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JPH02232926A - Formation of oxide thin film - Google Patents

Formation of oxide thin film

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Publication number
JPH02232926A
JPH02232926A JP1052966A JP5296689A JPH02232926A JP H02232926 A JPH02232926 A JP H02232926A JP 1052966 A JP1052966 A JP 1052966A JP 5296689 A JP5296689 A JP 5296689A JP H02232926 A JPH02232926 A JP H02232926A
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JP
Japan
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substrate
oxygen
oxide
single crystal
film
Prior art date
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Application number
JP1052966A
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Japanese (ja)
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JP2622604B2 (en
Inventor
Yuichi Kado
勇一 門
Mutsunobu Arita
有田 睦信
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To form a single crystal thin film in high quality by a method wherein, after covering a semiconductor substrate surface with an oxide crystal film, the temperature of substrate in a vacuum vessel is raised to high degree to impress the substrate surface with high pressure for reducing the oxygen void in a deposited film. CONSTITUTION:An oxide single crystal film is deposited while sustaining the oxygen pressure by leading oxygen from an acid degree leading-in nozzle 7 in a vacuum vessel 1. At this time, the oxidation of an Si substrate 6 surface and the etching reaction are balanced with each other on the optimum Si substrate 6 surface state while sustaining the flatness of the surface. After the substrate 6 is covered with the oxide single crystal, the temperature of the substrate 6 in the vessel 1 is raised to high degrees for accelerating the growth of the deposited film. Through these procedures, the substrate 6 surface is impressed with high pressure to reduce the oxygen void caused in the oxygen contained in the deposited film as well as to make the molecules evaporated on the substrate 6 migrate for accelerating the quadratic layer deposition so that a single crystal thin film in high quality may be manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板上に酸化物単結晶薄膜を形成する
形成方法に関し、特に薄膜の成長段階に応じて最適な酸
素圧力を印加しながら、アルカリ土類金属酸化物,スピ
ネル,サファイア等の絶縁物や酸化物高温超伝導体の単
結晶薄膜を半導体基板上に形成するのに好適な酸化物薄
膜形成方法に関するものである. 〔従来の技術〕 従来、半導体基板上に酸素分圧を制御しないで、真空槽
内で金属化合物を蒸着したり(D.Hoffn+ana
nd D.Leibowitz:J.Vac.Sci.
Techno1.8(1971)107.)、スパッタ
リングしたり (Y,Emonoto.T.l’lur
akami,M.Suzuki.and K,  Mo
riwaki:Jpn.J.Appl.Phys.26
(1987)L1248. R.S.Nowicki:
J.Vac.Sci.Technol.14 (197
7) 127)する方法が提案されていた.〔発明が解
決しようとする課題〕 しかしながら従来の酸化物薄膜形成方法は、SiやGe
等の半導体基板上に異種物質である金属化合物及び非金
属酸化物の高品質な単結晶薄膜を形成する際において、
下記のような欠点があった。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for forming an oxide single crystal thin film on a semiconductor substrate, and in particular, a method for forming an oxide single crystal thin film on a semiconductor substrate, and in particular a method for forming an oxide single crystal thin film on a semiconductor substrate while applying an optimum oxygen pressure depending on the growth stage of the thin film. This paper relates to a method for forming oxide thin films suitable for forming single-crystal thin films of insulators such as alkaline earth metal oxides, spinel, and sapphire, and oxide high-temperature superconductors on semiconductor substrates. [Prior Art] Conventionally, a metal compound has been deposited on a semiconductor substrate in a vacuum chamber without controlling the oxygen partial pressure (D. Hoffn+ana).
ndD. Leibowitz: J. Vac. Sci.
Techno1.8 (1971) 107. ), sputtering (Y,Emonoto.T.l'lur
Akami, M. Suzuki. and K, Mo
riwaki: Jpn. J. Appl. Phys. 26
(1987) L1248. R. S. Nowicki:
J. Vac. Sci. Technol. 14 (197
7) 127) A method was proposed. [Problem to be solved by the invention] However, the conventional oxide thin film forming method
When forming high-quality single crystal thin films of metal compounds and non-metal oxides, which are dissimilar substances, on semiconductor substrates such as
It had the following shortcomings.

(1)半導体基板の表面が酸素雰囲気に曝されることに
より、基板表面で酸化反応やエソチング反応が進み、基
板表面の酸化や荒れが生じ、その上に高品質な膜が形成
できない。
(1) When the surface of a semiconductor substrate is exposed to an oxygen atmosphere, oxidation reactions and ethoching reactions progress on the substrate surface, causing oxidation and roughening of the substrate surface, making it impossible to form a high-quality film thereon.

(2)金属酸化物及び非金属酸化物の成長初期過程にお
いて、上記酸化物を構成する金属及び非金属元素がSi
及び酸素と反応し、シリサイドやシリケイト等の化合物
を生じ、所望する金属及び非金属酸化物の成長を阻害す
る。
(2) In the initial growth process of metal oxides and non-metal oxides, the metal and non-metal elements constituting the oxides are Si.
and reacts with oxygen to produce compounds such as silicides and silicates, which inhibit the growth of desired metal and nonmetal oxides.

(3)高品質なエピタキシ.ヤル成長膜を得るのに必要
な高い温度での成長中に、酸化物成長膜中から蒸気圧の
高い酸素が抜けてしまい、化学量論的組成を満足した酸
化物薄膜が得られない。
(3) High quality epitaxy. During growth at the high temperature necessary to obtain a barrel-grown film, oxygen with a high vapor pressure escapes from the oxide-grown film, making it impossible to obtain an oxide thin film that satisfies the stoichiometric composition.

そして、これらの欠点により、例えばSi基坂上に高品
質な結晶性酸化物のエビタキシャル膜を得るのは困難で
あると考えられている。また、単結晶薄膜が形成された
としても、Si基板と上記薄膜との間に高密度の界面準
位が発生したり、酸化物中に半導体中のキャリアを捕獲
する準位が生じたりして、St基板と酸化物単結晶薄膜
の積層構造とを極薄Sol素子や積層化LSI,高温超
伝導配線,高温超伝導トランジスタ等形成技術等に応用
することができなかった。
Due to these drawbacks, it is considered difficult to obtain a high quality epitaxial film of crystalline oxide, for example, on a Si-based slope. Furthermore, even if a single crystal thin film is formed, high-density interface states may occur between the Si substrate and the thin film, or levels that capture carriers in the semiconductor may occur in the oxide. However, it has not been possible to apply the stacked structure of an St substrate and an oxide single crystal thin film to the formation technology of ultra-thin Sol devices, stacked LSIs, high-temperature superconducting wiring, high-temperature superconducting transistors, etc.

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

本発明は上記の欠点を解決するためになされたもので、
超高真空槽内の酸素圧力を所定温度で加熱された半導体
基板上面で生じる酸化反応と腐蝕反応とが平衡する圧力
値に設定して酸化物単結晶膜を成長させる第1の工程と
、第1の工程により半導体基板表面が酸化物単結晶膜に
覆われた後、超高真空層内の酸素圧力を酸化単結晶膜内
における酸素空孔の発生を抑制し且つ半導体基板に蒸着
された分子が泳動して二次元層状成長が行なわれる圧力
値に設定し、半導体基板を第1の工程の加熱温度よりも
高い温度に加熱して酸化物単結晶膜を成長させる第2の
工程とを有している。
The present invention has been made to solve the above-mentioned drawbacks.
a first step of growing an oxide single crystal film by setting the oxygen pressure in the ultra-high vacuum chamber to a pressure value that balances the oxidation reaction and corrosion reaction occurring on the upper surface of the semiconductor substrate heated to a predetermined temperature; After the semiconductor substrate surface is covered with the oxide single crystal film in step 1, the oxygen pressure in the ultra-high vacuum layer is controlled to suppress the generation of oxygen vacancies in the oxide single crystal film, and the molecules deposited on the semiconductor substrate are a second step in which the semiconductor substrate is heated to a higher temperature than the heating temperature in the first step to grow an oxide single crystal film. are doing.

〔作 用〕[For production]

本発明は、下記のような作用を有する。 The present invention has the following effects.

(1)超高真空槽内の酸素圧力を所定温度で加熱された
前記半導体基板上面で生じる酸化反応と腐蝕反応とが平
衡する圧力値に設定して酸化物単結晶膜を成長する。
(1) An oxide single crystal film is grown by setting the oxygen pressure in the ultra-high vacuum chamber to a pressure value that balances the oxidation reaction and corrosion reaction occurring on the upper surface of the semiconductor substrate heated to a predetermined temperature.

(2)超高真空層内の酸素圧力を酸化単結晶膜内におけ
る酸素空孔の発生を抑制し且つ半導体基板に蒸着された
分子が泳−動じて二次元層状成長が行なわれる圧力値に
設定すると共に、半導体基板を前記の加熱温度よりも高
い温度に加熱して酸化物単結晶膜を成長する。
(2) The oxygen pressure in the ultra-high vacuum layer is set to a pressure value that suppresses the generation of oxygen vacancies in the oxidized single crystal film and allows molecules deposited on the semiconductor substrate to migrate and undergo two-dimensional layered growth. At the same time, the semiconductor substrate is heated to a temperature higher than the above heating temperature to grow an oxide single crystal film.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例を図に従って説明する.第2図は
本発明に係る酸化物薄膜形成方法を実施するために使用
する超真空蒸着装置の構成図である. 図において、1は装置本体をなす蒸着室としての超高真
空槽、2,3は酸化物ソースを蒸発させるための蒸着源
としての電子ビーム衝撃加熱装置、4は電子ビーム衝撃
装置2.3の制御系16と連動したシャッターである。
Next, embodiments of the present invention will be explained according to the drawings. FIG. 2 is a block diagram of an ultra-vacuum deposition apparatus used to carry out the method of forming an oxide thin film according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes an ultra-high vacuum chamber as a deposition chamber forming the main body of the apparatus, 2 and 3 an electron beam impact heating device as a deposition source for evaporating an oxide source, and 4 an electron beam impact device 2.3. This is a shutter that is linked to the control system 16.

このシャッター4はソ−スの加熱が始まり、蒸着物質が
蒸発し始めて所定の蒸気圧になってから一定時間のみ開
き、基板ホルダー5に支持されたSi基板6への蒸着分
子または原子の供給を可能にする。7は酸素ガス導入ノ
ズルで、超高真空槽1内の酸素圧力を最適値に制御する
ためこのノズルから一定量の酸素を超高真空槽1内に導
入する。8は蒸着を始める前の超高真空槽1を超高真空
にするための下方排気系であり、9.10は下方の蒸発
源から飛来したガス分子を排気する上方排気系である。
This shutter 4 opens only for a certain period of time after the heating of the source begins and the vapor deposition substance begins to evaporate to a predetermined vapor pressure, and the shutter 4 opens only for a certain period of time after the heating of the source begins and the vapor deposition material begins to evaporate to a predetermined vapor pressure, and the shutter 4 opens only for a certain period of time after the heating of the source starts and the vapor deposition substance starts to evaporate and reaches a predetermined vapor pressure. enable. Reference numeral 7 denotes an oxygen gas introduction nozzle through which a certain amount of oxygen is introduced into the ultra-high vacuum chamber 1 in order to control the oxygen pressure within the ultra-high vacuum chamber 1 to an optimum value. 8 is a downward exhaust system for making the ultra-high vacuum chamber 1 ultra-high vacuum before starting vapor deposition, and 9.10 is an upper exhaust system for exhausting gas molecules flying from the evaporation source below.

11〜13はゲートバルブである。14は基板表面の構
造や平坦性をその場観察するための高エネルギー電子線
回折装置の電子銃であり、螢光板l5により回折パター
ンを観察する。このその場観察により、Si基板表面で
起きている成長過程を捉え、最適な酸素分圧に制御する
。・電子ビーム衝撃熱装置2.3とシャッター4と制御
系16とは継続的な蒸発工程と排気工程とを交互に繰り
返す手段を構成し、成長膜が所望の膜厚になるまで、自
動的に断続的成長を続ける。、ここで、断続的成長とは
、アルカリ土類金属酸化′Jj!lJ(MgO.Cab
,SrO,BaO)の単結晶薄膜をSi基板上に成長す
る方法である(特願昭61−75578号公報参照)。
11 to 13 are gate valves. Reference numeral 14 denotes an electron gun of a high-energy electron beam diffraction apparatus for in-situ observation of the structure and flatness of the substrate surface, and the diffraction pattern is observed using a fluorescent plate 15. This in-situ observation captures the growth process occurring on the Si substrate surface and controls the oxygen partial pressure to an optimal level. - The electron beam shock thermal device 2.3, the shutter 4, and the control system 16 constitute a means to alternately repeat the continuous evaporation process and exhaust process, and automatically repeat the continuous evaporation process and exhaust process until the grown film reaches the desired thickness. Continues intermittent growth. , where intermittent growth means alkaline earth metal oxide ′Jj! lJ(MgO.Cab
, SrO, BaO) on a Si substrate (see Japanese Patent Application No. 75578/1983).

さて、この装置を使用したSi基板6上へのSrヨBa
,40単結晶薄膜の形成の前処理は次のように行なう。
Now, using this device, Sr and Ba are deposited onto the Si substrate 6.
, 40 The pretreatment for forming the single crystal thin film is performed as follows.

第2図において、超高真空槽1内にある電子ビーム衝撃
加熱装置2,3に各々Srソース及びBaOソースを充
填する。次に、洗浄を施し最後に酸を用いた化学反応で
1〜3nmの薄い酸化膜を表面に形成したSi基板6を
ホルダー5に固定する。この薄い酸化膜は、洗浄してか
ら超高真空槽内に固定するまでの間にSi基板表面が炭
素で汚染されるのを防ぐ保護膜として用いている。
In FIG. 2, electron beam impact heating devices 2 and 3 in an ultra-high vacuum chamber 1 are filled with an Sr source and a BaO source, respectively. Next, the Si substrate 6 is fixed to the holder 5 after being cleaned and finally having a thin oxide film of 1 to 3 nm formed on the surface by a chemical reaction using acid. This thin oxide film is used as a protective film to prevent the surface of the Si substrate from being contaminated with carbon between cleaning and fixing in an ultra-high vacuum chamber.

次に、第1図は本発明に係る酸化物薄膜形成方法の手順
を示す説明図である。ここでは、前記超高真空槽1内が
超高真空に到達した後の成長手順と基板温度及び前記槽
内の最適酸素圧力との例を示している。以下、このプロ
セス(1)〜(3)について順次説明する。
Next, FIG. 1 is an explanatory diagram showing the procedure of the oxide thin film forming method according to the present invention. Here, an example of the growth procedure, substrate temperature, and optimal oxygen pressure in the ultra-high vacuum chamber 1 after the ultra-high vacuum reaches ultra-high vacuum is shown. Hereinafter, the processes (1) to (3) will be explained in order.

?初にプロセス(1)では、時点AからSt基板6を8
50〜900℃に加熱して、前処理で形成された薄い酸
化膜(S i O2)を除去する。このプロセス(1)
では酸素の導入は行なわない。
? First, in process (1), from time point A, the St substrate 6 is
The thin oxide film (S i O 2 ) formed in the pretreatment is removed by heating to 50 to 900° C. This process (1)
In this case, no oxygen is introduced.

ここで、加熱による脱ガス及びSiO■.が蒸発するた
め、真空槽内の圧力は上昇する。そして、SiQ2が除
去されると、清浄面が現れ螢光板における電子線回折パ
ターンがSi固有の表面構造に起因したパターンに変化
する。例えば、(1 1 1)の面方位のSi基板では
7x7.  (100)の面方位では2X1の表面超格
子構造に起因したパターンが現れる。
Here, degassing by heating and SiO2. evaporates, the pressure inside the vacuum chamber increases. When SiQ2 is removed, a clean surface appears and the electron beam diffraction pattern on the fluorescent plate changes to a pattern caused by the surface structure unique to Si. For example, for a Si substrate with a (1 1 1) plane orientation, 7x7. In the (100) plane orientation, a pattern resulting from a 2×1 surface superlattice structure appears.

次に、第1図におけるプロセス(2)は、SrO及びB
aO分子をソースから供給してSi基板6に付着させ、
Si基板6全面がこれらの酸化物に覆われるまでの過程
に対応している。ここで、高温(850℃以上)になる
と前記の分子は付着しなくなるので、例えば780℃で
付着させる。
Next, process (2) in FIG.
Supplying aO molecules from a source and attaching them to the Si substrate 6,
This corresponds to the process until the entire surface of the Si substrate 6 is covered with these oxides. Here, since the molecules mentioned above do not adhere at high temperatures (850°C or higher), they are allowed to adhere at, for example, 780°C.

このプロセス(2)では、加熱されたSi基板6表面が
ソースから発生する酸素に曝されるので、?位時間に基
板に入射する酸素の量を制御しないと、St基板の表面
が酸化されたり、表面が腐蝕され荒れたりする。ここで
、プロセス(2)での最適な酸素圧力の決め方について
第3図及び第4図を用いて説明する。
In this process (2), the heated surface of the Si substrate 6 is exposed to oxygen generated from the source. If the amount of oxygen that enters the substrate over a certain period of time is not controlled, the surface of the St substrate will be oxidized or corroded and become rough. Here, how to determine the optimum oxygen pressure in process (2) will be explained using FIGS. 3 and 4.

第3図は横軸がSi基板温度、縦軸が酸素圧力であり、
酸化が起きる領域とエソチングが起きる領域を示した特
性図である。これは、電子線回折パターンの変化を観察
することにより、実験的に求めたものである。また、酸
化領域は、0■+Si→S i O t で示される化学反応を行なう領域であり、一方、エッチ
ング領域は、 0■+2Si→SiO↑ で示される化学反応を行なう領域を示している。
In Figure 3, the horizontal axis is the Si substrate temperature and the vertical axis is the oxygen pressure.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a region where oxidation occurs and a region where etoching occurs. This was determined experimentally by observing changes in the electron beam diffraction pattern. Further, the oxidized region is a region where a chemical reaction expressed as 0■+Si→S i O t occurs, while the etched region is a region where a chemical reaction expressed as 0■+2Si→SiO↑ is carried out.

なお、記号mは酸化領域とエッチング領域との境界領域
を示している。
Note that the symbol m indicates the boundary region between the oxidized region and the etched region.

ここで、例えばSi基板6の温度が780℃のとき、3
〜5X10−’Torrの酸素圧力が酸化とエッチング
反応が平衡する圧力であることが判る。外部から酸素を
導入し酸素圧力を制御しない状態では、成長中の酸素分
圧は5 X 1 0−’To rrになるので、Si基
板表面で激しいエソチング反応が進行し、基板表面が荒
れてしまう結果となる。このため、基板表面にシリサイ
ドやシリケイト等の所望する酸化物薄膜の成長2を阻害
する化合物が形成され易くなったり、上層に成長する酸
化膜自身の結晶性を劣化させたりする。
Here, for example, when the temperature of the Si substrate 6 is 780°C, 3
It can be seen that an oxygen pressure of ˜5×10 −′ Torr is the pressure at which the oxidation and etching reactions are in equilibrium. If oxygen is introduced from the outside and the oxygen pressure is not controlled, the oxygen partial pressure during growth will be 5 x 10-'Torr, so a violent ethoching reaction will proceed on the Si substrate surface and the substrate surface will become rough. result. Therefore, compounds such as silicide and silicate that inhibit the growth of the desired oxide thin film 2 are likely to be formed on the substrate surface, and the crystallinity of the oxide film itself that grows in the upper layer is deteriorated.

一方、780℃の時、3〜5 x 1 0−6To r
 rの酸素圧力以上になると、Si基板表面が酸化して
、その上に単結晶の酸化物を成長させることができなく
なる。この場合は、酸化物ソースから発生する酸素の分
圧自身を制御しなくてはならない。
On the other hand, at 780℃, 3 to 5 x 10-6 Tor
When the oxygen pressure exceeds r, the surface of the Si substrate is oxidized and it becomes impossible to grow a single crystal oxide thereon. In this case, the partial pressure of oxygen generated from the oxide source must be controlled.

本実施例の場合では、エッチング反応を抑制することが
問題になる。従って、酸化物成長を始める前に、予め超
高真空槽1内の酸素圧力を3〜5X 1 0−6To 
r r酸素圧力範囲に制御しておけば、成長中のSi基
板の表面荒れを防ぐことができる。
In the case of this embodiment, the problem is to suppress the etching reaction. Therefore, before starting oxide growth, the oxygen pressure in the ultra-high vacuum chamber 1 is set to 3 to 5X 10-6To
If the oxygen pressure is controlled within the r r oxygen pressure range, surface roughening of the Si substrate during growth can be prevented.

このような結果に基づき、実際に酸素分圧を制御して成
長した結果を第4図に示す。
Based on these results, FIG. 4 shows the results of actual growth by controlling the oxygen partial pressure.

第4図はSi基板温度を780℃として酸化物の成長初
期過程において種々の酸素圧力を印加して成長を行ない
、その膜の結晶性を後方拡散チャンネリング法で評価し
た特性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram in which the crystallinity of the film was evaluated using the backward diffusion channeling method, with the Si substrate temperature set at 780° C. and various oxygen pressures applied during the initial stage of oxide growth.

この図から明らかなように、予め3〜5×lO−’T 
o r rの酸素分圧を印加して成長すると、最も結晶
性の良い酸化物の単結晶薄膜が得られることが判る。こ
の圧力は、第3図で説明した酸化とエッチングの反応と
が平衡する値に対応している。
As is clear from this figure, 3 to 5 × lO-'T
It can be seen that a single crystal thin film of an oxide with the best crystallinity can be obtained by applying an oxygen partial pressure of o r r. This pressure corresponds to a value at which the oxidation and etching reactions described in FIG. 3 are in equilibrium.

このように、Si基板6の温度が決まれば、第3図に示
した結果から、その温度で決まる酸化反応とエッチング
反応とが平衡する酸素圧力が得られる。従って、第1図
に示すプロセス(2)では、第1図における酸度導入ノ
ズル7から酸素を真空槽内に導入することにより、この
酸素圧力に保持しながら成長を進めることができる。こ
れにより、St基板表面の酸化とエッチングの反応とを
平衡させ、表面の平坦性を保持しながら最適なSi基板
表面状態の上に酸化物の成長を行なうことができる。
In this way, once the temperature of the Si substrate 6 is determined, the oxygen pressure at which the oxidation reaction and the etching reaction, which are determined by the temperature, are in equilibrium can be obtained from the results shown in FIG. Therefore, in the process (2) shown in FIG. 1, by introducing oxygen into the vacuum chamber from the acidity introducing nozzle 7 shown in FIG. 1, growth can proceed while maintaining this oxygen pressure. This makes it possible to balance the oxidation and etching reactions on the St substrate surface, and to grow an oxide on the optimal Si substrate surface condition while maintaining surface flatness.

次に、第1図におけるプロセス(3)について説明する
Next, process (3) in FIG. 1 will be explained.

電子線回折パターンを観察することにより、徐々にSr
XBal−xO単結晶膜のパターンが強くなり、これに
対してSt基板6のパターンが弱くなり、ついには消滅
する。この段階でSi基板表面は酸化物で表面が覆われ
ているので、プロセス(3)に入る。このプロセス(3
)では、付着したSrO及びBaO分子の基板表面での
泳動を促進させ且つ成長膜の結晶性を向上させるため、
Si基板温度を更に高温にする。この場合、高温にする
ことにより成長腹中の酸素の空孔が生ずるので、時点C
で予め更に高い圧力を印加して成長を進める。この空孔
の発生を抑制するための最適酸素圧力は成長する酸化物
の種類及び成長温度に依存する。
By observing the electron diffraction pattern, Sr
The pattern of the XBal-xO single crystal film becomes stronger, whereas the pattern of the St substrate 6 becomes weaker and finally disappears. At this stage, the surface of the Si substrate is covered with oxide, so process (3) is entered. This process (3
), in order to promote the migration of attached SrO and BaO molecules on the substrate surface and improve the crystallinity of the grown film,
The Si substrate temperature is further increased. In this case, the high temperature creates oxygen vacancies in the growth belly, so at time C
A higher pressure is applied in advance to advance the growth. The optimum oxygen pressure for suppressing the generation of vacancies depends on the type of oxide to be grown and the growth temperature.

第5図はSr,lsat−x O膜を温度830℃で成
長した時、酸素空孔発生を抑制するために必要な最低酸
素圧力の例を示した特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of the minimum oxygen pressure required to suppress the generation of oxygen vacancies when a Sr,lsat-xO film is grown at a temperature of 830°C.

この図における横軸は成長中の真空槽内の酸素圧力(第
1図におけるプロセス(3)における圧力である)を示
し、左側の縦軸は結晶性評価の目安になる後方散乱・チ
ャンネリング法による表面チャンネリング収率、右側の
縦軸は酸素の組成を示しており、化学量論的組成を1と
して規格化している。
The horizontal axis in this figure shows the oxygen pressure in the vacuum chamber during growth (the pressure in process (3) in Figure 1), and the vertical axis on the left shows the backscattering/channeling method, which is a guideline for crystallinity evaluation. The vertical axis on the right side shows the oxygen composition, which is normalized with the stoichiometric composition as 1.

この例では、成長中の空孔を抑制するためにはIXIO
−’Torrの酸素圧力が必要であり、この圧力(I 
X 1 0−’To r r)よりも高い酸素圧力を印
加していくと、Si基板上に到達したSrOやBaO分
子の表面泳動が阻害され、結晶性が劣化する等の本質的
問題が生じる。また、装置に負担がかかるなどの問題が
生じる。従って、少な《とも成長中の酸素の空孔を抑制
するのに必要な最低圧力の酸素を印加すればよい。この
最低酸素圧力は成長温度に依存し、成長温度が高くなる
と更に高い酸素圧力印加が必要になる。
In this example, to suppress vacancies during growth, IXIO
An oxygen pressure of −'Torr is required, and this pressure (I
If an oxygen pressure higher than X 1 0-'Torr) is applied, the surface migration of SrO and BaO molecules that have reached the Si substrate will be inhibited, causing essential problems such as deterioration of crystallinity. . Further, problems such as a burden on the device arise. Therefore, it is sufficient to apply oxygen at at least the lowest pressure necessary to suppress oxygen vacancies during growth. This minimum oxygen pressure depends on the growth temperature, and as the growth temperature increases, it becomes necessary to apply even higher oxygen pressure.

なお、プロセス(3)の最後に、所望の厚みの酸化物単
結晶が得られた時点Dで基板圧力を室温に降温した後、
導入した酸素を排気する。
In addition, at the end of process (3), after the substrate pressure is lowered to room temperature at time D when the oxide single crystal of the desired thickness is obtained,
Exhaust the introduced oxygen.

次に、第6図は上記で説明した酸化物薄膜成長法を用い
て、Si基坂上に成長した5QnmSr,(Bat−x
o(組成X=0.32)単結晶膜の後方散乱・チャンネ
リング法により評価した表面チャンネリング収率の成長
温度依存性を示した特性図である。ここで、特性Xは従
来の成長膜(酸素圧力の制御無し)を示しており、特性
Yは最適酸素圧力制御下での成長膜を示している。
Next, FIG. 6 shows 5QnmSr, (Bat-x) grown on the Si-based slope using the oxide thin film growth method explained above.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the growth temperature dependence of the surface channeling yield evaluated by the backscattering/channeling method of a single crystal film having a composition of 0.0 (composition X=0.32). Here, characteristic X indicates a conventionally grown film (without oxygen pressure control), and characteristic Y indicates a film grown under optimal oxygen pressure control.

また、表面チャンネリング収率とは結晶性評価の目安で
あり、小さいほど格子の乱れが少なく結晶性に優れてい
る。また、成長温度は第1図におけるプロセス(3)に
おける基板温度である。
Moreover, the surface channeling yield is a standard for crystallinity evaluation, and the smaller the surface channeling yield, the less lattice disorder and the better the crystallinity. Further, the growth temperature is the substrate temperature in process (3) in FIG.

さて、酸素分圧を制御しない従来の成長法(特性X)で
は、高温になる程成長初期過程において、Si基板6が
腐蝕されて荒れ酸素の空孔が生じるので結晶性が悪くな
る。
In the conventional growth method (characteristic

一方、成長の始めから終わりまで一貫して酸素分圧を最
適に制御する本実施例による成長法(特性Y)では高温
領域で結晶性の改善されている。
On the other hand, in the growth method of this embodiment (characteristic Y) in which the oxygen partial pressure is optimally controlled from the beginning to the end of the growth, the crystallinity is improved in the high temperature region.

さらに、温度850℃では60nmという薄い膜である
にもかかわらず、表面チャンネリング収率は7%まで改
善されている。これまでに、このような薄い酸化物単結
晶薄膜で7%という優れた表面チャンネリング収率が報
告されている例はない。
Furthermore, at a temperature of 850° C., the surface channeling yield is improved to 7% even though the film is as thin as 60 nm. To date, there has been no report of an excellent surface channeling yield of 7% in such a thin oxide single crystal thin film.

なお、上記実施例はSi基坂上に形成した高品質なS 
r X B a I−K O (組成X=0.32)単
結晶膜例を示したが、本実施例に係わる酸化物薄膜成長
法は汎用性があり、Si基坂上にその他の多元酸化物、
例えばスピネル、サファイア、YSZ(安定化ジリコニ
ア)等の絶縁物や酸化物高温超伝導体等の高品質な単結
晶薄膜形成にも有効である。
Note that the above embodiments are based on high-quality S formed on a Si-based slope.
r X B a I-K O (composition ,
For example, it is also effective for forming high-quality single crystal thin films of insulators such as spinel, sapphire, YSZ (stabilized zirconia), and oxide high-temperature superconductors.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明は、酸化物薄膜成長方法を用
いることにより、 (1)St基板上に高品質な酸化物単結晶薄膜を形成す
る際に問題となる成長初期過程におけるSi基板の酸化
と腐蝕による表面の荒れを抑制することができる。
As explained above, the present invention uses the oxide thin film growth method to solve the following problems: It is possible to suppress surface roughness caused by corrosion.

(2)酸化物を構成する金属及び非金属元素とSi及び
酸素との反応によるシリサイドやシリケイトの形成を抑
制できる。
(2) Formation of silicides and silicates due to reactions between metal and nonmetallic elements constituting the oxide and Si and oxygen can be suppressed.

(3)更に、高温成長時の酸素空孔の発生等を抑制する
ことができ、極めて薄い高品質な酸化物単結晶薄膜を形
成することができる。
(3) Furthermore, the generation of oxygen vacancies during high-temperature growth can be suppressed, and an extremely thin and high-quality oxide single crystal thin film can be formed.

これにより、例えばアルカリ土類酸化物、スビネル、サ
ファイア等の絶縁物や、酸化物高温超伝導体の単結晶薄
膜をSi基坂上に形成することができるようになり、極
薄SOI素子や積層化LSI等の実現及び高温超伝導現
象と従来のSiを母材料としたマイクロエレクトロニク
スとの同−4板上での複合化等に極めて有効である。
This makes it possible to form single-crystal thin films of insulators such as alkaline earth oxides, Subinel, and sapphire, and oxide high-temperature superconductors on Si-based slopes, making it possible to form ultrathin SOI devices and stacked layers. It is extremely effective for realizing LSI, etc., and for combining high-temperature superconductivity phenomena with conventional microelectronics using Si as a base material on the same board.

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

第1図は本発明に係る酸化物薄膜形成方法の手順を示す
説明図、第2図は本発明に係る酸化物薄膜形成方法を実
施するために使用する超真空蒸着装置の構成図、第3図
は酸化が起きる領域とエッチングが起きる領域を示した
特性図、第4図は結晶性を後方拡散チャンネリング法で
評価した特性図、第5図は酸素空孔発生を抑制するため
に必要な最低酸素圧力の例を示した特性図、第6図は表
面チャンネリング収率の成長温度依存性を示した特性図
である。 1・・・超高真空槽、2.3・・・電子ビーム衝撃加熱
装置、4・・・シャッター、5・・・基板ホルダー、6
・・・Si基板、7・・・酸素ガス導入ノズル、8・・
・下方排気系、9.10・・・上方排気系、11〜l3
・・・ゲートバルブ、14・・・電子銃、15・・・螢
光板、16・・・制御系。 第1図 特許出願人 日本電信電話株式会社 代 理 人 山川政樹 A表プロでス予y項 第2図 第4図 第3図 シ゛)1゛ノ(Si)温覆 〔0C〕 第5図 酸禾圧カ [ Torr ]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the procedure of the method for forming an oxide thin film according to the present invention, FIG. The figure is a characteristic diagram showing the regions where oxidation occurs and the region where etching occurs, Figure 4 is a characteristic diagram where crystallinity was evaluated using the back diffusion channeling method, and Figure 5 is a characteristic diagram showing the regions where oxidation occurs and the region where etching occurs. FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of the minimum oxygen pressure, and FIG. 6 is a characteristic diagram showing the growth temperature dependence of the surface channeling yield. 1... Ultra-high vacuum chamber, 2.3... Electron beam impact heating device, 4... Shutter, 5... Substrate holder, 6
...Si substrate, 7...Oxygen gas introduction nozzle, 8...
・Lower exhaust system, 9.10...Upper exhaust system, 11~l3
...gate valve, 14...electron gun, 15...fluorescent plate, 16...control system. Figure 1 Patent Applicant: Nippon Telegraph and Telephone Corporation Agent Masaki Yamakawa Torr

Claims (1)

【特許請求の範囲】 超高真空槽内で酸化物単結晶膜を蒸着法により半導体基
板上にヘテロエピタキシャル成長する酸化物薄膜形成方
法において、 前記超高真空槽内の酸素圧力を所定温度で加熱された前
記半導体基板上面で生じる酸化反応と腐蝕反応とが平衡
する圧力値に設定して酸化物単結晶膜を成長させる第1
の工程と、 前記第1の工程により前記半導体基板表面が前記酸化物
単結晶膜に覆われた後、前記超高真空層内の酸素圧力を
前記酸化単結晶膜内における酸素空孔の発生を抑制し且
つ前記半導体基板に蒸着された分子が泳動して二次元層
状成長が行なわれる圧力値に設定し、前記半導体基板を
前記第1の工程の加熱温度よりも高い温度に加熱して酸
化物単結晶膜を成長させる第2の工程とを有することを
特徴とする酸化物薄膜形成方法。
[Claims] In a method for forming an oxide thin film in which a single crystal oxide film is heteroepitaxially grown on a semiconductor substrate by vapor deposition in an ultra-high vacuum chamber, the oxygen pressure in the ultra-high vacuum chamber is heated to a predetermined temperature. a first step of growing an oxide single crystal film by setting a pressure value at which an oxidation reaction and a corrosion reaction occurring on the upper surface of the semiconductor substrate are in equilibrium;
After the surface of the semiconductor substrate is covered with the oxide single crystal film in the first step, the oxygen pressure in the ultra-high vacuum layer is controlled to suppress the generation of oxygen vacancies in the oxide single crystal film. The semiconductor substrate is heated to a temperature higher than the heating temperature in the first step to form an oxide. A method for forming an oxide thin film, comprising: a second step of growing a single crystal film.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005533364A (en) * 2001-10-26 2005-11-04 フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド Removal of amorphous oxides from single crystal surfaces.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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