JPH02230720A - 化合物半導体の気相成長方法およびその装置 - 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］ 本発明は化合物半導体の気相成長方法およびそれを行う
ための装置に関するものである。

［従来の技術］ 化合物半導体の気相成長方法には様々な方法があるが、
ハロゲンガスと金属とを反応させ、その反応によって生
じた金属ハロゲンガスを半導体の成長ガスに用いる方法
は、ハライド輸送気相成長方法と呼ばれている。このハ
ライド輸送気相成長方法は以下に挙げる特徴があるため
、化合物半導体、特に■−■族化合物半導体の成長方法
として多く用いられている。その特徴とは、成長した半
導体が高純度であること、３ｉ０２か形成された半導体
基板を用いればＳｉＯ２が形成されていない表面のみに
半導体を成長できるといった選択成長か容易にできるこ
と、更に混晶組成比が制御された多元混晶化合物半導体
を容易に成長できることなどが挙げられる。

近年、この方法を発展させた成長方法として原子層エピ
タキシャル法（ＡＬＥ法）が知られるようになった。こ
の方法は基板上に化合物半導体の単分子層の膜厚で１層
ずつ半導体を成長するものであり、膜厚が原子層オーダ
ーで制御されたヘテロＭＡ造や、異種の半導体を１分子
闇ずつ交互に積層させた分子層超格子構造を形成できる
方法として注目されている。

上記説明した気相成長方法およびそれに用いられる気相
成長装置は、例えばシτｌパニーズ・ジャーナル・オブ
・アブライド・フイシックス（　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
）　，　２５巻，　１９８６年，　　Ｌ２１２頁〜Ｌ２
１４頁に詳述されている。

従来用いられてきた成長装置は複数の独立な成長至か反
応管内に設置され、基板結晶を各成長室間で移動可能な
機構部が設けられていた。この装置を用いた従来の成長
方法を以下に説明する。

第１の成長室には、■族金屈とハロゲンガスの反応によ
って■族ハロゲンガス（例えば、ＧａＣ！やＩｎ（，ｊ
！）を発生させ、常時供給しておく。

第２の成長室は、Ｖ族ガスの供給、および基板結晶表面
のパージのために用いる。先ず、第２の成長至に挿入ざ
れている基板結晶を第１の成長室に移動させる。ここで
基板結晶表面は■族ハロゲンガスに晒され、表面に１分
子層の■族ハロゲンガスが吸着する。次に、基板結晶を
第２の成長室に移動し、キャリアガスで結晶表面をパー
ジする。

続いて、第２の成長室にＶ族ガスを導入する。ここで、
基板結晶表面はＶ族ガスに晒され、表面に１分子層の化
合物半導体が形成ざれる。その後、Ｖ族ガスの供給を停
止し、基板結晶表面のパージを行う。以上の工程を繰り
返すことによって単分子層単位の成長が行われる。

し発明が解決しようとする課題コ 一般に、■族金属とハロゲンガスとの反応は安定または
停止するまでに長い時間が必要であることが知られてお
り、このため■族ハロゲンガスの供給開始や停止を速や
かに行うことが極めて難しい。そこで、従来の成長方法
では■族ガスの切り換えを行わず、基板移動機構によっ
てガスの交互供給を実現している。

従って、従来法では基板移動時間が必要なこと、更に基
板移動中の成長を抑制するため非常に長いパージ時間が
必要であり、そのためデバイスを作製する程度の膜厚を
成長するのに｛へめで長い時間が必要であるという問題
点があった。

更に、従来の装置では反応管内が複数の成長室に分割さ
れているため、基板結晶サイズが必然的に小さなものと
なり、大面積成長等の早産性に不向きであった。

また、成長装置に関しても位置決め精度が要求された基
板移動機構部が必要であり、成長装置が複雑で高価であ
るという問題がめった。

本発明の目的は化合物半導体結晶の原子層エビタキシャ
ル成長において、従来のかかる欠点を除去し、単分子層
成長するのに必要な時間を短縮することによって短時間
で目的とする成長層を得ることができる成長方法および
装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、成長させるべき■−Ｖ族化合物半導体の■族
原料ガスとして■族元素のハロゲン化物を用い、該■族
原料ガスと■族原科ガスとを反応管内の結晶成長領域内
に設置された基板結晶表面に交互に供給して結晶成長を
行う化合物半導体の気相成長方法において、■族原料ガ
スの供給工程が、■族金属とハロゲンガスとを高温で反
応させて■族原料ガスを生成する工程と、高温に保持さ
れた■族原料ガスを反応管内または反応管に導通して設
置されたｍ族ガス蓄積室に導入・蓄積する工程と、前記
■族原料ガスを基板結晶表面に搬送するキャリアガスを
、前記■族原料ガスよりも高い圧力で前記■族ガス蓄積
室に接続した予備室に蓄積する工程と、前記■族ガス蓄
積室と前記予備室とを導通させて、前記キャリアガスを
前記■族ガス蓄積室に導入すると共に、前記■族原料ガ
スを基板結晶表面に瞬時に供給する工程とを備えてなる
ことを特徴とする化合物半導体の気相成長方法である。

また、上記方法を実現するための装置は、成長させるへ
き■一Ｖ族化合物半導体の■族原料ガスとしてＩＩＩ族
元素のハロゲン化物を用い、該■族原料ガスと■族原料
ガスとを結晶成長領域内に設置された基板結晶表面に交
互に供給して結晶成長を行う反応管を備えた化合物半導
体の気相成長装置において、反応管内または反応管に導
通して設置された前記反応管への供給用■族原料ガスを
蓄積する■族ガス蓄積室と、該■族ガス蓄積室に付設さ
れた■族原料ガスを発生させる■族ガス発生室と、前記
■族ガス蓄積室よりも高い圧力でキャリアガスを蓄積す
る前記■族ガス蓄積室に接続した予備室とからなる■族
ガス供給系と、前記■族ガス蓄積室および■族ガス発生
至と前記反応管内の成長領域とをそれぞれ独立に温度制
御する手段を備えてなることを特徴とする化合物半導体
の気相成長装置である。

［作用］ 本発明による気相成長装置の■族ガス供給系の基本的構
成を第２図に示す。この例では■族金属としてはＧａ１
ハロゲンガスとしてはＨＣｆを用いて以下説明する。

■族ガス発生室２０４内では■族金属（Ｇａ）２０５と
Ｈ２で希釈されたＨ（１！とが反応して■族ハロゲンガ
スで必るＧａＣｊ？が発生する。ＧａＣ！ガスは細管２
０６を通って■族ガス蓄積室２０７に導かれ、蓄積され
る。この時、■族ガス発生至２０４および■族ガス蓄積
室２０７は加熱炉２０８によって加熱ざれる。同時に、
予備室２０２には弁２０３を閉、弁２０１を開にするこ
とによって、キャリアガスで必るＨ２を蓄積室２０７よ
り僅かに高い圧力まで蓄え、弁２０１を閉める。■族原
料の供給時間になったところで弁２０３を開け、蓄積室
２０７にト１２を導入する。その結果、口の狭い蓄槓室
出口より所定場蓄積されたＧａＣｆが噴則され、予備室
の圧力が蓄積室の圧力と等しくなった時点でＧａＣｆｆ
ｉの供給は停止する。

以上のことより、本発明の方法ではＧａＣでの供給およ
び停止を極めて急峻に行うことができる。

また、基板結晶（こ１回供給されるＧａＣＩ　Ｉは阻族
ガス発生室に供給するＨＣＲ流量（ＳＣＣｍ／ＳｅＣ　
）と蓄積時間（ｓｅｃ）の積によって任意に、かつ精密
に制御することができる。

［実施例］ 次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

なお、本実施例では■族原料ガスとしてＧａとＨＣＮの
反応によって生じるＧａＣβを用い、ＧａＡＳ基板結晶
にＧａＡＳ層を成長させる例について述べる。

第１図は、本実施例に用いられる気相成長装置の概略構
成図である。同図にあいて、反応管１１０内には■族原
料ガスを蓄積する■族ガス蓄積室１０６が備えられ、該
■族ガス蓄積室１０６には、Ｈ２ガス配管を有する■族
ガス発生室１０４が付設されている。発生室１０４内に
は■族金属１０５か設置され、発生室１０４で発生した
■族原料ガスは蓄積室１０６に蓄積ざれるようになって
いる。蓄積室１０６はキャリアガスを蓄積する予備室１
０２に弁１０３を介して接続され、上記予備室１０２　
、Ｉ族ガス発生室１０４および■族ガス蓄積室１０６を
もって■族ガス供給系が構成ざれている。

反応管１１０には、さらにＶ族ガスを基板結晶１０８上
に供給するためのバイパス管１０９が設置されている。

また、加熱炉１０７は■族ガス発生至１０４と■族ガス
蓄積室１０６、および基板結晶１０８を戟置された成長
領域を独立に温度制御できるようになっている。

以上のように構成された気相成長装置を用いて、次のよ
うにして気相成長を行った。

加熱炉１０７により、■族ガス発生室１０４と■族ガス
蓄積室１０６は８００゜Ｃ１基板結晶１０８が置かれた
成長領賊は４００゜Ｃに設定した。

反応管上流部よりキャリアＨ２を流ｔｉｌｏｊ２／ｍｉ
ロで供給し、■族ガス発生室１０４にはヒ１２で１０％
に希釈されたＨＣ２を３００ｃｃ／ｍｉｎ流し、予備至
１０２には圧力が■族ガス蓄積室１０６より１００　Ｔ
ｏｒｒ高くなるようにヒ１２を蓄積した。

成長方法を以下詳細に説明する。まず、弁１０３を開け
、蓄積室１０６内のＧａＣｆｆｉガスを基板結晶表面に
噴射した。予備至の圧力は約０．５秒で反応管圧力と同
じになり、ＧａＣｆ！の供給は停止した。

その後、１秒間のＨ２パージを行い、続いてバイパス管
１０９ヨリＶ族ｊＪステアルＡ　Ｓ　Ｈ３　ヲ３６０ｃ
ｃ／ｍｉｎの流量で０．５秒間基板結晶１０８表面に供
給した。供給停止後１秒間のＨ２パージを行った。

以上の工程を３０００回繰り返し、成長を終了した。

この結果、鏡面性に優れたエビタキシャル層か得られ、
全成長層厚より単分子層成長（　２．　８３Ａ　／サイ
クル）が実現されていることが確認された。

本実施例における成長条件ではＧａＡＳ単分子層が成長
するのに要する時間は４秒であり、この成長速度は分子
線エビタキシー法（ＭＢＥ法）や有機金属気相成長法（
ＭＯＣＶＤ法）とほぼ同じであり、実用上なんら問題な
い水準でおる。

上記実施例では、反応管に■族ハライドガス供給系か１
組であり、Ｖ族ガスを供給するバイパス管も１つであっ
たが、本発明は複数の■族ハライドガス供給系、複数の
Ｖ族ガス供給系で構成しても差支えなく、また、成長せ
しめようとした半導体としてＧａＡＳを用いたか、本発
明はこれに限定されず、ＩｎＰやＧａＰ等の他の化合物
半導体でもよく、更に（ＩｎＡＳ＞＋　　（ＧａＡＳ）
＋　といった分子層超格子構造半導体でもよい。

さらに、上記実施例では、ハロゲンガスとしてＨＣｆ！
を用いたか、本発明はこれに限定ざれず、１２　，１３
ｒ，ＣＩ２２等の他のハロゲンガスでもよく、また、Ｖ
族ガスとしてＡＳ’Ｈ３を用いたが、他のＶ族原料ガス
でもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、従来技術で問題
となっていた■族ハロゲンガスの供給および停止を極め
て速やかに行うことができ、その結果、単分子層単位の
成長を高速で行うことが可能となる。また、基板を移動
する工程を必要としないため、大面積基板を用いた成長
か可能となり、量産性に優れた方法である。また、本発
明の気相成長装置によれば基板移動機構部を必要としな
いので、安価な成長装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による気相成長装置の一例の概略構成図
、第２図は本発明の■族ガス供給系の基本的構成を示す
概Ｗ８構成図である。 １０１　，　１０３　，　２０１　，　２０３・・・弁
１０２　，　２０２・・・予備至 １０４　，　２０４・・・■族ガス発生室１０５　，　
２０５・・・■族金属 ０６　，　２０？・・・■族ガス蓄積室０７　，　２０
８・・・加熱炉 ０８・・・基板結晶 ０９・・・バイパス管 １０・・・反応管 ２０６・・・細管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）成長させるべきIII−Ｖ族化合物半導体のIII族原
   料ガスとしてIII族元素のハロゲン化物を用い、該III族
   原料ガスとＶ族原料ガスとを反応管内の結晶成長領域内
   に設置された基板結晶表面に交互に供給して結晶成長を
   行う化合物半導体の気相成長方法において、III族原料
   ガスの供給工程が、III族金属とハロゲンガスとを高温
   で反応させてIII族原料ガスを生成する工程と、高温に
   保持されたIII族原料ガスを反応管内または反応管に導
   通して設置されたIII族ガス蓄積室に導入III蓄積する工
   程と、前記III族原料ガスを基板結晶表面に搬送するキ
   ャリアガスを、前記III族原料ガスよりも高い圧力で前
   記III族ガス蓄積室に接続した予備室に蓄積する工程と
   、前記III族ガス蓄積室と前記予備室とを導通させて、
   前記キャリアガスを前記III族ガス蓄積室に導入すると
   共に、前記III族原料ガスを基板結晶表面に瞬時に供給
   する工程とを備えてなることを特徴とする化合物半導体
   の気相成長方法。
2. （２）成長させるべきIII−Ｖ族化合物半導体のIII族原
   料ガスとしてIII族元素のハロゲン化物を用い、該III族
   原料ガスとＶ族原料ガスとを結晶成長領域内に設置され
   た基板結晶表面に交互に供給して結晶成長を行う反応管
   を備えた化合物半導体の気相成長装置において、反応管
   内または反応管に導通して設置された前記反応管への供
   給用III族原料ガスを蓄積するIII族ガス蓄積室と、該I
   II族ガス蓄積室に付設されたIII族原料ガスを発生させ
   るIII族ガス発生室と、前記III族ガス蓄積室よりも高い
   圧力でキャリアガスを蓄積する前記III族ガス蓄積室に
   接続した予備室とからなるIII族ガス供給系と、前記II
   I族ガス蓄積室およびIII族ガス発生室と前記反応管内の
   成長領域とをそれぞれ独立に温度制御する手段を備えて
   なることを特徴とする化合物半導体の気相成長装置。