JPH05326419A

JPH05326419A - 半導体薄膜の形成方法

Info

Publication number: JPH05326419A
Application number: JP12720192A
Authority: JP
Inventors: Morifumi Oono; 守▲史▼ 大野; Kinya Ashikaga; 欣哉足利
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1992-05-20
Filing date: 1992-05-20
Publication date: 1993-12-10

Abstract

(57)【要約】【目的】大面積のＳｉ基板上に、結晶欠陥やスリップ
転位のない従来よりも膜質の優れた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、減圧下で赤外線ランプにより加熱処理しながら
自然酸化膜６１を除去する。その後、反応炉１１内を約
２５０〜３５０℃の保持温度Ｔｏとする。次に、反応炉
内をＳｉＨ₄対ＧｅＨ₄の比が１０：１の混合ガス雰囲
気とし成膜処理温度Ｔｓに急速加熱しながら基板上にＳ
ｉ_1-XＧｅ_X単結晶薄膜６３（Ｘ＜０．１）を５０ｎｍ
以下の膜厚で成長させる。連続して、反応炉内をＳｉＨ
₄対ＧｅＨ₄の比が４：１の混合ガス雰囲気とし成膜処
理温度にてＳｉ_1-xＧｅ_X薄膜６３形成済み基板上にＳ
ｉ_1-YＧｅ_Y単結晶薄膜６５（Ｙ≒０．２）を約２５０
ｎｍの膜厚で成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体薄膜の形成方
法、特にＳｉ−Ｇｅ系半導体単結晶薄膜を形成する方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速ヘテロバイポーラ素子、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。

【０００３】なかでも、シリコン（Ｓｉ）基板上に、シ
リコン−ゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）薄膜をエピタキシ
ャル成長させる技術が注目されている。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
行なわれている。このＭＢＥ技術が用いられるのは、比
較的低温度での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。

【０００４】このような薄膜形成技術の一例として、例
えば文献：特開昭６４−９０５１９号公報に開示された
方法がある。この従来方法は、ＩＶ族半導体薄膜の成膜
用のＩＶ族水素系ガスをＭＢＥ装置のノズルから反応炉
（成長室）内に吹き出して加熱された基板に当てるとき
に、ハロゲン系ガスを照射するようにしてＩＶ族半導体
薄膜を堆積させる方法である。

【０００５】固体ソースを用いたＭＢＥ技術ではＩＶ族
半導体分子線を発生させるソースハウス容量に制約があ
るため、厚膜のＩＶ族半導体薄膜を形成するとき、ソー
ス補充による成膜の中断を余儀なくされ、その結果、単
結晶膜の成長を迅速に行なうのが困難であった。上述の
公報に開示の方法では、成膜用ガスを装置外部のガスソ
ースから反応炉内に連続して供給できる。そのため、Ｉ
Ｖ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、基板表面の不対結
合に吸着された水素ガスを外すように作用するため、基
板表面での成膜用ガスの解離、および基板へのＩＶ族元
素の吸着は促進され、その結果、半導体薄膜の成長速度
を増加させることができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の方法に限らず、ガスソースを用いたＭＢＥ技術
では、大口径のウエハ上に均一な膜厚および膜質の単結
晶半導体薄膜を成長させるのが困難であり、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、現実の問題点としてある。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。

【０００７】また、ＭＢＥ技術では、通常、反応炉すな
わち成長室内の真空度を１０^-10〜１０^-11Ｔｏｒｒの
超高真空状態に保つ必要があるので、成長室を一度大気
に暴露してしまうと、それを再び元の真空度にするため
には、成長室内を排気しながら装置全体を約３０時間に
亘ってベーキングしなければならないという問題点があ
った。

【０００８】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、その
下地に対し水素ガス（Ｈ₂）雰囲気による還元処理及び
塩化水素ガス（ＨＣｌ）雰囲気による加熱処理を行な
い、下地上の自然酸化膜や汚れを除去する処理を行な
う。しかし、このような前処理を行なっても、下地表面
にもともとある凹凸に起因する影響や、下地表面に少し
でも残存する炭素化物とか金属酸化物等の影響は無視で
きないため、ＩＶ族半導体薄膜が下地上に均一に成長し
ないという問題がある。

【０００９】また、表面清浄化処理とＳｉ−Ｇｅ膜成膜
処理を急速加熱により行なう場合、この表面清浄化処理
とＳｉ−Ｇｅ膜成膜処理との間で室温まで急冷する工程
が入り、そこで基板に生じる応力からＳｉ基板１５およ
びＳｉ−Ｇｅ単結晶膜６５にスリップ転位７１が発生す
る（図４の（Ａ））という問題がある。さらに、膜中と
か、薄膜６５と下地１５との界面に、ミスフィット転位
および積層欠陥７３や欠陥７５を生じさせてしまう（図
４の（Ａ））などの問題があった。

【００１０】このような問題は、ＩＶ族半導体ＭＢＥ法
を実際の半導体プロセスに工業的に利用しようとした場
合の大きな障害となるので、改善が望まれる。

【００１１】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
解消し、従来よりも膜質の優れたＳｉ−Ｇｅ系半導体薄
膜を形成できる方法を提供することにある。

【００１２】

【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、同一反応炉内で、シリコン（Ｓ
ｉ）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、反応炉内の反応性ガス雰囲
気を、シリコン含有ＩＶ族水素系ガスとゲルマニウム含
有ＩＶ族水素系ガスとの混合ガス雰囲気とし、かつ下地
を加熱処理しながら、この下地の主表面上に単結晶のＳ
ｉ_1-XＧｅ_X薄膜をバッファ層として形成する工程と、
この反応炉内における混合ガス雰囲気中での、前述のシ
リコン含有ＩＶ族水素系ガスに対するゲルマニウム含有
ＩＶ族水素系ガスの相対ガス濃度を、バッファ層を形成
したときの相対ガス濃度よりも高くし、かつ下地を加熱
処理しながら、前述のバッファ層上に単結晶のＳｉ_1-Y
Ｇｅ_Y薄膜を形成する工程とを連続して含むことを特徴
とする（ただし、Ｇｅ組成比Ｘ，Ｙは、０≦Ｘ≦０．
１，０．１≦Ｙ≦１を満足する値である。）。また、こ
れらの工程は、連続して行なうのが好ましい。

【００１３】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もとより、Ｓｉ基板
上にＳｉのエピタキシャル層が形成されたもの、Ｓｉ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、また、これらに素子が作り込まれた中間体など、Ｉ
Ｖ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。

【００１４】この発明の実施に当たり、単結晶のＳｉ
_1-XＧｅ_X薄膜およびＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜形成時の下地
の加熱処理を赤外線加熱により行なうとともに、成膜前
後の下地保持温度を約２５０〜３５０℃とするのが好ま
しい。

【００１５】また、この発明の実施に当たり、単結晶の
Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜は、Ｇｅの組成比Ｘが０≦Ｘ≦０．
１の範囲内の値となるように、かつその膜厚ｔが０＜ｔ
≦５０ｎｍの範囲内の値となるように形成するのがよ
い。

【００１６】なお、この発明の実施に当たり、シリコン
を含有するＩＶ族水素系ガスを、シラン（ＳｉＨ₄）、
ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、メチルシラン（Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）Ｈ₃）、トリシラン（Ｓｉ₃Ｈ₈）、ジメチルシ
ラン（Ｓｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂）、トリメチルシラン（Ｓ
ｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ）、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ
₃）₄）、ヘキサメチルジシラン（Ｓｉ₂（Ｃ
Ｈ₃）₆）、フルオロトリメチルシラン（Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｆ）およびジフルオロジメチルシラン（Ｓｉ
（ＣＨ₃）₂Ｆ₂）よりなるガス群から選択される１種
または２種以上のガスとするのが好適である。

【００１７】また、この発明の実施に当たり、ゲルマニ
ウムを含有するＩＶ族水素系ガスを、ゲルマン（ＧｅＨ
₄）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ₄）、二フッ化ゲ
ルマニウム（ＧｅＦ₂）、フッ化ゲルマニウム（Ｇｅ
Ｆ）およびフルオロゲルマン（ＧｅＨ₃Ｆ）よりなるガ
ス郡から選択される１種または２種以上のガスとするの
が好適である。

【００１８】さらにこの発明の実施に当り、下地の清浄
化や、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜及びＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜それ
ぞれの成長に際してのシリコンの下地の加熱は、赤外線
加熱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。

【００１９】

【作用】この発明の構成によれば、単結晶のＳｉ_1-XＧ
ｅ_X薄膜およびＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜の形成が化学的反応
により行なわれる。そのため、ＭＢＥ法でのノズルの指
向性などの問題は生じなくなるので、大口径のＳｉの下
地上に均一な膜厚および膜質のＳｉ−Ｇｅ系半導体薄膜
を形成できるようになる。

【００２０】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
の成長層として、それぞれ用いることができる。それぞ
れの膜の成膜前後の下地保持温度、つまり、加熱処理中
の最低温度を室温より充分高い温度とする。例えば、こ
の下地保持温度を約２５０〜３５０℃という室温よりも
高い温度に保持するのがよい。この温度では、表面酸化
膜除去およびＳｉ−Ｇｅ成膜反応の速度は無視できる程
度に遅く、これら反応に寄与しない。従って、バッファ
層や半導体素子形成用の成長層が下地へ応力を与えるこ
とがないまた、原料ガスとして水素系ガスを用いること
により、第１のＳｉ_1-XＧｅ_X薄膜形成時にシリコンの
下地が強い還元作用を受け、シリコンの下地表面の炭化
物、金属酸化物は除去される。所望の単結晶Ｓｉ_1-YＧ
ｅ_Y膜を成長させる前に、基板上に、このようなバッフ
ァ層としての第１の単結晶Ｓｉ_1-XＧｅ_Xを成膜する。

【００２１】また、単結晶Ｓｉ_1-XＧｅ_Xバッファ層
を、ゲルマニウム組成比ＸがＸ＜０．１となるように成
長させると、バッファ層は、下地シリコンに極めて近い
組成となり、しかも、その膜表面は、多量のシリコンを
含有する水素系ガスに暴露されているため、清浄化され
た状態になっており、また同時に整面された状態とな
る。このようなバッファ層を介して、第２のＳｉ_1-YＧ
ｅ_Y薄膜を形成すると、この薄膜は、ミスフィット転位
および欠陥のないものとなる。この結果、Ｓｉ_1-YＧｅ
_Y薄膜の結晶性向上が図れる。

【００２２】また、Ｓｉ_1-XＧｅ_XおよびＳｉ_1-YＧｅ
_Yの両膜を好ましくは、急速加熱で行うので、両膜中で
の応力の発生を小さくでき両膜にスリップ転位を生じな
い。

【００２３】

【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。なお、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および特定
の数値的条件を挙げて説明するが、これら材料および条
件は単なる好適例にすぎず、従って、この発明は、これ
らに制約されるものではない。

【００２４】１．薄膜形成装置の説明まず、この発明の方法を実施するための好適な装置例に
ついて説明する。

【００２５】図２は、この発明を実施するための装置の
全体構成を概略的に示す図である。なお、この図では、
反応炉１１内にはシリコンの下地としてシリコン基板１
５（以下、単に「基板」ということもある。）を配置し
た状態を示してある。

【００２６】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）１１を具えている。この反
応炉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。

【００２７】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使用する。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
が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。

【００２８】また、この装置には、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。排気手
段２１、２２および反応炉１１間には、自動開閉バルブ
２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０を設けてあ
る。これらバルブを任意好適に開閉操作することによ
り、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および高真空排気状態を
形成することが可能である。それらの真空度は真空計３
４で測定できる。

【００２９】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
が設定圧力以上、例えば７６０Ｔｏｒｒを超えた場合に
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。また、上述した圧力測
定および圧力制御には、必要真空度に応じた好適なゲー
ジを選択し、別途、圧力制御用コンダクタンスバルブを
使用することもできる。図２において、３２、３３は排
気管２３に連通させて設けた真空計（または圧力ゲー
ジ）である。

【００３０】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、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、５５、５６および５７、並びに
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」と称す
る。）４１〜４５に原料ガス源（図示せず）を接続す
る。

【００３１】そして、バルブ５１〜５６をそれぞれ、任
意好適に開閉することにより所望の原料ガスを任意のガ
ス混合比が設定されるように反応炉１１へ供給できる。
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（ｖ／ｖ）％シラン（ＳｉＨ
₄）ガス、接続部４３には水素希釈１（ｖ／ｖ）％ゲル
マン（ＧｅＨ₄）ガス、接続部４５には不活性ガス例え
ば窒素（Ｎ₂）ガスを割り当て、それぞれのガスが供給
できる構成としてある。なお、接続部４４は、例えばＳ
ｉ−Ｇｅ系半導体薄膜へ所望の不純物をドープするため
のガス源接続として使用できる。

【００３２】２．薄膜形成方法の実施例の説明次に、この発明の半導体薄膜の一実施例であるＳｉ−Ｇ
ｅ系単結晶薄膜の形成例を説明する。なお、この実施例
では、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）およびゲルマ
ン（ＧｅＨ₄）を用い、シリコン下地としてシリコン基
板を用いる。

【００３３】図１の（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。各図
は、主要工程段階で得られた構造体を厚さ方向に切って
示した断面図である。また、図３は、この実施例の形成
方法における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（℃の単位）をとり、横軸に時間（秒
を単位）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。

【００３４】２−１．自然酸化膜の除去基板１５上に、この基板と同一方位のこの発明のＳｉ−
Ｇｅ系単結晶膜を形成するに当たり、自然酸化膜６１の
除去は重要である。以下、この自然酸化膜の除去が必要
な場合につき説明するが、もともと基板表面がきれいな
場合にはこの勝利を必要としないことは言うまでもな
い。この除去処理は、次のようにして行なう。

【００３５】まず、通常の方法により前処理の済んだ基
板１５を、反応炉１１内の基板支持体１３上に固定す
る。この時点で、基板１５の表面には自然酸化膜６１が
できてしまっている（図１の（Ａ））。そこで、排気手
段２１及び２２により反応炉１１内を、例えば１×１０
^-6Ｔｏｒｒの真空度となるように排気し、反応炉１１内
を清浄化する。次に、反応炉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、自動ガス流量コントローラ４６を介し、自動開
閉バルブ５１およびバルブ５５を開けることにより行な
える。そして、流量コントローラおよび排気系の開閉バ
ルブを調整し、反応炉１１内の圧力を例えば１００〜１
×１０^-2Ｔｏｒｒの範囲となるように維持する。

【００３６】次に、加熱部１２により基板１５を、１℃
／秒〜１０℃／秒の間の適当な割合で、好ましくは約５
℃／秒にて保持設定温度Ｔｏまで上昇させ、かつ保持さ
せる。この保持温度は、表面酸化膜除去反応温度（約８
３０〜１０００℃）およびＳｉ−Ｇｅ成膜反応温度Ｔｓ
に比べて低い温度、例えば２５０〜３００℃の温度とす
る。この温度では、表面酸化膜除去およびＳｉ−Ｇｅ成
膜の反応温度は極めて遅く、これら反応には寄与しな
い。

【００３７】次に、加熱部１２による急速加熱処理によ
り自然酸化膜６１を除去する（図３の工程ＩのＨ１期
間）。この急速加熱処理によって、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が除去された基板１５を得る（図１
（Ｂ））。

【００３８】ここで、この急速加熱処理は、加熱部１２
を構成する赤外線ランプによって行なう。詳しくは、基
板１５の表面温度を温度測定手段１４で測定しながら赤
外線ランプにより、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５０〜７５℃／秒で上昇させ、反応処理温度が約８３
０〜１０００℃の範囲、好ましくは約９００℃となった
ら、約１０〜３０秒間、この約９００℃の温度状態を保
持するように基板１５の加熱を制御する。なお、この
実施例では、反応炉１１内を既に述べたような減圧状態
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、そのため、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。

【００３９】その後、炉内の温度を保持温度Ｔｏまで急
冷する。この時の急冷は、導入中の水素ガスにより行な
う。次に、バルブ５５および５１を閉じバルブ２７を開
けて、反応炉１１内を例えば１×１０^-6Ｔｏｒｒの高真
空に排気する。

【００４０】２−２．Ｓｉ_1-xＧｅ_x薄膜の形成次に、反応炉１１内の反応性ガス雰囲気として、Ｓｉを
含有するＩＶ族系水素ガスおよびＧｅを含有するＩＶ族
系水素ガスの混合ガス雰囲気を用いる。このガス雰囲気
中で、シリコン基板１５に対し急速加熱処理を行ないな
がら、このシリコン基板１５の主表面上にＳｉ_1-xＧｅ
_x単結晶薄膜をバッファ層として形成する。

【００４１】そのため、まず、バルブ２７を閉じ、バル
ブ２８、５５、５２を開いて、最初に、Ｓｉを含有する
ＩＶ族系水素ガスとしてこの場合水素希釈１０（ｖ／
ｖ）％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を含有するＩＶ族系水素
ガスとしてこの場合水素希釈１（ｖ／ｖ）％ゲルマン
（ＧｅＨ₄）を反応炉１１内に供給する。このとき、シ
リコン含有ＩＶ族水素系ガスに対するＧｅ含有ＩＶ族水
素系ガスの相対濃度を、例えば、水素希釈シランと水素
希釈ゲルマンとの流量比が１０：１となるように、か
つ、反応炉１１内が例えば約１０Ｔｏｒｒ程度の減圧状
態になるよう、両ガスの流量を予め調整しておく（図３
にＩＩで示す（ＳｉＨ₄＋ＧｅＨ₄）フロー）。

【００４２】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に対し急速加熱処理を
行なう（図３の工程ＩＩのＨ２期間）。

【００４３】この急速加熱処理は、加熱部１２を構成す
る赤外線ランプによって行なう。詳しくは、基板１５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
プにより、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５０〜
７５℃／秒にて上昇させて、基板表面温度が例えば約８
００〜８５０℃の好適な成膜処理温度Ｔｓとなったら、
約１〜１０秒間、この約８００〜８５０℃の温度状態を
保持するように、基板１５の加熱を制御する。

【００４４】この成膜処理により、基板１５上には基板
面方位と同一の面方位の第１のＳｉ_1-XＧｅ_X単結晶膜
（この場合、Ｇｅ組成比０≦Ｘ＜０．１）６３のバッフ
ァ層が約１０〜５０ｎｍの膜厚で成長する（図１
（Ｃ））。

【００４５】２−３．Ｓｉ_1-YＧｅ_Y薄膜の形成次に、第１のＳｉ_1-XＧｅ_X単結晶膜６３の成膜に引き
続き、反応炉１１内の、Ｓｉ含有ＩＶ族水素系ガスに対
するＧｅ含有ＩＶ族水素系ガスの相対濃度を、バッファ
層６３の成膜の場合よりも高くする。上述の水素希釈Ｓ
ｉＨ₄および水素希釈ＧｅＨ₄の流量比が４：１となる
ようにガスの流量の調整を行なう（同じく図３の工程Ｉ
Ｉで示す（ＳｉＨ₄＋ＧｅＨ₄）フロ−）。かつ、反応
炉１１内は、そのまま１０Ｔｏｒｒ程度の減圧状態に保
つ。

【００４６】反応炉１１内をこのような雰囲気に調整し
たら、基板１５の表面温度を温度測定手段１４で測定し
ながら、更に約６０〜１２０秒間、成膜処理温度Ｔｓを
保持するように、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜６３形成済みの基
板１５を加熱手段１２により加熱する（図３の工程ＩＩ
のＨ３期間）。その後、炉内の温度を保持温度Ｔｏまで
急冷した後、バルブ５２および５３を閉じ、次に水素ラ
イン系バルブ５１を開けてＨ₂ガスを導入し、成膜を停
止する（図３の工程III で示すＨ₂フロー）。

【００４７】この成膜処理により、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜
６３の上には基板面方位と同一の面方位の第２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の
（Ｄ））。

【００４８】なお、このＳｉ_1-XＧｅ_X単結晶膜６３
は、薄い膜であればよいが、好ましくは膜厚ｔを０＜ｔ
≦５０ｎｍの範囲内の任意好適な値とするのがよい。ま
た、この薄膜６３のＧｅ組成比は０≦Ｘ≦０．１の範囲
内の任意好適な値とするのが良い。さらに、このバッフ
ァ層６３を介して形成されるＳｉ_1-YＧｅ_Y単結晶膜６
５は、この膜に素子を形成することを考慮し、膜厚を約
１０〜６００ｎｍの範囲の任意好適な値とするのがよ
い。また、この薄膜６５のＧｅ組成比は０．１≦Ｙ≦１
の範囲内の任意好適な値とするのがよい。このようにし
て、Ｓｉ_1-XＧｅ_X薄膜６３とＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜６５
とからなるＳｉ−Ｇｅ薄膜６７が得られる。

【００４９】次に、バルブ５５を閉じ、反応炉１１内へ
のガスの供給を停止するとともに、加熱部１２による基
板１５の加熱を停止し、保持していた保持温度Ｔｏから
室温ＲＴまで基板温度が冷却するのを待つ。

【００５０】その後、不活性ガスを導入して反応炉１１
内の圧力を１気圧（７６０Ｔｏｒｒ）とし、結晶成長済
み基板を反応炉１１から取り出す（図３に工程ＩＶで示
す）。

【００５１】以上、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。

【００５２】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および水素希釈のＧｅ
Ｈ₄ガスを用いた場合について説明した。しかし、使用
し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、Ｓｉ₃
Ｈ₈、Ｓｉ（ＣＨ₃）₂Ｈ₂、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ、Ｓ
ｉ（ＣＨ₃）₄、Ｓｉ₂（ＣＨ₃）₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）
₃ＦおよびＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｆ₂よりなるガス群から選
択された１種または２種以上のガスとか、またはＳｉＨ
₄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ＧｅＨ₃Ｆよりな
るガス群から選択された１種または２種以上のガスと
か、または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。

【００５３】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、これの代わりに、キセノンアークランプ、レーザビ
ーム、ヒータなどを用いてもよい。

【００５４】図４の（Ｂ）は、この発明の方法により、
Ｓｉの下地１５の主表面上にＳｉ−Ｇｅ系半導体薄膜６
７を作成したときの状態の説明図である。この発明によ
れば、上述した実施例からも明らかなように、成膜前に
Ｓｉの下地表面の清浄化を行なっており、その後、Ｓｉ
の下地上にＳｉ_1-XＧｅ_Xの薄いバッファ層６３とその
上側にＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜６５とを順次に室温よりも充
分高い温度で成膜を行なう。バッファ層６３の成膜中
は、Ｓｉ含有ＩＶ族水素系ガスの方がＧｅ含有ＩＶ族水
素系ガスの方よりも遥かに濃度が高いので、多量のＳｉ
Ｈ₄で下地表面上の汚染物を除去できる。

【００５５】また、バッファ層６３をＳｉ_1-XＧｅ
_X（０≦Ｘ＜０．１）としてあるので、このバッファ層
６３の格子定数はＳｉの格子定数と近い値となっている
ため、このバッファ層６３は、格子定数の不整合に起因
する歪みが少ない膜となっている。さらに、表面が清浄
化された状態にあるバッファ層６３上に、格子定数の実
質的に均一のＳｉ_1-YＧｅ_Y（０．１≦Ｙ≦１）の薄膜
６５を成膜するので、この薄膜６５も、欠陥はもとよ
り、ミスフィット転位も発生しない単結晶のＳｉ_1-YＧ
ｅ_Y膜となっている。

【００５６】また、両膜６３および６５の成膜を、好ま
しくは、急速加熱で行なうので、両膜中における応力の
発生を小さくできる。そのため、両膜６３および６５に
スリップ転位が発生するおそれがない。

【００５７】

【発明の効果】上述したこの発明の方法によれば、単結
晶Ｓｉ−Ｇｅバッファ層形成過程において、多量のシリ
コンを含有する水素系ガス、例えばシランガスで下地の
Ｓｉ表面を暴露することになるので、下地表面は、シラ
ンガス特有の強い還元作用を受け、そのため、下地表面
の炭化物や金属酸化物が除去され、表面が清浄化された
状態となる。

【００５８】また、単結晶Ｓｉ_1-XＧｅ_Xバッファ層
（Ｇｅ組成比Ｘは、Ｘ＜０．１）は下地シリコンに近い
組成となっているため、格子緩和が起き、歪みの少ない
膜として形成することができる。このようなバッファ層
を介して、基板上に所望の組成のＳｉ_1-YＧｅ_Y膜（Ｇ
ｅ組成比Ｙは、０．１≦Ｙ≦１）を成長させることによ
り、欠陥、ミスフィット転位のない単結晶薄膜が形成で
きる。また、成膜プロセス中の急速加熱による応力の発
生を小さくできるため、スリップ転位が起きにくい。

【００５９】この発明の半導体薄膜の形成方法の一実施
例によれば、所望の単結晶Ｓｉ_1-YＧｅ_Y膜成長前に、
基板上に単結晶Ｓｉ_1-XＧｅ_Xバッファ層（Ｇｅ組成比
Ｘは、Ｘ＜０．１）を形成すること、また成膜時の急速
加熱処理において、成膜前後の基板保持温度を約２５０
〜３５０℃に設定するので、下地への応力により発生す
るスリップを抑制することができる。

【００６０】従って、この発明によれば、大口径のＳｉ
下地上に均一な膜厚および膜質の、いわゆる良質のＳｉ
−Ｇｅ系半導体薄膜を形成できる。

【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】この発明の実施に使用する成膜装置の全体構成
を概略的に示す説明図である。

【図３】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す図である。

【図４】従来例と、この発明の実施例との比較の説明に
供する説明図である。

【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６７：Ｓｉ−Ｇｅ薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一反応炉内で、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、反応炉内の反応性ガス雰囲気を、シリコンを含有するＩ
Ｖ族水素系ガスとゲルマニウムを含有するＩＶ族水素系
ガスとの混合ガス雰囲気とし、かつ下地を加熱処理しな
がら、該下地の主表面上に単結晶のＳｉ_1-XＧｅ_X薄膜
をバッファ層として形成する工程と、前記反応炉内における前記混合ガス雰囲気中での、前記
シリコンを含有するＩＶ族水素系ガスに対する前記ゲル
マニウム含有のＩＶ族水素系ガスの相対ガス濃度を、前
記バッファ層を形成したときの相対ガス濃度よりも高く
し、かつ前記下地を加熱処理しながら、前記バッファ層
上に単結晶のＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜を形成する工程とを含
む（ただし、Ｇｅ組成比Ｘ，Ｙは、０≦Ｘ≦０．１，
０．１≦Ｙ≦１を満足する値である。）ことを特徴とす
る半導体薄膜の形成方法。
【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、単結晶のＳｉ_1-XＧｅ_X薄膜およびＳｉ_1-YＧｅ_Y薄膜
を形成するときの下地の加熱処理を赤外線加熱により行
ない、かつ成膜前後の下地保持温度を約２５０〜３５０
℃と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、単結晶のＳｉ_1-XＧｅ_X薄膜を、Ｇｅの組成比Ｘを０≦
Ｘ≦０．１の範囲内の値としかつその膜厚ｔが０＜ｔ≦
５０ｎｍの範囲内の値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ＩＶ族水素系ガスを、ＳｉＨ₄、Ｓ
ｉ₂Ｈ₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）Ｈ₃、Ｓｉ₃Ｈ₈、Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₂Ｈ₂、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｈ、Ｓｉ（Ｃ
Ｈ₃）₄、Ｓｉ₂（ＣＨ₃）₆、Ｓｉ（ＣＨ₃）₃Ｆお
よびＳｉ（ＣＨ₃）₂Ｆ₂よりなるガス群から選択され
る１種または２種以上のガスとする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ＩＶ族水素系ガスを、Ｇｅ
Ｈ₄、ＧｅＦ₄、ＧｅＦ₂、ＧｅＦおよびＧｅＨ₃Ｆよ
りなるガス郡から選択される１種または２種以上のガス
とすることを特徴とする半導体薄膜の形成方法。