JPH04340708A - 半導体装置およびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は通信，情報処理分野にて
用いられる半導体発光素子，半導体電子素子にかかわる
。また、微小領域の計測に用いられる半導体素子に関す
る。更にはこれらの素子の製造方法、これらの素子を含
む装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、１００ナノメートル以下の寸法を
有する半導体微細構造が関心を集めている。上記の寸法
を利用した素子の概念として、アイ・イー・イー・イー
，ジャーナル・オブ・コンタムエレクトロニクス，キュ
ー・イー　　２２（１９８６年）第１９１５頁から１９
２１頁（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔ
ｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＱＥ−２２（１９８６
）ｐｐ１９１５−１９２１）に述べられている量子箱レ
ーザは従来のレーザに比較して発光スペクトル幅が狭く
、かつ、利得の飛躍的な向上を期待出来る。かかる構造
の素子を形成するために、従来、イクステンデッド・ア
ブストラクト・オブ・ザ・コンファレンス・オン・ソリ
ッド・ステイト・デバイスイズ・アンド・マテリアルズ
，（１９９０年）第９９頁から１０２頁（Ｅｘｔｅｎｄ
ｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２２ｔｈ（１
９９０　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　ｏｎ　ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ
　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｅｎｄａｉ，（１９
９０）ｐｐ９９−１０２）において述べられているよう
に、電子線描画法を用いたリソグラフィー技術と半導体
結晶の選択成長技術が用いられている。

【０００３】また、従来の半導体真空素子は、応用物理
　　第５９巻　　第２号　　（１９９０年）第１６４頁
から１６９頁に記載されている。図９に従来の半導体真
空素子の概略図を示す。この素子は上記Ｓｉの（１００
）面基板１００上に、異方性ウエットエッチングを利用
して形成したＳｉのエミッタ１０１，エミッタの周囲に
設けられた絶縁物１０２，ゲート１０３、およびアノー
ド１０４から成る構成で、三極真空管と同じ原理の素子
動作をする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】１００ナノメートル程
度の半導体結晶の選択成長には、選択成長用の微細パタ
ンを形成する必要があり、その手段として上述の電子線
描画法が用いられる。しかし、電子線描画法を用いる際
には、次のような問題点がある。それを以下に述べる。 図２は電子線によるレジストパタンの形成工程を示す概
略図である。図２（ａ）はレジストに電子線を照射して
いる工程の概念図、図２（ｂ）は電子線照射後に形成さ
れたレジストパタンの形状と寸法を示す模式的な図であ
る。図２（ａ）で２１は基板、２２は絶縁膜、２３は金
属膜、２４は電子線レジストで厚さ０．３μｍ　である
。 ２５は電子線で、電子線レジスト上に収束して照射する
。微細なパタンを形成する場合、電子線レジスト上に収
束された電子線の直径ｄ１　が０．１μｍ　とすると電
子線レジスト内では電子線照射部を中心に電子線の散乱
される領域２６が出来る。この領域の直径をｄ２　とす
ると、約０．３μｍ　程度となる。従って、電子線によ
り露光される領域は所望の寸法よりも大きくなる。図２
（ｂ）では、電子線照射後に形成した電子線レジストパ
タンの開口部２７を示した。このレジストパタンをもと
に金属膜２３，絶縁膜２２、あるいは基板２１に０．１
μｍ　以下のパタンを形成することはもはや不可能であ
る。

【０００５】また、電子線のレジスト内における上記散
乱のため、０．３μｍ　程度の開口部を複数個近接して
形成することも非常に困難である。従って、電子線描画
法により形成した絶縁膜パタン開口部に選択成長で例え
ばＧａＡｓを結晶成長しても、その寸法は０．３μｍ　
程度より小さくできない。かつまた、このように小さい
ＧａＡｓ結晶を０．３μｍ　の間隔で複数個近接して形
成することも出来ない。本発明は上述の問題を解決する
ことにある。

【０００６】また、前述の半導体真空素子で重要な点は
、エミッタ電極における電子の放射効率を上げる事であ
る。そのためには、エミッタ部先端の角度θをできるか
ぎり小さくする必要がある。しかしながら、従来の素子
では、ウエットエッチングによりエミッタを形成してい
るため、エミッタ部先端の角度θがほぼ一意的に決まり
、先端を鋭利な角度１０度以下にできない。また、エッ
チングの手法として、ドライエッチングもあるが、この
方法では、結晶にダメージが残り、安定な素子動作がで
きない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】基板上の特定の表面領域
にのみ金属元素のイオンを注入、または金属元素を付着
させ、その後、半導体を構成する元素の雰囲気にて基板
を加熱することにより、１００ナノメートル程度の微細
な結晶を形成できる。

【０００８】

【作用】形成しようとする微細な結晶がＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体の場合には、ＩＩＩ族の金属元素を基板表面
上の特定の領域にのみイオン注入、または蒸着により付
着させ、この基板をＶ族雰囲気の中で加熱することによ
り、ＩＩＩ　族元素の付着した部分で雰囲気中からＶ族
元素を吸収し、ＩＩＩ−Ｖ　族化合物半導体の結晶成長
がおこる。

【０００９】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の実施例を図１により説明す
る。図１（ａ），（ｂ）は基板表面上にイオンビームを
照射し、この照射領域にのみ微細な結晶を形成する工程
の概略である。図１（ａ）で１は基板でＧａＡｓ、２は
イオンビームで金属Ｇａを太さ１００ナノメートルのビ
ームとして基板表面上に周期的に照射する。イオンビー
ムの照射条件としては、ビーム電流０．７　ナノアンペ
アで照射時間１秒以上１００秒程度とする。３はイオン
注入部であり、その寸法をＤ１　とすると、Ｇａが直径
１００ナノメートルの領域に蓄積している。また、この
ようなＧａの蓄積領域は縦，横がＬ１，Ｌ２の間隔で規
則的に並び、Ｌ１　とＬ２　はＤ１　と同程度の寸法に
することができる。本実施例ではＬ１＝Ｌ２＝１００ナ
ノメートルである。

【００１０】図１（ｂ）では、Ｇａの蓄積領域を形成後
、基板をＡｓＨ３　雰囲気中にて４５０℃で１０分間加
熱処理した場合に基板表面上に成長した結晶４を示して
ある。この結晶は形状が円錐状または、六角錘状であり
、寸法は底部で太さ１００ナノメートル、また、高さは
１００ナノメートルである。今、この結晶中に電子を入
れたとすると、電子はその運動が３次元的に量子化され
る量子箱効果が現れる。

【００１１】図３はこのような量子箱効果が現れるＧａ
Ａｓの微細な結晶（ＧａＡｓ量子箱）を用いた量子箱レ
ーザの断面構造を示す概略図である。図３で、３１は基
板でＳｉをドープしたｎ型ＧａＡｓ、３２はＳｉをドー
プしたｎ型ＡｌＧａＡｓ、３３はＧａＡｓの量子箱であ
る。３４はＡｌＧａＡｓクラッド、３５はｐ型ＧａＡｓ
、３６及び３７は電極である。ここで、ＧａＡｓ量子箱
３３は底部の太さ２０ナノメートル，高さ３０ナノメー
トルである。また、ＧａＡｓ量子箱同士は６０ナノメー
トルの間隔でｎ型ＡｌＧａＡｓ３２上に成長したもので
ある。電極３６から３７へ電流を流すと、ＧａＡｓ量子
箱３３を含むＡｌＧａＡｓクラッド３４の端面からの発
光が認められた。

【００１２】図４（ａ）は上記量子箱構造のレーザの利
得対発光波長及び、（ｂ）は最大利得対注入電流密度の
関係を示す。ここでは、比較のため、ＧａＡｓ量子井戸
膜構造のレーザ、及び、量子井戸構造でないバルク膜構
造のレーザについても、それぞれの特性を示してある。 図４（ａ）および（ｂ）から明らかなように、量子箱構
造のレーザにおいて利得が最も高く、発光波長領域が最
も狭いこと、及び、最も小さい注入電流密度にて最大利
得が得られることがわかる。

【００１３】（実施例２）本実施例においては、イオン
ビームによる加工とＭＯＣＶＤによる選択成長を利用し
てＧａＡｓ量子箱構造を形成した。図５（ａ），（ｂ）
，（ｃ）に形成工程の概略を示す。

【００１４】図５（ａ）で、５１は基板でＧａＡｓ、５
２は絶縁膜でＳｉＯ２　、５３は絶縁膜５２にイオンビ
ーム５４を収束して照射することにより形成した窓で、
その直径はＤで示してある。ここでは、Ｄ＝１０ナノメ
ートルで、窓と窓の間隔は１００ナノメートルである。

【００１５】図５（ｂ）で、５１は基板であり、５５は
ＭＯＣＶＤの原料ガスである。基板５１を５００℃に加
熱しながら、原料ガス５５として、トリメチルガリウム
（ＴＭＧ）を２／１０６　モル毎秒の割合で供給する。 この時、気相中から基板上の絶縁膜表面に達したＴＭＧ
は、時間と共に微細なＧａ核５７を形成する。形成され
たＧａ核は絶縁膜表面上を移動し、窓５３内の基板が露
出した表面に到達する。基板が露出した表面では、Ｇａ
核は基板結晶に捕らえられ次第にＧａ液滴５６に成長し
て行く。ＴＭＧの供給時間が５０秒の時、窓の内部に形
成されたＧａ液滴５６の大きさは５ナノメートルであっ
た。

【００１６】図５（ｃ）では図５（ｂ）にて形成したＧ
ａ液滴のある基板を、アルシン（ＡｓＨ３）雰囲気中に
て４００℃で５分間加熱したところ、Ｇａ液滴のある窓
部内にＧａＡｓ微細結晶５８が形成された。ＧａＡｓ微
細結晶５８は基部の太さ１０ナノメートルで、高さは１
５ナノメートルである。絶縁膜５２を除去したあと、図
１（ｂ）に示したと同様なＧａＡｓ量子箱が形成された
。 本実施例に述べた手法により、図３に示したと同様なＧ
ａＡｓ量子箱レーザを作製したところ、非常に顕著な量
子箱効果が現れた。

【００１７】本実施例では、Ｇａの液滴を形成するため
のマスクパタンとして、絶縁膜５２を用いているが、こ
れは絶縁膜の他にＧａと反応しにくい金属の膜でも良い
。

【００１８】（実施例３）本実施例ではＧａＡｓ量子細
線を電子放出エミッタとした真空マイクロエレクトロニ
クス素子について述べる。図６（ａ），（ｂ），（ｃ）
は該素子の作製工程を示す概略図である。図６（ａ）で
は、実施例２と同様な方法により、イオンビーム６５を
用いて、基板６１上に形成した絶縁膜６２，金属膜６３
に溝を形成していく。次に図６（ｂ）に示すように、イ
オンビームによって形成した溝６６の底部に実施例２と
同様、ＭＯＣＶＤ法によりＴＭＧのみ供給してＧａ液滴
６７を形成する。Ｇａ液滴６７を形成する過程では基板
温度を４００から７００℃程度の範囲で一定に保つ。最
後に基板をアルシン雰囲気中で４５０℃で１０分加熱す
ることにより、図６（ｃ）に示すようなＧａＡｓ針状結
晶６８が得られる。図６（ｃ）でＧａＡｓ針状結晶６８
はエミッタ、金属膜６３はアノードとなる。

【００１９】同様な方法で作製したＧａＡｓ針状結晶の
エミッタを有する真空マイクロエレクトロニクス素子の
断面概略図を図７に示す。図７で７１は基板であり、ｎ
型のＧａＡｓを用いる。７２と７４は絶縁膜で、７３，
７５はそれぞれゲートおよびアノードである。７６は電
極、７７はエミッタであり、これがＧａＡｓの針状結晶
からなっている。

【００２０】（実施例４）図５（ｃ）に示したＧａＡｓ
針状結晶を用いて、表面段差測定器を作製した。図８（
ａ），（ｂ）はそれぞれ基板上に形成したＧａＡｓ針状
結晶の切り出しの概念図、及び、ＧａＡｓ針状結晶を用
いた表面段差測定器の模式図である。図８（ａ）で８１
は基板、８２は絶縁膜、８３は針状結晶であり、ＭＯＣ
ＶＤ法を用いて絶縁膜８２の窓部内に成長させた。その
後、針状結晶を１本含むチップを基板から切り出し、切
り出しチップ８４とする。図８（ｂ）は切り出しチップ
８４を使って、表面段差測定器を構成したものである。 針状結晶を１本含むチップはチップ固定治具８５に装着
する。チップ固定治具８５は、平面および上下の微動が
可能で、試料ステージ８７にのせた測定試料８６の表面
の段差８８と針状結晶８３の先端との距離に応じた電気
信号を電気回路８８で検出する。また、測定試料８６の
表面と、針状結晶８３の微小な間隙に流れるトンネル電
流が一定となるように、電気回路８８から垂直微動機構
８９へフィードバック信号を送り、チップ固定治具８５
の垂直方向の動きを制御することも可能である。

【００２１】以上の実施例ではＧａＡｓを例に取り上げ
て説明したが、ＧａＡｓ以外の半導体でＩｎＡｓ，Ａｌ
ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂ等のＩＩＩーＶ　族化合物
半導体，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＣｄＳ，ＨｇＴｅ等のＩ
ＩーＶＩ族化合物半導体、また、Ｓｉ，Ｇｅ等の元素半
導体にても同様に実施可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上の実施例で説明したように、本発明
による針状微細結晶の形成法によれば、１００ナノメー
トル程度以下の寸法の量子効果素子を形成できる利点が
ある。また、本発明による針状微細結晶の形成法によれ
ば、数ナノメートル程度の表面の段差を測定できる装置
を作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の微細結晶の作製工程を示す
概略図である。

【図２】従来法による電子線を用いたレジストパタンの
形成工程を示す図である。

【図３】本発明の一実施例の量子箱レーザの断面構造の
概略図である。

【図４】図３に示した量子箱レーザの利得対発光波長の
グラフ及び最大利得対注入電流密度のグラフである。

【図５】本発明の一実施例のＧａＡｓ微細結晶の形成工
程の概略図である。

【図６】本発明の一実施例の真空マイクロエレクトロニ
クス素子の作製工程を示す図である。

【図７】本発明の一実施例の真空マイクロエレクトロニ
クス素子の断面模式図である。

【図８】本発明の一実施例の表面断差測定器の概要を示
す図である。

【図９】従来の真空マイクロエレクトロニクス素子の断
面概略図である。

【符号の説明】

１…基板、２…イオンビーム、３…イオン注入部、４…
成長した結晶、２１…基板、２２…絶縁膜、２３…金属
膜、２４…電子線レジスト、２５…電子線、２６…散乱
された電子、２７…開口部、３１…基板、３２…ｎ型Ａ
ｌＧａＡｓ、３３…ＧａＡｓ量子箱、３４…ＡｌＧａＡ
ｓクラッド、３５…ｐ型ＧａＡｓ、３６，３７…電極、
５１…基板、５２…絶縁膜、５３…窓、５４…イオンビ
ーム、５５…原料ガス、５６…Ｇａ液滴、５７…Ｇａ核
、５８…ＧａＡｓ微細結晶、６１…基板、６２…絶縁膜
、６３…金属膜、６４…電極、６５…イオンビーム、６
６…溝、６７…Ｇａ液滴、６８…ＧａＡｓ針状結晶、７
１…基板、７２…絶縁膜、７３…ゲート、７４…絶縁膜
、７５…アノード、７６…電極、７７…エミッタ、８１
…基板、８２…絶縁膜、８３…針状結晶、８４…切り出
しチップ、８５…チップ固定治具、８６…測定試料、８
７…試料ステージ、８８…電気回路、８９…垂直微動機
構、１００…基板、１０１…エミッタ、１０２…絶縁物
、１０３…ゲート、１０４…アノード。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上にイオンビームを注入し、イオン注
   入部に形成された半導体結晶よりなることを特徴とする
   半導体装置。
2. 【請求項２】上記半導体結晶の形成は、半導体を構成す
   る元素をイオン源として用い、イオン注入後に、半導体
   を構成する元素を含む雰囲気中にて加熱することにより
   形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の
   製造方法。
3. 【請求項３】上記半導体結晶の形成は、イオンビーム注
   入後に有機金属化合物の熱分解を利用した気相化学堆積
   法にて形成することを特徴とする請求項１記載の半導体
   装置の製造方法。
4. 【請求項４】上記半導体結晶の形成は、イオンビーム注
   入後に、真空中での基板表面における有機金属化合物の
   表面分解反応を利用して形成することを特徴とする請求
   項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】上記半導体結晶は、ＩＩＩ−Ｖ　族化合物
   半導体，ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体，元素半導体のいず
   れか少なくとも一者からなることを特徴とする請求項１
   記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】上記ＩＩＩ−Ｖ　族化合物半導体は、Ｇａ
   Ａｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌ
   ＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＳｂ，Ｉ
   ｎＳｂからなる群から選ばれるいずれか少なくとも一者
   であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製
   造方法。
7. 【請求項７】上記ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、ＨｇＴ
   ｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＴｅ，ＣｄＴｅ，ＰｂＨｇ
   Ｔｅからなる群から選ばれるいずれか少なくとも一者で
   あることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造
   方法。
8. 【請求項８】上記元素半導体は、Ｇｅ，Ｓｉからなる群
   から選ばれるいずれか少なくとも一者であることを特徴
   とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】基板上に開口部を有するマスクを形成する
   工程と、該開口部領域内に半導体結晶を成長せしめる工
   程とを少なくとも有してなることを特徴とする半導体装
   置の製造方法。
10. 【請求項１０】上記の開口部を有するマスクを形成する
    工程は、イオンビームをマスク材料に照射することによ
    り形成することを特徴とする請求項９記載の半導体装置
    の製造方法。
11. 【請求項１１】上記の開口部領域内に半導体結晶を成長
    せしめる工程は、有機金属化合物の熱分解を利用した気
    相化学堆積法で形成することを特徴とする請求項９記載
    の半導体装置の製造方法。
12. 【請求項１２】上記の開口部領域内に半導体結晶を成長
    せしめる工程は、真空中での基板表面における有機金属
    化合物の表面分解反応を利用して形成することを特徴と
    する請求項９記載の半導体装置の製造方法。
13. 【請求項１３】上記半導体結晶の形成は、Ｇａ，Ａｓ，
    Ａｌ，Ｉｎ，Ｐ，Ｓｂ，Ｈｇ，Ｔｅ，Ｃｄ，Ｓ，Ｚｎ，
    Ｓｅ，Ｐｂ，Ｇｅ，Ｓｉからなる群から選ばれるいずれ
    か一者の元素の、有機金属化合物もしくは水素化合物を
    原料として用いることを特徴とする請求項９記載の半導
    体装置の製造方法。
14. 【請求項１４】上記の半導体結晶は、これよりもエネル
    ギーギャップの大きい半導体結晶中に埋め込まれてなる
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
15. 【請求項１５】請求項１記載の半導体結晶もしくは請求
    項９記載の方法で得られる半導体装置のいずれかを用い
    て構成されることを特徴とする表面段差測定装置。