JP3005281B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP3005281B2
JP3005281B2 JP2320088A JP32008890A JP3005281B2 JP 3005281 B2 JP3005281 B2 JP 3005281B2 JP 2320088 A JP2320088 A JP 2320088A JP 32008890 A JP32008890 A JP 32008890A JP 3005281 B2 JP3005281 B2 JP 3005281B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はシリコン基板上に、III−V族化合物半導体
から成る単結晶半導体層、たとえばGaAs層を形成して構
成される半導体素子とそれを製造するための方法に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a semiconductor element formed by forming a single crystal semiconductor layer, for example, a GaAs layer, made of a group III-V compound semiconductor on a silicon substrate, and a semiconductor device comprising the same. To a method for manufacturing.

[従来の技術] シリコン基板上にGaAs結晶層を有機金属熱分解気相成
長法(略称MOCVD法)で形成するにあたっては、第8図
に示されるように先ず、期間W11において、シリコン基
板を、水素ガスH2とアルシンAsH3との存在下で、温度T1
3(たとえば950℃)で約10分間、加熱し、シリコン基板
表面の酸化層を除去して、サーマルクリーニングを行
う。
[Prior Art] When a GaAs crystal layer is formed on a silicon substrate by a metal organic chemical vapor deposition (abbreviated MOCVD) method, first, as shown in FIG. in the presence of hydrogen gas H 2 and arsine AsH 3, the temperature T1
3 (for example, 950 ° C.) for about 10 minutes to remove the oxide layer on the surface of the silicon substrate and perform thermal cleaning.

次に期間W12では、水素ガスとアルシンとトリメチル
ガリウム(CH33Ga(略称TMG)との存在下に、温度T11
(たとえば420℃)に維持し、これによってシリコン基
板上に、アモルファス状態のGaAsの約200Åの薄い層が
形成される。
Next, in the period W12, in the presence of hydrogen gas, arsine, and trimethylgallium (CH 3 ) 3 Ga (abbreviated as TMG), the temperature T11
(Eg, 420 ° C.), thereby forming a thin layer of approximately 200 ° of GaAs in the amorphous state on the silicon substrate.

その後、期間W13において、水素ガスとアルシンとTMG
との存在下で、温度T12(たとえば660〜760℃)に維持
し、これによって前記アモルフアス状態のGaAsが結晶化
するとともに、さらにGaAsの結晶層が積層される。
Then, in period W13, hydrogen gas, arsine and TMG
Is maintained at a temperature T12 (for example, 660 to 760 ° C.), whereby the amorphous GaAs is crystallized and a GaAs crystal layer is further laminated.

このようにして、表面モフォロジーが鏡面である結晶
が得られる。
In this way, a crystal whose surface morphology is a mirror surface is obtained.

[発明が解決すべき課題] このような先行技術では、鏡面でシングルドメイン単
結晶GaAs結晶層を得ることはできるけれども、シリコン
基板とその上に形成されたGaAsとの界面には、多くのミ
スフィット転位が発生し、そのエッチピット密度(略称
EPD)は、1×108cm-2と非常に高い値となる。
[Problems to be solved by the invention] In such a prior art, although a single-domain single-crystal GaAs crystal layer can be obtained with a mirror surface, many interfaces are formed at the interface between the silicon substrate and the GaAs formed thereon. Fit dislocations occur and their etch pit densities (abbreviations)
EPD) is a very high value of 1 × 10 8 cm −2 .

本発明の目的は、エッチピット密度の低減を図ること
ができるようにした半導体素子およびその製造方法を提
供することである。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the etch pit density and a method of manufacturing the same.

[課題を解決するための手段] 本発明は、シリコン基板上に、GaPの層を結晶成長温
度未満で成長させた後に結晶成長温度の範囲内でアニー
ルを行って下地層を形成し、 次に、下地層上にGaAs1-xPx(ただし0<x<1)の
層を結晶成長温度未満で成長させた後に、結晶成長温度
の範囲内でアニールを行って中間下地層を形成し、 その後、中間下地層の上にIII−V族化合物半導体層
を形成することを特徴とする半導体素子の製造方法であ
る。
Means for Solving the Problems According to the present invention, a base layer is formed by growing a GaP layer on a silicon substrate at a temperature lower than the crystal growth temperature and then performing annealing within the crystal growth temperature. After growing a GaAs 1-x P x (0 <x <1) layer below the crystal growth temperature on the underlayer, annealing is performed within the crystal growth temperature to form an intermediate underlayer. Thereafter, a group III-V compound semiconductor layer is formed on the intermediate base layer.

また本発明は、シリコン基板上に、AlPの層を結晶成
長温度未満で成長させた後に結晶成長温度の範囲内でア
ニールを行って下地層を形成し、 次に、下地層上にAlAs1-xPx(ただし0<x<1)の
層を結晶成長温度未満で成長させた後に、結晶成長温度
の範囲内でアニールを行って中間下地層を形成し、 その後、中間下地層の上にIII−V族化合物半導層を
形成することを特徴とする半導体素子の製造方法であ
る。
The present invention, on a silicon substrate, a base layer is formed by annealing in the range of crystal growth temperature after growing a layer of AlP below the crystal growth temperature, then, AlAs on the underlying layer 1 After growing a layer of xP x (where 0 <x <1) below the crystal growth temperature, annealing is performed within the crystal growth temperature to form an intermediate underlayer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a group III-V compound semiconductor layer.

[作 用] 本発明の製造方法に従えば、シリコン基板上にGaPま
たはAlPの層を結晶成長温度未満で成長させ、次に結晶
成長温度の範囲内でアニールを行って下地層を形成し、
次にこの下地層上に、その下地層がGaPであるとき、GaA
s1-xPxの層を、または下地層がAlPであるときAlAs1-xPx
の層を、結晶成長温度未満で成長させ、次に結晶成長温
度の範囲内でアニールを行って中間下地層を形成し、そ
の後、中間下地層の上にIII−V族化合物半導体層を形
成するようにしたので、格子定数がシリコン基板からII
I−V族化合物半導体層に変化してゆくことになり、エ
ッチピット密度の低減を一層、向上して、III−V族化
合物半導体層の結晶性を大幅に改善することが可能にな
る。
[Operation] According to the manufacturing method of the present invention, a layer of GaP or AlP is grown on a silicon substrate at a temperature lower than the crystal growth temperature, and then annealed within the range of the crystal growth temperature to form an underlayer.
Next, on this underlayer, when the underlayer is GaP, GaA
s 1-x P x layer or AlAs 1-x P x when the underlying layer is AlP
Is grown below the crystal growth temperature, and then annealed within the crystal growth temperature range to form an intermediate underlayer, and then a III-V compound semiconductor layer is formed on the intermediate underlayer. The lattice constant from the silicon substrate
As a result, the etch pit density can be further reduced, and the crystallinity of the III-V compound semiconductor layer can be significantly improved.

[実施例] 第1図は本発明の一実施例である半導体素子の製造方
法の手順を示すグラフであり、第2図はそれによって製
造される半導体素子の断面図である。第2図中の参照符
10はシリコン半導体基板であり、このシリコン基板10
は、シリコン単結晶の<100>結晶面から<011>結晶面
方向へ0.5〜4度、好ましくは2度オフして得られた表
面を有する。
Example FIG. 1 is a graph showing a procedure of a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of a semiconductor device manufactured thereby. References in FIG.
Reference numeral 10 denotes a silicon semiconductor substrate.
Has a surface obtained by turning off from the <100> crystal plane of the silicon single crystal in the <011> crystal plane direction by 0.5 to 4 degrees, preferably twice.

上記シリコン基板10を、先ず、期間W1においてサーマ
ルクリーニングを行い、その表面上の酸化物を除去す
る。このために、基板10をたとえば10-7Torr程度にまで
真空にした雰囲気内で、誘導加熱によって、その基板10
を温度T3として900〜1,000℃、好ましくは950℃にまで
昇温し、このときキャリアガスである水素ガスH2とアル
シンAsH3の雰囲気とし、約10分間続ける。
First, the silicon substrate 10 is subjected to thermal cleaning in a period W1 to remove oxide on the surface thereof. For this purpose, the substrate 10 is heated by induction heating in an atmosphere in which the substrate 10 is evacuated to, for example, about 10 −7 Torr.
Is raised to 900 to 1,000 ° C., preferably 950 ° C. as a temperature T3. At this time, an atmosphere of hydrogen gas H 2 as a carrier gas and arsine AsH 3 is maintained for about 10 minutes.

次の期間W2では、サーマルクリーニングされた基板10
上に、GaPから成る低温バッファ層である第1下地層と
しての第1下地層11を形成する。この第1層11は、温度
T1を結晶成長温度未満である、たとえば400〜500℃、好
ましくは420〜450℃の低温度に設定し、キャリアガスで
ある水素ガスによってトリメチルガリウム(CH33Ga
(略称TMG)を供給するとともに、ホスフィンPH3を供給
する。TMGガスはたとえば30〜80sccmの流量で導入し、
ホスフィンは500〜700sccmの流量で供給する。こうして
アモルファス状のGaPから成る第1層11を層厚100〜200
Å、好ましくは120〜130Å、薄く形成する。
In the next period W2, the thermally cleaned substrate 10
A first underlayer 11 as a first underlayer, which is a low-temperature buffer layer made of GaP, is formed thereon. This first layer 11 has a temperature
T1 is set to a temperature lower than the crystal growth temperature, for example, a low temperature of 400 to 500 ° C., preferably 420 to 450 ° C., and trimethylgallium (CH 3 ) 3 Ga
Supplies (abbreviation TMG), supplies a phosphine PH 3. TMG gas is introduced at a flow rate of, for example, 30 to 80 sccm,
The phosphine is supplied at a flow rate of 500-700 sccm. Thus, the first layer 11 made of amorphous GaP is formed to a thickness of 100 to 200.
Å, preferably 120-130Å, formed thin.

次の期間W3では、第1層11上に、もう1つの低温バッ
ファ層であるGaAsから成る第2下地層である第2層12を
形成する。この第2層12は、温度T2をたとえば400〜500
℃、好ましくは420〜450℃に設定し、キャリアガスであ
る水素ガスによってトリメチルガリウム(CH33Ga(略
称TMG)を供給するとともに、アルシンAsH3を供給す
る。TMGガスはたとえば30〜80sccmの流量で導入し、ア
ルシンは500〜700sccmの流量で供給する。こうしてアモ
ルファス状のGaAsから成る第2層12を、層厚100〜400
Å、好ましくは200Å、形成する。
In the next period W3, a second layer 12 as a second underlayer made of GaAs as another low-temperature buffer layer is formed on the first layer 11. The second layer 12 has a temperature T2 of, for example, 400 to 500
C., preferably 420-450 ° C., and trimethylgallium (CH 3 ) 3 Ga (abbreviated TMG) is supplied by hydrogen gas as a carrier gas, and arsine AsH 3 is supplied. TMG gas is introduced at a flow rate of, for example, 30 to 80 sccm, and arsine is supplied at a flow rate of 500 to 700 sccm. Thus, the second layer 12 made of amorphous GaAs is formed with a layer thickness of 100 to 400.
Å, preferably 200Å.

この第2層12が形成される温度T2は、第1層11が形成
される温度T1と同一またはそれ以上の値(T2≧T1)であ
り、しかも結晶成長温度未満の温度である。第2層12の
膜厚は、第1層11の膜厚と同一またはそれ以上の値であ
る。これによってシリコン基板10と第1層11との界面の
ミスフィット転位を充分に低減させることができる。
The temperature T2 at which the second layer 12 is formed is equal to or higher than the temperature T1 at which the first layer 11 is formed (T2 ≧ T1), and is lower than the crystal growth temperature. The thickness of the second layer 12 is equal to or greater than the thickness of the first layer 11. Thereby, misfit dislocations at the interface between the silicon substrate 10 and the first layer 11 can be sufficiently reduced.

第1層11の膜厚と、第2層12の膜厚の和は、ミスフィ
ット転位を低減するために500Å未満であることが必要
である。
The sum of the thickness of the first layer 11 and the thickness of the second layer 12 needs to be less than 500 ° to reduce misfit dislocations.

次の期間W4では、GaAs結晶層である第3層13を本成長
させる。このために、キャリアガスである水素ガスによ
ってTMGガスを輸送するとともに、これにアルシンを加
え、結晶成長温度T2a、たとえば620〜750℃、好ましく
は660〜720℃、さらに好ましくは約720℃に昇温する。
アルシンは流量500〜700sccmであり、水素ガスとTMGガ
スとアルシンとの総流量は2200sccmで供給する。これに
よって、第3層13の厚みは、たとえば1.5μmの層厚で
形成される。さらに、この第3層13の上には、たとえ
ば、n−AlGaAsおよびp−AlGaAsから成るpn接合面を有
する発光ダイオードが形成される。
In the next period W4, the third layer 13, which is a GaAs crystal layer, is fully grown. For this purpose, a TMG gas is transported by a hydrogen gas as a carrier gas, and arsine is added thereto to raise the crystal growth temperature T2a, for example, 620 to 750 ° C, preferably 660 to 720 ° C, and more preferably about 720 ° C. Warm up.
The flow rate of arsine is 500-700 sccm, and the total flow rate of hydrogen gas, TMG gas and arsine is 2200 sccm. Thus, the third layer 13 is formed with a thickness of, for example, 1.5 μm. Further, a light emitting diode having a pn junction surface made of, for example, n-AlGaAs and p-AlGaAs is formed on the third layer 13.

シリコンSiとGaPとGaAsの格子定数と線膨張係数と
を、第1表に示す。
Table 1 shows lattice constants and linear expansion coefficients of silicon Si, GaP, and GaAs.

GaPである第1層11は、シリコンとGaAsとの格子定数
および線膨張係数の中間の値を有しており、したがって
シリコン基板と第1層11とのミスフィット転位の低減を
図って、エッチピット密度の低減を図ることができるこ
とが理解される。
The first layer 11 of GaP has an intermediate value between the lattice constant and the coefficient of linear expansion between silicon and GaAs. Therefore, the first layer 11 is etched to reduce misfit dislocations between the silicon substrate and the first layer 11. It is understood that the pit density can be reduced.

このような第1図および第2図に示されるようにシリ
コン基板10上に、GaP結晶層である第1層11とGaAs結晶
層である第2〜第3層12,13をエピタキシャル成長さ
せ、結晶性を改善した半導体素子を製造するにあたり、
有機金属熱分解気相成長法(略称MOCVD法)が用いら
れ、このMOCVD法を行う具体的な製造装置は、第3図に
示される。
As shown in FIGS. 1 and 2, on the silicon substrate 10, the first layer 11 which is a GaP crystal layer and the second and third layers 12 and 13 which are GaAs crystal layers are epitaxially grown. In manufacturing semiconductor devices with improved performance,
An organometallic thermal decomposition vapor deposition method (abbreviated MOCVD method) is used, and a specific manufacturing apparatus for performing the MOCVD method is shown in FIG.

MOCVD装置には、たとえば石英などから形成される反
応管21が設けられ、内部にシリコンカーバイドSiCでグ
ラファイトを被覆したサセプタ22が配置され、その上に
シリコン基板10が乗載される。反応管21には高周波コイ
ル24が巻回されており、図示しない高周波電源から高周
波電力が供給されてサセプタ22が誘導加熱される。
The MOCVD apparatus is provided with a reaction tube 21 made of, for example, quartz or the like, inside which a susceptor 22 coated with graphite with silicon carbide SiC is placed, on which the silicon substrate 10 is mounted. A high-frequency coil 24 is wound around the reaction tube 21, and high-frequency power is supplied from a high-frequency power supply (not shown) to heat the susceptor 22 by induction.

上記反応管21に連通される第1タンク25には、水素ガ
スH2であるキャリアガスが充填され、第2タンク26には
アルシンAsH3が充填される。第1タンク25からの水素ガ
スは純化器28を介して高純度化され、その流量はマスフ
ローコントローラ(以下、MFCと略す)29,30により調整
される。また第2タンク26からのガス流量も、それぞれ
MFC31により調整される。
The first tank 25 which is communicated with the reaction tube 21 is filled with the carrier gas is hydrogen gas H 2, arsine AsH 3 is filled in the second tank 26. The hydrogen gas from the first tank 25 is highly purified through a purifier 28, and its flow rate is adjusted by mass flow controllers (hereinafter abbreviated as MFC) 29, 30. Also, the gas flow rate from the second tank 26
Adjusted by MFC31.

有機金属として前記TMG(トリメチルガリウム)を用
いるが、これは常温で液体であり、恒温槽34内に設置さ
れたバブラ33内に貯留される。
The above-mentioned TMG (trimethylgallium) is used as an organic metal, which is liquid at normal temperature and stored in a bubbler 33 installed in a thermostat 34.

純化器28からのキャリアガスは、MFC30によりバブラ3
3内に導入されてバブリングを行い、これによりバブラ3
3内のTMGがガス化して反応管21へ導入される。またこの
キャリアガスは、MFC29を介して第2タンク26からのガ
スのキャリアガスとしても用いられる。このようなMOCV
D装置を構成する構成要素を接続する配管系には、ガス
調整弁37,38およびバルブ40〜44が設けられる。
The carrier gas from the purifier 28 is supplied to the bubbler 3 by the MFC 30.
It is introduced into 3 and performs bubbling.
The TMG in 3 is gasified and introduced into the reaction tube 21. This carrier gas is also used as a carrier gas for the gas from the second tank 26 via the MFC 29. MOCV like this
Gas control valves 37 and 38 and valves 40 to 44 are provided in a piping system for connecting components constituting the D apparatus.

前記反応管21には、超高真空排気装置35と排気ガス処
理装置36とが接続されており、超高真空排気装置35を用
いて、成膜に先立って反応管21内の残留ガスを除去し、
排気ガス処理装置36を用いて成膜作業中および成膜作業
後の排気ガス中の有毒なヒ素化合物などを除去する。
An ultra-high vacuum exhaust device 35 and an exhaust gas treatment device 36 are connected to the reaction tube 21, and the ultra-high vacuum exhaust device 35 is used to remove residual gas in the reaction tube 21 prior to film formation. And
A toxic arsenic compound and the like in the exhaust gas during the film forming operation and after the film forming operation are removed using the exhaust gas processing device 36.

本発明の他の実施例として、キャリアガスは水素ガス
の代りにアルゴンなどが用いられてもよい。第1層11と
して、GaPの代りにAlAs、またはAlPであってもよい。Al
Asの格子定数は5.661であり、AlPの格子定数は5.462で
ある。
In another embodiment of the present invention, argon or the like may be used as the carrier gas instead of hydrogen gas. As the first layer 11, AlAs or AlP may be used instead of GaP. Al
The lattice constant of As is 5.661, and the lattice constant of AlP is 5.462.

本件発明者の実験によれば、シリコン基板10とGaPで
ある第1層11との界面のエッチピット密度は、5×107
×6×107cm-2に低減することができたことが確認され
た。
According to the experiment of the present inventor, the etch pit density at the interface between the silicon substrate 10 and the first layer 11 of GaP is 5 × 10 7
It was confirmed that it could be reduced to × 6 × 10 7 cm −2 .

第4図は本発明の他の実施例である半導体素子の製造
方法の手順を示すグラフであり、第5図はそれによって
製造される半導体素子の断面図である。前述の実施例に
対応する部分には、同一の参照符を付す。シリコン基板
10を、期間W1においてサーマルクリーニングを行う。こ
の工程は、前述の第1図に関連して述べた実施例の期間
W1と同様である。
FIG. 4 is a graph showing a procedure of a method of manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view of a semiconductor device manufactured thereby. Parts corresponding to the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals. Silicon substrate
For 10, thermal cleaning is performed in a period W1. This step is performed during the period of the embodiment described with reference to FIG.
Same as W1.

次の期間W2では、サーマルクリーニングされた基板10
上に、GaPから成る下地層である第1結晶層14を形成す
る。この第1結晶層14の形成にあたっては、まず期間W2
1で、温度T21を結晶成長温度未満である、たとえば400
〜500℃、好ましくは420〜450℃で、アモルファス状のG
aPの薄い層を成長させる。この層の層厚は、50〜200Å
であり、好ましくは120〜130Åである。この層の成長の
ために、キャリアガスである水素ガスによってTMGを供
給するとともに、ホスフィンを供給する。
In the next period W2, the thermally cleaned substrate 10
A first crystal layer 14, which is a base layer made of GaP, is formed thereon. In forming the first crystal layer 14, first, a period W2
1, the temperature T21 is less than the crystal growth temperature, for example 400
~ 500 ° C, preferably 420-450 ° C, amorphous G
Grow a thin layer of aP. The thickness of this layer is 50-200Å
And preferably 120 to 130 °. For the growth of this layer, TMG and phosphine are supplied by hydrogen gas as a carrier gas.

次の期間W22では、先の期間W21において成長されたGa
Pから成る層を温度T22に加熱してアニールを行う。この
温度T22は、たとえば650〜800℃である。このようにし
て第1結晶層14が形成される。
In the next period W22, the Ga grown in the previous period W21
The layer made of P is heated to a temperature T22 to perform annealing. This temperature T22 is, for example, 650 to 800 ° C. Thus, the first crystal layer 14 is formed.

そこで次に期間W3aおよびW3bにおいて、中間下地層で
ある複数(この実施例では2)の結晶層を順次的に形成
する。これらの第2結晶層15,16のうち、結晶層15は、G
aAs1-xPx(ただし0<x<1)であり、もう1つの層16
は、GaAs1-yPy(ただし0<y<1)であり、 x>y …(1) に選び、換言すると、これらの第2結晶層15,16のPの
組成は、さらにその上に形成される半導体層17に近づく
につれて、小さく選ばれている。
Therefore, next, in the periods W3a and W3b, a plurality of (two in this embodiment) crystal layers, which are intermediate underlayers, are sequentially formed. Of these second crystal layers 15 and 16, crystal layer 15
aAs 1-x P x (where 0 <x <1) and the other layer 16
Is GaAs 1-y P y (where 0 <y <1), and x> y (1). In other words, the composition of P in the second crystal layers 15 and 16 further increases It is selected to be smaller as approaching the semiconductor layer 17 formed on the substrate.

結晶層15を形成する期間W3aのうち、期間W3a1では、
結晶成長温度未満の温度T21で、(GaAs)1-xおよび(Ga
P)を膜厚50〜200Å、薄く成長させる。
Of the period W3a for forming the crystal layer 15, in the period W3a1,
At a temperature T21 below the crystal growth temperature, (GaAs) 1-x and (Ga
P) grow x thinly with a film thickness of 50-200Å.

次の期間W3a2では、結晶成長温度T22、たとえば650〜
800℃とし、これによってアニールを行う。
In the next period W3a2, the crystal growth temperature T22, for example, 650 to
The temperature is set to 800 ° C., whereby annealing is performed.

結晶層15の上にもう1つの結晶層16を形成するため
に、期間W3bのうち、期間W3b1では、結晶成長温度未満
の温度T21において(GaAs)1-yと(GaP)とを前述の
層15と同様にして成長させる。この層16では、Pの組成
yは前述の結晶層15のPの組成xよりも、前述の第1式
のとおり、小さい値である。
In order to form another crystal layer 16 on the crystal layer 15, in the period W3b1 of the period W3b, the (GaAs) 1-y and (GaP) y are converted at the temperature T21 lower than the crystal growth temperature. It is grown in the same manner as layer 15. In this layer 16, the composition y of P is smaller than the composition x of P in the crystal layer 15 as described in the first formula.

次の期間W3b2では、結晶成長温度T22に加熱してアニ
ールを行い、こうして結晶層16が形成される。
In the next period W3b2, annealing is performed by heating to the crystal growth temperature T22, and thus the crystal layer 16 is formed.

次の期間W4では、第2結晶層15,16のうちの最上層で
ある結晶層16の上に、GaAsから成る半導体層17を、温度
T22で形成する。
In the next period W4, a semiconductor layer 17 made of GaAs is deposited on the uppermost crystal layer 16 of the second crystal layers 15 and 16 by temperature.
Formed at T22.

このようにして、基板10から半導体層17に、各第1結
晶層14および第2結晶層15,16の格子定数が段階的に近
似するように変化している。そのためミスフィット転位
の低減を図って、エッチピット密度の低減を図ることが
できるようになる。
In this manner, the lattice constant of each of the first crystal layer 14 and the second crystal layers 15 and 16 changes from the substrate 10 to the semiconductor layer 17 so as to be approximated stepwise. Therefore, misfit dislocations can be reduced, and the etch pit density can be reduced.

本件発明者の実験によれば、第4図および第5図に示
される実施例において、エッチピット密度は、5×107
〜6×107cm-2に減少したことが確認された。
According to the experiment of the present inventor, in the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the etch pit density was 5 × 10 7
It was confirmed to have decreased to 66 × 10 7 cm −2 .

第6図は、本発明の他の実施例の半導体素子の断面図
である。この実施例は第4図および第5図に示される実
施例に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。
注目すべきはこの実施例では、第2結晶層として前述の
結晶層15,16だけでなく、さらに結晶層18が形成されて
いる。結晶層15はGaAs1-xPx(ただし0<x<1)と
し、結晶層16はGaAs1-yPy(ただし0<y<1)とし、
もう1つの結晶層18はGaAs1-zPz(ただし0<z<1)
とするとき、 x>y>z …(2) に選ぶ。このようにして各結晶層15,16,18を、成長とア
ニールとの工程を繰返して順次的に形成することによっ
て、シリコン10から半導体層17に格子定数が順次的に変
化して、その格子定数が半導体層17の値に近づく。この
ことによってミスフィット転位を一層低減することが可
能になる。本発明の他の実施例として、このような第2
結晶層15〜18の数は、4以上であってもよく、本発明の
実験結果によれば、好ましくは3〜5層が好ましいこと
が判った。
FIG. 6 is a sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention. This embodiment is similar to the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, and the corresponding parts have the same reference characters.
It should be noted that in this embodiment, not only the above-described crystal layers 15 and 16 but also a crystal layer 18 is formed as the second crystal layer. The crystal layer 15 has GaAs 1-x P x (where 0 <x <1), and the crystal layer 16 has GaAs 1-y P y (where 0 <y <1).
Another crystal layer 18 is GaAs 1-z P z (where 0 <z <1)
X>y> z (2) In this manner, the crystal layers 15, 16, and 18 are sequentially formed by repeating the steps of growth and annealing, so that the lattice constant changes sequentially from the silicon 10 to the semiconductor layer 17 and the lattice constant is changed. The constant approaches the value of the semiconductor layer 17. This makes it possible to further reduce misfit dislocations. In another embodiment of the present invention, such a second
The number of crystal layers 15 to 18 may be four or more. According to the experimental results of the present invention, it has been found that preferably three to five layers are preferable.

これらの結晶層15〜18は、前述の第4図および第5図
に示される実施例と同様にしてそれぞれ形成される。
These crystal layers 15 to 18 are formed in the same manner as in the embodiment shown in FIGS. 4 and 5 described above.

第7図は、本発明の他の実施例の半導体素子の断面図
である。この実施例では、シリコン基板10の上に第1結
晶層AlP19を形成し、その上に第2の複数(この実施例
では2)の第2結晶層20,21を形成し、この第2結晶層2
0,21のうち、最上層の結晶層21の上に、GaAsから成る半
導体層22を形成する。第2結晶層20,21のうち、結晶層2
0はAlAs1-xPx(ただし0<x<1)であり、もう1つの
結晶層21はAlAs1-yPy(ただし0<y<1)であり、前
述の第1式と同様に、結晶層20の組成に比べて結晶層21
のPの組成が小さく選ばれる。このことによって、格子
定数がシリコン基板10から半導体層22にわたって段階的
に近似して徐々に変化し、そのためミスフィット転位の
低減を図ることができる。結晶層20,21は前述の第4図
〜第6図の実施例における結晶層14,15に類似した工程
によって形成される。これらの結晶層20,21は、3層以
上形成されてもよい。
FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a first crystal layer AlP19 is formed on a silicon substrate 10, and second (two in this embodiment) second crystal layers 20 and 21 are formed thereon. Tier 2
A semiconductor layer 22 made of GaAs is formed on the uppermost crystal layer 21 of the layers 0 and 21. Of the second crystal layers 20 and 21, the crystal layer 2
0 is AlAs 1-x P x (where 0 <x <1), and the other crystal layer 21 is AlAs 1-y P y (where 0 <y <1). In addition, compared to the composition of the crystal layer 20, the crystal layer 21
Is selected to be small. As a result, the lattice constant gradually changes in a stepwise manner from the silicon substrate 10 to the semiconductor layer 22, so that misfit dislocations can be reduced. The crystal layers 20 and 21 are formed by processes similar to the crystal layers 14 and 15 in the embodiment shown in FIGS. These crystal layers 20, 21 may be formed in three or more layers.

半導体層13,17として、GaAsの他に、InAs、およびそ
の他のIII−V族化合物半導体であってもよい。
As the semiconductor layers 13 and 17, other than GaAs, InAs and other III-V group compound semiconductors may be used.

[発明の効果] 以上のように本発明によれば、シリコン基板とIII−
V族化合物半導体層との間に、GaP、AlAs、またはAlPの
下地層が介在され、そのGaP、AlAs、またはAlPの下地層
の格子定数と線膨張係数とは、シリコン基板とGaAsなど
のIII−V族化合物半導体層との中間の値を有している
ので、エッチピット密度を低減して、III−V族化合物
半導体層の結晶性を大幅に改善することができるように
した半導体素子が実現される。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the silicon substrate and the III-
A base layer of GaP, AlAs, or AlP is interposed between the group V compound semiconductor layer, and the lattice constant and the linear expansion coefficient of the base layer of GaP, AlAs, or AlP are determined based on that of a silicon substrate and III such as GaAs. Since the semiconductor element has an intermediate value with that of the group-V compound semiconductor layer, the etch pit density is reduced, and the crystallinity of the group III-V compound semiconductor layer can be significantly improved. Is achieved.

また本発明によれば、シリコン基板上にGaP、AlAs、
またはAlPの薄い低温バッファ層である第1下地層を形
成し、その上に、III−V族化合物半導体から成る第2
下地層を成長させ、この第2下地層は、第1下地層と同
一またはそれ以上の温度であってかつ結晶成長温度未満
の温度で、かつ第1下地層と同一またはそれ以上の膜厚
を有し、この第2下地層の上に、結晶成長温度で、III
−V族化合物半導体から成る第3層を形成するので、第
3層の結晶性を大幅に改善した良好な結晶を成長させる
ことが可能になる。
According to the present invention, GaP, AlAs,
Alternatively, a first underlayer, which is a thin low-temperature buffer layer of AlP, is formed, and a second underlayer made of a III-V compound semiconductor is formed thereon.
An underlayer is grown, and the second underlayer has a temperature equal to or higher than the first underlayer and lower than the crystal growth temperature, and has a thickness equal to or higher than that of the first underlayer. Having a crystal growth temperature of III on the second underlayer.
Since the third layer made of a -V compound semiconductor is formed, it is possible to grow a good crystal having significantly improved crystallinity of the third layer.

本発明では、このような半導体素子の製造にあたり、
シリコン基板上に、GaPまたはAlPの層を成長させた後、
アニールを行って下地層を形成し、その後にGaPまたはA
lPの各層にそれぞれ対応してGaAs1-xPxまたはAlAs1-xPx
の層を成長させ、その成長後にアニールを行って中間下
地層を順次的に形成し、その後にIII−V族化合物半導
体層を形成するようにしたので、エッチピット密度の低
減を図ることができ、またIII−V族化合物半導体層の
結晶性を大幅に改善して良好な結晶を成長させることが
可能になる。
In the present invention, in manufacturing such a semiconductor element,
After growing a layer of GaP or AlP on a silicon substrate,
Annealing to form an underlayer, followed by GaP or A
GaAs 1-x P x or AlAs 1-x P x
Is grown, annealing is performed after the growth, an intermediate underlayer is sequentially formed, and then a group III-V compound semiconductor layer is formed. Therefore, the etch pit density can be reduced. In addition, the crystallinity of the group III-V compound semiconductor layer can be greatly improved to grow good crystals.

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

第1図は本発明の一実施例の半導体素子の製造方法を説
明するための図、第2図はその半導体素子の断面図、第
3図は本発明の一実施例の製造方法を実施するための装
置の系統図、第4図は本発明の他の実施例の半導体素子
の製造方法を説明するための図、第5図は第4図の方法
によって実現される半導体素子の断面図、第6図は本発
明の他の実施例の半導体素子の断面図、第7図は本発明
のさらに他の実施例の半導体素子の断面図、第8図は先
行技術の半導体素子の製造方法を説明するための図であ
る。 10……シリコン基板、11……第1層、12……第2層、13
……第3層、14,19……第1結晶層、15,16,20,21……第
2結晶層、17……GaAs半導体層
FIG. 1 is a view for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device, and FIG. 3 implements a manufacturing method according to one embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, FIG. 5 is a sectional view of a semiconductor device realized by the method of FIG. 4, FIG. 6 is a sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor device according to still another embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure for explaining. 10 silicon substrate, 11 first layer, 12 second layer, 13
... Third layer, 14, 19... First crystal layer, 15, 16, 20, 21... Second crystal layer, 17.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 H01L 21/205 H01L 21/203 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/20 H01L 21/205 H01L 21/203

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シリコン基板上に、GaPの層を結晶成長温
度未満で成長させた後に結晶成長温度の範囲内でアニー
ルを行って下地層を形成し、 次に、下地層上にGaAs1-xPx(ただし0<x<1)の層
を結晶成長温度未満で成長させた後に、結晶成長温度の
範囲内でアニールを行って中間下地層を形成し、 その後、中間下地層の上にIII−V族化合物半導体層を
形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
To 1. A silicon substrate, annealed within the range of crystal growth temperature after a layer of GaP grown below the crystal growth temperature to form an underlayer, then, GaAs on an underlying layer 1- After growing a layer of xP x (where 0 <x <1) below the crystal growth temperature, annealing is performed within the crystal growth temperature to form an intermediate underlayer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a III-V compound semiconductor layer.
【請求項2】シリコン基板上に、AlPの層を結晶成長温
度未満で成長させた後に結晶成長温度の範囲内でアニー
ルを行って下地層を形成し、 次に、下地層上にAlAs1-xPx(ただし0<x<1)の層
を結晶成長温度未満で成長させた後に、結晶成長温度の
範囲内でアニールを行って中間下地層を形成し、 その後、中間下地層の上にIII−V族化合物半導層を形
成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
To 2. A silicon substrate, a base layer is formed by annealing in the range of crystal growth temperature after growing a layer of AlP below the crystal growth temperature, then, AlAs on the underlying layer 1 After growing a layer of xP x (where 0 <x <1) below the crystal growth temperature, annealing is performed within the crystal growth temperature to form an intermediate underlayer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a III-V compound semiconductor layer.
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