(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートが形成され、該ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、該ソースガス導入ノズルからソースガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間にガス冷却装置が介装され、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前にソースガスが冷却されると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴とする薄膜成長装置。
【請求項２】
前記ソースガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴とする請求項１記載の薄膜成長装置。
【請求項３】
真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートとドーパントガス供給系からドーパントガスを導入するためのドーパントガス導入ポートとが形成され、前記ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、前記ドーパントガス導入ポートにはドーパントガス導入ノズルが配設され、前記ソースガス導入ノズルからはソースガスを導入し、前記ドーパントガス導入ノズルからはドーパントガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間にドーパントガス冷却装置が介装され、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前にドーパントガスが冷却されると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴とする薄膜成長装置。
【請求項４】
前記ドーパントガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴とする請求項３記載の薄膜成長装置。
【請求項５】
前記ガス冷却装置と基板との間でソースガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の薄膜成長装置。
【請求項６】
前記ドーパントガス冷却装置と基板との間でドーパントガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の薄膜成長装置。
【請求項７】
前記分子活性化機構が、紫外線照射による活性化手段、電子線照射による活性化手段、及び電子サイクロトロン共鳴による活性化手段のいずれかを備えていることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の薄膜成長装置。
【請求項８】
真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間でソースガスを冷却し、前記ソースガス導入ノズルへ供給する前にソースガスを冷却すると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却することを特徴とする薄膜成長方法。
【請求項９】
前記ソースガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴とする請求項８記載の薄膜成長方法。
【請求項１０】
真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入し、ドーパントガス供給系から供給されるドーパントガスをドーパントガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間でドーパントガスを冷却し、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給する前にドーパントガスを冷却すると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却することを特徴とする薄膜成長方法。
【請求項１１】
前記ドーパントガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴とする請求項１０記載の薄膜成長方法。
【請求項１２】
ソースガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ソースガスの分子を活性化することを特徴とする請求項８又は請求項９記載の薄膜成長方法。
【請求項１３】
ドーパントガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の薄膜成長方法。
【請求項１４】
紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、前記ソースガスの分子、又は前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴とする請求項１２又は請求項１３記載の薄膜成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜成長装置、及び薄膜成長方法に関し、より詳細には、真空容器内で薄膜を成長させる薄膜成長装置、及び薄膜成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路（ＬＳＩ）の製造工程には多くの薄膜成長技術が利用されている。この中には基板の結晶性を利用してその上に単結晶薄膜を成長させるエピタキシャル成長技術も盛んに利用されているが、現在、反応容器に原料ガスを導入し、高温に加熱した基板上での化学反応を利用して基板上に薄膜を堆積する熱気相化学成長法（熱ＣＶＤ法）が主に用いられている。しかしＬＳＩの高集積化、高速化あるいは新材料の利用等にともなって薄膜成長温度を低温化させる必要性、あるいは原子オーダーで薄膜の成長を制御する必要性が高まり、これらの要求を満たす上記以外の薄膜成長技術が開発されている。その中には、薄膜の成長中も容器の背圧を１０-8Torr以上の超高真空に保ちつつ基板に原料物質の分子線を照射して薄膜をエピタキシャル成長させる分子線エピタキシー法（ＭＢＥ:Molecular Beam Epitaxy ）など高真空、超高真空容器内で薄膜を成長させる方法がある。
【０００３】
上記ＭＢＥには、堆積膜の前駆物質として堆積物のガス化合物を使用するガスソースＭＢＥがある（K. Aketagawa; J. Cryst. Growth 111,860(1991). あるいはH.Hirayama and  T. Tatsumi; Appl.Phys.Lett.55,131(1989).あるいは特開昭６３−１２２１１６号公報あるいは特開平１−１９７３９３号公報）。このガスソースＭＢＥ成長技術の一例として、Ｓｉ基板上にＳｉ単結晶薄膜を成長させる例を図６および図７に基づいて説明する。図６はソースガスとしてＳｉ2 Ｈ6 を用いたガスソースＭＢＥ成長装置１６０を示した模式図であり、図７はソ−スガスとしてＳｉ2 Ｈ6 を用い、ド−パントガスとしてＰＨ3 を用いたガスソ−スＭＢＥ成長装置１７０を示した模式図である。
【０００４】
まず、ガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０について説明する。
図６において６１は略円筒形状の超高真空容器を示している。超高真空容器６１はタ−ボ分子ポンプ７０によって超高真空に排気されるようになっており、タ−ボ分子ポンプ７０は弁７３を介してロ−タリ−ポンプ７４に接続されている。また、超高真空容器６１にはゲ−ト弁７６を介して試料導入室７５が連設されており、試料導入室７５はゲ−ト弁７９によって外気と遮断され、タ−ボ分子ポンプ７７によって高真空に排気されるようになっている。タ−ボ分子ポンプ７７は弁７８に接続され、弁７８はロ−タリ−ポンプ７４に接続されている。
【０００５】
超高真空容器６１の上壁にはゴニオメ−タ６４が配設されており、ゴニオメ−タ６４には図示しない保持機構を介して抵抗加熱器等の加熱手段を備えた試料保持台６３が取りつけられ、試料保持台６３には成長面を下に向けた基板６５が保持されるようになっている。また、超高真空容器６１の側壁にはソ−スガス導入ポ−ト６０が形成されており、ソ−スガス導入ポ−ト６０の内部には先端を基板６５の方向に向けたソ−スガス導入ノズル６２が配設され、ソ−スガス導入ノズル６２にはソ−スガス供給系５６を構成する三方弁６６が接続されている。ソ−スガス供給系５６は以下の構成となっている。
【０００６】
三方弁６６にはタ−ボ分子ポンプ７１が接続されると共に、ガス流量制御器６７が接続されており、タ−ボ分子ポンプ７１は弁７２を介してロ−タリ−ポンプ７４に接続され、ガス流量制御器６７には弁６８を介してソ−スガス容器６９が接続されている。
【０００７】
上記の如く構成されたガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０において、基板６５上に薄膜を成長させる場合は以下のように行われる。基板６５としてＳｉを用い、基板６５上にＳｉ単結晶薄膜を成長させる場合について説明する。
基板６５はゲート弁７９を介して試料導入室７５に導入される。その後ゲート弁１９は閉じられ試料導入室７５はターボ分子ポンプ７７によって高真空に排気される。その後ゲート弁７６を介して図示していない基板搬送機構によって超高真空容器６１に導入され、図示していない保持機構により試料保持台３に成長面を下向きにして保持される。試料保持台３には抵抗加熱器等の加熱手段が装備されており、基板６５上に薄膜を成長させるのに必要な温度に保持することが可能となっている。通常、前記薄膜の成長は６００℃前後で行われる。
【０００８】
試料保持台６３及び基板６５は超高真空容器６１により構成される成長室内にある。超高真空容器６１はターボ分子ポンプ７０により薄膜成長が行われる前に１０-9Ｔｏｒｒ以下に排気される。ソ−スガス容器６９に貯蔵されているＳｉ2 Ｈ6 は流量制御されてガス導入ノズル６２より超高真空容器６１内に導入される。すなわち、Ｓｉ2 Ｈ6 のガス流量は主としてガス流量制御器６７により制御され、さらに弁６６においてＳｉ2 Ｈ6 ガス流の一部がタ−ボ分子ポンプ７１により排気され、低流量制御が行われる（微量が排気制御される）。このようなガス流量制御器６７によるガス流量の制御とタ−ボ分子ポンプ７０による前記排気とによって、超高真空容器６１内の真空度は、ソ−スガス流入時であっても１０-4Torr程度の高真空より低下しないように制御される。
【０００９】
超高真空容器６１は前記高真空に保たれているため、ソ−スガス導入ノズル６２から噴射されたソ−スガス（Ｓｉ2 Ｈ6 ）分子の平均自由行程は超高真空容器６１のサイズ程度あるいはそれ以上となり、超高真空容器６１内におけるＳｉ2 Ｈ6 のガス流は分子流となる。これにより基板６５の成長面に照射されるソ−スガス分子はソ−スガス導入ノズル６２から直接射出されたものが大多数を占めるようになるので、基板６５の成長面に到達する分子種および分子のエネルギー状態が均一となるように制御することが可能になる。Ｓｉ2 Ｈ6 分子流は加熱された基板６５上に照射され、基板６５の成長面に吸着される。吸着されたＳｉ2 Ｈ6 分子は加熱された基板６５の熱により解離する。Ｈは基板６５表面から離脱するが、Ｓｉは基板６５の成長面に残留する。これにより、基板６５の成長面にＳｉ薄膜が堆積する。
【００１０】
次に、図７に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１７０について説明する。図７に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１７０は図６に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０と以下の点で異なっている。
ガスソ−スＭＢＥ成長装置１７０にあっては、超高真空容器６１の側壁にソ−スガス導入ポ−ト６０の他にド−パントガス導入ポ−ト８０が形成されており、ド−パントガス導入ポ−トの内部には先端を基板６５方向に向けたド−パントガス導入ノズル８２が配設されている。ド−パントガス導入ノズル８２には一方の弁がタ−ボ分子ポンプ７１に接続された三方弁８６が接続されており、三方弁８６にはガス流量制御器８７が接続され、ガス流量制御器８７には弁８８を介してド−パントガス容器８９が接続されている。上記した三方弁８６、ガス流量制御器８７、弁８８、ド−パントガス容器８９、弁７２およびタ−ボ分子ポンプ７１によりド−パントガス供給系５７が構成されている。
【００１１】
上記以外の構成はガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０と同じである。ガスソ−スＭＢＥ成長装置１７０の場合も上記したガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０の場合と同様にして基板６５の成長面にＳｉ薄膜を堆積させる。しかしガスソ−スＭＢＥ成長装置１７０の場合は、ド−パントガス容器８９に封入されたド−パントガス（Ｓｉ2 Ｈ4 希釈ＰＨ3 ガス）がガス流量制御器８７でその流量を制御されながらド−パントガス導入ノズル８２に供給され、ド−パントガス導入ノズル８２から基板６５に対して前記ド−パントガスが射出されるので、Ｓｉの堆積中にＰＨ3 も基板６５の成長面に到達して吸着される。そして基板６５の熱により吸着されたＰＨ3 分子が解離してＨは基板６５の表面から離脱するが、Ｐは残留して堆積しているＳｉ中に取り込まれる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記した薄膜成長装置の場合、ソースガスＳｉ2 Ｈ6 分子およびド−パントガスＰＨ3 分子の基板６５の成長面への吸着状態によって薄膜の成長速度および該薄膜の品質（抵抗率等の電気的特性）が大きく影響を受ける。前記吸着状態の良否を左右する要因の一つとして、ソ−スガス導入ノズル６２（あるいはド−パントガス導入ノズル８２）から射出されるＳｉ2 Ｈ6 分子線（あるいはＰＨ3 分子線）における分子の運動エネルギ−を挙げることができる。良好な吸着状態を確保するためには、前記分子線における分子の運動エネルギ−を低下させる必要がある（この理由については、後述する「作用」の項を参照）。しかし従来の薄膜成長装置で、前記分子線における分子の運動エネルギ−を考慮しているものはない。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、ソ−スガス分子あるいはド−パントガス分子の基板の成長面における吸着状態を向上させることができ、薄膜の成長速度を増加させることができると共に、薄膜の品質を向上させることができる薄膜成長装置、及び薄膜成長方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る薄膜成長装置（１）は、真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートが形成され、該ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、該ソースガス導入ノズルからソースガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間にガス冷却装置が介装され、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前にソースガスが冷却されると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長装置（２）は、上記薄膜成長装置（１）において、前記ソースガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴としている。
【００１５】
また本発明に係る薄膜成長装置（３）は、真空に排気される真空容器内に基板を保持する保持台が配置され、前記真空容器にソースガス供給系からソースガスを導入するためのソースガス導入ポートとドーパントガス供給系からドーパントガスを導入するためのドーパントガス導入ポートとが形成され、前記ソースガス導入ポートにはソースガス導入ノズルが配設され、前記ドーパントガス導入ポートにはドーパントガス導入ノズルが配設され、前記ソースガス導入ノズルからはソースガスを導入し、前記ドーパントガス導入ノズルからはドーパントガスを導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長装置において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間にドーパントガス冷却装置が介装され、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前にドーパントガスが冷却されると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するように構成されていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長装置（４）は、上記薄膜成長装置（３）において、前記ドーパントガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであることを特徴としている。
【００１６】
また本発明に係る薄膜成長装置（５）は、上記薄膜成長装置（１）又は（２）における前記ガス冷却装置と基板との間でソースガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴としている。
【００１７】
また本発明に係る薄膜成長装置（６）は、上記薄膜成長装置（３）又は（４）における前記ドーパントガス冷却装置と基板との間でドーパントガスの分子を活性化する分子活性化機構が配設されていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長装置（７）は、上記薄膜成長装置（５）又は（６）において、前記分子活性化機構が、紫外線照射による活性化手段、電子線照射による活性化手段、及び電子サイクロトロン共鳴による活性化手段のいずれかを備えていることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法（１）は、真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ソースガス導入ノズルと前記ソースガス供給系との間でソースガスを冷却し、前記ソースガス導入ノズルへ供給する前にソースガスを冷却すると共に、前記ソースガス導入ノズルを冷却することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法（２）は、上記薄膜成長方法（１）において、前記ソースガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法（３）は、真空に排気される真空容器内に基板を保持し、ソースガス供給系から供給されるソースガスをソースガス導入ノズルより前記真空容器内に導入し、ドーパントガス供給系から供給されるドーパントガスをドーパントガス導入ノズルより前記真空容器内に導入して前記基板の成長面に薄膜を成長させる薄膜成長方法において、前記ドーパントガス導入ノズルと前記ドーパントガス供給系との間でドーパントガスを冷却し、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給する前にドーパントガスを冷却すると共に、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法（４）は、上記薄膜成長方法（３）において、前記ドーパントガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いることを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法（５）は、上記薄膜成長方法（１）又は（２）において、ソースガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ソースガスの分子を活性化することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法（６）は、上記薄膜成長方法（３）又は（４）において、ドーパントガスを冷却した後に、分子活性化機構によって前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴としている。
また本発明に係る薄膜成長方法（７）は、上記薄膜成長方法（５）又は（６）において、紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、前記ソースガスの分子、又は前記ドーパントガスの分子を活性化することを特徴としている。
【００１８】
【作用】
上記構成に係る薄膜成長装置（１）〜（７）で、例えば、前記真空容器内部の圧力が薄膜の成長中１０-4Ｔｏｒｒ以下の（超）高真空に保たれ、このような高真空の雰囲気にある前記真空容器にガスが導入されると、該ガスの平均自由行程は前記真空容器の大きさ程度かそれ以上となり、ガス導入ノズルから噴射されたガスは分子線になる。該分子線における分子は前記ガス導入ノズルから基板の成長面に到達するまでに他の物体と接触しないので、前記分子のエネルギー状態が保存される。そのため、前記ガス導入ノズルから噴射される分子線分子の運動エネルギーは前記ガスの温度によって決定される。
【００１９】
一方、薄膜の成長に関しては、前記ガス導入ノズルから噴射されるガス分子の前記基板の成長面における吸着、解離、脱離の反応過程が薄膜の成長速度およびその品質を決める因子となる。ガス分子の前記基板の成長面への吸着率は、前記基板の成長面に照射されるガス分子の並進運動エネルギーを低下させれば増大する。前記吸着率が増大すれば、薄膜の成長速度も増加する。したがって、本発明に係る薄膜成長装置にあっては、前記ガス分子の運動エネルギ−を低下させて基板の成長面への吸着率を向上させることを目的とし、前記ガス導入ノズルから前記真空容器内に導入されるガス分子の温度が室温以下となるように制御される。
【００２０】
上記薄膜成長装置（１）によれば、ソースガスが前記ガス冷却装置により前記ソースガス導入ノズルから噴射される前に室温以下にまで冷却された後、前記基板の成長面に導入される。これにより、前記ソースガス分子の運動エネルギーが低下し前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜の成長速度が増大する。
さらに、前記ソースガス導入ノズルを冷却するように構成されているので、前記ガス冷却装置で冷却されたソースガスの温度を（例えば、室温以下に）保つことができる。
上記薄膜成長装置（２）によれば、前記ソースガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ソースガス導入ノズルが配設されている場合、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
【００２１】
上記薄膜成長装置（３）によれば、ドーパントガスが前記ドーパントガス冷却装置により前記ドーパントガス導入ノズルから噴射される前に室温以下にまで冷却された後、前記基板の成長面に導入される。これにより、前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜中への前記ドーパント原子の取り込み率が向上する。
さらに、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するように構成されているので、前記ドーパントガス冷却装置で冷却されたドーパントガスの温度を（例えば、室温以下に）保つことができる。
上記薄膜成長装置（４）によれば、前記ドーパントガス導入ノズルは、拡開しない筒状のものであるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ドーパントガス導入ノズルが配設されている場合、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
【００２２】
上記薄膜成長装置（５）によれば、前記ソースガス導入ノズルから噴射されるソースガスの分子が前記分子活性化機構により活性化された後、前記基板の成長面に導入される。前記ガス冷却装置により運動エネルギーが低下し、かつ前記分子活性化機構により活性化されたソースガス分子が前記基板の成長面に導入されるので、前記吸着率が向上すると共に前記活性化により前記ソースガス分子の内部エネルギーが高まり、解離反応が促進される。
【００２３】
上記薄膜成長装置（６）によれば、前記ドーパントガス導入ノズルから噴射されるドーパントガスの分子が前記分子活性化機構により活性化された後、前記基板の成長面に導入される。すなわち、前記ドーパントガス冷却装置により室温以下にまで冷却され、かつ前記分子活性化機構により活性化されたドーパントガス分子が前記基板の成長面に導入されるので、前記活性化により内部エネルギーが高められた前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、前記ドーパント原子の薄膜中への取り込み率が向上する。
上記薄膜成長装置（７）によれば、紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、ソースガス分子やドーパントガス分子が活性化される。
上記薄膜成長方法（１）によれば、ソースガスを前記ソースガス導入ノズルから噴射する前に室温以下にまで冷却した後、前記基板の成長面に導入する。これにより、前記ソースガス分子の運動エネルギーが低下し前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜の成長速度が増大する。
さらに、前記ソースガス導入ノズルを冷却するので、前記ソースガス導入ノズルへ供給する前に冷却されたソースガスの温度を（例えば、室温以下に）保つことができる。
上記薄膜成長方法（２）によれば、前記ソースガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ソースガス導入ノズルが配設されている場合、前記ソースガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
上記薄膜成長方法（３）によれば、ドーパントガスを前記ドーパントガス導入ノズルから噴射する前に室温以下にまで冷却した後、前記基板の成長面に導入する。これにより、前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、薄膜中への前記ドーパント原子の取り込み率が向上する。
さらに、前記ドーパントガス導入ノズルを冷却するので、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給する前に冷却されたドーパントガスの温度を（例えば、室温以下に）保つことができる。
上記薄膜成長方法（４）によれば、前記ドーパントガス導入ノズルに、拡開しない筒状のものを用いるので、例えば、液体窒素が充填された二重管に、前記ドーパントガス導入ノズルが配設されている場合、前記ドーパントガス導入ノズルへ供給される前に冷却されたガスの温度をより確実に保つことができる。
上記薄膜成長方法（５）によれば、前記ソースガス導入ノズルから噴射するソースガスの分子を前記分子活性化機構により活性化した後、前記基板の成長面に導入する。すなわち、運動エネルギーが低下し、かつ前記分子活性化機構により活性化したソースガス分子を前記基板の成長面に導入するので、前記吸着率が向上すると共に前記活性化により前記ソースガス分子の内部エネルギーが高まり、解離反応が促進される。
上記薄膜成長方法（６）によれば、前記ドーパントガス導入ノズルから噴射するドーパントガスの分子を前記分子活性化機構により活性化した後、前記基板の成長面に導入する。すなわち、室温以下にまで冷却し、かつ前記分子活性化機構により活性化したドーパントガス分子を前記基板の成長面に導入するので、前記活性化により内部エネルギーが高められた前記ドーパントガス分子の前記基板の成長面への吸着率が向上し、前記ドーパント原子の薄膜中への取り込み率が向上する。
上記薄膜成長方法（７）によれば、紫外線照射、電子線照射、及び電子サイクロトロン共鳴のいずれかによって、ソースガス分子やドーパントガス分子が活性化される。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明に係る薄膜成長装置の実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係る薄膜成長装置（ガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０）を示した模式図である。
図１に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０が図６に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０と異なっている点は、ソ−スガス導入ノズル６２とソ−スガス供給系５６を構成する三方弁６６との間にガス冷却装置１が介装されている点である。その他の構成は同じである。ガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０は上記薄膜成長装置（１）を具体的に示したものである。
【００２５】
図２にガス冷却装置１の構造を示す。図２（ａ）はガス冷却装置１を概略的に示した拡大断面図であり、図２（ｂ）はガス冷却装置１を構成する二重管２を概略的に示した拡大水平断面図である。
ガス冷却装置１は冷却容器３と二重管２とで構成されており、冷却容器３の上面に二重管２が接続され、二重管２の先端はソ−スガス導入ノズル６２の先端部近傍まで伸びている。冷却容器３には液体窒素供給管４および窒素ガス抜き管５が接続されており、二重管２の上端部には液体窒素供給管６が接続され、下端部には液体窒素排出管７が接続されている。冷却容器３の内部には冷却媒体として液体窒素８が充填されており、らせん状に形成された熱交換部１０でガス配管９を通って導入されるガスの温度が液体窒素８の温度にまで冷却されるようになっている。また、二重管２の内部にも液体窒素８が充填されており、熱交換部１０で冷却されたガスの温度が保たれるようになっている。
【００２６】
次に、上記の如く構成されたガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０の動作を説明する。ただし、ガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０の構成およびその機能は、ガス冷却装置１を除けば図６に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０と同じであるので、以下ではガス冷却装置１に関する点のみを説明する。なお、ガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０の場合、基板６５は８００℃まで加熱することが可能となっている。
【００２７】
ソ−スガス容器６９から供給されるソ−スガス（Ｓｉ2 Ｈ6 ）は、冷却容器３の熱交換部１０においてその温度が液体窒素の温度にまで冷却された後、該温度で維持されたまま二重管２を通ってソ−スガス導入ノズル６２の先端からソ−スガス分子線１１となって基板６５の成長面に照射される。ソ−スガス分子線１１を構成する分子の運動エネルギ−は、ガス冷却装置１で冷却されることにより低下するので、前記ソ−スガス分子の基板６５の成長面への吸着率が向上する。
【００２８】
以上説明したようにガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０にあっては、ガス冷却装置１によりソ−スガスが液体窒素の温度にまで冷却され、液体窒素温度のソ−スガス分子線１１が基板６５に照射されるので、ソ−スガス分子線１１の速度を従来の薄膜成長装置であるガスソ−スＭＢＥ成長装置１６０に比べて、約半分にすることができる。これにより、前記ソ−スガス分子の基板６５の成長面への吸着率を向上させることができ、Ｓｉ薄膜の成長速度を増大させることができる。
【００２９】
実施例１の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてＳｉ2 Ｈ6 を用い、基板温度９００℃で成長を行った。ソ−スガス冷却装置１を液体窒素を使って作動させ成長を行った場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置１への液体窒素供給を行なわなかった場合より約１０％成長速度が高くなった。また、この時成長したエピタキシャル膜の結晶欠陥など膜の品質には、これらの成長条件の違いによる優位差は見られなかった。
【００３０】
次に、実施例２に係る薄膜成長装置（ガスソ−スＭＢＥ成長装置１３０）を図３に基づいて説明する。図３はガスソ−スＭＢＥ成長装置１３０を示した模式図である。ガスソ−スＭＢＥ成長装置１３０が図１に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１１０と異なっているのは、ソ−スガス分子線１１を活性化するための分子活性化機構１２が設けられている点である。その他の構成は同じである。ガスソ−スＭＢＥ成長装置１３０は上記薄膜成長装置（３）を具体的に示したものである。
【００３１】
分子活性化機構１２は励起光導入ポ−ト１３、高純度石英製の励起光透過窓１５および紫外線ランプ１６等で構成されている。励起光導入ポ−ト１３は超高真空容器６１におけるソ−スガス導入ポ−ト６０上部の側壁に設けられており、紫外線ランプ１６から励起光として発せられる紫外線１４によりソ−スガス導入ノズル６２から噴射されるソ−スガス分子線１１を活性化することができるようになっている。
【００３２】
ガスソ−スＭＢＥ成長装置１３０にあっては、ガス冷却装置１および分子活性化機構１２が装備されているので、ガス冷却装置１によりソ−スガス分子線１１の速度が低下されると共に、ソ−スガス分子線１１が紫外線（励起光）１４により活性化される。ガス分子は速度が低下すると基板６５の成長面への吸着率が高まり、活性化されると内部エネルギ−が高まって反応速度が速まる。したがって、ガスソ−スＭＢＥ成長装置１３０を用いれば、ソ−スガス分子の吸着率を向上させることができると共に吸着された後における反応速度をも速めることができ、基板６５の成長面上に形成される薄膜の成長速度を増大させることができる。また、より低い基板温度で薄膜の成長を行わせることができる。
【００３３】
実施例２の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてＳｉ2 Ｈ6 を用い、基板温度９００℃で成長を行った。ソ−スガス冷却装置１、分子活性化機構１２を作動させ成長を行った場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置１、分子活性化機構１２の作動を行なわなかった場合より約５０％成長速度が増大した。この装置では、分子活性化機構１２を動作させただけでも、冷却装置１、分子活性化機構１２の作動を行なわなかった場合より成長速度の増加が見られたが、両者を同時に動作させた場合より成長速度の増加は低かった。また、この時成長したエピタクシャル膜の結晶欠陥など膜の品質には、これらの成長条件の違いによる優位差は見られなかった。
【００３４】
次に、実施例３に係る薄膜成長装置（ガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０）を図４に基づいて説明する。図４はガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０を示した模式図である。図４に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０の構成は、図７に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１７０のド−パントガス導入ノズル８２とド−パントガス供給系５７を構成する三方弁８６との間にガス冷却装置１が介装された構成となっている。ガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０は上記薄膜成長装置（２）を具体的に示したものである。なお、ガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０の場合、基板６５は１０００℃まで加熱することが可能となっている。
【００３５】
上記構成を有するガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０の場合、ガス冷却装置１によりド−パントガスが液体窒素８の温度に冷却された後、ド−パントガス導入ノズル８２からド−パントガス分子線１７となって基板６５の成長面に照射される。このため、ド−パントガス分子線１７の速度を室温における速度のおよそ半分に低下させることができ、前記ド−パントガス分子の基板６５の成長面への吸着率を向上させることができる。前記ド−パントガス分子は基板６５の成長面に吸着された後、基板６５の熱により解離し、ド−パント原子が薄膜中に取り込まれる。したがって、前記ド−パントガス分子の前記吸着率を向上させることにより前記ド−パント原子の前記取り込み効率を向上させることができる。
【００３６】
実施例３の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてＳｉ2 Ｈ6 を、ド−パントガスとしてＰＨ3 を用い、基板温度９００℃で成長を行った。ド−パントガス冷却装置１を作動させ成長を行なった場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置１を作動させなかった場合より高いド−パント濃度となった。
【００３７】
次に、実施例４に係る薄膜成長装置（ガスソ−スＭＢＥ成長装置）１５０を図５に基づいて説明する。図５はガスソ−スＭＢＥ成長装置１５０を示した模式図である。図５に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１５０の構成と図４に示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０の構成とは、ド−パントガス分子線１７を活性化するための分子活性化機構１２が設けられているか否かが異なるだけで、その他の構成は同じである。ガスソ−スＭＢＥ成長装置１５０は上記薄膜成長装置（４）を具体的に示したものである。
【００３８】
ガスソ−スＭＢＥ成長装置１５０の場合、ド−パントガス容器８９から供給されるド−パントガスが冷却装置１で冷却された後、ド−パントガス導入ノズル８２から液体窒素温度となったド−パントガス分子線１７となって基板６５の成長面にむけて射出され、ド−パントガス分子の基板６５の成長面への吸着率を高めることができる。また、ド−パントガス分子線１７の分子は基板６５に到達するまでに分子活性化機構１２を構成する紫外線ランプ１６から照射される紫外線１４によって活性化され、基板６５の成長面に吸着された後の反応速度を高めることができる。したがって、ガスソ−スＭＢＥ成長装置１５０を用いれば、ド−パント原子の薄膜中への取り込み効率を向上させることができ、また、基板６５をより高い温度に保持しながら高濃度のド−ピングを行うことができる。
【００３９】
実施例４の薄膜成長装置において、ソ−スガスとしてＳｉ2 Ｈ6 を、ド−パントガスとしてＰＨ3 を用い、基板温度９００℃で成長を行なった。ド−パントガス冷却装置１、ガス分子活性化機構１２を作動させ成長を行なった場合、他の成長条件は等しく、当装置において冷却装置１、ガス分子活性化機構１２を作動させなかった場合より高いド−パント濃度となった。ガス分子活性化機構１２のみを作動させた場合でも、当装置において冷却装置１、ガス分子活性化機構１２を作動させなかった場合より高いド−パント濃度となったが、両者を同時に作動させた場合のド−パント濃度の増加よりは低かった。
【００４０】
上記した実施例１〜実施例４では、冷却媒体として液体窒素を用いる場合を示したが、別の実施例では冷却媒体として液体ヘリウム等の他の冷却媒体を用いてもよい。用いる媒体により冷却温度は異なるので、液体窒素を用いる場合とは異なる温度にソ−スガスあるいはド−パントガスを冷却することができる。また、液体ヘリウムで冷却した後適当な加熱器を通してもよい。そうすれば、前記ソ−スガスあるいはド−パントガスを液体ヘリウム温度以上の任意の温度に制御することができる。
【００４１】
また、実施例２で示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１３０および実施例４で示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１５０では、ソ−スガス分子線１１およびド−パントガス分子線１７を活性化するための分子活性化機構として分子活性化機構１２を備えている場合を示したが、別の実施例では、ソ−スガス導入ノズル６２あるいはド−パントガス導入ノズル８２と基板６５間で電子線照射、電子サイクロトロン共鳴によるイオン化等の活性化手段を備えた分子活性化機構であってもよい。これらの場合も、略同様な効果を得ることができる。
【００４２】
さらに別の実施例では、実施例３で示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１４０、実施例４で示したガスソ−スＭＢＥ成長装置１５０のそれぞれにソ−スガスを冷却するガス冷却装置１及び／又はソ−スガス分子線１１を活性化する分子活性化機構１２が装備されていてもよい。この場合はド−パントガスの取り込み効率を向上させることができるのみならず、薄膜の成長速度をも増大させることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係る薄膜成長装置（１）によれば、前記ガス冷却装置で冷却することによりソ−スガス分子の速度を室温時の約半分にすることができるので、ソ−スガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができ、薄膜の成長速度を増大させることができる。
【００４４】
本発明に係る薄膜成長装置（２）によれば、前記ド−パントガス冷却装置によりド−パントガス分子の速度を室温時の約半分にすることができるので、ド−パントガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができ、薄膜中へのド−パント原子の取り込み率を向上させることができる。
【００４５】
本発明に係る薄膜成長装置（３）は、ソ−スガスの前記ガス冷却装置および前記分子活性化機構を備えているので、ソ−スガス分子を前記ガス冷却装置で冷却した後、前記分子活性化機構で活性化することができる。これにより、前記ソ−スガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができると共に、吸着された後の反応速度を増大させることができ、薄膜の成長速度を増大させることができる。
【００４６】
本発明に係る薄膜成長装置（４）は、ド−パントガスの前記ド−パントガス冷却装置および前記分子活性化機構を備えているので、ド−パントガス分子を前記ド−パントガス冷却装置で冷却した後、前記分子活性化機構で活性化することができる。これにより、前記ド−パントガス分子の前記基板の成長面への吸着率を向上させることができると共に、吸着された後の反応を活性化することができ、ド−パント原子の薄膜中への取り込み効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図２】（ａ）図はガス冷却装置を概略的に示した拡大断面図であり、（ｂ）図は二重管の構造を概略的に示した拡大水平断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図４】本発明の実施例３に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図５】本発明の実施例４に係る薄膜成長装置を示した模式図である。
【図６】従来の薄膜成長装置を示した模式図である。
【図７】従来の薄膜成長装置を示した模式図である。
【符号の説明】
１  ガス冷却装置
２  二重管
３  冷却容器
１１  ソ−スガス分子線
１２  分子活性化機構
１３  励起光導入ポ−ト
１４  紫外線
１５  励起光透過窓
１６  紫外線ランプ
１７  ド−パントガス分子線
５６  ソ−スガス供給系
５７  ド−パントガス供給系
６０  ソ−スガス導入ポ−ト
６１  超高真空容器
６２  ソ−スガス導入ノズル
６３  試料保持台
６５  基板
６９  ソ−スガス容器
８０  ド−パントガス導入ポ−ト
８２  ド−パントガス導入ノズル
８９  ド−パントガス容器
１１０、１３０、１４０、１５０  ガスソ−スＭＢＥ成長装置
【図１】
0003728538.tif 000002
【図２】
0003728538.tif 000003
【図３】
0003728538.tif 000004
【図４】
0003728538.tif 000005
【図５】
0003728538.tif 000006
【図６】
0003728538.tif 000007
【図７】
0003728538.tif 000008