JP2736655B2 - 化合物半導体結晶成長方法 - Google Patents

化合物半導体結晶成長方法

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JP2736655B2 JP63160695A JP16069588A JP2736655B2 JP 2736655 B2 JP2736655 B2 JP 2736655B2 JP 63160695 A JP63160695 A JP 63160695A JP 16069588 A JP16069588 A JP 16069588A JP 2736655 B2 JP2736655 B2 JP 2736655B2
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【発明の詳細な説明】 〔概要〕 III−V族化合物半導体のうちのIII族元素にInが含ま
れている化合物半導体結晶を成長させる方法の改良に関
し、 Inを含む化合物半導体結晶を成長させる際、気相中で
の原料ガスの濃度に変化を生じても、結晶膜の成長速
度、組成、均一性に悪影響がなく、しかも、膜厚に関し
て原子層オーダーの制御が可能である化合物半導体結晶
成長方法を提供することを目的とし、 気相中ではInの原料であるトリメチルインジウムが熱
分解してIn原子にならない程度の温度を維持できるよう
に基板を加熱し、該基板の表面にトリメチルインジウム
及び隣や砒素などV族元素を含む水素化合物を交互に供
給してInを含む化合物半導体結晶を成長させる工程が含
まれてなるよう構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、III−V族化合物半導体のうちのIII族元素
にInが含まれている化合物半導体結晶を成長させる方法
の改良に関する。
現在、光通信用として長波長帯域に発振波長をもつ半
導体レーザや性能を向上させる為に量子井戸構造を備え
た半導体レーザが注目されている。
これらの半導体デバイスを作成するには、InP,InGaA
s,InGaP,InGaAsPなどInを含む化合物半導体結晶の成長
技術が重要である。
前記半導体デバイスを再現性良く、しかも、多量に製
造する為には、Inの原料に関する濃度の変化、或いは、
反応室中に於ける原料ガスの消費に起因する原料ガスの
濃度や組成の変化などに依り、成長する化合物半導体結
晶膜の組成や均一性などが影響を受けないような結晶成
長技術を開発する必要がある。
〔従来の技術〕
従来、Inを含む化合物半導体結晶を成長させる場合、
Inの原料としては有機金属化合物であるトリメチルイン
ジウム(In(CH33:TMI)を、また、V族元素を含む原
料としてはアルシン(AsH3)やホスフィン(PH3)など
の水素化物を用い、これらを混合して反応室に送入し、
基板表面或いはその近傍に於ける気相中で熱分解させる
などの化学反応を利用して結晶膜を堆積させるOMVPE(o
rganometallics vapor phase epitaxy)法が主に実
施されている。
第5図はIn(CH3とPH3とを原料ガスにし、前記OM
VPE法を実施してInPの結晶を成長させた場合のIn(C
H3流量依存性を表す線図であり、横軸にはIn(C
H3流量を、縦軸には成長膜厚をそれぞれ採ってあ
る。尚、In(CH3の流量は〔ml/分〕で、そして、成
長膜厚は〔Å/分〕でそれぞれ表してある。
このデータを得た際の条件は、 雰囲気温度:600〔℃〕 In(CH3の蒸気圧:1〔Torr〕 In(CH3のバブラ温度:13.5〔℃〕 PH3のモル分率(m.f.):4.8×10-2 反応室内の全圧力:15〔Torr〕 図から判るように、In(CH3の流量が変化するに
つれてInP結晶の成長膜厚も変化している。
〔発明が解決しようとする課題〕
然しながら、OMVPE法では、結晶膜の成長速度が、In
の原料であるIn(CH3の流量、即ち、濃度に比例す
る為、 (1) In(CH3の容器に於ける温度変化、また、
この容器を通過する水素(H2)などのキャリヤ・ガスの
流量変化、更には、その容器中のIn(CH3の残量変
化に伴う蒸発量の変化などに依り、反応室中に供給され
るIn(CH3の濃度が変化すること、 (2) 反応室中で結晶膜が堆積されるにつれてIn(CH
3が消費されること、 などが原因となって結晶成長速度の再現性や同一基板内
或いは各基板間での膜厚の均一性が良くない旨の問題が
ある。
本発明は、Inを含む化合物半導体結晶を成長させる
際、気相中での原料ガスの濃度に変化を生じても、結晶
膜の成長速度、組成、均一性に悪影響がなく、しかも、
膜厚に関して原子層オーダーの制御が可能である化合物
半導体結晶成長方法を提供しようとする。
〔課題を解決するための手段〕
前記した従来技術に於いては、約600〔℃〕以上の高
温にした基板上にIn(CH3及びPH3などを同時に供給
するようにしている。従って、In(CH3及びPH3は、
それぞれ該基板上或いはその近傍の気相中で熱分解を起
こし、特に、In(CH3の場合には、基板表面にIn原
子の状態で供給されている。
MBE(molecular beam epitaxy)法の研究からも明
らかなことであるが、In原子の基板結晶への被着確率は
略1であり、従って、結晶の成長速度はIn(CH3
導入量に比例して決定される。この為、前記したよう
に、特に、In(CH3の濃度変化が起こると、膜厚や
組成の変動、或いは、均一性の低下などが発生するので
ある。
そこで、本発明では、基板表面近傍に於ける気相中の
温度をIn(CH3がIn原子にまでは分解しない程度の
温度、従って、基板温度を約300乃至400〔℃〕とし、従
来技術に比較すると約200乃至300〔℃〕も低い温度に維
持するものである。即ち、このような温度に於いては、
In(CH3の熱分解は起こらないか、或いは、分解が
起こってもIn(CH3(x=1或いは2)の形のよう
な中間的な分解までしか進行せず、In原子は発生しない
ようにするものである。
このように、In原料を分子種の形で基板表面に供給す
ると、その基板表面に吸着されるInの分子種は、そこに
在るPと化学的に結合したもののみが留まり、Pと結合
できなかったものは再蒸発する。従って、基板表面に吸
着されるIn分子種は、せいぜい単分子層であり、それ以
上は吸着されない。その結果、In(CH3の濃度が変
化しても、余分に供給された分は結晶成長に寄与しない
のである。
この後、気相中からInの分子種を充分にパージしてか
ら、PH3など、V族元素を含むガスを供給すると、基板
表面に於ける前記した第一層目のIn或いはIn分子種と反
応が進んで原子層オーダーの結晶膜が得られるのであ
る。
前記したように、基板表面を最高温にし、そして、基
板表面近傍のガス温度は上昇させないようにする為に
は、基板を載置したサセプタを誘導加熱したり、裏面か
ら輻射加熱したり、赤外線ランプを照射するなどの加熱
方式を採用して実現させることができる。また、前記説
明では、InPを採り上げたが、Inを含む他の二元以上のI
II−V族化合物半導体の場合についても同様に実施する
ことができる。
前記したようなことから、本発明に依る化合物半導体
結晶成長方法では、気相中ではInの原料であるトリメチ
ルインジウムが熱分解してIn原子にならない程度の温度
を維持できるように基板を加熱し、該基板の表面にトリ
メチルインジウム及び隣や砒素などV族元素を含む水素
化合物を交互に供給してInを含む化合物半導体結晶を成
長させる工程が含まれる。
〔作用〕
前記手段を採ることに依り、気相中のIn(CH3
濃度変化が起こっても、基板上に成長するInを含む化合
物半導体結晶膜の組成や成長率は全く影響を受けず、均
一性が高い膜を原子的スケールで再現性良く成長させる
ことができ、大量のウエハについてエピタキシャル成長
を行う場合、ウエハ間の膜厚のバラツキを一原子層以下
に抑制することが可能である。
〔実施例〕
第1図は本発明を実施する気相エピタキシャル成長装
置の一例を解説する為の要部説明図を表している。
図に於いて、1はウエハ装着用操作杆、2は準備室、
3はゲート・バルブ、4は反応室、5はカーボン・サセ
プタ、6は輻射加熱用ヒータ、7はターボ分子ポンプ、
8は排気口、9はフィルタ、10はロータリ・ポンプ、11
はマニホールド・バルブ、12はマスフロー・コントロー
ラ(MFC)、13はトリメチルインジウム源、14はホスフ
ィン源、15はキャリヤ・ガスであるH2送入管、16はウエ
ハをそれぞれ示している。
本発明では、In(CH3とV族元素を含むガス(図
示の気相エピタキシャル成長装置ではPH3)とをウエハ1
6上に交互に供給しなければならないので、そのガス切
り替えにはマニホールド・バルブ11を用い、ベント(Ve
nt)/ラン(run)方式で行う。そのようにして表面に
ガスが供給されるウエハ16は、厚さが350〔μm〕程度
であって、カーボン製のサセプタ5に形成された深さが
0.3〔mm〕程度の矩形の凹所に載置される。そのサセプ
タ5は、裏面側からヒータ6に依って輻射加熱されるよ
うになっていて、ウエハ16が300〜400〔℃〕に加熱さ
れ、しかも、その近傍の気相中に於ける温度は低く維持
されてIn原子の発生が防止されるようになっている。
第2図は本発明一実施例に於けるガスの供給に関する
タイミング・チャートであり、t時間を表している。
ここでは、まず、10〔%〕PH3+H2を流量500〔sccm〕
として10〔秒〕間に亙って流し、次に、H2を流量500〔s
ccm〕として3〔秒〕間に亙って流すことでパージを行
い、次に、TMI+H2を流量500〔sccm〕として5〔秒〕間
に亙って流し、次に、H2を流量500〔sccm〕として3
〔秒〕間に亙って流すことでパージを行って1サイクル
が終了する。各ガスは500〔sccm〕の等流量にしてある
から、反応室4内には常に何れかのガスが500〔sccm〕
だけ流れていることになる。
第3図は、In(CH3とPH3とを原料ガスにし、本発
明を実施してInPの結晶を成長させた場合のIn(CH3
流量依存性を表す線図であり、横軸にはIn(CH3
量を、縦軸には1サイクル当たりの成長膜厚をそれぞれ
採ってある。尚、In(CH3の流量は〔ml/分〕で、ま
た、成長膜厚は格子定数でそれぞれ表してある。
このデータを得た際の条件は、 ウエハ16の温度:350〔℃〕 In(CH3の蒸気圧:3〔Torr〕 In(CH3を流す時間:3〔秒〕/1サイクル In(CH3のバブラ温度:27.1〔℃〕 PH3の濃度:20〔%〕 PH3の流量:480〔ml/分〕 PH3を流す時間:20〔秒〕/1サイクル 図から判るように、In(CH3の流量が10〔ml/分〕
〜90〔ml/分〕と変化しても、InP結晶の成長率は変化し
ていない。これは、成長速度が気相中のIn(CH3
濃度の影響を受けていないことを示している。
この場合のInP結晶の成長率は、1サイクル当たり1.4
7〔Å〕であって、これはInPの1/4格子定数に相当す
る。
第4図はIn(CH3の供給時間と1サイクル当たり
のInP結晶成長膜厚との関係を表す線図であり、横軸にI
n(CH3をパルス的に流す場合の時間を〔秒〕で、ま
た、縦軸には1サイクル当たりの膜厚をML(monolaye
r)でそれぞれ採ってある。MLは分子層単位であって、
一分子層は1/2格子定数に相当し、ここでは約2.93
〔Å〕である。
図に於いて、一点鎖線は本発明一実施例の特性線であ
り、この際のウエハ16の温度は、前記同様、350〔℃〕
である。また、破線は比較の為に挙げた従来技術に依っ
た場合の特性線であり、原子層エピタキシャル成長(at
omic layer epitaxy:ALE)法を実施して得られたもの
で、この際のウエハの温度は600〔℃〕である。
〔発明の効果〕
本発明に依る化合物半導体結晶成長方法に於いては、
気相中でIn(CH3が分解してIn原子にならない程度
の温度に基板を加熱し、トリメチルインジウム及び隣や
砒素などV族元素を含む化合物を交互に供給してInを含
む化合物半導体結晶を成長させるようにしている。
前記構成を採ることに依り、気相中のIn(CH3
濃度変化が起こっても、基板上に成長するInを含む化合
物半導体結晶膜の組成や成長率は全く影響を受けず、均
一性が高い膜を原子的スケールで再現性良く成長させる
ことができ、大量のウエハについてエピタキシャル成長
を行う場合、ウエハ間の膜厚のバラツキを一原子層以下
に抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施する気相エピタキシャル成長装置
の一例を解説する為の要部説明図、第2図は本発明一実
施例に於けるソース・ガスの供給に関するタイミング・
チャート、第3図は本発明を実施してInP結晶を成長さ
せる場合に於けるIn(CH3流量依存性を説明する為
の線図、第4図は本発明を実施してInP結晶を成長させ
る場合に於けるIn(CH3の供給時間と1サイクル当
たりのInP結晶成長膜厚との関係を説明する為の線図、
第5図はIn(CH3及びPH3を原料ガスとする従来のOM
VPE法を適用してInP結晶を成長させる場合のIn(CH3
流量依存性を説明する為の線図をそれぞれ表してい
る。 図に於いて、1はウエハ装着用操作杆、2は準備室、3
はゲート・バルブ、4は反応室、5はカーボン・サセプ
タ、6は輻射加熱用ヒータ、7はターボ分子ポンプ、8
は排気口、9はフィルタ、10はロータリ・ポンプ、11は
マニホールド・バルブ、12はマスフロー・コントローラ
(MFC)、13はトリメチルインジウム源、14はホスフィ
ン源、15はキャリヤ・ガスであるH2送入管、16はウエハ
をそれぞれ示している。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】気相中ではInの原料であるトリメチルイン
    ジウムが熱分解してIn原子にならない程度の温度を維持
    できるように基板を加熱し、 該基板の表面にトリメチルインジウム及び燐や砒素など
    V族元素を含む水素化合物を交互に供給してInを含む化
    合物半導体結晶を成長させる工程 が含まれてなることを特徴とする化合物半導体結晶の成
    長方法。
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