JP2987379B2 - 半導体結晶のエピタキシャル成長方法 - Google Patents
半導体結晶のエピタキシャル成長方法Info
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Description
料ガスを導入して結晶成長を行うエピタキシャル結晶成
長方法に係り、とくに結晶成長時に成長膜厚の成長速
度,混晶組成比及び不純物密度を制御する半導体結晶の
エピタキシャル成長方法に関するものである。
おいて、結晶成長時に成長膜厚の成長速度を制御するこ
とは、非常に重要である。従来は、分子線エピタキシャ
ル成長法,マイグレーション・エンハンスト・エピタキ
シャル成長法において、反射高エネルギー電子線回折
(Reflect−ion High−Energy
Electron Diffraction: 以下、R
HEEDという)の振動を利用して結晶成長膜厚を測定
しつつ、その測定結果に基づき原料の蒸発量を調整する
ことにより、単分子層程度で成長膜厚の成長速度を制御
していた。
akamoto, etal;Jpn.J.Appl.
Phys.Vol.23,No.9 PPL657〜L
659(1984)〕において報告されている。実際に
は、結晶膜厚の面内均一性を確保すべく、結晶基板を回
転させながら結晶成長を行っている。
に結晶基板を回転させながら結晶成長を行うと、結晶軸
の方向と高エネルギー電子線の方向とが回転により変化
してしまうため、RHEEDによる測定結果では、結晶
の成長膜厚の成長速度を正確に制御することは事実上不
可能であった。
ない時に得られた成長条件と同一条件で結晶の成長膜厚
の成長速度を制御している。そのため、極めて精密に温
度制御されたるつぼ等により結晶成長装置内での原料蒸
発量を調整する必要があり、成長膜厚の成長速度の制御
が面倒であるという問題があった。また、成長膜の表面
に高エネルギー電子線を照射するため、その影響で結晶
中に欠陥が誘起されるという問題があった。加えて、電
子線を使用するため、結晶成長装置内を超高真空に保持
しなければならないという問題もあった。さらに、RH
EEDによる測定の場合一種類の原料による結晶成長を
対象にしているため、複数種類の原料による結晶成長を
対象にした時、成長した結晶の混晶組成比及び不純物密
度等を測定することは不可能であり、勿論それらを制御
することは不可能であった。
易に結晶膜厚の面内均一性を確保すべく、結晶基板を回
転させながら結晶を成長させることができて、成長膜厚
の成長速度の制御が容易であり、且つ結晶成長時に結晶
に何ら悪影響を与えず、また超高真空中に限らず常圧で
も適用することができ、さらに複数種類の原料による結
晶成長を対象にした時、成長した結晶の混晶組成比及び
不純物密度等を測定することができ、それらの制御が可
能である半導体結晶のエピタキシャル成長方法を提供す
ることを目的としている。
ピタキシャル成長方法は、結晶成長装置内に、原料又は
原料ガスを所定の時間間隔で交互に導入して単分子層の
結晶成長を行う半導体結晶のエピタキシャル成長方法に
おいて、結晶成長時に、先ず結晶成長膜に可変波長光源
からの少なくとも一本の光をその波長を変化させつつ少
なくとも一つの所定の方向から照射し、同時にその反射
光強度または散乱光強度の波長依存性を測定して結晶成
長における複数の吸着分子の種類に応じた最適の複数の
測定波長を選定し、次に該測定波長の光を結晶成長膜に
照射してその吸着分子層の成長に対応した反射光強度ま
たは散乱光強度の時間変化をそれぞれの測定波長ごとに
測定しつつ、該時間変化に基づいて上記各原料又は原料
ガスの供給量を調整することにより、成長膜厚の成長速
度,混晶組成比及び不純物密度を制御するようにしたこ
とを特徴としている。
器から成るか、または可変波長レーザ光源から成ってい
る。また、上記結晶成長装置に、好ましくは分子層エピ
タキシャル成長装置、MO−CVD装置,クロライド法
気相成長装置または分子線エピタキシャル成長装置を採
用すると共に、各装置に前記可変波長光源と受光器とを
備え、該受光器により反射光強度または散乱光強度の波
長依存性及び時間的変化を測定するようにしている。
外光を使用して成長膜の反射光強度または散乱光強度を
測定するため、結晶成長おいて結晶中に何ら悪影響を及
ぼさない。また、上記光即ち赤外光,可視光,紫外光を
使用するので、従来のRHEEDのように結晶成長装置
内を超高真空に保持する必要がなく、結晶成長装置の外
部から結晶成長膜に光を照射するため、装置内の圧力は
問題にならず常圧及びそれ以上の広い圧力範囲における
結晶成長に適用することができる。
るため、結晶軸の方向と高エネルギー電子線の方向とを
合わせる必要があり、結晶基板を回転させながら結晶成
長を行うことはできなかったが、本発明方法では反射光
強度または散乱光強度の変化が一部の特殊な場合を除き
上記結晶軸とは無関係であるので、結晶基板を回転させ
ながら結晶成長を行うことができ、結晶膜厚の面内均一
性を確保することができる。また、その結果単分子層以
下の精度で成長膜厚の成長速度を容易に制御することが
可能になる。
の種類に対して反射光強度または散乱光強度の波長依存
性を有するので、該波長依存性を測定して結晶成長測定
における吸着分子の種類に応じた最適の測定波長を選定
してやれば、ドーピング時における不純物の混入量や混
晶組成比を測定してそれらを制御することができる。ま
た、半導体デバイス作製等においては非常に平坦な成長
膜表面を得ることが必要であるが、成長膜表面に結晶核
が生じた場合それによる光の散乱のために反射光強度の
低下または散乱光強度の増加が起こるので、反射光強度
の低下または散乱光強度の増加ができるだけ小さくなる
ように制御することによりステップフロー成長状態をつ
くり出すことができ、その結果原子レベルで平坦な成長
膜表面を得ることができる。
ル成長方法の好適な実施例を添付図面に基づいて詳述す
る。具体例として、本発明によりGaAsのエピタキシ
ャル成長を実施する場合について説明する。
長装置の一例を示している。この装置は、例えば西澤潤
一他の論文〔J.Nishizawa,H.Abean
d T.Kurabayashi;J.Elector
ochem.Soc.132(1985)1197〜12
00〕において報告されている。図示されているよう
に、GaAs分子層エピタキシャル成長装置30の本体
は密閉容器31からなっている。
が介設され、このゲートバルブ13の下方にはターボ分
子ポンプ等の真空排気装置14が設けられ、上方には結
晶成長室32が設けられている。上記結晶成長室32の
内部には、GaAs単結晶基板用サセプタ11及びGa
As単結晶基板10が収容されている。
晶基板10に臨んで原料ガス導入ノズル9aと、不純物
ガス導入ノズル9bとが、相対向して設けられている。
これら原料ガス導入ノズル9a及び不純物ガス導入ノズ
ル9bには、コントロールバルブ8a,8bがそれぞれ
備えられている。これらコントロールバルブ8a,8b
は、それぞれ制御システム12に接続されている。
aAs単結晶基板加熱用ランプ7が設けられており、こ
のGaAs単結晶基板加熱用ランプ7の両側には光の通
過する入射用窓6a及び取出し用窓6bが設けられてい
る。これら入射用窓6a及び取出し用窓6bは、これら
を通過する光が上記GaAs単結晶基板10に対して所
定の入射角θ1 ,反射角θ2 となるように角度設定して
設けられている。すなわち、GaAs単結晶基板10の
成長膜には後述する可変波長光源35から任意波長の光
が所定の方向から照射されるようになっている。この可
変波長光源35は、白色光源1とミラー5と分光器1′
とミラー5′とから構成されており、白色光源1からの
光を分光器1′で分光することにより任意波長の光を取
り出すようになっている。
で可変波長光源35が設けられており、これら入射用窓
6aと可変波長光源35との間には、光をチョッピング
するためのチョッパ2が介設されている。また、上記取
出し用窓6bの外部には、これに臨んでGaAs単結晶
基板10の成長膜での反射光を受けるための受光器4が
設けられている。
ロックインアンプ3に接続されている。このロックイン
アンプ3にはディスプレイ15及びレコーダ16が備え
られており、このロックインアンプ3は上記制御システ
ム12に接続されている。
方法は、一例として示した上記GaAs分子層エピタキ
シャル成長装置30を使用して次のように行う。まず、
制御システム12により不純物ガス及び原料ガスのコン
トロールバルブ8a,8bの制御が行われる。これによ
り、Gaを含む原料ガスと、Asを含む原料ガスとが、
上記GaAs単結晶基板加熱用ランプ7により温度制御
されたGaAs単結晶基板10上へ交互に導入され、G
aAsのエピタキシャル成長が行われる。
は、先ず反射光強度の波長依存性を測定する。即ち、密
閉容器31の外部に置かれた可変波長光源35から光を
その波長を変化させながら取り出してチョッパ2でチョ
ッピングする。そして、このチョッピングした光を上記
入射用窓6aを通してGaAs単結晶成長膜に照射し、
その反射光強度をもう一方の取出し用窓6bを通して上
記Siホトダイオード等の受光器4で検出する。
プ3により信号処理され、その後当該ロックインアンプ
3から制御システム12やディスプレイ15やレコーダ
16に逐次出力されるが、この時、可変波長光源35の
分光器1′より光の波長に相当する信号を取り出して、
ディスプレイ15やレコーダ16には光反射強度−波長
特性を出力するようにする。そして、この光反射強度−
波長特性を観察してGaAs単結晶の成長の測定に最適
な測定波長(多くの場合、最大振幅波長がこれに相当す
る。)を選定し、その後該測定波長の光をGaAs単結
晶成長膜に照射してその反射光強度の時間変化を測定す
る。
キシャル成長装置30によって、GaAsのエピタキシ
ャル成長を行ったときに観察される反射光強度変化及び
原料ガスの導入シーケンスを示すものである。図示のよ
うに、照射光の波長がλ1 の場合、Gaを含む原料ガス
として使用したトリエチルガリウム(TEG)の導入と
共に反射光強度が増加し、Asを含む原料ガスとして使
用したアルシン(AsH3 )の導入と共に反射光強度が
減少する。また、照射光の波長がλ2 の場合は、むしろ
トリエチルガリウム(TEG)を導入した時に反射光強
度が減少し、アルシン(AsH3 )の導入と共に反射光
強度が増加する。
層エピタキシャル成長装置30により、GaAsのエピ
タキシャル成長を行ったときに観察される、照射光の波
長がλ1 及びλ2 の場合の反射光強度のベースライン
(結晶成長反応が起こらない時の反射光強度)に対する
変化率と1サイクル当たりの成長膜厚との相関関係の一
例を示したものである。
れる原料ガス即ち吸着分子の種類に対応する反射光強度
の波長依存性と、1サイクル当たりの成長膜厚と反射光
強度の変化率との相関関係を利用して、結晶成長中に、
ドーピングにおける不純物混入量や混晶組成についての
情報が得られるので、これらの制御を行うことができ
る。
35から出射される光の波長を最適測定波長即ち最大振
幅波長λ1 に固定して、例えば図1において、ロックイ
ンアンプ3の出力を制御システム12に入力し、所望の
1サイクル当たりの成長膜厚に対応する波長λ1 におけ
る反射光強度の変化をあらかじめ制御システム12に記
憶させておき、ロックインアンプ3からの出力変化がそ
の値に達すると原料ガスの導入を停止するようにして単
分子層以下の精度で成長膜厚の成長速度を制御すれば、
所望の成長膜厚を得ることができる。
それによる光の散乱のために反射光強度の低下が起こる
ので、反射光強度を測定しながらその低下ができるだけ
小さくなるように制御することによりステップフロー成
長状態をつくり出すことができ、その結果原子レベルで
平坦な成長膜表面を得ることができる。
使用して成長膜の反射光強度を測定するため、結晶成長
おいて結晶中に何ら悪影響を及ぼさない。また、光即ち
赤外光,可視光,紫外光を使用するので、従来のRHE
EDのように結晶成長装置内を超高真空に保持する必要
がなく、結晶成長装置の外部から結晶成長膜に光を照射
するため、装置内の圧力は問題にならず常圧及びそれ以
上の広い圧力範囲における結晶成長に適用することがで
きる。
場合を除き結晶軸とは無関係であるので、結晶基板を回
転させながら結晶成長を行うことができ、結晶膜厚の面
内均一性を確保することができる。また、その結果単分
子層以下の精度で成長膜厚の成長速度を容易に制御する
ことが可能になる。
i層エピタキシャル成長装置としても用いることがで
き、その場合、GaAs単結晶基板10の代わりにSi
単結晶基板が用いられ、結晶成長室32には、Gaを含
む原料ガスとAsを含む原料ガスの代わりにSiを含む
原料ガスと水素などが導入される。
あるMO−CVD装置(気相成長装置)30′を示し、
この装置を用いて本発明の半導体結晶のエピタキシャル
成長方法を実施する。
0′の本体は円筒体状の石英反応管20からなり、その
一端部にはガス導入口33が、他端部にはガス排出口3
4が設けられている。このガス導入口33には、GaA
s結晶成長用原料ガス及びドーパントを含むガスの供給
ノズル21が接続され、複数のコントロールバルブ23
が備えられている。これらのコントロールバルブ23は
それぞれ制御システム12′に接続されている。
英サセプタ18及びGaAs単結晶基板17が収容され
ている。そして、この石英反応管20の周囲には、加熱
用ヒータ19が設けられている。上記石英反応管20の
加熱用ヒータ19の両側の上部には、光の通過する入射
用窓22a及び取出し用窓22bが設けられており、こ
れら入射用窓22a及び取出し用窓22bは、これらを
通過する光が上記GaAs単結晶基板17に対して所定
の入射角θ1 ′,反射角θ2 ′となるよう角度設定され
ている。すなわち、GaAs単結晶基板17の成長膜に
は、図1に示した可変波長光源35と同じ構成の可変波
長光源35′から任意波長の光が所定の方向から照射さ
れるようになっている。
んで可変波長光源35′が設けられており、これら入射
用窓22aと可変波長光源35′との間には、光をチョ
ッピングするためのチョッパ2が介設されている。ま
た、上記取出し用窓22bの外部には、これに臨んでG
aAs単結晶基板17の成長膜での反射光を受けるため
の受光器4が設けられている。上記チョッパ2及び受光
器4は、それぞれロックインアンプ3に接続されてい
る。このロックインアンプ3には、ディスプレイ15及
びレコーダ16が備えられており、このロックインアン
プ3は上記制御システム12′に接続されている。
を使用して、本発明の半導体結晶のエピタキシャル成長
方法は次のように行う。まず、制御システム12′によ
り石英反応管20のガス導入時間,排気時間がコントロ
ールされ、GaAs単結晶上に、Gaを含む原料ガスと
Asを含む原料ガスとが交互に供給されてGaAsのエ
ピタキシャル成長が行われる。
長依存性を測定する。即ち、密閉容器31の外部に置か
れた可変波長光源35′から光をその波長を変化させな
がら入射用窓22aを通してGaAs単結晶基板17に
照射し、その反射光強度を取り出し用窓22bを通して
Siホトダイオード等の受光器4により測定する。
ックインアンプ3で信号処理され、その後当該ロックイ
ンアンプ3からディスプレイ15やレコーダ16に逐次
出力されるが、この時、可変波長光源35′の分光器
1′より光の波長に相当する信号を取り出して、ディス
プレイ15やレコーダ16には光反射強度−波長特性を
出力するようにする。
してGaAs単結晶の成長の測定に最適な測定波長を選
定し、その後該測定波長の光をGaAs単結晶成長膜に
照射してその反射光強度の時間変化を測定すると共に、
導入される原料ガス即ち吸着分子の種類に対応する反射
光強度の波長依存性と、1サイクル当たりの成長膜厚と
反射光強度の変化率との相関関係を利用して、ドーピン
グにおける不純物混入量や混晶組成についての情報を
得、結晶成長中にこれらの制御を行う。
変化が上記ロックインアンプ3から制御システム12′
にも入力され、所望の1サイクル当たりの成長膜厚に対
応する反射光強度変化に達すればコントロールバルブ2
3を閉成してGaAs結晶成長用原料ガス及びドーパン
トを含むガスの導入を停止するようにして、成長膜厚の
成長速度を制御し、所望の成長膜厚を得ることができ
る。尚、この発明方法はGaCl3 およびAsH3 を用
いた気相成長, Ga−AsCl3 −H2 によるクロライ
ド法気相成長,Ga−AsH3 −HClを用いたハイド
ライド法気相成長においても同様に適用することができ
る。
ある分子線エピタキシャル成長装置30″を示し、この
装置を用いて本発明の半導体結晶のエピタキシャル成長
方法を実施する。図示するように、分子線エピタキシャ
ル成長装置30″の本体は、密閉容器からなる超高真空
成長チャンバ26にて形成されている。そして、この超
高真空成長チャンバ26の底部には、イオンポンプやタ
ーボ分子ポンプ等の真空排気装置29が接続されてい
る。
には、基板加熱用ヒータ24が設けられており、この基
板加熱用ヒータ24に近接して下方に臨んでGaAs単
結晶基板25が設けられている。また、上記超高真空成
長チャンバ26内の底部には、複数の原料加熱用るつぼ
27が支持固定されている。これら原料加熱用るつぼ2
7の開口部には、分子線の供給を制御するシャッタ28
がそれぞれ備えられている。
壁には、光の通過する入射用窓29a及び取出し用窓2
9bが設けられている。これらの入射用窓29a及び取
出し用窓29bは、これらを通過する光が上記GaAs
単結晶基板25に対して、所定の入射角θ1 ″,反射角
θ2 ″となるように角度設定して設けられている。
膜に図1に示した可変波長光源35と同じ構成の可変波
長光源35″から任意波長の光が所定の方向から照射さ
れるようになっている。上記入射用窓29aの外部に
は、これに臨んで可変波長光源35″が設けられてお
り、これら入射用窓29aと可変波長光源35″との間
には、光をチョッピングするためのチョッパ2が介設さ
れている。また、上記取出し用窓29bの外部には、こ
れに臨んでGaAs単結晶基板25の成長膜での反射光
を受けるための受光器4が設けられている。
クインアンプ3に接続されている。このロックインアン
プ3には、ディスプレイ15及びレコーダ16が備えら
れており、このロックインアンプ3は上記制御システム
12″に接続されている。さらに、この制御システム1
2″は、上記超高真空成長チャンバ26の電気系に接続
されている。この電気系は、上記超高真空成長チャンバ
26に内装されたシャッタ28等の付属装置と結線され
ている。
30″を使用して、本発明の半導体結晶のエピタキシャ
ル成長方法は次のように行う。まず制御システム12″
によりシャッタ28の開閉動作がコントロールされてG
a及びAsの分子線が交互にGaAs単結晶基板25上
に供給され、GaAsエピタキシャル成長が行われる。
長依存性を測定する。即ち、密閉容器26の外部に置か
れた可変波長光源35″から光をその波長を変化させな
がら入射用窓29aを通してGaAs単結晶基板25に
照射し、その反射光強度を取り出し用窓29bを通して
Siホトダイオード等の受光器4により測定する。
ックインアンプ3で信号処理され、その後当該ロックイ
ンアンプ3からディスプレイ15やレコーダ16に逐次
出力されるが、この時、可変波長光源35″の分光器
1′より光の波長に相当する信号を取り出して、ディス
プレイ15やレコーダ16には光反射強度−波長特性を
出力するようにする。
してGaAs単結晶の成長の測定に最適な測定波長を選
定し、その後該測定波長の光をGaAs単結晶成長膜に
照射してその反射光強度の時間変化を測定する。そし
て、導入される原料ガス、即ち吸着分子の種類に対応す
る反射光強度の波長依存性と、1サイクル当たりの成長
膜厚と反射光強度の変化率との相関関係を利用して、ド
ーピングにおける不純物混入量や混晶組成についての情
報を得、結晶成長中にこれらの制御を行う。
変化が上記ロックインアンプ3から制御システム12″
にも入力され、所望の1サイクル当たりの成長膜厚に対
応する反射光強度変化に達すればシャッタ28を閉成す
るようにする。このようにして結晶成長中に成長膜厚の
成長速度を制御すれば、単分子層以下の精度で所望の結
晶膜厚を得ることができる。
るため、結晶軸の方向と高エネルギー電子線の方向とを
合わせる必要があり、GaAs単結晶基板10,17,
25を回転させながら結晶成長を行うことはできなかっ
たが、本発明方法では反射光強度の変化が上記結晶軸と
は無関係であるので、GaAs単結晶基板10,17,
25を回転させながら結晶成長を行うことができ、結晶
膜厚の面内均一性を確保することができる。尚、本発明
は、MLEやVPEにも適用できることはいうまでもな
い。また、反射光強度の変化の代わりに散乱光強度の変
化を測定するようにしても、同様に成長パラメータのモ
ニタが可能である。
のエピタキシャル成長方法によれば、容易に結晶膜厚の
面内均一性を確保すべく、結晶基板を回転させながら結
晶を成長させることができて成長膜厚の成長速度の制御
が容易であり且つ結晶成長時に結晶に何ら悪影響を与え
ず、また超高真空中に限らず常圧でも適用することがで
き、さらに複数種類の原料による結晶成長を対象にした
時、成長した結晶の混晶組成比及び不純物密度等を測定
することができ、それらの制御が可能である。
に使用するGaAsの分子層エピタキシャル成長装置の
一例を示す概略構成図である。
場合の、GaAsの結晶成長時に観察される反射光強度
変化の一例を示す図である。
場合の、反射光強度の変化率と1サイクル当たりの成長
膜厚との相関関係の一例を示した図である。
に使用するMO−CVD装置の一例を示す概略構成図で
ある。
に使用する分子線エピタキシャル成長装置の一例を示す
概略構成図である。 1 光源 1′ 分光器 2 チョッパ 3 ロックインアンプ 4 受光器 5,5′ ミラー 10,17,25 GaAs単結晶基板 12,12′,12″ 制御システム 15 ディスプレイ 16 レコーダ 30 分子層エピタキシャル成長装置 30′ MO−CVD装置 30″ 分子線エピタキシャル成長装置 35 可変波長光源
Claims (4)
- 【請求項1】 結晶成長装置内に、原料又は原料ガスを
所定の時間間隔で交互に導入して単分子層の結晶成長を
行う半導体結晶のエピタキシャル成長方法において、 結晶成長時に、先ず結晶成長膜に可変波長光源からの少
なくとも一本の光をその波長を変化させつつ少なくとも
一つの所定の方向から照射し、同時にその反射光強度ま
たは散乱光強度の波長依存性を測定して結晶成長におけ
る複数の吸着分子の種類に応じた最適の複数の測定波長
を選定し、次に該測定波長の光を結晶成長膜に照射して
その吸着分子層の成長に対応した反射光強度または散乱
光強度の時間変化をそれぞれの測定波長ごとに測定しつ
つ、該時間変化に基づいて上記各原料又は原料ガスの供
給量を調整することにより、成長膜厚の成長速度、混晶
組成比及び不純物密度を制御するようにしたことを特徴
とする、半導体結晶のエピタキシャル成長方法。 - 【請求項2】 前記可変波長光源が白色光源と分光器か
ら成ることを特徴とする、請求項1に記載の半導体結晶
のエピタキシャル成長方法。 - 【請求項3】 前記可変波長光源が可変波長レーザ光源
であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体結晶
のエピタキシャル成長方法。 - 【請求項4】 前記結晶成長装置に、分子層エピタキシ
ャル成長装置、MO−CVD装置,クロライド法気相成
長装置または分子線エピタキシャル成長装置を採用する
と共に、各装置に前記可変波長光源と受光器とを備え、
該受光器により反射光強度または散乱光強度の波長依存
性及び時間的変化を測定するようにしたことを特徴とす
る、請求項1乃至3の何れかに記載の半導体結晶のエピ
タキシャル成長方法。
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