JPS63205912A - 半導体製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、絶縁性基板上への半導体結晶成長に関するも
のである。

〔従来の技術〕

ｖＡ縁縁板板上の半導体単結晶薄膜の成長は、大面積表
示素子、太陽電池はじめ高性能の電子集積機能素子ある
いは光・電子集積回路の実現など広範な応用への展開が
期待される技術である。特に、高速な電子集積回路形成
においては、半導体基板と動作層で派生する浮遊容量を
低減させるために、集積回路形成プロセスの確立ととも
に、絶縁基板上はの単結晶成長技術の確立が期待されて
いる。

絶縁基板上への単結晶薄膜成長実現の方法としては、基
板として半導体結晶を利用せず直接′ＩＡ縁基板基板上
晶成長を行うノンシード法と、基板として半導体結晶を
利用し、その上に絶縁膜を形成したあと、絶縁膜の一部
分を窓開けし、基板の結晶方位を利用して絶縁膜上に単
結晶の横方向成長を行うラテラルシーディングエピタキ
シー（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｏｖｅｒ
ｇｒｏｗｔｈ：略称ＥＬＯ）法に分けられる。しかし、
前者については、結晶方位を特定することが難しいため
、多結晶薄膜は容易に得られるが広い面積にわたり単結
晶薄膜を形成することは現在のところ技術的に困難であ
る。

このため、ＥＬＯ法が実用的な技術として多（の研究機
関で精力的に開発に取り組まれている。

第６図は、ＥＬＯの基本構成を説明するための断面図を
示したものであり、同図において、１は半導体結晶基板
、２は絶縁膜、３は絶縁膜２の一部をフォトリソグラフ
ィで窓あけしたシード部、４は横方向結晶成長膜である
。シード部３からの横方向成長量をし、厚さをｔとすれ
ば、その比Ｌ／ｌをラテラル比とよび、この値が高いこ
とがＥＬＯとしては望ましい。

ラテラルシーディングエピタキシーの実現方法としては
、 ■レーザ光、電子ビーム、ランプ、ストリップヒータな
どの熱源により微小な高温領域を形成し、半導体材料薄
膜の一部を融解してシード部と接触させ、固液界面を移
動させることによりシード部の結晶方位を保ったまま連
続的に単結晶化を行うゾーンメルト再結晶化法と、 ■有機金属化学的気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）、気相成長
法（ＶＰＥ）、液相成長法（Ｌ　Ｐ　Ｅ）あるいは分子
ビームエピタキシー法（ＭＢＥ）などの結晶成長法を用
いて、横方向成長速度を著しく高める成長条件を利用す
る方法が考えられる。

前者の方法（■の方法）は、簡便な成長法であるが、液
体からの結晶化であるために熱変化が大きく、良質の結
晶が得られにくい。特に化合物半導体についてはストイ
キオメトリイーの一致をはかることが極めて困難である
。このため、後者の方法（■の方法）についての研究報
告が多くなされている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記■の方法のなかでも、高い電子移動度を有し、且つ
直接遷移系の半導体結晶材料であるヒ化ガリウムのラテ
ラルシーディングエピタキシーについては、マサチュー
セッツ工科大学すンカーン研究所のＣ，０，Ｂｏｚｌｅ
ｒらにより、クロライド系気相成長法を用いて（１１０
）面ＧａＡｓ基板で面内方位角度を［１１０］方向に２
０〜２５度シフトした角度での横方向成長速度が厚さ方
向のそれに比べて著しく高くなる成長条件を見出し、実
用的なプロセスを開発した〔ジャーナル　オブ　バキュ
ーム　サイエンス　テクノロジー（Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ
、Ｔｅｃｈｎｏｌ、、２０．Ｍａｒｃｈ　１９８２７２
０−７２５）　］。

しかしながら、この成長法では、絶縁膜上でのＧａの粘
着係数を低下させるためにクロライドガスを輸送させて
いるのでドーパントの種類の制限が生じるという欠点を
有している。

また、ガリウムおよびヒ素の分子ビームの照射（ＭＢＥ
法）、あるいはトリメチルガリウムおよびアルシンの熱
分解（ＭＯＣＶＤ法）による絶縁膜上への横方向成長に
関しては、過飽和度が著しく高い条件で結晶成長を行う
ため絶縁膜上では結晶方位を特定しない多結晶粒が析出
すること、ヒ化ガリウム分子のマイグレーション効果が
極めて低いため横方向成長距離は数μｍ程度であること
、などから実用的な技術ではない。

一方、液相成長法は過飽和融液を基板単結晶と接触させ
、基板の結晶方位と同一の方位をもつ単結晶を基板上に
成長させる技術であり、近年光通信用光源となる半導体
レーザ作製プロセスとして確立した技術である。また、
液相成長法による半導体基板内への成長層の埋め込み技
術として、半導体基板に溝を形成し、その中に単結晶を
成長させる技術がある。

しかし、液相成長法によるＥＬＯに関しては、横方向成
長速度を高めるための絶縁膜上での反応種のマイグレー
ション効果がないため、従来より困難とされていた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の半導体製造方法は上記問題点に鑑みてなされた
ものであり、半導体結晶基板上を絶縁膜で被覆し、特定
方向に絶縁膜の一部をストライプ状に除去してシード部
を形成した後、液相成長法によりシード部から絶縁膜上
に半導体単結晶の横方向成長を行わせるものである。

〔作用〕

シード角および冷却速度を適当に設定することにより、
高いラテラル比を得ることができ、絶縁膜上に良質の半
導体単結晶薄膜が形成される。

〔実施例〕

以下、実施例と共に本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例を説明するために、半導体基
板結晶シード部の構成を概略的に示した斜視図である。

ｌは半導体結晶基板であり、通常、その表面が（１００
）、（１１１）、または（１１０）などの低指数な面指
数であるものが用いられる。２はアモルファス絶縁膜で
あり、スバ・フタ法、熱酸化法あるいはＣＶＤ法で形成
される。３はシード部であり、フォトエツチング法によ
り絶縁膜２の一部を高精度に半導体結晶基板１の表面が
露出するように窓あけして形成したものである。矢印Ａ
は基板面内である特定の方位たとえば［１１０〕や［Ｉ
ＴＯ］等を示し、この矢印Ａとシード部３の長手方向の
方位を示す矢印Ｂとがなす角度ψをシード角と称する。

このシード角ψは、後述するように、横方向成長速度が
最大となる角度に設定しである。

第２図は、公知のカーボンボート式液相成長装置の概略
を示したものであり、６は電気炉、７は石英反応管、８
はカーボンボートのうちメルト溜め、９はカーボンボー
トのスライド部であり試料ホルダーを兼ねている。１０
はメルト、１１は第１図に示した半導体結晶基板、１２
は水素キャリアガスである。ここで、メルトｌＯは所定
の液相成長温度で十分に溶質が飽和された融液である。

なお、半導体結晶基板１１の厚さは、基板表面の保護お
よび液相成長後の単結晶薄膜の破損を防ぐために、カー
ボンボートのメルト溜め８とは数十μｍ程度の間隙を有
するように所定の厚さに設定されている。

本実施例の製造方法は、このようなカーボンボート式液
相成長装置を用いて横方向成長を行う。

まず、設定成長温度にてカーボンボートのスライド部９
を移動してメル）１０と半導体結晶基板１１を接触させ
る。しかるのち、０．５℃／分以下の冷却速度で電気炉
６を冷却し、メルト１０の溶質が析出して半導体基板１
１．のシード部３から横方向成長が始まり、成長結晶が
絶縁膜２の全面を覆うまで成長を行う。その後、スライ
ド部９を再度矢印Ｃ方向に移動し、ワイプオフ操作でメ
ルト１０を拭き取り、成長は完了する。なお、所望の電
子機能素子を製作するためには、さらに、公知の拡散技
術、イオンインプランテーション技術、フォトエツチン
グ技術などを駆使して所望のデバイスを作製すればよい
。

つぎに、本実施例を具体的数値を用いてさらに詳細に説
明する。第１図に示す構造で半導体結晶基Ｆｉ１として
は面方位（００１）面のヒ化ガリウムを用い、絶縁膜２
は膜厚０．５μｍの二酸化シリコンとし、幅５μｍ、長
さ１０ｍｍのシード部３を１００μｍ間隔で形成した。

また、シード角ψは、基板方位面内角度が＜１１０＞か
ら＜１００＞方向に２５度シフトした角度とし、冷却速
度を０．５℃／分以下とした。

ここで、シード角ψに関する実験を説明する。

この実験は、（００１）面内で３６０°円周上に５６お
きに上述した形状のシード部を形成し、第２図に示した
液相成長装置を用いて、シード部のＧａＡｓ結晶を種結
晶として横方向結晶成長を行い、それぞれの角度のシー
ド部における横方向成長速度を計測することにより行っ
た。ヒ化ガリウムの液相成長はＧａメルトを使用し、成
長温度８００℃でのヒ化ガリウムの飽和量約４．５重量
％を溶かし込んだＧａメルトを十分飽和させた後、前述
した半導体結晶基板試料１１と接触させて行った。また
、冷却速度は０．５℃／分以下で行った。

その結果を第３図に示す。第３図は縦軸方向を［１１０
］、横軸方向を［ＩＴＯ］とし、各軸をラテラル比（横
方向成長速度と厚さ方向成長速度の比）とし、各シード
部で得られた結果をプロットしたものである。図中の・
印は実験値を示したものである。なお、第３図に示した
結果は、他の＜１１０＞で限定される方位領域（第２．
３．４象限）におけるものと全く対称形で得られるため
、前記で限定される方位領域で代表して示した。この図
から明らかなように、横方向成長速度が最大となるシー
ド角ψは＜１１０＞から＜１００＞方向に約２５度シフ
トした角度であり、この角度以外では横方向成長速度が
低いためシード角としては不適当であることが判った。

さらに、横方向成長を促進させる液相成長条件としては
冷却速度がある。第４図は、横軸に冷却速度、縦軸にラ
テラル比の関係を示したものであり、図中・印は実験結
果を示したものである。この図から明らかなように、冷
却速度０．５℃／分以下では、ラテラル比は大幅に増加
し、ラテラル比１０以上となることが判った。

以上述べたように、シード角ψと冷却速度を所定の範囲
に設定することにより、液相成長法で横方向成長が実現
できる。シード部からの横方向成長によりヒ化ガリウム
単結晶が絶縁膜上全面を覆い、通常のエピタキシャル成
長に移行する時点でワイプオフを行うことによって本発
明方法による横方向成長は終了する。

第５図は、本実施例により実現したＥＬＯの断面図を示
したものであり、絶縁膜２上に単結晶薄膜４が形成され
ている。この図に示したヒ化ガリウム薄膜４は、全面が
平滑な表面を有し、相隣接するシード部３からの横方向
成長の合流面においても、小傾角粒界や刃状転位などの
発生は確認できなかワた。さらに、エッチピット密度を
観測した結果、ＧａＡｓホモエピタキシャル結晶同様極
めて低い密度であった。また、アルゴンイオンレーザを
励起光としたフォトルミネッセンススペクトルの強度な
らびに半値幅はＧａＡｓホモエピタキシャル結晶のもの
と遜色ないことがわかった。このことから、本実施例の
方法により良質な単結晶薄膜を絶縁膜上に広い領域にわ
たり形成できることを確認した。

以上本実施例は、半導体基板方位として、ヒ化ガリウム
（１００）基板について記述したが、他の結晶面方位を
有する基板上での横方向成長についても、シード角ψを
横方向成長速度が高くなる基板面内方位角度近傍に設定
し、冷却速度を適切に選べば液相成長で単結晶薄膜を容
易に実現できる。

また、上記実施例は、半導体材料としてヒ化ガリウムに
ついて述べたが、リン化インジウムやシリコンあるいは
ゲルマニウムなど広範な半導体材料にも適用可能である
。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の半導体製造方法によれば、
絶縁膜上への単結晶横方向成長を実用的な液相成長法で
実現することができる。したがって広範な応用が可能で
あり、例えば、半導体レーザの液相成長製造プロセスに
おいては、本発明により絶縁膜上にＧａＡｓ単結晶膜を
作製した後、通常の液相成長によりＧａＡｓ　−Ａ　ｌ
ＧａＡｓなどのダブルへテロ構造の薄膜を成長させるこ
とにより、連続的液相成長が実現できるため、浮遊容量
低減による特性向上と製作プロセスの歩留まり向上が実
現できる。また、他の例としては、最近高速デバイスと
して注目されているヘテロ接合トランジスタについても
、本発明の製造方法により良質な単結晶基板を実現する
ことができることから特性向上が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するために半導体結晶
基板シード部の構成を概略的に示す斜視図、第２図は公
知のカーボンボート式液相成長装置の概略断面図、第３
図は（００１）面ＧａＡｓ結晶基板を用いたシード部の
基板面内方位角度とラテラル比の関係を実測した結果を
示す図、第４図は冷却速度とラテラル比の関係を実測し
た結果を示す図、第５図は本実施例により製作したラテ
ラルシーディングエピタキシーを示す断面図、第６図は
ラテラルシーディングエピタキシーの基本構成を示す断
面図である。 ｌ、１１・・・半導体結晶基板、２・・・アモルファス
絶縁膜、３・・・シード部、４・・・横方向単結晶成長
膜、６・・・電気炉、７・・・石英反応管、８・・・メ
ルト溜め、９・・・スライド部、ｌＯ・・・メルト、１
２・・・キャリアガス。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体結晶基板上を絶縁膜で被覆し、特定方向に
   絶縁膜の一部をストライプ状に除去してシード部を形成
   した後、液相成長法によりシード部から絶縁膜上に半導
   体単結晶の横方向成長を行わせることにより、絶縁膜上
   に半導体単結晶を得る半導体製造方法。
2. （２）半導体結晶基板が面方位（００１）面を有する単
   結晶ヒ化ガリウムであり、ストライプ状のシード部の長
   手方向が半導体結晶基板面内で＜１１０＞から＜１００
   ＞方向に約２５度シフトした角度である特許請求の範囲
   第１項記載の半導体製造方法。
3. （３）液相成長における冷却速度が０．５℃／分以下で
   ある特許請求の範囲第２項記載の半導体製造方法。