JPH0963952A - Patterning of semiconductor surface and manufacture of semiconductor device - Google Patents

Patterning of semiconductor surface and manufacture of semiconductor device

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JPH0963952A
JPH0963952A JP21788395A JP21788395A JPH0963952A JP H0963952 A JPH0963952 A JP H0963952A JP 21788395 A JP21788395 A JP 21788395A JP 21788395 A JP21788395 A JP 21788395A JP H0963952 A JPH0963952 A JP H0963952A
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semiconductor
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Shinobu Fujita
忍 藤田
Shigemitsu Maruno
茂光 丸野
Heiji Watabe
平司 渡部
Yukihiro Kusumi
之博 楠見
Masakazu Ichikawa
昌和 市川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to perform easily a fine processing on the surface of an Si substrate in few processes without using a high-degree exposure technique. SOLUTION: In a semiconductor surface pattern formation method for forming a periodic mask pattern on the surface of an Si substrate, oxygen gas and carbon monoxide gas are simultaneously fed to the surface of the Si substrate 10 having periodic atomic steps and these gases are put into a plasma state to make them adsorb to the surface of the substrate, then, the substrate 10 is performed a heating treatment at 1200 deg.C and silicon-carbon bond layers 12 are periodically formed on the surface of the substrate 10 along the atomic steps.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の表面
に周期的パターンを形成するための半導体表面のパター
ニング方法に係わり、さらにこの半導体表面の周期的パ
ターンを利用した半導体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for patterning a semiconductor surface for forming a periodic pattern on the surface of a semiconductor substrate, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device using the periodic pattern on the semiconductor surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体製造分野において、基板表
面に微細なパターンを形成するには、PEP(フォトエ
ッチングプロセス)が採用されている。このPEPで
は、基板上にフォトレジストを塗布し、光や電子ビーム
でレジストを感光してパターニングし、これをマスクに
基板を選択エッチングしたり選択成長を行っている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in the field of semiconductor manufacturing, PEP (photo etching process) has been employed to form a fine pattern on a substrate surface. In this PEP, a photoresist is applied on a substrate, the resist is exposed and patterned by light or an electron beam, and the substrate is selectively etched or selectively grown using the photoresist as a mask.

【0003】ところが、この種の方法では、高度な露光
技術を要する上に工程数が多い。また、最小加工寸法が
せいぜい50nm程度である。このため、簡易な工程
で、より微細なサイズのパターン形成を行う技術の実現
が要望されている。
However, this type of method requires a high-level exposure technique and requires many steps. Further, the minimum processing dimension is at most about 50 nm. Therefore, realization of a technique for forming a pattern of a finer size with a simple process is demanded.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、PE
Pを用いた微細加工技術では、プロセスが複雑であるこ
とに加え最小加工寸法が50nm程度であり、より微細
な最小加工寸法の微細加工技術の実現が要望されてい
る。
As described above, the conventional PE
In the fine processing technology using P, the minimum processing size is about 50 nm in addition to the complexity of the process, and there is a demand for a fine processing technology with a finer minimum processing size.

【0005】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、PEPのような複雑な
プロセスを要することなく、より微細なパターンを形成
することのできる半導体表面のパターニング方法を提供
することにある。また、本発明の別の目的は、上記の方
法を利用して半導体装置を作成する半導体装置の製造方
法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor surface capable of forming a finer pattern without requiring a complicated process such as PEP. Is to provide a patterning method. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device, which manufactures a semiconductor device using the above method.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(概要)上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、半導体基板の表
面に周期的なパターンを形成するための半導体表面のパ
ターニング方法において、周期的な原子ステップを有す
るシリコン基板の表面に、酸素ガスと炭素原子を含むガ
スとを同時に若しくは交互に供給し、該基板表面にこれ
らを吸着させる工程と、次いで前記基板を加熱処理し、
該基板の表面に前記原子ステップに沿ってシリコンと炭
素の結合層を周期的に形成する工程とを含むことを特徴
とする。
(Summary) In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration. That is, the present invention provides a method of patterning a semiconductor surface for forming a periodic pattern on the surface of a semiconductor substrate, wherein an oxygen gas and a gas containing carbon atoms are simultaneously applied to the surface of a silicon substrate having periodic atomic steps. Or alternately supply, and a step of adsorbing them on the substrate surface, and then heat-treating the substrate,
Periodically forming a bonding layer of silicon and carbon on the surface of the substrate along the atomic steps.

【0007】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 炭素原子を含むガスは、一酸化炭素であること。 (2) シリコンを加熱する温度は、700℃以上であるこ
と。 (3) 酸素ガスと炭素原子を含むガスは、プラズマ状態で
あること。 (4) 基板表面は、低指数面から僅かに傾斜しているこ
と。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) The gas containing carbon atoms shall be carbon monoxide. (2) The temperature at which silicon is heated is 700 ° C. or higher. (3) Oxygen gas and gas containing carbon atoms must be in a plasma state. (4) The substrate surface shall be slightly inclined from the low index plane.

【0008】また本発明は、上記方法により表面にシリ
コンと炭素の結合層が周期的に形成された基板を用い、
次のようにして半導体装置を製造することを特徴とす
る。 (1) 結合層をマスクに基板の表面に半導体層を選択成長
する。 (2) 結合層をマスクに基板を選択エッチングして溝を形
成した後、基板の溝内に半導体層を選択成長する。 (3) 基板の表面に結晶成長を行い、該基板表面に結合層
に対応した周期的凹凸を有する半導体層を成長する。 (作用)本発明によれば、原子ステップに沿ってシリコ
ンと炭素の結合層が形成されるため、原子ステップを周
期的に形成しておけば、結合層を周期的なパターンに形
成することができる。周期的な原子ステップは、基板を
低指数面から僅かに傾けることにより簡易に得ることが
できる。そして、この周期的なパターンは回折格子とし
て利用することが可能である。特に、従来のPEPでは
形成できないような微細ピッチの周期的パターンを作成
できるので、波長の短いX線用の回折格子を作成するこ
とが可能となる。
Further, the present invention uses a substrate on which a bonding layer of silicon and carbon is periodically formed on the surface by the above method,
A semiconductor device is manufactured as follows. (1) A semiconductor layer is selectively grown on the surface of the substrate using the bonding layer as a mask. (2) After forming a groove by selectively etching the substrate using the bonding layer as a mask, a semiconductor layer is selectively grown in the groove of the substrate. (3) Crystal growth is performed on the surface of the substrate, and a semiconductor layer having periodic irregularities corresponding to the coupling layer is grown on the substrate surface. (Function) According to the present invention, since the bonding layer of silicon and carbon is formed along the atomic steps, if the atomic steps are formed periodically, the bonding layer can be formed in a periodic pattern. it can. Periodic atomic steps can be easily obtained by slightly tilting the substrate from the low index plane. This periodic pattern can be used as a diffraction grating. In particular, since a periodic pattern with a fine pitch that cannot be formed by the conventional PEP can be created, it is possible to create a diffraction grating for X-rays having a short wavelength.

【0009】また、形成された結合層(一般には炭素化
合物)は、シリコンの一原子層分ほどの厚さであるが、
Si−C結合が非常に強固であるため、約2000℃ま
で熱に対して安定で、酸やアルカリなどのエッチング液
に対して耐性がある。このため、そのままでシリコン微
細加工プロセスのマスクになり得る。さらに、厚さは原
子層レベルなので、厚さが存在するために起こるマスク
のぼけも存在しない。ガスソース分子ビームエピタキシ
ャル成長(GSMBE)法や化学気相堆積(CVD)法
でSiなどを成長させると、炭素化合物の上には成長せ
ず、シリコンの上だけに選択的に成長するので、選択成
長のマスクにもなる。
The formed bonding layer (generally a carbon compound) has a thickness of about one atomic layer of silicon.
Since the Si—C bond is very strong, it is stable to heat up to about 2000 ° C. and resistant to an etchant such as an acid or an alkali. Therefore, it can be used as a mask for the silicon fine processing process as it is. Furthermore, since the thickness is at the atomic layer level, there is no mask blurring that occurs due to the presence of the thickness. When Si or the like is grown by the gas source molecular beam epitaxial growth (GSMBE) method or the chemical vapor deposition (CVD) method, it does not grow on the carbon compound but selectively grows only on silicon. Can also be used as a mask.

【0010】従って、これを利用して選択エッチングや
選択成長を行うことにより、各種の半導体装置を製造す
ることができる。また、シリコンと炭素との結合層を除
去する必要がある時には、イオンスパッタ法などのドラ
イエッチングで簡単に除去できる。
Therefore, various semiconductor devices can be manufactured by performing selective etching and selective growth utilizing this. When it is necessary to remove the bonding layer of silicon and carbon, it can be easily removed by dry etching such as ion sputtering.

【0011】このように本発明によれば、高度な露光技
術を使わずに、少ない工程で微細加工が可能となる。ま
た、原子ステップ間隔を調整することで、50nm以下
のナノメータスケールの微細加工も容易に行うことが可
能となる。
As described above, according to the present invention, fine processing can be performed in a small number of steps without using an advanced exposure technique. In addition, by adjusting the atomic step interval, fine processing on the nanometer scale of 50 nm or less can be easily performed.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】まず、発明の実施形態を説明する
前に、本発明の基本原理について説明する。シリコン
(Si)基板表面の原子ステップ間隔は、10nm以下
のサイズからミクロンオーダーのサイズまで、自由に制
御することが可能である。ここで、原子ステップとは、
単原子層の段差を意味し、原子ステップ間は、原子レベ
ルで平坦な面(テラスと呼ぶ)となっている。例えば、
低指数面から僅かに傾斜した基板(オフ基板)を使う
と、ピッチが10nm以下の原子ステップを均等に形成
できる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing the embodiments of the present invention, the basic principle of the present invention will be described. The atomic step interval on the silicon (Si) substrate surface can be freely controlled from a size of 10 nm or less to a size on the order of microns. Here, the atomic step is
It means a step of a monoatomic layer, and a flat surface (called a terrace) at an atomic level is formed between atomic steps. For example,
When a substrate (off-substrate) slightly inclined from the low index plane is used, atomic steps having a pitch of 10 nm or less can be formed uniformly.

【0013】また、フォトレジストで周期的にパターニ
ングしたのちにエッチングして周期的に穴を作ってお
き、原子ステップが動く温度に加熱するとステップバン
チングがおきて、穴の所に原子ステップがピニングさ
れ、広い範囲で均一で周期的な原子ステップが形成され
ることも知られている[文献:1994年第55回応用
物理学会学術後援会講演予稿集第0分冊p1217]。
Also, after periodically patterning with a photoresist, etching is performed to form holes periodically, and when heated to a temperature at which the atomic steps move, step bunching occurs, and the atomic steps are pinned at the holes. It is also known that uniform and periodic atomic steps are formed in a wide range [Reference: Proceedings of the 55th Annual Conference of the Japan Society of Applied Physics Academic Supporters, Vol. 0, p1217].

【0014】こうしてできた均等に配列した原子ステッ
プの基板を使い、原子ステップ端に沿って形成される化
学反応を用いれば、10nm以下の寸法に表面を加工す
ることができる。原子ステップ端に沿って形成される化
学反応としては、Gaや酸素を表面に吸着させてから、
基板を加熱して吸着物を脱離させるものが知られている
が、Gaや酸素はSiとの結合力が比較的弱く、脱離温
度が500から600℃と低いため、プロセス加工の自
由度が少ない。そこで、Siとの結合力の強い化合物を
原子ステップに沿って形成することが重要になる。
By using the thus formed evenly arranged substrates of atomic steps and using a chemical reaction formed along the ends of the atomic steps, the surface can be processed to a size of 10 nm or less. As a chemical reaction formed along the atomic step edge, Ga and oxygen are adsorbed on the surface,
It is known that the substrate is heated to desorb the adsorbate, but Ga and oxygen have a relatively weak bonding force with Si and the desorption temperature is as low as 500 to 600 ° C. Less is. Therefore, it is important to form a compound having a strong bonding force with Si along the atomic steps.

【0015】酸素ガスと炭素を含むガス(例えばCO)
とを同時又は交互に供給して、図1(a)のようなSi
基板10の清浄表面に酸素と炭素を含む分子を共吸着さ
せた後、1200℃位で加熱する。すると、図1(b)
に示すように、基板10のシリコンが原子ステップ端A
から蒸発すると共に、酸素が選択的に脱離し、図1
(c)に示すように、Si−C結合を含む化合物薄膜1
2が原子ステップに沿って形成される。
A gas containing oxygen gas and carbon (eg, CO)
And are supplied simultaneously or alternately to produce Si as shown in FIG.
After co-adsorbing molecules containing oxygen and carbon on the clean surface of the substrate 10, the substrate 10 is heated at about 1200 ° C. Then, FIG. 1 (b)
As shown in FIG.
And the selective desorption of oxygen,
As shown in (c), compound thin film 1 containing a Si—C bond
2 are formed along the atomic steps.

【0016】つまり、化合物薄膜12とSi面11とが
原子ステップに沿って同じテラス上に交互に配列する表
面構造になる。形成される炭素化合物の高さは、シリコ
ンの一原子層と同程度となり、共吸着の条件や脱離の条
件にはよらない。形成される炭素化合物の幅は、ガスの
供給量(ガスの圧力と吸着時間)とシリコン基板の加熱
温度と加熱時間によって制御できる。
That is, a surface structure is obtained in which the compound thin films 12 and the Si surfaces 11 are alternately arranged on the same terrace along the atomic steps. The height of the formed carbon compound is about the same as that of a monoatomic layer of silicon, and does not depend on the conditions of co-adsorption or desorption. The width of the formed carbon compound can be controlled by the gas supply amount (gas pressure and adsorption time) and the heating temperature and heating time of the silicon substrate.

【0017】なお、ガスを共吸着させるときは、基板を
400℃程度に加熱すると吸着の効率が上がる。さら
に、ガスをプラズマ化させるとその効率はさらに増し、
最終的にできる炭素化合物の膜の均一性も向上する。ま
た、吸着後の基板加熱温度が700℃以上であれば炭素
化合物形成の反応が起きる。また、酸素なしで炭素を含
むガスのみをシリコン基板に吸着させた後に基板を加熱
しても、吸着物がテラス上でランダムに凝集するだけ
で、上記のような配列構造は形成できない。これは、酸
素がシリコンと炭素との反応の一種の触媒として作用
し、酸素があるとテラス上での凝集が抑制されるためで
ある。
When co-adsorbing gas, heating the substrate to about 400 ° C. increases the efficiency of adsorption. Furthermore, when the gas is turned into plasma, its efficiency further increases,
The uniformity of the finally formed carbon compound film is also improved. If the substrate heating temperature after the adsorption is 700 ° C. or higher, a reaction for forming a carbon compound occurs. In addition, even if the substrate is heated after adsorbing only a gas containing carbon without oxygen on the silicon substrate, the adsorbed substances are only randomly aggregated on the terrace, and the above-described arrangement structure cannot be formed. This is because oxygen acts as a kind of catalyst for the reaction between silicon and carbon, and the presence of oxygen suppresses the aggregation on the terrace.

【0018】このようにして形成された炭素化合物は、
シリコンの一原子層分ほどの厚さであるが、Si−C結
合が非常に強固で熱的に安定であり、酸やアルカリに対
しても耐性があるため、シリコン微細加工プロセスのマ
スクとして用いることができる。そしてこの場合、厚さ
が原子層レベルなので、厚さが存在するために起こるマ
スクのぼけも存在しない。さらに、GSMBE法やCV
D法でSiなどを成長させる際の選択成長のマスクにも
なる。従って、高度な露光技術を使わずに、少ない工程
で極めて微細な加工が可能となる。
The carbon compound thus formed is
Although it is as thick as one atomic layer of silicon, it has a very strong Si-C bond, is thermally stable, and is resistant to acids and alkalis. be able to. In this case, since the thickness is at the atomic layer level, there is no mask blur caused by the thickness. Furthermore, GSMBE method and CV
It also serves as a mask for selective growth when growing Si or the like by the D method. Therefore, extremely fine processing can be performed in a small number of steps without using an advanced exposure technique.

【0019】以下、本発明の実施形態について説明す
る。 (第1の実施形態)図2は、本実施形態に係わるシリコ
ン基板表面のパターニング方法に使用した処理装置を示
す模式図である。超高真空チャンバ20内に、シリコン
基板21を保持する基板ホルダ22、基板加熱用のヒー
タ23が収容されている。チャンバ20には、ガス圧制
御機構を備えた炭素系ガス導入管24と酸素ガス導入管
25が接続されており、チャンバ20内のガスは超高真
空ポンプ27により排気されるようになっている。ま
た、基板表面へのガスの吸着反応効率を上げるための、
プラズマ発生用電極26が設置されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. (First Embodiment) FIG. 2 is a schematic diagram showing a processing apparatus used for a method of patterning a silicon substrate surface according to the present embodiment. A substrate holder 22 for holding a silicon substrate 21 and a heater 23 for heating the substrate are accommodated in the ultra-high vacuum chamber 20. The chamber 20 is connected with a carbon-based gas introduction pipe 24 and an oxygen gas introduction pipe 25 having a gas pressure control mechanism, and the gas in the chamber 20 is exhausted by an ultra-high vacuum pump 27. . Also, in order to increase the efficiency of the gas adsorption reaction on the substrate surface,
An electrode for plasma generation 26 is provided.

【0020】次に、上記装置を用いたパターニング方法
について説明する。ガス導入前のチャンバ20内の真空
度は、1×10-7Pa以下である。ホルダ22上にp型
シリコン(111)基板21を置き、一度1200℃に
加熱し、清浄表面を得た後に400℃に加熱しておく。
そして、分圧がそれぞれ5Paと2Paになるように、
チャンバ20内に一酸化炭素と酸素を導入し、プラズマ
発生用電極26でガスをプラズマ状態にする。この状態
で、約2分間酸素と一酸化炭素を共吸着させた。ガス導
入終了後、基板21を約1200℃に10秒間加熱する
と、基板21のシリコンが原子ステップ端から蒸発する
と共に、酸素だけが選択的に脱離し、Si−C結合を含
む化合物薄膜12が原子ステップに沿って形成された。
Next, a patterning method using the above apparatus will be described. The degree of vacuum in the chamber 20 before gas introduction is 1 × 10 −7 Pa or less. The p-type silicon (111) substrate 21 is placed on the holder 22 and once heated to 1200 ° C. to obtain a clean surface, and then heated to 400 ° C.
Then, so that the partial pressures are 5 Pa and 2 Pa, respectively.
Carbon monoxide and oxygen are introduced into the chamber 20, and the gas is turned into a plasma state by the plasma generating electrode 26. In this state, oxygen and carbon monoxide were co-adsorbed for about 2 minutes. When the substrate 21 is heated to about 1200 ° C. for 10 seconds after the introduction of the gas, the silicon on the substrate 21 evaporates from the atomic step ends, only oxygen is selectively desorbed, and the compound thin film 12 containing Si—C bonds becomes atomic. Formed along the steps.

【0021】このように本実施形態では、形成された炭
素化合物薄膜と元のシリコンが原子ステップに沿って同
じテラス上に交互に配列する表面構造になった。なお、
この実施形態で使用されたシリコン基板は、ステップ間
隔を揃えていない、ランダムに配列した原子ステップを
持つ基板である。
As described above, the present embodiment has a surface structure in which the formed carbon compound thin film and the original silicon are alternately arranged on the same terrace along the atomic steps. In addition,
The silicon substrate used in this embodiment is a substrate having randomly arranged atomic steps in which the step intervals are not uniform.

【0022】本発明の炭素化合物とシリコンとを交互に
配列した表面構造は、光に対する表面反射率が異なるた
め、前記図1(a)に示すような原子ステップが周期的
に配列した基板を使えば、そのまま回折格子となり得
る。回折格子の周期はステップ間隔を調整することで自
由に選択できる。特に、PEPでは形成できないような
短い周期の回折格子を作成することができ、これにより
X線用の回折格子を実現することが可能となる。さら
に、この表面構造を微細加工のマスクとして使うこと
で、以下の実施形態に述べるような、この表面構造を利
用した半導体装置を製造することが可能である。 (第2の実施形態)図3は、本発明の第2の実施形態に
係わる半導体装置の製造方法を示す斜視図であり、特に
MOSFETの例を示している。
Since the surface structure in which the carbon compound and the silicon are alternately arranged according to the present invention has different surface reflectance with respect to light, a substrate in which atomic steps are periodically arranged as shown in FIG. 1A can be used. If so, it can be directly used as a diffraction grating. The period of the diffraction grating can be freely selected by adjusting the step interval. In particular, it is possible to create a diffraction grating having a short period that cannot be formed by PEP, thereby realizing a diffraction grating for X-rays. Further, by using this surface structure as a mask for microfabrication, it is possible to manufacture a semiconductor device using this surface structure as described in the following embodiments. (Second Embodiment) FIG. 3 is a perspective view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and particularly shows an example of a MOSFET.

【0023】まず、半絶縁性のSi(100)微傾斜基
板30を超高真空中で加熱し、原子ステップの間隔が1
0nmに均一に揃った清浄表面を得た。次いで、基板3
0を400℃に加熱しながら、酸素分圧1×10-3
a、一酸化炭素分圧1×10-3Paの混合ガスを流し
た。続いて、基板を1200℃で数秒間加熱したとこ
ろ、前記図1(c)に示したようなSiと炭素化合物が
原子ステップに沿って交互に配列する構造が得られた。
炭素化合物の幅は約4nmであった。
First, a semi-insulating Si (100) vicinal substrate 30 is heated in an ultra-high vacuum so that the interval between atomic steps is one.
A clean surface with a uniform thickness of 0 nm was obtained. Next, the substrate 3
0 to 400 ° C., oxygen partial pressure 1 × 10 −3 P
a, A mixed gas having a carbon monoxide partial pressure of 1 × 10 −3 Pa was supplied. Subsequently, when the substrate was heated at 1200 ° C. for several seconds, a structure in which Si and the carbon compound were alternately arranged along the atomic steps as shown in FIG. 1C was obtained.
The width of the carbon compound was about 4 nm.

【0024】次いで、上記の基板を用い、CVD法でジ
シランとジボランを流してp型Siを成長させたとこ
ろ、炭素化合物32の上には成長せずSi面の上にだけ
成長した。厚さ10nm成長になったところで、成長を
終了した結果、図3(a)のようなp型Si層(量子細
線)33が得られた。
Next, p-type Si was grown using the above substrate by flowing disilane and diborane by the CVD method. As a result, the p-type Si was not grown on the carbon compound 32 but was grown only on the Si surface. When the growth reached a thickness of 10 nm, the growth was terminated. As a result, a p-type Si layer (quantum fine wire) 33 as shown in FIG. 3A was obtained.

【0025】次いで、図3(b)に示すように、p型S
i層33が形成されずに溝となった部分にシリコン酸化
膜34で埋め込んだあと、ソース・ドレインのパターニ
ングを施し、ソース・ドレイン電極36,37を形成
し、さらにMOS型ゲート電極35を形成する。これに
より、量子細線を用いたMOSFETが完成する。
Next, as shown in FIG.
After the silicon oxide film 34 is buried in the groove portion where the i-layer 33 is not formed, source / drain patterning is performed to form source / drain electrodes 36 and 37, and further a MOS type gate electrode 35 is formed. I do. Thus, a MOSFET using the quantum wires is completed.

【0026】このようにして形成され本装置において
は、ソース・ドレイン間を走行するキャリア(正孔)
は、p型Si層33が量子細線化されているため、散乱
を受けにくく、移動度が大きい。温度77Kで、このF
ET特性を測定したところ、同様の素子サイズで作成し
た量子細線構造でないMOSFETに比べて、約2倍の
コンダクタンスと、約1.5倍の遮断周波数が得られ
た。 (第3の実施形態)図4は、本発明の第3の実施形態に
係わる半導体装置の製造工程を示す斜視図であり、特に
発光ダイオードの例を示している。
In the present device thus formed, carriers (holes) traveling between the source and the drain are provided.
Since the p-type Si layer 33 has a quantum wire, it is hardly scattered and has high mobility. At 77K, this F
When the ET characteristics were measured, a conductance approximately twice as high and a cutoff frequency approximately 1.5 times as high as those of a MOSFET having the same element size and having no quantum wire structure were obtained. (Third Embodiment) FIG. 4 is a perspective view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, particularly showing an example of a light emitting diode.

【0027】まず、原子ステップの幅が10nmに均一
に揃ったp型のSi(100)微傾斜基板40を超高真
空中で加熱し清浄表面を得た。次いで、基板40を40
0℃に加熱しながら、酸素分圧1×10-3Pa、一酸化
炭素分圧3×10-4Paの混合ガスを流した。続いて、
基板40を1200℃で数秒間加熱したところ、前記図
1(c)に示したようなSiと炭素化合物がステップに
沿って交互に配列する構造が得られた。炭素化合物の幅
は約6nmであった。
First, the p-type Si (100) vicinal substrate 40 in which the width of the atomic steps was uniformly set to 10 nm was heated in an ultra-high vacuum to obtain a clean surface. Next, the substrate 40 is
While heating to 0 ° C., a mixed gas having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 Pa and a carbon monoxide partial pressure of 3 × 10 −4 Pa was flowed. continue,
When the substrate 40 was heated at 1200 ° C. for several seconds, a structure in which Si and the carbon compound were alternately arranged along the steps as shown in FIG. 1C was obtained. The width of the carbon compound was about 6 nm.

【0028】次いで、CVD法でジシランとジボランを
供給して、p型Siを成長させたところ、炭素化合物4
2の上には成長せずSiの上にだけ成長した。厚さ5n
mになったところで、成長を終了した結果、図4(a)
に示すように幅約3nmのp型Si層(量子細線)43
が得られた。これは、前記図3(a)に示した構造と同
様のものである。この細線中に閉じこめられたキャリア
は量子化されており、そのフォトルミネッセンス特性を
測定したところ、ピーク波長450nmの発光が確認さ
れた。
Next, disilane and diborane were supplied by the CVD method to grow p-type Si.
No. 2, but only on Si. 5n thickness
m, the growth was terminated, and as a result, FIG.
As shown in FIG. 3, a p-type Si layer (quantum wire) 43 having a width of about 3 nm is formed.
was gotten. This is similar to the structure shown in FIG. The carriers confined in the fine wire were quantized, and the photoluminescence characteristics thereof were measured. As a result, light emission at a peak wavelength of 450 nm was confirmed.

【0029】続いて、CVD法でジシランとホスフィン
を供給してp型Si層43の上にn型Si層44を成長
させ、シリコンのpn接合細線を形成した。次いで、細
線と細線との間をシリコン酸化膜45で埋めて、表面に
透明電極46を形成し、さらに裏面に電極47を形成す
ることにより、発光ダイオードを作成した。この発光ダ
イオードにおいては、ピーク波長470nmの発光を確
認した。
Then, disilane and phosphine were supplied by the CVD method to grow an n-type Si layer 44 on the p-type Si layer 43, thereby forming a pn junction thin line of silicon. Next, a space between the fine wires was filled with a silicon oxide film 45, a transparent electrode 46 was formed on the front surface, and an electrode 47 was further formed on the back surface, thereby producing a light emitting diode. In this light emitting diode, light emission with a peak wavelength of 470 nm was confirmed.

【0030】(第4の実施形態)図5は、本発明の第4
の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す斜視図
である。
(Fourth Embodiment) FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a perspective view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the embodiment.

【0031】まず、原子ステップの幅が10nmに均一
に揃った半絶縁性のSi(100)微傾斜基板50を超
高真空中で加熱し、清浄表面を得た。次いで、基板50
を400℃に加熱しながら、酸素分圧1×10-3Pa、
一酸化炭素分圧1×10-3Paの混合ガスを流した。続
いて、基板50を1200℃で数秒間加熱したところ、
前記図1(c)に示したようなSiと炭素化合物がステ
ップに沿って交互に配列する構造が得られた。炭素化合
物の幅は約4nmであった。
First, a semi-insulating vicinal Si (100) substrate 50 in which the width of the atomic steps was uniformly set to 10 nm was heated in an ultra-high vacuum to obtain a clean surface. Next, the substrate 50
While heating to 400 ° C., an oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 Pa,
A mixed gas having a carbon monoxide partial pressure of 1 × 10 −3 Pa was supplied. Subsequently, when the substrate 50 was heated at 1200 ° C. for several seconds,
As shown in FIG. 1C, a structure was obtained in which Si and carbon compounds were alternately arranged along the steps. The width of the carbon compound was about 4 nm.

【0032】次いで、上記の基板50をフッ酸系のエッ
チング液でエッチングしたところ、図5(a)に示すよ
うな溝51が形成された。次いで、超高真空中で基板5
0を加熱して溝51の表面を清浄化した後に、前述と同
様にCVD法でp型Siを成長させると、図5(b)に
示すように、溝51の部分だけに選択的にp型Si層5
4を埋め込んだ構造が作成された。このような構造で
も、ピーク波長450nmの発光が確認された。
Next, when the substrate 50 was etched with a hydrofluoric acid-based etchant, a groove 51 was formed as shown in FIG. Next, the substrate 5 is placed in an ultra-high vacuum.
After heating the surface of the groove 51 by heating 0, the p-type Si is grown by the CVD method in the same manner as described above, and as shown in FIG. Type Si layer 5
4 was created. Even with such a structure, emission at a peak wavelength of 450 nm was confirmed.

【0033】(第5の実施形態)図6は、本発明の第5
の実施形態に係わる半導体装置を示す斜視図であり、特
にDFBレーザの例を示している。
(Fifth Embodiment) FIG. 6 shows a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a semiconductor device according to the first embodiment, and particularly shows an example of a DFB laser.

【0034】前述したシリコンと炭素系化合物が交互に
配列した構造は、このまま回折格子として使えるが、こ
れを応用するとDFB(Distributed-FeedBack)レーザ
の回折格子も作成できる。縞状構造の周期は、レーザの
発振波長に合わせる必要がある。
The above-mentioned structure in which silicon and carbon-based compounds are alternately arranged can be used as a diffraction grating as it is, but if this structure is applied, a diffraction grating of a DFB (Distributed-FeedBack) laser can also be formed. The period of the striped structure needs to be adjusted to the oscillation wavelength of the laser.

【0035】まず、Si(100)面のオフ基板60を
ステップバンチングさせて、原子ステップの幅を440
nmにコントロールする。次いで、この基板60を40
0℃に加熱しながら、酸素分圧1×10-3Pa、一酸化
炭素分圧3×10-4Paの混合ガスを流した。続いて、
基板60を1200℃で数秒間加熱したところ、Siと
炭素化合物がステップに沿って交互に配列する構造が得
られた。炭素化合物の幅は約250nmであった。こう
して周期440nmの回折格子ができた。
First, the off-substrate 60 of the Si (100) plane is step-bunched to reduce the width of the atomic steps to 440.
Control to nm. Next, the substrate 60 is
While heating to 0 ° C., a mixed gas having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 Pa and a carbon monoxide partial pressure of 3 × 10 −4 Pa was flowed. continue,
When the substrate 60 was heated at 1200 ° C. for several seconds, a structure in which Si and the carbon compound were alternately arranged along the steps was obtained. The width of the carbon compound was about 250 nm. Thus, a diffraction grating having a period of 440 nm was obtained.

【0036】次いで、この基板60上に有機金属気相成
長法を使って、第1のp型AlGaNクラッド層64を
成長する。このとき、シリコンの上と炭素化合物の上で
成長速度が異なるので、クラッド層64の厚さに差が生
じる。この周期的な厚さの差でクラッド層64に回折格
子65が形成される。続いて、第1のAlGaNクラッ
ド層64よりもAl組成比の小さな第2のAlGaNク
ラッド層66を成長する。このときは、表面の平坦化が
進むように成長速度を遅くする。
Next, a first p-type AlGaN cladding layer 64 is grown on the substrate 60 by using a metal organic chemical vapor deposition method. At this time, since the growth rates are different on silicon and on the carbon compound, a difference occurs in the thickness of the cladding layer 64. The diffraction grating 65 is formed on the cladding layer 64 by the periodic thickness difference. Subsequently, a second AlGaN cladding layer 66 having an Al composition ratio smaller than that of the first AlGaN cladding layer 64 is grown. At this time, the growth rate is reduced so that the surface is flattened.

【0037】続いて、InGaN活性層67,第2のp
型AlGaNクラッド層66と同じAl組成比のn型A
lGaNクラッド層68,n型InGaNオーミック電
極コンタクト層69を成長する。そして、表面に電極7
1を蒸着形成し、裏面に電極72を蒸着形成することに
より、図6に示したようなDFB型レーザ構造が作成さ
れる。
Subsequently, the InGaN active layer 67, the second p
N-type A having the same Al composition ratio as the AlGaN cladding layer 66
The 1GaN cladding layer 68 and the n-type InGaN ohmic electrode contact layer 69 are grown. And the electrode 7 on the surface
1 is formed by vapor deposition, and the electrode 72 is formed by vapor deposition on the back surface, whereby a DFB laser structure as shown in FIG. 6 is produced.

【0038】このようにして作成されたレーザにおいて
は、シリコンと炭素化合物の回折格子の効果で、回折格
子が無い場合のレーザに比べて、発振波長の半値幅が半
分以下になる。また、従来はこの種の回折格子を作成す
るために、クラッド層を形成した後に2光束干渉露光,
エッチング等の複雑なプロセスを必要としていたが、本
実施形態ではこれらのプロセスを要しないため、製造工
程の簡略化及び製造コストの低減をはかることができ
る。
In the laser fabricated in this manner, the half width of the oscillation wavelength becomes half or less than that of the laser without the diffraction grating due to the effect of the diffraction grating of silicon and the carbon compound. Conventionally, in order to produce this type of diffraction grating, two-beam interference exposure after forming a cladding layer,
Although complicated processes such as etching are required, in the present embodiment, these processes are not required, so that the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.

【0039】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態では酸素と一酸化炭素の
混合ガスを用いたが、一酸化炭素の代わりには、炭素原
子を含むガス(例えばCO2 ,CH4 ,C26 ,C2
4 ,C22 ,C66 、C25 COOH、C6
5 OHなど)であれば用いることができる。さらに、酸
素ガスと炭素原子を含むガスは必ずしも同時に供給する
必要はなく、これらを交互に供給するようにしても良
い。また、ガスを吸着させた後の加熱処理における温度
は1200℃に限るものではなく、シリコンと炭素とが
十分に反応する温度、具体的には700℃以上であれば
よい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。
The present invention is not limited to the above embodiments. In the embodiment, a mixed gas of oxygen and carbon monoxide is used, but instead of carbon monoxide, a gas containing carbon atoms (for example, CO 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 2
H 4, C 2 H 2, C 6 H 6, C 2 H 5 COOH, C 6 H
5 OH) can be used. Further, the oxygen gas and the gas containing carbon atoms do not always need to be supplied simultaneously, and they may be supplied alternately. The temperature in the heat treatment after the gas is adsorbed is not limited to 1200 ° C., and may be a temperature at which silicon and carbon sufficiently react, specifically, 700 ° C. or more. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、周
期的な原子ステップを有するシリコン基板の表面に、酸
素ガスと炭素原子を含むガスとを同時に若しくは交互に
供給して吸着させた後、基板を加熱処理することによ
り、基板の表面に原子ステップに沿ってシリコンと炭素
の結合層を周期的に形成することができる。従って、高
度な露光技術を使わずに、少ない工程で基板表面の微細
加工が可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, oxygen gas and gas containing carbon atoms are simultaneously or alternately supplied and adsorbed on the surface of a silicon substrate having periodic atomic steps. Thereafter, by heating the substrate, a bonding layer of silicon and carbon can be periodically formed on the surface of the substrate along the atomic steps. Therefore, fine processing of the substrate surface can be performed in a small number of steps without using an advanced exposure technique.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の基本原理を説明するための基板表面の
加工工程を示す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing a processing step of a substrate surface for explaining a basic principle of the present invention.

【図2】第1の実施形態に使用した処理装置の概略構成
を示す模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a processing apparatus used in the first embodiment.

【図3】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す斜視図。
FIG. 3 is a perspective view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図4】第3の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す斜視図。
FIG. 4 is a perspective view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a third embodiment.

【図5】第4の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す斜視図。
FIG. 5 is a perspective view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a fourth embodiment.

【図6】第5の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す斜視図。
FIG. 6 is an exemplary perspective view showing an element structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,21,30,40,50,60…単結晶Si基板 11…シリコン面 12,32,42,52,62…SiとCの結合層 20…超高真空チャンバ 21…シリコン基板 22…基板ホルダ 23…基板加熱用ヒータ 24,25…ガス導入管 26…プラズマ発生用電極 27…超高真空ポンプ 33,43,54…p型Si層(量子細線) 34,45…シリコン酸化膜 35…ゲート電極 36…ソース電極 37…ドレイン電極 44…n型Si層(量子細線) 46,47,71,72…電極 51…溝 64,66…p型AlGaNクラッド層 65…回折格子 67…InGaN活性層 68…n型AlGaNクラッド層 69…n型InGaNオーミック電極コンタクト層 10, 21, 30, 40, 50, 60 single-crystal Si substrate 11 silicon surface 12, 32, 42, 52, 62 bonding layer of Si and C 20 ultra-high vacuum chamber 21 silicon substrate 22 substrate holder 23: heater for substrate heating 24, 25: gas introduction tube 26: electrode for plasma generation 27: ultra-high vacuum pump 33, 43, 54: p-type Si layer (quantum fine wire) 34, 45: silicon oxide film 35: gate electrode 36 source electrode 37 drain electrode 44 n-type Si layer (quantum fine wire) 46, 47, 71, 72 electrode 51 groove 64, 66 p-type AlGaN cladding layer 65 diffraction grating 67 InGaN active layer 68 n-type AlGaN cladding layer 69 ... n-type InGaN ohmic electrode contact layer

フロントページの続き (71)出願人 000005108 株式会社日立製作所 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 (72)発明者 藤田 忍 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 丸野 茂光 兵庫県尼崎市塚口本町八丁目1番1号 三 菱電機株式会社先端技術総合研究所内 (72)発明者 渡部 平司 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 楠見 之博 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 市川 昌和 東京都千代田区神田駿河台4−6 株式会 社日立製作所内Front Page Continuation (71) Applicant 000005108 Hitachi, Ltd. 4-6 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo (72) Inventor Shinobu Fujita 1 Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Toshiba Research & Development Center (72) Inventor Shigemitsu Maruno 8-1, 1-1 Tsukaguchihonmachi, Amagasaki-shi, Hyogo Sanryo Electric Co., Ltd. Advanced Technology Research Laboratory (72) Inventor Heiji Watanabe 5-7 Shiba, Minato-ku, Tokyo NEC Corporation Inside the stock company (72) Inventor Nobuhiro Kusumi 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe-shi, Hyogo Inside Kobe Steel Co., Ltd. Kobe Research Institute (72) Inventor Masakazu Ichikawa 4-Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo 6 Within Hitachi, Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン基板の表面に、酸素ガスと炭素原
子を含むガスとを同時に若しくは交互に供給した後に、
前記基板表面の原子ステップに沿ってシリコン及び炭素
の結合層とシリコン面とが交互に配列するように、前記
基板を加熱処理することを特徴とする半導体表面のパタ
ーニング方法。
An oxygen gas and a gas containing carbon atoms are supplied simultaneously or alternately to the surface of a silicon substrate.
A method of patterning a semiconductor surface, wherein the substrate is heat-treated such that bonding layers of silicon and carbon and a silicon surface are alternately arranged along the atomic steps of the substrate surface.
【請求項2】周期的な原子ステップを有するシリコン基
板の表面に、酸素ガスと炭素原子を含むガスとを同時に
若しくは交互に供給し、該基板表面にこれらを吸着させ
る工程と、次いで前記基板を加熱処理し、該基板の表面
に前記原子ステップに沿ってシリコンと炭素の結合層を
周期的に形成する工程とを含むことを特徴とする半導体
表面のパターンニング方法。
2. A step of simultaneously or alternately supplying an oxygen gas and a gas containing carbon atoms to the surface of a silicon substrate having a periodic atomic step, and adsorbing them on the substrate surface. Heat treatment to periodically form a bonding layer of silicon and carbon on the surface of the substrate along the atomic steps.
【請求項3】周期的な原子ステップを有するシリコン基
板の表面に、酸素ガスと炭素原子を含むガスとを同時に
若しくは交互に供給し、かつこれらをプラズマ状態にし
て該基板表面に吸着させる工程と、次いで前記基板を加
熱処理し、前記原子ステップの各々の端から一方向に所
定長さだけシリコンと炭素の結合層を形成し、前記基板
表面に該結合層とシリコン面とを交互に配列する工程と
を含むことを特徴とする半導体表面のパターニング方
法。
3. A step of simultaneously or alternately supplying an oxygen gas and a gas containing carbon atoms to the surface of a silicon substrate having periodic atomic steps, and causing these to be in a plasma state and adsorbed on the substrate surface. Then, the substrate is heat-treated to form a silicon and carbon bonding layer by a predetermined length in one direction from each end of the atomic step, and the bonding layer and the silicon surface are alternately arranged on the substrate surface. A patterning method for a semiconductor surface.
【請求項4】周期的な原子ステップを有するシリコン基
板の表面に、酸素ガスと炭素原子を含むガスとを同時に
若しくは交互に供給し、該基板表面に吸着させる工程
と、次いで前記基板を700℃以上に加熱処理し、前記
原子ステップの各々の端から一方向に所定長さだけシリ
コンと炭素の結合層を形成し、前記基板表面に該結合層
とシリコン面とを交互に配列する工程とを含むことを特
徴とする半導体表面のパターニング方法。
4. A step of simultaneously or alternately supplying an oxygen gas and a gas containing carbon atoms to the surface of a silicon substrate having a periodic atomic step to cause the substrate to adsorb to the surface of the silicon substrate. Heat treatment as described above, forming a silicon-carbon bonding layer by a predetermined length in one direction from each end of the atomic step, and alternately arranging the bonding layer and the silicon surface on the substrate surface. A method for patterning a semiconductor surface, comprising:
【請求項5】周期的な原子ステップを有するシリコン基
板の表面に、酸素ガスと炭素原子を含むガスとを同時に
若しくは交互に供給し、該基板表面にこれらを吸着させ
る工程と、次いで前記基板を加熱処理し、該基板の表面
に前記原子ステップに沿ってシリコンと炭素の結合層を
周期的に形成する工程と、前記結合層をマスクに前記基
板の表面に半導体層を選択成長する工程とを含むことを
特徴とする半導体装置の製造方法。
5. A step of simultaneously or alternately supplying an oxygen gas and a gas containing carbon atoms to the surface of a silicon substrate having a periodic atomic step, and adsorbing them on the surface of the substrate. Heating, periodically forming a silicon-carbon bonding layer on the surface of the substrate along the atomic steps, and selectively growing a semiconductor layer on the surface of the substrate using the bonding layer as a mask. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項6】周期的な原子ステップを有するシリコン基
板の表面に、酸素ガスと炭素原子を含むガスとを同時に
若しくは交互に供給し、該基板表面にこれらを吸着させ
る工程と、次いで前記基板を加熱処理し、該基板の表面
に前記原子ステップに沿ってシリコンと炭素の結合層を
周期的に形成する工程と、前記結合層をマスクに前記基
板を選択エッチングして溝を形成する工程と、前記基板
の溝内に半導体層を選択成長する工程とを含むことを特
徴とする半導体装置の製造方法。
6. A step of simultaneously or alternately supplying an oxygen gas and a gas containing carbon atoms to the surface of a silicon substrate having a periodic atomic step, and adsorbing them on the substrate surface. Heating, periodically forming a silicon and carbon bonding layer along the atomic steps on the surface of the substrate, and selectively etching the substrate with the bonding layer as a mask to form a groove, Selectively growing a semiconductor layer in the groove of the substrate.
【請求項7】周期的な原子ステップを有するシリコン基
板の表面に、酸素ガスと炭素原子を含むガスとを同時に
若しくは交互に供給し、該基板表面にこれらを吸着させ
る工程と、次いで前記基板を加熱処理し、該基板の表面
に前記原子ステップに沿ってシリコンと炭素の結合層を
周期的に形成する工程と、次いで前記基板の表面に結晶
成長を行い、該基板表面に前記結合層に対応した周期的
凹凸を有する半導体層を成長する工程とを含むことを特
徴とする半導体装置の製造方法。
7. A step of supplying an oxygen gas and a gas containing carbon atoms simultaneously or alternately to the surface of a silicon substrate having a periodic atomic step and adsorbing them to the surface of the substrate, and then the substrate is A step of performing heat treatment to periodically form a bonding layer of silicon and carbon on the surface of the substrate along the atomic steps, and then performing crystal growth on the surface of the substrate to correspond to the bonding layer on the surface of the substrate. And a step of growing a semiconductor layer having the periodic unevenness described above.
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