(57)【要約】【課題】平滑で膜厚均一性が高く結晶性の良好な酸化物単結晶薄膜および半導体薄膜の形成方法を提供すること。【解決手段】シリコン基板１０の表面に保護酸化膜１１を形成し、この保護酸化膜１１の上に金属アルミ層１２を堆積させる。金属アルミ層１２堆積後に真空中で加熱することにより、金属アルミ層１２と保護酸化膜１１とを反応させて単結晶の酸化物薄膜であるアルミナ予備層１３を形成する。このアルミナ予備層１３の上にさらにγ−Ａｌ２Ｏ３層１４をホモエピタキシャルに成長させてγ−Ａｌ２Ｏ３の厚みを所望の値に設定する。さらに、アルミナ予備層１３形成後またはγ−Ａｌ２Ｏ３層１４形成後に８００℃以上１４００℃以下の温度範囲の酸化雰囲気中で加熱処理してアルミナ層の表面平坦性を高める。このようにして得られた絶縁性酸化物単結晶薄膜上にシリコンあるいは化合物半導体の半導体薄膜を形成する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に酸化物単結晶薄膜を形成するための方法であって、
前記シリコン基板上にシリコン酸化物層を堆積する第１のステップと、
当該シリコン酸化物層上に金属Ａｌ層を堆積する第２のステップと、
前記シリコン酸化物層と前記金属Ａｌ層とを熱処理により反応させて第１の酸化物単結晶層を形成する第３のステップと、
当該酸化物単結晶層を酸化雰囲気中で熱処理する第４のステップとを備えることを特徴とする酸化物単結晶薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記第３のステップにつづき、前記第１の酸化物単結晶層上に第２の酸化物単結晶層を形成する第５のステップを備えることを特徴とする請求項１に記載の酸化物単結晶薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記、第４のステップにおける熱処理温度が、８００℃以上１４００℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物単結晶薄膜の形成方法。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかに記載の酸化物単結晶薄膜の形成方法で得られた酸化物単結晶薄膜上に、半導体薄膜を成長させるステップを備えることを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記半導体薄膜が、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＰのいずれか、または、これらの混晶からなる薄膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体薄膜の形成方法。
【請求項６】
前記第４のステップにつづき、前記酸化物単結晶薄膜上に、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れかの金属を含有する金属層を形成するステップを備えることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体薄膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物単結晶薄膜形成方法および半導体薄膜形成方法に関し、より詳細には、平滑で膜厚均一性が高く結晶性の良好な酸化物単結晶薄膜および半導体薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁性基板上にシリコンを成長させたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造をエピタキシャル成長で得るための代表的な手法として、サファイア単結晶基板上にシリコンを成長させるＳＯＳ（シリコン・オン・サファイア）技術が知られている。また、シリコン単結晶基板上にγ−Ａｌ２Ｏ３やＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３（マグネシアスピネル）を成長させた後にシリコンをエピタキシャル成長させる手法も報告されている（例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７（１９９５）２２００等）。
【０００３】
これらのＳＯＩ構造は、いずれもＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法等の手法で形成されるのが一般的である。
【０００４】
一般に、ＳＯＳ構造を構成する上層に、結晶性の高いシリコン層を設けるためには、予め形成したシリコン層にシリコンイオン照射を行って非晶質層とし、その後にシード層からアニール処理して固相エピタキシャル成長させるなどの後処理工程が必要とされる（例えば、Ｓ．Ｓ．Ｌａｕ，ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３４（１９７９）７６など）。
【０００５】
また、シリコン基板上にγ−Ａｌ２Ｏ３やマグネシアスピネルを成長させる場合、成長初期段階において反応ガスとシリコン表面とが反応して基板表面が荒れてしまう等の現象が知られている（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　１９６（１９９９）８８など）。
【０００６】
一方、青色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として用いられるＧａＮ等の窒化物半導体の結晶成長の基板としては、主としてサファイアが用いられる（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３０（１９９１）Ｌ１９９８等）。
【０００７】
サファイア以外にも、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＧａＡｓ、マグネシアスピネル、ＺｎＯなどを基板としてＧａＮ膜を結晶成長させた報告例もあるが、これらの基板はいずれもＧａＮ結晶との格子ミスマッチが大きいためサファイア基板と比較して良好なＧａＮ膜は得られていないのが実情である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体薄膜の結晶成長に関し、予めシリコン単結晶基板上にγ−Ａｌ２Ｏ３を成長させ、このγ−Ａｌ２Ｏ３の上にＧａＮを成長させる方法も報告されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８）１０９）。
【０００９】
しかしながら、このようなγ−Ａｌ２Ｏ３上にＧａＮを形成する方法を採用する場合でも、上述したＳＯＩ構造の形成の場合と同様な理由によってγ−Ａｌ２Ｏ３層の表面が荒れてしまうことが問題となっていた。
【００１０】
特開２０００−２４７７８９号公報に開示された発明は、このような問題点に鑑み、窒化物半導体薄膜成長用基板の平滑性を向上させる目的でなされたものであるが、更に結晶性が良好でかつ平坦性にも優れた基板が望まれているのは言うまでもない。
【００１１】
また、Ｓｉ基板上にＧａＡｓを成長させるＧａＡｓオンＳｉの技術に関しても多くの報告例がある。
【００１２】
しかしながら、ＧａＡｓとＳｉとの間には格子定数や線膨張係数に大きな差があるのみならず、イオン性結晶のＧａＡｓを共有結合性結晶のＳｉの基板上に成長させることに由来するアンチフェーズドメインが存在し、結晶性を悪化させる大きな原因となっている。これらの問題を解決するために、低温成長バッファ層を用いたり、傾斜研磨したＳｉ基板を用いる試みなどがなされているが、コストが高くなるなどの新たな問題が生じる。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、平滑で膜厚均一性が高く結晶性の良好な酸化物単結晶薄膜をシリコン基板上に成長させる方法、および、その酸化物単結晶薄膜の上に平滑で膜厚均一性が高く結晶性の良好なシリコンまたは化合物半導体の薄膜を成長させる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】
本発明は、これらの目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シリコン基板上に酸化物単結晶薄膜を形成するための方法であって、前記シリコン基板上にシリコン酸化物層を堆積する第１のステップと、当該シリコン酸化物層上に金属Ａｌ層を堆積する第２のステップと、前記シリコン酸化物層と前記金属Ａｌ層とを熱処理により反応させて第１の酸化物単結晶層を形成する第３のステップと、当該酸化物単結晶層を酸化雰囲気中で熱処理する第４のステップとを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の酸化物単結晶薄膜の形成方法において、前記第３のステップにつづき、前記第１の酸化物単結晶層上に第２の酸化物単結晶層を形成する第５のステップを備えることを特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の酸化物単結晶薄膜の形成方法において、前記、第４のステップにおける熱処理温度が、８００℃以上１４００℃以下であることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、半導体薄膜の形成方法であって、請求項１ないし３の何れかに記載の酸化物単結晶薄膜の形成方法で得られた酸化物単結晶薄膜上に、半導体薄膜を成長させるステップを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の半導体薄膜の形成方法において、前記半導体薄膜が、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＰのいずれか、または、これらの混晶からなる薄膜であることを特徴とする。
【００１９】
さらに、請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の半導体薄膜の形成方法において、前記第４のステップにつづき、前記酸化物単結晶薄膜上に、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れかの金属を含有する金属層を形成するステップを備えることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の酸化物単結晶薄膜形成方法およびこの方法で得られた酸化物単結晶薄膜の上に半導体薄膜を形成する方法を説明するための図で、この図では、シリコン基板上に酸化物単結晶薄膜であるγ−Ａｌ２Ｏ３を結晶成長させ、さらに、このγ−Ａｌ２Ｏ３薄膜の上にシリコンあるいは化合物半導体の薄膜を成長させる例を示している。なお、基板として用いられるシリコンの結晶方位には特に制限はなく、通常の結晶成長で用いられる（１００）面や（１１１）面などを用いることができる。
【００２２】
先ず、シリコン基板１０の表面を石坂・白木法（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３３（１９８６）６６６）の洗浄条件でクリーニングした後にシリコン基板１０表面に保護酸化膜１１を形成する（図１（ａ））。この保護酸化膜１１の膜厚としては５Å以上５０Å以下であることが好ましい。これは、保護酸化膜１１の厚みが５Åよりも薄い場合はその後の工程において充分な膜厚のアルミナ予備層を形成するのが困難となるためであり、また５０Åよりも厚い場合には余剰な酸化膜が残ってしまい表面平坦性を低下させる原因となるためである。
【００２３】
次に、保護酸化膜１１の上に金属アルミ層１２を堆積させる（図１（ｂ））。この金属アルミ層１２を堆積させる方法に特に制限はないが、蒸着法、ＭＢＥ法、スパッタリング法、レーザＭＢＥ法等を用いることができる。また、この金属アルミ層１２の厚みに特に制限はないが、５Å以上２０Å以下とすることが好ましい。これは、５Å以下の膜厚であると後工程において表面を覆うに充分なアルミナ予備層を形成するのが困難となるからであり、また、２０Å以上の膜厚とすると余剰のアルミがシリコンと直接反応してしまい表面平坦性が劣化するためである。
【００２４】
金属アルミ層１２堆積後に真空中で加熱することにより、金属アルミ層１２と保護酸化膜１１とを反応させて単結晶の酸化物薄膜であるアルミナ予備層１３を形成する（図１（ｃ））。アルミナ予備層１３が形成されたかどうかは、ＲＨＥＥＤ（反射高速電子線回折）やＡＦＭ（原子間力顕微鏡）、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）などを用いて確認することができる。
【００２５】
このアルミナ予備層１３を形成した状態で半導体薄膜成長用基板として用いることもできるが、このアルミナ予備層１３の上にさらにγ−Ａｌ２Ｏ３層１４をホモエピタキシャルに成長させて絶縁性の酸化物単結晶薄膜であるγ−Ａｌ２Ｏ３の厚みを所望の値に設定することも可能である（図１（ｄ））。
【００２６】
なお、アルミナ予備層１３やγ−Ａｌ２Ｏ３層１４を形成後に８００℃以上１４００℃以下の温度範囲の酸化雰囲気中で加熱処理することで、アルミナ層の表面平坦性をより向上させることが可能である。
【００２７】
また、酸化雰囲気中で加熱することにより、アルミナ層中を酸素原子が拡散し、シリコン基板との界面でシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜はアモルファスであり、アルミナとシリコンの格子ミスマッチによる応力を軽減させて結晶性をさらに高める効果もある。
【００２８】
このようにして得られた絶縁性単結晶酸化物薄膜上にシリコンあるいは化合物半導体の半導体薄膜１５を形成する（図１（ｅ））と、膜厚均一性が高く結晶性の良好な膜が得られる。ここで、化合物半導体薄膜としては、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＰのいずれか、または、これらの混晶からなる薄膜が形成可能である。
【００２９】
また、半導体薄膜の形成の前工程として、酸化物単結晶薄膜上に、少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れかの金属を含有する金属層を予め形成して半導体薄膜の予備成長を行うようにすることも可能である。
【００３０】
［実施例］
以下、本発明の具体的な実施例を説明する。
【００３１】
面方位（１１１）のシリコン基板の表面を、石坂・白木法によってクリーニングした後、ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝１：１：６の混合溶液中で１分間煮沸し、保護酸化膜を形成した。この保護酸化膜の膜厚をＸＰＳにて測定したところ、約１０Åと見積もられた。
【００３２】
このシリコン基板を、クヌーセンセルを備えるＭＢＥチャンバ内に導入し、室温で１０ÅのＡｌ層を堆積した後、真空中で８００℃、３０分間の熱処理を行いγ−Ａｌ２Ｏ３層を形成した。
【００３３】
このγ−Ａｌ２Ｏ３層の膜厚をエリプソメトリー法で測定したところ、約１３Åであった。またＡＦＭにより１μｍ□の範囲でＲｒｍｓ（Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓｒｏｏｔ　ｍｅａｎ　ｓｑｕａｒｅ）を測定したところ、Ｒｒｍｓ＝０．１１ｎｍであった。
【００３４】
次にこれをガスソースＭＢＥ装置に導入し、金属ＡｌとＮ２Ｏを原料として、基板温度８３０℃で５０Åのγ−Ａｌ２Ｏ３層を再成長した。この膜の表面平坦性をＡＦＭで評価したところＲｒｍｓ＝０．３８ｎｍであった。
【００３５】
さらに、これを酸化炉に導入し、酸素を１０ｓｌｍ流しながら１２００℃で３０分間熱処理を施した。
【００３６】
図２は、この１２００℃の熱処理後のγ−Ａｌ２Ｏ３層の表面平坦性をＡＦＭで評価した結果を示す図である。このＡＦＭ像から分るように、原子層のステップのみが観察される非常に平坦な表面が得られており、Ｒｒｍｓも０．０８ｎｍに改善されている。
【００３７】
このようにして平滑で膜厚均一性の高い絶縁性単結晶酸化物薄膜を得た後、基板温度を８００℃まで昇温し、金属ＧａおよびＥＣＲプラズマによって励起したＮ２ガスを原料として用いるガスソースＭＢＥ装置内で、約１０００ÅのＧａＮ膜を成長させた。
【００３８】
成長後のＧａＮ膜表面のＲＨＥＥＤパターンを観察したところ、明瞭なストリーク状のＧａＮのパターンが観察された。これはＧａＮの結晶性並びに表面平坦性が非常に良好であることを示している。また、このＧａＮ膜の表面をＡＦＭで観察したところ、Ｒｒｍｓは３５Åであった。さらに、Ｘ線ロッキングカーブを（０００２）面において測定したところ１２４０ａｒｃｓｅｃであった。
【００３９】
図３は、このようにして成長させたＧａＮ薄膜からのＰＬスペクトルを室温でＨｅ−Ｃｄレーザ励起により調べた結果を示す図である。この図に示すように、３６４．４ｎｍをピークとするバンド間遷移による発光だけが明瞭に観察されており、このＧａＮ膜の良好な結晶性を裏付けている。
【００４０】
［比較例］
実施例と同様に、Ｓｉ（１１１）基板上に（１１１）配向した単結晶のγ−Ａｌ２Ｏ３層を約５０Å成長させ、その後、基板を酸化雰囲気中で熱処理をすることなく、基板温度８００℃でＧａＮ膜を約１０００Å成長させた。
【００４１】
成長後のＧａＮ膜表面のＲＨＥＥＤパターンを観察したところ、スポット状のＧａＮのパターンが観察された。これはＧａＮの表面平坦性が実施例に比較して劣ることを意味している。また、このＧａＮ膜の表面をＡＦＭ観察したところ、Ｒｒｍｓは９０Åであった。さらに、Ｘ線ロッキングカーブを（０００２）面において測定したところ２０１０ａｒｃｓｅｃであった。
【００４２】
図４は、成長後のＧａＮのＰＬスペクトルを室温でＨｅ−Ｃｄレーザ励起により調べた結果を示す図である。図３に示したバンド間遷移による発光の他に、４７０ｎｍ近傍に波長幅の広い発光が観察されている。これはＧａＮのエネルギ準位の深い領域に、窒素欠損などに由来する欠陥準位が広く分布し結晶性が低下していることを意味している。
【００４３】
このように、本発明の実施例で示したＧａＮ膜において、膜の結晶性及び平坦性が飛躍的に向上していることが確認された。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の酸化物単結晶薄膜形成方法によれば、ＳＯＩ構造をエピタキシャル成長で得る場合にリーク電流の原因となっていた絶縁性酸化物層の表面荒れを著しく低減できる。
【００４５】
またこの方法により、安価で大量に生産されているＳｉ基板上に、高い結晶性のＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体薄膜を高い平坦性で成長させることができ、サファイア基板やＧａＡｓ基板を用いる場合に比べてコストを大幅に低減させることが可能になる。これに伴って、Ｓｉ基板のへき開性を利用して半導体レーザを作るために必要な光共振器構造を作る場合、劣化の原因となる転位の発生を抑えることができる。
【００４６】
また本発明の半導体薄膜形成方法によれば、化合物半導体とＳｉのそれぞれの特徴を生かしたデバイスを、１つのＳｉ基板上にモノリシックに形成した場合に、化合物半導体中にキャリアの散乱原因となる欠陥の発生や凹凸を抑制することができ、回路全体を高集積化・高速化することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化物単結晶薄膜形成方法およびこの方法で得られた酸化物単結晶薄膜の上に半導体薄膜を形成する方法を説明するための図である。
【図２】１２００℃の熱処理後のアルミナ層の表面平坦性をＡＦＭで評価した結果を示す図である。
【図３】本発明の半導体薄膜形成方法で成長させたＧａＮ薄膜からのＰＬスペクトルを室温でＨｅ−Ｃｄレーザ励起により調べた結果を示す図である。
【図４】基板を酸化雰囲気中で熱処理をすることなく成長させたＧａＮ薄膜からのＰＬスペクトルを室温でＨｅ−Ｃｄレーザ励起により調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
１０　シリコン基板
１１　保護酸化膜
１２　金属アルミ層
１３　アルミナ予備層
１４　γ−Ａｌ２Ｏ３層
１５　半導体薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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