JPH04127522A - Method for selective growth of semiconductor crystal - Google Patents
Method for selective growth of semiconductor crystalInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は半導体結晶成長方法に関し、特にシリコン基板
上に選択的に多結晶シリコンを成長させる方法に関する
。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a method for growing semiconductor crystals, and more particularly to a method for selectively growing polycrystalline silicon on a silicon substrate.
（従来の技術）
半導体成膜プロセスの一つにシリコンの選択成長技術が
ある。これは、シリコン基板上に酸化膜あるいは窒化膜
を堆積し、その一部を除去することにより基板表面の一
部分のみを露出させる。このように基板表面が露出した
部分にのみ選択的にシリコンを成長させる技術である。(Prior Art) One of the semiconductor film forming processes is a silicon selective growth technique. In this method, an oxide film or a nitride film is deposited on a silicon substrate, and a portion of the oxide film or nitride film is removed to expose only a portion of the substrate surface. This is a technique in which silicon is selectively grown only on the exposed portions of the substrate surface.
このような構造を作ることにより、非常に微細な素子分
離を実現することが出来る。従来、選択成長を実現する
ために、幾つかの方法が取られてきた。その一つは、５
ｉＨ２ＣＩ２などの塩化シリコン系ガスを原料とした成
長中に、ＭＣＩを添加することにより、マスク材として
用いた酸化膜の上にはシリコンは成長しないが、基板表
面が露出した部分には、シリコンが選択的に成長させる
方法である。あるいは、基板温度を高くすることにより
、ＳｉＨ４／Ｈ２系を用いて選択成長が実現されている
。最近では、成長圧力を下げることにより、ＳｉＨ４あ
るいはＳｉ２Ｈ６などの原料ガスとシリコン基板表面と
の直接反応を利用することにより選択成長を実現してい
る。By creating such a structure, extremely fine element isolation can be achieved. Conventionally, several methods have been taken to achieve selective growth. One of them is 5
By adding MCI during growth using silicon chloride gas such as iH2CI2 as a raw material, silicon will not grow on the oxide film used as a mask material, but silicon will grow on the exposed parts of the substrate surface. This is a method of selective growth. Alternatively, selective growth has been achieved using the SiH4/H2 system by increasing the substrate temperature. Recently, selective growth has been realized by lowering the growth pressure and utilizing a direct reaction between a raw material gas such as SiH4 or Si2H6 and the surface of a silicon substrate.
しかしながら、本方法をコンタクトホールの埋め込みに
応用した場合、成長表面にファセットが形成され、平担
な膜が得られない。このため、その上に堆積させるアル
ミ等とのコンタクト不良が生じる。そこで、ファセット
面が形成されない多結晶を選択的に成長させることが要
求されている。従来、選択成長に際して、不純物を大量
にドーピングすることにより、成長層を多結晶化させ、
多結晶を選択的に成長させている。However, when this method is applied to filling contact holes, facets are formed on the growth surface, making it impossible to obtain a flat film. This causes poor contact with aluminum or the like deposited thereon. Therefore, it is required to selectively grow polycrystals in which no facets are formed. Conventionally, during selective growth, the grown layer is made polycrystalline by doping a large amount of impurities.
Polycrystals are grown selectively.
（発明が解決しようとする課題）
選択成長技術を用いると、シリコン基板のような単結晶
の上には、単結晶が成長する。多結晶を選択的に成長さ
せるには、選択成長中に不純物を成長温度に於ける同容
限界以上にドーピングすることにより多結晶化させるこ
とが試みられている。しかしながら、ドーピング量が多
くなると成長速度が低下する、あるいは表面が荒れるな
どの問題がある。さらに、多結晶化させるために、ドー
ピングを行う必要があるため、不純物が添加されていな
い多結晶を選択的に成長することが出来ないといった問
題が生じる。(Problem to be Solved by the Invention) When a selective growth technique is used, a single crystal grows on a single crystal such as a silicon substrate. In order to selectively grow polycrystals, attempts have been made to make polycrystals by doping impurities during selective growth to a level higher than the equivalence limit at the growth temperature. However, when the amount of doping increases, there are problems such as a decrease in the growth rate or roughening of the surface. Furthermore, since it is necessary to perform doping in order to make the material polycrystalline, a problem arises in that polycrystals to which no impurities are added cannot be selectively grown.
本発明の目的は、このような従来の欠点を除去して、低
温で選択的に多結晶膜を堆積させることが可能となる半
導体成長方法を提供することである。An object of the present invention is to provide a semiconductor growth method that eliminates these conventional drawbacks and allows selective deposition of polycrystalline films at low temperatures.
（課題を解決するための手段）
本発明は、化学気相成長（ＣＶＤ）法によるシリコン結
晶の選択成長に於て、成長直前に加熱した基板表面を炭
化水素系ガスにさらし、その後従来の選択成長技術を用
いることによりシリコン基板上に選択的に多結晶シリコ
ンを成長させることができる。(Means for Solving the Problems) In the selective growth of silicon crystals by chemical vapor deposition (CVD), the present invention exposes the heated substrate surface to a hydrocarbon gas immediately before growth, and then Polycrystalline silicon can be selectively grown on a silicon substrate by using growth techniques.
（作用）
従来の選択成長において、単結晶シリコンが選択成長す
る理由は次のような理由による。通常の化学気相成長法
においては、原料ガスが気相中で分解し、水素あるいは
塩素とシリコン原子からなる反応活性種とよばれる成長
に最も寄与する分子が生成される。この分子が表面に吸
着し、その後表面反応が起こり表面から塩素や水素が離
脱することにより膜が堆積していく。この反応活性種は
非常に活性であり、他の分子と容易に反応する。(Function) The reason why single crystal silicon selectively grows in conventional selective growth is as follows. In a typical chemical vapor deposition method, a source gas is decomposed in the gas phase, and molecules that contribute most to growth, called reactive species, consisting of hydrogen or chlorine and silicon atoms are produced. These molecules are adsorbed on the surface, and then a surface reaction occurs and chlorine and hydrogen are released from the surface, resulting in the deposition of a film. This reactive species is highly active and easily reacts with other molecules.
その結果、気相中で原料ガスなどと反応し、シリコンク
ラスタなどを形成する。このように形成されたシリコン
クラスタが、−皮酸化膜表面に吸着すると容易に離脱す
ることが出来ない。この結果、酸化膜上にもシリコンが
堆積し選択性が失われる。選択性を得るためにはＨＣＩ
で酸化膜上に吸着したシリコンクラスタを除去するか、
成長温度を高くして酸化膜とシリコンクラスタを反応さ
せて除去する必要がある。あるいは、成長圧力を下げて
分子線領域にすることにより、原料ガスが気相中で分解
することをおさえることができる。−方、このように気
相中での核生成を抑制することにより、１）エピタキシ
ャル成長を阻害する大きな要因がなくなる、２）ＨＣＩ
を添加することにより、成長過程とエツチング過程が競
合し、表面では平衡反応に近くなるなどの原因により、
結晶性が良くなりエピタキシャル成長がおこる。このよ
うに、選択性と結晶性には大きな関係があり、選択性を
良くすることにより、結晶性が良くなり単結晶化する。As a result, it reacts with the raw material gas in the gas phase to form silicon clusters and the like. If the silicon clusters formed in this way are adsorbed to the surface of the oxidized film, they cannot be easily removed. As a result, silicon is also deposited on the oxide film and selectivity is lost. HCI to obtain selectivity
to remove the silicon clusters adsorbed on the oxide film, or
It is necessary to raise the growth temperature to cause the oxide film and silicon clusters to react and be removed. Alternatively, by lowering the growth pressure to a molecular beam region, decomposition of the source gas in the gas phase can be suppressed. - On the other hand, by suppressing nucleation in the gas phase in this way, 1) major factors that inhibit epitaxial growth are eliminated, and 2) HCI
By adding , the growth process and etching process compete, and the reaction approaches equilibrium on the surface.
Crystallinity improves and epitaxial growth occurs. As described above, there is a strong relationship between selectivity and crystallinity, and by improving selectivity, crystallinity improves and single crystallization occurs.
このため、選択成長するシリコン単結晶を多結晶化する
ために、従来のシリコン選択成長中に不純物を高濃度に
ドーピングすることが行われている。不純物を同容限界
以上にドーピングすると、ドーピング量が増大するに伴
って結晶性が劣化し、最後には多結晶化する。しかしな
がら、高濃度ドーピングに起因して、先に述べたような
問題が生じる。Therefore, in order to polycrystallize the selectively grown silicon single crystal, impurities are doped at a high concentration during conventional silicon selective growth. If the impurity is doped to an amount exceeding the capacitance limit, the crystallinity deteriorates as the amount of doping increases, and eventually polycrystalline formation occurs. However, due to the high concentration doping, the problems mentioned above arise.
これに対して、成長直前にシリコン表面を炭化水素系ガ
スに晒すと、表面のシリコンの一部が炭素と反応しＳｉ
Ｃが形成される。成長温度が低い場合、シリコンと格子
定数が大きく異なるため多結晶ＳｉＣ層が形成される。On the other hand, if the silicon surface is exposed to hydrocarbon gas immediately before growth, part of the silicon on the surface will react with carbon and the Si
C is formed. When the growth temperature is low, a polycrystalline SiC layer is formed because the lattice constant is significantly different from that of silicon.
さらにこの上にシリコンを成長させると、シリコン層は
下地の多結晶ＳｉＣの影響を受けて多結晶化する。Ｓｉ
Ｃの上にはシリコンが成長するが、酸化膜の上には成長
しないといった選択性があるため、多結晶シリコンを選
択的に成長させることが可能となる。また、このＳｉＣ
層は非常に薄いこと、Ｎ型Ｐ型どちらのドーピングも可
能なことから、ＳｉＣ層が電気的に大きな影響を与える
ことはない。When silicon is further grown on top of this, the silicon layer becomes polycrystalline under the influence of the underlying polycrystalline SiC. Si
Since there is selectivity such that silicon grows on C but not on the oxide film, polycrystalline silicon can be selectively grown. Also, this SiC
Since the layer is very thin and both N and P type doping is possible, the SiC layer does not have a significant electrical effect.
（実施例）
次に本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説
明する。(Example) Next, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第１図は、本発明の方法に用いられる半導体成長装置の
一例を示す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a semiconductor growth apparatus used in the method of the present invention.
第２図は、本発明に用いられる基板の構造の一例を示す
概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the structure of a substrate used in the present invention.
装置は、成長を行う反応管１．１、シリコン基板１−２
、シリコン基板１−２を保持するためのサセプタ１−３
、基板１−２とサセプタ１−３を加熱するための加熱装
置１−４、ボンベ１−５Ａ、 １−５Ｂ、 １−５Ｃ，
１−５Ｄ、ガスミキサー１−６、流量制御部１−７、減
圧にするためのポンプ１−８から構成されている。成長
装置は、横型減圧ＣＶＤ炉である。原料ガスとしては、
５ｉＨ２Ｃ１２を用いた。炭化水素ガスとしては、１−
Ｃ４Ｈ１０を用いた。The apparatus includes a reaction tube 1.1 for performing growth and a silicon substrate 1-2.
, a susceptor 1-3 for holding the silicon substrate 1-2
, heating device 1-4 for heating the substrate 1-2 and susceptor 1-3, cylinders 1-5A, 1-5B, 1-5C,
1-5D, a gas mixer 1-6, a flow rate controller 1-7, and a pump 1-8 for reducing pressure. The growth apparatus is a horizontal low pressure CVD furnace. As raw material gas,
5iH2C12 was used. As a hydrocarbon gas, 1-
C4H10 was used.
キャリアガスとしては、水素を用いた。成長中にＨＣＩ
を添加することにより選択性を得た。それぞれのガスの
流量は、５０．１．５０００．２ｃｃ／ｍｉｎとした。Hydrogen was used as the carrier gas. HCI during growth
Selectivity was obtained by adding . The flow rate of each gas was 50.1.5000.2 cc/min.
基板は、第２図に示すように、シリコン（１００）基板
２−１表面を熱酸化により厚さ約１．ｕｍの酸化膜２−
２を形成し、その一部を通常のウェット法により除去し
て開口部２−３を設けたものを用いた。希釈したＨＦ溶
液（１％）で、開口部２−３表面の自然酸化膜を除去し
、水洗いした後、装置にセットした。ロータリーポンプ
１−８で真空排気することにより、成長中の圧力を２５
Ｔｏｒｒとした。表面の炭化は、７００度、５分間、１
−Ｃ４Ｈ１０にさらすことにより行った。その後、１−
Ｃ４Ｈ１０を止め、５ｉＨ２Ｃ１２、水素、ＨＣＩを流
し８００°Ｃで、３０分成長した後、光学顕微鏡により
表面を観察することにより選択性を調べた。その結果、
炭化を行わなかった場合には、単結晶が選択的に成長し
たのに対して、表面を炭化することにより、シリコン基
板表面が露出している部分にのみ選択的に多結晶シリコ
ンが成長していた。多結晶か単結晶かは、成長した多結
晶膜を光学顕微鏡で見ると干渉色が見えるのに対し単結
晶では干渉色が見えないことで識別できる。なお、炭化
層はｌｎｍ以下であり、実用上問題無い程度であった。As shown in FIG. 2, the substrate is made by thermally oxidizing the surface of a silicon (100) substrate 2-1 to a thickness of approximately 1.5 mm. um oxide film 2-
2 was formed, and a portion thereof was removed by a normal wet method to provide an opening 2-3. After removing the natural oxide film on the surface of the opening 2-3 with a diluted HF solution (1%) and washing with water, it was set in the apparatus. By evacuating with rotary pump 1-8, the pressure during growth is reduced to 25%.
Torr. Carbonization of the surface was performed at 700 degrees for 5 minutes.
-C4H10. After that, 1-
After stopping C4H10 and flowing 5iH2C12, hydrogen, and HCI and growing at 800°C for 30 minutes, selectivity was examined by observing the surface with an optical microscope. the result,
When carbonization was not performed, single crystals grew selectively, but by carbonizing the surface, polycrystalline silicon grew selectively only on the exposed parts of the silicon substrate surface. Ta. Polycrystals and single crystals can be distinguished by the fact that when a grown polycrystalline film is viewed under an optical microscope, interference colors are visible, whereas in single crystals, no interference colors are visible. Note that the carbonized layer was 1 nm or less in thickness, which was a level that caused no practical problems.
今回は、５ｉＨ２Ｃ１２／１−Ｃ４Ｈ１０／Ｈ２／ＨＣ
Ｉ系を用いたが、１−Ｃ４Ｈ１０の変わりにＣ３Ｈ５な
どの他のガスを用いても同様な効果が得られる。また、
この実施例ではドーピングを行わなかったが、成長中に
ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６などのドーピングガスを流すことによ
り、不純物がドーピングされた多結晶シリコンを選択的
に成長させることが可能である。This time, 5iH2C12/1-C4H10/H2/HC
Although I-type gas was used, similar effects can be obtained by using other gases such as C3H5 instead of 1-C4H10. Also,
Although doping was not performed in this example, it is possible to selectively grow polycrystalline silicon doped with impurities by flowing a doping gas such as PH3 or B2H6 during growth.
（発明の効果）
以上、詳細に述べたとおり、本発明による方法を用いる
ことにより、シリコン基板表面を薄く炭化し、その後シ
リコン選択成長を行うことにより、選択的に多結晶シリ
コンを成長することが可能となる。(Effects of the Invention) As described above in detail, by using the method according to the present invention, polycrystalline silicon can be selectively grown by thinly carbonizing the surface of a silicon substrate and then performing selective silicon growth. It becomes possible.
第１図は、本発明の方法に用いられる半導体成長装置の
一例を示す概略構成図である。
１−１・・・成長を行う反応管、１−２・・・シリコン
基板、１−３・・・シリコン基板１−２を保持するため
のサセプタ、１−４・・・加熱装置、１−５Ａ、１−５
Ｂ、 １−５Ｃ，１−５Ｄ・・・ボンベ、１−６ガスミ
キサー、１−７・・・流量制御部、１−８・・・減圧に
するためのポンプ。
第２図は、本発明に用いられる基板の構造の一例を示す
概略図である。
２−１・・・シリコン基板、
２−２・・・酸化膜、
２−３・・・開口部FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a semiconductor growth apparatus used in the method of the present invention. 1-1... Reaction tube for growth, 1-2... Silicon substrate, 1-3... Susceptor for holding silicon substrate 1-2, 1-4... Heating device, 1- 5A, 1-5
B, 1-5C, 1-5D... cylinder, 1-6 gas mixer, 1-7... flow rate controller, 1-8... pump for reducing pressure. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the structure of a substrate used in the present invention. 2-1...Silicon substrate, 2-2...Oxide film, 2-3...Opening part
Claims (1)
いて、成長に先立って炭化水素系ガスに加熱した基板表
面をさらし、その後シリコン選択成長技術を用いること
により、シリコン基板上に選択的に多結晶シリコンを成
長させることを特徴とする半導体多結晶の選択的成長方
法。In the selective growth of silicon crystals by low pressure chemical vapor deposition, polycrystalline silicon is selectively grown on the silicon substrate by exposing the heated substrate surface to hydrocarbon gas prior to growth and then using silicon selective growth technology. A method for selectively growing semiconductor polycrystals, the method comprising growing a semiconductor polycrystal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24915590A JPH04127522A (en) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Method for selective growth of semiconductor crystal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24915590A JPH04127522A (en) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Method for selective growth of semiconductor crystal |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04127522A true JPH04127522A (en) | 1992-04-28 |
Family
ID=17188725
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24915590A Pending JPH04127522A (en) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Method for selective growth of semiconductor crystal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04127522A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005340816A (en) * | 2004-05-21 | 2005-12-08 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | POLYCRYSTALLINE SiGe JUNCTION FOR ADVANCED DEVICE |
-
1990
- 1990-09-19 JP JP24915590A patent/JPH04127522A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005340816A (en) * | 2004-05-21 | 2005-12-08 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | POLYCRYSTALLINE SiGe JUNCTION FOR ADVANCED DEVICE |
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