JPH01270593A - 化合物半導体層形成方法 - Google Patents

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】 〔概　要〕 シリコン単結晶基板上に化合物半導体層を形成する方法
に関し。

シリコン単結晶基板上の所定領域にのみ平坦かつ半導体
装置を形成するに必要な厚さを有する化合物半導体層を
選択的に形成することを目的とし。

所定位置に設けられた開口を有する絶縁層が形成された
１表面を有するシリコン単結晶基板を気相成長装置内に
設置し、所望の化合物半導体層を構成する元素を個々に
含有する原料ガスを異なる時間に該気相成長装置内に導
入することによって該開口内に露出する該シリコン単結
晶基板表面に該化合物半導体層を選択的に成長させるこ
とから構成される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、化合物半導体層のエピタキシャル成長方法に
係り、とくに、シリコン単結晶基板上にガリウム砒素等
の化合物半導体の単結晶層を形成する方法に関する。

〔従来の技術〕

ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジュウム燐（ＩｎＰ）
あるいはその他の混晶化合物半導体単結晶を用いた半導
体装置の高性能化、高集積化、量産性の向上環の要求に
応じるために、シリコン基板上にこれら化合物半導体の
単結晶層を形成する試みが行われている。このようなシ
リコン基板と化合物半導体単結晶層から成る複合基板は
。

（ａ）シリコン基板は比較的大口径のウェハが入手でき
るため、従来、化合物半導体基板を用いて製造されてい
る半導体装置の量産性を向上できる（ｂｌシリコン基板
は化合物半導体層に比べ熱伝導がよいため、上記のよう
な複合基板上の化合物半導体単結晶層に形成された半導
体装置に対する熱放散の制約を緩和できる （Ｃ）シリコン基板と化合物半導体単結晶層のそれぞれ
に適した半導体装置を形成することにより。

異種の半導体装置を組合せた複合モノリシック集積回路
５例えばシリコントランジスタと発光ダイオードを１つ
の半導体基板に搭載した０ＢＩＣ（光電集積回路）を形
成できる 等の長所を有する。

一般に化合物半導体単結晶層の熱膨張係数はシリコン基
板の熱膨張率より大きいため、化合物半導体単結晶層が
全面に形成されたシリコン基板を室温に冷却したとき、
基板には化合物半導体単結晶層を内側にして反りが生じ
、甚だしい場合には。

化合物半導体単結晶層にひび割れが生しる。これを防く
方法として、化合物半導体単結晶層を島状に形成するこ
とが有効である。島状に形成された化合物半導体単結晶
層を有するシリコン基板は。

上記のような複合モノリシック集積回路においても有利
である。

すなわち、あらかしめシリコン基板に所望の半導体装置
を形成しておき、この上の所定領域に化合物半導体単結
晶層を島状に選択成長させ、この化合物半導体単結晶層
中に所望の半導体装置を形成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

シリコン基板上にＧａＡｓ等の化合物半導体単結晶層を
成長させる方法としては２分子線エビクキシ（ＭＢＥ）
法または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が従来は用
いられていた（上田孝　他、昭和６０年春期応用物理学
会予稿Ｐ、６８９等）。

例えば、第２図に示すように、シリコン基板１の上にＳ
ｉＯ□（２酸化シリコン）層２を形成し、フォＩ・リソ
グラフィにより、シリコン基板１０所定位置上の５ｉ０
２層２を選択的に除去して開口（窓）を設け、この窓内
に露出しているシリコン基板１上にＧａＡｓ層３をエピ
タキシャル成長させる。同時に、　ＳｉＯ□層２上には
多結晶ＧａＡｓ層４が生成する。

上記のようにして成長したＧａＡｓ層３には、　ＳｉＯ
□層２の近傍には隆起部分５が生じており、これは多結
晶ＧａＡｓ層４をリフトオフ等によって除去したのちに
も残っている。このため、島状に形成されたＧａＡｓ層
３の表面は平坦でない。

上記のような平坦でない島状のＧａＡｓ層３に半導体装
置を形成しようとすると、露光工程においてＧａＡｓ層
３に投影される光学パターンの焦点が合わせ難い、ある
いはＧａＡｓ層３の厚さが均一でないために形成される
半導体装置の特性にバラツキを生じる５等の問題があっ
た。

本発明は、平坦な表面と所定の厚さを有する化金物半導
体層を、シリコン基板上の所定領域にのみ選択的に形成
可能とすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、所定位置に設けられた開口を有する絶縁層
が形成された１表面を有するシリコン単結晶基板を気相
成長装置内に設置し、所望の化合物半導体層を構成する
元素を個々に含有する原料ガスを異なる時間に該気相成
長装置内に導入することによって該開口内に露出する該
シリコン単結晶基板表面に該化合物半導体層を選択的に
成長させること、ならびに、上記に続き、化合物半導体
層構成元素を個々に含有し少なくとも一方が該構成元素
の塩化物または水素化物から成る原料ガスを同時に該気
相成長装置内に導入し、前記開口内に成長した該化合物
半導体層上に、より大きな厚さを有する化合物半導体単
結晶層を付加的に成長させることを特徴とする本発明に
係る化合物半導体層形成方法によって達成される。

〔作　用〕

シリコン単結晶基板表面において化合物半導体単結晶層
を形成しない部分をＳｉＯ２等の絶縁層により覆ってお
き、化合物半導体単結晶層構成元素を個々に含む原料ガ
スを時間をずらして導入する原子層エピタキシ（ＡＬＥ
）法を用いて、化合物半導体単結晶層をエピタキシャル
成長させることにより。

絶縁層に覆われていないシリコン基板１表面のみに化合
物半導体単結晶層を選択成長させ、絶縁層上には化合物
半導体層は生成させないでおくことができる。次いで、
化合物半導体層構成元素の少なくとも一つの塩化物また
は水素化物から成る原料ガスを用い、これらの原料ガス
を同時に導入する気相成長法により、上記ＡＬＥ法によ
り選択成長した化合物半導体層上に、より高い成長速度
でより厚い化合物半導体単結晶層を選択成長させること
ができる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

以下の図面Ｇこおいて、既掲の図面におけるのと同じ部
分には同一符号を付しである。

第１図は本発明の詳細な説明するための要部断面図であ
って、シリコン基板１上には、所定位置に開口が設げら
れたＳｉｎ２層２が設げられており。

前記開口内に露出しているシリコン基板１上には。

ＡＬＥ　法によって選択的にエピタキシャル成長した厚
さ０．１　μｍ程度のＧａＡｓ層６が形成されており。

さらにＧａＡｓ層６」二にば、　ＡＳＣＩ：ｌ（３塩化
砒素）を原料ガスとして用い１通常の気相成長法により
エピタキシャル成長した厚さ３μＭ程度のＧａＡｓ　７
が選択的に形成されている。

ＡＬＥ法の詳細については、　０ｚｅｋｉ　らによる報
告（Ｏｚｅｋｉ　ｅｔ　ａｌ、、　Ａｂｓｔｒａｃｔ　
ｏｆ　ｔｈｅ　１９ｔｈ　Ｃｏｎｆｅｒ−ｅｎｃｅ　ｏ
ｎ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ
　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ。

Ｔｏｋｙｏ、　１９８７．ＰＰ、４７５）を参照された
い。ここで。

概要のみを述べると１通常のＭＯＣＶＤ法と同様の原料
ガスと類似の成長装置が用いられる。ＭＯＣＶＤ法にお
いては１例えばＧａＡｓを成長させる場合、構成元素で
あるＧａとＡｓを個々に含有する原料ガスが同時に供給
されるのに対して、　ＡＬＥ法においては。

Ｇａと眞のそれぞれの原料ガスを時間をずらせて交互に
供給する点がＭＯＣＶＤ法と異なる。ＭＯＣＶＤ法およ
びＡＬＥ法のいずれによっても、シリコン基板上に直接
ＧａＡｓをエピタキシャル成長させることができる。

しかしながら、　ＭＯＣＶＤ法によれば、前記のように
ＳｉＯ□表面にもＧａＡｓが生成されるのに対し、　Ａ
ＬＥ法によれば、　ＳｉＯ□表面にばＧａＡｓが生成せ
ず、しかも、　ＳｉＯ□マスク層の開口内に選択成長し
たＧａＡｓ層の周辺部分には隆起部分が生しないことを
本発明者は見出した。本発明はこの現象を応用すること
を基本的な構成としている。

したがって９本発明の方法によれば、　Ｓｉｎ、層２が
有する開口内に平坦性のすぐれたＧａＡｓ層６を選択成
長することができる。しかしながら、　ＡＬＥ法による
単結晶層の平均成長速度は０．１　μｍ／時程度と小さ
く、半導体装置を形成するに必要とされる３μｍ程度の
厚さを有する単結晶層を成長させるために長時間を要す
る。また、現状では成長した単結晶層の純度の点でやや
問題がある。このため。

本発明は、上記ΔＬＥ法によって選択成長したエピタキ
シャル層上に、成長速度が大きくかつ高純度の単結晶層
を得ることが可能な気相成長法を用いて、所望の層厚を
有する単結晶層を選択成長させることを構成要素として
含む。

」二記のような成長速度が大きくかつ高純度の単結晶層
を成長させることが可能な気相成長法の１つとして、塩
化物系の原ネ」ガスを用いる気相成長法がある（Ｊ、　
Ｋｏｍｅｎｏ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｃｈｅｍ。

Ｓｏｃ、　１２４（１９７７）　ｐｐ、１４４０）。

塩化物系気相成長法によれば、」二記のような半導体装
置の形成に必要な３μｍ程度の厚さを有する高純度の化
合物半導体単結晶層を１時間以下の短時間で成長させる
ことができる。しかしながら。

ＧａＡｓ等の単結晶層をシリコン基板上に直接成長させ
るごとばできない。これは次の理由によるものと考えら
れている。

すなわち５原訓ガスに含まれる酸素、あるいは。

気相成長装置の石英性がＩＩＣＩ（塩化水素）と反応し
て生成する酸素がシリコン基板表面を酸化し５表面を酸
化膜で覆ってしまう。上記のＨＣＩば、　Ａｓｌ１３（
３塩化砒素）のような塩化物系の原料ガスとキャリヤガ
スである水素とが高温で反応して生しる。

上記ＨＣＩは生成したＧａＡｓをエツチングするが、そ
の速度は５ｉ０２層に対するＧａＡｓ層の生成速度より
高い。したがって、塩化物系気相成長法によれば。

シリコン基板上には、　ＧａＡｓの単結晶層も多結晶層
も成長しない。

本発明は、この性質を」二記ＡＬＥ法により選択的に形
成された化合物半導体のエピタキシャル成長層上に厚い
化合物半導体単結晶層を選択成長させる方法として応用
することを構成要素として含む。

すなわち、　ＳｉＯ□層の開口部に露出するシリコン基
板表面に、上記ＡＬＥ法によりＧａＡｓ層を形成してお
けば、このＧａＡｓ層上には塩化物系気相成長法によっ
てＧａＡｓ層がエピタキシャル成長し１周囲のＳｉＯ□
層上にはＧａＡｓ層が生成しないことを利用する。

第３図は本発明の１実施例を説明するための要部断面図
であって、シリコン基板におけるＧａＡｓ層の選択的エ
ピタキシャル成長の工程を示す。

ＧａＡｓ層の成長に先立ち、第３図（ａｌに示すように
。

シリコン基板１−１−にマスクとなるＳｉＯ□層２を次
のようにして形成する。

■シリコン基板１を脱脂洗浄し１次いで１０％肛（弗酸
）溶液中に浸漬して表面の自然酸化膜を除去する ■シリコン基板１」二に周知のＣＶＤ技術または熱酸化
法を用いて、厚さ約０．２　μｍのＳｉＯ□層２を形成
する ■通常のフォＩ・リソグラフ技術により、　５ｉＯ７層
２の所定位置に開口（窓）８を設け、窓８内にシリコン
基板１表面を露出させる なお１例えばシリコン基板にＭＯＳＦＥＴ　（Ｓｉ−Ｍ
ＯＳＦＥＴ）を、また、　ＧａＡｓ層にＭＥＳＦＥＴ　
（ＧａＡｓ−ＭＥＳＦＥＴ）を。

それぞれ形成することにより複合集積回路を構成する場
合には、上記工程（ａ）と（１１１との間で、シリコン
基板１にあらかじめ５１−ＭＯＳＦＥＴを形成しておく
。

ただし、金属電極あるいはコンタクト孔の形成はＧａＡ
ｓ層の生成後に行う。

上記のようにして１　シリコン基板１」二にマスクとな
るＳｉＯ□層２が形成されたのち、すみやかにシリコン
基板１を気相成長装置内に設置し、　ＡＬＥ法により、
窓８内に露出しているシリコン基板１表面にＧａＡｓ層
６を選択的にエピタキシャル成長させる。

ＡＩ、Ｅ法によりガリウム砒素（ＧａＡｓ）単結晶層を
成長さゼる場合には１例えばＧａ原料ガスとしてトリメ
チルガリウム（Ｔ）ＩＧ）を、また、　Ａｓ原料ガスと
しては水素で１０％に希釈したアルシン（Ａｓｌ１３）
を用いる。上記のマスクＳｉＯ□層２が形成されたシリ
コン基板１をＡＬＥ法を実施可能な気相成長装置内に設
置し、以下の処理を約２０Ｔｏｒｒの減圧下で行う。

成長装置内にアルシンを導入し、高周波誘導加熱法を用
いて、シリコン基板１を９００〜１０００°Ｃで１０〜
３０分間ヘーキングする。この工程において。

シリコン基板１表面の自然酸化膜が除去される。

次いで、温度を３００〜５００℃に下げる。温度が安定
したのち水素−ＴＭＧ−水素−アルシンを１サイクルと
する原料ガスの供給を繰り返して行う。上記の工程によ
り、第３図（ｂｌに示すように、窓８に露出するシリコ
ン基板１表面上に厚さ約０．１　μｍのＧａＡｓ層６が
成長したら原料ガスの供給を停止する。

上記ＡＬＥ成長を行った気相成長装置からシリコン基板
１を取り出し、すみやかに塩化物系気相成長を行うため
の装置内に収容したのら１次のようにして塩化物系気相
成長を行う。

すなわち、　ＡＳＣ１３が充填されたバブラーを所定温
度に加熱しておき、これに水素ガスを送入して。

上記気相成長装置にＡＳＣ１３を導入する。気相成長装
置内の高温部分でＡＳＣ１３と水素が反応しＩ　Ａｓ４
とＨＣＩを生じる。気相成長装置の」二流部には、あら
かしめＡｓ４で飽和されたガリウム（Ｇａ）が設置され
ている。このＧａがＨＣＩ　と反応して生じたＧａＣｌ
５（３塩化ガリウム）とＡｓ４がキャリヤガスによって
輸送され、　Ｓｉ基板１近傍で反応する。その結果。

ＧａＡｓ層６をシードとして、単結晶ＧａＡｓ層７が成
長する。なお、　ＳｉＯ□層２上にはＧａＡｓ層が生成
しないことは前述の通りである。

上記により、第３図ＴＣＩに示すように、　ＧａＡｓ層
７が所定の厚さ（例えば３μｍ）に達したら原料ガスの
供給を停止し、シリコン基板１を冷却し、気相成長装置
から取り出す。ＧａＡｓ層７が形成されたシリコン基板
１における５ｉＯｚ層２を、■溶液を用いる通常のエツ
チング方法により除去し、第３図（ｄｉに示す構造を得
る。以後、　ＧａＡｓ層７層の所定領域に対する不純物
イオンの注入、金属電極あるいは配線の形成等の通常の
工程にしたがい、　ＭＥＳＦＥＴ等の所望の半導体装置
を形成する。

なお、必要に応じて、−１−記ＡｓＣ１，の導入と同時
に、　ＧａＡｓ層７にドープすべき不純物元素を含有す
る不純物原料ガスを導入し、　ＧａＡｓ層７に所定のキ
ャリヤ濃度を与えることができる。

第４図は、第１図に示す構造からＳｉｎ、層２を選択除
去したのちの断面形状を触針方式の表面段差測定装置（
ターリ−ステップ）を用いて観測して得たグラフである
。縦軸はシリコン基板１表面からの高さ、横軸は表面方
向の距離を示す。図示のように、シリコン基板１表面か
らのＧａＡｓ層７表面の高さは約３μｍであり、横軸方
向に幅約４０μｍを有する。図示のように、　ＧａＡｓ
層７表面には従来のＧａＡｓ層３における隆起部分５　
（第２図参照）は君恩められない。

」１記の実施例においては、　ＧａＡｓ層７を成長させ
うための原料カスの一方にＡｓＣＩａのような塩化物を
用いた。ＳｉＯ□層２上にＧａＡｓ層が生成されないの
は。

８１０２層−１−ではＧａＡｓの堆積速度よりＩＩｃＩ
によるエソヂング速度の方が高いためである。この１（
ＣＩは。

ＡＳＣＩ３　とキャリヤガスの水素との反応によって生
じたものであることは前述の通りである。したがって、
原料ガスとして有機金属化合物を用い１反応系にｌｌＣ
ｌガスを導入しても同様にＧａＡｓ層７の選択成長が可
能である。

上記実施例におけるΔｓ　Ｃ＋　、、の代わりに砒素の
水素化物であるＡ　ｓ　Ｉｆ　３を用いても、　ＧａＡ
ｓ層６上にのみＧａＡｓ層７を選択的に成長させること
ができる。

また、上記実施例において、　ＡＬＩＥ法によりシリコ
ン基板１にＧａＡｓ層６を選択成長後、　Ｓｉｎ２層２
を除去してからＧａＡｓ層７を成長させた方が良質の単
結晶層を得られる場合がある。これば、マスクであるＳ
ｉＯ□層２からの汚染がなくなるためである。

Ｓｉｎ２層２の除去は、上記実施例と同様に、　１０％
ＩＩＦ溶液中にシリコン基板１を浸漬することにより行
う。Ｓｉｎ２層２を除去後、　１ｈｓＯ４（硫酸）とＨ
２Ｏ２（過酸化水素）の混合水溶液を用いてＧａＡｓ層
６の表面を５０ｎｍ程度エノチンクしてから、シリコン
基板１を塩化物系気相成長装置内に設置し、上記実施例
と同様にして、　ＧａＡｓ層　６１にＧ詳Ｓ層７の選択
成長させる。

上記のようにしてＳｉｎ２層２が除去されて表出された
シリコン基板１には、第５図（ａ）に示すように。

１、ｎｍ程度の厚さの自然酸化膜９が生成している。

塩化物系気相成長においては、このよ・うに薄い自然酸
化膜９であっても、この］−にはＧ　ａ　Ａ　ｓが生成
せず、　ＧａＡｓ層６−、）ｕにのみＧ　ａ　ｒｌ　ｓ
層７が選択的に成長する。

本発明はＧａＡｓ以外の化合物半導体１例えばインジウ
ム燐（ＩｎＰ）、インジウム・ガリウＪ、Ｒ（ＩｎＧａ
Ｐ）　。

アルミニウム・ガリウム砒素（ＡＩＧａＡｓ）、ガリウ
Ｊ、燐（ＧａＰ）等の単結晶層の選択成長も同様に可能
であることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シリコン基板表面の所定領域に、平坦
性が良好であり、かつ、半導体装置の形成に必要な厚さ
を有する化合物半導体単結晶層を選択的に成長させるこ
とができ、　Ｇａ／Ｉｓ　ｏｎ　Ｓｉ構造の複合基板を
用いる半導体装置の実用化を促進する効果が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための要部断面図。 第２図は従来の方法によるＧａＡｓ　ｏｎ　Ｓｉ構造の
複合基板の要部断面図。 第３図は本発明の１実施例の工程における要部断面図。 第４図は本発明の方法により形成されたＧａＡｓｏｎ　
Ｓｉ構造の複合基板の断面形状を示すグラフ。 第５図は本発明の他の実施例の工程を説明するだめの要
部断面図 である。 図において。 １はシリコン基板。 ２はＳｉＯ□層。 ３と６と７はＧａＡｓ層。 ４は多結晶ＧａＡｓ層。 ５は隆起部分。 ８は窓。 ９は自然酸化膜 である。 寵 ＼＼７ 舟

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定位置に設けられた開口を有する絶縁層が形成
   された１表面を有するシリコン単結晶基板を気相成長装
   置内に設置するとともに所定温度に加熱しておき、所望
   の化合物半導体層を構成する元素を個々に含有する原料
   ガスを異なる時間に該気相成長装置内に導入することに
   よって該開口内に露出する該シリコン単結晶基板表面に
   該化合物半導体層を選択的にエピタキシャル成長させる
   ことを特徴とする化合物半導体層形成方法。
2. （２）所定位置に設けられた開口を有する絶縁層が形成
   された１表面を有するシリコン単結晶基板を気相成長装
   置内に設置するとともに所定温度に加熱する工程と、 所望の化合物半導体層を構成する元素を個々に含有する
   原料ガスを異なる時間に該気相成長装置内に導入する工
   程と、 該気相成長装置内に該化合物半導体層構成元素を個々に
   含有する原料ガスであって、少なくとも一方が非有機化
   合物である原料ガスを同時に導入する工程 を順次行うことを特徴とする化合物半導体層形成方法。
3. （３）該非有機化合物原料ガスの導入の直前に該絶縁層
   を選択的に除去する工程と、 該絶縁層が除去された該シリコン単結晶基板を酸化性雰
   囲気に曝す工程 とを含むことを特徴とする請求項２の化合物半導体層形
   成方法。