JPH05109630A

JPH05109630A - 半導体薄膜の形成方法

Info

Publication number: JPH05109630A
Application number: JP26746591A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Fukuda; 永福田; Kinya Ashikaga; 欣哉足利
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1991-10-16
Filing date: 1991-10-16
Publication date: 1993-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】大面積のＳｉ基板上に、結晶欠陥が無いかま
たは従来より少なく、不純物濃度分布および膜厚が均一
のＳｉ−Ｇｅ系半導体薄膜を形成する。【構成】シリコン基板１５を水素ガス雰囲気の反応炉
に入れ減圧下で基板１５に赤外線を照射して自然酸化膜
６１を除去する。反応炉内をＳｉＨ₄及びＧｅＨ₄の混
合ガス雰囲気とし基板を赤外線で加熱しながら基板上に
Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜６３（０＜Ｘ≦０．１）を５０ｎｍ
以下の膜厚で成長させる。ＧｅＨ₄の濃度をＳｉ_1-xＧ
ｅ_X薄膜６３を形成した際の濃度より高くしかつ基板を
赤外線で加熱しながら、Ｓｉ_1-xＧｅ_X薄膜６３上にＳ
ｉ_1-YＧｅ_Y薄膜６５を形成する（ただしＸ＜Ｙ）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｓｉ−Ｇｅ系半導体
薄膜の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速バイポーラ素子、マイクロ波
用素子、或いは超格子構造素子への応用を目的として、
ＩＶ族半導体薄膜成長技術が急速に進展している。そし
てこの技術は一般に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技
術により行なわれていた。それは、比較的低温度で膜形
成ができるので形成した薄膜の不純物分布を乱すことが
ないという利点が得られるからであった。

【０００３】このような薄膜形成技術の一例として例え
ば特開昭６４−９０５１９号公報には、ＩＶ族半導体薄
膜のソースであるＩＶ族水素系ガスをＭＢＥ装置のノズ
ルから吹き出させて基板に照射する際にハロゲン系ガス
を照射するようにしてＩＶ族半導体薄膜を形成する方法
が、開示されている。

【０００４】固体ソースを用いたＭＢＥ技術では厚膜の
ＩＶ族半導体薄膜を形成する場合ソースハウス容量の制
約からソース補充のために成膜を中止する必要があった
が、上記公報に開示の方法では、ソースガスを装置外部
から連続して供給できる。このため、ＩＶ族半導体薄膜
を厚い膜厚で連続的に形成できた。さらにこの方法で
は、ハロゲンガスが基板表面のダングリングボンドに吸
着した水素ガスをはずすように作用するため、基板表面
でのソースガスの解離及び基板へのＩＶ族元素の吸着が
促進され、この結果、半導体薄膜の成長速度を増加させ
ることができた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法に限らずガスソースを用いたＭＢＥ技術では、大口径
のウエハ上に膜厚および膜質が均一な単結晶半導体薄膜
を成長させるのが困難であること、また半導体薄膜中に
不純物を高濃度に注入することが難しいことが現状の問
題点として存在する。前者はガスソース吹き出し用ノズ
ルの指向性が原因と考えられ、後者は分子流を基板に照
射し成膜するというＭＢＥ技術自体が原因と考えられ
る。

【０００６】また、ＭＢＥ技術では、成長室内の真空度
を１０^-10乃至１０^-11Ｔｏｒｒの超高真空に保つ必要
があるので、成長室を一度大気に暴露した後に再び目的
の真空度にするためには成長室内を排気しながら成長室
を約３０時間もベーキングする必要があるという問題点
があった。

【０００７】また、ＩＶ族半導体薄膜をシリコンの下地
に形成するに当たっては、一般に、成膜開始前に、該下
地に水素ガス雰囲気による還元処理及び塩化水素ガス雰
囲気による加熱処理を行なって下地から自然酸化膜や汚
れを除去することを行なう。しかし、このように前処理
を行なっても、下地表面のそもそもの凹凸の影響、下地
表面に僅かに残存する炭素化物や金属酸化物等の影響は
無視できないため、ＩＶ族半導体薄膜は下地上に均一に
成長しないという問題点、また、膜中や薄膜と下地との
界面にミスフィット転位や欠陥を生じさせてしまうなど
の問題点があった。

【０００８】このような各問題点は、ＩＶ族半導体薄膜
を実際の半導体装置に工業的に利用しようとした場合大
きな障害となるので改善が望まれる。

【０００９】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、従ってこの発明の目的は、上述の問題点を解
決し、従来より膜質の優れたＳｉ−Ｇｅ（ゲルマニウ
ム）系半導体薄膜を形成できる方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、反応炉内で、シリコンの下地上
にＳｉ−Ｇｅ系半導体薄膜を形成する方法において、反
応炉内をシリコンを含有するＩＶ族水素系ガスとゲルマ
ニウムを含有するＩＶ族水素系ガスとを含む雰囲気とし
かつ下地を加熱処理しながら、該下地にＳｉ_1-XＧｅ_X
薄膜を形成する工程と、ゲルマニウムを含有する前述の
ＩＶ族水素系ガスの前述の雰囲気での濃度を前述のＳｉ
_1-xＧｅ_X薄膜を形成した際の濃度より高くしかつ前述
の下地を加熱処理しながら、前述のＳｉ_1-xＧｅ_X薄膜
上にＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜を形成する工程とを含むことを
特徴とする（ただし、Ｇｅ組成比Ｘ，Ｙは、０＜Ｘ＜
１，０＜Ｙ＜１，Ｘ＜Ｙを満足する値である。）。

【００１１】ここで、この発明でいうシリコンの下地と
は、Ｓｉ基板そのものである場合は勿論のこと、Ｓｉ基
板上にＳｉのエピタキシャル層が形成されたもの、シリ
コン基板以外の基板にＳｉのエピタキシャル層が形成さ
れたもの、これらのものに素子が作り込まれた中間体
（いわゆるウエハ）等、ＩＶ族単結晶膜を成長させたい
種々のＳｉの下地を意味している。

【００１２】なお、この発明の実施に当たり、前述のＳ
ｉ_1-XＧｅ_X薄膜を、その膜厚ｔが０＜ｔ≦５０ｎｍの
範囲でかつＧｅの組成比Ｘが０＜Ｘ≦０．１の範囲とな
るように、形成するのが好適である。

【００１３】また、シリコンを含有するＩＶ族水素系ガ
スとして、例えば、ＳｉＨ₄（シラン）、Ｓｉ₂Ｈ
₆（ジシラン）、Ｓｉ（ＣＨ₃）Ｈ₃（メチルシラ
ン）、Ｓｉ₃Ｈ₈（トリシラン）、Ｓｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ
₂（ジメチルシラン）、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ（トリメチ
ルシラン）、Ｓｉ（ＣＨ₃）₄（テトラメチルシラ
ン）、Ｓｉ₂（ＣＨ₃）₆（ヘキサメチルジシラン）、
Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｆ（フルオロトリメチルシラン）およ
びＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｆ₂（ジフルオロジメチルシラン）
のガス群から選ばれた１種または２種以上のガスを用い
るのが好適である。

【００１４】また、ゲルマニウムを含有するＩＶ族水素
系ガスとして、ＧｅＨ₄（ゲルマン）、ＧｅＦ₄（四フ
ッ化ゲルマニウム）、ＧｅＦ₂（二フッ化ゲルマニウ
ム）、ＧｅＦ（フッ化ゲルマニウム）およびＧｅＨ₃Ｆ
（フルオロゲルマン）のガス群から選ばれた１種または
２種以上のガスを用いるのが好適である。とするのが良
い。

【００１５】さらにこの発明の実施に当り、Ｓｉ_1-XＧ
ｅ_X薄膜及びＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜各々の形成に際しての
シリコンの下地の加熱は、該下地に赤外線を照射するこ
とにより行なうのが好適である。赤外線光源としては、
例えば、タングステン−ハロゲンランプまたはキセノン
−アークランプを用いることができる。

【００１６】

【作用】この発明の構成によれば、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜
及びＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜の形成が化学的な反応により行
なわれる。このため、ＭＢＥ法でのノズルの指向性等の
問題は生じなくなるので、大口径のウエハ上に膜厚およ
び膜質が均一なＳｉ−Ｇｅ系半導体薄膜を成長できるよ
うになる。また、原料ガスとして水素系ガスを用いてい
るので、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜形成に当たってシリコンの
下地は強い還元作用を受けるため、シリコンの下地表面
の炭化物、金属酸化物が除去される。

【００１７】また、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜はバッファ層と
して、またＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜は半導体素子形成のため
の本来の成長層としてそれぞれ用いることができる。そ
してこの際、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜は、Ｓｉ_1-YＧｅ_Y薄
膜とシリコンの下地との格子不整合具合低減、シリコン
の下地表面の凹凸の軽減に寄与する。この結果、Ｓｉ
_1-YＧｅ_Y薄膜の結晶性向上が図れる。

【００１８】また、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜を、その膜厚ｔ
が０＜ｔ≦５０ｎｍの範囲でかつＧｅの組成比Ｘが０＜
Ｘ≦０．１の範囲となるように、形成する構成では、こ
のＳｉ_1-XＧｅ_X薄膜がバッファ層として良好に機能す
るようになると思われ、後述の実験結果からも明らかな
ようにそうしなかった場合に比べ、このＳｉ_1-XＧｅ_X
薄膜上に形成されるＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜での欠陥密度が
低減される。

【００１９】また、さらにこの発明の実施に当り、Ｓｉ
_1-XＧｅ_X薄膜及びＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜各々の形成に際
してのシリコンの下地の加熱を、該下地に赤外線を照射
することにより行なう構成では、赤外線がシリコンに効
率良く吸収されシリコン下地は短時間に加熱され、さら
に、赤外線照射を停止した後はシリコン下地の温度は短
時間に降下する。このため、下地の加熱及び冷却が短時
間で行なえる。この結果、他の加熱手段（例えば電気
炉）を用いる場合に比べ、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜及びＳｉ
_1-YＧｅ_Y薄膜各々の膜厚制御を精度良く行なえ、また
膜質向上にも寄与できる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の半導体薄
膜の形成方法の実施例につき説明する。尚、説明に用い
る各図は、この発明が理解できる程度に、各構成成分の
形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるにす
ぎない。また、以下の説明では特定の材料及び特定の数
値的条件を挙げて説明するがこれら材料及び条件は単な
る好適例にすぎず従ってこの発明はこれらに限定される
ものではない。

【００２１】１．薄膜形成装置の説明先ず、この発明の方法を実施するために好適な装置例に
ついて説明する。

【００２２】図２は、この装置の全体構成を概略的に示
す図である。尚、図２では反応炉１１内にシリコンの下
地としてこの場合シリコン基板１５（以下、「基板」と
略称することもある。）を配置した状態を示してある。

【００２３】図２にも示すように、この装置は例えば石
英製の反応炉（チャンバー）１１を具えている。この反
応路１１は内部の基板支持体１３の上に基板１５を出し
入れ自在に載置できる構造となっている。

【００２４】さらに、この反応炉１１の外部には加熱部
１２を設けてある。この加熱部１２は任意好適な構成の
赤外線照射手段例えば赤外線ランプをもって構成する。
赤外線ランプ１２としてはタングステンハロゲンランプ
その他の任意好適なランプを用いる。好ましくは複数個
の赤外線ランプ１２を反応炉１１内の加熱を均一に行な
えるように配置する。そして、基板１５の近傍位置に基
板１５の表面温度を測定するための温度測定手段１４例
えば熱電対を設けてある。

【００２５】さらにこの装置にはこの反応炉１１内を排
気するための排気手段２１及び２２を設けてある。さら
にこの排気手段２１、２２及び反応炉１１間に自動開閉
バルブ２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０を設
けてある。これらバルブをそれぞれ任意好適に開閉する
ことによって反応炉１１内の圧力を任意好適な圧力に制
御でき反応炉１１内に低真空排気状態及び高真空排気状
態を形成することが可能となっている。この真空度は真
空計３４で測定できる。

【００２６】さらにこの装置にはレリーフバルブ３１を
設けてある。このバルブ３１は反応炉１１内の圧力が大
気圧例えば７６０Ｔｏｒｒを越えた場合に自動的に開放
する。排気手段２２は、このバルブ３１の開放によって
ガス供給源（後述する。）から反応炉１１内へ供給され
たガスを排気する。尚、上述した排気手段２１、２２を
例えば拡散ポンプ２１とこのポンプ２１に接続されたロ
ータリーポンプ２２とをもって構成する。これら排気手
段を図示のように配設した排気管２３及び上述した各バ
ルブのうちの所要のバルブを介して反応炉１１と連通さ
せて接続してある。また、図３において、３２、３３は
排気管２３に連通させて設けた真空計（或いは圧力ゲー
ジ）である。真空計３３を例えば１×１０^-3Ｔｏｒｒの
範囲の圧力測定に用いるピラニ真空計とし、また、真空
計３３を１０^-3〜１０^-8Ｔｏｒｒの範囲の圧力測定に用
いるイオンゲージとする。

【００２７】次に、ガス供給系につき説明する。この実
施例では、ガス供給系を図示のように配設した供給管５
８及びこの供給管５８の適所に設けた自動開閉バルブ５
１、５２、５３、５４、５６、バルブ５７、流量コント
ローラ４６、４７、４８、４９、５０で構成してある。
各流量コントローラの、反応炉１１とは反対側の原料ガ
ス源用接続部（以下、「接続部」）４１〜４５に原料ガ
ス源（図示せず）を接続する。そして、バルブ５１〜５
６をそれぞれ任意好適に開閉することによって所望の原
料ガスを反応炉１１に供給できる。この実施例では接続
部４１には水素（Ｈ₂）ガス、接続部４２には水素希釈
１０％シラン（ＳｉＨ₄）ガス、接続部４３には水素希
釈１０％ゲルマン（ＧｅＨ₄）ガス、接続部４５には不
活性ガス例えば窒素（Ｎ₂）ガスをそれぞれ供給できる
構成としてある。尚、接続部４４は例えばＳｉ−Ｇｅ系
半導体薄膜へ所望の不純物をドープするためのガス源接
続に使用できる。

【００２８】２．薄膜形成方法の説明次に、Ｓｉ−Ｇｅ系薄膜形成の実施例を説明する。な
お、この実施例では原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）
及びゲルマン（ＧｅＨ₄）を用い、シリコン下地として
シリコン基板を用いる。シリコン基板としては主面が
（１００）のもの、主面が（１１０）のもの又は主面が
（１１１）のものを用いるのが良い。現在広く使用され
ている基板でありまたＳｉ−Ｇｅ薄膜のエピタキシャル
成長に好適な基板だからである。

【００２９】図１（Ａ）〜（Ｄ）は、この実施例の半導
体薄膜の形成方法の説明に供する工程図である。いずれ
の図も工程中の主な工程でのウエハをシリコン基板１５
の厚み方向に切って示した断面図である。また、図３は
この実施例の形成方法中で行なった加熱サイクルの説明
図である。加熱サイクルは縦軸に温度をとり横軸に時間
をとって示してある。以下の説明は、図１〜図３を適宜
参照して行なう。

【００３０】２−１．清浄化この実施例では、半導体薄膜形成前に半導体薄膜を形成
する基板の清浄化を行なう。この清浄化は、エピタキシ
ャル成長させる際に通常行なわれている清浄処理を行な
って自然酸化膜を除去すれば良いが、この実施例では、
以下に説明する清浄化方法を用いて行なう。

【００３１】２−１−ａ．前処理先ず、従来から行なわれている如く化学薬品および純水
等を用いて基板１５の前洗浄を行なう。

【００３２】次に、基板１５に自然酸化膜が形成される
のを防止するために反応炉１１内に不活性ガス源（図示
せず）からガス供給部を介し例えばパージ用ガスとして
不活性ガス例えば窒素ガスを予め導入しておく。ここで
は、後述の還元性ガス、シラン系ガスおよびゲルマン系
ガスは未だ導入しない。このため、バルブ５６及び５７
を開き、バルブ５１、５２、５３、５４、５５を閉じて
おく。

【００３３】次に、反応炉内に基板１５を設置する。基
板１５は基板支持体１３上に固定する。

【００３４】このような注意をはらっても基板１５の表
面（被成膜面）には、自然酸化膜６１ができてしまって
いる（図１（Ａ））。そこで、この自然酸化膜６１を除
去するために前処理の済んだ基板に対し、還元性ガス雰
囲気中での加熱処理を以下のように行なう。

【００３５】２−１−ｂ．自然酸化膜の除去先ず、バルブ５６を閉じて反応炉１１内への不活性ガス
の供給を停止する。

【００３６】次に、排気手段２１及び２２によって反応
炉１１内を例えば１×１０^-6（１０のマイナス６乗）Ｔ
ｏｒｒの真空度となるように排気し、反応炉１１内を清
浄化する。尚、この真空排気のため、バルブ３０、２４
を閉じておいてバルブ２７を開きさらにバルブ２５はロ
ータリーポンプ２２と反応炉１１とが接続されるように
操作する。そして、ロータリーポンプ２２を作動させ、
反応炉１１内の圧力を真空計３４でモニタ（監視）しな
がら反応炉１１内を排気する。さらに、反応炉１１内が
例えば１×１０^-3Ｔｏｒｒの圧力となった後、ロータリ
ポンプ２２が拡散ポンプ２１側に接続されるようにバル
ブ２５を操作しさらにバルブ２４を開く。

【００３７】次に反応炉本体１１内に還元性ガス例え
ば、水素ガスを導入する（図３にＩで示すＨ₂フロ
ー）。これは、流量コントローラ５１及び５５を開ける
ことにより行なえる。反応炉１１内の圧力が例えば１０
０〜１×１０^-2Ｔｏｒｒの範囲となるように流量コント
ローラを調整する。

【００３８】次に、加熱部１２によって自然酸化膜６１
の除去のための加熱処理を行なう（図３の工程ＩのＨ１
期間）。この加熱処理によって還元性ガス雰囲気中で基
板１５を加熱して基板１５の自然酸化膜６１を還元し、
自然酸化膜６１を除去した基板１５を得る（図１
（Ｂ））。

【００３９】ここで、この加熱処理は、加熱部１２を構
成する赤外線ランプによって行なう。詳細には、基板１
５の表面温度を温度測定手段１４で測定しながら赤外線
ランプによつて、例えば基板１５の表面温度を、５０℃
／秒〜２００℃／秒の間の適当な割合で、好ましくは約
１００℃／秒で上昇させて、基板表面温度が例えば約１
０００℃となったら、約１０〜３０秒間１０００℃の状
態を保持するように基板１５の加熱を制御する。

【００４０】なお、この実施例では、反応炉１１内を既
に説明したような減圧状態に維持しながら、加熱処理を
行なっているので、自然酸化膜の還元による反応生成物
が反応炉本体１１外へ排気され、その結果、反応生成物
によって基板１５および反応炉１１内が汚染される度合
を低減できる。

【００４１】次に、加熱部１２による基板１５の加熱を
停止すると共に、バルブ５１を閉じて還元性ガスの供給
を停止する。そして、基板１５の表面温度が室温例えば
約２５℃となるまで基板１５が冷却するのを待つ。この
冷却は基板１５が自然に冷却するようにしても良いし、
強制的に冷却するようにしても良い。強制冷却は、例え
ばバルブ５６、５７を開けて不活性ガスを反応炉本体１
５内に大量に導入することにより行なえる。

【００４２】次に、バルブ５５、５１、２８を閉じてバ
ルブ２７を開けて反応炉１１内を例えば１×１０^-6Ｔｏ
ｒｒの高真空に排気し、反応炉本体１１内を清浄化す
る。

【００４３】２−２．Ｓｉ_1-xＧｅ_x薄膜の形成次に、Ｓｉを含むＩＶ族系水素ガス及びＧｅを含むＩＶ
族系水素ガス雰囲気中でシリコン基板１５に対し加熱処
理を行ないこのシリコン基板１５上にＳｉ_1-xＧｅ_x単
結晶薄膜を以下のように形成する。

【００４４】先ず、バルブ２７を閉じ、バルブ２８、５
５、５２を開き、最初にＳｉを含むＩＶ族系水素ガスと
してこの場合水素希釈１０％シラン（ＳｉＨ₄）を反応
炉１１内に供給し、続いてバルブ５３を開きＧｅを含む
ＩＶ族系水素ガスとしてこの場合水素希釈１％ゲルマン
（ＧｅＨ₄）を反応炉１１内に供給する。この際水素希
釈シランと水素希釈ゲルマンとの流量比が１０：１でか
つ反応炉１１内が例えば１０Ｔｏｒｒ程度の減圧状態に
なるように、両ガスの流量を予め調整しておく図３にＩ
Ｉで示すＳｉＨ₄＋ＧｅＨ₄フロー）。

【００４５】次に、このようなガス雰囲気において加熱
部１２によりシリコン基板１５に対し加熱処理を行なう
（図３の工程ＩＩのＨ２期間）。

【００４６】ここで、この加熱処理は、加熱部１２を構
成する赤外線ランプによって行なう。詳細には、基板１
５の表面温度を温度測定手段１４で測定しながら赤外線
ランプによつて、例えば基板１５の表面温度を、５０℃
／秒〜２００℃／秒の間の適当な割合で、好ましくは約
１００℃／秒で上昇させて、基板表面温度が例えば約１
０００℃となったら、約１０〜２０秒間１０００℃の状
態を保持するように基板１５の加熱を制御する。

【００４７】この工程ＩＩの処理において、基板１５上
には基板１５の面方位と同一の面方位のＳｉ_1-XＧｅ_X
単結晶膜（この場合Ｇｅ組成比Ｘ＝０．１）６３が３０
〜４０ｎｍの膜厚で成長する（図１（Ｃ））。

【００４８】２−３．Ｓｉ_1-YＧｅ_Y薄膜の形成次に、加熱部１２による基板１５の加熱を停止すると共
に、上述の水素希釈ＳｉＨ₄及び水素希釈ＧｅＨ₄の流
量比が４：１でかつ反応炉１１内が１０Ｔｏｒｒ程度の
減圧状態になるようにこれらガスの流量の調整を行う
（図３の工程IIIＳｉＨ₄＋ＧｅＨ₄フロ−）。

【００４９】このように反応炉内の雰囲気を調整したら
再び基板１５の表面温度を温度測定手段１４で測定しな
がらＳｉ_1-XＧｅ薄膜６３形成済みの基板１５を加熱手
段１２により加熱する。この加熱は、例えば基板１５の
表面温度を、５０℃／秒〜２００℃／秒の間の適当な割
合で、好ましくは約１００℃／秒で上昇させて、基板表
面温度が例えば約１０００℃となったら、約６０〜１２
０秒間１０００℃の状態を保持するように基板１５を加
熱するように、行なう（図３の工程III のＨ３期間）。

【００５０】この工程III の処理において、Ｓｉ_1-XＧ
ｅ_X単結晶膜６３上には基板１５の面方位と同一の面方
位のＳｉ_1-YＧｅ_Y単結晶膜（この場合Ｇｅ組成比Ｙ＝
０．２）６５が２５０ｎｍ程度の膜厚で成長する（図１
（Ｄ））。

【００５１】なお、もしこのＳｉ_1-YＧｅ_Y単結晶膜６
５にこの膜の導電型を制御するための不純物をドープし
たい場合には例えば以下のように行なえば良い。この薄
膜６５を例えばＰ型のＳｉ−Ｇｅエピタキシャル薄膜に
する工程で説明すると、先ず、反応炉１１内にＰ型不純
物含有ガス例えば、１００ｐｐｍの水素希釈ジボラン
（Ｂ₂Ｈ₆）ガスをドーピングガスとして導入する。こ
れは例えば図２の接続部４４にこのガスを充填したボン
ベを接続しておきバルブ５４、５５を開けることにより
行なえる。次に、加熱部１２からの赤外線をＳｉ_1-XＧ
ｅ_X単結晶膜６５に照射して、この単結晶薄膜６５表面
に分解・吸着したホウ素（Ｂ）を熱的に単結晶薄膜６５
中に拡散させる。これによりＰ型のＳｉ_1-YＧｅ_Yエピ
タキシャル薄膜６５を具えた構造体が得られる。尚、ホ
ウ素を拡散させるための単結晶薄膜６５の加熱温度およ
び加熱時間は、一例として、８００℃で２０秒程度とす
れば良い。

【００５２】次に、加熱部１２による基板１５の加熱を
停止すると共に、バルブ５２及び５３を閉じて水素希釈
ＳｉＨ₄及び水素希釈ＧｅＨ₄の供給を停止する。そし
て、そして、基板１５の表面温度が室温例えば約２５℃
となるまで基板１５が冷却するのを待つ。この冷却は基
板１５が自然に冷却するようにしても良くまた強制的に
冷却するようにしても良い。強制冷却は例えばバルブ５
６、５７を開けて反応炉内に不活性ガスを大量に導入す
ることによって行なえる。

【００５３】その後、反応炉１１内の圧力を１気圧（７
６０Ｔｏｒｒ）にして結晶成長済み基板を反応炉１１か
ら取り出す。

【００５４】３．実験結果上述した薄膜形成条件において、清浄化処理の条件、Ｓ
ｉ_1-YＧｅ_X単結晶膜６５の形成条件はそれぞれ一定す
なわちＳｉ_1-YＧｅ_X単結晶膜６５についてはＧｅ組成
比Ｙ＝０．２及び膜厚２５０ｎｍ程度とし、Ｓｉ_1-XＧ
ｅ単結晶膜のＧｅ組成比Ｘ及び膜厚を種々に変えて、Ｓ
ｉ基板／Ｓｉ_1-XＧｅ単結晶膜／Ｓｉ_1- _YＧｅ_X単結晶
膜から成る構造体を種々形成する。そして、これら構造
体毎のＳｉ_1-YＧｅ_X単結晶膜中の欠陥密度を測定し
た。図４は、縦軸にＳｉ_1-XＧｅ_X単結晶膜の膜厚をと
り横軸に同膜のＧｅ組成比Ｘをとって、これら膜厚及び
組成比と、Ｓｉ_1-YＧｅ_Y単結晶膜中の欠陥密度（個／
ｃｍ²）との関係を示した図である。

【００５５】図４から明らかなように、組成比Ｘが０．
１以下でかつ膜厚が５０ｎｍ以下（ただし何れも０は含
まない。）の条件では欠陥密度が１０個／ｃｍ²未満で
ありこの条件以外の場合に比べ極めて少ないことが分か
る。尚、シリコン基板１５上にＳｉ_1-XＧｅ_X薄膜６３
を形成せずにＳｉ_0.8Ｇｅ_0.2薄膜６５を直接成長させ
た実験も行なった。しかし、この場合は図５に断面図を
もって示したように、膜中や薄膜と下地との界面にミス
フィット転位７１や欠陥７３が生じ実用性が認められな
かった。

【００５６】上述においては、この発明の半導体薄膜の
形成方法の実施例について説明したが、この発明は上述
の実施例に限られるものではない。

【００５７】例えば上述の実施例では半導体薄膜形成用
ガスとして水素希釈のＳｉＨ₄及び水素希釈のＧｅＨ₄
ガスとしていた。しかし用い得るガスはこれらに限られ
ない。ＳｉＨ₄ガスの代わりに例えばＳｉ₂Ｈ₆、Ｓｉ
（ＣＨ₃）Ｈ₃、Ｓｉ₃Ｈ₈、Ｓｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂、
Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ、Ｓｉ（ＣＨ₃）₄、Ｓｉ₂（ＣＨ
₃）₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃ＦおよびＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｆ
₂のガス群から選ばれた１種または２種以上のガスと
か、またＳｉＨ₄とこれらのガスとの混合ガスを用いて
も実施例と同様な効果が期待できる。また、ＧｅＨ₄の
代わりに例えばＧｅＦ₄、ＧｅＦ₂、ＧｅＦおよびＧｅ
Ｈ₃Ｆのガス群から選ばれた１種または２種以上のガス
とか、また、ＧｅＨ₄とこれらのガスとの混合ガスを用
いても実施例と同様な効果が期待できる。

【００５８】また、上述した実施例では、基板の加熱を
タングステン−ハロゲンランプを用いて行なっている
が、これを用いる代わりに、キセノンアークランプ、レ
ーザビームさらにはヒータ等を用いても良い。

【００５９】また、上述した実施例では薄膜形成前にシ
リコン下地の清浄化を行なっていたが、これは必須のも
のではないことは理解されたい。

【００６０】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の半導体薄膜の形成方法によれば、Ｓｉ_1-XＧｅ
_X薄膜及びＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜の形成を化学的な反応に
より行なえる。このため、ＭＢＥ法でのノズルの指向性
等の問題は生じなくなるので、大口径のウエハ上に膜厚
および膜質が均一なＳｉ−Ｇｅ系半導体薄膜を成長でき
る。さらに、原料ガスとして水素系ガスを用いているの
で、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜形成に当たってシリコンの下地
は強い還元作用を受けるため、シリコンの下地表面の炭
化物、金属酸化物を除去できる。

【００６１】また、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜はバッファ層と
して、またＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜は半導体素子形成のため
の本来の成長層としてそれぞれ用いることができる。そ
してこの際、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜は、Ｓｉ_1-YＧｅ_Y薄
膜とシリコンの下地との格子不整合具合低減、シリコン
の下地表面の凹凸の軽減に寄与する。この結果、Ｓｉ
_1-YＧｅ_Y薄膜の結晶性向上が図れる。また、臨界膜厚
（単結晶状態を保持できる膜厚）を増加できる。

【００６２】また、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜及びＳｉ_1-YＧ
ｅ_Y薄膜各々の形成に際してのシリコンの下地の加熱
を、赤外線照射で行なう構成では、下地の加熱及び冷却
が短時間で行なえるので他の加熱手段（例えば電気炉）
を用いる場合に比べ、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜及びＳｉ_1-Y
Ｇｅ_Y薄膜各々の膜厚制御を精度良く行なえ、また膜質
向上にも寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の半導体薄膜の形成方法の説明に供する
工程図である。

【図２】実施例の薄膜形成条件の説明に供する図であ
り、ガス供給条件及び基板加熱条件を示した図である。

【図３】この発明の実施に使用する成膜装置の系全体を
概略的に示す説明図である。

【図４】Ｓｉ_1-XＧｅ_X膜の条件とこの膜上に形成され
るＳｉ_1-YＧｅ_Y膜中の欠陥密度との関係を示した図で
ある。

【図５】比較例（Ｓｉ_1-XＧｅ_X膜なしの場合）の説明
に供する図である。

【符号の説明】

１５：シリコン基板６１：自然酸化膜６３：Ｓｉ_1-XＧｅ_x単結晶膜６５：Ｓｉ_1-YＧｅ_Y単結晶膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応炉内で、シリコン（Ｓｉ）の下地上
にＳｉ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系半導体薄膜を形成する
方法において、反応炉内をシリコンを含有するＩＶ族水素系ガスとゲル
マニウムを含有するＩＶ族水素系ガスとを含む雰囲気と
しかつ下地を加熱処理しながら、該下地にＳｉ_1-XＧｅ
_X薄膜を形成する工程と、ゲルマニウムを含有する前記ＩＶ族水素系ガスの前記雰
囲気での濃度を前記Ｓｉ_1-xＧｅ_X薄膜を形成した際の
濃度より高くしかつ前記下地を加熱処理しながら、前記
Ｓｉ_1-xＧｅ_X薄膜上にＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜を形成する
工程とを含むことを特徴とする半導体薄膜の形成方法
（ただし、Ｇｅ組成比Ｘ，Ｙは、０＜Ｘ＜１，０＜Ｙ＜
１，Ｘ＜Ｙを満足する値である。）。
【請求項２】請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法
において、前記Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜を、その膜厚ｔが０＜ｔ≦５０
ｎｍの範囲でかつＧｅの組成比Ｘが０＜Ｘ≦０．１の範
囲となるように、形成することを特徴とする半導体薄膜
の形成方法。
【請求項３】請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法
において、前記シリコンの下地として、主面が（１００）のもの、
主面が（１１０）のもの又は主面が（１１１）のものを
用いることを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項４】請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法
において、シリコンを含有する前記ＩＶ族水素系ガスを、Ｓｉ
Ｈ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）Ｈ₃、Ｓｉ₃Ｈ₈、
Ｓｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ、Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₄、Ｓｉ₂（ＣＨ₃）₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｆ及
びＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｆ₂のガス群から選ばれた１種また
は２種以上のガスとしたことを特徴とする半導体薄膜の
形成方法。
【請求項５】請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法
において、ゲルマニウムを含有する前記ＩＶ族水素系ガスを、Ｇｅ
Ｈ₄、ＧｅＦ₄、ＧｅＦ₂、ＧｅＦ及びＧｅＨ₃Ｆのガ
ス郡から選ばれた１種又は２種以上のガスとしたことを
特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項６】請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法
において、前記Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜及びＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜形成時
の下地の前記加熱処理を、該下地に赤外線を照射するこ
とで行なうことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。