(57)【要約】【課題】本発明は、Ｓｉ基板上にＧｅアイランドを成長させる、製造効率の良いＧｅアイランドの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、Ｓｉ基板１上にＧｅ半導体層２を成長させるＧｅ半導体層成長工程と、Ｇｅ半導体層２をＳｉ基板１に達するまでエッチングし、Ｓｉ基板１方向に対して裾広がりとなるＧｅアイランド２を形成するＧｅ半導体層エッチング工程と、を順に備えることを特徴とするＧｅアイランド２の製造方法である。ここでは、Ｇｅアイランド２の剪断応力が、Ｇｅアイランド２の傾斜側面と上面周縁に分布し、Ｇｅアイランド２の転位をＧｅアイランド２の傾斜側面と上面周縁まで移動させることができる。そのため、Ｇｅアイランド２の上面中心付近の転位密度を低減させることができる。さらに、エッチングにより、製造効率の良いＧｅアイランド２の製造方法を提供することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板上にＧｅ半導体層を成長させるＧｅ半導体層成長工程と、
前記Ｇｅ半導体層を前記Ｓｉ基板に達するまでエッチングし、前記Ｓｉ基板方向に対して裾広がりとなるＧｅアイランドを形成するＧｅ半導体層エッチング工程と、
を順に備えることを特徴とするＧｅアイランドの製造方法。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板上の前記Ｇｅアイランドに熱処理を施す熱処理工程、
を前記Ｇｅ半導体層エッチング工程の後にさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＧｅアイランドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ基板上の電子回路とＧｅアイランドの光学素子を融合させるための、Ｓｉ基板上にＧｅアイランドを成長させるＧｅアイランドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外光は、光通信への応用のみならず、医療センサや環境センサなどへの応用として、近年では重要になってきている。従来では、近赤外光を検出する近赤外光センサとして、ＩｎＧａＡｓやＣｄＴｅなどの化合物半導体材料が使用されていた。しかし、ＩｎＧａＡｓやＣｄＴｅなどはそれ自体の価格が高くＳｉの製造技術を適用できないため、ＩｎＧａＡｓやＣｄＴｅなどを使用する近赤外光センサは高価格である。最近では、近赤外光を検出する近赤外光センサとして、Ｇｅの半導体材料が使用されている。そして、Ｇｅはそれ自体の価格が低くＳｉとの整合性がよいため、Ｓｉ基板上にＧｅを成長させた近赤外光センサが注目されている。Ｇｅを使用する近赤外光センサでは、Ｇｅ半導体層の光学素子がＳｉ基板上に配置されており、Ｓｉ半導体電子回路との融合も容易である。
【０００３】
ＳｉとＧｅの格子定数の相違は約４％と大きいため、Ｓｉ基板上にＧｅ半導体層を成長させるときには、Ｇｅ半導体層に転位が発生する問題がある。Ｇｅを使用する近赤外光センサでは、Ｇｅの転位密度がセンサの感度に大きく影響するため、Ｇｅの転位密度を低減するための努力がなされている。Ｇｅの転位密度を低減する方法が非特許文献１と非特許文献２に記載されており、Ｇｅの転位密度を低減した近赤外光センサが非特許文献２に記載されている。非特許文献１と非特許文献２では、Ｓｉ基板上でのＧｅ半導体層の選択成長が利用されている。まず、Ｓｉ基板にＳｉＯ２絶縁体層を形成し、Ｓｉ基板に達するまでＳｉＯ２絶縁体層にＧｅ成長ルートを空ける。次に、露出したＳｉ基板を種結晶として、空けられたＧｅ成長ルートの中で、Ｇｅ半導体層をＳｉ基板に対して垂直方向に成長させる。この成長につれて、Ｇｅ半導体層の転位は徐々に消滅する。次に、ＳｉＯ２絶縁体層の表面上でＧｅ成長ルートの外方向へ、Ｇｅ半導体層をＳｉ基板に対して平行方向に選択成長させる。この成長につれて、Ｇｅ半導体層の成長はさらにＳｉ基板の影響を受けなくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｈ．−Ｃ．Ｌｕａｎ，Ｄ．Ｒ．Ｌｉｍ，Ｋ．Ｋ．Ｌｅｅ，Ｋ．Ｍ．Ｃｈｅｎ，Ｊ．Ｇ．Ｓａｎｄｌａｎｄ，Ｋ．Ｗａｄａ  ａｎｄ  Ｌ．Ｃ．Ｋｉｍｅｒｌｉｎｇ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７５（１９９９）２９０９．
【非特許文献２】“ＴｒｉＷａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｗｈｉｔｅ  Ｐａｐｅｒ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、ＮｏｂｌｅＰｅａｋ  Ｖｉｓｉｏｎ、［平成２２年３月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｏｂｌｅｐｅａｋ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１と非特許文献２におけるＳｉ基板上でのＧｅ半導体層の選択成長は、Ｇｅ半導体層の結晶成長に長時間を必要とするため製造効率が悪くなり、ＳｉＯ２絶縁体層を形成しＳｉＯ２絶縁体層にＧｅ成長ルートを空ける必要があるためコストが高くなる。
【０００６】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、Ｓｉ基板上にＧｅアイランドを成長させる、製造効率の良いＧｅアイランドの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、Ｓｉ基板上にＧｅ半導体層を成長させ、Ｇｅ半導体層をＳｉ基板に達するまでエッチングし、Ｓｉ基板方向に対して裾広がりとなるＧｅアイランドを形成する。
【０００８】
具体的には、本発明は、Ｓｉ基板上にＧｅ半導体層を成長させるＧｅ半導体層成長工程と、前記Ｇｅ半導体層を前記Ｓｉ基板に達するまでエッチングし、前記Ｓｉ基板方向に対して裾広がりとなるＧｅアイランドを形成するＧｅ半導体層エッチング工程と、を順に備えることを特徴とするＧｅアイランドの製造方法である。
【０００９】
このように、ＧｅアイランドがＳｉ基板方向に対して裾広がりとなれば、Ｓｉ基板とＧｅアイランドの熱膨張係数の差異により生ずるＧｅアイランドの剪断応力が、Ｇｅアイランドの傾斜側面と上面周縁に分布し、Ｇｅアイランドの転位をＧｅアイランドの傾斜側面と上面周縁まで移動させることができる。よって、Ｇｅアイランドの上面中心付近の転位密度を低減させることができる。さらに、エッチングにより、製造効率の良いＧｅアイランドの製造方法を提供することができる。
【００１０】
また、本発明は、前記Ｓｉ基板上の前記Ｇｅアイランドに熱処理を施す熱処理工程、を前記Ｇｅ半導体層エッチング工程の後にさらに備えることを特徴とするＧｅアイランドの製造方法である。
【００１１】
この構成によれば、高温度での熱処理が、Ｇｅアイランドの転位をＧｅアイランドの傾斜側面と上面周縁まで容易に移動させることができる。よって、Ｇｅアイランドの上面中心付近の転位密度をさらに低減させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、Ｓｉ基板上にＧｅアイランドを成長させる、製造効率の良いＧｅアイランドの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】垂直側面を有するＧｅアイランドにおける剪断応力の分布状態を示す図である。
【図２】傾斜側面を有するＧｅアイランドにおける剪断応力の分布状態を示す図である。
【図３】ドライエッチングによる第１のＧｅアイランドの製造方法を示す図である。
【図４】ドライエッチングによる第２のＧｅアイランドの製造方法を示す図である。
【図５】ウェットエッチングによるＧｅアイランドの製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１５】
（Ｇｅアイランドにおける剪断応力の分布状態）
本実施形態では、Ｓｉ基板上にＧｅ半導体層を成長させ、Ｇｅ半導体層をＳｉ基板に達するまでエッチングし、Ｓｉ基板方向に対して裾広がりとなるＧｅアイランドを形成する。本実施形態のエッチングでは、Ｇｅアイランドの側面は、（３１１）面などの特定の側面に限定されない傾斜側面である。
【００１６】
ここで、Ｇｅの熱膨張係数は、Ｓｉの熱膨張係数より大きい。よって、製造時の高温から使用時の室温へと降温したときに、Ｇｅアイランドに剪断応力が働く。そして、Ｇｅアイランドの剪断応力は、Ｇｅアイランドの転位を移動させる。Ｇｅアイランドの形状が異なれば、Ｇｅアイランドの剪断応力が異なり、Ｇｅアイランドの転位の移動度が異なる。そこで、Ｓｉ基板とＧｅアイランドの熱膨張係数の差異により生ずるＧｅアイランドにおける剪断応力の分布状態が、Ｇｅアイランドの形状によりどのように相違するかについて計算した結果を、図１と図２を用いて説明する。
【００１７】
図１は、比較例として垂直側面を有するＧｅアイランドにおける剪断応力の分布状態を示す図である。図２は、実施形態として傾斜側面を有するＧｅアイランドにおける剪断応力の分布状態を示す図である。図１と図２の計算を実行するときに、ＳｉとＧｅの熱膨張係数を考慮したうえで、９００℃の高温度ではＧｅアイランドに剪断応力が働かないと仮定した。図１と図２の凡例に示したように、着色が濃い部分では、剪断引張応力または剪断圧縮応力が大きく、着色が淡い部分では、剪断引張応力または剪断圧縮応力が小さい。
【００１８】
図１に示した比較例における垂直側面を有するＧｅアイランドは、ｘ、ｙ軸方向の辺の長さが１０μｍ、ｚ軸方向の辺の長さが１μｍである直方体形状を有しており、Ｓｉ基板上に形成されている。垂直側面を有するＧｅアイランドでは、剪断引張応力または剪断圧縮応力は、Ｇｅアイランドの上面の角部近傍には大きく分布しているが、Ｇｅアイランドの垂直側面と上面周縁には小さくしか分布していない。よって、Ｇｅアイランドの逆符号の転位が、Ｇｅアイランドの内部で対消滅することはできても、Ｇｅアイランドの転位が、Ｇｅアイランドの表面まで移動することにより消滅することはできない。
【００１９】
図２に示した実施形態における傾斜側面を有するＧｅアイランドは、ｘ、ｙ軸方向の辺の長さが１０μｍである底面及びｘ、ｙ軸方向の辺の長さが５．７μｍである上面を有しｚ軸方向の厚さが１μｍである台形錐形状を有しており、Ｓｉ基板上に形成されている。傾斜側面を有するＧｅアイランドでは、剪断引張応力または剪断圧縮応力は、Ｇｅアイランドの上面の角部近傍に大きく分布しているのみならず、Ｇｅアイランドの傾斜側面と上面周縁にも大きく分布している。よって、Ｇｅアイランドの逆符号の転位が、Ｇｅアイランドの内部で対消滅することもできるし、Ｇｅアイランドの転位が、Ｇｅアイランドの表面まで移動することにより消滅することもできる。
【００２０】
このように、Ｓｉ基板方向に対して裾広がりとなる形状を有するＧｅアイランドを形成すれば、傾斜側面を有するＧｅアイランドを形成することができる。このような形状を有するＧｅアイランドは、上面中心付近の転位密度を低減させることができ、Ｇｅアイランドが形成されたセンサの感度を向上させることができる。さらに、エッチングを利用することにより、製造効率の良いＧｅアイランドの製造方法を提供することができる。
【００２１】
Ｇｅアイランドの側面の傾斜角度は、以下に説明する方法により決定すればよい。第１の方法では、図１と図２の計算を様々な傾斜角度において行ない、剪断引張応力または剪断圧縮応力が傾斜側面と上面周縁に大きく分布するような傾斜角度を選択すればよい。第２の方法では、後述の製造を様々な傾斜角度において行ない、エッチピット法などにより測定された上面中心付近の転位密度が小さくなるような傾斜角度を選択すればよい。
【００２２】
（エッチングによるＧｅアイランドの製造方法）
エッチングによりＳｉ基板方向に対して裾広がりとなるＧｅアイランドの製造方法について説明する。図３は、ドライエッチングによる第１のＧｅアイランドの製造方法を示す図である。図４は、ドライエッチングによる第２のＧｅアイランドの製造方法を示す図である。図５は、ウェットエッチングによるＧｅアイランドの製造方法を示す図である。
【００２３】
まず、図３から図５までに示した方法において共通する前段階の工程について説明する。Ｇｅ半導体層成長工程では、超高真空化学気相成長法（Ｕｌｔｒａ  Ｈｉｇｈ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＵＨＶ−ＣＶＤ）などを利用して、Ｓｉ基板１上にＧｅ半導体層２を成長させる。Ｇｅ半導体層エッチング工程の前段階では、Ｇｅ半導体層２上にフォトレジスト３を塗布し、フォトリソグラフィ法を利用して、Ｇｅアイランド２のレジストパターンを形成する。
【００２４】
次に、図３に示した方法における後段階の工程について説明する。Ｇｅ半導体層エッチング工程の後段階では、塩素ガス、酸素ガス、フッ素ガスなどによるドライエッチングを進行させ、図３（ａ）に示した状態とする。
【００２５】
図３（ａ）に示した状態において、矢印で示したようにオーバーエッチングを進行させ、図３（ｂ）に示した状態とする。図３（ｂ）に示した状態では、フォトレジスト３の周縁はエッチングされ丸みを帯びている。Ｇｅアイランド２の側面はエッチングされ傾斜を有している。Ｓｉ基板１は元のＳｉ基板面１１の下方までエッチングされている。
【００２６】
図３（ｂ）に示した状態において、矢印で示したようにさらにオーバーエッチングを進行させ、図３（ｃ）に示した状態とする。図３（ｃ）に示した状態では、フォトレジスト３の周縁はさらにエッチングされ丸みを帯びている。Ｇｅアイランド２の側面はエッチングされさらに傾斜を有している。Ｓｉ基板１は元のＳｉ基板面１１のさらに下方までエッチングされている。Ｇｅアイランド２は、Ｓｉ基板１方向に対して裾広がりとなっており、Ｇｅアイランド２の側面の傾斜角度は、Ｇｅアイランド２の転位が消滅しやすい所望角度となっている。Ｓｉ基板１のエッチング深さはＤ１である。最後にフォトレジスト３を剥離して、Ｇｅアイランド２のみをＳｉ基板１上に残す。
【００２７】
図３に示した方法では、フォトレジスト３の周縁が垂直に切り立つ側面を有する状態（図３（ａ）を参照）から、Ｇｅアイランド２の側面を傾斜させるオーバーエッチングを開始する。よって、図３に示した方法では、図４で示した方法と異なり、後述するようなフォトレジスト３の加熱を施さなくてもよい。さらに、ドライエッチングを利用して精密にＧｅアイランド２を製造することができる。
【００２８】
次に、図４に示した方法における後段階の工程について説明する。Ｇｅ半導体層エッチング工程の後段階では、塩素ガス、酸素ガス、フッ素ガスなどによるドライエッチングを進行させ、図４（ａ）に示した状態とする。
【００２９】
図４（ａ）に示した状態において、オーバーエッチングを進行させる前にまたはオーバーエッチングを進行させる途中で、フォトレジスト３がＧｅアイランド２上で表面張力により丸みを帯びる程度にかつＧｅアイランド２上から自然に滑り落ちない程度に、フォトレジスト３を加熱し、図４（ｂ）に示した状態とする。図４（ｂ）に示した状態では、フォトレジスト３の周縁は丸みを帯びている。ここで、フォトレジスト３がＧｅアイランド２上で表面張力により丸みを帯びるために、ガラス転移温度以上であって、フォトレジスト３の分解または酸化が起こらず、フォトレジスト３がＧｅアイランド２上から自然に滑り落ちない程度まで、フォトレジスト３を加熱すればよい。例えば、日本ゼオン株式会社製電子描画用レジストＺＥＰ−５２０をフォトレジスト３として使用したときに、このフォトレジストのガラス転移温度が１６０℃であることを考慮して、このフォトレジストをホットプレートにより１６５℃まで加熱したところ、このフォトレジストはＧｅアイランド２上で表面張力により丸みを帯びたうえに、Ｇｅアイランド２上から自然に滑り落ちなかった。
【００３０】
図４（ｂ）に示した状態において、矢印で示したようにオーバーエッチングを進行させ、図４（ｃ）に示した状態とする。図４（ｃ）に示した状態では、フォトレジスト３の周縁はエッチングされ丸みを帯びている。Ｇｅアイランド２の側面はエッチングされ傾斜を有している。Ｓｉ基板１は元のＳｉ基板面１１の下方までエッチングされている。Ｇｅアイランド２は、Ｓｉ基板１方向に対して裾広がりとなっており、Ｇｅアイランド２の側面の傾斜角度は、Ｇｅアイランド２の転位が消滅しやすい所望角度となっている。Ｓｉ基板１のエッチング深さはＤ２である。最後にフォトレジスト３を剥離して、Ｇｅアイランド２のみをＳｉ基板１上に残す。
【００３１】
図４に示した方法では、フォトレジスト３の周縁が丸みを帯びる側面を有する状態（図４（ｂ）を参照）から、Ｇｅアイランド２の側面を傾斜させるオーバーエッチングを開始する。よって、図３と図４に示した方法でのＧｅアイランド２の側面の傾斜角度が同一の所望角度であるときに、図４に示した方法でのＳｉ基板１のエッチング深さＤ２は、図３に示した方法でのＳｉ基板１のエッチング深さＤ１より浅くなる。さらに、ドライエッチングを利用して精密にＧｅアイランド２を製造することができる。
【００３２】
次に、図５に示した方法における後段階の工程について説明する。Ｇｅ半導体層エッチング工程の後段階では、Ｇｅ半導体層２とフォトレジスト３が配置されたＳｉ基板１をエッチング液に浸漬させ、矢印で示したようにウェットエッチングを進行させる。ウェットエッチングを進行させると、等方性エッチングを進行させやすい。Ｇｅアイランド２の側面はエッチングされ傾斜を有しており、Ｇｅアイランド２は、Ｓｉ基板１方向に対して裾広がりとなっている。Ｇｅアイランド２の側面の傾斜角度は、Ｇｅアイランド２の転位が消滅しやすい所望角度となっている。最後にフォトレジスト３を剥離して、Ｇｅアイランド２のみをＳｉ基板１上に残す。図５に示した方法では、ウェットエッチングを利用して簡便にＧｅアイランド２を製造することができる。
【００３３】
以上に説明したように、Ｇｅアイランド２に傾斜側面を付与することにより、Ｇｅアイランド２の上面中心付近の転位密度を低減させることができる。さらに、Ｇｅアイランド２に傾斜側面を付与した後に、Ｇｅアイランド２に熱処理工程を施すことにより、Ｇｅアイランド２の上面中心付近の転位密度をさらに低減させることができる。Ｇｅアイランド２の転位が移動しやすくなるため、Ｇｅアイランド２の逆符号の転位がＧｅアイランド２の内部で対消滅しやすくなるうえに、Ｇｅアイランド２の転位がＧｅアイランド２の表面で消滅しやすくなるからである。熱処理温度は、Ｇｅアイランド２の転位が製造に実用的な速度で移動する程度の温度（例えば、７００℃程度）以上であることが望ましく、Ｇｅアイランド２が融解しない程度の温度（例えば、９００℃程度）以下であることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
Ｓｉ基板上にＧｅアイランドをアレイ状に配置することにより、医療センサや環境センサなどに応用される近赤外光センサアレイとして本発明を適用することも可能であり、太陽電池アレイとして本発明を適用することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１：Ｓｉ基板
２：Ｇｅアイランド
３：フォトレジスト
１１：Ｓｉ基板面
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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