KR19990087419A - 반도체 단결정 박막의 제조방법 - Google Patents

반도체 단결정 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

반도체 단결정 기판의 표면에 환원성가스를 공급하여 기판 표면의 산화막을 제거하는 전처리를 행한후, 기판 표면에 반응가스를 공급하여 기상성장을 행하는 반도체 단결정 박막의 제조방법에 있어서, 전처리공정에서의 반응용기내의 기압을 P1으로 하고, 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에 도달하는 반응용기내의 최고기압을 P2로 할 때, P2와P1의 비P2/P1를 10이상으로 한다. 예를 들면, 실리콘 단결정 기판상에 실리콘 단결정 박막을 성장시키는 경우에는 P1을 0.1기압(절대압력)으로 하고, P2를 1기압(절대압력)으로 한다. 이것에 의해, 기판과 반도체 단결정 박막과의 계면에서 도핑제 농도가 급격하게 변화하고 있다. 기상성장에 의한 에피택셜 성장기판을 제조할 수 있다.

Description

반도체 단결정 박막의 제조방법
예를 들어, 실리콘 단결정 기판상에 실리콘 단결정으로 이루어진 박막을 기상성장에 의해 형성하는 경우, 도 4에 나타나는 장치를 사용하여, 도 5에 나타나는 바와 같이 전처리공정, 기상성장공정의 순으로 조작이 행해진다.
(1) 전처리공정(기판표면의 실리콘산화막 제거공정):
투명석영유리로 이루어진 반응용기(11)의 용기벽(1)내에, 이 용기벽(1)과 평행하게 실리콘 단결정기판(2)을 서셉터(susceptor)(10)위에 놓고, 반응용기(11)에 질소가스를 공급하여 용기(11)내의 공기를 추출한다. 다음에, 질소가스를 수소가스로 추출한 후, 다시 수소가스를 공급하면서, 용기벽(1)의 상하에 설치된 복사가열장치(3)에 의해 기판(2)을 가열하여 전처리에 적합한 온도로 소정시간 유지한다. 이 경우, 기판(2)에서 방사하는 복사광을 복사온도계(5)로 포착하여, 그 강도를 계산기(6)에 보내서 온도로 환산하며, 이 측정온도를 온도제어기(7)에 보내는 것에 의해, 복사가열장치(3)에 필요한 전력을 공급한다. 통상, 전처리공정에서는 기판(2)의 온도를 기상성장공정에서의 온도보다 높게 설정·유지하며, 반응용기(11)내의 압력을 기상성장시와 동일 압력으로 유지한다.
공기중의 산소에 의해서 이미 기판표면에 형성되고 있던 자연산화막, 즉 실리콘 산화막(또는, 의도적으로 형성된 실리콘 산화막)은 이 전처리공정에 있어서 예컨대 고온의 수소가스에 의해 환원되어 제거된다. 미리 기판의 표면상에 형성된 실리콘 산화막을 제거해 두는 것으로, 기상성장공정에 있어서 결정성을 갖춘 실리콘 단결정 박막을 형성할 수 있다.
(2)기상성장공정(실리콘 단결정 박막의 형성)
기판(2)의 표면측에 캐리어 가스와 반응원료로 이루어진 반응가스(4)를 흘린다. 기판(2)이 실리콘 단결정 박막의 성장에 적합한 온도, 예를 들면 800-1200℃이면, 반응가스(4)의 화학반응에 의해 기판(2)의 표면에 실리콘 단결정 박막이 성장한다.
그런데, 상기의 반도체 단결정 박막 제조방법에서는, 반응용기(11)내가 고온환경이기 때문에, 특히 도핑제 농도가 1×1024atoms/m3이상의 낮은 저항의 실리콘기판을 사용한 경우에는, 전처리공정에서 기판까지 도핑제가 외방 확산이나 에칭 등에 의해 유리하여 반응용기(11)내에 비산하고, 이것이 기상성장에 있어서 실리콘 단결정 박막중에 혼입하는 자동 도핑현상이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 박막과 기판과의 계면에 있어서 도핑제 농도를 급격하게 변화시키고자 하는 것이, 실제로는 극히 완만한 구배를 가진 천이폭이 큰 에피택셜(epitaxial)성장기판이 되어버린다는 문제가 있었다. 천이폭은 기판의 도핑제 농도로부터 안정화시킨 박막의 도핑제농도로 이행할 때까지 요하는 폭이다.
본발명은 상기문제점을 감안한 것으로, 그 목적은 전처리공정(기판표면의 산화막 제거공정), 기상성장공정(반도체 단결정 박막의 형성)의 순서로 행하는 반도체 단결정 박막의 제조방법에 있어서, 기판과 박막과의 계면에서 도핑제 농도가 급격히 변화하고 있는 에피택셜 성장기판을 제조하는 데 있다.
본 발명은 기상성장에 의한 반도체 단결정 박막의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본발명의 실시예에 관한 것으로, 반도체 단결정 박막의 제조공정 및 기압조건을 나타내는 그래프이며,
도 2는 본발명의 실시예에 관한 반도체 박막 제조장치를 나타내는 개략단면도이다.
도 3은 본발명의 실시예의 결과와, 종래방법에 의한 비교예의 결과를 비교하여 나타낸 그래프이며,
도 4는 반도체 단결정 박막 제조장치의 종래예를 나타내는 개략단면도이며,
도 5는 종래방법에 의한 반도체 단결정 박막의 제조공정 및 기압조건을 나타내는 그래프이다.
본발명에 있어서 반도체 단결정 박막의 제조방법은, 반응용기내에 놓인 반도체 단결정기판의 표면에 환원성가스를 공급하여 기판 표면의 산화막을 제거하는 전처리를 행한 후, 상기 기판의 표면에 반응가스를 공급하여 기상성장을 행하는 반도체 단결정 박막의 제조공정에 있어서, 전처리 공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에, 반응용기내의 기압을 전처리공정에 있어서 반응용기내의 기압보다도 높게 하는 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 전처리공정은 감압상태에서 행해도 좋으며 상압에서 행하는 것도 가능하다.
상기 종래방법에 의한 경우, 실리콘기판과 실리콘박막과의 계면에 있어서 천이폭이 커지는 원인을 검토한 결과, 본발명자는 실리콘 박막에의 자동 도핑의 원인이 되는 도핑제 원자(정확히는 도핑제 원자를 구성원자로 하는 분자)가 주로 고온의 전처리공정에서 외방 확산이나 에칭 등에 따라 유리하고, 이것이 기상성장중에 기판주변에서 길게 떠다니고 있기 때문으로 예상하였다.
본발명자는 이 예상에 기인하여 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에, 반응용기내의 기압을 전처리공정에 있어서 반응용기내의 기압보다도 높게 하는 것에 따라, 기판에서 유리한 도핑제 원자를 효율적으로 제거하여 기판 주변의 도핑제 원자 농도를 저하시키는 것을 시도한 결과 본발명의 목적이 달성된 것을 확인하였다.
즉, 본발명에서는 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에, 반응용기내의 기압을 전처리공정에 있어서 반응용기내의 기압보다도 높게 되는 것에 따라, 급격하게 캐리어 가스 흐름을 증가시키며, 기판주변에 잔류하는 도핑제 원자의 농도를 캐리어 가스로 효율적으로 희석하고, 또는 치환하기 때문에 기판 주변에 길게 떠다니며 기상성장중에 반도체 단결정 박막내에 혼입하는 도핑제 원자의 양이 급격하게 저하하여 본 발명의 목적이 달성된다.
본발명에서는, 전처리공정에서의 반응용기내의 기압을 P1(절대압력)으로 하고, 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에 도달하는 반응용기내의 최고기압을 P2로 할 때, 기판 주변에 떠다니는 도핑제 원자를 효율적으로 제거하기 위해서는 P2와 P1의 비 P2/P1을 10이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, P2가 상압(대기압)의 경우에는 P1을 1 Torr-76 Torr로 하는 것이 바람직하며, 실무상 P2/P1을 760보다 크게 할 필요는 없다.
본발명은 반도체 단결정 박막표면의 도핑제 농도(atoms/m3)가 기판의 도핑제 농도에 비하여 가령 도 3에 나타나는 바와 같이 103이상 낮은 것을 성장시키는 데 적합하다. 단지, 106이상 낮은 것을 성장시키는 것은 본발명에 있어서도 곤란하다. 여기서 103이상 낮은 것은 예컨대 도3에 나타나는 바와 같이 반도체 단결정기판의 도핑제 농도가 1024대에 있는 것에 대하여, 반도체 단결정 박막의 도핑제 농도가 1021대에 있는 것을 의미한다. 또한, 도핑제 농도의 변화가 반도체 단결정 박막의 깊이방향에 있어서 급격하게 행해져 있으며, 천이폭이 예컨대 0.5 ㎛이하이면 「적당하다」고 할 수 있다.
본발명에 있어서 실리콘 단결정 박막 제조방법의 전형예로서는 단결정 기판으로서 실리콘 단결정 기판을 사용하고, 반도체 단결정 박막으로서 실리콘 단결정 박막을 기상성장시키는 것이 열거될 수 있다.
즉, 본발명에 있어서 반도체 단결정 박막 제조방법의 전형예로서, 반응용기내에 놓인 실리콘 단결정 기판의 표면상에 환원성의 수소가스를 공급하여 기판표면의 산화막을 제거하는 전처리를 행한후에 상기 기판의 표면에 반응가스를 공급하여 실리콘 단결정막의 기상성장을 행하는 반도체 단결정 박막의 제조방법에 있어서, 전처리공정에 있어서는 반응용기내를 절대압력 1 Torr-76 Torr의 감압상태로 유지하고, 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에 도달하는 반응용기내의 최고기압을 거의 대기압으로 하는 것을 특징으로 하는 것이 권장된다.
실시예
다음에 본발명의 구성 및 작용효과를 도면에 나타내는 실시예에 의해 설명한다.
실시예1
도 1은 반도체 단결정 박막의 제조공정 및 기압의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2에 나타나는 바와 같이 투명석영유리로 만들어진 반응용기(11)를 수평방향으로 배치하고, 반응용기(11)의 용기벽(1)내에 이 용기벽(1)과 평행하게 (즉 수평방향으로) 실리콘 단결정 기판(2)을 서셉터(10)위에 놓았다. 기판(2)은 도핑제로서 보론(B)을 6 x 1024atoms/m3의 농도로 함유하는 것을 사용하였다.
반응용기(11)의 가스 배출측에는 배기배관이 접속되어, 이 배기배관은 도중에 2개로 분지되어 있다. 이 분지관중 하나는 진공배기장치에 접속된 진공배기관으로서 설치되며, 다른 하나는 상압배기장치에 접속되어 상압배기관으로 되어 있다. 상기 진공배기관에는 자동조작에 의해 열림조절이 가능한 압력제어밸브가 설치되며, 상기 상압배기관에는 자동조작에 의해 열림조절이 가능한 개폐밸브가 직렬로 설치되어 있다.
반응용기(11)에 먼저 질소가스를 가스공급구로부터 공급하여 반응용기(11)내의 공기를 추출하였다(N2퍼지공정). 이 때의 배기는 상기 상압배기장치에 의해 행하였다.
다음에, 질소가스의 공급을 정지하고, 상기 진공배기장치에 의해 반응용기(11)내의 기압을 0.1기압 즉 76 Torr(절대압력)로 감압하면서, 반응용기(11)내에 가스공급구로부터 수소가스의 공급을 시작하였다(H2퍼지공정). 기압의 조절은 상기 압력제어밸브에 의해 행하였다. 이어서, 수소가스를 공급하면서 복사가열장치(3)에 의해 기판(2)를 전처리에 적합한 온도 1190℃까지 가열하였다(승온공정). 가열은 상기 종래방법과 같으며, 기판(2)에서 방사하는 복사광을 복사온도계(5)로 포착하고, 그 강도를 계산기(6)로 보내서 온도를 환산하고, 이 측정온도를 온도제어기(7)로 보내는 것에 의해, 복사가열장치(3)에 필요한 전력을 공급하였다.
다음에, 기판(2)를 수소분위기중에서 1190℃에 1.5분간 유지하여 기판의 주표면의 실리콘 산화막을 제거한(전처리공정)후, 상기 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에 기판(2)의 온도를 1100℃로 온도를 내리는 것과 병행하여, 반응가스(4)의 공급측에 접속된 수소탱크(8)의 유량제어밸브(9)를 서서히 열어서 대량의 수소가스를 반응용기(11)에 도입하는 것에 의해, 반응용기(11)내의 기압을 1기압(절대압력)까지 승압시켰다. 수소탱크(8)에는 도시하지 않은 수소공급관과 압력제어밸브가 설치되어, 수소탱크(8)내의 기압을 거의 1기압으로 일정하게 유지하도록 하고 있다. 이들의 조작은 1분간 걸려서 행하였다(퍼지공정). 기압의 증가는 단시간에 행하는 것이 바람직하며, 5분이내에 종료하면 효과가 크다. 이 경우, 수소탱크(8)로부터 대량의 수소가스를 도입하는 대신에, 가스공급구로부터 공급되는 수소가스의 유량을 급격하게 증가시켜서 반응용기(11)내의 기압을 1기압까지 승압시켜도 좋다. 더욱이, 배기장치의 사용을 진공배기장치에서 상압배기장치로 바꾸는 것에 의해 승압시켜도 좋다.
반응용기(11) 내부가 1기압까지 승압한 후는 박막성장을 행하는 압력, 예컨대 76 Torr까지 다시 감압하였다.
다음에, 기판(2)위에 반응가스(4)로 하여, 트리클로로실란을 22그램/분으로 공급하는 수소가스로 희석된 원료가스와, 디보란(B2H6)를 함유하는 수소가스 100cc/분과의 혼합가스를 공급하여 표면의 도핑제 농도가 1 x 1021atoms/m3의 실리콘 단결정 박막의 성장을 1분간 행하였다(박막성장공정). 트리클로로실란과 디보란의 공급을 정지하는 것으로 기상성장공정을 종료시킨후, 가열을 중단하고 수소분위기중에서 기판(2)의 온도를 내렸다(온도강하공정). 최후에 반응용기(11)내에 질소를 도입하면서 1기압까지 승압후(N2퍼지공정), 이같이 하여 얻은 에피택셜 성장기판을 꺼내고, 기판(2)와 실리콘 단결정 박막과의 계면을 2차이온질량분석법에 의해 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다. 이 도에 있어서, 횡축은 기판 및 실리콘 단결정 박막의 표면에서 깊이 방향의 위치, 종축은 보론원자의 농도(atoms/m3)이다.
다음에, 도 4에 나타나는 종래의 장치를 사용하여 도 5에 나타나는 조건으로 기판(2)상에 실리콘 단결정 박막을 형성시킨 비교실험에 대하여 설명한다.
비교예1
전처리공정에서 기상성장공정까지의 전공정에 있어서 반응용기(11)내의 기압을 0.1기압(절대압력)으로 설정·유지한(도 5 참조) 점이외는 완전히 실시예 1과 동일하게 하였다. 얻어진 에피택셜 성장기판에서의 기판(2)과 실리콘 단결정 박막과의 계면을 2차이온질량분석법에 의해 측정하였다. 그 결과를 도 3에 병기하였다.
도 3에서 명백한 바와 같이, 본발명법에 의해, 기판과 반도체 단결정 박막과의 계면에서 도핑제 농도가 종래방법에 비교하여 급격하게 변화하고 천이폭이 0.2㎛로 좁은 에피택셜 성장기판을 제조할 수 있었다. 더욱이, 기상성장공정에서의 기판온도가 1100℃이지만, 바람직한 도핑제 농도변화가 형성될 수 있는 것이 확인되었다.
그런데, 본발명 방법에 의한 상기 결과를 해석할 때, 도 3의 횡축값이 0.8-1.3㎛인 실리콘 기판 표층영역의 보론의 농도분포는 전처리공정 및 기상성장공정에 있어서, 실리콘 기판 내부로부터 보론이 외방 확산하는 것에 의해 형성된 것인 것이 판명되었다. 결국 이 영역에서는 기판 주변의 분위기로부터 실리콘 단결정 박막중에 혼입하는 보론원자의 양은 무시할 수 있을 정도로 적은 것이 확인되었다.
본 실시예에 있어서, 퍼지공정에서의 승압후에 박막의 기상성장을 행하는 압력인 76 Torr 까지 다시 감압하였지만, 이 기상성장을 행하는 압력으로서는 1 Torr이상 760 Torr 미만의 감압상태이면 좋으며, 또는 대기압인 것도 좋으며, 이들 조건에 있어서 본발명의 목적이 충분히 달성된다.
이상의 설명에서 명백한 바와 같이, 본발명에서는 반도체 단결정 박막의 제조방법에 있어서, 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에 반응용기내의 기압을 전처리공정에 있어서 반응용기내의 기압보다도 높게하는 공정을 가지는 것으로, 기판주위의 분위기중에 잔류하는 도핑제 원자의 농도를 신속하게 희석하고 또한 치환하기 때문에 기판 주변에 길게 떠다니는 기상성장중에 반도체 단결정 박막내에 혼입하는 도핑제 원자의 양이 급격하게 저하한다. 그 결과, 기판과 반도체 단결정 박막과의 계면에서 도핑제 농도가 종래방법에 비하여 급격하게 변화하고 있는 에피택셜 성장기판을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 반응용기내에 놓인 반도체 단결정 기판의 표면에 환원성가스를 공급하여 기판 표면의 산화막을 제거하는 전처리를 행한 후, 상기 기판의 표면에 반응가스를 공급하여 기상성장을 행하는 반도체 단결정 박막의 제조방법에 있어서, 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에, 반응용기내의 기압을 전처리공정에 있어서 반응용기내의 기압보다도 높게 하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 단결정 박막 표면의 도핑제 농도(atoms/m3)가 기판의 도핑제 농도(atoms/m3)에 비하여 103이상 낮은 것을 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전처리공정에서의 반응용기내의 기압을 P1으로 하고, 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 시작까지의 사이에 도달하는 반응용기내의 최고기압을 P2로 할 때, P2와P1의비 P2/P1을 10이상으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 기압 P2를 대기압으로 하고, 기압 P1을 1 Torr이상으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 반도체 단결정 기판으로서 실리콘기판을 사용하고, 반도체 단결정 박막으로서 실리콘박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한항에 있어서, 상기 기상성장공정을 1 Torr 이상 760 Torr 미만의 감압상태에서 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한항에 있어서, 상기 기상성장공정을 대기압에서 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
  8. 반응용기내에 놓인 실리콘 단결정기판의 표면상에 환원성가스를 공급하여 기판표면의 산화막을 제거하는 전처리를 행한 후, 상기 기판의 표면에 반응가스를 공급하여 실리콘 단결정막의 기상성장을 행하는 반도체 단결정 박막의 제조방법에 있어서, 전처리공정에 있어서는 반응용기내를 절대압력 1 Torr-76 Torr의 감압상태를 유지하고, 전처리공정 종료후부터 기상성장공정 개시까지의 사이에 도달하는 반응용기내의 최고기압을 거의 대기압으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 박막의 제조방법.
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