專利名稱：氣相生長方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及在半導體襯底上生長外延層的氣相生長方法，特別涉及改善外延層的特性以及表面形態(tài)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
以往，在半導體元件的用途中，廣泛使用通過有機金屬氣相生長法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)等在InP襯底上生長由InGaAs層、AlGaAs層、InAlAs層、AlInGaAs層、InGaAsP層等的化合物半導體構(gòu)成的外延層。
但是，按照現(xiàn)有技術(shù)，在InP襯底上生長由InAlAs等化合物半導體構(gòu)成的外延層的情況下，有時在外延層表面上產(chǎn)生異常形態(tài)。該異常形態(tài)成為降低半導體元件的元件特性的因素之一，所以，改善外延層表面的形態(tài)成為一個重要的課題。
例如，本發(fā)明者等提出了如下的氣相生長方法(專利文獻1)在InP襯底上依次外延生長InGaAs層或者InGaAsP層、InP層的過程中，可有效防止在InP層表面上產(chǎn)生稱為交叉排線(crosshatch)的異常形態(tài)。具體地說，使用背面?zhèn)鹊膹澢∮诘扔?0μm的半導體晶片作為襯底，由此，減小半導體襯底的背面與襯底支持工具之間的空隙，可抑制原料氣體回到襯底背面?zhèn)?，防止外延層表面的異常形態(tài)的產(chǎn)生。
專利文獻1特開2003-218033號公報但是，按照所述先前申請的技術(shù)，在InP層襯底上生長由InGaAs層、AlGaAs層、InAlAs層、AlInGaAs層等化合物半導體構(gòu)成的外延層的情況下，根據(jù)所使用的襯底可知，在襯底上生長的外延層的特性或者表面形態(tài)產(chǎn)生異常。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決所述問題而進行的，其目的在于提供一種在Fe摻雜InP等半導體襯底上以良好的再現(xiàn)性生長由InAlAs等的化合物半導體構(gòu)成的外延層的氣相生長方法。
以下，對完成本發(fā)明的經(jīng)過進行簡單說明。
首先，本發(fā)明者等通過分子束外延(以下稱為MBE)法在各種Fe摻雜InP襯底上生長InAlAs層。具體地說，從由液體密封丘克拉斯基(Czochralski)法制作的Fe摻雜InP單晶上切出多個InP晶片，作為襯底使用。此處，將離開所得到的InP單晶的肩部正下方的位置(主體部分開始位置)的距離(mm)作為該InP晶片的切出位置。其結(jié)果是，根據(jù)所使用的襯底可知，在所生長的外延層的表面形態(tài)中產(chǎn)生異常。即，可知，即使使用從相同的InP單晶切出的襯底，根據(jù)其切出位置，在所生長的外延層中也將產(chǎn)生變化。
然后，為探討其原因，在同一MBE裝置中引入切出位置不同的Fe摻雜InP襯底后，在同一設定溫度下對襯底進行加熱，由高溫計直接測定該襯底的表面溫度。圖1示出其結(jié)果。在圖1中，示出從所使用的襯底的Fe摻雜InP單晶的切出位置與襯底的表面溫度的關系。并且，在圖1中，口標記是設定溫度為550℃的情況下的測定結(jié)果，○標記為設定溫度為600℃的情況下的測定結(jié)果。
根據(jù)圖1可知，盡管設定溫度相同，但是根據(jù)襯底的切出位置，表面溫度變化非常大。特別是，在使用從InP單晶的上部(切出位置為0～10mm)切出的襯底的情況與使用從下部(切出位置為100～120mm)切出的襯底的情況下，襯底的表面溫度產(chǎn)生20℃或者20℃以上的差。此外，在使用切出位置為100～120mm的襯底的情況下，襯底的表面溫度比設定溫度高20～30℃左右。
并且，在所述的試驗中，襯底的表面溫度變得比設定溫度高，但是，根據(jù)所使用的MBE裝置，有時襯底的表面溫度也比設定溫度低。但是，此種情況下，表面溫度根據(jù)襯底的切出位置而變化的現(xiàn)象是相同的。
其次，對于從同一Fe摻雜InP單晶切出的襯底，測定電阻率以及Fe濃度，并研究與切出位置的關系。圖2示出電阻率與切出位置的關系，圖3示出Fe濃度與切出位置的關系。根據(jù)圖2、3可知，電阻率以及Fe濃度都根據(jù)從Fe摻雜InP單晶的切出位置而變化。即，根據(jù)圖2，電阻率隨著切出位置變大而緩慢增大，切出位置在100mm或者100mm以上幾乎恒定。此外，根據(jù)圖3，F(xiàn)e濃度隨著切出位置變大而緩慢增大，切出位置為100mm或者100mm以上顯著增大。
將這些測定結(jié)果與圖1進行比較，在圖1與圖2中針對切出位置的變化的方式幾乎相同，所以，可以說襯底的表面溫度不是與Fe濃度相關、而是與襯底的電阻有相關關系。這是考慮到，如MBE法那樣在真空中對襯底進行加熱的情況下，輻射引起的影響是占優(yōu)勢的，所以，襯底的電阻率對襯底的表面溫度有影響。
因此，根據(jù)襯底的電阻率與表面溫度的關系，為了使實際的襯底的表面溫度為所希望的溫度，可以按照預先測定的襯底的電阻率調(diào)整設定溫度，得到可以使由此生長的外延層的質(zhì)量穩(wěn)定的想法，并完成本發(fā)明。
即，本發(fā)明涉及在半導體襯底上生長外延層的氣相生長方法，其特征在于預先測定半導體襯底的室溫下的電阻率，按照所述室溫下的電阻率控制襯底的設定溫度以使實際的襯底的表面溫度變?yōu)樗Ｍ臏囟榷c該半導體襯底的電阻率無關，并生長外延層。此外，襯底的表面溫度根據(jù)襯底厚度或者加熱方法而變化，所以，對于每一個，若把握針對半導體襯底的電阻率的設定溫度與實際的襯底表面溫度的關系，則使襯底的表面溫度變?yōu)樗Ｍ臏囟扔玫臏囟仍O定變得容易。
此外，所述半導體襯底可以使用InP或者Fe摻雜InP等的化合物半導體。在使用InP襯底或者Fe摻雜InP襯底的情況下，作為所生長的外延層，考慮可與InP進行比較良好的晶格匹配的InGaAs、AlGaAs、InAlAs、AlInGaAs、InGaAsP等。
此外，在所述的氣相生長中，可以利用分子束外延法。
按照本發(fā)明，在Fe摻雜InP等的半導體襯底上氣相生長由InAlAs層等化合物半導體構(gòu)成的外延層的過程中，考慮到襯底的電阻率引起襯底溫度變化，適當設定襯底溫度，由此，可以使襯底溫度在所希望的溫度上恒定，所以，能夠以很好的再現(xiàn)性生長出質(zhì)量穩(wěn)定的外延層，起到可穩(wěn)定地制造特性優(yōu)良的半導體元件的效果。


圖1是表示從InP單晶的切出位置與襯底的表面溫度關系的圖表。
圖2是表示從InP單晶的切出位置與襯底的電阻率的關系的圖表。
圖3是表示從InP單晶的切出位置與襯底的Fe濃度的關系的圖表。
圖4是實施方式的氣相生長的溫度曲線圖。
圖5是表示InAlAs層的電阻率的溫度依存性的圖表。
圖6是表示InAlAs層的Si摻雜效率的溫度依存性的圖表。
具體實施例方式
以下根據(jù)附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行說明。
首先，通過液體密封丘克拉斯基法，在(100)方向上生長Fe摻雜InP單晶，將該Fe摻雜InP單晶加工為直徑2英寸的圓柱狀，切出厚度350μm的Fe摻雜InP晶片。
并且，通過MBE法在這些襯底上生長非摻雜InAlAs層。圖4是本實施方式的生長之前的溫度曲線圖。如圖4所示，首先，在生長InAlAs層之前，在550℃下對襯底進行熱清洗，然后，將設定溫度設為500℃，并在襯底上外延生長1μm的非摻雜InAlAs層。此時，熱清洗的處理時間為5分鐘，非摻雜InAlAs層的生長時間為60分鐘。
在本實施方式中，對于切出位置不同的各種Fe摻雜InP襯底，預先測定室溫下的襯底的電阻率，基于該襯底的電阻率調(diào)整設定溫度，以使實際的襯底溫度在所希望的溫度上恒定，從而進行熱清洗處理以及非摻雜InAlAs層的生長。具體地說，在使用室溫下的襯底的電阻率為1×108Ω·cm左右的Fe摻雜InP襯底的情況下，將熱清洗處理時的襯底的設定溫度設為530℃，將非摻雜InAlAs層生長時的襯底的設定溫度設為480℃，由此，將襯底溫度控制為所希望的溫度。
并且，該溫度設定在本實施方式中是有效的，當然也可以根據(jù)所使用的MBE裝置、襯底厚度等而為不同的設定溫度。即，襯底的表面溫度根據(jù)襯底厚度、加熱方法而變化，所以，若把握針對室溫下的半導體襯底的電阻率的設定溫度與實際的襯底表面溫度的關系，則可以容易地確定使襯底的表面溫度變?yōu)樗Ｍ臏囟扔玫臏囟仍O定。例如，在本實施方式中，將襯底溫度設為所希望的溫度(550℃或者500℃)，所以，可將設定溫度分別設定得低20℃，但是，相反地，根據(jù)所使用的MBE裝置，能夠設定得比所希望的溫度高。
另一方面，為了比較，使用具有電阻率與如上所述相同的多個Fe摻雜InP襯底，在使襯底的設定溫度恒定(熱清洗處理時550℃，非摻雜InAlAs生長時500℃)的條件下，進行熱清洗處理以及非摻雜InAlAs層的生長。
對于通過如上所述的方法得到的半導體元件，觀察非摻雜InAlAs層的表面形態(tài)的結(jié)果、按照室溫下的電阻率調(diào)整設定溫度，在使熱清洗處理時的實際的襯底表面溫度保持為550℃的情況下，在非摻雜InAlAs層表面不產(chǎn)生皸裂，可生長良好的外延層。
與此相對，在使設定溫度在550℃下恒定的情況下，非摻雜InAlAs層表面上產(chǎn)生皸裂。這被認為是，在熱清洗處理時襯底的表面溫度與設定溫度(550℃)相比過高，所以，襯底表面皸裂。特別是，在使用室溫下電阻率大于等于1×108Ω·cm的襯底的情況下，設定溫度與實際的襯底的表面溫度之差變大(參照圖1、2)，所以，如上所述的現(xiàn)象較顯著。
此外，對于所得到的半導體元件測定非摻雜InAlAs層的電阻率的結(jié)果，使用室溫下的電阻率為1×108Ω·cm的襯底，按照該電阻率調(diào)整設定溫度，在使非摻雜InAlAs層生長時的實際襯底表面溫度保持為500℃的情況下，非摻雜InAlAs層的電阻率所有都為1×106Ω·cm或者1×106Ω·cm以上，可實現(xiàn)高電阻率。
與此相對，當使設定溫度恒定的情況下，在所述實施方式中，1×106Ω·cm或者1×106Ω·cm以上的非摻雜InAlAs層的電阻率降低到5×104Ω·cm。這被認為是非摻雜InAlAs層的電阻率的溫度依存性引起的。
例如，通過本發(fā)明者等的試驗可知，InAlAs層的電阻率示出了圖5所示的溫度依存性。由圖5可知，若InAlAs層生長時的襯底溫度大于等于520℃，則電阻率顯著下降。即，在比較例中，盡管將非摻雜InAlAs層生長時的襯底的設定溫度設為500℃，但是實際的襯底溫度認為上升到520℃或者520℃以上。并且，圖5所示的圖表與通過與本實施方式的生長條件不同的生長條件所生長的InAlAs層相關，所以，對于InAlAs層的電阻率的絕對值，不必與本實施方式一致。
然后，使用與如上所述的襯底相同的Fe摻雜InP襯底，通過MBE法在這些襯底上生長Si摻雜InAlAs層。此時，Si摻雜量為使摻雜濃度為2×1019cm-3的量，生長條件與如上所述的非摻雜InAlAs層的情況相同。此外，為了比較，在使用具有與如上所述相同的電阻率的多個Fe摻雜InP襯底、并使襯底的設定溫度恒定的條件下，進行熱清洗處理以及Si摻雜InAlAs層的生長。
對于所得到的半導體元件，測定Si摻雜InAlAs層的Si摻雜濃度(載流子濃度)的結(jié)果，使用室溫下的電阻率大于等于1×108Ω·cm的襯底，按照該電阻率調(diào)整設定溫度，在使InAlAs層生長時的實際的襯底表面溫度保持為500℃的情況下，Si摻雜InAlAs層的Si摻雜濃度全部達到2×1019cm-3。
與此相對，在使設定溫度恒定的情況下，Si摻雜濃度降低到1×1019cm-3。這被認為是Si摻雜InAlAs層的Si摻雜效率的溫度依存性所引起的。
例如，通過本發(fā)明者等的試驗可知，InAlAs層的Si摻雜效率表示圖6所示的溫度依存性。由圖6可知，生長時的襯底溫度大于等于500℃時，InAlAs層的Si摻雜濃度降低。即，在比較例中，盡管將Si摻雜InAlAs層生長時的襯底的設定溫度設為500℃，但是實際的襯底溫度被認為上升到500℃或者500℃以上。
這樣，在Fe摻雜InP襯底上氣相生長由非摻雜InAlAs或Si摻雜InAlAs構(gòu)成的外延層的過程中，預先測定室溫下的半導體襯底的電阻率，按照該半導體襯底的電阻率控制襯底的設定溫度，由此，可改善所生長的外延層的表面形態(tài)、電阻率以及摻雜濃度，能夠以良好的再現(xiàn)性生長出質(zhì)量穩(wěn)定的外延層。
以上基于實施方式對本發(fā)明者的發(fā)明進行了具體地說明，但是，本發(fā)明并不限于如上所述的實施方式，在不脫離其宗旨的范圍內(nèi)可進行變更。
例如，在本實施方式中，對通過MBE法在Fe摻雜InP襯底上生長了InAlAs層的例子進行了說明，但是，使按照電阻率進行變化的表面溫度恒定進行生長的生長方法，不管所生長的外延層的種類如何，均可期待相同的效果。此外，從如上所述的說明可知，不論所使用的襯底、生長方法如何，都可應用。
權(quán)利要求
1.在半導體襯底上生長外延層的氣相生長方法，其特征在于預先測定半導體襯底的室溫下的電阻率，按照所述室溫下的電阻率控制襯底的設定溫度以使襯底的表面溫度達到所希望的溫度而與該半導體襯底的電阻率無關，并生長外延層。
2.如權(quán)利要求1記載的氣相生長方法，其特征在于所述半導體襯底是化合物半導體。
3.如權(quán)利要求2記載的氣相生長方法，其特征在于所述半導體襯底是InP襯底。
4.如權(quán)利要求3記載的氣相生長方法，其特征在于所述半導體襯底是Fe摻雜InP襯底。
5.如權(quán)利要求1到權(quán)利要求4的任意一項記載的氣相生長方法，其特征在于利用分子束外延法生長外延層。
全文摘要
提供一種在Fe摻雜InP等的半導體襯底上以良好的再現(xiàn)性生長出InAlAs等化合物半導體構(gòu)成的外延層的氣相生長方法。在半導體襯底上生長外延層的氣相生長方法中，預先測定室溫下的半導體襯底的電阻率，按照室溫下的電阻率控制襯底的設定溫度以使實際的襯底的表面溫度達到所希望的溫度而與該半導體襯底的電阻率無關，并生長外延層。
文檔編號C30B23/08GK1922716SQ20058000513
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者中村正志, 太田優(yōu), 平野立一 申請人:日礦金屬株式會社