JPH01301584A - 結晶成長方法及び結晶成長装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、結晶成長方法及び結晶成長装置に関し、詳し
くは化合物半導体基板上に結晶成長を行う前の基板の清
浄化に関する。

（従来の技術） 近年、化合物半導体を用いた高速デバイス、光デバイス
、光−集積回路（ＯＥＩＣ）の開発が急速に進展し、そ
れに伴う素子製作プロセスも高度化してきている。

化合物半導体結晶の特徴として、その代表であるＧａＡ
ｓを例にとると、Ｓｉに比べ電子移動度が５〜６倍も早
い上、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ等の混晶を用いれば、
人工的に格子定数、禁制帯幅を変化させることができ、
それを利用した新しいデバイス構造ができる。しかし一
方、一般に化合物半導体の表面は活性であり、不純物を
取り込みやすく、金属、絶縁体、半導体との界面が安定
しない。ところが、デバイスの高性能化、高集積化を図
るためには、このような界面の清浄化、平坦化が必要で
あり、これは通常の分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）
等の成長技術、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢ
Ｅ）等のエツチング技術だけでは対応できなくなってき
ている。

特に結晶加工を施した基板上に再成長を行う場合、界面
に炭素系の汚染物質および酸化物が生じ、深い準位を形
成することが知られているが、これを除去することは、
困難である。

通常の分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）では、ジャ
パン、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（
Ｊａｐａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　
Ｐｈｙｓｉｃｓ）２５巻、１２１６頁（１９８６年）に
発表されているように、基板を７００°Ｃ以上に加熱し
て表面の結晶をを熱により蒸発させる方法で界面の不純
物を除去している。

また反応性イオンビームエツチング（ＲＩＢＥ法）にお
いては、高真空下でＥＣＲイオン源を用いてラジカル化
した反応性ガスや水素により、基板表面をエツチングす
る方法かに、Ａｓａｋａｗａらによって、ジャーナル・
オブ・バキューム・サイエンス・テクノロジー−Ａ（Ｊ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　５ｃｉｅｎｃｅ　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａ）第４巻、６７７頁（１９８
６年）に報告されている。

他に、Ｊ、Ｐ、Ｃｏｎｔｏｕｒらは、ＭＢＥの準備室に
塩酸（ＭＣＩ）を導入して、基板表面に吸着させ、その
後ＭＢＥ室内で昇温しで、基板表面をクリーニングする
方法を用いている。ジャーナル・オブ・バキューム・サ
イエンス・テクノロジー−Ｂ（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
ＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　
Ｂ）第５巻、７３０頁（１９８７年）。

これらの方法は、いずれも高真空下で行うことにより雰
囲気からの汚染がないという利点がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかし上述したこれらの方法は以下のような問題がある
。

まずＭＢＥ法で行われている高温で熱により結晶表面を
蒸発させる方法（サーマルエツチング法）では、表面の
平坦性が損われる上、高温により不純物濃度の再分布が
生じ、デバイス特性を劣化させる原因となっている。ま
たこの方法では、炭素系の不純物を完全に除去できない
。

次にＲＩＢＥ法によるラジカルエツチング法では、炭素
系の不純物除去には効果があるが、高いエネルギーを持
つ分子が基板表面にダメージを与え、欠陥を生じさせる
。さらにイオンやラジカルに成長装置の内壁などがスパ
ッタされて不純物（おもに重金属）の汚染がおき、清浄
な界面を得ることは困難である。

また反応性ガスを導入して表面をエツチングする方法は
、ダメージがなく平坦性を損うこともないが、炭素系不
純物の除去にはあまり効果がない。

本発明の目的は、欠陥、不純物がなく、平坦な界面を形
成し、その上に良好なエピタキシャル層を成長すること
にある。

（問題点を解決するための手段） 本発明では、化合物半導体の基板表面を清浄化して、そ
の上に結晶成長する結晶成長方法において、高真空下で
の化合物半導体の基板表面に、高温に加熱することによ
り熱的に解離させた水素を供給して、表面を清浄化する
工程と該基板上に結晶を成長する工程が、連続して行わ
れることを特徴とする結晶成長方法と、真空容器と、該
真空容器内に設けられ基板を保持しかつ加熱する基板ホ
ルダと、前記真空容器内し°水素を導入するガス導入管
と、水素を加熱できる加熱装置と、半導体結晶をエピタ
キシャル成長できる分子線源を備えていることを特徴と
する結晶成長装置を提供する。

（作用） 水素ガスは、化合物半導体表面の酸化膜や炭素系の不純
物を除去する効果があることが知られているが、常温で
は反応が起こらず、水素に高いエネルギーを与えて解離
させる必要がある。本発明では、水素を高温に加熱して
、熱的に解離させ基板表面に供給するので、基板温度を
それ程、高くする必要もなく、また水素をイオンやラジ
カルにする必要もない。従って、不純物の再分布やダメ
ージが生じることはない。なお、８００°Ｃで加熱した
水素を質量分析計により測定したところ、１％の水素が
解離していることが分った。さらに望ましくは１Ｏ−３
ｔｏｒｒ以下の高真空下で行うとガス流はほぼ分子流と
なり、解離した水素は有効に基板表面に供給される。

（実施例） 以下に本発明の実施例を図によって説明する。

第１図は本願第２の発明の半導体結晶成長装置の構成を
示す概略図である。

本実施例の装置は、排気装置１と加熱機構を有する基板
ホルダー２を備えている通常の分子線エピタキシャル（
ＭＢＥ）成長室３と、水素ガスを導入するマスフローコ
ントローラ１とガス導入管４と、水素ガスを加熱する加
熱装置５と分子線を供給するためのＩＩＩ族原料セル６
、Ｖ族原料セルフ、ドーパント原料セル８、基板交換室
９、ゲートバルブ１０によって構成されている。ガス導
入管４は成長室３側ではステンレス製でこのステンレス
部分に石英管が接続され、マスコントローラ１１へと続
いている。加熱装置５はガス導入管４の石英部分にヒー
タを巻きつけた構造となっている。なお、加熱装置５は
この構造に限らず、例えば石英管内部にヒータを封入し
た型であっても良い。

本願第１の発明の実施例では、本装置を用いＧａＡｓの
再成長界面を以下の手順で作製した。まずＭＢＥ成長室
にＩＩＩ族原料として金属Ｇａ、　Ｖ族原料としてＡｓ
、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉを投入し、Ｓｉドープ３
　Ｘ　１．０１８ｃｍ　”のＧａＡｓ基板上にＳｉドー
プ３Ｘ１０１６ｃｍ−３のＧａＡｓエピタキシャル層を
成長温度６０００Ｃで、１．５ｐｍ成長させた。

この基板を基板交換室９から大気に取出、大気中にさら
した後、再び基板交換室９に入れて真空排気した後、Ｍ
ＢＥ成長室３に戻した。次に、基板温度を５００°Ｃに
上げて、Ａｓ雰囲気中で、８００°Ｃ〜１０００°Ｃの
各種温度に加熱した水素を、１０分間基板に照射した。

水素の分圧は、５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒである。

この後、基板上にＭＢＥ法によりＳｉドープ３　Ｘ　１
０１１０ｌ６のＧａＡｓを０．５１１ｍエピタキシャル
成長した。基板温度は、６００°Ｃである。

再成長界面の評価として、Ｃ−■測定により基板表面か
らの深さ方向のキャリア濃度の分布を求めた。第２図に
その結果を示す。第２図には比較のため、再成長界面を
従来のサーマルエツチング法で処理したものを示したが
、従来法では、界面でキャリア濃度の低下が見られたが
、本実施例の方法では、界面での不純物、ダメージがま
ったくないので、キャリア濃度の低下はまったく見られ
ない。また水素の加熱温度は８００°Ｃ〜１０００°Ｃ
の各温度で、発明の効果が認められた。

さらに再成長する前のエツチング面を、ＲＨＥＥＤで観
察したところ、本実施例でエツチングした基板は、スト
リークの超構造パターンを示し、損傷のない良好な界面
の形成が確認された。

なお、本実施例で用いた基板はＧａＡｓであるが他にＩ
ｎＰ、　ＡｌＧａＡｓのような他のＩＩＩ−Ｖ族化合物
あるいはその混晶でも同林な効果が得られた。

またＩＩＬＶ族化合物半導体基板上に成長させる材料は
、Ｓｉなどの他の半導体、電極金属などでも良いし、多
結晶あるいはアモルファスでも構わない。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、平坦で欠陥のない
清浄な界面を有する良好な再成長薄膜を得ることができ
、ひいてはデバイス特性を向上させる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略図。第２図はＧａＡｓ成長層
のキャリア濃度の表面から基板方向への深さ分布を示す
図である。 １、排気装置、２．基板ホルダ、３．　ＭＢＥ成長室、
４゜ガス導入管、５．加熱装置、６、ＩＩＩ族原料セル
、７゜Ｖ族原料セル、８．ドーパント原料セル、９．基
板交換室、１０．ゲートバルブ、１１．マスフローコン
トローラ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高真空下で、化合物半導体の基板表面に、高温に
   加熱することにより少くとも一部が熱的に解離させてあ
   る水素を供給して表面を清浄化する工程と、該基板上に
   結晶を成長する工程が連続して行われることを特徴とす
   る結晶成長方法。
2. （２）真空容器と、該真空容器内に設けられ半導体基板
   を保持しかつ加熱する基板ホルダと、結晶を成長させる
   ための分子線源とを備えた結晶成長装置において前記真
   空容器内に水素を導入するためのガス導入管と、水素を
   加熱するための加熱装置とを備えてあること特徴とする
   結晶成長装置。