JP6152070B2 - 貼り合わせ用ＩｎＧａＳｂ積層構造基板 - Google Patents

Description

本発明は、貼り合わせ用InGaSb積層構造基板に関し、より詳細には、高品質のInGaSbをウェハレベルでSi基板に転写することができ、かつ、転写後にGaSb基板を再利用できる貼り合わせ用InGaSb積層構造基板に関する。

InGaSbは電子移動度、正空孔移動度がともに高く、近年CMOS等の電子デバイス応用が期待されている材料である。InGaSbをCMOSのチャネルに用いるためにはSi基板上にInGaSbを形成する必要があるが、GaSbは格子定数が6.09593Å、InSbの格子定数は6.479Åであり、Siに対してそれぞれ、約12％、19％という大きな格子不整合がある。このため、GaSb、InSbおよびこれらの混晶をSi基板上に直接、高品質な状態で形成することが出来ない。

これを解決するために、近年、GsSb基板上に形成したInGaSb層を一旦、ポリジメチルシロキサン（PDMS）に転写し、その後、Si基板に転写する二段階転写の方法が考案されている（例えば、非特許文献１の2060頁参照）。本技術について説明する。まず、GsSb基板上に、分子線エピタキシー法（MBE）により、60nmの厚さのAl_0.2GaSb層を形成し、その上に3nm厚さのInAsでサンドイッチした15nm厚さのInGaSb層（InAs/InGaSb/InAs）を形成する。フォトプロセスと選択エッチングを用いて、InAs/InGaSb/InAsを部分的にエッチングして、表面にInAs/InGaSb/InAsのストライプを形成する。このInAs/InGaSb/InAsストライプをマスクとして、AlGaSbをメサエッチングし、台形のトップにInAs/InGaSb/InAsのストライプが乗った構造に加工する。次に、PDMS板をInAs/InGaSb/InAsストライプに貼り合わせ、剥離することにより、InAs/InGaSb/InAsストライプをPDMS版に転写する。さらに、このInAs/InGaSb/InAsストライプが転写されたPMDS版を、SiO₂を表面に形成したSi基板と貼り合わせ、剥離することによりInAs/InGaSb/InAsストライプを、SiO₂を表面に形成したSi基板に転写する。この従来の技術ではInAs/InGaSb/InAsを転写した例が示されているが、InAs/InGaSb/InAsをInGaSbに置き換えることで、高品質のInGaSbストライプをSiO₂/Si基板上に形成することができる。

Kuniharu Takei et al., "Nanoscale InGaSb Heterostructure Membranes on Si Substrates for High Hole Mobility Transistors," Nano Lett. 2012 12, pp.2060-2066, American Chemical Society, 2012年3月12日

T. J. de Lyon at al., "Lattice contraction due to carbon doping of GaAs grown by metalorganic molecular beam epitaxy," Appl. Phys. Lett., Vol.56, No.11, pp.1040-1042, 1990年3月12日

J. W. Matthews et al., "DEFECTS IN EPITAXIAL MULTILAYERS," J. Crystal Growth, Vol.27, pp.118-125, 1974年12月

従来の技術を用いることにより、高品質のInGaSbストライプをSi基板に転写することが可能であるが、転写されるInGaSbはストライプ構造に限定される。このため、実際にデバイスを形成する場合には、ストライプに合わせてデバイスを作製する必要があり、回路のレイアウト等に制限が発生する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は高品質のInGaSb層をウェハレベルで（ストライプ構造に加工せずにウェハ全面で）Si基板上に転写することを可能にする貼り合わせ用InGaSb積層構造基板を提供することにある。

このような目的を達成するために、本願発明の第１の態様は、貼り合わせ用InGaSb積層構造基板であって、GaSb基板と、上記GaSb基板上に形成された炭素ドープAlSb層と、上記炭素ドープAlSb層上に形成されたInGaSb結晶層とを有することを特徴とする。

一実施形態では、上記炭素ドープAlSb層の炭素ドーピング濃度は２．２×１０^２０／ｃｍ^３以上７．４×１０^２０／ｃｍ^３以下である。また、上記InGaSb結晶層のIn組成は０以上０．３以下である。また、炭素ドープAlSb層の厚さは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

以上説明したように、本発明によれば、高品質のInGaSbをウェハレベルでSi基板上に転写することができる貼り合わせ用InGaSb積層構造基板を提供することが可能となる。また、レイアウトに制限がないデバイス回路設計ができる貼り合わせ用InGaSb積層構造基板を提供することが可能になる。

AlSbの格子定数と炭素ドーピング濃度の関係を示す図である。 GaSb基板上に形成されるAlSbの臨界膜厚と炭素ドーピング濃度の関係を示す図である。 貼り合わせ用InGaSb積層構造基板の層構成を示す図である。 ウェハ転写の工程を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示す。したがって、繰り返しの説明は省略する。

高品質のInGaSb層をSi基板にウェハレベルで転写するためには、選択エッチング速度が大きい犠牲層が必要になる。しかしながら、従来の技術では犠牲層にAl組成を0.2としたAlGaSbを用いている。このAl組成が低いことにより、選択エッチング速度を大きくとれず、結果としてストライプ構造を採用することになっている。選択エッチング速度が大きな犠牲層としてAlSbを考えることができるが、格子不整合があるためGaSb基板上にAlSbを厚膜で成長することはできない。GaSb基板に無転移で成長できるAlSbの膜厚は40nm程度である。一方、AlSbにAsを0.08添加したAlAs_0.08SbはGaSbに格子整合することから、厚膜が成長可能で、かつ、選択エッチング速度を大きくすることができる。しかしながら、犠牲層の上に形成する材料はInGaSbである。Asを含むAlAs_0.08Sbを厚膜で形成した後に、InGaSbを形成した場合には、周辺堆積物から発生する蒸気圧の高いAsの混入を抑えることができず、界面付近（成長初期）のInGaSbにAsが混入することが懸念される。このため、犠牲層のＶ族元素はSbであることが望ましい。

一方、GaAsに高濃度の炭素ドーピングを行った場合には、格子定数が小さくなることが知られており、その時の格子定数変化は次式で示される（例えば、非特許文献２の式（２）参照）。
Δa_⊥ = 4(Δr_GaC_Ga+Δr_AsC_As)/(√3x2.22x1022) (1)
ここで、Δr_GaとΔr_Asは、炭素とGaの共有半径差、炭素とAsの共有半径差であり、C_GaとC_AsはGaサイトとAsサイトの炭素濃度である。

一般的に、化合物半導体に炭素ドーピングを行った場合、炭素がＶ族サイトに入り易い。(1)式をAlSbの物理定数に置き換え、ドーピングした炭素が全てSbサイトに入ると仮定して、AlSbの格子定数の炭素ドーピング濃度変化を計算した結果を図１に示す。この結果から、5x10²⁰程度の炭素ドーピングを行うと、AlSbがGaSbに格子整合することが分かる。

さらに、ウェハのリフトオフを行う場合、犠牲層の厚さは経験的に1000Å以上あることが望ましい。格子不整合と臨界膜厚h_c（無転移で成長できる最大膜圧）の関係は、Matthews-Blakesleeの関係式（例えば、非特許文献３の124頁の式(5)参照）から求めることができる。
h_c = b(1-νcos²α)/2πf(1+ν)cosλ・（In(h_c/b)+1） (2)

ここで、ｂは転移のバーガーズベクトル、νはポアソン比、ｆは格子不整合度（｜Δa/a｜）、αは転移線とバーガーズベクトルのなす角、λはすべり面と界面のなす角である。AlSbの物理定数を用い、炭素ドーピング濃度とGaSb基板上のAlSbの臨界膜厚を計算した結果を図２に示す。この結果から、2.2〜7.4x10²⁰/cm³の範囲で炭素ドーピングを行えば、GaSb基板上にAlSb犠牲層が1000Å以上成長可能であることが分かる。

以上のように、高濃度炭素ドープを用いれば、GaSb基板上に1000Å以上のAlSb犠牲層が成長可能であり、この犠牲層上にInGaSbを形成した、貼り合わせ用InGaSb積層構造基板を作製することができる。

図３は、発明の実施の形態に係る貼り合わせ用InGaSb積層構造基板を示す。本実施形態の貼り合わせ用InGaSb積層構造基板は、GaSb基板１０１と、GaSb基板上に形成された高濃度炭素ドープAlSb層１０２と、高濃度炭素ドープAlSb層上に形成されたInGaSb層１０３を備える。以下この発明の実施の形態に係る貼り合わせ用InGaSb積層構造基板を作製する方法を説明する。

成長装置には有機金属気相成長法を用いる。III族元素のAl原料にはトリメチルアミンアラン（TMAAl）、Ga原料にはトリエチルガリウム（TEGa）、Inの原料にはトリメチルインジウム（TEIn）を用い、また、Ｖ族元素のSb原料にはトリメチルアンチモン（TMSb）を用い、水素でバブリングすることで原料を供給する。また、炭素のドーピングには四臭化炭素（CBr₄）を用い、水素でバブリングすることでこれらの原料を供給する。この時、水素やアルシンの流量調整にはマスフローコントローラ-を用いる。

次に、貼り合わせ用InGaSb積層構造基板の作製手順について説明する。基板にはGaSb１０１(積層面をGaSbの(100)面をとする。)を用いる。GaSb基板１０１の表面は酸化しているので、この酸化膜を除去するためのウェットエッチング（表面処理）をまず行う。GaSb基板を1分間の純水洗浄、1分間の塩酸処理を行った後に、イソプロピルアルコールで洗浄し、窒素ブローで乾燥させる。次に、GaSb基板１０１を有機金属気相成長法装置に導入する。水素雰囲気中、0.1気圧の減圧で基板温度を300℃まで上昇させる。その後、GaSb基板からのSbの脱離によって表面が荒れないようにTMSbを供給しながら基板温度570℃まで昇温し、570℃で5分間保持して表面クリーニングを行う。表面クリーニングの後、TMSbを供給しながら、基板温度を570℃から530℃に降温する。基板温度が530℃で安定した後、TMAAlを供給する。また、この時、炭素濃度が4.9x10²⁰/cm³になる流量に調整したCBr⁴を供給することで、高濃度炭素ドープAlSb犠牲層１０２を1000Å形成する。高濃度炭素ドープAlSb層を形成後、TMAAlとCBr₄の供給を停止し、１分間の成長中断を行い、原料ガスを十分に排気する。次に、TEGaとTMInを同時に供給することでIn_0.3GaSbからなる層１０３を200Å形成する。TEGaとTMInの供給を停止した後、基板温度を室温まで下げて試料の取り出しを行う。

図４に示す工程に従って、作製した貼り合わせ用InGaSb積層構造基板を、Si基板２０１上に堆積したAl₂O₃層２０２の表面に張り合わせ、ＨＦ等の溶液中で十分な時間エッチングすることにより、犠牲層である高濃度炭素ドープAlSb層１０２が除去され、InGaSb/Al₂O₃/Si基板の構造を作製することができる。

本実施例では、AlSbの犠牲層１０２の膜厚を1000Åとした場合について示したが、その膜厚は炭素ドーピング濃度によって、図２のように自在に変更することができる。但し、あまりに厚い膜を用いることも生産コスト上問題があるため、実用的な膜厚は1000Å〜5μm（100nm〜500nm）の範囲になる。また、実施例では最上層１０３がIn_0.3GaSb層の場合を示したが、Inの組成は0〜0.3で変更が可能であり、InAl/InGaSb/InAsのような積層構造を形成しても良い。

１０１ ＧａＳｂ基板
１０２ 高濃度炭素ドープＡｌＳｂ層
１０３ ＩｎＧａＳｂ層
２０１ Ｓｉ基板
２０２ Ａｌ_２Ｏ_３

Claims (4)

1. GaSb基板と、
   前記GaSb基板上に形成された炭素ドープAlSb層と、
   前記炭素ドープAlSb層上に形成されたInGaSb結晶層と
   を有することを特徴とする貼り合わせ用InGaSb積層構造基板。
2. 前記炭素ドープAlSb層の炭素ドーピング濃度が２．２×１０^２０／ｃｍ^３以上７．４×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせ用InGaSb積層構造基板。
3. 前記InGaSb結晶層のIn組成が０以上０．３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の貼り合わせ用InGaSb積層構造基板。
4. 炭素ドープAlSb層の厚さが１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の貼り合わせ用InGaSb積層構造基板。

Images