JP3121945B2 - 半導体結晶の成長方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体結晶の成長方法
に関し、特にシャープな界面を形成するのに適した半導
体結晶の成長方法に関する。

【０００２】近年の半導体装置の高性能化に対する要求
に伴い、ヘテロ接合に対する要求も高度化している。ヘ
テロ接合を形成する複数の半導体層を任意に選択でき、
かつその界面における組成分布が急峻であることが要求
される。また、不純物ドーピングを任意の場所に任意の
プロファイルで行なえることが要求されている。

【０００３】たとえば、高速で低消費電力の半導体装置
として、化合物半導体を用いた相補型電界効果型トラン
ジスタの集積回路が注目されている。ｐチャネル電界効
果型トランジスタのチャネル材料としてはＧｅ層、ｎチ
ャネル電界効果型トランジスタのチャネル材料としては
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を用いることが有望であ
る。

【０００４】これらのチャネル層を急峻な組成プロファ
イルで形成し、かつ純度の高い半導体材料で形成するこ
とが望まれている。

【０００５】

【従来の技術】半導体結晶の成長方法は、大きく分けて
液相法と気相法がある。気相法は、化学気相堆積（ＣＶ
Ｄ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）等を含む。現在、化合物
半導体の気相結晶成長には、有機金属気相成長（ＭＯＣ
ＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）がよく用いられ
る。

【０００６】ＭＢＥは、原子層単位の制御が可能であ
り、超格子を利用する半導体素子や、ヘテロ接合を有す
る光半導体装置の製造等に広く利用されている。ＭＢＥ
を用いる半導体結晶成長においては、分子線を発生させ
る分子線源を成長させようとする物質に応じて用意し、
分子線源を選択使用して、所望の物質層を成長させる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】第１の半導体層の上
に、少なくとも組成の一部が異なる第２の半導体層を成
長する場合、第１および第２の半導体層の組み合わせ、
およびその成長方法によっては、第１の半導体層の材
料、少なくともその一部が第２の半導体層中に偏析する
ことが防止しにくかった。つまり、界面で両者が混ざり
合い、シャープな界面を形成することが難しかった。

【０００８】たとえば、ＧｅとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体の場合、この現象の影響は顕著である。ＧｅはＩＶ族
半導体であり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体中ではドーパ
ントとなる。Ｇｅ等のＩＶ族半導体中では、ＩＩＩ、Ｖ
族原子は、やはりドーパントとなる。

【０００９】したがって、ＩＶ族半導体とＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体のヘテロ接合を形成する場合、シャープな
ヘテロ接合を形成できないと、ドーピングプロファイル
は制御しがたいものとなってしまう。

【００１０】母体半導体のヘテロ接合の場合のみでな
く、半導体にドーピングを行なう際にも、所望のドーピ
ングプロファイルが得られないと、所定の特性が得られ
ないことになる。ところが、半導体材料とドーパントと
の組み合わせによっては、ドーパントが偏析し、所望の
ドーピングプロファイルが得られなかった。

【００１１】なお、ここで本明細書で用いる偏析と拡散
の概念について説明する。図２（Ａ）は、拡散の概念を
示す。第１の半導体層６と第２の半導体層７を、界面８
を境にして連続的に成長する。成長後、第１の半導体層
６の構成物質と、第２の半導体層７の構成物質がその位
置を入れ替える。この現象は、拡散と呼ばれ、所定の活
性化エネルギでランダムに生じる。したがって、界面形
成後に、所定時間、所定温度で経過した後には、ヘテロ
界面はある程度の乱れを有するものとなる。

【００１２】図２（Ｂ）は、偏析の現象を示す。偏析
は、第１の組成の第１の半導体層６上に、第２の組成の
第２の半導体層７を成長しようとした場合、下に配置さ
れる第１の半導体層６の構成物質が表面側に移動する現
象を言う。

【００１３】第１の半導体層６と、第２の半導体層７の
構成物質の置換という点では拡散と同様であるが、偏析
は、成長原子層とその直下の層との間に優先的に生じる
点が異なっている。

【００１４】すなわち、第１の半導体層６の上に、第２
の半導体層７を単原子層成長した時点においては、第２
の半導体層７は、下側にのみ隣接原子を有し、上側には
隣接原子を有さない。したがって、偏析は移動しやすい
第２の半導体層の構成原子を取り込むことによって行な
われる。

【００１５】したがって、偏析の活性化エネルギは、拡
散の活性化エネルギよりも一般的に低く、偏析は拡散よ
りも生じやすい。本発明の目的は、偏析を有効に低減す
ることのできる半導体結晶の成長方法を提供することで
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体結晶の成
長方法は、第１の半導体層上に少なくとも組成が一部異
なる第２の半導体層を成長する半導体結晶の成長方法で
あって、前記第１の半導体層表面に該第１の半導体層を
構成する元素よりも偏析しやすい水素原子を供給し、前
記第１の半導体層の表面をほぼ均一な水素原子層で覆う
工程と、前記水素原子の供給を維持しつつ、第２の半導
体層の原料を供給し、前記水素原子の偏析によって前記
第１の半導体層表面に前記第２の半導体層をほぼ２原子
層になるまで成長させる工程と、前記水素原子の供給を
止めて、引き続き前記第２の半導体層の成長を行う工程
とを有することを特徴とする。

【００１７】

【作用】水素原子層で覆われた第１の半導体層の上に、
第２の半導体層の原料を供給すると、第２の半導体層の
原料は水素原子層の下に入り込んで、第１の半導体層上
に第２の半導体層を成長させる。

【００１８】この第２の半導体層は、水素原子層で覆わ
れるため、最上原子層とはならない。したがって、第１
の半導体層と第２の半導体層の間での偏析が防止でき
る。さらに、第２の半導体層の原料を供給することによ
り、第２の半導体層がほぼ２原子層となれば、水素原子
層を取り去っても偏析が防止できる。

【００１９】

【実施例】本発明は、水素が極めて偏析しやすい元素で
ある事実に基づいてなされたものである。図１は、本発
明の基本的実施例による半導体結晶の成長方法を説明す
るための概略図である。

【００２０】図１（Ａ）に示すように、まず第１の半導
体層１の成長を行なう。次に、図１（Ｂ）に示すよう
に、第１の半導体層１の表面にほぼ均一な分布を有する
水素原子層３を形成する。

【００２１】水素原子は、下地半導体表面に優先的に吸
着し、既に水素が吸着した表面にはあまり吸着しないの
で、単原子層の水素層が形成される。なお、ここで単原
子層の水素原子層が形成される場合を説明するが、必ず
しも水素原子層は完全に単原子層形成される必要はな
い。第１の半導体層１の全表面をほぼ均一に覆う水素原
子層が形成されれば、第１の半導体層上の水素原子層の
機能は発揮される。たとえば、下地表面となる第１の半
導体層の表面の約５０％がほぼ均一な水素原子層によっ
て覆われれば、ほぼ均一な水素原子層が形成されたとい
える。

【００２２】図１（Ｃ）に示すように、単原子層の水素
原子層３を形成した第１の半導体層１の上から、第２の
半導体層の構成分子を供給する。第２の半導体層の構成
分子が、水素原子層３上に堆積しても、水素原子は極め
て偏析しやすいため、水素原子が表面に移動し、堆積し
た第２の半導体層の構成分子は、第１の半導体層１の上
に移動する。

【００２３】このようにして、水素原子層３はあたかも
フィルタのように振る舞い、上方から供給する第２の半
導体層の構成原子は、第１の半導体層の表面上に堆積さ
れる。

【００２４】この現象は、水素原子層３が表面を覆って
いる間は連続的に継続し、表面側から供給される第２の
半導体層２の構成原子は、水素原子層３を通って図１
（Ｄ）に示すように、第２の半導体層２を成長させる。

【００２５】第２の半導体層２が２原子層以上成長する
と、界面における第１の半導体層１の構成原子と、第２
の半導体層２の構成原子とは、互いに２原子層以上の背
景を有して対面する。したがって、界面で互いに接する
原子の相互置換が生じても、その現象は偏析ではなく、
拡散となる。

【００２６】なお、ここで第２の半導体層が２原子層の
場合を説明したが、必ずしも完全な２原子層が形成され
る必要はない。１層目の第２の半導体層の全表面をほぼ
均一に覆う第２の半導体層が形成されれば、表面は安定
化される。

【００２７】たとえば、１層目の第２の半導体層の表面
の約５０％がほぼ均一な第２の半導体層によって覆われ
れば、水素原子層を取り去っても偏析が有効に防止でき
る。この場合、約１．５原子層であるが、機能的にほぼ
２原子層と考えることができる。

【００２８】その後は、図１（Ｅ）に示すように、水素
原子層３を消滅させても界面での偏析は生じない。表面
で偏析が生じても、同一物質であるので組成プロファイ
ルのだれは生じない。

【００２９】拡散の活性化エネルギは、偏析の活性化エ
ネルギより高いので、原子移動は制限される。このよう
にして、偏析が有効に防止され、シャープに界面が実現
される。

【００３０】図３は、本発明の実施例に用いるＭＢＥ装
置の構成を示す。図中１１は、超高真空チャンバであ
り、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ２２により、真空
排気される。半導体基板１２は、基板ホルダ１３上に載
置され、基板加熱ヒータ１４により加熱される。

【００３１】超高真空チャンバ１１には、複数の金属ソ
ース用クヌードセン（Ｋ）セル１６が配置されている。
また、各Ｋセル１６前面には、シャッタ１５が配置さ
れ、Ｋセルから発射される原料分子を遮断する。

【００３２】ラジカルビームセル２１は、流量制御装置
２０を介して水素を充填したガスボンベ１９に接続され
ている。ラジカルビームセル２１には１３．５６ＭＨｚ
の高周波電源等が接続され、水素ガスをプラズマ化して
水素ラジカルを発生させる。発生した水素ラジカルは、
水素ラジカルビームとなって基板１２上に照射される。

【００３３】材料ビームのオン／オフは、シャッタ１５
の開閉で行なうことができる。各半導体層の成長に必要
な材料の組み合わせは、シャッタ１５の開閉によって行
なわれ、基板１２の上に所望組成の物質の堆積が行なわ
れる。なお、図中、液体窒素シュラウド１７は、超高真
空チャンバ１１の内面を覆い、付着物の再蒸発等を防止
する。

【００３４】水素ラジカルの代わりに水素分子を用いて
もよい。ただし、水素分子の場合は、表面に水素分子の
形で付着した後、水素原子の形に変換されてから表面を
終端化する。したがって、水素分子より水素ラジカルを
供給する方が終端化の効率が高い。

【００３５】図４は、本発明の実施例により第１の半導
体材料の層の上に、第２の半導体材料の層を連続的に成
長する場合の原料供給タイミングを示す。第１の半導体
の材料の供給が終了し、ある時間をおいた後、第２の半
導体の材料の供給が開始する。ここで、第１の半導体の
材料の供給が終了する前に、水素の供給が始まり、第２
の半導体の材料の供給が開始した後に、水素の供給が終
了する。

【００３６】第１の半導体の材料の供給が終了する前に
水素が供給される時間をτ１とし、原料の供給がなされ
ず、水素のみが供給される時間をτ２とし、第２の半導
体の材料の供給と水素の供給が行なわれる時間をτ３と
する。

【００３７】τ１は、第１の半導体材料の最上層が、Ｖ
族元素やＶＩ族元素のように蒸気圧の高い材料である場
合、表面を水素原子層で覆ってＶ族またはＶＩ族元素の
再蒸発を防止するためのものである。第１の半導体材料
の層の最上層が蒸気圧の低い材料である場合は省略する
こともできる。

【００３８】τ２は、第２の半導体の材料が飛来する前
に、第１の半導体層の表面を水素で覆うための時間であ
る。τ１を設けた場合は、τ１とτ２の両時間で第１の
半導体層の表面が水素で覆われればよい。

【００３９】なお、第１の半導体層の表面が水素原子層
で完全に覆われることが好ましいが、ほぼ均一に覆われ
れば、水素被覆の効果は生じる。たとえば、全表面の１
／２に相当する水素原子層が形成されればよい。

【００４０】τ３は、第２の半導体層が１．５原子層、
好ましくは２原子層成長するまでその表面を水素原子層
で覆うためのものである。第２の半導体の材料が最上層
となり、その下の層が第１の半導体の材料となる状態を
防止するためである。

【００４１】以下、より具体的な実施例について説明す
る。第１の半導体をＧｅとし、第２の半導体をＧａＡｓ
とする。Ｇｅ、Ｇａ、ＡｓをそれぞれＫセルに充填し、
各Ｋセルの温度を１２００℃、１０００℃、２００℃と
する。この時、Ｇｅの成長速度は、たとえば０．５μｍ
／ｈ、ＧａＡｓの成長速度は０．８μｍ／ｈである。

【００４２】Ｇｅ基板を成長室に導入し、ターボ分子ポ
ンプで成長室を排気する。Ｇｅ基板を６００℃に加熱
し、自然酸化膜を除去する。その後、基板温度を２００
℃に降下させ、まずＧｅ層を厚さ３０００Å成長し、そ
の上にＧａＡｓ層を２０００Å成長する。

【００４３】従来技術により水素供給なしで成長した試
料の各原子濃度の深さ方向プロファイルは、図５（Ａ）
のようになる。Ｇｅ原子はＧａＡｓ層中に偏析するた
め、Ｇｅの供給を断っているのにもかかわらず、その上
に成長したＧａＡｓ層の内部に深くＧｅが存在してい
る。

【００４４】本実施例では、Ｇｅ基板を成長室に導入
し、６００℃に加熱して自然酸化膜を除去した後、基板
温度を２００℃に降下し、Ｇｅ層を約３０００Å成長す
る。ここで、Ｇｅ用のＫセルのシャッタを閉じ、１０秒
後に水素ラジカルビームを照射する。

【００４５】水素流量は、１０ｓｃｃｍとし、１３．５
ＭＨｚ、４００Ｗの高周波電源により水素プラズマを生
成させ、ラジカルビームセル内で水素ラジカルを発生さ
せ、Ｇｅ基板上に照射する。

【００４６】１０秒（τ２）間水素ラジカルビームを照
射した後、水素ラジカルビームを照射しながら、Ａｓ用
Ｋセルのシャッタを開き、１０秒後、Ｇａ用Ｋセルのシ
ャッタを開く。２５秒（τ３）間この状態で成長を行な
った後、水素ラジカルビームを停止する。

【００４７】Ｇｅ層の上に水素原子層が形成された後
に、ＧａＡｓが供給されるため、ＧａＡｓは水素原子層
の下に潜り込んでＧｅ層上にエピタキシャル成長する。
この際、Ｇｅ原子は水素原子よりも偏析する力が弱いた
め、Ｇｅの偏析はほんど生じない。水素原子は偏析する
力が強いため、ＧａＡｓの結晶成長が始まっても、常に
偏析によって表面に移動する。

【００４８】このため、Ｇｅの偏析が防止され、図５
（Ｂ）に示すような各原子濃度の深さ方向プロファイル
が得られる。ＧａＡｓの結晶成長をＡｓから始めたが、
Ｇａから始めることもできる。この場合は、１０秒間水
素ラジカルビームを照射した後、水素ラジカルビームを
照射しながらＧａ用Ｋセルのシャッタを開き、Ｇａ１原
子層を成長した後、すなわち１．３秒後Ａｓのシャッタ
を開けばよい。

【００４９】次に、ＧａＡｓ層の上にＧｅ層を成長する
実施例を説明する。ＧａＡｓは、ＩＩＩ族原子であるＧ
ａの蒸気圧は比較的低いが、Ｖ族元素であるＡｓの蒸気
圧は高い。

【００５０】したがって、特にＡｓ層で成長を停止する
場合は、Ａｓの再蒸発によって原子層が乱れることを防
止することが望ましい。このために、τ１を利用するこ
とができる。

【００５１】まず、ＧａＡｓ基板を成長室に導入し、超
高真空に排気した後、Ａｓを照射しながら６００℃に加
熱し、自然酸化膜を除去する。基板温度を６００℃に保
ってＧａＡｓ層を約３０００Å成長する。成長終了時に
は、まずＧａ用Ｋセルのシャッタを閉じ、同時に水素ラ
ジカルビームの照射を開始する。１０秒（τ１）後にＡ
ｓ用Ｋセルのシャッタを閉じる。

【００５２】１０秒（τ２）間連続的に水素ラジカルビ
ームを照射した後、水素ラジカルビームを照射を続けな
がら、Ｇｅ用Ｋセルのシャッタを開く。２５秒（τ３）
間この状態で成長を行なった後、水素ラジカルビームを
止める。たとえば厚さ約２０００ÅのＧｅ層を成長す
る。

【００５３】ＧａＡｓ層の成長をＡｓ面で終了させた
が、Ｇａ面で終了させることもできる。この場合は、水
素ラジカルビームを照射して１０秒後Ａｓ用Ｋセルのシ
ャッタを閉じ、Ｇａ１原子層を成長した後、すなわち
１．３秒後Ｇａ用Ｋセルのシャッタを閉じる。

【００５４】ＧａＡｓ層の結晶成長が終了する時点で、
その表面は水素原子層によって覆われるため、次にＧｅ
層を成長する際に、ＧａＡｓが偏析することが防止され
る。Ｇｅは水素原子層の下に潜り混んで、ＧａＡｓ層上
に成長する。このため、図５（Ｃ）に示すような原子濃
度の深さ方向プロファイルが得られる。

【００５５】以上、Ｇｅ層とＧａＡｓ層を連続的に成長
する場合を説明したが、第１の半導体および第２の半導
体として他の半導体を成長することもできる。また、母
体が同一でも不純物または不純物濃度が異なる層を成長
することもできる。

【００５６】高不純物濃度の層の上に低不純物濃度の層
を成長させたい場合、偏析が生じて低不純物濃度である
べき領域が高不純物濃度となってしまうと、所望の半導
体装置の性能が得られなくなる。

【００５７】ＧａＡｓ層中にＳｎをドーピングした領域
を埋め込む場合を説明する。ノンドープＧａＡｓ層を、
まず３０００Å成長し、その上に１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳ
ｎをドープしたＧａＡｓ層を１００Å成長し、その表面
上にさらにノンドープＧａＡｓ層を約２０００Å成長す
る。

【００５８】これらの各層を従来技術によりそのまま成
長した場合、図６（Ａ）に示すようにＧａＡｓ層中のＳ
ｎ濃度は表面側に尾を引いたプロファイルとなる。本実
施例においては、ＧａＡｓ基板を成長室に導入し、Ａｓ
を照射しながら６００℃に加熱して自然酸化膜を除去す
る。その後、基板温度を５５０℃に設定し、ノンドープ
ＧａＡｓ層を約３０００Å成長する。

【００５９】Ｓｎドープ層を形成するために、Ｓｎを照
射する１０秒（τ１）前から水素ラジカルビームを照射
する。水素ラジカルビームを照射しつつ（τ２）、Ｓｎ
を照射してＳｎドープ領域を１００Å形成し、Ｓｎ照射
を停止する。

【００６０】Ｓｎ照射後も水素ラジカルビームは照射
し、ＧａＡｓ層の成長は続ける。Ｓｎ照射停止後、２５
秒（τ３）後に水素ラジカルビームを停止する。本実施
例においては、ＳｎドープＧａＡｓ層を成長している間
は、成長層の最表面は水素原子層で覆われる。このた
め、Ｓｎが偏析することが防止され、シャープな不純物
分布が得られる。

【００６１】このように、結晶成長中、結晶成長面を水
素原子層で覆うことにより、偏析を防止して原子濃度プ
ロファイルが急激に変化する界面を形成することができ
る。界面はヘテロ接合の場合と不純物ドープ領域の界面
の場合を含む。

【００６２】このような急峻な界面を有する半導体積層
は、種々の半導体装置に用いることができる。たとえ
ば、高電子移動度トランジスタ、特に相補型高電子移動
度トランジスタ、ヘテロバイポーラトランジスタ等に利
用することができる。

【００６３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
偏析を防止した結晶成長を行なうことができるため、原
子濃度分布が急峻に変化する積層構造を得ることができ
る。このため、良好な特性を有するヘテロ接合やドーピ
ング領域を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するための概念図であ
る。

【図２】拡散と偏析を説明するための概念図である。

【図３】本発明の実施例に用いる分子線エピタキシ装置
の概略断面図である。

【図４】本発明の実施例における原料供給タイミングを
示すタイミングチャートである。

【図５】本発明の実施例による組成分布を示すグラフで
ある。

【図６】本発明の実施例による組成（不純物）分布を示
すグラフである。

【符号の説明】

１ 第１の半導体層 ２ 第２の半導体層 ３ 水素原子層 ６ 第１の半導体層 ７ 第２の半導体層 ８ 界面 １１ 超高真空チャンバ １２ 基板 １３ 基板ホルダ １４ 基板加熱ヒータ １５ シャッタ １６ Ｋセル １７ 液体窒素シュラウド １９ 水素ボンベ ２０ 流量制御装置 ２１ ラジカルビームセル ２２ ターボ分子ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/203,21/205,21/363 C30B 23/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の半導体層上に少なくとも組成が一
   部異なる第２の半導体層を成長する半導体結晶の成長方
   法であって、 前記第１の半導体層表面に該第１の半導体層を構成する
   元素よりも偏析しやすい水素原子を供給し、前記第１の
   半導体層の表面をほぼ均一な水素原子層で覆う工程と、 前記水素原子の供給を維持しつつ、第２の半導体層の原
   料を供給し、前記水素原子の偏析によって前記第１の半
   導体層表面に前記第２の半導体層をほぼ２原子層になる
   まで成長させる工程と、 前記水素原子の供給を止めて、引き続き前記第２の半導
   体層の成長を行う工程とを有することを特徴とする半導
   体結晶の成長方法。
2. 【請求項２】 前記第１の半導体層の成長が終了する前
   から前記水素原子の供給を開始することを特徴とする請
   求項１に記載の半導体結晶の成長方法。