JP2835891B2 - Thin film making method - Google Patents

Thin film making method

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JP2835891B2
JP2835891B2 JP26892491A JP26892491A JP2835891B2 JP 2835891 B2 JP2835891 B2 JP 2835891B2 JP 26892491 A JP26892491 A JP 26892491A JP 26892491 A JP26892491 A JP 26892491A JP 2835891 B2 JP2835891 B2 JP 2835891B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、反応ガスの分子に対
して付着係数の低い材料でパターニングした基板に、選
択エピタキシャル成長を行い、前記パターニングで形成
された開口部のみに所望の薄膜を成長させる薄膜作成方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention performs selective epitaxial growth on a substrate patterned with a material having a low adhesion coefficient to the molecules of a reaction gas, and grows a desired thin film only in the openings formed by the patterning. The present invention relates to a method for forming a thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、反応ガスを用いて選択成長を行う
薄膜作成方法には、(1) パターニングで形成した膜(基
板に、酸化処理、拡散処理、レジスト処理、エッチング
処理、薄膜形成処理などを行う半導体デバイスの製造過
程中において、基板上に形成された膜を言う)に付着し
た薄膜に対して選択エッチングを同時に行って、結果と
してパターニングで形成された開口部のみに所望の薄膜
を成長させる方法、(2) 反応ガスの供給速度を遅くして
行う方法、(3) 基板の温度を低くして行う方法、などが
あった。
2. Description of the Related Art Conventionally, a method of forming a thin film by selective growth using a reaction gas includes (1) a film formed by patterning (an oxidation process, a diffusion process, a resist process, an etching process, a thin film forming process, etc. In the process of manufacturing a semiconductor device, a thin film attached to a substrate is selectively etched simultaneously, and as a result, a desired thin film is grown only in an opening formed by patterning. And (2) a method in which the supply rate of the reaction gas is reduced, and (3) a method in which the temperature of the substrate is lowered.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来方法において、(1) の選択エッチングを同時に行う場
合は基板温度を高温にする必要があった。
However, in the above-mentioned conventional method, when the selective etching of (1) is performed simultaneously, it is necessary to raise the substrate temperature.

【0004】例えば、Si基板にSi膜の選択成長を行う場
合には、Siをエッチングするガス(例えば、SiCl2 H 2
やHCl + SiH4 等)を組合せた反応ガスを用いて行われ
ていた。酸化膜上に形成されるポリシリコン膜をエッチ
ングしながらSi基板上にSi膜を成長させようとするもの
である。しかし、この方法ではポリシリコン膜のエッチ
ングを行わせるために、基板温度を高温にする必要があ
ると考えられる。また、ポリシリコンのエッチングと同
時にSi基板上のSiの成長も阻害されるので、Si膜の十分
な成長速度を得るためにも基板温度を高温にする必要が
あると考えられる。
For example, when a Si film is selectively grown on a Si substrate, a gas for etching Si (for example, SiCl 2 H 2) is used.
With or HCl + SiH 4, etc.) and the combined reaction gas was done. This is to grow a Si film on a Si substrate while etching a polysilicon film formed on an oxide film. However, in this method, it is considered necessary to increase the substrate temperature in order to etch the polysilicon film. In addition, since the growth of Si on the Si substrate is inhibited simultaneously with the etching of the polysilicon, it is considered that the substrate temperature needs to be high in order to obtain a sufficient growth rate of the Si film.

【0005】Yew et al.の研究によれば(J. Appl. Phy
s. 65 (6), 15 march 1989, P2500-2507, "Selective s
ilicon epitaxial growth at 800 oC by ultralow-pres
surechemical vapor deposition using SiH4and SiH4
/ H2 " )、基板の温度は800℃くらい必要と報告され
ている。
According to a study by Yew et al. (J. Appl.
s. 65 (6), 15 march 1989, P2500-2507, "Selective s
ilicon epitaxial growth at 800 oC by ultralow-pres
surechemical vapor deposition using SiH 4 and SiH 4
/ H 2 "), the temperature of the substrate is reported to require about 800 ° C..

【0006】このため、基板内に熱拡散法等により形成
した構造を、高温で破壊するおそれがある。
Therefore, a structure formed in a substrate by a thermal diffusion method or the like may be broken at a high temperature.

【0007】また、(3) の基板の温度を低くする方法で
は Hirayama et al.の研究報告がある。(Appl. Phys.
Lett. 52 (26), 27 June 1988, P2242-P2243, "Selecti
ve growth condition in disilane gas source silicon
melecular beam epitaxy")。この研究報告によれば、
基板温度を低くして選択成長を行おうとした場合、反応
ガスの供給速度を抑える必要があると報告されている。
しかし、この場合、高速選択成長が不可能で、半導体デ
バイスの製造に不向きと考えられてきた。
The method of (3) for lowering the temperature of the substrate is reported by Hirayama et al. (Appl. Phys.
Lett. 52 (26), 27 June 1988, P2242-P2243, "Selecti
ve growth condition in disilane gas source silicon
melecular beam epitaxy "). According to this study,
It has been reported that it is necessary to suppress the supply rate of the reaction gas when performing selective growth by lowering the substrate temperature.
However, in this case, it has been considered that high-speed selective growth is not possible and is not suitable for manufacturing a semiconductor device.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明は以上のような
問題点に鑑みてなされたもので、基板温度を低く設定し
(例えば 800℃以下)、かつ高速の選択成長が可能な薄
膜作成方法を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is directed to a method of forming a thin film capable of setting a substrate temperature low (for example, 800 ° C. or less) and performing high-speed selective growth. It is intended to provide.

【0009】上記の目的を達成するために、この発明
は、反応ガスに対し基板の材質より付着係数の低い材料
を基板表面上に形成(以下「パターニング」という)し
た基板上に次の条件を守り、薄膜作成することを特徴と
している。その条件は、(1) 真空容器内の圧力を反応ガ
スが実質上、気相反応が起こらない低い圧力領域にし、
かつ、(2) 付着係数の低い材料上における反応ガスの表
面分子濃度が核形成が起きる表面分子濃度以下として、
薄膜作成を行う。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following conditions on a substrate in which a material having a lower adhesion coefficient to a reaction gas than the material of the substrate is formed on a substrate surface (hereinafter referred to as "patterning"). It is characterized by protecting and forming a thin film. The conditions are as follows: (1) The pressure in the vacuum vessel is set to a low pressure region where the reaction gas substantially does not cause a gas phase reaction,
And (2) the surface molecular concentration of the reaction gas on the material having a low adhesion coefficient is equal to or less than the surface molecular concentration at which nucleation occurs,
Create a thin film.

【0010】実際には、基板表面分子濃度を知り得るこ
とは容易ではない。しかし、後述するように、発明者等
は核形成が発生するかどうかが、供給した反応ガスの総
量で決定されることを見出した。そこで、この発明で
は、「付着係数の低い材料上における反応ガスの表面分
子濃度が核形成が起きる表面分子濃度以下とする」条件
を、「供給した反応ガスの総量が、付着係数の低い材料
上で核形成が起きる反応ガスの総量以下」とすることに
よって、満たすようにした。
In practice, it is not easy to know the concentration of molecules on the substrate surface. However, as described below, the present inventors have found that whether or not nucleation occurs is determined by the total amount of the supplied reaction gas. Therefore, in the present invention, the condition that “the surface molecular concentration of the reaction gas on a material having a low adhesion coefficient is equal to or less than the surface molecular concentration at which nucleation occurs” is set as “the total amount of the supplied reaction gas is The total amount of the reaction gas at which nucleation occurs is not more than ".

【0011】反応ガスの供給総量を制御することは、一
定の条件において有効である。薄膜成長装置のガスノズ
ルの噴出口の形状、噴出口から基板までの距離、真空容
器の大きさ等の条件が変われば、核形成が起きて選択成
長が崩れるまでの供給総量は変化する。
[0011] Controlling the total amount of reactant gas supply is effective under certain conditions. If conditions such as the shape of the ejection port of the gas nozzle of the thin film growth apparatus, the distance from the ejection port to the substrate, and the size of the vacuum vessel change, the total supply amount until nucleation occurs and selective growth is disrupted changes.

【0012】そこで、「付着係数の低い材料上における
反応ガスの表面分子濃度が核形成が起きる表面分子濃度
以下とする」条件を、「基板に飛来する反応ガス分子の
総量が、付着係数の低い材料上で核形成が起きる分子数
(すなわち、基板上に衝突する分子数)以下」とするこ
とで普遍的な条件とすることができる。基板に飛来する
反応ガス分子の数量が、前記の条件を満足していれば、
薄膜成長装置の物理的な条件が変化しても、選択成長を
行うことが可能である。
Therefore, the condition that “the surface molecular concentration of the reaction gas on a material having a low adhesion coefficient is equal to or less than the surface molecular concentration at which nucleation occurs” is defined as “the total amount of the reaction gas molecules flying to the substrate is low. By setting the number to be equal to or less than the number of molecules at which nucleation occurs on the material (that is, the number of molecules colliding on the substrate), a universal condition can be obtained. If the number of reactive gas molecules flying to the substrate satisfies the above conditions,
Even if the physical conditions of the thin film growth apparatus change, selective growth can be performed.

【0013】気相反応が実質上、起らない圧力領域と
は、反応ガスの分子が、真空容器内で、互いに衝突する
前に、真空容器の内壁(真空側露出壁)或いは基板に衝
突する確率がきわめて大きくなるような圧力領域を意味
する。このような圧力領域においては、反応ガスの分子
間の衝突確率よりも、基板または内壁との衝突確率が大
きいため、分子間で熱を授受する確率が小さく、分子は
もっぱら基板または内壁との間で熱を授受することにな
る。分子間で熱を授受する確率が小さいということは、
気相中での熱伝導が非常に小さいことを意味する。この
ような条件においては、基板または内壁から、分子が熱
分解反応を生じる程度の熱エネルギーを受けたとして
も、気相中での熱伝導が小さいために、気相中全体で熱
分解反応が起きることはない。つまり、真空容器内の空
間においては、気相反応は実質上起らない。ここで、真
空容器の内壁の温度を、反応ガスの分子が熱分解反応を
起さないような温度に設定すれば、もっぱら基板表面上
でしか、反応ガスの熱分解反応は起らない。この結果、
基板表面上のみで反応ガスの熱分解反応による膜を生成
させることができる。気相反応が実質上起らない圧力領
域にするためには、反応ガスの分子の平均自由行程(me
an free path)を、基板と内壁の間の最短距離よりも長
くなるように、真空容器の圧力を設定するのが最適であ
る。即ち、反応ガスの分子の平均自由行程をd、基板と
内壁の間の最短距離をLとして数4の式を満たすように
する。
The pressure region in which the gas phase reaction does not substantially occur means that the molecules of the reactive gas collide with the inner wall (exposed wall on the vacuum side) or the substrate before colliding with each other in the vacuum vessel. It means a pressure region where the probability becomes extremely large. In such a pressure region, the probability of collision of the reactant gas with the substrate or the inner wall is larger than the probability of collision between the molecules, so that the probability of transferring heat between the molecules is small, and the molecules are exclusively between the substrate and the inner wall. Will give and receive heat. The low probability of transferring heat between molecules means that
It means that heat conduction in the gas phase is very small. Under these conditions, even if molecules receive thermal energy from the substrate or the inner wall to such an extent as to cause a thermal decomposition reaction, the thermal conduction in the gas phase is so small that the thermal decomposition reaction occurs in the entire gas phase. Never get up. That is, the gas phase reaction does not substantially occur in the space inside the vacuum vessel. Here, if the temperature of the inner wall of the vacuum vessel is set to a temperature at which the molecules of the reaction gas do not cause a thermal decomposition reaction, the thermal decomposition reaction of the reaction gas occurs only on the substrate surface. As a result,
A film can be formed only on the substrate surface by a thermal decomposition reaction of the reaction gas. In order to achieve a pressure range in which the gas phase reaction does not substantially occur, the mean free path (me
Optimally, the pressure of the vacuum vessel is set so that the free path is longer than the shortest distance between the substrate and the inner wall. That is, the mean free path of the molecules of the reaction gas is set to d, and the shortest distance between the substrate and the inner wall is set to L so as to satisfy the equation (4).

【0014】[0014]

【数4】 (Equation 4)

【0015】このように条件設定することによって、気
相中で反応ガスが熱分解反応を起すことが無くなる。つ
まり、基板に衝突して熱を受け取った分子が、基板から
飛び出したとしても、分子の平均自由行程が、基板と内
壁の間の最短距離よりも長いので、分子相互が衝突する
確率は小さく、分子が内壁と衝突する確率が大きいから
である。
By setting the conditions in this manner, the reaction gas does not cause a thermal decomposition reaction in the gas phase. In other words, even if a molecule that receives heat by colliding with the substrate jumps out of the substrate, the average free path of the molecule is longer than the shortest distance between the substrate and the inner wall, so the probability that the molecules collide with each other is small, This is because molecules have a high probability of colliding with the inner wall.

【0016】反応ガスの分子相互が真空容器内で衝突し
ないようにするために、更に、ガスノズルと基板の距離
も、反応ガスの分子の平均自由行程よりも短くなるよう
に設定してもよい。ガスノズルと基板の距離をこのよう
に設定すると、ガスノズルから供給された反応ガスの分
子(一次分子)が分子間で衝突することなく、直接基板
へ到達する確率を大きくできるからである。
In order to prevent the molecules of the reaction gas from colliding with each other in the vacuum vessel, the distance between the gas nozzle and the substrate may be set shorter than the mean free path of the molecules of the reaction gas. When the distance between the gas nozzle and the substrate is set in this manner, the probability that the molecules (primary molecules) of the reaction gas supplied from the gas nozzle reach the substrate directly without colliding between the molecules can be increased.

【0017】ここでは、熱分解反応の可能な熱エネルギ
ーを与えられた分子との衝突確率について考慮すれば良
いので、ガスノズルから供給されて、熱分解反応の熱エ
ネルギーが未だ与えられていない分子相互の衝突は考慮
する必要は無い。従って、d>Lの条件が満たされてい
れば十分である。
Here, since it is sufficient to consider the probability of collision with molecules given thermal energy capable of thermal decomposition reaction, the molecular energy supplied from the gas nozzle to the molecular energy to which thermal energy of thermal decomposition reaction has not yet been given has been given. There is no need to consider collisions. Therefore, it is sufficient if the condition of d> L is satisfied.

【0018】[0018]

【作用】基板と、反応ガスの付着係数が基板に比べて低
い材料に対して同じ供給速度で反応ガスを供給した場
合、基板に比べ、前記付着係数が低い材料上に核形成が
始まる時間は多く必要である。これは核形成が始まる表
面分子濃度に至るまでに供給する分子の総量が基板に比
べてより多く必要であるためである。この付着係数が低
い材料上で核形成が始まる条件は表面分子濃度のみであ
る。従って、この発明によれば、核形成が始まる臨界供
給量以下で成長を終了するので、基板に対する選択的な
結晶成長が、低い基板温度で、かつ速い成長速度で可能
となる。
When a reaction gas is supplied at the same supply rate to a substrate and a material having a lower adhesion coefficient of the reaction gas than the substrate, the time for nucleation to start on the material having a lower adhesion coefficient than the substrate is as follows. Many are needed. This is because the total amount of molecules to be supplied before reaching the surface molecular concentration at which nucleation starts is required to be larger than that of the substrate. The condition on which nucleation starts on a material having a low adhesion coefficient is only the surface molecular concentration. Therefore, according to the present invention, since the growth is terminated at a critical supply amount or less at which nucleation starts, selective crystal growth on the substrate can be performed at a low substrate temperature and at a high growth rate.

【0019】一般的に、表面分子濃度とは、核の前駆体
(プレカーサー)として1ないしは2原子が会合した集
合体(または臨界核)が基板の単位面積上に存在する個
数とされている。
Generally, the surface molecular concentration is defined as the number of aggregates (or critical nuclei) in which one or two atoms are associated as a nuclear precursor (precursor) on a unit area of a substrate.

【0020】[0020]

【実施例】以下、この発明を反応ガスにジシラン(Si2
H 6 )ガスを用いたシリコンガスソースエピタキシーに
実施した例について説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described with reference to disilane (Si 2
An example in which the present invention is applied to silicon gas source epitaxy using H 6 ) gas will be described.

【0021】図1は実施例に用いた装置の概略の構成を
示したものである。なお、この図は、この発明が理解で
きる程度に各構成要素の大きさ、形状、および、配置関
係を概略的に示しているにすぎない。真空容器1にガス
ノズル2が設置してあると共に、真空容器1の内側に沿
って液体窒素シュラウド3が設置してあり、液体窒素シ
ュラウド3で囲まれた空間の上部に基板ホルダー4が設
置され、該基板ホルダー4に対向させて加熱装置5が設
置してある。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an apparatus used in the embodiment. It should be noted that this diagram merely schematically shows the size, shape, and positional relationship of each component so that the present invention can be understood. A gas nozzle 2 is provided in the vacuum vessel 1, a liquid nitrogen shroud 3 is provided along the inside of the vacuum vessel 1, and a substrate holder 4 is provided above a space surrounded by the liquid nitrogen shroud 3. A heating device 5 is provided so as to face the substrate holder 4.

【0022】前記真空容器1は下部に連設されたターボ
分子ポンプ(1000l/sec )6および補助ロータリーポ
ンプ7で真空に排気できるようになっており、真空容器
1内の圧力を側壁に設置したヌードイオンゲージ8を介
して測定できるようになっている。ヌードイオンゲージ
8は成膜中には点灯しない。また、前記基板ホルダー4
に保持した基板9の表面観察のために、電子銃10とス
クリーン11で構成されるRHEED装置(反射高速電
子線回析)が設置してある。
The vacuum vessel 1 can be evacuated to a vacuum by a turbo-molecular pump (1000 l / sec) 6 and an auxiliary rotary pump 7 provided at the lower part, and the pressure in the vacuum vessel 1 is set on the side wall. The measurement can be performed via the nude ion gauge 8. The nude ion gauge 8 is not turned on during film formation. Further, the substrate holder 4
A RHEED device (reflection high-speed electron beam diffraction) composed of an electron gun 10 and a screen 11 is installed for observing the surface of the substrate 9 held in the device.

【0023】一方、前記ガスノズル2には三方弁12を
介設したガス導入系13が接続してある。ガス導入系1
3はマスフローコントローラ14、バルブ15、16、
レギュレータ17でライン構成してあるもので、レギュ
レータ17がガスボンベ(ジシランガスボンベ)18に
接続してある。前記三方弁12の一方には、ターボ分子
ポンプ19と補助ロータリーポンプ20で構成した排気
系が接続してあり、ガス導入系13の配管内を排気でき
るようになっている。
On the other hand, a gas introduction system 13 provided with a three-way valve 12 is connected to the gas nozzle 2. Gas introduction system 1
3 is a mass flow controller 14, valves 15, 16,
The line is constituted by a regulator 17, and the regulator 17 is connected to a gas cylinder (disilane gas cylinder) 18. An exhaust system constituted by a turbo molecular pump 19 and an auxiliary rotary pump 20 is connected to one of the three-way valves 12 so that the inside of a pipe of the gas introduction system 13 can be exhausted.

【0024】上記の如くの構成の真空容器1の到達圧力
は、1.0 ×10-9 Torr 以下であった。本実施例では液体
窒素シュラウド3を用いて散乱分子を吸着し、基板に至
る分子はガスノズル2から直接飛来した分子のみとな
る。また、基板に至る分子総量を供給したガスの総量で
把握した。さらに、液体窒素シュラウド3の冷媒を水に
して水冷シュラウドとした場合でも(特願平2−253
002号)、水冷シュラウドで散乱した分子が基板に飛
来したとしても、基板に飛来する分子の総量は供給した
ガスの総量で把握できる。
The ultimate pressure of the vacuum vessel 1 having the above configuration was 1.0 × 10 −9 Torr or less. In this embodiment, the scattered molecules are adsorbed by using the liquid nitrogen shroud 3, and the molecules reaching the substrate are only the molecules directly flying from the gas nozzle 2. Further, the total amount of molecules reaching the substrate was determined by the total amount of supplied gas. Furthermore, even when the coolant of the liquid nitrogen shroud 3 is water and used as a water-cooled shroud (Japanese Patent Application No. 2-253).
002), even if molecules scattered by the water-cooled shroud fly to the substrate, the total amount of molecules flying to the substrate can be grasped by the total amount of supplied gas.

【0025】Si2 H 6 ガスはガスライン13に設置され
たマスフローコントローラ14により流量を制御され、
ガスノズル2を通して基板9に供給される。ガスは三方
弁12により切り替えられ、ガスを基板に照射しない時
は配管排気用ターボ分子ポンプ19により排気する。
The flow rate of the Si 2 H 6 gas is controlled by a mass flow controller 14 installed in a gas line 13.
The gas is supplied to the substrate 9 through the gas nozzle 2. The gas is switched by the three-way valve 12, and when the gas is not irradiated to the substrate, the gas is exhausted by the turbo-molecular pump 19 for exhausting piping.

【0026】ここで、Si2 H 6 ガスを導入し、真空容器
1内の圧力を1.5 ×10-3 Torr とした時に、前記d>L
の条件を満足するか否か検討する。装置の基板9と液体
窒素シュラウド3との最短距離Lは40 mm であった。
Here, when Si 2 H 6 gas is introduced and the pressure in the vacuum vessel 1 is set to 1.5 × 10 −3 Torr, the d> L
Consider whether or not the condition is satisfied. The shortest distance L between the substrate 9 of the apparatus and the liquid nitrogen shroud 3 was 40 mm.

【0027】分子の平均自由行程d(m)は、数5の式
で求められる。
The mean free path d (m) of the numerator is obtained by the equation (5).

【0028】[0028]

【数5】 (Equation 5)

【0029】Tは気体の温度(K )、Pは圧力(Pa)、
Dは分子の直径(m)である。
T is the gas temperature (K), P is the pressure (Pa),
D is the diameter (m) of the molecule.

【0030】そこで、数6の式を用いてSi2 H 6 ガス分
子の平均自由行程を求めてみる。Si2 H 6 ガス分子の直
径Dを求めるに当って、図2の分子構造モデルを用い
た。このモデルにおいて、Si原子間の距離は2.34オング
ストローム、Si原子とH 原子間の距離は1.480 オングス
トロームである。また、Si原子と3つのH 原子で構成さ
れた三角錐体の頂角(図中θ)は110.2 °である。した
がって、前記三角錐体の高さを計算で求めると、0.475
オングストロームとなる。
Therefore, the mean free path of the Si 2 H 6 gas molecule will be obtained by using equation (6). In determining the diameter D of the Si 2 H 6 gas molecule, the molecular structure model of FIG. 2 was used. In this model, the distance between Si atoms is 2.34 Å, and the distance between Si and H atoms is 1.480 Å. The apex angle (θ in the figure) of a triangular pyramid composed of Si atoms and three H atoms is 110.2 °. Therefore, when calculating the height of the triangular pyramid, 0.475
Angstrom.

【0031】Si2 H 6 分子の直径Dは、(Si原子間距
離)+2(三角錐体の高さ)で求められ、D=3.29オン
グストロームすなわち3.29×10-10 mである。
The diameter D of the Si 2 H 6 molecule is obtained by (distance between Si atoms) +2 (height of the triangular pyramid), and D = 3.29 angstroms, that is, 3.29 × 10 −10 m.

【0032】この直径Dの値と、T=298 K (常温を25
℃とした)、P=1.5 ×10-3 Torr=0.1995 Pa を数7
の式に代入する。この結果、Si2 H 6 ガス分子の平均自
由行程は、 d = 42.9 ×10-3m= 42.9 mm となる。
The value of the diameter D and T = 298 K (normal temperature is 25
° C), P = 1.5 × 10 -3 Torr = 0.1995 Pa
Substitute into the formula. As a result, the mean free path of the Si 2 H 6 gas molecule is d = 42.9 × 10 −3 m = 42.9 mm.

【0033】L = 40 mmであったので、d>Lの条件を
満たしていると言える。従って、真空容器1内の圧力が
1.5 ×10-3 Torr 以下であれば、気相反応が実質上、起
らない圧力領域に設定したことになる。
Since L = 40 mm, it can be said that the condition of d> L is satisfied. Therefore, the pressure in the vacuum vessel 1 becomes
If the pressure is 1.5 × 10 −3 Torr or less, the pressure is set to a pressure range in which the gas phase reaction does not substantially occur.

【0034】通常、反応ガスの分子の大きさ(直径D)
は数オングストロームであり、また、基板と真空容器の
真空側露出壁の最短距離は数cmの程度に構成されるのが
一般的である。そのため、真空容器1内の圧力は1 ×10
-3 Torr 以下に設定すれば、気相反応が起らない条件を
達成することが可能である。
Usually, the size (diameter D) of the molecule of the reaction gas
Is generally several angstroms, and the shortest distance between the substrate and the exposed wall on the vacuum side of the vacuum vessel is generally set to about several centimeters. Therefore, the pressure inside the vacuum vessel 1 is 1 × 10
By setting the pressure to -3 Torr or less, it is possible to achieve a condition in which a gas phase reaction does not occur.

【0035】反応ガスが混合ガスであっても、全体が1
×10-3 Torr またはそれ以下であれば、それぞれのガス
の分子の平均自由行程が数cm以上となる。
Even if the reaction gas is a mixed gas, the total
If it is × 10 −3 Torr or less, the mean free path of the molecules of each gas will be several cm or more.

【0036】以上のことは、反応ガスの分子と基板、内
壁および分子間との衝突確率を考慮したものである。し
かしながら、巨視的観点から、気相状態の熱伝導が非常
に小さければ、気相全体に均一に熱が伝搬されない。つ
まり、実質的な気相反応は起きないことを意味する。
The above considerations take into account the collision probability between the molecules of the reaction gas and the substrate, the inner wall, and between the molecules. However, from a macroscopic point of view, if the heat conduction in the gas phase is very small, heat will not be uniformly transmitted to the entire gas phase. That is, it means that no substantial gas phase reaction occurs.

【0037】実際に、発明者等は前記の装置で、Si2 H
6 ガスを導入した真空容器の圧力を1.5 ×10-2 Torr 程
度としても、気相反応で起因すると考えられる、後述の
選択性が低下する現象は観察されなかった。
[0037] Indeed, the inventors have found that by the above apparatus, Si 2 H
Even when the pressure of the vacuum vessel into which the six gases were introduced was set to about 1.5 × 10 -2 Torr, the phenomenon described below, which is considered to be caused by the gas phase reaction, in which the selectivity was lowered was not observed.

【0038】このことは、反応ガスであるSi2 H 6 ガス
の分子の熱伝導が1.5 ×10-2 Torr程度でも十分に小さ
かったためと考えられる。つまり、熱エネルギーが与え
られた分子との衝突確率がある程度大きくなったとして
も、熱伝導によって、気相状態の反応ガスの全体に熱が
均一に分布しなければ、実質的な気相反応は起らないも
のと考えられる。
This is presumably because the thermal conductivity of the molecules of the Si 2 H 6 gas as the reaction gas was sufficiently small even at about 1.5 × 10 −2 Torr. In other words, even if the probability of collision with molecules given thermal energy is increased to some extent, substantial heat-dissipation will not occur unless heat is uniformly distributed throughout the gas-phase reaction gas due to heat conduction. It is not expected to occur.

【0039】真空容器1内の圧力を、反応ガスの気相反
応が実質上起らない圧力領域とすることは、基板に対し
て選択成長を行う上で重要である。
It is important to make the pressure in the vacuum vessel 1 a pressure region where the gas phase reaction of the reaction gas does not substantially occur, in performing selective growth on the substrate.

【0040】Si2 H 6 ガスをソースガスとして用い、Si
と SiO2 の間で選択成長を行う場合、基板に到達する前
に十分に分解反応してしまった反応ガス(pre-cracked
source-gas)では、選択成長はほとんど起らないと考え
られるからである。このことは次のような事実から類推
される。a. 固体Siの蒸着では、基板上で選択成長は起
らない如く、完全なSiは選択成長しない。b.真空容器
の真空側露出壁が高温の装置を用いると、選択成長膜が
薄い。例えば Recannelli et al.の報告(Appl. Phys.
Lett. 58 (19), 13 May 1991, P2096-P2098, "Low-temp
erature selective epitaxyby ultrahighvacuum chemic
alvapor deposition from SiH4 and GeH4 /H2 " )が
ある。これは反応ガスが高温の真空側露出壁である程度
分解したため、選択性が低下したものと考えられる。即
ち、気相中で反応ガスが分解反応により、生成物が気相
中で生じ、これが基板上に蒸着するようになるからだと
考えられる。つまり、Si2 H 6 の分解反応により、気相
中でSi原子ないしは、より選択性の悪い分子(Six H
y )が生成してこれが蒸着すると考えられる。
Using Si 2 H 6 gas as a source gas,
When selective growth is performed between SiO 2 and SiO 2 , a reaction gas that has sufficiently decomposed before reaching the substrate (pre-cracked
In source-gas), selective growth is unlikely to occur. This can be inferred from the following facts. a. In the deposition of solid Si, complete Si does not grow selectively so that selective growth does not occur on the substrate. b. When a device whose exposed wall on the vacuum side of the vacuum container is at a high temperature is used, the selectively grown film becomes thin. For example, the report of Recannelli et al. (Appl. Phys.
Lett. 58 (19), 13 May 1991, P2096-P2098, "Low-temp
erature selective epitaxyby ultrahighvacuum chemic
alvapor deposition from SiH 4 and GeH 4 / H 2 "). It is considered that the selectivity was lowered because the reactant gas was decomposed to some extent on the high-temperature exposed wall on the vacuum side. Is thought to be because the decomposition reaction produces products in the gas phase, which are deposited on the substrate, that is, the decomposition reaction of Si 2 H 6 results in Si atoms or more selective Bad molecule (Si x H
It is believed that y ) is formed and this is deposited.

【0041】選択成長を行うに際し、基板9は 4インチ
( 001)基板にCVD法によりSiO2膜を形成し、この S
iO2 膜にパターニングしたものを使用し、セッティング
前にアンモニア過水溶液( H2 O: H2 O 2: NH3 OH=2
0:6:1)で沸騰洗浄し、その後基板ホルダー4にセ
ットした。真空容器1内で加熱装置5を用いて850 ℃、
10分の加熱洗浄を行って、自然酸化膜を除去した後、種
々の基板温度で選択エピタキシャル成長を行った。 SiO
2 膜とSi膜(基板)では、 SiO2 膜のSiに対する付着係
数が低いと考えられている。選択成長に関する各種文献
から当業者に周知である。選択成長か否かはRHEED
装置のスクリーン11上の像により決めた。パターニン
グによって形成された酸化膜上にポリシリコンの核形成
が観られない場合、RHEED像は図3(a) の2 × 1+
ハローの状態で、この時の基板9の表面の走査型電子顕
微鏡(SEM)像は図3(b) の状態であった。これに対
して、酸化膜上にポリシリコンの核形成が観られる場
合、RHEED像が図4(a)の2 × 1+リングが観察さ
れ、この時の基板9の表面のSEM像は図4(b) の状態
であった。反応ガス(ジシランガス)を真空容器1に導
入した時の圧力は電子銃10のフィラメントを劣化させ
るため、RHEED観察は周期的に行った。成長速度は
選択成長後、フッ酸(HF)溶液によりパターニングによ
る酸化膜を除去し、基板中心部のエピタキシャル膜の膜
厚を段差法で測定し、算出した。
In performing selective growth, an SiO 2 film is formed on a 4-inch (001) substrate by a CVD method.
Use an iO 2 film patterned and use an aqueous ammonia solution (H 2 O: H 2 O 2 : NH 3 OH = 2) before setting.
The substrate was washed by boiling at 0: 6: 1) and then set on the substrate holder 4. 850 ° C. using the heating device 5 in the vacuum vessel 1,
After cleaning by heating for 10 minutes to remove the natural oxide film, selective epitaxial growth was performed at various substrate temperatures. SiO
It is considered that the SiO 2 film has a low adhesion coefficient to Si between the two films and the Si film (substrate). Various literature on selective growth is well known to those skilled in the art. RHEED for selective growth
Determined by the image on the screen 11 of the device. When no nucleation of polysilicon is observed on the oxide film formed by patterning, the RHEED image is 2 × 1 + in FIG.
In the halo state, a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of the substrate 9 at this time was as shown in FIG. On the other hand, when polysilicon nucleation is observed on the oxide film, a 2 × 1 + ring of the RHEED image of FIG. 4A is observed, and an SEM image of the surface of the substrate 9 at this time is shown in FIG. b). RHEED observation was performed periodically because the pressure when the reaction gas (disilane gas) was introduced into the vacuum vessel 1 deteriorated the filament of the electron gun 10. The growth rate was calculated by removing the oxide film by patterning with a hydrofluoric acid (HF) solution after selective growth and measuring the thickness of the epitaxial film at the center of the substrate by the step method.

【0042】RHEED像を一定間隔の時間で観察し、
像の変化により選択成長が崩れる時間を調べた。その結
果、酸化膜上のポリシリコンの核形成が、ある潜伏期間
をおいて発生し、基板温度が600 ℃の時、潜伏時間と反
応ガス供給速度の積、即ち潜伏時間中の供給ガス量がガ
ス供給速度によらず一定であった。つまり、ポリシリコ
ンの核形成が発生するまでの供給ガス総量、即ちポリシ
リコンの核形成が始まる臨界供給量は、基板温度が一定
であれば、ガスの供給速度によらず一定となることが判
明した。
The RHEED image is observed at regular intervals,
The time during which selective growth collapsed due to changes in the image was examined. As a result, nucleation of polysilicon on the oxide film occurs after a certain incubation period, and when the substrate temperature is 600 ° C., the product of the incubation time and the reaction gas supply rate, that is, the supply gas amount during the incubation time is reduced. It was constant regardless of the gas supply speed. In other words, it has been found that the total supply gas amount until the nucleation of polysilicon occurs, that is, the critical supply amount at which the nucleation of polysilicon starts, is constant irrespective of the gas supply speed if the substrate temperature is constant. did.

【0043】図5にポリシリコンの核形成が発生して選
択成長が崩れる臨界供給量の基板温度依存性を示す。こ
の臨界供給量の基板温度依存性に示すように、基板温度
650℃以下では臨界供給量が基板温度によってのみ変化
し、反応ガスの供給速度によらないこと、更に、臨界供
給量は基板温度の上昇と共に減少することがわかる。一
方、基板温度750 ℃以上では臨界供給量は基板温度とガ
スの供給速度に依存して変化し、それぞれ基板温度と共
に増加し、供給速度の増加と共に減少することが明らか
になった。
FIG. 5 shows the substrate temperature dependence of the critical supply amount at which selective nucleation occurs due to the formation of polysilicon nuclei. As shown in the substrate temperature dependence of this critical supply, the substrate temperature
At 650 ° C. or lower, it is found that the critical supply amount changes only depending on the substrate temperature and does not depend on the supply rate of the reaction gas, and further, the critical supply amount decreases as the substrate temperature increases. On the other hand, it was found that at a substrate temperature of 750 ° C or more, the critical supply amount changes depending on the substrate temperature and the gas supply rate, and increases with the substrate temperature, respectively, and decreases with an increase in the supply rate.

【0044】低温領域(650 ℃以下)における反応ガス
の臨界供給量の存在は、酸化膜上のポリシリコンの核形
成メカニズムが、酸化膜表面の分子密度がある量を越え
た結果、核形成が始まる従来のMBE(モレキュラービ
ームエピタキシー)法での三次元島状成長と同じメカニ
ズムであると考える。
The existence of the critical supply amount of the reaction gas in the low-temperature region (650 ° C. or lower) indicates that the nucleation mechanism of the polysilicon on the oxide film is such that the molecular density on the surface of the oxide film exceeds a certain amount. The mechanism is considered to be the same as that of the three-dimensional island-shaped growth in the conventional MBE (Molecular Beam Epitaxy) method.

【0045】このことは、次のようなモデル化した選択
成長のメカニズムから容易に知り得る。
This can be easily known from the following modeled selective growth mechanism.

【0046】まず、酸化膜( SiO2 )上のポリシリコン
膜とシリコン上のエピタキシャルシリコン膜は互いに影
響し合わないと考える。即ち、SiO2 上のポリシリコン
膜の形成は、基板全面が酸化膜の時のポリシリコン形成
のメカニズムで成長し、シリコン上のシリコン膜はエピ
タキシャル成長のメカニズムで成長し、この成長の差が
選択成長を起したと考える。
First, it is assumed that the polysilicon film on the oxide film (SiO 2 ) and the epitaxial silicon film on silicon do not affect each other. That is, the formation of the polysilicon film on SiO 2 is achieved by the mechanism of polysilicon formation when the entire surface of the substrate is an oxide film, and the silicon film on silicon is grown by the mechanism of epitaxial growth. Think that it has caused.

【0047】具体的には、酸化膜( SiO2 )上のポリシ
リコン膜は図6に示したような段階を経て、発生、成長
する。即ち、 (1) Si2 H 6 分子が酸化膜上に飛来する。
More specifically, a polysilicon film on an oxide film (SiO 2 ) is generated and grown through the steps shown in FIG. That is, (1) Si 2 H 6 molecules fly over the oxide film.

【0048】(2) Si2 H 6 分子の大部分は反射される
が、一部は酸化膜上に付着し、熱分解する。
(2) Most of the Si 2 H 6 molecules are reflected, but a part adheres to the oxide film and is thermally decomposed.

【0049】(3) 熱分解で生成した核の前駆体が酸化膜
上に滞在し、前駆体の量が次第に増加する。
(3) The precursor of the nucleus generated by the thermal decomposition stays on the oxide film, and the amount of the precursor gradually increases.

【0050】(4) 前駆体の量がポリシリコン膜の核形成
を始める臨界量を超えた時に、酸化膜上にポリシリコン
膜が発生し、成長する。この時点で選択成長は崩れてし
まう。
(4) When the amount of the precursor exceeds a critical amount at which nucleation of the polysilicon film starts, a polysilicon film is generated and grows on the oxide film. At this point, selective growth collapses.

【0051】Si2 H 6 分子が分解してから、Siとなるま
では、実際には複雑な過程が存在していると考えられ
る。しかし、最後には前駆体(Si原子もしくはSiにいく
つかのH が付いた形と考えられる)の数がある量(数原
子程度)以上になり、ポリシリコンを形成すると考えら
れる。
It is considered that a complicated process actually exists from the decomposition of the Si 2 H 6 molecule to the formation of Si. However, in the end, it is thought that the number of precursors (presumed to be Si atoms or Si with some H 2) exceeds a certain amount (about several atoms) and forms polysilicon.

【0052】上記の(1) 〜(4) の段階が進む間に、パタ
ーニングされた基板のSi上では酸化膜上の反応とは独立
にSiのエピタキシャル成長が進行する。この差が選択成
長となって表われる。
During the progress of steps (1) to (4), epitaxial growth of Si proceeds on the patterned Si substrate independently of the reaction on the oxide film. This difference appears as selective growth.

【0053】この現象は次のように数式化することで容
易に理解できる。
This phenomenon can be easily understood by formulating as follows.

【0054】数式化に当り、以下の前提または定義を行
う。
In formulating, the following premise or definition is made.

【0055】 基板温度: 一定 SiO2 上のSi2 H 6 分解効率(ここでは反射する分子は
分解しないものとする) :P Si2 H 6 フラックス量: F(個/
時間) 単位時間に SiO2 上に形成される前駆体の量:n(個) ここでは前駆体を、ポリシリコンを形成する最終的な形
の原子の意味で用い、Si原子とする。前駆体の量はSi2
H 6 を供給する限り増加し、減少することはない。これ
は、反応ガスの供給を停止してRHEEDの観察で実験
を行うような、間欠的なガスの供給を行っても、臨界供
給量(供給総量)が変わらないことから推定できる。
Substrate temperature: constant Decomposition efficiency of Si 2 H 6 on SiO 2 (reflecting molecules are not decomposed here): P Si 2 H 6 Flux amount: F (pieces /
Time) Amount of precursor formed on SiO 2 per unit time: n (pieces) Here, the precursor is used in the meaning of atoms in the final form of forming polysilicon, and is assumed to be Si atoms. The amount of precursor is Si 2
Increases as long as supplying H 6, is not reduced. This can be estimated from the fact that the critical supply amount (total supply amount) does not change even when the supply of the reaction gas is stopped and the intermittent supply of the gas is performed, such as when an experiment is performed by observing RHEED.

【0056】ポリシリコン膜の形成が開始するまでの前
駆体の臨界量: Qc(個) 実際に観察されるポリシリコン膜の形成が開始するまで
の前駆体の臨界量: qc(個) 単位時間にSiO として蒸発する分子の量:E(個/時
間) 単位時間に SiO2 上に形成される前駆体の量nを増加し
た時、SiO として蒸発する分子の量Eはnに比例して増
加する。しかし、nがある一定量を超えた時Eは反応律
速になる。つまり、nの増加速度に比べEは非常に小さ
く反応律速になり、一定値になっている。
Critical amount of precursor before formation of polysilicon film starts: Qc (pieces) Critical amount of precursor actually observed until formation of polysilicon film starts: qc (pieces) Unit time Amount of molecules evaporating as SiO 2 : E (pieces / hour) When the amount n of the precursor formed on SiO 2 per unit time is increased, the amount E of the molecules evaporating as SiO 2 increases in proportion to n I do. However, when n exceeds a certain amount, E becomes the reaction rate-limiting. In other words, E is very small compared to the increasing speed of n, and the reaction is rate-limiting, and has a constant value.

【0057】さて、単位時間に SiO2 上に形成される前
駆体の量nは、数8の式で求められる。
The amount n of the precursor formed on SiO 2 per unit time can be obtained by the equation (8).

【0058】[0058]

【数8】 (Equation 8)

【0059】これは、数9の反応式から理解できる。This can be understood from the equation (9).

【0060】[0060]

【数9】 (Equation 9)

【0061】ただし、この反応式のSiは膜を構成するSi
原子ではなく、前駆体となるSi原子と仮定する(図6の
段階)。
However, the Si in this reaction formula is the Si constituting the film.
It is assumed that the precursor is not an atom but a Si atom (step in FIG. 6).

【0062】また、実際に観察される前駆体の臨界量q
cは、数10の式で表わされる。
Further, the critical amount q of the precursor actually observed
c is represented by the following equation (10).

【0063】[0063]

【数10】 (Equation 10)

【0064】そこで、SiO の蒸発が無い場合(低温領
域)、臨界量に達するまでの時間tは、 SiO2 上に形成
された前駆体が減少することはないので、数11の式で
表わされる。
Therefore, when the SiO 2 is not evaporated (low temperature region), the time t until the critical amount is reached is represented by the equation (11) since the precursor formed on the SiO 2 does not decrease. .

【0065】[0065]

【数11】 [Equation 11]

【0066】つまり、数12の式で表わされる。That is, it is represented by the equation (12).

【0067】[0067]

【数12】 (Equation 12)

【0068】従って、数13の式により、実際に観測さ
れる臨界量qcは、数14の式で表わされる。
Therefore, the critical quantity qc actually observed by the equation (13) is represented by the equation (14).

【0069】[0069]

【数14】 [Equation 14]

【0070】この結果、臨界量qcはSi2 H 6 のフラッ
クス量Fに依存しないことがわかる。但し、 SiO2 上の
前駆体は基板温度と共にマイグレーション長(分子の動
き回れる距離)が増加することや、Si2 H 6 の分解速度
(分解効率)が増加して、前駆体が多く形成されること
などから、他の分解分子と出会う確率が増加する。この
結果、ポリシリコンを形成する確率が増加するため、前
駆体の臨界量Qcは基板温度の上昇と共に少なくなると
考えられる。
As a result, it is found that the critical amount qc does not depend on the flux amount F of Si 2 H 6 . However, for the precursor on SiO 2 , the migration length (the distance that molecules can move around) increases with the substrate temperature, and the decomposition rate (decomposition efficiency) of Si 2 H 6 increases, so that more precursor is formed. For this reason, the probability of encountering other decomposed molecules increases. As a result, since the probability of forming polysilicon increases, it is considered that the critical amount Qc of the precursor decreases as the substrate temperature increases.

【0071】次に、SiO の蒸発がある場合(高温領
域)、単位時間当りに生成する前駆体の量nは、数15
の式で表わされる反応により、SiO が蒸発するため、n
−E(個)となる。
Next, when SiO 2 is evaporated (high temperature region), the amount n of the precursor generated per unit time is expressed by the following equation (15).
SiO 2 is evaporated by the reaction represented by the following formula:
−E (pieces).

【0072】[0072]

【数15】 (Equation 15)

【0073】臨界量に達するまでの時間は、数16の式
から、数17で表わされる。
The time required to reach the critical amount is expressed by Expression 17 from Expression 16:

【0074】[0074]

【数17】 [Equation 17]

【0075】従って、この場合の実際に観測される前駆
体の臨界量qcは数18の式で表わされる。
Therefore, the critical amount qc of the precursor actually observed in this case is expressed by the equation (18).

【0076】[0076]

【数18】 (Equation 18)

【0077】この場合は、反応ガスの供給速度に依存し
ていることがわかる。また、数19の式から、 (1) 観測される臨界量qcは、理論的な臨界量Qcより
多くなる。つまり、基板の温度が高温になると、臨界量
が増加することを示している。
In this case, it can be seen that it depends on the supply speed of the reaction gas. Further, from the equation (19), (1) The observed critical amount qc is larger than the theoretical critical amount Qc. In other words, the critical amount increases as the temperature of the substrate increases.

【0078】(2) Si2 H 6のフラックス量Fが小さく、
2F×Pが蒸発分子量Eと等価になると、式の右辺は無
限大となり、逆にFが大きく、2F×Pが大きくなる
と、式の右辺は限りなくQcに近づく。つまり、反応ガ
スの流量依存性を示している。
(2) The flux F of Si 2 H 6 is small,
When 2F × P becomes equivalent to the evaporated molecular weight E, the right side of the equation becomes infinite. Conversely, when F increases and 2F × P increases, the right side of the equation approaches Qc without limit. That is, the flow rate dependence of the reaction gas is shown.

【0079】図7に基板に選択成長させたエピタキシャ
ルシリコン膜の成長速度の基板温度依存性を示す。得ら
れた選択成長膜の膜厚を段差法で測定し、成長速度を求
めた。低温領域(650 ℃以下)でも数オングストローム
〜100 オングストローム/min の成長速度が得られるこ
とが認められた。また、図5で得られた反応ガスの臨界
供給量以下で成長を行うことで、全ての温度領域で選択
成長が可能であった。基板温度700 ℃、ガス流量 30 sc
cmで成長速度 640オングストローム/min で、膜厚1280
オングストロームのシリコン高速選択成長エピタキシャ
ル膜が得られた。
FIG. 7 shows the temperature dependence of the growth rate of the epitaxial silicon film selectively grown on the substrate. The thickness of the obtained selectively grown film was measured by the step method, and the growth rate was determined. It was confirmed that a growth rate of several angstroms to 100 angstroms / min can be obtained even in a low temperature range (650 ° C. or lower). Further, by performing growth at a critical supply amount of the reaction gas obtained in FIG. 5 or less, selective growth was possible in all temperature regions. Substrate temperature 700 ℃, gas flow 30 sc
At a growth rate of 640 angstroms / min in cm and a film thickness of 1280
An Angstrom silicon high-speed selective growth epitaxial film was obtained.

【0080】尚、液体窒素シュラウド3に代えて、シュ
ラウドの媒体を水とする水冷シュラウドとしても気相反
応が起らない条件を満足できる。このことは、同一発明
者の別出願(特願平2−253002号)において証明
されている通りである。水冷シュラウドとすれば、更に
成長速度が速くでき、エピタキシャル膜の膜厚を厚くす
ることができる。
It should be noted that a water-cooled shroud using water as the shroud medium instead of the liquid nitrogen shroud 3 can satisfy the condition that a gas phase reaction does not occur. This is as proved in another application of the same inventor (Japanese Patent Application No. 2-253002). If a water-cooled shroud is used, the growth rate can be further increased, and the thickness of the epitaxial film can be increased.

【0081】尚、実施例はシリコン基板に対して選択エ
ピタキシャル成長を行った場合について説明したが、Ga
As基板など、他の基板に対しても実施できるのは言うま
でもない。基板の材質に従って反応ガスが決定され、ま
た、反応ガスに対して付着係数の低いパターニングの材
料も決定される。
Although the embodiment has been described in connection with the case where the selective epitaxial growth is performed on the silicon substrate,
It goes without saying that the present invention can be applied to other substrates such as an As substrate. The reaction gas is determined according to the material of the substrate, and a patterning material having a low adhesion coefficient to the reaction gas is also determined.

【0082】図8は、Si3 N 4 膜でパターニングされた
Si基板上で選択成長を行った実施例の結果である。この
場合も、反応ガスとしてSi2 H 6 ガスを用い、Si基板上
にSiのエピタキシャル成長を行った。この場合、Si3 N
4 膜上でSiがSiO に変化して、蒸発してしまうことがな
い。そのため、基板温度700 ℃以上の高温においても、
選択成長を崩す臨界供給量はSi2 H 6 ガスの供給速度に
は依存しない。この図8から、もう一つ重要な結果を知
り得る。つまり、基板温度が高くなればなるほど、選択
成長を崩す臨界供給量が減少していることである。これ
は、Si2 H 6 の分解速度(分解効率)が増加して前駆体
が多く形成され、さらに前駆体としての原子が会合した
集合体(または臨界核)が、基板温度が高温となれば、
基板上で移動(マイグレーション)しやすくなるからと
考えられる。集合体(臨界核)が移動しやすくなれば、
他の集合体(臨界核)と出合い、合体する確率が増加す
る。集合体(臨界核)どうしが合体を始めれば、すぐに
膜形成が起こる。このため、基板温度が高くなれば、表
面分子濃度が小さくても十分に膜形成が始まることにな
る。それ故に、臨界供給量が少量でも、基板の温度が高
ければ、選択成長は崩れる。また、同じ温度における臨
界供給量が、Si3 N 4では SiO2 の場合に比べ約 1/10
である。これは、Si3 N 4 上でのSi2 H 6 分子の吸着点
(Site)の密度が SiO2 の場合に比べ10倍近く高いた
めと考えられる。
FIG. 8 shows a pattern patterned with a Si 3 N 4 film.
It is the result of the Example which performed selective growth on the Si substrate. Also in this case, Si 2 H 6 gas was used as a reaction gas, and Si was epitaxially grown on a Si substrate. In this case, Si 3 N
4 film on the Si is changed to SiO, it never becomes evaporated. Therefore, even at a high substrate temperature of 700 ° C or higher,
The critical supply amount that breaks the selective growth does not depend on the supply rate of the Si 2 H 6 gas. From FIG. 8, another important result can be known. In other words, the higher the substrate temperature, the lower the critical supply amount that breaks the selective growth. This is because if the decomposition rate (decomposition efficiency) of Si 2 H 6 increases, many precursors are formed, and the aggregates (or critical nuclei) in which the atoms as precursors are associated with each other become hot when the substrate temperature becomes high. ,
It is considered that it is easy to move (migrate) on the substrate. If the aggregate (critical nucleus) moves easily,
It encounters other aggregates (critical nuclei) and increases the probability of coalescence. As soon as the aggregates (critical nuclei) begin to coalesce, film formation occurs. For this reason, when the substrate temperature increases, the film formation sufficiently starts even if the surface molecule concentration is low. Therefore, even if the critical supply amount is small, if the temperature of the substrate is high, the selective growth is broken. Also, the critical supply amount at the same temperature is about 1/10 of that of SiO 2 in Si 3 N 4.
It is. This is considered to be because the density of the adsorption points (Site) of Si2H6 molecules on Si3N4 is nearly 10 times higher than that of SiO2.

【0083】実際に形成したポリSiの膜を比較したのが
図9(a)(b)のSEM写真である。図において(a) が SiO
2 膜の場合、(b) がSi3 N 4 膜の場合である。基板温度
は 580℃とした。(a) と(b) の核密度は、明らかに異な
っている。
FIGS. 9A and 9B are SEM photographs comparing the actually formed poly-Si films. In the figure, (a) is SiO
In the case of two films, (b) is the case of a Si 3 N 4 film. The substrate temperature was 580 ° C. The nuclear densities of (a) and (b) are clearly different.

【0084】さらに、Si2 H 6 と GeH4 ガスを用いてSi
/Geの混晶を形成する場合も、同様の方法で選択成長が
できた。
Further, using Si 2 H 6 and GeH 4 gas,
Also in the case of forming a mixed crystal of / Ge, selective growth was possible in the same manner.

【0085】また、選択W−CVDでも同様に臨界の供
給量が存在することがわかった。また、さらに、アモル
ファスSi上にSi2 H 6 を照射すると、ポリSi膜が形成さ
れることもわかった。この結果より、酸化膜とアモルフ
ァスSiとの間で同様の方法で選択的ポリSi膜の形成が可
能であることがわかった。さらにSi3 N 4 と SiO2 上で
選択的ポリSi膜の形成も可能である。
It was also found that there is a critical supply amount in selective W-CVD as well. Further, it was also found that when Si 2 H 6 was irradiated on amorphous Si, a poly-Si film was formed. From this result, it was found that a selective poly-Si film can be formed between the oxide film and the amorphous Si by the same method. Further, a selective poly-Si film can be formed on Si 3 N 4 and SiO 2 .

【0086】ここまでの説明では、薄膜の選択成長が行
なわれる薄膜成長装置を一定の構造、つまり図1に示し
たような構造で、ガスノズル2と基板9の距離、真空容
器1の大きさ、液体窒素シュラウド3の大きさなどの物
理的条件を一定として、選択成長が崩れるまでの、反応
ガスの臨界供給量を求めた。従って、実施例で使用した
薄膜成長装置と異なる装置を用いたときには、臨界供給
量は異なる値となる。
In the above description, the thin film growth apparatus for selectively growing a thin film has a fixed structure, that is, a structure as shown in FIG. 1, the distance between the gas nozzle 2 and the substrate 9, the size of the vacuum vessel 1, With the physical conditions such as the size of the liquid nitrogen shroud 3 kept constant, the critical supply amount of the reaction gas until the selective growth collapsed was determined. Therefore, when an apparatus different from the thin film growth apparatus used in the embodiment is used, the critical supply amount has a different value.

【0087】この方法を、さらに、基板9の表面に飛来
する反応ガス分子の総量に発展させて考えれば、薄膜成
長装置の物理的な条件に影響されない普遍性を与えるこ
とができる。
If this method is further extended to the total amount of reaction gas molecules flying on the surface of the substrate 9, it is possible to provide universality which is not affected by the physical conditions of the thin film growth apparatus.

【0088】以下、基板9の表面に飛来する反応ガス分
子の総量で薄膜の選択成長を制御する方法について説明
する。
Hereinafter, a method for controlling the selective growth of the thin film by the total amount of the reaction gas molecules flying on the surface of the substrate 9 will be described.

【0089】基板表面に衝突する反応ガス分子の量Γm
(g/cm2 ・sec )は、数20の式で表わすことができ
る。
The amount of reaction gas molecules colliding with the substrate surface Γm
(G / cm 2 · sec) can be expressed by Expression 20.

【0090】[0090]

【数20】 (Equation 20)

【0091】式中、P(Torr)は反応ガスの圧力、T
(k)は反応ガスの温度、Mは反応ガスの分子量であ
る。
Where P (Torr) is the pressure of the reaction gas, T
(K) is the temperature of the reaction gas, and M is the molecular weight of the reaction gas.

【0092】数21の式で求められる反応ガス分子の量
Γm (g/cm2 ・sec )を反応ガス分子の個数Γn (個/
cm2 ・sec )で表わすと、数22の式となる。
The amount of the reaction gas molecules Γm (g / cm 2 · sec) determined by the equation (21) is converted into the number of the reaction gas molecules Γn (pieces /
When expressed in cm 2 · sec), the following equation is obtained.

【0093】[0093]

【数22】 (Equation 22)

【0094】式中、NA は分子のアボガドロ数( 6.02
×1023個)である。
Where NA is the Avogadro number of the molecule (6.02
× 10 23 ).

【0095】SiO2 膜上の臨界核が臨界量に達して、選
択成長が崩れるまでの時間がt cri(sec) とすると、核
形成が始まるまでに基板表面に飛来する反応ガス分子の
総量Γcri(個/cm2 )は、数23の式より、数24の
式で表わすことができる。
Assuming that the time required for the critical nuclei on the SiO 2 film to reach the critical amount and for the selective growth to collapse is t cri (sec), the total amount of reaction gas molecules flying over the substrate surface before the nucleation starts, Δcri (Pieces / cm 2 ) can be expressed by the equation (24) from the equation (23).

【0096】[0096]

【数24】 (Equation 24)

【0097】これが臨界分子総量である。This is the total critical molecular weight.

【0098】図10および図11は、シュラウドの媒体
を水として、選択成長を行なった時のデータである。図
10は、基板温度とSi2 H 6 ガスの臨界供給量の関係を
示すグラフであり、図11はSi2 H 6 ガスの流量と真空
容器1の圧力の関係を示すガラフである。
FIG. 10 and FIG. 11 show data when selective growth was performed using shroud medium as water. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the substrate temperature and the critical supply amount of the Si 2 H 6 gas, and FIG. 11 is a graph showing the relationship between the flow rate of the Si 2 H 6 gas and the pressure of the vacuum vessel 1.

【0099】このデータに、数25の式をあてはめて、
選択成長が崩れる臨界分子総量Γ criを求めてみる。基
板温度TS = 680℃のとき、臨界供給量は約20 cc であ
った。Si2 H 6 ガスを 10 sccmの供給速度(v)で真空
容器に供給した時の圧力は約1.2 ×10-3 Torr であっ
た。
By applying the equation of Equation 25 to this data,
Let's find the total critical molecular weight cri cri that causes the selective growth to collapse. When the substrate temperature T S was 680 ° C., the critical supply was about 20 cc. The pressure when Si 2 H 6 gas was supplied to the vacuum vessel at a supply rate (v) of 10 sccm was about 1.2 × 10 −3 Torr.

【0100】この場合、選択成長が崩れるまでの時間t
criは、数26の式で表わされる。
In this case, time t until the selective growth collapses
cri is represented by Expression 26.

【0101】[0101]

【数26】 (Equation 26)

【0102】vは反応ガスの供給速度である。すなわ
ち、 t=20/10= 2 min= 120 sec である。Si2 H 6 ガスの分子量Mは62.22 である。温度
Tは25℃= 298 Kとする。数27の式に代入すると、数
28のようになる。
V is the supply speed of the reaction gas. That is, t = 20/10 = 2 min = 120 sec. The molecular weight M of the Si 2 H 6 gas is 62.22. The temperature T is set to 25 ° C. = 298 K. By substituting into the equation of Equation 27, Equation 28 is obtained.

【0103】[0103]

【数28】 [Equation 28]

【0104】この臨界分子総量Γ criは、反応ガスの供
給速度に関係なく、一定である。例えば、反応ガスの供
給速度を5 sccmとすると、真空容器の圧力は図11か
ら、約6 ×10-4 Torr であり、t criは 240 secである
から、臨界分子総量Γ criは数17の式から数29の式
となり、同一の値となる。
The critical molecular total amount cricri is constant irrespective of the supply speed of the reaction gas. For example, assuming that the supply rate of the reaction gas is 5 sccm, the pressure in the vacuum vessel is about 6 × 10 −4 Torr and t cri is 240 sec from FIG. 11, so the total critical molecular weight cri cri is From the expression, Expression 29 is obtained, which is the same value.

【0105】[0105]

【数29】 (Equation 29)

【0106】同様に反応ガスの供給速度を1 sccmから10
sccm まで変化したとしても、臨界分子総量Γ criは約
3.7 ×1019〜約6 ×1019(個/cm2 )の値となった。こ
のような、ある程度の範囲をもつのは、マスフローコン
トローラの流量制御誤差や、圧力測定誤差によるものと
考えられる。
Similarly, the supply rate of the reaction gas is increased from 1 sccm to 10 sccm.
Even if it changes to sccm, the total critical molecular weight cri cri is about
The value was 3.7 × 10 19 to about 6 × 10 19 (pieces / cm 2 ). Such a certain range is considered to be caused by a flow rate control error of the mass flow controller and a pressure measurement error.

【0107】この選択成長が崩れる時点までの、臨界分
子総量Γ criは、薄膜成長装置の物理的条件に全く無関
係な値である。例えば、ガスノズル2の噴き出し口の形
状、基板との距離、シュラウドの温度、真空容器の形
状、大きさなどの物理的条件が挙げられる。これらの条
件の変更によっても、臨界分子総量Γ criは変化しな
い。もちろん、反応ガスの供給速度にも関係しない。臨
界分子総量Γ criを決定するのは、反応ガスの圧力、温
度および分子量などの物性値と、さらに、付着係数を決
定する基板の材質と温度である。
The critical molecular total amount cricri up to the point at which the selective growth collapses is a value completely unrelated to the physical conditions of the thin film growth apparatus. For example, physical conditions such as the shape of the outlet of the gas nozzle 2, the distance to the substrate, the temperature of the shroud, the shape and size of the vacuum vessel, and the like can be mentioned. Even when these conditions are changed, the total critical molecular weight Γcri does not change. Of course, it is not related to the supply speed of the reaction gas. The critical molecular total amount cricri is determined by the physical properties such as the pressure, temperature and molecular weight of the reaction gas, and the material and temperature of the substrate for determining the adhesion coefficient.

【0108】図10に示された各基板温度に対する臨界
衝突分子総量Γ criを求めて、表2に示した。
The total critical collision molecule amount cricri for each substrate temperature shown in FIG. 10 was determined and is shown in Table 2.

【0109】[0109]

【表2】 [Table 2]

【0110】この臨界分子総量は反応ガスがSi2 H 6
スで、基板温度が680 ℃、630 ℃、580 ℃、530 ℃のと
きの固有な値を示すものである。したがって、その他の
条件がどのように変化しても、この臨界分子総量に達し
た時点で、選択成長は崩れていく。
The critical molecular total amount shows a unique value when the reaction gas is Si 2 H 6 gas and the substrate temperature is 680 ° C., 630 ° C., 580 ° C., and 530 ° C. Therefore, no matter how the other conditions change, the selective growth collapses when the critical molecular total amount is reached.

【0111】このことは、前記の臨界供給量とは異なる
意味を持つ。つまり、臨界供給量の場合は、一定の条件
で同一の値となるものである。一定の条件とは、例え
ば、ガスノズルの噴出口の形状、基板とガスノズルの距
離および相対的位置関係、シュラウドの温度、真空容器
の大きさなどである。したがって、臨界供給量をある装
置で知り得たとしても、別の装置では異なった臨界供給
量となる。
This has a different meaning from the critical supply amount described above. That is, in the case of the critical supply amount, the value is the same under a certain condition. The certain conditions include, for example, the shape of the gas nozzle orifice, the distance and relative positional relationship between the substrate and the gas nozzle, the temperature of the shroud, and the size of the vacuum vessel. Therefore, even if the critical supply amount can be known by one device, another device has a different critical supply amount.

【0112】シュラウドの温度を変えた場合を説明す
る。ひとつの装置ではシュラウドに液体窒素を循環さ
せ、別の装置では水を循環させた。水を循環させた装置
における臨界供給量は、液体窒素を循環させた装置にお
ける臨界供給量の約1/10であった。図5がシュラウド
に液体窒素を循環させた場合であり、図10が水を循環
させた場合である。水を循環させたシュラウドの表面で
は、衝突した反応ガス分子が散乱されるので、供給され
た反応ガス分子の大部分が基板上に飛来する。それに対
して、液体窒素を循環させたシュラウドの表面では、反
応ガス分子が吸着されてしまう。そのため基板上に飛来
する反応ガスの分子数は液体窒素シュラウドの方が少な
い。したがって、核形成が始まるまでの量、すなわち臨
界供給量に達するまでに、より多くの反応ガスを供給し
なければならない。
The case where the temperature of the shroud is changed will be described. One device circulated liquid nitrogen through the shroud, and the other circulated water. The critical feed rate in the apparatus circulating water was about 1/10 of the critical feed rate in the apparatus circulating liquid nitrogen. FIG. 5 shows a case where liquid nitrogen is circulated through the shroud, and FIG. 10 shows a case where water is circulated. On the surface of the shroud in which the water is circulated, the colliding reactant gas molecules are scattered, so that most of the supplied reactant gas molecules fly over the substrate. On the other hand, the reaction gas molecules are adsorbed on the surface of the shroud in which the liquid nitrogen is circulated. Therefore, the number of molecules of the reaction gas flying on the substrate is smaller in the liquid nitrogen shroud. Therefore, more reactant gas must be supplied until the nucleation starts, that is, the critical supply amount is reached.

【0113】このように、シュラウドの温度変化によっ
て、反応ガスの臨界供給量が変化するが、その他の条件
の変化によっても臨界供給量は変化する。しかし、選択
成長を崩す臨界条件を基板に飛来する分子の数でとらえ
れば、薄膜成長装置の状態や内部構造に全く関係しなく
なる。このことは、ある装置で、ある基板に対してある
反応ガスの臨界分子総量を知り得れば、別の装置でも、
その臨界分子総量で選択成長を制御できることを意味し
ている。
As described above, the critical supply amount of the reaction gas changes according to the change in the temperature of the shroud, but the critical supply amount also changes according to changes in other conditions. However, if the critical condition for breaking the selective growth is determined by the number of molecules flying to the substrate, it has nothing to do with the state or internal structure of the thin film growth apparatus. This means that if one device can know the total critical molecular weight of a certain reaction gas for a certain substrate,
This means that selective growth can be controlled by the critical molecular total amount.

【0114】[0114]

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、パターニングの材料とされた、反応ガスの分子に対
して付着係数の低い材料上で、反応ガスの分子による核
形成が開始する前に、選択エピタキシャル成長を終了す
るので、選択成長を確実に行える効果がある。また、基
板の温度を高温にすることなく、かつ成長速度を速くで
きるので、半導体デバイスの製造に適用でき、超高集積
度デバイスの製造に寄与する効果がある。
As described above, according to the present invention, nucleation of molecules of a reaction gas starts on a material having a low adhesion coefficient to the molecules of the reaction gas, which is used as a material for patterning. Before the selective epitaxial growth is completed, there is an effect that the selective growth can be surely performed. Further, since the growth rate can be increased without increasing the temperature of the substrate, it can be applied to the manufacture of a semiconductor device, and has an effect of contributing to the manufacture of an ultra-high integration device.

【0115】従来は、選択成長はガス流量が少ない場
合、もしくは基板温度が低い場合だけ可能と考えられて
いた(例えば、Hirayama et al., Appln. Phys. Lett.
52 (26), 27 June 1988, P2242-2243)。これに従う限
り、成長速度がガス流量と基板温度に依存する系では成
長速度を低く抑える必要がある。
Conventionally, it has been considered that selective growth is possible only when the gas flow rate is low or the substrate temperature is low (for example, Hirayama et al., Appln. Phys. Lett.
52 (26), 27 June 1988, P2242-2243). As long as this is followed, it is necessary to keep the growth rate low in a system where the growth rate depends on the gas flow rate and the substrate temperature.

【0116】これに対し、この発明は選択成長がガス流
量や、基板温度でなく、供給したガスの総量で決まるこ
と(選択性を崩す臨界の供給量の存在)を見出し、臨界
量に達するまでに成長を終了することとした。このた
め、臨界の供給量を守る限り、成長速度を左右するガス
流量や基板温度を変えることが可能であり、ガス流量や
基板温度を上げることで成長速度をいくらでも上げるこ
とができる。(Si2 H 6 ガスを用いたSiの選択成長では
表面からの水素脱離反応で律速される成長速度が存在す
るので、これ以上は増速できない。)つまり、基板温度
が一定ならば、選択成長の崩れる条件は、ガスの供給方
法によらず、供給した結果の総量で決定する。例えば、
図8から基板温度600℃のとき選択成長が崩れる臨界量
は約20 cc である。反応ガスの供給速度が 30 sccmであ
れば、40秒間流すと、選択成長が崩れる。同様に、15 s
ccm であれば80秒間で、さらに10 sccm であれば120 秒
間流せば選択成長が崩れる。また、10 sccm の供給速度
で10秒間の間隔をおいて10秒間ずっと流すのを12回繰り
返せば、選択成長が崩れる。このように間欠的にガスを
供給しても、その供給量の総量で選択成長の崩れる条件
が決定される。
On the other hand, the present invention has found that the selective growth is determined not by the gas flow rate nor the substrate temperature but by the total amount of the supplied gas (the presence of a critical supply amount that degrades the selectivity). We decided to end growth. For this reason, as long as the critical supply amount is kept, the gas flow rate and the substrate temperature that affect the growth rate can be changed, and the growth rate can be increased by increasing the gas flow rate and the substrate temperature. (In the selective growth of Si using Si 2 H 6 gas, there is a growth rate controlled by the hydrogen elimination reaction from the surface, so the rate cannot be increased any more.) In other words, if the substrate temperature is constant, selection The condition under which the growth collapses is determined by the total amount of the supplied result regardless of the gas supply method. For example,
As shown in FIG. 8, the critical amount at which the selective growth collapses at a substrate temperature of 600 ° C. is about 20 cc. If the supply rate of the reaction gas is 30 sccm, the selective growth is disrupted when the reaction gas flows for 40 seconds. Similarly, 15 s
If the flow is ccm for 80 seconds, and if the flow is 10 sccm for 120 seconds, the selective growth is broken. If the flow is continued at a supply speed of 10 sccm at intervals of 10 seconds for 10 seconds, the selective growth is broken. Even if the gas is intermittently supplied in this manner, the condition for breaking the selective growth is determined by the total amount of the supplied gas.

【0117】このように、この発明の最大の特徴は、選
択成長の崩れる条件を反応ガスの総量で決定できること
にある。従って、反応ガスがその総量に達する前に供給
を停止すれば、常に選択成長が行える。つまり、反応ガ
スの総量で選択成長が制御できることである。この観点
から、膜形成が始まるまでの潜伏期間として選択成長を
制御すること(例えば、Murota et al., Applln. Phys.
Lett 54 (11), 13 March 1989, P1007-1009, "Low-tem
perature siliconselective deposition and epitaxy o
n silicon using the thermal decomposition of silan
e under ultraclean environment")とは、技術思想が全
く相違するものである。選択成長を制御する手段として
本発明は“ガス供給の総量”を、Murata etal. では
“潜伏期間”としているからである。
As described above, the most significant feature of the present invention is that the condition under which the selective growth is broken can be determined by the total amount of the reaction gas. Therefore, if the supply of the reaction gas is stopped before reaching the total amount, selective growth can always be performed. That is, the selective growth can be controlled by the total amount of the reaction gas. From this point of view, controlling the selective growth as the incubation period before the start of film formation (for example, Murota et al., Applln. Phys.
Lett 54 (11), 13 March 1989, P1007-1009, "Low-tem
perature siliconselective deposition and epitaxy o
n silicon using the thermal decomposition of silan
e under ultraclean environment ") is a completely different technical idea because the present invention uses" the total amount of gas supply "as a means of controlling selective growth and" the incubation period "in Murata et al. .

【0118】そこで、具体的に選択成長を行うには、い
くつかの方法があるといえる。ひとつには、成膜条件
(例えば、基板材質、温度、反応ガスの種類など)か
ら、あらかじめ臨界供給量を知っていれば、臨界供給量
に達するまでに反応ガスの供給を停止する。これによ
り、選択成長を行うものである。もうひとつは、全く臨
界供給量がわからなければ、あらかじめ適当な成膜条件
で成膜を行い、選択成長が崩れた時の反応ガス供給総量
を求めておく。その次の膜形成から、その求めた反応ガ
ス供給総量を臨界供給量として、選択成長条件とする。
それにより、選択成長を行うものである。
Therefore, it can be said that there are several methods for specifically performing selective growth. For example, if the critical supply amount is known in advance from the film forming conditions (for example, substrate material, temperature, type of reaction gas, etc.), the supply of the reaction gas is stopped until the critical supply amount is reached. Thus, selective growth is performed. Secondly, if the critical supply amount is not known at all, film formation is performed in advance under appropriate film formation conditions, and the total supply amount of the reaction gas when the selective growth is lost is obtained. From the next film formation, the obtained total supply amount of the reaction gas is set as a critical supply amount, which is used as a selective growth condition.
Thereby, selective growth is performed.

【0119】また、ある基板の材質と、ある反応ガスと
の関係で、臨界分子総量Γ criが既知である場合、数3
0、数31の式からある装置における臨界供給量Qcを
数32の式で求めることができる。
When the total critical molecular weight Γcri is known from the relationship between the material of a certain substrate and a certain reaction gas,
The critical supply amount Qc in a certain apparatus can be obtained by the equation (32) from the equations (0) and (31).

【0120】[0120]

【数32】 (Equation 32)

【0121】M、NA は定数であり、Tは常温と考えら
れる。したがって、ある装置で任意のvの供給速度での
圧力Pを求めておけば、臨界供給量Qcは求められる。
すなわち、あらかじめ、実際に成膜を行なって選択成長
が崩れる時の反応ガスの供給総量を求める必要はない。
M and N A are constants, and T is considered to be room temperature. Therefore, the critical supply amount Qc can be obtained by obtaining the pressure P at an arbitrary supply speed of v in a certain device.
That is, it is not necessary to previously determine the total supply amount of the reaction gas when the selective growth is broken by actually forming the film.

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

【図1】この発明の実施例に用いた装置の構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図2】Si2 H 6 ガスの分子構造モデルである。FIG. 2 is a molecular structure model of Si 2 H 6 gas.

【図3】この発明の実施例において、酸化膜上にポリシ
リコンの核形成が無い場合の写真で、(a) はRHEED
像の写真、(b) は表面のSEM像の写真である。
FIGS. 3A and 3B are photographs of a case where polysilicon nucleation is not formed on an oxide film in an embodiment of the present invention, wherein FIG.
(B) is a photograph of the SEM image of the surface.

【図4】同じく実施例において、酸化膜上にポリシリコ
ンの核形成が起った場合の写真で、(a) はRHEED像
の写真、(b) は表面のSEM像の写真である。
FIGS. 4A and 4B are photographs of a case where nucleation of polysilicon has occurred on an oxide film in the same embodiment, where FIG. 4A is a photograph of an RHEED image and FIG. 4B is a photograph of an SEM image of the surface.

【図5】この発明の実施例の選択成長を崩す臨界量の基
板温度依存性を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a substrate temperature dependency of a critical amount for breaking selective growth in an example of the present invention.

【図6】酸化膜上で成長するポリシリコンの成長のメカ
ニズムをモデル化して示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing a model of a growth mechanism of polysilicon grown on an oxide film.

【図7】エピタキシャルシリコン膜の成長速度の基板温
度依存性を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the substrate temperature dependence of the growth rate of an epitaxial silicon film.

【図8】Si3 N 4 膜でパターニングされたSi基板に選択
成長を行なった実施例の臨界量の基板温度依存性を示す
グラフである。
FIG. 8 is a graph showing the substrate temperature dependence of a critical amount in an example in which selective growth was performed on a Si substrate patterned with a Si 3 N 4 film.

【図9】SiO2 膜およびSi3 N 4 膜表面に形成したポリS
i膜のSEM写真であり、(a)は SiO2 、(b) はSi3 N 4
に対するものである。
FIG. 9: Poly S formed on the surface of SiO 2 film and Si 3 N 4 film
i layer is an SEM photograph of, (a) shows the SiO 2, (b) is Si 3 N 4
Is for

【図10】この発明の別の実施例の選択成長を崩す臨界
量の基板温度依存性を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing the substrate temperature dependence of a critical amount that disrupts selective growth according to another embodiment of the present invention.

【図11】同じく別の実施例のSi2 H 6 ガスの流量と圧
力の関係を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the flow rate of Si 2 H 6 gas and the pressure in another example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 真空容器 2 ガスノズル 3 液体窒素シュラウド 4 基板ホルダー 5 加熱装置 6 ターボ分子ポンプ 7 補助ロータリーポンプ 8 ヌードイオンゲージ 9 基板 13 ガス導入系 14 マスフローコントローラ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Gas nozzle 3 Liquid nitrogen shroud 4 Substrate holder 5 Heating device 6 Turbo molecular pump 7 Auxiliary rotary pump 8 Nude ion gauge 9 Substrate 13 Gas introduction system 14 Mass flow controller

【数6】 (Equation 6)

【数7】 (Equation 7)

【数13】 (Equation 13)

【数16】 (Equation 16)

【数19】 [Equation 19]

【数21】 (Equation 21)

【数23】 (Equation 23)

【数25】 (Equation 25)

【数27】 [Equation 27]

【数30】 [Equation 30]

【数31】 (Equation 31)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辰巳 徹 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−226791(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/203 - 21/205──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Tohru Tatsumi 5-7-1 Shiba, Minato-ku, Tokyo Within NEC Corporation (56) References JP-A-1-227991 (JP, A) (58) Survey Field (Int.Cl. 6 , DB name) C30B 1/00-35/00 H01L 21/203-21/205

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 少なくとも2種の材質で表面が構成され
た基板上に、少なくとも1種の材質の表面上のみで薄膜
を作成する方法において、 (1) 基板を真空容器内に収容し、真空容器内を真空排気
し所定の圧力に達した後、真空容器内に反応ガスを導入
し、 (2) 反応ガスを供給した真空容器内の圧力を、反応ガス
の分子の平均自由行程(d)が、真空容器内の基板と真
空容器の真空側露出壁との間の最短距離(L)よりも長
くなる(d>L)圧力領域に設定し、 (3) 基板表面を構成した少なくとも2種の材質の一方の
材質上のみで薄膜を成長させ、真空容器内に導入された
反応ガスの供給総量が、他方の材質上で薄膜が発生する
だけの量に達するまでに、反応ガスの真空容器内への導
入を停止することを特徴とする薄膜作成方法。
1. A method of forming a thin film on only a surface of at least one kind of material on a substrate having a surface made of at least two kinds of materials, comprising: (1) placing the substrate in a vacuum vessel; After the inside of the container is evacuated to a predetermined pressure, a reaction gas is introduced into the vacuum container. Are set in a pressure region that is longer than the shortest distance (L) between the substrate in the vacuum vessel and the vacuum-side exposed wall of the vacuum vessel (d>L); A thin film is grown only on one of the materials, and the reaction gas vacuum container is used until the total supply amount of the reaction gas introduced into the vacuum container reaches an amount sufficient to generate a thin film on the other material. A method for producing a thin film, characterized by stopping the introduction into the inside.
【請求項2】 少なくとも2種の材質で表面が構成され
た基板上に、少なくとも1種の材質の表面上のみで薄膜
を作成する方法において、 (1) 基板を真空容器内に収容し、真空容器内を真空排気
し所定の圧力に達した後、真空容器内に反応ガスを導入
し、 (2) 反応ガスを供給した真空容器内の圧力を、反応ガス
の分子の平均自由行程(d)が、真空容器内の基板と真
空容器の真空側露出壁との間の最短距離(L)よりも長
くなる(d>L)圧力領域に設定し、 (3) 基板表面を構成した少なくとも2種の材質の一方の
材質上のみで薄膜を成長させ、基板に反応ガス分子が飛
来する総量が、他方の材質上で薄膜が発生するだけの量
に達するまでに、反応ガスの真空容器への導入を停止す
ることを特徴とする薄膜作成方法。
2. A method for forming a thin film only on a surface of at least one kind of material on a substrate having a surface made of at least two kinds of materials, comprising: (1) placing the substrate in a vacuum vessel; After the inside of the container is evacuated to a predetermined pressure, a reaction gas is introduced into the vacuum container. Are set in a pressure region that is longer than the shortest distance (L) between the substrate in the vacuum vessel and the vacuum-side exposed wall of the vacuum vessel (d>L); A thin film is grown on only one of the above materials, and the reactant gas is introduced into the vacuum vessel until the total amount of the reactant gas molecules flying on the substrate reaches an amount that generates a thin film on the other material. Stopping the film formation.
【請求項3】 反応ガスを供給した真空容器内の圧力
は、1.5 ×10-2 Torr以下に設定する請求項1又は2記
載の薄膜作成方法。
3. The method according to claim 1, wherein the pressure in the vacuum vessel to which the reaction gas is supplied is set to 1.5 × 10 −2 Torr or less.
【請求項4】 基板の表面を構成した少なくとも2種の
材質は、反応ガスに対して付着係数がそれぞれ相違する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の薄膜作成方法。
4. The thin film forming method according to claim 1, wherein the at least two materials constituting the surface of the substrate have different adhesion coefficients with respect to the reaction gas.
【請求項5】 基板に反応ガス分子が飛来する総量Γ c
riは、数1の式で求められることを特徴とする請求項2
記載の薄膜作成方法: 【数1】 ここで、Tは反応ガスの温度、Mは反応ガス分子の分子
量、NA はアボガドロ数、Pは反応ガスの圧力を示す。
さらに、t criは圧力Pとしたときの反応ガスの供給速
度vで、他方の材質上で薄膜が発生したときの反応ガス
の供給総量Qcを割った値である、数2の式で求められ
る値とする。 【数2】
5. The total amount of reaction gas molecules flying on the substrate Γ c
3. The ri is obtained by the equation (1).
Thin film preparation method described: Here, T is the temperature of the reaction gas, M is the molecular weight of the reaction gas molecule, N A is the Avogadro number, and P is the pressure of the reaction gas.
Further, t cri is the supply speed v of the reaction gas when the pressure P is set, and is obtained by dividing the total supply amount Qc of the reaction gas when the thin film is formed on the other material by the equation (2). Value. (Equation 2)
【請求項6】 基板の表面は SiO2 とSiで構成され、反
応ガスをSi2 H6 ガスとし、基板の温度と反応ガスの臨
界分子総量の間で、表1の条件とした請求項2記載の薄
膜作成方法。 【表1】
6. The surface of the substrate is composed of SiO 2 and Si, the reaction gas is Si 2 H 6 gas, and the conditions of Table 1 are set between the temperature of the substrate and the total critical molecular weight of the reaction gas. The method for preparing a thin film as described above. [Table 1]
【請求項7】 ある装置で、反応ガスを供給した時の、
反応ガスの供給速度(v)と真空容器内の圧力(P)を
求めた後、これらの値を用いて臨界供給量Qcを次の数
3を用いて計算で求め、この臨界供給量を、反応ガスの
真空容器内への導入を停止すべき量とする請求項2記載
の薄膜作成方法。 【数3】 Tは反応ガスの温度、Mは反応ガスの分子量 NA はアボガドロ数、Γ criは臨界分子総量
7. When a reaction gas is supplied to a certain apparatus,
After obtaining the supply speed (v) of the reaction gas and the pressure (P) in the vacuum vessel, the critical supply amount Qc is calculated by using these values and the following equation 3 is used to calculate the critical supply amount. 3. The method for producing a thin film according to claim 2, wherein the introduction of the reaction gas into the vacuum vessel is stopped. (Equation 3) T is the temperature of the reaction gas, M is the molecular weight of the reaction gas N A is Avogadro's number, cri cri is the total critical molecular weight
【請求項8】 少なくとも2種の材質で表面が構成され
た基板上に、少なくとも1種の材質の表面上のみで薄膜
を作成する方法において、 (1) 基板を真空容器内に収容し、真空容器内を真空排気
し所定の圧力に達した後、真空容器内に反応ガスを導入
し、 (2) 反応ガスを供給した真空容器内の圧力を、反応ガス
の分子の平均自由行程(d)が、真空容器内の基板と真
空容器の真空側露出壁との間の最短距離(L)よりも長
くなる(d>L)圧力領域に設定し、 (3) 基板表面を構成した少なくとも2種の材質の一方の
材質上のみで薄膜を成長させ、真空容器内に導入された
反応ガスの供給総量が、他方の材質上で薄膜が発生する
だけの量に達した時点の反応ガスの供給総量を測定し、
以後の薄膜作成は、測定した反応ガスの供給総量に達す
るまでに、反応ガスの真空容器内への導入を停止するこ
とを特徴とする薄膜作成方法。
8. A method of forming a thin film on only a surface of at least one kind of material on a substrate having a surface made of at least two kinds of materials, comprising: (1) placing the substrate in a vacuum vessel; After the inside of the container is evacuated to a predetermined pressure, a reaction gas is introduced into the vacuum container. Are set in a pressure region that is longer than the shortest distance (L) between the substrate in the vacuum vessel and the vacuum-side exposed wall of the vacuum vessel (d>L); A thin film is grown on only one of the above materials, and the total amount of reactant gas supplied when the total amount of reactant gas introduced into the vacuum vessel reaches an amount sufficient to generate a thin film on the other material Measure
A method for forming a thin film, wherein the introduction of the reaction gas into the vacuum vessel is stopped until the measured total supply amount of the reaction gas is reached.
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