JPH0483331A - シリコン結晶表面処理方法 - 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、半導体や金属などの薄膜の結晶成長を行う技
術およびこの薄膜を利用して集積回路などの微細素子を
形成するシリコン結晶表面処理方法に関するものである
。

［従来の技術］ 近年、電子を数〜十数原子層の狭い領域に閉じ込めるこ
とにより、量子効果・を発生させ、電子の動きを高めて
超高速の素子を作製しようという試みがなされている。

このためには、幅が数〜十数原子層の細い線状の領域（
量子細線）や縦横に数〜十数原子層の大きさを持つ箱状
の領域（量子箱）を結晶材料の表面に形成する必要があ
る。これら量子細線や量子箱を形成する技術としては、
結晶の格子面に対して結晶表面を数度程度傾けた基板（
傾斜基板）を利用する方法が検討されている。傾斜基板
の表面では、原子層の段差（ステップ）が規則的な間隔
を持って現れるので、表面の傾斜角を適当に選択するこ
とにより、原子層ステップの間の平坦な領域（テラス）
を所望の幅にとることができる。このテラス上に選択的
に結晶成長を行うことにより、２種の結晶の周期的な列
からなる細線列を作ることができる（文献（福井：　［
エピタキシャル成長を利用した量子細線作製」　応用物
理　５８　　（１９８９＞　　１３８１））。また、こ
の細線列の一部を選択的にエツチングしたりイオン照射
により破壊することにより、細線の長さ方向を制限し、
量子箱を形成することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来では、原子層ステップの間隔は結晶
表面の傾斜角で決まっており、一つの結晶表面での間隔
は同一となる。また２原子層ステップの間隔を変えるに
は、他の傾斜角の試料を用意する必要がある。したがっ
て一種類の結晶基板に異なる間隔の原子層ステップを制
御して形成することはできなかった。このため、形成す
るデバイスの構造に応じて結晶基板を変えなければなら
なかった。

一方、前述した量子細線や量子箱を用いた素子とは別に
１次元的な量子効果を利用する量子井戸では、厚みが数
〜十数原子層の極薄膜を利用する。この場合には薄膜の
界面に大きな原子層ステップが存在すると、表面散乱に
より、電子の移動度が低下する。したがって薄膜の界面
は原子レベルで平坦であることが要求される。このよう
な極薄膜量子井戸を用いた素子は、前述した傾斜基板上
とは反対に結晶表面が格子面と一致する基板上に形成す
るのが望ましい。しかし、実際の基板表面と格子面とを
０．１度以内の精度で一致させることは現状の切断、研
磨技術では極めて困難である。現在、市販品として用い
られている結晶基板の保証精度は０．２度が一般的であ
り、それ以上の精度のものは極めて高価となる。

以上、説明したように従来の切断や研磨によって得られ
る結晶表面のステップ構造には、多様な素子構造の要求
を満たすに十分な制御性を有していなかった。近年にな
ってＬａｔｙｓｈｅｖらは、シリコン表面において、試
料を直流の電流を用いて１０００℃〜１３５０℃に加熱
した場合、電流を流す方向によって原子層ステップが均
一に分布した表面と、数個から十数側の原子層ステップ
が周期的に集合した表面（ステップパンチング）とが可
逆的に変化することを見いだした（文献（Ａ、Ｖ、　Ｌ
ａｔｙｓｈｅｖ、　Ａ、Ｌ、　Ａｓｅｅｖ、　Ａ、Ｂ、
　Ｋｒａｓｉｌｎｉｋｏｖ　ａｎｄ　５．ｌ５ｔｅｎｉ
ｎ：　’ＴＲＡＮＳＦＯＲ）４ＡＴＩＯＮ　ＯＮ　ＣＬ
ＥＡＮ　５ｉ（１１１）　５ＴＥＰＰＥＤ　５ＵＲＦＡ
ＣＥ　ＤＵＲＩＮＧ　ＳＵＢＬＩＭＡＴＩＯＮ”　５ｕ
ｒｆａｃｅ　５ｃｉｅｎｃｅ　２）３　（１９８９）　
１５７．）。この電流方向による原子層ステップ構造の
変化を模式的に第４図に示す。同図（ａ＞に示すように
シリコン結晶基板１の温度が１０５０℃から１２５０℃
では、電流Ｉの流れる方向を単原子層ステップ２を昇る
方向にとると、この単原子層ステップ２は均一に分布し
、逆方向、すなわち単原子層ステップ２を下る方向にと
ると、同図（ｂ）に示すように単原子層ステップ２が密
に集まったステップバンド３が生じるステップパンチン
グが起こる。また、シリコン結晶基板１の温度が１２５
０”Ｃがら１３５０”Ｃでは、逆に単原子層ステップ２
を下る方向でステップパンチングが起こる。このステッ
プパンチングが起こった場合、単原子層ステップ２が密
に集まったステップバンド３の間隔は、同図（ａ＞の均
一分布の場合のステップ間隔より遥かに広く、かつステ
ップバンド３間の単原子層ステップ２の間隔も同図（’
ａ＞の場合よりも広くなる。このステップパンチングを
利用すると、ステップ間隔をある程度制御することがで
きるもののステップのパンチングがどの位置で起こるが
、また、特定の位置でのステップ間隔がどのようになる
かは全く偶発的なものである。したがってこの現象を素
子作製に利用できる範囲は限られたものにならざるを得
なかった。

したがって本発明は、従来のシリコン結晶表面処理方法
における問題を改善するためになされなものであり、そ
の目的は、表面を結晶面に対して傾斜させたシリコン結
晶基板の表面あるいは前記基板上に成長された結晶薄膜
の表面の原子ステップ構造を任意に制御できるシリコン
結晶表面処理方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ このような課題を解決するために本発明によるシリコン
結晶表面処理方法は、表面を結晶面に対して傾斜させた
シリコン結晶基板端に結晶基板に方向性を持った電流を
流す電極を設置し、該電極に直流電流を流し、シリコン
結晶基板の温度を表面の超構造と基本構造との相転移が
起こる温度あるいはその温度から±５０℃以内の範囲で
制御して一定の時間を保持する工程を有している。

［作用］ 本発明におけるシリコン結晶表面処理方法においては、
シリコン結晶基板の表面あるいは基板上に成長された結
晶薄膜の表面の原子ステップ構造が任意に制御される。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明によるシリコン結晶表面処理方法の第１
の実施例による工程を説明するためのフローチャートを
示す図である。同図において、まず、最初に表面を結晶
面に対して傾斜させたシリコン結晶基板を洗浄した後（
ステップ１１）、シリコン結晶基板に電流を流すための
電極端子をシリコン結晶基板端に設置する（ステップ１
２）。

次いでシリコン結晶基板を超高真空中、望ましくはｌＸ
ｌ０−９Ｔｏｒｒ以下の圧力の真空中に導入する（ステ
ップ１３）。次に清浄な表面を得るなめにシリコン結晶
基板の温度を高温、望ましくは１０００℃以上に数〜数
十秒間保持する（ステップ１４）。これは電極端子に直
流、交流などの電流を流してシリコン結晶基板を抵抗加
熱するかもしくは別に設置したヒータからの熱輻射によ
って行う。その後、電極端子に直流電流を流すことによ
り、シリコン結晶基板の温度を結晶表面の構造が結晶の
基本構造から超構造への相転移が起こる温度Ｔｓあるい
は±５０℃以内、例えばＴｓ＋２０℃に保持する（ステ
ップ１５）。このとき電流方向および通電時間を適当に
選択することにより、シリコン表面のステップ間隔を所
望の値に設定することができる。所定の通電時間を経過
した後、シリコン結晶基板の温度□を室温あるいは次に
続く工程に応じてＴｓ−５０℃より低い温度にする（ス
テップ１６）。Ｔ　ｓ　−５０℃より低い温度ではシリ
コン結晶基板表面に形成されたステップ構造は殆ど変化
しないので、所望のステップ構造を利用した結晶成長工
程などを行うことができる。シリコン結晶薄膜の成長の
場合には、シリコン結晶薄膜を形成した後、再び通電加
熱の工程に戻ることにより、成長したシリコン結晶薄膜
のステップ構造を変化させることも可能である。

このような方法によると、表面を結晶面に対して傾斜さ
せたシリコン結晶基板を用いることにより、傾斜角によ
り基本的なステップ間隔あるいはステップの集合したス
テップバンドの間隔を設定でき、かつステ・ツブの移動
が起こる最低温度であるＴｓ付近での通電加熱を用いる
ことにより、ステ・ツブの平行性を維持した状態でステ
ップ間隔を変化させることができる。Ｔ　ｓ　−５０℃
より低い温度では、ステップの移動度が減少し、ステッ
プ構造は殆ど変化しない。また、Ｔ　ｓ　＋　５０℃よ
り高い温度領域では、ステップの移動度が高まるため、
ステップの方向が一方向に揃わず、直線状のステップ構
造を得ることができない。

なお、本実施例では、真空中での加熱の場合を説明した
が、大気中や減圧下、加圧下でのシリコン結晶の表面処
理にも通電加熱によるステップ構造制御を応用できる。

また、シリコン以外の結晶材料でもシリコン結晶と同様
な効果が期待できる。

第２図はシリコン結晶の（１１１）面に対して［１１２
］方向に１皮類いた表面に本方法を適用した場合のステ
ップの集合したステップバンドの間隔と加熱時間との関
係を示したものである。シリコン（１１１）面では基本
構造である１×１と超１１Ｂ＊である７×７との間の転
移温度Ｔｓは８３０℃である。同図の例では、シリコン
結晶基板の温度をＴｓ＋２０℃、すなわち８５０’Ｃと
した。

電流の流れる方向をステップパンチングの起こる方向に
とると、１分以内の加熱では逆方向に電流を流したとき
と同じ６０ｎｍ、１６分では２００ｎｍ、６０分では６
００ｎｍとなった。ステップパンチ〉グの方向と逆方向
の場合は、６０分の加熱後もステップ間隔には殆ど変化
は生じない。

第３図は本発明によるシリコン結晶表面処理方法の第２
の実施例による工程を説明するためのフローチャートを
示す図である。同図においては、ステップ１５における
シリコン結晶基板の温度を直流電流だけでなく、傍熱型
ヒータ、赤外光。

レーザ光、電子ビームなどのシリコン結晶基板の外部に
設けられた補助加熱手段によって制御しくステップ１７
）、シリコン結晶基板表面の温度をＴｓ±５０℃以内に
設定する。この場合にも実施例１の場合と同様な効果が
得られる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、表面を結晶面に対
して傾斜させたシリコン結晶基板端に結晶基板に方向性
を持った電流を流すための電極を設置し、次にこの電極
に直？Ｘ電流を流し、シリコン結晶基板の温度を表面の
超構造と基本構造との相転移が起こる温度あるいはその
温度から±５０℃以内の範囲で制御して一定の時間を保
持する工程を有することにより、従来は困難であったシ
リコン結晶基板の表面あるいは基板上に成長された結晶
薄膜の表面の原子ステップ構造を任意に制御することが
可能となり、量子効果素子や光素子の開発に多大な効果
をもたらすという極めて優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるシリコン結晶表面処理方法の第１
の実施例を説明する工程のフローチャートを示す図、第
２図は本発明の第１の実施例におけるステップバンド間
隔と加熱時間との関係を説明する図、第３図は本発明に
よるシリコン結晶表面処理方法の第２の実施例を説明す
る工程のフローチャートを示す図、第４図は通電加熱に
よって生じるステップパンチングの説明図である。 ■・−・シリコン結晶基板、２・・　・原子層ステップ
、３・・　・ステップバンド。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面を結晶面に対して傾斜させたシリコン結晶基
   板表面上にシリコン結晶薄膜あるいは異種結晶薄膜を成
   長する前あるいはシリコン結晶薄膜成長中におけるシリ
   コン結晶基板表面のシリコン結晶表面処理方法において
   、前記シリコン結晶基板端に結晶基板に方向性を持った
   電流を流す電極を設置し、該電極に直流電流を流し、シ
   リコン結晶基板の温度を表面の超構造と基本構造との相
   転移が起こる温度あるいはその温度から±５０℃以内の
   範囲で制御して一定の時間を保持する工程を有すること
   を特徴とするシリコン結晶表面処理方法。
2. （２）請求項１において、前記シリコン結晶基板端に結
   晶基板に方向性を持った電流を流す電極を設置し、該電
   極に直流電流を流し、シリコン結晶基板の温度を超構造
   の現れる温度あるいはその温度から±５０℃以内の範囲
   で制御して一定の時間を保持する工程において、同時に
   シリコン結晶基板表面を外部から補助加熱手段を用いて
   加熱する工程を含むことを特徴とするシリコン結晶表面
   処理方法。