JPS61232609A - レ−ザ・エピタキシアル薄膜形成装置 - 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】 「発明の利用分野」 本発明は、光化学反応により剤）膜形成する’Ｊ：ｉ′
？であって、大面積の被形成１１１Ｌ−に均一にエピタ
キシアル成長被膜をレーザ光を用い″（形成するヨト段
を有するＣＶＩ）（気相反応）装置に関する。

ｒ従来技術及びその問題点」 気相反応による薄膜形成技術として、光エネルギにより
反応１ψ］気体を活性にさ−Ｕる光ｃｖｎ法か知られて
いる。この方法は、従来の熱ＣＶＩ〕法また（１１プラ
スマ（、Ｊｌ）法に比べ、低温での被膜形成がｉ５能で
あるに加えて、被形成面に損傷を与えないという点で優
れたものである。

また、エピタキシアル成長膜を尤気相反応に、ｌ、り形
成させんとする方法も知られている。（、、かしかかる
場合においても光源は水銀月光通用いた散乱光源である
。また、この光は被形成面にｌｊ　ｉｌ’！力向に照射
していた。しかし基板の被形成面が平坦である場合、ま
たエビタギソアル成ｌ（を行わせんとした場合、この散
乱光また〕、（扱に垂泊光Ｇ９１不適当であり、エピタ
キシアル成膜の成長速度番」１−分なものではなかった
。

他方、減圧ＣＶＤ法を用いんとすると、成長温度ばシラ
ン（ＳｉＬ）を用いた場合、１０００°Ｃ以」二を必要
とし、ジクロールシラン（Ｈ２Ｓ＋ＣＩ□）にあっては
、１０５０°Ｃ以上の高温度を必要としていた。またモ
ノシラン（ＳｉＨ４）を用いると、基板表面のナチュラ
ル・オキザイトを被膜形成の際に除去できず、このため
反応系の微小のリークがスクッキング・フォールトの形
成を助長し、膜質に悪影響を与えてしまった。

「問題を解決するための手段ｊ 本発明はこれらの問題を解決するため、光エピタキシア
ル法において問題となっている紫外光の波長を反応性気
体と共鳴波長を有するとともに、コヒーレンシーを有す
るレーザ光を用い、この光を平坦な基板の表面に平行ま
たは概略平行に照射することにより、またこの光を基板
表面またはその近傍に照射をし、基板表面またはその近
傍の反応性気体を励起せしめたものである。

特にそのレーザ光源は基板表面またはその近傍を照射し
、反応性気体の平均自由Ｔ程（Ｍｅａｎ　ＦｒｅｅＰａ
　Ｌｈ即ちＭＦＰという）の１０倍以内の距離しかノ、
（板より離れていないようにした。

また、かかる光エピタキシアル成長法においζ、基板ト
での表面反応をより徹底させるため、被形成面を下側に
向け、基板表面より反応空間での熱の放出（」−昇気流
）を防いだ。即ち、反応空間にて光により励起（分解）
した反応性気体同志が互いに反応し、微粒子状のクラス
タを構成してしまうことを防いだ。

本発明はさらに紫外光を反応室に外部より照射する窓の
遮蔽板に関し、透過用の遮蔽板の表面にそって非生成物
気体を流し、ごの透光性遮蔽板−１−面に反応生成物（
反応または分解により固体を形成しない気体、例えばＩ
ｌｅ、Ａｒ、１１□、Ｎ２．またはこれらの混合気体）
が蓄積されて紫外光を遮光しないように、または遮光さ
せにくいようにした。このため、この遮蔽板を第１及び
第２の遮蔽板とし、その間の空間（以下バッファ室とい
う）より非生成物気体を反応室側の遮蔽板の表面にそっ
て導出せしめる構造としたものである。

さらにバッファ室内には光学系を配設し、レーザ光源の
面積例えば２０ｍｍ　Ｘ　３’Ｏｍｍを横方向には１０
ｃｍ〜５０ｃｍ例えば３０ｃｍにｌ］広とし、厚さ方向
には５ｍｍ〜１０μｍ例えば１ｍｍとした。かくして実
効的な被膜形成面積を反応性気体を光励起するに十分な
エネルギを有し、かつ大面積とすることができた。

「作用」 これらの特長のため、光エピタキシアル法で被膜形成を
行わんとする時、被膜の成長速度が５００人／分以上の
速さで被膜を１μまたはそれ以下の膜厚とし得る。

またバッファ室の光学系により中３０ｃｍ、光の厚さ１
ｍｍの薄さの光源としたため、反応性気体例えば１気圧
にてＩ　Ｘｌ０−’ｃｍのＭＦＰを有すると、その反応
圧力が１ｔｏｒｒ＋３ｔｏｒｒ＋１０ｔｏｒｒではそれ
ぞれ０．７６ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．０７６ｍｍとな
り、照射光はその１０倍以内とすることによりこの光源
内の基板側での空間中の反応によるクラスタ状の反応生
成物の生成を防くことができ得る。加えて、基板表面が
平坦であり、この平坦面にそって表面またはその近傍に
光を照射するため、反応性気体の光拡散を促し、エピタ
キシアル成長をさせやすいという特徴を本発明は用いて
いる。さらにレーザ照射光の深さは照射フォトンのすべ
てが有効に反応性気体の励起に用い得るほどにまで十分
長い距離（例えば３０〜１２０ｃｍ）にし得る。そのた
め、供給フォトン数に対する被膜表面の反応性気体の量
を向上させることができる。

さらに本発明は、被膜形成の後、この反応系におけるホ
ルダ等の上に形成された不要生成物をもプラズマエツチ
ング法で反応室を大気に触れさせずに除去し得る。

また本発明装置は、オイルフリーの反応系であるため、
ハソクグラウンドレベルの真空度を１Ｏ−７ｔｏｒｒ以
下とすることができた。そして非酸化物の反応生成物で
ある珪素等の半導体エピタキシアル被膜、ｍ−ｖ化合物
のエピタキシアル成長被膜、さらにまたこれらのエピタ
キシアル成長被膜上または膜下に酸化珪素、窒化珪素、
窒化アルミニュ−ム１金属アルミニュームの光励起によ
る光ｃｖｎ被膜形成をさせ得る。

「実施例」 以下本発明を第１図に示した実施例により、その詳細を
記す。

第１図において、被形成面を有する基板（１）　＆ｊボ
ルダ（１”）に保持され、反応室（２）上のハロゲンヒ
ータ（３）（上面を水冷（３２））に近接して設けられ
ている。反応室（２）、レーザ光源（４０）が透過する
バッファ室（４３）およびヒータ（３）が配設された加
熱室（１１）は、それぞれの圧力を］００ｔｏｒｒ以下
の概略同一の真空度に配管（１２）および第１の遮蔽板
の隙間により保持した。このために、反応に支障のない
非生成物気体（ここではへリューム、アルゴン又は水素
）を（２８）より流量計（２１）、バルブ（２２）より
バッファ室（４３）、加熱室（１１）に供給した。そし
てその気体を第１の透光性遮蔽板（１０）の隙間より反
応室に導出（１４）することにより、不要反応生成物の
遮蔽板上面への付着防止をした。また光源（４０）はエ
キシマレーザよりコヒーレン］・な紫外光（６Ｑｎｍ　
〜３５０ｎｍ）（４１）を第２および第１の透光性遮蔽
板を透過して反応室（２）内に照射した。

このレーザ（コｍ純なエキシマ・レーザ情からの光であ
っても、その光の照射面を広げるため、１１１（図面で
の上下方向）を１０μｍ〜５ｍｍの１１１狭（’ｊｘｌ
Ｊさ）の第１のレンズ（１０）によってこれを横１１１
約３０ｃ、ｍとするため、石英製の凹しンス（１０’）
により広げ、さらにシリントリ力ルレンス（９）により
横］１１を所定の１１例えば３０ｃｍの平行光とするこ
とにより横巾を拡大した平行光とし、また線中を小さく
シフたパルス光として照１・ｊシ、エネルギ密度の１１
１広に伴う単位面積あたりの減少を防いだ。

この光学系はバッファ室（４３）に設け、ここでのレン
ズ表面に付着する水、酸素等によるレーザ光の吸収損失
を防いだ。

本発明の薄膜形成装置における反応性気体はハロゲン化
珪素である七ツクＩコールシラン（ｌＩａｓｉｃＩ）シ
クロールソラン（ＩｈＳｉＣＩｚ）、　ｈジクロールソ
ラン（ｔｌＳｉＣｈ）、これらの０１がＦと置換した反
応性気体。

珪化物気体であるシラン（Ｓｉｎｌｌ□。。、ｎ≧１）
、弗化珪素（ＳｉＦ２．ＳｉＦ４．　Ｓｉ２Ｆ６．Ｈｇ
５ｉＦ２）ｌまたはその混合気体を用い得る。希釈用非
生成物気体としては反応生成物として珪素の如き半導体
を作る場合、水素またはへリュ〜ムを用いた。

ドーピング系（７）は、バルブ（２２）　、流量計（２
１）よりなり、反応後固体生成物を形成させる反応性気
体は（２３）ないしく２６）より供給させた。反応室の
圧力制御は、コントロールバルブ（１７）を経てターボ
分子ポンプ（大阪真空製ＰＧ５５０を使用）　（１８）
　、ロータリーポンプ（１９）を経、排気させることに
より成就した。

予備室を真空引きする際は他のターボ分子ポンプ（１８
’）及びロータリーポンプ（１９’）を用いた。

被膜の形成プロセスは、基板の予備室より反応室への移
動に関し、圧力差が生じないようにしたロード・ロック
方式を用いた。まず、予備室（４）にて基板（１）およ
びホルダ（ｌ”）を挿入・配設し、真空引きをした後、
予め１０−’ｔｏｒｒまたはそれ以下に真空引きがされ
ている反応室（２）との間のゲート弁（６）を開とし、
基板（１）、ホルダ（１゛）を反応室（２）に移し、ま
たデー１〜弁（６）を閉として、反応室（２）と予備室
（４）とを互いに仕切った。

その後、バッファ室（４３）に対し逆流による反応生成
物の遮蔽板」−面への被着防止のため、まず、非生成物
気体を（２８）より１００〜５００ｃｃ／分の流量でバ
ッファ室（４３）に導入し、同時に連結した加熱室（１
１）にも流した。その後反応性気体（３１）をノスル（
３０）より供給した。

ヒ〜り（３）は反応室（２）の上側に位置した［ディボ
ジソション・アップ」方式とし、フレ　りが被形成面に
付着しピンポールの属国を作ることを避け、かつ基板（
１）を裏面側より所定の温度（５００〜１０００°Ｃ）
にハロゲンヒータにより加熱した。

さらに、本発明による具体例を以Ｆの実験例１〜４に示
す。

実験例］　・・・・・シリコンエピタギシアル成長膜の
形成例 反応性気体としてジクロールソランを（２５）より５０
ｃｃ／分で供給して、基板温度８５０°Ｃとしまた。光
源は５ｉ−ＣＩ　の結合に共鳴するＸｅＣ１（発光波長
３０）（ｎｍ）のエキシマレーザを用いて、レーザ光の
中心は基板表面より約１ｍｍ離し、光源は約１ｍｍの厚
さとした。基板は直径６インチのウェハ４枚とした。

反応室（２）内圧力は３．０ｔｏｒｒとした。ジクロ−
ルシラン３０ｃｃ／分、希釈用水素２００ｃｃ／分をそ
れぞれ（２６）　、　（２３）より加えた。

非生成物気体である水素を（２８）より２００　ｃｃ／
分の流量で流し、第１の遮蔽板上面への珪素の付着を防
いだ。

５分の反応で４５００人の膜厚が基板上に形成された。

その被膜形成速度は８００人／分であった。本発明は水
銀の蒸気等を用いないエキシマレーザによる直接光励起
である。被膜の５点のばらつきは±１０％以内に入って
いた。

さらにこの後反応を停止するためには、反応性気体（３
１）の導入を停止し、反応室（２）内を真空引きして、
さらに非生成物気体（１４）の導入をパルプ（２２）に
より停止した後、ゲイト弁を開けて被膜形成を行った基
板を予備室に移した。

この実施例で被膜形成後反応室を開けて、形成したシリ
コンエピタキシアル成長膜を調べた。比抵抗は非ドーピ
ング状態で２１００Ωｃｍを得ることができた。このよ
うに高い値を得たのは被膜形成温度が８５０°Ｃと低く
し、１Ｌ抵抗を下げやすい不純物が混入しにくい状態で
エピタキシアル成長をさせ得たためと推定できる。

実験例２・・シリコンエピタキシアル成長膜の形成例 ジシラン（Ｓｉｚｌｌｂ）又はモノシラン（Ｓ　ｉ　Ｉ
Ｉ　ａ　）を（２３）より］０Ｏｃｃ／分及び水素３０
０ｃｃ／分の流量で供給した。

光源ばＡｒｃ（発光波長１９３ｎｍ）のエキシマレーザ
を用いた。

／温度は８００°Ｃ８反応室圧力１０ｔｏｒｒとした。

被形成面に９５００人または１２００人の膜厚を８分間
のディボジソションで形成させることができた。

比抵抗はそれぞれ２５００Ωｃｍ、　２２００ｃΩＣｍ
を得た。

その他は実験例１と同じ条件とした。

実験例３・・・ＧａＡｓの形成例 Ｉ・リメチルガリューム［；ａ　（ＣＩＬ＋）　ａとア
ルソン（ＡＳｌ＋３）をそれぞれ（２３）より１０ｃｃ
／分、　（２４）より１５ｃｃ／分で供給した。また（
２５）　、　（２Ｂ）よりそれぞれ水素を２００ｃｃ／
分、１００ｃｃ／分で供給した。するとＧａＡｓエピタ
キシアル成長膜をＧａＡｓ基板上に成長させることがで
きた。基板の温度は５００°Ｃとした。

「効果」 本発明は、以上の説明より明らかなごとく、基板上に被
膜を形成するにあたり、エキシマレーザ光を被形成面上
またはそのごく近傍（ＭＦＰの１０倍以内）しか主とし
て照射する反応空間が離れていない距離（もちろんこの
空間に加えて、光エネルギーが余剰である限りにおいて
、さらに離れて空間にも照射してもよい）において活性
化したため、反応空間における反応性気体の光による不
必要な励起（分解）を生ぜず、結゛果として′スタッキ
ング・フォールトがほとんど観察されないエピタキシア
ル成長被膜とさせることができた。

このレーザ照射光の巾をＩＯＭＦＰの１０倍以上にさせ
ることは可能である。しかしこれ以上にすると、光源の
精密な基板からの距離の配設は可能となるが、スタッキ
ング・フォートが混合したエビタキシアル成長膜となり
やすかった。

また従来よりエキシマレーザば照射面積が小さく、大面
積のエピタキシアル成長には不向きであったが、光エネ
ルギーを節約するためその厚さ方向の巾を１０μｍ〜５
ｍｍ好ましくは１ｍｍ以内と１１狭とし、横方向を１０
〜５０ｃｍと中広としたことにより十分大面積の被形成
面を高い成長速度でエピタキシアル成長させることが可
能となった。

特にこの厚さ方向を薄＜シたことにより、（１）レーザ
光の光源面積あたりのエネルギ密度を向」ニさせ、（２
）フレーク等の反応室内での発生を防ぎ（３）スタッキ
ングフォール１〜の発生を成長膜が防ぐ（４）ＳＯＴ（
シリコン・オン・インシュレイク）の横方向にエピタキ
シアル成長膜の可能性を有せしめ得る、という多くの特
徴を有する。

さらにこの光ＣＶＤ法による被膜形成に加えて、この−
Ｆに重ねて同じまたは異なる被膜を一対の電極（第２図
（２９）及び基板（１）とホルダ（１”））間に高周波
エネルギ（１３，５６Ｍｌ１ｚ’）を加えたプラズマＣ
ｖＤ法で形成させることが可能である。

さらにこの窓上面または反応室にイ・１着したフレーク
等も同様にプラズマエッチにより除去するごとにより、
反応室に完全にオイルレスの環境を得、連続形成を初め
て可能にした。

なお本発明は、珪素および砒素ガリュームにおいてその
実験例を示したが、それ以夕（にカリ１−ム、アルミニ
ューム、砒素、インジュー）、リン、インジュ−ムナイ
トライト等の他の■−■化合物のエビタギシアル成長も
可能である。

又、光照射の時間をパルスショットを１回または数回と
して異なる被膜を繰り返して積層する、即ち超格子構造
をさせることも可能である。

前記した実験例において、珪素半導体の形成に１際し、
］・−パントを同時に添加できる。また光源として他の
エキツマレーザ（波長１００〜４００ｎｍ）であるＡｒ
ＣＩ（１７５ｎｍ）、Ｆｚ（１５７ｎｍ）、へｒ１ン（
１９３ｎｍ）、ＫｒＣｌ　（２２２ｎｍ）　、　ＫｒＦ
　（２４９ｎｍ）を使用し得る。

本発明において、被膜形成を水銀バブラを１ｌｒｉずこ
とにより被１漠成長速度を向−にさ−Ｕてもよい。

また基板はティボシノション　アノブ力弐金用いた。し
かし基板の表面におし」るデイボシノション・ダウン方
式とし、そのＬ面またはその近傍にレーザ光を照η・１
し、活性な反応１／１気体を被膜面１−に形成してもよ
い。

本発明において、ｉ＝　ｎｉｋ仮は反１＋’ｉ５室のう
１２反応部より七分離れた位置に配設した。しかしこの
１１１１離は設計により決めれはよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＣＶＤ装置を示す。 特許出１頭人

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．被形成面を有する基板を配設する反応室を有し、光
   源より発光する光を前記基板の表面に平行または概略平
   行に照射せしめて被形成面上にエピタキシャル被膜を形
   成し得る反応性気体の励起用のレーザ光源を具備したこ
   とを特徴とするレーザ・エピタキシャル薄膜形成装置。
2. ２．特許請求の範囲第１項において、レーザ光源はエキ
   シマレーザよりなることを特徴とするレーザ・エピタキ
   シャル薄膜形成装置。
3. ３．特許請求の範囲第１項において、反応性気体は珪素
   の水素化物またはハロゲン化物よりなり、該化合物の結
   合手に共鳴するレーザ光を前記反応性気体に照射するこ
   とを特徴とするレーザ・エピタキシャル薄膜形成装置。