説明

単結晶エミッタを形成する方法

選択的エピタキシャル成長モードと傾斜エピタキシャル成長モードとの組み合わせを用いた単結晶エミッタの形成。対向するシリコン酸化物の側壁(12)を有するシリコン基板(16)上にトレンチ(14)を設ける工程と、トレンチ内部のシリコン基板上に高濃度にドープされた単結晶層(18)を選択的に成長させる工程と、シリコン酸化物側壁上方にアモルファス又はポリシリコンの層を形成するために、トレンチ上方にシリコン層(20)を非選択的に成長させる工程とを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般的に、半導体製造に関し、特に、単結晶エミッタを形成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
寄生抵抗を減らす効果的構造としてバイポーラトランジスタ装置に単結晶エミッタが用いられている。単結晶エミッタの形成における問題の一つは、活性領域中のシリコン上方に高濃度にドープされた領域を設けることにある。典型的な従来技術の方法においては、シリコン(Si)基板上の二つのシリコン酸化物(SiO)の壁の間にエミッタの窓が形成され、n型にドープされたシリコン(通常、1020−1021/cmのP又はAs)のブランケット層がトレンチ全体上部に設けられ、そして、(1)酸化フィールド上(即ち、トレンチ壁上並びに上方)にアモルファス又はポリシリコン(a−Si)を堆積させ、そして(2)活性領域(即ち、エミッタ窓の底部)上に単結晶(c−Si)を成長させるように処理される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
あいにく、この技術には様々な限定があり、a−Si層の厚みがc−Si層に関わっているという事実もその一つである。従って、これら二層の厚みを別々に制御するのは困難である。さらに、a−Si層へのドーパントの注入がc−Si層のそれより高くなる。これらの限定がc−Si層内への高濃度のドーパント注入をさらに困難にしている。さらに、酸化フィールド上で成長が起きるので、微小トランジスタでは気相ディプレションも起こりうる。最後に、エミッタ窓の角部においてc−Si層をサリサイド化するのも困難となりうる。
【0004】
従って、単結晶エミッタを成長させる改良された技術が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、選択的エピタキシャル成長モードと傾斜エピタキシャル成長モードとの組み合わせを用いて単結晶エミッタを成長させる方法を提供することにより上述の問題並びに他の問題を解決するものである。第一のアスペクトにおいて、本発明は、バイポーラトランジスタのための単結晶エミッタを成長させる方法であって、対向するシリコン酸化物の側壁を有するシリコン基板上にトレンチを設ける工程と、前記トレンチ内部の前記シリコン基板上に高濃度にドープされた単結晶層を選択的に成長させる工程と、前記シリコン酸化物側壁上方にアモルファス又はポリシリコンの層を形成するために、前記トレンチ上方に第二のシリコン層を非選択的に成長させる工程とを備えた方法を提供する。
【0006】
第二のアスペクトにおいて、本発明は、半導体ウエハ内に高濃度にn型にドープされた層を形成する方法であって、シリコン基板から成る第一の活性領域を設ける工程と、
シリコン酸化物から成る第二の領域を設ける工程と、前記シリコン基板上に高濃度にドープされた単結晶層を選択的に成長させる工程と、前記シリコン基板及び前記シリコン酸化物上方に第二のシリコン層を非選択的に成長させて、前記シリコン酸化物上方にアモルファス又はポリシリコンの層を形成する工程とを備えた方法を提供する。
【0007】
第三のアスペクトにおいて、本発明は、バイポーラトランジスタのための単結晶エミッタを成長させる方法であって、対向するシリコン酸化物の側壁を有する基板上にトレンチを設ける工程と、選択的エピタキシャル成長(SEG)を用いて前記トレンチ内部の前記基板上に高濃度にドープされた層を成長させる工程と、前記シリコン酸化物の側壁上方にアモルファス又はポリシリコンの層を形成するために、傾斜エピタキシャル成長(DEG)を用いて前記トレンチ上方に第二の層を非選択的に成長させる工程とを備えた方法を提供する。
【0008】
本発明のこれら、そして、さらなる特徴は添付図面と共に本発明の様々なアスペクトに関する以下の詳細なる記載からさらに容易に理解できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
ここに記載される種々の実施形態はnpnヘテロ結合バイポーラトランジスタ(HBT)のn型エミッタを形成するプロセスについてのものである。しかし、本発明は、例えば燐(p)又はヒ素(As)を用いた選択的エピタキシャル成長(SEG)によりn型に高濃度にドープされた層を設けることを含む如何なる製造プロセスについても適用しうるものであることが理解されるべきである。さらに、本発明は、pnpバイポーラトランジスタにおいて例えばボロン(B)を用いたp型ドーピングにも適用しうるものである。
【0010】
ここで、図を参照すると、図1はエミッタを形成する第一の工程を示している。読者は半導体プロセス、そして、特に、SiGeCヘテロ結合バイポーラトランジスタにおけるエミッタ・プロセスについて一般的な理解を有することを前提としている。従って、プロセス工程の詳細な説明はなされない。そのようなプロセスは、例えば、Donkers,Magnee,et al.による文献“Vertical Profile Optimisation of a Self−Aligned SiGeC HBT Process with an n−Cap Emitter”,Bipolar/BiCMOS Circuit and Technology Meeeting 2003,p.111−114に説明されており、その内容はこの参照により開示に含まれる。図1に見られるように、一組のシリコン酸化物SiO側壁、即ち、フィールド酸化物12の間に、そして、シリコン基板16の上部のエミッタ窓14内にエミッタが形成される。第一の工程は、トレンチ(即ち、活性領域)の底部表面に実質的に限定された領域内に高濃度にドープされた単結晶(c−Si)シリコン層18を選択的に成長させるものである。
【0011】
この高濃度ドープ単結晶(c−Si)シリコン層18は従来技術から容易に知られる選択的エピタキシャル成長(SEG)プロセスにより形成される。例えば、その内容がこの参照により開示に含まれるP.D.Agnello,T.O.SedgwickとJ.Cotteとによる文献“Growth rate enhancement of heavy n− and p−type doped silicon deposited by atmospheric−pressure chemical vapor deposition at low temperature”,J.Electrochem Soc.Vol.140,N0.9(1993),p.2703ではジクロロシラン(DCS)と水素をキャリアガスとして低温でエピタキシーを行うとドーパントの濃度が非常に高くなることが示されている。これらの教示は実験により実証され、さらに、成長の条件は酸化物に対し「選択的」であることが確認されている。従って、フィールド酸化物12において核形成がそれ程行われなくても薄い(例えば50nm未満)c−Si層18を成長させることが可能となる。
【0012】
層18の成長は完全に選択的でなくてもよいことに留意されたい。例えば、工程1でフィールド酸化物12上にa−Siのアイランドが幾らか形成されると、これは、c−Si層18内でのドーパント・ディプレションには影響しない。表面移動度に起因する「ドーパント・ディプレション」はそれほどないと思われる。酸化物上にa−Si又はポリ−Siが成長すると、気相ドーパント(並びに様々なシリコン・ベースの種)がフィールド酸化物上のa−Si層及びc−Si層に侵入することになる。通常、(成長条件により)成長速度とドーパントの集中はc−Si層よりもa−Si層内の方が高い。気相ドーパントはc−Si層よりもa−Si層に向かうことが多く、(気相での)「ドーパント・ディプレション」ということになる。これは、トレンチが完全に埋め込まれると(即ち、ボイド形成)歴然となり、そして、それはCVD埋め込みに関わるプロセスでは「標準的な」問題である。トレンチ幅が狭くなる(即ち、小トランジスタにおいて典型的なトレンチの高さ/幅比を有する)とこの影響はさらに歴然となる。従って、この種の疑似選択的成長は小トランジスタのエミッタ窓内に単結晶エミッタを形成するのによく適している。さらに、フィールド酸化物12上では成長が行われないので、この選択的成長作用は気相ドーパント・ディプレションの影響を受けない。
【0013】
さらに、層18が完全に結晶化することは絶対的な条件ではないことに留意されたい。即ち、単結晶エミッタに著しい欠陥があってもよく、単結晶と多結晶(即ち、大きな粒子を有する構造)に類似のものとを区別するのは困難と思われる。この状況は、例えば、以下の環境で起こりうる。
(1)単結晶エミッタのエピタキシャル成長の前に薄い酸化層が除去されなければならない。これは通常HFディップで行われ、これに続いて堆積用ツール中で水素による焼成が行われる。HFディップが酸化層を除去し、水素が微量の酸素を除去し、Si基板を形成する。エピタキシャル層の品質が水素焼成温度(及び時間)が直接関係する。水素焼成温度が低くなるにつれ、欠陥密度が高くなる。下地HBT構造内のベース内に「鋭利な」Bスパイクが形成されないようにするために、欠陥が存在するように水素焼成温度は低いことが好ましい。層の最初の数ナノメータが結晶のようになり、高欠陥密度のために層が「ポリ」となることが時々ある。
(2)単結晶層の代わりにアモルファス/ポリ層が堆積されうるSEGレシピをも可能である。例としてはGe堆積/成長があり、好ましくは選択的であるが、良い結晶層を成長させようとすると様々な困難を伴う。しかしながら、Ge堆積はポリ又はアモルファス層を選択的に成長させるのに有用となりうる。
【0014】
次に、図2に見られるように、領域全体上に非選択的シリコン層20を成長させ、シリコン酸化側壁上にアモルファス又はポリシリコン(a−Si)層21を形成する。この工程の目的は、(例えば、約25nm厚みの)コンタクトを形成するためにフィールド酸化物12上にシリコンを設けることにある。非選択的シリコン層21は単結晶シリコン層18上部にも幾らか成長し、(恐らく)選択層18よりも幾分ドーピング濃度が低い第二の単結晶シリコン層22を形成する。矢印24で示されるように、この方法によりエミッタ窓14の角部近辺のc−Si層内のドーピング濃度が高められる。
【0015】
非選択的シリコン層20の成長プロセスは従来技術で知られている傾斜エピタキシャル成長(DEG)技術により達成できる。それは、例えば、SiH−Hシステム又はSiH−Nシステムのいずれかにより成長させることができる。ドーパントを加えることもできるが、サリサイド化のためには平滑なシリコン層を維持することがより重要となる。本発明に記載されている二つのエピタキシャル層18及び22は如何なる既知の方法で成長させてもよい。例えば、それらはASM−EPSILONTM反応器で成長させてもよく、これは、(〜10Torr)まで減圧することができる単一ウエハ用反応器である。しかし、本発明は如何なる特定のSEGプロセス、反応器タイプ、作用圧力等に限定されないことが理解されるべきである。
【0016】
通常、シリコン層を成長させるには典型的にはSiHCl及びSiHCの二つの前駆ガスが用いられる(SiCl、SiCl、Si2H、Si等の他の前駆ガスが用いられてもよい)。これらのガスは例えばH又はNにて薄められる。SiGe又はSiGeC(さらに、又は、シリコン・炭素Si:C)も用いられ、オージェ再結合又はサリサイド化のために重要である。さらに加えて、GeH(ゲルマニウムのための前駆ガス)又はSiHCH(炭素のための前駆ガス)を加えることも可能である。Clベースの化学作用、おそらくは、HClを加えても、フィールド酸化物12では成長は効果的には行われず、一方、露出したシリコン上では層が成長するように、Si成長とSiエッチングの割合が調整される。これは選択エピタキシャル成長と呼ばれる。Clベースの化学作用及び又はHCl添加は選択的プロセスに導入する必要はないことに留意されたい。これとは別に、水素又は窒素を(HCl無しの)キャリアとしてSiH及びGeHを用いた選択的プロセスが導入できる。層をn型にドープするにはガス流にPH又はAsHのいずれかが加えられてもよい。低温での成長は層内への原子のさらなるドーピングを促進する。
【0017】
(H又はNをキャリアガスとした)GeHのみを用いると酸化物に対して疑似選択的となることに留意されたい。(H又はNと共に)SiHのみを用いると、多くの場合、酸化物に対して選択的でなくなる(所謂、潜伏時間、即ち、酸化物に第一の核形成を起こすのに必要な時間の後、a−Si又はポリa−Siが成長を開始する)。GeHとSiHとが結合すると、主に、Ge含有率と成長条件に応じて、プロセスがフィールド酸化物12に対して選択的になる。これは、SiH+GeHに比べて、低Ge含有率に対してプロセスが依然として疑似選択的であることを除いて、DCS+GeHを用いるのと本質的に同じである。
【0018】
SiHベースの化学作用に切り替えると、酸化物に対する選択性が「失われ」、多結晶、さらにはアモルファス層さえもフィールド酸化物12上に堆積することになる。この成長モードは非選択的又は傾斜エピタキシャル成長(DEG)と呼ばれる。
【0019】
要約すると、第一工程では疑似選択的プロセスを用い、フィールド酸化物12/側壁上のすべての吸着原子(並びにドーパント原子)が活性領域、即ち、エミッタに「取り込まれる」。このアイデアはエミッタに「埋め込む」というものである。何故ならば、それは(ほぼ)選択的であり、(i)ポリ及び結晶層間でドーパント注入の奪い合いがおきないように(何故ならば、フィールド酸化物12上にはポリ又はアモルファス層が存在しないので)、そして、(ii)結晶層のみが活性領域に成長するように、フィールド酸化物12上では成長が起きない。
【0020】
第二工程では、シリコン酸化物及び活性領域上にポリシリコン又はアモルファス層を成長させる非選択層20を用いる。活性領域上での成長は複雑になるかもしれない(即ち、成長速度及びドーパント濃度が、フィールド酸化物12と、第一選択層、非選択層等からのドーパントの分離とに依存する)。この層20の目的は、サリサイド工程において、フィールド酸化物12と活性領域との間がリンクするように十分なシリコンを供給することである。
【0021】
従って、a−Si/c−Si層21/22を設けることにより、エミッタの確定、即ち、POLYEMITパターンニング、シリサイド化等において、プロセスが完全に標準の先行技術の処理と適合する。例えば、SEG層18のみ存在すると、中程度のサイズのエミッタとコンタクトをとるのは事実上不可能であり、これは、中程度のサイズのエミッタはコンタクト・ホールにサイズにおいて匹敵することがありえ、そして、配置ミスが起きるとエミッタ・コンタクトがさらにエミッタ近傍のベース層にも繋がってしまうからである。
【0022】
単結晶エミッタはSiGe、SiGe:C又はSi:C(即ち、オージェ再結合及び又はサリサイド化のため非選択工程の最中に)から形成されてもよいことが理解されるべきである。さらに、SiGe歪み補償及び又は拡散の目的で炭素が使われてもよい。
【0023】
図3は、エミッタ・ポリをサリサイド化するためにCoSi処理が用いられるシリサイド化を含むさらなる工程を示している。従来技術でよく知られているように、金属(インターコネクト)からシリコンへのコンタクト抵抗を減らし、そして、シリコンレベルでの局部的な面内抵抗を減らすという両方の目的で、シリサイドは集積回路(IC)プロセスでよく用いられているものである。シリサイドを形成する既知の種にはチタン(即ち、Ti、TiSiを形成)、コバルト(即ち、Co、CoSiを形成)、そして、ニッケル(即ち、Ni、NiSiを形成)さえも含む。図3に見られる例ではCoが用いられている。
【0024】
Coの10nm層が堆積されるとすると、シリコンの供給が無制限な場合、CoSiの35nm層が形成されることがありえ、約35nmのSiが消費される。これは二工程プロセスで行われ、最初にCoSiが形成され、次に、CoSiが形成される。Siが25nmのみ可能な場合(これは、フィールド酸化物12上に25nm層21,22が堆積される場合で)、CoSiの幾分かはCoSiには変化しない。良いシリサイド(即ち、CoSi)層が形成される(例えば、10nmCoの場合には35nm)ように層21,22が十分厚ければ、これら層はどのような厚みとされても実際問題にはならない。上述の例では、c−Si部分18,22に対して選択層18が約50nm、そして、非選択層18が約25nmで、全CoSi層が35nmに形成され、40nmのc−Si18が残る。フィールド酸化物12上に完全にCoSiを形成するのに必要な厚みより、若干、層18,22を薄くすることにより、シリサイドが高濃度にドープされたc−Si層18との直接コンタクトが確実となり、これは低オーミックコンタクトのために重要である。
【0025】
従って、矢印26に示されているように、上述の方法によるSEG及びDEGプロセスによりエミッタ窓の角部のサリサイド化が制御される。
【0026】
上述の本発明の好ましい実施形態は説明、記載のために示されたものである。これらは、それらがすべてではなく、また、本発明を詳細に開示されたものに限定するものではなく、上述の教示に照らして多くの変形、変更が可能であることは明らかである。当業者にとっては容易に理解できるそのような変形、変更は添付請求項で規定されたように本発明の範疇に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明に従って高濃度にドープされた単結晶シリコンを適用してエミッタを形成する第一の工程を示す図である。
【図2】本発明に従って第二の犠牲シリコン層を適用してエミッタを形成する第二の工程を示す図である。
【図3】本発明に従ったサリサイド化工程を示す図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
バイポーラトランジスタのための単結晶エミッタを成長させる方法であって、
対向するシリコン酸化物の側壁を有するシリコン基板上にトレンチを設ける工程と、
前記トレンチ内部の前記シリコン基板上に高濃度にドープされた単結晶層を選択的に成長させる工程と、
前記シリコン酸化物側壁上方にアモルファス又はポリシリコンの層を形成するために、前記トレンチ上方に第二のシリコン層を非選択的に成長させる工程とを備えた方法。
【請求項2】
前記高濃度にドープされた単結晶層を選択的に成長させる工程は選択的エピタキシャル成長(SEG)を用いて達成される請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記選択的エピタキシャル成長は、SiHCl、SiH、SiCl、SiCl、Si2H、Si、GeH、そして、SiHCHから成るグループから選ばれた前駆ガスを用いる請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記第二のシリコン層を非選択的に成長させる工程は傾斜エピタキシャル成長(DEG)を用いて達成される請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記単結晶層は実質的に前記シリコン基板上の活性領域上のみに成長する請求項1に記載の方法。
【請求項6】
チタン、コバルト、そして、ニッケルから成るグループから選ばれたシリサイドを用いたサリサイド化工程をさらに備える請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記単結晶エミッタは燐(P)そしてヒ素(As)から成るグループから選ばれた元素を用いてn型にドープされる請求項1に記載の方法。
【請求項8】
半導体ウエハ内に高濃度にn型にドープされた層を形成する方法であって、
シリコン基板から成る第一の活性領域を設ける工程と、
シリコン酸化物から成る第二の領域を設ける工程と、
前記シリコン基板上に高濃度にドープされた単結晶層を選択的に成長させる工程と、
前記シリコン基板及び前記シリコン酸化物上方に第二のシリコン層を非選択的に成長させて、前記シリコン酸化物上方にアモルファス又はポリシリコンの層を形成する工程とを備えた方法。
【請求項9】
前記高濃度にドープされた単結晶層を選択的に成長させる工程は選択的エピタキシャル成長を用いて達成される請求項8に記載の方法。
【請求項10】
前記選択的エピタキシャル成長は、SiHCl、SiH、SiCl、SiCl、Si2H、Si、GeH、そして、SiHCHから成るグループから選ばれた前駆ガスを用いる請求項8に記載の方法。
【請求項11】
前記第二のシリコン層を非選択的に成長させる工程は傾斜エピタキシャル成長を用いて達成される請求項8に記載の方法。
【請求項12】
前記単結晶層は実質的に前記シリコン基板上の活性領域上のみに成長する請求項8に記載の方法。
【請求項13】
チタン、コバルト、そして、ニッケルから成るグループから選ばれたシリサイドを用いたサリサイド化工程をさらに備える請求項8に記載の方法。
【請求項14】
前記単結晶エミッタは燐(P)そしてヒ素(As)から成るグループから選ばれた元素を用いてn型にドープされる請求項8に記載の方法。
【請求項15】
バイポーラトランジスタのための単結晶エミッタを成長させる方法であって、
対向するシリコン酸化物の側壁を有する基板上にトレンチを設ける工程と、
選択的エピタキシャル成長を用いて前記トレンチ内部の前記基板上に高濃度にドープされた層を成長させる工程と、
前記シリコン酸化物側壁上方にアモルファス又はポリシリコンの層を形成するために、傾斜エピタキシャル成長を用いて前記トレンチ上方に第二の層を成長させる工程とを備えた方法。
【請求項16】
前記選択的エピタキシャル成長は、SiHCl、SiH、SiCl、SiCl、Si2H、Si、GeH、そして、SiHCHから成るグループから選ばれた前駆ガスを用いる請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記高濃度ドープ層は実質的に前記基板上の活性領域上のみに成長する単結晶層を備える請求項15に記載の方法。
【請求項18】
チタン、コバルト、そして、ニッケルから成るグループから選ばれたシリサイドを用いたサリサイド化工程をさらに備える請求項15に記載の方法。
【請求項19】
前記単結晶エミッタは燐(P)そしてヒ素(As)から成るグループから選ばれた元素を用いてn型にドープされる請求項15に記載の方法。
【請求項20】
前記単結晶エミッタはボロン(B)用いてp型にドープされる請求項15に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公表番号】特表2007−519252(P2007−519252A)
【公表日】平成19年7月12日(2007.7.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−550436(P2006−550436)
【出願日】平成17年1月22日(2005.1.22)
【国際出願番号】PCT/IB2005/050259
【国際公開番号】WO2005/071725
【国際公開日】平成17年8月4日(2005.8.4)
【出願人】(590000248)コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Fターム(参考)】