JPH07321038A

JPH07321038A - 半導体薄膜形成方法及び装置

Info

Publication number: JPH07321038A
Application number: JP10812294A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kashima; 秀夫鹿島; Teruo Busshu; 照夫物集; Kazuhiko Hosomi; 和彦細見; Kiyoshi Ouchi; 潔大内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-05-23
Filing date: 1994-05-23
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】ＨＢＴなどの超格子デバイスに不可欠な，欠
陥及び内部拡散の無い極めて高品質なヘテロ構造薄膜の
成長手段を提供することにある。【構成】複数の半導体薄膜から成るヘテロ構造薄膜の
成長の際，その成長過程で所定の低下率で基板の温度を
低減する工程を１回以上含む。【効果】薄膜の形成，特に輻射吸収率の異なる複数の
薄膜から成るヘテロ構造薄膜の成長中の薄膜表面温度
が，常に一定または一定範囲内に保持されるため，表面
温度の異常上昇に起因した表面欠陥，及び薄膜構成元素
の内部拡散が生じること無く，超格子デバイスに最適な
高品質なヘテロ構造薄膜を容易に実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，化合物半導体薄膜の結
晶成長方法及びその装置により，特にヘテロ構造を形成
する化合物半導体薄膜の成長技術として，その薄膜を構
成する元素の拡散及び欠陥の無い高品質な化合物半導体
ヘテロ構造薄膜の成長技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体薄膜形成方法としては，例
えば特開平５−１４４７５１号または特開平５−２１３
４６号公報記載のものがある。また従来の薄膜原料とし
て，ガスを用いた半導体薄膜成長技術であるガスソース
分子線エピタキシ法（ＧａｓＳｏｕｒｃｅＭｏｌｅｃ
ｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ，以下ＧＳＭＢＥ
と省略する）としては，例えば特開平５−９０１６０号
公報記載のものがある。図９は一般に用いられているＧ
ＳＭＢＥ装置の主要な構成部の配置例を示す。

【０００３】薄膜を成長する基板１と，基板１の裏面に
対向する位置に，基板１を任意温度に加熱及び保持する
熱源２及び基板温度を測定する制御用熱電対５が具備さ
れている。熱源２及び制御用熱電対５は，各々電源３と
温度調節器４にそれぞれ接続されている。基板１の表面
に対向する位置には，固体ソース分子線セル７，クラッ
キングセル６が置かれている。

【０００４】固体ソース分子線セル７には，III族の薄
膜原料である固体III族原料８が充填されており，任意
温度に加熱，蒸発した後基板１に供給する。クラッキン
グセル６には，Ｖ族の薄膜原料であるガス状のＶ族原料
を充填したボンベ（図示せず）が接続されており，ボン
ベからガス状のＶ族原料がクラッキングセル６に導入さ
れ，クラッキングセル６内にて任意温度に加熱し，分解
した後基板１に供給する。各々の固体ソース分子線セル
７及びクラッキングセル６には，シャッタ６ａ，７ａが
それぞれ具備されている。

【０００５】基板１の加熱または基板温度の保持は以下
の手順で行なわれる。あらかじめ温度調節器４に所望の
基板温度を設定する。制御用熱電対５で測定した基板１
の温度は温度調節器４に入力され，温度調節器４に設定
されている所望の基板温度との差を演算し，所望の基板
温度に到達または保持するに要する電力量を電源３から
熱源２に供給する。電力を供給された熱源２は発熱し，
輻射熱を発する。基板１はこの熱源２から放射された輻
射熱を吸収し，基板温度が上昇または所望の基板温度に
保持される。この手順を繰り返すことで基板温度は調整
される。

【０００６】ところで，従来方法による半導体薄膜，例
えばIII−Ｖ族化合物半導体薄膜の成長は以下の工程で
行なわれていた。

【０００７】まずシャッタ６ａをあけてＶ族原料を基板
１に供給しながら基板温度を前述した手順に従い所定の
温度に加熱し，基板表面の酸化物を除去する。次に基板
温度を温度調節器４で薄膜を成長する所望の温度（以下
成長初期温度と称する）に設定し，前述した手順にて保
持する。一般に薄膜の成長温度は，酸化物を除去する際
の温度より低い温度となる。この後シャッタ７ａを開け
III族原料を基板に供給し，所定時間III−Ｖ族薄膜の成
長を行なう。III−Ｖ族薄膜の成長の間温度調節器４に
設定した成長初期温度は終始一定に保持されている。こ
の後シャッタ７ａ，６ａを順次閉じてIII族原料及びＶ
族原料の基板１への供給を停止し，III−Ｖ族薄膜の成
長を終了する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来方法
による薄膜の形成方法では，薄膜成長中の表面温度は，
その薄膜表面が固体ソース分子線セルまたはクラッキン
グセルからの輻射熱で加熱されるため，異常に上昇する
問題が生じる。

【０００９】図１０に従来方法によるＩｎＰ基板上のＩ
ｎＧａＡｓ薄膜とＩｎＰ薄膜から成るヘテロ構造薄膜の
形成時における，基板表面に対向する位置に置かれた放
射温度計で測定した成長中の薄膜表面の温度と，制御用
熱電対で測定したＩｎＰ基板裏面の温度の成長時間依存
性を示した。制御用熱電対で測定した基板裏面の温度
は，成長開始後も成長開始時の温度に保持されている
が，放射温度計で測定した成長中のＩｎＧａＡｓ薄膜の
表面の温度は，成長終了までに成長初期温度４６０℃よ
り５２℃高い５１２℃にまで上昇している。またこの温
度の上昇は，ほとんどＩｎＧａＡｓ薄膜の成長の間で進
行していることがわかる。ＩｎＧａＡｓ薄膜の方がＩｎ
Ｐ薄膜に対して薄膜表面温度の上昇が著しい理由は，Ｉ
ｎＧａＡｓ薄膜，ＩｎＰ薄膜の光の吸収（以下輻射吸収
と称する）特性が異なっていることが考えられる。つま
りＩｎＧａＡｓ薄膜の方がＩｎＰ薄膜より固体ソース分
子線セルまたはクラッキングセルからの輻射熱を効率良
く吸収する性質を有しているため，ＩｎＧａＡｓ薄膜の
表面温度が異常に上昇した。

【００１０】図１１は同じく従来方法で成長したＩｎＧ
ａＡｓ薄膜とＩｎＰ薄膜から成るヘテロ構造薄膜のＩｎ
Ｐ薄膜表面を，ノマルスキ微分干渉顕微鏡で観察したス
ケッチを示している。表面には燐の欠乏に起因して発生
する表面欠陥が多数現われている。この欠陥の密度は１
cm²あたり約１００から２００個であった。

【００１１】図１２は同じく従来方法で成長したＩｎＧ
ａＡｓ薄膜とＩｎＰ薄膜から成るヘテロ構造薄膜のＩｎ
Ｐ薄膜のみを，塩酸系エッチャントでを用いて選択除去
した後のＩｎＧａＡｓ薄膜表面を，ノマルスキ微分干渉
顕微鏡で観察したスケッチを示している。ＩｎＧａＡｓ
薄膜表面には，砒素の欠乏に起因した欠陥は全く現われ
ていない。

【００１２】ＩｎＰ薄膜にのみに，燐の欠乏の起因した
表面欠陥が生じた理由として，以下の現象が考えられ
る。

【００１３】燐は砒素と比較し，蒸気圧が非常に高く，
付着効率も著しく低い材料である。またＧＳＭＢＥ法に
よって，高品質なＩｎＰ薄膜が得られるＩｎＰ薄膜の成
長温度範囲は４５０℃から４９０℃である。これらから
前述したＩｎＰ薄膜成長後の薄膜表面温度である５１２
℃は，ＩｎＰ薄膜の成長温度としては非常に高過ぎたた
めにＩｎＰ薄膜の成長中に燐の再蒸発が加速しているこ
とが推察される。このためＩｎＰ薄膜の成長中に，薄膜
表面に取り込まれる燐の絶対量が不足するか，または一
旦取り込まれたものの再び蒸発している。この結果Ｉｎ
Ｐ薄膜を構成に要する燐の絶対量が不足することにな
り，燐の欠乏に起因した表面欠陥が多数生じたものと思
われる。

【００１４】図１３は，従来例に基いて成長したアンド
ープＩｎＧａＡｓ薄膜と，ベリリウムを５×１０¹⁹／ｃ
ｍ³ドーピングしたＩｎＧａＡｓ薄膜を交互に積層した
超格子構造の，深さ方向の元素の分布状態を２次イオン
質量分析計で測定した結果である。薄膜中のベリリウム
濃度を示す実線がアンドープＩｎＧａＡｓ薄膜領域に裾
を引いている。この結果は，従来方法による薄膜形成方
法では，ベリリウムをドープしたＩｎＧａＡｓ薄膜層か
らアンドープＩｎＧａＡｓ薄膜層へ，その成長中にベリ
リウムが内部拡散していることを示している。

【００１５】以上の結果から，従来方法に従った半導体
薄膜の形成手段では，実際に成長が進行している薄膜の
表面温度が異常に上昇する現象が生じる。この結果，成
長した半導体薄膜表面には表面欠陥及び薄膜中の元素の
内部拡散が発生することが明らかである。

【００１６】以上説明してきたような，薄膜の表面にＶ
族の欠乏に起因した表面欠陥が生じた場合，電子デバイ
ス，光デバイスの作成が不可能になることは言うまでも
ない。さらにドーパントである元素の内部拡散は，電子
デバイス，光デバイスの特性に多大な影響を及ぼすこと
になる。その中でも特にヘテロバイポーラトランジスタ
（以下ＨＢＴと省略する）におけるドーパントの拡散
は，電流利得，動作速度等のデバイス特性の著しい劣化
を招く一因となる。また本説明では特にＩｎＧａＡｓ薄
膜とＩｎＰ薄膜から成るヘテロ構造薄膜の成長について
のみ触れているが，同様の問題は例えばＩｎＧａＰ，Ｇ
ａＡｓ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅと言った他の材料系の薄膜ま
たはヘテロ構造薄膜の成長の際も生じる。

【００１７】本発明は上記問題を解消することにあり，
特にＨＢＴ等の超格子ヘテロ構造デバイスの成長方法に
おいて，欠陥，拡散の無い高品質な薄膜，特にヘテロ構
造薄膜の成長手段を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】Ｖ族原料を基板に照射し
ながら基板上の酸化物を除去した後，基板温度を高品質
な薄膜が得られる成長初期温度に温度調節器に設定す
る。この後III族原料の供給を開始し，III−Ｖ族薄膜の
成長を開始する。成長中のIII−Ｖ族薄膜の表面温度は
放射温度計で測定し，その温度が高品質な薄膜が得られ
る成長温度の上限値である所定の温度に達した時，若し
くは薄膜の表面温度の変化に同期して，漸次温度調節器
の基板温度の設定値を調整する。

【００１９】

【作用】成長中の薄膜表面の温度変化に対応して，温度
調節器の基板温度設定値を調整することによって，輻射
吸収特性の異なる異種の薄膜から成るヘテロ構造薄膜で
あっても，その成長を通して常にその薄膜の表面温度
を，高品質な膜が得られる成長温度範囲内に保持するこ
とが可能となる。また温度調節器の基板温度設定値の調
整を行なう指針である薄膜表面の所定温度は，高品質な
膜が得られる成長温度の上限以下の温度である。これに
よって薄膜表面の温度の異常な温度の上昇が抑制される
ため，その薄膜を構成する蒸気圧の高い，付着効率の低
い元素の成長中の再蒸発速度が適切となり，これによっ
て欠陥及び拡散の無い極めて高品質な薄膜またはヘテロ
構造薄膜が実現できる。

【００２０】

【実施例】以下本発明によるヘテロ構造薄膜の成長方法
を，特にＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ薄膜及びＩｎＰ薄
膜から構成されるヘテロ構造薄膜の成長の実施例をもと
に説明する。

【００２１】図１は本発明によるヘテロ構造薄膜の成長
方法に従った各種薄膜の成長過程における温度調節器の
基板温度設定値の変更チャートを示す。

【００２２】図２は本実施例で用いたＧＳＭＢＥ装置の
概略図である。図２において従来のＧＳＭＢＥ装置（図
９）と同一符号は同等部分を示す。

【００２３】薄膜原料としては，III族原料として固体
Ｉｎ１２，固体Ｇａ１０，Ｖ族原料としてアルシン（Ａ
ｓＨ₃）１６，ホスフイン（ＰＨ₃）１７を用いる。

【００２４】ヘテロ構造薄膜を成長するＩｎＰ基板２０
は，真空雰囲気に保持された成長室１３内に置かれる。
固体Ｉｎ１２，固体Ｇａ１０は固体ソース分子線セル１
１，９に充填されており，任意温度に加熱し蒸発させた
後ＩｎＰ基板２０に供給する。アルシン１６，ホスフイ
ン１７はそれぞれボンベ１８，１９に充填されている。
アルシン１６及びホスフイン１７はそれぞれバルブ１６
ａ，バルブ１７ａを介してクラッキングセル６に導入さ
れ，クラッキングセル６内にて任意温度に加熱し，分解
された後，Ａｓ₂，Ｐ₂の形態でＩｎＰ基板２０に供給す
る。各々の固体ソース分子線セル９，１１及びクラッキ
ングセル６には，シャッタ６ａ，９ａ，１１ａがそれぞ
れ具備されている。

【００２５】図２のＧＳＭＢＥ装置を用いて，図１に示
した基板温度変更チャートに従ったＩｎＧａＡｓ薄膜と
ＩｎＰ薄膜から構成されるヘテロ構造薄膜の形成は以下
の手順で行なわれる。

【００２６】まずバルブ１７ａ，シャッタ６ａを開けＩ
ｎＰ基板２０にＰ₂を照射しながらＩｎＰ基板２０を５
００℃に加熱し，ＩｎＰ基板２０上の酸化物を除去す
る。この後ＩｎＰ基板２０の温度をＩｎＧａＡｓ薄膜の
成長温度である４６０℃に変更してしばらくの間保持す
る。この後バルブ１７ａを閉め，バルブ１６ａを開けＡ
ｓ₂をＩｎＰ基板２０に照射し，次いでシャッタ９ａ，
１１ａを開けＩｎ，ＧａをＩｎＰ基板２０に照射し，Ｉ
ｎＧａＡｓ薄膜の成長を開始する。成長中の薄膜表面の
温度は，ＩｎＰ基板２０に対向する位置に透過窓１５を
介して置かれた放射温度計１４で測定する。尚上記の５
００℃，４６０℃の値は放射温度計１４を用いて，各セ
ルのシャッタ６ａ，９ａ，１１ａを閉じた時に測定した
ＩｎＰ基板２０表面の温度の値であり，以降特別に説明
しない限り，温度の値は放射温度計１４で測定した値を
示している。放射温度計１４を用いてＩｎＰ基板２０ま
たは薄膜の表面の温度を測定する際に，各セルのシャッ
タ６ａ，９ａ，１１ａを閉じる理由は以下による。一般
に放射温度計を用いて被測定物，例えば半導体の温度を
測定する場合，放射温度計の誤動作（測定誤差）を避け
るために，半導体表面に反射する蛍光灯またはフィラメ
ント電球等の背光源を遮蔽する手段が必要となる。ＧＳ
ＭＢＥの場合高温に加熱し赤熱したセルが上記の背光源
となるため，正確な薄膜表面の温度を測定するために
は，各セルのシャッタ６ａ，９ａ，１１ａを閉じて行わ
なければならない。成長中のＩｎＧａＡｓの薄膜の表面
温度は，ＩｎＧａＡｓの輻射吸収率がＩｎＰと異なるた
めセルから放射される輻射熱をＩｎＰより効率良く吸収
し，成長の進行による膜厚の増加に伴い上昇すること
が，これまでの実験から判明している。一般にＧＳＭＢ
Ｅ法において，高品質なＩｎＧａＡｓ薄膜は，その成長
温度が４５０℃から５１０℃の範囲で成長した時に得ら
れる。よって成長中のＩｎＧａＡｓ薄膜表面の温度が，
その成長中常に上記温度範囲内にあるように温度調節器
４に対してあらかじめ温度調節器４に入力されている基
板温度設定値を制御することで，高品質なＩｎＧａＡｓ
薄膜が得られる。本実施例ではＩｎＧａＡｓ薄膜の表面
温度が４８０℃に達した時点で，温度調節器４の基板温
度設定値を成長初期温度より１０℃低い値に変更した。
設定値変更後のＩｎＧａＡｓ薄膜の表面温度は，一時４
６２℃まで低下し，再びＩｎＧａＡｓ薄膜の成長の進行
に伴い上昇した。温度調節器４の成長初期温度を変更す
る指針としたＩｎＧａＡｓ薄膜の表面温度４８０℃は，
ＩｎＧａＡｓ薄膜に対してドーパントとなる元素，例え
ばシリコン，ベリリウムをドーピングしながら成長して
いる場合においても，そのドーパントが内部拡散しない
温度である。上記手順をＩｎＧａＡｓ薄膜の成長の間繰
り返して行なうことによって，ＩｎＧａＡｓ薄膜の表面
温度は４６０℃以上４８０℃以下に制御される。上記工
程を採りながら所定時間ＩｎＧａＡｓ薄膜の成長を行な
った後，シャッタ９ａ，１１ａを閉めＩｎＧａＡｓの成
長を停止する。この後バルブ１６ａを閉め，バルブ１７
ａを開けてＰ₂をＩｎＰ基板２０に向けて照射し，次い
でシャッタ１１ａを開けＩｎＰ薄膜の成長を所定時間行
なう。ＩｎＰ薄膜の表面温度も，ＩｎＧａＡｓ薄膜の成
長と同様に成長の進行に伴う膜厚の増加に従い上昇す
る。本実施例では，ＩｎＰ薄膜の表面温度は最高４７３
℃まで上昇した。この温度は前述した高品質なＩｎＰ薄
膜が得られる成長温度である４５０℃から４９０℃の範
囲内にあるため，ＩｎＰ薄膜の成長の間に温度調節器４
の基板温度の設定値の変更は行なっていない。

【００２７】図３は本発明の第２の実施例の成長過程に
おける基板温度設定値の変更チャートを示す。ＩｎＧａ
Ａｓ薄膜の成長を開始するまでは，第１の実施例と同一
の工程を採る。成長中のＩｎＧａＡｓ薄膜の表面温度の
上昇率は，これまでの実験結果の統計から，ＩｎＧａＡ
ｓ薄膜の膜厚が２０ｎｍから３０ｎｍ増加するに従い約
１℃上昇することが判明している。つまりＩｎＧａＡｓ
の薄膜が２ｎｍまたは３ｎｍ形成される時間内に，温度
調節器４の基板温度設定値を０．１℃ずつ低下しながら
ＩｎＧａＡｓ薄膜の成長を行なうことで，その成長中の
薄膜表面の温度は成長開始時の温度に保持することが可
能となる。本実施例では，ＩｎＧａＡｓ薄膜の成長速度
は１分当り１６．８ｎｍであったこと，またＩｎＧａＡ
ｓ薄膜の表面温度の上昇率が平均してその膜厚が２５ｎ
ｍ増加するに当り１℃上昇するとして，１分当り０．７
℃の低下率で温度調節器４の基板温度設定値の変更を行
なった。ＩｎＧａＡｓ薄膜の成長の間，上記低下率で温
度調節器４の基板温度設定値の変更を継続して行なっ
た。ＩｎＧａＡｓ薄膜の形成後の工程は第１の実施例と
同一の工程を採る。

【００２８】図４は本発明の第３の実施例の成長過程に
おける基板温度の設定値変更チャートを示す。ＩｎＧａ
Ａｓ薄膜の成長を開始するまでは，第１の実施例と同一
の工程を採る。ＩｎＧａＡｓ薄膜の成長の間は基板温度
の変更は行なわず，成長初期温度で所定時間行なう。Ｉ
ｎＧａＡｓ薄膜の成長後の薄膜の表面温度は，５０８℃
であった。この後シャッタ９ａ，１１ａを閉めＩｎＧａ
Ａｓの成長を停止する。この時薄膜表面の温度が４６０
℃以上４８０℃以下となるように温度調節器４の基板温
度設定値を変更する。この間ＩｎＰ基板２０に向けての
Ａｓ₂の照射は継続されて行なわれる。上記手順を繰り
返して薄膜表面の温度を４６０℃以上４８０℃以下に保
持した時点でバルブ１６ａを閉め，バルブ１７ａを開け
てＰ₂をＩｎＰ基板２０に向けて照射し，次いでシャッ
タ１１ａを開けＩｎＰ薄膜の成長を所定時間行なう。本
実施例によれば，温度調節器４の基板温度設定値の変更
は，成長中断中のＩｎＧａＡｓ薄膜とＩｎＰ薄膜の界面
で行なわれるため，界面の平坦化の面でも大きな効果が
得られる。

【００２９】図８は本発明によるガスソースＭＢＥ装置
の第２の実施例を示している。図８において図２のガス
ソースＭＢＥ装置と同一符号は同等部分を示す。

【００３０】放射温度計１４用の透過窓１５には，シャ
ッタ１５ａを設けており，透過窓１５への薄膜原料の蒸
着による曇りを防止している。各シャッタ６ａ，９ａ，
１１ａ，１５ａは，シャッタ駆動系２１によってその開
閉動作が制御される。温度制御系２２は，放射温度計１
４及び温度調節器４と接続している。この温度制御系２
２には，複数の所望の薄膜の放射率が記憶されており，
随時放射温度計１４への任意の所望の薄膜の放射率の設
定を可能としている。図８のＧＳＭＢＥ装置を用いた第
１の実施例に従う薄膜表面温度の制御は，以下の手順で
行われる。尚，他の第２，第３の実施例に基いた薄膜表
面温度の制御も以下に述べる同様の手順で行われる。

【００３１】まず放射温度計１４に，温度制御系２２か
らＩｎＰ基板２０の放射率を設定する。この後，ＩｎＧ
ａＡｓ薄膜を成長するまでは前述した工程を採る。Ｉｎ
ＧａＡｓ薄膜の成長と同時に，またはその前後に，放射
温度計１４の放射率を温度制御系２２からＩｎＧａＡｓ
薄膜の放射率に変更する。ＩｎＧａＡｓ薄膜成長中のＩ
ｎＧａＡｓ薄膜表面の温度の測定は，シャッタ制御系２
１によって，放射温度計１４用の透過窓１５のシャッタ
１５ａを開けると同時に，セルのシャッタ６ａ，９ａ，
１１ａを，III族原料であるＩｎ１２，Ｇａ１０のセル
シャッタ９ａ，１１ａ，次いでＶ族原料供給用のクラッ
キングセル６のシャッタ６ａの順に閉じ，任意時間この
状態を保持している間に放射温度計１４でＩｎＧａＡｓ
薄膜表面の温度の測定を行う。放射温度計１４で測定し
たＩｎＧａＡｓ薄膜表面の温度は，随時温度制御系２２
に送られる。任意時間の間ＩｎＧａＡｓ薄膜表面温度の
測定を行った後，シャッタ制御系２１によって再び透過
窓１５のシャッタ１５ａは閉じられ，これと同期してＶ
族原料用のクラッキングセル６のシャッタ６ａ，次いで
III族原料であるＩｎ１２，Ｇａ１０用のセルシャッタ
９ａ，１１ａの順で開けられる。ＩｎＧａＡｓ薄膜表面
温度の測定時間は，前述したように任意時間として問題
は無いが，その間に進行するＩｎＧａＡｓ薄膜表面から
の砒素の再蒸発がＩｎＧａＡｓ薄膜の品質に充分影響を
与えない時間とするのが望ましい。本実施例において，
ＩｎＧａＡｓ薄膜表面温度の測定時間は５秒としてい
る。ＩｎＧａＡｓ薄膜の成長の間上記手順を複数回繰返
し，成長中のＩｎＧａＡｓ薄膜表面温度の測定を行い，
ＩｎＧａＡｓ薄膜表面温度が４８０℃に達した時点で，
ＩｎＧａＡｓ薄膜表面温度が４６０℃以上４８０℃以下
の範囲になるように，温度制御系２２によって温度調節
器４の基板温度設定値の変更を行う。上記手順を繰返し
行うことで，所定時間ＩｎＧａＡｓ薄膜の成長の間Ｉｎ
ＧａＡｓ薄膜の表面温度は，正確に４６０℃以上４８０
℃以下の一定の範囲に極めて高精度に制御される。この
後前述した工程を採り，続けてＩｎＰ薄膜の成長を開始
する。ＩｎＰ薄膜の成長を開始すると同時に，またはそ
の前後に，温度制御系２２から放射温度計１４に設定さ
れているＩｎＧａＡｓ薄膜の放射率をＩｎＰ薄膜の放射
率に設定変更する。ＩｎＰ薄膜の成長の間，ＩｎＧａＡ
ｓ薄膜表面温度の測定と同様の手順で成長中のＩｎＰ薄
膜表面温度の測定を行う。

【００３２】尚，本実施例では，放射温度計１４と制御
用熱電対５の両方を併用して薄膜表面温度の制御を行っ
ているが，放射温度計１４のみを使用して上記薄膜表面
温度の制御を行っても良い。その際以下の工夫が必要と
なる。一般に放射温度計１４はその温度測定範囲が限定
されている。本実施例で使用した放射温度計１４の測定
下限値は４００℃である。このため基板を前述した温度
に到達させるまでに加熱する際に，電源３から熱源２に
供給する電力量を適切に制御するなどで，急激な基板の
温度上昇を抑制する手順が必要となる。

【００３３】図５は図２のＧＳＭＢＥ装置を用いて，第
１の実施例に基いてＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡ
ｓ薄膜とＩｎＰとから成るヘテロ構造薄膜において，Ｉ
ｎＰ薄膜の表面をノマルスキ微分干渉顕微鏡で観察した
スケッチである。従来問題となっていた，成長中の薄膜
表面温度の異常上昇による燐の欠乏に起因した表面欠陥
は全く現われておらず，表面のモホロジも極めて良い状
態にあることが分かる。

【００３４】図６は同じヘテロ構造薄膜において，Ｉｎ
Ｐ薄膜のみを塩酸系エッチャントで選択除去し，ＩｎＧ
ａＡｓ薄膜表面をノマルスキ微分干渉顕微鏡で観察した
スケッチである。ＩｎＧａＡｓ薄膜表面もＩｎＰ薄膜の
表面と同様に表面欠陥は全く見られず，良好なモホロジ
が得られていることがわかる。

【００３５】図７は図２のＧＳＭＢＥ装置を用いて，第
２の実施例に基いて成長した，アンドープＩｎＧａＡｓ
薄膜とベリリウムを５×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングした
ＩｎＧａＡｓ薄膜を交互に積層した超格子構造の，深さ
方向の元素の分布状態を２次イオン質量分析計で測定し
た結果である。従来方法に基いて成長した同一構造の超
格子構造で生じていた，ベリリウムをドープしたＩｎＧ
ａＡｓ薄膜層からアンドープＩｎＧａＡｓ薄膜層へのベ
リリウムの拡散は全く生じておらず，優れたドーピング
プロファイルが得られている。

【００３６】以上説明してきたように，本発明によれ
ば，薄膜，特に輻射吸収率の異なる複数の薄膜から成る
ヘテロ構造薄膜の形成において，その成長中の薄膜表面
の温度は正確に常に一定にまたは一定範囲内に高精度に
保持されるため，成長中の薄膜表面温度の異常上昇によ
るＶ族元素の欠乏に起因した表面欠陥またはその構成元
素の内部拡散が生じること無く，高品質なヘテロ構造薄
膜が容易に得られることは明白であり，超格子ヘテロ構
造デバイス，例えばＨＢＴの作成が容易と成る。

【００３７】尚本発明で述べてきた複数の実施例を組み
合わせた手法で，基板温度の設定値の変更を行なっても
同様の効果が得られることは言うまでもない。また本実
施例では，説明上特にＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ薄膜
とＩｎＰ薄膜からなるヘテロ構造薄膜の形成についての
み述べているが，他の材料系，例えばIII−Ｖ族化合物
半導体であればＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ，II−VI族化合物
半導体であればＺｎＳ，ＺｎＳｅ等の薄膜またはそれら
の組合せから成るヘテロ構造薄膜の成長の際ももちろん
適用可能であり，その際本実施例と同様の効果が得られ
ることは当然である。

【００３８】

【発明の効果】本発明による薄膜形成方法による薄膜，
特にヘテロ構造薄膜の形成方法を採れば，欠陥及び内部
拡散の無い高品質なヘテロ構造薄膜を容易に得ることが
可能であり，超格子ヘテロ構造デバイス，例えばＨＢＴ
等の高性能デバイスの作成が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す薄膜成長中の基板
温度設定値の変更チャート図である。

【図２】本発明の実施例で用いたガスソースＭＢＥ装置
の構成図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す薄膜成長中の基板
温度設定値の変更チャート図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す薄膜成長中の基板
温度設定値の変更チャート図である。

【図５】本発明に従い成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘ
テロ構造薄膜のＩｎＰ薄膜表面のノマルスキ微分干渉顕
微鏡観察のスケッチ図である。

【図６】本発明に従い成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰヘ
テロ構造薄膜のＩｎＧａＡｓ薄膜のノマルスキ微分干渉
顕微鏡観察のスケッチ図である。

【図７】本発明に従い成長したベリリウムドープＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造の深さ方向の２次イオ
ン質量分析結果を示す図である。

【図８】本発明の実施例で用いた第２のガスソースＭＢ
Ｅ装置の構成図である。

【図９】ガスソースＭＢＥ装置の主要部の配置図であ
る。

【図１０】従来方法に従い成長したＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
Ｐヘテロ構造薄膜の成長中の温度変化

【図１１】従来方法に従い成長したＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
Ｐヘテロ構造薄膜のＩｎＰ薄膜のノマルスキ微分干渉顕
微鏡観察のスケッチ図

【図１２】従来方法に従い成長したＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
Ｐヘテロ構造薄膜のＩｎＧａＡｓ薄膜のノマルスキ微分
干渉顕微鏡観察のスケッチ図である。

【図１３】従来方法に従い成長したベリリウムドープＩ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造の深さ方向の２次
イオン質量分析結果を示す図である。

【符号の説明】

１…基板，２…熱源，３…電源，４…温度調節器，５…
制御用熱電対，６…クラッキングセル，６ａ…シャッ
タ，７…固体ソース分子線セル，７ａ…シャッタ，８…
固体III，９…固体ソース分子線セル，９ａ…シャッ
タ，１０…固体Ｇａ，１１…固体ソース分子線セル，１
１ａ…シャッタ，１２…固体Ｉｎ，１３…成長室，１４
…放射温度計，１５…透過窓，１５ａ…透過窓シャッタ
１６…アルシン，１６ａ…バルブ，１７…ホスフイン，
１７ａ…バルブ，１８…ボンベ，１９…ボンベ，２０…
ＩｎＰ基板，２１…シャッタ駆動系，２２…温度制御
系。

フロントページの続き (72)発明者大内潔東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空雰囲気中に，任意温度に保持された基
板の表面に，元素周期律表のIV族若しくはIII−Ｖ族若
しくはII−VI族元素またはそれらの組合せから成る所望
の薄膜を，前記所望の薄膜の成分または成分を含むガス
をセルを介して供給することによって形成する薄膜形成
方法において，前記所望の薄膜の形成過程に，前記所望
の薄膜の形成を開始した後，前記基板の温度を所定の低
下率で低減する工程を少なくとも１回以上含むことを特
徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】請求項１記載の基板の温度を低減する工程
が，前記所望の薄膜の形成を継続しながら漸次連続して
行なうことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項３】請求項１記載の所定の低下率が，前記基板
に形成する所望の薄膜の膜厚に対して，１℃/２０nm以
上１℃/３０nm以下であることを特徴とする薄膜形成方
法。
【請求項４】請求項１記載の所望の薄膜が，前記所望の
薄膜に対してドーパントとして機能する元素をドーピン
グする薄膜であることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項５】請求項１〜４記載の所望の薄膜が，前記所
望の薄膜を構成する元素に少なくとも砒素を含む薄膜で
あることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項６】請求項５記載の所望の薄膜がＩｎＧａＡｓ
であることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項７】請求項１〜４記載の所望の薄膜が，前記所
望の薄膜を構成する元素に少なくとも砒素を含む一方の
薄膜と，少なくとも燐をその構成元素に含む他方の薄膜
から成るヘテロ構造薄膜であることを特徴とする，薄膜
形成方法。
【請求項８】請求項７記載のヘテロ構造薄膜において，
請求項１記載の薄膜形成方法を，前記ヘテロ構造薄膜の
構成元素に少なくとも砒素を含む一方の薄膜の形成にの
み行なうことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項９】請求項７記載のヘテロ構造薄膜が，ＩｎＰ
とＩｎＧａＡｓから構成される前記ヘテロ構造薄膜であ
ることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項１０】請求項７記載のヘテロ構造薄膜が，ヘテ
ロバイポーラトランジスタにおけるベースとエミッタ，
コレクタとベースであることを特徴とする薄膜形成方
法。
【請求項１１】真空雰囲気に保持された真空容器内に，
請求項１記載の基板と，前記基板を任意温度に加熱する
熱源と，前記熱源に電力を供給する熱源と，前記電力の
供給量を制御する温度調節器と，前記基板に対向する位
置に請求項１記載のセルと，前記セルから前記基板に供
給される前記所望の薄膜の成分または成分を含むガスを
遮断するシャッタと，透過窓と前記透過窓を介して前記
基板の表面もしくは請求項１記載の所望の薄膜の表面の
温度を測定する放射温度計を備えた薄膜形成装置におい
て，前記所望の薄膜が２種以上の異なる薄膜から成るヘ
テロ構造薄膜の形成の際に，前記放射温度計の放射率
を，前記ヘテロ構造薄膜を構成する各々の薄膜の放射率
に前記各々の薄膜の形成時にその場で設定することを特
徴とする薄膜形成装置。
【請求項１２】請求項１１記載の薄膜形成装置におい
て，前記セルから前記基板に供給される前記所望の薄膜
の成分または成分を含むガスを遮断するシャッタの開閉
動作に同期して前記所望の薄膜または前記基板の表面温
度を前記放射温度計で測定することを特徴とする薄膜形
成装置。