JPH04335519A - 半導体結晶の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，気相成長法によりゲル
マニュウムとシリコンとの混晶（以下ＧｅＳｉ混晶とい
う。）をエピタキシャル成長する半導体結晶の製造に関
する。

【０００２】ヘテロエピタキシャル成長されたＧｅＳｉ
混晶は，ヘテロバイポーラトランジスタ，ＨＥＭＴ（Ｈ
ｉｇｈ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｏｂｉｌｉｔｙｔｒａｎ
ｓｉｓｔｏｒ）及び光半導体素子の性能を飛躍的に向上
する材料として，早期の適用を期待されている。

【０００３】かかる半導体素子に適用される混晶は，精
密な構造と完全な結晶性とが要求され，またＧｅとＳｉ
の組成比を広範囲に制御できることが必要である。この
ため，結晶性の良い薄層を精密に成長できるエピタキシ
ャル気相成長法を用いて，広範な組成にわたるＧｅＳｉ
混晶を製造する方法が要求されている。

【０００４】

【従来の技術】ＧｅＳｉ混晶を気相成長法により製造す
る従来の方法を，図４を参照して説明する。

【０００５】図４は従来法の実施例説明図であり，ＣＶ
Ｄ法（化学気相堆積法）により堆積された混晶の組成と
原料ガスの組成比との関係を表している。図４中，混晶
の組成はＧｅのモル比を，原料ガスの組成比はジシラン
とゲルマンからなる原料ガスに対するゲルマンの体積比
を表している。

【０００６】従来，素子形成に要求される所要の厚さ及
び組成を有するＧｅＳｉ混晶を一時に成長していた。し
かし，かかる混晶薄膜が層状に成長するのは，図４に示
された，原料ガス組成に対して組成が一定となる範囲に
限られる。

【０００７】図４中のＴ５００　，Ｔ５５０　，Ｔ６０
０はそれぞれ５００℃，５５０℃，６００℃，で成長し
たものを表している。層状に成長する条件下で成長され
た混晶の組成は，図４から明らかな様に，成長温度が低
いほどゲルマニュウム濃度が高くなる。しかし，ゲルマ
ニュウム濃度を高くするために成長温度を低くすると，
成長速度が著しく小さくなるのである。

【０００８】この不都合は，原料ガスのゲルマン濃度を
高くすることにより回避することができる。即ち，かか
る条件下では，図４を参照して，ゲルマン濃度の高い混
晶を高速に成長することができる。

【０００９】しかし，かかる条件下では層状には成長せ
ず，初期の島状成長を経たのちこれらが一体化した薄膜
として成長する。このため，多量の結晶欠陥が導入され
るのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のＧｅＳｉ混晶の
エピタキシャル気相成長にあっては，ゲルマニュウム濃
度の高い混晶を成長するためには成長温度を低くしなけ
ればならず，成長速度が遅くなるという欠点がある。

【００１１】また，ゲルマニュウム濃度の高い結晶を高
速成長できる条件では島状成長となるため，結晶品質が
低下するという欠点があった。本発明は，ゲルマニュウ
ム濃度の高いＧｅＳｉ混晶を気相成長法により層状に成
長させ，結晶欠陥の少ないエピタキシャル薄膜を形成す
る半導体結晶の製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，本発明の第一の構成は，基板結晶上にシリコンとゲ
ルマニュウムとを主成分とする混晶半導体結晶をエピタ
キシャル成長する気相成長法において，シリコンに富む
第一の結晶薄層とゲルマニュウムに富む第二の結晶薄層
とを交互に重層して成長し，該第一及び第二の結晶薄層
は，各々の該結晶薄層が層状に成長する時間内にて成長
された厚さを有することを特徴として構成され，及び，
第一の構成の方法により製造された半導体結晶を拡散熱
処理して，ゲルマニュウムとシリコンとを主成分とする
混晶となすことを特徴として構成される。

【００１３】

【作用】図１は本発明の原理説明図であり，従来の気相
成長法では島状成長となる成長条件下で，成長開始から
ある成長時間内に成長する結晶薄膜の厚さを表している
。

【００１４】図１中のＡ１０，Ａ４　，Ａ１　は，原料
ガスとして１０％のゲルマンを含む水素ガスを，それぞ
れ１０ｃｃ／分，４ｃｃ／分，１ｃｃ／分流してＧｅ結
晶層を成長したときの結果を表している。

【００１５】なお，図１は成長温度５５０℃での結果で
あるが，同様の結果は５００℃にても観察された。図１
から，　成長開始から一定時間は結晶の成長が観測され
ない潜伏期間が存在することが明らかである。そして，
一定の潜伏期間を経過したのち，結晶の成長は速い速度
で進行する。

【００１６】本発明の発明者は，上記潜伏期間に数ｎｍ
以下の薄層が層状に成長することを実験事実として明ら
かにしたのである。即ち，潜伏期間内のみゲルマンガス
を流した後，続けてシリコン層を成長するサイクルを繰
り返して成長されたエピタキシャル層は，層状成長を示
唆する超格子構造を有することをＸ線回折により確認し
，さらに上記超格子構造に対応して組成の周期的変動を
有することを透過電子顕微鏡観察により確認したのであ
る。

【００１７】ヘテロエピタキシャル成長において，成長
初期に薄い結晶が層状に成長すること，その後一定の厚
さ以上に成長すると島状成長に変化することは，ＭＢＥ
法にて観察され，　ストラウスキイ・クラタノフの成長
機構として知られている。

【００１８】本発明の発明者は，かかる成長機構がＳｉ
Ｇｅ混晶の気相成長についても存在することを確認した
のである。本発明は上述の事実に基づき考案された。

【００１９】本発明の第一の構成では，ゲルマニュウム
濃度の高い結晶は潜伏期間内，すなわち層状に成長する
時間内に堆積される。従って，島状成長は起こらない。 さらに，続けてゲルマニュウム濃度の低い結晶を重ねて
成長することにより，潜伏期間内に成長したゲルマニュ
ウム濃度の高い薄層を安定化し，その後さらにゲルマニ
ュウム濃度の高い層を重ねて成長したとき，島状成長に
変移するのを防止するのである。

【００２０】この様に，ゲルマニュウム濃度の高い層と
低い層とが交互に成長した重層構造とすることにより，
ゲルマニュウム濃度の高い薄層を包含する厚いエピタキ
シャル層を安定して形成することができるのである。

【００２１】本構成により製造されたエピタキシャル層
は，全て層状に成長されるから結晶欠陥が少ない。さら
に，ＭＢＥ法よりも高い温度でも層状成長するから高品
質の結晶となる。

【００２２】また，ゲルマニュウム濃度の高い層と低い
層との厚さの比を，成長時間により正確かつ容易に制御
することができるから，上記エピタキシャル層のゲルマ
ニュウム濃度を広範囲かつ精密に制御することができる
。

【００２３】なお，前記潜伏時間は，例えば原料ガス濃
度を濃くすることにより，容易に短くすることができる
。従って，上記二種の層の成長を高速に切替える方法，
例えばパルスジエット法を用いて，容易に高速成長が実
現される。

【００２４】従って，本方法により，ゲルマニュウム濃
度の高い結晶を，高速に且つ層状に成長することができ
る。本発明の第二の構成では，ゲルマニュウム濃度の高
い層と低い層とを交互に成長したエピタキシャル層を熱
処理して，ＧｅとＳｉとを拡散させ，エピタキシャル層
を均一な組成の混晶とする。

【００２５】エピタキシャル層内の交互に成長された層
は容易に薄く，例えば１０分の数ｎｍの周期とすること
ができるから，低温かつ短時間の熱処理によっても均一
な組成にすることができる。

【００２６】本方法によると，層状成長をした結晶欠陥
の少ない結晶を低温で処理することから，極めて欠陥の
少ないＧｅＳｉ混晶が製造されるのである。さらに，低
温処理ができることは素子形成を容易にする効果を奏す
る。

【００２７】勿論，ゲルマニュウム濃度を広範に，精密
に制御できることは第一の構成と同様である。

【００２８】

【実施例】本発明を実施例を参照して説明する。気相成
長装置は，キャリアガス及び２種の原料ガスを高速度で
切替えて多層構造の結晶を成長する減圧ＣＶＤ装置を用
いた。

【００２９】基板は，面方位（００１）のシリコンウェ
ーハを硫酸過酸化水素水の混合液に浸漬して酸化した後
，弗酸水溶液により酸化膜を除去したものを用いた。 先ず，基板をＣＶＤ装置内に設置し，圧力１０ｍｍＨｇ
の水素雰囲気中で，略９００℃，１０分間の熱処理を行
い，表面の自然酸化膜を除去する。

【００３０】次いで，５５０℃に降温してこの温度に保
持し，以下の手順で成長を行う。図２は，本発明の実施
例シーケンス説明図であり，原料ガス及びキャリアガス
の時系列による成長の手順を表している。

【００３１】初めに，図２を参照して，キャリアガスで
あるＨ２　の流入Ｈ０　を止める。次いで，　例えば，
圧力１０ｍｍＨｇの水素キャリアガスにゲルマン（Ｇｅ
Ｈ４　）を混合したＧｅ層成長用の原料ガスを毎分１０
ｃｃ流入Ｇ１　して，ゲルマニュウム結晶薄膜を成長す
る。

【００３２】成長時間は，前記潜伏期間内とし，例えば
１５秒の潜伏期間のとき１０秒間とする。なお，潜伏期
間は原料ガスの流量が毎分４ｃｃのとき１分，毎分１ｃ
ｃのとき２分であった。

【００３３】この潜伏期間が長いと一成長サイクルに要
する時間が長くなり，成長が遅くなる。また，短いとガ
スの切替えが困難になる。潜伏期間は原料ガスの濃度に
より制御できるから，装置等を考慮した適切な期間とす
ることができる。

【００３４】次いで，水素キャリアガスを１０秒間流入
Ｈ１ａしてパージする。次いで，例えば，圧力１０ｍｍ
Ｈｇの水素ガスにジシラン（Ｓｉ２Ｈ６　）を混合した
Ｓｉ層成長用の原料ガスを毎分１０ｃｃ流入Ｓ１　して
，シリコン結晶薄膜を成長する。

【００３５】次いで，水素キャリアガスを１０秒間流入
Ｈ１ｂしてパージする。この後，上記ゲルマニュウム結
晶薄膜の成長から上記シリコン結晶薄膜の成長及び上記
バージ迄のサイクルを繰り返して，例えば，略３００ｎ
ｍの厚さのエピタキシャル層を成長する。

【００３６】上述の工程で製造されたエピタキシャル層
は，鏡面であることから，層状に成長したことが確認さ
れた。なお，本発明においては，原料ガスの一つがゲル
マニュウムを含む結晶を成長するためのものであればよ
く，ゲルマニュウム結晶を成長するためのものに限られ
ないのは当然である。

【００３７】図３は本発明の実施例結果の説明図であり
，エピタキシャル層のＧｅ組成比の厚さ方向の分布を表
している。Ｇｅ組成は，透過電子顕微鏡像の濃淡から求
めた。

【００３８】図３中，ａは，上記実施例において，シリ
コン結晶薄膜を２分間成長したもの，ｂは１分間成長し
たものである。また，ｃはシリコン結晶薄膜を２０秒間
成長してエピタキシャル層を成長した後，７００℃，１
０分間の拡散熱処理を施したものである。

【００３９】成長サイクルに対応する厚さの周期的組成
変動が認められ，これは成長時間に対応して重層構造の
エピタキシャル層が成長されたことを示している。この
重層構造はＸ線解析により確認された。

【００４０】また，ａ，ｂについて，ピークのＧｅ濃度
が略同じことは，同じ濃度と厚さを有する結晶薄膜が成
長されたことを示唆している。ｃの結果は，Ｇｅ０．６
　Ｓｉ０．４　の混晶エピタキシャル層が製造されてお
り，重層構造の周期が短いとき，低温の拡散熱処理によ
り容易に均一な組成の混晶になることを示している。

【００４１】また，本発明によると，容易に高濃度にＧ
ｅを含むＧｅＳｉ混晶を製造することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば，高濃度のゲルマニュウ
ムを含む結晶薄層を気相成長法により層状かつ高速に成
長することができるから，欠陥の少ないかつ高濃度のゲ
ルマニュウムを含むエピタキシャルＧｅＳｉ混晶を精密
，迅速に製造することができ，半導体装置の性能向上に
寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の原理説明図

【図２】　　本発明の実施例シーケンス説明図

【図３】
　　本発明の実施例結果の説明図

【図４】　　従来法の
実施例説明図

【符号の説明】

Ａ１　，Ａ４　，Ａ１０　　原料ガス流量が各々１，４
，１０ｃｃ／分の時の結果 Ｈ０　，Ｈ１ａ，Ｈ１ｂ，〜　　水素ガスの流入Ｇ１　
，Ｇ２　，〜　　ゲルマンを混合した水素ガスの流入Ｓ
１　，Ｓ１　，〜　　ジシランを混合した水素ガスの流
入Ｔ５００　，Ｔ５５０　，Ｔ６００　　　各々成長温
度５００，５５０，６００℃の結果

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板結晶上にシリコンとゲルマニュウ
   ムとを主成分とする混晶半導体結晶をエピタキシャル成
   長する気相成長法において，シリコンに富む第一の結晶
   薄層とゲルマニュウムに富む第二の結晶薄層とを交互に
   重層して成長し，該第一及び第二の結晶薄層は，各々の
   該結晶薄層が層状に成長する時間内にて成長された厚さ
   を有することを特徴とする半導体結晶の製造方法。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の方法により製造された
   半導体結晶を拡散熱処理して，ゲルマニュウムとシリコ
   ンとを主成分とする混晶となすことを特徴とする半導体
   結晶の製造方法。