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JPH0616492B2 - Method of manufacturing silicon thin film - Google Patents
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JPH0616492B2 - Method of manufacturing silicon thin film - Google Patents

Method of manufacturing silicon thin film

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JPH0616492B2
JPH0616492B2 JP13884086A JP13884086A JPH0616492B2 JP H0616492 B2 JPH0616492 B2 JP H0616492B2 JP 13884086 A JP13884086 A JP 13884086A JP 13884086 A JP13884086 A JP 13884086A JP H0616492 B2 JPH0616492 B2 JP H0616492B2
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JP
Japan
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sih
reaction
thin film
silicon
silicon thin
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明彦 石谷
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はシリコンの気相成長方法に関するものである。
特に、反応種をSiH2(1A1)状態とし、ブリッジサイトで
表面反応を起こさせることにより、シリコン膜を得る方
法に関するものである。
The present invention relates to a vapor phase growth method of silicon.
In particular, the present invention relates to a method for obtaining a silicon film by bringing a reactive species into a SiH 2 ( 1 A 1 ) state and causing a surface reaction at a bridge site.

(従来の技術) シリコン気相成長においては、プラズマあるいは光ある
いは熱によってソースガスを分解し、シリコンを堆積さ
せるという方法がとられている(山崎らT.Yamazaki,T.It
oh,and H.Ishikawa)ブイエルエスアイテクノロジシンポ
ジウム(IEEESymposium on VLSI Technol.)Dig.Tech pap
erspp56-57(1984))。
(Prior Art) In vapor deposition of silicon, a method of decomposing a source gas by plasma, light or heat to deposit silicon is adopted (Yamazaki et al. T. Yamazaki, T. It.
oh, and H. Ishikawa) IEEE Symposium on VLSI Technol. Dig. Tech pap
erspp 56-57 (1984)).

(発明が解決しようとする問題点) 従来は、分解の際に発生する反応種について関心をもた
ず、前述の励起方法で生成した多くの反応種をそのまま
利用していた。これは成膜において、特定の反応種のみ
が固体表面と相互作用して、表面反応が起きるというこ
とが知られていなかったからである。基板表面に供給さ
れる反応種のなかには、堆積に関与せず結果として堆積
を妨げるものもあり、このため、良質な膜形成を行うた
めにはかなりの高温が必要であったり、成膜速度が制限
されたりするのである。
(Problems to be Solved by the Invention) Conventionally, there was no interest in reactive species generated during decomposition, and many reactive species generated by the above-described excitation method were used as they were. This is because it was not known that only a specific reactive species interacts with the solid surface to cause a surface reaction during film formation. Some of the reactive species supplied to the substrate surface do not participate in the deposition and consequently interfere with the deposition. Therefore, a fairly high temperature is required to form a good quality film, and the deposition rate is high. It is limited.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、発生する反応種のうちSiH2(1A1)状態にある
ものというのを利用して成膜するものである。シリコン
のソースガスから発生するSiH2(1A1)というのは、分子
面上に高い電荷分布を持つ電子状態で、基板表面のブリ
ッジサイトで2本のダングリングボンドから分子面に垂
直な3p軌道に電荷が供給されると、SiH2-(2B1)状態に変
化して、SiとHの結合が切れやすくなる。この反応過程
を利用すれば、シリコンの成膜を、低温で有効に行うこ
とができる。
(Means for Solving the Problems) The present invention is to form a film by utilizing one of the generated reactive species in the SiH 2 ( 1 A 1 ) state. SiH 2 ( 1 A 1 ) generated from the silicon source gas is an electronic state with a high charge distribution on the molecular surface, and it is 3p perpendicular to the molecular surface from two dangling bonds at the bridge site on the substrate surface. When charges are supplied to the orbits, the state changes to the SiH 2- ( 2 B 1 ) state, and the bond between Si and H easily breaks. By utilizing this reaction process, the film formation of silicon can be effectively performed at a low temperature.

(作用) 表面反応サイトは、反応種の非結合電子と結晶表面のダ
ングリングボンドの空間的な広がりによって決められ
る。SiH2(1A1)は、2個の非結合電子が互いに反平行スピ
ンを持って、一つのsp2混成軌道に入っている。
(Function) The surface reaction site is determined by the non-bonded electrons of the reaction species and the spatial expansion of dangling bonds on the crystal surface. In SiH 2 ( 1 A 1 ), two unbonded electrons have antiparallel spins in one sp 2 hybrid orbital.

シリコンの(001)表面は2本のダングリングボンドが<11
0>方向にある表面原子からなっている。反応種をSiH2(
1A1)とした場合の表面反応は、第1図に示すように、ダ
ングリングボンドを含む平面上の<110>方向のブリッ
ジサイトで起きる。SiH2(1A1)のsp2混成軌道の2個の電
子は2本の表面原子のダングリングボンドと共有結合を
つくり、SiH2(1A1)のsp2-likeな電荷分布から結晶表面
原子のsp3-likeな電荷分布になる。また、この表面反応
サイトには2個のH原子の並ぶ方向が<10>方向に
なって吸着される。SiH2(1A1)の非結合電子の電荷分布
は分子面上で高い電荷密度を持っており、結晶表面のダ
ングリングボンドは3pπ軌道の方に近づきやすい。
The silicon (001) surface has two dangling bonds <11.
It consists of surface atoms in the 0> direction. The reactive species is SiH 2 (
The surface reaction in the case of 1 A 1 ) occurs at the bridge site in the <110> direction on the plane containing the dangling bond, as shown in FIG. Two electrons of sp 2 hybrid orbital of SiH 2 (1 A 1) creates a covalent bond with the dangling bonds of the two surface atoms, crystals from sp 2 -like charge distribution of SiH 2 (1 A 1) It has a sp 3 -like charge distribution of surface atoms. In addition, the direction in which two H atoms are aligned is the <10> direction and is adsorbed to this surface reaction site. The charge distribution of non-bonded electrons of SiH 2 ( 1 A 1 ) has a high charge density on the molecular surface, and the dangling bond on the crystal surface tends to approach the 3p π orbit.

表面反応サイトに吸着されることによってSiH2(1A1)に
変化が起き、表面反応(SiH2・・>Si+H2)が進行する。そ
れは、第1図において、SiH2(1A1)の吸着が、ダングリン
グボンドの電子が3pπ軌道に入り込み、SiH2-(2B1)とい
う電子状態になって反応が進む。そのメカニズムは、反
応種の安定構造と全エネルギーおよび電荷分布より説明
される。SiH2(1A1)およびSiH2-(2B1)の安定構造と全エ
ネルギーを表1に示した。SiH2-(2B1)の全エネルギーはS
iH2(1A1)よりも低く、反応の進行はエネルギー安定化の
方向である。また、表1に示したように、SiH2-(2B1)のR
SI-Hの結合距離はSiH2(1A1)のそれよりも約10%も伸び
ており、H2の解離反応が起こりやすくなっている。更
に、新たに付加された電子は3pπ軌道に入り、全体とし
てSi原子周辺では、ほぼ球対称の電荷分布になってい
る。従って、吸着した時、<110>方向に偏平なsp2-lik
eのSiH2(1A1)から球対称なSiH2-(2B1)の電荷分布にな
り、さらに結晶中のsp3-likeな電荷分布になるという過
程で表面反応が進む。このような反応経路は、通常の熱
的励起による分解反応とは異り、SiH2(1A1)の特異な電
荷分布によってもたらされるもので、反応ポテンシャル
曲面にエネルギーバリアがない自動解離経路を経るため
に、熱的な励起を必要としない。従って、低温で成膜で
きる。又、表面反応サイトはブリッジサイトに限られて
いるので、欠陥発生の原因となるホモジニアスな反応が
起こらない。従って、欠陥が少い。
By being adsorbed on the surface reaction site, SiH 2 ( 1 A 1 ) changes, and the surface reaction (SiH 2 ···> Si + H 2 ) proceeds. In Fig. 1 , the adsorption of SiH 2 ( 1 A 1 ) causes the electrons of the dangling bond to enter the 3p π orbit, and the reaction proceeds in the electronic state of SiH 2- ( 2 B 1 ). The mechanism is explained by the stable structure of the reactive species and the total energy and charge distribution. Table 1 shows the stable structures and total energies of SiH 2 ( 1 A 1 ) and SiH 2- ( 2 B 1 ). The total energy of SiH 2- ( 2 B 1 ) is S
Lower than iH 2 ( 1 A 1 ), the progress of the reaction is toward energy stabilization. In addition, as shown in Table 1, R of SiH 2- ( 2 B 1 )
The bond length of SI-H is about 10% longer than that of SiH 2 ( 1 A 1 ), which makes the dissociation reaction of H 2 easier. Furthermore, the newly added electrons enter the 3p π orbit, and the charge distribution is almost spherically symmetric around the Si atom as a whole. Therefore, when adsorbed, it is flat in the <110> direction sp 2 -lik
The surface reaction proceeds in the process of changing from SiH 2 ( 1 A 1 ) of e to a spherically symmetric SiH 2- ( 2 B 1 ) charge distribution, and then to a sp 3 -like charge distribution in the crystal. This type of reaction path is different from the usual decomposition reaction by thermal excitation and is caused by the unique charge distribution of SiH 2 ( 1 A 1 ) .Therefore, there is an automatic dissociation path with no energy barrier on the reaction potential curved surface. It does not require thermal excitation to go through. Therefore, the film can be formed at a low temperature. Further, since the surface reaction site is limited to the bridge site, the homogeneous reaction that causes the generation of defects does not occur. Therefore, there are few defects.

(実施例) 光解離によってSiH2(1A1)をつくり、低温エピタキシャ
ル成長した実施例として述べる。ソースガスとしては、
SiH4を用いた。SiH4の分子軌道は、エネルギーの低い順
に、(1a1)2,(2a1)2,(1t2)6,(3a1)2,(2t2)6,(a1 *),
(t2 *),Ryである。これらのうち(2t2)6がSi-Hの結合を主
に担っており、valence electronsと呼ばれている。結
合には、一部(3a1)2からの寄与もあり、それらはsub va
lence electronsと呼ばれている。(1a1)2から(1t2)6
では内殻電子で、結合には寄与していない。(a1 *)(t2 *)
は解離状態で、反結合性軌道である。Ryはリドベルグ状
態である。SiH2(1A1)は2t2軌道の電子をa1 *あるいはt2 *
に励起することによって得られる。このように、結合に
関与していない電子を励起したにもかかわらず、SiH4
解離してSiH2(1A1)が発生するのは、オージェ効果によ
って内殻の空孔へ価電子が落込み、SiとHの結合が切れ
るからである。どの反応種が生成されるかは、励起され
る電子の軌道による。本実施例の場合には、100〜120eV
の光が相当する。用いた装置の図を第2図に示す。1は2
段の差動排気を利用した分子ビーム発生装置で、3段目
のチャンバー内に基板2と極紫外光導入ポート3がある。
SiH4分子ビームはノズル4からスリット5,6を通して送ら
れる。7,8,9はターボモレキュラーポンプである。ノズ
ル4から出射されたSiH4分子はシンクロトロン放射(SR)
によって得られる極紫外光を導入するポート3を通して
照射された100〜120evの直線偏光によって励起され、Si
H2(1A1)となって基板2に衝突する。SiH2(1A1)は、既に
述べたように、ブリッジサイトでのチャージトランスフ
ァーにより、容易にエピタキシャル成長する。エピタキ
シャル成長速度と成長温度の関係を、第3図に示す。参
考のため、図中に、固体ソースの場合のエピタキシャル
成長速度と成長温度の関係も示した。また、この方法で
作成した単結晶膜は、コヒーレントな成長プロセスであ
るので、欠陥も少ない。第4図に通常の分子線エピタキ
シーの場合と比べた場合の欠陥密度を示す。
(Example) An example in which SiH 2 ( 1 A 1 ) is formed by photodissociation and low temperature epitaxial growth is performed will be described. As source gas,
SiH 4 was used. The molecular orbitals of SiH 4 are (1a 1 ) 2 , (2a 1 ) 2 , (1t 2 ) 6 , (3a 1 ) 2 , (2t 2 ) 6 , (a 1 * ),
(t 2 * ), Ry. Of these, (2t 2 ) 6 is mainly responsible for Si-H bonds and is called valence electrons. The binding also has some contribution from (3a 1 ) 2 , which is sub va
It is called lence electrons. (1a 1 ) 2 to (1t 2 ) 6 are core electrons and do not contribute to the bond. (a 1 * ) (t 2 * )
Is a dissociated state, which is an antibonding orbital. Ry is in the lidberg state. SiH 2 ( 1 A 1 ) has 2t 2 orbital a 1 * or t 2 *
It is obtained by exciting to. In this way, SiH 4 dissociates and SiH 2 ( 1 A 1 ) is generated despite the excitation of electrons not involved in the binding. The reason is that it drops and the bond between Si and H is broken. Which reactive species is generated depends on the orbit of the excited electron. In the case of this embodiment, 100 to 120 eV
Is equivalent to the light. A diagram of the equipment used is shown in FIG. 1 is 2
This is a molecular beam generator that uses the differential pumping of a stage, and has a substrate 2 and an extreme ultraviolet light introduction port 3 in the chamber of the third stage.
The SiH 4 molecular beam is sent from the nozzle 4 through the slits 5 and 6. 7,8,9 are turbo molecular pumps. SiH 4 molecules emitted from the nozzle 4 are synchrotron radiation (SR)
Excited by linearly polarized light of 100-120 ev irradiated through port 3 introducing the extreme ultraviolet light obtained by Si,
It becomes H 2 ( 1 A 1 ) and collides with the substrate 2. SiH 2 ( 1 A 1 ) easily grows epitaxially by charge transfer at the bridge site, as described above. The relationship between the epitaxial growth rate and the growth temperature is shown in FIG. For reference, the relationship between the epitaxial growth rate and the growth temperature in the case of a solid source is also shown in the figure. Further, since the single crystal film formed by this method is a coherent growth process, it has few defects. Figure 4 shows the defect densities compared to the case of normal molecular beam epitaxy.

(発明の効果) 以上説明したように、本発明はシリコン膜の製造方法に
おいて、反応種と反応過程を最適化することによって、
低温で高品質の膜を実現するとともに、エピタキシャル
成長速度を増すことを可能にするものであり、高精度の
材料制御を必要とするULSIへの工業的応用価値は高い。
(Effects of the Invention) As described above, the present invention is characterized by optimizing the reaction species and the reaction process in the method of manufacturing a silicon film.
This enables high-quality films to be realized at low temperatures, while increasing the epitaxial growth rate, and has high industrial application value for ULSI, which requires highly accurate material control.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、シリコン(001)面のブリッジサイトに吸着した
SiH2(1A1)を示す模式図。第2図は、実施例に用いた装置
の概略図である。1は分子ビーム発生装置、2は基板、3
は極紫外光導入ポート、4はノズル、5,6はスリット、7,
8,9はターボモレキュラーポンプである。第3は、実施例
におけるエピタキシャル成長速度と成長温度の関係を示
す図。第4図は、実施例における欠陥密度を示す図。
Figure 1 shows that it was adsorbed on the silicon (001) plane bridge site.
Schematic diagram showing SiH 2 ( 1 A 1 ). FIG. 2 is a schematic view of the apparatus used in the examples. 1 is a molecular beam generator, 2 is a substrate, 3
Is an extreme ultraviolet light introduction port, 4 is a nozzle, 5, 6 are slits, 7,
8 and 9 are turbo molecular pumps. Third, a diagram showing the relationship between the epitaxial growth rate and the growth temperature in the example. FIG. 4 is a diagram showing defect densities in Examples.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコンの水素化物をソースガスとするシ
リコン薄膜の製造方法において、シリコンの水素化物か
らSiH2(1A1)を生成し、基板との相互作用によって、SiH
2-(2B1)に変化させ、シリコンを堆積させることを特徴
とするシリコン薄膜の製造方法。
1. A method of manufacturing a silicon thin film using silicon hydride as a source gas, wherein SiH 2 ( 1 A 1 ) is generated from silicon hydride, and SiH 2 ( 1 A 1 ) is generated by interaction with a substrate.
2 - (2 B 1) to varying manufacturing method of a silicon thin film characterized by depositing silicon.
JP13884086A 1986-06-13 1986-06-13 Method of manufacturing silicon thin film Expired - Lifetime JPH0616492B2 (en)

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