JPH10242059A

JPH10242059A - 半導体膜形成方法

Info

Publication number: JPH10242059A
Application number: JP4805397A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Hashizume; 哲志橋詰
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＶＤ法等で、半導体膜形成時に同時に不純
物ドーピングを行って不純物含有半導体膜を形成する場
合に、ドーピングガスの供給制御性を向上して、より急
峻なドーパント濃度プロファイルを形成でき、素子の微
細化及び特性の向上を図ることをも可能とする半導体膜
形成方法を提供する。【解決手段】不純物ドーピング時にはＨ₂等の希釈ガ
スを供給することなくＳｉＨ₄等の原料ガスと、Ｂ₂Ｈ
₆やＰＨ₃等のドーピングガスとを反応容器内の被成膜
下地上に供給して下地上に不純物含有半導体膜を形成す
るなど、半導体膜形成時に同時に不純物ドーピングを行
って不純物含有半導体膜を形成する際に、混合する希釈
ガスを制御する構成とした半導体膜形成方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体膜形成方法
に関し、特に、半導体膜形成時に同時に不純物ドーピン
グを行って不純物含有半導体膜を形成する工程を有する
半導体膜形成方法に関するものである。本発明は、たと
えば、半導体装置の製造の際に、不純物含有半導体膜を
形成する場合に好適に利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】不純物をドーピングした不純物含有半導
体膜の形成は、従来より、たとえば各種の半導体デバイ
スの製造において、利用されている。

【０００３】半導体デバイスの製造技術においては、近
年のバイポーラトランジスタ、マイクロ波用素子などの
めざましい開発により、集積回路の小型化が著しく、そ
のため、素子の特性を大きく左右する上記不純物含有半
導体膜のドーパントのプロファイル（不純物分布）につ
いても、これをより微細にコントロールすることが要請
されている。

【０００４】そのコントロールの手法としては、拡散法
から、イオン注入法へと移行し、そのドーパントの電気
的活性化のための熱処理も、ランプ加熱のＲＴＡ（Ｒａ
ｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）などで短時間
に行うなどの工夫がなされている。

【０００５】さらには、制御性の良さから、エピタキシ
ャル成長によるドーパント濃度のプロファイルの制御が
行われている。これには、膜厚制御性の良いＭＢＥ（Ｍ
ｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法が適
しているが、その生産性の低さが問題となっている。

【０００６】一方、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐ
ｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、生産性に優れてい
るが、ＣＶＤ法では、所望の膜厚まで成膜後、ドーピン
グガスの供給を中止しても、成長装置内に残留するドー
ピングガスにより、所望のドーパント濃度プロファイル
からずれ、プロファイル形状がブロードになって、いわ
ゆるテールを引くことが問題になっている。半導体素子
の微細化に伴い、このようなテールが、集積回路等の半
導体装置の性能を直接左右するため、ドーピングを制御
性良く行いながら、エピタキシャル成長させる方法が必
要になっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の化学的気相成長法（ＣＶＤ法）において、半導体膜に
ドーピングを同時に行いながら成膜する際に、ドーパン
トガスを最適化しても、反応容器内に残留するドーパン
トガスにより、ドーパント濃度プロファイルがブロード
になってしまうという問題点があった。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、半導体膜形成時に同時に不純物ドーピングを行って
不純物含有半導体膜を形成する場合に、たとえばこれを
化学的気相成長によって行う場合も、ドーピングガスの
供給制御性を向上できて、より急峻なドーパント濃度プ
ロファイルを形成することができ、よって、素子の微細
化及び特性の向上を図ることをも可能とする半導体膜形
成方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体膜形
成方法は、半導体膜形成時に同時に不純物ドーピングを
行って不純物含有半導体膜を形成する工程を有する半導
体膜形成方法において、膜形成用の原料ガスと、不純物
ドーピング用のドーピングガスに混合する希釈ガスを制
御する構成としたことを特徴とするものである。

【００１０】この場合に、不純物ドーピング時には、希
釈ガスを供給することなく、膜構成元素を含むガスであ
る原料ガスと、不純物ドーピング用のドーピングガスと
を反応容器内の被成膜下地上に供給して化学的気相成長
法により前記下地上に不純物含有半導体膜を形成すると
ともに、不純物ドーピング終了時もしくはその直前に希
釈ガスを反応容器内部に供給する構成とすることができ
る。

【００１１】またこの場合に、異なる電導型の半導体膜
を連続して形成するとともに、下記ＡないしＤのステッ
プを含む構成とすることができる。Ａ．第１の電導型のドーピング時には、膜構成元素を含
むガスである原料ガスと、第１の電導型の不純物ドーピ
ング用のドーピングガスとを反応容器内の被成膜下地上
に供給して化学的気相成長法により該被成膜下地上に不
純物含有半導体膜を形成するステップ。Ｂ．第１の電導型の不純物ドーピング終了時もしくはそ
の直前に希釈ガスを反応容器内部に供給するステップ。Ｃ．反応容器内を希釈ガス雰囲気に保持するステップ。Ｄ．希釈ガスの供給を停止するとともに、膜構成元素を
含むガスである原料ガスと、第２の電導型の不純物ドー
ピング用のドーピングガスとを反応容器内の被成膜下地
上に供給して化学的気相成長法により該被成膜下地上に
第２の電導型の不純物含有半導体膜を形成するステッ
プ。

【００１２】またこの場合に、不純物ドーピング時に
は、希釈ガスを供給することなく、膜構成元素を含むガ
スである原料ガスと、不純物ドーピング用のドーピング
ガスとを反応容器内の被成膜下地上に供給して化学的気
相成長法により前記下地上に不純物含有半導体膜を形成
するとともに、不純物ドーピング終了時もしくはその直
前に希釈ガスを反応容器内部に供給し、かつ、ドーピン
グガスは反応容器に入ること無く排気できる構成とする
ことができる。

【００１３】本発明においては、原料ガス、あるいは不
純物ドーピング用のドーピングガスに着目してその制御
をするのではなく、希釈ガスに着目して、希釈ガスの制
御により、所望のドーパント濃度プロファイルを得るよ
うにする。前述したように、ドーピングガスによるプロ
ファイル制御であると、ドーピングガスの供給を中止し
ても、成長装置内に残留するドーピングガスにより、所
望のドーパント濃度プロファイルからずれてしまうので
あるが、本発明によれば、希釈ガスによる制御であるの
で、プロファイル制御は上記手法に比し、容易に確実に
行うことができる。たとえば、半導体膜をドーピングも
同時に行い半導体膜をエピタキシャル成長する際に、ド
ーピングガスを供給している時間にはキャリアガス等の
希釈ガスを導入せずに成膜し、ドーピングガスの供給を
中止した時点、もしくは直前から希釈ガスを導入する構
成にすれば、反応容器内の残留ドーピングガスを効率よ
く排出でき、これにより、テールを引かない急峻なドー
パント濃度プロファイルを得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態例につい
て、図面を参照して説明する。なお当然のことではある
が、本発明は以下述べる具体的実施の形態例により限定
を受けるものではない。

【００１５】実施の形態例１この実施の形態例は、ｎｐｎトランジスタにおいて、コ
レクターが基板側にあり、膜成長方向にベース層、エミ
ッタ層と配置されるトランジスタを形成する場合につい
て本発明を具体化したものであり、これを例にとって、
以下本発明を詳述する。図１は、本例における原料ガ
ス、不純物ドーパントガス及び希釈ガスである水素ガス
の供給シーケンスを示し、図２に、この実施の形態例で
使用したＣＶＤ装置の構成図を示す。

【００１６】本例においては、下地基板としてシリコン
基板を用い、この上にＳｉエピタキシャル層を形成し
た。Ｓｉエピタキシャル層の形成には、化学的気相成長
法（ＣＶＤ法）を用いた。まず、Ｓｉエピタキシャル層
を形成する前に、下地表面の清浄化及び酸化膜除去のた
め、洗浄処理を行う。下地としては具体的には、たとえ
ばアンチモンの高濃度埋め込み層が形成され、その上に
従来のシリコン単結晶成長技術により、低濃度ｎ型シリ
コン単結晶層を形成したシリコン基板（以下、単に基板
と称することもある）を用いた。

【００１７】基板の表面の有機物除去のために、所定の
温度まで加熱した硫酸−過酸化水素水で処理する。続い
て、基板に付着したパーティクル除去のために、アンモ
ニア−過酸化水素水で処理し、最後に金属汚染、酸化膜
除去のために希フッ酸で処理し、純水リンスを行った。

【００１８】次にこの洗浄された基板をＣＶＤ装置に搬
入した。以下本発明を適用して、上記基板の素子形成面
を表面を被成膜下地として、本発明に係る半導体膜の形
成を適用して、不純物含有シリコン系半導体膜を形成し
た。ここで用いるＣＶＤ装置においては、図２に示すよ
うに、反応容器１内に、ボート４（石英製ボート等）に
並置された複数のシリコン基板ウェーハが配置されてい
る。符号１９は反応容器１のバルブ、３３は排気路、５
２は排気ユニットである。このＣＶＤ装置は、図２に示
すように、膜形成用の原料ガスであるここではＳｉ原料
ガス供給源２１（本例ではＳｉＨ₄ガス供給源）とつな
がるガス供給路４１と、ｐ型ドーパントの供給路４３と
ｎ型ドーパントの供給路４４とを備える。ｐ型ドーパン
トの供給路４３は、不純物ドーピング用のドーピングガ
ス供給源２３であるここではＢ₂Ｈ₆ガス供給源とつな
がっている。ｎ型ドーパントの供給路４４は、不純物ド
ーピング用のドーピングガス供給源２４であるここでは
ＰＨ₃ガス供給源とつながっている。このように反応容
器１にドーパントを導入するドーパントの供給路３１に
は、ｐ型ドーパントの供給路４３及びｎ型ドーパントの
供給路４４が接続して、ドーパントガスが導入できるよ
うになっている。かつ、このドーパントの供給路３１に
は、希釈ガス供給路４２を介して希釈ガス供給源２２が
接続され、希釈ガスである本例では水素ガスが導入でき
るようになっている。

【００１９】Ｓｉ原料ガス供給路４１は、ドーパントの
供給路３１と独立にあってよいが、このＳｉ原料ガス供
給路４１はドーパントの供給路３１とつながっていても
よく、本例ではそのようになっている。

【００２０】また、各ガス供給路２１〜２４は、反応容
器１に導入される前にバルブ１１〜１８の切り替えによ
り、排気路３２を通って、直接排気できる構成になって
いる。符号５１はこの場合の排気ユニットである。これ
により、反応容器１内にガスを導入すること無く、所望
の流量を設定することができる。また、供給停止の際に
は配管内の残留ガスが反応容器１へ流入することを防
止、ないしは低減できる。

【００２１】このＣＶＤ装置内を、たとえば、１Ｅ−８
Ｐａまで排気する。その後、ＣＶＤ装置内の温度を、反
応容器１を外部から加熱するランプヒーター２により、
たとえば８００〜９００°Ｃ、約１０分程度、水素雰囲
気中での加熱処理を行い、基板のクリーニングを行っ
た。

【００２２】次に、基板温度を、たとえば７００〜７５
０°Ｃに下げ、加熱温度が一定になった後、基板上にＳ
ｉエピタキシャル層を形成する。本例では、次のように
して、Ｓｉエピタキシャル半導体層を形成した。

【００２３】まず、成膜装置のバルブを開いた後、シリ
コン含有のＩＶ族系水素化ガス（たとえばＨ₂希釈１％
シラン（ＳｉＨ₄）、以下、単にＳｉＨ₄と表記するこ
ともある）と、ドーパントガス（たとえばボロンをドー
プするためにＨ₂希釈１０ｐｐｍジボラン（Ｂ
₂Ｈ₆）、以下、単にＢ₂Ｈ₆と表記することもある）
を流す。このとき、塩素含有シリコンソースガス（たと
えばジクロルシラン（ＳｉＨ₂Cl₂）をシリコン原料ガ
スとしてもよい。

【００２４】従来技術にあっては、図３のガス供給シー
ケンスに示すように、水素（Ｈ₂）の供給は成膜中常に
ＯＮ状態として、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）を導
入しつつ、成膜するのが一般的であった。すなわち、ｐ
型不純物導入半導体膜形成（ｐ型シリコン膜成膜）のと
きは、キャリアガスとして機能する希釈ガスである水素
とともに、ソースガスであるＳｉＨ₄と、ドーパントガ
スであるＢ₂Ｈ₆を供給して、成膜を行う。ｎ型不純物
導入半導体膜形成（ｎ型シリコン膜成膜）のときは、や
はりキャリアガスとして機能する希釈ガスである水素の
供給を続け、これとともに、ソースガスであるＳｉＨ₄
と、ドーパントガスであるＰＨ₃を供給して、成膜を行
う。

【００２５】しかしこの手法では、流速の変化がほとん
ど無く、ドーパントガスであるＢ₂Ｈ₆の供給を停止し
ても、反応容器内には、ドーパントガスであるＢ₂Ｈ₆
がある一定時間は残留する。このため、残留ガスより、
ボロンがＳｉエピタキシャル層に取り込まれ、所望のド
ーパントプロファイルと比べて、プロファイルはブロー
ドになってしまう。

【００２６】本実施の形態例では、本発明の手法を使っ
て、図１にシーケンスを示すように、ガス供給を行っ
た。すなわち、ｐ型不純物導入半導体膜形成（ｐ型シリ
コン膜成膜）のときのドーパントガスであるＢ₂Ｈ₆の
導入時には、希釈ガスである水素（Ｈ₂）を供給せずに
成膜し、ドーパントガスであるＢ₂Ｈ₆の供給を中止し
たと同時、もしくはその直前から希釈ガスであるキャリ
アガスとして水素（Ｈ₂）を導入することにより、ドー
パントガスであるＢ₂Ｈ₆の排出が効率良く行えわれ、
より急峻なドーパント濃度プロファイルを形成すること
ができた。

【００２７】具体的には、本実施の形態例では、まずシ
リコンソースガスであるＳｉＨ₄ガス、及びドーパント
ガスであるＢ₂Ｈ₆ガスのみで、Ｓｉエピタキシャル層
を０．２μｍ程度形成した時点でＨ₂希釈ガスを導入
し、その直後に、シリコンソースガスであるＳｉＨ₄ガ
ス、及びドーパントガスであるＢ₂Ｈ₆ガスの供給を停
止した。

【００２８】上記のようにして、Ｓｉエピタキシャルベ
ース層を形成した後、一定の時間、水素雰囲気中でエピ
タキシャル層表面を保持した。なお、Ｓｉ表面は、常に
Ｈターミネートされた状態であり、Ｓｉ層のドーパント
濃度プロファイルに対してＨ２ガスは実質的に作用しな
い。

【００２９】次に、シリコンソースガスであるＳｉＨ₄
ガス、及びｎ型ドーパントとして、ホスフィン（Ｐ
Ｈ₃）を反応容器内に導入し、Ｈ₂希釈ガスを排気経路
へ流し、Ｈ₂ガスの供給を停止する。これにより、エミ
ッタとして用いるｎ層を形成する。

【００３０】再びＨ₂希釈ガスを供給し、その直後に、
シリコンソースガスであるＳｉＨ₄ガス、及びドーパン
トガスであるＰＨ₃ガスの供給を停止した。これによ
り、所望のプロファイルが制御性良く形成され、急峻な
ドーパント濃度プロファイルが得られた。この結果、素
子の微細化に有効であった。なお、エミッタ層は、たと
えばリンドープしたポリシリコン層を形成し、これをエ
ミッタ層として用いるのでもよい。

【００３１】この後、エミッタ層上に電極を形成する。
上記により、ｎｐｎトランジスタが完成する。

【００３２】なお、上記実施の形態例の説明では、ポリ
シリコン層、及び酸化膜、ベース、コレクタ電極の形成
の説明は省略してある。また、説明した例は、ｎｐｎト
ランジスタについてであるが、もちろんこれに限られる
ことはなく、たとえばｐｎｐトランジスタに適用するの
でもよい。また、上記例では、シリコン基板に高濃度埋
め込み層及び低濃度エピタキシャル層を形成したが、基
板として、埋め込み層などを形成していないシリコン等
の基板でもよい。また、上記例では、シランガスを用い
たが、たとえばジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）でもよい。ま
た、絶縁膜をマスクとして開口部内のみに選択的に成長
させる選択成長法にも応用できる。このときは、塩酸
（ＨＣｌ）や塩素（Ｃｌ₂）を添加してもよい。また、
原料ガスとして塩素を含むガスを用いてもよく、たとえ
ばジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）などを用いてもよ
い。

【００３３】上述のように、本実施の形態例によれば、
半導体膜形成時に同時に不純物ドーピングを行って不純
物含有半導体膜を形成する場合に、ドーピングガスの供
給制御性を向上でき、より急峻なドーパント濃度プロフ
ァイルを形成することができ、これにより、素子の微細
化及び特性の一層の向上を図ることができた。

【００３４】実施の形態例２上記実施の形態例１では、シリコン基板上に、不純物導
入シリコン半導体膜を形成する場合に本発明を具体化し
たが、本例では、半導体膜として、不純物導入シリコン
−ゲルマニウム膜を形成する場合に、本発明を具体化し
た。

【００３５】本例では、シリコン−ゲルマニウム膜形成
用の原料ガスであるゲルマニウムソースガスとしては、
ゲルマニウム含有水素化ガス及び／又はゲルマニウム含
有塩素化ガスを用いた。シリコンソースガスとしては、
シリコン含有水素化ガス及び／又はシリコン含有塩素化
ガスを用いた。

【００３６】その他、ガスの供給のシーケンス等は、実
施の形態例１と同様に行った。本実施の形態例により、
上記実施の形態例１と同様の効果を得た。なお、ゲルマ
ニウムソースガスとしてゲルマニウム含有水素化ガス及
び／又はゲルマニウム含有塩素化ガスを用いることによ
り、シリコン−ゲルマニウム膜に代えて、ゲルマニウム
膜を不純物導入半導体膜として形成した場合も実施した
が、同様の効果が得られた。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、半導体膜形成時に同時
に不純物ドーピングを行って不純物含有半導体膜を形成
する場合に、ドーピングガスの供給制御性を向上でき、
より急峻なドーパント濃度プロファイルを形成すること
ができる。このことにより、素子の微細化及び特性の向
上を図ることもできるという利点がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例１の構成を示す図で、
実施の形態例１における膜形成用の原料ガスであるシラ
ンガス、不純物ドーピング用のドーピングガスであるジ
ボランガス、ホスフィンガス、及び希釈ガスである水素
ガスの供給シーケンスを示すものである。

【図２】本発明の実施の形態例１で用いた成膜装置で
あるＣＶＤ装置を示す構成図である。

【図３】従来技術の構成を示す図で、従来技術におけ
る膜形成用の原料ガスであるシランガス、不純物ドーピ
ング用のドーピングガスであるジボランガス、ホスフィ
ンガス、及び希釈ガスである水素ガスの供給シーケンス
を示すものである。

【符号の説明】

１・・・反応容器、２・・・加熱手段（ランプヒータ
ー）、３・・・被成膜下地（基板）、４・・・ボート、
１１〜１９・・・バルブ、２１・・・膜形成用の原料ガ
ス供給源、２２・・・希釈ガス供給源、２３・・・ドー
ピングガス供給源、２４・・・ドーピングガス供給源、
３１・・・ドーピングガス供給路、３２，３３・・・排
気路、４１〜４４・・・ガス供給路、５１，５２・・・
排気ユニット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体膜形成時に同時に不純物ドーピング
を行って不純物含有半導体膜を形成する工程を有する半
導体膜形成方法において、膜形成用の原料ガスと、不純物ドーピング用のドーピン
グガスに混合する希釈ガスを制御する構成としたことを
特徴とする半導体膜形成方法。
【請求項２】請求項１において、不純物ドーピング時には、希釈ガスを供給することな
く、膜構成元素を含むガスである原料ガスと、不純物ド
ーピング用のドーピングガスとを反応容器内の被成膜下
地上に供給して化学的気相成長法により前記下地上に不
純物含有半導体膜を形成するとともに、不純物ドーピング終了時もしくはその直前に希釈ガスを
反応容器内部に供給する構成としたことを特徴とする半
導体膜形成方法。
【請求項３】請求項１において、半導体膜はシリコン膜
であることを特徴とする半導体膜形成方法。
【請求項４】請求項１において、半導体膜はシリコン−
ゲルマニウム膜であることを特徴とする半導体膜形成方
法。
【請求項５】請求項３において、シリコンソースガスは
シリコン含有水素化ガス及び／又はシリコン含有塩素化
ガスであることを特徴とする半導体膜形成方法。
【請求項６】請求項４において、ゲルマニウムソースガ
スはゲルマニウム含有水素化ガス及び／又はゲルマニウ
ム含有塩素化ガスであり、シリコンソースガスはシリコ
ン含有水素化ガス及び／又はシリコン含有塩素化ガスで
あることを特徴とする半導体膜形成方法。
【請求項７】請求項１において、希釈ガスは、水素ガ
ス、不活性ガス、またはこれらの混合ガスであることを
特徴とする半導体膜形成方法。
【請求項８】請求項１において、不純物含有半導体膜の
形成は、半導体デバイスの製造工程においてなされるも
のであることを特徴とする半導体膜形成方法。
【請求項９】請求項１において、異なる電導型の半導体膜を連続して形成するとともに、
下記ＡないしＤのステップを含むことを特徴とする半導
体膜形成方法。Ａ．第１の電導型のドーピング時には、膜構成元素を含
むガスである原料ガスと、第１の電導型の不純物ドーピ
ング用のドーピングガスとを反応容器内の被成膜下地上
に供給して化学的気相成長法により該被成膜下地上に不
純物含有半導体膜を形成するステップ。Ｂ．第１の電導型の不純物ドーピング終了時もしくはそ
の直前に希釈ガスを反応容器内部に供給するステップ。Ｃ．反応容器内を希釈ガス雰囲気に保持するステップ。Ｄ．希釈ガスの供給を停止するとともに、膜構成元素を
含むガスである原料ガスと、第２の電導型の不純物ドー
ピング用のドーピングガスとを反応容器内の被成膜下地
上に供給して化学的気相成長法により該被成膜下地上に
第２の電導型の不純物含有半導体膜を形成するステッ
プ。
【請求項１０】請求項１において、不純物ドーピング時には、希釈ガスを供給することな
く、膜構成元素を含むガスである原料ガスと、不純物ド
ーピング用のドーピングガスとを反応容器内の被成膜下
地上に供給して化学的気相成長法により前記下地上に不
純物含有半導体膜を形成するとともに、不純物ドーピング終了時もしくはその直前に希釈ガスを
反応容器内部に供給し、かつ、ドーピングガスは反応容
器に入ること無く排気できる構成としたことを特徴とす
る半導体膜形成方法。