JPH04106980A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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】 〔概　要〕 ヘテロ接合を有する素子を含む半導体装置及びその製造
方法に関し、 シリコン・ゲルマニウム層とシリコン膜との格子整合を
良くして素子の特性を向上させることを目的とし、 少なくともシリコン層との接合面に炭素又は窒素が存在
するシリコン・ゲルマニウム層を含み構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関しより詳し
くは、ヘテロ接合を有する素子を含む半導体装置及びそ
の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

シリコンウェハを使用したバイポーラトランジスタにお
いては、遮断周波数が理論上６０ＧＨｚといわれ、試作
された段階でも限界が見えてきている。

一方、シリコン・ヘテロ構造を有するトランジスタによ
れば１２０ＧＨｚが可能であるといわれ。

これを達成するために素子の微細化が必要になるが、例
えばＢｉＣＭＯ５においては、素子の微細化にともなっ
てＣＭＯ５駆動用の電源電圧が小さくなるため、これに
対応してバイポーラトランジスタのビルトインポテンシ
ャルを抑えてベース・エミンタ閾値電圧を低下させる必
要がある。

また、ビルトインポテンシャルを低減することによって
、バイポーラトランジスタの低温動作も可能になる。

これを達成する方法として、ナロー・ギャップ・ヘテロ
ｆＪＩ造が考えられ、例えば第６．７０に示すように、
シリコンよりなるｎ−型コレクタ層６１の上にシリコン
とゲルマニウムの化合物よりなるベース層６２を形成す
る試みがなされてきている。なお、図中符号６３は、ベ
ース層６２の上に形成したエミツタ層、６４は埋込層を
示している。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、シリコンとゲルマニウムの格子定数の差から格
子歪みが生したり（シリコンの格子定数５．５４人、ゲ
ルマニウムの格子定数５，６６人）、或いは、膜の成長
後温度を室温まで下げる際にシリコンとゲルマニウムの
熱膨張係数の差によりゲルマニウムに歪みが生しるため
（シリコン２．５ＸＩＯ−’／’Ｃ、ゲ／Ｌ／　７　：
　ウ、ム５．８Ｘ１０−”／’Ｃ）、シリコン・ゲルマ
ニウムによって形成したベース層６２とコレクタ層６１
との格子整合が悪くなり、ベース漏れ電流が多くなって
増幅度が小さくなる等、トランジスタ特性が低下すると
いった問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって
、ソリコン・ゲルマニウム層とシリコン膜との格子整合
を良くしてトランジスタの特性を向上することができる
半導体装置およびその製造方法を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段］ 上記した課題は、第１図に例示するように、ｌＸ１０１
６〜１×１０１６／−の濃度範囲で炭素を含むシリコン
・ゲルマニウム層６をシリコン１ｉ３の上にヘテロ接合
した構造を有することを特徴とする半導体装置、 または、シリコン層３の上にヘテロ接合されたシリコン
・ゲルマニウム層６．７のうち、少なくともヘテロ界面
に、窒素を含有するシリコン・ゲルマニウム層６を有す
ることを特徴とする半導体装置、 または、前記窒素の濃度をｌＸｌ０１ｂ〜５×ＩＱ＋７
／ｃＭ３としたことを特徴とする半導体装置、または、
上部にシリコン層３を有する基板１を成膜室２１に入れ
、該成膜室２１内を減圧する工程と、前記成膜室２１内
にシリコン系ガス、ゲルマニウム系ガス、炭素系又は窒
素系のガスを含む反応ガスを成膜室２１内に導入し、少
なくともゲルマニウム系ガスとシリコン系ガスとを止め
る前に炭素系又は窒素系のガスを止めることにより、少
なくともシリコン層３との接合面に炭素又は窒素が存在
するシリコン・ゲルマニウム層６を形成する工程とを有
することを特徴とする半導体装置の製造方法によって達
成する。

〔作　用〕

第１の発明によれば、シリコン層３上にヘテロ接合する
シリコン・ゲルマニウム層６内に、■×１０′６〜Ｉ　
Ｘ　１０”／ｃ−ｄの濃度範囲で格子定数３．５６人の
炭素を含ませている。

このため、シリコンやゲルマニウムよりも格子定数の小
さな炭素によってヘテロ界面の格子歪みが緩和され、ま
た、スリップ・ラインが発生するような熱処理等の耐性
が増してくる。また、シリコン・ゲルマニウム層６から
シリコン層３にかけて結晶欠陥が発生する場合には、欠
陥が生している箇所に炭素が集まり易（、この炭素によ
ってリーク電流の発生を抑制する傾向がある。これらに
よって、例えばトランジスタの特性の改善に役立つこと
になる。

この場合、１×１０′６〜１×１０１１１／ＣＩＩＩの
低濃度で混入させた炭素によって導電率が低下すること
はないが、それ以上の濃度とする場合には、炭素により
シリコン層・ゲルマニウム層６の導電率が小さくなって
抵抗が増加することになるので、これをバイポーラトラ
ンジスタのベース層等に使用することは好ましくない。

また、第２．３の発明によれば、窒素をシリコン・ゲル
マニウム層６内に混入しているために、第１の発明と同
様に、シリコン、ゲルマニウムよりも格子定数の小さな
窒素によってヘテロ界面の格子歪みが緩和され、また、
熱処理等の耐性が増してくる。

さらに、第４の発明によれば、少なくともシリコン層３
とシリコン・ゲルマニウム層６のヘテロ接合面に窒素又
は炭素を混入するようにしているため、シリコン層３と
シリコン・ゲルマニウム層６との間にだけ窒素や炭素を
介在させることができ、その接合面に生しる格子歪みを
緩和することになる。

［実施例］ そこで、以下に本発明の詳細を図面に基づいて説明する
。

（ａ）本発明の第１実施例の説明 第１図は、本発明の一実施例装置を示す断面図であって
、図中符号１は、Ｐ型シリコン基板で、この上には、ｎ
゛型埋込層２とエピタキシャル成長法によってｎ−型コ
レクタ層３が順に形成されている。また、コレクタ層３
のうち、ベース形成領域Ｘ及びｎ°型コレクタコンタク
ト層４の各々の周囲には、選択酸化法によりｓ；Ｏｚ［
５が形成されている。

このような状態で、まず、第２図に示すような気相エピ
タキシャル成長装置２０の成膜室２１内の支持電極２２
の上にシリコン基板１を置いた後に、排気口２３からガ
スを排出して成膜室２１内をｌ　ｔｏｒｒ以下に減圧し
、また、対向電極２４に高周波電圧を印加する。

そして、ガス供給口２５からアルゴンガス（Ａｒ）を供
給した状態で成長温度を１０００°Ｃまで上昇させた後
に（第３図ＯＡ間）、導入ガスを水素（Ｈ２）に切り換
え、シリコン基板１上のコレクタ層３の表面に僅かに形
成されたＳｉＯ□膜を還元させてその表面を清浄な状態
にする（第３図点ＡＢ間）。

この後に、導入ガスをアルゴンに換えるとともに、成長
温度を６００°Ｃまで低下させる（第３図点ＢＣ間）。

ついで、ガス供給口２５からモノシラン（ＳｉＨｍ）、
ゲルマン（ＧｅＨａ）、シボロラン（ＢＺｌ１６）及び
二酸化炭素（ｃｏｚ）のガスをそれぞれ４００　ｃｃ／
ｍｉｎ、４００ｃｃ／ｓｉｎ、２００　ｃｃ／ｓｉｎ及
び１００　ｃｃ／ｌ１ｉｎ以下の流量で導入する（第３
図ＣＤ間）。これにより、ｐ゛型の第一のシリコン・ゲ
ルマニウム層６を９００人の厚さに成長するとともに、
その中に１×１０６〜ｌＸｌ０１８／ｃｄの濃度で炭素
を混入させる。

この場合、コレクタ層３上のシリコン・ゲルマニウム層
６は単結晶となり、また、ＳｉＯ□膜５の上に形成され
る膜６は多結晶となる（第１図（ｂ））。

この後に、二酸化炭素ガスの供給を停止することにより
、炭素を含まないＰ°型の第二のシリコン・ゲルマニウ
ム層７を９００人程度積層する（第３図ＤＥ間、第１図
（Ｃ））。

次に、成長室２１内に導入するガスをアルゴンに切り換
えるとともに、成長温度を常温まで低下した後に（第３
図ＥＦ間）、成膜室２１からシリコン基板１を取り出す
。

その後、第二のシリコン・ゲルマニウム層６上面にフォ
トレジスト８を塗布してこれを露光、現像し、ベース形
成領域Ｘ及びその周辺のみにフォトレジスト８を残し、
これをマスクにして二層のシリコン・ゲルマニウム層６
．７をＲＩＥ法等によってエツチングし、ベース形成領
域Ｘに残存したそれらの！１６．７をベース層９とする
（第１図（ｄ））。

そして、フォトレジスト８を除去した後にＣＶＤ法によ
ってＳｉＯ□膜１０膜形０しく第１図（ｅ））、このＳ
ｉＯ□膜ＩＯをフォトリソグラフィー法によってバター
ニングして、ベース層９とコレクタコンタクト層４の上
に開口部１１．１２を設ける（第１図（ｆ））。

この後に、シリコン基板１を再びエピタキシャル成長装
置２０に入れ、成膜室２１内のガス圧を０．１〜ｌ　ｔ
ｏｒｒとして、ベース層９及びコレクタコンタクト層４
の上の開口部１１．１２内に砒素を含む単結晶のｎ型シ
リコン膜を形成する。これにより、ベース層９上にはｎ
゛型エミッタ層１３が形成される一方、コレクタコンタ
クト層４は、ｎ゛型シリコン膜の堆積によって厚さが増
加することになる。

なお、上記したベース層９の周辺に形成された多結晶の
シリコン・ゲルマニウム［５６，７はベース引出電極と
なり、ＳｉＯ□膜１０膜形０されるコンタクトホール１
４を通して図示しない電極に接続される。

ところで上記した方法により形成されたバイポーラトラ
ンジスタの不純物濃度分布は第４回に示すようになる。

そして、ベース層９のうち、第一のシリコン・ゲルマニ
ウム層６に含まれる炭素はシリコンやゲルマニウムと同
しダイヤモンド結晶であり、しかも格子定数は３．５６
人であってゲルマニウムより小さいために、格子歪みを
緩和させるとともに、スリンブ・ラインが発生するよう
な熱処理等の耐性が増してくる。このために、シリコン
・ゲルマニウム層６．７に歪みが生し難くなる。

また、シリコン・ゲルマニウム層６．７からｎ−型コレ
クタ層３にかけて結晶欠陥が発生する場合には、欠陥が
生している箇所に炭素が集まり易く、この炭素によって
リーク電流の発生を抑制する傾向があり、トランジスタ
特性の改善に役立つ。

しかも、第一のシリコン・ゲルマニウム層６内に炭素を
１×１０１６〜Ｉ　Ｘ　１０　”／ｃｄの低濃度で混入
させているために、この炭素の混入によって導電率が低
下することはないが、それ以上の濃度とする場合には、
炭素によりベース層９の導電率が小さくなってベース抵
抗が増加することになるので好ましくない。

なお、上記したベース層９はコレタフＮ３との接合部分
だけに炭素を混入させたが、エミツタ層１３との接合部
分にも炭素を含ませてもよい。

また、第一のシリコン・ゲルマニウム層６に炭素を混入
させる場合に、ＣＯ２の代わりにＣｏ、　ＣＯＸ等の炭
素系ガスを用いてもよい。

（ｂ）その他の実施例 上記した実施例では、コレクタ層３０表面を高温クリー
ニングする場合について述べたが、この処理を行わない
場合には、基板温度を３００〜４００℃に保持したまま
で、第５図に示すように、反応室２１内をｌ　Ｘ　１０
−”ｔｏｒｒに減圧する前から予め二酸化炭素ガスを導
入しても良いしく同図Ｉ）、シラン系ガス及びゲルニウ
ム系ガスを導入する前又は同時に二酸化炭素を反応ガス
に供給することも可能である（同図■、ｌ１ｌ）。

また、第１のシリコン・ゲルマニウム層６に炭素を含有
させる他の方法としては、支持電極２２の上に炭素系治
具を置いてその炭素を蒸発させ、炭素を膜中に混入させ
ることも可能である。この場合、炭素の取り込み量が多
くならないようにするために、成長温度を６００　’Ｃ
以下と低くする必要がある。

さらに、上記した実施例では、炭素系ガスを用いて第一
のシリコン・ゲルマニウム層６に炭素を混入させたが、
炭素系ガスの代わりにアンモニウム等の窒素系ガスを使
用し、シリコン・ゲルマニウム層６に格子定数の小さな
窒素（Ｎ）を含ま廿ても同様な結果が得られる。ただし
、窒素の濃度は、ベース抵抗を考慮して５×１０１７〜
ｌＸｌ０Ｉ＆／ｄの範囲に設定することが適当である。

なお、シリコン・ゲルマニウム層６．７を形成する工程
に用いるシラン系ガスとしては、ジシシラン、トリシラ
ン等がある。

また、シリコン・ゲルマニウム層６．７の成長は分子線
エピタキシャル法、液層エビタキノヤル成長法によるこ
とも可能である。

さらに、バイポーラトランジスタをＰｎｐ接合型とする
場合にも、ｎ型ベース層をシリコン・ゲルマニウムによ
って形成し、その中に炭素や窒素を混入することもでき
る。

（発明の効果〕 以上述べたように第１の発明によれば、シリコン層上に
ヘテロ接合するソリコン・ゲルマニウム層内に、ｌ×１
０′６〜１×１０１１１／ｃｄの濃度範囲で格子定数３
．５６人の炭素を含ませているので、シリコンやゲルマ
ニウムよりも格子定数の小さな炭素によってヘテロ界面
の格子歪みを緩和することができ、また、スリップ・ラ
インが発生するような熱処理等の耐性を増すことができ
る。さらに、シリコン・ゲルマニウム層からシリコン層
にかけて結晶欠陥が発生する場合には、欠陥が生してい
る箇所に炭素が集まり易く、この炭素によってリーク電
流の発生を抑制することが可能であり、これらによって
、例えばトランジスタの特性を改善することができる。

この場合、炭素をＩ　ＸＩ　Ｏ１６〜Ｉ　ＸＩ　Ｏ”７
ｃｍの低濃度で混入させているために、この炭素の混入
によって導電率が低下することはない。

また、第２．３の発明によれば、窒素をシリコン・ゲル
マニウム層内に混入しているために、第１の発明と同様
に、シリコン、ゲルマニウムヨリも格子定数の小さな窒
素によってヘテロ界面の格子歪みを緩和したり、熱処理
等の耐性を増すことができる。

第３の発明では、窒素の濃度を１×１０１６〜５ｘｌＯ
”／ｄとしているので、シリコン・ゲルマニウム層の抵
抗が高くなることはを阻止できる。

さらに、第４の発明によれば、少なくともシリコン層と
シリコン・ゲルマニウム層のヘテロ接合面に窒素又は炭
素を混入するようにしているため、シリコン層とシリコ
ン・ゲルマニウム層との間にだけ窒素や炭素を介在させ
ることができ、その接合面に生しる格子歪みを緩和する
ことが可能にな

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例装置の形成工程を示す断面
図、 第２図は、本発明に使用するエピタキシャル成長装置の
一例を示す断面図、 第３図は、本発明におけるシリコン・ゲルマニウム層形
成の際の成長温度と供給ガスの時間的変化を示す工程図
、 第４図は、本発明の一実施例装置における各元素の濃度
を示す濃度分布図、 第５図は、本発明におけるシリコン・ゲルマニウム層形
成のクリーニング工程を含まない場合の供給ガスと真空
度の時間的変化を示す工程図、第６図は、従来装置の一
例を示す断面図、第７図は、従来装置における各元素の
濃度を示す濃度分布図である。 （符号の説明） １・・・シリコン基板、 ２・・・埋込層、 ３・・・コレクタ層（シリコン層）、 ４・・・コレクタコンタクト層、 ５・・・５ｉｎ２膜、 ６．７・・・シリコン・ゲルマニウム層、２０・・・エ
ピタキシャル成長装置、 ２１・・・成膜室、 ２２・・・支持電極、 ２３・・・排気口、 ２４・・・対向電極、 ２５・・・ガス供給口。 出　願　人　　冨士通株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）１×１０＾１＾６〜１×１０＾１＾８／ｃｍ＾３
   の濃度範囲で炭素を含むシリコン・ゲルマニウム層（６
   ）をシリコン層（３）の上にヘテロ接合した構造を有す
   ることを特徴とする半導体装置。
2. （２）シリコン層（３）の上にヘテロ接合されたシリコ
   ン・ゲルマニウム層（６、７）のうち、少なくともヘテ
   ロ界面に、窒素を含有するシリコン・ゲルマニウム層（
   ６）を有することを特徴とする半導体装置。
3. （３）前記窒素の濃度を１×１０＾１＾６〜５×１０＾
   １＾７／ｃｍ＾３としたことを特徴とする半導体装置。
4. （４）上部にシリコン層（３）を有する基板（１）を成
   膜室（２１）に入れ、該成膜室（２１）内を減圧する工
   程と、 前記成膜室（２１）内にシリコン系ガス、ゲルマニウム
   系ガス、炭素系又は窒素系のガスを含む反応ガスを成膜
   室（２１）内に導入し、少なくともゲルマニウム系ガス
   を止める前に炭素系又は窒素系のガスを止めることによ
   り、少なくともシリコン層（３）との接合面に炭素又は
   窒素が存在するシリコン・ゲルマニウム層（６）を形成
   する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造
   方法。