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JPH0813718B2 - Silicon molecular beam growth method - Google Patents
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JPH0813718B2 - Silicon molecular beam growth method - Google Patents

Silicon molecular beam growth method

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JPH0813718B2
JPH0813718B2 JP618289A JP618289A JPH0813718B2 JP H0813718 B2 JPH0813718 B2 JP H0813718B2 JP 618289 A JP618289 A JP 618289A JP 618289 A JP618289 A JP 618289A JP H0813718 B2 JPH0813718 B2 JP H0813718B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はシリコン分子線成長方法に係り、詳しくはガ
スソースを用いたシリコンの選択的リンドーピングに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing a silicon molecular beam, and more particularly to selective phosphorus doping of silicon using a gas source.

(従来の技術) シリコン分子線エピタキシャル成長法においては従来
シリコン分子線の発生方法として固体シリコンを電子線
加熱する方法が用いられていた。こうした固体ソースシ
リコン分子線エピタキシャル成長ではエピタキシャル膜
中へのドーピングは成長中に同時にドーパントの入った
クヌードセンセルから極く微量のドーパントを供給する
ことで行われる。但しこの場合にはクヌードセンセルの
加熱温度によってドーパントの蒸気圧が適当に制御でき
ることが必要となる。シリコン結晶中のn型ドーパント
としてヒ素、リン、アンチモンが良く用いられる。しか
しこの内ヒ素およびリンは蒸気圧が高すぎるために通常
のクヌードセンセルを用いたドーピングは不可能であっ
た。このため従来のシリコン分子線エピタキシャル成長
法においてはn型ドーパントとしてはアンチモンしか用
いることが出来なかった。アンチモンほヒ素、リンに比
べて固溶限が低くまた拡散しやすいため、例えばシリコ
ン分子線エピタキシャル成長法を用いて急峻でかつn型
高濃度ドーピングが要求されるnpnバイポーラトランジ
スタのエミッタ層作成などを行うことは不可能であっ
た。また固体ソースを用いたシリコン分子線エピタキシ
ャル成長法では選択成長が不可能なため、部分的に酸化
膜で覆われたシリコン基板に対しシリコン露出部分だけ
に選択的リンドープしたシリコンエピタキシャル膜を形
成することは不可能であった。
(Prior Art) In the silicon molecular beam epitaxial growth method, a method of heating solid silicon with an electron beam has been conventionally used as a method of generating a silicon molecular beam. In such solid source silicon molecular beam epitaxial growth, doping into the epitaxial film is performed by simultaneously supplying an extremely small amount of dopant from the Knudsen cell containing the dopant during growth. However, in this case, it is necessary that the vapor pressure of the dopant can be appropriately controlled by the heating temperature of the Knudsen cell. Arsenic, phosphorus and antimony are often used as n-type dopants in silicon crystals. However, since the vapor pressure of arsenic and phosphorus was too high, doping with a conventional Knudsen cell was impossible. Therefore, in the conventional silicon molecular beam epitaxial growth method, only antimony can be used as the n-type dopant. Compared with antimony arsenic and phosphorus, it has a lower solid solubility limit and is more likely to diffuse. Therefore, for example, an emitter layer of an npn bipolar transistor that requires steep and n-type high-concentration doping is formed using the silicon molecular beam epitaxial growth method. It was impossible. In addition, since selective growth is impossible with the silicon molecular beam epitaxial growth method using a solid source, it is not possible to form a selective phosphorus-doped silicon epitaxial film only on the exposed silicon portion of a silicon substrate partially covered with an oxide film. It was impossible.

このため従来の技術においてリンの高濃度ドープ層を
形成する場合にはあらかじめ形成したエピタキシャル層
にリンをイオンプランテーションの方法によって打ち込
み、これを熱処理によって活性化する手法が用いられ
た。
For this reason, in the conventional technique, when a heavily doped layer of phosphorus is formed, a method of implanting phosphorus into an epitaxial layer formed in advance by a method of ion plantation and activating it by heat treatment has been used.

(本発明が解決しようとする問題点) 従来のシリコン分子線エピタキシャル成長方法ではリ
ンドーピングが行えず、また選択成長が不可能であるた
めにnpn型バイポーラトランジスタのエミッタ層作成が
出来なかった。またこれに代るイオンプランテーション
の手法では酸化膜に部分的に覆われたシリコン基板にお
いてエミッタ領域に対応するシリコン露出部分だけに選
択的にドーピングが出来ないことおよびイオンプランテ
ーション後活性化のための高温熱処理が必要なため基板
に作りこまれたドーピングプロファイルが熱拡散によっ
てぼやけるといった問題があった。
(Problems to be Solved by the Present Invention) Since the conventional silicon molecular beam epitaxial growth method cannot perform phosphorus doping and selective growth is impossible, the emitter layer of the npn type bipolar transistor cannot be formed. In addition, in the alternative ion implantation method, it is impossible to selectively dope only the exposed silicon portion corresponding to the emitter region in the silicon substrate partially covered with the oxide film, and the high temperature for activation after ion plantation is required. Since the heat treatment is required, there is a problem that the doping profile formed in the substrate is blurred by thermal diffusion.

(問題点を解決するための手段) 本発明はガスソースシリコン分子線成長法においてソ
ースガスと同時にホスフィンを供給してシリコン層のリ
ンドーピングを行い、またガスソースシリコン分子線成
長法では選択成長が可能であることを利用して部分的に
酸化膜で覆われたシリコン基板に対しシリコン露出部分
だけに選択的にリンドープしたシリコン膜を形成する方
法を提供するものである。
(Means for Solving Problems) In the present invention, in the gas source silicon molecular beam growth method, phosphine is supplied simultaneously with the source gas to perform phosphorus doping of the silicon layer, and in the gas source silicon molecular beam growth method, selective growth is performed. It is possible to provide a method for forming a silicon film selectively phosphorus-doped only on the exposed silicon portion of a silicon substrate partially covered with an oxide film by utilizing the possibility.

(作用) シリコンの成長方式としてガスソース方式のシリコン
分子線エピタキシャル成長方法を用いれば従来の固体ソ
ースシリコン分子線エピタキシャル成長法では用いるこ
とが出来なかったガス状態の物質をドーパントとして利
用できる。ドーパントをガス状態で供給できればドーピ
ング濃度はその流量を制御することで制御でき従来の固
体ソース分子線成長法では蒸気圧の関係で利用できなか
ったリンをドーパントとして利用することが可能にな
る。リンは1つのリン原子に3つの水素原子が結合して
できたホスフィン分子を形成すると室温で気体になる。
従ってリンの供給源としてこのホスフィンを用いること
ができる。ガスソースシリコン分子線エピタキシャル成
長では成長中の真空度は10-5Torr以下であり、このよう
な高真空下では気体は基板温度と熱平衡状態にない。ま
た気体分子同士の衝突確率も極めて小さい。このため気
相中で気体分子が解離して基板にいたる通常の化学気相
反応成長法における成長過程とは異なる。ガスソースシ
リコン分子線エピタキシャル成長では気体分子は気相中
で分解することなしに全て基板に到達する。この気体分
子は基板において熱エネルギーを受け取り解離吸着する
ことによって成長に寄与する。基板表面の解離吸着はシ
リコン表面の化学的に活性なダングリングボンドと気体
分子の反応によって起こる。この事情はドーパントガス
のホスフィン分子でも同様である。この解離吸着過程に
必要な活性なダングリングボンドは清浄なシリコン表面
には存在するが酸化膜上には存在しない。従ってガスソ
ースシリコン分子線エピタキシャル成長法においてホス
フィンをソースガスと同時に供給することによって部分
的に酸化膜で覆われたシリコン基板に対しシリコン露出
部分だけに選択的にリンドープしたシリコンエピタキシ
ャル膜を形成することが可能となる。さらにガスソース
シリコン分子線成長法では600℃の低温においてもエピ
タキシャル成長が可能なため、選択的なリンドープ層を
得るためのプロセス温度はイオンプランテーションに比
べて低く抑えることができる。
(Operation) If a silicon source molecular beam epitaxy method of a gas source method is used as a silicon growth method, a substance in a gas state which cannot be used in the conventional solid source silicon molecular beam epitaxy method can be used as a dopant. If the dopant can be supplied in a gas state, the doping concentration can be controlled by controlling the flow rate, and it becomes possible to use phosphorus as a dopant, which was not available in the conventional solid source molecular beam growth method due to the vapor pressure. Phosphorus becomes a gas at room temperature when it forms a phosphine molecule made of three hydrogen atoms bonded to one phosphorus atom.
Therefore, this phosphine can be used as a source of phosphorus. In gas source silicon molecular beam epitaxial growth, the degree of vacuum during growth is 10 -5 Torr or less, and under such a high vacuum, the gas is not in thermal equilibrium with the substrate temperature. The probability of collision between gas molecules is also very low. Therefore, this is different from the growth process in the normal chemical vapor reaction growth method in which gas molecules are dissociated in the gas phase and reach the substrate. In gas source silicon molecular beam epitaxial growth, all gas molecules reach the substrate without being decomposed in the gas phase. The gas molecules contribute to the growth by receiving thermal energy and dissociatively adsorbed on the substrate. Dissociative adsorption on the substrate surface occurs due to the reaction between chemically active dangling bonds on the silicon surface and gas molecules. The same applies to the phosphine molecule of the dopant gas. Active dangling bonds necessary for this dissociative adsorption process exist on the clean silicon surface but do not exist on the oxide film. Therefore, in the gas source silicon molecular beam epitaxial growth method, phosphine can be supplied simultaneously with the source gas to form a silicon epitaxial film selectively phosphorus-doped only on the exposed silicon portion of a silicon substrate partially covered with an oxide film. It will be possible. Furthermore, since the gas-source silicon molecular beam growth method allows epitaxial growth even at a low temperature of 600 ° C., the process temperature for obtaining a selective phosphorus-doped layer can be kept low compared to ion plantation.

(実施例) 以下図面を用いて本発明について詳細に説明する。第
1図は、本発明の実施例を説明するためのガスソースシ
リコン分子線成長装置の概要図である。基板は4インチ
p型Si(100)ウエハー1を用いた。この基板はガスソ
ースシリコン分子線成長装置2にロードされる。このシ
リコン基板に対して超高真空のシリコン分子線成長装置
内で基板裏側のヒーター3により900℃、10分間の加熱
を行う。このプロセスによって清浄なSi(100)表面が
得られる。表面の清浄さは高速電子銃4と蛍光スクリー
ン5で構成される反射高速電子線回折装置の回折パター
ンにおいて清浄なSi(100)面に特徴的な2×1表面超
構造が観察されることで確認した。この清浄な表面に対
してシリコン基板を630℃に保ってシリコン成長のソー
スガスであるジシランをガスセル6から供給する。リン
ドーピングのためにはシランで希釈された5%ホスフィ
ンを用いる。このホスフィンガスはホスフィンガスボン
ベ7からサブチェンバー8に供給される。サブチェンバ
ーには同時にジシランもジシランガスボンベ9から供給
され、これらはサブチャンバー内で混合されてガスセル
から基板に向かって照射される。サブチャンバーに供給
されるジシランガス流量は41sccm、シラン希釈ホスフィ
ン流量は0〜0.5sccmの範囲でニードルバルブ10で変化
させた。基板に対してはこのうちの一部が照射される。
ガスセルから基板に向かって照射されるガス流量は〜1s
ccmである。
(Example) The present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a gas source silicon molecular beam growth apparatus for explaining an embodiment of the present invention. A 4-inch p-type Si (100) wafer 1 was used as the substrate. This substrate is loaded into the gas source silicon molecular beam growth apparatus 2. This silicon substrate is heated at 900 ° C. for 10 minutes by the heater 3 on the back side of the substrate in the ultrahigh vacuum silicon molecular beam growth apparatus. This process results in a clean Si (100) surface. The cleanliness of the surface can be observed by observing the characteristic 2 × 1 surface superstructure on the clean Si (100) surface in the diffraction pattern of the reflection high-energy electron beam diffractometer composed of the high-speed electron gun 4 and the fluorescent screen 5. confirmed. The silicon substrate is maintained at 630 ° C. on this clean surface, and disilane, which is a source gas for silicon growth, is supplied from the gas cell 6. 5% phosphine diluted with silane is used for phosphorus doping. This phosphine gas is supplied from the phosphine gas cylinder 7 to the sub chamber 8. At the same time, disilane is also supplied from the disilane gas cylinder 9 to the sub chamber, and these are mixed in the sub chamber and irradiated from the gas cell toward the substrate. The flow rate of disilane gas supplied to the sub-chamber was 41 sccm, and the flow rate of silane-diluted phosphine was changed in the range of 0 to 0.5 sccm by the needle valve 10. The substrate is partially irradiated with this.
The flow rate of gas emitted from the gas cell toward the substrate is ~ 1s.
It is ccm.

第2図に以上の方法によって部分的に1μmの酸化膜
によって覆われたSi(100)基板上に作成した膜厚0.4μ
mのエピタキシャル膜の表面および断面の2次電子走査
顕微鏡観察の結果を模式図で示す。図から明らかなよう
にホスフィンドーピングを行った場合でもシリコンの開
口部にだけ選択的にエピタキシャル膜が成長しているこ
とがわかった。
Fig. 2 shows a film thickness of 0.4μ formed on a Si (100) substrate partially covered with an oxide film of 1μm by the above method.
The result of secondary electron scanning microscope observation of the surface and cross section of the epitaxial film of m is shown in a schematic view. As is apparent from the figure, it was found that even when phosphine doping was performed, the epitaxial film selectively grew only in the silicon opening.

第3図は第2図で得られた部分的に酸化膜で覆われた
p型Si(100)基板上に選択成長させたリンドープn型
シリコンエピタキシャル膜と基板で構成されたp−nダ
イオードの電流電圧特性をしめしたものである。図から
明らかな様に本方法を用いて得られたエピタキシャル膜
は良好なp−nダイオード特性を示す。これらシリコン
開口部に選択的にリンドープされたエピタキシャル膜が
得られていることがわかる。
FIG. 3 shows a pn diode composed of a substrate and a phosphorus-doped n-type silicon epitaxial film selectively grown on the p-type Si (100) substrate partially covered with an oxide film obtained in FIG. It shows the current-voltage characteristics. As is clear from the figure, the epitaxial film obtained by using this method exhibits good pn diode characteristics. It can be seen that epitaxial films selectively doped with phosphorus in these silicon openings are obtained.

(発明の効果) 以上詳しく説明したように本発明を用いれば部分的に
マスク材で覆われたシリコン基板に対しシリコン露出部
分だけに選択的にリントープしたシリコンエピタキシャ
ル膜に形成することが実現できる。
(Effects of the Invention) As described in detail above, according to the present invention, it is possible to form a silicon epitaxial film selectively phosphorus-doped only on the exposed silicon portion of a silicon substrate partially covered with a mask material.

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

第1図は本発明の実施例を説明するためのガスソース方
式のシリコン分子線エピタキシャル成長装置の装置概略
図、第2図(a),(b)は本発明の実施例で作製した
シリコンエピタキシャル膜の各々表面および断面の2次
電子走査顕微鏡写真の模式図、第3図は実施例で作製し
たp−nダイオードの電流電圧特性を示した図である。
図において1はSi基板、2はガスソースシリコン分子線
成長装置、3は基板ヒーター、4は反射高速電子線回折
用高速電子銃、5は蛍光スクリーン、6はガスセル、7
はホスフィンガスボンベ、8はサブチェンバー、9はジ
シランガスボンベ、10はニードルバルブである。
FIG. 1 is a schematic view of a gas source type silicon molecular beam epitaxial growth apparatus for explaining an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) and 2 (b) are silicon epitaxial films produced in the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic view of a secondary electron scanning micrograph of each surface and cross section of FIG. 3, and FIG. 3 is a view showing current-voltage characteristics of the pn diode manufactured in the example.
In the figure, 1 is a Si substrate, 2 is a gas source silicon molecular beam growth apparatus, 3 is a substrate heater, 4 is a high-speed electron gun for reflection high-energy electron diffraction, 5 is a fluorescent screen, 6 is a gas cell, 7
Is a phosphine gas cylinder, 8 is a sub-chamber, 9 is a disilane gas cylinder, and 10 is a needle valve.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン分子線成長方法において、マスク
材で部分的に覆われたシリコン基板上にシラン系ガスと
シラン系ガスにより希釈したホスフィンガスとを供給す
ることにより前記マスク材で覆われていない部分だけに
選択的にリンドープしたシリコン膜を形成することを特
徴とするシリコン分子線成長方法。
1. In a silicon molecular beam growth method, a silane-based gas and a phosphine gas diluted with the silane-based gas are supplied onto a silicon substrate partially covered with the mask to cover the silicon substrate with the mask. A silicon molecular beam growth method characterized in that a phosphorus-doped silicon film is selectively formed only on a non-existing portion.
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