JPH0265123A - 半導体層のエピタキシャル成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔（既　　要〕 シリコンの気相エピタキシャル成長に関し。

エピタキシャル成長の低温化を目的とし。

化学気相成長装置内に成長原料ガスとして弗素化シラン
を導入し、減圧下において所定の温度でシリコン基板上
にシリコン層をエピタキシャル成長させる第１の工程と
。

前記第１の工程ののち該化学気相成長装置内に成長原料
ガスとしてジシラン（ｓｉｚｏａ）を導入し減圧下にお
いて前記所定温度乃至それ以下の温度で該シリコン基板
上にシリコン層をエピタキシャル成長させる第２の工程 を備えることから構成される。

め手となる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、シリコンの気相エピタキシャル成長に係り、
とくに、エピタキシャル成長の低温化を目的とする一種
の２段階成長法に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路の高密度化および高性能化のために、集
積回路を構成する素子の微細化が進められている。平面
的な微細化とともに、素子を構成する種々の拡散層の薄
層化のような縦方向の寸法の縮小化も必要となる。例え
ば、バイポーラトランジスタにおいては、キャリヤの走
行時間の低減のためにベース層を薄くする。いわゆるシ
ャローベース化、また、ＭＯＳトランジスタにおいては
、接合容量を低減するために行うソース／ドレインの薄
層化である。

上記のような要請にもとづき薄い拡散層を形成するため
には、最終的にはプロセスの低温化が決〔発明が解決し
ようとする課題〕 集積回路の製造プロセスにおいて、プロセス温度が高い
代表的な例は、シリコンのエピタキシャル成長工程であ
る。シリコン基板にシリコン単結晶層をエピタキシャル
成長させる条件として一般的な例を記すと、成長原料ガ
スとしてジクロルシラン（ＳｉＨｚＣｌｚ）を用い、こ
れを常圧から８０Ｔｏｒｒ程度の減圧の範囲で、　１０
００℃ないし１１００℃で熱分解させるものである。

このような温度では１例えばバイポーラトランジスタに
おける埋込層のようにすでに基板に注入されている不純
物がエピタキシャル成長層に拡散する。いわゆるオート
ドーピングが避けられない。

また、シリコンウェハのような大口径の基板においては
温度分布が不均一となり、この熱歪によりウェハにスリ
ップラインと呼ばれる結晶欠陥が発生する問題もある。

エピタキシャル成長の低温化のために、低温で分解する
成長原料ガスを用いることが試みられている。例えば、
従来から主に使用されているシラン（Ｓｉｌ１４）や上
記ジクロルシラン（ＳｉＨｚＣＩ□）の代わりに、ジシ
ラン（ＳｉＪ６）を成長原料ガスとして用いることによ
り、シリコンのエピタキシャル成長温度を７００℃〜８
５０℃に低減できることが本発明者により開示されてい
る。（特開昭６２４５９４２１゜昭和６２年０７月１５
日付） 上記Ｓｉ、Ｈ６を用いてシリコンのエピタキシャル成長
を行う場合でも、あらかじめシリコン基板を。

例えば水素気流中において９５０℃程度で予備加熱して
おくことによって、初めて鏡面状のエピタキシャルシリ
コン層が得られる。上記予備加熱はシリコン基板表面に
存在する５ｉＯｚ自然酸化膜を除去するために必要な工
程と考えられている。

本発明者は、シリコンのドライエツチングにおいてエツ
チングガスとして用いられているジフルオロシラン（Ｓ
ｉＨ２Ｆ２）ガスによるシリコン基板表面の清浄化とエ
ピタキシャル成長の低温化について調査を行ってきたが
、５ｉＨＪｚはＳｉＯ□表面に対してはエツチング効果
を示し、シリコン表面に対しては成長原料ガスとしてシ
リコン層をエピタキシャル成長させる効果があることを
見出した。５ｉＨ２Ｆｚによるエピタキシャル成長は８
００℃以上で行われ。

しかも、　ＳｉＨ２Ｆ２によるエピタキシャル成長を行
ったのちには、５ｉＪ６を成長原料ガスとするエピタキ
シャル成長が、従来よりさらに低温で可能であることを
見出した。

したがって１本発明は、従来より低温で実施可能な新規
なシリコンエピタキシャル成長方法を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、化学気相成長装置内に成長原料ガスとして
ＳｉＨ２Ｆ２を導入し、減圧下において所定の温度でシ
リコン基板上にシリコン層をエピタキシャル成長させる
第１の工程と、前記第１の工程ののち該化学気相成長装
置内に成長原料ガスとして５ｉＪ６を導入し、減圧下に
おいて前記所定温度乃至それ以下の第２の所定温度で該
シリコン基板上にシリコン層をエピタキシャル成長させ
る第２の工程を備えたことを特徴とする本発明に係る半
導体層のエピタキシャル成長方法によって達成される。

〔作　用〕

低温エピタキシャル成長を阻害する要因の一つは基板表
面の汚染であり、究極の汚染物質はシリコンウェハ等の
基板が大気に触れた場合にその表面に生じる自然酸化膜
（ＳｉＯ□）である。

一般の気相エピタキシャル成長においては、成長原料ガ
スである前記Ｓｉ２Ｈ６や５ｉｌｌ□ＣＩ２等が分解し
て、成長ガス雰囲気中には水素ラジカルや塩素ラジカル
が存在し、これらは自然酸化膜を除去する効果がある。

しかし、成長温度が低くなるとこの除去効果が弱くなり
、エピタキシャル成長が困難となる。

本発明においては、　Ｓｉ、Ｈ，ガスによるエピタキシ
ャル成長に先立って、　Ｓ　ｉ　Ｈ２Ｆ　ｚをエピタキ
シャル成長原料ガスとする化学気相成長（ＣＶＤ）法に
よりシリコンのエピタキシャル成長を行う。Ｓｉ！Ｉ２
Ｆｚは８００°Ｃ以上の温度で活性化され、シリコン基
板表面のＳｉＯ□膜を除去する。ＳｉＯ□膜が除去され
た清浄表面には、５ｉ）Ｉ２Ｆｚを成長原料ガスとする
エピタキシャル成長が行われる。そして、　５ｉＨ２Ｆ
ｚによるエピタキシャル成長を行ったのち、成長原料ガ
スをＳ　ｉ　２１１６に切り換えることにより、５００
°Ｃ程度でも鏡面状のシリコンエピタキシャル層が成長
する。さらに、５ｉＪ６ガスにＳ　ｉ　ｔ（ｚ　Ｆ　ｚ
ガスを添加しておけば残留ガスによる自然酸化膜が除去
され、常に清浄化された表面にシリコンがエピタキシャ
ル成長でき、低温成長と成長速度の向上が実現できる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明のエピタキシャル成長方法における成長
温度−時間の関係の一例を示すグラフであって、まず１
第１の工程においては１通常の減圧ＣＶＤ装置内に５ｉ
ｆｔ□Ｆ２を導入し、温度を８５０℃に上昇する。５ｉ
８２Ｆ２とともにキャリヤガスとして水素（Ｈ２）を導
入する。ＣＶＤ装置内の圧力は約６０Ｔｏｒｒに制御す
る。この状態で約１０分間保持する。次いで、第２の工
程においては、５ｉＨ２Ｆｚの導入を停止し、温度を約
６００°Ｃに降下する。そして、５ｔ２）１．を導入す
る。この工程においても、Ｓｉ２Ｈ６とともにキャリヤ
ガスとして１１□が導入される。ＣＶＤ装置内の圧力を
約６０Ｔｏｒｒに制御する。この状態で約２０分間保持
する。こののち、Ｓｉ２Ｈ６の導入を停止し、常温に戻
す。

第２図は本発明の実施に用いたエピタキシャル成長装置
であって、従来の高温成長に用いられる装置と同じであ
る。成長槽１内におけるサセプタ６上にシリコン基板２
を設置し１図示しない排気装置により真空排気したのち
、成長槽１全体を第１図に示す第１の工程における温度
に加熱する。

そして、ガス導入管３から、　５ｉＨ２Ｆｚガスを所定
流量で導入し、一方、別のガス導入管４を通じてキャリ
ヤガスであるＨ２ガスを導入し、成長槽１内を所定圧力
に維持する。このようにして、シリコン基板２上にシリ
コン単結晶層表面に存在する５ｉｎ２自然酸化膜の除去
およびシリコン層のエピタキシャル成長を行う。次いで
、成長槽１全体を第１図に示す第２の工程における温度
に加熱する。そして、ガス導入管５を通じてＳｉ２Ｈ６
ガスを所定流量で１人し、シリコン層のエピタキシャル
成長を行う。なお、第２図において符号７は基板加熱電
源。

ＭＰはマスフローメータである。

第３図（ａｌおよび（ｂ）は、ＳｉＨ□Ｆ２を成長原料
ガスとして用いた場合のシリコンエピタキシャル層の成
長速度と成長温度および５ｉＨ２Ｆｚの流量の関係を示
すグラフ、第４図（ａｌおよび（ｂ）は、シリコン基板
表面を熱酸化して形成したＳｉＯ□膜を５ｉＨ２Ｆｚガ
ス中で加熱した場合における前記熱酸化５ｉｎ２膜の減
少速度（エツチング速度）と加熱温度および５ｉＨ２Ｆ
ｚの流量の関係を示すグラフである。それぞれにおける
パラメータは図中に記した通りである。

第３図（ａｌおよび第４図（ａ）に示すように、５ｉＨ
２Ｆｚガスによるシリコン層のエピタキシャル成長およ
びＳｉＯ□膜のエツチングは、いずれも、８００℃以上
で顕著になる。これは＋　Ｓ　ｉ　Ｈ２Ｆ　ｚが８００
℃以上の温度で活性化されることを示すものと考えられ
る。また、第３図（ｂｌおよび第４図ｆｂ）に示すよう
に、シリコン層のエピタキシャル成長および５ｉｏｚｌ
ｌＷのエツチング速度は５ｉＨ２Ｆｚの流量とともに単
調増加し次第に飽和傾向を示す。この結果にもとづき、
第３図（ａ）および第４図（ａｌにおける５ｉＨ２Ｆｚ
の流量は。

その供給が充分でありエピタキシャル成長速度およびエ
ツチング速度がほぼ飽和する５０３ＣＣＨに設定されて
いる。

第３図および第４図から、　５ｉＨ２Ｆｚ中では、シリ
コン基板表面に存在するＳｉｎ、自然酸化膜は除去され
１表出した清浄な表面にシリコン層がエピタキシャル成
長することが分かる。一般に、大気に触れたシリコン基
板表面には厚さ３０人程度の自然酸化膜が存在するが、
この自然酸化膜は、熱酸化により形成されたＳｉＯ２膜
よりエツチングされやすい。

このため、自然酸化膜は、第１図の５ｉＨｚｈを導入す
る第１の工程における最初の５分程度の期間に除去され
てしまい、残りの期間においてはシリコンエピタキシャ
ル層が生成する。そして、引続く第２の工程においては
、Ｓｉ２Ｈ６の導入によるシリコンのエピタキシャル成
長が行われる。

第５図は５ｉｚｌ１６を成長原料ガスとするシリコンエ
ピタキシャル層の成長速度と成長温度の関係を示すグラ
フであって、Ｓｉ２Ｈ６とともに１１２キヤリヤガスが
導入され、ＣＶＤ装置内の圧力は６０Ｔｏｒｒに減圧さ
れ、Ｓｉ２Ｈ６流量は３　ＳＣＣＭである。したがって
、第１図に示す第２の工程における５ｉｚ）１６導入期
間には。

＆’ｉｌ　］、５０人／ｍｉｎの速度で３０００人程度
０シリコンエピタキシャル層が形成される。

前記のように、シリコン基板表面のＳｉＯ□自然酸化膜
が除去されたのちは、５ｉＨＪｚガスはシリコン層の成
長に与かる。したがって、５ｉＪ６によるシリコンのエ
ピタキシャル成長を行う前記第２の工程において、５ｉ
ＨＪｚガスの導入を継続して行ってもよい。この場合に
は、シリコンエピタキシャル層の成長速度は、　５ｉｘ
２ｈによる分増加する。

しかしながら、前記第１の工程において、最初からＳｉ
Ｈ２Ｆ２とともにＳ　ｉ　２ｔｌ　、を導入するのは好
ましくない。これは、５ｉ２Ｈ＋、による成長速度が高
いために、　５ｉＨ２Ｆｚにより自然酸化膜が完全に除
去される前にシリコン層の成長が生じ、結晶欠陥の多い
エピタキシャル層が形成されやすいためである。したが
って、第１の工程においては５ｉＨ２Ｆｚのみを導入し
、第２の工程において５ｉ２Ｈ，を導入する２段階に分
けて行うことが望ましいことになる。

表［ｉ）　　単独導入の場合 １の工　　　　２の工 ＳｉＨ２Ｆ２流量（ＳＣＣＭ）：　　　５０Ｓｉ、Ｈ６
流量（ＳＣＣＭ）　： Ｈ２ガス流量（ＳＣＣＭ）　：　　　１０圧　　　力　
（Ｔｏｒｒ）　：　　　　　６０（℃）：９５０〜８５
０ 表（ｉｉ　）　　並行導入の場合 １の工 ５ｉＨ２Ｆｚ流量（ＳＣＣＭ）：　　　５０Ｓｉ２Ｈ６
流量（ＳＣＣＭ）　： １１□ガス流量（ＳＣＣＭ）　：　　　１．０圧　　　
力　（Ｔｏｒｒ）　：　　　　　６０（ｔ）：９５０〜
８５０ ２の工 ２５〜２．５ ９００〜５００ 表（ｉ）および（ｉｉ）は、上記第１および第２の工程
において、　５ｉＨ２Ｆｚと５ｉ２Ｈｂをそれぞれ単独
に導入する場合および並行して導入する場合における代
表的な成長条件を示す。

上表の範囲の成長条件で得られたシリコン層の表面状態
およびスリップラインの有無を調べたところ、シリコン
層表面は鏡面状態であり、また。

スリップラインは存在しないことが認められた。

このことから、基板全面にシリコンがエピタキシャル成
長していることが確認できた。

なお、ジクロルシラン（ＳｉＨｚＣＩｚ）を成長原料ガ
スとして用い、これにジフルオロシラン（ＳｉＨ２Ｆｚ
）ガスを添加することにより、９００℃で積層欠陥やエ
ッチビットのないエピタキシャルシリコン層が生成され
ることが報告されている（秦野敦臣他電子情報通信学会
技術研究報告Ｖｏ１．８８．　Ｎｏ、ＨＤ８８２２、１
９８８） 上記報告によれば、常圧成長の場合には、成長温度が９
００℃では積層欠陥が発生するが、減圧成長下ではじめ
て９００℃で良好なエビタキシャルシリコン層が成長す
るとしている。また、５ｉＨ２Ｆｚはシリコン基板表面
の自然酸化ＳｉＯ□膜を除去する効果を示すのみで１　
シリコン層のエピタキシャル成長には寄与しないとして
いる。すなわち、シリコンエピタキシャル層の成長速度
は成長原料ガスとなる５ｉ８２Ｃ１，の濃度に依存する
が、５ｉＨ２Ｆｚには依存しせず、したがって、清浄な
成長雰囲気中ではＳｉＨ，Ｆ、の添加はエピタキシャル
成長開始初期に行うのみでその目的を達するとしている
。

上記報告における５ｉＨ２Ｆｚの添加量については不明
であるが、前記のように１本発明者の実験結果によれば
、清浄なシリコン表面には５ｉｌｌ２Ｆｚを成長原料ガ
スとして８００℃以上でエピタキシャル層が成長するこ
とが認められている。そして１本発明は、５ｉＨ２Ｆｚ
　とＳ　ｉ　２Ｈ６とをそれぞれ成長原料ガスとして用
いる２段階成長法を基本とし、これにより５ｉＪ６のみ
を成長原料ガスとする従来の方法よりもさらに低温でシ
リコン層のエピタキシャル成長を可能とした。ちなみに
１上記報告によれば、前処理としてＭＣＩ　エッチを行
った場合に、５ｉ８２Ｃ１２とＳ　ｉ　Ｈ７Ｆ２の組合
せにより、９００℃でシリコン層のエピタキシャル成長
が可能であることが確認されているのに対して１本発明
によれば、８５０℃ないし５００℃でシリコン層のエピ
タキシャル層が可能であることが確認された。

〔発明の効果〕

本発明により、プラズマや光照射を用いずに。

熱分解反応のみにより、従来より低温でシリコン層エピ
タキシャル成長が可能となる。また１本発明は通常の気
相エピタキシャル成長装置を用いて実施可能であり、装
置コストを増加させない利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエピタキシャル成長方法における成長
温度−時間の関係の一例を示すグラフ。 第２図は本発明の実施に用いたエピタキシャル成長装置
の概要構成を示す模式図。 である。 第３図（ａｌおよび（ｂｌは、５ｉＨｚｈを成長原料ガ
スとして用いた場合のシリコンエピタキシャル層の成長
速度と成長温度および５ｉＨ２Ｆｚの流量との関係を示
すグラフ。 第４図（ａｌおよび（ｂｌは、５ｉＨ２Ｆｚガス中で５
ｉＯｚ膜を加熱した場合におけるＳｉＯ□膜のエツチン
グ速度と加熱温度および５ｉＨ２Ｆｚの流量との関係を
示すグラフ 第５図は５ｉ２Ｈ６を成長原料ガスとするシリコンエピ
タキシャル層の成長速度と成長温度の関係を示すグラフ である。 図において。 １は成長槽。 ２はシリコン基板。 ３と４と５はガス導入管 ６はサセプタ。 ７は加熱電源 である。 ４（喋艷旧月の１４ｔでゴ旨１７乙式乏長会ｈノτ−引
￥Ｂ目の几の不服グシメｊ半　１　口 誹灸褒１へ 戸疋畏ジムノ貧　こ°Ｃ） ＳシＨ２Ｆｚ（＝ｊる。爪長目しブヒ戸に宅１シ払グｔ
の関糸牛３０（久） 、Ｓｉ馬Ｆ２の流量と５３１木展の聞碌半３　□□□（
ｂ） を ■ （ＣＬ） 硫 量　（ｓｃｃＨ） ＳｊＴｏＦｚ　Ｉ；ｊ　６Ｓｔ　０２　諜（７＋ニーノ
ー７　’／’）’ＡＭ　と；Ｆ４ｎ　ｒイｉキ４ｔ＠ｔ
ｂ＞

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）化学気相成長装置内に成長原料ガスとして弗素化
   シランを導入し、減圧下において所定の温度でシリコン
   基板上にシリコン層をエピタキシャル成長させる第１の
   工程と、 前記第１の工程ののち該化学気相成長装置内に成長原料
   ガスとしてジシラン（Ｓｉ＿２Ｈ＿６）を導入し、減圧
   下において前記所定温度乃至それ以下の第２の所定温度
   で該シリコン基板上にシリコン層をエピタキシャル成長
   させる第２の工程 を備えたことを特徴とする半導体層のエピタキシャル成
   長方法。
2. （２）該弗素化シランはジフルオロシラン（ＳｉＨ＿２
   Ｆ＿２）であることを特徴とする請求項１の半導体層の
   エピタキシャル成長方法。
3. （３）前記第２の工程において引続き該化学気相成長装
   置内に該弗素化シランを導入することを特徴とする請求
   項１の半導体層のエピタキシャル成長方法。
4. （４）ジシランと該弗素化シランを流量比で１０：５乃
   至１０：０．５の割合で導入することを特徴とする請求
   項３の半導体層のエピタキシャル成長方法。