JP2668236B2 - Semiconductor element manufacturing method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は有機金属熱分解気相成長法を用いてGaAs半導
体膜をアルミナ単結晶基板上に生成させる半導体素子の
製法に関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a GaAs semiconductor film is formed on an alumina single crystal substrate by using a metal organic chemical vapor deposition vapor deposition method.
近年、GaAsなどの第III・V族化合物半導体を発光素
子もしくは受光素子に応用する技術が目覚ましく進展し
ている。例えば特開昭62−202894号公報によれば、アル
ミナ単結晶基板上にGaAs半導体膜を気相エピタキシャル
成長させる技術が提案されている。In recent years, technologies for applying Group III / V compound semiconductors such as GaAs to light emitting elements or light receiving elements have been remarkably advanced. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-202894 proposes a technique for growing a GaAs semiconductor film on a single crystal alumina substrate by vapor phase epitaxial growth.
この提案によれば、トリメチルガリウム〔Ga(CH3)
3〕とアルシン(AsH3)を反応ガスとして用いて三段階
の工程から成る有機金属熱分解気相成長法(Metal−Org
anic Chemical Vapor Deposition,略してMOCVDと呼ばれ
る)によりアルミナ単結晶基板上にGaAs膜をエピタキシ
ャル成長させる。そして、これによって得られた半導体
素子は基板側より光を照射できる発光素子となる。According to this proposal, trimethylgallium [Ga (CH 3 )
3 ] and arsine (AsH 3 ) as a reaction gas, a metal-organic pyrolysis vapor deposition method (Metal-Org) comprising three steps.
A GaAs film is epitaxially grown on an alumina single crystal substrate by anic chemical vapor deposition (abbreviated as MOCVD). And the semiconductor element obtained by this becomes a light emitting element which can irradiate light from the substrate side.
しかし乍ら、本発明者等は、上記GaAs膜は十分な結晶
性が得られず、そのため、更に改善を要することが判っ
た。However, the present inventors have found that the GaAs film does not have sufficient crystallinity, and that further improvement is required.
従って本発明の目的はアルミナ単結晶基板上に結晶性
の高いGaAs半導体膜が得られる半導体素子の製法を提供
することにある。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which a highly crystalline GaAs semiconductor film can be obtained on an alumina single crystal substrate.
本発明に係る半導体素子の製法は順次下記(A)工程
〜(D)工程から成るMOCVD法を用いてアルミナ単結晶
のC面基板上にGaAs半導体膜を形成することを特徴とす
る。The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that a GaAs semiconductor film is formed on an alumina single crystal C-plane substrate by MOCVD comprising the following steps (A) to (D).
(A)・・・前記基板を、水素ガスを含み且つ600〜950
℃の温度範囲内に設定された雰囲気ガスにより加熱す
る。(A)... The substrate containing hydrogen gas and 600 to 950
It is heated by the atmospheric gas set within the temperature range of ° C.
(B)・・・前記基板を350〜550℃の温度範囲内に設定
すると共にAl元素含有ガス及びAs元素含有ガスから成る
混合ガス、もしくはAl元素含有ガス、Ga元素含有ガス及
びAs元素含有ガスから成る混合ガスを反応室内部へ導入
し、厚みが200Å以下のAlxGa1-xAs膜(但し0<x≦
1)を生成する (C)・・・前記基板を550〜950℃の温度範囲内に設定
すると共にAs元素含有ガスを反応室内部へ導入する (D)・・・前記基板を550〜700℃の温度範囲内に設定
すると共にGa元素含有ガス及びAs元素含有ガスを反応室
内部へ導入し、GaAs半導体膜を生成する 本発明の製法は、順次上記(A)工程〜(D)工程か
ら成るMOCVD法であり、これらの工程が組合わされたこ
とにより優れた結晶性のGaAs半導体膜が得られる。(B): The substrate is set within a temperature range of 350 to 550 ° C. and a mixed gas comprising an Al element-containing gas and an As element-containing gas, or an Al element-containing gas, a Ga element-containing gas, and an As element-containing gas. Is introduced into the reaction chamber, and an Al x Ga 1-x As film having a thickness of 200 ° or less (where 0 <x ≦
(C): setting the substrate within a temperature range of 550 to 950 ° C. and introducing an As element-containing gas into the reaction chamber (D): forming the substrate at 550 to 700 ° C. The temperature is set within the range described above, and a Ga element-containing gas and an As element-containing gas are introduced into the reaction chamber to form a GaAs semiconductor film. The production method of the present invention comprises the above steps (A) to (D) in order. This is a MOCVD method, and an excellent crystalline GaAs semiconductor film can be obtained by combining these steps.
先ず(A)工程が行われる理由は次の通りである。 First, the reason why step (A) is performed is as follows.
GaAs膜がエピタキシャル成長されるC面基板は、その
成膜の前にイソプロピルアルコールなどの溶剤又は純水
により洗浄されるが、その洗浄を十分に行うことは非常
に難しく、そのために不純物が残留しており、また、そ
のC面を原子オーダーでみた場合には、水分子や酸素原
子、炭素原子などが付着している。The C-plane substrate on which the GaAs film is epitaxially grown is washed with a solvent such as isopropyl alcohol or pure water before the film is formed. However, it is very difficult to perform the washing sufficiently, so that impurities remain. In addition, when the C plane is viewed in the atomic order, water molecules, oxygen atoms, carbon atoms, and the like are attached.
このように汚染されたC面上にGaAs膜がエピタキシャ
ル成長した場合、それが核となり、均一で良好な結晶が
得られず、結晶界面に欠陥が生じる。When a GaAs film is epitaxially grown on the thus-contaminated C-plane, the GaAs film becomes a nucleus, so that uniform and good crystals cannot be obtained and defects occur at the crystal interface.
また、C面基板とGaAs膜の界面には多くのミスフィッ
ト転位が存在しており、それもGaAs膜の結晶性を劣化さ
せる原因となっている。Also, many misfit dislocations exist at the interface between the C-plane substrate and the GaAs film, which also causes the crystallinity of the GaAs film to deteriorate.
上述の通り、基板のエピタキシャル成長面は汚染又は
ミスフィット転位が生じ易いが、本発明者等はその面を
水素ガスを含み且つ所定温度の雰囲気ガスにより加熱す
ると上記問題点が解決され、結晶性の高いGaAs膜がエピ
タキシャル成長されることを見い出した。As described above, the epitaxial growth surface of the substrate is liable to cause contamination or misfit dislocation. However, the present inventors solve the above problem by heating the surface with an atmosphere gas containing hydrogen gas and a predetermined temperature, and It has been found that a high GaAs film is epitaxially grown.
この雰囲気ガスは水素ガスから成り、これにより、基
板表面が活性化され、その結果、表面マイグレーション
効果が促進され、原子が最も安定なステップ位置に配列
される。The ambient gas is comprised of hydrogen gas, which activates the substrate surface, thereby promoting the surface migration effect and aligning atoms in the most stable step positions.
本発明者等は上記のように基板表面が活性化されると
いう点については、未だ十分究明していないが、基板表
面のダングリングボンドが水素原子と結合し、そのため
に表面マイグレーション効果が促進され、この水素原子
がAs原子と置換され易くなり、As原子の成長が安定且つ
容易に行われるためであると考える。Although the present inventors have not yet sufficiently investigated the fact that the substrate surface is activated as described above, dangling bonds on the substrate surface are bonded to hydrogen atoms, thereby promoting the surface migration effect. This is because the hydrogen atom is easily replaced with an As atom, and the growth of the As atom is performed stably and easily.
このような雰囲気ガスには水素ガスとともにAs元素含
有ガスが含まれているのが望ましい。これにより、基板
表面のダングリングボンドに水素原子とAs原子が結合
し、表面マイグレーション効果が一層促進され、As原子
の成長が最も安定且つ容易に行われると考える。It is desirable that such an atmosphere gas contains an As element-containing gas together with a hydrogen gas. Thus, it is considered that hydrogen atoms and As atoms bond to dangling bonds on the substrate surface, the surface migration effect is further promoted, and the growth of As atoms is most stable and easy.
また、雰囲気ガスは600〜950℃、好適には800〜950℃
の温度範囲内で加熱される。この加熱温度が600℃未満
の場合には基板表面の汚染物が除去されず、しかも、表
面マイグレーション効果が顕著に認められなくなり、一
方、950℃を越えた場合には基板表面が水素ガスにより
エッチングされ、これにより、良好なエピタキシャル成
長を行うことができない。The atmosphere gas is 600 to 950 ° C, preferably 800 to 950 ° C.
Is heated within the temperature range of When the heating temperature is lower than 600 ° C., contaminants on the substrate surface are not removed, and the surface migration effect is not remarkably recognized. On the other hand, when the temperature exceeds 950 ° C., the substrate surface is etched with hydrogen gas. As a result, good epitaxial growth cannot be performed.
上記温度が維持される時間は温度や水素ガス比率にも
関係するが、約2〜60分、好適には約10〜20分がよい。The time during which the temperature is maintained depends on the temperature and the hydrogen gas ratio, but is preferably about 2 to 60 minutes, and preferably about 10 to 20 minutes.
このような雰囲気ガスの加熱は、当業者にとって周知
の手段、例えば誘導加熱により行われる。The heating of the atmosphere gas is performed by means known to those skilled in the art, for example, induction heating.
そして、上記の通り、アルミナ単結晶基板のC面を加
熱した後に(B)工程を行う。Then, as described above, after heating the C surface of the alumina single crystal substrate, the step (B) is performed.
この(B)工程によれば、基板温度を次の(C)工程
及び(D)工程で設定される基板温度よりも低く設定
し、そして、結晶成長に要する核をAlxGa1-xAs膜(但し
0<x≦1)とし、この膜の厚みを所定の範囲内に設定
する。According to the step (B), the substrate temperature is set lower than the substrate temperature set in the following steps (C) and (D), and the nuclei required for crystal growth are Al x Ga 1 -x As. A film (where 0 <x ≦ 1) is set, and the thickness of this film is set within a predetermined range.
上記基板温度は350〜550℃、好適には390〜500℃の範
囲内に設定すればよく、350℃未満であれば核が成長せ
ず、550℃を越えると均質な核が成長せず、界面に欠陥
が生じる。The substrate temperature may be set in the range of 350 to 550 ° C, preferably 390 to 500 ° C. If the temperature is lower than 350 ° C, the nucleus does not grow. Defects occur at the interface.
また、AlxGa1-xAs膜を形成するのに用いられる反応ガ
スには、Al元素含有ガス及びAs元素含有ガスから成る混
合ガス、もしくはAl元素含有ガス、Ga元素含有ガス及び
As元素含有ガスから成る混合ガスがある。In addition, the reaction gas used to form the Al x Ga 1-x As film includes a mixed gas composed of an Al element-containing gas and an As element-containing gas, or an Al element-containing gas, a Ga element-containing gas,
There is a mixed gas composed of a gas containing an As element.
この混合ガスを用いてCVD法により厚み200Å以下、好
適には10〜200Å、最適には50〜100ÅのAlxGa1-xAs膜を
生成する。この厚みが200Åを越えた場合にはGaAs半導
体層の結晶性の改善が望めない。Using this mixed gas, an Al x Ga 1-x As film having a thickness of 200 ° or less, preferably 10 to 200 °, and most preferably 50 to 100 ° is formed by a CVD method. If this thickness exceeds 200Å, improvement in crystallinity of the GaAs semiconductor layer cannot be expected.
更にAlxGa1-xAs膜は、X値が0<x≦1、好適には0.
3<x 0.8の範囲内になるように設定すればよく、これに
対して、x値が零、即ち、GaAs膜である場合にはGaAs半
導体層の結晶性が幾分劣る。Further, the Al x Ga 1-x As film has an X value of 0 <x ≦ 1, preferably 0.
The value may be set to be in the range of 3 <x 0.8. On the other hand, when the x value is zero, that is, when the film is a GaAs film, the crystallinity of the GaAs semiconductor layer is somewhat inferior.
次の(C)工程は、(B)工程により生成されたAlxG
a1-xAs膜を熱アニールし、その膜の結晶性を改善するた
めに行われ、この熱アニールには基板温度を550〜950
℃、好適には650〜850℃の範囲内に設定すればよく、こ
の範囲から外れた場合には結晶性の改善が望めない。
尚、基板温度を上げるとAlxGa1-xAs膜のAs蒸気圧が高く
なり、そのため、As元素含有ガスを反応室へ導入してい
る。The next (C) step is the Al x G produced by the (B) step.
a 1-x As film is thermally annealed to improve the crystallinity of the film.
C., preferably in the range of 650 to 850 ° C. If the temperature is outside this range, no improvement in crystallinity can be expected.
When the substrate temperature is increased, the As vapor pressure of the Al x Ga 1 -x As film increases, and therefore, an As element-containing gas is introduced into the reaction chamber.
(D)工程はGaAs半導体膜のエピタキシャル成長を行
う工程であり、Ga元素含有ガスとAs元素含有ガスを反応
室内部に導入し、基板温度を550〜700℃、好適には570
〜650℃の範囲内に設定する。これによってガスが熱分
解し、AlxGa1-xAs膜の上にGaAs半導体膜がエピタキシャ
ル成長する。Step (D) is a step of epitaxially growing a GaAs semiconductor film. A Ga element-containing gas and an As element-containing gas are introduced into a reaction chamber, and the substrate temperature is set to 550 to 700 ° C., preferably 570 to 700 ° C.
Set within the range of ~ 650 ° C. As a result, the gas is thermally decomposed, and a GaAs semiconductor film grows epitaxially on the Al x Ga 1 -x As film.
上記Ga元素含有ガスにはGa(CH3)3,Ga(C2H5)3な
どがあり、As元素含有ガスにはAsH3,AsCl3などがあり、
また、Al元素含有ガスにはAl(CH3)3,Al(C2H5)3,Al
(iso-C4H9)3などがあり、そして、これらのガスのキ
ャリアガスにはH2ガス又は不活性ガス(Ar,He,N2,Neな
ど)がある。The Ga element-containing gas includes Ga (CH 3 ) 3 and Ga (C 2 H 5 ) 3 , and the As element-containing gas includes AsH 3 and AsCl 3 .
In addition, Al element-containing gas includes Al (CH 3 ) 3 , Al (C 2 H 5 ) 3 , Al
(Iso - C 4 H 9) 3 include, and, as a carrier gas of these gases is H 2 gas or inert gas (Ar, He, N 2, Ne , etc.).
かくして本発明に係る半導体素子の製法によれば、エ
ピタキシャル成長前の基板の加熱処理並びにAlxGa1-xAs
膜を形成したことにより結晶性の高いGaAs半導体膜が生
成できる。Thus, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, heat treatment of the substrate before epitaxial growth and Al x Ga 1-x As
By forming the film, a GaAs semiconductor film having high crystallinity can be formed.
また本発明の製法において、アルミナ単結晶基板のエ
ピタキシャル成長面(C面)のoff角度を5゜以下(但
し0゜を含まない)、好適には0.5〜3゜の範囲内に設
定するとよく、これによってGaAs半導体膜の表面に顕著
な平滑性が得られる。In the production method of the present invention, the off angle of the epitaxial growth surface (C plane) of the alumina single crystal substrate is set to 5 ° or less (excluding 0 °), preferably in the range of 0.5 to 3 °. As a result, remarkable smoothness is obtained on the surface of the GaAs semiconductor film.
次に高周波誘導加熱方式のMOCVD装置を第1図により
説明する。Next, a high frequency induction heating type MOCVD apparatus will be described with reference to FIG.
図中、1は反応室であり、この中にサセプタ2が設置
されており、サセプタ2の上にアルミナ単結晶基板3が
設置される。反応室1の周囲には高周波コイル4が巻き
付けられ、これに高周波電源(図示せず)が接続され、
高周波コイル4に高周波電力が印加された場合にサセプ
タ2が誘導加熱される。また、反応室1には超高真空排
気装置5と排気ガス処理装置6が接続され、成膜前に超
高真空排気装置5により反応室内部を真空排気し、この
内部の残留ガスを除去し、そして、排気ガス処理装置6
により排気ガス中のAs化合物を除去する。In the figure, reference numeral 1 denotes a reaction chamber in which a susceptor 2 is installed, and an alumina single crystal substrate 3 is installed on the susceptor 2. A high frequency coil 4 is wound around the reaction chamber 1, and a high frequency power source (not shown) is connected to this.
When high frequency power is applied to the high frequency coil 4, the susceptor 2 is induction heated. Further, an ultra-high vacuum evacuation device 5 and an exhaust gas processing device 6 are connected to the reaction chamber 1, and the inside of the reaction chamber is evacuated by the ultra-high vacuum evacuation device 5 before film formation to remove residual gas therein. And the exhaust gas treatment device 6
The As compound in the exhaust gas is removed by.
第1タンク7にはAsH3ガスが、第2タンク8にはSi2H
6ガスが密封されており、これらのタンクから放出され
る流量はマスフローコントローラ9,10により調整され、
第1主管11へ供給される。AsH 3 gas in the first tank 7 and Si 2 H in the second tank 8
6 gas is sealed, the flow rate released from these tanks is adjusted by mass flow controllers 9,10,
The first main pipe 11 is supplied.
また、第3タンク12にはH2ガスが密封され、このガス
は純化器13を介して高純度化され、そして、第1主管11
へ供給され、そのガス流量はマスフローコントローラ14
により調整される。The third tank 12 is sealed with H 2 gas, and this gas is highly purified through a purifier 13.
Is supplied to the mass flow controller 14
Is adjusted by
16はGa(CH3)3の液体が入っている第1バブラであ
り、17はAl(CH3)3の液体が入っている第2バブラで
あり、18,19はそれぞれのバブラ16,17を所要の温度に設
定するための恒温槽である。第3タンク12より供給され
る高純度H2ガスは第1バブラ16と第2バブラ17へ導入さ
れ、これにより、バブラ内の液体がガス化し、第2主管
20へ導入される。これらのガスはマスフローコントロー
ラ21,22により調整され、しかも、第3タンク12より供
給される高純度H2ガスはマスフローコントローラ15によ
って調整されながら第2主管20へ導入され、このH2ガス
はGa(CH3)3ガスやAl(CH3)3ガスのキャリアガスに
なる。16 is a first bubbler containing a liquid of Ga (CH 3 ) 3 , 17 is a second bubbler containing a liquid of Al (CH 3 ) 3 , and 18 and 19 are respective bubblers 16 and 17. Is a thermostat for setting the temperature to a required temperature. The high-purity H 2 gas supplied from the third tank 12 is introduced into the first bubbler 16 and the second bubbler 17, whereby the liquid in the bubbler is gasified and the second main pipe
Introduced to 20. These gases are adjusted by mass flow controllers 21 and 22, and the high-purity H 2 gas supplied from the third tank 12 is introduced into the second main pipe 20 while being adjusted by the mass flow controller 15, and this H 2 gas is It becomes a carrier gas for (CH 3 ) 3 gas and Al (CH 3 ) 3 gas.
かくして、第1主管11によりAsH3ガスとSi2H6ガス
が、第2主管20によりGa(CH3)3ガスとAl(CH3)3ガ
スが運ばれて反応室1に導入される。尚、23,24,25,26,
27,28,29,30,31,32,33,34,35,36はバルブを示す。Thus, AsH 3 gas and Si 2 H 6 gas are carried by the first main pipe 11, and Ga (CH 3 ) 3 gas and Al (CH 3 ) 3 gas are carried by the second main pipe 20 and are introduced into the reaction chamber 1. In addition, 23,24,25,26,
27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 and 36 indicate valves.
以上の構成のCVD装置において、イソプロピルアルコ
ールと純水により洗浄されたアルミナ単結晶基板を反応
室1の内部に設置し、次いで、バルブ32,33,34を全開に
し、マスフローコントロール15により流量を適当な値に
設定し、これによってH2ガスを反応室1の内部に導入す
る。また、バルブ24を開けてAsH3ガスを放出し、その流
量をマスフローコントローラ9により制御し、これによ
ってAsH3ガスをH2ガスとともに反応室1の内部に導入す
る。このように反応室1の内部に混合ガスを流し、同時
に高周波コイル4により基板3を誘導加熱し、所定の温
度に達したらこの温度を維持する。In the CVD apparatus having the above configuration, the alumina single crystal substrate washed with isopropyl alcohol and pure water is set in the reaction chamber 1, then the valves 32, 33, and 34 are fully opened, and the mass flow control 15 controls the flow rate appropriately. Thus, H 2 gas is introduced into the reaction chamber 1. Further, the valve 24 is opened to release the AsH 3 gas, and the flow rate thereof is controlled by the mass flow controller 9, whereby the AsH 3 gas is introduced into the reaction chamber 1 together with the H 2 gas. As described above, the mixed gas is caused to flow into the reaction chamber 1, and at the same time, the substrate 3 is induction-heated by the high-frequency coil 4, and the temperature is maintained when the temperature reaches a predetermined temperature.
かくして、上記加熱処理により基板3のエピタキシャ
ル成長面(C面)が原子オーダーでクリーニングされ、
これにより、表面マイグレーションが促進される。Thus, the above-described heat treatment cleans the epitaxial growth surface (C surface) of the substrate 3 on the atomic order.
Thereby, surface migration is promoted.
次に(B)工程〜(C)工程が行われる。 Next, steps (B) to (C) are performed.
(B)工程においては、バルブ31〜36を全開にして第
3タンク12より高純度H2ガスを反応室1に導入し、ま
た、バルブ24を全開にし、第1タンク7よりAsH3ガスを
放出し、その放出量をマスフローコントローラ9により
調整し、第1主管11へ導入する。そして、バルブ27を閉
じ、バルブ25,26を全開にし、H2ガスをバブラ16に導入
し、Ga(CH3)3ガスを得る。更に、バルブ30を閉じ、
バルブ28,29を全開にし、H2ガスをバブラ17に導入してA
l(CH3)3ガスを得る。これらのガスの供給量は恒温槽
18,19の温度とマスフローコントローラ21,22により設定
され、第2主管20へ導入される。In the step (B), the valves 31 to 36 are fully opened, high-purity H 2 gas is introduced into the reaction chamber 1 from the third tank 12, and the valve 24 is fully opened, and AsH 3 gas is introduced from the first tank 7. It is discharged, the amount of discharge is adjusted by the mass flow controller 9, and then introduced into the first main pipe 11. Then, the valve 27 is closed, the valves 25 and 26 are fully opened, and H 2 gas is introduced into the bubbler 16 to obtain Ga (CH 3 ) 3 gas. Further, close the valve 30,
Open valves 28 and 29 fully, introduce H 2 gas into bubbler 17 and
l (CH 3 ) 3 gas is obtained. The amount of these gases supplied is constant temperature
The temperature is set to 18 and 19 and the mass flow controllers 21 and 22, and is introduced into the second main pipe 20.
次の(C)工程では、バルブ26,27とバルブ29,30を閉
じてGa(CH3)3ガス及びAl(CH3)3ガスを導入しない
ようにし、そして、誘導加熱により(B)工程にて設定
した基板温度より高くなるように温度を設定する。In the next step (C), the valves 26 and 27 and the valves 29 and 30 are closed to prevent the introduction of Ga (CH 3 ) 3 gas and Al (CH 3 ) 3 gas, and the step (B) is performed by induction heating. The temperature is set so as to be higher than the substrate temperature set in.
(D)工程ではバルブ26,27を開いてGa(CH3)3ガス
を反応室へ導入し、GaAs膜をエピタキシャル成長させ
る。In the step (D), the valves 26 and 27 are opened, and a Ga (CH 3 ) 3 gas is introduced into the reaction chamber to epitaxially grow a GaAs film.
また上記GaAs膜をエピタキシャル成長させるに当たっ
て、バルブ23を開き、マスフローコントローラ21により
流量を調整しながらSi2H6ガスを反応室へ導入した後、S
i元素がGaAs膜にドーピングされ、その膜をn形半導体
に制御できる。In epitaxially growing the GaAs film, the valve 23 was opened, and Si 2 H 6 gas was introduced into the reaction chamber while adjusting the flow rate by the mass flow controller 21.
The i element is doped into the GaAs film, and the film can be controlled to be an n-type semiconductor.
次に本発明の実施例を述べる。 Next, examples of the present invention will be described.
(例1) 上述した第1図のCVD装置において、サセプタ2上に
C面2゜offアルミナ単結晶基板を設置し、第3タンク1
2よりH2ガスを1800sccmの流量で、また、第1タンク7
よりAsH3ガス(H2ガスにより10%希釈されている)を40
0sccmの流量で反応室1へ導入し、そして、基板温度を9
00℃に設定し、その温度を10分間維持した。(Example 1) In the above-described CVD apparatus shown in FIG. 1, a C-plane 2 ゜ off alumina single crystal substrate was set on a susceptor 2 and a third tank 1
H2 gas at a flow rate of 1800 sccm from the second tank 7
40 AsH 3 gas (10% diluted with H 2 gas)
It is introduced into the reaction chamber 1 at a flow rate of 0 sccm, and the substrate temperature is set to 9
It was set to 00 ° C and maintained at that temperature for 10 minutes.
第3タンク12よりH2ガスを、第1タンク7よりAsH3ガ
スを300sccmの流量で、更に第1バブラ16よりGa(CH3)
3ガスを20sccmの流量で、第2バブラ17よりAl(CH3)
3ガスを10sccmの流量で反応室1に導入し、全ガスの流
量を3500sccmに設定し、基板温度を400℃に、反応圧力
を50Torrに設定し、そして、この気相成長の時間を変
え、これにより、種々の厚みのAlGaAs膜を形成した。
尚、各AlGaAs膜の元素比率を二結晶X線回折装置を用い
てX線ピークの角より求めたところ、いずれもAl0.5Ga
0.5Asであった。H 2 gas from the third tank 12, AsH 3 gas from the first tank 7 at a flow rate of 300 sccm, and Ga (CH 3 ) from the first bubbler 16.
Al (CH 3 ) was supplied from the second bubbler 17 at a flow rate of 20 sccm with three gases.
3 gases were introduced into the reaction chamber 1 at a flow rate of 10 sccm, the flow rate of all gases was set at 3500 sccm, the substrate temperature was set at 400 ° C., the reaction pressure was set at 50 Torr, and the time of this vapor phase growth was changed. As a result, AlGaAs films having various thicknesses were formed.
Incidentally, was determined from the corner of the X-ray peaks an element ratio of each AlGaAs layer by using a double-crystal X-ray diffraction apparatus, both Al 0.5 Ga
It was 0.5 As.
各々のAlGaAs膜について、次の(C)工程及び(D)
工程を行った。For each AlGaAs film, the following (C) step and (D)
The process was carried out.
(C)工程によれば、基板温度を700℃に設定し、Ga
(CH3)3ガスとAl(CH3)3ガスの導入を止め、それ以
外は前記条件と同じに設定し、20分間熱アニールを行っ
た。According to the step (C), the substrate temperature is set to 700 ° C.
The introduction of (CH 3 ) 3 gas and Al (CH 3 ) 3 gas was stopped, and the other conditions were set to the same conditions as above, and thermal annealing was performed for 20 minutes.
(D)工程によれば、基板温度を600℃に設定し、Ga
(CH3)3ガスを20sccmの流量で、AsH3ガスを300sccmの
流量で反応室へ導入し、他は(C)工程と全く同じ条件
に設定し、これにより、各々のAlGaAs膜の上に厚み3μ
mのGaAs膜をエピタキシャル成長させた。According to the step (D), the substrate temperature is set to 600 ° C. and Ga
(CH 3 ) 3 gas is introduced into the reaction chamber at a flow rate of 20 sccm and AsH 3 gas is introduced into the reaction chamber at a flow rate of 300 sccm, and the other conditions are set exactly the same as in the step (C). 3μ thickness
The m m GaAs film was epitaxially grown.
かくして得られた種々の半導体素子について、GaAsエ
ピタキシャル膜の室温における結晶性を二結晶X線回折
装置を用いて測定したところ、第2図に示す通りの結果
が得られた。尚、この測定はX線源CuKα1、第1結晶I
nP(400)、出力30KVの条件により行った。The crystallinity at room temperature of the GaAs epitaxial films of the various semiconductor devices thus obtained was measured using a two-crystal X-ray diffractometer, and the results shown in FIG. 2 were obtained. This measurement was performed using the X-ray source CuKα 1 , the first crystal I
The test was performed under the conditions of nP (400) and output of 30 KV.
また本例においては、上記AlGaAs膜を生成させる代わ
りに、Al(CH3)3ガスの放出を止めてGaAs膜を生成さ
せ、これにより得られた種々の半導体素子を比較例とし
た。In this example, instead of forming the AlGaAs film, the emission of the Al (CH 3 ) 3 gas was stopped to form a GaAs film, and various semiconductor devices obtained thereby were used as comparative examples.
第2図中、横軸はAlGaAs膜又は比較例のGaAs膜の厚み
であり、縦軸はGaAs半導体膜の結晶性を示す半値巾であ
り、そして、○印は本例の測定プロットであり、●印は
比較例の測定プロットであり、a及びbはそれぞれの特
性曲線を示す。In FIG. 2, the horizontal axis is the thickness of the AlGaAs film or the GaAs film of the comparative example, the vertical axis is the half-width indicating the crystallinity of the GaAs semiconductor film, and the mark ○ is the measurement plot of the present example. The symbol ● indicates a measurement plot of the comparative example, and a and b indicate respective characteristic curves.
第2図より明らかな通り、本例の半導体素子は比較例
のものに比べてAlGaAs膜の厚みが200Å以下において半
値巾が小さくなっており、優れた結晶性のGaAs半導体膜
が得られることが判る。As is clear from FIG. 2, the semiconductor device of the present example has a smaller half-value width when the thickness of the AlGaAs film is 200 mm or less than that of the comparative example, so that an excellent crystalline GaAs semiconductor film can be obtained. I understand.
次に本発明者等は上記GaAsエピタキシャル成長のなか
でAlGaAs膜の厚みが100Åに設定された膜、即ち、第2
図中のプロットTに対応する膜の表面を、走査型電子顕
微鏡を用いて試料表面から75゜の傾斜方向より撮影した
ところ、第3図に示す通りになった。尚、この写真図は
倍率×3500である。Next, the present inventors considered that the AlGaAs film was set to a thickness of 100 ° in the GaAs epitaxial growth,
When the surface of the film corresponding to plot T in the figure was photographed from a sample surface at an inclination of 75 ° using a scanning electron microscope, the result was as shown in FIG. In addition, this photograph is magnification × 3500.
第3図より明らかな通り、本発明に係るGaAs膜の表面
は顕著な平滑性が得られていることが判る。As is clear from FIG. 3, it can be seen that the surface of the GaAs film according to the present invention has remarkable smoothness.
(例2) (例1)の半導体素子を製作するなかでAl0.5Ga0.5As
膜の厚みを100Åに設定し、(D)工程の基板温度を590
℃に設定し、しかも、(D)工程におけるGaAsエピタキ
シャル成長において、初めに1.4μmのGaAs膜をエピタ
キシャル成長させ、次いで、その膜の上にSi元素がドー
ピングされたGaAs膜を1μmの厚みでエピタキシャル成
長させ、そして、(C)工程のアニール温度を幾通りに
も変え、それ以外の条件を(例1)と同じ設定にし、こ
れにより各種半導体素子を得た。(Example 2) In manufacturing the semiconductor device of (Example 1), Al 0.5 Ga 0.5 As
Set the film thickness to 100Å and set the substrate temperature in step (D) to 590.
° C, and in the GaAs epitaxial growth in the step (D), a GaAs film of 1.4 μm is epitaxially grown first, and then a GaAs film doped with a Si element is epitaxially grown on the film to a thickness of 1 μm, Then, the annealing temperature in the step (C) was changed in various ways, and the other conditions were set to be the same as in (Example 1), thereby obtaining various semiconductor elements.
かくして得られた各々のGaAsエピタキシャル膜の室温
における電子移動度を測定したところ、第4図に示す通
りの結果が得られた。尚、いずれの素子も電子密度は約
1×1017/cm3であった。When the electron mobility at room temperature of each of the GaAs epitaxial films thus obtained was measured, the results shown in FIG. 4 were obtained. The electron density of each device was about 1 × 10 17 / cm 3 .
また、本例においては、上記GaAs膜をエピタキシャル
成長させるに当たって、(A)工程を全く行わず、その
他の条件を本例と同じに設定し、これにより得られた各
種GaAs膜を比較例とした。Further, in this example, in epitaxially growing the GaAs film, the step (A) was not performed at all, and the other conditions were set to be the same as those of the present example, and various GaAs films obtained thereby were used as comparative examples.
第4図中、横軸は(C)工程のアニール温度であり、
縦軸は電子移動度であり、そして、○印は加熱処理を行
った場合の測定プロットであり、●印は比較例の測定プ
ロットであり、c及びdはそれぞれの特性曲線を示す。In FIG. 4, the horizontal axis represents the annealing temperature in step (C),
The vertical axis indicates the electron mobility, the mark ○ indicates the measurement plot when the heat treatment was performed, the mark ● indicates the measurement plot of the comparative example, and c and d indicate the respective characteristic curves.
第4図より明らかな通り、アニール時間の増加に伴っ
て電子移動度が増大しており、また、本例のものは比較
例に比べて電子移動度が大きく、結晶性が顕著に改善さ
れていることが判る。As is clear from FIG. 4, the electron mobility increases as the annealing time increases, and the electron mobility of this example is larger than that of the comparative example, and the crystallinity is remarkably improved. It is understood that there is.
以上の通り、本発明に係る半導体素子の製法によれ
ば、エピタキシャル成長前にアルミナ単結晶基板を所定
の条件で加熱し、しかも、その基板の上に200Å以下の
厚みAlGaAs膜を形成し、その上にGaAs半導体膜をエピタ
キシャル成長させており、これにより、この半導体膜の
結晶性が著しく改善され、その結果、高品質な発光素子
もしくは受光素子が提供できる。As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, an alumina single-crystal substrate is heated under predetermined conditions before epitaxial growth, and an AlGaAs film having a thickness of 200 mm or less is formed on the substrate. In this case, a GaAs semiconductor film is epitaxially grown, whereby the crystallinity of the semiconductor film is significantly improved, and as a result, a high-quality light-emitting element or light-receiving element can be provided.
更に本発明の製法により得られた半導体素子において
は、GaAs半導体のエピタキシャル成長表面が平滑性を有
し、これにより、発光素子として用いられた場合、その
発光効率が著しく高くなる。Further, in the semiconductor device obtained by the manufacturing method of the present invention, the epitaxial growth surface of the GaAs semiconductor has smoothness, so that when used as a light emitting device, its luminous efficiency is significantly increased.
更にまた、本発明に係る半導体素子によれば、半導体
表面上の微細加工ができ、そのために種々の薄膜デバイ
スの製作が可能になるという利点も有する。Further, according to the semiconductor element of the present invention, there is an advantage that fine processing can be performed on a semiconductor surface, and therefore, various thin film devices can be manufactured.
尚、本実施例はGaAs半導体膜のエピタキシャル成長に
ついて述べられているが、そのGaAsの一部をAl,P,Inな
どで置換したGaAlAs,GaAsP,GaInAsについても本発明の
製法を用いれば同様な効果が得られると考える。Although the present embodiment describes the epitaxial growth of a GaAs semiconductor film, the same effect can be obtained by using the manufacturing method of the present invention for GaAlAs, GaAsP, and GaInAs in which part of GaAs is replaced by Al, P, In, or the like. I think that is obtained.
第1図は実施例に用いられるCVD装置の説明図、第2図
はGaAs膜の半値巾を示す線図、第3図はGaAsエピタキシ
ャル膜表面の結晶構造を示す顕微鏡写真、第4図は電子
移動度を表わす線図である。 1……反応室 3……アルミナ単結晶基板 16,17……バブラ 18,19……恒温槽FIG. 1 is an explanatory view of a CVD apparatus used in an embodiment, FIG. 2 is a diagram showing a half width of a GaAs film, FIG. 3 is a micrograph showing a crystal structure of a GaAs epitaxial film surface, and FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating mobility. 1 Reaction chamber 3 Alumina single crystal substrate 16, 17 Bubbler 18, 19 Thermostat
Claims (1)
面基板の上に有機金属熱分解気相成長法によりGaAs半導
体膜を形成する半導体素子の製法において、前記気相成
長法が順次下記(A)工程〜(D)工程から成ることを
特徴とする半導体素子の製法。 (A)・・・前記基板を、水素ガスを含み且つ600〜950
℃の温度範囲内に設定された雰囲気ガスにより加熱する (B)・・・前記基板を350〜550℃の温度範囲内に設定
すると共にAl元素含有ガス及びAs元素含有ガスから成る
混合ガス、もしくはAl元素含有ガス、Ga元素含有ガス及
びAs元素含有ガスから成る混合ガスを反応室内部へ導入
し、厚みが200Å以下のAlxGa1-xAs膜(但し0<x≦
1)を生成する(C)・・・前記基板を550〜950℃の温
度範囲内に設定すると共にAs元素含有ガスを反応室内部
へ導入する (D)・・・前記基板を550〜700℃の温度範囲内に設定
すると共にGa元素含有ガス及びAs元素含有ガスを反応室
内部へ導入し、GaAs半導体膜を生成する1. An alumina single crystal C installed inside a reaction chamber.
In a method for manufacturing a semiconductor device in which a GaAs semiconductor film is formed on a surface substrate by metal organic chemical vapor deposition vapor deposition, the vapor phase growth comprises the following steps (A) to (D). Manufacturing method of semiconductor devices. (A) ... The substrate contains hydrogen gas and is 600 to 950.
(B) ... The substrate is set in a temperature range of 350 to 550 ° C and a mixed gas containing an Al element-containing gas and an As element-containing gas, or A mixed gas containing an Al element-containing gas, a Ga element-containing gas, and an As element-containing gas is introduced into the reaction chamber, and an Al x Ga 1-x As film having a thickness of 200 mm or less (where 0 <x ≦
1) Producing (C): setting the substrate in a temperature range of 550 to 950 ° C. and introducing an As element-containing gas into the reaction chamber (D): setting the substrate to 550 to 700 ° C. The temperature is set within the range and the gas containing Ga element and the gas containing As element are introduced into the reaction chamber to form a GaAs semiconductor film.
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