JPH06196422A - 半導体結晶成長装置および成長法 - Google Patents
半導体結晶成長装置および成長法Info
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- JPH06196422A JPH06196422A JP35784792A JP35784792A JPH06196422A JP H06196422 A JPH06196422 A JP H06196422A JP 35784792 A JP35784792 A JP 35784792A JP 35784792 A JP35784792 A JP 35784792A JP H06196422 A JPH06196422 A JP H06196422A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 Ｓｉ単結晶の超高真空中エピタキシャル成長
において、実用的な成長速度と原子層レベルの膜厚制御
性を実現する。 【構成】 ジクロルシラン分解セルと還元ガス導入セル
を備え、ジクロルシランの分解により生成されるＳｉＣ
ｌ2をＳｉ原料ガスとする。ＳｉＣｌ2はシラン（ＳｉＨ
4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）よりも付着係数が高く、原
料供給効率が増大する。したがってＳｉＣｌ2と還元ガ
スを同時に供給することにより、Ｓｉの高成長速度が実
現される。さらにＳｉＣｌ2と還元性ガスを交互に供給
することにより、ＳｉＣｌ2吸着の自己停止機構を利用
した原子層レベルでの成長膜厚制御が可能となる。
において、実用的な成長速度と原子層レベルの膜厚制御
性を実現する。 【構成】 ジクロルシラン分解セルと還元ガス導入セル
を備え、ジクロルシランの分解により生成されるＳｉＣ
ｌ2をＳｉ原料ガスとする。ＳｉＣｌ2はシラン（ＳｉＨ
4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）よりも付着係数が高く、原
料供給効率が増大する。したがってＳｉＣｌ2と還元ガ
スを同時に供給することにより、Ｓｉの高成長速度が実
現される。さらにＳｉＣｌ2と還元性ガスを交互に供給
することにより、ＳｉＣｌ2吸着の自己停止機構を利用
した原子層レベルでの成長膜厚制御が可能となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体結晶、特にＳｉ
単結晶の成長装置および成長法に関するものである。
単結晶の成長装置および成長法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】メモリーに代表されるＳｉデバイスで
は、高速化および高集積化のため、個々のデバイスの微
細化が要求される。例えばバイポーラトランジスタで
は、従来０．２〜０．３μｍのベース層厚を持つデバイ
スが中心であったが、将来的にはベース層厚を０．１μ
ｍ以下にする必要がある。このような微細デバイスにお
いては急峻な不純物プロファイルの形成、プロセス中の
不純物拡散の抑制が重要となる。これらの要求を実現す
る手段として超高真空中の気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶ
Ｄ）が開発された（B.S.Meyerson, E.Ganin, D.A.Smith
and T.N.Nguyen, ジャーナル・オブ・エレクトロケミ
カル・ソサエティ，第133巻，1232ページ，1986年）。
ＵＨＶ−ＣＶＤはシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2
Ｈ6）を原料ガスとし、超高真空下で成長を行うもので
あり、６００℃程度の低温成長、および選択成長が可能
であるなどの特徴を有する。この成長法によれば、デバ
イスのドーピング層を低温成長で作り込むことができる
ため、不純物の拡散が抑制され急峻なドーピングプロフ
ァイルが得られる。また選択成長を利用し、セルフアラ
インプロセスが容易に実現される。
は、高速化および高集積化のため、個々のデバイスの微
細化が要求される。例えばバイポーラトランジスタで
は、従来０．２〜０．３μｍのベース層厚を持つデバイ
スが中心であったが、将来的にはベース層厚を０．１μ
ｍ以下にする必要がある。このような微細デバイスにお
いては急峻な不純物プロファイルの形成、プロセス中の
不純物拡散の抑制が重要となる。これらの要求を実現す
る手段として超高真空中の気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶ
Ｄ）が開発された（B.S.Meyerson, E.Ganin, D.A.Smith
and T.N.Nguyen, ジャーナル・オブ・エレクトロケミ
カル・ソサエティ，第133巻，1232ページ，1986年）。
ＵＨＶ−ＣＶＤはシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2
Ｈ6）を原料ガスとし、超高真空下で成長を行うもので
あり、６００℃程度の低温成長、および選択成長が可能
であるなどの特徴を有する。この成長法によれば、デバ
イスのドーピング層を低温成長で作り込むことができる
ため、不純物の拡散が抑制され急峻なドーピングプロフ
ァイルが得られる。また選択成長を利用し、セルフアラ
インプロセスが容易に実現される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】シランおよびジシラン
は基板表面で解離し、Ｓｉ原子となって成長に寄与す
る。しかしこれらのガスは表面での付着係数が小さく、
解離効率が悪いという問題点があった。このため供給し
た原料ガスの一部しか成長に寄与せず、原料利用効率が
極めて低い。付着係数を増すためにあらかじめ原料ガス
を分解させて基板上に供給することが考えられるが、分
解により生じるＳｉ原子の蒸気圧が低いため基板上に供
給することが困難であった。さらに選択成長が実現され
る成長条件が狭いなどの問題点もあった。本発明は、以
上述べたような従来の事情に対処してなされたもので、
Ｓｉ単結晶のＵＨＶ−ＣＶＤ成長において、実用的な成
長速度と原子層レベルの膜厚制御性を実現する半導体結
晶成長装置および成長法を提供することを目的とする。
は基板表面で解離し、Ｓｉ原子となって成長に寄与す
る。しかしこれらのガスは表面での付着係数が小さく、
解離効率が悪いという問題点があった。このため供給し
た原料ガスの一部しか成長に寄与せず、原料利用効率が
極めて低い。付着係数を増すためにあらかじめ原料ガス
を分解させて基板上に供給することが考えられるが、分
解により生じるＳｉ原子の蒸気圧が低いため基板上に供
給することが困難であった。さらに選択成長が実現され
る成長条件が狭いなどの問題点もあった。本発明は、以
上述べたような従来の事情に対処してなされたもので、
Ｓｉ単結晶のＵＨＶ−ＣＶＤ成長において、実用的な成
長速度と原子層レベルの膜厚制御性を実現する半導体結
晶成長装置および成長法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、真空排気手段
を備えた成長槽と、該成長槽にＳｉＣｌ2を導入するジ
クロルシラン分解セルと、前記成長槽に還元性気体を導
入する還元性気体導入セルとを備え、前記ジクロルシラ
ン分解セルは、ジクロルシランをセル内に導入するジク
ロルシラン導入管と、該導入管に接続し、ジクロルシラ
ンを熱分解する熱分解管とを備えてなることを特徴とす
る半導体結晶成長装置である。
を備えた成長槽と、該成長槽にＳｉＣｌ2を導入するジ
クロルシラン分解セルと、前記成長槽に還元性気体を導
入する還元性気体導入セルとを備え、前記ジクロルシラ
ン分解セルは、ジクロルシランをセル内に導入するジク
ロルシラン導入管と、該導入管に接続し、ジクロルシラ
ンを熱分解する熱分解管とを備えてなることを特徴とす
る半導体結晶成長装置である。
【０００５】また、該成長装置を用いたＳｉ単結晶成長
方法は、Ｓｉ単結晶の超高真空中エピタキシャル成長法
（ＵＨＶ−ＣＶＤ）であって、成長槽内の基板上にＳｉ
Ｃｌ2と還元性気体を同時に供給することを特徴とする
か、あるいはＳｉ単結晶の超高真空中エピタキシャル成
長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）であって、成長槽内の基板上に
ＳｉＣｌ2と還元性気体を交互に供給することを特徴と
する。
方法は、Ｓｉ単結晶の超高真空中エピタキシャル成長法
（ＵＨＶ−ＣＶＤ）であって、成長槽内の基板上にＳｉ
Ｃｌ2と還元性気体を同時に供給することを特徴とする
か、あるいはＳｉ単結晶の超高真空中エピタキシャル成
長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）であって、成長槽内の基板上に
ＳｉＣｌ2と還元性気体を交互に供給することを特徴と
する。
【０００６】
【作用】ＳｉＣｌ2分子は極性が強く、解離することな
く表面ダングリングボンドに吸着する。このためシラン
やジシランに比べ付着係数が高い。Ｃｌ原子は原子状水
素などの還元性気体により表面から脱離する。Ｃｌは原
子状水素によりＨＣｌとして容易に脱離することが報告
されており（C.C.Cheng, S.R.Lucas, H.Gutlebe,W.J.Ch
oyke and J.T.Yates.Jr, ジャーナル・オブ・アメリカ
ン・ケミカル・ソサエティ，第114巻，1249ページ，199
2年）、結果としてシランやジシランを原料としたＵＨ
Ｖ−ＣＶＤと比較して高成長速度が実現される。さら
に、ＳｉＣｌ2はジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）のク
ラッキングにより効率よく生成されるため、従来のＵＨ
Ｖ−ＣＶＤ成長装置との整合性にも優れている。還元性
の気体がない場合、Ｃｌは７００℃まで安定にＳｉ表面
に吸着する。Ｃｌ終端された表面に対してはＳｉＣｌ2
は吸着しないため、表面でのＳｉＣｌ2吸着量はＣｌ被
覆率が１分子層に達した時点で飽和する。したがって、
ＳｉＣｌ2と還元性気体を交互に供給することにより、
供給サイクルあたりの成長速度はＳｉＣｌ2供給量によ
らず飽和する。これにより、原子層レベルで成長を制御
することが可能となる。
く表面ダングリングボンドに吸着する。このためシラン
やジシランに比べ付着係数が高い。Ｃｌ原子は原子状水
素などの還元性気体により表面から脱離する。Ｃｌは原
子状水素によりＨＣｌとして容易に脱離することが報告
されており（C.C.Cheng, S.R.Lucas, H.Gutlebe,W.J.Ch
oyke and J.T.Yates.Jr, ジャーナル・オブ・アメリカ
ン・ケミカル・ソサエティ，第114巻，1249ページ，199
2年）、結果としてシランやジシランを原料としたＵＨ
Ｖ−ＣＶＤと比較して高成長速度が実現される。さら
に、ＳｉＣｌ2はジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）のク
ラッキングにより効率よく生成されるため、従来のＵＨ
Ｖ−ＣＶＤ成長装置との整合性にも優れている。還元性
の気体がない場合、Ｃｌは７００℃まで安定にＳｉ表面
に吸着する。Ｃｌ終端された表面に対してはＳｉＣｌ2
は吸着しないため、表面でのＳｉＣｌ2吸着量はＣｌ被
覆率が１分子層に達した時点で飽和する。したがって、
ＳｉＣｌ2と還元性気体を交互に供給することにより、
供給サイクルあたりの成長速度はＳｉＣｌ2供給量によ
らず飽和する。これにより、原子層レベルで成長を制御
することが可能となる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。図２は本発明によるジクロルシラン分解セルの構成
図である。ジクロルシランは導入管１０により分解セル
に導入され、タンタル製ヒーター１１により加熱された
熱分解管１２の中でＳｉＣｌ2とＨ2に分解する。熱分解
管１２はｐＢＮまたは石英製であり、分解効率を上げる
ためフィン１３が設けられている。図１は本発明による
半導体結晶成長装置の構成図である。ＳｉＣｌ2ガスは
ジクロルシラン分解セル２０により供給される。ジクロ
ルシランの流量は１〜１０ｓｃｃｍとした。還元性ガス
としてはＡｓＨ3または原子状水素を用いた。これらの
ガスは還元ガス供給セル２１より成長槽２２内に導入さ
れる。還元ガス供給セル２１では、加熱されたタングス
テンフィラメント２３により導入ガスが活性化される。
還元性ガスの流量は１０〜２０ｓｃｃｍとした。Ｓｉ
（１００）基板２４はヒーター２５によって成長温度６
００℃に加熱される。成長槽２２は排気速度１０００ｌ
／sのターボ分子ポンプ２６により排気される。成長槽
２２のバックグラウンド圧力は１０-9Ｔｏｒｒ以下であ
る。
る。図２は本発明によるジクロルシラン分解セルの構成
図である。ジクロルシランは導入管１０により分解セル
に導入され、タンタル製ヒーター１１により加熱された
熱分解管１２の中でＳｉＣｌ2とＨ2に分解する。熱分解
管１２はｐＢＮまたは石英製であり、分解効率を上げる
ためフィン１３が設けられている。図１は本発明による
半導体結晶成長装置の構成図である。ＳｉＣｌ2ガスは
ジクロルシラン分解セル２０により供給される。ジクロ
ルシランの流量は１〜１０ｓｃｃｍとした。還元性ガス
としてはＡｓＨ3または原子状水素を用いた。これらの
ガスは還元ガス供給セル２１より成長槽２２内に導入さ
れる。還元ガス供給セル２１では、加熱されたタングス
テンフィラメント２３により導入ガスが活性化される。
還元性ガスの流量は１０〜２０ｓｃｃｍとした。Ｓｉ
（１００）基板２４はヒーター２５によって成長温度６
００℃に加熱される。成長槽２２は排気速度１０００ｌ
／sのターボ分子ポンプ２６により排気される。成長槽
２２のバックグラウンド圧力は１０-9Ｔｏｒｒ以下であ
る。
【０００８】図３に、ＳｉＣｌ2と水素を同時に基板上
に供給したときの成長速度のジクロルシラン分解セル温
度依存性を示す。基板温度は６００℃、分解セルに供給
するジクロルシラン流量および水素ガス流量はそれぞれ
５ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍとした。この図より分解セル
温度を８００℃とすることにより、セル温度が室温の時
と比較し１０倍のＳｉ成長速度が実現されることがわか
る。還元性ガスとして水素ガスの代わりにＡｓＨ3を用
いたときも、水素ガスの場合と同様に成長速度の増大が
観察された。比較のため、同じ装置を用いジクロルシラ
ンの代わりにシランを原料とした成長を行った。成長は
ジクロルシランを用いたときと同じ条件で行い、ジクロ
ルシラン分解セルの温度は室温とした。このときのＳｉ
成長速度は、分解セル温度を８００℃としたときのジク
ロルシランによる成長速度の１／１０以下であった。し
たがって、本発明によりシランを原料としたＵＨＶ−Ｃ
ＶＤよりも高い成長速度が得られることが明らかとなっ
た。またＳｉ（１００）上にＳｉＯ2を堆積した基板を
用いた場合、上記成長条件においてジクロルシラン流量
によらずＳｉの堆積はみられなかった。したがって本発
明によるＳｉ成長では選択成長が実現されることが明ら
かとなった。
に供給したときの成長速度のジクロルシラン分解セル温
度依存性を示す。基板温度は６００℃、分解セルに供給
するジクロルシラン流量および水素ガス流量はそれぞれ
５ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍとした。この図より分解セル
温度を８００℃とすることにより、セル温度が室温の時
と比較し１０倍のＳｉ成長速度が実現されることがわか
る。還元性ガスとして水素ガスの代わりにＡｓＨ3を用
いたときも、水素ガスの場合と同様に成長速度の増大が
観察された。比較のため、同じ装置を用いジクロルシラ
ンの代わりにシランを原料とした成長を行った。成長は
ジクロルシランを用いたときと同じ条件で行い、ジクロ
ルシラン分解セルの温度は室温とした。このときのＳｉ
成長速度は、分解セル温度を８００℃としたときのジク
ロルシランによる成長速度の１／１０以下であった。し
たがって、本発明によりシランを原料としたＵＨＶ−Ｃ
ＶＤよりも高い成長速度が得られることが明らかとなっ
た。またＳｉ（１００）上にＳｉＯ2を堆積した基板を
用いた場合、上記成長条件においてジクロルシラン流量
によらずＳｉの堆積はみられなかった。したがって本発
明によるＳｉ成長では選択成長が実現されることが明ら
かとなった。
【０００９】図４はＳｉＣｌ2と水素を交互に基板上に
供給したときの、ジクロルシラン供給時間と成長速度と
の関係を示す図である。基板温度は６００℃、ジクロル
シラン分解セル温度は８００℃、分解セルに供給するジ
クロルシラン流量および水素ガス流量はそれぞれ５ｓｃ
ｃｍ、１０ｓｃｃｍとした。この図よりジクロルシラン
供給時間が４秒以上では、成長速度は１サイクルあたり
０．５原子層で飽和することがわかる。この現象は次の
ように理解される。即ち、ＳｉＣｌ2はＳｉ表面でＳｉ
ＣｌとＣｌに解離吸着することが知られており、解離し
たＣｌは基板のＳｉとＳｉ−Ｃｌ結合を形成する。これ
らのＳｉ−Ｃｌ結合は極めて安定であり、またＣｌ終端
された表面にはＳｉＣｌ2は吸着しない。したがってＳ
ｉ表面にＳｉＣｌ2を供給した場合、０．５原子層分の
ＳｉＣｌ2吸着により表面は全てＣｌで被覆される。こ
の後還元性ガスが供給されると、表面のＣｌが脱離し、
結果としてＳｉＣｌ2流量によらず０．５原子層分のＳ
ｉが堆積する。この現象を利用すれば、原料供給量によ
らず原子層レベルでＳｉの膜厚を制御することが可能と
なり、大面積基板に対し高均一成長が実現される。
供給したときの、ジクロルシラン供給時間と成長速度と
の関係を示す図である。基板温度は６００℃、ジクロル
シラン分解セル温度は８００℃、分解セルに供給するジ
クロルシラン流量および水素ガス流量はそれぞれ５ｓｃ
ｃｍ、１０ｓｃｃｍとした。この図よりジクロルシラン
供給時間が４秒以上では、成長速度は１サイクルあたり
０．５原子層で飽和することがわかる。この現象は次の
ように理解される。即ち、ＳｉＣｌ2はＳｉ表面でＳｉ
ＣｌとＣｌに解離吸着することが知られており、解離し
たＣｌは基板のＳｉとＳｉ−Ｃｌ結合を形成する。これ
らのＳｉ−Ｃｌ結合は極めて安定であり、またＣｌ終端
された表面にはＳｉＣｌ2は吸着しない。したがってＳ
ｉ表面にＳｉＣｌ2を供給した場合、０．５原子層分の
ＳｉＣｌ2吸着により表面は全てＣｌで被覆される。こ
の後還元性ガスが供給されると、表面のＣｌが脱離し、
結果としてＳｉＣｌ2流量によらず０．５原子層分のＳ
ｉが堆積する。この現象を利用すれば、原料供給量によ
らず原子層レベルでＳｉの膜厚を制御することが可能と
なり、大面積基板に対し高均一成長が実現される。
【００１０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＵＨＶ−ＣＶＤによるＳｉ成長において高成長速度が実
現される。また広い成長条件範囲で選択成長が可能であ
ることが明らかとなった。また、ＳｉＣｌ2と還元性ガ
スを交互に供給した場合、成長速度はＳｉＣｌ2流量に
よらず供給サイクルのみに依存する現象が観察され、こ
れにより、大面積基板に対し原子層レベルで膜厚制御が
可能である。
ＵＨＶ−ＣＶＤによるＳｉ成長において高成長速度が実
現される。また広い成長条件範囲で選択成長が可能であ
ることが明らかとなった。また、ＳｉＣｌ2と還元性ガ
スを交互に供給した場合、成長速度はＳｉＣｌ2流量に
よらず供給サイクルのみに依存する現象が観察され、こ
れにより、大面積基板に対し原子層レベルで膜厚制御が
可能である。
【図１】本発明による半導体結晶成長装置の構成図であ
る。
る。
【図２】本発明によるジクロルシラン分解セルの構成図
である。
である。
【図３】ジクロルシラン分解セル温度と成長速度との関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図４】ジクロルシランの供給時間と成長速度との関係
を示す図である。
を示す図である。
１０ 導入管 １１ タンタルヒーター １２ 熱分解管 １３ フィン ２０ ジクロルシラン分解セル ２１ 還元ガス供給セル ２２ 成長槽 ２３ タングステンフィラメント ２４ Ｓｉ（１００）基板 ２５ ヒーター ２６ ターボ分子ポンプ
Claims (3)
- 【請求項１】 真空排気手段を備えた成長槽と、該成長
槽にＳｉＣｌ2を導入するジクロルシラン分解セルと、
前記成長槽に還元性気体を導入する還元性気体導入セル
とを備え、前記ジクロルシラン分解セルは、ジクロルシ
ランをセル内に導入するジクロルシラン導入管と、該導
入管に接続し、ジクロルシランを熱分解する熱分解管と
を備えてなることを特徴とする半導体結晶成長装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載した半導体結晶成長装置
を用いたＳｉ単結晶の超高真空中エピタキシャル成長法
（ＵＨＶ−ＣＶＤ）であって、成長槽内の基板上にＳｉ
Ｃｌ2と還元性気体を同時に供給することを特徴とする
Ｓｉ単結晶成長方法。 - 【請求項３】 請求項１に記載した半導体結晶成長装置
を用いたＳｉ単結晶の超高真空中エピタキシャル成長法
（ＵＨＶ−ＣＶＤ）であって、成長槽内の基板上にＳｉ
Ｃｌ2と還元性気体を交互に供給することを特徴とする
Ｓｉ単結晶成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35784792A JPH06196422A (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 半導体結晶成長装置および成長法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35784792A JPH06196422A (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 半導体結晶成長装置および成長法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06196422A true JPH06196422A (ja) | 1994-07-15 |
Family
ID=18456233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35784792A Pending JPH06196422A (ja) | 1992-12-25 | 1992-12-25 | 半導体結晶成長装置および成長法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06196422A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09190979A (ja) * | 1996-01-10 | 1997-07-22 | Nec Corp | 選択シリコンエピタキシャル成長方法及び成長装置 |
| US6540509B2 (en) | 2000-05-31 | 2003-04-01 | Tokyo Electron Limited | Heat treatment system and method |
| JP2009505419A (ja) * | 2005-08-18 | 2009-02-05 | 東京エレクトロン株式会社 | Ｓｉ含有膜を成膜する連続的成膜処理方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6041047A (ja) * | 1983-08-16 | 1985-03-04 | Canon Inc | 堆積膜形成法 |
| JPS63125679A (ja) * | 1987-05-30 | 1988-05-28 | Canon Inc | 堆積膜形成法 |
| JPH0360917A (ja) * | 1989-07-28 | 1991-03-15 | Aichi Steel Works Ltd | 線材皮むき方法 |
-
1992
- 1992-12-25 JP JP35784792A patent/JPH06196422A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6041047A (ja) * | 1983-08-16 | 1985-03-04 | Canon Inc | 堆積膜形成法 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09190979A (ja) * | 1996-01-10 | 1997-07-22 | Nec Corp | 選択シリコンエピタキシャル成長方法及び成長装置 |
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| JP2009505419A (ja) * | 2005-08-18 | 2009-02-05 | 東京エレクトロン株式会社 | Ｓｉ含有膜を成膜する連続的成膜処理方法 |
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