JP2006278529A

JP2006278529A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2006278529A
Application number: JP2005092673A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Suda; 須田良幸; Daisuke Kitayama; 北山大祐; Yoichi Takahashi; 高橋陽一
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP4834828B2

Abstract

【課題】
本発明では、多段にＧｅドットを製造する場合に、Ｇｅドットが分裂せずに人為的に位置制御されたＳｉ基板上の逆ピラミッド凹部の位置に多段にＧｅドットが形成される半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】
Ｓｉ（１００）基板上にエッチングにより少なくとも４つの面に囲まれた逆ピラミッド状の凹構造を形成する第１の工程と、前記逆ピラミッド状の凹構造に凹部がなくなるようにＧｅを埋める第２の工程と、前記工程の後にＳｉ層を形成する第３の工程と、前記Ｓｉ層の上部でかつ下方のＧｅドットのある位置にＧｅドットを形成する第４の工程からなることを特徴とするＧｅドットの平面方向の位置を人為的に制御した多段構成のＧｅドットの製造方法を提供する。
【選択図】図２

Description

この発明は、ゲルマニウムドットの平面方向の位置を人為的に制御した多段構成の半導体装置の製造方法に関するものである。

発光デバイスの材料としては主に発光性の直接遷移型半導体である3-5系半導体材料が用いられてきた。シリコン（Ｓｉ）系の発光デバイスができれば、Ｓｉの大規模集積回路（ＬＳＩ）と製造プロセスが整合するので、光−論理集積回路などの高機能デバイスの実現が期待される。さらに、資源の豊富なＳｉを用いることができるので、資源的な面からもＳｉ系の発光デバイスが期待される。しかし、Ｓｉやゲルマニウム（Ｇｅ）は非発光性の間接遷移型半導体なのでほとんど発光しない。

しかし、Ｓｉ中またはＳｉ上に微細なＧｅドットを形成すると、量子閉じ込め効果が現れて、Ｓｉ中の電子とＧｅドットに閉じ込められた正孔が再結合して発光するようになる。このとき、１．３〜１．６μｍの光通信波長帯で発光するので、Ｇｅドットを用いたデバイスは光通信波長帯の発光デバイスとして応用されることが期待される。
Ｓｉ上にＧｅを堆積すると４層程度までは薄膜としてエピタキシー成長する（成長する薄膜Ｇｅの平面方向の原子間隔が下地のＳｉの原子間隔に一致して成長する）が、４層程度を超えると自己組織化的にＧｅが集合してドットを形成する。Ｇｅドットの製造方法の１つとして、このように自己組織化成長させたＧｅドットが用いられる。

しかし、自己組織化的に形成したＧｅドットのサイズと位置はランダムである。発光強度の強い半値幅の狭い発光を得るためには、Ｇｅドットのサイズを同じにする必要がある。Ｇｅドットを形成する供給源としてのＧｅは元々の等方的に移動しているので、Ｇｅドットの位置を規則的な位置に形成できるとすれば、結局Ｇｅドットのサイズも均一化する。このため、Ｇｅドットを人為的に規則的に配置する技術が様々検討されている。
Ｓｉ基板の表面をエッチングして、台形状（非特許文献１参照）や尾根状（非特許文献２参照）の凸構造を形成すると、台形の周辺や尾根の頂上に比較的に規則的にＧｅドットが並ぶ。しかし、究極的形態として２次元状に規則的にＧｅドットを並べる必要がある。
Ｓｉ基板上にＳｉＯ２を形成し、ＳｉＯ２に２次元的に規則的に窓を形成してＧｅを堆積し、窓の開いた位置のＳｉ基板上に規則的にＧｅドットを形成する方法も提案された（非特許文献３参照）。

２００３年までは、Ｇｅドットは主に凸構造部分に形成されると考えられていた。しかし、須田らは逆ピラミッド状の凹構造の底に最も安定してＧｅドットが形成されることを報告した。即ち、Ｓｉ基板に凸構造と逆ピラミッド状の凹構造が共存すると、高い温度では、逆ピラミッド状の凹構造の底にＧｅが集合する。この方法を用いて、任意の規則的位置に、逆ピラミッド状の凹構造を形成し、底部中心にＧｅドットを形成できることを報告した（非特許文献４参照）。また、Ｓｉ基板上にレジストで規則的に窓を形成して後、反応性イオンエッチング法で窓の位置のＳｉを直方体状に下方にエッチングして、その位置の中心近傍にＧｅドットを形成する方法が報告された（非特許文献５参照）。

一方、十分強い発光強度を得るためには、Ｓｉ層を挟んでＧｅドットを多段に重ね、単位面積当たりのＧｅドット数を増加することが必要になっている。しかし、Ｇｅドットを形成した後に、薄いＳｉ層を挟んでさらに一定の基板温度下でＧｅを堆積すると、その薄いＳｉ層の面内で、下方にＧｅドットのある位置にＧｅが集合してドットを形成することが報告された（非特許文献６参照）。下方にＧｅドットのある位置付近の前記Ｓｉ層のＳｉの原子間隔は、下方のドット状のＧｅ結晶の原子間隔に近づく様に歪み、Ｇｅ結晶の原子間隔に近づく。このため、前記Ｓｉ層上のＧｅは、本来のＧｅ結晶の原子間隔に近くエネルギー的に安定となる位置に集合する。この方法を用いて、自己組織化形成したＧｅドット上に薄いＳｉ層を挟んで多段にＧｅドットを形成できることが報告された。

Ｂ．Ｙａｎｇ、Ａ．Ｒ．Ｗｏｌｌ、Ｐ．Ｒｕｇｈｅｉｍｅｒ、Ｍ．Ｇ．Ｌａｇａｌｌｙ、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．、２００２年、７１５巻、ｐ．Ａ．８．５．１−Ａ．８．５．６Ｋ．Ｌ．Ｗａｎｇ、Ｊ．Ｌ．Ｌｉｕ、Ｇ．Ｊｉｎ、ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ、２００２年、２３７−２３９巻、ｐ．１８９２−２８９７Ｅ．Ｓ．Ｋｉｍ、Ｎ．Ｕｓａｍｉ、Ｙ．Ｓｈｉｒａｋｉ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９９８年、７２巻、ｐ．１６１７−１６１９Ｓ．Ｋａｅｃｈｉ、Ｄ．Ｋｉｔａｙａｍａ、Ｙ．Ｓｕｄａ、Ｅｘｔ．Ａｂｓ．２００３Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ、２００３年、ｐ．９６−９７Ｚ．Ｚｈｏｎｇ、Ａ．Ｈａｌｉｌｏｖｉｃ、Ｔ．Ｆｒｏｍｈｅｒｚ、Ｆ．Ｓｃｈａｆｆｌｅｒ、Ｇ．Ｂａｕｅｒ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、２００３年、８２巻、ｐ．４７７９−４７８１Ｋ．Ｌ．Ｗａｎｇ、Ｊ．Ｌ．Ｌｉｕ、Ｇ．Ｊｉｎ、ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ、２００２年、２３７−２３９巻、ｐ．１８９２−２８９７

発光ダイオードとして用いるためには、Ｇｅドットを形成した面に垂直の方向に電圧をかけて電子、正孔電流を流すことになる。しかし、ＳｉＯ_２に２次元的に規則的に窓を形成する方法では、ＳｉＯ_２自身が電流の流れの障害となる。
Ｓｉ凹構造を規則的に配置することで、Ｇｅドットを基本的にその位置で形成できる。しかし、非特許文献４や非特許文献５等で提案されている凹部の中央に１段目に相当するＧｅドットを形成する方法では、１段目のＧｅドットの直上または、凹部と形成されたＧｅドットの間にリング状に凹部が形成される。凹部の中央に１段目のＧｅドットが形成された場合は、Ｇｅドットが小さいとその上部に逆台形状の凹部が形成される。この場合、薄いＳｉ層を積層して一定温度下でＧｅを照射すると、逆台形状の底の淵に当るＬ字形状の部分に２段目のＧｅドットが複数形成される。リング状に凹部が形成された場合も、リング状の凹部に２段目のＧｅドットが複数形成され、いずれの場合も、１段目のＧｅドットの位置近傍に２段目のＧｅドットが複数形成され、１段目のＧｅドットの位置近傍に２段目のＧｅドットが分裂して形成されることが生じる。しかも、２段目のＧｅドットは不均一となる。本発明では、多段にＧｅドットを製造する場合に、Ｇｅドットが分裂せずに人為的に位置制御されたＳｉ基板上の逆ピラミッド凹部の位置に多段にＧｅドットが形成される半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するものとして、第１の発明は、シリコン基板上にエッチングにより少なくとも４つの面に囲まれた逆ピラミッド状の凹構造を形成する第１の工程と、前記逆ピラミッド状の凹構造に凹部がなくなるようにゲルマニウムを埋める第２の工程と、前記工程の後にシリコン層を形成する第３の工程と、前記シリコン層の上部でかつ下方のゲルマニウムドットのある位置にゲルマニウムドットを形成する第４の工程からなることを特徴とする多段構成の半導体装置の製造方法である。

また、第２の発明は、第１の発明において、第３の工程と第４の工程を繰り返すことで、ゲルマニウムドットを多段に重ねたことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

また、第３の発明は、第１乃至２の発明において、第１の工程と第２の工程の間にＳｉ層を形成する工程を挿入したことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

また、第４の発明は、第１乃至３の発明において、第１の工程のエッチング法としてウェットエッチング法を用いたことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

第１の発明によれば、少なくとも逆ピラミッド状の凹部をゲルマニウムで凹部がなくなるように平坦に埋める。或いは、逆ピラミッド状の凹部の体積以上にゲルマニウムを埋めることで、埋めたゲルマニウムが逆ピラミッドの上面より上方に凸状に盛り上がる。このようにして凹部が消失すると、その上方に薄いシリコン層を形成して、一定の温度下でゲルマニウムを堆積した場合、ゲルマニウムは、下方にゲルマニウムのある位置に集合して、ゲルマニウムドットが形成され、分裂した形状にはならない。

第２の発明によれば、基板の逆ピラミッド状の凹部を少なくとも平坦に埋めることで、その上方に、薄いシリコン層を形成とゲルマニウムドットの形成を繰り返しても、ゲルマニウムドットが分裂することなく、上段のゲルマニウムドットは全て平面方向において、基板の逆ピラミッドの位置に形成される。

第３の発明によれば、基板の逆ピラミッドの上に薄いシリコン層を形成することで、エッチングで形成した逆ピラミッド面の原子的結晶構造の欠陥が消失し、逆ピラミッドを埋めたゲルマニウムドットの結晶性を良好に保つことができる。このため、結晶欠陥や転位が上方に伝播することが無く、結晶性に優れた多段構成のゲルマニウムドットが形成される。

第４の発明によれば、基板の逆ピラミッドの形成をウェットエッチングで行なうことにより、ドライエッチングなどに見られる物理的損傷が少なく、物理的損傷によって発生する結晶欠陥や転位が上方に伝播することが無く、結晶性に優れた多段構成のゲルマニウムドットが形成される。

基板にはＳｉ（１００）を用いる。その表面に、リソグラフィ技術を用いて、四角い穴が２次元的に規則的に開いたレジストパターンを形成する。次に、前記レジストマスクを用いて、異方性エッチングのできるウエェットエッチング液を用いて、Ｓｉをエッチングすると、２次元的に規則的に開いた四角い穴から、逆ピラミッド状に凹部（ピット）が形成される。逆ピラミッド状に凹部は異方性エッチングによって、４つの（１１１）面に囲まれた逆ピラミッドの凹構造が形成される。この上部に薄くＳｉを化学気相成長法（ＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）法やスパッター法などの薄膜形成技術によって形成すると表面のＳｉの結晶性を良好に維持できる。レジストパターンを除去した後、化学気相成長法（ＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）法やスパッター法などの薄膜形成技術によって５００から７００℃の基板温度範囲でＧｅを成長すると、Ｇｅの表面泳動も加わり、Ｇｅが逆ピラミッド内部に集合して、逆ピラミッド状の凹部にＧｅが埋まる。Ｇｅを凹部が消失して平坦にまたはＧｅが凸状に盛り上がるように埋める。この、上部に、前記と同様の薄膜成長法によって薄いＳｉ層の形成とＧｅドットの形成を繰り返すと、逆ピラミッドの位置にＧｅドットが多段に形成される。一番最後にＳｉのキャップ層を形成する。発光ダイオードを形成するときは、基板のＳｉにｎ型Ｓｉを用い、Ｓｉキャップ層にはドーピングを施してｐ型Ｓｉとする。或いは、基板のＳｉにｐ型Ｓｉを用い、Ｓｉキャップ層にはドーピングを施してｎ型Ｓｉとする。Ｓｉ基板とＳｉキャップ層の間のＳｉ層にはドーピングを施さない。

図１、図２は、この発明の1実施例である多段Ｇｅドットの製造方法を説明する図である。第１工程の逆ピラミッドの形成にはまず、リソグラフィー技術を用いて四角い穴の開いたレジストパターンを形成した。次に、２５％のＴＭＡＨ（ｔｅｔｒｏｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）異方性エッチング液を用いて、４つの（１１１）面に囲まれる逆ピラミッド状の凹部を形成した。
図１では第１の工程でＳｉ（１００）基板上に逆ピラミッド状の凹部を形成した基板について、正面図に図１に下に、逆ピラミッドを横断するＡ−Ａ‘断面図を図１に上に示した。
ｐ型Ｓｉ（１００）基板（１）の上にＧｅＨ４ガスを原料ガスとして基板温度５００℃で、Ｇｅを成長した。Ｇｅは表面泳動も加わり逆ピラミッド状の凹部を埋め、ＧｅＨ４ガスの照射量を調整することで、逆ピラミッド状の凹部を埋めたＧｅが盛り上がる程度でＧｅを成長を停止した（２）。逆ピラミッド間では、Ｇｅの表面泳動も加わりＧｅドットは形成されない。この上方に、Ｓｉ２Ｈ６ガスを原料として、基板温度６００℃でＳｉ薄膜（３）を成長した。その後、再びＧｅＨ４ガスを原料ガスとして基板温度５００℃で、Ｇｅを成長し、Ｇｅドット（４）を形成した。前記Ｓｉ薄膜とＧｅドットの成長を９回繰り返し、９段の多段Ｇｅドットアレイを形成した。最後に、ｎ型Ｓｉキャップ層（５）を形成した。ｎ型にドーピングするために、Ｓｉキャップ層の成長にはＳｉ２Ｈ６ガスとＰＨ３ガスを用いた。
比較の為に、第１工程でＧｅを平坦に埋めない場合についての断面図を図３に示す。Ｓｉ（１００）基板上（６）に、Ｇｅが平坦に埋まらないようにＧｅを埋める（７）。その後、薄いＳｉ層（８）を形成すると、逆ピラミッドの上部に逆台形状の凹部が形成される。その後Ｇｅドットを形成するとＧｅドットは分裂された形（９）で形成される。したがって、図２に示した本発明による方法がＧｅドットの位置制御に有効であることが判る。

本発明の一実施形態に係る、多段Ｇｅドットの製造方法の第１工程終了後に逆ピラミッドの形状が形成されたＳｉ基板を示した図である（下図が正面図で、上図がＡ−Ａ‘断面図）。同上の一実施形態に係る、多段Ｇｅドットの製造方法を示すために形成した多段Ｇｅドットアレイの断面図を示した図である。比較のために、第１工程で逆ピラミッド凹部にＧｅを凹部が消失するまで埋め無かった場合に生じる分裂したＧｅドットの形成を示した図である。

符号の説明

１．Ｓｉ（１００）基板
２．逆プラミッド状の凹部を埋めたＧｅ
３．挿入したＳｉ層
４．形成されたＧｅドット
５．Ｓｉキャップ層
６．Ｓｉ（１００）基板
７．逆プラミッド状の凹部に形成したＧｅドット
８．挿入したＳｉ層
９．形成された分裂したＧｅドット

Claims

シリコン基板上にエッチングにより少なくとも４つの面に囲まれた逆ピラミッド状の凹構造を形成する第１の工程と、前記逆ピラミッド状の凹構造に凹部がなくなるようにゲルマニウムを埋める第２の工程と、前記工程の後にシリコン層を形成する第３の工程と、前記シリコン層の上部でかつ下方のゲルマニウムドットのある位置にゲルマニウムドットを形成する第４の工程からなることを特徴とする多段構成の半導体装置の製造方法。
第３の工程と第４の工程を繰り返すことで、ゲルマニウムドットを多段に重ねたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
第１の工程と第２の工程の間にシリコン層を形成する工程を挿入したことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
第１の工程のエッチング法としてウェットエッチング法を用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。