JPS63311718A - ヘテロ構造単結晶半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

ヘテロ構造単結晶半導体薄膜の製造方法

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JPS63311718A
JPS63311718A JP14709587A JP14709587A JPS63311718A JP S63311718 A JPS63311718 A JP S63311718A JP 14709587 A JP14709587 A JP 14709587A JP 14709587 A JP14709587 A JP 14709587A JP S63311718 A JPS63311718 A JP S63311718A
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JP14709587A
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Masanobu Miyao
正信 宮尾
Shoji Yadori
章二 宿利
Shizunori Oyu
大湯 静憲
Chikaichi Ito
伊藤 親市
Yasuo Igura
井倉 康雄
Yasuko Takano
靖子 高野
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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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〕 本発明は単結晶薄膜の製造方法に係り、特にヘテロ構造
の半導体素子の製造に好適な単結晶薄膜の製造方法に関
する。
〔従来の技術〕
従来のヘテロ構造の単結晶薄膜の製造方法については、
応用物理、第55巻、第8号(1986)第791頁か
ら第794頁において論じられている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
例えば、シリコン(Si)単結晶基板上にSi以外の半
導体膜を形成する方法には、前記の従来技術に述べられ
ているヘテロ・エピタキシャル法がある。しかしながら
、Siと異種半導体では格子定数、熱膨張係数が異なる
ため、ヘテロ・エピタキシャル成長後にSiと異種半導
体とのヘテロ界面に多くの欠陥が残留する問題があった
本発明の目的は、これらの欠陥を除去し、高品質のヘテ
ロ界面をもった半導体単結晶薄膜を提供することにある
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的は、通常のヘテロ・エピタキシャル成長法を
用いて形成したベテロ構造の界面近傍両側を、イオン打
込み法を用いて一度非晶質化した後、アニールし、固相
結晶成長法により非晶質領域を再結晶化することにより
達成される。
〔作用〕
本発明は上述のように通常の方法で形成した結晶欠陥の
多いヘテロ界面を一旦非晶質化した後再結晶化すること
によってヘテロ構造単結晶薄膜を形成しているので界面
近傍に発生する結晶欠陥がきわめて少なくなる。
〔実施例〕 以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例 1゜ 第1図(a)、(b)、(c)は本発明の一実施例の工
程[略説明図である。
図(a)は通常の方法で単結晶Si基板1上に単結晶G
aAs層2を形成する里程であるーこの工程では、通常
、分子線蒸着(MBE)法、または有機金属の熱分解に
よる気相成長(MOCVD)法が用いられる。典型的な
成長シーケンスは以下のとおりである。すなわち、まず
、Si基板表面を清浄にするために900℃で熱処理す
る。つぎに、MOCVD法ならば400〜450’C,
M B E法ならば150〜400℃の低い温度で20
n m位の厚さの非晶質GaAs層をSj基板上に堆積
する。その後、成長を一端中断し、基板温度を700〜
750℃に上げ、2回目の成長を厚さ300n mだけ
行なう。基板温度が上がると非晶質GaA、sFIは単
結晶化し、その上に2回目に成長するG a A s層
は単結晶となる。しかしながら、電子顕微鏡1g1mに
よると、単結晶GaAs層と単結晶Sj基板との界面に
は多くの欠陥が残留していることが認められた。
図(b)は図(a)の単結晶G a A s層2を形成
したSi基板1にイオン打込み3を行ない、単結晶Ga
As層2とSi基板1との界面4の近傍を非晶質化する
工程である。この場合、打込みイオン種及び打込みエネ
ルギーを適当に選べば、G a A s層の表面側を単
結晶に保ったままでGaAs層2と単結晶Sj基@1と
の界面4の両側の層4′、4“を非晶質化することは可
能である。本実施例では、350keVに加速したSi
”イオンをIXIOlgan−”打込み、単結晶GaA
s層と単結晶Si基板との界面の両側4’、4’を非晶
質化した。
図(c)は図(b)に示したイオン打込みした試料をア
ニールし、ヘテロ界面の非晶質層を単結晶化する工程で
ある。すなわち、前記試料を600℃で1時間のアニー
ルを行なった所、表面側の単結晶GaAs層2及び単結
晶81基板1を結晶成長のシードとして非晶質層の固相
結晶成長が起った。
その結果、ヘテロ界面両側の非晶質層が単結晶化し、良
質のGaAs/Si結晶が形成できた。この結晶の電子
顕微鏡観察を行ないヘテロ界面を詳細に調べた処、結晶
欠陥の数は工程(a)後のものに比へて1/10以下に
減少していた。
ところで、第1図に示した実施例の場合、ヘテロ界面近
傍に形成された非晶質層は表面側単結晶G a A、 
s層及び裏面側単結晶Si基板の両者を結晶成長のシー
ドとし、反対方向から互いに同相成長し、2つの成長層
の先端が衝突した時点で成長は終了する。結晶成長の観
点から言えば、固相結晶成長が終了する迄非晶質GaA
s層の同相結晶成長は表面側の単結晶GaAs層を結晶
成長のシードとして進行し、非晶質Si層の固相結晶成
長は裏面側単結晶SL基板を結晶成長のシードどして進
行することが望ましい。言い換えると、上記の2つの成
長層の先端はGaAs層と81基板とのヘテロ界面にお
いて衝突することが望ましい。そのため条件を第2図を
用いて説明する。
第2図において、1は単結晶Si基板、7はイオン打込
みにより形成した非晶質Si層、5は単結晶G a A
 s層、6はイオン打込みにより形成した非晶質G a
 A s層である。ここで、6及び7は第1図(b)と
同じ工程で形成されたものであり、その各々の厚さをL
GaAs及びL S iと書くことにする。
いま、あるアニール温度(T)におけるSi及びG a
 A sの固相結晶成長速度を各々VS+及びvea^
6と書き表わすならば、6及び7が固相結晶成長により
単結晶化する時間は各々L GaAs層 VGaAs及
びL s ; / V s ;となる。両者の時間が等
しければ、同相結晶成長の先端かヘテロ界面で衝突する
訳であるから、良いエピタキシャル結晶を得るにはL 
sr / Vst = L aaAs/ VGaAsの
条件を満たせば良いことになる。
以下具体例を用いて説明する。
第1図(a)の工程を終了した試料に500 k e 
Vに加速したSi+イオンをl x 101s、、−2
及び400 k e Vに加速したSiゝイオンを5X
10−”打込み、ヘテロ界面近傍を非晶質化した。その
後、2MeVに加速したプロトンを利用した後方散乱法
を用いて非晶質層の厚さを測定した所、LaaAs=3
0nm 。
L3;=210nmの値を得た。そこで、G a A 
s層とSi層の同相結晶成長速度の比(VGIIAS 
: Vs;)が1ニアとなるアニール温度(600℃)
を選び、3時間のアニールを行なった処、両者の非晶質
層が完全に単結晶化した。その後、電子顕微鏡駅察を行
ない、ヘテロ界面を詳細に調べた所、結晶欠陥の数は第
1図(a)の工程後の試料に比べて1/100以下に減
少していた。すなわち、第1図の実施例に比べて第2図
の実施例の方が特性がさらに改善されていることがわか
る。以上においては、イオン種としてSiを選んだ場合
について述べたが、As、P等の他のイオン種を用いて
もよい。
以上の実施例においては、GaAs/Si構造を例に取
り説明してきた。しかしながら、本発明の方法が他のヘ
テロ構造半導体材料に取っても有効であることはいうま
でもない、事実、本発明の方法をGaP/Si、SiC
/Si、AQP/Si。
Si、−xGex/5i(O<X<1)、 5ixGe
yCz/5i(x+y+z=1)、Ge/Si、GaA
s/Ge。
GaP/Ge等の広範囲のヘテロ構造材料系に適用した
場合にも、この方法が有効であることを確認している。
ところで、GaAs層に打込まれたSi+イオンは固相
結晶成長後には電気的に活性化してドナーとなり、n型
を形成する。一方、Si基板に打込まれたSi+イオン
は固相結晶成長後には電気的に中性のままである。した
がって、GaAs/Siのヘテロ構造にSi+イオンを
打込み、その後にアニールすれば、GaAs/Siのヘ
テロ界面の改善とGaAs層へのドーピングとを同時に
行なうことができることになる。この方法はGaAs層
をエミッタとしたヘテロ構造のバイポーラ・トランジス
タを製造する際に極めて有用となる。以下、このような
実施例を第3図を用いて説明する。
第3図(a)は通常の方法でバイポーラ・トランジスタ
のコレクタ及びベースまでを形成した図である。図にお
いて、8はボロンを10”an−’程度含んだp型Si
領域であり、70n m程度の厚みを有するベース層で
ある。9はAsを10”〜lO”a++−’程度含んだ
、厚さ170nm程度のn−8i領域、 10はAsを
101g〜10” cxn ’″33程度だ、厚さlt
!m程度のn”Si領域であり、9と10とでコレクタ
層を形成している。11はボロンを1015〜10”a
n−程度含んだp型のSi基板、12は素子間分離用の
′Si○2膜、13はS io2膜12に形成したエミ
ッタ領域形成用の窓である。
第3図(b)は窓13内に厚ざl 50n mのGaA
sff1を形成する工程であり、第1図(a)と同じ工
程である。この工程では、まず単結晶SL基板8上には
単結晶GaAs層が、またSin、膜12上には多結晶
GaAs層が形成される。ついで、Si○2膜12上に
堆積された多結晶GaAs層は通常のホト・リソグラフ
ィ一工程で除去され、窓13内に単結晶GaAs層14
をもった第3図(b)の構造が形成される。
第3図(c)は150keVに加速したSi”イオンを
5 X 10”am−”打込む工程であり、第1図(b
)の工程と同じものである。
第3図(d)は600℃で30分間のアニールをする工
程であり、第1図(C)と同じ工程である。
この工程でSi+イオン打込みにより形成されたベテロ
界面近傍の非晶質Si層とG a A s層は単結晶化
し、高品質なヘテロ界面が形成されると同時にG a 
A s層はn1領域となり、エミッタが形成される。す
なわち、図(c)及び(d)の一連の工程で高品質のヘ
テロ界面が形成されると同時にエミッタへの不純物のド
ーピングがなされる点が本発明の特徴となっている。
第3図(e)は電極を形成する工程であり、GaAs層
14の表面上にはA u−G e電極15が、また、p
型Si層8の表面上にAQ電極16が形成される。
これらの電極は通常の5iLSrまたはG a A、 
5LSIで用いられる工程で形成することができ、特に
特別な工程は何もない。以上でエミッタをG a A 
s p3としだヘテロ構造のバイポーラ・I・ランシス
タの形成が終了する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、固相結晶成長法を利用することにより
、通常の方法で形成したベテロ界面の結晶構造を改善す
ることができるので、高品質なヘテロ構造をもった単結
晶薄膜を形成できる効果がある。特にGaAs/Siの
ヘテロ構造にSi+イオン打込みを行ない、その後にア
ニールして固相結晶成長を行なえば、高品質のヘテロ界
面の形成とGaAsへの不純物ドーピングとを同時に行
なえるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第3図は本発明の詳細な説明図である。 図において、 ■・・・単結晶Si基板    2・・・GaAs層3
・・・イオン打込み    4・・・界面5・・・単結
晶GaAs層   6・・・非晶質GaAs層7・・・
非晶質85層    8・・・p型Si層9−= n−
型Si層     10−n+型S1層11・・・p型
Si基板    12・・5in2膜14−n”GaA
s層    15−Au−Ge電極16・・・AQ電極 代理人弁理士  中 村 純之助 ?1 閏 ↑2図 第3図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、単結晶半導体基板上に単結晶異種半導体層を形成し
    た後、イオン打込み法を用いて前記半導体基板と前記異
    種半導体層との界面両側を所定厚さだけ非晶質化し、し
    かる後に、アニールして再結晶化することを特徴とする
    ヘテロ構造単結晶半導体薄膜の製造方法。 2、特許請求の範囲第1項記載のヘテロ構造単結晶薄膜
    の製造方法において、上記イオン打込みによって上記異
    種半導体層中に形成される非晶質層の膜厚と上記半導体
    基板中に形成される非晶質層の膜厚との比を上記再結晶
    化の際における上記異種半導体結晶と上記基板半導体結
    晶の結晶成長速度の比に等しくすることを特徴とするヘ
    テロ構造単結晶半導体薄膜の製造方法。 3、特許請求の範囲第1項または第2項記載のヘテロ構
    造単結晶薄膜の製造方法において、上記基板半導体をS
    i、上記異種半導体をGaAs、上記イオン打込み種を
    Siとすることを特徴とするヘテロ構造単結晶半導体薄
    膜の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006191028A (ja) * 2005-01-07 2006-07-20 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 配向変更された低欠陥密度のSiを製造する方法
JP2008543081A (ja) * 2005-06-01 2008-11-27 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション ハイブリッド配向基板のための改善されたアモルファス化/テンプレート再結晶化の方法
JP2009239315A (ja) * 2009-07-17 2009-10-15 Sharp Corp 窒化物系iii−v族化合物半導体装置の製造方法

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