デルタドープ構造の形成方法
【課題】シリコンなどの結晶層の中に、ボロンのデルタドープ層が容易に形成できるようにする。
【解決手段】励起光を、第１半導体層の表面に照射した状態で（ステップＳ１０１）、第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入してボロン導入層を形成し（ステップＳ１０２）、引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第２ソースガスを導入して第２半導体層を形成する（ステップＳ１０３）。
【解決手段】励起光を、第１半導体層の表面に照射した状態で（ステップＳ１０１）、第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入してボロン導入層を形成し（ステップＳ１０２）、引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第２ソースガスを導入して第２半導体層を形成する（ステップＳ１０３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコンゲルマニウム混晶の半導体の層にボロンを浅くドーピングしたデルタドープ構造の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの高密度集積化により、ドーピング技術の重要性が増している。例えば、よく知られたＣＭＯＳデバイスにおいて、不純物のドーピング層を薄くして浅い接合を形成することで、ＣＭＯＳ素子を基板の厚さ方向（縦方向）に積層して形成することができるようになる。このように、ＣＭＯＳ素子を積層することで、例えば、よりいっそうの集積度向上が図れる。
【０００３】
このような浅い接合を形成することを目的とし、最近では、高精度なドーピング法の開発が行われている。代表的なものとして、プラズマドーピングがある。ボロンによるｐ型ドーピングに話を限るとすれば、Ｂ2Ｈ6やＢＦ3などの水素化ボロンガスをプラズマで励起し、比較的低いエネルギーで基板表面へ照射すると、浅いドーピングが可能となる。またクラスターイオンビームをボロン源に用いて電場で加速すると、１核種あたりの運動エネルギーは小さくなるので、基板中への侵入深さは小さく、浅いドーピングが得られる。
【０００４】
このような表面から浅い場所へ行うドーピング技術の他に、デルタドーピングと呼ばれる技術がある。デルタドーピングは、数原子層の厚みで高濃度にドーピングを行い、ドーピングした数原子層の領域に多数のキャリアを閉じ込めることを目的とするものである。これこそ究極の局所ドーピング法であって、前述したＣＭＯＳデバイスを縦方向へ積層する場合には、デルタドーピングによる局所ドーピングは、必須の技術となる。また、デルタドーピングは、量子デバイスなどへの応用も考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Tatsumi,et al. , "Activation efficiency of a B√3×√3/Si(111) structure covered with molecular beam deposited amorphous SI or SiOx", Appl. Phys. Lett. , vol.57, no.1, pp.73-75, 1990.
【非特許文献２】Z.Zhang et al. , "B/Si(100) surface: Atomic structure and epitaxial Si overgrowth", J. Vac. Sci. Technol. B, vol.14, no.4, pp.2684-2689, 1996.
【非特許文献３】T.Tatsumi et al. , "Surface Segregation at Boron Planar Doping in Silicon Molecular Beam Epitaxy", Japanese Journal of Applied Physics, vol.27, no.6, pp.L945-L956, 1988.
【非特許文献４】H. Jorke and H. Kibbel, "Boron delta doping in Si and Si0.8Ge0.2 layers", Appl. Phys. Lett. , vol.57, no.17, pp.1763-1765, 1990.
【非特許文献５】D.J.Godbey and M.G.Ancona, "Ge segregation during the growth of a SiGe buried layer by molecular beam epitaxy", J.Vac.Sci.Technol. B, vol.11, no.3 ,pp1120-1123, 1993.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、シリコン系の素子において、上述したデルタドーピングの構造を形成するためには、表面からある一定の深さへイオンを打ち込んで分布させ、これをアニールすることで形成できる。例えば、３価の原子であるボロンによりシリコン層にデルタドーピング構造を形成することで、ｐ型の浅い接合が形成できる。しかしながら、イオンの持つエネルギーが高いため、打ち込まれたボロンイオンの分布は、深さ方向にかなりの空間的拡がりを有することになる。さらに、イオン打ち込みによりダメージを受けたシリコン層の結晶性を回復するためには、ポストアニール工程が不可欠であり、この加熱の際に相当な量のボロン原子が上下に拡散してしまう。
【０００７】
上述したイオン打ち込みの他に、ボロンをシリコン基板表面上へ導入し、この上にシリコン層を形成することで、形成したシリコン層の下にボロンのデルタドーピング構造を形成する技術がある。この技術では、ボロン導入層（ボロンデルタドープ層）およびシリコン層の形成（成長）に、主に固体ソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）が使われてきた。この固体ソースＭＢＥによるデルタドープ構造の形成では、ボロン層の上のシリコン層の形成をどのように行うかが重要である。
【０００８】
例えば、ボロンデルタドープ層を形成した後のシリコン層形成を低温で行い、このシリコン層を非晶質のままとする技術が報告されている（非特許文献１参照）。また、ボロンデルタドープ層の上に形成した非晶質のシリコン層を、アニールにより結晶化させる技術も報告されている（非特許文献２参照）。また、ボロンデルタドープ層を形成した後、基板温度を７００℃以上としてシリコン層を結晶成長させる技術も報告されている（非特許文献３参照）。
【０００９】
しかしながら、ボロン原子を固体ソースから制御性良く定量的に供給するのは困難であり、生産には向いていない。また、シリコン層を結晶とするために基板温度を高くすると、かなりの量のボロン原子が拡散することが報告されている。多くのボロン原子が拡散した状態では、デルタドープ構造とはならない。
【００１０】
上述したことにより、ボロンデルタドープ層およびこの上のシリコン層の形成に、ガスソースを用いる方法が考えられる。また、このガスソースを有効に分解するためには、プラズマを用いることが一般的である。しかしながら、プラズマを用いたＣＶＤでは、ガス分子が分解したときに発生する水素原子が膜中に取り込まれ、非晶質の膜しか得られない場合が多い。この場合においても、水素原子が脱離する温度にまで基板温度を上げれば水素を除くことができるが、このような高温ではボロン原子が拡散してしまい、やはりデルタドープ構造が得られない。
【００１１】
上述したように、従来では、シリコンなどの結晶層の中に、ボロンのデルタドープ層を形成することが容易ではないという問題があった。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンなどの結晶層の中に、ボロンのデルタドープ層が容易に形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るデルタドープ構造の形成方法は、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を、シリコン，ゲルマニウム，およびシリコンゲルマニウム混晶より選択した半導体からなる第１半導体層の表面に照射した状態で、第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入し、第１半導体層の上にボロン導入層を形成する第１工程と、第１ソースガスの導入に引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスを導入し、ボロン導入層の上に第２半導体層を形成する第２工程とを少なくとも備える。
【００１４】
上記デルタドープ構造の形成方法において、第２工程の後で、ボロン導入層のボロンを電気的に活性化させる加熱処理を行うようにしてもよい。
【００１５】
上記デルタドープ構造の形成方法において、第１工程では、分光エリプソメータにより測定される第１半導体層の表面へのボロン原子の導入量の変化よりボロン膜が成長し始める時点を予想し、予測した時点の前に第１ソースガスの導入を停止すればよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、励起光を、第１半導体層の表面に照射した状態で、第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入してボロン導入層を形成し、引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第２ソースガスを導入して第２半導体層を形成するようにしたので、シリコンなどの結晶層の中に、ボロンのデルタドープ層が容易に形成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるデルタドープ構造の形成方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、ジボランガスの光励起分解によるボロン膜成長のΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図３】図３は、図２に示す光エネルギー２．３ｅＶおよび３．４ｅＶにおける成長初期のΨ−Δ軌跡を拡大して示す特性図である。
【図４】図４は、成長温度３００℃において、ジボランガスの導入とジシランガスの光励起分解によるシリコン上層の成長を連続して行ったときのΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図５】図５は、図４を用いて説明したデルタドープ構造について、シリコンバッファ層（点線）と、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造（実線）の室温における擬誘電応答関数を示す特性図である。
【図６】図６は、成長温度２５０℃でジボランガスを導入してしてボロン導入層を形成した後、成長温度４２０℃でシリコン上層を成長した時のΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図７】図７は、図６を用いて説明したデルタドープ構造について、シリコンバッファ層（点線）と、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造（実線）の室温における擬誘電応答関数を示す特性図である。
【図８】図８は、成長温度２５０℃でジボランガスを導入してしてボロン導入層を形成した後、成長温度３９０℃でシリコン上層を成長した時のΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図９】図９は、図８を用いて説明したデルタドープ構造について、シリコンバッファ層（点線）と、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造（実線）の室温における擬誘電応答関数を示す特性図である。
【図１０】図１０は、図６および図８を用いて説明したボロン導入層からのボロン原子の拡散の様子を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により調べた結果を示す分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるデルタドープ構造の形成方法を説明するためのフローチャートである。このデルタドープ構造の形成方法は、まず、ステップＳ１０１で、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を、シリコン，ゲルマニウム，およびシリコンゲルマニウム混晶より選択した半導体からなる第１半導体層の表面に照射する。
【００１９】
次に、ステップＳ１０２で、励起光が照射されている第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入し、第１半導体層の上にボロン導入層（ボロンデルタドープ層）を形成する。
【００２０】
次に、ステップＳ１０３で、第１ソースガスの導入に引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスを導入し、ボロン導入層の上に第２半導体層を形成する。例えば、第１ソースガスを所定の導入量で所定時間導入したら、第１ソースガスの導入を停止し、引き続いて第２ソースガスの導入を開始すればよい。
【００２１】
ここで、ボロン原子を含む第１ソースガスとしては、ボロンの水素化物であるジボラン（Ｂ2Ｈ6）が代表的なものであるが、デカボラン（Ｂ10Ｈ14）も利用できる。また、第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスとしては、例えば、第１半導体層がシリコンの場合、これを構成する原子はシリコンであり、シリコンの水素化物であるシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、トリシラン（Ｓｉ3Ｈ7）などが利用できる。
【００２２】
上述したソースガスは、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光により、効率的に分解できる。紫外光による光分解は、価電子励起であり、真空紫外光および軟Ｘ線による光分解は、内殻励起によるものとなる。これらの中で、内殻励起による分解の方が反応の量子収率は高く、また第１半導体層を励起したときに放出される２次電子による励起により、ソースガスから堆積させる領域を光の照射部だけに限定することができる利点がある。また、上述した励起光の照射により、照射している層の表面の各物質も励起される、従って、励起光が照射されている層においては、前述した各ソースガスの分解生成物である水素も励起されるので、この水素が照射されている層に取り込まれることが抑制されるようになる。
【００２３】
ところで、例えば、シリコンからなる第１半導体層の上へのボロンの気相成長においては、成長初期の第１半導体層表面が完全にボロン層で蔽われていない段階では、ボロン原子の堆積速度は低い。ボロンの量が一定値を超えたところから急速に堆積速度が増大し、一気にボロン膜の形成へと向かう。このようなボロン膜の成長において、堆積するボロン原子が一定の厚みのボロン膜になってしまうと、このボロン膜の上にシリコンのエピタキシャル層を形成することができない。
【００２４】
このため、導入するボロン原子の量を制御するために、第１半導体層上に導入するボロンソースガスの量（導入時間）を精密に制御することが重要となる。このようなボロンソースガス（第１ソースガス）の導入量制御では、ボロンの気相成長中の表面の状態を、分光エリプソメトリーにより測定（監視）すればよい。
【００２５】
光学的に測定を行う分光エリプソメトリーは、非破壊、非侵食、非接触で測定が可能という利点を有している。分光エリプソメトリーの測定データから、連続的にボロン膜が成長し始める時点を予想し、この時点の前にボロンソースガスの導入を停止することで、表面へ導入されるボロン原子の量を一定以下に抑えることができ、必要以上の厚さのボロン導入層の形成が抑制できる。
【００２６】
次に、第２半導体層を成長するにあたり、すでに第１半導体層の表面は高密度のボロン原子により覆われている（ボロン導入層が形成されている）ため、エピタキシャル成長をさせるには厳しい環境にあることは間違いない。例えば、第２半導体層の成長温度が低いと、ボロン導入層に阻まれて第１半導体層（シリコン結晶）表面の結晶状態の情報が伝わらず、第２半導体層の結晶性は多結晶もしくは非晶質層となる。
【００２７】
一方、成長温度を高くすることで結晶が成長するようになるが、このような高温状態では、ボロン導入層のボロン原子が熱的に拡散し、デルタドープ構造を形成することができない。例えば、第２半導体層の成長をガスソースＭＢＥにより行うためには、成長温度を６００℃程度にまで上げる必要があるが、このような高温を長時間継続すると、ボロン原子は容易に拡散してしまう。
【００２８】
上述した問題を解消するために、ボロン導入層の形成と同様に、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を用い、第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスの光励起分解により、低温状態で第２半導体層を成長（気相成長）する。ただし、光励起分解による第２半導体層の形成においても、成長温度が低すぎるとエピタキシャル成長にならず、逆に高すぎるとボロンの拡散が顕著になる。従って、光励起分解による第２半導体層の形成においては、エピタキシャル成長が可能な最低温度、あるいは最低温度よりやや上の温度に成長温度を設定するのが望ましい。また、第２半導体層を成長してデルタドープ構造を作製した後で、短時間アニールするプロセスを入れれば、ボロンの拡散を抑制した状態で、ボロンドープ層を電気的に十分活性化させることができる。
【００２９】
［実施例］
以下、実施例を用いて、より詳細に説明する。以下では、半導体としてシリコンの場合について説明し、第１半導体層はシリコン基板とする。また、ボロン原子の紫外域における光吸収は小さいので、真空紫外から軟Ｘ線領域に渡る、エネルギーが１０−１０００ｅＶの白色光を励起源（励起光）として用いた。到達真空度が１０-8Ｐａ台の超高真空チャンバ内で成長を行った。ボロン原子の導入には、ヘリウムガスで１％に希釈したジボランを用いた。シリコン源としては、ジシランを使用した。
【００３０】
まずシリコン基板を希弗酸で処理して表面の酸化物層を除去することにより、水素終端した。このように処理したシリコン基板を真空チャンバ内へ搬入し、所定の温度まで基板温度を上げ、ジシランガスを導入してガスソースＭＢＥによりシリコンバッファ層を成長した。このプロセスの目的は、最初のシリコン基板よりも表面が平坦で清浄なエピタキシャル基板を準備することである。シリコンバッファ層が、第１半導体層とも言える。
【００３１】
次に、所定の温度にまで基板温度を下げ、基板上に放射光（励起光）を照射した状態でジボランガスを所定時間だけ基板の上に導入した。放射光で導入されているジボランが分解し、シリコン基板（シリコンバッファ層）上に高濃度ボラン層（ボロン導入層）が堆積する。基板温度が高いと、ジボランの熱分解が急激に促進されるので、基板温度を３００℃以下に保つ必要がある。
【００３２】
図２は一例であるが、基板温度３００℃におけるジボランガスの導入を開始後から、系の光学的応答の時間発展をエリプソ角（Ψ，Δ）の変化として、Ψ−Δ平面上の軌跡として表したものである。ジボランガス分圧は３．１×１０-3Ｐａであった。ここで（Ψ，Δ）角は、ｐ偏光とｓ偏光の光の複素反射率ＲpとＲsの比として、Ｒp／Ｒs＝ｔａｎΨｅｘｐ（ｉΔ）で与えられる。光エネルギー「１．５ｅＶ」、「２．３ｅＶ」、「３．４ｅＶ」、「４．３ｅＶ」において、同時に（Ψ，Δ）角をモニターした。
【００３３】
図２に示すように、シリコンとボロンでは、光学定数が大きく異なることを反映し、成長に伴い、（Ψ，Δ）角の点である（Ψ，Δ）点は、軌跡Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅのように、開始点Ｏから離れていく。
【００３４】
成長初期の移り変わりを２．３ｅＶと３．４ｅＶについて拡大し、プロットしたのが図３である。図３において、データ点は１０秒間隔で取得している。まず、ジボランガスの導入を開始した時点で、（Ψ，Δ）点は軌跡Ｏ→Ａに沿って左へシフトしている。これは、基板温度が低い状態では、ジボランが表面に物理吸着した状態がまず形成されることを反映している。表面に堆積したボロン原子がまだ１原子層以下のうちは、（Ψ，Δ）点は非常にゆっくりと低Δ角方向へ動いている。
【００３５】
また、約３００秒後のＢ点に対応し、シリコン表面が完全にボロン原子に覆われると、今度はボロン原子で覆われている層の上でジボランの分解が低い活性化エネルギーのもとで進行するようになるので、加速度的にボロンの堆積速度が増大し、軌跡は急速に低Δ角方向へ伸びている。従って、これらの結果より、（Ψ，Δ）点がわずかに原点からシフトしたぐらいの時点でジボランガスの導入を停止すればよいことが分かる。
【００３６】
次に、ジボランガスの導入とジシランガスの光励起分解によるシリコン上層（第２半導体層）の成長とを、同一の基板温度において、途中でガスの切り替えだけで行った例について説明する。図４は、ガスの切り替えだけでボロン導入層の上にシリコン上層を形成した場合の（Ψ，Δ）角のモニター結果を示す特性図である。
【００３７】
本例において、基板温度は３００℃であり、分圧１．５×１０-3Ｐａのジボランガスを２４０秒間導入した際のボロンの堆積は、軌跡Ｏ→Ａ→Ｂに対応している。Ｂ点とＣ点の間でジボランガスの導入を停止し、引き続いて、分圧０．１６Ｐａのジシランガスを導入している。３．４ｅＶ、４．３ｅＶにおいては、Ｃ点からループを描くように、軌跡Ｃ→Ｄ→Ｅが上方へ向かっている。３．４ｅＶ、４．３ｅＶは各々シリコン結晶のＥ１、Ｅ２バンド間遷移に対応するエネルギーであり、（Ψ，Δ）点がＣ点から開始点Ｏの近傍へ戻って来ることは、シリコン上層がエピタキシャル層になっていることを意味している。
【００３８】
一方、１．５ｅＶ、２．３ｅＶは、バンド端よりも長波長側で、光の侵入深さが大きいため、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉと多層構造となっていることを反映し、シリコン上層の成長に従って、単調に低Δ角側へ軌跡が描かれている。
【００３９】
このようにして得られたＳｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造の室温における擬誘電応答関数（＜ε＞＝＜ε1＞＋ｉ＜ε2＞）を、シリコンバッファ層を形成した段階のものと比較して図５に示す。両者にそれ程大きな差はなく、シリコン上層の誘電応答関数はシリコンバッファ層（第１シリコン層）のものとほぼ同じで、シリコン上層はエピタキシャル層であることを示している。
【００４０】
ジシランの供給（導入）速度が高くなると、成長の様子がガスソースＭＢＥからＣＶＤに近くなり、水素の脱離よりも水素化シリコンの供給が勝り、シリコン上層の結晶性が悪くなる。これを確認するために、ジボランガスの導入時の基板温度は２５０℃にしてボロン導入層を形成した後、基板温度を４２０℃あるいは３９０℃に上げて、圧力０．３１Ｐａでジシランを導入することによる光励起分化によるシリコン上層の形成を行う。なお、この確認では、図４を用いて説明した場合に比較して、ボロン導入層をより厚く形成している。従って、以下の例では、図４を用いて説明した場合に比較して、シリコン上層がより結晶成長（エピタキシャル成長）しにくい条件となっている。
【００４１】
まず、図６に示す基板温度４２０℃の場合、各光エネルギーについての（Ψ，Δ）点の軌跡Ｏ→Ａは、ジボラン導入時に対応している。ジボランガスの供給を止めて、基板温度を４２０℃まで上げたところで系の誘電応答が変化し、軌跡Ａ→Ｂに沿って変化した。次にジシランを導入すると、導入初期段階では、軌跡Ｂ→Ｃ→Ｄとループを描き、ほぼ同じ（Ψ，Δ）角の大きさの領域に留まっている。これは、シリコンがエピタキシャル成長していることを示している。開始点ＯとＤ点が異なるのは、基板温度が異なるからである。しかしさらにシリコン上層の成長を継続していくと、結晶性が少しばかり悪化し、ゆっくりではあるが軌跡Ｄ→Ｅに沿って（Ψ，Δ）点がシフトした。
【００４２】
次に、成長後の擬誘電応答関数を図７に示す。図５を用いて説明した場合と同様に、シリコン上層の誘電応答関数はシリコン結晶のものに他ならず、ボロン導入層が間に挟まれてはいるが、エピタキシャル成長したことを示している。しかし図５に比べると＜ε2＞スペクトルにおけるＥ2遷移ピークの高さが僅かに低いので、シリコン上層の結晶性は、図５を用いて説明した条件の場合に比べると若干劣っている。
【００４３】
図８は、シリコン上層の成長の温度を３９０℃と低く設定した結果である。他の条件は、図６を用いて説明した条件と同様である。この場合、シリコン上層の成長初期におけるループ型軌跡の後で、かなり急速に低Δ角側へ軌跡Ｄ→Ｅが伸びている。さらに、Ｅ点から軌跡の方向が変わり、軌跡Ｅ→Ｆに沿って、さらに低Δ角領域まで変化が継続している。軌跡Ｄ→Ｅは、微結晶シリコンの形成、軌跡Ｅ→Ｆはアモルファスシリコンの形成に対応すると考えられる。この結果は、成長温度を３９０℃と低くすると、シリコン上層の結晶性が成長に従い悪化し、微結晶からアモルファス状態へと変化したことを意味している。この結果は、ボロン導入層の上に成長することで、界面の状態が良くない上に光励起分解による低温成長をしたことが原因である。成長後の擬誘電応答関数を図９に示す。擬誘電応答関数はシリコン基板のものとは大きく異なっており、これは微結晶シリコンの形成を表している。
【００４４】
次に、得られたデルタドーピング層（ボロン導入層）からのボロン原子の拡散の様子を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により調べた結果について図１０を用いて説明する。図１０の（ａ）は、図６を用いて説明したボロン導入層のボロン原子の深さ分布を示し、図１０の（ｂ）は、図８を用いて説明したボロン導入層のボロン原子の深さ分布を示している。両者ともに、濃度ピークを形成している場所は、シリコン上層の表面（Ｓ）、ボロン導入層内（Ｍ）、シリコンバッファ層とシリコン基板の界面（Ｉ）である。
【００４５】
まず、シリコン上層の表面（Ｓ）のピークについて説明すると、これは、「Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｅａｋ」と呼ばれている（非特許文献５参照）。このように、表面にドーパントが偏析することは、よく知られている。
【００４６】
次に、界面（Ｉ）のピークについて説明する。シリコンバッファ層とシリコン基板の界面は、わずかな結晶性の乱れが生じやすく、このような欠陥に選択的にボロン原子がトラップされる。このようにトラップされた状態が、界面（Ｉ）のピークとして現れている。しかし、欠陥部分でのボロン原子濃度はそれほど高くない。
【００４７】
次に、ボロン導入層内（Ｍ）のピークについて説明する。ボロン導入層におけるボロンの濃度分布は、シリコンバッファ層（シリコン基板）側に濃度が低下しているが、これは「Ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ」と呼ばれている状態である（非特許文献５参照）。この濃度低下は、ボロン原子を堆積している間に、シリコン基板の側に一部のボロンが拡散したものと考えられる。このボロン原子の拡散は、放射光励起により促進されていると考えられる。
【００４８】
またシリコン上層側への裾引きは、「Ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ」と呼ばれている（非特許文献５参照）。図１０の（ｂ）の基板温度３９０℃の場合には、ボロン導入層とシリコン上層の界面でボロンの分布は急峻に切れて落ちている。シリコン上層は、ソースガスの光励起分解により形成しているため、水素原子の「Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ」効果により、ボロン原子の拡散が抑制され、この場合においては「Ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ」がほとんど見られないという結果に繋がっているものと考えられる。
【００４９】
しかし、図１０の（ａ）の基板温度４２０℃の条件で、シリコン上層がエピタキシャル成長になっている場合には、シリコン上層側への裾引き分布が見られると同時に、深さ２３０ｎｍ付近に膨らんだこぶのような構造が存在し、拡散を示唆している。しかし、この状態はさほど顕著なものではなく、シリコン上層がエピタキシャルであることと、ボロン原子が高濃度にボロン導入層内に閉じ込められていることとが、両立した結果になっている。このことから、本例で作製したボロン導入層（層厚約５０ｎｍ）の上では、基板温度４２０℃以上において光励起分化によるプロセスを行えば、結晶性に優れたシリコン上層が形成できることが明らかである。
【００５０】
なお、図４を用いて説明した例では、成長温度３００℃でシリコン上層を結晶成長させることができているが、これは、ボロン導入層がより薄い（ボロンの堆積量が少ない）場合である。これに対し、より厚いボロン導入層（層厚約５０ｎｍ）を形成した場合、上述したように、成長温度を４２０℃まで高くすることで、シリコン上層をエピタキシャル成長層とすることができる。
【００５１】
以上に説明したように、本発明によれば、同じ装置内で、ボロン導入層の形成に引き続き、ソースガスの切り替えで第２半導体層を形成しているので、大気に曝すことなく、良好な界面特性を有するボロン導入層を連続的に形成することができる。また、ソースガスを励起光で分解する堆積により、ボロン導入層および第２半導体層を形成しているので、ボロン原子の熱拡散を抑制できる低温プロセスが可能であると同時に、水素原子の「Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ」効果によって、ボロン原子の拡散を抑制することができる。
【００５２】
さらに分光エリプソメトリーにより、ボロン導入層の形成状態を監視することで、ボロン原子の第１半導体層表面への導入量を成長中に知ることができる。このように監視することで、生業温度およびガス圧などの条件が変化したとしても、作製しているデルタドープ構造毎に、第１ソースガスの導入を停止すべき時点を決めることが可能となる。
【００５３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、主に、半導体としてシリコンを用いる場合について説明したが、これに限るものではなく、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶であっても同様である。ゲルマニウムのためのソースガスとしては、ゲルマン（ＧｅＨ4）を用いれば、全く同様なプロセスが可能となる。但し、ボロン原子が拡散し始める温度、あるいはゲルマニウムやシリコンゲルマニウムを堆積する温度は異なる。一般にシリコンゲルマニウム混晶においては、ゲルマニウムの濃度が高くなるに従い、結晶化温度は低い。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコンゲルマニウム混晶の半導体の層にボロンを浅くドーピングしたデルタドープ構造の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの高密度集積化により、ドーピング技術の重要性が増している。例えば、よく知られたＣＭＯＳデバイスにおいて、不純物のドーピング層を薄くして浅い接合を形成することで、ＣＭＯＳ素子を基板の厚さ方向（縦方向）に積層して形成することができるようになる。このように、ＣＭＯＳ素子を積層することで、例えば、よりいっそうの集積度向上が図れる。
【０００３】
このような浅い接合を形成することを目的とし、最近では、高精度なドーピング法の開発が行われている。代表的なものとして、プラズマドーピングがある。ボロンによるｐ型ドーピングに話を限るとすれば、Ｂ2Ｈ6やＢＦ3などの水素化ボロンガスをプラズマで励起し、比較的低いエネルギーで基板表面へ照射すると、浅いドーピングが可能となる。またクラスターイオンビームをボロン源に用いて電場で加速すると、１核種あたりの運動エネルギーは小さくなるので、基板中への侵入深さは小さく、浅いドーピングが得られる。
【０００４】
このような表面から浅い場所へ行うドーピング技術の他に、デルタドーピングと呼ばれる技術がある。デルタドーピングは、数原子層の厚みで高濃度にドーピングを行い、ドーピングした数原子層の領域に多数のキャリアを閉じ込めることを目的とするものである。これこそ究極の局所ドーピング法であって、前述したＣＭＯＳデバイスを縦方向へ積層する場合には、デルタドーピングによる局所ドーピングは、必須の技術となる。また、デルタドーピングは、量子デバイスなどへの応用も考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Tatsumi,et al. , "Activation efficiency of a B√3×√3/Si(111) structure covered with molecular beam deposited amorphous SI or SiOx", Appl. Phys. Lett. , vol.57, no.1, pp.73-75, 1990.
【非特許文献２】Z.Zhang et al. , "B/Si(100) surface: Atomic structure and epitaxial Si overgrowth", J. Vac. Sci. Technol. B, vol.14, no.4, pp.2684-2689, 1996.
【非特許文献３】T.Tatsumi et al. , "Surface Segregation at Boron Planar Doping in Silicon Molecular Beam Epitaxy", Japanese Journal of Applied Physics, vol.27, no.6, pp.L945-L956, 1988.
【非特許文献４】H. Jorke and H. Kibbel, "Boron delta doping in Si and Si0.8Ge0.2 layers", Appl. Phys. Lett. , vol.57, no.17, pp.1763-1765, 1990.
【非特許文献５】D.J.Godbey and M.G.Ancona, "Ge segregation during the growth of a SiGe buried layer by molecular beam epitaxy", J.Vac.Sci.Technol. B, vol.11, no.3 ,pp1120-1123, 1993.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、シリコン系の素子において、上述したデルタドーピングの構造を形成するためには、表面からある一定の深さへイオンを打ち込んで分布させ、これをアニールすることで形成できる。例えば、３価の原子であるボロンによりシリコン層にデルタドーピング構造を形成することで、ｐ型の浅い接合が形成できる。しかしながら、イオンの持つエネルギーが高いため、打ち込まれたボロンイオンの分布は、深さ方向にかなりの空間的拡がりを有することになる。さらに、イオン打ち込みによりダメージを受けたシリコン層の結晶性を回復するためには、ポストアニール工程が不可欠であり、この加熱の際に相当な量のボロン原子が上下に拡散してしまう。
【０００７】
上述したイオン打ち込みの他に、ボロンをシリコン基板表面上へ導入し、この上にシリコン層を形成することで、形成したシリコン層の下にボロンのデルタドーピング構造を形成する技術がある。この技術では、ボロン導入層（ボロンデルタドープ層）およびシリコン層の形成（成長）に、主に固体ソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）が使われてきた。この固体ソースＭＢＥによるデルタドープ構造の形成では、ボロン層の上のシリコン層の形成をどのように行うかが重要である。
【０００８】
例えば、ボロンデルタドープ層を形成した後のシリコン層形成を低温で行い、このシリコン層を非晶質のままとする技術が報告されている（非特許文献１参照）。また、ボロンデルタドープ層の上に形成した非晶質のシリコン層を、アニールにより結晶化させる技術も報告されている（非特許文献２参照）。また、ボロンデルタドープ層を形成した後、基板温度を７００℃以上としてシリコン層を結晶成長させる技術も報告されている（非特許文献３参照）。
【０００９】
しかしながら、ボロン原子を固体ソースから制御性良く定量的に供給するのは困難であり、生産には向いていない。また、シリコン層を結晶とするために基板温度を高くすると、かなりの量のボロン原子が拡散することが報告されている。多くのボロン原子が拡散した状態では、デルタドープ構造とはならない。
【００１０】
上述したことにより、ボロンデルタドープ層およびこの上のシリコン層の形成に、ガスソースを用いる方法が考えられる。また、このガスソースを有効に分解するためには、プラズマを用いることが一般的である。しかしながら、プラズマを用いたＣＶＤでは、ガス分子が分解したときに発生する水素原子が膜中に取り込まれ、非晶質の膜しか得られない場合が多い。この場合においても、水素原子が脱離する温度にまで基板温度を上げれば水素を除くことができるが、このような高温ではボロン原子が拡散してしまい、やはりデルタドープ構造が得られない。
【００１１】
上述したように、従来では、シリコンなどの結晶層の中に、ボロンのデルタドープ層を形成することが容易ではないという問題があった。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンなどの結晶層の中に、ボロンのデルタドープ層が容易に形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るデルタドープ構造の形成方法は、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を、シリコン，ゲルマニウム，およびシリコンゲルマニウム混晶より選択した半導体からなる第１半導体層の表面に照射した状態で、第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入し、第１半導体層の上にボロン導入層を形成する第１工程と、第１ソースガスの導入に引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスを導入し、ボロン導入層の上に第２半導体層を形成する第２工程とを少なくとも備える。
【００１４】
上記デルタドープ構造の形成方法において、第２工程の後で、ボロン導入層のボロンを電気的に活性化させる加熱処理を行うようにしてもよい。
【００１５】
上記デルタドープ構造の形成方法において、第１工程では、分光エリプソメータにより測定される第１半導体層の表面へのボロン原子の導入量の変化よりボロン膜が成長し始める時点を予想し、予測した時点の前に第１ソースガスの導入を停止すればよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、励起光を、第１半導体層の表面に照射した状態で、第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入してボロン導入層を形成し、引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第２ソースガスを導入して第２半導体層を形成するようにしたので、シリコンなどの結晶層の中に、ボロンのデルタドープ層が容易に形成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるデルタドープ構造の形成方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、ジボランガスの光励起分解によるボロン膜成長のΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図３】図３は、図２に示す光エネルギー２．３ｅＶおよび３．４ｅＶにおける成長初期のΨ−Δ軌跡を拡大して示す特性図である。
【図４】図４は、成長温度３００℃において、ジボランガスの導入とジシランガスの光励起分解によるシリコン上層の成長を連続して行ったときのΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図５】図５は、図４を用いて説明したデルタドープ構造について、シリコンバッファ層（点線）と、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造（実線）の室温における擬誘電応答関数を示す特性図である。
【図６】図６は、成長温度２５０℃でジボランガスを導入してしてボロン導入層を形成した後、成長温度４２０℃でシリコン上層を成長した時のΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図７】図７は、図６を用いて説明したデルタドープ構造について、シリコンバッファ層（点線）と、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造（実線）の室温における擬誘電応答関数を示す特性図である。
【図８】図８は、成長温度２５０℃でジボランガスを導入してしてボロン導入層を形成した後、成長温度３９０℃でシリコン上層を成長した時のΨ−Δ軌跡を、光エネルギー毎に示す特性図である。
【図９】図９は、図８を用いて説明したデルタドープ構造について、シリコンバッファ層（点線）と、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造（実線）の室温における擬誘電応答関数を示す特性図である。
【図１０】図１０は、図６および図８を用いて説明したボロン導入層からのボロン原子の拡散の様子を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により調べた結果を示す分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるデルタドープ構造の形成方法を説明するためのフローチャートである。このデルタドープ構造の形成方法は、まず、ステップＳ１０１で、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を、シリコン，ゲルマニウム，およびシリコンゲルマニウム混晶より選択した半導体からなる第１半導体層の表面に照射する。
【００１９】
次に、ステップＳ１０２で、励起光が照射されている第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入し、第１半導体層の上にボロン導入層（ボロンデルタドープ層）を形成する。
【００２０】
次に、ステップＳ１０３で、第１ソースガスの導入に引き続き、励起光が照射されているボロン導入層の上に第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスを導入し、ボロン導入層の上に第２半導体層を形成する。例えば、第１ソースガスを所定の導入量で所定時間導入したら、第１ソースガスの導入を停止し、引き続いて第２ソースガスの導入を開始すればよい。
【００２１】
ここで、ボロン原子を含む第１ソースガスとしては、ボロンの水素化物であるジボラン（Ｂ2Ｈ6）が代表的なものであるが、デカボラン（Ｂ10Ｈ14）も利用できる。また、第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスとしては、例えば、第１半導体層がシリコンの場合、これを構成する原子はシリコンであり、シリコンの水素化物であるシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、トリシラン（Ｓｉ3Ｈ7）などが利用できる。
【００２２】
上述したソースガスは、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光により、効率的に分解できる。紫外光による光分解は、価電子励起であり、真空紫外光および軟Ｘ線による光分解は、内殻励起によるものとなる。これらの中で、内殻励起による分解の方が反応の量子収率は高く、また第１半導体層を励起したときに放出される２次電子による励起により、ソースガスから堆積させる領域を光の照射部だけに限定することができる利点がある。また、上述した励起光の照射により、照射している層の表面の各物質も励起される、従って、励起光が照射されている層においては、前述した各ソースガスの分解生成物である水素も励起されるので、この水素が照射されている層に取り込まれることが抑制されるようになる。
【００２３】
ところで、例えば、シリコンからなる第１半導体層の上へのボロンの気相成長においては、成長初期の第１半導体層表面が完全にボロン層で蔽われていない段階では、ボロン原子の堆積速度は低い。ボロンの量が一定値を超えたところから急速に堆積速度が増大し、一気にボロン膜の形成へと向かう。このようなボロン膜の成長において、堆積するボロン原子が一定の厚みのボロン膜になってしまうと、このボロン膜の上にシリコンのエピタキシャル層を形成することができない。
【００２４】
このため、導入するボロン原子の量を制御するために、第１半導体層上に導入するボロンソースガスの量（導入時間）を精密に制御することが重要となる。このようなボロンソースガス（第１ソースガス）の導入量制御では、ボロンの気相成長中の表面の状態を、分光エリプソメトリーにより測定（監視）すればよい。
【００２５】
光学的に測定を行う分光エリプソメトリーは、非破壊、非侵食、非接触で測定が可能という利点を有している。分光エリプソメトリーの測定データから、連続的にボロン膜が成長し始める時点を予想し、この時点の前にボロンソースガスの導入を停止することで、表面へ導入されるボロン原子の量を一定以下に抑えることができ、必要以上の厚さのボロン導入層の形成が抑制できる。
【００２６】
次に、第２半導体層を成長するにあたり、すでに第１半導体層の表面は高密度のボロン原子により覆われている（ボロン導入層が形成されている）ため、エピタキシャル成長をさせるには厳しい環境にあることは間違いない。例えば、第２半導体層の成長温度が低いと、ボロン導入層に阻まれて第１半導体層（シリコン結晶）表面の結晶状態の情報が伝わらず、第２半導体層の結晶性は多結晶もしくは非晶質層となる。
【００２７】
一方、成長温度を高くすることで結晶が成長するようになるが、このような高温状態では、ボロン導入層のボロン原子が熱的に拡散し、デルタドープ構造を形成することができない。例えば、第２半導体層の成長をガスソースＭＢＥにより行うためには、成長温度を６００℃程度にまで上げる必要があるが、このような高温を長時間継続すると、ボロン原子は容易に拡散してしまう。
【００２８】
上述した問題を解消するために、ボロン導入層の形成と同様に、紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を用い、第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスの光励起分解により、低温状態で第２半導体層を成長（気相成長）する。ただし、光励起分解による第２半導体層の形成においても、成長温度が低すぎるとエピタキシャル成長にならず、逆に高すぎるとボロンの拡散が顕著になる。従って、光励起分解による第２半導体層の形成においては、エピタキシャル成長が可能な最低温度、あるいは最低温度よりやや上の温度に成長温度を設定するのが望ましい。また、第２半導体層を成長してデルタドープ構造を作製した後で、短時間アニールするプロセスを入れれば、ボロンの拡散を抑制した状態で、ボロンドープ層を電気的に十分活性化させることができる。
【００２９】
［実施例］
以下、実施例を用いて、より詳細に説明する。以下では、半導体としてシリコンの場合について説明し、第１半導体層はシリコン基板とする。また、ボロン原子の紫外域における光吸収は小さいので、真空紫外から軟Ｘ線領域に渡る、エネルギーが１０−１０００ｅＶの白色光を励起源（励起光）として用いた。到達真空度が１０-8Ｐａ台の超高真空チャンバ内で成長を行った。ボロン原子の導入には、ヘリウムガスで１％に希釈したジボランを用いた。シリコン源としては、ジシランを使用した。
【００３０】
まずシリコン基板を希弗酸で処理して表面の酸化物層を除去することにより、水素終端した。このように処理したシリコン基板を真空チャンバ内へ搬入し、所定の温度まで基板温度を上げ、ジシランガスを導入してガスソースＭＢＥによりシリコンバッファ層を成長した。このプロセスの目的は、最初のシリコン基板よりも表面が平坦で清浄なエピタキシャル基板を準備することである。シリコンバッファ層が、第１半導体層とも言える。
【００３１】
次に、所定の温度にまで基板温度を下げ、基板上に放射光（励起光）を照射した状態でジボランガスを所定時間だけ基板の上に導入した。放射光で導入されているジボランが分解し、シリコン基板（シリコンバッファ層）上に高濃度ボラン層（ボロン導入層）が堆積する。基板温度が高いと、ジボランの熱分解が急激に促進されるので、基板温度を３００℃以下に保つ必要がある。
【００３２】
図２は一例であるが、基板温度３００℃におけるジボランガスの導入を開始後から、系の光学的応答の時間発展をエリプソ角（Ψ，Δ）の変化として、Ψ−Δ平面上の軌跡として表したものである。ジボランガス分圧は３．１×１０-3Ｐａであった。ここで（Ψ，Δ）角は、ｐ偏光とｓ偏光の光の複素反射率ＲpとＲsの比として、Ｒp／Ｒs＝ｔａｎΨｅｘｐ（ｉΔ）で与えられる。光エネルギー「１．５ｅＶ」、「２．３ｅＶ」、「３．４ｅＶ」、「４．３ｅＶ」において、同時に（Ψ，Δ）角をモニターした。
【００３３】
図２に示すように、シリコンとボロンでは、光学定数が大きく異なることを反映し、成長に伴い、（Ψ，Δ）角の点である（Ψ，Δ）点は、軌跡Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅのように、開始点Ｏから離れていく。
【００３４】
成長初期の移り変わりを２．３ｅＶと３．４ｅＶについて拡大し、プロットしたのが図３である。図３において、データ点は１０秒間隔で取得している。まず、ジボランガスの導入を開始した時点で、（Ψ，Δ）点は軌跡Ｏ→Ａに沿って左へシフトしている。これは、基板温度が低い状態では、ジボランが表面に物理吸着した状態がまず形成されることを反映している。表面に堆積したボロン原子がまだ１原子層以下のうちは、（Ψ，Δ）点は非常にゆっくりと低Δ角方向へ動いている。
【００３５】
また、約３００秒後のＢ点に対応し、シリコン表面が完全にボロン原子に覆われると、今度はボロン原子で覆われている層の上でジボランの分解が低い活性化エネルギーのもとで進行するようになるので、加速度的にボロンの堆積速度が増大し、軌跡は急速に低Δ角方向へ伸びている。従って、これらの結果より、（Ψ，Δ）点がわずかに原点からシフトしたぐらいの時点でジボランガスの導入を停止すればよいことが分かる。
【００３６】
次に、ジボランガスの導入とジシランガスの光励起分解によるシリコン上層（第２半導体層）の成長とを、同一の基板温度において、途中でガスの切り替えだけで行った例について説明する。図４は、ガスの切り替えだけでボロン導入層の上にシリコン上層を形成した場合の（Ψ，Δ）角のモニター結果を示す特性図である。
【００３７】
本例において、基板温度は３００℃であり、分圧１．５×１０-3Ｐａのジボランガスを２４０秒間導入した際のボロンの堆積は、軌跡Ｏ→Ａ→Ｂに対応している。Ｂ点とＣ点の間でジボランガスの導入を停止し、引き続いて、分圧０．１６Ｐａのジシランガスを導入している。３．４ｅＶ、４．３ｅＶにおいては、Ｃ点からループを描くように、軌跡Ｃ→Ｄ→Ｅが上方へ向かっている。３．４ｅＶ、４．３ｅＶは各々シリコン結晶のＥ１、Ｅ２バンド間遷移に対応するエネルギーであり、（Ψ，Δ）点がＣ点から開始点Ｏの近傍へ戻って来ることは、シリコン上層がエピタキシャル層になっていることを意味している。
【００３８】
一方、１．５ｅＶ、２．３ｅＶは、バンド端よりも長波長側で、光の侵入深さが大きいため、Ｓｉ／Ｂ／Ｓｉと多層構造となっていることを反映し、シリコン上層の成長に従って、単調に低Δ角側へ軌跡が描かれている。
【００３９】
このようにして得られたＳｉ／Ｂ／Ｓｉデルタドープ構造の室温における擬誘電応答関数（＜ε＞＝＜ε1＞＋ｉ＜ε2＞）を、シリコンバッファ層を形成した段階のものと比較して図５に示す。両者にそれ程大きな差はなく、シリコン上層の誘電応答関数はシリコンバッファ層（第１シリコン層）のものとほぼ同じで、シリコン上層はエピタキシャル層であることを示している。
【００４０】
ジシランの供給（導入）速度が高くなると、成長の様子がガスソースＭＢＥからＣＶＤに近くなり、水素の脱離よりも水素化シリコンの供給が勝り、シリコン上層の結晶性が悪くなる。これを確認するために、ジボランガスの導入時の基板温度は２５０℃にしてボロン導入層を形成した後、基板温度を４２０℃あるいは３９０℃に上げて、圧力０．３１Ｐａでジシランを導入することによる光励起分化によるシリコン上層の形成を行う。なお、この確認では、図４を用いて説明した場合に比較して、ボロン導入層をより厚く形成している。従って、以下の例では、図４を用いて説明した場合に比較して、シリコン上層がより結晶成長（エピタキシャル成長）しにくい条件となっている。
【００４１】
まず、図６に示す基板温度４２０℃の場合、各光エネルギーについての（Ψ，Δ）点の軌跡Ｏ→Ａは、ジボラン導入時に対応している。ジボランガスの供給を止めて、基板温度を４２０℃まで上げたところで系の誘電応答が変化し、軌跡Ａ→Ｂに沿って変化した。次にジシランを導入すると、導入初期段階では、軌跡Ｂ→Ｃ→Ｄとループを描き、ほぼ同じ（Ψ，Δ）角の大きさの領域に留まっている。これは、シリコンがエピタキシャル成長していることを示している。開始点ＯとＤ点が異なるのは、基板温度が異なるからである。しかしさらにシリコン上層の成長を継続していくと、結晶性が少しばかり悪化し、ゆっくりではあるが軌跡Ｄ→Ｅに沿って（Ψ，Δ）点がシフトした。
【００４２】
次に、成長後の擬誘電応答関数を図７に示す。図５を用いて説明した場合と同様に、シリコン上層の誘電応答関数はシリコン結晶のものに他ならず、ボロン導入層が間に挟まれてはいるが、エピタキシャル成長したことを示している。しかし図５に比べると＜ε2＞スペクトルにおけるＥ2遷移ピークの高さが僅かに低いので、シリコン上層の結晶性は、図５を用いて説明した条件の場合に比べると若干劣っている。
【００４３】
図８は、シリコン上層の成長の温度を３９０℃と低く設定した結果である。他の条件は、図６を用いて説明した条件と同様である。この場合、シリコン上層の成長初期におけるループ型軌跡の後で、かなり急速に低Δ角側へ軌跡Ｄ→Ｅが伸びている。さらに、Ｅ点から軌跡の方向が変わり、軌跡Ｅ→Ｆに沿って、さらに低Δ角領域まで変化が継続している。軌跡Ｄ→Ｅは、微結晶シリコンの形成、軌跡Ｅ→Ｆはアモルファスシリコンの形成に対応すると考えられる。この結果は、成長温度を３９０℃と低くすると、シリコン上層の結晶性が成長に従い悪化し、微結晶からアモルファス状態へと変化したことを意味している。この結果は、ボロン導入層の上に成長することで、界面の状態が良くない上に光励起分解による低温成長をしたことが原因である。成長後の擬誘電応答関数を図９に示す。擬誘電応答関数はシリコン基板のものとは大きく異なっており、これは微結晶シリコンの形成を表している。
【００４４】
次に、得られたデルタドーピング層（ボロン導入層）からのボロン原子の拡散の様子を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により調べた結果について図１０を用いて説明する。図１０の（ａ）は、図６を用いて説明したボロン導入層のボロン原子の深さ分布を示し、図１０の（ｂ）は、図８を用いて説明したボロン導入層のボロン原子の深さ分布を示している。両者ともに、濃度ピークを形成している場所は、シリコン上層の表面（Ｓ）、ボロン導入層内（Ｍ）、シリコンバッファ層とシリコン基板の界面（Ｉ）である。
【００４５】
まず、シリコン上層の表面（Ｓ）のピークについて説明すると、これは、「Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｅａｋ」と呼ばれている（非特許文献５参照）。このように、表面にドーパントが偏析することは、よく知られている。
【００４６】
次に、界面（Ｉ）のピークについて説明する。シリコンバッファ層とシリコン基板の界面は、わずかな結晶性の乱れが生じやすく、このような欠陥に選択的にボロン原子がトラップされる。このようにトラップされた状態が、界面（Ｉ）のピークとして現れている。しかし、欠陥部分でのボロン原子濃度はそれほど高くない。
【００４７】
次に、ボロン導入層内（Ｍ）のピークについて説明する。ボロン導入層におけるボロンの濃度分布は、シリコンバッファ層（シリコン基板）側に濃度が低下しているが、これは「Ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ」と呼ばれている状態である（非特許文献５参照）。この濃度低下は、ボロン原子を堆積している間に、シリコン基板の側に一部のボロンが拡散したものと考えられる。このボロン原子の拡散は、放射光励起により促進されていると考えられる。
【００４８】
またシリコン上層側への裾引きは、「Ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ」と呼ばれている（非特許文献５参照）。図１０の（ｂ）の基板温度３９０℃の場合には、ボロン導入層とシリコン上層の界面でボロンの分布は急峻に切れて落ちている。シリコン上層は、ソースガスの光励起分解により形成しているため、水素原子の「Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ」効果により、ボロン原子の拡散が抑制され、この場合においては「Ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ」がほとんど見られないという結果に繋がっているものと考えられる。
【００４９】
しかし、図１０の（ａ）の基板温度４２０℃の条件で、シリコン上層がエピタキシャル成長になっている場合には、シリコン上層側への裾引き分布が見られると同時に、深さ２３０ｎｍ付近に膨らんだこぶのような構造が存在し、拡散を示唆している。しかし、この状態はさほど顕著なものではなく、シリコン上層がエピタキシャルであることと、ボロン原子が高濃度にボロン導入層内に閉じ込められていることとが、両立した結果になっている。このことから、本例で作製したボロン導入層（層厚約５０ｎｍ）の上では、基板温度４２０℃以上において光励起分化によるプロセスを行えば、結晶性に優れたシリコン上層が形成できることが明らかである。
【００５０】
なお、図４を用いて説明した例では、成長温度３００℃でシリコン上層を結晶成長させることができているが、これは、ボロン導入層がより薄い（ボロンの堆積量が少ない）場合である。これに対し、より厚いボロン導入層（層厚約５０ｎｍ）を形成した場合、上述したように、成長温度を４２０℃まで高くすることで、シリコン上層をエピタキシャル成長層とすることができる。
【００５１】
以上に説明したように、本発明によれば、同じ装置内で、ボロン導入層の形成に引き続き、ソースガスの切り替えで第２半導体層を形成しているので、大気に曝すことなく、良好な界面特性を有するボロン導入層を連続的に形成することができる。また、ソースガスを励起光で分解する堆積により、ボロン導入層および第２半導体層を形成しているので、ボロン原子の熱拡散を抑制できる低温プロセスが可能であると同時に、水素原子の「Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ」効果によって、ボロン原子の拡散を抑制することができる。
【００５２】
さらに分光エリプソメトリーにより、ボロン導入層の形成状態を監視することで、ボロン原子の第１半導体層表面への導入量を成長中に知ることができる。このように監視することで、生業温度およびガス圧などの条件が変化したとしても、作製しているデルタドープ構造毎に、第１ソースガスの導入を停止すべき時点を決めることが可能となる。
【００５３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、主に、半導体としてシリコンを用いる場合について説明したが、これに限るものではなく、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶であっても同様である。ゲルマニウムのためのソースガスとしては、ゲルマン（ＧｅＨ4）を用いれば、全く同様なプロセスが可能となる。但し、ボロン原子が拡散し始める温度、あるいはゲルマニウムやシリコンゲルマニウムを堆積する温度は異なる。一般にシリコンゲルマニウム混晶においては、ゲルマニウムの濃度が高くなるに従い、結晶化温度は低い。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を、シリコン，ゲルマニウム，およびシリコンゲルマニウム混晶より選択した半導体からなる第１半導体層の表面に照射した状態で、前記第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入し、前記第１半導体層の上にボロン導入層を形成する第１工程と、
前記第１ソースガスの導入に引き続き、前記励起光が照射されている前記ボロン導入層の上に前記第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスを導入し、前記ボロン導入層の上に第２半導体層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするデルタドープ構造の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のデルタドープ構造の形成方法において、
前記第２工程の後で、前記ボロン導入層のボロンを電気的に活性化させる加熱処理を行うことを特徴とするデルタドープ構造の形成方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のデルタドープ構造の形成方法において、
前記第１工程では、分光エリプソメータにより測定される前記第１半導体層の表面へのボロン原子の導入量の変化よりボロン膜が成長し始める時点を予想し、予測した時点の前に前記第１ソースガスの導入を停止することを特徴とするデルタドープ構造の形成方法。
【請求項１】
紫外光，真空紫外光，および軟Ｘ線より選択した励起光を、シリコン，ゲルマニウム，およびシリコンゲルマニウム混晶より選択した半導体からなる第１半導体層の表面に照射した状態で、前記第１半導体層の上にボロン原子を含む第１ソースガスを導入し、前記第１半導体層の上にボロン導入層を形成する第１工程と、
前記第１ソースガスの導入に引き続き、前記励起光が照射されている前記ボロン導入層の上に前記第１半導体層を構成する原子を含む第２ソースガスを導入し、前記ボロン導入層の上に第２半導体層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするデルタドープ構造の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のデルタドープ構造の形成方法において、
前記第２工程の後で、前記ボロン導入層のボロンを電気的に活性化させる加熱処理を行うことを特徴とするデルタドープ構造の形成方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のデルタドープ構造の形成方法において、
前記第１工程では、分光エリプソメータにより測定される前記第１半導体層の表面へのボロン原子の導入量の変化よりボロン膜が成長し始める時点を予想し、予測した時点の前に前記第１ソースガスの導入を停止することを特徴とするデルタドープ構造の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１７４９６２（Ｐ２０１２−１７４９６２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６８５２（Ｐ２０１１−３６８５２）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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