JP2001168038A - 単結晶シリコン層およびそのエピタキシャル成長方法ならびに半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のＣＶＤ法より低温で、高品質の単結晶
シリコン層をエピタキシャル成長させる。 【解決手段】 単結晶シリコンと格子整合する物質層、
例えば単結晶シリコン基板、サファイア基板、スピネル
基板のような基板４上に触媒ＣＶＤ法により単結晶シリ
コン層１０をエピタキシャル成長させる場合に、少なく
ともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気の全圧を１．
３３×１０^-3Ｐａ以上４Ｐａ以下に設定し、あるいは、
少なくともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気におけ
る酸素および水分の分圧を６．６５×１０^-10 Ｐａ以上
２×１０^-6Ｐａ以下に設定する。エピタキシャル成長さ
れた単結晶シリコン層１０の基板４との界面から少なく
とも厚さ１０ｎｍの部分の最大酸素濃度は３×１０¹⁸原
子／ｃｍ³ 以下となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、単結晶シリコン
層およびそのエピタキシャル成長方法ならびに半導体装
置に関し、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に適用
して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、単結晶シリコン（Ｓｉ）層をエピ
タキシャル成長させるには、化学気相成長（ＣＶＤ）法
により、温度約７００〜１２００℃、水素雰囲気、圧力
１．３３×１０⁴ 〜１×１０⁵ Ｐａ（１００〜７６０Ｔ
ｏｒｒ）で、シラン（ＳｉＨ₄）、ジクロルシラン（Ｓ
ｉ₂ Ｃｌ₂ Ｈ₄ ）、トリクロルシラン（ＳｉＣｌ
₃ Ｈ₄）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ₄ ）などを分解さ
せて成長させる方法が一般的であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来のＣＶＤ法により単結晶シリコン層をエピタキシャ
ル成長させる方法は、成長温度が高いという問題があ
る。すなわち、ＣＶＤ法では、単結晶シリコン層のエピ
タキシャル成長時の化学反応および成長に要するエネル
ギーは、全て、基板を高温に加熱することによる熱エネ
ルギーの形で供給されるので、成長温度を７００℃以下
に低下させると結晶性の低下および成長速度の低下を招
くため、成長温度を約７００℃から低下させることがで
きない。また、成長温度が約１０００〜１２００℃の場
合、反応ガス（シラン、ジクロルシランなど）が分解し
て単結晶シリコン層のエピタキシャル成長に寄与する割
合は１〜５％程度であり、成長温度が約８００℃の場合
には、その割合は０．１〜０．５％程度に低下して、反
応ガスの使用効率が著しく低下し、コストアップを招
く。また、排出された反応ガス（シラン、ジクロルシラ
ンなど）は有害であるため、そのまま大気中に放出され
ないように燃焼、吸着などにより無害化処理が必要であ
るから、上述のように反応ガスの使用効率が著しく低下
した場合、無害化処理費用も嵩むことになる。

【０００４】したがって、この発明の目的は、従来のＣ
ＶＤ法より低温で、高品質の単結晶シリコン層をエピタ
キシャル成長させることができる単結晶シリコン層のエ
ピタキシャル成長方法およびそのような方法により得ら
れる単結晶シリコン層ならびにそのような単結晶シリコ
ン層を用いた半導体装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術が
有する上述の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。以
下にその概要を説明する。

【０００６】近年、多結晶シリコン層や非晶質シリコン
層の成長方法として、触媒ＣＶＤ法と呼ばれる成長方法
が注目されている（例えば、特開昭６３−４０３１４号
公報、特開平８−２５０４３８号公報、特開平１０−８
３９８８号公報、応用物理第６６巻第１０号第１０９４
頁（１９９７））。この触媒ＣＶＤ法は加熱触媒体と反
応ガス（原料ガス）との接触分解反応を用いるものであ
る。

【０００７】本発明者は、この触媒ＣＶＤ法を単結晶シ
リコン層のエピタキシャル成長に適用することを考え
た。すなわち、この触媒ＣＶＤ法によれば、第１段階で
例えば１６００〜１８００℃に加熱された高温触媒体に
反応ガス（例えば、シリコン原料としてシランを用いる
場合にはシランと水素）を接触させて反応ガスを活性化
させ、高エネルギーを持つシリコン原子またはシリコン
原子の集団および水素原子または水素原子の集団を形成
し、第２段階でこれらの高エネルギーを持つシリコン原
子や水素原子または分子、場合によってはこれらの集団
（クラスタ）を供給する基板の温度を高温にすることに
よって、特にシリコン原子が基板結晶方位に沿って配列
するために必要なエネルギーを供給支援するので、従来
のＣＶＤ法に比べて低温、例えば３５０℃程度の温度で
も単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させることが
できる。

【０００８】しかしながら、本発明者が種々実験を行っ
た結果によれば、従来の触媒ＣＶＤ法を用いて低温で単
結晶シリコン層をエピタキシャル成長させた場合には、
従来のＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた場合に
比べて、成長層に酸素が取り込まれやすく、得られる単
結晶シリコン層中の酸素濃度が数原子％（at％）を超え
ることがあり、これは原子濃度に換算すると、少なくと
も５×１０²⁰原子／ｃｍ³ （atoms/cc) 以上となる。シ
リコン中の酸素の固溶限界は２．５×１０¹⁸atoms/ccで
あるから（例えば、半導体ハンドブック、第２版、pp.1
28-129、柳井久義監修、オーム社、昭和５２年）、この
酸素濃度はシリコン中の酸素の固溶限界２．５×１０¹⁸
atoms/ccをはるかに超える値である。このように固溶限
界以上の酸素がシリコン中に含有されると、酸素は酸化
シリコンを形成して析出するので、シリコンの結晶粒の
外周に酸化物薄膜が形成されたり、さらに酸素が増加す
ると酸化物粒が形成されたりする。

【０００９】そこで、本発明者は、高品質の単結晶シリ
コン層を得るべく、触媒ＣＶＤ法により単結晶シリコン
層をエピタキシャル成長させるときの成長条件の探索を
行った。

【００１０】すなわち、触媒ＣＶＤ法を用い、低温（２
００〜６００℃）で、プロセス条件を種々に変えて単結
晶シリコン層をエピタキシャル成長させ、その評価を行
う実験を繰り返し行った結果、触媒ＣＶＤ法を用いて高
品質の単結晶シリコン層を成長させるには、従来のＣＶ
Ｄ法と比べて、気相の成長雰囲気の圧力や成長雰囲気中
の酸素、水分の分圧などの条件が全く異なることを見い
出した。具体的には、少なくとも成長初期に成長雰囲気
の全圧を従来の触媒ＣＶＤ法よりもずっと低圧で、具体
的には１．３３×１０^-3Ｐａ以上４Ｐａ（０．０１ｍＴ
ｏｒｒ以上３０ｍＴｏｒｒ以下）に設定することによ
り、少なくとも基板との界面近傍の最大酸素濃度が３×
１０¹⁸atoms/cc（０．０００６at％）以下と極めて低
く、高品質の単結晶シリコン層を成長させることができ
ることがわかった。また、少なくとも成長初期に成長雰
囲気における酸素および水分の分圧を６．６５×１０
^-10 Ｐａ以上２×１０^-6Ｐａ以下（０．００５×１０^-6
ｍＴｏｒｒ以上１５×１０^-6ｍＴｏｒｒ以下）に設定す
ることによっても、同様に少なくとも基板との界面近傍
の酸素濃度が３×１０¹⁸atoms/cc（０．０００６at％）
以下と極めて低く、高品質の単結晶シリコン層を成長さ
せることができることがわかった。この酸素および水分
の分圧は、反応ガス中に合計０．５ｐｐｍ程度の酸素お
よび水分が含有されていることから求めることができる
ものである。

【００１１】この発明は、本発明者が独自に得た上記知
見に基づいて鋭意検討を行った結果案出されたものであ
る。

【００１２】すなわち、上記課題を解決するために、こ
の発明の第１の発明は、単結晶シリコンと格子整合する
物質層上に触媒ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長した
単結晶シリコン層であって、物質層と単結晶シリコン層
との界面から少なくとも厚さ１０ｎｍの部分の最大酸素
濃度が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下であることを特徴と
するものである。

【００１３】この発明の第１の発明において、好適に
は、単結晶シリコンと格子整合する物質層と単結晶シリ
コン層との界面から少なくとも厚さ１０ｎｍの部分の最
大酸素濃度が２×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下である。ま
た、好適には、単結晶シリコンと格子整合する物質層と
単結晶シリコン層との界面から少なくとも厚さ５０ｎ
ｍ、さらには１００ｎｍの部分の最大酸素濃度が２×１
０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下である。

【００１４】この発明の第２の発明は、単結晶シリコン
と格子整合する物質層上に触媒ＣＶＤ法によりエピタキ
シャル成長した厚さ１μｍ以下の単結晶シリコン層であ
って、最大酸素濃度が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下であ
ることを特徴とするものである。

【００１５】この発明の第２の発明において、単結晶シ
リコン層の厚さは１００ｎｍ以下であることも、５０ｎ
ｍ以下であることもある。また、好適には、最大酸素濃
度は２×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下である。

【００１６】この発明の第３の発明は、単結晶シリコン
と格子整合する物質層上に触媒ＣＶＤ法によりエピタキ
シャル成長させた単結晶シリコン層であって、少なくと
もエピタキシャル成長初期に成長雰囲気の全圧を１．３
３×１０^-3Ｐａ以上４Ｐａ以下に設定してエピタキシャ
ル成長させたことを特徴とするものである。

【００１７】この発明の第４の発明は、単結晶シリコン
と格子整合する物質層上に触媒ＣＶＤ法によりエピタキ
シャル成長させた単結晶シリコン層であって、少なくと
もエピタキシャル成長初期に成長雰囲気における酸素お
よび水分の分圧を６．６５×１０^-10 Ｐａ以上２×１０
^-6Ｐａ以下に設定してエピタキシャル成長させたことを
特徴とするものである。

【００１８】この発明の第５の発明は、単結晶シリコン
と格子整合する物質層上に触媒ＣＶＤ法により単結晶シ
リコン層をエピタキシャル成長させるようにした単結晶
シリコン層のエピタキシャル成長方法であって、少なく
ともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気の全圧を１．
３３×１０^-3Ｐａ以上４Ｐａ以下に設定するようにした
ことを特徴とするものである。

【００１９】この発明の第６の発明は、単結晶シリコン
と格子整合する物質層上に触媒ＣＶＤ法により単結晶シ
リコン層をエピタキシャル成長させるようにした単結晶
シリコン層のエピタキシャル成長方法であって、少なく
ともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気における酸素
および水分の分圧を６．６５×１０^-10 Ｐａ以上２×１
０^-6Ｐａ以下に設定するようにしたことを特徴とするも
のである。

【００２０】この発明の第７の発明は、単結晶シリコン
と格子整合する物質層上に触媒ＣＶＤ法によりエピタキ
シャル成長させた単結晶シリコン層を有する半導体装置
であって、少なくともキャリアチャンネルとなる領域に
おける単結晶シリコン層の最大酸素濃度が３×１０¹⁸原
子／ｃｍ³ 以下であることを特徴とするものである。

【００２１】この発明の第７の発明において、単結晶シ
リコン層の最大酸素濃度は、好適には２×１０¹⁸原子／
ｃｍ³ 以下である。

【００２２】ここで、半導体装置は、単結晶シリコン層
を用いるものであれば、基本的にはどのようなものであ
ってもよいが、具体的には、例えば、ＭＩＳＦＥＴであ
る薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のほか、接合型ＦＥＴ、
バイポーラトランジスタなどであってよい。ＴＦＴにお
けるキャリアチャンネル領域の厚さは一般的には１０〜
１００ｎｍ程度である。さらに、これらのトランジスタ
のみならず、ダイオード、キャパシタ、抵抗などであっ
てもよい。

【００２３】この発明において、触媒ＣＶＤ法による単
結晶シリコン層の成長温度は、例えば２００〜６００℃
である。

【００２４】この発明において、単結晶シリコン層をエ
ピタキシャル成長させる下地層、すなわち単結晶シリコ
ンと格子整合する物質層としては、単結晶シリコンのほ
か、サファイア、スピネルなどからなるものを用いるこ
とができる。なお、「単結晶シリコン」には、亜粒界を
含むものも含まれるものとする。

【００２５】上述のように構成されたこの発明の第１の
発明によれば、単結晶シリコンと格子整合する物質層と
単結晶シリコン層との界面から少なくとも厚さ１０ｎｍ
の部分の最大酸素濃度が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下
と、従来の触媒ＣＶＤ法により低温で成長される単結晶
シリコン層に比べて極めて低いことにより、高品質の単
結晶シリコン層を得ることができる。

【００２６】上述のように構成されたこの発明の第２の
発明によれば、最大酸素濃度が５×１０¹⁸原子／ｃｍ³
以下と、従来の触媒ＣＶＤ法により低温で成長される単
結晶シリコン層に比べて極めて低いことにより、高品質
の単結晶シリコン層を得ることができる。

【００２７】上述のように構成されたこの発明の第３お
よび第５の発明によれば、少なくともエピタキシャル成
長初期に成長雰囲気の全圧を１．３３×１０^-3Ｐａ以上
４Ｐａ以下に設定していることにより、少なくともエピ
タキシャル成長初期に成長雰囲気中の酸素および水分の
分圧を６．６５×１０^-10 Ｐａ以上２×１０^-6Ｐａ以下
にすることができ、このため成長層への酸素の取り込み
量を極めて少なくすることができ、これによって、単結
晶シリコンと格子整合する物質層と単結晶シリコン層と
の界面から少なくとも厚さ１０ｎｍの部分の最大酸素濃
度が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下と、従来の触媒ＣＶＤ
法により低温でエピタキシャル成長される単結晶シリコ
ン層に比べて極めて低く、高品質の単結晶シリコン層を
得ることができる。

【００２８】上述のように構成されたこの発明の第４お
よび第６の発明によれば、少なくともエピタキシャル成
長初期に成長雰囲気中の酸素および水分の分圧を６．６
５×１０^-10 Ｐａ以上２×１０^-6Ｐａ以下に設定してい
ることにより、成長層への酸素の取り込み量を極めて少
なくすることができ、これによって、単結晶シリコンと
格子整合する物質層と単結晶シリコン層との界面から少
なくとも厚さ１０ｎｍの部分の最大酸素濃度が３×１０
¹⁸原子／ｃｍ³ 以下と、従来の触媒ＣＶＤ法により低温
でエピタキシャル成長される単結晶シリコン層に比べて
極めて低く、高品質の単結晶シリコン層を得ることがで
きる。

【００２９】上述のように構成されたこの発明の第７の
発明によれば、少なくともキャリアチャンネルとなる領
域における単結晶シリコン層の最大酸素濃度が３×１０
¹⁸原子／ｃｍ³ 以下と、従来の触媒ＣＶＤ法により低温
でエピタキシャル成長される単結晶シリコン層に比べて
極めて低いことにより、この単結晶シリコン層は高品質
のものとなり、したがってこの単結晶シリコン層を用い
て高キャリア移動度を有するＴＦＴなどの高性能の半導
体装置を得ることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００３１】まず、以下の実施形態において単結晶シリ
コン層のエピタキシャル成長に使用する触媒ＣＶＤ装置
について説明する。図１は触媒ＣＶＤ装置の一例を示
す。

【００３２】図１に示すように、この触媒ＣＶＤ装置に
おいては、成長チャンバー１の側壁に真空排気管２を介
してターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）が接続されており、こ
のＴＭＰにより成長チャンバー１内を例えば１×１０^-6
Ｐａ程度の圧力に真空排気することができるようになっ
ている。この成長チャンバー１の底部にはガス供給管３
が取り付けられており、このガス供給管３を通じて成長
に使用する反応ガスを成長チャンバー１内に供給するこ
とができるようになっている。単結晶シリコン層を成長
させる基板４は、図示省略したロードロックチャンバー
を経由して、成長チャンバー１の内部の上部中央に設け
られた試料ホルダー部５に取り付けられる。この試料ホ
ルダー部５は例えばＳｉＣでコーティングされたグラフ
ァイトサセプターからなり、大気側からヒーター６によ
り加熱することができるようになっている。ガス供給管
３の先端のガス吹き出しノズル７と試料ホルダー部５と
の間に触媒体８が設置されている。この触媒体８として
は、例えばＷ線をコイル状に巻き、そのコイル状のＷ線
を何度か往復させて、基板４の全体をカバーする面積を
張るように、かつ、その張る面が試料ホルダー５の面と
平行になるように形成したものが用いられる。この触媒
体８は、直接通電することにより加熱されている。な
お、触媒体８の形状は必ずしも線状に限るものではな
い。基板４の温度は、基板ホルダー部５の基板４の横に
取り付けられた熱電対９により測定することができるよ
うになっている。

【００３３】次に、この発明の一実施形態による触媒Ｃ
ＶＤ法による単結晶シリコン層のエピタキシャル成長方
法について説明する。

【００３４】この一実施形態においては、図２Ａに示す
ように、まず、基板４として単結晶シリコン基板を用意
し、これを洗浄し、表面の薄い酸化膜を希釈フッ酸（１
〜５％水溶液）で除去してから、純水で洗浄し、その後
乾燥を行う。

【００３５】次に、この単結晶シリコン基板を、図示省
略したロードロックチャンバーを経由して、図１に示す
触媒ＣＶＤ装置の成長チャンバー１内の試料ホルダー部
５のサセプターに取り付ける。この試料ホルダー部５の
サセプターは、あらかじめヒーター６により成長温度に
設定しておく。

【００３６】次に、成長チャンバー１内をＴＭＰにより
例えば（１〜２）×１０^-6Ｐａ程度まで減圧し、特に成
長チャンバー１内に外部から持ち込まれた酸素および水
分を排気する。この排気に要する時間は例えば約５分で
ある。

【００３７】次に、成長チャンバー１内にガス供給管３
から水素を流し、その流量、圧力およびサセプター温度
を所定の値に制御する。成長チャンバー１内圧力は０．
１〜１３．３Ｐａ（０．８〜１００ｍＴｏｒｒ）の範囲
で変えた。水素流量は３０ｓｃｃｍ／ｍｉｎに設定す
る。

【００３８】次に、触媒体８に通電して１８００℃に加
熱し、この温度に例えば１０分間保持する。なお、上述
のように成長チャンバー１内に水素を流しておくのは触
媒体８の加熱時の酸化を防止するためである。

【００３９】次に、成長チャンバー１内にガス供給管３
から水素に加えてシランを流し、所定の厚さ、例えば厚
さ約０．５μｍ前後のシリコン層を成長させる。水素流
量は例えば３０ｓｃｃｍ／ｍｉｎ、シラン流量は例えば
０．３〜２ｓｃｃｍ／ｍｉｎ（１００％シランを使用）
に設定する。このようにして、図２Ｂに示すように、基
板４、すなわち単結晶シリコン基板上に単結晶シリコン
層１０が成長する。

【００４０】成長終了後、成長チャンバー１に流すシラ
ン流量をゼロにし、例えば約５分後に触媒体８への電力
供給を遮断して、その温度を下げる。

【００４１】次に、成長チャンバー１に流す水素流量を
ゼロにして、（１〜２）×１０^-6Ｐａ程度まで減圧し、
特に成長チャンバー１内に導入したシランを排気する。
この排気には例えば約５分かかる。

【００４２】この後、単結晶シリコン層１０をエピタキ
シャル成長させた単結晶シリコン基板４を、図示省略し
たロードロックチャンバーを経由して、成長チャンバー
１の外部に取り出す。

【００４３】種々の条件で上述の方法により成長させた
シリコン層を、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法およ
び断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて評価した。
ただし、単結晶シリコン基板としては（１１１）面方位
のものを用いた。以下その結果について説明する。

【００４４】図３は、触媒体温度１８００℃、シラン流
量９ｓｃｃｍ、水素流量９０ｓｃｃｍ、圧力１０Ｐａ
（７５ｍＴｏｒｒ）、成長時間２０分、厚さ１２５０ｎ
ｍの条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層を成長さ
せた試料１のＳＩＭＳ測定の結果を示す。また、図４は
この試料１の断面ＴＥＭ写真を示す。図３より、７×１
０²¹atoms/ccの酸素が含有されていることがわかる。図
４より、単結晶シリコン基板との界面付近のシリコン層
はエピタキシャル成長していることがわかる。

【００４５】図５は、触媒体温度１６５０〜１７００
℃、シラン流量３ｓｃｃｍ、水素流量９０ｓｃｃｍ、圧
力１２Ｐａ（９０ｍＴｏｒｒ）、成長時間３０分、厚さ
６００ｎｍの条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層
を成長させた試料２のＳＩＭＳ測定の結果を示す。図６
は、触媒体温度１６５０〜１７００℃、シラン流量４．
５ｓｃｃｍ、水素流量９０ｓｃｃｍ、圧力１６Ｐａ（１
２０ｍＴｏｒｒ）、成長時間２０分、厚さ６５０ｎｍの
条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層を成長させた
試料３のＳＩＭＳ測定の結果を示す。図５より、４×１
０²¹atoms/ccの酸素が含有されていることがわかる。ま
た、図６より、３×１０²¹atoms/ccの酸素が含有されて
いることがわかる。

【００４６】図７は、触媒体温度１７００℃、シラン流
量１．５ｓｃｃｍ、水素流量１００ｓｃｃｍ、圧力６．
７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）、成長時間２５分、厚さ８２
０ｎｍの条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層を成
長させた試料４のＳＩＭＳ測定の結果、図８は、触媒体
温度１７００℃、シラン流量１．５ｓｃｃｍ、水素流量
１００ｓｃｃｍ、圧力０．８Ｐａ（６ｍＴｏｒｒ）、成
長時間３０分、厚さ２８０ｎｍの条件で単結晶シリコン
基板上にシリコン層を成長させた試料５のＳＩＭＳ測定
の結果、図９は、触媒体温度１７００℃、シラン流量
０．２５ｓｃｃｍ、水素流量３０ｓｃｃｍ、圧力０．１
１Ｐａ（０．８ｍＴｏｒｒ）、成長時間１８０分、厚さ
４８０ｎｍの条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層
を成長させた試料６のＳＩＭＳ測定の結果を示す。図７
より、単結晶シリコン基板との界面から表面まで、３×
１０²¹atoms/ccの酸素が含有されていることがわかる。
図８より、単結晶シリコン基板との界面における酸素濃
度７×１０¹⁹atoms/ccから層中の酸素濃度１×１０²¹at
oms/ccまで酸素が含有されていることがわかる。図９よ
り、単結晶シリコン基板との界面における酸素濃度１×
１０¹⁸atoms/ccから層中の酸素濃度２×１０²⁰atoms/cc
まで酸素が含有されていることがわかる。

【００４７】図１０は、触媒体温度１８００℃、シラン
流量０．３ｓｃｃｍ、水素流量３００ｓｃｃｍ、圧力
０．１７Ｐａ（１．３ｍＴｏｒｒ）、成長時間１５０
分、厚さ４２０ｎｍの条件で単結晶シリコン基板上にシ
リコン層を成長させた試料７のＳＩＭＳ測定の結果、図
１１は、触媒体温度１８００℃、シラン流量０．３ｓｃ
ｃｍ、水素流量３０ｓｃｃｍ、圧力０．１７Ｐａ（１．
３ｍＴｏｒｒ）、成長時間１５０分、厚さ４３０ｎｍの
条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層を成長させた
試料８のＳＩＭＳ測定の結果、図１２は、触媒体温度１
８００℃、シラン流量０．７５ｓｃｃｍ、水素流量３０
ｓｃｃｍ、圧力０．１９Ｐａ（１．４ｍＴｏｒｒ）、成
長時間６０分、厚さ３９０ｎｍの条件で単結晶シリコン
基板上にシリコン層を成長させた試料９のＳＩＭＳ測定
の結果、図１３は、触媒体温度１８００℃、シラン流量
０．７５ｓｃｃｍ、水素流量３０ｓｃｃｍ、圧力０．２
Ｐａ（１．５ｍＴｏｒｒ）、成長時間６０分、厚さ４１
０ｎｍの条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層を成
長させた試料１０のＳＩＭＳ測定の結果、図１４は、触
媒体温度１８００℃、シラン流量１．０ｓｃｃｍ、水素
流量３０ｓｃｃｍ、圧力０．２Ｐａ（１．５ｍＴｏｒ
ｒ）、成長時間５５分、厚さ５００ｎｍの条件で単結晶
シリコン基板上にシリコン層を成長させた試料１１のＳ
ＩＭＳ測定の結果、図１５は、触媒体温度１８００℃、
シラン流量１．５ｓｃｃｍ、水素流量３０ｓｃｃｍ、圧
力０．２３Ｐａ（１．７ｍＴｏｒｒ）、成長時間４０
分、厚さ５１０ｎｍの条件で単結晶シリコン基板上にシ
リコン層を成長させた試料１２のＳＩＭＳ測定の結果、
図１６は、触媒体温度１８００℃、シラン流量１．５ｓ
ｃｃｍ、水素流量３０ｓｃｃｍ、圧力０．２３Ｐａ
（１．７ｍＴｏｒｒ）、成長時間４０分、厚さ４６０ｎ
ｍの条件で単結晶シリコン基板上にシリコン層を成長さ
せた試料１３のＳＩＭＳ測定の結果、図１７は、触媒体
温度１８００℃、シラン流量２．０ｓｃｃｍ、水素流量
３０ｓｃｃｍ、圧力０．２４Ｐａ（１．８ｍＴｏｒ
ｒ）、成長時間３０分、厚さ４５０ｎｍの条件で単結晶
シリコン基板上にシリコン層を成長させた試料１４のＳ
ＩＭＳ測定の結果を示す。図１０より、１．５×１０¹⁸
atoms/ccの酸素が含有されていることがわかる。図１１
より、４×１０¹⁷atoms/ccの酸素が含有されていること
がわかる。図１２より、３×１０¹⁷atoms/ccの酸素が含
有されていることがわかる。図１３より、４×１０¹⁷at
oms/ccの酸素が含有されていることがわかる。図１４よ
り、８×１０¹⁷atoms/ccの酸素が含有されていることが
わかる。図１５より、５×１０¹⁷atoms/ccの酸素が含有
されていることがわかる。図１６より、４×１０¹⁷atom
s/ccの酸素が含有されていることがわかる。図１７よ
り、５×１０¹⁷atoms/ccの酸素が含有されていることが
わかる。

【００４８】以上のＳＩＭＳ測定結果より、触媒ＣＶＤ
法によりエピタキシャル成長させた単結晶シリコン層中
の最大酸素濃度（特に、基板４との界面近傍の最大酸素
濃度）は、成長圧力が減少するにつれて低くなってお
り、成長圧力に比例して成長層に酸素が多く取り込まれ
ることがわかる。また、成長時間の経過とともに酸素濃
度が増加することもわかる。

【００４９】図１８および図１９は試料７の断面ＴＥＭ
写真を示す。ここで、図１８は低倍率（３００００倍）
で撮影した単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面
ＴＥＭ写真、図１９は高倍率（７５０００倍）で撮影し
た単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面ＴＥＭ写
真である。図１８および図１９より、単結晶シリコン層
には多数の結晶欠陥が観察される。なお、試料表面に平
行に見える縞模様は、試料が表面に向かうに連れて薄く
なるくさび型をしているために生じる等厚干渉縞である
（以降の試料でも同様）。

【００５０】図２０〜図２３は試料９の断面ＴＥＭ写真
を示す。ここで、図２０は低倍率（３００００倍）で撮
影した単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面ＴＥ
Ｍ写真、図２１は高倍率（７５０００倍）で撮影した単
結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面ＴＥＭ写真を
示す。図２２はより高倍率（２００００００倍）で撮影
した単結晶シリコン層と単結晶シリコン基板との界面付
近の高分解能断面ＴＥＭ写真、図２３は同倍率（２００
００００倍）で撮影した単結晶シリコン層と単結晶シリ
コン基板との界面付近の図２２と異なる視野の高分解能
断面ＴＥＭ写真を示す。図２０〜図２３より、結晶欠陥
の少ない単結晶シリコン層が得られていることがわか
る。図２２および図２３においては、単結晶シリコン層
と単結晶シリコン基板との界面でＳｉ原子列がきれいに
連続している様子が観察される。単結晶シリコン層と単
結晶シリコン基板との界面に沿ってややコントラストが
異なって観察されるが、これは、界面に歪みや応力など
が入っており、これがコントラストとして現れていると
推測される。

【００５１】図２４〜図２７は試料１１の断面ＴＥＭ写
真を示す。ここで、図２４は低倍率（３００００倍）で
撮影した単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面Ｔ
ＥＭ写真、図２５は高倍率（７５０００倍）で撮影した
単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面ＴＥＭ写真
を示す。図２６はより高倍率（１５０００００倍）で撮
影した単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面ＴＥ
Ｍ写真、図２７は同倍率（１５０００００倍）で撮影し
た単結晶シリコン層の断面の図２６と異なる視野の断面
ＴＥＭ写真を示す。図２４〜図２７より、単結晶シリコ
ン層は欠陥が多く、表面が荒れていることがわかる。単
結晶シリコン層は単結晶シリコン基板との界面から部分
的にエピタキシャル成長し、三角形状のエピタキシャル
領域を形成しているが、その他の明るめに見える領域で
は、１１１双晶などにより結晶方位がずれた、多結晶的
な領域であると考えられる。

【００５２】図２８〜図３１は試料１２の断面ＴＥＭ写
真を示す。ここで、図２８は低倍率（３００００倍）で
撮影した単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面Ｔ
ＥＭ写真、図２９は高倍率（７５０００倍）で撮影した
単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面ＴＥＭ写真
を示す。図３０はより高倍率（１５０００００倍）で撮
影した単結晶シリコン層の断面の全体像を示す断面ＴＥ
Ｍ写真、図３１は同倍率（１５０００００倍）で撮影し
た単結晶シリコン層の断面の図３０と異なる視野の断面
ＴＥＭ写真を示す。図２８〜図３１より、単結晶シリコ
ン層は欠陥が多く、表面が荒れていることがわかる。

【００５３】以上のように、触媒ＣＶＤ法により単結晶
シリコン層をエピタキシャル成長させる際の成長圧力を
十分に低く、具体的には例えば０．１３Ｐａ（１ｍＴｏ
ｒｒ）前後に設定することにより、少なくとも基板４と
の界面から厚さ１０ｎｍ、場合によっては５０ｎｍ、さ
らには１００ｎｍの部分の最大酸素濃度が３×１０¹⁸at
oms/cc以下の単結晶シリコン層をエピタキシャル成長さ
せることができる。この単結晶シリコン層は結晶性に優
れた高品質の単結晶シリコン層である。また、これに加
えて、単結晶シリコン層のエピタキシャル成長に触媒Ｃ
ＶＤ法を用いていることにより、シランなどの反応ガス
の反応効率が数１０％と高いため、省資源で環境への負
荷が小さく、また、成長コストの低減を図ることができ
る。

【００５４】また、単結晶シリコン層を２００〜６００
℃の低温でエピタキシャル成長させることができるた
め、例えば、高不純物濃度の単結晶シリコン基板上に単
結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる場合、いわ
ゆるオートドーピングの発生を防止することができる。
このため、単結晶シリコン層の不純物濃度あるいは厚さ
の制御精度の向上を図ることができる。また、特に、サ
ファイア基板上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成
長させる場合には、熱歪みを低減することができるとと
もに、サファイア基板からのアルミニウムのオートドー
ピングの発生をほぼ完璧に防止することができる。

【００５５】さらに、成長温度が上述のように２００〜
６００℃と低温で済むため、エピタキシャル成長装置の
加熱電源を小電力とすることができ、冷却機構も簡単に
なるため、エピタキシャル成長装置が安価になる。

【００５６】図３２に、上述の一実施形態による方法に
よりエピタキシャル成長させた単結晶シリコン層を用い
たＴＦＴの一例を示す。すなわち、図３２に示すよう
に、このＴＦＴにおいては、単結晶シリコン基板、サフ
ァイア基板、スピネル基板などの基板４上に、上述の一
実施形態による触媒ＣＶＤ法により単結晶シリコン層１
０が成長されている。この単結晶シリコン層１０の厚さ
は１０〜１００ｎｍ程度であり、その最大酸素濃度は３
×１０¹⁸atoms/cc以下である。この単結晶シリコン層１
０上には、例えばＳｉＯ₂ 膜のようなゲート絶縁膜１１
が例えばプラズマＣＶＤ法により成長されている。この
ゲート絶縁膜１１上には、例えば不純物がドープされた
多結晶シリコン層からなるゲート電極１２が形成されて
いる。また、単結晶シリコン層１０中には、このゲート
電極１２に対して自己整合的にソース領域１３およびド
レイン領域１４が形成されている。これらのソース領域
１３およびドレイン領域１４の間の領域における多結晶
シリコン層１０がキャリアチャンネルを形成する。

【００５７】以上、この発明の一実施形態について説明
したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるもの
ではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が
可能である。

【００５８】すなわち、上述の一実施形態において用い
たプロセス、数値、基板材料などはあくまでも例に過ぎ
ず、必要に応じて、これらと異なるプロセス、数値、基
板材料などを用いることも可能である。また、上述の一
実施形態において用いた触媒ＣＶＤ装置も単なる一例に
過ぎず、必要に応じて、これと異なる構成の触媒ＣＶＤ
装置を用いることも可能であり、さらには、触媒体もＷ
以外のものを用いることも可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、触媒ＣＶＤ法により単結晶シリコンと格子整合する
物質層上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させ
る場合に、少なくともエピタキシャル成長初期に成長雰
囲気の全圧を１．３３×１０^-3Ｐａ以上４Ｐａ以下に設
定してエピタキシャル成長させ、あるいは、少なくとも
エピタキシャル成長初期に成長雰囲気における酸素およ
び水分の分圧を６．６５×１０^-10 Ｐａ以上２×１０^-6
Ｐａ以下に設定して成長させるようにしていることによ
り、単結晶シリコンと格子整合する物質層と単結晶シリ
コン層との界面から少なくとも厚さ１０ｎｍの部分の酸
素濃度が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下である単結晶シリ
コン層をエピタキシャル成長させることができる。この
単結晶シリコン層は高品質のものである。そして、この
単結晶シリコン層を用いて高性能の半導体装置を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態において用いる触媒ＣＶ
Ｄ装置の一例を示す略線図である。

【図２】この発明の一実施形態による触媒ＣＶＤ法によ
る単結晶シリコン層の成長方法を説明するための断面図
である。

【図３】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図４】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図５】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図６】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図７】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図８】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図９】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１０】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１１】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１２】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１３】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１４】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１５】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１６】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１７】ＳＩＭＳ測定結果を示す略線図である。

【図１８】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図１９】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２０】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２１】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２２】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２３】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２４】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２５】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２６】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２７】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２８】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図２９】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図３０】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図３１】試料の断面透過型電子顕微鏡写真である。

【図３２】この発明の一実施形態による触媒ＣＶＤ法に
よりエピタキシャル成長された単結晶シリコン層を用い
たＴＦＴを示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・成長チャンバー、４・・・基板、８・・・触媒
体、１０・・・単結晶シリコン層、１１・・・ゲート絶
縁膜、１２・・・ゲート電極、１３・・・ソース領域、
１４・・・ドレイン領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AB01 BA04 DB01 EA05 EA07 5F045 AA06 AA08 AB02 AB03 AB32 AC01 AD06 AD07 AD08 AD09 AD10 AE11 AE13 AE15 AE17 AF03 AF09 BB07 BB08 CA15 DA59 EB13 EE12 EK06 GB11

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶シリコンと格子整合する物質層上
   に触媒ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた単結晶
   シリコン層であって、 上記物質層と上記単結晶シリコン層との界面から少なく
   とも厚さ１０ｎｍの部分の最大酸素濃度が３×１０¹⁸原
   子／ｃｍ³ 以下であることを特徴とする単結晶シリコン
   層。
2. 【請求項２】 上記物質層と上記単結晶シリコン層との
   界面から少なくとも厚さ１０ｎｍの部分の最大酸素濃度
   が２×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下であることを特徴とする
   請求項１記載の単結晶シリコン層。
3. 【請求項３】 上記物質層と上記単結晶シリコン層との
   界面から少なくとも厚さ５０ｎｍの部分の最大酸素濃度
   が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下であることを特徴とする
   請求項１記載の単結晶シリコン層。
4. 【請求項４】 上記物質層と上記単結晶シリコン層との
   界面から少なくとも厚さ１００ｎｍの部分の最大酸素濃
   度が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下であることを特徴とす
   る請求項１記載の単結晶シリコン層。
5. 【請求項５】 単結晶シリコンと格子整合する物質層上
   に触媒ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた厚さ１
   μｍ以下の単結晶シリコン層であって、 最大酸素濃度が３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以下であること
   を特徴とする単結晶シリコン層。
6. 【請求項６】 上記単結晶シリコン層の厚さが１００ｎ
   ｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の単結晶シ
   リコン層。
7. 【請求項７】 最大酸素濃度が２×１０¹⁸原子／ｃｍ³
   以下であることを特徴とする請求項５記載の単結晶シリ
   コン層。
8. 【請求項８】 単結晶シリコンと格子整合する物質層上
   に触媒ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた単結晶
   シリコン層であって、 少なくともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気の全圧
   を１．３３×１０^-3Ｐａ以上４Ｐａ以下に設定してエピ
   タキシャル成長させたことを特徴とする単結晶シリコン
   層。
9. 【請求項９】 単結晶シリコンと格子整合する物質層上
   に触媒ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた単結晶
   シリコン層であって、 少なくともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気におけ
   る酸素および水分の分圧を６．６５×１０^-10 Ｐａ以上
   ２×１０^-6Ｐａ以下に設定してエピタキシャル成長させ
   たことを特徴とする単結晶シリコン層。
10. 【請求項１０】 単結晶シリコンと格子整合する物質層
    上に触媒ＣＶＤ法により単結晶シリコン層をエピタキシ
    ャル成長させるようにした単結晶シリコン層のエピタキ
    シャル成長方法であって、 少なくともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気の全圧
    を１．３３×１０^-3Ｐａ以上４Ｐａ以下に設定するよう
    にしたことを特徴とする単結晶シリコン層のエピタキシ
    ャル成長方法。
11. 【請求項１１】 単結晶シリコンと格子整合する物質層
    上に触媒ＣＶＤ法により単結晶シリコン層をエピタキシ
    ャル成長させるようにした単結晶シリコン層のエピタキ
    シャル成長方法であって、 少なくともエピタキシャル成長初期に成長雰囲気におけ
    る酸素および水分の分圧を６．６５×１０^-10 Ｐａ以上
    ２×１０^-6Ｐａ以下に設定するようにしたことを特徴と
    する単結晶シリコン層のエピタキシャル成長方法。
12. 【請求項１２】 単結晶シリコンと格子整合する物質層
    上に触媒ＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた単結
    晶シリコン層を有する半導体装置であって、 少なくともキャリアチャンネルとなる領域における上記
    単結晶シリコン層の最大酸素濃度が３×１０¹⁸原子／ｃ
    ｍ³ 以下であることを特徴とする半導体装置。