JP3094816B2 - 薄膜の成長方法 - Google Patents
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Description
体結晶基板上に珪素等の薄膜を成長させるための方法に
関する。
器3において、気相中に珪素の原料ガス5や有機金属ガ
ス等を導入して半導体結晶基板(以下、基板という)1
上に薄膜9を成長する時、反応容器3が高温に晒される
と、この内壁面3aに薄膜9と同成分の堆積物が付着
し、これが薄膜9の成長中に剥がれて基板1上に運ばれ
て付着することにより、薄膜9の表面に突起状の表面欠
陥や積層欠陥が生じる。
容器3の壁の温度を基板1より大幅に低い温度とする、
所謂コールドウオール(Cold Wall)式の反応
容器が採用され、製造プロセス中に一貫して反応容器3
の壁の温度が低温に保持されている。反応容器3の冷却
を効率的に行なう技術の具体例については、例えば特開
昭57−2527号公報、特開昭60−110116号
公報に開示されている。なお、図6において2は支持台
(サセプター)、4は赤外線加熱灯、6aは反応容器3
の内壁面3aを冷却するための冷却用ガス、11は排気
である。
る工程の前には、基板1の表面の自然酸化膜を除去する
ために、水素雰囲気中で気相成長前に基板1を一定温度
に保持(前熱処理)したりHClガスを導入して、基板
1の表面をエッチングする工程がある。この時、反応容
器3の内壁面3aの温度が低温に保持されていると、外
方拡散やエッチングにより基板1から気化した不純物
が、反応容器3の内壁面3aに吸着し易い。内壁面3a
に一旦吸着した不純物は、気相成長中に徐々に遊離して
ガスの流れに乗って基板1の表面に輸送され、薄膜9の
中に混入する。このように、基板1から気化した不純物
が気相成長開始後に内壁面3aから徐々に遊離して薄膜
9に混入する、いわゆるオートドーピング現象が発生す
ることによって、図5に示される従来法の不純物濃度分
布(拡がり抵抗のプロファイルBを参照)のように、基
板1と薄膜9の界面で抵抗率が広い幅に渡って変化し、
遷移幅TB が大きくなるという問題があった。
応容器3の内壁面3aに付着した堆積物をエッチングで
除去する工程を途中で実施せずに、薄膜製造を複数バッ
チ続けて行なう場合には、前のバッチで導入したドーパ
ントが内壁面3aに吸着したままになり、一定量のドー
パントを導入しているにもかかわらず、バッチを重ねる
につれて基板1に成長される薄膜9の抵抗率が低下す
る、いわゆるメモリー効果が発生する。特に洗浄した反
応容器3を装着した直後は、メモリー効果の影響が顕著
に発現する。
等の汚染物が一旦吸着すると少数キャリアライフタイム
が低下するが、コールドウオール式の場合は汚染物が気
相成長中に徐々に遊離するので、ライフタイムの回復に
長期間を要することがあった。
記問題点を鑑みて、不純物や汚染物が反応容器の内壁面
に吸着する量を抑制し、かつ内壁面に吸着した不純物や
汚染物を容易に除去できるようにすることができる薄膜
の成長方法を提供することにある。
載の薄膜の成長方法は、反応容器内に半導体結晶基板を
配置し、前記反応容器の壁を冷媒で強制的に冷却しなが
ら前記半導体結晶基板を加熱し、前記反応容器内に原料
ガスを供給して前記半導体結晶基板上に薄膜を成長する
方法において、前記半導体結晶基板の前熱処理工程及び
/またはエッチング工程時に、前記反応容器の壁の温度
を、薄膜の成長工程時における反応容器の壁の温度より
も高温にすることを特徴とする。
/またはエッチング工程時に反応容器の壁の温度を薄膜
の成長工程時よりも高温にする、所謂ホットウオール
(Hot Wall)にすることを特徴とする。反応容
器の壁の温度が高温に保持されていると、例えば、水素
ガスを流しながら基板を加熱する前処理工程や、基板表
面のエッチング工程、または、反応容器の内壁面に付着
した堆積物をエッチングする工程において、不純物や汚
染物が反応容器の内壁面に吸着し難く、また、短時間に
内壁面から除去されるので、不純物や汚染物が内壁面に
滞留しなくなり、オートドーピング現象やメモリー効
果、さらに少数キャリアライフタイムの低下等の現象が
発現しなくなる。
ける反応容器の壁の温度よりも高温にするには、例えば
図1に示すように、反応容器の壁を強制的に冷却する冷
媒6(空気、窒素、水等)の流量を減らして反応容器3
の温度を昇温させれば良い。冷媒6の供給を停止する
と、反応容器の壁の温度は数百度昇温する。すなわち、
冷媒6を供給するポンプ8の回転数を可変とするか、或
いは冷媒6を供給する配管系の途中に開閉度の任意調整
可能な供給量調整弁7を設けることにより冷媒6の流量
調整を行えば、反応容器の壁の温度を数百度の範囲で調
整可能となる。
加熱するには、例えば、カーボンのように熱吸収率の高
い物質を反応容器3と加熱源との間に挿入し、前記熱吸
収率の高い物質から熱が伝わることを利用して前記反応
容器3を強制的に加熱すれば良い。
させる第1の実施例について、図1と図2を参照して説
明する。
00mmで矩形断面の石英ガラス製のものを使用した。
反応容器3内には、基板1を支持する支持台2を設け
た。反応容器3の外側には、基板1を所望の温度に維持
するための加熱装置として、赤外線加熱灯4を設けた。
赤外線加熱灯4からの輻射光を基板1に到達させるた
め、反応容器3のうち赤外線加熱灯4に面する部分は透
明な構造とした。
れる空間には、供給量の調整を可能にした空気が冷却用
ガス6aとして流される。この冷却用ガス6aの供給量
を調節するために、駆動電圧または電流により供給量の
可変なポンプを使用するか、或いは配管系の途中に供給
量調整弁7を設ける。勿論その両方を設けても良い。
時とエッチング工程時には送気率を極めて小さくし、一
方、基板1を反応容器3内へ挿入する時及び薄膜9を成
長する時から基板1を反応容器3内から取り出す時まで
は、送気率を大きくする。ここで送気率とは、冷却用ガ
ス6aの送気用ポンプ8の回転率と供給量調整弁7の開
度の何れか、または両方の調整によりもたらされる冷却
用ガス6aの流量の、冷却用ガス配管系の最大送気能力
に対する割合として定義する。尚、送気率100%時の
冷却用ガス6aの流量は20m3 /分であった。
器の壁の温度変化を計測する際、放射温度計では透明な
石英ガラスの温度を計測することが不可能であり、熱電
対では計測部が単独に輻射光を受けて昇温してしまうた
めに極めて困難である。そこで、各工程において短時間
だけ赤外線加熱灯4の通電を遮断し、可能な限り細い熱
電対を速やかに挿入して石英ガラスの温度を測定した。
反応容器の壁の実際の温度を知ることは、この方法を用
いても不可能であるが、反応容器の壁の温度が何℃程度
であったかを見積もることはできる。
た後に、基板1を反応容器3内に挿入して支持台2に載
置した。この時の反応容器3の壁の温度はほぼ300℃
であった。基板1として、ホウ素をドープした抵抗率
0.015Ω・cmで(100)方位を有する、直径2
00mmの珪素単結晶基板を用いた。基板1の挿入が完
了すると、反応容器3の温度をできるだけ上げるために
冷却用ガス6aの送気率を0%とし、反応容器3内にキ
ャリアガスとして水素ガス100リッター/分を流し始
め、赤外線加熱灯4に通電した。
と、その温度で5分間保持して前熱処理を行い、さら
に、水素ガス中にHClガスを1リッター/分混合させ
て基板1表面のエッチングを1分間行った。前述の測定
方法により反応容器3の壁の温度を測定すると、800
℃程度にまで上昇していた。
て、珪素からなる基板1の表面に形成されていた二酸化
珪素の薄膜(厚さ約1.5nm)は水素ガスやHClガ
スとの反応により剥離されてキャリアガスにより運び去
られる。一方、この前熱処理工程とエッチング工程にお
いて、基板1内にドープされているホウ素原子も、外方
拡散とエッチングにより基板1の表面から気化して気相
中に放散される。
保持されていると、前熱処理工程やエッチング工程にお
いて基板1から気相中に放出された不純物、一酸化珪
素、二酸化珪素、さらに金属等の汚染物が、内壁面3a
の温度に応じて吸着平衡の状態となり、次の薄膜9の成
長工程まで相当部分が内壁面3aに残留し、徐々にこれ
らの不純物や汚染物などを放出し続けるので遷移幅が広
くなったり、少数キャリアライフタイムの低下などに繋
がっていた。
った本実験においては、前熱処理工程における強制冷却
されていない反応容器3の壁の温度が、800℃程度で
あることが測定された。従って、基板1の前熱処理工程
やエッチング工程において、気相中に放散された不純物
や汚染物などは内壁面3aに殆ど吸着することなく、反
応容器3の外へキャリアガスと共に排出されたと考えら
れる。
率を再び100%として反応容器3の壁を事前に2分間
冷却し、原料ガスのトリクロロシランを10g/分の割
合でドーパントのジボランガスとともに水素ガス中に混
合した。これにより、反応容器3内に導入されたトリク
ロロシランは、1100℃で保持されている基板1上に
運ばれて化学反応を生じ、薄膜9を成長させる。成長速
度は約3μm/分であった。1分間の成長の後にトリク
ロロシランとジボランの供給を停止し、続いて赤外線加
熱灯4の通電を遮断して反応容器3内の冷却を行ない、
基板1及び半導体結晶薄膜9を反応容器3の外に搬出し
た。この間、冷却用ガス6aの送気率は、100%に維
持された。
9の遷移幅TA を、従来の条件を用いて得られる薄膜9
の遷移幅TB と比較すると、図5のように、本発明の方
法による薄膜9の遷移幅TA は従来法による遷移幅TB
より小さくなり、従来法よりもオートドーピング現象の
影響が著しく改善されることがわかる。
がり抵抗のプロファイルAは、従来法によるプロファイ
ルBよりも急峻で且つ高抵抗値を持つので、これより、
メモリー効果の影響が改善されることがわかる。
チングする工程時に、反応容器3を強制的に加熱して薄
膜の成長工程時よりも高温にする第2の実施例につい
て、図3と図4を参照して説明する。
反応容器に、反応容器3を強制的に加熱するためのグラ
ファイト板10を挿入できるものを使用した。反応容器
3の内壁面3aに付着した堆積物をエッチングする工程
では、まず反応容器3内に水素ガス100リッター/分
を流し、次に赤外線加熱灯4に通電して反応容器3内の
温度を1150℃に昇温した。昇温完了後直ちに、図3
(a)に示すように反応容器3の排気系側に縮めて格納
していたグラファイト板10を、図3(b)のように反
応容器3と赤外線加熱灯4の間に拡げて挿入し、赤外線
加熱灯4から吸収した熱エネルギーを反応容器3に伝え
て反応容器3の壁を強制的に加熱した。反応容器3の壁
を強制的に加熱している間は、冷却用ガス6aの供給を
停止する。図4に、第2の実施例における冷却用ガス6
aの送気率を工程毎に示した。
ガスを10リッター/分混合させて内壁面3aのエッチ
ングを開始した。HClガスを5分間流した後にHCl
ガスを遮断し、水素ガスのみを流しながら3分間待った
後に、赤外線加熱灯4の通電を遮断した。赤外線加熱灯
4の切電と同時に、グラファイト板10を排気系側に縮
めて格納し、送気率を100%に上げた。反応容器3内
の温度が800℃まで下がった後に、基板1を反応容器
3内に挿入して、次の気相成長工程を開始した。
をエッチングする工程を、第2の実施例と従来法とによ
り行い、その直後にそれぞれ気相成長を行って、薄膜9
のジェネレーションライフタイムを比較した。基板とし
てチョコラルスキー法で成長した直径8インチ、面方位
(100)、p型10Ω・cmのシリコン単結晶基板1
を用い、単結晶の薄膜9をノンドープで3μm成長させ
た。第2の実施例の直後に気相成長を行った場合のジェ
ネレーションライフタイムは、1000μsecであっ
た。一方、従来法の直後に気相成長を行った場合のジェ
ネレーションライフタイムは300μsecであった。
薄膜の成長方法によれば、不純物や汚染物が反応容器の
内壁面に吸着する量を減少させることができる。また、
前記内壁面に吸着した不純物や汚染物を影響のない状態
にまで効率的に、短時間に除去できる効果がある。
す説明図である。
を工程毎に示す説明図である。
す説明図である。
を工程毎に示す説明図である。
がり抵抗の分布を示すグラフである。
る。
Claims (1)
- 【請求項1】 反応容器内に半導体結晶基板を配置し、
前記反応容器の壁を冷媒で強制的に冷却しながら前記半
導体結晶基板を加熱し、前記反応容器内に原料ガスを供
給して前記半導体結晶基板上に薄膜を成長する方法にお
いて、前記半導体結晶基板の前熱処理工程及び/または
エッチング工程時に、前記反応容器の壁の温度を、薄膜
の成長工程時における反応容器の壁の温度よりも高温に
することを特徴とする薄膜の成長方法。
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