JPH0624184B2 - 低欠陥の単結晶層をマスク上に形成する方法 - Google Patents

低欠陥の単結晶層をマスク上に形成する方法

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JPH0624184B2 JP58030202A JP3020283A JPH0624184B2 JP H0624184 B2 JPH0624184 B2 JP H0624184B2 JP 58030202 A JP58030202 A JP 58030202A JP 3020283 A JP3020283 A JP 3020283A JP H0624184 B2 JPH0624184 B2 JP H0624184B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明はシリコンやゲルマニウムのような材料の単結
晶層をエピタキシャル成長させる方法に関し、特に、シ
リコンやゲルマニウムの結晶基板状に設けたマスクの開
孔を通してシリコンやゲルマニウムの単結晶層を形成す
る処理法に関する。
マスク層上の単結晶シリコン層に関連する構造は半導体
工業界に著しい衝激を与えることがある。例えば、絶縁
性２酸化シリコンマスク層上に単結晶シリコン層を形成
することができれば、与えられた単結晶層中の各装置が
その下側の単結晶層シリコン層中の各装置の上にあって
それから絶縁されるような「３次元」集積回路の製造が
可能になる。
２酸化シリコンのような非結晶層上に単結晶シリコン層
を形成する方法はすでに開示されていて、その方法では
表面に単結晶部分を有する基板を準備し、その表面に２
酸化シリコンのような材料のマスク層を形成し、基板の
単結晶部分に相当する開孔をマスク層に形成した後、シ
リコン源ガスと担体ガスとから成る混合ガスからシリコ
ンをエピタキシャル生長させる。次にこの基板をエッチ
ングガスと担体ガスより成る混合ガスに曝露してすでに
被着されたシリコンの一部をエッチングする。この生長
とエッチングを適当回数反復することによりマスク層上
に所定寸法の単結晶シリコン層を得る。
しかし、以上述べた単結晶層をマスク上に形成する方法
によると、低欠陥の単結晶層を安定的に得ることができ
ないことが確認された。そこで、本発明者が種々検討し
たところ、被着された単結晶シリコン薄膜の品質がマス
ク層の開孔の形状と方位に著しく依存することを発見し
た。
従って、本発明の目的は、低欠陥の単結晶層を安定的に
形成することができる低欠陥の単結晶層をマスク上に形
成する方法を提供することにある。
本発明による低欠陥の単結晶層をマスク上に形成する方
法は、所定結晶方位の単結晶表面部を有するシリコンあ
るいはゲルマニウムの基板を準備する段階と、前記単結
晶表面部上に位置し、縁辺の実質的全部が前記単結晶表
面部上の所定の結晶学的方向に平行になるように形成さ
れた開孔を有するマスクを前記基板上に形成する段階
と、前記基板表面部上にシリコンあるいはゲルマニウム
の単結晶層をエピタキシャル気相成長によって形成し、
前記マスク上に、前記開孔の縁辺に直交し、かつ前記単
結晶層中の滑り面から最も遠い所定の結晶学的方向に成
長するように、結晶学的滑り面を有する結晶性材料をエ
ピタキシャル気相被着する段階を含むものである。
単結晶層は基板上に設けた有孔マスク層上に形成され
る。このマスクの開孔はその基板の単結晶部分の上に配
置され、その開孔内の基板の一部から単結晶層の核が発
生する。マスクの開孔の形状と方位はその縁辺がその単
結晶層中の特定の結晶学的方位に実質的に平行でなけれ
ばならない。
半導体工業ではシリコンのような単結晶材料は一般に円
筒形素材の形に成長させ、この素材をその円筒軸の直角
にスライスして複数個の円板状単結晶ウエハを得る。そ
の素材の結晶学的方位により、それから切り出されたウ
エハは特定の結晶面に対応する平面の主表面を持つこと
になる。
第１図は通常のやり方で製造された、この推奨実施例で
は、シリコンの単結晶ウエハ１０を示す。図では主表面
１２が紙面に一致し、面（１００）、（０１０）、（０
０１）を併合する｛１００｝面群を代表する。ウエハ１
０の表面１２はこの｛１００｝面群の任意の面を同等に
代表し得ることに注意すべきであるが、以後この表面１
２を面（１００）と呼ぶ。
シリコンは半導体ウエハに極めて普通に用いられる材料
で、組合さった２つの面心立方格子により形成されるダ
イヤモンド型結晶構造を有する。基板に単結晶シリコン
を用いてさらに処理をする多くの用途では、推奨方位が
第１図に示すようにウエハ１０の主表面１２に面（１０
０）がなければならない。例えば金属酸化物半導体（Ｍ
ＯＳ）電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）やこのＭＯＳＦ
ＥＴを含む回路の場合のように２酸化シリコンを主表面
１２上に形成するような用途では、その主表面１２を面
（１００）とすることが望ましい。（１００）結晶面に
沿って生成されたシリコン／２酸化シリコン界面が他の
シリコン結晶面に生成されたシリコン／２酸化シリコン
界面より低密度の表面状態を生成し、キャリアを少しし
か捕獲しないことは明らかである。
さらに第１図に示すように、円形ウエハ１０の円周の一
部に切除平坦部１４が形成されている。この平坦部１４
は結晶方位を示すもので、これを面（１００）上におく
と、例えば方向〔０１１〕に対応させ得るものである。
ここでも方向〔０１１〕を便宜上用いたが、面（１０
０）上にある＜０１１＞方向群（すなわち〔０１１〕、
〔０１〕、〔０１〕）のどれでも等価である。第１
図の実施例では、平坦部１４が方向〔０１１〕に相当す
る。この方向〔００１〕は方向〔０１１〕と４５゜を成
し、方向〔０１０〕と９０゜をなし、方向〔００１〕と
〔０１０〕は面〔１００〕上にあることに注意すべきで
ある。
この発明によれば、ウエハ１０の表面１２上に１個また
は複数個の開孔１８を有するマスク層１６が設けられ
る。推奨実施例ではこのマスク層１６は２酸化シリコン
であるが、窒化シリコン、サファイア、尖晶石、ザクロ
石等の他の種々の材料も使用し得る。各開孔１８はウエ
ハ１０の表面１２上の＜０１０＞方向群の１つに平行で
実質的に直線の縁辺１９を持つ必要がある。以後これを
方向〔０１０〕と呼ぶ。推奨実施例でにおいて１対の縁
辺１９が直線かつ平行であることがウエハ１０の縁辺で
終る帯状特性を示す各開孔１８の有力な特性である。
この発明の実施において各開孔が帯状であることやそれ
がウエハ全面を横切っていることが絶対必要条件ではな
いが、以下詳述するように、次にエピタキシャル成長さ
れる単結晶層の綜合結晶品質は、開孔が帯状でウエハ縁
辺で終っているとき最良になる。これは次のエピタキシ
ャル成長層の結晶欠陥が一般に成長方向の変る開孔の隅
で生ずることを発見したたである。ウエハの周縁の内側
に開孔が含まれる必要があるときは、長さ対幅の比を他
の設計および処理上の制約の許す限り大きくした長方形
の開孔が最もよい。
図示実施例では４個の開孔１８があるが、１個で５個以
上でもよく、また開孔の数や間隔につての制限はない
が、開孔の縁辺が互いに平行で、また方向〔０１０〕に
平行なことが肝要である。
第２図はウエハ１０の開孔１８に直角な直径を通る断面
を示す。マスク層１６の厚さ約０．１μないし数μで、
開孔１８はウエハ１０の表面１２の各形成部２０を露出
するようにマスク層１６の厚さ方向に貫通している。
この点で今までウエハ１０は均一な単結晶基板として説
明して来たが、基板は単結晶で核生成部２０の領域で指
定の方位を示すものであることしか必要でない。例えば
ウエハ１０は開孔１８から露出した核生成部２０が単結
晶で（１００）型構造を成す限り無定形または多結晶の
材料から成っていてもよい。
次に第３図に示すように各開孔１８内とマスク１６上に
シリコンをエピタキシャル成長させて、各核生成部２０
から単結晶島状部２２が成長するようにする。各島状部
２２が確実に単結晶になるように前述のような被着エッ
チングサイクルを用いることができる。ここに述べるよ
うに開孔１８の縁辺１９が方向〔０１０〕を向くとき
は、各島状部２２がマスク１６の表面を横切って方向
〔００１〕に成長する。この各開孔１８の縁辺１９に直
交するこの方向の成長により、他の結晶方向の成長に比
して高品質の結晶構造が得られる。
ダイヤモンド型立方晶構造では方向〔００１〕が方向
〔０１１〕から最も遠いため、〔００１〕方向に成長す
ると最高品質の結晶構造が得られることが理論付けられ
る。方向〔０１１〕は面（１１）上にあり、面（１
１）はダイアモンド型立方晶構造の滑り面群の１つで、
〔０１１〕方向に成長が進むと、発生したあらゆる欠陥
が容易に面（１１）に入り込んで結晶構造全体に拡が
り易い。方向〔００１〕は方向〔０１１〕から最も遠い
から、〔００１〕方向の成長はこの欠陥の伝播の移動度
が最も小さい。
第４図に示すように、このエピタキシャル成長を続ける
と、各島状部２２が互いに融合してマスク１６上に実質
的に均一な単結晶シリコン層２４を形成する。この単結
晶シリコン層２４は無垢の半導体ウエハを用いるのと殆
ど同様の処理に行う装置の基板として用いることができ
る。更に、層２４の表面２６にマスクを形成し、ここに
説明する処理工程を繰返すことができる。また単結晶層
２４を選択的にエッチングしてマスク層によりその下の
基板から絶縁された、または開孔１８を介して基板に接
触した１つの成形パタンまたは複数個のシリコン島状部
を得ることもできる。
隣接する島状部２２が実際上融合した界面に沿って結晶
欠陥が生ずることが発見されたことに注意されたい。こ
の欠陥は第４図に線状欠陥２８と空隙３０として示され
ているが、開孔１８の形状寸法を上記のように帯状また
は縦横比の大きい形にすればこのような層２４の結晶性
の欠陥の致命的影響が最小になる。
またこの発明の推奨実施例ではダイヤモンド型立方晶の
シリコンウエハの主表面を面（１００）に合わせたが、
ウエハの主表面１２が｛１１１｝面群と共面のときは、
例えば開孔１８をその長辺１９が＜２１１＞方向群の向
きになるようにすべきであることが判っている。
以上この発明をシリコンウエハからのシリコン結晶の成
長について説明したが、この発明はシリコンの同種エピ
タキシャル成長かダイヤモンド型立方晶材料かに限定さ
れるものではなく、ゲルマニウムのような他のダイヤモ
ンド型立方晶材料にも、ゲルマニウム上にシリコンを成
長させるようにダイヤモンド型立方晶材料の上にこれと
異なるダイヤモンド型立方晶材料を異種エピタキシャル
成長させる場合にも適用することができる。
以上説明した通り、本発明によると、所定の結晶方位の
主表面を有するシリコンあるいはゲルマニウム基板上に
所定の結晶方位に平行な縁辺を有する開孔を形成したマ
スクを設け、その縁辺に直交し、かつ、成長する単結晶
層中の滑り面から最も遠い結晶方位に単結晶層を成長さ
せるようにしたので、低欠陥の単結晶層を安定的に得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の有孔マスクを含む通常の円形半導体
ウエハの主表面を示す平面図、第２図ないし第４図はこ
の発明の工程順序を示す第１図のウエハの断面図であ
る。 符号の説明 １０……基板、１６……マスク層、１８……開孔、１９
……開孔縁辺、２０……単結晶部分。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リユ−ボミア・レオン・ジヤストルゼブス キ− アメリカ合衆国ニユ−ジヤ−ジ州プレ−ン ズボロ・ハンタ−ズ・グレン・ドライブ13 −04 (72)発明者 ジヨン・フランシス・コ−ボイ・ジユニア アメリカ合衆国ニユ−ジヤ−ジ州リンゴ− ズ・サドル・シヨツプ・ロ−ド・ボツクス 347ア−ル・デイ・ナンバ−２ (56)参考文献 特公 昭49−44554（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭44−13098（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭41−13423（ＪＰ，Ｂ１) Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏ ｌ．12，Ｎｏ．11（ＮＯＶＥＭＢＥＲ 1973），第1808〜1809頁

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定結晶方位の単結晶表面部１２を有する
    シリコンあるいはゲルマニウムの基板１０を準備する段
    階と、前記単結晶表面部１２上に位置し、縁辺１９の実
    質的全部が前記単結晶表面部１２上の所定の結晶学的方
    向に平行になるように形成された開孔１８を有するマス
    ク１６を前記基板１０上に形成する段階と、前記基板表
    面部１２上にシリコンあるいはゲルマニウムの単結晶層
    ２４をエピタキシャル気相成長によって形成し、前記マ
    スク１６上に、前記開孔１８の縁辺１９に直交し、かつ
    前記単結晶層２４中の滑り面から最も遠い所定の結晶学
    的方向に成長するように、結晶学的滑り面を有する結晶
    性材料２４をエピタキシャル気相被着する段階とを含
    む、低欠陥の単結晶層２４をマスク１６上に形成する方
    法。
  2. 【請求項２】前記単結晶表面部１２がダイヤモンド型立
    方晶｛１００｝面であり、前記マスク開孔１８の縁辺１
    ９が＜００１＞方向群の１つに平行である特許請求の範
    囲第１項に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記基板１０がシリコンである特許請求の
    範囲第２項に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記マスク１６が２酸化シリコンである特
    許請求の範囲第３項に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記開孔１８が略帯状である特許請求の範
    囲第４項に記載の方法。
  6. 【請求項６】前記開孔１８が長方形状である特許請求の
    範囲第４項に記載の方法。
  7. 【請求項７】前記エピタキシャル被着材料２４がシリコ
    ンである特許請求の範囲第４項に記載の方法。
JP58030202A 1982-02-26 1983-02-24 低欠陥の単結晶層をマスク上に形成する方法 Expired - Lifetime JPH0624184B2 (ja)

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JPS58159322A JPS58159322A (ja) 1983-09-21
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