JPH05259081A - Vapor growth device and thin film forming method - Google Patents

Vapor growth device and thin film forming method

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JPH05259081A
JPH05259081A JP5118792A JP5118792A JPH05259081A JP H05259081 A JPH05259081 A JP H05259081A JP 5118792 A JP5118792 A JP 5118792A JP 5118792 A JP5118792 A JP 5118792A JP H05259081 A JPH05259081 A JP H05259081A
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thin film
solid source
gas
substrate
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Seiichi Shishiguchi
清一 獅子口
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Abstract

PURPOSE:To enable a thin film to be formed on a wafer uniform in thickness and resistivity and high in reproducibility and to be easily controlled in impurity concentration and a doping source to be kept high in safety and not to be easily exhausted. CONSTITUTION:Wafers 5 serving as growth substrates and fixed source substrates 5a and 5b serving as doping sources are mounted on a wafer holder 4, and a first nozzle pipe 7a which feeds film forming reaction gas to a region where the wafers 5 are mounted and a second nozzle pipe 7b which feeds etching gas to a region where the fixed source substrates 5a and 5b are mounted are installed, where etching gas is controlled in flow rate to change impurities in concentration for controlling a thin film in resistivity. A fixed source substrate is renewed by this etching gas.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は気相成長による薄膜形成
方法およびその装置に関し、特に化学気相反応により基
板表面に薄膜を形成するとともに前記薄膜に不純物をド
ーピングする気相成長装置およびその薄膜形成方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a thin film by vapor phase growth and an apparatus therefor, and more particularly to a vapor phase growth apparatus for forming a thin film on a surface of a substrate by chemical vapor reaction and doping the thin film with an impurity and a thin film for the same. It relates to a forming method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、薄膜形成技術は、半導体、金属、
あるいはセラミックス工業など多くの工業分野で重要な
技術となっている。特にシリコンを主原料とする半導体
装置製造プロセスでは、半導体基板であるウェーハ面上
にP型あるいはN型の不純物をドーピングしたエピタキ
シャル膜や多結晶シリコン膜を形成するプロセスが重要
なプロセスの一つとなっている。また、最近、超高速L
SIの分野において、シリコン結晶デバイスにおける動
作高速化の限界から、SiとGe結晶の合金(Si1-x
Gex )薄膜を用いたLSIデバイスの開発が活発化し
ている。
2. Description of the Related Art In recent years, thin film forming techniques have been used for semiconductors, metals,
Alternatively, it has become an important technology in many industrial fields such as the ceramics industry. Particularly in a semiconductor device manufacturing process using silicon as a main raw material, a process of forming an epitaxial film or a polycrystalline silicon film doped with P-type or N-type impurities on a wafer surface which is a semiconductor substrate is one of important processes. ing. Also, recently, super high speed L
In the field of SI, an alloy of Si and Ge crystals (Si 1-x
The development of LSI devices using Ge x ) thin films is becoming active.

【0003】これらの薄膜形成法としては、化学気相法
(CVD)や分子線エピタキシ法(MBE)などがあ
る。これらの方法でスループットが高いこと及び高品質
の膜が容易に得られるという利点から化学気相成長法が
主に用いられている。そして多くの化学気相成長装置が
開発されて来た。例えば、比較的低温で成長が行われる
多結晶Siの成長装置としては、ホットウォール方式の
反応炉を用いた減圧気相成長(LPCVD)装置があ
る。また、これら反応炉には種々の型式があるが、酸素
巻き込みが少なくウェーハ回転の容易であることから、
縦型炉が主流になっている。
As a method for forming these thin films, there are a chemical vapor deposition method (CVD), a molecular beam epitaxy method (MBE) and the like. The chemical vapor deposition method is mainly used because of the advantages of high throughput and easy production of high-quality films by these methods. And many chemical vapor deposition apparatuses have been developed. For example, as a growth apparatus for polycrystalline Si that is grown at a relatively low temperature, there is a low pressure vapor phase growth (LPCVD) apparatus using a hot wall type reaction furnace. Also, although there are various types of these reactors, since the oxygen entrainment is small and the wafer rotation is easy,
Vertical furnaces are the mainstream.

【0004】一方、エピタキシャル成長が高温で行なわ
れるコールドウォール方式の反応炉を用いた気相成長装
置があるが、これらの装置の反応炉にはバレル型、パン
ケーキ型と呼ばれる反応炉が使用されて来た。しかしな
がら、これら装置は反応炉の壁面へのシリコン堆積が少
ないという利点があるものの処理ウェーハの大口径化に
伴いスループットの点で現状の要求を満たすことが困難
となってきている。
On the other hand, there is a vapor phase growth apparatus using a cold wall type reaction furnace in which epitaxial growth is carried out at a high temperature. The reaction furnaces of these apparatuses use barrel type and pancake type reaction furnaces. I came. However, although these devices have the advantage that the amount of silicon deposited on the wall surface of the reactor is small, it is becoming difficult to meet the current requirements in terms of throughput as the diameter of processed wafers increases.

【0005】このスループットを高く、しかも大口径ウ
ェーハを処理するために種々の新しい方式の装置が試作
されている。例えば、縦型反応管を用いたホットウォー
ル方式であって、6インチ直径の大口径ウェーハを大量
に処理できる装置として提案されている(特開昭63−
0086424)。
Various new-type devices have been prototyped for processing a large-diameter wafer with high throughput. For example, a hot wall system using a vertical reaction tube has been proposed as an apparatus capable of processing a large amount of 6-inch diameter large-diameter wafers (Japanese Patent Laid-Open No. 63-63).
0086424).

【0006】図13(a)〜(c)は従来の気相成長装
置の一例を示し、(a)は模式断面図、(b)はノズル
管の側面図及び(c)は内管における横断面図である。
この成長装置は、図13に示すように、円筒状の外管1
と内管2とで二重構造をもつ反応容器と、外管1の周囲
に取付けられる抵抗加熱炉6と、複数のウェーハ5を並
べて収納するウェーハホルダ4と、これらウェーハ5面
に反応ガスを供給するノズル管7と、外管1及び内管2
を載置する架台を気密に貫通しウェーハホルダ4を回転
させる回転軸とを有している。また、ノズル管7より供
給された反応ガスはウェーハ5の表面上を通って内管2
の円筒面内に設けられた多数のガス排出孔を通って排出
される。
13 (a) to 13 (c) show an example of a conventional vapor phase growth apparatus, (a) is a schematic sectional view, (b) is a side view of a nozzle tube, and (c) is a cross section of an inner tube. It is a side view.
This growth apparatus has a cylindrical outer tube 1 as shown in FIG.
And a reaction vessel having a double structure with the inner tube 2, a resistance heating furnace 6 mounted around the outer tube 1, a wafer holder 4 accommodating a plurality of wafers 5 side by side, and a reaction gas on the surfaces of these wafers 5. Nozzle tube 7 to supply, outer tube 1 and inner tube 2
And a rotation shaft for airtightly penetrating the mount on which the wafer holder 4 is mounted and rotating the wafer holder 4. Further, the reaction gas supplied from the nozzle pipe 7 passes over the surface of the wafer 5 and the inner pipe 2
The gas is discharged through a large number of gas discharge holes provided in the cylindrical surface of.

【0007】この成長装置でウェーハ5に薄膜を形成す
るには、反応容器を減圧し、ウェーハを例えば、900
℃−1200℃に加熱し、ノズル管7から反応管内に成
膜させる反応ガスを供給して行なっていた。また、この
装置でウェーハに薄膜を形成するとともにその成膜に不
純物ドーピングを行う方法としては、PH3 ,B
2 6 ,AsH3 等のドーピングガス(ガスソース)と
成長に係わるSiH2 Cl2等のシラン系の反応ガスを
混合してウェーハ表面に供給し、エピタキシャル膜を形
成するとともにその成膜にドーピングを行う方法(ガス
ソース法)がある。また、別の方法としてP型もしくは
N型の不純物をウェーハ表面に高濃度拡散した固体ソー
スを用い、エピタキシャル成長中にウェーハ表面から蒸
発する不純物によりドーピングを行う方法(固体ソース
法)である。そして、Si1-x Gex のような合金ある
いは化合物半導体などの成膜は、その組成比の精密制御
の必要性から、固体ソースによるMBE法が使用されて
きた。しかし、MBE法は極めてスループットが悪いた
め、製造コストの問題から製品生産には応用出来ない。
In order to form a thin film on the wafer 5 with this growth apparatus, the pressure in the reaction vessel is reduced and the wafer is, for example, 900
It was carried out by heating to ℃ -1200 ℃, supplying the reaction gas for forming a film from the nozzle tube 7 into the reaction tube. Further, as a method of forming a thin film on a wafer with this apparatus and performing impurity doping in the film formation, PH 3 , B
A doping gas (gas source) such as 2 H 6 or AsH 3 and a silane-based reaction gas such as SiH 2 Cl 2 related to growth are mixed and supplied to the wafer surface to form an epitaxial film and to dope the film. There is a method (gas source method). Another method is to use a solid source in which P-type or N-type impurities are diffused in high concentration on the wafer surface and perform doping with impurities that evaporate from the wafer surface during epitaxial growth (solid source method). For film formation of alloys such as Si 1-x Ge x or compound semiconductors, the MBE method using a solid source has been used because of the need for precise control of the composition ratio. However, since the MBE method has extremely poor throughput, it cannot be applied to product production due to the problem of manufacturing cost.

【0008】そこで、最近になって、比較的低コストで
Si1-x Gex 合金を成長できる気相成長装置が試作さ
れつつある。例えばCVD法による成長装置としては、
〔Proc. 11th Int.Conf. CVD
p.229−239(1990)〕に記載されてい
る。この気相成長装置は、高真空対応(ベース真空度1
-9Torr)の成長炉を持ち、基板温度を500−8
00℃とし、SiH4 などのシラン系の反応ガスと同時
にGeH4 ガスを供給してSi1-x Gex 合金を成長し
ていた。
Therefore, recently, a vapor phase growth apparatus capable of growing a Si 1-x Ge x alloy at a relatively low cost is being prototyped. For example, as a growth apparatus by the CVD method,
[Proc. 11th Int. Conf. CVD
p. 229-239 (1990)]. This vapor phase growth system is compatible with high vacuum (base vacuum degree 1
0 has a growth furnace of -9 Torr), 500-8 the substrate temperature
The temperature was set to 00 ° C., and GeH 4 gas was supplied at the same time as a silane-based reaction gas such as SiH 4 to grow a Si 1-x Ge x alloy.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】前述したガスソース法
による第1の気相成長法では、ウェーハ面上に均一な膜
成長を行うためには、反応ガスの熱分解により生じた種
々の反応種を全被成長領域に対し均一に供給する必要が
ある。例えば、SiH2 Cl2 −H2 −PH3 系の反応
ガスを用いた前述のN型Siエピタキシャル成長を例に
挙げて説明すれば、SiH2 Cl2 の熱分解により生じ
た膜成長に係わるSiCl2 とPH3 の熱分解により生
成したドーピングに係わるPHi (i=1,2,3)な
どの反応ガスを全ウェーハ被成長領域に均一供給する必
要がある。このために、ノズル管から噴出されるガス流
速と噴出方向の最適化を行っているが、膜成長に係わる
SiH2 Cl2 の熱分解過程とドーピングに係わるPH
3 の熱分解過程が分解温度などの点で異なるために、膜
厚均一性と抵抗率均一性を同時に満足させる条件を見い
だすことは難しい。特にウェーハ大口径化に伴いますま
す困難なものとしている。また、前述したSi1-x Ge
x 合金成長の場合でも同様に困難である。すなわちSi
源であるSiH2 Cl2 などのシラン系ガスとGe源で
あるGeH4 ガスの熱分解温度や反応過程が異なるため
にSiとGeの合金比(x)を全被成長面に亘って均一
にすることが困難である。
In the first vapor phase growth method by the gas source method described above, in order to perform uniform film growth on the wafer surface, various reactive species generated by thermal decomposition of the reactive gas are used. Must be uniformly supplied to the entire growth area. For example, if described using the aforementioned N-type Si epitaxial growth using a reaction gas of SiH 2 Cl 2 -H 2 -PH 3 system as an example, SiCl 2 relating to film growth caused by the thermal decomposition of SiH 2 Cl 2 It is necessary to uniformly supply a reaction gas such as PH i (i = 1, 2, 3) related to doping generated by thermal decomposition of PH 3 and PH 3 to the entire wafer growth region. For this purpose, the flow velocity of the gas ejected from the nozzle tube and the ejection direction are optimized, but the thermal decomposition process of SiH 2 Cl 2 related to film growth and the PH related to doping are performed.
Since the thermal decomposition process of 3 is different in terms of decomposition temperature, it is difficult to find conditions that satisfy both film thickness uniformity and resistivity uniformity at the same time. In particular, it is becoming more difficult as the diameter of wafers increases. In addition, the aforementioned Si 1-x Ge
The same is true for x alloy growth. That is, Si
Since the thermal decomposition temperature and reaction process of the silane-based gas such as SiH 2 Cl 2 which is the source and the GeH 4 gas which is the Ge source are different, the alloy ratio (x) of Si and Ge is made uniform over the entire growth surface. Difficult to do.

【0010】次に、従来の気相成長装置の危険性につい
て述べる。前述した様に従来の気相成長装置において
は、PH3 ,AsH3 ,B2 6 ,GeH4 など気体あ
るいは液化ガスを使用している。これらのガスの多く
は、非常に毒性が高く、また自然発火性があるため、取
扱いが難しく危険性が高い。特に、GeH4 ガスは自然
爆発性があるうえ、その性質については未解明の事項も
多く、危険性が極めて高い反応ガスである。このため、
これらの反応ガスの取扱いには充分な注意を要し、しか
もその安全確保のためにはガス検知器や漏洩警報装置の
設置やフェイルセイフシステムの構築あるいは成膜工場
そのものの整備など、安全性を確立し、またその維持の
ために多大の費用と時間を必要とする。また、一旦事故
が発生した場合には、復旧に多くのコストがかかること
はいうまでもない。特に、GeH4 ガスのようにいまま
で量産に使用された実績の無いガスについては、その危
険ポテンシャルは極めて高いといえる。
Next, the danger of the conventional vapor phase growth apparatus will be described. In conventional vapor phase growth apparatus as described above uses a PH 3, AsH 3, B 2 H 6, GeH 4 such as a gas or liquefied gas. Many of these gases are extremely toxic and pyrophoric, which makes them difficult to handle and highly dangerous. In particular, GeH 4 gas is a highly dangerous reaction gas because it has spontaneous explosive properties and there are many unclear matters regarding its properties. For this reason,
Care must be taken in handling these reaction gases, and in order to ensure their safety, safety measures such as installation of gas detectors and leak warning devices, construction of fail-safe systems, and maintenance of the film-forming factory itself are required. It takes a lot of money and time to establish and maintain it. Also, it goes without saying that once an accident occurs, much cost is required for restoration. In particular, it can be said that the dangerous potential of a gas such as GeH 4 gas, which has not been used in mass production until now, is extremely high.

【0011】一方、前述の固体ソースを用いる第2の方
法(固体ソース法)は、大口径ウェーハに対しても膜
厚、抵抗率ともにウェーハ面内均一なSiエピタキシャ
ル膜を成長でき、あるいは合金比の均一なSi1-x Ge
x 薄膜を形成できることなどの利点がある。しかし、こ
の方法においても以下に述べる問題が存在する。
On the other hand, the second method using a solid source (solid source method) described above can grow a Si epitaxial film having a uniform film thickness and resistivity in the plane of a wafer even on a large-diameter wafer, or an alloy ratio. Uniform Si 1-x Ge
x There are advantages such as the ability to form thin films. However, this method also has the following problems.

【0012】図14(a)及び(b)はウェーハの表面
からの深さと不純物濃度のプロフィルを示す図である。
この問題についてまずSiエピタキシャル成長について
説明する。第1の問題として、Siエピタキシャル膜−
基板界面の不純物プロフィルの悪化がある。エピタキシ
ャル膜−基板界面の不純物プロフィルは、図14(a)
に示すように、急峻であることが理想であるが、実際に
は、エピタキシャル成長中の不純物熱拡散とオートドー
プ(基板表面から蒸発した不純物がエピタキシャル膜中
に再度取り込まれる現象)により、図14(b)に示す
ように、なだらかなプロフィルとなることが知られてい
る。このなだらかに立ち上るまでの深さΔtを遷移幅と
呼び、この値が小さいことが望ましい。このことは、特
に2μm以下の薄いエピタキシャル膜では重要である。
このΔtを小さくするためには、エピタキシャル成長の
直前及びエピタキシャル成長初期における反応容器中の
不純物分圧を下げることが必要である。しかし、前述の
第2の方法の場合、固体ソース表面に拡散された高濃度
ドーパントがエピタキシャル成長の前工程(例えばH2
ベーク工程)においてすでに反応容器中に大量に蒸発し
ているために、エピタキシャル成長直前および成長初期
の不純物分圧を低くすることが難しく、遷移幅Δtを十
分狭くすることができない。
FIGS. 14A and 14B are views showing the profile of the depth from the surface of the wafer and the impurity concentration.
Regarding this problem, Si epitaxial growth will be described first. The first problem is the Si epitaxial film-
There is a deterioration in the impurity profile at the substrate interface. The impurity profile at the epitaxial film-substrate interface is shown in FIG.
As shown in FIG. 14, it is ideal that it is steep, but in reality, due to impurity thermal diffusion during epitaxial growth and autodoping (a phenomenon in which impurities evaporated from the substrate surface are reincorporated into the epitaxial film), As shown in b), it is known to have a gentle profile. The depth Δt until this smooth rise is called the transition width, and it is desirable that this value is small. This is particularly important for a thin epitaxial film having a thickness of 2 μm or less.
In order to reduce this Δt, it is necessary to reduce the impurity partial pressure in the reaction container immediately before the epitaxial growth and at the initial stage of the epitaxial growth. However, in the case of the above-mentioned second method, the high-concentration dopant diffused on the surface of the solid source is used as a pre-process (eg, H 2
Since a large amount of vapor has already evaporated in the reaction vessel in the baking step), it is difficult to reduce the impurity partial pressure immediately before the epitaxial growth and at the initial stage of the growth, and the transition width Δt cannot be sufficiently narrowed.

【0013】次に、Siエピタキシャル成長に係わる第
2の問題について説明する。前述の第2の方法の場合、
エピタキシャル膜中の不純物濃度制御はエピタキシャル
成長中の固体ソース源からの不純物蒸発量を調節するこ
とによって行っていた。即ち、成長温度を変化させて、
不純物の蒸気圧を調節する方法と、固体ソース中にあら
かじめ拡散させる不純物量を調整する方法が用いられて
いた。しかし、成長温度の変化によって、エピタキシャ
ル膜の成長速度が変化し膜厚のコントロールが難しくな
るという問題が発生する。さらに、極端な低温化は結晶
性の悪化をもたらし、高温化は膜厚均一性の確保を困難
にする。また、固体ソース中の不純物量を調整する方法
は、エピタキシャル膜の抵抗率仕様毎に異なる不純物量
の固体ソースを用意しなければならないという問題があ
る。
Next, the second problem related to Si epitaxial growth will be described. In the case of the second method described above,
The impurity concentration in the epitaxial film is controlled by adjusting the amount of impurities evaporated from the solid source source during the epitaxial growth. That is, by changing the growth temperature,
A method of adjusting the vapor pressure of impurities and a method of adjusting the amount of impurities diffused in the solid source in advance have been used. However, a change in the growth temperature causes a problem that the growth rate of the epitaxial film changes and it becomes difficult to control the film thickness. Further, extremely low temperature causes deterioration of crystallinity, and high temperature makes it difficult to secure uniformity of film thickness. Further, the method of adjusting the amount of impurities in the solid source has a problem that it is necessary to prepare the solid sources having different amounts of impurities for each resistivity specification of the epitaxial film.

【0014】前述の第2の方法に係わる第3の問題は、
固体ソース基板は1バッチの成長しか使用できない点で
ある(固体ソースとしての持続性に欠ける)。即ち、成
長毎に固体ソース基板を交換する必要がある。これは、
固体ソース基板上に成長したエピタキシャル膜、あるい
はポリシリコン膜によって、固体ソース基板表面の不純
物濃度が低下するため、不純物蒸発量が減少し所望の抵
抗率が得られなくなるためである。
A third problem with the second method described above is that
The solid source substrate is that only one batch of growth can be used (lack of durability as a solid source). That is, it is necessary to replace the solid source substrate for each growth. this is,
This is because the epitaxial film or the polysilicon film grown on the solid source substrate lowers the impurity concentration on the surface of the solid source substrate, so that the amount of evaporated impurities decreases and the desired resistivity cannot be obtained.

【0015】同様の理由によりSi1-x Gex 合金成長
においても、従来方法では膜の深さ方向に測定した合金
比(x)の制御、あるいは持続性の問題が発生する。
For the same reason, also in the growth of Si 1-x Ge x alloy, the conventional method has a problem of control of the alloy ratio (x) measured in the depth direction of the film or sustainability.

【0016】本発明の目的は、ウェーハ面に厚さと抵抗
率とが均一に再現性よく成膜されるとともにこの成膜の
不純物濃度を容易に制御出来、かつそのドーピング源が
安全であるとともに容易に枯渇しない気相成長装置およ
びその薄膜形成方法を提供することである。
An object of the present invention is to form a film with uniform thickness and resistivity on the wafer surface with good reproducibility, to easily control the impurity concentration of this film, and to use a safe and easy doping source. It is an object of the present invention to provide a vapor phase growth apparatus and a thin film forming method thereof that are not depleted.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明の気相成長装置
は、複数の被成長基板と不純物がドーピングされた複数
の板状の固体ソースとを一方向に並べて収納するウェー
ハホルダと、このウェーハホルダを収納する反応管と、
この反応管内にあって前記被成長基板面にほぼ平行に成
長用反応ガスを流す複数のガス放出孔を有する第1のノ
ズル管と、前記固体ソースをエッチングするガスを前記
固体ソースの表面にほぼ平行に流すガス放出孔を有する
第2のノズル管とを備えている。
A vapor phase growth apparatus of the present invention includes a wafer holder for accommodating a plurality of growth substrates and a plurality of plate-like solid sources doped with impurities in one direction, and a wafer holder for the wafer holder. A reaction tube that houses the holder,
A first nozzle tube having a plurality of gas discharge holes for flowing a reaction gas for growth in the reaction tube in a direction substantially parallel to the surface of the substrate to be grown, and a gas for etching the solid source is provided on the surface of the solid source substantially. A second nozzle tube having gas discharge holes that flow in parallel.

【0018】本発明の第1の薄膜形成方法は、前記被成
長基板に膜成長に係わる反応ガスを供給し、前記固定ソ
ースに固体ソースをエッチングするガスを供給すること
を特徴としている。
The first thin film forming method of the present invention is characterized in that a reaction gas relating to film growth is supplied to the growth substrate and a gas for etching a solid source is supplied to the fixed source.

【0019】本発明の第2の薄膜形成方法は、前記固体
ソースをエッチングするガスの供給が薄膜形成プロセス
時間の一部であることを特徴としている。
The second thin film forming method of the present invention is characterized in that the supply of the gas for etching the solid source is a part of the thin film forming process time.

【0020】本発明の第3の薄膜形成方法は、前記固体
ソースがシリコン基板にN型およびP型の不純物のいず
れかがドーピングされたものであることを特徴としてい
る。
The third thin film forming method of the present invention is characterized in that the solid source is a silicon substrate doped with either N-type or P-type impurities.

【0021】本発明の第4の薄膜形成方法は、前記被成
長基板に形成される薄膜がSi1-xGex 合金膜である
とき、前記固体ソースがゲルマニウムであることを特徴
としている。
The fourth thin film forming method of the present invention is characterized in that when the thin film formed on the growth substrate is a Si 1-x Ge x alloy film, the solid source is germanium.

【0022】[0022]

【作用】上述した発明による手段によって、Siエピタ
キシャル成長における第1問題(不純物遷移幅の増大)
は、固体ソース中の不純物濃度を低減することによって
解決できる。すなわち、固体ソース中の不純物濃度を減
少させることによって、エピタキシャル成長前工程での
不純物蒸発量が低減されるため不純物遷移幅は大幅に改
善される。しかも、エピタキシャル成長中は、固体ソー
ス表面をエッチングして強制的に不純物を蒸発させるた
め、固体ソース表面の不純物濃度を減少させても十分な
量の不純物をエピタキシャル膜中にドーピングすること
が可能である。
The first problem in the Si epitaxial growth (increase in impurity transition width) by the means according to the invention described above.
Can be solved by reducing the impurity concentration in the solid source. That is, by reducing the impurity concentration in the solid source, the amount of impurity evaporation in the pre-epitaxial growth step is reduced, and thus the impurity transition width is significantly improved. Moreover, during the epitaxial growth, the surface of the solid source is etched to forcibly evaporate the impurities, so that it is possible to dope the epitaxial film with a sufficient amount of impurities even if the impurity concentration on the surface of the solid source is reduced. ..

【0023】また、第2の問題であるSiエピタキシャ
ル膜中の不純物濃度制御は、固体ソース表面のエッチン
グ速度を調節することにより容易に解決できる。即ち、
エッチング速度の変化による単位時間当りの不純物発生
量の差を利用することにより、エピタキシャル膜中に取
り込まれる不純物量が制御できることになる。このと
き、エッチング速度は、固体ソースに供給するエッチン
グガス濃度あるいは流量などを変化させることにより容
易に制御可能である。この方法の場合、成長温度の変化
や固体ソース中の不純物濃度を変化させる必要は無い。
The control of the impurity concentration in the Si epitaxial film, which is the second problem, can be easily solved by adjusting the etching rate of the solid source surface. That is,
By utilizing the difference in the amount of impurities generated per unit time due to the change in etching rate, the amount of impurities taken into the epitaxial film can be controlled. At this time, the etching rate can be easily controlled by changing the concentration or flow rate of the etching gas supplied to the solid source. In this method, it is not necessary to change the growth temperature or the impurity concentration in the solid source.

【0024】さらに、第3の問題について述べる。本方
法の場合、エピタキシャル成長工程において、固体ソー
ス表面をエッチングしているため、固体ソース表面に単
結晶シリコンあるいはポリシリコン膜が成長することは
無い。従って、エピタキシャル成長工程を経た後であっ
ても、固体ソース表面の不純物濃度減少は起こり得ず、
常に表面濃度を一定に保つことができる。このため、従
来法のように固体ソースをエピタキシャル成長バッチ毎
に交換する必要は無い。
Further, the third problem will be described. In the case of this method, since the surface of the solid source is etched in the epitaxial growth step, no single crystal silicon or polysilicon film grows on the surface of the solid source. Therefore, even after the epitaxial growth process, the impurity concentration on the surface of the solid source cannot be reduced,
The surface concentration can always be kept constant. Therefore, it is not necessary to replace the solid source for each epitaxial growth batch as in the conventional method.

【0025】一方、Si1-x Gex 合金成長の場合は、
SiH2 Cl2 などのシラン系の反応ガスを供給すると
同時に固体ソースであるGe結晶上にエッチングガスを
供給してSi1-x Gex 合金を形成する。従って、従来
例で述べた危険ガスGeH4ガスを使用する必要がな
く、安全性が高い。また、合金比(x)は、エッチング
ガスの濃度あるいは流量変えてGe固体ソースエッチン
グ速度を変化させることにより、制御可能である。
On the other hand, in the case of Si 1-x Ge x alloy growth,
A silane-based reaction gas such as SiH 2 Cl 2 is supplied, and at the same time, an etching gas is supplied on the Ge crystal that is a solid source to form a Si 1-x Ge x alloy. Therefore, it is not necessary to use the dangerous gas GeH 4 gas described in the conventional example, and the safety is high. Further, the alloy ratio (x) can be controlled by changing the concentration or flow rate of the etching gas to change the Ge solid source etching rate.

【0026】[0026]

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

【0027】図1(a)〜(c)は本発明の気相成長装
置の一実施例における主要部を示し、(a)および
(b)は内管内のウェーハホルダおよびノズル管を示す
図、(c)は内管の横断面図である。この発明の実施例
における気相成長装置は、図1に示すように、被成長膜
基板であるウェーハ5とウェーハにドーピングする不純
物を発生する固体ソース基板5aおよび5bとを搭載す
るウェーハホルダ4と、固体ソース基板5aおよび5b
にエッチング作用のある反応ガスを供給する第2のノズ
ル管7bとを設けたことである。これ以外は従来例と同
じである。
1 (a) to 1 (c) show a main part of an embodiment of the vapor phase growth apparatus of the present invention, and FIGS. 1 (a) and 1 (b) show a wafer holder and a nozzle tube in an inner tube, (C) is a cross-sectional view of the inner pipe. As shown in FIG. 1, a vapor phase growth apparatus according to an embodiment of the present invention includes a wafer holder 4 on which a wafer 5 as a growth film substrate and solid source substrates 5a and 5b for generating impurities for doping the wafer are mounted. , Solid source substrates 5a and 5b
A second nozzle pipe 7b for supplying a reaction gas having an etching action is provided. Other than this, it is the same as the conventional example.

【0028】また、この気相成長装置の動作は、ウェー
ハホルダ4に搭載されたウェーハ5にエピタキシャル成
長に必要な反応ガスを第1のノズル管7aより供給する
と同時に第2のノズル管7bより固体ソース基板5a,
5bに供給し、固体ソース基板5a,5bの表面をエッ
チングさせ不純物を蒸発させウェーハ5のエピタキシャ
ル膜にドーピングすることである。さらに、この不純物
の濃度はこのエッチング速度を変えるエッチングガス流
量を図示していないマスフローコントローラにより自由
に制御できる。
The operation of the vapor phase growth apparatus is performed by supplying the reaction gas necessary for epitaxial growth to the wafer 5 mounted on the wafer holder 4 from the first nozzle tube 7a and at the same time from the second nozzle tube 7b to the solid source. Substrate 5a,
5b to etch the surfaces of the solid source substrates 5a and 5b to evaporate impurities and dope the epitaxial film of the wafer 5. Further, the concentration of the impurities can be freely controlled by a mass flow controller (not shown) for controlling the etching gas flow rate that changes the etching rate.

【0029】図2は本発明の気相成長による薄膜形成方
法の第1の実施例を説明するためのウェーハホルダを示
す図、図3はウェーハ面内の膜厚を示すグラフ、図4は
ウェーハ面内の抵抗率を示すグラフ、図5はエッチング
ガスの流量とウェーハの抵抗率との関係を示すグラフで
ある。次に、本発明の気相成長による薄膜形成方法の第
1の実施例について比較的に濃度の高いP型Si単結晶
基板に低濃度のP型エピタキシャル膜を成長させる例を
とって説明する。この構造の基板はラッチアップやα線
によるソフトエラー耐性が高いことから、将来、CMO
Sデバイス用基板として有望視されているものである。
FIG. 2 is a view showing a wafer holder for explaining the first embodiment of the thin film forming method by vapor phase epitaxy of the present invention, FIG. 3 is a graph showing the film thickness within the wafer surface, and FIG. 4 is a wafer. FIG. 5 is a graph showing the in-plane resistivity, and FIG. 5 is a graph showing the relationship between the etching gas flow rate and the wafer resistivity. Next, a first embodiment of the method for forming a thin film by vapor phase epitaxy of the present invention will be described by taking an example of growing a low concentration P-type epitaxial film on a P-type Si single crystal substrate having a relatively high concentration. The substrate with this structure has high resistance to soft errors due to latch-up and α rays, so in the future CMO
It is a promising substrate for S devices.

【0030】まず、図2に示すように、抵抗率0.01
Ω−cmのボロンドープP型Si単結晶基板(P1〜P
5)と抵抗率10Ω−cmのリンドープSi単結晶基板
(N1〜N5)とをウェーハホルダ4の中間部に搭載
し、ボロンドープの抵抗率0.001Ω−cmの固体ソ
ース基板(S1〜S4)をウェーハホルダ4の上下に搭
載する。次に、反応管内を真空度10Torr程度に排
気するとともに温度を1080℃にする。そしてウェー
ハホルダ4を毎分5回転で回転させ、第1のノズル管よ
りH2 を20 LSM、SiH2 Cl2 を200 S
CCMを固体ソース以外のウェーハ面上に供給すると同
時に、第2ノズル管を用い固体ソース基板面上にはH2
20 SLM、HCl 200 SCCMを30分間
供給してウェーハ面にP型のSiエピタキシャル膜を1
0μm成長した。
First, as shown in FIG. 2, a resistivity of 0.01
Ω-cm boron-doped P-type Si single crystal substrate (P1 to P
5) and a phosphorus-doped Si single crystal substrate (N1 to N5) having a resistivity of 10 Ω-cm are mounted on the intermediate portion of the wafer holder 4, and a solid source substrate (S1 to S4) having a boron-doped resistivity of 0.001 Ω-cm is mounted. It is mounted above and below the wafer holder 4. Next, the inside of the reaction tube is evacuated to a vacuum degree of about 10 Torr and the temperature is set to 1080 ° C. And rotated at 5 rotations per minute of the wafer holder 4, and H 2 than the first nozzle tube 20 LSM, the SiH 2 Cl 2 200 S
At the same time as supplying the CCM to the surface of the wafer other than the solid source, the second nozzle tube is used to generate H 2 on the surface of the solid source substrate.
20 SLM and HCl 200 SCCM are supplied for 30 minutes to form a P-type Si epitaxial film on the wafer surface.
It grew to 0 μm.

【0031】その結果、P1−P5のウェーハに対して
FTIRで膜厚を測定したところ、図3に示すように、
いずれのウェーハについても膜厚分布が±5%以下の良
好な膜厚均一性が得られている。また、N1〜N5のウ
ェーハに対して4探針法によりシート抵抗を測定し、先
の膜厚補正を行い抵抗率を算出したところ、図4に示す
ように、抵抗率に関しても±5%以下の良好な均一性が
得られた。
As a result, when the film thickness was measured on the P1-P5 wafers by FTIR, as shown in FIG.
Good film thickness uniformity of ± 5% or less was obtained for all wafers. Moreover, when the sheet resistance was measured for the wafers N1 to N5 by the 4-probe method and the film thickness was corrected to calculate the resistivity, the resistivity was ± 5% or less as shown in FIG. Good uniformity was obtained.

【0032】なお、固体ソース基板結晶に供給するHC
lガス流量は、目的のエピタキシャル膜の抵抗率を得る
ために、図5に示すグラフより設定したものである。こ
のようにエッチングガスであるHClガス流量を変化さ
せることにより容易にエピタキシャル膜の抵抗率を制御
可能である。図6はエピタキシャル膜の深さ方向に測定
した不純物濃度分布を従来法の場合と比較して示したグ
ラフである。また、従来法で成長したエピタキシャル膜
中の不純物濃度が基板−エピタキシャル界面からエピタ
キシャル表面に向かって次第に薄くなっているのに対
し、本発明の方法では、エピタキシャル膜中の不純物濃
度が一定の理想的な不純物プロフィルを示している。さ
らに、図7は同一の固体ソース基板を20バッチに亘る
エピタキシャル成長に使用した場合のエピタキシャル膜
抵抗率変化を示したグラフであるが、本方法による抵抗
率の変化は±5%以下であり、従来法では不可能であっ
た固体ソースの持続性が確認された。
HC to be supplied to the solid source substrate crystal
The l gas flow rate is set from the graph shown in FIG. 5 in order to obtain the desired resistivity of the epitaxial film. As described above, the resistivity of the epitaxial film can be easily controlled by changing the flow rate of the HCl gas that is the etching gas. FIG. 6 is a graph showing the impurity concentration distribution measured in the depth direction of the epitaxial film in comparison with the case of the conventional method. Further, while the impurity concentration in the epitaxial film grown by the conventional method is gradually reduced from the substrate-epitaxial interface toward the epitaxial surface, in the method of the present invention, the impurity concentration in the epitaxial film is ideal. Shows a wide range of impurity profiles. Further, FIG. 7 is a graph showing the change in the resistivity of the epitaxial film when the same solid source substrate is used for the epitaxial growth over 20 batches. The change in the resistivity by this method is ± 5% or less. The solid source persistence was confirmed, which was not possible by law.

【0033】次に、本発明の方法をN型のSiエピタキ
シャル膜成長に適用した実施例について述べる。このエ
ピタキシャル成長は、前述第1の実施例と同一の気相成
長装置を用いて行った。また被成長基板として表面に高
濃度の不純物埋め込み領域を持つSi単結晶を使用し
た。そしてその構造は、バイポーラあるいはBi−CM
OSデバイスに必須の構造である。また、被成長基板で
あるボロンドープ抵抗率10Ω−cmのP型Siウェー
ハの表面に加速電圧70keV、ドース量5E14で砒
素イオン注入をあらかじめ行い、表面層にN型の高濃度
埋め込み領域を持つ被成長基板に作成した。
Next, an example in which the method of the present invention is applied to the growth of an N-type Si epitaxial film will be described. This epitaxial growth was carried out using the same vapor phase growth apparatus as used in the first embodiment. Further, a Si single crystal having a high-concentration impurity-embedded region on its surface was used as a substrate for growth. And its structure is bipolar or Bi-CM
This is an essential structure for OS devices. Further, arsenic ion implantation is performed in advance on the surface of a P-type Si wafer having a boron-doped resistivity of 10 Ω-cm, which is a substrate to be grown, at an acceleration voltage of 70 keV and a dose of 5E14 to grow an N-type high concentration buried region in the surface layer. Created on the substrate.

【0034】図8は本発明の気相成長による薄膜形成方
法における第2の実施例を説明するためのウェーハホル
ダを示す図である。まず、図8に示すように、被成長基
板(B1−B5)、ボロンドープ抵抗率10Ω−cmの
P型Siウェーハ(P6−P10)及び砒素ドープ抵抗
率0.01Ω−cmの固体ソース基板(S5−S8)を
それぞれウェーハホルダに搭載し、反応管内温度を10
80℃、真空度を10Torrとした。次に、ウェーハ
ホルダを毎分5回転の速度で回転させ、まず第1ノズル
管よりH2 20 SLM、SiH2 Cl2 200
SCCMを固体ソース以外のウェーハ面上に2分間供給
し、次に全てのガス供給を停止し反応管内部をベース圧
力まで1分間真空に引いた後、再び第1ノズル管よりH
2 20SLM、SiH2 Cl2 200 SCCMを
供給し、さらに第2ノズル管より固体ソース基板面上に
2 20 SLM、HCl 200 SCCMを6分
間供給してN型のSiエピタキシャル膜を成長した。な
お、固体ソース上へのエッチングガス供給に遅延を持た
せたのは、被成長基板(B1−B5)表面の高濃度埋め
込み領域からの砒素オートドーピング現象によるエピタ
キシャル−基板界面の不純物遷移幅増大を防ぐためであ
る。
FIG. 8 is a view showing a wafer holder for explaining a second embodiment of the thin film forming method by vapor phase epitaxy of the present invention. First, as shown in FIG. 8, a substrate to be grown (B1-B5), a P-type Si wafer (P6-P10) having a boron-doped resistivity of 10 Ω-cm, and a solid source substrate (S5 having an arsenic-doped resistivity of 0.01 Ω-cm). -S8) is mounted on each wafer holder and the temperature in the reaction tube is adjusted to 10
The degree of vacuum was 80 ° C. and the degree of vacuum was 10 Torr. Next, the wafer holder is rotated at a speed of 5 revolutions per minute, and H 2 20 SLM and SiH 2 Cl 2 200 are first fed through the first nozzle tube.
SCCM is supplied onto the wafer surface other than the solid source for 2 minutes, then all gas supply is stopped, the inside of the reaction tube is evacuated to the base pressure for 1 minute, and then HCM is again supplied from the first nozzle tube.
2 20 SLM and SiH 2 Cl 2 200 SCCM were supplied, and H 2 20 SLM and HCl 200 SCCM were supplied from the second nozzle tube onto the surface of the solid source substrate for 6 minutes to grow an N-type Si epitaxial film. The reason for delaying the supply of the etching gas onto the solid source is that the impurity transition width at the epitaxial-substrate interface is increased due to the arsenic autodoping phenomenon from the high-concentration buried region on the surface of the substrate (B1-B5) to be grown. This is to prevent it.

【0035】図9はウェーハのエピタキシャル膜面から
の深さに対する不純物プロフィルを示すグラフである。
この成長したエピタキシャル膜に対してFTIR及び4
探針法により膜厚と抵抗率を測定した結果、本実施例の
場合も第1の実施例と同様、膜厚均一性および抵抗率均
一性は良好であった。また本実施例のような薄いエピタ
キシャル膜(2μm)において重要なドーパント不純物
のプロフィル(基板表面と垂直な方向に測定したキャリ
ア濃度プロフィル)を測定した。その結果図9に示すよ
うに、エピタキシャル−基板界面で急峻な濃度変化が見
られ(不純物遷移幅Δtが小さく)、エピタキシャル膜
中では一定の濃度を保つことが出来た。また、本発明の
方法で成長したエピタキシャル膜のキャリア濃度プロフ
ィルを従来法で成長したものと比較してみると、従来法
の不純物遷移幅Δtが1.3μmであるのに対し本発明
の方法ではΔtが0.5μmであり、本成長法により不
純物プロフィルが大幅に改善された。さらに、従来法に
おいては、エピタキシャル膜中の不純物濃度はエピタキ
シャル膜表面に向かって徐々に減少しているが、本発明
の場合はほぼ一定であることが確認された。
FIG. 9 is a graph showing the impurity profile with respect to the depth from the epitaxial film surface of the wafer.
FTIR and 4 for this grown epitaxial film
As a result of measuring the film thickness and the resistivity by the probe method, the film thickness uniformity and the resistivity uniformity were good in the case of the present example as well as the first example. Further, the profile of important dopant impurities (carrier concentration profile measured in the direction perpendicular to the substrate surface) in a thin epitaxial film (2 μm) as in this example was measured. As a result, as shown in FIG. 9, a sharp concentration change was observed at the epitaxial-substrate interface (impurity transition width Δt was small), and a constant concentration could be maintained in the epitaxial film. Further, comparing the carrier concentration profile of the epitaxial film grown by the method of the present invention with that by the conventional method, the impurity transition width Δt of the conventional method is 1.3 μm, whereas the carrier transition profile of the conventional method is 1.3 μm. Δt was 0.5 μm, and the impurity profile was significantly improved by this growth method. Furthermore, it was confirmed that in the conventional method, the impurity concentration in the epitaxial film gradually decreased toward the surface of the epitaxial film, but it was almost constant in the case of the present invention.

【0036】次に説明する第3の実施例は、本発明の方
法によるSi1-x Gex 単結晶薄膜を成長する技術に関
するものである。このSi1-x Gex 単結晶薄膜は、超
高速LSIとして有望視されているヘテロバイポーラト
ランジスタ(HBT)のベース材料としての応用が期待
されている。そしてこのエピタキシャル成長には第1の
実施例と同じ気相成長装置を用いて行った。しかし、S
1-x Gex 成長ではSiエピタキシャル成長と比較し
て成膜温度の低温化が要求されるため、前述の気相成長
装置にロードロック室を設け、ターボポンプを用いて高
真空対応の装置とした。さらに、成長室内の高清浄化の
ため反応ガスの精製を行い、ガス中の不純物レベル(H
2 Oレベル)を10ppb以下とした。
A third embodiment described below relates to a technique for growing a Si 1-x Ge x single crystal thin film by the method of the present invention. This Si 1-x Ge x single crystal thin film is expected to be applied as a base material of a hetero bipolar transistor (HBT), which is promising as an ultra-high speed LSI. Then, this epitaxial growth was performed using the same vapor phase growth apparatus as in the first embodiment. But S
In i 1-x Ge x growth, the film forming temperature is required to be lower than that in Si epitaxial growth. Therefore, a load lock chamber is provided in the vapor phase growth apparatus described above, and a device compatible with high vacuum is used by using a turbo pump. did. In addition, the reaction gas is purified to make the inside of the growth chamber highly clean, and the impurity level (H
2 O level) was set to 10 ppb or less.

【0037】まず、被成長基板であるボロンドープ抵抗
率10Ω−cmのP型Siウェーハを硫酸と過酸化水素
混合液で洗浄した後、1%フッ酸で30秒処理して基板
表面に形成された自然酸化膜を除去した。次に、1分間
水洗した後、窒素ガスでパージしながら基板結晶をウェ
ーハホルダに搭載した。同時に、固体ソースであるGe
単結晶基板もウェーハホルダに搭載した。次に、このウ
ェーハホルダを装置のロードロック室に導入し、ロード
ロック室内の雰囲気を充分窒素置換した後、ロードロッ
ク室と成長室とのゲートバルブを解放し、基板結晶を成
長室へ移動させた。そして基板温度を600℃とし、高
真空排気系を用いて成長室内の真空度を1×10-8To
rrとした。次に、成長排気系に切り替え成長室内の真
空度を5Torrとし、基板ホルダを毎分5回転の速度
で回転させ、第1ノズル管よりH2 5 SLM、Si
2 Cl2 200 SCCMを固体ソース以外のウェ
ーハ面上に供給すると同時に第2ノズル管より固体ソー
ス上へH2 5 SLM、HCl 200 SCCMを
10分間供給してSi1-x Gex 薄膜を500A成長さ
せた。
First, a P-type Si wafer having a boron-doped resistivity of 10 Ω-cm, which is a substrate to be grown, was washed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide, and then treated with 1% hydrofluoric acid for 30 seconds to be formed on the surface of the substrate. The natural oxide film was removed. Next, after washing with water for 1 minute, the substrate crystal was mounted on the wafer holder while purging with nitrogen gas. At the same time, the solid source Ge
The single crystal substrate was also mounted on the wafer holder. Next, this wafer holder was introduced into the load lock chamber of the apparatus, the atmosphere in the load lock chamber was sufficiently replaced with nitrogen, the gate valves of the load lock chamber and the growth chamber were released, and the substrate crystal was moved to the growth chamber. It was Then, the substrate temperature was set to 600 ° C., and the degree of vacuum in the growth chamber was set to 1 × 10 −8 To using a high vacuum exhaust system.
rr. Next, the growth exhaust system was switched to, the degree of vacuum in the growth chamber was set to 5 Torr, the substrate holder was rotated at a speed of 5 revolutions per minute, and the H 2 5 SLM, Si was supplied from the first nozzle tube.
H 2 Cl 2 200 SCCM is supplied onto the wafer surface other than the solid source, and at the same time, H 2 5 SLM and HCl 200 SCCM are supplied from the second nozzle tube onto the solid source for 10 minutes to form a Si 1-x Ge x thin film of 500 A. I grew it.

【0038】このように成膜した薄膜表面を走査型電子
顕微鏡(SEM)で観察したところ、非常に平坦な表面
モフォロジーが観察され、形成した薄膜の結晶性は良好
であった。また、この透過型電子顕微鏡の観察において
も、ミスフィット転位などの格子欠陥は観察されなかっ
た。さらにSi1-x Gex 薄膜の合金比をラザフォード
後方散乱分析(RBS)により測定した結果、本成長条
件の合金比(x)は0.2であった。なお、固体ソース
用の基板として非晶質のGe基板を用いても同様の効果
が得られた。
When the surface of the thin film thus formed was observed by a scanning electron microscope (SEM), a very flat surface morphology was observed and the thin film thus formed had good crystallinity. Also, in the observation with this transmission electron microscope, lattice defects such as misfit dislocations were not observed. Further, as a result of measuring the alloy ratio of the Si 1-x Ge x thin film by Rutherford backscattering analysis (RBS), the alloy ratio (x) under the present growth conditions was 0.2. The same effect was obtained even when an amorphous Ge substrate was used as the substrate for the solid source.

【0039】図10はHCl流量に対するSi1-x Ge
x 膜の合金比を示すグラフである。
FIG. 10 shows Si 1-x Ge against HCl flow rate.
It is a graph which shows the alloy ratio of x film | membrane.

【0040】次に、SiとGe合金比の制御性を調べる
ため、固体ソースエッチングガスであるHClガス流量
を変化させた成長実験を試みた。HCl流量以外の成長
条件は、前述の成長と同一とした。この結果、図10に
示すように、HCl流量の増加量にほぼ比例して合金比
(x)が増大している。以上述べたように、本成長法に
より、結晶性の良好なSi1-x Gex 薄膜を合金比を制
御して成長できることが確認された。
Next, in order to investigate the controllability of the Si / Ge alloy ratio, a growth experiment was attempted while changing the flow rate of the HCl gas as the solid source etching gas. The growth conditions other than the HCl flow rate were the same as the growth described above. As a result, as shown in FIG. 10, the alloy ratio (x) increases almost in proportion to the increase in the HCl flow rate. As described above, it was confirmed that the Si 1-x Ge x thin film having good crystallinity can be grown by controlling the alloy ratio by this growth method.

【0041】次に説明する第4の実施例は、本発明の方
法によるSi1-x Gex 多結晶薄膜を成長する技術に関
するものである。このSi1-x Gex 多結晶薄膜は、液
晶表示素子やアモルファスSi光センサの駆動を目的と
した薄膜トランジスタ(TFT)用としての用途が期待
されている。また、Si1-x Gex 多結晶薄膜はCMO
Sデバイスのゲート電極としての適用も検討されてい
る。
The fourth embodiment described below relates to a technique for growing a Si 1-x Ge x polycrystalline thin film by the method of the present invention. This Si 1-x Ge x polycrystalline thin film is expected to be used as a thin film transistor (TFT) for driving a liquid crystal display element or an amorphous Si optical sensor. Further, the Si 1-x Ge x polycrystalline thin film is CMO.
Application as a gate electrode of an S device is also under consideration.

【0042】この薄膜成長は前述の第3の実施例と同一
の気相成長装置を用いて行った。まず、前述の第3の実
施例の場合と同様に被成長基板であるボロンドープ抵抗
率10Ω−cmのP型Siウェーハを硫酸と過酸化水素
の混合液で洗浄した後、約100nmの熱酸化膜を成長
させた。次に、この基板を再度洗浄した後、ウェーハホ
ルダに固体ソースであるGe単結晶基板とともに搭載し
た。その後、第3の実施例と同様にして被成長基板を反
応室に移動させた。第3の実施例と同様、成長室内の温
度を600℃、真空度を5Torrとし、ウェーハホル
ダを毎分5回転の速度で回転させ、第1ノズル管よりH
2 5 SLM、SiH2 Cl2 200 SCCMを
固体ソース以外のウェーハ面上に供給すると同時に第2
ノズル管より固体ソース上へH2 5 SLM、HCl
0.1〜3 SLMを40分間供給してSi1-x Ge
x 薄膜を200nm成長させた。なお、本実施例は、多
結晶膜の成長であるため、第3の実施例のような高真空
は必要としなかった。
This thin film growth was performed using the same vapor phase growth apparatus as used in the third embodiment. First, as in the case of the third embodiment described above, a P-type Si wafer having a boron-doped resistivity of 10 Ω-cm as a growth substrate is washed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide, and then a thermal oxide film of about 100 nm is formed. Has grown up. Next, after cleaning this substrate again, it was mounted on a wafer holder together with a Ge single crystal substrate which is a solid source. Then, the growth substrate was moved to the reaction chamber in the same manner as in the third embodiment. As in the third embodiment, the temperature inside the growth chamber was 600 ° C., the degree of vacuum was 5 Torr, the wafer holder was rotated at a speed of 5 revolutions per minute, and the H nozzle was rotated from the first nozzle tube.
2 5 SLM, SiH 2 Cl 2 200 at the same time the SCCM supplied onto the wafer surface except for a solid source second
From nozzle tube onto solid source H 2 5 SLM, HCl
Si 1-x Ge by supplying 0.1-3 SLM for 40 minutes
The x thin film was grown to 200 nm. In this example, since the growth of the polycrystalline film was performed, the high vacuum as in the third example was not necessary.

【0043】図11はHCl流量に対するSi1-x Ge
x の多結晶膜の合金比を示すグラフである。このように
して成膜される膜をX線光電子分光(XPS)により測
定し、HCl流量に対してSiとGeの合金比(x)を
求めるために実験したところ図11に示すように、HC
l流量を変化させることにより合金比(x)を制御でき
ることが確認された。
FIG. 11 shows Si 1-x Ge against HCl flow rate.
7 is a graph showing an alloy ratio of a polycrystalline film of x . The film thus formed was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and an experiment was conducted to obtain the alloy ratio (x) of Si and Ge with respect to the HCl flow rate. As a result, as shown in FIG.
It was confirmed that the alloy ratio (x) can be controlled by changing the 1 flow rate.

【0044】図12はSi1-x Gex 薄膜のX線回折パ
ターンを示す図である。また、得られたSi1-x Gex
薄膜に対しθ−2θ走査法によりX線回折パターンを測
定した結果、図12に示すように、回折ピーク位置がS
i多結晶の場合の回折角とGe多結晶の場合の回折角の
間に位置していることが分かる。これは、得られた多結
晶薄膜がSi多結晶とGe多結晶の混合物としてではな
く、SiとGeの合金として形成されていることを示す
ものである。以上は、ノンドープのSi1-x Gex 薄膜
の成長について述べたが、固体ソースとしてP型あるい
はN型不純物をドーピングしたGe結晶を用いれば、そ
れぞれP型あるいはN型のSi1-x Gex 薄膜を形成す
ることが可能である。
FIG. 12 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the Si 1-x Ge x thin film. In addition, the obtained Si 1-x Ge x
As a result of measuring an X-ray diffraction pattern on the thin film by the θ-2θ scanning method, as shown in FIG.
It can be seen that it is located between the diffraction angle in the case of i polycrystal and the diffraction angle in the case of Ge polycrystal. This indicates that the obtained polycrystalline thin film is not formed as a mixture of Si polycrystalline and Ge polycrystalline but as an alloy of Si and Ge. Above has dealt with the Si 1-x Ge x film growth of non-doped, using a Ge crystal doped with P-type or N-type impurity as a solid source, Si 1-x Ge x of P-type or N-type, respectively It is possible to form a thin film.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、反応管内
に複数の被成長基板(ウェーハ)を所定の間隔でほぼ水
平に積み重ねる様にウェーハホルダに保持し、その長手
方向に複数の反応ガス放出孔を有する複数本のノズル管
より、前記複数枚の被成長基板の夫々の被成長面にほぼ
平行に反応ガスを流し、気相成長法で被成長基板上にN
型あるいはP型の薄膜を形成する方法として、薄膜形成
のための膜原料あるいはドーピング源としてノンドープ
基板もしくはP型あるいはN型の不純物をドーピングし
た基板(固定ソースウェーハ)を使用し、これらの固体
ソースウェーハを被成長基板と同時にウェーハホルダに
搭載し、被成長基板に対しては膜成長に係わる反応ガス
を供給し、固体ソースに対してはエッチング作用のある
反応ガスを供給するという特徴を有している。このた
め、第1の効果として、大口径ウェーハに対して均一な
合金比、膜厚及び抵抗率を持つ薄膜を形成することが可
能である。また、第2の効果として、固体ソースの不純
物ドープ量を低減できるため、薄膜−基板界面において
急峻な不純物プロフィルを得ることができる。さらに、
第3の効果として、HCl流量を変化させることにより
容易に抵抗率制御が可能である。第4の効果として、固
体ソース表面の不純物濃度を常に一定に保つことができ
るため、固体ソースに持続性があり、同一固体ソースを
長期間使用可能である。第5に、固体ソース源を使用す
るために危険な高圧ガスを使用する場合と比較して安全
性が高い。
As described above, according to the present invention, a plurality of substrates (wafers) to be grown are held in a wafer holder in a reaction tube so as to be stacked substantially horizontally at predetermined intervals, and a plurality of reaction gases are provided in the longitudinal direction. A reaction gas is caused to flow from the plurality of nozzle tubes having the emission holes substantially parallel to the respective growth surfaces of the plurality of growth substrates, and N is deposited on the growth substrates by a vapor phase growth method.
As a method for forming a P-type or P-type thin film, a non-doped substrate or a P-type or N-type impurity-doped substrate (fixed source wafer) is used as a film material or a doping source for forming a thin film The wafer is mounted on the wafer holder at the same time as the substrate to be grown, and the reaction gas related to film growth is supplied to the growth substrate and the reaction gas having an etching action is supplied to the solid source. ing. Therefore, as a first effect, it is possible to form a thin film having a uniform alloy ratio, film thickness and resistivity on a large diameter wafer. Further, as a second effect, since the impurity doping amount of the solid source can be reduced, a steep impurity profile can be obtained at the thin film-substrate interface. further,
As a third effect, the resistivity can be easily controlled by changing the HCl flow rate. As a fourth effect, the impurity concentration on the surface of the solid source can be kept constant at all times, so that the solid source is durable and the same solid source can be used for a long time. Fifth, it is safer than using dangerous high pressure gas because of using a solid source.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の気相成長装置の一実施例における主要
部を示し、(a)および(b)は内管内のウェーハホル
ダおよびノズル管を示す図、(c)は内管の横断面を示
す図である。
FIG. 1 shows a main part of an embodiment of a vapor phase growth apparatus of the present invention, (a) and (b) showing a wafer holder and a nozzle tube in an inner tube, and (c) a cross section of the inner tube. FIG.

【図2】本発明の気相成長による薄膜形成方法の第1の
実施例を説明するためのウェーハホルダを示す図であ
る。
FIG. 2 is a view showing a wafer holder for explaining the first embodiment of the thin film forming method by vapor phase growth of the present invention.

【図3】ウェーハ面内の膜厚を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a film thickness within a wafer surface.

【図4】ウェーハ面内の抵抗率を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing in-plane resistivity of a wafer.

【図5】エッチングガスの流量とウェーハの抵抗率との
関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the flow rate of etching gas and the resistivity of a wafer.

【図6】エピタキシャル膜の深さ方向に測定した不純物
濃度分布を従来法の場合と比較して示したグラフであ
る。
FIG. 6 is a graph showing an impurity concentration distribution measured in the depth direction of an epitaxial film in comparison with the case of a conventional method.

【図7】同一の固体ソースの使用回数毎におけるエピタ
キシャル膜の抵抗率を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the resistivity of the epitaxial film for each use of the same solid source.

【図8】本発明の気相成長による薄膜形成方法の第2の
実施例を説明するためのウェーハホルダを示す図であ
る。
FIG. 8 is a view showing a wafer holder for explaining a second embodiment of the thin film forming method by vapor phase growth of the present invention.

【図9】ウェーハのエピタキシャル膜面からの深さに対
する不純物プロフィルを示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the impurity profile with respect to the depth from the epitaxial film surface of the wafer.

【図10】HCl流量に対するSi1-x Gex 膜の合金
比を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing the alloy ratio of the Si 1-x Ge x film with respect to the HCl flow rate.

【図11】HCl流量に対するSi1-x Gex 多結晶膜
の合金比を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing the alloy ratio of the Si 1-x Ge x polycrystalline film with respect to the HCl flow rate.

【図12】Si1-x Gex 薄膜のX線回折パターンを示
す図である。
FIG. 12 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a Si 1-x Ge x thin film.

【図13】従来の気相成長装置の一例を示す、(a)は
主要部の断面を示す図、(b)はノズル管の側面図およ
び(c)は内管の横断面図である。
13A and 13B show an example of a conventional vapor phase growth apparatus. FIG. 13A is a view showing a cross section of a main part, FIG. 13B is a side view of a nozzle tube, and FIG. 13C is a cross sectional view of an inner tube.

【図14】ウェーハの表面からの深さと不純物濃度プロ
フィルを示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a depth from a surface of a wafer and an impurity concentration profile.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 内管 2 外管 3 架台 4 ウェーハホルダ 5 ウェーハ 5a,5b 固体ソース基板 6 抵抗加熱炉 7 ノズル管 7a 第1のノズル管 7b 第2のノズル管 8 ガス排出孔 9 排気口 10,10a,10b ガス放出孔 1 Inner Tube 2 Outer Tube 3 Stand 4 Wafer Holder 5 Wafer 5a, 5b Solid Source Substrate 6 Resistance Heating Furnace 7 Nozzle Tube 7a First Nozzle Tube 7b Second Nozzle Tube 8 Gas Discharge Hole 9 Exhaust Ports 10, 10a, 10b Gas release hole

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の被成長基板と不純物がドーピング
された複数の板状の固体ソースとを一方向に並べて収納
するウェーハホルダと、このウェーハホルダを収納する
反応管と、この反応管内にあって前記被成長基板面にほ
ぼ平行に成長用反応ガスを流す複数のガス放出孔を有す
る第1のノズル管と、前記固体ソースをエッチングする
ガスを前記固体ソースの表面にほぼ平行に流すガス放出
孔を有する第2のノズル管とを備えることを特徴とする
気相成長装置。
1. A wafer holder for accommodating a plurality of growth substrates and a plurality of plate-shaped solid sources doped with impurities in one direction, a reaction tube for accommodating the wafer holder, and a reaction tube in the reaction tube. And a first nozzle tube having a plurality of gas discharge holes for flowing a reaction gas for growth substantially parallel to the surface of the substrate to be grown, and a gas discharge for flowing a gas for etching the solid source substantially parallel to the surface of the solid source. A second nozzle tube having a hole and a vapor phase growth apparatus.
【請求項2】 前記被成長基板に膜成長に係わる反応ガ
スを供給し、前記固体ソースに固体ソースをエッチング
するガスを供給することを特徴とする薄膜形成方法。
2. A thin film forming method comprising supplying a reaction gas for film growth to the substrate to be grown and supplying a gas for etching the solid source to the solid source.
【請求項3】 前記固体ソースをエッチングするガスの
供給が薄膜形成プロセス時間の一部であることを特徴と
する請求項2記載の薄膜形成方法。
3. The thin film forming method according to claim 2, wherein the supply of the gas for etching the solid source is a part of a thin film forming process time.
【請求項4】 前記固体ソースがシリコン基板にN型お
よびP型の不純物のいずれかがドーピングされたもので
あることを特徴とする請求項2記載の薄膜形成方法。
4. The thin film forming method according to claim 2, wherein the solid source is a silicon substrate doped with either N-type or P-type impurities.
【請求項5】 前記被成長基板に形成される薄膜がSi
1-x Gex 合金膜であるとき、前記固体ソースがゲルマ
ニウムであることを特徴とする請求項2記載の薄膜形成
方法。
5. The thin film formed on the growth substrate is Si
The thin film forming method according to claim 2, wherein the solid source is germanium when the film is a 1-x Ge x alloy film.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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