JPH05259075A - 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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JPH05259075A
JPH05259075A JP5327692A JP5327692A JPH05259075A JP H05259075 A JPH05259075 A JP H05259075A JP 5327692 A JP5327692 A JP 5327692A JP 5327692 A JP5327692 A JP 5327692A JP H05259075 A JPH05259075 A JP H05259075A
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JP
Japan
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substrate
manufacturing
semiconductor device
amorphous
oxide film
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JP5327692A
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English (en)
Inventor
Kenichi Shoji
健一 庄司
Akira Fukami
彰 深見
Sumio Kawakami
澄夫 河上
Takahiro Nagano
隆洋 長野
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】Si基板へGeをイオン注入し、その後の熱処
理により、結晶性の優れたSiGe層を製造する方法を提供
する。 【構成】シリコン(Si)を主体とする半導体材料から
成る基板にSiとは同じ周期律に属するIV族元素をイオ
ン注入してアモルファス層を形成し、さらに600℃以
下の温度で熱処理して再結晶化する半導体装置の製造方
法。

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
関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、イオン注入法により、Si基板
上にSiGe層を形成するには、まず、Si基板の表面
に薄い酸化膜を形成し、GeイオンをSi基板に注入し
て、非晶質SiGe層を形成する。次に、窒素雰囲気中
で熱処理することにより、非晶質SiGe層がSi基板
側から表面側に向って、再結晶化(固相成長)してSiGe層
が形成される。
【0003】上記SiGeの製造方法は、特開昭64-159
12号に記載されている。
【0004】図6はイオン注入によるSiGeの製造方
法の一例である。図6(a)において、n型Si基板31
上にSiO2 膜34を形成し、ホトリソグラフィを用い
てトランジスタ形成領域を開口し、SiO2 膜34をマ
スクにしてGeイオンを注入する。このとき、Geイオ
ンの注入条件は、エネルギ200keV,ドーズ量1×
1016cm~2 である。図6(b)において、バイポーラトラ
ンジスタのベース層形成のため硼素(ボロン:B)をイオ
ン注入する。図6(c)において、基板全面にパッド用の
SiO2 膜35を形成し、その上に窒化珪素(SiN)膜
36を堆積してパターンニングによりエミッタ領域にの
みSiN膜36を残す。次に、高圧酸化でSiO2膜3
7を形成する。図6(d)において、SiNを除去後、S
iO2 膜37をマスクにして砒素(As)をイオン注入
し、窒素雰囲気で1000℃,30分間熱処理して、ベ
ース領域p−SiGe層32とエミッタ領域n−Si層
33を形成する。最後に、各SiO2 層を開口し、電極
を形成する(図6(e))。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、G
eイオン注入後の最初の熱処理は1000℃,30分で
ある。この熱処理で固相成長したSiGe層には、基板
表面部と基板内部(EndOf Range、以下EORと略記)に
結晶欠陥が発生する。表面側の欠陥はSiとGeの格子
不整合によるものであり、EORの欠陥はイオン注入時
のダメージによるものである。このような結晶欠陥を含
んだSiGe層を用いてデバイスを作製すると、リーク
電流の増加、耐圧の低下等によりデバイスの電気特性が
劣化する。従って、Geイオン注入によるSiGe層の
形成において、結晶の無欠陥技術が必須である。
【0006】本発明の目的は、イオン注入とその後の熱
処理によりSiGe層を形成する際に、無欠陥の結晶を
実現する半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する半導
体装置の製造方法の特徴とするところは、Geイオンを
Si基板に注入してSi基板内に非晶質SiGe層を形
成し、その後、熱処理することにより当該非晶質SiG
e層を再結晶化することにある。
【0008】まず、その手法の中心となる条件は、固相
成長時の熱処理の温度を600℃以下の低温にすること
である。
【0009】次に、Geイオンを注入する際にSi基板
の温度を0℃以下とする。
【0010】さらに、Si基板の表面に酸化膜を形成せ
ずにGeイオンをSi基板に直接注入する。このときイ
オン注入される基板中の酸素濃度を1016cm~3以下とす
れば、より結晶性の優れたSiGeを得られる。
【0011】最後に、固相成長時の熱処理において、基
板表面に400℃未満の低温で酸化膜を予め堆積してお
く、または酸化膜を有さない、あるいは基板表面に予め
非晶質Siを堆積しておくとよい。
【0012】以上の製造方法を用いることにより、上記
課題である基板表面およびEORに発生する結晶欠陥が
抑制され、良好な結晶性を有するSiGe層を実現でき
る。
【0013】
【作用】本発明の半導体装置の製造方法において、固相
成長時の熱処理の温度を600℃以下の低温にすること
は、固相成長速度を低下させ、結晶欠陥の原因となる非
晶質層中の核成長を抑制する効果がある。また、低温で
熱処理することにより、非晶質層が充分に構造緩和して
から固相成長が開始するため、固相成長後のSiGeの結晶
性を改善する作用がある。
【0014】次に、基板を0℃以下の低温の状態でイオ
ン注入することは、Si基板の非晶質化を促進させ、非
晶質層とSi基板界面におけるGe濃度を低減させ、基
板に与えるイオン注入のダメージを減少させる作用があ
る。
【0015】また、Geイオンを直接Si基板に注入す
ることは、Geイオンにより不要な酸素がSi基板中に
注入されることを防止し、非晶質層中に含まれた酸素が
原因となって基板表面に結晶欠陥が誘発されることを抑
制する。さらに、基板内部の酸素濃度を低減すれば、S
iGe層内の結晶性も改善される。通常、チョクラルス
キー(CZ)法で作製した基板には、1017cm~3オーダ
の酸素が含有されているが、浮遊帯(FZ)法もしくはC
VD法(CVDの場合は薄膜)で作製した基板では基板中
の酸素濃度が1016cm~3以下と非常に少ないため、無欠
陥なSiGeの結晶を形成できる。
【0016】固相成長の熱処理において、再結晶後の表
面欠陥を低減するには、基板表面を以下のいずれかの方
法で前処理しておくことが必要である。
【0017】その一つは、基板表面に固相成長に影響し
ない温度すなわち400℃未満で酸化膜を予め被せる方
法である。これは、非晶質層の構造緩和に効果があり、
固相成長後のSiGeの結晶性改善に作用する。
【0018】他の方法は、基板表面に酸化膜を堆積せ
ず、非晶質SiGe層の表面が露出した状態で熱処理す
ることである。これは、基板表面で非晶質層が再結晶化
する際に、SiとGeの格子不整合による応力を緩和す
るのに大きく作用する。
【0019】さらに他の方法は、基板表面に非晶質Si
層を堆積しておくことである。これは、基板表面で非晶
質SiGe層が再結晶化する際に、SiとGeの格子不
整合による応力を緩和するように作用する。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
【0021】実施例1 図1は、本発明の製造方法の一実施例を示している。
【0022】(a)において、Si基板1にGeをイオン
注入する。このとき、基板の温度は液体窒素などの冷却
剤を用いて0℃以下にする。また、基板表面には酸化膜
等を被覆しない。
【0023】(b)において、イオン注入終了後、Si基
板にはSiとGeからなる非晶質層2が形成される。
【0024】(c)において、基板を窒素雰囲気中、60
0℃以下の低温で熱処理することにより、非晶質SiG
e層2が基板側から表面側に向って固相成長し、再結晶
化SiGe層3が形成される。
【0025】(d)において、非晶質SiGe層2が全部
再結晶化すると、単結晶SiGe層3がSi基板中に形
成される。このとき、基板を冷却してイオン注入した効
果により、Si基板1とSiGe層3の界面には、イオ
ン注入ダメージによる欠陥が残存しない。また、酸化膜
等を被膜せずイオン注入した効果により、SiGe層3
の表面部には欠陥が発生しにくい。
【0026】実施例2 図2は、図1の実施例の一変形例としての製造方法を示
している。
【0027】(a)において、予めSi基板上に化学的気
相成長(CVD)法によりSiエピタキシャル薄膜層4を
形成し、Geをイオン注入する。イオン注入の条件は前
記実施例の条件と同一である。その後、完全結晶化した
SiGe層3では、Si基板中に形成したときより、欠
陥の発生が少なくなる。これは、エピタキシャル層4中
の酸素濃度がSi基板1より低く、その結果、酸素の影
響によるSiGe層3内の欠陥の発生を著しく抑制する
ためである。
【0028】実施例3 図3は、本発明をバイポーラトランジスタの作製に応用
した一実施例である。
【0029】(a)において、1はSi基板、5はn+ 埋
込層、6はn型エピタキシャル層、7はフィールド酸化
膜、8はn+ 型コレクタ引出領域、9はp型ベース領
域、10は層間絶縁用およびGeイオン注入マスク用酸
化膜、11はp+ 型外部ベース引出領域である。Geを
イオン注入すると、酸化膜11の開口部にのみ非晶質S
iGe領域2が形成される。また、イオン注入するとき
の温度は0℃以下の低温とする。
【0030】(b)において、ウエハ表面に300℃以下
の低温で薄い酸化膜(p−SiO膜)12を形成する。そ
の後、窒素雰囲気中、600℃以下の低温で熱処理する
ことにより、単結晶SiGe領域3が形成される。酸化
膜12を表面に被覆することにより、熱処理中にGeが
基板表面から窒素雰囲気中に拡散することを防止する。
【0031】(c)において、前記酸化膜12を除去後、
多結晶シリコン13を表面に堆積し、砒素(As)をイオ
ン注入した後、所定の大きさに多結晶シリコン13を加
工する。
【0032】(d)において、層間絶縁膜14をウエハ全
面に堆積後、熱処理によってn+ 型のエミッタ領域15
が形成される。最後に、層間絶縁膜14の所定領域を開
口して、p+ 型外部ベース引出領域上にベース電極16
を、多結晶シリコン13上にエミッタ電極17を、さら
にp+ 型外部ベース引出領域11上にコレクタ電極18
を形成する。
【0033】実施例4 図4は、本発明をバイポーラトランジスタの作製に応用
した他の実施例である。
【0034】(b)において、非晶質SiGe領域2の表
面に酸化膜等を一切被覆せずに窒素雰囲気中、600℃
以下の低温で熱処理する。これは、基板表面で非晶質Si
Ge領域が再結晶化する際に、SiとGeの格子不整合に
よる応力(歪)を緩和して表面欠陥を低減する効果があ
る。
【0035】実施例5 図5は、本発明をバイポーラトランジスタの作製に応用
したさらに異なる実施例である。
【0036】(b)において、ウエハ全面に低温で非晶質
Si層19を堆積後、所定の大きさの非晶質Si層19
に加工する。
【0037】(c)において、600℃以下の低温で熱処
理することにより、単結晶SiGe領域3と多結晶シリ
コン13が形成される。非晶質SiGeの表面に非晶質
Si層19を被覆して熱処理することは、基板表面で非
晶質SiGe層が再結晶化する際に、SiとGeの格子
不整合による応力(歪)を多結晶シリコン13が吸収し
て、歪の緩和によって生じる表面欠陥を低減する効果が
ある。また、このとき、非晶質Si層19は熱処理によ
り多結晶シリコン13に変質する。
【0038】実施例6 Ge以外に炭素(C)を用いても同様な効果がある。
【0039】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので以下に記載されるような効果を奏する。
【0040】上記製造方法を用いて結晶性の良好なSi
Ge層を得られることにより、SiGeのSiよりもバンド
ギャップの狭い効果を充分に活用できる。
【0041】次に、このSiGe層を用いて界面準位の
少ない結晶性の良好なSi/SiGeヘテロ構造を容易に実
現できる。
【0042】さらに、SiGe層中のGe濃度を自由に
変えることができるので、バンドギャップの変調ができ
る。
【0043】また、上記バンドギャップの変調をバイポ
ーラトランジスタの主にベース層に用いて、高速なSi
/SiGeヘテロバイポーラトランジスタを作製でき
る。
【0044】さらに、上記Si/SiGeヘテロ構造を
MOS FETのチャネル層に適用することで、高速な
SiGeチャネル型MOS FETを作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の製造方法に関する概念図で
ある。
【図2】図1の実施例の変形例としての製造方法に関す
る概念図である。
【図3】本発明の応用例のバイポーラトランジスタの製
造工程図である。
【図4】本発明の他の応用例のバイポーラトランジスタ
の製造工程図である。
【図5】本発明のさらに異なる応用例のバイポーラトラ
ンジスタの製造工程図である。
【図6】公知例のバイポーラトランジスタの製造工程図
である。
【符号の説明】
1…Si基板、2…非晶質SiGe、3…単結晶SiG
e、4…Siエピタキシャル層、5…n+ 型埋込層、6
…n型エピタキシャル層、7…フィールド酸化膜、8…
n+ 型コレクタ引出領域、9…p型ベース領域、10…
Geイオン注入マスク用酸化膜、11…p+ 型外部ベー
ス引出領域、12…SiGe固相成長キャップ用酸化膜
(p−SiO)、13…多結晶シリコン、14…層間絶縁
膜、15…n+型エミッタ領域、16…ベース電極、1
7…エミッタ電極、18…コレクタ電極、19…非晶質
Si。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/331 29/73 (72)発明者 長野 隆洋 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン(Si)を主体とする半導体材料か
    ら成る基板にSiとは同じ周期律に属するIV族元素をイ
    オン注入してアモルファス層を形成し、さらに600℃
    以下の温度で熱処理して再結晶化することを特徴とする
    半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
    いて、イオン注入する際の基板温度を0℃以下の低温に
    することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
    いて、イオン注入される基板の表面に酸化膜を有さない
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
    いて、イオン注入される基板中の酸素濃度が1016cm~3
    以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
    いて、熱処理するときの基板の表面に400℃未満の低
    温で形成した酸化膜を有することを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
  6. 【請求項6】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
    いて、熱処理するときの基板の表面に酸化膜を有さない
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
    いて、熱処理するときの基板の表面に非晶質Siを有す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】基板中の酸素濃度が1016cm~3以下であ
    り、表面に酸化膜を有さないSi基板にゲルマニウム
    (Ge)を基板温度0℃以下の低温でイオン注入して非晶
    質シリコンゲルマニウム(SiGe)を形成し、その後、
    表面に酸化膜を被せ、600℃以下の温度で熱処理して
    再結晶化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】熱処理するときの基板の表面に酸化膜を有
    さないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】熱処理するときの基板の表面に非晶質S
    iを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
JP5327692A 1992-03-12 1992-03-12 半導体装置の製造方法 Pending JPH05259075A (ja)

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