JP2847708B2 - Plasma vapor deposition method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 半導体素子の微細化に必要とされる急峻なドーピング
プロファイルを持つエピタキシャル基板に代表される低
汚染，低不純物の薄膜を形成した基板を製造するのに適
したプラズマ気相成長方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial application] A substrate on which a low-contamination and low-impurity thin film represented by an epitaxial substrate having a steep doping profile required for miniaturization of a semiconductor device is manufactured. The present invention relates to a plasma vapor deposition method suitable for:
半導体シリコンのエピタキシャル成長法は砒素，燐，
アンチモン，硼素等の該半導体の電気特性を制御するた
めにシリコン中に添加される砒素，燐，アンチモン，硼
素等の微量不純物、所謂ドーパントの濃度の高い基板、
または局所的に電気特性を制御するためにイオン打込等
によりドーパント濃度を高くした領域、所謂埋込層の上
に、ドーパント濃度の低い単結晶層を形成する現在唯一
の方法である。Semiconductor silicon epitaxial growth methods include arsenic, phosphorus,
A substrate having a high concentration of a small amount of impurities such as arsenic, phosphorus, antimony, and boron added to silicon to control electrical characteristics of the semiconductor such as antimony and boron;
Alternatively, this is the only method at present for forming a single crystal layer having a low dopant concentration on a region in which the dopant concentration is increased by ion implantation or the like in order to locally control electric characteristics, that is, on a buried layer.
現在、トランジスタ，ダイオード，キャパシタセル及
びその集積回路等のシリコン半導体素子の形成に用いら
れるエピタキシャル基板には、素子微細化に対応するた
めに急峻なドーピングプロファイルをもつことが要求さ
れている。At present, an epitaxial substrate used for forming a silicon semiconductor device such as a transistor, a diode, a capacitor cell and an integrated circuit thereof is required to have a steep doping profile in order to cope with miniaturization of the device.
従来シリコンエピタキシャル基板の製造には熱CVD（C
hemical Vapor Deposition）法が用いられてきた。熱CV
D法はシリコンの化合物を原料とし、原料の分解，基板
清浄化，エピタキシャル成長反応等を熱エネルギによっ
て進行させる方法であれが、基板を常圧乃至減圧（103
〜105Pa）雰囲気中で高温処理（1050〜1100℃）するた
め、基板、或いは埋込層中に高濃度に含まれるドーパン
トがエピタキシャル膜中に固相熱拡散し、或いは基板か
ら気相中に放出されたドーパントが基板周辺雰囲気の対
流にともなってエピタキシャル成長界面に再付着する、
所謂オートドーピング現象を生じ、ドーパントプロファ
イルを急峻にできないという問題がある。Conventionally, thermal CVD (C
Chemical Vapor Deposition) method has been used. Thermal CV
Method D is a compound of silicon as a raw material, decomposition of the raw material, the substrate cleaning, but it epitaxial growth reactions such as a method of advancing the thermal energy, the substrate normal圧乃Itaru reduced pressure (10 3
To 10 5 Pa) to a high temperature treatment in an atmosphere (1,050 to 1,100 ° C.), the substrate, or the dopant contained in the high concentration is diffused solid heat in the epitaxial film buried layer or vapor phase from the substrate The dopant released to the substrate reattaches to the epitaxial growth interface with the convection of the atmosphere around the substrate,
There is a problem that a so-called auto-doping phenomenon occurs and the dopant profile cannot be sharpened.
従って、熱CVD法は微細半導体素子用のエピタキシャ
ル基板の製造法としては不十分であり、これに代わるエ
ピタキシャル成長法としてドーパントの熱拡散を抑制す
るためにより低い温度でエピタキシャル成長させ得る技
術が望まれている。Therefore, the thermal CVD method is not sufficient as a method for manufacturing an epitaxial substrate for a fine semiconductor element, and a technique capable of epitaxial growth at a lower temperature as an alternative epitaxial growth method to suppress thermal diffusion of a dopant is desired. .
低温エピタキシャル成長法の従来技術の代表例として
は以下に掲げる３つの方法が知られている。The following three methods are known as typical examples of the conventional low-temperature epitaxial growth method.
（１） MBE（Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキ
シャル成長）法 超高真空（10-8Pa程度）中で基板を高温加熱し、その
表面を昇華させて清浄化した後、真空蒸着によってエピ
タキシャル成長を行わせる方法である。エピタキシャル
成長開始前の基板表面の清浄化手段としては通常基板を
1100℃以上で高温熱処理するか、アルゴンイオンビーム
でスパッタする方法が採られている。(1) MBE (Molecular Beam Epitaxy) method A substrate is heated at a high temperature in an ultra-high vacuum (about 10 -8 Pa), its surface is sublimated and cleaned, and then epitaxial growth is performed by vacuum evaporation. Is the way. As a means of cleaning the substrate surface before the start of epitaxial growth, a substrate is usually used.
High temperature heat treatment at 1100 ° C. or higher or sputtering with an argon ion beam is employed.
この方法に依る場合の基板温度Teは400℃（光高温計
による）、またドーパント濃度が1018→1015atom/ccに
減少するのに対応する最少ドーピングプロファイル遷移
幅tdptは0.3μｍ（ドーパントは砒素）、更に最低結晶
欠陥密度Ddは100/cm2である。According to this method, the substrate temperature Te is 400 ° C. (according to the optical pyrometer), and the minimum doping profile transition width t dpt corresponding to the decrease of the dopant concentration from 10 18 to 10 15 atom / cc is 0.3 μm (dopant). Is arsenic), and the minimum crystal defect density Dd is 100 / cm 2 .
従ってMBE法の結晶性はプラズマ法に比べて良好であ
るといえるが、従来法に比べ成長速度が極端に低いとい
う欠点がある。Therefore, it can be said that the crystallinity of the MBE method is better than that of the plasma method, but there is a disadvantage that the growth rate is extremely lower than that of the conventional method.
成長速度を上げるためには基板結晶表面で吸着種が泳
動しやすい条件とすることが必要であるが、MBE法では
成長反応系の構成材料がシリコンのみに限定され、基板
と吸着種の結合力（シリコン原子間の共有結合力）を弱
めるには基板の温度を高めるしか方法がない。In order to increase the growth rate, it is necessary to set conditions that make it easy for the adsorbed species to migrate on the substrate crystal surface.However, in the MBE method, the constituent material of the growth reaction system is limited to silicon only, and the bonding force between the substrate and the adsorbed species The only way to weaken (covalent bonding force between silicon atoms) is to raise the temperature of the substrate.
基板の低温化と膜の成長速度の向上、即ち生産性とは
相反するから工業的生産法としての性能向上には限界が
あり、この点からもMBE法は良好な低温エピタキシャル
成長手段とはいえない。There is a limit to the performance improvement as an industrial production method because the substrate temperature is lower and the film growth rate is improved, that is, productivity is contradictory.In this regard, the MBE method cannot be said to be a good low-temperature epitaxial growth means. .
（２） プラズマエピタキシャル成長法 プラズマ中の電子イオンによる衝撃によって原料ガス
を分解し、この分解ガスを用いて基板に前処理を施し、
またエピタキシャル成長させる方法であり、プラズマか
らのエネルギ供給分だけ基板温度を下げて処理できる。(2) Plasma epitaxial growth method The raw material gas is decomposed by the impact of electron ions in the plasma, and the substrate is subjected to a pretreatment using the decomposed gas.
Also, this is a method of epitaxial growth, in which the substrate temperature can be lowered by the amount of energy supplied from the plasma.
これに属する方法としてプラズマ併用型減圧CVDエピ
タキシャル成長法がある（日経マイクロデバイス1985年
10月号p.p.79〜87）。As a method belonging to this, there is a low pressure CVD epitaxial growth method combined with plasma (Nikkei Micro Devices 1985
October issue pp79-87).
第２図は上記従来のプラズマ気相成長装置の模式的縦
断面図であり、石英製の反応管21の上端部には原料ガス
の供給系22を、また下端部には排気系23を設けると共
に、反応管21内の中央部にはサセプタ24を設けてこれに
基板Ｓを装着し、また反応管21の外周には、前記サセプ
タ24の上方に高周波電極25を、更にサセプタ24と対向す
る外周にランプ26を配設して構成されている。FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of the above-mentioned conventional plasma vapor deposition apparatus, in which a raw material gas supply system 22 is provided at an upper end of a quartz reaction tube 21 and an exhaust system 23 is provided at a lower end. At the same time, a susceptor 24 is provided at a central portion in the reaction tube 21 and a substrate S is mounted thereon, and a high-frequency electrode 25 is provided on the outer periphery of the reaction tube 21 above the susceptor 24 and further faces the susceptor 24. The lamp 26 is provided on the outer periphery.
この方法では先ず基板Ｓに前処理を施した後、成膜が
行われる。In this method, first, a pretreatment is performed on the substrate S, and then film formation is performed.
前処理は基板を過酸化水素＋硝酸混合溶液に15分浸
し、水洗し、フッ化水素酸溶液に30秒浸し、再度水洗
し、次いで過酸化水素＋塩酸混合溶液に15分浸し、水洗
し、遠心乾燥を20分施す。このようにして前処理を施し
た基板をチャンバに入れ、圧力１×10-5Paまで真空排気
し、基板をエピタキシャル成長温度に加熱し、高周波電
力50Wのアルゴンプラズマ中で30分処理する。In the pretreatment, the substrate was immersed in a mixed solution of hydrogen peroxide and nitric acid for 15 minutes, washed with water, immersed in a hydrofluoric acid solution for 30 seconds, washed again with water, then immersed in a mixed solution of hydrogen peroxide and hydrochloric acid for 15 minutes, and washed with water. Perform centrifugal drying for 20 minutes. The substrate thus pretreated is placed in a chamber, evacuated to a pressure of 1 × 10 −5 Pa, heated to an epitaxial growth temperature, and treated in an argon plasma with a high frequency power of 50 W for 30 minutes.
なおこの時接地電位に対し＋300Vの直流バイアス電圧
をサセプタ24に印加する。アルゴン流量は20SCCM、圧力
は2.7Paに設定される。At this time, a DC bias voltage of +300 V with respect to the ground potential is applied to the susceptor 24. The argon flow rate is set to 20 SCCM and the pressure is set to 2.7 Pa.
この方法に依る場合の基板温度Teは700℃〜800℃、ま
た最少ドーピングプロファイル遷移幅は0.24μｍ〜0.15
μｍ（ドーパントは硼素，アンチモン）、更に最低結晶
欠陥密度Ddは1.2×103/cm2以上である。The substrate temperature Te according to this method is 700 ° C. to 800 ° C., and the minimum doping profile transition width is 0.24 μm to 0.15.
μm (the dopant is boron or antimony), and the minimum crystal defect density Dd is 1.2 × 10 3 / cm 2 or more.
このプラズマエピタキシャル成長法では吸着種の泳動
に必要なパワー，反応ガス組成，圧力等のプラズマ変数
を温度と独立して制御できるため、MBE法に比べて自由
度が大きい利点がある。This plasma epitaxial growth method has an advantage that the degree of freedom is greater than that of the MBE method because plasma variables such as power, reaction gas composition, and pressure required for migration of adsorbed species can be controlled independently of temperature.
（３） 水素プラズマ前処理減圧CVDエピタキシャル成
長法（Solid−State Electronics,1973,Vol.16,pp.39−
42）。(3) Hydrogen plasma pretreatment low pressure CVD epitaxial growth method (Solid-State Electronics, 1973, Vol. 16, pp. 39-
42).
この方法は前処理に水素の高周波プラズマを用いた低
圧熱CVD法である。This method is a low pressure thermal CVD method using high frequency plasma of hydrogen for pretreatment.
この方法による前処理は基板を蟻酸＋過酸化水素混合
液に浸し、水洗し、次いで基板を反応管に入れて真空排
気し、反応管内に水素を供給し、圧力が約133Paとなる
ように水素流量を調整する。更に水素流量を調整して圧
力を30〜80Paとし、放電用電極に27MHz,350Wの高周波を
印加してグロー放電させ、基板雰囲気に水素プラズマを
発生させつつ数分間処理する。In the pretreatment by this method, the substrate is immersed in a mixed solution of formic acid and hydrogen peroxide, washed with water, and then the substrate is put into a reaction tube and evacuated, hydrogen is supplied into the reaction tube, and hydrogen is supplied to a pressure of about 133 Pa. Adjust the flow rate. Furthermore, the pressure is adjusted to 30 to 80 Pa by adjusting the flow rate of hydrogen, a high frequency of 27 MHz and 350 W is applied to the discharge electrode to perform glow discharge, and the treatment is performed for several minutes while generating hydrogen plasma in the substrate atmosphere.
この方法に依る場合の基板温度Teは850℃、また最低
結晶欠陥密度Ddは40/cm2以下である。In this case, the substrate temperature Te is 850 ° C., and the minimum crystal defect density Dd is 40 / cm 2 or less.
（４） 反応性イオンビームエピタキシャル成長法（RI
BD:Reactive Ion Beam Deposition），（Solid State D
evices and Materials,Tokyo,1985,pp.305−308,特開昭
61−53719号公報） この方法は電子サイクロトロン共鳴励起によってプラ
ズマを生成させ、このプラズマを利用して基板上に気相
成長を行わせる方法である。(4) Reactive ion beam epitaxial growth (RI
BD: Reactive Ion Beam Deposition), (Solid State D)
evices and Materials, Tokyo, 1985, pp. 305-308, JP
In this method, plasma is generated by electron cyclotron resonance excitation, and vapor phase growth is performed on a substrate using the plasma.
第10図は上記従来の反応性イオンビームエピタキシャ
ル法の実施状態を示す模式的縦断面図であり、プラズマ
室31の一端部にマイクロ波導波管32を、また他端部にプ
ラズマ導入口31aに通じる球形の試料室33を接地すると
共に、周囲には励磁コイル34を配設し、また試料室33内
にはヒータ内蔵のバイアス電圧印加機能を備えた試料台
35を設けてこの上に基板Ｓを固定せしめてある。FIG. 10 is a schematic longitudinal sectional view showing an embodiment of the conventional reactive ion beam epitaxy method, in which a microwave waveguide 32 is provided at one end of a plasma chamber 31 and a plasma inlet 31a is provided at the other end. A spherical sample chamber 33 communicating with the ground is grounded, an excitation coil 34 is disposed around the sample chamber 33, and a sample stage having a built-in heater bias voltage applying function is provided in the sample chamber 33.
35 is provided, on which the substrate S is fixed.
而してこのような装置にあっては先ず前処理は基板を
硫酸＋過酸化水素混合溶液により処理して、SiO2パッシ
ベーション膜を形成し、その後基板を試料室内に固定し
た後、基板温度Teを400〜800℃とし、イオンエネルギ
（バイアス電圧）600〜1200eVでアルゴンイオン等を用
いてSiO2パッシベーション膜をスパッタリングする。そ
の後、所定の条件で気相成長を開始する。Thus, in such an apparatus, first, in the pretreatment, the substrate is treated with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide to form a SiO 2 passivation film, and then the substrate is fixed in a sample chamber. Is set to 400 to 800 ° C., and an SiO 2 passivation film is sputtered with ion energy (bias voltage) of 600 to 1200 eV using argon ions or the like. Thereafter, vapor phase growth is started under predetermined conditions.
（５） ECR−CVDエピタキシャル成長法（第48回応用物
理学会学術講演会講演番号19p−Ｋ−10）。(5) ECR-CVD epitaxial growth method (48th Annual Conference of the Japan Society of Applied Physics, lecture number 19p-K-10).
この方法における前処理は基板をフッ化水素酸溶液処
理後、塩酸と過酸化水素の沸騰した混合溶液に浸して表
面に薄いSiO2膜を形成し、次いで真空中で基板温度100
℃、アルゴンイオンエネルギ（プラズマバイアス電圧に
よる）100eVでスパッタリングし、引き続き基板温度Te
を630℃にして30分間熱処理する。After the hydrofluoric acid solution treatment pretreatment of the substrate in this way, to form a thin SiO 2 film on the surface by soaking in boiling mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide, and then the substrate temperature of 100 in a vacuum
℃, argon ion energy (depending on the plasma bias voltage) 100eV, followed by the substrate temperature Te
Is heated to 630 ° C. for 30 minutes.
ちなみに従来の一般的な熱CVDエピタキシャル成長法
（常圧法）に依る場合の基板温度Teは1050℃、また最少
ドーピングプロファイル遷移幅tdptは0.54μｍ（ドーパ
ント：アンチモン）、又は2.5μｍ（ドーパント：硼
素）、更に最低結晶欠陥密度Ddは10/cm2以下である。Incidentally, the substrate temperature Te in the case of the conventional general thermal CVD epitaxial growth method (normal pressure method) is 1050 ° C., and the minimum doping profile transition width t dpt is 0.54 μm (dopant: antimony) or 2.5 μm (dopant: boron). Further, the minimum crystal defect density Dd is 10 / cm 2 or less.
このような事実から前述した各低温エピタキシャル成
長法はドーピング特性（tdpt）の面では優れているもの
の、結晶性（Dd）では依然としてかなり劣っていること
が解る。From these facts, it can be understood that each of the above-mentioned low-temperature epitaxial growth methods is excellent in doping characteristics (t dpt ), but still inferior in crystallinity (Dd).
有害不純物分子は、エピタキシャル成長開始までの
間、基板の表面及び試料室の内壁各部に吸着しており、
その量は系の到達真空度と相関がある。Until the start of epitaxial growth, the harmful impurity molecules are adsorbed on the surface of the substrate and each part of the inner wall of the sample chamber,
The amount is correlated with the ultimate vacuum of the system.
ちなみにMBE法では到達真空度が10-8Pa程度の試料室
の内部で処理するため汚染は少ない。By the way, in the MBE method, the processing is performed inside the sample chamber where the ultimate vacuum degree is about 10 -8 Pa, so contamination is small.
プラズマエピタキシャル成長装置でも超高真空系を用
いることは可能であるが、数10SCCMという大量のガスを
注入するプラズマ反応に適した大排気速度を有し、反応
性ガス（可燃性であり、腐食、堆積を生じる）の排気が
可能で、しかも到達真空度が安定して10-8Paに維持し得
る真空ポンプがない。Although it is possible to use an ultra-high vacuum system in a plasma epitaxial growth apparatus, it has a large pumping speed suitable for a plasma reaction in which a large amount of gas of several tens of SCCM is injected, and has a reactive gas (flammable, corrosive, ), And there is no vacuum pump capable of stably maintaining the ultimate degree of vacuum at 10 -8 Pa.
例えば、クライオポンプで原料ガス（モノシラン等）
を排気すると、排気速度が漸減し、操業度が低下する。
このため従来のプラズマ気相成長装置ではターボ分子ポ
ンプ等の低真空度・大排気速度のポンプを一基具備する
ものしかない。For example, raw material gas (monosilane, etc.) with a cryopump
When the gas is exhausted, the exhaust speed gradually decreases and the operation rate decreases.
For this reason, only a conventional plasma vapor deposition apparatus is provided with a single pump having a low degree of vacuum and a high pumping speed such as a turbo molecular pump.
例外として、RIBD装置では到達真空度を重視し、イオ
ンポンプ及び、チタンサブリメーションポンプという高
真空度、低排気速度のポンプを具備しているが、良好な
エピタキシャル膜質は得られていない。この原因は排気
速度が小さいため成長時に注入するガス量が4SCCMに制
限され、十分な成長速度が得られず膜中に高濃度で混入
した有害不純物が結晶欠陥を惹起しているのである。As an exception, the RIBD apparatus attaches importance to the degree of ultimate vacuum and is equipped with a high vacuum degree and a low pumping speed pump such as an ion pump and a titanium sublimation pump. However, good epitaxial film quality is not obtained. The reason for this is that the amount of gas injected during growth is limited to 4 SCCM due to the low pumping speed, and a sufficient growth rate cannot be obtained, and harmful impurities mixed into the film at a high concentration cause crystal defects.
本発明者は試料室内部の到達真空度を高めるべく排気
ポンプとしてターボ分子ポンプ及びクライオポンプの両
方を具備したプラズマ気相成長装置を構成し、基板加熱
時の到達真空度を調査した結果、次の事実を知見した。The present inventor has constructed a plasma vapor deposition apparatus equipped with both a turbo molecular pump and a cryopump as an exhaust pump in order to increase the ultimate vacuum degree inside the sample chamber, and as a result of investigating the ultimate vacuum degree when heating the substrate, The fact was found.
エピタキシャル膜中の不純物濃度はエピタキシャル
成長開始前の到達真空度が高いほど少ない。The impurity concentration in the epitaxial film is lower as the ultimate vacuum degree before the start of epitaxial growth is higher.
またクライオポンプで排気した場合はターボ分子ポ
ンプ単体で排気した場合より到達真空度が約１桁向上す
る。Further, when the gas is evacuated by the cryopump, the ultimate vacuum degree is improved by about one digit as compared with the case where the gas is evacuated by the turbo molecular pump alone.
基板加熱開始前からクライオポンプで排気すると、
基板昇温後排気した場合に比べ到達真空度が悪くなる。Exhausting with a cryopump before the start of substrate heating,
The ultimate degree of vacuum is lower than in the case of evacuation after the temperature rise of the substrate.
本発明にかかる知見に基づきなされたものであって、
従来からあるロードロック機構、基板加熱機構に加え、
新たにターボ分子ポンプ、クライオポンプの両方を具備
した真空系の装置において、基板昇温後、プラズマ処理
開始前にクライオポンプで排気することにより到達真空
度を高め、膜中への有害不純物の混入を抑制し、結晶性
の良好なエピタキシャル膜を形成し得るプラズマ気相成
長法を提供することを目的とする。It was made based on the knowledge according to the present invention,
In addition to the conventional load lock mechanism and substrate heating mechanism,
In a vacuum system newly equipped with both a turbo molecular pump and a cryopump, after reaching the substrate temperature and evacuating with a cryopump before starting plasma processing, the ultimate vacuum degree is increased to mix harmful impurities into the film. It is an object of the present invention to provide a plasma vapor deposition method capable of forming an epitaxial film having good crystallinity while suppressing the occurrence of an epitaxial film.
本発明は係るプラズマ気相成長方法は、真空の試料室
内で加熱昇温した基板表面にプラズマを用いて気相成長
を行わせるプラズマ気相成長方法において、前記試料室
の内部を、これにゲート弁を介して連設されたターボ分
子ポンプを用いて排気しつつ、基板を加熱昇温せしめる
工程と、前記基板が所定温度にまで昇温した後は前記タ
ーボ分子ポンプに代え、前記試料室の内部を、これにゲ
ート弁を介して連設されたクライオポンプを用いて排気
する工程と、前記試料室の内部が所定値まで減圧された
後は、該試料室の内部を、前記クライオポンプに代え、
前記ターボ分子ポンプを用いて排気し、該試料室に反応
ガスを注入しつつプラズマを発生させて気相成長せしめ
る工程とを含むことを特徴とする。According to the plasma vapor deposition method of the present invention, in a plasma vapor deposition method in which a substrate surface heated and heated in a vacuum sample chamber is subjected to vapor phase growth using plasma, the inside of the sample chamber is gated. A step of heating and raising the temperature of the substrate while evacuating using a turbo-molecular pump connected in series via a valve, and replacing the turbo-molecular pump after the substrate is heated to a predetermined temperature, Evacuation of the inside using a cryopump connected to this via a gate valve, and after the inside of the sample chamber is depressurized to a predetermined value, the inside of the sample chamber is connected to the cryopump. Instead
Exhausting using the turbo molecular pump, generating plasma while injecting a reaction gas into the sample chamber, and performing vapor phase growth.
本発明方法にあってはこれによってプラズマ処理が行
われる試料室内部の真空度を格段に高め得、それだけ有
害不純物が低減されることとなる。According to the method of the present invention, the degree of vacuum inside the sample chamber in which the plasma processing is performed can be remarkably increased, and harmful impurities can be reduced accordingly.
以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に
説明する。第１図は本発明方法を実施するための気相成
長装置の縦断面図であり、図中１はプラズマ生成室、２
は導波管、３は試料Ｓを配置する試料室４は励磁コイル
を示している。Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing the embodiments. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a vapor phase growth apparatus for carrying out the method of the present invention.
Denotes a waveguide, 3 denotes a sample chamber in which the sample S is arranged, and 4 denotes an exciting coil.
プラズマ生成室１はステンレス鋼製であって、工業用
周波数2.45Hzのマイクロ波に対してTE113モードの定在
波を形成する円筒型空洞共振器を構成するよう構成され
ており、一側壁中央には石英ガラス板等で閉鎖されたマ
イクロ波導入窓1aを備え、また他側壁中央には前記マイ
クロ波導入窓1aと対向する位置にプラズマの引出窓1bを
備えている。前記マイクロ波導入窓1aには導波管２の一
端部が接続され、またプラズマ引出窓1bにはこれに臨ま
せて試料室３が配設され、更に周囲には同心状に励磁コ
イル４が周設せしめられている。The plasma generation chamber 1 is made of stainless steel, and is configured to form a cylindrical cavity resonator that forms a standing wave in the TE 113 mode with respect to a microwave having an industrial frequency of 2.45 Hz. Is provided with a microwave introduction window 1a closed by a quartz glass plate or the like, and a plasma extraction window 1b is provided at the center of the other side wall at a position facing the microwave introduction window 1a. One end of a waveguide 2 is connected to the microwave introduction window 1a, and a sample chamber 3 is disposed facing the plasma extraction window 1b. It is set around.
導波管２はその他端部は図示しない高周波発振器に接
続され、高周波発振器で発せられた工業用周波数2.45Hz
のマイクロ波をマイクロ波導入窓1aを経てプラズマ生成
室１内に導入するようにしてある。The other end of the waveguide 2 is connected to a high-frequency oscillator (not shown), and an industrial frequency of 2.45 Hz generated by the high-frequency oscillator.
Is introduced into the plasma generation chamber 1 through the microwave introduction window 1a.
励磁コイル４は図示しない直流電源に接続されてお
り、直流電流の通流によってプラズマ生成室１内にマイ
クロ波の導入により電子サイクロトロン共鳴励起条件を
満足する8.75×10-2Tの磁束密度を与えると共に、試料
室３側に向けて磁束密度が低くなる発散磁界を形成し、
プラズマ生成室１内に生成されたプラズマをプラズマ引
出窓1bを通じて試料室３内に導入せしめるようになって
いる。The exciting coil 4 is connected to a DC power source (not shown), and a 8.75 × 10 −2 T magnetic flux density that satisfies the electron cyclotron resonance excitation condition is provided by introducing a microwave into the plasma generation chamber 1 by passing a DC current. At the same time, a divergent magnetic field whose magnetic flux density decreases toward the sample chamber 3 is formed,
The plasma generated in the plasma generation chamber 1 is introduced into the sample chamber 3 through the plasma extraction window 1b.
試料室３の一側壁にはゲート弁5aを介在させて複合型
のターボ分子ポンプ５が、またその上方には同じくゲー
ト弁6aを介在させてクライオポンプ６が連設されてい
る。ターボ分子ポンプ５は排気速度が1500L/秒の複合型
であり、そのゲート弁5aのコンダクタンスは3000L/秒で
ある。またクライオポンプ６の排気速度は2400L/秒であ
り、そのゲート弁6aのコンダクタンスは4630L/秒であ
る。一方他側壁にはゲート弁7aを介在させてロードロッ
ク室７が配設されている。ロードロック室７内には試料
Ｓを試料室３内に配置し、またここからロードロック室
７内に取り出すための搬送アーム7bが配設されている。A compound turbo-molecular pump 5 is provided on one side wall of the sample chamber 3 with a gate valve 5a interposed therebetween, and a cryopump 6 is connected above the compound turbo molecular pump 5 with a gate valve 6a interposed therebetween. The turbo molecular pump 5 is a complex type having an exhaust speed of 1500 L / sec, and the conductance of the gate valve 5a is 3000 L / sec. The pumping speed of the cryopump 6 is 2400 L / sec, and the conductance of the gate valve 6a is 4630 L / sec. On the other hand, a load lock chamber 7 is disposed on the other side wall with a gate valve 7a interposed. In the load lock chamber 7, a sample S is arranged in the sample chamber 3, and a transfer arm 7b for taking out the sample S into the load lock chamber 7 therefrom is arranged.
一方試料室３の内部には前記プラズマ引出窓1bと対向
させて試料台８が配設され、この試料台８上に石英製の
サセプタ９を介在させて前記プラズマ引出窓1bと対向さ
せて基板Ｓが着脱可能に装着され、またサセプタ９の下
方にはヒータ10を臨ませてある。試料台８はリング状に
形成されており、その下面の周方向にて円筒8aの上端部
に支持されている。円筒8aの下端部には円筒ラック8cを
備えると共に、試料室３の底壁にスラストベアリング8b
を用いて回転可能に支持されており、円筒ラック8cに噛
合させたピニオン8dを介してモータＭより回転せしめら
れるようになっている。ヒータ10は高純度タンタル線
（直径0.7mm）３本をより合わせて素線とし、これを高
純度窒化珪素円板上に直径200mmの範囲で折り返し蛇行
させて一様に配設して構成してある。ヒータの電力容量
は6Kw程度である。On the other hand, a sample stage 8 is disposed inside the sample chamber 3 so as to face the plasma extraction window 1b, and a quartz susceptor 9 is interposed on the sample stage 8 so as to face the plasma extraction window 1b. S is detachably mounted, and a heater 10 faces the lower part of the susceptor 9. The sample table 8 is formed in a ring shape, and is supported on the upper end of the cylinder 8a in the circumferential direction of the lower surface. A cylindrical rack 8c is provided at the lower end of the cylinder 8a, and a thrust bearing 8b is provided on the bottom wall of the sample chamber 3.
And rotatably supported by a motor M via a pinion 8d meshed with the cylindrical rack 8c. The heater 10 is formed by twisting three high-purity tantalum wires (diameter 0.7 mm) into a strand, and turning the meandering over a high-purity silicon nitride disk in a range of 200 mm in diameter to form a uniform wire. It is. The power capacity of the heater is about 6 Kw.
ヒータ10の赤外線は一部がサセプタ９に吸収される
が、大部分はこれを透過して基板Ｓを照射し、これを加
熱する。Although a part of the infrared light of the heater 10 is absorbed by the susceptor 9, most of the infrared light passes through the susceptor 9 to irradiate the substrate S to heat it.
ヒータ10内には図示しない測温用熱電対があり、この
出力に基づき熱電対検出温度パターンを負帰還制御する
温度制御系が設けられている。The heater 10 includes a thermocouple for temperature measurement (not shown), and a temperature control system for performing negative feedback control of a thermocouple detection temperature pattern based on the output is provided.
なお、基板Ｓの温度は試料室３の上部壁に設けた窓3a
を通して光高温計11により測定される。The temperature of the substrate S is controlled by a window 3a provided on the upper wall of the sample chamber 3.
Through the optical pyrometer 11.
12は試料室３の上部壁に固定した四重極型の質量分析
器（QMS:Quadlepole Mass Spectrometer）であり、試料
室３内の残留ガス組成を分析し得るようにしてある。Reference numeral 12 denotes a quadrupole mass spectrometer (QMS) fixed to the upper wall of the sample chamber 3 so that the composition of the residual gas in the sample chamber 3 can be analyzed.
13,14はいずれも原料ガスの供給系を示しており、ガ
ス供給系13からはアルゴンと水素との混合ガスが、また
ガス供給系14からはモノシランガスが夫々供給されるよ
うになっている。Reference numerals 13 and 14 denote source gas supply systems. A gas supply system 13 supplies a mixed gas of argon and hydrogen, and a gas supply system 14 supplies a monosilane gas.
而してこのような本発明方法にあっては次の過程で試
料室３内の排気を行う。In the method of the present invention, the sample chamber 3 is evacuated in the following process.
基板Ｓを試料室３に導入するに先立って、予め試料室
３を10-6Pa程度にターボ分子ポンプ５を用いて真空排気
しておき、ロードロック室７に、図示しない配管から窒
素ガスを徐々に注入して内部を大気圧とし、図示しない
ゲート弁を開き搬送アーム7b上に支持台8,サセプタ９と
共に基板Ｓを載置する。Prior to introducing the substrate S into the sample chamber 3, the sample chamber 3 is evacuated to a vacuum of about 10 −6 Pa using a turbo molecular pump 5, and nitrogen gas is supplied to the load lock chamber 7 from a pipe (not shown). The inside is gradually filled to atmospheric pressure, a gate valve (not shown) is opened, and the substrate S is placed on the transfer arm 7b together with the support 8 and the susceptor 9.
ゲート弁を閉じ、ロードロック室７内を図示しない油
回転ポンプを用いて10Paまで排気したのち、図示しない
クライオポンプで10-2Paまで排気し、ゲート弁7aを開
く。このときの真空度は10-5Paである。The gate valve is closed, the load lock chamber 7 is evacuated to 10 Pa using an oil rotary pump (not shown), and then evacuated to 10 -2 Pa using a cryopump (not shown), and the gate valve 7a is opened. The degree of vacuum at this time is 10 −5 Pa.
搬送アーム7bを水平に移動させて基板S,サセプタ9,サ
セプタ支持台８を円筒ラック8c上部に載置し、搬送アー
ム7bをロードロック室７内に引き戻してゲート弁7aを閉
じる。The transfer arm 7b is moved horizontally to place the substrate S, the susceptor 9, and the susceptor support 8 on the cylindrical rack 8c, and the transfer arm 7b is pulled back into the load lock chamber 7 to close the gate valve 7a.
試料室３内は引き続きターボ分子ポンプ５で排気し、
再び10-6Pa程度の真空度に排気する。The inside of the sample chamber 3 is continuously evacuated by the turbo molecular pump 5,
Evacuate again to a degree of vacuum of about 10 -6 Pa.
モータＭを起動し、基板Ｓをプラズマ生成室1,ヒータ
10に対し回転させつつヒータ10に通電し、基板を加熱昇
温する。昇温速度は１℃／秒である。基板温度は観測窓
3aを介して、光高温計11により測定される。基板Ｓはヒ
ータ10に対し回転せしめられ円周方向の基板温度を均一
化される。Activate the motor M, and place the substrate S in the plasma generation chamber 1 and the heater.
The heater 10 is energized while being rotated with respect to 10, so that the substrate is heated and heated. The heating rate is 1 ° C./sec. Observation window for substrate temperature
It is measured by the optical pyrometer 11 via 3a. The substrate S is rotated with respect to the heater 10, so that the substrate temperature in the circumferential direction is made uniform.
この間ゲート弁5aを開き、ターボ分子ポンプ５は引き
続き運転を継続する。基板Ｓの温度が所定値、例えば80
0℃に達した時点で昇温を停止し、基板Ｓをこの温度に
保つ。この時の試料室３の圧力は１×10-4Paである。During this time, the gate valve 5a is opened, and the turbo molecular pump 5 continues to operate. The temperature of the substrate S is a predetermined value, for example, 80
When the temperature reaches 0 ° C., the temperature is stopped and the substrate S is kept at this temperature. At this time, the pressure in the sample chamber 3 is 1 × 10 −4 Pa.
クライオポンプゲート弁6aを閉じた状態で、クライオ
ポンプ６を予め起動しておき、クライオポンプ６内の真
空度を４×10-7Pa程度にしておく。With the cryopump gate valve 6a closed, the cryopump 6 is started in advance, and the degree of vacuum in the cryopump 6 is set to about 4 × 10 −7 Pa.
ゲート弁5aを閉じると同時に弁6aを開き、試料室３内
をクライオポンプ６で排気する。At the same time as closing the gate valve 5a, the valve 6a is opened, and the inside of the sample chamber 3 is evacuated by the cryopump 6.
試料室３の真空度が１×10-6Pa以下になった時点から
10分経過後、弁6aを閉じると同時に弁5aを開いて再び試
料室３をターボ分子ポンプ５で排気する。この時の試料
室３の圧力は５×10-7Pa、基板温度は800℃である。From the time when the degree of vacuum in the sample chamber 3 becomes 1 × 10 −6 Pa or less
After 10 minutes, the valve 6a is closed and the valve 5a is opened at the same time, and the sample chamber 3 is evacuated again by the turbo-molecular pump 5. At this time, the pressure in the sample chamber 3 is 5 × 10 −7 Pa, and the substrate temperature is 800 ° C.
プラズマ生成室１に、図示しないガス供給配管からア
ルゴンガスを25SCCMの流量で流し、ターボ分子ポンプ５
における入側の図示しないコンダクタンス弁の開度を調
節して試料室３の圧力を１×10-1Paに設定し、またプラ
ズマ生成室１にマイクロ波を供給し、ECRアルゴンプラ
ズマを発生させる。Argon gas is flowed into the plasma generation chamber 1 from a gas supply pipe (not shown) at a flow rate of 25 SCCM.
The pressure of the sample chamber 3 is set to 1 × 10 -1 Pa by adjusting the opening degree of a conductance valve (not shown) on the inlet side of the above, and a microwave is supplied to the plasma generation chamber 1 to generate ECR argon plasma.
プラズマ生成室１からプラズマ引出窓1bを通して試料
室３に引き出されたアルゴンプラズマは、基板Ｓ上に照
射され、基板表面に残留する図示しない自然酸化膜を除
去する前処理を施す。The argon plasma extracted from the plasma generation chamber 1 to the sample chamber 3 through the plasma extraction window 1b is irradiated onto the substrate S and subjected to a pretreatment for removing a not-shown natural oxide film remaining on the substrate surface.
次いでプラズマを生成させつつガス供給系13からプラ
ズマ生成室１へのアルゴンガス流量を減らすと同時に水
素ガスの供給を開始し、水素ガス流量を20SCCMに設定す
る。一方試料室３内にガス供給系14からシランガスを流
量5SCCMで供給する。供給する総ガス量に変化はない。
このときターボ分子ポンプ５の排気速度は一定であり、
圧力の変化はない。Next, while generating the plasma, the flow rate of the argon gas from the gas supply system 13 to the plasma generation chamber 1 is reduced and the supply of the hydrogen gas is started at the same time, and the flow rate of the hydrogen gas is set to 20 SCCM. On the other hand, silane gas is supplied into the sample chamber 3 from the gas supply system 14 at a flow rate of 5 SCCM. There is no change in the total gas supply.
At this time, the pumping speed of the turbo molecular pump 5 is constant,
There is no change in pressure.
このシラン・水素プラズマにより基板Ｓの表面にシリ
コン単結晶膜がエピタキシャル成長せしめられる。With this silane-hydrogen plasma, a silicon single crystal film is epitaxially grown on the surface of the substrate S.
次に本発明方法と従来方法及び比較例についての比較
試験結果について説明する。Next, comparative test results of the method of the present invention, the conventional method, and a comparative example will be described.
比較のために同一の装置を使用して分子ターボポンプ
のみを用いて排気を行い、その他は前記本発明方法と同
様にしてエピタキシャル成長した場合の結果を比較例と
して示す。予備処理開始前の基板温度は800℃、真空度
は１×10-4Paである。For comparison, the result of the case where the same apparatus was used to evacuate using only the molecular turbo pump and the others were epitaxially grown in the same manner as the method of the present invention is shown as a comparative example. The substrate temperature before the start of the pretreatment is 800 ° C., and the degree of vacuum is 1 × 10 −4 Pa.
また従来方法は第２図に示す方法及び装置に依ってエ
ピタキシャル成長を行ったときの結果である。The conventional method is a result when epitaxial growth is performed by the method and apparatus shown in FIG.
結果は表１の通りである。 Table 1 shows the results.
表１から明らかなように、本発明方法によった場合に
はDdが従来方法に比べて１桁以上減少しており、比較例
と比べてもDdが1/5.7であり、本発明による結晶性の向
上が顕著である。 As is clear from Table 1, when the method of the present invention is used, Dd is reduced by one digit or more as compared with the conventional method, and Dd is 1 / 5.7 as compared with the comparative example. The improvement in the properties is remarkable.
従来方法に比べてドーピング特性は若干劣るが、熱CV
D法と比較してtdptは1/6であり、より急峻なドーピング
プロファイルが得られていることが解る。Although the doping characteristics are slightly inferior to the conventional method, thermal CV
As compared with the D method, t dpt is 1/6, which indicates that a steeper doping profile is obtained.
なお、本発明はシリコン以外の半導体膜（化合物半導
体）のエピタキシャル成長、あるいはエピタキシャル成
長以外であっても、これと同程度の清浄度が要求される
薄膜（素子パッシベーション用酸化珪素膜、窒化珪素
膜）形成反応にも適用可能であることは勿論である。In the present invention, a thin film (a silicon oxide film for device passivation, a silicon nitride film) which requires the same level of cleanliness as the epitaxial growth of a semiconductor film (compound semiconductor) other than silicon, or a non-epitaxial growth. Of course, it can be applied to the reaction.
本発明方法にあっては、ターボ分子ポンプ及びクライ
オポンプはいずれもゲート弁を介して排気対象空間であ
る試料室に連設され、また基板を加熱しつつ、ターボ分
子ポンプを、更に基板が所定温度に達した後、クライオ
ポンプを夫々駆動して排気を行うこととしているから、
試料室内のガスを膨張させて圧力を高めることで、効率
的な排気を行い得、作業能率が高く、また結晶欠陥の大
幅な低減が可能となって、結晶性の向上が図れ、更によ
り急峻なドーピングプロファイルが得られる優れた効果
を奏する。In the method of the present invention, both the turbo-molecular pump and the cryopump are connected to the sample chamber, which is a space to be evacuated, through a gate valve. After the temperature is reached, the cryopumps are each driven to exhaust air,
By increasing the pressure by expanding the gas in the sample chamber, efficient exhaust can be performed, the work efficiency is high, and the crystal defects can be greatly reduced, improving the crystallinity and further steepening It has an excellent effect of obtaining a good doping profile.
第１図は本発明方法を実施するための装置の模式図、第
2,第３図は従来方法及び装置の模式図である。 １……プラズマ生成室、２……マイクロ波導波管、３…
…試料室、４……励磁コイル、５……ターボ分子ポン
プ、６……クライオポンプ、７……ロードロック室、８
……試料台、９……サセプタ、10……ヒータ、11……光
高温計、12……質量分析器、13,14……原料ガス供給系FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for carrying out the method of the present invention.
2 and 3 are schematic views of a conventional method and apparatus. 1 ... plasma generation chamber, 2 ... microwave waveguide, 3 ...
... Sample chamber, 4 ... Excitation coil, 5 ... Turbo molecular pump, 6 ... Cryopump, 7 ... Load lock chamber, 8
……………………………………………………………………………………………………………, ……………………………………………………………………….
Claims (1)
プラズマを用いて気相成長を行わせるプラズマ気相成長
方法において、 前記試料室の内部を、これにゲート弁を介して連設され
たターボ分子ポンプを用いて排気しつつ、基板を加熱昇
温せしめる工程と、 前記基板が所定温度にまで昇温した後は前記ターボ分子
ポンプに代え、前記試料室の内部を、これにゲート弁を
介して連設されたクライオポンプを用いて排気する工程
と、 前記試料室の内部が所定値まで減圧された後は、該試料
室の内部を、前記クライオポンプに代え、前記ターボ分
子ポンプを用いて排気し、該試料室に反応ガスを注入し
つつプラズマを発生させて気相成長せしめる工程と を含むことを特徴とするプラズマ気相成長方法。1. A plasma vapor deposition method for performing vapor phase growth using plasma on a substrate surface heated and heated in a vacuum sample chamber, wherein the inside of the sample chamber is connected to the sample chamber via a gate valve. Heating and raising the temperature of the substrate while evacuating using the turbo-molecular pump, and after the substrate has been heated to a predetermined temperature, replacing the turbo-molecular pump with the inside of the sample chamber and applying a gate thereto. Evacuation using a cryopump connected via a valve, and after the inside of the sample chamber is depressurized to a predetermined value, the inside of the sample chamber is replaced with the cryopump, and the turbo-molecular pump is used. Evacuation using the method described above, and generating a plasma while injecting a reaction gas into the sample chamber to perform vapor phase growth.
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