JP3728538B2 - 薄膜成長装置、及び薄膜成長方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜成長装置、及び薄膜成長方法に関し、より詳細には、真空容器内で薄膜を成長させる薄膜成長装置、及び薄膜成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路(LSI)の製造工程には多くの薄膜成長技術が利用されている。この中には基板の結晶性を利用してその上に単結晶薄膜を成長させるエピタキシャル成長技術も盛んに利用されているが、現在、反応容器に原料ガスを導入し、高温に加熱した基板上での化学反応を利用して基板上に薄膜を堆積する熱気相化学成長法(熱CVD法)が主に用いられている。しかしLSIの高集積化、高速化あるいは新材料の利用等にともなって薄膜成長温度を低温化させる必要性、あるいは原子オーダーで薄膜の成長を制御する必要性が高まり、これらの要求を満たす上記以外の薄膜成長技術が開発されている。その中には、薄膜の成長中も容器の背圧を10-8Torr以上の超高真空に保ちつつ基板に原料物質の分子線を照射して薄膜をエピタキシャル成長させる分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy )など高真空、超高真空容器内で薄膜を成長させる方法がある。
【0003】
上記MBEには、堆積膜の前駆物質として堆積物のガス化合物を使用するガスソースMBEがある(K. Aketagawa; J. Cryst. Growth 111,860(1991). あるいはH.Hirayama and T. Tatsumi; Appl.Phys.Lett.55,131(1989).あるいは特開昭63−122116号公報あるいは特開平1−197393号公報)。このガスソースMBE成長技術の一例として、Si基板上にSi単結晶薄膜を成長させる例を図6および図7に基づいて説明する。図6はソースガスとしてSi2 H6 を用いたガスソースMBE成長装置160を示した模式図であり、図7はソ−スガスとしてSi2 H6 を用い、ド−パントガスとしてPH3 を用いたガスソ−スMBE成長装置170を示した模式図である。
【0004】
まず、ガスソ−スMBE成長装置160について説明する。
図6において61は略円筒形状の超高真空容器を示している。超高真空容器61はタ−ボ分子ポンプ70によって超高真空に排気されるようになっており、タ−ボ分子ポンプ70は弁73を介してロ−タリ−ポンプ74に接続されている。また、超高真空容器61にはゲ−ト弁76を介して試料導入室75が連設されており、試料導入室75はゲ−ト弁79によって外気と遮断され、タ−ボ分子ポンプ77によって高真空に排気されるようになっている。タ−ボ分子ポンプ77は弁78に接続され、弁78はロ−タリ−ポンプ74に接続されている。
【0005】
超高真空容器61の上壁にはゴニオメ−タ64が配設されており、ゴニオメ−タ64には図示しない保持機構を介して抵抗加熱器等の加熱手段を備えた試料保持台63が取りつけられ、試料保持台63には成長面を下に向けた基板65が保持されるようになっている。また、超高真空容器61の側壁にはソ−スガス導入ポ−ト60が形成されており、ソ−スガス導入ポ−ト60の内部には先端を基板65の方向に向けたソ−スガス導入ノズル62が配設され、ソ−スガス導入ノズル62にはソ−スガス供給系56を構成する三方弁66が接続されている。ソ−スガス供給系56は以下の構成となっている。
【0006】
三方弁66にはタ−ボ分子ポンプ71が接続されると共に、ガス流量制御器67が接続されており、タ−ボ分子ポンプ71は弁72を介してロ−タリ−ポンプ74に接続され、ガス流量制御器67には弁68を介してソ−スガス容器69が接続されている。
【0007】
上記の如く構成されたガスソ−スMBE成長装置160において、基板65上に薄膜を成長させる場合は以下のように行われる。基板65としてSiを用い、基板65上にSi単結晶薄膜を成長させる場合について説明する。
基板65はゲート弁79を介して試料導入室75に導入される。その後ゲート弁19は閉じられ試料導入室75はターボ分子ポンプ77によって高真空に排気される。その後ゲート弁76を介して図示していない基板搬送機構によって超高真空容器61に導入され、図示していない保持機構により試料保持台3に成長面を下向きにして保持される。試料保持台3には抵抗加熱器等の加熱手段が装備されており、基板65上に薄膜を成長させるのに必要な温度に保持することが可能となっている。通常、前記薄膜の成長は600℃前後で行われる。
【0008】
試料保持台63及び基板65は超高真空容器61により構成される成長室内にある。超高真空容器61はターボ分子ポンプ70により薄膜成長が行われる前に10-9Torr以下に排気される。ソ−スガス容器69に貯蔵されているSi2 H6 は流量制御されてガス導入ノズル62より超高真空容器61内に導入される。すなわち、Si2 H6 のガス流量は主としてガス流量制御器67により制御され、さらに弁66においてSi2 H6 ガス流の一部がタ−ボ分子ポンプ71により排気され、低流量制御が行われる(微量が排気制御される)。このようなガス流量制御器67によるガス流量の制御とタ−ボ分子ポンプ70による前記排気とによって、超高真空容器61内の真空度は、ソ−スガス流入時であっても10-4Torr程度の高真空より低下しないように制御される。
【0009】
超高真空容器61は前記高真空に保たれているため、ソ−スガス導入ノズル62から噴射されたソ−スガス(Si2 H6 )分子の平均自由行程は超高真空容器61のサイズ程度あるいはそれ以上となり、超高真空容器61内におけるSi2 H6 のガス流は分子流となる。これにより基板65の成長面に照射されるソ−スガス分子はソ−スガス導入ノズル62から直接射出されたものが大多数を占めるようになるので、基板65の成長面に到達する分子種および分子のエネルギー状態が均一となるように制御することが可能になる。Si2 H6 分子流は加熱された基板65上に照射され、基板65の成長面に吸着される。吸着されたSi2 H6 分子は加熱された基板65の熱により解離する。Hは基板65表面から離脱するが、Siは基板65の成長面に残留する。これにより、基板65の成長面にSi薄膜が堆積する。
【0010】
次に、図7に示したガスソ−スMBE成長装置170について説明する。図7に示したガスソ−スMBE成長装置170は図6に示したガスソ−スMBE成長装置160と以下の点で異なっている。
ガスソ−スMBE成長装置170にあっては、超高真空容器61の側壁にソ−スガス導入ポ−ト60の他にド−パントガス導入ポ−ト80が形成されており、ド−パントガス導入ポ−トの内部には先端を基板65方向に向けたド−パントガス導入ノズル82が配設されている。ド−パントガス導入ノズル82には一方の弁がタ−ボ分子ポンプ71に接続された三方弁86が接続されており、三方弁86にはガス流量制御器87が接続され、ガス流量制御器87には弁88を介してド−パントガス容器89が接続されている。上記した三方弁86、ガス流量制御器87、弁88、ド−パントガス容器89、弁72およびタ−ボ分子ポンプ71によりド−パントガス供給系57が構成されている。
【0011】
上記以外の構成はガスソ−スMBE成長装置160と同じである。ガスソ−スMBE成長装置170の場合も上記したガスソ−スMBE成長装置160の場合と同様にして基板65の成長面にSi薄膜を堆積させる。しかしガスソ−スMBE成長装置170の場合は、ド−パントガス容器89に封入されたド−パントガス(Si2 H4 希釈PH3 ガス)がガス流量制御器87でその流量を制御されながらド−パントガス導入ノズル82に供給され、ド−パントガス導入ノズル82から基板65に対して前記ド−パントガスが射出されるので、Siの堆積中にPH3 も基板65の成長面に到達して吸着される。そして基板65の熱により吸着されたPH3 分子が解離してHは基板65の表面から離脱するが、Pは残留して堆積しているSi中に取り込まれる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記した薄膜成長装置の場合、ソースガスSi2 H6 分子およびド−パントガスPH3 分子の基板65の成長面への吸着状態によって薄膜の成長速度および該薄膜の品質(抵抗率等の電気的特性)が大きく影響を受ける。前記吸着状態の良否を左右する要因の一つとして、ソ−スガス導入ノズル62(あるいはド−パントガス導入ノズル82)から射出されるSi2 H6 分子線(あるいはPH3 分子線)における分子の運動エネルギ−を挙げることができる。良好な吸着状態を確保するためには、前記分子線における分子の運動エネルギ−を低下させる必要がある(この理由については、後述する「作用」の項を参照)。しかし従来の薄膜成長装置で、前記分子線における分子の運動エネルギ−を考慮しているものはない。
【0013】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、ソ−スガス分子あるいはド−パントガス分子の基板の成長面における吸着状態を向上させることができ、薄膜の成長速度を増加させることができると共に、薄膜の品質を向上させることができる薄膜成長装置、及び薄膜成長方法を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る薄膜成長装置(1)は、真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートが形成され、該ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、該ソースガス導入ノズルからソースガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間にガス冷却装置が介装され、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前にソースガスが冷却されると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長装置(2)は、上記薄膜成長装置(1)において、前記ソースガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴としている。
【0015】
また本発明に係る薄膜成長装置(3)は、真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートとドーパントガス供給系からドーパントガスを導入するためのドーパントガス導入ポートとが形成され、前記ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、前記ドーパントガス導入ポートにはドーパントガス導入ノズルが配設され、前記ソースガス導入ノズルからはソースガスを導入し、前記ドーパントガス導入ノズルからはドーパントガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間にドーパントガス冷却装置が介装され、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前にドーパントガスが冷却されると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長装置(4)は、上記薄膜成長装置(3)において、前記ドーパントガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴としている。
【0016】
また本発明に係る薄膜成長装置(5)は、上記薄膜成長装置(1)又は(2)における前記ガス冷却装置と基板との間でソースガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴としている。
【0017】
また本発明に係る薄膜成長装置(6)は、上記薄膜成長装置(3)又は(4)における前記ドーパントガス冷却装置と基板との間でドーパントガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長装置(7)は、上記薄膜成長装置(5)又は(6)において、前記分子活性化機構が、紫外線照射による活性化手段、電子線照射による活性化手段、及び電子サイクロトロン共鳴による活性化手段のいずれかを備えていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法(1)は、真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間でソースガスを冷却し、前記ソースガス導入ノズルへ供給する前にソースガスを冷却すると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法(2)は、上記薄膜成長方法(1)において、前記ソースガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法(3)は、真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入し、ドーパントガス供給系から供給されるドーパントガスをドーパントガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間でドーパントガスを冷却し、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給する前にドーパントガスを冷却すると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法(4)は、上記薄膜成長方法(3)において、前記ドーパントガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法(5)は、上記薄膜成長方法(1)又は(2)において、ソースガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ソースガスの分子を活性化することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法(6)は、上記薄膜成長方法(3)又は(4)において、ドーパントガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法(7)は、上記薄膜成長方法(5)又は(6)において、紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、前記ソースガスの分子、又は前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴としている。
【0018】
【作用】
上記構成に係る薄膜成長装置(1)〜(7)で、例えば、前記真空容器内部の圧力が薄膜の成長中10-4Torr以下の(超)高真空に保たれ、このような高真空の雰囲気にある前記真空容器にガスが導入されると、該ガスの平均自由行程は前記真空容器の大きさ程度かそれ以上となり、ガス導入ノズルから噴射されたガスは分子線になる。該分子線における分子は前記ガス導入ノズルから基板の成長面に到達するまでに他の物体と接触しないので、前記分子のエネルギー状態が保存される。そのため、前記ガス導入ノズルから噴射される分子線分子の運動エネルギーは前記ガスの温度によって決定される。
【0019】
一方、薄膜の成長に関しては、前記ガス導入ノズルから噴射されるガス分子の前記基板の成長面における吸着、解離、脱離の反応過程が薄膜の成長速度およびその品質を決める因子となる。ガス分子の前記基板の成長面への吸着率は、前記基板の成長面に照射されるガス分子の並進運動エネルギーを低下させれば増大する。前記吸着率が増大すれば、薄膜の成長速度も増加する。したがって、本発明に係る薄膜成長装置にあっては、前記ガス分子の運動エネルギ−を低下させて基板の成長面への吸着率を向上させることを目的とし、前記ガス導入ノズルから前記真空容器内に導入されるガス分子の温度が室温以下となるように制御される。
【0020】
上記薄膜成長装置(1)によれば、ソースガスが前記ガス冷却装置により前記ソースガス導入ノズルから噴射される前に室温以下にまで冷却された後、前記基板の成長面に導入される。これにより、前記ソースガス分子の運動エネルギーが低下し前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜の成長速度が増大する。
さらに、前記ソースガス導入ノズルを冷却するように構成されているので、前記ガス冷却装置で冷却されたソースガスの温度を(例えば、室温以下に)保つことができる。
上記薄膜成長装置(2)によれば、前記ソースガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ソースガス導入ノズルが配設されている場合、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
【0021】
上記薄膜成長装置(3)によれば、ドーパントガスが前記ドーパントガス冷却装置により前記ドーパントガス導入ノズルから噴射される前に室温以下にまで冷却された後、前記基板の成長面に導入される。これにより、前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜中への前記ドーパント原子の取り込み率が向上する。
さらに、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するように構成されているので、前記ドーパントガス冷却装置で冷却されたドーパントガスの温度を(例えば、室温以下に)保つことができる。
上記薄膜成長装置(4)によれば、前記ドーパントガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ドーパントガス導入ノズルが配設されている場合、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
【0022】
上記薄膜成長装置(5)によれば、前記ソースガス導入ノズルから噴射されるソースガスの分子が前記分子活性化機構により活性化された後、前記基板の成長面に導入される。前記ガス冷却装置により運動エネルギーが低下し、かつ前記分子活性化機構により活性化されたソースガス分子が前記基板の成長面に導入されるので、前記吸着率が向上すると共に前記活性化により前記ソースガス分子の内部エネルギーが高まり、解離反応が促進される。
【0023】
上記薄膜成長装置(6)によれば、前記ドーパントガス導入ノズルから噴射されるドーパントガスの分子が前記分子活性化機構により活性化された後、前記基板の成長面に導入される。すなわち、前記ドーパントガス冷却装置により室温以下にまで冷却され、かつ前記分子活性化機構により活性化されたドーパントガス分子が前記基板の成長面に導入されるので、前記活性化により内部エネルギーが高められた前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、前記ドーパント原子の薄膜中への取り込み率が向上する。
上記薄膜成長装置(7)によれば、紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、ソースガス分子やドーパントガス分子が活性化される。
上記薄膜成長方法(1)によれば、ソースガスを前記ソースガス導入ノズルから噴射する前に室温以下にまで冷却した後、前記基板の成長面に導入する。これにより、前記ソースガス分子の運動エネルギーが低下し前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜の成長速度が増大する。
さらに、前記ソースガス導入ノズルを冷却するので、前記ソースガス導入ノズルへ供給する前に冷却されたソースガスの温度を(例えば、室温以下に)保つことができる。
上記薄膜成長方法(2)によれば、前記ソースガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ソースガス導入ノズルが配設されている場合、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
上記薄膜成長方法(3)によれば、ドーパントガスを前記ドーパントガス導入ノズルから噴射する前に室温以下にまで冷却した後、前記基板の成長面に導入する。これにより、前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜中への前記ドーパント原子の取り込み率が向上する。
さらに、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するので、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給する前に冷却されたドーパントガスの温度を(例えば、室温以下に)保つことができる。
上記薄膜成長方法(4)によれば、前記ドーパントガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ドーパントガス導入ノズルが配設されている場合、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
上記薄膜成長方法(5)によれば、前記ソースガス導入ノズルから噴射するソースガスの分子を前記分子活性化機構により活性化した後、前記基板の成長面に導入する。すなわち、運動エネルギーが低下し、かつ前記分子活性化機構により活性化したソースガス分子を前記基板の成長面に導入するので、前記吸着率が向上すると共に前記活性化により前記ソースガス分子の内部エネルギーが高まり、解離反応が促進される。
上記薄膜成長方法(6)によれば、前記ドーパントガス導入ノズルから噴射するドーパントガスの分子を前記分子活性化機構により活性化した後、前記基板の成長面に導入する。すなわち、室温以下にまで冷却し、かつ前記分子活性化機構により活性化したドーパントガス分子を前記基板の成長面に導入するので、前記活性化により内部エネルギーが高められた前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、前記ドーパント原子の薄膜中への取り込み率が向上する。
上記薄膜成長方法(7)によれば、紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、ソースガス分子やドーパントガス分子が活性化される。
【0024】
【実施例】
以下、本発明に係る薄膜成長装置の実施例を図面に基づいて説明する。図1は実施例1に係る薄膜成長装置(ガスソ−スMBE成長装置110)を示した模式図である。
図1に示したガスソ−スMBE成長装置110が図6に示したガスソ−スMBE成長装置160と異なっている点は、ソ−スガス導入ノズル62とソ−スガス供給系56を構成する三方弁66との間にガス冷却装置1が介装されている点である。その他の構成は同じである。ガスソ−スMBE成長装置110は上記薄膜成長装置(1)を具体的に示したものである。
【0025】
図2にガス冷却装置1の構造を示す。図2(a)はガス冷却装置1を概略的に示した拡大断面図であり、図2(b)はガス冷却装置1を構成する二重管2を概略的に示した拡大水平断面図である。
ガス冷却装置1は冷却容器3と二重管2とで構成されており、冷却容器3の上面に二重管2が接続され、二重管2の先端はソ−スガス導入ノズル62の先端部近傍まで伸びている。冷却容器3には液体窒素供給管4および窒素ガス抜き管5が接続されており、二重管2の上端部には液体窒素供給管6が接続され、下端部には液体窒素排出管7が接続されている。冷却容器3の内部には冷却媒体として液体窒素8が充填されており、らせん状に形成された熱交換部10でガス配管9を通って導入されるガスの温度が液体窒素8の温度にまで冷却されるようになっている。また、二重管2の内部にも液体窒素8が充填されており、熱交換部10で冷却されたガスの温度が保たれるようになっている。
【0026】
次に、上記の如く構成されたガスソ−スMBE成長装置110の動作を説明する。ただし、ガスソ−スMBE成長装置110の構成およびその機能は、ガス冷却装置1を除けば図6に示したガスソ−スMBE成長装置160と同じであるので、以下ではガス冷却装置1に関する点のみを説明する。なお、ガスソ−スMBE成長装置110の場合、基板65は800℃まで加熱することが可能となっている。
【0027】
ソ−スガス容器69から供給されるソ−スガス(Si2 H6 )は、冷却容器3の熱交換部10においてその温度が液体窒素の温度にまで冷却された後、該温度で維持されたまま二重管2を通ってソ−スガス導入ノズル62の先端からソ−スガス分子線11となって基板65の成長面に照射される。ソ−スガス分子線11を構成する分子の運動エネルギ−は、ガス冷却装置1で冷却されることにより低下するので、前記ソ−スガス分子の基板65の成長面への吸着率が向上する。
【0028】
以上説明したようにガスソ−スMBE成長装置110にあっては、ガス冷却装置1によりソ−スガスが液体窒素の温度にまで冷却され、液体窒素温度のソ−スガス分子線11が基板65に照射されるので、ソ−スガス分子線11の速度を従来の薄膜成長装置であるガスソ−スMBE成長装置160に比べて、約半分にすることができる。これにより、前記ソ−スガス分子の基板65の成長面への吸着率を向上させることができ、Si薄膜の成長速度を増大させることができる。
【0029】
実施例1の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてSi2 H6 を用い、基板温度900℃で成長を行った。ソ−スガス冷却装置1を液体窒素を使って作動させ成長を行った場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置1への液体窒素供給を行なわなかった場合より約10%成長速度が高くなった。また、この時成長したエピタキシャル膜の結晶欠陥など膜の品質には、これらの成長条件の違いによる優位差は見られなかった。
【0030】
次に、実施例2に係る薄膜成長装置(ガスソ−スMBE成長装置130)を図3に基づいて説明する。図3はガスソ−スMBE成長装置130を示した模式図である。ガスソ−スMBE成長装置130が図1に示したガスソ−スMBE成長装置110と異なっているのは、ソ−スガス分子線11を活性化するための分子活性化機構12が設けられている点である。その他の構成は同じである。ガスソ−スMBE成長装置130は上記薄膜成長装置(3)を具体的に示したものである。
【0031】
分子活性化機構12は励起光導入ポ−ト13、高純度石英製の励起光透過窓15および紫外線ランプ16等で構成されている。励起光導入ポ−ト13は超高真空容器61におけるソ−スガス導入ポ−ト60上部の側壁に設けられており、紫外線ランプ16から励起光として発せられる紫外線14によりソ−スガス導入ノズル62から噴射されるソ−スガス分子線11を活性化することができるようになっている。
【0032】
ガスソ−スMBE成長装置130にあっては、ガス冷却装置1および分子活性化機構12が装備されているので、ガス冷却装置1によりソ−スガス分子線11の速度が低下されると共に、ソ−スガス分子線11が紫外線(励起光)14により活性化される。ガス分子は速度が低下すると基板65の成長面への吸着率が高まり、活性化されると内部エネルギ−が高まって反応速度が速まる。したがって、ガスソ−スMBE成長装置130を用いれば、ソ−スガス分子の吸着率を向上させることができると共に吸着された後における反応速度をも速めることができ、基板65の成長面上に形成される薄膜の成長速度を増大させることができる。また、より低い基板温度で薄膜の成長を行わせることができる。
【0033】
実施例2の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてSi2 H6 を用い、基板温度900℃で成長を行った。ソ−スガス冷却装置1、分子活性化機構12を作動させ成長を行った場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置1、分子活性化機構12の作動を行なわなかった場合より約50%成長速度が増大した。この装置では、分子活性化機構12を動作させただけでも、冷却装置1、分子活性化機構12の作動を行なわなかった場合より成長速度の増加が見られたが、両者を同時に動作させた場合より成長速度の増加は低かった。また、この時成長したエピタクシャル膜の結晶欠陥など膜の品質には、これらの成長条件の違いによる優位差は見られなかった。
【0034】
次に、実施例3に係る薄膜成長装置(ガスソ−スMBE成長装置140)を図4に基づいて説明する。図4はガスソ−スMBE成長装置140を示した模式図である。図4に示したガスソ−スMBE成長装置140の構成は、図7に示したガスソ−スMBE成長装置170のド−パントガス導入ノズル82とド−パントガス供給系57を構成する三方弁86との間にガス冷却装置1が介装された構成となっている。ガスソ−スMBE成長装置140は上記薄膜成長装置(2)を具体的に示したものである。なお、ガスソ−スMBE成長装置140の場合、基板65は1000℃まで加熱することが可能となっている。
【0035】
上記構成を有するガスソ−スMBE成長装置140の場合、ガス冷却装置1によりド−パントガスが液体窒素8の温度に冷却された後、ド−パントガス導入ノズル82からド−パントガス分子線17となって基板65の成長面に照射される。このため、ド−パントガス分子線17の速度を室温における速度のおよそ半分に低下させることができ、前記ド−パントガス分子の基板65の成長面への吸着率を向上させることができる。前記ド−パントガス分子は基板65の成長面に吸着された後、基板65の熱により解離し、ド−パント原子が薄膜中に取り込まれる。したがって、前記ド−パントガス分子の前記吸着率を向上させることにより前記ド−パント原子の前記取り込み効率を向上させることができる。
【0036】
実施例3の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてSi2 H6 を、ド−パントガスとしてPH3 を用い、基板温度900℃で成長を行った。ド−パントガス冷却装置1を作動させ成長を行なった場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置1を作動させなかった場合より高いド−パント濃度となった。
【0037】
次に、実施例4に係る薄膜成長装置(ガスソ−スMBE成長装置)150を図5に基づいて説明する。図5はガスソ−スMBE成長装置150を示した模式図である。図5に示したガスソ−スMBE成長装置150の構成と図4に示したガスソ−スMBE成長装置140の構成とは、ド−パントガス分子線17を活性化するための分子活性化機構12が設けられているか否かが異なるだけで、その他の構成は同じである。ガスソ−スMBE成長装置150は上記薄膜成長装置(4)を具体的に示したものである。
【0038】
ガスソ−スMBE成長装置150の場合、ド−パントガス容器89から供給されるド−パントガスが冷却装置1で冷却された後、ド−パントガス導入ノズル82から液体窒素温度となったド−パントガス分子線17となって基板65の成長面にむけて射出され、ド−パントガス分子の基板65の成長面への吸着率を高めることができる。また、ド−パントガス分子線17の分子は基板65に到達するまでに分子活性化機構12を構成する紫外線ランプ16から照射される紫外線14によって活性化され、基板65の成長面に吸着された後の反応速度を高めることができる。したがって、ガスソ−スMBE成長装置150を用いれば、ド−パント原子の薄膜中への取り込み効率を向上させることができ、また、基板65をより高い温度に保持しながら高濃度のド−ピングを行うことができる。
【0039】
実施例4の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてSi2 H6 を、ド−パントガスとしてPH3 を用い、基板温度900℃で成長を行なった。ド−パントガス冷却装置1、ガス分子活性化機構12を作動させ成長を行なった場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置1、ガス分子活性化機構12を作動させなかった場合より高いド−パント濃度となった。ガス分子活性化機構12のみを作動させた場合でも、当装置において冷却装置1、ガス分子活性化機構12を作動させなかった場合より高いド−パント濃度となったが、両者を同時に作動させた場合のド−パント濃度の増加よりは低かった。
【0040】
上記した実施例1〜実施例4では、冷却媒体として液体窒素を用いる場合を示したが、別の実施例では冷却媒体として液体ヘリウム等の他の冷却媒体を用いてもよい。用いる媒体により冷却温度は異なるので、液体窒素を用いる場合とは異なる温度にソ−スガスあるいはド−パントガスを冷却することができる。また、液体ヘリウムで冷却した後適当な加熱器を通してもよい。そうすれば、前記ソ−スガスあるいはド−パントガスを液体ヘリウム温度以上の任意の温度に制御することができる。
【0041】
また、実施例2で示したガスソ−スMBE成長装置130および実施例4で示したガスソ−スMBE成長装置150では、ソ−スガス分子線11およびド−パントガス分子線17を活性化するための分子活性化機構として分子活性化機構12を備えている場合を示したが、別の実施例では、ソ−スガス導入ノズル62あるいはド−パントガス導入ノズル82と基板65間で電子線照射、電子サイクロトロン共鳴によるイオン化等の活性化手段を備えた分子活性化機構であってもよい。これらの場合も、略同様な効果を得ることができる。
【0042】
さらに別の実施例では、実施例3で示したガスソ−スMBE成長装置140、実施例4で示したガスソ−スMBE成長装置150のそれぞれにソ−スガスを冷却するガス冷却装置1及び/又はソ−スガス分子線11を活性化する分子活性化機構12が装備されていてもよい。この場合はド−パントガスの取り込み効率を向上させることができるのみならず、薄膜の成長速度をも増大させることができる。
【0043】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係る薄膜成長装置(1)によれば、前記ガス冷却装置で冷却することによりソ−スガス分子の速度を室温時の約半分にすることができるので、ソ−スガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができ、薄膜の成長速度を増大させることができる。
【0044】
本発明に係る薄膜成長装置(2)によれば、前記ド−パントガス冷却装置によりド−パントガス分子の速度を室温時の約半分にすることができるので、ド−パントガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができ、薄膜中へのド−パント原子の取り込み率を向上させることができる。
【0045】
本発明に係る薄膜成長装置(3)は、ソ−スガスの前記ガス冷却装置および前記分子活性化機構を備えているので、ソ−スガス分子を前記ガス冷却装置で冷却した後、前記分子活性化機構で活性化することができる。これにより、前記ソ−スガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができると共に、吸着された後の反応速度を増大させることができ、薄膜の成長速度を増大させることができる。
【0046】
本発明に係る薄膜成長装置(4)は、ド−パントガスの前記ド−パントガス冷却装置および前記分子活性化機構を備えているので、ド−パントガス分子を前記ド−パントガス冷却装置で冷却した後、前記分子活性化機構で活性化することができる。これにより、前記ド−パントガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができると共に、吸着された後の反応を活性化することができ、ド−パント原子の薄膜中への取り込み効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図2】(a)図はガス冷却装置を概略的に示した拡大断面図であり、(b)図は二重管の構造を概略的に示した拡大水平断面図である。
【図3】本発明の実施例2に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図4】本発明の実施例3に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図5】本発明の実施例4に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図6】従来の薄膜成長装置を示した模式図である。
【図7】従来の薄膜成長装置を示した模式図である。
【符号の説明】
1 ガス冷却装置
2 二重管
3 冷却容器
11 ソ−スガス分子線
12 分子活性化機構
13 励起光導入ポ−ト
14 紫外線
15 励起光透過窓
16 紫外線ランプ
17 ド−パントガス分子線
56 ソ−スガス供給系
57 ド−パントガス供給系
60 ソ−スガス導入ポ−ト
61 超高真空容器
62 ソ−スガス導入ノズル
63 試料保持台
65 基板
69 ソ−スガス容器
80 ド−パントガス導入ポ−ト
82 ド−パントガス導入ノズル
89 ド−パントガス容器
110、130、140、150 ガスソ−スMBE成長装置
Claims (14)
- 真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートが形成され、該ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、該ソースガス導入ノズルからソースガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間にガス冷却装置が介装され、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前にソースガスが冷却されると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴とする薄膜成長装置。
- 前記ソースガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴とする請求項1記載の薄膜成長装置。
- 真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートとドーパントガス供給系からドーパントガスを導入するためのドーパントガス導入ポートとが形成され、前記ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、前記ドーパントガス導入ポートにはドーパントガス導入ノズルが配設され、前記ソースガス導入ノズルからはソースガスを導入し、前記ドーパントガス導入ノズルからはドーパントガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間にドーパントガス冷却装置が介装され、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前にドーパントガスが冷却されると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴とする薄膜成長装置。
- 前記ドーパントガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴とする請求項3記載の薄膜成長装置。
- 前記ガス冷却装置と基板との間でソースガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の薄膜成長装置。
- 前記ドーパントガス冷却装置と基板との間でドーパントガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴とする請求項3又は請求項4記載の薄膜成長装置。
- 前記分子活性化機構が、紫外線照射による活性化手段、電子線照射による活性化手段、及び電子サイクロトロン共鳴による活性化手段のいずれかを備えていることを特徴とする請求項5又は請求項6記載の薄膜成長装置。
- 真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間でソースガスを冷却し、前記ソースガス導入ノズルへ供給する前にソースガスを冷却すると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却することを特徴とする薄膜成長方法。
- 前記ソースガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴とする請求項8記載の薄膜成長方法。
- 真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入し、ドーパントガス供給系から供給されるドーパントガスをドーパントガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間でドーパントガスを冷却し、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給する前にドーパントガスを冷却すると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却することを特徴とする薄膜成長方法。
- 前記ドーパントガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴とする請求項10記載の薄膜成長方法。
- ソースガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ソースガスの分子を活性化することを特徴とする請求項8又は請求項9記載の薄膜成長方法。
- ドーパントガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴とする請求項10又は請求項11記載の薄膜成長方法。
- 紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、前記ソースガスの分子、又は前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴とする請求項12又は請求項13記載の薄膜成長方法。
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