(57)【要約】【課題】シリコンデバイス等耐熱性の低い部位がＳｉ基板に設けられた場合でも、Ｇｅ結晶に熱アニールを施し、十分な結晶品質のＧｅ結晶薄膜を得る。【解決手段】表面がＳｉであるベース基板と、前記ベース基板の上に形成され、組成がＣｘＳｉｙＧｅｚＳｎ１−ｘ−ｙ―ｚ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、かつ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）である第１結晶層と、前記第１結晶層が形成された部分以外の前記ベース基板の上に形成された第１半導体素子と、を有する半導体基板の製造方法であって、前記第１半導体素子には電磁波を照射することがなく、前記第１結晶層の一部または全部に電磁波を照射する工程を有する半導体基板の製造方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面がＳｉであるベース基板と、
前記ベース基板の上に形成され、組成がＣｘＳｉｙＧｅｚＳｎ１−ｘ−ｙ―ｚ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、かつ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）である第１結晶層と、
前記第１結晶層が形成された部分以外の前記ベース基板の上に形成された第１半導体素子と、
を有する半導体基板の製造方法であって、
前記第１半導体素子には電磁波を照射することがなく、前記第１結晶層の一部または全部に電磁波を照射する工程を有する
半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記電磁波を照射する工程において、前記電磁波を照射する部分が位置決め機構により制御され、
前記位置決め機構が、前記ベース基板を保持するステージの位置調整機構、および前記電磁波の経路を変化させる光学機構から選択された１以上の機構である
請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記電磁波は、レーザ光である
請求項１または請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記電磁波は、時間的に変調されたもの、空間的に変調されたもの、または時間的空間的に変調されたものである
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記ベース基板の上に阻害体を形成する工程をさらに有し、
前記阻害体が、前記ベース基板に達する開口を有し、前記第１結晶層の成長を阻害し、
前記第１結晶層が、前記開口の内部の前記ベース基板の上に形成される
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記電磁波を照射する工程において、前記第１半導体素子の温度を６００℃以下に保持する
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記第１結晶層の上に、化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程、をさらに有する
請求項１から請求項６の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記化合物半導体結晶層は、第１結晶層と格子整合または擬格子整合する結晶からなる多層構造を含む
請求項７に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の方法で製造された半導体基板の前記化合物半導体結晶層に第２半導体素子を形成する工程と、
前記第２半導体素子と前記半導体基板の前記第１半導体素子とを電気的に接続する工程と、
を有する半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程および前記第２半導体素子を形成する工程において、前記第１半導体素子の温度を６００℃以下に保持する
請求項９に記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の製造方法および半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２−６族化合物半導体、３−５族化合物半導体あるいは４−４族化号物半導体等の化合物半導体は、シリコンからなる単体半導体と比較して、耐圧特性および高周波特性に優れるので、前記した化合物半導体を用いた各種の高機能電子デバイスが開発されている。前記の化合物半導体を結晶成長させる場合、基板としてＧａＡｓバルク基板が用いられている。しかしＧａＡｓバルク基板は、価格が高く、放熱性が十分ではない。よって価格が低く、放熱特性に優れたＳｉ基板を基板として用いることが検討されている。
【０００３】
特許文献１は、前記のような化合物半導体を用いた電子デバイスをＳｉ基板上に製造する場合に、化合物半導体と格子整合できるＧｅ層を中間層として設けることで良質な結晶薄膜が得られることを開示している。また、非特許文献１には、中間層として用いるＧｅの結晶品質の改善において、Ｓｉ基板（ベース基板）にエピタキシャル成長させたＧｅの結晶薄膜にサイクル熱アニールを施すことで、結晶薄膜の結晶性を向上できることが開示されている。例えば、８００〜９００℃の温度範囲でＧｅ結晶薄膜に熱アニールを施すことで、平均転位密度が２．３×１０６ｃｍ−２のＧｅ結晶薄膜が得られると記載されている。ここで、平均転位密度は格子欠陥密度の一例である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−０９４３１８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Hsin-Chiao Luan 他著、High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities、Appl. Phys. Lett. 75巻、2909頁、1999年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｓｉ基板上に化合物半導体を結晶成長させると、Ｓｉ基板上に形成したシリコンデバイスと化合物半導体に形成した化合物半導体デバイスとを単一基板に形成できるので好都合である。ここでシリコンデバイスはシリコンを活性領域とする半導体デバイスをいい、化合物半導体デバイスは化合物半導体を活性領域とする半導体デバイスをいう。しかし、Ｓｉ基板と化合物半導体の中間層であるＧｅ結晶薄膜を熱アニールする前にシリコンデバイス等耐熱性の低い部位がＳｉ基板に設けられた場合には、Ｇｅ結晶に熱アニールを施すことで、耐熱性の低い部位が加熱されることとなるので、当該部位が耐え得る温度以上にＧｅ結晶を加熱することができない。この結果、Ｇｅ結晶薄膜が十分な品質を得ることができず、Ｇｅ中間層上に形成される化合物半導体の結晶品質を向上させることが困難になる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、表面がＳｉであるベース基板と、前記ベース基板の上に形成され、組成がＣｘＳｉｙＧｅｚＳｎ１−ｘ−ｙ―ｚ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、かつ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）である第１結晶層と、前記第１結晶層が形成された部分以外の前記ベース基板の上に形成された第１半導体素子と、を有する半導体基板の製造方法であって、前記第１半導体素子には電磁波を照射することがなく、前記第１結晶層の一部または全部に電磁波を照射する工程を有する半導体基板の製造方法を提供する。
【０００８】
前記電磁波を照射する工程において、前記電磁波を照射する部分が位置決め機構により制御されることが好ましく、前記位置決め機構として、前記ベース基板を保持するステージの位置調整機構、および前記電磁波の経路を変化させる光学機構から選択された１以上の機構が挙げられる。前記光学機構として、電磁波を反射するミラー機構が挙げられる。前記電磁波として、レーザ光が挙げられる。前記電磁波として、時間的に変調されたもの、空間的に変調されたもの、または時間的空間的に変調されたものが挙げられる。
【０００９】
前記ベース基板の上に阻害体を形成する工程をさらに有して良く、前記阻害体として、前記ベース基板に達する開口を有し、前記第１結晶層の成長を阻害するものが挙げられ、前記第１結晶層として、前記開口の内部の前記ベース基板の上に形成されるものが挙げられる。前記電磁波を照射する工程において、前記第１半導体素子の温度を６００℃以下に保持することが好ましい。前記第１結晶層の上に、化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程、をさらに有することが好ましい。前記化合物半導体結晶層として、ＧａＡｓ結晶と格子整合または擬格子整合する結晶からなる多層構造を含むものが挙げられる。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、前記した方法で製造された半導体基板の前記化合物半導体結晶層に第２半導体素子を形成する工程と、前記第２半導体素子と前記半導体基板の前記第１半導体素子とを電気的に接続する工程と、を有する半導体デバイスの製造方法を提供する。前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程および前記第２半導体素子を形成する工程において、前記第１半導体素子の温度を６００℃以下に保持することが好ましい。
【００１１】
前記した第１結晶層のｘ、ｙ、ｚの各値を調整することで、第１結晶層とその上に結晶成長させる化合物半導体結晶層とを格子整合または擬格子整合させることができる。化合物半導体結晶層が第１結晶層と格子整合または擬格子整合することにより高品質な化合物半導体結晶層を得ることができる。ｘの値は、好ましくは０である。
【００１２】
前記電磁波の照射強度を調整する照射強度調整機構をさらに有してもよく、前記位置決め機構に前記第１結晶層の座標情報を予め入力し、前記位置決め機構と前記照射強度調整機構とを制御することにより、目的とする第１結晶層のみに電磁波を照射することができる。前記照射強度調整機構として、前記電磁波の発生源への駆動電流を変調する機構、前記電磁波の発生源と前記第１結晶層との間に設けられたシャッター機構、電気光学素子あるいは音響光学素子等の光学変調機構、減光フィルターが挙げられる。前記電磁波が偏光特性を有している場合、前記照射強度調整機構として偏光子を用いてもよい。
【００１３】
前記電磁波を照射する工程において、前記電磁波を照射する雰囲気として、真空雰囲気または水素雰囲気が挙げられる。空気または窒素が充填された雰囲気で電磁波を照射した場合、第１結晶層の表面に穴が形成される場合がある。しかし、真空雰囲気または水素雰囲気で前記電磁波を前記第１結晶層に照射すると、そのような穴の形成を抑制することができ、良好な表面を有する第１結晶層が得られる。その結果、第１結晶層の上に結晶成長される前記化合物半導体結晶層の結晶品質も向上する。水素雰囲気として、水素１００％、あるいは水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気が挙げられる。水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気の場合、水素濃度は混合ガス雰囲気の９０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。前記電磁波を照射する工程における処理圧力として、２０ｋＰａ以下の圧力が好ましい。
【００１４】
前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程におけるエピタキシャル成長法として、有機金属気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ法と記することがある）、分子線エピタキシー法（以下ＭＢＥ法と記することがある）が挙げられる。
【００１５】
前記電磁波を照射する工程と前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程とは連続して実施することが好ましい。すなわち前記電磁波を照射する工程を実施した後、前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させる工程を実施するまでの間、前記ベース基板を内部に保持する処理室の大気開放を行わず、前記化合物半導体結晶層をエピタキシャル成長させることが好ましい。これにより前記第１結晶層の表面の汚染または酸化を抑えることができる。
【００１６】
前記第１結晶層の形成方法として、化学気相成長法（以下ＣＶＤ法と記することがある）、ＭＢＥ法、イオンプレーティング法が挙げられる。前記第１結晶層をＣＶＤ法により選択成長させる場合、成長時の処理圧力を低くすることが好ましい。処理圧力を低くすることで、選択成長パターンの膜厚依存性を小さくすることができる。
【００１７】
前記電磁波としてはレーザ光を用いる場合、照射領域を小さくすることができる。前記電磁波としてレーザ光を用いることは、局部的に大きな熱エネルギーを与えることができるので好ましい。
【００１８】
前記電磁波の波長は、前記第１結晶層が吸収できる波長であることが好ましい。前記第１結晶層に隣接する部分に電磁波吸収部を設ける場合、前記電磁波の波長は前記電磁波吸収部が吸収できる波長であればよい。電磁波吸収部を設けた場合、前記第１結晶層が吸収できない波長の電磁波を電磁波吸収部が吸収し、当該電磁波の吸収により得た熱エネルギーを前記第１結晶層に伝えて前記第１結晶層を加熱することができる。
【００１９】
前記電磁波を時間的に変調する例として、電磁波強度をパルス状に変化させる例が挙げられる。電磁波強度をパルス状に変化させることは、駆動電流をパルス駆動すること、あるいは電磁波の経路にシャッターを配置して当該シャッターの開閉を制御することで実現できる。電磁波のパルス周期あるいはデューティ比と位置決め機構の動作速度とを調整することで、単位時間、単位面積当たりに照射される電磁波エネルギーを調整することができる。また電磁波のパルス周期を調整することで、電磁波が照射される部分の温度を周期的に変化させることができる。昇温および降温が周期的に繰り返される熱処理を行うことで第１結晶層中の転位排除を促進することができる。また、電磁波強度をランプ状に変化させてもよい。なお、単位面積あたりに照射される電磁波エネルギーは、電磁波の経路にレンズ等の集光部材を配置し、被照射部での電磁波のスポットの大きさを変化させることで調整できる。
【００２０】
前記電磁波を空間的に変調する例として、前記電磁波の照射面における形状を点状あるいは線状に加工した電磁波を前記照射面において掃引する例が挙げられる。前記電磁波の照射面における形状は光路に配したレンズ、スリット等の光学部材で調整でき、前記電磁波の掃引は可動反射鏡の駆動またはポリゴンミラーの回転により実現できる。これにより、電磁波照射部の形状および位置と照射エネルギー密度を調整することができ、たとえば第１結晶層を部分融解させ、当該部分融解部の移動による偏析を用いた結晶欠陥と不純物の排除が可能になる。
【００２１】
前記第１結晶層の材料としてＧｅが挙げられる。前記第１結晶層としてＧｅ結晶を用いることでＧａＡｓ結晶と擬格子整合することができ、ＧａＡｓ結晶およびＧａＡｓ結晶と格子整合または擬格子整合する結晶層からなる多層構造を前記化合物半導体結晶層として用いることができる。ＧａＡｓ結晶と格子整合または擬格子整合する層として、ＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＡｓｒＰ１−ｒ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表される結晶層が挙げられる。なお、前記化合物半導体結晶層の膜厚が薄い場合には、格子緩和を生じない範囲で前記第１結晶層と前記化合物半導体結晶層とは格子整合または擬格子整合する必要がない。
【００２２】
前記第１結晶層が形成される工程と同じ工程で形成される第２結晶層をさらに有してもよく、第２結晶層として、前記第２結晶層の上に形成される化合物半導体結晶に前記第２半導体素子が形成されないものが挙げられる。そしてこのような第２結晶層は、第１結晶層とは異なり前記電磁波が照射されなくてもよい。
【００２３】
前記第１半導体素子の形成工程として、前記ベース基板のＳｉに不純物を拡散させる工程と、Ｓｉの表面に酸化シリコン膜を形成する工程とを含むものが挙げられる。前記第１半導体素子として、活性領域がＳｉからなる電界効果トランジスタであるＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が挙げられる。前記第１結晶層に前記電磁波を照射する工程において、前記第１半導体素子には電磁波が照射されないので前記第１半導体素子の温度が上昇せず、たとえば前記第１半導体素子を構成する不純物領域内での不純物の熱拡散が抑制され、加熱に伴う特性の劣化を防ぐことができる。
【００２４】
前記電磁波を照射する工程において、前記第１半導体素子の到達最高温度を６００℃以下にすることで、前記第１半導体素子がＡｌ等比較的低融点の金属からなる電極や配線を含んでいても特性劣化を生じない。前記第１半導体素子に電極が形成されていない場合、前記第２半導体素子に接続する電極と前記第１半導体素子に接続する電極とを同時に形成することができる。
【００２５】
前記化合物半導体結晶層を形成する段階においては、第１半導体素子上に保護膜を形成することができる。このような保護膜を形成することで、第１半導体素子上への化合物半導体結晶層材料の堆積を防ぐことができる。化合物半導体結晶層の形成後あるいは第２半導体素子の形成後に前記保護膜を除去し、第１半導体素子と第２半導体素子を電気的に接続することができる。
【００２６】
表面がＳｉであるベース基板として、Ｓｉ基板、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が挙げられる。前記阻害体として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】半導体デバイスの製造方法の一例を工程順に示した断面図である。
【図２】半導体デバイスの製造方法の一例を工程順に示した断面図である。
【図３】電磁波を照射する工程の他の例を示した断面図である。
【図４】製造した半導体基板の断面の一部を観察したＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。図１および図２は、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法の一例を工程順に示した断面図である。本半導体デバイスは、表面がＳｉであるベース基板１０２と、ベース基板１０２の上に形成された第１結晶層１１０と、ベース基板１０２の上に形成された第１半導体素子１０４とを有する。第１結晶層１１０の上には化合物半導体結晶層１２２がエピタキシャル成長され、化合物半導体結晶層１２２には第２半導体素子１２４が形成されている。本半導体デバイスでは、シリコン半導体素子である第１半導体素子１０４と化合物半導体素子である第２半導体素子１２４とが単一のベース基板１０２上にモノリシックに形成されている。以下本半導体デバイスの製造方法を説明する。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、ベース基板１０２の上に第１半導体素子１０４を形成する。そして第１半導体素子１０４を覆う阻害体１０６をベース基板１０２の上に形成する。
【００３０】
ベース基板１０２は、表面にＳｉを有する。ベース基板１０２として、Ｓｉ基板、ＳＯＩ基板が例示できる。第１半導体素子１０４は、第１結晶層１１０が形成される部分以外のベース基板１０２の上に形成される。第１半導体素子１０４は、たとえば活性領域がシリコンであるシリコン半導体素子である。
【００３１】
第１半導体素子１０４として、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の能動素子が例示できる。第１半導体素子１０４の活性領域として、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のチャネル領域、バイポーラトランジスタのベース・エミッタ接合領域、ダイオードのアノード・カソード接合領域が挙げられる。第１半導体素子１０４は、抵抗、キャパシタ、インダクタ等の受動素子であってもよい。第１半導体素子１０４は、各素子の構造に応じた公知の製造法により製造できる。
【００３２】
第１半導体素子１０４は、接触して設けられる半導体および誘電体を含んでもよい。半導体および誘電体の界面として、ＭＯＳＦＥＴの活性領域に形成されるＭＯＳゲート界面が挙げられる。また第１半導体素子１０４は、金属配線を含んでもよい。当該金属配線の金属材料として、アルミニウムが例示できる。さらに第１半導体素子１０４には、複数の金属配線が形成されてもよく、当該複数の金属配線の各々を互いに絶縁する絶縁膜を有することが好ましい。当該絶縁膜の材料として、ポリイミドが挙げられる。これらＭＯＳゲート界面、アルミニウム配線あるいはポリイミド絶縁膜は、一般に耐熱性が低いので、当該部位が長時間にわたって高温に晒されると、第１半導体素子１０４の特性が劣化する場合がある。しかし、以下に説明するように本製造方法では第１半導体素子１０４が電磁波から保護されるので、第１半導体素子１０４の特性劣化が回避できる。
【００３３】
第１半導体素子１０４の形成工程として、ベース基板１０２のＳｉに不純物を拡散させる工程と、Ｓｉの表面に酸化シリコン膜を形成する工程とを含むものが挙げられる。第１半導体素子１０４として、活性領域がＳｉからなる電界効果トランジスタであるＳｉ−ＭＯＳＦＥＴが挙げられる。第１結晶層１１０に電磁波１１８を照射する工程において、第１半導体素子１０４には電磁波１１８が照射されないので第１半導体素子１０４の温度が上昇せず、たとえば第１半導体素子１０４を構成する不純物領域内での不純物の熱拡散が抑制され、加熱に伴う特性の劣化を防ぐことができる。
【００３４】
阻害体１０６は、第１結晶層１１０の成長を阻害する。阻害体１０６は、第１結晶層１１０あるいは化合物半導体結晶層１２２の結晶成長時に第１半導体素子１０４の上に結晶や原料分解物が堆積することを防ぐ。阻害体１０６として酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンが挙げられる。阻害体１０６は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法等の薄膜形成法により形成できる。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、阻害体１０６に開口１０８を形成し、開口１０８の内部のベース基板１０２の上に第１結晶層１１０を形成する。開口１０８は、ベース基板１０２に達するように形成する。開口１０８は、ウェットエッチング法またはドライエッチング法により形成できる。第１結晶層１１０は、たとえば組成がＣｘＳｉｙＧｅｚＳｎ１−ｘ−ｙ―ｚ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、かつ、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）である。第１結晶層１１０のｘ、ｙ、ｚの各値を調整することで、第１結晶層１１０とその上に結晶成長させる化合物半導体結晶層１２２とを格子整合または擬格子整合させることができる。化合物半導体結晶層１２２が第１結晶層１１０と格子整合または擬格子整合することにより高品質な化合物半導体結晶層１２２を得ることができる。ｘの値は、好ましくは０である。
【００３６】
第１結晶層１１０の材料としてＧｅが挙げられる。第１結晶層１１０としてＧｅ結晶を用いることでＧａＡｓ結晶と擬格子整合することができ、ＧａＡｓ結晶およびＧａＡｓ結晶と格子整合または擬格子整合する結晶層からなる多層構造を化合物半導体結晶層１２２として用いることができる。ＧａＡｓ結晶と格子整合または擬格子整合する層として、ＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＡｓｒＰ１−ｒ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表される結晶層が挙げられる。なお、化合物半導体結晶層１２２の膜厚が薄い場合には、格子緩和を生じない範囲で第１結晶層１１０と化合物半導体結晶層１２２とは格子整合または擬格子整合する必要がない。
【００３７】
第１結晶層１１０の形成方法として、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、イオンプレーティング法が挙げられる。第１結晶層１１０をＣＶＤ法により選択成長させる場合、成長時の処理圧力を低くすることが好ましい。処理圧力を低くすることで、選択成長パターンの膜厚依存性を小さくすることができる。ベース基板１０２と第１結晶層１１０との間に、Ｓｉ結晶、ＳｉＧｅ結晶、組成が連続的または段階的に変化したＳｉＧｅ結晶などのバッファ層が設けられていてもよい。
【００３８】
図１（ｃ）に示すように、第１結晶層１１０に電磁波１１８を照射する。電磁波１１８は、第１半導体素子１０４に照射することなく、第１結晶層１１０の一部または全部に照射する。ここで「電磁波を照射することがなく」とは、第１半導体素子１０４の温度を高める程度の光量で照射することなくの意味であり、第１半導体素子１０４に照射されたとしても温度上昇にはほぼ寄与しない電磁波、例えば散乱光、迷光等は照射されてもよい。電磁波１１８を第１結晶層１１０に照射することで、第１結晶層１１０に選択的に所望の熱エネルギーを与える。
【００３９】
第１結晶層１１０の内部には、ベース基板１０２と第１結晶層１１０との格子定数の違い等の理由により、格子欠陥等の結晶欠陥が発生する場合がある。第１結晶層１１０に電磁波１１８を照射し、加熱してアニールを施すことにより、結晶欠陥が第１結晶層１１０の内部を移動して、第１結晶層１１０の界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、表面（ｓｕｒｆａｃｅ）、第１結晶層１１０の内部のゲッタリングシンク部等に捕捉される。その結果、第１結晶層１１０の表面まで到達する貫通転位に代表される結晶欠陥の密度が低減された領域を有する良質の第１結晶層１１０が得られる。この結果、第１結晶層１１０の上に形成される化合物半導体結晶層１２２の結晶性を高めることができる。
【００４０】
第１半導体素子１０４に電磁波１１８を照射しないので、第１半導体素子１０４の温度が上昇せず、第１半導体素子１０４に耐熱性の低いＭＯＳゲート界面、アルミニウム配線あるいはポリイミド絶縁膜が含まれる場合であっても第１半導体素子１０４の特性劣化が回避できる。第１半導体素子１０４がＡｌ配線を含む場合、配線温度をＡｌ融点の６６０℃以下、例えば６５０℃以下、好ましくは６００℃以下に維持することが好ましい。第１半導体素子１０４がポリイミド絶縁膜を含む場合、絶縁膜温度を５００℃以下に維持することが好ましい。すなわち、電磁波１１８を照射する工程では、第１半導体素子１０４の温度を６００℃以下に保持することが好ましい。電磁波１１８を照射する工程において、第１半導体素子１０４の到達最高温度を６００℃以下にすることで、第１半導体素子１０４がＡｌ等比較的低融点の金属からなる電極や配線を含んでいても特性劣化を生じない。第１半導体素子１０４に電極が形成されていない場合、第２半導体素子１２４に接続する電極と第１半導体素子１０４に接続する電極とを同時に形成することができる。
【００４１】
電磁波１１８を照射する工程では、光学機構１１６により電磁波１１８の経路が変化され、電磁波１１８を照射する部分が制御される。光学機構１１６は位置決め機構の一例である。光学機構１１６として、電磁波１１８を反射するミラー機構が挙げられる。
【００４２】
電磁波１１８の照射強度を調整する照射強度調整機構をさらに有してもよく、位置決め機構である光学機構１１６に第１結晶層１１０の座標情報を予め入力し、光学機構１１６と照射強度調整機構とを制御することにより、目的とする第１結晶層１１０のみに電磁波１１８を照射することができる。照射強度調整機構として、電磁波１１８の発生源１１４への駆動電流を変調する機構、電磁波１１８の発生源１１４と第１結晶層１１０との間に設けたシャッター機構、電気光学素子あるいは音響光学素子等の光学変調機構、減光フィルターが挙げられる。電磁波１１８がレーザ光のように偏光特性を有している場合、照射強度調整機構として偏光子を用いてもよい。
【００４３】
電磁波１１８として、レーザ光が挙げられる。電磁波１１８としてレーザ光を用いる場合、照射領域を小さくすることができる。電磁波１１８としてレーザ光を用いることは、局部的に大きな熱エネルギーを与えることができるので好ましい。
【００４４】
電磁波１１８の波長は、第１結晶層１１０が吸収できる波長であることが好ましい。第１結晶層１１０に隣接する部分に電磁波１１８吸収部を設ける場合、電磁波１１８の波長は電磁波１１８吸収部が吸収できる波長であればよい。電磁波１１８吸収部を設けた場合、第１結晶層１１０が吸収できない波長の電磁波１１８を電磁波１１８吸収部が吸収し、当該電磁波１１８の吸収により得た熱エネルギーを第１結晶層１１０に伝えて第１結晶層１１０を加熱することができる。
【００４５】
電磁波１１８として、時間的に変調されたもの、空間的に変調されたもの、または時間的空間的に変調されたものが挙げられる。電磁波１１８を時間的に変調する例として、電磁波１１８強度をパルス状に変化させる例が挙げられる。電磁波１１８強度をパルス状に変化させることは、駆動電流をパルス駆動すること、あるいは電磁波１１８の経路にシャッターを配置して当該シャッターの開閉を制御することで実現できる。電磁波１１８のパルス周期あるいはデューティ比と位置決め機構の動作速度とを調整することで、単位時間、単位面積当たりに照射される電磁波１１８エネルギーを調整することができる。また電磁波１１８のパルス周期を調整することで、電磁波１１８が照射される部分の温度を周期的に変化させることができる。昇温および降温が周期的に繰り返される熱処理を行うことで第１結晶層１１０中の転位排除を促進することができる。また、電磁波１１８強度をランプ状に変化させてもよい。なお、単位面積あたりに照射される電磁波１１８エネルギーは、電磁波１１８の経路にレンズ等の集光部材を配置し、被照射部での電磁波１１８のスポットの大きさを変化させることで調整できる。
【００４６】
電磁波１１８を空間的に変調する例として、電磁波１１８の照射面における形状を点状あるいは線状に加工した電磁波１１８を照射面において掃引する例が挙げられる。電磁波１１８の照射面における形状は光路に配したレンズ、スリット等の光学部材で調整でき、電磁波１１８の掃引は可動反射鏡の駆動またはポリゴンミラーの回転により実現できる。これにより、電磁波１１８照射部の形状および位置と照射エネルギー密度を調整することができ、たとえば第１結晶層１１０を部分融解させ、当該部分融解部の移動による偏析を用いた結晶欠陥と不純物の排除が可能になる。電磁波１１８を時間的空間的に変調する例として、前記の時間的に変調する例と前記の空間的に変調する例とを組み合わせたものが挙げられる。
【００４７】
第１結晶層１１０は複数形成されていてもよく、複数の第１結晶層１１０を有する場合、電磁波１１８をビームスプリッタで複数のビームに分離し、当該複数の電磁波１１８を複数の第１結晶層１１０にそれぞれ対応づけて、同時に照射してもよい。この場合、電磁波１１８を照射する処理のスループットを向上して生産性を高めることができる。
【００４８】
電磁波１１８を照射する工程において、電磁波１１８を照射する雰囲気として、真空雰囲気または水素雰囲気が挙げられる。空気または窒素が充填された雰囲気で電磁波１１８を照射した場合、第１結晶層１１０の表面に穴が形成される場合がある。しかし、真空雰囲気または水素雰囲気で電磁波１１８を第１結晶層１１０に照射すると、そのような穴の形成を抑制することができ、良好な表面を有する第１結晶層１１０が得られる。その結果、第１結晶層１１０の上に結晶成長される化合物半導体結晶層１２２の結晶品質も向上する。水素雰囲気として、水素１００％、あるいは水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気が挙げられる。水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気の場合、水素濃度は混合ガス雰囲気の９０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。電磁波１１８を照射する工程における処理圧力として、２０ｋＰａ以下の圧力が好ましい。
【００４９】
図２（ａ）に示すように、電磁波１１８を照射した第１結晶層１１０の上に、化合物半導体結晶層１２２をエピタキシャル成長させる。化合物半導体結晶層１２２として、第１結晶層１１０、例えばＧｅ結晶と格子整合または擬格子整合する結晶からなる多層構造を含むものが挙げられる。第１結晶層１１０として、ＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層、ＡｌＩｎＧａＰ層が挙げられる。化合物半導体結晶層１２２をエピタキシャル成長させる方法として、有機金属気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ法と記することがある）、分子線エピタキシー法（以下ＭＢＥ法と記することがある）が挙げられる。
【００５０】
なお、第１結晶層１１０に電磁波１１８を照射した段階、あるいは第１結晶層１１０の上に化合物半導体結晶層１２２をエピタキシャル成長させた段階で、これら第１結晶層１１０あるいは化合物半導体結晶層１２２を形成したベース基板１０２は、独立して取引可能な半導体基板として観念できるので、当該段階までの製造方法において、半導体基板の製造方法の発明が把握できる。
【００５１】
電磁波１１８を照射する工程と化合物半導体結晶層１２２をエピタキシャル成長させる工程とは連続して実施することが好ましい。すなわち電磁波１１８を照射する工程を実施した後、化合物半導体結晶層１２２をエピタキシャル成長させる工程を実施するまでの間、ベース基板１０２を内部に保持する処理室の大気開放を行わず、化合物半導体結晶層１２２をエピタキシャル成長させることが好ましい。これにより第１結晶層１１０の表面の汚染または酸化を抑えることができる。
【００５２】
図２（ｂ）に示すように、化合物半導体結晶層１２２に第２半導体素子１２４を形成する。第２半導体素子１２４は、活性領域が化合物半導体結晶層１２２である化合物半導体素子である。第２半導体素子１２４として、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＩＳＦＥＴ、ＨＢＴ（Heterojunction Bipolar Transistor）、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）、半導体レーザ、発光ダイオード、発光サイリスタ、光センサー、受光ダイオード、太陽電池が挙げられる。これら各素子は、各素子の構造に応じて公知の方法により製造できる。
【００５３】
図２（ｃ）に示すように、第２半導体素子１２４と半導体基板の第１半導体素子１０４とを電気的に接続する。第１半導体素子１０４上の阻害体１０６の一部を除去し、第１半導体素子１０４と第２半導体素子１２４を配線１２６により電気的に接続する。このようにして本実施の形態の半導体デバイスが製造できる。化合物半導体結晶層１２２をエピタキシャル成長させる工程および第２半導体素子１２４を形成する工程において、第１半導体素子１０４の温度を６００℃以下に保持することが好ましい。
【００５４】
図３は、電磁波１１８を照射する工程の他の例を示した断面図である。図３に示すように、位置決め機構として、光学機構１１６に代えて、ベース基板１０２を保持するステージの位置調整機構１１２を用いてもよい。位置調整機構１１２は、図中矢印で示す方向に移動し、電磁波１１８の照射部を移動できる。
【実施例】
【００５５】
市販の単結晶Ｓｉ基板をベース基板１０２に用いた。この単結晶Ｓｉ基板の表面に、熱酸化法によりＳｉＯ２からなる阻害体１０６を形成した。阻害体１０６に、フォトリソグラフィによるパターニングで開口１０８を形成した。
【００５６】
ＧｅＨ４を原料ガスとして用いる減圧ＣＶＤ法により、開口１０８にＧｅ層を第１結晶層１１０として選択的に成長させた。得られたＧｅ層をレーザアニール装置にセットし、アニール処理を行った。レーザ光源には波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４レーザの３次高調波である３５５ｎｍの光を用いた。Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザに１７Ａの電流を注入し、周波数３５ｋＨｚで変調駆動した。また、レーザ光はレンズで集光し、Ｇｅ層に照射した。照射の際、集光度を調節することで、Ｇｅ層表面でのレーザ光スポットを約５０μｍφとした。
【００５７】
単結晶Ｓｉ基板を１ｍｍ／秒の速度で走査させながら、レーザ照射によるアニール処理を行った。Ｇｅ層表面でのレーザ出力は、約３００Ｗ／ｃｍ２程度であると見積もられる。このようにしてアニール処理を行ったＧｅ層の上に、化合物半導体結晶層１２２としてＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させた。ＧａＡｓ層の成長には、トリメチルガリウムとアルシンを原料とするＭＯＣＶＤ法を用いた。ＧａＡｓ層のエピタキシャル成長では、低温ＧａＡｓバッファ層を介してＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させる２段階成長法を用いた。
【００５８】
図４（ａ）は、上記のようにして得られたＧｅ層およびＧａＡｓ層の断面ＴＥＭ像を示す。図４（ｂ）は、比較として示した、アニール処理を施さない場合のＧｅ結晶の断面ＴＥＭ像である。図４（ａ）に示すように、アニール処理を施したＧｅ層では、図４（ｂ）のアニール処理を施さないＧｅ層に比較してＧｅ結晶中の転位数が大幅に減少していることがわかる。また、図４（ａ）に示すように、アニール処理を施した場合のＧｅ層上のＧａＡｓ層には、転位が殆ど見られず、高品質なＧａＡｓ結晶が得られていることがわかる。このような高品質なＧａＡｓ結晶上にＧａＡｓと格子整合あるいは擬格子整合する化合物半導体結晶を積層することで、高性能な化合物半導体デバイスを形成することができる。
【００５９】
なお、上記実施の形態において、第１結晶層１１０と同時に形成される第２結晶層をさらに有してもよい。第２結晶層として、第２結晶層の上に形成される化合物半導体結晶に第２半導体素子１２４が形成されないものが挙げられる。そしてこのような第２結晶層は、第１結晶層１１０とは異なり電磁波１１８が照射されなくてもよい。
【００６０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システムおよび方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００６１】
１０２  ベース基板、１０４  第１半導体素子、１０６  阻害体、１０８  開口、１１０  第１結晶層、１１２  位置調整機構、１１４  発生源、１１６  光学機構、１１８  電磁波、１２２  化合物半導体結晶層、１２４  第２半導体素子、１２６  配線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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