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JP2001093900A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

Info

Publication number
JP2001093900A
JP2001093900A JP27232599A JP27232599A JP2001093900A JP 2001093900 A JP2001093900 A JP 2001093900A JP 27232599 A JP27232599 A JP 27232599A JP 27232599 A JP27232599 A JP 27232599A JP 2001093900 A JP2001093900 A JP 2001093900A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon
heat treatment
epitaxial growth
temperature
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP27232599A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ichiro Mizushima
一郎 水島
Shigeru Kanbayashi
茂 神林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP27232599A priority Critical patent/JP2001093900A/en
Publication of JP2001093900A publication Critical patent/JP2001093900A/en
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】低い堆積温度で形成されたエピタキシャル・シ
リコン膜中の欠陥の低減を図る。 【解決手段】単結晶シリコン基板の一主面上に対してシ
リコン膜をエピタキシャル成長する工程と、酸化性雰囲
気での熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする。
[PROBLEMS] To reduce defects in an epitaxial silicon film formed at a low deposition temperature. The method includes a step of epitaxially growing a silicon film on one main surface of a single crystal silicon substrate and a step of performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンのエピタ
キシャル成長に係わり、特にエピタキシャル成長中での
欠陥の発生を抑制する半導体装置の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the epitaxial growth of silicon, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device for suppressing the occurrence of defects during epitaxial growth.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI素子の微細化に伴い、製造工程途
中においてシリコンのエピタキシャル成長を行うことに
よる、LSIの構造の可能性を広げる試みがなされてい
る。特にこのようなエピタキシャル成長層をトランジス
タの能動領域として利用するようなケースにおいては、
エピタキシャルシリコン層中において良好な結晶性を実
現することが重要となる。
2. Description of the Related Art With the miniaturization of LSI elements, attempts have been made to expand the possibility of LSI structures by epitaxially growing silicon during the manufacturing process. Especially in the case where such an epitaxial growth layer is used as an active region of a transistor,
It is important to realize good crystallinity in the epitaxial silicon layer.

【0003】従来、デバイスが予め作られていないシリ
コン基板上へのシリコンエピタキシャル成長において
は、良好な結晶性を得るために1000℃以上の高温の
もとで成長が行われていた。これは成長温度が高いほ
ど、基板表面上において付着したシリコン原子がマイグ
レーションしやすく、付着原子が安定な位置、すなわち
格子位置に納まりやすくなるため、結果的に欠陥の少な
い結晶性が良好なエピタキシャル層が形成することがで
きるためである。
[0003] Conventionally, in epitaxial growth of silicon on a silicon substrate on which devices have not been prepared in advance, growth has been performed at a high temperature of 1000 ° C or higher in order to obtain good crystallinity. This is because the higher the growth temperature, the more easily the silicon atoms attached on the substrate surface migrate, and the more easily the attached atoms are located in a stable position, that is, in a lattice position. Is formed.

【0004】しかしながら上述したような、近年求めら
れているデバイス作成工程途中でのエピタキシャル成長
においては、成長温度を高くすることが困難であるた
め、温度を高くすることなく良好な結晶性のエピタキシ
ャル成長層を実現するための方法が必要とされていた。
However, it is difficult to increase the growth temperature in the epitaxial growth in the middle of the device manufacturing process, which has been required in recent years, as described above. Therefore, a good crystalline epitaxial growth layer can be formed without increasing the temperature. There was a need for a way to achieve it.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、デバ
イス作成工程途中でのエピタキシャル成長においては、
堆積温度を高くすることなく良好な結晶性を有するエピ
タキシャル成長層を実現することが望まれていたが、堆
積温度を低くするとマイグレーションが生じにくく、欠
陥が生じ易いという問題があった。
As described above, in the epitaxial growth in the middle of the device forming process,
It has been desired to realize an epitaxially grown layer having good crystallinity without increasing the deposition temperature. However, when the deposition temperature is lowered, migration is less likely to occur and defects are more likely to occur.

【0006】本発明の目的は、シリコン膜のエピタキシ
ャル成長において、低い堆積温度で形成されたシリコン
膜の欠陥の低減を図り得る半導体装置の製造方法を提供
することにある。
It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing defects in a silicon film formed at a low deposition temperature in epitaxial growth of a silicon film.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】[構成]本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。
Means for Solving the Problems [Configuration] The present invention is configured as follows to achieve the above object.

【0008】(1)本発明(請求項1)の半導体装置の
製造方法は、単結晶シリコン基板の一主面上に対してシ
リコン膜をエピタキシャル成長する工程と、酸化性雰囲
気で熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする。
(1) A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 1) includes a step of epitaxially growing a silicon film on one main surface of a single crystal silicon substrate and a step of performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere. It is characterized by including.

【0009】本発明の好ましい実施態様を以下に記す。
前記シリコン膜のエピタキシャル成長は、前記単結晶シ
リコン基板を加工して形成され露出する非シリコン材上
にも行われること。前記シリコン膜のエピタキシャル成
長での堆積温度t℃と、前記酸化性雰囲気での熱処理と
同条件で熱処理を行って、ドーパント濃度が1019cm
-3以下の(100)単結晶シリコン基板上に形成される
酸化膜の膜厚th nmとが、 log(th)≧−1.2×10-3×t+1.56 の関係を満たすこと。
Preferred embodiments of the present invention are described below.
The epitaxial growth of the silicon film is also performed on a non-silicon material that is formed and exposed by processing the single crystal silicon substrate. A heat treatment was performed under the same conditions as the heat treatment in the oxidizing atmosphere at the deposition temperature t ° C. in the epitaxial growth of the silicon film, and the dopant concentration was 10 19 cm.
-3 (100) and the thickness t h nm of the oxide film formed on a monocrystalline silicon substrate, to satisfy the relation log (t h) ≧ -1.2 × 10 -3 × t + 1.56 .

【0010】前記エピタキシャル成長が、非選択堆積で
あること。前記シリコン膜のエピタキシャル成長は、前
記単結晶シリコン基板にトレンチキャパシタを形成した
後に行われること。前記エピタキシャル成長での堆積温
度が1000℃以下であること。前記酸化性雰囲気での
熱処理条件が、ドーパント濃度が1019cm-3以下の
(100)単結晶シリコン基板に膜厚5nm以上の酸化
膜を形成する条件に相当すること。
[0010] The epitaxial growth is non-selective deposition. The epitaxial growth of the silicon film is performed after forming a trench capacitor in the single crystal silicon substrate. The deposition temperature in the epitaxial growth is 1000 ° C. or less. The heat treatment conditions in the oxidizing atmosphere correspond to conditions for forming an oxide film having a thickness of 5 nm or more on a (100) single crystal silicon substrate having a dopant concentration of 10 19 cm −3 or less.

【0011】[作用]本発明は、上記構成によって以下
の作用・効果を有する。
[Operation] The present invention has the following operation and effects by the above configuration.

【0012】エピタキシャル成長を行って高濃度に空孔
が存在するシリコン膜を形成した後、酸化性雰囲気中で
加熱し、格子間シリコンをエピタキシャル成長層中に供
給することで、空孔と結合して安定な位置に存在するシ
リコン原子が形成されて、空孔が転位となって成長する
ことを妨げることができるため、転位を抑制することが
できる。
After forming a silicon film having a high concentration of vacancies by performing epitaxial growth, it is heated in an oxidizing atmosphere and supplied with interstitial silicon into the epitaxial growth layer, thereby being bonded to the vacancies and stabilized. Since silicon atoms existing at various positions are formed and vacancies can be prevented from growing as dislocations, dislocations can be suppressed.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】[第1実施形態](100)面方位を有す
るシリコン基板1上に、公知のトレンチキャパシタ形成
方法により、図1に示す構造を形成した。なお、符号1
は(100)Si基板、符号2は酸化膜、符号3は多結
晶シリコン、符号4はカラー酸化膜、符号5はアモルフ
ァスシリコンである。
[First Embodiment] The structure shown in FIG. 1 was formed on a silicon substrate 1 having a (100) plane orientation by a known trench capacitor forming method. Note that reference numeral 1
Is a (100) Si substrate, 2 is an oxide film, 3 is polycrystalline silicon, 4 is a color oxide film, and 5 is amorphous silicon.

【0015】このときの試料を断面TEM法により観察
した写真を図2(a),(b)に示す。なお、図2にお
いては、図1に示した試料上に断面TEM用試料加工の
ための膜が形成されている。
FIGS. 2 (a) and 2 (b) show photographs of the sample at this time observed by a cross-sectional TEM method. In FIG. 2, a film for processing a cross-sectional TEM sample is formed on the sample shown in FIG.

【0016】この試料を希弗酸溶液にて処理し、表面の
自然酸化膜及びカラー酸化膜の内の基板主面上の酸化膜
を除去した後、エピタキシャル成長用チャンバーに導入
した。水素雰囲気中で950℃での熱処理を行うことで
基板表面から薄い酸化膜を還元処理で除去した後、その
ままの雰囲気で降温し、堆積温度700℃、圧力0.3
TorrでSiH4 を原料ガスとして膜厚2μmのエピ
タキシャルシリコン層を堆積した。
This sample was treated with a dilute hydrofluoric acid solution to remove the native oxide film on the surface and the oxide film on the main surface of the substrate out of the collar oxide film, and then introduced into an epitaxial growth chamber. After performing a heat treatment at 950 ° C. in a hydrogen atmosphere to remove a thin oxide film from the substrate surface by a reduction treatment, the temperature is lowered in the atmosphere as it is, and the deposition temperature is 700 ° C. and the pressure is 0.3.
An epitaxial silicon layer having a thickness of 2 μm was deposited at Torr using SiH 4 as a source gas.

【0017】このエピタキシャル成長後の試料について
断面TEM観察を行った写真を図3(a),(b)に示
す。図3から明らかなように、単結晶シリコンが露出し
た領域上においては単結晶シリコンがエピタキシャル成
長し、また一方、アモルファスシリコンが熱工程を経る
ことで結晶化することによって形成された多結晶シリコ
ンが埋め込まれた領域上においては、多結晶シリコンが
成長していることがわかる。また単結晶シリコンと多結
晶シリコンの境界面は、多結晶シリコン上に乗り上げる
ように単結晶シリコンの成長が進み、最終的に全表面が
単結晶で覆われるように成長していることがわかった。
このことはすなわち、単結晶シリコン以外の状態、例え
ば多結晶シリコンやアモルファスの絶縁膜であるシリコ
ン酸化膜やシリコン窒化膜などが露出している構造を有
する下地であっても、一般に選択エピタキシャル成長と
呼ばれるようなシリコン基板上のみに成膜されるような
成長でなく、シリコンが全面に成長するよう非選択成長
であっても、下地上の全面を単結晶シリコンで覆い尽く
すような成長が可能であることを示している。
FIGS. 3 (a) and 3 (b) show photographs of a cross-sectional TEM image of the sample after the epitaxial growth. As is apparent from FIG. 3, on the region where the single crystal silicon is exposed, the single crystal silicon grows epitaxially, and on the other hand, the polycrystalline silicon formed by crystallization of the amorphous silicon through a thermal process is embedded. It can be seen that polycrystalline silicon is growing on the region that was removed. In addition, it was found that the growth of the single crystal silicon progressed on the boundary surface between the single crystal silicon and the polycrystal silicon so as to ride on the polycrystal silicon, and finally, the entire surface was covered with the single crystal. .
This means that, even in a state other than single-crystal silicon, for example, a base having a structure in which a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like which is a polycrystalline silicon or amorphous insulating film is exposed, it is generally called selective epitaxial growth. In addition to such growth that only a film is formed on a silicon substrate, even when non-selective growth is performed so that silicon grows over the entire surface, growth that covers the entire surface on the underlayer with single crystal silicon is possible. It is shown that.

【0018】このエピタキシャル成長後、表面の凹凸を
公知のCMP法により平坦化した後、窒素、水素、酸素
のそれぞれの雰囲気で1000℃で30分の熱処理を行
った。
After the epitaxial growth, the surface irregularities were flattened by a known CMP method, and then heat treatment was performed at 1000 ° C. for 30 minutes in each of nitrogen, hydrogen, and oxygen atmospheres.

【0019】図4(a),(b)に窒素雰囲気中、図5
(a),(b)に水素雰囲気中、図6(a),(b)に
酸素雰囲気中で熱処理を行った試料の断面TEM観察結
果のTEM写真を示す。
FIGS. 4 (a) and 4 (b) show the results in FIG.
FIGS. 6A and 6B show TEM photographs of cross-sectional TEM observation results of samples heat-treated in a hydrogen atmosphere, and FIGS. 6A and 6B.

【0020】図4(a),(b)に示すように、窒素雰
囲気での熱処理においてはエピタキシャル成長層中の結
晶状態に大きな違いが見られないことがわかる。一方、
図5(a),(b)に示した水素雰囲気中での結晶状態
の観察結果からは、水素雰囲気での熱処理により、エピ
タキシャル成長直後よりも高密度の転位が生じているこ
とが観察されることとがわかる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, it can be seen that there is no significant difference in the crystal state in the epitaxial growth layer in the heat treatment in a nitrogen atmosphere. on the other hand,
From the observation results of the crystal state in the hydrogen atmosphere shown in FIGS. 5A and 5B, it is observed that the heat treatment in the hydrogen atmosphere results in the generation of higher-density dislocations than immediately after the epitaxial growth. I understand.

【0021】これらの試料に対して熱処理を酸素雰囲気
中で行った場合には、図6(a),(b)から明らかな
ように、転位などが新たに発生することがないのみなら
ず、多結晶シリコン直上の埋め込まれていたエピタキシ
ャル成長層の転位が消失していることがわかる。
When heat treatment is performed on these samples in an oxygen atmosphere, as is clear from FIGS. 6A and 6B, not only no new dislocations occur, but also It can be seen that dislocations in the buried epitaxial growth layer immediately above the polycrystalline silicon have disappeared.

【0022】これらの実験結果は、比較的低温でエピタ
キシャル成長させたシリコン膜をデバイスに応用する場
合においては、エピタキシャル成長後に酸化工程を行う
ことが重要であることを示している。
These experimental results indicate that when a silicon film epitaxially grown at a relatively low temperature is applied to a device, it is important to perform an oxidation step after the epitaxial growth.

【0023】このような、シリコンの低温エピタキシャ
ル成長と後の酸化工程との関係を明確化するために、以
下の実験を行った。即ち、単結晶シリコン基板を希弗酸
溶液にて処理し、表面の自然酸化膜を除去した後、エピ
タキシャル成長用チャンバーに導入した。エピタキシャ
ル成長用チャンバー中において、水素雰囲気中で900
℃での熱処理を行うことで基板表面から薄い酸化膜を還
元処理で除去した後、そのままの雰囲気で降温し、堆積
温度700℃、圧力0.2TorrでSiH4を原料ガ
スとして膜厚1μmのエピタキシャルシリコン層を堆積
した。
The following experiment was conducted to clarify the relationship between the low-temperature epitaxial growth of silicon and the subsequent oxidation step. That is, a single crystal silicon substrate was treated with a dilute hydrofluoric acid solution to remove a natural oxide film on the surface, and then introduced into an epitaxial growth chamber. 900 in a hydrogen atmosphere in an epitaxial growth chamber
After a thin oxide film was removed from the substrate surface by performing a heat treatment at a temperature of 70 ° C., the temperature was lowered in the atmosphere as it was, and a 1 μm-thick epitaxial film was formed using SiH 4 as a source gas at a deposition temperature of 700 ° C. and a pressure of 0.2 Torr. A silicon layer was deposited.

【0024】この後、基板をチャンバーから一旦取り出
し、後の熱工程を想定して、他チャンバーでさまざまな
雰囲気での熱処理を行った。ここで熱処理雰囲気として
は、酸素、窒素、水素とし、いずれも900℃で30分
の熱処理を行った。圧力は酸素、窒素については常圧
(760Torr)で、また水素中での熱処理の場合に
は安全上から減圧(380Torr)でそれぞれ行っ
た。
Thereafter, the substrate was once taken out of the chamber, and heat treatment was performed in various chambers in other chambers, assuming a later heating step. Here, oxygen, nitrogen, and hydrogen were used as the heat treatment atmosphere, and heat treatment was performed at 900 ° C. for 30 minutes. The pressure was set at normal pressure (760 Torr) for oxygen and nitrogen, and reduced pressure (380 Torr) for safety in the case of heat treatment in hydrogen.

【0025】熱処理後の試料について、その結晶性を調
べるため、透過型電子顕微鏡による観察を行った。図7
に熱処理を行っていない試料、およびそれぞれの条件で
熱処理した試料について、観察された転位の密度を示
す。
The sample after the heat treatment was observed with a transmission electron microscope to examine its crystallinity. FIG.
2 shows the observed dislocation densities of the sample that was not heat-treated and the sample that was heat-treated under each condition.

【0026】図7から明らかなように、酸素雰囲気中で
熱処理した場合にのみ転位密度が大きく低下しており、
酸素雰囲気中での熱処理を行うことが転位の密度の低下
に有効であることを示している。このように酸素雰囲気
中での熱処理で転位密度が減少し、逆に水素雰囲気中で
の熱処理で増加したことは、本実験でエピタキシャル成
長させたシリコン層中に存在する転位の要因が、酸化工
程によって消滅するものであることを示唆している。
As is clear from FIG. 7, the dislocation density is greatly reduced only when heat treatment is performed in an oxygen atmosphere.
This shows that performing heat treatment in an oxygen atmosphere is effective in lowering the density of dislocations. The fact that the dislocation density decreased by the heat treatment in the oxygen atmosphere and increased by the heat treatment in the hydrogen atmosphere in this way was attributed to the dislocations present in the silicon layer epitaxially grown in this experiment due to the oxidation process. Suggests that it will disappear.

【0027】一般に酸化工程においては、格子間シリコ
ンが基板中に導入されることが知られている。このよう
な格子間シリコンは、仮に基板中に空孔が高濃度に存在
した場合、その空孔と結合して安定な位置に存在するシ
リコン原子を形成する。すなわち本実験の結果は、低温
成長させたエピタキシャル層中には高濃度に空孔が存在
すること、また酸化工程を行うことによってその空孔が
転位となって成長することを妨げることができることを
示している。
It is generally known that in the oxidation step, interstitial silicon is introduced into the substrate. If vacancies are present at a high concentration in the substrate, such interstitial silicon combines with the vacancies to form silicon atoms present at stable positions. In other words, the results of this experiment show that vacancies exist at a high concentration in the epitaxial layer grown at low temperature, and that the vacancies can prevent the vacancies from growing as dislocations by performing the oxidation process. Is shown.

【0028】またこの酸素雰囲気中での熱処理について
は、転位を低減するために必要な条件があるものと考え
られたため、温度、時間をパラメータとして実験を行
い、各試料について同様に転位密度を測定した。その結
果は図8に示すように、温度、時間によって転位密度を
低減するのに必要な条件は異なっている。
In the heat treatment in the oxygen atmosphere, it is considered that there is a condition necessary to reduce dislocations. Therefore, an experiment was conducted using temperature and time as parameters, and the dislocation density was similarly measured for each sample. did. As a result, as shown in FIG. 8, the conditions necessary for reducing the dislocation density differ depending on the temperature and time.

【0029】しかしながらこの結果を、各条件での酸素
雰囲気での熱処理によって単結晶基板上に形成される酸
化膜厚に対する転位密度の関係として整理したところ、
図9に示すように、熱処理温度によらず、同一のカーブ
上に乗ることが明らかとなった。ここで横軸は、その酸
素中での熱処理によって、ドーパント濃度が1019cm
-3以下の(100)シリコン基板上に形成される酸化膜
厚としている。このように、転位密度を低減するのに必
要な酸化量が、酸化温度によらずに、形成した酸化膜厚
にのみ依存するという結果が得られたことは、転位密度
の低減が、酸化工程によって基板中に供給された格子間
シリコンによるものであることを示唆している。酸化工
程において基板中に供給される格子間シリコンの量は、
形成された酸化膜の厚さに比例することが明らかとなっ
ているためである。基板中に供給された格子間シリコン
が、基板中に残存した空孔と結合することで、転位密度
の低下が実現できたものと考えられる。
However, the results were summarized as a relationship between the dislocation density and the oxide film thickness formed on the single crystal substrate by the heat treatment in the oxygen atmosphere under each condition.
As shown in FIG. 9, it became clear that the curves were on the same curve regardless of the heat treatment temperature. Here, the horizontal axis represents the dopant concentration of 10 19 cm by the heat treatment in oxygen.
An oxide film thickness formed on a (100) silicon substrate of -3 or less. As described above, the result that the amount of oxidation required to reduce the dislocation density depends only on the formed oxide film thickness without depending on the oxidation temperature was obtained. Suggests that it is due to interstitial silicon supplied into the substrate. The amount of interstitial silicon supplied into the substrate in the oxidation process is
This is because it is clear that the thickness is proportional to the thickness of the formed oxide film. It is considered that the interstitial silicon supplied into the substrate was combined with the vacancies remaining in the substrate, so that the dislocation density could be reduced.

【0030】またここでドーパント濃度を1019cm-3
以下としたが、この濃度範囲であれば形成される酸化膜
厚はほとんど酸化条件に依存しないことによる。これは
転位を低減する効果を持つものが、酸化工程そのもので
あることを示しており、図9から明らかなように形成さ
れる酸化膜厚が5nm以上となるような酸化条件であれ
ば、転位の低減に効果的であることがわかった。またこ
のように酸化によって転位を低減できる効果の程度は、
当然ながらもともとのエピタキシャル成長層中における
空孔の量の多少に依存して変化するものと考えられる。
Here, the dopant concentration is set to 10 19 cm −3.
This is because the oxide film thickness formed in this concentration range hardly depends on the oxidation conditions. This indicates that what has the effect of reducing dislocations is the oxidation process itself. As is clear from FIG. 9, if the oxidation condition is such that the oxide film thickness to be formed becomes 5 nm or more, the dislocations are reduced. It was found to be effective in reducing the amount. The degree of the effect of reducing dislocations by oxidation is as follows.
Naturally, it is considered that the value changes depending on the amount of vacancies in the original epitaxial growth layer.

【0031】そこで、エピタキシャル成長時の温度をパ
ラメータとしたいくつかの試料について、転位を低減で
きるために必要な酸化量を調べる実験を行った。図10
に、その結果を示す。図10は、エピタキシャル成長温
度t[℃]に対する転位密度を測定下限である10-8
-2以下まで低減するために必要な酸化量を示す図であ
る。なお、図10では、転位密度を測定下限以下まで低
減するために必要な酸化工程を行った際に、(100)
Si基板上に形成される酸化膜厚(nm)を縦軸に示し
ている。
Thus, an experiment was conducted to examine the amount of oxidation required to reduce dislocations on some samples using the temperature during epitaxial growth as a parameter. FIG.
Shows the results. FIG. 10 shows that the dislocation density with respect to the epitaxial growth temperature t [° C.] is the lower limit of measurement, 10 −8 c.
It is a figure which shows the oxidation amount required in order to reduce to m- 2 or less. Note that in FIG. 10, when an oxidation step necessary to reduce the dislocation density to the measurement lower limit or less is performed, (100)
The vertical axis indicates the oxide film thickness (nm) formed on the Si substrate.

【0032】図10に示すように、エピタキシャル成長
温度tが高い場合、すなわち概略1050℃以上の場合
には酸化工程を行わなくとも転位等の欠陥は検出限界以
下であった。それに対してエピタキシャル成長温度tが
1000℃以下になると酸化工程の有効性が現れ、実験
を行ったエピタキシャル成長温度が550℃に至るま
で、温度が低いほど、転位を十分に低減するのに必要な
酸化量が多いことがわかった。図10の直線は、 log(th)=−1.2×10-3×t+1.56 (1) で表現される。
As shown in FIG. 10, when the epitaxial growth temperature t was high, that is, when the temperature was about 1050 ° C. or higher, defects such as dislocations were below the detection limit without performing the oxidation step. On the other hand, when the epitaxial growth temperature t is 1000 ° C. or less, the effectiveness of the oxidation step appears. Until the epitaxial growth temperature in the experiment reaches 550 ° C., the lower the temperature, the more the oxidation amount required to sufficiently reduce dislocations. It turned out that there were many. Straight 10, log (t h) = - is represented by 1.2 × 10 -3 × t + 1.56 (1).

【0033】したがって、(1)式の左辺の値が右辺の
値以上であるように、即ち不等式 log(th)≧−1.2×10-3×t+1.56 (2) を満たすように堆積温度tと酸化膜厚th とが選ばれて
いれば、本発明により低温で成長させたエピタキシャル
層の転位を効果的に低減できるといえる。
[0033] Thus, equation (1) so that the value of the left side is the right side of the value or more, that inequality log (t h) ≧ -1.2 × 10 -3 × t + 1.56 (2) so as to satisfy the if chosen the deposition temperature t and oxidized film thickness t h it is said that the dislocation of the epitaxial layer grown at low temperature by the present invention can be effectively reduced.

【0034】またこの結果は、エピタキシャル成長温度
が高いほど、基板表面に付着したシリコン原子が自由に
動き回りやすく、空孔などの点欠陥が堆積層中に残るこ
とがないためと考えられる。一方、エピタキシャル成長
温度が低くなるとシリコン原子が動きにくくなり、堆積
層中に欠陥が残りやすい。このときの欠陥としては、付
着した原子は格子位置に納まるものの、必ずしもすべて
の格子位置にシリコン原子がすっぽりと納まるわけでな
いために、結果的に空孔が残るものと考えられる。この
様子を模式的に図11に示す。
This result is considered to be because the higher the epitaxial growth temperature, the easier the silicon atoms attached to the substrate surface to move around freely, and the point defects such as vacancies do not remain in the deposited layer. On the other hand, when the epitaxial growth temperature is lowered, silicon atoms become difficult to move, and defects are likely to remain in the deposited layer. As a defect at this time, it is considered that although the attached atoms are accommodated in lattice positions, silicon atoms are not necessarily completely contained in all lattice positions, and consequently, vacancies remain as a result. This state is schematically shown in FIG.

【0035】なお、酸化は、酸素でなくとも、酸化性雰
囲気、例えば、NOガス、N2 Oガス等であってもよ
く、また窒素、アルゴンなどで希釈されていてもよい。
また、シリコンのエピタキシャル成長は、シリコン単体
に限らず、砒素、燐、ボロンなどを含有したシリコン
や、もしくはゲルマニウムや炭素を含んだ材料、すなわ
ちSiGeやSiC、もしくはSiGeCであっても、
またそこに上記不純物、すなわち砒素、燐、ボロンを含
んだものであってもよい。
The oxidation may be carried out in an oxidizing atmosphere, such as NO gas or N 2 O gas, instead of oxygen, or may be diluted with nitrogen, argon or the like.
In addition, the epitaxial growth of silicon is not limited to simple silicon, and even if silicon containing arsenic, phosphorus, boron, or a material containing germanium or carbon, that is, SiGe, SiC, or SiGeC,
Further, it may contain the above impurities, that is, arsenic, phosphorus, and boron.

【0036】また、上記実施形態においては、シリコン
膜の堆積時に既に堆積膜が結晶化している、いわゆる気
相エピタキシャル成長についての場合について示した
が、シリコン膜の堆積時には堆積膜はアモルファス状態
で、後の熱工程によって単結晶化が行われる、いわゆる
固相エピタキシャル成長においても本発明の有効性が確
認されている。
In the above embodiment, the case of so-called vapor phase epitaxial growth in which the deposited film is already crystallized at the time of depositing the silicon film has been described. However, when the silicon film is deposited, the deposited film is in an amorphous state. The effectiveness of the present invention has been confirmed also in so-called solid phase epitaxial growth in which single crystallization is performed by the heat step.

【0037】また、ジシラン(Si26)を原料ガスと
して、480℃でシリコン基板上にアモルファスシリコ
ン膜を500nm堆積し、窒素雰囲気中650℃30分
の熱処理でアモルファスシリコンを固相エピタキシャル
成長させた。この熱処理によって堆積膜はほぼ単結晶化
したが、膜中に転位の残留していることが確認された。
この転位は、さらに窒素中、もしくは水素中の熱処理を
行っても消えることはなかったが、酸素雰囲気中で90
0℃、30分の熱処理を行ったところ、検出できないレ
ベルまで低減していることがわかった。
Using disilane (Si 2 H 6 ) as a source gas, an amorphous silicon film was deposited to a thickness of 500 nm on a silicon substrate at 480 ° C., and the amorphous silicon was subjected to solid-phase epitaxial growth by heat treatment at 650 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere. . Although the deposited film was almost single-crystallized by this heat treatment, it was confirmed that dislocations remained in the film.
This dislocation did not disappear even when heat treatment was further performed in nitrogen or hydrogen.
When heat treatment was performed at 0 ° C. for 30 minutes, it was found that the temperature was reduced to an undetectable level.

【0038】このことは固相エピタキシャル成長で単結
晶シリコン層を形成するにおいても、堆積直後、および
結晶化直後の膜中には空孔が高濃度に存在し、この空孔
を酸化工程で供給される格子間シリコンによって補償す
ることが重要であることを示している。
This means that even when a single-crystal silicon layer is formed by solid-phase epitaxial growth, a high concentration of vacancies exists in the film immediately after deposition and immediately after crystallization, and these vacancies are supplied in the oxidation step. It shows that it is important to compensate by the interstitial silicon.

【0039】また上記実施形態においては、酸化工程を
エピタキシャル成長工程とは異なるチャンバーにて行っ
たが、これらのエピタキシャル成長工程と、酸化工程と
を連続して同一の炉中、もしくはいわゆるロードロック
方式の、大気中に試料を出すことなく搬送可能な、互い
に結合された異なったチャンバーにて行ってもよい。こ
の方法によって、工程の短縮化が可能となる。またこの
エピタキシャル成長後、もしくは酸化工程後に、再度水
素雰囲気中での熱処理を行ってもよい。この水素雰囲気
中での熱処理によって、基板表面の平坦化が可能とな
る。
In the above embodiment, the oxidation step is performed in a chamber different from the epitaxial growth step. However, the epitaxial growth step and the oxidation step are continuously performed in the same furnace or in a so-called load lock system. It may be performed in different chambers connected to each other, which can be transported without taking the sample into the atmosphere. With this method, the steps can be shortened. After the epitaxial growth or after the oxidation step, heat treatment in a hydrogen atmosphere may be performed again. By the heat treatment in the hydrogen atmosphere, the surface of the substrate can be flattened.

【0040】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することが可能である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications without departing from the gist thereof.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
リコン膜のエピタキシャル成長を行った後、酸化性雰囲
気中で加熱することで、空孔と結合して安定な位置に存
在するシリコン原子が形成されて、空孔が転位となって
成長することを妨げることができるため転位を抑制する
ことができる。
As described above, according to the present invention, after a silicon film is epitaxially grown and then heated in an oxidizing atmosphere, silicon atoms which are bonded to vacancies and exist at a stable position are obtained. Once formed, the vacancies can be prevented from growing as dislocations, so that dislocations can be suppressed.

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

【図1】本発明の一実施形態に係わる半導体装置の構成
を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す試料を断面TEM法により観察した
断面TEM写真。
FIG. 2 is a cross-sectional TEM photograph of the sample shown in FIG. 1 observed by a cross-sectional TEM method.

【図3】図2に示す試料に対してエピタキシャル成長を
行った後に断面TEM法により観察した断面写真。
FIG. 3 is a cross-sectional photograph observed by a cross-sectional TEM method after performing epitaxial growth on the sample shown in FIG. 2;

【図4】図3に示す試料に対して窒素雰囲気中でアニー
ルを行った後に断面TEM法により観察した断面写真。
4 is a cross-sectional photograph observed by a cross-sectional TEM method after annealing the sample shown in FIG. 3 in a nitrogen atmosphere.

【図5】図3に示す試料に対して水素雰囲気中でアニー
ルを行った後に断面TEM法により観察した断面写真。
5 is a cross-sectional photograph observed by a cross-sectional TEM method after annealing the sample shown in FIG. 3 in a hydrogen atmosphere.

【図6】図3に示す試料に対して酸素雰囲気中でアニー
ルを行った後に断面TEM法により観察した断面写真。
6 is a cross-sectional photograph observed by a cross-sectional TEM method after annealing the sample shown in FIG. 3 in an oxygen atmosphere.

【図7】エピタキシャル成長層中の転位密度の熱処理雰
囲気依存性を示す図。
FIG. 7 is a graph showing the dependence of the dislocation density in an epitaxial growth layer on the heat treatment atmosphere.

【図8】エピタキシャル成長層中の転位密度の酸化温度
・時間依存性を示す図。
FIG. 8 is a graph showing the dependence of dislocation density in an epitaxial growth layer on oxidation temperature and time.

【図9】エピタキシャル成長層中の転位密度の酸化量依
存性を示す図。
FIG. 9 is a graph showing the dependence of the dislocation density in an epitaxial growth layer on the amount of oxidation.

【図10】エピタキシャル成長層中の転位密度のエピタ
キシャル成長温度依存性を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing the dependency of the dislocation density in the epitaxial growth layer on the epitaxial growth temperature.

【図11】酸化性雰囲気での熱処理により格子間シリコ
ンが基板中に供給され、空孔と結合することにより転位
が形成されにくくなることを示す模式図。
FIG. 11 is a schematic view showing that interstitial silicon is supplied into a substrate by heat treatment in an oxidizing atmosphere, and dislocations are less likely to be formed due to bonding with vacancies.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…(100)Si基板 2…酸化膜 3…多結晶シリコン 4…カラー酸化膜 5…アモルファスシリコン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... (100) Si substrate 2 ... Oxide film 3 ... Polycrystalline silicon 4 ... Color oxide film 5 ... Amorphous silicon

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F045 AB02 AC01 AC11 AD11 AE21 AF03 BB07 BB12 DA61 DA67 DB03 HA06 HA16 HA23 5F058 BA20 BC02 BF29 BF55 BF62 BJ01 BJ06  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F045 AB02 AC01 AC11 AD11 AE21 AF03 BB07 BB12 DA61 DA67 DB03 HA06 HA16 HA23 5F058 BA20 BC02 BF29 BF55 BF62 BJ01 BJ06

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】単結晶シリコン基板の一主面上に対してシ
リコン膜をエピタキシャル成長する工程と、 酸化性雰囲気で熱処理を行う工程とを含むことを特徴と
する半導体装置の製造方法。
1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of epitaxially growing a silicon film on one main surface of a single crystal silicon substrate; and a step of performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere.
【請求項2】単結晶シリコン基板の一部に露出する単結
晶シリコン以外の材料を形成する工程と、 前記単結晶シリコン基板の一主面上に対してシリコン膜
をエピタキシャル成長する工程と、 酸化性雰囲気での熱処理を行う工程とを含むことを特徴
とする半導体装置の製造方法。
A step of forming a material other than single-crystal silicon exposed on a part of the single-crystal silicon substrate; a step of epitaxially growing a silicon film on one principal surface of the single-crystal silicon substrate; Performing a heat treatment in an atmosphere.
【請求項3】前記シリコン膜のエピタキシャル成長での
堆積温度t℃と、 前記酸化性雰囲気での熱処理と同条件で熱処理を、ドー
パント濃度が1019cm-3以下の(100)単結晶シリ
コン基板に対して行って形成される酸化膜の膜厚th
mとが、 log(th)≧−1.2×10-3×t+1.56 の関係を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載
の半導体装置の製造方法。
3. A deposition temperature t ° C. in the epitaxial growth of the silicon film, the heat treatment in the heat treatment under the same conditions in the oxidizing atmosphere, the dopant concentration is 10 19 cm -3 or less of (100) single crystal silicon substrate thickness t h n of the oxide film formed went against
and m is, log (t h) The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized by satisfying the relation of ≧ -1.2 × 10 -3 × t + 1.56.
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