JP4673198B2 - 選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、下地基板上に半導体層を選択エピタキシャル成長させるために用いるマスクの形成方法に関する。

半導体薄膜の選択エピタキシャル成長は、量子細線、量子箱、光集積素子等の製造方法に用いられる他、エピタキシャル成長層の結晶性向上方法としても注目され、広く研究が行われている。選択エピタキシャル成長のためには下地基板上にそのためのマスクを形成しておく必要があり、従来においては、酸化シリコン系のマスクをフォトリソグラフィー法により下地基板上に形成している。

図５は、従来方法によるマスクの形成工程を示すもので、基板あるいは基板上にエピタキシャル成長した膜などを形成して成る下地基板１０１を用意し（図５（Ａ））、下地基板１０１上に蒸着法や化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によりマスクとなる酸化シリコン系のマスク用膜１０２を製膜する（図５（Ｂ））。そしてマスク用膜１０２上にレジスト材料を塗布してレジスト膜１０３を形成し（図５（Ｃ））、フォトリソグラフィーにより露光、現像し、所要のパターンのフォトレジストマスク１０４を形成する（図５（Ｄ））。こうして出来たフォトレジストマスク１０４を用いてマスク用膜１０２をエッチングし（図５（Ｅ））、フォトレジストマスク１０４を除去することにより、ようやく所定のパターンを有する選択エピタキシャル成長用のマスクを形成することができる（図５（Ｆ））。

しかしながら、このような従来方法では選択エピタキシャル成長用マスクの形成のために複雑なプロセスを必要とすることから、製造コストが増大し、また複数の工程を経ることから歩留まりが下がるという問題があった。

本発明の目的は、下地基板表面上に選択エピタキシャル成長用マスクを簡便な方法で形成する方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、選択エピタキシャル成長用マスクの形成のための方法について鋭意検討した結果、下地基板表面に無機粒子を配置するという簡便な工程を採用することで選択エピタキシャル成長用のマスクを形成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

本発明の特徴は、下地基板表面に無機粒子を配置する工程を採用することにより、選択エピタキシャル成長用マスクを簡便に形成するようにした点にある。

請求項１の発明によれば、選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法であって、下地基板を用意する工程と、無機粒子を媒体に分散させたスラリーをスピンコートすることにより該無機粒子を前記下地基板の表面に配置する工程と、前記無機粒子を乾燥することに
より選択エピタキシャル成長用マスクとする工程とを有することを特徴とする選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法が提案される。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記無機粒子が酸化物粒子である選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法が提案される。

請求項３の発明によれば、請求項２の発明において、前記無機粒子がシリカ、ジルコニア、チタニアからなる群より選ばれる１種以上の粒子である選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法が提案される。

請求項４の発明によれば、請求項１、２又は３の発明において、前記無機粒子の粒径が２０ｎｍ〜１μｍである選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法が提案される。

請求項５の発明によれば、請求項１、２、３又は４の発明において、前記無機粒子の粒子形状が球状である選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法が提案される。

請求項６の発明によれば、請求項１、２、３、４又は５の発明において、前記下地基板がサファイア、ＳｉＣ、又はＳｉのいずれかである選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法が提案される。

本発明の選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法によれば、レジスト露光等の工程を要することなく簡単な工程でエピタキシャル成長用マスクを形成することができ、本発明は工業的に極めて重要である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳しく説明する。

図１は、本発明による選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法の一実施形態を説明するための工程図であり、図１を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

先ず、図１の（Ａ）に示されるように成長用基板（下地基板）１を用意する。しかる後、この成長用基板１の表面１Ａ上に無機粒子２を配置する（図１の（Ｂ））。

成長用基板１としては、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＺｒＢ₂ 、ＣｒＢ₂ 、または窒化ガリウムからなる基板、あるいはこれらの化合物からなる板上にエピタキシャル膜を成長させた複合体を用いることができる。エピタキシャル膜としては、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどの化合物半導体膜を用いることができる。

無機粒子２としては、酸化物からなる粒子が好ましい。より具体的には、酸化物としては、シリカ、ジルコニア、チタニアが挙げられ、シリカが好ましい。

本発明に用いる無機粒子の平均粒径は、通常５ｎｍ〜５０μｍ、好ましくは１０ｎｍ〜１０μｍ、さらに好ましくは２０ｎｍ〜１μｍである。上記平均粒径の範囲内において、粒径の異なる無機粒子を混合して用いても良い。

ここで、平均粒径とは、遠心沈降法により測定した体積平均粒径をいう。遠心沈降法以外の他の測定原理による粒度測定、例えば、動的光散乱法、コールターカウンター法、レーザー回折法、電子顕微鏡等による粒度測定を使用した場合には、遠心沈降法との較正を行うものとする。具体的には、標準となる粒子の平均粒径を遠心沈降法及び他の測定原理による粒度測定を行い、相関係数を算出する。この相関係数の算出を好ましくは粒径の異なる複数の標準粒子について実施し、遠心沈降法で求められた粒径に対する相関係数をプロットすることで較正曲線を得ることができる。この較正曲線により、他の測定原理による平均粒径を較正することができる。

無機粒子２は球状、板状、針状、不定形など任意の形状のものが使用でき、中でも球状が方向性を持たないために下地基板表面に配置しやすいのでより好ましい。このため無機粒子としては球状シリカがより好ましい。球状シリカとしては、単分散で、比較的粒径が揃ったものが容易に入手できる観点から、コロイダルシリカに含まれるシリカ粒子を用いることがより好ましい。

ここで、コロイダルシリカとは、シリカの微粒子が水等の溶媒にコロイド状に分散したものであり、珪酸ナトリウムのイオン交換や、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）等の有機珪素化合物の加水分解等により得ることができ、球状のシリカ粒子が得られやすい。

成長用基板１上に無機粒子２を配置する方法は特に限定されないが、無機粒子２を媒体に分散させたスラリーを用いて、該スラリー中へ基板を浸漬させるか、または該スラリーを成長用基板１上に塗布あるいは噴霧した後に、乾燥させる方法が好ましい方法として挙げられる。該媒体としては、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、エチレングリコール、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられ、取扱い性や容易に入手できる観点から水が好ましい。

媒体に水等の親水性溶媒を用いる場合、成長用基板１が疎水性であるとスラリーの濡れ性が悪く無機粒子が成長基板１上に付き難くなることがあるため、成長用基板１を予め酸やアルカリ等で親水化処理して濡れ性を改善しておくことも可能である。

成長用基板１の表面上に配置する無機粒子２の数は、スラリーの媒体種、スラリー中の無機粒子固形分濃度の他、浸漬法であれば引き上げ速度、スピンコート法であればスラリー流量や回転数等により、目的に応じて調整することができる。

成長用基板１の表面上に配置した無機粒子２は１層構造、即ち単粒子層構造であることが望ましい。部分的に無機粒子が２層以上重なっていてもよいが、２層以上重なるとこの後行われるエピタキシャル成長の際にエピタキシャル成長しにくくなる傾向がある。

成長用基板１上に配置した無機粒子２は乾燥させて用いる。浸漬法の場合、自然乾燥の他、スピナーにセットしてスピン乾燥させることもできる。スピンコート法であればスピンコート後にスピン乾燥させることができる。これらの乾燥の後、ホットプレート等を用いて熱処理することによりより乾燥を行うことも可能である。また、この後に行われるエピタキシャル成長の昇温過程を乾燥のための熱処理とすることも出来る。

上述の乾燥により、成長用基板１と無機粒子２とが強固に結合し、その後のエピタキシャル成長に耐えるマスクとして使用できる。成長用基板１と無機粒子２とが強固に結合する理由は必ずしも明らかではないが、無機粒子２あるいは成長用基板１の構成酸素もしくは表面酸化膜の酸素を介した結合によるものと考えられる。

このようにして成長用基板１の表面１Ａ上に無機粒子２を配置することにより、選択エピタキシャル成長用マスクの形成が完了する（図１の（Ｂ））。すなわち、成長用基板１上に配置した無機粒子２が、３−５族窒化物半導体層の成長時においてマスクとして作用し、成長用基板１の表面１Ａにおいて無機粒子２の無いところが成長領域１Ｂとなる。

次に、図１に示す工程により成長用基板１上に選択エピタキシャル成長用マスクが形成された３−５族窒化物半導体層を堆積させて３−５族窒化物半導体層を形成する工程について図２を参照しながら説明する。

無機粒子２が配置された成長用基板１を用意し（図２の（Ａ））、成長用基板１上に３−５族窒化物半導体のエピタキシャル成長方法に従い原料ガス等を供給すると、３−５族窒化物半導体は該成長領域１Ｂから成長し、３−５族窒化物半導体３が配置した無機粒子を埋め込むように成長用基板上に成長する（図２の（Ｂ））。

３−５族窒化物半導体３をさらに成長させ、さらなるエピタキシャル成長により、無機粒子２が３−５族窒化物半導体３に埋め込まれた状態となってから、３−５族窒化物半導体をさらに成長する（図２の（Ｃ））。この結果、無機粒子２が埋め込まれた状態の３−５族窒化物半導体３を成長用基板１上に形成することができる。図２の（Ｂ）、（Ｃ）に示されているように、無機粒子２を配置した成長用基板１上にファセット構造を形成しながら成長させ、次にファセット構造を埋め込んで表面を平坦化した窒化物半導体層を成長させると、高品質の結晶性が得られる。

すなわち、成長用基板１上に無機粒子２を配置した後、成長領域１Ｂでファセット構造を形成させる成長を行い（図２の（Ｂ））、この後、横方向成長を促進させることにより該ファセット構造を埋め込んで平坦化させて３−５族窒化物半導体層を成長させれば（図２の（Ｃ））、ファセットまで到達した転位は横方向に曲げられるため、無機粒子２を窒化物半導体３内に埋没させて配することができ、このとき、結晶欠陥を大幅に減らせる。

３−５族窒化物半導体３のエピタキシャル成長方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などが挙げられる。

以下、本発明の実施例につき説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１
成長用基板はサファイアのＣ面を鏡面研磨したものを用いた。無機粒子としてはコロイダルシリカ（扶桑化学工業(株)製、ＰＬ−２０（商品名）、平均粒径３７０ｎｍ、水媒体、固形分濃度２４重量％）に含まれている球状シリカ粒子を用いた。スピナーに成長用基板をセットし、その上にコロイダルシリカを塗布し、スピンコートを行い乾燥させた。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、球状シリカ粒子がサファイア基板上に単粒子層状に配置され、選択エピタキシャル成長用マスクが形成されていることが確認された（図３）。

続いて、この球状シリカ粒子をマスクにしてサファイア上に選択エピタキシャル成長を行った。エピタキシャル成長には常圧ＭＯＶＰＥ法（バレル型炉）を用いた。１気圧で、サセプタの温度を４８５℃、キャリアガスを水素とし、キャリアガス、アンモニア及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給して、厚みが約５００ÅのＧａＮバッファ層を成長した。

次に、サセプタの温度を９００℃にしたのち、キャリアガス、アンモニア、ＴＭＧを供給して、アンドープＧａＮ層を形成した。次に、サセプタ温度１０４０℃にして炉圧力を１／４気圧に落とし、キャリアガス、アンモニア及びＴＭＧを供給して厚さ約５μｍのアンドープＧａＮ層を形成した。以上のようにして、球状シリカ粒子をエピタキシャル成長マスクとしてＧａＮ層のエピタキシャル成長を行った。得られたエピタキシャル基板の断面ＳＥＭ観察を行ったところ、球状シリカ粒子はＧａＮ層内に埋め込まれており、成長前の加熱時、及び成長雰囲気においても脱落することなくサファイア基板上に配置され続け、選択エピタキシャル成長マスクとして機能していることが確認された（図４）。

実施例２
成長用基板としてサファイアのＣ面を鏡面研磨したものの上にＧａＮ層を成長させたものを用いた他は実施例１と同様にして行った。この条件においても球状シリカ粒子は脱落することなくＧａＮ層に配置され続け、選択エピタキシャル成長マスクとして機能していることが確認された。

実施例３
成長用基板としてＳｉ（１１１）基板を用いた。無機粒子としてはコロイダルシリカ（扶桑化学工業(株)製、ＰＬ−３０−ＩＰＡ（商品名）、平均粒径３７０ｎｍ、イソプロパノール媒体、固形分濃度３０重量％）に含まれている球状シリカ粒子を用いた。成長用基板表面上への無機粒子の配置は、コロイダルシリカの固形分濃度を５重量％に希釈して用いた他は実施例１と同様にして実施した。この成長用基板上に配置した球状シリカ粒子を選択エピタキシャル成長用マスクとして、ＧａＮ層のエピタキシャル成長を行った。この条件においても実施例１及び２と同様に、球状シリカ粒子は脱落することなくＧａＮ層に配置され続け、選択エピタキシャル成長用マスクとして機能していることが確認された。

本発明による選択エピタキシャル成長マスクの形成方法の一実施形態を説明するための工程概略図。 図１の（Ｂ）に示す成長用基板を用いて３−５族窒化物半導体を選択成長させる方法を説明するための工程概略図。 本発明の方法により作製した選択エピタキシャル成長マスクの実施例の表面ＳＥＭ写真。 本発明の方法を用いて作製した選択エピタキシャル成長マスク上にエピタキシャル膜を形成した実施例の断面ＳＥＭ写真。 従来のフォトリソグラフィーを用いた選択エピタキシャル成長マスクの形成方法を説明するための工程概略図。

符号の説明

１ 成長用基板
１Ａ 表面
１Ｂ 成長領域
２ 無機粒子
３ ３−５族窒化物半導体
１０１ 下地基板
１０２ マスク用膜
１０３ レジスト膜
１０４ フォトレジストマスク

Claims (6)

1. 選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法であって、
   下地基板を用意する工程と、
   無機粒子を媒体に分散させたスラリーをスピンコートすることにより該無機粒子を前記下地基板の表面に配置する工程と、
   前記無機粒子を乾燥することにより選択エピタキシャル成長用マスクとする工程と
   を有することを特徴とする選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法。
2. 前記無機粒子が酸化物粒子である請求項１に記載の選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法。
3. 前記無機粒子がシリカ、ジルコニア、チタニアからなる群より選ばれる１種以上の粒子である請求項２に記載の選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法。
4. 前記無機粒子の粒径が２０ｎｍ〜１μｍである請求項１、２又は３に記載の選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法。
5. 前記無機粒子の粒子形状が球状である請求項１、２、３又は４に記載の選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法。
6. 前記下地基板がサファイア、ＳｉＣ、又はＳｉのいずれかである請求項１、２、３、４又は５に記載の選択エピタキシャル成長用マスクの形成方法。