JPH03286522A - Growth method of si crystal - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To reduce an irregularity in a device characteristic due to an irregularity in a film thickness by a method wherein an atomic-layer epitaxial growth operation of Si is executed on a semiconductor substrate by using an organic Si-based gas. CONSTITUTION:When an organic compound gas of Si where bonding hands of Si atoms 2 are provided with, e.g. ethyl groups 3 is decomposed and the ethyl groups in one part are cut from the Si atoms 2, gas molecules provided with dangling bonds 4 are approached to an Si substrate 1, the ethyl groups 3 on the surface are separated and Si atoms 2A of molecules provided with the dangling bonds 4 are bonded to the outermost surface of the Si substrate 1. The outermost surface side of a first Si layer which has not been bonded to the Si atoms 2 in the substrate is still provided with the ethyl groups 3. When Si compounds provided with one part of the ethyl groups 3 are approached to the dangling bonds 4, they are disconnected from the substrate and the Si atoms 2A provided with the ethyl groups are bonded to the outermost surface. Since the Si compounds provided with the dangling bonds are bonded stably to the Si atoms 2 in the substrate, an epitaxial growth operation which can control an atomic layer can be executed without forming the difference in level on the surface.

Description

Translated fromJapanese

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はＳｉの結晶成長方法に関する。[Detailed description of the invention][Industrial application field]The present invention relates to a method for growing Si crystals.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、Ｓｉのエピタキシャル成長は無機系ガスを使用し
た化学的気相成長法（ＣＶＤ法）が主流である。ＣＶＤ
法では成長時のガス圧が高く、気相中でガスが化学反応
する。そのためＳｉの微粒子が気相中で形成され、それ
がＳｉ基板上に堆積する。エピタキシャル成長は、微粒
子が基板上に積もる時、基板温度によりＳｉ原子が再配
列することにより行なわれていた。Conventionally, chemical vapor deposition (CVD) using an inorganic gas has been the mainstream for epitaxial growth of Si. CVD
In this method, the gas pressure during growth is high, and the gases undergo chemical reactions in the gas phase. Therefore, Si fine particles are formed in the gas phase and deposited on the Si substrate. Epitaxial growth was performed by rearranging Si atoms depending on the substrate temperature when fine particles were deposited on the substrate.

また、固体ソースのＳｉを用いた分子線エピタキシャル
成長法（ＭＢＥ法〉では、Ｓｉの融点か高いために、電
子銃（Ｅガン〉によりＳｉソースを溶融してＳｉ原子の
ビームをとばしている。この方法では、Ｅガンのパワー
を制御することにより、成長レートを制御すれば原子層
で制御できるエピタキシャル成長は可能である。In addition, in the molecular beam epitaxial growth method (MBE method) using Si as a solid source, since the melting point of Si is high, the Si source is melted with an electron gun (E gun) to emit a beam of Si atoms. In this method, if the growth rate is controlled by controlling the power of the E-gun, epitaxial growth that can be controlled on an atomic layer basis is possible.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

従来のＣＶＤ法ではガス圧が高く、気相中でＳｉ微粒子
が形成される。成長は、その微粒子というＳｉ原子のか
たまりが基板に積もることにより行なわれるため、エピ
タキシャル成長を原子層で制御することは不可能であり
、薄膜の精密な膜厚制御を行なえないためデバイスの特
性がばらつくという問題点があった。In the conventional CVD method, the gas pressure is high, and Si fine particles are formed in the gas phase. Growth takes place when clusters of Si atoms, called fine particles, accumulate on the substrate, so it is impossible to control epitaxial growth using atomic layers, and because it is not possible to precisely control the thickness of thin films, device characteristics vary. There was a problem.

また、ＭＢＥ法では膜厚制御性のよいＳｉのエピタキシ
ャル成長を行うことができるが、Ｅガンにより溶融した
Ｓｉが突沸して、欠陥の多い結晶となる。さらに、この
方法は蒸着法であるため、Ｓｉ基板上のみに成長させる
選択成長は不可能であり、デバイスを作製する際、工程
数が多くなったり、セルファラインのプロセスが行えな
いなどの問題点があった。Further, although the MBE method allows epitaxial growth of Si with good film thickness controllability, the Si melted by the E gun bumps, resulting in crystals with many defects. Furthermore, since this method is an evaporation method, it is impossible to selectively grow only on the Si substrate, resulting in problems such as an increase in the number of steps when manufacturing devices and the inability to perform the self-line process. was there.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明のＳｉの結晶成長方法は、半導体基板上に有機Ｓ
ｉ系ガスを用いてＳｉを原子層エピタキシャル成長させ
るものである。The method for growing Si crystals of the present invention is to grow organic Si on a semiconductor substrate.
This method uses i-based gas to grow Si by atomic layer epitaxial growth.

〔作用〕[Effect]

本発明の作用を図１を用いて説明する。The operation of the present invention will be explained using FIG.

Ｓｉ原子２の結合手にアルキル基の一種である１例えば
エチル基３がついているＳｉの有機化合物ガスは、熱に
より分解し、その一部のエチル基３がＳｉ原子２からき
れると、そのダングリングボンド４をもったガスの分子
が図１〈ａ〉に示すように、Ｓｉ基板１に近づく。そし
て図１（ｂ）に示すように、基板の表面に付いていたエ
チル基３がはなれて、Ｓｉ基板１の最表面にダングリン
グボンド４をもった分子のＳｉ原子２Ａが結合する。An organic compound gas of Si in which a type of alkyl group 1, for example, an ethyl group 3 is attached to the bond of the Si atom 2, is decomposed by heat, and when some of the ethyl groups 3 are separated from the Si atom 2, the dangling Gas molecules with ring bonds 4 approach the Si substrate 1 as shown in FIG. 1(a). Then, as shown in FIG. 1(b), the ethyl group 3 attached to the surface of the substrate is separated, and the Si atoms 2A of the molecule having the dangling bond 4 are bonded to the outermost surface of the Si substrate 1.

アルキル基どうしは化学結合しにくい性質があるので、
通常のＣＶＤのように気相中で反応してＳｉ微粒子とな
ることはなく、Ｓｉ原子は逐次堆積していく。また、Ｓ
ｉ基板基板上上、基板のＳｉ原子２と結合していない真
空側、すなわちＳｉ第一層の最表面側にはエチル基３か
まだついており、このエチル基はダングリングボンド４
と一部のエチル基３を持ったＳｉ化合物が近づくと、基
板から脱離してエチル基を持ったＳｉ原子２Ａが最表面
に結合する。ダングリングボンドを持ったＳｉ化合物は
基板表面でマイグレートしてＳｉ表面のキンクで安定に
基板のＳｉ原子２と結合するため、表面に段差を作るこ
となく、原子層で制御できるエピタキシャル成長が行え
る。表面がＳｉ以外の材料上では、ダングリングボンド
を持つｒ、）Ｓｉ化合物は安定にその表面上に結合でき
ないので、選択成長が可能である。Since alkyl groups have a property that it is difficult for them to chemically bond with each other,
Unlike normal CVD, Si atoms do not react in the gas phase to become Si fine particles, but instead are deposited one after another. Also, S
On the i-substrate substrate, on the vacuum side that is not bonded to the Si atoms 2 of the substrate, that is, on the outermost surface side of the first Si layer, there is an ethyl group 3 attached, and this ethyl group forms a dangling bond 4.
When a Si compound having some ethyl groups 3 approaches, it detaches from the substrate and the Si atoms 2A having ethyl groups bond to the outermost surface. The Si compound with dangling bonds migrates on the substrate surface and stably bonds to the Si atoms 2 of the substrate through kinks on the Si surface, so epitaxial growth that can be controlled in atomic layers can be performed without creating a step on the surface. On a material whose surface is other than Si, selective growth is possible because a Si compound having a dangling bond cannot be stably bonded to the surface.

〔実施例〕〔Example〕

次に本発明の一実施例を説明する。Next, one embodiment of the present invention will be described.

用いたＳｉ基板は面方位（１００）で、〈１１０〉方向
に４°オフしている。はじめに、Ｓｉ基板をＮＨ４０Ｈ
：　Ｈ２０２：　Ｈ２０＝２　：　４　：１０のブラン
ソン洗浄を２０分間行い、表面に清浄なＳｉＯ２膜をつ
ける。その後、超高真空装置にいれ、基板を４００℃に
設定し、クラッキングしたＨ２ガスを２０分照射して酸
化膜を除去し、Ｓｉ表面の清浄化を行なった。Ｓｉ　（
１００）の清浄表面が２Ｘ１の超構造を示すことから、
反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ）を用いて２Ｘ１の超構造
を確認することによって、清浄なＳｉ表面が得られたと
した。The Si substrate used has a plane orientation (100) and is offset by 4° in the <110> direction. First, the Si substrate was heated with NH40H.
:H202:H20=2:4:10 Branson cleaning is performed for 20 minutes to attach a clean SiO2 film to the surface. Thereafter, the substrate was placed in an ultra-high vacuum apparatus, the temperature of the substrate was set at 400° C., and cracked H2 gas was irradiated for 20 minutes to remove the oxide film and clean the Si surface. Si (
Since the clean surface of 100) shows a 2X1 superstructure,
It was assumed that a clean Si surface was obtained by confirming the 2X1 superstructure using reflection electron diffraction (RHEED).

Ｓｉのエピタキシャル成長に用いるガスは、テトラエチ
ルシラン（Ｓｉ　（Ｃ２Ｈ５）４　）と水素（Ｈ２）で
、混合比はＳｉ　（Ｃ２Ｈｓ　）４　：Ｈ２１：９であ
る。Ｓｉ　（Ｃ２Ｈ５）４は常圧で液体で、沸点は１５
３℃と高い。しかし、チャンバー内は成長時においても
、Ｉ　Ｘ　１０−５Ｔｏ　ｒ　ｒと真空度が高いこと、
ボンベを含め配管系を約１００’Ｃに加熱することによ
り、ガス量を確保した。成長方法はガスソースＭＢＥ法
であり、ベース・プレッシャーが１Ｘ１０−１０Ｔｏｒ
ｒの超高真空装置を使用している。成長時、Ｈ２ガスの
み、カスセルに付いているＥＣＲのガスクラッキング装
置によりクラッキングをおこなった。成長時の全圧力は
１Ｘ１０−５Ｔｏｒｒである。Ｓｉの成長は基板温度６
００℃で行なった。その結果１００原子層以上のＳｉを
制御性良くエピタキシャル成長させることができた。The gases used for the epitaxial growth of Si are tetraethylsilane (Si (C2H5)4) and hydrogen (H2), and the mixing ratio is Si (C2Hs)4:H21:9. Si (C2H5)4 is a liquid at normal pressure and has a boiling point of 15
The temperature is as high as 3℃. However, even during growth, the vacuum inside the chamber is as high as 10-5 Torr.
The amount of gas was secured by heating the piping system, including the cylinder, to about 100'C. The growth method is gas source MBE method, and the base pressure is 1X10-10 Torr.
We use ultra-high vacuum equipment. During growth, cracking was performed using only H2 gas using an ECR gas cracking device attached to the cassette. The total pressure during growth is 1×10 −5 Torr. Growth of Si occurs at a substrate temperature of 6
The test was carried out at 00°C. As a result, it was possible to epitaxially grow more than 100 atomic layers of Si with good controllability.

本実施例を用いれば、極薄膜化したＭＯＳＦＥＴのチャ
ネル部の形成や、バイポーラの薄膜ベースの形成にも応
用できる。If this embodiment is used, it can be applied to the formation of an extremely thin MOSFET channel portion and the formation of a bipolar thin film base.

尚、上記実施例においてはＳｉ基板上にＳｉの原子層を
エピタキシャル成長した場合について説明したが、Ｇｅ
基板上にも同様にエピタキシャル成長を行うことができ
る。Incidentally, in the above embodiment, a case was explained in which an atomic layer of Si was epitaxially grown on a Si substrate.
Epitaxial growth can be similarly performed on the substrate.

〔発明の効果〕以上説明したように本発明は、有機Ｓｉ系ガスを用いて
Ｓｉを原子層エピタキシャル成長させることにより、デ
バイスの微細化を進める上で精密な寸法制御が必要とさ
れるデバイスプロセスに利用でき、膜厚のばらつきによ
るデバイス特性のばらつきを低減させることができると
いう効果がある。[Effects of the Invention] As explained above, the present invention enables atomic layer epitaxial growth of Si using an organic Si-based gas, thereby making it suitable for device processes that require precise dimensional control to advance device miniaturization. This has the effect of reducing variations in device characteristics due to variations in film thickness.

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

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の詳細な説明するための
Ｓｉ原子とエチル基の結合を示す図である。１・・・Ｓｉ基板、２・・・Ｓｉ原子、２Ａ・・・Ｓｔ
基板上に成長した第１層のＳｉ原子、３・・・エチル基
、４・・・ダングリングボンド、５・・・炭素、６・・
・水素。FIGS. 1(a) and 1(b) are diagrams showing the bond between a Si atom and an ethyl group for explaining the present invention in detail. 1...Si substrate, 2...Si atom, 2A...St
Si atoms in the first layer grown on the substrate, 3... Ethyl group, 4... Dangling bond, 5... Carbon, 6...
·hydrogen.

Claims (1)

Translated fromJapanese

【特許請求の範囲】[Claims]　半導体基板上に有機Ｓｉ系ガスを用いてＳｉを原子層
エピタキシャル成長させることを特徴とするＳｉの結晶
成長方法。A method for growing Si crystals, which comprises growing Si on a semiconductor substrate by atomic layer epitaxial growth using an organic Si-based gas.