JP2019182712A - Semiconductor device - Google Patents

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宇峰 傅
Yufeng Fu
宇峰 傅
伸幸 大竹
Nobuyuki Otake
伸幸 大竹
真一 星
Shinichi Hoshi
真一 星
正和 杉山
Masakazu Sugiyama
正和 杉山
冬馬 渡邉
Toma Watanabe
冬馬 渡邉
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Abstract

To provide a semiconductor device formed by growing a crystal having low defects into a large area.SOLUTION: The semiconductor device formed on a silicon substrate using a plane direction (111) as one surface comprises: an insulation film formed on the one surface while including a through hole in the thickness direction orthogonal to the one surface; and a semiconductor layer constituted as an III-V group compound semiconductor including In, Ga and As, charged into the through hole and formed on the insulation film so as to cover the through hole. In the semiconductor layer, an atomic step existing on an exposed surface along the one surface has a height orthogonal to the one surface and equal to or less than three atomic layers.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この明細書の開示は、化合物半導体を組成にもつ半導体装置に関する。   The disclosure of this specification relates to a semiconductor device having a compound semiconductor as a composition.

化合物半導体は、構成される元素の組成を調整することによってバンドギャップを制御できる。化合物半導体として、例えばIII−V族化合物半導体であるInGaAs系が知られている。InGaAsは、Siに比べてバンドギャップが小さく、長い波長領域に感度を有する。このため、可視光に比べて波長の長い光を検出する、赤外線センサの構成材料として期待されている。   In the compound semiconductor, the band gap can be controlled by adjusting the composition of the constituent elements. As a compound semiconductor, for example, an InGaAs system which is a group III-V compound semiconductor is known. InGaAs has a smaller band gap than Si and has sensitivity in a long wavelength region. For this reason, it is expected as a constituent material of an infrared sensor that detects light having a wavelength longer than that of visible light.

より高い精度で感度波長領域を制御する、あるいは暗電流を抑制するという観点から、InGaAs結晶には、低欠陥であり、且つ、広いドメインを有する結晶が求められる。換言すれば、結晶性の高い、大面積なInGaAs結晶を得ることが求められる。   From the viewpoint of controlling the sensitivity wavelength region with higher accuracy or suppressing dark current, the InGaAs crystal is required to have a crystal having a low defect and a wide domain. In other words, it is required to obtain a large-area InGaAs crystal with high crystallinity.

特許文献1には、ピラー状のInGaAs結晶がシリコン基板上にナノワイヤとして成長した半導体装置が開示されている。この開示は、III−V族化合物半導体に関して低欠陥を実現できる技術である。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which pillar-shaped InGaAs crystals are grown as nanowires on a silicon substrate. This disclosure is a technique that can realize low defects in a III-V group compound semiconductor.

特許文献2には、基板となるSi上にバッファ層を形成することにより、バッファ層上にエピタキシャル成長するIII−V族化合物半導体の低欠陥化をはかる技術が開示されている。   Patent Document 2 discloses a technique for reducing defects in a group III-V compound semiconductor that is epitaxially grown on a buffer layer by forming a buffer layer on Si serving as a substrate.

非特許文献1には、InAsの核からピラー状に成長したInAs結晶を軸に、InGaAs結晶を成長させる方法、およびその方法により形成されたInGaAs結晶が開示されている。この技術は、軸となるInAs結晶の側面からInGaAs結晶の成長が開始し、結晶におけるステップが面する方向に向かって成長が進むものであり、InGaAs大面積のInGaAs結晶を得るための知見である。   Non-Patent Document 1 discloses a method of growing an InGaAs crystal around an InAs crystal grown in a pillar shape from an InAs nucleus, and an InGaAs crystal formed by the method. This technique is a knowledge for obtaining an InGaAs crystal having a large InGaAs area, in which the growth of the InGaAs crystal starts from the side surface of the InAs crystal serving as the axis and proceeds in the direction in which the step in the crystal faces. .

再公表2011/105397号Republished 2011/105397 特開2012−39115号公報JP 2012-39115 A

M.Deura, et. al, “Uniform InGaAs micro-discs on Si by micro-channel selective-area MOVPE”, Indium Phosphide & Related Materials, 2009. IPRM '09. IEEE.M. Deura, et. Al, “Uniform InGaAs micro-discs on Si by micro-channel selective-area MOVPE”, Indium Phosphide & Related Materials, 2009. IPRM '09. IEEE.

特許文献1に開示される半導体装置は、低欠陥を実現できるものの、大面積のIII−V族化合物半導体を得ることができないという問題がある。また、特許文献2に開示される半導体装置は結晶の低欠陥化を検討するものであるが、十分な低欠陥を実現できていないことに加え、大面積を実現できるか否か不明である。   Although the semiconductor device disclosed in Patent Document 1 can realize low defects, there is a problem that a large-area III-V group compound semiconductor cannot be obtained. In addition, although the semiconductor device disclosed in Patent Document 2 is intended to reduce the crystal defects, it is unclear whether a large area can be realized in addition to not realizing sufficiently low defects.

一方、非特許文献1に開示されるInGaAs結晶は、大面積が得られるものの、軸となるInAs結晶と、成長するInGaAs結晶との間で貫通転位を生じることが分かっている。また、ステップが面する方向への結晶成長に際して、ステップバンチングが生じやすいことが分かっている。ステップバンチングは、同一のSi基板上に複数のInAs軸から成長したInGaAs結晶体が存在する場合に、その界面で溝構造の欠陥を発生させる原因となりうる。上記のとおり、III−V族化合物半導体の結晶成長という観点において、大面積と低欠陥を両立できていない状況にある。   On the other hand, although the InGaAs crystal disclosed in Non-Patent Document 1 has a large area, it has been found that threading dislocation occurs between the InAs crystal serving as the axis and the growing InGaAs crystal. It has also been found that step bunching is likely to occur during crystal growth in the direction in which the step faces. Step bunching can cause defects in the groove structure at the interface when there are InGaAs crystals grown from a plurality of InAs axes on the same Si substrate. As described above, in terms of crystal growth of the III-V group compound semiconductor, the large area and the low defects are not compatible.

そこで、この明細書の開示は、低欠陥の結晶が大面積で成長して形成された半導体装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the disclosure of this specification is to provide a semiconductor device in which a crystal having a low defect grows in a large area.

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項において丸括弧および波括弧で示す数値はミラー指数である。   The invention disclosed herein employs the following technical means to achieve the above object. In the claims and in this section, the numerical values shown in parentheses and braces are Miller indices.

上記目的を達成するために、この明細書に開示される半導体装置は、面方位(111)を一面とするシリコン基板上に形成される半導体装置であって、一面に直交する厚み方向に貫通孔を有しつつ一面上に形成された絶縁膜と、In、Ga、およびAsを含むIII−V族化合物半導体として構成され、貫通孔に充填されるとともに、貫通孔を覆うように絶縁膜上に形成される半導体層と、を備え、半導体層において、一面に沿う露出面に存在する原子ステップは、一面に直交する高さが3原子層以下である。   In order to achieve the above object, a semiconductor device disclosed in this specification is a semiconductor device formed on a silicon substrate having a plane orientation (111) as one surface, and has a through-hole in a thickness direction orthogonal to the one surface. And an insulating film formed on one surface while having a structure, and a III-V group compound semiconductor containing In, Ga, and As, and filling the through hole and covering the through hole on the insulating film The atomic step existing on the exposed surface along one surface of the semiconductor layer has a height of 3 atomic layers or less perpendicular to the one surface.

発明者は、貫通孔内部を起点として、III−V族化合物半導体である半導体層をシリコン基板の一面に沿う方向にステップフロー成長させることに成功した。一面に沿う半導体層の露出面に形成される原子ステップは、1〜3原子層の高さを有する比較的段差の小さいステップとして形成される。III−V族化合物半導体を構成する原子は、原子ステップに吸着することによって半導体層の成長に寄与する。よって、露出面の大面積化が可能となる。   The inventor succeeded in step-flow growth of a semiconductor layer that is a group III-V compound semiconductor in a direction along one surface of the silicon substrate, starting from the inside of the through hole. The atomic step formed on the exposed surface of the semiconductor layer along one surface is formed as a step with a relatively small step having a height of 1 to 3 atomic layers. The atoms constituting the III-V compound semiconductor contribute to the growth of the semiconductor layer by adsorbing to the atomic step. Therefore, it is possible to increase the area of the exposed surface.

発明者は、露出面における原子ステップの多くが所定の面方位を示すことを見出した。この面方位においては、吸着対象である原子ステップと、吸着する原子によって構成される部分とで格子定数の差が小さく、両者の間の応力を緩和することができる。このため、貫通転位などの結晶欠陥の発生を抑制しつつステップフロー成長が促進される。半導体層は、シリコン基板の一面を正面視したとき、貫通孔を中心に動径方向に広がって形成されるので、その露出面を大面積化することが容易となる。   The inventor has found that many of the atomic steps on the exposed surface exhibit a predetermined plane orientation. In this plane orientation, the difference in lattice constant is small between the atomic step to be adsorbed and the portion constituted by the adsorbing atoms, and the stress between them can be relaxed. For this reason, step flow growth is promoted while suppressing generation of crystal defects such as threading dislocations. Since the semiconductor layer is formed so as to spread in the radial direction around the through hole when one surface of the silicon substrate is viewed from the front, it is easy to increase the area of the exposed surface.

第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図および上面図である。1A and 1B are a cross-sectional view and a top view illustrating a schematic configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 走査型電子顕微鏡により半導体装置を俯瞰撮影した図である。It is the figure which carried out the bird's-eye photography of the semiconductor device with the scanning electron microscope. ピラー部およびディスク部のX線回折法による結果を示す図である。It is a figure which shows the result by the X ray diffraction method of a pillar part and a disk part. 半導体装置の製造方法に係るシーケンスを示す図である。It is a figure which shows the sequence which concerns on the manufacturing method of a semiconductor device.

以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。   Hereinafter, a plurality of modes for carrying out the present disclosure will be described with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. When only a part of the configuration is described in each mode, the other modes described above can be applied to the other parts of the configuration. Not only combinations of parts that clearly indicate that combinations are possible in each form, but also forms may be partially combined even if they are not clearly specified, as long as there is no problem with the combination. Is possible.

(第1実施形態)
最初に、図1〜図3を参照して、本実施形態に係る半導体装置の概略構成について説明する。なお、各図ならびに明細書において括弧付きの数字はミラー指数であり、丸括弧()で示されたものは面方位を示し、角括弧[]で示されたものは方向を示す。なお、波括弧{}は、等価な面方位を一括して表示するものである。また、山括弧<>は、等価な方向を一括して表示するものである。
(First embodiment)
First, a schematic configuration of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In each figure and specification, numbers in parentheses are Miller indices, those indicated by parentheses () indicate plane orientations, and those indicated by square brackets [] indicate directions. The curly braces {} are used to display equivalent plane orientations collectively. In addition, angle brackets <> indicate equivalent directions at once.

この半導体装置は、III−V族化合物半導体であり、例えばInGaAsを主成分として構成され、フォトダイオードなどに利用される。   This semiconductor device is a III-V group compound semiconductor, and is composed of, for example, InGaAs as a main component and is used for a photodiode or the like.

図1に示すように、半導体装置100は、シリコン基板200上に形成される。半導体装置100は、InGaAsを主成分とする半導体層10と、ピラー部12を形成するための絶縁膜30とを備えている。本実施形態における半導体層10は、ディスク部11と、ディスク部11の形成のための軸となるピラー部12と、を有するが、互いにIn、Ga、Asを含むIII−V族化合物半導体であり、半導体層10として一体的に形成されている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 is formed on a silicon substrate 200. The semiconductor device 100 includes a semiconductor layer 10 containing InGaAs as a main component and an insulating film 30 for forming the pillar portion 12. The semiconductor layer 10 in the present embodiment includes a disk portion 11 and a pillar portion 12 serving as an axis for forming the disk portion 11, but is a III-V group compound semiconductor containing In, Ga, and As. The semiconductor layer 10 is integrally formed.

シリコン基板200は、一面200aに面方位(111)が露出した単結晶基板である。図1における断面図は、オリエンテーションフラットに直交する方向から見た図である。   The silicon substrate 200 is a single crystal substrate having a surface orientation (111) exposed on one surface 200a. The cross-sectional view in FIG. 1 is a view seen from a direction orthogonal to the orientation flat.

絶縁膜30は、シリコン基板200における一面200a上に形成された酸化シリコン膜である。膜厚は、例えば略100nmである。絶縁膜30は、一般的に知られた方法で形成することができる。例えばスパッタ蒸着法によって形成されても良いし、熱酸化によって形成されても良い。絶縁膜30には、一部に貫通孔30aが形成されている。貫通孔30aは絶縁膜30を厚さ方向に貫いており、貫通孔30aの形成位置では絶縁膜30からシリコン基板200の一面200aが露出している。貫通孔30aは例えば円柱状に形成されている。つまり、一面200aを正面視したときの一面200aの露出部は円形である。本実施形態では、その直径が1μm〜2μm程度である。   The insulating film 30 is a silicon oxide film formed on the one surface 200 a of the silicon substrate 200. The film thickness is approximately 100 nm, for example. The insulating film 30 can be formed by a generally known method. For example, it may be formed by a sputter deposition method or may be formed by thermal oxidation. The insulating film 30 is partially formed with a through hole 30a. The through hole 30a penetrates the insulating film 30 in the thickness direction, and the one surface 200a of the silicon substrate 200 is exposed from the insulating film 30 at the position where the through hole 30a is formed. The through hole 30a is formed in a columnar shape, for example. That is, when the one surface 200a is viewed from the front, the exposed portion of the one surface 200a is circular. In this embodiment, the diameter is about 1 μm to 2 μm.

半導体層10は、ディスク部11とピラー部12とを有している。ピラー部12は、InGaAsを主成分とする結晶体である。ピラー部12は、絶縁膜30に形成された貫通孔30aの形状に合わせて形成され、略円柱状に形成されている。ピラー部12のシリコン基板200に接しない上面は面方位が(111)である。ピラー部12は、貫通孔30aの貫通方向に延びて形成され、絶縁膜30のシリコン基板200に接しない一面から突出するように形成されている。ピラー部12は、絶縁膜30から突出した部分が、ディスク部11が成長するための軸となる。後述するが、ピラー部12も、貫通孔30a内部に生成されたInGaAs結晶を核として成長することで形成される。   The semiconductor layer 10 has a disk part 11 and a pillar part 12. The pillar portion 12 is a crystal body mainly composed of InGaAs. The pillar portion 12 is formed in accordance with the shape of the through hole 30a formed in the insulating film 30, and is formed in a substantially cylindrical shape. The upper surface of the pillar portion 12 that does not contact the silicon substrate 200 has a (111) plane orientation. The pillar portion 12 is formed so as to extend in the penetrating direction of the through hole 30a, and is formed so as to protrude from one surface of the insulating film 30 that does not contact the silicon substrate 200. In the pillar portion 12, a portion protruding from the insulating film 30 becomes an axis for growing the disk portion 11. As will be described later, the pillar portion 12 is also formed by growing an InGaAs crystal generated inside the through hole 30a as a nucleus.

ディスク部11は、InGaAsを主成分とする結晶体である。ディスク部11は、円柱状のピラー部12の中心軸を軸として、絶縁膜30の面上に広がって形成されており、絶縁膜30を正面視したときには、略六角形を成している。ディスク部11は、ピラー部12の軸方向に厚みを以って形成されており、図2に示すように、全体として略六角柱となっている。この六角柱の一つの側面はシリコン基板200のオリエンテーションフラットと平行になり、図1に示すように、この面は(−110)面である。なお、図2は、ディスク部11を鳥瞰した走査型電子顕微鏡(SEM)による撮影結果である。   The disk part 11 is a crystal body mainly composed of InGaAs. The disk portion 11 is formed so as to spread on the surface of the insulating film 30 with the central axis of the columnar pillar portion 12 as an axis, and has a substantially hexagonal shape when the insulating film 30 is viewed from the front. The disk portion 11 is formed with a thickness in the axial direction of the pillar portion 12, and as shown in FIG. One side surface of the hexagonal column is parallel to the orientation flat of the silicon substrate 200, and as shown in FIG. 1, this surface is a (−110) plane. FIG. 2 is a result of photographing with a scanning electron microscope (SEM) in which the disk unit 11 is viewed from above.

ディスク部11は、シリコン基板200の一面200aに平行であって、外部に露出する露出面10aを有している。図1に示すように、露出面10aは(111)面が露出した結晶面となっている。ディスク部11を形成する6面の側面は、それぞれ{−110}面が露出している。   The disk portion 11 has an exposed surface 10a that is parallel to the one surface 200a of the silicon substrate 200 and exposed to the outside. As shown in FIG. 1, the exposed surface 10a is a crystal surface with the (111) plane exposed. Each of the six side surfaces forming the disk portion 11 has an exposed {−110} plane.

ディスク部11における露出面10aは、ミクロな視点において、原子ステップ10bを有している。本実施形態における原子ステップ10bは、その高さが1〜3原子層であり、略0.3nm〜1.5nm程度である。   The exposed surface 10a in the disk part 11 has an atomic step 10b from a microscopic viewpoint. The atomic step 10b in the present embodiment has a height of 1 to 3 atomic layers, and is about 0.3 nm to 1.5 nm.

原子ステップが存在しない結晶面は存在しないが、従来のInGaAs結晶では、成長の過程で原子ステップ高さが数十原子層(数十nm)以上となるステップバンチングが生じてしまうことが知られている。これに対して、本実施形態では、InGaAsを主成分とするピラー部12を採用することで、露出面10aに形成される原子ステップ10bの高さが3原子層以下に抑えられている。なお、原子ステップ10bと、隣り合う別の原子ステップ10bとの間のテラス長は100nm〜500nm程度である。   There are no crystal planes without atomic steps, but it is known that conventional InGaAs crystals cause step bunching with atomic step heights of several tens of atomic layers (tens of nanometers) or more during the growth process. Yes. On the other hand, in this embodiment, the height of the atomic step 10b formed on the exposed surface 10a is suppressed to 3 atomic layers or less by adopting the pillar portion 12 mainly composed of InGaAs. The terrace length between the atomic step 10b and another adjacent atomic step 10b is about 100 nm to 500 nm.

ディスク部11は、原子ステップ10bにIn、Ga、Asの各元素が吸着して結晶成長する、いわゆるステップフロー成長によって形成されている。つまり、ディスク部11は、ピラー部12の軸を中心としたとき、動径方向に広がって成長して形成される。具体的には、In、Ga、Asの各元素は、おもに、図1の上面図に破線で示す略正三角形の三辺に沿った原子ステップ10bに吸着してステップフロー成長する。この三辺に沿う原子ステップ10bは、その面方位が(101)、(011)、(110)である。これらは互いに等価な面方位であるから{110}と表すことができる。これに伴い、ステップフロー成長の方向は、図2に示すように、[101]、[011]、[110]となる。これは互いに等価な方向であるから<110>と表すことができる。なお、破線で示す正三角形は、テラスの形状を直接的に示すものではなく、原子ステップ10bの延設方向を便宜的に示すものである。露出面10aに形成される主な原子ステップ10bは、露出面10aに直交する面が、上記三角形の各辺に略平行になるように形成されている。   The disk portion 11 is formed by so-called step flow growth in which each element of In, Ga, and As is adsorbed on the atomic step 10b to grow crystals. That is, the disk portion 11 is formed to expand and grow in the radial direction when the axis of the pillar portion 12 is the center. Specifically, each element of In, Ga, and As is mainly adsorbed on the atomic step 10b along the three sides of a substantially equilateral triangle indicated by a broken line in the top view of FIG. The atomic step 10b along these three sides has (101), (011), and (110) plane orientations. Since these are equivalent plane orientations, they can be expressed as {110}. Accordingly, the direction of step flow growth is [101], [011], and [110] as shown in FIG. Since these are equivalent directions, they can be expressed as <110>. In addition, the equilateral triangle shown with a broken line does not show the shape of a terrace directly, but shows the extending direction of the atomic step 10b for convenience. The main atomic steps 10b formed on the exposed surface 10a are formed so that the surfaces orthogonal to the exposed surface 10a are substantially parallel to the sides of the triangle.

また、ディスク部11は、軸となるピラー部12から遠ざかるにつれてGa原子の濃度が増大している。図3は、X線回折法により得られる組成データである。横軸は回折角θに対する2θの値であり、縦軸は回折強度である。回折強度は、下地であるSi(111)のピークで規格化されている。InAsのピークは2θ≒25.45度であり、GaAsのピークは2θ≒27.30度であることは既知である。In(1−x)GaAsにおいて、GaのInに対する濃度が増加していく(xが増加していく)と、回折強度のピークは、2θにして、25.45度から27.30度に至る範囲で連続的に増加する。図3に示す結果によれば、ピラー部12およびディスク部11のいずれも、In90Ga10Asを示すピークが検出されており、Ga濃度が増加する側にブロードになっている。 Further, the concentration of Ga atoms in the disk portion 11 increases as the distance from the pillar portion 12 serving as an axis increases. FIG. 3 shows composition data obtained by the X-ray diffraction method. The horizontal axis is the value of 2θ with respect to the diffraction angle θ, and the vertical axis is the diffraction intensity. The diffraction intensity is normalized by the peak of Si (111) as the base. It is known that the peak of InAs is 2θ≈25.45 degrees, and the peak of GaAs is 2θ≈27.30 degrees. In In (1-x) Ga x As, when the concentration of Ga with respect to In increases (x increases), the peak of diffraction intensity is set to 2θ, from 25.45 degrees to 27.30 degrees. It increases continuously in the range up to. According to the results shown in FIG. 3, the peak indicating In 90 Ga 10 As is detected in both the pillar portion 12 and the disk portion 11, and is broad on the side where the Ga concentration increases.

ディスク部11とピラー部12のいずれにもIn90Ga10Asを示すピークが検出されることについては、ディスク部11におけるピラー部12との界面近傍において、格子定数の差に起因する応力を緩和するためにGa濃度がピラー部12のGa濃度と略同一となっていると推察される。 The fact that a peak indicating In 90 Ga 10 As is detected in both the disk portion 11 and the pillar portion 12 is that stress caused by the difference in lattice constant is relaxed in the vicinity of the interface between the disk portion 11 and the pillar portion 12. Therefore, it is presumed that the Ga concentration is substantially the same as the Ga concentration of the pillar portion 12.

また、図3に示す結果では、x>0.1の領域で、ディスク部11のほうがピラー部12に較べてよりブロードに回折強度が変化していることから、ピラー部12からの距離が大きくなるとともに、Ga濃度が増加しているものと推察される。これは、In、Ga、Asの各成分の拡散長が異なることに起因していると推察される。拡散長が比較的長いGaは、半導体層10の端部にまで到達しやすいと考えられる。このように、Ga濃度は、ピラー部12の軸を中心として動径方向に連続的に、相対的に増加する。   Further, in the result shown in FIG. 3, in the region where x> 0.1, the diffraction intensity changes more broadly in the disk portion 11 than in the pillar portion 12, so that the distance from the pillar portion 12 is large. It is presumed that the Ga concentration is increasing. This is presumed to be caused by the difference in diffusion length of each component of In, Ga, and As. It is considered that Ga having a relatively long diffusion length can easily reach the end of the semiconductor layer 10. As described above, the Ga concentration is relatively increased continuously in the radial direction around the axis of the pillar portion 12.

次に、図4を参照して、本実施形態にかかる半導体装置100の製造方法について説明する。   Next, with reference to FIG. 4, the manufacturing method of the semiconductor device 100 concerning this embodiment is demonstrated.

まず、一面200aに(111)面が露出した単結晶のシリコン基板200を用意する。シリコン基板200は、(111)面が十分に清浄化されていると良い。   First, a single crystal silicon substrate 200 having a (111) surface exposed on one surface 200a is prepared. It is preferable that the (111) plane of the silicon substrate 200 is sufficiently cleaned.

次いで、一面200aに絶縁膜30を形成する。絶縁膜30は、例えばシリコン基板200を酸化してSiO薄膜とすることで形成することができる。絶縁膜30には、パターニングすることによって貫通孔30aを形成する。本実施形態における貫通孔30aの断面は円形であり、その直径は略1μm〜2μmである。直径については、とくにその大きさを問わないが、貫通孔30aの直径が大きすぎると、ピラー部12が成長するための核となる後述する形成核が複数生成されてしまい、ピラー部12の結晶粒界を増加させてしまう虞があり、貫通孔30aの直径は5μm以下とすることが好ましい。また、貫通孔30aが小さすぎると、形成されるピラー部12も小さくなるため、ディスク部11を大面積で成長させることが困難になる場合がある。 Next, the insulating film 30 is formed on the one surface 200a. The insulating film 30 can be formed, for example, by oxidizing the silicon substrate 200 to form a SiO 2 thin film. A through hole 30a is formed in the insulating film 30 by patterning. The cross section of the through-hole 30a in this embodiment is circular, and the diameter is about 1 μm to 2 μm. The diameter is not particularly limited, but if the diameter of the through hole 30a is too large, a plurality of formation nuclei, which will be described later, which serve as nuclei for the growth of the pillar portion 12 are generated, and the crystal of the pillar portion 12 is formed. There is a risk of increasing the grain boundary, and the diameter of the through hole 30a is preferably 5 μm or less. Further, if the through hole 30a is too small, the formed pillar portion 12 is also small, and it may be difficult to grow the disk portion 11 in a large area.

次いで、絶縁膜30が形成されたシリコン基板200をCVD炉に投入する。そして、シリコン基板200を昇温して改めて表面の清浄化を行う。   Next, the silicon substrate 200 on which the insulating film 30 is formed is put into a CVD furnace. Then, the temperature of the silicon substrate 200 is raised and the surface is cleaned again.

十分な清浄化が可能な時間だけシリコン基板200を所定温度に維持し、その後、降温する。降温の開始に合わせてアルシン(AsH)を分圧にして略4430×10−4Torrで導入する。 The silicon substrate 200 is maintained at a predetermined temperature for a time that can be sufficiently cleaned, and then the temperature is lowered. Arsine (AsH 3 ) is introduced at a partial pressure of approximately 4430 × 10 −4 Torr in accordance with the start of temperature drop.

次いで、ピラー部12の成長の核となる形成核21の形成工程を実施する。具体的には、図4に示すように、シリコン基板200の温度が610℃まで降温した時点で、トリメチルガリウム(TMG)およびトリメチルインジウム(TMI)を、それぞれ分圧にして17.9×10−4Torrで導入を開始する。アルシンは継続して導入する。このとき、特に、シリコン基板200を、一面200aに直交する軸に対して900rpmで回転させつつ、軸方向に沿う向きにアルシン、TMGおよびTMIの流れを作り、供給する。アルシン、TMGおよびTMIの分圧が安定した状態を略5秒間継続すると、貫通孔30aの内部にInGaAsの単結晶の粒体がひとつ生成される。 Next, a process of forming formation nuclei 21 that serve as nuclei for growth of the pillar portion 12 is performed. Specifically, as shown in FIG. 4, when the temperature of the silicon substrate 200 is lowered to 610 ° C., trimethylgallium (TMG) and trimethylindium (TMI) are respectively divided by 17.9 × 10 Installation begins at 4 Torr. Arsine will be continuously introduced. At this time, in particular, the flow of arsine, TMG, and TMI is generated and supplied in the direction along the axial direction while rotating the silicon substrate 200 at 900 rpm with respect to the axis orthogonal to the one surface 200a. When the state in which the partial pressures of arsine, TMG, and TMI are stable is continued for about 5 seconds, one single crystal grain of InGaAs is generated inside the through hole 30a.

形成核21の形成工程の後、ピラー部12の形成工程を実施する。TMGの分圧を5.18×10−4Torrとし、TMIの分圧を3.48×10−4Torrとする。このように、III族原料に対するV族原料のモル比(V/III比)を大きくすることで、InGaAsの結晶成長の方向を、貫通孔30aの軸方向に沿った縦成長に指向できる。なお、ピラー部12の形成工程では、アルシンの供給を減らし、分圧にして3228×10−4Torr程度とする。60分ほど経過するとピラー部12の軸方向に沿う高さを1μm程度にできる。形成核21の形成工程において、形成核21は唯一つ生成されるので、ピラー部12は粒界などの欠陥たりえる部分が少なく、ほぼ単結晶として生成される。 After the formation process of the formation nucleus 21, the formation process of the pillar part 12 is implemented. The partial pressure of TMG is set to 5.18 × 10 −4 Torr, and the partial pressure of TMI is set to 3.48 × 10 −4 Torr. Thus, by increasing the molar ratio of the group V source to the group III source (V / III ratio), the direction of crystal growth of InGaAs can be directed to the vertical growth along the axial direction of the through hole 30a. In the step of forming the pillar portion 12, the supply of arsine is reduced to a partial pressure of about 3228 × 10 −4 Torr. After about 60 minutes, the height of the pillar portion 12 along the axial direction can be reduced to about 1 μm. In the process of forming the formation nuclei 21, since only one formation nuclei 21 is generated, the pillar portion 12 is generated almost as a single crystal with few defects such as grain boundaries.

次いで、ディスク部11の形成工程を実施する。シリコン基板200の温度を略640℃に昇温し、TMGの分圧を25.44×10−4Torrとし、TMIの分圧を113.6×10−4Torrとする。このように、V/III比を小さくすることで、InGaAsの結晶成長の方向を、貫通孔30aの軸を中心としたときに動径方向に相当する横成長に指向できる。この成長はステップフロー成長であり、上記したように、<110>方向に成長する。また、その成長速度は原子ステップ10bごとに偏りの少ない成長にすることができ、ステップバンチングの発生が抑制された露出面10aとなる。なお、本実施形態では、ディスク部11における露出面10aを正面視したとき、貫通孔30aの中心軸からディスク部11の端部までの最長距離が、貫通孔30aの半径の1.3倍以上となっている。 Next, a step of forming the disk portion 11 is performed. The temperature of the silicon substrate 200 is raised to approximately 640 ° C., the TMG partial pressure is set to 25.44 × 10 −4 Torr, and the TMI partial pressure is set to 113.6 × 10 −4 Torr. Thus, by reducing the V / III ratio, the direction of crystal growth of InGaAs can be directed to the lateral growth corresponding to the radial direction when the axis of the through hole 30a is the center. This growth is step flow growth and grows in the <110> direction as described above. Further, the growth rate can be a growth with little deviation for each atomic step 10b, and the exposed surface 10a is suppressed in which the generation of step bunching is suppressed. In the present embodiment, when the exposed surface 10a of the disk portion 11 is viewed from the front, the longest distance from the central axis of the through hole 30a to the end of the disk portion 11 is 1.3 times or more the radius of the through hole 30a. It has become.

ディスク部11の露出面10aの面積が所望の大きさに至るまでディスク部11の形成工程を継続する。ディスク部11の形成工程の終了シーケンスは、まずTMGおよびTMIの供給を停止する。その後、シリコン基板200の降温を開始する。降温の結果、200℃に到達した時点でアルシンの供給を停止してシリコン基板200の温度を室温まで下げる。   The formation process of the disk part 11 is continued until the area of the exposed surface 10a of the disk part 11 reaches a desired size. In the end sequence of the formation process of the disk portion 11, the supply of TMG and TMI is first stopped. Thereafter, the temperature lowering of the silicon substrate 200 is started. As a result of the temperature drop, when the temperature reaches 200 ° C., the supply of arsine is stopped and the temperature of the silicon substrate 200 is lowered to room temperature.

このようにして、半導体装置100を製造することができる。   In this way, the semiconductor device 100 can be manufactured.

以上に開示するように、InGaAs単結晶のピラー部12を軸に、InGaAsのディスク部11が一体的に成長できるので、ピラー部12とディスク部11との間の貫通転位が生じることを抑制できる。また、ディスク部11の結晶成長はステップフロー成長によるディスク面に沿う成長であるから大面積を実現できる。そして、ステップフロー成長時において、原子ステップ10bにおける結晶成長の速度の偏りが抑制でき、ステップバンチングの発生が抑制できる。よって、より低欠陥のInGaAs結晶を大面積で得ることができる。   As disclosed above, since the InGaAs disk portion 11 can be integrally grown around the pillar portion 12 of InGaAs single crystal, the occurrence of threading dislocation between the pillar portion 12 and the disk portion 11 can be suppressed. . Further, since the crystal growth of the disk portion 11 is growth along the disk surface by step flow growth, a large area can be realized. Then, during step flow growth, deviation in the crystal growth rate in the atomic step 10b can be suppressed, and generation of step bunching can be suppressed. Therefore, a lower defect InGaAs crystal can be obtained in a large area.

(その他の実施形態)
以上、好ましい実施形態について説明したが、上記した実施形態になんら制限されることなく、この明細書に開示する主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiment has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist disclosed in this specification.

図4を参照して説明した製造方法において、温度や分圧などの値は、その値のみに限定されるものではなく、ピラー部12やディスク部11の形成すべき大きさや、所望の膜厚などによって適宜設定されるべきものである。   In the manufacturing method described with reference to FIG. 4, values such as temperature and partial pressure are not limited to those values, and the size to be formed of the pillar portion 12 and the disk portion 11 and a desired film thickness. This should be set as appropriate.

10…半導体層,11…ディスク部,10a…露出面,10b…原子ステップ,12…ピラー部,21…形成核,30…絶縁膜,30a…貫通孔,200…シリコン基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor layer, 11 ... Disk part, 10a ... Exposed surface, 10b ... Atomic step, 12 ... Pillar part, 21 ... Formation nucleus, 30 ... Insulating film, 30a ... Through-hole, 200 ... Silicon substrate

Claims (7)

面方位(111)を一面とするシリコン基板上に形成される半導体装置であって、
前記一面に直交する厚み方向に貫通孔を有しつつ前記一面上に形成された絶縁膜と、
In、Ga、およびAsを含むIII−V族化合物半導体として構成され、前記貫通孔に充填されるとともに、前記貫通孔を覆うように前記絶縁膜上に形成される半導体層と、を備え、
前記半導体層において、前記一面に沿う露出面に存在する原子ステップは、前記一面に直交する高さが3原子層以下である半導体装置。
A semiconductor device formed on a silicon substrate having a plane orientation (111) as one surface,
An insulating film formed on the one surface while having a through hole in a thickness direction perpendicular to the one surface;
A semiconductor layer that is configured as a III-V group compound semiconductor containing In, Ga, and As, is filled in the through hole, and is formed on the insulating film so as to cover the through hole,
In the semiconductor layer, the atomic step existing on the exposed surface along the one surface is a semiconductor device having a height of 3 atomic layers or less perpendicular to the one surface.
前記原子ステップは、前記露出面に直交する面方位が{110}を含む請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the atomic step includes {110} in a plane orientation orthogonal to the exposed surface. 前記半導体層は、前記露出面に沿う動径方向において、前記貫通孔から離れるにしたがってGa含有量が連続的に増加する請求項1または請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer has a Ga content that continuously increases as the distance from the through hole increases in a radial direction along the exposed surface. 前記半導体層は、前記一面に沿う前記露出面が面方位として(111)を含むとともに、側面として{−110}面が露出する六角柱形状を成す請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor layer according to claim 1, wherein the semiconductor layer has a hexagonal column shape in which the exposed surface along the one surface includes (111) as a surface orientation and a {−110} surface is exposed as a side surface. Semiconductor device. 前記貫通孔は円柱状であり、前記一面を正面視したときの前記貫通孔の直径は5μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the through hole has a cylindrical shape, and the diameter of the through hole when the one surface is viewed from the front is 5 μm or less. 前記半導体層の、前記露出面に直交する層厚は、前記貫通孔の直径よりも大きい、請求項5に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein a thickness of the semiconductor layer perpendicular to the exposed surface is larger than a diameter of the through hole. 前記半導体層における前記露出面を正面視したとき、前記貫通孔の中心軸から前記半導体層の端部までの最長距離が、前記貫通孔の半径の1.3倍以上となる請求項5または請求項6に記載の半導体装置。   The longest distance from the central axis of the through hole to the end of the semiconductor layer when the exposed surface of the semiconductor layer is viewed from the front is 1.3 times or more the radius of the through hole. Item 7. The semiconductor device according to Item 6.
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