JPH01266716A - ＧａＡｓ／Ｓｉ積層体及びＧａＡｓの成長方法 - 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） この発明は、シリコン（Ｓｉ）下地上にガリウム砒素（
ＧａＡｓ）を積層したＧａＡｓ／Ｓｉ積層体と、シリコ
ン下地上にＧａＡｓを成長させる方法とに関するもので
ある。

（従来の技術） 電子機器の多様化及び高速化の要求に伴ない、これに対
応出来る電子デバイスとして、化合物半導体デバイスが
注目されている。

このような化合物半導体デバイスとしては、いわゆるｍ
−■態化合物半導体を用いたものが良く知られており、
特に、ガリウム（Ｇａ）と砒素（Ａｓ）との化合物によ
るものは、シリコン（以下、単にＳｉとして省略して示
す。）で主に構成した従来の半導体デバイスに比べ、演
算速度か速いこと、発光・受光機能を有すること、消費
電力が低いこと、耐放射線性が高いこと等の種々の利点
を有することから、注目されでいる。

しかし、現在得られるＧａＡｓ単結晶はその大きざがＳ
ｉ基板と比較した場合小型であるため、即ち直径が小さ
いため、大型のデバイスを得る場合は大きな支障となっ
ていた。又、ＧａＡｓ基板はシリコンに比し高価である
ため、デバイスのコストダウンを図るための配慮も必要
であった。

このため、ＧａＡｓ基板以外の基板例えばシリコン基板
上にＧａＡｓのエピタキシャル層を成長させて、大型か
つ安価なＧａＡｓ基板と等価なものを得ようとする種々
の試みが従来からなされてきている。

このような試みの一例としては、例えば特願昭６２−０
２８Ｎ４号及び特願昭６２−０６９１６５号に提案され
ている化合物半導体の成長方法かある。

以下、第３１１　（Ａ）及び（Ｂ）％？照して、これら
提案に係る成長方法につき簡単に説明する。

尚、第３図（Ａ）及び（８）は、両提案に係る成長方法
を概略的に示す製造工程図である。

これら方法によれば、１１で示すシリコン基板の裏面に
、１３で示すＳｉＮ膜等の絶縁膜を比較的低温で積層さ
せる（第３図（Ａ））。次いて、この絶縁膜付きシリコ
ン基板１１を高温度でアニールし、シリコン基板と絶縁
膜との熱膨張係数の差を利用してシリコン基板１１を意
図的に反うせる（第３図（Ｂ））。次いで、絶縁膜１３
を積層させた状態で又は除去した状態でシリコン基板１
１の表面にＧａＡｓを成長させる。この際、シリコン基
板１１には、ＧａＡｓの熱膨張係数とシリコンの熱膨張
係数との差によって生じる、今までの反りとは逆向きの
反りを生じさせる力が働き、この結果、基板の反りを実
用上問題ない程度にまで低減させることか出来た。

（発明が解決しようとする課ｍ） しかしながら、上述した従来の方法は、シリコン基板の
反つを低減させることについては確かに効果があるが、
シリコン基板上に成長させたＧａＡｓ層内の応力を緩和
することは出来ないという間源点があった。

実際のところ、上述の方法によって、直径が２インチ（
１インチは約２．５４ｃｍ、以下同様）のシリコン基板
上にＧａＡｓ層を成長させた場合、その成長膜厚が５ｕ
ｍ程度になると、このＧａＡｓ層にクラ・ンクが生じで
しまう。このため従来方法では、ＧａＡｓ成長層をざら
に厚くすることは出来なかった。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、従
ってこの発明の目的は、シリコン下地（例えばシリコン
基板）上にＧａＡｓ層を積層させた積層体であってＧａ
Ａｓ層の応力が非常に少さいＧａＡｓ／Ｓｉ積層体と、
このような積層体を容易に得ることが出来るＧａＡｓの
成長方法とを提供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明のＧａＡｓ／Ｓｉ
積層体によれば、 シリコン（Ｓｉ）下地表面に部分的に絶縁膜を具え、及
び、この絶縁膜を含む前述のシリコン下地上に、このシ
リコン下地の前述の絶縁膜から露出した領域から成長し
前述の絶縁膜上において空隙を有するＧａＡｓ層を具え
ることを特徴とする。

又、シリコン（Ｓｉ）下地上にＧａＡｓ層を成長させる
この発明のＧａＡｓの成長方法によれば、シリコン下地
上に絶縁膜を被着させる工程と、この絶縁膜の所定領域
を除去して前述のシリコン下地を部分的に露出させる工
程と、 前述のシリコン下地の露出領域上にＧａＡｓｔ、このＧ
ａＡｓ成長層の前述のシリコン下地の露出面と平行にと
った断面積がこの成長層の成長（こ伴い拡張するように
成長させる選択成長工程とを含むことを特徴とする。

ここで、シリコン下地とは、例えばシリコン基板、シリ
コンのエピタキシャル成長層を云い、ざらに、シリコン
基板表面のエピタキシャル層表面の全面又は一部の領域
であっても良い。

又、上述したＧａＡｓの成長方法の実施にあたり、絶縁
膜を残存させる所定領域の決定をシリコン基板の結晶方
向を考慮しで行なうのが好適である。

さらに絶縁膜が所定の領域に残存しでいるシリコン基板
上に、ＭＯＣ，ＶＤ法（有機金屈化学気相成長法）を用
いてＧａＡｓ層を成長させるのが好適である。

（作用） この発明のＧａＡｓ／Ｓｉ積層体によれば、ＧａＡｓ層
は、シリコン（Ｓｉ）下地の絶Ｒ膜から露出している領
域でのみシリコン下地と接することになる。

従って、ＧａＡｓ層のシリコン下地と接触する面積が少
なくなるため、Ｓｉの熱膨張係数とＧａＡｓの熱膨張係
数との差から生じるＧａＡｓ層の応力が低減される。さ
らに、空隙が在ることによってＧａＡｓ層は絶縁膜には
接しないから、これによってもＧａＡｓ層の応力は低減
される。

又、この発明のＧａＡｓの成長方法によれば、ＧａＡｓ
層は絶縁股上には実質的に成長しない。そして、シリコ
ン下地の露出領域上に成長するＧａＡｓ成長層は、シリ
コン下地の露出面と平行にとった断面積か拡張するよう
に成長することから、成長が進むと隣接する露出領域上
に成長するＧａＡｓ同志がつながり合い、絶縁股上に空
隙をそれぞれ残した状態で一つのＧａＡｓ成長層か構成
される。

又、絶縁膜をシリコン下地の結晶方向を考慮して除去し
、つまり絶縁膜を結晶方向を考慮して残存させ、この絶
縁膜を含むシリコン下地上にＭＯＣＶＤ法を用いてＧａ
Ａｓを成長させると、このＧａＡｓ成長層は、このＧａ
Ａｓ成長層の前述のシリコン下地の露出面と平行にとっ
た断面積が拡張するように容易に成長する。

（実施例） 以下、図面を参照して、この発明のＧａＡｓ／Ｓｉ積層
体の実施例とＧａＡｓの成長方法の実施例とにつきそれ
ぞれ説明する。しかしながら、説明に用いる各図はこの
発明が理解出来る程度に概略的に示しであるにすぎず、
従って、図中の各構成成分の寸法、形状及び配貫開係は
図示例のみに限定されるものではなく、種々の変形又変
更を行ない得ること明らかである。又、各図において同
様な構成成分については同一の符号を付して示しである
。

ＧａＡｓ成長層積　体のＵ 先す、ＧａＡｓ／Ｓｉ積層体の実施例につき、シワコン
下地をシリコン基板とし、この基板全面にＧａＡｓ層を
具えたＧａＡｓ／Ｓｉ積層基板とした例で説明する。第
１図（Ａ）は、そのＧａＡｓ／Ｓｉ積層基板の一例を示
す平面図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）にＰで示した積
層基板の一部を拡大しかつ第１図（Ａ）中Ｑで示す方向
から見て示した断面図である。

両図において、２１はシリコン（Ｓｉ）基板を示す。

このシリコン基板２１は、その表面に部分的に２３で示
す絶縁膜を具える。ここで、部分的に絶縁膜を具えると
は、この実施例の場合、シリコン基板２１の表面にスト
ライブ状の絶縁膜２３を一定間隔で多数平行に具える状
態を云っている。ざらにこの場合、絶縁膜２３のストラ
イブ方向はシリコン基板２１に形成しである２１ａで示
すオリエンテーションフラットと平行な方向としている
。シリコン基板２１は、絶縁膜２３がない部分で露出し
ていて、その露出領域を第１図（Ｂ）に２１ｂを付して
示しである。

又、絶縁膜２３ヲ含むこのシリコン基板２１は、このシ
リコン基板２１の絶縁膜２３から露出した領域２１ｂか
ら成長し絶Ｉｓ膜２３上において空隙を有する２５で示
すＧａＡｓ層を具えている。この空隙を第１図（Ｂ）に
２５ａを付しで示す。

上述した構成のＧａＡｓ／Ｓｉ積層基板の構造によれば
、ＧａＡｓ層２５は、シリコン基板２１と露出領域２１
ｂのみで接し、°絶縁膜２３とは実質的に接触しない。

尚、シリコン基板２１上に具えさせる絶縁膜２３の形状
、配置方向及びＲ１位置は上述の例に限られるものでは
なく、ＧａＡｓ／Ｓｉ積層基板の設計に応じ変更するこ
とが出来る。

又、上述の例では、シリコン基板全面にＧａＡｓ層を具
えたＧａＡｓ／Ｓｉ基板を例に挙げて説明しているが、
シリコン基板の一部分の領域上にＧａＡｓ層を具えた構
造についても、この発明が適用されることは明らかであ
る。ざらに、シリコン下地がシリコンのエピタキシャル
成長層であっても勿論適用出来る。

ＧａＡｓ　　　　　　　　法　　言　８次に、シリコン
下地上にＧａＡｓ７８成長させるこの発明の方法の実施
例につき、シリコン下地をシリコン基板としこの基板全
面上にＧａＡｓ層を成長させる場合を例に挙げて説明す
る。しかし、以下の実施例中に記載の数値的条件、使用
薬品名、装百名等は単なる例示にすぎず、これらは設計
に応じ変更されることは理解されたい。

第２図（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例の製造工程図てあつ、
ＧａＡｓ／Ｓｉ積層体を製造進度に応しで、第２図（ハ
）は平面図として、第２図（Ｂ）は第２図（Ａ）中の日
で示す部分を拡大しで示した平面図として、第２図（Ｃ
）及び（Ｄ）は断面図（詳細は後述する）として、それ
ぞれ示したものである。

先ず、この実施例の場合直径が２インチのシリコン基板
を用意する。２１で示すこのシリコン基板上に、絶縁膜
としての例えばＳｉＮ膜を、この場合プラズマＣＶＤ法
によって約３００℃の温度で約５００人の膜厚に形成す
る。

次に、このＳｉＮ膜の所定領ｔｉｔフォトリソグラフィ
ー技術によって除去してシリコン基板２１ヲ部分的に露
出させる。ＳｉＮ膜の除去をこの場合、ＳｉＮ膜の幅（
第２図（Ｂ）中Ｗ、で示す）か約２ｕｍでストライブ状
に、然も、ストライブ方向かシリコン基板２１のオリエ
ンテーションフラット２１ａの方向と平行になるように
、かつ、これらストライブ状の５ｉＮＩｌｆが約２ｕｍ
のスペース（第２図（Ｂ）中Ｗ２で示す）を開けて平行
に残存するように、行なう。このスペース部分２１ｂに
おいてシリコン基板２１は絶縁膜２３から露出する。

次に、シリコン基板２１の露出領域２Ｉｂ上にＧａＡｓ
を、このＧａＡｓ成長層のシリコン基板の露出面２１ｂ
と平行にとった断面積が成長層の成長に伴い拡張するよ
うに成長させる選択成長を行なう。この選択成長をこの
実施例の場合、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法
）であって二段階成長法を用いたＭＯＣＶＤ法を用い以
下に説明するように行なう。

キャリアガスとしでは水素（Ｈ２）ガスを用い、反応ガ
スとしてはアルシン（ＡＳＨ３）及びトリメチルガリウ
ム（以下、ＴＭＧと略称することもある）をそれぞれ用
いる。

ＳｉＮ膜を部分的に具える上述のシリコン基板２１を、
ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内の所定の位ゴにセットする。

次いて、Ｈ２及びＡｓＨ３の両ガス雰囲気中で反応炉内
を９００〜９８０℃の温度に昇温しこの温度にて５分間
基板表面のクリーニングを行なう。次いて、反応炉内の
温度を約４００°Ｃまて下げた後、反応炉内にＴＭＧを
導入してこの基板上にＧａＡｓバッファ層を約１００人
の膜厚に成長させる。その後、ＴＭＧの導入を止めＧａ
Ａｓの成長を一旦中断させ反応炉内の温度を約６５０℃
まで上げ、その復、反応炉内にＴＭＧ　％再び導入し第
二層目のＧａＡｓの成長を行なう。

ＧａＡｓの成長過程の概略につき第２図（Ｃ）及び（Ｄ
）を参照しで説明する。尚、これら図は、ＧａＡｓ／Ｓ
ｉ積層基板ｔｓｉＮ膜２３のストライブ方向と直交する
方向に切って示した断面図である。

上述したＭＯＣＶＤ法による成長において、ＧａＡｓ層
は、シリコン基板２１の絶縁膜から露出している領ｌｆ
ｉ　２　ｌ　ｂ上に選択的に成長し、然も、成長に伴い
その成長層のシリコン露出領域面と平行な断面積か拡張
するように、第２図（Ｃ）においては逆メサ形状を保つ
ように成長する。従ってＧａＡｓＶざらに厚い膜厚に成
長させてゆくと、シリコン基板の隣接する露出領域上に
成長しでいるＧａＡｓ層同志か、第２図（Ｄ）に示すよ
うに、ＳｉＮ膜２膜上３上隙２５ａを形成したままにつ
ながりあって一つの成長層となる。ざらにＧａＡｓの成
長を続けると、空隙２５ａには反応ガスは供給されない
から空隙は維持されたまま成長層はその膜厚を増してゆ
く。

この結果、シリコン（Ｓｉ）基板２１表面に部分的にＳ
ｉＮ膜２膜性３え、及び、このＳｉＮ膜２膜性３むシリ
コン基板２１上に、このシリコン基板２１のＳｉＮ膜２
膜性３露出した領域２１ｂから成長しＳｉＮ膜２膜上３
上いて空隙２５ｂ　ｕ有するＧａＡｓ層２５ヲ具えるＧ
ａＡｓ／Ｓｉ積層体を得ることが出来た。

上述の成長方法を用い、ＧａＡｓｔ　５　ｕ　ｍ程度に
成長させてもこのＧａＡｓ層にはクラックの発生は見ら
れなかった。

尚、この発明のＧａＡｓ層の成長方法は上述の例に限ら
れるものではなく、例えば以下に説明するような！！々
の変更を加えることか出来る。

例えば、シリコン下地上に例えばバナジウムドープのＧ
ａＡｓ層を成長させて半絶縁性のＧａＡｓ層を形成し、
この上に例えばノンドープのＧａＡｓ層を成長させるよ
う（こし、三次元回路素子を形成するためのＳＯＩ（Ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ
）構造を構成することも出来る。

又、シリコン基板上の一部分の領域上にＧａＡｓ１成長
させる場合、又、シリコン下地かシリコンのエピタキシ
ャル成長層であってこの層上にＧａＡｓ層を成長させる
場合等においても、この発明の成長方法を用い得るこヒ
（よ明らかである。

又、絶縁膜はＳｉＮ膜（こ限られるものではなく、Ｓｉ
Ｏ２その他の選択成長に適した任意好適な絶縁物とする
ことか出来る。

又、ＧａＡｓを成長させる手段はＭＯＣＶＤ法に限られ
るものではなく、例えばＨｙｄｒｉｄｅ−ＶＰＥ法等の
他の成長方法としても良い。

さらに、ＳｉＮ膜の被若手段はプラズマＣＶＤ法に限ら
れるものではなく、プラズマ以外の化学的気相成長法、
或いは低温スパッタ法及びその他の被若手段としても良
い。

（発明の効果） 上述した説明から明らかなように、この発明のＧａＡｓ
／Ｓｉ積層体によれば、ＧａＡｓ層のシリコン下地と接
触する面積が少なくなるため、ＳｉＯ熱膨張係数とＧａ
Ａｓの熱膨張係数との差から生しるＧａＡｓ層の応力か
低減される。さらに、空隙が在ることによってＧａＡｓ
層は結締膜には接しないから、これによってもＧａＡｓ
層の応力は低減される。

これがため、シリコン下地（例えばシリコン基板）上に
ＧａＡｓ層を積層させた積層体であってＧａＡｓ層の応
力か非常に少さいＧａＡｓ／Ｓｉ積層体が得られる。

又、この発明のＧａＡｓの成長方法によれば、ＧａＡｓ
層は絶縁膜上には実質的に成長しない。さらに、シリコ
ン下地の露出領域上に成長するＧａＡｓ成長層は、シリ
コン下地の露出面と平行にとった断面積が拡張するよう
に成長することから、成長か進むと、隣接する露出領域
上Ｉこ成長するＧａＡｓ同志が絶縁膜上に空隙を残した
状態でつながり合い、一つの成長層となる。この結果、
ＧａＡｓ層の応力は低減され、実際ＧａＡｓ層を５ｕｍ
程度まで成長させてもクラックの発生は認められなかっ
た。

これかため、ＧａＡｓ層の応力か小さいＧａＡｓ／Ｓｉ
積層体の形成か可能なＧａＡｓの成長方法が提供出来る
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明のＧａＡｓ／Ｓｉ
積層体の説明に供する図、 第２図（ハ）〜（Ｄ）は、この発明のＧａＡｓの成長方
法の説明に供する製造工程図、 第３図（Ａ）及びＣＢ）は、従来のＧａＡｓの成員方法
の説明に供する製造工程図である。 ２１・・・シリコン下地（シリコン基板）２１ａ・・・
オリエンテーションフラット２１ｂ・・・シリコン下地
の結締膜から露出する領域２３・・・絶縁膜、　　　　
２５・・・ＧａＡｓ層２５ａ・・・空隙。 特許出願人　　工業技術院長　　飯塚　幸三実施例のＧ
ａＡｓ／Ｓｉ積層体の説明に供する図第１図 第２図 ２′ｔａ− 実施例のＧａＡｓ成長方法の説明に供する製造工程図第
２図 従来のＧａＡｓの成長方法の説明に供する図第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン（Ｓｉ）下地表面に部分的に絶縁膜を具
   え、及び 該絶縁膜を含む前記シリコン下地上に、該シリコン下地
   の前記絶縁膜から露出した領域から成長し前記絶縁膜上
   において空隙を有するＧａＡｓ層を具えること を特徴とするＧａＡｓ／Ｓｉ積層体。
2. （２）シリコン（Ｓｉ）下地上にＧａＡｓ化合物半導体
   を成長させるに当り、 シリコン下地上に絶縁膜を被着させる工程と、該絶縁膜
   の所定領域を除去して前記シリコン下地を部分的に露出
   させる工程と、 前記シリコン下地の露出領域上にＧａＡｓを、該ＧａＡ
   ｓ成長層の前記シリコン下地の露出面と平行にとった断
   面積が該成長層の成長に伴い拡張するように成長させる
   選択成長工程と を含むことを特徴とするＧａＡｓの成長方法。
3. （３）前記所定領域をシリコン下地の結晶方向を考慮し
   て決定し、前記選択成長をＭＯＣＶＤ法とする請求項２
   記載のＧａＡｓの成長方法。