JP2919281B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2919281B2 JP6277779A JP27777994A JP2919281B2 JP 2919281 B2 JP2919281 B2 JP 2919281B2 JP 6277779 A JP6277779 A JP 6277779A JP 27777994 A JP27777994 A JP 27777994A JP 2919281 B2 JP2919281 B2 JP 2919281B2
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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、特にシリコン基板上に多結晶シリコンを形成する
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】選択多結晶シリコン成長法は、図4に示
すように、単結晶シリコン基板1上をシリコン酸化膜や
シリコン窒化膜などのマスク絶縁膜9で覆った開口部3
に、選択多結晶シリコン膜4を単結晶シリコン基板1上
にだけ開口部3の中を埋めるように堆積させる成長法で
ある。この成長法は開口部の穴埋めをはじめ、選択多結
晶シリコン膜4中にドーピングされた不純物を拡散源と
して、薄いP−N接合の形成に利用されている。特にバ
イポーラトランジスタのエミッタ部の多結晶シリコンへ
の適用は、エミッタ幅が1μmを割ったときのエミッタ
抵抗の増大を抑えるのに非常に効果がある(Aoyama T.,
Ogawa C., Sugiyama M., Takemura H., Toyokawa F.,
Sakamoto M. and Tashiro T., Extended Abstract of t
he 22nd Conference on Solid State Devices and Mate
rials., 1990, p.665) 。
【0003】多結晶シリコンの選択成長は難しく、通常
に行ったのでは単結晶シリコンを成長させる選択エピタ
キシャル成長になる。選択成長させるため開口部の自然
酸化膜を除去しなければならず、そうすると成長膜が単
結晶化してしまうからである。しかし、多結晶シリコン
の選択成長には、いくつかの方法がある。抵抗加熱型の
減圧CVDホットウォール炉を用いたものでは、シリコ
ン基板を入炉する際に酸化膜が適度に成長するので、多
結晶シリコンの選択成長が可能となっている。成長には
ジクロロシラン(SiH2 Cl2 )を用いており、同時
にHClガスも適量流すことによって800℃、100
Torrにおいて成長させている(公開特許公報、平2
−215544)。また、減圧CVDのコールドウォー
ル炉でも、シリコンクロライド系ガスに不純物を混ぜる
ことで多結晶シリコンの選択成長を実現している。不純
物には、窒素や炭素、酸素を含むものとしている。例え
ば、成長中に窒素を含んでいるアンモニアを導入するこ
とでシリコン膜中に窒化シリコンを生成させ、単結晶化
を阻止してシリコン膜を多結晶にするというものである
(公開特許公報、昭61−131434)。また、不純
物にリンを用いた報告もある(Ohshita Y. and Kitajim
a H., Journal of applied physics, 70(3),p.1871) 。
この場合の多結晶シリコンは必然的にN型となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の多結晶シリコン
膜の選択成長方法では、前述したように、成長ガスとし
ていずれもシリコンクロライド系ガスを用いているため
に、少なくとも700℃以上の成長温度が必要となって
いる。シリコンの成長にはシリコンと塩素原子との解離
が必要であり、それには700℃以上の温度が必要だか
らである。実際に十分な成長速度と選択性を得るために
は、800℃程度の温度が必要となる。
【0005】選択多結晶シリコン成長を前述したバイポ
ーラのエミッタの多結晶シリコン膜に適用する際には、
この成長温度が問題となってくる。バイポラーのベース
には、既にボロンがドーピングされており、選択多結晶
シリコン成長温度が高いとボロンの拡散が起こってドー
ピングプロファイルがだれてしまう。デバイスの高速化
に伴ってベースは薄くなる傾向にあり、この問題は益々
重要となる。例えば800℃、30分間の成長条件で
は、ボロンは180nmも拡散する。また、ベース層に
シリコンゲルマニウムの合金を用いた場合は、この成長
温度の問題はもっと深刻である。すなわち800℃とい
う高温では、コレクタ層のシリコンとの界面にミスフィ
ット転位を生じて、リーク電流の発生を引き起こしてし
まう。したがって、上記欠点を避けるために選択多結晶
シリコン成長では、600℃付近まで成長温度を下げる
必要が生じる。この問題はバイポーラに適用する際に顕
著であるが、これに限らず、MOSデバイスのソース、
ドレインの持ち上げなど不純物プロファイルを有するも
のを成長させる際には同様に問題となる。
【0006】成長温度を下げるには、成長ガスをジシラ
ンなどのシリコンハイドライド系ガスにする必要があ
る。シリコンハイドライド系での選択成長は難しく、高
真空のコールドウォール型CVD装置でのみ実現できて
いる。この系では、500〜800℃の範囲でジシラン
のみでの選択シリコン成長が可能である(Hiroi M. and
Tatsumi T., Journal of crystal growth, 120 (1992)
p.279)。しかし、この場合も選択成長のために開口部
の自然酸化膜を除去しているために、成長膜はエピタキ
シャル成長となってしまい、選択多結晶シリコンは実現
できていない。さらに700℃において塩化水素又は、
塩素を導入することで選択成長可能な膜厚を増大できて
いる(公開特許公報、平4−139818、平4−13
9819)。
【0007】本発明は、上記問題を解決しようとするも
ので、650℃以下の温度で多結晶シリコン膜の選択成
長を行わせることを特徴とする半導体装置の製造方法を
提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、
リコン酸化膜に形成された開口部内に露出した単結晶シ
リコン表面上に多結晶シリコン薄膜を堆積させ、前記
リコン酸化膜上には堆積させない半導体装置の製造方法
において、シランと同時に塩素系ガスを、塩素系ガス/
シラン分圧比が0.005〜0.1となる範囲で導入
し、650℃以下の温度で多結晶シリコンの選択成長を
行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供す
る。また、本発明は、シリコン酸化膜に形成された開口
部内に露出したシリコンゲルマニウム合金のエピタキシ
ャル層表面上に多結晶シリコン薄膜を堆積させ、前記シ
リコン酸化膜上には堆積させない半導体装置の製造方法
において、シランと同時に塩素系ガスを、塩素系ガス/
シラン分圧比が0.005〜0.1となる範囲で導入
し、650℃以下の温度で多結晶シリコンの選択成長を
行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供す
る。
【0009】本発明において、成長ガスとしてはシラン
特にモノシラン又はジシランが好適に用いられる。同時
に導入する塩素系ガスとしては、塩素又は塩化水素が用
いられる。
【0010】本発明の半導体装置の製造方法は、高真空
コールドウォール型CVD装置における選択シリコン成
長の際に、600℃近辺において塩素などの塩素系ガス
を成長ガスと同時に流すという工程を含む。例えば、塩
素ガスをシリコン堆積中に導入することで、シリコン表
面に塩素原子が吸着する。600℃近辺では、塩素原子
はシリコン表面より脱離しないために、塩素の量を適当
に選ぶとシリコン膜は塩素を含んだまま成長して多結晶
シリコン膜となる。この場合、塩素ガスを流しているこ
とは選択性を向上する方向に働くので、従来法と比べて
600℃という低温での選択多結晶シリコン成長が実現
するのである。
【0011】
【実施例】以下に実施例により本発明方法を詳しく説明
する。 実施例1 本発明について図面を参照して説明する。
【0012】本実施例の被堆積基板には、単結晶シリコ
ン基板1上にシリコン酸化膜2を100nm堆積したも
のを用いた(図1−A)。成長前には弗化水素水溶液で
開口部3の自然酸化膜を除去した。本実施例では、成長
ガスのジシランと同時に塩素ガスを添加した。図1−B
に600℃においてジシランを10SCCM、塩素を
0.1SCCM流して成長させたときの選択多結晶シリ
コン膜4を示す。600℃においては、塩素はシリコン
表面より脱離しないので、成長は塩素を中に取り込んだ
まま進むために成長膜は多結晶化する。図2は、温度と
塩素ガス/ジシランガス分圧比を変化させたときの膜質
の変化を示したグラフである。図の斜線を施した部分が
多結晶シリコン膜の成長条件の領域を表わす。温度を固
定してみた場合、例えば600℃においては、塩素/ジ
シラン分圧比=0.01よりも大きくすると成長膜は多
結晶シリコンになる。さらに分圧比を大きくしていくと
分圧比0.08を越えると成長しなくなる。図2から、
成長温度550〜650℃の範囲、塩素/ジシラン分圧
比0.005〜0.1の範囲で多結晶シリコン膜の選択
成長が実現できることがわかる。本実施例では、塩素系
ガスとして塩素ガスを例として示したが、シリコン表面
に塩素が吸着すればよいので、塩化水素ガスなどの塩素
原子を含んだガスでも同様の選択成長が可能である。 実施例2 次に選択多結晶シリコンをエミッタ上の多結晶シリコン
に用いた例について説明する。図3−Aに本実施例で用
いた被堆積基板を示す。被堆積基板は表面をシリコン酸
化膜2で覆われており、ベース層5が露出したエミッタ
孔6を有している。シリコン酸化膜2の膜厚は500n
mであり、エミッタ孔6の大きさは500nmである。
ベース層5は、単結晶シリコン基板1上にシリコンゲル
マニウム合金をエピタキシャル成長させて形成し、同時
にボロンを1×1019atoms/ccドーピングし
た。ベース層5の下は、1×1016atomos/cc
の砒素がドーピングされているコレクタ層7となってい
る。
【0013】このエミッタ孔6内部に選択的に多結晶シ
リコンを成長させた図を図3−Bに示す。本実施例で
は、成長温度600℃、塩化水素ガス流量0.1SCC
M、モノシランガス流量10SCCMの条件で、15分
間に100nm成長した。また、成長中にホスフィンを
導入してリンを多結晶シリコン膜4中に1×1021at
omos/ccドーピングした。次に900℃、10秒
の熱処理によってエミッタ層8の形成を行った(図3−
C)。
【0014】従来のジクロロシランを用いたLPCVD
では、選択多結晶シリコンを100nm成長させるのに
は、800℃で20分間必要であった。本発明では選択
多結晶シリコン膜が600℃の低温で15分間で成長し
たことにより、従来法よりもボロンの拡散が抑えられ
た。従来法では、ベース層境界からコレクタ層7に12
0nmのボロン拡散が見られていたが、本実施例では1
0nm以下に抑えられた。また、従来法では、ベース層
5のシリコンゲルマニウムとコレクタ層7のシリコンと
の間にミスフィット転位が生じるために、ベースとコレ
クタ間で5ボルトで1×10-6A以上のリーク電流が生
じていた。これも成長温度を低温化したことで、シリコ
ンゲルマニウムの格子緩和を抑えてミスフィット転位の
発生をなくしたことで、リーク電流を1×10-11 A程
度に抑えることができた。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように本発明方法を用いる
ことによって、多結晶シリコン膜選択成長温度を低温化
できるという効果がある。それによって、被成長基板が
ドーピングプロファイルをもっている場合に、そのプロ
ファイルを損なうことなく成長することが可能となっ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1における選択多結晶シリコン成長を説
明する断面図である。
【図2】本発明の選択多結晶シリコン膜の形成条件を説
明するグラフである。
【図3】実施例2における選択多結晶シリコンのエミッ
タ孔埋設の工程を説明する断面図である。
【図4】従来例における選択多結晶シリコン成長を説明
する断面図である。
【符号の説明】
1 単結晶シリコン基板 2 シリコン酸化膜 3 開口部 4 選択多結晶シリコン膜 5 ベース層 6 エミッタ孔 7 コレクタ層 8 エミッタ層 9 マスク絶縁膜
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−256310(JP,A) 特開 平4−97519(JP,A) 特開 平4−252023(JP,A) 特開 平6−132225(JP,A) 特開 平6−112128(JP,A) 特開 平3−139845(JP,A)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン酸化膜に形成された開口部内に
    露出した単結晶シリコン表面上に多結晶シリコン薄膜を
    堆積させ、前記シリコン酸化膜上には堆積させない半導
    体装置の製造方法において、シランと同時に塩素系ガス
    を、塩素系ガス/シラン分圧比が0.005〜0.1と
    なる範囲で導入し、650℃以下の温度で多結晶シリコ
    ンの選択成長を行うことを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 シリコン酸化膜に形成された開口部内に
    露出したシリコンゲルマニウム合金のエピタキシャル層
    表面上に多結晶シリコン薄膜を堆積させ、前記シリコン
    酸化膜上には堆積させない半導体装置の製造方法におい
    て、シランと同時に塩素系ガスを、塩素系ガス/シラン
    分圧比が0.005〜0.1となる範囲で導入し、65
    0℃以下の温度で多結晶シリコンの選択成長を行うこと
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記シランがモノシラン又はジシランで
    ある請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記塩素系ガスが塩素又は塩化水素であ
    る請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方
    法。
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