JPH01170015A - エピタキシャル成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は異種材料のエピタキシャル成長方法に係り、特
に格子定数差の大きい異種材料のエピタキシャル成長方
法に関する。

［従来の技術］ 従来の格子定数差の大きい異種材料のエビタキシャル成
長技術、極端にはアモルファス基板上への単結晶成長法
として、いわゆるグラフオエピタキシ技術が知られてい
る。また単結晶基板の上に格子定数差の大きい材料を単
結晶薄膜として成長させるいわゆる２段成長方法もある
。前者の方法は例えばクリスタルグロウス、６３巻、（
１９８３年）第５２７頁−５４６頁（Ｃｒａｓｔａｌ　
ｇｒｏｗｔｈ６３　（１９８３）５２７−５４６）に、
後者の方法は例えば応用物理学会、応用電子物性分科会
研実報告Ｎα４１５（昭和６１年９月１２日（金）第１
６頁−２１頁）において論じられている。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術のうち、グラフオエピタキシャル方法は基
板の格子定数に起因する問題から、開放いう されると、ユ坊メリットがあり、例えば極端にはガラス
質もしくはアモルファス質の基板の上にも単結晶材料を
成長することが出来るという特長がある。しかしながら
基板の格子定数を直接反映する形でエピタキシャル成長
する方式ではないので結晶方位の制御性は良いが、その
結晶性が良くないという問題があった。

またいわゆる二段成長方法によるヘテロエピタキシャル
成長は基板の格子定数との整合性を部分的には取りなが
ら成長するため、局所的には良好な結晶性が期待できる
。しかし局部整合したエピタキシャル部分間の整合につ
いては不十分であり、たとえ単一ドメイン構造となって
いても転位の発生が多く、実用上問題があった。

本発明の目的は上述した格子定数差の大きいヘテロエピ
タキシ層の結晶性を格段に向上させて実用に供するヘテ
ロ接合を形成することが可能なヘテロエピタキシャル法
を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、結晶方位の制御や、単結晶化に必要な一定
以上の面積笥囲にわたる原子配列の規則性の制御を基板
表面に微細な周期的凹凸や、周期的な化学修飾等を行う
ことにより達成される。

より詳細には、第１の格子定数を有する第１の結晶材料
上に第２の格子定数を有する第２の結晶材料を成長させ
るエピタキシャル成長方法であって、上記第１の結晶材
料の表面に上記第１の格子定数と上記第２の格子定数の
最小公倍数のほぼ整数倍に対応する周期構造を有するパ
ターンを形成する第１の工程と、上記パターンを設けた
上記第１の結晶材料上に上記第２の結晶材料を形成する
第２の工程とを有することを特徴とするエピタキシャル
成長方法を採用することにより達成される。

［作用］ 第１図の（ａ）および（ｂ）は本発明の原理をわかりや
すく説明するための模式図である。（ａ）の１は基板と
して用いる単結晶材料であり、２はその上にエピタキシ
ャル成長させた１とは異なる格子定数を持つ材料の格子
構造を示している。

（ｂ）はこれを連続体的に描いたもので、本発明は基板
１１に凹凸を着け、その上に２２の材料をエピタキシャ
ル成長をすることを示しており、（ａ）と全く同じもの
を表わしている。（ａ）で黒丸は１の材料の原子を、白
丸は２の材料の原子を現わしており、この場合材料１の
格子定数に対し材料２の格子定数は６１５倍である。そ
のため材料１のから見て６格子ごとにダングリングボン
ド３が発生し、格子定数によるミスマツチを消滅させて
いることがわかる。この様に基板に着ける凹凸の間隔は
各々の材料の格子定数の最小公倍数となっている。この
様に局所的には基板の格子を反映したエピタキシャル成
長をし、かつ各々の局所的なエピタキシャル部分間は凹
凸の周期によって規則的に配列されるため、エピタキシ
ャル層内へ深く拡がる転位等が発生せず、極めて良好な
エピタキシャル層が得られる。この様に本発明によれば
、基板とエピタキシャル成長させる両材料の格子定数の
最小公倍数に対応する周期構造を基板に有させることに
より、上述の如く極めて良行なヘテロ接合を形成するこ
とができる。

以下実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

［実施例１］ 第２図（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施例に係る工程概
略を説明するための図である。

図（ａ）に示すように通常の方法で単結晶Ｓｉ基板４の
上にＰＭＭＡ　（ポリーメチルメタクリレ−ト）５を厚
さ０．５μｍに回転塗布し、１７０’Ｃ２０分間のプリ
ベークを行なった。加速電圧３０ｋＶの可変矩形ビーム
型の電子線６を用いた描画装置によりパターンを描画し
た（図（ｂ））。

電子線照射量は３００μＣ／ａｔである。次に現像液と
してｔｐＡ（イソプロピルアルコール）を用い、３分間
静止現像することにより０．１９μｍラインアンド・ス
ペースパターンを得た（図（Ｃ））。

得られたパターンをマスクとして用い、５０ｍＴ　ｏｒ
ｒのＣＢｒＦ３プラズマ中で約１０分間ドライエツチン
グを行ないＳｔの表面に凹凸のパターン（段差０．０５
μｍ）形成を行なった。その後アセトンを用いてウェハ
を洗浄し、ＰＭＭＡを除去し、図（ｄ）の構造を得た。

この結果、Ｓｉ表面上に０．０５μｍの段差を有し、０
．１９μｍのラインアンドスペースはＳｉの格子間隔（
５，４３１人）とＧ　ａ　Ａ　ｓの格子間隔（５，６５
３人）との最小公倍数（１３５，８人）の１４倍の間隔
となっている。又、上記のラインアンドスペースを形成
する際、電子線描画以外のいかなる技術を用いても本発
明の有効性には変化はない。

得られたＳｉ基板（図（ｄ））に通常の分子線蒸着（Ｍ
ＢＦ）法、又は有機金属の熱分解による気相成長（ＭＯ
ＣＶＤ）法を用いてａａＡｓＲ４を成長した（図（ｅ）
）。

典形的な成長シーケンスは以下の通りである。

即ち、先ずＳｉ基板表面に清浄にする為に９００℃で熱
処理をする。次にＭＯＣＶＤ法ならば４００〜４５０℃
ＭＢＥ法ならば１５０〜４００℃の低い温度で２０ｎｍ
位の厚さの非晶質ＧａＡｓ層をＳｉ基板上に堆積する。

その後、成長を一時中断し基板温度を７００〜７５０℃
に上げ、２回目の成長を厚さ３００ｎｍだけ行なう。基
板温度が−ヒがると非晶質ＧａＡｓ層は単結晶化し、そ
の上に２回目に成長するＧａＡｓ層は単結晶となる。こ
れは２段成長法の典形的なシーケンスであるが、２段成
長法の代りにＧ　ａ　Ａ　ｓとＳｉ界面に系超格子を導
入する方法を用いても良い。

この様にして形成したＧａＡｓ結晶を電子顕微鏡を用い
て観察したところ、ＧａＡｓ中には１０ｆ１個／ｄ程度
の格子欠陥が含まれている事がわかった。

この値は通常の平滑なＳｉ基板表面上に形成したＧ　ａ
　Ａ　ｓ中に残存する格子欠陥（１０７個／ａＪ）に比
して約１指低い値となっており、即ち本発明の有効性が
わかる。

［実施例２］ 次に８１表面の凹凸の周期を狭め０．０５４μｍ、即ち
ＳｉとＧａＡｓの格子間隔の最小公倍数の４倍−８００
（東京応化１）を厚さ０．４　μｍに回転塗布し、１８
０℃１ｏ分間のプリベークを行なう。

その上面にＰＭＭＡ　（ポリ−メチルメタクリレート）
を厚さ０．１５μｍに回転塗布し、１７０℃２０分間の
プリベークを行なう。そして加速電圧３０ｋＶの可変矩
形ビーム型の電子線描画装置を用いてパターンを描画す
る。ここで電子線照射量は３００μＣ／−である、現像
液としてはＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を用い、
１分間静止現像することで０．０５４μｍラインアンド
スペースパターンを得た。そしてＳ　ＯＧ　（Ｓ　ｐｉ
ｎ−ｏｎ−Ｇ　１ａｓｓ）厚さ０．２μイ回転塗布して
パターン段差を平坦化する。次に１００　ｍＴｏｒｒＣ
ＨＦ３プラズマ中で２０分間ドライエツチングし、Ｓｏ
ＧをＰＭＭＡ表面が露出するまでエッチバックする。

そして１００Ｔｏｒｒの０□プラズマ中において反応性
イオンエツチングすることでＰＭＭＡ及びＯＦ１１ｉ）
Ｒ−８００を異方性エツチングする。ここでＳＯＧが残
った部分、即ち電子線描画によってＰＭＭＡが除去され
た部分がエツチングに際して残存する。その後５０　ｍ
　ＴｏｒｒのＣＢｒＦ３プラズマ中でドライエツチング
することによってＳｉ表面を加工した。その後アセトン
を用いてウェハを洗浄し、０ＦＰＲ−８００を除去した
。その結果、Ｓｉ表面に０．０５４μｍラインアンドス
ペースの凹凸（段差０．０５μｍ）のパターンを得た。

ここて、はじめ電子線描画で得たＰＭＭＡのパターンか
ら反転したパターンが得られる。

以上の工程は「実施例１」で説明した工程と大略同じで
あり電Ｔ−線描画プロセスで通常用いられる方法により
形成出来る。又電子線描画以外の他の手法を用い上記の
ラインアンドスペースを形成しても、以下に示す本発明
の有効性には変化はない。

その後、［実施例１］と同じ方法を用いＳｉ基板上にＧ
ａＡｓ結晶を成長させた。これらの試料を電子顕微鏡ａ
察により評価したところ、ＧａＡｓ中に残存する格子欠
陥は１０３個／ｄ程度に迄減少していた。即ち、Ｓｉ表
面の凹凸の０．１９μｍから０．０５４μｍ迄狭める事
でその上に形成したＧａＡｓ中の格子欠陥が減少する事
がわかる。

Ｓｉ基板表面の凹凸の一周期の距離（ｄ）を横軸に、又
ＧａＡｓ中に残存する格子欠陥密度を縦軸に取り整理し
た結果を第３図に示す、直線（３１）はｄが０．０５４
μｍ、０．１３５／Ａｍ、０．１８９μｍの時の結果で
あり、即ちＧａＡｓと８１との格子間隔の最小公倍数（
０，０１３５μｍ）の各々の４倍、１０倍、１６倍の時
の結果である。ｄの減少と共に格子欠陥密度が顕著に減
少している事がわかる。

一方、第３図中の直線（３２）はｄが０．０６１μｍ、
０．０８８μｍ、０．１５５μの時の結果である。即ち
ｄがＧａＡｓとＳｉとの格子間隔の最小公倍数（０，０
１３５μｍ）の４．５倍、６．５倍、１１．５倍となっ
ている。この図かられかる様にｄが０．０１３５μｍの
整数倍から５０％程度ズしていてもＳｉ表面に凹凸の周
期を形成する事でＧａＡｓ中の格子欠陥密度は減少する
。

以上の実施例に於けるＳｔ表面部の凹凸はライン・アン
ド・スペース即ち凹部と凸部の距離比が１：１に構成さ
れていた。凹凸構造の一周期（ｄ）がＳｉ格子とＧａＡ
ｓ格子の最小公倍数（０，０１３５μｍ）の整数倍又は
その５０％のズレの範囲内であれば凹部と凸部の比が１
＝１でなくても良い。

第４図はそれも示す１つの実施例である。図（ａ）はｄ
を構成する凹部と凸部の比が１＝１、図（ｂ）は１：３
９図（ｃ）は３：１の構造となっている。

これらの試料を用い実施例（１）及び（２）と同じ実験
を行った。ところ、図（ａ）〜（ｃ）の構造の試料にお
いて大略同じ程度の結晶性を有するＧａＡｓ層がＳｉ基
板上に成長する事が確認されている。

第２図〜第４図の実施例においては断面が凹凸型の構造
に関してのみ説明を行って来た。本発明の有効性が凹凸
型以外の構造に関しても有効である事は第１図の説明か
らも明らかである。実際第１図の如き鋸歯状→断面の周
期構造又は正弦曲線状→断面の周期構造を有するＳｉ基
板を用いて第２図〜第４図と同じ実験を行ったところ、
これらの例においても本発明が有効である事が確認され
た。

ところでＧａＡｓの結晶成長を制御するＳｉ基板表面の
周期的な原因は、幾何学的なＳｉ表面の凹凸である必要
性はなく、絶縁膜又は化学粗性の異なる物質の存在であ
っても良い。

第５図（ａ）及び（ｂ）は第２図（ｅ）に相当する構造
をＳｉ表面の凹凸以外の方法で形成したものである。即
ち第５図（、）ではＧａＡｓの結晶成長を制御するＳｉ
表面上の周期構造５１は酸化膜又は窒化膜の如き絶縁膜
で形成されている。又、第５図（ｂ）の５２は集束イオ
ンビームを用いＦ。

Ｏ２０等の物質を打込む事Ｓｉ表面近傍の化学的そ性を
変化する事により形成されている。これらの試料を用い
実施例（１）又は（２）と同じ方法でＧａＡｓを成長さ
せた場合、実施例（１）又は（２）と同路間じ結晶性を
有するＧａＡｓ層がＳｉ表面上に成長する事が確認され
た。

［実施例３］ 以上の実施例に於いては説明を簡単にする為にＳｉ表面
上に平行に配列する直線状のパターンを用いて説明して
来た。これらのパターンが２種類以上ありそれが直交し
ていても又ある任意の角度で交わっていても本発明は有
効である。第６図はそれらの実施例を説明する為の図で
ある。

即ち第６図（ａ）は（１００）の面方位又は（１００）
から数度程度傾むいた面方位を有するＳｉ基板である。

第６図（ｂ）及び（ｃ）はその一部の拡大図である。即
ち（ｂ）ではＳｉ基板表面の凸部（６２）と四部（６３
）が［１１０１方向に平行に配置されている。又（ｃ）
ではＳｉ表面の凹部と凸部が［１１０１及び［１１０］
方向に配置即ち直線状のパターンが互いに直行している
。

一方、第６図（ｄ）は（１１１）の面方位又は（１１１
）から数度傾いた面方位を有するＳｉ基板である。（ｅ
）ではＳｉ表面に形成された凸部と四部が［１０１］方
向のみに平行に配列しているのに対しくｆ）ではそれら
が［１０１］及び［０１１］方向に配置しており即ち２
種類のパターンが１２０°で交さ本ている。又、（ｇ）
に示されている様に、これらの直線状のパターンを各々
［１０１］、［０１１］及び［１１０１方向に平行に形
成し互いに交さしたパターンが正三角形を形成しても良
い。この様にして直線状の凹凸パターンを互いに交さし
形成したＳｉ基板を用いて第２図〜第４図と同じ種類の
実験を行ったところ、これらの例においても本発明が有
効であり良質のＧ　ａ　Ａ　ｓ結晶が形成される事が確
認された。この様に結晶方位にそってパターンを形成す
ることにより、より一層格子欠陥を減することが出来る
。加えてパターン結晶の対称性を保持する形で形成する
ことにより、より一層有効であることが明らかとなった
。

本実施例ではパターンは平行直線を例にとって説明した
が、これに限るものではない。例えば第６図（ｂ）にお
いて６２．６３の直線は適当な間隔の点状であってもよ
い。また第６図（ｃ）において直交する直線の交点のみ
点状に突起や、穴が配列されていてもよい。また交点で
なく、交点ト交点の中間に突起や、穴が配列されていて
もよい。

いずれにしろこれらの例で述べたごとく何らかの周期構
造を設けることが本発明の要点である。

以上の実施例においては、ＧａＡｓ／Ｓｉ構造を例に取
り説明して来た。しかしながら、本発明の方法が他のへ
テロ構造半導体に取っても有効である事はいう迄もない
。事実、本発明の方法を６８Ｐ／Ｓｉ、ＳｉＣ／Ｓｉ、
ＡＩ　Ｐ／Ｓｉ、ＧａＰ／Ｇｅ。

ＧａＡｓ／Ｇｅ、５ｉｘＧｅ、Ｃｚ／Ｓｉ　（ｘ＋ｙ＋
ｚ＝１）等の応範囲のへテロ材料に適用した場合にも、
この方法が有効である事を確認している。

［実施例４］ その実施例として、Ｇｅｏ、５Ｓｉｏ、５／Ｓｉヘテロ
エピタキシーへの適用例を述べる。本発明者等の知見に
よればＧ　ｅｏ、　５　Ｓ　ｉｏ、　ｓとＳｉとは格子
定数が約２％異なり、〜１００人の膜厚を超えると、ｓ
ｉｏ、５ａｅＧ、５膜中に歪を緩和するために転位が入
ってしまう。Ｓｉ基板上に実施例２と同様にしてライン
アンドスペース０．０５４μｍ間隔の深さ０．０５μｍ
の凹凸を形成し、その上にＭＢＥ法でＳｉ、）、５Ｇｅ
（、，５膜を厚さ５００人に形成した。その形成条件は
ベース真空度２　Ｘ　１０−１１Ｔｏｒｒ、成長中真空
度５　Ｘ　１０−７Ｔｏｒｒ、基板温度５５０℃。

Ｇｅのセル温度１２００℃、Ｓｉ源は電子ビーム加熱で
分子ビームを生成した。形成後の膜を透過電子顕微鏡に
より観案じたところ、歪は緩和されているにもかかわら
ず、転位は導入されていなかった。このことは、５ｉＪ
Ｊ５板上に形成した凹凸が、ヘテロエピタキシーに於て
格子定数差に起因する問題を極めて有効に解決すること
を示している。

［発明の効果］ 本発明によれば、格子定数差の大きい２種の結晶層を転
位等の格子不整合に起因する種々の欠陥を極めて少くし
て接合することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概念図、第２図から第６図は本発明の
詳細な説明図である。 １・・・基板材料、２・・・成長材料、３・・・タング
リングボンド、４・・・基板材料、７・・・成長材料、
５１・・・絶縁膜、５２・・・イオン打込領域。 ５７　図 ノ ／ 凸 Ｊ、　　　ｊ’ヅ“リニクネ゛ンド ３３回 凹凸−−Ａ覇り１陰（ｔｈ４ｍ 藁４目 ′ＩＪｓ１７１ ５ｚづオンオ丁込置夕４藝 ［ＪＴ′］　　　　　　、　、を薯よ ｔ２５４し也亘の２−Φ ［０１１Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の格子定数を有する第１の結晶材料上に、第２
   の格子定数を有する第２の結晶材料を成長させるエピタ
   キシャル成長方法であって、上記第１の結晶材料の表面
   に上記第１の格子定数と上記第２の格子定数の最小公倍
   数のほぼ整数倍に対応する周期構造を有するパターンを
   形成する第１の工程と、上記パターンを設け上記第１の
   結晶材料上に上記第２の結晶材料を形成する第２の工程
   とを有することを特徴とするエピタキシャル成長方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のエピタキシャル成長
   方法において、前記パターンの周期は前記格子定数の最
   小公倍数の整数倍に対応する値から、前記最小公倍数に
   対応する値の±５０％以内で変化した周期であるエピタ
   キシャル成長方法。 ３、特許請求の範囲第１項もしくは第２項に記載のエピ
   タキシャル成長方法において、前記パターンは前記第１
   の結晶材料の結晶軸に沿って形成されるエピタキシャル
   成長方法。 ４、特許請求の範囲第１項から第３項のいずれかに記載
   のエピタキシャル成長方法において、前記パターンは周
   期的凹凸であるエピタキシャル成長方法。 ５、特許請求の範囲第１項から第３項のいずれかに記載
   のエピタキシャル成長方法において、前記パターンは周
   期的化学修飾や、前記第１の結晶材料とは異なる材料に
   よるパターンであるエピタキシャル成長方法。