JPH03177016A - 選択エピタキシャル成長法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【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■−■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。

来　　と　　が解　しようとする課 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
ツチング、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
選択的にエツ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
ツ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２００人幅のマスク）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　を解　するための手 本発明による選択エピタキシャル成長法は、■−■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、所定部分がら８Ｍ子を離脱させることによりＳ
の”；ａｍ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。

杵ニーー月− ８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１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ｍ（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。

去−」を−真一」ヨ 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、（Ｏ○１）面のＧ　
ａ　Ａ　ｓ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Ｈ２ＳＯ，（硫酸）−Ｈ，
０２（過酸化水素）−Ｎ２０（水）から成る混合溶液で
軽くエツ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溶液中に溶は出し、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Ｍ３が形成される。

Ｓの薄Ｎ３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
ＩＦ３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
ンエツ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ョン・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Ｇ　ａ　Ａ　ｓ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３
ａ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Ａ　Ｑ　Ａｓ（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、Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ
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Ｍ３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
アンモ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：　　（ＮＨ４
）２Ｓ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：　　（ＮＨ４）、５ｘ（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１０ＯＡ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／ｉｉ（下層レベルの
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ＷＩ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−」Ｌ−匁 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、Ｇ　ａ
　Ａ　ｓに限らず、他の■−■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、　
ＧａＡ　Ｑ　Ａｓ（砒化ガリウム・アルミニウム）、Ｇ
ａＡｓＰ（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■−■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０通常、エ
ピタキシャル層５を構成する半導体材料も■−■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
ｍ−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ａａＭ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Ｍ
ＢＥ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Ｍ　ＯＣＶ　Ｄ法（有機金属熱分
解法）を適宜採用することになる。

Ａ」レリ凱泉 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上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。 １１．半導体基板、２１．半導体領域、３．３ａ、　、
　Ｓの薄層、４０．開口、５０．エピタキシャル層、 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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。