JPH08111380A

JPH08111380A - 半導体構造作製法

Info

Publication number: JPH08111380A
Application number: JP6246212A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Makimoto; 俊樹牧本; Seigo Ando; 精後安藤; Naoki Kobayashi; 小林　　直樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体基板上に選択的結晶を成長させる半導
体構造作製法において、良好な界面特性を有する半導体
構造を得ることを目的とする。【構成】本発明に基づく半導体構造作製法は、半導体
基板上にレジストパターンを形成する工程と、該レジス
トパターンをマスクとしてエッチングを行うことにより
半導体基板に段差を形成する工程と、該半導体基板上の
エッチングを行った部分に絶縁物からなるマスクを形成
する工程と、マスクの上に多結晶を成長させ、一方マス
クで覆われていない部分の上に単結晶を成長させる工程
とを有し、さらに絶縁物マスクからなる層の厚さは、段
差の高さよりも低いこと特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特性の良好な微細構造
デバイスを作製する場合に必要な、加工基板と選択結晶
成長法を用いた半導体構造作製法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、トランジスタ、ＩＣ、ダイオ
ード、熱電素子、太陽電池、ホール素子、光導電素子等
の半導体部品（微細構造デバイス）を作製するため、あ
るいは量子細線などの量子効果を研究するために、III-
V 族化合物半導体上への選択結晶成長の研究が盛んに行
われている。

【０００３】この選択成長では以下のような２つの種類
のマスク材料が用いられている。すなわち、ｉ）ＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ，ＧａＡｓ等の絶縁物からなる酸
化膜が素子を電気的に分離するために用いられている。
また、 ii）高融点を有するＷ，ＷＳｉ等の金属が埋め込み電極
として用いられている。

【０００４】以下、絶縁膜を用いた場合ついて説明す
る。

【０００５】選択成長は、基板上の選択された場所にの
み、結晶成長させることである。選択されない場所の上
とは異なる性質の物質を選択的に成長させることも、広
義には含まれる。

【０００６】まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）
法、あるいはそれに準じた成長方法を用いて選択成長さ
せる場合、例えばＳｉＯ₂ やＳｉＮなどの絶縁膜を成長
マスクとし、基板のＳｉ露出部のみにＳｉを選択的にエ
ピタキシャル成長させる。この選択成長では、マスクで
覆われていない化合物半導体上に単結晶が成長する。

【０００７】つぎに、超高真空中で単結晶薄膜を作成す
る分子線ビームエピタキシ（ＭＢＥ）法を用いて選択成
長を行う場合について説明する。例えば、ＧａＡｓを選
択成長する場合には、マスクで覆われていない化合物半
導体上に単結晶が成長するのに対して、マスク上には多
結晶が堆積する。この多結晶は高抵抗を示すので絶縁材
料として利用することができる。この場合、マスク上と
マスクで覆われていない部分では結晶の性質（単結晶で
あるか、多結晶であるか）が異なるので、広い意味での
選択成長であると考えられる。このＭＢＥ法を用いた選
択成長では、図６に示すように、再成長層とＳｉＯ₂ な
どのマスクとの間に界面が形成される。図６において、
ＧａＡｓ基板１上にマスク32が部分的に形成されてい
る。このマスクが形成された部分は、高抵抗多結晶が成
長している。一方、マスク３２が形成されていない部分
は、単結晶４が成長している。また、単結晶４とマスク
３２との間にマスクが形成されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記半導体構
造では、単結晶４が成長を開始する箇所はマスク３２よ
り下方にあるために、成長初期には単結晶４とマスク３
２の界面６１が存在する。この界面の特性が悪く、さら
に、この界面６１は単結晶４と高抵抗多結晶５との間の
界面にも悪影響を及ぼす。

【０００９】一般に、上記有機金属気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ）法、あるいはそれに準じた成長方法を用いて選択成
長させる場合、マスク上には単結晶および多結晶を成長
させないことが重要である。そのため、良好な選択性を
得るためには、適当な成長条件（成長温度、成長圧力あ
るいは原料ガスなど）を定める必要がある。選択成長に
適した成長条件が良好な単結晶を成長する条件とは異な
ったり、微細構造を作製できても電極形成が困難となる
場合が生ずる。

【００１０】また、上記分子線ビームエピタキシ（ＭＢ
Ｅ）法を用いて選択成長を行う場合、上記界面の特性が
悪いためにデバイス特性が劣化する。さらに、この界面
の特性は単結晶と高抵抗多結晶との間の界面にも悪影響
を及ぼす。従って、デバイスのサイズが小さくなった時
に、これらの界面の特性がデバイスの特性に悪影響を及
ぼすことになる。

【００１１】さらに、上記ＭＢＥ法を用いた選択成長で
は、ＧａＡｓ表面を酸化させてＧａＡｓ酸化膜のマスク
を形成し、マスクを部分的に削り取った後に再成長を行
う方法が報告されている。再結晶を行う前には、マスク
で覆われていないＧａＡｓ表面の自然酸化膜を除去しな
ければならない。しかし、自然酸化膜を除去する際に、
マスクのＧａＡｓ酸化膜も除去される。そして、ＧａＡ
ｓ酸化膜が熱的に不安定であるために、成長中に劣化す
るという問題点もある。

【００１２】ＭＢＥ法あるいはＭＯＣＶＤ法では、Ａｌ
ＧａＡｓ層上への単結晶成長が困難である。これは、Ａ
ｌＧａＡｓ上に形成された自然酸化膜の除去が困難であ
るためである。このことは、逆にＡｌＧａＡｓ酸化膜は
熱的に安定であり、ＡｌＧａＡｓ酸化膜をマスクとして
用いることが可能であることを示しているものと考えら
れる。ＡｌＧａＡｓ層の表面の酸化を防ぐために、Ａｌ
ＧａＡｓ層上に厚さの薄いＧａＡｓキャップ層を成長
し、保護している。このＧａＡｓキャップ層は、通常の
成長温度（６００℃から７００℃）よりも高い温度（７
５０℃）をかけることにより、剥がすことができる。再
成長直前にＧａＡｓキャップ層を剥がすことにより、酸
化されていないＡｌＧａＡｓ層上に単結晶を成長するこ
とができる。部分的にＧａＡｓキャップ層を取り除いて
おくことにより、キャップ層のある部分では単結晶を、
無い部分では多結晶を成長することができ、選択成長が
可能となる。ただし、ＧａＡｓキャップ層を剥がすため
には高温での熱処理が必要であり、埋め込み構造の劣
化、熱処理中の不純物の蓄積および拡散が問題となる。
さらに、多結晶を成長させるべきであるＡｌＧａＡｓ層
の酸化膜も取り除かれる恐れがあり、多結晶が高抵抗化
せず、素子の分離ができない可能性がある。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記問題点を解
決し、界面特性の良好な半導体構造の作製方法を提供す
ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決しようと
するために、本発明にもとづく半導体構造作製方法は、
半導体基板上に選択的に結晶を成長させる半導体構造作
製法において、半導体基板上にレジストパターンを形成
する工程と、該レジストパターンをマスクとしてエッチ
ングを行うことにより半導体基板に段差を形成する工程
と、該半導体基板上のエッチングを行った部分に絶縁物
からなるマスクを形成する工程と、該マスクの上に多結
晶を成長させ、一方マスクで覆われていない部分の上に
単結晶を成長させる工程とを含み、さらに絶縁物マスク
からなる層の厚さは、段差の高さよりも低いことを特徴
とする。したがって、半導体基板上の単結晶を成長させ
るべき領域が、絶縁物からなるマスク層の表面よりも上
方向に位置する。そのため、単結晶成長層とマスク層と
が接することがないので、従来のもので問題となった単
結晶成長層とマスク層との間の界面形成による悪影響が
回避される。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明にもとづく半導
体構造作製方法の一実施例を説明する。

【００１６】［実施例１］図１は、本発明にもとづく半
導体構造作製方法の一例の各工程を説明するための模式
的断面図で、（ａ）はＧａＡｓ基板上のレジスト膜形
成、（ｂ）は基板のエッチング、（ｃ）はスパッタ法に
よるＳｉＯ₂ 膜の形成、（ｄ）はレジスト膜のリフトオ
フ、そして（ｅ）はＭＢＥ法による成長の各工程を説明
するための図である。

【００１７】まず、ＧａＡｓ基板の表面にレジストを塗
布し、レジストパターンを形成する（図１（ａ））。こ
のレジストパターンをエッチングパターンとして、基板
を所定の厚さにわたってエッチングする。その結果、基
板表面上に段差が形成される（図１( ｂ））。エッチン
グ終了後、レジストマスクで覆われた部分を含む基板表
面全体にわたってＳｉＯ₂ 膜をスパッタ法により形成す
る（図１（ｃ）) 。さらに、レジストマスクをアセトン
で除去し、ＧａＡｓ基板の窪んだ部分だけにＳｉＯ₂ を
残す（図１（ｄ））。そして、このように加工された基
板上にＧａＡｓを成長させる（図１（ｅ））。この実施
例では、結晶成長を基板温度６００℃のＭＢＥ法で行っ
た。この場合、ＳｉＯ₂ マスク上の結晶は多結晶５であ
り、かつ高抵抗を示した。一方、ＧａＡｓ層上の結晶は
単結晶４である。また、図１（ｅ）に示すように、単結
晶成長層４がＳｉＯ₂ マスク３よりも上方に位置してい
る。そのため、単結晶４は多結晶に隣接して界面６を形
成するが、ＳｉＯ₂ マスク３とは接触しない。このた
め、良好な界面が得られた。

【００１８】なお、成長には必ずしもＭＢＥ法を用いる
必要はなく、多結晶層が高抵抗であれば、ＭＯＣＶＤ
法、あるいはそれに準じた成長法を用いることもでき
る。

【００１９】［実施例２］図２は、本発明にもとづく半
導体構造作製方法によって制作されたヘテロバイポーラ
トランジスタの模式的断面図を示すものである。この図
において、参照符号１は実施例１と同様の方法で加工さ
れたＧａＡｓ基板であり、この基板１上の窪んだ部分に
高抵抗多結晶５が積層され、また凸部に複数の単結晶層
が積層されている。すなわち、実施例１の単結晶層４
を、ｎ−ＧａＡｓコレクタ電極層１４、ｎ−ＧａＡｓコ
レクタ層１１、ｐ−ＧａＡｓベース層１５、Ｎ−ＡｌＧ
ａＡｓエミッタ層１６、ｎ−ＧａＡｓエミッタ電極層１
７とした。さらに、図２において、参照符号１９はエミ
ッタ電極、２０はベース電極、２１はコレクタ電極であ
る。この実施例では、ＭＢＥ法での成長後、プロセスを
行い、金属電極を形成している。

【００２０】なお、マスク層としてＳｉＮを用いても素
子間の抵抗は高く、多結晶５は良好な絶縁特性を示し
た。また、エミッタ電極を高抵抗多結晶５の上にも形成
しても素子間の分離が可能であるため、エミッタのサイ
ズを小さくすることができる。したがって、集積度が増
し、高周波特性が改善される。さらに、ｐ−ＧａＡｓベ
ース層１５とＮ−ＡｌＧａＡｓエミッタ層１６との間の
界面の一方が多結晶５に接しており、大気に触れていな
いので、ベース／エミッタ界面での再結合電流が少なく
なる。ここでは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの実施例を用
いたが、Ｓｉ／Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰなどのすべ
ての半導体に関しても本発明を適用することが可能であ
る。

【００２１】［実施例３］図３は、本発明にもとづく半
導体構造作製方法によって制作された微小共鳴トンネル
ダイオードの模式的断面図である。参照符号１はｎ−Ｇ
ａＡｓ基板、３はＳｉＯ₂ マスク、５は高抵抗多結晶、
２２はＧａＡｓ層、２３はＡｌＡｓ層、２４はｎ−Ｇａ
Ａｓ電極層、２５は金属電極である。図１の単結晶層４
をＧａＡｓ層２２、ＡｌＡｓ層２３、ｎ−ＧａＡｓ層２
４とした場合に相当し、この部分が共鳴トンネルダイオ
ード構造を形成している。微小ダイオードであるのにも
かかわらず、電極形成が非常に容易であり、負性抵抗特
性が観察できる。

【００２２】［実施例４］図４は、本発明にもとづく半
導体構造作製方法の一例の各工程を説明するための模式
的断面図で、ＳｉＯ₂ などのマスクのかわりにＡｌ系の
自然酸化膜を利用した場合を示す。図４において、
（ａ）はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ基板の作成、（ｂ）は
基板上のレジスト膜形成およびエッチング、（ｃ）はＡ
ｌ系酸化膜の形成、（ｄ）はレジスト除去後のＭＢＥ法
による成長の各工程に対応した図である。図中、参照符
号３１はＧａＡｓ層、３２はＡｌＧａＡｓ層、２はレジ
スト、３３はＡｌ系酸化膜、４は単結晶、そして５は高
抵抗多結晶である。

【００２３】まず、ＧａＡｓ層３１とＡｌＧａＡｓ層３
２とが積層してなる基板30を容易する（図２（ａ））。
つぎにＧａＡｓ層３１上にレジスト２を塗布する。レジ
ストマスクをパターンとして基板をエッチングすること
により段差を形成する（図４（ｂ））。ここではＧａＡ
ｓ層に対する選択エッチングを用いて行うことができ
る。しかしながら、必ずしも、ＧａＡｓ層３１とＡｌＧ
ａＡｓ層３２の界面でエッチングを止める必要はなく、
ＡｌＧａＡｓ層３２中でエッチングを止めてもよい。酸
化プロセスにより、表面全体にＡｌ系酸化膜を形成する
（図４（ｃ））。ここでは、大気中の酸素と反応した際
に形成される酸化膜を用いている。酸化のプロセスに
は、他の方法を用いてもよい。つぎに、加工基板上にＧ
ａＡｓ層を成長させる（図４（ｄ））。レジストを除去
した後、ＧａＡｓ層も酸化される。しかしながら、Ａｌ
ＧａＡｓ層はＧａＡｓ層よりも酸化されやすく、その酸
化膜は除去しにくい。この性質を利用して、ＧａＡｓ層
上の酸化膜だけを除去するために、成長前に６５０℃で
の熱処理を行った。この温度では、ＡｌＧａＡｓ層表面
の酸化膜は除去されず、熱的に安定であるため、マスク
として利用できる。その後、再成長は６００℃のＭＢＥ
法で行った。ＡｌＧａＡｓ層上の結晶は多結晶５であ
り、高抵抗であった。これに対し、ＧａＡｓ層上の結晶
は単結晶４である。また、図４（ｄ）に示すように、単
結晶成長層が酸化膜マスク層としているＡｌ系酸化膜３
３より上方に位置しているので、単結晶層４との界面は
Ａｌ系酸化膜３３ではなく、多結晶５となっている。こ
のため、良好な界面が得られた。

【００２４】［実施例５］図５は、本発明にもとづく半
導体構造作製方法によって制作されたヘテロバイポーラ
トランジスタの模式的断面図を示すものである。参照符
号１１はｎ−ＧａＡｓコレクタ層、４１はｎ−ＧａＡｓ
基板、３２はＡｌＧａＡｓ基板、３３はＡｌ系酸化膜、
１５はｐ−ＧａＡｓベース層、１６はＮ−ＡｌＧａＡｓ
エミッタ層、１７はｎ−ＧａＡｓエミッタ電極層、５は
高抵抗多結晶、１９はエミッタ電極、２０はベース電
極、２１はコレクタ電極である。図４の単結晶層４をｎ
−ＧａＡｓコレクタ層１１、ｐ−ＧａＡｓベース層１
５、Ｎ−ＡｌＧａＡｓエミッタ層１６、ｎ−ＧａＡｓエ
ミッタ電極層１７とした場合に相当する。また、図４に
おけるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ基板３０をｎ−ＧａＡｓ
層４１とＡｌＧａＡｓ層３２とからなるｎ−ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ基板とした場合に相当する。そして、ＭＢ
Ｅ法での成長後、プロセスを行い、金属電極を形成して
いる。

【００２５】Ａｌ系酸化膜を用いても、実施例２で得ら
れたヘテロバイポーラトランジスタと同様な利点が得ら
れる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、単結晶を成長すべ
き領域の基板表面がマスク層表面よりも上方に位置して
いるので、良好な界面が得られ、微細デバイスの作製が
良好になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にもとづく半導体構造作製方法の一例の
各工程を説明するための模式的断面図で、（ａ）はＧａ
Ａｓ基板上のレジスト膜形成、（ｂ）は基板のエッチン
グ、（ｃ）はスパッタ法によるＳｉＯ₂ 膜の形成、
（ｄ）はレジスト膜のリフトオフ、そして（ｅ）はＭＢ
Ｅ法による成長の各工程を説明するための図である。

【図２】本発明にもとづく半導体構造作製方法によって
制作されたヘテロバイポーラトランジスタの模式的断面
図である。

【図３】本発明にもとづく半導体構造作製方法によって
制作された微小共鳴トンネルダイオードの模式的断面図
である。

【図４】本発明にもとづく半導体構造作製方法の一例の
各工程を説明するための模式的断面図で、（ａ）はＧａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ基板の作成、（ｂ）は基板上のレジ
スト膜形成およびエッチング、（ｃ）はＡｌ系酸化膜の
形成、（ｄ）はレジスト除去後のＭＢＥ法による成長の
各工程に対応した図である。

【図５】本発明にもとづく半導体構造作製方法によって
制作されたヘテロバイポーラトランジスタの模式的断面
図である。

【図６】従来の半導体構造作製方法によって作製された
半導体構造の模式的断面図である。

【符号の説明】

１ＧａＡｓ基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）２レジスト３ＳｉＯ₂ マスク４単結晶５高抵抗多結晶６単結晶と多結晶との界面１１ｎ−ＧａＡｓコレクタ層１３ＳｉＮマスク１４ｎ−ＧａＡｓコレクタ電極層１５ｐ−ＧａＡｓベース層１６Ｎ−ＡｌＧａＡｓエミッタ層１７ｎ−ＧａＡｓエミッタ電極層１９エミッタ電極２０ベース電極２１コレクタ電極２２ＧａＡｓ層２３ＡｌＡｓ層２４ｎ−ＧａＡｓ電極層２５電極３０半導体基板３１ＧａＡｓ層３２ＡｌＧａＡｓ層（マスク）３３Ａｌ系酸化膜４１ｎ−ＧａＡｓ層６１単結晶４とマスク３２との界面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/331 29/73

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に選択的に結晶を成長させ
る半導体構造作製法において、前記半導体基板上にレジストパターンを形成する工程
と、該レジストパターンをマスクとしてエッチングを行
うことにより前記半導体基板に段差を形成する工程と、
該半導体基板上のエッチングを行った部分に絶縁物から
なるマスクを形成する工程と、前記マスクの上に多結晶
を成長させ、一方前記マスクで覆われていない部分の上
に単結晶を成長させる工程とを含み、さらに前記絶縁物
マスクからなる層の厚さは、前記段差の高さよりも低い
ことを特徴とする半導体構造作製法。