JPH02140925A - Method of passivating silicon surface and apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はシリコン結晶表面のパッシベーション、特に、
清浄なシリコン結晶表面を効率良くパンクべ一卜するこ
とのできるパッシベーション方法及び装置に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to passivation of a silicon crystal surface, in particular,
The present invention relates to a passivation method and device that can efficiently puncture a clean silicon crystal surface.
シリコン系デバイスを作成する場合には、シリコンエピ
タキシャル成長装置内でエピタキシャル層を形成した後
、その上にさらにシリコンエビクキシャル層、酸化膜あ
るいは金属電極等を形成することが必要である。このと
きにはエピタキシャル成長を行ったシリコンウェハーを
一旦大気中に取り出して次のプロセス装置にセットする
。従来はエピタキシャル成長後にシリコン表面を有効に
保護するパッシベーションの技術がなかった。When producing a silicon-based device, after forming an epitaxial layer in a silicon epitaxial growth apparatus, it is necessary to further form a silicon epitaxial layer, an oxide film, a metal electrode, etc. thereon. At this time, the epitaxially grown silicon wafer is once taken out into the atmosphere and set in the next process equipment. Conventionally, there was no passivation technology that effectively protects the silicon surface after epitaxial growth.
このためシリコンウェハーは表面を保護されることなく
大気中に取り出され、この時清浄なシリコン表面に大気
中の酸素、炭素などが吸着される。For this reason, the silicon wafer is taken out into the atmosphere without its surface being protected, and at this time oxygen, carbon, etc. in the atmosphere are adsorbed onto the clean silicon surface.
吸着された酸素、炭素などは、シリコン層とその上に形
成される他のシリコン層、酸化膜あるいは金属電極等と
の間の界面に不純物として取り込まれデバイス特性を劣
化させる。The adsorbed oxygen, carbon, etc. are incorporated as impurities into the interface between the silicon layer and another silicon layer, oxide film, metal electrode, etc. formed thereon, and deteriorate device characteristics.
本発明の目的は、シリコンの清浄な表面を成長装置内で
パッシベートし、大気中に取り出した後にも表面が保護
され、しかも必要に応じて簡単な処理で再び清浄表面を
得られるシリコン表面のパッシベーション方法及び装置
を提供することにある。The purpose of the present invention is to passivate the clean surface of silicon in a growth device, protect the surface even after it is taken out into the atmosphere, and, if necessary, obtain a clean surface again with a simple process. An object of the present invention is to provide a method and apparatus.
本発明のシリコン表面のパッシベーション方法は、
清浄なシリコン表面に水素原子を供給して、シリコン表
面の化学的に活性なタンクリングボンドを水素でターミ
ネートすることを特徴とする。The silicon surface passivation method of the present invention is characterized by supplying hydrogen atoms to a clean silicon surface to terminate chemically active tank ring bonds on the silicon surface with hydrogen.
また、本発明のシリコン表面のパッシベーション装置は
、
ガスソース方式のシリコン分子線成長装置に、さらにシ
リコン表面のパッシベーションに用いる水素原子を効率
良く発生させる電子サイクロトロン共鳴プラズマセルを
装備したことを特徴とする。Furthermore, the silicon surface passivation device of the present invention is characterized in that the gas source type silicon molecular beam growth device is further equipped with an electron cyclotron resonance plasma cell that efficiently generates hydrogen atoms used for passivating the silicon surface. .
〔作用〕
シリコン基板の清浄なシリコン表面に室温において水素
原子を供給した場合には、水素原子はシリコン表面のタ
ンクリングボンドと結合して、表面を化学的に不活性化
する。このため水素原子が化学吸着したシリコン表面は
大気中に取り出した場合でも酸化を免れ、表面パッシベ
ーションの効果が生まれる。[Operation] When hydrogen atoms are supplied to the clean silicon surface of a silicon substrate at room temperature, the hydrogen atoms combine with tank ring bonds on the silicon surface to chemically inactivate the surface. For this reason, the silicon surface on which hydrogen atoms have been chemically adsorbed will not be oxidized even when exposed to the atmosphere, creating a surface passivation effect.
表面をパッシベートしている水素原子は、シリコン基板
温度が４００℃以上になると熱脱離する。Hydrogen atoms passivating the surface are thermally desorbed when the silicon substrate temperature reaches 400° C. or higher.
このため−旦表面を清浄化しておき、この後に水素原子
によってパッシベートされたシリコン基板は、他のプロ
セス装置内にロードされる前に一度大気中に取り出され
るこ′とがあっても表面は水素原子によって保護され、
またプロセス装置内で水素パッシベートされたシリコン
基板温度を４００℃以上の成長温度に上げてやれば、表
面をパッシベートしていた水素原子が熱脱離して再び清
浄表面を得ることができる。Therefore, even if a silicon substrate that has been surface-cleaned and then passivated with hydrogen atoms is taken out into the atmosphere before being loaded into other process equipment, the surface will remain clean with hydrogen atoms. protected by atoms,
Furthermore, if the temperature of the hydrogen-passivated silicon substrate is raised to a growth temperature of 400° C. or higher in the process equipment, the hydrogen atoms that were passivating the surface are thermally desorbed and a clean surface can be obtained again.
シリコン表面をパッシベートする水素原子を発生するに
は化学的に安定な水素分子を何等かの方法で解離する必
要がある。水素原子を発生させる方法として良く知られ
ているのは超高真空装置内に１Ｏ−ｂＴｏｒｒ程度の水
素分子ガスを導入し、この中で基板近くにおいたタング
ステンフィラメントを２０００に程度に加熱して、タン
グステンフィラメントに衝突した水素分子が水素原子に
解離する現象を利用する方法である。ただしこの方法で
は水素原子を効率的に発生できない。生産性を考えた場
合には、シリコン表面の水素パッシベーションはエピタ
キシャル装置の中で効率的に水素原子を発生させてシリ
コン表面に供給することが望ましい。In order to generate hydrogen atoms that passivate the silicon surface, it is necessary to dissociate chemically stable hydrogen molecules by some method. A well-known method for generating hydrogen atoms is to introduce hydrogen molecule gas at about 10-bTorr into an ultra-high vacuum device, and heat a tungsten filament placed near the substrate in this to about 2000℃. This method utilizes the phenomenon in which hydrogen molecules that collide with a tungsten filament dissociate into hydrogen atoms. However, this method cannot efficiently generate hydrogen atoms. When considering productivity, it is desirable for hydrogen passivation of the silicon surface to efficiently generate hydrogen atoms in an epitaxial device and supply them to the silicon surface.
水素原子を効率的に発生するには、水素分子を用いてプ
ラズマを発生させ分子をこの中で解離するのが有効であ
る。In order to efficiently generate hydrogen atoms, it is effective to generate plasma using hydrogen molecules and dissociate the molecules therein.
ガスソース方式のシリコン分子線成長装置では、清浄な
シリコン表面または良好なエピタキシャル膜が容易に得
られる。また成長にガスを用いるためこの中にパッシベ
ーシヨン用の水素ガスを導入することも問題ない。水素
分子を解離するためのプラズマは、分子線成長装置のガ
ス導入セルにおいて電子サイクロトロン共鳴条件を満足
するような磁場およびマイクロ波を供給できるように設
計された電子サイクロトロン共鳴プラズマセルによって
作ることができる。電子サイクロトロン共鳴プラズマセ
ルに水素分子ガスを導入し、セル内のプラズマによって
解離された水素原子をシリコン基板に供給すればシリコ
ン表面に対して効率的に水素パッシベーションが可能と
なる。With a gas source type silicon molecular beam growth apparatus, a clean silicon surface or a good epitaxial film can be easily obtained. Moreover, since gas is used for growth, it is also possible to introduce hydrogen gas for passivation into the growth. The plasma for dissociating hydrogen molecules can be created by an electron cyclotron resonance plasma cell designed to supply a magnetic field and microwave that satisfy electron cyclotron resonance conditions in the gas introduction cell of a molecular beam growth device. . By introducing hydrogen molecular gas into an electron cyclotron resonance plasma cell and supplying hydrogen atoms dissociated by the plasma within the cell to a silicon substrate, it becomes possible to efficiently passivate hydrogen to the silicon surface.
以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained in detail using the drawings.
１１図は、本発明のパッシベーション装置の一実施例の
概要図である。このパッシベーション装置は、ガスソー
スシリコン分子線成長装置２に、水素原子を発生させる
ために電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマセル
である電子サイクロトロン共鳴セル６を装備している。FIG. 11 is a schematic diagram of an embodiment of the passivation device of the present invention. In this passivation apparatus, a gas source silicon molecular beam growth apparatus 2 is equipped with an electron cyclotron resonance cell 6, which is a plasma cell that uses electron cyclotron resonance to generate hydrogen atoms.
電子サイクロトロン共鳴セル６は、シリコン分子線成長
装置２のガス導入セルにおいて電子サイクロトロン共鳴
条件を満足するような磁場およびマイクロ波を供給でき
るように設計されており、マイクロ波導波管８により、
マイクロ波発生のためのタライストロン１１に連結され
ている。また、電子サイクロトロン共鳴セル６は気体水
素分子の流量制御用サブチェンバー１０を介して気体水
素分子ポンベ７に連結されている。The electron cyclotron resonance cell 6 is designed to supply a magnetic field and microwave that satisfy the electron cyclotron resonance conditions in the gas introduction cell of the silicon molecular beam growth apparatus 2.
It is connected to a talistron 11 for microwave generation. Further, the electron cyclotron resonance cell 6 is connected to a gaseous hydrogen molecule pump 7 via a subchamber 10 for controlling the flow rate of gaseous hydrogen molecules.
シリコン分子線成長装置２は、成長室内部に基板ヒータ
ー３を備え、および膜成長の過程を観測する反射高速電
子回折装置と膜組成の評価を行うオージェ電子分光計を
備えている。図では、反射高速電子線回折用高速電子銃
４と反射高速電子線回折パターン観測用蛍光スクリーン
５とから成る反射高速電子回折装置のみを示している。The silicon molecular beam growth apparatus 2 is equipped with a substrate heater 3 inside the growth chamber, a reflection high-speed electron diffraction device for observing the film growth process, and an Auger electron spectrometer for evaluating the film composition. In the figure, only a reflection high-speed electron diffraction apparatus consisting of a high-speed electron gun 4 for reflection high-speed electron diffraction and a fluorescent screen 5 for observing a reflection high-speed electron diffraction pattern is shown.
次に、このパッシベーション装置を使用した本発明のシ
リコン表面のパッシベーション方法の一実施例について
説明する。Next, an embodiment of the silicon surface passivation method of the present invention using this passivation device will be described.
基板には４インチＳ ｉ （１００）基板ｌを用いた
。A 4-inch S i (100) substrate 1 was used as the substrate.
このシリコン基板１は、ガスソースシリコン分子線成長
装置２にロードされる前にアンモニア：過酸化水素水：
純水＝１：６：１０の沸騰した溶液により２０分間、続
いて室温の純水で２０分間洗浄し、リンサードライヤー
によって乾燥する。この処理によりシリコン基板表面に
は、界面に汚染物質のない１０人程度の薄い保護酸化膜
が形成される。シリコン基板１は、この状態でガスソー
スシリコン分子線成長袋？Ｉ！２内にロードされる。超
高真空のシリコン分子線成長装置２内で、基板裏側のヒ
ーター３によりシリコン基板１に対し９００℃、１０分
間の加熱を行う。このプロセスによって表面の保護酸化
膜は除去され清浄なＳ ｉ （１００）表面が得られ
る０表面の清浄さは電子銃４と蛍光スクリーン５で構成
される反射高速電子線回折装置の回折パターンにおいて
清浄なＳ ｉ （１００）面に特徴的な２Ｘ１表面超
構造が観察されることで確認した。Before this silicon substrate 1 is loaded into a gas source silicon molecular beam growth apparatus 2, ammonia:hydrogen peroxide solution:
Wash with a boiling solution of pure water = 1:6:10 for 20 minutes, then with room temperature pure water for 20 minutes, and dry with a rinser dryer. Through this treatment, a protective oxide film about 10 times thick is formed on the surface of the silicon substrate, with no contaminants at the interface. Is the silicon substrate 1 a gas source silicon molecular beam growth bag in this state? I! Loaded into 2. In an ultra-high vacuum silicon molecular beam growth apparatus 2, the silicon substrate 1 is heated at 900° C. for 10 minutes using a heater 3 on the back side of the substrate. Through this process, the protective oxide film on the surface is removed and a clean Si (100) surface is obtained. This was confirmed by the observation of a 2X1 surface superstructure characteristic of the S i (100) plane.
この清浄な表面に対してシリコン基板１を室温に保って
、ガスソースシリコン分子線成長装置１内へ電子サイク
ロトロン共鳴セル６から水素分子ガスをクランキングし
た水素原子を供給する。The silicon substrate 1 is kept at room temperature with respect to this clean surface, and hydrogen atoms obtained by cranking hydrogen molecule gas are supplied from the electron cyclotron resonance cell 6 into the gas source silicon molecular beam growth apparatus 1.
電子サイクロトロン共鳴セル６を動作させる場合には、
気体水素分子ボンベ７からサブチェンバー１０で流量を
制御して、まずセル６に３ ｓｅｃｍの水素ガスを導入
し、タライストロン１１から電子サイクロトロン共鳴セ
ル６に１５０賀のマイクロ波を導波管８で供給すること
で水素の電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させる
。シリコン基板ｌのダメージを防ぐためにプラズマ引出
し電極９には特にプラズマの引出し電圧を印加せず、プ
ラズマによって水素分子がクランキングされてできた水
素原子は、セル６と成長室の真空度の差圧だけで基板１
に向かって流れる。When operating the electron cyclotron resonance cell 6,
First, 3 sec of hydrogen gas is introduced into the cell 6 by controlling the flow rate in the subchamber 10 from the gaseous hydrogen molecule cylinder 7, and then 150 sec of microwave is introduced into the electron cyclotron resonance cell 6 from the talistron 11 through the waveguide 8. By supplying hydrogen, electron cyclotron resonance plasma is generated. In order to prevent damage to the silicon substrate 1, no particular plasma extraction voltage is applied to the plasma extraction electrode 9, and the hydrogen atoms produced by cranking hydrogen molecules by the plasma are generated under the differential pressure between the vacuum level of the cell 6 and the growth chamber. just board 1
flowing towards.
２分間の電子サイクロトロン共鳴セル６の動作によって
、清浄なシリコン基板表面は完全に水素原子によって覆
われる。これは清浄なＳ ｉ （１００）表面が完全
に水素原子によって覆われた場合に現れる１×１表面構
造を反射高速電子線回折装置で回折パターンを観測する
ことで確認した。By operating the electron cyclotron resonance cell 6 for 2 minutes, the clean silicon substrate surface is completely covered with hydrogen atoms. This was confirmed by observing the diffraction pattern of the 1×1 surface structure that appears when a clean Si (100) surface is completely covered with hydrogen atoms using a reflection high-speed electron diffraction device.
水素パッシベーションの効果を確認するため、このウェ
ハーを大気中に取り出し１２時間放置した後、その表面
の酸素量をオージェ電子分光によって定量した。表面を
先に述べた手順で水素パッシベートした基板上では酸素
のオージェ信号は検出されなかった。一方、参照のため
に清浄化後水素パッシベーションを行わずに大気中に１
２時間放置したシリコン基板上では、プランソン洗浄に
よって形成された１０人程度の膜厚の酸化膜と同程度の
大きさの酸素オージェ信号が検出される。この比較から
水素パッシベーションの効果が確認された。In order to confirm the effect of hydrogen passivation, this wafer was taken out into the atmosphere and left for 12 hours, and then the amount of oxygen on the surface was determined by Auger electron spectroscopy. No oxygen Auger signal was detected on the substrate whose surface was hydrogen passivated using the procedure described above. On the other hand, for reference, 1
On a silicon substrate left for 2 hours, an oxygen Auger signal of approximately the same size as an oxide film formed by Planson cleaning and having a thickness of about 10 people is detected. This comparison confirmed the effect of hydrogen passivation.
水素パッシベーションを行った後に大気中に１２時間放
置したシリコン基板１を再びシリコン分子線成長装置２
にロードして基板温度を４００℃以上に上げた場合には
、反射高速電子線回折パターンに清浄なＳ ｉ （１
００）表面に特徴的な２×１構造が現れた。この結果か
ら表面をパッシベートしている水素は、４００℃以上の
温度で脱離することが確認された。After hydrogen passivation, the silicon substrate 1 left in the atmosphere for 12 hours is returned to the silicon molecular beam growth apparatus 2.
When the substrate temperature is raised to 400°C or higher, a clean S i (1
00) A characteristic 2×1 structure appeared on the surface. From this result, it was confirmed that hydrogen passivating the surface is desorbed at a temperature of 400° C. or higher.
また清浄化後水素パッシベーションを行い大気中に１２
時間放置した基板をシリコン分子線成長装置２にロード
して、基板の初期清浄化を行わずにいきなり６００℃に
おいて５０００人のシリコンエピタキシャル成長を行っ
たところ極めてシャープな２×１反射高速電子線回折パ
ターンを示す良好なエピタキシャル成長膜が得られた。In addition, after cleaning, hydrogen passivation is performed to release 12% of hydrogen into the atmosphere.
When the substrate that had been left for some time was loaded into the silicon molecular beam growth apparatus 2 and 5000 silicon epitaxial growth was performed at 600°C without initial cleaning of the substrate, an extremely sharp 2×1 reflection high-speed electron beam diffraction pattern was obtained. A good epitaxially grown film was obtained.
以上詳しく説明したように本発明を用いれば、パッシベ
ーションに水素原子を用いるので、清浄なシリコン基板
表面を効率良くパッシベートすることができる。したが
って、大気中に取り出した後にも表面が保護され、しか
も必要に応じて簡単な処理で再び清浄表面が得られる。As described in detail above, if the present invention is used, hydrogen atoms are used for passivation, so that the surface of a clean silicon substrate can be efficiently passivated. Therefore, the surface is protected even after being taken out into the atmosphere, and if necessary, a clean surface can be obtained again by simple treatment.
第１図は本発明の詳細な説明するためのバッシベーシッ
ン装置の概略図である。
１・・・・・４インチＳ ｉ （１００）基板２・・
・・・シリコン分子線成長装置
３・・・・・基板ヒーター
４・・・・・反射高速電子線回折用高速電子銃５・・・
・・反射高速電子線回折パターン観測用蛍光スクリーン
６・・・・・電子サイクロトロン共鳴セルフ・・・・・
気体水素分子ボンベ
８・・・・・マイクロ波導波管
９・・・・・電子サイクロトロン共鳴セルの１０・
１ト
プラズマ引出し電極
・・・・気体水素分子の流量制御用サブチェンバー
・・・・マイクロ波発生のためのタライストロンFIG. 1 is a schematic diagram of a bassinet device for explaining the present invention in detail. 1...4 inch S i (100) board 2...
... Silicon molecular beam growth device 3 ... Substrate heater 4 ... High-speed electron gun for reflection high-speed electron beam diffraction 5 ...
...Fluorescent screen for reflection high-speed electron diffraction pattern observation 6...Electron cyclotron resonance self...
Gaseous hydrogen molecule cylinder 8...Microwave waveguide 9...Electron cyclotron resonance cell 10.1 Plasma extraction electrode...Subchamber for controlling the flow rate of gaseous hydrogen molecules...Micro Talistron for wave generation
Claims (2)
コン表面の化学的に活性なタンクリングボンドを水素で
ターミネートすることを特徴とするシリコン表面のパッ
シベーション方法。(1) A silicon surface passivation method characterized by supplying hydrogen atoms to a clean silicon surface and terminating chemically active tank ring bonds on the silicon surface with hydrogen.
表面のパッシベーション装置であって、ガスソース方式
のシリコン分子線成長装置に、さらにシリコン表面のパ
ッシベーションに用いる水素原子を効率良く発生させる
電子サイクロトロン共鳴プラズマセルを装備したことを
特徴とするシリコン表面のパッシベーション装置。(2) A silicon surface passivation device used to carry out the method according to claim 1, wherein the gas source type silicon molecular beam growth device further includes electrons that efficiently generate hydrogen atoms used for passivation of the silicon surface. A silicon surface passivation device characterized by being equipped with a cyclotron resonance plasma cell.
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|---|---|---|---|
| JP29370088A JP2663580B2 (en) | 1988-11-22 | 1988-11-22 | Method and apparatus for passivating silicon surface |
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