JP2953567B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
法に関し、特にシリコン基板上に選択的にシリコン膜、
または、シリコン膜およびゲルマニウムを含むシリコン
膜をエピタキシャル成長させる方法に関するものであ
る。
は、基板上面、開口部側面の絶縁膜へのシリコンの成長
を抑えて、開口部底面の単結晶シリコン基板上のみに選
択的に成長させる方法に関する。シリコン、ゲルマニウ
ムを含むシリコンの選択エピタキシャル成長は、成長ガ
スと同時にエッチングガスを流す方法と成長ガスのみを
流す成長工程とエッチングガスのみを流すエッチング工
程とを交互に繰り返す方法で実現できることが報告され
ている。
工程とエッチング工程とを交互に繰り返すことにより、
選択的にシリコンエピタキシャル層またはゲルマニウム
を含むシリコン膜を成長させる方法が提案されている。
すなわち、最高到達真空度が1×10-9TorrのUH
V−CVD(ultra high vacuumch
emical vapor deposition)装
置内に、部分的にシリコン酸化膜により被覆されたシリ
コン基板を装着して基板温度を700℃に保持し、60
秒のジシランの照射と15秒程度の塩素ガスの照射とを
交互に繰り返すことにより、選択的にシリコンエピタキ
シャル層を成長させている。上記の公報によれば、ジシ
ラン(Si2 H6 )とゲルマン(GeH4 )とを同時に
供給することにより、同様の方法にてゲルマニウムを含
むシリコン膜を選択成長させることができるとされてい
る。
キシャル成長法を適用して、1.3μm帯用の受光素子
を製造する場合について説明する。1.3μm帯用受光
素子の受光部の断面構造を図5に示す。受光部分は、シ
リコンエピタキシャル層3とゲルマニウムを含むシリコ
ンエピタキシャル層4とが交互に積層された超格子構造
となっている。超格子構造をとっているのは、シリコン
エピタキシャル層3を間に挟むことで歪みを緩和して、
超格子内に欠陥が生じないようにするためである。1.
3μm帯対応のゲルマニウムを含むシリコンエピタキシ
ャル層中のゲルマニウム濃度は50%である。
上面はシリコン酸化膜2で覆われており、図6に示すよ
うな処理シーケンスによって、開口部内に受光部を選択
的に成長させる。基板温度を700℃として、シリコン
エピタキシャル層3の成長工程時には10SCCMのジ
シランを60秒、エッチング工程時には1SCCMの塩
素を15秒照射する。また、ゲルマニウムを含むシリコ
ンエピタキシャル層4の成長工程時には1SCCMのジ
シランと20SCCMのゲルマンを60秒照射し、エッ
チング工程時には1SCCMの塩素を15秒照射する。
これにより、シリコンエピタキシャル層:2000Å/
ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層:100
Åを10周期、全体の膜厚が2.3μmの超格子構造を
選択的に形成する。
成長工程を連続成長では選択成長を維持することができ
なくなる直前で停止してエッチング工程を行っている。
そのため、エッチング工程に入るときには、シリコン酸
化膜上にはシリコンがクラスタ状に成長しており、塩素
照射でエッチングするには700℃程度乃至それ以上の
高温でエッチングする必要があった。700℃以下で
は、シリコン酸化膜上のシリコンを完全に除去すること
が困難となり、選択成長可能なシリコンエピタキシャル
層の層厚は減少し、650℃では約1000Å程度が限
界であった。
タキシャル層は歪みを含んでいるために高温で成長させ
ると凝集が起こり、膜中に欠陥を発生してしまう。欠陥
が発生する温度はゲルマニウムを含むシリコンエピタキ
シャル層中のゲルマニウム濃度によって異なるが、1.
3μm帯用の受光素子のゲルマニウムを含むシリコン超
格子の場合、ゲルマニウム濃度は50%であり、成長温
度を550℃以上とすると欠陥が発生する。また、エピ
タキシャル成長後にも700℃もの高温にさらされると
やはり凝集が発生し欠陥が生じてしまう。従って、従来
の選択成長方法で1.3μm帯の受光部の形成を行うと
ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層4に欠陥
を生じ、そのため、受光素子の量子効率は約1%と低
く、高性能の受光素子を提供することができなかった。
したがって、本発明の解決すべき課題は、第1に、70
0℃以下の成長温度でも十分に厚い選択成長シリコンエ
ピタキシャル層を得ることができるようにすることであ
り、第2に、超格子構造中のゲルマニウムを含むシリコ
ンエピタキシャル層に欠陥が生じることのないようにす
ることである。
ッチング工程を繰り返す選択成長において、1サイクル
の成長工程の時間を従来よりも短くする。従来は、選択
性が崩れる直前に、すなわちシリコン酸化膜上に多結晶
シリコンが成長を開始する直前に成長工程を終えていた
が、本発明では、シリコン酸化膜上にシリコン乃至ゲル
マニウムを含むシリコンがクラスタ状に成長する前に成
長工程を終了する。シリコン酸化膜上にシリコン乃至ゲ
ルマニウムを含むシリコンがクラスタ状に成長するまで
の時間は、これらが多結晶膜として成長を開始するまで
の時間の概ね1/3である。さらに、受光部のシリコン
/ゲルマニウムを含むシリコン超格子構造を作製するに
際して、ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層
の成長温度を該エピタキシャル層に凝集が生じることの
ない温度に設定する。すなわち、ゲルマニウムを含むシ
リコンエピタキシャル層の成長温度は600℃以下に設
定される。また、ゲルマニウムを含むシリコンエピタキ
シャル層の形成工程においても、成長工程はゲルマニウ
ムおよびシリコンがクラスタ状に成長する前に終了さ
れ、エッチングが行われる。そして、上述の条件にて成
長されるシリコンエピタキシャル層と交互に積み重ねら
れて本発明による超格子構造が作製される。
エピタキシャル層の成長を次の条件の下において行う。 (1) シリコンエピタキシャル層の成長を、ゲルマニ
ウムを含むシリコンエピタキシャル層の成長温度よりも
高い600℃以上の温度で行なう。そして、好ましく
は、ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層の成
長後にその成長温度を維持したままシリコンカバー層を
数原子層成長させ、その後に600℃以上に昇温してシ
リコンエピタキシャル層を成長させる。若しくは、 (2) シリコンエピタキシャル層とゲルマニウムを含
むシリコンエピタキシャル層を同じ成長温度で形成する
が、エッチング工程終了後に反応促進および塩化物、塩
素離脱のために紫外線照射を行う。
設けられたシリコン酸化膜2上でのシリコンの析出の様
子を示す。シリコン酸化膜2上でも単結晶シリコン基板
1上よりも頻度は少ないが、ジシランが分解してシリコ
ン原子6が付着する〔図7(a)〕。時間が経つにつれ
て、その密度が増してシリコンクラスタ7を形成し〔図
7(b)〕、さらにその後ポリシコン核を形成して選択
性が崩れる〔図7(c)〕。従来の方法は、ポリシリコ
ン核8が成長する前にエッチング工程を行って選択成長
するというものであるが、シリコン原子6がシリコンク
ラスタ7を形成してしまっては700℃以上でないとエ
ッチングされない。しかし、図7(a)に示す単独のシ
リコン原子6が付着した状態であれば、700℃以下の
シリコンエッチングが起こらない温度でも塩素と結合さ
せてシリコン酸化膜2から離脱させることができる。そ
のために、1サイクルの成長工程の時間を短くすること
により、エピタキシャル成長の選択性を向上させること
ができる。
程においては1サイクルの成長時間tG を変化させてジ
シラン10SCCMを供給し、エッチング工程において
はエッチング時間tE の15秒間1SCCMの塩素を照
射したときの、1サイクルの成長時間tG と選択成長が
崩れるまでの累積成長時間との関係を示すグラフであ
る。また、図9は、基板温度のみを650℃とし他の条
件は図8の場合同じにしたときの、1サイクルの成長時
間tG と選択成長が崩れるまでの累積成長時間の関係を
示すグラフである。700℃の条件では、選択性は90
秒で崩れることがわかる。成長工程時間を短くするにし
たがって、選択成長可能な累積時間は伸びるが、40秒
を境にしてその伸びが急激に大きくなっている。このこ
とは、40秒以前では、シリコン酸化膜上のシリコン原
子はクラスタを作っていないためにエッチングは容易で
あるが、クラスタを作るとシリコン原子はエッチングさ
れ難いことを示唆している。そして、1サイクルの成長
時間を30秒にまで短縮すると半永久的な選択成長が可
能となる。
著になる。基板温度650℃の成長条件では、選択性は
120秒で崩れている。700℃の場合と異なるのは、
成長工程時間を短くしても、選択成長可能な累積時間は
それほど増大しない。しかし、60秒を境に選択成長可
能な累積時間が急激に増大しており、40秒では半永久
的に選択成長が可能となっている。このことより、クラ
スタを作ると650℃ではシリコン原子はエッチング不
可能であるが、クラスタを作る以前なら650℃でもシ
リコン原子のエッチングが可能であることわかる。そし
て、このクラスタは選択性が崩れる時間の少なくとも1
/3の間は形成されず、その間にエッチングをかけると
選択性が急激に向上することがわかる。
を含むシリコン超格子構造を作製するに際して、ゲルマ
ニウムを含むシリコンエピタキシャル層に欠陥が発生し
ないように成長温度を600℃以下としてエピタキシャ
ル成長を行うとき、エッチング工程終了後にエピタキシ
ャル層表面に吸着した塩素離脱の問題が生じる。ゲルマ
ニウム原子は吸着した塩素原子の離脱を促進する作用が
あるため、50%のゲルマニウムを含むシリコンエピタ
キシャル層4上の塩素は600℃以下でも離脱できる。
しかし、シリコンエピタキシャル層上の塩素を離脱させ
るには600℃以上の温度が必要である。
ニウムを含むシリコンエピタキシャル層を成長させた後
昇温前に、シリコンカバー層を数原子層成長させてい
る。このようにするのは、600℃以上に温度を上げて
もゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層に欠陥
を生じさせないようにするためである。これは、シリコ
ン層を薄く成長させることで、ゲルマニウム原子を最表
面に露出させないようにするためのものであり、これに
より、ゲルマニウム原子の表面拡散を抑制して、温度上
昇によるゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層
の凝集が抑え、昇温によるゲルマニウムを含むシリコン
エピタキシャル層の平坦性の劣化や、欠陥が生じるのを
防止することができる。
エピタキシャル層の成長を600℃以下で行うが、エッ
チング工程後に紫外線照射工程を入れることにより、シ
リコン表面に吸着した塩素原子を離脱させることができ
る。また、この紫外線照射によりシリコン酸化膜上のシ
リコン原子の反応が促進され、低温でおいてもその除去
を行うことが可能になる。さらに、この紫外線照射を、
ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層成長時に
も行うと、ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル
層表面の塩素除去もより一層確実となる。以上により、
ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層、シリコ
ンエピタキシャル層のどちらにも欠陥が生じさせないよ
うにすることができ、良好な品質のシリコン/ゲルマニ
ウムを含むシリコン超格子を実現することができ、この
超格子構造を受光素子に適用することにより、高い量子
効率の受光素子を実現することができる。
て図面を参照して説明する。 [第1の実施の形態]本実施の形態では、被成長基板
は、図1(a)に示されるように、表面をシリコン酸化
膜2で覆われており、その開口底部に単結晶シリコン基
板1が露出している。選択エピタキシャル成長は、図2
に示す処理シーケンスに従って、成長工程とエッチング
工程を繰り返す方法で行う。基板温度は、600以上、
例えば650℃とし、成長工程においてはシランまたは
ジシランを照射し、エッチング工程では、塩素、塩化水
素または塩素ラジカルを照射して、図1(b)に示すよ
うに、シリコンエピタキシャル層3を形成する。成長時
間tG は、シリコン酸化膜上にシリコンクラスタが形成
される前に終了する。その時間tG は、概ね連続してエ
ピタキシャル成長を行ったときに選択性が崩れる時間の
1/3である。この実施の形態は次のように変更するこ
とができる。基板温度を600℃以下例えば550℃と
し、エッチング工程の終了後、基板面に紫外線を照射す
る。これにより、低温後においても、シリコン酸化膜上
のシリコンおよびエピタキシャル層上の塩素を除去する
ことができる。
は、受光素子の受光部の形成方法に係る。受光部の被成
長基板は、図3(a)に示されるように、表面と側面が
シリコン酸化膜2で覆われており、その開口の底部に単
結晶シリコン基板1が露出している。まず、基板温度を
600以上、例えば650℃とし、ジシランまたはシラ
ンを照射する成長工程と、塩素、塩化水素または塩素ラ
ジカルを照射するエッチング工程を繰り返して、図3
(b)に示すように、シリコンエピタキシャル層3を選
択成長する。その後、温度をゲルマニウムを含むシリコ
ンエピタキシャル層に凝集の生じることのない600℃
以下例えば550℃にまで下げ、ジシランまたはシラン
と、ゲルマンまたはジゲルマンを照射する成長工程と、
エッチング工程を繰り返して、図3(c)に示すよう
に、ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層4を
形成する。表面のゲルマニウム原子は吸着した塩素の離
脱を助けるので、ゲルマニウムを含むシリコンエピタキ
シャル層4は600℃以下でも塩素原子は離脱させるこ
とができる。
キシャル層形成時の基板温度を維持したまま、ジシラン
またはシランを照射し、図3(d)に示すように、ゲル
マニウムを含むシリコンエピタキシャル層4上にシリコ
ンカバー層5をエピタキシャル成長させる。そして、エ
ッチング工程の前または後に、成長温度を600℃以
上、例えば650℃に昇温して、図3(e)に示すよう
に、次のシリコンエピタキシャル層3を形成する。以上
のエピタキシャル成長を複数回例えば10回繰り返し
て、図3(f)に示すように、所定の膜厚のシリコン/
ゲルマニウムを含むシリコン超格子構造を作製する。
リコン/ゲルマニウムを含むシリコンからなる超格子構
造の形成方法に係る。本実施の形態では、図4に示す成
長シーケンスに従って、成長工程、エッチング工程と紫
外線照射工程を繰り返して受光部を形成する。まず、シ
リコンエピタキシャル層をゲルマニウムを含むシリコン
エピタキシャル層を形成する成長温度(600℃以下、
例えば550℃)と同じ温度で選択成長させる。成長工
程では、シランまたはジシランを照射し、エッチング工
程では、塩素、塩化水素または塩素ラジカルを照射す
る。シリコン表面に付着した塩素はこの低温では離脱し
ないので、本実施の形態ではエッチャントを照射するエ
ッチング工程後に紫外線を照射することでシリコンエピ
タキシャル層上の塩素原子を離脱させる。紫外線照射に
は、Si−Clの結合エネルギーに近い波長である波長
2540Åの水銀ランプを用いることができる。
成長温度で、ジシランまたはシランと、ゲルマンまたは
ジゲルマンを照射する成長工程と、塩素、塩化水素また
は塩素ラジカルを照射するエッチング工程と、紫外線照
射とを繰り返して、ゲルマニウムを含むシリコンエピタ
キシャル層を形成する。以上のエピタキシャル成長を複
数回繰り返して、所定の膜厚のシリコン/ゲルマニウム
を含むシリコン超格子を作製する。
て説明する。 [第1の実施例]本実施例では、エピタキシャル成長
を、1×10-9Torrの超高真空まで排気することの
できるUHV−CVD装置を用い、図1(a)に示され
る成長基板に、図1(b)に示すように、シリコンエピ
タキシャル層3を成長させた。選択エピタキシャル成長
は、成長温度を650℃とし、成長工程では成長時間t
G を40秒として10SCCMのジシランを照射し、エ
ッチング工程ではエッチング時間tE を15秒として1
SCCMの塩素を照射した。以上の成長工程、エッチン
グ工程を繰り返すことにより、少なくとも3μmのシリ
コンエピタキシャル層3を選択成長させることができ
た。これは、従来法による1000Å比べて、30倍以
上の膜厚である。
基板を第1の実施例と同じUHV−CVD装置に装着
し、基板温度を650℃として成長工程とエッチング工
程を繰り返して、シリコンエピタキシャル層3を200
0Å選択成長させた〔図3(b)〕。成長工程では、1
0SCCMのジシランを30秒照射し、エッチング工程
では、1SCCMの塩素を15秒照射した。その後、基
板温度を550℃まで下げて、ゲルマニウム濃度50%
のゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル層4をや
はり成長工程とエッチング工程を繰り返して100Å成
長させた〔図3(c)〕。成長工程では、1SCCMの
ジシラン、20SCCMのゲルマンを30秒照射し、エ
ツチング工程では、1SCCMの塩素を15秒照射し
た。表面のゲルマニウム原子は吸着した塩素の離脱を助
けるので、ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシャル
層4は550℃でも塩素原子は離脱させることができ
た。
CMのジシランを60秒照射し、ゲルマニウムを含むシ
リコンエピタキシャル層4上にシリコンカバー層5をエ
ピタキシャル成長させた〔図3(d)〕。そして、基板
温度を650℃に昇適して、1SCCMの塩素を20秒
照射してエッチングを行った後、次のシリコンエピタキ
シャル層3を2000Åの膜厚に形成した〔図3
(e)〕。以上のエピタキシャル成長を10回繰り返し
て、全体の厚さが2.3μmの欠陥のないシリコン/ゲ
ルマニウムを含むシリコン超格子を形成することができ
た〔図3(f)〕。本実施例により形成された受光素子
の量子効率は10%であり、従来法による1%を飛躍的
に改善することができた。
の実施例と同じ成長装置、被成長基板を用いた。図4に
示す処理シーケンスに従い、まず、基板温度を550℃
としてシリコンエピタキシャル層を2000Åの膜厚に
成長させた。成長工程では、20SCCMのシランを4
0秒照射し、エッチング工程では、10SCCMの塩化
水素を30秒照射した。エッチング工程終了後に、水銀
ランプを用いて波長2540Åの紫外線を15秒照射す
ることでシリコンエピタキシャル層上の塩素原子を離脱
させた。
マニウム濃度50%のゲルマニウムを含むシリコンエピ
タキシャル層を、成長工程、エッチング工程と紫外線照
射工程を繰り返して100Å成長させた。成長工程で
は、シラン5SCCM、ゲルマン20SCCMを40秒
照射し、エッチング工程では、塩化水素10SCCMを
30秒照射した。その後、紫外線照射を15秒行うこと
で表面から完全に塩素を取り除いた。以上のエピタキシ
ャル成長を10回繰り返すことにより、全体の厚さが
2.3μmの欠陥のないシリコン/ゲルマニウムを含む
シリコン超格子を形成することができた。本実施例にお
いても受光素子の量子効率は10%であり、従来例の場
合のl%を10倍に改善できることを確認した。
置の製造方法は、成長過程とエッチング過程とを交互に
繰り返すエピタキシャル成長において、成長過程を絶縁
膜上に成長材料がクラスタ状に成長する前に終了するも
のであるので、選択成長が可能なエピタキシャル層の膜
厚を飛躍的に増加させることができた。また、本発明
は、ゲルマニウムを含むシリコン層のエピタキシャル成
長を該エピタキシャル層に凝集が生じることのない低温
で行うものであるので、ゲルマニウムを含むシリコン層
を欠陥のない膜として形成することが可能となり、欠陥
のないシリコン/ゲルマニウムを含むシリコン超格子構
造の選択成長を実現することができた。これにより、受
光素子の量子効率を大幅に改善することができた。
被成長基板を工程順に示した断面図。
を説明するための処理シーケンス図。
を説明するための、被成長基板を工程順に示した断面
図。
を説明するための処理シーケンス図。
むシリコンエピタキシャル層の超格子構造を作製するた
めの従来の処理シーケンスを示す図。
膜上の選択性が崩れるまでの過程を示した断面図。
0℃における成長工程時間と選択性が崩れるまでの累積
成長時間との関係を示すグラフ。
0℃における成長工程時間と選択性が崩れるまでの累積
成長時間との関係を示すグラフ。
Claims (6)
- 【請求項1】 部分的に絶縁膜にて被覆された単結晶シ
リコン上に、シリコンエピタキシャル層、若しくは、交
互にシリコンエピタキシャル層とゲルマニウムを含むシ
リコンエピタキシャル層とが積層された超格子構造を選
択的に形成する方法であって、エピタキシャル層を成長
材料ガスを照射する成長過程と塩素を含むガスを照射す
るエッチング過程とを交互に繰り返すことによって形成
する半導体装置の製造方法において、成長過程の時間
を、成長過程のみを連続的に行った場合に選択性が崩れ
るまでの時間の1/3以下にすることを特徴とする半導
体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記シリコンエピタキシャル層は、ゲル
マニウムを含むシリコンエピタキシャル層の直上に成長
される一部を除いて、600℃以上の成長温度で形成さ
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】 ゲルマニウムを含むシリコンエピタキシ
ャル層を、該エピタキシャル層に凝集が生じることのな
い成長温度で形成することを特徴とする請求項1または
2記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 600℃以下の温度でゲルマニウムを含
むシリコンエピタキシャル層を形成した後、温度を変え
ずに薄くシリコンエピタキシャル層を成長させ、その後
に600℃以上に温度を上げてシリコンエピタキシャル
層を形成することを特徴とする請求項1または3記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 エッチング過程では、塩素分子、塩化水
素分子または塩素ラジカルが基板上に照射されることを
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6】 シリコンエピタキシャル層の成長とゲル
マニウムを含むシリコンエピタキシャル層の成長とを同
一成長温度にて行い、少なくともシリコンエピタキシャ
ル層の形成工程においては、エッチング過程の終了後、
成長過程の開始に先立って基板面に紫外線の照射を行う
ことを特徴とする請求項1、3または5記載の半導体装
置の製造方法。
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