JPH0360800B2

JPH0360800B2 -

Info

Publication number: JPH0360800B2
Application number: JP59042851A
Authority: JP
Inventors: Yukio Noda; Yukitoshi Kushiro
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1984-03-08
Filing date: 1984-03-08
Publication date: 1991-09-17
Also published as: JPS60191096A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、InP系の如き化合物半導体単層膜あ
るいは多層膜の位相成長方法に関するものであ
る。（従来技術とその問題点）化合物半導体層を結晶成長させる方法のひとつ
に気相成長法があり、これは結晶成長させるべき
原料を気化（ガス化）して成長させるものであ
る。しかし、この気相成長方法においては、第１図
の模式図に示すごとく、ガスの噴射口、すなわ
ち、基板１上へ流入するガス流の上流端（以下基
板上流端という）からの距離ｘが離れるに従つ
て、結晶成長させた半導体層２の膜厚Ｄ（ｘ）が
減少する傾向がある。一般に、基板上流端からの
距離ｘと半導体層２の膜厚Ｄ（ｘ）との関係は膜
厚分布の均一性と呼ばれ、膜厚Ｄ（ｘ）が距離ｘ
によつて異なる場合には“膜厚分布の均一性が悪
い”というように表現されている。さらに、気相成長方法にて成長させた半導体層
２の表面に、主として成長丘およびヒロツクと呼
ばれる表面欠陥の存在によつて表面モホロジーが
悪化するという問題がある。このように、気相成長方法によつて成長された
半導体層２の膜厚の均一性あるいは表面モホロジ
ーが悪くなれば、デバイス作製時の歩留りが悪く
なり、また、距離ｘ方向に長いデバイスを作製す
ることが困難となる。従つて、半導体層２の膜厚
の均一性あるいは表面モホロジーを向上させるこ
とは、半導体層２を作製する上で重要な問題であ
る。従来は、膜厚の均一性と表面モホロジーとは全
く別の原因に起因するものと考えられていて、そ
れぞれに対し次に述べるように別々の対策を施し
ていた。 (1) 膜厚の均一性の向上に対する対策：Komeno
〔J.Electrochem・Soc.124（1977）1440〕によれ
ば、基板１の上流端から距離ｘにおける膜厚Ｄ
（ｘ）はＣを定数とすればＤ（ｘ）＝Ｃ１／（25.0μ／ρV）^1/2・（K_s／D_s）・
x^1/2＋１…(1) で与えられることが示されている。ここで、μは
気体（キヤリアガスと原料ガスを総称したもの
で、以下「気体」と略す）の粘性係数、ρは気体
密度、Ｖは気体の流速、K_sは基板の表面におけ
る化学反応の速度定数、Dsは拡散係数である。
この基板の表面における化学反応の速度定数K_s
は温度のみの関数であり、かつ表面における化学
反応が１次反応であると仮定している。 (1)式を更に変形すれば、膜厚に関する次式が得
られる。 (2)式の第１式は〔｛Ｄ（０）／Ｄ（ｘ）｝−１〕²と
ｘとが比例関係にありその比例定数がF_hである
ことを示している。ここでＤ（０）は、基板上流端からの距離ｘが
零である膜厚、F_hは膜厚の均一性を表わすパラ
メータとして用いられる膜厚パラメータである。 (2)式の第２式から明らかなように、膜厚パラメ
ータF_hは気体の流速Ｖすなわち気体の流量に反
比例する。従つて、膜厚パラメータF_hを小さく
して膜厚の均一性を良くするには、気体の流速Ｖ
すなわち気体の流量を大きくすればよい。この
Komeno氏等の提案は広く一般に支持されてい
る。尚、実際に行われている膜厚の均一性を向上さ
せる対策として、次の方法がとられている。ａ○ 気体の流速が大きくなると境界層の厚さが薄
くなり拡散律速が抑制され、膜厚分布の均一性
が向上するという予想に基づき、気体の流量を
できる限り増加し、気体の流速を大きくして成
長させる。これは上述したKomeno氏等の考え
に基づいた改善例である。ｂ○ 基板面を気体の流れに対しθなる角度で傾斜
させ、さらに基板を回転させる。角度θは実験
にて最適値を見出す。しかしながら、ａ○については通常の約５倍程度
気体の流量を大きくするため、AsH₃、PH₃とい
つた極めて毒性の強いＶ族系ガスの流量も大きく
しなければならず、安全性の面において問題があ
る。また、気体の消費量も大きくなり、排ガスの
処理能力も大きくしなければならず、経済性の面
でも問題がある。ｂ○については、１個の成長室を
持ち、主として単一層を作製するための気相成長
装置においては、その実施が比較的容易である
が、２個以上の成長室を持つ半導体レーザに代表
される多層構造を作製するための気相成長装置に
おいては、その実施は不可能ではないにしても極
めて困難である。 (2) 表面モホロジーを向上させるための対策：例えばInP結晶表面には、直径が１mm以内、高
さ数μｍで円錐に近い形状をした成長丘および長
軸数百μｍ、短軸数10μｍの楕円形底部を呈し数
μｍの高さを有するヒロツクが存在する。成長丘
およびヒロツクの成因には諸説もあり要約すると
以下のようになる。基板に付着している異物が成長時結晶化の核
として作用し異常成長が起こりそこに表面欠陥
が形成される。あるいは、成長中基板上に反応
管の内壁析出物が落下し、これが前記基板付着
異物と同じ作用を及ぼす。基板エツチング時にエツチヤントの種類、エ
ツチング条件及びエツチング処理方法が最適化
されていないと基板表面の一部が酸化等の劣化
を起こし、この劣化が原因となつて表面欠陥が
形成される。化合物半導体成長時のあるいは族を供給
するガスの分圧があるいは族を供給するガ
スの分圧よりも大きい場合には、あるいは
族の液化した金属が基板上に形成されやすくな
り、そこにおいてVSL機構で説明されるよう
な原理で異常成長が起こる。従来においては、これ等の成因に準拠してそれ
ぞれ表面モホロジーを改善してきた。例えば、
について、反応管内壁析出物の基板上への落下を
防ぐため基板成長面を下側にすること、につい
て基板エツチング処理を最適化し基板表面の劣化
を抑制すること、についてまたは族を供給
するガスの分圧をまたは族を供給するガスの
分圧より大きくするといつたことが行われてき
た。しかしながら、の方法は１個の成長室を持
ち主として単一層を作製するための気相成長装置
においてその実施は容易であるが、２個以上の成
長室を持ち半導体レーザに代表される多層構造を
作製するための気相成長装置においてその実施は
困難である。また、の方法に関しては、例えば
InP基板のエツチングの場合を考えると、通常２
種類のエツチヤントすなわち1H₂SO₄：8H₂O₂：
1H₂O溶液および0.6Br：99.4CH₃OH溶液を使い、
各々０℃で２分および25℃で３分というエツチン
グ条件で処理しているが、エツチヤントを前記２
種類に限定してもそれぞれの溶液の混合比を変え
さらにエツチング条件として温度および処理時間
を変えてエツチングの処理を最適化するのは決し
て容易ではない。さらに、の方法はその実施が
容易であるという長所は持つているものの、例え
ば−族化合物半導体成長時はA_sH₃，PH₃と
いつた極めて毒性の強い族供給ガスを通常と比
べ多量に使用せねばならず安全上問題がある。異常の説明から明らかなように、従来は膜厚の
均一性と表面モホロジーとが各々異なつた原因に
より悪化するので、その原因毎に別々の対策を施
しており、膜厚の均一性および表面モホロジーを
同時に満足するような良質な半導体層を得ること
が困難であつた。（発明の目的）本発明は、上述した従来技術の欠点に鑑み、気
体の流速すなわち気体の流量を変えることなく原
料ガスの分圧を変えることにより、膜厚の均一性
と表面モホロジーとを同時に改善し、優れた化合
物半導体層を成長させ得る気相成長方法を提供す
ることを目的とする。（発明の構成および作用）この目的達成のために、本発明による気相成長
方法は、InP基板上にInP単層膜あるいはIn_1-a
Ga_xAs_1-yP_y系（０ｘ１，０ｙ１）の多
層膜を常圧下で成長させる化合物半導体層のハイ
ドライド気相成長法において、気体の流量一定の
条件の下で結晶成長させるべき該化合物半導体層
の各原料ガスの分圧は7/1500から7/2800までの範
囲で同等になるようにして成長させることを特徴
とする構成を有している。以下本発明を詳細に説明する。前掲の(2)式から、膜厚パラメータF_hは気体の
流速Ｖすなわち気体の流量に反比例することは明
らかであり、前述のように膜厚パラメータF_hは
気体の流速Ｖのみによつて決定され、原料ガスの
分圧比には依存しないという説が広く一般に支持
されてきた。しかし、本願発明者は気相成長時において基板
上に生起する現象は近似的に(1)式で表わされる成
長機構に従うものの、基板の表面反応を示す速度
定数K_sは単純な１次反応ではなく、原料ガスの
流量にも影響されるものと考えた。すなわち、成
長温度や気体の流速Ｖを一定にしておいても、原
料ガスと気体（＝原料ガスの流量＋キヤリアガス
の流量）との比、すなわち原料ガスの分圧を変え
れば膜厚パラメータF_hが変わると考えた。この論理を実証するために、本願発明者は特に
結晶成長が難しいとされているInPホモエピタキ
シヤル層について、成長温度700（℃）、気体の流
量1500（c.c.・min^-1）を一定にし、原料ガスの分

【表】

【表】圧を変えて実験を行つた。表１はハイドライド気
相成長による実験結果である。表１から明らかなように、成長温度と気体の流
量1500（c.c.・min^-1）を一定にしても、10％In−
HCl流量や10％PH₃流量を変えること、すなわち
原料ガス流量（原料ガスの分圧）を変えることに
よつて、膜厚パラメータF_hも変わり、特に原料
ガス流量が各々70（c.c.・min^-1）で膜厚パラメー
タF_hが最小値となつている。尚、この時の10％In−HCl原料ガスの分圧は原料ガス流量／気体の流量＝70×10／100／1500＝７
／1500 である。また、成長温度を一定し、気体の流速Ｖ（気体
の流量）を1500（c.c.・min^-1）から2800（c.c.・
min^-1）に変えると、従来の改善例で述べたよう
に膜厚パラメータF_hは0.11（mm^-1）から0.02（mm^-1）
と改善されるものの、気体の流量が2800（c.c.・
min^-1）と一定にしても原料ガスの流量を変える
ことによつて膜厚パラメータF_hも変える。この
ように、成長温度と気体の流速Ｖ（気体の流量）
を一定にしても、原料ガスの分圧を変えることに
より膜厚パラメータF_hを変えることができ、か
つ膜厚パラメータF_hが最少となる原料ガスの分
圧の最適値がある。この原料ガスの分圧（原料ガ
ス流量）の最適値は結晶成長する原料により固有
の値を持つものと考えられる。例えば、InP基板
と格子整合する三元混晶InGaAsでは気体の流量
が1000c.c.・min^-1で、かつ10％In−HCl，10％Ga
−Cl、10％AsH₃の流量がそれぞれ58c.c.・min^-1，
８c.c.，min^-1，65c.c.・min^-1のとき最適膜厚パラ
メータとしてF_h＝0.05が得られた。また、InP基
板と格子整合し、波長換算の禁制帯幅が1.5μｍで
ある四元混晶InGaAsPでは、気体の流量が1100
c.c.・min^-1でかつ10％In−HCl，10％−GaCl，10
％PH₃，10％AsH₃の流量がそれぞれ60c.c.・
min^-1、５c.c.・min^-1、20c.c.・min^-1、46c.c.・
min^-1のとき最適膜厚パラメータとしてF_h＝0.04
が得られた。また、ヘテロエピタキシヤル成長においても上
述した理論を適用できるかどうかを確認するため
に、次の実験を追試した。 InP基板上に、In_1-xGa_xAs_1-yP_y系（０ｘ
１，０ｙ１）の多層膜であるInP／
InGaAsP／InGaAsの三層をヘテロエピタキシヤ
ル成長させる際、キヤツプ層であるInP層を表１
中のウエハーF62と同一成長条件で成長させた。
この時のInPキヤツプ層の膜厚パラメータF_hは
0.10〜0.20（mm^-1）となり、ホモエピタキシヤル成
長時の値（0.11mm^-1）とほぼ等しくなつた。すな
わち、ヘテロエピタキシヤル成長においても、膜
厚パラメータF_hが最少となる原料ガスの分圧の
最適値はほぼ一定である。なお、第２図はInP基板上に表１に掲げた各サ
ンプルF62，F89，F95，F97，F99，F105につい
て原料ガスの分圧条件でハイドライド気相成長を
用いて成長させたInPホモエピタキシヤル層の膜
厚分布を図示したものである。横軸は基板上流端
からの距離ｘ／mm、縦軸は膜厚Ｄ（ｘ）を基板上
流端ｘ＝０における膜厚Ｄ（０）で規格化した膜
厚Ｄ（ｘ）／Ｄ（０）である。第３図は、表１の実験結果を前述した(2)式に基
づいて、縦軸に〔Ｄ（０）／Ｄ（ｘ）−１〕²を、横
軸に距離ｘ／mmをとつた平面上にプロツトしたも
のであり、各サンプルF62，F89，F95，F97，
F99，F105の測定結果はほぼ直線上にのる。 (2)式の第１式から明らかなようにこの直線の勾
配よりF_hを決定することができる。第４図は、縦軸に第３図の直線の勾配から膜厚
パラメータF_hを求め、横軸に族の原料ガスで
あるInClガスの分圧P_IoClの関数として図示したも
ので、同図から原料ガスの分圧と膜厚パラメータ
F_hとの関係が明瞭にわかるようにしたものであ
る。ここで白丸は流量1500c.c.・min^-1の場合であ
り、黒丸は2800c.c.・min^-1の場合である。この図
からわかるように、流量一定の条件の下で分圧の
変化をすることにより、最適の膜厚パラメータ
F_hが得られることがわかる。以上の説明では膜厚の均一性と原料ガスの分圧
との関係についてのみ述べたが、次に原料ガスの
分圧あるいは膜厚の均一性と表面モホロジーとの
関連について説明する。表２は成長温度700（℃）、気体の流量1500（c.c.・
min^-1）を一定にして成長したウエハーF62，F89
およびF95の成長丘の面密度、成長丘の直径、ヒ
ロツクの面密度を測定した結果を示している。

【表】膜厚パラメータF_hが最少のウエハーF62は成長
丘、ヒロツクともに抑制され良好な表面モホロジ
ーが得られるのに対し、膜厚パラメータF_hが最
も大きいウエハーF89は成長丘の直径、面密度が
非常に抑制されるものの、ウエハーの中央から距
離ｘが大きくなるにつれて無数の小さなヒロツク
が存在し、通常のウエハーとは異なる表面モホロ
ジーが観察された。また、膜厚パラメータF_hが
比較的大きいウエハーF95は成長丘およびヒロツ
クがともに多くその表面モホロジーは悪化してい
る。上述のように、ウエハーF89及びF95はともに
表面モホロジーが悪いため使用できない。従つ
て、表１に記載したウエハーで使用できるのはウ
エハーF62，F97，F99及びF105となり、その時
の膜厚パラメータF_hの最大値が0.18（mm^-1）とな
る。ここでF105はInCl原料ガスの分圧が小さいた
め、成長速度が遅くなり成長に時間がかかる点を
考慮してこれを除外すれば、F99，F97，F62が
好ましい実施例となる。これら実施例では、InCl
原料ガスの分圧とPH₃原料ガスの分圧とは実施例
毎に同等であり、分圧は表１からそれぞれ10/280
０，7/2800，7/1500である。7/1500はほぼ13/2800
に相当するので、分圧比は7/1500から7/2800まで
が好ましい範囲となる。第５図は、第４図に示した膜厚パラメータF_h
と原料ガスの分圧（族のInClガスの分圧）との
関係と、さらにこのような表面モホロジーの関係
もわかるように、同一図面上に前記の成長丘の直
径、成長丘の面密度及びヒロツクの面密度の大き
さをそれぞれ右端の単位0.5mm、10個cm^-2，10個
cm^-2で斜線の長さとして図示したものである。同
図からも明らかなように、膜厚パラメータF_hが
最少になれば、図示された各斜線の長さも短くな
つて表面モホロジーも良好になり、優れた半導体
層を提供することができる。また、膜厚パラメータF_hの実験結果と同様に、
InP／InGaAsP／InGaAsといつた多層膜をヘテ
ロエピタキシヤル成長により成長させても、表２
とほぼ同一の実験結果が得られた。（発明の効果）以上のように、本発明は従来別々の観点から対
策を施していた膜厚の均一性と表面モホロジーの
改善を、原料ガスの分圧を変化させるというひと
つの手法で行い得たものであり、高品質のウエハ
ーが容易に得られることから作製の効率はもちろ
んのこと、デバイス作製時の歩留りの改善がで
き、さらに素子長の長いデバイスをも作製でき、
その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は気相成長の一般的特性を説明するため
の略図、第２図，第３図，第４図及び第５図は本
発明の原理を説明するための特性図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１ InP基板上にInP単層膜あるいはIn_1-aGa_x
As_1-yP_y系（０ｘ１，０ｙ１）の多層膜
を常圧下で成長させる化合物半導体層のバイドラ
イド気相成長法において、気体の流量一定の条件
の下で結晶成長させるべき該化合物半導体層の各
原料ガスの分圧は7/1500から7/2800までの範囲で
同等になるようにして成長させることを特徴とす
る気相成長方法。