JPH0719756B2 - 化合物半導体層の形成方法 - Google Patents

化合物半導体層の形成方法

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【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 GaAs on Si構造の化合物半導体層の製造方法に関し、 平坦性のすぐれた化合物半導体単結晶層を提供可能とす
ることを目的とし、 シリコン単結晶基板上にアルミニウム原子層を気相成長
させる工程と、原子層エピタキシ法等を用い、第1の所
定温度で該アルミニウム原子層上にガリウム砒素層を気
相成長させる工程と、該第1の所定温度より高い第2の
所定温度で該ガリウム砒素層上にガリウム砒素エピタキ
シャル層を気相成長させる工程とを含むことから構成さ
れる。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、気相成長法によりシリコン(Si)単結晶基板
上にガリウム砒素(GaAs)等の化合物半導体層をエピタ
キシャル成長させて成るGaAs on Si構造に関する。
〔従来の技術〕
化合物半導体基板を用いた半導体装置の高性能化合物お
よび製造コストの低減を目的として、いわゆるGaAs on
Si構造の半導体基板の開発が進められている。GaAs on
Siは、シリコンウエハ上にGaAs層をエピタキシャル成長
させ、このGaAs層に所望の半導体装置を形成する技術で
ある。
GaAs on Si技術によれば、シリコンウエハと同等の径を
有するGaAs基板が得られ、GaAs基板を用いる半導体装置
の量産性の向上とコストの低減が可能となる。また、シ
リコンウエハの熱伝導度はGaAs層の熱伝導度に比べおよ
そ1桁大きいため、GaAs on Si構造におけるGaAs層に形
成された半導体装置放熱効率が高く、高出力動作に対す
る制約が緩和される。さらに、シリコンウエハとGaAs層
のそれぞれに適した半導体装置を形成することにより、
複合モノリシック集積回路を実現できる。例えば化合物
半導体のヘテロ接合を用いる半導体レーザまたはフォト
ダイオードとシリコン系のトランジスタを一つの半導体
基板に形成したオプトエレクトロニック集積回路(OEI
C)である。
〔発明が解決しようとする課題〕
GaAsとSiとは格子定数が4%程度異なるために、シリコ
ンウエハ上に成長したGaAs層には、格子不整合により転
位が発生する。格子定数の差から単純に計算した転位密
度は1012/cm-2程度となる。このような転位を減少する
ために、第2図に示すように、Si基板1上に、まず400
〜450℃の低温で厚さ約10nmの多結晶GaAs層3を気相成
長させ、次いで、600〜750℃の高温で厚さ3μm程度の
単結晶GaAs層7を気相成長させる2段階成長法が報告さ
れている(M.Akiyama et al.,Jpn.J.of Appl.Phys.,23
(1984)L843)。
単結晶GaAs層9は半導体装置が形成される動作層となる
ために最低3μm程度の厚さを必要とされる。多結晶Ga
As層8は一種のバッファ層であり、単結晶GaAs層9が形
成される高温への上昇により再結晶化して単結晶層とな
るため、この上に単結晶GaAs層9がエピタキシャル成長
する。
上記2段階成長法は、単結晶GaAs層9における転位密度
の低減に効果があるが、単結晶GaAs層9表面に鱗状の凹
凸が生じる問題がある。この凹凸は単結晶GaAs層9に半
導体装置を形成する場合の微細加工を困難とし、高密度
集積化の妨げとなり、また、製造歩留りを低下させる原
因となる。
単結晶GsAs層9表面の上記鱗状の凹凸は、多結晶GaAs層
8が生成したときに、すでにその表面に生じている凹凸
に起因しており、この上に3μm程度の厚い単結晶GaAs
層9を生成しても容易に消減しない。
本発明は上記2段階成長法によって形成されたGaAs on
Si構成において、GaAs等の化合物半導体エピタキシャル
層表面の平坦性を向上することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、シリコン単結晶基板上にアルミニウム原子
層を気相成長させる工程と、第1の所定温度で原子層エ
ピタキシ法等により該アルミニウム原子層上にガリウム
砒素層を形成する工程と、該第1の所定温度より高い第
2の所定温度で該ガリウム砒素層上にガリウム砒素エピ
タキシャル層を気相成長させる工程とを含むことを特徴
とする本発明に係る化合物半導体層の形成方法によって
達成される。
上記本発明を第1図に示す原理図を参照して説明する。
すなわち、Si基板1上にはAl原子層2が形成されてお
り、Al原子層2上にAs原子層3とGa原子層4が形成され
ている。As原子層3およびGa原子層4は原子層エピタキ
シ(ALE)と称される方法(M.Ozeki et al.,Abstract o
f the 19th Conference on Solid State Devices and M
aterials,Tokyo,1987,pp.475)で形成され、各々からGa
Asの1分子層5が構成される。GaAs分子層5が80〜800
層積層され、多結晶層から成る上記従来のバッファ層
(第2図におけるGaAs層8)に代わるバッファ層を構成
する。
ALE法においては、通常のMOCVD(有機金属化学気相成
長)法と同様の原料ガスを用いるが、MOCVD法における
ようにGaおよびAsの各々の原料ガスを同時に供給せず、
これらの原料ガスを時間をずらせて交互に供給する。そ
の結果、各原料ガスが供給されるごとにGaまたはAs単原
子層が形成され、これらの単原子層間に結合が生じ、Ga
As 1分子層が生成する。これを繰り返してGaAs分子層が
成長する。
上記ALE法を用いると、GaAs単結晶基板上には、すぐれ
た平坦性を有するGaAs層をエピタキシャル成長させるこ
とができる。しかし、Si単結晶基板の場合には、ALE法
を用いても、充分な平坦性を有するエピタキシャル成長
GaAs層が得られない。この理由は、(100)方向の面方
位を有するSi基板上に、気相成長法によりGaAs層が生成
する場合、GaAs分子はSi基板上では島状に成長しやす
く、Si基板表面全体を覆って平面的(2次元的)な成長
が始まる段階では、比較的大きな島に成長しているため
と考えられる。
本発明においては、第1図に示すようにAl原子層2お設
けることによって、早期に上記島状成長から2次元的成
長へ移行させ、GaAsエピタキシャル成長層表面の平坦性
を向上させる。
〔作 用〕
Alの格子定数はGaAsのそれの約1/2であり、Si表面にお
ける原子密度はGaAsの約4倍となる。したがって、Si基
板に直接GaAsを成長させる場合よりも、より稠密にGaAs
の島が生成し、島の成長が比較的小さな段階で島どうし
がつながり、基板表面全体をGaAs層が覆ってしまう。そ
のため、Si基板に直接GaAsを成長させた場合よりも早く
島状成長から2次元成長に移行し、Al原子層2とGaAs分
子層5から成るバッファ層6表面の凹凸が少なくなるも
のと考えられる。その結果、バッファ層6上にエピタキ
シャル成長したGaAs層表面の平坦性が向上される。
〔実施例〕
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。第3図
は本発明の実施例を説明するための要部断面図である。
ALE法を用いて、Si基板1上にAl原子層2およびGaAs分
子層5を順次形成する。Al原子層2の原料ガスとして
は、例えばトリメチルアルミニウム(TMA;(CH33A
l),GaAs分子層5の原料ガスとしては、例えばトリメチ
ルガリウム(TMG;(CH33Ga)および水素で10%に希釈
したアルシン(AsH3)を用いる。成長は約20Torrに減圧
した高周波周誘導加熱炉中で行う。以下に述べる工程に
おいては、常に2SLMの水素を成長装置内に流すものとす
る。成長装置の直前には、導入する原料ガスを高速で切
り換えることができるバルブが設けられている。
成長装置内において、Si基板1を水素雰囲気中、900〜1
000℃で10〜30分間程度ベーキングしてから、温度を300
〜500℃に下げる。所定温度で安定してから、成長装置
内にまずTMAを導入する。これにより、Si基板1表面にA
l原子層2が生成される。通常、上記のようにしてTMAを
導入した場合、Al単原子層が形成される。のちに形成さ
れる単結晶GaAs層の結晶性を乱さない範囲として、Al原
子層2は数原子層までの厚さは許容される。
次いで、水のみを導入して残留TMAを排出したのち、AsH
3−水素−TMG−水素を1サイクルとして繰り返し導入す
る。上記における原料ガスの導入時間は1〜数秒程度以
下でよく、その誤差は本質的な影響を生じない。
上記の工程により、Al原子層2上に厚さ10nm程度のGaAs
分子層5を形成されたのち、原料ガスの導入を停止す
る。GaAs分子層5の厚さの下限は、GaAs分子層5が基板
1表面を完全に被覆する最小値であり、一方、上限はと
くに制約はなく、工程条件およびデバイスの特性に合わ
せて、適当に選ばれる。
次いで、温度を600〜750℃に上げる。所定温度で安定し
てから、通常のMOCVD法におけると同様に、成長装置内
にTMGおよびAsH3を同時に導入し、GaAs分子層5上に単
結晶GaAs層7をエピタキシャル成長させる。単結晶GaAs
層7が所定の厚さに達したのち、原料ガスの導入を停止
する。単結晶GaAs層7の厚さは、この層中に半導体装置
を形成するに必要とされる、例えば3μm以上とする。
上記のようにして形成された単結晶GaAs層7表面と従来
の2段階成長法によって形成された単結晶GaAs層9の表
面をスポットライトの散乱光観察により比較したとこ
ろ、単結晶GaAs層9の方がより散乱性が強いこと認めら
れ、単結晶GaAs 7の平坦性がすぐれていることが示され
た。
Al原子層2およびGaAs分子層5のALE成長は、有機金属
化合物を原料ガスとして用いるMOCVD法に限定されず、G
aとAs,を交互に供給可能な方法に代替でき、例えばMBE
(分子ビームエピタキシ)技術を用いて施行することも
可能である。
Al原子層2を形成したのち、原子層単位のエピタキシャ
ル成長法を用いず、通常のMOCVD法あるいはMDE法により
GaAs分子層5を形成してもよい。これらの方法は、ALE
法によりGaAs分子層5を形成した場合に比べて、単結晶
GaAs層7表面の平坦化に対する効果は若干劣るが、ALE
法のように導入原料ガスを高速で切り換える手段を必要
とせず、通常の装置で実施できる利点がある。
上記実施例における単結晶GaAs層7の形成方法はMOCVD
法に限定されず、単結晶GaAs層7に形成されるデバイス
の作製工程に応じ、例えばDEGaCi(ジエチルガリウムク
ロライド)、AsCl3(3塩化砒素)等の塩化物系の原料
ガスを用いる気相成長法等、他の方法を適宜選択するこ
とができる。単結晶GaAs層7の成長速度がとくに問題と
ならない場合には、GaAs分子層5の形成に続き、ALE法
を適用してもよい。
Al原子層2上に形成する分子層および動作層はGaAs層に
限定されず、本発明は、InP,GaP等のIII−V族化合物半
導体、あるいは、GaInP,AlGaAs等のIII−V族混晶、ZnS
(硫化亜鉛)等のII−VI族化合物半導体の気相成長に対
しても適用できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、Si単結晶基板上に平坦な表面を有する
化合物半導体層をエピタキシャル成長可能とし、GaAs o
n Si構造の化合物半導体の実用化を促進し、半導体装置
の高集積化、量産性の向上、低コスト化に効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理説明図、 第2図は従来の2段階成長法によつて形成されたGaAs o
n Si構造、 第3図は本発明の実施例を説明するための要部断面図、 である。 図において、 1はSi基板、 2はAl原子層、 3はAs原子層、 4はGa原子層、 5はGaAs分子層、 6はバッファ層、 7と9は単結晶GaAs層、 8は多結晶GaAs層 である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン単結晶基板上にアルミニウム原子
    層を気相成長させる工程と、 第1の所定温度で該アルミニウム原子層上にガリウム砒
    素を気相成長させる工程と、 該第1の所定温度より高い第2の所定温度で該ガリウム
    砒素上にガリウム砒素エピタキシャル層を気相成長させ
    る工程とを含むことを特徴とする化合物半導体層の形成
    方法。
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