JPH0713951B2 - シリコンエピタキシャル膜の選択成長方法 - Google Patents

シリコンエピタキシャル膜の選択成長方法

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JPH0713951B2 JP2264315A JP26431590A JPH0713951B2 JP H0713951 B2 JPH0713951 B2 JP H0713951B2 JP 2264315 A JP2264315 A JP 2264315A JP 26431590 A JP26431590 A JP 26431590A JP H0713951 B2 JPH0713951 B2 JP H0713951B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリコンエピタキシャル膜の選択成長方法に関
する。
〔従来の技術〕
従来のシリコンエピタキシャル膜の選択成長方法は、シ
リコン基板上に設けた酸化シリコン膜を選択的にエッチ
ングして開口部を設け、このシリコン基板をガスソース
分子線成長(MBE)装置内に取付けてジシラン(Si2H6
ガス分子線を照射し、開口部のシリコン基板の表面にシ
リコンエピタキシャル膜を成長する。この方法は、低温
でシリコン膜の選択成長ができる技術として注目されて
いる。
しかし、Si2H6ガスだけを用いたガスソースによるシリ
コンエピタキシャル膜成長方法では、ジクロルシランを
用いる場合と異なり、ある一定の成長条件であれば、膜
厚を成長しても選択成長が崩れないという条件は無く、
成長温度で決定される臨界分子総数以上のSi2H6分子が
照射されるとSiO2膜上でSiの核形成が起り、選択成長が
崩れてしまうことがわかっている。第3図は成長温度を
変化させたときのSi2H6ガス流量と選択成長条件が崩れ
るまでの時間との関係を示した図である。第3図から、
選択成長条件が崩れる時間はSi2H6ガスの流量に逆比例
している事と、成長温度が上がると崩れるまでの時間が
短くなる事がわかる。これは選択成長が崩れる条件がSi
O2膜上に照射されたSi2H6分子の総数によって決定さ
れ、この臨界総数は成長温度に依存していることを示し
ている。第4図は選択成長が崩れるまでの臨界総数と成
長温度の関係をアレニウスプロットした図である。臨界
総数は成長速度を変化させても成長温度が同じであれば
ほぼ一点に集約し、しかも、温度を変えるとアレニウス
プロット上にのることがわかった。これは、選択成長が
維持されている時間内でも酸化膜表面では何等かの反応
が生じており、反応速度は基板温度に依存している事を
示している。成長温度700℃のときはSi2H6ガス流量75SC
CMまでは供給律速であり、成長速度はSi2H6ガス流量に
比例する。従って、Si2H6ガス流量75SCCMまでは、選択
成長条件が崩れるときの成長膜の厚さはSi2H6ガス流量
に依存せず同じとなる。成長温度700℃における選択成
長可能な膜厚は約100nmである。
〔発明が解決しようとする課題〕
このように従来のジシランガス分子線を用いるシリコン
エピタキシャル膜の成長方法では、Si2H6ガス流量、成
長速度を変えても、選択成長できる臨界膜厚は変化せ
ず、それ以上の厚い膜を選択成長することができないと
いう問題点があった。Si3N4膜の場合にも同様の現象が
見られ、しかもSiO2膜よりも選択性が悪く、選択成長で
きる臨界膜厚は約10nmであった。
本発明の目的は、この様な従来の欠点を除去せしめて、
シラン系ガスを用いたガスソースエピタキシャル成長に
おいて、厚い膜の成長を行なっても選択性を崩さない方
法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の第1のシリコンエピタキシャル膜の選択成長方
法は、少くとも表面にシリコン層を有し前記シリコン層
の表面に選択的にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を
設けた基板を真空容器内に配し、気相反応が起らない条
件で前記シリコン層の表面にシラン系ガス分子線及びゲ
ルマル系ガス分子線の少なくとも一方と塩酸ガス分子線
を同時に照射してシリコン膜又はゲルマニウムを含むシ
リコン膜を選択成長させる工程を含んで構成される。
本発明の第2のシリコンエピタキシャル膜の選択成長方
法は、少くとも表面にシリコン層を有し前記シリコン層
の表面に選択的にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を
設けた基板を真空容器内に配し、気相反応が起らない条
件で前記シリコン層の表面にシラン系ガス分子線及びゲ
ルマン系ガスの少くとも一方を照射して前記シリコン層
の表面にシリコン膜又はゲルマニウムを含むシリコン膜
を選択成長させる工程と、塩酸ガス分子線を照射して前
記シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜の上に堆積するシ
リコン又はゲルマニウムをエッチング除去する工程とを
交互に繰返す手段を含んで構成される。
〔作用〕
従来例でSiO2膜上にSi2H6ガスを照射した場合、第2図
(a)に示す様に、Si2H6ガス分子24はシリコン基板22
上に形成したSiO2膜21の表面上の準安定状態にトラップ
された後、再離脱する。この時、基板温度によって決ま
るある確率で少数のSi2H6分子が分解を起こし、Si原子2
3となってSiO2膜21の上に付着する。次に、第2図
(b)に示す様に、SiO221上に付着したSi原子がある臨
界数以上になると核形成を起こし、SiO2膜21上にポリシ
リコンアイランド25が形成される。次に、第2図(c)
に示すように、いったんポリシリコンアイランド25が形
成されると、この上でのSiの成長速度はSi開口部におけ
る成長速度と同じため急速にポリシリコンアイランド25
は成長する。シラン系ガスを用いた成長の場合、以上の
ような過程を経て選択成長は崩れる。発明者等は、シラ
ン系ガス分子線による選択成長時、塩酸ガス分子線を同
時に照射すると選択成長可能な膜厚が増加することを見
出した。これは、選択成長中、SiO2膜上に形成されるSi
原子が同時に照射された塩酸分子と反応して蒸気圧の高
いSiCl2ガスとなって蒸気するからである。しかし、こ
の方法では、成長中GCl分子線を照射し続けるため、Si
開口部においてもエッチングが起こり、また、Si2H6
子の分解過程にClの効果が入ってくるため、開口部にお
ける成長速度が低下するという問題点があった。そこ
で、発明者は、ポリシリコンの核形成が起こる前に成長
を止め、HCl分子線のみを照射する工程をはさむと、厚
い膜を成長しても選択性が崩れず、しかも、成長速度が
ほとんど低下しないことを新たに見出した。これは、次
の様な原理に基づく。第1図(a)に示す様に、シリコ
ン基板12上に設けたSiO2膜11の上にSi2H6ガスを照射す
ると、SiO2膜11上のSi原子13の密度が増加してくる。ポ
リシリコンの核形成が起こる前に基板にHCl分子線を照
射すると第1図(b)に示す様にSiO2膜11上のSi原子13
はHClガスと反応して蒸気圧の高いSiCl2ガスの形で蒸発
してしまう。この時、Si開口部上のSiエピタキシャル層
もエッチングされるが、SiO2膜11上のSi原子数はたかだ
か1原子層程度であり、時間さえうまく選べば、第1図
(c)に示すように、エピタキシャル層をほとんどエッ
チングせずにSiO2膜11上のSi原子13を除去することがで
きる。従って、第1図(d)に示すように、ふたたび選
択成長を続けることが可能となる。しかし、一度、ポリ
シリコンの核が形成されると、核内のSiはHC1ガスと反
応できないため、簡単に蒸発させてしまうことはできな
い。Si3N4膜の場合にも同じ原理に基づいて選択成長の
条件を広げることができる。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について具体的に説明する。実験
はシリコンのガスソースMBE装置をもちいた。主排気ポ
ンプには排気量1000l/sのターボモレキュラーポンプを
もちいた。Si2H6ガス及びHClガスはマスフローコントロ
ーラで流量を制御し、それぞれ別のSUS製ノズルで基板
斜め下100mmより供給した。圧力の高い所で、これらの
ガスを混合することは、爆発の恐れがあり危険である。
基板は(100)面を有する4インチSi基板の表面に膜厚
0.4μmのCVDによる酸化膜パターンが形成してある。成
長は基板温度を700℃、ガス流量は5SCCMで行なった。選
択成長しているかどうかの判別はRHEED(反射高エネル
ギー電子線回折)のその場(in−situ)測定により求め
た。成長した基板は大気に取り出した後、SEM(Seconda
ry Electron Microsopy)及びTEM(Transmission Elect
ron Microscopy)で選択成長の状況及び結晶性を観察
し、弗酸で酸化膜パターンを除去してタリステップ(触
針走査法)で選択成長した膜厚を測定した。
基板温度を700℃に設定し5SCCMのSi2H6分圧は6×10-4T
orrとなり、Si開口部に成長が始まる。このとき、基板
上に別のノズルから、0.5SCCMのHCl分子線を照射する
と、1μm以上の膜厚を成長しても選択性は崩れなかっ
た。しかし、成長速度は、HCl分子線を照射しない場合
の1/5に減少した。これは、Si基板(100)面上でのSi2H
6ガスの反応効率が数%であるのに対し、700℃における
HClガスの反応効率が皺めて高いからであり、Si表面に
おけるエッチングと、Clの存在によりSi2H6分子の分解
過程が変化するためであると考えられる。そこで、発明
者は、Si2H6分子線とHCl分子線を交互に照射する方法を
試みた。
第5図はSi2H6ガス流量とHClガス流量のタイムチャート
を示した図である。
第5図に示すように、成長温度700℃での成長速度は50n
m/minであり、選択性が崩れる臨界膜厚は約100nmである
ので、選択性が崩れる前にSiO2膜上のSiをエッチングす
るため、Si2H6ガスによる成長時間は1分とした。この
後、Si2H6ガスの供給を止め、HClガスでエッチングを行
なった。エッチングの時間は1〜60秒の間で変化させ
た。エッチング後、再びSi2H6ガスを供給して、1分間
成長する工程を繰返した。
第6図は、エッチング時間と選択性が崩れる臨界膜厚及
び、成長速度との関係を示した図である。
第6図に示すように、エッチング時間が10秒を越えると
急激に臨界膜厚が増え、しかも成長速度がほとんど変化
しないことがわかり、本実施例の効果を確認できた。
またSi2H6ガス4SCCMとゲルマン(GeH4)ガス1SCCMを供
給して基板温度700℃でSi層上にGe0.2Si0.8混晶膜を成
長させたりGeH4ガス5SCCMを供給してSi層上のGe膜を成
長させた場合にも第6図に示した関係はまったく同じで
あり、GexSi(1-x)混晶膜及びGe膜の成長にも有効である
事がわかった。また、選択成長が崩れる直前で成長をや
めHClガスを供給する方法で、Si2H6ガスとGeH4ガスを交
互に送る事によって、Ge3層、Si7層という超格子構造を
200周期に渡って選択成長する事ができた。
なお、本実施例ではシリコンウェハーを対象としたが、
表面にのみシリコンが存在するSOS(Silicon on Sapphi
re)基板やSOI(Silicon on Insulator)基板等にも適
用できる。また、本実施例では、Si2H6ガス及びGeH4
スを使った例につい述べたが、シランガス(SiH4)、ト
リシランガス(Si3H8)、シゲルマンガス(Ge2H6)を使
用しても良い。また、本実施例では、SiO2膜との選択性
について述べたがSi3N4膜の場合にもまったく同じ現象
が観察され、本実施例の効果を確認できた。
〔発明の効果〕
以上、説明したように本発明は、シラン系ガス及びゲル
マン系ガスを用いた選択成長中にSiO2膜もしくはSi3N4
膜上に形成されるSi原子又はヘルマニウム原子をポリシ
リコンの核ができる前にHClガスによるエッチングを用
いて蒸発させることによって、選択成長の条件を広げ、
厚い膜の成長を行なうことができるという効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の作用を説明するための動作順に示した
基板の断面図、第2図は従来例の作用を説明するための
動作順に示した基板の断面図、第3図は従来例の成長温
度を変化させたときのSi2H6ガス流量と選択成長条件が
崩れるまでの時間との関係を示す図、第4図は従来例の
選択成長が崩れるまでのSi2H6臨界分子総数と成長温度
の関係を示す図、第5図は実施例のSi2H6流量とHCl流量
のタイムチャートを示す図、第6図は実施例のエッチン
グ時間と選択性が崩れる臨界膜厚及び成長速度との関係
を示す図である。 11…SiO2、12…シリコン基板、13…Si原子、21…SiO
2膜、22…シリコン基板、23…Si原子、24…準安定状態
に吸着したジシラン分子、25…ポリシリコンアイラン
ド。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少くとも表面にシリコン層を有し前記シリ
    コン層の表面に選択的にシリコン酸化膜又はシリコン窒
    化膜を設けた基板を真空容器内に配し、気相反応が起ら
    ない条件で前記シリコン層の表面にシラン系ガス分子線
    及びゲルマン系ガス分子線の少くとも一方と塩酸ガス分
    子線を同時に照射してシリコン膜又はゲルマニウムを含
    むシリコン膜を選択成長させることを特徴とするシリコ
    ンエピタキシャル膜の選択成長方法。
  2. 【請求項2】少くとも表面にシリコン層を有し前記シリ
    コン層の表面に選択的にシリコン酸化膜又はシリコン窒
    化膜を設けた基板を真空容器内に配し、気相反応が起ら
    ない条件で前記シリコン層の表面にシラン系ガス分子線
    及びゲルマン系ガスの少くとも一方を照射して前記シリ
    コン層の表面にシリコン膜又はゲルマニウムを含むシリ
    コン膜を選択成長させる工程と、塩酸ガス分子線を照射
    して前記シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜の上に堆積
    するシリコン又はゲルマニウムをエッチング除去する工
    程とを交互に繰返す手段を含むことを特徴とするシリコ
    ンエピタキシャル膜の選択成長方法。
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