JPH04291916A - 気相成長方法及び装置 - Google Patents

気相成長方法及び装置

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JPH04291916A
JPH04291916A JP3056931A JP5693191A JPH04291916A JP H04291916 A JPH04291916 A JP H04291916A JP 3056931 A JP3056931 A JP 3056931A JP 5693191 A JP5693191 A JP 5693191A JP H04291916 A JPH04291916 A JP H04291916A
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政夫 櫻庭
Yoshio Mikoshiba
御子柴 宜夫
Harushige Kurokawa
黒河 治重
Fumihide Ikeda
文秀 池田
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は反応室内の試料に原料ガ
スの供給により原子層状に薄膜を気相成長する方法及び
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】通常の気相成長方法は図1を参照して説
明すると、反応室1内にガス供給源6により原料ガスを
流通させながら反応室1内の試料7を高周波加熱装置1
9により加熱して試料7表面にCVD膜を成長させる方
法であり、このような方法では試料7表面に吸着と反応
が連続的に生じ、原子層状の薄膜形成は極めて困難であ
った。
【0003】従来、原子層状に成長させる気相成長では
、対象物質として化合物半導体が用いられていた。例え
ばGaAsにおいて、Asの上にはAsが付着しないと
いう特徴を生かして原子層状にGaAsを形成する方法
がある。
【0004】又、原料ガスを表面に吸着させ、その後気
相中の原料ガスを排気し、光照射などの方法で吸着した
物質を分解・反応させるということを繰り返す方法があ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
方法ではSiやGeなどの元素半導体で実現されていな
い。後者の方法では、有機系あるいはハロゲン系の原料
ガスで実現されうるが、水素化物系では、気相中の原料
ガス排気時に、表面から吸着物質が脱離するという課題
があった。
【0006】本発明は原料ガスが試料に単分子吸着し、
しかもその吸着物が分解・反応後、次の吸着が完了する
までに時間を要するという現象を利用するもので、原料
ガスの試料表面への吸着と表面での吸着した原料ガスの
分解・反応を分離するために、試料表面に原料ガスを吸
着させた後、パルス光により、吸着物を瞬時に分解・反
応させることを特徴とし、その目的は原子層状に形成す
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明方法は上記の課題
を解決し上記の目的を達成するため、図1に示すように
反応室1内に設置された試料7をガス供給源6より導入
された原料ガスに曝した状態で、パルス光照射光源9に
よりパルス光を試料7に照射することによって1回の照
射毎に1原子層又は数原子層の薄膜を成長させることを
特徴とする。
【0008】又、本発明装置は同じ課題を解決し同じ目
的を達成するため、図1に示すように試料7を設けた反
応室1と、この反応室1内に原料ガスを導入するガス供
給源6と、反応室1内の試料7表面に透光性窓8を通し
てパルス光を照射するパルス光照射光源9とよりなる。
【0009】
【作用】このような構成であるから、反応室1内にガス
供給源6より原料ガスを導入して反応室1内の試料7を
この原料ガスで曝した状態で、パルス光照射光源9によ
りパルス光を試料7に照射することによって1回の照射
毎に1原子層又は数原子層の薄膜を成長させることがで
きることになる。
【0010】換言すれば、試料7表面に原料ガスを吸着
させた後、パルス光により吸着物を瞬時に分解・反応さ
せ、原子層状に薄膜を形成することができることになる
【0011】
【実施例】図1は本発明方法及び装置の1実施例の概略
構成説明図である。本実施例は、反応室1、この反応室
1に扉2を介して連なる予備室3、反応室1及び予備室
3をそれぞれ減圧するための反応室,予備室用排気装置
4,5、反応室1及び予備室3にガスを供給するための
ガス供給源6及び反応室1内の試料7の表面に透光性窓
8を通してフラッシュランプ光を照射するためのフラッ
シュランプ光源9とを備えている。
【0012】そして試料7を補助加熱するための試料台
10とワークコイル室11、高周波をワークコイル室1
1内のワークコイル12に供給するための高周波発振器
13、ワークコイル室11を減圧するためのワークコイ
ル室用排気装置14、反応室1に試料7を搬送するため
に予備室3内に設けられた試料搬送機15、外部から試
料7を予備室3に搬入するために予備室3に設けられた
扉16及びガス供給源6による反応室1内への原料ガス
の導入とフラッシュランプ光源9による試料7へのフラ
ッシュ光の照射を関連付けて制御する制御装置18とを
備えた構成となっている。なお、17は圧力計である。
【0013】次に、上述した装置を用いて膜を形成する
方法について説明する。膜の形成は、次のような手順で
行う。■反応室1とワークコイル室11をそれぞれ排気
装置4,14で真空排気する。■次に真空排気状態の反
応室1内にガス供給源6より水素などのキャリアガスを
流入させる。
【0014】■予備室3を窒素などのガスで大気圧状態
にし扉16を開け、試料7を予備室3内の試料搬送機1
5に乗せた後、扉16を締める。■反応室1内に流入さ
せているガスと同種のガスを予備室3内に流入させなが
ら、予備室3内を排気装置5で減圧にする。
【0015】■扉2を開け、試料7を試料搬送機15に
より予備室3内から反応室1内に搬送し、試料台10上
に乗せ、搬送機15を予備室3内に戻し、扉2を閉める
。■ワークコイル12に高周波発振器13より高周波を
加え、試料台10を加熱し、その熱で試料7を加熱する
【0016】なお、この加熱はフラッシュランプ光の照
射時の原料ガスの分解・反応を促進させるため、もしく
は、試料7表面の不要吸着物を昇温脱離させるため,も
しくは、通常の化学気相成長法で薄膜を形成するために
用いる。
【0017】■その後、原料ガスをガス供給源6より反
応室1に流入させる。■次に、原料ガスが試料7表面に
吸着するのに必要な時間の後、フラッシュランプ光をフ
ラッシュランプ光源9より透光性窓8を通して試料7表
面に照射する。
【0018】ここで、反応室1内への原料ガスの流入と
フラッシュランプ光の照射を制御装置18により関連付
けて制御し、2種以上の原料ガスを同時にもしくは交互
に入れ換えてもよい。またフラッシュランプ光を照射後
、別の原料ガスを流入させ、試料7の加熱により、異種
の物質を成長させてもよい。
【0019】このような工程でたとえば単結晶シリコン
上にゲルマニウムを形成する場合の手順の一例について
図2を用いて説明する。反応室1に水素ガス200cc
/min を流入させ、反応室1内圧力270Paとな
っている状態で、単結晶シリコンウェハ(試料7)を試
料台10に乗せ、図2の時間t1 で単結晶シリコンウ
ェハを加熱(ウェハ温度TG )し、400℃以上の温
度TD のウェハ表面の不要吸着物を昇温脱離させたの
ち、図2の時間t2 で230〜290℃の温度TG 
に下げる。
【0020】次に、時間t3 でゲルマンガス(GeH
4 )を反応室1内で1〜20Paの分圧になるように
導入し、ゲルマンガスが試料表面に吸着するのに要する
時間τ′G 以上経た後の時間t4 よりパルス幅約1
msec ,パルス強度20J/cm2 のキセノンフ
ラッシュランプ光を単結晶シリコンウェハ表面に繰り返
し照射した(τG はパルス光の繰り返し間隔)。
【0021】このような方法でゲルマニウムを堆積させ
た時の1パルス当たりの堆積ゲルマニウムの膜厚を調べ
た。全圧力(GeH4 +H2 )が280Pa,ゲル
マンガス(GeH4 )分圧が13Paでパルス間隔τ
G =20秒間の場合、図3に示すように、260〜2
75℃の範囲で、温度によらず、ウェハの面方位がSi
(100)とSi(111)上でそれぞれ1原子層/パ
ルスのゲルマニウムの堆積が認められる。
【0022】図3中、○はSi(111)上での1パル
ス当たりの堆積ゲルマニウムの厚さ,●はSi(100
)上での1パルス当たりの堆積ゲルマニウムの厚さ,a
の破線はGe(111)の1原子層の厚さ,bの破線は
Ge(100)の1原子層の厚さを示す(以下図4〜5
同じ)。
【0023】パルス間隔が20秒間,全圧力(GeH4
 +H2 )が280Pa,ウェハ補助加熱温度268
℃の場合、ゲルマンガス分圧が13Pa以上で、図4に
示すように1原子層/パルスのゲルマニウムの堆積が認
められる。
【0024】全圧力(GeH4 +H2 )が280P
a,ウェハ補助加熱温度が268℃の場合、ゲルマンガ
ス分圧が4.5Paでも、図5に示すように、パルス間
隔が長くなれば、1原子層/パルスのゲルマニウムの堆
積が認められる。
【0025】なお、230〜290℃の温度では、フラ
ッシュランプ光を照射しなければ、ゲルマニウムの堆積
は認められない。ウェハの面方位を変えると、ウェハ補
助加熱温度が268℃、パルス間隔が20秒間、全圧力
(GeH4 +H2 )が280Pa、ゲルマンガス分
圧が13Paの場合、図6に示すように、それぞれの面
方位に対応して、1原子層/パルスのゲルマニウムの堆
積が認められる。
【0026】以上述べたように、試料を原料ガスに曝し
た状態で、パルス光を照射することにより、1回の照射
ごとに、1原子層の薄膜を成長させることができること
は明らかである。また、2種以上の原料ガスを同時に流
入させ、混晶物質を原子層状に成長させることができる
ことは、容易に類推できる。
【0027】さらに、反応室内への原料ガスの導入とフ
ラッシュランプ光の照射を制御装置18により関連付け
て制御し、■2種以上の原料ガスを図7に示すように交
互に入れ換え、図8に示すような1原子層ごとに異種の
物質のある多層原子層状の薄膜を形成することができる
。ここで、τA ,τB はそれぞれA,B物質を形成
するときのパルス間隔、τ′A ,τ′B はそれぞれ
A,B物質の原料となるガスが試料表面に吸着するのに
要する時間、Cはウェハである。
【0028】■2種以上の原料ガスを図9に示すように
ある時間毎に入れ換え、図10に示すような数原子層あ
るいは数十原子層ごとに異種の物質のある多層膜を形成
することができる。
【0029】また■反応室内への原料ガスの導入とウェ
ハの補助加熱温度も図11のように関連付けて制御し、
図12に示すような数原子層あるいは数十原子層ごとに
異種の物質のある多層膜を形成することができることは
明らかである。
【0030】なお、上記において、パルス間隔は原料ガ
スが試料表面に完全に吸着被覆するのに要する時間以上
であることが望ましく、また異種の原料ガスに入れ換え
た後のパルス光の照射は、入れ換えた後の異種の原料ガ
スが試料表面に完全に吸着被覆するのに要する時間の後
に行うことが望ましい。
【0031】また上記方法は、同一の反応室で異種の物
質の多層構造を実現する例であるが、同様の反応室をつ
なげて、物質毎に、反応室を使い分け、異種物質の多層
構造を実現してもよい。
【0032】また、パルス光照射光源9を用いない別の
手段、例えば、図13に示すように、通常の気相成長方
法による薄膜形成と上記方法とを組合せ、図14に示す
ような多層構造も実現可能になることは明らかである。 図14でAは通常の化学気相成長方法を用いて形成した
薄膜、Bはフラッシュランプ光により形成した薄膜、C
はウェハを示す。
【0033】なお、図13では、同一の反応室内で図1
4に示すような多層構造を実現する手順を示したが、フ
ラッシュランプを用いない別の手段での薄膜形成する機
能をフラッシュランプを用いて薄膜形成する反応室につ
なげて、図14に示すような多層構造を実現できること
は明らかである。
【0034】
【発明の効果】上述の説明より明らかなように本発明に
よれば、試料7を設けた反応室1と、この反応室1内に
原料ガスを導入するガス供給源6と、反応室1内の試料
7表面に透光性窓8を通してパルス光を照射するパルス
光照射光源9とよりなるので、反応室1内にガス供給源
6より原料ガスを導入して反応室1内の試料7をこの原
料ガスで曝した状態で、パルス光照射光源9によりパル
ス光を試料7に照射することによって1回の照射毎に1
原子層又は数原子層の薄膜を成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法及び装置の1実施例の概略構成説明
図である。
【図2】キセノンフラッシュランプ光を単結晶シリコン
ウェハ表面に繰り返し照射した時のゲルマニウムを堆積
させる手順の1例を示す説明図である。
【図3】キセノンフラッシュランプ光を単結晶シリコン
ウェハ表面に繰り返し照射した時の、1パルス当たりの
堆積ゲルマニウムの膜厚の単結晶シリコンウェハの温度
依存性の説明図である。
【図4】キセノンフラッシュランプ光を単結晶シリコン
ウェハ表面に繰り返し照射した時の、1パルス当たりの
堆積ゲルマニウムの膜厚の反応室内のゲルマンガス分圧
依存性の説明図である。
【図5】キセノンフラッシュランプ光を単結晶シリコン
ウェハ表面に繰り返し照射した時の、1パルス当たりの
堆積ゲルマニウムの膜厚のパルス間隔依存性の説明図で
ある。
【図6】キセノンフラッシュランプ光を単結晶シリコン
ウェハ表面に繰り返し照射した時の、1パルス当たりの
堆積ゲルマニウムの膜厚の基板面方位依存性の説明図で
ある。
【図7】反応室内への原料ガスの導入とフラッシュラン
プ光の照射を関連付けて制御し、A物質の原料となるガ
スとB物質の原料となるガスを交互に入れ換え、1原子
層ごとに異種の物質のある多層原子層状の薄膜を形成す
る手順の1例を示す説明図である。
【図8】図7に示す手順で1原子層ごとにAとBの物質
のある多層原子層状の薄膜を形成した試料の断面図であ
る。
【図9】反応室内への原料ガスの導入とフラッシュラン
プ光の照射を関連付けて制御し、A物質の原料となるガ
スとB物質の原料となるガスをある時間毎に入れ換え、
数原子層あるいは数十原子層ごとに異種の物質のある多
層膜を形成する手順の1例を示す説明図である。
【図10】図9に示す手順で数原子層あるいは数十原子
層ごとに異種の物質のある多層膜を形成した試料の断面
図である。
【図11】反応室内への原料ガスの導入とフラッシュラ
ンプ光の照射を関連付けて制御し、かつ反応室内への原
料ガスの導入と基板の補助加熱温度も関連付けて制御し
、数原子層あるいは数十原子層ごとに異種の物質のある
多層膜を形成する手順の1例を示す説明図である。
【図12】図11に示す手順で数原子層あるいは数十原
子層ごとに異種の物質のある多層膜を形成した試料の断
面図である。
【図13】通常の気相成長方法による薄膜形成とフラッ
シュランプ光を用いた薄膜形成を組合せ、異種物質の多
層構造も実現する手順の1例を示す説明図である。
【図14】図13に示す手順で異種物質の多層構造も実
現した試料の断面図である。
【符号の説明】
1    反応室 2    扉 3    予備室 4    反応室用排気装置 5    予備室用排気装置 6    ガス供給源 7    試料 8    透光性窓 9    パルス光照射光源(フラッシュランプ光源)
10  試料台 11  ワークコイル室 12  ワークコイル 13  高周波発振器 14  ワークコイル室用排気装置 15  試料搬送機 16  扉 17  圧力計 18  制御装置 19  (高周波)加熱装置

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  反応室(1)内に設置された試料(7
    )をガス供給源(6)より導入された原料ガスに曝した
    状態で、パルス光照射光源(9)によりパルス光を試料
    (7)に照射することによって1回の照射毎に1原子層
    又は数原子層の薄膜を成長させることを特徴とする気相
    成長方法。
  2. 【請求項2】  反応室(1)内への原料ガスの導入と
    パルス光の照射を制御装置(18)により関連付けて制
    御し、2種以上の原料ガスを同時に又は交互に入れ換え
    、試料(7)に混晶物質や異種物質を原子層状に成長さ
    せることを特徴とする請求項1の気相成長方法。
  3. 【請求項3】  原料ガスの導入中にパルス光を1回又
    は2回以上照射することを特徴とする請求項2の気相成
    長方法。
  4. 【請求項4】  パルス光を照射する前に、試料(7)
    を加熱装置(19)により加熱することにより、試料(
    7)表面の吸着物を昇温脱離させる工程と、その後試料
    (7)温度を脱離温度より低くした後、原料ガスを導入
    して試料(7)を原料ガスに曝す工程とを含むことを特
    徴とする請求項1〜3の気相成長方法。
  5. 【請求項5】  パルス光照射による薄膜の形成の前又
    は後或いはパルス光照射の間に、試料(7)を一定に加
    熱し、原料ガスを化学的に反応させて薄膜を形成させる
    工程を含むことを特徴とする請求項1〜4の気相成長方
    法。
  6. 【請求項6】  パルス光はフラッシュランプ光である
    ことを特徴とする請求項1〜5の気相成長方法。
  7. 【請求項7】  試料(7)を設けた反応室(1)と、
    この反応室(1)内に原料ガスを導入するガス供給源(
    6)と、反応室(1)内の試料(7)表面に透光性窓(
    8)を通してパルス光を照射するパルス光照射光源(9
    )とよりなる気相成長装置。
  8. 【請求項8】  ガス供給源(6)による反応室(1)
    内への原料ガスの導入とパルス光照射光源(9)による
    試料(7)へのパルス光の照射を関連付けて制御する制
    御装置(18)を設けることを特徴とする請求項7の気
    相成長装置。
  9. 【請求項9】  試料(7)を加熱する加熱装置(19
    )を具備してなる請求項7、8の気相成長装置。
  10. 【請求項10】  加熱装置(19)は高周波加熱装置
    であることを特徴とする請求項9の気相成長装置。
  11. 【請求項11】  パルス光照射光源(9)はフラッシ
    ュランプ光源であることを特徴とする請求項7〜10の
    気相成長装置。
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