JPH0336795B2 - - Google Patents

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JPH0336795B2
JPH0336795B2 JP60154503A JP15450385A JPH0336795B2 JP H0336795 B2 JPH0336795 B2 JP H0336795B2 JP 60154503 A JP60154503 A JP 60154503A JP 15450385 A JP15450385 A JP 15450385A JP H0336795 B2 JPH0336795 B2 JP H0336795B2
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JP
Japan
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substrate
growth
crystal
vibration
annealing
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JP60154503A
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JPS6217093A (ja
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Suminori Sakamoto
Kimihiro Oota
Naoyuki Kawai
Itaru Nakagawa
Takeshi Kojima
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、結晶成長法に関し、特に薄膜成長に
用いるSi基板を、1000℃以上の高温度に保持して
Si基板表面を原子層精度で平坦化させ、その後前
記Si基板上に反射電子線回折像の強度の振動を観
察しながら真空中で薄膜成長を行なう薄膜結晶成
長法に関する。
[従来の技術] 従来、真空中での結晶成長の際に、成長中の薄
膜の厚さを測定する方法として、水晶振動子を用
いた膜厚測定法が用いられていた。この方法は
GaAsの化合物半導体の成長には使えないが、元
素半導体であるSiの成長においては用いられてき
た。しかし、この水晶振動子を用いたSiの膜厚測
定法にはいくつかの問題点がある。まず第一に、
水晶振動子自体の読み取りの精度は1Å低度と良
いが、通常、成長基板と別の位置に設置されるた
めに較正が必要であるが、Siは電子ビーム蒸発さ
れる場合が多いので、Siの溶け方次第で蒸発Siビ
ーム強度分布が変る困難さがあつた。また水晶振
動子は約10〜20μmのSiが付着すると使用不能に
なるため、ひんぱんに振動子を交換する必要があ
るが、このことは特に超高真空雰囲気の成長であ
る分子線結晶成長法においては大きな問題であ
る。このために、原子吸光法による膜厚測定装置
も併用されることがあるが、この方法による誤差
は約10%程度あり、精度は良くない。
以上述べたように結晶成長中にその場でのSiの
膜厚の正確な測定は困難であつた。
一方、英国フイリツプス研究所のJ.J.ハリス等
は、GaAsの分子線結晶成長法において、反射高
速電子線回折装置の電子ビームを結晶表面に入射
させてその回折像を観察する際に、当該GaAs膜
の成長開始直後にその回折像の強度が周期的に変
化することを見いだし、その振動の一周期が、用
いた(001)平面上での1分子層のGaAsの成長
に対応していることを述べている(Surface
Science Vo1.103 L90−L96(1981))。
従つて、かかる回折像の強度の変化の振動数を
計測することによつて成長した分子層数を正確に
知ることが出来る。
このような電子線回折像の振動を計算機で解折
し、振動の適当な位相の時点で蒸発源セルのシヤ
ツタを開閉することにより、非常に精密な結晶成
長ができることが確認されている。(T.
Sakamoto et al:Jpn.L.Appl.Phys.Vol.23
(1984)L657−L659)。この方法は位相制御エピ
タキシー法と呼ばれ、従来の分子線エピタキシー
法に比較して、ヘテロ接合界面を非常に平坦にで
きること、超格子構造等を成長させる際に、その
薄膜の周期性が蒸発ビーム強度変化の影響を受け
ない等の大きな利点を有している。
このような結晶成長中の反射高速電子線回折像
の強度の振動現象は、今までにGaAs、AlxGa1-x
As、Ge(GaAs基板上)、Ga1-xInxAsについては
報告されているが、最も重要な半導体材料である
と考えられるSiについては報告がなかつた。一方
において真空中の蒸着法によつてSiの薄膜をSi
(111)基板上に室温で堆積させ、600℃の温度で
アニールしながら基板表面を低速電子線回折装置
で観察した際に、電子線回折スポツトの中心部と
その周辺部の相対強度を計算すると時間的周期性
が観察され、その1周期が(111)面上での2原
子層(3.14Å)の膜厚の成長に相当しているとの
報告がある(Surface Scince Vol.117(1982)
180−187)。しかしながら、この方法はリアルタ
イムの観察ではなく、得られている振動も3周期
程度である。また、この低速電子線回折法は反射
高速電子線回折法と違つてその装置の構造上、成
長させながら同時に基板表面の電子線回折像を観
察するのには適していないため、分子線エピタキ
シヤル成長法等において、前記低速電子線回折装
置を用いて基板表面を観測して、それを基にして
リアルタイムで蒸発源シヤツタ等を制御すること
はほとんど不可能であつた。
[発明が解決しようとする問題点] Siの分子線結晶成長法においても、前述の反射
高速電子線回折像の振動を安定に持続して観察す
ることができれば、非常に有効な膜厚測定方法に
なるばかりでなく、例えばSi/Si1-xGexのような
組み合せの超格子構造を位相制御エピタキシー技
術を用いて非常に精度良く成長できることにな
る。
そこで本発明の目的は、Siの分子線結晶成長法
において、結晶表面からの反射高速電子線回折像
の強度の振動を安定に観察できるようにするため
に、成長基板の表面を原子層精度で平坦にする技
術を提供することにある。
[問題点を解決するための手段] 本発明は真空中での結晶成長にあたつて、薄膜
結晶成長中に、当該薄膜の膜厚を反射高速電子線
回折法の回折像の強度の周期的時間変化の振動数
から測定する方法において、成長前に結晶基板を
成長温度よりも高温でアニールすることによつて
原子の表面拡散効果によつて表面を平坦化し、そ
れ以後の薄膜成長中の反射高速電子線回折像の強
度の振動を安定に観測することを可能とする。
[作用] 従来報告のあるGaAsの成長中の反射高速電子
線回折像の強度振動の場合には、安定な振動を得
るためにはまず基板温度550〜600℃程度で2000〜
3000Åの程度のGaAs層を成長させて基板表面の
凸凹を大部分平坦化した後、Gaシヤツタを閉じ
て成長を止め、約5〜10分間その温度に維持して
おく。この間にAsのビームは当てたままにして
おく。この時間は回復時間と呼ばれ、表面に付着
したGa原子の表面拡散によつて結晶表面を平坦
にする。この後にGaAs等を成長させると安定な
振動が得られることになる。ところがSiの場合に
は通常Siの分子線結晶成長に用いられている基板
温度範囲(600〜700℃)においてはバツフア層を
成長した後、このような回復時間を設けてその後
成長を開始しても安定な振動は得られなかつた。
Siの場合はGaAsの場合と異なつて、600〜700
℃の温度では、ほとんど表面拡散しないため平坦
な表面を得ることが出来ず、そのような表面上に
成長を行つても、安定な振動が得られないと考え
られる。
これを解決するには、Si基板を高温に保持す
る。すなわちバツフア層を成長させた基板を一度
高温にすることによつてSiの表面拡散を促進し、
原子層程度の平坦な表面を得るものである。
[実施例] 結晶を成長させる以前に基板をアニールするこ
とによつて、その後の成長で得られる電子線回折
像の振動がどのように変わるかを第1図に示す。
第1図において横軸は時間、縦軸は振幅の相対
強度を示している。Si基板上にバツフア層として
Siを2000〜3000Å成長させた後900℃、15秒程度
の比較的弱いアニールをすることによつて、非対
称なピークを持つ長い振動が得られる。この時の
振動の1周期は、水晶振動子による成長速度の較
正から、約1.36Åとなり、この値はSiの格子定数
の1/4すなわち(001)面での1原子層成長に相当
していることが解つた。900℃、3分のアニール
をした場合には、振幅は大きくなるとともに更に
非対称になり、1000℃、1分のアニールをした場
合には振幅は更に大きくなるとともに、2原子層
の成長に相当する周期のものになる。1000℃、85
分のアニールの例では更に振動が増大し、ほほ正
弦波に近い振動をしており、その一周期は2原子
層すなわち2.72Åの成長に相当している。この図
に示したように、バツフア層を成長させた後の
1000℃以上の高温でのアニールによつて、その後
成長させた時に観測される振動は非常に改善され
る。このことは前に述べたように、高温のアニー
ルによつて基板表面の平坦性が原子層精度で改善
されたためと考えられる。このようなアニールに
よつて基板が平坦化できることは電子線回折像に
よつても確認できる。第2図はSi(100)基板表面
からの反射高速電子線回折像を示す。観察方位は
<110>である。第2図aは基板温度400℃でバツ
フア層を成長させた直後の回折像であり、ストリ
ークの発達したパターンとなつている。このよう
なストリーク状のパターンは、一般には基板表面
に原子層程度のステツプが無数に存在することに
よつて生じるものと解釈されている。このような
基板表面では振動の安定な観測は困難である。こ
れに対して第2図bに示す1000℃33分のアニール
後の回折像では0次のラウエリング上に強い回折
スポツトが見られ、このことは基板表面がより完
全平面に近い平坦性を有していることを示してい
る。このような基板表面上では電子線回折像の強
度の振動の観測は安定に行うことができる。
実験の結果では例えば1000℃、20分のアニール
で十分である。この平坦化のプロセスはSi原子の
表面拡散効果で生じると考えられるので、1000℃
以下の温度においても更に長い時間アニールすれ
ば平坦化することができる。例えば、700℃16時
間のアニールした基板上に成長させた成長層の電
子線回折像の振動は、2原子層と成長に相当する
周期と大きな振幅を示した。
このような1000℃、20分のアニール法を用い
て、3種類の面方位のSi基板上でSiを分子線結晶
成長法で成長させた時得られた振動の例を第3図
〜第5図に示す。
第3図はSi(001)基板上において<110>方向
から電子線を入射させた例で、振動は基板温度が
室温から1000℃まで観測できる。この場合の振動
の一周期は前に述べたように(001)基板上での
2原子層(約2.72Å)の成長に相当している。
第4図はSi(111)基板上において<110>方向
から電子線を入射させた時の例で、振動は基板温
度が室温から800℃の間で観察され、振動の1周
期は(111)基板上で2原子層(3.14Å)の成長
に対応している。
第5図はSi(110)基板上において<111>方向
から電子線を入射させた時の例で、振動は基板温
度が室温から500℃の範囲で観察され、この時の
1周期は(110)基板上での1原子層(約1.92Å)
の成長に対応していることが確認された。
第6図は最も長い振動が観察された例を示す。
基板はSi(001)を用い<110>方向から電子線を
基板表面に対して1°以下の角度で入射させた。基
板温度は500℃である。振動は2200回以上確認さ
れたが、この値はAlxGa1-xAsで報告されている
値の3倍以上長い値である。
[発明の効果] 以上から明らかなように、本発明によれば、Si
の結晶成長において、基板表面を平坦化し、反射
高速電子線回折像の強度の振動を2200回以上観察
が可能とすることによつて、成長した薄膜結晶の
薄膜を単原子層の精度で約6000Åまで非常に精度
良く測定できる。Siを基板とするSi/Si1-xGex
ような超格子素子等においては単原子層程度の膜
厚の精度が要求されるので本発明は非常に有効な
手法となる。特にコンピユータで振動の位相を解
釈してシヤツタを開閉して制御する結晶成長法に
は最も適している。
また本発明によつて結果的には振動を大幅に改
善できることになるが、それ以外に持つ波及効果
は大きい。すなわち、現在まで例えばSi基板上に
GaP、Ge、GaAs、NiSi2等の材料のヘテロエピ
タキシヤル成長の研究の報告がされているが、い
ずれもSi基板表面を清浄化後、あるいはその後に
Siのバツフア層を成長させた直後にそれらの材料
をヘテロエピタキシヤル成長しているが、ここで
は基板表面を原子層精度で平坦化する考慮はなさ
れていない。したがつて、このようにして得られ
たヘテロ界面は透過電子顕微鏡を用いても観測困
難な、数原子層程度のステツプを有していると想
定され、これらは電気的および光学的特性に影響
を及ぼすと考えられる。したがつて、もし本発明
によるアニール法をヘテロ成長直前に用いたなら
ば、ヘテロ接合はきわめて平坦になり、そのデバ
イス特性も大幅に改善されるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の効果を示し、種々のアニール
条件の時に得られる振動波形の例を示す図、第2
図は基板表面の結晶構造を示す写真で同図aは基
板温度400℃でバツフア層を成長後の回折像の写
真、同図bは更にそれを1000℃20分のアニールし
た後の回折像の写真、第3図は本発明を実施して
得られたSi(001)基板上で<110>に電子線を入
射して観測された振動の例を示す図、第4図は本
発明を実施して得られたSi(111)基板上で<110
>方向に電子線を入射して観測された振動の例を
示す図、第5図は本発明を実施して得られたSi
(110)基盤上で<111>方向に電子線を入射して
観測された振動の例を示す図、第6図は本発明を
実施して得られたSi(001)基板で<110>方向に
電子線を入射し観察された例を示す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 Si基板上にバツフア層としてSi層を形成した
    後、1000℃以上の高温度に保持してSi基板表面を
    原子層精度で平坦化させ、その後前記Si基板上に
    反射電子線回折像の強度振動を観察しながら真空
    中でSiを分子線結晶成長法で薄膜成長させること
    を特徴とする薄膜結晶成長法。
JP15450385A 1985-07-13 1985-07-13 薄膜結晶成長法 Granted JPS6217093A (ja)

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JP15450385A JPS6217093A (ja) 1985-07-13 1985-07-13 薄膜結晶成長法

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JPS6217093A JPS6217093A (ja) 1987-01-26
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JPS6027689A (ja) * 1983-07-26 1985-02-12 Agency Of Ind Science & Technol AlGaAs結晶の分子線結晶成長法

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