JPH03244119A - ３―５族化合物半導体の気相成長方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、■−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法に係わ
り、特に、例えばＩｎＰ基体上にＧａＴｎＡｓ、へｉ’
ｒｎＡｓ等のＩ−Ｖ族化合物半導体をＭＯＣＶＩＩ（Ｍ
ｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏ
ｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　　：有機金属による化学的
気相成長）法によって形成して、半導体装置、例えばＦ
ＥＴ（電界効果トランジスタ）を得るものである。

〔発明の概要〕

■−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法において、反応炉
中に、■族原料ガスと■族原料ガスとをそれぞれ独別に
含む■族原料キャリアガスとＶ族原料キャリアガスとを
独別に制御して送り込むことができるようにした第１及
び第２のガス供給口が、被気相成長基体の配置部近傍に
設けられ、上記■族原料キャリアガスの流量をＣＩＩＩ
とし、Ｖ族原料キャリアガスの流量をＣＶとするとき、
■−Ｖ族化合物半導体の膜厚の制御性を良好にし、特性
の向−ヒをはかる。

［従来の技術］ １１１−Ｖ族化合物半導体は、近年例えばＡＺＧａｌｎ
Ｐ系の半導体レーザ装置、選択ドープＡＩ　ＩｎＡｓ／
Ｇａ　ＩｎＡｓ構造の２次元電子ガスチャンネルによる
高電子移動度トランジスタ（いわゆるＩＩＥＭＴ）等に
広く利用されてきている。

このような＾ＺＧａｌｎＰ、　Ｇａ１ｎＡｓ等の化合物
半導体は、熱力学的制限からエピタキシャル成長は極め
て困難であり、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長
の開発研究が進められている。

このＡＺＧａＩｎＰ系等の■−■族化合物の生成は、メ
チル系或いはエチル系のＭＯＣＶＤ法によって行われる
。−船釣にはその■族金属ＡＩ、Ｇａ及びＩｎの各供給
原料としては、それぞれの有機金属ガス、例えばエチル
系ＭＯＣＶＤ法においては、トリエチルアルミニウム、
トリエチルガリウム、トリエチルインジウム（以下それ
ぞれＴＥＡＺ、ＴＥＧａ、ＴＥＩｎと略記する）を用い
、Ｐ（りん）の供給原料ガスとしてホスフィンＰｌ＋３
（Ａｓ　（ひ素）の供給原料ガスとしてアルシンＡｓｔ
１３を用いる。

ところが、この場合、その原料基体の例えばＴＥＩｎと
Ｐｌ＋３とは、ＴＥＩｎが熱的に不安定であるに比し、
ＰＨ，ば熱的に極めて安定であり、両者を室温で混合す
ると中間寄生反応が起こり、華気圧の低い重合物（ポリ
マー）を生しるということが報告されている。

このため、このような中間寄生反応を抑制するために、
反応炉内を減圧するとか、ＰＩ（、を予め分解して供給
するなどの方法が採られていたが、減圧成長による場合
は装置が複雑となるばかりでなく制御性が低く、また、
Ｐ）ｌａを予備分解する方法による場合は、供給ガスの
温度を高めることになるため、分解ガスと、上述したよ
うな熱的に不安定なＴｔ３＋ｎとを合流混合する際に、
ＴＥｌｎの好ましくない分解や、中間反応を生し易くす
るという問題があった。

そこで、本出願人は特開昭６１−３５５１４号公報にお
いて■、Ｖ族原料ガスを独立に反応器に供給し、両基体
を基板に達する直前で混合させて、基板上にＡｆＧａｌ
ｎＰ系の■−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長
させる方法を提案した。

Ｇａ１ｎＡｓ、　ＡＺＩｎＡｓ系においても、このよう
に■。

■族原料ガスを独立に反応器に導入するという上述の方
法により、良好な半導体化合物が得られている。

しかしながらこのような方法により作製した半導体化合
物は、その膜厚を均一にすることが難しく、例えば基板
のウェーハの中央部では膜厚が大、周縁部では膜厚が小
となるという不都合が生しる。

従って、例えば選択ドープＡｔ　ＩｎＡｓ／Ｇａ　Ｉｎ
Ａｓ構造のＦＥＴを作製した場合、膜厚をｄとすると、
そのしきい値電圧ｖｔｈは、ドーピングを均一にした場
合には、膜厚の２乗ｄ２に比例し、ドーピングをライン
状すなわちある層にのみ部分的に行う場合は、はぼ膜厚
ｄに比例するため、膜厚の不均一に伴って、しきい値電
圧ｖｔｈも不均一となり、目的とする特性の半導体装置
を得難い。

−な膜厚すなわち特性を有する化合物半導体装置を作製
することを可能にした■−Ｖ族化合物半導体の気相成長
方法を提供することをその目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明によるＩ−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法に用
いる気相成長装置の一例の要部の路線的断面図を第１図
に示す。

■−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法において、反応炉
（１０）中に、■族原料ガスと■族原料ガスとをそれぞ
れ独別に含む■族原料キャリアガスとＶ族原料キャリア
ガスとを独別に制御して送り込むことができるようにし
た第１及び第２のガス供給口（１）及び（２）が、被気
相成長基体（３）の配置部（４）近傍に設けられ、■族
原料キャリアガスの流量をＣ１１ｒとし、Ｖ族原料キャ
リアガスの流量をＣＶとする〔発明が解決しようとする
課題〕 本発明は、上述したような問題を解決して、均しｍ十ｔ
、ｖ （作用］ 上述したように、本発明による■−Ｖ族化合物半導体の
気相成長法では、■族と■族の原料ガスを独立に反応器
に供給する。これは、気相中の中間寄生反応を避けるた
めであるが、このため原料ガスの混合は、第１図に示す
ようにできるだけ被気相成長基体（３）の直前で行われ
ることが望ましい。

また、この基体（３）の直前で混合した原料ガスはある
流速をもって基体（３）上を移動するが、その移動の過
程は、第２図に示すように、化合物の成長速度が増加す
る領域Ａ、成長速度がほぼ一定の領域Ｂ、成長速度が減
少する領域Ｃの３領域に大別し得る。

したがって、膜厚を均一化するためには、被気相成長基
体（３）は領域Ｂに配置されることが望ましいが、上述
したように原料ガスの混合は基体（３）の直前で行われ
るため、実質上、領域Ａ側に基体（１）がずれている状
態となる。

このような成長速度の分布は、一般に原料ガスの混合、
分解、拡散等の素過程の組合せで決定され、各素過程の
条件は反応炉の形状、成長温度等により変化するが、特
に■−Ｖ族化合物の場合、Ｖ族原籾に対し、■族原料の
供給がＭＯＣＶＤ戒長の律速となっていることから、上
述したような成長速度の分布も、Ｖ族原料に対する■族
原料のキャリアガスの流量、流速による影響が大である
ことが予想される。

そこで、■族原料キャリアガスの流量ＣＩＩＩとＶ族原
料キャリアガスの流量ＣＶとの比、ＣＩＩＩ／（Ｃ■＋
ＣＶ）を０．７７以上１．０未満としたところ、膜厚の
均一な領域が充分に得られた。

これは次の現象に因るものと思われる。

第１図において、■族原料キャリアガスを第１の供給口
（１）、Ｖ族原料キャリアガスを第２の供給口（２）よ
り導入させるとする。ヘルヌーイの定理によると、ガス
流は動圧と静圧の和によって表わされ、■族側とＶ族側
のガス供給口（１）及び（２）内では、となる。ω１．
ω２は各供給口（１）及び（２）内の各流速で、Ｐ、、
Ｐ２は各静圧、ρは密度である。各供給口（１）及び（
２）の形状は等しく設計されており、この場合は供給流
量と流速はある定数で変換できる。

この場合、同じ反応炉（１０）内に導入されることから
、圧力は等しいので右辺の定数は等しくなり、ω、〉ω
２であることから、Ｐ＋（Ｐｚとなる。従って、Ｖ族原
料キャリアガスは供給口（２）の白日付近で■族原料キ
ャリアガス側の供給口（１）に引き込まれることになり
、■族原料キャリアガスと■族原料キャリアガスとが混
合される位置が、被気相成長基体（３）から供給口（１
）側へずれたことになり、第２図における領域へからＢ
側へ、被気相成長基体（３）がずれたと同等の効果が得
られることとなる。

これにより、■−Ｖ族化合物の膜厚を均一に作製するこ
とができ、特性の均一化をはかり、すなわち、目的とす
る設計通りの半導体装置を得ることができる。

〔実施例〕

以下、第１図を参照して本発明による■−Ｖ族化合物半
導体の気相成長方法を説明する。

第１図において、（１０）は例えば石英管よりなる反応
炉で、反応炉（１０）内には、例えば円形のＩｎＰ単結
晶よりなる被気相成長基体（３）を載置する配置部（４
）を設ける。この配置部（４）は加熱によりこれの上の
基体（３）を所要の温度になすように設定される。

この加熱手段は、例えば図示しないが、反応炉（１０）
の外部に設けた高周波コイルによる高周波誘導加熱手段
によって構威し得る。また配置部（４）の基部には図示
しないが、その中心軸上で回転する回転手段が設けられ
、これにより、より均一な膜厚の化合物半導体を得るよ
うになされる。

そしてこの配置部（４）上の基体（３）の上面と、反応
炉（１０）の上部の内壁面との間の高さに、かつその端
面が基体（３）の−側の端部上に近接するようにして、
第１の供給口（１）及び第２の供給口（２）が設けられ
る。これら第１及び第２の供給口（１）及び（２）は、
その断面形状が等しく、かつ図示しないが、第１図と紙
面と直交する方向の幅が、例えば基体（３）の直径と等
しい長方形となされる。

このような構成において、例えば■族金属のトリメチル
化合物、例えばトリメチルガリウムＧａ（ＣＩ＋３）３
とトリメチルインジウムＩｎ（ＣＨ３）３を所要の混合
割合をもって、キャリアガスの水素Ｈ，中に０．１％未
満混入させた■族原料キャリアガスを、矢印ｇ＋で示す
ように第１の供給口（１）から送り込み、Ｖ族原料とし
て例えばアルシンＡＳＨ３を同様にキャリアガスの水素
Ｈ２中に１０％未満混入させたＶ族原料キャリアガスを
、矢印ｇ２で示すように第２の供給口（２）から送り込
む。このとき基体（３）の温度は例えば６４０°Ｃに保
持しておく。

このようにして第■及び第２の供給口（１）及び（２）
から導入された各原料キャリアガスは、供給口（１）及
び（２）の開口端（５）の近傍で混合された後、矢印ｇ
で示すように基体（３）の上面に沿って移動して、基体
（３）上に化合物半導体Ｇａ１ｎＡｓを成長させ得る。

この場合、各供給口（１）及び（２）においては共に、
流量１０Ｉ！、７分の場合で約１ｍ／秒の流速となって
いる。

上述したような方法により、直径２インチ（約５０＋ｎ
ｍ　）のＩｎＰつ、？−−ハ（３）に対して、ｍ、ｖ族
原料キャリアガスの各流量を表１に示すように変化させ
てＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させた。なお、各側とも
配置台（４）の回転をせずに、１時間の気相成長を行っ
た後、基体（３）上に作製された化合物半導体層の膜厚
をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）により測定した。

表　　１ 表１において、ｃｍは■族原料キャリアガスの流量、Ｃ
ＶはＶ族原料キャリアガスの流量で共に１ ２ 単位は２７分である。なお、上述した例では供給口（１
）及び（２）の断面形状を等しくしたので、各原料キャ
リアガスの流速をｖｍ及びＶｖとするとき、ＣＩＩＩ／
（ＣＩＩＩ＋ＣＶ）は、Ｖｍ　／　（Ｖｍ＋Ｖｖ）で置
き換えられる。

各側における、供給口の開口端（５）すなわち被気相戒
長基体（３）の端部からの距離に対する化合物半導体す
なわちこの場合ＧａＩｎＡｓの膜厚の分布を第３図に示
す。

第３図において、ａ　−ｆはそれぞれ表１に示すように
比較例１．２及び実施例１〜４の流量条件における膜厚
の分布を示す。

第３図に示すようにある距離から膜厚がほぼ一定、すな
わち成長速度が一定となることがわかる。

流量比ＣＩＩＩ／（ＣＩＩＩ＋ＣＶ）ずなわちＶｍ／（
Ｖｍ→Ｖｖ）に対する、成長速度が一定となり始める距
離の変化を第４図に示す。第４図に示すように、ＣＩＩ
ＩとＣＶの比即ちＶｍとＶｖの比を変化させることによ
り、成長速度が一定となる距離はほぼ比例関係にあるこ
とがわかる。そして、この場合配置台（４）すなわちこ
れの上のウェーハ（３）を回転しないで成長させた場合
を示すが、ウェーハ（３）を回転させた場合は、停止状
態における膜厚不均一部分が実質的に供給口（１）及び
（２）の開口端（５）から遠ざかる位置を通過すること
によって、ある程度の膜厚が上昇する部分が広がる。こ
のことを考え合わせれば、２インチウェーハであっても
、距離３５ｍｍ以上で均一な膜厚を形威し得る流速比、
第４図に示すように流速比０．７７以上であれば３分の
１以上の面積において、はぼ均一な膜厚すなわちほぼ均
一な特性を得ることができる。さらに膜厚の均一な領域
を増加させるためには、０．８３以上程度の流速比とす
ることが望ましい。なお、この場合■族原料キャリアガ
スの流速比を１．０未満とすれば、均一な膜厚のＧａ　
ＩｎＡｓ膜を得られた。

また、上述した比較例１と実施例４では、他の各側と比
較して化合物半導体の厚さ即ち成長速度が、全体的に低
い値となっているが、これは装置のクリーニング前とク
リーニング後によって生じた変化であり、第４図に示す
ように各原料ガスの流速比と、成長速度が一定となる距
離との関係を見ると、はぼ−直線−Ｌにのり、比例関係
を示すことがわかる。

また上述した例においては、ＩｎＰ単結晶基体（３）上
に、Ｇａ１ｎＡｓ化合物を成長させた例を示したが、そ
の他■−Ｖ族化合物半導体を作製する場合に応用するこ
とができる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明による■−■族気相戒長方法に
よれば、■族原料キャリアガスの流量比を大とすること
により、■、■族原料キャリアガスが混合される位置を
、実質的に被気相成長基体の端部よりガス流の上流側へ
ずらずことができる。

このため、第２図に示すように、供給口からの距離に対
して成長速度が一定となる領域Ｂを、基体上において増
加させることができ、■族原料キャリアガスの流量比Ｃ
ＩＩＩ　／　（ＣＩＩＩ＋ＣＶ）を０．７７以上１．０
未満とすると、例えば２インチウェーハ基体上において
面積にして約３分の１以上の、膜厚が一定なすなわちし
きい値電圧ｖｔｈが一定な領域を得ることができ、特性
の均一化をはかり、目的とする設計通りの半導体装置を
得ることができる。

また供給口（１）及び（２）から基体（３）までの距離
は装置固有のものであり、これを可変とするのは設計上
非常に困難であるが、本発明気相成長方法によれば各原
料キャリアガスの流速差による圧力差を利用するもので
あるから、装置に特に変更を加える必要がなく、簡単に
特性の均一化をはかることができる。

また、例えばＡＩ　ＩｎＡｓ／Ｇａ１ｎＡｓ等のＦＥＴ
の作製において、急峻な異種半導体界面（ヘテロ界面）
を得るためには、■−Ｖ族化合物のＭＯＣＶＤ法による
成長において■族原料キャリアガスが供給律速となって
いるので、■族原料キャリアガスの流量即ち流速を増大
化し、原料ガスの切換え時間をできるだけ短時間とする
ことが望ましいが、本発明方法でもこの■族原料キャリ
アガスの流速を■族原料キャリアガスの流速に比して大
とされるため、好ましい方向である。

５ ６

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる気相成長装置の要部の路線的
断面図、第２図は原料ガス供給口からの距離と化合物半
導体の成長速度の関係を示す図、第３図は比較例１．２
及び実施例１〜４における、供給口からの距離に対する
膜厚の分布を示す図、第４図は比較例１．２及び実施例
１〜４における■族原料ガスの流速比と成長速度が一定
となる距離との関係を示す図である。 （１）は第１のガス供給口、（２）は第２のガス供給口
、（３）は被気相成長基体、（４）は配置部、（５）は
開口端、（１０）は反応炉、（１１）は気相成長装置で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. III−Ｖ族化合物半導体の気相成長方法において、反応
   炉中に、III族原料ガスとＶ族原料ガスとをそれぞれ独
   別に含むIII族原料キャリアガスとＶ族原料キャリアガ
   スとを独別に制御して送り込むことができるようにした
   第１及び第２のガス供給口が、被気相成長基体の配置部
   近傍に設けられ、上記III族原料キャリアガスの流量を
   Ｃ＿IIIとし、Ｖ族原料キャリアガスの流量Ｃ＿Ｖとす
   るとき、０．７７≦Ｃ＿III／Ｃ＿III＋Ｃ＿Ｖ＜１．０
   と選定することを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の
   気相成長方法。