JPS6134924A

JPS6134924A - 半導体結晶成長装置

Info

Publication number: JPS6134924A
Application number: JP15397484A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Hitoshi Abe; 仁志阿部
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1984-07-26
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1986-02-19
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: JP2577542B2

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】［発明の技術分野］本発明は半導体の単結晶成長層を単分子層オーダーで形
成するのに好適な半導体結晶成長装置に関する。

［先行技術とその問題点］従来から半導体の薄膜結晶を得るための気相エピタキシ
ー技術として、有機金属気相成長法（以下、　ＭＯ−Ｃ
ＶＤ法と呼ぶ）、分子線エピタキシー法（以下、ＭＢＥ
法と呼ぶ）、原子層エピタキシー法（以下、ＡＬＥ法と
呼ぶ）などが知られている。しかし、ＭＯ−ＣＶＤ法は
ソースとして■族、Ｖ族元素を水素ガス等をキャリアと
して、同時に反応室へ導入し、熱分解によって成長させ
るため、成長層の品質が悪い。また、単分子層オーダー
の制御が困難である等の欠点がある。

一方、超高真空を利用した結晶成長法としてよく知られ
るＭＢＥ法は、物理吸着を第一段階とするために、結晶
の品質は化学反応を利用した気相成長法に劣る。ＧａＡ
ｓのような■−■族間の化合物半導体を成長する時には
、■族、■族元素をソースとして用い、ソース源自体を
成長室の中に設置している。このため、ソース源を加熱
して得られる放出ガスと蒸発量の制御、および、ソース
の補給が困難であり、成長速度を長時間一定に保つこと
が困難である。また、蒸発物の排気なン真空装置が複雑
になる。更には、化合物半導体の化学量論的組成（スト
イキオメトリ−）を精密に制御することが困難で、結局
、高品質の結晶を得ることができない欠点がある。

更にＡＬＥ法は、Ｔ、５ｕｎｔｏｌａらがＵ、Ｓ、Ｐ、
　Ｎα４０５８４３０（１９７７）で説明しているよう
に、　ＭＢＥ法を改良し半導体元素のそれぞれをパルス
状に交互に供給し、単原子層を基板に交互に付着させ、
薄膜を原子層ずつ成長させるもので、ｊ！子層の精度で
膜厚を制御できる利点があるが、ＭＢＥ法の延長であり
ＭＢＥと同様に結晶性が良くない。また成長した薄膜も
ＣｄＴｅ、　ＺｎＴｅ等のｎ−ＩＶ族化合物半導体に限
られ、現在超ＬＳＩ等の半導体装置の主力であるＳｉや
ＧａＡｓに関しては成功していない。ＡＬＥを改良して
分子層を吸着し、表面での化学反応を利用した成長も試
みられてはいるがＺｎＳの多結晶Ｔａ　２０　ｓのアモ
ルファスの薄膜の成長であり単結晶成長技術とはなって
いない。

このように従来の結晶成長法では、いずれも高品質の結
晶膜を得ることが困難な上、その膜厚を所望の値に制御
することは容易なことではなかった。

［発明の目的］本発明は上記従来の欠点を除き、結晶成長層の品質を改
善すると共に、単分子層オーダーの精度で所望膜厚の結
晶成長層を形成することのできる半導体結晶成長装置を
提供することを目的とする。

［発明の概要コこのため、本発明は超高真空に排気した成長槽内で基板
を加熱し、その基板上に成長させたい成分元素を含むガ
スを所定の条件で導入することにより単分子層ずつエピ
タキシャル成長させると共に、その成長回数を制御する
ことにより単分子層オーダーの精度で所定膜厚の結晶層
が形成できるようにしたものである。

［発明の実施例］第１図は本発明の一実施例に係る半導体結晶成長装置の
構成図を示したもので、１は成長槽で材質はステンレス
等の金属、２はゲートバルブ、３は成長槽１内を超高真
空に排気するための排気装置、４．５は■−■族化合物
半導体の■族、■族の成分元素のガス状の化合物を導入
するノズル、６，７はノズル４，５を開閉するバルブ、
８は■族は成分元素を含むガス状の化合物、９は■族の
成分元素を含むガス状の化合物、１０は基板加熱用のヒ
ーターで石英ガラスに封入したタングステン（Ｗ）線で
あり、電線等は図示省略している。１１は測温用の熱電
対、１２は半導体の基板、１３は成長槽内の真空度を測
るための圧力計である。また、１４は光源、１５は光源
からの光を基板１２に導くための窓である。更に１６゜
１７は前記バルブ６．７を開閉する圧縮空気の流れを制
御する電磁弁、１８はその電磁弁１６．１７をＯＮ、Ｏ
ＦＦ制御するマイコン使用の制御装置、１９はバルブ開
閉数を表示する表示装置である。

以上の構成で、ＧａＡｓの分子層を一層ずつ基板１２上
にエピタキシャル成長させる方法は、以下のように実施
する。即ち、ゲートバルブ２を開けて超高真空排気装置
３により、成長槽１内を１０−７〜１０−　”　Ｐａ５
ｃａｌ（以下、　Ｐａと略す）程度に排出する。

次に、ＧａＡｓ基板１２を例えば３００−８００’Ｃ程
度ヒーター１０により加熱し、Ｇａを含むガスとしてＴ
ＭＧ（トリメチルガリウム）８を成長槽１内の圧力が、
１０−１〜１Ｏ−７Ｐａになる範囲で、０．５〜１０秒
間バルブ６を開けて導入する。その後、バルブ６を閉じ
て成長槽１内のガスを排出後、今度はＡｓを含むガスと
してＡｓＨ３９を成長槽１内の圧力が１０−１〜１Ｏ−
７Ｐａとなる範囲で２〜２００秒間バルブ７を開けて導
入する。

これにより、　ＧａＡｓの結晶が少なくとも１分子層成
長できる。

この場合、基板１２の加熱と共に、光源１４から紫外線
を基板１２に照射するようにすれば、成長温度を４００
℃以下に低下させることができると共に。

結晶品質が改善される。

このように、成長槽１内の圧力、基板１２の温度、光源
４の強度、バルブ６．７の開閉時間を所定の値に設定し
て、エピタキシャル成長動作させれば、常に同じ厚さの
ＧａＡｓ結晶１分子層が形成できる。従って、その動作
回数を監視し、所定回数単分子層を繰り返し成長させれ
ば、所望の厚さのＧａＡｓのエピタキシャル成長層を単
分子層の精度で成長させることができる。

第２図はその実験例を示したもので、導入ガスとして、
ＴＭＧとＡｓＨｓを用いた時の成長温度６００℃でのＴ
ＭＧとＡＳＨ３を交互に導入する回数と、ＧａＡｓエピ
タキシャル成長層の膜厚の関係図である。例えば−、ガ
ス８，９を４００回交互に導入したときの成長層膜厚は
２ｏｏｏＡで、２０００回および４０００回の導入では
１μｍおよび２μｍであった。このように、ガス導入回
数即ちバルブ開閉回数と成長膜厚との関係は非常によい
直線性を示す。従って、バルブ開閉回数を制御すること
により、成長層膜厚を制御することができることが確認
できた。

第１図の電磁弁１６．１７および制御装置１８はそのバ
ルブ開閉回数を制御することにより、成長層膜厚を制御
するためのものである。制御装置１８には成長させたい
膜厚に応じてバルブ６．７の開閉回数Ｎ。

と、開閉時間即ちガス８導入時間τ１、ガス８排気時間
τ２）ガス９導入時間τ３、ガス９排気時間で４を予め
セットしておく。

制御装置１８は、クロックパルス発生器、各種カウンタ
記能、レジスタ機能を備え、制御動作を開始させると、
第３図に示す処理手順に従って、第４図に示すタイミン
グでバルブ６．７を開閉制御する。

即ち、第３図に示すように、制御装置１８は内部の各種
カウンタ、レジスタ類を初期化したのち（１００）、第
４図に示すように時刻ｔ１にてＯＮ信号を電磁弁１６に
与え、バルブ６をＯＮする。また、計時カウンタ（τ）
を一旦リセットしたのち、再び計時カウント動作を開始
させる（１０１）。これにより、基板１２上にはガス８
が導入される。その導入時間即ち計時カウンタのカウン
ト値τがτ１に達したとき（１０２）、時刻Ｌ２にてバ
ルブ６をＯＦＦ　Ｌ、、成長槽１に導入されたガス８を
排気する。また、計数カウンタ（τ）を一旦リセットし
たのち、再びカウンタ動作を開始させる（１０３）。排
気時間τ２径過後（１０４）、時刻Ｌ３にてバルブ７を
ＯＮする。また、上記同様にして計時カウンタを再スタ
ートさせる（１０５）。これにより、今度はガス９が基
板１２上に導入される。その導入時間でがτ３に達した
とき（１０６）、時刻Ｌ４にてバルブ７をＯＦＦ　Ｌ　
、成長槽１内のガスを排気する。また、計時カウンタを
再スタートさせる（１０７）。排気時間τ４経過後（１
０８）、開閉カウンタの値Ｎを＋１してバルブ６．７の
開閉数をカウントする（１０９）。制御装置１８の以上
の動作によって基板１２上には前述したよう・にＧａＡ
ｓ１分子層が形成されることになる。続いて、そのカウ
ント値Ｎが規定回数ＮＯに達したか否かを判断しく１１
０）、まだ規定回数に達していなければ、上記一連の動
作を繰り返し、ＧａＡｓの２層目を形成する。このよう
な動作を繰り返し、基板１２上にＧａＡｓがＮｏ層形成
されれば、成長動作を終了する。これにより、基板１２
上には所望の厚さのＧａＡｓが単分子層の精度で自動的
に形成される。また、制御装置１８は上記一連の制御動
作を行なっている際中に、バルブ開閉数Ｎを刻々表示装
置１９上に表示する。従って、半導体製作技術者は、こ
の表示を見て結晶成長の進行状態を把握することができ
る。

尚、Ｇａを含む原料ガスとしてはＴＥＧ、ＺＥＧａＣ，
Ｑ、ＧａＢｒ　３、ＧａＩ　ｓ　、　ＧａＣＱ　ｓのよ
うなものでもよい。

光照射は成長中連続して行なってもよいし、断続的でも
よい。光源は高圧水銀ランプ、キセノンランプのような
ランプに限らすエキシマレーザ−のようなレーザーでも
よい。

また、上記実施例においては、結晶成長させる半導体は
ＧａＡｓの場合を例にとり説明してきたが、本発明はこ
れに限らず、ＩｎＰ、ＡＱＰ、　ＧａＰ等、他の■−ｖ
族化合物、あるいはＩＩ−Ｖｌ族化合物でも同様にして
実施し得ることは言う迄もない。更には、Ｇａ１−ｘＡ
ＱｘＡｓ、Ｇａｔ　　ｘＡＱｘＡｓ＋−ｙＰｙ等の混晶
でもよい。また、基板もＧａＡｓに限らず、他の化合物
基板に成長させるヘテロエピタキシャル成長等でもよい
。また更に、半導体は■族のような元素半導体でもよい
。この元素半導体がＳｉの場合は反応性ガスとして５ｉ
ＣＱ４　、５ｉＨＣＱ３−５Ｎ（２ＣＱ　２のような塩
化物とＨ２ガスの組み合せによって結晶成長を行なうこ
とができる。

また、上記実施例では基板１２の加熱源を成長槽１内部
に設けた例について示したが、加熱源として赤外線ラン
プ等を用い成長槽１の外部に設置し、光学窓を通して基
板１２に熱線を照射し加熱するようにしてもよい。

［発明の効果コ以上のような本発明によれば、一層ずつ成長できること
、化学量論的組成を満たすことが容易で良質な結晶を得
ることができること、不純物の添加を一層ずつ行なうこ
とができるので非常に急峻は不純物密度分布を得ること
ができることの他、所望の厚さのエピタキシャル成長層
を単分子層の精度で得ることができることから、高品質
の半導体デバイスが自動的に製造できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る半導体結晶成長装置の構
成図、第２図は第１図におけるバルブ回数と成長膜厚と
の関係図、第３図は第１図の制御装置の処理動作の流れ
図、第４図は第１図のガス導入タイミング図である。１・・・成長槽、２・・・ゲートバルブ、３・・・排気
装置、４，５・・・ノズル、６，７・・・バルブ、８，
９・・・ガス状の化合物、１θ・・・ヒーター、１１由
熱電対、１２・・・基板、　１３・・・圧力計、Ｉ４・
・・光源、１５・・・窓、１６．１７・・・電磁弁、１
８・・・制御装置、Ｉ９・・・表示装置。代理人　弁理士　　紋　１）　誠 −２・′ 第１図第２図へルつ嗣ワＩ反第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板を被う成長槽と、前記基板を加熱する加熱装
置と、前記成長槽を超高真空に排気する排気装置と、前
記成長槽外部から内部の基板上に成長させたい結晶成分
を含むガスを導入するノズルと、そのノズルとガス源と
の間に設けられたバルブと、そのバルブを予め設定され
た時間と回数に基づいて開閉制御する制御装置とを備え
、所定膜厚のエピタキシャル成長層を単分子層の精度で
自動的に形成することを特徴とする半導体結晶成長装置
。
（２）特許請求の範囲第１項記載において、前記ノズル
を少なくとも２本有する半導体結晶成長装置。
（３）特許請求の範囲第１項記載において、前記成長槽
の外部から内部の基板上に光を照射する機構を設けて成
る半導体結晶成長装置。