JP3549408B2 - バイポーラトランジスタ - Google Patents
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Description
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタは、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事がある。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。さらに、この様な方法でトランジスタを作製した場合、オートドーピングと呼ばれる現象が問題となる。オートドーピングとは、比較的高濃度にドーピングされた下地の半導体層の上にエピタキシャル層を形成する時に、基板の加熱によって下地の半導体層中の不純物が一旦雰囲気ガス中に飛び出し、再び成長中の層に取り込まれるという現象をさす。ベースのｐ型不純物として最もよく用いられるホウ素（Ｂ）の場合、上記の熱拡散やオートドーピングを起こし易いことが知られおり、高性能トランジスタを製造するためには、上記の原因による不純物プロファイルのくずれを抑制することが不可欠である。
【０００４】
そこで従来では、主として以下のような方法によって不純物プロファイルのくずれの抑制を図ろうとする試みが考えられている。
【０００５】
第１番目は、熱処理によって拡散しにくい、つまり拡散係数の小さい元素を不純物として選ぶ方法である。
【０００６】
第２番目は、エピタキシャル成長時の不純物原子の拡散を最小限におさえるために、できるだけ低温でエピタキシャル成長を行う方法である。
【０００７】
第３番目は、もっと積極的に不純物の拡散を抑制するために、電気的に不活性で拡散抑制効果のある窒素（Ｎ）原子をｐ型半導体層（主にはＢがドーピングされている）ベース領域全域にドーピングする方法である（特開平８−７８６７４号公報）。
【０００８】
第４番目は、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ＢとともにＣをドーピングすることでＢ原子の拡散を抑制する方法である（Ｌ．Ｄ．Ｌａｎｚａｒｏｔｔｉ ｅｔ ａｌ， Ｔｅｃｈ． Ｄｉｇ． Ｉｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔ．， ２４９ （１９９６））。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の第１番目の方法の場合、バイポーラトランジスタの製造に使用できる不純物は限られており、特に、ｐ型不純物としては、拡散係数の比較的大きなＢを使用せざるを得ない状況にある。また、上記の第２番目の方法だけでは、充分に不純物拡散を抑制する事は不可能であり、低温のエピタキシャル成長では半導体層の成長に時間がかかってしまう。さらに、上記の第３番目の方法では、Ｎを効率的にドーピングする方法はイオン注入しかなく、この方法では限られた領域にコントロールしてドーピングするのが難しく、Ｎ濃度も高いため注入によるダメージも大きくなってしまい、高性能デバイスを作製するのが困難である。また、上記の第４番目の方法では、ＣやＮ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。
【００１０】
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
る事は非常に困難である。そこで本発明は、不純物拡散を抑制しつつ、しかもイオン注入に基づくダメージの発生などによりデバイス特性が劣化しないバイポーラトランジスタを提供することを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明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バイポーラトランジスタのベース層を、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で挟む構成となっており、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。
【００１２】
本発明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−ス層と、第１の伝導型を有するエミッタ層とを有し、前記エミッタ層及び前記コレクタ層内部の前記ベ−ス層と接する側の領域の一部のみに、ベース層を構成する元素とは異なる第１の不純物として電気的に不活性な炭素がドーピングされベース層内の電気的に活性な第２の伝導型不純物の拡散を抑制する層を有するバイポ−ラトランジスタであって、格子位置にある前記第１の不純物と格子間位置にあるベース層を主に構成する原子との位置交換により、格子間位置にあるベース層を主に構成する原子の数を減少せしめて、前記第２の伝導型不純物がベース層からコレクタ層及びエミッタ層へ拡散することを抑制するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態におけるバイポーラトランジスタについて図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態の参考形態）
まず図１に本発明の実施の形態の参考形態における半導体装置（ｎｐｎ型ＳｉＧｅヘテロバイポーラトランジスタ）の主要部の構造を示す断面図を示す。なお、上記のように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。
【００１５】
次に以下では本実施の形態の参考形態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。
【００１６】
まず、エピタキシャル成長を行うＳｉ基板１の前処理について説明する。Ｓｉ基板１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、ウエハー上の付着物を除去する。さらに、フッ酸溶液を用いてＳｉ基板１表面の自然酸化膜を取り去る。
【００１７】
以上の様にして前処理したＳｉ基板１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１表面を露出させる。
【００１８】
次にＳｉ基板１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。
【００１９】
まず最初に、Ｓｉ基板１の上にＳｉコレクタ層２を数百ｎｍ程度の厚さで成長させる。このときコレクタ層には５×１０16／ｃｍ3程度のｎ型不純物であるリン（Ｐ）をドーピングする。このため、原料ガスとしては、Ｓｉの原料となるジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガスと、不純物の原料となるホスフィン（ＰＨ3）ガスを同時に装置内に導入し、コレクタ層２の成長が終わった段階で、原料ガスの導入をやめる。なお、不純物であるＰの濃度は、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＰＨ3ガスの装置内での分圧を変えることに制御可能である。上述のようにしてＳｉコレクタ層２を形成した後、Ｓｉ2Ｈ6ガスと、Ｃの原料であるメチルシラン（ＳｉＨ3ＣＨ3）を装置内に導入し、不純物拡散抑制のためのＣをドーピングしたＳｉ層３（不純物拡散抑制層）を、２０ｎｍないし３０ｎｍ程度エピタキシャル成長させる。このエピタキシャル層３中でのＣの濃度は、１×１０19／ｃｍ3程度になるように、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＳｉＨ3ＣＨ3ガスの分圧を調整する。このようなＣの濃度にした理由は下記の通りである。すなわち、Ｃの濃度が１×１０18／ｃｍ3を下回ると、不純物（この場合はＰ）の拡散を十分に抑制する効果が少なくなってしまい、逆にＣの濃度が１×１０20／ｃｍ3を上回ると、Ｃの導入に基づいて不純物拡散抑制層自体をエピタキシャル成長させる時に欠陥が発生してしまい、結晶性の良好な層をエピタキシャル成長できないからである。
【００２０】
この後、エピタキシャル成長されたＣドープＳｉ層３の上に、ベース層４を形成する。ベース層は、Ｇｅが１０％から３０％程度含まれているＳｉＧｅ混晶からなっており、ｐ型不純物のＢが５×１０18／ｃｍ3程度ドーピングされている。ベース層４形成時には、原料ガスとして、Ｓｉ2Ｈ6、モノゲルマン（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４の上に、エピタキシャル成長されたＣドープＳｉ層３と同様の方法でＣがドーピングされたＳｉ層５を形成する。最後に、エピタキシャル成長されたＣドープＳｉ層５の上に、５×１０17／ｃｍ3程度の濃度のＰをドーピングしたＳｉエミッタ層６を形成する。原料ガスは、Ｓｉコレクタ層の成長時に用いた物と同様のＳｉ2Ｈ6とＰＨ3ガスである。
【００２１】
以上のようにして形成された本実施の形態の参考形態におけるバイポーラトランジスタによれば、ベース中のＢが、コレクタやエミッタ層に拡散するのを抑制できるだけでなく、コレクタ及びエミッタ層中にドーピングされているＰ原子がベースへ拡散するのを抑制するような効果が期待できる。また、エミッタ層をエピタキシャル成長させている間のＢ原子のオートドーピングも同時に抑制することができる。
【００２２】
なお、上記参考形態では、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、拡散抑制のための半導体層３及び５があるため、不純物原子の拡散は抑制できる。
【００２３】
また、上記の例では、ベース層４を形成する際にＳｉ2Ｈ6、ＧｅＨ4及びＢ2Ｈ6を原料ガスとして用いたが、このベース層形成の初期と終期に上記の原料ガスに更にＳｉＨ3ＣＨ3を加えてやれば、ベース層のコレクタ層及びエミッタ層と接する領域の一部を不純物拡散抑制領域として用いることも可能であり、この場合には上記のＣドープＳｉ層３及び５を形成しなくてもよいことになる。
【００２４】
（実施の形態１）
次に図２に本発明の実施の形態１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構造を示す断面図を示す。本実施の形態が上記の実施の形態の参考形態と異なるのは、拡散抑制のためのＣがドープされたＳｉ層が、それぞれコレクタ、エミッタ内部に形成されている点である。
【００２５】
次に以下では本実施の形態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。
【００２６】
まず、上記の実施の形態の参考形態と同様の手順でＳｉ基板７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。本実施の形態においても、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１×１０-2Ｔｏｒｒとする。
【００２７】
まず、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＰＨ3ガスを装置内に導入し、Ｐだけが５×１０16／ｃｍ3程度ドーピングされたＳｉコレクタ層８を形成する。次にコレクタ層８の成長終了前に、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＰＨ3ガスに加えて、ＳｉＨ3ＣＨ3ガスを導入し、ＣとＰがドーピングされたＳｉ層９を２０ｎｍないし３０ｎｍ程度形成する。この時も上記の実施の形態の参考形態の際と同様な理由により、Ｃ原子の濃度は１×１０19／ｃｍ3程度になるように、ＳｉＨ3ＣＨ3ガスの圧力を調整する。以上の工程により、コレクタ層内部のベース領域と接する側に不純物拡散抑制領域が形成されたことになる。
【００２８】
この上にベース層１０として、Ｂを５×１０18／ｃｍ3程度ドーピングされたＳｉＧｅ混晶（Ｇｅが１０％から３０％程度含まれている）をエピタキシャル成長させる。次に装置内に、Ｓｉ2Ｈ6、ＰＨ3、ＳｉＨ3ＣＨ3を入れ、ＣとＰがドーピングされたＳｉエミッタ層１１を成長させる。この時、Ｃ濃度は１×１０19／ｃｍ3、Ｐの濃度は５×１０17／ｃｍ3になるように各原料ガスの分圧を設定しておく。エピタキシャル層１１が２０ｎｍないし３０ｎｍ程度成長したところで、ＳｉＨ3ＣＨ3ガスの装置への導入を取りやめ、Ｐだけが５×１０17／ｃｍ3程度ドーピングされたＳｉエミッタ層１２を形成する。以上の工程により、エミッタ層内部のベース領域と接する側に不純物拡散抑制領域が形成されたことになる。
【００２９】
以上のようにして形成された本実施の形態１及び参考形態におけるバイポーラトランジスタによれば、ベース中のＢが、コレクタやエミッタ層に拡散するのを抑制できるだけでなく、コレクタ及びエミッタ層中にドーピングされているＰ原子がベースへ拡散するのを抑制するような効果が期待できる。また、エミッタ層とベース層中に拡散抑制層５もしくは１１が形成されているため、エミッタ層をエピタキシャル成長させている間のＢ原子のオートドーピングも同時に抑制できる。
【００３０】
以上本発明の実施の形態及び参考形態について図面とともに説明を行ったが、上記の実施の形態及び参考形態において、Ｓｉ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、アセチレンを用いることができる。
【００３１】
また、上記実施の形態及び参考形態では、ｎｐｎ型ＳｉＧｅ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。
【００３２】
さらに、上記の図１に示した実施の形態の参考形態におけるバイポーラトランジスタによれば、不純物拡散抑制層には、Ｐ等の不純物が一切混入されていないため、不純物拡散を最も抑制することができる。
【００３３】
次に以下では上記の実施の形態及び参考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（Ｓｉ ｓｅｌｆ−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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に上記実施の形態及び参考形態の素子構造、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。
【００３６】
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。
【００３７】
【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の参考形態におけるバイポーラトランジスタの構造を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるバイポーラトランジスタの構造を示す断面図
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板
２ Ｓｉコレクタ層
３ ＣドープＳｉ層（不純物拡散抑制層）
４ ＳｉＧｅベース層
５ ＣドープＳｉ層（不純物拡散抑制層）
６ Ｓｉエミッタ層
７ Ｓｉ基板
８ Ｓｉコレクタ層
９ ＣドープＳｉコレクタ層（不純物拡散抑制層）
１０ ＳｉＧｅベース層
１１ ＣドープＳｉエミッタ層（不純物拡散抑制層）
１２ Ｓｉエミッタ層
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタは、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事がある。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。さらに、この様な方法でトランジスタを作製した場合、オートドーピングと呼ばれる現象が問題となる。オートドーピングとは、比較的高濃度にドーピングされた下地の半導体層の上にエピタキシャル層を形成する時に、基板の加熱によって下地の半導体層中の不純物が一旦雰囲気ガス中に飛び出し、再び成長中の層に取り込まれるという現象をさす。ベースのｐ型不純物として最もよく用いられるホウ素（Ｂ）の場合、上記の熱拡散やオートドーピングを起こし易いことが知られおり、高性能トランジスタを製造するためには、上記の原因による不純物プロファイルのくずれを抑制することが不可欠である。
【０００４】
そこで従来では、主として以下のような方法によって不純物プロファイルのくずれの抑制を図ろうとする試みが考えられている。
【０００５】
第１番目は、熱処理によって拡散しにくい、つまり拡散係数の小さい元素を不純物として選ぶ方法である。
【０００６】
第２番目は、エピタキシャル成長時の不純物原子の拡散を最小限におさえるために、できるだけ低温でエピタキシャル成長を行う方法である。
【０００７】
第３番目は、もっと積極的に不純物の拡散を抑制するために、電気的に不活性で拡散抑制効果のある窒素（Ｎ）原子をｐ型半導体層（主にはＢがドーピングされている）ベース領域全域にドーピングする方法である（特開平８−７８６７４号公報）。
【０００８】
第４番目は、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ＢとともにＣをドーピングすることでＢ原子の拡散を抑制する方法である（Ｌ．Ｄ．Ｌａｎｚａｒｏｔｔｉ ｅｔ ａｌ， Ｔｅｃｈ． Ｄｉｇ． Ｉｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔ．， ２４９ （１９９６））。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の第１番目の方法の場合、バイポーラトランジスタの製造に使用できる不純物は限られており、特に、ｐ型不純物としては、拡散係数の比較的大きなＢを使用せざるを得ない状況にある。また、上記の第２番目の方法だけでは、充分に不純物拡散を抑制する事は不可能であり、低温のエピタキシャル成長では半導体層の成長に時間がかかってしまう。さらに、上記の第３番目の方法では、Ｎを効率的にドーピングする方法はイオン注入しかなく、この方法では限られた領域にコントロールしてドーピングするのが難しく、Ｎ濃度も高いため注入によるダメージも大きくなってしまい、高性能デバイスを作製するのが困難である。また、上記の第４番目の方法では、ＣやＮ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。
【００１０】
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
る事は非常に困難である。そこで本発明は、不純物拡散を抑制しつつ、しかもイオン注入に基づくダメージの発生などによりデバイス特性が劣化しないバイポーラトランジスタを提供することを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明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バイポーラトランジスタのベース層を、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で挟む構成となっており、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。
【００１２】
本発明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−ス層と、第１の伝導型を有するエミッタ層とを有し、前記エミッタ層及び前記コレクタ層内部の前記ベ−ス層と接する側の領域の一部のみに、ベース層を構成する元素とは異なる第１の不純物として電気的に不活性な炭素がドーピングされベース層内の電気的に活性な第２の伝導型不純物の拡散を抑制する層を有するバイポ−ラトランジスタであって、格子位置にある前記第１の不純物と格子間位置にあるベース層を主に構成する原子との位置交換により、格子間位置にあるベース層を主に構成する原子の数を減少せしめて、前記第２の伝導型不純物がベース層からコレクタ層及びエミッタ層へ拡散することを抑制するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態におけるバイポーラトランジスタについて図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態の参考形態）
まず図１に本発明の実施の形態の参考形態における半導体装置（ｎｐｎ型ＳｉＧｅヘテロバイポーラトランジスタ）の主要部の構造を示す断面図を示す。なお、上記のように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。
【００１５】
次に以下では本実施の形態の参考形態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。
【００１６】
まず、エピタキシャル成長を行うＳｉ基板１の前処理について説明する。Ｓｉ基板１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、ウエハー上の付着物を除去する。さらに、フッ酸溶液を用いてＳｉ基板１表面の自然酸化膜を取り去る。
【００１７】
以上の様にして前処理したＳｉ基板１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１表面を露出させる。
【００１８】
次にＳｉ基板１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。
【００１９】
まず最初に、Ｓｉ基板１の上にＳｉコレクタ層２を数百ｎｍ程度の厚さで成長させる。このときコレクタ層には５×１０16／ｃｍ3程度のｎ型不純物であるリン（Ｐ）をドーピングする。このため、原料ガスとしては、Ｓｉの原料となるジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）ガスと、不純物の原料となるホスフィン（ＰＨ3）ガスを同時に装置内に導入し、コレクタ層２の成長が終わった段階で、原料ガスの導入をやめる。なお、不純物であるＰの濃度は、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＰＨ3ガスの装置内での分圧を変えることに制御可能である。上述のようにしてＳｉコレクタ層２を形成した後、Ｓｉ2Ｈ6ガスと、Ｃの原料であるメチルシラン（ＳｉＨ3ＣＨ3）を装置内に導入し、不純物拡散抑制のためのＣをドーピングしたＳｉ層３（不純物拡散抑制層）を、２０ｎｍないし３０ｎｍ程度エピタキシャル成長させる。このエピタキシャル層３中でのＣの濃度は、１×１０19／ｃｍ3程度になるように、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＳｉＨ3ＣＨ3ガスの分圧を調整する。このようなＣの濃度にした理由は下記の通りである。すなわち、Ｃの濃度が１×１０18／ｃｍ3を下回ると、不純物（この場合はＰ）の拡散を十分に抑制する効果が少なくなってしまい、逆にＣの濃度が１×１０20／ｃｍ3を上回ると、Ｃの導入に基づいて不純物拡散抑制層自体をエピタキシャル成長させる時に欠陥が発生してしまい、結晶性の良好な層をエピタキシャル成長できないからである。
【００２０】
この後、エピタキシャル成長されたＣドープＳｉ層３の上に、ベース層４を形成する。ベース層は、Ｇｅが１０％から３０％程度含まれているＳｉＧｅ混晶からなっており、ｐ型不純物のＢが５×１０18／ｃｍ3程度ドーピングされている。ベース層４形成時には、原料ガスとして、Ｓｉ2Ｈ6、モノゲルマン（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４の上に、エピタキシャル成長されたＣドープＳｉ層３と同様の方法でＣがドーピングされたＳｉ層５を形成する。最後に、エピタキシャル成長されたＣドープＳｉ層５の上に、５×１０17／ｃｍ3程度の濃度のＰをドーピングしたＳｉエミッタ層６を形成する。原料ガスは、Ｓｉコレクタ層の成長時に用いた物と同様のＳｉ2Ｈ6とＰＨ3ガスである。
【００２１】
以上のようにして形成された本実施の形態の参考形態におけるバイポーラトランジスタによれば、ベース中のＢが、コレクタやエミッタ層に拡散するのを抑制できるだけでなく、コレクタ及びエミッタ層中にドーピングされているＰ原子がベースへ拡散するのを抑制するような効果が期待できる。また、エミッタ層をエピタキシャル成長させている間のＢ原子のオートドーピングも同時に抑制することができる。
【００２２】
なお、上記参考形態では、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、拡散抑制のための半導体層３及び５があるため、不純物原子の拡散は抑制できる。
【００２３】
また、上記の例では、ベース層４を形成する際にＳｉ2Ｈ6、ＧｅＨ4及びＢ2Ｈ6を原料ガスとして用いたが、このベース層形成の初期と終期に上記の原料ガスに更にＳｉＨ3ＣＨ3を加えてやれば、ベース層のコレクタ層及びエミッタ層と接する領域の一部を不純物拡散抑制領域として用いることも可能であり、この場合には上記のＣドープＳｉ層３及び５を形成しなくてもよいことになる。
【００２４】
（実施の形態１）
次に図２に本発明の実施の形態１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構造を示す断面図を示す。本実施の形態が上記の実施の形態の参考形態と異なるのは、拡散抑制のためのＣがドープされたＳｉ層が、それぞれコレクタ、エミッタ内部に形成されている点である。
【００２５】
次に以下では本実施の形態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。
【００２６】
まず、上記の実施の形態の参考形態と同様の手順でＳｉ基板７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。本実施の形態においても、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１×１０-2Ｔｏｒｒとする。
【００２７】
まず、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＰＨ3ガスを装置内に導入し、Ｐだけが５×１０16／ｃｍ3程度ドーピングされたＳｉコレクタ層８を形成する。次にコレクタ層８の成長終了前に、Ｓｉ2Ｈ6ガスとＰＨ3ガスに加えて、ＳｉＨ3ＣＨ3ガスを導入し、ＣとＰがドーピングされたＳｉ層９を２０ｎｍないし３０ｎｍ程度形成する。この時も上記の実施の形態の参考形態の際と同様な理由により、Ｃ原子の濃度は１×１０19／ｃｍ3程度になるように、ＳｉＨ3ＣＨ3ガスの圧力を調整する。以上の工程により、コレクタ層内部のベース領域と接する側に不純物拡散抑制領域が形成されたことになる。
【００２８】
この上にベース層１０として、Ｂを５×１０18／ｃｍ3程度ドーピングされたＳｉＧｅ混晶（Ｇｅが１０％から３０％程度含まれている）をエピタキシャル成長させる。次に装置内に、Ｓｉ2Ｈ6、ＰＨ3、ＳｉＨ3ＣＨ3を入れ、ＣとＰがドーピングされたＳｉエミッタ層１１を成長させる。この時、Ｃ濃度は１×１０19／ｃｍ3、Ｐの濃度は５×１０17／ｃｍ3になるように各原料ガスの分圧を設定しておく。エピタキシャル層１１が２０ｎｍないし３０ｎｍ程度成長したところで、ＳｉＨ3ＣＨ3ガスの装置への導入を取りやめ、Ｐだけが５×１０17／ｃｍ3程度ドーピングされたＳｉエミッタ層１２を形成する。以上の工程により、エミッタ層内部のベース領域と接する側に不純物拡散抑制領域が形成されたことになる。
【００２９】
以上のようにして形成された本実施の形態１及び参考形態におけるバイポーラトランジスタによれば、ベース中のＢが、コレクタやエミッタ層に拡散するのを抑制できるだけでなく、コレクタ及びエミッタ層中にドーピングされているＰ原子がベースへ拡散するのを抑制するような効果が期待できる。また、エミッタ層とベース層中に拡散抑制層５もしくは１１が形成されているため、エミッタ層をエピタキシャル成長させている間のＢ原子のオートドーピングも同時に抑制できる。
【００３０】
以上本発明の実施の形態及び参考形態について図面とともに説明を行ったが、上記の実施の形態及び参考形態において、Ｓｉ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、アセチレンを用いることができる。
【００３１】
また、上記実施の形態及び参考形態では、ｎｐｎ型ＳｉＧｅ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。
【００３２】
さらに、上記の図１に示した実施の形態の参考形態におけるバイポーラトランジスタによれば、不純物拡散抑制層には、Ｐ等の不純物が一切混入されていないため、不純物拡散を最も抑制することができる。
【００３３】
次に以下では上記の実施の形態及び参考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（Ｓｉ ｓｅｌｆ−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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に上記実施の形態及び参考形態の素子構造、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。
【００３６】
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。
【００３７】
【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の参考形態におけるバイポーラトランジスタの構造を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるバイポーラトランジスタの構造を示す断面図
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板
２ Ｓｉコレクタ層
３ ＣドープＳｉ層（不純物拡散抑制層）
４ ＳｉＧｅベース層
５ ＣドープＳｉ層（不純物拡散抑制層）
６ Ｓｉエミッタ層
７ Ｓｉ基板
８ Ｓｉコレクタ層
９ ＣドープＳｉコレクタ層（不純物拡散抑制層）
１０ ＳｉＧｅベース層
１１ ＣドープＳｉエミッタ層（不純物拡散抑制層）
１２ Ｓｉエミッタ層
Claims (2)
- 第１の伝導型を有するコレクタ層と、第２の伝導型を有しシリコンを含む半導体からなるベ−ス層と、第１の伝導型を有するエミッタ層とを有し、前記エミッタ層及び前記コレクタ層内部の前記ベ−ス層と接する側の領域の一部のみに、ベース層を構成する元素とは異なる第１の不純物として電気的に不活性な炭素がドーピングされベース層内の電気的に活性な第２の伝導型不純物としてのボロンの拡散を抑制する層を有するバイポ−ラトランジスタであって、
格子位置にある前記第１の不純物と格子間位置にあるベース層を主に構成する原子との位置交換により、格子間位置にあるベース層を主に構成する原子の数を減少せしめて、前記第２の伝導型不純物がベース層からコレクタ層及びエミッタ層へ拡散することを抑制するバイポーラトランジスタ。 - 前記電気的に不活性な元素である炭素が1×1020個/cm3を超えない濃度でドーピングされていることを特徴とする請求項１記載のバイポーラトランジスタ。
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