JP3668802B2 - 原子層成長による薄膜形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス等を構成する量子細線および量子箱を形成するのに利用される原子層成長による薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体結晶中の電子の波長以下の大きさ（数十ｎｍ程度）を有する微細構造いわゆる量子細線および量子箱では、内部に閉じ込められた電子による量子効果が現れることが知られており、このような現象を利用した半導体デバイス等の開発が行われている。
【０００３】
このような量子細線および量子箱を形成する方法としては、成長速度の面方位依存性を用いて結晶成長を行うＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）による方法が知られている。この方法では、化学的エッチング等の基板加工によって基板上にＶ字状の凹部を形成すること等により、結晶成長前に基板面に複数の面方位を出し、この後ＭＯＶＰＥ成長によって所望の面に選択的に薄膜を形成する。なお、ＭＯＶＰＥ成長では、例えばＧａＡｓ膜を形成する場合、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを含む原料ガスを同時に供給して気相中で反応を生じさせる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のＭＯＶＰＥによる方法では、面方位に対する成長速度の差をあまり大きくすることができず、理想的な量子細線および量子箱を作成するような形状制御を行うことが困難であるという問題があった。また、ＭＯＶＰＥによる方法では、非結晶成長部位から結晶成長部位に未反応の原料ガスが流れてくるため、特にこれらの部位の境界部分において異常成長が生じ易く、その制御が困難であるという問題もある。
【０００５】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、面方位による成長速度の差を大きくすることができるとともに異常成長の発生等がなく、従来に較べて形状制御性を向上させることができる原子層成長による薄膜形成方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の原子層成長による薄膜形成方法は、面方位の異なる複数の結晶面を有する基板の前記結晶面に選択的に薄膜を形成するにあたり、それぞれ薄膜を構成する異なった原料物質を含む少なくとも２種類の原料ガスを所定の時間間隔を設けて交互に供給するとともに、成長温度を前記複数の結晶面のうち所望の１つの結晶面にのみ選択的に原子層成長が行われる温度に設定して、前記複数の結晶面のうち所望の１つの結晶面にのみ原子層成長により選択的に薄膜を形成することを特徴とする。また、本発明の原子層成長による薄膜形成方法では、前記薄膜がＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる積層構造であることを特徴とする。
【０００７】
本発明者等は、例えば、ＧａＡｓ膜を形成する場合、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを含む原料ガスとを交互に供給し、１原子層単位で薄膜を形成する原子層成長（ＡＬＥ）に係る技術の研究を従来から行っており、この結果次のような知見を得ることができた。
【０００８】
すなわち、原子層成長においては、面方位による化学結合手の数の違いに起因して、原子吸着（または吸着後の離脱）の面方位依存性があり、これを利用することにより面方位に対する成長速度の差を大きくすることができ、結晶の面方位選択成長が可能となる。
【０００９】
ここで、縦軸を結晶成長速度、横軸を成長温度とした図２のグラフは、ＧａＡｓ−ＡＬＥ成長における成長温度に対する成長速度の面方位依存性を示したものである。同図に示すように、ＧａＡｓ（１００）面で原子層成長が実現されている温度領域５３０〜５７０℃において、５６０℃以上の温度では（１１１）Ａ面および（１１０）面の成長速度がゼロになる。
【００１０】
そこで、本発明方法では、原子層成長が選択的に行われる成長温度、例えば、ＧａＡｓ膜の場合上述した５６０℃以上、で原子層成長を行い、所望の結晶面、例えば（１００）面に選択的に薄膜を形成する。
【００１１】
本発明方法では、成長温度のみでなく、例えば、原料ガス供給と原料ガス供給との間の時間間隔を長くすれば、この間に原子吸着後の離脱が進み、面方位に対する成長速度の差を大きくすることができる。
【００１２】
また、原子層成長では、例えば、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを含む原料ガス等を交互に供給すると１回の原料供給サイクル当たり、１原子層だけ薄膜が形成されるため、未反応の原料ガスが薄膜形成部位に余分に供給されても異常成長が起きない。このため、ＭＯＶＰＥによる方法では異常成長によって形状制御が困難であった形、例えば、矩形状の凹部内へ成膜して量子細線および量子箱を形成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に用いた装置の構成を示すもので、同図において符号１は２重管構造の真空容器を示している。この真空容器１内には、カーボン製のサセプタ２が設けられており、このサセプタ２上に基板３を載置し、真空容器１の外部に設けられたランプ４によってサセプタ２の裏面側から基板３を所定温度に加熱することができるよう構成されている。
【００１５】
また、真空容器１の一端には、それぞれ図示しない所定の原料ガス供給源から原料ガスを供給する原料ガス供給配管５が、真空容器１の他端近傍には排気配管６が接続されており、これらの原料ガス供給配管５および排気配管６によって、真空容器１内に所望の原料ガスを流通させることができるよう構成されている。なお、各原料ガス供給配管５には、バルブ７が介挿されており、所望のタイミングで原料ガスの切り替えを行うことができるようになっている。
【００１６】
本実施形態では、図３に示すように、予め化学エッチングにより基板（ＧａＡｓ基板）３上に断面Ｖ字状の凹部を形成し、基板表面に（１１１）Ａ面（図中傾斜面）を出し、この基板３を真空容器１内のサセプタ２上に載置し、ランプ６でこの基板３を５６０℃に加熱しつつバルブ７を開閉し、以下のようにして基板３の凹部内に、原子層成長によってＡｌＧａＡｓ膜とＧａＡｓ膜を交互に形成し、量子細線構造を形成した。
【００１７】
各原料ガスは、Ａｌの原料ガスがＤＭＡＨ（ジメチルアルミハイドライド）、Ｇａの原料ガスがＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｓの原料ガスがＡｓＨ3 であり、キャリアガスとしてＨ2 ガスを用いた。各原料ガスの供給は、図４に示すように、ＤＭＡＨおよびＴＭＧの１回の供給時間が２秒、ＡｓＨ3 の１回の供給時間が１秒、ガス供給とガス供給との間の間隔が１秒となるようバルブ７を開閉して行った。この時のガス供給量は、ＤＭＡＨおよびＴＭＧの場合が１０-7mol/cycle 、ＡｓＨ3 の場合が１０-5mol/cycle である。
【００１８】
このようにして原子層成長を行った基板３を電子顕微鏡で観察したところ、図５に示すように、（１００）面に対して、高い選択性で成膜を行うことができ、量子細線構造を得ることができた。
【００１９】
なお上記実施例において、例えば、原料ガス供給と原料ガス供給との間の時間間隔を長くすれば、この間に原子吸着後の離脱が進み、面方位に対する成長速度の差をさらに大きくすることができる。
【００２０】
また、上記実施例では、断面Ｖ字状の凹部内に量子細線構造を形成したが、図６に示すように、断面矩形上の凹部内に量子細線構造を形成することもできる。この場合、例えば電子ビームリソグラフィー等によっても、幅５０ｎｍ程度の溝しか形成することができないので、まず、電子ビームリソグラフィー等によって基板２０に幅５０ｎｍ程度の矩形状の溝２１を形成する（ａ）。
【００２１】
次に、比較的低温（５３０℃程度）で、主として横方向（１１０）面に、原子層成長によってＡｌＧａＡｓ膜２２等を形成して溝２１の幅を、量子細線となる１０ｎｍ程度にまで狭める（ｂ）。
【００２２】
この後、上述した実施例と同様に、高温（５６０℃程度）で（１００）面に選択的にＧａＡｓ膜２３、ＡｌＧａＡｓ膜２２等を形成して量子細線構造を形成することができる（ｃ）。
【００２３】
また、このようにして、断面矩形状の井戸型の凹部内に、量子箱構造を形成することもできる。なお、このような矩形溝内に量子細線等を形成する場合、従来のＭＯＶＰＥによる方法では異常成長が生じてしまい、その形状制御が困難であった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の原子層成長による薄膜形成方法によれば、面方位による成長速度の差を大きくすることができるとともに異常成長の発生等がなく、従来に較べて形状制御性を向上させることができる。これによって、良好な形状の量子細線および量子箱を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に用いた装置の構成を示す図。
【図２】成長温度に対する成長速度の面方位依存性を示す図。
【図３】基板面の状態を拡大して示す図。
【図４】原料ガス供給のタイミングを説明するための図。
【図５】実施形態における原子層成長の結果を模式的に示す図。
【図６】断面矩形状の凹部内に量子細線を形成する手順を説明するための図。
【符号の説明】
１……真空容器、２……サセプタ、３……基板、４……ランプ、５……原料ガス供給配管、６……排気配管、７……バルブ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス等を構成する量子細線および量子箱を形成するのに利用される原子層成長による薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体結晶中の電子の波長以下の大きさ（数十ｎｍ程度）を有する微細構造いわゆる量子細線および量子箱では、内部に閉じ込められた電子による量子効果が現れることが知られており、このような現象を利用した半導体デバイス等の開発が行われている。
【０００３】
このような量子細線および量子箱を形成する方法としては、成長速度の面方位依存性を用いて結晶成長を行うＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）による方法が知られている。この方法では、化学的エッチング等の基板加工によって基板上にＶ字状の凹部を形成すること等により、結晶成長前に基板面に複数の面方位を出し、この後ＭＯＶＰＥ成長によって所望の面に選択的に薄膜を形成する。なお、ＭＯＶＰＥ成長では、例えばＧａＡｓ膜を形成する場合、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを含む原料ガスを同時に供給して気相中で反応を生じさせる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のＭＯＶＰＥによる方法では、面方位に対する成長速度の差をあまり大きくすることができず、理想的な量子細線および量子箱を作成するような形状制御を行うことが困難であるという問題があった。また、ＭＯＶＰＥによる方法では、非結晶成長部位から結晶成長部位に未反応の原料ガスが流れてくるため、特にこれらの部位の境界部分において異常成長が生じ易く、その制御が困難であるという問題もある。
【０００５】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、面方位による成長速度の差を大きくすることができるとともに異常成長の発生等がなく、従来に較べて形状制御性を向上させることができる原子層成長による薄膜形成方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の原子層成長による薄膜形成方法は、面方位の異なる複数の結晶面を有する基板の前記結晶面に選択的に薄膜を形成するにあたり、それぞれ薄膜を構成する異なった原料物質を含む少なくとも２種類の原料ガスを所定の時間間隔を設けて交互に供給するとともに、成長温度を前記複数の結晶面のうち所望の１つの結晶面にのみ選択的に原子層成長が行われる温度に設定して、前記複数の結晶面のうち所望の１つの結晶面にのみ原子層成長により選択的に薄膜を形成することを特徴とする。また、本発明の原子層成長による薄膜形成方法では、前記薄膜がＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる積層構造であることを特徴とする。
【０００７】
本発明者等は、例えば、ＧａＡｓ膜を形成する場合、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを含む原料ガスとを交互に供給し、１原子層単位で薄膜を形成する原子層成長（ＡＬＥ）に係る技術の研究を従来から行っており、この結果次のような知見を得ることができた。
【０００８】
すなわち、原子層成長においては、面方位による化学結合手の数の違いに起因して、原子吸着（または吸着後の離脱）の面方位依存性があり、これを利用することにより面方位に対する成長速度の差を大きくすることができ、結晶の面方位選択成長が可能となる。
【０００９】
ここで、縦軸を結晶成長速度、横軸を成長温度とした図２のグラフは、ＧａＡｓ−ＡＬＥ成長における成長温度に対する成長速度の面方位依存性を示したものである。同図に示すように、ＧａＡｓ（１００）面で原子層成長が実現されている温度領域５３０〜５７０℃において、５６０℃以上の温度では（１１１）Ａ面および（１１０）面の成長速度がゼロになる。
【００１０】
そこで、本発明方法では、原子層成長が選択的に行われる成長温度、例えば、ＧａＡｓ膜の場合上述した５６０℃以上、で原子層成長を行い、所望の結晶面、例えば（１００）面に選択的に薄膜を形成する。
【００１１】
本発明方法では、成長温度のみでなく、例えば、原料ガス供給と原料ガス供給との間の時間間隔を長くすれば、この間に原子吸着後の離脱が進み、面方位に対する成長速度の差を大きくすることができる。
【００１２】
また、原子層成長では、例えば、Ｇａを含む原料ガスとＡｓを含む原料ガス等を交互に供給すると１回の原料供給サイクル当たり、１原子層だけ薄膜が形成されるため、未反応の原料ガスが薄膜形成部位に余分に供給されても異常成長が起きない。このため、ＭＯＶＰＥによる方法では異常成長によって形状制御が困難であった形、例えば、矩形状の凹部内へ成膜して量子細線および量子箱を形成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に用いた装置の構成を示すもので、同図において符号１は２重管構造の真空容器を示している。この真空容器１内には、カーボン製のサセプタ２が設けられており、このサセプタ２上に基板３を載置し、真空容器１の外部に設けられたランプ４によってサセプタ２の裏面側から基板３を所定温度に加熱することができるよう構成されている。
【００１５】
また、真空容器１の一端には、それぞれ図示しない所定の原料ガス供給源から原料ガスを供給する原料ガス供給配管５が、真空容器１の他端近傍には排気配管６が接続されており、これらの原料ガス供給配管５および排気配管６によって、真空容器１内に所望の原料ガスを流通させることができるよう構成されている。なお、各原料ガス供給配管５には、バルブ７が介挿されており、所望のタイミングで原料ガスの切り替えを行うことができるようになっている。
【００１６】
本実施形態では、図３に示すように、予め化学エッチングにより基板（ＧａＡｓ基板）３上に断面Ｖ字状の凹部を形成し、基板表面に（１１１）Ａ面（図中傾斜面）を出し、この基板３を真空容器１内のサセプタ２上に載置し、ランプ６でこの基板３を５６０℃に加熱しつつバルブ７を開閉し、以下のようにして基板３の凹部内に、原子層成長によってＡｌＧａＡｓ膜とＧａＡｓ膜を交互に形成し、量子細線構造を形成した。
【００１７】
各原料ガスは、Ａｌの原料ガスがＤＭＡＨ（ジメチルアルミハイドライド）、Ｇａの原料ガスがＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｓの原料ガスがＡｓＨ3 であり、キャリアガスとしてＨ2 ガスを用いた。各原料ガスの供給は、図４に示すように、ＤＭＡＨおよびＴＭＧの１回の供給時間が２秒、ＡｓＨ3 の１回の供給時間が１秒、ガス供給とガス供給との間の間隔が１秒となるようバルブ７を開閉して行った。この時のガス供給量は、ＤＭＡＨおよびＴＭＧの場合が１０-7mol/cycle 、ＡｓＨ3 の場合が１０-5mol/cycle である。
【００１８】
このようにして原子層成長を行った基板３を電子顕微鏡で観察したところ、図５に示すように、（１００）面に対して、高い選択性で成膜を行うことができ、量子細線構造を得ることができた。
【００１９】
なお上記実施例において、例えば、原料ガス供給と原料ガス供給との間の時間間隔を長くすれば、この間に原子吸着後の離脱が進み、面方位に対する成長速度の差をさらに大きくすることができる。
【００２０】
また、上記実施例では、断面Ｖ字状の凹部内に量子細線構造を形成したが、図６に示すように、断面矩形上の凹部内に量子細線構造を形成することもできる。この場合、例えば電子ビームリソグラフィー等によっても、幅５０ｎｍ程度の溝しか形成することができないので、まず、電子ビームリソグラフィー等によって基板２０に幅５０ｎｍ程度の矩形状の溝２１を形成する（ａ）。
【００２１】
次に、比較的低温（５３０℃程度）で、主として横方向（１１０）面に、原子層成長によってＡｌＧａＡｓ膜２２等を形成して溝２１の幅を、量子細線となる１０ｎｍ程度にまで狭める（ｂ）。
【００２２】
この後、上述した実施例と同様に、高温（５６０℃程度）で（１００）面に選択的にＧａＡｓ膜２３、ＡｌＧａＡｓ膜２２等を形成して量子細線構造を形成することができる（ｃ）。
【００２３】
また、このようにして、断面矩形状の井戸型の凹部内に、量子箱構造を形成することもできる。なお、このような矩形溝内に量子細線等を形成する場合、従来のＭＯＶＰＥによる方法では異常成長が生じてしまい、その形状制御が困難であった。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の原子層成長による薄膜形成方法によれば、面方位による成長速度の差を大きくすることができるとともに異常成長の発生等がなく、従来に較べて形状制御性を向上させることができる。これによって、良好な形状の量子細線および量子箱を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に用いた装置の構成を示す図。
【図２】成長温度に対する成長速度の面方位依存性を示す図。
【図３】基板面の状態を拡大して示す図。
【図４】原料ガス供給のタイミングを説明するための図。
【図５】実施形態における原子層成長の結果を模式的に示す図。
【図６】断面矩形状の凹部内に量子細線を形成する手順を説明するための図。
【符号の説明】
１……真空容器、２……サセプタ、３……基板、４……ランプ、５……原料ガス供給配管、６……排気配管、７……バルブ。
Claims (2)
- 面方位の異なる複数の結晶面を有する基板の前記結晶面に選択的に薄膜を形成するにあたり、それぞれ薄膜を構成する異なった原料物質を含む少なくとも２種類の原料ガスを所定の時間間隔を設けて交互に供給するとともに、成長温度を前記複数の結晶面のうち所望の１つの結晶面にのみ選択的に原子層成長が行われる温度に設定して、前記複数の結晶面のうち所望の１つの結晶面にのみ原子層成長により選択的に薄膜を形成することを特徴とする原子層成長による薄膜形成方法。
- 請求項１記載の原子層成長による薄膜形成方法において、
前記薄膜はＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる積層構造であることを特徴とする原子層成長による薄膜形成方法。
Priority Applications (1)
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| JP2002187362A JP3668802B2 (ja) | 2002-06-27 | 2002-06-27 | 原子層成長による薄膜形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002187362A JP3668802B2 (ja) | 2002-06-27 | 2002-06-27 | 原子層成長による薄膜形成方法 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24371192A Division JP3335671B2 (ja) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | 原子層成長による量子細線および量子箱の形成方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003051450A JP2003051450A (ja) | 2003-02-21 |
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2002
- 2002-06-27 JP JP2002187362A patent/JP3668802B2/ja not_active Expired - Fee Related
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