JPH0474792A

JPH0474792A - 半導体薄膜形成法

Info

Publication number: JPH0474792A
Application number: JP15218090A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamada; 武山田; Hideo Sugiura; 杉浦　英雄; Ryuzo Iga; 龍三伊賀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1992-03-10

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、基板上の任意の場所に成長速度と組成が制御
された化合物半導体薄膜を形成する半導体薄膜形成法に
関する。

（従来の技術）半導体素子の高度化、高機能化に伴い、その作製プロセ
スは複雑化の一途をたどっている。そのためこれらの作
製プロセスの簡単化が望まれている。従来の技術で：よ
、例えば、ジャーナル　オブアプライド　フィジックス
（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｅｄＰｈｙｓｉｃｓ
　）　５８巻（１９８５年）　１４１５頁にあるように
、面内に−様な厚さ・組成の膜しか作製できなかった。

ゆえに、膜成長後に高度なりソグラフィ技術を用いて面
内５こ複雑な凹凸を存する素子構造を作製巳なければな
らなかった。そこで、膜成長後のこれらの複雑なプロセ
ス工程を省略するため、膜成長中にパターン形成が可能
な方法が求められている。

最近、複雑なプロセス行程を簡素化するため、薄膜形成
時に面内の一部の場所の厚さを制御しようとする試みが
なされている。たとえばアブライドフィジノクスレター
ズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ
）４７巻１９８５年ｐ、９５にあるように、有機金属熱
分解法（以後ＭＯＣＶＤと略す）を用いて、ＧａＡｓ膜
を形成するさいに基板にアルゴンレーザを照射すること
により、照射部分にのみ膜形成を行う技術が開発されて
いる。選択成長する理由は原料の有機金属が光照射によ
って分解されるかちである。光源とじてはアルゴンレー
ザばかりでなく低圧水銀ランプ、エキシマレーザなどで
も効果があることが報告されている。

（発明が解決しようとする課題）これまでの光照射による選択成長では、基板の上昇にと
もなって膜成長が増加する条件下、つまり低い基板温度
で光を照射する。その理由しよ、低温基板上に供給され
た有機金属は一部分解できなくなるが、その未分解の有
機金属を、光によって分解して成長速度を増加させるた
めである。よく知られているように、成長温度が低下す
るにつれて膜の品質が劣化する。したがって、従来の方
法で選ＩＲ成長した膜は劣悪でデバイスに応用された例
：よほとんどない。

本発明では、上記の問題点を解決するため、膜成長速度
と組成が基板温度乙こよって、大きく変化することを考
慮じ、適当な温度に保たれた基板面内に適当な強度を存
する光を照射し、部分的に成長速度を変化せしめるに十
分な温度分布をもたせることで薄膜面内の任意の場所で
成長速度・組成の制御が可能とするものである。

本発明は、薄膜成長後のりソグラフィ技術を用いること
なく微細なパターンを膏する良質な半導体薄膜を形成し
、半導体素子の複雑なプロセス工程を簡略化できる半導
体薄膜形成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および作用）上記の目的を
達成するため本発明の第１の発明は、真空容器内で有機
金属の分子線と熱分解した水素化物の分子線を用いて単
結晶基板上に半導体薄膜を形成する有機金属分子線エピ
タキシ法で化合物半導体薄膜を成長する際に、膜の成長
速度が基板温度の上昇に伴って一定もしくは減少する条
件下において、真空容器外から光を基板上に照射しなが
ら前記の膜を成長することを特徴とする半導体薄膜形成
法を特徴とする。

本発明においては、有機金属分子線エピタキシ法によっ
て化合物半導体薄膜を成長する際に、膜の成長速度が基
板温度の上昇に伴って一定もしくは減少する条件下にお
いて、真空容器外から光を基板上に照射しながら前記の
膜を成長することによって、工程が大幅に削減でき、か
つ界面乙こ欠陥の発生を防ぐことができる作用を有する
ものである。

次に第２の発明は有機金属分子線エピタキシ法を用いて
、単結晶基板上に半導体薄膜を成長させる際に、半導体
薄膜の成長速度が基板温度の上昇に伴って、ある高い一
定領域から減少する領域を経て、そのまま低い一定領域
に落ち着くまで連続的に変化する成長条件において、光
非照射部分については、半導体薄膜の成長速度を前記高
い一定領域に含まれるように基板温度を制御し、かつ半
導体薄膜の成長速度が基板温度の上昇に伴って前記低い
一定領域となる基板温度まで加熱されるに十分な強変の
光を前記基板の一部に照射することを特徴とする半導体
薄膜形成法を特徴とする。

第２の発明は有機金属分子線エビタキ７法を用いて、単
結晶基板上に半導体薄膜を成長させる際に、半導体薄膜
の成長速度が基板温度の上昇に伴って一定もくしは減少
する成長条件において、薄膜の成長速度が基板温度の上
昇に伴って減少した後一定となる基板温度に基板の一部
分が到達するに十分な光強度を有する光を照射すること
によって、基板上の所望の場所に凹凸を有する薄膜を形
成することができる。

さて、基板上に光が照射され、それが熱として吸収され
る場合、基板温度の上昇する範囲は照射する光のパルス
幅で異なる。基板温度の上昇する範囲は熱の拡散距離に
よって決まり、−次元的な熱の拡散距離は次式で表され
る。

１＝ｋｔ／ｐＣｐここに１は熱拡散距離、ｋ：ま熱伝導率、Ｌ：よ光の照
射時間（パルス幅Ｌｐは密度、Ｃｐは比熱である。上式
から明らかなように、光照射に際してはアルゴンレーザ
光のような連続的に発源するし・−ザを用いて基板を照
射した場合に比べ、パルスレーザ光を照射すると、基板
吸収された熱の拡散が抑制され、照射部周囲の温度上昇
も抑えられる。

従って、上記方法を適用した場合よりもさらに微細なパ
ターンを有する半導体薄膜を形成しうる。

一方、−次元的な熱の拡散距離を表す式から明らかなよ
うに、前記条件下でＬが１００ナノ秒以下であるパルス
レーザ−を照射すると、熱の拡散距離は例えばＩｎＰの
場合で最大１μｍ程度であるため、光を照射部た範囲か
ら熱はほとんど拡散巳ない。すなわち、パルスレーザ−
光を照射した範囲のみの基板温度が上昇し、その部分の
みが結晶の成長を抑制されパターン化が可能となる。例
えば、ＩｎＰを基板に用いてパルス幅１２ナノ秒のエキ
シマレーザ−光を照射した場合、熱拡散距離は約０，３
μｍであり、微細なパターンを部分的に成長させること
が可能である。

なずわち第３の発明は、有機金属分子線エピタキ、２・
法を用いて、単結晶基板上に半導体薄膜を成長させる際
に、半導体Ｆｉ！膜の成長速度が基板温度の上昇に伴っ
て、ある高い一定領域力受・減少する領域を経て、その
まま低い一定領域に落ち着くまで連続的に変化する成長
条件シこおいて、光非照射部分については、半導体薄膜
の成長速度を前記高い一定領域に含まれるように基板温
度を制御し、かつ半導体薄膜の成長速度が基板温度の上
昇に伴って前記低い一定領域となる基板温度に基板の一
部分が加熱されるに十分な光強度を有するパルスレーザ
−光を照射することを特徴とする半導体薄膜形成法を特
徴とする。

次に第４の発明は、を機金属分子線エビタキン法を用い
て、単結晶基板上に半導体・薄膜を成長させる際に、半
導体薄膜の成長速度が基板温度の上昇に伴って、ある高
い一定領域から減少する領域を経て、そのまま低い一定
領域に落ち着くまで連続的に変化する成長条件において
、光非照射部分については、半導体薄膜の成長速度を前
記高い一定領域力受含まれるように基板温度を制？３１
Ｌ、かつ′＋導体薄膜の成長速度が基板温度の上昇に伴
って前記低い一定領域となる基板温度に基板の一部分が
加熱されるに十分な光強度を有し、パルス幅が１００ナ
ノ秒以下のパルスレーザ−光を照射する半導体ｍ！！＃
形成法合成法とする。

第３及び第４の発明において１よ、基板を加熱するため
のレーザー光としてパルスレーザ−光を用いているため
に、ミクロンオーダの微細な、・・°ターンの形成と組
成の制御可能である。

（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図は本発明の詳細な説明するための構成図であって
、図において、■は真空容器、２はアルシンボンへ、３
と６と８と１５はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）、
４は熱分解セル、５と７は有機金属ボン−・、９は有機
金属用分子線セル、１０はＩｎＰ基板、１１１よアルゴ
ンレーザ、１２：まレンズ、１３は窓、１４はフォスフ
インである。

ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ膜を成長しながら、アルゴ
ンレーザを照射しな例を述べる。まず、真空容器１を１
０−　”　ＴｏｒｒＯ高真空；こひいた。ヒ素原料のハ
イドライドガスにシよ１００％の濃度のアルシンを用い
た。ボンへ２かみアルシンの流量をＭＦＣ３を用いて１
ｏｃｃ７’分に設定し、９５０°Ｃに加熱した熱分解セ
ル４でヒ素分子線を形成した。熱分解のとき水素が生成
されるため真空容器の真空度は約２×１０−　’Ｔｏｒ
ｒまで増加した。ガリウム原料の有機金属にはトリエチ
ルガリウム（ＴＥＧと略す）を用いた。ＴＥＧポンベ５
を開けてその流量をＭＦＣ６で０．４７ｃｃ／分に調整
した。インジウム原料の有機金属にはトリメチルインジ
ウム（ＴＭＩ）を用いた。ボンへ７を開けてその流量を
ＭＦＣ８で０．５３ｃｃ／分に調整した。これらの有機
金属ガスを混合して有機金属用分子線セル９に導き、こ
のセルからＴＥＧとＴＭＩの混合分子線をＩｎＰ基板１
０にむけて照射じた。このようにしてＩｎＧａＡｓ膜の
成長を開始した。数分後に、アルゴンレーザ１１から強
度５００＋Ｗのレーザビームを出射した。レーザビーム
はレンズ１２を用いて集束し、窓１３を通してＩｎＰ基
板１０に垂直に照射部た。その際、レーザビームの直径
が４００μｍになるように調整した。−時間後にＴＥＧ
とＴＭＩの供給をとめて、ＩｎＧａＡｓ膜の成長を終了
した。これと同時にレーザビームの照射も停止じた。こ
うして作製した膜のし−ザ照射部分には基板温度によっ
てスボ、ト状の凹凸が見られた。

すなわち、約５００°Ｃ以下の範囲では照射部↓こは凸
状のスポ７）が形成され、温度の低下とともに凸部の高
さは増加した。ただし、カソードルミ２ノセンスで凸部
の光特性を調べた結果、基板温度が低下するにつれてル
ミネッセンス強度は残少しだ。つまり、膜質は劣化して
いることがわかった。

一方、基板温度的５００°Ｃ以上ではレーザ照射部は、
成長が抑制されたため、凹状となった。この凹部の深さ
は基ｖｉ層温度上昇とともに増加した。その表面は非照
射部と同程度に鏡面であった。また、基板温度を５３０
°Ｃに保ちレーザ強度を増加じたところ、凹部の深さも
増加じた。

有機金属分子線エビタキンヤル装置を用いて、ｌｎＰ　
Ｓ板上−二１ｎＧａＡｓＦ！膜を成長させた時の成長速
度とＩｎＧａＡｓ中のＧａ組成の基板温度依存性を第２
図及び第３図二二示す。

第２図：ま横軸に基板温度、縦軸にＩｎＧａＡｓの成長
速度をとり、第３図は横軸に基板温度、縦軸には１ｎ１
−　ｘにａＪｓ中のＧａの組成Ｘを示している。原料己
こはトリメチルインジウム５　トリエチルガリウムとア
ルーンを用いた。基板温度以外の成長条件は一定とした
。第２図と第３図より、基板温度が５００゛Ｃから５５
０’Ｃで成長速度とＧａ＆［ｌ成１よほぼ一定である。

５５０°Ｃ以上で成長速度とＧａ組成はともに減少し始
め、６００°Ｃ以上で成長速度とＧａ岨或はともに一定
となる。この結果は、他の成長条件を一定とし、基板温
度のみを適当な値までに変化させることで成長速度、組
成が制御可能であることを示す。

ゆえに、基板温度が５００’Ｃ以上で６００°Ｃ未満の
範囲では、基板面内の一部に光照射し、基板温度を部分
的に６００°Ｃ以上に増加さセると光照射部の成長速度
とＧａＭｉ成はともに非照射部に比べ減少するので、パ
ターン形成とＧａｌ［ｌ成の変化が可能となる。

成長速度と組成を変化せしめるに必要な光強度は、非照
射部分の基板温度、あるいは■族原料に対するＶ族原料
の供給量の比（〜’　／’　ＩＩＩ比）によって変化す
る。非照射部分の基板温度が高い方が、あるいはＶ１ｍ
比が小さい方が、成長速度と組成を変化せしめるに必要
な光強度はより小さい。

第４図は、〜′／■比を小さくすると、破線が示すよう
に右下り曲線の部分が低温側ヘンフ１−する状況を示す
。言い換えると、基板温度とレーザ強度とＶ　／　Ｉ［
ｌ比は等価なパラメータであり、これらのうち２つのパ
ラメータを固定し、残りの１つを変化させることによっ
て、光照射部の成長速度と組成を変化させることが可能
であることを意味する。

以上はＩｎＧａＡｓ膜についての結果であるが、ＩｎＧ
ａＡｓＰ膜の成長においてもほぼ同し傾向が得られてい
る。Ｉｎ［；ａＡｓＰ膜の組成に関して：ま、基板温度
の上昇二二よりＧａに加えてＰの組成も制御可能である
。

（実施例１）上述しな装置を用いて、基板温度を５４０°Ｃとし、１
ｗの光強度を持つアルゴンレーザー（５１４，５ｎｍ）
を部分的に照射しなから１ｎＧａＡｓ成長゛を行った。

その結果、照射部の成長速度は非照射部の約５０％に減
少し、Ｇａ＆ｌｌ成も０．５から０．１に減少しだ。つ
まり、パターン形成とＧａｉ［ｌ成度化が達成された。

照射部の断面形状を第５図に示す。第５図において、横
軸に幅、継軸に高さをとっである。図より照射部の断面
形状は矩形である。二の場合、レーザー照射部の基板温
度は６００°Ｃ以上まで増加している。

（比較例１）次に実施例１と同し装置を用い、基板温度５４０°Ｃ１
〜′／■比は等しくして、アルゴンレーザーのレーザー
強度のみを２００ｍＷに変えて、ＩｎＧａＡｓ膜の成長
を行った。その結果、照射部の成長速度は非照射部と差
がなかった。つまり、パターン形成できなかった。この
場合、レーザー照射による基板温度上昇は１０°Ｃ以下
で、照射部の基板温度は５５０℃に到達していない。

（実施例２）次に比較例１と同し装置を用い、レーザー強度（２００
１１Ｗ）　、Ｖ／　Ｉ［［比は等シくシテ、基板温度）
みを５８０″Ｃに上げてＩｎＧａＡｓ成長を行った。そ
の結果、照射部の成長速度は非照射部の約６０％に減少
し、Ｇａ１ｌ成も０．４から０、ｌに減少した。つまり
、パターン形成とＧａ組成変化が達成された。

照射部の断面形状は第５図とはｌＩ同し矩形であった。

（実施例３）次に比較例１と同し装置を用い、レーザー強度（２００
ｍＷ）、基板温度（５４０°Ｃ）は等しくして、Ｖ１ｍ
比のみを３分の１にしてＩｎＧａＡｓ成長を行った。そ
の結果、照射部の成長速度は非照射部の約５０％に減少
し、Ｇａ組成も０．５から０．１に減少した。

つまり、パターン形成とＧａｉ［ｌ成度化が達成された
。

照射部の断面形状は第５図とほぼ同し矩形であ（実施例
４）上述じた装置を用いて、基板温度を５２０°Ｃとし、Ｉ
Ｗの光強度を持つアルゴンレーザー（５１４，５ｎｍ）
を部分的−二照１−なから１ｎＧａＡｓＰ成長を行った
。

その結果、照射部の成長速度二ま非照射部の約３０％乙
こ減少５、Ｇａ組成は０．４からＯ，ｌ　！こ、Ｐ組成
；よ０．３から０．２に減少した。つまり、パターン形
成とＧａ＆成とＰ組成の変化が達成された。

照射部の断面形状は第５区とほぼ同し矩形である。

（比較例２）次に実施例４と装置、基板温度（５２０°Ｃ）、〜・′
／■比は等しくして、アルゴンレーザーのレーザー強度
のみを５０１に変えて、１ｎＧａＡｓＰ　Ｗｉｔの成長
を行った。その結果、照射部の成長速度は非照射部と差
がなかった。つまり、パターン形成できなかった。

（実施例５）次に比較例２と装置、レーザー強度、ｖ、’ｎｌ比は等
しくじで、基板温度のみを５６０’Ｃに上げて１ｎＧａ
ＡｓＰ成長を行った。その結果、照射部の成長速度は非
照射部の約３０％二こ減少し、Ｇａ組成は０．４から０
．■に、ＰＩ成は０．３から９．２に減少した。

つまり、パターン形成とＧａ１ｌ成とＰｍ成の変化が達
成された。

照射部の断面形状は第５図とほぼ同じ矩形であった。

（実施例６）次に比較例２と袋！、レーザー強度、基板温度は等しく
して、Ｖ　／　ｌＩ［比のみを３分の１にしてＩｎＧａ
ＡｓＰ成長を行った。その結果、照射部の成長速度は非
照射部の約３０％に減少し、Ｇａ＆［ｌ成も０．４から
０．１に、Ｐｍｕ成は０．３から０．２に減少した。

つまり、パターン形成とＧａ＆［ｌ成とＰ＆［ｌ成の変
化が達成された。

照射部の断面形状は第５図とほぼ同し矩形であった。

また、ここではアルゴンレーザーを用いたが、基板温度
の上昇する光源であれば、水銀ランプや赤外線ランプ、
ＹＡＣ；レーザ、ＣＯ２レーザ、ヘリウムネオンレーザ
などでも同し効果であることは言うまでもない。

（実施例７）基板温度を５４０°Ｃとし、パルス幅２０ナノ秒、繰り
返し周波数２０Ｈｚ、１００■Ｊのパルスエネルギーを
持つエキシマレーザ−（３０８ｎｍ）をマスクを用い１
対１投影で照射しながらＩｎＧａＡｓ成長を行った。そ
の結果、照射部の成長速度が非照射部の約５０％に減少
しだ領域は最も小さい部分で３μｍであった。

（実施例８）基板温度を５２０”Ｃとし、パルス幅１２ナノ秒、繰り
返じ周波数１０Ｈｚ、１５０ｍＪのパルスエネルギーを
持つＱスイッチＹＡＣ，レーザー（１０６４ｎ剛）をマ
スクを用い１対１投影で照射しながらＩｎＧａＡｓＰ成
長を行った。その結果、照射部の成長速度が非照射部の
約５０％に減少した領域は最も小さい部分で５μｍであ
った。

（比較例３）実施例７と同一条件下で、ＩＷの光強度を持つアルゴン
レーザーを用いて１ｎＧａＡｓ膜の成長を行った。その
結果、照射部の成長速度が減少した領域は最も小さい部
分で約１００μｍであった。

上記実施例ではエキツマレーザー（３０８ｒｖ　）やＹ
Ａ　Ｇレーザーを用いた場合について示したが、他の波
長のエキシマレーザ−や色素レーザーを用いても微細な
パターンの形成二こ必要な、十分短いパルスを得ること
ができる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、基板上の所望の
場所に凹凸を有するミクロンオーダーの微細なパターン
を、膜成長後のりソグラフィ技術を用いることなく形成
できる。またパターン領域の組成も制御可能である。従
って、光　電子集積回路（ＯＥＴＣ）のように複雑なプ
ロセス工程を必要とする半導体素子の作製において有用
な半導体薄膜形成法となった。

上記実施例ではＩｎＧａＡｓ、　ＩｎＧａＡｓＰの作製
例を示したが、ＩｎＧａＰ、　ＩｎＡｓＰにおいても同
様な効果を確認している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用した装置の構成図、第２図はＩｎ
ＧａＡｓ膜の成長速度の基板温度依存性、第３図は第２
図で示したＩｎＧａＡｓ膜中のＧａＭｉ成を調べた結果
を示す。第４図はＶ／ＩＩＩ比を小さくした場合の状況
を示し、第５図は基板温度を５４０°Ｃとし、ＩＷの光
強度を持ったアルゴンレーザー（５１４，５ｎ、）を部
分的に照射しながら成長したＩｎＧａＡｓ１ｌｌｊの照
射部の断面形状を示す。１・・　・・真空容器２・・　・・アルンンボンへ３．６．８．１５・・マスフローコントローラ４・・・
・・熱分解セル５７・・・有機金属ボンベ９・・・・・を機金属用分子線セル１０・・・・・［ｎＰ基板１１・・・・・アルゴンレーザ１２・・・・・レンズ１３・・・・・空１４・・・・・フォスフイン第１図マスフ０コレトローラ第図苓扱４度（０Ｃ）箪図基板−４屋（ｌＣ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空容器内で有機金属の分子線と熱分解した水素
化物の分子線を用いて単結晶基板上に半導体薄膜を形成
する有機金属分子線エピタキシ法で化合物半導体薄膜を
成長する際に、膜の成長速度が基板温度の上昇に伴って
一定もしくは減少する条件下において、真空容器外から
光を基板上に照射しながら前記の膜を成長することを特
徴とする半導体薄膜形成法。
（２）有機金属分子線エピタキシ法を用いて、単結晶基
板上に半導体薄膜を成長させる際に、半導体薄膜の成長
速度が基板温度の上昇に伴って、ある高い一定領域から
減少する領域を経て、そのまま低い一定領域に落ち着く
まで連続的に変化する成長条件において、光非照射部分
については、半導体薄膜の成長速度を前記高い一定領域
に含まれるように基板温度を制御し、かつ半導体薄膜の
成長速度が基板温度の上昇に伴って前記低い一定領域と
なる基板温度まで加熱されるに十分な強度の光を前記基
板の一部に照射することを特徴とする半導体薄膜形成法
。
（３）有機金属分子線エピタキシ法を用いて、単結晶基
板上に半導体薄膜を成長させる際に、半導体薄膜の成長
速度が基板温度の上昇に伴って、ある高い一定領域から
減少する領域を経て、そのまま低い一定領域に落ち着く
まで連続的に変化する成長条件において、光非照射部分
については、半導体薄膜の成長速度を前記高い一定領域
に含まれるように基板温度を制御し、かつ半導体薄膜の
成長速度が基板温度の上昇に伴って前記低い一定領域と
なる基板温度に基板の一部分が加熱されるに十分な光強
度を有するパルスレーザー光を照射することを特徴とす
る半導体薄膜形成法。
（４）請求項３記載の半導体薄膜形成法において、パル
ス幅が１００ナノ秒以下であることを特徴とする半導体
薄膜形成法。