JPH0562911A - 半導体超格子の製造方法 - Google Patents
半導体超格子の製造方法Info
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- JPH0562911A JPH0562911A JP22323491A JP22323491A JPH0562911A JP H0562911 A JPH0562911 A JP H0562911A JP 22323491 A JP22323491 A JP 22323491A JP 22323491 A JP22323491 A JP 22323491A JP H0562911 A JPH0562911 A JP H0562911A
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- germanium
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- silicon layer
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 Si基板上にGe層とSi層またはGe・Si層とSi層
との半導体超格子の製造方法に関し、結晶品質が良く、
且つ成長速度の速いヘテロエピタキシャル成長法を実用
化することを目的とする。 【構成】 GeH4と酸化性不純物ガスの含有量が100ppb以
下の雰囲気の下で、トリシラン(Si3H8) とを原料ガスと
し、H2または不活性ガスをキャリアとし、減圧ＣＶＤ法
によりSi基板上にGe層とSi層、またはGe・Si層とSi層と
をエピタキシャル成長させることを特徴として半導体超
格子の製造方法を構成する。
との半導体超格子の製造方法に関し、結晶品質が良く、
且つ成長速度の速いヘテロエピタキシャル成長法を実用
化することを目的とする。 【構成】 GeH4と酸化性不純物ガスの含有量が100ppb以
下の雰囲気の下で、トリシラン(Si3H8) とを原料ガスと
し、H2または不活性ガスをキャリアとし、減圧ＣＶＤ法
によりSi基板上にGe層とSi層、またはGe・Si層とSi層と
をエピタキシャル成長させることを特徴として半導体超
格子の製造方法を構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はシリコン層とゲルマニウ
ム層或いはシリコン層とゲルマニウムの組成比の多いシ
リコン・ゲルマニウム層よりなる高品質の半導体超格子
を高い成長速度でエピタキシャル成長させる方法に関す
る。
ム層或いはシリコン層とゲルマニウムの組成比の多いシ
リコン・ゲルマニウム層よりなる高品質の半導体超格子
を高い成長速度でエピタキシャル成長させる方法に関す
る。
【０００２】シリコン（以下Si) 基板の上にゲルマニウ
ム( 以下Ge) とSiとを交互にエピタキシャル成長させた
結晶は直接遷移型の特性をもち、光学素子としての応用
が期待されている。
ム( 以下Ge) とSiとを交互にエピタキシャル成長させた
結晶は直接遷移型の特性をもち、光学素子としての応用
が期待されている。
【０００３】例えば、SiとGeからなる超格子結晶をヘテ
ロエピタキシャル成長させた材料を用いてヘテロバイポ
ーラトランジスタ（ＨＢＴ），受光素子，高電子移動度
トランジスタ（ＨＥＭＴ）などの超高速で高集積を目的
とするデバイスの開発が進められているが、これらに対
して結晶欠陥が少なく、且つ成長速度の速い本方法の適
用は極めて効果的である。
ロエピタキシャル成長させた材料を用いてヘテロバイポ
ーラトランジスタ（ＨＢＴ），受光素子，高電子移動度
トランジスタ（ＨＥＭＴ）などの超高速で高集積を目的
とするデバイスの開発が進められているが、これらに対
して結晶欠陥が少なく、且つ成長速度の速い本方法の適
用は極めて効果的である。
【０００４】
【従来の技術】SiとGe或いはこのSiとGe混晶とSiとをエ
ピタキシャル成長させて形成した結晶層を用いてＨＢＴ
などのデバイスを形成する方法としては分子線エピタキ
シィ（ＭＢＥ）がある。
ピタキシャル成長させて形成した結晶層を用いてＨＢＴ
などのデバイスを形成する方法としては分子線エピタキ
シィ（ＭＢＥ）がある。
【０００５】すなわち、電子線回折の信号強度を測定し
て結晶の成長速度を原子層的に制御することにより超格
子構造をしたヘテロエピタキシャル成長を行うことが可
能である。
て結晶の成長速度を原子層的に制御することにより超格
子構造をしたヘテロエピタキシャル成長を行うことが可
能である。
【０００６】こゝで、ＭＢＥは構造的には極めて精密に
結晶成長を行うことができる技術であるが、実用的には
成長した結晶の欠陥密度が大きく、また欠陥密度の制御
がなされないと云う問題がある。
結晶成長を行うことができる技術であるが、実用的には
成長した結晶の欠陥密度が大きく、また欠陥密度の制御
がなされないと云う問題がある。
【０００７】また、大型基板については多数個の処理が
できず、そのために生産性に問題がある。一方、気相成
長法（ＣＶＤ）は良質の結晶層ができる方法であるが、
Si層或いはSiの組成比の大きな混晶層に対しては500 ℃
以下でのエピタキシャル成長は困難である。
できず、そのために生産性に問題がある。一方、気相成
長法（ＣＶＤ）は良質の結晶層ができる方法であるが、
Si層或いはSiの組成比の大きな混晶層に対しては500 ℃
以下でのエピタキシャル成長は困難である。
【０００８】すなわち、弗化シラン(SiF2H2)のような特
殊のシランを用い、また紫外光照射を行うなどの方法を
用いると500 ℃以下での成長は可能なものゝ、Geとの混
晶の成長については不明である。
殊のシランを用い、また紫外光照射を行うなどの方法を
用いると500 ℃以下での成長は可能なものゝ、Geとの混
晶の成長については不明である。
【０００９】また、トリシラン(Si3H8) は沸点が52.9℃
と低く、多結晶( ポリ)Si や非晶質（アモルファス）Si
の形成材料として知られているが、ＣＶＤ法により低温
でエピタキシャル成長ができるか否かについては知られ
ていない。
と低く、多結晶( ポリ)Si や非晶質（アモルファス）Si
の形成材料として知られているが、ＣＶＤ法により低温
でエピタキシャル成長ができるか否かについては知られ
ていない。
【００１０】また、Geについては、Ge層が厚い場合には
ＣＶＤ法によりSi基板上にエピタキシャル成長できるこ
とは知られているが、成長の初期状態では島状成長が生
じることから格子欠陥が高い密度で含まれており、精密
な構造をとる結晶成長は困難である。
ＣＶＤ法によりSi基板上にエピタキシャル成長できるこ
とは知られているが、成長の初期状態では島状成長が生
じることから格子欠陥が高い密度で含まれており、精密
な構造をとる結晶成長は困難である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】Si基板上にGeをＣＶＤ
法によりヘテロエピタキシャル成長させる原料ガスとし
てゲルマン（GeH4) , ジエチルゲルマン[GeH2(C2H5)],
ジメチルゲルマン[GeH2(CH3)] などが挙げられるがゲル
マン（GeH4) が最も一般的である。
法によりヘテロエピタキシャル成長させる原料ガスとし
てゲルマン（GeH4) , ジエチルゲルマン[GeH2(C2H5)],
ジメチルゲルマン[GeH2(CH3)] などが挙げられるがゲル
マン（GeH4) が最も一般的である。
【００１２】そして、Si基板上にヘテロ成長させるに当
たっては島状に成長し易いことから、平坦性のよいGe膜
を成長させるためには成長温度を500 ℃以下に低める必
要がある。
たっては島状に成長し易いことから、平坦性のよいGe膜
を成長させるためには成長温度を500 ℃以下に低める必
要がある。
【００１３】次に、Si基板上にSiをエピタキシャル成長
させる際に原料ガスとしてジシラン(Si2H6) を使用する
場合は550 ℃以上ではエピタキシャル成長できるもの
ゝ、それ以下の温度でエピタキシャル成長を行うことは
極めて困難である。
させる際に原料ガスとしてジシラン(Si2H6) を使用する
場合は550 ℃以上ではエピタキシャル成長できるもの
ゝ、それ以下の温度でエピタキシャル成長を行うことは
極めて困難である。
【００１４】また、Si基板上にSiとGeの混晶をヘテロエ
ピタキシャル成長させる場合に、Geの組成比が少ない場
合は550 ℃以上の温度で形成できるものゝ、Geの組成比
が大きな場合は平坦な混晶層を形成することは困難であ
る。
ピタキシャル成長させる場合に、Geの組成比が少ない場
合は550 ℃以上の温度で形成できるものゝ、Geの組成比
が大きな場合は平坦な混晶層を形成することは困難であ
る。
【００１５】以上のことから、Si層とGe層またはSi層と
Si・Ge混晶層をヘテロエピタキシャル成長させて半導体
超格子を形成するにはSi層の成長温度を500 ℃以下に下
げることが必要である。
Si・Ge混晶層をヘテロエピタキシャル成長させて半導体
超格子を形成するにはSi層の成長温度を500 ℃以下に下
げることが必要である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記の課題はGeH4と酸化
性不純物ガスの含有量が100ppb以下の雰囲気の下で、ト
リシラン(Si3H8)とを原料ガスとし、H2または不活性ガ
スをキャリアとし、減圧ＣＶＤ法によりSi基板上にGe層
とSi層、またはGe・Si層とSi層とをエピタキシャル成長
させることを特徴として半導体超格子の製造方法を構成
することにより解決することができる。
性不純物ガスの含有量が100ppb以下の雰囲気の下で、ト
リシラン(Si3H8)とを原料ガスとし、H2または不活性ガ
スをキャリアとし、減圧ＣＶＤ法によりSi基板上にGe層
とSi層、またはGe・Si層とSi層とをエピタキシャル成長
させることを特徴として半導体超格子の製造方法を構成
することにより解決することができる。
【００１７】
【作用】Si基板上にSi層とGe層との超格子またはSi層と
Si・Ge混晶層よりなる超格子を形成するには先に記した
ようにＣＶＤ法によりSi膜を形成する際の成長温度を50
0 ℃以下にすることが必要であるが、発明者はトリシラ
ン(Si3H8) ガスを用い、且つ、酸化性不純物ガス( O2,
H2O ,CO,CO2 など）の含有量が100 ppb 以下の雰囲気と
する場合に可能であることを見出した。
Si・Ge混晶層よりなる超格子を形成するには先に記した
ようにＣＶＤ法によりSi膜を形成する際の成長温度を50
0 ℃以下にすることが必要であるが、発明者はトリシラ
ン(Si3H8) ガスを用い、且つ、酸化性不純物ガス( O2,
H2O ,CO,CO2 など）の含有量が100 ppb 以下の雰囲気と
する場合に可能であることを見出した。
【００１８】図１はジシラン（Si2H6)とトリシラン(Si3
H8) を使用した場合について、成長温度と成長速度との
関係を示しており、Si2H6 の分圧は1.5 ×10-2 torr ま
たSi 3H8 の分圧は１×10-2 torr と２×10-2 torr であ
り、H2をキャリアとして全圧力を20 torr としている。
この図から、Si2H6 を使用する場合は500 ℃では成長速
度は約２Å／分と少ないのに対し、Si3H8 を使用すると
500 ℃では数〜10Å／分と高く、また450 ℃でもエピタ
キシャル成長できることを示している。
H8) を使用した場合について、成長温度と成長速度との
関係を示しており、Si2H6 の分圧は1.5 ×10-2 torr ま
たSi 3H8 の分圧は１×10-2 torr と２×10-2 torr であ
り、H2をキャリアとして全圧力を20 torr としている。
この図から、Si2H6 を使用する場合は500 ℃では成長速
度は約２Å／分と少ないのに対し、Si3H8 を使用すると
500 ℃では数〜10Å／分と高く、また450 ℃でもエピタ
キシャル成長できることを示している。
【００１９】なお、実験によるとSi3H8 を使用してエピ
タキシャル成長を行うには O2, H2O,CO,CO2のような酸
化性不純物ガスの含有量が極めて少なく100 PPB 以下で
あることが必要で、そのため使用する減圧ＣＶＤ装置は
気密性が高く、キャリアガスとSi3H8 およびGeH4の純度
が高いことが必須条件であることが判った。
タキシャル成長を行うには O2, H2O,CO,CO2のような酸
化性不純物ガスの含有量が極めて少なく100 PPB 以下で
あることが必要で、そのため使用する減圧ＣＶＤ装置は
気密性が高く、キャリアガスとSi3H8 およびGeH4の純度
が高いことが必須条件であることが判った。
【００２０】なお、Si2H6 とSi3H8 の分圧が分圧が４×
10-2 torr 以上となると基板面に多結晶が成長するのが
観察された。次に、図２は０°から20°の低回折角度に
おいて測定したＸ線回折測定から求めた超格子の周期と
GeH4ガスの流量との関係を調べた実験結果であり、□印
は基板温度を470 ℃とし、Si3H8 の供給量を100ml/分,
供給時間を120 秒とし、GeH4の供給時間を30秒とした場
合、○印は基板温度を550 ℃とし、Si2H6 の供給量を20
ml/分, 供給時間を30秒とし、GeH4の供給時間を10秒と
した場合、△印は基板温度を500 ℃とし、Si2H6 の供給
量を40 ml/分, 供給時間を120秒とし、GeH4の供給時間
を20秒とした場合を示している。
10-2 torr 以上となると基板面に多結晶が成長するのが
観察された。次に、図２は０°から20°の低回折角度に
おいて測定したＸ線回折測定から求めた超格子の周期と
GeH4ガスの流量との関係を調べた実験結果であり、□印
は基板温度を470 ℃とし、Si3H8 の供給量を100ml/分,
供給時間を120 秒とし、GeH4の供給時間を30秒とした場
合、○印は基板温度を550 ℃とし、Si2H6 の供給量を20
ml/分, 供給時間を30秒とし、GeH4の供給時間を10秒と
した場合、△印は基板温度を500 ℃とし、Si2H6 の供給
量を40 ml/分, 供給時間を120秒とし、GeH4の供給時間
を20秒とした場合を示している。
【００２１】こゝで、白抜きの印は測定の結果、超格子
が形成されていることを示しており、また黒印は超格子
の周期が認められないことを示している。こゝで、成長
周期が小さい場合と大きい場合に周期が認められない
が、その理由は成長周期が小さい場合はGe層はSiGeの混
晶の状態になり、また成長周期が大きい場合はGeの島状
成長のために表面の凹凸が激しくなり、見かけ上で混晶
に類似した状態になると考えている。
が形成されていることを示しており、また黒印は超格子
の周期が認められないことを示している。こゝで、成長
周期が小さい場合と大きい場合に周期が認められない
が、その理由は成長周期が小さい場合はGe層はSiGeの混
晶の状態になり、また成長周期が大きい場合はGeの島状
成長のために表面の凹凸が激しくなり、見かけ上で混晶
に類似した状態になると考えている。
【００２２】同図より、Si2H6 を使用し、550 ℃で成長
させた○印で表した超格子４では周期が６Å以下と20Å
以上では観察されないが、Si3H8 を使用し、470 ℃で成
長させた□印で表した超格子５では周期が４Å以下と30
Å以上では観察されなくなるが、Si3H8 の使用により周
期幅の範囲を広げることができることが判る。
させた○印で表した超格子４では周期が６Å以下と20Å
以上では観察されないが、Si3H8 を使用し、470 ℃で成
長させた□印で表した超格子５では周期が４Å以下と30
Å以上では観察されなくなるが、Si3H8 の使用により周
期幅の範囲を広げることができることが判る。
【００２３】また、(004) 面のＸ線回折の結果から求め
たSiGe超格子の平均組成から、Si2H 6 とGeH4を用い、55
0 ℃で成長させた○印で表した超格子４と500 ℃で成長
させ△印で表した超格子６ではGe層内のGeの組成比は高
々50％であるが、Si3H8とGeH 4を用い、450 ℃で成長さ
せ□印で表した超格子５のGe層内のGe組成は80％以上と
推定することができ、著しく改善されていることが判
る。
たSiGe超格子の平均組成から、Si2H 6 とGeH4を用い、55
0 ℃で成長させた○印で表した超格子４と500 ℃で成長
させ△印で表した超格子６ではGe層内のGeの組成比は高
々50％であるが、Si3H8とGeH 4を用い、450 ℃で成長さ
せ□印で表した超格子５のGe層内のGe組成は80％以上と
推定することができ、著しく改善されていることが判
る。
【００２４】
【実施例】実施例１：（Ge層とSi層との多層成長の例)
面方位が（001)のSiを基板とし、これを硫酸(H2SO4)と
過酸化水素(H2O2)の混合液に浸漬して表面の酸化処理を
行った後、弗酸(HF)水溶液に浸漬して酸化膜の除去を行
って清浄化処理を行い、次に、この基板を気相成長装置
に収容して直前処理として真空度が10 torr の高純度の
H2雰囲気中で温度900 度で10分間の熱処理を行って酸化
膜を除いた。
面方位が（001)のSiを基板とし、これを硫酸(H2SO4)と
過酸化水素(H2O2)の混合液に浸漬して表面の酸化処理を
行った後、弗酸(HF)水溶液に浸漬して酸化膜の除去を行
って清浄化処理を行い、次に、この基板を気相成長装置
に収容して直前処理として真空度が10 torr の高純度の
H2雰囲気中で温度900 度で10分間の熱処理を行って酸化
膜を除いた。
【００２５】その後、空冷により基板温度を450 ℃に
し、Si3H8 とGeH4の分圧をそれぞれ２×10-2 torr と
し、H2をキャリアとして全圧力を20 torr としてして交
互に供給することによりSi層とGe層を交互に成長させ、
超格子を形成することができた。 実施例２：（Ge・Si層とSi層との成長の例)実施例１と
同様にしてSi基板の清浄化処理と酸化膜の除去を行った
後、図３に示すようなガス供給プログラムにより短時間
づつ独立にGeH4とSi3H8 のガスを供給した。
し、Si3H8 とGeH4の分圧をそれぞれ２×10-2 torr と
し、H2をキャリアとして全圧力を20 torr としてして交
互に供給することによりSi層とGe層を交互に成長させ、
超格子を形成することができた。 実施例２：（Ge・Si層とSi層との成長の例)実施例１と
同様にしてSi基板の清浄化処理と酸化膜の除去を行った
後、図３に示すようなガス供給プログラムにより短時間
づつ独立にGeH4とSi3H8 のガスを供給した。
【００２６】すなわち、この場合はGeH4を１分間供給し
た後、20秒の間隔をおいてSi3H8 を４分間供給し、20秒
の間隔をおいてGeH4を１分間供給し、これを繰り返す。
このようにGeH4の供給時間が短くなると、GeとSiの相互
拡散による組成の平均化のために、数Å程度の厚さの混
晶層を作ることができる。
た後、20秒の間隔をおいてSi3H8 を４分間供給し、20秒
の間隔をおいてGeH4を１分間供給し、これを繰り返す。
このようにGeH4の供給時間が短くなると、GeとSiの相互
拡散による組成の平均化のために、数Å程度の厚さの混
晶層を作ることができる。
【００２７】また、Si層はその厚さに相当する時間まで
Si3H8 を供給することにより作ることができる。以上の
方法により超格子を作ることができた。
Si3H8 を供給することにより作ることができる。以上の
方法により超格子を作ることができた。
【００２８】
【発明の効果】本発明の実施によりGe層とSi層、或いは
高濃度のGeを含むGe・Si混晶層とSi層よりなる超格子構
造を高い成長速度で品質よく成長させることができる。
高濃度のGeを含むGe・Si混晶層とSi層よりなる超格子構
造を高い成長速度で品質よく成長させることができる。
【図１】成長温度と成長速度との関係図である。
【図２】GeH4の流量と超格子の周期との関係図である。
【図３】超格子構造を形成するガス供給プログラムの実
施例である。
施例である。
Claims (3)
- 【請求項１】 酸化性不純物ガスの含有量が100ppb以下
の雰囲気の下で、トリシランとゲルマンとを原料ガスと
し、水素または不活性ガスをキャリアとして減圧気相成
長方法によりシリコン基板上にゲルマニウム層とシリコ
ン層、またはゲルマニウム・シリコン層とシリコン層と
をエピタキシャル成長させることを特徴とする半導体超
格子の製造方法。 - 【請求項２】 前記シリコン層とゲルマニウム・シリコ
ン層との繰り返し成長がシリコン層とゲルマニウム層の
成長を停止する期間を挟みつゝ、それぞれ独立にトリシ
ランガスとゲルマンガスをシリコン基板上に供給して行
うことを特徴とする請求項１記載の半導体超格子の製造
方法。 - 【請求項３】 前記ゲルマニウム・シリコン層における
ゲルマニウムの組成比が50％以上であることを特徴とす
る請求項２記載の半導体超格子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22323491A JPH0562911A (ja) | 1991-09-04 | 1991-09-04 | 半導体超格子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22323491A JPH0562911A (ja) | 1991-09-04 | 1991-09-04 | 半導体超格子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0562911A true JPH0562911A (ja) | 1993-03-12 |
Family
ID=16794905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22323491A Withdrawn JPH0562911A (ja) | 1991-09-04 | 1991-09-04 | 半導体超格子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0562911A (ja) |
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1991
- 1991-09-04 JP JP22323491A patent/JPH0562911A/ja not_active Withdrawn
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