JP2010226136A - Method of manufacturing semiconductor thin film - Google Patents

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良幸 須田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a semiconductor single-crystal thin film formed of a high quality group-IV element, and a semiconductor polycrystalline thin film, using the advantage of a sputtering method having high material utilization efficiency, large area responsiveness, and high safety. <P>SOLUTION: It is important to use a mixed sputtering gas of a noble gas and hydrogen, lower the achieved lowest pressure of a vacuum vessel to an ultra-high vacuum region that is lower than 1×10<SP>-7</SP>Torr, carry out sputtering using a magnetron system, maintain the pressure of a sputtering gun including a sputtering target lower than 1×10<SP>-7</SP>Torr when a sputtering gas is not run between sputtering film formation processes, and always maintain the purity of the sputtering target at high purity. Only through the combination of them, they function complementarily, the purity of the sputtering target is always maintained at high purity, the amount of mixture of oxygen into a deposited thin film is set equal to or lower than the limit of detection, damages and etching effect on the deposited thin film are prevented, and a high-quality and high-purity group-IV semiconductor crystal at practical level can be formed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、単結晶または多結晶の半導体薄膜製造装置および方法に関するものである。さらに本発明は、原料固体材料のスパッタターゲットをスパッタして作製する方法を用いた新しい4族系の単結晶または多結晶の半導体薄膜製造装置およびその方法に関するものである。   The present invention relates to a single-crystal or polycrystalline semiconductor thin film manufacturing apparatus and method. Furthermore, the present invention relates to a new Group 4 single crystal or polycrystalline semiconductor thin film manufacturing apparatus and method using a method of sputtering a raw material solid material sputtering target.

4族系半導体としては、Si、Ge、Cの結晶、およびSi1-xGex、Si1-yy、Si1-x-yGexyなどの4族元素からなる混晶(混合結晶)がある。ここで、x、yは混合される元素の割合で、組成比と呼ばれ、それぞれ、100x、100y%であることを意味する。これらの半導体の薄膜を単結晶基板に形成した場合には、基板全体に渡る1つの大きな単結晶(単一結晶)薄膜に、また、ガラス基板に形成した場合には、基板が非結晶であるため小さな結晶(グレイン)が集まった多結晶薄膜になる。 The Group 4 based semiconductor, Si, Ge, crystals of C, and Si 1-x Ge x, Si 1-y C y, consists of 4 group elements such as Si 1-xy Ge x C y mixed crystal (mixed crystal ) Here, x and y are ratios of elements to be mixed, which are called composition ratios and mean 100x and 100y%, respectively. When these semiconductor thin films are formed on a single crystal substrate, the substrate is amorphous when formed on one large single crystal (single crystal) thin film over the entire substrate or on a glass substrate. Therefore, it becomes a polycrystalline thin film in which small crystals (grains) are gathered.

Si単結晶は現在のLSI(大規模集積回路)を構成する中心的半導体材料である。しかし、半導体の伝導を担うキャリアである電子や正孔の速度がより速いSi1-xGex、Si1-x-yGexyなどの混晶の単結晶も多く用いられるようになった。ガラスに形成するフラットパネルディスプレイ(FPD)の駆動用のトランジスタおよび周辺回路のトランジスタには多結晶のSi或いは非晶質(アモルファス)のSiが用いられている。このFPDのトランジスタにキャリアの速度の早い多結晶体の混晶を利用することも期待される。 Si single crystal is a central semiconductor material constituting the present LSI (Large Scale Integrated Circuit). However, became semiconductor is a carrier responsible for conduction electrons and speed of the holes faster Si 1-x Ge x, Si 1-xy Ge x C y as used many single crystals of mixed crystal, such as. Polycrystalline Si or amorphous Si is used for a transistor for driving a flat panel display (FPD) formed on glass and a transistor for a peripheral circuit. It is expected that a mixed crystal of a polycrystalline body having a high carrier speed is used for the FPD transistor.

これらの半導体薄膜を形成するために通常用いられる第1の方法は、原料にこれらの元素を含むガスを用いて、このガスを被堆積基板上で熱分解して、その元素を含む半導体薄膜を形成する方法である。例えば、Si薄膜はSiH4を基板上で熱分解することで、また、Si1-xGex薄膜は、SiH4、GeH4のガスを基板上で同時に熱分解することで得られる。このとき、不要のH4=2H2は基板から脱離する。この原理を用いる方法として、化学気相成長(CVD)法やガスソース分子線エピタキシー(GSMBE)法がある。 The first method usually used for forming these semiconductor thin films is to use a gas containing these elements as a raw material, thermally decompose this gas on the substrate to be deposited, and form a semiconductor thin film containing these elements. It is a method of forming. For example, the Si thin film can be obtained by thermally decomposing SiH 4 on the substrate, and the Si 1-x Ge x thin film can be obtained by simultaneously pyrolyzing SiH 4 and GeH 4 gases on the substrate. At this time, unnecessary H 4 = 2H 2 is desorbed from the substrate. Methods using this principle include chemical vapor deposition (CVD) and gas source molecular beam epitaxy (GSMBE).

第2の方法は、固体原料を溶融してその蒸気を被堆積基板に堆積して薄膜を形成する方法である。例えば、Si1-xGex薄膜は固体Siと固体Geを小さなルツボ中で溶融して、ルツボから出る蒸気を同時に被堆積基板に堆積して薄膜を形成する。この原理を用いる方法として、固体ソース分子線エピタキシー(SSMBE)法がある。 The second method is a method of forming a thin film by melting a solid material and depositing the vapor on a deposition target substrate. For example, in the Si 1-x Ge x thin film, solid Si and solid Ge are melted in a small crucible, and vapor emitted from the crucible is simultaneously deposited on a deposition target substrate to form a thin film. As a method using this principle, there is a solid source molecular beam epitaxy (SSMBE) method.

第3の方法としてスパッタ法がある。この方法は、原料となる固体材料に希ガスのイオンを加速して照射することで、固体材料が物理的に前記イオンによりスパッタされ、スパッタされて固体材料から飛び出した原料原子を、対向して設置された基板上に堆積させて半導体薄膜を形成する方法である。スパッタに用いるガスをスパッタガス、また、スパッタされる固体材料をスパッタターゲットと呼ぶ。   As a third method, there is a sputtering method. In this method, a solid material that is a raw material is accelerated and irradiated with ions of a rare gas so that the solid material is physically sputtered by the ions, and the raw material atoms sputtered out of the solid material are opposed to each other. This is a method of forming a semiconductor thin film by depositing on an installed substrate. A gas used for sputtering is called a sputtering gas, and a solid material to be sputtered is called a sputtering target.

原料にガスを用いる上記第1の方法は、反応容器内を通るガスの内、基板に堆積するガスの割合が低く、原料の利用効率が通常数%以下と低い。また、固体材料を溶融する上記第2の方法は、通常溶かす範囲が狭く、蒸気の発生源が狭くなるため、大面積基板に均一に薄膜を形成するのが難しい。
上記第3の方法であるスパッタ法は、スパッタターゲットを大きくできるため、大面積成膜が可能である。また、スパッタされた原子を対向する基板に付着させるため、原料原子をスパッタターゲットから基板に転写した状況に近く、原料の利用効率が大変高い。また、原料ガスは毒性があるが、スパッタ法は安全性が高く、毒性ガスの処理装置や安全装置が不要で取り扱いが容易であるなどの大きな利点がある。
スパッタ法は主に絶縁体や金属などの多結晶薄膜や非晶質薄膜の作成に用いられている。
In the first method using a gas as a raw material, the ratio of the gas deposited on the substrate in the gas passing through the reaction vessel is low, and the utilization efficiency of the raw material is usually as low as several percent or less. In the second method for melting a solid material, the melting range is usually narrow and the vapor generation source is narrow, so that it is difficult to form a thin film uniformly on a large-area substrate.
The sputtering method, which is the third method, can increase the sputtering target, and can form a film with a large area. Further, since the sputtered atoms are attached to the opposing substrate, the raw material atoms are transferred from the sputter target to the substrate, and the utilization efficiency of the raw material is very high. In addition, although the source gas is toxic, the sputtering method has high advantages such as high safety, and no toxic gas processing device or safety device is required and handling is easy.
Sputtering is mainly used to produce polycrystalline thin films such as insulators and metals, and amorphous thin films.

スパッタターゲットをスパッタするためにスパッタガスをイオン化する方式としては、主に、スパッタターゲットと基板間に直流(DC)電圧を印加してスパッタガスを放電するDC方式、スパッタターゲットと基板間に高周波数(RF)の交流電圧を印加してスパッタガスを放電するRF方式、スパッタターゲットの裏面側に磁石を設けて、スパッタターゲット近傍に磁場を少なくともその一部が前記スパッタターゲットと平行になるように印加し(マグネトロン方式)且つスパッタターゲットと基板間に直流電圧を印加したDCマグネトロン方式、マグネトロン方式に高周波数の交流電圧を印加したRFマグネトロン方式の4つに分かれる。   As a method of ionizing the sputtering gas for sputtering the sputtering target, a DC method in which a direct current (DC) voltage is applied between the sputtering target and the substrate to discharge the sputtering gas, and a high frequency between the sputtering target and the substrate is used. An RF method that discharges sputtering gas by applying (RF) AC voltage, a magnet is provided on the back side of the sputtering target, and a magnetic field is applied in the vicinity of the sputtering target so that at least a part thereof is parallel to the sputtering target. The magnetron system is divided into a DC magnetron system in which a DC voltage is applied between the sputtering target and the substrate, and an RF magnetron system in which a high-frequency AC voltage is applied to the magnetron system.

スパッタは真空の反応容器(チャンバー)内で行う。反応容器内の到達最低圧力を1×10-8Torr程度以下とし、スパッタガスにArを用い、被堆積基板の温度を550℃前後にしてスパッタすることで、Siの単結晶が得られる技術がある(特許文献1参照)。 Sputtering is performed in a vacuum reaction vessel (chamber). There is a technique in which a single crystal of Si can be obtained by setting the minimum pressure in the reaction vessel to about 1 × 10 −8 Torr or less, using Ar as a sputtering gas, and performing sputtering at a deposition substrate temperature of around 550 ° C. Yes (see Patent Document 1).

しかし、到達最低圧力程度の酸素やH2Oなどの不要ガスが残留すると、高い純度の結晶薄膜が得られない。例えば、不純物の混入を抑制しようとして、到達最低圧力を1×10-8Torr未満の超高真空(UHV)領域に下げて、さらに、スパッタ成膜時に導入するスパッタガスとして高い純度のArを流しても、結晶界面や結晶表面に10-19/cm2から10-20/cm2程度の高い酸素濃度が残存し、高い品質の結晶が得られない(非特許文献1参照)。このような理由で、特許文献1の方法では不純物混入が避けられず、実用的な4族系の単結晶半導体薄膜製造方法としては実用化に至っていない。 However, if unnecessary gases such as oxygen and H 2 O at the lowest possible pressure remain, a high-purity crystal thin film cannot be obtained. For example, in order to suppress mixing of impurities, the ultimate pressure is lowered to an ultra-high vacuum (UHV) region of less than 1 × 10 −8 Torr, and furthermore, high-purity Ar is flowed as a sputtering gas introduced during sputtering film formation. However, a high oxygen concentration of about 10 −19 / cm 2 to 10 −20 / cm 2 remains at the crystal interface or the crystal surface, and high quality crystals cannot be obtained (see Non-Patent Document 1). For these reasons, the method of Patent Document 1 cannot avoid mixing impurities, and has not been put to practical use as a practical Group 4 single crystal semiconductor thin film manufacturing method.

そこで、結晶の純度を下げる要因である酸素を除去する方法として、スパッタガスとして水素をArガスに加えることが検討された。
到達最低圧力が1x10-7Torrの真空容器を用いて、スパッタガスとしてArに水素を53%加えたところ、非晶質になることが報告された(非特許文献2参照)。
Therefore, as a method for removing oxygen, which is a factor that lowers the purity of crystals, it has been studied to add hydrogen as a sputtering gas to Ar gas.
It was reported that when 53% of hydrogen was added to Ar as a sputtering gas using a vacuum vessel having a minimum ultimate pressure of 1 × 10 −7 Torr (see Non-Patent Document 2).

また、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ装置を用いて、スパッタガスに水素を加えた例があるが、この場合、水素による基板のエッチング効果が見られ、形成される薄膜の結晶品質が低下することが報告された(非特許文献3参照)。したがって、一般的に、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ装置を用い、スパッタガスへ水素を混入する方法は、半導体薄膜の結晶品質を高める方法とは考えられていない。   In addition, there is an example in which hydrogen is added to the sputtering gas using an electron cyclotron resonance (ECR) plasma apparatus. In this case, the etching effect of the substrate by hydrogen is seen, and the crystal quality of the formed thin film is deteriorated. Has been reported (see Non-Patent Document 3). Therefore, in general, a method of using an electron cyclotron resonance (ECR) plasma apparatus and mixing hydrogen into a sputtering gas is not considered as a method of improving the crystal quality of a semiconductor thin film.

また、マグネトロンスパッタ装置にシリコンターゲットと基板を配置し、水素ガスとArガスの混合ガス(ただし水素ガスの含有量が90%以上)をスパッタガスとして、基板上にシリコン薄膜を形成する技術が開示されている(特許文献2参照)。特許文献2記載の技術では、ガラス上に多結晶シリコン薄膜を形成することは可能であるが、ArにH2を53%加えた前述の例のように水素ガスの混合比率が90%以上と高いので、水素ガスによるエッチングや非晶質化が問題となり、単結晶薄膜の形成には不向きである。 Also disclosed is a technique in which a silicon target and a substrate are arranged in a magnetron sputtering apparatus, and a silicon thin film is formed on the substrate using a mixed gas of hydrogen gas and Ar gas (however, the hydrogen gas content is 90% or more) as a sputtering gas. (See Patent Document 2). With the technique described in Patent Document 2, it is possible to form a polycrystalline silicon thin film on glass, but the mixing ratio of hydrogen gas is 90% or more as in the above example in which 53% of H 2 is added to Ar. Since it is high, etching with hydrogen gas and amorphization become problems, and it is not suitable for forming a single crystal thin film.

スパッタガスとして水素を混入する方法は、従来非晶質半導体薄膜を形成するのに用いられてきた。被堆積基板温度を400℃以下に下げてスパッタすると、結晶化のための熱エネルギーが不足して堆積膜の結晶化駆動力が下がり、堆積膜は非晶質化しやすい。非晶質化すると、原子同士の結合が切れて原子に未結合手(ダングリングボンド)が発生し、非晶質膜の電気的特性を悪化する。この未結合手に水素を結合させると結果的にこの未結合手が消失するために非晶質膜の電気的特性が向上する。例えば、水素を未結合手に結合させた非晶質Siは水素化非晶質Siと呼ばれる。
よって、スパッタガスとして混入される水素は、水素化非晶質Siの成膜に用いられる。被堆積基板温度を400℃以下に下げて、水素を混入したスパッタガスを用いてスパッタすることで、水素が堆積膜中に混入している水素化非晶質Siが得られる技術もある(特許文献3参照)。
A method of mixing hydrogen as a sputtering gas has been used to form an amorphous semiconductor thin film. When sputtering is performed by lowering the deposition substrate temperature to 400 ° C. or lower, the thermal energy for crystallization is insufficient, the crystallization driving force of the deposited film is lowered, and the deposited film is likely to be amorphous. When it is made amorphous, bonds between atoms are broken and dangling bonds are generated in the atoms, which deteriorates the electrical characteristics of the amorphous film. When hydrogen is bonded to the dangling bonds, the dangling bonds disappear as a result, so that the electrical characteristics of the amorphous film are improved. For example, amorphous Si in which hydrogen is bonded to dangling hands is called hydrogenated amorphous Si.
Therefore, hydrogen mixed as a sputtering gas is used for film formation of hydrogenated amorphous Si. There is also a technology in which hydrogenated amorphous Si in which hydrogen is mixed in a deposited film can be obtained by lowering the deposition substrate temperature to 400 ° C. or lower and sputtering using a sputtering gas mixed with hydrogen (patent) Reference 3).

一方、単結晶や多結晶の4族系半導体薄膜をスパッタで形成する場合、一般的に、スパッタガスに水素を混入すると、堆積膜のエッチングや非晶質化が生じ、半導体薄膜の結晶品質を高める方法とは考えられていない。   On the other hand, when a single crystal or polycrystal group 4 semiconductor thin film is formed by sputtering, generally, when hydrogen is mixed into the sputtering gas, the deposited film is etched or amorphized, and the crystal quality of the semiconductor thin film is reduced. It is not considered a way to increase.

また、Si1-xGexなどの混晶をxの値と異なる組成比yを持つSi1-yGey上に形成する場合(yは0の値を含み、y=0の場合はSiを意味する)、組成比が異なると原子間隔(格子定数)が異なるので、2つの層の間(界面)に、或いはSi基板と堆積膜との間に欠陥が発生し、堆積膜の結晶性が悪化する。このような現象は680℃以上で見られる。 Further, when a mixed crystal such as Si 1-x Ge x is formed on Si 1-y Ge y having a composition ratio y different from the value of x (y includes a value of 0, and when y = 0, Si If the composition ratio is different, the atomic spacing (lattice constant) is different, so that defects occur between the two layers (interface) or between the Si substrate and the deposited film, and the crystallinity of the deposited film Gets worse. Such a phenomenon is seen at 680 ° C. or higher.

また、スパッタ法で基板に堆積する場合、堆積する前に被堆積基板の表面の清浄化を行う必要がある。清浄化は、被堆積基板表面をイオンで照射して物理的に表面の不純物を除去するという逆スパッタ法(スパッタターゲットをイオン照射、即ちスパッタするという成膜時のスパッタとはスパッタする対象が逆である)を行なうことが一般的である。   In addition, when depositing on a substrate by sputtering, it is necessary to clean the surface of the substrate to be deposited before deposition. Cleaning is performed by a reverse sputtering method in which impurities on the surface are physically removed by irradiating the surface of the substrate to be deposited (the target to be sputtered is opposite to the sputtering during film formation in which the sputtering target is irradiated with ions, that is, sputtering). Is generally performed.

熱アニールにより被堆積基板表面の清浄化する方法もある。900℃以上の高温で熱アニールすると不純物が効果的に表面から離脱し、かつ熱による表面Si原子の泳動で、基板表面がフラットになる。
しかしこれは、熱アニールする容器内で、残留酸素および残留H2Oを的確に除去する必要がある。残留ガスがあれば基板表面と反応してしまい、表面の清浄化ができなくなってしまう。
そのため、これまでのスパッタ装置には、900℃以上のアニール機構を具備していないことが一般的であった。
There is also a method of cleaning the surface of the substrate to be deposited by thermal annealing. When thermal annealing is performed at a high temperature of 900 ° C. or higher, impurities are effectively detached from the surface, and the surface of the substrate becomes flat by migration of surface Si atoms by heat.
However, this requires accurate removal of residual oxygen and residual H 2 O in a vessel that undergoes thermal annealing. If there is a residual gas, it reacts with the substrate surface and the surface cannot be cleaned.
For this reason, it has been common for conventional sputtering apparatuses not to have an annealing mechanism at 900 ° C. or higher.

また、反応容器の圧力を1×10-7Torr未満に保つためには、常に反応容器を排気し続ける必要がある。スパッタガスの排気には、スパッタガスの排気に適した、排気原理に回転機構を用いた排気装置で排気する系を具備して排気する。この排気装置の例としてターボ分子ポンプがある。
しかし、スパッタガスを排気し続けると、回転機構を用いた排気装置内にガスが付着し、スパッタガスを流していないときの到達最小圧力が上昇するという問題が生じる。特に、スパッタターゲットの表面の物質が被堆積基板に転写されるので、スパッタターゲットの表面の清浄度が維持できなくなると、堆積される結晶品質に直接大きな影響を与えることになる。
Further, in order to keep the pressure in the reaction vessel below 1 × 10 −7 Torr, it is necessary to continuously exhaust the reaction vessel. The sputtering gas is exhausted with a system that is suitable for exhausting the sputtering gas and is exhausted by an exhaust device using a rotation mechanism based on the exhaust principle. An example of the exhaust device is a turbo molecular pump.
However, if the sputtering gas is continuously exhausted, the gas adheres to the exhaust device using the rotation mechanism, and there is a problem that the ultimate pressure when the sputtering gas is not flowing increases. In particular, since the material on the surface of the sputter target is transferred to the deposition target substrate, if the cleanliness of the surface of the sputter target cannot be maintained, the quality of the deposited crystal is directly affected.

特許公報第2758948号Japanese Patent Publication No. 2758948 特開平3−162565号公報JP-A-3-162565 特開平6−053137号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-053137

T.Ohmi,K.Hashimoto,M.Morita,T.Shibata,“Journal of Applied Phisics”,1991,69巻、p.2062−2071T. T. et al. Ohmi, K .; Hashimoto, M .; Morita, T .; Shibata, “Journal of Applied Phisics”, 1991, 69, p. 2062-2071 G.F.Feng,M.Katiyar,N.Maley,J.R.Abelson,“Physics Letter”,1991,59巻,p.330−332G. F. Feng, M .; Katiyar, N .; Maley, J .; R. Abelson, “Physics Letter”, 1991, 59, p. 330-332 皆森雅文、佐々木公洋、畑朋延,「ECRアシストRFスパッタリングによるSiの低温エピキシャル成長」,第62回応用物理学会学術講演会講演予稿集,第62回応用物理学会学術講演会講演予稿集,社団法人 応用物理学会,2001年9月11日,No.2,p.682Masafumi Minamori, Kimihiro Sasaki, Yasunobu Hata, “Low-temperature epitaxial growth of Si by ECR-assisted RF sputtering”, Proceedings of the 62nd JSAP Scientific Lecture, Proceedings of the 62nd JSAP Scientific Lecture, Japan Society of Applied Physics, September 11, 2001, No. 2, p. 682

上述したように、精緻な原子的配列を必要とする単結晶半導体薄膜、特に4族系半導体単結晶薄膜(エピタキシー成長とも呼ばれる)をスパッタ法で形成した報告は少なく、実用的品質を十分に得るに至っていない。   As described above, there are few reports on the formation of single crystal semiconductor thin films that require precise atomic arrangement, especially group 4 semiconductor single crystal thin films (also called epitaxy growth) by sputtering, and sufficient practical quality is obtained. It has not reached.

本発明は、高い原料利用効率、大面積対応、高い安全性を具備したスパッタ法の利点を生かし、高い品質の4族元素からなる半導体単結晶薄膜、および半導体多結晶薄膜を形成する半導体薄膜製造装置および方法を提供することを目的とする。   The present invention makes use of the advantages of a sputtering method having high raw material utilization efficiency, large area correspondence, and high safety, and manufactures a semiconductor single crystal thin film composed of a high-quality group 4 element and a semiconductor thin film forming a semiconductor polycrystalline thin film An object is to provide an apparatus and method.

上記した目的を達成するために、請求項1記載の半導体薄膜製造装置は、単結晶又は多結晶薄膜を形成する半導体薄膜製造装置において、反応容器と、前記反応容器内の圧力を常に1×10-7Torr未満に設定する第1の圧力設定手段と、前記圧力設定手段で設定された反応容器内の圧力を保ったまま、前記反応容器内に載置された基板を400度より大きく680度までの間の温度に加熱する加熱手段と、希ガスと水素ガスを含む混合気体を前記反応容器内に導入する導入手段と、前記導入手段により導入された混合気体をスパッタガスとして、前記加熱手段で加熱された基板に、4属元素を含むスパッタターゲットをマグネトロン方式によりスパッタするスパッタ手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor thin film manufacturing apparatus according to claim 1 is a semiconductor thin film manufacturing apparatus for forming a single crystal or polycrystalline thin film, and the reaction container and the pressure in the reaction container are always set to 1 × 10. -7 with the first pressure setting means set to less than -7 Torr and the substrate placed in the reaction vessel maintained at a pressure in the reaction vessel set by the pressure setting means greater than 400 degrees and 680 degrees Heating means for heating to a temperature up to, introduction means for introducing a mixed gas containing a rare gas and hydrogen gas into the reaction vessel, and the heating means using the mixed gas introduced by the introduction means as a sputtering gas And a sputtering means for sputtering a sputtering target containing a Group 4 element by a magnetron method on the substrate heated in step (1).

請求項2記載の発明は、請求項1記載の半導体薄膜製造装置において、前記導入手段により導入する混合気体の水素ガスの含有量は30%以下であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the first aspect, the hydrogen gas content of the mixed gas introduced by the introducing means is 30% or less.

請求項3記載の発明は、請求項1記載の半導体薄膜製造装置において、前記反応容器と連通を遮閉できる遮閉器を介して接続された、少なくとも1つの別容器を有し、前記基板を、前記別容器から前記反応容器へ移送し、または前記基板を前記反応容器から前記別容器へ移送する移送手段を有することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the first aspect, the apparatus includes at least one other container connected via a blocker capable of blocking communication with the reaction container. And a transfer means for transferring the substrate from the separate container to the reaction container or transferring the substrate from the reaction container to the separate container.

請求項4記載の発明は、請求項1〜3記載の半導体薄膜製造装置において、前記第1の圧力設定手段は、回転機構を用いて排気する第1の排気手段と、回転機構を有せずに排気する第2の排気手段を有し、前記反応容器内にスパッタガスが導入されている場合は、第1の排気手段によりスパッタガスを排気して圧力を設定し、スパッタガスが導入されていない場合は、第2の排気手段により排気して圧力を設定することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the first to third aspects, the first pressure setting means does not have a first exhaust means for exhausting using a rotation mechanism and a rotation mechanism. When the sputtering gas is introduced into the reaction vessel, the sputtering gas is exhausted by the first exhausting means, the pressure is set, and the sputtering gas is introduced. If not, the pressure is set by exhausting with the second exhaust means.

請求項5記載の発明は、請求項1〜4記載の半導体薄膜製造装置において、前記スパッタ手段は、前記スパッタターゲットが載置される容器と、該容器の圧力を設定する第2の圧力設定手段とを有することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the first to fourth aspects, the sputtering means includes a container on which the sputtering target is placed, and a second pressure setting means for setting the pressure of the container. It is characterized by having.

請求項6記載の半導体薄膜製造方法は、スパッタ法により単結晶又は多結晶薄膜を形成する半導体薄膜製造方法において、反応容器内の圧力を常に1×10-7Torr未満に設定するステップと、設定された反応容器内の圧力を保ったまま、前記反応容器内に基板を載置し、該基板を400度より大きく680度までの間の温度に加熱するステップと、希ガスと水素ガスを含む混合気体を前記反応容器内に導入するステップと、導入された混合気体をスパッタガスとして、加熱された基板に、4属元素を含むスパッタターゲットをマグネトロン方式によりスパッタするステップとを有することを特徴とする。 The semiconductor thin film manufacturing method according to claim 6 is a semiconductor thin film manufacturing method in which a single crystal or polycrystalline thin film is formed by sputtering, and the step of setting the pressure in the reaction vessel to always less than 1 × 10 −7 Torr; A step of placing the substrate in the reaction vessel while maintaining the pressure in the reaction vessel, heating the substrate to a temperature greater than 400 degrees and up to 680 degrees, and including a rare gas and a hydrogen gas. A step of introducing a mixed gas into the reaction vessel; and a step of sputtering a sputter target containing a group 4 element on a heated substrate by using a magnetron method with the introduced mixed gas as a sputtering gas. To do.

請求項7記載の半導体薄膜製造方法は、Si単結晶基板を反応容器内に載置するステップと、前記反応容器内の圧力を5×10-9Torr以下の真空状態にするとともに、900〜1100度の間の温度で熱アニールするステップ、または前記反応容器内に水素を含むガスを導入し、750〜1100度の間の温度で熱アニールするステップと、前記反応容器内の圧力を常に1×10-7Torr未満に設定するステップと、設定された反応容器内の圧力を保ったまま、前記反応容器内に基板を載置し、該基板を400度より大きく680度までの間の温度に加熱するステップと、希ガスと水素ガスを含む混合気体を前記反応容器内に導入するステップと、導入された混合気体をスパッタガスとして、加熱された基板に、4属元素を含むスパッタターゲットをマグネトロン方式によりスパッタするステップとを有することを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 7 includes a step of placing a Si single crystal substrate in a reaction vessel, a pressure in the reaction vessel of 5 × 10 −9 Torr or less and a vacuum state of 900 to 1100. The step of thermally annealing at a temperature of between 850 degrees, or introducing a gas containing hydrogen into the reaction vessel and thermally annealing at a temperature of between 750 and 1100 degrees, and the pressure in the reaction vessel is always 1 × The step of setting the pressure to less than 10 −7 Torr and placing the substrate in the reaction vessel while maintaining the set pressure in the reaction vessel, and setting the substrate to a temperature between 400 ° C. and 680 ° C. A step of heating, a step of introducing a mixed gas containing a rare gas and hydrogen gas into the reaction vessel, and a sputter containing a Group 4 element on the heated substrate using the introduced mixed gas as a sputtering gas. Characterized by a step of sputtering by magnetron system Target.

請求項1記載の発明によれば、単結晶又は多結晶薄膜を形成する半導体薄膜製造において、スパッタ手段によりマグネトロン方式によりスパッタすることで、プラズマをスパッタターゲット側に集中させるため、被堆積基板のスパッタ効果が少なく、堆積膜の損傷が少ない。かつ、ECRプラズマ装置のように外部でプラズマ化する装置を持たないために、ECRプラズマ装置で発生する活性水素による堆積薄膜のエッチング効果を抑制できる。   According to the first aspect of the present invention, in the production of a semiconductor thin film for forming a single crystal or polycrystalline thin film, the sputtering is performed by the magnetron method by the sputtering means, so that the plasma is concentrated on the sputter target side. Less effective and less damage to the deposited film. In addition, since there is no external plasma generating device unlike the ECR plasma device, the etching effect of the deposited thin film by active hydrogen generated in the ECR plasma device can be suppressed.

これに加えて、さらに、第1の圧力設定手段によって反応容器の圧力を常に1×10-7Torr未満の超高真空領域に設定し、反応容器に基板を載置しても圧力を超高真空に保つので、マグネトロン方式のみでは為し得なかった、反応容器内の残留酸素や残留H2Oの量を十分低減することができる。 In addition, the pressure of the reaction vessel is always set to an ultra-high vacuum region of less than 1 × 10 −7 Torr by the first pressure setting means, and the pressure is extremely high even when the substrate is placed on the reaction vessel. Since the vacuum is maintained, it is possible to sufficiently reduce the amount of residual oxygen and residual H 2 O in the reaction vessel, which cannot be achieved by the magnetron method alone.

更に加えて、導入手段により水素をスパッタガスとして導入することで、水素が酸素と結合することにより酸素を除去し、容器内の残留酸素や残留H2Oを効果的に低減し、形成される半導体薄膜への酸素やH2Oの混入を十分に低減できる効果がある。また、容器内の残留酸素だけでなく微量の残留酸素が成膜中に表面に付着した場合も取り除くことが出来る。それと同時に、随時吸着する水素により堆積原子が凝集することを防ぐため、マグネトロン方式と超高真空の圧力では為し得なかった、原子的にフラットで均一で平坦な4族系半導体薄膜ができる。
特に、Si1-xGex混晶半導体薄膜のように複数の元素からなる混晶においては、一方の元素が例えばこの場合Geが凝集するという性質が強いが、このような現象を抑制して、原子的にフラットで均質な混晶薄膜の形成が可能となる。
In addition, hydrogen is introduced as a sputtering gas by the introducing means, so that hydrogen is combined with oxygen to remove oxygen, effectively reducing residual oxygen and residual H 2 O in the container. There is an effect that oxygen and H 2 O can be sufficiently reduced in the semiconductor thin film. Further, not only the residual oxygen in the container but also a small amount of residual oxygen can be removed when it adheres to the surface during film formation. At the same time, in order to prevent the deposited atoms from aggregating due to hydrogen adsorbing as needed, an atomically flat, uniform and flat group 4 semiconductor thin film, which was not possible with the magnetron method and ultrahigh vacuum pressure, can be obtained.
In particular, a mixed crystal composed of a plurality of elements such as a Si 1-x Ge x mixed crystal semiconductor thin film has a strong property that one element, for example, Ge aggregates in this case, but this phenomenon is suppressed. This makes it possible to form an atomically flat and homogeneous mixed crystal thin film.

加えて、加熱手段により、基板の加熱温度を400℃より大きく680℃までの間の温度にすることで、スパッタガスとして水素が混入された場合の、温度低下による非晶質化や結晶性の悪化も防止することができる。また、基板の温度が420℃以上では、スパッタガスとして混入した水素が効果的に堆積幕から脱離しやすく、不要な水素が結晶内に残留することがなく、結晶性の高い薄膜が形成される。   In addition, when the heating temperature of the substrate is set to a temperature between 400 ° C. and 680 ° C. by the heating means, when the hydrogen is mixed as the sputtering gas, amorphization or crystallinity due to a temperature drop is caused. Deterioration can also be prevented. In addition, when the substrate temperature is 420 ° C. or higher, hydrogen mixed as a sputtering gas is easily easily desorbed from the deposition curtain, and unnecessary hydrogen does not remain in the crystal, so that a thin film with high crystallinity is formed. .

よって、マグネトロン方式でのスパッタ法を用い、圧力を常に超高真空に設定し、スパッタガスとして水素を導入し、基板を400℃より大きく680℃までの間の温度に加熱することによって、これらが相補的に機能し、薄膜への酸素の混入、薄膜に対する損傷やエッチング効果、非晶質化等を抑えることができ、初めて、個々の手段のみでは為し得なかった、極めて高品質、高い純度で実用可能な半導体薄膜を形成することができる。   Therefore, by using a magnetron type sputtering method, the pressure is always set to ultrahigh vacuum, hydrogen is introduced as a sputtering gas, and the substrate is heated to a temperature between 400 ° C. and 680 ° C. It functions in a complementary manner and can suppress oxygen contamination into the thin film, damage to the thin film, etching effect, amorphization, etc. For the first time, extremely high quality and high purity that could not be achieved by individual means alone A practical semiconductor thin film can be formed.

請求項2記載の発明によれば、混合気体の水素ガスの含有量は30%以下であるので、水素の混合比率が高い場合に生じるエッチングや非晶質化が生じにくい。   According to the second aspect of the present invention, since the hydrogen gas content of the mixed gas is 30% or less, etching and amorphization that occur when the mixing ratio of hydrogen is high do not easily occur.

請求項3記載の発明によれば、遮閉器を介して反応容器と別容器を連結することで、基板の移送時においても反応容器の圧力を大気圧に戻すことなく1×10-7Torr未満に保持できるので、反応容器内を清浄に保つことができ、スパッタターゲットも高い純度で保つことが出来る。また、反応容器内の残留酸素および残留H2Oの排除効果を最大限に維持できる。 According to the invention described in claim 3, by connecting the reaction vessel and the separate vessel via the blocker, 1 × 10 −7 Torr without returning the pressure of the reaction vessel to the atmospheric pressure even when transferring the substrate. Since the inside of the reaction vessel can be kept clean, the sputter target can also be kept at a high purity. Further, the effect of eliminating residual oxygen and residual H 2 O in the reaction vessel can be maintained to the maximum.

請求項4の発明によれば、第1の圧力設定手段が、回転機構を用いて排気する第1の排気手段と、回転機構を有せずに排気する第2の排気手段を有し、前記反応容器内にスパッタガスが導入されている場合は、第1の排気手段によりスパッタガスを排気して圧力を設定し、スパッタガスが導入されていない場合は、第2の排気手段により排気して圧力を設定するので、反応容器内を常に超高真空状態に維持することができ、スパッタターゲットを高い純度で保つことができる。また、堆積膜に混入する酸素が検出されず、極めて高品質、高い純度の4族系半導体結晶が形成できる。   According to the invention of claim 4, the first pressure setting means has a first exhaust means for exhausting using a rotating mechanism, and a second exhaust means for exhausting without having a rotating mechanism, When the sputtering gas is introduced into the reaction vessel, the pressure is set by exhausting the sputtering gas by the first exhaust means, and when the sputtering gas is not introduced, it is exhausted by the second exhaust means. Since the pressure is set, the inside of the reaction vessel can always be maintained in an ultrahigh vacuum state, and the sputter target can be maintained with high purity. Further, oxygen mixed in the deposited film is not detected, and an extremely high quality and high purity group 4 semiconductor crystal can be formed.

請求項5の発明によれば、スパッタ手段が、スパッタターゲットが載置される容器と、該容器の圧力を設定する第2の圧力設定手段とを有するので、基板の移送時において真空度が1×10-7Torr以下に低下する場合でも、スパッタターゲットを載置する容器を常に超高真空に維持することができる。このため、スパッタターゲットが載置される容器内の圧力が常に超高真空状態で維持することが出来、スパッタターゲットを高い純度で保つことができるため、極めて高品質、高い純度の半導体薄膜が形成できる。 According to the invention of claim 5, since the sputtering means has the container on which the sputtering target is placed and the second pressure setting means for setting the pressure of the container, the degree of vacuum is 1 when the substrate is transferred. Even when the pressure drops to 10 −7 Torr or less, the container on which the sputtering target is placed can always be maintained in an ultrahigh vacuum. For this reason, the pressure inside the container on which the sputter target is placed can always be maintained in an ultra-high vacuum state, and the sputter target can be kept at a high purity, thereby forming an extremely high quality and high purity semiconductor thin film. it can.

請求項6の発明によれば、マグネトロン方式でのスパッタ法を用い、圧力を超高真空に設定し、スパッタガスとして水素を導入し、基板を400℃より大きく680℃までの間の温度に加熱することによって、薄膜への酸素の混入、薄膜に対する損傷やエッチング効果、非晶質化等を抑えることができ、個々の手段のみでは為し得なかった、極めて高品質、高い純度で実用可能な半導体薄膜を形成することができる。   According to the invention of claim 6, magnetron sputtering is used, the pressure is set to an ultrahigh vacuum, hydrogen is introduced as a sputtering gas, and the substrate is heated to a temperature between 400 ° C. and 680 ° C. As a result, it is possible to suppress oxygen contamination to the thin film, damage to the thin film, etching effect, amorphization, etc., which are practically possible with extremely high quality and high purity that could not be achieved by individual means alone. A semiconductor thin film can be formed.

請求項7記載の発明によれば、Si単結晶基板を反応容器内に載置し、前記反応容器内の圧力を5×10-9Torr以下の真空状態にするとともに、900〜1100℃の間の温度で熱アニールするので、高真空にすることによる不純物の表面からの離脱が効果的に行われ、かつ熱による表面Si原子の泳動で、原子的にフラットな清浄な表面が得られ、基板に堆積する結晶の品質が高まる。
または、水素を含むガス雰囲気中の前記反応容器内において750〜1100℃の間の温度で熱アニールするので、水素により残留酸素および残留H2Oが効果的に除去され、5×10-9Torr以下の圧力の達成が可能となる。また、水素の導入により、750℃からの低い温度でSi単結晶基板をアニールしても、表面汚染がなく、清浄化が進行し、結晶成長に最適な原子的にフラットなSi表面が得られる。
According to the seventh aspect of the present invention, the Si single crystal substrate is placed in a reaction vessel, the pressure in the reaction vessel is set to a vacuum state of 5 × 10 −9 Torr or less, and between 900 and 1100 ° C. Since the thermal annealing is performed at the temperature of, the separation of the impurities from the surface by effectively making a high vacuum is effectively performed, and the surface Si atoms are migrated by the heat to obtain a clean surface that is atomically flat. The quality of the crystals deposited on the substrate increases.
Alternatively, since thermal annealing is performed at a temperature between 750 and 1100 ° C. in the reaction vessel in a gas atmosphere containing hydrogen, residual oxygen and residual H 2 O are effectively removed by hydrogen, and 5 × 10 −9 Torr. The following pressures can be achieved. Also, by introducing hydrogen, even if the Si single crystal substrate is annealed at a temperature as low as 750 ° C., there is no surface contamination, cleaning proceeds, and an atomically flat Si surface optimal for crystal growth can be obtained. .

本発明の一実施形態である半導体薄膜製造装置の概略図である。It is the schematic of the semiconductor thin film manufacturing apparatus which is one Embodiment of this invention. スパッタガスとしてArと水素を用い本発明の方法で成膜したSi1-xGexとSiの超格子積層膜の結晶品質を評価するためのX回折スペクトルの図である。It is an X diffraction spectrum for evaluating the crystal quality of the superlattice layer of Si 1-x Ge x and Si was deposited by the method of the present invention using Ar and hydrogen as a sputtering gas. 比較のためにスパッタガスとしてArのみを用いて成膜したSi1-xGexとSiの超格子積層膜の結晶品質を評価するためのX回折スペクトルの図である。Is an X diffraction spectrum for using only Ar as a sputtering gas to evaluate the crystal quality of the superlattice laminate film of the formed Si 1-x Ge x and Si for comparison.

反応容器の到達最低圧力を1×10-7Torr未満の超高真空領域に下げることで、残留酸素の量を十分下げた上で、さらに同時に、酸素と結合して酸素を除去する効果のある水素を導入することで、容器内の残留酸素や残留H2Oが効果的に減少して形成されて半導体薄膜への酸素の混入が十分に低減され、結晶中の残留酸素の量が検出限界以下となり、実用レベルの高品質、高純度の4族系半導体結晶が形成できる。 By reducing the ultimate pressure of the reaction vessel to an ultra-high vacuum region of less than 1 × 10 −7 Torr, the amount of residual oxygen is sufficiently reduced, and at the same time, there is an effect of removing oxygen by combining with oxygen. By introducing hydrogen, the residual oxygen and residual H 2 O in the container are effectively reduced, and oxygen contamination into the semiconductor thin film is sufficiently reduced, and the amount of residual oxygen in the crystal is the detection limit. Thus, a high-quality, high-purity group 4 semiconductor crystal of a practical level can be formed.

また、同時に、反応容器内、およびスパッタターゲットが酸素やH2Oの不純物で汚染されないことが不可欠となる。スパッタ成膜とスパッタ成膜との間に、反応容器内、およびスパッタターゲットが酸素やH2Oの不純物で汚染される要因が発生すると、反応容器の到達最低圧力を1×10-7Torr未満の超高真空領域に維持することや、水素による不純物除去効果が減少する。スパッタ装置として反応容器と別容器を真空遮閉器を介して連結することで、被堆積基板の出し入れ時においても反応容器の圧力を1×10-7Torr未満に維持でき、反応容器内、およびスパッタターゲットの不純物汚染が生じない。 At the same time, it is indispensable that the reaction vessel and the sputtering target are not contaminated with oxygen or H 2 O impurities. If a factor that causes contamination of the reaction vessel and the sputtering target with oxygen or H 2 O impurities occurs between the sputter deposition and the sputter deposition, the minimum pressure reached in the reaction vessel is less than 1 × 10 −7 Torr. Thus, the effect of removing impurities by hydrogen is reduced. By connecting the reaction vessel and another vessel as a sputtering device via a vacuum blocker, the pressure of the reaction vessel can be maintained at less than 1 × 10 −7 Torr even when the substrate to be deposited is put in and out, and in the reaction vessel, Impurity contamination of the sputter target does not occur.

また、本装置には、スパッタガスを排気するのに適した、排気原理に回転機構を用いたターボ分子ポンプを、真空遮閉器を介して、反応容器または別容器に、または両方の容器に装着する。スパッタガスはターボ分子ポンプを用いて排気される。
また、反応容器には、真空遮閉器を介して、排気原理に回転機構を用いず、1×10-8Torr未満の高い真空度を容易に得られるスパッタイオンポンプを装着する。ターボ分子ポンプは、スパッタガスを排気することで、得られる到達最小圧力が上昇するが、スパッタイオンポンプは、スパッタガスを流していないときに反応容器から排気することができるので、高い真空度を容易に得ることが出来、反応容器内を常に1×10-8Torr未満に維持することができる。
In addition, this apparatus is equipped with a turbo molecular pump using a rotating mechanism based on the exhaust principle, suitable for exhausting the sputter gas, to the reaction container or another container, or both containers via a vacuum blocker. Installing. The sputtering gas is exhausted using a turbo molecular pump.
The reaction vessel is equipped with a sputter ion pump that can easily obtain a high degree of vacuum of less than 1 × 10 −8 Torr without using a rotating mechanism for the evacuation principle via a vacuum blocker. The turbo molecular pump exhausts the sputter gas to increase the minimum pressure that can be obtained, but the sputter ion pump can exhaust from the reaction vessel when the sputter gas is not flowing. It can be easily obtained, and the inside of the reaction vessel can always be kept below 1 × 10 −8 Torr.

スパッタターゲットを含むスパッタガンは真空遮閉器を介して反応容器に装着する。スパッタガンにはさらに、別の真空遮閉器を介して、1×10-8Torr未満の高い真空度が容易に得られるスパッタイオンポンプを装着する。
スパッタ法による成膜を続けると、被堆積基板の以外の反応容器内にスパッタ膜が堆積されるため、反応容器は適時大気に暴露して清掃する。しかし、反応容器と接続している真空遮閉器を閉めれば、スパッタガンの載置された容器は常に専用スパッタイオンポンプで排気されるため、常に1×10-8Torr未満に維持することができる。
反応容器をベーキングしながらターボ分子ポンプで排気し、1×10-7Torr未満の最小圧力が得られた後に、スパッタガンの真空遮閉器を開き、さらに反応容器を反応容器専用のスパッタイオンポンプで排気すれば、反応容器内とスパッタガンが共に1×10-8Torr未満の高い真空度に維持され、スパッタターゲットが高純度に保たれ、高品質、高純度の4族系半導体結晶が形成できる。
A sputter gun including a sputter target is attached to the reaction vessel through a vacuum blocker. The sputter gun is further equipped with a sputter ion pump that can easily obtain a high degree of vacuum of less than 1 × 10 −8 Torr through another vacuum blocker.
When film formation by the sputtering method is continued, a sputtered film is deposited in a reaction vessel other than the substrate to be deposited. Therefore, the reaction vessel is exposed to the atmosphere and cleaned appropriately. However, if the vacuum blocker connected to the reaction vessel is closed, the vessel on which the sputter gun is placed is always evacuated by a dedicated sputter ion pump, so it can always be kept below 1 × 10 −8 Torr. it can.
The reaction vessel is evacuated with a turbo molecular pump while baking, and after a minimum pressure of less than 1 × 10 -7 Torr is obtained, the sputter gun vacuum blocker is opened, and the reaction vessel is sputter ion pump dedicated to the reaction vessel If evacuated, the reaction vessel and the sputter gun are both maintained at a high vacuum of less than 1 × 10 −8 Torr, the sputter target is kept at a high purity, and a high-quality, high-purity Group 4 semiconductor crystal is formed. it can.

スパッタ成膜はマグネトロン方式でプラズマをスパッタターゲット側に集中させ、被堆積基板のスパッタ効果を抑制し、堆積膜の損傷を抑制する。   Sputter deposition is a magnetron system that concentrates plasma on the side of the sputtering target, suppresses the sputtering effect of the substrate to be deposited, and suppresses damage to the deposited film.

希ガスと水素の混合スパッタガスを用いること、真空容器の到達最低圧力を1×10-7Torr未満の超高真空領域に下げること、マグネトロン方式でスパッタすること、スパッタ成膜とスパッタ成膜の間のスパッタガスを流していないときに、スパッタターゲットを含むスパッタガンの圧力を1×10-7Torr未満に維持し、スパッタターゲットの純度を常に高純度に保つことが重要で、これらの組み合わせによって初めて、これらが相補的に機能し、スパッタターゲットの純度を常に高純度に維持され、また、堆積薄膜への酸素の混入量が検出限界以下となり、また、堆積薄膜に対する損傷やエッチング効果が抑制され、実用レベルの高品質、高純度の4族系半導体結晶が形成できる。 Use a mixed sputtering gas of rare gas and hydrogen, lower the ultimate pressure of the vacuum vessel to an ultra-high vacuum region of less than 1 × 10 −7 Torr, sputtering by magnetron method, sputtering deposition and sputtering deposition It is important to keep the pressure of the sputter gun including the sputter target below 1 × 10 −7 Torr and keep the purity of the sputter target always high when the sputtering gas is not flowing in between. For the first time, they function in a complementary manner, the purity of the sputter target is always maintained at a high purity, the amount of oxygen mixed into the deposited thin film is below the detection limit, and damage and etching effects on the deposited thin film are suppressed. A high-quality, high-purity group 4 semiconductor crystal can be formed at a practical level.

特に、スパッタガスに混合する水素の量を希ガスの30%以下とすることで、非結晶化の大幅な改善が得られる。さらに、9%以下とすることで、エッチングや非晶質化が見られず、残留酸素を抑え、水素による原子的均質成膜効果が効果的に現れて、高品質の単体元素から成る結晶薄膜が、あるいは、特に複数の元素からなる混晶薄膜が形成できる。   In particular, when the amount of hydrogen mixed in the sputtering gas is 30% or less of the rare gas, a significant improvement in non-crystallization can be obtained. Furthermore, when the content is 9% or less, etching and amorphization are not observed, residual oxygen is suppressed, an atomic homogeneous film formation effect by hydrogen is effectively exhibited, and a crystal thin film made of a high-quality single element Alternatively, a mixed crystal thin film composed of a plurality of elements can be formed.

純度の高いSiの場合は、DCマグネトロン方式より、RFマグネトロン方式を用いることで、堆積する薄膜の結晶品質が高まる。   In the case of Si with high purity, the crystal quality of the deposited thin film is enhanced by using the RF magnetron method rather than the DC magnetron method.

スパッタターゲットとしては、SiやGeやCの単体元素から成るスパッタターゲット、Si1-xGexやSi1-yyの混晶半導体からなるスパッタターゲットが用いられる。これらを複数組み合わせても良い。例えば、Si0.8Ge0.2の混晶薄膜を形成するために、SiのターゲットとSi0.5Ge0.5からなるターゲットを組み合わせても良い。
半導体薄膜をドーピングするためには、半導体のドーピング元素として、B、Al、Ga、In、N、P、Sbなどがこれらのターゲットに含有していれば良い。B、Alの単体ターゲットを用いても良い。例えば、Si薄膜を形成するとき、ドーピング量を調整するために、純枠のSiターゲットとドーピング元素を含むSiターゲットの2つのターゲットを同時スパッタしても良い。
As a sputtering target, the sputtering target comprising single element of Si or Ge and C, Si 1-x Ge x and Si 1-y C y sputtering target made of a mixed crystal semiconductor is used. A plurality of these may be combined. For example, in order to form a mixed crystal thin film of Si 0.8 Ge 0.2 , a Si target and a target made of Si 0.5 Ge 0.5 may be combined.
In order to dope a semiconductor thin film, these targets may contain B, Al, Ga, In, N, P, Sb, etc. as doping elements of the semiconductor. A single target of B or Al may be used. For example, when forming a Si thin film, two targets of a pure-frame Si target and a Si target containing a doping element may be sputtered simultaneously in order to adjust the doping amount.

また、スパッタターゲットとしては、単結晶や多結晶の材料が用いられるが、単結晶のスパッタターゲットを用いた方が薄膜の結晶構造などの結晶性が高くなる。また、基板にSiの単結晶基板を用いると高品質の単結晶薄膜が形成でき、このため、基板に非晶質構造をもつガラスを用いたときは、多結晶になるが、高品質の多結晶薄膜が形成できる。   A single crystal or polycrystalline material is used as the sputter target, but the crystallinity such as the crystal structure of the thin film becomes higher when the single crystal sputter target is used. In addition, when a Si single crystal substrate is used as the substrate, a high quality single crystal thin film can be formed. For this reason, when glass having an amorphous structure is used as the substrate, it becomes polycrystalline, but a high quality A crystalline thin film can be formed.

本発明を用いて多結晶薄膜を形成した場合に、上述のごとく結晶粒の質が改善されるという特徴があるが、一方水素ガスの混合比率が少ないのでグレンバンダリー間の欠陥が生じやすくなる可能性も否定できない。しかし、この問題は本発明の方法によって薄膜を形成した後、水素ガス処理をすることによって、技術的な対応は充分可能である。   When a polycrystalline thin film is formed using the present invention, the quality of the crystal grains is improved as described above. On the other hand, since the mixing ratio of hydrogen gas is small, defects between Glenbanderies are likely to occur. The possibility cannot be denied. However, this problem can be satisfactorily technically handled by forming a thin film by the method of the present invention and then performing hydrogen gas treatment.

Siの被堆積基板は、スパッタ堆積する前に清浄化する必要がある。清浄化した場合に、形成薄膜の結晶性などの品質が高まる。基板の原子的清浄化は通常スパッタで用いられる逆スパッタ法ではなく、最終的に高温熱アニールによって行なう。本発明によれば、2室容器構造、水素の導入、反応容器およびスパッタガンに専用の、排気原理に回転機構を用いず高い真空度が容易に得られる排気装置を装着することで、常に、5×10-9Torr以下の真空度を得ることが可能である。このような真空下で900〜1100℃で被堆積Si基板をアニールすることで、清浄化が進行し原子的にフラットで高純度な清浄Si表面が得られる。このアニールにおいて、水素や、不活性ガスと水素を組み合わせたガスを導入して、水素による酸素引き抜き効果も利用しても良い。水素を含む高純度ガス中でアニールするときは、750〜1100℃の間の温度で被堆積Si基板を清浄化できる。 The Si deposition substrate must be cleaned before sputter deposition. When cleaned, the quality, such as crystallinity, of the formed thin film increases. The atomic cleaning of the substrate is not performed by the reverse sputtering method usually used in sputtering, but is finally performed by high-temperature thermal annealing. According to the present invention, by mounting a two-chamber container structure, introduction of hydrogen, a reaction container and a sputter gun dedicated to an exhaust device that can easily obtain a high degree of vacuum without using a rotation mechanism on the exhaust principle, It is possible to obtain a vacuum degree of 5 × 10 −9 Torr or less. By annealing the deposited Si substrate at 900 to 1100 ° C. under such a vacuum, cleaning progresses and an atomically flat and high-purity clean Si surface is obtained. In this annealing, hydrogen or a gas in which an inert gas and hydrogen are combined may be introduced to use the oxygen extraction effect by hydrogen. When annealing in a high purity gas containing hydrogen, the deposited Si substrate can be cleaned at a temperature between 750 and 1100 ° C.

図1は、この発明の1実施例である半導体薄膜製造装置500の概略図である。スパッタを行なう真空反応容器1は、真空遮閉器3を介して別容器2と接続されている。別容器2は真空遮閉器4を介して、ターボ分子ポンプ5とロータリーポンプ6(第1の圧力設定手段、第1の排気手段)が接続されている。ターボ分子ポンプ5とロータリーポンプ6は、別容器2を真空にする排気装置であり、その排気原理に回転機構を用いている。真空反応容器1はさらに、真空遮閉器7を介して、スパッタイオンポンプ8(第1の圧力設定手段、第2の排気手段)が接続されている。スパッタイオンポンプ8は、真空反応容器1を真空にする排気装置であり、排気原理に回転機構を用いていない。
真空反応容器1は、スパッタガスが導入されている場合、回転機構を用いたターボ分子ポンプ5およびロータリーポンプ6によって排気し、スパッタガスが導入されていない場合は、回転機構を用いていないスパッタイオンポンプ8で排気する。
この真空反応容器1および別容器2は、ターボ分子ポンプ5またはスパッタイオンポンプ8で、圧力を1×10-9Torr以下まで排気される。
FIG. 1 is a schematic view of a semiconductor thin film manufacturing apparatus 500 according to one embodiment of the present invention. A vacuum reaction vessel 1 for performing sputtering is connected to another vessel 2 via a vacuum blocker 3. The separate container 2 is connected to a turbo molecular pump 5 and a rotary pump 6 (first pressure setting means, first exhaust means) via a vacuum blocker 4. The turbo molecular pump 5 and the rotary pump 6 are exhaust devices that evacuate the separate container 2 and use a rotating mechanism for the exhaust principle. The vacuum reaction vessel 1 is further connected to a sputter ion pump 8 (first pressure setting means, second exhaust means) via a vacuum blocker 7. The sputter ion pump 8 is an exhaust device that evacuates the vacuum reaction vessel 1, and does not use a rotating mechanism for the exhaust principle.
The vacuum reaction vessel 1 is evacuated by a turbo molecular pump 5 and a rotary pump 6 using a rotation mechanism when a sputtering gas is introduced, and sputter ions not using the rotation mechanism when a sputtering gas is not introduced. Exhaust with the pump 8.
The vacuum reaction vessel 1 and the separate vessel 2 are evacuated to a pressure of 1 × 10 −9 Torr or less by a turbo molecular pump 5 or a sputter ion pump 8.

ガス導入管9(導入手段)は、真空反応容器1にスパッタガスを導入する管である。
マグネトロン方式の2台のスパッタガン100、101(スパッタ手段)は、スパッタガン用容器102、103にそれぞれ入っており、真空遮閉器11を介して真空反応容器1に接続されている。真空反応容器1との接続部分にはシャッタ180、181を有し、スパッタターゲット13、14を覆うようになっている。スパッタガン100、101の内部には磁石(図示しない)があり、スパッタターゲット13、14に平行になるように磁場を印加する。印加した磁場を15に示す。
The gas introduction tube 9 (introduction means) is a tube for introducing a sputtering gas into the vacuum reaction vessel 1.
Two magnetron-type sputtering guns 100 and 101 (sputtering means) are contained in the sputtering gun containers 102 and 103, respectively, and are connected to the vacuum reaction container 1 through the vacuum blocker 11. The connection portion with the vacuum reaction vessel 1 has shutters 180 and 181 so as to cover the sputter targets 13 and 14. Inside the sputter guns 100 and 101, there are magnets (not shown), and a magnetic field is applied so as to be parallel to the sputter targets 13 and 14. The applied magnetic field is shown at 15.

スパッタガン100にSi単結晶のスパッタターゲット13を、スパッタガン101にGe単結晶のスパッタターゲット14を設置する。スパッタガンの内部は水冷で冷却されている。スパッタガン100、101にはそれぞれ、負荷整合をとるためのマッチングボックス16を介して高周波電源17が接続されており、高周波電源17から、13.56MHzの高周波電力がスパッタガン100、101にそれぞれ印加される。これにより、基板とスパッタターゲットに高周波電圧を印加してスパッタするRFマグネトロン方式を行うことができる。
あるいは、スパッタターゲットの材質に応じ、マッチングボックス16を外して、直流(DC)電源をスパッタガン100、または101に接続し、基板とスパッタターゲットに直流電圧を印加してスパッタするDCマグネトロン方式を行うことができる。
A Si single crystal sputter target 13 is installed on the sputter gun 100, and a Ge single crystal sputter target 14 is installed on the sputter gun 101. The inside of the sputter gun is cooled by water cooling. A high frequency power source 17 is connected to each of the sputter guns 100 and 101 via a matching box 16 for load matching. A high frequency power of 13.56 MHz is applied from the high frequency power source 17 to the sputter guns 100 and 101, respectively. Is done. Thus, an RF magnetron method can be performed in which high-frequency voltage is applied to the substrate and the sputtering target to perform sputtering.
Alternatively, according to the material of the sputter target, the DC magnetron method is performed in which the matching box 16 is removed, a direct current (DC) power source is connected to the sputter gun 100 or 101, and a direct current voltage is applied to the substrate and the sputter target. be able to.

スパッタガン用容器102、103にはそれぞれスパッタイオンポンプ12(第2の圧力設定手段)が接続されている。スパッタイオンポンプ12は、スパッタガン用容器102、103を真空にする排気装置であり、排気原理に回転機構を用いていない。
スパッタガン100、101の入っているスパッタ用容器102,103は、真空遮閉器11を閉じ、スパッタイオンポンプ12を用いて1×10-9Torr以下までそれぞれ個別に排気できる。
Sputter ion pumps 12 (second pressure setting means) are connected to the sputter gun containers 102 and 103, respectively. The sputter ion pump 12 is an exhaust device that evacuates the sputter gun containers 102 and 103 and does not use a rotating mechanism for the exhaust principle.
The sputtering containers 102 and 103 containing the sputter guns 100 and 101 can be individually evacuated to 1 × 10 −9 Torr or less using the sputter ion pump 12 by closing the vacuum blocker 11.

19は被堆積基板であり、20は真空反応容器1に被堆積基板19を載置する載置位置である。21は被堆積基板を真空反応容器1内で加熱するヒーター(加熱手段)である。   Reference numeral 19 denotes a substrate to be deposited, and 20 denotes a placement position for placing the substrate to be deposited 19 on the vacuum reaction vessel 1. Reference numeral 21 denotes a heater (heating means) for heating the substrate to be deposited in the vacuum reaction vessel 1.

次に、上記装置を用いた半導体薄膜製造の動作について以下に説明する。まず、真空遮閉器3を閉じて、スパッタイオンポンプ8を用いて真空反応容器1およびスパッタガン用容器102、103を1×10-9Torr以下まで排気する。
真空遮閉器3を閉じて別容器2に被堆積基板19を載置する。次に、別容器2をターボ分子ポンプ5およびロータリーポンプ6で排気して、1×10-7Torr以下の真空にする。
Next, the operation of manufacturing a semiconductor thin film using the above apparatus will be described below. First, the vacuum blocker 3 is closed, and the vacuum reaction vessel 1 and the sputter gun vessels 102 and 103 are evacuated to 1 × 10 −9 Torr or less using the sputter ion pump 8.
The vacuum blocker 3 is closed, and the deposition substrate 19 is placed in the separate container 2. Next, the separate container 2 is evacuated by the turbo molecular pump 5 and the rotary pump 6 to make a vacuum of 1 × 10 −7 Torr or less.

次に、真空度を保ったまま、真空遮閉器3を開いて真空反応容器1の所定の位置20に載置する。その際、真空遮閉器11を閉じ、スパッタガン用容器102、103の真空度を1×10-9Torr以下に保持し、真空度の低下を防ぐ。
次に、真空遮閉器3を閉じ、真空遮閉器7を開いて、真空反応容器1を1×10-9Torr以下の超高真空領域の圧力になるようスパッタイオンポンプ8で排気する。
Next, with the degree of vacuum maintained, the vacuum blocker 3 is opened and placed at a predetermined position 20 of the vacuum reaction vessel 1. At that time, the vacuum blocker 11 is closed, and the vacuum degree of the sputtering gun containers 102 and 103 is maintained at 1 × 10 −9 Torr or less to prevent the vacuum degree from being lowered.
Next, the vacuum blocker 3 is closed, the vacuum blocker 7 is opened, and the vacuum reaction vessel 1 is evacuated by the sputter ion pump 8 so that the pressure in the ultra-high vacuum region is 1 × 10 −9 Torr or less.

1×10-9Torr以下の圧力となっている真空反応容器1内で、所定の位置20に設置した被堆積基板19は、ヒーター21で加熱され、1100℃までの温度で熱アニールされ清浄化される。
次に、Arと5%水素との混合ガスをガス導入管9から導入する。次に、真空遮閉器7を閉じ、真空遮閉器3、4を開いて、ターボ分子ポンプ5で排気する。さらに、ガス導入管9は、スパッタガスの流量を調整するために、真空反応容器1内のスパッタガス圧力を0.5〜10mTorr間の所望の値に設定する。本実施例はスパッタガス圧力を2mTorrに設定する。
In the vacuum reaction vessel 1 having a pressure of 1 × 10 −9 Torr or less, the deposition target substrate 19 placed at a predetermined position 20 is heated by a heater 21 and thermally annealed at a temperature up to 1100 ° C. to be cleaned. Is done.
Next, a mixed gas of Ar and 5% hydrogen is introduced from the gas introduction pipe 9. Next, the vacuum blocker 7 is closed, the vacuum blockers 3 and 4 are opened, and the turbo molecular pump 5 is evacuated. Further, the gas introduction tube 9 sets the sputtering gas pressure in the vacuum reaction vessel 1 to a desired value between 0.5 and 10 mTorr in order to adjust the flow rate of the sputtering gas. In this embodiment, the sputtering gas pressure is set to 2 mTorr.

次に、被堆積基板19の温度をヒーター21で調整して500℃にする。次に、スパッタターゲット13、14をシャッタ180、181で覆い、スパッタガン100、101に高周波電源17からの高周波電力を印加して、スパッタを開始する。この段階でスパッタターゲット13、14から飛散したSiとGeはシャッタ180、181の裏面に付着し、被堆積基板19の表面には到達しない。   Next, the temperature of the substrate 19 is adjusted to 500 ° C. by the heater 21. Next, the sputtering targets 13 and 14 are covered with shutters 180 and 181, high frequency power from the high frequency power supply 17 is applied to the sputtering guns 100 and 101, and sputtering is started. At this stage, Si and Ge scattered from the sputter targets 13 and 14 adhere to the back surfaces of the shutters 180 and 181 and do not reach the surface of the substrate 19 to be deposited.

次に、スパッタを行っている状態でシャッタ180、181を開いて、被堆積基板19の表面からスパッタターゲットが見えるようにする。スパッタされたSiとGe原子は被堆積基板19に到達して成膜が開始する。SiとGeのスパッタレートは予め高周波電力で調整する。
Ge単結晶のスパッタターゲット14側のシャッタ181は、断続的に閉め、被堆積基盤19の表面にSi1-xGexとSiを交互に積層した超格子膜を成膜する。
Next, the shutters 180 and 181 are opened while the sputtering is being performed so that the sputtering target can be seen from the surface of the deposition target substrate 19. The sputtered Si and Ge atoms reach the deposition target substrate 19 to start film formation. The sputtering rate of Si and Ge is adjusted with high frequency power in advance.
The shutter 181 on the Ge single crystal sputter target 14 side is intermittently closed, and a superlattice film in which Si 1-x Ge x and Si are alternately laminated is formed on the surface of the substrate 19 to be deposited.

成膜終了後、ヒーター21は加熱を停止し、ガス導入管9はスパッタガスの導入を停止し、高周波電源17はスパッタガン100、101への電力供給を停止する。
成膜が終了した被堆積基板19は、真空反応容器1への導入のときの逆手順で、別容器2側に取り出す。つまり、スパッタガン用容器102、103の圧力を1×10-9Torr以下に、また真空反応容器1の圧力を1×10-7Torr以下に保持し、被堆積基板19を別容器2へ移送し、真空遮閉器3を閉じる。
被堆積基板19を取り出して真空遮閉器3を閉じた後、スパッタイオンポンプ8を用いて真空容器およびスパッタガンを1×10-9Torr以下まで排気する。
After the film formation is completed, the heater 21 stops heating, the gas introduction tube 9 stops the introduction of the sputtering gas, and the high frequency power source 17 stops the power supply to the sputtering guns 100 and 101.
The deposition target substrate 19 after film formation is taken out to the side of the separate container 2 in the reverse procedure at the time of introduction into the vacuum reaction container 1. That is, the pressure of the sputtering gun containers 102 and 103 is kept at 1 × 10 −9 Torr or lower, and the pressure of the vacuum reaction container 1 is kept at 1 × 10 −7 Torr or lower, and the substrate 19 to be deposited is transferred to another container 2. Then, the vacuum circuit breaker 3 is closed.
After the substrate to be deposited 19 is taken out and the vacuum blocker 3 is closed, the sputter ion pump 8 is used to evacuate the vacuum vessel and the sputter gun to 1 × 10 −9 Torr or less.

結晶品質を評価するために、図2に、スパッタガスとしてArと5%水素との混合ガスを用い、基板温度を400℃と500℃とに設定して成膜したSi1-xGexとSiを交互積層膜について測定したX線回折スペクトルを示す。 In order to evaluate the crystal quality, FIG. 2 shows Si 1-x Ge x formed by using a mixed gas of Ar and 5% hydrogen as a sputtering gas and setting the substrate temperature to 400 ° C. and 500 ° C. The X-ray diffraction spectrum which measured Si about the alternately laminated film is shown.

また、図3に、スパッタガスとしてArのみを用い、基板温度を480℃と500℃とに設定して成膜したSi1-xGexとSiを交互積層膜について測定したX線回折スペクトルを示す。水素を導入した場合(図2)は、基板温度400℃から、明瞭な3つの超格子のX線回折ピークが見られる。一方、Arだけを用いた場合(図3)は60.75度のピークが弱く、その上、基板温度480℃でも60.75度のピークがほぼ消失し、水素を入れた場合(図2)より結晶性が悪化していることがわかり、水素の導入で、高い結晶品質が得られることが判る。 Further, in FIG. 3, with only Ar as a sputtering gas, an X-ray diffraction spectrum of the alternate lamination film deposition was Si 1-x Ge x and Si by setting the substrate temperature to the 480 ° C. and 500 ° C. Show. When hydrogen is introduced (FIG. 2), clear X-ray diffraction peaks of three superlattices are observed from a substrate temperature of 400 ° C. On the other hand, when only Ar is used (FIG. 3), the peak at 60.75 degree is weak, and the peak at 60.75 degree almost disappears even when the substrate temperature is 480 ° C., and hydrogen is added (FIG. 2). It can be seen that the crystallinity is further deteriorated, and that high crystal quality can be obtained by introducing hydrogen.

500 半導体薄膜製造装置
1 反応容器
2 別容器
3 真空遮閉器
4 真空遮閉器
5 ターボ分子ポンプ
6 ロータリーポンプ
7 真空遮閉器
8 スパッタイオンポンプ
9 ガス導入管
100、101 スパッタガン
102、103 スパッタガン用容器
11 真空遮閉器
12 スパッタイオンポンプ
13 Si単結晶のスパッタターゲット
14 Ge単結晶のスパッタターゲット
15 印加した磁場
16 マッチングボックス
17 高周波電源
180、181 シャッタ
19 被堆積基板
20 被堆積基板の載置位置
21 ヒーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 500 Semiconductor thin film manufacturing apparatus 1 Reaction container 2 Separate container 3 Vacuum blocker 4 Vacuum blocker 5 Turbo molecular pump 6 Rotary pump 7 Vacuum blocker 8 Sputter ion pump 9 Gas introduction pipe 100, 101 Sputter gun 102, 103 Sputter Gun container 11 Vacuum shut-off device 12 Sputter ion pump 13 Si single crystal sputter target 14 Ge single crystal sputter target 15 Applied magnetic field 16 Matching box 17 High frequency power supply 180, 181 Shutter 19 Substrate 19 Substrate 20 Deposition substrate Position 21 Heater

Claims (6)

単結晶又は多結晶薄膜を形成する半導体薄膜製造装置において、
反応容器と、
前記反応容器内の圧力を1×10−7Torr未満に設定する圧力設定手段と、
前記圧力設定手段で設定された反応容器内の圧力を保ったまま、前記反応容器内に載置された基板を400度より大きく680度までの間の温度に加熱する加熱手段と、
前記反応容器と連通を遮閉できる遮閉器を介して接続された、少なくとも1つの別容器と、
前記基板を、前記別容器から前記反応容器へ移送し、または前記基板を前記反応容器から前記別容器へ移送する移送手段と、
前記別容器内の圧力を1×10-7Torr未満に設定する圧力設定手段と、
希ガスと水素ガスを含む混合気体を前記反応容器内に導入する導入手段と、
前記導入手段により導入された混合気体をスパッタガスとして、前記加熱手段で加熱された基板に、ドーピング元素を含んでいてもよいSi又はGe又はSiとGeの混晶からなるスパッタターゲットをマグネトロン方式によりスパッタするスパッタ手段と
を有することを特徴とする半導体薄膜製造装置。
In a semiconductor thin film manufacturing apparatus for forming a single crystal or polycrystalline thin film,
A reaction vessel;
Pressure setting means for setting the pressure in the reaction vessel to less than 1 × 10 −7 Torr;
Heating means for heating the substrate placed in the reaction vessel to a temperature greater than 400 degrees and up to 680 degrees while maintaining the pressure in the reaction vessel set by the pressure setting means;
At least one other container connected via a blocker capable of blocking communication with the reaction container;
Transfer means for transferring the substrate from the separate container to the reaction container, or transferring the substrate from the reaction container to the separate container;
Pressure setting means for setting the pressure in the separate container to less than 1 × 10 −7 Torr;
Introducing means for introducing a mixed gas containing a rare gas and hydrogen gas into the reaction vessel;
Using the mixed gas introduced by the introducing means as a sputtering gas, a sputtering target made of Si or Ge or a mixed crystal of Si and Ge, which may contain a doping element, is formed on the substrate heated by the heating means by a magnetron method. A semiconductor thin film manufacturing apparatus, comprising: a sputtering means for sputtering.
前記導入手段により導入する混合気体の水素ガスの含有量は30%以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体薄膜製造装置。   2. The semiconductor thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the content of hydrogen gas in the mixed gas introduced by the introducing means is 30% or less. 前記圧力設定手段は、回転機構を用いて排気する第1の排気手段と、回転機構を有せずに排気する第2の排気手段を有し、
前記反応容器内にスパッタガスが導入されている場合は、第1の排気手段によりスパッタガスを排気して圧力を設定し、
スパッタガスが導入されていない場合は、第2の排気手段により排気して圧力を設定する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体薄膜製造装置。
The pressure setting means has a first exhaust means for exhausting using a rotation mechanism, and a second exhaust means for exhausting without having a rotation mechanism,
When sputtering gas is introduced into the reaction vessel, the sputtering gas is exhausted by the first exhaust means to set the pressure,
When the sputtering gas is not introduced, the pressure is set by exhausting by the second exhaust means,
The semiconductor thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the apparatus is a semiconductor thin film manufacturing apparatus.
前記スパッタ手段は、前記スパッタターゲットが載置される容器と、該容器と前記反応容器との間で連通を開閉できる遮閉器と、
該容器の圧力を設定する圧力設定手段と、
を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体薄膜製造装置。
The sputtering means includes a container on which the sputtering target is placed, and a blocker that can open and close communication between the container and the reaction container;
Pressure setting means for setting the pressure of the container;
The semiconductor thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein:
スパッタ法により単結晶又は多結晶薄膜を形成する半導体薄膜製造方法において、
反応容器内の圧力をスパッタガスを導入している時以外は常に1×10−7Torr未満に設定するステップと、
設定された反応容器内の圧力を保ったまま、前記反応容器内に基板を載置し、該基板を400度より大きく680度までの間の温度に加熱するステップと、
希ガスと水素ガスを含む混合気体を前記反応容器内に導入するステップと、
導入された混合気体をスパッタガスとして、加熱された基板に、ドーピング元素を含んで
いてもよいSi、Ge又はSiとGeの混晶からなるスパッタターゲットをマグネトロン
方式によりスパッタするステップと
を有することを特徴とする半導体薄膜製造方法。
In a semiconductor thin film manufacturing method for forming a single crystal or polycrystalline thin film by sputtering,
A step of always setting the pressure in the reaction vessel to less than 1 × 10 −7 Torr except when the sputtering gas is introduced;
Placing the substrate in the reaction vessel while maintaining the set pressure in the reaction vessel, and heating the substrate to a temperature greater than 400 degrees and up to 680 degrees;
Introducing a mixed gas containing a rare gas and hydrogen gas into the reaction vessel;
Sputtering a sputtering target made of Si, Ge, or a mixed crystal of Si and Ge, which may contain a doping element, on a heated substrate using the introduced mixed gas as a sputtering gas by a magnetron method. A method for producing a semiconductor thin film.
Si単結晶基板を反応容器内に載置するステップと、
前記反応容器内の圧力を5×10−9Torr以下の真空状態にするとともに、900〜1100度の間の温度で熱アニールするステップ、または前記反応容器内に水素を含むガスを導入し、750〜1100度の間の温度で熱アニールするステップと、
前記反応容器内の圧力をスパッタガスを導入している時以外は常に1×10−7Torr未満に設定するステップと、
設定された反応容器内の圧力を保ったまま、前記反応容器内に基板を載置し、該基板を400度より大きく680度までの間の温度に加熱するステップと、
希ガスと水素ガスを含む混合気体を前記反応容器内に導入するステップと、
導入された混合気体をスパッタガスとして、加熱された基板に、4属元素を含むドーピング元素を含んでいてもよいSi、Ge又はSiとGeの混晶からなるスパッタターゲットをマグネトロン方式によりスパッタするステップと
を有することを特徴とする半導体薄膜製造方法。
Placing a Si single crystal substrate in a reaction vessel;
The pressure in the reaction vessel is set to a vacuum state of 5 × 10 −9 Torr or less, and a thermal annealing step is performed at a temperature of 900 to 1100 degrees, or a gas containing hydrogen is introduced into the reaction vessel, Thermal annealing at a temperature between 1100 degrees;
Always setting the pressure in the reaction vessel to less than 1 × 10 −7 Torr except when sputtering gas is introduced;
Placing the substrate in the reaction vessel while maintaining the set pressure in the reaction vessel, and heating the substrate to a temperature greater than 400 degrees and up to 680 degrees;
Introducing a mixed gas containing a rare gas and hydrogen gas into the reaction vessel;
Sputtering a sputter target made of Si, Ge, or a mixed crystal of Si and Ge, which may contain a doping element including a group 4 element, on a heated substrate by using the introduced mixed gas as a sputtering gas by a magnetron method A method for producing a semiconductor thin film, comprising:
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