JPH0776150B2 - 結晶成長方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は結晶基板上への結晶成長方法に関する。本発明
は原理的に気相成長方法や液相成長方法などの各種エピ
タキシャル成長方法に応用できるが、以下では分子線成
長方法例に説明する。

（従来の技術） 近年高速バイポーラ素子、マイクロ波用素子あるいは超
格子構造素子などへの応用を目的としてこれまでのシリ
コン薄膜成長技術に比べ、より低温で成長が行なわれ、
しかも原子層レベルでの成長の制御ができるという特徴
を有する高真空内でのシリコン分子性成長（SiMBE）技
術が盛んに研究開発されている。

この様な分子線成長技術を様いると、たとえばSiでは成
長温度は、（100）面で約200℃まで下げられるが、（11
1）面では650℃と高く、これ以上の高温で成長すると結
晶性が極めて悪くなる。現在のシリコンのバイポーラト
ランジスタ製造プロセスでは選択エッチングを行う関係
上（111）面を用いることが多く、（111）面における成
長温度を下げることが必要である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、この様な従来の欠点を除去せしめて、
IV族（111）面上への同種IV族元素の成長法において従
来の成長温度より低温でしかも結晶性が良好である結晶
成長方法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、単結晶IV族元素（111）基板上への同種IV族
元素のエピタキシャル成長において、清浄化したIV族元
素（111）基板上に予めスズ（Sn）を0.3原子層以上形成
さてた後、同種IV族元素のエピタキシャル成長を始める
ことを特徴とする。

（作用） 初めに、本発明の原理についてSi（111）上のSiのホモ
エピタキシャル成長の場合を例に取って説明する。Si
（111）清浄面上には第１図（ａ）に示したような原子
層ステップがある。Si（111）上のSiのホモエピタキシ
ャル成長の場合、飛来したSi分子はステップ間のテラス
に付着するが、テラス上のダングリングボンドが垂直で
ありこのダングリングボンドと結合しても不安定である
ために、表面拡散し、１原子当たり２本のダグリングボ
ンドが有効に作用するステップ端において格子に組み込
まれる。低温で成長し、ステップ端に達するエネルギー
がない場合は、テラス上で２次元核発生してしまい、テ
ラス上に垂直に立つ１本のダングリングボンドの周りに
回転の自由度があるため、積層欠陥が多数発生する。一
方、Si（100）上のSiのホモエピタキシャル成長の場合
にはSi（100）のテラス上の１原子当たり２本のダング
リングボドが有効に作用し飛来したSiは表面拡散するこ
となく成長位置に入ることができる。この様に（111）
面において高い成長温度を必要とするのはテラス上を表
面拡散するためのエネルギーが（100）面より余分にい
るからである。

このSi（111）清浄面上にSnを約0.3原子層蒸着すると市
川等によってサーフェースサイエンス140巻37ページ
（T.Ichikawa,Surf.Sci.140（1987）37.）に示されてい
るようにSnは表面上で 構造をつくる。（第１図（ｂ）） 構造ができると表面のバンド構造は共有結合性の強いも
のから金属結合性の強いものに変化する。従って、（11
1）面上をSiが表面拡散するときに乗り越えなければな
らない、各ダングリングボンドに起因する表面拡散ポテ
ンシャルは減少し、この 構造上にSiが飛来したとき、そのSiはSnのない場合より
低い温度で容易に表面拡散できるようになり、より低い
温度で成長サイトであるステップ端に達することができ
る。（第１図（ｃ））Siの成長が進んでも、ハンセンに
よってコンスティテュションオブバイナリイ ア ロ
イ ズ（“Constitution of Binary Alloys,McGrow−Hi
ll,1958"）に示されるているように、SnはSi中にほとん
ど固溶しないためにほとんどすべてのSnは表面に偏析さ
れ、表面のSn濃度は変化せず、 構造も保たれる。以上述べた理由により、（111）表面
にSnを蒸着し 構造をつくると、Si表面拡散ポテンシャルを減少でき、
（111）面における成長温度を下げることができる。

（実施例） 次に発明の実施例について具体的に説明する。反射高速
電子線回折法（RHEED）はMBE法の初期より結晶成長時の
基板清浄化のモニター及び結晶成長モードの決定のため
にもちいられてきた。近年、MBE成長中にRHEEDパターン
の強度が振動することが報告されている。このRHEEDパ
ターンの振動の一周期は一分子層の成長に正確に対応す
る。この振動は飛来したSiが表面上で２次元核形成を行
い、２次元核が成長して合体し、再び平坦な表面に戻る
プロセスを繰り返すことによって生ずる。Si（100）面
ではこの振動は200〜1200℃の広い成長温度範囲で観察
されるが、Si（111）面では650℃以上で消える。これ
は、原理を説明した所で述べたように、（111）面では6
50℃で２次元核形成による成長からステップ端における
成長に成長様式が変化するからである。従って、（11
1）面では振動が観察される低温領域で成長すると結晶
性が極めて悪い。

第２図は、Si（111）清浄表面上に基板温度500℃でSiを
照射し途中Snセルシャッターを開いたときのRHEED振動
を示したものである。Snシャッターを開いても振動に大
きな変化はないが、一定時間たつと振動は急激に減衰し
消える。これは、表面に偏析したSnが一定値（0.3原子
層）に達すると２次元核形成による成長からステップ端
における成長に成長様式が変化したことを示しており、
表面におけるSnの存在が成長様式の変化に関して、成長
温度を上げることと同じ効果を持つことを示している。
振動が消えた時のRHEEDパターンはシャープな 構造を示しており、Snセルシャッターを閉じて、その上
にSiを成長してもパターンは変わらない。このことも原
理で述べたことを裏ずけている。

実際に、Si（111）清浄面上にSnを0.3原子層蒸着した
後、成長温度を変えてSiを成長した膜の結晶性を調べる
と第３図のようになる。結晶性はジルトルエッチングし
た後エッチピットを数えることによって評価し、Siの成
長速度は２Å/s一定とした。なおSiの膜厚は500Å〜100
0Å成長させた。比較のためにSn蒸着しない場合も併せ
て示した。この図から明らかなように、Si（111）面にS
nを0.3原子層蒸着した表面上にSiを成長させた方が、成
長温度を約300℃下げることができる。表面に蒸着するS
nは0.3原子層以上必要である。それ以下ではSnは表面上
で 構造をつくらず、従ってSiの表面拡散を促進することが
できない。またSnが１原子層より厚くなるとSnの島状成
長が起こるため、１原子層以下であることが必要であ
る。

以上Siエピタキシャル膜をSi（111）基板上に成長させ
る場合について述べたが、SnのGeに対する性質はSiに対
する性質にたいへん良く似ており、Geエピタキシャル膜
をGe（111）基板上に成長させる場合についても同様の
ことが確認された。

さらに、本実施例ではSi、Ge（111）基板を対象とした
が、本発明の方法は表面にのみSi、Ge（111）面が存在
するSOS（Silicon on Sapphire）基板や更に一般にSOI
（Silicon on Insulator）基板等にも当然適用できる。
また固体ソースを原料とした分子線成長方法によりエピ
タキシャル成長した例を示したが、本発明はガスソース
分子線成長方法、他の気相あるいは液相成長にも適用で
きることは言うまでもない。

（発明の効果） 以上、詳細に述べた通り本発明によれば、IV族（111）
面上への同種IV族元素の分子線成長法において、表面上
に予めSnを蒸着することによって、同種IV族元素に対す
る基板表面の表面拡散ポテンシャルを減少でき、従来の
成長温度より低温でしかも結晶性が良好な結晶を形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の原理を説明
するための概念図、第２図は、Si（111）清浄表面上に
基板温度500℃でSiを照射し途中でSnセルシャッターを
開いたときのRHEED振動を示す図、第３図は成長温度と
エッチピット密度との関係を示す図である。 図において １……Si（111）基板、２……Sn原子、３……Si原子で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｍ 8719−4Ｍ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶IV族元素（111）基板上への同種IV
   族元素のエピタキシャル成長において、清浄化したIV族
   元素（111）基板上に予めスズ（Sn）を0.3原子層以上１
   原子層以下形成させた後、同種IV族元素のエピタキシャ
   ル成長を始めることを特徴とする結晶成長方法。