JPH0688871B2 - 化学ビ−ム堆積法 - Google Patents

化学ビ−ム堆積法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は半導体層の堆積に係る。
発明の背景 半導体材料のエピタキシヤル堆積層は、高速デバイス技
術において、重要な役割りを果している。特に、ガリウ
ムひ素、ガリウムリン、インジウム・ガリウムひ素、イ
ンジウム・ガリウムひ素リン及びガリウムひ素リン等の
III-V材料はたとえば高速電子及び光−電子デバイスの
ようなデバイスにおいて、現在特に関心がもたれてい
る。適当な基板上にそのような層を堆積させるために提
案された各種の方法には、液相エピタキシー（LPE）及
び気相エピタキシー（VPE）として知られる方法が含ま
れ、後者は分子ビームエピタキシー（MBE）として知ら
れる方法のように、高真空の条件下で用いられる時、特
に高品質層を堆積させるのに適していると考えられてい
る。
MBE堆積層の品質は模範的であるが、プロセス価格を下
げたいという希望を大きな動機として、別の堆積方法が
提案されてきた。この点に関して、たとえばL.M.Fraas
（エル・エム・フラス）、“新しい低温III-V多層成長
技術：真空有機金属化学気相堆積”ジヤーナル・オブ・
アプライド・フイジツクス（Journal of Applied Physi
cs）第52巻，（1981）6936−6942頁，イー・ベーホフ
（E.Veuhoff）ら，“分子ビームシステム中でのGaAsの
有機金属CVD"ジヤーナル・オブ・クリスタル・グロウス
（Journal of Crystal Growth）第55巻，（1981）,30−
34頁に報告されているように、いわゆる有機金属ガスを
出発材料として用いることが、研究されてきた。
発明の要約 具体的にはIV族、III-V、II-VI及びIV-VI層のような半
導体エピタキシヤル層の産業的な生産を容易にするとい
う点において、堆積には高真空条件下でキヤリヤガスを
用いることが含まれる。出発材料としては、たとえばト
リメチル又はトリエチルガリウム、トリメチル又はトリ
エチルインジウム、ジメチル又はジエチルカドミウム及
びジメチル又はジエチルエルリウム、トリエチルフオス
フイン、トリメチルアルシンのような有機金属化合物の
ごとき化合物があり、無機化合物の中ではシラン、硫化
水素、フオスフイン及びアルシンが特に適していると考
えられている。
図面の簡単な説明 第１図は本発明を実施するのに使用できるエピタキシヤ
ル堆積システムを概略的に示す図、 第２図はトリメチルガリウムの異なる流速におけるガリ
ウムひ素の成長中の、基板温度の関数として成長速度を
ダイヤフラム的に示す図である。
詳細な説明 第１図は真空室（１）、冷却されたシユラウド（２）、
反射高エネルギー電子回折（RHEED）ガン（３）及びス
クリーン（４）、残留ガス分折機（５）、蒸発炉
（６）、基板ホルダ（７）、基板（８）、精密電子マス
フローメータ（９）、バルブ（10）及びシヤツタ（11）
を示す。
堆積中真空室圧力は10-2torr以下が好ましく、典型的な
場合には磁気的に保持されたターボモレキユラーポンプ
及びヘリウムクライオポンプにより保たれるような約５
×10-4torr以下が好ましい。一般に、圧力は分子が基板
の方へ本質的に照準線のように移動するよう、十分低
い、すなわち平均自由行程（他の分子と衝突する間に分
子が移動する距離）が入力点と基板間の距離より大き
い。
インジウム及びガリウムは典型的な場合、有機金属化合
物の熱分解により、加熱された基板において、直接生成
される。ひ素及びリンは化合物がタンタル又はモリブデ
ンで緩衝した加熱されたアルミニウム管を通すとき、そ
の熱分解により生じる。III族アルキルはたとえば水
素、窒素、ネオン、ヘリウム又はアルゴンのようなキヤ
リヤガスと混合するのが好ましい。水素及び窒素は計量
して制御することの容易さに加え、堆積層の品質がそれ
らを用いることにより高まるために好ましい。少なくと
も毎秒1013原子／cm2で基板に到達するようなキヤリヤ
ガス流が好ましく、より典型的には、そのような到達速
度は少なくとも毎秒1015原子／cm2である。
キヤリヤガスを用いるにもかかわらず、反応物は基板の
方向へ本質的に照準線のように移動し、従つてたとえば
弁で調節している間、過渡状態の流れの効果を減すた
め、機械的なシヤツタを用いることの効果がある。この
ようにして、急激な組成の変化と超薄膜層の堆積が実現
される。
有機ガス源に加え、たとえばIII族、Ｖ族及びドーパン
トのような濃縮した成分を含む噴出セルも使用できる。
現在はIII-V材料に関して強い関心がもたれているが、
その方法はシリコン、ゲルマニウム、たとえば水銀カド
ミウムテルルのようなII-VI材料及びたとえば鉛スズテ
ルルのようなIV-VI材料の堆積にも更に適用される。
この系における成長の運動学は、第２図を参照すること
により認識できる。この図は二つの異なる流速でのトリ
エチルガリウム（TEGa）の基板温度の関数として、ガリ
ウムひ素の成長速度を示す。第２図から成長速度はある
一点までのみ基板温度とともに増加し、その後そのよう
な速度は一定のままであることが明らかである。そのよ
うな関数の関係は、成長速度は最終的には、停滞境界層
が存在せず分子が照準線的に到達するのに従い、基板表
面にIII族アルキル分子が到達する速度により制限され
るということで説明できる。
例 各目上の組成In0.53Ga0.47Asをもつ層を、InP基板上に
成長させた。トリメチルインジウム及びトリエチルガリ
ウムをIII族源として、トリメチルアルシンをAs源とし
て用いた。基板直径は3.8センチメートルであつた。ト
リメチルインジウム及びトリエチルガリウムを輸送する
ために、パラジウム−拡散水素をキヤリヤガスとして用
いた。キヤリヤガスには液体のトリメチルインジウム及
びトリエチルガリウムを通してバブルさせることにより
混合し、一方各容器は37℃及び35℃の温度に保たれた。
水素及びトリメチルインジウムの全圧力及び水素とトリ
エチルガリウムの全圧力は、圧力を感じ帰還バルブを制
御することにより、制御され一定に保たれた。これらガ
ス混合物の流速は別の精密電子マスフローコントローラ
により制御した。トリメチルアルシンはクラツカ炉に供
給する前に、１対13の比で水素ガスを混合した。III族
及びＶ族アルキル用には別の蒸発炉を用いた。成長温度
は約500℃に一定に保ち、１時間当り約３ミクロンの成
長速度が観測された。堆積した層の厚さは約２ミクロン
であつた。構造的な完全性と層の組成的な均一性を証明
するために、Ｘ線回折を用い、狭い線幅で証明された。
格子不整を測定するため二結晶Ｘ線回折を用いたが、0.
001より小さな相対的不整が再現性よく得られた。層の
表面をノマルスキ位相差顕微鏡で調べたが、特に何の形
状もみられない鏡状の表面が、ウエハ全体に渡つて観測
された。層の光学的品質を室温のフオトルミネセンスに
より評価した。励起は波長4880オングストロームのアル
ゴンレーザから１平方センチメートル当り2.5ワツトで
行つた。
層の電気的品質は標準的なフアン・デア・パウ法によ
り、室温でのホール移動度測定により調べた。電子濃度
は１立方センチメートル当り約７×1015で、300°Ｋで
の電子移動度は毎秒約9000cm2/Vであることがわかつ
た。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルキル基を有する化合物の少なくとも１
    種の分子化合物を有するビームを基板面に露呈し、 かつ該基板は高真空雰囲気中で加熱され、 該アルキル基を有する分子がキヤリヤガス中で基板の近
    傍まで導かれることにより基板上に半導体材料の層をエ
    ピタキシャル成長させつつ堆積することにより半導体デ
    バイスを製造するための化学ビーム堆積法。
  2. 【請求項２】前記キヤリアガスは水素、窒素、ネオン、
    ヘリウム及びアルゴンからなる類から選択された１乃至
    いくつかのガスから実質的に構成される請求の範囲第１
    項記載の化学ビーム堆積法。
  3. 【請求項３】前記キヤリアガスは1013原子／平方センチ
    メートル（atoms/cm2）より大きいか等しい速度で前記
    基板に到達するようにされた請求の範囲第１項記載の化
    学ビーム堆積法。
  4. 【請求項４】前記真空雰囲気により前記分子が飛び出す
    源である共通の初期物質と前記基板間との距離より大き
    な前記分子の平均自由行程が得られるようにされた請求
    の範囲第１項記載の化学ビーム堆積法。
  5. 【請求項５】前記高真空雰囲気は10-2トール（torr）以
    下である請求の範囲第４項記載の化学ビーム堆積法。
  6. 【請求項６】さらに前記共通の初期物質と前記基板間の
    通路中に機械的シャッタを置く行程を含む請求の範囲第
    ４項記載の化学ビーム堆積法。
  7. 【請求項７】前記初期物質は有機金属化合物である請求
    の範囲第１項記載の化学ビーム堆積法。
  8. 【請求項８】前記半導体材料はIII-V族の材料である請
    求の範囲第１項記載の化学ビーム堆積法。
  9. 【請求項９】前記半導体材料はII-VI族の材料である請
    求の範囲第１項記載の化学ビーム堆積法。
  10. 【請求項１０】前記半導体材料はIV-VI族の材料である
    請求の範囲第１項記載の化学ビーム堆積法。
  11. 【請求項１１】前記半導体材料はIV族の材料である請求
    の範囲第１項記載の化学ビーム堆積法。
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