JPH01160899A

JPH01160899A - 化合物半導体結晶成長方法及び成長装置

Info

Publication number: JPH01160899A
Application number: JP31795387A
Authority: JP
Inventors: Naoki Furuhata; 直規古畑; Hironobu Miyamoto; 広信宮本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-12-15
Filing date: 1987-12-15
Publication date: 1989-06-23

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、化合物半導体結晶成長方法及び成長装置に関
する。

（従来の技術、）近年、■−Ｖ族化合物半導体を用いた高速デバイス・ペ
テロ接合デバイス、光デバイスの開発が急速に発展し、
それに伴なう素子製作プロセスも複雑化している。

分子線エピタキシャル成長方法（ＭＢＥ法）は、高精度
に膜厚が制御でき、しがも高品質の化合物半導体薄膜が
得られるので、上記のようなデバイス作製には重要な成
長技術である。

ところで、デバイスの高性能化、高集積化を図るために
は、コンタクト層の形成技術、平坦化技術さらに清浄な
界面形成技術が必要となり、従来のＭＢＥ装置、成長方
法では対応できなくなってきているのが実情である。

特に結晶加工を施した基板上に再成長を行う場合、基板
表面には炭素系の汚染物質および酸化物が形成され、界
面に深い準位が生じ、キャリア濃度の減少が見られる。

このため再成長界面での抵抗が大きくなり、デバイス特
性を劣下させる原因となっている。

従来のＭＢＥ法では、ジャパン・ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジックス（Ｊａｐａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ、２
５．Ｐ、１２１６．１９８６）に発表されているように
基板を７００°Ｃ以上に加熱して、表面の結晶を熱によ
り蒸発させる方法で、界面の不純物を除去している。

あるいは渋川らが発表しているように（応用物理、第５
４巻、第１１号、１９８５）　、高真空下でＥＣＲイオ
ン源を用いて、イオン化したガスにより基板表面をエツ
チングする方法も行われている。

また気相成長法（ＶＰＥ法〉では、装置内にあらかじめ
塩酸などの反応性ガスを流し、常圧で結晶表面をわずか
にエツチングした後、結晶を成長する方法がとられてい
る。

（発明が解決しようとする問題点）しかしこれらの方法は以下のような問題がある。まず、
ＭＢＥ法で行われている高温で熱により結晶表面を蒸発
させる方法（サーマルエツチング法）では、高温により
デバイス中の不純物の再分布が生じ、ＨＥＭＴでは移動
度の低下、ＭＥＳＦＥＴではしきい値電圧の変動、ＨＢ
Ｔではベース層中のＰ型不純物がエミツタ層側へ拡散す
るため電流増幅率βの大幅な減少を生じさせる。

またこの方法では、炭素系の不純物を完全に除去できな
い。

次に、イオンによる表面クリーニングでは、イオン衝撃
により基板表面にダメージを与え、欠陥を生じさせる。

さらに、イオンにより、スパッタされた雰囲気からの不
純物をとり込みやすくなり、これまた清浄な界面を得る
ことは困難である。

この中で、ＶＰＥ法で行われている反応性ガスによるエ
ツチングは、基板の表面反応を利用しているのでダメー
ジがなく、表面クリーニング方法としてはすぐれている
が、エツチング速度がガス流量、基板温度等の条件に敏
感で制御性が十分と言えず、またＭＢＥ法等他の真空装
置に接続するのも困難である。

ところで、超高真空中では、ガス流量の制御もしやずく
、ＭＢＥ法等の他の真空装置に接続可能なので、超高真
空中で、ガスエツチングを行うのが、最適な方法になる
が、前述したように、基板の表面反応を利用しているの
で、初期の表面状態に敏感であるという問題がある。即
ち、表面に酸化膜が残っていると、基板面内でエツチン
グ速度が異なり、完全に平坦な面を得ることができない
。

本発明の目的は、高真空中のガスエツチングにおいて欠
陥がなく、平坦な界面を形成し、その上に良好なエピタ
キシャル層を成長することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明では、Ｉ［−Ｖ族化合物半導体の基板表面を清浄
化して、その上に結晶成長する化合物半導体結晶成長方
法において、基板をＶ放射雰囲気に設置して、基板表面
の酸化膜が除去される温度まで基板を加熱する工程と、
次いで１０−３１”　ｏ　ｒ　ｒ以下の高真空下で、反
応性ガスにより基板をエツチングする工程、さらにその
後、該結晶基板上に半導体薄膜を分子線エピタキシャル
成長させる工程が連続して行われることを特徴とする化
合物半導体結晶成長方法と基板を保持し、加熱できる基
板ホルダーと、固体ソースを用いたＶ族分子線を放射す
る分子線源と反応性ガスを導入するラインを備えた、超
高真空を保持できる基板準備室と、該基板準備室に連な
り化合物半導体結晶薄膜を分子線エピタキシャル成長さ
せる成長室を有する化合物半導体結晶成長装置とを提供
する。

（作用〉本発明によれば、基板表面の酸化膜を除去した後、反応
性ガスによりエツチングするので、完全に平坦で、汚染
、ダメージのない清浄な界面ができる。また高真空下で
行うため、清浄な界面を保ったまま、ＭＢＥ成長室に基
板を移動して、成長することができる。

更に詳しく説明すると、以下の作用効果がある。

（１）Ｖ成算囲気中で基板表面の酸化膜が除去される温
度まで基板を加熱する工程により、Ｖ族元素の抜けを防
止しながら酸化膜が除去される。この時の温度は前述の
サーマルエツチ−フグ法のように結晶表面を蒸発させる
ほどの高温は必要ないので、熱による再分布等の問題は
生じない。

（２）次いで１０−”Ｉ’ｏｒｒ以下の高真空下で、反
応性ガスにより基板をエツチングするので、ガス流はほ
ぼ分子流となりエツチングの制御性が良好となる。また
、イオンによる表面クリーニングのようなダメージもな
く清浄な界面が形成できる。

（実施例１）この出願の第２の発明の化合物半導体結晶成長装置の構
成を第１図に示す。

以下にこの出願の第２の発明の一実施例を第１図を用い
て説明する。

本発明装置は、超高真空に保持できる試料準備室１と該
準備室１内に備えられた排気装置２と加熱機構を有する
基板ホルダー３と、反応性ガスを導入するライン４とバ
リアプルリークバルブ５と、ＭＢＥ成長室６および成長
室６内に備えられた■族元素原料セルフ、■族元素原料
セル８、ドーパント原料セル９、基板ホルダー１０、排
気装置１１、およびゲートバルブ１２．１３と、試料交
換室１４、排気装置１５と、準備室内に設けられたＶ族
分子線源１６によって構成されている。

本願筒１の発明の第１の実施例を本願筒２の発明装置を
用いＧａＡｓの再成長界面を以下の手順で作製して、評
価した様子を説明する。まずＭＢＥ成長室に、■族原料
としてＧａ、　Ｖ族原料としてＡｓ、ｒ１型ドーパント
としてＳｉを投入し、Ｓｉミド−１３×　（）　１８．
ｍ−３のＧａ八へ基板上に通常の方法でＳｉドープ２　
Ｘ　１０１６ａｒｍ−３のＧａＡｓエピタキシャル層を
成長温度６００°Ｃで１．０μｍ成長させた。

この基板を交換室１４から大気に取り出し、大気中にさ
らした後、再び基板交換室１４に入れて５　Ｘ　１　（
１−８Ｔｏ　ｒ　ｒまで排気装置１５により真空引きを
行った。次にゲートバルブ１２を開け、この基板を基板
準備室１内の基板ホルダー３にセラ？−した。準備室１
は、あらかじめ２Ｘ１０−８Ｔ。

ｒｌ−以下に排気されている。

ここで、固体へＳを入れたＶ族分子線源を２００゜Ｃに
加熱して、Ａｓ分子線を発生させ、圧力１×１０−６Ｔ
ｏ　ｒ　ｒのＡｓ雰囲気にして、基板を６３０゜Ｃに加
熱する。

この工程を約１０分、続けることにより、基板からのＡ
ｓ抜けを防止しながら、表面酸化膜を、除去できる。次
にＶ成分子−線源１６の温度と基板温度をＩ”げて、Ａ
ｓ分子線の発生を止め、反応性ガスとして塩素ガス（Ｃ
Ｉ２）を用い、バリアプルリーク５を介して、ライン４
より基板準備室１に導入した。塩素ガスの分圧は、５　
Ｘ　１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒである。

基板を３００°Ｃに加熱することにより、結晶表面は、
塩素ガスと化学反応をおこし、エツチングされる。本実
施例では、基板を２００ＯＡエツチングした。エツチン
グ終了後、基板温度を下げ、塩素ガスを止めて、再び準
備室１を２Ｘ１０−８Ｔｏｒｒまで真空排気した。

続いてゲートバルブ１３を開け、ＭＢＥ成長室６内に基
板を導入し、基板ホルダー１０にセットした。Ｍ　Ｂ　
Ｅ成長室６は、排気装置１１により、ｌ　Ｘ　ｌ　（１
−’ＯＴ　ｏ　ｒ　ｒ以下になっている。

基板上に通常のＭＢＥ法により＝　Ｓｉをドープしてキ
ャリア濃度２　Ｘ　１’　０１６Ｃ１１−３のＧａＡｓ
を１．０μｍエビタギシャル成長させた。基板温度は、
６００°Ｃである。

再成長界面の評価として、Ｃ−■測定により基板表面か
らの深さ方向のキャリア濃度の分布を求めた。第３図に
その結果を示す。第３図には比較法で処理したものを示
したが、従来法では、界面でキャリア濃度の低下が見ら
れたが、本実施例の化合物半導体結晶成長方法では、界
面での不純物、ダメージがまったくないので、キャリア
濃度の低下はまったく見られない。

さらに再成長する前のエツチング面をＲＨＥＥＤで観察
したところ、本実施例でエツチングした基板は、ストリ
ークの超構造パターンを示し、損ｆマｂのない良好な界
面の形成が確認された。

次に本願第２の発明の第２の実施例について、第２図を
用いて説明する。第２図は、この出願の第２の発明の一
実施例を示す装置構成図である。

実施例１では、基板準備室１に取付けられたＶ族分子線
源１６に固体Ａｓを入れた。固体Ａｓは、取板いが容易
かつ安全であり、高い真空度を維持しつつ、Ａｓ分子線
を照射できるという利点を有する。

本実施例では、Ｖ族分子線源１６に、Ｖ族ガス供給ライ
ン１７を結合して、外部がらＶ族を含むガスを基板準備
室１内に導入し得る構成をした。

この構成により、■−族ソースが容易に補給できる。

本願第１の発明の第２の実施例を説明する。Ｖ族を含む
ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３°〉を用いて、第１の
実施例と同じ手順で、再成長界面を形成した。アルシン
は、基板準備室１内で、基板酸化膜を除去する時に用い
、Ｖ族分子線源１６を８００゜Ｃに加熱して、ガスを分
解した後、基板に照射した。ガス圧は、ｌＸｌ０−５Ｔ
ｏｒｒである。

酸化膜を除去する基板温度、時間は第１の実施例と同様
である。

このようにして、形成した再成長界面をＣ−■測定した
ところ、第１の実施例と同様に、界面でまったくキャリ
ア濃度の減少がなかった。

なお本実施例で用いた基板は、ＧａＡｓであるが、他に
Ｉ’ｎ　ｐ　、　Ａ　Ｉ　ＧａＡｓのような他の■−■
化合物あるいは、その混晶でも、同様の効果が得られた
。さらに反応性ガスとして塩素（ｃ１２）だけでなく、
塩酸＜１ｌｃｌ）　、塩化炭素（Ｃｃ１４）など、化合
物半導体と反応するガスは、すべて使用可能であり、基
板温度は２００〜４００°Ｃが適当である。また、Ｖ族
分子線源のソースとしては、通常固体ＡｓかＡｓＨ３を
用いるが、基板がＩｎｐの場合は、固体Ｐあるいはホス
フィン（１１８３）でもかまわない。また、トリメチル
砒素（Ａｓ（Ｃｈｈ）のような他のガスも使用できる。

（発明の効果）以」二述べたように、本発明によれば、平坦で欠陥のな
い清浄な界面を有する良好な再成長′薄膜を得ることが
でき、ひいてはデバイス特性を向上させる効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この出願第２の発明の実施例１の化合物半導
体結晶成長装置の概略図第２図は、この出願第２の発明の実施例２の化板方向へ
の深さ分布を示す図である。１、試料準備室２．１１．１５．排気装置３．１０．基板ホルダー４、反応性ガスライン５、バリアプルリークバルブ６、ＭＢＥ成長室７．１族原料セルＳ　Ｖ族原料セル９、ドーパント原料セル１２゜１３．ゲー１へバルブ１４、試料交換室１６、Ｖ族分子線源１７、Ｖ族ガス供給ライン

Claims

【特許請求の範囲】

（１）III―Ｖ族化合物半導体の基板表面を清浄化して
、その上に結晶成長する化合物半導体結晶成長方法にお
いて、基板をＶ族雰囲気に設置して、基板表面の酸化膜
が除去される温度まで基板を加熱する工程と、次いで１
０＾−＾３Ｔｏｒｒ以下の高真空下で、反応性ガスによ
り基板をエッチングする工程、さらにその後、該結晶基
板上に半導体薄膜を分子線エピタキシャル成長させる工
程が連続して行われることを特徴とする化合物半導体結
晶成長方法。
（２）Ｖ族分子線源として、固体ソースを用いたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の化合物半導体結
晶成長方法。
（３）Ｖ族分子線源としてＶ族を含むガスを用いること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の化合物半導体
結晶成長方法。
（４）基板を保持し、加熱できる基板ホルダーと、Ｖ族
分子線を放射する分子線源と反応性ガスを導入するライ
ンを備えた、超高真空を保持できる基板準備室と、該基
板準備室に連なり化合物半導体結晶薄膜を分子線エピタ
キシャル成長させる成長室を有する化合物半導体結晶成
長装置。