JP3172834B2 - ガスソースｍｂｅにおけるガス導入装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスソースＭＢ
Ｅ（モレキュラービームエピタキシー）において、少な
い流量で大きな成長速度が得られ、又、成長の制御も正
確に行なえるガスソースＭＢＥにおけるガス導入装置を
提供することを目的としている。

【０００２】

【従来の技術】従来、真空に排気された処理室内に基板
を設置し、該基板へ向けて例えばジシランガス（Si₂ Ｈ
₆ ）を導入し、基板表面でジシランガスを熱分解させ
て、シリコン薄膜を形成させるなど、ガスを導入して基
板上に薄膜を形成するガスソースＭＢＥ法が知られてい
る。

【０００３】このガスソースＭＢＥ法において、導入さ
れるガスは、通常のマスフローコントローラを用いて一
定流量のガスを導入するようにしていた。又、薄膜の成
長開始および終了を制御する為に、前記基板の外側にシ
ャッタ板を設置し、該シャッタ板の開閉により制御を行
なっていた。

【０００４】

【発明により解決しようとする課題】前記のようなガス
ソースＭＢＥにおいて、基板表面に形成される薄膜の成
長速度は導入されるガス流量によって変化するが、ガス
流量の増大には限界があり、少ない流量で大きな成長速
度を得ることができなかった。又、成長開始および終了
をシャッタ板で行う方法では、原子層単位の正確な制御
は困難であり、信頼性に欠ける問題点もあった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、処理室へ導
入するガスをパルス状とすることによって、前記問題点
を解決したものである。

【０００６】この発明は、ガスソースＭＢＥを行う為の
ガス導入装置であって、処理室とガス導入系が、処理室
に収容された基板の中心方向に向って配置した開閉弁を
介して接続されており、該開閉弁が間欠駆動装置で開閉
制御される構成としたガスソースＭＢＥにおけるガス導
入装置において、前記ガス導入系には、前記開閉弁の前
段の圧力を制御する手段が設けられており、前記間欠駆
動装置は、前記開閉弁のオリフィスのコンダクタンスを
Ｃ、前記開閉弁の開閉デューティー比をＤＲ、前記ガス
導入系における前記開閉弁の前段の圧力をＰｆ、処理室
の圧力をＰｇ、単位時間あたりのガス流量をＱとして、
Ｑ＝ＤＲ×Ｃ×（Ｐｆ−Ｐｇ）の関係で表される単位時
間あたりのガス流量Ｑが一定になるように、前記開閉弁
を開とする時間及び閉とする時間、並びに開閉の周波数
をそれぞれ独立に制御する制御装置が、前記開閉弁を駆
動する直流電源に接続されているものであることを特徴
とするガスソースＭＢＥにおけるガス導入装置である。

【０００７】

【発明の実施の形態】この発明のガスソースＭＢＥにお
けるガス導入装置においては、処理室に導入されるガス
は基板と対向させて配置した開閉弁を通して導入される
ので、ガスの導入、遮断の応答性を良くすることができ
る。この為、開閉弁の開の回数制御を行なうことで、所
要量のガス導入を行うことも可能となる。

【０００８】

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【０００９】図１は、実施例のガスソースＭＢＥ装置を
表わしたもので、円筒状の処理室１が底壁に連設したタ
ーボ分子ポンプ２で排気できるようになっていると共
に、処理室１の内側に沿って液体窒素シュラウド３が設
置されて、散乱する分子を吸着できるようになってい
る。前記液体窒素シュラウド３の内側上部には処理室１
の頂壁を介して設置した基板ホルダー４が配置されてお
り、該基板ホルダー４で支持したシリコン基板５が、ホ
ルダー４に内蔵したヒーター６で加熱できるようになっ
ている。

【００１０】一方、前記処理室１および液体窒素シュラ
ウド３の側壁には透孔７、８が形成され、処理室１の透
孔７に設けた導入ポート９に、前記シリコン基板５と対
向させて開閉弁１０が設置してある。

【００１１】前記開閉弁１０は、図２に示した構造のも
ので、導入ポート９の底部を貫通するように設けた有底
筒状のハウジング１１と、該ハウジング１１内に摺動自
在に嵌装した弁杆１２とで構成されている。前記ハウジ
ング１１は底板１１ａ側が処理室１側としてあるもの
で、底板１１ａにオリフィス１３が穿設してあると共
に、中間部外側にはソレノイドコイル１４が嵌装してあ
る。一方、前記弁杆１２は、筒体１５の先端に球体１６
を形成したものであって、球体１６が前記オリフィス１
３と対向させてあり、該球体１６でオリフィス１３の開
閉ができようにしてあると共に、筒体１５の後端部１５
ａが永久磁石、鉄などで構成されて、前記ソレノイドコ
イル１４で形成される磁界の作用を受け得るようになっ
ている。そしてこの弁杆１２がコイルバネ１７で矢示１
８の方向に付勢されて、オリフィス１３を球体１６で閉
じるようにしてあると共に、ソレノイドコイル１４を励
磁した時には、弁杆１２を矢示１９の方向に移動させ
て、オリフィス１３を開放するようにしてある。図中２
０はソレノイドコイル１４を駆動する直流電源、２１は
直流電源２０の制御装置である。

【００１２】前記ハウジング１１の開放端１１ｂ側には
ストップバルブ２２、レギュレータ２３、ガスボンベ２
４で構成されたガス導入系２５が接続されている。

【００１３】シリコン基板５の表面はＲＨＥＥＤで観察
できるようになっており、ＲＨＥＥＤ電子銃２６が処理
室１の側壁に設置してあり、シリコン基板５で回析した
電子線を、ＲＨＥＥＤ電子銃２６と対向させて設置した
スクリーン２７で受光するようにしてある。又、処理室
１内の圧力はヌードイオンゲージ２８で測定できるよう
になっている。

【００１４】上記実施例において、制御装置２１で直流
電源２０を制御して、ソレノイドコイル１４にパルス電
流を供給すると、電流ＯＮの時には弁杆１２を矢示１９
の方向に移動させて開閉弁１０を開とし、ガス導入系２
５からのガスを第２図中点線矢示２９のように処理室１
へ導入する一方、電流ＯＦＦの時には弁杆１２を矢示１
８の方向に移動させて開閉弁１０を閉とし、ガスの導入
を遮断する。開閉弁１０を開とする時間および閉とする
時間、更には開閉の周波数などは制御装置２１で夫々独
立に設定できるようになっている。

【００１５】図３は、上記実施例において、窒素ガスＮ
₂ を導入した時のソレノイドコイル１４に流したパルス
電流３０と圧力３１を記録したものである。開閉弁１０
の前段（オリフィス１３よりガス導入系側）の圧力は７
５０Torrとした。処理室１の容積は約９５ｌ、ターボ分
子ポンプ２の排気速度は１０００ｌ/secである。尚、液
体窒素シュラウド３は液体窒素を導入することなく常温
とした（図４乃至図６も同様である。）。

【００１６】図３から、パルス電流３０に同期して圧力
３１が変化し、又１パルス毎のガスの流入量も安定して
おり、開閉弁１０の動作に対するガスの導入、遮断の応
答性が良いことを確認した。

【００１７】図４は開時間（３msec）と閉時間の比（デ
ューティー比）と周波数（１Hz）を一定に保ち、排気を
停止した処理室１に、横軸に示した数のパルスでＮ₂ ガ
スを導入し、３分後の圧力を調べた結果である。パルス
の数に比例して圧力が高くなっている。尚、開閉弁１０
の前段にガスを７５０Torrで加圧し、処理室１にガスを
導入しない時、３分後の圧力は１．５×１０^-5Torrで、
ガス導入系２５からのガス流入に比べ、２桁以上小さい
ことを確認した。この結果から、デューティー比を一定
にした場合は単位時間のパルスの数で、ガスの導入量を
制御できることが確認された。

【００１８】図５はパルスの周波数を１Hzに保ち、横軸
に示した弁の開時間でそれぞれ２０パルス、４０パルス
のガスを、排気を停止した処理室１に導入し、３分後の
処理室１の圧力を調べた結果である。開時間に比例し
て、圧力が高くなっており、デューティー比を変えるこ
とで、ガスの流量を制御できることが確認された。

【００１９】更に、図６は開閉弁１０の前段に加えたガ
スの圧力を変化させ、１msecだけ開閉弁１０を開いた時
の処理室１（排気停止）の圧力を調べたものである。こ
の結果から開閉弁１０の前段の圧力によってもガスの導
入量を変えられることが確認できた。

【００２０】以上のような特性を有する実施例の装置を
用いてジシランガスによるガスソースＭＢＥを行なっ
た。シリコン基板５をヒーター６で加熱すると共に、ジ
シランガスを開閉弁１０を通してパルス状に導入した。
ガスの流量は１SCCM（処理室１の圧力変化から求めた）
とし、パルスの周波数は１Hz、開閉弁１０の開時間は３
msec、開閉弁１０の前段圧は７５０torrとした。

【００２１】図７に種々の基板温度に対するシリコン膜
の成長速度を示した。比較の為、従来方法であるマスフ
ローコントローラーでガスを導入した場合の成長速度も
併せて示した。

【００２２】この結果から、パルスによりガスを導入し
た場合、マスフローコントローラーで連続的に導入する
のに比べて成長速度が増加することが判明した。

【００２３】５８０℃の成長では、連続にガスを流した
場合は表面が白濁したが、パルスによりガスを供給した
場合は、鏡面が得られ、連続ガス供給に比べ、より低温
で結晶性の良好な膜が得られた。

【００２４】ジシランガスはシリコン基板５上で熱分解
され、シリコンが堆積することで薄膜を形成する。パル
スによりジシランガスを導入した場合、単位時間当りの
ガス流量を等しくして連続的にガスを導入する場合に比
べて、ガス導入時（パルスＯＮ時）の瞬間的な圧力が高
くなり、この結果、シリコン基板５からガス分子への熱
の伝達効率が良くなり熱分解が促進される結果と言え
る。

【００２５】パルスによりガスを導入した場合、単位時
間におけるガス流量Ｑは、Ｑ＝ＤＲ×Ｃ×（Ｐｆ−Ｐ
ｇ）で表わされる。

【００２６】ＤＲは開閉弁１０の開閉のデューティー比
（パルスのデューティー比と同等）、Ｃはオリフィス１
３のコンダクタンス、Ｐｆは開閉弁１０の前段の圧力、
Ｐｇは処理室１の圧力である。

【００２７】そしてＰｆ＞＞Ｐｇであるから、前記式
は、Ｑ＝ＤＲ×Ｃ×Ｐｆとすることができる。

【００２８】導入されるガスの単位体積当りの分子密度
を上げるには、前段の圧力Ｐｆを高くすることで可能で
あり、これに応じて開閉のデューティー比ＤＲを下げれ
ば、単位時間当りの流量Ｑは一定とすることができる。

【００２９】図７の結果においては、開閉弁１０の開閉
の周波数を１Hz、開時間を３msecの場合、１原子層を結
晶成長させる為には２パルスのガス量で良いことが計算
される。従って、実施例の装置では、ガスの導入遮断の
応答性が良いことから、必要な膜厚の結晶成長も正確に
行うことができる。

【００３０】前記開閉弁１０の設置位置は、実施例の位
置に制限されるものでは無く、オリフィス１３がシリコ
ン基板５と対向できる位置であれば良いものである。従
って、シリコン基板５の法線に関して±９０°の範囲で
設置が可能であり、処理室１に設置される他の機器を考
慮して最適の位置に設置すれば良いことになる。

【００３１】又、開閉弁１０についても電磁式に代え
て、圧電素子を用いたものやサーマルバルブを用いた開
閉弁とすることも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明の装置
によれば、単位時間当りのガス流量を変えることなく、
分子密度を上げることができる。従ってガスの熱分解を
促進して、薄膜の成長速度を増加できると共に、低温で
も結晶性の良好な膜が得られる効果がある。又、ガスは
有効に消費され、かつ排気を少くできる効果もある。

【００３３】従ってガスの導入、遮断の応答性が良いの
で、結晶成長を正確に制御できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の構成図。

【図２】同じく開閉弁の断面図。

【図３】同じくパルス信号と圧力の時間変化を記録した
図。

【図４】同じくパルス数と圧力の関係の図。

【図５】同じく開閉弁の開時間と圧力関係の図。

【図６】同じく開閉弁の前段圧と圧力の関係の図。

【図７】この発明の実施例における基板温度と成長速度
の関係を表わした図。

【符号の説明】 １ 処理室 ４ 基板ホルダー ５ シリコン基板 ６ ヒータ １０ 開閉弁 １１ ハウジング １２ 弁杆 １３ オリフィス １４ ソレノイドコイル １６ 球体 ２０ 直流電源 ２１ 制御装置 ２５ ガス導入系

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 23/00 - 25/22 C30B 28/00 - 35/00 H01L 21/203 H01L 21/363

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスソースＭＢＥを行う為のガス導入装
   置であって、処理室とガス導入系が、処理室に収容され
   た基板の中心方向に向って配置した開閉弁を介して接続
   されており、該開閉弁が間欠駆動装置で開閉制御される
   構成としたガスソースＭＢＥにおけるガス導入装置にお
   いて、前記ガス導入系には、前記開閉弁の前段の圧力を制御す
   る手段が設けられており、 前記間欠駆動装置は、 前記開閉弁のオリフィスのコンダクタンスをＣ、前記開
   閉弁の開閉デューティー比をＤＲ、前記ガス導入系にお
   ける前記開閉弁の前段の圧力をＰｆ、処理室の圧力をＰ
   ｇ、単位時間あたりのガス流量をＱとして、 Ｑ＝ＤＲ×Ｃ×（Ｐｆ−Ｐｇ） の関係で表される単位時間あたりのガス流量Ｑが一定に
   なるように、前記開閉弁を開とする時間及び閉とする時間、並びに開
   閉の周波数をそれぞれ独立に制御する制御装置が、 前記開閉弁を駆動する直流電源に接続されているもので
   ある ことを特徴とするガスソースＭＢＥにおけるガス導
   入装置。