基板内に選択的に形成さ
れた第一の導電型を有する単結晶シリコン第一島状領域
上に絶縁膜によって形成された開口内の単結晶シリコン
表面を清浄化する工程と、同一真空容器内で室温で酸素
イオンを供給することにより前記清浄化されたシリコン
表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、同一真空容器
内で無添加または不純物が添加された多結晶または非晶
質のシリコンを堆積させる工程とを含むことを特徴とし
ている。

【００１０】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
形成されるシリコン酸化膜は、化学量論的組成がシリコ
ン：酸素＝１：２となっているシリコン酸化膜であり、
著しく電流増巾率ｈ_FEを向上でき、しかも自然酸化膜の
影響を完全に除いているので再現性も良い。

【００１１】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１２】本発明で用いる電子サイクロトロン共鳴、
ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａ
ｎｃｅ（以下ＥＣＲと略記する）についてまず説明す
る。図９に本発明に用いた装置を模式的に示す。

【００１３】超高真空容器１０１内にホルダー治具１０
２に支持されてシリコン基板１０３が配置されている。
シリコン基板の温度を制御するためのヒータ１１１が、
シリコン基板１０３の近くに非接触状態で配置されてい
る。超高真空状態にするためのターボモレキュラーポン
プが接続されている。超高真空装置の一部に酸素１０
６，イオン化するためのマイクロ波発生器１０４及び電
磁石１０５を有している。又電子銃１１０ａ，１１０ｂ
によってそれぞれ蒸発させるための多結晶シリコン７，
Ｓｂ１０９はそれぞれルツボ１０８ａ，１０８ｂに入っ
て、それぞれ配置されている。

【００１４】本装置を用いることにより、本発明の半導
体装置を作製することが出来る。

【００１５】図１乃至図７は、本発明の一実施例による
製造方法を用いて作製された、エミッタ・ベース間に自
己整合技術を用いていないｎｐｎ型シリコンバイポーラ
トランジスタの主要作製工程縦断面図をである。もちろ
ん本発明は他のポリシリコンエミッタ・バイポーラトラ
ンジスタに適用することは可能である。たとえば、エミ
ッタ・ベース間を自己整合的に形成する２層ポリシリコ
ン・バイポーラトランジスタやベース層がＳｉＧｅ合金
からなるヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ
・ポリシリコン形成に適用できる。

【００１６】図１は、素子分離領域を形成する予定の領
域に溝を形成した状態のシリコン・バイポーラトランジ
スタの縦断面図である。室温で抵抗率１０〜２０Ω・ｃ
ｍのｐ^-型シリコン基板１１の表面を酸化後、フォトリ
ソグラフィー及びＨＦ系液のエッチングによってシリコ
ン酸化膜の一部を開口し、残在シリコン酸化膜を拡散マ
スクとしてヒ素を拡散させて埋込層１２を形成する。マ
スクとしたシリコン酸化膜をＨＦ系液によって全面除去
後、リン濃度が約１×１０の１６乗原子／立方センチメ
ートルのｎ型シリコンエピタキシャル層１３を約１．３
μｍ成長させる。この成長の際、オートドーピングによ
ってエピタキシャル層と埋込層との間に遷移領域が出来
るので、ほぼ一定のリン濃度であるエピタキシャル層の
実効的な厚さは約０．７μｍとなっている。次にｎ型エ
ピタキシャル層１３表面を酸化させ、約６００オングス
トロームのシリコン酸化膜２０１を形成し、更にＬＰＣ
ＶＤ法によってシリコン窒化膜２０２を堆積させる。次
にリソグラフィー工程によって素子間分離領域及びエミ
ッター・コレクタ間分離領域のフォトレジストを除去す
る。このフォトレジスト２０３をマスクとしてシリコン
窒化膜及びシリコン酸化膜をドライ・エッチング法によ
り除去し更にｎ型シリコンエピタキシャル層１３につい
ても約０．８μｍドライエッチングによって除去する。

【００１７】その後、図２に示すように、ボロンを１０
０ｋｅＶ、１×１０の１４乗原子／平方センチメートル
でチャンネルストッパ部にのみイオン注入し、イオン注
入の際の結晶欠陥を除くための熱処理９００℃、Ｎ₂雰
囲気中で３０分間アニールすることによりチャネル防止
用イオン注入層１４を形成する。

【００１８】次にシリコン窒化膜２０２（図１）をマス
クにして選択的に酸化を行ないシリコン酸化膜の素子分
離層１５を形成する。次に選択酸化のマスク材としてい
たシリコン窒化膜２０２を熱したリン酸を用いて全面除
去後、再びＬＰＣＶＤ法によってシリコン窒化膜（図に
示さず）を堆積させ、フォトリソグラフィー工程により
コレクタ引き出し領域のフォトレジストを開口し、この
フォトレジストをマスク材としてシリコン窒化膜をドラ
イエッチングにより除去，開口する。フォトレジスト除
去後、シリコン窒化膜を拡散のマスクとしてリンを拡散
させる。この拡散した層は埋込層２まで到達することに
より低抵抗のコレクタ引出し領域１２’を形成する。コ
レクタ引き出しの表面を約１０００オングストローム酸
化した後熱したリン酸によって残りのシリコン窒化膜を
除去する。その後、ｎ型シリコンエピタキシャル層１３
上のシリコン酸化膜をＨＦ系液によって除去後、酸化し
てシリコン酸化膜２０１約４００オングストローム形成
する。このシリコン酸化膜２０１は、真性ベース層をイ
オン注入で形成する時シリコン層が裸の状態で注入した
場合より欠陥を少なくする目的がある。

【００１９】次にフォトリソグラフィー工程によりｎ型
エピタキシャル層の左側の約半分の領域を開口しこのフ
ォトレジスト１０１をマスクにボロンを５０ｋｅＶ、５
×１０の１５乗原子／平方センチメートルイオン注入
し、コンタクト用ボロン注入領域１６を形成する。もち
ろんフォトレジストを除去して、イオン注入された領域
の活性化の熱処理をすることは言うまでもない。次に再
びフォトリソグラフィー工程によってｎ型エピタキシャ
ル層上を全面開口し、このフォトレジスト１０１をマス
ク材としてボロンを３０ｋｅＶ、２×１０の１３乗原子
／平方センチメートルイオン注入しレジスト除去及び活
性化の熱処理によって真性ベース層１７が形成される。
この状態が図２である。

【００２０】図３はエミッタ開口後を示す縦断面図であ
る。リンガラス膜１８を表面に形成後フォトリソグラフ
ィー工程により真性ベース層１７上にフォトレジストを
開口し、次にドライエッチング及びＨＦ系液によるエッ
チングによって真性ベース上に開口を形成する。

【００２１】ＲＣＡ洗浄によって開口内の重金属等によ
る汚染を除去後、ベース領域１７表面の自然酸化膜を除
去する目的で生ＨＦ液を１／５０に希釈した液に約３０
秒間浸漬する。しかしながら、この処理によっても、図
３に２０４として示すように自然酸化膜が残ったり、次
のステップを実行するまでに再度自然酸化膜２０４が形
成される。

【００２２】そこで、図３の示すウェハーを図９の容器
１０１内に入れ、自然酸化膜２０４の除去処理を実行す
る。本実施例では、その除去に要する時間を短縮するた
めに、まず、室温においてルツボ１０８ａ内の多結晶シ
リコン１０７に電子銃１１０ａからの電子をあててシリ
コンを蒸発させ自然酸化膜２０４上に同程度の厚さ（ほ
ぼ１０オングストローム）のシリコン層を堆積させる。
その後、５×１０の−８乗Ｔｏｒｒの真空度で約８５０
℃、１０分間熱処理する。これによって、自然酸化膜２
０４は蒸気圧の高いＳｉＯになり、ベース領域１７の表
面から除去される。かくして、その希しゃくしたＨＦ系
液で除去が不完全であったりあるいは除去後再び形成さ
れた自然酸化膜２０４は完全に取り去られ、図４に示す
ように、ベース領域１７の表面は完全に清浄化される。
このときの真空度は１０の−３乗Ｔｏｒｒ以下、好まし
くは１０の−５乗Ｔｏｒｒ以下とする。

【００２３】次に、ウェハーを容器１０に入れたままで
室温にし、電子サイクロトロン共鳴を起こさせるに必要
なマイクロ波および磁場、例えばマイクロ波発生器１０
４から周波数２．５４ＧＨｚおよび出力１００Ｗのマイ
クロ波を印加し電磁石で１０００ガウスの磁場強度を生
成した状態で、容器１０１内の分圧が２×１０の−５乗
Ｔｏｒｒとなるように酸素ボンベ１０６から酸素を導入
する。かくして、電子サイクロトロン共鳴により導入さ
れた酸素はイオン化され酸素イオンＯ^-が発生する。シ
リコンウェハー１０３には１００Ｖ程度のバイアスがか
けられているので、酸素イオンＯ^-はシリコンウェハー
１０３に照射される。酸素イオンＯ^-の照射は数秒から
数１０秒間行われる。本実施例では１５秒間照射した。
その結果、図５に示すように、ベース領域１７の清浄化
された表面に１２オングストローム程度のシリコン酸化
膜（ＳｉＯ₂）１９が形成される。

【００２４】図１０にＸ線光電子スペクトル（ＸＰＳ）
を示す。上記のように室温（ＲＴ）で形成されたシリコ
ン酸化膜１９では曲線１００に示すようにＳｉ−Ｏの結
合ピークのみ観測され、シリコンと酸素との比が実質的
に１：２である化学量論的組成となっている。一方、上
記した同じ条件で、ただし基板温度がそれぞれ３５０
℃，４５０℃で形成したシリコン酸化膜では、それぞれ
曲線１０１，１０２で示すように、Ｓｉ−Ｏのピークだ
けでなくＳｉ−Ｓｉの結合によるピークも認められ、Ｓ
ｉリッチの酸化膜となっている。これは、酸素イオンＯ
^-を照射しても基板温度が比較的高いためベース領域１
７と反応結合するイオンが少なくなるためと考えられ
る。基板温度が室温のときシリコンと酸素との比が実質
的に完全な１：２となるシリコン酸化膜が得られる。し
かも、基板に温度を印加する必要がないので、温度制御
等の処理が不要となり製造もきわめて容易となる。

【００２５】図９に戻って、導入された酸素は完全には
イオン化されず一部酸素分子Ｏ₂のまま容器１０１内に
到達する。しかしながら、容器１０１内は高真空状態で
あり、かつ酸素分子Ｏ₂の反応エネルギーは酸素イオン
Ｏ^-のそれに比して非常に小さいので、酸素分子Ｏ₂と
シリコンウェハー１０３との反応は実質起こらず、その
まま排気される。

【００２６】シリコン酸化膜１９の形成後、Ｓｉ基板温
度を室温状態で電子銃１１０ａによりルツボ１０８ａか
らシリコン１０７を蒸発させ、シリコンウェハー１０３
上にシリコンを約２０００オングストロームの厚さで堆
積させる。これによってできたシリコン層はアモルファ
ス（非晶質）である。このとき、電子銃１１０ｂによっ
てルツボ１０８ｂからアンチモン（Ｓｂ）を蒸発させ約
２×１０の１９乗アトム／立方センチメートルの濃度で
含有させながら、アモルファスシリコンを堆積させる。
このときの真空度は５×１０の−８乗Ｔｏｒｒであっ
た。その後、ヒータ１１１によってウェハー１０３を約
５００℃程度に加熱し、アモルファスシリコンを多結晶
シリコンにする。かくして、図６に示すように、全面に
Ｎ型の多結晶シリコン層２０が形成されたウェハーが得
られる。多結晶シリコン層２０も同一容器内で形成して
いるので、シリコン酸化膜の膜厚、膜質の変動が防止さ
れる。このウェハーはその後真空容器１０１から取り出
される。

【００２７】次に図７に示すようにエミッタ開口領域よ
り、少し広い領域（リソグラフィー工程におけるアライ
メントのズレと多結晶シリコンのドライエッチングの際
のサイドエッチ量との和の寸法以上に広くする）。上に
フォトレジストを残し、ドライエッチングによって多結
晶シリコン２０を除去する。ランプアニールを用いて９
００℃，３０秒の熱処理により多結晶シリコン２０から
ベース１７に不純物を拡散させて単結晶エミッタ２１を
形成し、次に、ベース及びコレクタ部の電極用のコンタ
クト孔をフォトリソグラフィー及びドライエッチングに
よって開口する。全面にＡｌ系金属２２、例えば、Ａｌ
−Ｓｉ合金（Ａｌ９９％，Ｓｉ１％）を蒸着しエミ
ッタ，ベース及びコレクタ電極を形成するためのフォト
レジストパターン１０２を形成する。

【００２８】フォトレジスト１０２をマスクとしたドラ
イエッチングによってメタル層２２の不要部を除去し、
フォトレジスト１０２を除去した後に４００℃１０分間
の合金化熱処理を施すことにより、図８のように、コレ
クタ電極２２−１，エミッタ電極２２−２およびベース
電極２２−３を有するバイポーラトランジスタが形成さ
れる。

【００２９】図１１に、本発明方法により得られたトラ
ンジスタ電流増巾率ｈ_FEと、従来方法によるトランジス
タのｈ_FEとの比を、基板温度とＥＣＲ酸化時間を変数に
示している。基板温度が３５０℃の場合、従来技術より
もｈ_FEは低い。これに対し本実施例のように室温でかつ
酸素イオンの照射時間をもってＥＣＲ酸化した場合ｈ_FE
が３倍に向上した。

【００３０】このように、ＥＣＲにより単結晶シリコン
上にシリコン酸化膜を形成する場合に基板温度を室温に
し、超高真空状態で酸素イオンを供給して形成すれば、
シリコンと酸素の化学量論的組成比が実質的に１：２の
シリコン酸化膜を形成でき、シリコン酸化膜の膜厚およ
び膜質のばらつきをなくすことができる。

【００３１】なお、本実施例では、多結晶シリコン２０
を、シリコン酸化膜１９への影響を小さくするべく、形
成されたアモルファスシリコンに熱処理を施して形成し
たが、他の方法でもよい。例えば、シリコン酸化膜１９
及びリンガラス膜１８の上に、６５０℃でシリコン分子
線を照射することにより、多結晶シリコンを直接堆積さ
せてもよい。さらに、多結晶シリコン２０を超高真空装
置１０１内でノンドープのまま、アモルファスシリコン
を室温で堆積させた後、これを多結晶化して形成したあ
とで、装置１０１からとり出し、例えば本実施例のよう
に膜厚が２０００オングストロームの多結晶シリコンで
あれば注入エネルギー７０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０の
１６乗原子／平方センチメートルでヒ素をイオン注入し
て導体化してもよい。その後、８００℃で３０分と９０
０℃で３０秒の熱処理を行うとエミッタ単結晶領域が形
成される。さらに、酸素イオンの総供給量は超高真空容
器１０１内の酸素ガスの分圧とＥＣＲ酸化時間との積で
決まるので本実施例よりも真空度を上げれば酸化速度を
遅くできるので、シリコン酸化膜の膜厚をより細かく精
密に制御できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、超高真空
装置内で電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いてイ
オン化した酸素イオンを室温状態にあるシリコン基板に
照射することにより、化学量論的なシリコン酸化膜を形
成したので、バイポーラトランジスタの電流増巾率ｈ^FE
を向上できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の一工程後の半導体装置の断
面図である。

【図２】図１に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図３】図２に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図４】図３に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図５】図４に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図６】図５に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図７】図６に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図８】図７に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図９】本発明の一実施例に用いた製造装置の模式図で
ある。

【図１０】本発明の一実施例により形成されたシリコン
酸化膜の光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の酸化温度依
存性。

【図１１】本発明の半導体装置の製造方法を用いて形成
されたポリシリコン・エミッタ・バイポーラトランジス
タの電流増巾率（ｈ^FE）の酸化時間依存性を示すグラフ
である。

【図１２】従来技術によって形成されたシリコン酸化膜
の光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の酸化温度依存性を
示すグラフである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコン基板内に選択的に形成さ
れた第一の導電型を有する単結晶シリコン第一島状領域
上に絶縁膜によって形成された開口内の単結晶シリコン
表面を清浄化する工程と、同一真空容器内で室温で酸素
イオンを供給することにより前記清浄化されたシリコン
表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、同一真空容器
内で無添加または不純物が添加された多結晶または非晶
質のシリコンを堆積させる工程と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】前記酸素イオンは電子サイクロトロン共
鳴法で発生され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】コレクタ領域にベース領域を形成する工
程と、前記ベース領域の表面を清浄化する工程と、前記
ベース領域の清浄化された表面に室温で酸素イオンを供
給してシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン
酸化膜上に多結晶シリコン層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。