JPH0684279B2

JPH0684279B2 - 液相エピタキシヤル法におけるエピ成長時の表面改善方法

Info

Publication number: JPH0684279B2
Application number: JP5223488A
Authority: JP
Inventors: 哲一横田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1988-03-04
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPH01226790A

Description

【発明の詳細な説明】（ア）技術分野この発明は、化合物半導体の液相エピタキシヤル成長に
於て、表面ポリツシングを不要とする液相エピタキシヤ
ル法の改良に関する。

化合物半導体というのは、GaAs、GaP、InP、GaAlAsなど
の多くの組合わせがある。

エピタキシーというのは、単結晶の基板の上に、単結晶
の薄膜を成長させることである。

液相エピタキシー（Liquid Phase Epitaxy）は、熱平衡
状態を保ちながら成長させる方法であるので欠陥の少い
緻密な膜を得ることができる。このために、比較的大き
い電流を通さなければならない発光素子の製造のために
は、液相エピタキシーが最適である。

気相エピタキシー（VPE）、分子線エピタキシー（MB
E）、有機金属熱分解法（MOCVD、OMVPE）など、諸種の
エピタキシー手法が精力的に開発されつつある。

しかしながら、液相エピタキシーは、欠陥の少ない事、
結晶性の優れている事など、追随を許さない長所があ
る。古典的な手法であるが、なお有用性を失なわない。

ところが、液相エピタキシーによる薄膜には、表面に凹
凸が液状に出現するという欠点がある。

波の波長は１μｍ〜数μｍ程度である。

電子顕微鏡で液相エピタキシヤル成長面（GaAs/GaAs）
を見ると、海にうちよせる波のような平行な凹凸の群が
見られる。このような模様をテラス模様、波模様という
ことがある。

このような波模様をもつ液相エピタキシヤル成長面のこ
とをモルフオロジー（Morphoogy）と呼ぶ。

（イ）液相エピタキシーと波模様波模様は液相エピタキシヤル成長法において広く出現す
る。まず、これを強調しなければならない。

GaAs/GaAsの他に、GaP、InP基板の上に同じものをホモ
エピタキシヤル成長させた場合にも出現する。GdTeなど
II−VI族の液相エピタキシーでも現われる。

液相エピタキシーといつても、いくつかの異なる方法が
ある。

テイツピング法（傾斜法）、デイツピング法、スライド
ボート法などがある。

テイツピング法は、容器の中に基板と溶液を入れ、容器
を左右に傾ける事により、基板と溶液を接触、分離させ
る。

デイツピング法は、溶液の中へ上から基板を把持し、鉛
直方向に浸ける。成長が終ると引上げる。発行ダイオー
ドの生産に、今も使われる。

スライドボート法は、グラフアイトのスライド平板に基
板の入る凹部を穿ち、この上に底のない原料溶液溜めを
いくつか有するボートを載せて相互に動かし、順次、異
なるエピタキシーを実行する。これが液相エピタキシー
の主流である。半導体レーザのように、組成の異なるい
くつものエピタキシヤル成長膜を連続的に成長させる事
ができる。

前述の波模様は、これら３つの方法のいずれで作つたも
のにも現われる。

ということは、液相エピタキシーに共通の問題だという
事である。

しかしながら、波模様がなぜ出現するのか？という事に
ついて、現在確かな事は分つていない。諸説がある。し
かしいずれも信用できない。

（ウ）竪形液相エピタキシヤル成長法ところが、本発明が問題にするのは、前述の３つの方法
のいずれでもない。

本発明の液相エピタキシヤル成長法は、浅い有底の円形
カーボン皿に、ウエハを入れ、これを竪に多数重ねる。
これを溶液に漬けて液相エピタキシーを行なうものであ
る。

第１図によつてこれを説明する。

円形のウエハ１が、カーボン製の治具２の中に入つてい
る。このような治具が多数積重ねられている。このよう
な集合体が全体として石英カセツト４の中に収容され
る。

この中には溶質を含む溶液が３が入つている。

これらはヒータ５によつて囲まれ、これによつて加熱さ
れる。溶液３は治具２の内部にも満ち、ウエハ１の上面
に接する。

温度を下げてゆけば、過飽和になるので、ウエハの上に
化合物が堆積してゆくことになる。

この方法は本出願人の開発した方法である。例えば特公
昭62−35998号（S62.8.5公告）、特開昭59−128298（S5
9.7.25公開）に開示してある。

竪にウエハを積み上げるから、竪形液相エピタキシーと
呼んでいる。

この治具２であるが、これにカーボンで作る。厚さは約
2mm、ウエハを入れる凹凸の深さは約1mm、ウエハな厚み
は約0.3mmである。これらはいずれも一例である。

すると、溶液の厚みが0.7mmという事になる。極めて薄
い。もちろん厚くできるが、そうすると生産性が悪くな
る。

このような方法で、GaAsウエハの上に、不純物をドープ
したGaAs薄膜を例えば成長させる事ができる。この場
合、溶液はGaで、溶質はGaAsである。不純物として、た
とえばSiを入れる。

このようにして成長させたエピタキシヤル薄膜の表面に
は、もちろんテラス模様が発生する。

第５図（ａ）、（ｂ）はGaAs/GaAsエピタキシヤル薄膜
の表面の凹凸の測定例を示す。横軸は直角にそうウエハ
面上の位置である。縦軸は表面の高さで、１目盛が５μ
ｍである。

（ａ）の例ではピークからピークへの高さで５μｍの凹
凸がある。（ｂ）の例では、10μｍの凹凸がある。

（エ）従来技術エピタキシヤル薄膜の上に、ウエハプロセスにより、絶
縁膜や金属電極をさらに付けなければならない。

ホトエツチング法によるが、この場合、薄膜表面に凹凸
があると、ホトマスクとの密着性が悪い。このため、パ
ターンがボケたりする。細いリードパターンを再現性よ
く作る事はもちろんできない。また、チツプが完成すれ
ば、パツケージに入れ、自動ワイヤボンデイングする。
表面に凹凸があると、自動ワイヤボンデイングの際に、
ボンド位置を誤認してしまう。

液相エピタキシヤル成長させたままのウエハをここでは
アズグロウン（as−grown）という。

アズグロウンのウエハは、凹凸が多くて、以後のウエハ
プロセスで、直接に使用できない。

そこで、従来は、厚く液相エピタキシーを行ない、エピ
タキシヤル面をポリツシングして、平坦にしていた。

平坦面にすれば、ホトマスクの密着性、自動ワイヤボン
デイングの位置決めなどにおいて問題がなくなる。

（オ）発明が解決しようとする問題点ところが、エピタキシヤル薄膜の表面をポリツシユする
事により、次のような困難が新たに生じた。

（１）ウエハ面内の全厚さ、エピタキシヤル層の厚さ
が不均一になる事。厚み不均一であるので、発行ダイオ
ードとした時、ウエハ面のどの位置からとつたチツプか
ということにより発光出力がバラついてしまう。

（２）表面キヤリヤ濃度が不均一になる事。これはエ
ピタキシヤル層の厚みが不均一であることによるが、こ
のため、発光ダイオードとした時の、発光時の基準電流
に対する電圧がVfがチップによつてバラつく。

（３） PN接合にストレスがかかる事による劣化の高
進。PN接合では、Ｐ型不純物とＮ型不純物とが近接して
ドープされている。格子定数が異なるほどでないにして
も、不純物の有効直径などが異なるわけである。ここに
強い押圧力が加わると、不純物が正規のサイトから逸脱
する可能性がある。すると、不純物散乱が増えるし、発
光効率も低下する。

（４）デバイス作製工程の工数の増加及び不良率の増
大ポリツシングをするので、工数が増える。ポリツシング
も成功、不成功があるので、不良率が増える要因にな
る。

（カ）目的ポリツシングによる弊害が大きい。ポリツシングを省き
たいものである。

ポリツシングを行なわず、アズグロウンのままでウエハ
プロセスに使えるようなエピタキシヤル薄膜を与える液
相エピタキシーを行えばよいのである。

テラス模様が現われず平坦な表面の薄膜を形成すること
のできる竪形液相エピタキシヤル成長法を提供すること
が本発明の目的である。

（キ）カーボン治具上面の問題本発明者は、ウエハと溶液とを収容するカーボン治具に
ついて検討した。テラス模様がなぜ生ずるのか不明であ
るが、カーボン治具がなんらかの影響を及ぼしているか
もしれない。

第２図に治具の拡大断面図を示す。

治具の上面８に突起などがあると、このために、ウエハ
がゆがみ、発光出力が極端に低下する。そこで上面の突
起を除き上面を平坦にすればよいという事を本出願人は
既に提案している。

これは、特開昭62−223093号（S62.10.1公開）に説明さ
れている。

これは、ウエハが軟化した時に突起がウエハを変形させ
るという事である。

今回問題にするのは、治具の裏面７である。

（ク）本発明の方法本発明者は、治具の裏面の凹凸が、エピタキシヤル膜の
凹凸に強い相関を持つのではないかと考えた。

ウエハはたとえば３インチとか２インチの直径を持つ。
ところが、治具は浅いので、溶液３は極めて薄い。0.7m
m程度である。

ウエハは、直上のカーボン治具の裏面と対向しているこ
とになる。エピタキシヤル層は数十μｍの厚さにするこ
ともある。カーボン治具の裏面に凹凸があれば、エピタ
キシヤル層の膜の平坦度に影響を与えるのではないか？
と考えた。

そこで、第５図（ａ）、（ｂ）に示したエピタキシヤル
薄膜を作製するのに用いた（カーボン皿）治具の直上の
治具の裏面の平坦度を測定した。その結果を第６図
（ａ）、（ｂ）に示す。横軸は直径方向の位置である。
縦軸は面の高さである。１目盛が10μｍである。ピーク
からピークにして、狭い範囲でも10μｍの高低差があ
る。全体では20μｍの高低差がある。

溶液の厚さは約700μｍであるから、20μｍの高低の差
というのは僅かなものであるが、しかし、それでもなん
らかの相関があるのかもしれない。

本発明者はそこで、治具の裏面をポリツシユして平坦に
する事にした。

ポリツシユの方法は任意である。例えば＃3000のAl₂O₃
を砥粒として治具の裏面７をポリツシユした。そして、
平坦度を１μｍ以下にした。

第３図（ａ）、（ｂ）はそのような治具裏面の高さを測
定した結果を示す。このように、平坦度を１μｍ以下に
した治具を用いて、竪形液相エピタキシーを行なう。

GaAsウエハにGaAs薄膜を液相エピタキシヤル成長させ
て、その表面の平坦度を測つた結果を第４図に示す。縦
目盛は第５図と同じく５μｍである。エピタキシヤル薄
膜表面の凹凸が１μｍ以下であるという事が分る。第４
図と第５図とを比較すれば、本発明方法によるエピタキ
シヤル成長薄膜の平坦度の優れている事が分る。

結局、本発明の方法は、浅い治具の中にウエハを入れた
ものを多数積重ねて、飽和濃度の溶質を解かした溶液の
中へ入れて、徐々に冷却しながら、ウエハの上に薄膜を
成長させる竪形液相エピタキシヤル成長法に於て、治具
の裏面を予めポリツシユし、平坦度を高めておく、とい
う事である。

治具裏面の凹凸は最初10μｍ〜20μｍもある。これを１
μｍ以下にすれば、エピタキシヤル薄膜の凹凸も１μｍ
以下になる。

治具裏面の平坦度は１μｍ以下であるのが望ましいが、
３μｍ程度以下であれば、エピタキシヤル薄膜の平坦度
を２μｍ以下にすることができた。

（ケ）作用竪形液相エピタキシヤル成長法に於て、治具の裏面を平
坦にしたので、エピタキシヤル表面の平坦度が良くな
る。平坦度が優れているので、この後、エピタキシヤル
層をポリツシユする必要がない。

最初に述べたように、液相エピタキシーに於ては、どの
ような方法でもテラス模様が出現する。なぜテラス模様
が現われるのか？という事すら明らかでない。

従つて、竪形液相エピタキシヤル成長法に於て、カーボ
ン治具の裏面を平坦にすると、何故に、エピタキシヤル
薄膜が平坦になるかという事は分らない。

本発明者は次のように推測する。

液相エピタキシーに於ては、溶液、ウエハ内に於て温度
の差は極めて少ない。ウエハ面内であつても、温度は厳
密に同一であるわけではない。微小な温度の高低があ
る。

過飽和になつているから、ウエハ面内の温度極小の点か
ら結晶成長が始まる。温度極小の点はいくつもある。こ
れらの点から独立に結晶成長が始まる。それで凹凸がで
きる。

ところが、ウエハ面内の微小な温度分布というのは、こ
れに対向する直上のカーボン治具裏面によつて強く影響
される。

カーボン治具裏面に凹凸があると、その直下のウエハ面
にこれをひきうつしたような微小な温度分布が生ずる。
このためにテラスが発生する。

本発明のようにカーボン治具裏面を平坦にすると、その
直下のウエハ面に温度分布が生じない。均一な温度にな
る。このため、一様な核発生に続いて均一な膜成長がな
される。

こう考えられるが、これは推測である。はつきりした事
は分らない。

しかし、明確な因果関係さえあればよいのである。

（コ）効果本発明によれば、液相エピタキシヤル成長薄膜の平坦度
を高める事ができる。このため、エピタキシヤル成長表
面をポリツシユする必要がない。

ポリツシユせずに、ウエハプロセスを実行することがで
きる。アズグロウンのまま使用できる。

従つて、ポリシユにともなう欠点を解決する事ができ
る。すなわち、ポリツシユによる（１）面内の全厚、エピ厚の不均一、これに伴う発光
出力の不均一（２）表面キヤリヤ濃度の不均一に伴うデバイス作製
時のVfの不均一（３） PN接合にストレスがかかることによる劣化（４）デバイス作製時の工数増加、不良率の増大などの欠点を除去することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本出願人が開発した公知の竪形液相エピタキシ
ヤル成長法の原理図。第２図は治具のみの断面図。第３図は治具の裏面を研磨した場合の裏面の平坦度を表
面粗さ計で測定した結果を示すグラフ。第４図は研磨した治具を用い本発明の方法でエピタキシ
ヤル成長させたGaAs/GaAs薄膜の表面の平坦度を表面粗
さ計で測定した結果を示すグラフ。第５図は研磨しない治具を用いてエピタキシヤル成長さ
せたGaAs/GaAs薄膜の表面の平坦度を表面粗さ計で測定
した結果を示すグラフ。第６図は研磨しない治具の凹凸を表面粗さ計で測定した
結果を示すグラフ。１……ウエハ２……治具３……溶液４……石英カセット５……ヒータ７……治具表面８……治具上面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハ１を入れた皿状の治具２を多
数竪に積重ね、エピタキシヤル成長させるべき原料を溶
かした高温の溶液に漬けて、皿状の治具２の中に飽和溶
液３を導入し半導体ウエハ１の表面に接触させ、溶液の
温度を降下させながら、半導体ウエハ１の上に薄膜を液
相エピタキシヤル成長させる方法に於て、裏面の平坦度
が３μｍ以下の治具２を使用することを特徴とする液相
エピタキシヤル法におけるエピ成長時の表面改善方法。