JP3124616B2 - 化合物半導体薄膜の成長方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体薄膜の成
長方法に係り、詳しくは、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ等の３
−５族化合物半導体薄膜を堆積させる方法に適用するこ
とができ、特に、Ｓｉ基板上にＧａＡｓヘテロエピタキ
シャル層を堆積させる際、層中に転位を発生し難くする
ことができるとともに、表面平坦性を向上させることが
できる化合物半導体薄膜の成長方法に関する。

【０００２】近年、高集積３−５族化合物半導体集積回
路の市場拡大に伴い、その生産性を向上させるために大
口径基板が必要となってきている。しかしながら、３−
５族化合物半導体では、破れ易くまた、大きな結晶が得
られ難いために大口径基板を形成し難いという欠点を有
する。そこで、Ｓｉ基板上に３−５族化合物半導体をヘ
テロエピタキシャル成長させ、これを３−５族化合物半
導体基板として用いる方法が開発されている。

【０００３】

【従来の技術】従来、Ｓｉ基板上への３−５族化合物半
導体薄膜の成長方法においては、ＧａＡｓとＳｉとでは
格子定数が異なり、直接Ｓｉ基板上へＧａＡｓをヘテロ
エピタキシャル成長させることは非常に困難である。そ
こで、まず、Ｓｉ基板上に特殊な成長初期層を堆積さ
せ、この成長初期層上に３−５族化合物半導体ヘテロエ
ピタキシャル層を堆積させる方法が知られている。

【０００４】これについては、例えば工業技術院長、秋
山他、特願昭５９−１９６７２号で報告されたものがあ
り、ここでは、Ｓｉ基板上に低温でアモルファス状態
に近いＧａＡｓ層を堆積させ、この堆積されたＧａＡｓ
層上に高温でＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を成長さ
せる方法が採られている。また、名古屋工業大学長、梅
野他、特願昭６０−１９５６２８号、 T.Soga, S.Hatto
ri, S.Sakai, M.Takeyasu, and M.Umeno、Electro. Let
t. 25 25th Oct.1984, Vol.20. pp916-918 で報告され
たものや、住友金属、柴田、藤田、特願平１−２６９５
３８号でも報告されたものがあり、ここでは、Ｇａ
Ｐ、ＡｌＰ等のＳｉと比較的格子定数が近い３−５族化
合物半導体層をＳｉ基板上にヘテロエピタキシャル成長
させ、この成長された３−５族化合物半導体層上にＧａ
Ａｓヘテロエピタキシャル層を成長させる方法が採られ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したの従来の化
合物半導体薄膜の成長方法では、予めＳｉ基板上に形成
されたアモルファス状態のＧａＡｓ層上にＧａＡｓヘテ
ロエピタキシャル層を成長させていたため、ＧａＡｓヘ
テロエピタキシャル層を成長させる段階で結晶化してし
まい、この結晶化の際にＧａＡｓヘテロエピタキシャル
層中に転位が多数発生してしまうという問題があった。
この転位は、ＧａＡｓの格子定数がＳｉの格子定数とは
著しく異なるために生じているものと推定される。

【０００６】次に、上記したの従来の化合物半導体薄
膜の成長方法では、リンの原料として一般にＰＨ₃ を用
いており、このＰＨ₃ は高温でしか分解しないため、Ａ
ｌＰ、ＧａＰ等のＳｉと比較的格子定数が近い３−５族
化合物半導体層を成長させるために 650℃以上という高
温での成長が必要であった。このように高温でＳｉ基板
上にＡｌＰ、ＧａＰを成長させると、堆積されたＧａ
Ｐ、ＡｌＰは表面で島状となってしまい、このように表
面が島状になった状態でＧａＡｓヘテロエピタキシャル
層を堆積させると、ＧａＡｓヘテロエピタキシャル層中
に多数の転位が発生してしまううえ、ＧａＡｓヘテロエ
ピタキシャル層表面の平坦性も悪くなってしまうという
問題があった。

【０００７】そこで本発明は、Ｓｉ基板上にＧａＡｓヘ
テロエピタキシャル層を堆積させる際、層中に転位を発
生し難くすることができるとともに、表面平坦性を向上
させることができる化合物半導体薄膜の成長方法を提供
することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による化合物半導
体薄膜の成長方法は上記目的達成のため、有機リン原料
を用いた成長法によりシリコン基板上にリン含有の第１
の３−５族化合物半導体薄膜を堆積させた後、該リン含
有の第１の３−５族化合物半導体薄膜上に第２の３−５
族化合物半導体薄膜を堆積させるものである。

【０００９】本発明においては、前記リン含有の第１の
３−５該化合物半導体薄膜を成長させる際の基板温度
は、３００℃以上５００℃以下である場合が好ましく、
このように基板温度の下限として３００℃が好ましいの
は、３００℃より低温にすると、成長速度が著しく低下
してしまい実用上好ましくないからであり、また、成長
温度の上限として 500℃が好ましいのは、 500℃より高
温にすると、成長速度は速くなるが島状の成長が促進さ
れて、表面平坦性が著しく悪くなってしまい実用上好ま
しくないからである。

【００１０】本発明においては、前記リン含有の第１の
３−５族化合物半導体薄膜と前記第２の３−５族化合物
半導体薄膜との間に、両半導体の格子不整合に起因する
歪を緩和させるための歪緩和層を堆積させる場合であっ
てもよく、この場合、第１、２の３−５族化合物半導体
間での格子不整合に起因する歪を効率良く緩和すること
ができ、歪緩和層を堆積しない場合よりも第２の３−５
族化合物半導体薄膜を更に安定した状態で堆積すること
ができ好ましい。

【００１１】なお、この歪緩和層には、第３の３−５族
化合物半導体薄膜、多層膜、超格子層等が挙げられる。
本発明においては、前記第１、第３の３−５族化合物半
導体としては、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＰＡ
ｓ、ＧａＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰの内いずれか１種であ
る場合に好ましく適用させることができ、また、前記第
１の３−５族化合物半導体薄膜を成長させる際の有機リ
ン原料としては、ＰＨ₃ よりも低温で分解可能なｔ−Ｂ
ｕＰＨ₂ 等の有機フォスフィンが好ましく適用させるこ
とができる。

【００１２】

【作用】本発明では、ｔ−ＢｕＰＨ₂ 等の有機リン原料
を用いて低温（ 500℃以下) でＧａＰ、ＡｌＰ等のリン
含有３−５族化合物半導体薄膜をＳｉ基板上に予め堆積
させた後、このＧａＰ、ＡｌＰ等のリン含有３−５族化
合物半導体薄膜上にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を
成長させるようにしている。このように、Ｓｉ基板上に
低温でＧａＰ、ＡｌＰ等のリン含有３−５族化合物半導
体薄膜を堆積させているため、島状成長がおこりにくく
表面が平坦なリン含有３−５族化合物半導体薄膜を堆積
させることができる。そして、ＧａＡｓヘテロエピタキ
シャル層と物理的、化学的性質が近く、しかも表面が平
坦な状態で形成されたリン含有３−５族化合物半導体薄
膜上にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を形成したた
め、上記した従来の場合よりもＧａＡｓヘテロエピタキ
シャル層中の転位を減少させることができるとともに、
ＧａＡｓヘテロエピタキシャル層表面も平坦化すること
ができる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）反応管中へＨ₂ を12 slm導入するととも
に、ＡｓＨ₃ を34sccm導入し、Ｓｉ基板を1000℃で10分
間加熱した。なお、以後の工程においては、Ｈ₂ 流量と
反応圧力は変えずに一定で行った。次いで、基板温度を
400〜 500℃という低温にまで降温させ、ｔ−ＢｕＰＨ
₂ を0.2 〜２ slm導入するとともに、ＴＭＡ(trimethyl
allminum) を 1.5〜 5.0sccm導入してＡｌＰ層を５〜20
nmの膜厚でＳｉ基板上に堆積させた。そして、ＭＯＣＶ
Ｄ法を用い、基板を 650℃に加熱し、ＡｓＨ₃ を137scc
m導入するとともに、ＴＭＧ(trimethylgalliumm) を 2.
5sccm導入してＡｌＰ層上にＧａＡｓヘテロエピタキシ
ャル層を３μｍの膜厚で成長させた。

【００１４】このように本実施例では、ＰＨ₃ よりも低
温で分解可能なｔ−ＢｕＰＨ₂ という有機リン原料を用
いて 400〜 500℃という低温でＡｌＰ層をＳｉ基板上に
予め堆積させた後、このＡｌＰ層上にＧａＡｓヘテロエ
ピタキシャル層を成長させるようにしている。このよう
に、Ｓｉ基板上に低温でＡｌＰ層を堆積させているた
め、表面が平坦なＡｌＰ層を堆積させることができる。
そして、ＧａＡｓヘトロエピタキシャル層と格子定数が
近く、しかも表面が平坦な状態で形成されたＡｌＰ層上
にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を形成したため、Ｇ
ａＡｓヘテロエピタキシャル層中の転位を減少させるこ
とができるとともに、ＧａＡｓヘテロエピタキシャル層
表面も平坦化することができる。

【００１５】次に、図１は実施例１と比較例に則したＧ
ａＡｓヘテロエピタキシャル層の結晶性（Ｘ線２結晶法
による（ 400）ピーク半値幅) とＡｌＰ堆積温度との関
係を示す図である。比較例のアモルファス状態のＧａＡ
ｓ層上にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を形成する場
合では、Ｘ線の半値幅が450 ℃以上で 250秒以上もあり
ＧａＡｓヘテロエピタキシャル層の結晶性が著しく劣化
しているのに対し、本実施例ではＸ線の半値幅が450℃
以下で 250よりも小さくＧａＡｓヘテロエピタキシャル
層の結晶性が著しく改善されていることが判った。ま
た、本実施例と比較例のＧａＡｓヘテロエピタキシャル
層表面を顕微鏡で観察したところ、本実施例では、比較
例よりも表面平坦性が著しく向上しているのが判った。 （実施例２）本実施例は、Ｓｉ基板上にＧａＰ層を形成
した後、ＧａＰ層上にＧａＡｓエピタキシャル層を形成
する場合である。まず、反応管中へＨ₂ を12 slm導入す
るとともに、ＡｓＨ₃ を34sccm導入し、Ｓｉ基板を1000
℃で10分間加熱した。なお、以後の工程においては、Ｈ
₂ 流量と反応管圧力は変えずに一定で行った。次いで、
基板温度を 400〜 500℃という低温にまで降温させ、ｔ
−ＢｕＰＨ₂ を 0.2〜2 slm導入するとともに、ＴＭＧ
を 1.5〜 5.0sccm導入してＧａＰ層を５〜20nm堆積させ
た。そして、基板を 650℃に加熱し、ＡｓＨ₃ を 137sc
cm導入するとともに、ＴＭＧを 2.5sccm導入してＧａＰ
層上にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を３μｍの膜厚
で成長させた。

【００１６】すなわち本実施例では、実施例１と同様の
効果を得ることができ、即ちＰＨ₃よりも低温で分解可
能なｔ−ＢｕＰＨ₂ という有機リン原料を用いて 400〜
500℃という低温でＧａＰ層をＳｉ基板上に予め堆積さ
せた後、このＧａＰ層上にＧａＡｓヘテロエピタキシャ
ル層を成長させるようにしている。このように、Ｓｉ基
板上に低温でＧａＰ層を堆積させているため、表面が平
坦なＧａＰ層を堆積させることができる。そして、Ｇａ
Ａｓヘテロエピタキシャル層と化学的、物理的性質が近
く、しかも表面が平坦な状態で形成されたＧａＰ層上に
ＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を形成したため、Ｇａ
Ａｓヘテロエピタキシャル層中の転位を減少させること
ができるとともに、ＧａＡｓヘテロエピタキシャル層表
面も平坦化することができる。 （実施例３）本実施例は、Ｓｉ基板上にＡｌＰ層を形成
し、ＡｌＰ層上にＧａＡｓＰ層を形成した後、ＧａＡｓ
Ｐ層上にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を形成する場
合である。まず、反応管中へＨ₃ を12 slm導入するとと
もに、ＡｓＨ₃ を34sccm導入し、Ｓｉ基板を1000℃で10
分間加熱した。なお、以後の工程においては、Ｈ₃ 流量
と反応管圧力は変えずに一定で行なった。次いで、基板
温度を 400〜 500℃という低温にまで降温させ、ｔ−Ｂ
ｕＰＨ₂ を 0.2〜 2 slm導入するとともに、ＴＭＡを
1.5〜 5.0sccm導入してＡｌＰ層を５〜20nmの膜厚でＳ
ｉ基板上に堆積させた。次いで、基板を 650℃に加熱
し、ＡｓＨ₃ を27sccm導入するとともに、ｔ−ＢｕＰＨ
₃ を110sccm 導入し、更にＴＭＧを1.25sccm導入して、
ＧａＡｓ_0.5Ｐ_0.5 を100 nmの膜厚でＡｌＰ層上に成長
させた。そして、ＡｓＨ₃ を 137sccm導入するととも
に、ＴＭＧを 2.5sccm導入してＧａＡｓヘテロエピタキ
シャル層を３μｍの膜厚でＧａＡｓＰ層上に成長させ
た。

【００１７】本実施例では、ｔ−ＢｕＰＨ₂ という有機
リン原料を用いて 400〜 500℃という低温でＳｉ基板上
にＡｌＰ層を堆積し、ＡｌＰ層上にＧａＡｓＰ層を堆積
した後、ＧａＡｓＰ層上にＧａＡｓヘテロエピタキシャ
ル層を成長させるようにしている。このように、Ｓｉ基
板上に低温でＡｌＰ層を堆積させているため、表面が平
坦なＡｌＰ層を堆積させることができる。次いで、表面
が平坦な状態で形成されたＡｌＰ層上にＧａＡｓＰ層を
形成したため、表面が平坦なＧａＡｓＰ層を形成するこ
とができる。そして、ＡｌＰ、ＧａＰのみの場合よりも
ＧａＡｓと格子定数が近く、しかも表面が平坦な状態で
形成されたＧａＡｓＰ層上にＧａＡｓヘテロエピタキシ
ャル層を形成したため、ＡｌＰ、ＧａＰのみの場合より
もＧａＡｓヘテロエピタキシャル層中に転位を更に減少
させることができるとともに、ＧａＡｓヘテロエピタキ
シャル層表面も更に平坦化することができる。 （実施例４）本実施例は、Ｓｉ基板上にＡｌＰ層を形成
した後、ＡｌＰ層上にＧａＡｓ層／ＧａＡｓＰ層からな
る超格子層を形成した後、超格子層上にＧａＡｓヘテロ
エピタキシャル層を形成する場合である。まず、反応管
中へＨ₂ を12 slm導入するとともに、ＡｓＨ₃ を34sccm
導入し、Ｓｉ基板を1000℃で10分間加熱した。なお、以
後の工程においては、Ｈ₂ 流量と反応管圧力は変えずに
一定で行った。次いで、基板温度を 400〜 500℃という
低温にまで降温させ、ｔ−ＢｕＰＨ₂ を 0.2〜2 slm導
入するとともに、ＴＭＧを 1.5〜 5.0sccm導入してＡｌ
Ｐ層を５〜20nmの膜厚でＳｉ基板上に堆積させた。次い
で、基板を 650℃に加熱し、ＧａＡｓ層（10nm）／Ｇａ
Ａｓ 0.5Ｐ 0.5 (10nm) を１周期として５周期からなる
超格子層をＡｌＰ層上に成長させた。この時、ＧａＡｓ
層の成長ではＡｓＨ₃ を 137sccm導入するとともに、Ｔ
ＭＧを 2.5sccm導入し、ＧａＡｓＰの成長ではＡｓＨ₃
を27sccm導入するとともに、ｔ−ＢｕＰＨ₂ を 110sccm
導入し、更にＴＭＧを1.25sccm導入した。そして、Ａｓ
Ｈ₃ を 137sccm導入するとともに、ＴＭＧを 2.5sccm導
入してＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を３μｍの膜厚
で超格子層上に成長させた。

【００１８】本実施例では、ｔ−ＢｕＰＨ₂ という有機
リン原料を用いて 400〜 500℃という低温でＳｉ基板上
にＡｌＰ層を形成し堆積し、ＡｌＰ層上にＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓＰからなる超格子層を成長させた後、この超格子
層上にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を成長させるよ
うにしている。このように、Ｓｉ基板上に低温でＡｌＰ
層を堆積させているため、表面が平坦なＡｌＰ層を堆積
させることができる。次いで、表面が平坦な状態で形成
されたＡｌＰ層上に超格子層を形成したため、表面が平
坦な超格子層を形成することができる。そして、Ａｌ
Ｐ、ＧａＰのみの場合及びＧａＡｓＰを介する場合より
も格子定数が近く、しかも表面が平坦な状態で形成され
た超格子層上にＧａＡｓヘテロエピタキシャル層を形成
したため、ＡｌＰ、ＧａＰのみの場合及びＧａＡｓＰを
介する場合よりもＧａＡｓヘテロエピタキシャル層中に
転位を更に減少させることができるとともに、ＧａＡｓ
ヘテロエピタキシャル層表面も更に平坦化することがで
きる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ
ヘテロエピタキシャル層を堆積させる際、層中に転位を
発生し難くすることができるとともに、表面平坦性を向
上させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１と比較例に則したＧａＡｓヘテロエピ
タキシャル層の結晶性とＡｌＰ堆積温度との関係を示す
図である。

【符号の説明】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−58614（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−265122（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−290925（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−125612（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−89306（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−201425（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−303163（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−186415（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機リン原料を用いた成長法によりシリ
   コン基板上にリン含有の第１の３−５族化合物半導体薄
   膜を堆積させた後、該リン含有の第１の３−５族化合物
   半導体薄膜上に第２の３−５族化合物半導体薄膜を堆積
   させることを特徴とする化合物半導体薄膜の成長方法。
2. 【請求項２】前記リン含有の第１の３−５該化合物半導
   体薄膜を成長させる際の基板温度は、３００℃以上５０
   ０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の化合物
   半導体薄膜の成長方法。
3. 【請求項３】 前記リン含有の第１の３−５族化合物半
   導体薄膜と前記第２の３−５族化合物半導体薄膜との間
   に、両半導体の格子不整合に起因する歪を緩和させるた
   めの歪緩和層を堆積させることを特徴とする請求項１乃
   至２記載の化合物半導体薄膜の成長方法。
4. 【請求項４】 前記第１、第３の３−５族化合物半導体
   は、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＰＡｓ、ＧａＰ
   Ａｓ、ＡｌＧａＡｓＰの内いずれか１種であることを特
   徴とする請求項１乃至３記載の化合物半導体薄膜の成長
   方法。
5. 【請求項５】 前記第１の３−５族化合物半導体薄膜を
   成長させる際の有機リン原料は、ｔ−ＢｕＰＨ₂ （tert
   iarybutaylphosphin）であることを特徴とする請求項１
   乃至４記載の化合物半導体薄膜の成長方法。