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JPH0529228A - Atomic layer crystal growth method and its apparatus - Google Patents

Atomic layer crystal growth method and its apparatus

Info

Publication number
JPH0529228A
JPH0529228A JP23693391A JP23693391A JPH0529228A JP H0529228 A JPH0529228 A JP H0529228A JP 23693391 A JP23693391 A JP 23693391A JP 23693391 A JP23693391 A JP 23693391A JP H0529228 A JPH0529228 A JP H0529228A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
atomic layer
group
metal
substrate
crystal growth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP23693391A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Haruki Yokoyama
春喜 横山
Masanori Shinohara
正典 篠原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP23693391A priority Critical patent/JPH0529228A/en
Publication of JPH0529228A publication Critical patent/JPH0529228A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 原子層結晶成長の速度マージンを広くする。 【構成】 トリメチルアルミニウムを400℃の石英管
3中を通過させると、ジメチルアルミニウム,モノメチ
ルアルミニウム,Al原子に熱解離され、Al原子は石
英管3の内壁に付着し、石英管3から外にでない。ジメ
チルアルミニウムの余った結合手には水素原子が結合
し、ジメチルアルミニウムハイドライドとなる。モノメ
チルアルミニウムにも余った2本の結合手に水素原子が
結合するが、この化合物は不安定なために容易に安定な
ジメチルアルミニウムハイドライドとなる。したがって
基板7に供給される分子はジメチルアルミニウムハイド
ライドとなる。基板7の表面に到達したジメチルアルミ
ニウムハイドライドの水素はAlとAsとの基板表面で
の反応時に解離するため、AlとAsとの化学結合は比
較的低温で容易に行われる。
(57) [Abstract] [Purpose] To widen the rate margin of atomic layer crystal growth. [Structure] When trimethylaluminum is passed through the quartz tube 3 at 400 ° C., it is thermally dissociated into dimethylaluminum, monomethylaluminum, and Al atoms, and the Al atoms adhere to the inner wall of the quartz tube 3 and do not come out from the quartz tube 3. . Hydrogen atoms are bonded to the remaining bonds of dimethylaluminum to form dimethylaluminum hydride. Hydrogen atoms bond to the remaining two bonds in monomethylaluminum, but this compound is unstable and easily becomes stable dimethylaluminum hydride. Therefore, the molecules supplied to the substrate 7 are dimethyl aluminum hydride. The hydrogen of dimethylaluminum hydride that has reached the surface of the substrate 7 dissociates during the reaction between Al and As on the substrate surface, so that the chemical bonding between Al and As is easily performed at a relatively low temperature.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、原子層結晶成長法およ
びその装置に係わり、特に自己停止機構を有する分子を
原料の一部に用いる化合物半導体による原子層結晶成長
法およびその装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atomic layer crystal growth method and an apparatus thereof, and more particularly to an atomic layer crystal growth method and an apparatus thereof using a compound semiconductor in which a molecule having a self-stopping mechanism is used as a part of a raw material. is there.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の原子層結晶成長法では、例えばGa
As結晶を成長する場合、Ga原料として有機金属ガスであ
るトリメチルガリウム((CH3)3Ga:以下TMGとい
う)、As原料としてアルシン(AsH3)を用い、基板結晶
上にこれらのガスを交互に供給することによりGaAs結晶
層を得ていた。この原子層結晶成長法においては、TM
Gを供給したときにTMGのアルキル基の一部が化学的
にはずれ、基板表面のAsと化学的に結合してGa層をAs基
板結晶上に1層形成する。このとき、さらにこの上に飛
来したTMGは吸着できず、Ga層は1層で成長が止ま
る。この機構を自己停止機構と呼び、これを利用するこ
とにより原子層結晶成長が達成されている。このような
従来の原子層結晶成長法は比較的基板温度の低い(約5
00℃)状態でしかも成長温度マージンのきわめて狭い
条件の下に行われていた。
2. Description of the Related Art In the conventional atomic layer crystal growth method, for example, Ga
When growing As crystals, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga: TMG), which is an organometallic gas, is used as a Ga raw material, and arsine (AsH 3 ) is used as an As raw material, and these gases are alternated on the substrate crystal. To obtain a GaAs crystal layer. In this atomic layer crystal growth method, TM
When G is supplied, a part of the alkyl group of TMG is chemically deviated and chemically bonded to As on the substrate surface to form a Ga layer on the As substrate crystal. At this time, the TMG which has further flown onto this layer cannot be adsorbed, and the growth of the Ga layer stops at one layer. This mechanism is called a self-stopping mechanism, and atomic layer crystal growth is achieved by utilizing this mechanism. Such a conventional atomic layer crystal growth method has a relatively low substrate temperature (about 5
(00 ° C.) and under the condition that the growth temperature margin is extremely narrow.

【0003】と言うのはTMGが基板表面に到達する前
に気相中でGa原子にまで熱解離してしまうと、Ga上にさ
らにGaが付着し、原子層毎の成長が実現できなくなるた
めである。すなわち、従来の方法では、成長温度の高温
側は、原料の気相中での熱解離が起こる温度Th によっ
て制限される。一方、成長温度が低すぎると、原料ガス
が基板表面で化学的に結合できなくなり、原子層に満た
ない成長となる。すなわち、成長温度の低温側は、原料
が基板表面原子と化学的に結合して原子層分成長(結
合)する温度Tl で決まる。また、上述した温度Thと
温度Tlとの値は原料ガスに依存する。一例としてTM
Gを用いたGaAs成長の場合、温度Th は約500℃、温
度Tl は約490℃となり、その差、すなわち原子層結
晶成長が可能な成長温度範囲は10℃に過ぎない。この
ことが原子層結晶成長法の成長温度マージンが狭い由縁
である。
The reason is that if TMG is thermally dissociated into Ga atoms in the vapor phase before reaching the substrate surface, Ga is further attached on Ga and growth for each atomic layer cannot be realized. Is. That is, in the conventional method, the high temperature side of the growth temperature is limited by the temperature Th at which thermal dissociation of the raw material occurs in the vapor phase. On the other hand, if the growth temperature is too low, the raw material gas cannot chemically bond with the surface of the substrate, and the growth does not reach the atomic layer. That is, the low temperature side of the growth temperature is determined by the temperature Tl at which the raw material is chemically bonded to the surface atoms of the substrate to grow (bond) the atomic layer. Further, the values of the temperature Th and the temperature Tl described above depend on the source gas. TM as an example
In the case of GaAs growth using G, the temperature Th is about 500 ° C. and the temperature Tl is about 490 ° C., and the difference, that is, the growth temperature range in which atomic layer crystal growth is possible is only 10 ° C. This is the reason why the growth temperature margin of the atomic layer crystal growth method is narrow.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来、GaAsの成長は上
述したように成長温度範囲は狭いが、実現されてきてい
る。しかし、AlAsあるいはAlGaAsといったAl原子を含む
化合物半導体の実現は困難であった。これは通常、Al金
属にメチル基あるいはエチル基が3個結合した有機金属
が使用されてきているが、前述の温度Thと温度Tlの温
度に差が無いため、原子層成長ができないことによる。
これを解決するため、Alの塩化物あるいはAl金属に結合
したアルキル基の一部を塩素に置換した、例えばジエチ
ルアルミクロライド((CH3)2AlCl)といった原料が使わ
れてきている。このとき、基板に供給する前に予め熱解
離してメチル基を除去して供給する方法も行われてい
る。しかし、生成物であるAlClが不安定なため、AlCl同
士が化学的に反応し、Al金属が生成されるため、原子層
結晶成長は実現できていない。このことはデバイス構造
上重要不可欠なヘテロ結晶成長(例えばGaAs/AlGaAs,
GaAs/AlAs)の原子層結晶成長が不可能であることを意
味する。この他、原子層結晶成長法では、前述したよう
に原料ガスがアルキル基を含み、それが最終的に基板表
面で分解するため、結晶中にアルキル基中の炭素が不純
物として取り込まれる問題がある。この濃度は、例えば
通常のGaAs結晶の場合、1018/cm3 以上に及ぶ。した
がって、この方法は、高純度の結晶成長が難しく、原子
層結晶成長法の実用化への妨げとなっている。
Conventionally, the growth of GaAs has been realized although the growth temperature range is narrow as described above. However, it has been difficult to realize a compound semiconductor containing Al atoms such as AlAs or AlGaAs. This is because an organic metal in which three methyl groups or ethyl groups are bonded to Al metal has been usually used, but since there is no difference between the temperatures Th and Tl, atomic layer growth cannot be performed.
In order to solve this, a raw material such as diethyl aluminum chloride ((CH 3 ) 2 AlCl) in which a part of the alkyl group bonded to Al chloride or Al metal is replaced with chlorine has been used. At this time, a method is also used in which the methyl group is removed by thermal dissociation in advance before supplying to the substrate to supply. However, since the product AlCl is unstable, AlCl chemically reacts with each other to generate Al metal, and atomic layer crystal growth has not been realized. This means that hetero crystal growth (eg GaAs / AlGaAs,
It means that atomic layer crystal growth of (GaAs / AlAs) is impossible. In addition, in the atomic layer crystal growth method, as described above, the source gas contains an alkyl group, and it is finally decomposed on the substrate surface, so that carbon in the alkyl group is taken into the crystal as an impurity. . This concentration reaches, for example, 10 18 / cm 3 or more in the case of a normal GaAs crystal. Therefore, this method makes it difficult to grow high-purity crystals, which hinders the practical application of the atomic layer crystal growth method.

【0005】それ故、本発明の主目的は、従来よりも成
長温度マージンを広くすることができる原子層結晶成長
法およびその装置を提供することにある。また、本発明
の他の目的は、従来不可能であった組成の成長を可能に
する原子層結晶成長法およびその装置を提供することに
ある。さらに、本発明の他の目的は、従来よりも炭素不
純物濃度の低い高純度の結晶を実現することができる原
子層結晶成長法およびその装置を提供するにある。
Therefore, a main object of the present invention is to provide an atomic layer crystal growth method and an apparatus therefor capable of making a growth temperature margin wider than ever. Another object of the present invention is to provide an atomic layer crystal growth method and apparatus capable of growing a composition which has been impossible in the past. Further, another object of the present invention is to provide an atomic layer crystal growth method and an apparatus therefor capable of realizing a high-purity crystal having a lower carbon impurity concentration than ever before.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明の一実施態様では、金属とアルキル基か
らなる自己成長停止機構を有する有機金属を交互供給す
る化合物半導体の原子層結晶成長法において、前記有機
金属分子が基板表面に到達する前に金属と結合した少な
くとも一本のアルキル基結合手を熱解離し、かつ一本以
上のアルキル基結合手を残した状態で基板上に供給して
原子層を形成するかもしくは水素雰囲気中で熱解離さ
せ、その解離した結合手に水素原子を結合させた状態で
基板上に供給して原子層を形成することを特徴とする。
従来の原子層結晶成長法が未分解のアルキル基とのみ結
合した状態で基板表面に供給していた点で異なる。
In order to achieve such an object, according to one embodiment of the present invention, an atomic layer crystal of a compound semiconductor which alternately supplies an organic metal having a self-growth stopping mechanism composed of a metal and an alkyl group. In the growth method, before the organometallic molecule reaches the substrate surface, at least one alkyl group bond bonded to the metal is thermally dissociated, and one or more alkyl group bonds are left on the substrate. It is characterized in that an atomic layer is supplied to form an atomic layer or is thermally dissociated in a hydrogen atmosphere, and hydrogen atoms are bonded to the dissociated bonds to be supplied onto the substrate to form an atomic layer.
This is different from the conventional atomic layer crystal growth method in that it is supplied to the substrate surface in a state of being bonded only to undecomposed alkyl groups.

【0007】[0007]

【作用】このように構成すれば、被成長分子が基板表面
に到達する前に金属と結合したアルキル基結合手の少な
くとも一本を熱解離し、アルキルラジカル分子で被成長
基板に供給することにより、基板原子との結合エネルギ
を低減する。あるいは水素雰囲気中で熱解離することに
より、比較的安定な水素化物として被成長基板に供給
し、結合種の違いによる基板表面での熱分解温度に差を
つける。これらの作用により原子層結晶成長可能温度範
囲を増加させるとともに結晶中の炭素不純物濃度を低減
できる。
With this structure, at least one of the alkyl group bonding hands bonded to the metal is thermally dissociated before the growing molecule reaches the surface of the substrate, and the alkyl radical molecule is supplied to the growing substrate. , Reduce the binding energy with the substrate atoms. Alternatively, by thermally dissociating in a hydrogen atmosphere, it is supplied to the substrate to be grown as a relatively stable hydride, and the thermal decomposition temperature on the substrate surface is made different due to the difference in bond species. By these actions, the temperature range in which atomic layer crystal growth is possible can be increased and the carbon impurity concentration in the crystal can be reduced.

【0008】[0008]

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図1
は、本発明による原子層結晶成長法の第1の実施例とし
て、GaAsの原子層結晶成長を実現するための装置のブロ
ック図を示すもので、同図において、1はIII 族原料で
あるトリメチルガリウムを入れたタンク、2はV族原料
であるアルシンを入れたタンク、3はトリメチルガリウ
ムの一部のアルキル基を熱解離するための個別に温度制
御された石英管、4は温度制御のための石英管3に巻回
された加熱ヒータ、5は石英管3の内部の温度をモニタ
する熱電対、6はトリメチルガリウムを運ぶとともに石
英管3の内部の雰囲気を制御するためのキャリアガスを
入れたタンク、7は適当な支持台上に置かれた被成長基
板、8は反応管、9は基板温度を制御するためのRF
(高周波)コイル、10a,10bは原料の供給を制御
する止弁である。
EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described. Figure 1
Shows a block diagram of an apparatus for realizing the atomic layer crystal growth of GaAs as the first embodiment of the atomic layer crystal growth method according to the present invention. In the figure, 1 is trimethyl which is a group III raw material. Tank containing gallium, 2 is a tank containing arsine which is a group V raw material, 3 is a quartz tube which is individually temperature-controlled for thermally dissociating a part of alkyl groups of trimethylgallium, and 4 is for temperature control Heater 5 wound around the quartz tube 3 of the above, 5 is a thermocouple for monitoring the temperature inside the quartz tube 3, and 6 is a carrier gas for carrying trimethylgallium and controlling the atmosphere inside the quartz tube 3. Tank, 7 is a substrate to be grown on a suitable support, 8 is a reaction tube, and 9 is RF for controlling the substrate temperature.
The (high frequency) coils 10a and 10b are stop valves that control the supply of raw materials.

【0009】図2は、トリメチルガリウムの窒素雰囲気
中での熱分解特性を四重極質量分析装置で調べた結果を
示す。図はトリメチルガリウムが分解して発生するGaの
ピーク強度変化を示す。同図において、横軸は基板温
度、縦軸はGaのイオン電流を示している。同図におい
て、ピーク強度が一定な領域は四重極質量分析装置内で
分解するGa量を表している。520℃以上でのピーク強
度の減少は、窒素雰囲気中でトリメチルガリウムが分解
していることを示す。分解した分子種の一部が石英管等
の壁面に付着し、四重極質量分析装置で分析されるトリ
メチルガリウムの量が減るためにピーク強度が減少する
のである。
FIG. 2 shows the results of examining the thermal decomposition characteristics of trimethylgallium in a nitrogen atmosphere with a quadrupole mass spectrometer. The figure shows the change in Ga peak intensity generated by the decomposition of trimethylgallium. In the figure, the horizontal axis represents the substrate temperature and the vertical axis represents the Ga ion current. In the figure, the region where the peak intensity is constant represents the amount of Ga decomposed in the quadrupole mass spectrometer. The decrease in peak intensity at 520 ° C. or higher indicates that trimethylgallium is decomposed in a nitrogen atmosphere. Part of the decomposed molecular species adheres to the wall surface of the quartz tube and the like, and the amount of trimethylgallium analyzed by the quadrupole mass spectrometer decreases, so the peak intensity decreases.

【0010】図3は、図1における石英管3の内部の温
度をトリメチルガリウムが分解する540℃に制御し、
タンク6からのキャリアガスを窒素としその流量を毎分
2リットル,石英管3内のトリメチルガリウムの流量を
1.6×10ー6mol /サイクル,タンク2からのアルシ
ン流量を7×10ー6mol /サイクルとした条件で1サイ
クルあたりトリメチルガリウム供給:パージ:アルシン
供給:パージ=1秒:3秒:1秒:3秒のシーケンスで
GaAsを成長したときの成長速度と基板温度との関係を示
した図である。同図において、横軸は基板温度、縦軸は
成長速度を示している。同図の●印が本発明により成長
した結果で○印が従来の方法(水素キャリアガスを用い
てトリメチルガリウムを分解せずに供給)により成長し
た結果を示す。●が示すように基板温度460℃から5
20℃の領域で成長速度が2.8Å/サイクルと一定に
なる。この値は、GaAs1原子層の厚さに相当し、原子層
結晶成長が実現されていることがわかる。一方、従来の
方法では一定になる領域は490℃〜500℃と僅か1
0℃にすぎない。
In FIG. 3, the temperature inside the quartz tube 3 in FIG. 1 is controlled to 540 ° C. at which trimethylgallium decomposes,
The carrier gas from the tank 6 is nitrogen, the flow rate is 2 liters per minute, the flow rate of trimethylgallium in the quartz tube 3 is 1.6 × 10 −6 mol / cycle, and the flow rate of arsine from the tank 2 is 7 × 10 −6. In the condition of mol / cycle, trimethylgallium supply per cycle: Purge: Arsine supply: Purge = 1 second: 3 seconds: 1 second: 3 seconds in a sequence
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the growth rate and the substrate temperature when GaAs is grown. In the figure, the horizontal axis represents the substrate temperature and the vertical axis represents the growth rate. In the figure, the ● marks show the results of growth according to the present invention, and the ○ marks show the results of growth by a conventional method (supplying trimethylgallium using hydrogen carrier gas without decomposing). As shown by ●, the substrate temperature is from 460 ℃ to 5
In the region of 20 ° C, the growth rate becomes constant at 2.8Å / cycle. This value corresponds to the thickness of one atomic layer of GaAs, and it can be seen that atomic layer crystal growth is realized. On the other hand, in the conventional method, the area that becomes constant is 490 ° C to 500 ° C, which is only 1
Only 0 ° C.

【0011】次に第2の実施例である原料ガスを熱分解
後、水素化物として基板上に供給した例としてAlAsの原
子層結晶成長を実現した例を示す。図4は、図1の石英
管3の設定温度を求める基本となるトリメチルアルミニ
ウムの水素雰囲気中での分解特性を示したものである。
同図において、横軸は石英管の温度、縦軸はイオン電流
を示す。同図は、図2で説明したのと同様に四重極質量
分析装置で測定した結果であり、ピークが減少する約3
80℃からトリメチルアルミニウムの分解が起こり始め
る。本実施例では石英管3の内部の温度を400℃に設
定した。なお、同図において、DMAlはジメチルアルミニ
ウム,MMAlはモノメチルアルミニウム,Alはアルミニウ
ム,CH4 はメタン,TMAlはトリメチルアルミニウムであ
り、それぞれの材料名の右側の数値は実測値を拡大した
倍率を示している。
Next, an example in which atomic layer crystal growth of AlAs is realized is shown as an example in which the source gas in the second embodiment is thermally decomposed and then supplied as hydride onto the substrate. FIG. 4 shows the decomposition characteristics of trimethylaluminum in a hydrogen atmosphere, which is the basis for obtaining the set temperature of the quartz tube 3 in FIG.
In the figure, the horizontal axis represents the temperature of the quartz tube and the vertical axis represents the ion current. This figure is the result of measurement with a quadrupole mass spectrometer similar to that described with reference to FIG.
Decomposition of trimethylaluminum begins to occur at 80 ° C. In this embodiment, the temperature inside the quartz tube 3 is set to 400 ° C. In the figure, DMAl is dimethylaluminum, MMAl is monomethylaluminum, Al is aluminum, CH4 is methane, and TMAl is trimethylaluminum. The numerical value on the right side of each material name shows the magnified magnification of the measured value. .

【0012】図5は、本発明によりAlAsの原子層結晶結
晶成長を実現した図である。同図において、横軸は基板
温度、縦軸は成長速度を示す。このときの成長条件は、
図1のタンク6からのキャリアガスを水素とし、その流
量を毎分2リットル,タンク1からのIII族原料をトリ
メチルアルミニウムとし、その流量を1×10ー6mol/
サイクル,タンク2からのアルシン流量を7×10ー6mo
l /サイクルとした条件で1サイクルあたりトリメチル
アルミニウム供給:パージ:アルシン供給:パージ=1
秒:3秒:1秒:3秒のシ−ケンスでAlAsを成長した時
の成長速度と基板温度との関係を示した図である。図中
の●印が本発明により成長した結果で、○印が従来の方
法(トリメチルアルミニウムを分解せずに供給)により
成長した結果を示す。●が示すように基板温度460℃
から480℃の領域で成長速度が2.8Å/サイクルと
一定になる。この値は、AlAs1原子層の厚さに相当し、
原子層成長が実現されていることがわかる。一方、従来
の方法では一定になる領域が存在せず、原子層結晶成長
はできていない。
FIG. 5 is a diagram for realizing atomic layer crystal growth of AlAs according to the present invention. In the figure, the horizontal axis represents the substrate temperature and the vertical axis represents the growth rate. The growth conditions at this time are
The carrier gas from the tank 6 in FIG. 1 is hydrogen, the flow rate is 2 liters per minute, the group III raw material from the tank 1 is trimethylaluminum, and the flow rate is 1 × 10 −6 mol / min.
Cycle, 7 × arsine flow from the tank 2 10 @ 6 mo
Trimethylaluminum supply per cycle under the condition of l / cycle: Purge: Arsine supply: Purge = 1
It is the figure which showed the growth rate at the time of growing AlAs in the sequence of second: 3 second: 1 second: 3 second, and the substrate temperature. In the figure, ● indicates the result of growth according to the present invention, and ○ indicates the result of growth according to the conventional method (supplied without decomposing trimethylaluminum). ● Board temperature is 460 ℃
The growth rate becomes constant at 2.8 Å / cycle in the range from 480 ° C to 480 ° C. This value corresponds to the thickness of one AlAs atomic layer,
It can be seen that atomic layer growth has been realized. On the other hand, in the conventional method, there is no constant region, and atomic layer crystal growth cannot be performed.

【0013】図6は、図4で示したAlAsの原子層結晶成
長が実現した理由を説明するための図であり、図1の石
英管3を通過する前後のトリメチルアルミニウムの分子
状態の変化を表す。トリメチルアルミニウムを400℃
の石英管3中を通過させると、ジメチルアルミニウム,
モノメチルアルミニウム,Al原子に熱解離される。Al原
子は石英管3の内壁に付着し、石英管3から外に出な
い。また、ジメチルアルミニウムの余った結合手には水
素原子が結合し、ジメチルアルミニウムハイドライド
(H(CH3)2Al)となる。Alとメチル基との結合エネルギ
に比較してAlと水素の結合エネルギが大きいこと、ま
た、ジメチルアルミニウムハイドライドは安定な化合物
であることから、この反応は容易に起こり得る。モノメ
チルアルミニウムにも余った2本の結合手に水素原子が
結合するが、この化合物は不安定なため、容易に安定な
ジメチルアルミニウムハイドライドに変わる。したがっ
て、基板に供給される分子はジメチルアルミニウムハイ
ドライドとなる。基板表面に到達したジメチルアルミニ
ウムハイドライドの水素はAlとAsとの基板表面での反応
時に解離するため、AlとAsとの化学結合は比較的低温で
も容易に起こる。ジメチルアルミニウムハイドライド自
体をトリメチルアルミニウムの代わりに用いる方法も考
えられる。しかし、トリメチルアルミニウムに比較して
蒸気圧が一桁以下であることから十分な流量が得にく
い、また、原料ガスボンベや反応管までの配管を常に約
90℃程度の高温に保持する必要があるため、配管内で
の液化や止弁および質量流量計の信頼性に対して問題が
ある。本発明ではこの問題も完全に解決できる。
FIG. 6 is a diagram for explaining the reason why the atomic layer crystal growth of AlAs shown in FIG. 4 was realized, and shows the change in the molecular state of trimethylaluminum before and after passing through the quartz tube 3 in FIG. Represent Trimethylaluminum 400 ℃
When it is passed through the quartz tube 3 of
Thermally dissociated into monomethylaluminum and Al atoms. Al atoms adhere to the inner wall of the quartz tube 3 and do not go out of the quartz tube 3. In addition, hydrogen atoms are bonded to the remaining bonds of dimethylaluminum to form dimethylaluminum hydride (H (CH 3 ) 2 Al). This reaction can easily occur because the bond energy between Al and hydrogen is larger than the bond energy between Al and a methyl group, and dimethylaluminum hydride is a stable compound. Hydrogen atoms bond to the remaining two bonds in monomethylaluminum, but this compound is unstable and easily changes to stable dimethylaluminum hydride. Therefore, the molecules supplied to the substrate are dimethyl aluminum hydride. The hydrogen of dimethylaluminum hydride reaching the substrate surface is dissociated during the reaction between Al and As on the substrate surface, so that the chemical bond between Al and As easily occurs even at a relatively low temperature. A method of using dimethylaluminum hydride itself instead of trimethylaluminum is also conceivable. However, compared with trimethylaluminum, the vapor pressure is less than one digit, so it is difficult to obtain a sufficient flow rate, and it is necessary to keep the raw material gas cylinder and the piping to the reaction tube at a high temperature of about 90 ° C at all times. , There is a problem in the reliability of the liquefaction in the piping and the stop valve and the mass flowmeter. The present invention can completely solve this problem.

【0014】本発明の図3で示したGaAsの原子層結晶成
長の低温側への温度領域の拡大理由を図6を代用して説
明すると、トリメチルガリウムが石英管3中で分解し、
ジメチルガリウムやモノメチルガリウム等のラジカルと
Gaが発生する。Ga原子は石英管壁に吸着し、石英管から
外に出ない。ラジカルは雰囲気の窒素とは結合せず、基
板表面に到着する。これらのラジカルは、未結合手を有
するため、Asとの吸着エネルギを必要とせず、低温でも
吸着する。
The reason for expanding the temperature region toward the low temperature side of the atomic layer crystal growth of GaAs shown in FIG. 3 of the present invention will be explained by substituting FIG. 6, and trimethylgallium is decomposed in the quartz tube 3,
Radicals such as dimethylgallium and monomethylgallium
Ga is generated. Ga atoms are adsorbed on the quartz tube wall and do not go out from the quartz tube. The radicals do not bond with nitrogen in the atmosphere and reach the surface of the substrate. Since these radicals have dangling bonds, they do not require adsorption energy with As and are adsorbed even at low temperatures.

【0015】図7は本発明により炭素濃度の低減を達成
した実施例を示すもので、図1で示した装置で石英管3
にトリメチルアルミニウムを供給して成長したAlAsの炭
素濃度を示したものである。実施例の成長条件は図5で
示した条件と同じ条件で行った結果を示している。従来
の方法に比較して約2〜3桁炭素濃度が低減され、本発
明の著しい効果が確認できる。石英管3を通過した分子
はジメチルアルミニウムハイドライドとなり、それが基
板表面に供給された後、水素原子を解離する。この解離
した水素原子はAlに結合している炭素の起因となるメチ
ル基と反応し、メタンとして除去するため、炭素の少な
い結晶が成長できる。
FIG. 7 shows an embodiment in which the carbon concentration is reduced by the present invention. In the apparatus shown in FIG.
It shows the carbon concentration of AlAs grown by supplying trimethylaluminum to. The growth conditions of the examples show the results obtained under the same conditions as those shown in FIG. The carbon concentration is reduced by about 2 to 3 digits as compared with the conventional method, and the remarkable effect of the present invention can be confirmed. Molecules that have passed through the quartz tube 3 become dimethyl aluminum hydride, which is supplied to the surface of the substrate and then dissociates hydrogen atoms. This dissociated hydrogen atom reacts with the methyl group that causes carbon bonded to Al and is removed as methane, so that a crystal with less carbon can be grown.

【0016】上記の例はトリメチルガリウムとトリメチ
ルアルミニウムの有機金属ガスを用いた例を示したが、
他のアルキル基と結合した有機金属あるいはジメチル亜
鉛とイオウ化合物あるいはSe化合物のようなII−VI
族の原料種でも同様の効果が期待できることは言うまで
もない。
In the above example, an organic metal gas of trimethylgallium and trimethylaluminum is used.
II-VI such as organometals or dimethylzinc bound to other alkyl groups and sulfur compounds or Se compounds
It goes without saying that the same effect can be expected with the raw material species of the group.

【0017】図8は、III 族有機金属ガスの結合手を解
離するにあたり、光による解離法を実現するための装置
を示す。光源にはハロゲンランプ21を用い、光を照射
した石英管3を通過してTMAが基板7の表面に到達す
る構成になっている。その他の条件は図5で述べたもの
と同条件に設定することにより、本発明の第2の実施例
と同様にAlAsの原子層結晶成長を実現した。
FIG. 8 shows an apparatus for realizing a photodissociation method for dissociating a bond of a group III organometallic gas. A halogen lamp 21 is used as a light source, and TMA reaches the surface of the substrate 7 through the quartz tube 3 irradiated with light. By setting the other conditions to the same conditions as described in FIG. 5, atomic layer crystal growth of AlAs was realized as in the second embodiment of the present invention.

【0018】図9は、III 族有機金属ガスの結合手を解
離するにあたり、電子ビームによる解離法を実現するた
めの装置を示す。タンク1からのTMAのみ電子銃31
から出される電子ビームを横切って基板7の表面に到達
するように電子銃31とTMA導入管32との位置を設
定している。電子銃31からの電子ビームの加速電圧を
20KeVとし、タンク1からのTMAの流量を1.5sc
cm,タンク2からのアルシンの供給量を2sccm,反応管
8内の圧力を8×10ー5Torr,TMAである原料ガス供
給時間を5秒,それぞれのガスをパージする時間を10
秒に設定することにより、図5で示したようなAlAsの原
子層結晶成長を実現した。なお、本例では、基板温度を
制御するための基板加熱ヒータ33は基板7の下方に設
置されている。
FIG. 9 shows an apparatus for realizing a dissociation method by an electron beam in dissociating a bond of a group III organometallic gas. Only TMA from tank 1 electron gun 31
The positions of the electron gun 31 and the TMA introducing tube 32 are set so as to reach the surface of the substrate 7 across the electron beam emitted from. The acceleration voltage of the electron beam from the electron gun 31 is set to 20 KeV, and the flow rate of TMA from the tank 1 is 1.5 sc
cm, the supply amount of arsine from the tank 2 is 2 sccm, the pressure in the reaction tube 8 is 8 × 10 −5 Torr, the source gas of TMA is supplied for 5 seconds, and the time for purging each gas is 10
By setting to seconds, the atomic layer crystal growth of AlAs as shown in FIG. 5 was realized. In this example, the substrate heater 33 for controlling the substrate temperature is installed below the substrate 7.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、基板表面
に化学吸着しやすい分子状態に変化させて供給すること
により、低温での吸着効率を促進させ、結果的に従来実
現できなかった化合物半導体の原子層結晶成長を可能に
する。また、結晶中の炭素濃度を低減でき高純度の結晶
成長が可能になる。このことは、多種の化合物半導体の
成長を可能とし、ヘテロ成長構造等デバイス実現に不可
欠な構造を成長でき、原子層結晶成長法の実用化,応用
を著しく推進する効果を有する。換言すれば、本発明
は、超高速動作が期待される微細電子デバイス構造を実
現する結晶成長技術において、デバイス特性を左右する
ヘテロ界面での組成,膜厚均一性を原子層単位で精密制
御できる結晶成長法で実現できる結晶組成の拡大,結晶
内含有炭素不純物濃度の低減に利用できる。
As described above, the present invention promotes the adsorption efficiency at low temperature by changing the molecular state to be easily chemisorbed on the surface of the substrate and supplying it, and as a result, the compound which could not be realized conventionally. Enables atomic layer crystal growth of semiconductors. Further, the carbon concentration in the crystal can be reduced, and high-purity crystal growth becomes possible. This has the effect of enabling the growth of various compound semiconductors, the growth of structures essential for device realization such as the hetero-growth structure, and the significant promotion of the practical application and application of the atomic layer crystal growth method. In other words, the present invention can precisely control the composition and film thickness uniformity at the hetero-interface that affects the device characteristics in atomic layer units in the crystal growth technology that realizes a fine electronic device structure expected to operate at ultra-high speed. It can be used for expanding the crystal composition that can be realized by the crystal growth method and reducing the concentration of carbon impurities contained in the crystal.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例を示す装置のブロック図であ
る。
FIG. 1 is a block diagram of an apparatus showing an embodiment of the present invention.

【図2】トリメチルガリウムの窒素雰囲気中での熱分解
特性を四重極質量分析装置で調べた結果を示す特性図で
ある。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the results of examining the thermal decomposition characteristics of trimethylgallium in a nitrogen atmosphere with a quadrupole mass spectrometer.

【図3】第1の実施例の効果を示すもので、本発明と従
来例によるGaAs結晶の成長速度と基板温度との関係を示
す図である。
FIG. 3 is a graph showing the effect of the first embodiment and showing the relationship between the growth rate of GaAs crystals and the substrate temperature according to the present invention and the conventional example.

【図4】トリメチルアルミニウムの水素雰囲気中での分
解特性を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing decomposition characteristics of trimethylaluminum in a hydrogen atmosphere.

【図5】第2の実施例の効果を示すもので、本発明と従
来例によるAlAs結晶の成長速度と基板温度との関係を示
す図である。
FIG. 5 is a graph showing the effect of the second embodiment and showing the relationship between the growth rate of AlAs crystals and the substrate temperature according to the present invention and the conventional example.

【図6】AlAsの原子層成長が実現した理由を説明するた
めの図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining the reason why atomic layer growth of AlAs is realized.

【図7】本発明の効果を示すもので、本発明と従来例に
よるALAs結晶の炭素不純物濃度を示した図である。
FIG. 7 is a graph showing the effects of the present invention, showing the carbon impurity concentration of ALAs crystals according to the present invention and a conventional example.

【図8】本発明の他の実施例を示す装置のブロック図で
ある。
FIG. 8 is a block diagram of an apparatus showing another embodiment of the present invention.

【図9】本発明のさらに他の実施例を示す装置のブロッ
ク図である。
FIG. 9 is a block diagram of an apparatus showing still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 タンク 2 タンク 3 石英管 4 加熱ヒータ 5 熱伝対 6 タンク 7 被成長基板 8 反応管 9 RFコイル 10a 止弁 10b 止弁 21 ハロゲンランプ 31 電子銃 32 TMA導入管 33 基板加熱ヒータ 1 tank 2 tanks 3 Quartz tube 4 heating heater 5 thermocouple 6 tanks 7 Growth substrate 8 reaction tubes 9 RF coil 10a stop valve 10b stop valve 21 Halogen lamp 31 electron gun 32 TMA introduction tube 33 Substrate heating heater

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属とアルキル基からなる自己成長停止
機構を有した有機金属を使用し、この有機金属の金属と
アルキル基との少なくとも一本の結合手を熱解離させ、
かつ一本以上の結合手を残した状態で前記金属とアルキ
ル基からなる有機金属分子と、水素化物または前記金属
と異なる有機金属分子とを交互に基板上に供給すること
により前記基板上に原子層を成長させるようにしたこと
を特徴とする原子層結晶成長法。
1. An organic metal having a self-growth stopping mechanism composed of a metal and an alkyl group is used, and at least one bond between the metal of the organic metal and the alkyl group is thermally dissociated,
Atoms on the substrate by alternately supplying an organometallic molecule consisting of the metal and an alkyl group with one or more bonds left, and a hydride or an organometallic molecule different from the metal on the substrate. Atomic layer crystal growth method characterized in that a layer is grown.
【請求項2】 請求項1において、前記有機金属は、II
I 族とII族の金属の中から選ばれたひとつであり、前記
水素化物あるいは有機金属分子は前記有機金属に関係づ
けられかつV族とVI 族元素の中から選ばれた元素を少
なくともひとつ含むことを特徴とする原子層結晶成長
法。
2. The organic metal according to claim 1, wherein the organic metal is II
It is one selected from Group I and Group II metals, and the hydride or organometallic molecule contains at least one element selected from Group V and Group VI elements related to the organometal. Atomic layer crystal growth method characterized by the above.
【請求項3】 請求項1において、前記有機金属は、金
属とアルキル基との少なくとも一本の結合手を熱解離さ
せる処理は水素ガス雰囲気中で行われ、これにより解離
した結合手に水素原子を結合させた後、次の処理が行わ
れるようにしたことを特徴とする原子層結晶成長法。
3. The organic metal according to claim 1, wherein the treatment for thermally dissociating at least one bond between the metal and the alkyl group is carried out in a hydrogen gas atmosphere, and the dissociated bond has a hydrogen atom. The atomic layer crystal growth method is characterized in that the following treatment is carried out after the bonding.
【請求項4】 III 族あるいはII族の金属とアルキル基
からなる自己成長停止機構を有した有機金属をIII 族も
しくはII族の金属とアルキル基との少なくとも一本の結
合手を熱解離させ、かつ一本以上の結合手を残した後、
前記III 族もしくはII族の金属を含む有機金属分子と、
V族あるいはVI 族元素を含む水素化物または有機金属
分子とを交互に基板上に供給して原子層を成長させるよ
うにしたことを特徴とする原子層結晶成長法。
4. An organic metal having a self-growth stopping mechanism composed of a Group III or Group II metal and an alkyl group is thermally dissociated from at least one bond between the Group III or Group II metal and an alkyl group, And after leaving one or more bonds,
An organometallic molecule containing a Group III or Group II metal,
An atomic layer crystal growth method characterized in that an atomic layer is grown by alternately supplying a hydride containing a group V or group VI element or an organic metal molecule onto a substrate.
【請求項5】 III 族もしくはII族の金属とアルキル基
からなる自己成長停止機構を有した有機金属を、水素ガ
ス雰囲気中でIII 族もしくはII族金属とアルキル基との
少なくとも一本の結合手を熱解離させ、かつ解離した結
合手に水素原子を結合させた後、前記III 族,II族金属
を含む有機金属分子と、V族もしくはVI 族元素を含む
水素化物または有機金属分子とを交互に基板上に供給し
て原子層を成長させるようにしたことを特徴とする原子
層結晶成長法。
5. An organic metal having a self-growth stopping mechanism composed of a group III or group II metal and an alkyl group is prepared by using at least one bond between the group III or group II metal and the alkyl group in a hydrogen gas atmosphere. Is thermally dissociated, and a hydrogen atom is bonded to the dissociated bond, and then the organometallic molecule containing the group III or II metal and the hydride or organometallic molecule containing the group V or VI element are alternated. Atomic layer crystal growth method characterized in that the atomic layer is grown on the substrate to grow the atomic layer.
【請求項6】 反応室と、この反応室内に配置されこの
表面に原子層が形成される基板と、この基板の温度を制
御する手段と、前記反応室に接続されて金属とアルキル
基からなる自己成長停止機構を備えた第1の原料を前記
反応室に供給する手段と、この第1の原料が前記反応室
に供給されるのを停止する第1のバルブ手段と、前記反
応室に接続されて水素化物または有機金属分子からなる
第2の原料を前記反応室に供給する手段と、この第2の
原料が前記反応室の供給されるのを停止する第2のバル
ブ手段と、前記反応室に供給される第1の原料の有機金
属とアルキル基との一本以上の結合手を残した状態で少
なくとも一本の結合手を熱解離させる手段とを有し、前
記第1のバルブ手段と前記第2のバルブ手段とを制御し
て前記反応室内の前記基板に前記金属とアルキル基から
なる有機金属分子と、前記水素化物または有機金属分子
とを交互に基板上に供給するようにしたことを特徴とす
る原子層結晶成長装置。
6. A reaction chamber, a substrate arranged in the reaction chamber and having an atomic layer formed on the surface thereof, means for controlling the temperature of the substrate, and a metal and an alkyl group connected to the reaction chamber. A means for supplying a first raw material having a self-growth stopping mechanism to the reaction chamber, a first valve means for stopping the supply of the first raw material to the reaction chamber, and a connection to the reaction chamber Means for supplying a second raw material containing hydride or organometallic molecules to the reaction chamber, second valve means for stopping the supply of the second raw material to the reaction chamber, and the reaction Means for thermally dissociating at least one bond in the state where one or more bonds of the organic metal and the alkyl group of the first raw material supplied to the chamber are left, and the first valve means And the second valve means to control the inside of the reaction chamber. An atomic layer crystal growth apparatus characterized in that organometallic molecules consisting of the metal and an alkyl group and the hydride or organometallic molecules are alternately supplied to the substrate on the substrate.
【請求項7】 請求項6において、前記熱解離させる手
段は、第1の原料が供給される石英管と、この石英管の
外周に配置される加熱手段とからなることを特徴とする
原子層結晶成長装置。
7. The atomic layer according to claim 6, wherein the means for thermal dissociation comprises a quartz tube to which the first raw material is supplied and a heating means arranged on the outer periphery of the quartz tube. Crystal growth equipment.
【請求項8】 請求項6において、前記加熱手段はヒー
タであることを特徴とする原子層結晶成長装置。
8. The atomic layer crystal growth apparatus according to claim 6, wherein the heating means is a heater.
【請求項9】 請求項6において、前記加熱手段はラン
プであることを特徴とする原子層結晶成長装置。
9. The atomic layer crystal growth apparatus according to claim 6, wherein the heating means is a lamp.
【請求項10】 請求項6において、前記熱解離手段に
水素ガスを供給して水素ガス雰囲気中で熱解理を行わせ
る手段を有することを特徴とする原子層結晶成長装置。
10. The atomic layer crystal growth apparatus according to claim 6, further comprising means for supplying hydrogen gas to the thermal dissociation means to perform thermal decomposition in a hydrogen gas atmosphere.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7732325B2 (en) 2002-01-26 2010-06-08 Applied Materials, Inc. Plasma-enhanced cyclic layer deposition process for barrier layers
US7781326B2 (en) 2001-02-02 2010-08-24 Applied Materials, Inc. Formation of a tantalum-nitride layer
US10280509B2 (en) 2001-07-16 2019-05-07 Applied Materials, Inc. Lid assembly for a processing system to facilitate sequential deposition techniques

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