JP3986202B2

JP3986202B2 - 選択成長方法

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Publication number: JP3986202B2
Application number: JP08083799A
Authority: JP
Inventors: 誠一高橋; 哲雄三橋; 伸浅利; 孝小松; 一幸小泉
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP2000277432A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンもしくはシリコン−ゲルマニウム混晶エピタキシャル成長の選択成長法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンエピタキシャル層の選択成長とは、シリコン基板の表面が露出している部分のみ成長させ、酸化膜や窒化膜等の絶縁膜上には成長させない技術であり、今後、さらに微細化が進むシリコンデバイスプロセスにおいて、セルフアライン技術の１つとして重要である。
【０００３】
従来、シリコンエピタキシャル層の選択成長は、いわゆるコールドウオールタイプの枚葉装置で行われていた。
コールドウォールタイプの枚葉装置の断面図を図３の符号１０１に示す。この枚葉装置１０１は、真空チャンバ１０２と、真空チャンバ１０２に取り付けられたターボ分子ポンプ１０３₁、１０３₂と、真空チャンバ１０２内に設けられたサセプタ１０７と、サセプタ１０７の下方に設けられたヒータ１０５とを有している。サセプタ１０７は後述の基板を支持できるようにされており、ヒータ１０５は、高周波加熱あるいは赤外線ランプ加熱により、サセプタ１０７及び後述の基板を加熱できるようにされている。
【０００４】
この枚葉装置１０１を用いて、表面の一部に絶縁膜が形成されたシリコン基板１０４を用いて、露出しているシリコン基板１０４の表面にのみ、シリコンエピタキシャル層を選択成長させるには、まず、ターボ分子ポンプ１０３₁、１０３₂で真空チャンバ１０２内を真空排気し、真空状態を維持した状態で基板１０４を真空チャンバ１０２内に入れサセプタ１０７で支持しておく。
【０００５】
この状態でヒータ１０５を起動し、真空チャンバ１０２に取り付けられたガス導入管１０６から、シリコン原料ガス（例えばＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄等)と、不純物ドーピングを行うためのドーピング原料ガス（例えばＢ₂Ｈ₆、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃等)と、微量のＣｌ₂ガス(又はＨＣｌガス)とを真空チャンバー１０２内に導入する。
【０００６】
真空チャンバ１０２は予め不図示の冷却手段で冷却されており、ヒータ１０５を起動しても、サセプタ１０７及び基板のみが加熱される。従って、成長圧力が高い場合でもＳｉＨ₄等のシリコン原料ガスは気相反応せず、また、反応確率の高いＳｉＨｘに分解されることなく基板表面に到達する。
【０００７】
ＳｉＨ₄ガスはＳｉＨｘガスより反応確率が低く、核成長が遅いため、酸化膜や窒化膜等の絶縁膜上に発生した成長核は添加されたＣｌ₂ガスによってエッチングされてしまうので成長は促進されず、露出したシリコン基板表面にのみシリコン結晶を成長させることができる。
【０００８】
上述の構成の枚葉装置を用いて、Ｓｉ₂Ｈ₆をシリコンソースガスとした例として、酸化膜上での選択成長では２μｍ程度、窒化膜上では１００ｎｍまでの選択成長が報告されている。（辰巳徹、半導体研究ＸＸＸＶIII ＵＨＶ−ＣＶＤによるＧｅ_xＳｉ_1-x選択成長およびＨＳＧ−ｐｏｌｙＳｉの形成ｐ５８）
しかし、図３に示すようなコールドウォールタイプの枚葉式装置で前記シリコンエピタキシャル成長を行った場合には、処理基板の枚葉数が１０枚／ｈｒ以下であるため、スループットが悪くなる。また、反応チャンバーの所望の清浄度を維持するために大量の高純度Ｈ₂ガスを使わなければならないのでガスの消費量が多くなる。さらに、高周波加熱あるいは赤外線ランプ加熱のために大電流を消費するため、コストパフォーマンスが悪くなるという問題があった。
【０００９】
そこで、抵抗加熱炉を使用した、いわゆるホットウォールタイプのバッチ装置を用いた方法が注目されている。この装置では、複数枚の基板を一括処理することが可能なので、スループットの向上が期待できる。
【００１０】
しかしながら、ホットウオールタイプのバッチ装置では、成長時の圧力が数十Ｐａ以上と高いために、高温の反応チャンバーや隣接する高温の基板表面で、ＳｉＨ₄ガスが反応性の高いＳｉＨｘガスに熱分解して、酸化膜や窒化膜の絶縁膜上に到達し、絶縁膜上でシリコン成長がなされてしまう。
【００１１】
また、数十Ｐａ以上の成長圧力でＣｌ₂ガスを添加すると、ＳｉＨｘガスとＣｌ₂ガスが気相反応してＳｉＣｌ₂のように蒸気圧の高いガスになり、基板表面に到達されることなく排気されてしまうため、絶縁膜上に形成されたシリコン核をエッチング・除去するための実質的なＣｌ₂ガス量が少なくなり、十分なエッチング・除去が進行しにくくなる。
【００１２】
従って、ホットウオールタイプのバッチ装置では、選択成長をすることができないか、ごく薄い薄膜しか成長できないという旨の報告が、上記辰巳らによりなされている。
このため、低温、低圧の条件下で、選択成長させることができる技術が要求されている。
【００１３】
また、塩素を添加しない場合でも、反応チャンバー内の水分や酸素分圧を低下させるなどして、反応チャンバー内の高清浄化を図ることにより、酸化膜や窒化膜などの絶縁膜とシリコン基板の表面が露出している部分との材質差による反応確率の違いで、数分から数十分間は選択成長することが知られている。このような、反応雰囲気を高清浄化することでの選択成長については、室田らによって報告されている(SDM88-3 p.9)。しかし、そこで得られる選択成長の膜厚では薄すぎて、シリコンデバイスに応用できないという問題がある。
【００１４】
以上まではシリコンエピタキシャル層の選択成長について説明したが、近年シリコン系バイポーラトランジスタでは、ＳｉＧｅエピタキシャル層をベース層に用いてヘテロ接合を形成することによって高速化を図る研究が盛んに行われており、ＳｉＧｅエピタキシャル成長においても選択成長技術が必要とされてきている。
【００１５】
ＧｅとＳｉには格子不整合が４％もあるため、成長時にミスフィット転位が発生したり、表面モホロジーが悪化しやすいという問題がある。これらの問題を抑制しながらＳｉＧｅエピタキシャル成長をするには、成長温度を低温にしなければならない。Ｓｉ上のＳｉ_1-xＧｅ_x成長においてのミスフィット転位の起こる臨界膜厚の温度依存性については、白木靖寛、辰巳徹らによって報告されている（シリコン系ヘテロデバイスｐ２０１丸善）。
【００１６】
例えば、従来エピタキシャル成長が行われる１０００℃以上の高温ではＧｅ濃度１０％の場合に、成長層の臨界膜厚は１４０ｎｍ以下であった。デバイスに応用できる膜厚は２００ｎｍ以上必要であり、２００ｎｍ以上の成長膜厚を得るためには成長温度を６５０℃以下に低くする必要がある。
【００１７】
このように低温でエピタキシャル成長を行うためには、非常に清浄度の高い雰囲気で成膜しなければならない。特に、成膜装置内部の水分や酸素の分圧を十分に低減しなければ良好な結晶性を有するエピタキシャル成長層を得ることはできない。
【００１８】
エピタキシャル成長の可否と、成長温度と、雰囲気中の水分分圧との関係については、G.Ghidini and F.W.Smith によって報告されている(J.Electrochem. Soc. vol.131,pp.2924(1984)。図４は、この文献における上記の関係を示す図である。
【００１９】
これによると、エピタキシャル成長の可否の境界直線Ｌで示されるように、設定した成膜の温度条件（横軸）において直線Ｌ上の水分分圧以下の水分分圧で成膜しなければ酸化され易く、表面のラフネスが悪くなる。すなわち結晶欠陥の多い単結晶成長になることを示し、シリコンエピタキシャル成長を低温で行う程、水分分圧を低くしないと酸化が生じ易くなることを示している。一例として、成長温度を６００℃としてエピタキシャル成長を行う場合には、水分分圧は２×１０^-8Ｐａ以下にしなければならない。
【００２０】
上述した低温エピタキシャル成長において、水分分圧を低減する対策の一つとしてＵＨＶ−ＣＶＤ（超高真空化学気相成長）技術がB.S.Meyersonによって報告されている。(Appl.Phys.Lett.48.p797(1986)、米国特許第５，２９８，４５２号、日本国特許第２，６８１，０９８号）。
【００２１】
このＵＨＶ−ＣＶＤ装置は、横型のバッチ式であり、シリコン基板を出し入れするためのロードロック室と加熱手段が設けられた反応チャンバーとを有し、それぞれに高真空排気する手段が設けられている。
【００２２】
このＵＨＶ−ＣＶＤ装置によれば、反応チャンバ内を超高真空雰囲気にして、真空チャンバ内の水分分圧を低減することができるので、低温条件下でもエピタキシャル成長が可能である。
【００２３】
しかし、この横型バッチ式ＵＨＶ−ＣＶＤ装置は、その設置面積が大きくなってしまい、維持費の高いクリーンルームスペースの有効活用ができないという問題がある。
【００２４】
以上に鑑みて、縦型バッチ式で超高真空排気の可能なダブルロードロック機構を備える縦型ＵＨＶ−ＣＶＤ装置が提案されている(特願平１１−１５４２０号）。
この縦型ＵＨＶ−ＣＶＤ装置もまた、シリコン基板を出し入れするためのロードロック室と加熱手段が設けられた反応チャンバーとを有し、それぞれに高真空排気する手段が設けられ、反応チャンバ内を超高真空雰囲気にすることで、低温条件下でもエピタキシャル成長が可能である。
【００２５】
さらに、縦型ＵＨＶ−ＣＶＤ装置は１バッチ当たり１００枚の一括処理を行うことから、スループットが枚葉装置の１．５〜２倍に向上し、かつ縦型バッチ式のため、設置面積が小さくなるという利点があるため、期待されている。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、ホットウォールタイプのバッチ装置でデバイスに応用可能なエピタキシャル成長における選択成長膜を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、シリコン単結晶面が一部で露出したシリコン基板を、室内がホットウォールによって加熱可能に構成された反応室内に配置し、前記シリコン単結晶面に、選択的にエピタキシャル層を結晶成長をさせる選択成長方法であって、前記反応室内に前記シリコン基板を複数枚配置し、前記ホットウォールによって前記シリコン基板を加熱し、前記反応室内を分子流領域の圧力で、ＳｉＨ₄ガスを含む原料ガスを前記反応室内に導入して、エッチングガスの不存在雰囲気で前記単結晶面に結晶核を選択的に成長させる第一成膜ステップと、成長温度を８００℃以下とし、前記原料ガスと、化学構造中にハロゲン原子を有するエッチングガスとを前記反応室内に導入し、前記単結晶面に結晶層を成長させる第二成膜ステップを有することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の選択成長方法であって、前記結晶層として、シリコン又はシリコン−ゲルマニウム混晶エピタキシャル層を成長させることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の選択成長方法であって、前記エッチングガスとして、Ｃｌ₂ガス、ＨＣｌガス、Ｂｒ₂ガス又はＨＢｒガスのいずれか一つを用いることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の選択成長方法であって、前記エッチングガスとしてＣｌ ₂ ガスを用い、前記Ｃｌ ₂ ガスの濃度を１．４％〜１．８％にすることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の選択成長方法であって、前記第二成膜ステップによる前記結晶層の成長時間を９０分未満にすることを特徴とする。
【００２８】
本発明では、表面に絶縁膜が形成され、シリコン単結晶面が一部で露出したシリコン基板のシリコン単結晶面に、選択的に結晶成長をさせる際に、加熱可能に構成された反応室を用いて、成長温度を８００℃以下の低温にし、反応室内の圧力を１Ｐａ以下とする成長条件で、化学構造中にシリコン原子を有するシリコン原料ガスと、化学構造中にハロゲン原子を有するエッチングガスとを、反応室内に導入して、単結晶面に結晶層を成長させている。
【００２９】
一例として、シリコン原料ガスとしてＳｉＨ₄ガスを用い、エッチングガスとしてＣｌ₂ガスを用いると、成長温度を８００℃以下の低温にし、成長圧力を１Ｐａ以下の分子流領域とした場合には、これらのガスは気相反応をせず、またＳｉＨ₄ガスは反応確率の高いＳｉＨｘに分解されることなく基板表面に到達する。
【００３０】
ＳｉＨ₄ガスはＳｉＨｘガスより反応確率が低く、核成長が遅いため、酸化膜や窒化膜等の絶縁膜上に発生した成長核は添加されたＣｌ₂ガスによって十分エッチングされてしまうので成長は促進されず、露出したシリコン基板表面にのみシリコン結晶成長をさせることができる。
従って、反応室全体が加熱される、いわゆるホットウオールタイプの真空熱処理装置を用いても、上記の成長条件で選択成長が可能になる。
【００３１】
なお、本発明においては、まずエッチングガスとシリコン原料ガスとを反応室内に導入する前に、シリコン原料ガスのみを反応室内に導入して、単結晶面に予め結晶層を成長させている。
【００３２】
シリコン原料ガスが塩素原子を含むガスを含まない場合でも、反応室内の水分分圧や酸素分圧が十分に低ければ、シリコン基板の表面が露出している部分と絶縁膜との材質差による反応確率の違いにより、薄い膜厚ではあるが選択成長をさせることができるためである。
【００３３】
かかるシリコン原料ガスのみを反応室内に導入して選択成長をした後に、塩素原子を含むガスを含むエッチングガスを導入して、二段階の選択成長をすることにより、エピタキシャル層の成長開始時から成長終了時まで、終始化学構造中に塩素原子を有するガスをシリコン原料ガスに添加しなくても、デバイスに応用可能な膜厚まで選択成長させることができる。
【００３４】
これにより、成長開始時から成長終了時まで、エッチングガスをシリコン原料ガスに添加し続ける場合に比較して、エッチングガスを添加する時間を短くすることができるので、単結晶面上に成長した結晶層がエッチングされる時間も短くなり、終始エッチングガスを導入していた場合に比して、成長速度を向上させることができる。
【００３５】
なお、本発明において、反応室は、複数枚の基板を搭載できるように構成してもよい。この場合には、数枚の基板を一括処理することができるので、スループットを向上させることができる。
【００３６】
また、シリコン原料ガスには、希釈ガスや、ドーピングを行なうためのガスを含有するようにしてもよい。
さらに、エッチングガスとして、Ｃｌ₂ガス、ＨＣｌガス、Ｂｒ₂ガス又はＨＢｒガスを用いてもよい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１の符号１に、本実施形態の選択成長方法を実施する縦型真空熱処理装置を示す。この縦型真空熱処理装置１は、石英チューブから成る反応チャンバー１２と、反応チャンバー１２周囲に配置された発熱体１５と、反応チャンバー１２に気密に接続された第２のロードロック室３２と、第２のロードロック室３２にゲートバルブ２３を介して接続された第１のロードロック室３１と、第１のロードロック室３１にゲートバルブ２２を介して接続された移載室２５と、移載室２５にゲートバルブ１９を介して接続されたカセット室１４と、カセットの出し入れのためのゲートバルブ１８とを有している。
【００３８】
反応チャンバー１２は、一端が封止され、他端が開放されており、略垂直にされた状態で、開放部分側が第２のロードロック室３２に気密に取り付けられている。そして、反応チャンバー１２と第２のロードロック室３２との間にはゲートバルブ２４が設けられており、ゲートバルブ２４を開けると内部が接続されるように構成されている。
【００３９】
反応チャンバー１２、第２のロードロック室３２、第１のロードロック室３１には真空ポンプ４３、４２、４１がそれぞれ接続されており、各室１２、３２、３１内を超高真空排気できるように構成されている。移載室２５、カセット室１４には窒素ガス導入ポート２１、２０がそれぞれ接続されており、移載室２５、カセット室１４を窒素ガス置換できるように構成されている。
【００４０】
以下で、上記の構成の縦型真空熱処理装置１内に、図２に示すように表面に酸化膜４４が形成されたシリコン基板１７を配置し、シリコン単結晶が露出する面(以下単にシリコン露出面と称する。)４５に、シリコンエピタキシャル層を選択的に成長させる工程について説明する。
【００４１】
縦型真空熱処理装置１では、予め２台の真空ポンプ４１、４２を用いて第１のロードロック室３１及び第２のロードロック室３２の内部をそれぞれ約１×１０^-6Ｐａの圧力にしておく。また、移載室２５、カセット室１４にはそれぞれ窒素ガス導入ポート２１、２０より窒素ガスを導入し、各室２５、１４を窒素ガス置換しておく。さらに、シリコン基板を載置するためのポート１６は、第１のロードロック室３１内部に配置しておく。また、反応チャンバー１２内部についても真空ポンプ４３を用い約１×１０^-7Ｐａの圧力にしておく。更に、発熱体１５への通電量を制御して、反応チャンバー１２の内部温度が約４００℃になるようにしておく。
【００４２】
また、予めシリコン基板１７を所定の温度に加熱した硫酸−過酸化水素水溶液にて処理してシリコン基板１７に付着している有機物を除去した後に水洗し、フッ酸で処理する。次いで、所定の温度に加熱したアンモニア−過酸化水素水溶液でシリコン基板１７表面のパーティクル除去を行った後に水洗し、フッ酸で処理する。その後、希フッ酸を用いてシリコン基板１７表面の金属汚染物及び自然酸化膜の除去を行なっておく。
【００４３】
最初に、上述の処理がなされた複数枚のシリコン基板１７をカセットに入れ、ゲートバルブ１８を開け、カセットをカセット室１４に載置する。カセットがカセット室１４に載置されたら直ちにゲートバルブ１８を閉め、窒素ガス導入口２０より窒素ガスを導入すると、カセット室１４内は所定範囲の水分濃度、酸素濃度になる。
【００４４】
その後、カセット室１４と移載室２５との間のゲートバルブ１９と、移載室２５と第１のロードロック室３１との間のゲートバルブ２２を開け、カセット室１４、移載室２５、第１のロードロック室３１の内部を接続し、移載室２５に配置された移載機８を用いて、シリコン基板１７を第１のロードロック室３１内部に搬入し、ボート１６に移載させる。移載が完了したら各ゲートバルブ１９、２２を閉じ、真空ポンプ４１により、第１のロードロック室３１を真空排気する。
【００４５】
第１のロードロック室３１内の圧力が約１×１０^-6Ｐａまで低下したら、第１、第２のロードロック室３１、３２の間のゲートバルブ２３を開け、シリコン基板１７を搭載したボート１６を、図示しない移載機を用いて第２のロードロック室３２内部へと移載する。その後、ゲートバルブ２３を閉め、第２のロードロック室３２を真空ポンプ４２により約１×１０^-6Ｐａの圧力まで排気する。
【００４６】
次いで、反応チャンバー１２と第２のロードロック室３２との間のゲートバルブ２４を開け、反応チャンバー１２内部の図示しないガス導入口より水素ガスを導入しながら、ボートローダー２９によりシリコン基板１７を載置したボート１６を反応チャンバー１２に移載する。ボート１６を移載中には、図示しない真空ポンプの排気量を制御して、反応チャンバー１２と第２のロードロック室３２の圧力が２６６０Ｐａ程度になるようにしておく。
【００４７】
完全にボート１６が反応チャンバー１２に移載されたら、水素ガスの導入を止め、真空ポンプ４３により、４００℃の状態でシリコン基板が酸化しない水分分圧２×１０^-8Ｐａ以下の超高真空圧力まで、反応チャンバー１２内の圧力を低下させる。
【００４８】
次いで、反応チャンバー１２内部の図示しないガス導入口より水素ガスを導入しながら発熱体１５に通電して反応チャンバー１２内を加熱し、シリコン基板１７の温度を９００℃程度にすることにより、シリコン露出面４５の表面に形成された自然酸化膜を還元除去する。自然酸化膜が完全に除去されたら、通電量を制御して、シリコン基板１７の温度を６００℃程度まで低下させる。
【００４９】
次に、反応チャンバー１２内部の図示しないガス導入口より、シリコンエピタキシャル層の原料ガスであるＳｉＨ₄ガス(シリコン原料ガス)を流量１２SCCMで反応チャンバー１２内に導入する。このとき、反応チャンバー１２内は、０．１Ｐａと分子流領域であり、ＳｉＨ₄ガスは、反応確率の高いＳｉＨｘに熱分解されることなく基板表面に到達する。
【００５０】
ＳｉＨ₄ガスはＳｉＨｘガスより反応確率が低い。また、材質の差により、ＳｉＨ₄ガスの反応確率はシリコン露出面４５と酸化膜４４とで異なり、シリコン露出面４５でシリコン結晶が成長しても、酸化膜４４上ではシリコンの核は発生しにくいので、シリコン露出面４５にのみシリコンエピタキシャル層を選択的に成長させることができる。
【００５１】
成膜開始後、約３０分経過したら、引き続き反応チャンバー１２内部の図示しないガス導入口より、ＳｉＨ₄ガスとＣｌ₂ガスとの混合ガス(第２の原料ガス)を、反応チャンバー１２内に導入する。このとき、ＳｉＨ₄ガス、Ｃｌ₂ガスの流量をそれぞれ１２SCCM、０．２SCCMとしておく。この条件では、シリコン基板１７の酸化膜４４上にシリコンの核が発生し出すのは成膜開始後約４０分後であり、成膜開始後約３０分経過した時点では、シリコンの核は酸化膜４４上には発生していない。
【００５２】
反応チャンバー１２内に、ＳｉＨ₄ガスに加えてＣｌ₂ガスを導入すると、仮に酸化膜４４上でシリコンの核が発生しても、成長前に直ちにＣｌ₂ガスによってエッチングされてしまうので、絶縁膜上にはシリコン結晶は成長せず、露出したシリコン基板上にのみ選択的に成長させることができる。
【００５３】
Ｃｌ₂ガスの導入を開始してから、約９０分が経過したら、反応チャンバー１２内へのＳｉＨ₄ガス及びＣｌ₂ガスの導入を停止して成長を終了させる。
その後、シリコン基板１７を、反応チャンバー１２の内部へ移載してきたのと逆の手順によりシリコン基板１７を縦型真空熱処理装置１から移載して取り出し、一連の成膜処理を終了する。
【００５４】
上記条件で、シリコンエピタキシャル層は、ＳｉＨ₄ガスのみで成長させた３０分間に約１２０ｎｍ成長し、ＳｉＨ₄ガスにＣｌ₂ガスを添加して成長させた９０分間に約２８０ｎｍ成長しており、合計１２０分の成膜時間で約４００ｎｍのシリコンエピタキシャル層を成長させることができた。
【００５５】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＳｉＨ₄ガスを反応チャンバー１２内に３０分間導入した後に、ＳｉＨ₄ガスに加えてＣｌ₂ガスを添加して、９０分間反応チャンバー１２内に導入することで、エピタキシャル層を成長させている。
【００５６】
従って、成長を開始してから成長が終了するまでＣｌ₂ガスを添加し続ける従来方法よりもＣｌ₂ガスを添加する時間が短時間になり、選択成長したエピタキシャル層がＣｌ₂ガスでエッチングされる時間も短くなるので、従来に比して成長速度を向上させることができる。
【００５７】
本発明者らは上記条件で、Ｃｌ₂ガスを添加してから９０分以上経過した場合には、酸化膜４４上にシリコンの核発生が始まり、上記条件ではこの４００ｎｍ以上では選択性がなくなることを確認した。
【００５８】
以上までは、シリコンエピタキシャル層の選択成長について説明したが、上記の縦型真空熱処理装置１を用いれば、シリコン−ゲルマニウム混晶エピタキシャル層を選択成長させることもできる。
【００５９】
本発明者らは、上述の縦型真空熱処理装置１を用いて、不図示のガス導入口から、シリコン原料ガス(ＳｉＨ₄ガスとＧｅＨ₄ガス)と、ボロンドープのためのガス(Ｂ₂Ｈ₆ガス)、希釈のためのガス(Ｈ₂ガス)及びエッチングガス(Ｃｌ₂ガス)を、それぞれ反応チャンバー１２内に導入し、成長温度６００℃、成長圧力０．１Ｐａの条件下で、成長時間６８分によりＳｉＧｅでのエピタキシャル成長によるＣｌ₂ガスの濃度依存と選択成長との関係を調べた。
【００６０】
その結果を図５に示す。Ｃｌ₂濃度の最適化によりＣｌ₂濃度が１．４〜１．８％の範囲(以下で最適範囲と称する。)では、酸化膜上にはＳｉＧｅ核が全く発生せずに完全な選択成長をし、膜厚２１５ｎｍのＳｉＧｅエピタキシャル膜が得られることが確認された。
【００６１】
また、Ｃｌ₂濃度が、最適範囲より高くなるとシリコンのエッチング反応が律速して、エピタキシャル成長が全く行われないことが確認された。さらに、Ｃｌ₂濃度が最適範囲より低いとＳｉＧｅ核が絶縁膜上に発生し、やがてポリシリコンの膜成長になって選択成長ができなくなることが確認された。
Ｃｌ₂濃度が最適範囲の場合には膜厚２１５ｎｍのＳｉＧｅエピタキシャル膜が成膜された。２１５ｎｍという膜厚はデバイスに応用できる膜厚である。
【００６２】
以上述べたように、成長温度６００℃、成長圧力０．１Ｐａという低温、低圧条件下では、縦型真空熱処理装置１を用いて、シリコン−ゲルマニウム混晶エピタキシャル層を選択成長させることができることが確認できた。
【００６３】
なお、本実施形態では、エッチングガスとしてＣｌ₂ガスを用いているが、本発明はこれに限らず、例えば、ＨＣｌガスや、Ｂｒ₂ガスや、ＨＢｒガスを用いてもよい。
また、シリコン原料ガスとしてＳｉＨ₄ガスを用いているが、本発明はこれに限らず、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスや、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂ガスを用いてもよい。
【００６４】
さらに、本実施形態では、シリコンエピタキシャル層を成長させているが、シリコン−ゲルマニウム混晶のエピタキシャル成長に適用してもよい。この場合には、例えばＳｉＨ₄ガスとＧｅＨ₄ガスとの混合ガスをシリコン原料ガスとして用いればよい。
【００６５】
また、エピタキシャル層中に不純物ドーピングを行うため、シリコン原料ガスに、例えばＢ₂Ｈ₆、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃等の不純物材料を含むガスを添加してもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｃｌ₂ガスやＨＣｌガス等を添加してエピタキシャル成長を分子流領域の圧力で成長させているので、選択成長をさせることが可能になる。
【００６７】
また、エピタキシャル成長前に反応チャンバーの水分および酸素分圧をシリコン基板が酸化しない分圧まで低下させてから、Ｃｌ₂ガスやＨＣｌガスを添加しないエピタキシャル成長を分子流領域の圧力で行うことで、酸化膜や窒化膜等の絶縁膜上とシリコン基板の表面が露出している部分との材質差による反応確率の違いによって起こる選択成長と、引き続きＣｌ₂ガスやＨＣｌガスを添加してエピタキシャル成長を分子流領域の圧力で行い、酸化膜や窒化膜等の絶縁膜上に発生したシリコンの核をエッチング・除去させる選択成長との二つの選択成長を組み合わせることにより、ホットウォールタイプのバッチ装置でも、長時間Ｃｌ₂ガスを添加することによる成長速度の低下を抑制し、よりデバイスに応用可能な膜厚が確保でき、エピタキシャル成長における選択成長を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に用いられる縦型真空熱処理装置を説明する要部断面図
【図２】本発明の実施形態に用いられるシリコン基板を説明する断面図
【図３】従来のコールドウオールタイプの枚葉装置を説明する断面図
【図４】エピタキシャル成長の可否と、成長温度と、雰囲気中の水分分圧との関係を示すグラフ
【図５】Ｓｉ−Ｇｅ選択成長のＣｌ₂濃度依存性を示すグラフ
【符号の説明】
１…縦型真空熱処理装置１２…反応チャンバー(反応室) １３…ゲートバルブ１４…カセット室１５…発熱体１６…ボート１７…シリコン基板１８、１９、２２、２３…ゲートバルブ２０、２１、２８…窒素ガス導入口２５…移載室２９…ボートローダー３１…第１のロードロック室３２…第２のロードロック室４１〜４３…真空ポンプ４５…シリコン露出面

Claims

シリコン単結晶面が一部で露出したシリコン基板を、室内がホットウォールによって加熱可能に構成された反応室内に配置し、前記シリコン単結晶面に、選択的にエピタキシャル層を結晶成長をさせる選択成長方法であって、
前記反応室内に前記シリコン基板を複数枚配置し、前記ホットウォールによって前記シリコン基板を加熱し、
前記反応室内を分子流領域の圧力で、ＳｉＨ ₄ ガスを含む原料ガスを前記反応室内に導入して、エッチングガスの不存在雰囲気で前記単結晶面に結晶核を選択的に成長させる第一成膜ステップと、
成長温度を８００℃以下とし、前記原料ガスと、化学構造中にハロゲン原子を有するエッチングガスとを前記反応室内に導入し、前記単結晶面に結晶層を成長させる第二成膜ステップを有することを特徴とする選択成長方法。
前記結晶層として、シリコン又はシリコン−ゲルマニウム混晶エピタキシャル層を成長させることを特徴とする請求項１記載の選択成長方法。
前記エッチングガスとして、Ｃｌ₂ガス、ＨＣｌガス、Ｂｒ₂ガス又はＨＢｒガスのいずれか一つを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の選択成長方法。
前記エッチングガスとしてＣｌ ₂ ガスを用い、前記Ｃｌ ₂ ガスの濃度を１．４％〜１．８％にすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の選択成長方法。
前記第二成膜ステップによる前記結晶層の成長時間を９０分未満にすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の選択成長方法。