JPS63503104A - 格子不整単結晶基板上のエピタキシャル層を含む半導体デバイス - 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】 格子不整単結晶基板上のエピタキシャル層を含む半導体デバイス 本発明の背景 本発明は格子不整材料のＡ接した層を含む半導体デバイス稟二係る。

各１の電子回路の分野二おいて、格子不整のエピタキシャル層が得られることは 望ましく、異なる材料のそれぞれはその特定の材料を用いて実現するのが最善で あるデバイス晟能を与えるために用いられる。しかし、異なる半導体材料間の格 子不整、たとえば、ＧＣ及びＳｉ間の約０．２２オングストローム又は約４％の 不整５二より、エピタキシャル成長中エピタキシャル層及び基、仮の界蘭領域中 に大きな応力が発生するのは避けられず、それによりエピタキシャル層は格子転 位のような欠陥を生じる性！’Ｙもち、そのためエピタキシャル層中に形成され たトランジスタは、もしできたとしても適切二は動作しない。

エピタキシャル層が厚（なるにつれ、格子転位の形成はより起りやす（なる。た とえば単結晶シリコン基板上盛＝１００オングストロームもの小さな厚さをもつ Ｑｅ、３ｉ、−。

の無転位エピタキシャル層を成長させるためには、ＧｅＯ量は約０．５より小さ いモル分率τ二限られ、一方エビタキシャル層中に形成される光要素には、１（ 純粋なＧｅ）に等しいモル分率Ｘが望ましい。そして、従来技術においては、そ のような層（Ｘ−１）は層の゛厚さをどんなに小さくしても、シリコン基板上二 点転位に成長することができない。より一般的２：は、単若晶基板上の無転位へ テロエピタキシャル層の厚さの範囲を延ばすことが望ましい。基板というのはＳ ｉ、ガリウムひ素ＣＱａＡｓ　）及びインジウムリン（ＩｎＰ　）のような市販 の半導体である。

本発明の要約 純粋な（）ｅのような格子不整材料の任意の厚さの無転位エピタキシャル層が、 適切に多孔質にするか、構造を作るかあるいは適切にサブミクロンにパターン形 成されたＳｉ　のような単結晶基板の表面上シニ成長させられる。

そのようニして、基板二対するエピタキシャル層の格子不整による応力から生じ る〔層の単位面積当りの〕全歪エネルギーは以下でより詳細に説明するよう【二 、転位が生じるレベルまで延びない。従って、エピタキシャル層の質ははるかコ ニ改善され、それによって無転位格子不整へテロエピタキシャル層が、より大き な厚さまで成長させることができる。１格子不整”ということにより、基板及び エピタキシャル層はそれらの格子定数が少（とも約０．５％又は０．０３オング ストロームだけ異なることを意味する。

図面の簡単な説明 第１図は単結晶基板の典型的な構造Ｚ形成した表面領域の上面図； 第２図は第１図に示された典型的な構造をもつ表面領域の断面図； 第３図は本発明の原理に従う第１及び２図中に示された格子不整の構造を形成し た表面上に成長させたエピタキシャル層の水平方向の格子長が基板のそれより大 きい場合のエピタキシャル層中の接線方向の応力を示す図；第４図は本発明の具 体的な実施例に従い多孔質単結晶シリコン基板上に成長させたゲルマニウムのエ ピタキシャル層の断面を示す図； 第５図は本発明に従い成長させた格子不整半導体のエピタキシャル層部分を含む 集積回路の断面図である。

詳細な記述 先に述べたように０本発明コニ従いエピタキシャル層が多孔質あるいは構造を形 成するか、サブミクロンのパターン暑形成した表面上コニ成長させられる。′構 造を形成した”というのは、主表面における基板の断面が、急峻な丘と谷を特徴 とし、丘の最上部は谷コニより形成される間隙により相互に分離された平坦な台 地表面部分乞規定することを意味する。一般：二１サブミクロンパターン形成さ れた”表面というのは、任意の形状の平坦な台地を特徴とし、各台地は１ミクロ ンより小さな横方向寸法なもち１台地間に配置された溝により形成された間隙を 有すること乞意味する。これはたとえばＫ　、　Ｄｏｕｇｌａｓ　（ケイ。

ダグラス〕らによりＡｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ　、ｌ、ｅｔｔｅｒｓ　（ アプライド・フィジックス・レターズ〕第４８巻、１ｌｌｌ１１，６７６−６７ ８頁（１９８６年３月〕り発表された１ナノメ一タ分子リソグラフィ”と題する 論文：二連べられているナノメータリングラフィ；二より得られる。

単結晶基板の台地部分は全べて同じ結晶学的方位乞もつことに注意すべきである 。すなわち、これらの台地はすべて同じ単結晶基板から始まるため、それらの各 結晶構造は基板の最初の表面が多孔質にされるか、構造乞形成するかあるいは適 切にパターン形成された麦ですら。

相互に同じ方向乞もつ。格子不整があっても、基板の表面の適当なパターン形成 二より、エピタキシャル層中の歪の源が減り、そのためエピタキシャル層は以下 で詳細に述べるように、厚さによらず無転位である。そのような適切なパターン 形成は横方向の寸法がある糧の条件を満す台地及び間ＮＹ特徴とする。より具体 的には１間隙の横方向寸法は異なる台地から生じる歪の重量によって転位が形成 されるのを防止するため１台地の横方向寸法の約３分の１より大きくすべきであ るが２間隙の横方向寸法は間隙中の基板表面の領域から、多結晶成長のエピタキ シャル層が好ましくないほど支配的コニなるのを避けるため１台地のおおよその 横方向寸法乞越えてはならなぃ。更二０台地の最大横方向寸法（２Ｌ）は望まし いエピタキシャル層の厚さ；二幾分依存するある種の臨界長〔２ＬＣ）乞越えて はならない。３ｉ上；二成長させた任意の厚さの縄砕なＧｅ層の場合、この−臨 界長（２ＬＣ）は約２００オングストロームと期待される。臨界長の同様の値は 、３ｉ上；二成長させた任意の厚さのガリウムひ素層の成長の場合５二も期待さ れる。

間隙及び台地がともに通常１００オングストローム以下、典型的な場合約３５オ ングストロームの横方向寸法を有する多孔質シリコンの基板は、任意の厚さをも つ無転位の純伜なゲルマニウムのエピタキシャル成長；二対し。

これらすべての灸件を満す。

第４図１示されるよう；二、エピタキシャルゲルマニウム層〔４３〕が多孔質シ リコン半導体基板部分（４１）の表面〔４２〕上に配置されている。この多孔質 基板部分（４１）は単結晶ｎ形バルクシリコン半導体基板（４０〕の最上部ｐ形 部分乞なし、たとえば基板はａａフッ化水素酸との、陽極設化二より、この最上 部分は多孔質シーなっている。湯面反応は当業者には周知のように、ｎ形シリコ ンよりｐ形シリコン中で速く進む。そのような陽極酸化については、たとえば第 ４６巻、８６−８８頁（１９８６年１月）：二Ｍ、　Ｉ　、　Ｊ　、　ＢｅａＬ ｅ　（工Ａ　・フイ・シエイ・ヒーレ〕うにより発表された“多孔ズシリコンの 微細構造と基本的乗構”と題する論文中に述べられている。エタノールを陽色反 応中好ましくい気泡の発生を抑えろためフッ化水素酸に加えると有利にできる。

ゲルマニウム層Ｃ４３）は多孔質基板を適切Ｃ二浄化した後２表面上に分子線エ ピタキシー（ＭＢＥ）により成長させると有利である。たとえば、基板を浄化す るため５二は、基板全体を乾燥した酸素中で約３００℃に加熱し、多孔質シリコ ンの表面部分を酸化し９次に識化物を除くため基板を約７００ないし７５０℃の 温度；二に空容器中で加熱する。

あるいは過酸化水素及び塩酸の溶液中で兼化し、読いて真空容器中で加熱するこ とにより、浄化できる。最後に。

当業者には周知で、たとえばＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　主由立２ ４５−２５４頁（１９５４）−二発表されたＪ、Ｃ，Ｂｅａｒｌ（ジエイ・シー ・ビーン〕≦二よる”　ＧｅｘＳｉ、−、ｃ／　（Ｓｉ　、　Ｇｅ）歪層へテロ 接合及び超格子の分子線エピタキシー”と題する論文中により詳細に述べられて いるように、同じ真空容器中で基板の表面にゲルマニウムのＭＢＢを行うのが好 ましい。

次に、エピタキシャル層（４３）及び多孔質シリコン層（４１）は、第５図に示 されるよう１二比較的大きな領域（又は複数）にパターン形成でき、それ５二よ ってシリコン基板（４０〕の一部分が露出される。すると、当業者には周知のよ うｉ二、１ないし複数の光−電子要素又はデバイスが、残ったエピタキシャル層 〔５６〕中に製作中の大規模集積回路（ＶＬＳＩ）とともに製作でき、シリコン 基板（４０）の露出された部分中に集積化される。

これらの光−電子デバイス及び集積回路は９次二たとえば金属線（ＳＳ）及び（ ＳＳ）：二上り透気的に相互接続できる。典型的な場合、これらの線はアルミニ ウム又は他の適当な金属線の形をとり、それらは当業者には周知のよう；二、絶 縁層中の窓を貫く、各デバイス及び回路のｔ−ｉ領域を除いて、絶縁層（図示さ れていない）５二より基板（４０）及びエピタキシフル層（５３）から絶縁され ろ。あるいは、エピタキシャル層は最初から基板表面の限られた部分上Ｓ二のみ 成長させることができる。また。

エピタキシャル層（５３）中コニ製作される光−亀子デバイス；二枚り、あるい はそれ二加えて、を子回路もこのエピタキシャル層中に裏作でき、それによって データｎ浬システム中での動作中、エピタキシャル層中の回路はより厳密さを必 要とするデータ計算の仕事すなわちより高速で行うことが望ましい計算ンするよ う割当てられる。

本発明の限底にある原理をよりよ（理解するために。

稟１，２及び３図を参照するのが有用である。構造を形成した表面をもつ単結晶 基ｔａｉ０１上に、エピタキシャル層（１５）（第３図）を成長しである。基板 との界面よ二おける７音中の（格子不農による）接線方向の応力は、第３図中の 矢印で示゛されている。構造を形成した表面は平坦な台地（１１）（第２図〕、 各項方向寸法２Ｌ、及び谷（１２）を特徴とし、各谷は垂直な列壁（１３〕を有 する。谷（１２）は横方向寸法Ｇの３面（１２）乞もつ。

矢印の長さは谷の中央付近の台地の端部で比較的長く。

台地の中央点付近で比較的短いこと１二注意すべきである。

このことは、谷付近の台地の端部；二おける接線方向の応力が比較的大きく２台 地の中央付近で比較的応力が小さいことを示している。

本発明の条件０１つに従う間隙の横方向の大きさＧは。

異なる台地の上の歪源からエピタキシャル層（１５）Ｙ貫いて伝播する歪場が、 干渉しないように、すなわち別の歪源から生じた歪場の重なりが本質的でないよ う；二。

十分大きくなければならない。従って、エピタキシャル層を貫く歪乞発生するこ とを含む得られる境界値間」の物理曲解は、界面からの距離の関数として、歪の 値が指数関数的に減少することを′４漱とする。このように、エピタキシャル層 の単位面積当りの歪エネルギーは、大きさにはよらず任意の厚さに対して有限で ある。更Ｃ二、歪エネルギーは台地の横方向の長さ２Ｌが減少するとともＣ減少 し９台地の最小横方向寸法２Ｌが十分小さい場合には、歪エネルギーは転位形成 の１地エネルギーを越えろことはない。特コニ、もしＳｉの表！上の台地の２Ｌ が約２００オングストロームより小さいなら、純粋なゲルマニウムエピタキシャ ル層は１層がいか；二厚いかによらず。

転位を発生することはない。もしＳｉの台地の横方向の寸法２Ｌが幾分大きいな ら、純伜なＧｅエピタキシャル層はその厚さがあまり大きくない限り、無転位の ままである。そのような場合、３ｉ上への：４伜なＱｅの無転位成長に対する臨 界層厚は、有限ではあるがパターン形成されない（なめらかな）Ｓｉ上への成長 の場合に予測される値（１０オングストローム）より太き（なるであろう。

各種の修正が可能である。たとえば、純伜なＱｅの代りユニ無転位エピタキシャ ル層はＱｅｘ３ｉｌ−Ｘでよく、ｘ【二依存して横方向の台地の大きさ２Ｌの許 される値が幾分大きくなる。あるいは、それはガリウムひ素にできる。より一般 的には、基板及びエピタキシャル層は任意の格子軍警結晶半導体又は非半導体で よい。たとえば９本発明の視野内で、二元、三元又は四元■−■化合物半導体合 金・−・−・・・’　−、を的に（Ｉｎ、Ｇａ、Ａ７　）　−（Ａｓ、Ｐ　）は ＱａＡｓ　、ＩｎＰ又はＧａＰ　のような格子不整パターン形成したＩＶ−Ｖ単 拮晶基改上；ニエピタキシャル成長させられる。

ＧａＰはｊ９ｉとわずか０．４％の格子不整で、従って池の■−■化合物半導体 より３ｉには完全二格子整合するが。

ＧａＰそれ自身は間接禁制ｉ′（！′もち、光デバイスには有用でないこと２二 注意すべきである。このように本発明の視野内で任意のＩＶ−Ｖ格子不整（ｏａ ｐに対して）材料乞。

サブミクロンのパターン形成したＧａＰ層上に成長でき。

ＧａＰ層はシリコン基板のなめらかな（パターン形成されていない〕表面上にエ ピタキシャル放炎されている。

ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、５ 国際調査報告 一＃１ＩＩＩ＋ＩＩＩＭＩ＾−−−−−とテ／υＳ　８７１００６１２Ａ１１１ ’ＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯ１’！ＡＩ−ＳＥＡ：’ＬＣＨ ＲＥＰＣＲＴ　ＯＮＩ　ＮＴＥＲＮＡＴ　工○ＮＡＬ　ＡＰＰＬｒＣＡＴＩＯＮ 　Ｎｏ、　ＰＣＴ／ＵＳ　５７１００６１２　（ＳＡ　１６７８：Ｌ）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．エピタキシャル層が基体の格子定数とは異る格子定数をもち，本質的に単結 晶の基体（４１）の表面（４２）上に配置されたエピタキシャル層（第４図，４ ３）を含むデバイスにおいて、 表面はサブミクロンパターン形成されることを特徴とするデバイス。
2. ２．請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおいて，エピタキシャル層は本質 的にゲルマニウムで，基体は本質的にシリコンであることを特徴とするデバイス 。
3. ３．請求の範囲第２項に記載されたデバイスにおいて，パターン形成された表面 は約２００オングストロームより小さな最大横寸法をもつ台地と，少くとも約１ ００オングストロームの厚さを有するエピタキシャル層を特徴とするデバイス。
4. ４．請求の範囲第３項に記載されたデバイスにおいて，近接した台地は少くとも 約６０オングストローム間瞭により分離されていることを特徴とするデバイス。
5. ５．請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおいて，パターン形成された表面 は本質的に多孔質シリコンであることを特徴とするデバイス。
6. ６．請求の範囲第５項に記載されたデバイスにおいて，多孔質シリコンは１００ オングストロームより小さい横方向寸法を有する台地を特徴とするデバイス。
7. ７．請求の範囲第７項に記載されたデバイスにおいて，エピタキシャル層は本質 的にガリウムひ素で基体は本質的にシリコンであることを特徴とするデバイス。
8. ８．請求の範囲第７項に記載されたデバイスにおいて，パターン形成された表面 は約１００オングストロームより小さな最大横方向寸法をもつ台地を特徴とする デバイス。
9. ９．請求の範囲第８項に記載されたデバイスにおいて，近接した台地少くとも３ ０オングストロームの間隙により分離されていることを特徴とするデバイス。
10. １０．請求の範囲第１項に記載された表面は台地の最大横寸法の少くとも約３分 の１の間隙により分離されていることを特徴とするデバイス。