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JP2874196B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Method for manufacturing semiconductor device

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JP2874196B2 JP15584989A JP15584989A JP2874196B2 JP 2874196 B2 JP2874196 B2 JP 2874196B2 JP 15584989 A JP15584989 A JP 15584989A JP 15584989 A JP15584989 A JP 15584989A JP 2874196 B2 JP2874196 B2 JP 2874196B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造工程におけるシリコンの
エピタキシャル層の形成方法に関する。
The present invention relates to a method for forming a silicon epitaxial layer in a semiconductor device manufacturing process.

〔発明の概要〕[Summary of the Invention]

本発明は、特に埋め込みパターンを有する半導体基板
上にシリコンの気相エピタキシャル成長を行うにあた
り、オートドーピングおよびパターンシフトの問題のな
いエピタキシャル層を形成してなる半導体装置の製造方
法に関する。
The present invention particularly relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which an epitaxial layer free from problems of autodoping and pattern shift is formed when performing vapor phase epitaxial growth of silicon on a semiconductor substrate having a buried pattern.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、例えばバイポーラトランジスタを用いたLSI等
の半導体装置の製造工程においては、ヒ素(As)等の不
純物元素を注入した埋め込みパターンを有するシリコン
(Si)等の半導体基板上に、Siをエピタキシャル成長す
る工程が行なわれる。エピタキシャル成長の方法として
は、通常例えば900℃〜1200℃の所望の温度に加熱した
基板上に、Siを構成元素として含むソースガスと、水素
(H2)をキャリアガスとして流す、気相エピタキシが用
いられている。埋め込みパターン中のAsは高濃度であ
り、また比較的蒸気圧の高い不純物である。このためエ
ピタキシ中に埋め込みパターンから蒸発した不純物が、
エピタキシャル層に再混入するオートドーピングの現象
が発生し、半導体装置の耐電圧低下、リーク電流の増
大、作動速度の低下等の問題があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a manufacturing process of a semiconductor device such as an LSI using a bipolar transistor, for example, a process of epitaxially growing Si on a semiconductor substrate such as silicon (Si) having a buried pattern in which an impurity element such as arsenic (As) is implanted. Is performed. As a method of epitaxial growth, a vapor phase epitaxy in which a source gas containing Si as a constituent element and hydrogen (H 2 ) as a carrier gas are flowed on a substrate heated to a desired temperature of, for example, 900 ° C. to 1200 ° C. is used. Have been. As in the buried pattern is an impurity having a high concentration and a relatively high vapor pressure. Therefore, impurities that evaporate from the buried pattern during epitaxy
The phenomenon of auto doping re-mixed into the epitaxial layer occurs, and there are problems such as a decrease in withstand voltage of the semiconductor device, an increase in leak current, and a decrease in operation speed.

Asが不純物の場合には、例えば千数十℃以上の高温で
エピタキシを行った方がオートドーピングの量が少ない
ことが一般的に知られている。
When As is an impurity, it is generally known that the amount of auto-doping is smaller when epitaxy is performed at a high temperature of, for example, 1,000 degrees or more.

ところが、シラン(SiH4)をソースガスとする場合に
は、1060℃以上の高温ではSiH4が気相中で反応し易く、
基板上に粒子となって堆積するため、エピタキシャル層
表面が粗面化する欠点がある。このため、高温エピタキ
シを行うことができず、オートドーピング軽減の効果は
薄い。
However, when silane (SiH 4 ) is used as a source gas, SiH 4 easily reacts in the gas phase at a high temperature of 1060 ° C. or higher,
There is a disadvantage that the surface of the epitaxial layer is roughened because it is deposited as particles on the substrate. Therefore, high-temperature epitaxy cannot be performed, and the effect of reducing auto-doping is weak.

一方、塩化シランガス(SiH4-xClxは1〜4の整
数)をソースガスとして用いれば高温エピタキシが可能
で、Asのオートドーピング軽減の効果がある。ところ
が、塩素(Cl)を構成元素として含有するため、埋め込
みパターンが横方向へ移動するパターンシフトの現象が
起き易い。このため、エピタキシャル層上にさらに形成
するパターンと、埋め込みパターンとのパターン合わせ
が不可能となる場合があった。
On the other hand, chloride silane gas (SiH 4-x Cl x, x is an integer from 1 to 4) can be high temperature epitaxy be used as a source gas, the effect of the auto-doping reduction of As. However, since chlorine (Cl) is contained as a constituent element, a phenomenon of a pattern shift in which the embedded pattern moves in the horizontal direction is likely to occur. For this reason, in some cases, it is impossible to match the pattern further formed on the epitaxial layer with the buried pattern.

これらオートドーピングおよびパターンシフトの現象
は、半導体装置の高集積度化と高速度化の要求が進み、
埋め込みパターンが微細化し、かつエピタキシャル層の
厚さが例えば1μm程度に薄くなってくるとその影響は
大きく、抜本的な対策が要求されていた。
These auto-doping and pattern shift phenomena have led to the demand for higher integration and higher speed of semiconductor devices.
When the buried pattern is miniaturized and the thickness of the epitaxial layer is reduced to, for example, about 1 μm, the effect is great, and drastic measures have been required.

オートドーピングの軽減に対しては、ソースガスとし
てジシラン(Si2H6)またはトリシラン(Si3H8)を用
い、900℃以下のむしろ低温かつ60Torr以下の減圧化に
おいて減圧エピタキシを行う方法が知られている(特開
昭62−293611号公報参照)。また、パターンシフトの対
策としては、SiH4により所望の厚さの半分のエピタキシ
を行い、こののちテトラクロルシラン(SiCl4)により
残りの半分のエピタキシを行う2段階エピタキシの方法
が知られている(特開昭62−177915号公報参照)。
To reduce autodoping, a method is known in which disilane (Si 2 H 6 ) or trisilane (Si 3 H 8 ) is used as a source gas and reduced pressure epitaxy is performed at a low temperature of 900 ° C. or less and a reduced pressure of 60 Torr or less. (See JP-A-62-293611). As a countermeasure against the pattern shift, there is known a two-stage epitaxy method in which a half of the desired thickness is epitaxially formed by using SiH 4 and then the other half is performed by using tetrachlorosilane (SiCl 4 ). (See JP-A-62-177915).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上述した従来の技術のうち、減圧エピタキシによるも
のは成長速度が小さく、工業的見地からは必ずしも実用
的とは言い難かった。一方、2段階エピタキシによる方
法は、パターンシフトはエピタキシャル成長層の依然と
して半分程度はあり、充分な値とは言えない。またいず
れの方法も、オートドーピングおよびパターンシフトの
双方の問題を同時に解決できていない。
Among the above-mentioned conventional techniques, those based on reduced pressure epitaxy have a low growth rate, and are not always practical from an industrial point of view. On the other hand, the method based on the two-stage epitaxy has a pattern shift still about half that of the epitaxial growth layer, and cannot be said to be a sufficient value. In addition, none of the methods can solve both the problems of the auto doping and the pattern shift at the same time.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

前記した諸問題を解決するために、本発明ではまず埋
め込みパターンを有する半導体基体上に塩化シランをソ
ースガスとし、1090℃以上1200℃以下の温度範囲で第1
のエピタキシャル層を形成する。ここでいう塩化シラン
ガスとはSiH4-xClxは1〜4の整数)の分子式で表
わされる、モノクロルシラン(SiH3Cl)、ジクロルシラ
ン(SiH2Cl2)、トリクロルシラン(SiHCl3)およびSiC
l4の各ガスのことをいう。第1のエピタキシャル層の膜
厚は特に規定するものではないが、0.1μm以上0.2μm
程度が望ましい。
In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, first, silane chloride is used as a source gas on a semiconductor substrate having a buried pattern, and a first temperature is set in a temperature range of 1090 ° C. to 1200 ° C.
Is formed. The term SiH 4-x Cl x is chloride silane gas (x is an integer from 1 to 4) represented by the molecular formula or monochlorobenzene silane (SiH 3 Cl), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2), trichlorosilane (SiHCl 3) And SiC
l Refers to each gas of 4 . Although the thickness of the first epitaxial layer is not particularly limited, it is 0.1 μm or more and 0.2 μm or more.
A degree is desirable.

次に前記第1のエピタキシャル層上にSiH4ソースガス
とし、900℃以上1060℃以下の温度範囲において第2の
エピタキシャル層を任意の厚さに形成する。第1および
第2のいずれのエピタキシャル層においても、成長時の
炉内圧力は常圧であっても減圧雰囲気であってもよい。
Next, a second epitaxial layer is formed on the first epitaxial layer to an arbitrary thickness in a temperature range of 900 ° C. or more and 1060 ° C. or less using SiH 4 source gas. In any of the first and second epitaxial layers, the furnace pressure during growth may be normal pressure or a reduced pressure atmosphere.

本発明の課題は、前記第1のエピタキシャル層および
第2のエピタキシャル層を順次形成することにより解決
することが可能となるのである。
The object of the present invention can be solved by sequentially forming the first epitaxial layer and the second epitaxial layer.

〔作用〕[Action]

第1のエピタキシャル層は1090℃以上の高温で形成さ
れるのでAsのオートドーピング量は少ない。これは埋め
込みパターンから蒸発したAsが、成長中のエピタキシャ
ル層表面に吸着する現象が少ないことが原因の一つと考
えられる。第1のエピタキシャル層の成長温度は、1200
℃を超えるとソースガスの気相反応が増えるので成長表
面が粗面化し、また基板自身の熱変形も無視できなくな
る。第1のエピタキシャル層の膜厚は、0.1μmに満た
ないと埋め込みパターン中のAsのキャップ効果が薄く、
0.2μmを超えるとパターンシフト量が問題となってく
る。
Since the first epitaxial layer is formed at a high temperature of 1090 ° C. or more, the amount of autodoping of As is small. This is considered to be one of the reasons that As evaporated from the buried pattern is less likely to be adsorbed on the surface of the growing epitaxial layer. The growth temperature of the first epitaxial layer is 1200
When the temperature exceeds ℃, the vapor phase reaction of the source gas increases, so that the growth surface becomes rough, and the thermal deformation of the substrate itself cannot be ignored. If the thickness of the first epitaxial layer is less than 0.1 μm, the cap effect of As in the buried pattern is small,
If it exceeds 0.2 μm, the amount of pattern shift becomes a problem.

次に第2のエピタキシャル層は、下地の第1のエピタ
キシャル層により埋め込みパターン中のAsがキャップさ
れており、オートドーピングの懸念なく所望の厚さに成
長できる。
Next, As in the buried pattern is capped by the underlying first epitaxial layer in the second epitaxial layer, so that the second epitaxial layer can be grown to a desired thickness without concern about autodoping.

またSiH4をソースガスとしているため、パターンシフ
トの問題がない。第2のエピタキシャル層の成長温度は
900℃に満たないと結晶性が不十分であり、また成長速
度が小さい。また1060℃を超えるとSiH4が気相反応して
しまい、成長層表面が粗面化して歩留まり低下の原因と
なる。
Since SiH 4 is used as a source gas, there is no problem of pattern shift. The growth temperature of the second epitaxial layer is
If the temperature is lower than 900 ° C., the crystallinity is insufficient and the growth rate is low. On the other hand, when the temperature exceeds 1060 ° C., SiH 4 undergoes a gas phase reaction, and the surface of the growth layer becomes rough, which causes a decrease in yield.

以上の作用により、埋め込みパターンからのオートド
ーピングおよびパターンシフトの問題のないシリコンの
エピタキシャル成長層の形成が可能となる。
By the above operation, it becomes possible to form an epitaxially grown silicon layer without problems of autodoping and pattern shift from the buried pattern.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら
説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図(a)〜(c)は本発明の実施例によるエピタ
キシャル層の形成方法を示す工程図である。同図(a)
において、Si半導体による基板4には、不純物として例
えば4.5×1019cm-3のAsをドープした埋め込みパターン
3が形成されている。基板4を1100℃に加熱し、ソース
ガスとしてSiH2Cl2を200sccm、キャリアガスとしてH2
100/min流しながらSiの気相エピタキシを例えば0.15
μmの厚さで施し、第1のエピタキシャル層1を第1図
(b)のごとく形成する。
1 (a) to 1 (c) are process diagrams showing a method for forming an epitaxial layer according to an embodiment of the present invention. FIG.
In the substrate 4, a buried pattern 3 doped with, for example, 4.5 × 10 19 cm −3 As as an impurity is formed in a substrate 4 made of a Si semiconductor. The substrate 4 was heated to 1100 ° C., and 200 sccm of SiH 2 Cl 2 was used as a source gas, and H 2 was used as a carrier gas.
While flowing at 100 / min, the vapor phase epitaxy of Si
The first epitaxial layer 1 is formed as shown in FIG. 1 (b).

次に基板4の加熱温度を1050℃に下げ、ソースガスの
みをSiH4300sccmに切り換え、キャリアガスはそのまま
でSiの気相エピタキシを続け、第2のエピタキシャル層
2を第1図(c)のように形成する。第1のエピタキシ
ャル層1および第2のエピタキシャル層2の厚さは、合
計で例えば1.2μmとなるようにする。
Next, the heating temperature of the substrate 4 was lowered to 1050 ° C., only the source gas was switched to SiH 4 at 300 sccm, the vapor phase epitaxy of Si was continued with the carrier gas kept as it was, and the second epitaxial layer 2 was replaced with the one shown in FIG. It is formed as follows. The total thickness of the first epitaxial layer 1 and the second epitaxial layer 2 is, for example, 1.2 μm.

以上の工程により、埋め込みパターン3からの不純物
のオートドーピングおよびパターンシフトの問題のない
シリコンのエピタキシャル層が形成された。
Through the steps described above, an epitaxial layer of silicon having no problem of autodoping of impurities from the buried pattern 3 and pattern shift was formed.

本実施例により作成された半導体装置は、耐電圧特性
が良好でリーク電流の少ない信頼性に優れたものであっ
た。
The semiconductor device manufactured according to the present example had good withstand voltage characteristics, low leakage current, and excellent reliability.

〔発明の効果〕 以上詳述したように、本発明によれば埋め込みパター
ンからの不純物のオートドーピングとパターンシフトの
問題を同時に解決するエピタキシャル層を形成すること
が可能となった。
[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the present invention, it has become possible to form an epitaxial layer that simultaneously solves the problems of auto-doping of impurities from a buried pattern and pattern shift.

本発明によるエピタキシャル層は、シリコンの結晶性
に優れ、成長速度の低下という問題もない他、通常用い
ているエピタキシャル装置をそのまま使用でき、またソ
ースガスにも何ら特別な材料を使用していないので、現
在の生産工程にそのまま適用可能であり、半導体装置生
産に及ぼす寄与は大きい。
The epitaxial layer according to the present invention has excellent crystallinity of silicon, does not have a problem of a decrease in the growth rate, can use a normal epitaxial device as it is, and does not use any special material for the source gas. The present invention can be applied to the current production process as it is, and greatly contributes to semiconductor device production.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の実施例によるエピタキシャル層の形成
方法を示す工程図である。 1……第1のエピタキシャル層 2……第2のエピタキシャル層 3……埋め込みパターン
FIG. 1 is a process chart showing a method for forming an epitaxial layer according to an embodiment of the present invention. 1 first epitaxial layer 2 second epitaxial layer 3 embedded pattern

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】イ.埋め込みパターンを有する半導体基板
上に塩化シランをソースガスとして1090℃以上1200℃以
下の温度範囲で第1のエピタキシャル層を形成する工
程、 ロ.該第1のエピタキシャル層上にシランをソースガス
として900℃以上1060℃以下の温度範囲で第2のエピタ
キシャル層を形成する工程、 前記の2工程より成るエピタキシャル層を形成すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
(1) a. Forming a first epitaxial layer on a semiconductor substrate having a buried pattern in a temperature range from 1090 ° C. to 1200 ° C. using silane chloride as a source gas; b. Forming a second epitaxial layer on the first epitaxial layer in a temperature range of 900 ° C. or more and 1060 ° C. or less using silane as a source gas; and forming an epitaxial layer comprising the above two steps. Device manufacturing method.
【請求項2】前記第1のエピタキシャル層を0.1μm以
上0.2μm以下の厚さに形成することを特徴とする請求
項1記載の半導体装置の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein said first epitaxial layer is formed to a thickness of 0.1 μm or more and 0.2 μm or less.
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