JPH031541A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JPH031541A
JPH031541A JP1057897A JP5789789A JPH031541A JP H031541 A JPH031541 A JP H031541A JP 1057897 A JP1057897 A JP 1057897A JP 5789789 A JP5789789 A JP 5789789A JP H031541 A JPH031541 A JP H031541A
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JP
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gas
silicon
carbon
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amorphous silicon
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JP1057897A
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English (en)
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Yoshihito Amamiya
好仁 雨宮
Mamoru Kuwagaki
桑垣 衛
Kazuo Imai
和雄 今井
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NTT Inc
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、単結晶シリコンと異種半導体層(水素を含有
し且つ微結晶相を含む非晶質シリコンを主体とする半導
体層)とのへテロ接合を形成する半導体装置、特にヘテ
ロエミッタを有するシリコンバイポーラトランジスタ等
の半導体装置及びその製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
従来からの研究開発において、シリコンより広い禁止帯
幅を有する半導体で、水素を含有し且つ微結晶相を含む
非晶質シリコン(以下、μc−3iという)と単結晶シ
リコンとからなるヘテロ接合を有する半導体装置が検討
されている。
この半導体装置の代表的なものとして、シリコンバイポ
ーラトランジスタのエミッタにμc−3iを用いたワイ
ドバンドギャップエミッタ型のへテロ接合バイポーラト
ランジスタ(以下、HBT)がある。この半導体装置の
特徴は、エミッタ注入効率が増加するので、ベース層の
不純物濃度が高い場合においても高い電流増幅率(以下
、hFEという)を期待できる点にある。また、ベース
層の不純物濃度を高くとれるので、バンチスルー耐圧を
低下させたりベース抵抗を増幅させたりすることなく、
ベース層幅を狭くしてベース走行時間を短くすることが
できる。このため、バイポーラトランジスタの高速化が
期待できる。
また、μc−3tと単結晶シリコンとのへテロ接合を用
いる半導体装置として、太陽電池や撮像素子がある。こ
れらの半導体装置は、μc−3tの禁止帯幅が大きいの
で、波長感度が単結晶シリコンよりも太陽光によく適合
するという性質を利用している。
ところで、単結晶シリコンに対するペテロ半導体として
は、禁止帯幅が大きいと共に単結晶シリコンとの界面準
位密度が低く、且つ抵抗率が低いことが必要である。現
在、これらを総合的に満足するものとして、μc−3i
が最適である。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながらμc−Stは、単結晶シリコンの表面上に
形成されると、極めて単結晶シリコンまたは多結晶シリ
コンのエピタキシャル結晶粒が成長しやすい性質を有し
ている。このため、このエピタキシャル結晶粒が成長し
た部分においては、禁止帯幅が本来のμc−3iの値よ
りも小さくなってしまう欠点があった。
また、このエピタキシャル結晶粒の発生は、μc−3t
の形成時は勿論、形成後に軽度の熱処理(温度150〜
300℃)を施した場合にも容易に起こってしまう。こ
のため、μc−3iをヘテロ接合材料に用いた半導体装
置では、製造時の特性バラツキ(ウェーハ内、ウェーハ
間、ロフト間のバラツキ)及び製造後の特性劣化は避け
られないものであった。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は上記の欠点を解決するためになされたもので、
水素を含有した微結晶相を含む非晶質シリコンからなり
、この非晶質シリコンに対して0.5原子パーセント以
上且つlO原子パーセント以下の炭素を有する異種半導
体層を備えている。
また、炭素原子を構成原子の1つとする第1のガス分子
とシリコン原子を構成原子の1つとする第2のガス分子
とを用いた化学気相成長法により異種半導体層を形成し
ている。
〔作 用〕
水素を含有した微結晶相を含む非結晶シリコンからなり
、この非結晶シリコンのシリコン原子に対して0.5原
子パーセント以上且つ10原子パーセント以下の炭素を
有する異種半導体層を化学気相成長法により形成する。
〔実施例〕
次に、本発明の詳細な説明する前に本発明の基礎となる
知見について説明する。
本発明に先立っておこなった検討により、μC−3tが
単結晶シリコンの表面上でエピタキシャル結晶粒を発生
しやすい性質は、μc−3tに炭素を含有させることに
より大幅に抑制されることを明らかにした。この現象を
生じさせるための炭素量は比較的少量で、シリコン原子
に対して0.5原子%以上であればその効果が明瞭に現
れる。
この炭素を含有するμc−3t(以下、μc −3f 
C,という)は、単結晶シリコン上でエピタキシャル結
晶粒を生じ難いので、シリコン基板上に形成した場合、
μc−Siと比べて膜質の均一性が良く、熱処理による
膜質劣化の程度も少ない。
従って、μc−3iCXを用いたベテロ接合半導体装置
は、μc−3tを用いた半導体装置に比べ製造時におけ
る特性のバラツキ及び熱処理による特性劣化を減少させ
ることができる。
また、μcsicxは、炭素の含有量を増加することに
より、上記の効果をより顕著にすることができる。特に
、シリコン原子に対して5原子%以上の炭素を含ませる
と、エピタキシャル結晶粒の発生を抑制する他に、強度
の熱処理(温度300℃以上)を加えたときの水素脱離
を抑制する効果も生じる。従って、μc −S t C
xの熱的安定性をさらに向上させることができる。
しかし、後述する実施例で説明するように、炭素量の増
加はμc−3iC,の抵抗率増加を伴うことになり、特
に炭素10原子%以上ではその増加が急激となため、炭
素量がこの値を越えることは好ましくない。
従って、本発明における炭素組成は、シリコンに対して
0.5原子%以上であり、且つ10原子%以下に定めて
いる。
次に、上記の概要に基づいた本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明に係る一実施例を示した半導体装置を示
す断面図である。ここでは、μc−5tCXをバイポー
ラトランジスタのエミッタに適用した場合を示している
図において、1はp形シリコン基板、2は高不純物濃度
のn形コレクタ埋め込み層、2aはコレクタコンタクト
拡散層、3はn形コレクタ層、4は高不純物濃度のp形
ベースコンタクト拡散領域、5はp形ベース層、6はエ
ミッタである5tCX層、7はAβなどの金属或いは多
結晶シリコンからなる電極、8は5iOzなどの分離用
絶縁物である。なお、SiC,6にはドナー不純物を添
加してn形としている。
さて、上記構造におけるトランジスタの製造方法は、下
記のように行なわれる。
まず、同図における各符号1〜5,7.8に対応する領
域を形成する方法は、従来の公知の方法と特に異なると
ころはない。ただし、p形ベース層5は、通常のバイポ
ーラトランジスタの不純物濃度より高濃度とし、5X1
0”atom/cm”のボロンをイオン注入により添加
する。このとき、ベース層の厚さは1100nとする。
これはペースの平均不純物濃度5 X 10”7cm3
に相当する。
次に、エミッタとしてSiC,を下記に述べるプラズマ
CVD法を用いて形成する。
まず、反応管内でシリコン基板を昇温し、続いてH2ガ
スを導入する。次に、グロー放電を発生させH2プラズ
マ中で基板の表面を清浄化する。
そして、CH,ガス、SiH4ガス、ドーピングガスを
キャリアガスと共に圧力0.1〜0.5Torrで導入
してプラズマCVDを行なう。基板温度を適切に設定す
ると、水素を含有し微結晶相を含む非晶質膜がシリコン
基板上に堆積される。炭素源のガスとしては、CH,の
かわりにCzHaを用いてもよいし、その細分解して炭
素を供給できるガスを用いることも可能である。シリコ
ン源としては、SiH4のかわりにSi、Hlなどを用
いてもよい。具体例を述べると次のようになる。即ち、
CH,ガス量0.5〜10 S CCM、 S i H
aガス量53CCM、キャリアガス上2量150SCC
MのプラズマCVDにより基板温度400℃でμc−3
iを堆積する。そして、ドーピングガスとしてPH1ガ
スを導入し、リンを1原子%程度添加する。
第3図は上記の条件で堆積されたμc−3i膜における
炭素組成とCH4ガス量の関係を示す特性図である。こ
こで、μc−3t膜はn形で電子濃度は炭素組成によっ
て多少異なるがおよそ1〜5X10”/cm’である。
この図から明らかのように、炭素組成とCH。
ガス流量とは比例関係となる。
また、第4図は炭素組成とμc−3i膜の抵抗率の関係
を示す特性図である。
同図に示すように、炭素量の増加はμc−3iCつの抵
抗率増加を伴うが、その程度は炭素組成が5原子%まで
は比較的小さい。しかし、炭素組成が10原子%を越え
ると、その増大が急激になって半導体装置への使用に耐
えられなくなる。従って、好ましい炭素組成は、シリコ
ン原子に対して10原子%以下である。
上記の工程でエミッタを形成した後、エミッタ開口部以
外の不要部分をCF、−0□系プラズマガスを用いたド
ライエツチング法により除去し、バリアメタルとアルミ
ニウム電極とを公知の方法で形成して、トランジスタを
完成する。
次に、上記実施例のエミッタを有するヘテロバイポーラ
トランジスタと炭素を含まないμc−3iのエミッタを
有するヘテロバイポーラトランジスタとを多数製作し、
各トランジスタのhFEを測定した。なお、エミッタの
膜厚は0.1 μm、エミッタ面積は1×10 (μm
)2である。
さて、プロセス10ツト中の全ウェーハ内におけるトラ
ンジスタのhFEの測定値からその中心値と標準偏差と
を求めると、第1表に示すような結果が得られた。ここ
で、μcsicxについては3つの炭素組成例を示して
いる。なお、測定時のエミッタ電流密度は2X10’/
cm2である。
この表から明らかなように、μc−3iのエミッタを有
するトランジスタでは、μc−3tにおけるエピタキシ
ャル結晶粒の発生により、hFEO値にバラツキを生じ
ると共に中心値も低くなる。
表1 これに対して、本実施例のトランジスタでは、hFEO
値の均一性が良く中心値も高い。これは、上記に説明し
たように炭素がエピタキシャル結晶粒の発生を抑制して
いるためである。
次に、第1表におけるヘテロバイポーラトランジスタを
温度400℃で1時間熱処理した後hFEを測定した結
果を第2表に示す。
この表から明らかなように、μc−3iC,を用いた本
実施例のトランジスタの方が従来のトランジスタに比べ
hFEの劣化程度が少ないことが明らかである。
第□′2図は本発明に係る別の実施例を示したヘテロバ
イポーラトランジスタの断面図である。ここでは、μc
−3iC,層をヘテロ界面近傍に存在させた場合を示し
ている。図中の各番号の領域は、第1図の同一番号の領
域に対応するが、エミツタ層がpc−3iC,層6とp
c−3i層9の2層から構成されているところが異なる
本構造の利点は、μc−3iC,層6の厚さを必要最小
限として、エミッタ直列抵抗の増加を防止できるところ
にある。
本構造のエミッタを製造するには、μc−3iCx層を
形成した後、CH,ガスの供給を止め、S iH4とP
H,及びH2ガスのみでプラズマCVDを続けてμc−
3i層を堆積すればよい。
表2 このように本実施例における半導体装置及びその製造方
法は、ヘテロ接合を構成する異種半導体層にシリコン原
子に対して0.5原子%以上且つ10原子%以下の炭素
を含有するμc−3iC。
を用いているため、製造時の特性均一性に優れ、且つそ
の後の熱処理に対して特性劣化の少ない半導体装置を提
供することができる。
また、プラズマCVD法によりμc−3iC,<を形成
しているので、蒸着法やMBE法等い比べ安定に成膜す
ることができる。即ち、蒸着法やMBE法では、炭素と
シリコンとが分離してしまいμc−SiC,の形成条件
が非常に狭くなってしまうのに対し、プラズマCVD法
では上記説明のように広範囲の条件で形成することがで
きる。
さらに、プラズマCVD法を用いているため、段差の多
い半導体基板表面のステップカバレージを良好に保つこ
とができ、均一性の良い膜質を得ることができる。
なお、プラズマCVD法は、不純物を取り込み易い薄膜
形成法である。そのため、薄膜堆積膜中にガス中に含ま
れる微量の他の元素を含有することがあるが、本実施例
の主旨に何ら反するものではない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、ヘテロ接合を構成する異
種半導体層に水素を含有した微結晶相を含む非結晶シリ
コンからなり、この非結晶シリコンに対して0.5原子
パーセント以上且つ10原子パーセント以下の炭素を有
する異種半導体層を用いているため、単結晶シリコン上
に異種半導体層を形成する際、シリコンのエピタキシャ
ル結晶粒の成長を抑制することができると共に、後工程
の熱処理における膜質劣化を防止することができる。
また、炭素原子を構成原子の1つとする第1のガス分子
とシリコン原子を構成原子の1つとする第2のガス分子
とを用いた化学気相成長法により異種半導体層を形成し
ているため、炭素とシリコンとが分離することなく安定
に成膜することができ、均一性の良い膜質を得ることが
できる。
これにより、製造時の特性均一性に優れ、且つ熱処理に
対して特性劣化の少ない半導体装置を提供することがで
きるなど優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る一実施例を示した半導体装置を示
す断面図、第2図は本発明に係る別の実施例を示したヘ
テロバイポーラトランジスタの断面図、第3図は上記の
条件で堆積されたμc−3i膜における炭素組成とCH
,ガス量との関係を示す特性図、第4図は炭素組成とμ
c−3t膜の抵抗率との関係を示す特性図である。 1・・・p形シリコン基板、2・・・高不純物濃度のn
形コレクタ埋め込み層、2a・・・コレクタコンタクト
拡散層、3・・・n形コレクタ層、4・・・p形ベース
コンタクト拡散領域、5・・・p形ベース層、6・・・
S t Cx i!、7・・・電極、8・・・分離用絶
縁物、9・・・μc−3i層。 特許出願人 日本電信電話株式会社 代 理 人 山川政権 第1図 第3図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)単結晶シリコンと異種半導体層との接合を形成す
    る半導体装置において、 水素を含有した微結晶相を含む非晶質シリコンからなり
    、この非晶質シリコンのシリコン原子に対して0.5原
    子パーセント以上且つ10原子パーセント以下の炭素を
    含む前記異種半導体層を備えたことを特徴とする半導体
    装置。
  2. (2)第1の請求項において、炭素原子を構成原子の1
    つとする第1のガス分子とシリコン原子を構成原子の1
    つとする第2のガス分子とを用いた化学気相成長法によ
    り異種半導体層を形成することを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
JP1057897A 1989-03-13 1989-03-13 半導体装置及びその製造方法 Pending JPH031541A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06326037A (ja) * 1993-05-13 1994-11-25 Nec Corp シリコンエピタキシャル膜の成長方法およびその装置
KR100364813B1 (ko) * 2000-02-25 2002-12-16 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 에피택셜층 형성 방법

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