JPH03201425A - 半導体装置 - 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〕 半導体装置の改良、特に、シリコン基板上にヘテロエピ
タキシャル成長されたガリウムヒ素層に形成されてなる
半導体装置の改良に関し、シリコン基板上に形成された
ガリウムヒ素層に形成されてなる半導体装置、さらに具
体的には、転位等の欠陥が減少して欠陥密度が大幅に低
減され、また、表面モホロジーが良好である良質のガリ
ウムヒ素単結晶層をシリコン基板上に形成する方法を提
供することを目的とし、 この目的は、下記いずれの手段をもっても達成される。

第１の手段は、シリコン基板と、このシリコン基板上に
設けられたガリウムヒ素層と、前記のシリコン基板と前
記のガリウムヒ素層との間に設けられたガリウムリンを
含むバッファ層とを備えている半導体基板に形成された
半導体装置である。

第２の手段は、前記のバッファ層を単層のガリウムリン
層とした請求項［１］記載の半導体装置である。

第３の手段は、前記のバッファ層を、ガリウムリン層と
ガリウムヒ素層とが積層された超格子体とした請求項［
１］記載の半導体装置である。

第４の手段は、前記の超格子体よりなるバッファ層を、
下層のシリコン基板の側でガリウムリンが多い組成とし
、上層のガリウムヒ素層の側に向かって、順次ガリウム
ヒ素が多い組成とされている請求項［３］記載の半導体
装置である。

第５の手段は、前記の超格子体よりなるバッファ層の下
部にガリウムリンよりなる第２のバッファ層が設けられ
ている請求項［３］記載の半導体装置である。

第６の手段は、前記の超格子体よりなるバッファ層を、
下層のガリウムリン層の側でガリウムリンが多い＆［ｌ
戒とし、上層のガリウムヒ素層の側に向かって、順次ガ
リウムヒ素が多い組成とされている請求項［５］記載の
半導体装置である。

第７の手段は、前記の超格子体よりなるバッファ層とシ
リコン基板との間にアルミニウムヒ素よりなる第２のバ
ッファ層が設けられている請求項［３］記載の半導体装
置である。

第８の手段は、前記の超格子体よりなるバッファ層とシ
リコン基板との間にガリウムヒ素よりなる第２のバッフ
ァ層が設けられている請求項［３］記載の半導体装置で
ある。

第９の手段は、前記の第２のバッファ層とシリコン基板
との間にアルミニウムヒ素あるいはガリウムリンよりな
る第３のバッファ層が設けられている請求項［８］記載
の半導体装置である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体装置の改良に関する。特に、ガリウム
ヒ素を活性層として使用してなる半導体装置の改良に関
する。さらに具体的には、シリコン基板上にヘテロエピ
タキシャル成長したガリウムヒ素層を活性層として形成
されてなる半導体装置の改良に関する。

〔従来の技術〕

従来、ガリウムヒ素を活性層として使用してなる半導体
装置は、ガリウムヒ素基板上にホモエピタキシャル成長
したガリウムヒ素層に形成されていたが、ガリウムヒ素
を使用してなる半導体装置の製造コストを低減するため
に、シリコン基板上にガリウムヒ素層をヘテロエピタキ
シャル成長する研究開発がなされている。その理由は、
シリコン基板が安価であり、大口径の基板が入手可能で
あり、しかも、強度が強いためガリウムヒ素・インジュ
ウムリンリン等の化合物半導体基板に比べて取り扱いが
容易であるという利点があるからである。

シリコンとガリウムヒ素との間には格子定数の差が４％
あり、また、熱膨張係数の差が２３０％あるほか、シリ
コン結晶には極性が存在しないにもか＼わらず、ガリウ
ムヒ素結晶には極性が存在するという相違があるため、
通常のホモエピタキシャル成長法を使用しては、シリコ
ン基板上に無欠陥のガリウムヒ素単結晶層を成長するこ
とは容易ではない。

そのため、まず、低温においてシリコン基板上にアモル
ファスガリウムヒ素薄層を形成し、これを加熱して結晶
化し、その上にガリウムヒ素層を成長する二段階成長法
や、格子定数の異なる例えばインジュウムヒ素層とガリ
ウムヒ素層とからなる歪超格子体を介してガリウムヒ素
層を成長する方法等が使用されている。

〔発明が解決しようとする課題］ シリコン基板上にガリウムヒ素層を成長する従来技術に
係る方法は、上記したように極めて複雑であり、また、
成長条件の精密な制御が必要であるにもか＼わらず、必
ずしも良質のガリウムヒ素結晶が得られていない、特に
、結晶中に生ずる転位密度等の欠陥密度が高いこと狐表
面モホロジーが悪いこと覧のため、このガリウムヒ素層
に半導体装置を形成する上での障害になっている。

本発明の目的は、これらの欠点を解消することにあり、
シリコン基板上に形成されたガリウムヒ素層に形成され
てなる半導体装置を提供することにある。さらに具体的
には、転位等の欠陥が吸収されて欠陥密度が大幅に低減
されており、また、表面モホロジーが良好である、良質
のガリウムヒ素単結晶層を、シリコン基板上に形成する
方法を提供して、上記の目的を遠戚することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、下記いづれの手段によっても遠戚される
。

第１の手段（請求項［１］に対応）は、シリコン基板（
１１）と、このシリコン基板（１１）上に設けられたガ
リウムヒ素層（１２）と、前記のシリコン基板（１１）
と前記のガリウムヒ素層（１２）との間に設けられたガ
リウムリンを含むバッファ層とを備えている半導体装置
である。

第２の手段（請求項［２］に対応）は、前記のバッファ
層が単層のガリウムリン層（１３）である請求項［１］
記載の半導体装置である。

第３の手段（請求項［３］に対応）は、前記のバッファ
層が、ガリウムリン層とガリウムヒ素層とが積層されて
形成されている超格子体（１５）である請求項［１コ記
載の半導体装置である。

第４の手段（請求項［４］に対応）は、前記の超格子体
（１５）よりなるバッファ層が、下層のシリコン基板（
１１）の側でガリウムリンが多い組成とされ、上層のガ
リウムヒ素層（１２）の側に向かって、順次ガリウムヒ
素が多い＆１１戒とされている請求項［３コ記載の半導
体装置である。

第５の手段（請求項［５］に対応）は、前記の超格子体
（１５）よりなるバッファ層の下部にガリウムリンより
なる第２のバッファ層（１８）が設けられている請求項
［３］記載の半導体装置である。

第６の手段（請求項［６コに対応）は、前記の超格子体
（１５）よりなるバッファ層が、下層のガリウムリン層
（１６）の側でガリウムリンが多い組成とされ、上層の
ガリウムヒ素Ｎ　（１２）の側に向かって、順次ガリウ
ムヒ素が多い組成とされている請求項［５］記載の半導
体装置である。

第７の手段（請求項［７コに対応）は、前記の超格子体
（１５）よりなるバッファ層とシリコン基板（１１）と
の間にアル旦ニウムヒ素よりなる第２のバッファ層（１
７）が設けられている請求項［３］記載の半導体装置で
ある。

第８の手段（請求項［８］に対応）は、前記の超格子体
（１５）よりなるバッファ層とシリコン基板（１１）と
の間にガリウムヒ素よりなる第２のバッファｌｌｉ　（
１４）が設けられている請求項［３］記載の半導体装置
である。

第９の手段（請求項［９］に対応）は、前記の第２のバ
ッファ層（Ｉ４）とシリコン基板（１１）との間にアル
ごニウムヒ素あるいはガリウムリンよりなる第３のバッ
ファ層（１６）が設けられている請求項［８］記載の半
導体装置である。

〔作用〕

本発明に係る半導体装置（請求項［１］　　［２］に対
応ンがその中に形成されるガリウムヒ素層の形成方法に
おいては、シリコン基板１１とガリウムヒ素層１２との
間に、バッファ層としてガリウムリンを含むＮ１３を介
在させること＼されている。こうすると、ガリウムリン
結晶はシリコン結晶とは寥等しい格子定数を有するので
、シリコン基板１１上に形成されるガリウムリン層１３
には、欠陥が発生しにく＼、また、ガリウムリン結晶は
ガリウムヒ素結晶と同様に極性を有しているので、シリ
コン基板１１上にガリウムヒ素層を直接成長する方法に
比べて島状成長が発生しにく＼なり、表面モホロジーの
良好なガリウムヒ素Ｊｉ１２を成長することができる。

また、本発明に係る半導体装置（請求項［３〕［４］　
　［５］　　［６］　　［７コ　［８］　　［９］に対
応）がその中に形成されるガリウムヒ素層の形成方法に
おいては、シリコン基板１１とガリウムヒ素層１２との
中間に、（ＧａＡｓ）、１　（ｃａｐ）ｓの超格子体１
５よりなるバッファ層を介在させること覧されている。

そして、この（ＧａＡｓ）ｌｌ　（ＧａＰ）、の超格子
体１５の格子定数をガリウムリンとガリウムヒ素との中
間の格子定数にするか、または、ガリウムリンの格子定
数からガリウムヒ素の格子定数まで次第に変化させるこ
とによって、歪超格子の効果により転位等の欠陥を吸収
し、欠陥密度を大幅に低減すること覧されている。こ覧
で、（Ｃ；ａＡｓ）、（ＧａＰ）、の超格子体とは、ガ
リウムヒ素のｎ原子層とガリウムリンのｍ原子層との組
が複数組積層されてなる超格子体であり、このｎ原子層
・ｍ原子層のそれぞれの原子層数を表す数は固定である
必要はなく、任意の数を選択しうる。つまり、シリコン
基板１１に近い領域においてはｍを太きくＬｎを小さく
して、ガリウムヒ素のｎ原子層とガリウムリンのｍ原子
層との組の特性をガリウムリンに近くし、ガリウムヒ素
１１１２に近い領域においてはｎを太きくＬｍを小さく
して、ガリウムヒ素のｎ原子層とガリウムリンのｍ原子
層との組の特性をガリウムヒ素に近くすることができ、
また、これは、本発明の目的を遠戚するために有効であ
る。

なお、ガリウムリンを含むバッファ層１３や（ＧａＡｓ
）、（ＧａＰ）、の超格子体１５とシリコン基板１１と
の間に介在させるガリウムリンよりなる第２のバッファ
層１８・アルミニウムヒ素よりなる第２のバッファ層１
７・ガリウムヒ素よりなる第２のバッファ層１４は、欠
陥をブロックしまたは吸収する性質を有し、また、第２
のバッファ層１８・１７・１４とシリコン基板１１との
間に介在させる第３のバッファ層として使用するアルミ
ニウムヒ素層はシリコンとの結合力が強く、しかも、極
性を有しているので、ガリウムリンを含むバッファ層と
同様に表面モホロジーの改善に有効に作用する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、本発明に係る半導体装置を製造
するために使用されるガリウムヒ素層を形成する方法の
六つの実施例について説明する。

第２図参照 第２図は、本発明に係る半導体装置を製造するために使
用されるガリウムヒ素層を形成する方法に使用される気
相成長装置の構成図である。図において、１は反応室で
あり、２は排気口であり、３は反応室の圧力を制御する
圧力コントローラであり、４は供給ガス切り換えバルブ
であり、５は加熱用高周波コイルであり、６はシリコン
基板Ｉｆを支持するサセプタである。

１　　２に 第１（ａ）図・第３図・第４図参照 第３図は、気相戒長時におけるシリコン基板１１の温度
の経時的変化を示す成長温度プロファイルである。第４
図は、気相戒長時に反応室１内に供給される各種原料ガ
ス量の経時的変化を示す原料ガス供給パルスシーケンス
である。

第２図に示す気相成長装置のサセプタ６にシリコン基板
１１を載置し、第４図に示す原料ガス供給パルスシーケ
ンスにしたがって、水素をキャリヤガスとして使用して
原料ガス（トリメチルアルミニウム・トリメチルガリウ
ム・ホスフィン・アルシン）をガス切り換えバルブ４を
介して反応室１内に供給し、第１　（ａ）図に示すよう
に、シリコン基板ｌｌ上に、まずシリコンとの結合性が
強いアルミニウムの単原子層（図示せず）を形威し、次
いで、ガリウムリン層１３を約３００大要に原子層エピ
タキシャル成長（以下、ＡＬＥ戒長成長う）し、さらに
、ガリウムヒ素層１２を約３ｎ厚に有機金属気相成長（
以下、ＭＯＣＶＤ戒長と云成長する、このときのシリコ
ン基板１１の温度は、高周波コイル５を使用して、第３
図に示すように、各成長工程に対応して制御する。バブ
ラーの温度は、トリメチルガリウムに対しては一３°Ｃ
とし、トリメチルアルミニウムに対しては一２２°Ｃと
すればよい。

ガリウムリン層をＡＬＥ戒長成長時のガス供給量と１回
のパルスのガス供給時間との組み合わせは、トリメチル
ガリウムに対しては４０３ＣＣＭと４秒とし、ホスフィ
ン（２０％、Ｈ２ベース）に対しては４８０３ＣＣＭと
２０秒とする。

なお、反応室１に供給する原料ガスを切り換えるときに
は、水素を約３秒間供給してパージをするとよい。

ガリウムヒ素層をＭＯＣＶＤ成長するときには、トリメ
チルガリウム２３ＣＣＭとアルシン（１０％、Ｈ，ベー
ス）４０３ＣＣＭとを供給して成長速度を２．Ｉｎ／ｈ
とする。

なお、上記せるアルミニウム単原子層（図示せず）に代
えてヒ素単原子層を形成しても同様の効果が得られる。

以上の工程をもって製造したガリウムヒ素層１２は欠陥
の少ない層となる。作用の項に述べたとおり、バッファ
層１３としてのガリウムリンとシリコンとがお覧むね同
一の格子定数を有しており、また、バッファ層１３とし
てのガリウムリンもガリウムヒ素も極性を有しているか
らである。

ガリウムリンの単原子層の積層数を多くしガリウムヒ素
の単原子層の積層数を少なくしてガリウムリンが多い組
成とし、ガリウムヒ素７１１２に近い部分においてはガ
リウムヒ素の単原子層の積層数を多くしガリウムリンの
単原子層の積層数を少なくしてガリウムヒ素が多い組成
とするとさらに好適である。

２　　３４に 第１（ｂ）図参照 上記のガリウムリン層１３を、第１（ｂ）図に示すよう
に、ガリウムリン層とガリウムヒ素層との積層体よりな
る超格子体１５としてもよい。この場合、シリコン基板
１１と直接接触する層はガリウムリン層であることが望
ましい。ガリウムリンの格子定数はシリコンの格子定数
とはメ゛等しいからである。一方、ガリウムヒ素層１２
と直接接触する層はガリウムヒ素層であることが望まし
い、同一の化合物だからである。

こ＼で、シリコン基板１１に近い部分においては、３　
　５６に 第１（ｃ）図参照 第２例（請求項［３］　　［４］に対応）において、バ
ッファ層をなす超格子体１５の下に、ガリウムリンより
なる第２のバッファ１１１Ｂを設けると、上記と同様の
理由により、ガリウムヒ素層１２の結晶状態はさらに良
好になる。

この例においてもシリコン基板１１に近い部分において
ガリウムリンの単原子層の積層数を多くしガリウムヒ素
の単原子層の積層数を少なくしてガリウムリンが多い組
成とし、ガリウムヒ素層１２ニ近い部分においてガリウ
ムヒ素の単原子層の積層数を多くしガリウムリンの単原
子層の積層数を少なくしてガリウムヒ素が多い組成とす
るとさらに好適であることは、第２例の場合と同一であ
る。

がその上Ｎ（本例においては超格子体１５）に到達しな
い性質があるので、ガリウムヒ素層１２の結晶状態はさ
らに良好になる。

４　　７に 第１（ｄ）図参照 第２例（請求項［３］　　［４］に対応）において、バ
ッファ層をなす超格子体１５の下に、アルミニウムヒ素
よりなる第２のバッファ層１７を設けると、アルミニウ
ムヒ素は欠陥を吸収する性質があり、欠陥がその上層（
本例においては超格子体１５）に到達しない性質がある
ので、ガリウムヒ素層１２の結晶状態はさらに良好にな
る。

５　　　日に 第１　（ｅ）図参照 第２例（請求項［３］　　［４］に対応）において、バ
ッファ層をなす超格子体１５の下に、ガリウムヒ素より
なる第２のバッファ層１４を設けると、ガリウムヒ素は
欠陥をブロックする性質があり、欠陥第６例（９に 第１（ｆ）図・第５図・第６図参照 第５図は、気相威長時におけるシリコン基板１１の温度
の経時的変化を示す成長温度プロファイルである。第６
図は、気相戒長時に供給される各種原料ガス量の経時的
変化を示す原料ガス供給パルスシーケンスである。

第２図に示す気相成長装置のサセプタ６にシリコン基板
１１を載置し、第６図に示す原料ガス供給パルスシーケ
ンスにしたがって、水素をキャリヤガスとして使用して
原料ガスをガス切り換えパルプ４を介して反応室１内に
供給し、第１　（ｆ）図に示すように、シリコン基板１
１上に、まず、第３のバッファ層１６としてアルミニウ
ムヒ素層を約３００大要にＡＬＥ戒長成長次いで、第２
のバッファ層としてガリウムヒ素層１４をＭＯＣＶＤ成
長した後、ガリウムヒ素層とガリウムリン層とからなり
、ガリウムヒ素とガリウムリンとの中間の格子定数を有
する（ＧａＡｓ）、（ＧａＰ）、超格子体（ガリウムヒ
素の単原子層とガリウムリンの単原子層との組の積層体
）１５をＡＬＥ戒長成長その上に、活性層として使用さ
れる約３ｎ厚のガリウムヒ素層１２をＭＯＣＶＤ威長す
る成長のときのシリコン基板１１の温度は、高周波コイ
ル５を使用して、第６図に示すように、各成長上程に対
応して制御する。ガリウムの原料としてはトリメチルガ
リウムを、アルミニウムの原料としてはトリメチルアル
ミニウムを、ヒ素の原料としてはアルシンを、リンの原
料としてはホスフィンをそれぞれ使用し、バブラーの温
度は、トリメチルガリウムに対しては一３°Ｃとし、ト
リメチルアルミニウムに対しては一２２°Ｃとする。

第３のバッファ層としてのアルミニウムヒ素層１６及び
バッファ層としての（ＧａＡｓ）、（ＧａＰ）１超格子
体１５をＡＬＥ戒長成長ときの原料ガス供給量と１回の
パルスのガス供給時間との組み合わせは、トリメチルガ
リウムに対しては４０３ＣＣＭと４秒との組とし、トリ
メチルアルミニウムに対しては２０ＳＣＣＭと７．５秒
との組とし、アルシン（１０％）に対しては４８０３Ｃ
ＣＭと１０秒との組とし、ホスフィン（２０％）に対し
ては４８０３ＣＣＭと２０秒との組とする。

反応室１に供給する原料ガスを切り換えるときには、水
素を３秒間供給してパージをする。

第２のバッファ層１４としてのガリウムヒ素層と活性層
としてのガリウムヒ素層１２とをＭＯＣＶＤ戒長する成
長には、トリメチルガリウム４３ＣＣＭとアルシン１１
００５ＣＣとを供給し、成長速度を２．１ｕ／ｈとする
。

なお、第３のバッファ層１６としてアルミニウムヒ素層
に代えてガリウムリン層を形成してもよい。

このようにして製造したガリウムヒ素層１２の結晶状態
は極めて良好になり、欠陥が少ない。上記各実施例に特
有の効果のすべてが相剰的に機能するからである。

〔発明の効果〕

以上説明せるとおり、本発明に係る半導体装置を製造す
るために使用されるガリウムヒ素層を形成する方法にお
いては、シリコン基板上にガリウムヒ素層を成長するに
先立ち、格子定数がシリコンとは父′等しく、しかも、
ガリウムヒ素と同様に極性を有するガリウムリンよりな
るバッファ層を介在させるか、または、格子定数がシリ
コンとガリウムヒ素との中間の値を有する超格子体より
なるバッファ層を介在させるか、または、シリコンの格
子定数からガリウムヒ素の格子定数まで次第に変化する
超格子体よりなるバッファ層を介在させるかしているた
め、表面モホロジーが良好であり、転位等の欠陥が吸収
されて欠陥密度が大幅に低減されている良質のガリウム
ヒ素単結晶層がシリコン基板上に形成される。このよう
にして、シリコン基板を基材として使用して形成された
欠陥密度が小さく表面モホロジーが良好なガリウムヒ素
単結晶層に形成される半導体装置の特性は極めて良好で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１（ａ）図・第１（ｂ）図・第１（ｃ）図・第１（ｄ
）図・第１（ｅ）図・第１（ｆ）図は、それぞれ、本発
明の第１実施例（請求項［２］に対応）・第２実施例（
請求項［３］　　［４］に対応）・第３実施例（請求項
［５］　　［６］に対応）・第４実施例（請求項［７］
に対応）・第５実施例（請求項［８］に対応）・第６実
施例（請求項［９］に対応）に係る半導体装置に使用さ
れる半導体基板の断面図である。 第２図は、本発明に係る半導体装置を製造するために使
用されるガリウムヒ素層を形成する方法に使用される装
置の構成図である。 第３図は、本発明の第１の実施例に係る半導体装置を製
造するために使用されるガリウムヒ素層を形成する方法
の成長温度プロファイルである。 第４図は、本発明の第１の実施例に係る半導体装置を製
造するために使用されるガリウムヒ素層を形成する方法
の原料ガス供給パルスシーケンスである。 第５図は、本発明の第６の実施例に係る半導体装置を製
造するために使用されるガリウムヒ素層を形成する方法
の成長温度プロファイルである。 第６図は、本発明の第６の実施例に係る半導体装置を製
造するために使用されるガリウムヒ素層を形成する方法
の原料ガス供給パルスシーケンスである。 １６・・・第３のバッファＮ（アル旦ニウムヒ素または
ガリウムリン層）、 １７・・・第２のバッファ層（アルミニウムヒ素Ｎ）、
１８・・・第２のバッファ層（ガリウムリン層）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］シリコン基板（１１）と、 該シリコン基板（１１）上に設けられたガリウムヒ素層
   （１２）と、 前記シリコン基板（１１）と前記ガリウムヒ素層（１２
   ）との間に設けられたガリウムリンを含むバッファ層と
   を備えてなる ことを特徴とする半導体装置。 ［２］前記バッファ層は、単層のガリウムリン層（１３
   ）よりなる ことを特徴とする請求項［１］記載の半導体装置。 ［３］前記バッファ層は、ガリウムリン層とガリウムヒ
   素層とが積層されてなる超格子体（１５）である ことを特徴とする請求項［１］記載の半導体装置。 ［４］前記超格子体（１５）よりなるバッファ層は、下
   層のシリコン基板（１１）の側でガリウムリンが多い組
   成であり、上層のガリウムヒ素層（１２）の側に向かっ
   て、順次ガリウムヒ素が多い組成に変化する ことを特徴とする請求項［３］記載の半導体装置。 ［５］前記超格子体（１５）よりなるバッファ層の下部
   にガリウムリンよりなる第２のバッファ層（１８）が設
   けられてなる ことを特徴とする請求項［３］記載の半導体装置。 ［６］前記超格子体（１５）よりなるバッファ層は、下
   層のガリウムリン層（１６）の側でガリウムリンが多い
   組成であり、上層のガリウムヒ素層（１２）の側に向か
   って、順次ガリウムヒ素が多い組成に変化する ことを特徴とする請求項［５］記載の半導体装置。 ［７］前記超格子体（１５）よりなるバッファ層とシリ
   コン基板（１１）との間に、アルミニウムヒ素よりなる
   第２のバッファ層（１７）が設けられてなる ことを特徴とする請求項［３］記載の半導体装置。 ［８］前記超格子体（１５）よりなるバッファ層とシリ
   コン基板（１１）との間に、ガリウムヒ素よりなる第２
   のバッファ層（１４）が設けられてなることを特徴とす
   る請求項［３］記載の半導体装置。 ［９］前記第２のバッファ層（１４）とシリコン基板（
   １１）との間に、アルミニウムヒ素またはガリウムリン
   よりなる第３のバッファ層（１６）が設けられてなる ことを特徴とする請求項［８］記載の半導体装置。