JPH0813717B2 - Silicon molecular beam growth method - Google Patents

Silicon molecular beam growth method

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JPH0813717B2
JPH0813717B2 JP1006181A JP618189A JPH0813717B2 JP H0813717 B2 JPH0813717 B2 JP H0813717B2 JP 1006181 A JP1006181 A JP 1006181A JP 618189 A JP618189 A JP 618189A JP H0813717 B2 JPH0813717 B2 JP H0813717B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はシリコン分子線成長方法に係り、詳しくはガ
スソースを用いたシリコン成長方法におけるリンのドー
ピングに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a silicon molecular beam growth method, and more particularly to phosphorus doping in a silicon growth method using a gas source.

(従来の技術) シリコン分子線エピタキシャル成長法においては従来
シリコン分子線の発生方法として固体シリコンを電子線
加熱する方法が用いられていた。こうした固体ソースシ
リコン分子線エピタキシャル成長ではエピタキシャル膜
中へのドーピングは成長中に同時にドーパントの入った
クヌードセンセルから極く微量のドーパントを供給する
ことで行われる。但しこの場合にはクヌードセンセルの
加熱温度によってドーパントの蒸気圧が適当に制御でき
ることが必要となる。シリコン結晶中のn型ドーパント
としてヒ素、リン、アンチモンが良く用いられる。しか
しこの内ヒ素およびリンは蒸気圧が高すぎるために通常
のクヌードセンセルを用いたドーピングは不可能であっ
た。このため従来のシリコン分子線エピタキシャル成長
法においてはn型ドーパントとしてはアンチモンしか用
いることが出来なかった。アンチモンはヒ素、リンに比
べて固溶限が低くまた拡散しやすいため、例えばシリコ
ン分子線エピタキシャル成長法を用いて急峻でかつn型
高濃度ドーピングが要求されるnpnバイポーラトランジ
スタのエミッタ層作成などを行うことは不可能であっ
た。
(Prior Art) In the silicon molecular beam epitaxial growth method, a method of heating solid silicon with an electron beam has been conventionally used as a method of generating a silicon molecular beam. In such solid source silicon molecular beam epitaxial growth, doping into the epitaxial film is performed by simultaneously supplying an extremely small amount of dopant from the Knudsen cell containing the dopant during growth. However, in this case, it is necessary that the vapor pressure of the dopant can be appropriately controlled by the heating temperature of the Knudsen cell. Arsenic, phosphorus and antimony are often used as n-type dopants in silicon crystals. However, since the vapor pressure of arsenic and phosphorus was too high, doping with a conventional Knudsen cell was impossible. Therefore, in the conventional silicon molecular beam epitaxial growth method, only antimony can be used as the n-type dopant. Since antimony has a lower solid solubility limit and is easier to diffuse than arsenic and phosphorus, for example, an emitter layer of an npn bipolar transistor that requires steep and n-type high-concentration doping is formed by using a silicon molecular beam epitaxial growth method. It was impossible.

(本発明が解決しようとする問題点) 本発明が解決しようとする問題点はシリコン分子線エ
ピタキシャル成長法において制御性良くリンを高濃度ド
ーピングできる様にすることである。
(Problems to be Solved by the Present Invention) A problem to be solved by the present invention is to enable high concentration doping of phosphorus with good controllability in a silicon molecular beam epitaxial growth method.

(問題点を解決するための手段) 本発明はシリコン分子線成長方法としてシラン系ガス
をソースガスとして用いたガスソースシリコン分子線成
長法を用いて、さらにリンをシラン系ガスで希釈したホ
スフィンの形で成長中に同時に供給することを特徴とす
るシリコン分子線成長法におけるリンの制御性の良いド
ーピング方法を提供するものである。
(Means for Solving the Problems) The present invention uses a gas source silicon molecular beam growth method in which a silane-based gas is used as a source gas as a silicon molecular beam growth method, and further uses a phosphine obtained by diluting phosphorus with a silane-based gas. The present invention provides a doping method with good controllability of phosphorus in the silicon molecular beam growth method, which is characterized in that it is supplied simultaneously in the form of growth.

(作用) シリコンの成長方式としてガスソース方式のシリコン
分子線エピタキシャル成長方法を用いれば従来の固体ソ
ースシリコン分子線エピタキシャル成長法では用いるこ
とが出来なかったガス状態の物質をドーパントとして利
用できる。ドーパントをガス状態で供給できればドーピ
ング濃度はその流量を制御することで制御でき従来の固
体ソース分子線成長法では蒸気圧の関係で利用できなか
ったリンをドーパントとして利用することが可能にな
る。リンは1つのリン原子に3つの水素原子が結合して
できたホスフィン分子を形成すると室温で気体になる。
従ってリンの供給源としてこのホスフィンを用いること
ができる。ただしシリコン結晶中のリンの固溶限は〜2
×1020cm-3程度であり、この固溶限一杯までの高濃度ド
ーピングを考えた場合でも必要とされるホスフィン分子
の数は成長に用いられるシリコン原子の〜1〜/104
度である。このため成長に用いるホスフィン流量は極め
て微少な量の正確な制御が要求される。しかし実際にこ
のような微少流量の正確な制御は難しい。この困難を克
服するためにドーパントガスとしてはホスフィンをガス
ソースシリコン分子線成長法における成長のソースガス
であるシランによって数%程度まで希釈したものを用い
る。この場合には制御すべき流量は純水なホスフィンを
用いる場合に比べて大きくなり流量制御が容易で、より
正確なホスフィンの流量制御が可能となる。ガスソース
シリコン分子線エピタキシャル成長では成長中の真空度
は10-5Torr以下であり、このような高真空下では気体は
基板温度と熱平衡状態にない。また気体分子同士の衝突
確率も極めて小さい。このため気相中で気体分子が解離
して基板にいたる通常の化学気相反応成長法における成
長過程とは異なっている。ガスソースシリコン分子線エ
ピタキシャル成長では気体分子は気相中で分解すること
なしに全て基板に到達する。この気体分子は基板におい
て熱エネルギーを受け取り解離吸着することによって成
長に寄与する。基板表面の解離吸着はシリコン表面の化
学的に活性なダングリングボンドと気体分子の反応によ
って起こる。この事情はドーパンドガスのホスフィン分
子およびこれを希釈しているシラン分子でも同様であ
る。通常ホスフィンを希釈する場合には水素が良く用い
られる。しかしガスソースシリコン分子線エピタキシャ
ル成長法において水素を用いると、水素により基板表面
の活性なダングリングボンドが飽和されてしまい成長が
起こりにくくなる。一方シランをホスフィン希釈に用い
た場合にはシラン自体が成長ソースガスとして使用可能
であり、成長に弊害をもたらさない利点がある。またガ
スソースシリコン分子線エピタキシャル成長法では成長
中の真空度が良いために気相の気体分子温度は基板温度
にくらべて低い。また気体分子同士の衝突が殆ど無視で
きるため通常の化学気相反応成長法のように気相でホス
フィンがシリコンと反応して化合物の形で基板に至る過
程は起こらない。ガスソースシリコン分子線エピタキシ
ャル成長ではホスフィンは全てそのままの形で基板に到
達し、基板表面における解離反応によってドーパントと
してエピタキシャル膜中に効率的に取り込まれる。この
ため通常の化学気相反応成長法では実現できない高濃度
ドーピングが可能となる。
(Operation) If a silicon source molecular beam epitaxy method of a gas source method is used as a silicon growth method, a substance in a gas state which cannot be used in the conventional solid source silicon molecular beam epitaxy method can be used as a dopant. If the dopant can be supplied in a gas state, the doping concentration can be controlled by controlling the flow rate, and it becomes possible to use phosphorus as a dopant, which was not available in the conventional solid source molecular beam growth method due to the vapor pressure. Phosphorus becomes a gas at room temperature when it forms a phosphine molecule made of three hydrogen atoms bonded to one phosphorus atom.
Therefore, this phosphine can be used as a source of phosphorus. However, the solid solubility limit of phosphorus in silicon crystals is ~ 2
× 10 20 cm -3 , and the number of phosphine molecules required is about 1 to / 10 4 of the silicon atoms used for growth even when considering high concentration doping up to the solid solubility limit. . Therefore, the flow rate of phosphine used for growth needs to be controlled in an extremely minute amount and accurately. However, it is actually difficult to accurately control such a minute flow rate. To overcome this difficulty, phosphine is used as a dopant gas diluted with silane, which is a source gas for growth in the gas source silicon molecular beam growth method, to about several percent. In this case, the flow rate to be controlled is larger than that when pure phosphine is used, the flow rate control is easy, and more accurate phosphine flow rate control is possible. In gas source silicon molecular beam epitaxial growth, the degree of vacuum during growth is 10 -5 Torr or less, and under such a high vacuum, the gas is not in thermal equilibrium with the substrate temperature. The probability of collision between gas molecules is also very low. Therefore, this is different from the growth process in the normal chemical vapor reaction growth method in which gas molecules are dissociated in the gas phase and reach the substrate. In gas source silicon molecular beam epitaxial growth, all gas molecules reach the substrate without being decomposed in the gas phase. The gas molecules contribute to the growth by receiving thermal energy and dissociatively adsorbed on the substrate. Dissociative adsorption on the substrate surface occurs due to the reaction between chemically active dangling bonds on the silicon surface and gas molecules. This situation also applies to the phosphine molecule of the dopant gas and the silane molecule that dilutes it. Hydrogen is often used when diluting phosphine. However, when hydrogen is used in the gas source silicon molecular beam epitaxial growth method, active dangling bonds on the surface of the substrate are saturated with hydrogen, and the growth hardly occurs. On the other hand, when silane is used for phosphine dilution, silane itself can be used as a growth source gas, and there is an advantage that it does not adversely affect growth. Further, in the gas source silicon molecular beam epitaxial growth method, the temperature of the gas molecules in the vapor phase is lower than the substrate temperature because the degree of vacuum during growth is good. Further, since collisions between gas molecules are almost negligible, a process in which phosphine reacts with silicon in the vapor phase to reach the substrate in the form of a compound does not occur unlike the ordinary chemical vapor deposition method. In the gas source silicon molecular beam epitaxial growth, all the phosphines reach the substrate as they are, and are efficiently incorporated as a dopant into the epitaxial film by the dissociation reaction on the substrate surface. Therefore, high-concentration doping, which cannot be realized by the ordinary chemical vapor deposition method, becomes possible.

(実施例) 以下図面を用いて本発明について詳細に説明する。第
1図は、本発明の実施例を説明するためのガスソースシ
リコン分子線成長装置の概要図である。基板は4インチ
p型Si(100)ウエハー1を用いた。この基板はガスソ
ースシリコン分子線成長装置2にロードされる。このシ
リコン基板に対して超高真空のシリコン分子線成長装置
内で基板裏側のヒーター3により900℃、10分間の加熱
を行う。このプロセスによって清浄なSi(100)表面が
得られる。表面の清浄さは高速電子銃4と蛍光スクリー
ン5で構成される反射高速電子回折装置の回折パターン
において清浄なSi(100)面に特徴的な2×1表面超構
造が観察されることで確認した。この清浄な表面に対し
てシリコン基板を630℃に保ってシリコン成長のソース
ガスであるジシランをガスセル6から供給する。リント
ーピングのためにはシランで希釈された5%ホスフィン
を用いる。このホスフィンガスはホスフィンガスボンベ
7からサブチェンバー8に供給される。サビチェンバー
には同時にジシランもジシランガスボンベ9から供給さ
れ、これらはサブチェンバー内で混合されてガスセルか
ら基板に向かって照射される。サブチェンバーに供給さ
れるジシランガス流量は41sccm、シラン希釈ホスフィン
流量は0〜0.5sccmの範囲でニードルバルブ10で変化さ
せた。基板に対してはこのうちの一部が照射される。ガ
スセルから基板に向かって照射されるガス流量は〜1scc
mである。
(Example) The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a gas source silicon molecular beam growth apparatus for explaining an embodiment of the present invention. A 4-inch p-type Si (100) wafer 1 was used as the substrate. This substrate is loaded into the gas source silicon molecular beam growth apparatus 2. This silicon substrate is heated at 900 ° C. for 10 minutes by the heater 3 on the back side of the substrate in the ultrahigh vacuum silicon molecular beam growth apparatus. This process results in a clean Si (100) surface. The cleanliness of the surface was confirmed by observing the characteristic 2 × 1 surface superstructure on the clean Si (100) surface in the diffraction pattern of the reflection high-energy electron diffraction device composed of the high-speed electron gun 4 and the fluorescent screen 5. did. The silicon substrate is maintained at 630 ° C. on this clean surface, and disilane, which is a source gas for silicon growth, is supplied from the gas cell 6. For phosphorus topping, 5% phosphine diluted with silane is used. This phosphine gas is supplied from the phosphine gas cylinder 7 to the sub chamber 8. At the same time, disilane is also supplied from the disilane gas cylinder 9 to the rust chamber, and these are mixed in the sub chamber and irradiated from the gas cell toward the substrate. The flow rate of disilane gas supplied to the sub-chamber was 41 sccm, and the flow rate of silane-diluted phosphine was changed in the range of 0 to 0.5 sccm by the needle valve 10. The substrate is partially irradiated with this. The flow rate of the gas emitted from the gas cell toward the substrate is ~ 1scc.
m.

第2図に以上の方法によってSi(100)基板上に作成
した膜厚0.4μmのエピタキシャル膜のキャリヤ濃度を
ホール測定によって求めた結果を示す。エピタキシャル
膜の伝導型はリンがドープされた場合に期待される通り
n型であり、そのキャリヤ濃度はホスフィン流量に対し
て1019〜1020cm-3の範囲で比例関係にあることがわか
る。即ちホスフィン流量によって制御されたリンの高濃
度ドーピングが実現されていることがわかる。
FIG. 2 shows the result of Hall measurement of the carrier concentration of the 0.4 μm thick epitaxial film formed on the Si (100) substrate by the above method. It can be seen that the conductivity type of the epitaxial film is n-type as expected when phosphorus is doped, and its carrier concentration is proportional to the flow rate of phosphine in the range of 10 19 to 10 20 cm -3 . That is, it is understood that the high-concentration doping of phosphorus controlled by the flow rate of phosphine is realized.

なお、以上の実施例においては、シリコン原料として
ジシランを、ホスフィンの希釈ガスとしてシランを用い
たが、シラン系ガスであれば良い。
Although disilane is used as the silicon raw material and silane is used as the phosphine diluent gas in the above examples, any silane-based gas may be used.

(発明の効果) 以上詳しく説明したように本発明を用いればシリコン
分子線エピタキシャル成長法においてn型ドーパントと
してリンをドーピングできるため高濃度ドーピングが実
現できる。また、リンの原料として用いたホスフィンの
希釈ガスとしてシラン系ガスを用いるので、ホスフィン
を効率よく使うことができる。
(Effects of the Invention) As described in detail above, according to the present invention, since phosphorus can be doped as an n-type dopant in the silicon molecular beam epitaxial growth method, high concentration doping can be realized. Further, since the silane-based gas is used as the dilution gas for the phosphine used as the phosphorus raw material, the phosphine can be used efficiently.

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

第1図は本発明の実施例を説明するためのガスソース方
式のシリコン分子線エピタキシャル成長装置の装置概略
図、第2図は本発明の実施例を説明するための、キャリ
ヤの濃度とホスフィン流量の関係をしめした図である。
図において1はSi(100)基板、2はガスソースシリコ
ン分子線成長装置、3は基板ヒーター、4は反射高速電
子線回折用高速電子銃、5は蛍光スクリーン、6はガス
セル、7はシランによって5%に希釈されたホスフィン
ガスボンベ、8はサブチェンバー、9はジシランガスボ
ンベ、10はニードルバルブである。
FIG. 1 is a schematic view of a gas source type silicon molecular beam epitaxial growth apparatus for explaining an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows carrier concentration and phosphine flow rate for explaining an embodiment of the present invention. It is the figure which showed the relationship.
In the figure, 1 is a Si (100) substrate, 2 is a gas source silicon molecular beam growth apparatus, 3 is a substrate heater, 4 is a high-speed electron gun for reflection high-energy electron diffraction, 5 is a fluorescent screen, 6 is a gas cell, and 7 is silane. A phosphine gas cylinder diluted to 5%, 8 is a sub-chamber, 9 is a disilane gas cylinder, and 10 is a needle valve.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シラン系ガスをシリコン原料ガスとしたシ
リコン分子線成長においてリンをドーピングする際に、
シリコン原料ガスと同時にシラン系ガスにより希釈した
ホスフィンガスを成長室に導入することを特徴とするシ
リコン分子線成長方法。
1. When doping phosphorus in silicon molecular beam growth using a silane-based gas as a silicon source gas,
A method for growing silicon molecular beams, characterized in that a phosphine gas diluted with a silane-based gas is introduced into the growth chamber at the same time as the silicon source gas.
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JPS6278192A (en) * 1985-09-30 1987-04-10 Mitsui Toatsu Chem Inc Production of n-type single crystal thin film
JPH0633228B2 (en) * 1985-12-12 1994-05-02 日本電気株式会社 Molecular beam epitaxy growth method

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