JPH04111420A - 半導体薄膜結晶成長法および装置 - 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、化合物半導体の薄膜結晶の成長法および成長
装置に関するものである。

（従来の技術） 化合物半導体を用いた各種半導体素子の作製には、半導
体基板上に化合物半導体の薄膜を作製することが必要で
ある。この薄膜の品質が素子の特性に大きく影響する。

そのため、電導性彎コントロールするために意図的に混
入するもの以外の不純物は、少なくすることが望ましい
。

化合物半導体中の不純物は固体内で拡散しゃすいため、
高温において結晶成長を行うと不純物の拡散により、不
純物の分布は乱れ、微細な構造は破壊される。そのため
、結晶成長は低い温度で行うことが望ましい。

化合物半導体薄膜を成長させる技術として、有機金属を
用いた気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ法と呼ぶ）及び有機
金属を用いた分子ビーム法（以下ＭＯＭＢＥと呼ぶ）が
ある、原料ガスである■族あるいは■族の有機金属ガス
は、加熱することにより、化合物半導体の構成元素であ
る金属と、炭化水素とに分解する。もう一方の構成元素
（Ｉ［［−Ｖ族化合物半導体においては■族元素、Ｉ［
−ＶＩ族化合物半導体においては■族元素）は、水素化
物あるいは有機化合物の形で反応器に供給されているが
、やはり熱分解により単体元素を生成する。

ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＯＭＢＥ法といった従来法では
、この両方の原料ガスは半導体基板から熱エネルギーを
供給され、気相中あるいは基板表面で分解する。供給さ
れる熱エネルギーは基板の温度により決定されるため、
低温で結晶成長を行う場合には熱エネルギーの供給が不
足し、原料ガスの分解率が低くなる。低温での結晶成長
において、基板の表面で十分な量の構成元素を存在させ
るためには、多量の原料ガスの供給が必要となる。その
ため従来法においても■施水素化物を原料として用いる
場合に、その水素化物の熱分解機構を反応器に設ける場
合がある。

結晶成長中に基板表面に、分解が十分でない有機金属ガ
スが存在すると、有機金属の構成元素である炭素が半導
体薄膜内に取り込まれる。半導体内に取り込まれた炭素
は、不純物として振舞う。

従来法では有機金属の熱分解を制御することができず、
炭素不純物量を低減することは困難であった。

（発明が解決しようとする課Ｉ） 従来の有機金属を原料として用いた化合物半導体の薄膜
結晶成長法（ＭＯＣＶＤ法及びＭＯＭＢＥ法）において
、低温で結晶成長を行う場合には、熱エネルギーの供給
が不足するため原料ガスの分解率が低くなる。低温での
結晶成長において、基板の表面で十分な量の構成元素を
存在させるためには、多量の原料ガスの供給が必要とな
る。また、分解が十分でない有機金属から炭素が半導体
薄膜内に取り込まれ、不純物として振舞う０本発明の目
的は、原料ガスの利用効率の向上、不純物量を低減する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は反応容器内で有機金
属ガスを少なくとも原料の一つとして化合物半導体の基
板上に薄膜結晶を成長させる方法において、有機金属原
料ガスを熱分解させるための設備を設け、前記設備によ
って有機金属ガスを分解して純粋な金属原分子の形とし
て前記基板表面に供給することを特徴とする半導体薄膜
結晶成長法を発明の要旨とするものである。

さらに、本発明は排気装置および基板加熱装置を有する
反応器に熱分解機構を設け、水素ガス供給装置は流量コ
ントローラを介して有機金属が充填されている有機金属
バブラに接続され、前記有機金属バブラは第一の前記熱
分解機構を介して前記の反応器に接続され、■族水素化
物供給装置は流量コントローラおよび第二の前記熱分解
機構を介して前記の反応器に接続されていることを特徴
とする半導体薄膜結晶成長装置を発明の要旨とするもの
である。

従来法においては、原料の分解に必要なエネルギーは半
導体基板より供給されており、基板の温度により決定さ
れていた。１＆板の温度を低く保つた場合においても、
分解に必要な熱エネルギーを原料ガス分子に供給し得れ
ば、原料ガスの利用効率は向上し、炭素不純物は低減す
る０本発明は、有機金属ガスの熱分解機構を設け、原料
ガスに対して独立に熱エネルギーを供給することにより
、熱分解を制御することを特徴とする。

（作用） 有機金属ガスは水素気流中で加熱することにより、化合
物半導体の構成元素である金属と、炭化水素とに分解す
る。ＭＯＣＶＤ法やＭＯＭＢＥ法といった従来法では、
この分解反応が半導体基板から供給される熱エネルギー
により、基板上あるいは基板の近傍で進行している０分
解によって生じた構成元素は基板上で析出して、半導体
薄膜結晶となる。

本発明においては、熱分解機構を設は熱エネルギーを供
給することにより、有機金属は基板から離れた場所で分
解する。有機金属は分解して、金属と炭化水素を生成す
るが、金属は金属原子の形で基板上に供給され、炭化水
素はキャリアガスとともに反応器外へ排気される。従っ
て、分解が完全ではない有機金属が基板表面に到達する
量が減少するため、半導体薄膜中への炭素不純物の取り
込みは低減し、高純度の半導体薄膜が得られる作用を有
する。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例は
一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で
、種々の変更あるいは改良を行いうろことは言うまでも
ない。

第１図は本発明の半導体薄膜結晶成長法による結晶成長
装置の概略図を示す０図は有機金属およびＶ放水素化物
を原料ガスとして用いて、化合物半導体薄膜結晶を成長
させる装置である。第１図において、１は高純度水素ガ
ス供給装置で、高純度の水素ガスをキャリアガスとして
供給する。２は有機金属ガスバブラで、常温では液体で
ある有機金属が充填されている。３は恒温層であり、有
機金属バブラを一定温度に保つために用いる。４は■施
水素化物ボンベであり、圧力調整器を介して配管と接続
する。水素、有機金属、水素化物は流量コントローラ５
によって一定の流量を保ち反応器に供給される。６は反
応器であり、その主な構成部品は以下のものである。５
ａはを機金属ガス熱分解機構、６ｂは水素化物熱分解機
構、６ｃは圧力計、６ｄは半導体基板加熱機構を示す、
この半導体基板加熱機構上に、半導体基板７を配置し、
薄膜結晶成長を行う、８は真空排気装置であり、反応器
内を排気する０図中ではバルブ類は省略した。６ａに示
したを機金属ガス熱分解機構を持つことが本発明の特徴
である。

第１図に示す装置を用いて、ＧａＡｓ薄膜結晶成長を行
った。　Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを、Ａｓ原
料としてアルシンを、キャリアガスとして水素を用いた
。トリメチルガリウムは化合物半導体結晶成長に多く用
いられている有機金属であるが、熱分解温度が比較的高
い、トリメチルガリウムを用いて従来法で成長したｍｓ
膜結晶は、不純物として炭素が多く含まれている。

第２図に有機金属の熱分解機構の温度と、ＧａＡｓ薄膜
に取り、込まれた炭素の濃度の関係を示す、横軸は有機
金属の熱分解機構の温度、縦軸は成長した薄膜結晶に含
まれる炭素不純物の濃度である。

■族原料の熱分解機構の温度は約８００°Ｃとし、結晶
成長中の基板の温度は５００℃に保った。供給したｍ族
原料とＶ族原料のモル比は１：３．５とした。

第２図において有機金属の熱分解機構の温度を室温とし
て、有機金属の分解を行わない場合が、■族原料である
アルシンの熱分解機構を設けた従来法に相当する。従来
法に相当する条件で成長したｆｉ［膜結晶には、１０１
＠ｃ、−ｆｆ以上の高い濃度で炭素が含まれるが、有機
金属熱分解機構６ａにより有機金属を分解することによ
り、炭素濃度は１　／１００程度にまで減少している。

これは、成長中の基板表面に到達する、分解が不十分な
有機金属の量が減少していることを示しており、熱分解
機構が有効に機能していることを表している。なお、■
族原料の熱分解機構温度としては大略７００℃〜大略１
０００″Ｃが用いられている。

■族原料および有機金属の熱分解機構の温度をそれぞれ
８００°Ｃ，１０００’Ｃとした場合、基板温度４００
℃とＧａＡｓの結晶成長としては比較的低温の成長条件
においても、不純物の少ない薄膜結晶が得られ、本発明
は結晶成長時の基板温度を低くすることにも有効である
。

半導体結晶成長に用いる有機金属ガスの間で分解温度を
比較すると、トリメチルガリウムは熱分解温度が高い０
本実施例にてトリメチルガリウムが有効に分解されてい
ることが′Ｉａ認された。他の有機金属ガスも同様な熱
分解機構で分解し、供給することが可能である。

（発明の効果） 以上の説明により明らかなように、本発明によれば、有
機金属の熱分解機構を設け、独立して熱エネルギーを供
給することにより有機金属を分解し、分解によって生成
する金属原子を基板に供給することが可能である。しか
して本発明により、半導体薄膜内に取り込まれる炭素不
純物の量を大幅に減少させることができ、良質の半導体
薄膜を低い基板温度で成長することができる効果を有す

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例として用いた、有機金属ガスの
熱分解機構を設けた半導体薄膜気相成長法の装置の概略
図である。 第２図は有機金属ガスの熱分解機構の温度と半導体薄膜
内に含まれる現業不純物濃度との関係を示す。 １・・・・高純度水素ガス供給装置 ２・・・・有機金属ガスバブラ ３・・・・恒温層 ４・・・・■施水素化物ボンベ ５・・・・流量コントローラ ６・・・・反応器 ６ａ・・・有機金属ガス熱分解機構 ６ｂ・・・水素化物熱分解機構 ６ｃ・・・圧力計 ６ｄ・・・半導体基板加熱機構 ７・・・・半導体基板 ８・・・・真空排気装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応容器内で有機金属ガスを少なくとも原料の一
   つとして化合物半導体の基板上に薄膜結晶を成長させる
   方法において、有機金属原料ガスを熱分解させるための
   設備を設け、前記設備によって有機金属ガスを分解して
   純粋な金属原分子の形として前記基板表面に供給するこ
   とを特徴とする半導体薄膜結晶成長法。
2. （２）排気装置および基板加熱装置を有する反応器に熱
   分解機構を設け、水素ガス供給装置は流量コントローラ
   を介して有機金属が充填されている有機金属バブラに接
   続され、前記有機金属バブラは第一の前記熱分解機構を
   介して前記の反応器に接続され、Ｖ族水素化物供給装置
   は流量コントローラおよび第二の前記熱分解機構を介し
   て前記の反応器に接続されていることを特徴とする半導
   体薄膜結晶成長装置。