JPS5992019A - 加熱基板上へ材料を真空蒸着する方法 - 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】 （発明の分野） 本発明は、半導体材料の真空蒸着を含む半導体処理に関
する。

（発明の背景） １５５）３２　ｐａ（１ｔｏｒｒ）よシ低い圧力で行な
われる処理プロセスのような、真空蒸着プロセスに採用
されている特定の試料支持具には、はとんど見るべきも
のがないことが多い。

気相から半導体材料の真空蒸着を行なう過程１Ｃ対して
は、革命的な試料支持具の設計をするのに、はとんど努
力がなされていない。しかしながら、分子線エピタキシ
ィ（ＭＢＥ）では高純度と高結晶品質とが望まれ、かか
る技術においては、採用されている特定の基板支持具は
、蒸着された材料の品質に大きな相違を与えることが多
い。一般に、蒸着を行なうべき基板には、わずかに無視
しうる程度のひずみしか基板支持具に招かないことが斯
かる応用には望まれている。さらに、試料支持具は、事
実上、不純物を蒸着材料に混入させないように設計され
ている。

Ｍ　Ｂ　Ｅに一般に採用されている試料支持具は、モリ
ブデンのような耐火性金属から形成され、基板の厚さよ
シも厚いヒータブロックを使用したものである。インジ
ウム、ガリウム、あるいはインジウムとガリウムとの合
金のような、低融点を有する中間材料はブロック上に加
えられ、基板全体は中間材料が溶融するまで加熱される
。そこで、ぬれがよく、基板表面と合性のよい溶融中間
材料に対して基板を押しつける。蒸着期間には、中間の
材料は溶融されたままにされ、ひずみがほとんど生じな
いように、表面張力によシ基板が保持されている。溶融
した中間材料は、有効な熱伝導が得られ、厚いヒータブ
ロックは一様な温度分布を保証するだめのものである。

例えば、インジウム、あるいはガリウムなどの中間材料
は、一般に、蒸着された材料を汚染しない。

これらの有利な性質にもかかわらず、インジウムあるい
はガリウムのような材料に関連して、耐火性ブロックを
使用するには成る円錐な問題が存在する。基板の実装と
離脱には時間がかかり、中間材料に一様な拡がシを確保
するとともに基板と中間材料との間のガスの捕獲を最小
にするためには、上手に接着を実行することが必要であ
る。さらに、蒸着期間には、ガリウムあるいはインジウ
ムは、■Ｖ族材料の基板と合金を形成する。蒸着の後に
、中間材料を溶融状態に保ちながら、基板をヒータから
分離する。しかしながら、この分離の後に、中間材料は
若干残留し、基板と中間材料との相互作用、たとえば、
ＧａＡｓ基板の場合には、Ｇａ／Ｉｎ　の合金領域とＩ
ｎＡｓ　　のヒロック領域との間の相互作用によシ成る
領域が存在する。これらの残留物は、化学エツチングを
して残留中間材料を除去するとともに、エッチピットを
形成している合金を除去するが、丁ｎＡｓ　領域のよう
なヒロック領１威は影響さ九ないで残っている。ヒロッ
クとピットとは、後続する処理に重大な問題をもたらし
ている。例えば、真空チャックのような従う：（装置に
より、基板を取扱う際にヒロックは干渉する。基板の頂
部と底部との表面の千行性は劣化し、続いて行なわれる
リソグラフ処理の期間に歩どまりを低くする。さらに、
最初から含まれているエッチピットは、事実上、他の領
域を形成する前に除去するので、基板を一様に薄くする
ことは多くの場合に困難である。

比較的厚いヒータブロックを使用すれば、全体的には、
望んでいないような成る結果が得られる。たとえば、蒸
）・ａ期間にはブロックの大きな熱容量により、基板の
温度が急激に変化することはない。しかしながら、急激
な温度変化は、異種構造の成長を含む位置においては希
望されることが多い。

インジウムあるいはカリウムのような中間材料を使用せ
ず、その代用物を使用することは望ましくはない。スプ
リングチップ、あるいは基板とヒータブロックとの間に
熱接触を与えるだめの圧力を加える他の接触デバイスの
使用は、一般に、蒸着された半導体材料において電荷キ
ャリヤ移動度を低くするような好ましくない効果を生じ
、許可できないひずみレベルを招くものである。さらに
、スプリングクリップを使用すると、基板とブロックと
の間に一様な接触が得られない。斯くして基板に到達す
る熱は、この位置において、主として伝導ではなく、輻
射により伝達されなくてはならない。（蒸着が低圧で行
なわれるため、対流は不可能である。）しかしながら公
称厚さが２５０〜７５０μｍηのＧａＡ、ｓ　　、なら
びにＩｎＰのような典型的な旧−■族半導体基板では、
事実上、赤外線輻射に対して透明である。斯くして、熱
伝導に対してインジウムのＪ＝うな中間材料の存在なし
では、輻射エネルギはほとんど吸収されないので、加熱
はまったく非効率的である。この非効率的な熱の伝達に
より要求される付加的な熱は不純物のアウトがスを生せ
しめ、蒸着層の品質に悪影響を与える。かくして、現在
の試料支持具の構成は許容できるものであることが多い
とは言え、成る１重の改良は望ましい。

（発明の要約） 対流による熱の一様な伝達が得られないような真空蒸着
過程においては、優れた結果を得ることができる。これ
らの結果は、第１に蒸着すべき主要な表面に対向する基
板の主要表面に加えられた高反射率層の使用によシ得ら
れ、牙２に基板の反射性を有する層に入射する熱輻射に
多重反射させることができる反射性環境の使用によシ得
られる。特に、ＧａＡｓちるいはＩｎＰなとの基板のよ
うな基板をきわめて一様に加熱することは、基板あるい
は蒸着された層に対して事実−ヒひすみ、事実上の構造
上の欠陥、あるいは＄実−ヒの不純物をもたらすことは
ない。例えば、輻射エネルギは基板の反射性を有する層
に入射せしめられる。

このエネルギは主として反射し、入射エネルギのわずか
に小部分のみが最初に吸収される。

順次、反射された輻射エネルギは、基板の反射性を有す
る層に再び入射するまで周囲の反射された領域により反
射する。前と同様に、多重反射したエネルギは再び反射
してわずかに一部分のみが吸収される。しかしながら、
繰返し多重反射過程によって、反射性を有する層は加熱
されて基板が加熱、Ｎれるように十分なエネルギを吸収
する。反射性を有する層の一部分と入射エネルギとの間
の単一接触点において、わずかに小量のエネルギが吸収
され、多重反射によってこの層が児全に照射されるため
、きわめて一様に７Ｊｌｌ熱が行なわれる。

さらに、反射性を有する層は全く薄いので、基本的にひ
ずみが基板には発生しない。基板の反射性を有する層に
対して、タングステンのような耐火性材料を使用するこ
とによシ、事実上この層と基板との間に何ら反作用が生
ぜず、この層により蒸着した材料に不純物が導入されな
いことは確実である。他の典型的な加熱技術と対比して
、高吸収性材料よシも高反射性材料を使用して蒸着基板
へ熱を伝達するものである。かくして、加熱することが
困難な層を使用することによシ、反射性を有する環境に
組合わせた層は有効に、一様に比較的急激に加熱される
。

（実例の説明） 基板材料上に採用されている反射性を有する層は、少な
くとも８０％の入射エネルギに対する反射率を有するも
のでなければならない。層上の反射率は輻射エネルギ源
のエネルギスペクトルに依存すると共に、基板の反射性
を有する層上のエネルギ人射角に依存する。

本発明の目的のためには、層の反射率は、あらかじめ与
えられた入射エネルギスペクトラムで、入射角全体に対
する平均値を考え、入求めたものである。典型的には、
タングステンのような耐火性金属の平坦な層の反射率は
この要求を満たすのに十分である。

さらに、反射殴層は基板上に形成されるので、この材料
は基板材料に悪い作用をおよぼすか、あるいは蒸着した
半導体材料を汚染する。例えば、ＧａＡｓ　のような基
板材料と合金を作り、反応するガリウムのような材料を
使用することは不利であり、上記合金形成や反応などは
、後続する処理に対して基板に悪影響を与えるようにふ
るまう。同様に、金のような反射性材料の使用は有利で
は・ない。その理由は、金が蒸着した半導体材料に拡散
して行き、荷電キャリアの捕獲中心を形成する。

室温で不利な相互作用を誘発する材料を避けるべきのみ
ではなく、蒸着過程において採用されている温度でかか
る相互作用をもたらす同様な材料も採用すべきではない
。

反射性層は事実上、１％を越えるひずみを基板にひき起
こすものであってはならない。

典型的には、比較的薄い反射性を有する層を採用するこ
とにより単純にかかるひずみを避けることが可能である
。一般に、鏡面研摩した１０〜１，０００　ｎｍの範囲
の厚さを有する基板上へ一様に蒸着した金属層は、基板
に事実上ひずみを発生させずに希望する反射率を備えて
いる。１ｏ　ｎｍ　、ｌ：り薄い層は一般に不連続にな
る傾向を有し、十分に反射しない領域を生ずるため、か
かる層は望ましくない。

適当な反射率を与える典型的な材料に対する１、Ｏｌ］
Ｏｎｍより厚い層は、一般に基板に許容し得ないひずみ
を発生させ、基板から分離する傾向にある。しかしなが
ら、基板材料の熱膨張係数と十分密接に整合する材料の
使用を可能にして、厚い層によりひずみが発生しないよ
うにしている。

採用した反射性材料は十分に高い吸収係数を有して、表
面から反射しない悟射エネルギが本質的に全部反射性を
有する層に吸収され、基板を通して伝達されないように
なっている（もし■。が入射エネルギの最初の強度であ
るならば、吸収率ｋを有して厚さＸを有する反射性材料
を通った後の強度■はＩ−Ｉ。ｅｘｐ（−ｋｘ）で与え
られる。）。１０〜１，０００ｎｍ　の範囲の厚さの層
に対して、一般に１０６ｃＷＬ−”よシも大きな吸収係
数を有する材料は希望した結果を与える。

既に説明したように、多重反射を通して輻射エネルギは
一様に分布し、基板の反射性を有する層を横切って吸収
されることが望ましい。輻射エネルギにより最初に照射
された反射性を有する層が小面積になればなる程、この
層の反射率は、基板が確実に一様加熱されるように大き
い値にならなければならない。

（最初に、周囲の反射性を有する領域から基板の反射性
を有する領域へと、輻射エネルギを反射させることは可
能である。この範ちゅうにおいて、基板の反射性を有す
る層で最初に入射することは、この層でエネルギが最初
にインパクトを与えることを意味する。）もし、コリメ
ートした輻射源を使用する場合には、最初１（反射性を
有する層の小さな一部分のみにインパクトがあり、多重
反射させるには反射性を有する層の全表面領域にわたっ
て最初のエネルギを拡げる必要がある。対照的に、拡散
源を採用する場合には、反射性を有する層を横切って入
射エネルギを一様に分布をせるのに反射はほとんど必要
がない。与えられた輻射率の熱源に対して、必要な反射
率を与えるように試料を制御する。

既に説明したように、反射性を有する環境においては、
基板に関して反射性を有する層により多重反射が生成さ
れている（反射性を有する環境は全体として基板を取シ
巻く必要はないが、それを行なった場合には一般に、よ
り有効な加熱が得なれる。）。この反射性を有する領域
は十分に容積が小さく、事実上の輻射エネルギが加熱さ
れた、アウトガスを生ずるような領域に対して、加熱さ
れたときに伝達されないように適切に構成されていなけ
ればならない。上記アウトガスは、１３６Ｘ　１０−’
　ｐａ　（Ｉ　Ｘ　１０−”ｔｏｒｒ　）よシも高い圧
力を与え、分子線エビタキシ（ＭＢＥ）蒸着のような場
合に蒸着室のなかの周辺圧力をあげるものである。希望
する反射率を達成し、アウトガスを制限するためには、
典型的には平坦な耐火性金属を第１図に示すように構成
して使用している。耐火性材料のような材料の使用は、
反射性を有する環境の過剰な加熱を避け、アウトガスを
発生させない。特に、多重層基体を採用する場合には、
輻射エネルギ源から最も遠くに置いた層は、事実上、真
空室内の周辺温度に保っておき、アウトガスを強めない
ようにしである。基板の反射性を有する層により輻射エ
ネルギが極限状に吸収されていて、適切にアウトガスを
確実に制限するように周辺基体の反射率は少なくとも８
０％でなければ゛ならない（周辺基体の反射率は基板の
反射性を有する層の反射率と同様にして測定する。）。

例えば、基板の最長寸法をＬとすれば、Ｌ５　　よシ小
さな容積の比較的小容積を取り出すように周辺基体を構
成することが一般に望ましい。大容積は、許容し得ない
ほどコストの高い、大きな真空室を使用する必要性を有
する傾向を有する。高反射性材料の使用ゆえに、この容
積上の要求は一般に容易に満足される。

次の実施例は本発明を説明したものである。

（実例　１．） （）ａＡｓ　の蒸着は（）ａＡｓ基板〔直径：５．１ｎ
（２インチ）、厚さ：　５．Ｉ　Ｘｌ　ｏ−２ｃｍ　（
２０／１０００インチ）〕上に対して行ない、その比抵
抗がほぼ１０７　Ω−儒であるようにクロムを不純物添
加しである。この蒸着は、ヴアリアン社（Ｖａｒｉａｎ
　）のＧＥＮＩＩ形分子線製分子線装置て実施した。装
置は、典型的なモリブデンのブロック基板支持具を牙１
図に示すような基板支持具で置換することにより変形さ
せた。第１図の基板支持具においては、４個のタングス
テンヒータ素子６３を採用した。素子は１．２７ｃ１ｒ
Ｌ（／２　インチ）の半径を有する仮想的円上へ、等間
隔に置かれるように配列した。周辺の反射性を有する領
域の層！＋０．３１．３２のそれぞれは、はぼ２．５４
Ｘ１０”−’ｃｍ（１／１０００インチ）の厚さケ有す
るタンタルフォイルから製造した。内側層、り０，３１
はフォイル層間でオフセットを生じ、かくして３層間で
の接触を減するようにくぼみを付けた。内側フォイルは
、はぼ９０％の反射率を有するものであった。受動クリ
ップ３５を備え、基板４０上へは基本的に応力を加えな
かった。クリップと基板との間には、成長温度において
でも基板が自由に動くことができるように十分なりリア
ランスを与えておいた。クリップは基板との接触を減じ
て伝導による熱損失を減するため錫タンタル線で作った
。ヒータ素子６５は内側のタンタルフォイルからほぼ０
６３５ｃｒｎ（７４インチ）の位置に置き、反射性層を
有する基板の最近接表面からほぼ１．２７ｃｍ（−４−
インチ）の位置に置いた。クリップ６５はモリブデンリ
ング４２により支持し、このリングにモリブデンのネジ
で取９句けた。

分子線エビタ牛シイ蒸着の準備において、１００　ｎ＋
ｎ厚のタングステン層４１をスパッタしてから、ヴアリ
アン社（Ｖａｒｉａｎ　）　　のＳ形電子銃を使用して
Ｇａ、Ａｓウェハの主要表面上の一つに蒸着した。はぼ
０．９９９５の純度を有し、直径１２．７儒（５インチ
）を有するタングステン製ターゲットをスパッタプロセ
スにおいて使用した。蒸着装置を４　Ｘ　１０−’ｐａ
　（３Ｘ　１０”７ｔｏｒｒ　）の真空に引いた後、は
ぼ０．４ｐａ（３Ｘ１０づｔｏｒｒ　）の圧力のアルゴ
ンを導入した。５００ＶのＤＣバイアス電圧で２．５ｋ
Ｗの電力を電極に加えた。厚さがＩ　Ｄ　Ｏｎｍの層を
生成するため、１０分間にわたって−たん中止してから
、はぼ１ｏｎ１０の蒸着速度でタングステンを蒸着した
。蒸着した層における応力の生成は、３Ｘ１Ｑ９ｄｙｎ
ｃ／ｃＩｒＬ２　　より低い値であった。

反射性層を備えた基板を完全に清浄にした後、基板の裸
面を上方に向け、モリブデンリング４２のクリップ６５
に挿入した。クリップとリングとは真空室内に挿入し、
真空室は１．３３Ｘ１０づｐａ　（１Ｏ−７ｔｏｒｒ）
の圧力へ真空に引いた。次に、試料はほぼ１３３ｘｉｏ
−’ｐａ　（１０−’　ｔｏｒｒ）の圧力の第２の真空
室へ転送した。そこで、牙１図に概要を示したような装
置により約１時間にわたり２００ｃの温度にまで加熱し
た。この温度は、基板に輻射熱を生成させるようにヒー
タ素子５６を流れる電流によって得たものである。この
温度は基板の反射性を有する層に近接して置いた熱電対
を使用して測定を行なった。しかしながら、熱電対は、
フィラメントから発生する輻射熱から遮 クリップと基板とを備えたモリブデンリングは成長室に
転送して、第１図に示すように設計した他のヒータ上に
置いた。基板の反射性表面は、この表面がヒータ素子に
面するように配置した。フィラメントを通る１００Ｗの
電力は基板温度を５ｏｏＣ／分の割合（インジウムの中
間層に関連して、モリブデンヒータブロックに対する値
がほぼ１ｏｏＣ／分であるのと比べて）で増加させるも
のであつ、そ。熱電対により決定されたような約６００
Ｃの温ＩＷにフィラメントを保持するため、フィラメン
トに十分な電流を流した（アルミニウムとシリコンとの
共晶点を使用して、熱電対はあらかじめ校正しておいた
。）。Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板の裸表面上の無添加　ＧａＡ
ｓ層への蒸着は、特願昭５８−７８５７６号の実例１に
記載さ４れたようにして完成させた（１９８２年５月７
日に出願された米合衆国特許、願番第３７６゜１７８号
、チェー９シー　・エムＯファング、Ｊ。

０、Ｍ、Ｈｗａｎｇ　）。

０ａＡｓ　　を蒸着した後、反射性を有するタングステ
ン層はＥＬＦプラズマエツチング法によって除去した。

基板は円筒形エツチング装置の試料支持具上に置いた。

エッチャントは２０％の酸素と８０％のＯＦ４　とから
成るものであった。エッチャントガスの合成圧力は、は
ぼ１５　”ｒ　　ｐａ　（ｔｔｏｒｒ）であった。プラ
ズマを生成するために加えた几Ｆ　（１３，５６ＭＨｚ
　）電力はほぼ１５０Ｗであり、はぼ３０．５　ｃｍ　
（１フイート）の長さで、２０．３　ｃｍ　（ｓインチ
）の直径の領域全体にわたって几Ｆ電力を加えた。プラ
ズマ処理はタングステン層を除去するために、はぼ３０
分にわたって連続して行った。

タングステンを除去した後では、蒸着したＧａＡｓ　　
の層は厚さがほぼ５μｍｎであシ、一様で平坦なようで
あり、１　×１０１５ｃＩｎ””より小さな背面キャリ
ア濃度は従来の牛ヤパシタンスー電圧プロファイル技術
を使用して測定可能なものよシ小さな背面キャリア濃度
であった。

基板の側面は最初にタングステン層と接触Ｉ〜でいて、
きわめて平坦であるようにみえた。

（実例　２．） ｉ　／ｉ・＋１厚の無添加Ｇ　ａＡ　ｓ層の蒸着の後で
、０．５１ｔｍ　、”ｌ−のシリコンを添加した（多数
子ヤリア濃度：　５　Ｘ　Ｉ　Ｑ１６（Ｉｍ−’　）層
を前記特願昭５８−７８６７６号に記載されているよう
な熱部ＩＪ１１層−１−に蒸着した。添加層のキャリヤ
濃度は、第２図の７０において示したようにウェハ上の
５点で測定し、基板から垂直な表面から測定された５つ
のプロファイルは第２図におけるプロット７１に示しで
ある。プロットから判明するように、添加層のキャリア
濃度と厚さとは全く一様である。移動度もファンデアパ
ラ（Ｖａｎ　ｄｅｒ　Ｐａｕｗ　）　　の方法により測
定した。室温では、この移動度はほぼ４．７／ＴＣｍ２
／ＶＳｅＣであり、この特定の添加レベルを備えた高品
質０ａｋｓ　　材料に対して望ましい値である。牙５図
に示す相互に垂直な方向に沿った蒸着を行なっている期
間に、基板の温度分布を測定した結果、オろ図のグラフ
により示すように優れた一様性が得られた。

【図面の簡単な説明】

牙１図は、本発明による適切な加熱装置構成を示す図で
ある。 第２図ならびに第６図は、本発明により達成される結果
を図示しだ図である。 〔主要部分の符号の説明〕 基板−一−−−−−−−−−−−−−−−−−−一一一
一一−〜−−−−−−−−−−−−−４０反射性を有す
る表面−ｍ−−−−〜−−−−−−−−３０，３１，３
２出願人：　ウェスターン　エレクトリックカムパニー
、インコーポレーテツド Ｆ／に、／ ＦＩＧ、２ ７’Ｊこさく　ミン【シ） ＦＩＧ、Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　加熱基板上へ材料を真空蒸着する方法であって、 前記基板を加熱する過程と、前記加熱基板上へ前記材料
   を形成する過程とから成立ち、前記加熱過程が、 （ａ）　　前記真空蒸着を行なうべき表面以外の表面で
   少なくとも８０％の反射性を 有する表面を該基板に与える過程と、 （ｂ）　　前記反射性を有する表面に反射性を有する環
   境を与える過程と、 （Ｃ）　　前記反射性を有する表面と前記反射性を有す
   る周辺との組合わせが輻射エ ネルギの主要部分に多重反射を生せし めるように、前記反射性を有する表面 に単−酋♀を与えている期間に一部分 が吸収されるような輻射エネルギを与 える過程と を含むことを特徴とする加熱基板上へ材料を真空蒸着す
   る方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、 前記輻射エネルギを少なくともひとつの加熱フィラメン
   トによって発生することを特徴とする加熱基板、トへ材
   料を真空蒸着する方法。 ３、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、 前記反射性を有する表面を耐火性金属から成る一組成に
   より形成することを特徴とする加熱基板上へ材料を真空
   蒸着する方法。 ４、特許請求の範囲第６項記載の方法であって、 前記耐火性金属がタングステンを含むことを特徴とする
   加熱基板上へ材料を真空蒸着する方法。 ５、特許請求の範囲第１項記載の方法であつて、 前記反射性を有する環境を耐火性金属によシ与えること
   を特徴とする加熱基板上へ材料を真空蒸着する方法。 ６、特許請求の範囲第５項記載の方法であって、 前記耐火性金属がタンタルを含むことを特徴とする加熱
   基板上へ材料を真空蒸着する方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、 前記真空蒸着を分子線エピタキシプロセスによシ行なう
   ことを特徴とする加熱基板上へ材料を真空蒸着する方法
   。 ８、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、 前記基板がＧａＡｓ　　またはＩｎＰを含むことを特徴
   とする加熱基板上へ材料を真空蒸着する方法。 ９　特許請求の範囲オ８項記載の方法であ前記材料がＧ
   ａ　Ａ　ｓ　を含むことを特徴とする加熱基板上へ材料
   を真空蒸着する方法。