JPH0243720A - 分子線エピタキシャル成長方法 - 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） 化合物半導体層を形成するためになす分子線エピタキシ
ャル成長方法の改良に関し、 化合物半導体基板上に付着した炭素や自然酸化膜を、化
合物半導体基板表面の平坦性をｔ員なうことなく除去し
、化合物半導体基板上に良質の化合物半導体層をエピタ
キシャル成長しうるように改良した分子線エピタキシャ
ル成長方法を提供することを目的とし、 化合物半導体基板を３７５℃以上の温度に保持し、前記
の化合物半導体基板にホスフィンの分子線を照射する工
程を含む分子線エピタキシャル成長方法をもって構成さ
れる。上記の構成において、前記のホスフィンの分子線
に水素の分子線を添加すると、クリーニング効果はさら
に向上する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、化合物半導体層を形成するためになす分子線
エピタキシャル成長方法の改良に関する。

特に、自然酸化膜や不可避的に付着する炭素を排除して
化合物半導体基板表面を清浄化する工程を付加する分子
線エピタキシャル成長方法の改良に関する。

〔従来の技術〕

化合物半導体層を形成するためになす分子線エピタキシ
ャル成長方法とは、真空中に設けられたクヌートルセン
セルに化合物半導体層を構成する元素を入れて加熱・蒸
発させ、蒸発した分子が相互に衝突しない分子線として
、加熱された化合物半導体基板上に照射し、化合物半導
体基板上に化金物半導体層をエピタキシャル成長させる
方法である。この方法を使用してエピタキシャル成長さ
せると、超薄膜を制御性よく成長させることができる。

また、ヘテロエピタキシャル成長の界面における結晶変
化の急峻性が得られるので、新しい電子デバイスや光デ
バイス等の結晶成長技術として注目されている。

化合物半導体を使ったデバイスが利用される分野として
光デバイスがあるが、特に、電子デバイスと光デバイス
とを複合搭載したオブトエレクトロクス（ＯＥ）デバイ
スやこれを集積化した０ＥＩｃの開発が近時盛んになっ
ている。この複合デバイスを製造するには、先づ化合物
半導体基板上の一部領域に例えば電子デバイスを形成し
た後、他の領域をエンチング除去し、そこに、分子線エ
ピタキシャル成長法等を使用して、新たに化合物半導体
層を形成して、別の光デバイスを形成する等の必要があ
る。上記のエツチングをなした後にはクリーニングが必
要不可欠である。このエンチングおよびクリーニングの
前処理は、分子線エピタキシャル成長装置内、または、
これと真空トンぶルで連結された真空プロセス装置内で
行われなければならない、その理由は、化合物半導体基
板を大気に曝すと、化合物半導体基板表面に自然酸化膜
が形成されたり、二酸化炭素や炭化水素等の炭素を含む
ガスの吸着による炭素汚染が生じて、化合物半導体層の
エピタキシャル成長に悪影響を及ぼすからである。

さて、化合物半導体基板、例えば、ガリウムヒ素基板上
に分子線エピタキシャル成長をなすにあたっての前処理
方法として、従来、以下に述べる方法等が用いられてい
る。（イ）ガリウムヒ素基板を、ヒ素の分子線を照射し
ながら６００“Ｃ以上に２〜３分加熱して、大気中にお
いて形成された１０人厚程度の自然酸化膜を除去するサ
ーマルクリーニング法、（ロ）ガリウムヒ素基板を７５
０℃以上に加熱し、表層のガリウムヒ素を原発させ、同
時に、基板表面に付着している炭素を除去するサーマル
エンチング法、（ハ）ガリウムヒ素基板を大気中におい
て３５０〜４００℃に加熱して５０〜１００人程度の酸
化膜を形成し、これを真空中において６４０℃以上に加
熱してこの酸化膜を除去すると同時に、基板表面に付着
している炭素を除去する熱酸化膜法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、（イ）のサーマルクリーニング法を使用する
場合には、自然酸化膜は除去できるが、炭素を除去する
ことができない。また、（ロ）のサーマルエツチング法
および（ハ）の熱酸化膜法を使用する場合には、化合物
半導体基板表面に付着した炭素は除去できるが、基板表
面層を２００〜３００人厚はどエツチングするため、基
板表面の平坦性が悪くなる。また、エツチング作用をと
もなうので、クリーニングの再現性がない。

本発明の目的は、この欠点を解消することにあり、化合
物半導体基板上に付着した炭素や自然酸化膜を、化合物
半導体基板表面の平坦性を損なうことなく除去し、化合
物半導体基板上に良質の化合物半導体層をエピタキシャ
ル成長しうるように改良した分子線エピタキシャル成長
方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕 上記の目的は、化合物半導体基板（１３）を３７５℃以
上の温度に保持し、前記の化合物半導体基板（１３）に
ホスフィンの分子線を照射する工程を有する分子線エピ
タキシャル成長方法、または、前記のホスフィンの分子
線に水素の分子線を添５３１＋してなす分子線エピタキ
シャル成長方法によって達成される。

〔作用〕

本発明に係る分子線エピタキシャル成長方法においては
、第３図に示すように分子線エピタキシャル成長する直
前に、加熱された例えばガリウムヒ素等よりなる化合物
半導体基板１３上にホスフィン２０を分子線として照射
すると、ホスフィン２０は化合物半導体基板上でリン２
２と活性な水素とに熱分解する。化合物半導体表面に付
着している炭素２１はこの活性な水素と反応し、炭化水
素となって排除される。一方、リン２２は蒸気圧が高い
ため、３７５℃以上の温度においては化合物半導体表面
から蒸発し、基板表面には残留しない。また、自然酸化
膜も高温加熱により蒸発除去される。このクリーニング
方法は、エツチング作用を伴わないので化合物半導体基
板表面の平坦性を損なうことがなく、引き続いて行われ
る分子線エピタキシャル成長工程において、高品質の化
合物半導体層を形成することができる。なお、基板の加
熱温度は、基板の表面よりヒ素の解離等が生じないよう
に例えばガリウムヒ素の場合８００″Ｃ以下とし、また
、ホスフィンの分子線を所定の時間供給しつづけ、且つ
炭化水素とリンを良好に排出しつづけるために基板配置
室内は例えば１０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ以上１０−’Ｔ　
ｏ　ｒ　ｒ以下の圧力にするとよい。なお、ホスフィン
に加えて水素を分子線照射すれば、クリーニング効果は
、さらに増大する。これは、ホスフィンの分解によって
発生する活性な水素が、中性な水素を分解して活性な水
素となし、活性な水素量が増大するためと思われる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつ−、本発明に係る二つの実施例に
ついて説明する。

】」」舛 第１ａ図参照 図は、−例としてガリウムヒ素基板にガリウムヒ素層を
エピタキシャル成長する場合の分子線エピタキシャル成
長装置の構成図である。１は結晶成長室であり、２は液
体窒素シュラウドであり、３はターボ分子ポンプであり
、４はイオンポンプであり、５はヒ素分子線源であり、
６はガリウム分子線源であり、７はホスフィンガスポン
ベであり、７ａはマスフローコントローラであり、８．
９．１０はゲートバルブであり、１１はヒータ１２を存
する基板支持台であり、１３はクリーニングおよびエピ
タキシャル成長がなされるガリウムヒ素基板である。

ガリウムヒ素基板１３を基板支持台１１に搭載し、ゲー
トバルブ９およびｌＯを閉じ、ゲートバルブ８を開き、
ターボ分子ポンプ３を使用して結晶成長室１内の圧力を
１０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ程度とする。

一方、ヒータ１２を使用し、基板支持台１１を介してガ
リウムヒ素基板１３を３７５℃以上に加熱し、ホスフィ
ンをホスフィンボンベ７からマスフローコントローラ７
ａを使用して流量が１０ｃｃ／ｍｉｎ　となるように制
御しながらガリウムヒ素基板ｌｌ上に分子線として照射
する。ホスフィンはガリウムヒ素基板１３上で熱分解し
、発生した活性な水素はガリウムヒ素基板１３の表面に
付着している炭素と反応して炭化水素となり、ターボ分
子ポンプ３によって結晶成長室１の外に排出される。ガ
リウムヒ素基板を最終的には６００℃まで加熱し、この
間約５分間ホスフィンの分子線照射を続け、ガリウムヒ
素基板表面の炭素や自然酸化膜等を除去しクリーニング
を完了する。

ホスフィンの供給を停止し、結晶成長室１内の圧力を１
０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒまで下げた後、ゲートバルブ８を
閉め、ゲートバルブ９を開けて、結晶成長室１の排気を
ターボ分子ポンプ３からイオンポンプ４に切り換え、結
晶成長室１内の圧力を１０−　’Ｔｏｒｒ程度とした後
、ヒ素分子線′ａ５のシャッタを開け、ヒ素分子線をガ
リウムヒ素基板１３に照射し、続いてガリウム分子線源
６のシャッタを開け、同様に、ガリウム分子線をガリウ
ムヒ素基板１３に照射して、ガリウムヒ素層（図示せず
）をエピタキシャル成長させる。

第２図参照 ホスフィンの分子線照射によるガリウムヒ素基板表面の
クリーニング効果を確認するため、シリコンを６Ｘ１０
”ｃｍ−”ドープしたｎ型ガリウムヒ素基板と、これに
ホスフィンの分子線照射をなして清浄化したｎ型ガリウ
ムヒ素基板とに、それぞれシリコンを６　ＸＩＯ”ｃｍ
−’ドープしたｎ型ガリウムヒ素層を０．４ｎ厚程度に
エピタキシャル成長した試料を相互に比較した。Ｃ−Ｖ
キャリヤプロファイル測定法を使用して試料の深さ方向
のキャリヤ濃度を測定した結果を第２図に示す。基板と
エピタキシャル成長層との界面のキャリヤ空乏層は、基
板のクリーニングが良好なほど減少することが知られて
いる（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐ
ｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、　２５　（８）　、　１９
８６．１２１６〜１２２０）　、第２図に示す測定結果
からキャリヤ空乏層を求めると、ホスフィンの分子線照
射をしない場合には、キャリヤ空乏層がｌＸｌ０”Ｃ１
１−”程度であったものが、ホスフィンの分子線照射に
よってガリウムヒ素基板をクリーニングした場合には、
ｌＸｌ０目Ｃ！ｌ−”程度まで低減し、十分クリーニン
グ効果があることが確認された。

員ｌ拠 第１ｂ図参照 図は、分子線エピタキシャル成長装置の構成図である。

第１ａ図に示す第１例に使用される装置と比較して、水
素ボンへ１４とマスフローコントローラ１４ａとからな
る水素分子線照射機能が追加されている。ホスフィンの
分子線照射と水素の分子線照射とを同時に行うことによ
り、ガリウムヒ素基板とエピタキシャル成長層との界面
におけるキャリヤ空乏層が５Ｘ１０Ｉ０Ｃ１−”程度ま
で下がり、ガリウムヒ素基板のクリーニング効果が、さ
らに向上したことが確認された。

なお、実施例においては、ガリウムヒ素基板上にガリウ
ムヒ素層をエピタキシャル成長する例を述べたが、これ
に限定されるものではなく、インジウムリン基板、ガリ
ウムアンチモン基板等の化合物半導体基板上に、インジ
ウムリン層、ガリウムアンチモン層等をエピタキシャル
成長する場合にも、同様の効果が得られることは云うま
でもない。

〔発明の効果］ 以上説明せるとおり、本発明に係る分子線エピタキシャ
ル成長方法においては、化合物半導体基板に化合物半導
体層をエピタキシャル成長するに先立ち、同一装置内に
おいて、化合物半導体基板を３７５℃以上８００℃以下
の温度に保持し、１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以上１０−’Ｔ　ｏ
　ｒ　ｒ以下の圧力において、化合物半導体基板にホス
フィンの分子線を照射すると、ホスフィンは化合物半導
体基板上において熱分解しても活性な水素を発生する。

（ｌｒ合物半導体基板上に付着している炭素はこの活性
な水素と反応し、炭化水素となって排除される。同時に
、化合物半導体基板上の自然酸化膜は高温工程において
蒸発除去され、化合物半導体基板は、その平坦性が損な
われることな（クリーニングされるので、基板上に良質
の化合物半導体層を分子線エピタキシャル成長させるこ
とができる。その結果、この化合物半導体層に形成され
るデバイスの性能が向上し、デバイス収量の歩留まりが
向上する。

ホスフィンの分子線照射に水素の分子線照射を付加する
と、活性な水素量が増加して化合物半導体基板表面のク
リーニング効果が、さらに増大する。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、本発明の第１実施例に係る分子線エピタキ
シャル成長装置の構成図である。 第１ｂ図は、本発明の第２実施例に係る分子線エピタキ
シャル成長装置の構成図である。 第２図は、基板とエピタキシャル成長層との界面近傍の
キャリヤ濃度を示すグラフである。 第３図は、本発明の詳細な説明するための模式図である
。 １・・・結晶成長室、 ２・・・液体窒素シュラウド、 ３・・・ターボ分子ポンプ、 ４・・・イオンポンプ、 ５・・・ヒ素分子線源、 ６・・・ガリウム分子線源、 ７・・・ホスフィンガスボンベ、 ７ａ・・・マスフローコントローラ、 ８．９．１０・・・ゲートバルブ、 １１・・・基板支持台、 １２・・・ヒータ、 １３・・・化合物半導体基板（ガリウムヒ素基板）、１
４・・・水素ボンベ、 １４ａ ・マスフローコントローラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ［１］化合物半導体基板（１３）を３７５℃以上の温度
   に保持し、前記化合物半導体基板（１３）にホスフィン
   の分子線を照射する工程を有することを特徴とする分子
   線エピタキシャル成長方法。