JPH03159993A - ３―ｖ族化合物半導体の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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体ウエハ製造技術さらにはｍ−Ｖ族化合
物半導体の気相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］ 一般に、不純物を添加したＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，
ＩｎＡｓ等のＩＩＩ　−　Ｖ族化合物半導体を基板上に
気相エピタキシャル威長させるには、例えば第７図に示
すような気相成長装置を用いて行なっている。

この気相成長装置は、円筒状をなす石英製の反応管ｌと
、電気炉２とからなり、電気炉２は反応管１の軸方向温
度分布を制御できるように構成されている。この気相戒
長装置によりＧａＡｓを気相エピタキシャル成長させる
場合、反応管ｌ内には、上流側（図では左側）に材料源
であるガリウム３を収納した原料ボート４を配置し、下
流側に気相成長をさせるＧａＡｓ基板５を配置する。

一方、反応管１の上流端には、原料ボート４を迂回して
ガスを基板５の上流に供給するための第１のガス導入管
６ａと第２のガス導入管６ｂが接続されている。また、
反応管１の上流端には原料ボート４にガスを供給するた
めの第３のガス導入管６ｃが接続されている。

そして、ガス導入管６ｂ，６ｃの管路途中にはそれぞれ
Ａ　ｓ　Ｃ　Ｑ．の入ったバブラ８ｂ，８ｃが介装され
ている。ガス導入管６ｂ，６ｃには、Ｈ．ガスが導入さ
れ、バブラ８ｂ，８ｃ内のＡｓＣＱ，中へＨ，ガスを吹
き込むことによってＡＳＣＱ．＋Ｈ．の混合ガスを反応
管１内に供給できるように構威されている。また、バブ
ラ８ｂ，８ｃは温度制御可能な恒温槽（図示省略）に入
れ、温度を制御することによってＡｓＣＱ，の蒸発量を
制御するようにしてある。なお、９は反応管ｌの下流端
に接続された刊気管である。

以下の説明ではガス導入管６ａからなるガス供給系をＡ
系統と、また、バブラ８ｂおよびガス導入管６ｂからな
るガス供給系をＢ系統と、さらに、バブラ８ｃおよびガ
ス導入管６Ｃからなるガス供給系をＣ系統と呼ぶ。

従来、上記構成の気相成長装置によりＧａＡｓの気相威
長を行なうには、先ずＣ系統からＡｓＣＱ，＋Ｈ，の混
合ガスの供給を開始する。次に、所定時間経過後、Ｂ系
統からＡｓＣＱ，＋Ｈ，の混合ガスを供給すると同時に
、Ａ系統からドーピングガスを供給し始め、気相成長を
行なう。そして、成長終了後は、Ａ，Ｂ，Ｃ系統全ての
ガス供給を同時に停止していた。

しかし、このようにガス供給を同時に停止すると、ドー
ピングガスの分圧の減少が遅れるために、ドーピングガ
ス分圧が相対的に高まって、エピタキシャル成長膜の最
終形成部分（表面部分〉でキャリア濃度が高くなってし
まうという問題があった。そこで、例えば特開昭６２−
２０２５１５号３ 公報に開示されるように、Ａ系統のドーピングガス供給
とＣ系統のエピタキシャル成長用ガス供給とを同時に停
止した後、５〜１０秒程度経過してからＢ系統ガス供給
を停止することにより、エピタキシャル威長膜内でのキ
ャリア濃度の均一化を図った技術が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記先願に係る気相エピタキシャル成長方法では、成長
膜の表面側のキャリア濃度をある程度均一化することが
できる。

しかしながら本発明者らがエピタキシャル成長膜のキャ
リア濃度分布を詳細に調べたところ、第８図に符号Ｂで
示すように成長用基板との界面近傍でキャリア濃度が急
峻になっていないことを見出した。このように、キャリ
ア濃度が界面近傍でゆるやかに変化するエピタキシャル
成長膜を有する基板を用いて電界効果トランジスタ等の
電子デバイスを製造すると、所望の特性が得られにくい
という問題点がある。

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたも４ー ので、その目的とするところは、不純物を添加したＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体層を気相エピタキシャル威長法で
成長させる場合に、キャリア濃度（不純物濃度）の分布
曲線が界面近傍で急峻となるような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］ 本発明者らは、エピタキシャル成長層のキャリア濃度分
布が界面近傍で急峻にならない原因について考察した。

その結果、所望のキャリア濃度を得るのに必要な流量で
ドーパントガスを反応管に導入した場合、導入開始と同
時に成長用基板設置部での反応ガス中のドーパント濃度
が所定の濃度になるわけでなく、ドーパント濃度が一定
になるまでに時間を要するためであるとの結論に達した
。

従って、ドーパントガス導入開始直後から成長用基板設
置部のドーパント濃度が速やかに一定になるように供給
ガスを制御してやればよい。それには、ドーピングガス
の流量を導入開始直後のみ多くするかドーパントガスの
濃度を導入開始直後のみ高くしてやればよい。しかるに
、ドーパントガスの流量や濃度の調節によるキャリア濃
度の制御は数秒〜数十秒の短い時間内に行なわなくては
ならないので、技術的に困難であることが分かった。

そこで、本発明者らはエピタキシャル成長用ガスに着目
した。成長用ガスを制御してキャリア濃度分布を急峻に
するには、成長速度を十分に小さくすることで反応ガス
中のドーパント濃度が安定するまでに成長ずるエピタキ
シャル層の厚みを薄くすればよい。そして、エピタキシ
ャル威長を遅くするにはＢ系統から供給する成長用ガス
の濃度と流量を制御することで対応できるのではないか
と考えた。

そこで、第２図に示すような気相成長装直を用いて、Ａ
系統やＣ系統から供給するガスの流量を一定とし、Ｂ系
統から供給するガスの濃度や流量を変えてエピタキシャ
ル成長を行なう実験を繰り返した。その結果、Ｂ系統か
ら供給するガス中のＡｓＣΩ．Ｓ度が低いほど、また第
５図に示すように、Ｂ系統から導入する水素ガス流爪を
多くするほど、エピタキシャル成長速度を遅くすること
ができることが分かった。

一方、ドーパントガス導入開始後、連やかに基板設置部
のドーパントガス濃度を安定させるには反応管に滞留す
るガスを素早く置換してやればよく、Ｂ系統から供給す
る水素ガスの流量を多くするほど置換に要する時間を短
縮することができると考え、検討した。

すなわち、完全混合を仮定した場合、ドーパント濃度Ｃ
は次式（】）のように時間Ｌの関数で表示される。

Ｃ＝Ｃ．　　［１　−ｅｘｐ　　（　　ｔ．／ｒ）　　
＋＋＋＋　　（１）ここで、Ｃ．は定常状態になったと
きのドーパント濃度、τはガス置換の時定数で、Ｂ系統
のガス導入管出口から基板設置部までの空間の体積を、
基板設置部の成長温度における総流量で除した値である
。

第６図は上記（１）式をグラフで示したものである。

同図より、ドーパント濃度Ｃが定常状態での濃度Ｃ０の
９０％に達するまでの所要時間は２．３τであることが
分かる。従って、Ｂ系統から供給するガス流量を増加す
ることで時定数τを小さくでき、反応管内のガス置換時
間を短縮することができる。

本発明は上記のような考察と、実験に裏付けされた知見
とに基づいてなされたもので、川族原料と半導体基板と
を収容した反応管内の原料ボート部にガス供給可能な第
１のガス導入路と原料ボートを迂回してガスを供給可能
な第２ガス導入路及び第３ガス導入路とを有する気相成
長装置において、上記第ｌのガス導入路よりエピタキシ
ャル成長川ガスを、また第３のガス導入路よりドーピン
グガスを供給して、」ユ記半導体基板上に不純物を添加
したｒＪＩ−Ｖ族化合物半導体膜を気相成長させるにあ
たり、ドーピングガスの供給開始と同期して原料ボート
を迂回してエッチング用ガスを供給する第２ガス導入路
への供給ガスをエッチング川ガスから水素ガスに切り換
え、かつ水素ガスの供給量を、形成しようとする半導体
層の不純物濃度によって定まる所定値以上となるように
、もしくは第２ガス導入路に供給される水素ガスの供給
量が成長用ガスの供給量よりも多くなるように制御する
ことを提案するものである。

［作用］ 上記した手段によれば、エピタキシャル成長の速度が遅
くなるためドーパント濃度が変化している間に成長する
エピタキシャル層が薄くなるとともに、反応管内のガス
の置換に要する時間が短縮されるため、基板設置部近傍
のドーパント濃度が素早く安定し、これによってエピタ
キシャル層の界面近傍でのキャリア濃度の分布曲線を急
峻にし、遷移層の厚みを薄くすることができる。

［実施例］ 第２図に、本発明に係る気相エピタキシャル成長方法に
使用する気相成長装置の一例を示す。

この気相成長装置は、第７図に示すものとほぼ同様であ
るが、電気炉２は反応管１の軸方向に移動可能であり、
反応管１を室温で急冷することができるように構成され
ている。また、ガス導入管６ｂ，６ｃには、三方弁１０
ｂ，ｌｌｂ，１０ｃ，１１ｃがそれぞれ介装されており
、Ｈ．ガスをバブラ８ｂ，８ｃ内のＡ　ｓ　Ｃ．　Ｑ．
に吹き込ませてＡＳＣｆｉ，＋ＩＩ，の混合ガスとした
り、Ｈオガスをそのまま反応管１内へ供給できるように
設けられている。

本実施例においては、上記気相成長装置を用いて第１図
に示すような手順に従って、Ａ，Ｂ，Ｃ系統のガスの供
給開始、停止を行なうことにより、ＧａＡｓ基板５上に
ＳｔドープＧａＡｓ層を気相威長させる。第ｌ図におい
て、ブロック内の数値はガス流量（ｃｃ／ｍｉｎ）　（
室温）を示す。

すなわち、時刻Ｔ．〜Ｔ１まではＢおよびＣ系統からＮ
３ガスを供給して反応管１内を一旦Ｎ．ガスで置換した
後、時刻Ｔ，〜Ｔ，までＨオガスを供給して反応管ｌ内
をＨ，で置換し、電気炉２を作動させ、反応管１内の温
度分布を第３図に示すように、Ｇａ源は８２０℃に、基
板５は７５０℃になるように保持する。

次に、時刻］゛２から、ＢおよびＣ系統を介してＡｓＣ
Ｑ．を含有するＩ−｛，ガスを供給する。すると、先ず
ボート部４ではＡＳ４がＧａ中に溶解限度まで溶け込ん
でＧａＡｓクラストが生成されるとともに、このとき発
生したＨ　Ｇ　Ｑが下流に移動して基板５の表面がエッ
チングされる。そして、Ｇａ源３がＧａＡｓ膜で完全に
覆われると、ＧａＡｓとＨ　Ｃ　Ｑが反応してＧ　ａ　
Ｃ　ＱとＡｓ．が生成され、これが下流の基板５に供給
され、基板５の表面にてＧａＡｓが析出し、ＧａＡｓ層
が威長ずる。このとき、Ｂ系統から供給されるＡｓ．Ｃ
Ｑ，＋Ｈ，ガスは、成長されるバッファ層のＳｉの取り
込みを抑制するように作用する。

バッファ層が所定の厚さまで威長ずると、時刻ＴウでＢ
系統の供給ガスをＨ，に切り換え、Ａ系統からはドーピ
ングガスとしてＳｉＨ，（水素稀釈１　０ｐｐｍ）を供
給し始め、不純物をドーピングしながら基板５−１−に
ＧａＡｓ活性層をエピタキシャル成長させる。この際、
Ｂ系統から供給されるＨ２ガスは、Ｓｔの取り込みを一
定にする作用をなＩＩ し、その流量を１　０　０　０ｃｃ／ｍｉｎ以上とする
ことによりバッファ層から活性層にかけてのキャリア濃
度を急峻にさせることができる。

次に、時刻Ｔ４でＡ系統のドーピングガス（ＳｉＨ，）
の供給を停止するとともに、Ｃ系統の供給ガスをエピタ
キシャル成長用ガス（ＡｓＣＱ，＋Ｈ，）からＨ３ガス
に切換え、Ｂ系統からはＨ３ガスの代わりにＡｓＣＱ．
＋Ｈ，の混合ガスを供給し始め、熱分解によって得られ
たＨＣＱで基板５上に形成したエピタキシャル成長膜の
表面のエッチングを開始する。ただし、ドーピング停止
後、Ｂ系統の供給ガスを直ちにＨ，ガスからＡｓＣＲ＋
Ｈ，に切り替える代わりに、しばらく（数秒間）Ｂ系統
からＨよガスを流し続け、時刻Ｔ．でＨ，ガスをＡｓＣ
ｆｌ＋Ｈ；の混合ガスに切り替えるようにしてもよい。

その後、時刻Ｔ．でＢ系統の供給ガスをＨ．ガスに切り
換えて、反応管ｌ内のエッチング用ガスをＨ，で置換し
、時刻Ｔ，で電気炉２を反応管ｌの軸方向上流側（第２
図において左側）に移動させ、＋２− 室温で急冷を行なう。そして、時刻Ｔ．でＢおよびＣ系
統の供給ガスをＮＩに切り換え、反応管１内をＮ８ガス
で置換し、時刻Ｔ．でエピタキシャル成長した基板５を
取り出して終了する。

なお上記実施例においては、バブラ８ｂ，８ｃの温度を
２０℃とした。

一例として、上記実施例を適用し、時刻Ｔ．〜Ｔ４の間
にＢ系統から供給するＨ．ガスの流量を種々変えてエピ
タキシャル成長膜を形成する実験を行なった。ただしＣ
系統からの成長用ガス（Ｈ，＋Ａ　ｓ　Ｃ　Ｌ）の流量
は８　０　０ｃｃ／＋ｎｉｎ一定、Ａ系統からのドーパ
ントガス流量は３０ｃｃ／ＩＲｉｎ一定とした。得られ
た気相エビタキシセル成長膜のキャリャ濃度分布をＣ−
■測定により測定した。そのうち、Ｈ８ガスの流量を５
　０　０ｃｃ／ｗｉｎ，　　１　１　００ｃｃ／＋ｎｉ
ｎ，　２　０　０　０ｃｃ／ｍｉｎとしたときの結果を
第４図に示す。第４図は、横軸にエピタキシャル成長膜
の表面からの深さを、縦軸にキャリア濃度をとったもの
である。同図からＴ．〜Ｔ４間にＢ系統から供給される
Ｈ，ガス流量の増加に伴ってキャリア濃度が急峻に変化
するようになる。

また、第４図において、Ｂ系統からのＨ，ガス流量を変
えたときのキャリア濃度遷移層の厚みｄを次式（２）を
用いて求めたところ、５００ｃｃ／ｍ　１ｎのどきＯ　
．　　Ｉ　Ｏ　４　μｍ，　　１　１　０　０ｃｃ／ｍ
ｉｎのとき０．０５７μｍ、２　０　０　０ｃｃ／ｍｉ
ｎのときは０．０２μｍであった。

ｄ＝υ×τ・・・・（２） ここでυは成長速度、τはガス置換の時定数である。

上記実験で遷移層の厚さｄの異なるエピタキシャルウェ
ーハを使用して電界効果１・ランジスタを製造したとこ
ろ、ｄが小さいほど良質のものが得られ、ｄ≦０．０６
μｍであれば、支障をきたすことがないことがわかった
。

なお、本発明は、前記実施例のガス供給時間、ガス流量
等に限定されるものではなく、次のような条件（１）〜
（６）で前記実施例と同様の効果を得ることができる。

（１）時間′Ｉ゛。〜’「，−１５分以上ｌ５ ゛「１〜Ｔ，＝３０分以−１＝ Ｔ，　〜Ｔ，＝　１　５　〜４　０分 Ｔ．〜Ｔ，＝１〜１０分 ′Ｉ゛４〜Ｔ，＝Ｏ〜３分 １’８〜゛１゛。＝２０〜３０秒 ′Ｆ９〜１’，＝Ｏ〜３０秒 Ｔ，〜ゴ．＝　２　０　〜　３　０　分′Ｉ′．〜］’
，＝５分以」二 （２）Ａ系統のガス流爪、 時刻Ｔ，〜Ｔ，＝５〜５　０ｃｃ／ｍｉｎ（３）Ｂ系統
のガス流量、 時刻１’。〜Ｔ，　＝　６　０　０　〜ｌ　Ｏ　Ｏ　Ｏ
ｃｃ／ｍｉｎ′Ｉ゛１〜Ｔ，＝６００〜１０００／／′
ｒ，〜Ｔｌ＝５０〜３００ Ｔ３〜Ｔ，＝　］　０　０　０〜２　０　０　０　ＩＩ
Ｔ，　〜Ｔ．＝］ＯＯ　〜５００　　　１／１゛。〜Ｔ
，＝６００　Ｎ＋０００　　１／］゛．〜Ｔ，＝６００
〜＋０００／／ （４）Ｃ系統のガス流紙、 時刻Ｔ，　〜’Ｔ’，　＝　６　０　０　〜Ｉ　Ｏ　Ｏ
　Ｏｃｃ／ｍｉｎ１６ １゛　〜Ｔ，＝６００〜ｌ　０００　　　“’Ｔ’，　
〜Ｔ，＝６００　〜＋０００　　　１１′ｒ４〜Ｔ．＝
６００〜ｌＯＯＯ　　〃］’，　〜Ｔ，＝６００　Ｎ１
０００　　　１／（５）Ｇａ源の温度・・・・８００〜
８５０℃（６）基板の温度・・・・・７００〜７５０℃
第８図には、ｎｌ刻′■゛，〜Ｔ，におけるＡ系統のド
ーパン１・ガス流量を１　５ｃｃ／ｍｉｎ，　Ｂ系統の
Ｈ，ガス流量を］　３　０　０ｃｃ／ｍｉｎ，　Ｃ系統
の戊長用ガス（ＩＩ，＋Ａ　ｓ　Ｃ　Ｌ）の流量を６　
０　０ｃｃ／ｍｉｎとし、６０秒間成長を行なったとき
のＣ−■測定によるキャリア濃度分布を実線八で示した
。同図により従来方法による成長層のキャリア濃度分布
Ｂに比べ界面近傍でキャリア濃度分布ｄｌｌ線が急峻に
なることが分かる。

なお、本発明は、ＧａＡｓの気相エピタキシャル成長方
法にのみ適用されるものではなく、ＧａＰ，Ｉ　ｎＰ，
］　ｎＡｓ等の気相エピタキシャル成長方法にも適用で
きることは勿論である。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明は、川族原料と半導体基板とを収
容した反応管内の原料ボー１・部にガス供給可能な第１
のガス導入路と原料ボー１・を迂回してガスを供給可能
な第２ガス導入路及び第３ガス導入路とを有する気相成
長装置において、上記第１のガス導入路よりエピタキシ
ャル成長用ガスを、また第３のガス導入路よりドーピン
グガスを供給して、上記半導体基板」二に不純物を添加
した■■族化合物半導体膜を気相成長させるにあたり、
ドーピングガスの供給開始と同期して原↑；１ボートを
迂回してエッチング用ガスを供給する第２ガス導入路へ
の供給ガスをエッチング用ガスから水素ガスに切り換え
、かつ水素ガスの供給量を、形或しようとする半導体屑
の不純物濃度によって定まる所定値以」二となるように
、もしくは第２ガス導入路に供給される水素ガスの供給
量が成長用ガスの供給量よりも多くなるように制御する
ようにしたので、エピタキシャル成長の速度が遅くなっ
てドーパント濃度が変化している間にＪ戊長ずるエピタ
キシャル層が薄くなるとともに、反応管内のガスの置換
に要する時間が短縮されるため、基板設置部近傍のドー
パント濃度が素早く安定し、これによってエピタキシャ
ル層の界面近傍でのキャリア濃度の分布曲線が急峻にな
り、遷移層の厚みが薄くなる。その結果、特性のすぐれ
たＦＥＴ等の電子デバイスを製造することができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るＩＩＩ　−　Ｖ族化合物半導体の
気相エピタキシャル成長方法の一実施例におけるガス制
御タイミング図、 第２図は本発明の一実施例に用いた気相威長装置を示す
縦断正面図、 第３図は本発明の一実施例における反応管内の温度分布
を示すグラフ、 第４図は木ｎ　＋ｐＪの一実施例で得たエピタキシャル
成長膜のキャリア濃度分布を示すグラフ、第５図はＢ系
統から導入する水素ガス流量とエピタキシャル威長速度
との関係を示すグラフ、第６図は墓板部におけるドーパ
ント濃度の時間変化を示すグラフ、 第７図は従来のＩＩＩ　−　Ｖ族化合物半導体の気相エ
ピタキシャル成長方法で用いた気相威長装置を示す縦断
正面図、 第８図は従来技術と本発明の一実施例のエピタキシャル
威長膜のキャリア濃度分布を示すグラフである。 ｌ・・・・反応管、２・・・・電気炉、３・・・・Ｇａ
源、４・・・・原料ボート、５・・・・基板、６，６ａ
，６ｂ，６ｃ・・・・ガス導入管、８ｂ，８ｃ・・・・
バブラ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）III族原料と半導体基板とを収容した反応管内の
   原料ボート部にガス供給可能な第１のガス導入路と原料
   ボートを迂回してガスを供給可能な第２ガス導入路及び
   第３ガス導入路とを有する気相成長装置において、上記
   第１のガス導入路よりエピタキシャル成長用ガスを、ま
   た第３のガス導入路よりドーピングガスを供給して、上
   記半導体基板上に不純物を添加したIII−Ｖ族化合物半
   導体膜を気相成長させるにあたり、ドーピングガスの供
   給開始と同期して原料ボートを迂回してエッチング用ガ
   スを供給する第２ガス導入路への供給ガスをエッチング
   用ガスから水素ガスに切り換え、かつ水素ガスの供給量
   を、形成しようとする半導体層の不純物濃度によって定
   まる所定値以上となるように制御するようにしたことを
   特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成
   長方法。
2. （２）請求項１記載の方法において、第２ガス導入路に
   供給される水素ガスの供給量が成長用ガスの供給量より
   も多くなるようにしたことを特徴とするIII−Ｖ族化合
   物半導体のエピタキシャル成長方法。