JPH0283916A - 結晶成長方法および結晶成長装置 - 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およびその装置に関し、特に半導
体表面を清浄化し良好な再成長界面を形成する方法およ
びその為の結晶成長装置に関する。

（従来の技術） 化合物へテロ接合デバイスの高性能化と高集積化をはか
るためにはコンタクト層形成技術および平坦化技術の確
立が不可欠とされているが、素子の微細化が進展するに
つれて従来のイオン注入技術では対応できない程度の急
峻な界面を形成する必要が生じており、これに伴ない結
晶加工および再成長による選択成長技術が注目されて来
ている。周知のように、結晶表面は一度大気中に露出さ
れるとその表面には炭素系の汚染物質および酸化物がそ
れぞれ形成されるので、そのまま結晶を成長させるとそ
の界面に高いｐ十層および深い準位が発生し、第３図中
Ｂに示すようにｎ型半導体のキャノア濃度の減少が見ら
れる。

従ってこの再成長層を直接ｎ型コンタクト層として用い
た初期の実験段階では再成長界面の大きな接触抵抗の影
響で充分な効果を得ることができなかった。従来この解
決手段が探求され、結晶膜の成長が気相成長法（ＶＰＥ
）によるときは気相成長装置内に塩酸ガスなどを予かし
め流し結晶表面の汚れた面を僅かにエツチングしてから
結晶膜を再成長せしめる方法を採り、また、分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）によるときは７６０°Ｃ以上まで温
度を上昇させて表面の結晶を熱により蒸発させる、ジャ
パンジャーナルオブアプライドフイジックス誌ＣＪ、Ｊ
、Ａ。

Ｐ　ＶｏＬ２５．１９８６．１２１６頁）で発表の手段
が用いられて以来再成長界面における深い準位は少なく
なって来ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、ガスを用いて表面をエツチングする清浄
化方法の場合では、そのエツチング速度がガス流量、基
板温度およびエツチングすべき面積に敏感過ぎ、エツチ
ング量の制御が難しいので量産性に乏しく、また後者の
基板の成長温度（６００〜７００°Ｃ）以上の高温を用
い熱により結晶表面を蒸発させる方法によると、高温に
より不純物の再分布が生じ、高移動度トランジスタ（Ｈ
ＥＭＴ）では移動度の低下、メス型電界効果トランジス
タ（ＭＥＳＦＥＴ）ではしきい値電圧の変動が、また、
ヘテロバイポーラトランジスタにおいてはベース層中の
Ｐ型不純物がエミツタ層側へ拡散し電流増幅率ｐを大幅
に減少させるなどの好ましからざる現象を起こす。従っ
て、結晶面の清浄化は可及的に低温処理でなされること
が望ましい。この一つの手段は特開昭６０−４７４１４
号公報が記載する「薄膜成長方法及び薄膜成長装置Ｊの
発明によって開示される。上記発明は結晶表面の炭素系
汚染物の除去を目的とするもので酸素を含む交換室内に
紫外線照射を行なった後、生成された酸化物を成長室内
において加熱により除去する方法を開示する。しかしな
がら実際にこの手段を用いても再成長界面近傍でのキャ
リアの減少は低減されなかった。他の一つの手段は電気
通信学会論文誌［５ＳＤ８６−５０１５ページ］が掲載
する菅田らの論文によって開示される。

すなわち、上記論文によれは酸素（０２）、水素（Ｈ２
）、塩素（Ｃ１２）等のラジカルビームによって熱処理
する発明が開示される。これによれば４００°Ｃという
低温で水素（Ｈ２）ラジカルビームにより再成長界面の
キャリアの減少を可成り低減できることが示された。

しかし、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）による分
析結果によれば再成長界面には炭素のピークが見られて
おり、再成長界面の炭素系汚染物の除去が未だ不完全で
あることが示されている。

本発明の目的は、上記の状況に鑑み、成長温度以上の高
温を用いることなく結晶面を清浄化し良好な再成長結晶
膜を形成し得る半導体結晶の成長方法および結晶成長を
提供することである。

（作用） 従来技術において自然酸化膜が第４図（ａ）に示すよう
に半導体結晶表面を覆うマスクとして働き各表面処理に
たいして自然酸化膜ｌ半導体界面付近の炭素系汚染物の
除去を不完全にしていた。

本発明によれば、はじめに表面の自然酸化膜を第４図（
ｂ）に示すように除去し、炭素系汚染物を表面に露出さ
せ、これを化合物半導体の表面での化学的組成比番一定
に保つため低温で、化学的に励起された活性な酸素を用
い酸化した。−旦酸化した汚染物は昇温することで容易
に除去可能となった。この方法を行なうために活性な酸
素励起手段として、ラジカルビーム照射ガン、イオンビ
ーム照射ガン或は紫外線励起光源を有する各表面処理室
、各工程を周りの状態に影響されず連続的に行なうため
に、各表面処理室、成長室間を残留不純物ガス分圧の低
い高真空中で接続する装置を製作した。

（問題点を解決するための手段） 本発明の結晶成長方法は、半導体表面の自然酸化膜を加
熱し、蒸発させる工程と、上記酸化膜除去後の表面を化
学的に活性な酸素で酸化する工程と酸素および前記酸化
物を加熱し除去する工程とを連続的に行なう半導体基板
表面の清浄化および結晶の成長を行う工程を提供するも
のである。

またこのための結晶成長装置の一つは基板交換室と、分
子線照射手段と基板加熱機構を備える第１の超高真空基
板表面処理室と、ラジカルビーム照射ガンまたはイオン
ビーム照射ガンを装着する第２の超高真空表面処理室と
結晶成長室とがゲートパルプを介して連結され、基板を
前記基板交換室から結晶成長室まで順次移送する移動機
構とを備えている。

またもう１つの結晶成長装置は、基板交換室と、分子線
照射手段と基板加熱機構を有する第１の超高真空表面処
理室と、ガス導入口と紫外線を照射する手段とを備える
第２の超高真空表面処理室および結晶成長室とがゲート
パルプを介して連結されかつ半導体基板を前記基板交換
室から結晶成長室まで順次移送する移動機構とを含む。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明の結晶成長方法は結晶成長装置と共に説明すると
理解し易いと考えられるので以下これに従って記述する
。

第１図は本発明結晶成長装置の実施例を示すブロック構
成図である。本実施例によれば本発明の半導体製造装置
１００は、基板交換室１とゲートパルプ５を介し基板交
換室１と連結される第一の超高真空表面処理室２と、ゲ
ートパルプ６を介し第一の超高真空表面処理室２と連結
される第二の超高真空表面処理室３と、ゲートパルプ７
を介し第二の超高真空表面処理室３と連結される結晶成
長室４とゲートパルプ８，９．３２介し基板交換室１、
第一の超高真空表面処理室２および第二の超高真空表面
処理室３を排気する排気装置１０，１１．１９と基板交
換室１に装着される基板交換室扉１７と第一の超高真空
表面処理室２および第二の超高真空表面処理室３にそれ
ぞれ装着されるＶ旅程子線セル１２とラジカルビームま
たはイオンビーム照射ガン１３およびマイクロ波電力導
入口１４およびガス導入口１５を含む。

本実施例ではガリウムヒソ（ＧａＡｓ）基板を用いた場
合が示される。すなわち濃度２Ｘ　１０１１０ｌ６にシ
リコン（Ｓｉ）にドープされたＧａＡｓ基板（図示しな
い）が基板ホルダー１６上にセットされ基板交換界１７
を介し基板交換室内に収納される。ここでゲートパルプ
５および６を閉の状態に、また７、８および９を開状態
においてそれぞれ基板交換室扉１と第一の超高真空表面
処理室２および第二の超高真空表面処理室３を排気装置
（例えばターボ、モリキュラー・ポンプ）１０，１１．
１９で排気する。このようにして基板交換室の真空度が
５Ｘ１０−８Ｔｏｒｒに到達したのちゲートパルプ５を
開は真空度５Ｘ１０−９Ｔｏｒｒの第一の超高真空表面
処理室に基板を移動しただちにゲートパルプ５を閉める
。ついでＶ旅程子線セルからＡｓを分圧にしてｌＸｌ０
−５Ｔｏｒｒ試料に照射しながら５８０から６２０°Ｃ
まで基板温度を上げ表面の自然酸化膜を蒸発除去する。

第３図は上記実施例により形成された再成長界面と従来
方法によるものとの間のキャリアプロファイル特性の比
較データ図である。この測定データによれば、従来方法
によるキャリアプロファイルＢでは深さ１．２μｍ付近
における再成長界面でキャリアが減少し悪い界面特性を
示すのに対して、本発明方法によるキャリアプロファイ
ルＡでは深さ方向の全てにキャリア減少がなく良好な再
成長界面が形成されていることが確かめられた。

本発明方法はつぎのようにしても実施することが可能で
ある。すなわち、第２の超高真空基板表面処理室３まで
の工程を前回同様に行なった後、超高真空基板表面処理
室３内に水素（Ｈ２）ガスを導入して大気圧とし、また
結晶成長室４を有機金属気相成長室、あるいはハイドラ
イド気相成長室に構成してもよい。２Ｘ１０１６ｃｍ−
３のシリコン（Ｓｉ）−ドープ、ガリウム砒素（ＧａＡ
ｓ）を膜厚２Ｂ１ｍ再成長しキャリアプロファイルを測
定した場合でも再成長界面におけるキャリアの減少は認
められず良好な界面が形成されていることが確かめられ
ている。

つぎにＡｓの照射をやめ５　Ｘ　１Ｏ−７Ｔｏｒｒの真
空度まで排気したのちゲートパルプ６を開は真空度５Ｘ
１０−９Ｔｏｒｒの第二の超高真空表面処理室３に基板
を移動しただちにゲートパルプ６を閉める。そして高純
度酸素ガス（９９，９９９％）をガス導入口からｌＸｌ
０−’Ｔｏｒｒの真空度になる流量だけいれ、ついでマ
イクロ波導入口からマイクロ波電力を導入して電子共鳴
（ＥＣＲ）イオン源を有するラジカルビーム、イオンビ
ーム照射ガンにより化学的に活性な酸素、オゾン、酸素
イオンを基板表面に照射し表面の炭素系汚染物とともに
表面を酸化した。試料の温度は酸化を促進するため２０
０°Ｃまで昇温した。このとき炭素系汚染物は自然酸化
膜を除去した後なので表面に露出しており従来は、除去
することができなかった炭素系汚染物を容易に酸化でき
た。

つぎに第二の超高真空表面処理室を７Ｘ１０−７Ｔｏｒ
ｒまで真空排気しゲートパルプ７を開は結晶成長室４内
に基板を移動させ基板温度を６２０°Ｃまで上げ、酸化
して蒸発し易くなった炭素系汚染物を酸化膜と一緒に蒸
発させ清浄界面を露出させた後基板温度６００°Ｃで温
度２　Ｘ　１０１６ｃｍ−３のシリコンドープ（Ｓｉ）
ガリウムヒソ（ＧａＡｓ）層を２ｐｍ成長した。

第３図は本発明の他の結晶成長の装置実施例を示すブロ
ック構成図である。本実施例によれば、前実施例におけ
る第２が超高真空表面処理室３のマイクロ波導入口１４
が紫外線ランプと置換される。前実施例と同様に濃度２
　Ｘ　１０１６ｃｍ−３にシリコン・ドープされたガリ
ウム砒素（ＧａＡｓ）基板は、基板交換側扉１７から基
板交換室１内の基板ホルダー１６に装着される。

ここでゲートパルプ５および６を閉の状態に、また７、
８および９を開状態においてそれぞれ基板交換室扉１と
第一の超高真空表面処理室２および第二の超高真空表面
処理室３を排気装置（例えばターボ・モリキュラー・ポ
ンプ）１０，１１．１９を排気する。このようにして基
板交換室の真空度が５×１叶８’ｒＯｒｒに到達したの
ちゲートパルプ５を開は真空度５Ｘ１０　’Ｔｏｒｒの
第一の超高真空表面処理室に基板を移動しただちにゲー
トパルプ５を閉める。ついでＶ旅程子線セルからＡｓを
分圧にしてｌＸｌ０　’Ｔｏｒｒ試料に照射しながら５
８０から６２０°Ｃまで基板温度を上げ表面の自然酸化
膜を蒸発除去する。つぎにＡｓの照射をやめ５Ｘ１０−
７Ｔｏｒｒの真空度まで排気したのちゲートパルプ６を
開は真空度５　Ｘ　１Ｏ−９Ｔｏｒｒの第二の超高真空
表面処理室３に基板を移動しただちにゲートパルプ６を
閉める。

ついで高純度酸素ガス（ｏ２）。つぎに紫外線ランプ１
８が点灯され１８４．９Ｏｍおよび２５３．７Ｏｍの波
長光により酸素分子から強い酸化作用を持つオゾン（０
３）分子を発生される。オゾン（０３）分子の酸化作用
は極めて強くまた炭素系の汚染物は表面に露出している
ので大気圧下でも迅速に酸化処理される。従って、プラ
ズマ・ダメージもなく、汚染層の清浄化処理速度を高め
ることができる。

この後は第２の超高真空表面処理室３の中をＩ　Ｘ　１
Ｏ−７Ｔｏｒｒの真空度まで排気し前実施例と同様に結
晶成長室４に移送し、基板温度６２０°Ｃまで上げ酸化
して蒸発し易くなった炭素系汚染物を酸化膜と一緒に蒸
発させ清浄表面を露出させた後基板温度６００°Ｃで濃
度２Ｘ１０１６ｃｍ＝のシリコンドープ（Ｓｉ）ガリウ
ムヒソ（ＧａＡｓ）層を２μｍ成長した。

このようにして形成された再成長界面においても、キャ
リアの減少は認められず良好な界面が形成されているこ
とが確かめられる。

以上上記実施例の結晶成長装置を用いて半導体装置のコ
ンタクト層を形成した具体例を説明する。

第５図（ａ）〜（ｈ）は本発明の半導体装置の製造方法
をヘテロ接合２次元電子チャネル電界効果トランジスタ
のｎ＋コンタクト層の形成に実施した場合の工程順序図
である。まず高抵抗のカリウム砒素（ＧａＡｓ）基板２
０が準備される。ついでこの主面上には、濃度ｌＸ１０
１４ｃｍ−３のＰ型ガリウム砒素（Ｐ−ＧａＡｓ）層２
１および濃度２Ｘ１０１８ｃｍ＝のｎ型アルミ・ガリウ
ム砒素（ｎ−ＡＩＧａＡｓ）層２２がそれぞれ厚さ８０
００人および５００人に堆積され、更に膜厚４０００Ａ
のタングステン・シリサシド（ＷＳｉ）から成るゲート
電極２３がパターニング形成される。ついでその側壁を
シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）２４で絶縁被覆した後基
板全面にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ□）２５が４０００
人の厚さで形成される。（第５図（ａ）参照）。ついで
第５図（ｂ）に示すようにレジスト膜２６をマスクとし
てリシキン酸化膜（８１０２）２５は開口され、つぎに
第５図（Ｃ）に示すようにレジスト膜２６を除去した後
、Ｐ　ＧａＡｓ層２１まで深くエツチングされる。ここ
で、この基板全体を第１図に示した本発明にかかる結晶
成長装置内に入れる。基板交換室１を経て、表面を清浄
化し、結晶成長室４として分子線エピタキシャル成長装
置を用い、この成長室内に高真空中内で移送し、第５図
（ｄ）に示すようにシリコン（Ｓｉ）ドープｎ”ＧａＡ
ｓ（３Ｘ１０１８ａｍ−３）２７を２０００人成長した
。、第５図（ｅ）に示すようにこの際同時に形成される
多結晶ＧａＡｓ２８をリフトオフ法で除去する。ひきつ
づき第５図（Ｏに示すようにレジスト膜２９を用いて酸
素（０□）アッシング３０によりゲート電極２３の頭出
しを行う。更に第５図（ｇ）に示すようにオーミック電
極３１をＡｕＧｅ／Ｎｉのアロイ法で形成すれば第５図
（ｈ）の如き製品を得る。本発明にかかる第２図に示し
た結晶成長装置を用いて同様に高真空中で、試料表面を
清浄化した後、結晶成長室として、ハイドライドＶＰＥ
装置を用いてこの装置内で選択成長を行い、ｎ”ＧａＡ
ｓ（Ｓｉドープ３　Ｘ　１０１８ｃｍ１０ｌ８を３００
０人成長させることもできる。

以上本発明の製造方法を実施したことにより、ガスエツ
チングあるいは高温の成長前処理が不要となり、エツチ
ングのバラツキが低減し、ヘテロ界面の劣化も生じるこ
となき良好な再成長界面を形成することができ、ｎ　”
　ＧａＡｓコンタクト層２７と２次元電子チャネル３６
との接触抵抗を０．０３Ωｍｍ以下と十分低い値に設定
することができた。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、ＩＩＬＶ
族化合物半導体結晶表面を清浄化して結晶を再び成長す
る方法において従来技術では不可能であった再成長界面
の制御を可能とし、結晶成長温度以下における結晶表面
の清浄化および結晶の再成長を熱処理によるヘテロ界面
の劣化を招くことなく実現し得るので、ヘテロ接合デバ
イスの性能向上に顕著なる効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の結晶成長装置のブロック構成図、第２
図は本発明の結晶成長装置のもう１つのブロック構成図
、第３図は実施例により形成された再成長界面と従来方
法によるものとの間のキャリアプロファイル特性の比較
ランチを示す図、第４図（ａ）、（ｂ）は各々半導体表
面の大気中での汚染状態および従来の自然酸化膜除去後
の状態を示す図、第５図（ａ）〜（ｈ）は本発明の結晶
成長方法を適用して作製した半導体装置の製造工程順序
図である。 １・・・基板交換室、２・・・第１の超高真空基板表面
処理室、３・・・第２の超高真空表面処理室、４・・・
結晶成長室、５，６，７，８，９，３２・・ゲートパル
プ、１０，１１．１９・・・排気装置、１２・・・Ｖ旅
程子線セル、１３・・・ラジカルビームまたはイオンビ
ームの照射ガン、１４・・・マイクロ波電力導入口、１
５・・・ガス導入口、１６・・・基板ホルダー１７・・
・基板交換室用界、１８・・・紫外線照射ランプ、２０
・・・高抵抗ＧａＡｓ基板、２ｌ−Ｐ−ＧａＡｓ層、２
２−　ｎ−ＡｌＧａＡｓ層、２３−ＷＳｉゲート電極、
２４・・・Ｓｉ３Ｎ４膜、２５・・・ＳｉＯ□膜、２６
．２９・・・レジスト膜、２７−ｎ”ＧａＡｓ層、２８
−・・多結晶ＧａＡｓ層、２９−・・レジスト膜１．３
０・・・酸素（０２）アッシング、３１・・・ＡｕＧｅ
オーミック電極、３３・・・半導体結晶、３４・・・自
然酸化膜、３５・・・炭素系汚染物、３６・・・２次元
電子チャネル領域。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板表面の自然酸化膜を加熱することによ
   り、蒸発させる工程と上記酸化膜除去後の表面を化学的
   に活性な酸素で酸化する工程と、酸素および前記酸化物
   を加熱し除去する工程とを連続的に行なうことにより半
   導体基板表面を清浄化した後、結晶成長を行う工程を含
   むことを特徴とする結晶成長方法。
2. （２）基板交換室と、分子線照射手段と基板加熱機構を
   備える第１の超高真空基板表面処理室と、ラジカルビー
   ム照射ガンまたはイオンビーム照射ガンを装着する第２
   の超高真空表面処理室と結晶成長室とが各々ゲートパル
   プを介して連結され、かつ基板を前記基板交換室から成
   長室まで順次移送する移動機構を備えることを特徴とす
   る結晶成長装置。
3. （３）基板交換室と分子線照射手段と基板加熱機構を有
   する第１の超高真空表面処理室とガス導入口と紫外線を
   照射する手段とを備える第２の超高真空表面処理室と結
   晶成長室とが各々ゲートパルプを介して連結されかつ基
   板を前記基板交換室から結晶成長室まで順次移送する移
   動機構を備えることを特徴とする結晶成長装置。