JPH04207020A - 半導体製造装置と半導体製造方法 - 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】 〔概要〕 半導体製造装置と半導体製造方法に関し、最適成長温度
が異なる異種結晶材料からなる超格子構造等を気相成長
法により、短時間で、しかも結晶品質を良好にして形成
することができる半導体製造装置と半導体製造方法を提
供することを目的とし、 基板表面に設けられた該基板よりもバンドギャップエネ
ルギーの小さい物質からなる光吸収層上に、気相成長法
により複数の異なる組成の半導体を交互に成長してヘテ
ロ接合結晶を形成する半導体製造装置であって、該光吸
収層には吸収されるが該基板には吸収され難い波長の赤
外線を該基板に照射する赤外線照射手段を有するように
構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、シリコンを基板とし異種接合の気相エピタキ
シャル成長法で成長してシリコンとゲルマニウムからな
る素子の製造法の改善に関する。

シリコン基板上にゲルマニウムとの混晶を成長した異種
接合を用いたヘテロバイポーラトランジスター（ＨＢＴ
）や受光素子、ＨＥＭＴ等のデ／ＮＪイス、新しい物性
が期待される超格子構造を用いた半導体素子等が注目さ
れている。こういった超高速で、超高集積や超微細構造
を目的とする結晶の作製には、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製造プロセスの一つとして
気相成長法が挙げられ、これ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素子の
製造法としては完成されたものにはなっていない。

例えば、気相と固相との、即ち、半導体基板表面との化
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く、工程に化学反応過程が介在する
。また、これは結晶表面の物理的性質等にも大きく影響
を受けるために、これを制御することが必要であるが、
特に、基板と異なる物質をエピタキシャル成長すること
は、−船釣に容易ではない。

〔従来の技術〕

シリコンとゲルマニウムあるいはこれらの混合結晶の複
数の結晶を異種接合した結晶層を使用して作製されるＨ
ＢＴや超格子等の作製において、その結晶技術として、
分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）を用いることがで
きる。この場合、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。

しかしながら、ＭＢＥは構造的に極めて精密な結晶成長
技術であるが、実用的には結晶品質が劣り、欠陥密度が
高くて制御が非常に困難である。

また、生産性に劣り、多数枚大型基板の場合、その処理
ができないといった欠点がある。

一方、気相成長法では成長層の品質が良好であり、生産
性が優れていることが期待されているが、ゲルマニウム
とシリコンあるいはこれらの混合結晶の成長条件が異な
るために、異種接合を含む多層からなる精密な構造を形
成する技術は未だ完成されていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した従来の気相成長法では、良質の結晶を成長でき
ることが広く知られているが、シリコンあるいはシリコ
ンの組成が大きい混合結晶で多結晶化し易く、成長速度
も大きくできないために、低温で気相エピタキシャル成
長を行うのに長時間を必要とする。また、ゲルマニウム
あるいはゲルマニウムの組成が大きい混合結晶では、成
長の初期段階で３次元あるいは島状の成長過程が進む。

そして、成長温度を低くすることにより、この３次元成
長が抑制され、層状成長の傾向が改善されるため、低温
、具体的には５００°Ｃ以下にする必要がある。

各成長層が層状に成長する必要がある薄膜の多層構造か
らなる結晶を作製する方法としては、成長温度を低温で
行うことが考えられるが、前述のようにＳｉ層の成長が
困難である。

第５図は水素をキャリアとする減圧法を使用し、シリコ
ンを基板としてこのシリコン基板上にシリコンとゲルマ
ニウムの混晶を成長した場合の、気相中の原料であるジ
シランガスとゲルマンガスとの混合比率と、成長層の組
成と、成長の初期モードとの関係を調べた結果を示す図
である。

この第５図から判るように、Ｇｅ及びＧｅＳｉは成長温
度が高いと、島状の成長モードで成長する傾向があり、
ＧｅとＧｅｆＡ度の高いＧｅＳｉとを精密に成長するた
めには、成長モードが２次元である低温で成長すること
が必要になる。

次に、第６図はシリコン基板上のＳｉ及び５ｉＧｅ層の
成長速度の温度依存性を示す図である。

この第６図から判るように、成長温度が低くなると、Ｓ
ｉの成長速度は著しく低下し、酸素等の影響を受けて多
結晶化し易く正常な成長は困難である。

例えば、ＳｉとＧｅあるいは５ｉｄｅ混晶を多層に成長
しようとする場合には、Ｓｉの成長時には温度を高め、
ＧｅあるいはＧｅＳ　ｉの成長は低温でといった複数の
温度で成長する方法が考えられる。この場合、温度を変
えるために時間を要するため、変化速度を大きくする必
要が生じる。

なお、この方法は層の数が少ない場合には実現可能な方
法であるが、層数が多くなると基板温度の変化、特に、
冷却にはかなりの時間が必要になり、成長時間が著しく
長くなる。

そこで本発明は、最適成長温度が異なる異種結晶材料か
らなる超格子構造等を気相成長法により、短時間で、し
かも結晶品質を良好にして形成することができる半導体
製造装置と半導体製造方法を提供することを目的として
いる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による半導体製造装置は上記目的達成のため、基
板表面に設けられた該基板よりもバンドギャップエネル
ギーの小さい物質からなる光吸収層上に、気相成長法に
より複数の異なる組成の半導体を交互に成長してヘテロ
接合結晶を形成する半導体製造装置であって、該光吸収
層には吸収されるが該基板には吸収され難い波長の赤外
線を該基板に照射する赤外線照射手段を有するものであ
る。

本発明による半導体製造方法は上記目的達成のため、基
板表面に該基板よりもバンドギャップエネルギーの小さ
い物質からなる光吸収層を設け、該光吸収層には吸収さ
れるが該基板には吸収され難い波長の赤外線を該基板に
照射することにより該基板表面を選択的に加熱しながら
、気相成長法により該光吸収層上に、複数の異なる組成
の半導体を交互に成長してヘテロ接合結晶を形成するも
のである。

〔作用〕

本発明では、温度を高める場合、基板の成長表面を選択
的に加熱するために、基板表面に基板よりもバンドギャ
ップエネルギーの小さい物質からなる光吸収層を設け、
エネルギーが光吸収層のそれより大きい光を照射するこ
とにより、選択的に基板表面に近い層のみを加熱する。

第１図は本発明を適用した場合のシリコン基板上のエピ
タキシャル層結晶の構造を示す図である。

第１図において、１はＳｉ等からなる基板、２は基板１
よりもバンドギャップエネルギーの小さいＳｌ。、３Ｇ
ｅｏ、を等からなる膜厚２μｍ程度の赤外線吸収層、３
はＳ　ｉ　／　Ｓ　ｉｏ、ｓ　Ｇ　ｅｏ、ｓ等の複数層
からなる超格子、４はＳｉ等からなるカバー層である。

まず、シリコン基板１上に、ゲルマニウム、あるいはゲ
ルマニウムを多量に含むシリコンとの混合結晶からなる
赤外線吸収層２を成長し、この赤外線吸収層２では選択
的に吸収し基板１では透過するような赤外線を照射し、
基板１表面のみを選択的に加熱する。そして、赤外線吸
収層２上にゲルマニウムあるいはゲルマニラムラ多量に
含ムシリコンとの混合結晶からなる超格子３を成長する
際、基板１下面（赤外線照射側と反対側の面）側の温度
を加熱された基ｆｉ、１表面側より少し低い温度にする
とともに、基板１載置台が基板１表面近くで発生した熱
をシンクすることにより、シリコンの成長のための高温
加熱の熱量を最小限に留め、ゲルマニウムあるいはゲル
マニウムを多量に含むシリコンとの混合結晶の成長温度
への冷却時間を低減することができる。

なお、Ｓｉの低温成長において、例えば低圧水銀ランプ
による紫外線を照射すると、ジシランの分解反応が促進
され、成長速度が高くなることが知られているが、成長
温度が低い場合、多結晶化の傾向が高く、欠陥密度が高
くなり易い。従って、この紫外線照射の場合に、本発明
を併せ用いることは、問題を解決する有力な方法であり
好ましい。

このように、本発明では、基板表面近傍の温度を高める
ことができるため、温度変化が急速であり、Ｓｉの成長
温度を高めることができるため、Ｓｉ層の成長速度を大
きくすることができる。また、基板１下面はＧｅあるい
はＧｅＳｉ混合結晶を成長する温度、あるいはこれより
低くなるように加熱体上に保持する。このため、基板１
表面で赤外線を吸収し発生した熱は、基板１自体が吸収
することができ、加熱のための熱量を小さくすることが
できるため、温度変化時に冷却に要する時間を大幅に低
減することができる。従って、超多層の異種接合結晶の
形成時間を縮小することができる。

なお、基板１表面が加熱されて熱伝導により基板１内部
の温度が上昇するが、この温度を低減するために、光の
照射は断続的に行うのが好ましい。

〔実施例］ 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の方法を適用して、シリコン基板上にＧ
ｅあるいはＧｅを多量に含むＳｉとのヘテロ接合結晶成
長を行うための成長装置の概略を示す図である。第２図
において、第１図と同一符号は同一または相当部分を示
し、１１は基板１を載置するカーボン板、１２は赤外線
照射セル、１３は赤外線ランプヒーターである。

基板１温度を混合結晶の成長温度に合わせるべく、赤外
線ランプヒーター１３の赤外線ランプ照射による第一の
ヒーターにより基板１を加熱する。

基板１は薄いカーボン板１１上に置き、赤外線は赤外線
ランプヒーター１３によりカーボン板１１下方向より照
射する。なお、赤外線は基板１内部を通過して基板１表
面に到らないようにする。

一方、シリコン成長の際には、基板１上表面を加熱する
ために、基板１上面より更に赤外線を照射するための第
２の加熱光源を設ける。赤外線ランプヒーター１３には
、例えばタングステンランプが使用されるが、第２の光
源の赤外線照射セル１２には選択性を高めるために、赤
外線の波長を表面物質に吸収されるように選ぶ。本装置
では、波長１．６μｍの半導体レーザのマトリックスア
レーを用いる。この半導体レーザのマトリックスアレー
・セルの構造の概略を第３図（ａ）、（ｂ）に示す。第
３図において、２１は凸レンズ、２２はＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系半導体からなるレーザアレイ、２３はＣｕ等
からなるヒートシンクである。

ここでは、出力約１．００ｍｍ−の光出力１　ｎＧａＡ
ｓＰ　／　１　ｎ、　Ｐ系半導体レーザ約１００個から
なるセルを７個用いる。なお、加熱用であるため、波長
特性等の精度は低くてもよい。

（実験−１）次に、Ｓｉ基板上のそれぞれの厚さが約４
人である、ＳｉとＳ　ｉ＠、５　Ｇｅ６．５からなる超
多層結晶を減圧気相成長法により成長した場合の実験結
果について説明する。波長１．６μｍの赤外線照射を実
施した場合としない場合の比較を行った。

原料ガスとして、シリコンの成長にはジシランガス（Ｓ
Ｉ２Ｈ＆）、ゲルマニウムにはゲルマンガス（ＧｅＨ＝
）を用い、成長方法は、全圧力約１０ｍｍ）Ｉｇの水素
をキャリアとする減圧気相成長方法を用いた。

選択的光吸収による加熱層となり多層結晶のバッファー
層（光吸収層）には、Ｓ　ｉ、、３Ｇ　ｅｏ、。

の混合結晶を約２μｍ成長する。

（００１）面方位Ｓｉを基板として、硫酸過酸化水混合
液による表面酸化処理と沸酸水溶液Ｇこよる湿式の酸化
膜除去等の表面処理を行う。次いで、気相成長装置内に
収容し、成長の前処理として、約９００　’Ｃで約１０
分間の加熱し、酸化膜除去処理を行う。次いで、基板１
載置台の温度を４８０’Ｃとし４０分間で光吸収層を成
長する。

次に、多層成長の際には、基板１載置台の温度をＧｅＳ
ｉの成長温度の５００″Ｃに保持しながら、シリコンの
成長時には、ジシランを０．５ｓｃｃｍを供給しながら
、基板１上面より１．６μｍの赤外線を約２秒間隔パル
ス状で照射し、Ｓ　ｉｏ、５　Ｇ　ｅｏ、ｓの成長時に
はジシランとゲルマンガスを０．５ｓｃｃｍづつ供給す
る。この時、基板１上面への照射は停止する。成長時間
は各々交互に２秒の停止時間を挟み、３０秒と１０秒と
を繰り返す。

そして、繰り返し回数を２００回として成長した結晶の
Ｘ線回折測定では、第４図に示すように、約８人の周期
の超格子が形成されていることに対応した回折が観察さ
れ、超薄膜からなる結晶品質の良好な超格子が形成され
ていることが確認された。

（実験−２）次に、実験−１と同様の手順と同様の成長
条件のもとで、上面より１．６ミクロンの赤外線を照射
せずに超格子の成長を行った。

ここでの成長後のＸ線回折測定では、超格子に対応する
明瞭な回折が観察できなかった。

上面より１．６μｍの赤外線を照射した結晶ではＧｅＳ
ｉとＳｉが各々約４人の層が２００層重なっているが、
照射しなかった実験−２の場合には、Ｓｉ層の厚さが極
めて薄くなっているためではないかと考えられる。

また、成長速度の温度依存性から考えて、照射により４
０°Ｃ前後の実効的な温度上昇が考えられる。

このため、半導体レーザにより照射される赤外線が、最
初に成長した混合結晶及びエピタキシャル層に選択的に
吸収し熱の発生が生じており、急速な温度変化が実現さ
れているためと考えられる。

〔効果］ 本発明によれば、最適成長温度が異なる異種結晶材料か
らなる超格子構造等を気相成長法により、短時間で、し
かも結晶品質を良好にして形成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図は本発明を適用した場合のシリコン基板上のエピ
タキシャル層結晶の構造を示す図、第２図は一実施例の
成長装置の概略を示す図、第３図は一実施例の半導体レ
ーザマトリックスアレー・セルの構造の概略を示す図、 第４図は一実施例の実験−１で作製された結晶のＸ線回
折測定結果を示す図、 第５図は従来例の気相と固相のＧｅ組成の関係と２次元
成長可能な領域を示す図、 第６図は従来例のシリコン基板上のＳｉ及び５ｉＧｅの
成長速度の温度依存性を示す図である。 １・・・・・・基板、 ２・・・・・・赤外線吸収層、 ３・・・・・・超格子。 、才゛・ 代　理　人　弁理士　　井　桁　貞　、ニア゛−−− 第１図 （ａ） 一実施例の半導体レーザマトリックスアレー・セルの構
造の概略を示す図第３図 （ｂ） 一実施例の半導体レーザマトリックスアレー・セルの構
造の概略を示す図第３図 一実施例の実験−１で作製された結晶のＸ線回折測定結
果を示す図竺　４　回 （２′ｊ′Ｘ′ｉ＆ｆＭｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基板（１）表面に設けられた該基板（１）よりも
   バンドギャップエネルギーの小さい物質からなる光吸収
   層（２）上に、気相成長法により複数の異なる組成の半
   導体を交互に成長してヘテロ接合結晶（３）を形成する
   半導体製造装置であって、 該光吸収層（２）には吸収されるが該基板 （１）には吸収され難い波長の赤外線を該基板（１）に
   照射する赤外線照射手段（１２、１３）を有することを
   特徴とする半導体製造装置。 （２）前記赤外線照射手段が半導体レーザであることを
   特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。（３）基板
   （１）表面に該基板（１）よりもバンドギャップエネル
   ギーの小さい物質からなる光吸収層（２）を設け、該光
   吸収層（２）には吸収されるが該基板（１）には吸収さ
   れ難い波長の赤外線を該基板（１）に照射することによ
   り該基板（１）表面を選択的に加熱しながら、気相成長
   法により該光吸収層（２）上に、複数の異なる組成の半
   導体を交互に成長してヘテロ接合結晶（３）を形成する
   ことを特徴とする半導体製造方法。 （４）前記ヘテロ接合結晶（３）がシリコンと、ゲルマ
   ニウムとシリコンの混合結晶とからなることを特徴とす
   る請求項３記載の半導体製造方法。（５）前記基板（１
   ）への赤外線照射を断続的に行うことを特徴とする請求
   項３記載の半導体製造方法。