JP2560601B2 - Method for manufacturing metal film / compound semiconductor laminated structure on elemental semiconductor substrate - Google Patents

Method for manufacturing metal film / compound semiconductor laminated structure on elemental semiconductor substrate

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JP2560601B2
JP2560601B2 JP5051624A JP5162493A JP2560601B2 JP 2560601 B2 JP2560601 B2 JP 2560601B2 JP 5051624 A JP5051624 A JP 5051624A JP 5162493 A JP5162493 A JP 5162493A JP 2560601 B2 JP2560601 B2 JP 2560601B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はIV族半導体単結晶基板
上に形成された残留熱歪が小さく高品質なIII−V族
化合物半導体単結晶層を有する金属膜/III−V族化
合物半導体積層構造の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal film / group III-V compound semiconductor laminate having a high-quality group III-V compound semiconductor single crystal layer with small residual thermal strain formed on a group IV semiconductor single crystal substrate. A method of manufacturing a structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、Siに代表されるIV族半導体単
結晶基板上にGaAsに代表されるIII−V族化合物
半導体単結晶薄膜を形成する試みが活発に行われてい
る。これは、このような薄膜構造が形成できると、II
I−V族化合物半導体高機能素子を安価なSi基板上に
作製でき、またSiの高い熱伝導率によって光素子等の
性能向上が期待できるためである。さらにSi超高集積
回路とIII−V族化合物半導体超高速素子や光素子を
同一基板上に形成できるため、新しい高機能素子の開発
が予測されるからである。
2. Description of the Related Art At present, active attempts are being made to form a group III-V compound semiconductor single crystal thin film represented by GaAs on a group IV semiconductor single crystal substrate represented by Si. This means that when such a thin film structure can be formed, II
This is because a high-performance I-V compound semiconductor device can be produced on an inexpensive Si substrate, and the high thermal conductivity of Si can be expected to improve the performance of optical devices and the like. Furthermore, since the Si ultra-high integrated circuit and the III-V group compound semiconductor ultra-high-speed element and the optical element can be formed on the same substrate, the development of a new high-performance element is expected.

【0003】ところでSi基板上に形成したIII−V
族化合物半導体薄膜を素子作製に応用するためには結晶
品質の向上が重要である。例えば雑誌「ジャパニーズ・
ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス(Jpn.
J.Appl.Phys.)」第24巻第6号(198
5年)の第L391−393頁に説明されている「二段
階成長法」を用いれば、全基板面内でIII族とV族の
配列の位相がそろったシングル・ドメイン単結晶薄膜が
確実に得られ、また従来の直接成長に比べ結晶性も向上
する。これは低温でまず薄い多結晶もしくは非晶質のバ
ッファ層を堆積した後、通常の成長温度で単結晶薄膜を
成長させる方法であり、低温バッファ層は昇温する間に
アニールされて単結晶化する。しかしSi基板上に例え
ばGaAsを成長した場合、Si/GaAs界面にはそ
の格子不整合率から予測されるよりもはるかに多くの転
位や積層欠陥が発生し、さらにその一部は容易に上層ま
で伸びて貫通転位となる。二段階成長法による場合の転
位密度は数μm厚の成長表面で約108 cm- 2 にも達
する。
By the way, III-V formed on a Si substrate
In order to apply a group compound semiconductor thin film to device fabrication, it is important to improve crystal quality. For example, the magazine "Japanese
Journal of Applied Physics (Jpn.
J. Appl. Phys. ) Vol. 24, No. 6 (198)
5 years), page 391-393, the "two-step growth method" is used to ensure that a single domain single crystal thin film in which the group III and group V arrays are aligned in phase on the entire substrate surface. Also, the crystallinity is improved as compared with the conventional direct growth. This is a method in which a thin polycrystalline or amorphous buffer layer is first deposited at a low temperature, and then a single-crystal thin film is grown at a normal growth temperature. I do. However, when, for example, GaAs is grown on a Si substrate, much more dislocations and stacking faults occur at the Si / GaAs interface than expected from the lattice mismatch rate, and a part of the dislocations and the stacking layer easily reach the upper layer. It extends and becomes threading dislocation. The dislocation density of the case of two-stage growth method is about 10 8 cm several μm thick growth surface - as high as 2.

【0004】そこで導入されたのが歪超格子中間層や熱
サイクルアニール法で、これらによって約106 cm
- 2 まで転位密度は急速に改善された(雑誌「アプライ
ド・フィジクス・レター(Appl.Phys.Let
t.)」第54巻第1号(1989年)の第24−26
頁)。しかしながら約106 cm- 2 を下回る結果は容
易には得られず、その原因としてSi基板とIII−V
族化合物半導体との熱膨張係数差の問題が指摘された
(雑誌「アプライド・フィジクス・レター(Appl.
Phys.Lett.)」第56巻第22号(1990
年)の第2225−2227頁)。即ち熱サイクルアニ
ールの導入などによって成長温度(650℃)において
は105 cm- 2 以下まで転位密度は減少しているが、
成長後の冷却中(450℃程度以下)に熱膨張係数差に
よるストレスによって106 cm- 2台の転位が導入さ
れるというものである。これはSi基板との界面付近に
多数残留する転位が熱歪によって上昇してくるためと考
えられている。成長中に上昇してくる転位に対しては、
これを横方向に曲げて上層部への到達を防ぐ目的で一般
に歪超格子中間層が挿入され大きな効果を上げている。
しかし成長後に熱歪によって上昇してくる転位を歪超格
子中間層部分で曲げることは困難である。
What was introduced there was a strained superlattice intermediate layer and a thermal cycle annealing method, and about 10 6 cm
- up to 2 dislocation density has been rapidly improved (magazine "Applied Physics Letters (Appl.Phys.Let
t. Vol. 54 No. 1 (1989) 24-26
page). However about 10 6 cm - 2 The below results not easily obtained, Si substrate and the III-V as its cause
It was pointed out that the difference in the coefficient of thermal expansion from the group compound semiconductors (magazine “Applied Physics Letter (Appl.
Phys. Lett. ) Vol. 56, No. 22 (1990)
2225-2227). That 10 5 cm in the growth temperature (650 ° C.), such as by introduction of thermal cycle annealing - the dislocation density to 2 or less is reduced but,
10 6 by stress due to thermal expansion coefficient difference in cooling (about 450 ° C. or less) after growth cm - is that the two dislocations are introduced. It is considered that this is because many dislocations remaining near the interface with the Si substrate rise due to thermal strain. For dislocations that rise during growth,
Generally, a strained superlattice intermediate layer is inserted for the purpose of bending this in the lateral direction and preventing it from reaching the upper layer portion, which is very effective.
However, it is difficult to bend dislocations rising due to thermal strain after growth in the strained superlattice intermediate layer portion.

【0005】さらに作製した発光デバイスに高密度の電
流を注入した際にも残留熱歪が大きいと欠陥の増殖を招
き寿命を著しく低下させる要因となるためこれを低減す
ることは重要である。
Further, even when a high-density current is injected into the manufactured light emitting device, if the residual thermal strain is large, it causes the proliferation of defects and causes the life to be remarkably reduced, so that it is important to reduce it.

【0006】そこでこの熱歪を低減するためにGaAs
成長層を部分的に基板から分離する方法が提案された
(雑誌「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジクス(Jpn.J.Appl.Phys.)」
第29巻第10号(1990年)の第2077−208
1頁)。この従来技術による工程を簡略的に示したのが
図2(a)〜(c)である。
Therefore, in order to reduce this thermal strain, GaAs is used.
A method of partially separating the growth layer from the substrate has been proposed (Journal: Japanese Journal of Applied Physics (Jpn. J. Appl. Phys.)).
Vol. 29, No. 10 (1990), No. 2077-208
1 page). 2 (a) to 2 (c) schematically show the process according to this conventional technique.

【0007】すなわち、まず図2(a)に示すようにS
i基板1上にAlGaAsスペーサ層3、GaAs層2
1を順次成長する。
That is, first, as shown in FIG.
AlGaAs spacer layer 3, GaAs layer 2 on i substrate 1
1 to grow sequentially.

【0008】次に、図2(b)に示すようにパターニン
グしたSiO2 膜5をマスクとしてGaAs層21およ
びAlGaAsスペーサ層3をエッチングしてメサを形
成する。
Next, the GaAs layer 21 and the AlGaAs spacer layer 3 are etched by using the patterned SiO 2 film 5 as a mask as shown in FIG. 2B to form a mesa.

【0009】次に、図2(c)に示すようにメサ側面に
露出した断面部分からAlGaAsスペーサ層3を選択
的にエッチング除去する。ただしGaAs層21をSi
基板1上に支持しておくためAlGaAsスペーサ層3
の一部は除去せずに残しておく。最後にSiO2 膜5を
除去する。
Next, as shown in FIG. 2C, the AlGaAs spacer layer 3 is selectively removed by etching from the cross-section portion exposed on the side surface of the mesa. However, the GaAs layer 21 is made of Si
AlGaAs spacer layer 3 for supporting it on the substrate 1
Leave some of them unremoved. Finally, the SiO 2 film 5 is removed.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】Si基板上に良質のI
II−V族化合物半導体膜を得るために採用された上記
従来技術の問題点を考えてみる。
[Problems to be Solved by the Invention]
Consider the problems of the above-mentioned prior art adopted to obtain a II-V group compound semiconductor film.

【0011】上記GaAs成長層を部分的に基板から分
離する方法によってその分離されたひさし部分での熱歪
は大きく低減された。しかしながらこのひさし部分のG
aAs成長層は数μmと薄く、これが数十から数百μm
以上の巾で基板から浮いた状態となっている。そのため
このひさし部分に発光デバイス等を作製する場合、複雑
なプロセス中に容易に破損しやすく、またデバイス動作
時に発生する熱も逃しにくいという問題点があった。
By the method of partially separating the GaAs growth layer from the substrate, the thermal strain in the separated eaves was greatly reduced. However, G of this eaves part
The aAs growth layer is as thin as several μm, which is several tens to several hundreds μm.
With the width above, it is in a state of floating from the substrate. Therefore, when manufacturing a light emitting device or the like on this eaves portion, there are problems that it is easily damaged during a complicated process and that heat generated during device operation is also difficult to escape.

【0012】本発明の目的はこのような従来技術の欠点
を克服し、IV族半導体単結晶基板上に残留熱歪が小さ
く高品質なIII−V族半導体単結晶層を有する金属膜
/III−V族化合物半導体積層構造を製造する方法を
提供することにある。
The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art and to provide a metal film / III- having a high quality group III-V semiconductor single crystal layer with a small residual thermal strain on a group IV semiconductor single crystal substrate. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a group V compound semiconductor laminated structure.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明によればIV族半導
体基板上に III−V族化合物半導体バッファ層を介し
て、 III−V族化合物半導体スペーサ層を成長する工程
と、 III−V族化合物半導体デバイス層を成長する工程
と、島状に形成したマスクパターンを用い、 III−V族
化合物半導体バッファ層まで至る溝が形成されるように
エッチングしてメサを形成する工程と、次工程において
III−V族化合物半導体スペーサ層のみをエッチングし
て除去すると共にこの除去領域を空隙部とすることがで
きるように、化合物半導体層の積層体の表面に支持膜を
選択的に形成する工程と、 III−V族化合物半導体スペ
ーサ層のみをエッチングして除去すると共にこの除去領
域を空隙部とする工程と、異方性スパッタ法を用いて
隙部の内部表面を除いた化合物半導体層の積層体の全面
に絶縁体膜を形成する工程と、気相成長法を用いて空隙
の内部表面にIn系金属層を選択的に形成する工程
と、In系金属層を介して III−V族化合物半導体バッ
ファ層と III−V族化合物半導体デバイス層とを圧着す
る工程とを少なくとも有することを特徴とする元素半導
体基板上の金属膜/化合物半導体積層構造の製造方法。
さらにIV族半導体基板上に III−V族化合物半導体スペ
ーサ層を成長する工程と、 III−V族化合物半導体デバ
イス層を成長する工程と、島状に形成したマスクパター
ンを用い、IV族半導体基板まで至る溝が形成されるよう
エッチングしてメサを形成する工程と、次工程におい
て III−V族化合物半導体スペーサ層のみをエッチング
して除去すると共にこの除去領域を空隙部とすることが
できるように、化合物半導体層の積層体の表面に支持膜
を選択的に形成する工程と、 III−V族化合物半導体ス
ペーサ層のみをエッチングして除去すると共にこの除去
領域を空隙部とする工程と、異方性スパッタ法を用いて
空隙部の内部表面を除いた化合物半導体層の積層体の全
面に絶縁体膜を形成する工程と、気相堆積法を用いて
隙部の内部表面にIn系金属層を選択的に形成する工程
と、In系金属層を介してIV族半導体基板と III−V族
化合物半導体デバイス層とを圧着する工程とを少なくと
も有することを特徴とする元素半導体基板上の金属膜/
化合物半導体積層構造の製造方法。
According to the present invention, a step of growing a group III-V compound semiconductor spacer layer on a group IV semiconductor substrate via a group III-V compound semiconductor buffer layer, and group III-V. a step of growing a compound semiconductor device layer, a mask pattern formed in an island shape using, III-V group
In the step of forming a mesa by etching so that a groove reaching the compound semiconductor buffer layer is formed, and in the next step
By etching only the III-V group compound semiconductor spacer layer
It is possible to use this removal area as a void while removing it.
Support layer on the surface of the compound semiconductor layer stack.
And a step of selectively forming a group III-V compound semiconductor spacer.
And remove only the laser layer by etching.
Check with a step to pass the air gap portion, the anisotropic sputtering
A step of forming an insulating film on the entire surface of the laminated body of the compound semiconductor layers excluding the inner surface of the void portion, and a void using a vapor phase growth method.
Selectively forming an In-based metal layer on the inner surface of the portion , and a III-V group compound semiconductor buffer via the In- based metal layer.
1. A method for manufacturing a metal film / compound semiconductor laminated structure on an elemental semiconductor substrate, which comprises at least a step of pressure-bonding a semiconductor layer and a III-V compound semiconductor device layer .
Further, a step of growing a group III-V compound semiconductor spacer layer on the group IV semiconductor substrate, a step of growing a group III-V compound semiconductor device layer, and using a mask pattern formed in an island shape to reach a group IV semiconductor substrate. So that a groove is formed
The process of forming a mesa by etching and the next process
Etching only III-V compound semiconductor spacer layer
It is possible to use this removal area as a void while removing it.
So that a supporting film can be formed on the surface of the compound semiconductor layer stack.
Selectively forming a group III-V compound semiconductor semiconductor
Etching and removing only the pacer layer and this removal
Using the process of making a region a void and using anisotropic sputtering
Forming an entire surface insulating film of the laminate of the compound semiconductor layer excluding the inner surface of the gap portion, the sky by a vapor deposition method
A step of selectively forming an In-based metal layer on the inner surface of the gap, and a group IV semiconductor substrate and a group III-V through the In- based metal layer.
A metal film on an elemental semiconductor substrate, which comprises at least a step of pressure bonding with a compound semiconductor device layer /
Method for manufacturing compound semiconductor laminated structure.

【0014】さらにIn系金属層を形成する工程が、空
隙部の内部表面にまず金属拡散バリア層を気相堆積法を
用いて選択的に形成し、その後にIn系金属層を選択的
に形成することを特徴とする元素半導体基板上の金属膜
/化合物半導体積層構造の製造方法。
Further, in the step of forming the In-based metal layer, first, the metal diffusion barrier layer is selectively formed on the inner surface of the void portion by the vapor deposition method, and then the In-based metal layer is selectively formed. Metal film on elemental semiconductor substrate characterized by
/ Method for manufacturing compound semiconductor laminated structure.

【0015】さらに圧着する工程において、In系金属
層を融点以上に保持するか、またはIn系金属層に超音
波振動を与えるか、またはこれらの手段を併用すること
In系金属層を溶融することを特徴とする元素半導体
基板上の金属膜/化合物半導体積層構造の製造方法。
In the step of pressure bonding, the In- based metal layer is melted by keeping the In-based metal layer at a melting point or higher, applying ultrasonic vibration to the In- based metal layer, or by using these means together. element semiconductor, characterized in that the
A method for manufacturing a metal film / compound semiconductor laminated structure on a substrate.

【0016】[0016]

【作用】Si基板とIII−V族化合物半導体との熱膨
張係数差による熱歪みの発生を避けるには、これを容易
に緩和できる様な十分に柔らかい物質を中間層として挿
入すれば良く、なにも基板から完全に分離しておく必要
はない。例えば金属、中でも金属Inは弾性率が小さ
く、さらに融点が約157℃と非常に低いため理想的で
ある。高温での結晶成長中、さらに成長後の冷却時も融
点付近まで液状の金属In中間層によって熱歪をほぼ1
00%吸収できる。
In order to avoid the occurrence of thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the Si substrate and the III-V group compound semiconductor, it is sufficient to insert a sufficiently soft substance that can easily alleviate this, as an intermediate layer. However, it is not necessary to completely separate it from the substrate. For example, metals, especially metal In, are ideal because they have a low elastic modulus and a melting point of about 157 ° C. which is extremely low. During crystal growth at high temperature, and even during cooling after growth, thermal strain is almost 1 due to the liquid metal In intermediate layer up to near the melting point.
Can absorb 00%.

【0017】この金属In中間層の形成方法であるが、
少なくとも液状の金属In層上に後から目的のIII−
V族化合物半導体単結晶層を成長することは原理的に不
可能である。
The method of forming the metal In intermediate layer is as follows.
At least on the liquid metal In layer, the target III-
In principle, it is impossible to grow a group V compound semiconductor single crystal layer.

【0018】本発明の製造方法ではメサ構造断面からの
選択エッチングで隙間を形成させる工程を有しているの
で、その後に気相堆積法を用いてメサ側面開口部の内部
表面に金属In層を形成することができる。その後にI
nの融点約157℃以上に加熱するか超音波振動を与え
るなどしながら上から押さえ、金属In層を介して上下
の層を圧着すればよい。また金属In層はIII−V族
化合物半導体単結晶層と容易に反応する。これを抑える
には金属In層を形成する前に例えば融点の高い金属W
層を形成しておけば良い。
Since the manufacturing method of the present invention has a step of forming a gap by selective etching from the cross section of the mesa structure, a metal In layer is then formed on the inner surface of the side opening of the mesa by a vapor deposition method. Can be formed. Then I
The melting point of n may be pressed from above while being heated to about 157 ° C. or higher or applying ultrasonic vibration, and the upper and lower layers may be pressure-bonded via the metal In layer. In addition, the metal In layer easily reacts with the III-V compound semiconductor single crystal layer. To suppress this, for example, a metal W having a high melting point is formed before the metal In layer is formed.
It is sufficient to form a layer.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

【0020】図1(a)〜(e)には本発明の製造方法
一例の製造工程を各段階における断面図で示した。
1A to 1E are sectional views showing the manufacturing steps of an example of the manufacturing method according to the present invention.

【0021】図1(a)に示すように例えばまずSi基
板1上に2.5μm厚のGaAsバッファ層2、1.5
μm厚のAlGaAsスペーサ層3、最後に1μm厚の
第一のGaAsデバイス層4を成長し、さらにパターニ
ングしたSiO2 膜5をマスクとして化合物半導体層を
エッチングしメサを形成する。成長には分子線エピタキ
シャル成長法(MBE法)、ガスソースMBE法、また
は例えばIII族有機金属原料としてトリエチルガリウ
ム(TEG)およびトリエチルアルミニウム(TE
A)、V族原料としてはアルシン(AsH3 )を用いた
有機金属気相成長法(MOCVD法)などを用いること
ができる。
As shown in FIG. 1A, for example, first, a GaAs buffer layer 2, 1.5 having a thickness of 2.5 μm is formed on a Si substrate 1.
A μm thick AlGaAs spacer layer 3 and finally a 1 μm thick first GaAs device layer 4 are grown, and the compound semiconductor layer is etched using the patterned SiO 2 film 5 as a mask to form a mesa. For the growth, a molecular beam epitaxial growth method (MBE method), a gas source MBE method, or, for example, triethylgallium (TEG) and triethylaluminum (TE) as Group III organic metal raw materials is used.
As the materials A) and V, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) using arsine (AsH 3 ) can be used.

【0022】次に、図1(b)に示すように全面にSi
2 膜を形成後、メサ側面の一部を少なくとも含む部分
のSiO2 膜を除去してSiO2 支持膜6を形成し、A
lGaAsスペーサ層3をメサ側面に露出した断面部分
から選択エッチングによって除去する。
Next, as shown in FIG. 1 (b), Si is formed on the entire surface.
After forming the O 2 film, the SiO 2 film in the portion including at least a part of the side surface of the mesa is removed to form the SiO 2 support film 6, and A
The 1GaAs spacer layer 3 is removed by selective etching from the cross-section portion exposed on the side surface of the mesa.

【0023】次に、図1(c)に示すように異方性スパ
ッタ法を用いてメサ側面開口部の内部を除いた全面にS
iO2 薄膜7を形成し、これをマスクとした気相堆積法
を用いてまずメサ側面開口の内部にそれぞれ0.1μm
厚の金属W下面バリア層8および金属W上面バリア層9
を選択的に形成し、さらにそれぞれ0.3μm厚の金属
In下面層10および金属In上面層11を選択的に形
成する。金属Wバリア層の形成には例えばタングステン
ヘキサフロライド(WF6 )を原料ガスとした気相堆積
法を用いることができる。また金属In層の形成には例
えばトリメチルインジウム(TMIn)などIII族有
機金属原料ガスを用いた気相堆積法を用いることができ
る。
Next, as shown in FIG. 1C, S is applied to the entire surface excluding the inside of the mesa side opening by using an anisotropic sputtering method.
An iO 2 thin film 7 was formed, and 0.1 μm was formed inside the side opening of the mesa first by a vapor deposition method using this as a mask.
Thick metal W bottom barrier layer 8 and metal W top barrier layer 9
Are selectively formed, and a metal In lower surface layer 10 and a metal In upper surface layer 11 each having a thickness of 0.3 μm are selectively formed. For forming the metal W barrier layer, for example, a vapor deposition method using tungsten hexafluoride (WF 6 ) as a source gas can be used. Further, for the formation of the metal In layer, a vapor phase deposition method using a group III organic metal source gas such as trimethylindium (TMIn) can be used.

【0024】次に、図1(d)に示すようにInの融点
約157℃以上で上から押さえ、金属In下面層10お
よび金属In上面層11、さらに金属W下面バリア層8
および金属W上面バリア層9を介してGaAsバッファ
層2と第一のGaAsデバイス層4を圧着した後、Si
2 膜5、SiO2 支持膜6およびSiO2 薄膜7を除
去する。以上の工程により本発明の製造方法による積層
構造が得られる。
Next, as shown in FIG. 1D, the In melting point of about 157 ° C. or higher is pressed down from above to lower the metal In lower surface layer 10 and the metal In upper surface layer 11 and further the metal W lower surface barrier layer 8.
After the GaAs buffer layer 2 and the first GaAs device layer 4 are pressure-bonded to each other via the metal W upper surface barrier layer 9,
The O 2 film 5, the SiO 2 support film 6 and the SiO 2 thin film 7 are removed. Through the above steps, a laminated structure is obtained by the manufacturing method of the present invention.

【0025】以上のプロセスによって第一のGaAsデ
バイス層4の残留熱歪は低減できる。
The residual thermal strain of the first GaAs device layer 4 can be reduced by the above process.

【0026】さらに適当な欠陥低減層をメサ上に成長す
る場合について説明する。この場合もメサの金属In層
より上部とそれ以外の部分は実質的に分離しておく必要
がある。上記プロセスではメサ側壁を例えば異方性ドラ
イエッングで垂直に形成しておき、MBE法で上方から
分子線を当てて成長すればよい。
Further, the case of growing an appropriate defect reduction layer on the mesa will be described. Also in this case, it is necessary to substantially separate the upper portion of the mesa from the metal In layer and the other portions. In the above process, the mesa side wall may be formed vertically by, for example, anisotropic dry etching, and may be grown by applying a molecular beam from above by the MBE method.

【0027】例えば、図1(e)に示すように、まず
0.7μm厚の第二のGaAsデバイス層12を、途中
900℃〜450℃の熱サイクルアニールを2回ほど行
いながら成長し、次にInGaAs/GaAs歪超格子
層13(In0 . 2 Ga0 . 8As:10nm、GaA
s:20nm、×10周期)を成長し、さらに例えば1
μm厚の第三のGaAsデバイス層14を成長する。
For example, as shown in FIG. 1 (e), first, a second GaAs device layer 12 having a thickness of 0.7 μm is grown while performing thermal cycle annealing at 900 ° C. to 450 ° C. twice about halfway. in InGaAs / GaAs strained superlattice layer 13 (in 0 2 Ga 0 8 As:.. 10nm, GaA
s: 20 nm, × 10 cycles), and further, for example, 1
A third GaAs device layer 14 with a thickness of μm is grown.

【0028】得られたGaAs層の結晶品質を調べるた
め行ったホトルミネッセンス(PL)測定からはGaA
s基板上の成長層と遜色のない発光強度が得られ、また
発光波長のシフトもなく歪みは完全に緩和されているこ
とが分かった。またTEM観察の結果、転位密度も多く
て104 〜105 cm- 2 と極めて良好な結晶品質が得
られていることが分かった。
From the photoluminescence (PL) measurement performed to examine the crystal quality of the obtained GaAs layer, GaA was obtained.
It was found that an emission intensity comparable to that of the growth layer on the s substrate was obtained and the strain was completely relaxed without any shift in emission wavelength. The result of TEM observation, the dislocation density much 10 4 ~10 5 cm - it was found that 2 very good crystal quality is obtained.

【0029】以上の実施例では絶縁膜としてSiO2
を用いたが、これ以外の例えばAlNやSi3 4 など
の非晶質膜を用いても良い。また実施例では非晶質絶縁
膜をエッチングマスク、支持膜、また選択成長マスクな
どとして用いているが、これらの機能を有し、また他の
プロセスとも整合がとれれば他の半導体結晶や金属、ま
たレジスト膜など有機物を用いてもよい。
Although the SiO 2 film is used as the insulating film in the above embodiments, an amorphous film other than this, such as AlN or Si 3 N 4 , may be used. Further, although the amorphous insulating film is used as an etching mask, a supporting film, a selective growth mask, etc. in the examples, other semiconductor crystals or metals, if they have these functions and are compatible with other processes, Alternatively, an organic material such as a resist film may be used.

【0030】また実施例では欠陥低減層の成長法として
MBE法を用いたが、他のMOCVD法やハロゲン輸送
法などを用いても良い。これらの場合は例えばまず全面
に薄いSiO2 膜を形成した後にメサ上部のみ除去して
開口部を設け、欠陥低減層を選択成長すればメサの金属
In層より上部とそれ以外の部分を実質的に分離してお
くことができる。
Although the MBE method is used as the growth method of the defect reduction layer in the embodiment, other MOCVD method or halogen transport method may be used. In these cases, for example, if a thin SiO2 film is first formed on the entire surface, then only the upper part of the mesa is removed to form an opening, and the defect-reducing layer is selectively grown. It can be separated.

【0031】また実施例では金属In層を介して上下層
を圧着する際に、Inの融点約157℃以上に加熱した
が、他の例えば超音波振動を与える方法などを用いても
良い。
In the embodiment, when the upper and lower layers are pressure-bonded via the metal In layer, they are heated to a melting point of In of about 157 ° C. or higher, but other methods such as ultrasonic vibration may be used.

【0032】金属層としては金属Inを用いたが、目的
に合わせて他の金属との合金にしても良く、例えばGa
を添加すればIn−Ga合金となり融点を下げることが
できる。
Although the metal In is used for the metal layer, it may be alloyed with another metal according to the purpose, for example, Ga.
Is added, the alloy becomes an In-Ga alloy and the melting point can be lowered.

【0033】またバリア層としては金属Wを用いたが、
例えば金属以外でもSiを添加したWSiX や、さらに
TiNX などを用いても良い.さらに実施例ではSi基
板上の金属/GaAs積層構造を例に説明したが、IV
族基板がGeの場合、またIII−V族化合物半導体が
他のInPやGaP、またInGaPなど混晶の場合、
また複数種類のIII−V族化合物半導体層が混在する
場合にも広く本発明を適用することができる。
Although metal W is used as the barrier layer,
For example, other than metals, WSi x with Si added, or TiN x may be used. Further, in the embodiment, the metal / GaAs laminated structure on the Si substrate has been described as an example.
When the group substrate is Ge, and when the group III-V compound semiconductor is another InP, GaP, or InGaP mixed crystal,
Further, the present invention can be widely applied even when a plurality of kinds of III-V group compound semiconductor layers are mixed.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上のように本発明によればIV族単結
晶基板とIII−V族エピタキシャル層の熱膨張係数差
による熱歪みをほぼ完全に緩和でき、従って熱歪みによ
る新たな転位の発生もないため、IV族半導体単結晶基
板上に高品質なIII−V族化合物半導体単結晶層を有
する金属膜/III−V族化合物半導体積層構造が実現
できる。
As described above, according to the present invention, the thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the group IV single crystal substrate and the group III-V epitaxial layer can be relaxed almost completely, and therefore new dislocations are generated by the thermal strain. Therefore, a metal film / III-V compound semiconductor laminated structure having a high-quality III-V compound semiconductor single crystal layer on a IV semiconductor single crystal substrate can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の製造方法の一実施例の工程を示す断面
図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a step of an embodiment of a manufacturing method of the present invention.

【図2】従来技術による製造方法の工程を示す断面図で
ある。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the steps of a conventional manufacturing method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Si基板 2 GaAsバッファ層 3 AlGaAsスペーサ層 4 第一のGaAsデバイス層 5 SiO2 膜 6 SiO2 支持膜 7 SiO2 薄膜 8 金属W下面バリア層 9 金属W上面バリア層 10 金属In下面層 11 金属In上面層 12 第二のGaAsデバイス層 13 InGaAs/GaAs歪超格子層 14 第三のGaAsデバイス層 21 GaAs層1 Si substrate 2 GaAs buffer layer 3 AlGaAs spacer layer 4 First GaAs device layer 5 SiO 2 film 6 SiO 2 support film 7 SiO 2 thin film 8 metal W lower surface barrier layer 9 metal W upper surface barrier layer 10 metal In lower surface layer 11 metal In upper surface layer 12 second GaAs device layer 13 InGaAs / GaAs strained superlattice layer 14 third GaAs device layer 21 GaAs layer

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 IV族半導体基板上に III−V族化合物半
導体バッファ層を介して、 III−V族化合物半導体スペ
ーサ層を成長する工程と、 III−V族化合物半導体デバ
イス層を成長する工程と、島状に形成したマスクパター
ンを用い、 III−V族化合物半導体バッファ層まで至る
溝が形成されるようにエッチングしてメサを形成する工
程と、次工程において III−V族化合物半導体スペーサ
層のみをエッチングして除去すると共にこの除去領域を
空隙部とすることができるように、化合物半導体層の積
層体の表面に支持膜を選択的に形成する工程と、 III−
V族化合物半導体スペーサ層のみをエッチングして除去
すると共にこの除去領域を空隙部とする工程と、異方性
スパッタ法を用いて空隙部の内部表面を除いた化合物半
導体層の積層体の全面に絶縁体膜を形成する工程と、気
相成長法を用いて空隙部の内部表面にIn系金属層を選
択的に形成する工程と、In系金属層を介して III−V
族化合物半導体バッファ層と III−V族化合物半導体デ
バイス層とを圧着する工程とを少なくとも有することを
特徴とする元素半導体基板上の金属膜/化合物半導体積
層構造の製造方法。
1. A step of growing a group III-V compound semiconductor spacer layer on a group IV semiconductor substrate via a group III-V compound semiconductor buffer layer, and a step of growing a group III-V compound semiconductor device layer. Using the island-shaped mask pattern to reach the III-V group compound semiconductor buffer layer
A step of forming a mesa by etching so that a groove is formed, and a III-V group compound semiconductor spacer in the next step.
Only the layer is etched and removed, and this removed area is
The product of compound semiconductor layers so that voids can be formed.
A step of selectively forming a support film on the surface of the layered body, III-
Only Group V compound semiconductor spacer layer is removed by etching
And a step of forming the removed region into a void, a step of forming an insulating film on the entire surface of the compound semiconductor layer stack excluding the inner surface of the void using an anisotropic sputtering method, and a vapor phase growth Selectively forming an In-based metal layer on the inner surface of the void by using the method, and III-V via the In- based metal layer
Group compound semiconductor buffer layer and III-V group compound semiconductor device
A method of manufacturing a metal film / compound semiconductor laminated structure on an elemental semiconductor substrate, which comprises at least a step of pressure-bonding a vice layer .
【請求項2】 IV族半導体基板上に III−V族化合物半
導体スペーサ層を成長する工程と、 III−V族化合物半
導体デバイス層を成長する工程と、島状に形成したマス
クパターンを用い、IV族半導体基板まで至る溝が形成さ
れるようにエッチングしてメサを形成する工程と、次工
程において III−V族化合物半導体スペーサ層のみをエ
ッチングして除去すると共にこの除去領域を空隙部とす
ることができるように、化合物半導体層の積層体の表面
に支持膜を選択的に形成する工程と、 III−V族化合物
半導体スペーサ層のみをエッチングして除去すると共に
この除去領域を空隙部とする工程と、異方性スパッタ法
を用いて空隙部の内部表面を除いた化合物半導体層の積
層体の全面に絶縁体膜を形成する工程と、気相堆積法を
用いて空隙部の内部表面にIn系金属層を選択的に形成
する工程と、In系金属層を介してIV族半導体基板と I
II−V族化合物半導体デバイス層とを圧着する工程とを
少なくとも有することを特徴とする元素半導体基板上の
金属膜/化合物半導体積層構造の製造方法。
2. A step of growing a group III-V compound semiconductor spacer layer on a group IV semiconductor substrate, a step of growing a group III-V compound semiconductor device layer, and a mask pattern formed in an island shape, IV A groove extending to the group semiconductor substrate is formed.
Forming a mesa by etching as the following Engineering
Only the III-V compound semiconductor spacer layer is
And remove this area to make a void.
Surface of the compound semiconductor layer stack so that
Selectively forming a support film on the substrate, and a III-V group compound
While removing only the semiconductor spacer layer by etching
This removal region is used as a void portion, a step of forming an insulator film on the entire surface of the compound semiconductor layer stack excluding the inner surface of the void portion using an anisotropic sputtering method, and a vapor deposition method are used. A step of selectively forming an In-based metal layer on the inner surface of the cavity using the group IV semiconductor substrate and an I- based metal substrate through the In- based metal layer.
A method for manufacturing a metal film / compound semiconductor laminated structure on an elemental semiconductor substrate, which comprises at least a step of pressure-bonding a II-V group compound semiconductor device layer .
【請求項3】 In系金属層を形成する方法が、空隙部
内部表面にまず金属拡散バリヤ層を気相堆積法を用い
て選択的に形成し、その後にIn系金属層を気相堆積法
を用いて選択的に形成することを特徴とする請求項1ま
たは2記載の元素半導体基板上の金属膜/化合物半導体
積層構造の製造方法。
3. A method for forming an In-based metal layer is a void portion.
First, a metal diffusion barrier layer is selectively formed on the inner surface of the substrate using a vapor deposition method, and then an In-based metal layer is vapor deposited.
Selectively forming method for producing a metal film / the compound semiconductor multilayer structure on elemental semiconductor substrate according to claim 1, wherein that the using.
【請求項4】 圧着する工程において、In系金属層を
融点以上に保持するか、またはIn系金属層に超音波振
動を与えるか、またはこれらの手段を併用することで
系金属層を溶融することを特徴とする請求項1または
2または3記載の元素半導体基板上の金属膜/化合物半
導体積層構造の製造方法。
4. A process of crimping, or hold the In-based metal layer above its melting point, or to ultrasonic vibrations in an In-based metal layer, or by a combination of these means I
4. The method for producing a metal film / compound semiconductor laminated structure on an elemental semiconductor substrate according to claim 1, wherein the n- based metal layer is melted .
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