JP2006253414A - Ｓｉ基板上への半導体薄膜形成方法及びその構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な工程でありながらも、比較的安価なＳｉ基板上に高品質な半導体薄膜を形成する方法と、その方法によって得られる半導体薄膜構造物を提供すること。
【解決手段】 Ｓｉ基板上に半導体を結晶成長させて薄膜を形成する方法であって、対象の半導体を結晶成長させるＳｉ基板の上面を、微小角度傾斜させた状態で、結晶成長装置内にＳｉ基板をセッティングし、そのＳｉ基板の傾斜角度は、対象半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数のＳｉ基板上面に対する正射影が、Ｓｉ基板の上面に相応する結晶軸の格子定数と略一致する角度とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｓｉ基板上に半導体薄膜を形成する方法と、その方法によって得られる構造物に関する。

近年、インターネット等の普及に伴って情報通信量が爆発的に増加しつつある。これを反映して、大容量の情報を高速に伝送する手段として、光ファイバーを介した通信が注目を集めている。光ファイバー通信では、ファイバー内での損失の少ない波長として、１．３μｍや１．５５μｍの光が信号として使われている。このような光信号を、発生、変調、検出するデバイスには、化合物半導体が用いられる。

その半導体の基板としては、比較的安価なＳｉが有用である。
Ｓｉ基板上に半導体薄膜を形成する方法には、例えば、非特許文献１による方法がある。
梅野正義，神保孝志，江川孝志、「Ｓｉ基板上へのＧａＡｓ系およびＧａＮ系結晶のヘテロエピタキシーとデバイス応用」、応用物理，日本，応用物理学会，２００３年，第７２巻第３号，ｐｐ２７３−２８３

非特許文献１は、Ｓｉ基板上へＧａＡｓやＧａＮの結晶を成長させ、デバイス作製へ応用する提案を開示している。しかし、この方法には、高度で複雑な技術が必要であり、高品質の結晶を容易に得られるものではない。

半導体薄膜の製造する方法には、特許文献１〜４のような方法もある。
特開平１０−２０００９１ 「半導体薄膜素子の製造方法」 特開平５−１７５１４４ 「半導体装置およびその製造方法」 特開２００１−１７６８０４ 「半導体層の形成方法」 特開２００２−１３４５２４ 「化合物半導体薄膜結晶」

しかし、従来のいずれの技術によっても、Ｓｉ基板上に高品質の半導体薄膜を簡易に形成することはできなかった。
これは、基板となるＳｉと、その上に成長させる半導体結晶との間に、格子定数のずれがあることが主な要因と考えられた。

そこで、本発明は、簡易な工程でありながらも、比較的安価なＳｉ基板上に高品質な半導体薄膜を形成する方法と、その方法によって得られる半導体薄膜構造物を提供することを課題とする。特に、Ｓｉの（００１）面に、高品質のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、またはその混晶であるＡｌＧａＳｂなどのＳｂ系半導体を成長させる手段を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法は、次の構成を備える。
すなわち、Ｓｉ基板上に半導体を結晶成長させて薄膜を形成する方法であって、対象の半導体を結晶成長させるＳｉ基板の上面を、微小角度傾斜させた状態で、結晶成長装置内にＳｉ基板をセッティングし、そのＳｉ基板の傾斜角度は、対象半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数のＳｉ基板上面に対する正射影が、Ｓｉ基板の上面に相応する結晶軸の格子定数と略一致する角度とすることを特徴とする。

ここで、Ｓｉ基板と対象半導体との間にバッファー層を設け、そのバッファー層を構成する結晶は、その熱膨張係数が、Ｓｉの熱膨張係数と対象半導体結晶の熱膨張係数との間の値であるものとすることで、低温での初期成長工程を省き、また、成膜後の降温時に生ずる歪みを吸収して、品質保持に寄与させてもよい。

バッファー層を構成する結晶は、Ｓｉ基板上面と略平行な結晶軸の格子定数が、Ｓｉ基板上面に相応する結晶軸の格子定数または対象半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数に近いか、或いは、その両格子定数の間の値であるものとすると、更に好適である。

結晶成長装置としては分子線エピタキシー装置（ＭＢＥ）など、真空蒸着による物理吸着が利用できる。

結晶成長させる温度は、約３００℃〜５６０℃が好ましい。

対象半導体を成長させるＳｉ基板上面としては、Ｓｉの（００１）面が利用できる。

Ｓｉの（００１）面より所定の微小角度傾斜させて切り出し研磨を施した面を、Ｓｉ基板上面をとしてセッティングしてもよい。

対象半導体にはＳｂ系半導体が適用でき、その場合のバッファー層としてはＡｌＳｂが利用できる。

ＡｌＳｂのバッファー層の下部に、初期バッファー層としてＩｎＳｂを用いて、安定した結晶成長に寄与させてもよい。

Ｓｉ基板上面に予めＳｂを１層程度結晶成長させた後に、バッファー層を形成して、Ｓｉ基板とバッファー層との密着性を高めてもよい。

以上のような方法によって製造される本発明の構造物は、Ｓｉ基板上に半導体を結晶成長させて薄膜を形成した構造物であって、Ｓｉ基板上に半導体を結晶成長させて薄膜を形成した構造物であって、対象の半導体を結晶成長させるＳｉ基板の上面を、微小角度傾斜させた状態で、結晶成長装置内にＳｉ基板をセッティングし、そのＳｉ基板の傾斜角度を、対象半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数のＳｉ基板上面に対する正射影が、Ｓｉ基板の上面に相応する結晶軸の格子定数と略一致する角度として、Ｓｉ基板上に対象半導体を結晶成長させて薄膜を形成したことを特徴とする。

ここで、Ｓｉ基板と対象半導体との間にバッファー層を設け、そのバッファー層を構成する結晶を、その熱膨張係数が、Ｓｉの熱膨張係数と対象半導体結晶の熱膨張係数との間の値であるものとして、結晶性の向上に寄与させてもよい。

具体的には、Ｓｉの（００１）面を上面とし、そのＳｉ基板を約１〜１０°傾斜させてセッティングし、ＩｎＳｂの初期バッファー層と、ＡｌＳｂのバッファー層とを積層し、ＧａＳｂ、または、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂを対象半導体として薄膜形成したものが挙げられる。

本発明によると、Ｓｉ基板を所定の微小角度傾斜だけさせてセッティングするので、Ｓｉ基板とその上に成長する半導体結晶との間の格子定数のずれによる影響を抑止でき、高品質な半導体薄膜を得られる。
複雑な温度調整などを必要としない簡易な工程で製造でき、生産時間の短縮も図れる。比較的安価なＳｉ基板を利用するので、大量生産にも好適である。

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
ここでは、製造装置として分子線エピタキシー装置を例示するが、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）など任意の結晶成長装置に適用可能である。また、Ｓｉ基板上に成長させる半導体としてはＳｂ系半導体を挙げるが、他の半導体にも適用でき、Ｓｉ基板上面も（００１）面に限らず、（１１１）面や（３１１）面など適宜設計変更可能である。

図１は、分子線エピタキシー装置の概要を示す説明図である。
真空にひかれたチャンバー内で、ＡｌやＳｂなど各原料の入ったセルを加熱し、そのビームをシャッターで制御しながら、プレートに設置された基板に当てることで、物理吸着によって結晶成長を行う。
Ｓｉ基板は、（００１）面を上にした体勢でプレートに設けられるが、その際、（００１）面を若干傾斜させてセッティングする。

図２は、Ｓｉ基板と半導体結晶との方位関係を示す模式図である。
Ｓｉ基板は、（００１）面を上面とし、微小角度（θ）傾斜した状態で、結晶成長装置内にセッティングされる。
そのＳｉ基板の傾斜角度（θ）は、x・cosθ＝a をほぼ満たすように勘案される。ここで、aは、Ｓｉ基板の上面に相応する結晶軸の格子定数であり、xは、成長させる対象の半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数である。

図３は、Ｓｉ基板の上にバッファー層を設けて対象半導体を成長させた構造物の説明図である。
Ｓｉ基板の上面が（００１）面より所定の微小角度だけ傾斜するように切り出し、研磨を施した面を、Ｓｉ基板上面をとしてセッティングした。
Ｓｉ基板のクリーニング方法は任意であり、例えば、フッ化水素酸数％水溶液（超純水）によってクリーニングしたり、真空チャンバー内で加熱することによって、酸化膜を除去して基板表面の清浄化を行う方法が挙げられる。

更に、チャンバー内に導入したＳｉ基板の基板温度を７６０℃まで昇温することにより、Ｈの脱離を行う。基板表面の清浄化の確認は、高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）による２×２表面再構成で行える。

そして、Ｓｉ基板の温度を５００℃まで降温し、２×１０^-6Torrの強度のＳｂ分子線を５分間照射する。Ｓｂ分子線の照射時間は、Ｓｂの層が１層（１ＭＬ）形成する以上の任意の時間に設定しておけばよい。
なお、適当な条件下でＳｂ分子線の照射を行うと、Ｓｂの吸着と蒸発が平衡状態に達するので、Ｓｂの層が１ＭＬ形成される時間以上Ｓｂを照射しても、Ｓｉ基板の表面に残るＳｂは１ＭＬ以上にはならない。そのため、Ｓｂ分子線の照射強度に応じて、Ｓｂを１ＭＬ形成するのに十分な照射時間を設定すればよい。また、Ｓｉ基板上に形成するＳｂ層の状態を考慮すれば、Ｓｂ分子線の照射強度は１×１０^-5Torr以下が望ましい。

次いで、厚さが１ＭＬ〜１００ｎｍであるＡｌＳｂよりなるバッファー層を形成する。例えばＡｌＳｂを５ｎｍ結晶成長させて、バッファー層とする。この時、ＡｌＳｂの成長速度は０．１ＭＬ／ｓとした。
ＡｌＳｂの成長膜厚は１ＭＬ以上の任意の厚さに設定することが可能であるが、バッファー層としてＡｌＳｂを結晶成長させる場合は、プロセス時間を短く抑えた方がよいので、１０ｎｍ以下の膜厚に止めておくことが好ましい。

上述のバッファー層の形成工程では、Ｓｉ基板上にまずＳｂを１ＭＬ程度形成した後にＡｌＳｂの結晶成長を行う２段階の分子線照射とした。予めＳｉ基板上にＳｂを１ＭＬ相当結晶成長させておくことで、Ｓｉ基板とバッファー層との密着性を高めたのであるが、Ｓｉとの密着性がより高いＡｌを１ＭＬ程度Ｓｉ基板に形成した後にＳｂ分子線を照射する２段階分子線照射でもよい。
その際、Ａｌ照射後のＳｂ分子線照射成長中断を１秒以上（基板温度が５００℃なら３０秒程度）行うことが望ましい。これは、先に吸着した１ＭＬ程度のＡｌが均一にＳｉ基板表面に拡散できるまでに、ある程度の時間を要するからである。なお、拡散するまでの時間は、基板温度に依存するものと考えられる。

Ｓｉ基板上へＡｌを均一に１ＭＬ程度結晶成長させるには、種々の制御技術が必要となって、必ずしも簡易な方法とは言いがたい。これに対して、予めＳｉ基板上へＳｂを１ＭＬ程度結晶成長させておく技術は、Ｓｂの吸着と蒸発を平衡状態にするという簡易な条件設定のみでよいので、効率よくＳｉ基板上ヘバッファー層を形成できるという利点がある。

上記のようにＡｌＳｂ層を形成した後、Ｓｂ分子線照射下における成長中断を５分行ない、その後、ＧａＳｂを５００ｎｍ結晶成長させ所望の半導体薄膜を形成する。
ＧａＳｂ層の成長速度は０．５ＭＬ／ｓとして、１時間弱で５００ｎｍのＧａＳｂ層を成長させた。このＧａＳｂ層の結晶成長速度には格別制限はないが、現実的な成長速度は、０．０１〜２ＭＬ／ｓの範囲である。一般的に、成長温度を高くすれば成長速度を高くできる。しかし、ある成長速度を超えると、表面に吸着した原子が十分に拡散して結晶化する前に次の原子が到達してしまうため、結晶性が劣化してしまうので、上記成長速度が好ましい。

図４は、別実施例の構造物の説明図である。
図３に示した構造物の上に、更に２μｍのＧａＳｂ厚膜を形成した。
この試料をＸ線回折により検査した。図５〜７は、そのＸＲＤロッキングカーブを示すグラフである。図５は、Ｓｉ基板上面を傾斜させないでセッティングした場合、図６は、傾斜角度（θ）２°の場合、図７は、傾斜角度（θ）４°の場合を示す。
Ｓｉ基板上面を傾斜させなかった場合は半値幅が２１５秒であったが（図５）、２°傾斜させた場合には半値幅が１８６秒となり（図６）、結晶性の向上が確認された。
また、ＧａＳｂの表面は鏡面結晶となり、Ｓｉ基板上にＧａＳｂを直接成長させた場合のように白濁することもなく、きれいな単結晶が得られた。

バッファー層上に形成する半導体薄膜としては、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂの他、多様なIII-V族化合物半導体を適用でき種々のデバイスが作成可能となる。
本発明方法により形成可能な化合物半導体としては、例えば、ＧａＳｂやＡｌＳｂに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂ系材料がある。特に、ＩｎＡｓは高移動度材料でもあることから、比較的安価なＳｉ基板上にＩｎＡｓを用いたデバイスを形成できる意味は大きい。また、ＧａＳｂ上に適切な構成で結晶成長を行なえれば、ＧａＡｓなどの膜を形成することも可能であり、ＡｌＧａＡｓ系材料の形成も可能になる。
ＡｌＧａＳｂ系材料とＡｌＧａＡｓ系材料の形成が可能となれば、その中間の格子定数をもち、現在主流として用いられている化合物半導体系材料であるＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ系材料による膜形成も可能になる。なお、上記した物質にわずかに窒素を混入させた場合、どの結晶の格子定数も、僅かながらＳｉの格子定数に近づくため、結晶の高品質化を図れる。

また、Ｓｉ基板上へＡｌＳｂによるバッファー層を形成する工程から、バッファー層上へＧａＳｂによる半導体成長層を形成する工程までは、一貫して、当初のＳｉ基板の温度、３００℃〜５６０℃の間における例えば５００℃に保持したまま行うことができる。
なお、基板温度を３００℃〜５６０℃の間に設定しておけば、鏡面の結晶成長が行なえるが、３００℃よりも基板温度を下げて結晶成長させようとすると、吸着原子の拡散長が短くなるために原子が均一に分布できず、きれいに晶出しなくなってしまい、５６０℃よりも基板温度を上げて結晶成長させようとすると、ＡｌＳｂやＧａＳｂのＳｂが脱離して、きれいに晶出しなくなってしまう難点がある。

ＡｌＳｂのバッファー層が果たす機能は次の通りである。
Ｓｉ基板上へ半導体を結晶成長させる際の問題点は、結晶構造や格子定数の差異に起因するものと、熱膨張係数の差によって結晶成長温度から室温へ降温する過程で結晶欠陥が生じることに起因するものとがある。
ＡｌＳｂはＳｉとＧａＳｂの熱膨張係数の間の値をもつため、ＡｌＳｂのバッファー層を付設することによって、ＧａＳｂ層で降温時に生じうる歪が吸収される。

また、薄いＡｌＳｂをバッファー層として設けることで、ＳｉとＧａＳｂの格子定数の差を緩衝するように作用するが、このバッファー層が薄くてもクラック等の欠陥が生じないのは、Ａｌに関連した化合物はＡｌの化学結合が強いことにより強固な結晶が形成されるためと考えられる。Ｓｉ基板上に形成されたＡｌＳｂは薄い膜厚でも安定に存在するため、その後のＡｌＳｂ層やＧａＳｂ層の成長の核として優位に働く作用もある。

従来は、格子定数も熱膨張係数も小さいＳｉと、それより格子定数も熱膨張係数も大きなＧａＳｂとの間では、温度の変化による歪が生じやすく、この歪による結晶品質の劣化を避けるために、熱膨張係数差の大きな物質問での結晶成長には、室温と結晶成長に最適な温度との問の適宜な温度で初期層を成長させる低温成長工程が必要であった。しかし、前述の通り、バッファー層として設けるＡｌＳｂは、ＳｉとＧａＳｂの間の熱膨張係数をもつため、通常の成長温度で結晶成長させることが可能であり、このバッファー層がＡｌＳｂやＧａＳｂの初期層として機能することによって、そのままの温度でバッファー層上にＡｌＳｂやＧａＳｂを結晶成長させることができる。

従って、低温成長のための煩雑な温度調整を必要とせず、化合物半導体薄膜形成のプロセスを簡易にすることができる。しかも、基板温度を低温成長温度や通常成長温度へ移行させるプロセスも省けるので、プロセス全体の時間短縮も果たせる。
なお、ＡｌＳｂのバッファー層上にＧａＳｂを結晶成長させる際に、低温成長による初期層を形成してもよいが、低温成長における温度は結晶成長の最適温度ではないため、わざわざＧａＳｂの初期層を設けても結晶性の改善等に格別寄与するとは限らない。

図８は、別実施例の構造物の説明図である。
図３に示した構造物において、ＡｌＳｂのバッファー層の下部に、更に、初期バッファー層としてＩｎＳｂを用いた。
そのＩｎＳｂの初期バッファー層は、５ＭＬ以下の厚みが好ましい。
ＩｎＳｂの格子定数はＡｌＳｂより若干大きめであるが、Ｓｉ基板の上面を１ＭＬ以下のＩｎＳｂで覆った場合、その表面のみを考慮すると、ＩｎＳｂの被覆率に応じて擬似的にＧａＳｂやＡｌＳｂの格子定数と略一致させることができる。例えば、ＩｎＳｂを０．６ＭＬの層厚とした初期バッファー層でＳｉ基板の上面を被覆することで、基板表面の平均的な格子定数の値はＡｌＳｂの格子定数の値に近づき、ＡｌＳｂのバッファー層としての結晶性が高めることが可能になる。

図９は、別実施例の構造物の説明図である。
図３に示した構造物において、ＧａＳｂ層の上に、２００ｎｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｓｂ層を成長させ、更にその上に、井戸幅８ｎｍのＧａＳｂと障壁層厚さ２０ｎｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｓｂとが５周期繰り返される量子井戸構造を設けた。この試料のフォトルミネッセンス測定を行なった結果、１．５５μｍ波帯での発光を室温で観測できた。
このように、本発明による化合物半導体薄膜構造物は、ＡｌＧａＳｂ系材料などを用いた光通信用デバイス類として作製可能であり、有用な産物である。

本発明によると、結晶性の良好な半導体層を結晶成長させることができ、レーザ素子や、光検出器、半導体光アンプ、受光素子など、種々のデバイス等に応用可能である。特に、光ファイバーを用いた通信用信号の発生、変調、検出に関するデバイスを、高い歩留まりで安価に量産するための技術として価値が高い。将来的には更なる光情報通信の普及により、それに必要なデバイスを提供する本発明技術は需要も高く、産業上利用価値が高い。

分子線エピタキシー装置の概要を示す説明図 Ｓｉ基板と半導体結晶との方位関係を示す模式図 Ｓｉ基板の上にバッファー層を設けて対象半導体を成長させた構造物の説明図 別実施例の構造物の説明図 Ｓｉ基板上面を傾斜させないでセッティングした場合のＸＲＤロッキングカーブを示すグラフ Ｓｉ基板上面を２°傾斜させてセッティングした場合のＸＲＤロッキングカーブを示すグラフ Ｓｉ基板上面を４°傾斜させてセッティングした場合のＸＲＤロッキングカーブを示すグラフ 別実施例の構造物の説明図 別実施例の構造物の説明図

Claims (13)

1. Ｓｉ基板上に半導体を結晶成長させて薄膜を形成する方法であって、
   対象の半導体を結晶成長させるＳｉ基板の上面を、微小角度傾斜させた状態で、結晶成長装置内にＳｉ基板をセッティングし、
   そのＳｉ基板の傾斜角度は、
   対象半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数のＳｉ基板上面に対する正射影が、Ｓｉ基板の上面に相応する結晶軸の格子定数と略一致する角度とする
   ことを特徴とするＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
2. Ｓｉ基板と対象半導体との間にバッファー層を設け、
   そのバッファー層を構成する結晶は、
   その熱膨張係数が、Ｓｉの熱膨張係数と対象半導体結晶の熱膨張係数との間の値であるものとする
   請求項１に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
3. バッファー層を構成する結晶は、
   Ｓｉ基板上面と略平行な結晶軸の格子定数が、Ｓｉ基板上面に相応する結晶軸の格子定数または対象半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数に近いか、或いは、その両格子定数の間の値であるものとする
   請求項１または２に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
4. 結晶成長装置として、分子線エピタキシー装置を用いる
   請求項１ないし３に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
5. 結晶成長させる温度を、約３００℃〜５６０℃とする
   請求項１ないし４に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
6. Ｓｉ基板上面を、Ｓｉの（００１）面とする
   請求項１ないし５に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
7. Ｓｉの（００１）面より所定の微小角度傾斜させて切り出し研磨を施した面を、Ｓｉ基板上面をとしてセッティングする
   請求項１ないし６に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
8. 対象半導体を、Ｓｂ系半導体とし、
   バッファー層としてはＡｌＳｂを用いる
   請求項１ないし７に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
9. ＡｌＳｂのバッファー層の下部に、
   初期バッファー層としてＩｎＳｂを用いる
   請求項８に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
10. Ｓｉ基板上面にＳｂを１層程度結晶成長させた後に、バッファー層を形成する
    請求項１ないし９に記載のＳｉ基板上への半導体薄膜形成方法。
11. Ｓｉ基板上に半導体を結晶成長させて薄膜を形成した構造物であって、
    対象の半導体を結晶成長させるＳｉ基板の上面を、微小角度傾斜させた状態で、結晶成長装置内にＳｉ基板をセッティングし、
    そのＳｉ基板の傾斜角度を、
    対象半導体結晶の底面に相応する結晶軸の格子定数のＳｉ基板上面に対する正射影が、Ｓｉ基板の上面に相応する結晶軸の格子定数と略一致する角度として、
    Ｓｉ基板上に対象半導体を結晶成長させて薄膜を形成した
    ことを特徴とする構造物。
12. Ｓｉ基板と対象半導体との間にバッファー層を設け、
    そのバッファー層を構成する結晶を、
    その熱膨張係数が、Ｓｉの熱膨張係数と対象半導体結晶の熱膨張係数との間の値であるものとした
    請求項１１に記載の構造物。
13. Ｓｉの（００１）面を上面とし、そのＳｉ基板を約１〜１０°傾斜させてセッティングし、
    ＩｎＳｂの初期バッファー層と、ＡｌＳｂのバッファー層とを積層し、
    ＧａＳｂ、または、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂを対象半導体として薄膜形成した
    請求項１０ないし１２に記載の構造物。
    
    

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