JP2742855B2 - Semiconductor thin film manufacturing method - Google Patents

Semiconductor thin film manufacturing method

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JP2742855B2
JP2742855B2 JP4224064A JP22406492A JP2742855B2 JP 2742855 B2 JP2742855 B2 JP 2742855B2 JP 4224064 A JP4224064 A JP 4224064A JP 22406492 A JP22406492 A JP 22406492A JP 2742855 B2 JP2742855 B2 JP 2742855B2
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誠男 田村
徹 斉藤
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体薄膜の製造方法に
関し、特に、ヘテロエピタキシャル膜を備える半導体薄
膜の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor thin film having a heteroepitaxial film.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の半導体薄膜は、電子デバイス、
光デバイス、及び電子−光の混合デバイス等に用いられ
ている。ところで、一般に、半導体基板(下地)と異な
る物質を半導体基板上へ結晶成長させて半導体薄膜を形
成する際、つまり、ヘテロエピタキシャル膜を成長させ
る際には、基板を構成する結晶と基板上に成長させる物
質を構成する結晶との間に格子不整合が起こる。このよ
うな格子不整合は、ミスフィットと呼ばれ、このミスフ
ィットによって、結晶界面で欠陥、すなわち、ミスフィ
ット転位が発生する。そして、このミスフィット転位の
発生機構・性質・相互作用等に関しては、種々の物質の
組み合わせによる検討がなされいる。
2. Description of the Related Art Semiconductor thin films of this kind are used in electronic devices,
It is used for optical devices and electron-light mixing devices. In general, when a semiconductor thin film is formed by crystal-growing a substance different from the semiconductor substrate (base) on the semiconductor substrate, that is, when growing a heteroepitaxial film, the crystal constituting the substrate is grown on the substrate. Lattice mismatch occurs between the material and the crystal constituting the material. Such lattice mismatch is called a misfit, and the misfit causes a defect at the crystal interface, that is, a misfit dislocation. With respect to the generation mechanism, properties, interaction, and the like of the misfit dislocations, various combinations of substances have been studied.

【0003】一方、上述のミスフィット転位によって、
成長膜中へ新たな転位が伝播することが知られており、
この成長膜中へ伝播する転位は、スレディング転位と呼
ばれる。
On the other hand, the above-mentioned misfit dislocation causes
It is known that new dislocations propagate into the grown film,
The dislocation propagating into the grown film is called a threading dislocation.

【0004】以下、図3を参照して、このスレディング
転位の形成過程について説明する。図3(a)は、成長
初期を、(b)は成長途中を、(c)は成長終了を示し
ている。図3(a),(b),および(c)に示される
ように、半導体基板1に成長膜2が成長し、この成長膜
2中にスレディング転位3が発生する。図3(a),
(b),および(c)から明らかなように、スレディン
グ転位3が、成長初期、成長途中、および成長終了のよ
うに、経過するにつれて、成長膜2中へ伝播しているの
が分かる。
Hereinafter, a process of forming the threading dislocation will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows the initial stage of the growth, FIG. 3B shows the middle of the growth, and FIG. 3C shows the end of the growth. As shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, a growth film 2 grows on the semiconductor substrate 1, and threading dislocations 3 occur in the growth film 2. FIG. 3 (a),
As is clear from (b) and (c), it can be seen that the threading dislocation 3 propagates into the growth film 2 as it elapses, such as at the beginning of growth, during growth, and at the end of growth.

【0005】このスレディング転位3は、成長膜2中へ
作製した種々のタイプのデバイスの特性に悪影響を与え
る。したがって、スレディング転位3の形成を防止する
ために、各種の方法が提案されている。例えば、応用物
理学会誌(応用物理、1992年、61巻第2号、第1
26頁〜第133頁)には、Si基板上へのGaAs膜
ヘテロエピタキシャル成長過程で発生するスレディング
転位の低減法が記載されている。
[0005] The threading dislocations 3 adversely affect the characteristics of various types of devices formed in the grown film 2. Therefore, various methods have been proposed to prevent the formation of threading dislocations 3. For example, Journal of the Japan Society of Applied Physics (Applied Physics, 1992, Vol. 61, No. 2,
(Pages 26 to 133) describe a method for reducing threading dislocations generated in the process of heteroepitaxial growth of a GaAs film on a Si substrate.

【0006】各種のヘテロエピタキシャル成長におい
て、特に、上述のSi基板上に対するGaAs膜の成長
は、応用上極めて重要であり、成長膜の高品質化はその
応用に際して必須なものである。しかしながら、上記応
用物理学会誌の論文中でも述べられている如く、GaA
s膜の結晶の質は現在なお充分でなく、特に転位密度の
低減が強く望まれている。
In various types of heteroepitaxial growth, in particular, the growth of a GaAs film on the above-mentioned Si substrate is extremely important in application, and high quality of the grown film is essential for the application. However, as mentioned in the article of the Journal of the Japan Society of Applied Physics, GaAs
At present, the crystal quality of the s film is still insufficient, and it is particularly desired to reduce the dislocation density.

【0007】このため、図4に示すように成長膜2中を
成長膜2表面へ向かって伝播するスレディング転位3の
運動を抑制する試みの一つとして、成長膜2とは異なる
物質の薄膜を成長膜2中へ挿入膜4として導入する方法
が知られている。
For this reason, as one of the attempts to suppress the movement of the threading dislocation 3 propagating in the growth film 2 toward the surface of the growth film 2 as shown in FIG. Is known as an insertion film 4 into the growth film 2.

【0008】例えば、Si上のGaAs膜の成長では、
GaAsとは格子定数がわずかに異なるInx Ga1-x
As膜を交互に成長膜2中へ挿入することが転位の上昇
防止に関して有効である。このような挿入は、いわゆ
る、歪み超格子……ストレインドレイヤースーパーラテ
ィス(SLS)……の挿入と呼ばれている。この方法で
は、図4(a)および(b)に示す様に、スイーピング
効果とブロッキング効果の2つの効果によって、転位の
成長膜2表面への伝播を阻止している。
For example, in growing a GaAs film on Si,
In x Ga 1-x whose lattice constant is slightly different from GaAs
It is effective to alternately insert the As films into the growth film 2 to prevent the dislocation from rising. Such insertion is called insertion of a strained superlattice... Strained layer super lattice (SLS). In this method, as shown in FIGS. 4A and 4B, propagation of dislocations to the surface of the growth film 2 is prevented by two effects, a sweeping effect and a blocking effect.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記S
LSの挿入によっても、現状では、GaAs膜の表面へ
到達するスレディング転位の密度は、106 /cm2
下にならない。この原因は、上記図4(a)および
(b)に示すスイーピング効果およびブロッキング効果
の2つの効果がスレディング転位の運動抑制に充分に作
用していないためであると考えられる。
However, the above S
Even with the insertion of LS, the density of threading dislocations reaching the surface of the GaAs film does not become 10 6 / cm 2 or less at present. It is considered that this is because the two effects of the sweeping effect and the blocking effect shown in FIGS. 4A and 4B do not sufficiently suppress the motion of the threading dislocation.

【0010】ここで、図4(a)及び(b)に示すスイ
ーピング効果及びブロッキング効果について詳しく検討
する。スイーピング効果は、主に挿入膜4と成長膜2の
格子定数の差によるミスフィット応力によるものであ
る。すなわち、挿入膜4の剛性率と厚さをそれぞれGと
h、ミスフィットをf、スレティング転位のバーガース
ベクトルをbとすれば、ミスフィット応力εは、おおよ
そ(Gfbh)となる。
Here, the sweeping effect and the blocking effect shown in FIGS. 4A and 4B will be discussed in detail. The sweeping effect is mainly due to a misfit stress due to a difference in lattice constant between the insertion film 4 and the growth film 2. That is, if the rigidity and thickness of the insertion film 4 are G and h, the misfit is f, and the Burgers vector of the threading dislocation is b, the misfit stress ε is approximately (Gfbh).

【0011】一方、ブロッキング効果は、主に挿入膜4
の剛性率Gに関係し、転位3の持つ自己エネルギE
は、おおよそ剛性率Gに比例する。つまり、Eはお
およそGb2 で表される。従って、挿入膜4により転位
3が、図4(b)に示すように、ブロックされる。
On the other hand, the blocking effect is mainly attributable to the insertion film 4.
The self energy E of the dislocation 3
d is approximately proportional to the rigidity G. That, E d is approximately expressed by Gb 2. Accordingly, the dislocation 3 is blocked by the insertion film 4 as shown in FIG.

【0012】つまり、スイーピング及びブロッキングの
両効果を高めるためには、特に、ミスフィットfと剛性
率Gが大きい物質を挿入膜4として選択すれば良いこと
になる。
That is, in order to enhance both the effects of sweeping and blocking, a substance having a large misfit f and a high rigidity G should be selected as the insertion film 4.

【0013】しかしながら、上述したGaAs/Siの
組合わせでSLSを挿入する場合には、この2つのパラ
メータが小さい、特に挿入膜の剛性率Gが小さいため、
上記2つの効果が充分に得られない。なお、GaAsの
硬度は750kg/mm2 であるが、InAsの硬度が
374kg/mm2 であるため、Inx Ga1-x Asの
硬度はこの2つの値の間に入る。
However, when the SLS is inserted in the above-described GaAs / Si combination, since these two parameters are small, especially the rigidity G of the insertion film is small.
The above two effects cannot be sufficiently obtained. Although the hardness of GaAs is 750 kg / mm 2 , the hardness of In x Ga 1-x As falls between these two values because the hardness of InAs is 374 kg / mm 2 .

【0014】このようなSLSの挿入の代わりに、剛性
率Gの大きなSiの薄膜をGaAs膜中へ挿入し、転位
の膜表面への伝播を抑制する方法が提案されている
(“J.Electrochem.Soc.”139,
865(1992))。ここで、Siの硬度は1100
kg/mm2 である。
Instead of such SLS insertion, a method has been proposed in which a Si thin film having a high rigidity G is inserted into a GaAs film to suppress the propagation of dislocations to the film surface (see "J. Electrochem"). Soc. "139,
865 (1992)). Here, the hardness of Si is 1100
kg / mm 2 .

【0015】しかしながら、この方法によってもなお、
GaAs膜の表面へ到達する転位の密度は、106 /c
2 以下には到っていない。この原因は、やはり前述し
た二つの効果が転位の運動抑制に充分に作用していない
ためと考えられる。
However, even with this method,
The density of dislocations reaching the surface of the GaAs film is 10 6 / c
m 2 or less. It is considered that this is because the two effects described above do not sufficiently act on the suppression of the dislocation movement.

【0016】一方、上記挿入膜4を通過してGsAs膜
の表面へ到達するスレディング転位を電子顕微鏡により
詳細に解析すると、(111)面上を〈211〉方向へ
運動するものが大部分を占めていることが分かった。ス
レディング転位には、この他に(111)面上を〈11
0〉方向へ運動するものもある。しかし、これは挿入膜
4によりブロックされて、上方へ伝播しないことも分か
った。
On the other hand, when the threading dislocations that reach the surface of the GsAs film through the insertion film 4 are analyzed in detail by an electron microscope, most of the dislocations that move on the (111) plane in the <211> direction are found. Turned out to be occupied. In addition to the threading dislocation, <11
Some move in the 0> direction. However, it was also found that this was blocked by the insertion film 4 and did not propagate upward.

【0017】この上方へ到達した〈211〉方向の転位
を再び運動させ、エピタキシャル成長膜から外部へ逃が
すことができれば、エピタキシャル成長膜中の転位密度
は大幅に低下するはずである。これを可能とするための
方法を、本願出願人等は、平成4年6月18日出願の
「半導体薄膜の製造方法」なる名称の平成4年特願第1
59011号明細書にて提案した。この方法は、成長膜
2の成長後、または挿入膜4成長後、成長を中断して成
長温度より高い温度で試料を加熱し、転位の運動を促進
して転位をエピタキシャル成長膜2から外部へ逃がすも
のである。実際、この熱処理を適用した試料では転位密
度の低下が観察された。
If the dislocations in the <211> direction reaching the upper part can be moved again to escape from the epitaxially grown film to the outside, the dislocation density in the epitaxially grown film should be greatly reduced. In order to make this possible, the applicant of the present invention has filed a Japanese Patent Application No. 19/1992, entitled "Method of Manufacturing Semiconductor Thin Film" filed on June 18, 1992.
No. 59011. In this method, after the growth of the growth film 2 or the growth of the insertion film 4, the growth is interrupted, the sample is heated at a temperature higher than the growth temperature, the movement of the dislocation is promoted, and the dislocation is released from the epitaxial growth film 2 to the outside. Things. In fact, a decrease in the dislocation density was observed in the sample to which this heat treatment was applied.

【0018】しかしながら、熱処理前に既に高い密度の
転位が存在するため、熱処理過程で運動する転位間の相
互作用により転位同志が反応し合い、不動化するものも
多数見られ、場所による転位密度の大小が著しい。
However, since dislocations having a high density already exist before the heat treatment, many dislocations react with each other due to the interaction between the dislocations moving during the heat treatment process, and many dislocations are immobilized. Big and small.

【0019】従って、本発明の課題は、スレディング転
位の密度を一様に低減させることができる半導体薄膜の
製造方法を提供することにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor thin film capable of uniformly reducing the density of threading dislocations.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板の主表面上に第1の格子定数及び第1の剛性率を有
する第1の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜を所定の
成長温度下で形成する第1の工程と、該第1の半導体ヘ
テロエピタキシャル成長膜上に前記第1の格子定数との
差が大きい第2の格子定数を有するとともに前記第1の
剛性率より大きい第2の剛性率を有する単結晶薄膜を形
成する第2の工程と、該単結晶膜上に前記第1の格子定
数及び前記第1の剛性率を有する第2の半導体ヘテロエ
ピタキシャル成長膜を前記所定の成長温度下で形成する
第3の工程と、前記第1の半導体ヘテロエピタキシャル
成長膜、前記単結晶膜、及び前記第2の半導体ヘテロエ
ピタキシャル成長膜を前記主表面に垂直な線に沿って切
断し、前記第1の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜、
前記単結晶膜、及び前記第2の半導体ヘテロエピタキシ
ャル成長膜を、分割された第1の半導体ヘテロエピタキ
シャル成長膜、分割された単結晶膜、及び分割された第
2の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜に分割する第4
の工程と、前記半導体基板、前記分割された第1の半導
体ヘテロエピタキシャル成長膜、前記分割された単結晶
膜、及び前記分割された第2の半導体ヘテロエピタキシ
ャル成長膜を所定の熱処理温度で熱処理する第5の工程
とを、備え、前記半導体基板はSiからなり、前記半導
体ヘテロエピタキシャル成長膜はGaAs膜であり、前
記単結晶薄膜はSi層であることを特徴とする半導体薄
膜の製造方法が得られる。
According to the present invention, a first semiconductor heteroepitaxially grown film having a first lattice constant and a first rigidity is formed on a main surface of a semiconductor substrate at a predetermined growth temperature. And a second rigidity greater than the first rigidity and having a second lattice constant with a large difference from the first lattice constant on the first semiconductor heteroepitaxially grown film. A second step of forming a single crystal thin film having the same, and forming a second semiconductor heteroepitaxially grown film having the first lattice constant and the first rigidity on the single crystal film at the predetermined growth temperature. Cutting the first semiconductor heteroepitaxially grown film, the single crystal film, and the second semiconductor heteroepitaxially grown film along a line perpendicular to the main surface; Conductor heteroepitaxial growth layer,
A fourth step of dividing the single crystal film and the second semiconductor heteroepitaxially grown film into a divided first semiconductor heteroepitaxially grown film, a divided single crystal film, and a divided second semiconductor heteroepitaxially grown film;
And heat treating the semiconductor substrate, the divided first semiconductor heteroepitaxially grown film, the divided single crystal film, and the divided second semiconductor heteroepitaxially grown film at a predetermined heat treatment temperature. Wherein the semiconductor substrate is made of Si, the semiconductor heteroepitaxially grown film is a GaAs film, and the single-crystal thin film is a Si layer.

【0021】[0021]

【0022】更に本発明によれば、前記第4の工程が前
記第1の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜、前記単結
晶膜、及び前記第2の半導体ヘテロエピタキシャル成長
膜を前記主表面に垂直な線に沿ってエッチングし、前記
第1の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜、前記単結晶
膜、及び前記第2の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜
を、前記分割された第1の半導体ヘテロエピタキシャル
成長膜、前記分割された単結晶膜、及び前記分割された
第2の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜に分割する工
程であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法が得ら
れる。
Further, according to the present invention, the fourth step includes forming the first semiconductor heteroepitaxially grown film, the single crystal film, and the second semiconductor heteroepitaxially grown film along a line perpendicular to the main surface. Etching the first semiconductor heteroepitaxially grown film, the single crystal film, and the second semiconductor heteroepitaxially grown film into the divided first semiconductor heteroepitaxially grown film, the divided single crystal film, and A method for manufacturing a semiconductor thin film is obtained, which is a step of dividing into the divided second semiconductor heteroepitaxially grown films.

【0023】更に本発明によれば、前記熱処理温度が前
記成長温度よりも高いことを特徴とする半導体薄膜の製
造方法が得られる。
Further, according to the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor thin film, wherein the heat treatment temperature is higher than the growth temperature.

【0024】更に本発明によれば、前記単結晶薄膜とし
ての前記Si層の厚さが1nm以下であることを特徴と
する半導体薄膜の製造方法が得られる。
Further, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor thin film, wherein the thickness of the Si layer as the single crystal thin film is 1 nm or less.

【0025】更に本発明によれば、前記分割された第1
の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜、前記分割された
単結晶膜、及び前記分割された第2の半導体ヘテロエピ
タキシャル成長膜のそれぞれが、前記主表面に平行な面
において各辺が10μm〜1cmの範囲内にある矩形断
面を有することを特徴とする半導体薄膜の製造方法が得
られる。
Further, according to the present invention, the divided first
Each of the semiconductor heteroepitaxially grown film, the divided single-crystal film, and the divided second semiconductor heteroepitaxially grown film has a side within a range of 10 μm to 1 cm in a plane parallel to the main surface. A method for manufacturing a semiconductor thin film having a cross section is obtained.

【0026】更に本発明によれば、前記第5の工程が6
00〜900℃の熱処理温度、10秒〜10分の熱処理
時間であることを特徴とする半導体薄膜の製造方法が得
られる。
Further, according to the present invention, the fifth step includes the step of
A method for producing a semiconductor thin film, characterized in that the heat treatment temperature is 100 to 900 ° C. and the heat treatment time is 10 seconds to 10 minutes.

【0027】[0027]

【作用】前述したように、本発明は、前記単結晶膜から
なる挿入膜を間に挟んだ第1及び第2の半導体ヘテロエ
ピタキシャル成長膜を形成後、特定の面積に第1及び第
2の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜を分割して、熱
処理を施すものである。このようにすれば、分割した領
域内におけるスレディング転位間の反応は減少すると共
に、スレディング転位が半導体ヘテロエピタキシャル成
長膜の外部へ逃げ出すのに要する距離も短くなるため、
きわめて効果的に転位密度の減少を達成することができ
る。
As described above, according to the present invention, after forming the first and second semiconductor heteroepitaxially grown films sandwiching the insertion film made of the single crystal film, the first and second semiconductor heteroepitaxial growth films are formed in a specific area. The heteroepitaxially grown film is divided and subjected to a heat treatment. By doing so, the reaction between the threading dislocations in the divided regions is reduced, and the distance required for the threading dislocations to escape to the outside of the semiconductor heteroepitaxially grown film is also reduced.
Dislocation density reduction can be achieved very effectively.

【0028】剛性率およびミスフィットの大きな前記単
結晶膜は膜中の転位の運動を抑制する作用を有し、また
成長膜の分割は引き続いて行われる熱処理過程で、転位
を膜外へ消滅させる距離を短くする作用を有する。これ
ら2つの作用が相まって、転位密度の低減に大きな効果
が得られる。尚、それぞれ独立の作用のみでは、効果が
低減する事は言うまでもない。
The single crystal film having a large rigidity and a misfit has a function of suppressing the movement of dislocations in the film, and the growth film is divided so that the dislocations disappear outside the film in the subsequent heat treatment process. It has the effect of shortening the distance. When these two actions are combined, a great effect can be obtained in reducing the dislocation density. It goes without saying that the effect is reduced only by independent functions.

【0029】[0029]

【実施例】次に、本発明について実施例に基づいて具体
的に説明する。
Next, the present invention will be specifically described based on examples.

【0030】実施例1 図1及び図2を参照して、(001)面で〈110〉方
向に2°傾むいたSi基板5を適当に化学洗浄し、分子
線結晶成長(MBE)装置内へ入れた後、約900℃で
15分間加熱し、基板表面の酸化膜を除去した。しかる
後、温度400℃でAlAsのバッファ膜8を厚さ10
原子層に成長させた。その後GaAs膜6を温度600
℃で約1μm/時の成長速度で、1μmの厚さ成長し
た。次に、Siの薄膜7を温度250℃で1nmの厚さ
に成長し、再びGaAs膜6を1μm成長した。この
後、引き続き、Siの薄膜7を1μm、前記と同様に成
長させた後、GaAs膜6を1μm、前記と同様に成長
させた。この結果が図1(a)である。
Embodiment 1 Referring to FIGS. 1 and 2, the Si substrate 5 inclined at 2 ° in the <110> direction on the (001) plane is appropriately subjected to chemical cleaning, and is subjected to a molecular beam crystal growth (MBE) apparatus. After that, the substrate was heated at about 900 ° C. for 15 minutes to remove an oxide film on the substrate surface. Thereafter, at a temperature of 400 ° C., the buffer film 8 of AlAs is
Grown in atomic layers. Thereafter, the GaAs film 6 is heated to a temperature of 600.
At a growth rate of about 1 μm / hour at 1 ° C., a thickness of 1 μm was grown. Next, a Si thin film 7 was grown at a temperature of 250 ° C. to a thickness of 1 nm, and a GaAs film 6 was grown again at 1 μm. Thereafter, a Si thin film 7 was grown 1 μm in the same manner as described above, and a GaAs film 6 was grown 1 μm in the same manner as described above. This result is shown in FIG.

【0031】このようにして作製した図1(a)の半導
体薄膜(ヘテロエピタキシャル成長膜)試料をMBE室
より取り出し、図1(b)に示すように、GaAs膜6
及びSiの薄膜7を、ドライエッチング法により、基板
表面に垂直な線に沿って切断し、GaAs膜6及びSi
の薄膜7を、分割されたGaAs膜6及び分割されたS
iの薄膜7に分割する。この際、図2に示すように、こ
れら分割されたGaAs膜6及びSiの薄膜7のそれぞ
れが、基板表面に平行な面において一辺をd、他辺をd
´とする矩形断面を有するように、分割する。
The semiconductor thin film (heteroepitaxially grown film) sample of FIG. 1A produced in this manner was taken out of the MBE chamber, and as shown in FIG.
And the Si thin film 7 are cut along a line perpendicular to the substrate surface by dry etching to form a GaAs film 6 and a Si thin film.
Of the divided GaAs film 6 and divided S
It is divided into i thin films 7. At this time, as shown in FIG. 2, each of the divided GaAs film 6 and Si thin film 7 has one side d and the other side d in a plane parallel to the substrate surface.
′ So as to have a rectangular cross section.

【0032】なお、GaAs膜6及びSiの薄膜7の切
断は、ドライエッチング法の他の種々の手段で行ない得
る。例えば、切削により、切断を行なっても良い。
The GaAs film 6 and the Si thin film 7 can be cut by various other means other than the dry etching method. For example, cutting may be performed by cutting.

【0033】この後、この試料を短時間熱処理装置内に
入れ、900℃で10秒間の熱処理を行ない、エピタキ
シャル成長膜表面へ抜ける転位の数をエッチピット法で
観察した。その結果、分割されたいずれの領域において
も、転位密度は104 /cm2 以下であることが確めら
れた。さらに、電子顕微鏡により、スレディング転位の
形態を観察したところ、図4(a)及び(b)と同様で
あることが確認された。
Thereafter, this sample was placed in a heat treatment apparatus for a short time, heat-treated at 900 ° C. for 10 seconds, and the number of dislocations coming out to the surface of the epitaxial growth film was observed by an etch pit method. As a result, it was confirmed that the dislocation density was 10 4 / cm 2 or less in any of the divided regions. Further, when the morphology of the threading dislocation was observed with an electron microscope, it was confirmed that this was the same as in FIGS. 4A and 4B.

【0034】実施例2 上記実施例1と同様の成長と分割を行なったヘテロエピ
タキシャル成長膜試料をMBE室より取り出し後、ヘテ
ロエピタキシャル成長膜試料を通常の電気炉内に入れて
温度800℃で30分間熱処理を行い、エッチピット法
でヘテロエピタキシャル成長膜表面の転位密度を評価し
た。その評価の結果、スレディング転位の密度はやはり
104 /cm2 以下であることが確められた。
Example 2 A heteroepitaxially grown film sample having been grown and divided in the same manner as in Example 1 above was taken out of the MBE chamber, and then placed in a normal electric furnace at a temperature of 800 ° C. for 30 minutes. The dislocation density on the surface of the heteroepitaxially grown film was evaluated by the etch pit method. As a result of the evaluation, it was confirmed that the density of threading dislocations was also 10 4 / cm 2 or less.

【0035】上記実施例1および上記実施例2において
述べた成長において、Si薄膜7の厚さは最大1nmが
適当であり、それ以上の厚さでは、Si薄膜7から転位
の発生が生じ望ましくない。また、Si薄膜7の成長温
度は、As圧がない場合は、室温から500℃の間が良
い。さらに、Si薄膜の成長温度は、As圧下では、温
度の上限は700℃迄は問題ないことが分かった。
In the growth described in the first and second embodiments, the maximum thickness of the Si thin film 7 is appropriately 1 nm. If the thickness is more than that, dislocations are generated from the Si thin film 7, which is undesirable. . The growth temperature of the Si thin film 7 is preferably between room temperature and 500 ° C. when there is no As pressure. Further, it was found that the upper limit of the growth temperature of the Si thin film under As pressure was not problematic up to 700 ° C.

【0036】また、Si薄膜7の挿入位置は、成長膜の
厚さにより、適宜変更することが望ましい。例えば、全
体の膜厚をtとした場合、基板表面から0.2tと0.
6tの位置に挿入したとき、最も効果が高いことが分っ
た。また、目的に応じて、複数本のSi薄膜7を挿入す
れば、なお一層の効果が高められることも分かった。
It is desirable that the insertion position of the Si thin film 7 be appropriately changed depending on the thickness of the grown film. For example, assuming that the total film thickness is t, 0.2 t and 0.
When inserted at the position of 6t, it was found that the effect was highest. It has also been found that the effect can be further enhanced by inserting a plurality of Si thin films 7 according to the purpose.

【0037】上記実施例1および実施例2の成長におい
て、挿入する物質は、Si以外でも剛性率およびミスフ
ィットの高い材料ならば、転位密度の低減に対して効果
のあることはいうまでもない。
In the growth of the first and second embodiments, it is needless to say that any material other than Si that has a high rigidity and a high misfit is effective in reducing the dislocation density. .

【0038】上記実施例1および実施例2の成長におい
て、分割する面積は、辺d及びd´の各々が10μm〜
1cmの範囲内にあれば、目的に応じてその値を選択す
ることが可能である。
In the growth of the first and second embodiments, the area to be divided is such that each of the sides d and d 'is 10 μm or more.
If it is within the range of 1 cm, the value can be selected according to the purpose.

【0039】また、熱処理温度および熱処理時間は、目
的に応じて任意の条件を選択することができる。特に、
効果が著しいのは、800〜900℃の熱処理温度にお
いて10秒〜10分の熱処理時間の範囲であった。ま
た、短時間の熱処理を適用する場合は、それを複数回繰
り返すと、一層の効果があることが分かった。この熱処
理条件は、分割した面積の大きさによって変更すること
が望ましく、例えば、一辺が100μm以下では、60
0℃、10秒間の熱処理でも転位の低減に充分効果があ
ることが分かった。
Further, the heat treatment temperature and the heat treatment time can be selected arbitrarily according to the purpose. Especially,
The effect was remarkable in a heat treatment temperature of 800 to 900 ° C. for a heat treatment time of 10 seconds to 10 minutes. In addition, it was found that when a short-time heat treatment was applied, the effect was further improved by repeating the heat treatment a plurality of times. This heat treatment condition is desirably changed depending on the size of the divided area. For example, if one side is 100 μm or less, 60
It was found that heat treatment at 0 ° C. for 10 seconds was sufficiently effective in reducing dislocations.

【0040】上記実施例1および実施例2は、最も一般
的な半導体のヘテロエピタキシャル成長膜の成長の例を
示している。他の系、例えば、Si基板上のGeの成
長、またはSi基板上のInPの成長などにおいても、
Si挿入膜、分割、および熱処理の複合処理は効果があ
ることはいうまでもない。一般的に、Si基板上のヘテ
ロエピタキシャル成長膜中の転位の膜表面への伝播抑制
に対して大きな効果を有することが分かった。
The first and second embodiments show examples of the most general semiconductor heteroepitaxial growth. In other systems such as the growth of Ge on a Si substrate or the growth of InP on a Si substrate,
It goes without saying that the combined treatment of the Si insertion film, division and heat treatment is effective. In general, it has been found that it has a great effect on suppressing the propagation of dislocations in the heteroepitaxially grown film on the Si substrate to the film surface.

【0041】上記ヘテロエピタキシャル成長膜中への挿
入膜と分割後の熱処理の併用による転位抑制効果は、S
i基板以外のすべての半導体基板上のヘテロエピタキシ
ャル成長において、例えば、InP/GaAs、GaA
s/InP,InAs/GaAs、GaAs/InAs
などの系においても有効であることはいうまでもない。
The dislocation suppressing effect by the combined use of the insertion film in the heteroepitaxial growth film and the heat treatment after the division is as follows.
In heteroepitaxial growth on all semiconductor substrates other than the i-substrate, for example, InP / GaAs, GaAs
s / InP, InAs / GaAs, GaAs / InAs
Needless to say, it is also effective in such systems.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体ヘテロエピタキシャル成長膜中へ成長膜の格子定数
との差が大きい格子定数を有し剛性率が成長膜の剛性率
よりも大きい単結晶薄膜を挿入し、分割し、熱処理する
ことによって、スレディング転位の運動を充分に抑制す
ることができ、半導体ヘテロエピタキシャル成長膜の表
面での転位密度を104 /cm2 以下に抑制することが
できる。
As described above, according to the present invention, a single crystal having a lattice constant having a large difference from the lattice constant of the grown film and having a rigidity greater than that of the grown film is introduced into the semiconductor heteroepitaxially grown film. By inserting, dividing, and heat-treating the thin film, the motion of the threading dislocation can be sufficiently suppressed, and the dislocation density on the surface of the semiconductor heteroepitaxially grown film can be suppressed to 10 4 / cm 2 or less. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例による半導体薄膜の製造方法
を説明するための断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a semiconductor thin film according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例による半導体薄膜の製造方法
を説明するための平面図である。
FIG. 2 is a plan view illustrating a method for manufacturing a semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.

【図3】ヘテロエピタキシャル成長膜の成長中において
発生するスレディング転位を模式的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing threading dislocations generated during growth of a heteroepitaxially grown film.

【図4】スレディング転位の上昇を阻止するスイーピン
グ効果及びブロッキング効果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a sweeping effect and a blocking effect for preventing an increase in threading dislocation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

5 Si基板 6 GaAs膜 7 Si薄膜 8 AlAsバッファ膜 Reference Signs List 5 Si substrate 6 GaAs film 7 Si thin film 8 AlAs buffer film

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−77129(JP,A)Continuation of front page (56) References JP-A-6-77129 (JP, A)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板の主表面上に第1の格子定数
及び第1の剛性率を有する第1の半導体ヘテロエピタキ
シャル成長膜を所定の成長温度下で形成する第1の工程
と、該第1の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜上に前
記第1の格子定数との差が大きい第2の格子定数を有す
るとともに前記第1の剛性率より大きい第2の剛性率を
有する単結晶薄膜を形成する第2の工程と、該単結晶膜
上に前記第1の格子定数及び前記第1の剛性率を有する
第2の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜を前記所定の
成長温度下で形成する第3の工程と、前記第1の半導体
ヘテロエピタキシャル成長膜、前記単結晶膜、及び前記
第2の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜を前記主表面
に垂直な線に沿って切断し、前記第1の半導体ヘテロエ
ピタキシャル成長膜、前記単結晶膜、及び前記第2の半
導体ヘテロエピタキシャル成長膜を、分割された第1の
半導体ヘテロエピタキシャル成長膜、分割された単結晶
膜、及び分割された第2の半導体ヘテロエピタキシャル
成長膜に分割する第4の工程と、前記半導体基板、前記
分割された第1の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜、
前記分割された単結晶膜、及び前記分割された第2の半
導体ヘテロエピタキシャル成長膜を所定の熱処理温度で
熱処理する第5の工程とを、備え、前記半導体基板はS
iからなり、前記半導体ヘテロエピタキシャル成長膜は
GaAs膜であり、前記単結晶薄膜はSi層であること
を特徴とする半導体薄膜の製造方法。
A first step of forming a first semiconductor heteroepitaxially grown film having a first lattice constant and a first rigidity on a main surface of a semiconductor substrate at a predetermined growth temperature; Forming a single crystal thin film having a second lattice constant having a large difference from the first lattice constant and a second rigidity greater than the first rigidity on the semiconductor heteroepitaxially grown film of A step of forming a second semiconductor heteroepitaxially grown film having the first lattice constant and the first rigidity on the single crystal film at the predetermined growth temperature; Cutting the semiconductor heteroepitaxially grown film, the single crystal film, and the second semiconductor heteroepitaxially grown film along a line perpendicular to the main surface to form the first semiconductor heteroepitaxially grown film Dividing the single crystal film and the second semiconductor heteroepitaxially grown film into a first semiconductor heteroepitaxially grown film, a divided single crystal film, and a second divided semiconductor heteroepitaxially grown film. Step 4, the semiconductor substrate, the divided first semiconductor heteroepitaxially grown film,
A fifth step of heat-treating the divided single crystal film and the divided second semiconductor heteroepitaxially grown film at a predetermined heat treatment temperature, wherein the semiconductor substrate is
i, wherein the semiconductor heteroepitaxially grown film is a GaAs film and the single crystal thin film is a Si layer.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体薄膜の製造方法
において、前記第4の工程が前記第1の半導体ヘテロエ
ピタキシャル成長膜、前記単結晶膜、及び前記第2の半
導体ヘテロエピタキシャル成長膜を前記主表面に垂直な
線に沿ってエッチングし、前記第1の半導体ヘテロエピ
タキシャル成長膜、前記単結晶膜、及び前記第2の半導
体ヘテロエピタキシャル成長膜を、前記分割された第1
の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜、前記分割された
単結晶膜、及び前記分割された第2の半導体ヘテロエピ
タキシャル成長膜に分割する工程であることを特徴とす
る半導体薄膜の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein said fourth step includes forming said first semiconductor heteroepitaxially grown film, said single crystal film, and said second semiconductor heteroepitaxially grown film as said main part. The first semiconductor heteroepitaxially grown film, the single crystal film, and the second semiconductor heteroepitaxially grown film are etched along a line perpendicular to the surface to form the first divided semiconductor heteroepitaxially grown film.
Dividing the semiconductor heteroepitaxially grown film into the divided single crystal film and the divided second semiconductor heteroepitaxially grown film.
【請求項3】 請求項1に記載の半導体薄膜の製造方法
において、前記熱処理温度が前記成長温度よりも高いこ
とを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the heat treatment temperature is higher than the growth temperature.
【請求項4】 請求項1に記載の半導体薄膜の製造方法
において、前記単結晶薄膜としての前記Si層の厚さが
1nm以下であることを特徴とする半導体薄膜の製造方
法。
4. The method of manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the thickness of the Si layer as the single crystal thin film is 1 nm or less.
【請求項5】 請求項1に記載の半導体薄膜の製造方法
において、前記分割された第1の半導体ヘテロエピタキ
シャル成長膜、前記分割された単結晶膜、及び前記分割
された第2の半導体ヘテロエピタキシャル成長膜のそれ
ぞれが、前記主表面に平行な面において各辺が10μm
〜1cmの範囲内にある矩形断面を有することを特徴と
する半導体薄膜の製造方法。
5. The method for manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the divided first semiconductor heteroepitaxially grown film, the divided single crystal film, and the divided second semiconductor heteroepitaxially grown film are formed. Each has a side of 10 μm in a plane parallel to the main surface.
A method of manufacturing a semiconductor thin film, having a rectangular cross section in a range of 1 cm to 1 cm.
【請求項6】 請求項1に記載の半導体薄膜の製造方法
において、前記第5の工程が600〜900℃の熱処理
温度、10秒〜10分の熱処理時間であることを特徴と
する半導体薄膜の製造方法。
6. The method for manufacturing a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the fifth step is performed at a heat treatment temperature of 600 to 900 ° C. and a heat treatment time of 10 seconds to 10 minutes. Production method.
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