JPS62189722A

JPS62189722A - 気相成長方法

Info

Publication number: JPS62189722A
Application number: JP61031100A
Authority: JP
Inventors: Hiroharu Kawai; 弘治河合; Toshiharu Imanaga; 俊治今永; Ichiro Hase; 伊知郎長谷; Kunio Kaneko; 金子　邦雄; Shozo Watabe; 渡部　尚三
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1986-02-15
Filing date: 1986-02-15
Publication date: 1987-08-19
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: KR870008377A; JPH0722132B2; KR950007482B1

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】〔産業上の利用分野〕本発明は気相成長方法に関するものであって、Ｍ　ＯＣ
Ｖ　Ｄ　（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏ−ｓｉｔｉｏｎ）法による化
合物半う５体薄膜のエピタキシャル成長に適用して最適
なものである。

〔発明の１既要〕本発明は、気相成長方法において、気相成長装置内にお
いて基板上に膜を気相成長させるに際し、上記膜にその
表面に対してほぼ垂直な方向から光を入射させ、その反
射光の強度の時間変化に基づいて上記膜の成長条件を制
御することにより、膜の成長速度及び組成を容易にしか
も確実に制御することができるようにしたものである。

〔従来の技術〕

近年、高性能の半導体素子を作製するためには、エピタ
キシャル成長技術が重要な技術となっている。特にΔ１
ＧａＡｓ系素子、すなわちレーザーダイオード、高電子
移動度電界効果１−ランジスタ（１１１２ＭＴ）　、ヘ
テロ接合バイポーラトランジスタ（ＩＩＢＴ）等のへテ
ロ接合を利用した素子は、エピタキシャル成長技術なし
には作製し得ない。

このエピタキシャル成長を行う場合には、成長時に成、
長層の組成、成長速度等の成長パラメータをその場でモ
ニター（ｉｎ−ｓｉｔｕ　ｍｏｎｉｔｏｒｉＢ）するこ
とが本来好ましいが、シリコンのエピタキシャル成長装
置を含めて、従来のエピタキシャル成長装置では、成長
パラメータのその場でのモニターは困難である。このた
め、実用装置では成長パラメータのその場でのモニター
は行われていないのが現状である。

近年、Ｍ　Ｂ　Ｅ　（ｔｌｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ
　ＥｐｉＬａｘｙ）法によるＡｌＧａＡｓのエピタキシ
ャル成長を反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）法により
その場観察する方法が、成長層の表面観察または成長装
置へのフィードバック法として提案されている。しかし
ながら、この方法は実用性に乏しいと考えられる。なぜ
ならば、ＭＢＥ法では分子線束の空間分布はＭＢＥ固有
の高い異方性を有するため、基板の回転なしには成長の
面内均一性が得られず、従って基板の回転が必要である
が、この回転によって基板が振動したり揺動したりする
ため、電子線を低角度（数度）で入射させるＲ　ＨＥ　
Ｅ　Ｄ法による観察は極めて困難となるからである。

一方、　Ｊ、　八ｐｐ１．　　Ｐｈｙｓ、　　５１（３
）、　　ｐｐ、１５９９−１６０２（１９８０年３月）
において、ＭＯＣＶＤ法によるＧａＡｌＡｓ−ＧａＡｓ
超格子のエピタキシャル成長時にエリプソメトす（偏光
解析）法により成長のその場観察を行う方法が提案され
ている。このエリプソメトリ法は、成長層の表面に固定
された低角度から偏光を入射させ、その反射光の位相情
報から成長層の膜厚及び屈折率の情報を得るものである
。この方法はかなり有効な方法であるが、■入射光の窓
と出射光の窓とが必要であるため成長装置の構造上大き
な制限が加わる、■入射光の入射角度を厳密に設定する
必要があるが、試料は加熱台にセントされているので全
体のアラインメント及び角度の調整が面倒である、■低
角度入射であるため入射光は成長ガス中を長距離通過す
るので、ガスによる擾乱に起因する雑音の侵入が大きい
、■試料の僅かな位置変化または振動が測定に致命的な
影響を与える、■測定データは位相情報として得られる
ので、それを成長パラメータとして抽出するために計算
機と連動させる必要がある、という種々の欠点がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、従来技術が有する上述のような種々の欠点を
是正した極めて新規かつ有効な気相成長方法を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

まず本発明の基本原理につき説明する。

第２図に示すように、基板１上に厚さｄの薄膜２が積層
され、これがガス相３中に置かれているとする。今この
薄［２に波長λの光４を垂直入射させると、この薄膜２
と基板ｌとの境界面及びガス相３と薄膜２との境界面で
のフレネルの反射係数はそれぞれ次の０式及び０式で表
される。

ここで、ｎｊ　（ｊ＝１．２．３）は物質ｊの複素屈折
率であり、ｎｊ　＝ｎｊ−ｉ　ｋＪ・・−・・・・・・・・・・・
−・・・・・−・・・−・−■で表される。ただし、ｎ
ｊはｎ、の実部、ｋ、＝（４π／λ）αｊ　（αＪ　：
物質ｊの吸収係数）である。

多重反射を考慮した合成反射係数Ｒは、で表される。こ
こで、 δ＝（４π／λ）れｄ−・・−・−・・・−・−・−−
−−−−−・・−・■である。測定される反射強度はｌ
Ｒ１２である。

０式及び０式より、反射強度はｄの増加に対して周期的
に変化することがわかる。そして０式及び０式より、ｍ
＝Ｏ，１，２，−・−・・・・・−・−・−・　とする
と、となることがわかる、−例として基板ＩがＧａＡｓ
、薄膜２が八ＩＸ　Ｇａ＋−ＸＡｓ（ｘ　＝０．．５７
）である場合に０式を計算した結果を第３図に示す。た
だし、計算にはｎ＋　＝４．１Ｌ　Ｄｆ＋　＝８１８０
０　ｃａｎ−’、　ｎ２＝３．６６、　αｔ　＝２４２
００　ｃＩｓ−’、　　ｎ＝　＝　１．　　α、　＝　
０を用いた。この第３図に示すように、垂直入射でｄの
増加すなわち成長に伴う反射光の強度の振動が観測され
れば、それから薄膜２のｎ２、従って薄膜２の組成を求
めることができることがわかる。

本発明は上述のような原理に基づいて案出されたもので
ある。すなわち本発明に係る気相成長方法は、気相成長
装置（例えばＭＯＣＶＤ装置）内において基板上に膜（
例えばＡｌＧａＡｓ、　ＧａＡｓ、　ＡｌＡｓ等の化合
物半導体１１１１２）を気相成長させるに際し、上記膜
にその表面に対してほぼ垂直な方向から光（例えば１ｉ
ｅ−Ｎｅレーザー光４）を入射させ、その反射光の強度
の時間変化に基づいて上記膜の成長条件（例えば成長ガ
スの流量）を制御するようにしている。

〔作用〕

このようにすることによって、成長パラメータを成長中
にその場で容易にモニターすることが可能となり、それ
によって得られるデータを成長装置に帰還させて成長条
件を制御することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明をＭＯＣＶＤ法による化合物半導体の気相成
長に適用した実施例につき図面を参照しながら説明する
。

まず本発明の第１実施例につき説明する。

第１図は本実施例で用いるＭＯＣＶＤ装置である。この
ＭＯＣＶＤ装置においては、減圧可能な石英反応管５内
に設けられた例えばカーボン製のサセプタ６の傾斜した
上面に基板１が載置されている。またこの石英反応管５
内には、サセプタ６の上流側にこのサセプタ６と同一高
さの台７が設けられいて、成長ガス（または反応ガス）
が石英反応管５内を円滑に流れるようになっている。そ
して、石英反応管５の外周に設けられたＲＦコイル８に
より基板ｌを所定温度に加熱した状態で石英反応管５に
矢印Ａで示すように成長ガスを流すことにより、基板ｌ
上に薄膜（図示せず）を成長させるようになっている。

本実施例によるＭＯＣＶＤ装置においては、従来のＭＯ
ＣＶＤ装置と同様な上述の構成に加えて、既述の原理に
基づいて薄膜の成長をモニターするために、次のような
モニター系が設けられている。

すなわち、まず石英反応管５から所定路１ｉｉｔ＊れた
位置に１ｉｅ−Ｎｅレーザー光源９が設けられ、このレ
ーザー光源９から出射されるレーザー光４（λ＝６３２
８人）をチョッパ１０、レンズ１１（例えば焦点距離５
００ｍ）及び石英反応管５を通して基板１に入射させる
ことができるようになっている。このレーザー光４の基
板ｌによる反射光は、反射鏡１２により反射された後、
互いに積層された拡散板１３、入射光を減衰させるため
のＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター
１４及び波長６００ｎｍ以上の光だけを通すためのカラ
ーフィルター１５を通って光電子増倍管１６に入射して
検出されるようになっている。この光電子増倍管１６は
、ロックインアンプ１７に接続されている。このロック
インアンプ１７はチョッパ１０にも接続されていて、こ
のチョッパｌＯにより選択されたレーザー光４による出
力信号のみをレコーダ１８に送ってチャート上に薄膜２
による反射光強度の時間変化を記録することができるよ
うになってる。

一方、ｔｉｅ−Ｎｅレーザー光源９から出射されたレー
ザー光４の一部はレンズ１１の平坦面で反射された後、
反射ｖｉ１９により反射されてパワーメータ２０に入射
し、その出力信号がアンプ２１により増幅され、レコー
ダ２２に送られてチャート上にレンズ１１による反射光
強度の時間変化が記録されるようになっている。従って
、このレコーダ２２で記録された強度で、レコーダ１８
で記録された強度を割算することにより、レーザー光′
ｆＱ９の出力が変動しても、ｖｌす膜２による反射光の
強度の時間変化を正確に測定することができるようにな
でいる。

次に上述のように構成された本実施例にょるＭＯＣＶＤ
装置を用いて、７００　’Ｃに加熱されたＧａ＾Ｓ基板
上にＡｌＧａＡｓを成長させる場合に反射光強度の測定
を行った結果につき説明する。成長にあたっては、Ｇａ
及び旧の原料としてそれぞれＴＭＧ（トリメチルガリウ
ム）及びＴＭＡ（１−リメチルアルミニウム）を用い、
ＴＭＧＯ流撥は１０　ｍｌ／分に固定し、ＴＭＡの流量
は５　ｍｌ／分、１０ｍ１／分、２０ｍ１／分、４０ｍ
１／分の４種類に変化させた。なお石英反応管５の内壁
に反応物が堆積して光の透過に支障が生ずるのを防止す
るため、成長ガスは高流速（１ｍ／秒以上）で流すよう
にした。

第４図にその反射強度の測定結果を示す。成長後、得ら
れたＡＩＸ　Ｇａ１−ＸＡｓ薄膜のＡ１組成Ｘをフォト
ルミネッセンスの測定から求めたところ、それぞれ０．
２６．０．４０．０．５７．０．７２であった。また成
長後、Ａ１．　Ｇａ＋、　Ａｓ薄膜の膜厚ｄを走査型電
子顕微鏡（ＳＥＭ）によ測定し、０式より屈折率の実部
ｎ２を求め、また反射強度の減衰率からＩ＝１．ｅｘｐ
（−αｚｄＸｒｏ　　：　ｄ＝０のときの反射強度、■
：膜厚ｄのときの反射強度）の式に基づいて吸収係数α
２を求めた。この結果を次表に示す。なおこの表でＧａ
Ａｓのデータは、ＧａＡｓ基板上にまずＡｌＡｓを積層
し、このＡｌＡｓ上にＧａＡｓを成長させたときのＧａ
Ａｓの反射強度曲線の振動解析から求めたものである。

次に上述の結果を基にして、薄膜の成長中に成長パラメ
ータを求める方法につき説明する。第５図は、第４図の
各反射強度曲線における振動の第一番目の谷の反射強度
すのＧａＡｓ基板の反射強度ａに対する比ｂ　／　ａを
ＡＩ組組成外対してプロットしたものである。この第５
図に示すグラフを用いると、エピタキシャル成長開始後
、第一番目の谷の反射強度から、今成長しているＡｌｇ
　Ｇａ＋−ｘ　ＡｓのＡＩ組組成外求めることができる
。なおこの第一番目の反射強度の谷に対応する薄膜の厚
さはほぼ４０ｎｍである。また第６図は、既述の表をグ
ラフ化したものである。なおこの第６図においてｘ　＝
０．８付近でｎが不連続となっているのは、ＡＩやＧａ
、−。

Ａｓのバンドギャップに起因するものである。第５図か
らＡＩ組組成外わかれば、この第６図から屈折率ｎを求
めることができる。従って、この屈折率ｎを用いて０式
より第一番［１の反射強度の谷までの膜厚を求めること
ができ、この膜厚をその成長時間で割ることにより、薄
膜の成長速度を決定することができる。なお以上の手続
きは、一旦第５図及び第６図に示すグラフ並びに０式に
基づいて検量線を作成しておけば、以後は計算をするこ
となく、この検量線に基づいて直接行うことができる。

上述のようにして、Ａ１１ｌ　Ｇａ＋−ｘ　ＡｒＪＪ膜
の成長速度及びＡＩＭｉ成Ｘを成長中にその場でモニタ
ーすることができるので、これらが所望の値と異なる場
合や値を変更したい場合には、これらのデータをＭＯＣ
ＶＤ装ＥのＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）に帰
還させて成長ガス濃度を再調整することにより、所望の
成長速度及びＡＩ組組成外容易にしかも確実に制御する
ことができる。

次に薄膜２へのレーザー光４の入射角度のずれによる測
定誤差の検討を行う。入射光が垂直入射からずれると膜
内における光路長が長くなるため、干渉の周期が短くな
る。光路長が１％長くなるとき、すなわち干渉の周期が
１％短くなるときの入射角度は、薄膜２がＡｌＧａＡｓ
　（ｎ　ｚ　＝３．５）のときには次のようになる。す
なわち、スネルの法則よりｎ：＋ｓｉｎ　θ＝ｎ２ｓｉ
ｎθ′（θ：入射角・θ′：屈折角、ｎ３：ガス相の屈
折率（＝１））が成り立つので、この式でｃｏｓ　θ’
　＝０．９９とするとθ′＝８゜であるからθ＝　５ｉ
ｎ−’（３，５ｓｉｎ　８”）　＝　３０　’となる。

従って、入射角が垂直方向から３０°ずれても測定誤差
は１％と極めて小さい。この点でエリプソメトリ法によ
る測定に比べて極めて有利である。

のみならず、上述の第１実施例によれば、上述の利点に
加えて次のような種々の利点がある。すなわち、薄膜へ
の入射光及び反射光は同一の窓を通るようになっている
ので、装置上の制限が緩和される。薄膜による反射光の
強度及び光路長は上述のように入射角の変化にはほとん
ど依存しないので、薄膜への入射光の光軸を厳密に調整
する必要がない。成長ガス中での入射光及び反射光の光
路長をエリプソメトリ法におけるような低角度入射の場
合に比べて短くすることができるので、ガスによる擾乱
に起因す゛る雑音の発生がない。

次に本発明の第２実施例につき説明する。

第２実施例においては、第１実施例と同様なＭＯＣＶＤ
装置を用いて多層膜の成長を行い、その成長を反射強度
によりモニターする。第７図は、ＧａＡｓ基板上にＴ　
Ｍ　Ｇ流１２０ｍ１／分で薄＜ＧａＡＳを成長させた後
、このＧａＡｓ上にＴＭＡ流１４０ｍ１／分でＡｌＡｓ
を成長させ、次いでこのＡ１＾Ｓ上にＧａＡｓを成長さ
せた場合の反射強度の測定結果を示す。この第７図に示
す反射強度曲線から明らかなように、ＡｌＡｓによる振
動の次にＧａＡｓによる振動が明瞭に現れている。この
ような多層膜の場合、その組成を決定するためには多少
の計算を要するが、第１実施例と同様にして求められる
ことは明らかである。

従って、このようにして得られた成長パラメータをＭＯ
ＣＶＤ装置のＭＦＣに帰還させることにより、第１実施
例と同様にして組成及び成長速度の制御が可能である。

以上本発明の実施例につき説明したが、本発明は上述の
二・１の実施例に限定されるものではなく、本発明の技
術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上
述の第１実施例においては、反射強度曲線の第一番目の
振動の谷から屈折率ｎ、従ってＡＩ組組成と成長速度と
を求めたが、これらのデータ（ｎ、成長速度）を初期パ
ラメータとして、この後に時々刻々得られる反射強度の
測定値に対して例えば計算機を用いてパラメータ・フィ
ッティングすることにより、測定精度をより高くするこ
とが可能である。さらに、反射強度の振動の山、谷の強
度を計算機に入力して計算を行うことによっても測定精
度を高めることが可能である。

さらにまた、上述の二つの実施例で用いた第１図に示す
ＭＯＣＶＤ装置とは異なる構成のＭ　ＯＣＶＤ装置を用
いてもよい。また上述の二つの実施例においては、モニ
ター用の光としてＨｅ−Ｎｅレーデ−光を用いたが、単
一波長の光であれば他の種類のレーザー光やその他の光
を用いてもよい。なお上述の二つの実施例においては、
ＡｌＧａＡｓ、　ＡｌＡｓ及びＧａＡｓを気相成長させ
る場合に本発明を適用した場合につき説明したが、これ
ら以外の化合物半回体は勿論、元素半導体やその他の各
種物質の気相成長にも本発明を適用することが可能であ
る。

（発明の効果〕本発明によれば、成長パラメータを成長中にその場でモ
ニターすることが可能となり、それによって得られるデ
ータを成長装置に帰還させることが可能となるので、膜
の成長速度及び／又は組成を容易にしかも確実に制御す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例で用いる成長モニター系を
備えたＭＯＣＶＤ装置の構成図、第２図は本発明の基本
原理を説明するための断面図、第３図は薄膜の厚さｄに
よる反射強度変化の一例を示すグラフ、第４図は基板温
度７００℃で成長ガスの流量を種々に変えてＡｌＸＧａ
、−、＾Ｓａ薄膜の成長を行った場合の成長に伴う反射
強度の変化を示すグラフ、第５図はＡｌＸＧａ、−ＸＡ
ｓにおけるＡＩ組組成と第４図に示す反射強度曲線にお
ける谷の強度すのＧａＡｓ１板の強度ａに対する比ｂ　
／　ａとの関係を示すグラフ、第６図はＡｌｘ　Ｇａｐ
−ＸＡｓにおけるＡＩ組組成と屈折率との関係を示すグ
ラフ、第７図は本発明の第２実施例において多層膜の成
長に伴う反射強度の変化を示すグラフである。なお図面に用いた符号において、 ■−・−・−・−・・−・−・−−−一−−−−−基板
２　・−・−・・・−・・−・−・・−・−・薄膜４−
・・・・・−・−・−光５−・・・・−・・・−・−・−・石英反応管６−・・
・−・−・−・−・・−・・−・サセプタ９−・−・−
・−・−・・−レーザー光源１６　・−・−−−−一・
・・−・・−−−一−−−−−光電子増倍管である。

Claims

【特許請求の範囲】気相成長装置内において基板上に膜を気相成長させるに
際し、上記膜にその表面に対してほぼ垂直な方向から光を入射
させ、その反射光の強度の時間変化に基づいて上記膜の
成長条件を制御するようにしたことを特徴とする気相成
長方法。