JP2847198B2 - 化合物半導体の気相成長方法 - Google Patents

化合物半導体の気相成長方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、エピタキシャル成長技術さらには不純物を
ドープした半導体層の気相成長技術に関し例えばIII−
V族化合物半導体のエピタキシャル成長方法に利用して
有効な技術に関する。
[従来の技術] 従来、不純物をドープしたGaAs,GaP,InP,InAs等のIII
−V族化合物半導体を基板上にエピタキシャル成長させ
る技術として液相エピタキシャル成長法(LPE)や気相
エピタキシャル成長法(VPE)、有機金属熱分解法(MOC
VD)、分子線エピタキシー(MBE)等が開発されてい
る。第3図にはこのうちMOCVD装置の概略構成を示す。
すなわち、このMOCVD装置は、円筒状をなす石英製の
反応管1と、高周波コイル2とからなり、反応管1には
成長用基板3を載置するグラファイト製サセプタ4が設
けられ、サセプタ4上の基板3を高周波コイル2によっ
て加熱できるように構成されている。
一方、反応管1の上端には、原料ガスやドーパントガ
スを基板3の上流に供給するためのガス導入管6a,6b,6c
とが設けられている。上記ガス導入管6cには第1のガス
供給路7aと第2のガス供給路7bが接続されている。
そして、ガス導入管6a,6bおよびガス供給路7a,7bの途
中にはマスフローコントローラ9a,9b,9c,9dが、またガ
ス供給路7aの途中にはIII族元素の有機化合物であるト
リメチルインジムやトリメチルガリウムの入ったバブラ
8が介装されている。ガス供給路7aには、H2ガスが導入
され、バブラ8内へH2ガスを吹き込むことによって原料
とH2の混合ガスを反応管1内に供給できるように構成さ
れている。ガス導入管6aはドーパントガス供給用に、ま
た、ガス導入管6bはV族元素の供給用に使用される。そ
のため、ガス導入管6a,6bにはそれぞれドーパントガス
およびV族元素の水素化物の入ったボンベ10a,10bが接
続されている。なお、バブラ8は温度制御可能な恒温槽
12に入れ、温度を制御することによってIII族原料の蒸
発量を制御するようにしてある。11は反応管1の下端に
接続された排気管である。
[発明が解決しようとする課題] 従来、上記のような構成のMOCVD装置により高濃度の
不純物を添加した化合物半導体層をエピタキシャル成長
させると、半導体層が島状に成長し、基板表面に凹凸が
生じ、平滑性が悪くなるという欠点があった。
本発明は上記欠陥を解決すべくなされたもので、その
目的とするところは、不純物濃度の高い化合物半導体層
を気相成長法でエピタキシャル成長させる際に、半導体
層の平滑性を向上させることにある。
[課題を解決するための手段] 本発明者は、高濃度の半導体層をエピタキシャル成長
させる場合に、表面の平滑性が損なわれる原因について
考察した。
その結果、従来第3図に示すようなMOCVD装置により
不純物を添加したIII−V族化合物半導体の気相成長を
行なう場合、各ガス導入管の長さの違いやガス導入部の
構造あるいは供給するガスの流量比によっては、エピタ
キシャル成長開始時にドーパントガスの方が原料ガスよ
りも早く基板表面に到達してしまうことがある。そして
その場合、ドーパント量が多いと成長開始時に結晶表面
の熱力学的に安定な格子位置を、不純物の原子が占めて
しまう確率が高くなる。その結果、本来、半導体層の構
成原子が占めるべき格子位置が失われ、3次元的に島状
に成長して結晶表面に凹凸を生じるようになることが分
かった。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、化合
物半導体層のエピタキシャル成長に際し、不純物の導入
開始時期を遅らせて、半導体基板上または該半導体基板
上に形成した化合物半導体層上に、エピタキシャル成長
用ガスにより不純物を含まない化合物半導体層が1分子
層以上、数十分子層以下の厚さで堆積した後に、不純物
の導入を開始させることを提案するものである。
なお、1分子層単位では厳密な制御を必要とするこ
と、及び半導体層の成長が安定して進行するようになる
のは通常数分子層以上成長した後であることから、望ま
しくは不純物の添加開始時期は半導体層が数分子層以
上、具体的には5分子層以上成長した後に設定するのが
よい。
一方、不純物の添加時期と半導体層成長開始時期の時
間差は長くするほど半導体層の表面状態の改善に寄与す
ることが予想される。しかるに、得られた半導体層の成
長方向のキャリヤ密度のプロファイルは、成長開始と同
時に不純物を添加した場合と同じプロファイルにしたい
ことから、好ましくは不純物を添加しない層の厚みは数
十分子層以内にするのがよい。
[作用] 上記した手段によれば、反応管内基板近傍には半導体
層成長開始直後に不純物が存在しないため、基板表面の
熱力学的に安定な格子位置が不純物で占められることが
なく、すべての安定な格子位置が半導体層の構成原子に
より占められるようになるため、半導体層が島状に成長
して結晶表面の平滑性が損なわれるのを防止できる。
[実施例] 一例として、MOCVD(有機金属熱分解法)法でSiドー
プInP層の気相成長を行なった。
成長用基板として、(100)面を主面とするInP基板を
用意し、これをMOCVD装置内に設置し、成長温度625℃、
圧力76Torrの条件を設定した。原料のIn源としては(CH
33Inを、P源としてはPH3、ドーパントのSi源としてS
iH4を用い、(CH33InはH2をキャリアガスとして、各
々マスフローコントローラで装置内に流量を制御しなが
ら導入した。
第1図および第2図に、気相成長時の原料ガスの流量
の変化を、また第2図にそのときの基板温度の変化を示
す。
まず、H2ガスを10/minの割合で装置内に導入して内
部をH2ガスで置換した後、PH3ガスを0.5/minの割合で
供給して基板からのPの解離を防止しながら高周波誘導
加熱でサセプタを昇温し、基板が700℃になった時点で
昇温を停止した。この状態を10分程度保持することで基
板表面の酸化膜を熱エッチングで除去した。このとき上
記PH3ガスの供給量は、700℃でPの平衡蒸気圧以上とな
るように決定した。その後H2ガスとPH3ガスを流し続け
たまま基板温度625℃まで下げた。次に、基板温度を625
℃に維持しつつ原料ガスとしての(CH33Inを1×10-3
/minの割合で導入した。(CH33Inガスの流量と半導
体層の成長速度は比例するので、成長速度がおよそ1μ
m/hrとなるように(CH33Inガスの流量を決定した。
(CH33Inガス導入開始後10秒経過した時点t3でドーパ
ントガスとしてのSiH4ガスの導入を開始した。上記10秒
はInPが5分子層成長するのに要する時間に相当する。
一方、InP成長層のキャリア密度はSiH4ガスの流量に比
例するので、キャリア密度が1×1018cm-3となるよう、
SiH4ガスの流量を1×10-4/minとした。
比較のため、温度および圧力、ガス流量等の条件を上
記プロセスと同一にし、ドーパントガス(SiH4)の導入
開始時期のみt3からt2(成長用ガスの導入開始時点)へ
変えて従来法によるSiドープInP層の成長も行なった。
成長後の基板表面を光学顕微鏡で観察したところ、原
料ガス(CH33Inの導入開始とドーパントガスSiH5の導
入開始を同時に行なう従来方法でエピタキシャル成長し
た基板表面には島状の凹凸が観察された。これに対し、
本実施例の方法でエピタキシャル成長した基板表面には
凹凸が見られず、平滑性の良好な基板が得られた。
なお、上記実施例ではMOCVD法によりSiドープInP層の
エピタキシャル成長を行なったものについて説明した
が、InP以外のIII−V族化合物半導体層をエピタキシャ
ル成長させる場合やSi以外の不純物を添加する場合にも
本発明を適用でき、同様の効果が得られる。また、基板
上に化合物半導体層を一層のみ成長する場合のみなら
ず、異なる組成の化合物半導体層(3元系、4元系を含
む)を2層以上成長する場合で、不純物を添加したい層
があるときに適用することができる。
さらに、適用する気相成長方法もMOCVD法に限定され
ず、クロライドCVD法によるエピタキシャル成長にも適
用することが可能である。
[発明の効果] 以上説明したようにこの発明は、半導体基板を設置し
た反応管中へエピタキシャル成長用ガスとドーピングガ
スとを供給して、上記半導体基板上に不純物を添加した
化合物半導体層を気相成長させる化合物半導体の気相成
長方法において、上記ドーピングガスの導入開始時期を
上記エピタキシャル成長用ガスの導入開始時期よりも遅
らせ、上記半導体基板上または該半導体基板上に形成し
た化合物半導体層上に、上記エピタキシャル成長用ガス
により不純物を含まない化合物半導体層を1分子層以
上、数十分子層以下の厚さで堆積させ、当該不純物を含
まない化合物半導体層の上に不純物を添加した化合物半
導体層を成長させるようにしたので、反応管内基板近傍
には半導体層成長開始直後に不純物が存在しないため、
基板表面の熱力学的に安定な格子位置が不純物で占めら
れることがなく、すべての安定な格子位置が半導体層の
構成原子により占められるようになるため、半導体層が
島状に成長して結晶表面の平滑性が損なわれるのを防止
できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明方法をMOCVD法によりSiド
ープInPエピタキシャル層の成長に適用した場合の原料
ガスおよびドーパントガスの流量および温度の変化を示
す制御タイミング図、 第3図はMOCVD装置の一例を示す概略構成図である。 1……反応管、2……高周波コイル、3……基板、6a〜
6c……ガス導入管、8……バブラ、9a〜9d……マスフロ
ーコントローラ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 25/14 C30B 28/00 - 35/00 H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/365

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板を設置した反応管中へエピタキ
    シャル成長用ガスとドーピングガスとを供給して、上記
    半導体基板上に不純物を添加した化合物半導体層を気相
    成長させる化合物半導体の気相成長方法において、 上記ドーピングガスの導入開始時期を上記エピタキシャ
    ル成長用ガスの導入開始時期よりも遅らせて、上記半導
    体基板上または該半導体基板上に形成した化合物半導体
    層上に、上記エピタキシャル成長用ガスにより不純物を
    含まない化合物半導体層を1分子層以上、数十分子層以
    下の厚さで堆積させ、 当該不純物を含まない化合物半導体層の上に不純物を添
    加した化合物半導体層を成長させることを特徴とする化
    合物半導体の気相成長方法。
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