JPS5826657B2 - ３−５ ゾクカゴウブツハンドウタイエピタキシヤルセキソウケツシヨウノ セイゾウホウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、Ｉ−Ｖ族化合物半導体エピタキシャル積層
結晶の製造方法に関するものである。

Ｉ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置には、複雑な
不純物濃度分布を有する多層構造やきれいな接合界面を
有するエピタキシャル積層結晶を要求するものが多い。

ある半導体装置では急峻に変化する不純物濃度分布を要
求し、またある半導体装置では極めてきれいな接合界面
を得るため種結晶基板に触れることなく瞬時にエツチン
グ状態から成長状態へ切換えさらにまたエツチング状態
へ切換るなと、多種多様の難題が提出されているのが現
状である。

このような要求を満たすためには、通常実施されている
ような製造方法、すなわち、第１図に示すような気相成
長装置を用い、石英製反応管１内の上流域に■族元素を
供給する原料２を収納した原料ボートを、またその下流
域に種結晶基板３を設置し、Ｖ族元素を供給する原料ガ
ス４を流し、ドーピングガスもしくはエツチングガスあ
るいはまたドーピングガスとエツチングガスとを混合し
たガス５を種結晶基板３の近傍上流域に開口するガス導
入管６を通じて導入し、ガス導入管６の上流域に設けた
ガス開閉調節弁９によってガス５を制御する製造方法、
では不都合である。

なぜならば、このような通常の製造方法では、たとえガ
ス開閉調節弁９の制御が理想的に行われ得たとしても、
そうして制御されたガス５が種結晶基板３に到達して有
効に働くまでにかなりの時間遅れを生じ、かつ前記理想
的制御の結果からは遠くかけ離れ著るしく崩れた形で、
種結晶基板に影響を及ぼすようなことになってしまい、
例えば急峻な不純物濃度分布などが実現できなくなるな
どの欠点を除去し得なかったからである。

この発明は、簡便な工夫により、このような欠点を取り
除き、ガス開閉調節弁での制御が忠実に再現し得るよう
にした、■−■族化合物半導体工ピクキシャル積層結晶
の製造方法を提供するものである。

この発明によれば、例えば第２図に示したように、石英
製反応管１１内にその上流側から下流側に向けて貫通す
る石英製ガス導入管１４を設け、しかもこのガス導入管
１４の種結晶基板１３近傍上流域に相当する位置の管壁
の一部に窓１５を開き、さらにこのガス導入管１４のこ
の窓１５よりも上流に合流するキャリアガス１８の量を
制御するガス開閉調節弁１９を設け、このガス開閉調節
弁１９を開けたとき、ガス導入管１４内を流れるドーピ
ングガス１７もしくはエツチングガス１７あるいはまた
ドーピングガスとエツチングガスとを混合したガス１７
の流速が反応管１１内の窓１５付近を流れるソース反応
を経た原料ガスの流速よりも犬となるようにして前記ガ
ス導入管１４内のガス１７が窓１５を通じて反応管１１
内に漏入しないようにし、前記ガス開閉調節弁１９を絞
り込んでいけば、合流するキャリアガス１３の量が減少
しガス導入管１４内を流れるガスの総量が減少するため
ガス１７の流速が減少し、ドーピングガス１７を窓１５
を通じて反応管１１内に漏入して種結晶基板１３上に急
峻な不純物濃度分布を有するドーピング層を形成しもし
くはエツチングガス１７を窓１５を通じて反応管１１内
に漏入して種結晶基板１３表面をエツチングしあるいは
またドーピングガスとエツチングガスとを混合したガス
１７を窓１５を通じて反応管１１内に漏入して極めて急
峻な不純物濃度分布を有するドーピング層を形成する、
■−■族化合物半導体エピタキシャル積層結晶の製造方
法を得る。

すなわち、この発明によれば、ガス開閉調節弁１９を開
けた状態では、ガス導入管１４内を流れるガス１７は、
窓１５の付近での流速が反応管１１内を流れるガス１６
の流速よりも犬であるため圧力は小さく、窓１５を通じ
て反応管１１内へは流出し得ない。

むしろ反応管１１内を流れるガス１６が窓を通じてガス
導入管１４内に流入する。

換言すれば、ガス導入管１４内を常時貫流するドーピン
グガス１７もしくはエツチングガス１７あるいはまたド
ーピングガスとエツチングガスとを混合したガス１７は
、ガス開閉調節弁１９が開いた状態にあっては、何ら種
結晶基板１３に対し有意な影響を与えることはない。

一方ガス開閉調節弁１９を絞り込んでいけば、所望によ
り常時ガス導入管１４を貫流させであるドーピングガス
１７もしくはエツチングガス１７あるいはまたドーピン
グガスとエツチングガスとを混合したガス１７が、窓１
５を通じて反応管１１内に漏れ出るように流入し、所望
の有意な影響を種結晶基板１３に与えることになる。

この発明の最大の利点は、ガス開閉調節弁１９による制
御の結果がすみやかにしかも再現性良く種結晶基板１３
に及ぶことであり、それにより従来は実現困難とされた
複雑な不純物濃度分布を有する多層構造や極めて急峻な
不純物濃度分布あるいはまた極めてきれいな接合界面な
どを容易に実現し組み合わせ得るようになったことであ
る。

以下、具体的な例を挙げてこの発明について説明する。

各実施例について、気相成長装置は第２図に示したもの
を共用するが、これは説明の便宜からであって、他に実
施し得る変形例が存在しないということでは決してない
。

実施例 １ ガス１７にドーピングガスを使用した例；この実施例で
は、■族元素を供給する原料１２としてはガリウム（Ｇ
ａ ）単体を、種結晶基板１３としては砒化ガリウム（
ＧａＡｓ）単結晶ウェハーを、ガス１６としては■族元
素を供給する原料ガスである三塩化砒素（ＡｓＣｔ３）
とキャリアガスである水素（Ｈ２）との混合ガスを、ガ
ス１７としてはドーピングガスである硫化水素（Ｈ２Ｓ
）とキャリアガスである水素（Ｈ２）との混合ガスを、
ガス１７の流速を制御するためガス開閉調節弁１９を通
じて導入するキャリアガス１８としてはＨ２をそれぞれ
使用し、硫黄（Ｓ）を急峻な不純物濃度分布でドーピン
グしたＧａＡｓエピタキシャル成長層を製造する。

いま、石英製ガス導入管１４内を流れるガス１７の流速
は、ガス開閉調節弁１９を開けた状態で、石英製反応管
１１内の窓１５付近を流れるガス１６の流速よりも犬と
しておく。

するとガス導入管１４内の圧力の方が反応管１１内の圧
力よりも小であるため、ガス１７は反応管１１内へは漏
入しない。

ここでガス開閉調節弁１９を階段状に絞り込んでいけば
、窓１５付近の圧力バランスが崩れ、絞り込みの大きさ
に見合っただけのガス１７が反応管１１内に流入して、
種結晶基板１３上に成長しつつあるエピタキシャル成長
層中に不純物Ｓが階段状にドーピングされる。

この場合ガス１７は、常に窓１５付近に存在し、合流す
るキャリアガス１８の量を制御することにより変化する
窓１５付近での流速のみを制御することにより窓１５か
らの漏入が制御されるため、従来の製造方法に比らべて
、ガス導入管上流に設けられたガス開閉調節弁から開口
して終る端部に達するまでに要する時間遅れやガス拡散
等による流量変化の形状の崩れが生ぜず、極めて応答が
良い。

第３図は、合流するキャリアガス（Ｈ２） １８の量に
応じて変化するエピタキシャル成長層中の不純物濃度の
変化の一例を示したものである。

実施例 ２ ガス１７にエツチングガスを使用した例；この実施例で
は、■族元素を供給する原料１２としてはＧａ単体を、
種結晶基板１３としてはＧａＡｓ単結晶ウェハーを、ガ
ス１６としてはＶ族元素を供給する原料ガスであるＡ
ｓ ＣｔｓとキャリアガスであるＨ２との混合ガスを、
ガス１７としてはエツチングガスである塩化水素（’Ｈ
Ｃｔ）とキャリアガスであるＨ２との混合ガスを、ガス
１７の流速を制御するためガス開閉調節弁１９を通じて
導入するキャリアガス１８としてはＨ２をそれぞれ使用
する。

ガス開閉調節弁１９を閉じては種結晶基板１３の表面を
エツチングして清浄にし、ガス開閉調節弁１９をある程
度間いて成長とエツチングとを釣り合わせて成長を中断
し、ガス開閉調節弁１９を一瞬にして全開し所望の成長
速度で即エピクキシャル成長させる、といった制御が極
めて応答良くなし得る。

第４図は、合流するキャリアガス（Ｈ２）１８の量に応
じて変化するエビクキシャル成長速度（−はエツチング
を意味する）変化の一例を示したものである。

もし窓１５付近で比較したガス１６の流速とエツチング
ガス１７の流速とが同じであれば、エツチングガス１７
は反応管１１内には漏入しないから、エビクキシャル成
長速度は＋となる。

実施例 ３ ガス１７にドーピングガスとエツチングガスとを混合し
たガスを使用した例； 実施例１あるいは実施例２を使用して急峻な不純物濃度
分布を有する接合界面の極めてきれいな多層エピタキシ
ャル成長層が得られることは、あらためて説明する必要
もないであろう。

この実施例では、より急峻な、極めて不純物濃度の飛躍
が大きい階段状のエピタキシャル成長層を製造する方法
を説明する。

この実施例のねらいは、実施例１で述べたこの発明の効
果を生かして鋭い階段状のドーピングを行いつつ、実施
例２で述べたこの発明の効果を生かした鋭い階段状のエ
ピタキシャル成長速度低下を併せて実施して、結果とし
て極めて急峻な不純物濃度分布を持ち不純物濃度飛躍が
大きい階段状のエピタキシャル成長層を製造することに
ある。

この実施例では、■族元素を供給する原料１２としては
Ｇａ単体を、種結晶基板１３としてＧａＡｓ単結晶ウェ
ハーを、ガス１６としては■族元素を供給する原料ガス
である。

ＡｓＣｌ２とキャリアガスであるＨ２との混合ガスを、
ガス１７としてはドーピングガスであるＨ２Ｓとエツチ
ングガスであるＨＣｔとキャリアガスであるＨ２との混
合ガスを、ガス１７の流速を制御するためガス開閉調節
弁１９を通じて導入するキャリアガス１８としてはＨ２
はそれぞれ使用する。

ガス開閉調節弁１９による制御機構は実施例１および実
施例２の説明から充分理解し得ると思われるので省略す
る。

第５図に示したのは、この発明の詳細な説明するための
図であり、図中２１はこの実施例３によって得たＧａＡ
ｓエピタキシャル成長層の不純物濃度分布であり、２２
は従来の製造方法を組み合わせ努力して得た結果である
。

以上３つの実施例では、この発明の効果が端的に表現し
得るために、主に階段状の不純物濃度分布を得ようとす
る例を挙げたが、例もこの発明が階段状のものにのみ適
用し得るということではない。

例えば単調増減や任意の形状の不純物濃度分布も容易に
実現し得る。

このときこの発明の利点は、ガス開閉調節弁による制御
の応答が極めて良く、シかもその再現性が極めて良いと
いった形で現われる。

さらにまた以上述べた実施例では、ｍ−ｖ族化合物半導
体としてＧａＡｓのみの例を、またその反応系としても
Ｇａ／Ａ ｓ Ｃｔｓ ／Ｈ２の系でのみ、説明したが
、この発明がこれらの例に限定されるものでないことは
当然である。

他の反応系はもちろん、他の■−■族化合物半導体に適
用し得ることは当然である。

またドーピングガスとしてはもっばらＨ２Ｓのみを用い
たが、他の■族もしくは■族あるいはまた■族元素の単
体ガスや気体状化合物が使用し得ることもまた当然であ
る。

さらにまたエツチングガスとしてもＨＣｔのみではなく
、他の例えばＣｔ２やＡｓＣｔ３やＰＣｔ３などが有用
である例があることもまた当然である。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来の製造方法を説明するための図であり、第
２図はこの発明による典型的な例を説明するための図で
ある。 図中、１および１１は石英製反応管を、２および１２は
■族元素を供給する原料を、３および１３は種結晶基板
を、６はガス導入管を、８および２０は炉を９および１
９はガス開閉調節弁を、１４は窓１５を有するガス導入
管をそれぞれ示す。 第３図は、ガス１７にドーピングガスを使用したときの
、合流するキャリアガス（Ｈ２） １８の量とエピタキ
シャル成長層中の不純物濃度との関係の一例を示す図で
ある。 第４図は、ガス１７にエツチングガスを使用したときの
、合流するキャリアガス（Ｈ２） １８とエピタキシャ
ル成長速度（−はエツチングを意味する）との関係の一
例を示す図である。 第５図は、ガス１７にドーピングガスとエツチングガス
とを混合したガスを使用して、努めて急峻な不純物濃度
分布を得ようとしたときの、従来の製造方法による結果
２２の一例とこの発明による結果の一例２１とを比較し
て示した不純物濃度分布図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 石英製反応管内にその上流側から下流側に向けて貫
   通する石英製ガス導入管を設け、しかもこのガス導入管
   の積結晶基板近傍上流域に相当する位置の管壁の一部に
   窓を開き、さらにこのガス導入管のこの窓よりも上流に
   キャリアガスの合流量を制御するガス開閉調節弁を設け
   、このガス開閉調節弁を開けたときガス導入管内を流れ
   るドーピングガスもしくはエツチングガスあるいはまた
   ドーピングガスとエツチングガスとを混合したガスの流
   速が反応管内を流れるソース反応を経た原料ガスの流速
   よりも犬となるようにして前記ガス導入管内のガスが窓
   を通じて反応管内に漏入しないようにし、前記ガス開閉
   調節弁を絞って流速を落しては、ドーピングガスを窓を
   通じて反応管内に漏入して種結晶基板上にドーピング層
   を形成しもしくはエツチングガスを窓を通じて反応管内
   に漏入して種結晶基板表面をエツチングしあるいはまた
   ドーピングガスとエツチングガスとを混合したガスを窓
   を通じて原応管内に漏入してドーピング層を形成するＩ
   −Ｖ族化合物半導体エピタキシャル積層結晶の製造方法
   。