JPH0462916A - 半導体結晶の成長方法 - 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】 〔概　要〕 分子線結晶成長法による半導体結晶の成長方法に関し、 素子を形成するための活性層を原子層単位で正確に厚さ
制御しながら生産性を著しく向上させた分子線結晶成長
法による半導体結晶の成長方法を提供することを目的と
し、 成長原料として金属ソースおよび／またはガスソースを
用いる分子線結晶成長法によって、成長室内の基板上に
化合物半導体結晶のバッファ層を成長させた後、このバ
ッファ層上に上記化合物半導体結晶の活性層を成長させ
る方法において、上記バッファ層の成長は、上記化合物
半導体の構成元素のうち蒸気圧が最も高い元素の上記成
長室への供給量を少なくすることにより、高い成長速度
で行い、 上記活性層の成長は、上記供給量を多くすることにより
、低い成長速度で行うように構成し、または 成長原料として金属ソースおよび／またはガスソースを
用いる分子線結晶成長法によって、成長室内の基板上に
半導体結晶のバッファ層を成長させた後、このバッファ
層上に上記半導体結晶の活性層を成長させる方法におい
て、 成長層に取り込まれないか、取り込まれても成長層に実
質的な影響を及ぼさないガスを上記成長室内へ導入し、 上記バッファ層の成長は、上記ガスの導入量を少なくす
るか、導入を停止することにより、高い成長速度で行い
、 上記活性層の成長は、上記導入量を多くすることにより
成長速度を低くして行うように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、分子線結晶成長法による半導体結晶の成長方
法に関する。

分子線結晶成長法（ＭＢＢ：Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅ
ａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）は、超格子を利用する半導体素
子のように原子層単位で厚さが制御される素子の形成に
広く利用されている。分子線を発生させる分子線源を、
成長させようとする結晶の組成に応じて単数または複数
の元素について用意し、必要な分子線源を適宜選択使用
して所望組成の結晶層を成長させる。成長原料としては
金属ソースが以前から用いられてきたが、最近では種々
のガスソースも用いられるようになってきた。ガスソー
スを用いる方法を特にガスソース分子線結晶成長法（Ｇ
ＳＭＢＥ）　　と呼ぶことがある。必要に応じて金属ソ
ースとガスソースとを併用することもある。

〔従来の技術〕

第４図は、−船釣なガスソース分子線結晶成長装置の概
略を示す配置図である。同図中、１は結晶成長室を成す
超高真空チャンバー、２は基板、３は基板ホルダ、４は
基板加熱ヒータ、５は分子線の放射を開閉制御するシャ
ッタ、６は金属ソース用にセル、７はガスソースセル、
８はソースガスのガスボンベ、９はガス流量制御装置、
１０は液体窒素シュラウド、ふよび１１は真空ポンプで
ある。

第４図の装置を用いて基板２上にエピタキシャル成長を
行う場合、金属ソースについてはにセル６でソースを熱
分解させて分子線を放射させる。

ガスソースについては、ガスセルフによりガスを加熱分
解させて分子線とするか、未分解のままガス分子線の形
で放射させる。

化合物半導体結晶を成長させる場合、その構成元素のう
ちで蒸気圧が最も低い（基板への付着確率が最も高い）
元素の供給速度によって結晶成長速度が決定される。こ
のように成長速度を決定する元素（ＩＩ［−Ｖ族化合物
半導体の場合は■族元素）が金属ソースにより供給され
る場合、成長速度はその元素のためのにセルの温度で決
定される。そのため、セル温度を設定してから成長速度
が所望の値に安定するまでには、セルの熱容量に応じて
３０分から１時間あるいはそれ以上の時間が必要になる
。したがって、一つのへテロエピタキシャル結晶を成長
させる際に、成長速度を大きく変化させることはできな
いという制限があった。

所望の素子を形成する活性層としての半導体結晶層を成
長させる際に、先ず基板上にバッファ層としての結晶層
を成長させ、このバッファ層の上に本来の活性層として
の結晶層を成長させる。バッファ層は基板と活性層との
間に介在して、基板から活性層への悪影響を遮断あるい
は吸収除外する役割を持ち、そのためにかなり厚く成長
させる必要があり、活性層とバッファ層を含めた成長層
全体の膜厚の大半を占める。

分子線結晶成長法による半導体結晶成長方法においては
、成長膜厚を正確に制御するために０゜６μｍ／ｈある
いはそれ以下という低い成長速度で成長を行う。ここで
、活性層の膜厚は薄いが素子の動作に直接体わるため正
確に制御しなくてはならない。一方、成長する膜厚の大
半を占めるバッファ層の膜厚はその役割に十分な厚さで
あればよく、活性層のように正確に制御する必要はない
。

しかし従来は、前記の理由で成長速度を大きく変化させ
ることができなかったため、バッファ層も活性層と同じ
成長速度で成長させていた。すなわち、バッファ層は本
来必要でない高い精度で膜厚制御がなされており、しか
もそのために成長時間の大半を消費していることになり
、半導体結晶成長の生産性を向上させる上で、一つの大
きな障害となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、素子を形成するための活性層を原子層単位で
正確に厚さ制御しながら生産性を著しく向上させた分子
線結晶成長法による半導体結晶の成長方法を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、本発明によれば、成長原料として金属ソ
ースおよび／またはガスソースを用いる分子線結晶成長
法によって、成長室内の基板上に化合物半導体結晶のバ
ッファ層を成長させた後、このバッファ層上に上記化合
物半導体結晶の活性層を成長させる方法において、 上記バッファ層の成長は、上記化合物半導体の構成元素
のうち蒸気圧が最も高い元素の上記成長室への供給量を
少なくすることにより、高い成長速度で行い、 上記活性層の成長は、上記供給量を多くすることにより
、低い成長速度で行う ことを特徴とする半導体結晶の成長方法によって達成さ
れる。

Ｉ−Ｖ族化合物半導体結晶の前記バッファ層および前記
活性層を成長させる場合には、前記蒸気圧の最も高い元
素として■族元素を用いる。

上記の方法（以下「発明法１」）は、化合物半導体結晶
の成長にのみ用いることができるが、化合物半導体に限
らず、Ｓ１結晶のような元素単体から成る半導体結晶の
成長の場合も含めて有効な方法として、下記の本発明の
もう一つの方法（以下「発明法２」）を用いることがで
きる。

すなわちこの方法は、成長原料として金属ソースおよび
／またはガスソースを用いる分子線結晶成長法によって
、成長室内の基板上に半導体結晶のバッファ層を成長さ
せた後、このバッファ層上に上記半導体結晶の活性層を
成長させる方法において、 成長層に取り込まれないか、取り込まれても成長層に実
質的な影響を及ぼさないガスを上記成長室内へ導入し、 上記バッファ層の成長は、上記ガスの導入量を少なくす
るか、導入を停止することにより、高い成長速度で行い
、 上記活性層の成長は、上記導入量を多くすることにより
成長速度を低くして行う ことを特徴とする半導体結晶の成長方法である。

ここで、成長層に取り込まれないか、取り込まれても成
長層に実質的な影響を及ぼさないガスとは、例えば有機
金属ソースからバブラーにより分子線を供給するための
キャリアガスとして用いることができるガス等が挙げら
れる。このようなガスとしては、水素、窒素、アルゴン
等が使用可能である。水素は、成長室雰囲気中に残留す
る酸素等の不純物ガス成分を除去できるという副次的効
果も利用できるので、上記ガスとして特に有利である。

なお、高蒸気圧元素の供給量による成長速度の制御（発
明法１）と、導入ガスによる成長速度の制御（発明法２
）とを必要に応じて併用することもできる。

〔作　用〕

本発明者は、成長原料として金属ソースおよび／または
ガスソースを用いる分子線結晶成長法において、 （１）化合物半導体結晶を成長させる場合にはその構成
元素のうち蒸気圧の最も高い（基板への付着確率が最も
低い）元素の成長室への供給を多くすることにより、ま
たは （２）化合物または元素単体の半導体結晶を成長させる
場合には成長層に取り込まれないか取り込まれても成長
層に実質的な影響を及ぼさないガスを成長室に導入する
ことにより、 成長速度が低くなることを見出して本発明を完成したも
のである。

第１図は本発明の原理説明図である。同図は■■族化合
物半導体結晶を成長させる際に、（ａ）構成元素のうち
蒸気圧の最も高い元素であるＶ族元素のソースとして水
素化合物ガスを用い、これをガスセルで熱分解して照射
した場合、および（ｂ）成長中に、成長層に取り込まれ
ないか、取り込まれても成長層に実質的な影響を及ぼさ
ないガスとして水素を照射した場合について、それぞれ
照射量をＯから５０　ＳＣＣＭまでの範囲で変化させた
ときの成長速度を規格化して示す。図から明らかなよう
に、■放水素化合物や水素の流量を多くすると成長速度
が遅くなる。これは、水素により成長室の真空度が下が
り、基板に到達する■族原子の量が減少するためである
。流量は例えばマスフローコントローラのようなガス流
量制御装置により容易に変化させることができる。

第２図に、本発明を■−ｖ族化合物半導体に適用して場
合について、■族元素水素化合物あるいは水素の供給量
を変化させた際の、バッファ層および活性層についての
成長速度の変化をそれぞれ成長層の断面図に対応させて
示す。基板１２上に、先ず上記供給量を少なくすること
により、膜厚を正確に制御する必要のないバッフ１層１
３を高い成長速度で成長させ、次に供給量を多くするこ
とにより、膜厚を正確に制御する必要のある活性層１４
を低い成長速度で成長させる。このようすれば、金属ソ
ースにセルの温度を変化させることなく、容易に成長速
度を変化させることができるので、バッファ層の成長時
間を最小限に短縮して、結晶成長の生産性を向上させる
ことができる。

また、本発明者は、２種の■族元素を含む■■族化合物
半導体（■え−ＩＩ１．−Ｖ族化合物半導体）の場合、
■え族元素と■８８層素の取り込みの減少の割合は等し
くなることを実験的に明らかにした。したがって、本発
明の方法により、■え族元素と■８８層素の組成比を所
定値に維持した状態で成長速度を変化させることができ
る。

〔実施例１〕 本発明法ｌに従い、第４図に示す従来の分子線結晶成長
装置を用い、成長原料として、金属ソースＧａＸＡｊｌ
！、およびＳｉ（ドーパント）を、ガスソースＡＳＨ３
（アルシン）を用い、Ｎ−Ａｌ１Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ高電子移動度トランジスタ用へテロエピ
タキシャル成長層を成長させた。第２図において、バッ
ファ層１３の膜厚を６０００人、活性層１４０合計膜厚
を１０００人とした。

ＡＳＨ３の流量を、バッファ層１３の成長時は５３ＣＣ
Ｍとし、活性層１４の成長時は５０３ＣＣＭとした。そ
れぞれの成長時の成長室内真空度は２Ｘ１０−５ｔｏｒ
ｒおよび２Ｘ１０−、’ｔｏｒｒであった。ＧａＡｓの
成長速度は第１図（ａ）に示したように、上記のＡＳＨ
３流量に対応してそれぞれ１．　０μｍ−／ｈおよび０
．５μｍ／、ｈであった。Ａ　ｓ　Ｈ３の流量はマスフ
ローコントローラで制御した。流量が５３ＣＣＭから５
０３ＣＣＭに変化するのに要する時間は２〜３秒程度で
あり、実用上全く問題は無い。活性層成長時のＡｌＧａ
Ａｓの成長速度は０．６３μｍ／ｈとなるようにＡｌの
にセルの温度を設定した。基板温度は６５０℃（一定）
に保持した。

成長に要する時間を従来の方法と比較する。ここで、成
長時間は、簡単の為、ＧａＡｓの成長速度のみを用いて
計算する。先ず、従来の方法によって成長させた場合に
は、成長の途中で成長速度を変化させることができない
ので、バッファ層から活性層までの全ての成長を０．５
μｍ／ｈで行う。したがって、全体の成長に要する時間
は８４分である。これに対して、本発明に従った上記成
長においては、バッファ成長時は１．０μｍ／ｈ、活性
層成長時は０．５μｍ／ｈと成長速度を変化させること
ができるので、全成長時間は４８分となり、従来に比べ
て成長時間を４割短縮できた。

〔実施例２〕 本発明法２に従い、第３図に示したように、ボンベ１５
から水素を導入できるようにした分子線結晶成長装置を
用い、成長原料は実施例１と同じ金属ソースおよびガス
ソースを用い、Ｎ−−ＡｌＧａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ高電子移動度トランジスタ用へテロエピタキシャ
ル成長層を成長させた。

Ａ　Ｓ　Ｈ３の流量は５３ＣＣＭに固定し、水素導入量
を、バッファ層１３の成長時には０とし、活性層１４の
成長時には９０３ＣＣＭとすることにより、バッファ層
１３の成長速度を１．０μｍ／ｈとし、活性層１４の成
長速度を０．５μｍ／ｈとした。

他の条件は実施例１と同様にした。

これにより、実施例１と同様な成長時間短縮効果が得ら
れた。

〔実施例３〕 本発明法２に従い、実施例２と同様に、ボンベ１５から
水素を導入できるようにした分子線結晶成長装置を用い
、成長原料は全て金属ソースとして、Ｇａ、Ａｓ、ＡＡ
、およびＳｉ（ドーパント）を用い、Ｎ−ＡＡＧａＡｓ
／ＧａＡｓ高電子移動度トランジ高電子移動度トランジ
スタル成長層を成長させた。

他の条件は実施例２と同様であった。

これにより、実施例１および２と同様な成長時間短縮効
果が得られた。

以上の実施例では、■−■族化合物半導体結晶を成長さ
せた場合について説明したが、本発明はこれに限定され
ることなく、本発明の成長法１によれば他の化合物半導
体結晶、例えばＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶等につい
ても同様の効果が得られ、本発明の成長法２によれば化
合物半導体に限らず元素単体の半導体結晶、例えばＳ１
結晶等についても同様の効果が得られる。

ｎ−ＶＩ族化合物半導体結晶、例えばＨｇＴｅ化合物半
導体結晶等を分子線結晶成長法により成長させる場合は
、本発明に従った下記のような方法が可能である。

すなわち、金属Ｈｇを湯せんに入れ、水素でバブリング
する。−船釣にＨｇ供給量を上げるには、湯せんの温度
を上げるか、キャリアガス（水素）の流量を上げる。本
発明にしたがえば、湯せん温度を変えるのではなく、キ
ャリアガスの流量を上げる。これにより、キャリアガス
である水素およびそれにより輸送されるＨｇの量が増加
する。ＨｇはＨｇＴｅ化合物半導体構成元素である２種
の元素のうちで蒸気圧が高い元素である。したがって、
この方法では、本発明法１と本発明法２とを併用するこ
とになる。このようにすれば、実施例１〜３と同様な効
果を得ることができる。Ｈｇ源として有機水銀を用いる
方法も考えられるが、有機水銀の使用は安全面から日本
国内では禁じられている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、分子線結晶成長
法により半導体結晶を成長させる際に、素子を形成する
ための活性層を原子層単位で正確に厚さ制御しながら生
産性を著しく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、それぞれ（ａ）Ｖ放水素化合物の供給量また
は（ｂ）水素の導入量を変化させたときの成長速度の変
化を示すグラフ、 第２図は、■放水素化合物の供給量または水素の導入量
の時間的変化と、それに対応する成長層を示す模式図、 第３図は、本発明の方法を実施するためのガスソース分
子線結晶成長装置の例を示す配置図、および 第４図は、従来の方法を実施するためのガスソース分子
線結晶成長装置の典型例を示す配置図である。 βＹ升′！／ｌ’ｖ口１１嚢瞥 超高真空チャンバー、 基板、　　　　　　３：基板ホルダ、 基板加熱ヒータ、　５：シャッタ、 金属ソースにセル、７：ガスセル、 ソースガスを充填したガスボンベ、 ガス流量制御装置、 ：液体窒素シュラウド、 ：真空ポンプ、　　　１２：基板、 ：バッファ層、　　１４：活性層、 ：水素を充填したガスボンベ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、成長原料として金属ソースおよび／またはガスソー
   スを用いる分子線結晶成長法によって、成長室内の基板
   上に化合物半導体結晶のバッファ層を成長させた後、こ
   のバッファ層上に上記化合物半導体結晶の活性層を成長
   させる方法において、上記バッファ層の成長は、上記化
   合物半導体の構成元素のうち蒸気圧が最も高い元素の上
   記成長室への供給量を少なくすることにより、高い成長
   速度で行い、 上記活性層の成長は、上記供給量を多くすることにより
   、低い成長速度で行う ことを特徴とする半導体結晶の成長方法。 ２、前記蒸気圧の最も高い元素としてＶ族元素を用い、
   III−Ｖ族化合物半導体結晶の前記バッファ層および前
   記活性層を成長させることを特徴とする請求項１記載の
   半導体結晶の成長方法。 ３、成長層に取り込まれないか、取り込まれても成長層
   に実質的な影響を及ぼさないガスを前記成長室内へ導入
   し、 前記バッファ層の成長は、前記化合物半導体の構成元素
   のうち蒸気圧が最も高い元素の上記成長室への供給量を
   少なくすると共に上記ガスの導入量を少なくするか導入
   を停止することにより、高い成長速度で行い、 前記活性層の成長は、上記供給量を多くすると共に上記
   導入量を多くすることにより、低い成長速度で行う ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶
   の成長方法。 ４、前記導入ガスとして水素を用いることを特徴とする
   請求項３記載の半導体結晶の成長方法。 ５、成長原料として金属ソースおよび／またはガスソー
   スを用いる分子線結晶成長法によって、成長室内の基板
   上に半導体結晶のバッファ層を成長させた後、このバッ
   ファ層上に上記半導体結晶の活性層を成長させる方法に
   おいて、 成長層に取り込まれないか、取り込まれても成長層に実
   質的な影響を及ぼさないガスを上記成長室内へ導入し、 上記バッファ層の成長は、上記ガスの導入量を少なくす
   るか、導入を停止することにより、高い成長速度で行い
   、 上記活性層の成長は、上記導入量を多くすることにより
   成長速度を低くして行う ことを特徴とする半導体結晶の成長方法。 ６、前記導入ガスとして水素を用いることを特徴とする
   請求項５記載の半導体結晶の成長方法。