JPH0818906B2 - 結晶成長方法 - Google Patents
結晶成長方法Info
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- JPH0818906B2 JPH0818906B2 JP6258788A JP6258788A JPH0818906B2 JP H0818906 B2 JPH0818906 B2 JP H0818906B2 JP 6258788 A JP6258788 A JP 6258788A JP 6258788 A JP6258788 A JP 6258788A JP H0818906 B2 JPH0818906 B2 JP H0818906B2
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は結晶基板上の結晶成長方法に関する。本発明
は気相や液相成長方法など種々のエピタキシャル成長方
法に適用できるが、以下では分子線成長方法を例に説明
する。
は気相や液相成長方法など種々のエピタキシャル成長方
法に適用できるが、以下では分子線成長方法を例に説明
する。
（従来の技術） 近年高速バイポーラ素子、マイクロ波用素子あるいは
超格子構造素子などへの応用を目的としてこれまでのシ
リコン結晶成長技術に比べ、より低温で成長が行なわ
れ、しかも原子層レベルでの成長の抑制ができるという
特徴を有する高真空内でのシリコン分子線成長（SiMB
E）技術が盛んに研究開発されている。
超格子構造素子などへの応用を目的としてこれまでのシ
リコン結晶成長技術に比べ、より低温で成長が行なわ
れ、しかも原子層レベルでの成長の抑制ができるという
特徴を有する高真空内でのシリコン分子線成長（SiMB
E）技術が盛んに研究開発されている。
また、この様な分子線成長技術において、シリコン
（Si）もしくは、ゲルマニウム（Ge）とIV族間混晶との
超格子は、IV族でも２次元電子（ホール）ガスの形成が
確認されており、また、歪超格子となることから、移動
度の大幅な増大及びIV族でも直接遷移になる可能性を有
している物質として最近注目を集めている。また、GeXS
i1-X混晶はSiバイポーラトランジスタのナローバンドギ
ャップベース層に使うことによって、逆注入効率を大幅
に減少させることが期待されている。
（Si）もしくは、ゲルマニウム（Ge）とIV族間混晶との
超格子は、IV族でも２次元電子（ホール）ガスの形成が
確認されており、また、歪超格子となることから、移動
度の大幅な増大及びIV族でも直接遷移になる可能性を有
している物質として最近注目を集めている。また、GeXS
i1-X混晶はSiバイポーラトランジスタのナローバンドギ
ャップベース層に使うことによって、逆注入効率を大幅
に減少させることが期待されている。
そこで、R.People等は、アプライドフィジックスレタ
ー45巻1231ページ（Appl.Phys.Lett.45（1984）1231.）
に示されている様に、MBEによってSiとGeXSi1-X混晶の
超格子をつくり、Ｐ型の選択ドーピングを行ない２次元
ホールガスが形成されることを確認した。また、G.Abst
reiter等は、フィジカルレビューレター54巻2441ページ
（Phys.Rev.Lett.54（1985）2441.）に示されている様
に、SiとGeXSi1-X混晶の超格子で、Ｎ当の選択ドーピン
グを行ない２次元電子ガスが形成されることを確認し
た。
ー45巻1231ページ（Appl.Phys.Lett.45（1984）1231.）
に示されている様に、MBEによってSiとGeXSi1-X混晶の
超格子をつくり、Ｐ型の選択ドーピングを行ない２次元
ホールガスが形成されることを確認した。また、G.Abst
reiter等は、フィジカルレビューレター54巻2441ページ
（Phys.Rev.Lett.54（1985）2441.）に示されている様
に、SiとGeXSi1-X混晶の超格子で、Ｎ当の選択ドーピン
グを行ない２次元電子ガスが形成されることを確認し
た。
しかし、SiとGeXSi1-X混晶との組み合わせでは、坂本
等によってジャパンジャーナルオブアプライドフィジッ
クス26巻666ページ（Jpn.J.Appl.Phys.26（1987）66
6.）に示されているようにGeXSi1-X混晶がSi上で３次元
成長するので、Si上にGeXSi1-X混晶を成長させた時GeXS
i1-X混晶表面のモホロジーが悪化し、この上にさらにSi
層を成長させた時、そのヘテロ界面に数100Åにおよぶ
界面の乱れが生じ、２次元電子（ホール）ガスを作った
場合やヘテロバイポーラトランジスタをつくった場合、
その電気特性に悪影響を及ぼす。そこで、J.C.Beam等は
２次元ホールガスを作る場合、ヘテロ界面部分を非晶質
状態で形成しその後熱処理して単結晶化させ、平坦なヘ
テロ界面を得ている。しかし、このような固相成長を用
いた場合、その結晶性が極端に悪化し、また長時間の熱
処理を必要とするため、不純物の拡散が起こり急峻なプ
ロファイルが得られないという欠点がある。
等によってジャパンジャーナルオブアプライドフィジッ
クス26巻666ページ（Jpn.J.Appl.Phys.26（1987）66
6.）に示されているようにGeXSi1-X混晶がSi上で３次元
成長するので、Si上にGeXSi1-X混晶を成長させた時GeXS
i1-X混晶表面のモホロジーが悪化し、この上にさらにSi
層を成長させた時、そのヘテロ界面に数100Åにおよぶ
界面の乱れが生じ、２次元電子（ホール）ガスを作った
場合やヘテロバイポーラトランジスタをつくった場合、
その電気特性に悪影響を及ぼす。そこで、J.C.Beam等は
２次元ホールガスを作る場合、ヘテロ界面部分を非晶質
状態で形成しその後熱処理して単結晶化させ、平坦なヘ
テロ界面を得ている。しかし、このような固相成長を用
いた場合、その結晶性が極端に悪化し、また長時間の熱
処理を必要とするため、不純物の拡散が起こり急峻なプ
ロファイルが得られないという欠点がある。
（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、この様な従来の欠点を除去せしめ
て、IV族元素及びIV族元素混晶とヘテロ構造を作った時
平坦なヘテロ界面が得られるような、結晶の成長方法を
提供することにある。
て、IV族元素及びIV族元素混晶とヘテロ構造を作った時
平坦なヘテロ界面が得られるような、結晶の成長方法を
提供することにある。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、単結晶IV族元素及びIV族元素混晶基板上へ
の異種IV族元素及びIV族元素混晶の成長において、清浄
化した基板上に予めスズ（Sn）を0.3原子層以下形成さ
せた後、異種IV族元素及びIV族元素混晶の成長を開始す
ることを特徴とする。ここで、0.3原子層とは、表面の
１原子層中の原子の内の30％の原子を示す。１原子層の
原子の面密度は結晶構造や表面の面方位によって異な
る。例えばシリコン結晶の（111）面の表面では１原子
層の原子の面密度は約7.8×1014cm-2であり、従って、
スズ0.3原子層とは１原子層の30％の約2.3×1014cm-2の
面密度でスズがあることを表す。
の異種IV族元素及びIV族元素混晶の成長において、清浄
化した基板上に予めスズ（Sn）を0.3原子層以下形成さ
せた後、異種IV族元素及びIV族元素混晶の成長を開始す
ることを特徴とする。ここで、0.3原子層とは、表面の
１原子層中の原子の内の30％の原子を示す。１原子層の
原子の面密度は結晶構造や表面の面方位によって異な
る。例えばシリコン結晶の（111）面の表面では１原子
層の原子の面密度は約7.8×1014cm-2であり、従って、
スズ0.3原子層とは１原子層の30％の約2.3×1014cm-2の
面密度でスズがあることを表す。
（作用） 初めに、本発明の原理についてSi（111）上のSiのGeX
Si1-X混晶のヘテロエピタキシャル成長の場合を例に取
って説明する。Si（111）清浄面上にGeXSi1-X混晶を成
長温度300℃以上650℃以下で成長すると、飛来したSi及
びGe原子が表面上で２次元核形成を行い、２次元核が成
長して合体し、再び平坦な表面に戻るプロセスを繰り返
すことによって成長が起こる。しかし、Si上のGeXSi1-X
混晶はSi基板とのサーフェイスエネルギーの違いによっ
て三次元成長しやすく、第２図（ａ）に示すように、Ge
XSi1-X混晶表面のモホロジーが悪化し、この上にさらに
Si層を成長させた時、第２図（ｂ）に示すように、その
ヘテロ界面に乱れが生じる。
Si1-X混晶のヘテロエピタキシャル成長の場合を例に取
って説明する。Si（111）清浄面上にGeXSi1-X混晶を成
長温度300℃以上650℃以下で成長すると、飛来したSi及
びGe原子が表面上で２次元核形成を行い、２次元核が成
長して合体し、再び平坦な表面に戻るプロセスを繰り返
すことによって成長が起こる。しかし、Si上のGeXSi1-X
混晶はSi基板とのサーフェイスエネルギーの違いによっ
て三次元成長しやすく、第２図（ａ）に示すように、Ge
XSi1-X混晶表面のモホロジーが悪化し、この上にさらに
Si層を成長させた時、第２図（ｂ）に示すように、その
ヘテロ界面に乱れが生じる。
このSi（111）清浄面上にSnを約0.1原子層、すなわち
面密度約0.78×1014cm-2蒸着すると、表面のダングリン
グボンドの強い共有結合性が金属性の強いSnの自由電子
によってスクリーニングされ、サーフェイスエネルギー
の違いが減少する。従って、第１図（ａ）に示すよう
に、GeXSi1-X混晶の三次元成長が抑えられ、表面モホロ
ジーが改善される。この上にさらにSi層を成長させた
時、第１図（ｂ）に示すように、ヘテロ界面は平坦にな
る。GeXSi1-X混晶の成長が進んでも、ハンセンによって
コンスティテュションオブバイナリイアロイズ（“Cons
titution of Binary Alloys,McGrow−Hill,1958"）に示
されているように、SnはSi及びGe中にほとんど固溶しな
いためにほとんどすべてのSnは表面に偏析され、表面の
Sn濃度は保たれる。以上述べた理由により、（111）表
面にSnを蒸着した後、GeXSi1-X混晶の成長を行うと、表
面のモホロジーが改善され、この上にさらにSi層を成長
させた時平坦なヘテロ界面を得ることができる。
面密度約0.78×1014cm-2蒸着すると、表面のダングリン
グボンドの強い共有結合性が金属性の強いSnの自由電子
によってスクリーニングされ、サーフェイスエネルギー
の違いが減少する。従って、第１図（ａ）に示すよう
に、GeXSi1-X混晶の三次元成長が抑えられ、表面モホロ
ジーが改善される。この上にさらにSi層を成長させた
時、第１図（ｂ）に示すように、ヘテロ界面は平坦にな
る。GeXSi1-X混晶の成長が進んでも、ハンセンによって
コンスティテュションオブバイナリイアロイズ（“Cons
titution of Binary Alloys,McGrow−Hill,1958"）に示
されているように、SnはSi及びGe中にほとんど固溶しな
いためにほとんどすべてのSnは表面に偏析され、表面の
Sn濃度は保たれる。以上述べた理由により、（111）表
面にSnを蒸着した後、GeXSi1-X混晶の成長を行うと、表
面のモホロジーが改善され、この上にさらにSi層を成長
させた時平坦なヘテロ界面を得ることができる。
（実施例） 次に発明の実施例について具体的に説明する。反射高
速電子回折法（RHEED）はMBE法の初期より結晶成長時の
基板清浄化のモニター及び結晶成長モードの決定のため
にもちいられてきた。近年、MBE成長中にRHEEDパターン
の強度が振動することが報告されている。このRHEEDパ
ターンの振動の一周期は一分子層の成長に正確に対応す
る。この振動は飛来したSiが表面上で２次元核形成を行
い、２次元核が成長して合体し、再び平坦な表面に戻る
プロセスを繰り返すことによって生ずる。
速電子回折法（RHEED）はMBE法の初期より結晶成長時の
基板清浄化のモニター及び結晶成長モードの決定のため
にもちいられてきた。近年、MBE成長中にRHEEDパターン
の強度が振動することが報告されている。このRHEEDパ
ターンの振動の一周期は一分子層の成長に正確に対応す
る。この振動は飛来したSiが表面上で２次元核形成を行
い、２次元核が成長して合体し、再び平坦な表面に戻る
プロセスを繰り返すことによって生ずる。
第３図は、Si（111）清浄面上にSnを0.1原子層蒸着
し、基板温度500℃でSiを照射し途中でGeセルシャッタ
ーを開閉したときのRHEED振動を示したものである。比
較のためにSn蒸着しない場合も併せて示した。表面にSn
がない場合、Geセルシャッターを開くと振動の振幅は急
激に減衰する。Geセルシャッターを閉じるとしばらくし
てSiの振動が回復してくる。これは、Geセルシャッター
を開いてGeXSi1-X混晶の成長が始ると、表面の平坦性が
悪化する事を示している。Geセルシャッターを閉じると
再び振動が回復してくるのは、Siがモホロジーの悪いGe
XSi1-X混晶の表面を埋めて平坦化するからである。一
方、表面にSnがある場合では、Geセルシャッターを開い
ても振幅に大きな減衰が起こらない。輝度は下がってく
るが、これはGeが入ることによってデバイーワラー因子
が大きくなるためである。さらに、Geセルシャッターを
閉じると直ちにSiの振動が回復する。従って、表面にSn
があるとGeXSi1-X混晶を成長しても表面の平坦性が悪化
しないことがわかる。
し、基板温度500℃でSiを照射し途中でGeセルシャッタ
ーを開閉したときのRHEED振動を示したものである。比
較のためにSn蒸着しない場合も併せて示した。表面にSn
がない場合、Geセルシャッターを開くと振動の振幅は急
激に減衰する。Geセルシャッターを閉じるとしばらくし
てSiの振動が回復してくる。これは、Geセルシャッター
を開いてGeXSi1-X混晶の成長が始ると、表面の平坦性が
悪化する事を示している。Geセルシャッターを閉じると
再び振動が回復してくるのは、Siがモホロジーの悪いGe
XSi1-X混晶の表面を埋めて平坦化するからである。一
方、表面にSnがある場合では、Geセルシャッターを開い
ても振幅に大きな減衰が起こらない。輝度は下がってく
るが、これはGeが入ることによってデバイーワラー因子
が大きくなるためである。さらに、Geセルシャッターを
閉じると直ちにSiの振動が回復する。従って、表面にSn
があるとGeXSi1-X混晶を成長しても表面の平坦性が悪化
しないことがわかる。
実際に、Si（111）清浄面上にSnを0.1原子層蒸着した
後、成長温度500℃でGe0.2Si0.8混晶層300ÅとSi層300
Åの成長を５回繰り返す超格子構造を形成し、断面TEM
によって評価したとろろ、Si上にGe0.2Si0.8がある界
面、Ge0.2Si0.8上にSiがある界面共に急峻で平坦なコン
トラストとの違いが観察され両界面共に原子レベルで平
坦であることがわかった。表面に蒸着するSnは0.3原子
層以下であることが必要である。なおGe0.2Si0.8及びSi
の層厚は300Åである必要はない。100〜1000Åの範囲の
層厚で問題なく成長が行えた。それ以上では、市川等に
よってサーフェースサイエンス140巻37ページ（T.Ichik
awa.Surf.Sci.140（1984）37.）に示されているよう
に、Snは表面上で 構造をつくり、Si及びGe原子の表面拡散が促進されて、
成長様式が２次元核形成による成長からステップ端にお
ける成長に変化し、本発明者がアプライドフィジックス
レター49巻776ページ（Appl.Phys.Lett.49（1986）77
6.）に示した様に表面に鋸刃状のステップハンドが形成
され、表面のモホロジーが悪化する。
後、成長温度500℃でGe0.2Si0.8混晶層300ÅとSi層300
Åの成長を５回繰り返す超格子構造を形成し、断面TEM
によって評価したとろろ、Si上にGe0.2Si0.8がある界
面、Ge0.2Si0.8上にSiがある界面共に急峻で平坦なコン
トラストとの違いが観察され両界面共に原子レベルで平
坦であることがわかった。表面に蒸着するSnは0.3原子
層以下であることが必要である。なおGe0.2Si0.8及びSi
の層厚は300Åである必要はない。100〜1000Åの範囲の
層厚で問題なく成長が行えた。それ以上では、市川等に
よってサーフェースサイエンス140巻37ページ（T.Ichik
awa.Surf.Sci.140（1984）37.）に示されているよう
に、Snは表面上で 構造をつくり、Si及びGe原子の表面拡散が促進されて、
成長様式が２次元核形成による成長からステップ端にお
ける成長に変化し、本発明者がアプライドフィジックス
レター49巻776ページ（Appl.Phys.Lett.49（1986）77
6.）に示した様に表面に鋸刃状のステップハンドが形成
され、表面のモホロジーが悪化する。
以上GeXSi1-X混晶をSi基板上に成長させる場合につい
て述べたが、SnのGeに対する性質はSiに対する性質にた
いへん良く似ており、GeXSi1-X混晶をGe基板上に成長さ
せる場合及びGeXSi1-X混晶をGeXSi1-X混晶基板上に成長
させる場合についても同様のことが確認された。また、
分子線成長を行った例を示したが、これに限らず他の気
相成長方法、液相成長方法などに応用できる。
て述べたが、SnのGeに対する性質はSiに対する性質にた
いへん良く似ており、GeXSi1-X混晶をGe基板上に成長さ
せる場合及びGeXSi1-X混晶をGeXSi1-X混晶基板上に成長
させる場合についても同様のことが確認された。また、
分子線成長を行った例を示したが、これに限らず他の気
相成長方法、液相成長方法などに応用できる。
さらに、本実施例ではSi、Ge及びGeXSi1-X混晶基板を
対象としたが、本発明の方法は表面にのみSi、Ge及びGe
XSi1-X混晶面が存在するSOS（Silicon on Sapphire）基
板や更に一般にSOI（Silicon on Insulator）基板等に
も当然適用できる。
対象としたが、本発明の方法は表面にのみSi、Ge及びGe
XSi1-X混晶面が存在するSOS（Silicon on Sapphire）基
板や更に一般にSOI（Silicon on Insulator）基板等に
も当然適用できる。
（発明の効果） 以上、詳細に述べた通り本発明によれば、IV族単結晶
基板上への異種IV族の成長において、基板表面に0.3原
子層以下のSnを予め形成することによって、超格子もし
くはヘテロバイポーラトランジスタをつくる上で有効な
平坦なヘテロ界面を得ることができる。
基板上への異種IV族の成長において、基板表面に0.3原
子層以下のSnを予め形成することによって、超格子もし
くはヘテロバイポーラトランジスタをつくる上で有効な
平坦なヘテロ界面を得ることができる。
第１図（ａ），（ｂ）は、本発明の原理を説明するため
の概念図、第２図（ａ），（ｂ）は、従来例を説明する
ための概念図、第３図は、Si（111）清浄表面上にSnを
0.1原子層蒸着し、基板温度500℃でSiを照射し途中でGe
セルシャッターを開閉したときのRHEED振動を示す図で
ある。 図において １……Si基板 ２……GeXSi1-X層 ３……Si原子 ４……Sn原子
の概念図、第２図（ａ），（ｂ）は、従来例を説明する
ための概念図、第３図は、Si（111）清浄表面上にSnを
0.1原子層蒸着し、基板温度500℃でSiを照射し途中でGe
セルシャッターを開閉したときのRHEED振動を示す図で
ある。 図において １……Si基板 ２……GeXSi1-X層 ３……Si原子 ４……Sn原子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ３０Ｂ 29/08 9261−4Ｇ
Claims (1)
- 【請求項１】単結晶IV族元素もしくはIV族元素混晶基板
上への異種IV族元素もしくはIV族元素混晶の成長におい
て、清浄化した基板上に予めスズ（Sn）を0.3原子層以
下形成させた後、異種IV族元素もしくはIV族元素混晶の
成長を開始することを特徴とする結晶成長方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6258788A JPH0818906B2 (ja) | 1988-03-15 | 1988-03-15 | 結晶成長方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6258788A JPH0818906B2 (ja) | 1988-03-15 | 1988-03-15 | 結晶成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01234395A JPH01234395A (ja) | 1989-09-19 |
| JPH0818906B2 true JPH0818906B2 (ja) | 1996-02-28 |
Family
ID=13204603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6258788A Expired - Fee Related JPH0818906B2 (ja) | 1988-03-15 | 1988-03-15 | 結晶成長方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0818906B2 (ja) |
-
1988
- 1988-03-15 JP JP6258788A patent/JPH0818906B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01234395A (ja) | 1989-09-19 |
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