(57)【要約】【目的】  分子線エピタキシー法により、大気曝露した加工基板の表面上に新たなエピタキシャル膜を成長させるに際し、表面に不純物や欠陥の痕跡を残さないように清浄化する。【構成】  分子線エピタキシー槽内において、不純物の含有量が１０-9以下の純度の原子状水素により清浄化した後、加工基板の表面上にエピタキシャル膜を成長させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物の含有量が１０-9以下の純度の原子状水素により半導体基板表面を清浄化処理することを特徴とするデバイス用基板の清浄化方法。
【請求項２】
β（２×４）構造の表面が現れるまで原子状水素の供給を続け清浄化処理することを特徴とする請求項１に記載のデバイス用基板の清浄化方法。
【請求項３】
大気中に曝露、または大気中で加工された半導体基板を清浄化処理することを特徴とする請求項１または２のデバイス用基板の清浄化方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかの方法により清浄化処理した半導体基板の表面に分子線エピタキシーによりエピタキシャル膜を成長させることを特徴とするデバイス用成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は半導体デバイスの微細化と性能の向上に有用な、基板表面の清浄化とエピタキシャル膜の成膜の方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
２１世紀の情報社会は高速の高度情報処理システムを構築することが不可欠であるとされているが、高速の高度情報処理システムを構築するためには情報システムに使用されている各デバイスの性能を飛躍的に高度化する必要がある。最近では高度で微細な半導体デバイスを作製するため有力な方法として基板上に量子井戸や量子ドットを作製する研究が進められている。特に、分子線エピタキシー法によって作製されるエピタキシャル膜は量子井戸や量子ドットを作製するための有力な方法の１つとされている。
【０００３】
それと言うのも、分子線エピタキシー法によるエピタキシャル膜は高純度性を有し、成長界面の平坦性に優れているとされているからである。このような分子線エピタキシー法によるエピタキシャル膜の製造方法についてはこれまでにも数多くの提案がなされている（たとえば、引用文献１および２を参照）。
【０００４】
そして、この分子線エピタキシー法としては、超高真空内で表面を洗浄した基板を超高真空内でそのままエピタキシャル層を成長させる方法と超高真空内でエピタキシャル成長させた基板を一旦大気中に曝露した後にエピタキシャル層を成長させる方法とが知られている。また、最近の微細構造デバイスに要求される複雑な構造を形成するためには、超高真空室内で成長したエピタキシャル膜を表面加工などのために一旦大気中で加工した後、再び超高真空内でエピタキシャル膜を成長させる方法が必要とされている。
【特許文献１】特開平０７−２３５４９４号公報
【特許文献２】特開２００３−５１４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の分子線エピタキシー法による基板の表面の清浄化方法は、定量的な評価に基づく清浄化が行なわれておらず、エピタキシャル膜が成長する界面の不純物汚染や表面荒れによって清浄化と平坦化は不十分である。このため再成長を伴う分子線エピタキシー法による半導体デバイスの作製については実用化のための難しい問題点が残されている。
【０００６】
そこで、この出願の発明は、以上のような背景から、分子線エピタキシー法において、超真空槽から取り出し大気中に曝した基板を再び超真空槽内に戻してエピタキシャル膜を成長させるに際し、成長界面の不純物汚染や表面荒れの影響を半導体デバイスに影響を与えない程度まで低下させることができる新しい方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、不純物の含有量が１０-9以下の純度の原子状水素により半導体基板表面を清浄化処理することを特徴とするデバイス用基板の清浄化方法を提供する。
【０００８】
第２には、β（２×４）構造の表面が現れるまで原子状水素の供給を続け清浄化処理することを特徴とする上記デバイス用基板の清浄化方法を提供する。
【０００９】
第３には、大気中に曝露、または大気中で加工された半導体基板を清浄化処理することを特徴とする上記のデバイス用基板の清浄化方法を提供する。
【００１０】
そして、この出願の発明は、第４には、上記のいずれかの方法により清浄化処理した半導体基板の表面に分子線エピタキシーによりエピタキシャル膜を成長させることを特徴とするデバイス用成膜方法をも提供する。
【発明の効果】
【００１１】
この出願の発明のデバイス用基板の清浄化方法によれば、大気曝露した基板においても、表面に不純物や欠陥の痕跡を残さないデバイス用基板を作製し、ＭＢＥによるエピタキシー成膜を可能とすることができる。基板表面を活性層とした量子井戸、量子ドットを形成し、この構造の発光デバイスの形成が可能ともな。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この出願の発明の何より特徴的なことは、超高真空内で熱エネルギー程度のエネルギーを持った原子状水素を使用して基板の表面を清浄するにおいて、原子状水素の純度を不純物の含有量を１０-9以下にすることにある。もちろん、従来からも基板の表面を清浄化する方法において、原子状水素を利用することも、原子状水素の純度を高めることも行なわれてきている。そして、高い純度の原子状水素を得るためにＰｄ（パラヂュ−ム）管方式の水素純化装置が使用されてきている。このＰｄ（パラヂュ−ム）管方式における水素純化装置の純化能力の限界は不純物の含有量が１０-8程度であるが、不純物の含有量が１０-8程度の水素は一般的には極めて純度が高いものとされている。ただ、これまで原子状水素を使用する基板の表面清浄方法においては、原料水素の純度をさらに向上させることはほとんど考慮されてこなかった。このような状況において、この出願の発明では従来の方法で使用されていた原料水素の純度を一桁、すなわち不純物の含有量を１０-8から１０-9以下にすることによって、実用レベルまで不純物濃度の少ない再成長界面を得ることを可能としている。
【００１３】
このような、原子状水素の不純物濃度の１０-9以下への低減とこれによる顕著な効果はこれまでの知見によっては全く予期できなかったことである。
【００１４】
また、この出願の発明は成長中の真空度と原料水素の純度を定量的に調べ、必要な水素純化のプロセスを導入して再成長界面を実用レベルにまで不純物濃度を下げるものである。それと同時に、たとえば化合物半導体のＧａＡｓの場合では、電子線回折をモニターしながら表面のＧａとＡｓの被覆率を最適化し、再成長表面の平坦性を確保する。もちろん、この出願の発明は主としてＧａＡｓ系基板に対して好適に適用されるが、このものに限定されることはなく、Ｓｉ等の基板に対しても適用可能である。
【００１５】
この出願の発明を具体的に説明すると、分子線エピタキシー法においては、超高真空槽内の真空度は通常１０-10Ｔｏｒｒに保たれている。この場合、エピタキシャル成長中に
結晶内に取り込まれる不純物は、主に酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）であり、その源となるガス分子の分圧はそれぞれ、Ｈ2Ｏ：１×１０-12Ｔｏｒｒ、Ｏ2：１０-13Ｔｏｒｒ、ＣＯ：１０-13Ｔｏｒｒ程度である。この状況で原子状水素を導入して大気曝露により汚染された
基板表面の酸化物、炭化物を取り除くためには、１ＳＣＣＭ（standard  cc／min）程度
の原料水素ガスが必要であり、そのためには水素ガス圧を１０-5Ｔｏｒｒ程度まで上げる必要がある。このようなことから、この出願の発明では、もともと超真空層内に含まれるＨ2ＯとＯ2の濃度を上げないために、原料水素ガスの不純物の含有量を１０-9以下にすることを不可欠としている。なぜならば、もし原料水素ガスの純度１０-8であると、１０-5×１０-8＝１０-1Ｔｏｒｒとなり、残留不純物の分圧と同程度となってしまうからである。
【００１６】
そして、この出願の発明では、水素ガスの不純物の含有量を１０-9以下にするために、たとえば水素ピュリファイアー（水素浄化器）を多段に接続させて原料水素の純度を上げる。水素ピュリファイアー（水素浄化器）としては、以下の具体例でも使用している日本パイオニクス（株）の水素高純度精製装置ＬＳ−０９型をはじめとする適宜なものを採用してよい。
【００１７】
また、この出願の発明では、大気曝露した基材の表面は、酸化物、炭化物の付着により平坦性が劣化しているが、量子構造デバイスでは原子レベルの平坦性が必要であるため、原子状水素による清浄化過程において、高速電子線回折を用いて表面平坦性および表面原子再構成をモニターし、β（２×４）構造の表面が現れるまで原子状水素の供給を続けることをも有効としている。
【００１８】
たとえばより具体的に、この出願の発明の清浄化と平坦化の効果を調べるために、最も厳しい評価方法とされている成長界面を量子井戸の活性層内に形成してその発光強度を評価すると以下のことがわかる。
【００１９】
なお、原子状水素導入時の条件は次のとおりとした。
【００２０】
真空度：３×１０-6Ｔｏｒｒ（主たる分子は水素）
基板温度：４２０℃
導入時間：３０分
図１は大気曝露後、不純物濃度１０-9以下の原子状水素により清浄化したものと大気曝露のないものの量子井戸構造のフォトルミネッセンス（Photoluminescence）を比較した
ものである。この図１の場合のＭＢＥ成長時の条件は、次のとおりとした。
【００２１】
基板温度：５８０℃
Ａｓ圧力：１×１０-5Ｔｏｒｒ
成長速度：１モノレヤー／秒
図１の（ａ）は量子井戸のほぼ中央に再成長界面を持つ幅５ｎｍのＧａＡｓ量子井戸であり、（ｂ）は同じ構造で再成長界面を持たない通常のＧａＡｓ量子井戸を示している。（ａ）では界面の原子レベルの揺らぎによる半値幅の増大が見られるが、強度の劣化はなく、界面の不純物または欠陥は（ｂ）と同程度であることを示している。なお、（ａ）（ｂ）とも井戸幅５nm、障壁層Ａ１０．３Ｇａ０．７Ａｓ、測定温度１０Ｋである。また、図２は大気曝露後水素清浄化したものと大気曝露のないものの量子ドットのフォトルミネッセンス（Photoluminescence）を比較したものである。図２の場合のＭＢＥ成長時の条
件は次のとおりとした。
【００２２】
基板温度：４８０℃
Ａｓ圧力：１×１０-5Ｔｏｒｒ
ＩｎＡｓ成長量：２モノレヤー
成長速度：０．１４モノレヤー／秒
（ｃ）は大気曝露後水素清浄化した基板上に成長したＩｎＡｓ量子ドットからのフォトルミネッセンス（Photoluminescence）である。大気曝露のない（ｄ）に比べて強度、半
値幅が優れているのは水素による欠陥の不活性化と、量子ドット形成時のＩｎ原子の表面拡散の増大が原因であると考えられる。（ｄ）は連続成長した量子ドットである。なお、（ｃ），（ｄ) ともＧａＡｓ基板上のＩｎＡｓ量子ドットで、測定温度は１０Ｋである。
【００２３】
図１および図２からも明らかなように量子井戸および量子ドットの、いずれにおいても大気曝露の影響が残されていないことが確認される。
【００２４】
もちろん、この出願の発明は異常の実施形態および実施例に限定されるものではなく、詳細については様々な態様が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上詳しく説明した通り、従来は加工基板の清浄化と平坦化が不十分であったため実用化されていなかった半導体デバイスを製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】量子井戸構造のフォトルミネッセンスを比較したものである。
【図２】量子ドットのフォトルミネッセンスを比較したものである。
【符号の説明】
【００２７】
（ａ）大気曝露後清浄化した基板上のＧａＡｓ量子井戸。
【００２８】
（ｂ）連続成長した基板上のＧａＡｓ量子井戸。
【００２９】
（ｃ）大気曝露後清浄化した基板上の量子ドット。
【００３０】
（ｄ）連続成長した基板上の量子ドット。
【図１】
2005209666.tif 000003
【図２】
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