JPH11274171A - 単結晶シリコン領域の堆積法 - Google Patents

単結晶シリコン領域の堆積法

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JPH11274171A
JPH11274171A JP11014414A JP1441499A JPH11274171A JP H11274171 A JPH11274171 A JP H11274171A JP 11014414 A JP11014414 A JP 11014414A JP 1441499 A JP1441499 A JP 1441499A JP H11274171 A JPH11274171 A JP H11274171A
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グリ イヴォン
Germaine Troillard
トルクラール ジェルメーヌ
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ムーリエ ジョスリーヌ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶シリコン基板の上にシリコン層を堆積
する方法を開示する。 【解決手段】 本発明による方法のシリコン層は、単結
晶層であるがオリエンテーションは基板と異なる。本発
明の方法は、該基板の上に窓を定めること;該窓内に原
子が百分の一の割合で格子間欠陥を発生すること;一般
的にはエピタキシャル堆積の実施に対応しているが、温
度を850℃未満にした状態でシリコン堆積を行うこ
と、の各段階を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に半導体デバ
イスの製造に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子を製造する多くの過程におい
て、シリコンを単結晶シリコン基板の上に、即ちこの基
板の領域の上に堆積する必要がある。現在幾つかの技術
が使用されている。
【0003】第一に、いわゆるエピタキシャルの堆積法
を還元性雰囲気のもとで行い、これにより堆積された層
の結晶構造が該基板と結晶的に連続状態となる。これら
の技術には高温で、典型的に大気圧の場合1000℃か
ら1200℃の範囲で、減圧の場合900℃から110
0℃の範囲で堆積を行う必要がある。該還元性雰囲気は
水素(H)内に反応性ガスを混合することにより得ら
れる。
【0004】この様な化学蒸着法(CVD)は周知であ
る。このCVDにより低温(500℃から700℃)に
より、堆積されたシリコンは多結晶、又はアモルファス
である。より詳細には、ポリシリコン粒子の大きさは温
度により小さくなる。低圧で温度が550℃の場合堆積
されたシリコンはアモルファスになる。
【0005】多くの技術の場合、集積回路の製造過程の
終りでシリコンは単結晶シリコン基板の一部の上に堆積
し、ソースをドーピングした基板を形成すること、又は
下層と外部環境との間にコンタクト領域を形成するこ
と、又は同時に前記の両方を形成することが必要であ
る。これらの範囲の温度は600℃のオーダーを越えな
い様にし不要なドーパント拡散を避けることが不可欠で
ある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、堆積
されたシリコンが単結晶構造を有する様に単結晶シリコ
ン基板の上に低温(750℃未満)でシリコンを堆積す
る方法を提供することである。
【0007】本発明の他の目的は、バイポーラトランジ
スタのエミッタの製造にこの方法を応用する具体的な例
を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】これらの目的及び記載し
ていない他の目的を実現するため、本発明は単結晶シリ
コン基板の上にシリコン層を堆積し、該シリコン層が単
結晶層になる様にし、該基板と異なるオリエンテーショ
ンを堆積し、次の段階を含む方法を提供している;該基
板の上に窓を定めること;該窓の中に原子的に百分の一
未満の割合で格子間欠陥を発生すること;全般的にはエ
ピタキシャル堆積の実施に対応しているが、温度が90
0℃未満である状態でシリコン堆積を行うこと。
【0009】本発明の実施態様によれば、堆積の温度が
600℃から700℃の間の範囲である。
【0010】本発明の実施態様によれば、欠陥の発生の
段階が注入段階を含んでいる。
【0011】本発明の実施態様によれば、該注入が10
nm未満の厚さの酸化シリコン層を通して行われ、この
注入が酸化シリコン層を除去する段階の後に行われる。
【0012】本発明の実施態様によれば、該注入は電気
的に中性な元素の注入である。
【0013】本発明の実施態様によれば、該注入がフッ
素、シリコン、ゲルマニウム、ホウ素、インジウム、リ
ン、ヒ素及びアンチモンを含む族から選ばれた元素の注
入である。
【0014】本発明の実施態様によれば、電気的に中性
な元素の注入が12keVで10 at./cm
あるフッ素注入である。
【0015】本発明の実施態様によれば、窓の開口部の
幅が5μm未満、好適には0.35μmのオーダーまで
少なくされている。
【0016】本発明の実施態様によれば、窓の開口部の
幅の減少が化合物スペーサにより行われている。
【0017】本発明の実施態様によれば、該化合物スペ
ーサが窒化シリコン領域及びポリシリコンスペーサから
形成されている。
【0018】
【発明の実施の形態】図1Aは単結晶シリコン基板11
を示している。該基板11の上に窓13が与えられ、そ
の幅は5μm未満で、好適には1μmである。本発明の
目的は、開口部13内に見える基板11の表面から広が
る単結晶シリコン領域を作ることである。
【0019】図1Bに示す様に、窓13により覆われて
いない層11の領域の表面は覆われていない領域14内
の結晶格子内に格子間欠陥を作る様に処理される。該結
晶格子はこの様に若干部分的に変形されている。該処理
は5nm未満の深さまで原子的に約百分の一の割合で欠
陥を作る様に行われる。この種のドーズにより非常に小
さく単結晶シリコンのままである該シリコンはアモルフ
ァス化される。特に、あらゆるタイプのプラズマ即ちR
IEタイプのエッチングを使用することができる。この
タイプのエッチング内でイオンは表面に集まり異方性化
学エッチを生ずる。イオン又は中性の原子を任意に注入
すると機械的に格子間欠陥を生ずる。本発明によれば、
これらの欠陥は好適に表面に位置する様にされる。その
理由は、本発明では好適に中性の原子の代わりに荷電粒
子を使用しているからである。マイクロエレクトロニク
スに使用されている注入物(インプランタ)の使用が選
択される。これは該注入物により注入されたイオンの流
れとエネルギーを完全に制御できるからである。注入さ
れた原子の原子価、更に機械的な影響、格子間欠陥の発
生により、加えた原子が既にあるシリコン原子と置き換
わる時第二の電気的な作用が発生する。実際面では、ホ
ウ素(11B)とインジウム(114In)の注入はP
タイプのドーパントを与えるため行われ、リン
31P)、ヒ素(5As)、又はアンチモン(12
2Sb)の注入はNタイプのドーパントを与えるため行
われ、シリコン(28Si)、ゲルマニウム(3G
e)、フッ素( F)の注入は電気的に中性を残すた
め行われる。他のあらゆる重い原子を使用することもで
きる。
【0020】図1Cに示す様に、前記の処理の直ぐ後で
しかもいかなるアニールの段階を行わない時、上側の層
15はエピタキシャル堆積の層に近い状態、即ち一般に
エピタキシャル堆積に行われる温度未満の温度で、しか
も減圧の状態で堆積される。本発明による堆積の温度は
典型的には600℃から700℃の間の範囲例えば63
0℃で、反応性ガスがシラン(SiH)であり、減圧
が約0.1×10Pa(80トル)の条件である。
【0021】窓の開口部内でほぼその上に垂直に、参照
番号が15’であり図1Cにハッチングして示している
層15は、基板11と同様であるが、基板11の結晶軸
と異なる結晶軸に沿った単結晶構造を有している。該窓
の外でほぼ層12の上で、参照番号が15”で示した層
15は従来の多結晶、即ち可能ならばアモルファス構造
を取る。
【0022】基板11と異なる結晶軸を有する単結晶シ
リコン領域15’と単結晶基板11の領域とのコンタク
トは、次の様に行われる。
【0023】図2Aから図2Cは格子間欠陥の発生過程
の特別な実施例である。窓13に与えられている層12
は最初の単結晶シリコン基板11の上に形成される。窓
13内にある基板11の見える表面は、酸化シリコン層
16で覆われている。厚さが10nm未満の非常に薄い
酸化シリコン層16は、自然酸化膜又は任意に形成され
た熱酸化層のいずれかである。この犠牲酸化層は洗浄と
単結晶シリコン表面を認識する重要な機能を有してい
る。
【0024】図2Bに示す様に、次に少ないドーズの注
入14が行われる。窓の外では、この注入は層12によ
りマスクされる。
【0025】図2Cに示す様に、酸化層16はウェット
エッチングにより除去される。従って、該基板構造は既
に図1Bに関連して記載した構造と同じである。
【0026】次に、いかなるアニールを前に行わなくて
も、本発明に基づくシリコン堆積を行うことができる。
単結晶基板11の領域を、基板11と異なる結晶軸の単
結晶シリコン領域15’と直接コンタクトさせることは
図1Cに関連して既に述べた様に次の様に行われる。
【0027】注入されたボディ14は、その容積、エネ
ルギー及び可能ならば電気作用により特徴付けられる。
該注入は低いエネルギー及び低い濃度で行われ、例え
ば、10nmのオーダーの深さまで1019at./c
のオーダーの欠陥密度を生ずる。例として、この発
明の出願者はシリコン、フッ素、及びホウ素(11B)
の注入を行うことに成功している。例えば、フッ素の注
入は10keVエネルギーのもとで、4×1012
t./cmの密度で5nmの深さの酸化層を通して行
われている。
【0028】図1Aから1C、及び図2Aから2Cまで
に示す層12は、例えば酸化シリコン(SiO)又は
窒化シリコン(Si)を製造する集積回路の分野
に現在使用されているあらゆる金属で形成できる。該層
12は、更に一つ又は幾つかの絶縁層と、可能ならば一
つ又は幾つかの導電層を含む層を積み重ねることもでき
る。
【0029】当業者は本発明に制限を付けること無しに
他の多くの応用を提供できる。一例として、バイポーラ
トランジスタのエミッタを形成することに本発明を応用
する特別の場合を、以下に記載する。
【0030】図3Aから図3Dは出願者が開発したサブ
ミクロンBICMOS技術でNPNタイプのバイポーラ
トランジスタのエミッタを形成する段階を示している。
【0031】図3Aは、例えば米国特許出願第08/9
68598号に記載されているエミッタを形成する前の
バイポーラトランジスタを示しており、この出願は引例
として本発明に取り入れている。該エミッタを形成する
前に、該トランジスタの構造体は特に次のものを含んで
いる:Nタイプのエピタキシャル層20;ベース領域を
定める厚い酸化層24;Pタイプ、例えばホウ素をドー
ピングしたポリシリコンベースコンタクト領域25;カ
プセル封じ酸化層26。
【0032】開口部21は厚い酸化物24により定めら
れる窓のほぼ中央にある層25及び26の中に形成され
ている。
【0033】熱酸化物27はポリシリコン25の側壁と
開口部21のシリコンのボトム28を覆っている。例え
ば100nmのオーダーの接合の深さを有するエクスト
リンシックベース領域28はポリシリコン25内に含ま
れている(例えば、Pタイプの)ドーパントの拡散から
得られる。イントリンシックベース領域29は開口部2
1により範囲が定められる(例えば、Pタイプの)注入
から得られる。このイントリンシックベースは低いエネ
ルギー(例えば、5keVのもとで、2×10 13at
oms/cm)で注入されたホウ素であることが好ま
しい。
【0034】次に、開口部の側壁には窒化シリコン領域
22とポリシリコンスペーサ23で作られた化合物スペ
ーサが与えられている。窒化物22とスペーサ23によ
り一緒に層25と26の中に最初形成された開口部より
小さい開口部が定められ、イントリンシックベースが定
められる。このより小さな開口部はエミッタ開口部であ
り、幅が5μm未満、好適には0.35μmのオーダー
である。好ましくは、スペーサ23は、ポリシリコンの
反応性イオンエッチングから生じ、窒化物層22のボト
ムの開口部はウェット化学エッチングから生ずる。この
結果、ベース領域29の表面は層23のプラズマエッチ
ングから生ずる可能性のある欠陥がなくなる。
【0035】この構造から、エミッタのドーピングソー
スとして使用することもできるエミッタコンタクト領域
は下にあるイントリンシックベース領域29内で拡散す
ることにより形成される。前述の特許出願では、これは
ポリシリコンCVDにより行われる。
【0036】本発明によれば、図3Bに示す様に注入3
4がイントリンシックベース領域29の表面で酸化層2
7を通して行われる。注入34は電気的に中性なボディ
に対し好適には10nmのオーダーの深さに格子間欠陥
を発生し、薄いイントリンシックベースのドーパント、
例えば12keVで、1013at./cmの時5n
mの酸化層を通してフッ素を変質させないために行われ
る。
【0037】図3Cに示す次の段階では、いかなる中間
的なアニールの段階を行うことなく、開口部のボトムに
見える酸化層27の領域は例えば希釈したフッ化水素酸
のバス内で注意して洗浄される。
【0038】図3Dに示す次の段階では、シリコン層3
5が本発明に基づき堆積される。この堆積は減圧した大
気内で、例えば水素とシランの混合(SiH)から6
50℃のオーダーの温度でエピタキシーの通常の温度よ
り低い温度で一般にエピタキシャル堆積に使用される状
態で行われる。この様に形成された層35は開口部内に
ほぼ垂直な単結晶構造を示す。該単結晶構造はイントリ
ンシックベース29の単結晶構造と異なる軸を有してい
る。更に、該堆積はエピタキシリアクタ内で行われるの
で、この層35(例えば、アルシンAsH)の十分な
ドーピング(例えば、Nタイプ)を同時に行うことがで
きる。
【0039】本発明に基づく方法の応用により、単結晶
ベース層の上に単結晶エミッタコンタクト層35を生ず
ることができる。結晶軸の異なるこれらの層の間のイン
ターフェイスにより、この様に単一粒界が示される。
【0040】原子及びこの様な結晶構造の視覚化を可能
にする透過型顕微鏡法により行われる測定により、粒界
のレベルで乱される領域は3乃至5個未満の原子層の厚
さまで広がっている。
【0041】本発明の利点は、従来の多結晶のエミッタ
と反対に単結晶のエミッタが完全に再現可能であり、良
好な所定の特性を有していることである。実際、二つの
多結晶構造は決して完全に同じでなく、一方のトランジ
スタから他方のトランジスタへの動作特性に変化が生ず
る。
【0042】単結晶ベース領域と多結晶エミッタコンタ
クト層の間に従来のコヒーレントでないインターフェイ
スがある場合、“ドーパントポンピング”、即ち下層の
ドーパントの好ましくない部分的な濃縮が現われ、ベー
ス領域のドーピングを変える。本発明に基づく方法のコ
ヒーレントなインターフェイスはこの問題を取り除くこ
とができる。
【0043】従来のコヒーレントでないインターフェイ
スは関係するコヒーレントでない粒界の構造を制御でき
ないことによるランダム雑音を発生することに使われて
いた。この雑音は本発明に基づく方法のコヒーレントな
インターフェイスの場合には、最早現われない。
【0044】従来のエミッタ、即ち多結晶のエミッタで
は、このエミッタを備えたトランジスタを動作させる
時、デバイスの利得を下げる少数キャリア(NPNのト
ランジスタの場合、ホール)の再結合が発生する。この
種の再結合は、本発明に基づく単結晶エミッタの場合最
早可能性がない、即ちアークが減少する。本発明に基づ
く単結晶エミッタの場合、該再結合は粒界及びエミッタ
コンタクトリカバリー単結晶シリコン層の上に形成され
るメタライゼイションのレベルに位置している。この結
果、本発明に基づくベース電流特性が改善され、内蔵し
たトランジスタの利得が増加する。
【0045】コヒーレントでないインターフェイスはエ
ミッタ抵抗を増加するのに使用される。該エミッタ抵抗
により内蔵したトランジスタ内の最大限可能な電流が減
少し、寄生受動素子が作られる。
【0046】本発明の他の利点は、エミッタにより注入
された電流が常に該エミッタに比例している。従って、
内蔵したトランジスタの利得はコンタクト表面とエミッ
タ−ベース表面の比により設定される。
【0047】本発明は、該方法の実現及びその応用に関
して当業者が容易に考えることができる種々の変更、修
正及び改善を行うことができる。更に、本発明により誘
電体により該単結晶のトップとサイド及びポテンシャル
障壁によるボトムに完全に境界を決めることができる領
域を定めることができる。この“ボックス”及び単原子
インターフェイスの特性はバイポーラトランジスタ以外
の多くの分野で使用することができる。特に、この発明
の原理はセンサに応用できる。これは該インターフェイ
スが非常に洗浄されており、上の層の堆積の厚さを数ナ
ノメータ(前述の例では、15乃至35ナノメータ)ま
で少なくすることにより高速のダイオードの製造や、限
られた分野のエネルギーバンド構造の修正を行うことが
できる。本発明により、シリコンのみにより作られたス
ーパーネットワークを実現することが可能である。
【0048】この種の変更、修正及び改善はこの開示の
部分であり、本発明の精神及び範囲の中にある。従っ
て、前述の記載は一例であり、これにより限定されるも
のではない。
【図面の簡単な説明】
【図1A】本発明に基づく方法の連続した段階の第一の
段階の概略を示す図である。
【図1B】本発明に基づく方法の連続した段階の第二の
段階の概略を示す図である。
【図1C】本発明に基づく方法の連続した段階の第三の
段階の概略を示す図である。
【図2A】本発明に基づく方法の幾つかの段階の第一の
実施例を示す図である。
【図2B】本発明に基づく方法の幾つかの段階の第二の
実施例を示す図である。
【図2C】本発明に基づく方法の幾つかの段階の第三の
実施例を示す図である。
【図3A】本発明に基づく方法をバイポーラトランジス
タのエミッタの形成に応用した例の第一の段階を示す図
である。
【図3B】本発明に基づく方法をバイポーラトランジス
タのエミッタの形成に応用した例の第二の段階を示す図
である。
【図3C】本発明に基づく方法をバイポーラトランジス
タのエミッタの形成に応用した例の第三の段階を示す図
である。
【図3D】本発明に基づく方法をバイポーラトランジス
タのエミッタの形成に応用した例の第四の段階を示す図
である。
【符号の説明】
11 単結晶シリコン基板 12 層 13 窓 14 表面が覆われていない領域 15 上側の層 16 酸化シリコン層 20 Nタイプのエピタキシャル層 21 開口部 24 ベース領域を定める厚い酸化層 25 Pタイプのポリシリコンコンタクト領域 26 カプセル封じ酸化層 27 熱酸化層 28 開口部のシリコンのボトム(エクストリンシック
ベース領域) 29 イントリンシックベース領域 34 注入 35 シリコン層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョスリーヌ ムーリエ フランス国, 38210 サン エグレーブ, リュ デュ ドラック, 36ビス番地

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶シリコン基板(11)の上にシリ
    コン層を堆積し、該シリコン層が半導体層である様に
    し、該基板と異なるオリエンテーションを堆積し、次の
    段階; −該基板の上に窓(13)を定めること; −該窓の中に原子が百分の一の割合で格子間欠陥(1
    4)を発生すること; −全般的にはエピタキシャル堆積の実施に対応している
    が、温度が900℃未満である状態でシリコン堆積(1
    5’)を行うこと;を含んでいる半導体シリコン基板
    (11)の上にシリコン層を堆積する方法。
  2. 【請求項2】 堆積の温度の範囲が600℃から700
    ℃の間であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 欠陥の発生の段階が注入段階を含んでい
    ることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 該注入が10nm未満の厚さの酸化シリ
    コン層(16)を通して行われ、この注入が酸化シリコ
    ン層を除去する段階の後に行われることを特徴とする請
    求項3に記載の方法。
  5. 【請求項5】 該注入が電気的に中性な元素の注入であ
    ることを特徴とする請求項3又は4に記載の方法。
  6. 【請求項6】 該注入がフッ素、シリコン、ゲルマニウ
    ム、ホウ素、インジウム、リン、ヒ素及びアンチモンを
    含む族から選ばれた元素の注入であることを特徴とする
    請求項3に記載の方法。
  7. 【請求項7】 電気的に中性な元素の注入が12keV
    で1013at./cmであるフッ素の注入であるこ
    とを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】 窓の開口部の幅が5μm未満、好適には
    0.35μmのオーダーであることを特徴とする請求項
    1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 窓の開口部の幅が化合物スペーサにより
    小さくなっていることを特徴とする請求項8に記載の方
    法。
  10. 【請求項10】 化合物スペーサが窒化シリコン領域
    (22)とポリシリコンスペーサ(23)を備えている
    ことを特徴とする請求項9に記載の方法。
JP11014414A 1998-01-30 1999-01-22 単結晶シリコン領域の堆積法 Pending JPH11274171A (ja)

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