JPH04111420A - Method and apparatus for crystal growth of semiconductor thin film crystal formation and device - Google Patents
Method and apparatus for crystal growth of semiconductor thin film crystal formation and deviceInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、化合物半導体の薄膜結晶の成長法および成長
装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a method and apparatus for growing thin film crystals of compound semiconductors.
(従来の技術)
化合物半導体を用いた各種半導体素子の作製には、半導
体基板上に化合物半導体の薄膜を作製することが必要で
ある。この薄膜の品質が素子の特性に大きく影響する。(Prior Art) To fabricate various semiconductor devices using compound semiconductors, it is necessary to fabricate a thin film of the compound semiconductor on a semiconductor substrate. The quality of this thin film greatly affects the characteristics of the device.
そのため、電導性彎コントロールするために意図的に混
入するもの以外の不純物は、少なくすることが望ましい
。Therefore, it is desirable to reduce the amount of impurities other than those intentionally mixed in to control conductivity.
化合物半導体中の不純物は固体内で拡散しゃすいため、
高温において結晶成長を行うと不純物の拡散により、不
純物の分布は乱れ、微細な構造は破壊される。そのため
、結晶成長は低い温度で行うことが望ましい。Since impurities in compound semiconductors easily diffuse within solids,
When crystal growth is performed at high temperatures, the distribution of impurities is disturbed due to the diffusion of impurities, and the fine structure is destroyed. Therefore, it is desirable to perform crystal growth at a low temperature.
化合物半導体薄膜を成長させる技術として、有機金属を
用いた気相成長法(以下MOCVD法と呼ぶ)及び有機
金属を用いた分子ビーム法(以下MOMBEと呼ぶ)が
ある、原料ガスである■族あるいは■族の有機金属ガス
は、加熱することにより、化合物半導体の構成元素であ
る金属と、炭化水素とに分解する。もう一方の構成元素
(I[[−V族化合物半導体においては■族元素、I[
−VI族化合物半導体においては■族元素)は、水素化
物あるいは有機化合物の形で反応器に供給されているが
、やはり熱分解により単体元素を生成する。Techniques for growing compound semiconductor thin films include a vapor phase growth method using an organic metal (hereinafter referred to as MOCVD method) and a molecular beam method using an organic metal (hereinafter referred to as MOMBE). When heated, the group (2) organometallic gas decomposes into metals, which are constituent elements of compound semiconductors, and hydrocarbons. The other constituent element (I[[-In group V compound semiconductors, group II element, I[
- In group VI compound semiconductors, group Ⅰ elements) are supplied to the reactor in the form of hydrides or organic compounds, but elemental elements are also produced by thermal decomposition.
MOCVD法あるいはMOMBE法といった従来法では
、この両方の原料ガスは半導体基板から熱エネルギーを
供給され、気相中あるいは基板表面で分解する。供給さ
れる熱エネルギーは基板の温度により決定されるため、
低温で結晶成長を行う場合には熱エネルギーの供給が不
足し、原料ガスの分解率が低くなる。低温での結晶成長
において、基板の表面で十分な量の構成元素を存在させ
るためには、多量の原料ガスの供給が必要となる。その
ため従来法においても■施水素化物を原料として用いる
場合に、その水素化物の熱分解機構を反応器に設ける場
合がある。In conventional methods such as MOCVD and MOMBE, both source gases are supplied with thermal energy from the semiconductor substrate and are decomposed in the gas phase or on the surface of the substrate. Since the thermal energy supplied is determined by the temperature of the substrate,
When crystal growth is performed at low temperatures, the supply of thermal energy is insufficient, resulting in a low decomposition rate of the raw material gas. In crystal growth at low temperatures, a large amount of raw material gas needs to be supplied in order to have a sufficient amount of constituent elements present on the surface of the substrate. Therefore, even in the conventional method, when a hydride is used as a raw material, a reactor may be provided with a mechanism for thermally decomposing the hydride.
結晶成長中に基板表面に、分解が十分でない有機金属ガ
スが存在すると、有機金属の構成元素である炭素が半導
体薄膜内に取り込まれる。半導体内に取り込まれた炭素
は、不純物として振舞う。If an insufficiently decomposed organometallic gas is present on the substrate surface during crystal growth, carbon, which is a constituent element of the organometal, is incorporated into the semiconductor thin film. Carbon incorporated into a semiconductor behaves as an impurity.
従来法では有機金属の熱分解を制御することができず、
炭素不純物量を低減することは困難であった。Conventional methods cannot control the thermal decomposition of organic metals,
It has been difficult to reduce the amount of carbon impurities.
(発明が解決しようとする課I)
従来の有機金属を原料として用いた化合物半導体の薄膜
結晶成長法(MOCVD法及びMOMBE法)において
、低温で結晶成長を行う場合には、熱エネルギーの供給
が不足するため原料ガスの分解率が低くなる。低温での
結晶成長において、基板の表面で十分な量の構成元素を
存在させるためには、多量の原料ガスの供給が必要とな
る。また、分解が十分でない有機金属から炭素が半導体
薄膜内に取り込まれ、不純物として振舞う0本発明の目
的は、原料ガスの利用効率の向上、不純物量を低減する
ことにある。(Problem I that the invention seeks to solve) In conventional thin film crystal growth methods for compound semiconductors (MOCVD method and MOMBE method) using organic metals as raw materials, when crystal growth is performed at low temperatures, it is difficult to supply thermal energy. Due to the shortage, the decomposition rate of the raw material gas becomes low. In crystal growth at low temperatures, a large amount of raw material gas needs to be supplied in order to have a sufficient amount of constituent elements present on the surface of the substrate. Furthermore, carbon is incorporated into the semiconductor thin film from organic metals that are not sufficiently decomposed and acts as an impurity.An object of the present invention is to improve the utilization efficiency of raw material gas and reduce the amount of impurities.
(課題を解決するための手段)
上記目的を達成するため、本発明は反応容器内で有機金
属ガスを少なくとも原料の一つとして化合物半導体の基
板上に薄膜結晶を成長させる方法において、有機金属原
料ガスを熱分解させるための設備を設け、前記設備によ
って有機金属ガスを分解して純粋な金属原分子の形とし
て前記基板表面に供給することを特徴とする半導体薄膜
結晶成長法を発明の要旨とするものである。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a method for growing a thin film crystal on a compound semiconductor substrate using an organometallic gas as at least one of the raw materials in a reaction vessel. The gist of the invention is a semiconductor thin film crystal growth method characterized by providing equipment for thermally decomposing a gas, and using the equipment to decompose an organometallic gas and supplying it to the substrate surface in the form of pure metal molecules. It is something to do.
さらに、本発明は排気装置および基板加熱装置を有する
反応器に熱分解機構を設け、水素ガス供給装置は流量コ
ントローラを介して有機金属が充填されている有機金属
バブラに接続され、前記有機金属バブラは第一の前記熱
分解機構を介して前記の反応器に接続され、■族水素化
物供給装置は流量コントローラおよび第二の前記熱分解
機構を介して前記の反応器に接続されていることを特徴
とする半導体薄膜結晶成長装置を発明の要旨とするもの
である。Further, the present invention provides a thermal decomposition mechanism in a reactor having an exhaust device and a substrate heating device, and a hydrogen gas supply device is connected to an organic metal bubbler filled with an organic metal via a flow rate controller. is connected to the reactor via the first pyrolysis mechanism, and the group hydride supply device is connected to the reactor via the flow controller and the second pyrolysis mechanism. The gist of the invention is a semiconductor thin film crystal growth apparatus having characteristics.
従来法においては、原料の分解に必要なエネルギーは半
導体基板より供給されており、基板の温度により決定さ
れていた。1&板の温度を低く保つた場合においても、
分解に必要な熱エネルギーを原料ガス分子に供給し得れ
ば、原料ガスの利用効率は向上し、炭素不純物は低減す
る0本発明は、有機金属ガスの熱分解機構を設け、原料
ガスに対して独立に熱エネルギーを供給することにより
、熱分解を制御することを特徴とする。In conventional methods, the energy required to decompose the raw material is supplied from the semiconductor substrate and determined by the temperature of the substrate. 1& Even when the temperature of the board is kept low,
If the thermal energy necessary for decomposition can be supplied to the raw material gas molecules, the utilization efficiency of the raw material gas will be improved and carbon impurities will be reduced. The thermal decomposition is controlled by independently supplying thermal energy.
(作用)
有機金属ガスは水素気流中で加熱することにより、化合
物半導体の構成元素である金属と、炭化水素とに分解す
る。MOCVD法やMOMBE法といった従来法では、
この分解反応が半導体基板から供給される熱エネルギー
により、基板上あるいは基板の近傍で進行している0分
解によって生じた構成元素は基板上で析出して、半導体
薄膜結晶となる。(Function) When the organometallic gas is heated in a hydrogen stream, it is decomposed into metals, which are the constituent elements of the compound semiconductor, and hydrocarbons. In conventional methods such as MOCVD method and MOMBE method,
Due to thermal energy supplied from the semiconductor substrate in this decomposition reaction, the constituent elements generated by the zero decomposition proceeding on or near the substrate are precipitated on the substrate to form a semiconductor thin film crystal.
本発明においては、熱分解機構を設は熱エネルギーを供
給することにより、有機金属は基板から離れた場所で分
解する。有機金属は分解して、金属と炭化水素を生成す
るが、金属は金属原子の形で基板上に供給され、炭化水
素はキャリアガスとともに反応器外へ排気される。従っ
て、分解が完全ではない有機金属が基板表面に到達する
量が減少するため、半導体薄膜中への炭素不純物の取り
込みは低減し、高純度の半導体薄膜が得られる作用を有
する。In the present invention, by providing a thermal decomposition mechanism and supplying thermal energy, the organic metal is decomposed at a location away from the substrate. The organometallic decomposes to produce metals and hydrocarbons; the metals are supplied onto the substrate in the form of metal atoms, and the hydrocarbons are exhausted out of the reactor along with the carrier gas. Therefore, since the amount of organic metal that is not completely decomposed reaches the substrate surface is reduced, the incorporation of carbon impurities into the semiconductor thin film is reduced, and a highly pure semiconductor thin film can be obtained.
(実施例)
次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例は
一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で
、種々の変更あるいは改良を行いうろことは言うまでも
ない。(Example) Next, an example of the present invention will be described. It should be noted that the embodiments are merely illustrative, and it goes without saying that various changes and improvements may be made without departing from the spirit of the present invention.
第1図は本発明の半導体薄膜結晶成長法による結晶成長
装置の概略図を示す0図は有機金属およびV放水素化物
を原料ガスとして用いて、化合物半導体薄膜結晶を成長
させる装置である。第1図において、1は高純度水素ガ
ス供給装置で、高純度の水素ガスをキャリアガスとして
供給する。2は有機金属ガスバブラで、常温では液体で
ある有機金属が充填されている。3は恒温層であり、有
機金属バブラを一定温度に保つために用いる。4は■施
水素化物ボンベであり、圧力調整器を介して配管と接続
する。水素、有機金属、水素化物は流量コントローラ5
によって一定の流量を保ち反応器に供給される。6は反
応器であり、その主な構成部品は以下のものである。5
aはを機金属ガス熱分解機構、6bは水素化物熱分解機
構、6cは圧力計、6dは半導体基板加熱機構を示す、
この半導体基板加熱機構上に、半導体基板7を配置し、
薄膜結晶成長を行う、8は真空排気装置であり、反応器
内を排気する0図中ではバルブ類は省略した。6aに示
したを機金属ガス熱分解機構を持つことが本発明の特徴
である。FIG. 1 shows a schematic diagram of a crystal growth apparatus according to the semiconductor thin film crystal growth method of the present invention. FIG. 0 shows an apparatus for growing compound semiconductor thin film crystals using organometallic and V-hydrogenated material gases. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a high-purity hydrogen gas supply device that supplies high-purity hydrogen gas as a carrier gas. 2 is an organic metal gas bubbler, which is filled with an organic metal that is liquid at room temperature. 3 is a constant temperature layer, which is used to maintain the organometallic bubbler at a constant temperature. 4 is a hydride cylinder, which is connected to piping via a pressure regulator. Flow rate controller 5 for hydrogen, organometallic, and hydride
is supplied to the reactor at a constant flow rate. 6 is a reactor, the main components of which are as follows. 5
a indicates a metal gas pyrolysis mechanism, 6b indicates a hydride pyrolysis mechanism, 6c indicates a pressure gauge, and 6d indicates a semiconductor substrate heating mechanism.
Place the semiconductor substrate 7 on this semiconductor substrate heating mechanism,
Reference numeral 8 is a vacuum evacuation device for thin film crystal growth, and valves are omitted in Figure 0 for evacuating the inside of the reactor. The present invention is characterized by having a metal gas thermal decomposition mechanism as shown in 6a.
第1図に示す装置を用いて、GaAs薄膜結晶成長を行
った。 Ga原料としてトリメチルガリウムを、As原
料としてアルシンを、キャリアガスとして水素を用いた
。トリメチルガリウムは化合物半導体結晶成長に多く用
いられている有機金属であるが、熱分解温度が比較的高
い、トリメチルガリウムを用いて従来法で成長したms
膜結晶は、不純物として炭素が多く含まれている。GaAs thin film crystal growth was performed using the apparatus shown in FIG. Trimethyl gallium was used as a Ga raw material, arsine was used as an As raw material, and hydrogen was used as a carrier gas. Trimethyl gallium is an organic metal often used for compound semiconductor crystal growth, but ms grown by conventional methods using trimethyl gallium has a relatively high thermal decomposition temperature.
The film crystal contains a large amount of carbon as an impurity.
第2図に有機金属の熱分解機構の温度と、GaAs薄膜
に取り、込まれた炭素の濃度の関係を示す、横軸は有機
金属の熱分解機構の温度、縦軸は成長した薄膜結晶に含
まれる炭素不純物の濃度である。Figure 2 shows the relationship between the temperature of the organometallic thermal decomposition mechanism and the concentration of carbon incorporated into the GaAs thin film.The horizontal axis is the temperature of the organometallic thermal decomposition mechanism, and the vertical axis is the temperature of the grown thin film crystal. This is the concentration of carbon impurities included.
■族原料の熱分解機構の温度は約800°Cとし、結晶
成長中の基板の温度は500℃に保った。供給したm族
原料とV族原料のモル比は1:3.5とした。The temperature of the thermal decomposition mechanism of the group (2) raw material was approximately 800°C, and the temperature of the substrate during crystal growth was maintained at 500°C. The molar ratio of the supplied M-group raw material and V-group raw material was 1:3.5.
第2図において有機金属の熱分解機構の温度を室温とし
て、有機金属の分解を行わない場合が、■族原料である
アルシンの熱分解機構を設けた従来法に相当する。従来
法に相当する条件で成長したfi[膜結晶には、101
@c、−ff以上の高い濃度で炭素が含まれるが、有機
金属熱分解機構6aにより有機金属を分解することによ
り、炭素濃度は1 /100程度にまで減少している。In FIG. 2, the case where the temperature of the organic metal thermal decomposition mechanism is set to room temperature and the organic metal is not decomposed corresponds to the conventional method in which a thermal decomposition mechanism of arsine, which is a group (Ⅰ) raw material, is provided. fi grown under conditions equivalent to the conventional method [film crystal has 101
Although carbon is contained at a high concentration higher than @c, -ff, the carbon concentration is reduced to about 1/100 by decomposing the organic metal by the organometallic thermal decomposition mechanism 6a.
これは、成長中の基板表面に到達する、分解が不十分な
有機金属の量が減少していることを示しており、熱分解
機構が有効に機能していることを表している。なお、■
族原料の熱分解機構温度としては大略700℃〜大略1
000″Cが用いられている。This indicates that the amount of insufficiently decomposed organic metal reaching the surface of the growing substrate is decreasing, indicating that the thermal decomposition mechanism is functioning effectively. In addition, ■
The thermal decomposition mechanism temperature of group raw materials is approximately 700℃~approximately 1
000″C is used.
■族原料および有機金属の熱分解機構の温度をそれぞれ
800°C,1000’Cとした場合、基板温度400
℃とGaAsの結晶成長としては比較的低温の成長条件
においても、不純物の少ない薄膜結晶が得られ、本発明
は結晶成長時の基板温度を低くすることにも有効である
。When the temperature of the thermal decomposition mechanism of the group material and the organic metal is 800°C and 1000'C, respectively, the substrate temperature is 400°C.
Even under relatively low temperature growth conditions for GaAs crystal growth, a thin film crystal with few impurities can be obtained, and the present invention is also effective in lowering the substrate temperature during crystal growth.
半導体結晶成長に用いる有機金属ガスの間で分解温度を
比較すると、トリメチルガリウムは熱分解温度が高い0
本実施例にてトリメチルガリウムが有効に分解されてい
ることが′Ia認された。他の有機金属ガスも同様な熱
分解機構で分解し、供給することが可能である。Comparing the decomposition temperatures of organometallic gases used for semiconductor crystal growth, trimethylgallium has a higher thermal decomposition temperature.
It was confirmed that trimethyl gallium was effectively decomposed in this example. Other organometallic gases can also be decomposed and supplied using a similar thermal decomposition mechanism.
(発明の効果)
以上の説明により明らかなように、本発明によれば、有
機金属の熱分解機構を設け、独立して熱エネルギーを供
給することにより有機金属を分解し、分解によって生成
する金属原子を基板に供給することが可能である。しか
して本発明により、半導体薄膜内に取り込まれる炭素不
純物の量を大幅に減少させることができ、良質の半導体
薄膜を低い基板温度で成長することができる効果を有す(Effects of the Invention) As is clear from the above explanation, according to the present invention, an organic metal thermal decomposition mechanism is provided, the organic metal is decomposed by independently supplying thermal energy, and the metal generated by the decomposition is It is possible to supply atoms to the substrate. Therefore, according to the present invention, the amount of carbon impurities incorporated into the semiconductor thin film can be significantly reduced, and a high quality semiconductor thin film can be grown at a low substrate temperature.
第1図は本発明の実施例として用いた、有機金属ガスの
熱分解機構を設けた半導体薄膜気相成長法の装置の概略
図である。
第2図は有機金属ガスの熱分解機構の温度と半導体薄膜
内に含まれる現業不純物濃度との関係を示す。
1・・・・高純度水素ガス供給装置
2・・・・有機金属ガスバブラ
3・・・・恒温層
4・・・・■施水素化物ボンベ
5・・・・流量コントローラ
6・・・・反応器
6a・・・有機金属ガス熱分解機構
6b・・・水素化物熱分解機構
6c・・・圧力計
6d・・・半導体基板加熱機構
7・・・・半導体基板
8・・・・真空排気装置FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus for semiconductor thin film vapor phase epitaxy provided with an organometallic gas thermal decomposition mechanism used as an example of the present invention. FIG. 2 shows the relationship between the temperature of the thermal decomposition mechanism of organometallic gas and the actual impurity concentration contained in the semiconductor thin film. 1... High purity hydrogen gas supply device 2... Organometallic gas bubbler 3... Constant temperature layer 4... ■ Hydrogenation cylinder 5... Flow rate controller 6... Reactor 6a... Organometallic gas pyrolysis mechanism 6b... Hydride pyrolysis mechanism 6c... Pressure gauge 6d... Semiconductor substrate heating mechanism 7... Semiconductor substrate 8... Vacuum exhaust device
Claims (2)
つとして化合物半導体の基板上に薄膜結晶を成長させる
方法において、有機金属原料ガスを熱分解させるための
設備を設け、前記設備によって有機金属ガスを分解して
純粋な金属原分子の形として前記基板表面に供給するこ
とを特徴とする半導体薄膜結晶成長法。(1) In a method of growing a thin film crystal on a compound semiconductor substrate using at least one of the organic metal gases as a raw material in a reaction vessel, equipment for thermally decomposing the organic metal raw material gas is provided, and the organic metal gas is A semiconductor thin film crystal growth method characterized in that gas is decomposed and supplied to the substrate surface in the form of pure metal molecules.
分解機構を設け、水素ガス供給装置は流量コントローラ
を介して有機金属が充填されている有機金属バブラに接
続され、前記有機金属バブラは第一の前記熱分解機構を
介して前記の反応器に接続され、V族水素化物供給装置
は流量コントローラおよび第二の前記熱分解機構を介し
て前記の反応器に接続されていることを特徴とする半導
体薄膜結晶成長装置。(2) A thermal decomposition mechanism is provided in a reactor having an exhaust device and a substrate heating device, and a hydrogen gas supply device is connected to an organometallic bubbler filled with an organic metal via a flow rate controller, and the organometallic bubbler is connected to an organometallic bubbler filled with an organic metal. One of the thermal decomposition mechanisms is connected to the reactor, and the group V hydride supply device is connected to the reactor through a flow controller and a second of the thermal decomposition mechanisms. Semiconductor thin film crystal growth equipment.
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