JP3047523B2 - 選択エピタキシャル成長方法 - Google Patents
選択エピタキシャル成長方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体のエピタキシャル成長法に関する。
体のエピタキシャル成長法に関する。
【０００２】
【従来の技術】絶縁物をマスクとしてマスク以外の領域
に半導体薄膜を選択的にエピタキシャル成長させる方法
は、埋め込み型半導体レーザ、光集積素子、量子細線、
量子箱等の製造方法として欠くことのできない重要な技
術である。
に半導体薄膜を選択的にエピタキシャル成長させる方法
は、埋め込み型半導体レーザ、光集積素子、量子細線、
量子箱等の製造方法として欠くことのできない重要な技
術である。
【０００３】一方、超高真空中で原料を分子線として半
導体基板に供給することにより半導体薄膜をエピタキシ
ャル成長させる分子線エピタキシャル成長法は、低温成
長が可能なことや膜厚、組成の制御性が良いこと等の特
徴を有している。このような分子線エピタキシャル成長
法による絶縁物をマスクとした選択成長は、例えばジャ
ーナル オブ クリスタル グロース誌（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ） 第７７巻
（１９８６年） ３０３ページ、１９９０年第５１回秋
季応用物理学会講演予稿集 第一分冊 ２５０ページ
２７ｐ−Ｖ−３、ジャパニーズ ジャーナル オブ ア
プライド フィジックス誌（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕ
ｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）第
２９巻（１９９０年） １３６０ページ等に報告されて
いるようにこれまではＩＩＩ族原料として有機金属を用
いた有機金属分子線エピタキシャル成長法（ＭＯＭＢ
Ｅ）またはケミカルビームエピタキシャル成長法（ＣＢ
Ｅ）によるものが数多く報告されている。これらの成長
法ではＩＩＩ族原料である有機金属の分解が半導体基板
表面での表面反応に支配されており、表面上にはアルキ
ル基が１個または２個付いた中間生成物の形で化学吸着
している。この中間生成物の再脱離の速度が半導体表面
上と絶縁物上で大きく異なるために絶縁物上には堆積が
起こらず良好な選択成長が可能になるものと考えられて
いる。
導体基板に供給することにより半導体薄膜をエピタキシ
ャル成長させる分子線エピタキシャル成長法は、低温成
長が可能なことや膜厚、組成の制御性が良いこと等の特
徴を有している。このような分子線エピタキシャル成長
法による絶縁物をマスクとした選択成長は、例えばジャ
ーナル オブ クリスタル グロース誌（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ） 第７７巻
（１９８６年） ３０３ページ、１９９０年第５１回秋
季応用物理学会講演予稿集 第一分冊 ２５０ページ
２７ｐ−Ｖ−３、ジャパニーズ ジャーナル オブ ア
プライド フィジックス誌（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕ
ｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）第
２９巻（１９９０年） １３６０ページ等に報告されて
いるようにこれまではＩＩＩ族原料として有機金属を用
いた有機金属分子線エピタキシャル成長法（ＭＯＭＢ
Ｅ）またはケミカルビームエピタキシャル成長法（ＣＢ
Ｅ）によるものが数多く報告されている。これらの成長
法ではＩＩＩ族原料である有機金属の分解が半導体基板
表面での表面反応に支配されており、表面上にはアルキ
ル基が１個または２個付いた中間生成物の形で化学吸着
している。この中間生成物の再脱離の速度が半導体表面
上と絶縁物上で大きく異なるために絶縁物上には堆積が
起こらず良好な選択成長が可能になるものと考えられて
いる。
【０００４】一方、ＩＩＩ族原料として固体金属を用い
ると通常の成長条件ではＩＩＩ族原料の付着確率が１で
あるため絶縁物上に多結晶が堆積してしまい選択成長が
出来ない。しかしながら基板温度を半導体表面からのＩ
ｎ及びＧａの熱脱離が成長に比べて無視できないほどの
高温（ＩｎＡｓでは５７５℃以上、ＧａＡｓでは７００
℃以上）にすることによって、ＩＩＩ族原料として金属
Ｉｎ、Ｇａ、Ｖ族原料として金属砒素（Ａｓ4 ）を用い
たＩｎＡｓ、ＧａＡｓの選択成長を実現した例がアプラ
イド フィジックス レターズ誌（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐ
ｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ） 第５１巻（１９８７
年） １５１２ページ、及び信学技報第８７巻 ２７７
号 ４９ページにある。
ると通常の成長条件ではＩＩＩ族原料の付着確率が１で
あるため絶縁物上に多結晶が堆積してしまい選択成長が
出来ない。しかしながら基板温度を半導体表面からのＩ
ｎ及びＧａの熱脱離が成長に比べて無視できないほどの
高温（ＩｎＡｓでは５７５℃以上、ＧａＡｓでは７００
℃以上）にすることによって、ＩＩＩ族原料として金属
Ｉｎ、Ｇａ、Ｖ族原料として金属砒素（Ａｓ4 ）を用い
たＩｎＡｓ、ＧａＡｓの選択成長を実現した例がアプラ
イド フィジックス レターズ誌（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐ
ｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ） 第５１巻（１９８７
年） １５１２ページ、及び信学技報第８７巻 ２７７
号 ４９ページにある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する問題点は、ＭＯＭＢＥ法及びＣＢＥ法における選択
成長では成長層に高濃度のカーボン（Ｃ）がドーピング
されてしまい、高純度の半導体薄膜が得られないことで
ある。また、基板温度をＩＩＩ族元素の基板表面からの
熱脱離が無視出来ないほどの高温にしてＩＩＩ族、Ｖ族
共に固体ソースで選択成長する方法では成長速度が減少
し始める基板温度、即ち成長速度の温度依存性が大きい
成長条件で成長を行うため３元以上の混晶半導体の選択
成長を行う際には組成制御が困難になることである。
する問題点は、ＭＯＭＢＥ法及びＣＢＥ法における選択
成長では成長層に高濃度のカーボン（Ｃ）がドーピング
されてしまい、高純度の半導体薄膜が得られないことで
ある。また、基板温度をＩＩＩ族元素の基板表面からの
熱脱離が無視出来ないほどの高温にしてＩＩＩ族、Ｖ族
共に固体ソースで選択成長する方法では成長速度が減少
し始める基板温度、即ち成長速度の温度依存性が大きい
成長条件で成長を行うため３元以上の混晶半導体の選択
成長を行う際には組成制御が困難になることである。
【０００６】本発明は低温で高純度の半導体薄膜を選択
エピタキシャル成長させる方法を提供することを目的と
する。
エピタキシャル成長させる方法を提供することを目的と
する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による選択エピタ
キシャル成長方法は、超高真空中で、絶縁物をマスクと
してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をマスク以外の部分に選
択的にエピタキシャル成長させる方法において、ＩＩＩ
族原料として固体金属、Ｖ族原料としてホスフィン、ア
ルシン或は固体砒素を用い、かつ成長時に原子状水素を
基板表面に照射すること、またはＩＩＩ族原料を金属水
素化物の形で基板表面に照射することを特徴とする。
キシャル成長方法は、超高真空中で、絶縁物をマスクと
してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をマスク以外の部分に選
択的にエピタキシャル成長させる方法において、ＩＩＩ
族原料として固体金属、Ｖ族原料としてホスフィン、ア
ルシン或は固体砒素を用い、かつ成長時に原子状水素を
基板表面に照射すること、またはＩＩＩ族原料を金属水
素化物の形で基板表面に照射することを特徴とする。
【０００８】
【作用】絶縁物をマスクとしてマスク以外の部分に半導
体薄膜を選択的にエピタキシャル成長させるためにはマ
スク上に到達するＩＩＩ族原子または分子を再蒸発させ
ることによってマスク上への堆積を抑制する必要があ
る。ＩＩＩ族原料として固体金属を用いる場合には通常
の成長条件では基板への付着確率が１であるため、絶縁
物マスク上に到達したＩＩＩ族原料が再蒸発することな
く、マスク上に多結晶が堆積してしまう。しかしながら
成長中に半導体基板表面に原子状水素を照射すると、こ
の原子状水素と基板上のＩＩＩ族金属元素が反応して金
属水素化物が生成し、通常の成長温度でも基板表面から
再脱離することが出来るようになる（この時Ｖ族元素も
Ｖ族水素化物の形で再脱離する）。この再脱離の速度が
絶縁物マスク上では半導体基板上よりも大きいため絶縁
物マスク上への多結晶の堆積が抑制され半導体表面のみ
への選択成長が実現される。このような原子状水素は専
用の原子／ラジカルビーム源から照射するが、Ｖ族原料
のアルシン、ホスフィンをクラッキングして分解したと
きにも生成され、このＶ族原料から供給される原子状水
素も同様な効果を与えることが出来る。
体薄膜を選択的にエピタキシャル成長させるためにはマ
スク上に到達するＩＩＩ族原子または分子を再蒸発させ
ることによってマスク上への堆積を抑制する必要があ
る。ＩＩＩ族原料として固体金属を用いる場合には通常
の成長条件では基板への付着確率が１であるため、絶縁
物マスク上に到達したＩＩＩ族原料が再蒸発することな
く、マスク上に多結晶が堆積してしまう。しかしながら
成長中に半導体基板表面に原子状水素を照射すると、こ
の原子状水素と基板上のＩＩＩ族金属元素が反応して金
属水素化物が生成し、通常の成長温度でも基板表面から
再脱離することが出来るようになる（この時Ｖ族元素も
Ｖ族水素化物の形で再脱離する）。この再脱離の速度が
絶縁物マスク上では半導体基板上よりも大きいため絶縁
物マスク上への多結晶の堆積が抑制され半導体表面のみ
への選択成長が実現される。このような原子状水素は専
用の原子／ラジカルビーム源から照射するが、Ｖ族原料
のアルシン、ホスフィンをクラッキングして分解したと
きにも生成され、このＶ族原料から供給される原子状水
素も同様な効果を与えることが出来る。
【０００９】一方、ＩＩＩ族原料を基板に照射する前に
原子状水素と反応させて金属水素化物の形で基板に供給
すると、この金属水素化物の付着確率が１以下であるこ
とから有機金属を用いた場合と同様にこの金属水素化物
の基板からの再脱離がおこることにより選択成長が可能
となる。
原子状水素と反応させて金属水素化物の形で基板に供給
すると、この金属水素化物の付着確率が１以下であるこ
とから有機金属を用いた場合と同様にこの金属水素化物
の基板からの再脱離がおこることにより選択成長が可能
となる。
【００１０】
【実施例】図１に本発明の第一の実施例で用いる結晶成
長装置の概略図である。
長装置の概略図である。
【００１１】本実施例では基板として〈１１０〉方向に
ＳｉＯ2 ストライプマスクを形成したＩｎＰ（００１）
基板１０を用いた。ＳｉＯ2 マスクのストライプ幅、ス
トライプ間隔はそれぞれ５、１０、１５μｍ、１、２、
５、７μｍの幅振りとした。この基板を用い、超高真空
チャンバ１１中で基板温度を５２５℃とし、ＩＩＩ族元
素はＩｎ分子線強度２．０×１０- 7 Ｔｏｒｒ、Ｇａ分
子線強度６．３×１０- 8 ＴｏｒｒでそれぞれＩｎセル
１２、Ｇａセル１３から照射、Ｖ族元素はアルシン流量
３ｓｃｃｍ、ホスフィン流量１３ｓｃｃｍ、でガスセル
１４から照射した。原子状水素は、原子状水素ビーム源
１５からビーム強度１×１０- 5 Ｔｏｒｒで照射した。
なお、アルシン、ホスフィンはいずれもガスセル１２内
部で１０００℃でクラッキングした。
ＳｉＯ2 ストライプマスクを形成したＩｎＰ（００１）
基板１０を用いた。ＳｉＯ2 マスクのストライプ幅、ス
トライプ間隔はそれぞれ５、１０、１５μｍ、１、２、
５、７μｍの幅振りとした。この基板を用い、超高真空
チャンバ１１中で基板温度を５２５℃とし、ＩＩＩ族元
素はＩｎ分子線強度２．０×１０- 7 Ｔｏｒｒ、Ｇａ分
子線強度６．３×１０- 8 ＴｏｒｒでそれぞれＩｎセル
１２、Ｇａセル１３から照射、Ｖ族元素はアルシン流量
３ｓｃｃｍ、ホスフィン流量１３ｓｃｃｍ、でガスセル
１４から照射した。原子状水素は、原子状水素ビーム源
１５からビーム強度１×１０- 5 Ｔｏｒｒで照射した。
なお、アルシン、ホスフィンはいずれもガスセル１２内
部で１０００℃でクラッキングした。
【００１２】この条件でまずＩｎＰを０．１μｍ成長し
た後ＩｎＰ１５ｎｍ及びＩｎ0 . 76 Ｇａ0 . 2 4 Ａｓ
0 . 5 5 Ｐ0 . 4 5 （１．３μｍ組成）１０ｎｍからな
る超格子構造１０層を成長した。この結果ストライプ幅
及びストライプ間隔によらずマスク以外の部分のみに良
好な選択成長が実現できた。さらに基板表面で吸着種の
再脱離がおこるので低温成長条件でもカーボン濃度の低
い高純度半導体層が得られた。
た後ＩｎＰ１５ｎｍ及びＩｎ0 . 76 Ｇａ0 . 2 4 Ａｓ
0 . 5 5 Ｐ0 . 4 5 （１．３μｍ組成）１０ｎｍからな
る超格子構造１０層を成長した。この結果ストライプ幅
及びストライプ間隔によらずマスク以外の部分のみに良
好な選択成長が実現できた。さらに基板表面で吸着種の
再脱離がおこるので低温成長条件でもカーボン濃度の低
い高純度半導体層が得られた。
【００１３】図２は本発明の第二の実施例で用いる結晶
成長装置の概略図である。
成長装置の概略図である。
【００１４】本実施例でも第一の実施例と同様、基板と
して〈１１０〉方向にＳｉＯ2 ストライプマスクを形成
したＩｎＰ（００１）基板１０を用いた。ＳｉＯ2 マス
クのストライプ幅、ストライプ間隔もそれぞれ５、１
０、１５μｍ、１、２、５、７μｍの幅振りとした。こ
の基板を用い、超高真空チャンバ１１の中で、基板温度
を５２５℃に設定し、サブチャンバ２１において原子状
水素源２２から原子状水素を導入し、ＲＦスパッタによ
り加熱した金属Ｉｎ２３と反応させてＩｎx Ｈy を生成
させ、これをビーム強度４．０×１０- 7 Ｔｏｒｒでノ
ズルから基板１０に照射した。
して〈１１０〉方向にＳｉＯ2 ストライプマスクを形成
したＩｎＰ（００１）基板１０を用いた。ＳｉＯ2 マス
クのストライプ幅、ストライプ間隔もそれぞれ５、１
０、１５μｍ、１、２、５、７μｍの幅振りとした。こ
の基板を用い、超高真空チャンバ１１の中で、基板温度
を５２５℃に設定し、サブチャンバ２１において原子状
水素源２２から原子状水素を導入し、ＲＦスパッタによ
り加熱した金属Ｉｎ２３と反応させてＩｎx Ｈy を生成
させ、これをビーム強度４．０×１０- 7 Ｔｏｒｒでノ
ズルから基板１０に照射した。
【００１５】またＧａについても同様にサブチャンバ２
４において原子状水素源２５から導入した原子状水素と
加熱した金属Ｇａ２６を反応させてＧａx Ｈy を生成さ
せ、これをビーム強度１．３×１０- 7 Ｔｏｒｒでノズ
ルから基板１０に照射した。
４において原子状水素源２５から導入した原子状水素と
加熱した金属Ｇａ２６を反応させてＧａx Ｈy を生成さ
せ、これをビーム強度１．３×１０- 7 Ｔｏｒｒでノズ
ルから基板１０に照射した。
【００１６】アルシン及びホスフィン流量についても第
一の実施例同様それぞれ３、及び１３ｓｃｃｍとしてガ
スセル２７から照射し、クラッキング温度はいずれも１
０００℃とした。
一の実施例同様それぞれ３、及び１３ｓｃｃｍとしてガ
スセル２７から照射し、クラッキング温度はいずれも１
０００℃とした。
【００１７】この条件においてもＩｎＰを０．１μｍ成
長した後ＩｎＰ１５ｎｍ及びＩｎ0. 7 6 Ｇａ0 . 2 4
Ａｓ0 . 5 5 Ｐ0 . 4 5 （１．３μｍ組成）１０ｎｍか
らなる超格子構造１０層を成長した。この結果ストライ
プ幅及びストライプ間隔によらずマスク以外の部分のみ
に良好な選択成長が実現できた。更に本実施例でも低温
にもかかわらず高純度な半導体薄膜が得られた。
長した後ＩｎＰ１５ｎｍ及びＩｎ0. 7 6 Ｇａ0 . 2 4
Ａｓ0 . 5 5 Ｐ0 . 4 5 （１．３μｍ組成）１０ｎｍか
らなる超格子構造１０層を成長した。この結果ストライ
プ幅及びストライプ間隔によらずマスク以外の部分のみ
に良好な選択成長が実現できた。更に本実施例でも低温
にもかかわらず高純度な半導体薄膜が得られた。
【００１８】本実施例の第二の実施例においてはＩＩＩ
族元素の金属水素化物はサブチャンバでＲＦスパッタに
より生成して供給したが、トリメチルアミンガラン等の
有機金属を分解して生成してもよい。
族元素の金属水素化物はサブチャンバでＲＦスパッタに
より生成して供給したが、トリメチルアミンガラン等の
有機金属を分解して生成してもよい。
【００１９】本実施例ではＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半
導体材料を用い４元層として１．３μｍ組成を用いたが
他の組成を用いてもよく、またこの材料系以外の材料を
用いてもよい。また、本実施例では絶縁物マスクとして
ＳｉＯ2 を用いたが、Ｓｉ3 Ｎ4 を用いてもよい。また
本実施例ではＡｓ原料としてアルシンを用いたが固体砒
素を用いても本発明は実施できる。
導体材料を用い４元層として１．３μｍ組成を用いたが
他の組成を用いてもよく、またこの材料系以外の材料を
用いてもよい。また、本実施例では絶縁物マスクとして
ＳｉＯ2 を用いたが、Ｓｉ3 Ｎ4 を用いてもよい。また
本実施例ではＡｓ原料としてアルシンを用いたが固体砒
素を用いても本発明は実施できる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明の選択成長方
法によれば、ＩＩＩ族原料として固体金属を用いなが
ら、金属水素化物の形で基板表面での吸着種の再脱離を
起こすため、低温で高純度の選択成長膜が得られる。ま
た低温で成長できるので、混晶半導体の組成制御等の成
長条件の制御が容易となる。
法によれば、ＩＩＩ族原料として固体金属を用いなが
ら、金属水素化物の形で基板表面での吸着種の再脱離を
起こすため、低温で高純度の選択成長膜が得られる。ま
た低温で成長できるので、混晶半導体の組成制御等の成
長条件の制御が容易となる。
【図１】本発明の第一の実施例で用いる結晶成長装置の
概略図である。
概略図である。
【図２】本発明の第二の実施例で用いる結晶成長装置の
概略図である。
概略図である。
１０ 〈１１０〉方向にＳｉＯ2 ストライプマスクを形
成したＩｎＰ（００１）基板 １１ 超高真空チャンバ １２ Ｉｎセル １３ Ｇａセル １４ ガスセル １５ 原子状水素ビーム源 ２１ サブチャンバ１ ２２ 原子状水素源１ ２３ 金属Ｉｎ ２４ サブチャンバ２ ２５ 原子状水素源２ ２６ 金属Ｇａ ２７ ガスセル
成したＩｎＰ（００１）基板 １１ 超高真空チャンバ １２ Ｉｎセル １３ Ｇａセル １４ ガスセル １５ 原子状水素ビーム源 ２１ サブチャンバ１ ２２ 原子状水素源１ ２３ 金属Ｉｎ ２４ サブチャンバ２ ２５ 原子状水素源２ ２６ 金属Ｇａ ２７ ガスセル
Claims (2)
- 【請求項１】 超高真空中で、絶縁物をマスクとしてＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体をマスク以外の部分に選択的に
エピタキシャル成長させる方法において、ＩＩＩ族原料
として固体金属、Ｖ族原料としてホスフィン、アルシン
或は固体砒素を用い、かつ成長時に原子状水素を基板表
面に照射することを特徴とする選択エピタキシャル成長
方法。 - 【請求項２】 超高真空中で、絶縁物をマスクとしてＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体をマスク以外の部分に選択的に
エピタキシャル成長させる方法において、Ｖ族原料とし
てホスフィン、アルシン或は固体砒素を用い、ＩＩＩ族
原料を金属水素化合物として基板表面に照射することを
特徴とする選択エピタキシャル成長方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP3168538A JP3047523B2 (ja) | 1991-07-10 | 1991-07-10 | 選択エピタキシャル成長方法 |
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| JPH0521356A JPH0521356A (ja) | 1993-01-29 |
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-
1991
- 1991-07-10 JP JP3168538A patent/JP3047523B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH0521356A (ja) | 1993-01-29 |
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