JPS59152619A - 分子線エピタキシ−用基板加熱装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超高直空条件下における分子線エピタキシャル
堆積、より具体的には成長基板の温度調整加熱に係る。

分子線エピタキシー（ＭＢＥ）は超高直空条件下におけ
る１ないし複数の鉢分子線と結晶表面との反応を含むプ
ロセスによる半導体薄膜のエピタキシャル成長をさすの
に用いられる用語である。シャッタ機構と比較的遅い成
長速度（たとえば１μｍ／ｈｒ）を用いることにより、
ビーム物質の急速な変化と、単一層と同じ薄い層の成長
が可能になる。

加えて、別のビームにより電気的に活性な不純物を成長
中の”薄膜に加えるため、表面に垂直なドーピング分布
は、ＣｖＤ及びＬＰＥのようなより一般的でより速い成
長技術で得るには困難な空間分解能で変化しかつ制御で
きる。

ＭＢＥはＳＬのような元素材料からｍ　−Ｖ化合物、■
−■族及びＩＶ　−Ｖｌ族材料まで各種材料の薄膜を製
作するために用いられ−ている。

シリコンＭ　Ｂ　Ｅはエピタキシャル成長に用いられる
装置及びプロセスという点で、Ｉｌｌ　−Ｖ族ＭＢＥと
関連している。しかし、成長温度、欠陥構造、デバイス
用途及び対応するエピタキシャル成長技術の型及び品質
といった他の点では、かなり異る。

はとんどのシリコンＭＢＥ装置において、・シリコン成
長基板ヒータは、基板の直接オーム性加熱を用いた比較
的簡単な構造である。

この型の装置中の成長基板は、相対する端部。

に固定され、それには電圧が印加される。基板の均一な
加熱を得るために、成長基板形状は、長方形に修正され
た。また、成長基板は最初の加熱に必要な電圧を最小に
するだめ、しばしば高濃度にドープされる。しかし、実
際には均一な加熱は起らない。なぜならば、成長基板を
固定する各固定具は、ヒートシンクとして働く傾向があ
り、それによシ成長基板の各端部が冷却きれるからであ
る。更に、電気的接触は各固定具に対し１一つの位置に
おいてのみ、作られるだめ、基板内に不均一、な電流が
生じる。

本発明の目的は、形状にかかわらず、超高直空雰囲気中
でのエピタキシャル成長に必要な温′度に、成長基板を
再現性よく均一に加熱することである。

本発明に従う分子ビームエピタキシー用の半導体基板加
熱装置は、熱エネｊしキーを発生させるだめの電気的フ
ィラメント加熱手段及び加熱手段と加熱すべき基板との
間に、半導体基体をマウントするための手段から成る。

本発明に従う分子線エピタキシー用半導体基板加熱方法
は、少くとも一部が半導体基体により吸収され、該基体
が加熱すべき基板へ熱を放射するように、放射を発生さ
せるため、電気的フィラメントに電流を供給することか
ら成゛る。

本発明の実施例について、添付図面を参照しながら述べ
る。

図に示されている成長基板加熱装置は、５ｃｍ　（２イ
ンチ）直径のシリコン基板又はウェハ上に、エピタキシ
ャル成長させる場合に用いることを意図している。以下
の記述を読んだ後、当業者にはこの装置が他の丸いシリ
コン基板又は長方形基板又は同様のものを受は入れるよ
うに修正できることが、明らかであろう。

基板加熱装置は超高真空シリコンＭＢＥ系、特にその排
気可能な成長又は堆積室中で用いるのに適している。シ
リコンＭＢＥ系については、以下の技術論文に述べられ
ている。シー・イー・ベラカー（Ｇ、　Ｅ、　Ｂｅｃｋ
ｅｒ　）イ也、ジャーナル・アプライド・フィジックス
（Ｊ、　Ａｐｐ　ｌ。

Ｐｈｙｓ、　）、第４８巻、第８号、３３９５頁、ワイ
・オーク（Ｙ、Ｏｔａ　）　、ジャ！ナル・エレクトロ
ケミカル・ソサイアテイ（Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ
。

Ｓｏｃ、　　）、第１２４巻、第１１号、１７９７頁、
及びジャーナル・アプライド・フィジックス（Ｊ、　Ａ
ｐｐｌ、　Ｐｈｙあ）、第５１巻、第２号、１１０２頁
、エム・タベ（Ｍ　Ｔａｂｅ　）他、ジャパニーズ・ジ
ャーナル・アプライド・フィジックス（Ｊａｐ。

Ｊ、　ＡｐｐｌｙＰｈｙｓ、　）　、第２０巻、第４号
、７０３頁及びエム・タベ（Ｍ、　Ｔａｂｅ）、ジャパ
ニーズ・ジャーナル・アプライド・フィジックス（Ｊ　
ａ　ｐ。

Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　）　、第２１巻、第３
号、５３４頁。第１図及び第２図に示された成長基板加
熱装置は、電子ビームシリコン蒸発源に面した排気可能
な成長室中に置かれる。

第１及び２図の両方を参照すると、成長基板加熱装置は
、オーブン部分、基板支持部分及び基板部分から成る。

各部分について、以下でより詳細に述べる。

オーブン部分は熱源２０乃至２５、外部オーブンシェル
１０を含む熱源容器、放射遮蔽、内部オーブンシェル１
２及びフェースプレート１３から成る。外部オーブンシ
ェル１０及び内部オーブンシェル１２は一端にのみ開孔
を有する円筒状金属容器である。放射遮蔽１１には内部
オーフンシェル１２及び外部オーブンシェル１０間に、
金属性絶縁層がある。フェースプレート１３は構造的支
持要素で、その上に基板支持部分がマウントされる。第
１図中の装置の場合、フェースプレート１３は内部オー
ブンシェル１２の開口端とほぼ同じ大きさ及び形の開孔
を含む。この金属壁構成は、構造的な強固さを確実にし
、熱損失を最小に−するために、オーブン部分で用いら
れる。

この例では、タンタルが内部オーブンシェル１２、放射
シールド１１及び外部オーブンシェル１０に用いられ、
フェースプレート用にはモリブデンが用いられた。シェ
ルの内径及びシェル１２の内部深さは、それぞれ５．７
ｃｍ及びＬ９ｃｍである。

熱源はフィラメント２０及び２１、導電体２２、絶縁体
２３及びフィラメント支持部２４及び２５を含む。絶縁
一体−ｆｆ−３は外部オーブンシェル１０、放射シール
ド１１及び内部オーブンシェル１２を通り、両導電体２
２への絶縁性導管を作るだめに、オーブンシェル１０及
び１２の閉じた端部中に、空間的に分離され配置される
。導管２２は強固又は手強固な金属要素で、それは絶縁
体２３を貫き、内部オーブンシェル１２によシ生じる円
筒状空胴中に入る。′二つの導電体２２は空間的に分離
され、フィラメント２０及び２１に電流を供給し、かつ
端部支持となる。フィラメント２０及び２１は導電体２
２上にマウントされ、相互に本質的に平行で、わずかな
距離（〈ＩＣｒｎ）だけ離れている。各フィラメントは
あらかじめ決められた形に配置され、それは基板の広面
積の加熱パターンを実現する。第２図に示されるように
、各フィラメントに対し曲りくねった蛇行した形状が用
いられる。フィラメント２０及び２１はたるみを防止す
るために、フィラメント支持部２５及び２４により、そ
れぞれ支持されている。フィラメント支持部２４及び２
５はそれぞれ棒状の絶縁体で、両導電体２２間の距離に
またがる。実際、熱源中の絶縁性要素は、焼結窒化ホウ
素で構成でき、一方電流伝導要素は□、タンタルで構成
できる。各導電体は少くとも１５アンペアの直流電流を
流すのに適している。

第２図は第１図中の分割線２−２からみたオーブン部分
を示す。

第１図において、基板支持部分は、基臀を相互にかつオ
ーフン部分に対し適当な位置に維持する複数のリングか
ら成る。リン９グ３０．３１及び３２は中間基板４０を
支持し、基板４０が中に入った本質的に閉じられた領域
を生じている。リング３２．３３及び３４は成長基板４
１を支持し、基板４１が中に入った本質的に閉じられた
領域を生じている。リング３２はまだ中間基板４０及び
成長基板４１間に適当な空間を作っている。リング３１
の内径は基板加熱中、半径方向の熱膨張が自由になるよ
うに、基板４０の直径よりわずかに大きい。同様の関係
は、リング３３及び基板４１の対応する直径間にも存在
する。１個だけのポスト３５が示されているが、リング
３０から３４を組合せた周囲の内側には、たとえばポス
ト間の間隔を１２０度にして、いくつかのポスト３５が
配置されている。実際には、リング及びポストはタンタ
ルで作られている。

゛基板部分は中間基板４０及び成′長基板４１を含む。

中間基盤４０は成長基板４１に平行でかつ離れており、
フィラメント２０及び２１と基板４１間に置かれている
。基板４０及び４１間は２００ないし５００μｍの間隔
としだ。成長基板４１はシリコンから成るが、中間基板
４０は組成及び寸法が本質的に基板４１・と同一である
ことが望ましい。中間基板４０はフィラメント２０及び
２１から成長基板４１まで、均一な熱エネルギー分布を
作り、オーフンの周囲から不純物が気体として外に出る
のを防止する。

第３図は２インチシリコン基体のシリコンＭＢＥプロセ
スの場合の、典型的な温度対時間のグラフを示す。基板
４１は最初低いパアイドリング″温度（）４００℃）に
加熱４され、その状態で基板４１とその周囲のものは、
熱平衡になる。温度を二酸化シリコン層が脱離する点で
ある９００度以上に、急速に上昇させた時、浄化が起る
。二酸化シリコン層はシリコン表面と任意の汚染源の間
に障壁を形成するため、排気可能な成長室中に挿入する
前に、成長基板４１の表面上に形成されている。

基板４１は約６０ないし１２０秒間この゛′浄浄化温温
度保たれ、次にエピタキシャル成長が起る温度、典型的
な場合６００〜８００℃に冷却される。第３図に関連し
て述べた時間は、例であることに注意すべきである。

成長室が１０　”−１０−９Ｔｅｒｒ　（１，３Ｘ　１
０−’　〜１．３　Ｘ　１０−’　ｐａ）に排気された
後、フィラメント２４及び２５にあらかじめ決められた
電流を流し、それから熱エネルギーを放射させることに
より、基板加熱が開始される。この熱エネルギーのスペ
クトルは、第１の組の成分を有し、温度の関数として変
る。低温において、連続したタンタルフィラメントから
放射されるほとんどｒエネルギーは、赤外線領域にある
。シリコンは赤外放射に対して、本質的に透明であるが
、フィラメント放射のわずかの部分は、各基板により吸
収される。吸収された放射に応答して、基板は第１の組
とは異込組のスペクトル成分を有する熱エネルギーを放
射する。

フィラメントへの電流１を調整することにより、フィラ
メント温度が上昇するにつれ、フィラメントの放射はス
ペクトルの可視領域へシフトし、一方基板吸収は赤外領
域の方−＼シフトする。その結果、それより上ではシリ
コン中間基板で、フィラメントから放射された本質的に
すべての熱エネルギーを吸収する閾値フィラメント電流
がある。均一な分布パターンで中間基板により再放射さ
れたこの吸収エネルギーは成長基板を加熱する。

成長基板が均一に１０００℃を越える温度に加熱された
後、成長基板温度を更に上昇するのを防止するために中
間基板によりフイラント温度の上昇が調整される。この
調整機能は第４図に示された曲線から明らかで、図には
成長基板表面温度が、フィラメントパワーに対してプロ
ットしである。図かられかるように、中間基板が存在す
ることにより、フィラメントパワーを上昇させるために
、成長基板温度の調整が行われ、中間基板が無ければ温
度の調整は行われない。調整の行われる温度は、′浄化
工程を行−うのに必要な範囲内（９００℃ないし１２０
０℃）にある。

上で述べた成長基板加熱装置は、高結晶性、低欠陥密度
のエピタキシャル層を生じる。典型的なエピタキシャル
層線転位密度は１０３／ｃｍ２以下で、最初のシリコン
成長基板の転位密度によりほとんど決る。局部的な転位
密度は、１０’／ｃｍ２以丁である。

有利な効果 ここで述べた本発明により、加熱すべきフィラメント及
び基板間の半導体基体は、均一な熱分布を生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を用い、円形のウェハシリコンＭＢＥ用
に適した成長基板加熱装置の断面図、 第２図は第、１図中の切断線２−２から見たヒータフィ
ラメント及び付随した装置を示す図、 第３図はシリコンＭ　Ｂ’　Ｅ成“長プロセスの場合の
、一般的な温度対時間曲線を示す図、第４図は中間基板
が存在する場合又は存在しない場合の成長基板温度対フ
ィラメントパワーをプロットした図である。 〔符号の簡単な説明〕 １０．１１．１２　容器 ２０．２１・・フィラメント ４０　・基体 ４１・・・基板 ツ アメリカ合衆国０７７３２ニユージ ヤーシイ・モンマウス・ハイラ ンズ・ツインライツ・テラス・ ジエー１５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　分子線エピタキシー用半導体基板４１加熱装置にお
   いて、 熱エネルギーを発生するだめの電気的フィラメント加熱
   手段例えば２０乃至２５と、該加熱手段及び加熱すべき
   基板例えは４１間の半導体基体例えば４０をマウントす
   るだめの手段例えば３０乃至３５とを有することを特徴
   とすする装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の装置において、 その中の開口に半導体基体例えば４０をマウントし、加
   熱手段周囲の囲いを形成する容器例えば１０．１１．１
   ２を有す乞ことを特徴とする装置。 ３　特許請求の範囲第１又は第２項に記載の装置におい
   て、 加熱手段は相互に平行でかつ分離された第１及び第２の
   フィラメント例えば２０．２１から成ることを特徴とす
   る装置。 ４、特許請求の範囲第１項乃至第３項に記載の装置にお
   いて、 半導体基体はシリコンで□あることを特徴とする装置。 ５　分子線エピタキシー用の半導体基板例えば４１の加
   熱方法において、 放射熱を発生させ、少くともその一部が半導体基体例え
   ば４０により吸収され、該基体が加熱すべき基板例えば
   ４１に向は熱を放射するように、電気的フィラメントヒ
   ータ例えば２０乃至２５に電流を供給することを特徴と
   する方法。 ６　特許請求の範囲第５項に記載の方法において、 電流は相互に平行でかつ分離された第１及び第２のフィ
   ラメント例えば２０．２１に供給されることを特徴とす
   る方法。 ７．特許請求の範囲第６項に記載の方法において、 該半導体基体例えば４０はシリコンであることを特徴と
   する方法。