JP2848404B2 - ▲ｉｉｉ▼―▲ｖ▼族化合物半導体層の形成方法 - Google Patents

▲ｉｉｉ▼―▲ｖ▼族化合物半導体層の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 シリコン（Si）単結晶基板上にIII−Ｖ族化合物半導
体層をヘテロエピタキシャル成長させる技術に関し、よ
り詳しくは、Si基板上にGaAs薄膜をエピタキシャル成長
で形成する方法に関し、 転位低減熱処理によって生じるGaAs表面層（内部層）
の電子キャリア濃度を大幅に低減して、リーク電流を減
らしかつデバイス製造でのドーピング制御ができるよう
にすることを目的とし、 シリコン単結晶基板上にIII−Ｖ族化合物半導体層を
ヘテロエピタキシャル成長させて形成する過程で、転位
低減のための熱処理を行なっているIII−Ｖ族化合物半
導体層の形成方法において、前記熱処理時に、ｐ型不純
物をＶ族原料ガスとともに成長反容炉内へ導入するよう
に構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、シリコン（Si）単結晶基板上にIII−Ｖ族
化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させる技術
に関し、より詳しくは、Si基板上にGaAs薄膜をエピタキ
シャル成長で形成する方法に関する。
近年、GaAs集積回路の集積度向上にともない、チップ
面積の増大とともに大口径でかつ割れにくいGaAs基板が
求められている。そこで、割れにくくかつ大口径の基板
として、Si基板上にGaAs薄膜を直接にヘテロエピタキシ
ャル成長させたものが研究開発されており、このGaAs薄
膜にGaAsデバイス（高速デバイス、発光デバイスなど）
を形成するわけである（例えば、上西、秋山：“Siウェ
ハーに直接GaAs膜を成長、その上にデバイスを作製”日
経マイクロデバイス、1986年１月号、pp.113−127参
照）。
〔従来の技術〕
Si基板上にGaAsヘテロエピタキシャル層を成長させる
には有機金属化学気相成長法（MOCVD法）または分子線
エピタキー法（MBE法）が従来より用いられている。そ
して、GaAs層を形成する際に、低温で不定形（アモルフ
ァスないしある程度結晶化したもの）のGaAs薄層をSi基
板上に成長させ、次に高温で所定厚さまでGaAsをさらに
成長させる、いわゆる２段階成長方式が採用されてい
る。
このようにして形成したGaAs層は転位などの格子欠陥
を有しており、転位低減のための熱処理がGaAs成長途中
（あるいは成長後）に水素とヒ素またはアルシンとの雰
囲気下で行なわれている。この熱処理（アニール処理）
としては第3A図〜第3D図に示すような熱処理パターンで
行なわれている。これら図面において、Si基板を予熱し
（ステップＡ）、表面クリーニングのために高温に加熱
し（ステップＢ）、低温（例えば、450℃）にて薄い不
定形GaAsを成長させ（ステップＣ）、そして高温（例え
ば、700℃）にてGaAs層形成を行なう。第3A図および第3
B図ではGaAs成長を２回で行ない（ステップG1およびG
2）、その途中で転位低減熱処理を熱サイクル（成長温
度以上への加熱と成長温度以下への冷却の繰り返し、ス
テップＤ…第3A図）または一定な高温アニール（成長温
度以上への加熱し維持する、ステップＥ…第3B図）とし
て行なう。また、第3C図および第3D図ではGaAs成長（ス
テップＧ）の後に、熱サイクルＤ（第3C図）または一定
な高温アニールＥ（第3D図）を行なう。
〔発明が解決しようとする課題〕
転位低減熱処理を施こすと、そのときのGaAs表面付近
はｎ型化し電子濃度（キャリア濃度）が高くなってしま
う。そのために、GaAs基板（層）リーク電流が流れ易く
なり、また、ドーピング制御が十分に行なえなくなって
しまう。
本発明の目的は、転位低減熱処理によって生じるGaAs
表面層（内部層）の電子キャリア濃度を大幅に低減し
て、リーク電流を減らしかつデバイス製造でのドーピン
グ制御ができるようにすることである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的が、転位低減熱処理工程を含むシリコン基
板上へのIII−Ｖ族化合物半導体層をヘテロエピタキシ
ャル成長形成する方法において、該熱処理時に、III−
Ｖ族化合物半導体でのｐ型不純物をＶ族原料ガスととも
に成長反応炉内へ導入することを特徴とする形成方法に
よって達成される。
導入するｐ型不純物はZn,BeまたはMgであり、その量
は熱処理条件、成長条件によって変動するが、補償する
量（ｐ型ドーパントの数が電子キャリアの数と同程度に
なる）が望ましい。化合物半導体層形成後で、キャリア
濃度を熱処理時表面付近にて10-16cm-3以下にすること
は好ましい。
III−Ｖ族化合物半導体はGaAs,AlAs,GaP,InAsまたは
これらの混晶などであり、特にGaAsが望ましい。
〔作 用〕
本発明では転位低減熱処理時にｐ型不純物を成長反応
炉に導入して、熱処理しているGaAs層にその表面からｐ
型不純物をドープし、従来GaAs表面付近に生じていた電
子キャリアに対してｐ型ドーパントで補償することによ
ってキャリア濃度を低減（制御）する。
〔実施例〕
以下、添付図面を参照して、本発明の実施態様例によ
って本発明を詳しく説明する。
第２図は、第3A図に示した温度プロフィルと同じタイ
プでのGaAs層形成（成長）の温度プロフィルであり、こ
の場合でのSi基板上へのGaAsヘテロエピタキー成長を次
のようにして行なう。
まず、Si基板（ウェハー）を従来より使用の成長反応
炉内に入れ、高真空に排気し、450℃まで予熱する（ス
テップＡ）。H2ガス（12/min）およびAsH3ガス100cc/
min）を成長反応炉内へ流し、圧力を76Torrにし、1000
℃まで昇温し、10分間維持してSi基板表面のクリーニン
グを行なう（ステップＢ）。以後、炉内圧力を76Torrに
維持する。
次に、加熱温度を450℃に下げ、Ga（CH3）３ガス（24
cc/min）を新らたに成長反応炉内へ流し、H2ガスを同じ
く12/minで流し、AsH3ガスを110cc/minに増して流す
ことによって、Si基板上に不定形（アモルファス、ａ）
GaAsを薬10nm厚さ成長させる（ステップＣ）。さらに、
加熱温度を700℃に上げ、同じ原料ガスの流量を、H2ガ
ス…12/min,AsH3ガス…200cc/min,Ga（CH3）３ガス…
29cc/minとして、ａ−GaAs層上にGaAsをヘテロエピタキ
シャル層を１〜３μｍ（約1.3μｍ）成長させる（ステ
ップG1）。
ここで転位低減熱処理として、GaAs成長を停止した状
態で、第２図に示すように200℃までの冷却と800℃への
加熱とからなる熱サイクルを１〜20回（この場合５回）
繰り返す（ステップＤ）。熱サイクル中の雰囲気がH2ガ
ス（12/min）およびAsH3ガス（12cc/min）であるのが
従来例であり、本願発明に係る場合にはｐ型不純物とな
るZn（CH3）２ガス（0.5〜30cc/min）をH2ガスおよびAs
H3ガスに加えて成長反応炉へ流して雰囲気とする。AsH3
ガスのＶ族原料ガスをGaAs成長時以外にも継続して流す
のは、Asは蒸気圧が高く揮発しやすいので、それを防止
するためである。
熱処理後に、加熱温度を700℃に上げ、既に（ステッ
プG1にて）成長させたGaAs層の上にGaAsエピタキシャル
層（１〜10μｍ厚さ）を成長させ、（ステップG2）、そ
のためにステップG1と同じにH2ガス（12/min）,AsH3
ガス（200cc/min）およびGa（CH3）３ガス（29cc/min）
を成長反応炉へ流す。約1.9μｍ厚さのGaAs成長にてこ
こでは終了して、約3.2μｍ厚さのGaAsエピタキシャル
層を形成した。
このようにして得たGaAs層付きSi基板の表面よりの
（電子）キャリア濃度の厚さ方向分布を調べて、その結
果を第１図に示す。第１図において、従来通りに熱サイ
クルの転位低減熱処理を施こした場合には破線で示すよ
うにGaAsエピタキシャル層の中間での熱処理相当位置に
て電子キャリア濃度が上昇しておりｎ型になってしま
う。一方、本発明にしたがってこの転位低減熱処理時に
Znなどのｐ型不純物ドーピングを行なうことによって、
実線で示すようにキャリア濃度が測定装置の測定範囲外
まで低下する。すなわち、熱処理相当位置前後のGaAsエ
ピタキシャル層では電子キャリアがｐ型ドーパントにて
補償されている。したがって、少なくとも4.5×1015cm
-3（表面側GaAsエピタキシャル層中のキャリア濃度）よ
りも低くでき、１×1016cm-3以下になればドーピング制
御は可能である。
上述の実施例では熱サイクルの転位低減熱処理をGaAs
エピタキシャル層成長途中で行なっているが、成長後に
行なっても、さらに成長温度以上への一定加熱アニール
に本発明を適用しても同等の効果が得られる。
さらに、ｐ型不純物のドーピングを上述したような熱
拡散方式でなく、イオン注入によって行なうことができ
る。この場合には、転位低減熱処理の直後にｐ型不純物
を全面にイオン注入し、注入イオンの活性化熱処理を行
なう必要がある。そのために、Zn,C,Be,Mg等のｐ型不純
物を、1012〜1014cm-2のドーズ量でイオン注入すること
は好ましい。
〔発明の効果〕
上述したように本発明によれば、従来の転位低減熱処
理で生じていたGaAs層表面（中間部分）での電子キャリ
ア濃度の上昇を防止することができて、漏洩電流の少な
い電気的特性を向上させたGaAsヘテロエピタキシャル層
をSi基板上に形成できる。従来よりもリーク電流の少な
いGaAs/Si基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、Si基板上にGaAsエピタキシャル層を形成した
GaAs/Si基板の厚さ方向でのキャリア濃度分布を示すグ
ラフであり、 第２図は、第１図のGaAs/Si基板を作成するためのGaAs
成長形成の温度プロフィルのグラフであり、 第3A図〜第3D図は、Si基板上にGaAs層を形成するときの
温度プロフィルのグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/324

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリコン単結晶基板上にIII−Ｖ族化合物
    半導体層をヘテロエピタキシャル成長させて形成する過
    程で、転位低減のための熱処理を行なっているIII−Ｖ
    族化合物半導体層の形成方法において、前記熱処理時
    に、ｐ型不純物をＶ族原料ガスとともに成長反容炉内へ
    導入することを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体層の
    形成方法。
  2. 【請求項２】シリコン単結晶基板上にIII−Ｖ族化合物
    半導体層をヘテロエピタキシャル成長させて形成する過
    程で、転位低減のための熱処理を行なっているIII−Ｖ
    族化合物半導体の形成方法において、前記熱処理でIII
    −Ｖ族化合物半導体層がｎ型化した分を、前記熱処理の
    後に、ｐ型不純物をイオン注入して補償することを特徴
    とするIII−Ｖ族化合物半導体層の形成方法。
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