JPH04100217A - 半導体装置 - 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】 〔概要〕 シリコンを基板とする異種接合の気相エピタキシャル成
長により作られる半導体装置に関し、シリコン基板上に
ゲルマニウムもしくはゲルマニウムを多量に含むシリコ
ンとの混合結晶を成長する場合、或はシリコンを多量含
むゲルマニウムとの混晶の表面上にゲルマニウムもしく
はシリコン含有量が少ないゲルマニウム混合結晶を成長
する場合、成長初期の島状成長を抑制し、層状成長を進
めることを目的とし、 第１の半導体結晶と、ゲルマニウムの組成が第１の半導
体結晶より大きい第２の半導体結晶を有する半導体装置
において、第２の半導体結晶内のゲルマニウム組成を該
結晶の成長中に段階的または連続的に変化させるように
構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、シリコンを基板もしくはシリコンを多量に含
むゲルマニウム結晶上にゲルマニウムまたはゲルマニウ
ムを多量に含有するＧｅ−３Ｌ混合結晶を異種接合させ
た半導体装置に関するものである。このような異種接合
を用いていたベテロバイボーラトランジスター（ＨＢＴ
）や受光素子、ＨＥＭＴなどのデバイスの開発が進めら
れている。このへテロ構造でシリコン基板またはシリコ
ンを多量に含有するＳ　１−Ｇｅ混合結晶上に成長され
る層としては単結晶のゲルマニウム、ゲルマニウムとシ
リコンの混合結晶、組成の異なる複数のゲルマニウムと
シリコンの混合結晶などがあある。

ＨＢＴ、ＨＥＭＴなとの超高速素子を超高集積度のデバ
イスとして集積するには超精密なかつ完全性の高い結晶
成長技術が必要である。

シリコンを始めとする半導体の製造プロセスの一つとし
て、気相処理方法は不可欠な技術になっているが、必ず
しも、シリコンとゲルマニウムからなる異種接合素子の
製造方法としては完成されたものにはなっていない。

気相処理法は気相と固相との、即ち半導体基板表面とガ
スの化学反応を伴う工程を含んでおり、原料材料を気体
の状態で使用する場合が多い。この化学反応過程は結晶
表面の物理的性質等にも太き（影響を受けるために、こ
れを制御することが必要である。特に基板と異なる物質
をヘテロエピタキシャル成長する場合は、結晶表面の物
理的性質の影響が大きくなるために、ヘテロエピタキシ
ャル成長は容易ではない。

〔従来の技術］ シリコンとゲルマニウムあるいはシリコンとＳ　Ｌ−Ｇ
ｅ混合結晶などを異種接合を利用して作製されるＨＢＴ
や超格子などの作製に必要な結晶技術として、分子線エ
ピタキシャル成長（ＭＢＥ）を用いることができる。Ｍ
ＢＥにおいては成長中の層の電子線回折の信号強度を測
定することにより、成長速度を原子層的に制御して所望
の原子数の層を堆積し、超格子構造の異種接合が可能で
あることは公知である。しかし、ＭＢＥは層構造的には
極めて精密な結晶成長技術であるが、実用的には結晶の
品質が劣る、すなわち、欠陥の密度が高くしかも制御さ
れていない。

また、ＭＢＥは生産性に劣り、多数枚大型基板の処理が
出来ないといった欠点がある。

一方、気相成長法は、生産性がすぐれており、かつ良質
の結晶が成長出来ることが広く知られているが、精密な
層構造を形成する技術は未だ完成されていない。

本発明は従来ＭＢＥで作製していたような精密な層構造
を有する異種接合結晶を気相成長で作製する技術である
。

〔発明が解決し、ようとする課題〕

ゲルマニウム基板にシリコン、Ｓ　１−Ｇｅ混晶を気相
法でエピタキシャル成長する場合には層状即ち２次元的
結晶成長が可能であるため異種接合結晶の作製に問題は
ない。

シリコン基板上に、ゲルマニウムまたはＧｅ−５ｉ混晶
層をヘテロ成長する場合、あるいはＧｅ含有量が少ない
Ｓ　Ｌ−Ｇｅ混合結晶上にＧｅ含有量が多い５Ｌ−Ｇｅ
混合結晶を成長する場合の問題点をシリコン基板にゲル
マニウムを成長する例で代表させて説明する。

ゲルマニウムの層厚が数１００Å以上と大きい場合には
、異種接合の形成が可能である事は公知である。然しこ
のような結晶層中には、きわめて高密度の格子欠陥が導
入されており、実用的な結晶ではない。

第２図は４１０℃、５００℃の成長温度でシリコン基板
にゲルマニウムを従来法で気相処理した場合の、成長の
極めて初期に於ける成長層厚の時間変化を本発明者が測
定した結果を示すグラフである。すなわち、第２図はＳ
Ｌ基板上のＧｅの減圧気相法により成長した場合成長初
期段階における厚さの時間変化に注目して測定した実験
結果である。

ゲルマニウムにはゲルマンガスＧ　ｅ　Ｈ４を用いる。

成長方法は、全圧力的１０＋ｕｉＨｇの水素をキャリヤ
とする、減圧式気相成長方法を用いた。

シリコン基板は（００１）面方位Ｓｉであり、硫酸過酸
化水混合液による表面酸化処理と弗酸水溶液による湿式
の酸化膜除去等の表面処理を行った０次に、気相成長装
置内に収容し、成長の前処理として約９００℃で約１０
分間加熱処理を行った。ジシランを使用して約７００℃
でのバッファー層の成長の後成長温度の５００℃に保持
しＧｅの成長を行った。

ゲルマニウム層の成長は、原料ガスのゲルマンを供給後
約４分後より始まっている。１０分以上の時間では、は
ぼ、成長層厚と時間の間で比例関係が成立しているが、
成長の初期には此が崩れている。成長温度を４１０℃と
した場合にはＧｅの成長は約１０分後から開始されてい
る。すなわち、成長の初期は、島状成長が起こり成長層
として測定されない所謂潜伏時間（ｔｉ）がある、潜伏
時間（ｔｉ）を経過すると成長が進んで島が合体し、層
状（二次元）成長が起こる。したがって、厚いゲルマニ
ウム層を成長することは比較的容易であるが、薄くなる
と、例えば１００Ａ以下の成長層を得る再現性が著しく
低くなっていることが第２図から分かる。

従って、超格子等の量子効果を利用した素子用の結晶の
作製方法にこの気相成長法を適用することには困難が多
い。

シリコンの成長が容易でないが島状成長が弱い４００℃
近い低温においてすら、１００Ａ以下のゲルマニウム層
を精密に成長する事が困難である。すなわち低温でも三
次元的島状の成長が避けられないために、極く薄い層の
成長は不可能である。

第３図は、島の密度と成長温度との関係を示すグラフで
ある。島の密度はゲルマニウムの成長温度を低くすると
大になり、島が接近してくるが、これによっても島状成
長を無くす事は出来ないことを示す。

成長温度が低くなると島の合体により、層の厚さが小さ
い場合には層状態成長が達成され、表面が平坦になりや
すいが、実験の範囲内では１００Ａ以下では表面は平坦
に成らず、従って超格子の成長が出来ない。

また、シリコンの成長速度は５ｉＨａを原料とした場合
、成長温度が６００℃以下では著しく低減し、また単結
晶の成長が困難になる。従って、多層の異種接合を形成
する場合、成長温度を例えばＳＬは６００℃として成長
速度を高め、Ｇｅは４００℃として層状成長を促進する
という如くに、各層毎に変化させなくてはならない。こ
のような多層成長を実施するには、昇温降温の都度成長
を中断しなければならないために、成長時間が著しく必
要になる上、良質の結晶とはならない。

上述のようにＧｅの成長温度を低くしたり、原料ガスの
濃度を下げるなどの成長条件を最適化する対策だけでは
１００Ａ以下の極薄膜成長に対処出来ない、このように
成長精度が悪くなる原因はシリコン基板上ではゲルマニ
ウムの成長が島状の過程によって開始されるためである
。

真空技術を用いて例えばＭＢＥ法においても同様の過程
が在る事が知られているが、数原子層（５−６層、１Ｏ
−２０Ａ）までは層状に成長し、その後島状成長が起こ
るので、超格子等の作製が可能である。しかし、気相成
長法では、シリコンの成長温度を余り下げることが出来
ないこと等も関係して、また島状成長のために１００Ａ
以下のゲルマニウムを含む多層異種（ヘテロ）接合結晶
の作製は困難である。

なお、上述のような精度低下はＳｉを多量（７０％以上
）含有するＧｅ結晶上にＧｅ又はＳｉ含宵装が少ない５
ｉ−Ｇｅ混晶を成長させる場合にも起こる。

したがって、本発明は、シリコン基板上にゲルマニウム
もしくはゲルマニウムを多量に含むシリコンとの混合結
晶を成長する場合、或はシリコンを多量含むゲルマニウ
ムとの混晶の表面上にゲルマニウムもしくはシリコン含
有量が少ないゲルマニウム混合結晶を成長する場合、成
長初期の島状成長を抑制し、層状成長を進めることを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体装置は、ゲルマニウムの組成が膜成長方
向に増加する異種接合を有する第１の半導体結晶（上層
）とゲルマニウムの組成が第１の結晶より大きい第２の
半導体結晶（下層）を有する半導体装置において、箪２
の半導体結晶内のゲルマニウム組成を該結晶の成長中に
少なくとも成長初期に段階的または連続的に変化させる
ことを特徴とする。

以下主としてシリコン基板にゲルマニウムを成長する例
で代表させて本発明を説明する。

本発明では、第２の半導体結晶を成長する期間の少な（
とも初期に第１の半導体結晶の濃度から第２の半導体結
晶の濃度に急峻に変化せずに、段階或は徐々に増加させ
る事により、ゲルマニウムの島状化を低減する。島状化
はＧｅ核の発生が起こるシリコン基板の表面状態に依存
し、従ってほんの数原子層の組成変化層を形成すること
により、島状化が防止出来る。

第１の結晶（以下（ａ）と記す）と第２の結晶（以下（
ｂ）と記す）が以下の何れかの組み合わせが代表的なも
のである。

（イ）Ｓｉ単結晶（ａ）と、Ｇｅ単結晶又はＧｅとＳｉ
の混合結晶（ｂ）、 （ロ）ＧｅとＳＬの混合結晶（ａ）と、（ａ）よりＧｅ
含有量が多いＧｅと Ｓｉの混合結晶（ｂ） さらに、（イ）に記載されたＳｉ単結晶が単結晶アルミ
ナ、スピネル等酸化物、砒化ガリウムと基板としてその
上に成長されているものであってもよい。

本発明によれば、第２の半導体結晶層の成長を、従来法
では島状成長が顕著な５００℃以上の温度で行うことが
できる。この場合筒１の半導体結晶のシリコン原料とし
てジシランまたはモノシランを使用して、第１の半導体
結晶と第２の半導体結晶をほぼ同一温度で成長させるこ
とができる。　本発明が最も効果を発揮するのは超格子
デバイスの作成である。

［作用］ 請求項１の装置は、シリコン基板あるいはシリコンを多
量含むゲルマニウムとの混晶の表面上に、ゲルマニウム
或はゲルマニウムを多量に含むシリコンとの混合結晶を
成長する場合にゲルマニウムの組成を、段階的に或は連
続的に変化させて、ゲルマニウムの濃度の高いエピタキ
シャル層を成長する事により、界面が平坦になる。かか
る界面が平坦な結晶層（第２結晶層）は従来はＭＢＥで
形成されていたような数原子層のからなる超格子を構成
し、かつ気相法の特長である欠陥が少ない結晶である。

請求項２記載の装置では、シリコン（第１の結晶）の成
長速度が比較的大きい５００℃以上の温度で島状の成長
を防止し、従って超格子層の高能率作製が可能になる。

請求項３記載の装置では連続成長が可能になる。

請求項４のような超格子を従来気相法で作ろうとすると
島状成長のために極端な場合には島が隔絶しており、層
にならなかった。これに対して本発明では２〜２０原子
層成長中の全体でゲルマニウム組成を変化させることに
より良好な層の形成を行うことができる。

〔実施例１ 第１図は、本発明の装置においてシリコンの基板上に、
ゲルマニウムを気相成長した場合の成長層内のＧｅの組
成の厚方向の変化の一つの例を示すグラフである。この
場合には、Ｇｅの濃度はたてびき鋸の刃の形になるよう
に成長する。

このように組成を変化させることにより気相成長法によ
りシリコンとゲルマニウムのへテロ多層成長が可能にな
る。

即ち、１２原子層、約２０Ａ範囲内で、１００％シリコ
ンから傾斜状にゲルマニウム濃度を変化させ、１００％
のゲルマニウム層にする。

このようにすることにより、Ｇｅ或はＧｅ組成の大きい
混合層の島状の成長開始の傾向が低減できる。第４図に
反応ガス流量変化を示す、成長温度を５６０℃で、水素
流量１ε／分、圧力１５Ｔ。

ｒｒ、　ｍ初、５ｉｚＨａを０．４ｍ１１分、Ｇ　ｅ　
Ｈ４をＯｍｌ／分で、組成変化層の最後、２分後、Ｓ　
ｉ　ｚ　Ｈａを０ｍ１２／分、Ｇ　ｅ　Ｈ４をＯ１０２
ｍβ／分へと時間に比例する形で変化させる（反応ガス
濃度１００％換算）。その結果、界面が平坦な多層の異
種接合の作製が可能になった。

Ｇｅ層の成長速度は、約１４Ａ／分、シリコンの成長速
度は、約６Ａ／分であった。ゲルマニウムの島状の成長
が防止されていた。

超格子のゲルマニウム層の実効的な厚さとしては、ＩＯ
Ａ程度までの超薄膜化が可能になっていた。

本発明は当然厚い場合の異種接合を高い成長速度で成長
する場合にも有効である。

［発明の効果］ （１）精密に制御した異種接合の結晶成長が出来る。

（２）シリコンとゲルマニウムを組み合わせた超格子構
造を気相成長方法により形成することが出来る。

（３）サファイヤ基板上に成長した、精密に制御された
ゲルマニウムそう或はゲルマニウムとシリコンのへテロ
接合結晶を利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した場合の、シリコン基板上の、
ゲルマニウム層の組成の厚さ方向の変化を示すグラフ、 第２図はシリコン基板上の、ゲルマニウム層の厚さの時
間変化の測定結果を示すグラフ、第３図はシリコン基板
上に、ゲルマニウムの成長初期の高密度の測定結果を示
すグラフ、第４図は本発明の実施例、反応ガス濃度の時
間変化を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の半導体結晶とゲルマニウムの組成が前記第１
   の半導体結晶より大きい第２の半導体結晶を有する半導
   体装置において、 前記第２の半導体結晶内のゲルマニウム組成を該結晶の
   成長中少なくとも初期において段階的または連続的に変
   化させることを特徴とする半導体装置。 ２、第２の半導体結晶層は、５００℃以上の温度で成長
   されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 ３、第１の半導体結晶はシリコンを含んでおり、そのシ
   リコン原料としてモノシランまたはジシランが使用され
   且つ、第１の半導体結晶と第２の半導体結晶は実質的に
   同じ成長温度で成長されることを特徴とする請求項２記
   載の半導体装置。 ４、第２の結晶層は、ゲルマニウム組成を変化させる結
   晶層の厚みが２〜２０原子層であることを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置。