JP2721077B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
Manufacturing method of semiconductor deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、真空室等の真空領域
内に、半導体結晶を構成する原子をガス状態で供給し、
基板表面にＳｉ−ＳｉＧｅヘテロ接合構造の結晶薄膜
（シリコン単結晶薄膜とシリコンゲルマニウム混晶単結
晶薄膜とを積層した構造、以下同じ）を成長させ、半導
体デバイス（半導体装置）を製造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 of supplying atoms constituting a semiconductor crystal in a gas state into a vacuum region such as a vacuum chamber.
A method for manufacturing a semiconductor device (semiconductor device) by growing a crystal thin film having a Si-SiGe heterojunction structure (a structure in which a silicon single crystal thin film and a silicon germanium mixed crystal single crystal thin film are laminated, the same applies hereinafter) on a substrate surface. It is.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、素子の高性能化の要求により、従
来のＳｉ系半導体とは異なった材料が開発されている。
その一つは、ＧａＡｓを中心とする化合物半導体であ
り、Ｓｉ系の半導体にはない数々の優れた特性を有して
いる。しかしながら、デバイスの信頼性、高集積化とい
う点においてはまだまだ満足な技術が確立されていな
い。そこで、信頼性、高集積化の容易さ等、半導体材料
として優れた特性を有し、これまで長期に渡って蓄積し
てきた技術を活かせるＳｉ系半導体をさらに高性能化す
るという試みがなされている。その技術の中核をなすの
がエピタキシー技術であり、高品質、高均一性、大きな
成長速度、急峻なドーピングプロファイルならびにヘテ
ロ界面の形成等が要求される。その要求に対応する結晶
成長方法としては、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）
法、その成長原料をガスソースに代えたガスソースＭＢ
Ｅ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法等がある。2. Description of the Related Art In recent years, materials different from conventional Si-based semiconductors have been developed due to demands for higher performance of devices.
One of them is a compound semiconductor mainly composed of GaAs, which has many excellent characteristics not found in a Si-based semiconductor. However, satisfactory technology has not yet been established in terms of device reliability and high integration. Attempts have been made to further improve the performance of Si-based semiconductors, which have excellent characteristics as semiconductor materials, such as reliability and ease of high integration, and make use of technologies accumulated over the long term. I have. The core of the technology is the epitaxy technology, which requires high quality, high uniformity, a high growth rate, a steep doping profile, formation of a heterointerface, and the like. As a crystal growth method corresponding to the demand, molecular beam epitaxy (MBE)
Method, gas source MB in which the growth material is replaced by gas source
There are E method, low pressure CVD method, normal pressure CVD method and the like.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法の内、ＭＢＥ法は、つぎのような欠点がある。Ｓ
ｉがチャンバー内に大量に堆積し、パーティクルの原因
となる。電子銃式Ｓｉソースを使用するため自動化が
難しい。超高真空を必要とするため、真空排気系が複
雑且つ高価になる。原料を消費し終えたときに再充填
に手間が掛かるためハンドリング特性が悪い。膜成長
に関しては、成長速度が遅い、選択成長ができない。Ｍ
ＢＥ法は、このような問題を有しており、生産装置化す
るには向いていない。常圧ＣＶＤ法は、粘性流領域での
プロセスであるため、流れ方向に分布を生じやすく、
均一性を出すのが困難である。ガス切れが悪く、急峻
なプロファイルが得にくい。原料ガスならびにキャリ
アガスとしてＨ2 ガスを多量に使用するため原料コスト
が高くなるうえ、原料利用効率が悪いことから、大量の
排ガスを生じ安全面において大きな問題となる。等の欠
点がある。また、減圧ＣＶＤ法は、成長速度が大きく生
産向けと云えるが、石英製の反応管を用いるホットウォ
ール反応室のため選択成長が難しいという問題がある。
そこで上記のＭＢＥ法において、原料を、固体ソースか
らガスソースに代えた、いわゆるガスソースＭＢＥと呼
ばれる方法でこれらの問題に対応することが考えられて
いる。この方法では、たとえば図１０に示すような原理
の装置を用いる。すなわち、この装置の真空室Ｘ内の中
央部には、その上方からヒータ６が吊り下げられてお
り、このヒータ６の下面に、基板１が貼り付けられた基
板ホルダ５が設置されている。そして、上記ヒータ６に
よって、上記基板ホルダ５および基板１に対し輻射加熱
を行いながら、下方の原料ガス供給配管９、１０から複
数の原料ガスを同時に供給して基板１の表面１′に付着
させ結晶を成長させるようになっている。この反応は、
通常１０-3〜１０-4パスカル（Ｐａ）程度の高真空下で
行われ、真空配管８に連通される真空ポンプ（図示せ
ず）によって真空引きが行われる。この方法によれば、
原料を連続供給することができるので、従来のように真
空状態を解除して原料充填を行う必要がなく、ハンドリ
ング性は向上する。However, of the above methods, the MBE method has the following disadvantages. S
i is deposited in a large amount in the chamber, causing particles. Automation is difficult because an electron gun type Si source is used. Since an ultra-high vacuum is required, the evacuation system becomes complicated and expensive. When the raw materials have been consumed, the refilling is troublesome, resulting in poor handling characteristics. Regarding film growth, the growth rate is slow and selective growth is not possible. M
The BE method has such a problem and is not suitable for production equipment. Since atmospheric pressure CVD is a process in the viscous flow region, distribution tends to occur in the flow direction.
It is difficult to achieve uniformity. Poor gas exhaustion makes it difficult to obtain a steep profile. Since a large amount of H 2 gas is used as the raw material gas and the carrier gas, the raw material cost is increased, and the raw material utilization efficiency is poor. And the like. Although the low pressure CVD method has a high growth rate and can be said to be for production, it has a problem that selective growth is difficult because of a hot wall reaction chamber using a quartz reaction tube.
Therefore, in the above MBE method, it is considered that a method called gas source MBE in which the raw material is changed from a solid source to a gas source to address these problems. In this method, for example, an apparatus based on the principle shown in FIG. 10 is used. That is, a heater 6 is suspended from above in the center of the vacuum chamber X of the apparatus, and a substrate holder 5 to which the substrate 1 is attached is installed on the lower surface of the heater 6. While the substrate 6 and the substrate 1 are radiantly heated by the heater 6, a plurality of source gases are simultaneously supplied from the lower source gas supply pipes 9 and 10 to adhere to the surface 1 'of the substrate 1. The crystal grows. This reaction is
Usually, it is performed under a high vacuum of about 10 −3 to 10 −4 Pascal (Pa), and a vacuum is drawn by a vacuum pump (not shown) connected to the vacuum pipe 8. According to this method,
Since the raw material can be continuously supplied, there is no need to release the vacuum state and perform the raw material filling as in the related art, and the handling property is improved.
【０００４】上記ガスソースＭＢＥ法では、ガスソース
を用いるため、確かに原料のハンドリングは容易にな
る。しかしながら、上記の方法では、装置の構造上、成
長時の圧力は、１０-3Ｐａ以下の分子流領域となり、結
晶膜の成長速度が小さく、また、基板を回転させない
と、生成する膜の均一性が得られない等の欠点があり、
実験室スケールでは問題はないものの、量産する場合に
は、問題が多い。また、上記ガスソースＭＢＥ法は、液
体窒素シュラウド（囲いのなかに液体窒素を流して囲い
を冷却した冷却パネル）を使用するため、ＳｉＧｅ混晶
単結晶薄膜成長の場合、使用するガスが、この液体窒素
シュラウドに対して吸着・脱離を繰り返すことにより、
成長中の分圧が一定にならないため、高品質なＳｉ−Ｓ
ｉＧｅヘテロ接合構造を得るのは難しい。In the gas source MBE method, since a gas source is used, the handling of the raw material is certainly easy. However, in the above method, due to the structure of the apparatus, the pressure at the time of growth is a molecular flow region of 10 −3 Pa or less, the growth rate of the crystal film is low, and the uniformity of the generated film is not increased unless the substrate is rotated. Disadvantages, such as the inability to obtain
Although there is no problem on a laboratory scale, there are many problems in mass production. Further, since the gas source MBE method uses a liquid nitrogen shroud (a cooling panel in which liquid nitrogen is flown in an enclosure to cool the enclosure), the gas used in growing a SiGe mixed crystal single crystal thin film is By repeating adsorption and desorption to liquid nitrogen shroud,
Since the partial pressure during growth is not constant, high quality Si-S
It is difficult to obtain an iGe heterojunction structure.
【０００５】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、基板を回転させることなく、高品質な結晶膜
が、大きな成長速度と、高い均一性を備えて得ることが
できる半導体デバイスの製法の提供をその目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a semiconductor device capable of obtaining a high-quality crystal film with a high growth rate and high uniformity without rotating the substrate. Its purpose is to provide a manufacturing method.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の半導体デバイス（半導体装置）の製法
は、１０-1〜１０-2パスカルに設定された真空領域内
に、Ｓｉを含むガスおよびＧｅを含むガスを供給し、基
板上にＳｉ−ＳｉＧｅヘテロ接合構造の半導体結晶薄膜
を成長させ、半導体デバイスを製造する方法であって、
基板表面を下向きにした状態で基板を保持する基板保持
部と、上記基板保持部の周囲に設けられ真空領域内を基
板加熱スペースと結晶成長スペースの二空間に仕切る分
離板と、上記基板保持部下側の反応ガス拡散室と、上記
基板を上方から加熱するヒータと、上記ヒータの周囲を
囲う下向きコップ状の熱遮蔽板とを設けるとともに、上
記反応ガス拡散室の天井部一面に所定間隔で複数の開口
を形成し、上記反応ガス拡散室の天井部開口と基板との
距離を、上記結晶薄膜生成の際における上記両ガスの平
均自由行程よりも短く設定し、上記両ガスを、ともに基
板面での分子密度が均一になるよう供給するという構成
をとる。In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device (semiconductor device) of the present invention includes Si in a vacuum region set at 10 -1 to 10 -2 Pascal. A method for producing a semiconductor device by supplying a gas containing a gas and Ge, growing a semiconductor crystal thin film having a Si-SiGe heterojunction structure on a substrate,
A substrate holder for holding the substrate with the substrate surface facing down, a separation plate provided around the substrate holder to partition a vacuum region into two spaces of a substrate heating space and a crystal growth space, and Side reaction gas diffusion chamber, a heater for heating the substrate from above, and a downward cup-shaped heat shield plate surrounding the heater, and a plurality of the reaction gas diffusion chambers are provided at predetermined intervals on the entire ceiling of the reaction gas diffusion chamber. The distance between the ceiling opening of the reaction gas diffusion chamber and the substrate is set shorter than the mean free path of the two gases at the time of the formation of the crystal thin film. The supply is made so that the molecular density at the step becomes uniform.
【０００７】[0007]
【作用】すなわち、本発明者らは、真空領域内に、基板
を下向きに保持し、基板周囲の分離板によって上記真空
領域内を上下２空間に仕切って個別に真空引きし、熱遮
蔽板に囲われた特殊なヒータによって上方から加熱を行
うとともに、基板下側から２種類の反応ガスを、その吐
出口（＝反応ガス拡散室の天井部開口）と基板との距離
を平均自由工程より短く設定（通常１〜１０cm）した上
で、基板面での分子密度が均一になるよう供給すると、
従来のガスソースＭＢＥの反応圧力である１０-3Ｐａか
ら１０-4Ｐａの分子流領域よりも高い、１０-1ないし１
０-2Ｐａの中間流領域において、従来のガスソースＭＢ
Ｅのように基板を回転させなくても、高品質で大きな成
長速度と高い均一性を備え、急峻なヘテロ接合界面を備
えたＳｉ−ＳｉＧｅ系半導体結晶膜が得られることを見
出し、この発明に到達した。In other words, the present inventors hold the substrate downward in the vacuum region, partition the above vacuum region into two upper and lower spaces by a separating plate around the substrate, and individually evacuate the vacuum region. Heating from above is performed by the enclosed special heater, and the two types of reactive gas are discharged from the lower side of the substrate so that the distance between the discharge port (= the ceiling opening of the reactive gas diffusion chamber) and the substrate is shorter than the mean free path. After setting (usually 1 to 10 cm), supply them so that the molecular density on the substrate surface becomes uniform.
Higher than 10 -3 Pa from 10 -4 Pa molecular flow region of a reaction pressure of conventional gas source MBE, to 10 -1 1 to
In the midstream region of 0 -2 Pa, the conventional gas source MB
It has been found that a Si-SiGe-based semiconductor crystal film having a high quality, a large growth rate, a high uniformity, and a steep heterojunction interface can be obtained without rotating the substrate as in E. Reached.
【０００８】つぎに、この発明を詳しく説明する。Next, the present invention will be described in detail.
【０００９】この発明の半導体デバイスは、通常、１０
-1ないし１０-2Ｐａの中間流領域に設定された真空室内
に、基板を下向きに保持する保持部と、上記保持部の下
側に反応ガス拡散室とを設けて構成された半導体製造装
置を用いて得られる。原料となる反応ガスは、上記反応
ガス拡散室の天井部に所定間隔で設けられた開口から上
向きに吹き出され、基板面に薄膜を形成する。なお、上
記真空室内は基板周囲に設けられた分離板によって上下
２空間に仕切られており、また基板と反応ガス拡散室の
天井部開口との距離は、数センチメートル程度（好適に
は２〜５cm、より好適には３〜４cm）に設定されてい
る。しかも、上記反応ガス拡散室の天井部開口は、上記
基板面での分子線密度が均一になるよう、所定間隔で一
面に分布形成されている。このようにして、反応ガスを
供給することにより、通常のガスソースＭＢＥ法では困
難な、反応ガスの平均自由行程が数センチメートルとな
る比較的高い圧力領域（１０-1Ｐａオーダ）において
も、低温で膜成長が可能となる。また、基板上方から、
下向きコップ状の熱遮蔽板で囲われた特殊なヒータ加熱
を行うことにより、基板に対する熱効率を高め、かつ基
板面に対する均一加熱を確保している。その結果、基板
を回転させることなく高い膜均一性が得られ、膜の成長
速度、原料利用効率の大幅な向上も可能となる。また、
導入された反応ガスの吐出口コンダクタンスが大きくな
るため、例えばガスの種類を変える際等にガス切れが良
く（ガス切れが良いとは、前回使用時のガスを短時間で
排出できるということである）、急峻なヘテロ界面（急
峻なヘテロ界面とは、膜の積層時に、新規生成膜に前回
使用時のガスの混入が少なく、新旧両膜がその接合界面
において成分が厳密に異なるようになることである）が
得られる。The semiconductor device of the present invention generally has
A semiconductor manufacturing apparatus comprising: a holding section for holding a substrate downward in a vacuum chamber set in an intermediate flow region of -1 to 10 -2 Pa; and a reaction gas diffusion chamber below the holding section. Is obtained by using The reactant gas as a raw material is blown upward from openings provided at predetermined intervals in the ceiling of the reactant gas diffusion chamber to form a thin film on the substrate surface. The vacuum chamber is divided into upper and lower spaces by a separation plate provided around the substrate, and the distance between the substrate and the ceiling opening of the reaction gas diffusion chamber is about several centimeters (preferably 2 to 2 cm). 5 cm, more preferably 3 to 4 cm). In addition, the ceiling openings of the reaction gas diffusion chamber are distributed and formed at predetermined intervals on one surface so that the molecular beam density on the substrate surface becomes uniform. By supplying the reaction gas in this manner, even in a relatively high pressure region (on the order of 10 -1 Pa) in which the mean free path of the reaction gas is several centimeters, which is difficult with the normal gas source MBE method, The film can be grown at a low temperature. Also, from above the substrate,
By performing special heater heating surrounded by a downward cup-shaped heat shield plate, the thermal efficiency of the substrate is increased and uniform heating of the substrate surface is ensured. As a result, high film uniformity can be obtained without rotating the substrate, and the film growth rate and the raw material use efficiency can be greatly improved. Also,
Since the conductance at the outlet of the introduced reaction gas increases, for example, when the type of gas is changed, the gas runs out well. (Good gas running means that the gas used last time can be discharged in a short time. ), Steep hetero interface (a steep hetero interface means that when a film is laminated, the newly formed film is less likely to be mixed with the gas used in the previous use, and the components of the new and old films are strictly different at the junction interface. Is obtained.
【００１０】つぎに、この発明を実施例にもとづいて詳
細に説明する。Next, the present invention will be described in detail based on embodiments.
【００１１】[0011]
【実施例】図１はこの発明の半導体デバイスの製造に用
いる半導体製造装置を示している。この半導体製造装置
は、円筒形のステンレス製真空室Ｘを備え、その真空室
Ｘ内に円板状の基板１が、中央にガス透過用の穴を有す
るシリコン板（図では省略している）を介して、水平に
設けられた基板保持用のトレイ４の中央開口縁３に水平
に載置され、着脱自在に装着される。上記シリコン板に
よって基板１の全体の均一加熱が可能となる。真空室Ｘ
の略中央に設けられたこの基板１は、処理後は真空室Ｘ
の周壁の開閉部（図示せず）に設けられた基板交換用治
具（図示せず）により、新たな基板と交換される。そし
て、このトレイ４の外周縁４ａと、真空室Ｘの周壁１ａ
から内側に水平に突出するステンレス製のガイドリング
１ｂとの間の間隙に、その間隙を埋める、略リング状の
分離板１１が取り付けられている。FIG. 1 shows a semiconductor manufacturing apparatus used for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. This semiconductor manufacturing apparatus includes a cylindrical stainless steel vacuum chamber X, in which a disk-shaped substrate 1 is provided, and a silicon plate having a gas permeation hole at the center (omitted in the drawing). , Is horizontally placed on the central opening edge 3 of the horizontally provided substrate holding tray 4 and is detachably mounted. The silicon plate enables uniform heating of the entire substrate 1. Vacuum chamber X
The substrate 1 provided at substantially the center of the vacuum chamber X
The board is replaced with a new board by a board replacement jig (not shown) provided at an opening / closing section (not shown) of the peripheral wall of the above. The outer peripheral edge 4a of the tray 4 and the peripheral wall 1a of the vacuum chamber X
A substantially ring-shaped separation plate 11 that fills the gap is attached to the gap between the guide ring 1b made of stainless steel and protruding inward from the inside.
【００１２】上記略リング状の分離板１１は、その内周
側のリング部分と外周側のリング部分とからなり、内周
側部分がカーボンリング２０で形成され、外周部分が石
英リング２１で形成されている。上記石英リング２１
は、熱遮蔽効果が高いため、成膜時の加熱によって基板
１の周囲が中心側から周方向に熱くなるのを、この石英
リング２１によって防止することができ、真空室Ｘの周
壁に対する伝熱を遮蔽する。この種の装置では、成膜状
態をその場で観察するために、真空室ＸにＲＨＥＥＤ等
の観察機器を取り付け、基板１の表面（図示の下側面）
に電子ビームを照射してその軌跡を反対側に設けたスク
リーン（図示せず）上に投影しその投影像を読み取るこ
とが行われるが、このとき、上記分離板１１の石英リン
グ２１は絶縁体であり、静電気を帯びて帯電しやすい。
そしてこのような帯電部分が存在すると、電子ビームは
指向性を失い、軌跡がスクリーンから大きくずれてスク
リーン上には投影されなくなる。そこで、この装置で
は、石英リング２１への帯電を防止するために、石英リ
ング２１の下面に、薄肉のカーボンプレート２２を取り
付け静電気を真空室Ｘの周壁１ａに逃がすようにしてい
る。また、分離板１１のカーボンリング２０と基板１と
は、上記石英リング２１で真空室Ｘの周壁１ａと遮断さ
れており帯電しやすいため、カーボンリング２０をタン
タル線２５によってガイドリング１ｂにアースし静電気
を真空室Ｘの周壁１ａに逃がすようにしている。The substantially ring-shaped separating plate 11 includes an inner peripheral ring portion and an outer peripheral ring portion. The inner peripheral portion is formed by a carbon ring 20, and the outer peripheral portion is formed by a quartz ring 21. Have been. The above quartz ring 21
Has a high heat shielding effect, the quartz ring 21 can prevent the periphery of the substrate 1 from being heated from the center side in the circumferential direction due to heating during film formation, and the heat transfer to the peripheral wall of the vacuum chamber X can be prevented. Shield. In this type of apparatus, an observation device such as RHEED is attached to the vacuum chamber X in order to observe the film formation state on the spot, and the surface of the substrate 1 (the lower side in the figure)
Is irradiated with an electron beam to project its trajectory onto a screen (not shown) provided on the opposite side to read the projected image. At this time, the quartz ring 21 of the separation plate 11 is an insulator. And is easily charged with static electricity.
When such a charged portion exists, the electron beam loses directivity, and its trajectory is greatly shifted from the screen, so that the electron beam is not projected on the screen. Therefore, in this apparatus, a thin carbon plate 22 is mounted on the lower surface of the quartz ring 21 to prevent static electricity from being charged to the peripheral wall 1a of the vacuum chamber X in order to prevent charging of the quartz ring 21. Further, since the carbon ring 20 of the separation plate 11 and the substrate 1 are isolated from the peripheral wall 1a of the vacuum chamber X by the quartz ring 21 and are easily charged, the carbon ring 20 is grounded to the guide ring 1b by the tantalum wire 25. The static electricity is released to the peripheral wall 1a of the vacuum chamber X.
【００１３】上記真空室Ｘは、先に述べた分離板１１，
トレイ４および基板１によって、基板加熱スペースＰと
結晶成長スペースＱの二空間に仕切られており、上記基
板加熱スペースＰ，結晶成長スペースＱのそれぞれに
は、真空ポンプ（図示せず）から延びる真空排気配管１
２，１３が連通されている。したがって、上記スペース
Ｐ，Ｑは、各別に、それぞれ異なる真空度に設定できる
ようになっている。この基板加熱スペースＰにおいて、
上記基板１の上方には、ヒータ（例えば板状カーボング
ラファイトに筋状切り込みを交互に設け、その両端に電
極を取り付けて構成した板状ヒータ等）６が設けられて
おり、その下に均熱板６ａが取り付けられている。これ
らは、真空室Ｘの天井から吊り下げ保持されている。こ
のヒータ６は面状に均一加熱が可能で、特に上記均熱板
６ａとの組合せによって非常に均一に面状加熱を行うこ
とができるようになっている。The vacuum chamber X is provided with the above-mentioned separation plate 11,
The tray 4 and the substrate 1 are partitioned into two spaces, a substrate heating space P and a crystal growth space Q. Each of the substrate heating space P and the crystal growth space Q has a vacuum extending from a vacuum pump (not shown). Exhaust pipe 1
2, 13 are communicated. Therefore, the spaces P and Q can be set to different degrees of vacuum. In this substrate heating space P,
Above the substrate 1, a heater (for example, a plate-like heater formed by alternately providing streak-like cuts in plate-like carbon graphite and attaching electrodes to both ends thereof) 6 is provided. A plate 6a is attached. These are suspended from the ceiling of the vacuum chamber X and held. The heater 6 is capable of performing uniform heating in a planar manner, and in particular, is capable of performing very uniform planar heating by combination with the soaking plate 6a.
【００１４】そして、上記ヒータ６および均熱板６ａ
は、開口を下向きにした状態で配設されたコップ状の熱
遮蔽板２６で囲われている。この熱遮蔽板２６は、８層
構造の積層板からなり、内側の４層がモリブデン材で形
成され、外側の４層がステンレス材で形成されている。
この構造によれば非常に保温性および加熱時の熱の指向
性を高くできるため、前記分離板１１の存在と相俟っ
て、ヒータ６の加熱領域を限定し、基板１に対する熱効
率を大幅に向上させることができる。The heater 6 and the heat equalizing plate 6a
Is surrounded by a cup-shaped heat shield plate 26 arranged with the opening facing downward. The heat shield plate 26 is formed of a laminated plate having an eight-layer structure. The inner four layers are formed of molybdenum material, and the outer four layers are formed of stainless steel.
According to this structure, the heat retaining property and the directivity of heat at the time of heating can be extremely enhanced. Therefore, in combination with the presence of the separation plate 11, the heating area of the heater 6 is limited, and the thermal efficiency with respect to the substrate 1 is greatly increased. Can be improved.
【００１５】一方、上記結晶成長スペースＱには、中空
円柱状のマニホールド７が設けられている。このマニホ
ールド７は、内部が中板４０で上下２室に区切られてい
る。この中板４０は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）コーティン
グのなされたカーボン板４０ａとモリブデン板４０ｂの
２層構造になっている。モリブデン板４０ｂは熱遮蔽性
に富んでおり、マニホールド７の下室への熱侵入を阻止
する。マニホールド７の下室は、ステンレス製の第２の
反応ガス拡散室４１に形成され、その底部にはステンレ
ス製の第２の原料ガス供給配管４２が連通されている。
そして、上記第２の原料ガス供給配管４２の先端部は開
口に形成されヘッダー部４６になっており、この部分か
ら周方向に第２の原料ガスが噴射するようになってい
る。また、上記ヘッダー部４６の周囲には、略中空半球
状のステンレス製の反射板４７が設けられており、上記
第２の原料ガスは、その曲面に沿って矢印のように滑ら
かに均一拡散しながら上昇するようになっている。マニ
ホールド７の上室は、ＳｉＣコーティングされたカーボ
ン材製の第１の反応ガス拡散室４３に形成され、その内
部には、側方からタンタル材製の第１の原料ガス供給配
管４４が導入されている。この原料ガス供給配管４４の
先端は閉じられていて、先端周壁部には、円周方向に所
定間隔で複数の吹出口４４ｂが形成されている。また、
上記吹出口４４ｂの上方には、タンタル材製の水平拡散
板４８が設けられている。これによって、第１の原料ガ
スが、破線矢印のように周方向に均一に拡がりながら上
昇するようになっている。そして、上記第１の反応ガス
拡散室４３の天井部、すなわち、マニホールド７の天板
には、図２に示すように、一面に、均一な間隔（例えば
ピッチ１８mm）で多数の開口（直径４．５mm）４３ａが
分布形成（基板面迄の距離３５mm）されている。図２に
おいて、開口４３ａは、各開口４３ａを結んで横方向に
延びる線Ｘに対し、各開口を結んで斜めに延びる線Ｙが
略６０度の角度となるように形成されている。符号１は
基板を示している。そして、各開口４３ａの略中心に、
図１に示すように、第２の反応ガス拡散室４１の天井部
から上方へ延びるタンタル材製の連通管４０ｃの先端が
位置し、各開口４３ａの開口壁との間に空隙を設けてい
る。第１の反応ガス拡散室４３に導入された第１の原料
ガスは上記空隙を通って基板１に向かって吹き出し、第
２の反応ガス拡散室４１に導入された第２の原料ガスは
連通管４０ｃを通って基板１に向かって吹き出すように
なっている。On the other hand, a hollow cylindrical manifold 7 is provided in the crystal growth space Q. The inside of the manifold 7 is divided into two upper and lower chambers by a middle plate 40. The intermediate plate 40 has a two-layer structure of a carbon plate 40a coated with SiC (silicon carbide) and a molybdenum plate 40b. The molybdenum plate 40b has excellent heat shielding properties and prevents heat from entering the lower chamber of the manifold 7. The lower chamber of the manifold 7 is formed in a second reaction gas diffusion chamber 41 made of stainless steel, and a second material gas supply pipe 42 made of stainless steel is communicated with the bottom of the second reaction gas diffusion chamber 41.
The tip of the second source gas supply pipe 42 is formed in an opening to form a header 46, from which the second source gas is injected in the circumferential direction. A substantially hollow hemispherical stainless steel reflecting plate 47 is provided around the header portion 46, and the second raw material gas smoothly and uniformly diffuses along the curved surface as shown by the arrow. While rising. The upper chamber of the manifold 7 is formed in a first reaction gas diffusion chamber 43 made of a carbon material coated with SiC, and a first source gas supply pipe 44 made of a tantalum material is introduced into the inside thereof from the side. ing. The distal end of the source gas supply pipe 44 is closed, and a plurality of outlets 44b are formed in the peripheral wall of the distal end at predetermined intervals in the circumferential direction. Also,
A horizontal diffusion plate 48 made of a tantalum material is provided above the outlet 44b. As a result, the first source gas rises while uniformly spreading in the circumferential direction as indicated by the dashed arrow. As shown in FIG. 2, the ceiling of the first reaction gas diffusion chamber 43, that is, the top plate of the manifold 7, has a large number of openings (diameter 4 0.5a) 43a is formed (distance to the substrate surface is 35mm). In FIG. 2, the opening 43a is formed such that a line Y extending obliquely connecting the openings forms an angle of approximately 60 degrees with respect to a line X extending laterally connecting the openings 43a. Reference numeral 1 indicates a substrate. Then, approximately at the center of each opening 43a,
As shown in FIG. 1, the tip of a tantalum-made communication pipe 40 c extending upward from the ceiling of the second reaction gas diffusion chamber 41 is located, and a gap is provided between each of the openings 43 a and the opening wall. . The first source gas introduced into the first reaction gas diffusion chamber 43 blows out toward the substrate 1 through the gap, and the second source gas introduced into the second reaction gas diffusion chamber 41 communicates with the communication pipe. It blows out toward the substrate 1 through 40c.
【００１６】この装置を使用し目的とする半導体デバイ
スを製造するには、真空室Ｘの圧力を１０-1〜１０-2Ｐ
ａに設定する。そして、Ｓｉを含むガスおよびＧｅを含
むガスを吹き出す開口４３ａ、連通管４０ｃと、上記基
板１との距離を、上記両ガスの平均自由行程よりも短く
設定する。通常、上記開口４３ａ、連通管４０ｃを、基
板１から１０cm以内、好適には２〜５cm、より好適には
３〜４cm（上記装置では３．５cm）の距離に設定し、そ
の開口４３ａ連通管４０ｃの先端から原料ガスを吹出し
基板１に成膜する。このとき基板１は、３００〜１１０
０℃の温度範囲、好適には４００〜１０００℃の温度範
囲に加熱されている。通常、ＰＨ3 ，ＡｓＨ3 はクラッ
キング後、第１の反応ガス拡散室４３に供給され、Ｓｉ
を含むガス（Ｓｉ2 Ｈ6 ，ＳｉＨ4 ）やＧｅを含むガス
（ＧｅＨ4 等）やＰ形不純物となるＢ2 Ｈ6 は分離しな
いで直接第２の反応ガス拡散室４１に供給される。図３
の半導体デバイスを作製する場合は、第２の反応ガス拡
散室４１のみを用い、シリコン単結晶薄膜層２の原料と
なるＳｉ2 Ｈ6 ガスと、シリコンゲルマニウム混晶単結
晶薄膜層３の原料となるＧｅＨ4 ガスとを図４および図
５に示すように、区切って（途中で原料ガスを流さない
時間を設けて）基板１上に結晶を成長（例えば成長温度
５５０℃）させることが行われる。これにより、図３に
示す層構造の半導体デバイスが得られる。図４におい
て、Ｓｉ2 Ｈ6 は、６０秒間流され、５秒間停止し、１
０秒間流され、５秒間停止するというように流される。
また、ＧｅＨ4 は、図５に示すように、Ｓｉ2 Ｈ6 の１
０秒間の流れに、重ねて１０秒間流される。このように
して、成膜する場合、その分子線密度は、図６に示すよ
うに、基板１に対して略均一であり、かつ得られた製品
（基板＋膜）は図７に示すように均一な厚みの膜が得ら
れる。図７において、Ｘは基板中心から横方向に向かう
膜厚、Ｙは基板中心から縦方向に向かう膜厚である。In order to manufacture a target semiconductor device using this apparatus, the pressure in the vacuum chamber X must be increased to 10 -1 to 10 -2 P
Set to a. The distance between the substrate 1 and the opening 43a for blowing out the gas containing Si and the gas containing Ge and the communication tube 40c is set shorter than the mean free path of the two gases. Usually, the opening 43a and the communication pipe 40c are set at a distance of less than 10 cm from the substrate 1, preferably 2 to 5 cm, more preferably 3 to 4 cm (3.5 cm in the above apparatus). A raw material gas is formed on the blowing substrate 1 from the front end of the substrate 40c. At this time, the substrate 1 is 300 to 110
It is heated to a temperature range of 0 ° C, preferably 400 to 1000 ° C. Normally, PH 3 and AsH 3 are supplied to the first reaction gas diffusion chamber 43 after cracking,
A gas containing Si (Si 2 H 6 , SiH 4 ), a gas containing Ge (such as GeH 4 ), and B 2 H 6 serving as a P-type impurity are directly supplied to the second reaction gas diffusion chamber 41 without being separated. FIG.
Case of manufacturing a semiconductor device, using only the second reaction gas diffusion chamber 41, and the Si 2 H 6 gas serving as a raw material of the silicon single crystal thin film layer 2, the raw material of the silicon-germanium mixed single crystal thin film layer 3 As shown in FIG. 4 and FIG. 5, a crystal is grown on the substrate 1 (for example, at a growth temperature of 550 ° C.) by separating the raw material gas from the GeH 4 gas as shown in FIGS. . Thus, a semiconductor device having a layer structure shown in FIG. 3 is obtained. In FIG. 4, Si 2 H 6 was flowed for 60 seconds, stopped for 5 seconds, and
Flow for 0 seconds, stop for 5 seconds, and so on.
GeH 4 is, as shown in FIG. 5, one of Si 2 H 6 .
It is made to flow for 10 seconds in addition to the flow of 0 seconds. When forming a film in this manner, the molecular beam density is substantially uniform with respect to the substrate 1 as shown in FIG. 6, and the obtained product (substrate + film) is formed as shown in FIG. A film having a uniform thickness can be obtained. In FIG. 7, X is the film thickness in the horizontal direction from the substrate center, and Y is the film thickness in the vertical direction from the substrate center.
【００１７】このようにして得られた半導体デバイスの
断面構造を図８に示す。図において、シリコン基板１上
に、膜厚６０Åのシリコン単結晶薄膜層２と膜厚２０Å
のシリコンゲルマニウム混晶単結晶薄膜層３とが交互に
積層形成されている。この半導体デバイスにおいて、上
記シリコン単結晶薄膜層２とシリコンゲルマニウム混晶
単結晶薄膜層３との各接合界面における急峻性は、図９
に示す直線Ａから明らかなように６Åであり良好であっ
た。上記急峻性の測定は、つぎのようにして行った。FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the semiconductor device thus obtained. In the figure, a silicon single crystal thin film layer 2 having a thickness of 60 ° and a thickness of 20 ° are formed on a silicon substrate 1.
And the silicon-germanium mixed crystal single crystal thin film layers 3 are alternately stacked. In this semiconductor device, the steepness at each junction interface between the silicon single crystal thin film layer 2 and the silicon germanium mixed crystal single crystal thin film layer 3 is shown in FIG.
As is clear from the straight line A shown in FIG. The measurement of the steepness was performed as follows.
【００１８】〔急峻性の測定〕二次イオン質量分析装置
（酸素イオンＯ2 + を加速エネルギー６ｋＶで試料表面
に対して６０°の角度で入射し、物理スパッタ効果によ
り、ＧｅのＳｉ中における深さ方向分析を行う。《ＳＩ
ＭＳ装置》）を用いて、Ｓｉ／ＳｉＧｅ界面付近におけ
るＧｅの分布を測定した。[Measurement of Steepness] Secondary ion mass spectrometer (oxygen ion O 2 + is incident on the sample surface at an angle of 60 ° at an acceleration energy of 6 kV, and the depth of Ge in Si is increased by the physical sputtering effect. Perform direction analysis. <SI
MS apparatus >>), the Ge distribution near the Si / SiGe interface was measured.
【００１９】Ｇｅの分布が表面方向に拡がる場合には、
Ｇｅの分布は単純な指数関数型にはならないことが知ら
れており、このことからもＳｉ／ＳｉＧｅ界面の急峻性
が極めてよいことがわかる。When the Ge distribution spreads in the surface direction,
It is known that the Ge distribution does not become a simple exponential function type, which also indicates that the steepness of the Si / SiGe interface is extremely good.
【００２０】このようにして得られたこの発明に係る半
導体デバイスを光素子に応用したところ、発光のピーク
波長の揺らぎも生じず、またピーク半値幅の増大もあま
りみられず、感度が極めて良好となった。また、高移動
度トランジスタに応用したところ、トランジスタの作動
速度の大幅な向上がみられた。When the semiconductor device according to the present invention thus obtained is applied to an optical device, fluctuation of the peak wavelength of light emission does not occur, and the peak half width does not increase so much that the sensitivity is extremely good. It became. Further, when applied to a high mobility transistor, a significant improvement in the operation speed of the transistor was observed.
【００２１】なお、上記実施例では、シリコン単結晶薄
膜層２が３層で、シリコンゲルマニウム混晶単結晶薄膜
層３が２層の層構造となっているが、層構造は１層ずつ
でもよいし、複数層ずつでもよい。また、上記層２の厚
みについても６０Åに限定するのではなく、例えば、３
０〜３００Åの範囲内で選択できる。また、上記層３の
厚みについても２０Åに限定するのではなく、例えば１
０〜１００Åの範囲内で選択することができる。In the above embodiment, the silicon single crystal thin film layer 2 has a three-layer structure and the silicon germanium mixed crystal single crystal thin film layer 3 has a two-layer structure. However, the layer structure may be one by one. Alternatively, a plurality of layers may be used. Further, the thickness of the layer 2 is not limited to 60 °, but may be, for example, 3 °.
It can be selected within the range of 0 to 300 °. Further, the thickness of the layer 3 is not limited to 20 °, but may be, for example, 1 °.
It can be selected within the range of 0-100 °.
【００２２】[0022]
【発明の効果】以上のように、この発明の半導体デバイ
スの製法によれば、真空領域内に、基板を下向きに保持
し、基板周囲の分離板によって上記真空領域内を上下２
空間に仕切って個別に真空引きし、上方から、熱遮蔽板
に囲われた特殊なヒータで加熱を行うとともに、基板下
側から２種類の反応ガスを、その吐出口（＝反応ガス拡
散室の天井部開口）と基板との距離を平均自由工程より
短く設定（通常１〜１０cm）した上で、基板面での分子
密度が均一になるよう供給することにより、基板を回転
しなくても、急峻で高品質なヘテロ接合構造の結晶膜
を、高い面内均一性で得ることができる。また、原料利
用効率も向上し、膜の成長速度も高くなるため生産コス
トの低減を実現できるとともに、有毒な反応ガスの排出
量が少なくなり、有毒ガスを安全化するための設備の簡
略化ならびに安全性の向上をも実現できるという効果が
得られる。As described above, according to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the substrate is held downward in the vacuum region, and the inside of the vacuum region is vertically moved by the separating plate around the substrate.
Separate the space and evacuate it individually, heat it from above with a special heater surrounded by a heat shield plate, and feed two types of reaction gases from the bottom of the substrate to their discharge ports (= reaction gas diffusion chamber By setting the distance between the ceiling opening and the substrate shorter than the mean free path (usually 1 to 10 cm) and supplying the molecules so that the molecular density on the substrate surface becomes uniform, even if the substrate is not rotated, A steep, high-quality crystal film having a heterojunction structure can be obtained with high in-plane uniformity. In addition, the raw material utilization efficiency is improved, and the growth rate of the film is increased, so that the production cost can be reduced. In addition, the emission amount of the toxic reaction gas is reduced, and the equipment for simplifying the toxic gas is simplified. The effect that the improvement of safety can also be achieved is obtained.
【図１】この発明に用いる半導体製造装置の構造を示
す。FIG. 1 shows a structure of a semiconductor manufacturing apparatus used in the present invention.
【図２】図１の装置のマニホールドの天板に分布形成さ
れる多数の開口の説明図である。FIG. 2 is an explanatory view of a number of openings distributed and formed on a top plate of a manifold of the apparatus of FIG. 1;
【図３】図１の装置で得られる半導体デバイスの説明図
である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a semiconductor device obtained by the apparatus of FIG. 1;
【図４】図１の装置に２種類の反応ガスを間隔をあけて
供給する説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for supplying two kinds of reaction gases to the apparatus of FIG. 1 at intervals.
【図５】図１の装置に２種類の反応ガスを間隔をあけて
供給する説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for supplying two kinds of reaction gases to the apparatus of FIG. 1 at intervals.
【図６】分子線相対密度と中心からの距離との関係を示
す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a relative density of a molecular beam and a distance from a center.
【図７】膜厚と中心からの距離との関係を示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a film thickness and a distance from a center.
【図８】この発明の製法により得られた半導体デバイス
の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a semiconductor device obtained by the manufacturing method of the present invention.
【図９】図８のデバイスのヘテロ接合構造の薄膜の急峻
性の説明図である。9 is an explanatory diagram of the steepness of a thin film of the heterojunction structure of the device of FIG.
【図１０】ガスソースＭＢＥ法の原理を示す説明図であ
る。FIG. 10 is an explanatory diagram showing the principle of the gas source MBE method.
１ 基板 ４０ｃ 連通管 ４１ 第２の反応ガス拡散室 ４３ａ 開口 Ｘ 真空室 Reference Signs List 1 substrate 40c communication pipe 41 second reaction gas diffusion chamber 43a opening X vacuum chamber
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−120372（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−338632（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−186292（ＪＰ，Ａ) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-3-120372 (JP, A) JP-A-4-338632 (JP, A) JP-A-5-186292 (JP, A)
Claims (2)
空領域内に、Ｓｉを含むガスおよびＧｅを含むガスを供
給し、基板上にＳｉ−ＳｉＧｅヘテロ接合構造の半導体
結晶薄膜を成長させ、半導体デバイスを製造する方法で
あって、基板表面を下向きにした状態で基板を保持する
基板保持部と、上記基板保持部の周囲に設けられ真空領
域内を基板加熱スペースと結晶成長スペースの二空間に
仕切る分離板と、上記基板保持部下側の反応ガス拡散室
と、上記基板を上方から加熱するヒータと、上記ヒータ
の周囲を囲う下向きコップ状の熱遮蔽板とを設けるとと
もに、上記反応ガス拡散室の天井部一面に所定間隔で複
数の開口を形成し、上記反応ガス拡散室の天井部開口と
基板との距離を、上記結晶薄膜生成の際における上記両
ガスの平均自由行程よりも短く設定し、上記両ガスを、
ともに基板面での分子密度が均一になるよう供給するこ
とを特徴とする半導体デバイスの製法。A gas containing Si and a gas containing Ge are supplied into a vacuum region set to 10 -1 to 10 -2 Pascal to form a Si-SiGe heterojunction structure on a substrate. A method of growing a semiconductor crystal thin film and manufacturing a semiconductor device, wherein the substrate is held with the substrate surface facing down
A substrate holding portion, and a vacuum space provided around the substrate holding portion.
Inside the area into two spaces: substrate heating space and crystal growth space
Separating plate and reactive gas diffusion chamber below the substrate holder
A heater for heating the substrate from above, and the heater
If you provide a downward cup-shaped heat shield plate surrounding the periphery of
In particular, multiple layers are formed at a predetermined interval over the entire ceiling of the reaction gas diffusion chamber.
Forming an opening number, the distance between the ceiling opening and the substrate of the reaction gas diffusion chamber, set shorter than the mean free path of the two gases at the time of the crystal thin film produced on SL both gases,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein both are supplied so that the molecular density on the substrate surface is uniform .
基板との距離が１〜１０cmに設定されている請求項１記
載の半導体デバイスの製法。2. The method according to claim 1, wherein a distance between a ceiling opening of the reaction gas diffusion chamber and the substrate is set to 1 to 10 cm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4101865A JP2721077B2 (en) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | Manufacturing method of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4101865A JP2721077B2 (en) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | Manufacturing method of semiconductor device |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH05275340A JPH05275340A (en) | 1993-10-22 |
| JP2721077B2 true JP2721077B2 (en) | 1998-03-04 |
Family
ID=14311894
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
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| JP3126163B2 (en) * | 1991-05-15 | 2001-01-22 | 富士通株式会社 | Gas source molecular beam epitaxial growth equipment |
| JP3156326B2 (en) * | 1992-01-07 | 2001-04-16 | 富士通株式会社 | Semiconductor growth apparatus and semiconductor growth method using the same |
-
1992
- 1992-03-27 JP JP4101865A patent/JP2721077B2/en not_active Expired - Lifetime
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