JPH05326419A - Method for forming semiconductor thin film - Google Patents

Method for forming semiconductor thin film

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JPH05326419A
JPH05326419A JP12720192A JP12720192A JPH05326419A JP H05326419 A JPH05326419 A JP H05326419A JP 12720192 A JP12720192 A JP 12720192A JP 12720192 A JP12720192 A JP 12720192A JP H05326419 A JPH05326419 A JP H05326419A
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JP
Japan
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thin film
gas
forming
hydrogen
semiconductor thin
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Withdrawn
Application number
JP12720192A
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Japanese (ja)
Inventor
Morifumi Oono
守▲史▼ 大野
Kinya Ashikaga
欣哉 足利
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To eliminate a problem such as the directivity of a nozzle in an MBE method and to form an Si-Ge-based semiconductor thin film having a uniform film thickness on a large-diameter Si substrate by a method wherein a single- crystal Si1-XGeX thin film and a single-crystal Si1-YGeY thin film are formed by a chemical reaction. CONSTITUTION:A silicon substrate 15 is put into a reaction furnace which is filled with a hydrogen-gas atmosphere; it is heated and treated under a reduced pressure by means of an infrared lamp; a spontaneous oxide film 61 is removed; after that, a reactive-gas atmosphere inside the reaction furnace is filled with a mixed-gas atmosphere by a silicon-containing group-IV hydrogen- based gas and a by a germanium-contained group-IV hydrogen-based gas. While the substrate 15 is heated, an Si-1-XGeX single-crystal thin film 63 is grown as a buffer layer on its main surface. Then, the relative gas concentration of the germanium-containing group-IV hydrogen gas with reference to the silicon-containing group-IV hydrogen-based gas in the mixed-gas atmosphere is increased; an Si1-YGeY single-crystal thin film 65 is grown on the thin film 63. At this time, composition ratios X, Y of Ge are set to be 0<=X<=0.1 and 0.1<=Y<=1.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、半導体薄膜の形成方
法、特にSi−Ge系半導体単結晶薄膜を形成する方法
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a semiconductor thin film, and more particularly to a method for forming a Si-Ge based semiconductor single crystal thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、高速ヘテロバイポーラ素子、マイ
クロ波用素子、或いは超格子構造素子への応用を目的と
して、IV族半導体薄膜成長技術が急速に進展してい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, Group IV semiconductor thin film growth techniques have been rapidly developed for the purpose of application to high-speed heterobipolar devices, microwave devices, or superlattice structure devices.

【0003】なかでも、シリコン(Si)基板上に、シ
リコン−ゲルマニウム(Si−Ge)薄膜をエピタキシ
ャル成長させる技術が注目されている。そして、この技
術は一般に、分子線エピタキシー(MBE)技術により
行なわれている。このMBE技術が用いられるのは、比
較的低温度での膜形成ができるので、形成した薄膜の不
純物分布を乱すことがない、という利点が得られるから
であった。
Among them, a technique for epitaxially growing a silicon-germanium (Si-Ge) thin film on a silicon (Si) substrate has attracted attention. And this technique is generally performed by the molecular beam epitaxy (MBE) technique. This MBE technique is used because it is possible to form a film at a relatively low temperature, and it is possible to obtain the advantage that the impurity distribution of the formed thin film is not disturbed.

【0004】このような薄膜形成技術の一例として、例
えば文献:特開昭64−90519号公報に開示された
方法がある。この従来方法は、IV族半導体薄膜の成膜
用のIV族水素系ガスをMBE装置のノズルから反応炉
(成長室)内に吹き出して加熱された基板に当てるとき
に、ハロゲン系ガスを照射するようにしてIV族半導体
薄膜を堆積させる方法である。
As an example of such a thin film forming technique, there is a method disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 64-90519. In this conventional method, when a group IV hydrogen-based gas for forming a group IV semiconductor thin film is blown from a nozzle of an MBE apparatus into a reaction furnace (growth chamber) and applied to a heated substrate, a halogen-based gas is irradiated. In this way, a group IV semiconductor thin film is deposited.

【0005】固体ソースを用いたMBE技術ではIV族
半導体分子線を発生させるソースハウス容量に制約があ
るため、厚膜のIV族半導体薄膜を形成するとき、ソー
ス補充による成膜の中断を余儀なくされ、その結果、単
結晶膜の成長を迅速に行なうのが困難であった。上述の
公報に開示の方法では、成膜用ガスを装置外部のガスソ
ースから反応炉内に連続して供給できる。そのため、I
V族半導体薄膜を厚い膜厚で連続的に形成できた。さら
に、この方法では、ハロゲンガスが、基板表面の不対結
合に吸着された水素ガスを外すように作用するため、基
板表面での成膜用ガスの解離、および基板へのIV族元
素の吸着は促進され、その結果、半導体薄膜の成長速度
を増加させることができた。
In the MBE technique using a solid source, the capacity of the source house for generating a group IV semiconductor molecular beam is limited. Therefore, when forming a thick group IV semiconductor thin film, the film formation must be interrupted by supplementing the source. As a result, it has been difficult to grow a single crystal film quickly. In the method disclosed in the above publication, the film forming gas can be continuously supplied from the gas source outside the apparatus into the reaction furnace. Therefore, I
A group V semiconductor thin film could be continuously formed with a large thickness. Further, in this method, the halogen gas acts so as to remove the hydrogen gas adsorbed by the unpaired bond on the substrate surface, so that the film-forming gas is dissociated on the substrate surface and the group IV element is adsorbed on the substrate. Was accelerated, and as a result, the growth rate of the semiconductor thin film could be increased.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の方法に限らず、ガスソースを用いたMBE技術
では、大口径のウエハ上に均一な膜厚および膜質の単結
晶半導体薄膜を成長させるのが困難であり、また、半導
体薄膜中に不純物を高濃度に注入することが難しいこと
が、現実の問題点としてある。前者はガスソース吹き出
し用ノズルの指向性が原因と考えられ、後者は分子流を
基板に照射し成膜するというMBE技術自体が原因と考
えられる。
However, the MBE technique using a gas source is not limited to the above-mentioned conventional method, and a single crystal semiconductor thin film having a uniform film thickness and film quality is grown on a large diameter wafer. Is difficult, and it is difficult to implant impurities into the semiconductor thin film at a high concentration, which is a real problem. The former is considered to be due to the directivity of the gas source blowing nozzle, and the latter is considered to be due to the MBE technique itself, in which a substrate is irradiated with a molecular flow to form a film.

【0007】また、MBE技術では、通常、反応炉すな
わち成長室内の真空度を10-10 〜10-11 Torrの
超高真空状態に保つ必要があるので、成長室を一度大気
に暴露してしまうと、それを再び元の真空度にするため
には、成長室内を排気しながら装置全体を約30時間に
亘ってベーキングしなければならないという問題点があ
った。
Further, in the MBE technique, it is usually necessary to maintain the degree of vacuum in the reaction furnace, that is, the growth chamber in an ultrahigh vacuum state of 10 -10 to 10 -11 Torr, so the growth chamber is once exposed to the atmosphere. Then, in order to return it to the original degree of vacuum, there was a problem that the entire apparatus had to be baked for about 30 hours while exhausting the growth chamber.

【0008】また、IV族半導体薄膜をシリコンの下地
に形成するに当たっては、一般に、成膜開始前に、その
下地に対し水素ガス(H2 )雰囲気による還元処理及び
塩化水素ガス(HCl)雰囲気による加熱処理を行な
い、下地上の自然酸化膜や汚れを除去する処理を行な
う。しかし、このような前処理を行なっても、下地表面
にもともとある凹凸に起因する影響や、下地表面に少し
でも残存する炭素化物とか金属酸化物等の影響は無視で
きないため、IV族半導体薄膜が下地上に均一に成長し
ないという問題がある。
Further, in forming a Group IV semiconductor thin film on a silicon substrate, generally, before starting film formation, the substrate is subjected to a reduction treatment in a hydrogen gas (H 2 ) atmosphere and a hydrogen chloride gas (HCl) atmosphere. A heat treatment is performed to remove a natural oxide film and dirt on the base. However, even if such pretreatment is carried out, the effect due to the unevenness originally present on the underlayer surface and the effect of even a small amount of carbonized materials or metal oxides remaining on the underlayer surface cannot be ignored. There is a problem that it does not grow uniformly on the lower ground.

【0009】また、表面清浄化処理とSi−Ge膜成膜
処理を急速加熱により行なう場合、この表面清浄化処理
とSi−Ge膜成膜処理との間で室温まで急冷する工程
が入り、そこで基板に生じる応力からSi基板15およ
びSi−Ge単結晶膜65にスリップ転位71が発生す
る(図4の(A))という問題がある。さらに、膜中と
か、薄膜65と下地15との界面に、ミスフィット転位
および積層欠陥73や欠陥75を生じさせてしまう(図
4の(A))などの問題があった。
When the surface cleaning treatment and the Si-Ge film forming treatment are performed by rapid heating, a step of rapidly cooling to room temperature is included between the surface cleaning treatment and the Si-Ge film forming treatment. There is a problem that slip dislocations 71 are generated in the Si substrate 15 and the Si—Ge single crystal film 65 due to the stress generated in the substrate ((A) of FIG. 4). Furthermore, there is a problem that misfit dislocations and stacking faults 73 and defects 75 are generated in the film or at the interface between the thin film 65 and the underlayer 15 ((A) in FIG. 4).

【0010】このような問題は、IV族半導体MBE法
を実際の半導体プロセスに工業的に利用しようとした場
合の大きな障害となるので、改善が望まれる。
Since such a problem becomes a major obstacle in industrially applying the group IV semiconductor MBE method to an actual semiconductor process, improvement is desired.

【0011】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、従って、この発明の目的は、上述の問題点を
解消し、従来よりも膜質の優れたSi−Ge系半導体薄
膜を形成できる方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances. Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to form a Si-Ge based semiconductor thin film having a film quality superior to the conventional one. To provide a method.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、同一反応炉内で、シリコン(S
i)の下地上にSi−Ge(ゲルマニウム)系半導体薄
膜を形成する方法において、反応炉内の反応性ガス雰囲
気を、シリコン含有IV族水素系ガスとゲルマニウム含
有IV族水素系ガスとの混合ガス雰囲気とし、かつ下地
を加熱処理しながら、この下地の主表面上に単結晶のS
1-X GeX 薄膜をバッファ層として形成する工程と、
この反応炉内における混合ガス雰囲気中での、前述のシ
リコン含有IV族水素系ガスに対するゲルマニウム含有
IV族水素系ガスの相対ガス濃度を、バッファ層を形成
したときの相対ガス濃度よりも高くし、かつ下地を加熱
処理しながら、前述のバッファ層上に単結晶のSi1-Y
GeY 薄膜を形成する工程とを連続して含むことを特徴
とする(ただし、Ge組成比X,Yは、0≦X≦0.
1,0.1≦Y≦1を満足する値である。)。また、こ
れらの工程は、連続して行なうのが好ましい。
In order to achieve this object, according to the present invention, silicon (S
i) In the method of forming a Si-Ge (germanium) -based semiconductor thin film on the lower ground, a reactive gas atmosphere in the reaction furnace is set to a mixed gas of a silicon-containing group IV hydrogen-based gas and a germanium-containing group IV hydrogen-based gas. While maintaining the atmosphere and heat-treating the base, single crystal S
forming a i 1-X Ge X thin film as a buffer layer;
In the mixed gas atmosphere in this reaction furnace, the relative gas concentration of the germanium-containing group IV hydrogen-based gas with respect to the silicon-containing group IV hydrogen-based gas is made higher than the relative gas concentration when the buffer layer is formed, Moreover, while heat-treating the base, a single crystal of Si 1-Y is formed on the buffer layer.
And a step of forming a Ge Y thin film (where Ge composition ratios X and Y are 0 ≦ X ≦ 0.
The value satisfies 1, 0.1 ≦ Y ≦ 1. ). Further, these steps are preferably performed continuously.

【0013】ここで、この発明でいうシリコンの下地と
は、Si基板そのものである場合はもとより、Si基板
上にSiのエピタキシャル層が形成されたもの、Si基
板以外の基板にSiのエピタキシャル層が形成されたも
の、また、これらに素子が作り込まれた中間体など、I
V族単結晶膜を成長させたい種々のSiの下地を意味し
ている。
The term “silicon underlayer” as used in the present invention means not only the Si substrate itself but also a Si substrate on which an Si epitaxial layer is formed, and a substrate other than the Si substrate is a Si epitaxial layer. I formed materials, and intermediates in which elements are formed,
It means various Si underlayers on which a group V single crystal film is to be grown.

【0014】この発明の実施に当たり、単結晶のSi
1-X GeX 薄膜およびSi1-Y GeY薄膜形成時の下地
の加熱処理を赤外線加熱により行なうとともに、成膜前
後の下地保持温度を約250〜350℃とするのが好ま
しい。
In carrying out the present invention, single crystal Si
It is preferable that the heat treatment of the base during the formation of the 1-X Ge X thin film and the Si 1-Y Ge Y thin film is performed by infrared heating, and the base-holding temperature before and after the film formation is about 250 to 350 ° C.

【0015】また、この発明の実施に当たり、単結晶の
Si1-X GeX 薄膜は、Geの組成比Xが0≦X≦0.
1の範囲内の値となるように、かつその膜厚tが0<t
≦50nmの範囲内の値となるように形成するのがよ
い。
In implementing the present invention, the single crystal Si 1-x Ge x thin film has a Ge composition ratio X of 0 ≦ X ≦ 0.
1 and the film thickness t is 0 <t
It is preferable to form it so that the value is within a range of ≦ 50 nm.

【0016】なお、この発明の実施に当たり、シリコン
を含有するIV族水素系ガスを、シラン(SiH4 )、
ジシラン(Si2 6 )、メチルシラン(Si(C
3 )H3 )、トリシラン(Si3 8 )、ジメチルシ
ラン(Si(CH3 2 2 )、トリメチルシラン(S
i(CH3 3 H)、テトラメチルシラン(Si(CH
34 )、ヘキサメチルジシラン(Si2 (C
3 6 )、フルオロトリメチルシラン(Si(C
3 3 F)およびジフルオロジメチルシラン(Si
(CH3 2 2 )よりなるガス群から選択される1種
または2種以上のガスとするのが好適である。
In carrying out the present invention, the group IV hydrogen-containing gas containing silicon is changed to silane (SiH 4 ),
Disilane (Si 2 H 6 ), methylsilane (Si (C
H 3) H 3), trisilane (Si 3 H 8), dimethylsilane (Si (CH 3) 2 H 2), trimethylsilane (S
i (CH 3 ) 3 H), tetramethylsilane (Si (CH
3 ) 4 ), hexamethyldisilane (Si 2 (C
H 3 ) 6 ), fluorotrimethylsilane (Si (C
H 3 ) 3 F) and difluorodimethylsilane (Si
It is preferable to use one kind or two or more kinds of gases selected from the gas group consisting of (CH 3 ) 2 F 2 ).

【0017】また、この発明の実施に当たり、ゲルマニ
ウムを含有するIV族水素系ガスを、ゲルマン(GeH
4 )、四フッ化ゲルマニウム(GeF4 )、二フッ化ゲ
ルマニウム(GeF2 )、フッ化ゲルマニウム(Ge
F)およびフルオロゲルマン(GeH3 F)よりなるガ
ス郡から選択される1種または2種以上のガスとするの
が好適である。
Further, in carrying out the present invention, a Group IV hydrogen-containing gas containing germanium is added to germane (GeH).
4 ), germanium tetrafluoride (GeF 4 ), germanium difluoride (GeF 2 ), germanium fluoride (Ge
F) and fluorogermane (GeH 3 F) are preferably used as one or more gases selected from a gas group.

【0018】さらにこの発明の実施に当り、下地の清浄
化や、Si1-X GeX 薄膜及びSi1-Y GeY 薄膜それ
ぞれの成長に際してのシリコンの下地の加熱は、赤外線
加熱により行なうのが好適である。赤外線光源として
は、例えば、タングステン−ハロゲンランプまたはキセ
ノン−アークランプを用いることができる。
Further, in the practice of the present invention, the cleaning of the underlayer and the heating of the silicon underlayer during the growth of each of the Si 1-X Ge X thin film and the Si 1-Y Ge Y thin film are performed by infrared heating. It is suitable. As the infrared light source, for example, a tungsten-halogen lamp or a xenon-arc lamp can be used.

【0019】[0019]

【作用】この発明の構成によれば、単結晶のSi1-X
X 薄膜およびSi1-Y GeY薄膜の形成が化学的反応
により行なわれる。そのため、MBE法でのノズルの指
向性などの問題は生じなくなるので、大口径のSiの下
地上に均一な膜厚および膜質のSi−Ge系半導体薄膜
を形成できるようになる。
According to the structure of the present invention, single crystal Si 1-X G
formation of e X film and Si 1-Y Ge Y thin film is performed by chemical reactions. Therefore, problems such as directivity of the nozzle in the MBE method do not occur, so that it becomes possible to form a Si-Ge based semiconductor thin film having a uniform film thickness and film quality on the lower surface of Si having a large diameter.

【0020】また、Si1-X GeX 薄膜はバッファ層と
して、またSi1-Y GeY 薄膜は半導体素子形成のため
の成長層として、それぞれ用いることができる。それぞ
れの膜の成膜前後の下地保持温度、つまり、加熱処理中
の最低温度を室温より充分高い温度とする。例えば、こ
の下地保持温度を約250〜350℃という室温よりも
高い温度に保持するのがよい。この温度では、表面酸化
膜除去およびSi−Ge成膜反応の速度は無視できる程
度に遅く、これら反応に寄与しない。従って、バッファ
層や半導体素子形成用の成長層が下地へ応力を与えるこ
とがないまた、原料ガスとして水素系ガスを用いること
により、第1のSi1-X GeX薄膜形成時にシリコンの
下地が強い還元作用を受け、シリコンの下地表面の炭化
物、金属酸化物は除去される。所望の単結晶Si1-Y
Y 膜を成長させる前に、基板上に、このようなバッフ
ァ層としての第1の単結晶Si1-X GeX を成膜する。
The Si 1-X Ge X thin film can be used as a buffer layer, and the Si 1-Y Ge Y thin film can be used as a growth layer for forming a semiconductor device. The underlayer holding temperature before and after forming each film, that is, the minimum temperature during the heat treatment is set to a temperature sufficiently higher than room temperature. For example, it is preferable to maintain the base holding temperature at a temperature higher than room temperature of about 250 to 350 ° C. At this temperature, the rate of surface oxide film removal and Si-Ge film formation reaction is negligibly slow and does not contribute to these reactions. Therefore, the buffer layer and the growth layer for forming the semiconductor element do not give stress to the base. Further, by using the hydrogen-based gas as the source gas, the base of silicon is not formed during the formation of the first Si 1-X Ge X thin film. It receives a strong reducing action and removes carbides and metal oxides on the surface of the underlying silicon. Desired single crystal Si 1-Y G
Prior to growing the e Y film, a first single crystal Si 1-X Ge X as such a buffer layer is formed on the substrate.

【0021】また、単結晶Si1-X GeX バッファ層
を、ゲルマニウム組成比XがX<0.1となるように成
長させると、バッファ層は、下地シリコンに極めて近い
組成となり、しかも、その膜表面は、多量のシリコンを
含有する水素系ガスに暴露されているため、清浄化され
た状態になっており、また同時に整面された状態とな
る。このようなバッファ層を介して、第2のSi1-Y
Y 薄膜を形成すると、この薄膜は、ミスフィット転位
および欠陥のないものとなる。この結果、Si1-YGe
Y 薄膜の結晶性向上が図れる。
When the single crystal Si 1-X Ge X buffer layer is grown so that the germanium composition ratio X is X <0.1, the buffer layer has a composition very close to that of the underlying silicon, and Since the film surface is exposed to a hydrogen-based gas containing a large amount of silicon, the film surface is in a cleaned state and, at the same time, in a surface-conditioned state. Through such a buffer layer, the second Si 1-Y G
to form a e Y thin film, this thin film, becomes no misfit dislocations and defects. As a result, Si 1-Y Ge
The crystallinity of the Y thin film can be improved.

【0022】また、Si1-X GeX およびSi1-Y Ge
Y の両膜を好ましくは、急速加熱で行うので、両膜中で
の応力の発生を小さくでき両膜にスリップ転位を生じな
い。
Also, Si 1-X Ge X and Si 1-Y Ge
Since both films of Y are preferably heated rapidly, stress generation in both films can be reduced and slip dislocation does not occur in both films.

【0023】[0023]

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の半導体薄
膜の形成方法の実施例につき説明する。なお、説明に用
いる各図は、この発明が理解できる程度に、各構成成分
の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるに
すぎない。また、以下の説明では特定の材料および特定
の数値的条件を挙げて説明するが、これら材料および条
件は単なる好適例にすぎず、従って、この発明は、これ
らに制約されるものではない。
Embodiments of the method for forming a semiconductor thin film of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the drawings used for the description merely schematically show the shapes, sizes, and arrangement relationships of the respective constituent components to the extent that the present invention can be understood. Further, in the following description, specific materials and specific numerical conditions are mentioned, but these materials and conditions are merely preferable examples, and the present invention is not limited thereto.

【0024】1.薄膜形成装置の説明 まず、この発明の方法を実施するための好適な装置例に
ついて説明する。
1. Description of Thin Film Forming Apparatus First, a suitable apparatus example for carrying out the method of the present invention will be described.

【0025】図2は、この発明を実施するための装置の
全体構成を概略的に示す図である。なお、この図では、
反応炉11内にはシリコンの下地としてシリコン基板1
5(以下、単に「基板」ということもある。)を配置し
た状態を示してある。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall structure of an apparatus for carrying out the present invention. In this figure,
A silicon substrate 1 is used as a base of silicon in the reaction furnace 11.
5 (hereinafter sometimes simply referred to as “substrate”) is arranged.

【0026】図2にも示すように、この装置は、例えば
石英製の反応炉(チャンバ)11を具えている。この反
応炉11は、内部の基板支持体13の上に基板15を出
し入れ自在に載置できる構造となっている。
As shown in FIG. 2, this apparatus has a reaction furnace (chamber) 11 made of, for example, quartz. The reaction furnace 11 has a structure in which a substrate 15 can be freely placed on and taken out of the substrate support 13 inside.

【0027】さらに、この反応炉11の外部には加熱部
12を設けてある。この加熱部12は、任意好適な構成
の赤外線照射手段例えば赤外線ランプをもって構成す
る。赤外線ランプ12としては、タングステンハロゲン
ランプその他の任意好適なランプを使用する。好ましく
は、複数個の赤外線ランプ12を、反応炉11内の加熱
が均一に行なえるように配置する。そして、基板15の
近傍位置に、基板15の表面温度を測定するための温度
測定手段14、例えば熱電対を設けてある。
Further, a heating unit 12 is provided outside the reaction furnace 11. The heating unit 12 is composed of an infrared irradiating means of any suitable configuration such as an infrared lamp. As the infrared lamp 12, a tungsten halogen lamp or any other suitable lamp is used. Preferably, the plurality of infrared lamps 12 are arranged so that the inside of the reaction furnace 11 can be heated uniformly. Then, at a position near the substrate 15, temperature measuring means 14 for measuring the surface temperature of the substrate 15, for example, a thermocouple is provided.

【0028】また、この装置には、反応炉11内を排気
するための排気手段21及び22を設けてある。排気手
段21、22および反応炉11間には、自動開閉バルブ
24、25、26、27、28、29、30を設けてあ
る。これらバルブを任意好適に開閉操作することによ
り、反応炉11内の圧力を任意好適な圧力に制御でき、
反応炉11内に低真空排気状態および高真空排気状態を
形成することが可能である。それらの真空度は真空計3
4で測定できる。
Further, this apparatus is provided with exhaust means 21 and 22 for exhausting the inside of the reaction furnace 11. Automatic opening / closing valves 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 are provided between the exhaust means 21, 22 and the reaction furnace 11. By appropriately opening and closing these valves, the pressure in the reaction furnace 11 can be controlled to any suitable pressure,
It is possible to form a low vacuum exhaust state and a high vacuum exhaust state in the reaction furnace 11. Their vacuum degree is vacuum gauge 3
It can be measured at 4.

【0029】さらに、この装置にはレリーフバルブ31
を設けてある。このバルブ31は、反応炉11内の圧力
が設定圧力以上、例えば760Torrを超えた場合に
自動的に開放する。排気手段22は、このバルブ31の
開放によってガス供給源(後述する。)から反応炉11
内へ供給されたガスを排気する。また、上述した圧力測
定および圧力制御には、必要真空度に応じた好適なゲー
ジを選択し、別途、圧力制御用コンダクタンスバルブを
使用することもできる。図2において、32、33は排
気管23に連通させて設けた真空計(または圧力ゲー
ジ)である。
Furthermore, this device has a relief valve 31.
Is provided. The valve 31 is automatically opened when the pressure inside the reaction furnace 11 exceeds a set pressure, for example, 760 Torr. The exhaust means 22 is opened from the gas supply source (described later) by opening the valve 31, and the reaction furnace 11 is opened.
The gas supplied inside is exhausted. Further, for the above-mentioned pressure measurement and pressure control, it is also possible to select a suitable gauge according to the required degree of vacuum and separately use a pressure control conductance valve. In FIG. 2, 32 and 33 are vacuum gauges (or pressure gauges) provided in communication with the exhaust pipe 23.

【0030】次に、ガス供給系につき説明する。この実
施例では、ガス供給系を図示のように配設した供給管5
8、この供給管58の適所に設けた自動開閉バルブ5
1、52、53、54、55、56および57、並びに
流量コントローラ46、47、48、49、50で構成
してある。各流量コントローラの、反応炉11とは反対
側の原料ガス源用接続部(以下、「接続部」と称す
る。)41〜45に原料ガス源(図示せず)を接続す
る。
Next, the gas supply system will be described. In this embodiment, a supply pipe 5 having a gas supply system arranged as shown in the drawing.
8. Automatic open / close valve 5 installed in the proper place of this supply pipe 58
1, 52, 53, 54, 55, 56 and 57, and flow controllers 46, 47, 48, 49 and 50. A raw material gas source (not shown) is connected to the raw material gas source connecting portions (hereinafter, referred to as “connecting portions”) 41 to 45 on the opposite side of the reaction furnace 11 of each flow rate controller.

【0031】そして、バルブ51〜56をそれぞれ、任
意好適に開閉することにより所望の原料ガスを任意のガ
ス混合比が設定されるように反応炉11へ供給できる。
この実施例では、接続部41には水素(H2 )ガス、接
続部42には水素希釈10(v/v)%シラン(SiH
4 )ガス、接続部43には水素希釈1(v/v)%ゲル
マン(GeH4 )ガス、接続部45には不活性ガス例え
ば窒素(N2 )ガスを割り当て、それぞれのガスが供給
できる構成としてある。なお、接続部44は、例えばS
i−Ge系半導体薄膜へ所望の不純物をドープするため
のガス源接続として使用できる。
The desired raw material gas can be supplied to the reaction furnace 11 by appropriately opening and closing the valves 51 to 56 so that an arbitrary gas mixing ratio is set.
In this embodiment, hydrogen (H 2 ) gas is used for the connecting portion 41, and hydrogen diluted 10 (v / v)% silane (SiH) is used for the connecting portion 42.
4 ) Gas, 1 (v / v)% germane (GeH 4 ) gas diluted with hydrogen to the connecting portion 43, and an inert gas such as nitrogen (N 2 ) gas to the connecting portion 45 so that each gas can be supplied There is. The connecting portion 44 may be, for example, S
It can be used as a gas source connection for doping desired impurities into the i-Ge based semiconductor thin film.

【0032】2.薄膜形成方法の実施例の説明 次に、この発明の半導体薄膜の一実施例であるSi−G
e系単結晶薄膜の形成例を説明する。なお、この実施例
では、原料ガスとしてシラン(SiH4 )およびゲルマ
ン(GeH4 )を用い、シリコン下地としてシリコン基
板を用いる。
2. Description of Embodiment of Thin Film Forming Method Next, Si-G which is one embodiment of the semiconductor thin film of the present invention.
An example of forming an e-based single crystal thin film will be described. In this example, silane (SiH 4 ) and germane (GeH 4 ) are used as the source gas and a silicon substrate is used as the silicon underlayer.

【0033】図1の(A)〜(D)は、この実施例の半
導体薄膜の形成方法の説明に供する工程図である。各図
は、主要工程段階で得られた構造体を厚さ方向に切って
示した断面図である。また、図3は、この実施例の形成
方法における加熱サイクルの説明図である。加熱サイク
ルは、縦軸に温度(℃の単位)をとり、横軸に時間(秒
を単位)をとって示してある。以下の説明は、図1〜図
3を適宜参照して行なう。
FIGS. 1A to 1D are process drawings for explaining the method of forming a semiconductor thin film of this embodiment. Each drawing is a cross-sectional view showing the structure obtained in the main process steps, taken along the thickness direction. FIG. 3 is an explanatory diagram of a heating cycle in the forming method of this embodiment. The heating cycle is shown by taking the temperature (unit: ° C) on the vertical axis and the time (unit: second) on the horizontal axis. The following description will be made with reference to FIGS. 1 to 3 as appropriate.

【0034】2−1.自然酸化膜の除去 基板15上に、この基板と同一方位のこの発明のSi−
Ge系単結晶膜を形成するに当たり、自然酸化膜61の
除去は重要である。以下、この自然酸化膜の除去が必要
な場合につき説明するが、もともと基板表面がきれいな
場合にはこの勝利を必要としないことは言うまでもな
い。この除去処理は、次のようにして行なう。
2-1. Removal of natural oxide film On the substrate 15, the Si- of the present invention having the same orientation as the substrate is formed.
Removal of the natural oxide film 61 is important in forming the Ge-based single crystal film. Hereinafter, the case where the removal of the natural oxide film is necessary will be described, but it goes without saying that this victory is not necessary when the surface of the substrate is originally clean. This removal processing is performed as follows.

【0035】まず、通常の方法により前処理の済んだ基
板15を、反応炉11内の基板支持体13上に固定す
る。この時点で、基板15の表面には自然酸化膜61が
できてしまっている(図1の(A))。そこで、排気手
段21及び22により反応炉11内を、例えば1×10
-6Torrの真空度となるように排気し、反応炉11内
を清浄化する。次に、反応炉11内に還元性ガス、例え
ば水素ガスを導入する(図3にIで示すH2 フロー)。
これは、自動ガス流量コントローラ46を介し、自動開
閉バルブ51およびバルブ55を開けることにより行な
える。そして、流量コントローラおよび排気系の開閉バ
ルブを調整し、反応炉11内の圧力を例えば100〜1
×10-2Torrの範囲となるように維持する。
First, the substrate 15 which has been pretreated by the usual method is fixed on the substrate support 13 in the reaction furnace 11. At this point, a natural oxide film 61 has been formed on the surface of the substrate 15 ((A) of FIG. 1). Therefore, for example, 1 × 10
The interior of the reaction furnace 11 is cleaned by exhausting to a vacuum degree of -6 Torr. Next, a reducing gas such as hydrogen gas is introduced into the reaction furnace 11 (H 2 flow indicated by I in FIG. 3).
This can be done by opening the automatic opening / closing valve 51 and the valve 55 via the automatic gas flow controller 46. Then, the flow controller and the opening / closing valve of the exhaust system are adjusted to adjust the pressure in the reaction furnace 11 to, for example, 100 to 1
It is maintained within the range of × 10 -2 Torr.

【0036】次に、加熱部12により基板15を、1℃
/秒〜10℃/秒の間の適当な割合で、好ましくは約5
℃/秒にて保持設定温度Toまで上昇させ、かつ保持さ
せる。この保持温度は、表面酸化膜除去反応温度(約8
30〜1000℃)およびSi−Ge成膜反応温度Ts
に比べて低い温度、例えば250〜300℃の温度とす
る。この温度では、表面酸化膜除去およびSi−Ge成
膜の反応温度は極めて遅く、これら反応には寄与しな
い。
Next, the substrate 15 is heated to 1 ° C. by the heating unit 12.
/ Sec to 10 ° C / sec at a suitable rate, preferably about 5
The temperature is raised to and held at the holding set temperature To at 0 ° C./sec. This holding temperature is the reaction temperature for removing the surface oxide film (about 8
30 to 1000 ° C.) and Si—Ge film forming reaction temperature Ts
Temperature lower than that of, for example, a temperature of 250 to 300 ° C. At this temperature, the reaction temperature for removing the surface oxide film and the Si-Ge film formation is extremely slow and does not contribute to these reactions.

【0037】次に、加熱部12による急速加熱処理によ
り自然酸化膜61を除去する(図3の工程IのH1期
間)。この急速加熱処理によって、還元性ガス雰囲気中
で基板15を加熱して基板15の自然酸化膜61を還元
し、自然酸化膜61が除去された基板15を得る(図1
(B))。
Next, the natural oxide film 61 is removed by the rapid heating process by the heating unit 12 (H1 period of step I in FIG. 3). By this rapid heat treatment, the substrate 15 is heated in a reducing gas atmosphere to reduce the natural oxide film 61 of the substrate 15, and the substrate 15 from which the natural oxide film 61 is removed is obtained (FIG. 1).
(B)).

【0038】ここで、この急速加熱処理は、加熱部12
を構成する赤外線ランプによって行なう。詳しくは、基
板15の表面温度を温度測定手段14で測定しながら赤
外線ランプにより、例えば基板15の表面温度を、50
℃/秒〜200℃/秒の間の適当な割合で、好ましくは
約50〜75℃/秒で上昇させ、反応処理温度が約83
0〜1000℃の範囲、好ましくは約900℃となった
ら、約10〜30秒間、この約900℃の温度状態を保
持するように基板15の加熱を制御する。 なお、この
実施例では、反応炉11内を既に述べたような減圧状態
に維持しながら、加熱処理を行なっているので、自然酸
化膜の還元による反応生成物が反応炉本体11外へ排気
され、そのため、反応生成物によって基板15および反
応炉11内が汚染される度合を低減できる。
Here, the rapid heating process is performed by the heating unit 12
By the infrared lamp that constitutes the. Specifically, while the surface temperature of the substrate 15 is being measured by the temperature measuring means 14, the surface temperature of the substrate 15 is, for example, 50% by an infrared lamp.
C./sec. To 200.degree. C./sec. At a suitable rate, preferably about 50 to 75.degree. C./sec.
When the temperature reaches the range of 0 to 1000 ° C., preferably about 900 ° C., the heating of the substrate 15 is controlled so as to maintain the temperature state of about 900 ° C. for about 10 to 30 seconds. In this embodiment, since the heat treatment is carried out while the inside of the reaction furnace 11 is maintained in the depressurized state as described above, the reaction product due to the reduction of the natural oxide film is exhausted to the outside of the reaction furnace main body 11. Therefore, the degree of contamination of the substrate 15 and the reaction furnace 11 by the reaction product can be reduced.

【0039】その後、炉内の温度を保持温度Toまで急
冷する。この時の急冷は、導入中の水素ガスにより行な
う。次に、バルブ55および51を閉じバルブ27を開
けて、反応炉11内を例えば1×10-6Torrの高真
空に排気する。
After that, the temperature in the furnace is rapidly cooled to the holding temperature To. The rapid cooling at this time is performed by the hydrogen gas being introduced. Next, the valves 55 and 51 are closed and the valve 27 is opened, and the inside of the reaction furnace 11 is evacuated to a high vacuum of, for example, 1 × 10 −6 Torr.

【0040】2−2.Si1-x Gex 薄膜の形成 次に、反応炉11内の反応性ガス雰囲気として、Siを
含有するIV族系水素ガスおよびGeを含有するIV族
系水素ガスの混合ガス雰囲気を用いる。このガス雰囲気
中で、シリコン基板15に対し急速加熱処理を行ないな
がら、このシリコン基板15の主表面上にSi1-x Ge
x 単結晶薄膜をバッファ層として形成する。
2-2. Formation of Si 1-x Ge x Thin Film Next, a mixed gas atmosphere of a group IV hydrogen gas containing Si and a group IV hydrogen gas containing Ge is used as the reactive gas atmosphere in the reaction furnace 11. In this gas atmosphere, Si 1-x Ge is deposited on the main surface of the silicon substrate 15 while performing rapid heat treatment on the silicon substrate 15.
An x single crystal thin film is formed as a buffer layer.

【0041】そのため、まず、バルブ27を閉じ、バル
ブ28、55、52を開いて、最初に、Siを含有する
IV族系水素ガスとしてこの場合水素希釈10(v/
v)%シラン(SiH4 )を反応炉11内に供給し、続
いて、バルブ53を開き、Geを含有するIV族系水素
ガスとしてこの場合水素希釈1(v/v)%ゲルマン
(GeH4 )を反応炉11内に供給する。このとき、シ
リコン含有IV族水素系ガスに対するGe含有IV族水
素系ガスの相対濃度を、例えば、水素希釈シランと水素
希釈ゲルマンとの流量比が10:1となるように、か
つ、反応炉11内が例えば約10Torr程度の減圧状
態になるよう、両ガスの流量を予め調整しておく(図3
にIIで示す(SiH4 +GeH4 )フロー)。
Therefore, first, the valve 27 is closed and the valves 28, 55, 52 are opened, and first, in this case, hydrogen is diluted to 10 (v / v) as a group IV hydrogen gas containing Si.
v)% silane (SiH 4 ) is supplied into the reaction furnace 11, and subsequently, the valve 53 is opened and hydrogen diluted 1 (v / v)% germane (GeH 4 ) is used as a group IV hydrogen gas containing Ge. ) Is supplied into the reaction furnace 11. At this time, the relative concentration of the Ge-containing Group IV hydrogen-based gas with respect to the silicon-containing Group IV hydrogen-based gas is set so that, for example, the flow ratio of hydrogen-diluted silane and hydrogen-diluted germane is 10: 1, and the reaction furnace 11 The flow rates of both gases are adjusted in advance so that the inside is in a reduced pressure state of, for example, about 10 Torr (see FIG. 3).
II (SiH 4 + GeH 4 ) flow).

【0042】次に、このようなガス雰囲気において、加
熱部12によりシリコン基板15に対し急速加熱処理を
行なう(図3の工程IIのH2期間)。
Next, in such a gas atmosphere, the heating portion 12 performs a rapid heat treatment on the silicon substrate 15 (H2 period of step II in FIG. 3).

【0043】この急速加熱処理は、加熱部12を構成す
る赤外線ランプによって行なう。詳しくは、基板15の
表面温度を温度測定手段14で測定しながら赤外線ラン
プにより、例えば基板15の表面温度を、50℃/秒〜
200℃/秒の間の適当な割合で、好ましくは約50〜
75℃/秒にて上昇させて、基板表面温度が例えば約8
00〜850℃の好適な成膜処理温度Tsとなったら、
約1〜10秒間、この約800〜850℃の温度状態を
保持するように、基板15の加熱を制御する。
This rapid heating process is performed by an infrared lamp which constitutes the heating unit 12. Specifically, while measuring the surface temperature of the substrate 15 by the temperature measuring means 14, the surface temperature of the substrate 15 is, for example, 50 ° C./sec.
At a suitable rate between 200 ° C / sec, preferably about 50-
The substrate surface temperature is increased to about 8 by increasing the temperature at 75 ° C / sec.
When the suitable film formation processing temperature Ts of 00 to 850 ° C. is reached,
The heating of the substrate 15 is controlled so as to maintain this temperature state of about 800 to 850 ° C. for about 1 to 10 seconds.

【0044】この成膜処理により、基板15上には基板
面方位と同一の面方位の第1のSi1-X GeX 単結晶膜
(この場合、Ge組成比0≦X<0.1)63のバッフ
ァ層が約10〜50nmの膜厚で成長する(図1
(C))。
By this film forming process, the first Si 1-x Ge x single crystal film having the same plane orientation as the substrate plane orientation (in this case, the Ge composition ratio 0 ≦ X <0.1) is formed on the substrate 15. 63 buffer layers grow to a thickness of about 10-50 nm (Fig. 1
(C)).

【0045】2−3.Si1-Y GeY 薄膜の形成 次に、第1のSi1-X GeX 単結晶膜63の成膜に引き
続き、反応炉11内の、Si含有IV族水素系ガスに対
するGe含有IV族水素系ガスの相対濃度を、バッファ
層63の成膜の場合よりも高くする。上述の水素希釈S
iH4 および水素希釈GeH4 の流量比が4:1となる
ようにガスの流量の調整を行なう(同じく図3の工程I
Iで示す(SiH4 +GeH4 )フロ−)。かつ、反応
炉11内は、そのまま10Torr程度の減圧状態に保
つ。
2-3. Formation of Si 1-Y Ge Y Thin Film Next, following the film formation of the first Si 1-x Ge x single crystal film 63, the Ge-containing IV group hydrogen in the reaction furnace 11 with respect to the Si-containing IV group hydrogen-based gas is formed. The relative concentration of the system gas is set higher than in the case of forming the buffer layer 63. Hydrogen dilution S mentioned above
The gas flow rate is adjusted so that the flow rate ratio of iH 4 and hydrogen diluted GeH 4 is 4: 1 (also step I in FIG. 3).
Indicated by I (SiH 4 + GeH 4) furo -). In addition, the inside of the reaction furnace 11 is kept in a reduced pressure state of about 10 Torr.

【0046】反応炉11内をこのような雰囲気に調整し
たら、基板15の表面温度を温度測定手段14で測定し
ながら、更に約60〜120秒間、成膜処理温度Tsを
保持するように、Si1-X GeX 薄膜63形成済みの基
板15を加熱手段12により加熱する(図3の工程II
のH3期間)。その後、炉内の温度を保持温度Toまで
急冷した後、バルブ52および53を閉じ、次に水素ラ
イン系バルブ51を開けてH2 ガスを導入し、成膜を停
止する(図3の工程III で示すH2 フロー)。
After the inside of the reaction furnace 11 is adjusted to such an atmosphere, the surface temperature of the substrate 15 is measured by the temperature measuring means 14 and the film formation processing temperature Ts is maintained for about 60 to 120 seconds. The substrate 15 on which the 1-X Ge X thin film 63 has been formed is heated by the heating means 12 (step II in FIG. 3).
H3 period). After that, the temperature in the furnace is rapidly cooled to the holding temperature To, the valves 52 and 53 are closed, the hydrogen line valve 51 is then opened, and H 2 gas is introduced to stop the film formation (step III in FIG. 3). H 2 flow).

【0047】この成膜処理により、Si1-X GeX 薄膜
63の上には基板面方位と同一の面方位の第2のSi
1-Y GeY 単結晶膜(この場合、Ge組成比Y≒0.
2)65が250nm程度の膜厚で成長する(図1の
(D))。
By this film forming process, the second Si having the same plane orientation as the substrate plane orientation is formed on the Si 1-X Ge X thin film 63.
1-Y Ge Y single crystal film (in this case, Ge composition ratio Y≈0.
2) 65 grows to a film thickness of about 250 nm ((D) of FIG. 1).

【0048】なお、このSi1-X GeX 単結晶膜63
は、薄い膜であればよいが、好ましくは膜厚tを0<t
≦50nmの範囲内の任意好適な値とするのがよい。ま
た、この薄膜63のGe組成比は0≦X≦0.1の範囲
内の任意好適な値とするのが良い。さらに、このバッフ
ァ層63を介して形成されるSi1-Y GeY 単結晶膜6
5は、この膜に素子を形成することを考慮し、膜厚を約
10〜600nmの範囲の任意好適な値とするのがよ
い。また、この薄膜65のGe組成比は0.1≦Y≦1
の範囲内の任意好適な値とするのがよい。このようにし
て、Si1-X GeX薄膜63とSi1-Y GeY 薄膜65
とからなるSi−Ge薄膜67が得られる。
The Si 1-x Ge x single crystal film 63
Is a thin film, but preferably the film thickness t is 0 <t
Any suitable value within the range of ≦ 50 nm is preferable. Further, the Ge composition ratio of the thin film 63 is preferably set to any suitable value within the range of 0 ≦ X ≦ 0.1. Furthermore, the Si 1-Y Ge Y single crystal film 6 formed via the buffer layer 63
In consideration of forming an element on this film, it is preferable that the film thickness 5 be any suitable value in the range of about 10 to 600 nm. The Ge composition ratio of the thin film 65 is 0.1 ≦ Y ≦ 1.
Any suitable value within the range is preferable. Thus, the Si 1-X Ge X thin film 63 and the Si 1-Y Ge Y thin film 65 are formed.
A Si-Ge thin film 67 composed of and is obtained.

【0049】次に、バルブ55を閉じ、反応炉11内へ
のガスの供給を停止するとともに、加熱部12による基
板15の加熱を停止し、保持していた保持温度Toから
室温RTまで基板温度が冷却するのを待つ。
Next, the valve 55 is closed, the supply of gas into the reaction furnace 11 is stopped, the heating of the substrate 15 by the heating unit 12 is stopped, and the substrate temperature is raised from the held temperature To to the room temperature RT. Wait for them to cool.

【0050】その後、不活性ガスを導入して反応炉11
内の圧力を1気圧(760Torr)とし、結晶成長済
み基板を反応炉11から取り出す(図3に工程IVで示
す)。
Then, an inert gas is introduced to the reaction furnace 11
The internal pressure is set to 1 atm (760 Torr), and the crystal-grown substrate is taken out of the reaction furnace 11 (shown as step IV in FIG. 3).

【0051】以上、この発明の半導体薄膜の形成方法の
実施例について説明したが、この発明は、上述の実施例
に限られるものではない。
The embodiments of the method for forming a semiconductor thin film of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments.

【0052】例えば、上述の実施例では半導体薄膜形成
用ガスとして水素希釈のSiH4 および水素希釈のGe
4 ガスを用いた場合について説明した。しかし、使用
し得るガスはこれらに限られない。SiH4 ガスの代わ
りに、例えばSi2 6 、Si(CH3 )H3 、Si3
8 、Si(CH3 2 2 、Si(CH3 3 H、S
i(CH3 4 、Si2 (CH3 6 、Si(CH3
3 FおよびSi(CH3 2 2 よりなるガス群から選
択された1種または2種以上のガスとか、またはSiH
4 とこれらのガスとの混合ガスを用いても実施例と同様
な効果が期待できる。また、GeH4 の代わりに、例え
ばGeF4 、GeF2 、GeFおよびGeH3 Fよりな
るガス群から選択された1種または2種以上のガスと
か、またはGeH4 とこれらのガスとの混合ガスを用い
ても実施例と同様な効果が期待できる。
For example, in the above-described embodiment, SiH 4 diluted with hydrogen and Ge diluted with hydrogen are used as the semiconductor thin film forming gas.
The case of using H 4 gas has been described. However, the gases that can be used are not limited to these. Instead of SiH 4 gas, for example, Si 2 H 6 , Si (CH 3 ) H 3 , Si 3
H 8, Si (CH 3) 2 H 2, Si (CH 3) 3 H, S
i (CH 3) 4, Si 2 (CH 3) 6, Si (CH 3)
One or more gases selected from the group of gases consisting of 3 F and Si (CH 3 ) 2 F 2 , or SiH
Even if a mixed gas of 4 and these gases is used, the same effect as that of the embodiment can be expected. Instead of GeH 4 , for example, one or more gases selected from the gas group consisting of GeF 4 , GeF 2 , GeF and GeH 3 F, or a mixed gas of GeH 4 and these gases may be used. Even if it is used, the same effect as that of the embodiment can be expected.

【0053】また、上述した実施例では、基板の加熱を
タングステン−ハロゲンランプを用いて行なっている
が、これの代わりに、キセノンアークランプ、レーザビ
ーム、ヒータなどを用いてもよい。
Although the substrate is heated by using the tungsten-halogen lamp in the above-mentioned embodiments, a xenon arc lamp, a laser beam, a heater or the like may be used instead.

【0054】図4の(B)は、この発明の方法により、
Siの下地15の主表面上にSi−Ge系半導体薄膜6
7を作成したときの状態の説明図である。この発明によ
れば、上述した実施例からも明らかなように、成膜前に
Siの下地表面の清浄化を行なっており、その後、Si
の下地上にSi1-X GeX の薄いバッファ層63とその
上側にSi1-Y GeY 薄膜65とを順次に室温よりも充
分高い温度で成膜を行なう。バッファ層63の成膜中
は、Si含有IV族水素系ガスの方がGe含有IV族水
素系ガスの方よりも遥かに濃度が高いので、多量のSi
4 で下地表面上の汚染物を除去できる。
FIG. 4B shows the result of the method of the present invention.
The Si—Ge based semiconductor thin film 6 is formed on the main surface of the Si underlayer 15.
It is explanatory drawing of the state when 7 was created. According to the present invention, as is clear from the above-described embodiments, the surface of the Si underlayer is cleaned before film formation, and thereafter, Si is cleaned.
A thin buffer layer 63 of Si 1-X Ge X and a Si 1-Y Ge Y thin film 65 are sequentially formed on the lower surface of the lower layer at a temperature sufficiently higher than room temperature. During the formation of the buffer layer 63, since the Si-containing group IV hydrogen-based gas has a much higher concentration than the Ge-containing group IV hydrogen-based gas, a large amount of Si is contained.
The H 4 can remove contaminants on the underlying surface.

【0055】また、バッファ層63をSi1-X Ge
X (0≦X<0.1)としてあるので、このバッファ層
63の格子定数はSiの格子定数と近い値となっている
ため、このバッファ層63は、格子定数の不整合に起因
する歪みが少ない膜となっている。さらに、表面が清浄
化された状態にあるバッファ層63上に、格子定数の実
質的に均一のSi1-Y GeY (0.1≦Y≦1)の薄膜
65を成膜するので、この薄膜65も、欠陥はもとよ
り、ミスフィット転位も発生しない単結晶のSi1-Y
Y 膜となっている。
Further, the buffer layer 63 is formed of Si 1-X Ge.
Since X (0 ≦ X <0.1), the lattice constant of the buffer layer 63 is close to the lattice constant of Si. Therefore, the buffer layer 63 is strained due to the mismatch of lattice constants. There are few films. Further, a thin film 65 of Si 1-Y Ge Y (0.1 ≦ Y ≦ 1) having a substantially uniform lattice constant is formed on the buffer layer 63 whose surface is cleaned. The thin film 65 is also a single-crystal Si 1-Y G that does not generate defects or misfit dislocations.
It is an e Y film.

【0056】また、両膜63および65の成膜を、好ま
しくは、急速加熱で行なうので、両膜中における応力の
発生を小さくできる。そのため、両膜63および65に
スリップ転位が発生するおそれがない。
Since both films 63 and 65 are preferably formed by rapid heating, stress generation in both films can be reduced. Therefore, there is no risk of slip dislocations occurring in both films 63 and 65.

【0057】[0057]

【発明の効果】上述したこの発明の方法によれば、単結
晶Si−Geバッファ層形成過程において、多量のシリ
コンを含有する水素系ガス、例えばシランガスで下地の
Si表面を暴露することになるので、下地表面は、シラ
ンガス特有の強い還元作用を受け、そのため、下地表面
の炭化物や金属酸化物が除去され、表面が清浄化された
状態となる。
According to the above-described method of the present invention, in the process of forming the single crystal Si-Ge buffer layer, the underlying Si surface is exposed to a hydrogen-containing gas containing a large amount of silicon, for example, silane gas. The base surface is subjected to a strong reducing action peculiar to silane gas, so that the carbide and metal oxides on the base surface are removed and the surface is cleaned.

【0058】また、単結晶Si1-X GeX バッファ層
(Ge組成比Xは、X<0.1)は下地シリコンに近い
組成となっているため、格子緩和が起き、歪みの少ない
膜として形成することができる。このようなバッファ層
を介して、基板上に所望の組成のSi1-Y GeY 膜(G
e組成比Yは、0.1≦Y≦1)を成長させることによ
り、欠陥、ミスフィット転位のない単結晶薄膜が形成で
きる。また、成膜プロセス中の急速加熱による応力の発
生を小さくできるため、スリップ転位が起きにくい。
Further, since the single crystal Si 1-x Ge x buffer layer (Ge composition ratio X is X <0.1) has a composition close to that of the underlying silicon, lattice relaxation occurs and a film with less strain is formed. Can be formed. Through such a buffer layer, a Si 1-Y Ge Y film (G
The e composition ratio Y of 0.1 ≦ Y ≦ 1) allows growth of a single crystal thin film without defects and misfit dislocations. In addition, since the occurrence of stress due to rapid heating during the film forming process can be reduced, slip dislocation is unlikely to occur.

【0059】この発明の半導体薄膜の形成方法の一実施
例によれば、所望の単結晶Si1-YGeY 膜成長前に、
基板上に単結晶Si1-X GeX バッファ層(Ge組成比
Xは、X<0.1)を形成すること、また成膜時の急速
加熱処理において、成膜前後の基板保持温度を約250
〜350℃に設定するので、下地への応力により発生す
るスリップを抑制することができる。
According to one embodiment of the method for forming a semiconductor thin film of the present invention, before a desired single crystal Si 1-Y Ge Y film is grown,
A single crystal Si 1-X Ge X buffer layer (Ge composition ratio X is X <0.1) is formed on the substrate, and the substrate holding temperature before and after film formation is set to about 10% during rapid heat treatment during film formation. 250
Since the temperature is set to ˜350 ° C., it is possible to suppress the slip caused by the stress on the base.

【0060】従って、この発明によれば、大口径のSi
下地上に均一な膜厚および膜質の、いわゆる良質のSi
−Ge系半導体薄膜を形成できる。
Therefore, according to the present invention, Si having a large diameter is used.
So-called high-quality Si with a uniform film thickness and film quality on the lower surface
A Ge-based semiconductor thin film can be formed.

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

【図1】実施例の半導体薄膜の形成方法の説明に供する
工程図である。
FIG. 1 is a process chart for explaining a method for forming a semiconductor thin film of an example.

【図2】この発明の実施に使用する成膜装置の全体構成
を概略的に示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the overall structure of a film forming apparatus used for carrying out the present invention.

【図3】実施例の薄膜形成条件の説明に供する図であ
り、ガス供給条件及び基板加熱条件を示す図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining thin film forming conditions of Examples, and is a diagram showing gas supply conditions and substrate heating conditions.

【図4】従来例と、この発明の実施例との比較の説明に
供する説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a comparison between a conventional example and an example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

15:シリコン基板 61:自然酸化膜 63:Si1-X Gex 単結晶膜 65:Si1-Y GeY 単結晶膜 67:Si−Ge薄膜15: Silicon substrate 61: Natural oxide film 63: Si 1-X Ge x single crystal film 65: Si 1-Y Ge Y single crystal film 67: Si-Ge thin film

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 同一反応炉内で、シリコン(Si)の下
地上にSi−Ge(ゲルマニウム)系半導体薄膜を形成
する方法において、 反応炉内の反応性ガス雰囲気を、シリコンを含有するI
V族水素系ガスとゲルマニウムを含有するIV族水素系
ガスとの混合ガス雰囲気とし、かつ下地を加熱処理しな
がら、該下地の主表面上に単結晶のSi1-X GeX 薄膜
をバッファ層として形成する工程と、 前記反応炉内における前記混合ガス雰囲気中での、前記
シリコンを含有するIV族水素系ガスに対する前記ゲル
マニウム含有のIV族水素系ガスの相対ガス濃度を、前
記バッファ層を形成したときの相対ガス濃度よりも高く
し、かつ前記下地を加熱処理しながら、前記バッファ層
上に単結晶のSi1-Y GeY 薄膜を形成する工程とを含
む(ただし、Ge組成比X,Yは、0≦X≦0.1,
0.1≦Y≦1を満足する値である。)ことを特徴とす
る半導体薄膜の形成方法。
1. A method of forming a Si—Ge (germanium) -based semiconductor thin film on a lower surface of silicon (Si) in the same reaction furnace, wherein a reactive gas atmosphere in the reaction furnace contains silicon containing I
A buffer layer of a single-crystal Si 1-X Ge X thin film on the main surface of the underlayer in a mixed gas atmosphere of a group V hydrogen-based gas and a group IV hydrogen-based gas containing germanium, and while heat-treating the underlayer. And the relative gas concentration of the germanium-containing Group IV hydrogen-based gas with respect to the silicon-containing Group IV hydrogen-based gas in the mixed gas atmosphere in the reaction furnace, the buffer layer is formed. And forming a single crystal Si 1-Y Ge Y thin film on the buffer layer while increasing the relative gas concentration at that time and performing heat treatment on the underlayer (where Ge composition ratio X, Y is 0 ≦ X ≦ 0.1,
The value satisfies 0.1 ≦ Y ≦ 1. ) A method for forming a semiconductor thin film characterized by the above.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法
において、 単結晶のSi1-X GeX 薄膜およびSi1-Y GeY 薄膜
を形成するときの下地の加熱処理を赤外線加熱により行
ない、かつ成膜前後の下地保持温度を約250〜350
℃とすることを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
2. The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the heat treatment of the base when forming the single crystal Si 1-X Ge X thin film and the Si 1-Y Ge Y thin film is performed by infrared heating. And, the substrate holding temperature before and after film formation is about 250 to 350.
A method for forming a semiconductor thin film, characterized in that the temperature is set to ℃
【請求項3】 請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法
において、 単結晶のSi1-X GeX 薄膜を、Geの組成比Xを0≦
X≦0.1の範囲内の値としかつその膜厚tが0<t≦
50nmの範囲内の値となるように形成することを特徴
とする半導体薄膜の形成方法。
3. The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the single crystal Si 1-x Ge x thin film has a Ge composition ratio X of 0 ≦.
X ≦ 0.1 and the film thickness t is 0 <t ≦
A method of forming a semiconductor thin film, which comprises forming the film to have a value within a range of 50 nm.
【請求項4】 請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法
において、 シリコンを含有するIV族水素系ガスを、SiH4 、S
2 6 、Si(CH3 )H3 、Si3 8 、Si(C
3 2 2 、Si(CH3 3 H、Si(C
3 4 、Si2 (CH3 6 、Si(CH3 3 Fお
よびSi(CH3 2 2 よりなるガス群から選択され
る1種または2種以上のガスとすることを特徴とする半
導体薄膜の形成方法。
4. The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the group IV hydrogen-based gas containing silicon is SiH 4 , S.
i 2 H 6 , Si (CH 3 ) H 3 , Si 3 H 8 , Si (C
H 3 ) 2 H 2 , Si (CH 3 ) 3 H, Si (C
One or more gases selected from the gas group consisting of H 3 ) 4 , Si 2 (CH 3 ) 6 , Si (CH 3 ) 3 F and Si (CH 3 ) 2 F 2. And a method for forming a semiconductor thin film.
【請求項5】 請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法
において、 ゲルマニウムを含有するIV族水素系ガスを、Ge
4 、GeF4 、GeF2、GeFおよびGeH3 Fよ
りなるガス郡から選択される1種または2種以上のガス
とすることを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
5. The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the group IV hydrogen-based gas containing germanium is Ge.
A method for forming a semiconductor thin film, which comprises using one or more gases selected from a gas group consisting of H 4 , GeF 4 , GeF 2 , GeF and GeH 3 F.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6042900A (en) * 1996-03-12 2000-03-28 Alexander Rakhimov CVD method for forming diamond films
JP2006344984A (en) * 2006-07-06 2006-12-21 Hitachi Kokusai Electric Inc Hydrogen annealing treatment method and its device
JP2011146704A (en) * 2011-01-08 2011-07-28 Hitachi Kokusai Electric Inc Hydrogen annealing treatment method and hydrogen annealing treatment device

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