JPH054957B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばシリコンのエピタキシヤル成
長に適用する化学的気相成長法（以下CVD法と
いう）に係わる。

〔発明の概要〕

本発明は、レーザー光を特定した状態で基板上
に照射してCVDを行い、低い基板温度で大面積
のエピタキシヤル成長層の形成を可能にする。

〔従来の技術〕

近時、半導体装置の製造技術の発展に伴い、半
導体ウエハの大面積化の要求が、より高まつてお
り、また一枚のウエハからできるだけ多くの目的
とする半導体装置を作製することが望まれること
から大面積、例えばその直径が８インチにも及ぶ
基板への半導体層のエピタキシー技術が必要とさ
れるに至つている。

従来の半導体エピタキシー、例えばシリコンの
エピタキシーを行なうCVD法は、反応槽内に、
加熱手段を具備する基板支持体、いわゆるサセプ
タを配置し、表面にエピタキシヤル成長層を形成
しようとする基板（以下単に基板という）を、こ
のサセプタ上に少なくともCVD処理中でサセプ
タに、全面的に接触するように載せて、この基板
を所要の基板温度の例えば900℃以上に加熱し、
原料ガスの例えばSiH₄，SiH₂Cl₂、或いはSiHCl₃
等を送り込み、この原料ガスを熱分解することに
よつて基板表面に例えばシリコンのエピタキシヤ
ル成長層を形成する。

ところが、このようなCVD法による場合、基
板が大面積になるにつれ、上述した900℃以上の
ような高温加熱では、基板の“反り（そり）”が
著しく、基板のサセプタへの接触状態が一様でな
くなり、そのため基体温度が不均一となつて各部
一様に良好なエピタキシーを行い難くなる。ま
た、通常CVDは、１つのサセプタ上に複数の基
板を配置してこれら複数の基板に対して同時にエ
ピタキシーを行なうという方法がとられるが、エ
ピタキシーが大面積化されるに伴い、このような
複数の基板に対するエピタキシー処理は困難とな
り、各基板毎に、エピタキシー作業を行なういわ
ゆる毎葉処理によることになるが、上述した通常
のCVD法は、この毎葉処理に多くの問題点があ
る。例えば上述のCVD法では、原料ガスの分解
による析出物が、基板上のみならず、他部の例え
ば反応槽内の壁面等にも付着するため、次のエピ
タキシーに際してこの付着物によるごみが、基板
表面若しくはエピタキシヤル成長層中に入り込ん
で結晶欠陥を発生させるようなことがあるので、
これを回避するために各エピタキシヤル成長作業
に先立つて、上述の付着物を排除する作業を必要
とし、これは毎葉処理においては、著しく作業性
を低下するものである。

また、実際上、上述したCVD法では、サセプ
ター面には、基板の輪郭形状と大きさに対応する
輪郭形状と大きさの彎曲凹部が設けられていて、
この各凹部上に各基板を合致させて配置すること
によつて、各基板が加熱されるに伴つて多少の反
りが生じた状態でサセプタに基板が全面的に一様
に接触するようになされているが、毎葉処理にお
いてこのサセプタ上への基板の配置作業は可成り
煩雑になるなどの多くの問題点がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上述した従来技術の諸問題を解決し
て大面積のエピタキシヤル成長を良好に、簡単な
毎葉処理で行なうことができるようにしたCVD
法を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、基板を比較的低温に加熱さ
せると共に、この基板にレーザー光を照射して、
このレーザー光のエネルギーと、基板自体の熱と
によつて原料ガスを励起してこれを分解活性化し
て基板表面にこの分解析出物を堆積成長させるも
のである。そして、特に本発明においては、この
直線偏光のレーザー光を、その偏波面が基板面に
対して垂直方向となる垂直偏波として且つ基板の
面の法線方向とのなす角θ（入射角）が45°に近い
角度となるように入射させるとき、基板上に早い
成長速度をもつて良質の成長膜を生成できること
を見出したことに基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は第１図に示すようにターボ
ポンプ等の排気ポンプに連結された排気口１を有
する真空槽、すなわち反応槽２を設け、この槽２
内に被気相成長基板３のホルダー４を配置する。
このホルダー３は一枚の基板３を例えばその周縁
で保持するようになされている。このホルダー４
の背部には基板３と直接的に接触することなく、
すなわち熱輻射によつて基板３を加熱する加熱手
段５を設ける。６は熱反射体を示す。７は原料ガ
ス供給口で、８はレーザー光、例えば炭酸CO₂ガ
スレーザーの波長λ＝10.6μmの光を効率良く透
過する窓、例えばKCl，NaClより成る窓で、こ
の窓８を通じて基板３に対してレーザー光、特に
基板３に対してその偏波面が基板３と直交する直
線垂直偏波を基板３の法線に対する角度、すなわ
ち入射角θが45°を中心に±10°、望ましくは±5°
の範囲内となるように照射する。９は基板３から
反射したレーザー光の吸収体を示す。

基板３へのレーザー光の照射は、基板３の気相
成長を行おうとする全領域例えば基板３の１主面
全域に照射するようになされる。これがため、基
板３への垂直偏波レーザー光の照射は、レーザー
からのレーザービームｂをレーザービーム拡張器
１０によつてそのスポツトを拡大して基板３の気
相成長面に照射するようになされる。

真空槽２内は一端、高真空度とされ原料ガスの
例えばSiH₄，SiH₂Cl₂，SiHCl₃が供給され、低圧
の例えば0.05Torrに維持される。

基板３は、加熱手段５からの熱輻射によつて
800℃以下の例えば650℃〜750℃に加熱され、こ
の状態でレーザー光の照射がなされる。

ここに用いられるレーザー光は、その波長が、
原料ガスの吸収波長に近いもの、例えば原料ガス
がSiH₄である場合はSiH₄の吸収波長10.9μmに近
い、CO₂ガスレーザーによる10.6μm付近の波長
のレーザー光を用いる。

〔作用〕

上述の本発明方法によつて気相成長を行つた場
合、気相成長された層、例えばSi層は、すぐれた
結晶性を有するエピタキシヤル層として形成され
た。これは基板３に45°に近い入射角をもつてレ
ーザー光の垂直偏波を入射させることによつて、
原料ガスがレーザー光により効率良く振動励起さ
れ、且つ加熱された基板３の熱との共働によつて
主として基板３の表面においてのみ原料ガスの励
起分解が生じ、基板３より離間した空間中では殆
ど生じないことに、その一因があるものと思われ
る。すなわち、空間中で原料ガスの分解が生じる
場合、空間中で析出微粒子が生じ、これが基板３
の表面に付着したり成長膜中に入り込み、膜質低
下を招来するが上述の本発明方法によるときは、
この微粒子の発生が効果的に回避されたものと思
われる。また、他の原因としては、基板３が800
℃以下の低い温度に加熱されていることと、これ
が従来のように直接的にサセプターに全面的に接
触保持されていないことによつて“反り”の発生
や、この不均一な加熱、“反り”に基づく不均一
なレーザー光照射等を回避できたことにもよるも
のと思われる。

〔実施例〕

実施例 １ 前述の第１図に示した装置を用いて、（100）結
晶面を主面とするSi単結晶基板上にSiの気相成長
を行つた。原料ガスとしてはSiH₄を用い、槽１
のSiH₄の圧力を0.05Torrとした。またレーザー
としてはCO₂レーザーを用い、レーザー入力
6W／cm²で、基板３に対してその垂直偏波を45°の
入射角をもつて照射した。この時、約15Å／sec
の堆積速度をもつて基板１上にSiの単結晶層がエ
ピタキシヤル成長された。

実施例１と同様の方法によるも、その基板３に
対するレーザー光の入射角θを変化させた場合の
堆積速度Ｒを測定して第２図に白丸印をもつて
夫々の値をプロツトした。

比較例 １ 実施例１と同様の方法によるも、基板３に対す
る照射レーザー光をその偏波面が基板３の面に平
行となる水平偏波とした。このときの同様の入射
角θを変えて各堆積速度Ｒを測定した結果を第２
図に示す。

第２図により、垂直偏波による場合と、水平偏
波による場合とを比較して明らかなように垂直偏
波によるときは、水平偏波による場合に比して著
しく高い堆積速度を示し、特に入射角θが45°近
傍で、高い堆積速度が得られている。

第２図で明らかなように垂直偏波によるレーザ
ー光照射で、高い堆積速度を示しているが、水平
偏波と垂直偏波の夫々の場合の入射角θの依存性
について解析してみる。今、第３図に示すように
水平偏波の電気ベクトルをEsとすると、基板３
に沿う方向の基板面上電界強度Esは、Es＝Eo・
cosθで、この電界強度と入射角θの関係は第５図
中実線曲線５１に示すようになり、これは、第２
図の黒丸印の測定結果に基づく曲線２１と良く一
致する傾向を示している。ところが垂直偏波につ
いてみるに、今、第４図に示すようにその電気ベ
クトルをEpとし、基板３の面に沿う面上電界成
分をEp とし、基板３の法線方向の電界成分を
Ep ⊥とすると、Ep ＝Eo・cos²θ，Ep ⊥＝
Eo・sinθ・cosθであり夫々の入射角θとの関係
は、夫々第５図中破線曲線５１及び５２で示すよ
うになるが、これらはいずれも、第２図の白丸印
の測定値による曲線２２とは全く異なり、曲線２
２は第５図の曲線５４で示す2Ep ⊥＋Ep と良く
一致する傾向を示すことが分つた。つまり、垂直
偏波によるときは、特別の性状を示すことが分
る。そして、本発明においては、この特別の性状
を示す垂直偏波による照射によつて、また、特に
高い成長速度を示すθ＝45°を中心に±10°、就中
±5°に基板３に対する入射角θを選定する。

尚、基板上に堆積されたSi膜は高い堆積速度を
示す場合ほど、よりすぐれた結晶性が得られた。
第６図は実施例１の方法において、レーザー光の
基板３への入射角θを変化させた場合の走査電子
顕微鏡写真SEMと、反射電子線回析写真
RHEEDとを示したもので、表面状態の入射各依
存性は少ないが45°で最もすぐれた単結晶性を示
し、45°±10の範囲内で、特に45°±5°で良好な結
晶性が得られた。また第７図は実施例１の方法に
おいて基板温度Tsを変化させた場合の同様の
夫々のSEMと、RHEEDを示した。これによれ
ば650℃以上、特に700℃、750℃で急速に気相成
長層の平坦性が向上していることは、RHEEDの
スポツトが長くストリークとなつていることから
も明らかである。

また、実施例１の方法において、基板温度Ts
を750℃とした場合と650℃とした場合の夫々のレ
ーザー入力と基板表面の反射率を測定した結果
を、Ts＝750℃の場合を白丸印、Ts＝650℃の場
合を黒丸印でプロツトした。同図においてＡは飽
和点を示し、Si基盤表面全域がSiH₄分子層でお
おわれたことに対応する。また、Ｂは反射率の理
論値で、レーザー入力が０の場合、すなわち表面
反応がない場合に相当する真のSi表面反射率に一
致する。この値より反応吸収率を知ることがで
き、この反応吸収率は、基板表面でのSiH₄の分
解速度に対応する量として考えることができる。

尚、云う迄もなく本発明は基板３上に不純物ド
ーピングの気相成長膜を生成する場合に適用する
こともでき、この場合においては原料ガス中に
PH₃或いはBCl₃等の不純物原ガスを導入すれば
良い。例えば、PH₃圧力を１×10^-5Torrとし、
他の条件を同一とした場合、ドーピング効率70
％、電子キヤリア濃度２×10¹⁷／cm³ならびに電子
移動度650cm²／ｖ・secが得られた。この値は完全
に同一電子キヤリア濃度のSiのバルク値と一致す
るものである。

〔発明の効果〕

上述したように本発明においては、レーザー光
を照射して、気相成長を行うものであるか、特に
基板に対して垂直偏波を45°に近い入射角をもつ
て照射することによつて、良好なエピタキシーを
能率良く、良質な膜として行なうことができる。

そして、本発明によれば、基板表面ないしはそ
の極く接近した部分においてのみ原料ガスの分解
が生じるので、前述したように微粒子の発生によ
る膜質の低下を招来することがないのみならず、
この析出物が装置内に付着したり、レーザー光の
照射窓８に付着して、これを曇らせたりすること
がないので、毎葉処理に当たつて、いちいちこの
付着物をとり除く為の清浄化処理が不要となる。

また、本発明によるときは、その基板温度Ts
を700℃程度の低い温度となし得るので、基板の
反りの発生が回避され、大面積のエピタキシヤル
処理が容易となり、歩留りの向上、収率の向上が
はかられる。また加熱手段の小型化、耐熱に伴う
装置の簡便化、取扱いの簡略化等をはかることが
できる。

更に本発明方法によれば原料ガス圧を低圧にす
ることができるので、不純物ドーピングの切換レ
スポンスが早く、成長膜中の不純物濃度分布の制
御性に良いなど多くの利益を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による気相成長法を実施する装
置の一例の構成図、第２図は堆積速度のレーザー
光の入射角依存性の測定結果を示す図、第３図及
び第４図は夫々水平偏波及び垂直偏波の電気ベク
トルを示す図、第５図は電界強度−入射角曲線
図、第６図及び第７図は夫々結晶構造写真図、第
８図はレーザー入力と反射率及び反応吸収率との
関係を示す図である。 ２は反応槽、３は基板、５は加熱手段、ｂはレ
ーザービームである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基板表面に原料ガスを接触させつつこの基板
   表面に対してレーザー光の垂直偏波を（45±10）”
   の入射角をもつて照射して前記基板表面に上記原
   料ガスの分解により生成した材料層を気相成長さ
   せることを特徴とする化学的気相成長法。