JPS6134925A

JPS6134925A - 半導体結晶成長装置

Info

Publication number: JPS6134925A
Application number: JP15397584A
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: 2010-07-19
Also published as: JPH0766907B2

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の精度で形成
する半導体結晶成長装置に関する。

［先行技術とその間顧点］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、Ｎｏ　−Ｃ
ＶＤ法と呼ぶ）１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。

Ｎｏ　−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ｊ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、蒸発物の排気など真空装置が複
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、
　＆４０５８４３０（１９７７）で説明しているように
１ＭＢＥ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、原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ＣｄＴ
ｅ、　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＋ＧａＡ
ｓに関しては成功していない。４ＬＥ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。

ところで、半導体デバイスを製造するに際しては、その
製造過程において、設計通りの結晶が成長しているか否
か評価することが、高品質の半導体デバイスを得る上で
重要になってくる。しかし、従来の評価法は、一旦成長
槽から半導体を取り出し、分析装置にかける等の方法を
とらなければならなかったため、操作が煩雑で評価効率
が悪く良好な品質管理が行なえなかった。また、新しい
デバイスを製造する際には、その評価に手間取り、製造
が大巾に遅れる不具合があった。

このように、従来の結晶成長ではいずれも高品質の半導
体結晶を効率良く形成することが極めて困難であった。

［発明の目的コ本発明は上記従来技術の欠点を除き、高品質の単結晶層
を単分子層の精度で形成できると共に、その結晶成長過
程を逐次追跡評価して半導体を効率良く製造することの
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、その成長槽の基板と対向
する位置に質量分析器を取り付け、結晶成長過程を１層
毎に追跡評価できるようにしたことを特徴としている。

［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、■は成長槽で材質はステンレス
等の金属、２はゲー１へバルブ、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■−Ｖ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Ｖ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は成長槽内の真空圧を
測るだめの圧力側である。また、１４は評価手段として
の質量分析器、１５は質量分析器の制御装置、１６はい
くつかのガス分子種を同時に検出できる多重イオン検出
器、１７は前記多重イオン検出器の出力を記録させる多
ペンレコーダーである。

以上の構成で、多重イオン検出器１６を具備した質量分
析器１４によって結晶成長過程を逐次追跡評価しながら
の分子層エピタキシャル成長は以下のように実施する。

なお、基板１２に結晶成長させる半導体としてはＧａＡ
ｓ、そのため導入するガス８として■族化合物のＴＭＧ
（トリメチルガリウム）、ガス９として■族化合物のＡ
ｓＨｓ　（アルシン）を用いた例について説明する。

基板１２を成長槽１内に設定後、排気装置３により成長
槽１内を１０−　’　−１０−ｇＰａｓｃａｌ（以下、
Ｐａと略す）程度に排気する。その後、質量分析装置１
４〜１７を起動させる。このとき多重イオン検出器１６
のピークセレクターには導入ガス分子種のＡｓＨｓやＴ
ＭＧ（Ｍｅ＝１１４）、更に反応生成分子種であるＣ（
１４（Ｍ／ｅ　＝　１６）などを選び設定する。次に、
　ＧａＡｓ基板ｌ２を例えば３００〜８００℃にヒータ
ー１０により加熱し、Ｇａを含むガスとしてＴＭＧ（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
内のガスを排気後、今度はＡｓを含むガスとしてＡｓＨ
ｓ（アルシン）９を成長槽１内の圧力が１０−１〜１０
”−７Ｐａになる範囲で、２〜２００秒間バルブ７を開
けて導入する。これにより、基板１２上にＧａＡｓが少
なくとも１分子層成長できる。以上の操作を繰り返し、
単分子層を次々と成長させることにより、所望の厚さの
ＧａＡｓの単結晶成長層を単分子層の精度で成長させる
ことができる。

一方、この結晶成長過程において、ＴＭＧとＡ５Ｈ’３
を交互に導入すると、導入ガスであるＴＭＧ、　Ａｄ　
ｓだけでなく反応生成物であるＣＨ４（メタン）が検出
でき、成長が進行していく過程を逐時多重イオン検出器
１６で追跡していくことができた。

第３図は上述のようにしてＴＭＧとＡｓＨ３を交互に導
入した時のＡｓＨ３（Ｍ／ｅ　＝７８）、ＴＭＧ（Ｍ／
ｅ　＝　１１４）とＣＨ４（Ｍ／ｅ　＝　１６）を多重
イオン検出器１６でとらえたものである。なお、この図
はＴＭＧを圧力として１Ｏ−３Ｐａ、バルブ６を２秒間
開けて導入する一方、ＡｓＨ３を圧力として１０’−２
Ｐａ、バルブ７を１０秒間開けて導入する操作を交互に
繰り返した場合のデータである。

ところで、Ｇａを含む化合物としてＴＭＧやＧａＣＱ３
の場合、室温での蒸気圧が低いため、真空壁との相互作
用が大きく、導入したガスが基板以外に成長槽の壁にも
付着する。更にそれが時間と共に離脱してくるため基板
からの離脱ガスと区別できなくなる場合が生じる。

このような不具合を解決したのが第４図に示す実施例で
あって、ノズル４，５の周囲には、そのノズル孔に合せ
た開口部を有するシュラウド１８を設けると共に、その
シュラウド１８を冷却するためシュラウド端部に冷媒槽
１９を設け、その注入口２０より、槽１９内に冷媒２１
を注入する。同様に、質量分析器１４の先端部にも検出
開口部を有するシュラウド２２を設けると共に、そのシ
ュラウド２２を冷却するため端部に冷媒槽２３を設け、
その注入口２４より槽２３内に冷媒２１を注入する。尚
、シュラウドを冷却する手段としては、液体窒素のよう
な冷媒に限らず小型冷凍機などでもよい。

これにより、ノズル４，５から成長槽１内に導入される
ガスのうち余分のガスはシュラウド１８．２２に吸着さ
れてしまい、基板１２からの離脱分子のみ質量分析器１
４に捕えられ、成長層の正しい分析が可能となる。

以上のようにして、基板１２上に半導体の結晶を分子層
ずつ成長させると共に、その成長過程を成長槽１に取り
付けた質量分析装置で逐次追跡評価していくことにより
、高品質の半導体デバイスを効率良く製造できるように
なる。

尚、基板１２およびそこに成長させる半導体はＧａＡｓ
に限らないことは言う迄もない。また、成長槽重に導入
するガスも２種類に限らず、ノズル本数を増し、更に多
くのガスを導入することによって、不純物添加、混晶等
の操作を行ない得ることも勿論のことである。

また、前記実施例では基板１２の加熱源を成長槽１内に
設けた例について示したが、赤外ランプ等を使用して成
長槽１の外へ設けることもできる。

更に、基板１２を加熱すると同時に光を照射するように
してもよく、そうすることにより、基板温度を下げ更に
品質を改善することができる。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、結晶成長層を一層ずつ成
長できること、化学量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、非常に急峻な不純物密度分
布を得ることができる等、高品質な半導体デバイスが得
られるようになると共に、質量分析装置を設けたので、
その結晶成長過程をその場で評価できるようになり、半
導体デバイスを効率良く製造できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一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の質量分析装置で得られる波形図
、第３図は本発明の他の実施例に係る半導体結晶成長装
置の構成図である。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、１０・・・ヒーター、１１・
・・熱電対、１２・・・基板、１３・・・圧力計、１４
・・・質量分析器、１５・・・制御装置、１６・・・多
重イオン検出器、１７・・・多ペンレコーダー、１８，
２２・・・シュラウド。１９．２３・・・冷媒槽、２０・・・注入口、２１・・
・冷媒。第７図第２図吟閘（５ｅｃ）□ 第３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、前記基板と対向する位
置に設けられた質量分析器とを備え、所定膜厚のエピタ
キシャル成長層を単分子層の精度で形成すると共に、そ
の成長過程の逐時追跡評価を可能としたことを特徴とす
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、前記質量分
析器の検出部周辺およびガス導入ノズル開口部周辺を冷
却手段を具備したシュラウドで囲んで成る半導体結晶成
長装置。