JPS63224221A - Vapor phase epitaxy method - Google Patents

Vapor phase epitaxy method

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JPS63224221A
JPS63224221A JP5674787A JP5674787A JPS63224221A JP S63224221 A JPS63224221 A JP S63224221A JP 5674787 A JP5674787 A JP 5674787A JP 5674787 A JP5674787 A JP 5674787A JP S63224221 A JPS63224221 A JP S63224221A
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JP
Japan
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mercury
vapor phase
gas
excitation light
sensitizer
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Pending
Application number
JP5674787A
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Japanese (ja)
Inventor
Hajime Inuzuka
肇 犬塚
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Denso Corp
Original Assignee
NipponDenso Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS63224221A publication Critical patent/JPS63224221A/en
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、薄膜を半導体基板の表面に成長させる気相
エピタキシャル成長方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a vapor phase epitaxial growth method for growing a thin film on the surface of a semiconductor substrate.

[従来の技術] 従来、エピタキシャル成長させる方法の1つとしてMO
CVD法が知られている。例えば、Ga Asを半導体
基板上に成長させる際には、Gaの原料としてTMGあ
るいはTEGが用いられるものであり、またAsの原料
としてはAs H3が通常用いられている。
[Conventional technology] Conventionally, MO is one of the epitaxial growth methods.
A CVD method is known. For example, when growing GaAs on a semiconductor substrate, TMG or TEG is used as a raw material for Ga, and As H3 is usually used as a raw material for As.

このような原料ガスを半導体基板の設定された反応室に
導入し、半導体基板表面にGa Asを成長形成する場
合においては、半導体基板の温度が低い程高密度のGa
 As薄膜が形成されるものであることが知られている
。しかし、半導体基板の温度が例えば600℃以下の状
態となると、上記As H3の熱分解率が低下するよう
になり、したがって結晶性が劣化して移動度が低下する
ようになる。またヒ素以外の他のV放水素化物であるP
H3、NH3とうであっても同様の問題点がある。
When such raw material gas is introduced into a reaction chamber where a semiconductor substrate is set and GaAs is grown on the surface of the semiconductor substrate, the lower the temperature of the semiconductor substrate, the higher the density of Ga.
It is known that an As thin film is formed. However, when the temperature of the semiconductor substrate is, for example, 600° C. or lower, the thermal decomposition rate of the As H3 described above decreases, resulting in deterioration of crystallinity and decrease in mobility. In addition, P, which is a V-hydrogenide other than arsenic,
Similar problems exist with H3 and NH3.

このような問題点を解決するためには、As H3を熱
的な過程以外の方法によって分解する必要があり、その
分解手段の1つとしてグロー放電を利用するプラズマM
OCVD法が知られている。このプラズマMOCVD法
によって成長されたGa Asは、半導体基板の温度が
300℃であっても、その移動度が低下しないとの報告
がされている。
In order to solve these problems, it is necessary to decompose As H3 by a method other than a thermal process, and one of the decomposition methods is plasma M using glow discharge.
OCVD method is known. It has been reported that the mobility of GaAs grown by this plasma MOCVD method does not decrease even if the temperature of the semiconductor substrate is 300°C.

しかし、このようなプラズマMOCVD法を用いたので
は、グロー放電によって発生する荷電粒子によって成長
層に損傷が与えられるような状態となり、さらにスパッ
タ作用によって反応室を構成する反応管付着物が成長層
に混入する等の問題点があり、超高速デバイス等の製造
過程で使用できる程の品質が得られない。
However, when such a plasma MOCVD method is used, the growth layer is damaged by charged particles generated by glow discharge, and furthermore, the deposits on the reaction tube constituting the reaction chamber are damaged by the sputtering action. There are problems such as contamination with other materials, making it impossible to obtain a quality that can be used in the manufacturing process of ultra-high-speed devices.

[発明が解決しようとする問題点コ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、成長
温度が効果的に低温に設定できるようにして、エピタキ
シャル成長膜への不純物の混入が抑制でき、さらに薄膜
の多層構造を作製する際に不純物や組成の熱拡散による
再分布が防止されるようにする気相エピタキシャル成長
方法を提供しようとするものである。
[Problems to be Solved by the Invention] This invention has been made in view of the above points, and it is possible to effectively set the growth temperature to a low temperature, thereby suppressing the incorporation of impurities into the epitaxially grown film. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a vapor phase epitaxial growth method that prevents redistribution of impurities and compositions due to thermal diffusion when producing a thin film multilayer structure.

[問題点を解決するための手段] すなわち、この発明に係る気相エピタキシャル成長方法
にあっては、例えば水銀のような増感剤を混入した原料
ガスを、半導体基板の設定された反応室内に導入すると
共に、上記増感剤を励起する例えば水銀ランプのような
光源によって照射するようにしたものである。
[Means for Solving the Problems] That is, in the vapor phase epitaxial growth method according to the present invention, a raw material gas mixed with a sensitizer such as mercury is introduced into a reaction chamber in which a semiconductor substrate is set. At the same time, the sensitizer is irradiated with a light source such as a mercury lamp, which excites the sensitizer.

[作用コ 上記のような手段を採用することによって、増感剤の混
入された原料ガスは、反応室内で励起光が照射されるよ
うになるものであるため、上記増感剤が励起されて増感
光分解を起こし、半導体基板にエピタキシャル膜を形成
するようになる。例えばGa AsをMOCVD法によ
って半導体基板上に成長させる場合、その最低成長温度
を決定しているのはAs H3の熱分解温度である。し
たがって、Ga Asの成長温度の低温化のためには、
As H3を熱的過程以外の手段によって分解する必要
がある。
[Operation] By employing the above-mentioned means, the raw material gas mixed with the sensitizer is irradiated with excitation light in the reaction chamber, so that the sensitizer is excited. Sensitized photodecomposition occurs and an epitaxial film is formed on the semiconductor substrate. For example, when GaAs is grown on a semiconductor substrate by MOCVD, the minimum growth temperature is determined by the thermal decomposition temperature of As H3. Therefore, in order to lower the growth temperature of GaAs,
There is a need to decompose As H3 by means other than thermal processes.

この発明では低温によって上記As H3を分解する手
段と七て光化学反応を用いるようにしているものである
が、原料であるAs H3の光吸収のピーク値が183
nmであり、したがって光源として簡単に使用される低
圧水銀ランプからの光の大部分を占める253.7nm
の光では、As H3に吸収されない。したがって、こ
のままではAs H3を効率良く分解させることができ
ない。
In this invention, a photochemical reaction is used as a means to decompose As H3 at low temperature, but the peak value of light absorption of As H3 as a raw material is 183.
253.7 nm, which therefore accounts for most of the light from low-pressure mercury lamps, which are easily used as light sources.
light is not absorbed by As H3. Therefore, As H3 cannot be efficiently decomposed as it is.

そこでこの発明では原料ガスであるAs H3に対して
、増感剤となる水銀を微量添加させるようにしているも
ので、励起光源とし低圧水銀ランプを使用して水銀増感
化学反応が行われるようにしてる。そして、As H3
が低温状態で効果的に分解されるようにしていものであ
る。
Therefore, in this invention, a small amount of mercury as a sensitizer is added to As H3 as a raw material gas, and a mercury sensitizing chemical reaction is carried out using a low-pressure mercury lamp as an excitation light source. I'm doing it. And As H3
is decomposed effectively at low temperatures.

[発明の実施例] 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。[Embodiments of the invention] Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図はこの発明に係る気相エピタキシャル成長方法を
実施する装置の構成を示すもので、エピタキシャル成長
を行なわせる反応室を構成する反応管11の内部に、基
板サセプタ12で支持するようにして半導体基板13が
設定されるようにする。
FIG. 1 shows the configuration of an apparatus for carrying out the vapor phase epitaxial growth method according to the present invention, in which a semiconductor substrate is supported by a substrate susceptor 12 inside a reaction tube 11 constituting a reaction chamber in which epitaxial growth is performed. 13 is set.

この反応管11は、例えばステンレスや石英等の有機金
属材料、あるいはAs H3に対して安定した性質を有
する材料によって密封容器状に構成される。
This reaction tube 11 is constructed in the shape of a sealed container, for example, by an organic metal material such as stainless steel or quartz, or a material having stable properties against As H3.

この反応管11の一方の端部分には、第1および第2の
ガス導入口14aおよび14bが設定されておリ、他方
には排出口15が形成されている。そして、その第1の
ガス導入口L4aには、A s H3のガスが導入され
るようになるものであるが、このガスを導くガス管の途
中には水銀溜め1Gが設定されている。この水銀溜め1
Bは、ステンレス、石英等の水素あるいは水銀に対して
反応性を持たない材料によって、内部に水銀を収納する
密封容器で構成されている。そして、この容器には一対
のガス出入口lea 、 16bが形成され、その一方
にrAs H3+H2Jのガスが導入され、他方からの
出力ガスが上記第1の導入口14aから反応管ll内に
導入されるものである。すなわち、微量の水銀を含んだ
As H3のガスが、反応管11内に導入されるように
なる。反応管11の第2の投入口14bには、TMGあ
るいはTEGがH2と共に導入されている。
First and second gas introduction ports 14a and 14b are provided at one end of the reaction tube 11, and an outlet 15 is provided at the other end. A gas of A s H3 is introduced into the first gas inlet L4a, and a mercury reservoir 1G is set in the middle of the gas pipe that guides this gas. This mercury reservoir 1
B consists of a sealed container that stores mercury inside and is made of a material such as stainless steel or quartz that does not have reactivity with hydrogen or mercury. A pair of gas inlets and outlets lea and 16b are formed in this container, and the rAs H3+H2J gas is introduced into one of them, and the output gas from the other is introduced into the reaction tube ll from the first inlet 14a. It is something. That is, As H3 gas containing a trace amount of mercury is introduced into the reaction tube 11. TMG or TEG is introduced into the second input port 14b of the reaction tube 11 together with H2.

上記水銀溜め16は、恒温槽17の浴槽内に設定されて
いるもので、水銀溜め16内の水銀の温度が所定の水銀
蒸気となり易い状態に設定されている。
The mercury reservoir 16 is set in a bathtub of a constant temperature bath 17, and is set in such a state that the temperature of mercury in the mercury reservoir 16 easily becomes a predetermined mercury vapor.

上記反応管11の側壁には、基板サセプタ12の位置に
対応して励起光入射窓18が形成されている。
An excitation light entrance window 18 is formed on the side wall of the reaction tube 11, corresponding to the position of the substrate susceptor 12.

この窓18は、溶融石英あるいは合成石英、MgF2等
の波長253.7nmあるイハ184.9nmの紫外線
光を透過できる材料によって構成される。そして、この
励起光入射窓18を介して、励起光源19からの励起光
が反応管11内の半導体基板13部に照射されるように
している。この励起光源19としては、253.7nm
あるいは184.9nmのの少なくとも一方の紫外光を
発生する低圧水銀ランプによって構成されるものである
This window 18 is made of a material such as fused silica, synthetic quartz, MgF2, etc. that can transmit ultraviolet light having a wavelength of 253.7 nm and a wavelength of 184.9 nm. The excitation light from the excitation light source 19 is irradiated onto the semiconductor substrate 13 inside the reaction tube 11 through the excitation light entrance window 18 . This excitation light source 19 has a wavelength of 253.7 nm.
Alternatively, it may be constituted by a low-pressure mercury lamp that generates at least one ultraviolet light of 184.9 nm.

すなわち、As H3が恒温槽17によって加熱された
水銀溜め16の内部を通過することによって、恒温槽1
7の設定温度における水銀の飽和蒸気圧程度の水銀蒸気
が、As H3ガス中に混入されるようになる。そして
、この水銀を含むAs H3はガス配管を通って第1の
導入口L4aから反応管11の内部に入り、第2の導入
口14bからのを機金属と混合されるようになる。
That is, as H3 passes through the inside of the mercury reservoir 16 heated by the thermostatic chamber 17, the thermostatic chamber 1
Mercury vapor of about the saturated vapor pressure of mercury at the set temperature of 7 is mixed into the As H3 gas. The As H3 containing mercury passes through the gas pipe and enters the reaction tube 11 from the first inlet L4a, and is mixed with the machine metal from the second inlet 14b.

また、励起光源19で発生された紫外線励起光は、光入
射窓18を通過して反応管11内に入射され、上記ガス
中に含まれる水銀に吸収され、これを励起するようにな
る。
Further, the ultraviolet excitation light generated by the excitation light source 19 passes through the light entrance window 18 and enters the reaction tube 11, is absorbed by the mercury contained in the gas, and excites it.

このよう1に励起された水銀とAs H3とが衝突する
ようになると、水銀が紫外光の吸収によって得られたエ
ネルギーがAs H3に移行されるようになる。
When mercury excited to 1 collides with As H3, the energy obtained by absorption of ultraviolet light by mercury is transferred to As H3.

フォトンのエネルギーは、波長253.7nmの紫外光
が469. 4KJ/mol 、波長184.9nmの
光が643.9KJ/a+olで、共にAs H3の結
合解離エネルギーである3 10、 6 K J /m
ol  (H2As−H結合)よりも大きくなり、この
ためエネルギーの移行によってAs H3は分解するよ
うになる。また、同様のメカニズムによって有機金属の
水銀増感分解も可能である。
The energy of photons is 469.9 nm for ultraviolet light with a wavelength of 253.7 nm. 4KJ/mol, and light with a wavelength of 184.9nm is 643.9KJ/a+ol, both of which are the bond dissociation energy of As H3, 3 10, 6 KJ/m
ol (H2As-H bond), and therefore, As H3 decomposes due to energy transfer. Furthermore, mercury-sensitized decomposition of organic metals is also possible by a similar mechanism.

そして、このような過程によって生成された■族金属(
Ga、A)等)とAsは、基板サセプタ12によって加
熱された状態の半導体基板13の表面で反応し、■−v
族化合物半導体となるものである。
Group II metals (
Ga, A), etc.) and As react on the surface of the semiconductor substrate 13 heated by the substrate susceptor 12, and
This is a group compound semiconductor.

すなわち、上記のようなエピタキシャル成長方法にあっ
ては、原料ガスの分解のために熱エネルギーを用いてい
ない。したがって、原料ガスの熱分解温度により成長温
度が制限されることがな、く、理想的な低温成長が可能
となるものである。
That is, in the epitaxial growth method as described above, thermal energy is not used to decompose the source gas. Therefore, the growth temperature is not limited by the thermal decomposition temperature of the raw material gas, and ideal low-temperature growth is possible.

第2図は他の実施例を示しているもので、As H3ガ
スに対して、光増感用希ガスを作り、これをガス配管上
で混合して反応管11内に導くようにしている。
FIG. 2 shows another embodiment, in which a rare gas for photosensitization is prepared from As H3 gas, mixed on a gas pipe, and introduced into the reaction tube 11. .

尚、この気相エビじ′キシャル成長方法によって使用さ
れるV族原料としては、PH3、N H3等の砒素以外
のV放水素化物を用いてもよい。またV族原料としてA
S  (CH3) 3、As  (C2H5) 3、P
 (CH3) 3、P (C2Ha ) s 、Sb 
 (CH3) 3、Sb  (C2Hs )s等のV族
アルキル金属を用いてもよい。さらにAs Cノ3 、
sb cノ3 、S bF3等のV族ハロゲン化物が用
いてもよい。
Incidentally, as the V group raw material used in this vapor phase evictional growth method, V hydrogen hydrides other than arsenic such as PH3 and NH3 may be used. Also, as a V group raw material, A
S (CH3) 3, As (C2H5) 3, P
(CH3) 3, P (C2Ha) s, Sb
Group V alkyl metals such as (CH3)3, Sb(C2Hs)s, etc. may also be used. Furthermore, As C no 3,
Group V halides such as sb cno3 and S bF3 may be used.

■元素の供給源としては、(CH3) 3Ga ・AS
(CH3)3や、(CH3)3  In −PH3等の
■−V族アグアダクト用することができる。
■As a source of elements, (CH3) 3Ga ・AS
(CH3)3, (CH3)3 In-PH3, etc. can be used for the -V group agua duct.

励起光[19としては低圧水銀ランプを使用するように
説明したが、He 、Ne 1Ar 1Kr %Xe等
の希ガス共鳴ランプを用い、原料ガス中にこれらのガス
を増感剤として混入するようにしてもよい。この場合、
増感剤が室温で気体であるため、第2図で示した実施例
のようにこの希ガス用の配管を設定し、これを使用すれ
ばよいものである。また、キ、〜・リアガスとしてこの
ような希ガスを用いるようにしz bよい。この場合、
励起光入射窓の材料も、このような希ガス共鳴ランプか
ら発生する紫外光を透過するものを用いる必要がある。
Although we have explained that a low-pressure mercury lamp is used as the excitation light [19], it is also possible to use a rare gas resonance lamp such as He, Ne 1Ar 1Kr %Xe, and mix these gases as a sensitizer into the source gas. It's okay. in this case,
Since the sensitizer is a gas at room temperature, piping for this rare gas can be set and used as in the embodiment shown in FIG. Also, it is better to use such a rare gas as the rear gas. in this case,
It is also necessary to use a material for the excitation light entrance window that transmits the ultraviolet light generated from such a rare gas resonance lamp.

[発明の効果〕 以上のようにこの発明に係る気相エピタキシャル成長方
法にあっては、低温の状態で原料ガスが分解できるもの
であり、基板温度が低い状態でエピタキシャル成長がで
きるようになる。したがつて、高純度のエピタキシャル
成長膜が効果的に得られるようになり、例えば超高速デ
バイス等に効果的に適用できる成長膜が得られるように
なる。
[Effects of the Invention] As described above, in the vapor phase epitaxial growth method according to the present invention, the source gas can be decomposed at a low temperature, and epitaxial growth can be performed at a low substrate temperature. Therefore, a highly purified epitaxially grown film can be effectively obtained, and a grown film that can be effectively applied to, for example, ultrahigh-speed devices can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の一実施例に係る気相エピタキシャル
成長方法を説明するための装置を示す構成図、第2図は
この発明の他の実施例を説明する構成図である。 11・・・反応管(反応室)、12・・・基板サセプタ
、13・・・半導体基板、1B・・・水銀溜め、17・
・・恒温槽、18・・・励起光入射窓、19・・・励起
光源。
FIG. 1 is a block diagram showing an apparatus for explaining a vapor phase epitaxial growth method according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. 11... Reaction tube (reaction chamber), 12... Substrate susceptor, 13... Semiconductor substrate, 1B... Mercury reservoir, 17.
... Constant temperature chamber, 18 ... Excitation light entrance window, 19 ... Excitation light source.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)エピタキシャル膜の形成させられる半導体基板が
設定された反応室内に増感剤を混入した原料ガスを導入
すると共に、上記反応室内の基板に上記増感剤を励起す
る励起光を照射させることによってエピタキシャル成長
膜を形成するようにしたことを特徴とする気相エピタキ
シャル成長方法。
(1) Introducing a raw material gas mixed with a sensitizer into a reaction chamber containing a semiconductor substrate on which an epitaxial film is to be formed, and irradiating the substrate in the reaction chamber with excitation light that excites the sensitizer. A vapor phase epitaxial growth method characterized in that an epitaxially grown film is formed by:
(2)上記エピタキシャル成長膜がIII−V族化合物で
ある特許請求の範囲第1項記載の気相エピタキシャル成
長方法。
(2) The vapor phase epitaxial growth method according to claim 1, wherein the epitaxially grown film is a III-V group compound.
(3)上記増感剤としては水銀が用いられ、励起光源で
はその波長が253.7nmあるいは184.9nmの
少なくとも一方を含む励起光を発生することを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の気相エピタキシャル成長
方法。
(3) Mercury is used as the sensitizer, and the excitation light source generates excitation light having a wavelength of at least one of 253.7 nm and 184.9 nm. vapor phase epitaxial growth method.
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