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JP4417625B2 - トリシランを用いる混合基板への成膜方法、および、ベース構造の製造方法 - Google Patents

トリシランを用いる混合基板への成膜方法、および、ベース構造の製造方法 Download PDF

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JP4417625B2 JP2002565349A JP2002565349A JP4417625B2 JP 4417625 B2 JP4417625 B2 JP 4417625B2 JP 2002565349 A JP2002565349 A JP 2002565349A JP 2002565349 A JP2002565349 A JP 2002565349A JP 4417625 B2 JP4417625 B2 JP 4417625B2
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Description

本発明は、一般的にはシリコンを含む材料の成膜に関し、さらに詳細には混合基板上へのシリコンを含むフィルムの化学気相成長に関する。
半導体の製造技術分野では、基板表面上への材料の成膜に、様々な方法が用いられている。例えば、もっとも広く利用されている方法の１つに、化学気相成長（“ＣＶＤ”）法があり、ＣＶＤ法では、気相に含まれる原子又は分子を基板表面に析出、堆積させ、膜を形成させる。従来のシリコン源と成長法を用いるシリコン含有（Ｓｉ含有）材料の成膜は、いくつかの異なったステージでプロセスが進行すると考えられている（参照：Peter Van Zant, "Microchip Fabrication," 4th Ed., McGraw Hill, New York, (2000), pp.364-365）。第１ステージでは、核生成が非常に重要であり、その核生成は、基板表面の性質や品質に大きな影響を受ける。核生成は、基板表面への最初の数原子又は数分子によって起こり、その結果、核が形成される。第２ステージでは、別々に分離した核が、小さなアイランドを形成し、小さなアイランドは後に大きなアイランドとなる。第３ステージでは、成長するアイランドが、連続したフィルムにつながり始める。この時、フィルムの厚さは、例えば、数百オングストロームであり、「遷移」("Transition")フィルムと呼ばれている。このフィルムは、遷移フィルムが形成された後に成長し始める厚いバルクフィルムとは異なる化学的性質と物理的性質を有している。
成膜プロセスは、通常、エピタキシャル、多結晶、アモルファスなどの特定のタイプのバルクフィルム形態を形成するように設計されている。従来のシリコン源と成膜プロセスを用いる場合、核生成が極めて重要で、核生成はほぼ基板の品質に依存している。例えば、除去されなかった酸化物のアイランドがあるウェーハ面に、単結晶フィルムを成長させようとすると、バルクフィルム内に多結晶を含む領域が形成されるはずである。このような核生成に関する問題点があるために、従来のシリコン源と成膜プロセスを用いることによって、２つ又はそれ以上の異なったタイプの表面を有する基板上に、同じ物理的性質を持つＳｉ含有材料の薄いフィルムを成膜することには、大きな問題がある。
例えば、シリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ4）、シラン（ＳｉＨ4）及びジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）は、半導体製造業界では、Ｓｉ含有フィルム成膜用のシリコン源として、もっとも広く使用されている（参照：Peter Van Zant, "Microchip Fabrication," 4th Ed., McGraw Hill, New York, (2000), pp.380-382）。しかし、これらの従来のシリコン源を用いる成膜法では、通常、単結晶シリコンとシリコン酸化物の両者を含む表面のような混合基板への成膜をコントロールすることが困難である。このコントロールが難しい理由は、形成されるシリコン含有フィルムの形態と厚さが、下層の基板の成膜温度と形態の両方の影響を受けるからである。その他の膜成長パラメータには、反応器全体の圧力、反応物質の分圧及び反応物質の流量が含まれ、これらを含む膜成長パラメータも、混合基板に形成される膜の品質に強い影響を及ぼす。
例えば、図１Ａは、露出したシリコン酸化物面１１０と、露出したシリコンの単結晶面１２０とを備える基板を示す模式的断面図である。また、図１Ｂと１Ｃは、化学気相成長法でシランを使用することによって、基板１００にシリコンフィルムを成膜した結果を示す模式的断面図である。約６２５℃又はそれ以下の温度で、エピタキシャル面（単結晶面）１２０上のエピタキシャルシリコンフィルム１３０にはほとんど欠陥が生じない条件が選ばれた。しかし、そのような条件でも、シリコン酸化物面１１０上には、フィルムが形成されないか（図１Ｂ）、品質の劣ったフィルム１４０が形成されたにすぎなかった。このフィルム形成の相違は、シリコン源としてシランを用いた場合、２種類の表面上への核生成速度に相違があり、その核生成速度の相違に起因するものと考えられている。従来のシリコン前駆体は、既に実証されているように、シリコン酸化物などの絶縁体上には核生成しにくいことが裏付けられている。酸化物上での時間的にむらのある核生成サイトの集合によって、隣接する非絶縁体領域における成膜が著しく進行する。さらに、広く分散した核生成サイトが、表面が露出したまま残っている領域の間の成膜を助長するので、絶縁体上では成膜が粗くなる傾向がある。上記の「選択的な」エピタキシャル成長が好ましい場合がある（図１Ｂ）。すなわち、別のケース、例えば、エピタキシャル領域への後のコンタクトを容易にする場合には、シリコン酸化物面１１０上のシリコンのよりよい成長が望まれる。
理論的には、成膜パラメータは、酸化物の表面へのフィルム形成を向上させるように調整される必要がある。しかし、実際には、そのような調整手段は、所定のエピタキシャルフィルムの品質に悪影響を及ぼす可能性があるので、ほとんど選択されない。多くの場合、製品の半導体デバイスに関する目標の性能特性（動作特性）に応じて、エピタキシャル面に形成されるＳｉ含有フィルムの厚さ、形態、成膜温度及び許容可能な成長速度が決定される。言い換えれば、必要とされる厚さと形態によって、フィルムの成膜条件が決定される。これは、特に、単結晶シリコン基板の上で歪みを生じるヘテロエピタキシャルフィルムの場合に該当する。したがって、製造者は、通常、酸化物面のフィルムの性質を変化させるのに必要な条件を調整するための自由度をほとんど持っていない。
従来、製造者は、選択的な膜成長、付加的なマスキング及び／又はプロセスのステップを用いることによって、上記の問題に取り組んできた。例えば、米国特許第６，２３５，５６８号には、それらのあるものは、現在では、ｐタイプとｎタイプのシリコン表面に同時にシリコンフィルムを選択的に成長させることはできないと記載されている。また、第６，２３５，５６８号には、低いエネルギで全体にイオン注入する事前成膜ステップを行うことによって、この問題の解決を行うことが記載されている。この付加的なステップに関する上記の目的は、後続の成膜プロセスに対して同じ面を現出させることである。
しかし、プロセスの付加的なステップは、コストアップ、汚染及び／又は複雑化の原因となるので、一般的には望ましくない。形態が異なる表面を有する混合基板上に満足できる品質のＳｉ含有フィルムを成膜することができるようになれば、長い間の切実な願望を満足し、半導体製造技術における著しい進展をもたらすはずである。
様々な基板上に高品質のＳｉ含有フィルムを成膜するために、トリシランを用いる方法を開発した。本発明に係る一つの成膜方法の要旨は、第１の表面形態を有する第１の面と、前記第１の表面形態とは異なる第２の表面形態を有する第２の面を備え、前記第１の表面形態が単結晶であり、前記第２の表面形態が非晶質、多結晶又は非晶質と結晶質とが混ざったものである基板を準備し、成膜される前記基板を反応容器内に配置するステップと、化学気相成長条件下で、前記反応容器内にトリシランを導入するステップと、前記基板における前記第１の面及び前記第２の面に、Ｓｉ含有フィルムを成膜するステップとを含み、前記化学気相成長条件が、４００℃〜７５０℃の基板温度、全圧１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ（１．３×１０ ２ Ｐａ〜１．０×１０ ５ Ｐａ）の反応容器内の圧力であることを特徴としている。
本発明に係る高速成膜方法の要旨は、化学気相成長条件下で、第１の表面形態を有する第１の面及び前記第１の表面形態とは異なる第２の表面形態を有する第２の面で構成され、前記第１の表面形態が単結晶であり、前記第２の表面形態が非晶質、多結晶又は非晶質と結晶質とが混ざったものである混合基板の表面に、混合基板面１ｃｍ２当たりに、少なくとも約０．００１ｍｇ／分の供給速度で、トリシランを供給するステップと、前記混合基板の表面に、約１０Å以上の速度で、Ｓｉ含有材料を成膜するステップとを含み、前記化学気相成長条件が、４００℃〜７５０℃の基板温度、全圧１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ（１．３×１０ ２ Ｐａ〜１．０×１０ ５ Ｐａ）の反応容器内の圧力であることを特徴としている。
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）用のベース構造の製造方法は、活性領域と絶縁体を含む基板の表面を準備するステップと、前記活性領域及び前記絶縁体のそれぞれに、直接前記基板にＳｉ含有フィルムを形成するための化学気相成長条件下で、前記基板面に、トリシランを供給するステップを含み、前記活性領域が第１の表面形態を有し、前記絶縁体が前記第１の表面形態とは異なる第２の表面形態を有し、前記第１の表面形態が単結晶であり、前記第２の表面形態が非晶質、多結晶又は非晶質と結晶質とが混ざったものであり、前記化学気相成長条件が、４００〜７５０℃の基板温度、全圧１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ（１．３×１０ ２ Ｐａ〜１．０×１０ ５ Ｐａ）の反応容器内の圧力であることを特徴としている。
これらの発明及び別の要旨に係る発明は、以下に詳細に説明する好ましい実施の形態により、さらに深く理解されるであろう。
成膜プロセスとしては、核生成現象に対する敏感さが低いプロセスが開発されてきた。これらのプロセスは、混合基板上に、高品質のＳｉ含有フィルムを成膜することができるように、トリシラン（Ｈ3ＳｉＳｉＨ2ＳｉＨ3）を採用している。図２Ａは、そのような成膜プロセスによって得られる好ましい構造２００を示す断面図である。図１Ｂと比べると、トリシランを用いることによって、２つのタイプの基板表面（半導体の単結晶面２２０と絶縁体面２３０）上に、エピタキシャル結晶の品質と全膜厚さがほぼ正確に維持された、Ｓｉ含有フィルム２１０の良好な成膜が行われていることが分かる。以下に、図２Ａ及び図２Ｂを、さらに詳細に説明する。
本明細書で用いられている「混合基板」は、２つ又はそれ以上の異なったタイプの表面を備える基板を意味する。表面を相互に相違させるには、いくつかの手段がある。例えば、銅又はシリコンのように異なった元素、銅とアルミニウムのように異なった金属、シリコン又はシリコン酸化物のようにＳｉを含む異なった材料によって形成することができる。材料が同じ元素で構成されていたとしても、表面の形態が相違すれば、表面（表面特性）が異なったものとなり得る。表面の電気的特性も、相互に異なったものとすることができる。上記の例では、Ｓｉ含有層が、導電性の半導体材料と絶縁性材料上に、同時に形成されている。なお、絶縁性材料には、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、金属酸化物、金属シリケートなどがある。
ここで説明するプロセスは、様々の混合基板上に、Ｓｉ含有フィルムを成膜するのに有効であるが、形態がミックスされた表面を有する基板に対して、特に有効である。そのような混合基板は、第１の表面形態を有する第１の表面と、第２の表面形態を有する第２の表面によって構成される。本明細書では、「表面形態」とは、基板表面の結晶構造を意味する。非晶質と結晶質は、異なった表面形態の例である。多結晶の形態は、規則的な結晶の不規則配列と、中間の規則性を有する配列とを含んでいる。多結晶材料中の原子は、それぞれの結晶内で長い範囲の規則性を有しているが、結晶自体は、相互に長い範囲の規則性を欠いている。単結晶の形態は、高度の規則性を有する結晶構造である。エピタキシャルフィルムには、それらが成長した基板の表面と同じ結晶構造と方位を有するという特徴がある。これらの材料の原子は、比較的長い距離（原子スケール）で続く格子状の構造に配列されている。非晶質の形態は、原子の配列が限定された周期的な配列とはなっていないので、規則性が低い非結晶構造となっている。その他の形態には、微結晶(Microcrystalline)及び非晶質と結晶質の混ざったものがある。
図１Ａ（前出）と図３Ａは、混合基板の特定の例を示す断面図である。図３Ａには、半導体基板３２０上のフィールド分離領域３１０を有する基板３００を示した。半導体基板３２０は、単結晶のウェーハ（又はウェーハなどに成膜されたエピタキシャルシリコン層）であることが好ましく、フィールド分離領域３１０は、シリコン酸化物であることが好ましい。図に示した例では、基板３００は、単結晶の表面形態を有する半導体の活性領域３４０を備えた第１の基板表面と、非晶質の表面形態を備えた第２の基板表面３３０とを含んでいる。シリコンの活性領域３４０と分離領域３１０とは、形態が相違し（結晶質と非晶質）、導電性が相違（導電体と絶縁体）している。本発明が属する技術分野の技術者であれば、ＬＯＣＯＳ法やトレンチ分離法を含む、上記のような基板３００を形成するためのいくつかの方法を十分に理解しているはずである（参照：Peter Van Zant, "Microchip Fabrication," 4th Ed., McGraw Hill, New York, (2000), pp.522-526）。
ここに示されているＣＶＤ法によれば、混合基板の表面にトリシランを供給すると、Ｓｉ含有フィルムが形成される。ミックス又はパターン化された基板表面へのトリシランの供給は、表面が露出した状態の混合基板が配置された適当な反応室に、トリシランを導入することによって実施することが好ましい。反応室のＣＶＤ条件を確立し、混合基板の表面にトリシランを供給することによって、様々なタイプの表面を有する混合基板に、高品質のＳｉ含有フィルムを形成することができる。本技術に係る技術者によく知られているいくつかのＣＶＤ法に従って成膜することができる。しかし、以下に述べるＣＶＤ法に従って成膜を行う場合に、最高の優位性が得られる。以下に説明する方法は、ＣＶＤ反応室内に配置された混合基板上に、ガス状のトリシランを使用してＳｉ含有フィルムを成膜する、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法、熱ＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用いることによって、適切に実施することができる。これらの方法の中でも、熱ＣＶＤ法が好ましい。
熱ＣＶＤ法は、基板温度約４００℃以上、好ましくは約４５０℃以上、さらに好ましくは約５００℃以上で行うのがよい。また、約７５０℃以下、好ましくは約７２５℃以下、さらに好ましくは約７００℃以下で成膜するのがよい。基板の加熱は、本技術分野で知られているいくつかの方法によって行うことができる。なお、本技術分野に係る技術者であれば、熱費の維持、成膜速度などの製造現場の実態を考慮して、これらの温度の範囲を調節することができる。このような好ましい成膜温度は、製品の目標の用途に応じて定まる。しかし、その温度は、例えば、約４００〜約７５０℃、好ましくは約４２５〜約７２５℃、さらに好ましくは約４５０〜約７００℃の範囲とするのがよい。
トリシランは、ガス状又は導入ガスの構成成分として、反応室に導入することが好ましい。ＣＶＤ反応室の全圧は、約０．００１〜約１０００torr（約０．１３〜約１．３×１０５Pa）の範囲が好ましく、さらに好ましいのは約０．１〜約８５０torr（約１３〜約１．１×１０５Pa）、もっとも好ましいのは約１〜７６０torr（約１．３×１０２〜約１．０×１０５Pa）である。トリシランの分圧は、全圧に対して約０．０００１〜約１００％の範囲が好ましく、さらに好ましくは約０．００１〜約５０％の範囲である。導入ガスは、不活性のキャリアガスのようなトリシラン以外のガスを含んでいてもよい。水素ガスと窒素ガスは、ここに説明する方法にとって、好ましいキャリアガスである。トリシランは、トリシラン蒸気を含むキャリアガスとともに用いられるバブリング器、好ましくは温度コントロールされたバブリング器を介して反応室に導入することが好ましい。
ＣＶＤ反応室への導入ガスの供給には、適当なマニフォールドを用いるのがよい。説明した実施の形態では、ＣＶＤ反応室内のガスの流れは水平であり、もっとも好ましいのは、反応室は、１つのウェーハ、１回パス、厚さの薄い水平なガスフロー反応器である。また、加熱は光輝加熱が好ましい。このタイプのＣＶＤに適する反応器は市販されており、好適なモデルには、アリゾナ州フェニックスにあるＡＳＭアメリカインコーポレイテッドから市販されている、"ＥｐｓｉｌｏｎTMシリーズ"のシングルウェーハリアクタがある。
ここに開示されている方法は、シャワーヘッド配置のようなオルタネイティブリアクタ(Alternative Reactor)を採用して実施することができるが、均一性の向上や成膜速度の増加という優位点は、特にプロセスガスの滞留時間が短く、回転する基板を用いる、水平型で、シングルパスの厚さが薄いガスフロー配置の"ＥｐｓｉｌｏｎTM反応器"により、特に効果的であることが認められてきている。ＣＶＤは、反応室にプラズマ生成物を導入（in situ又はリモートタイプのプラズマ生成器の下流）することによって実施することができる。
導入ガスは、Ｓｉ含有フィルムをドーピング又は合金化するのに有効であることが、この技術分野の技術者に知られているその他の材料を、必要に応じて含んでいてもよい。さらに、ガスは、ゲルマニウム源、炭素源、ボロン源、ガリウム源、インジウム源、ヒ素源、燐源、アンチモン源、窒素源及び酸素源で構成されたグループから選ばれた１つ又はそれ以上の前駆体を含むことが好ましい。そのような原料の代表的な例には、シラン源としてのシラン、ジシラン、テトラシラン、ゲルマニウム源としてのゲルマン、ジゲルマン及びトリゲルマン、窒素源としてのＮＦ3、アンモニア、ヒドラジン及びアトミック窒素、炭素源としてのメタン、エタン、プロパンなどの様々な炭化水素、炭素とシリコンの両方の原料としてのテトラシリルメタン、窒素と酸素の両方の原料としてのＮ2Ｏ及びＮＯ2、アンチモン、ヒ素、ボロン、ガリウム、インジウム及び燐などのドーパント原料としての様々なドーパント前駆体などがある。
トリシランを用いるＣＶＤ法によるＳｉ含有フィルムへのドーパントの注入は、ドーパントの前駆体を用いる"in situ"ドーピングによって実施するのが好ましい。電気的なドーパント用の前駆体には、ジボラン、重水素化ジボラン、ホスフィン、ヒ素蒸気及びヒ化水素（アルシン）がある。シリルホスフィン［（Ｈ3Ｓｉ）3-XＰＲX］及びシリルアルシン［（Ｈ3Ｓｉ）3-XＡｓＲX］（ただし、Ｘ＝０〜２、ＲX＝Ｈ及び／又はＤ）は、燐やヒ素のドーパントとして、好ましい前駆体である。ＳｂＨ3及びトリメチルインジウムは、それぞれアンチモン、インジウムの原料として好ましいものである。そのようなドーパントの前駆体は、以下に説明するように、好ましいフィルム、特に、ボロン、燐、アンチモン、インジウム及びヒ素がドープされたシリコン、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ及びＳｉＧｅＣのフィルムや合金の前処理に有用である。ここで使われる"ＳｉＣ"、"ＳｉＧｅ"及び"ＳｉＧｅＣ"は、様々な割合で示された元素を含む材料を表している。例えば、"ＳｉＧｅ"は、シリコンとゲルマニウムと必要に応じて含まれるドーパントのような元素で構成された材料である。また、"ＳｉＣ"、"ＳｉＧｅ"及び"ＳｉＧｅＣ"は、化学量論式を表すものではなく、示された元素を特定の割合で含む材料に限定されるものではない。
導入ガス中のドーパントの前駆体の量は、Ｓｉ含有フィルム中のドーパントが所定のレベルになるように調節する。導入ガス中の濃度の１例は、全導入ガスの質量に対して、約１ｐｐｂ〜約１質量％の範囲である。ただし、所定の特性を有するフィルムを得るために、より多くの量又はより少ない量が好ましいこともある。好ましいＥｐｓｉｌｏｎTMシリーズの単結晶ウェーハ反応器では、キャリアガス中のドーパント前駆体の希薄な混合物が、目標のドーパント濃度及びドーパントガス濃度に応じて、約１０〜約２００ｓｃｃｍの範囲のセットポイントに調整されたマスフローコントローラを介して、反応器に送られる。その希薄な混合物は、トリシラン又はその他の適当なキャリアガスを混合することによって、さらに希釈することが好ましい。好ましいＥｐｓｉｌｏｎTMシリーズ反応器により成膜を行う際の全流量の１例は、標準状態で、約２０〜約１８０リットル／分のことが多いので、そのような条件で用いられるドーパントの前駆体の濃度は、全流量に比べると少ない。
ここで説明するＳｉ含有フィルムの成膜は、約５Å／分以上、より好ましくは約１０Å／分以上、さらに好ましくは約２０Å／分以上の速度で行うのがよい。好ましい実施の形態は、トリシランを混合基板に供給する、速い成膜速度による方法であり、その場合の供給速度は、基板１ｃｍ2に対して、少なくとも約０．００１ｍｇｆ／分、より好ましくは少なくとも約０．００３ｍｇｆ／分である。ＣＶＤ法では、約４５０〜約７００℃の温度範囲で成膜を行うのが好ましく、この条件で成膜すると、Ｓｉ含有材料が比較的速い速度で成膜される（他のシリコン源に比べて）。その速度は、約１０Å／分以上、より好ましくは約２５Å／分以上、もっとも好ましくは約５０Å／分以上である。ゲルマニウム源も、Ｓｉ含有材料のように、ＳｉＧｅ含有材料を成膜するために、基板の表面にトリシランとともに供給するのがよい。
１つの好ましい実施の形態の場合には、混合形態のＳｉ含有フィルムを、混合基板上に成膜する。ここで用いられる「混合形態」のフィルムとは、基板の横方向に広がった別々の領域に、２つ以上の異なった形態で構成されたフィルムである。図２Ａに、そのような混合形態のフィルム２１０を示した。このフィルム２１０は、非晶質の酸化物面（絶縁体面）２３０上に形成された非エピタキシャル領域２４０と、単結晶面２２０上に形成されたエピタキシャル領域２６０とで構成されている。図示した例のように、フィルム２１０は、酸化物面２３０と単結晶面２２０との間の境界２７０に形成された境界領域２５０も含んでいる。
混合基板のフィルムの形態は、成膜温度、圧力、反応物質の分圧とその流量及び下層の基板の表面形態に依存する。トリシランを用いると、Ｓｉ含有材料が単結晶フィルムを形成する可能性は、適切に前処理された単結晶面に形成される傾向が強い。一方、非単結晶フィルムは、非単結晶面に形成される傾向がある。エピタキシャルフィルムは、下層の単結晶面が、あらゆる酸化層を"ex situ"で湿式エッチングし、続いて"in situ"で洗浄及び／又は水素ベーク処理を行うことによって適切に処理されている場合、及び膜成長条件が、そのようなフィルムの成長をサポートしている場合に、シュード形態の構造を形成することのできるＳｉ含有材料に形成されやい。そのような処理方法は、本発明が属する技術分野の技術者によく知られている（参照：Peter Van Zant, "Microchip Fabrication," 4th Ed., McGraw Hill, New York, (2000), pp.385）。多結晶と非晶質のフィルムは、非晶質の表面、多結晶の表面及びエピタキシャルフィルムの成長を可能にするように処理されていない単結晶の表面に形成される。また、非晶質のフィルムは、低い温度の非晶質及び多結晶の基板表面に形成されやすい。一方、多結晶フィルムは、比較的高い成膜温度で、非晶質及び多結晶の表面に形成される傾向がある。
図２Ａに示した実施の形態の場合には、単結晶面２２０は、生成している酸化物を除去するために、フッ化水素酸（ＨＦ）でエッチングし、超純水で洗浄し、超高純度の不活性ガス雰囲気で乾燥し、続いて超高純度の水素ガスを流しながらベ−キングすることによって、エピタキシャル成長しやすいように、表面が事前に処理されていたものである（図２Ａには図示されていない）。単結晶面２２０をエピタキシャル成長に適するように処理した後、約５７５℃の温度で、単結晶面２２０と非晶質面（絶縁体面）２３０にトリシランを供給することによって、混合形態のシリコンのフィルム２１０を成膜する。この成膜温度で、エピタキシャル領域２６０が、単結晶面２２０に形成され、非晶質シリコン領域（非エピタキシャル領域）２４０が、非晶質面２３０に形成される。表面２２０と２３０は、同一面に模式的に図示されているが、開示した成膜方法は、異なった表面が同一面にはない混合基板に対しても適用することができる。
トリシランは、所定時間、目標の厚さを有するＳｉ含有フィルムを形成するのに効果的な供給速度で、混合基板表面に供給することが好ましい。特定の表面のフィルムの厚さは、用途に応じて、約１０Å〜約１０μｍ又はそれ以上の範囲とすることができる。ただし、いずれの特定の表面の場合も、Ｓｉ含有フィルムの厚さは、約５０〜約５，０００Å、より好ましくは約２５０〜約２，５００Åとするのがよい。
第１の表面形態を有する第１の表面と、第２の表面形態を有する第２の表面を含む混合基板の場合、この混合基板に形成されるＳｉ含有フィルムの厚さは、第１の表面上のフィルムの厚さをＴ１、第２の表面上のフィルムの厚さをＴ２とした場合、Ｔ１：Ｔ２は、約１０：１〜約１：１０、より好ましくは約５：１〜約１：５、さらに好ましくは約２：１〜約１：２、もっとも好ましくは約１．３：１〜約１：１．３の範囲とするのがよい。ここに、開示されているＣＶＤ条件によるトリシランの成膜は、驚くことに、ほぼ成膜時間に比例し、下層の表面形態にはあまり依存しない厚さを有するＳｉ含有フィルムが形成される傾向がある。さらに特筆されるのは、トリシランが、従来のシリコン前駆体に比べて、絶縁体表面に、速やかな核生成と滑らかなフィルム形成を可能にすることである。図６及び図７と、図８及び図９との比較について、以下に説明する。このように、好ましい成膜条件では、核生成時間が、大きく相違する表面がある時でも大幅に短縮される傾向があり、Ｔ１：Ｔ２が、好ましいことに約１：１になる。
好ましい実施の形態では、Ｓｉ含有フィルムは、約１，０００Å以下、好ましくは約１０〜約５００Å、さらに好ましくは約５０〜約３００Åの範囲の厚さを有するバッファ層である。言い換えると、「バッファ層」は、後に続く層の成長を容易にするか、又は下の層を保護する目的のために、基板上に形成されるＳｉ含有フィルムということになる。バッファ層が、核生成を容易にする目的のために用いられる場合、バッファ層は、核生成層を意味する。上記の厚さの範囲は、混合基板全体、すなわち、結晶質と非晶質の両方の表面上におけるフィルムの厚さを意味する。
例えば、図２Ｂに示したＳｉを含有するフィルム２１０は、その上に形成されるフィルム２８０の成膜を容易にするので、バッファ層である。図示した例では、フィルム２８０は、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣなどのＳｉとＧｅを含有する（「ＳｉＧｅ含有」）材料である。上層のフィルム２８０は、エピタキシャル領域２６０上のエピタキシャル形態と、非単結晶（非エピタキシャル）領域２４０上の非単結晶形態を有する混合形態であることが好ましい。
図２Ｂに示したバッファ層（フィルム）２１０を説明するために、混合基板（図２Ａに示したように、単結晶シリコン面と非晶質酸化物面を有している）上の上層のフィルム２８０の成膜には、単結晶面２２０に欠陥の少ない単結晶を成長させるのに好ましい条件、すなわち、約６５０℃以下（例えば、図１Ｂとその説明を参照）という温度条件下では、酸化物面２３０上に核生成させることが難しいという問題があると仮定する。そのような問題は、例えば、従来のシランなどのシリコン源とゲルマンなどのゲルマニウム源の混合物を用いることによって、ＳｉＧｅフィルムの成膜を試みる時に遭遇するはずである。バッファ層２１０は、領域２４０が多結晶で、領域２６０が単結晶であったとしても、この状態では酸化物が露出していないので、上層のフィルム２８０の成長を改善することができる（単結晶面２２０と酸化物面２３０への直接的な成膜に比較して）。図示した例では、バッファ層２１０は、トリシランとトリシリルアルシン（全体に対して約５０ｐｐｍ）を用いて、約６００℃の温度で成膜したヒ素ドープトシリコンである。なお、以下に説明するように、ＳｉＧｅの成長を容易にするために、領域２６０は、エピタキシャル層であることが好ましく、領域２４０は、非晶質又は多結晶であることが好ましい。
両方のタイプの表面にそれ自体の成膜を行うことに加えて、形成されたフィルムが両方の表面で、均一な元素の組成を有することも、通常、望ましいことである。例えば、上層のフィルム２８０内のシリコンとゲルマニウムの相対的な量は、両方の領域２４０と２６０で、相対的に一定であることが好ましい。しかし、２つの下層上の成膜速度が異なるという問題に加えて、従来のシリコン源とゲルマニウム源を使用した場合、形成されるフィルムの組成も異なる傾向がある。例えば、混合基板上に、直接ＳｉＧｅフィルムを形成させるために、シランとゲルマンを用いると、形成されたフィルムの厚さも組成も、下層の混合基板上で、著しくばらつきのあるものとなる。
バッファ層を用いる方法は、バッファ層上に形成されたフィルムは、厚さも組成もより均一であるので、形成されたフィルムが２つ又はそれ以上の元素を含むような条件に対して特に有効である。図２Ｂに示したバッファ層２１０上に成膜するために、シリコンとゲルマニウムの従来の原料を用いた場合でも、バッファ層がない場合に形成されるフィルムに比べて、下層の単結晶面２２０と非晶質面２３０の両方で、より均一な組成を有するＳｉＧｅフィルム２８０を得ることができる。
１つの好ましい実施の形態では、バイポーラトランジスタのベース構造を製造する方法に、トリシランを用いる。ベース構造を製造する方法は、活性領域と絶縁領域を含む基板面を準備するステップと、活性領域と絶縁領域の両方の基板上に、Ｓｉ含有フィルムを形成するのに効果的な条件で、基板面にトリシランを供給するステップとを含んでいる。
１つの好ましい実施の形態では、Ｓｉ含有フィルムを、約０．１〜約８０原子％、好ましくは約１〜約６０原子％のゲルマニウムを含むＳｉＧｅ含有フィルム、好ましくはＳｉＧｅフィルム又はＳｉＧｅＣの形態で、混合基板上に形成する。このＳｉＧｅ含有フィルムは、ゲルマニウム源とトリシランを同時に反応室へ導入するか、又はトリシランとゲルマニウム源の混合物を用いて、成膜を行うことが好ましい。ＳｉＧｅ含有フィルムは、上記のバッファ層上、好ましくはシリコンバッファ層又はドーピング処理されたシリコンバファ層上、又は直接混合基板上に形成するのがよい。ゲルマニウム源には、ゲルマン又はジゲルマンを用いるのが、さらに好ましい。シリコン、ゲルマニウム、炭素、ドーパントなどのフィルム中の元素の相対的な割合は、上記のように、供給ガスの組成を変えることによって制御することが好ましい。ゲルマニウム含有率は、フィルムの厚さ全体にわたって一定としてもよく、又は、成膜を行っている間、供給ガス中のゲルマニウム源の濃度を変えることによって、濃度が変化したフィルムを形成するようにしてもよい。
ＳｉＧｅを成膜するための混合ガスは、キャリアガスとしての水素と、ゲルマニウム源としてのゲルマン又はジゲルマンと、トリシランとで構成することが好ましい。供給ガス中のトリシランとゲルマニウム源の質量割合は、約１０：９０〜約９９：１、より好ましくは約２０：８０〜約９５：５の範囲とすることが好ましい。上記のように、好ましい速い速度の成膜を行う場合には、ゲルマニウム源を、混合基板表面１ｃｍ2当たり、約０．００１ｍｇｆ／分以上、より好ましくは約０．００３ｍｇｆ／分以上の割合で、混合基板に供給するのがよい。目標の成膜速度及びフィルム組成を得るためには、ゲルマニウム源の供給速度を、トリシランの供給速度に関連させて調節することが好ましい。Ｇｅの濃度が変化したＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＣフィルムを形成するためには、ゲルマニウム源の供給速度を変えることが好ましい。
下層の混合基板のうちの少なくとも１つの表面の組成及び表面形態は、その面への歪みのあるＳｉＧｅフィルムのヘテロエピタキシャル成長を、効果的に生じさせる。形成される「ヘテロエピタキシャル」層は、その層が形成される単結晶基板とは異なった組成を有するエピタキシャルフィルムである。形成されたエピタキシャル層は、少なくとも二次元で下層の単結晶の格子構造と同じであるが、その固有の格子定数とは異なる格子構造を有するように拘束される場合、「歪んだ」ものとなる。格子構造が下層の単結晶基板の格子構造に整合するように、フィルムが成長する時には、原子が、独立したバルク材料の格子構造で正常に占める位置から離れているので、格子歪みが存在する。
トリシランとゲルマニウム源を用いるＣＶＤ法により、混合基板上に、ＳｉＧｅやＳｉＧｅＣなどのＳｉ含有フィルムを形成することが可能になる。図３Ａ〜図３Ｃは、好ましい実施の形態でトリシランを用いる時に得られる優位性を示す断面図である。ただし、本技術に係る技術者であれば、ここに開示されていることに従って、様々な好ましい方法によって、同様な優位性が提供されることを認識できるはずである。図３Ａは、半導体基板３２０上に、フィールド分離領域３１０を備える好ましい構造（基板）３００を示す図である。図示した実施の形態では、半導体基板３２０は、単結晶ウェーハ上に形成されたエピタキシャルシリコンで構成され、フィールド分離領域３１０はシリコン酸化物で構成されている。成膜に先立って、本技術に係る技術者にはよく知られている方法で、エピタキシャル膜を形成するための準備を行い、酸化物のない結晶面（エピタキシャルシリコン）を有する活性領域３４０と非晶質面（第２の基板表面）３３０を露出させる。
水素（キャリアガス）と、トリシラン及びゲルマンの混合ガスとを含むガスを、ＣＶＤ処理の条件下で、酸化物面（第２の基板表面）３３０と活性領域面３４０に供給する。別の実施の形態（図３Ａ〜３Ｃには示されていない）として、前述のように、酸化物面３３０上と活性領域面３４０上に予め形成されたバッファ層面に、ガスを供給してもよい。ガス中のトリシランとゲルマンの質量比は、約１５：１である。基板３００は、ＣＶＤ反応室の中に配置するのがよく、トリシランは、液体トリシランを含む温度制御されたバブラに、キャリアガスを通してバブリングすることによって、反応室に導入することが好ましい。成膜温度は、約６００℃であり、平均厚さ約２５００Åを有する混合形態のＳｉＧｅフィルムを形成するのに必要な時間、成膜を継続する。非晶質面３３０上のＳｉＧｅフィルム３５０のうちの領域３６０は、非エピタキシャル形態（多結晶又は非晶質）であり、一方、単結晶面（活性領域面）３４０上の領域３７０は、エピタキシャル形態である。
さらに、Ｓｉ含有キャップ層を、Ｓｉ含有層上に形成してもよい。キャップ層の成膜は、ここに説明されているＳｉ含有フィルムの成膜法に従って、トリシランを用いることによって、実施することができる。例えば、図３Ｃに示したように、ボロンがドープされたシリコンキャップ層３８０を、成膜温度約６００℃で、トリシラン及びジボラン（全量に対して約１００ｐｐｍ）を含む混合ガスを用いて、ＳｉＧｅフィルム３５０上に形成する。図示した実施の形態の場合には、ＳｉＧｅフィルム３５０は、混合形態のＳｉＧｅフィルムを含む混合基板であるので、キャップ層３８０を形成するためにはトリシランを用いるのが有利である。キャップ層３８０の形態は、エピタキシャル領域３７０上の単結晶と非単結晶領域３６０上の非単結晶とであることが好ましい。
形成されたＳｉ含有フィルムの厚さと組成は、できるだけ均一であることが好ましい。Ｓｉ含有量は、含有量の平均値に対して、フィルム全体で、約２０％以下、好ましくは約１０％以下、もっとも好ましくは２％以下のばらつきであることが、さらに望ましい。フィルムの組成は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって、測定するのがよい。例えば、説明した実施の形態の場合には、ＳｉＧｅフィルム３５０のＳｉ含有量は、非晶質面３３０上の非エピタキシャル領域３６０では約８８％、単結晶面３４０上のエピタキシャル領域３７０では約９２％となっている。このように、ＳｉＧｅフィルム３５０の平均シリコン含有量約９０％に比べて、上記の実施の形態におけるシリコン含有量は、フィルム全体で２％だけのばらつきしかない。形成されたフィルムの厚さのばらつきは、厚さの平均値に対して、フィルムの表面全体で、５０％以下、より好ましくは２５％以下、もっとも好ましくは１０％以下であることが望ましい。フィルムの厚さは、フィルムの断面試料を作製し、電子顕微鏡を使用して測定することによって決定するのがよい。例えば、説明した実施の形態の場合には、フィルム（ＳｉＧｅフィルム）３５０の厚さは、非晶質面３３０上の領域３６０では約２４００Å、単結晶面３４０上の領域（エピタキシャル領域）３７０では約２６００Åである。このように、フィルム３５０の厚さの平均値約２５００Åに比べて、上記の実施の形態における厚さは、フィルム全体の表面で、厚さの平均値に対して、約４％（±１００Å）だけのばらつきしかない。
図４は、ＳｉＧｅヘテロ接合バイポーラトランジスタ（"ＳｉＧｅ ＨＢＴ"）用のベース構造を製造する好ましい方法を説明するための断面図である。ただし、図４は、本技術に係る技術者であれば、別のプロセスにも、説明する方法を応用可能なことが理解されるはずである。図４に示した構造４００は、非晶質のフィールド分離領域４０４を備える単結晶シリコンのｎ+基板４０２上に、一連のフィルムを形成することによって製造する。フィールド分離領域４０４は、シリコン酸化物が好ましいが、シリコン窒化物などの別の絶縁材料でもよい。成膜に先立って、基板４０２の表面（単結晶面）４０８を、本技術に係る技術者にはよく知られている手段で処理し、後に続くエピタキシャル成長に適した面にする。基板４０２が、好ましくはヒ素でｎ型にドープされているので、図示した実施の形態は、ｎｐｎトランジスタに適している。しかし、本技術に係る技術者であれば、開示されている方法は、ｐｎｐデバイスの製造に同様に応用できることが理解されるはずである。
はじめに形成されたフィルム４１０は、必要に応じて設けられるバッファ層であり、このバッファ層は、単結晶面４０８とフィールド分離領域４０４上に、トリシランを使用して、約５８０〜約７００℃の範囲の成膜温度で、好ましい厚さ約５００Å以下に成膜するのがよい。このバッファ層は、必要に応じて、好ましくは"in situ"で、ドーパントの前駆体を使用して、ｎ型にドープする。説明した実施の形態では、バッファ層（フィルム）４１０は、単結晶面４０８上のエピタキシャル領域４１２と、フィールド分離領域４０４上の多結晶領域４１４を備える、厚さが５０Åのヒ素ドープト混合形態のフィルムである。バッファ層４１０は、成膜温度約６００℃で、ドーパントの前駆体として、トリシランと少量のトリシリルアルシンを用いるＣＶＤ法によって形成する。このバッファ層４１０は、後続の製造工程における成膜を容易にするために用いられ、また、エピタキシャル領域４１２は、製品のデバイスにおけるコレクタ部として機能する。
第２のフィルム４１６は、バッファ層４１０上に形成されるｐ+型のＳｉＧｅ層である。この層は、好ましくは約５８０℃〜約７００℃の範囲の温度で、少量のｐ型ドーパントの前駆体を含むトリシランとゲルマニウム源の混合物を用いるＣＶＤ法によって形成する。ＳｉＧｅフィルム（第２のフィルム）４１６は、単結晶面４０８上のエピタキシャル領域４２０と、フィールド分離領域４０４上の多結晶又は非晶質領域４１８を含んでおり、それらの領域は、すぐ下に位置するシリコンのバッファ層４１０における、それぞれエピタキシャル領域４１２、非エピタキシャル領域（多結晶領域）４１４に対応している。このバッファ層４１０（設けられる場合）は、厚さ約１００Å以下が好ましく、また、別のマスキングステップを追加することなく、エピタキシャル領域４２０及び多結晶又は非晶質領域４１８の同時成膜を容易にする。ＳｉＧｅ層４１６は、約１×１０16〜約５×１０22原子／ｃｍ3のドーパント含むことが好ましい。ボロンは好ましいｐ型ドーパントであり、ジボランはこのドーパントの好ましい前駆体である。ＳｉＧｅ層４１６におけるエピタキシャル領域４２０は、ヘテロエピタキシャル層であり、圧縮的な歪みを有している。すなわち、下層のシリコンのエピタキシャル領域４１２の格子定数と正確には整合しないバルク格子定数となっている。特性が向上したデバイスを提供するためには、通常、ＳｉＧｅ層のゲルマニウム含有量を比較的高くすることが有利である。しかし、ゲルマニウム含有量を高くすると、歪みの量が増加する。ＳｉＧｅ層の厚さが、臨界厚さと呼ばれる所定の厚さを超えると、フィルム／基板界面の不整合転位の形成が、エネルギ的に生じやすくなる。そのような転位は、キャリアの移動性を減少させ、漏洩電流を増加させ、デバイス特性を低下させ、デバイス不良を起こさせる。
例えば、約１０％のゲルマニウムを含むＳｉＧｅ層の臨界厚さは、安定(stable)に歪んだフィルムでは約３００Åであり、Ｓｉの＜１００＞方向に歪んだ準安定(metastable)フィルムでは約２，０００Åである。ＳｉＧｅ層が約５００Åより薄い場合には、不整合転位を生じることなく境界が形成されるので、ゲルマニウムの含有量をさらに高くすることができる。ゲルマニウムの含有量が約５０％の場合、臨界厚さは、Ｓｉの＜１００＞方向に圧縮的に歪んだ準安定フィルムでは約１００Åである。ＳｉＧｅ層が約１，０００Åより厚い場合には、不整合転位の生成に起因するデバイスの機能不良が発生するリスクを少なくするために、例えば、ゲルマニウムの含有量を低くすることが好ましい。ＳｉＧｅ層４１６のゲルマニウム含有量は、約５〜５０原子％、より好ましくは１０〜３０原子％の範囲が望ましく、厚さは、約１００〜約１，５００Åの範囲が好ましい。ゲルマニウムの含有量と厚さは、成膜したままの構造で不整合転位がない一方で、歪んだ構造を形成するように調節するのがよい。
上記の実施の形態では、ＳｉＧｅ層４１６のエピタキシャル領域４２０は、圧縮歪みである。ＳｉＧｅ層４１６のエピタキシャル領域４２０は、約１０原子％のゲルマニウムと約１×１０19原子／ｃｍ3のボロンを含み、ドーパントの前駆体として少量のジボランを含むトリシランとゲルマン（それぞれ体積で、約１５：１）を用いて成膜されたものである。得られたボロンがドープされたＳｉＧｅ層４１６は、厚さが約１，０００Åの混合形態のフィルムである。ＳｉＧｅ層４１６のエピタキシャル領域４２０は、製造するデバイスのベースとして機能する。
第３のフィルム（キャップ層）４２２は、約５８０〜６５０℃の範囲の成膜温度で、トリシランと、必要に応じて少量のｐ型ドーパント用の前駆体を用いるＣＶＤ法によってドープされた、第２のフィルム４１６上に形成されるシリコンのキャップ層である。形成されるｐ型にドープされたフィルム（第３のフィルム）４２２の厚さは、約３００〜約１，０００Åの範囲であることが好ましい。フィルム４２２は、単結晶面４０８上のエピタキシャル領域４２４と、フィールド分離領域４０４上の多結晶領域４２６を備える混合形態のフィルムである。説明した実施の形態では、フィルム４２２を、約１×１０17〜約１×１０20原子／ｃｍ3の範囲のドーパント領域とするために、"in situ"ドーパント前駆体としてジボランを使用して、ボロンドーピングを行う。このフィルム４２２は、約６００℃の温度で、厚さ約５００Åに成膜される。
キャップ層４２２は、後に続くプロセスの段階で、ＳｉＧｅ層の準安定歪みを維持し、構造内の所定の深さでエミッタベース接合の形成を容易にするのに有効である。シリコン源としてトリシランを使用すると、基板面全面にわたって、より高い均一性を有する組成が得られるという利点がある。このように、多結晶領域４１８及び４２６におけるｐ型ドーパントの量は、エピタキシャル領域４２０におけるｐ型ドーパントのレベルとほぼ同じであることが好ましい。さらに追加される層、すなわちエミッタは、本技術に係る技術者によく知られている手段で、完成されたデバイスを製造するために、図４に示した構造上に成膜することができる。後に続く、エピタキシャル領域４２０への電気的な接続（図示省略）は、上層の絶縁層を通って、ドープされた多結晶領域４１８又は４２６に延びる１つ又はそれ以上のコンタクトを介して形成するのがよい。
上述のように、従来のシリコン源をトリシランに置き換えることにより、半導体製造プロセスにおける工程数を、効果的に減らせることが明らかである。例えば、両方の表面に直接ＳｉＧｅを成膜するために、シラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、テトラクロロシランなどのシリコン源の代わりにトリシランを用いると、バッファ層（多結晶領域）４１４を成膜するためのステップを省略することができる。さらに、好ましい実施の形態に係るバッファ層４１４がある場合でも、ない場合でも、トリシランは、１つのステップで、異質のもので構成された表面上への成膜を容易にする。それに対して、例えば、処理プロセスで従来のシリコン源を用いると（図５Ａ〜５Ｄ以下及び関連する説明を参照のこと）、フィールド分離領域上及び活性領域のウインドウへのＳｉ含有フィルムの成膜、マスキング、エッチング及びその後のエピタキシャルベース層の形成という別個のステップを必要とする。フィールド分離領域上へのＳｉ含有フィルムの成膜を行うための別個の分離したステップは、従来のシリコン源をトリシランに置き換えることと、同じステップ内で、単結晶面４０８と非エピタキシャル材料（フィールド分離領域）４０４上へＳｉ含有フィルム４１６を成膜することとによって、省略することができる。
このように、好ましい実施の形態では、半導体デバイスの製造プロセスにおけるステップ数を減らす方法が提供された。この方法は、第１のシリコン源を用いて第１の面に第１のＳｉ含有フィルムを成膜すること、別のステップで、第２のシリコン源を用いて第２の面に第２のＳｉ含有フィルムを成膜すること（第１と第２の面が異なる）で構成された半導体デバイスの製造プロセスのステップを１つにする(identify)ことを含むことが好ましい。この好ましい方法は、さらに、第１と第２のシリコン源をトリシランに置き換えることにより、１つにまとめられた半導体デバイスの製造プロセスに改善すること、及び同一のステップで、第１の面と第２の面にＳｉ含有フィルムを成膜することを含んでいる。第１及び／又は第２のシリコン源は、シランであり、第１の面は単結晶面、第２の面は非晶質又は多結晶であることが好ましい。
１つの好ましい実施の形態では、半導体デバイスの製造プロセスは、マスキングステップを省略することによって改善される。マスキングステップは、従来、異なる面（部分）への成膜を行うのに採用されている。例えば、図５Ａ〜５Ｄに示したプロセスフローには、図５Ａに示されている多結晶フィルム５１０が、シラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、シリコンテトラクロライドなどの第１のシリコン源を使用して、単結晶面５２０と非エピタキシャル面５３０で構成された混合基板上に形成されている。一般に、酸化物の表面では核生成が起こりにくいために、長時間の成膜によって、最終的に、連続した、ほぼ均一な厚さになる。この長時間の処理は、活性領域のウインドウ（単結晶面）５２０上への過剰の膜形成という結果になる。したがって、領域５５０をマスキングし、エッチングし、成膜する別のステップに置き換えなければならない。また、非エピタキシャル面５３０上の領域（多結晶領域）５４０に、所定の非エピタキシャル（例えば、多結晶）形態を有するフィルムが形成されるように、成膜温度を選択しなければならない。これらの処理工程の中で、この領域におけるエッチングが要求されるので、これらの成膜条件でも、単結晶面５２０上の領域５５０で、多結晶形態となる傾向がある。
一連のマスキングとエッチングステップは、領域５５０における望ましくない多結晶形態を、望ましいエピタキシャル形態に置き換えるために利用される。公知のフォトリソグラフィ技術を利用して、フォトレジスト層を形成し、パターニングすることにより、図５Ｂに示したように、フォトレジストマスク５６０を形成する。次に、領域５５０に露出したＳｉ含有層を、公知のエッチング法により、図５Ｃに示したように除去し、下層の単結晶面５２０を露出させたウインドウを開口させる。エッチングの間、フォトレジストマスク５６０が、その下層の多結晶領域５４０を保護する。この多結晶領域５４０は、後に、ウインドウ５２０に形成されるベース領域とのコンタクトを形成するのに使用される。次に、フォトレジストマスク５６０を除去し、第２のシリコン源（できるだけ同じもの）を用いる成膜プロセスにより、図５Ｄに示したように、単結晶面５２０上に、仕様に合ったエピタキシャルフィルム５７０を形成する。このような従来のプロセスは、本技術分野ではよく知られており、図１Ｂに関連してすでに説明したとおりである。
好ましい実施の形態に係るプロセスは、単一のステップで、混合基板の両方の面にＳｉ含有フィルムを形成するために、トリシランを使用することを含んでいる。この方法は、どちらかというと図４に示したプロセスフローに近く、図５Ａ〜５Ｄに示した、マスキング、エッチング及び別個の成膜ステップを省略するものである。図３Ｂに示した構造は、好ましい実施の形態を説明するもので、図５Ａ〜５Ｄに示したプロセスフローを改善することによって、１つのステップで製造されたものである。この改善は、シランなどのシリコン源をトリシランに置き換え、図３に示したように、１つのステップで両方の表面にＳｉ含有フィルムを形成することができるように変更したものである。
（実施例１）
Ｓｉ（１００）ウェーハの表面に、厚さ１，５００ÅのＳｉＯ2（「酸化物」）コーティングを備えた基板を準備した。この基板にパターニングを施し、酸化物コーティングの約２０％を除去して、下層のＳｉ（１００）ウェーハを露出させた。この処理により、単結晶面と非晶質の酸化物面を有する混合基板を作製した。次に、この混合基板を希薄なフッ化水素酸溶液の中でエッチングし、洗浄し、乾燥させた。次に、混合基板をEpsilon E2500TM反応システムの中に配置し、この基板に、大気圧下、８０ｓｌｍの流量の超高純度水素ガス中で、２分間、９００℃に加熱する水素ベークを施した。次に、混合基板を、２０ｓｌｍの流量の超高純度水素ガス中、圧力４０ｔｏｒｒ（５．３×１０3Ｐａ）下で６００℃に加熱し、熱平衡に到達させた。エッチング、乾燥、洗浄及びベーキングというステップにより、エピタキシャルフィルムを成長させるために、単結晶面を活性化させた。
次に、加熱された基板にトリシランの蒸気を供給するために、高純度水素ガスを、液体トリシラン（室温に維持されたウォータバスに浸漬された、トリシランを含むバブラ）中に通した。次に、流量９０ｓｃｃｍ(inject)のトリシリルアルシン（１００ｐｐｍ、２ｓｌｍの超高純度水素ガスと混合された９０ｓｃｃｍ）及び２０ｓｌｍの超高純度水素ガスを伴う、水素ガス／トリシランの混合物を、９０ｓｃｃｍの流量で、１５秒間反応室に導入した。厚さ約５０Åのヒ素がドープされた連続した非晶質シリコンフィルムを、露出している酸化物上に形成した。高い品質の結晶、すなわち、ヒ素がドープされた厚さ約４５Åのエピタキシャルシリコンフィルムが、露出したＳｉ＜１００＞の活性領域上に、いっせいに形成された。トリシリルアルシンの供給を止めた。この形成された膜は、バッファ層としての役割をするものである。
次に、ゲルマニウムの含有量が漸次変化する、ボロンがドープされたフィルムを、流量２５ｓｃｃｍのトリシラン／水素混合ガスを使用して、いくつかの手順により、ステップを中断することなく形成した。第１に、ゲルマン（超高純度水素ガス中に１．５％）を、０から３０ｓｃｃｍに増加する流量で、４５秒以上、反応室に導入した。第２に、ゲルマンの流量を、３０秒間、３０ｓｃｃｍの一定量に保持した。第３に、流量を、３０秒間２０ｓｃｃｍに変化させた。第４に、流量９０ｓｃｃｍ(inject)のジボラン（１００ｐｐｍ、２ｓｌｍの超高純度水素ガス）を反応室に導入する一方で、ゲルマンの流量を、１０秒間１５ｓｃｃｍに変化させた。第５に、ジボランの流量を一定に維持し、ゲルマンの流量を３０秒間、１０ｓｃｃｍに減らした。連続した、表面が滑らかで、高い均一性を有する全厚さ１，０００Åの非晶質のＳｉＧｅフィルム（部分的にボロンがドープされている）が、第１ステップで成膜された非晶質シリコン層上に形成された。また、結晶の品質が優れた全厚さ１，１００ÅのヘテロエピタキシャルＳｉＧｅフィルム（部分的にボロンがドープされている）が、第１ステップで成膜されたエピタキシャルシリコンフィルム上に形成された。
次に、ジボランの流量を維持し、ゲルマンを流すのを止め、トリシラン／水素の混合物の流量を、１５０秒間、９０ｓｃｃｍに増加させることによって、ボロンがドープされたシリコンキャップ層を成膜した。連続した、表面が滑らかな、ボロンがドープされた厚さ４９０Åの非晶質シリコンフィルムが、第２の成膜の際に形成された非晶質ＳｉＧｅ層上に形成された。結晶の品質に優れ、ボロンがドープされた厚さ４７５Åのヘテロエピタキシャルのシリコンフィルムが、第２の成膜の際に形成されたヘテロエピタキシャルＳｉＧｅ層上に形成された。すべての層におけるすべてのフィルムの物理的特性は、すべての面にわたって、厚さ、元素の含有量ともに極めて均一であった。
この実施例は、一定温度、一定圧力下でトリシランを用いる成膜プロセスにより、絶縁体がパターン化された基板上に、Ｓｉ（Ａｓ）／ＳｉＧｅ（Ｂ）／Ｓｉ（Ｂ）のフィルム積層を形成する方法を示しており、得られる構造は、図４に示した構造と類似するものである。２つのタイプの面上に高い品質のフィルム積層を形成するために、シリコンバッファ層をマスキングしたり、パターン化する処理を必要としないということが特筆される。これは、バッファ層の成膜やパターン化に必要なプロセスのステップを省略することによって、この構造を形成するための製造コストを実質的に節減できることを意味しており、デバイスの全製造工程においてスループットが上昇することも示している。
（実施例２：比較例）
前駆体としてシランとゲルマンを使用し、６００℃で、ＳｉＯ2基板（核生成層なし）上に、Ｓｉ含有フィルムを成膜した。得られたＳｉＧｅフィルムの表面粗さ（原子間力顕微鏡による測定）は、スキャンエリア１０μｍ×１０μｍに対して、２２６Åであった。ＳｉＧｅフィルムを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果、図６及び図７に示したＳＥＭ写真に表されているように、アイランドタイプの成長を示すピラミッド型のカットされた(faceted)粒となっていることが明らかとなった。このアイランドタイプの成長は、はじめに分離した核が表面に形成され、次にそれらが一緒に成長し、示されているアイランドを形成することによって成膜されることを示している。これは、シランが用いられる場合、成膜が表面形態に敏感であることを表している。すなわち、酸化物上では、シランにより成膜された層は核生成しにくく、表面粗さにも劣ることを示している。
（実施例３）
実施例２と同様に、６００℃でＳｉ含有フィルムを成膜した。ただし、前駆体として、シランとゲルマンの代わりに、トリシランとゲルマンを使用した。得られたＳｉＧｅフィルムの表面粗さ（原子間力顕微鏡による測定）は、スキャンエリア１０μｍ×１０μｍに対して、１８．４Åであった。ＳｉＧｅフィルムをＳＥＭにより観察した結果、図８及び図９（図６、図７に示したものと、それぞれ同じ倍率と傾斜角）に示したＳＥＭ顕微鏡写真に表されているように、ＳｉＧｅフィルムは極めて均一な面であることが分かった。シランを用いる場合に比べて、アイランドタイプの成長が比較的少ないことは、表面上に均一な成長が起こり、実施例２で説明した核生成や成長のメカニズムによって、成膜が進行しなかったことを示している。このことは、トリシランが用いられる場合には、成膜が表面形態に対して比較的鈍感であること、すなわち、トリシランで成膜された層は核生成しやすいこと、その面は滑らかであることを意味している。
（実施例４−２１）
トリシランとゲルマンを使用して、圧力４０ｔｏｒｒ（５．３×１０3Ｐａ）で、ＳｉＯ2基板（核生成層なし）上に、一連のＳｉ含有フィルムを形成した。表１に示した例（１−２１）に対して、トリシランの流量は一定で、７７ｓｃｃｍ（キャリアガス：水素、バブラ使用）とした。ゲルマンの流量（ゲルマン：１０％、Ｈ2：９０％）と成膜温度は、表１に示したように変化させた。得られたＳｉＧｅフィルムのゲルマニウムの含有量（原子％）と厚さは、ＲＢＳによって測定し、表面粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定した。結果を表１に示した。表１から、表１に示した温度条件及び流量条件の範囲、特に、ゲルマンの流量の範囲で、優れた均一性を有するフィルムが得られることが分かった。また、トリシランが用いられているので、成膜が、表面形態に比較的鈍感であることを示している。
Figure 0004417625
本技術に属する専門家であれば、本発明に係る技術的範囲を逸脱することなく、上述の組成及びプロセスに、様々な削除、追加、変更を行うことが可能である。そのようなすべての改良や変更も、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲に属することはいうまでもない。
従来の混合基板上への成膜方法において生じる問題点を示す模式的断面図である。 従来の混合基板上への成膜方法において生じる問題点を示す模式的断面図である。 従来の混合基板上への成膜方法において生じる問題点を示す模式的断面図である。 好ましい実施の形態に係る、混合基板上へのトリシランを用いる成膜を示す模式的断面図である。 好ましい実施の形態に係る、混合基板上へのトリシランを用いる成膜を示す模式的断面図である。 好ましい実施の形態に係る、フィールド酸化物領域間にウィンドウを含む混合基板上へのトリシランを用いる成膜を示す断面図である。 好ましい実施の形態に係る、フィールド酸化物領域間にウィンドウを含む混合基板上へのトリシランを用いる成膜を示す断面図である。 好ましい実施の形態に係る、フィールド酸化物領域間にウィンドウを含む混合基板上へのトリシランを用いる成膜を示す断面図である。 好ましい実施の形態に従って形成されたＢｉＣＭＯＳ ＨＢＴ用のＳｉＧｅベース構造を示す断面図である。 混合基板上へＳｉ含有フィルムを成膜するための別のプロセスフローを説明するための断面図である。 混合基板上へＳｉ含有フィルムを成膜するための別のプロセスフローを説明するための断面図である。 混合基板上へＳｉ含有フィルムを成膜するための別のプロセスフローを説明するための断面図である。 混合基板上へＳｉ含有フィルムを成膜するための別のプロセスフローを説明するための断面図である。 シラン及びゲルマンにより成膜したＳｉＧｅフィルムを示す、走査型電子顕微鏡写真のリプロダクションである。 図６に示したＳｉＧｅフィルムの断面を示す、走査型電子顕微鏡写真のリプロダクションである。 好ましい実施の形態に従って、トリシラン及びゲルマンを用いて成膜したＳｉＧｅフィルムを示す、走査型電子顕微鏡写真のリプロダクションである。 図８に示したＳｉＧｅフィルムの断面を示す、走査型電子顕微鏡写真のリプロダクションである。

Claims (29)

  1. 第１の表面形態を有する第１の面と、前記第１の表面形態とは異なる第２の表面形態を有する第２の面を備え、前記第１の表面形態が単結晶であり、前記第２の表面形態が非晶質、多結晶又は非晶質と結晶質とが混ざったものである基板を準備し、成膜される前記基板を反応容器内に配置するステップと、
    化学気相成長条件下で、前記反応容器内にトリシランを導入するステップと、
    前記基板における前記第１の面及び前記第２の面に、Ｓｉ含有フィルムを形成するステップとを含み、
    前記化学気相成長条件が、４００℃〜７５０℃の基板温度、全圧１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ（１．３×１０ ２ Ｐａ〜１．０×１０ ５ Ｐａ）の反応容器内の圧力であることを特徴とする成膜方法。
  2. さらに、前記トリシランの導入と同時に、前記反応容器内へゲルマニウム源を導入することを含み、Ｓｉ含有フィルムとしてＳｉＧｅフィルムを形成することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記ＳｉＧｅフィルムが、０．１〜８０原子％のゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記第１の面が半導体材料を含み、前記第２の面が絶縁体材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  5. 前記半導体材料が、シリコンと、ヒ素、ボロン、インジウム、燐及びアンチモンで構成されたグループから選ばれた１つのドーパントとを含むことを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
  6. 前記絶縁体材料が、シリコン酸化物、シリコン窒化物、金属酸化物及び金属シリケートで構成されたグループから選ばれた１つの材料を含むことを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
  7. 前記Ｓｉ含有フィルムが、厚さ５００Å以下のシリコンバッファ層であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  8. さらに、前記バッファ層上にＳｉＧｅフィルムを形成するために、前記反応容器内に、ゲルマニウム源及びシリコン源を導入するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の成膜方法。
  9. 前記シリコン源がトリシランであることを特徴とする請求項８に記載の成膜方法。
  10. 前記第１の面の少なくとも一部が、前記第２の面の少なくとも一部と同一平面にないことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  11. 前記Ｓｉ含有フィルムのうち、前記第１の面上の第１の厚さＴ１と、前記第２の面上の第２の厚さＴ２との比Ｔ１：Ｔ２が、１０：１〜１：１０の範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の成膜方法。
  12. 前記Ｓｉ含有フィルムのうち、前記第１の面上の第１の厚さＴ１と、前記第２の面上の第２の厚さＴ２との比Ｔ１：Ｔ２が、２：１〜１：２の範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の成膜方法。
  13. 前記Ｓｉ含有フィルムのうち、前記第１の面上の第１の厚さＴ１と、前記第２の面上の第２の厚さＴ２との比Ｔ１：Ｔ２が、１．３：１〜１：１．３の範囲であることを特徴とする請求項１２に記載の成膜方法。
  14. さらに、前記反応容器にドーパントの前駆体を導入するステップを含み、Ｓｉ含有フィルムとして、”in situ”でドープされるＳｉ含有フィルムを成膜することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  15. 前記Ｓｉ含有フィルムが、前記第１の面上の単結晶形態と、前記第２の面上の非結晶形態とを含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  16. 化学気相成長条件下で、第１の表面形態を有する第１の面及び前記第１の表面形態とは異なる第２の表面形態を有する第２の面で構成され、前記第１の表面形態が単結晶であり、前記第２の表面形態が非晶質、多結晶又は非晶質と結晶質とが混ざったものである混合基板の表面に、前記混合基板面１ｃｍ２当たりに、少なくとも０．００１ｍｇ／分の供給速度で、トリシランを供給するステップと、
    前記混合基板の表面に、１０Å／分以上の速度で、Ｓｉ含有材料を成膜するステップとを含み、
    前記化学気相成長条件が、４００℃〜７５０℃の基板温度、全圧１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ（１．３×１０ ２ Ｐａ〜１．０×１０ ５ Ｐａ）の反応容器内の圧力であることを特徴とする高速成膜方法。
  17. 前記混合基板の表面が、露出した導体材料と露出した絶縁体材料とで構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の高速成膜方法。
  18. 前記導体材料が、結晶質の半導体であることを特徴とする請求項１７に記載の高速成膜方法。
  19. 前記結晶質の半導体が、ボロン、ゲルマニウム、インジウム、燐、ヒ素及びアンチモンで構成されたグループから選ばれる１つのドーパントを含んで構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の高速成膜方法。
  20. さらに、前記混合基板面にゲルマニウム源を供給することを含み、前記Ｓｉ含有材料として、ＳｉＧｅ材料を成膜することを特徴とする請求項１６に記載の高速成膜方法。
  21. 前記混合基板の表面に、混合基板面１ｃｍ２当たりに、少なくとも０．００１ｍｇ／分の供給速度で、ゲルマニウム源を供給することを特徴とする請求項２０に記載の高速成膜方法。
  22. 活性領域と絶縁体を含む基板の表面を準備するステップと、
    前記活性領域及び前記絶縁体のそれぞれに、前記基板に直接Ｓｉ含有フィルムを形成するための化学気相成長条件下で、前記基板面に、トリシランを供給するステップを含み、 前記活性領域が第１の表面形態を有し、前記絶縁体が前記第１の表面形態とは異なる第２の表面形態を有し、前記第１の表面形態が単結晶であり、前記第２の表面形態が非晶質、多結晶又は非晶質と結晶質とが混ざったものであり、
    前記化学気相成長条件が、４００〜７５０℃の基板温度、全圧１ｔｏｒｒ〜７６０ｔｏｒｒ（１．３×１０ ２ Ｐａ〜１．０×１０ ５ Ｐａ）の反応容器内の圧力であることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）用のベース構造の製造方法。
  23. 前記Ｓｉ含有フィルムのうち、前記活性領域上の第１の厚さＴ１と、前記絶縁体上の第２の厚さＴ２との比Ｔ１：Ｔ２が、２：１〜１：２の範囲であることを特徴とする請求項２２に記載のベース構造の製造方法。
  24. 前記Ｓｉ含有フィルムのうち、前記活性領域上の第１の厚さＴ１と、前記絶縁体上の第２の厚さＴ２との比Ｔ１：Ｔ２が、１．３：１〜１：１．３の範囲であることを特徴とする請求項２３に記載のベース構造の製造方法。
  25. さらに、前記Ｓｉ含有フィルム上に、キャップ層を成膜するための化学気相成長条件下で、シリコン源を供給するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載のベース構造の製造方法。
  26. さらに、Ｓｉ含有フィルムとしてＳｉＧｅフィルムを成膜するための化学気相成長条件下で、前記トリシランの供給と同時に、前記基板面にゲルマニウム源を供給することを特徴とする請求項２２に記載のベース構造の製造方法。
  27. 前記Ｓｉ含有フィルムが、１０Å〜５００Åの範囲の厚さを有する核生成層であることを特徴とする請求項２２に記載のベース構造の製造方法。
  28. 前記Ｓｉ含有フィルムが、５０Å〜３００Åの範囲の厚さを有する核生成層であることを特徴とする請求項２２に記載のベース構造の製造方法。
  29. さらに、前記核生成層上に、前記ＳｉＧｅフィルムを成膜するための化学気相成長条件下で、前記核生成層に、トリシラン及びゲルマニウム源を含む混合物を供給するステップを含むことを特徴とする請求項２７に記載のベース構造の製造方法。
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