JP2008235726A

JP2008235726A - Manufacturing method of semiconductor multilayer film

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Publication number: JP2008235726A
Application number: JP2007075840A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Oda; 克矢小田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-10-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the generation of a leakage current accompanying the deterioration of crystallinity on respective layer interfaces of a collector and a base and an emitter and the base in a semiconductor multilayer film, for instance the semiconductor multilayer film for which respective semiconductor layers to be used for the collector, the base and the emitter are continuously formed by epitaxial growth. <P>SOLUTION: For instance, when continuously forming the respective semiconductor layers to be used for the collector (a first of a first conductivity-type single crystal layer), the base (a second conductivity-type single crystal layer) and the emitter (a second of the first conductivity-type single crystal layer) without exposing them to the atmosphere, the respective semiconductor layers to be used for the collector and the emitter are epitaxially grown in a reduced pressure state, and the semiconductor layer to be used for the base is epitaxially grown in a high vacuum state. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体多層膜の製造方法に関するものである。本発明は、特にコレクタ層、ベース層およびエミッタ層をエピタキシャル成長により形成したバイポーラトランジスタの製造方法に適用して有用である。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor multilayer film. The present invention is particularly useful when applied to a method of manufacturing a bipolar transistor in which a collector layer, a base layer, and an emitter layer are formed by epitaxial growth.

従来のエピタキシャル成長によってベース層とエミッタ層を形成したバイポーラトランジスタは、例えば、特開２００３０７７８４４号公報（特許文献１）に報告されている。 A bipolar transistor in which a base layer and an emitter layer are formed by conventional epitaxial growth is reported in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003077784 (Patent Document 1).

これまでの代表的な製造方法を例示すれば、次の通りである。シリコン基板上に、コレクタ領域となる高濃度ｎ型埋込層、低濃度ｎ型シリコン層を形成し、次いで、素子分離絶縁膜、及び高濃度ｎ型領域を形成する。各トランジスタ間に、通例溝型の素子分離領域を形成する。この後、この上部に、コレクタ・ベース分離絶縁膜、ベース引き出し多結晶シリコン膜、エミッタ・ベース分離絶縁膜の多層膜を堆積する。この多層膜におけるエミッタ領域の対応する領域にエミッタ開口部を形成し、前記エミッタ・ベース分離絶縁膜及び前記ベース引き出し多結晶シリコン膜の側壁に第２のエミッタ分離絶縁膜を形成する。次いで、前記コレクタ・ベース分離絶縁膜を選択的にエッチングすることによりベース引き出し多結晶シリコン膜のひさしを形成する。そして、その後、前記低濃度ｎ型シリコン層の表面に低濃度ｐ型単結晶シリコン層を形成する。そして、再び選択成長により、前記低濃度ｐ型単結晶シリコン層上にｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層からなる真性ベースと、ベース引き出し多結晶シリコンのひさしの下にｐ型多結晶シリコン・ゲルマニウム層からなるつなぎベースを同時に形成する。次いで、前記開口部に単結ｎ型晶シリコン層からなるエミッタを形成し、更に、前記開口部の側壁に、第３のエミッタ・ベース分離の為の絶縁膜及び多結晶シリコン層を堆積する。この後、エミッタ電極となる多結晶ｎ型シリコン層を形成し、当該積層体の全面に絶縁膜を堆積する。こうして得られた多層積層体の所望箇所に、コンタクトのための開口を形成し、ベース電極、エミッタ電極、およびコレクタ電極の各々を形成する。 An example of a typical manufacturing method so far is as follows. On the silicon substrate, a high-concentration n-type buried layer and a low-concentration n-type silicon layer to be a collector region are formed, and then an element isolation insulating film and a high-concentration n-type region are formed. A trench-type element isolation region is usually formed between the transistors. Thereafter, a multilayer film of a collector / base isolation insulating film, a base lead-out polycrystalline silicon film, and an emitter / base isolation insulating film is deposited thereon. An emitter opening is formed in a region corresponding to the emitter region in the multilayer film, and a second emitter isolation insulating film is formed on the side walls of the emitter / base isolation insulating film and the base lead-out polycrystalline silicon film. Next, the collector / base isolation insulating film is selectively etched to form a base lead polycrystalline silicon film eaves. Thereafter, a low-concentration p-type single crystal silicon layer is formed on the surface of the low-concentration n-type silicon layer. Then, by selective growth again, an intrinsic base composed of a p-type single crystal silicon / germanium layer on the low-concentration p-type single crystal silicon layer, and a p-type polycrystalline silicon / germanium layer under the eaves of the base lead-out polycrystalline silicon A tether base consisting of Next, an emitter made of a single n-type crystal silicon layer is formed in the opening, and an insulating film and a polycrystalline silicon layer for separating a third emitter and base are deposited on the side wall of the opening. Thereafter, a polycrystalline n-type silicon layer to be an emitter electrode is formed, and an insulating film is deposited on the entire surface of the stacked body. An opening for contact is formed at a desired location of the multilayer laminate thus obtained, and each of a base electrode, an emitter electrode, and a collector electrode is formed.

特開２００３０７７８４４号公報（図１）Japanese Patent Laying-Open No. 2003077784 (FIG. 1)

ベース層とエミッタ層をエピタキシャル成長により形成していた、これまでの代表的なバイポーラトランジスタの、真性部分におけるゲルマニウム組成比及び不純物濃度の深さ方向分布を図６に示す。横軸が表面からの深さ、縦軸は不純物濃度とＧｅ組成比を示す。通例、半導体基板上に、ｎ型単結晶シリコン（ｎ−Ｓｉ）と低濃度ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウムの多層膜（ｎ⁻−ＳｉＧｅ）からなるコレクタと、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層（ｐ−ＳｉＧｅ）からなるベース層、及び高濃度ｎ型単結晶シリコン層（ｎ^＋−Ｓｉ／ＳｉＧｅ）からなるエミッタ層と、を順次ＬＰＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長によって形成している。この時、高い成長温度では各層の界面でドーピング不純物やゲルマニウムが偏析やミキシングを起こすため、ベース層を形成するｐ型不純物が基板中へと拡散してしまい（図６における、ｐ−ＳｉＧｅからｎ⁻−ＳｉＧｅへの不純物濃度のだれにみられる）、ベース幅は、（Ｄ２’−Ｄ１’）となる。この値は、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を形成した直後のｐ型層の厚さよりも大きくなり、このバイポーラトランジスタの遮断周波数は低下する。尚、Ｄ２’の位置はエミッタ側からのｎ型とベース側からのｐ型の不純物濃度が同等となる位置である。又、図６でのｎ+Ｓｉ領域は半導体基板上に、実際的な観点から、通例設けられる高濃度不純物領域である。 FIG. 6 shows the distribution in the depth direction of the germanium composition ratio and impurity concentration in the intrinsic part of a typical bipolar transistor so far in which the base layer and the emitter layer are formed by epitaxial growth. The horizontal axis represents the depth from the surface, and the vertical axis represents the impurity concentration and the Ge composition ratio. Typically, on a semiconductor substrate, a collector made of a multilayer film of n-type single crystal silicon (n-Si) and low-concentration n-type single crystal silicon / germanium (n ⁻ -SiGe), and a p-type single crystal silicon / germanium layer ( A base layer made of p-SiGe) and an emitter layer made of a high-concentration n-type single crystal silicon layer (n ⁺ -Si / SiGe) are sequentially formed by epitaxial growth using the LPCVD method. At this time, since the doping impurity and germanium cause segregation and mixing at the interface between the layers at a high growth temperature, the p-type impurity forming the base layer diffuses into the substrate (from p-SiGe to n in FIG. 6). ^The base width is (D2′−D1 ′), as seen in the impurity concentration of SiGe. This value becomes larger than the thickness of the p-type layer immediately after forming the p-type single crystal silicon / germanium layer, and the cutoff frequency of the bipolar transistor is lowered. The position of D2 ′ is a position where the n-type impurity concentration from the emitter side and the p-type impurity concentration from the base side are equivalent. Further, the n + Si region in FIG. 6 is a high concentration impurity region which is usually provided on the semiconductor substrate from a practical viewpoint.

一方、ＵＨＶ／ＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長によってコレクタ・ベース・エミッタ層の各層を形成すると、成長速度が遅いためスループットが極端に悪化すると同時に、エミッタ層でｎ型不純物のドーピング濃度が上げられないため、エミッタ抵抗の増大によりトランジスタの特性が悪化する。 On the other hand, when the collector, base, and emitter layers are formed by epitaxial growth using the UHV / CVD method, the growth rate is slow, so that throughput is extremely deteriorated, and at the same time, the doping concentration of n-type impurities cannot be increased in the emitter layer. As the emitter resistance increases, the transistor characteristics deteriorate.

こうした事実を背景に、本発明の目的は、導電型の異なる複数の単結晶層からなる半導体多層膜を製造するに際し、多層膜の各層の不純物分布のぼけを抑え、高濃度ドーピングが可能な半導体多層膜の形成方法を提供せんとするものである。 In view of these facts, the object of the present invention is to manufacture a semiconductor multilayer film composed of a plurality of single crystal layers having different conductivity types, thereby suppressing blurring of impurity distribution in each layer of the multilayer film and enabling high-concentration doping. It is an object of the present invention to provide a method for forming a multilayer film.

本発明に係る半導体多層膜の形成方法は、次の通りである。即ち、単結晶基板表面、例えば単結晶シリコン基板表面に設けられた第１導電型領域上（即ち、代表例としては、通例、高濃度ｎ型埋込領域上）に、第１の第１導電型単結晶層（即ち、代表例としては、通例ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）と、該第１の第１導電型単結晶層上に設けられた第１導電型と反対導電型である第２導電型単結晶層（即ち、代表例としては、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）と、該第２導電型単結晶層上に設けられた第２の第１導電型単結晶層（即ち、代表例としては、ｎ型単結晶シリコン層）からなる半導体多層膜の形成方法であって、前記半導体多層膜の形成中は常に単結晶基板を水素雰囲気中若しくは真空中に保持し、前記ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を成長する圧力を前記ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層および前記ｎ型単結晶シリコン層を成長する圧力よりも低くすることを特徴とするものである。 A method for forming a semiconductor multilayer film according to the present invention is as follows. That is, on the surface of the single crystal substrate, for example, on the first conductivity type region provided on the surface of the single crystal silicon substrate (that is, typically on the high concentration n-type buried region), the first first conductivity type is formed. Type single crystal layer (that is, typically an n-type single crystal silicon / germanium layer as a typical example) and a first conductivity type opposite to the first conductivity type provided on the first first conductivity type single crystal layer A second conductivity type single crystal layer (that is, a p-type single crystal silicon / germanium layer as a representative example) and a second first conductivity type single crystal layer (on the second conductivity type single crystal layer ( That is, as a typical example, a method for forming a semiconductor multilayer film made of an n-type single crystal silicon layer), wherein the single crystal substrate is always held in a hydrogen atmosphere or vacuum during the formation of the semiconductor multilayer film, The pressure for growing the p-type single crystal silicon / germanium layer is changed to the n-type single crystal. It is characterized in that lower than the pressure of growing silicon germanium layer and the n-type single crystal silicon layer.

又は、単結晶基板表面、例えば単結晶シリコン基板表面に設けられた第１導電型領域上（即ち、代表例としては、通例、高濃度ｎ型埋込領域上）上に、第１の第１導電型単結晶層（即ち、代表例としては、通例ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）と、該第１の第１導電型単結晶層上に設けられた第１導電型と反対導電型である第２導電型単結晶層（即ち、代表例としては、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）と、該第２導電型単結晶層上に設けられた第２の第１導電型単結晶層すなわちｎ型単結晶シリコン層からなる半導体多層膜の形成方法であって、前記半導体多層膜の形成中は常に単結晶基板を水素雰囲気中若しくは真空中に保持し、前記ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層および前記ｎ型単結晶シリコン層は第１の成長室にて形成し、前記ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層は第２の成長室にて形成し、前記ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を成長する圧力を前記ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層および前記ｎ型単結晶シリコン層を成長する圧力よりも低くするものである。 Alternatively, on the surface of the single crystal substrate, for example, on the first conductivity type region provided on the surface of the single crystal silicon substrate (that is, typically on the high-concentration n-type buried region), the first first A conductive single crystal layer (ie, typically an n-type single crystal silicon / germanium layer as a typical example) and a first conductive type opposite to the first conductive type provided on the first first conductive single crystal layer; A second conductivity type single crystal layer (that is, a p-type single crystal silicon / germanium layer as a representative example) and a second first conductivity type single crystal layer provided on the second conductivity type single crystal layer That is, a method for forming a semiconductor multilayer film composed of an n-type single crystal silicon layer, wherein the single crystal substrate is always held in a hydrogen atmosphere or vacuum during the formation of the semiconductor multilayer film, and the n-type single crystal silicon germanium Layer and the n-type single crystal silicon layer in the first growth chamber The p-type single crystal silicon / germanium layer is formed in the second growth chamber, and the pressure for growing the p-type single crystal silicon / germanium layer is adjusted to the n-type single crystal silicon / germanium layer and the n-type. The pressure is lower than the pressure for growing the single crystal silicon layer.

更に、単結晶基板表面、例えば単結晶シリコン基板表面に設けられた第１導電型領域上（即ち、代表例としては、通例、高濃度ｎ型埋込領域上）上に、第１の第１導電型単結晶層（即ち、代表例としては、通例ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）と、該第１の第１導電型単結晶層上に設けられた第１導電型と反対導電型である第２導電型単結晶層（即ち、代表例としては、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）と、該第２導電型単結晶層上に設けられた第２の第１導電型単結晶層すなわちｎ型単結晶シリコン層からなる半導体多層膜の形成方法であって、前記半導体多層膜の形成中は常に単結晶基板を水素雰囲気中若しくは真空中に保持し、前記ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層と前記ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層と前記ｎ型単結晶シリコン層を同一の成長室にて形成し、前記ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を成長する圧力を前記ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層および前記ｎ型単結晶シリコン層を成長する圧力よりも低くすればよい。 Further, on the surface of the single crystal substrate, for example, on the first conductivity type region provided on the surface of the single crystal silicon substrate (that is, typically on the high-concentration n-type buried region), the first first A conductive single crystal layer (ie, typically an n-type single crystal silicon / germanium layer as a typical example) and a first conductive type opposite to the first conductive type provided on the first first conductive single crystal layer; A second conductivity type single crystal layer (that is, a p-type single crystal silicon / germanium layer as a representative example) and a second first conductivity type single crystal layer provided on the second conductivity type single crystal layer That is, a method for forming a semiconductor multilayer film composed of an n-type single crystal silicon layer, wherein the single crystal substrate is always held in a hydrogen atmosphere or vacuum during the formation of the semiconductor multilayer film, and the n-type single crystal silicon germanium A layer, the p-type single crystal silicon-germanium layer, and the layer The pressure for growing the p-type single crystal silicon / germanium layer is the same as the pressure for growing the n-type single crystal silicon / germanium layer and the n-type single crystal silicon layer. Lower than that.

上述の各半導体多層膜の製造方法において、前記第１の第１導電型単結晶層（例えば、前記ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）および前記第２の第１導電型単結晶層（例えば、前記ｎ型単結晶シリコン層）を成長する圧力が１００Ｐａ以上となすのが良い。又、上述の各半導体多層膜の製造方法において、前記第２導電型単結晶層（例えば、前記ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層）を成長する圧力が１Ｐａ以下であるのが良い。 In each of the semiconductor multilayer film manufacturing methods described above, the first first conductivity type single crystal layer (for example, the n-type single crystal silicon / germanium layer) and the second first conductivity type single crystal layer (for example, The pressure for growing the n-type single crystal silicon layer) is preferably 100 Pa or more. In the method for producing each semiconductor multilayer film described above, the pressure for growing the second conductive single crystal layer (for example, the p-type single crystal silicon / germanium layer) is preferably 1 Pa or less.

尚、上記の説明では、本発明の理解を容易ならしめる為、各半導体層の例示を、具体例であるバイポーラトランジスタでの例を括弧書きにて例示した。但し、本発明の半導体多層膜はこれに限定されるものでない。 In the above description, in order to facilitate understanding of the present invention, examples of each semiconductor layer are shown in parentheses as examples of bipolar transistors as specific examples. However, the semiconductor multilayer film of the present invention is not limited to this.

本発明は、導電型の異なる複数の単結晶層からなる半導体多層膜を製造するに際し、多層膜の各層での不純物分布のぼけを抑え、高濃度ドーピングが可能な半導体多層膜の形成方法を提供することが出来る。 The present invention provides a method for forming a semiconductor multilayer film that can suppress impurity distribution in each layer of the multilayer film and can perform high-concentration doping when manufacturing a semiconductor multilayer film composed of a plurality of single crystal layers having different conductivity types. I can do it.

本発明の実施に当っての、代表的な半導体材料は、前記第１の第１導電型単結晶層、前記第２導電型単結晶層、及び前記第２の第１導電型単結晶層からなる群のいずれか一者がシリコンまたはゲルマニウムを主成分として含む半導体材料である。そしてこれらは、代表的な適用例であるバイポーラトランジスタに適用して極めて有用なものである。例えば、前記第１の第１導電型単結晶層をコレクタ領域、前記第２導電型単結晶層をベース領域、及び前記第２の第１導電型単結晶層をエミッタ領域として適用する。前記シリコンまたはゲルマニウムを主成分として含む半導体材料を例示すれば、Ｓｉ、Ｓｉ−Ｇｅ系半導体材料、Ｇｅである。更には、同材料に、カーボン（Ｃ）を含んだＳｉＣ系半導体材料あるいはＳｉＧｅＣ系半導体材料なども有用である。 In the practice of the present invention, representative semiconductor materials include the first first conductivity type single crystal layer, the second conductivity type single crystal layer, and the second first conductivity type single crystal layer. One member of the group is a semiconductor material containing silicon or germanium as a main component. These are extremely useful when applied to a bipolar transistor which is a typical application example. For example, the first first conductivity type single crystal layer is used as a collector region, the second conductivity type single crystal layer as a base region, and the second first conductivity type single crystal layer as an emitter region. Examples of the semiconductor material containing silicon or germanium as a main component are Si, Si—Ge based semiconductor material, and Ge. Further, SiC-based semiconductor materials or SiGeC-based semiconductor materials containing carbon (C) are also useful.

本発明に係るバイポーラトランジスタの形成方法の好適な実施の形態は、次の通りである。図７は、本発明の製造方法になる半導体多層膜の代表例の断面図である。即ち、シリコン基板３０上の高濃度埋込み領域３１上に、低濃度コレクタ３２と、コレクタ領域と反対導電型の単結晶層からなる真性ベース層３３と、コレクタ領域と同じ導電型である単結晶層からなるエミッタ領域３４を大気に曝すことなく連続して形成するものであり、前記真性ベースの形成は雰囲気の圧力が１Ｐａ以下の高真空状態で行い、前記コレクタ、及びエミッタの形成は雰囲気の圧力が１００Ｐａ以上の減圧状態で行うものである。従って、通例は、前記真性ベースの形成は雰囲気の圧力と前記コレクタ、及びエミッタの形成は雰囲気の圧力とで、概ね２桁以上の圧力差がある。尚、この場合、各ガスの流量は、キャリアガスは数ｌ／ｍｉｎ、例えば１ｌ／ｍｉｎより１０ｌ／ｍｉｎが、一方原料ガスは１ｃｃ／ｍｉｎより５０ｃｃ／ｍｉｎ程度が多用される。尚、上記高濃度埋込み領域３１が設けられたシリコン基板３０は、当該技術分野の通例の方法で準備される。より実際的に半導体装置の特性改善のため、上記高濃度埋込み領域３１以外に、その他の半導体層などが挿入することも可能である。 A preferred embodiment of the method for forming a bipolar transistor according to the present invention is as follows. FIG. 7 is a cross-sectional view of a representative example of a semiconductor multilayer film which is a manufacturing method of the present invention. That is, on the high-concentration buried region 31 on the silicon substrate 30, a low-concentration collector 32, an intrinsic base layer 33 made of a single-crystal layer having a conductivity type opposite to the collector region, and a single-crystal layer having the same conductivity type as the collector region The emitter region 34 is continuously formed without being exposed to the atmosphere, and the intrinsic base is formed in a high vacuum state where the atmospheric pressure is 1 Pa or less, and the collector and the emitter are formed under atmospheric pressure. Is performed in a reduced pressure state of 100 Pa or more. Therefore, typically, the formation of the intrinsic base has a pressure difference of approximately two orders of magnitude or more between the atmospheric pressure and the formation of the collector and emitter by the atmospheric pressure. In this case, the flow rate of each gas is frequently several l / min for the carrier gas, for example, 10 l / min from 1 l / min, while the source gas is frequently used from about 1 cc / min to about 50 cc / min. The silicon substrate 30 provided with the high-concentration buried region 31 is prepared by a usual method in this technical field. In order to improve the characteristics of the semiconductor device more practically, other semiconductor layers can be inserted in addition to the high concentration buried region 31.

このようにコレクタ、真性ベース、エミッタを連続して形成するため、真性ベースおよびエミッタのエピタキシャル成長の前に高温のクリーニング処理が不要となり、熱処理に伴うドーパントの拡がりを低減することができ、トランジスタの高速化が可能となる。しかも、真性ベースを圧力が１Ｐａ以下の高真空状態で成長することで、ゲルマニウム組成比やドーピング濃度、膜厚を高精度に制御できるため、ベースの内部電界を効果的に発生させることで高速化が可能となると共に、歩留まりを向上することができる。更にコレクタとエミッタを１００Ｐａ以上大気圧以下の減圧状態でエピタキシャル成長することにより、高濃度ドーピングによる抵抗低減と、高速成長によるスループット向上が可能となる。従って、本発明に係るバイポーラトランジスタは、高速動作と低コスト化の両立が可能となる。 Since the collector, the intrinsic base, and the emitter are continuously formed in this way, high temperature cleaning treatment is not required before epitaxial growth of the intrinsic base and emitter, and the spread of dopants caused by the heat treatment can be reduced, and the high-speed transistor Can be realized. Moreover, since the intrinsic base is grown in a high vacuum state with a pressure of 1 Pa or less, the germanium composition ratio, doping concentration, and film thickness can be controlled with high precision, so the internal electric field of the base is effectively generated to increase the speed. And the yield can be improved. Further, by epitaxially growing the collector and the emitter in a reduced pressure state of 100 Pa or more and atmospheric pressure, it is possible to reduce resistance by high concentration doping and improve throughput by high-speed growth. Therefore, the bipolar transistor according to the present invention can achieve both high speed operation and low cost.

尚、上記真性ベースを（前記第２導電型単結晶層に相当する）形成する雰囲気の圧力は、１Ｐａ以下の高真空状態となすが、１Ｐａ以下０．１Ｐａ程度が実際的である。又、形成する半導体膜が均一に形成できる雰囲気圧力にする必要がある。この値は各種材料系、ポンプの排気速度など種々の条件にもよるが、概ね０．０１Ｐａ程度である。一方、コレクタとエミッタ（第１の第１導電型単結晶層と第２の第１導電型単結晶層に相当する）を形成する為の雰囲気圧力は、１００Ｐａ以上大気圧以下の減圧状態でエピタキシャルするが、５００Ｐａから４０００Ｐａ程度が実際的である。 The pressure of the atmosphere for forming the intrinsic base (corresponding to the second conductivity type single crystal layer) is a high vacuum state of 1 Pa or less, but about 1 Pa or less and 0.1 Pa is practical. In addition, it is necessary to set the atmospheric pressure so that the semiconductor film to be formed can be formed uniformly. This value is about 0.01 Pa, although it depends on various materials and various conditions such as the pumping speed. On the other hand, the atmospheric pressure for forming the collector and emitter (corresponding to the first first conductivity type single crystal layer and the second first conductivity type single crystal layer) is epitaxial in a reduced pressure state of 100 Pa or more and atmospheric pressure or less. However, about 500 Pa to 4000 Pa is practical.

次に、本発明に係る半導体多層膜の製造方法の更に具体的な実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明に係る半導体製造装置および半導体多層膜の製造方法の第１の実施例を示す成長シーケンスである。横軸は処理時間、縦軸には、基板温度、雰囲気の圧力、及び各種ガスの流量を示している。上段のアルファベットは各工程を指している。本例は、ｎ型にドーピングされた単結晶シリコン・ゲルマニウム層とｐ型にドーピングされた単結晶シリコン・ゲルマニウム層からなる多層膜を形成する際の基板温度と成長圧力、およびガス流量の変化をステップごとに示す。 Next, more specific examples of the method for manufacturing a semiconductor multilayer film according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<Example 1>
FIG. 1 is a growth sequence showing a first embodiment of a semiconductor manufacturing apparatus and a semiconductor multilayer film manufacturing method according to the present invention. The horizontal axis indicates the processing time, and the vertical axis indicates the substrate temperature, the atmospheric pressure, and the flow rates of various gases. The upper alphabet indicates each process. This example shows changes in the substrate temperature, growth pressure, and gas flow rate when forming a multilayer film composed of an n-type doped single crystal silicon / germanium layer and a p-type doped single crystal silicon / germanium layer. Shown for each step.

図２には、本実施例を実現するために必要な半導体製造装置の構成図を示す。導電型の異なるドーピングを行って多層膜を形成するには、一般的には、一方の導電型のドーピングを行った後に同一の成長室で他方の導電型のドーピングを行うと、残留しているドーパントが取り込まれることによりドーピング濃度の制御性が悪化してしまう。又、残留しているドーパントが、結晶成長表面でのガスの吸着を阻害すること等から均一に成長が進行せず、エピタキシャル層の結晶性が悪化してしまう。従って、異なる導電型の半導体多層構造を形成する場合には、それぞれの導電型に応じた成長室を設ける必要がある。例えば、成長室１でｎ型ドーピングされた半導体層を形成する場合、ｐ型ドーピングされた半導体層を形成する場合は成長室１とは別に設けた成長室２内で成長する必要がある。このような観点から、図２の例では、成長室１（１０）及び成長室２（１１）を準備し、これらを搬送室１２で結んでいる。各成長室には、ターボ分子ポンプ１４、１６、更に、ドライポンプ１５、１７などの排気系が接続される。図２において、符号１，５はバルブ、２，６は切り替えバルブ、３、７はコンダクタンスバルブ、４、８はバイパスライン、１３はロードロック室である。 FIG. 2 shows a configuration diagram of a semiconductor manufacturing apparatus necessary for realizing the present embodiment. In order to form a multilayer film by doping with different conductivity types, in general, if one conductivity type is doped and then the other conductivity type is doped in the same growth chamber, it remains. Incorporation of the dopant deteriorates the controllability of the doping concentration. Further, since the remaining dopant inhibits gas adsorption on the crystal growth surface, the growth does not proceed uniformly, and the crystallinity of the epitaxial layer is deteriorated. Therefore, when forming semiconductor multilayer structures of different conductivity types, it is necessary to provide growth chambers corresponding to the respective conductivity types. For example, when forming an n-type doped semiconductor layer in the growth chamber 1, it is necessary to grow in a growth chamber 2 provided separately from the growth chamber 1 when forming a p-type doped semiconductor layer. From such a viewpoint, in the example of FIG. 2, the growth chamber 1 (10) and the growth chamber 2 (11) are prepared, and these are connected by the transfer chamber 12. Exhaust systems such as turbo molecular pumps 14 and 16 and dry pumps 15 and 17 are connected to each growth chamber. In FIG. 2, reference numerals 1 and 5 are valves, 2 and 6 are switching valves, 3 and 7 are conductance valves, 4 and 8 are bypass lines, and 13 is a load lock chamber.

＜エピタキシャル成長の為の準備の諸工程＞
まず始めに、基板表面の汚染物や自然酸化膜をあらかじめ除去するために基板の洗浄をおこなう。例えば、アンモニア、過酸化水素、水の混合液を加熱したもので基板を洗浄することにより、表面の重金属や有機物による汚染に加え、基板表面に付着したパーティクルを除去することができる。次いで、アンモニア、過酸化水素、水の混合液による洗浄中に基板表面に形成された酸化膜をフッ酸水溶液によって除去し、その直後に純水で洗浄することにより、シリコン基板表面は水素原子で覆われた状態となる。この状態では、基板の最表面に存在するシリコン原子は水素と結合しているため、基板洗浄を行ってから成長を開始するまでの間に表面に自然酸化膜が形成されにくくなる。この洗浄による基板表面の水素終端処理に加え、更に、表面に自然酸化膜が形成されるのを防ぐためには、基板の洗浄を行った後、基板表面が再び酸化されたり、汚染物が付着するのを防ぐため、シリコン基板を清浄な窒素中にて搬送すれば好適である。以下の各実施例に関しても、エピタキシャル成長前に行う基板の洗浄と搬送方法に関しては同様である。 <Preparation steps for epitaxial growth>
First, the substrate is cleaned to remove contaminants and natural oxide films on the substrate surface in advance. For example, by washing a substrate with a heated mixture of ammonia, hydrogen peroxide, and water, particles adhering to the surface of the substrate can be removed in addition to contamination by heavy metals and organic substances on the surface. Next, the oxide film formed on the substrate surface during the cleaning with the mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide, and water is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, and immediately after that, the silicon substrate surface is cleaned with hydrogen atoms. It will be covered. In this state, since silicon atoms present on the outermost surface of the substrate are bonded to hydrogen, it is difficult to form a natural oxide film on the surface between the substrate cleaning and the start of growth. In addition to the hydrogen termination treatment of the substrate surface by this cleaning, in order to prevent the formation of a natural oxide film on the surface, the substrate surface is again oxidized or contaminated after the substrate is cleaned. In order to prevent this, it is preferable to transport the silicon substrate in clean nitrogen. The same applies to each of the following embodiments with respect to the substrate cleaning and transfer method performed before epitaxial growth.

次いで、洗浄を行った基板をロードロック室１３内に設置し、ロードロック室の真空排気を開始する。ロードロック室１３の真空排気が完了した後、シリコン基板を、搬送室１２を経由して成長室１（１０）に搬送する。基板表面に汚染物が付着するのを防ぐため、搬送室及び成長室１は高真空状態もしくは超高真空状態であることが望ましく、例えば圧力が１×１０^−５Ｐａ程度以下であると好適である。後に述べる成長室２（１１）に関しても、真空度に関しては同様である。又、これらの成長室内で形成した単結晶層中に酸素や炭素が取り込まれることによる結晶欠陥の発生を防ぐため、搬送室や成長室１および成長室２に酸素や水分、または有機系の汚染物を含んだガスの混入を防ぐ必要がある。このことから、シリコン基板の搬送を開始するのはロードロック室１３の圧力が１×１０^−５Ｐａ程度以下になってから行うことが望ましい。シリコン基板表面を水素終端処理しても、搬送中における表面の酸化膜形成や汚染物の付着を完全に防ぐことはできないため、エピタキシャル成長前にシリコン基板表面のクリーニングを行う。クリーニング方法としては、例えば真空中でシリコン基板を加熱することによって基板表面の自然酸化膜を以下の反応によって除去することが可能となる。
Ｓｉ＋ＳｉＯ_２→２ＳｉＯ↑
又は、成長室１（１０）内に清浄な水素を供給した状態でシリコン基板を加熱することによっても基板表面のクリーニングを行うことが可能である。前に述べた真空中での加熱によるクリーニングでは、基板温度が５００℃程度以上になると基板表面を終端していた水素は脱離し、基板表面のむき出しになったシリコン原子と成長室内の雰囲気中に含まれる水分や酸素が反応し、基板表面が再酸化されてしまう。そして、この酸化膜が再び還元されることにより、クリーニングと共に基板表面の凹凸が増大し、その後行うエピタキシャル成長の均一性や結晶性を悪化させるという難点がある。又、同時に成長室内の雰囲気中に含まれる炭酸ガスや有機系のガスが表面に付着することから、炭素汚染によるエピタキシャル成長層の結晶性の悪化も発生する。一方、水素を基板表面に供給した状態でシリコン基板を加熱した場合、５００℃以上の温度で水素が基板表面から脱離してしまっても、常に清浄な水素ガスが供給されているため、基板表面のシリコンと水素が結合と脱離を繰り返す。その結果、表面のシリコンは再酸化されにくくなり、クリーニング中に表面の凹凸が発生することもなく、清浄な表面状態を得ることが可能となる。 Next, the cleaned substrate is placed in the load lock chamber 13 and evacuation of the load lock chamber is started. After the evacuation of the load lock chamber 13 is completed, the silicon substrate is transferred to the growth chamber 1 (10) via the transfer chamber 12. In order to prevent contaminants from adhering to the substrate surface, the transfer chamber and the growth chamber 1 are desirably in a high vacuum state or an ultrahigh vacuum state. For example, the pressure is preferably about 1 × 10 ⁻⁵ Pa or less. is there. The same applies to the growth chamber 2 (11) described later with respect to the degree of vacuum. In addition, in order to prevent the occurrence of crystal defects due to the incorporation of oxygen and carbon into the single crystal layer formed in these growth chambers, the transfer chamber, the growth chamber 1 and the growth chamber 2 are contaminated with oxygen, moisture, or organic matter. It is necessary to prevent gas containing substances from entering. For this reason, it is desirable that the transfer of the silicon substrate is started after the pressure in the load lock chamber 13 becomes about 1 × 10 ⁻⁵ Pa or less. Even if the silicon substrate surface is hydrogen-terminated, it is not possible to completely prevent the formation of an oxide film on the surface and the attachment of contaminants during transportation. Therefore, the silicon substrate surface is cleaned before epitaxial growth. As a cleaning method, for example, the natural oxide film on the surface of the substrate can be removed by the following reaction by heating the silicon substrate in a vacuum.
Si + SiO ₂ → 2SiO ↑
Alternatively, the substrate surface can also be cleaned by heating the silicon substrate with clean hydrogen supplied into the growth chamber 1 (10). In the cleaning by heating in a vacuum described above, when the substrate temperature is about 500 ° C. or higher, hydrogen that has terminated the substrate surface is desorbed, and the silicon atoms exposed on the substrate surface are exposed to the atmosphere in the growth chamber. The contained moisture and oxygen react to reoxidize the substrate surface. Then, this oxide film is reduced again, so that the unevenness of the substrate surface increases with cleaning, and the uniformity and crystallinity of the subsequent epitaxial growth are deteriorated. At the same time, since the carbon dioxide gas or organic gas contained in the atmosphere in the growth chamber adheres to the surface, the crystallinity of the epitaxial growth layer is also deteriorated due to carbon contamination. On the other hand, when a silicon substrate is heated with hydrogen supplied to the substrate surface, clean hydrogen gas is always supplied even if hydrogen desorbs from the substrate surface at a temperature of 500 ° C. or higher. Silicon and hydrogen repeatedly bond and desorb. As a result, the surface silicon is less likely to be reoxidized, and surface irregularities are not generated during cleaning, and a clean surface state can be obtained.

水素雰囲気中でクリーニングを行うため、まず始めに成長室１（１０）に水素ガスを供給する（図１工程ａ）。このとき、水素ガスを供給する前に基板表面から水素が脱離するのを防ぐため、基板温度を水素の脱離する５００℃より低くすれば好適である。また、水素ガスの流量は制御性良くガスが供給できるように１０ｍｌ／ｍｉｎ以上とし、排気されたガスを安全に処理するためには１００l／ｍｉｎ以下とすれば好適である。このとき、成長室１内の、水素ガスの分圧の下限は、基板表面に均一にガスが供給されるように１００Ｐａとし、上限は装置の安全性を保つために大気圧とすればよい。水素ガスが供給された後、シリコン基板をクリーニング温度まで加熱する（図１工程ｂ）。このときの加熱方法としては、加熱に際してのシリコン基板への汚染や基板内での極端な温度の違いなどがなければ、どのような機構や構造でも良い。例えばワークコイルに高周波を印加して加熱する誘導加熱や、抵抗ヒータによる加熱などが適用できるほか、特に短時間での温度制御が可能な方法として、ランプからの輻射を利用した加熱方法を用いることができる。この加熱方法はクリーニングに限らず、後述する単結晶の成長に際しての加熱に関しても同様である。 In order to perform cleaning in a hydrogen atmosphere, first, hydrogen gas is supplied to the growth chamber 1 (10) (step a in FIG. 1). At this time, in order to prevent hydrogen from desorbing from the substrate surface before supplying the hydrogen gas, it is preferable that the substrate temperature be lower than 500 ° C. from which hydrogen is desorbed. Further, the flow rate of hydrogen gas is preferably 10 ml / min or more so that the gas can be supplied with good controllability, and 100 l / min or less is preferable in order to safely process the exhausted gas. At this time, the lower limit of the partial pressure of hydrogen gas in the growth chamber 1 is 100 Pa so that the gas is uniformly supplied to the substrate surface, and the upper limit may be atmospheric pressure in order to maintain the safety of the apparatus. After the hydrogen gas is supplied, the silicon substrate is heated to the cleaning temperature (step b in FIG. 1). As a heating method at this time, any mechanism or structure may be used as long as there is no contamination of the silicon substrate during heating or an extreme temperature difference in the substrate. For example, induction heating that heats a work coil by applying a high frequency, heating by a resistance heater, etc. can be applied. In addition, as a method that enables temperature control in a short time, a heating method using radiation from a lamp is used. Can do. This heating method is not limited to cleaning, and the same applies to heating during the growth of a single crystal described later.

クリーニング温度までシリコン基板を加熱した後、所定の時間基板を加熱することにより表面の自然酸化膜や汚染物が除去できるが、例えばクリーニング温度は、クリーニングの効果が得られる温度として６００℃以上であれば良く、又、熱処理による基板中のドーパントの拡散が顕著となる１０００℃以下とすれば好適である（図１工程ｃ）。更に、エピタキシャル成長の前に形成されている構造へ与える影響を低減するため、クリーニング温度は可能な限り低くする必要がある。又、基板表面の自然酸化膜や汚染物質の除去効率はクリーニング温度によって変化し、温度が高いほど短時間で効果が得られるため、必要以上に熱処理を行わない条件で加熱を行うことが望ましい。クリーニング温度が７００℃の場合、クリーニングの効果が小さいため、クリーニング時間を３０分とする必要があるのに対し、クリーニング時間を９００℃とした場合、クリーニング時間は２分以上であればよい。既に形成されている構造への影響として、例えば基板中のドーパントの拡散による特性変動を考えると、ドーパントの拡散を押さえるためには、クリーニング温度を約８００℃以下とする事が望ましく、この時のクリーニング時間は１０分とすればよい。 After heating the silicon substrate to the cleaning temperature and then heating the substrate for a predetermined time, the natural oxide film and contaminants on the surface can be removed. For example, the cleaning temperature should be 600 ° C. or more as a temperature at which the cleaning effect can be obtained. It is preferable that the temperature is 1000 ° C. or less at which the diffusion of the dopant in the substrate by the heat treatment becomes significant (step c in FIG. 1). Furthermore, the cleaning temperature needs to be as low as possible in order to reduce the influence on the structure formed before epitaxial growth. Further, the removal efficiency of the natural oxide film and contaminants on the substrate surface varies depending on the cleaning temperature, and the higher the temperature, the shorter the effect. Therefore, it is desirable to perform heating under conditions that do not perform heat treatment more than necessary. When the cleaning temperature is 700 ° C., the cleaning effect is small, and therefore the cleaning time needs to be 30 minutes. When the cleaning time is 900 ° C., the cleaning time may be 2 minutes or more. As an influence on the structure already formed, for example, considering the characteristic variation due to the diffusion of the dopant in the substrate, it is desirable to set the cleaning temperature to about 800 ° C. or less in order to suppress the diffusion of the dopant. The cleaning time may be 10 minutes.

又、クリーニング温度の低温化を可能とする方法として、原子状水素を用いたクリーニングを行うこともできる。この方法では、基板表面に活性な水素原子を照射することにより、基板温度を上げなくても酸素の還元反応を生じさせることが可能となり、室温においてもクリーニング効果は得られる。原子状水素の発生方法としては、高温に加熱したタングステンなどのフィラメントに水素ガスを照射することにより熱的に水素分子を解離させる方法や、水素ガス中でプラズマを発生させて電気的に水素分子を解離させる方法や、紫外線などの照射による原子状水素の発生などが可能である。但しこの場合、フィラメントやプラズマを発生する電極周辺からの金属汚染の発生や、プラズマによる石英部品などからの汚染物の発生などに十分注意をする必要がある。各方法とも、水素原子を大量に発生させるのは非常に困難であるため、水素ガスの中で、ある割合の分子を原子状態に解離させて基板表面に照射することにより、低温化が可能となる。例えば、クリーニング時間を１０分以内とするためには、クリーニング温度を６５０℃とすればよい。 Further, as a method for enabling the cleaning temperature to be lowered, cleaning using atomic hydrogen can be performed. In this method, by irradiating the surface of the substrate with active hydrogen atoms, it is possible to cause an oxygen reduction reaction without raising the substrate temperature, and a cleaning effect can be obtained even at room temperature. As atomic hydrogen generation methods, hydrogen molecules are thermally dissociated by irradiating hydrogen gas to a filament such as tungsten heated to a high temperature, or hydrogen molecules are electrically generated by generating plasma in hydrogen gas. Can be dissociated, and atomic hydrogen can be generated by irradiation with ultraviolet rays. However, in this case, it is necessary to pay sufficient attention to the occurrence of metal contamination from the periphery of the electrode that generates the filament and plasma, and the generation of contaminants from quartz parts due to the plasma. In each method, it is very difficult to generate a large amount of hydrogen atoms, so it is possible to lower the temperature by dissociating a certain proportion of molecules into an atomic state in the hydrogen gas and irradiating the substrate surface. Become. For example, in order to make the cleaning time within 10 minutes, the cleaning temperature may be 650 ° C.

以上、水素を用いたクリーニングについて説明を行ったが、クリーニング方法に関しては他の実施例に関しても同様である。 While the cleaning using hydrogen has been described above, the cleaning method is the same for the other embodiments.

＜エピタキシャル成長＞
クリーニングが終了した後、エピタキシャル成長を行う温度まで基板温度を下げ、エピタキシャル成長を行う温度で基板温度を安定させる時間を設ける（図１工程ｄ）。温度の安定化を行うステップでは、クリーニング後のシリコン基板表面を清浄な状態に保つために水素ガスを供給し続けることが望ましいが、水素ガスは基板表面を冷却する効果を持っているため、加熱条件が同じであればガスの流量に応じて基板表面温度が変化してしまう。従って、エピタキシャル成長で用いるガスの総流量と大きく異なる流量の水素ガスを供給した状態で温度が安定していても、エピタキシャル成長を開始した時点でガスの流量が変わることにより基板温度が大きく変動してしまう。この現象を防ぐため、基板温度の安定化を行うステップにおいては、その水素流量をエピタキシャル成長で用いるガスの総流量とほぼ同じ値を用いることが望ましい。又、必ずしも基板温度がエピタキシャル成長温度まで下がってから温度安定化を行うステップを設ける必要はなく、基板温度を下げながら水素ガスの流量を調整し、基板温度がエピタキシャル成長温度になった時点で水素ガスの流量が成長ガスの流量と等しくなっていれば好適であり、この場合、基板温度を下げたと同時にエピタキシャル成長を開始できるため、スループットを大幅に向上することができる。 <Epitaxial growth>
After the cleaning is completed, the substrate temperature is lowered to a temperature at which epitaxial growth is performed, and a time for stabilizing the substrate temperature at a temperature at which epitaxial growth is performed is provided (step d in FIG. 1). In the temperature stabilization step, it is desirable to continue supplying hydrogen gas to keep the cleaned silicon substrate surface clean. However, since hydrogen gas has the effect of cooling the substrate surface, If the conditions are the same, the substrate surface temperature changes according to the gas flow rate. Therefore, even if the temperature is stable in a state where hydrogen gas having a flow rate significantly different from the total flow rate of the gas used for epitaxial growth is supplied, the substrate temperature greatly fluctuates due to the change in the gas flow rate when epitaxial growth is started. . In order to prevent this phenomenon, in the step of stabilizing the substrate temperature, it is desirable to use the hydrogen flow rate that is substantially the same as the total flow rate of the gas used for epitaxial growth. Further, it is not always necessary to provide a step of stabilizing the temperature after the substrate temperature falls to the epitaxial growth temperature. The flow rate of hydrogen gas is adjusted while lowering the substrate temperature, and when the substrate temperature reaches the epitaxial growth temperature, It is preferable that the flow rate be equal to the flow rate of the growth gas. In this case, since the epitaxial growth can be started at the same time as the substrate temperature is lowered, the throughput can be greatly improved.

＜＜第１の第１導電型結晶層の成長＞＞
次いで、エピタキシャル層の原料ガスとｎ型ドーピングガスを供給することによって低濃度コレクタ層のエピタキシャル成長を開始する（図１工程ｅ、ｆ）。図の例では、原料ガスとして、ＳｉＨ_４及びＧｅＨ_４、ドーピングガスとして、ＰＨ_３が例示されている。ここで使用する原料ガスとしては、シリコン、ゲルマニウム等の４族元素と水素、塩素、フッ素などからなる化合物を用いることができる。例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、モノゲルマン（ＧｅＨ_４）、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、三塩化シリコン（ＳｉＨＣｌ_３）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ_４）などが挙げられるが、このほかのガスに関しても使用方法は同様である。本実施例では、単結晶シリコン・ゲルマニウムからなる多層膜の形成方法を例に挙げて説明を行うが、４族元素の炭素を導入した単結晶シリコン・ゲルマニウム・カーボンからなる多層膜を形成するには、炭素の原料ガスとして、モノメチルシラン（ＣＨ_３ＳｉＨ_３）、ジメチルシラン（（ＣＨ_３）_２ＳｉＨ_２）、トリメチルシラン（（ＣＨ_３）_３ＳｉＨ）等を添加すればよい。また、ｎ型ドーピングガスとしては、５族元素と水素、塩素、フッ素などからなる化合物を用いることができ、例えば、ホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）などが挙げられる。 << Growth of First First Conductive Type Crystal Layer >>
Next, the epitaxial growth of the low concentration collector layer is started by supplying the source gas for the epitaxial layer and the n-type doping gas (steps e and f in FIG. 1). In the example shown in the figure, SiH ₄ and GeH ₄ are exemplified as source gases, and PH ₃ is exemplified as a doping gas. As the source gas used here, a compound composed of a group 4 element such as silicon or germanium and hydrogen, chlorine, fluorine, or the like can be used. Examples include monosilane (SiH ₄ ), disilane (Si ₂ H ₆ ), monogermane (GeH ₄ ), dichlorosilane (SiH ₂ Cl ₂ ), silicon trichloride (SiHCl ₃ ), and silicon tetrachloride (SiCl ₄ ). However, the usage is the same for other gases. In this embodiment, a method of forming a multilayer film made of single crystal silicon / germanium will be described as an example. However, a multilayer film made of single crystal silicon / germanium / carbon into which a group 4 element carbon is introduced is formed. In this case, monomethylsilane (CH ₃ SiH ₃ ), dimethylsilane ((CH ₃ ) ₂ SiH ₂ ), trimethylsilane ((CH ₃ ) ₃ SiH), or the like may be added as a carbon source gas. In addition, as the n-type doping gas, a compound composed of a Group 5 element and hydrogen, chlorine, fluorine, or the like can be used, and examples thereof include phosphine (PH ₃ ) and arsine (AsH ₃ ).

バイポーラトランジスタの耐圧を向上するためには、低濃度コレクタ層の厚さは１００ｎｍ程度以上に厚くする必要があるため、エピタキシャル成長速度を上げてスループットを向上するのが望ましい。その為、成長温度と成長圧力を上げても気相中の反応が起きにくいジクロルシランやモノシラン等の原料ガスを用い、温度範囲としては、原料ガスが熱的に分解を始める６００℃以上で、上限は良好な表面モフォロジーが保たれる８００℃以下であれば好適である。この温度範囲で、成長圧力は成長速度が表面での反応で律速される１００Ｐａ以上で、上限はエピタキシャル成長装置の安全性を確保するために大気圧以下であれば好適である。図２に例示する成長室１（１０）からバイパスライン４を通してドライポンプ１により排気を行い、コンダクタンスバルブ３の開度を調整することで成長圧力を制御することが可能となる。 In order to improve the breakdown voltage of the bipolar transistor, it is necessary to increase the thickness of the low concentration collector layer to about 100 nm or more. Therefore, it is desirable to increase the epitaxial growth rate to improve the throughput. For this reason, a source gas such as dichlorosilane or monosilane, which hardly causes a reaction in the gas phase even when the growth temperature and the growth pressure are increased, is used, and the temperature range is 600 ° C. or more at which the source gas begins to thermally decompose, and the upper limit. Is preferably 800 ° C. or lower so that good surface morphology is maintained. In this temperature range, the growth pressure is preferably 100 Pa or higher, which is determined by the reaction at the surface, and the upper limit is preferably atmospheric pressure or lower in order to ensure the safety of the epitaxial growth apparatus. It is possible to control the growth pressure by exhausting from the growth chamber 1 (10) illustrated in FIG. 2 through the bypass line 4 by the dry pump 1 and adjusting the opening of the conductance valve 3.

成長室１でのｎ型層の形成を終了するため、成長ガス及びドーピングガスの供給を停止し、反応室１からガスを排気すると同時に基板温度を下げる（図１工程ｇ）。成長室間の移動を行う際（図１工程ｈ）、直接成長室の間でウェハの搬送を行うことも可能であるが、ｎ型及びｐ型のドーピングを行う二つの成長室間で、スループット良くエピタキシャル成長を行うためには、基板の搬送室１２を設ければよい（図２）。基板表面を終端している水素原子は、基板温度が低ければ安定な状態で表面に存在することができるので、基板用面に汚染物質が付着しない範囲であれば、水素の供給に中断時間を設けても良い。例えば、成長室や搬送室の真空度が１×１０^-７Ｐａ以下の場合、基板温度を室温まで下げれば、中断時間を１０分程度設けても基板表面に汚染物質は付着しない。
又、基板表面のクリーニング終了時と同様に、基板表面に汚染物が付着するのを防ぐために清浄な水素ガスを供給することもできる。成長室１（１０）から搬送室１２を介して成長室２（１１）に基板を移動する場合、成長室１と同様に、シリコン基板表面に汚染物を付着させないためには、基板搬送室と成長室２にも水素ガスを供給し、基板は常に清浄な水素ガス中にある状態とすれば好適である。但し、成長室１から搬送室へ基板を搬送する際には、成長室１と搬送室の圧力が大きく異なっていると、ゲートバルブ１を開けた際に圧力の高い方から低い方へと水素ガスが急激に流れる為、基板支持位置がずれたり、パーティクルが巻き上げられる恐れがある。従って、基板の搬送を行う際には、成長室１と搬送室の圧力をほぼ等しくなるように制御する必要がある。同様に、成長室２に搬送室の圧力と同じ圧力になるように制御した状態で水素ガスを供給し、搬送室から成長室２に基板を搬送する。又、ここでは、基板表面のクリーニングと同様に、原子状の水素を含有した水素ガスを供給することにより、基板表面は反応性の高くなった水素原子と容易に結合しやすいため、特に低温状態での基板表面の水素被覆率が向上する。その結果、成長を中断し基板を搬送・保持している間の基板表面の汚染が発生しにくいため、多層膜の結晶性を向上させることができる。原子状水素を添加した基板搬送中の水素ガス供給方法に関しては、以下の実施例に関しても同様である。 In order to finish the formation of the n-type layer in the growth chamber 1, the supply of the growth gas and the doping gas is stopped, the gas is exhausted from the reaction chamber 1, and the substrate temperature is lowered at the same time (step g in FIG. 1). When moving between the growth chambers (step h in FIG. 1), it is possible to transfer the wafer directly between the growth chambers, but the throughput between the two growth chambers performing n-type and p-type doping is also possible. In order to perform epitaxial growth well, a substrate transfer chamber 12 may be provided (FIG. 2). Hydrogen atoms that terminate the substrate surface can exist on the surface in a stable state if the substrate temperature is low. Therefore, if the contamination surface does not adhere to the substrate surface, the supply time of hydrogen is interrupted. It may be provided. For example, when the degree of vacuum in the growth chamber or the transfer chamber is 1 × 10 ⁻⁷ Pa or less, if the substrate temperature is lowered to room temperature, contaminants do not adhere to the substrate surface even if the interruption time is provided for about 10 minutes.
In addition, clean hydrogen gas can be supplied in order to prevent contaminants from adhering to the substrate surface, similar to the end of the cleaning of the substrate surface. When the substrate is moved from the growth chamber 1 (10) to the growth chamber 2 (11) via the transfer chamber 12, as in the growth chamber 1, in order to prevent contaminants from adhering to the silicon substrate surface, It is preferable to supply hydrogen gas to the growth chamber 2 so that the substrate is always in clean hydrogen gas. However, when the substrate is transferred from the growth chamber 1 to the transfer chamber, if the pressures of the growth chamber 1 and the transfer chamber are greatly different, the hydrogen pressure increases from the higher pressure to the lower pressure when the gate valve 1 is opened. Since the gas flows rapidly, there is a possibility that the substrate support position is shifted or particles are rolled up. Therefore, when the substrate is transferred, it is necessary to control the pressures of the growth chamber 1 and the transfer chamber to be substantially equal. Similarly, hydrogen gas is supplied to the growth chamber 2 in a state controlled to be the same as the pressure in the transfer chamber, and the substrate is transferred from the transfer chamber to the growth chamber 2. In addition, here, as with the cleaning of the substrate surface, by supplying hydrogen gas containing atomic hydrogen, the substrate surface easily binds to highly reactive hydrogen atoms, so that it is particularly in a low temperature state. This improves the hydrogen coverage on the substrate surface. As a result, the substrate surface is hardly contaminated while the growth is interrupted and the substrate is transported / held, so that the crystallinity of the multilayer film can be improved. The same applies to the following examples with respect to the method for supplying hydrogen gas during transport of the substrate to which atomic hydrogen is added.

＜＜第２導電型単結晶層の成長＞＞
成長室２（１１）内に基板を設置した後、清浄な水素を供給し続けた状態で基板温度をエピタキシャル成長温度まで上昇させる（図１工程ｉ）。この時の水素ガス供給条件は、基板表面が水素で終端されて成長室２内の雰囲気で再酸化されない状態であれば好適である。エピタキシャル成長の開始前後で基板温度を安定させるためには、後述するエピタキシャル成長中のガス流量と概ね等しくなる流量とすれば良い。成長室１で成長した低濃度ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層の表面を清浄な状態に保ったまま成長室２に基板を搬送しているため、成長室２で、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を成長する前に基板表面のクリーニングを行う必要が無い。その結果、エピタキシャル成長温度よりも高い温度での処理が必要なくなるため、成長室１で形成したｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層及びシリコン基板中のドーパントの拡散や、転移及び欠陥の発生による結晶性の悪化を生じることがない。基板温度が、成長室２でのエピタキシャル成長温度に到達した後、成長ガス及びｐ型ドーピングガスを導入することにより、第２の半導体層であるｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層の成長を開始する（図１工程ｊ）。図では原料ガスとして、ＳｉＨ_４及びＧｅＨ_４、ドーピングガスとして、Ｂ_２Ｈ_６が例示されている。ｐ型ドーピングガスとしては、３族元素と水素、塩素、フッ素などからなる化合物を用いることができ、例えば、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）が挙げられる。又、シリコン及びゲルマニウムの原料ガスに関しては低濃度コレクタ層と同様であるが、特に１０ｎｍ以下でプロファイルが変化する真性ベース周辺のエピタキシャル成長を行うためには、膜厚や組成比、ドーパントの高精度制御が要求される。その為、低温で分解・反応し結晶性の良いｐ型シリコン・ゲルマニウムを成長することができるジシランとゲルマンを用いると好適である。 << Growth of second conductivity type single crystal layer >>
After the substrate is placed in the growth chamber 2 (11), the substrate temperature is raised to the epitaxial growth temperature while supplying clean hydrogen (step i in FIG. 1). The hydrogen gas supply conditions at this time are suitable if the substrate surface is terminated with hydrogen and is not reoxidized in the atmosphere in the growth chamber 2. In order to stabilize the substrate temperature before and after the start of epitaxial growth, the flow rate may be approximately equal to the gas flow rate during epitaxial growth described later. Since the substrate is transported to the growth chamber 2 while keeping the surface of the low-concentration n-type single crystal silicon / germanium layer grown in the growth chamber 1 clean, the p-type single crystal silicon / germanium is grown in the growth chamber 2. There is no need to clean the substrate surface before growing the layer. As a result, since a treatment at a temperature higher than the epitaxial growth temperature is not required, the diffusion of dopant in the n-type single crystal silicon / germanium layer formed in the growth chamber 1 and the silicon substrate, as well as the crystallinity due to the generation of dislocations and defects. No deterioration will occur. After the substrate temperature reaches the epitaxial growth temperature in the growth chamber 2, the growth of the p-type single crystal silicon / germanium layer as the second semiconductor layer is started by introducing the growth gas and the p-type doping gas ( FIG. 1, step j). In the figure, SiH ₄ and GeH ₄ are exemplified as source gases, and B ₂ H ₆ is exemplified as a doping gas. As the p-type doping gas, a compound composed of a Group 3 element and hydrogen, chlorine, fluorine, or the like can be used, and examples thereof include diborane (B ₂ H ₆ ). The source gas of silicon and germanium is the same as that of the low-concentration collector layer, but in order to perform epitaxial growth around the intrinsic base whose profile changes particularly at 10 nm or less, the film thickness, composition ratio, and high-precision control of the dopant are performed. Is required. Therefore, it is preferable to use disilane and germane, which can be decomposed and reacted at low temperatures to grow p-type silicon / germanium having good crystallinity.

エピタキシャル成長を行う温度範囲は、ジシランが基板表面で反応を起こす５００℃以上で、上限は表面モフォロジーが良好な８００℃以下の範囲である。この温度範囲で、成長圧力は成長速度が表面での反応で律速される０．０１Ｐａ以上で、上限は気相中での反応が起こり始める１Ｐａ以下であればよい。以下の実施例においても、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウムのエピタキシャル成長条件に関しては同様である。ドーピング濃度は、ドーピングガスの流量によって制御でき、例えば１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型ドーピングを行うためには、ジボランの流量を０．０１ｍｌ／ｍｉｎとすればよい。
低濃度コレクタ層の終了時と同様に、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層の成長が終了すると同時に、成長ガス及びドーピングガスの供給を停止し、反応室２からガスを排気すると同時に基板温度を下げる（図１工程ｋ）。そして、更にエミッタとなるｎ型単結晶層を形成するため、再び成長室１へ基板を搬送する（図１工程ｌ）。基板の搬送方法に関しては、前述と同様である。 The temperature range for epitaxial growth is 500 ° C. or higher at which disilane reacts on the substrate surface, and the upper limit is a range of 800 ° C. or lower with good surface morphology. In this temperature range, the growth pressure may be 0.01 Pa or higher, where the growth rate is determined by the reaction on the surface, and the upper limit may be 1 Pa or lower, where the reaction in the gas phase begins to occur. The same applies to the epitaxial growth conditions of p-type single crystal silicon / germanium in the following examples. The doping concentration can be controlled by the flow rate of the doping gas. For example, in order to perform p-type doping of 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , the flow rate of diborane may be 0.01 ml / min.
Similarly to the end of the low-concentration collector layer, the growth of the p-type single crystal silicon / germanium layer is completed, the supply of the growth gas and the doping gas is stopped, the gas is exhausted from the reaction chamber 2 and the substrate temperature is lowered at the same time. (FIG. 1, step k). Then, the substrate is transferred again to the growth chamber 1 in order to form an n-type single crystal layer serving as an emitter (step l in FIG. 1). The substrate transport method is the same as described above.

＜＜第２の第１導電型単結晶層の成長＞＞
次いで、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層上にエミッタとなるｎ型単結晶シリコン層をエピタキシャル成長する。エピタキシャル成長の条件に関しては、低濃度ｎ型コレクタと同様であるが、エミッタ抵抗を低減するためにできるだけ高濃度のドーピングを行う必要があるため、低温で高濃度ドーピングが実現できるジシランを原料ガスとして用いれば好適である（図１工程ｎ）。 << Growth of second first conductivity type single crystal layer >>
Next, an n-type single crystal silicon layer serving as an emitter is epitaxially grown on the p-type single crystal silicon / germanium layer. The epitaxial growth conditions are the same as those for the low-concentration n-type collector. However, since it is necessary to perform doping as high as possible in order to reduce the emitter resistance, disilane that can realize high-concentration doping at a low temperature is used as the source gas. (Step n in FIG. 1).

本実施例に例示したように、低濃度コレクタ、真性ベース、エミッタの相当する、第１の第１導電型単結晶層、第２導電型単結晶層、及び第２の第１導電型単結晶層の各層をエピタキシャル成長により形成するため、コレクタ／ベースおよびベース／エミッタ界面における結晶性を向上できる。このことによって、トランジスタのリーク電流を抑制し、耐圧を向上することができる。又、エミッタを形成するまでに、エピタキシャル成長温度以上の熱処理が不要となることから、不純物拡散や界面でのミキシングを防ぐことが可能となる。その結果、図５に示すような高濃度で薄い真性ベース層を形成できるため、バイポーラトランジスタの高速化・高性能化に有効である。例えばベースドーピング濃度を１×１０^２０ｃｍ^−３とした場合、本実施例を用いて形成したバイポーラトランジスタでは、１×１０^２０ｃｍ^−３のベースドーピング濃度を維持したまま１０ｎｍ程度以下の厚さのベース幅が実現できる。従って、このトランジスタでは２００ＧＨｚを超える遮断周波数が実現できる。また、ベース層の高いドーピング濃度が維持できることから、ベース抵抗が低減でき、バイポーラトランジスタの最大発信周波数を著しく向上することができる上に、トランジスタの雑音の低減が可能となる。さらに真性ベース（ｐ−ＳｉＧｅ）はゲルマニウム組成比、ドーピング濃度、膜厚を高精度に制御でき、コレクタとエミッタではスループットを向上することができるため、高性能化と歩留まり向上に加え、高スループットによる低コスト化を実現することができる。
尚、図８は、当該バイポーラトランジスタの主要部の、半導体層の積層構成を示す断面図である。そして、図５は、本例でのバイポーラトランジスタの、真性部分におけるゲルマニウム組成比及び不純物濃度の深さ方向分布を示すものである。前述の図６と同様の表示である。図５及び図８に示した例は、より実際的なバイポーラトランジスタを提供する為、本発明の主要部以外の部分において、通例用いている半導体層が挿入されている。Ｓｉ基板３０にコレクタ領域となる高濃度ｎ型埋め込み領域３１が設けられていることは前述した。更に、この上部に本例ではｎ−Ｓｉ層３５が挿入されている。この層はこの上部に形成される低濃度ＳｉＧｅ層とのバンドギャップが連続して変化させる為の層である。これらの各半導体層は通例の方法に従って十分である。又、不純物の高濃度、低濃度も当該分野で通例用いられているものを用いて十分である。これら以外の、符号３２、３３、及び３４は、低濃度コレクタ、真性ベース、エミッタに対応する、第１の第１導電型単結晶層、第２導電型単結晶層、及び第２の第１導電型単結晶層の各層に相当する。 As exemplified in the present embodiment, the first first conductivity type single crystal layer, the second conductivity type single crystal layer, and the second first conductivity type single crystal corresponding to the low concentration collector, the intrinsic base, and the emitter. Since each layer is formed by epitaxial growth, crystallinity at the collector / base and base / emitter interfaces can be improved. Thus, leakage current of the transistor can be suppressed and breakdown voltage can be improved. In addition, since heat treatment at an epitaxial growth temperature or higher is not required before forming the emitter, it becomes possible to prevent impurity diffusion and mixing at the interface. As a result, a thin intrinsic base layer with a high concentration as shown in FIG. 5 can be formed, which is effective in increasing the speed and performance of the bipolar transistor. For example, when the base doping concentration is 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , the bipolar transistor formed using this embodiment has a thickness of about 10 nm or less while maintaining the base doping concentration of 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . Base width can be realized. Therefore, this transistor can realize a cut-off frequency exceeding 200 GHz. Further, since the high doping concentration of the base layer can be maintained, the base resistance can be reduced, the maximum oscillation frequency of the bipolar transistor can be remarkably improved, and the noise of the transistor can be reduced. In addition, the intrinsic base (p-SiGe) can control the germanium composition ratio, doping concentration, and film thickness with high precision, and the collector and emitter can improve the throughput. Cost reduction can be realized.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the laminated structure of the semiconductor layers in the main part of the bipolar transistor. FIG. 5 shows the depth direction distribution of the germanium composition ratio and impurity concentration in the intrinsic part of the bipolar transistor in this example. The display is the same as in FIG. In the example shown in FIGS. 5 and 8, a semiconductor layer which is usually used is inserted in a part other than the main part of the present invention in order to provide a more practical bipolar transistor. As described above, the Si substrate 30 is provided with the high-concentration n-type buried region 31 serving as the collector region. Further, an n-Si layer 35 is inserted in the upper part in this example. This layer is a layer for continuously changing the band gap with the low-concentration SiGe layer formed thereon. Each of these semiconductor layers is sufficient according to customary methods. Also, high and low concentrations of impurities are sufficient if they are commonly used in the field. Reference numerals 32, 33, and 34 other than these denote a first first-conductivity-type single-crystal layer, a second-conductivity-type single-crystal layer, and a second-first first corresponding to the low-concentration collector, intrinsic base, and emitter. It corresponds to each layer of the conductive single crystal layer.

＜実施例２＞
図３は、本発明に係る半導体製造装置および半導体多層膜の製造方法の、第２の実施例を示す成長シーケンスである。図３は、ｎ型にドーピングされた単結晶シリコン・ゲルマニウム層とｐ型にドーピングされた単結晶シリコン・ゲルマニウム層からなる多層膜を形成する際の基板温度と成長圧力、およびガス流量の変化をステップごとに示す。図４には、本実施例を実現するために必要な半導体製造装置の構成図を示す。図において、符号２０が成長室、２１が搬送室、２２がロードロック室、２３がターボ分子ポンプ、２４がドライポンプである。その他は図２と同様である。実施例１と異なるのは、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層とｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を同一の成長室で形成する点である。導電型の異なるドーピングを同一の成長室で連続して行うと、残留している別のドーパントが取り込まれることによりドーピング濃度の制御性が悪化してしまう。又、残留しているドーパントが、結晶成長表面でのガスの吸着を阻害すること等から均一に成長が進行せず、エピタキシャル層の結晶性が悪化してしまう。そのため、導電型を変えて成長を行う時には、基板を一度成長室から出し、成長室のクリーニングを行った後に再び基板を戻せばよい。この時、基板の搬送に際しては、超高真空中かもしくは清浄な水素雰囲気中にて行い、基板表面に酸化膜が形成されたり、汚染物が付着しないようにすることはもちろんであり、この方法に関しては実施例１と同様である。 <Example 2>
FIG. 3 is a growth sequence showing a second embodiment of the semiconductor manufacturing apparatus and semiconductor multilayer film manufacturing method according to the present invention. FIG. 3 shows changes in substrate temperature, growth pressure, and gas flow rate when forming a multilayer film composed of an n-type doped single crystal silicon / germanium layer and a p-type doped single crystal silicon / germanium layer. Shown for each step. FIG. 4 shows a configuration diagram of a semiconductor manufacturing apparatus necessary for realizing the present embodiment. In the figure, reference numeral 20 is a growth chamber, 21 is a transfer chamber, 22 is a load lock chamber, 23 is a turbo molecular pump, and 24 is a dry pump. Others are the same as FIG. The difference from Embodiment 1 is that the p-type single crystal silicon / germanium layer and the n-type single crystal silicon / germanium layer are formed in the same growth chamber. When doping with different conductivity types is continuously performed in the same growth chamber, the remaining dopant is taken in, so that the controllability of the doping concentration is deteriorated. Further, since the remaining dopant inhibits gas adsorption on the crystal growth surface, the growth does not proceed uniformly, and the crystallinity of the epitaxial layer is deteriorated. Therefore, when growth is performed by changing the conductivity type, the substrate is once taken out of the growth chamber, and the substrate is returned again after cleaning the growth chamber. At this time, the substrate is transported in an ultra-high vacuum or in a clean hydrogen atmosphere so that an oxide film is not formed on the surface of the substrate and contaminants are not attached. Is the same as in the first embodiment.

低濃度ｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を形成した後（図３工程ｅ、ｆ）、基板を搬送室に搬送し、成長室のクリーニングを行う（図３工程ｈ）。成長室のクリーニングは真空中で加熱する他、水素ガスやＣｌ_２やＨＣｌなどのハロゲン系のガスを流した状態で成長室を加熱することもできる。加熱方法としては、成長室を加熱するために設けた専用の加熱機構を用いても良いが、基板を加熱する機構を用いて成長室を加熱しても良い。例えば水素ガスを用いる場合、水素ガスの流量はガスが均一に供給されるように１０ｍｌ／ｍｉｎ以上であり、排気した水素ガスの処理を行うためには１００ｌ／ｍｉｎ以下であればよい。また、水素の分圧は、水素が均一に供給される様に１０Ｐａ以上とし、エピタキシャル成長装置の安全性を確保するために大気圧以下とすれば好適である。クリーニングを行う成長室内の温度は、加熱機構の配置に加え、用いている材料や形状場所によっても異なるが、エピタキシャル成長中に冷却されている部分はドーパントが堆積しにくいため、低温でのクリーニングで効果を得ることができる。例えば、冷却水やその他の冷却媒体により冷却されたステンレスなどでは、エピタキシャル成長中にその表面にドーパントが堆積しにくいため、クリーニングの効果が得られ始める５０℃以上で加熱を行えば良く、上限としては、ステンレスの膨張による真空容器のリークが発生する可能性が生じる２５０℃以下とすればよい。一方、エピタキシャル成長中に冷却できない部分には、エピタキシャル成長中にシリコンやゲルマニウムと共に高濃度のドーパントが堆積する可能性があることから、比較的高温でのクリーニングが必要となる。たとえば、基板を支持する石英製のサセプタなどは、クリーニングの効果が得られる２００℃以上であればよい。クリーニングの効果は温度などにより大きく左右されることから、クリーニングの加熱に必要な時間は温度によって変化するが、スループットの低下を防ぐためになるべく高い温度で短時間の処理を行うことが望ましい。例えば、高温部分の温度が１０００℃程度の場合、加熱時間は１０分程度でよい。 After the low concentration n-type single crystal silicon / germanium layer is formed (steps e and f in FIG. 3), the substrate is transferred to the transfer chamber and the growth chamber is cleaned (step h in FIG. 3). In addition to heating the growth chamber in a vacuum, the growth chamber can also be heated in a state where hydrogen gas or a halogen-based gas such as Cl ₂ or HCl is allowed to flow. As a heating method, a dedicated heating mechanism provided for heating the growth chamber may be used, or the growth chamber may be heated using a mechanism for heating the substrate. For example, when hydrogen gas is used, the flow rate of hydrogen gas is 10 ml / min or more so that the gas is uniformly supplied, and 100 l / min or less may be used for processing the exhausted hydrogen gas. In addition, it is preferable that the hydrogen partial pressure is 10 Pa or more so that hydrogen is uniformly supplied, and the atmospheric pressure is less than atmospheric pressure in order to ensure the safety of the epitaxial growth apparatus. The temperature in the growth chamber where cleaning is performed differs depending on the material used and the location of the shape, as well as the arrangement of the heating mechanism, but it is effective for cleaning at low temperatures because the dopant is difficult to deposit in the cooled part during epitaxial growth. Can be obtained. For example, in stainless steel or the like cooled by cooling water or other cooling medium, the dopant is difficult to deposit on the surface during epitaxial growth, so heating may be performed at 50 ° C. or higher at which the cleaning effect starts to be obtained. The temperature may be set to 250 ° C. or lower, which may cause the leakage of the vacuum vessel due to the expansion of stainless steel. On the other hand, in a portion that cannot be cooled during epitaxial growth, a high-concentration dopant may be deposited together with silicon or germanium during epitaxial growth, and therefore cleaning at a relatively high temperature is required. For example, a quartz susceptor or the like that supports the substrate may be at 200 ° C. or higher at which a cleaning effect can be obtained. Since the effect of cleaning greatly depends on the temperature and the like, the time required for heating for cleaning varies depending on the temperature, but it is desirable to perform processing at a temperature as high as possible in order to prevent a decrease in throughput. For example, when the temperature of the high temperature part is about 1000 ° C., the heating time may be about 10 minutes.

一方、クリーニングガスとしてＨＣｌを用いた場合、水素ガスよりも低温でクリーニングの効果が得られる。例えば、ＨＣｌの流量を５０ｍｌ／ｍｉｎとし、圧力を１００Ｐａとした場合、石英製のサセプタなどでは、表面温度を５００℃程度に保つことにより、約１０分でクリーニングが完了する。さらに、クリーニングガスとしてＣｌＦ_３を用いた場合、室温でもシリコンのエッチング反応が生じるため、ＣｌＦ_３の圧力を１０Ｐａ以上とすることにより、成長室内に堆積したシリコンやドーパントをクリーニングすることができる。ただし、ＣｌＦ_３を初めとするハロゲン系のガスでは、金属部品などの腐食が生じる恐れがあるため、水分濃度の管理や、排気配管等の定期的な交換が必要となる。 On the other hand, when HCl is used as the cleaning gas, the cleaning effect can be obtained at a lower temperature than hydrogen gas. For example, when the flow rate of HCl is 50 ml / min and the pressure is 100 Pa, cleaning is completed in about 10 minutes by maintaining the surface temperature at about 500 ° C. with a quartz susceptor or the like. Further, when ClF ₃ is used as a cleaning gas, silicon etching reaction occurs even at room temperature. Therefore, by setting the pressure of ClF ₃ to 10 Pa or more, silicon and dopant deposited in the growth chamber can be cleaned. However, since halogen-based gases such as ClF ₃ may cause corrosion of metal parts and the like, it is necessary to manage the moisture concentration and to periodically replace the exhaust pipes.

本実施例により、ドーピングを行った後に成長室内に残留しているドーパントを除去することが可能となるため、ドーピングガスを流さずに成長した単結晶シリコン・ゲルマニウム層内のドーパント濃度を低減できる。
クリーニング終了後、再び基板を成長室に設置し、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層を形成する（図３工程ｊ）。エミッタとなるｎ型単結晶シリコンの成長前についても同様である（図３工程ｌ〜ｎ）。 According to the present embodiment, the dopant remaining in the growth chamber after doping can be removed, so that the dopant concentration in the single crystal silicon / germanium layer grown without flowing a doping gas can be reduced.
After the cleaning is completed, the substrate is placed again in the growth chamber to form a p-type single crystal silicon / germanium layer (step j in FIG. 3). The same applies before the growth of the n-type single crystal silicon to be the emitter (steps l to n in FIG. 3).

本実施例により、成長室が一つであっても、ドーピングを行った後に成長室内に残留しているドーパントを除去することが可能となるため、実施例１の効果に加えて、異なるドーパントを用いた多層膜の形成を行うエピタキシャル成長装置のコストを大幅に低減することが可能となる。 According to this embodiment, even if there is only one growth chamber, it is possible to remove the dopant remaining in the growth chamber after doping. Therefore, in addition to the effects of the first embodiment, different dopants can be added. It is possible to significantly reduce the cost of the epitaxial growth apparatus for forming the used multilayer film.

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得ることは勿論である。例えば、実施例中ではｎ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層、ｐ型単結晶シリコン・ゲルマニウム層およびｎ型単結晶シリコン層からなる多層膜の場合について説明したが、単結晶シリコン・ゲルマニウム・カーボン層等を用いてよいことは言うまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various design changes can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the embodiments, the case of a multilayer film composed of an n-type single crystal silicon / germanium layer, a p-type single crystal silicon / germanium layer, and an n-type single crystal silicon layer has been described, but the single crystal silicon / germanium / carbon layer, etc. It goes without saying that can be used.

本発明は、導電型の異なる複数の単結晶層からなる半導体多層膜を製造するに際し、各層での不純物分布のぼけを抑え、各層界面の不純物がないことから多層膜中での結晶欠陥の発生が無く、成長圧力を挙げることで高濃度ドーピングが可能ある。更に、加えてスループットの向上を実現する半導体多層膜の形成方法を提供することが出来る。更に、前述した各実施例より明らかなように、本発明の半導体多層膜の製造方法をバイポーラトランジスタの製造方法に適用して、極めて有用である。即ち、本発明の半導体多層膜の製造方法によれば、コレクタ／ベースおよびベース／エミッタ界面における結晶性を向上できることから、バイポーラトランジスタのリーク電流を抑制し、耐圧を向上することができる。又、バイポーラトランジスタの真性ベースにおけるゲルマニウム組成比と不純物濃度、及び膜厚を高精度に、再現性良く制御できることから、高濃度で非常に薄い接合が得られる。このように、本発明の半導体多層膜の製造方法を、バイポーラトランジスタの製造方法に適用することにより、トランジスタの高速動作と雑音の低減が可能となる。更には、コレクタとエミッタ成長でのスループット向上により低コスト化が実現できる。 When manufacturing a semiconductor multilayer film composed of a plurality of single crystal layers having different conductivity types, the present invention suppresses blurring of impurity distribution in each layer, and there is no impurity at the interface of each layer, so that crystal defects are generated in the multilayer film. High concentration doping is possible by increasing the growth pressure. In addition, it is possible to provide a method for forming a semiconductor multilayer film that can improve throughput. Further, as is clear from the above-described embodiments, the method for manufacturing a semiconductor multilayer film according to the present invention is very useful when applied to a method for manufacturing a bipolar transistor. That is, according to the semiconductor multilayer film manufacturing method of the present invention, the crystallinity at the collector / base and base / emitter interfaces can be improved, so that the leakage current of the bipolar transistor can be suppressed and the breakdown voltage can be improved. Further, since the germanium composition ratio, impurity concentration, and film thickness in the intrinsic base of the bipolar transistor can be controlled with high accuracy and good reproducibility, a very thin junction can be obtained at a high concentration. Thus, by applying the method for manufacturing a semiconductor multilayer film of the present invention to a method for manufacturing a bipolar transistor, it is possible to operate the transistor at high speed and reduce noise. Furthermore, cost reduction can be realized by improving throughput in collector and emitter growth.

図１は、本発明に係る半導体多層膜の製造方法を示すプロセスシーケンスである。FIG. 1 is a process sequence showing a method for producing a semiconductor multilayer film according to the present invention. 図１に示したプロセスシーケンスを実現するためのエピタキシャル成長装置の構成図である。It is a block diagram of the epitaxial growth apparatus for implement | achieving the process sequence shown in FIG. 図３は、本発明に係る半導体多層膜の製造方法の第２の実施例を示すプロセスシーケンスである。FIG. 3 is a process sequence showing a second embodiment of the method for producing a semiconductor multilayer film according to the present invention. 図４に示したプロセスシーケンスを実現するためのエピタキシャル成長装置の構成図である。It is a block diagram of the epitaxial growth apparatus for implement | achieving the process sequence shown in FIG. 図５は、本発明に係る半導体多層膜における不純物濃度とゲルマニウム組成比の深さ方向の分布を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the distribution in the depth direction of the impurity concentration and the germanium composition ratio in the semiconductor multilayer film according to the present invention. 図７は、これまでの半導体多層膜における不純物濃度とゲルマニウム組成比の深さ方向の分布を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing the distribution in the depth direction of the impurity concentration and germanium composition ratio in the conventional semiconductor multilayer film. 図７は、本発明の半導体多層膜の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the semiconductor multilayer film of the present invention. 図８は、実施例１に例示した半導体多層膜の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the semiconductor multilayer film illustrated in the first embodiment.

Explanation of symbols

１、５：バルブ、２、６：切り替えバルブ、３、７：コンダクタンスバルブ、４、８：バイパスライン、１０：成長室、１１：成長室、１２：搬送室、１３：ロードロック室、１４：ターボ分子ポンプ、１５：ドライポンプ、１６：ターボ分子ポンプ、１７：ドライポンプ、２０：ドライポンプ、２１：搬送室、２２：ロードロック室、２３：ターボ分子ポンプ、２４：ドライポンプ、３０：半導体基板、３１：高濃度不純物埋め込み領域、３２：第１の第１導電型単結晶層、３３：第２導電型単結晶層、３４：第２の第１導電型単結晶層、３５：挿入された半導体層。 1, 5: valve, 2, 6: switching valve, 3, 7: conductance valve, 4, 8: bypass line, 10: growth chamber, 11: growth chamber, 12: transfer chamber, 13: load lock chamber, 14: Turbo molecular pump, 15: dry pump, 16: turbo molecular pump, 17: dry pump, 20: dry pump, 21: transfer chamber, 22: load lock chamber, 23: turbo molecular pump, 24: dry pump, 30: semiconductor Substrate 31: High concentration impurity buried region 32: First first conductivity type single crystal layer 33: Second conductivity type single crystal layer 34: Second first conductivity type single crystal layer 35: Inserted Semiconductor layer.

Claims

On the first conductivity type region provided on the surface of the single crystal substrate, the first first conductivity type single crystal layer and the first conductivity type opposite to the first conductivity type provided on the first first conductivity type single crystal layer A method for forming a semiconductor multilayer film comprising a second conductivity type single crystal layer of conductivity type and a second first conductivity type single crystal layer provided on the second conductivity type single crystal layer, wherein the semiconductor During the formation of the multilayer film, the single crystal substrate is always held in a hydrogen atmosphere or in a vacuum, and the pressure for growing the second conductivity type single crystal layer is adjusted to the first first conductivity type single crystal layer and the second conductivity type. A method for producing a semiconductor multilayer film, wherein the pressure is lower than a pressure for growing a first conductivity type single crystal layer.

The first first conductivity type single crystal layer and the second first conductivity type single crystal layer are formed in a first growth chamber, and the second conductivity type single crystal layer is formed in a second growth chamber. Forming and growing a pressure of the second conductivity type single crystal layer lower than a pressure of growing the first first conductivity type single crystal layer and the second first conductivity type single crystal layer. The method for producing a semiconductor multilayer film according to claim 1.

The first conductivity type single crystal layer, the second conductivity type single crystal layer, and the second first conductivity type single crystal layer are formed in the same growth chamber, and the second conductivity type single crystal layer is formed. 2. The semiconductor multilayer film according to claim 1, wherein a pressure for growing the first conductive type single crystal layer and a pressure for growing the second first conductive type single crystal layer is lower. Manufacturing method.

Any one of the group consisting of the first first conductivity type single crystal layer, the second conductivity type single crystal layer, and the second first conductivity type single crystal layer has silicon or germanium as a main component. The method for producing a semiconductor multilayer film according to claim 1, further comprising: