JPH01290221A - 半導体気相成長方法 - Google Patents

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】 〔概　要〕 本発明は化合物半導体の原子層エピタキシに関し、 より低温で化合物半導体を気相エピタキシャル成長させ
ることを目的とし、 例えばｍ−ｖ化合物の成長法に於いて、■族元素の原料
であるアルキル金属を基板結晶表面に供給し、該アルキ
ル金属が基板表面に吸着した状態で、加熱水素を供給し
て前記吸着状態のアルキル金属を分解して■族元素層を
堆積する工程と、■族元素の原料ガスを供給する工程と
を包含して構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は化合物半導体、典型的にはｍ−ｖ化合物の気相
エピタ４キシャル成長法に関わり、特に、化合物半導体
を構成する金属元素のアルキル化物を用いて行われる原
子層エピタキシに関わる。

近年、半導体集積回路は素子の微細化による高密化、高
速化が進んでいるが、一方ではへテロ接合や超格子構造
を利用した高性能素子の開発も進められている。そのよ
うな素子では、ヘテロ接合や超格子を形成する化合物半
導体の組成や厚さを原子層単位で制御することが強く要
望されている。

化合物半導体を原子層単位でエピタキシャル成長させる
場合、一方の組成の原料を供給して、その元素の層を１
原子層だけ堆積し、原料ガスを切り換えて他方を１原子
層成長させ、これの繰り返しによって必要な厚みの化合
物半導体層を形成することになる。

所望の原子層を堆積させる方法は分子線エピタキシでも
よいが、生産性を考慮するとＭＯＣＶＤのようなＣＶＤ
法で原子層エピタキシを実現することが望ましい、ＭＯ
ＣＶＤは、例えばＧａＡｓをエピタキシャル成長させる
場合、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
若しくはトリエチルガリウム（Ｔ　ＥＧ）を用い、Ａｓ
の原料としてアルシン（ＡｓＨｓ）、キャリヤガスとし
てＨ２を用いて行われる。　　。

ＭＯＣＶＤによって原子層エピタキシを実施する場合、
何らかの方法によって、各層の堆積を１層だけに限定す
ること、即ち白層制限（ｓｅｌｆ−１ｉ＋＊ｉｔｔｉｎ
ｇ）効果を生ぜしめることが必要である。

本来、化合物半導体は化学量論組成が最も安定であるか
ら、白層制限効果を示す傾向はあるが、−方の原料の供
給だけが続く状況では、該効果を超越して、同原子層が
何層も堆積することが起こる。

したがってＭＯＣＶＤによる原子層エピタキシでは、原
料供給条件や時間、処理温度などを厳密に制御して、堆
積層を１原子層とすることが行われている。アルキル金
属の分解が気相中で進行するよりも、分解せずに基板に
吸着され、その状態で熱、光あるいは化学エネルギによ
って分解の進む方が、原子層エピタキシの実現には好都
合である。

即ち、アルキル金属が基板に吸着する時には、基板側に
金属が、表面側にアルキル基が並ぶように吸着されるの
で、−旦このような吸着状態を実現した後、アルキル基
を分離して金属層とするようにすれば、金属層が多層化
することが避けられる。何故なら基板表面がアルキル基
で覆われた状態では、それ以上の吸着は進行し難いから
である。

これに反し、気相中で遊離した金属原子が基板上に堆積
する形で金属層の成長が進行すれば、白層制限効果は現
れ難く、原子層エピタキシには不向きな状況となる。

このような事情とは別に、ヘテロ接合を形成する温度を
なるべく低くしたいという要求がある。

ヘテロ接合形成中あるいはその後の処理温度が高いと、
−旦急峻な組成分布を実現しても、構成原子の相互拡散
が起こって、所望の界面が得られないことになるからで
あり、接合構成層の熱膨張係数が異なると、エピタキシ
ャル成長後、室温に下げた時に反りや歪を生じることに
なるからである。

また、ヘテロ接合を利用する素子では、ヘテロ接合を構
成する２層の不純物濃度に差があったり、導電型が異な
るなど、不純物濃度分布の急峻な変化を要求する場合も
少なくないので、ヘテロ接合形成中に不純物再分布が起
こらないようにする意味でも、処理温度は低いことが望
ましい。

その反面、基板温度が低いとアルキル金属が分解し難く
なるため成長速度が低下し、エピタキシャル成長層の結
晶性も悪くなる。

上述のＴＭＧやＴＥＧを用いるＧａＡｓの原子層エピタ
キシでは、基板温度は５００℃程度が通常であり、結晶
性のみに着目すればこれは６００℃程度に上げることが
望ましいくらいである。結晶性を無視すれば、ＴＥＧで
は３５０℃、ＴＭＧでは４００℃でもＧａ層は成長する
が、成長速度は極端に低下する。

このような事情から、処理温度が低く、成長速度を低下
させずに、良好な結晶の得られる原子層エピタキシ技術
が希求されている。

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕例えばＧ
ａＡｓの原子層エピタキシでは、Ｇａの原料としてはＴ
ＭＧ或いはＴＥＧを、Ａｓの原料としてはＡｓＨｓを用
い、成長温度５００℃で上記原料ガスを交互に供給して
行われている。

成長温度がこのように高いと、ヘテロ界面を持つ結晶成
長を行った場合にヘテロ界面近傍で構成原子の相互拡散
が起こり、急峻なヘテロ接合を得ることが難しくなる。

また、室温との温度差が大であることに起因して、反り
などの歪が発生する。

これを避けるため成長温度のみを低下させ、他の条件を
変えずにエピタキシャル成長を行うと、ＴＭＧやＴＥＧ
の分解速度が低下し、結晶成長が進行しなくなる。Ａｓ
層の堆積はこの温度でも進行するので、アルキルＧａの
分解を低温で実現すれば、ＧａＡｓの低温エピタキシャ
ル成長が可能となる。この傾向はｍ−ｖ化合物半導体の
原子層エピタキシ一般に共通するものである。

基板表面に吸着したアルキル金属を光エネルギによって
分解し、より低温で化合物半導体の原子層エピタキシを
行うことも知られているが、この公知技術ではエキシマ
レーザのような強力な光源を使用しており、−度に処理
し得る面積に限界があるので、ウェハの大型化に対処す
る上で大きな障害となる。また、不純物濃度が高いとい
う問題も残されている。

本発明の目的は、基板表面に吸着したアルキル金属の分
解を化学的手段によって促進し、より低温でｍ−ｖ化合
物半導体の原子層エピタキシを可能ならしめることであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、 化合物半導体を構成する少なくも一の元素のアルキル化
物を原料の一部とする半導体の気相成長方法である本発
明の原子層エピタキシには、前記アルキル化物を基板結
晶表面に供給し、しかる後、前記基板の温度以上の温度
に加熱した水素を前記基板表面に供給する工程と、 前記化合物半導体を構成する他の元素の原料ガスを基板
表面に供給する工程とが包含される。

〔作　用〕

ＧａＡｓの原子層エピタキシを例にあげると、ＴＭＧや
ＴＥＧのようなアルキル金属が基板結晶のＡｓ面に吸着
する時は、基板表面のＡｓとＧａが結合するので、最表
面側にはアルキル基が並び、それ以上の層の吸着は起こ
らない。

この状態で熱、光等のエネルギが与えられ、或いはアル
シンのような化学物質と反応すると、アルキル基が離脱
して基板表面がＧａ面になり、次に供給されるＡｓと結
合して１分子層だけＧａＡｓが成長する。

この時の基板温度が低いと熱エネルギ或いは化学エネル
ギによるアルキル基の離脱が進行し難くなり、結晶成長
が行われなくなる。そこで、この状態の基板に加熱した
水素ガスを供給すると、アルキル基と水素が結合してＧ
ａが遊離し、続いて供給されるＡｓと共にＧａＡｓ分子
を形成する。

即ち、低い基板温度でもＧａＡｓのエピタキシャル成長
が行われることになる。

Ｇａ［が１層だけに限定されるのは、即ち白層制限効果
が生ずるのは、上記の吸着層が多層にならないことによ
るものであり、Ａｓが１層に限定されるのは、Ａｓの蒸
気圧が高く、１原子層以上の吸着が生じないためである
。

〔実施例〕

本発明の実施態様を、ＴＭＧとアルシンを原料とし、Ｈ
ｚをキャリヤガスとするＧａＡｓの原子層エピタキシの
例に従って説明する。

第１図は該実施例で使用される気相成長装置の構成を模
式的に示す図であって、ｌは反応管、２はエピタキシャ
ル成長下地結晶である基板、３はサセプタ、４はＲＦ加
熱コイル、５．５′、５＃は切り換えバルブ、６はヒー
タである。

ＴＭＧの供給は、３℃のＴＭＧをキャリヤガスであるＨ
ｏでバブリングし、キャリヤガスと共にＴＭＧの蒸気を
反応管に導く方法で行われる。他方の原料であるアルシ
ンは常温でガスであり、これもＨ２で希釈したものが反
応管に導かれる。これ等の原料ガスを交互に反応管に導
入するのは、切り換えバルブ５．５′の操作による。

本実施例では更に加熱Ｈ８も反応管に導入され、これも
切り換えバルブ５′により、選択されたタイミングで、
基板に供給される。基板温度は４００℃である。ＴＭＧ
、アルシン、加熱Ｈ７が反応管に導入される順は第３図
に示されており、ガス流量と夫々の供給時間は次表の通
りである。

流量：　ＳＣＣＭ／ｓｅｃ　　　時間：　ｓｅｃ上表で
ＴＭＧの流量はバブルさせるＨ８の流量であり、この値
Ｘを変化させた時の１周期当たりの成長層厚が第２図に
示されている。また、アルシンの流量はＨａで１０％に
希釈したガスの流量で、単位はいづれも標準状態に換算
したｃｊ／ｓｅｃである。

第２図はＴＭＧをバブルするＨ８の流量を変化させた場
合の、１周期当たりの成長層厚を示す線図であって、成
長層厚は１７７周期の成長を行った結果を、予め準備さ
れた選択成長部の成長段差を接触膜差計で測定し、１回
当たりの値を求めたものである０図から明らかなように
、Ｔ、ＭＧ供給量がある値以上になると成長層厚は１分
子層に相当する厚さで飽和し、白層制限効果が得られた
ことを示している。

以上の処理に使用する加熱Ｈ３の温度は、通常の処理で
キャリヤガスとして存在するＨ！がサセプタなどにより
加熱されて到達する温度よりも高くなければならないこ
とは当然であり、本実施例ではヒータ内のＨＳの温度は
８００℃である。

概して言えば、前記加熱Ｈ！の温度は高いほど効果があ
るが、高温のガスを多量に供給すると基板温度を上昇さ
せ、低温成長を下げるという当初の目的に反することに
なる。従って本発明の処理で使用する加熱水素ガスの温
度は、装置や処理条件にもよるが、基板温度＋（３００
〜８００℃）程度が適当である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば基板温度を低下さ
せても白層制限効果が確実に得られ、ＭＯＣＶＤによる
原子層エピタキシが容易に行われることになる。また、
本発明では光照射のように面積を限定されることがなく
、基板ウェハの大型化にも容易に対処することが出来る
。

本発明をＧａＡｓ／ＡｆＧａＡｓ系の高電子移動度トラ
ンジスタ（ＨＥＭＴ）の形成に利用する場合、チャネル
層となる高純度ＧａＡｓ層を本発明の方法によって形成
し、電子供給層であるＡｌＧａＡｓ層は従来の方法によ
って形成すれば、特性の優れたＨＥＭＴを得ることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いられる装置を模式的に示す図、 第２図はＴＭＧ供給量と成長膜厚の関係を示す図、 第３図は原料ガスと加熱Ｈ２を供給する周期を示す模式
図 であって、 図に於いて １は反応管、 ２は基板、 ３はサセプタ、 ４はＲＦコイル、 ５．５’、５’は切り換えバルブ ６はヒータ である。 加熱Ｈ２ 本発明に用いられる装置を模式的に示す図第１図 ＴＭＧ供給量と成長膜厚の関係を示す図第２図 口：Ｈ２皿：ＴＭＧ 時間 原料ガスと加熱Ｈｚを供給する周期を示す模式図第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　化合物半導体を構成する少なくも一の元素のアルキル
   化合物を原料の一部とする半導体の気相成長方法に於い
   て、 前記アルキル化合物を基板結晶表面に供給し、しかる後
   、前記基板の温度以上の温度に加熱した水素を前記基板
   表面に供給する工程と、 前記化合物半導体を構成する他の元素の原料ガスを基板
   表面に供給する工程とを包含することを特徴とする半導
   体気相成長方法。