JPH0748477B2

JPH0748477B2 - 半導体製造装置

Info

Publication number: JPH0748477B2
Application number: JP61275066A
Authority: JP
Inventors: 幾夫末宗; 正道山西
Original assignee: 新技術事業団
Priority date: 1986-11-18
Filing date: 1986-11-18
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: JPS63260035A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、半導体製造装置に関するものである。さら
に詳しくは、この発明は、水素プラズマを用いた、半導
体基板の清浄化や、半導体薄膜の形成等に有用な、新し
い半導体製造装置に関するものである。

（従来の技術とその課題） Si半導体技術の著しい発展とともに、他面においては、
GaAs、InPなどの化合物半導体についてもその技術進歩
は急速である。そして、この化合物半導体は発光素子と
しては益々重要になってきている。今後も、さらに高性
能な素子が実現されることが期待されている。

このような化合物半導体の製造は種々の方法によって試
みられ、その実用化も進められているが、より一層の高
性能化のために、半導体基板上に残存する安定な酸化膜
を除去し、基板の結晶格子の周期性をその表面において
保存することと、蒸気圧の異なる元素より構成される化
合物半導体を組み合わせ、いわゆるヘテロ接合を連続的
に成長させることが必要になっている。

しかしながら、現状においては、これらの基板表面の清
浄化や薄膜形成の課題解決のために有効な手法や、その
ための装置については依然として技術的に確立されてい
ない状況にある。

すなわち、たとえばシリコン基板上の酸化膜を除去する
方法としては、高真空中で900℃〜1000℃の高温での熱
処理法が採用されているが、化合物半導体の場合にこの
方法を適用すると、蒸気圧の高い元素が離脱し、化合物
半導体が著しく劣化してしまうという問題がある。この
熱処理法に代わって、低温での処理を可能とする水素プ
ラズマによるエッチングを行うことも考えられている
が、これまでに提案された水素プラズマエッチング方法
では、イオン衝撃による基板損傷が避けられない。

また一方、化合物半導体の成長においては、一般に供給
原料の分解、表面付着分子の移動、結晶格子への取り込
みの各過程に必要なエネルギーを加熱によって与えてい
るために、化合物半導体の種類によって最適な成長温度
が異なり、良質なヘテロ接合を形成できる化合物半導体
の組み合わせは限られたものになってしまう。

このため、従来の技術の限界を超えて、化合物半導体の
高性能化にとって不可欠な基板の酸化膜の除去等のため
の表面清浄化や高品質な化合物半導体の薄膜成長のため
の新しい手段装置の実現が強く望まれていた。

この発明は、以上のとおりの事情を鑑みてなされたもの
であり、高性能半導体を製造するための、従来技術のよ
うな欠点のない、半導体基板表面の清浄化と、半導体薄
膜の形成のための新しい手段を提供することを目的とし
ている。

（課題を解決するための手段）この発明は、上記の課題を解決するものとして、水素プ
ラズマを発生させる水素プラズマ室と、このプラズマ室
で発生させた水素プラズマからのビームを導入する１×
10^-3〜１×10^-5Torrの高真空下にある半導体製造用の成
長室とを有し、この成長室には、水素プラズマからのビ
ームに対向する基板ホルダーと、この基板ホルダーの前
方部に配置された、前記ビームに対して直交電界を発生
させる電圧印加のための電極とを備えた半導体製造装置
であって、前記電極による電界によって水素プラズマか
らのビームは水素ラジカルビームと水素イオンビームと
に分離され、水素ラジカルビームは前記基板ホルダーに
保持された基板の成長表面に対して略垂直の角度で、ま
た水素イオンビームは基板の成長表面に対してその水平
面から略10°前後の浅い角度で、各々独立して、もしく
は同時に照射されることを特徴とする半導体製造装置を
提供する。またさらにこの発明は、上記の高真空成長室
に、基板ホルダーに対向して、基板に対して有機金属ビ
ームを照射するための有機金属ビーム照射装置を設ける
ことも特徴としている。

（作用）上記の通りのこの発明の装置においては、イオン衝撃に
よる損傷を生じさせることなく、水素ラジカルビームま
たは水素イオンビームの照射によって、半導体基板表面
の清浄化クリーニングや、高性能な薄膜形成を行うこと
ができる。気相中におけるビーム粒子間の衝突を避ける
ために、この発明では平均自由工程を10cm程度以上に保
つように圧力を10^-3Torr以下に保った高真空室中に水素
プラズマからのビームを導入することとしている。水素
プラズマからのビームは、電極を介しての電界印加によ
り水素ラジカルビーム、水素イオンビーム、そして電子
ビームに分離する。すなわち、水素ラジカルビームとイ
オンビームの分離は、水素プラズマからのビームに平行
な電極を設け、これに正負の電圧を印加することによっ
てビームに対して直交する電界を発生させ、イオンと電
子を分離するか、あるいは、正の電圧だけを印加するこ
とによって電子ビームを除去する等の方法によって行
う。このうちの水素ラジカルビームと水素イオンビーム
とがこの発明の装置において利用されることになる。

より詳しくは、水素ラジカルビームは、基板の成長表面
に略垂直の角度で入射させる。また、水素イオンのビー
ムは、基板成長面の水平面からおよそ10°前後の浅い角
度で入射させる。

基板表面の清浄化では、水素ラジカルの持つ励起エネル
ギー、または水素イオンビームの主として成長表面に平
行な運動エネルギー成分を用いて基板表面の酸化膜およ
び有機残留物をガス化してとり除く。

有機金属ビームを照射する場合には、水素プラズマまた
は水素イオンを、化合物半導体形成用の有機金属ビーム
と半導体基板表面で反応させる。この場合、水素ラジカ
ルの励起エネルギーまたは水素イオンの運動エネルギー
によって低温でのエピタキシャル成長が可能となる。有
機金属ビームを構成する有機金属化合物の有機基は、水
素で終端してガスとして除去されることになる。この方
法によると、電子衝撃、水素イオンによる損傷を回避
し、成長した半導体薄膜に生じる欠陥生成を抑えること
が可能になる。

（実施例）添付した図面に沿ってさらに詳しくこの発明の装置につ
いて説明する。

第１図は、水素ラジカルビームを用いる場合の例を示し
たものである。水素プラズマ室（１）には外部から水素
（２）が導入される。プラズマ室（１）でプラズマ化し
た水素は粒子間の衝突がない状態でビームとして成長室
（３）へ導入する。その際に、このビームに平行に一対
の電極（４）（５）を配置し、各々に正負の電圧を印加
する。この電圧の印加により発生したビームに対しての
直交電界によって、水素イオンおよび電子は電極側に取
除かれる。

水素ラジカルビーム（６）は、基板ホルダー（７）に保
持された基板（８）の表面に照射される。

この水素ラジカルビーム（６）の広がりはプラズマ室
（１）からの導入口の大きさでほぼ決まり収束させてビ
ーム密度を増すこともできないため、ビームの有効利用
の観点からも、基板表面にほぼ垂直に照射する。

成長前の半導体表面にこの水素ラジカルビーム（６）を
照射すると、ラジカルの励起エネルギーにより水素と表
面酸化膜の酸素が結合してH₂Oの形となりガス化して表
面より除去される。この際に、基板を、たとえば300℃
程度の温度に加熱しておけば、基板表面のH₂Oの蒸気圧
が上がって、気化しやすくなり、除去が容易となる。ま
たGaAsのような化合物半導体の場合には水素との結合に
よってAsが抜けやすいので、表面のクリーニングの際
に、同時にAsを供給することも有効である。

この第１図の装置において、水素ラジカルビーム（６）
とともに、成長室（３）に設けた照射装置（９）を通じ
て化合物半導体形成用の有機金属ビームを基板（８）に
照射すると、両者は基板（８）の表面で反応し、水素ラ
ジカルの励起エネルギーによって有機金属化合物のメチ
ル基、エチル基等の有機成分が分離され、これに水素原
子が結合してメタン、エタン等にガス化されて、除去さ
れる。

化合物半導体を構成する原子は結晶格子に取込まれて化
合物半導体薄膜を形成する。

この発明の装置には、現存のほとんどの金属材料が有機
金属化合物として用いることができ、広範な半導体材料
の成長に適用することができる。

また、この装置では、真空度を10^-3Torr以下、好ましく
は10^-3〜10^-5Torrの高真空に保ち、粒子間の衝突を避け
ることも重要な要件である。粒子間の衝突が生じると第
１図のように電界を加えても、粒子間の衝突によるエネ
ルギーの授受で純粋な水素ラジカルビームを得ることは
困難になる。

第２図は、水素イオンビームを用いる場合の例を示した
ものである。

この例においても、プラズマ室（１）でプラズマ化した
水素はプラズマビームとして粒子間の衝突のない状態で
成長室（３）に導入する。プラズマビームの進路に一対
の電極（４）（５）を配置し、成長室（３）の壁面にア
ースして、共に正の電圧を印加する。電子ビームはここ
で除去される。

印加電圧をコントロールすることにより水素イオンビー
ムの収束、進行方向の変更を適宜に行う。電極からのク
ーロン力によって水素イオンは反発を受けるので、負に
印加されたイオン引出し電極（10）を設けることも有効
である。

このように印加電圧のコントロールによってビームの形
状、ビーム密度を整えた水素イオンビーム（11）を10°
前後の浅い角度で半導体表面に入射させる。

たとえば、入射角５°で入射させた場合、イオンの持つ
運動エネルギーの半導体表面に平行な成分と垂直な成分
は、各々99.6％と8.7％となり、表面にイオン照射損傷
を生じさせる垂直運動エネルギー成分は1/10に低減され
る。

一般に結晶格子を安定化している凝集エネルギーはダイ
ヤモンド結晶で１原子当り5eV〜10eVと推定されてお
り、これに対して高周波放電プラズマのイオンエネルギ
ーは、数100eVにわたって分布し、このため、イオン照
射による損傷は大きい。電子サイクロン共鳴プラズマ
（FCRプラズマ）では、イオンエネルギーを20eVとかな
り低くできるが、それでもなお、上記の結晶の凝集エネ
ルギーよりも高く、どうしても結晶の欠陥の生成を抑え
ることは難しい。

水素イオンビームと半導体を構成する原子との衝突に際
しての運動エネルギーの授受をラザフォード模型によっ
て求めてみると、入射水素イオンの運動エネルギーは、
Si,Ga,As等に対して５〜15％程度がこれら原子に与えら
れることになる。ECRプラズマの場合には、このことか
らみると、水素イオンの運動エネルギーはおよそ1eV〜3
eVと結晶格子の凝集エネルギーよりは低くなる。しかし
実際には、生成されたイオンの運動エネルギーはさらに
高エネルギー側にも分布しているため、精密に欠陥の生
成を抑えることは難しい。

しかしながら、この発明のように、浅い角度で入射させ
る場合には、入射イオンの垂直運動エネルギー成分は2e
V程度と十分低くすることができる。したがって、半導
体構成原子へ与えるエネルギー成分も0.1eV〜0.3eVと十
分低くすることができ、欠陥の発生を完全に抑制するこ
とができる。

第２図に示したこの発明の装置においては、成長前の半
導体表面に対して、その水平面から略10°前後の角度で
水素イオンビームを照射すれば、水素イオンの半導体表
面に平行な運動エネルギー成分により水素と表面酸化膜
の酸素とが結合してH₂Oとなり、ガス化して表面から除
去される。またこの際に、酸素と結合していた半導体構
成原子は、水素との衝突によって表面を移動して格子位
置に組み込まれるための運動エネルギーを得る。

上記のラザフォード模型によると、水素イオンの入射エ
ネルギーが20eVの場合には、半導体表面に弱く結合して
いるこれら原子はおよそ１×10⁵cm/secの移動速度を得
る。このため、安定な格子位置まで移動することができ
る。

実際に、400℃および450℃の温度でGaAs（001）結晶表
面に水素イオンビームを照射して酸化膜などを除去して
清浄化を行い、その表面の原子配列の様子を高速電子線
回折（RHEED）法により評価したところ、次のことが確
認された。

＜１＞水素イオンを結晶表面に垂直に照射すると、基板
表面の原子配列は乱れ、原子レベルで無秩序さが生じ損
傷を与える。

＜２＞結晶表面に平行な方向から10°の浅い角度で水素
イオンを照射すると、原子レベルではほぼ完全に平坦な
表面が得られる。

また、水素イオンとともに、照射装置（９）によって化
合物半導体形成用の有機金属ビームを導入すると、化合
物半導体構成原子はイオンとの衝突により表面移動エネ
ルギーを受けとるので、このため、格子位置に安定に組
み込まれて化合物半導体の薄膜を得る。

第１図および第２図のいずれの装置も、化合物半導体の
低温でのエピタキシャル成長を可能とする。

もちろん、この発明の装置は、その具体的態様には様々
なバリエーションが可能であることはいうまでもない。
第１図および第２図は基本的構成を模式的に示したにす
ぎないものである。

第１図および第２図の装置は、同一のものとし、電極へ
の電圧の印加、基板ホルダーの位置を調整できるように
してもよい。また、水素ラジカルビームと水素イオンビ
ームとを併用することができるように、たとえば、第３
図の例のようにすることもできる。

（発明の効果）この発明により、以上のとおりの、欠陥を生成すること
なく、低温で化合物半導体薄膜の成長が可能となる。ま
た、半導体基板の清浄化においても優れた作用効果が実
現される。

半導体、特に化合物半導体の性能の向上、多層膜化によ
るさらに一層の高性能化が可能ともなる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は、各々、この発明の装置
の一例を示した模式図である。図中の番号は次のものを示している。１…水素プラズマ室、２…水素ガス、３…成長室、4,5
…電極、７…基板ホルダー、８…基板、９…有機金属照
射装置、10…イオン引出電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素プラズマを発生させる水素プラズマ室
と、このプラズマ室で発生させた水素プラズマからのビ
ームを導入する１×10^-3〜１×10^-5Torrの高真空下にあ
る半導体製造用の成長室とを有し、前記成長室には、水
素プラズマからのビームに対向する基板ホルダーと、こ
の基板ホルダーの前方部に配置された、前記ビームに対
して直交電界を発生させる電圧印加のための電極とを備
えた半導体製造装置であって、前記電極による電界によ
って水素プラズマからのビームは水素ラジカルビームと
水素イオンビームとに分離され、水素ラジカルビームは
前記基板ホルダーに保持された基板の成長表面に対して
略垂直の角度で、また水素イオンビームは基板の成長表
面に対してその水平面から略10°前後の浅い角度で、各
々独立して、もしくは同時に照射されることを特徴とす
る半導体製造装置。
【請求項２】水素プラズマを発生させる水素プラズマ室
と、このプラズマ室で発生させた水素プラズマからのビ
ームを導入する１×10^-3〜１×10^-5Torrの高真空下にあ
る半導体製造用の成長室とを有し、前記成長室には、水
素プラズマからのビームに対向する基板ホルダーと、こ
の基板ホルダーの前方部に配置された、前記ビームに対
して直交電界を発生させる電圧印加のための電極と、さ
らに、基板ホルダーに対向する有機金属ビーム照射装置
とを備えた半導体製造装置であって、前記電極による電
界によって水素プラズマからのビームは水素ラジカルビ
ームと水素イオンビームとに分離され、水素ラジカルビ
ームは前記基板ホルダーに保持された基板の成長表面に
対して略垂直の角度で、また水素イオンビームは基板の
成長表面に対してその水平面から略10°前後の浅い角度
で、各々独立して、もしくは同時に照射されるととも
に、基板の成長表面に対して有機金属ビームが照射され
ることを特徴とする水素プラズマ半導体製造装置。