JP2743351B2 - 気相エピタキシヤル成長方法 - Google Patents

気相エピタキシヤル成長方法

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JP2743351B2 JP61281252A JP28125286A JP2743351B2 JP 2743351 B2 JP2743351 B2 JP 2743351B2 JP 61281252 A JP61281252 A JP 61281252A JP 28125286 A JP28125286 A JP 28125286A JP 2743351 B2 JP2743351 B2 JP 2743351B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、例えばシリコン等の半導体基板上に、こ
の基板とは異なる格子定数を有する例えばGaAsを成長さ
せるようにする気相エピタキシャル成長方法に関する。 [従来の技術] 半導体装置を構成する場合、半導体基板上にこの基板
半導体とは格子定数の異なる半導体物質を気相成長さ
せ、エピタキシャル層を形成することが行われている。
例えば、シリコンからなる半導体基板上に、GaAs、InP
等のIII−V族化合物半導体をエピタキシャル成長させ
るようにするものである。 このようにシリコン基板上に例えばGaAs、InPをエピ
タキシャル成長させるようにする場合、格子の不整合率
がGaAsで4.1%、InPで8.1%存在するものであり、この
ため単にシリコン基板上にGaAs層の成長形成するように
しただけでは、欠陥の多い表面形状の悪いエピタキシャ
ル層の膜が形成されるようになる。 このような問題点を解決するために、例えば特開昭61
−91098号公報に示されるように、シリコン基板とGaAs
層との間に、超格子を構成要素とする中間層を形成し、
この中間層によってシリコンとGaAsとの間の格子不整合
を吸収させるようにすることが考えられている。しか
し、この中間層を形成する手段を用いても、混晶と極薄
膜の繰返しの制御が必要となるものであり、複雑な工程
制御が要求されるようになる。 また、シリコン基板上に直接GaAsを成長させるように
する手段として、2段階成長法が知られている。しかも
この方法で成長されたGaAs層は、例えば応用電子物性分
科会研究報告のNo.415、あるいは第33回応物関係連合講
演会4P−W−7に示されているように、転位等の欠陥が
多数存在するようになるものである。 [発明が解決しようとする問題点] この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、特
に半導体基板上に2段階成長法によって例えばGaAsを成
長させるようにした場合において、転位の少ない充分に
品位の高いエピタキシャル層が成長形成されるようにす
る気相エピタキシャル成長方法を提案しようとするもの
である。 [問題点を解決するための手段] すなわち、この発明に係る気相エピタキシャル成長方
法にあっては、第1の工程にて、所定の格子定数の結晶
構造を有する半導体基板上に、所定の有機金属ガスを含
む第1の混合ガスを用いて、アモルファス、多結晶、双
晶が形成されるような低温度で、この基板と格子定数の
異なる半導体物質を薄膜上に成長させる。第2の工程に
て、上記第1の工程で形成された薄膜状の成長層を上記
第1の工程の際の成長温度より高く、上記薄膜状の成長
層が単結晶化可能な所定温度まで昇温させる。第3の工
程にて、上記所定の有機金属ガスの供給を停止した第2
の混合ガス雰囲気中で、上記第2の工程における上記所
定温度を所定時間維持させて熱処理することで、上記半
導体物質の薄膜成長層を島状の単結晶にする。第4の工
程にて、この第3の工程で上記半導体物質の島状単結晶
の形成された上記半導体基板に、上記所定の有機金属ガ
スを含む上記第1の混合ガスを用いて、上記第1の工程
の際の成長温度よりも高く、上記基板と格子定数の異な
る半導体物質が単結晶化可能な温度で、さらに上記半導
体物質を成長させるようにするものである。 [作用] 上記のようにしてまず半導体基板上に低温成長によっ
て半導体物質の層が形成され、この成長層が単結晶化可
能な所定温度まで昇温し、続いて有機金属ガスの供給を
停止した第2の混合ガス雰囲気中で、上記所定温度を所
定時間維持させてこの成長層を熱処理することで結晶性
の良い島状の単結晶が形成される。そして、このように
島状の単結晶が形成された状態でさらに高温で半導体物
質の層を形成することによって転位の少ない高品位のエ
ピタキシャル成長層が形成されるようになるものであ
る。すなわち、成長層が単結晶化可能な所定温度で所定
時間熱処理して結晶性の良い島状の単結晶を形成し、そ
の後に所定のエピタキシャル層を形成することによって
高品位のエピタキシャル成長層が得られるようになるも
のである。 [発明の実施例] 以下、図面を参照しながらこの発明の一実施例を説明
する。第1図はエピタキシャル成長層を形成するための
装置の概略を示しているもので、石英によって構成され
た反応容器11内で気相成長が行われるようにされる。 そして、エピタキシャル層を形成するシリコン等の半
導体基板12は、石英トレイ13に乗せて、予備室(ロード
ロック室)から自動もしくは手動の搬送機構によって、
上記反応容器11内に搬入され、グラファイト製のサセプ
タ14に設定されるようになる。このサセプタ14はワーク
コイル15に支えられているもので、このワークコイル15
によってサセプタ14、すなわち半導体基板12が反応容器
11内の所定の位置に設定されるようにしている。 上記反応容器11の周囲には、高周波誘導コイル16が設
けられている。このコイル16には選択的に高周波電力が
供給されるもので、上記半導体基板12を誘導加熱するた
めに用いられる。この場合、詳細は図示していないがワ
ークコイル15には適宜熱電対等による温度検出手段、お
よび温度調節装置が設定されているもので、半導体基板
12が所望の成長温度に設定されるように制御されるよう
にしている。 そして、上記反応容器11の内部には、原料ガス容器17
からの原料ガス(AsH3)が、流量調整器18(マスフロー
コントローラ=MFC)を介して、精密に流量調節してノ
ズル19から供給されるようになっている。またH2なるキ
ャリアガスが、流量調整器20を介して反応容器11に供給
されるようになっているものであり、さらにこの反応容
器11には上記H2ガスが流量調整器21からキャリアガスと
して容器22に供給され、トリメチルガリウム(TMG)が
選択的に上記ノズル19に供給されるようになっている。 上記反応容器11には排気口23が形成されている。そし
て成長時にあっては、上記反応容器11は常圧(大気圧)
に設定されているもので、減圧成長する場合には上記排
気口23から油回転ポンプ等によって排気し、反応容器11
内が所望の圧力状態に設定されるようにしている。ここ
で、半導体基板12に形成される成長層の厚さを均一にす
るため、ワークコイル15によってサセプタ14を回転さ
せ、基板12が回転されるようにすることがある。 このように設定される反応容器11内で半導体基板11の
表面に例えばGaAsの膜を成長形成するものであるが、そ
の成長方法の過程を第2図に示した温度プログラムに基
づいて以下説明する。 まず、シリコンからなる半導体基板12はトレイ13上に
載置設定し、図示されない予備室から反応容器11内のサ
セプタ14上に搬送される。そして、ワークコイル15によ
って反応容器11内の所定の位置に上記半導体基板12を設
置し、この状態で高周波誘導コイル16に付属される高周
波電源から高周波電流を供給し、半導体基板12の温度が
上昇制御されるようにする。 具体的には、第2図で示されるようにまず室温から45
0℃まで温度を上昇させるものであり、この450℃に設定
された状態で反応容器11内に、トリメチルガリウム(TM
G)とアルシン(AsH3)とキャリアガス(H2)とを、ノ
ズル19を介して反応容器11内に所定量流し込む。そし
て、半導体基板12の表面にGaAsの薄膜を低温成長させ
る。 このときのGaAs膜の厚みは約100Å程度が良いもので
あり、また、その結晶性はアモルファス、多結晶または
双晶がよいものである。第3図はこの低温成長されたGa
As層のRHEED像を示しているもので、双晶となっている
ことが理解できる。 このように低温成長によるGaAs層が形成された後は、
トリメチルガリウムの供給を停止させ、AsH3とH2とのガ
ス雰囲気中で750℃まで基板12の温度を上昇させ、この
温度状態に安定したならば同じく上記同様のガス雰囲気
中で5分程度熱処理する。このような750℃までの昇温
過程と上記750℃の熱処理とによって、前記低温成長さ
れたGaAs層は島状の単結晶の状態とされるようになる。
第4図はこの750℃の熱処理をされた後のRHEED像を示し
ているもので、島状単結晶の状態が明確に判断できる。 このようにして島状単結晶が形成されたならば、さら
にこの単結晶GaAsを成長させるために反応容器11内にト
リメチルガリウムを供給し、所望の厚みのGaAs膜を成長
形成させるようにする。 このような手段によって成長されたGaAs膜は、フォト
ルミネッセンスの発光効率の高いものとされるものであ
り、結晶性の良いGaAsヘテロエピタキシャル成長層とな
っているものである。 尚、前記低温成長GaAs層が約1000Å程度となるように
厚すぎて、750℃の熱処理によって島状単結晶が形成さ
れないような状態となった場合は、その後にトリメチル
ガリウムを流し750℃でGaAs層を成長させるようにして
も、その成長層の表面モフォロジーが悪く、結晶性の悪
い膜となるものである。また、上記低温成長膜の膜厚は
200Å以下となることが好ましい。 第5図はエピタキシャル成長方法の他の例を説明する
ための成長温度プログラムを示しているもので、この例
にあっては750℃で熱処理した後に成長温度を650℃まで
低下させている。 すなわち、450℃で低温成長させたGaAs層の薄膜を、7
50℃で熱処理することによって島状の単結晶GaAsを形成
した後に、650℃の温度状態でトリメチルガリウムを流
し、GaAs層を所望の厚さまで成長させるようにする。こ
のようにすると、前記実施例と同様に表面モフォロジー
が良く、結晶性の優れた単結晶GaAs成長層が形成される
ものである。 ここで、第5図に破線Aで示すように島状の単結晶に
する熱処理工程を行なわないようにすると、形成された
GaAs成長層は表面モフォロジーが悪く、しかも結晶性の
悪いものとなる。 これまでの実施例にあっては、シリコン基板上にGaAs
層を成長させる場合を示しているものであるが、GaAsに
限らず、AlGaAs、InP、SiC等の半導体物質を成長させる
場合でも、上記同様の成長方法が実施できるものであ
る。 さらに実施例では低温成長GaAs層の成長温度を450
℃、熱処理温度を750℃として示しているものである
が、この温度は成長させる装置によって適宜設定される
ようになるものであり、要するにアモルファス、多結晶
もしくは双晶のGaAs薄膜を成長させた後、島状の単結晶
を成長させる熱処理工程を入れることによって、表面モ
フォロジーおよび結晶性の優れたGaAs層が成長されるよ
うになるものである。 [発明の効果] 以上のようにこの発明に係る気相エピタキシャル成長
方法によれば、低温成長によって形成された半導体物質
が熱処理によって島状単結晶状態とされるものであり、
そしてその後高温状態での成長によって単結晶による半
導体物質成長層が形成されるようになる。この場合、こ
の成長形成された半導体物質層は、結晶性の優れた転位
が少なく且つ品位の高いエピタキシャル層とされるもの
である。
【図面の簡単な説明】 第1図はこの発明の一実施例に係る気相エピタキシャル
成長を実施するための装置の概略を示す構成図、第2図
は上記装置を用いてエピタキシャル層を形成する場合の
温度プログラムの状態を示す図、第3図および第4図は
それぞれ上記エピタキシャル成長過程における成長層部
分の結晶構造の写真を示す図、第5図はこの発明の他の
実施例を説明するための成長温度プログラムの状態を示
す図である。 11……反応容器、12……半導体基板、13……トレイ、14
……サセプタ、15……ワークコイル、16……高周波誘導
コイル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 粟野 直美 刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電装株 式会社内 (72)発明者 鈴木 孝昌 刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電装株 式会社内 (72)発明者 星野 浩一 刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電装株 式会社内 (72)発明者 原 邦彦 刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電装株 式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−26216(JP,A) 特開 昭62−2028(JP,A) 実開 昭56−155442(JP,U)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.所定の格子定数の結晶構造を有する半導体基板上
    に、所定の有機金属ガスを含む第1の混合ガスを用い
    て、アモルファス、多結晶、双晶が形成されるような低
    温度で、この基板と格子定数の異なる半導体物質を薄膜
    上に成長させる第1の工程と、 上記第1の工程で形成された薄膜状の成長層を上記第1
    の工程の際の成長温度よりも高く、上記薄膜状の成長層
    が単結晶化可能な所定温度まで昇温させる第2の工程
    と、 上記所定の有機金属ガスの供給を停止した第2の混合ガ
    ス雰囲気中で、上記第2の工程における上記所定温度を
    所定時間維持させて熱処理することで、上記半導体物質
    の薄膜成長層を島状の単結晶にする第3の工程と、 この第3の工程で上記半導体物質の島状単結晶の形成さ
    れた上記半導体基板に、上記所定の有機金属ガスを含む
    上記第1の混合ガスを用いて、上記第1の工程の際の成
    長温度よりも高く、上記基板と格子定数の異なる半導体
    物質が単結晶化可能な温度で、さらに上記半導体物質を
    成長させる第4の工程と、 を具備したことを特徴とする気相エピタキシャル成長方
    法。 2.上記半導体基板はシリコンによって構成され、上記
    成長される半導体物質はIII−V族化合物半導体でなる
    ようにした特許請求の範囲第1項記載の気相エピタキシ
    ャル成長方法。 3.上記III−V族化合物半導体はGaAsでなる特許請求
    の範囲第2項記載の気相エピタキシャル成長方法。 4.上記III−V族化合物半導体はInPでなる特許請求の
    範囲第2項記載の気相エピタキシャル成長方法。 5.上記第1の工程、上記第2の工程における上記所定
    温度は750℃であり、上記第2の工程における上記所定
    時間は略5分間である特許請求の範囲第3項記載の気相
    エピタキシャル成長方法。
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