JPH05139881A - Molecular beam epitaxial growing method and unit therefor - Google Patents

Molecular beam epitaxial growing method and unit therefor

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JPH05139881A
JPH05139881A JP30208191A JP30208191A JPH05139881A JP H05139881 A JPH05139881 A JP H05139881A JP 30208191 A JP30208191 A JP 30208191A JP 30208191 A JP30208191 A JP 30208191A JP H05139881 A JPH05139881 A JP H05139881A
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JP
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substrate
chamber
remote plasma
molecular beam
growth
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Takashi Yamada
隆史 山田
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Abstract

PURPOSE:To provide the title method and unit capable of giving epitaxial layer of lower interfacial level density by effectively cleaning the surface of a substrate at lower temperatures. CONSTITUTION:The surface of a substrate 20 held under a vacuum in a reaction chamber 5 is treated with a remote plasma from a plasma generator 3 followed by moving the substrate 20 into a growing chamber 8 while maintaining the vacuum state, where an epitaxial layer is formed by the title method.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスへの応
用のために表面準位や界面準位の少ない、すなわち界面
特性のよい半導体エピタキシャル膜を作製する方法およ
びその装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for producing a semiconductor epitaxial film having a small number of surface states and interface states, that is, good interface characteristics for application to semiconductor devices.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、分子線エピタキシャル成長法(M
BE法)では、エピタキシャル成長前、その場において
基板は、超高真空中またはAs雰囲気中で熱処理が行な
われてきた。この熱処理により、エピタキシャル成長す
べき基板表面は清浄にされる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a molecular beam epitaxial growth method (M
In the BE method), the substrate has been heat-treated in situ in an ultrahigh vacuum or in an As atmosphere before epitaxial growth. By this heat treatment, the substrate surface to be epitaxially grown is cleaned.

【0003】一方、最近、「GaAs and Rel
ated Compounds,Atlanta,Ge
orgia,1988,pp.47−52」に示される
ように、3チャンバー型エッチング−分子線エピタキシ
ャル装置を用いたMBE法が開発されてきている。この
方法では、3チャンバーのうち1つのドライエッチング
チャンバー内においてCl2 ガスを用い、熱エッチング
またはECRプラズマエッチングにより基板表面のクリ
ーニングが行なわれる。
On the other hand, recently, "GaAs and Rel
arated Compounds, Atlanta, Ge
orgia, 1988, pp. 47-52 ", an MBE method using a three-chamber type etching-molecular beam epitaxial device has been developed. In this method, the substrate surface is cleaned by thermal etching or ECR plasma etching using Cl 2 gas in one of the three dry etching chambers.

【0004】また、「GaAs and Relate
d Compounds,Jersey,1990,p
p.111−116」では、2チャンバー超高真空MB
E装置を用い、その中の1つのチャンバー内でSe分子
線を基板に照射し、GaAs表面のダングリングボンド
を終端して不活性化するとともに、a−Se保護膜を形
成する方法が報告されている。
In addition, "GaAs and Relate
d Compounds, Jersey, 1990, p.
p. 111-116 ", 2 chamber ultra high vacuum MB
A method of forming an a-Se protective film by irradiating a substrate with a Se molecular beam in one chamber of the E apparatus to terminate the dangling bond on the GaAs surface to inactivate it and to form an a-Se protective film has been reported. ing.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来、一般に行なわれ
てきた熱処理では、高温によって基板表面に損傷を与え
ることがあった。十分に表面の清浄化を行なおうとして
熱処理が過度になると、このように表面に損傷を与え表
面安定化を行なうことができなくなる一方、表面に損傷
を与えないよう熱処理を行なうと、表面のクリーニング
が不十分となることがしばしばあった。
In the heat treatment generally performed in the past, the substrate surface may be damaged by high temperature. If the heat treatment becomes excessive in order to sufficiently clean the surface, it becomes impossible to stabilize the surface by damaging the surface in this way. Cleaning was often inadequate.

【0006】上述した3チャンバー型の装置において、
Cl2 を用いるECRプラズマエッチングでは、O、C
およびCl等の不純物が基板に残り、深い準位を生成さ
せた。一方、上記文献においてCl2 を用いる熱エッチ
ングは基板に清浄な表面をもたらしているが、熱処理に
より基板表面を損傷させるおそれがあった。
In the above-mentioned three-chamber type device,
In ECR plasma etching using Cl 2 , O, C
Impurities such as Cl and Cl remained on the substrate, producing deep levels. On the other hand, in the above literature, thermal etching using Cl 2 brings a clean surface to the substrate, but there is a possibility that the heat treatment may damage the substrate surface.

【0007】また、Se保護膜についての上記文献は、
分子線エピタキシャル成長に対するSe膜の応用につい
て何ら言及していない。
[0007] Further, the above-mentioned document concerning the Se protective film is
No mention is made of the application of Se films for molecular beam epitaxial growth.

【0008】本発明の目的は、上記問題点を解決し、従
来よりも低温で効果的に基板表面を清浄化することがで
きる分子線エピタキシャル法およびその装置を提供する
ことにある。
An object of the present invention is to solve the above problems and provide a molecular beam epitaxial method and an apparatus therefor capable of effectively cleaning the substrate surface at a lower temperature than before.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】第1の発明にしたがう分
子線エピタキシャル成長法は、真空中で保持された基板
の表面をリモートプラズマ処理する工程と、真空状態を
保ちながら、リモートプラズマ処理された基板の表面に
分子線を照射してエピタキシャル層を形成する工程とを
備える。
The molecular beam epitaxial growth method according to the first aspect of the present invention comprises a step of performing remote plasma treatment on the surface of a substrate held in vacuum, and a substrate subjected to remote plasma treatment while maintaining a vacuum state. And irradiating the surface of the substrate with a molecular beam to form an epitaxial layer.

【0010】第2の発明にしたがう分子線エピタキシャ
ル成長装置は、基板に分子線を照射して基板上にエピタ
キシャル層を形成するための装置において、基板を収容
して基板の表面をリモートプラズマにさらすための反応
室と、反応室を排気するための第1の真空ポンプと、反
応室にリモートプラズマを供給するためのリモートプラ
ズマ発生手段と、リモートプラズマ発生手段にプラズマ
形成のためのガスを供給するガス供給手段と、リモート
プラズマにより表面処理された基板を収容して分子線エ
ピタキシャル法を行なうための成長室と、成長室内を排
気するための第2の真空ポンプと、反応室と成長室とを
真空状態を維持しながら連絡し、前記基板を反応室から
成長室に搬送するための搬送室とを備える。
A molecular beam epitaxial growth apparatus according to the second invention is an apparatus for irradiating a substrate with a molecular beam to form an epitaxial layer on the substrate, for accommodating the substrate and exposing the surface of the substrate to remote plasma. Reaction chamber, a first vacuum pump for exhausting the reaction chamber, a remote plasma generating means for supplying a remote plasma to the reaction chamber, and a gas for supplying a gas for forming plasma to the remote plasma generating means. A supply unit, a growth chamber for accommodating a substrate surface-treated by remote plasma to perform a molecular beam epitaxial method, a second vacuum pump for exhausting the growth chamber, and a vacuum for the reaction chamber and the growth chamber. A transfer chamber for communicating while maintaining the state and transferring the substrate from the reaction chamber to the growth chamber.

【0011】本発明において、リモートプラズマを形成
するための原料ガスとして、たとえばH2 、N2 、As
3 およびF2 等を用いることができる。
In the present invention, as source gas for forming the remote plasma, for example, H 2 , N 2 , As
H 3 and F 2 can be used.

【0012】[0012]

【作用】この発明にしたがえば、リモートプラズマ処理
において活性なプラズマおよびラジカルが基板表面に到
達し、吸着分子等の表面コンタミナントを除去するとと
もに、処理において同時に供給される原子が表面ダング
リングボンドを終端して不活性化する。その結果、安定
な基板表面を得ることができる。なお、リモートプラズ
マ処理においてH2 を用いれば、還元作用により基板表
面の酸素等を除去することができ、AsH3 を用いれ
ば、GaAs等のAs系化合物半導体基板をAs抜けを
防止しながらクリーニングすることができる。
According to the present invention, active plasma and radicals reach the surface of the substrate in the remote plasma treatment to remove surface contaminants such as adsorbed molecules, and at the same time, atoms supplied simultaneously in the treatment cause surface dangling bonds. Terminate and deactivate. As a result, a stable substrate surface can be obtained. If H 2 is used in the remote plasma treatment, oxygen or the like on the substrate surface can be removed by the reduction effect, and if AsH 3 is used, the As-based compound semiconductor substrate such as GaAs is cleaned while preventing the As escape. be able to.

【0013】このようなリモートプラズマ処理を用いる
ため、従来よりも低温で基板の表面処理を行なうことが
できる。したがって、熱による基板の損傷をより低減す
ることができる。
Since such remote plasma treatment is used, the surface treatment of the substrate can be performed at a lower temperature than conventional. Therefore, damage to the substrate due to heat can be further reduced.

【0014】また、ダイレクトプラズマ処理ではなくリ
モートプラズマ処理、すなわち基板の場所とは異なる離
れた場所でプラズマを発生させてそれを基板表面に導く
処理は、プラズマによる基板の損傷を少なくすることが
できる他、大面積ウェハのクリーニングにも適用するこ
とができる。
Further, the remote plasma treatment rather than the direct plasma treatment, that is, the treatment of generating plasma at a remote place different from the place of the substrate and guiding it to the substrate surface can reduce damage to the substrate by the plasma. In addition, it can be applied to cleaning a large area wafer.

【0015】第1の発明にしたがって、リモートプラズ
マ処理の後は、真空状態を維持しながら連続的にエピタ
キシャル成長へと移行する。したがって、基板表面を汚
すことなくMBE法によりエピタキシャル層を形成する
ことができる。
According to the first invention, after the remote plasma treatment, the epitaxial growth is continuously performed while maintaining the vacuum state. Therefore, the epitaxial layer can be formed by the MBE method without polluting the substrate surface.

【0016】第2の発明にしたがう装置では、まず、反
応室に基板を収容し、第1の真空ポンプで反応室内を真
空にした後、リモートプラズマ発生手段から反応室内に
リモートプラズマを供給して基板の表面を処理する。こ
れにより、基板の表面は清浄化される。その後、真空状
態が維持された搬送室を経由して、基板を反応室から第
2のポンプで真空にされた成長室に搬送する。こうし
て、基板はその表面が清浄に保たれたまま成長室に収容
される。その後、反応室内においてMBE法により基板
表面にエピタキシャル層が形成される。以上のようにし
て、本発明にしたがう装置ではリモートプラズマ処理の
後、基板表面を汚すことなくMBE法を行なうことがで
きる。
In the apparatus according to the second invention, first, the substrate is housed in the reaction chamber, the reaction chamber is evacuated by the first vacuum pump, and then remote plasma is supplied from the remote plasma generating means into the reaction chamber. Treat the surface of the substrate. As a result, the surface of the substrate is cleaned. After that, the substrate is transferred from the reaction chamber to the growth chamber which is evacuated by the second pump, via the transfer chamber in which the vacuum state is maintained. Thus, the substrate is housed in the growth chamber with its surface kept clean. After that, an epitaxial layer is formed on the substrate surface by the MBE method in the reaction chamber. As described above, in the apparatus according to the present invention, the MBE method can be performed after the remote plasma treatment without soiling the substrate surface.

【0017】[0017]

【実施例】図1に示す分子線エピタキシャル装置を用い
てGaAs基板上にエピタキシャル層を形成した。
EXAMPLE An epitaxial layer was formed on a GaAs substrate using the molecular beam epitaxial device shown in FIG.

【0018】分子線エピタキシャル装置10において、
中央部には準備室7が設けられている。準備室7には超
高真空用ポンプ9aが接続され、その内部が排気される
ようになっている。準備室7の一端は、第1搬送室11
によりプラズマCVDチャンバー5と連絡され、他端は
第2搬送室12により成長室8と連絡される。第1搬送
室11および第2搬送室12にはゲートバルブ6a、6
bがそれぞれ設けられており、準備室7とプラズマCV
Dチャンバー5、準備室7と成長室8をそれぞれ仕切る
ようになっている。
In the molecular beam epitaxial device 10,
A preparation room 7 is provided in the center. An ultra-high vacuum pump 9a is connected to the preparation chamber 7, and the inside thereof is exhausted. One end of the preparation chamber 7 has a first transfer chamber 11
Is connected to the plasma CVD chamber 5 and the other end is connected to the growth chamber 8 by the second transfer chamber 12. Gate valves 6a, 6 are provided in the first transfer chamber 11 and the second transfer chamber 12, respectively.
b are provided respectively, and the preparation chamber 7 and the plasma CV are provided.
The D chamber 5, the preparation chamber 7 and the growth chamber 8 are each partitioned.

【0019】プラズマCVDチャンバー5には、基板を
載置するためのサセプタ4が設けられる。サセプタ4に
は、基板を回転させるためモータ(図示省略)が装備さ
れている。また、プラズマCVDチャンバー5には、超
高真空用ポンプ9bが取付けられている。
The plasma CVD chamber 5 is provided with a susceptor 4 for mounting a substrate. The susceptor 4 is equipped with a motor (not shown) for rotating the substrate. An ultrahigh vacuum pump 9b is attached to the plasma CVD chamber 5.

【0020】一方、プラズマCVDチャンバー5には、
高周波誘起プラズマ発生装置3が接続される。高周波誘
起プラズマ発生装置3には、ガスボンベ1a、バルブ1
bおよびマスフローコントローラ1cを有する原料ガス
供給系1が取付けられている。
On the other hand, in the plasma CVD chamber 5,
The high frequency induction plasma generator 3 is connected. The high frequency induction plasma generator 3 includes a gas cylinder 1 a and a valve 1.
The raw material gas supply system 1 including the b and the mass flow controller 1c is attached.

【0021】成長室8は、MBE法を行なうためのもの
で、図示しないが、分子線を噴出するためのセル等、M
BE法に必要な通常の装備がなされている。また、成長
室8にも超高真空用ポンプ9cが取付けられている。
The growth chamber 8 is used for performing the MBE method, and although not shown, a cell for ejecting a molecular beam such as M
The usual equipment necessary for the BE method is provided. An ultrahigh vacuum pump 9c is also attached to the growth chamber 8.

【0022】以上のように構成される装置において、ま
ず、基板20をプラズマCVDチャンバー5のサセプタ
4に載置し、超高真空用ポンプ9bで排気を行なう。こ
の時、ゲートバルブ6aは閉められており、準備室7と
プラズマCVDチャンバー5は完全に隔離されている。
その後、原料ガス供給系1から高周波誘起プラズマ発生
装置3に原料ガスが供給される。同装置3において、高
周波電圧が印加され、原料ガス中にプラズマおよびラジ
カルが発生される。プラズマおよびラジカルを含む原料
ガスは、プラズマCVDチャンバー5内に導入され、基
板20表面に達する。そして、基板20は回転されなが
らガスにさらされ、リモートプラズマ処理される。
In the apparatus constructed as described above, first, the substrate 20 is placed on the susceptor 4 of the plasma CVD chamber 5, and the pump 9b for ultra-high vacuum is used for evacuation. At this time, the gate valve 6a is closed, and the preparation chamber 7 and the plasma CVD chamber 5 are completely isolated.
Then, the source gas is supplied from the source gas supply system 1 to the high frequency induction plasma generator 3. In the device 3, a high frequency voltage is applied to generate plasma and radicals in the raw material gas. The source gas containing plasma and radicals is introduced into the plasma CVD chamber 5 and reaches the surface of the substrate 20. Then, the substrate 20 is exposed to gas while being rotated, and is subjected to remote plasma processing.

【0023】リモートプラズマ処理の後、ゲートバルブ
6aを開き、予め超高真空用ポンプ9aで排気された準
備室7とプラズマCVDチャンバー5を連絡させる。つ
いで、第1搬送室11を通じて準備室7に基板を移動さ
せる。次に、ゲートバルブ6aを閉じ、準備室7を超高
真空(〜10-11 mb)まで到達させた後、ゲートバル
ブ6bを開け、予め超高真空用ポンプ9cにより超高真
空にされた成長室8に第2搬送室12を通じて基板を移
動させる。成長室8内に基板が収容されたらゲートバル
ブ6bを閉じ、MBE法を開始する。以上のようにして
基板上にエピタキシャル層が形成される。
After the remote plasma treatment, the gate valve 6a is opened to connect the preparatory chamber 7 and the plasma CVD chamber 5 which have been previously evacuated by the ultrahigh vacuum pump 9a. Then, the substrate is moved to the preparation chamber 7 through the first transfer chamber 11. Next, the gate valve 6a is closed, the preparation chamber 7 is brought to an ultra-high vacuum (~ 10 -11 mb), the gate valve 6b is opened, and the growth is made to be an ultra-high vacuum by the ultra-high vacuum pump 9c beforehand. The substrate is moved to the chamber 8 through the second transfer chamber 12. When the substrate is housed in the growth chamber 8, the gate valve 6b is closed and the MBE method is started. As described above, the epitaxial layer is formed on the substrate.

【0024】上述したと同様の構造を有する装置におい
てMBE成長を行なった。基板にはGaAs、原料ガス
にはH2 を用いた。H2 を50sccm流し、13.5
6MHzの高周波によりプラズマを発生させた。上述し
たように、GaAs基板を回転させながら水素のプラズ
マおよびラジカルにさらしてGaAs基板の表面を処理
した。次に、上述した手順を踏んでGaAs基板を成長
室に移動させ、通常の手順にしたがって、処理された基
板表面にAlGaAsをヘテロエピタキシャル成長させ
た。その後、MIS構造を形成し、そのC−V特性を測
定することにより界面準位密度を求めた。その結果、表
面をリモートプラズマ処理した後、エピタキシャル成長
させた試料の界面準位密度は〜1011cm-2・eV-1
あった。一方、表面処理を行なわずにヘテロエピタキシ
ャル成長させた試料の界面準位密度は〜1012cm-2
eV-1であった。この結果より、リモートプラズマを用
いた表面処理により、界面準位密度が約1桁減少するこ
とが明らかとなった。
MBE growth was carried out in an apparatus having the same structure as described above. GaAs was used as the substrate and H 2 was used as the source gas. H 2 at 50 sccm, 13.5
Plasma was generated by a high frequency of 6 MHz. As described above, the surface of the GaAs substrate was treated by exposing it to hydrogen plasma and radicals while rotating the GaAs substrate. Next, the GaAs substrate was moved to the growth chamber by following the procedure described above, and AlGaAs was heteroepitaxially grown on the surface of the treated substrate according to the usual procedure. After that, an MIS structure was formed and the CV characteristics thereof were measured to obtain the interface state density. As a result, the interface state density of the sample epitaxially grown after the surface was subjected to the remote plasma treatment was -10 11 cm -2 · eV -1 . On the other hand, the interface state density of the sample that was heteroepitaxially grown without surface treatment was -10 12 cm -2
It was eV -1 . From this result, it became clear that the interface state density was reduced by about one digit by the surface treatment using the remote plasma.

【0025】なお、上記実施例ではプラズマを形成する
ための原料ガスとしてH2 を用いたが、その他にたとえ
ば、N2 、AsH3 およびF2 等を用いることができ
る。また、本発明にしたがう装置は、上記実施例に限定
されるものではなく、種々の構造および装備を有するこ
とができる。
Although H 2 is used as the source gas for forming the plasma in the above embodiment, other gases such as N 2 , AsH 3 and F 2 can be used. Further, the device according to the present invention is not limited to the above embodiment, but can have various structures and equipments.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、基板
表面のクリーニングにリモートプラズマを用いるため、
従来よりも低温で、基板に損傷を与えることなく効果的
に基板表面を清浄化することができる。
As described above, according to the present invention, since remote plasma is used for cleaning the substrate surface,
The substrate surface can be effectively cleaned at a lower temperature than before without damaging the substrate.

【0027】また、本発明では、基板表面のクリーニン
グの後、真空中において連続的にエピタキシャル成長さ
せるので、界面準位密度を低く抑えてエピタキシャル成
長を行なうことができる。
Further, according to the present invention, since the epitaxial growth is continuously performed in a vacuum after cleaning the surface of the substrate, it is possible to suppress the interface state density to be low and perform the epitaxial growth.

【0028】したがって、本発明を表面準位密度の高い
GaAsなどのIII−V族化合物半導体基板へのエピ
タキシャル成長に利用すると非常に効果的である。
Therefore, it is very effective to apply the present invention to epitaxial growth on a III-V group compound semiconductor substrate such as GaAs having a high surface state density.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明にしたがう装置の一具体例を示す模式図
である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a specific example of an apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 原料ガス供給系 3 高周波誘起プラズマ発生装置 4 サセプタ 5 プラズマCVDチャンバー 6a、6b ゲートバルブ 7 準備室 8 成長室 9a、9b、9c 超高真空用ポンプ 1 Raw Material Gas Supply System 3 High Frequency Induced Plasma Generator 4 Susceptor 5 Plasma CVD Chamber 6a, 6b Gate Valve 7 Preparation Room 8 Growth Chamber 9a, 9b, 9c Ultra High Vacuum Pump

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 真空中で保持された基板の表面をリモー
トプラズマ処理する工程と、 真空状態を保ちながら、リモートプラズマ処理された基
板の表面に分子線を照射して前記表面にエピタキシャル
層を形成する工程とを備える、分子線エピタキシャル成
長法。
1. A step of performing remote plasma treatment on a surface of a substrate held in vacuum, and irradiating a molecular beam to the surface of the substrate subjected to remote plasma treatment while maintaining a vacuum state to form an epitaxial layer on the surface. A molecular beam epitaxial growth method comprising the steps of:
【請求項2】 基板に分子線を照射して前記基板上にエ
ピタキシャル層を形成するための装置において、 前記基板を収容して前記基板の表面をリモートプラズマ
にさらすための反応室と、 前記反応室を排気するための第1の真空ポンプと、 前記反応室にリモートプラズマを供給するためのリモー
トプラズマ発生手段と、 前記リモートプラズマ発生手段にプラズマ形成のための
ガスを供給するガス供給手段と、 前記リモートプラズマにより表面処理された基板を収容
して、分子線エピタキシャル成長法を行なうための成長
室と、 前記成長室内を排気するための第2の真空ポンプと、 前記反応室と前記成長室とを真空状態を維持しながら連
絡し、前記基板を前記反応室から前記成長室に搬送する
ための搬送室とを備える、分子線エピタキシャル成長装
置。
2. An apparatus for irradiating a substrate with a molecular beam to form an epitaxial layer on the substrate, comprising: a reaction chamber for housing the substrate and exposing the surface of the substrate to remote plasma; A first vacuum pump for evacuating the chamber, a remote plasma generating means for supplying a remote plasma to the reaction chamber, a gas supply means for supplying a gas for plasma formation to the remote plasma generating means, A growth chamber for accommodating the substrate surface-treated by the remote plasma and performing a molecular beam epitaxial growth method, a second vacuum pump for exhausting the growth chamber, a reaction chamber and the growth chamber are provided. A molecular beam epitaxy system comprising: a transfer chamber that communicates while maintaining a vacuum state and that transfers the substrate from the reaction chamber to the growth chamber. Growth apparatus.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6783627B1 (en) 2000-01-20 2004-08-31 Kokusai Semiconductor Equipment Corporation Reactor with remote plasma system and method of processing a semiconductor substrate
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