JPH0391236A - ３／５族半導体デバイスからなる製品の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体デバイスの製造方法に係り、特に適当
な半導体基板上にエピタキシャル成長させた化合物半導
体層内に形成されたデバイスの製造方法に関する。

［従来の技術］ 大部分のシリコン集積回路は、シリコン基板上にエピタ
キシャル成長されたシリコン層内に形成される。これは
、このようなエピタキシャル材料が、バルクのシリコン
よりかなり高い結晶としての品質を持つことが可能だか
らである。一方で、市販のガリウムひ素（ＧａＡｓ）集
積回路は、現在一般に、バルク材料で製造されており、
これには金属−半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦ
ＥＴ）技術を使用する。エピタキシャルなＧａＡＳで製
造された（一般には分子線結晶成長（ＭＢＥ）により成
長された）同じＧａＡｓのデバイスは、バルク材料で製
造されたものより性能において優れているにもかかわら
ず、多くの市販の回路でバルクＧａＡｓを現在使用する
大きな理由は、ＭＢＥにより成長したＧａＡｓ上に、い
わゆる”オーバル欠陥（ｏｖａｌ　ｄｅｆｅｃｔ　）“
が頻繁に存在することである。

オーバル欠陥は、その外見によりそう呼ばれるが、一般
に、小丘あるいは＜１１０＞に沿った結晶軸の生成核中
心の周りでの（ｉｉ１）ファセット形成成長である。そ
の一般的な大きさは、縦約５−２０μｍ１幅約５−１０
μｍの範囲である。

その部分の密度は、一般的に約１０２から約１０５ｃｍ
−２まで変化し、基板の成長速度、基板のエピタキシャ
ル層の厚さ、基板の成長条件、また基板の清浄性、そし
てＭＢＥシステム、に依存する。必ずしも全ての種類の
オーバル欠陥がデバイスの性能を悪くするわけではない
が、少なくともそのいくつかは、もし能動領域（例えば
、ＦＥＴのゲート領域）にあれば、デバイスの性能を悪
くする。オーバル欠陥によるデバイス性能への有害な影
響は、デバイス設計規則がより小さくなるにつれて増加
すると予想される。よって、ＧａＡ’ｓ　（また他のｍ
−ｖ族祠料、例えばＩｎＰ）高速デバイスと大規模集積
回路に対するエピタキシャル材料を製造するための製造
技術であるべきＭＢＥにとってオーバル欠陥は排除する
必要がある。

Ｍ　Ｂ　Ｅ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓでのオーバル欠陥の原因
は、多くの研究室で広く研究されてきた。フジワラ（Ｆ
ｕｊ　ｉνａｒａ）らは「ジャーナル　オブ　クリスタ
ル　グロース（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ｃｒｙｓｔａ
ｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　）　Ｊ、第８０巻、１０４頁におい
て、オーバル欠陥をαタイプとβタイプとに分類した。

αタイプ欠陥は、微細な核微粒子を有さす、一方、βタ
イプ欠陥は、微細な核微粒子を有し、このβタイプ欠陥
は微粒子によるものだが、この微粒子は、準備、載積、
転送、成長のいずれかの間に、基板上に付着する。

慎重に準備されたＧａＡｓ基板上で、αタイプオーバル
欠陥は、Ｇａの”スピッティングまたはＧａ２Ｏ３の存
在に関係し、オーバル欠陥の支配要因となっている。

Ｇａのスピッティングは、ＭＢＥのＧａクルーシブル（
容器）の問題とされる冷たいへり部で、あるいはこのへ
り部の近くで、Ｇａ原子の凝縮の為に生じる。凝縮Ｇａ
原子は滴を形威し、続いてこの滴は、クルーシブル内の
より熱い底部の中の溶融状態の充填Ｇａへともどる。こ
れにより激しい沸騰反応が起き、クルーシブルから小さ
なＧａ小滴が噴出することになる。これら小滴の多くは
成長表面上に付着し、オーバル欠陥を形成することにな
る。充填Ｇａ内にＧａ２Ｏ３が存在するため、蒸発と、
後続の成長表面上への酸素の付着とにより、オーバル欠
陥を形成することになる。酸素はＧａクルーシブルに存
在し得るが、これはとりわけ、クルーシブルの不規則な
ガス放出、ＭＢＥシステム内の水蒸気の存在、システム
内の洩れ、のいずれかによるものである。

前記両方のメカニズムは連続工程であり、その速度は一
般にＧａクルーシブルの温度上昇と共に増加する。結果
として、オーバル欠陥の密度は一般に、成長速度と成長
時間と共に増加する。

オーバル欠陥を避ける、あるいはオーバル欠陥を減らす
、多くの技術が報告されている。しかし、この欠陥は問
題を残し続けている。例えば、デイ−・ジー・シャロム
（Ｄ、Ｇ、Ｓｅｈｌｏｍ）らは、「ジャーナル　オブ　
バキューム　サイエンス　アンドテクノロジー（Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　ＶａｃｕｕＩＩＩＳｃｉｅｎｃｅ　ａ
ｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ｊ　Ｂ　７　（２）巻
、２９６頁、において、　・・・・・・いくつかのグル
ープがオーバル欠陥の除去について報告しているが、オ
ーバル欠陥は依然として問題を残している”と述べてい
る。

オーバル欠陥の問題を取り除くために提案された改善方
法の中のいくつかは以下の通りである。

即ち、頻繁に使用されるピロリティック・窒化ボロン（
ｐＢＮ）クルーシブル（デイ−・ジー・シー？Ｃ７ム（
Ｄ、Ｇ、Ｓｃｈｌｏｍ）　）の代わりにサファイア・ク
ルーシブルを使用、清浄表面の変法（エイチ・フローニ
ウス（Ｈ，Ｐｒｏｎｉｕｓ　）らの「ジャパニーズジャ
ーナル　オプ　アプライド　フィジックス（Ｊａｐａｎ
ｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　）　Ｊ第２５　（２）巻、１１３７頁、
または米国特許第４７３２６４８号を参照）、Ｇａクル
ーシブルの開口内に余分のパーツを設置し、凝縮した滴
がＧａ電荷へと落ちることを妨げる、また、Ｇａセルを
再設計し、６８滴の形成を妨げるようにセル口まで正比
例した温度勾配を得る、などである。

他のアプローチは、溶融状態からのＧａ２Ｏ３の除去に
焦点を当てている。ケイ・アキモト（Ｋ。

Ａｋｊｍｏｔｏ　）らの「ジャーナル　オブ　クリスタ
ルグロース（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ｃｒｙｓｔａｌ
　Ｇｒｏｗｔｈ　）　Ｊ第７３巻、１１７頁は、酸素を
減少させるためのＭＢＥシステムへのＨ２の導入を開示
している。米国特許第４４２６２３７号及び、ジー・デ
イ−・ペティット（Ｇ、Ｄ、Ｐｅｔｔｉｔ）らの「ジャ
ーナル　オプ　バキューム　サイエンス　アンド　テク
ノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＶａｃｕｕＩＩＩＳ
ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌ。

ｇｙ）　Ｊ　Ｂ　（２）巻、２４１頁は、同じ目的のた
めに、溶融状態のＧａにアルミニウムまた（あるいは）
マグネシウムを付加することを開示している。

またワイ・ジー・チェノ（Ｙ、Ｇ、Ｃｈａｉ）ら「アプ
ライド　フィジックス　レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　Ｊ第３８　（１０
）巻、７９６頁）は以下を開示している。即ち、システ
ムが大気に開口している時は常に、清浄クルーシブル内
で新しい固体Ｇａを再度満たすことがＧａ酸化を抑制す
る。

前述のＭｇドーピングに関して、オーバル欠陥の完全な
除去が報告されている。しかし、結果としてえわれたＧ
ａＡｓ層は、約１０１９ｃｍ−３にｐ形ドー、ピングさ
れて入る為、明白な理由で、この方法は一般的には役立
たない。他の従来技術の方法はすべて、一般にオーバル
欠陥を完全に取り除くことはできていない。よって、基
本的にオーバル欠陥の全く無いエピタキシャルＱａＡｓ
　（または他の化合物半導体、例えばＩｎＰ）層を成長
させるための能力を発展させることの技術的重要性の点
で、このような基本的にオーバル欠陥の無い層（単純、
再現性があり、経済的で、必要としないドーピングのよ
うな有害な副作用がない）を製造するための技術は非常
に望まれている。本発明はこのような技術を開示する。

［実施例］ 本発明は特許請求により定義される通りである。

本発明は、一実施例において、半導体デバイスを有する
製品の製造方法として示されている。このデバイスは、
単結晶半導体基板上の化合物半導体材料を有する。この
化合物半導体材料は■−ｖ族半導体材料であり、Ｇａと
Ｉｎとからなるグループから選ばれた少なくとも第１の
金属と、さらに少なくとも一つの他の元素（例えば、Ａ
ＳあるいはＰ）とを有する。

本発明の方法は、例えば、ＧａＡｓのあるいは０ ＩｎＰの（１００）面のような主表面を持つ半導体基板
を設け、主表面上で■−Ｖ族半導体材料層を成長させ、
層内にデバイスを形成し、そして製品の完成に向けてさ
らに一つ以上の段階を実行する、工程からなる。この半
導体材料層は以下の技術により成長される、すなわち、
開口と内部表面とを有するクルーシブルから相当量の第
１金属を蒸発させる。このクルーシブルは、蒸発した第
１の金属の少なくとも一部が主表面上に蒸着するように
配置され、更に主表面上になおいっそう相当量の他の元
素の蒸着を起こす。

重要なことは、クルーシブルの内部表面の少なくとも一
部、一般にはクルーシブルの開口に近い部分は、第２金
属でコーティングされるが、この金属は、第１金属によ
り濡れ、第１金属より陰型性ではないことである。この
実施例においては、第２の金属は、クルーシブルを濡ら
す金属で、例えば、ＡＩである。よってコートされたク
ルーシブル（例えば、ｐＢＮクルーシブル）を使用する
ことは、スピッティングまた（あるいは）充填内１ に酸化された第１金属が存在することにより、オーバル
欠陥の基本的に完全な除去を得ることも可能になる。濡
れは一般に、第１金属の滴の形成を排除し、比較的低い
陰型性の第２金属の使用により、一般にクルーシブル内
の酸化された第１金属の量は減少する。

一般に、■−■層は部分的な真空内で（例えば、約１３
３ｍＰａ以下の気圧）以下のように成長、すなわち、蒸
発した第１金属原子は原子ビームを形成するように成長
される。この成長技術は一般にＭＢＥとして知られてい
る。

第１図は、本発明の実施を実施する為に、例に適したＭ
ＢＥシステム１０を概略的に示す。真空チャンバ１１は
、アクセス装置１２を有し、このアクセス装置１２は適
当な覆い１３により閉ざされる。また真空チャンバ１１
は、真空チャンバ１１内に気体を導入するためのチュー
ブ１４とバルブ１５とを有する。チャンバは、ポンプ・
ポート１６を通して、単数または複数の適当なポンプ（
図示せず）に接続される。基板加熱ブロック１２ ７はチャンバ内にあり、この基板加熱ブロック１７の温
度は装置（図示せず）により変化するが、一般に複数の
噴射セル１つ、１９１１８１．と同様に変化する。各噴
射セルに対して、セルを加熱するために手段２１．２１
１１１１０例えば抵抗加熱器が設けられる。適切な温度
にセルを加熱して、以下のようにセル内に含まれる材料
（例えば、Ｇａ）を蒸発させる。すなわち、分子線ビー
ム２０．２０１１１１．がウェハ１８上に当たり、ウェ
ハ１８は従来の手段（図示せず）により加熱ブロックに
取付けられている。ＭＢＥシステムは一般に、様々な他
の装置からなるが、例えば、気圧ゲージ、温度測定装置
、フラックス測定装置、表面特性解析装置、またシャッ
ター、などであり、これらは従来のもので、当業者には
周知であり、よって図示しない。

第２図は、本発明によるクルーシブルを概略的に示す。

クルーシブルは、ピロリティック窒化ボロン２４からで
きており、また第２金属（例えば、ＡＩ）の薄いコーテ
ィング２５により（完全にあ３ るいは部分的に）クルーシブルの内部が被覆されている
ことが好ましい。コーティングの厚さが重要でない場合
は、クルーシブルの開口周辺部で実質的に連続コートさ
れていることで十分であり、第１金属が開口の周辺部で
滴を形成することを防ぐ場合である。

第２金属のコーティングは、適当な技術によりクルーシ
ブルの内部表面に行うことが可能である。

例えば、適当なガス放出の後、クルーシブルは相当量の
第２金属で充填される。また部分的な真空内で第２金属
の融点以上の温度に加熱されることが可能である。この
結果、第２金属の蒸気がクルーシブルの内部表面をコー
ティングするように行われる。都合の良いことに、クル
ーシブルは、第１金属が蒸発されるべき温度より高い温
度に加熱される。例えば、もし第２金属がＡｌであれば
、クルーシブルは１１５０−１２５０℃の範囲内の温度
に加熱されることが可能である。

適切にコーティングされたクルーシブルは、相当量の第
１金属で充填されることが可能であり、４ 更に、■−Ｖ族層が従来の方法で形成可能である。

例えば、典型的なＭＢＥシステムでは、第１金属のクル
ーシブルと基板との距離が１２０ｍｍである。もし第１
金属がＧａ（そして加える元素がＡＳ）であれば、９０
０−９５０℃にクルーシブルを加熱することは、ＧａＡ
ｓの成長速度が約１μｍ／ｈｒになり得る。もしソース
と基板との距離がより大きければ、クルーシブル温度は
、同じ成長速度であるためには、より高くなければなら
ない。

■−Ｖ族層の全体欠陥密度をできるだけ低く保つために
は、非常に注意深くなければならず、またシステムはき
わめて厳密に清浄に保たれなければならない。適切な方
法を使用することにより、従来技術で、バックグラウン
ドキャリア密度が１０１３ｃｍ−３程の低さを持つＧａ
Ａｓを成長させることが可能になってきている。わずか
にドープした（ｎ　〜３ｘｌＯ’ｃｍ’）場合に、材料
ハ４２にで３ｘ１０５ｃｍ”　Ｖ−’Ｓ−’（７）電子
易動度を示すが、これはＭ　Ｂ　Ｅ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓで
いままで測定され５ た中で最も高いものである。しかし、たとえ従来技術に
よる成長技術が例外的な品質の材料を製造可能であって
も、一般には、層の厚さと成長条件によるが、１０　−
１０５ｃｍ２の範囲内ニオ−パル欠陥密度が生じる。例
えば、４μｍの厚さの層での密度は、３．６ｘｌＯ’　
ｃｍ’であり、１５μｍの厚さの層では、３Ｘ１０５ｃ
ｍ−２である。

オーバル欠陥密度、基板の種類、使用される清浄方法、
各々の間には全く相関が発見されなかった。別々に準備
されたＧａＡｓ５Ｓ　ｉ基板上で成長した材料では同じ
オーバル欠陥密度が観測された。一方で、本発明により
ＡＩでコーティングしたクルーシブルの使用によると、
αタイプのオーバル欠陥密度はほぼに０に減少し、βタ
イプの欠陥のみが残り、この欠陥は、オーバル欠陥では
ない欠陥と同様であった。このような欠陥は、表面の汚
れに関係し、非常に注意深く表面を調整することで完全
に排除することが本質的には可能である。

本発明の方法により成長したＧａＡｓは、小量６ のＡｔを含有していた。例えば、材料は、Ａｌを０．０
０１６、Ｇａを０．９９８４の割合で含有していた。Ａ
ｌの存在により電気的性能が落ちたようなことはなかっ
た。

溶融状態の第１金属において単にＡＩが存在することで
は、αタイプのオーバル欠陥を排除するためには不十分
であることが証明された。例えば、０．５％ｂ、ｗ、の
Ａｌが付加されたＧａを充填した従来技術の（コーティ
ングされていない）ｐＢＮクルーシブルを使用すること
により、５μｍの厚さのＧａＡｓが約４０００ｃｍ’程
度のαタイプオーバル欠陥が生じた。

実施例１ クルーシブルは以下のようにコーティングされた。（Ａ
ＩをドープしたＧａの蒸発のために）使用済みの空のｐ
ＢＮクルーシブル内に、１ｇのＡｌをおき、またクルー
シブルは市販のＭＢＥシステム内で約１２００℃に、ク
ルーシブルがほぼ空であることを示すビームに同等なＡ
ｌの圧力が２桁落ちるまで加熱される。冷却後、システ
ムは解７ 放される。クルーシブルの内部はわずかにＡＩでコーテ
ィングされている。

クルーシブルには、Ｇａの新しいインゴットが入れられ
る。直径７．５ｃｍの（１００）ＧａＡＳウェハが、従
来の技術により調整され、ＭＢＥシステム内に入れられ
る。ウェハとＧａ源の口との間の距離は１５０ｍｍであ
る。ＭＢＥを閉じた後、チャン、バは約１０−１０　Ｔ
ｏ　ｒ　ｒに排気され、シャッター、セル、フィラメン
トは完全にガスを放出される。よって、セルの温度は、
Ｇ　ａ　Ａ　ｓの成長速度が１μｍ／ｈｒ（Ｇａクルー
シブルの温度は約１０１０℃）となるように調整され、
シャッターが解放され、ウェハはＧａとＡｓとのブラッ
クスに５時間さらされる。層成長の完成と冷却後、ウェ
ハは回収され、検査される。αタイプオーバル欠陥密度
は本質的に０であり、βタイプオーバル欠陥密度は約１
００ｃｍ−２であった。エピタキシャルＧａＡｓ層のフ
ォトルミネッセンス◆スペクトルは、原子の割合で約０
．１６％のＡｔの存在を示している。

８ 実施例２ Ｉ　ｎＧａＡｓのエピタキシャル層は、本質的に実施例
１に述べたような技術によりＩｎＰウェハ上に成長され
るが、付は加えるとＩｎＰクルーシブルの温度は約９０
０℃である。生じた層は、本質的にαタイプオーバル欠
陥は存在しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、典型的なＭＢＥシステムを概略的に示す図、 第２図は、本発明の実施の際、使用される典型的なりル
ーシブルをを示す概略図である。 出　願　人：アメリカン　テレフォン　アンド９

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＧａとＩｎからなるグループから選択された少な
   くとも一つの第１金属と、少なくとも一つの他の元素を
   有する化合物半導体材料を単結晶半導体基板上に有する
   半導体デバイスからなる製品の製造方法において、 （ａ）主表面を有する半導体基板を設ける工程；（ｂ）
   主表面上で化合物半導体材料層を以下の（ｉ）と（ｉｉ
   ）の工程で成長させる工程 （ｉ）第１金属により濡れない材料からなる、開口と内
   部表面とを有するクルーシブルから相当量の第１金属を
   蒸発する工程、 このクルーシブルは、蒸発した第１金属の少なくとも一
   部が主表面上に蒸着されるように配置され； （ｉｉ）主表面上でさらに相当量の他の元素を蒸着する
   工程、 （ｃ）製品の完成にさらに一つ以上の工程を実行させる
   工程 からなり、 クルーシブルの内部表面の少なくとも一部が、第１金属
   により濡らされ、第１金属より電気陰性度が低い金属で
   ある第２金属によりコーティングされる ことを特徴とする半導体デバイスからなる製品の製造方
   法。
2. （２）少なくとも一つの他の元素が、ＡｓとＰとからな
   るグループから選択され、 第２金属は、Ａｌである ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. （３）半導体基板が、ＧａＡｓ基板あるいは、Ｓｉ基板
   であり、 少なくとも一つの第１金属と少なくとも一つの他の元素
   とが、各々ＧａとＡｓとである ことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. （４）半導体基板が、ＩｎＰ基板であり、 少なくとも一つの第１金属と少なくとも一つの他の元素
   とが、各々ＩｎとＡｓとである ことを特徴とする請求項２記載の方法。
5. （５）（ｃ）工程が、化合物半導体材料の層にデバイス
   を形成する工程を有する ことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. （６）クルーシブルが、窒化ボロン・クルーシブルであ
   り、クルーシブルの開口の周辺部の内部表面の部分は、
   Ａｌでコーティングされていることを特徴とする請求項
   １記載の方法。