JP2711475B2 - 選択エピタキシャル成長法 - Google Patents

選択エピタキシャル成長法

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、GaAs(砒化ガリウム)等のIII−V族化合
物半導体領域上への選択的エピタキシャル成長法に関す
る。
従来技術と発明が解決しようとする課題 化合物半導体領域上にマスクを用いて半導体エピタキ
シャル層を選択的に成長させる場合、従来はマスクとし
てシリコン酸化物やシリコン窒化物が用いられている。
これらのマスク材料層の形成は、化合物半導体領域への
悪影響(主として表面領域から構成元素が離脱して表面
領域が変質すること)を最小限するために、プラズマCV
Dや光CVDといった低温成長技術を利用する。また、エピ
タキシャル成長させる箇所に開口を形成するために、フ
ォトレジストを用いるフォトリソグラフィ工程(フォト
レジスト膜の形成・露光・現像、マスク材料層のエッチ
ング、フォトレジスト膜の除去)を行う。高精細度のパ
ターンニングを行うには、マスク材料はできるだけ薄く
形成するとともに、高精度フォトリソグラフィ工程を採
用する必要がある。
エピタキシャル成長後にマスク材料層を除去する必要
がある場合は、化合物半導体領域(基板)及び半導体エ
ピタキシャル層に悪影響を与えないようにマスク材料層
を選択的にエッチング除去する必要がある。フォトリソ
グラフィ工程における開口形成のためのマスク材料層の
エッチングについても同様である。
選択エピタキシャル成長法の応用分野の1つとして量
子細線構造の作成があり、近年、新機能素子を実現すべ
く精力的に研究が進められている。この場合、エピタキ
シャル成長の厚みは原子層数を制御するレベルの極めて
薄いものとなるとともに、エピタキシャル成長の平面パ
ターンも極微細パターンとなる。しかも、加工損傷の少
ない極微細構造を実現しなければならない。また、1回
目の選択エピタキシャル成長で結晶成長させなかった領
域に2回目の選択エピタキシャル成長で1回目とは異な
る結晶を成長させるといった工程となる場合が多い。こ
のため、マスクを用いた選択エピタキシャル成長を採用
する場合は、2回目の選択エピタキシャル成長のために
1回目の選択エピタキシャル成長のマスクを除去する工
程が必要となる。
ところで、量子細線構造の作成に上記従来のマスクを
用いた選択エピタキシャル成長を採用するのは現状では
困難である。すなわち、量子細線構造に必要となる極微
細のマスクパターン(例えば200Å幅のマスク)を実現
するのが困難である。また、マスク材料層の形成・除去
及びマスク材料層への開口の形成の過程で、半導体結晶
に加工損傷を与え易いという問題もある。このように、
マスクを使用する方法で極微細パターンのエピタキシャ
ル成長を行うには、マスク材料の選定と、その微少領域
限定性に問題があった。
極微細パターンのエピタキシャル成長を行う方法とし
て、局所的に光照射などによって励起エネルギーを与え
ることにより局所的に化学反応を限定する方法が知られ
ている。しかし、エピタキシャル成長を行っている間、
持続的に、かつ位置の狂いが生じないように励起を行う
必要があり、これが非常に難しい問題である。
そこで本発明の目的は、半導体結晶に加工損傷を与え
ることが少なく、かつ極微細パターンの結晶成長が可能
な選択エピタキシャル成長法を実現することにある。
課題を解決するための手段 本発明による選択エピタキシャル成長法は、III−V
族化合物半導体からなる半導体領域の表面に半導体領域
の構成元素に結合されたS(硫黄)原子からなるSの薄
層を形成し、Sの薄層の所定部分に電磁波または粒子線
を照射して、所定部分からS原子を離脱させることによ
りSの薄層に開口を形成し、開口を有するSの薄層をエ
ピタキシャル成長のマスクとして、開口に露出する半導
体領域上に半導体エピタキシャル層を形成する。
作用 Sの薄層は、エピタキシャル成長可能な温度領域でも
安定である。エピタキシャル成長を行うと、Sの薄層は
マスクとして機能し、選択エピタキシャル成長が行われ
る。すなわち、エピタキシャル成長に関与する分子は、
Sの薄層で被覆されている部分には化学吸着せず、開口
の部分のみに選択的に化学吸着する。したがって、開口
の部分のみでエピタキシャル結晶成長が進行する。
Sの薄層は、フォトレジストのように電磁波(光、X
線など)及び粒子線(電子線、イオン線など)に対して
感応する性質を有するので、従来のフォトレジストとマ
スク材料層の両方を兼ね備えたようなものである。しか
も、Sの薄層は、半導体領域の構成元素に結合されたS
原子から成るものであるから、極限的に薄い膜になる。
したがって、Sの薄層への開口は、開口を形成したい部
分への電磁波または粒子線の照射によって、極めて高精
細度パターンに形成できる。しかもこのとき、半導体結
晶に与える損傷は少なく、かつ工程数の面でも簡素化さ
れる。Sの薄層の形成・除去も、半導体結晶に与える損
傷の少ない方法で容易かつ簡単に行うことができる。
実施例 1 本発明による選択エピタキシャル成長法の実施例を第
1図(A)〜(E)に基づいて説明する。
まず、第1図(A)に示すように、(001)面のGaAs
からなる半導体領域2を有する半導体基板1を用意す
る。半導体基板1をH2SO4(硫酸)−H2O2(過酸化水
素)−H2O(水)から成る混合溶液で軽くエッチングし
て清浄化した上で、50%HF(弗酸)溶液で処理する。こ
れにより、半導体領域2の表面は、Ga(ガリウム)がHF
溶液中に溶け出し、半導体領域2をAs(砒素)酸化物層
(下層)及びAs層(上層)が被覆した状態となる。次に
真空中で480℃30分間の熱処理を行う。これにより、半
導体領域2の表面は、As酸化物及びAs層が除去されてGa
面となる。
次に、第1図(B)に示すように、半導体領域2の表
面にS(硫黄)を極めて薄く真空蒸着する。さらに真空
中で480℃30分間の熱処理を行う。この結果、真空蒸着
されたSの多くは離散して、半導体領域2の表面にSの
薄層3が形成される。Sの薄層3は、半導体領域2の表
面の構成元素(この場合はGa)に結合(化学吸着)され
たS原子から成るもので、単原子層ないし2原子層レベ
ルの極限的な薄さの薄層である。Sの薄層3は、あまり
高温の熱処理を行うと半導体領域2から離散してしまう
が、500℃以下の熱処理に対しては安定である。
続いて、所定パターンを描くように電子ビームをSの
薄層3に照射する。電子ビームが照射された部分では、
S原子が離脱して、第1図(C)に示すように、開口4
を有するSの薄層3aが形成される。電子ビームが開口4
の部分のみに照射されるように走査する直接描画法を用
いているので、Sの薄層が極限的に薄いためにパターン
エッジが鋭く描画されることも手伝って、極めて高精細
度にパターニングできる。
その後、第1図(D)に示すように、GaAsの気相エピ
タキシャル成長を行う。ここでは、Sの薄層3aの解離を
防止するとともに、良好な成長界面を形成するために、
低温成長が可能な公知のマイグレーシヨン・エンハンス
ト・エピタキシ法(MEE法)を採用した。すなわち、半
導体基板1を真空中で480℃に維持して、Asを含む分子
とGaを含む分子を交互に半導体基板1上に供給し、例え
ば8分子層のGaAsエピタキシャル層5を成長させる。エ
ピタキシャル層5はSの薄層3a上には形成されず、選択
エピタキシャル成長となる。
最後に、第1図(E)に示すように、半導体基板1を
真空中で480℃に維持して紫外線を半導体基板1の表面
全体に照射すると、S原子が半導体領域2から離脱して
Sの薄層3aが除去される。
なお、量子細線デバイスを作成する場合であれば、S
の薄層3aで被覆されていた半導体領域2の表面に、例え
ばAlAs(砒化アルミニウム)を成長させることになる。
この場合には、第1図(B)〜(D)の工程に準じて、
Sの薄層の形成、開口の形成、AlAsの選択エピタキシャ
ル成長を繰り返す。Sの薄層は表面安定化膜としても良
好なものであるから、最終的にSの薄層が残存してもよ
い。
実施例 2 第1図(B)におけるSの薄層3の形成を硫化物溶液
処理により行った例であり、他は実施例1と全く同じで
ある。したがって、図示と符号は実施例1と共通する。
まず、Ga面を露出させる処理までを行った第1図
(A)の半導体基板1を用意する。
次に、半導体基板1を室温に保持した濃度1規定の硫
化アルミニウム溶液に浸漬する。浸漬時間は数秒以上で
あればよい。硫化アンモニウムは、化学式:(NH42S
で表わされる標準化合物に対してSを過剰に含むもの
で、化学式:(NH42Sx(x>1)で表わされるもので
ある。半導体基板1を硫化アンモニウム溶液から取出し
て、GaAs領域2の表面にN2ガスを吹き付け、付着してい
る溶液をほとんど除去する。この結果、GaAs領域2の表
面には、約100Åの厚さを有しかつSを主成分とするア
モルファス状の被膜が形成される。続いて、半導体基板
1を真空中に約30分間放置すると、この被膜はほとんど
消失し、第1図(B)に示すように、単原子層ないし2
原子層レベルのSの薄膜3が形成される。なお、硫化ア
ンモニウム溶液に浸漬した後に、この溶液を純水で急激
に薄めると、真空放置を行わなくてもSの薄層3が形成
される。硫化アンモニウム溶液浸漬の代りにSを含んだ
アルカリ性溶液やSを含んだ有機溶媒への浸漬でもSの
薄層3を形成することができる。
Sの薄層3への開口4の形成及びその後の工程は、第
1図(B)〜(E)に基づいて実施例1で説明した方法
と同一であるので、その説明を省略する。
変 形 例 本発明は前記実施例に限られることなくその趣旨の範
囲で種々の変形応用が可能である。
例えば、半導体領域2を構成する半導体材料は、GaAs
に限らず、他のIII−V族化合物半導体でもよい。ただ
し、GaとSの結合力が強いので、GaAs、GaAlAs(砒化ガ
リウム・アルミニウム)、GaAsP(砒化燐化ガリウ
ム)、GaP(燐化ガリウム)等のGaを1主成分とするIII
−V族化合物半導体の場合に、本発明は特に有効であ
る。エピタキシャル層5を構成する半導体材料も、GaAs
に限らず、半導体領域2の上にSの薄層3の解離を起こ
さない温度でエピタキシャル成長可能な半導体であれば
何でもよい。通常、エピタキシャル層5を構成する半導
体材料もIII−V族化合物半導体の中から選択される。
Sの薄層3の形成は、真空蒸着に代表される物理的被着
法を選んでもよいし、Sを含む溶液に接触させる処理に
代表される化学的被着法を選んでもよい。半導体領域2
がGaを1主成分とするIII−V族化合物半導体である場
合、GaとSの結合が安定しているので、Sの薄層3の形
成に先立って半導体領域2の表面にGa原子が多く露出す
るような処理(実施例1、2のHF処理とその後の真空熱
処理)を行うとSの薄層3の高温安定性が良好になる。
しかし、熱処理の温度に注意してこの温度を低目に設定
すれば、この処理は省略できる。開口4の形成において
は、紫外線レーザによる干渉露光法等の露光マスクを用
いない直接描画法を利用してもよいし、露光マスクを用
いた描画法でもよい。ただし、超高精細度パターンを描
画するには、現状では電子ビーム照射による直接描画法
を選択することになる。Sの薄層3aの除去は、紫外線照
射と熱処理を併用するのが簡便であるが、他の電磁波ま
たは粒子線の照射を利用してもよいし、状況によっては
熱処理のみによってS原子を離脱させる方法としてもよ
い。エピタキシャル成長法は、比較的低温成長が可能な
方法、例えばMBE法(分子線エピタキシャル成長法;前
述のMEE法はMBE法の1種)やMOCVD法(有機金属熱分解
法)を適宜採用することになる。
発明の効果 以上のように、本発明は、マスクを用いる選択エピタ
キシャル成長法の新しい1方法を提供するものであり、
特に、超高精細度パターンの選択エピタキシャル成長が
可能である。したがって、量子細線デバイス等の極微細
構造を有する化合物半導体素子の作成に適用して好適で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による選択エピタキシャル成長法の実施
例を示す工程図であり、(A)は半導体基板の断面図、
(B)はSを真空蒸着した状態を示す断面図、(C)は
電子ビームによりSの薄層に所定パターンを描いた状態
を示す断面図、(D)はGaAsの気相エピタキシャル成長
を行った状態を示す断面図、(E)はSの薄層を除去し
た状態を示す断面図である。 1……半導体基板、2……半導体領域、3、3a……Sの
薄層、4……開口、5……エピタキシャル層、

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】III−V族化合物半導体からなる半導体領
    域の表面に該半導体領域の構成元素に結合されたS(硫
    黄)原子からなるSの薄層を形成し、 該Sの薄層の所定部分に電磁波または粒子線を照射し
    て、前記所定部分から前記S原子を離脱させることによ
    り前記Sの薄層に開口を形成し、 前記開口を有する前記Sの薄層をエピタキシャル成長の
    マスクとして、前記開口に露出する前記半導体領域上に
    半導体エピタキシャル層を形成することを特徴とする選
    択エピタキシャル成長法。
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