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半導体装置の製造方法

国内特許コード P07A010370
掲載日 2007年8月31日
出願番号 特願2005-092673
公開番号 特開2006-278529
登録番号 特許第4834828号
出願日 平成17年3月28日(2005.3.28)
公開日 平成18年10月12日(2006.10.12)
登録日 平成23年10月7日(2011.10.7)
発明者
  • 須田良幸
  • 北山大祐
  • 高橋陽一
出願人
  • 学校法人東京農工大学
発明の名称 半導体装置の製造方法
発明の概要


【課題】
本発明では、多段にGeドットを製造する場合に、Geドットが分裂せずに人為的に位置制御されたSi基板上の逆ピラミッド凹部の位置に多段にGeドットが形成される半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】
Si(100)基板上にエッチングにより少なくとも4つの面に囲まれた逆ピラミッド状の凹構造を形成する第1の工程と、前記逆ピラミッド状の凹構造に凹部がなくなるようにGeを埋める第2の工程と、前記工程の後にSi層を形成する第3の工程と、前記Si層の上部でかつ下方のGeドットのある位置にGeドットを形成する第4の工程からなることを特徴とするGeドットの平面方向の位置を人為的に制御した多段構成のGeドットの製造方法を提供する。
【選択図】 図2

従来技術、競合技術の概要


発光デバイスの材料としては主に発光性の直接遷移型半導体である3-5系半導体材料が用いられてきた。シリコン(Si)系の発光デバイスができれば、Siの大規模集積回路(LSI)と製造プロセスが整合するので、光-論理集積回路などの高機能デバイスの実現が期待される。さらに、資源の豊富なSiを用いることができるので、資源的な面からもSi系の発光デバイスが期待される。しかし、Siやゲルマニウム(Ge)は非発光性の間接遷移型半導体なのでほとんど発光しない。



しかし、Si中またはSi上に微細なGeドットを形成すると、量子閉じ込め効果が現れて、Si中の電子とGeドットに閉じ込められた正孔が再結合して発光するようになる。このとき、1.3~1.6μmの光通信波長帯で発光するので、Geドットを用いたデバイスは光通信波長帯の発光デバイスとして応用されることが期待される。
Si上にGeを堆積すると4層程度までは薄膜としてエピタキシー成長する(成長する薄膜Geの平面方向の原子間隔が下地のSiの原子間隔に一致して成長する)が、4層程度を超えると自己組織化的にGeが集合してドットを形成する。Geドットの製造方法の1つとして、このように自己組織化成長させたGeドットが用いられる。



しかし、自己組織化的に形成したGeドットのサイズと位置はランダムである。発光強度の強い半値幅の狭い発光を得るためには、Geドットのサイズを同じにする必要がある。Geドットを形成する供給源としてのGeは元々の等方的に移動しているので、Geドットの位置を規則的な位置に形成できるとすれば、結局Geドットのサイズも均一化する。このため、Geドットを人為的に規則的に配置する技術が様々検討されている。
Si基板の表面をエッチングして、台形状(非特許文献1参照)や尾根状(非特許文献2参照)の凸構造を形成すると、台形の周辺や尾根の頂上に比較的に規則的にGeドットが並ぶ。しかし、究極的形態として2次元状に規則的にGeドットを並べる必要がある。
Si基板上にSiO2を形成し、SiO2に2次元的に規則的に窓を形成してGeを堆積し、窓の開いた位置のSi基板上に規則的にGeドットを形成する方法も提案された(非特許文献3参照)。



2003年までは、Geドットは主に凸構造部分に形成されると考えられていた。しかし、須田らは逆ピラミッド状の凹構造の底に最も安定してGeドットが形成されることを報告した。即ち、Si基板に凸構造と逆ピラミッド状の凹構造が共存すると、高い温度では、逆ピラミッド状の凹構造の底にGeが集合する。この方法を用いて、任意の規則的位置に、逆ピラミッド状の凹構造を形成し、底部中心にGeドットを形成できることを報告した(非特許文献4参照)。また、Si基板上にレジストで規則的に窓を形成して後、反応性イオンエッチング法で窓の位置のSiを直方体状に下方にエッチングして、その位置の中心近傍にGeドットを形成する方法が報告された(非特許文献5参照)。



一方、十分強い発光強度を得るためには、Si層を挟んでGeドットを多段に重ね、単位面積当たりのGeドット数を増加することが必要になっている。しかし、Geドットを形成した後に、薄いSi層を挟んでさらに一定の基板温度下でGeを堆積すると、その薄いSi層の面内で、下方にGeドットのある位置にGeが集合してドットを形成することが報告された(非特許文献6参照)。下方にGeドットのある位置付近の前記Si層のSiの原子間隔は、下方のドット状のGe結晶の原子間隔に近づく様に歪み、Ge結晶の原子間隔に近づく。このため、前記Si層上のGeは、本来のGe結晶の原子間隔に近くエネルギー的に安定となる位置に集合する。この方法を用いて、自己組織化形成したGeドット上に薄いSi層を挟んで多段にGeドットを形成できることが報告された。




【非特許文献1】B.Yang、A.R.Woll、P.Rugheimer、M.G.Lagally、Mat.Res.Soc.Symp.Proc.、2002年、715巻、p.A.8.5.1-A.8.5.6

【非特許文献2】K.L.Wang、J.L.Liu、G.Jin、Crystal Growth、2002年、237-239巻、p.1892-2897

【非特許文献3】E.S.Kim、N.Usami、Y.Shiraki、Appl.Phys.Lett.、1998年、72巻、p.1617-1619

【非特許文献4】S.Kaechi、D.Kitayama、Y.Suda、Ext.Abs.2003 Int.Conf.on Solid State and Materials、2003年、p.96-97

【非特許文献5】Z.Zhong、A.Halilovic、T.Fromherz、F.Schaffler、G.Bauer、Appl.Phys.Lett.、2003年、82巻、p.4779-4781

【非特許文献6】K.L.Wang、J.L.Liu、G.Jin、Crystal Growth、2002年、237-239巻、p.1892-2897

産業上の利用分野


この発明は、ゲルマニウムドットの平面方向の位置を人為的に制御した多段構成の半導体装置の製造方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
シリコン基板上にエッチングにより少なくとも4つの面に囲まれた逆ピラミッド状の凹を形成する第1の工程と、
前記凹部に、前記シリコン基板に対し平坦になるように、または、前記シリコン基板の上面より上方に盛り上がるように、ゲルマニウムを埋める第2の工程と、
前記第2の工程の後にシリコン層を形成する第3の工程と、
前記シリコン層の上部でかつ前記ゲルマニウムが埋め込まれた前記凹部の上方に、ゲルマニウムドットを形成する第4の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項2】
前記第3の工程と前記第4の工程を繰り返すことで、前記ゲルマニウムドットを多段に重ねたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項3】
前記第1の工程と前記第2の工程の間にシリコン層を形成する工程を挿入したことを特徴とする請求項1乃至2のいずれか項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項4】
前記第1の工程のエッチング法としてウェットエッチング法を用いたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
産業区分
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2005092673thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
※ 国立大学法人東京農工大学では、先端産学連携研究推進センターにおいて、知的財産の創出・権利化・活用に取り組んでいます。上記の特許・技術の内容および導入に興味・関心がありましたら、当センターまでお気軽にお問い合わせください。


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