JP2995509B2 - 薄膜作成方法 - Google Patents

薄膜作成方法

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JP2995509B2 JP26892391A JP26892391A JP2995509B2 JP 2995509 B2 JP2995509 B2 JP 2995509B2 JP 26892391 A JP26892391 A JP 26892391A JP 26892391 A JP26892391 A JP 26892391A JP 2995509 B2 JP2995509 B2 JP 2995509B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、真空容器内に反応ガ
スを供給し、気相中での分子間の相互作用、反応が起ら
ない圧力領域のもとで、真空容器内に設置した基板の表
面に薄膜を形成するようにした薄膜作成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、前記の如くの薄膜作成方法は例え
ばガスソースエピタキシーとして知られている。このよ
うな薄膜作成においては、真空容器の内壁をシュラウド
で覆い、このシュラウドを液体窒素温度に冷却すること
により、真空容器内の散乱分子を吸着するようにしてい
た。従って、基板表面における結晶成長は、ガスノズル
その他のガスソースから直接、基板表面に飛来する反応
ガスの分子(以下、このような分子を「一次分子」とい
う。)のみで行われるものであった。
【0003】これでは、ガスソースからの1次分子の基
板に対する付着係数は、通常10%以下であった。また、
ガスソースから供給されたガス分子は、真空容器内で供
給口から余弦則(cosine law)に従って拡散するので、
基板表面に飛来する分子は供給したガス分子の10〜20%
であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の薄膜
作成方法においては、結晶成長のための反応ガスの利用
効率が数%以下で、利用効率が悪いという問題点があっ
た。
【0005】また、結晶成長のために供給された反応ガ
スは、前記のように、供給口から余弦則に従って拡散す
るため、基板表面に結晶成長により形成される薄膜の膜
厚分布も前記余弦則の影響を受け、基板全面に均一な膜
厚分布を得ることが難しいという問題点もあった。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、このような
問題点に鑑みてなされたもので、反応ガスの利用効率を
向上できると共に、基板表面に形成される薄膜の膜厚分
布を均一にできる薄膜作成方法を提供することを目的と
している。
【0007】前記の目的を達成するために、この発明に
おいては、真空容器の内壁において、供給した反応ガス
の分子が吸着することなく、散乱するようにしたもので
ある。
【0008】即ちこの発明の薄膜作成方法は、真空容器
内で、基板に対して薄膜形成のための反応ガスの分子を
供給して、基板表面に薄膜を得る方法において、前記真
空容器は供給した反応ガスの分子の気相反応が実質上起
らない圧力領域とし、かつ真空容器の真空側露出壁を、
供給した反応ガスの分子の気相中の分圧以上の蒸気圧を
維持できる温度を下限とし、加熱した基板温度よりも低
い温度を上限とする温度範囲の中で、所定の温度に制御
することを特徴としている。
【0009】前記真空容器の真空側露出壁の温度制御
は、真空容器壁自体の温度を、加熱および冷却手段を介
して直接制御したり、真空容器の内壁に沿って流体(例
えば液体窒素)循環シュラウドを設置し、循環流体を介
して制御するようにする。
【0010】前記真空容器の真空側露出壁の温度制御手
段としては、後者が簡易なため、一般的である。
【0011】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)あるいは基板に
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、
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(mean 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1を満たすようにする。
【0012】
【数1】
【0013】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、分子相互で衝突する
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。
【0014】反応ガスの分子どうしが、真空容器内で衝
突しないようにするために、さらに、ガスソースと基板
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。ガスソースと基板の距離をこ
のように設定すると、ガスソース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。
【0015】しかしながら、ここでは、熱分解反応が可
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
てのみ考慮すれば良い。そのため、ガスソースから供給
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。したがっ
て、前記d>Lの条件が満たされていれば十分である。
【0016】次に、真空容器の真空側露出壁(内壁)
を、供給した反応ガスの分子の気相中の分圧以上の蒸気
圧を維持できる温度に設定することは、反応ガスの分子
が壁面(真空側露出壁)に吸着されないようにすること
を意味している。
【0017】通常、物質の蒸気圧と温度の関係は、図6
のグラフに示したような関係にある。ある蒸気圧を維持
できる温度は、その蒸気圧線上で対応する温度である。
もし温度が下がれば、図6のグラフから明らかなよう
に、維持できる蒸気圧も降下する。蒸気圧が降下するこ
とは、気相中で飛来している分子が、温度低下の原因と
なる壁面等に吸着されることを意味する。もし、壁面の
温度が反応ガスの気相中の分圧に対応する蒸気圧線の温
度以下であれば、反応ガスの分子が壁面に吸着されてし
まう。これでは、壁面に反応ガスが吸着されるのを防止
することはできない。したがって、真空側露出壁を反応
ガスの分子の気相中の分圧に対応する蒸気圧を維持でき
る温度以上に設定し、壁面に飛来した反応ガスの分子が
壁面に吸着されないようにするものである。これによっ
て壁面に衝突した反応ガスの分子が散乱できるようにす
る。反応ガスが複数種のガスの混合ガスの場合には、壁
面の温度をそれぞれのガスの分圧が維持できる温度以上
に設定しなければならない。
【0018】他方、真空容器の真空側露出壁の温度は、
基板の温度以下にしなければならない。基板の温度は、
反応ガスの分子が、分解反応を起し、薄膜が堆積する温
度に設定される。もし、壁面を基板の温度より高い温度
にすると、壁面に飛来した反応ガスの分子は、壁面上で
分解反応を起こし、薄膜が堆積するので、ガスの利用効
率を損なうことになる。また、壁面に飛来した反応ガス
の分子が分解反応を起さなくても、分解反応を起すだけ
の熱エネルギーを有した状態で散乱するので、気相反応
を起す可能性が生じる。
【0019】このような観点から、壁面の温度は、反応
ガスの分子が、実質上、分解反応を起さない温度以下に
しなければならない。
【0020】以上のことから、真空容器の真空側露出壁
の温度は、反応ガスの分圧と同じ蒸気圧を維持できる温
度よりも高く、かつ基板の温度よりも低い温度の範囲内
でなければならない。反応ガスの蒸気圧温度をT vap、
基板の温度をT sub、真空側露出壁の温度をT wall と
すると、数2の条件を満たさなければならない。
【0021】
【数2】
【0022】
【作用】この発明の薄膜作成方法によれば、ガスソース
から供給された反応ガスの分子の一部は、基板に向い直
進する。そして、基板に到達した到達分子の一部は薄膜
の成長に寄与するが、成長に寄与しなかった分子は再び
真空容器内の空間に向って飛び出す。一方、ガスソース
より飛び出した分子は余弦則に従って拡散するため、何
十%かの分子は基板以外の部分に向う。真空容器の内壁
に向ったそれぞれの分子は内壁で散乱後、そのうちの一
部は再び基板に向う。このように、従来液体窒素シュラ
ウドに吸着されていた分子が、この発明では散乱される
ことになり、反応ガスの基板表面における結晶成長への
有効利用を図ることができる。
【0023】また、基板に飛来する分子は、余弦則に支
配されたガスソースからの分子(一次分子)のみでな
く、真空容器の内壁で散乱した分子も加わっているの
で、基板表面に形成される薄膜の膜厚分布を向上するこ
とができる。
【0024】
【実施例】はじめに、この発明をジシラン(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。
【0025】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。したがって、各構成部材の大きさ、
形状、配置関係等は、この発明を理解できるように概略
的に示してあるにすぎない。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の内側に沿ってシュ
ラウド3が設置してあり、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。
【0026】前記真空容器1は下部に連設されたターボ
分子ポンプ( 1000 l /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。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(Re
flection High EnergyElectron Diffraction System)
が設置してある。 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13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はガスボンベ(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。
【0027】以上の通りの構成の装置を用いて、基板ホ
ルダー4に保持した基板9の表面にシリコン結晶のエピ
タキシャル成長を行なった。
【0028】真空容器1の圧力はヌードイオンゲージ8
により、基板9の温度は基板ホルダー4と基板9の間の
空間に設置した図示しない熱電対で測定した。真空容器
1はターボ分子ポンプ6により排気され、その結果、真
空容器1の到達圧力は 2.0×10-9 Torr 以下であった。
Si2 H 6 はガス導入系13に設置されたマスフローコン
トローラー14により流量を制御し、ガスノズル2を通
して基板9に供給した。シュラウド3は液体窒素または
水を循環させることができるものである。Si2H 6 の流
量を 1〜30 sccm まで変化させた時、シュラウド3を液
体窒素シュラウドとして用いた場合、圧力は約 2×10-6
〜約5 ×10-5 Torr まで変化し、水冷シュラウドとして
用いた場合、約6 ×10-5〜約1.5 ×10-3 Torr まで変化
した。Si2 H 6 は三方弁12により切替えられ、ガスを
基板9に照射しない時は配管排気用に設置したターボ分
子ポンプ19により排気した。基板9は 4インチ( 00
1)シリコンウェハーにCVDSiO2 でパターニングしたも
のを、予めアンモニア過水溶液( H2 O: H2 O 2 : NH3
OH=20:6:1)で沸騰洗浄し、基板ホルダー4に取
付けた。真空容器1内で850 ℃、10分の加熱洗浄を行な
った後、シュラウド3を水で冷却した場合と液体窒素で
冷却した場合について、基板温度を700 ℃、真空容器1
内の圧力を約1.5 ×10-3 Torr に調整して選択エピタキ
シャル成長を行なった。膜厚は成長後に酸化膜をフッ酸
(HF)溶液で除去し、エピタキシャル Si の膜厚を段差
法で測定した。
【0029】図2に成長速度のガス流量依存性を示し
た。○はシュラウド3を水冷シュラウドとして用いた場
合、●は液体窒素シュラウドとして用いた場合の成長速
度である。
【0030】水冷シュラウドにした場合、成長速度が液
体窒素シュラウドとした場合の約10倍であった。○の
時、流量が10 sccm 以上で成長速度が一定になってい
る。これは成長速度が表面反応速度に律速されているた
めである。水冷シュラウドにした場合、液体窒素シュラ
ウドとして用いた場合に比べ、成長速度が約10倍にな
った。これは、液体窒素シュラウドとした場合にはシュ
ラウド3に吸着していた反応ガスの分子が、水冷シュラ
ウドの場合には吸着されず、シュラウド3面で散乱し
て、再び基板9に飛来し、成長に寄与したためと考え
る。
【0031】図3に基板9内の膜厚分布を示す。○はシ
ュラウド3を水冷シュラウドとした場合で、●は液体窒
素シュラウドとした場合である。エピタキシャル成長の
時、基板9は完全に静止させたものである。液体窒素シ
ュラウドとした場合はガスノズル2からの分子流の分布
を反映した膜厚分布を示し、余弦則に従った分布を示し
ている。一方、水冷シュラウドとした場合、ガスノズル
2からの分子流の他に真空容器1の真空側露出壁、即ち
シュラウド3の内壁で散乱した後飛来した分子も成長に
寄与するため、膜厚分布を均一にすることができた。
【0032】図4(a) に水冷シュラウドとした場合に、
また、(b) に液体窒素シュラウドとした場合に得られた
Si エピタキシャル膜のSIMS(Secondary Ion Mass
Spectrometry )分析結果を示した。B(ボロン)は基
板とエピタキシャル膜の界面の目印である。両者共に酸
素濃度がSIMS分析装置のバックグラウンド以下であ
る。従来、液体窒素シュラウドは、チャンバー内の不純
物分子(組成成分としてO原子を含む分子。たとえば H
2 O 、CO2 )の吸着効果があることが知られている。水
冷シュラウドも、膜作成前にチャンバーを十分にベーキ
ングすれば、液体窒素シュラウドの場合と同様に、十分
に高い品質(不純物分子が無い)のエピタキシャル膜が
得られることがわかった。図4(a) に示した実施例は、
チャンバーを十分にベーキングしたものである。
【0033】なお、上記実施例においてシュラウド3に
は、水(水道水)または液体窒素を循環(液体窒素は充
填、その後適宜補充)させたので、循環流体の温度はほ
ぼ一定に保たれると想定し、温度制御のための構造は特
に設けなかった。循環流体が、動作中に温度変化する場
合には、熱交換器をシュラウド3に接続して恒温手段を
構成することになる。
【0034】この実施例の装置の基板9と真空側露出壁
(シュラウド3の内面)の最短距離は40mmであった。
【0035】そこで、前記d>Lの式の条件を満たして
いるか否か検証してみる。
【0036】一般に分子の平均自由行程d(m)は、数
3の式で求められる。
【0037】
【数3】
【0038】Tは気体の温度(K )、Pは圧力(Pa)、
Dは分子の直径(m)である。
【0039】そこで、数4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5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。
【0040】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。
【0041】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を前記
数3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。
【0042】L= 40 mmであったので、条件d>Lを満
たしていると言える。したがって、真空容器1内の圧力
は気相反応が実質上、起らない圧力領域に設定したこと
になる。
【0043】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
内壁の最短距離は数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
程度に設定すれば、気相反応が起らない条件を達成する
ことが可能である。
【0044】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。
【0045】以上のことは、反応ガスの分子と基板、内
壁間および分子間の衝突確率を考慮したものである。し
かしながら、巨視的に見て、気相状態の反応ガスの熱伝
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のであ
る。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、気相中で反応が起らないのを確認した。
【0046】これは、パターニングした基板表面にSiを
選択成長させる実験によって(特願平2−253004
号)確認した。発明者等の実験では、Recannelli et a
l. の報告(Appl. Phys. Lett. 58 (19),13 May 1991,
P2096-P2098 "Low-temperature selective epitaxy by
ultra- highvacuum chemical vapor deposition fromSi
H4 and GeH4 H2 ")による選択成長膜の膜厚よりも
厚い選択成長膜が作成できた。これは、反応ガスが気相
中で分解しないため、選択性が損なわれなかったためと
考えられる。
【0047】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。
【0048】次に、Si2 H 6 ガスの分子の温度T vap
と、基板の温度T subおよび真空側露出壁の温度T wal
l の関係について、数5の式を満たしているか否か検証
してみる。
【0049】Si2 H 6 ガスの蒸気圧と温度の関係を示し
た図6のグラフ("Handbook of Chemistry and Physic
s" published by The Chemical Rubber Co. のデータ
から作成)から数6で表わされるClauisus−Clapeyron
の式を作成した。
【0050】
【数6】
【0051】Pが蒸気圧(Torr)、Tが温度(K )であ
る。
【0052】水冷シュラウドとした場合、真空容器1の
圧力は、約6 ×10-5 Torr 〜約1.5×10-3 Torr であっ
た。この値をClauisus−Clapeyron の式に代入して温度
T(T vap)を計算で求めると、T vap= 102〜115
(K )である。基板9の温度は 700℃即ち 973 Kであっ
たから、壁面温度T wall は、数7の式で表わされる条
件を満たさなければならない。
【0053】
【数7】
【0054】水道水の温度は 10 ℃〜 20 ℃と考えられ
るので、T wall は 283〜293 K であり、上記数8の式
を満足していると言える。
【0055】液体窒素シュラウドとした場合、真空容器
1の圧力は、約2 ×10-6 Torr 〜約5 ×10-5 Torr であ
った。この値を数9の式に代入すると、T vap= 90.5
〜 101.2 となる。壁面の温度T wall は、数10の式
で表わされる条件を満たさなければならない。
【0056】
【数10】
【0057】液体窒素を循環させたシュラウドの温度
は、77〜80 Kと考えられるので、このT wall の値は数
11の式を満足していないことになる。この場合、T w
all <T vapとなるので、Si2 H 6 ガスは液体窒素シュ
ラウドの壁面に吸着することになる。
【0058】ガスノズル2から供給される反応ガスのガ
ス切れ効果(供給を遮断した時の圧力変化の応答性能)
について調査した。図7にはSi2 H 6 ガスの場合、図8
には水素化ゲルマニウムガス( GeH4 、germanium hydr
ide 、単にgermanとも言われる。)の場合の結果を示し
た。一定の排気速度で排気されている真空容器1に一定
の流量のガスを導入した時の圧力と、導入ガスを遮断し
た時の圧力変化が示してある。どちらのガスも、液体窒
素シュラウド(70〜80 K)を用いたときには、内壁に吸
着したガス分子がゆっくりと再放出されるため、ガスの
遮断性が悪い。これに対して、水冷シュラウド( 283〜
293 K )とすると、どちらのガスの場合も遮断性が非常
に良好である。これは内壁へのガス分子の吸着が極めて
少ないためと考えられる。
【0059】一定の流量のガスを導入したときの圧力
は、水冷シュラウドの場合、一定である。これも内壁へ
のガスの吸着が極めて少ないためと考えられる。液体窒
素シュラウドでは、一定の圧力に達するまでに、時間を
要する。かなりのガス分子が内壁に吸着する一方、ガス
分子の再放出が起り、吸着と放出の平衡状態に達するま
でに時間を要していると考えられる。
【0060】図7および図8の結果から、ガスの供給流
量と排気速度を一定に保ち、内壁の温度を適切な温度に
保つことで、ガス切れが良く、残留ガスを高速で排気で
きる。その結果、成膜上良好な系を実現できることがわ
かる。図7におけるSi2 H 6の有効排気速度は 500 l/s
ec 以上であった。
【0061】実際に薄膜を作成した結果を、図9と図1
0に示した。
【0062】図9は、シリコン結晶とゲルマニウム/シ
リコン混晶との超格子膜を作成した場合で、超格子膜の
断面の透過型電子顕微鏡(SEM)写真である。シリコ
ン結晶はSi2 H 6 ガスを一定流量で流して、成長させた
ものである。ゲルマニウム/シリコン混晶はSi2 H 6
スに加えて GeH4 ガスをそれぞれ一定流量で流して成長
させたものである。このような反応ガスの供給を繰り返
して多層構造とした。ガス供給のON/OFF を繰り返すだ
けで、界面の平らなエピタキシャル膜が得られることが
わかる。
【0063】この超格子膜の作成条件は次の通りであ
る。即ちシリコン結晶の成長時は、Si2 H 6 ガスの流量
を6 sccmとし、ゲルマニウム/シリコン混晶の成長時は
Si2 H6 ガスの流量を6 sccm、 GeH4 ガスの流量を4 scc
mとした。その時の圧力は、Si2 H 6 ガスを流したとき
は3 ×10-4 Torr 程度、Si2 H 6 ガスと GeH4 ガスの混
合ガスを流したときは5 ×10-4 Torr 程度であった。基
板の温度は580 ℃とし、また、水冷シュラウドの温度は
10℃とし、それぞれ、一定に保った。この場合、GeH4
ガスが前記数2の式を満足しているのは言うまでもな
い。ガスの蒸気圧と温度の関係のグラフも図6に示し
た。基板と真空容器の真空側露出壁との最短距離は、40
mm であった。
【0064】図9の多層構造で、黒っぽく表われている
部分はゲルマニウム/シリコン混晶の薄膜、白っぽく表
われている部分がシリコン結晶の薄膜の部分である。ゲ
ルマニウム/シリコン混晶の厚さが約70オングストロー
ム、シリコン結晶の厚さが約120オングストロームであ
った。ゲルマニウム/シリコン混晶の成長時にはSi2H
6 ガスと GeH4 ガスの混合ガスを23秒間流した。したが
って、薄膜の成長速度は3.0 オングストローム/min で
ある。シリコン結晶の成長時は、Si2 H 6 ガスを 174秒
間流した。したがって、薄膜の成長速度は0.7 オングス
トローム/minである。
【0065】このように、超格子の多層構造が作成でき
るのは、反応ガスの供給を遮断した後、残留ガスを高速
で排気できるため、瞬時に薄膜成長が停止するからであ
る。換言すれば、ガスの遮断後に、残留ガスによって薄
膜が成長することが無い。このことは、反応ガスの供給
量、基板の温度等の所定の条件の下で、薄膜の成長速度
を知り得れば、反応ガスの供給量および供給時間のコン
トロールだけで、精密に薄膜の厚みを制御できることを
意味している。
【0066】実施例では,シリコン結晶と、ゲルマニウ
ム/シリコン混晶との超格子の多層構造の場合を説明し
た。然しながら、適当な反応ガスの選択でGaAs、GaAlA
s、InP などの超格子構造を有する化合物半導体膜も、
同様の方法で容易に作成が可能である。
【0067】図10は、基板上にエピタキシャル成長さ
せたシリコン結晶の深さ方向のプロファイルをSIMS
分析した結果である。
【0068】具体的には、基板の温度を680 ℃に設定
し、Si2 H 6 ガスを20 sccm の流量で導入しながら、20
秒毎に 120秒間ジボラン( B2 H6 、dihydrodiborane
)ガスを1容積%含む水素( H2 )ガスを2 sccm導入
したものである。この間の圧力は1 ×10-4 Torr 程度で
あった。水冷シュラウドの温度は10℃に設定した。ま
た、基板9と真空側露出壁(シュラウド3の内面)の最
短距離は約40 mm であった。
【0069】B2 H6 ガスが数12の式を満足している
のは言うまでもない。 B2 H6 ガスの蒸気圧と温度の関
係のグラフも図6に示した。 H2 ガスは、 B2 H6 ガス
の稀釈ガスであり、 B2 H6 ガスの分解反応に全く関与
しない。また、Si2 H 6 ガスと B2 H6 ガスおよび H2
ガスの混合ガスの圧力は1 ×10-4 Torr 程度であるか
ら、 B2 H6 ガスの分圧はそれ(全圧)以下である。し
たがって、水素ガスの平均自由行程については考慮する
必要は無い。
【0070】ボロン(B)がドープされたシリコン結晶
膜の厚さは2000オングストローム、シリコン結晶膜の厚
さも2000オングストロームであった。図10より、B原
子が1 cc当り約1019個含まれていることがわかる。
【0071】B2 H6 ガスを1容積%含んだ H2 ガスの
供給量を変化させて、同様の薄膜作成も試みた。
【0072】Si2 H 6 ガスを20 sccm 流しながら、 B2
H6 ガスを1容積%含んだ H2 ガスを 120秒毎に 120秒
間、11回導入した。各回の水素ガスと B2 H6 ガスの
混合ガスは表1のように増加させた。
【0073】
【表1】
【0074】基板の温度は680 ℃、水冷シュラウドの温
度は10℃に設定した。薄膜作成中の圧力は1 ×10-3 Tor
r 程度であった。基板9と真空側露出壁(シュラウド3
の内面)の最短距離は40 mm である。7回目と8回目の
B2 H6 を含んだ H2 ガスの供給量が同じであるのは、
8回目以降マスフローコントローラ14を容量の大きな
コントローラに切り替えたためである。
【0075】作成された膜のSIMS分析の結果を図1
1に示した。膜中に、ドープ原子の濃度勾配が形成され
ていることがわかる。膜の表面付近ではB原子のドープ
濃度が最大であり、下地界面付近ではB原子のドープ濃
度が最低である。そして、膜の表面から下地の界面付近
に向ってB原子の濃度が減少している。このことは、B
2 H6 ガスの供給量を時間と共に連続して変化させたな
らば、B原子のドープ濃度も連続的に変化することを意
味している。
【0076】図12は図11の結果から B2 H6 ガスの
供給量とB原子のドープ濃度の関係をグラフにしたもの
である。 B2 H6 ガスの供給量とB原子のドープ量が正
比例していることがわかる。
【0077】この実施例では、膜の表面に近づくに従っ
て、即ち薄膜作成の進行に従って、B原子のドープ濃度
が増加するようにした。しかしながら、この反対に、膜
の表面に近づくに従ってドープ濃度が減少するようにも
できる。さらに、膜の中間部のドープ濃度を最大、また
は最小となるようにすることもできる。また、ドープ原
子としてB原子を用いたが、リン(P)原子をドープ原
子として、所望の濃度勾配でドープすることも可能であ
る。
【0078】このような方法によって、バイポーラトラ
ンジスタのベース部に不純物の濃度勾配を形成して、高
速スイッチング動作が可能な高速バイポーラトランジス
タ素子を作成することができる。
【0079】次に、基板の温度とB原子のドープ量の関
係を調べた。Si2 H 6 ガスの供給量を29 sccm とし、 B
2 H6 ガスを1容積%含んだ H2 ガス3.6 sccmを表2に
示すような時間で導入した。各回の基板の温度と導入時
間は表2の通りである。1回目は、先ずSi2 H 6 ガスを
40秒間導入し、次いでSi2 H 6 ガスと B2 H6 ガスを1
容積%含んだ H2 ガスの混合ガスを40秒間導入してい
る。
【0080】
【表2】 B原子をドープした膜厚は、何れも約100 オングストロ
ームとした。
【0081】作成された薄膜のSIMS分析の結果を図
13に示した。いずれの膜も 3〜4×1018個/cc程度の
B原子がドープされていることがわかった。したがっ
て、B原子のドープ量は基板の温度には大きく依存しな
いといえる。 以上、すべての実施例では、真空側露出
壁の温度制御をするために、シュラウド3に水を循環さ
せた。しかしながら、導入される反応ガスをトラップし
ない温度に制御できる流体であれば、他の流体でも良
い。したがって、導入される反応ガスとシュラウドに循
環させる流体の組合せは任意である。
【0082】
【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、供給した反応ガスの分子を真空容器の内壁において
吸着することなく、散乱するようにしたので、供給した
ガスの利用効率を向上し、結晶の成長速度を増大できる
効果がある。また、基板回転をしなくても、基板内にお
ける膜厚分布を均一にできる効果がある。
【0083】さらに、供給される反応ガスのON/OFF で
薄膜成長の膜厚制御、並びに不純物原子のドーピング濃
度の制御を精密に行うことができる効果がある。
【0084】この膜厚制御、およびドーピング濃度制御
は、可能な限り薄くした膜中に、不純物原子のドーピン
グ濃度勾配を形成したベース部を有するバイポーラトラ
ンジスタ素子の作製に応用できる。同様に、Si1-x Gex
の混晶比xに勾配をもたせることも容易である。したが
って、この発明によって、高速スイッチング動作が可能
な高速バイポーラトランジスタ素子を製造することがで
きる。
【0085】なお、通常のCVDによる薄膜作成方法で
は、設定圧力は1 Torr以上の領域、すなわち粘性流領域
であり、かつ気相反応も積極的に利用している。したが
って、設定圧力を10−2 Torr 以下の分子流領域とし、
かつ基板表面のみでしか反応を起させないようにした本
発明は、CVDによる薄膜作成技術と思想が異なるもの
である。この発明においては、気相反応が実質上起らな
い圧力範囲に設定するので、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り、気相中全体で熱分
解反応が起きるおそれがない。 この発明において真空容
器の真空露出壁の温度を、反応ガス分子の真空容器内分
圧と同じ蒸気圧を維持できる温度より高く、かつ基板温
度よりも低い温度とすることにより、反応ガスの分子
が、実質上分解反応を起こさないようにする効果があ
る。 次にこの発明は反応ガスの分子の平均自由行程を、
基板と内壁の間の最短距離よりも長くなるようにするこ
とにより、気相中の反応ガスが熱分解反応を起こさなく
なる効果がある。 またこの発明はシリコンを含有するガ
スを含むガス分子を供給して基板の表面に界面の平らな
エピタキシャル膜が得られる効果がある。 この発明はシ
ュラウドを水で冷却することにより、流体窒素冷却の場
合よりも膜の生長速度が著しく大きくなる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例の装置の概略構成図である。
【図2】同じく実施例における成長速度のガス供給流量
依存性のグラフである。
【図3】同じく実施例における基板内の膜厚分布のグラ
フである。
【図4】(a)(b)はエピタキシャル成長膜のSIMS分析
のスペクトルで、(a) 水冷シュラウドとした場合、(b)
は液体窒素シュラウドとした場合のものである。
【図5】ジンランガスの分子構造モデルを示した図であ
る。
【図6】この発明の実施例で用いられた反応ガスの蒸気
圧と温度の関係を示すグラフである。
【図7】この発明の実施例で、ジンランガスの供給をON
/OFF した時の圧力変化を示すグラフである。
【図8】この発明の実施例で、水素化ゲルマニウムガス
の供給をON/OFF した時の圧力変化を示すグラフであ
る。
【図9】シリコン結晶と、ゲルマニウム/シリコン混晶
の超格子膜を作成した実施例の薄膜の写真である。
【図10】シリコン結晶の成長中に、ジボランガスを含
んだ水素ガスを、一定時間をおいて供給した実施例の膜
のSIMS分析のスペクトルである。
【図11】ジボランガスを含んだ水素ガスの供給量を変
化させて、ボロン原子のドープ濃度を変化させた実施例
の、膜のSIMS分析スペクトルである。
【図12】ジボランを含んだ水素ガスの供給量と膜中の
ボロン原子の数の関係を示すグラフである。
【図13】ボロン原子をドープする時の基板の温度を変
化させた実施例の、膜のSIMS分析のスペクトルであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 村上 俊一 東京都府中市四谷5丁目8番1号 日電 アネルバ株式会社内 (72)発明者 室田 裕義 東京都府中市四谷5丁目8番1号 日電 アネルバ株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/205 C30B 25/16

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空容器内で、基板に対して反応ガス分
    子を供給して、基板の表面に薄膜を作成させるようにし
    た薄膜作成方法において、 (1) 真空容器内の圧力を真空排気して所定の圧力に設定
    し、 (2) 真空容器内に少なくとも一種類の分子を含んだ反応
    ガスを供給し、 (3) 供給した反応ガスに含まれた分子の平均自由行程
    (d)が真空容器内における基板と真空容器の真空側露
    出壁との最短距離(L)よりも長くなる(d>L)よう
    に真空容器内の圧力を設定し、 (4) 基板の温度(T sub)を、供給した反応ガスが実質
    上、分解反応する温度に設定し、 (5) 真空容器の真空側露出壁の温度(T wall )を、反
    応ガスに含まれた分子の分圧と同じ蒸気圧を維持できる
    温度(T vap)よりも高く、かつ基板の温度(T sub)
    よりも低い温度の範囲(T vap<T wall <T sub)に
    設定することを特徴とする薄膜作成方法。
  2. 【請求項2】 真空容器の真空側露出壁の温度(T wal
    l )を、反応ガスの分子が壁面に吸着されずに散乱でき
    る温度以上であって、壁面上で分解反応を起さない温度
    以下に設定することを特徴とした請求項1記載の薄膜作
    成方法。
  3. 【請求項3】 反応ガスを供給した後の真空容器内の圧
    力は、約1.5 ×10 −2 Torr 以下とすることを特徴とし
    た請求項1又は2記載の薄膜作成方法。
  4. 【請求項4】 真空容器の真空側露出壁の温度は水の循
    環により制御することを特徴とした請求項1又は2記載
    の薄膜作成方法。
  5. 【請求項5】 真空容器内で、基板に対して反応ガス分
    子を供給して、基板の表面に薄膜を作成させるようにし
    た薄膜作成方法において、 (1) 真空容器内の圧力を真空排気して所定の圧力に設定
    し、 (2) 真空容器内に少なくとも一種類の分子を含んだ反応
    ガスを供給し、 (3) 供給した反応ガスに含まれた分子の平均自由行程
    (d)が真空容器内における基板と真空容器の真空側露
    出壁との最短距離(L)よりも長くなる(d>L)よう
    に真空容器内の圧力を設定し、 (4) 基板の温度(T sub)を、供給した反応ガスが実質
    上、分解反応する温度 に設定し、 (5) 真空容器の真空側露出壁の温度(T wall )を、反
    応ガスに含まれた分子の分圧と同じ蒸気圧を維持できる
    温度(T vap)よりも高く、かつ基板の温度(T sub)
    よりも低い温度の範囲(T vap<T wall <T sub)に
    設定し、その後薄膜が所定の膜厚に達する時間が経過し
    た時点で、反応ガスの供給を遮断することを特徴とする
    薄膜作成方法。
  6. 【請求項6】 真空容器の真空側露出壁の温度(T wal
    l )を、反応ガスの分子が壁面に吸着されずに散乱でき
    る温度以上であって、壁面上で分解反応を起さない温度
    以下とすることを特徴とした請求項5記載の薄膜作成方
    法。
  7. 【請求項7】 真空容器内で、基板に対して反応ガス分
    子を供給して、基板の表面に薄膜を作成させるようにし
    た薄膜作成方法において、 (1) 真空容器内の圧力を真空排気して所定の圧力に設定
    し、 (2) 真空容器内に少なくとも一種類の分子を含んだ反応
    ガスを供給し、 (3) 供給した反応ガスに含まれた分子の平均自由行程
    (d)が真空容器内における基板と真空容器の真空側露
    出壁との最短距離(L)よりも長くなる(d>L)よう
    に真空容器内の圧力を設定し、 (4) 基板の温度(T sub)を、供給した反応ガスが実質
    上、分解反応する温度に設定し、 (5) 真空容器の真空側露出壁の温度(T wall )を、反
    応ガスに含まれた分子の分圧と同じ蒸気圧を維持できる
    温度(T vap)よりも高く、かつ基板の温度(T sub)
    よりも低い温度範囲(T vap<T wall <T sub)に設
    定し、 (6) 薄膜が所定の膜厚に達した時点で、(2) で供給した
    反応ガスの供給を遮断し、その後、(2) で供給した反応
    ガスの分子と異なる分子を少なくとも一種類含んだ反応
    ガスを供給し、 (7)(6)で供給した反応ガスに含まれた分子の平均自由行
    程(d)が真空容器内における基板と真空容器の真空側
    露出壁との最短距離(L)よりも長くなる(d>L)よ
    うに、真空容器内の圧力を設定し、 (8) 基板の温度(T sub)を、(6) で供給した反応ガス
    が実質上、分解反応する温度に設定し、 (9) 真空容器の真空側露出壁の温度(T wall )を、
    (6) で供給した反応ガスに含まれた分子の分圧と同じ蒸
    気圧を維持できる温度(T vap)よりも高く、かつ基板
    の温度(T sub)よりも低い温度の範囲(T vap<T w
    all <T sub)に設定し、 (10) 薄膜が所定の膜厚に達した時点で、(6) で供給し
    た反応ガスを遮断することを特徴とする薄膜作成方法。
  8. 【請求項8】 (2) から(10)の操作を繰り返し行うこと
    を特徴とした請求項7記載の薄膜作成方法。
  9. 【請求項9】 (3) および(7) の設定圧力は、約1.5 ×
    10 −2 Torr 以下とすることを特徴とした請求項7又は
    8記載の薄膜作成方法。
  10. 【請求項10】 (5) および(9) における真空側露出壁
    の温度(T wall )は、反応ガスが壁面に吸着せずに散
    乱できる温度以上で、かつ壁面で分解しない温度範囲以
    下とすることを特徴とした請求項7又は8記載の薄膜作
    成方法。
  11. 【請求項11】 (2) から(10) の操作を繰り返し行
    い、かつ(6) で供給する反応ガスの供給量を、繰り返し
    行うごとに変化させることを特徴とした請求項8記載の
    薄膜作成方法。
  12. 【請求項12】 反応ガスはシリコンを含有するガス、
    ゲルマニウムを含有するガスのうち何れか一方、又は両
    方を含むことを特徴とした請求項1、5、7の何れか1
    つに記載の薄膜作成方法。
  13. 【請求項13】 反応ガスは、リンを含有するガス、ま
    たはボロンを含有するガスをさらに含むことを特徴とし
    た請求項12記載の薄膜作成方法。
  14. 【請求項14】 真空容器の真空側露出壁の温度(T w
    all )は、水の循環により制御することを特徴とした請
    求項5又は7記載の薄膜作成方法。
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