JPH0689860A - 半導体結晶成長方法および分子線エピタクシー装置 - Google Patents

半導体結晶成長方法および分子線エピタクシー装置

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JPH0689860A
JPH0689860A JP13497692A JP13497692A JPH0689860A JP H0689860 A JPH0689860 A JP H0689860A JP 13497692 A JP13497692 A JP 13497692A JP 13497692 A JP13497692 A JP 13497692A JP H0689860 A JPH0689860 A JP H0689860A
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JP
Japan
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growth
shutter
main shutter
crystal growth
semiconductor crystal
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JP13497692A
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Mitsunori Sugimoto
満則 杉本
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NEC Corp
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NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 絶対膜厚制御性の優れた半導体結晶成長方法
を提供することにある。 【構成】 MBEによるGaAs結晶成長工程におい
て、図2(a)に示すように、メインシャッター16を
用いて成長中断を行う。その後、図2(b)に示すよう
に、GaAsの成長を開始して、RHEED振動測定を
行う。このときに、メインシャッター16は、Gaシャ
ッター4およびAsシャッター7から50mm以上離れ
ているために、メインシャッター16を開けたときのG
aビーム5のビーム強度変動はほとんど無い。このた
め、RHEED振動測定によって、正確に成長速度を測
定でき、絶対膜厚制御性に優れた結晶成長が実現でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体の結晶成長方
法、特に3−5族半導体の結晶成長方法、およびそれに
用いる分子線エピタクシー(MBE)装置に関する。
【0002】
【従来の技術】MBEによる結晶成長方法は、超薄膜を
制限性良く結晶成長出来るため、量子井戸レーザや高移
動度トランジスタなどに用いられる結晶の成長に広く用
いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
MBE法では、一枚のウェハーの結晶成長では、精密に
膜厚を制御出来るものの、RUN to RUNでの絶
対膜厚の制御性は、必ずしも良好ではなかった。例え
ば、GaAsの化合物半導体の結晶成長の例では、絶対
膜厚は2−3%程度のばらつきが、どうしてもでてしま
う欠点があった。従来のMBEによる結晶成長において
は、通常、所望の成長の前に、材料となるビーム強度を
イオンゲージによって測定して成長速度を補正してい
る。しかしながら、イオンゲージによる測定は、その日
によって、イオンゲージコントローラのアンプゲイン
や、イオンゲージの測定場所のばらつきによって、測定
結果に2〜3%のばらつきがでる。このため、成長速度
を測定精度が、成長膜厚のばらつきとなって、2〜3%
の膜厚のばらつきがでていた。
【0004】ほかの方法としては、高速反射電子線回折
(RHEED)を用いる方法がある。すなわち、MBE
による結晶成長中に、RHEED測定を行うと、電子線
の回折強度が時間とともに周期的に変動し、それが1原
子層の堆積速度に対応していることから知られている。
このような、RHEEDの回折強度変化をRHEED振
動と呼んでいる。そこで、成長の初期段階において、こ
のRHEED振動を測定することによって、成長速度を
正確に知ることが出来る。しかしながら、通常のMBE
成長では、RHEED振動を再現性良く測定するには、
成長中断を行うことが必要である。ここでの成長中断と
は、例えば、GaAsでの成長では、蒸気圧の大きくて
蒸発し易いAs脱離を防ぐために、成長温度に保存した
ままAsビームを基板に当てる一方、Gaビームを遮断
して、GaAsの成長を中断している状態を言う。この
ような、成長中断を行った後、RHEED振動測定を行
うには、Gaシャッターを開けて、GaとAsビームを
基板に当てて成長を再開して、そのときの電子線回折強
度変化を観測すれば良い。
【0005】しかしながら、Gaなどのビームを遮断す
るために通常のセルシャッターを用いると、シャッター
開閉時にビーム強度が2〜10%程度変動する現象(こ
れをシャッター過渡応答と呼ぶ)があり、正確な成長速
度を測ることがむずかしい問題があった。そこで、本発
明の目的は、このようなRHEED振動測定を正確に行
うことが出来、成長速度を正確に測定できるため、絶対
膜厚制御性を優れた半導体結晶成長方法およびMBE成
長方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の半導体結
晶成長方法では、少なくとも2つ以上の材料ビームを遮
断できるメインシャッターを閉めて成長中断する工程
と、この成長中断後に前記メインシャッターを開けて成
長を開始する工程と、この成長開始時の高速電子線回折
強度変化を測定することによって、成長速度を測定する
工程を備えることを特徴とする。
【0007】本発明の第2の半導体結晶成長方法では、
少なくとも2つ以上の材料ビームを遮断でき、かつ5族
元素材料ビームが通過できるメインシャッターを閉めて
成長中断する工程と、この成長中断後に前記メインシャ
ッターを開けて3−5族半導体の成長を開始する工程
と、この成長開始時の高速電子線回折強度変化を測定す
ることによって、成長速度を測定する工程を備えること
を特徴とする。
【0008】本発明の分子線エピタクシー装置では、3
−5族半導体を結晶成長できる分子線エピタクシーであ
り、少なくとも2つ以上の材料ビームを遮断でき、かつ
5族ビームが通過できるメインシャッターを備えること
を特徴とする。
【0009】
【作用】発明が解決しようとする課題の項で述べたよう
に、従来のMBEにおける成長速度測定の方法として
は、ビーム強度をイオンゲージによって測定する方法
と、RHEED振動測定の方法の2種類がある。しかし
ながら、イオンゲージによる測定は、その日によって、
イオンゲージコントローラのアンプゲインや、イオンゲ
ージの測定場所のばらつきによって、測定結果に2〜3
%のばらつきがでる。また、RHEED振動測定では、
シャッター開閉時に、ビーム強度が2〜10%程度変動
するシャッターの過渡応答と呼ばれる現象があり、正確
に成長速度を測定することが出来なかった。
【0010】そこで、本発明の方法では、メインシャッ
ターを利用する方法を、新たに開発した。すなわち、上
述のシャッターの過渡応答では、シャッターと蒸発源セ
ルが近いために、シャッターを閉じたときにシャッター
板での輻射で材料の温度が上昇してしまうことが原因で
あった。そこで、本発明では、メインシャッターを利用
して、成長を中断して、RHEED振動測定を行ってい
る。メインシャッターは、全ての材料ビームを遮断する
ために、通常、セルシャッターと基板の中間に配置され
ている。そのために、メインシャッターと、蒸発源セル
の間隔は、50mm以上に離れて配置されているため、
メインシャッターを閉じても、蒸発源セルの温度上昇が
ないために、上述のシャッターの過渡応答の問題は無
い。そのため、シャッターの過渡応答の影響を受けるこ
と無く、正確にRHEED振動測定できるため、正確に
成長速度を測定できて、絶対膜厚制御性に優れた、半導
体結晶成長が実現できる。
【0011】
【実施例】次に本発明の実施例について図面を用いて詳
細に説明する。
【0012】図1は、図2は、本発明の第1の実施例の
GaAs結晶の成長方法における工程図である。図中、
1は基板ホルダー、2はGaAsダミー基板、3はG
a、4はGaシャッター、5はGaビーム、6はAs、
7はAsシャッター、8はAsビームである、9はヒー
タ、10はRHEED電子線、11は蛍光スクリーン、
12はレンズ、13はフォトダイオード、14はレコー
ダ、15はMBEチェンバー、16はメインシャッター
である。このメインシャッター16は、Gaシャッター
4やAsシャッター7から充分離れて(>50mm)配
置されているために、メインシャッター16の開閉時の
ビーム強度の変動(シャッターの過渡応答)はほとんど
無い。(<1%)。
【0013】図1において、第1の実施例の結晶成長方
法におけるRHEED振動測定を説明する。まず、図1
(a)に示すように、GaAs基板2をヒータ9上に設
置して、Asビーム8を照射しながら、GaAs基板2
を昇温加熱する。630℃以上加熱すると、表面酸化膜
が蒸発して、清浄表面を有するGaAs基板2が得られ
る。
【0014】次に図1(b)に示すように、Gaシャッ
ター4を開けて、GaAsの成長を開始する。このとき
に、所定の成長温度にGaAs基板2の温度を設定す
る。GaAsの成長を少なくとも3分間以上行うことに
よって、Gaシャッター4によるGaビーム5のビーム
強度変動が収束する。
【0015】しかる後に、図2(a)に示すように、メ
インシャッター16を閉じて、成長中断を行う。この成
長中断は、通常Asビーム8を照射しながら行うのが普
通であるが、本実施例では、メインシャッターを用いて
成長中断を行うために、Asビーム8も遮断することと
なる。このため、As欠乏による表面荒れを防ぐため、
余り長時間(>30秒)の成長中断は好ましくない。そ
こで、メインシャッター16による成長中断は、10〜
30秒程度行う。
【0016】次に、図2(b)に示すように、メインシ
ャッター16を開けて、GaAsの成長を再生する。こ
のときに、メインシャッター16は、Gaシャッター5
やAsシャッター7から50mm以上離れているため
に、メインシャッター16を開けたときのGaビーム4
のビーム強度変動はほとんど無い。そのため、シャッタ
ーの過渡応答の影響を受けること無く、正確にGaAs
の成長速度をRHEED振動測定から行うことが出来
る。
【0017】図3、図4は、本発明の第2の実施例の結
晶成長方法の工程図である。第2の実施例は、第1の実
施例とほとんど同じであり、途中の工程までは同じであ
るが、As用開口部18を有するメインシャッター17
を用いる点が異なる。このため、図4(a)における、
メインシャッター17による成長中断では、第1の実施
例のようなAsの遮断が起きないため、成長中断を長時
間行っても表面荒れが生じにくく、成長中断による表面
平坦化が促進される。そのため、RHEED振動が長時
間にわたって観測され易くなり、RHEED振動の周期
測定による成長速度測定精度が向上する。
【0018】図5は、本発明の第3の実施例の分子線エ
ピタクシー装置の摸式図である。通常、メインシャッタ
ー17上では、図5に示すように、ビーム同士の重なり
が生じている。従って、Gaビーム5のみを遮断するこ
とは、通常の平面たけで構成されたメインシャッター板
では困難である。そこで、図5のメインシャッター17
では、Gaビーム3を遮断するシールド19とAs用開
口部18を設けて、Gaビーム3は遮断して、Asビー
ム8は通過する構成となっている。このような工夫によ
って、第2の実施例におけるメインシャッター17によ
る成長中断をAs照射を行いながら実現できる。この実
施例では、Gaビーム5との重なりについてのみ検討し
たが、Asビーム8と、例えばAlなどのほかのビーム
との重なりもある場合には、シールド19のほかにさら
にもう1枚のシールドを追加する必要がある。
【0019】図6に第4の実施例におけるMBE結晶装
置の模式図を示す。これは、第3の実施例と同様に、メ
インシャッター17上でのビームの重なりを排出して、
Asビーム8のみを通過できる工夫をしたメインシャッ
ター17の構造を示している。ここでは、ブラインド状
のシールド19と、As通過用スリット20を設置して
Gaビーム3を遮断している。この実施例では、多数
の、小さいシールド19を用いるため、第3の実施例に
比べて、小型に出来る利点がある。このため、ほかのセ
ルシャッターにぶつかるなどの問題が少なく実用的であ
る。
【0020】以上の実施例では、GaAsの成長速度の
測定を行ったがこれに限らず、AlGaAsやほかの半
導体、GaInP、InP、SiなどのMBE成長に
も、本発明は適用可能である。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、シャッターの過渡応答
の影響無しにRHEED振動測定が出来るために成長速
度を精度よく測定できて、絶対膜厚の制御性がよい半導
体の結晶成長が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の半導体結晶成長方法の
工程図である。
【図2】本発明の第1の実施例の半導体結晶成長方法の
工程図である。
【図3】本発明の第2の実施例の半導体結晶成長方法の
工程図である。
【図4】本発明の第2の実施例の半導体結晶成長方法の
工程図である。
【図5】本発明の第3の実施例の分子線エピタクシー装
置の模式図である。
【図6】本発明の第4の実施例の分子線エピタクシー装
置の模式図である。
【符号の説明】
1 基板ホルダー 2 GaAs基板 3 Ga 4 Gaシャッター 5 Gaビーム 6 As 7 Asシャッター 8 Asビーム 9 ヒータ 10 RHEED電子線 11 蛍光スクリーン 12 レンズ 13 フォトダイオード 14 レコーダ 15 MBEチェンバー 16 メインシャッター 17 メインシャッター 18 As用開口部 19 シールド 20 As通過用スリット 21 メインシャッター軸

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分子線エピタクシー装置を用いる半導体
    結晶成長方法において、少なくとも2つ以上の材料ビー
    ムを遮断できるメインシャッターを閉めて成長中断する
    工程と、この成長中断後に前記メインシャッターを開け
    て成長を開始する工程と、この成長開始時の高速電子線
    回折強化変化を測定することによって、成長速度を測定
    する工程を備えることを特徴とする半導体結晶成長方
    法。
  2. 【請求項2】 分子線エピタクシー装置を用いる半導体
    結晶成長方法において、少なくとも2つ以上の材料ビー
    ムを遮断でき、かつ5族元素材料ビームが通過できるメ
    インシャッターを閉めて成長中断する工程と、この成長
    中断後に前記メインシャッターを開けて3−5族半導体
    の成長開始する工程と、この成長開始時の高速電子線回
    折強度変化を測定することによって、成長速度を測定す
    る工程を備えることを特徴とする半導体結晶成長方法。
  3. 【請求項3】 3−5族化合物半導体結晶成長に用い
    る、分子線エピタクシー装置において、少なくとも2つ
    以上の材料ビームを遮断でき、かつ5族ビームが通過で
    きるメインシャッターを備えることを特徴とする分子線
    エピタクシー装置。
JP13497692A 1992-05-27 1992-05-27 半導体結晶成長方法および分子線エピタクシー装置 Withdrawn JPH0689860A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5582646A (en) * 1994-10-21 1996-12-10 J.A. Woollam Co. Inc. Ellipsometer/polarimeter based process monitor and control system suitable for simultaneous retrofit on molecular beam epitaxy system RHEED/LEED interface system, and method of use
CN100388424C (zh) * 2003-08-25 2008-05-14 夏普株式会社 分子束外延生长设备和控制它的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5582646A (en) * 1994-10-21 1996-12-10 J.A. Woollam Co. Inc. Ellipsometer/polarimeter based process monitor and control system suitable for simultaneous retrofit on molecular beam epitaxy system RHEED/LEED interface system, and method of use
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