JPH0488627A - エピタキシャル層の成長法 - 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、シリコン基板上にシリコンとは異なる材料
の層をエピタキシャル成長させる方法、特にシリコン基
板上にシリコンとは異なる材料から成る半導体層をエピ
タキシャル成長させる方法に関するものである。

（従来の技術） シリコン基板上にＧａＡｓ１ＦＫ成長させることか出来
れば、シリコンが有する特徴（大面積、機械的堅牢さ、
高熱伝導率、軽量、低価格、等）と、ＧａＡｓか有する
特徴（高移動度、直接遷移型バンドギャップ、より広い
バンドギャップ、電気光学効果、等）とを生かした有益
な半導体装ｌの実現か期ｆＦａｘｉ来る。このため、シ
リコン基板上にＧａＡｓそ成長させる技術に間する研究
が精力的に行われている。

しかし、この技術を確率するには、例えば文献（固体物
理　Ｖｏｌ、２５．Ｎｏ、３．（１９９０）、ｏｐ、１
９３〜２０１）に開示されているように、以下のような
問題点を解決する必要がある。

■・・・単一元素基板上に二元素から成る層を成長する
ためにいわゆるアンチフェーズドメインか発生すること
。

■・・・シリコンとＧａＡｓとの間で４％の格子不整合
があること。

■・・・ＧａＡｓの熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数
の約２．５倍であるため、ＧａＡｓ層に熱歪みが生しる
こと。

そして、上記文献には、これら問題点のうち■の問題点
は、オフオリエンテーションな基板を用いたつ、基板を
高温処理することにより解決され、■の問題点はシリコ
ン基板とＧａＡｓ層との間に歪超格子を設けたつ、成長
層に対する熱処理を工夫することにより解決されている
ことが記載されている。

ざらに、上記文献には、■の問題点か解決されたことに
より、Ｓｌ上に成長させたＧａＡｓ層中の転位の低減か
図れたことが記載されており、ざ、うに、転位発生をよ
り少くするためには、■の熱歪みの問題点の解決が重要
であることが記載されている。そして、その解決策（シ
リコンの熱膨張係数かＧａＡｓのそれより小ざいことの
対策）として、シリコン基板￥：ＧａＡｓの成長期間中
引伸す方法、シリコン基板をＧａＡｓの成長期間中機械
的に曲げる方法、リファイ上にシリコンを成長させたも
のを基板としこの基板上にＧａＡｓを成長させる方法か
紹介されでいる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の■の問題点の対策（熱歪み対策）
は、サファイア上にシリコンを成長させた基板を用いる
方法の場合はシリコン基板そのものを用いる場合より熱
伝導率が低下する、価格が高くなる等の問題があり、ま
た、シリコン基板を機械的に曲（プたり引伸す方法の場
合は現在のシリコン半導体製造プロセスへの導入か困難
であるという問題かあり、いずれも満足のゆくものでは
なかった。

この発明はこのような点に鑑みなされたものてあつ、従
ってこの発明の目的は、シリコン基板上にシリコンとは
異なる材料の層をエピタキシャル成長させる際にこの層
に熱歪みに起因する転位を生しさせにくい成長法を堤供
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、この発明によれば、シリコ
ン基板上にシリコンの格子定数より大きな格子定数を有
する材料の層を工とタキシャル成長させるに当たり、 シリコンと四配位結合する元素であって原子半径がシリ
コンよりも大きな元素の群から選ばれた１種又は２種以
上の元素をシリコン基板にイオン注入法により注入し、 該元素注入済みシリコン基板の結晶性壱口復させるため
該シリコン基板に熱処理を行い、その後該シリコン基板
上に当該材料の層を成長させること を特徴とする。

なお、この発明の実施に当たり、シリコンと四配位結合
する元素であって原子半径がシリコンよりも大きな元素
は、シリコン基板上にエピタキシャル成長させたい当該
材料と格子定数が同程度である元素とするのが好適であ
る。具体例で示せば、当該材料をＧａＡｓとする場合は
、用いる元素をＧｅとするのか好適である。

また、この発明で云うシリコン基板とは、シリコン基板
そのものの場合、シリコン基板上にエピタキシャルシリ
コン層を具えた基板の場合、これら基板の一部に素子が
既に作り込まれている基板の場合等を含む。

（作用） この発明の構成によれば、シリコン基板上にシリコンの
格子定数より大きな格子定数を有する材料のＮＩを工と
タキシャル成長させる前に、該シリコン基板に、シリコ
ンと四配位結合する元素であって原子半径がシリコンよ
りも大きな元素（以下、説明の都合上所定元素と称する
。）がイオン注入される。このため、所定元素が注入さ
れた部分には３１及び所定元素で構成される化合物か得
られる。この化合物は、シリコンより格子定数か大きく
なり、また熱膨張係数か大きくなる。

また、所定元素はシワコ）基板にイオン注入法により注
入されるので、所定元素の濃度はシリコン基板の厚ざ方
向においで徐々に変化する。このため、シリコン基板上
に注入元素と同し元素で構成される層（例えばゲルマニ
ウムｌ１ｌ）を単に積層させた場合とは異なつ、シリコ
ン基板の所定元素が注入された部分ては、表面に向かう
に従い格子定数及び熱膨張係数か徐マに大きくなる。

（実施例） 以下、シリコン基板上に成長させるエピタキシャル層ｔ
ＧａＡｓ層とし、シリコンと四配位結合する元素であっ
て原子半径がシリコンよりも大きな元素をゲルマニウム
とした例により、この発明のエピタキシャル層の成長法
の実施例について説明する。

なお、この説明を第１図〜第３図Ｖ！譬照して行う。こ
こで、第１図（Ａ）〜（Ｃ）は第１実施例の成長法の工
程図、第２図は第７実施例で形成したＧｅ注大層（債述
する）の濃度プロファイルを概略的に示した図、第３図
（Ａ）〜（Ｃ）は第２実施例の成長法の工程図である。

藁１図（Ａ）〜（Ｃ）及び第３図（Ａ）〜（Ｃ）は、い
ずれも、各工程中の土な工程での試料をシリコン基板の
厚さ方向に沿って切った断面図を以って示しである。

く第１実施例〉 先ず、シ、リコン基板１１を用意しく第１図（Ａ））　
、このシリコン基板］１に公知のイオン注入法によつＧ
ｅを注入して、シリコン基板１１表面にＧｅ注入層１３
を形成する（幕１図（Ｂ））。

Ｇｅ注入層１３のＧｅの濃度プロファイルは第２図に示
すようなものになる。５ｉ−Ｇｅ化合物の格子定数は、
ＳｌとＧｅとの組成に対してほぼ比例関係にある。そし
て、Ｇｅの格子定数か５゜６４６１３人であり、ＧａＡ
Ｓの格子定数が５゜６５３３であるので、Ｇｅ３度プロ
ファイルか第２図のよってあると、Ｇｅ注入層１３ｖ！
構成するＳ　１−Ｇｅ化合物の格子定数はシリコン基板
１１側から注入層１３表面に向かうに従い大きくなつＧ
ａＡｓの格子定数に近ずく。

Ｇｅの注入量は、Ｇｅ注入層１３を構成するＳ　１−Ｇ
ｅ化合物の格子定数と、この化合物上に成長されるＧａ
Ａｓ層の格子定数との差をどの程度にするかに応し決定
する。例えば、上記格子定数差を］％以下にする茹めに
は、シリコン基板１１表面でのＧｅ濃度が３．８５Ｘ１
０２２／ｃｍ３程度となるようにＧｅをシリコン基板１
］に注入する。但し、Ｇｅ注大層１３０表面部分て格子
定数％ＧａＡＳの格子定数にほぼ近い値にするためには
、Ｇｅを出来るだけ高濃度で注入するのが良い。

次に、Ｇｅ注入層］３形成済みシリコン基板１１に対し
Ｇｅ注入層１３の結晶性を回復させるため、この実施例
では、この試料を窒素雰囲気中で９００°Ｃの温度で１
時間熱処理する。

次に、熱処理済み試料のＧｅ注大層上にＧａＡｓ層１５
を成長させる（１ｇ１図（Ｃ））。このＧａＡｓ層１５
の成長は、例えば、原料ガスをアルシン（ＡＳＨ３）及
びトリメチルガリウム（（ＣＨ３）３　Ｇａ）とし、試
料温度ｆ＝６００〜７５０°Ｃの範囲の適正な値とした
条件のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用い行
うことが出来る。

この実施例の成長方法によれば、Ｇｅ注入層１３か中間
層としで形成されたことにより、シリコン基板１１とＧ
ａＡｓ層との闇での格子定数の差及び熱膨張係数の差が
このＧｅ注入層１３により緩和出来、Ｇｅ注入層１３か
無い場合より、転位が少いＧａＡｓエピタキシャル層が
得られることか期特出来る。また、ＧａＡｓ１ｌを簡易
な方法（二段階成長法を用いることなく通常のＭＯＣＶ
Ｄ法でという意味。）で成長させ得ることが期特出来る
。

〈第２実施例〉 上述の第１実施例では、Ｇｅ注入層１３上にＧａＡｓ層
エピタキシャル層］５を直接成長させていたが、シリコ
シ基板１１とＧａＡｓ１１５との闇の格子定数差をざら
に小さくするため、Ｇｅ注入層１３上にＧｅ層をエピタ
キシャル成長させこの層上にＧａＡｓ層１５を成長させ
ても良い。

蔦２図（Ａ）〜（Ｃ）を参照しその成長工程について説
明する。

先ず、８１図（Ａ）〜（８）を讐照して説明した手順に
従い、シリコン基板１１にＧｅ注入層１３を形成し、さ
らに、この層１３の結晶′Ｉ！壱回復させるため第１実
施例同様に熱処理を行う（藁２図（Ａ）’）。

次に、例えば原料ガスをＧ　ｅ　Ｈａとし、試料温ａを
約６００°ＣとしたＣＶＤ法により、Ｇｅ注入層１３上
にＧｅ層１７をエピタキシャル成長させる（ｍｌ！：２
図ＣＢ）　）　。

次に、試料温度を約６００°ＣとしてこのＧｅ層１７上
に第１！ｉｉ！施例同様にＧａＡｓ層１５を成長させる
（第２図（Ｃ））。

上述においては、この発明のエピタキシャル成長法の各
実施例について説明したか、この発明は上述の実施例の
みに限られるものではなく以下に説明するような種々の
変更を加えることか出来る。

例えば、結晶姓回復のため行う熱処理の条件は、上述の
実施例の条件に限られるものではなく、Ｇｅ注入層１３
の膜厚、Ｇｅ濃度、イオン注入条件等に応じ他の条件に
変更出来る。

また、ＧａＡｓ層１５の成長方法は、実施例の方法に限
られるものではなく　Ｍ　Ｂ　Ｅ　渣等他の好適な方法
でも良い。

また、Ｇｅ注入層１３を形成する実施例の方法は、シリ
コン基板１１上へＧｅ、５ｉ−Ｇｅ化合物、工ｎＰ、Ｇ
ａＰ等のシリコンより格子定数の大きな材料の層をエピ
タキシャル成長させる場合にも適用出来る。

また、上述の実施例では、シリコン基板にＧｅのみをイ
オン注入していたが、設計によっては２種以上の所定元
素をイオン注入しても良い。

また、設計によっては所定元素をＧｅ以外の元素として
も良いことは明らかである。所定元素の他の例としては
、Ｓｎ（スズ）、Ｐｂ（鉛）等を挙げることか出来る。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明のエピタ
キシャル層の成長法によれば、シリコン基板に所定元素
をイオン注入し、所定元素注入済みシリコン基板を熱処
理し、熱処理済みのシリコン基板上に、シリコンの格子
定数より大きな格子定数を有する材料の層をエピタキシ
ャル成長させる。

所定元素が注入された部分では、シリコンのみの場合よ
り格子定数が大きくなり、また熱膨張係数が大きくなる
。このため、この部分で、シリコン基板と、このシリコ
ン基板上に成長される、シリコンの格子定数より大きな
格子定数を有する材料の層（実施例で云えばＧａＡｓ層
）との格子定数差及び熱膨張係数差が緩和される。この
結果、転位の少いエピタキシャル層が得られる。

ざらに、所定元素はシリコン基板にイオン注入法により
注入されるので、所定元素の濃度はシリコン基板の厚さ
方向において徐々に変化する。

従って、シリコシ基板の所定元素か注入された部分では
、表面に向かうに従い格子定数及び熱膨張係数か徐々に
大きくなる。この結果、格子定数や熱膨張係数が急激に
変化することか無くなるので、これによってもエピタキ
シャル層で転位欠陥が発生しにくいといえる。

また、この発明の方法は、現在の半導体製造技術をその
まま利用出来るので、シリコン半導体製造プロセスへの
導入が容易である。

【図面の簡単な説明】

！１図（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施例の説明に供する工
程図、 第２図は、Ｇｅ注大層のＧｅの濃度プロファイルを示す
図、 Ｍ３図（Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施例の説明に供する工
程図である。 ］１・・・シリコン基板、　　１３−　Ｇ　ｅ注大層１
５・−ＧａＡｓ層 ７・−Ｇｅのエピタキシャル層。 特 許 出 願 人 沖電気工業株式会社 Ｇｅ注大層のＧｅの濃度プロファイルを示す口笛２ 図 第１芙施例の説明に供する工程図 第１図 第２芙施例の説明に供する工程図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板上にシリコンの格子定数より大きな
   格子定数を有する材料の層をエピタキシャル成長させる
   に当たり、 シリコンと四配位結合する元素であって原子半径がシリ
   コンよりも大きな元素の群から選ばれた１種又は２種以
   上の元素をシリコン基板にイオン注入法により注入し、 該元素注入済みシリコン基板の結晶性を回復するため該
   シリコン基板に対し熱処理を行い、その後 該シリコン基板上に当該材料の層を成長させること を特徴とするエピタキシャル層の成長法。
2. （２）請求項１に記載のエピタキシャル層の成長法にお
   いて、 前記材料をＧａＡｓとし、 前記元素をＧｅとしたこと を特徴とするエピタキシャル層の成長法。