JPH0427116A - 半導体異種接合を形成する方法 - 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〕 第１の半導体物質の単結晶からなる基板上にその第１の
物質とは異なる第２の半導体物質の単結晶を気相エピタ
キシャル成長させて半導体異種接合を形成する方法に関
し、 薄くて高品質なエピタキシャル成長層を再現性よくかつ
成長層厚を精密に制御しながら形成できるようにするこ
とを目的とし、 第２の半導体物質の気相エピタキシャル成長を行う前、
そのエピタキシャル成長温度よりも低い温度で、前記第
１の物質、第２の物質、第１及び第２の物質の混合物及
び前記基板の結晶と結晶学的に整合する第３の半導体物
質からなる群から選ばれた物質の有機金属化合物又はハ
ロゲン化化合物をその原料の反応ガスから基板表面に吸
着せしめて該吸着物質の熱分解反応により前記選ばれた
物質の中間層を形成するように、構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体異種接合を形成する方法に関し、さらに
詳しく述べると、第１の半導体物質の単結晶からなる基
板上にその第１の物質とは異なる第２の半導体物質の単
結晶を気相エピタキシャル成長させて半導体異種接合を
形成する方法に関する。

本発明は特に、シリコン等の半導体を基板とする異種接
合の気相処理方法の改良に関する。

〔従来の技術〕

現在、シリコンを基板としてこの基板上にゲルマニウム
との混晶を成長した異種接合を用いて、ヘテロバイポー
ラトランジスタ（ＨＢＴ）などのデバイスの開発が進め
られていることは周知の通りである。このような超高速
で、超高集積を目的とするデバイスには、超精密なかつ
完全性の高い結晶成長技術が必要である。

シリコンを始めとする単導体の製造プロセスの一つとし
て、気相処理法は不可欠な技術になっているが、必ずし
も、この面で完成されたものにはなっていない。気相成
長法は、例えば、気相と面相との、即ち、半導体基板表
面との化学反応を伴う工程を含んでいるので、原料を気
体（ガス）の状態で使用する場合が多く、したがって工
程に化学反応過程が介在し、これを制御することが必要
である。しかし、特に、基板上にそれと異なる物質をエ
ピタキシャル成長することは一般的には容易ではない。

ところで、ＨＢＴや超格子などの作製に際して、その結
晶技術として、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）を
用いることができる。また、電子線回折の信号強度を測
定するなどして、成長速度を原子層的に制御して、超格
子構造の異種接合が可能であることも公知である。しか
し、ＭＢＥは構造的には極めて精密な結晶成長技術では
あるが、実用面から見た場合には、結晶の品質が劣る、
すなわち、欠陥の密度が高くて制御されていないという
欠点を有する。また、多数枚大型基板の処理が出来ない
といった生産性が劣ることも欠点としである。成長層の
品質が良好であり、生産性がすぐれている気相成長法で
は、半導体の異種造合を形成する場合において、精密な
構造を形成する技術は未だ完成されていないというのが
現状である。例えば、シリコンの気相成長法では低温で
の成長が困難であり、また、精密な成長が困難である。

〔発明が解決しようとする課題〕

シリコン基板上にゲルマニウム層をヘテロ成長する場合
について問題点を考察する。

ゲルマニウム層の膜厚が大きい場合には異種接合の形成
が可能であることは公知である。しかし、このような厚
膜の結晶層中には極めて高密度で格子欠陥が導入されて
おり、実用的な結晶ではない。

−例を示すと、第５図は、本発明者がシリコン基板上に
ゲルマニウム層をヘテロ成長させた場合の実験の結果を
示すグラフである。一方の実験では原料たるゲルマン（
ＧｅＬ）ガスを１０−１５００℃で供給し、他方の実験
ではＧｅＨ４ガスを１０ｍ１．４３０℃で供給した。こ
のグラフから、シリコンを基板としてゲルマニウムを気
相処理した場合の、成長の極ｔて初期に於ける、成長層
厚の時間変化が理解される。成長の初期は、成長層とし
て測定されない、所謂潜伏時間がある。厚いゲルマニウ
ム層を成長することは比較的容易に可能であるが、膜厚
が薄くなると、例えば１００Å以下の成長層を得ること
は非常に難しく、再現性が著しく低い。従って、超格子
等の量子効果を利用した素子用の結晶の作製にこの気相
成長法を適用することは非常に困難である。この困難は
、成長温度を低くしたり、原料ガスの濃度を下げること
など、成長条件を最適化するだけでは対処出来ない。

本発明の目的は、したがって、半導体異種接合を形成す
るに当って、薄くて高品質なエピタキシャル成長層を再
現性よくかつ成長層厚を精密に制御しながら形成できる
ようにすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、本発明によれば、第１の半導体物質の
単結晶からなる基板上にその第１の物質とは異なる第２
の半導体物質の単結晶を気相エピタキシャル成長させて
半導体異種接合を形成する方法において、 第２の半導体物質の気相エピタキシャル成長を行う前、
そのエピタキシャル成長温度よりも低い温度で、前記第
１の物質、第２の物質、第１及び第２の物質の混合物及
び前記基板の結晶と結晶学的に整合する第３の半導体物
質からなる鮮から選ばれた物質の有機金属化合物又はハ
ロゲン化化合物をその原料の反応ガスから基板表面に吸
着せしめて該吸着物質の熱分解反応により前記選ばれた
物質の中間層を形成し、そして 所定のエピタキシャル成長温度まで温度を高めた後、前
記第２の半導体物質をその原料の反応ガスから前記中間
層上に気相エピタキシャル成長させること を特徴とする半導体異種接合を形成する方法によって達
成することができる。

本発明方法の実施において、第２の半導体物質は第１の
半導体物質とは異なる。すなわち、第２の物質は、第１
の物質とは本質的に異る物質であるかもしくは第１の物
質を一部にのみ含む混晶であることができる。また、中
間層を形成する物質は、第１の半導体物質、第２の半導
体物質、第１及び第２の半導体物質の混合物、あるいは
基板結晶と結晶学的に整合する第３の半導体物質のいず
れであってもよい。中間層は、単原子層として、あるい
は数原子層として成長させることができる。

本発明は、その１つの面において、少くとも表面層にシ
リコン単結晶を有する基板の表面に、ゲルマニウムのエ
ピタキシャル成長温度よりも低い温度で、ゲルマニウム
の有機金属化合物又はハロゲン化化合物をその原料の反
応ガス、例えばＧｅ（Ｃ，Ｈ６）２Ｈ，、Ｇｅ１ａなど
から吸着せしめてゲルマニウムの中間層を形成し、次い
で、ゲルマニウムのエピタキシャル成長温度まで昇温後
、ゲルマニウムをその原料の反応ガス、例えばＧｅＨ４
などから前記ゲルマニウム中間層上に気相エピタキシャ
ル成長させることを特徴とする。ここで、“少くとも表
面層にシリコン単結晶を有する基板”とは、基板がシリ
コン単結晶からなるもの、あるいは基板がシリコン以外
のものからできていて表面がシリコンにより被覆されて
いるものを指す。

本発明は、そのもう１つの面において、例えばサファイ
ヤなどの絶縁物質からなる基板上にシリコン単結晶をエ
ピタキシャル成長させ、形成されたＳ　ＯＩ　、（ｓｉ
ｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板の表面に、
ゲルマニウムのエピタキシャル成長温度よりも低い温度
で、ゲルマニウムの有機金属化合物又はハロゲン化化合
物をその原料の反応ガスから吸着せしめてゲルマニウム
の中間層を形成し、次いで、ゲルマニウムのエピタキシ
ャル成長温度まで昇温後、ゲルマニウムをその原料の反
応ガスから前記ゲルマニウム中間層上に気相エピタキシ
ャル成長させることを特徴とする。ＳＯＩ基板は、この
半導体の製造分野において一般的に用いられている手法
に従って作製することができる。

シリコンの気相成長では、エピタキシャル成長の直前に
、水素気流中で９００℃程度の高温で熱処理による酸化
膜の除去を行い、次いで、所定の成長温度に冷却して成
長を行う方法が知られている。

本発明では、これらの両工程の間に、中間的な処理とし
て、低温でシリコンの表面に吸着するゲルマニウムの有
機金属化合物又はハロゲン化化合物を接触させる。すな
わち、ゲルマンガスによる成長にさきがけ、有機化合物
等の熱分解によるゲルマニウム層を形成し、基板表面の
シリコンの状態を変化させることが本発明の重要な点で
ある。

サファイヤ基板上には、ゲルマニウムをエピタキシャル
成長させることが困難である。この場合には、予めシリ
コンを数原子層分だけ成長させた後にゲルマニウムを成
長する。半導体結晶では、その特性は不純物や欠陥に非
常に影響されやすい。

従って、中間的な結晶層を設けると言っても、そのこと
により悪い影響が及ばないことが必要である。しかし、
ゲルマニウムとシリコンの組み合わせは、同じＩＶ族元
素どうしであり、電気的に活性のある不純物にはならな
いので、実用性がある。

このような場合、精密に結晶成長を行うために、前述の
場合と同様に、吸着効果のある反応ガスを用いる方法を
利用する。

〔作　用〕

第５図を参照しながら先に説明したように、従来の方法
に従ってシリコンの基板上にゲルマニウムを気相成長し
た場合、成長の初期における潜伏時間を回避することが
できない。これは、基板表面の高温熱処理において、水
素が基板表面原子のダングリングボンドを終端している
ためであり、この水素をゲルマンガスで置換するために
は時間がかかる。本発明では潜伏時間を無くするため、
シリコン原子が水素で終端されている状態を排除するこ
と、たとえば、ゲルマニウムを一原子層なりとも付着す
ることを提案する。

ゲルマニウム中間層（バッファー層）の上にゲルマニウ
ムを成長する場合には上記のような潜伏時間はない。ま
た、潜伏時間がないので、成長層厚を精密に制御できる
。

〔実施例〕

第１図は、本発明により形成された半導体異種接合の一
例を示す断面図である。図において、第１の半導体物質
はシリコンであり、参照番号１で示され、また、第２の
半導体物質はゲルマニウムであり、参照番号３で示され
る。シリコン基板１とゲルマニウム・エピタキシャル成
長層３の間には、本発明において中間層あるいはバッフ
ァー層と呼ばれるところのゲルマニウム中間層２が介在
せしめられる。ここで、ゲルマニウム中間層２の膜厚は
好ましくは数人のオーダーであり、そしてゲルマニウム
成長層３の膜厚は所望とする接合状態に応じて任意に変
更することができる。

第１図に図示した異種接合は、好ましくは、減圧式気相
成長方法に従って形成することができ、そして、例えば
、第３図に略示する気相成長装置を用いてこれを行うこ
とができる。第３図において、石英反応管１０はそれを
取り囲んだ加熱手段である高周波コイル１１を装備して
いる。シリコン基板１はサセプタ１２上に載置して石英
反応管１０内に収容される。石英反応管１０には、図示
されるように、それに各種の原料ガスを供給するための
配管が接続されている。水素（Ｈ２）はキャリヤガスで
あり、シラン（ＳｉＨｌ）ガスはシリコン中間層を形成
するための原料ガスであり、ジエチルゲルマン（Ｇｅ　
（Ｃ２Ｈ５）　２Ｈ２）ガスはゲルマニウム中間層を形
成するための原料ガスであり、そしてゲルマン（ＧｅＨ
，）ガスはゲルマニウム成長層を形成するための原料ガ
スである。石英反応管１０の廃ガスは、ロータリー真空
ポンプ１２によって引き抜かれた後、それに接続された
廃ガス処理装置（図示せず）によって処理され、浄化後
に大気中に放出される。

第２図は、本発明により形成された異種接合のもう１つ
の例を示す断面図である。図示の例の場合、シリコン基
板に代えてサファイヤ基板４が用いられており、したが
って、シリコン層５が≦３００人の膜厚で成長せし於ら
れている。シリコン層５の上方には、前記した第１図の
例の場合と同様、ゲルマニウム中間層２及びゲルマニウ
ム成長層３が順次形成されている。

例　１　（比較例） 従来の方法に従って、シリコン基板上にゲルマニウムを
気相成長させた。

（００１）面方位のシリコン基板を用意し、その表面を
硫酸／過酸化水素混合液で酸化処理し、さらに続けて弗
酸水溶液による湿式の酸化膜除去を行った。次いで、表
面処理後のシリコン基板を気相成長装置内に収容し、成
長の前処理として、約９００℃で約１０分間にわたって
加熱した。次いで、成長温度の５００℃に保持し、ゲル
マン（ＧｅＨａ）ガスを用いてゲルマニウムのエピタキ
シャル成長を行った。エピタキシャル層の時間変化を第
５図に示す。

ゲルマニウムの成長は初期の段階では全く観察されず、
ゲルマンガスの供給を開始して約４分後にはじめて観察
された。１０分以上を経過後、成長層厚と時間の間でほ
ぼ比例関係が成立したが、成長の初期には此れが崩れて
おり、従って、１００Å以下のゲルマニウム層を精密に
成長することが困難であった。

例２ （００１）面方位のシリコン基板を用意し、その表面を
硫酸／過酸化水素混合液で酸化処理し、さらに続けて弗
酸水溶液による湿式の酸化膜除去を行った。次いで、表
面処理後のシリコン基板を第３図に示した気相装置内に
収容し、ゲルマニウム中間層及びゲルマニウム成長層を
順次本発明に従って形成した。ここで、キャリヤガスと
しての水素の全圧力は約１０ｍｍＨｇとした。

先ず、基板を７００℃前後に冷却してから、シラン（Ｓ
ｉＨ４）ガスの導入により、極く薄いシリコンバッファ
ー層を成長させた。次いで、さらに３００℃以下に冷却
した後、ジエチルゲルマン（Ｇｅ（Ｃ，Ｈ，）、）ｌ、
）ガスを約Ｉ　Ｘ１０’ａｔｍの濃度で約１分間供給し
てゲルマニウム中間層の形成を行った。

気相中のジエチルゲルマンガスを完全に排除した後、実
際には３０秒以上をかけてこれを行った後、温度を速や
かに（２００℃／分以上）上昇させて成長温度の５００
℃に保持した。次いで、ゲルマン（Ｇｅ）Ｉ４）ガス１
０ｍＩ！を用いてゲルマニウムのエピタキシャル成長を
行った。本例では、ジエチルゲルマンの熱分解により極
薄いゲルマニウム層がシリコン基板表面に形成されたの
で、前記例１とは対照的に、潜伏時間を必要としないで
ゲルマニウムの成長が開始された。また、成長温度を５
００℃から４３０℃に低下させた場合には、Ｇｅ層の成
長速度を抑制しつつ良好な結果を得ることができた。第
４図は、シリコン基板上のゲルマニウム層の膜厚と成長
時間の関係をプロットしたグラフである。

例３ 前記例２に記載の手法を繰り返したけれども、本例では
シリコン基板に代えてサファイヤ基板を使用し、したが
って、サファイヤ基板を１１００℃で加熱した後、シラ
ン（Ｓｔ）１４）ガスを用いて９５０℃でシリコンを成
長させた。サファイヤ基板上に膜厚約３００人のシリコ
ン層が形成された。サファイヤ基板を２００℃まで冷却
した後、前記例１と同様にゲルマニウム中間層、そして
ゲルマニウム成長層を順次成長させた。第２図に示すよ
うな断面形状を有する半導体異種接合が得ら′れた。

ここで、有機化合物をゲルマニウムの原料としてもよい
が、シリコンの結晶成長においては、不純物である炭素
の汚染源となるので、吸着中間層の形成にのみ限定的に
使用することが出来る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、低温で吸着する物質を用いて下地基板
の表面の性質を変えたので、異種接合の結晶成長を精密
に制御できる。また、本発明によれば、シリコンとゲル
マニウムを組み合わせた超格子構造を気相成長方法によ
り形成することができる。さらにまた、本発明によれば
、精密に制御されたゲルマニウム層あるいはゲルマニウ
ムとシリコンの異種接合結晶をサファイヤ基板上にも形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明により形成される半導体異種接合の一
例を示した断面図、 第２図は、本発明により形成される半導体異種接合のも
う１つの例を示した断面図、 第３図は、本発明の実施に用いられる気相成長装置の一
例を示した略示図、 第４図は、本発明方法に従ってシリコン基板上にゲルマ
ニウム層を成長させた場合の成長時間とゲルマニウム層
の膜厚の関係を示すグラフ、そし第５図は、従来の方法
に従ってシリコン基板上にゲルマニウム層を成長させた
場合の成長時間とゲルマニウム層の膜厚の関係を示すグ
ラフである。 図中、１はシリコン基板、２はゲルマニウム中間層、３
はゲルマニウム成長層、４はサファイヤ基板、そして５
はシリコン層である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の半導体物質の単結晶からなる基板上にその第
   １の物質とは異なる第２の半導体物質の単結晶を気相エ
   ピタキシャル成長させて半導体異種接合を形成する方法
   において、 第２の半導体物質の気相エピタキシャル成長を行う前、
   そのエピタキシャル成長温度よりも低い温度で、前記第
   １の物質、第２の物質、第１及び第２の物質の混合物及
   び前記基板の結晶と結晶学的に整合する第３の半導体物
   質からなる群から選ばれた物質の有機金属化合物又はハ
   ロゲン化化合物をその原料の反応ガスから基板表面に吸
   着せしめて該吸着物質の熱分解反応により前記選ばれた
   物質の中間層を形成し、そして 所定のエピタキシャル成長温度まで温度を高めた後、前
   記第２の半導体物質をその原料の反応ガスから前記中間
   層上に気相エピタキシャル成長させること を特徴とする半導体異種接合を形成する方法。 ２、少くとも表面層にシリコン単結晶を有する基板の表
   面に、ゲルマニウムのエピタキシャル成長温度よりも低
   い温度で、ゲルマニウムの有機金属化合物又はハロゲン
   化化合物をその原料の反応ガスから吸着せしめてゲルマ
   ニウムの中間層を形成し、次いで、ゲルマニウムのエピ
   タキシャル成長温度まで昇温後、ゲルマニウムをその原
   料の反応ガスから前記ゲルマニウム中間層上に気相エピ
   タキシャル成長させる、請求項１に記載の方法。 ３、絶縁物質からなる基板上にシリコン単結晶をエピタ
   キシャル成長させ、形成されたＳＯＩ基板の表面に、ゲ
   ルマニウムのエピタキシャル成長温度よりも低い温度で
   、ゲルマニウムの有機金属化合物又はハロゲン化化合物
   をその原料の反応ガスから吸着せしめてゲルマニウムの
   中間層を形成し、次いで、ゲルマニウムのエピタキシャ
   ル成長温度まで昇温後、ゲルマニウムをその原料の反応
   ガスから前記ゲルマニウム中間層上に気相エピタキシャ
   ル成長させる、請求項１に記載の方法。