JPH02192489A - 膜成長装置および成長方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、薄膜の成長装置に関するものであり、特に半
導体薄膜の成長に好適な結晶膜成長装置および成長方法
に関するものである。

［従来の技術］ 従来プラズマを利用した結晶成長法においては、プラズ
マ中の正負のイオン、正・負・中性のラジカルおよび中
性粒子等が混在した形で基板表面に供給されるため、成
長させるべき結晶の特性を独立に制御することが困難で
ありた。特に正イオンについては、基板がプラズマに曝
されると基板表面のシース電位によって正イオンが加速
されるため、成長した結晶品質が著しく劣化するという
問題点がある。実際、高周波（ＲＦ）放電を用いたプラ
ズマアシステツドエビタキシー（ＰＡＥ：Ｐｌａｓｍａ
＾５ｓｉｓｔｅｄ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法では、プラズマ
生成と結晶成長を同じ容器内で行っており、ＲＦプラズ
マが成長表面に直接触れるため、プラズマによる励起効
果は明白であるものの、例えば通常の成長温度で成長し
たＧａＡｓの結晶品質は他の方法（例えば分子線成長（
ＭＢＥ：Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａ＋ｓ　Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）法など）に比べて劣化したものとなる（Ｋ、Ｍａ
ｔｓｕｓｈｉｔａ　ａｔ。

ａｌ、、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ　Ｄｅｖｉｃｅ、ＥＤ−３１（１９８４）ｐ、１０９
２）。

またＥＣＲプラズマ源からのイオンを除いて水素ラジカ
ルのみを用いたＧａＡｓ表面の清浄化では、結晶に与え
るダメージは少ないものの表面の炭素を完全に除去する
ことができず、その上に成長した層との界面に明らかに
炭素が残ってしまう（八。

Ｔａｋａｍｏｒｉ　ｅｔ、ａｌ、、Ｊｐｎ、Ｊ、Ａｐｐ
ｌ、Ｐｈｙｓ、、２６（１９８７）Ｌ１４２．）。また
この場合、基板表面の清浄化を行った後に結晶成長を引
き続いて行おうとすると、真空容器を分けて別々に行う
必要が生じ、装置が巨大になってしまう問題点があった
（Ｓ、Ｓｕｇａｔａ　ｅｔ。

ａｌ、　、Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、、Ｂ
６（１９８８）ｐ、１０８７）。

［発明が解決しようとするａ！！！］ 以上述べたように従来法では、基板がプラズマに曝され
るとエネルギーの高い荷電粒子の入射によって成長層の
結晶品質の劣化を生じる。中性のラジカルのみでは十分
な効果が期待できない、イオンやラジカルの効果を利用
し、かつ高品質結晶を成長するためには装置が巨大にな
るといったような不都合を生じていた。

そこで本発明は上記の欠点を改善するために考案された
もので、同一の結晶成長装置において、基板に入射する
荷電粒子の量・エネルギーを制御し中性粒子との割合を
簡単に、かつ急速に制御する方法、およびかかる方法を
実現し得る装置を提供することを目的とするものである
。

［課題を解決するための手段］ 本発明装置はプラズマ生成室と、プラズマ生成室内にお
いて、成長させるべき膜の構成元素を含む気相物質をマ
イクロ波サイクロトロン共鳴プラズマによって励起する
手段と、プラズマ生成室外に配置された基板支持部と、
基板支持部上の基板に励起された物質を輸送するための
発散磁界形成手段と、基板の直前に設けられたメツシュ
電極とを有することを特徴とする。

本発明方法は成長させるべき膜を構成する元素を含む気
相物質をマイクロ波サイクロトロン共鳴プラズマによっ
て励起し、プラズマ生成室から基板方向に向りて磁界の
強さが減少する発散磁界によって励起された物質を基板
上に輸送し、基板の前面に配置されたメツシュ電極およ
び基板のバイアス電圧をそれぞれ独立に制御しながら膜
の成長を行うことを特徴とする。

［作　用］ 本発明は、マイクロ波電子サイクロトロン共鳴プラズマ
源と発散磁界を組み合せることにより、１つもしくは複
数の膜構成元素、あるいは還元性もしくは不活性元素の
イオンを電子とともに基板に輸送し、そのままもしくは
基板設置室に他の膜構成元素を含むガスを導入しつつ、
基板前面に設けたメツシュ電極および基板支持部両方、
もしくはメツシュ電極のみに直流電圧を印加し、基板結
品玉に輸送される荷電粒子の量・エネルギーを制御する
。

すなわち、本発明によれば、印加する直流電圧を外部か
ら変えることによって簡単に、かつ急速に、基板結晶上
に輸送される荷電粒子のエネルギーを数から数十エレク
トロンボルトの範囲に制御しつつ、かつ必要なだけ基板
に輸送することができ、成長させたい層の結晶品質に応
じてプラズマの励起効果、イオン入射時のダメージ等を
制御することができる。その結果、基板表面の清浄化、
成長層の導電型、欠陥密度、モフオロジー等の制御が簡
単に実現できる化合物半導体の結晶成長方法が、同一の
装置において提供される。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

初めに本発明による成長装置の実施例の概略を第１図に
示す。

第１図（Ａ）において１は成長室で、内部に基板２が支
持されている。３は排気ポンプへの連結口、４はガス導
入口、５はプラズマ遮蔽板、６は固体材料蒸発用セル、
７は空洞共振形プラズマ生成室、８はプラズマ、９は方
形導波管、１０はマグネット、１１は石英窓、１２は基
板支持部、１３は基板前面に設けたメツシュ電極を示す
、メツシュ電極１３と基板２との間隔は数ｆａｌｌない
し３ｃｍ、好ましくは１ｃｍ程度とする。第１図（Ｂ）
はマグネットｌＯによる発散磁界強度の分布を示すもの
で、第１図（Ｂ）に示すように、空洞共振形プラズマ生
成室から成長室へ向かって磁界の強さを減少させており
、その結果プラズマが発散して引き出されるものである
。第２図は基板周辺部を拡大したもので、成長室１と導
通しているプラズマ遮蔽板５と基板前面に設けたメツシ
ュ電極１３の間および遮蔽板５と基板結晶２の支持部１
２どの間に、それぞれ電源１４および１５から独立に直
流電圧を印加している。なおここでは、基板支持部１２
が電気的に絶縁された構造を示しているが、基板支持部
を成゛長室と同電位、すなわち基板バイアス電圧をＯｖ
（アース電位）としても使用できる。

以下に本発明による方法の実施例を４つの場合について
説明する。すなわち、本発明による方法においては、メ
ツシュ電極に印加する電圧によりプラズマからイオンを
引出し、あるいは反発させ、基板に入射するイオンの量
を制御し、かつメツシュ電極と基板との電位差で基板に
入射するイオンのエネルギーを制御することができるた
め、■イオンを積極的に利用する方法としてメツシュ電
極に印加する電圧のみで制御し、入射するイオンの量、
エネルギーとも増加させる場合、■メツシュ電極に印加
する電圧で基板に入射するイオンの量を大きくとり、メ
ツシュ電極と基板との間で減速する電圧を基板に印加し
、入射エネルギーを制御して結晶にダメージを及ぼさな
いようにする場合、■上記■、■を組み合せて利用する
場合、■イオンをメツシュ電極に印加する電圧で反発さ
せ、このとき電子がメツシュ電極に印加した電圧で加速
され基板に入射するので、これを反発させる電圧を基板
に印加して荷電粒子の基板への入射を抑制し、中性のラ
ジカルのみを入射させる場合について述べる。

去ｍｍｔ ここではイオンの入射を積極的に利用する方法として、
基板をアース電位とし、メツシュ電極に印加する電圧の
みで入射するイオンの量・エネルギーを制御した場合の
結果を示す、第３図にメツシュバイアス電圧および基板
温度を変化させたときのＧａＡｓ成長層の結晶性をＲＨ
ＥＥＤで確認した結果を示す０図中のパラメータはマイ
クロ波電力である。成長条件は以下に示すとおりである
。

・成長前の基板表面清浄化：６３０℃に昇温し、ＲＨＥ
ＥＤパターンにより酸化膜の除去を確認 ・アルシン（Ｈ２で１０％に希釈）流量：　４０ＳＣＣ
Ｍ・Ｇａセル温度：９００℃ ・マイクロ波周波数および電カニ　２．４５ＧＨｚ、１
００および４００Ｗ ・成長時間および成長層厚＝１時間、０．６μｍ・基板
および基板温度：　ＧａＡｓ、　１５０〜６５０℃ここ
で基板に入射するイオンのエネルギーは、アース電位に
対しプラズマポテンシャルとイオンシース電位を加えた
１０〜３０ｅＶ　（Ｍ、Ｍａｔｓｕｏｋａ　ａｎｄに、
Ｏｎｏ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌａｔｔ、　、５０　（
１９８７）　ｐ、１８６４）　　に、さらにここで印加
したメツシュバイアス電圧を合わせた値になる。すなわ
ちメツシュバイアス電圧がＯｖのときでも、入射するイ
オンのエネルギーは１０〜３０ｅＶの値を持っている。

第３図中の線は成長層が単結晶であるか多結晶であるか
の境界を表わしており、この境界線より上の基板温度で
は全て単結晶成長が得られ、これより下の温度では多結
晶もしくはアモルファスとなり結晶性の著しい劣化が生
じる。マイクロ波電力が１００および４００１１の何れ
においても、メツシュバイアス電圧を印加することによ
って単結晶が得られる基板温度が低下し、例えば−１０
０Ｖで２００℃程度の極めて低い温度で単結晶成長が実
現できることが分かる。すなわち、積極的にイオンの照
射効果を用いると単結晶成長が極めて低い基板温度で実
現できることが示された。

次に、成長前の基板表面の清浄化を、プラズマを用いて
低基板温度で実現した例を表１に示す。

清浄化に用いたガスは水素で、以下に条件を示す。

基板表面清浄化の実験条件 ・水素流量：　４０ＳＣＣＵ ・マイクロ波周波数および電カニ　２．４５Ｇ）Ｉｚ、
１００Ｗ・清浄化時間２３０分 ・基板および基板温度：　ＧａＡｓ、　３θＯ〜６３０
℃表　　１ プラズマ照射前後のＲＨＥＥＤパターン表１に示゛すよ
うに基板温度（Ｔｓ）５００℃以上では、特に清浄化を
行わなくてもストリークパターンが得られ、表面の酸化
膜が除去されていることを示している。一方５００℃未
満では、清浄化を行わないときは、ハローパターンとな
っており表面の酸化膜は残っている。その状態が、プラ
ズマ照射による表面清浄化を行うと、ストリークパター
ンとなり、表面の酸化膜が効果的に除去されていること
がわかる。なおこの場合、メツシュバイアス電圧による
ＲＨＥＥＤパターンの顕著な差は観測されなかったが、
以下に示すように界面の不純物パイルアップには大きな
影響がある。

次に、基板表面の清浄さを調べるために、基板温度４０
０℃で水素プラズマ照射による清浄化を行フた後、引き
続いて４００℃でＧａＡｓ層を成長させたものの膜厚方
向のＳＩＭＳ分析を行った。

第４図（＾）および（Ｂ）に基板表面清浄化時のメツシ
ュバイアス電圧がＯｖのときの、酸素および炭素の分析
結果を示す０図中のパラメータは清浄化時のマイクロ波
電力である。酸素の場合、基板と成長層との界面のパイ
ルアップ量は清浄化時のマイクロ波電力に依存し、電力
が大きいほどパイルアップ量は減少している。一方炭素
の場合は、清浄化時のマイクロ波電力にあまり依存性が
なく、１００Ｗという低い電力でもほとんど観測されな
い。さらに、４００Ｖ以上においては、全くパイルアッ
プが観測できず通常の熱処理法と比べ、際だった様相を
表している。また第５図（Ａ）および（Ｂ）に基板表面
清浄化時のメツシュバイアス電圧が一１００Ｖのときの
酸素および炭素の分析結果を示す。メツシュバイアス電
圧θＶのときの第４゛図と比較すると、不純物のパイル
アップは減少しており、特に酸素について著しい効果が
あることが分かる。したがって、積極的にイオンの照射
効果を用いると、低い基板温度において界面に不純物の
パイルアップが極めて少ない表面清浄化が図れることが
示された。

去１１１λ 上に述べた実施例１のときのメッシュバイアス電圧のみ
による制御法では、第６図に示すようにフォトルミネッ
センス（ＰＬ）強度がメツシュバイアス電圧によつて急
減に減少する。これはイオンが基板へ入射するときのエ
ネルギーが大きいため、成長層中にダメージが与えられ
たことによる。

ＰＬ測定条件 ・測定温度：　４．２Ｋ ・励起光源：＾ｒレーザ（５１４，５ｎｍ）　、　０．
３Ｗ／ｃｍ”・検出器：　ｓ−ｉ型フォトマルチプライ
アこの場合、メツシュバイアス電圧のみによる制御方法
は、光学的特性が重要となる結晶成長への応用には若干
の問題が生じることとなる。従って、ここでは基板への
イオン入射によるダメージの抑制を目的として、メツシ
ュ電極に実施例１と同様のイオンを引き出す電圧を印加
しながら、他の成長条件を一定にして基板バイアス電圧
のみを変化させてＧａＡｓの成長を行った。すなわちメ
ツシュ電極と基板間の電圧の差によってのみイオンが減
速あるいは加速される状態となっており、基板へ入射す
るイオンのエネルギーが精密に制御可能である。実施例
２の成長条件は、実施例１での成長条件のうち基板温度
を６３０℃、マイクロ波電力１００Ｗと固定して行った
。

初めにメツシュバイアス電圧を−４０および一１００Ｖ
としたときの成長層のＰＬ強度の基板バイアス電圧依存
性を第７図に示す。図中の縦軸のＰＬ強度１は通常のＭ
ＢＥ法で成長したＧａＡｓ層の強度に相当する。　ＭＢ
Ｅ法の成長条件は下記のとおりである。

・Ｇａセル温度：９００℃ ・＾Ｓの分圧：　３　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ・基板温度
＝６３０℃ ・成長時間：　ｌｈｒ ・成長膜厚：０．８μｍ この図に示すように、基板バイアス電圧がメツシュバイ
アス電圧より大きくなると強度は急激に減少する。これ
は第６図に示したものと同様であル、一方基板バイアス
電圧をメツシュバイアス電圧より小さくすると、その差
がｌＯ〜２０Ｖのところで極大を示し、通常のＭＢＥ成
長ＧａＡｓ層とほぼ同等になっている。

この結果から分かるように、イオンのエネルギーを精密
に制御することにより、成長層のＰＬ強度が高純度ＭＢ
Ｅ成長層と同等で、かつ表面状態も鏡面で表面欠陥密度
もＭＢＥ成長層と同様であり、高品質ＧａＡｓが成長で
きることが示された。

次に、メツシュバイアス電圧をパラメータとしたときの
成長層のキャリア濃度について、基板バイアス電圧依存
性を第８図に示す、半絶縁性層（キャリア濃度：　１Ｇ
”ｃｍ−’）から導電層（キャリア濃度：　１Ｇ”ｃｍ
−”）まで外部から印加する電圧を変化することによっ
て簡単に変化できることがわかる。従って本発明による
方法によれば、不純物を添加せずに成長層の電気的特性
が簡単に制御できることが示された。

上に述べたように、イオンのエネルギーを精密に制御す
ることにより、成長層のＰＬ強度が高純度ＭＢＥ成長層
と同等の成長層が得られること、および不純物を添加せ
ずに成長層の電気的特性が簡単に制御できることが示さ
れた。

衷】し１ユ ここでは上記実施例１．２を組み合せて、成長前の基板
表面の清浄化をイオンを積極的に利用し、成長はダメー
ジを抑制しつつ、全ての過程において低基板温度で行っ
た結果について述べる。

基板表面清浄化の条件 ・水素流量７４０ＳＣＣＵ ・マイクロ波周波数電カニ　２．４５ＧＨｚ、１００１
１・清浄化時間：３０分 ・基板温度：２５０℃ ・メツシュバイアス電圧：　−１００Ｖ・基板バイアス
電圧：Ｏｖ 成長条件 ・アルシン　（ｈで１０％に希釈）流量：　４０ＳＣＣ
Ｍ・Ｇａセル温度：９０Ｇ℃ ・マイクロ波周波数および電カニ　２．４５ＧＨｚ、１
００Ｗ成長時間および成長層厚＝１時間、００．６国メ
ツシュバイアス電圧：　−１００Ｖ ・基板バイアス電圧、　−９０Ｖ 基板と成長層の界面の不純物のパイルアップについては
、実施例１と同様であり（第５図）、かつ成長層のＰＬ
強度については実施例２と同様（第７図の極大値）であ
る成長層が２５０℃という低基板温度で得られた。

ここで明らかになったように、本発明による方法によれ
ば、基板表面清浄化およびＧａＡｓ成長の全ての過程に
おいて低基板温度ででき、しかもそれぞれの過程が同一
の真空槽内で簡単に実現できる。

東員■１ ここではイオンを基板へ入射させず、中性のラジカルの
みで表面反応が制御できることを示す。

Ｇａセルの温度９００℃、　Ａｓの分圧３　Ｘ　１Ｇ−
’Ｔｏｒｒ、基板温度６３０℃とし、ドーピングガスを
導入してＧａＡｓ膜の成長を行った。成長時間をｌｈｒ
とした。

成長中にマイクロ波電力を投入しない場合は通常のＭＢ
Ｅ成長と同じであり、成長層の厚さは０．８μｍであっ
た。この時、ラジカルは生じないが、マイクロ波電力を
没入するとプラズマが生成し、ラジカルが生ずる。

基板に中性ラジカルの入射がある場合と無い場合の成長
層の電気的特性の比較を第９図に示す。

ドーピングガスは水素希釈４ｐｐｍのジシラン（Ｓｉ２
Ｈａ）を用い、プラズマ生成室に流量２０５ＣＣＭで導
入した。ラジカルはプラズマにより生成し、メツシュ電
極に◆１００Ｖを印加することによりイオンを反発させ
、さらに基板に＋９０Ｖを印加してメツシュ電圧で加速
された電子を基板に入射させないようにして行った。す
なわち、プラズマから中性ラジカルのみを基板に入射さ
せた。

図に示すように、ラジカルが無いとき（ＯＷ）は高抵抗
を示すが、マイクロ波電力の大きいほど、すなわちラジ
カルの量が多いほど成長層が低抵抗を示す、これは、基
板表面のラジカル密度が大きくなると、ジシランの分解
が促進され、その結果成長層にシリコンが添加されるこ
とによる。

上述の各実施例では、基板表面清浄化を図り、もしくは
結晶成長させ、または不純物を添加する半導体としてＧ
ａＡｓを例示したが、例えばＩｎＰ、ＧａＰ。

八Ｊ２　Ａｓ、１ｎＡｓおよびそれらを適当な割合で混
合した、いわゆる混晶の化合物半導体結晶の表面清浄化
および結晶成長の場合にも、ＧａＡｓ成長の場合と同様
のことが実現できる。またマイクロ波電子サイクロトロ
ン共鳴による励起はＶ族元素を含むガスに限られず、例
えば！！１族元素を含むガス、さらには水素、アルゴン
など成長層内にほとんど残留しないものを用いることも
できる。また実施例４に示した、基板にイオンを入射さ
せずラジカルのみを用いて結晶に与えるダメージを無く
した方法は、結晶欠陥を生じ易いＺｎＳ、Ｚｎ５ｅ、Ｃ
ｄＴｅ、ｔｌｇＴｅ等の１ｌ−Ｖｌ族化合物半導体結晶
、およびそれらの混晶成長に有効であり、成長した結晶
に欠陥を生じることなく、実施例１，２．３に示したよ
うな効果が実現できる。

さらに、上記実施例１，３に示した基板表面清浄化は、
Ｓｉ、Ｇｅなどの元素半導体に適用することができ、実
施例１，２．３においてはＧａＡｓ基板の上に基板材料
と同一材料のＧａＡｓの結晶を成長させたが、基板材料
に元素半導体を用い、その上に異なる材料である化合物
半導体を結晶成長させるヘテロエピタキシャル成長の場
合にも適用可能である。さらに実施例４においては、添
加する不純物を含むガスとしてジシランを用いたが、例
えばシラン（ｓｔｏ４Ｌ　セレン化水素（ｔ１２Ｓｅ）
、硫化水素（ｌ１２ｓ）などのｎ型不純物を含むガス、
およびジメチルジンク（ＤＭＺ：ｄｉｍｅｔｈｙｌｚｉ
ｎｃ）などのｐ型不純物を含むガスにも本発明の方法は
適用することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、基板前面に設け
たメツシュ電極および基板支持部に印加する電圧を外部
から変化させることによフて、成長させたい、あるいは
利用したい成長層の特性の制御を簡単に実現できる０例
えば、再成長高濃度層を成長させるときは、成長前の基
板表面清浄化、高品質成長層、高濃度不純物添加が、そ
れぞれの目的に応じた成長装置を用いることなく、同一
の装置で簡単に実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の実施例の概略図、第２図は
第１図の部分の拡大図、 第３図は成長したＧａＡｓ層の結晶性の基板温度および
メツシュバイアス電圧による変化を表した領域図、 第４図および第５図は基板清浄死後成長したＧａＡｓ結
晶のＳＩＭＳ深さ分析結果を示す図、第６図はＰＬ強度
のメツシュバイアス電圧依存性を示す特性図、 第７図はＰＬ強度の基板バイアス電圧依存性を示す特性
図、 第８図は成長層のキャリア濃度の基板バイアス電圧依存
性を示す特性図、 第９図は成長層のキャリア濃度のマイクロ波電力依存性
を示す特性図である。 １・・・成長室、 ２・・・基板、 ３・・・排気口、 ４・・・ガス導入口、 ５・・・プラズマ遮蔽板、 ６・・・固体材料蒸発用セル、 ７・・・プラズマ生成室、 ８・・・プラズマ、 ９・・・導波管、 ｌＯ・・・マグネット、 １１−・・石英窓、 １２・・・基板支持部、 １３・・・メツシュ電極、 １４・・・メツシュバイアス電源、 １５・・・基板バイアス電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）プラズマ生成室と、 該プラズマ生成室内において、成長させるべき膜の構成
   元素を含む気相物質をマイクロ波サイクロトロン共鳴プ
   ラズマによって励起する手段と、 前記プラズマ生成室外に配置された基板支持部と、 該基板支持部上の基板に前記励起された物質を輸送する
   ための発散磁界形成手段と、 前記基板の直前に設けられたメッシュ電極とを有するこ
   とを特徴とする膜成長装置。 ２）前記基板支持部は前記メッシュ電極と独立に直流電
   圧印加可能であることを特徴とする請求項１に記載の膜
   成長装置。 ３）成長させるべき膜を構成する元素を含む気相物質を
   マイクロ波サイクロトロン共鳴プラズマによって励起し
   、プラズマ生成室から基板方向に向って磁界の強さが減
   少する発散磁界によって前記励起された物質を前記基板
   上に輸送し、該基板の前面に配置されたメッシュ電極お
   よび前記基板のバイアス電圧をそれぞれ独立に制御しな
   がら膜の成長を行うことを特徴とする膜成長方法。