JPH04177825A - エピタキシャル成長方法及び化学気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、シリコン基板上に良好な特性を有するエピタ
キシャルシリコン単結晶薄膜を低温で成長させるエピタ
キシャル成長方法及び化学気相成長装置に関する。

［発明の概要〕 本発明は、シリコン基板上に、原料ガスを吹き付け支援
用水素ガスと共に吹き付けることにより、良好な特性を
有するエピタキシャル薄膜を低い成長温度のもとて作製
できるようにしたものである。

［従来の技術］ 半導体の集積技術が進み、その素子設計において要求さ
れる微細加工の程度を決定するデザインルールは年々縮
小されており、その要求も強い。

しかし従来、微細化に要求されるデザインルールは、そ
れらを製造するための製造プロセス上の都合により制限
されている。

製造プロセスからみてデザインルールを制限しているも
のに、エピタキシャル成長条件がある。

その問題点の一つはエピタキシャル成長に伴う不純物の
取り込みがある。即ち基板からのオートドーピングと外
方拡散及び基板外からの不純物取り込みである。

前記オートドーピングは、基板表面から気化した不純物
が再びエピタキシャル成長膜中に取り込まれることによ
って起こる。−例として、ＳｉＣｌ４を原料としてシリ
コンエピタキシャル成長を行なった場合について述べる
。ＳｉＣｌ４は常温では液体であるために、これを気化
させるため、バブリング用のガスとして水素を使用する
。ＳｉＣｌ４ヲ含む水素力２　ハ、１０００℃〜１３０
０℃の高温に加熱された反応管、もしくは高周波加熱装
置等で加熱された成長用の基板上に導かれると、そこで
キャリアとして使われていた水素が、５ＩＣ１４を還元
する働きをして基板上にエピタキシャル成長が起こる。

その還元反応を次式に示す。

ＳｉＣｌ４（ｇ　１＋２Ｈ２（ｇ　、　→５ｉ（ｓ　、
（堆積）↓＋４ＨＣ１（ｇ＋↑−（＋）それと同時に気
相中に生成するＨＣＩが基板をエツチングし、逆反応あ
るいは類似の逆反応が起こる。エツチングと成長の兼ね
合いから成長速度が決まる。

一例として、Ａｓドープの８１基板のエツチング反応を
次式に示す。

Ｓｉ　：　Ａｓ（ｓ　）＋ＨＣ１（ｇ　、　−＋　５ｉ
ｈＣ１４−ｎ↑＋ＡｓＣｌ３　ｏｒ　ＡｓＨ３↑＋Ｈ２
丁　　・（２）（係数は省略） このとき生成する不純物がエピタキシャル層に再ドーピ
ングされる。これがオートドーピングであ成長は大気圧
（ｌ　ａｔ＋Ｉ＋）あるいは、ある程度減圧（約８０〜
１００　ｔｏｒｒ）で行なわれる。その際の成長速度は
０．１〜１．０μｍ程度である。このとき（１）式の還
元反応はもっと低い温度でも起こるが、良質のエピタキ
シャル成長層を得るためには１１５０〜１３００℃程度
の温度が必要である。問題は（２）式のエツチング反応
に伴って基板中の不純物が気相中に排出されることにあ
る。

このとき気相中に排出された不純物が再び成長エピタキ
シャル膜中に取り込まれることによりオートドーピング
が起こる。これは成長温度、成長時の圧力、成長速度に
依存する。不純物の種類によってそれぞれの不純物の挙
動は違っている。例えばｎ形不純柳の場合には、Ｐ　＞
　Ａ　ｓ　＞　Ｓ　ｂの順にオートドーピングされ易く
、一般に成長温度が高いほど、そして成長圧力が低いほ
ど少なくなる。エピタキシャル成長時の境界層領域に基
板から排出された不純物の滞留時間が長いほどオートド
ーピング量が大きくなる。これは縦方向オートドービン
グと呼ばれている。同様に成長膜の横方向へのドーピン
グも起こり、パターンの微細化の妨げとなる。これはラ
テラルオートドーピングと呼ばれるわ 前記外方拡散は、エピタキシャル成長温度が１１５０℃
〜１３００℃とかなり高い温度であるために、基板側か
らの熱拡散より成長膜中に基板中の不純物の拡散が起こ
ることによる。そのために基板とエピタキシャル層の境
界がブロードとなる。

外方拡散の影響を避けるためには、実際に必要とされる
膜厚よりも厚く成長することによってその影響を避ける
ようにしている。特に高濃度の埋め込み拡散層上へ低濃
度のエピタキシャル膜を必要とする場合には、かなり冗
長的な膜厚が必要である。また基板表面濃度の低下によ
る不純物の再分布も起こる。このことはある程度多めの
不純物を予め基板にドープしておく必要性を生じるので
、その分の不純物は無駄となる。

前記基板外からの不純物取り込みは、エピタキシャル成
長温度が高いことに原因がある。成長温度か非常に高い
ことから、反応リアゲタ及びサセプタ中に非常に微量な
汚染源があった場合でも蒸発拡散は非常に早く起こり、
成長膜中に取り込まれて欠陥を形成し、ウェハの小数キ
ャリアの寿命を短くする原因となる。つまり高温プロセ
スは成長膜の汚染の可能性が大きいことを意味する。−
般にエピタキシャル成長は、プロセスの比較的初期に行
なわれ、また全プロセス中で最も高い温度でのプロセス
となることが多い。プロセス中での不純物等の汚染によ
る欠陥の発生を極力抑えるために、エクストリンシック
ゲッタリング等の欠陥取り込みの方法が取られている。

しかしエピタキシャル温度が高いため、エピタキシャル
成長中にゲッタリング目的で裏面等に導入された欠陥は
消滅して、ゲッタリング効果が無くなってしまう現象が
見られる。エピタキシャル成長を行なった後も効果が持
続するほどのゲッタリング法は今のところ得られていな
いため、その後のプロセスではゲッタリング効果は望め
なくなる。

これらの問題点を解決するため、現在は次のような対策
が取られている。

一つは原料ガスを変えることである。塩素を含んだ系に
対して５ｉＣＩ４の塩素を一つずつ水素に置換していく
と、エピタキシャル成長温度が低くなっていく。５ｉＨ
Ｃ１３では、１１００〜１１５０℃、５ｉＨ２Ｃｌ２で
は、１０８０〜１１００℃である。これによって成長温
度は下がると同時に反応によって生成するＭＣＩの量が
へり、成長時のエツチング速度が減少してオートドーピ
ング量が減少する。

原料ガスが、シランガスＳｉＨ４になると反応機構が変
わる。ＳｉＨ４自体の熱分解が主反応となる。この場合
にはキャリアガスは水素である必然性はなく他の不活性
ガスでもよい。この場合、シランの熱分解は６００℃か
ら始まるが、成長する膜の質的な問題から９００℃以上
の温度で行なわれている。成長時に表面のエツチングは
起こらないため、オートドーピング量は減ると同時に、
成長温度を低くできるために、外方拡散量も減少する。

しかし、まだ温度低下は充分ではない。

オートドーピングや外方拡散を少なくする対策として、
２段成長法がある。これは基板上に一度薄いエピタキシ
ャル成長層を成長させた後、この膜で不純物の拡散を押
さえた状態で目的とする層のエピタキシャル成長を行な
うものである。これは従来の原料や成長温度を変えなく
てよい長所はあるが、プロセスは複雑となる。

次に、前述したエピタキシャル膜を、半導体素子の集積
化の面からみた場合の問題点を述べる。

半導体素子の集積化に伴い、デバイスの能動部分は毎年
ルールが縮小されてきている。素子の集積化を考えた場
合、デバイスの素子分離の占める面積的な割合が拡大し
ている。

集積回路の素子分離は、バイポーラデバイスの場合には
埋め込み拡散層を用いている。これは、深さ方向への分
離のためで、エピタキシャル成長前に基板へ高濃度のエ
ピタキシャル成長層に対し逆のｐｎ不純物を拡散してお
く。横方向への分離は、エピタキシャル成長後に、基板
にまで達する不純物を拡散して素子を形成する島を作製
する。

ＭＯＳデバイスの場合には、シリコン酸化物（ＬＯＧＯ
３）を用いる。これは、素子を形成する領域の間に、酸
化物の厚い膜を形成して素子間を分離する。

不純物の拡散による場合、エピタキシャル成長膜要分ま
で十分に表面から拡散する必要があり、必然的に横方向
への拡散が起こり、素子分離領域は拡大する。ＬＯＣＯ
３法の場合、選択酸化するときに、酸化阻止膜（例えば
、シリコンナイトライド）の下側に、酸化膜の張り出し
くいわゆる、バーズビーク）がおこり素子形成領域が縮
小する。

これらの素子分離領域の拡大に対処するために、マスク
設計の時点から成る程度の余裕領域を含んでおく必要が
あり、縮小化の妨げとなる。このバーズビーク等の形成
は素子分離に用いる酸化膜厚を薄くすることによってそ
の影響を小さくすることができるが、酸化膜を薄くする
ことは、その上に電源ライン等の配線が通るときに電位
差によって酸化膜下の８１部分でｐｎ反転が起こり素子
分離が壊れることがある。そのために酸化膜の下の不純
物濃度を高くして反転を避ける（チャンネルストッパー
）ことが行なわれている。

また、別の方法として、シリコン基板をエツチングして
トレンチを作製し、その中にＣＶＤ酸化膜を埋め込んで
素子の分離する方法が検討されているが、ウェハにかか
る大きなストレスと、技術的な困難さから実用には至っ
ていない。

さらに素子の分離領域が大きくなると、素子分離領域の
部分に発生する浮遊容量が増大してデバイスとしての動
作速度が低下する。素子分離を有効に行なうためには、
不必要な寄生容量成分の発生しない形状と、材料によっ
て周辺を囲う必要がある。

そこでシリコン基板上に素子形成領域にのみ選択的にエ
ピタキシャル成長ができると、実質的に浮遊容量として
の問題点は基板下部との間の分離を考えれば良いことに
なる。

シリコン基板上に、例えばＳｉＣｌ４を原料として、シ
リコンの選択エピタキシャル成長をさせる場合、−船釣
にシリコン表面を熱酸化し、その後シリコンを選択成長
させたい部分の酸化膜をウェットもしくはドライエッチ
によって除去する。この基板上にエピタキシャル成長を
させる。シリコン基板表面と、酸化膜表面の間で選択性
があることの理由として、ステップのメカニズムが考え
られている。これは露出しているシリコン表面上には気
相中から表面に成長する時に成長膜となるシリコンのス
テップが存在するために、下記の（３）式によりエピタ
キシャル成長が進む。しかし酸化膜上では気相中からの
シリコンの付着は起こってはいるが、 ５ｉＨ１Ｃ１４−ｎ十Ｈ２−ｅ　Ｓ　ｉ　↓　＋ＨＣＩ
　↑　（係数略）−（３）ＳｉＨ４−４Ｓｉ↓＋２Ｈ２
↑　　　　・・・（３）′５ｔｏ２＋ｓｉ　　−＊Ｓｉ
○　↑　（気体）　　　　　・・・（４）（４）式の反
応も同時に起こる。酸化膜上では析出した微粒子シリコ
ンが熱的に安定な大きさに成長する前にＳｉＯ気体とし
て再蒸発してしまうため、酸化膜上にはシリコンは堆積
が起こらない。

そのため酸化膜上に微量な汚染等があった場合等のよう
に特定部分が成長ステップと成り得る場合。

選択性は崩れてしまう、そのため選択性の制御は極めて
難しい。

実際に選択性を維持するためにはエピタキシャル成長前
に高温でウェハ表面をクリーニング、もしくは気体ＭＣ
Ｉ等で表面をエツチングして、清浄性を高め選択性を維
持する。また選択性のある温度領域は（４）式の反応を
含んでいるために、かなり高いものになる。Ｓ　ＩＨ４
の熱分解系でさえ１１００℃から１２００℃である。

選択成長したシリコンの特性として問題となっている点
が２つある。一つは酸化膜界面での電気的な特性の劣化
であり、他方は選択成長エピタキシャル膜の形状の問題
である。

例えば１３００℃で１５分間選択エピタキシャル成長さ
せるときには、マスク酸化膜はエツチングに耐えるため
に少なくとも０．４μ以上の程度の厚みが必要である。

そのためマスク側面は側面側に向かうシリコンのファセ
ット面の成長を側面壁で阻止するため、マスク側面壁と
シリコンとの界面は乱れ、電気的に不安定なものとなる
。デバイスとして作製した場合にはこの部分が電流バス
として働き、リーク電流の原因となる。これを避けるた
めに、マスク酸化膜側面にポリシリコンをデボし、側面
とシリコン界面との緩衝材とすることでリーク電流を減
らしている。

また、ＨＣＩによるＳｉ基板の表面クリーニングによっ
てシラン誘導体ガスが発生し、Ｓｉ基板とマスク５１０
２の界面で（４）式のエツチング反応は起こる。これに
よって選択エピタキシャル成長前段階でマスク酸化膜と
シリコン界面付近にアンダーカットが発生し、シリコン
エピタキシャル成長時、アンダーカット位置に積層欠陥
が発生する。ここで発生した欠陥は成長に伴って増殖し
ながら成長していく。アンダーカットを防ぐにはクリー
ニング温度を下げるか、加熱以外の方法でクリーニング
（紫外線、スパッタ等）する。積層欠陥の増殖を防ぐた
めには、成長温度を下げて低温選択成長をすることが必
要である。減圧化することにより、選択成長温度を下げ
ることは達成されるが、低温化はエピタキシャル成長膜
自体の結晶性の悪化という問題も含んでおり、十分な電
気的特性は得られていない。

選択成長を行なうと、マスク酸化膜とシリコンの界面付
近でエピタキシャル層が盛り上がるという異常成長が起
こる。このためエピタキシャル層においてシリコン／Ｓ
ｉ○２の境界付近がパターンの中心部分よりも厚くなる
現象が起こる。対策として成長温度を上げることが提案
されている。

しかし成長温度を上げることは上記のような問題から避
けたいことである。

またファセットの発生も問題となる。ファセットは、エ
ピタキシャル成長が一般的な二次元成長から、選択成長
の三次元的な成長に変わるために、シリコンの成長速度
の面方位依存性が現われてくることによる。−船釣に高
次の結晶面はど成長速度は遅くなる。（１００）ウェハ
上に選択成長をさせた場合、（１１０）もしくは（１１
１）面がファセットとして現われてくる。これらのファ
セットは成長厚みが増すに従って大きくなっていき、デ
バイスとして利用するには無視できない大きさとなる。

ファセットが存在すると、マスク酸化膜とシリコンエピ
タキシャル膜との間に段差が生じ、ゲートとして用いる
配線材料等の断線を招き、また表面の凹凸が原因となっ
て微細加工の妨げとなる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した問題点を一気に解決する方法として、エピタキ
シャル成長温度をかなり下げることが精力的に行なわれ
ている。１０００℃以下あるいは更にエピタキシャル成
長温度を下げることによって、上記したような問題点は
解決することができる。ところが成長温度を下げた場合
には、上記のような問題点については解決することがで
きるが、反面、結晶性の悪化、つまり積層欠陥の発生や
それに伴うエピタキシャル成長膜中の少数キャリアのラ
イフタイムの減少、または成長膜中でのキャリアの移動
度の減少などの新たな問題が起こる。

現状では１０００℃以下の成長温度では結晶性が悪くな
るために実用上用いられない。また、エピタキシャル成
長の成長速度は、成長温度に強く影響されるために、高
温では０．５〜５μ／ｈ程度あった成長速度が、１００
０℃以下になると数十〜数百オングストローム程度とな
り実用にならない。つまり低い温度で成長させようとす
るときには、成長する膜質と成長速度が成長温度の下限
を決めている。

また成長する膜の膜厚とドーピング濃度の均一性はシリ
コンのエピタキシャル成長で重要な条件である。成長膜
の均一性は原料ガスの流速や流れ方によって決まる境界
層に依存する。流速が速くなると、境界層外の気相中の
原料成分の濃度減少の影響が少なくなり、成長膜の不均
一性が少なくなる。そのとき常圧もしくは０．１ａｔｍ
以上程度の成長条件では流速が大きくなると、成長膜の
表面構造が劣化する傾向が見られる６ ［発明の目的］ 本発明の目的は、上記のような問題を踏まえて、低温で
かつ良好なエピタキシャル膜を成長させる方法及び化学
気相成長装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本願の第１の発明は、シリコ
ン単結晶薄膜のエピタキシャル成長方法にある。すなわ
ち、このエピタキシャル成長方法あっては、高真空に排
気された反応管中にシリコン基板を保持したのち、エピ
タキシャル膜成長温度に加熱した状態で、原料ガスを吹
き付け支援用の水素ガスと共に、ガスライン内の圧力と
反応管内の圧力差を利用して、上記基板面上に吹き付け
ることにより、上記基板表面上に高速で原料ガスを供給
し、かつ反応させる工程を有することを要旨とする。

本願の第２の発明は、反応管内の所定の場所に設置され
たシリコン基板上の所望の場所以外をマスク部材で覆い
、高真空に排気された反応管中にシリコン基板を保持し
たのち、エピタキシャル膜成長温度に加熱した状態で、
原料ガスを吹き付け支援用の水素ガスと共に、ガスライ
ン内の圧力と反応管内の圧力差を利用して、・上記基板
面上に吹き付けることにより、上記基板表面上に高速で
原料ガスを供給し、かつ反応させることにより、マスグ
部材以外の所望の場所にのみ選択的に成長させることを
要旨とする。

本願の第３の発明は、化学気相成長装置（Ｃ〜′Ｄ装置
）において、原料ガスを輸送するキャリアガスの他に、
原料ガスを基板上に吹き付けるための吹き付け支援用の
ガスラインを設けたことを要旨とする。

［作用コ 本願の第１の発明よれば、基板表面上に高速で原料ガス
が供給され、反応が行なわれるので、基板上に高速度で
シリコン膜がエピタキシャル成長する。

また、本願の第２の発明によれば、基板表面上に高速で
原料ガスを供給して反応させ、基板上に高速度でエピタ
キシャル成長させることにより、マスク上にはシリコン
は成長せず、マスク以外の所望の場所のみシリコン膜が
エピタキシャル成長する。

さらに本願の第３の発明によれば、シリコン基板上に良
好な特性を有するエピタキシャル単結晶薄膜を低温で成
長させることのできる装置が得られる。

［実施例］ 第３の発明の実施例（装置） 以下図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明の方法を実行するためのＣＶＤ装置の一
実施例である。同図において、１は反応管、２は基板、
３はバイパスライン、４はフィードスルー、５はゲート
バルブ、６は圧力調整バルブ、７はバラトロン圧力計、
■１〜Ｖ９はバルブ、ＭＦＣ１〜ＭＦＣ５はマスフロー
コントローラ、ＲＰＩ及びＲＰ２はロータリーポンプ、
ＴＭＰはターボモレキュラーポンプ、ＭＢＰはメカニカ
ルブースターポンプ、Ｉ２は基板導入機構、１１は基板
交換機構兼サセプタ支持機構、１３は熱電対温度計、１
０はオプチカルパイロメーター、９はサセプタ、８は高
周波誘導加熱装置である。

反応管ｌは前記ポンプによってフィードスルー４を介し
て真空引きされており、原料ガスとじてシリコンの水素
化合物、あるいはそれらの塩化物誘導体等のシラン化合
物、例えば、モノシランガスが吹き付け支援用の水素ガ
スＨ２と共に、マスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦ
Ｃ４、バルブｖ１、ｖ５、Ｖ７を介して一緒に反応管ｌ
に供給される。

基板２１例えばＳｉ基板２は基板交換機構１２により反
応管ｌ内の所定位置に保持されていて高周波誘導加熱装
置８により所望温度に加熱でき、サセプタ９の温度はこ
れを載置しているサセプタ９に埋設された熱電対を用い
た温度計１３で、基板表面温度はオプチカルパイロメー
ター１０で同時測定される。

原料ガスが吹き付け支援用のガスと共に反応管】に供給
されると、ガスライン内の圧力と反応管ｌ内の圧力差の
ため原料ガスは高速度で基板２の面上に吹き付けられ、
原料ガスは反応してシリコンエピタキシャル膜が基板面
上に成長する。

しかしてこの場合、シリコン単結晶薄膜成長時に反応管
１内に流し込む全ガス流量を所定量に設定し、かつ反応
管１内の上記薄膜成長時の圧力を所定の静圧に保ち、か
つ反応管ｌ内の静圧（バラトロン圧力計７で測定する）
及び基板２上へ吹き付けられるガス流量を独立に調整す
るため、圧力及び流量調整用水素ガスはバルブｖ９、バ
イパスライン３を介してフィードスルー４内に流される
。

圧力調整バルブ６は上記反応管１内の静圧及びガス流量
の大まかな設定のために調整され、この条件のもとてバ
イパスライン３による上記ガス供給により反応管１内へ
流し込むガス流量と静圧とは独立に制御でき、原料ガス
が基板２の表面に単結晶膜成長にとって最適の条件で吹
き付けられることが可能となる。

なお、基板２の交換、導入は前記機構１１，１２によっ
て行なわれるが、これらは公知のもので、特に本発明と
の関連性は少ないので、その詳細な説明は省略する。ま
た加熱装置及び温度計も前記のものに限定されるもので
はない。

更に、前記吹き付け支援用水素ガスは、原料ガス切り替
え時に原料ガスラインを瞬時に水素ガスでパージする機
能も合わせ持っているため原料ガスの供給を停止した時
、残留ガスを確実に排除できる効果がある。

次に上述した装置を用いた本発明の製造方法を説明する
が、本発明の方法は上記の装置を用いることに限定され
るものではなく、いかなる装置を用いてよい。

次に第１の発明を実施する場合の具体的態様を説明する
。

オートドーピングを防ぐには反応式前記（２）式からＨ
ＣＩを除けばよい。ＨＣＩを除くにはＣ１を含まないシ
ラン誘導体を用いる。これは公知である。

もう一つの方法としては、基板上からエツチング反応に
よって生成したガス系を取り除くことが考えられる。そ
のためにはガス流量を上げ低圧にして反応管内の線速度
を大幅にあげてやればよい。

さらに外方拡散と基板外からの不純物取り込みを防ぐに
は、成長温度を９００℃以下かさらにできるだけ低くす
ればよいが、結晶性と成長速度の聞届を解決する必要が
ある。またオートドーピングも成長温度を低くすること
で、拡散量と拡散速度を押さえられる。

すなわち本発明のシリコンエピタキシャル単結晶膜の製
造方法にあっては、シランもしくはシランの塩化物誘導
体を原料ガスとして、化学気相成長法（ＣＶＤ）により
所定基板上にＳｉエピタキシャル単結晶薄膜を製造する
方法において、反応管中に上記基板を保持し、塩化水素
を含んだ水素気流中で所定時間加熱して上記基板面をク
リーニングした後、上記基板を８１エピタキシヤル結晶
の成長温度に加熱した状態で、反応管内を真空引きし、
上記原料ガスを吹き付け支援用の水素ガスと共にガスラ
イン内の圧力と反応管内の圧力差を利用して、上記基板
面上に吹き付けることにより、上記基板表面上に高速で
原料ガス供給し、反応させ、上記基板上に高速でエピタ
キシャル成長させることができる。

そのため、従来法のように原料ガスを単に常圧（７６０
Ｔｏｒｒ）あるいは１００Ｔｏｒｒ程度の成長圧力で反
応炉内の所定基板にゆっくり供給し、基板とガス流との
間に生じる境界層を介して、原料ガスあるいは原料の分
解物が基板上に濃度差を駆動力として供給される方式と
異なり、原料ガスが十分な線速度をもって基板に吹き付
けられるようにするための、吹き付け支援用のガスを必
要とし、かつ吹き付け支援用のガスは原料ガスとともに
基板上に吹き付けられなければならない。こうすること
で、９００℃以下の低温にもかかわらず、基板上に成長
エピタキシャル膜の表面構造の劣化のない結晶性の優れ
た単結晶膜を大きな成長速度で成長させることができる
。また低圧下で大流量のガスを高速度で吹き付けるため
、エツチング反応による生成ガスは瞬時に排気系へ取り
除かれ、オートドーピングは大幅に減少する。さらに成
長温度を下げた結果、外方拡散と基板外からの不純物拡
散も大幅に減少する。

従来法の成長の場合、成長温度が低くなると、急激に成
長速度が小さくなってゆく。本成長法の場合には、９０
０’Ｃ程度でも吹き付けられるガス中に適当量の原料が
含まれていれば、高温成長に近い成長速度が得られる。

また、吹き付け支援用のガスによって得られる反応管内
への原料ガスの吹き付け流量（これは線速度と等価であ
る）をエピタキシャル成長の最適条件にするため、反応
管と並列の圧力及び流量調整用のバイパスガスラインを
設け、反応管内に流すガスとバイパスガスラインに流す
ガスの流量を変えることで、反応管内に流すガス量と反
応管内の圧力を独立に変え、最適の吹き付け流量を得る
ことで、結晶性の優れたエピタキシャル膜を作製するこ
とができる。

第１の発明の実施例 実施例１　　（ＳｉＨ４を用いた例） アンチモンを不純物としてＮ＋の埋め込み層を形成した
Ｓｉ　（１００）基板を１　ｔｏｒｒ以下、例えば１．
０ｔｏｒｒ１１０００〜３０００ｓｅｃｍ程度の塩化水
素を含む水素気流中、基板温度９００℃程度で５分間以
上、塩化水素の作用による表面エツチングを含む高温ク
リーニングした後、基板表面温度を７００〜８００℃の
シリコン′エピタキシャル成長温度まで下げ、成長圧力
を静圧で１−１０ｔｏｒｒとして、この温度でシランと
吹き付け支援用の水素ガス、もしくはアルゴンガスを用
いて、所定厚さの＄１単結晶膜をＳｉ基板上に直接成長
させた。

この時、表面に突起やビットがなく平坦で、積層欠陥の
少ない、結晶的に優れた単結晶薄膜を得るためには、反
応管１内へ流し込む上記原料ガスを吹き付け支援用の水
素ガスと共に、ガスライン内の圧力と反応管内の圧力差
を利用して上記基板上に強制的に吹き付けることが極め
て重要であり、大体２０００〜４０００ｓｅｃｍの全ガ
ス量を反応管１の頂上から８１基板２に流し込んだ。従
来のエピタキシャル成長法のように、高い圧力下でキャ
リアガスをゆっくり流し、８１基板上に自然に生成する
キャリアガス境界層を介してシラン原料あるいはそれら
の分解物が拡散して８１基板上でシリコンエピタキシャ
ル膜が生成する方式では、本方法のおける温度では、良
好なシリコンエピタキシャル膜は成長しない。そのため
反応管内に流し込むガスが適当な線速度を持つように流
す全ガス量と反応管内の静圧を独立に制御するのが好ま
しい。

（具体的成長例１） 成長温度プロファイルを第２図に示す。使用したＳｉ基
板は直径３インチ（１１１）である。Ｓｉ基板のクリー
ニングの条件は基板温度９００℃、静圧０．４ｔｏｒｒ
、流量１５００ｓｅｃｍの塩化水素を含む水素気流中１
０分とした。その後降温し、シリコンエピタキシャル膜
の成長温度は約７００℃とした。シリコンエピタキシャ
ル膜成長暗反応管内には水素ガスをベースとして１％に
希釈したシランガス、吹き付け支援用水素ガスを含めて
２２００ｓｅｃ鳳流してＳｉ基板上に強制的に吹き付け
た。

バイパスライン３には水素１０００ｓｅｃｍ流し、反応
管１内のフィールドスルー４に設けたバラトロン圧力計
７で測定した静圧を３　ｔｏｒｒとした。シランの対水
素ガス比をかえると成長速度は変化するが、成長速度０
．１〜１μ／ｗｉｎ程度の条件で膜質にそれほど差は無
かった。

４μ成長させたエピタキシャル膜の表面をノマルスキー
顕微鏡で観察したが１表面の凹凸、表面にビット、スリ
ップ等の表面欠陥は観察されなかった。

積層欠陥を観察するために、通常のＷＲＩＧＨＴエツチ
ングを行なった。見出された積層欠陥の数は０．５個／
ｄ以下であった。

本方法で作製されたシリコンエピタキシャル膜の移動度
を通常のホール測定によって評価した。

ホウ素（Ｂ）　　ドープした低抵抗ｐ型基板（比抵抗１
８／１０００オーム・印以下）上にリンをドープした比
抵抗４〜５オーム・口のシリコンエピタキシャル膜を本
発明の方法で作製した。膜厚は４μである。エピタキシ
ャル成長層の不純物分布は、２端針広がり抵抗測定装置
を使用して評価した。

この際基板表面からの、外方拡散領域は、１μｍ以下で
あった。

ホール効果によるシリコンエピタキシャル膜の電子移動
度は１７５０ｃｒｄ／　ｖ−ｓｅｃであった。この値は
成長温度が従来より低いにもかかわらず、エピタキシャ
ル膜としては十分な特性を有していることを示すもので
ある。

（具体的成長例２） 使用した８１基板は直径３インチ（１１１）である。Ｓ
ｉ基板のクリーニングの条件は基板温度９００℃、静圧
０．４ｔｏｒｒ、流量１５００ｓｅｃｍの塩化水素を含
む水素気流中１０分とした。その後降温し、シリコンエ
ピタキシャル膜の成長温度は約８３０℃とした。シリコ
ンエピタキシャル膜成長時反応管内には水素ガスで０．
５％に希釈したジクロルシランガス（ＳｉＨｚ　Ｃｌ２
）、吹き付け支援用水素ガスを含めて２５００ｓｅｃｍ
流してＳｉ基板上に強制的に吹き付けた。バイパスライ
ン３には水素１０００ｓｅｃｎ＋流し、反応管１内のフ
ィールドスルー４に設けたバラトロン圧力計７で測定し
た静圧を３　ｔｏｒｒとした。ジクロルシランの対水素
ガス比をかえると成長速度は変化するが、成長速度は０
．１〜１μ／ｍｉｎ程度の条件で膜質にそれほど差は無
かった。

４μ成長させたエピタキシャル膜の表面をノマルスキー
顕微鏡で観察したが、表面の凹凸、表面にビット、スリ
ップ等の表面欠陥は観察されな力翫っだ・ 積層欠陥を観察するために、通常のＷＲＩ　ＧＨＴエツ
チングを行なった。見出された積層欠陥の数は０．５個
／ｄ以下であった。

本方法で作製されたシリコンエピタキシャル膜の移動度
を通常のホール測定によって評価した。

ホウ素（Ｂ）をドープした低抵抗ｐ型基板（比抵抗１８
／１０００オーム・国以下）上にリンをドープした比抵
抗４〜５オーム・唾のシリコンエピタキシャル膜を本発
明の方法で作製した。腹厚は４μである。エピタキシャ
ル成長層の不純物分布は、２端針広がり抵抗測定装置を
使用して評価した。外方拡散領域は１μｍ以下だった。

ホール効果によるシリコンエピタキシャル膜の電子移動
度は１７６０ｄ／ｖ−ｓｅｃであった。この値は成長温
度が従来より低いにもかかわらず、基板エツチングによ
るオートドーピングは殆ど起こらず、エピタキシャル膜
としては十分な特性を有していることを示すものである
。

以上から前記本発明方法はジクロルシランにとどまらず
、トリクロルシランやテトラクロルシランのようなシラ
ン誘導体に適用できることは自明である。

次に第２の発明を実施例する場合の具体的態様を説明す
る。

第２の発明の問題点を解決するためには、マスク酸化膜
とシリコン境界領域及びマスク表面でのシリコン酸化膜
のシリコンによるエツチング反応を起こさせない条件の
元で、シリコン酸化膜上ではシリコンが成長せず、シリ
コン表面でのみシリコンのエピタキシャル成長が起こる
条件を見出せればよい。つまり反応式（１）のみをシリ
コン基板面上だけで起こさせればよい。

すなわちシリコンのエピタキシャル単結晶膜の製造方法
において、シランもしくはシランの塩化物誘導体を原料
ガスとして、化学気相成長法（ＣＶＤ）により所定基板
上にＳｉエピタキシャル単結晶薄膜を選択成長させるた
めに、所定の面方位を持った、シリコンウェハを所定５
１０２膜厚まで酸化し、その後、所望の形状をフォトリ
ソによりパターニングし、適当なエツチング法により所
望の場所に窓開けを行なう。続いて反応管中に上記基板
をセットし、塩化水素を含んだ水素気流中で所定時間加
熱して上記基板面をクリーニングした後、上記基板をＳ
ｉエピタキシャル単結晶の成長温度に加熱した状態で、
反応管内を真空引きし、上記原料ガスを吹き付け支援用
の水素ガスと共にガスライン内の圧力と反応管内の圧力
差を利用して、上記基板面上に吹き付けることにより上
記基板表面上に高速で原料ガスを供給し、反応させ、上
記基板上に高速度でエピタキシャル成長させると、５ｉ
０２マスク上にはシリコンは成長せず、窓開けした部分
にのみシリコン膜がエピタキシャル成長する。

実施例２（ＳｉＨ２を用いた例） 所定の面方位を持った、シリコンウェハを所定５ｉＯ）
４膜厚まで酸化し、その後、所望の形状をフォトリソに
よりパターニングし、ドライエツチング法により所望の
場所に窓開けを行なった。続いて反応管中に上記基板を
セットした。その後１ｔｏｒｒ以下、数千ｓｅｃｍ程度
のわずかの塩化水素を含む水素気流中、基板温度１００
０℃以上で５分間以上、塩化水素の作用による表面エツ
チングを含む高温クリーニングした後、基板表面温度を
７００〜９５０℃のシリコンエピタキシャル成長温度ま
で下げ、成長圧力を静圧で１〜８　ｔｏｒｒとして、こ
の温度でシランを用いて、所定厚さの８１単結晶膜をＳ
ｉ基板上に選択成長させた。

この時、低温にも関わらず選択性を失わずに、かつ結晶
性もよく、ファセット成長したり、パターン周辺部での
異常成長が起こらずに表面が平坦な選択成長エピタキシ
ャル膜を得るためには、反応管１内へ流し込む上記原料
ガスを吹き付け支援用の水素ガスと共に、ガスライン内
の圧力と反応管内の圧力差を利用して上記基板上に強制
的に吹き付けることが極めて重要であり、大体１０００
〜４０００ｓｅｃｍの全ガス量を反応管１の頂上からＳ
１基板２に流し込んだ。この場合にも文献に報告されて
いるような従来のエピタキシャル成長法のように、高い
圧力下でキャリアガスをゆっくり流し、８１基板上に自
然に生成するキャリアガス境界層を介してシラン原料あ
るいはそれらの分解物が拡散して８１基板上でシリコン
エピタキシャル膜が生成する方式では、本方法のおける
温度では、良好な選択成長シリコンエピタキシャル膜は
成長しない。そのため反応管内に流し込むガスが適当な
線速度を持つように流す全ガス量と反応管内の静圧を独
立に制御するのが好ましい。

（具体的成長例） 成長温度プロファイルを第２図に示す。使用した８１基
板は直径３インチ（１００）である。水蒸気酸化法を用
いて０．５μｍ酸化膜を形成した後に、フォトリソによ
り必要とするパターンを形成した。その後プラズマドラ
イエツチング法により酸化膜の窓開けをした。フォトリ
ソに用いたレジストを除去した後基板をリアクター内に
セ・ソトした。８１基板のクリーニングの条件は基板温
度１０００℃、静圧０．４ｔ、ａｒｒ、　　１％塩化水
素を含む流量１５００ｓｅｃｍの水素気流中１５分とし
た。

その後降温し、シリコンエピタキシャル膜の成長温度は
約７００℃とした。シリコンエピタキシャル層成長時反
応管内には水素ガスをベースとして１％に希釈したモノ
シランガス及び吹き付け支援用水素ガスを含めて２２０
０ｓｅｃｍ流して８１基板上に強制的に吹き付けた。バ
イパスライン３には水素１０００ｓｅｃｍ流し、反応管
１内のフィールドスルー４に設けたバラトロン圧力計７
で測定した静圧を３　ｔｏｒｒとした。シランの対水素
ガス比をかえると成長速度は変化するが、成長速度０．
１〜１μ／ｗｉｎ程度の条件で膜質にそれほど差は無か
った。

このとき酸化膜上にはシリコン成長はみられず選択成長
が起こっていることが確認された。

選択エピタキシャル成長したシリコンウェハの断面形状
を走査型電子顕微鏡で観察した。ファセットの形状及び
パターン周辺部での異常成長はみられず、マスク酸化膜
と選択エピタキシャル成長の表面は平坦なものが得られ
た。

積層欠陥を観察するために、通常のＷＲｒ　ＧＨＴエツ
チングを行なった。アンダーカットに起因すると考えら
れるパターンの中心部分での積層欠陥はみられなかった
。

選択成長したエピタキシャル膜部分の電子移動度を測定
した。燐を１０”／ｃｍドープしたものを用いた。室温
に置ける電子移動度は１７５０ＣＩＩｌ／Ｖ−ｓｅｅで
あり、バルクエピタキシャル膜に近いものが得られた。

実施例３（Ｓｌ。Ｈ２Ｃｌ２を用い例）所定の面方位を
持った、シリコンウェハを所定Ｓｉ○２膜厚まで酸化し
、その後、所望の形状をフォトリソによりバターニング
し、ドライエツチング法により所望の場所に窓開けを行
なった。続いて反応管中に上記基板をセットした。その
後１ｔｏｒｒ以下、数千ｓｅｃｍ程度のわずかの塩化水
素を含む水素気流中、基板温度１０００℃以上で５分間
以上、塩化水素の作用による表面エツチングを含む高温
クリーニングした後、基板表面温度を８０００〜９５０
℃のシリコンエピタキシャル成長温度まで下げ、成長圧
力を静圧で１〜８　ｔｏｒｒとして、この温度でシラン
を用いて、所定厚さの８１単結晶膜を８１基板上に選択
成長させた。

以上の各工程の大略のフローは第１図と同様である。

この時、低温にも関わらず選択性を失わずに、かつ結晶
性もよく、ファセット成長したり、パターン周辺部での
異常成長が起こらずに表面が平坦な選択成長エピタキシ
ャル膜を得るためには、反応管１内へ流し込む上記原料
ガスを吹き付け支援用の水素ガスと共に、ガスライン内
の圧力と反応管内の圧力差を利用して上記基板上に強制
的に吹き付けることが極めて重要であり、大体１０００
〜４０００ｓｅｃｍの全ガス量の反応管１の頂上からＳ
ｉ基板２に流し込んだ。文献に報告されているような従
来のエピタキシャル成長法のように、高い圧力下でキャ
リアガスをゆっくり流し、Ｓｉ基板上に自然に生成する
キャリアガス境界層を介してシラン原料あるいはそれら
の分解物が拡散してＳｉ基板上でシリコンエピタキシャ
ル膜が生成する方式では、本方法のおける温度では、良
好な選択成長シリコンエピタキシャル膜は成長しない。

そのため反応管内に流し込むガスが適当な線速度を持つ
ように流す全ガス量と反応管内の静圧を独立に制御する
のが好ましい。

（具体的成長例） 使用した８１基板は直径３インチ（１００）である。水
蒸気酸化法を用いて０．５μｍ酸化膜を形成した後に、
フォトリソにより必要とするパターンを形成した。その
後プラズマドライエツチング法により酸化膜の窓開けを
した。フォトリソに用いたレジストを除去した後基板を
リアゲタ−内にセットした。８１基板のクリーニングの
条件は基板温度１０００℃、静圧０．４ｔｏｒｒ、１％
塩化水素を含む流量１５０Ｑ　ｓｃｃｍの水素気流中１
５分とした。その後降温し、シリコンエピタキシャル膜
の成長温度は約８００℃とした。シリコンエピタキシャ
ル層成長時反応管内には水素ガスをベースとして１％に
希釈したジグロルシランガス及び吹き付け支援用水素ガ
スを含めて２２００ｓｅｃｍ流してＳｉ基板上に強制的
に吹き付けた。バイパスライン３には水素１０００ｓｅ
ｃｍ流し、反応管１内のフィールドスルー４に設けたバ
ラトロン圧力計７で測定した静圧を３　ｔｏｒｒとした
。シランの対水素ガス比をかえると成長速度は変化する
が、成長速度０．１〜１μ／ｍｉｎ程度の条件で膜質に
それほど差は無かった。

このとき酸化膜上にはシリコン成長はみられず選択成長
が起こっていることが確認された。

選択エピタキシャル成長したシリコンウェハの断面形状
を走査型電子顕微鏡で観察した。ファセットの形状及び
パターン周辺部での異常成長はみられず、マス多酸化膜
と選択エピタキシャル成長の表面は平坦なものが得られ
た。

積層欠陥を観察するために、通常のＷＲＩ　ＧＨＴエツ
チングを行なった。アンダーカットに起因すると考えら
れるパターンの中心部分での積層欠陥はみられなかった
。

選択成長したエピタキシャル膜部分の電子移動度を測定
した。燐を１０“”　／　ｃｎ？ドープしたものを用い
た。室温に置ける電子移動度は１７５０ｃｍ／Ｖ　−ｓ
ｅｃであり、バルクエピタキシャル膜に近いものが得ら
れた。

［発明の効果］ 以上に述べたように、本発明によれば、シリコン基板に
良質のシリコンエピタキシャル膜を基板外からの不純物
拡散や基板からの外方拡散の起こる温度よりはるかに低
い温度で高速度で製作することができ、またオートドー
ピングも殆ど完全に抑えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実行するためのＣＶＤ装置の一
実施例を示す概略図、第２図は本発明の方法による成長
温度プロファイルの一例を示す図である。 １・・・・・・・・・反応管、２・・・・・・・・・基
板、３・・・・・・・・バイパスライン、４・・・・・
・・・・フィールドスルー、５・・・・・・・・・ゲー
トバルブ、６・・・・・・・・圧力調整バルブ、７・・
・・・・バラトロン圧力計、８・・・・・・・・・高周
波誘導加熱装置、９・・・・・・・・・サセプタ、１０
・・・・・・・・オプチカルパイロメーター、１１・・
・・・・・・・基板交換機構兼サセプタ支持機構、１３
・・・・・・・・・熱電対温度計。 特許出願人　　　　クラリオン株式会社代理人　弁理士
　　永　１）武　三　部第１図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）高真空に排気された反応管中にシリコン基板を保
   持したのち、エピタキシャル膜成長温度に加熱した状態
   で、原料ガスを吹き付け支援用の水素ガスと共に、ガス
   ライン内の圧力と反応管内の圧力差を利用して、上記基
   板面上に吹き付けることにより、上記基板表面上に高速
   で原料ガスを供給し、かつ反応させる工程を有するシリ
   コン単結晶薄膜のエピタキシャル成長方法。
2. （２）原料ガスがシラン（ＳｉＨ＿４）であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のシリコン単結
   晶薄膜のエピタキシャル成長方法。
3. （３）原料ガスが上記基板がＳｉＨ＿２Ｃｌ＿２、Ｓｉ
   ＨＣｌ＿３もしくはＳｉＣｌ＿４であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載のシリコン単結晶薄膜
   のエピタキシャル成長方法。
4. （４）反応管内の所定の場所に設置されたシリコン基板
   上の所望の場所以外をマスク部材で覆い、高真空に排気
   された反応管中にシリコン基板を保持したのち、エピタ
   キシャル膜成長温度に加熱した状態で、原料ガスを吹き
   付け支援用の水素ガスと共に、ガスライン内の圧力と反
   応管内の圧力差を利用して、上記基板面上に吹き付ける
   ことにより、上記基板表面上に高速で原料ガスを供給し
   、かつ反応させることにより、マスク部材以外の所望の
   場所のみに選択的に成長させることを特徴とするエピタ
   キシャル成長方法。
5. （５）マスク部材が酸化珪素及び窒化珪素またはそれら
   の積層材であることを特徴とする特許請求の範囲第（４
   ）項に記載による成長方法。
6. （６）原料ガスがモノシラン（ＳｉＨ＿４）、ジクロル
   シラン（ＳｉＨ＿２Ｃｌ＿２）、トリクロルシラン（Ｓ
   ｉＨＣｌ＿３）もしくはテトラクロルシラン（ＳｉＣｌ
   ＿４）であることを特徴とする特許請求の範囲第（４）
   項記載の成長方法。
7. （７）化学気相成長装置（ＣＶＤ装置）において、原料
   ガスを輸送するキャリアガスの他に、原料ガスを基板上
   に吹き付けるための吹き付け支援用のガスラインを設け
   たことを特徴とする化学気相成長装置。
8. （８）特許請求の範囲第（７）項において、反応管内に
   流し込む原料ガス及び吹き付け支援用のガスの線速度を
   最適なエピタキシャル条件にするため、流量及び圧力調
   整を目的とした圧力及び流量調整ラインを反応管と並列
   に設置することを特徴とする化学気相成長装置。