JPS6355191A

JPS6355191A - 化合物半導体結晶の形成方法

Info

Publication number: JPS6355191A
Application number: JP19760786A
Authority: JP
Inventors: Akira Usui; 彰碓井; Hisatsune Watanabe; 渡辺　久恒
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-08-22
Filing date: 1986-08-22
Publication date: 1988-03-09
Also published as: JPH0582358B2

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、分子列単位、あるいは−分子の単位の精度で
成長の制御を行なう化合物半導体結晶の形成方法に関す
るものである。

（従来技術とその問題点）従来のＧａＡｓ等の化合物半導体の薄膜形成技術として
は、構成元素の塩化物、水素化物、有機金属化合物等の
ガス状原料を用いる気相エピタキシャル法（ＶＰＥ法）
、また、高真空中で構成元素をビーム化し、基板結晶上
に照射して成長を行なう分子線エピタキシャル法（ＭＢ
Ｅ法）が盛んに用いられている。ところで、これらの成
長法では、薄膜形成のためには成長速度の精密制御が必
要である。しかし、そのため流量、圧力、時間といった
要因を精密に制御しなければならず、単分子層（数人程
度）程度の厚さになると制御は極めて困難であった。

従ってこのような技術では本発明が解決しようとしてい
る問題点、すなわち原子・分子列成長、更に一原子・分
子単位の成長の制御などは不可能に近い。

もう一つの成長手法として、化合物半導体の構成元素、
あるいは、その元素を含むガスを交互に供給して一原子
・分子層づつ吸着させ全体として所望の化合物半導体を
成長させようとする原子層エピタキシャル法（ＡＬＥ法
）がある［ツオモ・スントラ（Ｔ。

５ｕｎｔｏｌａ）、第１６回国体素子・材料フンファレ
ンス（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｎａｃｔ　ｏｆ　ｔ
ｈｅ　１６ｔｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　５ｏｌ
ｉｄＳｔａｔｅ　　Ｄｅｖｉｃｅ　　ａｎｄ　　Ｍａｔ
ｅｒｉａｌｓ）、Ｋｏｂｅ、１９８４．ｐｐ、６４７−
６５０１゜この方法によると、膜厚の制御のためには、
従来の成長速度を制御する方法とは異なり、例えばＧａ
Ｃ１とＡｓＨ３によるＧａＡｓＡＬＥ法では、広い温度
、流量範囲においてＧａＣ１吸着回数のみを制御するこ
とによって分子層単位の制御が出来ることが判明してお
り、［ｉｌｉ井（Ａ、　Ｕｓｕｉ）他、ジャパニーズ・
ジャーナル・オブ・アブライドフイジクス（Ｊａｐａｎ
ｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ）、　Ｖｏｌ、２５．　Ｎｏ、３．　Ｍａｒｃ
ｈ。

１９８６、ｐｐ、Ｌ２１２−Ｌ２１４］膜厚の制御技術
は格段に向上したものとなっている。

ところが、従来のＡＬＥ法は前述のように単に基板表面
に一様に単原子・分子の層を吸着させて成長する方法で
あり原子列・分子列単位更には一原子・−分子単位で成
長を制御することはできなかった。

もちろん従来のＶＰＥ法やＭＢＥ法のような構成元素を
同時に供給する方法でも極めて困難であった。

本発明の目的は上記従来技術のかかる欠点を除去し、原
子０分子列単位、更には一原子・−分子単位で成長を制
御しうる事の出来る化合物半導体結晶の形成方法を提供
しようとするものである。

（間組点を解決するための手段）すなわち、本発明によれば化合物半導体の構成元素ある
いはその元素を含むガスを交互に基板結晶上へ供給して
結晶成長を行なう方法において、結晶の同一面内に構成
元素が交互に配列され、かつ表面に結晶学的ステップを
有する結晶を基板とし、成長時には少なくとも一方の化
合物半導体の構成元素あるいはその元素を含むガスが前
記ステップのみに吸着しうる最適の基板温度、供給ガス
圧力などの吸着条件に設定しステップに沿ッて一列の吸
着層を形成した後、他の構成元素を供給し、分子列成長
層を得ることを特徴とする化合物半導体結晶の形成方法
がえられる。

更に本発明によれば化合物半導体の構成元素あるいはそ
の元素を含むガスを交互に基板結晶上へ供給して結晶成
長を行なう方法において、結晶の同一面内に構成元素が
交互に配列され、かつ表面で垂直、に交れるステップが
存在する結晶を基板とし、成長時には少なくとも一方の
化合物半導体の構成元素あるいはその元素を含むガスが
前記ステップの交点のみに吸着しうる最適の基板温度、
供給ガス圧力などの吸着条件に設定し前記交点に吸着さ
せた後他の構成元素を供給することにより、所望の結晶
を成長せしめることを特徴とする化合物半導体結晶の形
成方法が得られる。

（作用）本発明は、化合物半導体の構成元素あるいはその元素を
含むガスを交互に基板結晶上に供給して結晶成長を行な
うものであるが、その際、構成元素が同一平面内に存在
する結晶を基板として選択する。更に、基板表面上に基
板結晶を低指数面から若干傾けて切り出すこと等によっ
てステップを形成する。第１図（ａ）には原子ＡとＢか
ら成る化合物半導体の１つのステップ１１を有する基板
結晶１３の斜視概略図を示した。この図ではステップ１
１はＢ原子によって成り立っている。この基板結晶１３
上に例えばＡの塩化物を供給すると、表面上に吸着する
（第１図（ｂ））。この時の吸着熱を第２図に示した。

第２図で９１は平面上に吸着する場合の吸着熱である。

基板結晶１３の温度がある程度高ければ吸着分子は表面
上を拡散し、更に安定な点、第１図ではステップ１１の
部分に相当するが、その点に吸着する。その点での吸着
熱をｑ２とすると、ｑ２＞ｑｌなる関係が成り立つ。ま
た、一部は表面を離脱する。

一方、吸着平衡総数には一般にＫ　＝　ａｅｘｐ（ｑ／
ＲＴ）と表わすことができる。ここでαは定数、ｑは吸
着熱、Ｒは気体定数、Ｔはその糸の温度を表わす。

従って第２図においてＲＴが９１より大きく、ｑ２がＲ
Ｔに比較して十分大きな値を有しくｑｌ＜ＲＴ＜ｑ２）
、またＡ−Ｃ１の分圧を適当に選ぷ゛ことによって平面
上における吸着量をほぼ０とし、ステップに沿った面に
のみ吸着させることが可能である。その後雰囲気をＡ−
Ｃ１からＢ元素あるいはそのガス状化合物に変換する。

その結果Ｂは吸着したＡ−ＣＩの隣の位置に取り込まれ
、化合物ＡＢがステップに冶って一列だけ成長すること
になる（第１図（Ｃ））。

第３図（ａ）には元素ＡとＢから成ると化合物半導体で
、表面で垂直に交わるステップを有する基板結晶の概略
図を示した。この図では、ステップの交点はＢ原子によ
って囲まれている。この基板結晶上に例えばＡの塩化物
を供給すると表面上に吸着する（第３図（ｂ））。この
時の吸着熱を第４図に示した。グラブで９３は平面上に
吸着する場合の吸着熱である。また、ｑ４は第１図と同
じようなステップに吸着する場合の吸着熱、ｑ５はステ
ップの交点における吸着の吸着熱である。前記列吸着と
同じように、ＲＴがｑ３＋ｑ４より大きく、ｑ５がＲＴ
に比較して十分な大きな値を有しくｑ３．ｑ４＜ＲＴ＜
ｑ５）、また、Ａ−Ｃ１の分圧を適当に選ぶことによっ
て平面上やステップにおける吸着量をほぼＯとし、ステ
ップの交点のみに吸着させることが可能である。その後
雰囲気をＡ−ＣＩからＢ元素あるいはそのガス状化合物
に変換する。その結果Ｂは吸着したＡ−ＣＩの隣の位置
に取り込まれ、第３図（ｃ）のようにステップの交点に
化合物ＡＢが成長することになる。次に、本発明を実施
例に基づき具体的に説明する。

（実施例）実施例１本実施例ではステップを有するＧａＡｓ（１１０）基板
上のＩｎＡｓの分子側成長に本発明による方法を適用し
た場合について述べる。成長装置の概略を第５図に示し
た。この成長装置では上段の成長室１の上流にＩｎソー
スポート２を置き、その上流からＨ２キャリアガスと共
にＨＣＩガスを供給する。この結果Ｉｎ、Ｃ１が生成さ
れ下流に運ばれる。一方、下段成長室３にはＡｓの水素
化物であるＡｓＨ３をＨ２キャリアガスと共に供給する
。このガスは反応管中で分解し基板領域では主としてＡ
ｓ４となっている。基板結晶４としてはＧａＡｓ（１１
０）面から（１００）方向へ数〜数十度傾けて切り出し
た面を用いた。反応管の温度は抵抗加熱炉によりＩｎソ
ース部は８００°Ｃ１基板結晶部は３００〜７５０°Ｃ
とした。ガス流量条件は次の通りである。

ガスの種類　　　　　流量ＭＣＩ（Ｉｎ）　　　　　　　　５ｃｃ／ｍ１ｎＡｓＨ
３５ｃｃ／ｍ１ｎＨ２（各成長室）　　　　　５０００ｃｃ／ｍｉｎ成長
に際しては、基板結晶４を先ず下段成長室３に置き、Ａ
ｓ雰囲気で成長温度まで昇温した。成長温度に達した所
で上段成長室１にＨＣＩを供給し、−定時間後ＨＣＩの
流れが定常状態になったあと基板結晶４を上段成長室１
に移動した。そこで一定時間ＩｎＣ１を十分に吸着させ
、再び基板結晶４下段成長室３に移動した。１回のＩｎ
Ｃ１とＡｓの吸着を１サイクルとして、これを繰り返す
ことによって層を形成シだ。なお、基板結晶４移動の際
には、移動中の成長を防ぐためにＡｓＨ３の供給を停止
し、ＩｎＣｌ雰囲気で移動するようにした。

第６図は、成長温度に対する１サイクル当りの成長層の
厚み（１）の変化を模式的に示したものである。成長温
度が低い時には、ｔは一定であり、ＧａＡｓ（１１０）
面に対する一分子層の厚みにほぼ一致する。しかし、成
長温度が高くなるにっれｔは小さくなり、Ｔ１〜Ｔ２（
Ｔ１：５５０°Ｃ，Ｔ２：６００°Ｃ）の範囲で再び一
定値を取り、その後ｔは減少傾向となる。第６図には（
１１０）面からの傾きθが５°の場合と１０°の場合を
示しであるが、１０’の時のｔは５°の時の値に比べ約
２倍となることが示されている。またθ＝５°の時には
第１図（ａ）に示すように平面方向に１０原子分で１原
子分の高さのステップが生じ、１サイクル当り約０．１
分子層の成長となり、ステップに沿ってのみ成長が生じ
ている場合の成長パターンとなることが判がる。

実施例２本実施例表面で垂直に交わるステップを有するＧａＡＳ
（１１０）基板上のＩｎＡｓの成長に本発明による方法
を適用した場合について述べる。基板結晶としてはＧａ
Ａｓ（１１０）面を基準として、２つの互いに垂直なス
テップが生じるように（１１１）方向に数度傾けて切り
出しなウェハを用いた。成長装置や他の成長条件は実施
例１と全く同じである。

第７図は成長温度に対する１サイクル当りの成長層の厚
み（１）の変化を模式的に示したものである。

成長温度がかなり低い時にはｔは一定値を取り、その値
は（１１０）面に対する一分子層の厚みにほぼ一致する
。しかし、成長温度が高くなるにつれｔは小さくなり、
次に再び一定値を取る領域がある。これが実施例１で述
べたように主としてステップの数で成長膜厚が律速され
ている領域である。更に温度を高めるとＴ３〜Ｔ４の領
域（Ｔ３：６２０°Ｃ，Ｔ４：６５０°Ｃ）で再度成長
膜厚が一定になる領域が現われる。Ｔ４以上に成長温度
を高めるとｔはまた減少する。このＴ３〜Ｔ４の領域は
実施例１では現われず、ステップの交点における成長に
対応するものである。

（発明の効果）以上述べたように、本発明による化合物半導体結晶の形
成方法を用いると、従来困難であった結晶表面において
ステップに沿った一次元的な結晶の成長を制御できるだ
けでなく、ステップの交点における一次元的成長も制御
できるようになる。

また成長結晶を種々に選ぶことにより、棟方向のへテロ
接合の成長も可能になり、今後新しいデバイスへの実現
につながる成長法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に依る結晶成長を説明するだめの結晶表
面の概略図、第２図は第１図の表面における吸着熱を説
明するための図、第３図は本発明に依るもう一つの結晶
成長を説明するための結晶表面の概略図、第４図は第３
図の表面における吸着熱を説明するための図、第５図は
実施例に用いた結晶成長装置の概略図、第６図は実施例
１ｃトおける成長温度とサイクル当りの成長層厚みの関
係を示す図、第７図は実施例２における成長温度とサイ
クル当りの成長層厚みの関係を示す図である。図中の番号は、１・・・上段成長室２・・・トソースポート３・、・下段成長室４・・・基板結晶５・・・基板ホルダー６・・・基板結晶の移動１１・・・ステップ１３・・・基板結晶第１図（ａ）　　　　　基板結晶１３第２図第３図第４図上ｑ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）化合物半導体の構成元素あるいはその元素を含む
ガスを交互に基板結晶上へ供給して結晶成長を行なう方
法において、結晶の同一面内に構成元素が交互に配列さ
れ、かつ表面に結晶学的ステップを有する結晶を基板と
し、成長時には少なくとも一方の化合物半導体の構成元
素あるいはその元素を含むガスが前記ステップのみに吸
着しうる最適の基板温度、供給ガス圧力などの吸着条件
に設定しステップに沿って一列の吸着層を形成した後、
他の構成元素を供給し、分子列成長層を得ることを特徴
とする化合物半導体結晶の形成方法。
（２）化合物半導体の構成元素あるいはその元素を含む
ガスを交互に基板結晶上へ供給して結晶成長を行なう方
法において、結晶の同一面内に構成元素が交互に配列さ
れ、かつ表面で垂直に交れるステップが存在する結晶を
基板とし、成長時には少なくとも一方の化合物半導体の
構成元素あるいはその元素を含むガスが前記ステップの
交点のみに吸着しうる最適の基板温度、供給ガス圧力な
どの吸着条件に設定し前記交点に吸着させた後他の構成
元素を供給することにより、所望の結晶を成長せしめる
ことを特徴とする化合物半導体結晶の形成方法。