JP2007518254A - 多層アニール誘導無秩序化 - Google Patents
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Abstract
【課題】 量子井戸混合（ＱＷＩ）方法に関し、光半導体デバイス生成時にエネルギーバンドギャップを変更して、ＱＷＩ処理を空間的に制御し、複数のバンドギャップをウエハ上と、デバイスと、基板表面に生成する。
【解決手段】 半導体基板表面の第１領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、基板に第１の熱処理サイクルを行い、第１領域に第１のバンドギャップを生成し、基板の表面の、第１領域と異なる第２領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、基板に第２の熱処理サイクルを行い、第２領域に第２のバンドギャップを生成し、累積バンドギャップを前記第１領域に生成し、累積バンドギャップでは前記第１および第２熱処理サイクルの結果が累積されている。
さらなる工程で累積バンドギャップを追加する。
【選択図】図３
【解決手段】 半導体基板表面の第１領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、基板に第１の熱処理サイクルを行い、第１領域に第１のバンドギャップを生成し、基板の表面の、第１領域と異なる第２領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、基板に第２の熱処理サイクルを行い、第２領域に第２のバンドギャップを生成し、累積バンドギャップを前記第１領域に生成し、累積バンドギャップでは前記第１および第２熱処理サイクルの結果が累積されている。
さらなる工程で累積バンドギャップを追加する。
【選択図】図３
Description
本発明は、光半導体デバイスの形成時にエネルギーバンドギャップ（energy band gap）を変更するのに適した量子井戸混合（ＱＷＩ）技術に関する。特に、ＱＷＩ方法を空間制御し、ウエハ、デバイスおよび基板上でバンドギャップをさまざまにシフトさせるＱＷＩ技術に関する。
ＱＷＩ技術の研究は数多く行われている。ＱＷＩ工程では、量子井戸を構成する薄膜層の組成が選択的に無秩序化され、各井戸の内部でエネルギーレベルが変化しエネルギーバンドギャップのずれが起こる。このため混合される材料の放射波長および吸収波長を変更することができる。
様々なＱＷＩ技術が開発されており、不純物誘導、不純物なし（誘電体キャップ）、インプランテーション誘導およびレーザー誘導法といった技術を含む。ＱＷＩはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓおよびＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ（Ｐ）を含む一連の材料システムにおいて実証されている。
先行技術（先行技術文献は、本明細書の末尾に添付１として記載されている）における研究の大半は、２つのバンドギャップを得る処理を行うことを目的とし、低い方向にシフトした（名目上は成長したバンドギャップ）領域と、混合された領域との間で、大きく異なるシフトを得ることに主眼がおかれている。バンドギャップの制御を向上する様々な技術が提案されており、例えば様々な材料を用いるもの［１，２］、付着条件に関するもの[３，４]、化学量論に関するもの[５]、不純物のない処理において誘電体キャップの寸法[６]と厚さ［７−９］に関するもの、イオン照射量[８，１０]、レーザー照射[１１−１４]、表面被覆および分解効果[１５]、および上述した研究の中で最も一般的なものとして、アニール処理温度と継続時間に関するものがある。しかしながら、これらの方法の全てが、単一ウエハ上に複数の、すなわち２つよりも多数のバンドギャップを生成するために利用されるわけではない。
一般的に、複数バンドギャップは、コア二重バンドギャップ処理と以下に示す方法とを共に利用して生成することができる。
１．繰り返しの、[１０、１５−２１]および／または様々な量の、照射−アニール [１２−１４]の組合せ、
２．様々な材料[２−５]の、および界面効果[２−５]の、誘電体キャップを選択、
３．ＱＷＩバリアマスク[７，９，２５，２６]と様々な厚さ[７，８]、
４．空間／解像効果[６、１５]
ＱＷＩ技術は数多くあるが、これらの技術を用いて制御された仕方で複数バンドギャップを共通基板上に規定する先行技術は不足している。
１．繰り返しの、[１０、１５−２１]および／または様々な量の、照射−アニール [１２−１４]の組合せ、
２．様々な材料[２−５]の、および界面効果[２−５]の、誘電体キャップを選択、
３．ＱＷＩバリアマスク[７，９，２５，２６]と様々な厚さ[７，８]、
４．空間／解像効果[６、１５]
ＱＷＩ技術は数多くあるが、これらの技術を用いて制御された仕方で複数バンドギャップを共通基板上に規定する先行技術は不足している。
第１の先行技術による方法は、イオンインプランテーションとプラズマ照射の繰返しサイクルと、高温高速アニール（ＲＴＡ）処理とを行い、所望バンドギャップを得る高速アニール（ＲＴＡ）処理に基づく[１０、１５−２１]。この方法は、量子井戸レーザー[１７，２７]の波長と赤外光検出器[２０，２１]とを調整するために利用されている。繰返し工程は、単一アニール処理で得られる累積ずれ[１７−２０、２８]よりも大きい累積ずれを得るために利用される。
上述の方法を利用して、選択された領域で複数バンドギャップを得るためには、[２０]に示されるように、この領域に対しパターニングし、インプランテーション／アニール処理サイクルを施し、この処理を所望バンドギャップのそれぞれに対して繰り返す。
アニール処理条件を利用して混合の量を制御する場合は、事情はより複雑である。ＲＴＡ処理の影響は、ＲＴＡ処理を受ける順序に関わらず、全バンドギャップ領域に及び、したがって先に作られたバンドギャップをシフトさせる可能性がある。インプランテーション／アニール処理組合せサイクルでは、パターニングと照射処理を最初に行い、後に通常のアニール処理を行うことにより、この問題を避けることができる。
文献[２９]では、アニール処理を、犠牲イオン注入層に複数回行って、複数バンドギャップを作った。犠牲イオン注入層は、後に続くアニール処理でバンドギャップシフトを得る必要のない領域から、選択的に除外されている。犠牲層が除外された領域では、ＱＷＩ抑制がなされ、後に続くアニール処理により、この領域には実質的にバンドギャップシフトが起こらなかった。
しかしながら、このような方法は、ＱＷＩＲＴＡ可能処理においては行えない。ＱＷＩ ＲＴＡ可能処理では、特にスパッタリング誘導無秩序化（ＳＩＤ）処理において、不純物拡散および／または誘電体キャップによってシフトが誘導される。ＳＩＤ処理は不純物をスパッタ付着、（例えば材料表面に硫黄、亜鉛、シリコン、フッ素、銅、ゲルマニウム、スズ、セレンなどを付着）し、高温アニール処理を行う。ＰＥＣＶＤで付着させた珪酸層の基板の、対応する領域を保護することにより、ＱＷＩ抑制（バンドギャップシフトなし）が行われる。
アニール処理中における、欠陥の高温誘導生成および相互拡散は、混合の主となる機構であるが、後のアニール工程による欠陥／不純物源を除去したとしても必ずしも完全に抑制できない。言い換えれば、照射／露光ベースの処理では、混合剤（例えば[２９]のインプランテーション量または欠陥層）は特定の混合段階に限って作用するのに対し、キャップベースの処理では、ＱＷＩ開始キャップを除去したとしても、後の混合工程における混合剤の作用を完全に抑制することはできない。したがって、後者の場合、後続のＲＴＡ処理のそれぞれは、前の工程で得られたシフトに対し制御不可能な影響を与える。
第２の先行技術［１５，１６］、その他においては、誘電体キャップを利用してアニール処理継続時間を変化させてＱＷＩシフトを制御することが提案されている。しかしながら、誘電体キャップと複数アニール処理の併用について述べているのは、［１６］のみである。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多層量子井戸（ＭＱＷ）構造を、Ｓｉ3Ｎ4誘電体キャップの付着によって部分的に無秩序化し、続いてＲＴＡ処理を８５０℃で１から５秒間繰返しおこなった。上記の処理を行った理由は、単一アニール処理によって得られる累積ずれ（４３ｎｍ）よりも大きい累積ずれを得るためである。文献［１６］は単一基板上に複数バンドギャップを生成することを考慮していないし、先に混合された領域でさらに生成される不要のずれを克服するという問題を考慮していない。
本発明の目的は、不純物拡散および／または誘電体キャップに基づいたＱＷＩを利用して、単一デバイス基板上に複数のバンドギャップシフトを与えるＱＷＩ方法を提供することである。
本発明では一つの態様として、単一基板上に異なるバンドギャップを有する多層の量子井戸混合（ＱＷＩ）領域を生成する方法が提供される。この方法は、次のステップを含んでいる。
ａ）前記基板の表面の第１領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、
ｂ）前記基板に第１の熱処理サイクルを行い、前記第１領域に第１のバンドギャップを生成し、
ｃ）前記基板の前記表面の、前記第１領域と異なる第２領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、
ｄ）前記基板に第２の熱処理サイクルを行い、前記第２領域に第２のバンドギャップを生成し、累積バンドギャップを前記第１領域に生成し、前記累積バンドギャップでは前記第１および第２熱処理サイクルの結果が累積されている。
ａ）前記基板の表面の第１領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、
ｂ）前記基板に第１の熱処理サイクルを行い、前記第１領域に第１のバンドギャップを生成し、
ｃ）前記基板の前記表面の、前記第１領域と異なる第２領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、
ｄ）前記基板に第２の熱処理サイクルを行い、前記第２領域に第２のバンドギャップを生成し、累積バンドギャップを前記第１領域に生成し、前記累積バンドギャップでは前記第１および第２熱処理サイクルの結果が累積されている。
本発明では別の態様として、上記のように規定された方法においてそれぞれの熱処理サイクルに要するパラメーターを決定する方法が提供される。この別の態様は、
連続熱処理の結果得られる累積バンドギャップの生成方法を、対称的か非対照的か決定し、
前記方法が対称的である場合は、
複数の累積バンドギャップＢＧ1〜ＢＧNのそれぞれに対し必要な熱処理条件を、熱処理シーケンスＡN〜Ａ1の間の少なくとも一つのサンプルの連続使用によって決定し、
ここで、ＡNは、Ａ1はＢＧN-1からＢＧNを得るための前記熱処理、Ａ2はＢＧN-2〜ＢＧN-1を得るための前記熱処理というように、ＢＧ0〜ＢＧ1を得るための前記熱処理であり、
前記方法が非対称的である場合は、
複数の累積バンドギャップＢＧ1〜ＢＧNのそれぞれに対し必要な熱処理条件を、それぞれのバンドギャップに対してＡ1〜Ａnの順で行う熱処理シーケンスの一部または全工程で、複数のサンプルを使用して決定する。
本発明の具体例について、添付図面を参照し、実施例を用いて詳述する。
連続熱処理の結果得られる累積バンドギャップの生成方法を、対称的か非対照的か決定し、
前記方法が対称的である場合は、
複数の累積バンドギャップＢＧ1〜ＢＧNのそれぞれに対し必要な熱処理条件を、熱処理シーケンスＡN〜Ａ1の間の少なくとも一つのサンプルの連続使用によって決定し、
ここで、ＡNは、Ａ1はＢＧN-1からＢＧNを得るための前記熱処理、Ａ2はＢＧN-2〜ＢＧN-1を得るための前記熱処理というように、ＢＧ0〜ＢＧ1を得るための前記熱処理であり、
前記方法が非対称的である場合は、
複数の累積バンドギャップＢＧ1〜ＢＧNのそれぞれに対し必要な熱処理条件を、それぞれのバンドギャップに対してＡ1〜Ａnの順で行う熱処理シーケンスの一部または全工程で、複数のサンプルを使用して決定する。
本発明の具体例について、添付図面を参照し、実施例を用いて詳述する。
本発明の方法により、複数のバンドギャップを、制御された方法で複数の混合工程を経て、同一のウエハまたは基板上に画定することができる。本発明の方法は、とりわけ、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板上でＡｌ−四元ＩｎＰ材料（Al-quaternary InP material）に適合するので、高周波光電子デバイス製造に利用することができる。そのため素子集積可能性が高くなり、従って、必要に応じてバンドギャップに同調した能動素子および受動素子を、光集積回路および／または単一集積デバイスの要素として共通基板上に製造することができる。例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ）により増幅された変調器、光検出器、スイッチ、外部共振型レーザー（extended-cavity laser）、波長離調レーザーアレイ（wavelength-detuned laser array）、デマルチプレクサなどである。
複数のずれが不純物拡散および／またはＱＷＩ開始誘電体キャップにより誘起される、大抵のＲＴＡ可能なＱＷＩ方法においては、最初にアニールを施した後、ある熱処理工程の後にＱＷＩ開始誘電体キャップを除去すると、次の熱処理工程で得られるずれにほとんど影響を及ぼさない、ということが立証されている。換言すれば、第１のＱＷＩ工程の後で、量子井戸開始キャップを付して得たずれと、量子井戸開始キャップを付さずに得たずれは、ほとんど同一である。この効果を図１に示す。
図１は、様々なＱＷＩ方法により得られるフォトルミネセンス波長ずれを、バンドギャップを直接測定して示したものである。実線１０で示す参照サンプルにおいては、基板にＱＷＩ開始キャップが付されていない。点線１１で示す第１サンプルでは、アニール処理工程１の際には、ＱＷＩ開始キャップを付し、続くアニール処理工程２では外す。対照のために、破線１２で示す第２サンプルでは、アニール処理工程１の際、ＱＷＩ開始キャップを付し、そのまま次のアニール処理工程２を行う。点線１１と破線１２を比較すると明らかなように、最初のアニール処理工程の後にＱＷＩ開始キャップを外しても、第２のアニール処理に誘起されるずれにはわずかな影響しか与えない。アニール処理工程１とアニール処理工程２は、ＩｎＰ／ＩｎＡｌＧａＡｓ材料の多層量子井戸構造において６１５℃で２分間の等温アニールを行う。
その後の処理、例えばＱＷＩ開始層と接触する上部半導体層の除去などでは、次の熱処理に伴うバンドギャップすれを完全に抑制することは通常はできない。図２は、アニール未処理サンプル（分布２０）、及び、７５０℃で３分間アニール処理したサンプル（分布２１）について、基板の深さ方向（エッチング時間を秒単位で示したもの）に対するＱＷＩ開始不純物濃度（例では銅）の分布を示す。このデータは、ＳＩＭＳによって測定されたものである。量子井戸開始キャップ層２２、不純物濃度の高いＩｎＧａＡｓ層２３、量子井戸２４及び支持基板２５をグラフの右側に示す。数多くの不純物材料が量子井戸開始に利用され得ることに注意されたい。不純物材料には硫黄、亜鉛、シリコン、フッ素、銅、ゲルマニウム、スズおよびセレンなどが含まれる。
不明確さを避けるために述べておくと、本明細書と請求の範囲では、明確かつ簡潔な表現として‘基板’という語を一般的な意味で用いており、その意味には機械的支持を行う‘当初’の基板２５と次の処理工程により当初基板上部に存在する材料層すべてとを含む。換言すれば、‘基板’という表現は、一つの処理または複数の別の処理（例えば層成長または熱処理）を施す、すでに処理された材料または層の全体を指す。当初の‘生材料’基板は機械的支持基板と称することにするが、この当初基板も処理中に物理的化学的特徴が変化することに注意されたい。
ＱＷＩ開始キャップを付したアニール処理前後の、ＳＩＭＳ分析により測定したＱＷＩ可能不純物の濃度分布に示されるように、不純物の材料への浸透は非常に深く、量子井戸を含む活性領域よりも下方に浸透している。初期アニール処理工程を受け材料内へ高濃度で浸透した不純物は、仮に、最上層の不純物供給源を除去しても、次のアニール処理でさらに混合を起こすことができる。従って、ＱＷＩ開始層２２（または下層２３）を除去して更なるバンドギャップを抑制することは、大抵の方法ではさほどうまくいかない。
本発明の多層アニール処理を、上述した２重バンドギャップＳＩＤ処理を用いて、ＳＩ ＩｎＰ基板上でＩｎＰ／ＩｎＧａＡｚ材料の複数バンドギャップ混合に関して説明する。
図３に、デバイス基板上でＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ材料を混合し４つのバンドギャップ（すでに成長したものを含む）を得るための処理方法を示す。図３−１は、すでに成長したエピウエハ構造の最上半導体層３０を示す。目標バンドギャップは、ずれの大きさが小さい方から順に、ＢＧ0、ＢＧ1、ＢＧ2、ＢＧ3と称する。ＢＧ0はすでに成長した（混合されていない）バンドギャップに相当する。
工程２（図３−２）で、基板３０はＰＥＣＶＤシリカ層３１で一面を覆われている。
工程３（図３−３）で、フォトレジスト層３２ａが、ウエハ上に付着され、フォトリソグラフィ法により、最大バンドギャップＢＧ3を目標とする領域３３を露出するようにパターニングされる。
工程４（図３−４）で、露出した窓３３に関して、ＰＥＣＶＤシリカ層３１がＨＦエッチング液を用いたウェットエッチング法により除去される。
工程５（図３−５）で、不純物層およびシリカ層を構成するＱＷＩ開始キャップ３４ａが、ウエハ上にスパッタされる。
工程６（図３−６）で、従来のフォトレジストリフト処理により、フォトレジスト層３２ａと重なる全領域においてＱＷＩ開始キャップ３４ａがリフトオフされ、ＱＷＩ開始キャップ３４ａは領域３３のＢＧ3に残され、ＱＷＩ抑制ＰＥＣＶＤ層３１はＱＷＩが抑制されるべき全領域に残される。
工程７（図３−７）で、ウエハが、高温ＲＴＡにより混合され、バンドギャップ領域３３ａが生成される（後に最大バンドギャップＢＧ3となる）。
工程８（図３−８）で、フォトレジスト層３２ｂがウエハ３０上に付着され、フォトリソグラフィ法により、第２に大きいバンドギャップＢＧ2を目標とする領域３５を露出するようにパターニングされる。
工程９（図３−９）で、露出窓３５のＰＥＣＶＤシリカ３１が、ＨＦエッチング液を用いたウェットエッチング法により除去される。
工程１０（図３−１０）で、不純物層およびシリカ層を構成するＱＷＩ開始キャップ３４ｂが、ウエハ上にスパッタされる。
工程１１（図３−１１）で、従来のフォトレジストリフト処理により、フォトレジスト層３２ｂと重なる全領域においてＱＷＩ開始キャップ３４ｂがリフトオフされ、ＱＷＩ開始キャップ３４ｂは領域３５のＢＧ2に残され、ＱＷＩ抑制ＰＥＣＶＤ層３１はＱＷＩが抑制されるべき全領域に残される。
工程１２（図３−１２）で、ウエハが、高温ＲＴＡにより混合され、バンドギャップ領域３６ａが生成され（後に第2に大きいバンドギャップＢＧ2となる）、さらに領域３３ｂのバンドギャップＢＧ3を変更する。
工程１３（図３−１３）で、フォトレジスト層３２ｃがウエハ３０上に付着され、フォトリソグラフィ法により、最も小さいバンドギャップＢＧ1を目標とする領域３７を露出するようにパターニングされる。
工程１４（図３−１４）で、露出窓３７のＰＥＣＶＤシリカ３１が、ＨＦエッチング液を用いたウェットエッチング法により除去される。
工程１５（図３−１５）で、不純物層およびシリカ層を構成するＱＷＩ開始キャップ３４ｃが、ウエハ上にスパッタされる。
工程１６（図３−１６）で、従来のフォトレジストリフト処理により、フォトレジスト層３２ｃと重なる全領域においてＱＷＩ開始キャップ３４ｃがリフトオフされ、ＱＷＩ開始キャップ３４ｃは領域３７のＢＧ1に残され、ＱＷＩ抑制ＰＥＣＶＤ層３１はＱＷＩが抑制されるべき全領域に残される。
工程１７（図３−１７）で、ウエハが、高温ＲＴＡにより混合され、バンドギャップ領域３８が生成され（バンドギャップＢＧ1生成）、さらに領域３６ｂのバンドギャップを変更しバンドギャップＢＧ2とし、領域３３ｃのバンドギャップを変更しバンドギャップＢＧ3とする。
工程１８（図３−１８）で、ＱＷＩ抑制キャップ層３１と同様にＱＷＩ開始キャップ層３４ａ、３４ｂおよび３４ｃは、ＨＦエッチング液を用いたウェットエッチング法により除去される。その結果、バンドギャップＢＧ0を有する領域３９（ずれていない）、バンドギャップＢＧ1を有する領域３８、バンドギャップＢＧ2を有する領域３６ｂ、およびバンドギャップＢＧ3を有する領域３３ｃが形成される。
上述の処理により、基本的には、異なるバンドギャップを幾つでも作ることができる。
最終アニール工程（工程１７以後）を開始するまでは、目標バンドギャップＢＧ0〜ＢＧ3の位置を完全に規定することはできないことに注意する。アニール工程によりバンドギャップＢＧ0からＢＧ3をつくる、領域０から３における混合量の発展を図４に示す。ずれが全領域において生成されない事例を図４−１に示す。図４−２、４−３及び４−４に示す各々のアニール工程により、ＱＷＩ開始キャップを付して何回もアニール処理を受ける領域において、ずれが蓄積されており、図４−４に示す最終アニール工程が終了して初めて目標ずれＢＧ0〜ＢＧ3ができる。
一般的に認識されていることであるが、上述の処理は、基板表面の第１領域において表面をＱＷＩ開始材料でパターニングし、表面に第１の熱処理を行って第１領域に第１のバンドギャップを生成し、前記第１領域とは区別された基板表面の第２領域において、表面をＱＷＩ開始材料でパターニングし、表面に第２の熱処理を行って第２領域に第２のバンドギャップを生成し、第１および第２熱処理サイクルの結果、第１領域に累積バンドギャップを生成する。
さらに後の工程で、前記第１および第２領域とは異なる基板表面の第３領域において、前記基板表面をＱＷＩ開始材料でパターニングし、第３の熱処理サイクルを前記基板表面で行い、（ｉ）第３領域に第３のバンドギャップを生成し、（ｉｉ）第２領域に累積バンドギャップを生成し、前記第２領域の累積バンドギャップでは前記第２および第３熱処理サイクルの結果が累積されており、（ｉｉｉ）前記第１領域に累積バンドギャップを生成し、前記第１領域の累積バンドギャップでは第１、第２および第３熱処理サイクルの結果が累積されている。
この後、さらにバンドギャップを得るため、さらに工程を追加することができる。即ち、予めＱＷＩ開始材料で覆われた前記表面の領域とは異なる、前記基板表面のその他の領域において、前記基板の前記表面をＱＷＩ開始材料でパターニングし、連続熱処理サイクルを行って前記その他の領域にバンドギャップを生成し、直前に行われたパターニング工程に先立ちＱＷＩ開始材料であらかじめ覆われた他の領域に累積バンドギャップを生成し、それぞれの累積バンドギャップでは、対応する領域に対して行われる全熱処理サイクルの結果が累積されている。
図５に示すのは上述した処理についての実験的実証結果であり、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓＭＱＷ材料の中で、２０ｎｍ、３０ｎｍおよび４０ｎｍの目標フォトルミネセンスずれが得られている。上記結果は、３回の連続するアニール処理を、同一継続時間（２分）、異なる温度（６０５℃、６１０℃、６４６℃）で実行した後、コアＳＩＤ処理を用いて得られたものである。各アニール処理の中間ずれも示す。
先に指摘したように、ＱＷＩずれは、アニール処理の温度と時間の組合せにより制御できる。ＳＩＤ処理を用いるとより詳しく実証され、その結果を図６に示し、アニール処理温度−時間−バンドギャップ空間の３次元表面と（図６ａ）等高線（６ｂ）とで示す。１つのサンプルを順次に等温アニール処理し各工程後にフォトルミネセンスずれを測定して、その処理を異なるサンプルに対しある温度範囲で繰り返し、データを得る。一連の個々のアニール処理により得たずれと、単一の長時間アニール処理を合計継続時間と同一に施して得たずれとは、ほとんど同一であった。
上述した処理により、２つのバンドギャップ（すなわち成長したバンドギャップとＱＷＩバンドギャップ）のみを得る従来の単一アニール処理により得たバンドギャップと、同一範囲のずれを達成することができる。さらに、恣意的に間隔を開け順次増加していくバンドギャップを多数得ることができる。これは図６ａおよび６ｂのデータの連続性から明らかで、継続時間と温度を同一にした一連のアニール処理を、多様な継続時間と温度で行う単一のアニール処理で取って代わることができる、単一アニール処理で生じるずれは一連のアニール処理と同一である。（ずれとはすなわち、図６ｂの同一ずれに関する等高線上に存在する点で表される）。
同じことが一連の非等温アニール処理を様々な継続時間で行う際にも言えるが、ただし合計したずれの量は、バンドギャップを２つ作る処理で得られるずれの合計（アニール処理の温度と時間との関数として表されるバンドギャップの飽和度）より小さい。しかしこの仮説は、図６に似た特異点を示す文献１６に見られるように、単一アニール処理で得られないずれを得るために複数回のアニール処理を利用する技術には適用されないことに注意されたい。その場合は、ここに述べた一般的な概念を利用することは可能であるが、バンドギャップの組み合わせ方は限られる。
各処理につき一意のアニール処理条件（温度と継続時間）で複数アニール処理をＮ回行って各アニール処理をＡ1からＡNで表すとき、ずれが無いバンドギャップをＢＧ0とし、バンドギャップをＢＧ1からＢＧNと表してＢＧNのバンドギャップずれをＮと定義する。最小バンドギャップＢＧ1は最終アニール処理工程ＡNにより得られ、これをＡN（ＢＧ0）＝ＢＧNと表す。反対に、最大バンドギャップＢＧNは全アニール処理工程Ａ1からＡNにより得られ、これをＡ1→Ａ2→…→ＡN（ＢＧ0）＝ＢＧNと表す。
Ｎ＝２の最も簡単な事例の場合、すなわちＡ2を得るためＡ2（ＢＧ0）＝ＢＧ1を行った場合であるが、アニール条件Ａ1は常にＡ1→Ａ2（ＢＧ0）＝ＢＧ2となる。このことは、上述したように、一連のＡ1→Ａ2処理は、様々な条件のもと単一アニール処理を行い同一量のずれを生成することに、取って代わられるという仮定に基づく。したがって、一般的にバンドギャップＮの場合、Ｎ番目のバンドギャップを定義するには、所望のずれＢＧnをアニール処理ＡN-n+1の重ね合わせとして、および一連のアニール処理ＡN-n+2→…→ＡNすべての組合わせとして表すことができ、各アニール処理は単一アニール処理と置き換え可能である。上述のようにこの事例はＮ＝２の場合に要約され、処理の実現可能性を証明している。
特定の目標バンドギャップを念頭において複数アニール処理を実現させるために、各アニール処理工程においてアニール処理条件（アニール処理温度と時間）を設定する必要がある。複数アニール処理条件のより完全な状態を見出すためには非常な時間と労力を要する。したがって、最小限の手間で必要とする条件を得るための戦略的アプローチが提案され、設計されている。
好ましくは、複数アニール処理の完全な状態を見出すためには、小試片を用い、その小試片はＱＷＩ開始材料キャップで覆われたアニール未処理材料から切り取られたものである。この方法では、複数フォトリソグラフィーおよびスパッタリング工程は必要とされない。その方法を図７のブロック図に示す。
工程７１では、最小バンドギャップＢＧ1を得る工程ＡNを行うための熱条件が設定される。
工程７２では、ＢＧ1に混合された前工程のサンプルを利用して、工程ＡN-1を行うための条件が設定される。アニール処理の順番が逆になっていることに注意する、すなわち、ＡN→ＡN-1はＡN-1→ＡNの逆である。
工程７３では、アニール処理は正の順に行われ、すでに成長したサンプルＢＧ0を利用してＡN-1→ＡNの順に行われる。逆および通常の順でアニール処理を行って得られる２つのずれを比較し、処理の対称性を確認する。アニール処理を行う順が、ずれの総計に効果を及ぼさない場合、アニール処理の順は対称的、すなわち可逆的である。このことの大部分は、材料と、利用するコア二重バンドギャップ処理との組合せに依存する。アニール処理を行う順が、ずれの総計に効果を及ぼす場合、アニール処理の順は非対称的、すなわち非可逆的である。
処理が対称的である場合、工程７４で、次工程ＡN-2のアニール処理条件は、前工程で得たＢＧ2バンドギャップサンプルを利用して設定される。これにより必要となるアニール処理条件を調べるための調整処理が非常に簡単になり、複数のＢＧ2バンドギャップサンプルを同時に作成することができるし、最も単純な単一アニール処理の事例で示したように、最適アニール処理パラメーターＡN-2を調べるためＢＧ2バンドギャップサンプルを利用することができる。
さらなるバンドギャップが必要となる場合、工程７５で、後の各バンドギャップを得るため工程７４の処理を繰り返し行う。
工程７６で、全アニール処理を正の順Ａ1→Ａ2→…→ＡN（ＢＧ0）＝ＢＧNで行い、全工程の条件を確認する。
工程７３および／または７６のテスト条件が満たされない場合、工程７７で、処理は非対称的であり、厳しい調整処理を行わねばならない。その処理には、各工程が完全な状態に近づくように、未使用のＢＧ0サンプルのみを利用する。特にバンドギャップＢＧ2に対して、パラメーターＡN-1を繰り返すときには毎回、先に設定されていたアニール処理ＡNに従わなければならない。その後はじめて、ＰＬを測定しＡN-1を調節する。
さらなるバンドギャップが必要となる場合、工程７８で、後の各バンドギャップを得るため工程７７の処理を繰り返し行う。一般的に、バンドギャップＢＧn+1に対して、対応するアニール処理パラメーターＡN-n（ＢＧ0）を繰り返すときには毎回、先に設定されていた全アニール処理ＡN-m→…→ＡN（ｍ＝（ｎ−１）…１）に従い、その後はじめてＡN-nを調整する。
上記処理が正しく行われれば、工程７６で、Ａ1→Ａ2→…→ＡN（ＢＧ0）＝ＢＧNの条件を確認する。
工程７９で、図３に示す順序で、完結された複数アニール処理Ａ1…ＡNを、全ウエハにわたって確認する。
すでに定着していることであるが、複数アニール処理のうちほとんどは、処理が非対称的であり、したがって工程７７および７８の厳しい処理に準拠する必要が生じる。
ＱＷＩのギャップ調節は、温度のみを確認しながら行って、全アニール工程Ａ1…ＡNの継続時間は等しくすることが望ましい。アニール処理時間が短いため混合率が試片の寸法に影響されてしまうために処理の結果がウエハ全域と小試片とで異なるという危険を、この方法により最小限に抑えることができる。
上記の実施例は、不純物を用いたＱＷＩ開始層に関して記したものだが、その他の量子井戸開始材料と技術を用いて混合処理を開始し、促進すなわち成長させてもよい。例えば、不純物を含まない誘電体キャップと、スパッタされた材料（例えばシリカ）と、プラズマ／スパッタ損傷と先行技術に準拠した技術などとを含む。
上記の実施例は、ＰＥＣＶＤシリカ層のＱＷＩ開始層に関して記したものだが、その他の量子井戸開始材料と技術を用いて混合処理を抑制し、沈静すなわち妨害してもよい。例えば、スピンオンガラスと、スパッタされたシリカなどとを含む。
発明を実施すれば多くの利点が提供される。それぞれのＱＷＩ工程の後にＱＷＩ開始層を除く必要がない。最終工程を経た後にまとめて除くことができる。それぞれの混合工程の後でＱＷＩ抑制層を付着する必要がない。当初の付着層は信頼に耐えうる。大きさを恣意的に設定したバンドギャップを多数生成することができる。その処理は多岐にわたる様々な材料システムと交換可能であり、たとえば半絶縁性ＩｎＰ基板上に設けたＡｌ−四元ＩｎＰ材料システム（Al-quaternary InP material systems）を含む。
その他の実施例は添付する特許請求の範囲に含まれている。
その他の実施例は添付する特許請求の範囲に含まれている。
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Claims (23)
- 単一基板上に異なるバンドギャップを有する多層の量子井戸混合（ＱＷＩ）領域を生成する方法であって、
ａ）前記基板の表面の第１領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、
ｂ）前記基板に第１の熱処理サイクルを行い、前記第１領域に第１のバンドギャップを生じさせ、
ｃ）前記基板の前記表面の、前記第１領域と異なる第２領域を、ＱＷＩ開始材料を利用してパターニングし、
ｄ）前記基板に第２の熱処理サイクルを行い、前記第２領域に第２のバンドギャップを生じさせ、累積バンドギャップを前記第１領域に生成し、前記累積バンドギャップでは前記第１および第２熱処理サイクルの結果が累積されている、
方法。 - 請求項１に記載された方法であって、
ｅ）前記第１および第２領域とは異なる前記表面の第３領域において、前記基板表面をＱＷＩ開始材料でパターニングし、
ｆ）第３の熱処理サイクルを前記基板表面で行い、
（ｉ）第３領域に第３のバンドギャップを生じさせ、
（ｉｉ）第２領域に累積バンドギャップを生じさせ、前記第２領域の累積バンドギャップでは前記第２および第３熱処理サイクルの結果が累積されており、
（ｉｉｉ）前記第１領域に累積バンドギャップを生じさせ、前記第１領域の累積バンドギャップでは第１、第２および第３熱処理サイクルの結果が累積されている、
方法。 - 請求項２に記載された方法であって、
ｇ）あらかじめＱＷＩ開始材料で覆われた前記表面の領域とは異なる、前記基板表面のその他の領域において、前記基板の前記表面をＱＷＩ開始材料でパターニングし、
ｈ）連続熱処理サイクルを行って前記その他の領域にバンドギャップを生じさせ、直前に行われたパターニング工程に先立ちＱＷＩ開始材料で予め覆われた他の領域に累積バンドギャップを生じさせ、それぞれの累積バンドギャップでは、対応する領域に対して行われる全熱処理サイクルの結果が累積されている
方法。 - 請求項１乃至３の何れかに記載された方法であって、
ＱＷＩ開始材料で覆われていない前記基板の隣接する領域を、ＱＷＩ開始材料で覆う、方法。 - 請求項１乃至４の何れかに記載された方法であって、熱処理サイクルの少なくとも一つは高速熱アニールサイクルを含む、方法。
- 請求項５に記載された方法であって、熱処理サイクルの全ては高速熱アニールサイクルを含む、方法。
- 請求項１乃至６の何れかに記載された方法であって、前記基板の領域をＱＷＩ開始材料でパターニングする方法は、
フォトレジストを前記基板上に付着し、
前記フォトレジストに、ＱＷＩ開始材料で覆われた前記基板の領域と同一の広がりを持つ窓を形成し、
前記ＱＷＩ開始材料を前記基板上に付着し
前記フォトレジストを前記基板からリフトオフする、
方法。 - 請求項１乃至７の何れかに記載された方法であって、前記ＱＷＩ開始材料は高不純物材料を含む、方法。
- 請求項８に記載された方法であって、前記高不純物は、硫黄、亜鉛、シリコン、フッ素、銅、ゲルマニウム、スズおよびセレンのうち１つあるいは複数を含む、方法。
- 請求項８または９に記載された方法であって、
前記高不純物材料は、硫黄、亜鉛、シリコン、フッ素、銅、ゲルマニウム、スズおよびセレンのうち１つあるいは複数を含む不純物を添加したシリカを含む、
方法。 - 請求項１乃至１０の何れかに記載された方法であって、
前記ＱＷＩ開始材料はスパッタ付着されている、方法。 - 請求項４に記載された方法であって、前記ＱＷＩ抑制材料はＰＥＣＶＤシリカ層を含む、方法。
- 請求項１乃至１２の何れかに記載された方法であって、
ある領域の前記ＱＷＩ開始材料は、前記第一熱処理サイクルを行った後、後続熱処理サイクルを行う前に、前記ＱＷＩ開始材料は、前記基板から除去される、
方法。 - 請求項１乃至１２の何れかに記載された方法であって、
ある領域上の前記ＱＷＩ開始材料は、前記後続熱処理サイクルのための前記基板上に保持される、
方法。 - 請求項１４に記載された方法であって、
ある領域上の前記ＱＷＩ開始材料は、全ての後続熱処理サイクルのための前記基板上に保持される、方法。 - 請求項１乃至１５の何れかに記載された方法であって、
ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ基板上で利用される、方法。 - 請求項１乃至１６の何れかに記載された方法であって、前記熱処理サイクルのそれぞれの継続時間は、実質的に同一である、方法。
- 請求項１７に記載された方法であって、前記熱処理サイクルのそれぞれは、異なる温度で行われる、方法。
- 請求項１乃至１８の何れかに記載され、それぞれの熱処理サイクルに要するパラメーターを決定する方法であって、
連続熱処理の結果得られる累積バンドギャップの生成方法が、対称的か非対照的かを決定し、
前記方法が対称的である場合は、
複数の累積バンドギャップＢＧ1〜ＢＧNのそれぞれに対し必要な熱処理条件を、熱処理のシーケンスＡN〜Ａ1の間の少なくとも一つのサンプルの連続使用によって決定し、
ここで、ＡNは、Ａ1はＢＧN-1からＢＧNを得るための前記熱処理、Ａ2はＢＧN-2からＢＧN-1を得るための前記熱処理というように、ＢＧ0からＢＧ1を得るための前記熱処理であり、
前記方法が非対称的である場合は、
複数の累積バンドギャップＢＧ1〜ＢＧNのそれぞれに対し必要な熱処理条件を、それぞれのバンドギャップに対してＡ1〜Ａnの順で行う熱処理シーケンスの一部または全工程で、複数のサンプルを使用して決定する、
方法。 - 請求項１９に記載された方法であって、
（ｉ）最小累積バンドギャップＢＧ1をＮ番目の領域に得るために適した熱処理条件ＡNを設定し、
（ｉｉ）第１のサンプルに熱処理サイクルを行ってバンドギャップＢＧ1を得、
（ｉｉｉ）累積バンドギャップＢＧ2をＮ−１番目の領域に得るために適した熱処理条件ＡN-1を設定し、
（ｉｖ）前記第１のサンプルに、工程（ｉｉ）の後に熱処理サイクルＡN-1を行ってバンドギャップＢＧ2を得、
（ｖ）第２のサンプルに熱処理サイクルＡN-1を行い、さらにＡNを行って、バンドギャップＢＧ2´を得、
（ｖｉ）処理が対称的であるか、すなわちＢＧ2とＢＧ2´が等しいかを定め、等しい場合は工程（ｖｉｉ）から（ｖｉｉｉ）を行い、等しくない場合は工程（ｉｘ）を行い、
（ｖｉｉ）累積バンドギャップＢＧ3をＮ得るために適した熱処理条件ＡN-2を設定し、
（ｖｉｉｉ）前記第１のサンプルに、工程（ｉｖ）の後に熱処理サイクルＡN-2を行ってバンドギャップＢＧ3を得て、
（ｉｘ）前記累積バンドギャップＢＧn〜ＢＧ1のそれぞれを得る累積熱処理サイクルＡ1〜Ａnを、それぞれの累積バンドギャップのサンプルに対して設定する、
方法。 - 請求項２０に記載された方法であって、
さらなる累積バンドギャップを得るために適した熱処理条件を設定するために、および前記累積バンドギャップのそれぞれに対して工程（ｉｘ）を完遂するべく前記第一および後続のサンプルに対する熱処理サイクルを行うために、
工程（ｖｉｉ）と（ｖｉｉｉ）とを反復して行う、
方法。 - 請求項１乃至２１の何れかの方法を利用して製造された半導体光デバイス。
- 実質的に添付図面を参照してここに説明された方法。
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