JPH04372119A - 化合物半導体気相成長法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子作製に用いら
れる化合物半導体結晶薄膜の気相成長方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に化合物半導体薄膜を形成
する方法として、単原子層を単位とした繰返しで膜を積
層形成するいわゆる単原子層成長法が知られている。こ
の方法は原子層レベルでの精密な膜厚制御が可能である
と同時に、単原子層成長法の一つの特徴とされる成長の
自己停止作用のため、従来用いられてきた通常の気相成
長法に比べ、基板温度やガス流状態等に比較的影響され
ずに大面積に渡って比較的均一な結晶膜を作製できる可
能性を有する。したがって単原子層成長法は新規の機能
をもつ半導体素子の開発や、薄膜積層構造を有する半導
体素子の量産に向け、有望な半導体気相成長法である。 以下、この単原子層成長法を図面に基づき説明する。

【０００３】図４は、従来、有機金属を原料として用い
るＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法においてＧａ
Ａｓ／ＡｌＡｓの単原子層成長を行うために用いられて
きた反応炉の一例を示す断面図で、１はガス導入口、２
は例えば石英で作製された反応容器、３はガス排出口、
４は高周波誘導加熱コイル、５はサセプタ、６はサセプ
タ支持棒、７は被成長基板である。単原子層成長に際し
ては、高周波誘導加熱コイル４によりサセプタ５を加熱
し、被成長基板７を一定温度に保持した状態で、ガス導
入口１より、図５に示す各原料ガス導入手順に従い水素
パージガス導入、ＡｓＨ３　ガス導入、水素パージガス
導入、ＩＩＩ　族有機金属ガス導入を繰り返す。図５に
おいて、横軸が成長時間、縦軸が各ガスの導入量を示す
。これにより図６に示すようなＧａＡｓ／ＡｌＡｓ積層
膜が形成される。図６は成長形成された化合物半導体結
晶薄膜の拡大断面模式図である。この薄膜形成の間、被
成長基板７はサセプタ支持棒６の回転により０〜２００
ｒｐｍ程度で回転されているが、これは単にサセプタ面
における単結晶成長の均一化を図るために行われている
にすぎない。

【０００４】この単原子層成長法において、各単原子層
は図７に示す成長速度の自己停止作用に基づくものであ
る。すなわち、図５におけるＩＩＩ　族原料供給のパル
ス時間ｔｐがある程度以上あれば、Ｇａの１原子層が形
成されるが、成長はＧａの１原子層のみで停止し、ｔｐ
をそれ以上としても前記Ｇａ原子層上にさらに成長が生
じることはない。このため原料ガス供給量や供給時間を
厳密に制御しなくても、精密に制御された積層構造が得
られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】単原子層成長法は、上
記の可能性を秘めながらも実用化のためにさらに解決す
べき幾つかの問題点を有している。これを図８に従って
説明する。図８は、単原子層成長における気相成長時の
基板温度と１周期当りの成長層厚との関係を示し、ｇは
ＧａＡｓの場合、ｈはＡｌＡｓの場合のグラフを示す。 同図から明らかなように例えば、ＧａＡｓの単原子層成
長は比較的広い基板温度範囲ΔＴＧ　で実現されるが、
ＡｌＡｓの単原子層成長が実現される温度範囲はΔＴＡ
　はΔＴＧ　に比べ狭く、かつ、この温度範囲はΔＴＧ
　の範囲と非常に狭い共通範囲を有するにすぎない。従
って、図６に示すような積層構造を作製する場合には基
板温度を例えば４７０℃付近の非常に狭い領域で制御す
る必要が生じ、あるいはＡｌＡｓとＧａＡｓの成長をそ
れぞれに適した基板温度で行なうため、基板温度を周期
的に変更する等の操作が必要であった。また、基板面内
に温度分布が存在する場合には、基板の一部分でしか単
原子層成長が行われないといった問題も生じていた。

【０００６】本発明の目的は単原子層成長が行われる基
板温度範囲を広げ、基板温度設定に許容量を十分に与え
ることにより、大面積に渡り制御性良く、かつ、操作性
良く単原子層成長を可能とする化合物半導体の気相成長
法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは従来の単原
子層成長に伴う欠点を克服するため鋭意研究を重ねた結
果、単原子層成長を行う際に、被成長基板を所定速度以
上の高速で、回転させて行うことにより単原子層成長操
作の基板温度範囲が大きく拡大することを見出し、この
知見に基づき本発明をなすに至った。すなわち本発明は
、気相成長法によって化合物半導体の単原子層成長を行
なうに当り、被成長基板を３００ｒｐｍ以上の高速で回
転させて気相成長させることを特徴とする化合物半導体
気相成長法を提供するものである。

【０００８】本発明において、基板の回転速度が３００
ｒｐｍ未満の低速では本発明の目的とする上限温度の高
温化はほとんど生じない。また、ガス中の高温領域もほ
とんど狭められないことが理論的にも確認されている。 また、回転速度が大きい程、本発明の効果は大となるが
、回転速度があまり大きすぎると機械的な問題が生じる
ことがあり、これによりガス漏れ、サセプタ支持棒の振
動等の問題も生じる。従って、回転速度は３００ｒｐｍ
以上１００００ｒｐｍ以下とするのが好ましく、より好
ましくは６００ｒｐｍ〜２５００ｒｐｍとする。

【０００９】単原子層成長を行う場合の基板温度は用い
る原料ガスの分解温度や活性化エネルギー等の性質に応
じて適切な範囲に設定されるべきものであることは言う
までもない。本発明はそれぞれの場合に応じて単原子層
成長の実現される基板温度範囲を拡張することができた
。

【００１０】本発明方法は種々の化合物半導体の気相成
長法に適用することができ、単原子成長である以外は特
に制限はない。例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニ
ウム）とＡｓＨ３　（アルシン）を用いたＡｌＡｓ及び
ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３　（アルシ
ン）を用いたＧａＡｓの単原子層成長法の他に、例えば
ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＡｓＨ３　を用い
てＩｎＡｓの単原子層成長を行う場合、ＤＭＡｌＨ（ジ
メチルアルミニウムハイドライド）とＡｓＨ３　を用い
てＡｌＡｓの単原子層成長を行う場合等、種々の原料ガ
スを用いて種々の化合物半導体の単原子層成長を行う場
合があげられる。また、被成長基板の加熱は高周波誘導
加熱方式ばかりでなく、他の抵抗加熱方式、赤外線加熱
方式等を用いた場合にも本発明の効果は阻害されるもの
ではない。さらに単原子層成長に用いられる気相成長法
はＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなくクロライドＶ
ＰＥ法などにも用いることができる。

【作用】本発明方法において単原子層成長の実現される
基板温度の上限値がより高温に移行する理由は次のよう
に考えられる。まず図１を参照して説明すると、基板温
度を一定として回転速度が比較的遅い場合には、ガス中
の高温領域は同図の９に示すように比較的広い範囲に広
がり、この領域で原料ガス分子が活性化されて基板上に
多層成長を生じてしまうが、基板を高速で回転した場合
には、回転により生じるポンプ効果に起因して、ガス中
の高温領域は図の１０に示すように狭められ、かつ、比
較的均一になり同じ基板温度においてガス中の原料ガス
分子が活性化されにくくなる。このため、高速回転を行
った場合には、より高い基板温度においても単原子層成
長が実現される。なお図１において図４と同符号は図４
と同じものを示す。

【００１１】

【実施例】次に本発明を実施例に基づきさらに詳細に説
明する。

【００１２】実施例 図１に示す気相成長装置の反応炉を用いＡｌＡｓの薄膜
を成長させた。その結果を図２に示した。図２は被成長
基板を１５００ｒｐｍの比較的高速で回転させた場合の
単原子層成長が実現される基板温度範囲を回転を行わな
い場合と比較して図２（Ａ）（Ｂ）に示したものである
。図２（Ａ）においてＡｌＡｓの単原子層成長が実現さ
れる基板温度範囲は、回転を行わない場合のΔＴＡ　に
対し、１５００ｒｐｍの回転を行った場合にはΔＴＡ’
の広い範囲に拡張されている。同様に図２（Ｂ）から明
らかなようにＧａＡｓの場合にもΔＴＧ　からΔＴＧ’
に基板温度範囲が拡張されており、さらに、４７０℃付
近から５３０℃付近の比較的広い範囲でＡｌＡｓとＧａ
Ａｓが共に単原子層成長可能となった。

【００１３】図２にも示されるように、基板回転による
基板温度範囲の拡大現象は、基板温度範囲の下限は一定
に固定されたまま、上限がより高温になることにより実
現されているものと見なすことができる。基板温度と単
原子層成長の実現可否との関係を図３により説明すると
、基板温度領域Ｉでは基板表面に吸着した原料ガス分子
が、低温のため十分に反応せず、成長速度が低下し、領
域ＩＩでは基板表面に吸着した原料ガス分子が十分に反
応して単原子層成長が実現され、より高温の領域ＩＩＩ
　では基板付近のガス温度が上昇し、気相中で既に原料
ガス分子が活性化されることにより多層の原子層が基板
表面に積層されて単原子層成長が行われなくなるものと
考えられている。

【００１４】

【発明の効果】以上、本発明によれば、単原子層成長が
実現される温度範囲を拡張させることが可能となり、基
板温度設定に許容度が与えられ、大面積に渡り均一に、
再現性良く単原子層成長を行うことが可能となり、また
、種類の異なる化合物半導体を基板温度を変更させるこ
となく同一温度で処理できる可能性も生じ、産業上の有
用性は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に用いる気相反応炉の断面図である
。

【図２】反応炉中の基板温度と１周期当りの成長層厚と
の関係を示し、（Ａ）はＡｌＡｓ半導体、（Ｂ）はＧａ
Ａｓ半導体である。

【図３】単原子層成長法における１周期当りの成長層厚
と操作領域との関係を示すグラフである。

【図４】気相成長法で用いられる通常の反応炉の断面図
である。

【図５】単原子層成長法を行う際の反応炉への原料ガス
供給手順の１例の説明図である。

【図６】単原子層成長法により作製される積層構造の拡
大断面模式図である。

【図７】単原子層成長法における自己停止を説明するＩ
ＩＩ　族原料パルス時間と成長速度との関係を示すグラ
フである。

【図８】従来の単原子層成長法における成長層厚の基板
温度依存性を示すグラフである。

【符号の説明】

１　　ガス導入口 ２　　反応容器 ３　　ガス排出口 ４　　高周波誘導加熱コイル ５　　サセプタ ６　　サセプタ支持棒 ７　　被成長基板 ８　　回転導入機 ９　　低速回転時の高温ガス領域 １０　　高速回転時の高温ガス領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　化合物半導体の単原子層成長を行う際
   に、被成長基板を３００ｒｐｍ以上の高速で回転させる
   ことを特徴とする化合物半導体気相成長法。
2. 【請求項２】　　単原子層成長に用いる原料ガスが少な
   くとも１種の有機金属化合物を含むことを特徴とする請
   求項１記載の化合物半導体気相成長法。