JPH0488628A - 半導体装置の作製方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、エレクトロニクスの分野において、特に量
子効果を用いて優れた性能を得るのに必要な数十〜数ｎ
ｍという寸法の縦型超格子層を再現性良く作製するため
の半導体装置の作製方法に関するものである。

［従来の技術〕 第４図は例えば、フィジカル　レビュー　レターズ　１
９８８年　６０巻　５３５〜５３７頁（Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、６０（
１９８８）　ｐｐ、５３５〜５３７）に示された従来の
リード（Ｒｅｅｄ　）　　らによるリソグラフィー、エ
ツチング技術を用いた量子箱の作製方法を示す断面図で
あり、図において、１はＣｙａＡｓ基板、２はＡＩＣｙ
ａＡＳ／ＣａＡＳ超格子層、３はＧａＡｓ層、４は裏面
電極、５はオーミック電橋、６はポリイミド、７は裏面
電極である。

本製造方法について説明すると、 まず、ＧａＡｓ基板１上にＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／
　Ｇ　ａＡｓ超格子層２．ＧａＡｓ層３を順次形成し、
基板１の裏面に電極４を形成する（第４図（ａ））。

その後、量子箱の作製箇所にオーミック電極５を設け（
第４図（ｂ）、該オーミックｔｉ５をマスクとするエツ
チングにより所望の幅の量子箱を形成し、第４図（Ｃ）
の構造を得る。

その後、基板全面を覆うようにポリイミド６を設け（第
４図（ｄ））、エッチバンクによりオーミック電８ｉ５
の頭出しを行う。最後にポリイミド層６の表面にオーミ
ック電橋と電気的に接続して表面電極５を形成し、第４
図（ｆ）の構造を得る。

また、第５図は例えば、ジャーナル　オブ　バキューム
　サイエンス　アンド　テクノロジー１９８８年、８６
．１３７３〜１３７７頁（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａ
ｃｕｕｍ　５ｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　、
　Ｂ６．（１９８８）、ｐｐ、　１３７３〜１３７７）
に示された従来の傾斜基板上への分子層エピタキシャル
成長技術を用いた量子細線の作製原理、および作製した
量子細線の実構造を示す概念図であり、図において、１
はＧａＡｓ基板、３はＣｒａＡｓ層、８はＡｌＡｓ１ｉ
である。

次に動作について説明する。

第４図および第５図に示した様な構造において、量子箱
や量子細線が数十〜数ｎｍのサイズなので、共鳴トンネ
リング効果、電子波干渉効果、ハリスティック伝導効果
、電子の閉じ込め効果等のいわゆる量子効果が現われ、
例えば半導体レーザダイオードに応用した場合には、電
流の低しきい値化、広帯域化、狭スペクトル化がなされ
る。

またこれをトランジスタに応用した場合には多機能化及
び高速化がなされる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第４図に示した従来のリソグラフィー、
エツチング技術を用いた量子箱の作製方法においては、
エツチングにより量子箱を形成しているので、量子箱側
面がエツチングにより荒れたり、量子箱間にポリイミド
が狭まっているために表面再結合が大きくなったりし、
良質のものが得られないという問題があった。

また、第５図に示した従来の（頃斜基板上への分子層エ
ピタキシャル成長技術を用いた量子細線の作製方法にお
いては完全な分子層エピタキシャル成長は不可能なため
、量子細線構造のうねりや乱れが生じ、さらには基板の
傾斜角度の微細制御が不可能であるため、第４図（ｂ）
に示したような量子細線に傾きが生し、良質なものが得
られないという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、荒れ、表面再結合、うねり、および乱れがな
く、形状、方向性が精密に制御された量子細線、および
量子箱を得ることができる半導体装置の作製方法を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ この発明に係る半導体装置の作製方法は、第−璽半導体
基板の表面に複数の凹凸を作製する工程、該凹凸部の最
上面部および底面部のみに誘電膜を形成する工程、第一
種半導体基板の露呈した該凹凸部の側面部にのみ第二種
半導体結晶層１あるいは第二種半導体結晶層と第一種半
導体結晶層の多層からなる結晶層を選択的にエピタキシ
ャル成長する工程、誘電膜のみを除去する工程、さらに
その上に第一種半導体結晶層を再成長する工程を含むも
のである。

〔作用］ この発明においては、まず量子細線、量子箱の原形とな
る凹凸部を第一種半導体基板上に作製し、その側面部の
みに選択的に第二種半導体結晶層あるいは第二種半導体
結晶層と第一種半導体結晶層の多層からなる結晶層をエ
ピタキシャル成長させるので、第一種半導体基板と第一
種半導体結晶層とで挟まれた領域に、成長方向と垂直な
方向に形成されたいわゆる縦型超格子層からなる高品質
の量子細線や量子箱が容易に、制御性、再現性良く形成
される。

〔実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による半導体装置の作製方
法を示す断面構造図である。図において、ｌはＧａＡｓ
基板、３はＧａＡｓ層、８はＡＩＡＳ層、９はＳｉＯ□
である。

次に製造方法について各製造工程に従って説明する。

まず、（ｔｏｏ）ＧａＡｓ基板表面りにエレクトロンビ
ームリソグラフィー＆エツチング法で２０ｎｍ／６０ｎ
ｍ、深さ１１００ｎの基板表面に対して垂直に掘れた溝
を設け、複数の凹凸部からなるラインアンドスペースを
形成する（第１図（ａ））次に、表面に垂直な方向から
スパッタ法によって誘電体膜、例えば、５ｉＯｚ９をｌ
Ｏｎｍ堆積する。ここで、ＧａＡｓ基板の凹凸部の側壁
部にはＳｉＯ□は堆積しない（第１図（ｂ））。

さらにその上に原子層エピタキシー法によって２０ｎｍ
のＡｌＡｓ層８を成長する。この時、ＡｌＡｓ層８はＣ
ａＡｓ基板１の凹凸部の側面部にのみ選択的に形成され
る（第１図（Ｃ））。

さらにＨＦ溶液を用いてＳｉＯ□９のみを選択除去した
後（第１図（ｅ）Ｌ最後にその上に通常のＭＯＣＶＤ法
によって２層ｍのＧａＡｓ層３を再成長する。

このような方法により、ＣｒａＡｓ基板１とＧａＡｓ層
３とで挟まれた領域に成長方向と垂直な方間に形成され
た、いわゆる縦型超格子層を詳細に評価したところ、幅
１００　ｎｍ、ＧａＡｓ層２０ｎｍ、ＡｌＡｓ層２０ｎ
ｍであり、うねり、乱れは見られず、形状、方向性に優
れたほぼ完全な量子細線構造が得られた。

この量子細線構造は各層の厚みが２０ｎｍと薄く、かつ
原子層レベルで厚み制御がなされているため、いわゆる
量子効果が顕著に現われる。したがって、本量子細線構
造を例えばレーザダイオードの活性層や電界効果トラン
ジスタの電導層に応用した場合、従来のものを使用する
場合に比べ、特性が飛躍的に向上する。

なお、上記実施例では、原子層エピタキシーによる凹凸
部側壁への成長はＡ／！Ａｓを１層だけ成長した場合に
ついて示したが、これは、予め表面に形成するラインア
ンドスペースを任意に変えることにより、凹凸部の側壁
に多層結晶成長をすることもできる。

第２図はそのような本発明の第２の実施例の半導体装置
の作製方法により得られた構造を示しており、図におい
て、１はＧａＡｓ基板、３はＧａＡｓ層、８はＡ！ＡＳ
７Ｉである。

以下、この場合の作製方法について説明する。

まず、ＧａＡｓ基板１表面に複数の凹凸部からなる幅Ｌ
　ＯＯｎｍで２０ｎｍ／１４０ｎｍのラインアンドスペ
ースを形成し、ＣａＡｓ基板１の凹凸部の側面部以外に
スパッタ法によりＳｉＯ□膜９を設けた後、ＧａＡｓ基
板１の凹凸部の側面部のみに選択的に原子層エピタキシ
ー法によって２０ｎｍのＡｌＡｓ層８．２０ｎｍのＣａ
Ａｓ層２０μｍのＡｌＡｓ層８を１層次成長させ、３層
構造のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ　　（２０ｎｍ／
２０　ｎｍ／２０　ｎｍ）層を形成する。その後、ＨＦ
溶液を用いて５ｉＯｚ９のみを選択除去し、その上に通
常のＭＯＣＶＤ法によってＧａＡｓ層３を成長させ、第
２図に示す構造を得る。

このような原子層エピタキシー法による多層成長を用い
た方法においても上記実施例の場合と同様に、うねり、
乱れがなく、形状、方向性に優れた、薄くて良好な量子
細線が形成された。

また、上記実施例では、誘電膜形成に関し、誘電膜の材
料として５ｉ０２１１１を用い、その形成方法としてス
パッタ法を用いたが、これは他の方法でもよく、ＧａＡ
ｓ基板の凹凸部の最上面部、底面部に選択的に形成でき
る方法で、これらを保護する材料であれば他の形成方法
、他の誘電膜材料を用いてもよい。

即ち、第３図は本発明の第３の実施例として示す、Ｇａ
Ａｓ基板の凹凸部の側面以外の部分に選択的に誘電膜を
形成する方法を示しており、図において、１はＧａＡｓ
基板、１０はＡｔ膜、１１はＡｌｚＯｉ膜である。

エレクトロンビームリソグラフィーとエツチング法によ
り表面に凹凸を形成したＧａｐｓ基板１０表面に、まず
、蒸着法で１０ｎｍのＡｔ膜を形成する（第３図（ａ）
）。この場合、側壁部にはＡｔは付着しない。次に、プ
ロピレングリコール−酒石酸水溶液中でＡ１１ｌ！を選
択的に陽極酸化し、Ａ１□０．膜として誘電膜を得る（
第３図（ｂ））。

その後の工程は、第１図の場合と同様である。

このように、本発明の実施例によれば、所望の基板上に
複数の凹凸部を作製し、凹凸部の側面部のみに選択的に
第二種半導体結晶層、あるｂｔｃま第二種半導体結晶層
と第一種半導体結晶層を多層結導入するとともに、原子
層エピタキシー法を用し）で結晶成長させているので、
形状、サイズ、方向得ることができる。

さらに、本実施例によれば、凹凸部の側面にエピタキシ
ャル成長させる第二種の半導体層の厚みあるいは第二種
半導体層と第一種半導体層の多層バリステインク伝導効
果、電子の閉し込め効果等に優れたものが得られる。

なお、上記実施例では基板の凹凸部側面に結晶層を選択
成長するに際し、原子層エビタキノーによる方法を用い
たが、これは凹凸部の側面にのみ選択的に数ｎｍ〜数士
ｎｍの薄い結晶層を形成できるのであれば、他の結晶成
長方法を用いてもよい。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、所望の量子細線や量
子箱の形状に合わせて第一種半導体基板上に作製した複
数の凹凸部の側面部のみに選択的に第二種半導体結晶層
、あるいは第二種半導体結晶層と第一種半導体結晶層を
多層結晶構造に形成し、その後、凹凸部を覆うように第
１種半導体結晶層を形成するようにしたので、荒れ、う
ねり、および乱れがな（形状、方間性の精密に制御され
た微細な量子細線、量子箱が容易に得られるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による半導体装置の作製方
法を示す断面構造図、第２図はこの発明の他の実施例に
よる半導体装置の作製方法により得られた構造を示す図
、第３図はさらにこの発明の他の実施例による半導体装
１の作製方法の一部の工程を示す図、第４図は従来のリ
ソグラフィーエツチング技術を用いた量子箱の作製方法
を示す断面図、第５図は従来の傾斜基板上への分子線エ
ピタキシャル成長技術を用いた量子細線の作製原理およ
び作製した量子細線の実構造を示す概念区である。 図において、１はＣａ　Ａ、　ｓ基板、２はＡＩＧａＡ
　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ超格子層、３はＧａＡｓＪｉ
、４は裏面を橿、５はオーミック電極、６はポリイミド
、７は表面電極、８はＡｌＡｓ層、９はＳ　１０　ｚ、
１０はＡ１．１１はＡ１．Ｃｈである。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一種半導体基板の表面に複数の凹凸部を形成す
   る第１の工程、 該凹凸部の最上面部および底面部のみに誘電膜を形成す
   る第２の工程、 前記第一種半導体基板の露呈した該凹凸部の側面部にの
   み第二種半導体結晶層、あるいは第二種半導体結晶層と
   第一種半導体結晶層の多層からなる結晶層を選択的にエ
   ピタキシャル成長する第３の工程、 前記誘電膜を除去する第４の工程、 さらに第一種半導体結晶層を成長させ、第一種半導体基
   板の表面の複数の凹凸部を覆う第５の工程を含むことを
   特徴とする半導体装置の作製方法。