JP4150076B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
− 絶縁材料の第1層と、非単結晶シリコンの第1層と、絶縁材料の第2層とをこの順序でシリコンウェファの表面上に設け、
− 急峻な壁面を有する窓を絶縁材料の第2層と、非単結晶シリコンの第1層とを通してエッチング形成して、絶縁材料の第1層を露出させ、
− 窓の壁面に保護層を設け、
− 窓内と、この窓に隣接する非単結晶シリコンの第1層の縁部の下側とで第1絶縁層を選択的にエッチング除去して、非単結晶シリコンの第1層の縁部自体とシリコンウェファの表面との双方を前記窓内と前記縁部の下側とで露出させ、
− 半導体材料を選択的に堆積させて、エピタキシャル半導体領域をシリコンウェファの露出表面上に形成するとともにこのエピタキシャル半導体領域に接続された多結晶半導体材料の縁部を非単結晶シリコンの第1層の露出縁部上に形成し、
− 前記窓の壁面上の前記保護層上に絶縁用のスペーサ層を設け、
− 非単結晶シリコンの第2層を堆積し、
これによりエピタキシャル半導体領域を有する半導体装置を製造する方法に関するものである。
この場合、半導体装置はバイポーラトランジスタとし、エピタキシャル半導体領域がこのトランジスタのベースを構成するようにすることができる。この場合、トランジスタのエミッタは非単結晶シリコンの第2層からの拡散により形成される。ベースにはシリコンの第1非単結晶層を介して接点が形成され、エミッタはシリコンの第2非単結晶層を介して接点が形成される。半導体装置はMOSトランジスタとすることもできる。この場合、MOSトランジスタはエピタキシャル半導体領域内に形成される。この場合、ゲート酸化物層は、非単結晶のシリコンの第2層を堆積する前にエピタキシャル領域上に形成される。ソース及びドレイン領域をエピタキシャル領域内に拡散する導体のパターンは、絶縁材料の第2層を堆積する前に非単結晶シリコンの第1層内に形成される。ソース及びドレインには非単結晶シリコンの第1層内に形成された導体を以って接点が形成される。この場合、非単結晶シリコンの第2層がMOSトランジスタのゲート電極を構成する。
バイポーラトランジスタの製造及びMOSトランジスタの製造の双方にとって特に重要なことは、選択堆積中に、窓の縁部上に設けられた保護層上に半導体材料を堆積してはならないということである。ここに半導体材料の層が堆積されると、場合によってエミッタからベースに或いはソースからドレインに短絡を生ぜしめてしまう。
欧州特許出願公開第EP−A−0535350号明細書には、絶縁材料の第1層がシリコン酸化物を有し、絶縁材料の第2層がシリコン窒化物を有し、窓の壁面上に設けられる保護層がシリコン窒化物を有する、頭書に記載した種類の方法が開示されている。半導体材料としてはSi1-xGexが選択的に堆積され、xは0.2よりも大きく0.4よりも小さい。
実際には、反応室内で半導体材料の選択堆積中に1個又は複数個のシリコンウェファ上に混合ガスを流している間これらシリコンウェファを加熱する。堆積処理は、層をありのままの試験用のシリコンウェファ上に堆積することにより得られた試験データにより監視される。堆積中、この試験用のシリコンウェファの全表面上に半導体材料の層が被覆される。しかし、この方法を実行すると、反応室内に配置されたウェファの全表面上には堆積中に半導体材料が被覆されず、半導体材料はウェファ上に存在する窓内で露出されたシリコン上のみを被覆するも、窓の壁面上の保護層上や絶縁材料の第2層上を被覆しない。堆積処理は、比較的小さな窓内では、全表面上に半導体材料が被覆された試験用のウェファ上と完全に異なるように進行する。従って、試験用のウェファから得られた試験データは窓内の堆積を表わすものではない。更に、処理が比較的小さな窓内でいかに進行するかを直接測定することができない為、エピタキシャル半導体領域の形成中に選択堆積処理を監視することが極めて困難となる。
本発明の目的は特に、エピタキシャル半導体領域の形成中の選択堆積処理を簡単に監視しうるように、頭書に記載の方法を改善することにある。
この目的のために、本発明方法においては、半導体材料の選択堆積の前に、半導体装置のトランジスタ領域において絶縁材料の第2層上に頂部層を設け、この頂部層はその上に非単結晶半導体材料が半導体材料の選択堆積中に成長する材料を以って構成することを特徴とする。
本発明によれば、ウェファ上に存在する窓内で露出されたシリコンのみならず、反応室内に存在するウェファ上の絶縁材料の第2層上に設けられた頂部層にも半導体材料が被覆される。半導体材料が設けられないのは、保護層が被覆された窓の壁面のみである。このことは、ウェファが殆ど完全に半導体材料で被覆されるということを意味する。この場合、試験用のウェファから得られる試験データにより堆積を実際に監視しうるということを現に確かめた。単結晶層は試験用のウェファ上に迅速に且つ窓内で露出されたシリコン上と同じ厚さに堆積されるということも確かめた。更に、驚いたことに、頂部層上に堆積する材料は単結晶でなく非単結晶であるも、窓内の単結晶の成長の監視は可成り改善されるということを確かめた。
非単結晶シリコンの頂部層を絶縁材料の第2層上に設けるのが好ましい。次に、半導体材料の堆積中この頂部層上に非単結晶半導体材料の層を堆積する。次に、エピタキシャル半導体領域を形成した後で、絶縁用のスペーサ層を窓の壁面上に設けた後に、非単結晶シリコンの第2層を堆積する。バイポーラトランジスタの場合、この非単結晶シリコンの第2層にエミッタ領域に対する接続導体を形成し、MOSトランジスタの場合この非単結晶シリコンの第2層にゲート電極を形成する。この場合、接続導体又はゲート電極を形成するために非単結晶シリコンの頂部層と、この頂部層上に堆積された非単結晶半導体材料の層と、非単結晶シリコンの第2層とに同じパターンを簡単にエッチング形成しうる。このパターンは、半導体材料をシリコン又はSi1-xGex(0.1<x<0.4)とした場合に、全く同一のプラズマでエッチング形成しうる。
頂部層が窓のエッチング形成前に絶縁材料の第2層上に既に設けられており、この窓をこの頂部層をも通してエッチング形成するようにすれば、この頂部層を絶縁材料の第2層上に簡単に形成しうる。
以下、本発明を図面を参照して実施例につき詳細に説明する。
図1〜6に示す、エピタキシャルベースを有するバイポーラトランジスタの製造は、n+型埋込み層2とエピタキシャル形成されたn型層3とを有するシリコンウェファ1であって、n型層3内に通常のようにして、例えばシリコンの局部酸化によりフィールド酸化物4を形成したものから開始する。2つの領域5及び6はフィールド酸化物4により囲まれている。トランジスタは領域5内に形成し、埋込み層2には領域6内で接点を形成する。領域5内のエピタキシャル層3はトランジスタのコレクタ領域を形成する。
このシリコンウェファ1の表面7上に絶縁材料の第1層8と、非単結晶シリコンの第1層9と、絶縁材料の第2層10とをこの順序で設ける。この場合、絶縁材料の第1層8は約150nmの厚さのシリコン酸化物層であり、非単結晶シリコンの第1層9は約300nmの厚さの多結晶シリコンのp+型層であり、絶縁材料の第2層10は約150nmの厚さのシリコン窒化物の層である。絶縁材料の第2層10上には以下に更に説明するように多結晶シリコンの頂部層11を設ける。
層10及び11を設ける前に、非単結晶シリコン層9をあるパターンにエッチングする。非単結晶シリコンの層9は領域5の上方に存在するも、領域6の上方には存在させない。頂部層11上にはエッチングマスク12を通常のようにして形成し、このエッチングマスクには、エピタキシャルベースを領域5内に形成する個所で窓13をあけるとともに、埋込み層2に領域6内で接点を形成する個所で窓14をあける。エッチングマスク12はホトレジストマスクとすることができるも、例えばシリコン酸化物の硬質マスクとすることもできる。
領域5の個所では通常の異方性プラズマエッチング処理により、頂部層11、絶縁材料の第2層10及び非単結晶シリコンの第1層9を経て、急峻壁面16を有する窓15をエッチング形成する。領域6の個所では、頂部層11、絶縁材料の第2層10、絶縁材料の第1層8及びエピタキシャル層3を経て、同じく急峻な壁面18を有する窓17をエッチング形成する。次に、窓15の壁面16に保護層19を設け、窓17の壁面18にも保護層20を設ける。本例では、この目的のために、約50nmの厚さのシリコン窒化物の層を堆積し、次に、この層が壁面16及び18を除いて再び除去されるまでこの層に異方性プラズマエッチング処理を行なう。
これに続く通常の等方性エッチング処理で、窓15内とこの窓に隣接する非単結晶シリコンの第1層9の縁部21の下側とで絶縁材料の第1層8を選択的にエッチング除去し、これにより非単結晶シリコンの第1層9の縁部21自体と、窓15内及び縁部21の下側にあるウェファの表面7とを露出させる。
次に、925℃の温度での純粋水素の雰囲気中で清浄処理を行なった後、20リットルの水素と、20ccのジクロルシランと、7ccの塩酸とを有する混合ガスを、約20トルの圧力で200℃に加熱したウェファ上に通すことにより、半導体材料を選択的に堆積する。このようにしてシリコンを選択的に堆積する。上述した混合ガスに0.2ccのゲルマニウムを追加すると、x=0.1としたSi1-xGexが選択的に堆積される。窓15内でウェファ1の露出表面7上にエピタキシャルベース領域23を形成し、非単結晶シリコンの第1層の露出縁部21の上に、エピタキシャルベース領域23に接続された多結晶半導体材料の縁部24を形成する。これと同時に多結晶シリコンの頂部層上には半導体材料の多結晶層25が堆積する。窓17内に堆積された半導体材料は除去する。半導体材料の堆積は選択的に進行する為、窓15及び17の保護層19及び20上には半導体材料が堆積されない。
窓15及び17の壁面16及び18上の保護層19及び20上に絶縁用スペーサ層26及び27を設ける。本例では、この目的のために、約100nmの厚さのシリコン酸化物層を堆積し、次にこの層にスペーサ層26及び27が残存するまで異方性プラズマエッチング処理を行なう。最後に非単結晶シリコンの第2層28、本例ではn+型多結晶シリコンの層を堆積する。非単結晶シリコンの第1層9からの拡散によりベース接点領域29を形成し、非単結晶シリコンの第2層28からの拡散によりエミッタ領域30を形成する。最後に、層28、層25及び層11に導体31及び32をエッチング形成する。導体31はエミッタ領域30に接触し、導体32は埋込み層に接触し、従ってトランジスタのコレクタ領域に対する接点を形成する。層9は領域24及び29を経てベース領域23に対する接点を形成する。
図7〜9に示す、エピタキシャルゲート領域を有するMOSトランジスタの製造は、フィールド酸化物4が通常のようにして、例えばシリコンの局部酸化により形成されたシリコンウェファ1を以って開始する。MOSトランジスタを形成する方形領域35がこのフィールド酸化物4により囲まれている。図1〜6に対応する図7〜9の部分には図1〜6と同じ符号を付している。
この場合も、絶縁材料の第1層8と、非単結晶シリコンの第1層9と、絶縁材料の第2層10とをこの順序でシリコンウェファ1の表面7上に設ける。この場合、絶縁材料の第1層8は約50nmの厚さのシリコン酸化物の層とし、非単結晶シリコンの第1層9は約100nmの厚さのn+型多結晶シリコンの層とし、絶縁材料の第2層10は約50nmの厚さのシリコン窒化物の層とする。絶縁材料の第2層10上には、以下に更に説明する多結晶シリコンの頂部層11を設ける。
層10及び11を設ける前に非単結晶シリコンの層9をあるパターンにエッチングする。MOSトランジスタの場合、この層9に2つの導体細条36及び37をエッチング形成する。図面の平面に対し垂直な方向で、本例の領域35は1.2μmの幅を有し、各導体細条36,37は1μmの幅を有する。他の層8,10,11はウェファ1の全表面7を被覆する。
領域35の個所において、通常の異方性プラズマエッチング処理により頂部層11、絶縁材料の第2層10及び非単結晶シリコンの第1層9を経て、急峻な壁面39を有する窓38をエッチング形成する。次に、前の実施例におけるようにシリコン窒化物より成る約200nmの厚さの保護層40を壁面39に設ける。
これに続く通常の等方性エッチング処理で、窓38内とこの窓に隣接する非単結晶シリコンの第1層9の縁部41の下側とで絶縁材料の第1層8を選択的にエッチング除去し、これにより非単結晶シリコンの第1層9の縁部41自体と、窓38内及び縁部41の下側にあるウェファの表面7とを露出させる。
次に、前の実施例におけるように、半導体材料を選択的に堆積する。これにより窓38内でウェファ1の露出表面7上にエピタキシャルゲート42を形成し、非単結晶シリコンの第1層9の露出縁部41上に、エピタキシャルゲート領域42に接続された多結晶半導体材料の縁部43を形成する。多結晶シリコンの頂部層上には半導体材料の多結晶層44が堆積する。保護層40上には半導体材料が堆積されない。その理由は、半導体材料の堆積は選択的に進行する為である。
保護層40上には前の実施例におけるように、シリコン酸化物より成る約200nmの厚さの絶縁用スペーサ層45を設ける。次に、エピタキシャルゲート領域42に通常のように酸化によってゲート酸化物層46を設ける。最後に、非単結晶シリコンの第2層47、本例の場合n+型の多結晶シリコンの層を堆積する。非単結晶シリコンの第1層9からの拡散によりソース接続領域48及びドレイン接続領域49を形成する。最後に、層47、層44及び層11にエッチングを行なってゲート電極50を形成する。導体36は領域43を介するソース接続領域48に対する接点を構成し、導体37は領域43を介するドレイン接続領域49に対する接点を構成する。
上述した実施例では、半導体材料の選択堆積中に非単結晶半導体材料が上に成長される材料の層11が、エピタキシャルベース領域23及びエピタキシャルゲート領域42を形成する半導体材料の選択堆積前に絶縁材料の第2層10上に設けられている。
半導体材料の選択堆積中、反応室内で多数のシリコンウェファ上に混合ガスを流してこれらシリコンウェファを加熱する。この際、この反応室内には、ありのままの試験用のシリコンウェファをも配置する。この試験用のシリコンウェファの全表面に堆積中半導体材料の層が被覆される。このシリコンウェファ上への半導体材料の堆積中に測定されるデータを用いて堆積処理を監視することができる。
上述した実施例では、ウェファ上に存在する窓15,17,38内で露出されたシリコンのみならず、反応室内に存在するウェファ上の絶縁材料の第2層10上に設けた頂部層11にも半導体材料が被覆される。半導体材料が堆積されないのは保護層19,20,40が被覆された窓15,17,38の壁面16,18,39のみである。このことは、実際上ウェファが完全に半導体材料で被覆されるということを意味する。この場合、試験用のシリコンウェファから得られるデータによって堆積を満足に監視することができるということを実際に確かめた。試験用のシリコンウェファ上には単結晶層が迅速に且つ窓内で露出されたシリコン上と同じ厚さに堆積されるということを確かめた。
反応室内に配置した他のウェファに頂部層11がないと、これらウェファの全表面には堆積中に半導体材料が被覆されず、ウェファ上に存在する窓15,17,38内で露出されたシリコン上にのみ半導体材料が被覆される。しかし、堆積処理は比較的小さな窓内では、全表面に半導体材料が被覆された試験用のシリコンウェファに比べて完全に異なって進行する。従って、試験用のシリコンウェファから得られる試験データは前記の他のウェファ上の窓内の堆積を表すものではない。更に、比較的小さな窓内で処理がいかに進行するかを直接測定することができない為、エピタキシャル半導体領域の形成中に選択堆積処理を監視するのは極めて困難である。驚いたことに、頂部層11上に堆積する材料は単結晶でなく非単結晶であるも、窓内の単結晶の成長の監視は可成り改善されるということを確かめた。
非単結晶シリコンの頂部層11は絶縁材料の第2層10上に設けるのが好ましい。この頂部層上には半導体材料の堆積中に非単結晶半導体材料の層25,44が堆積される。エピタキシャル半導体領域23,42の形成後で、絶縁用スペーサ層26,45を窓15,17,38の壁面上に設けた後、非単結晶シリコンの第2層28,47が堆積される。この非単結晶シリコンの第2層において、バイポーラトランジスタの製造中エミッタ領域30に対する接続導体31が形成され、一方、MOSトランジスタの製造中ゲート電極50が形成される。この場合、接続導体31又はゲート電極50を形成するために、非単結晶シリコンの頂部層11内と、この頂部層上に堆積された非単結晶半導体材料の層25,44内と、非単結晶シリコンの第2層28,47内とに同じパターンを簡単にエッチング形成しうる。このパターンは、半導体材料をシリコン又はSi1-xGex(0.1<x<0.4)とした場合には、塩素を含む全く同一のプラズマでエッチング形成しうる。
上述した実施例における頂部層11は、この頂部層11を窓15,17,38のエッチング前に既に絶縁材料の第2層10上に設けるとともに、窓15,17,38もこの頂部層11を介してエッチング形成する為に、絶縁材料の第2層10上に簡単に形成しうる。
【図面の簡単な説明】
図1〜6は、本発明方法により製造したエピタキシャルベースを有するバイポーラトランジスタの幾つかの製造工程を線図的に断面図で示し、
図7〜9は、本発明方法により製造した、エピタキシャルチャネル領域を有するMOSトランジスタの幾つかの製造工程を線図的に断面図で示す。
Claims (3)
- − 絶縁材料の第1層と、非単結晶シリコンの第1層と、絶縁材料の第2層とをこの順序でシリコンウェファの表面上に設け、
− 急峻な壁面を有する窓を絶縁材料の第2層と、非単結晶シリコンの第1層とを通してエッチング形成して、絶縁材料の第1層を露出させ、
− 窓の壁面に保護層を設け、
− 窓内と、この窓に隣接する非単結晶シリコンの第1層の縁部の下側とで第1絶縁層を選択的にエッチング除去して、非単結晶シリコンの第1層の縁部自体とシリコンウェファの表面との双方を前記窓内と前記縁部の下側とで露出させ、
− 半導体材料を選択的に堆積させて、エピタキシャル半導体領域をシリコンウェファの露出表面上に形成するとともにこのエピタキシャル半導体領域に接続された多結晶半導体材料の縁部を非単結晶シリコンの第1層の露出縁部上に形成し、
− 前記窓の壁面上の前記保護層上に絶縁用のスペーサ層を設け、
− 非単結晶シリコンの第2層を堆積し、
これによりエピタキシャル半導体領域を有する半導体装置を製造するに当たり、
半導体材料の選択堆積の前に、半導体装置のトランジスタ領域において絶縁材料の第2層上に頂部層を設け、この頂部層はその上に非単結晶半導体材料が半導体材料の選択堆積中に成長する材料を以って構成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求の範囲1に記載の半導体装置の製造方法において、絶縁材料の第2層上に非単結晶シリコンの頂部層を設けることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求の範囲1又は2に記載の半導体装置の製造方法において、前記頂部層は窓のエッチング前に絶縁材料の第2層上に予め設け、窓はこの頂部層をも通してエッチング形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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