JPH04355930A - 半導体装置の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特にシリコン・バイポーラトランジスタの製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】バイポーラトランジスタの電流増幅率ｈ
ＦＥを向上する一手段として、ベース領域表面に薄いシ
リコン酸化膜を形成し同膜を介する不純物拡散によりエ
ミッタ領域を形成することが知られている。より詳細に
は、ベース領域を覆う絶縁層に開孔を形成してベース領
域の一部を露出させ、その露出部分にシリコン酸化膜を
形成する。そのシリコン酸化膜上に不純物を含有する多
結晶シリコン層を形成し、同層からシリコン酸化膜を介
して不純物をベース領域内に拡散させ、エミッタ領域を
形成するのである。

【０００３】このようなトランジスタでは、単結晶上に
形成すべきシリコン酸化膜の膜厚や特性がｈＦＥの向上
等に重要な役割をはたす。

【０００４】かかるシリコン酸化膜の形成方法として特
開平２−２１０８２０号公報が２つの方法を提案してい
る。第一の方法として以下のとおりである。すなわち、
直径４インチのｎ及びｐ型（１００）０．０１〜０．０
２ΩｃｍのＳｉ基板をＲＣＡ洗浄後、４０ｃｃの電子銃
式Ｓｉ蒸着器を備えたＭＢＥ装置内に導入する。Ｓｉ基
板表面に１０オングストロームのアモルファス・シリコ
ン堆積後８００℃１分の清浄化処理によって表面の自然
酸化膜を除去後、５００℃で３０００オングストローム
のエピタキシャル層を成長し、バッファー層としている
。基板温度を室温に下げ、ノズルから純度９９．９９９
９％の酸素を酸素分圧５×１０の−５乗Ｔｏｒｒとして
ＭＢＥ装置内にリークしながら同時に電子銃式Ｓｉ蒸着
器からＳｉ分子線を照射してシリコン酸化膜を形成する
。そして成長室内にリークさせた酸素を排気して、真空
度１×１０の−９乗Ｔｏｒｒ雰囲気中で基板温度を５０
０℃としてＳｉ分子線を照射して多結晶シリコンを堆積
させている。

【０００５】第２の方法として、加熱したシリコン基板
に酸素分子だけを照射する低圧熱酸化を開示している。 すなわち、Ｓｉ（１００）清浄面を基板温度５００℃、
酸素分圧５×１０の−５乗Ｔｏｒｒで約３０分酸化して
、次に第一の方法と同様にしてＳｉ分子線を照射して多
結晶シリコンを堆積する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この従来の界面シリコン
酸化膜の形成方法では、以下に述るような問題点があっ
た。

【０００７】従来技術の第一の方法によって形成された
界面シリコン酸化膜はジャパニーズジャーナル　　オブ
　　アプライド　　フィジックス，２８巻１０号（１９
８９年１０月）Ｌ１６７８〜Ｌ１６８１ページ（Ｊａｐ
ａｎｅｓｅ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　ＶＯＬ．２８，Ｎｏ．１０
，Ｏｃｔｏｂｅｒ，１９８９，ｐｐ　　Ｌ１６７８−Ｌ
１６８１　　“Ｓｉ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ　　Ｈｏｌｅ−Ｂ
ａｒｒｉｅｒ　　Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　　ｆｏｒ　
　ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ　　Ｕｓｉｎ
ｇ　　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　　Ｂｅａｍ　　Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ”）の図１ａ（Ｆｉｇ１．（ａ））に示され
ている様に、化学量論的組成比の合ったシリコン酸化膜
、すなわちＳｉＯ２　よりもＳｉを多く含んでいる。そ
の様子を図１２に示す。図１２で曲線１２０はシリコン
と酸素の組成比が１：２の場合で、残りは従来法による
堆積温度をかえたものである。シリコン酸化膜を堆積さ
せる時のシリコン基板温度を下げれば下げる程、膜の組
成比は、ＳｉＯ２　膜に近づくが、たとえ室温（Ｒ．Ｔ
．）で形成したとしても、シリコン酸化膜の組成は、結
合エネルギーが１００ｅＶ近傍においてもピークをもつ
ことからＳｉ過剰の膜である。後に詳述するが、Ｓｉ過
剰なシリコン酸化膜を多結晶シリコン／単結晶シリコン
の界面に有するシリコンバイポーラトランジスタの場合
、電流増巾率ｈＦＥの向上効果が認められないと言う問
題があった。また、従来技術の第二の方法を用いた場合
、高温とは言えないが、５００℃で約３０分間、酸素分
子を照射しているので著しく処理能力が低い。

【０００８】本発明の目的は、単結晶シリコン層と多結
晶シリコン層との間にシリコンに対する酸素の化学量論
的組成比が実質的に１：２であるシリコン酸化膜をもっ
た半導体装置の製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、超高真空装置内でＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）効果によってイオン化された酸素イオンＯ
−　をシリコン基板表面に照射させることにより、シリ
コン表面に１０オングストローム程度の薄いシリコン酸
化膜を形成後、同一装置内で連続してアモルファス又は
多結晶のシリコン膜を堆積させる。

【００１０】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
形成されるシリコン酸化膜は、化学量論的組成がシリコ
ン：酸素＝１：２となっているシリコン酸化膜であり、
著しく電流増巾率ｈＦＥを向上でき、しかも自然酸化膜
の影響を完全に除いているので再現性も良い。

【００１１】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１２】本発明で用いる電子サイクロトロン共鳴、
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　　Ｒｅｓｏ
ｎａｎｃｅ（以下ＥＣＲと略記する）についてまず説明
する。図９に本発明に用いた装置を模式的に示す。

【００１３】超高真空容器１０１内にホルダー治具１０
２に支持されてシリコン基板１０３が配置されている。 シリコン基板の温度を制御するためのヒータ１１１が、
シリコン基板１０３の近くに非接触状態で配置されてい
る。超高真空状態にするためのターボモレキュラーポン
プが接続されている。超高真空装置の一部に酸素１０６
，イオン化するためのマイクロ波発生器１０４及び電磁
石１０５を有している。又電子銃１１０ａ，１１０ｂに
よってそれぞれ蒸発させるための多結晶シリコン７，Ｓ
ｂ１０９はそれぞれルツボ１０８ａ，１０８ｂに入って
、それぞれ配置されている。

【００１４】本装置を用いることにより、本発明の半導
体装置を作製することが出来る。

【００１５】図１乃至図７は、本発明の一実施例による
製造方法を用いて作製された、エミッタ・ベース間に自
己整合技術を用いていないｎｐｎ型シリコンバイポーラ
トランジスタの主要作製工程縦断面図をである。もちろ
ん本発明は他のポリシリコンエミッタ・バイポーラトラ
ンジスタに適用することは可能である。たとえば、エミ
ッタ・ベース間を自己整合的に形成する２層ポリシリコ
ン・バイポーラトランジスタやベース層がＳｉＧｅ合金
からなるヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ
・ポリシリコン形成に適用できる。

【００１６】図１は、素子分離領域を形成する予定の領
域に溝を形成した状態のシリコン・バイポーラトランジ
スタの縦断面図である。室温で抵抗率１０〜２０Ω・ｃ
ｍのｐ−　型シリコン基板１１の表面を酸化後、フォト
リソグラフィー及びＨＦ系液のエッチングによってシリ
コン酸化膜の一部を開口し、残在シリコン酸化膜を拡散
マスクとしてヒ素を拡散させて埋込層１２を形成する。 マスクとしたシリコン酸化膜をＨＦ系液によって全面除
去後、リン濃度が約１×１０の１６乗原子／立方センチ
メートルのｎ型シリコンエピタキシャル層１３を約１．
３μｍ成長させる。この成長の際、オートドーピングに
よってエピタキシャル層と埋込層との間に遷移領域が出
来るので、ほぼ一定のリン濃度であるエピタキシャル層
の実効的な厚さは約０．７μｍとなっている。次にｎ型
エピタキシャル層１３表面を酸化させ、約６００オング
ストロームのシリコン酸化膜２０１を形成し、更にＬＰ
ＣＶＤ法によってシリコン窒化膜２０２を堆積させる。 次にリソグラフィー工程によって素子間分離領域及びエ
ミッター・コレクタ間分離領域のフォトレジストを除去
する。このフォトレジスト２０３をマスクとしてシリコ
ン窒化膜及びシリコン酸化膜をドライ・エッチング法に
より除去し更にｎ型シリコンエピタキシャル層１３につ
いても約０．８μｍドライエッチングによって除去する
。

【００１７】その後、図２に示すように、ボロンを１０
０ｋｅＶ、１×１０の１４乗原子／平方センチメートル
でチャンネルストッパ部にのみイオン注入し、イオン注
入の際の結晶欠陥を除くための熱処理９００℃、Ｎ２　
雰囲気中で３０分間アニールすることによりチャネル防
止用イオン注入層１４を形成する。

【００１８】次にシリコン窒化膜２０２（図１）をマス
クにして選択的に酸化を行ないシリコン酸化膜の素子分
離層１５を形成する。次に選択酸化のマスク材としてい
たシリコン窒化膜２０２を熱したリン酸を用いて全面除
去後、再びＬＰＣＶＤ法によってシリコン窒化膜（図に
示さず）を堆積させ、フォトリソグラフィー工程により
コレクタ引き出し領域のフォトレジストを開口し、この
フォトレジストをマスク材としてシリコン窒化膜をドラ
イエッチングにより除去，開口する。フォトレジスト除
去後、シリコン窒化膜を拡散のマスクとしてリンを拡散
させる。この拡散した層は埋込層２まで到達することに
より低抵抗のコレクタ引出し領域１２’を形成する。コ
レクタ引き出しの表面を約１０００オングストローム酸
化した後熱したリン酸によって残りのシリコン窒化膜を
除去する。その後、ｎ型シリコンエピタキシャル層１３
上のシリコン酸化膜をＨＦ系液によって除去後、酸化し
てシリコン酸化膜２０１約４００オングストローム形成
する。このシリコン酸化膜２０１は、真性ベース層をイ
オン注入で形成する時シリコン層が裸の状態で注入した
場合より欠陥を少なくする目的がある。

【００１９】次にフォトリソグラフィー工程によりｎ型
エピタキシャル層の左側の約半分の領域を開口しこのフ
ォトレジスト１０１をマスクにボロンを５０ｋｅＶ、５
×１０の１５乗原子／平方センチメートルイオン注入し
、コンタクト用ボロン注入領域１６を形成する。もちろ
んフォトレジストを除去して、イオン注入された領域の
活性化の熱処理をすることは言うまでもない。次に再び
フォトリソグラフィー工程によってｎ型エピタキシャル
層上を全面開口し、このフォトレジスト１０１をマスク
材としてボロンを３０ｋｅＶ、２×１０の１３乗原子／
平方センチメートルイオン注入しレジスト除去及び活性
化の熱処理によって真性ベース層１７が形成される。 この状態が図２である。

【００２０】図３はエミッタ開口後を示す縦断面図であ
る。リンガラス膜１８を表面に形成後フォトリソグラフ
ィー工程により真性ベース層１７上にフォトレジストを
開口し、次にドライエッチング及びＨＦ系液によるエッ
チングによって真性ベース上に開口を形成する。

【００２１】ＲＣＡ洗浄によって開口内の重金属等によ
る汚染を除去後、ベース領域１７表面の自然酸化膜を除
去する目的で生ＨＦ液を１／５０に希釈した液に約３０
秒間浸漬する。しかしながら、この処理によっても、図
３に２０４として示すように自然酸化膜が残ったり、次
のステップを実行するまでに再度自然酸化膜２０４が形
成される。

【００２２】そこで、図３の示すウェハーを図９の容器
１０１内に入れ、自然酸化膜２０４の除去処理を実行す
る。本実施例では、その除去に要する時間を短縮するた
めに、まず、室温においてルツボ１０８ａ内の多結晶シ
リコン１０７に電子銃１１０ａからの電子をあててシリ
コンを蒸発させ自然酸化膜２０４上に同程度の厚さ（ほ
ぼ１０オングストローム）のシリコン層を堆積させる。 その後、５×１０の−８乗Ｔｏｒｒの真空度で約８５０
℃、１０分間熱処理する。これによって、自然酸化膜２
０４は蒸気圧の高いＳｉＯになり、ベース領域１７の表
面から除去される。かくして、その希しゃくしたＨＦ系
液で除去が不完全であったりあるいは除去後再び形成さ
れた自然酸化膜２０４は完全に取り去られ、図４に示す
ように、ベース領域１７の表面は完全に清浄化される。 このときの真空度は１０の−３乗Ｔｏｒｒ以下、好まし
くは１０の−５乗Ｔｏｒｒ以下とする。

【００２３】次に、ウェハーを容器１０に入れたままで
室温にし、電子サイクロトロン共鳴を起こさせるに必要
なマイクロ波および磁場、例えばマイクロ波発生器１０
４から周波数２．５４ＧＨｚおよび出力１００Ｗのマイ
クロ波を印加し電磁石で１０００ガウスの磁場強度を生
成した状態で、容器１０１内の分圧が２×１０の−５乗
Ｔｏｒｒとなるように酸素ボンベ１０６から酸素を導入
する。かくして、電子サイクロトロン共鳴により導入さ
れた酸素はイオン化され酸素イオンＯ−　が発生する。 シリコンウェハー１０３には１００Ｖ程度のバイアスが
かけられているので、酸素イオンＯ−　はシリコンウェ
ハー１０３に照射される。酸素イオンＯ−　の照射は数
秒から数１０秒間行われる。本実施例では１５秒間照射
した。 その結果、図５に示すように、ベース領域１７の清浄化
された表面に１２オングストローム程度のシリコン酸化
膜（ＳｉＯ２　）１９が形成される。

【００２４】図１０にＸ線光電子スペクトル（ＸＰＳ）
を示す。上記のように室温（ＲＴ）で形成されたシリコ
ン酸化膜１９では曲線１００に示すようにＳｉ−Ｏの結
合ピークのみ観測され、シリコンと酸素との比が実質的
に１：２である化学量論的組成となっている。一方、上
記した同じ条件で、ただし基板温度がそれぞれ３５０℃
，４５０℃で形成したシリコン酸化膜では、それぞれ曲
線１０１，１０２で示すように、Ｓｉ−Ｏのピークだけ
でなくＳｉ−Ｓｉの結合によるピークも認められ、Ｓｉ
リッチの酸化膜となっている。これは、酸素イオンＯ−
　を照射しても基板温度が比較的高いためベース領域１
７と反応結合するイオンが少なくなるためと考えられる
。基板温度が室温のときシリコンと酸素との比が実質的
に完全な１：２となるシリコン酸化膜が得られる。しか
も、基板に温度を印加する必要がないので、温度制御等
の処理が不要となり製造もきわめて容易となる。

【００２５】図９に戻って、導入された酸素は完全には
イオン化されず一部酸素分子Ｏ２　のまま容器１０１内
に到達する。しかしながら、容器１０１内は高真空状態
であり、かつ酸素分子Ｏ２　の反応エネルギーは酸素イ
オンＯ−　のそれに比して非常に小さいので、酸素分子
Ｏ２　とシリコンウェハー１０３との反応は実質起こら
ず、そのまま排気される。

【００２６】シリコン酸化膜１９の形成後、Ｓｉ基板温
度を室温状態で電子銃１１０ａによりルツボ１０８ａか
らシリコン１０７を蒸発させ、シリコンウェハー１０３
上にシリコンを約２０００オングストロームの厚さで堆
積させる。これによってできたシリコン層はアモルファ
ス（非晶質）である。このとき、電子銃１１０ｂによっ
てルツボ１０８ｂからアンチモン（Ｓｂ）を蒸発させ約
２×１０の１９乗アトム／立方センチメートルの濃度で
含有させながら、アモルファスシリコンを堆積させる。 このときの真空度は５×１０の−８乗Ｔｏｒｒであった
。その後、ヒータ１１１によってウェハー１０３を約５
００℃程度に加熱し、アモルファスシリコンを多結晶シ
リコンにする。かくして、図６に示すように、全面にＮ
型の多結晶シリコン層２０が形成されたウェハーが得ら
れる。多結晶シリコン層２０も同一容器内で形成してい
るので、シリコン酸化膜の膜厚、膜質の変動が防止され
る。このウェハーはその後真空容器１０１から取り出さ
れる。

【００２７】次に図７に示すようにエミッタ開口領域よ
り、少し広い領域（リソグラフィー工程におけるアライ
メントのズレと多結晶シリコンのドライエッチングの際
のサイドエッチ量との和の寸法以上に広くする）。上に
フォトレジストを残し、ドライエッチングによって多結
晶シリコン２０を除去する。ランプアニールを用いて９
００℃，３０秒の熱処理により多結晶シリコン２０から
ベース１７に不純物を拡散させて単結晶エミッタ２１を
形成し、次に、ベース及びコレクタ部の電極用のコンタ
クト孔をフォトリソグラフィー及びドライエッチングに
よって開口する。全面にＡｌ系金属２２、例えば、Ａｌ
−Ｓｉ合金（Ａｌ　　９９％，Ｓｉ　　１％）を蒸着し
エミッタ，ベース及びコレクタ電極を形成するためのフ
ォトレジストパターン１０２を形成する。

【００２８】フォトレジスト１０２をマスクとしたドラ
イエッチングによってメタル層２２の不要部を除去し、
フォトレジスト１０２を除去した後に４００℃１０分間
の合金化熱処理を施すことにより、図８のように、コレ
クタ電極２２−１，エミッタ電極２２−２およびベース
電極２２−３を有するバイポーラトランジスタが形成さ
れる。

【００２９】図１１に、本発明方法により得られたトラ
ンジスタ電流増巾率ｈＦＥと、従来方法によるトランジ
スタのｈＦＥとの比を、基板温度とＥＣＲ酸化時間を変
数に示している。基板温度が３５０℃の場合、従来技術
よりもｈＦＥは低い。これに対し本実施例のように室温
でかつ酸素イオンの照射時間をもってＥＣＲ酸化した場
合ｈＦＥが３倍に向上した。

【００３０】このように、ＥＣＲにより単結晶シリコン
上にシリコン酸化膜を形成する場合に基板温度を室温に
し、超高真空状態で酸素イオンを供給して形成すれば、
シリコンと酸素の化学量論的組成比が実質的に１：２の
シリコン酸化膜を形成でき、シリコン酸化膜の膜厚およ
び膜質のばらつきをなくすことができる。

【００３１】なお、本実施例では、多結晶シリコン２０
を、シリコン酸化膜１９への影響を小さくするべく、形
成されたアモルファスシリコンに熱処理を施して形成し
たが、他の方法でもよい。例えば、シリコン酸化膜１９
及びリンガラス膜１８の上に、６５０℃でシリコン分子
線を照射することにより、多結晶シリコンを直接堆積さ
せてもよい。さらに、多結晶シリコン２０を超高真空装
置１０１内でノンドープのまま、アモルファスシリコン
を室温で堆積させた後、これを多結晶化して形成したあ
とで、装置１０１からとり出し、例えば本実施例のよう
に膜厚が２０００オングストロームの多結晶シリコンで
あれば注入エネルギー７０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０の
１６乗原子／平方センチメートルでヒ素をイオン注入し
て導体化してもよい。その後、８００℃で３０分と９０
０℃で３０秒の熱処理を行うとエミッタ単結晶領域が形
成される。さらに、酸素イオンの総供給量は超高真空容
器１０１内の酸素ガスの分圧とＥＣＲ酸化時間との積で
決まるので本実施例よりも真空度を上げれば酸化速度を
遅くできるので、シリコン酸化膜の膜厚をより細かく精
密に制御できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、超高真空
装置内で電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用い
てイオン化した酸素イオンを室温状態にあるシリコン基
板に照射することにより、化学量論的なシリコン酸化膜
を形成したので、バイポーラトランジスタの電流増巾率
ｈＦＥを向上できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の一工程後の半導体装置の断
面図である。

【図２】図１に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図３】図２に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図４】図３に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図５】図４に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図６】図５に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図７】図６に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図８】図７に示される半導体装置の次の工程後の断面
図である。

【図９】本発明の一実施例に用いた製造装置の模式図で
ある。

【図１０】本発明の一実施例により形成されたシリコン
酸化膜の光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の酸化温度依
存性。

【図１１】本発明の半導体装置の製造方法を用いて形成
されたポリシリコン・エミッタ・バイポーラトランジス
タの電流増巾率（ｈＦＥ）の酸化時間依存性を示すグラ
フである。

【図１２】従来技術によって形成されたシリコン酸化膜
の光電子分光スペクトル（ＸＰＳ）の酸化温度依存性を
示すグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　単結晶シリコン基板内に選択的に形成
   された第一の導電型を有する単結晶シリコン第一島状領
   域上に、絶縁膜によって形成された開口内の単結晶シリ
   コン表面を清浄化する工程と、同一真空容器内で、酸素
   イオンを供給することにより前記清浄化されたシリコン
   表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、同一真空容器
   内で無添加また不純物が添加された多結晶または非晶質
   のシリコンを堆積させる工程とを含むことを特徴とする
   半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】　　前記シリコン酸化膜は室温で形成され
   、かつ前記酸素イオンは電子サイクロトロン共鳴法で発
   生されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
   製造方法。
3. 【請求項３】　　コレクタ領域にベース領域を形成する
   工程と、前記ベース領域の表面を清浄化する工程と、前
   記ベース領域の清浄化された表面に室温で酸素イオンを
   供給してシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコ
   ン酸化膜上に多結晶シリコン層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。