JPH0547518B2 - - Google Patents
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- JPH0547518B2 JPH0547518B2 JP21517085A JP21517085A JPH0547518B2 JP H0547518 B2 JPH0547518 B2 JP H0547518B2 JP 21517085 A JP21517085 A JP 21517085A JP 21517085 A JP21517085 A JP 21517085A JP H0547518 B2 JPH0547518 B2 JP H0547518B2
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
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Description
〔技術分野〕
本発明は単結晶薄膜の製法に関し、特にシリコ
ン単結晶薄膜の低温形成法に関する。
〔背景技術〕
単結晶薄膜の低温形成法は半導体装置の高集積
化を達成する為に非常に重要な技術として注目さ
れている。このために各種のアプローチがなされ
ている。しかしながら、たとえば、モノシランの
熱CVD(Chemical Vapor Deposition:化学
気相蒸着)法では約1000〜1100℃の高温が必要で
ある。また我々の検討等ではフルオロシランもし
くはジシランの光CVD法では約600〜700℃の温
度が必要である。このように従来技術においては
まだまだ高温が必要であり、必ずしも満足されう
る低温形成の技術は開発されていない。
本発明者らはフルオロシランの光分解(光
CVD法)により低抵抗の非晶質薄膜を得ること
を先に提案(特願昭60−49231号、特願昭60−
49232号)した。更に検討を集めた結果、驚くべ
きことにフルオロシランとシランの混合ガスを原
料ガスとすることにより300℃以下の基板温度に
おいて、単結晶シリコン薄膜が成長することを見
出したので、ここに開示するものである。
〔発明の開示〕
本発明はフルオロシラン、シラン及び好ましく
は水素からなる混合ガスを光分解(光CVD)し
て形成することを特徴とする単結晶薄膜の製造方
法である。
本発明において使用するフルオロシランとして
はSiH4-oFo(n=1〜3整数)又はSi2F6が特に
有用である。またシランとしてはSinH2n+2(m=
1〜3の整数)で表わされるモノシラン、ジシラ
ン、トリシランが有効に用いられる。
また本発明では、単結晶薄膜を特に好ましい態
様として単結晶基板上にエピタキシヤル成長させ
るものであり、該基板としてはシリコンウエェハ
ーやサフアイヤ等が用いられる。
本発明における光分解は紫外線によるものが特
に好ましいが、光分解の増感反応を利用すること
もできる。
即ち本発明は、フルオロシラン、シラン及び好
ましくは水素からなる混合ガスを好ましくは紫外
線の照射により光分解し、低温に加熱された結晶
性基板上に単結晶薄膜を形成する方法である。
本発明においては、フルオロシランとシランが
共存する状態で光CVDすることが不可欠であり、
さらに好ましくは、水素を混合したガスに紫外線
を照射するものである。混合ガス比については単
結晶薄膜を形成する薄膜形成装置への原料ガス供
給流量(容量)比で表わすことができる。この比
でいえば好ましい範囲はつぎの通りである。すな
わちフルオロシラン/シラン比=0.5〜50、特に
好ましくは1〜20である。水素については好まし
く水素/フルオロシラン比は2倍以上、特に好ま
しくは5倍以上である。水素添加量を多くしすぎ
ると、単結晶の成長速度が低下するので好ましい
水素/フルオロシラン混合比は2〜20倍であり、
特に好ましくは5〜15倍である。混合ガスの形成
方法は、臨界的な因子ではなく特に限定されるも
のではない。たとえば、該形成装置外であらかじ
め混合したガスを導入することや、該形成装置内
で、上記の希釈度合を満足すべく水素を混合する
ことのいずれも有用である。勿論、水素希釈のフ
ルオロシランやシランを使用することは何ら支障
がない。
本発明において光分解に用いる紫外線を発生す
る光源としては、臨界的な条件ではなく特に限定
されるものではない。具体的例示としては、水銀
灯、希ガスランプ、水銀−希ガスランプ、水素放
電管等が用いられる。これらの光源において、水
銀灯の一種である低圧水銀灯を用いることが実用
上便利である。光分解は直接的に、または所望に
より増感剤を介して間接的に行うことができる。
実用的な観点から水銀を増感剤とする水銀増感法
が効果的に用いられる。シランとして一般式にお
けるm=1のモノシランを用いる時には、水銀増
感法のみが有効である。m=2及びm=3のジシ
ラン及びトリシランは直接及び関接のいずれの方
法も有用である。トリシランは沸点が53℃と高
く、室温では液体で存在するため何らかの手段で
ガス化せねばならない。それ故、混合ガスの光分
解反応の観点からはシランとしてはジシラン(m
=2)が好ましい原料である。
さらに本発明のすぐれた特徴の一つとして単結
晶薄膜を形成する温度が従来の光CVD法に比較
して極めて低いことである。従来の光CVD法に
おいては600℃以上の温度が必要であるが、本発
明においては驚くべきことに、実施例で示すよう
に300℃以下さらには200℃の基板温度でエピタキ
シヤル成長ができることである。成長温度はさら
に低下させることができるが、この場合には、そ
れに応じて成長速度を低下させる必要がある。成
長速度が約0.1Å/sec以上の実用的な値の場合に
は基板温度は約100℃以上であればよい。
本発明において光分解時の混合ガス圧力や照射
光強度については特に臨界的に限定される条件は
ない。また水銀を増感剤として用いる場合には水
銀溜の温度や水銀蒸気を薄膜形成装置に移送する
キヤリヤーガスの流量等も特に限定されるもので
はない。これらの条件は単結晶薄膜の成長速度に
影響を与えるものであり、前述の如く成長速度に
応じて基板温度を適宜変更することで効果的に単
結晶薄膜をエピタキシヤル成長させることができ
る。
〔発明を実施するための好ましい形態〕
つぎに本発明の実施の態様についてしるす。光
透過窓、基板導入手段、基板保持手段、基板加熱
手段、ガス導入手段、真空排気手段を少なくとも
有する薄膜形成装置内に洗浄及び又はエツチング
により表面を清浄にした単結晶材料の基板を設置
し真空排気下基板を100〜400℃に加熱する。原料
ガスの導入にあたり、必要に応じてその一部を水
銀溜を経由させて該装置に導入する。原料ガスは
シランに対するフルオロシランの流量比を0.5〜
50とし、かつフルオロシランに対する水素の流量
比を2倍以上として該装置に供給される。真空排
気手段で該装置内の圧力を10Torr以下として、
低圧水銀ランプを点灯し成膜を開始する。同ラン
プ点灯と共に薄膜の形成がはじまるので成膜速度
を考慮にいれて必要膜厚になる時間において同ラ
ンプを消灯する。また、膜厚モニターによつて膜
厚を計測しつつ成膜時間を決めることもできる。
該装置の光透過窓としては合成石英が適している
が、この窓に高沸点油を塗布しておくことによ
り、光透過窓への膜形成を抑えることができる。
〔発明の効果〕
本発明において得られる単結晶薄膜は基板の温
度が300℃以下の低温さらに200℃以下という低温
においても形成されるものである。光集積化のた
めに、半導体薄膜や半導体装置の低温形成技術が
熱望されている高導体装置の製造分野に対して、
本発明は極めて有用な技術を提供するものであ
る。
〔実施例〕
以下実施例を示し本発明をさらに具体的に説明
する。
実施例 1
第1図に示すところの紫外線透過窓1、基板導
入手段2、基板保持手段3、基板加熱手段、ガス
導入手段5、真空排気手段6を有す薄膜形成装置
7を用いる。基板導入手段2を用いて膜付のため
の基板8であるところのP型シリコンウエハー
(100)を基板保持手段に設置する。真空排気手段
で真空排気しつつ基板加熱手段により洗浄済の基
板を200℃に加熱した。なお、6′,9′は基板導
入取出室15の排気手段である。ついでジシラ
ン/ジフルオロシラン/水素を1/15/150の流
量比で導入し、真空排気手段に設備されている調
節弁9で2Torrの圧力に保持する。導管10より
導入されるジフルオロシランの内の一部を約40℃
に加熱された水銀溜11の上を通過させて導入す
る。なお、13はジシラン、14は水素の導入管
である。基板の温度および薄膜形成装置内の圧力
が一定となつて時低圧水銀ランプ12を点灯し、
膜厚が約6000Åになつた時に消灯する。平均の成
膜速度は1.0Å/sであつた。冷却後基板を取り
だして観察したところ、基体面は曇りの全くない
鏡面であつた。表面を反射電子線回折
(RHEED)装置で観察して、基板と同一のラウ
エ斑点を得て該基板面から単結晶薄膜がエピタキ
シヤル成長していることを確認した。本単結晶薄
膜は極めて弱いn型であり、その比抵抗は50〜
70Ω・cmであつた。
実施例2〜9、比較例1、2
フルオロシランの種類と量を変更した他は実施
例1に準じて実施した。条件及び結果を第1表に
記した。第1表には比較のための例もあわせて示
した。
[Technical Field] The present invention relates to a method for producing a single crystal thin film, and more particularly to a method for forming a silicon single crystal thin film at a low temperature. [Background Art] Low-temperature formation of single crystal thin films is attracting attention as a very important technology for achieving high integration of semiconductor devices. Various approaches have been taken for this purpose. However, for example, thermal CVD (Chemical Vapor Deposition ) of monosilane requires high temperatures of about 1000 to 1100 °C. Furthermore, according to our studies, the photo-CVD method of fluorosilane or disilane requires a temperature of about 600 to 700°C. As described above, the conventional techniques still require high temperatures, and a satisfactory low-temperature formation technique has not yet been developed. The present inventors have demonstrated that photolysis of fluorosilane (photodegradation of fluorosilane)
It was first proposed to obtain a low-resistance amorphous thin film using the CVD method (Japanese Patent Application No. 49231/1983;
No. 49232). As a result of further investigation, we surprisingly found that a single crystal silicon thin film can be grown at a substrate temperature of 300°C or less by using a mixed gas of fluorosilane and silane as the raw material gas, which we will disclose here. It is something. [Disclosure of the Invention] The present invention is a method for producing a single crystal thin film, which is characterized in that it is formed by photodecomposing (photo-CVD) a mixed gas consisting of fluorosilane, silane, and preferably hydrogen. Particularly useful as the fluorosilane used in the present invention are SiH 4-o Fo (n=1 to 3 integer) or Si 2 F 6 . Also, as a silane, Si n H 2n+2 (m=
Monosilane, disilane, and trisilane represented by (an integer from 1 to 3) are effectively used. Furthermore, in the present invention, a particularly preferred embodiment is to grow the single crystal thin film epitaxially on a single crystal substrate, and the substrate may be a silicon wafer, a sapphire, or the like. In the present invention, photolysis using ultraviolet rays is particularly preferred, but a sensitizing reaction of photolysis can also be used. That is, the present invention is a method of photolyzing a mixed gas consisting of fluorosilane, silane, and preferably hydrogen, preferably by irradiation with ultraviolet light, to form a single crystal thin film on a crystalline substrate heated to a low temperature. In the present invention, it is essential to carry out photoCVD in a state where fluorosilane and silane coexist.
More preferably, a gas mixed with hydrogen is irradiated with ultraviolet rays. The mixed gas ratio can be expressed as a raw material gas supply flow rate (capacity) ratio to a thin film forming apparatus that forms a single crystal thin film. In terms of this ratio, the preferred range is as follows. That is, the fluorosilane/silane ratio is from 0.5 to 50, particularly preferably from 1 to 20. Regarding hydrogen, the hydrogen/fluorosilane ratio is preferably at least 2 times, particularly preferably at least 5 times. If the amount of hydrogen added is too large, the growth rate of the single crystal will decrease, so the preferred hydrogen/fluorosilane mixing ratio is 2 to 20 times,
Particularly preferably 5 to 15 times. The method of forming the mixed gas is not a critical factor and is not particularly limited. For example, it is useful to introduce a premixed gas outside the forming apparatus, or to mix hydrogen within the forming apparatus so as to satisfy the above dilution degree. Of course, there is no problem in using fluorosilane or silane diluted with hydrogen. In the present invention, the light source that generates the ultraviolet light used for photolysis is not a critical condition and is not particularly limited. Specific examples include a mercury lamp, a rare gas lamp, a mercury-rare gas lamp, and a hydrogen discharge tube. In these light sources, it is practically convenient to use a low-pressure mercury lamp, which is a type of mercury lamp. Photolysis can be carried out directly or indirectly via a sensitizer, if desired.
From a practical standpoint, a mercury sensitization method using mercury as a sensitizer is effectively used. When using monosilane with m=1 in the general formula as the silane, only the mercury sensitization method is effective. Disilanes and trisilanes with m=2 and m=3 are useful both directly and indirectly. Trisilane has a high boiling point of 53°C, and since it exists as a liquid at room temperature, it must be gasified by some means. Therefore, from the viewpoint of photodecomposition reaction of mixed gas, disilane (m
=2) is a preferred raw material. Furthermore, one of the excellent features of the present invention is that the temperature for forming a single crystal thin film is extremely low compared to conventional optical CVD methods. In the conventional optical CVD method, a temperature of 600°C or higher is required, but surprisingly, in the present invention, epitaxial growth can be performed at a substrate temperature of 300°C or lower, or even 200°C, as shown in the examples. be. The growth temperature can be further reduced, but in this case the growth rate must be reduced accordingly. When the growth rate is a practical value of about 0.1 Å/sec or more, the substrate temperature may be about 100° C. or more. In the present invention, there are no particularly critical conditions regarding the mixed gas pressure or irradiation light intensity during photolysis. Furthermore, when mercury is used as a sensitizer, there are no particular limitations on the temperature of the mercury reservoir or the flow rate of the carrier gas for transferring mercury vapor to the thin film forming apparatus. These conditions affect the growth rate of the single crystal thin film, and as described above, by appropriately changing the substrate temperature according to the growth rate, the single crystal thin film can be effectively epitaxially grown. [Preferred Modes for Carrying Out the Invention] Next, embodiments of the present invention will be described. A substrate made of a single crystal material whose surface has been cleaned by cleaning and/or etching is placed in a thin film forming apparatus having at least a light transmission window, a substrate introduction means, a substrate holding means, a substrate heating means, a gas introduction means, and a vacuum evacuation means. Heat the substrate to 100-400°C under exhaust gas. When introducing the raw material gas, a part of it is introduced into the apparatus via a mercury reservoir as necessary. The raw material gas has a flow rate ratio of fluorosilane to silane of 0.5~
50, and the flow rate ratio of hydrogen to fluorosilane is at least twice as high as that of fluorosilane. Using vacuum evacuation means to reduce the pressure inside the device to 10 Torr or less,
Turn on the low-pressure mercury lamp and start film formation. Formation of a thin film begins as soon as the lamp is turned on, so the lamp is turned off when the required film thickness is reached, taking into account the film formation rate. Further, the film forming time can be determined while measuring the film thickness using a film thickness monitor.
Synthetic quartz is suitable for the light transmitting window of the device, but by applying high boiling point oil to this window, film formation on the light transmitting window can be suppressed. [Effects of the Invention] The single crystal thin film obtained in the present invention can be formed even when the substrate temperature is as low as 300°C or lower, and even as low as 200°C or lower. For the field of manufacturing high-conductor devices, where low-temperature formation technology for semiconductor thin films and semiconductor devices is eagerly awaited for optical integration,
The present invention provides extremely useful technology. [Example] The present invention will be described in more detail below with reference to Examples. Example 1 A thin film forming apparatus 7 having an ultraviolet transmitting window 1, a substrate introducing means 2, a substrate holding means 3, a substrate heating means, a gas introducing means 5, and a vacuum evacuation means 6 as shown in FIG. 1 is used. Using the substrate introduction means 2, a P-type silicon wafer (100), which is the substrate 8 for film attachment, is placed on the substrate holding means. The cleaned substrate was heated to 200° C. by the substrate heating device while being evacuated by the vacuum pumping device. Note that 6' and 9' are exhaust means for the substrate introduction/takeout chamber 15. Next, disilane/difluorosilane/hydrogen are introduced at a flow rate ratio of 1/15/150, and the pressure is maintained at 2 Torr by a control valve 9 provided in the evacuation means. A portion of the difluorosilane introduced through conduit 10 is heated to approximately 40°C.
The mercury is introduced by passing it over a mercury reservoir 11 heated to . In addition, 13 is a disilane introduction pipe, and 14 is a hydrogen introduction pipe. When the temperature of the substrate and the pressure inside the thin film forming apparatus are constant, the low pressure mercury lamp 12 is turned on,
The light turns off when the film thickness reaches approximately 6000 Å. The average deposition rate was 1.0 Å/s. After cooling, the substrate was taken out and observed, and it was found that the surface of the substrate was a mirror surface with no clouding at all. The surface was observed using a reflection electron diffraction (RHEED) device, and Laue spots identical to those of the substrate were obtained, confirming that a single crystal thin film was epitaxially grown from the substrate surface. This single crystal thin film is extremely weak n-type, and its specific resistance is 50~
It was 70Ω・cm. Examples 2 to 9, Comparative Examples 1 and 2 The procedure of Example 1 was repeated except that the type and amount of fluorosilane were changed. The conditions and results are shown in Table 1. Table 1 also shows examples for comparison.
【表】【table】
【表】
* 実施例1のジシラン流量を1とした時
の値
実施例 10
実施例1においてジシランのかわりにモノシラ
ン(SiH4)を用いて行つた。成膜速度は0.15Å/
sと低下したが電子線回折からエピタキシヤル成
長を確認した。抵抗率は90〜120Ω・cmであつた。
以上、実施例から明らかなごとく200℃と低い
基板温度で単結晶薄膜を成長させることのできる
本発明は半導体装置の製造の低温化に極めて有効
な発明である。[Table] *Values when the disilane flow rate of Example 1 is set to 1 Example 10 In Example 1, monosilane (SiH 4 ) was used instead of disilane. The deposition rate is 0.15Å/
Epitaxial growth was confirmed by electron beam diffraction, although the growth rate decreased to s. The resistivity was 90 to 120 Ω·cm. As is clear from the examples above, the present invention, which allows single crystal thin films to be grown at a substrate temperature as low as 200° C., is extremely effective for lowering the manufacturing temperature of semiconductor devices.
第1図は本発明を実施するために有用な薄膜形
成装置の縦断面を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a longitudinal section of a thin film forming apparatus useful for carrying out the present invention.
Claims (1)
を光分解して形成することを特徴とする単結晶薄
膜の製造方法。 2 フルオロシランがSiH4-oFo(n=1〜3)又
はSi2F6である特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 シランがSinH2n+2(m=1〜3)である特許
請求の範囲第1項記載の方法。 4 結晶性基板上に形成される特許請求の範囲第
1項記載の方法。 5 光分解が紫外線の照射により行われる特許請
求の範囲第1項記載の方法。 6 フルオロシラン、シラン及び水素からなる混
合物ガスを紫外線の照射により光分解し、低温に
加熱された結晶性基板上に形成する特許請求の範
囲第1項記載の方法。[Scope of Claims] 1. A method for producing a single crystal thin film, characterized in that it is formed by photodecomposing a mixed gas consisting of fluorosilane and silane. 2. The method according to claim 1, wherein the fluorosilane is SiH 4-o F o (n=1 to 3) or Si 2 F 6 . 3. The method according to claim 1, wherein the silane is Si n H 2n+2 (m=1 to 3). 4. The method according to claim 1, which is formed on a crystalline substrate. 5. The method according to claim 1, wherein the photolysis is carried out by irradiation with ultraviolet light. 6. The method according to claim 1, wherein a gas mixture consisting of fluorosilane, silane, and hydrogen is photodecomposed by irradiation with ultraviolet rays and formed on a crystalline substrate heated to a low temperature.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21517085A JPS6278191A (en) | 1985-09-30 | 1985-09-30 | Production of single crystal thin film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21517085A JPS6278191A (en) | 1985-09-30 | 1985-09-30 | Production of single crystal thin film |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6278191A JPS6278191A (en) | 1987-04-10 |
| JPH0547518B2 true JPH0547518B2 (en) | 1993-07-16 |
Family
ID=16667819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21517085A Granted JPS6278191A (en) | 1985-09-30 | 1985-09-30 | Production of single crystal thin film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6278191A (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6330398A (en) * | 1986-07-23 | 1988-02-09 | Toshiba Corp | Epitaxy |
| JPH02225399A (en) * | 1988-11-11 | 1990-09-07 | Fujitsu Ltd | Method for epitaxial growth and apparatus therefor |
-
1985
- 1985-09-30 JP JP21517085A patent/JPS6278191A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6278191A (en) | 1987-04-10 |
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