JP2663518B2 - Silicon substrate cleaning method - Google Patents

Silicon substrate cleaning method

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はシリコン基板上への結晶などの成長法に関
し、詳しくは成長前の基板清浄化方法に関する。
The present invention relates to a method for growing a crystal or the like on a silicon substrate, and more particularly, to a method for cleaning a substrate before growth.

(従来の技術) 近年、高速バイポーラ素子、マイクロ波用素子等への
応用を目的として薄いベース層を持つことを特徴とする
シリコン系のバイポーラトランジスタ作成に関する研究
開発が盛んに行われている。予め設計したとおりの不純
物濃度をもつ薄いベース層を作成する場合には膜厚制御
性が良くしかも急峻な不純物プロファイルを有するエピ
タキシャル膜を作成できるシリコンの分子線成長技術が
有効である。シリコンの分子線成長法では成長に先立ち
基板の清浄化を行うことが重要である。この基板初期清
浄化がうまく行われない場合には良好なエピタキシャル
膜を得ることが出来ない。更にシリコン分子線成長法を
デバイス作成に応用する際にはあらかじめ作成した不純
物プロファイルが熱拡散によって崩れないように低温で
基板初期清浄化およびエピタキシャル成長を行わなけれ
ばならない。シリコン分子線成長法では、最近平山らは
第35回応用物理学関係連合講演会においてジシランを用
いたガスソース分子線成長法によりエピタキシャル成長
温度は630℃程度まで低下できることを報告した(講演
予稿集31p−Q−17)。しかし基板清浄化温度はエピタ
キシャル温度より高く、これを低くすることが重要であ
る。現行のシリコン分子線エピタキシャル成長では通常
以下の方法で基板清浄化を行う。基板をアンモニア:過
酸化水素水:水=1:6:20の混合液で処理し基板表面に10
A程度の保護酸化膜を形成し、この状態で分子成長装置
にロードする。成長室中でこの上に10A程度のアモルフ
ァスシリコンを蒸着しこの後基板温度を800℃まで上昇
して表面の酸化膜を揮発性のSiOに替えて取り去ること
により表面の保護酸化膜とともに基板表面に存在する不
純物を取り去り清浄化を果たす。辰巳らがジャパニーズ
ジャーナルオブアプライドフィジクス24巻L227−L229ペ
ージ(Japan J.Appl.Phys.,24(1985)pp.L227−L229)
に報告しているように、この方法で清浄化した後にエピ
タキシャル成長した膜の表面欠陥密度が102cm-2以下の
良好な膜を得るためには基板の清浄化温度780℃以上の
基板加熱が必要でありこれはエピタキシャル温度に比べ
て高い温度となっている。
(Prior Art) In recent years, research and development on silicon-based bipolar transistors characterized by having a thin base layer for the purpose of application to high-speed bipolar devices, microwave devices, and the like have been actively conducted. In order to form a thin base layer having an impurity concentration as designed in advance, a silicon molecular beam growth technique capable of forming an epitaxial film having good film thickness controllability and a steep impurity profile is effective. In the molecular beam growth method of silicon, it is important to clean the substrate prior to the growth. If the initial cleaning of the substrate is not performed well, a good epitaxial film cannot be obtained. Furthermore, when the silicon molecular beam growth method is applied to device fabrication, the substrate must be initially cleaned and epitaxially grown at a low temperature so that the impurity profile created in advance does not collapse due to thermal diffusion. Recently, Hirayama et al. Reported at the 35th Joint Lecture Meeting on Applied Physics that the epitaxial growth temperature can be reduced to about 630 ° C by gas source molecular beam growth using disilane. -Q-17). However, the substrate cleaning temperature is higher than the epitaxial temperature, and it is important to lower this temperature. In the current silicon molecular beam epitaxial growth, the substrate is usually cleaned by the following method. The substrate is treated with a mixed solution of ammonia: hydrogen peroxide: water = 1: 6: 20, and 10
A protective oxide film of about A is formed, and in this state, it is loaded into a molecular growth apparatus. Amorphous silicon of about 10A is deposited on this in the growth chamber, then the substrate temperature is raised to 800 ° C, the oxide film on the surface is changed to volatile SiO, and removed to form a protective oxide film on the substrate surface. Removes existing impurities and performs cleaning. Tatsumi et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 24, pp. L227-L229 (Japan J. Appl. Phys., 24 (1985) pp. L227-L229)
In order to obtain a good film with a surface defect density of 10 2 cm -2 or less, the substrate grown at a temperature of 780 ° C. or higher is required to clean the epitaxially grown film after cleaning by this method. Required, which is higher than the epitaxial temperature.

(本発明が解決しようとする問題点) 従来のシリコン分子線成長法における基板の清浄化方
法、すなわちアンモニア:過酸化水素水:水=1:6:20に
よって化学処理し、表面に薄い保護酸化膜をつけたシリ
コン基板を成長室にロードし、この上に10A程度のアモ
ルファスシリコン膜を堆積し、その後基板温度を上げて
基板を清浄化する方法では清浄化のために780℃以上の
高い温度が必要である。このためシリコン分子線成長法
の半導体デバイスの作成への応用を考えた場合には高い
基板温度のために結晶中に作り込んだ不純物プロファイ
ルが熱拡散によってくずれてしまいデバイスの特性が劣
化するといった問題点がある。
(Problems to be solved by the present invention) A conventional method for cleaning a substrate in a silicon molecular beam growth method, that is, a chemical treatment using ammonia: hydrogen peroxide solution: water = 1: 6: 20, and a thin protective oxidation on the surface. The silicon substrate with the film is loaded into the growth chamber, an amorphous silicon film of about 10A is deposited on it, and then the substrate temperature is increased to clean the substrate. is required. Therefore, when considering the application of silicon molecular beam epitaxy to the fabrication of semiconductor devices, the problem is that the impurity profile created in the crystal due to the high substrate temperature is distorted by thermal diffusion and the device characteristics are degraded. There is a point.

本発明は以上に述べた従来の分子線成長法における基
板清浄化方法の問題点である清浄化温度が高いという点
を解決することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the problem of the substrate cleaning method in the conventional molecular beam growth method described above that the cleaning temperature is high.

(問題を解決するための手段) 基板ははじめに通常と同様にアンモニア:過酸化水素
水:水=1:6:20によって処理し基板表面に薄い保護酸化
膜を形成する。この後基板は成長室内にロードされる。
本発明における基板の清浄化はこの成長室内にロードさ
れた基板表面に電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyc
lotron Resonance:ECR)を利用したクラッキングセルに
よってジシランガスクラッキングした後で照射すること
によって果たされる。
(Means for solving the problem) First, the substrate is treated with ammonia: hydrogen peroxide solution: water = 1: 6: 20 as usual, and a thin protective oxide film is formed on the substrate surface. Thereafter, the substrate is loaded into the growth chamber.
In the present invention, the cleaning of the substrate is performed by applying electron cyclotron resonance (Electron Cyctron) to the surface of the substrate loaded in the growth chamber.
This is achieved by irradiating after disilane gas cracking by a cracking cell utilizing lotron resonance (ECR).

(作用) ジシランを電子サイクロトロン共鳴を利用してクラッ
キングした場合にはジシラン分子は解離して主にSiH2
Hが生成される。基板清浄化は薄い保護酸化膜で覆われ
た基板上の保護酸化膜をきれいに取り去ることによって
果たされるが、ジシランの電子サイクロトロン共鳴を利
用したクラッキングによって生成されたSiH2はSiの供給
源として働き、SiO2酸化膜と反応して揮発性のSiOを形
成して保護酸化膜の脱離を促進する。またH原子はSiO2
膜中の酸素原子に対し還元作用を持ち、SiO2膜のエッチ
ング作用を示す。このため電子サイクロトロン共鳴によ
ってクラッキングしたジシランを供給すると酸化膜のエ
ッチングが効率良く行え、通常の10A程度のアモルファ
スシリコンを保護酸化膜上に積んでこれを基板加熱によ
ってSiOにして取り去る方法に比べて低温で、しかも良
好な清浄表面を得ることが出来る。なお露出したSi表面
上ではSiH2はやはりSiの供給源として働き表面上のSi原
子のダングリングボンドと反応してSiのエピタキシャル
成長に寄与するために過剰に供給されたジシランが格子
欠陥の発生原因になるということもない。
(Action) When the disilane is cracked by using electron cyclotron resonance, the disilane molecule is dissociated to generate mainly SiH 2 and H. Substrate cleaning is achieved by clean removal of the protective oxide on the substrate covered with a thin protective oxide, but the SiH 2 generated by cracking using the electron cyclotron resonance of disilane acts as a source of Si, Reacts with the SiO 2 oxide film to form volatile SiO, thereby promoting the desorption of the protective oxide film. H atoms are SiO 2
It has a reducing effect on oxygen atoms in the film and exhibits an etching effect on the SiO 2 film. For this reason, when disilane cracked by electron cyclotron resonance is supplied, the oxide film can be etched efficiently, and it is lower in temperature than the method of loading amorphous silicon of about 10 A on a protective oxide film and removing it to SiO by heating the substrate. And a good clean surface can be obtained. In addition, on the exposed Si surface, SiH 2 also acts as a source of Si and reacts with dangling bonds of Si atoms on the surface and contributes to epitaxial growth of Si. It doesn't even become.

また通常の電子サイクロトロン共鳴を用いた成長装置
では基板と電子サイクロトロン共鳴部分の距離が短く、
直接基板がプラズマにさらされるために表面の損傷が激
しい。本方法では電子サイクロトロン共鳴部分をクラッ
キング用セル内に限定することにより、基板と電子サイ
クロトロン共鳴部分を離し、基板が直接プラズマにさら
されることによる損傷を防ぐことができる。
In a growth apparatus using ordinary electron cyclotron resonance, the distance between the substrate and the electron cyclotron resonance portion is short,
Surface damage is severe because the substrate is directly exposed to the plasma. In this method, the substrate is separated from the electron cyclotron resonance portion by limiting the electron cyclotron resonance portion to the inside of the cracking cell, and damage due to direct exposure of the substrate to plasma can be prevented.

(実施例) 以下図面を用いて詳細に説明する。第1図は、本発明
の実施例を説明するための装置概略図である。アンモニ
ア:過酸化水素水:水=1:6:20の混合液による洗浄によ
って表面に薄い保護酸化膜を形成したSi基板を電子サイ
クロトロン共鳴セルを持ったガスソースシリコン分子線
成長装置において基板表面清浄化を行った例である。装
置の成長室内に保護酸化膜で覆われたSi(111)基板が
セットされている。これに対し100%ジシランガスを電
子サイクロトロン共鳴クラッキングセルを通して基板に
向かって供給する。この時基板の保護酸化膜が取れて行
く様子を反射電子線回析によって観測する。保護酸化膜
に覆われている場合には酸化膜によるハローな反射電子
線回析パターンが観測される。保護酸化膜がとれて清浄
な表面が現れた場合には清浄なSi(111)表面に特有な
シャープな7×7表面超構造の反射電子線回析パターン
が観測される。これを用いて基板表面の清浄化に必要な
基板温度と清浄化に必要な時間を測定した結果を第2図
にジシラン照射(ECRあり)16として示す。図中には比
較の為に基板加熱のみ14としてジシラン分子線を照射せ
ずに単に基板の熱だけによって清浄化した場合およびジ
シラン照射15として電子サイクロトロン共鳴によるクラ
ッキングを行わずにジシラン分子線を供給した場合の結
果も併せて示している。ジシラン分子線の供給量は1scc
mでありこの時の成長室内の真空度は5×10-5〜2×10
-4Torrであった。ジシランを供給せずに基板の熱だけで
清浄化を行う場合には表面の保護酸化膜はその下のSiと
反応してSiOとなって脱離する。ジシランを供給した場
合にはジシラン分子の中で基板で解離するものがあり、
これがSiの供給源となるためにこの反応はさらに促進さ
れるものと考えられる。電子サイクロトロン共鳴を利用
してクラッキングしたジシランを供給した場合には、基
板表面に予め解離したSiH2とHが供給されるため、作用
の所で述べたような機構に従ってさらに基板の清浄化が
促進される。実際電子サイクロトロン共鳴を用いてクラ
ッキングしたジシランを基板に供給した場合には清浄化
温度は600℃まで低下でき、この時必要な清浄化時間は1
5分と短く実用的であった。さらにクラッキングしたジ
シランを用いて600℃において初期清浄化したSi(111)
基板上にジシランガスソース分子線成長でエピタキシャ
ル膜を成長させた場合には得られる膜の表面欠陥密度は
102cm-2以下であった。このような良質のエピタキシャ
ル膜がえられたのは本方法によって基板初期清浄化が十
分に果たされていることをしめしている。
(Example) Hereinafter, a detailed description will be given with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for explaining an embodiment of the present invention. A silicon substrate with a thin protective oxide film formed on the surface by cleaning with a mixed solution of ammonia: hydrogen peroxide water: water = 1: 6: 20 is cleaned with a gas source silicon molecular beam epitaxy apparatus equipped with an electron cyclotron resonance cell. This is an example of the conversion. A Si (111) substrate covered with a protective oxide film is set in a growth chamber of the apparatus. In contrast, 100% disilane gas is supplied toward the substrate through an electron cyclotron resonance cracking cell. At this time, the state in which the protective oxide film of the substrate is removed is observed by reflected electron beam diffraction. When covered with a protective oxide film, a halo reflected electron beam diffraction pattern due to the oxide film is observed. When the protective oxide film is removed and a clean surface appears, a sharp 7 × 7 surface superstructure reflected electron beam diffraction pattern unique to a clean Si (111) surface is observed. FIG. 2 shows the results of measurement of the substrate temperature required for cleaning the substrate surface and the time required for cleaning using this data as disilane irradiation (with ECR) 16. In the figure, for the purpose of comparison, only the substrate is heated and the disilane molecular beam is supplied without the cracking by electron cyclotron resonance. The results in the case where they are performed are also shown. The supply amount of disilane molecular beam is 1scc
m, and the degree of vacuum in the growth chamber at this time is 5 × 10 −5 to 2 × 10 5
-4 Torr. When the substrate is cleaned only by heat without supplying disilane, the protective oxide film on the surface reacts with underlying Si to become SiO and is desorbed. When disilane is supplied, some of the disilane molecules dissociate on the substrate,
It is thought that this reaction is further accelerated because it becomes a source of Si. When cracked disilane is supplied using electron cyclotron resonance, predissociated SiH 2 and H are supplied to the substrate surface, which further promotes substrate cleaning according to the mechanism described in the section of action. Is done. In fact, when the cracked disilane is supplied to the substrate by using electron cyclotron resonance, the cleaning temperature can be lowered to 600 ° C., and the required cleaning time is 1 hour.
It was as short as 5 minutes and practical. Si (111) which was initially cleaned at 600 ℃ using cracked disilane
When an epitaxial film is grown on a substrate by disilane gas source molecular beam growth, the surface defect density of the obtained film is
It was 10 2 cm -2 or less. The fact that such a high-quality epitaxial film was obtained indicates that the initial cleaning of the substrate was sufficiently achieved by this method.

以上の実施例においてはSi基板上にSiのエピタキシャ
ル成長を分子線成長法により行った場合について説明し
たが、本発明の基板の清浄化方法は、Siのエピタキシャ
ル成長に限らず他の半導体の成長や電極金属などの形成
の際の基板の前処理としても用いられ、また成長方法も
分子線成長に限らず他の気相成長方法でも良い。
In the above embodiment, the case where the epitaxial growth of Si was performed on the Si substrate by the molecular beam growth method was described. However, the method of cleaning the substrate of the present invention is not limited to the epitaxial growth of Si, but also for the growth of other semiconductors and It is also used as a pre-treatment of the substrate when forming a metal or the like, and the growth method is not limited to molecular beam growth, but may be another vapor phase growth method.

(発明の効果) 以上詳しく説明したように、電子サイクロトロン共鳴
クラッキングセルを利用してクラッキングしたジシラン
を用いて基板の清浄化を行った場合には600℃という低
温においても十分な基板の清浄化を行うことが出来る。
(Effects of the Invention) As described in detail above, when a substrate is cleaned using disilane cracked using an electron cyclotron resonance cracking cell, the substrate can be sufficiently cleaned even at a low temperature of 600 ° C. You can do it.

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

第1図は本発明の実施例で用いたジシランガスソース分
子線成長装置の概略図。 第2図は本発明と従来の清浄化方法を用いた清浄化に必
要な基板温度と時間を示す図。 図において、1はシリコン分子線成長装置の成長室、2
はシリコン基板加熱装置、3は保護酸化膜で覆われた4
インチSi(111)基板、4は基板シャッター、5は電子
サイクロトロン共鳴セルの発散磁界、6は電子サイクロ
トロン共鳴を利用したクラッキングセル、7は電子サイ
クロトロン共鳴装置にマイクロ波を伝える導波管、8は
マイクロ波を発生するためのクライストロン、9、10は
ジシランガス導入管のバルブ、11はジシランガスボン
ベ、12は反射電子線回析用電子銃、13は反射電子線回析
用蛍光スクリーンを各々示す。
FIG. 1 is a schematic view of a disilane gas source molecular beam growing apparatus used in an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the substrate temperature and time required for cleaning using the present invention and a conventional cleaning method. In the figure, reference numeral 1 denotes a growth chamber of a silicon molecular beam growth apparatus;
Is a silicon substrate heating device, 3 is a protective oxide film covered
Inch Si (111) substrate, 4 is a substrate shutter, 5 is a diverging magnetic field of an electron cyclotron resonance cell, 6 is a cracking cell using electron cyclotron resonance, 7 is a waveguide that transmits microwaves to an electron cyclotron resonance device, and 8 is a waveguide. Klystrons for generating microwaves, 9 and 10 denote valves of a disilane gas introduction pipe, 11 denotes a disilane gas cylinder, 12 denotes an electron gun for reflection electron beam diffraction, and 13 denotes a fluorescent screen for reflection electron beam diffraction.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/203 H01L 21/203 M ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01L 21/203 H01L 21/203 M

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シリコン基板上に被成長材料を成長する前
の基板清浄化において、電子サイクロトロン共鳴を利用
したクラッキングセルによりジシランガスをクラッキン
グした後、基板に供給することを特徴とするシリコン基
板の清浄化方法。
In the cleaning of a substrate before growing a material to be grown on the silicon substrate, a disilane gas is cracked by a cracking cell utilizing electron cyclotron resonance and then supplied to the substrate. Method.
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