JPS63237517A - 3−5族化合物膜の選択形成方法 - Google Patents

3−5族化合物膜の選択形成方法

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JPS63237517A
JPS63237517A JP62071989A JP7198987A JPS63237517A JP S63237517 A JPS63237517 A JP S63237517A JP 62071989 A JP62071989 A JP 62071989A JP 7198987 A JP7198987 A JP 7198987A JP S63237517 A JPS63237517 A JP S63237517A
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iii
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film
nucleation
substrate
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Hiroyuki Tokunaga
博之 徳永
Takao Yonehara
隆夫 米原
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は堆積膜の選択形成方法に係り、特にIII −
V族化合物の堆積膜を自己整合的に形成する選択形成方
法に関する。
本発明による堆積膜の選択形成方法は、例えば半導体集
積回路、光集積回路等に使用される薄膜の作製に適用さ
れる。
[従来の技術] 第4図は、従来のフォトリソグラフィによる薄膜形成方
法を示す工程図である。
まず、第4図(A)に示すような均一な組成の材料種か
ら成る基板1を洗浄し、続いて、種々の薄膜堆積法(真
空蒸着法、スパッタリング法、プラズマ放電法、MBE
法、CVD法等)によって基板1の全面に薄膜2を堆積
させる[同図(B)]。
続いて、薄膜2上にフォトレジスト3を塗布し[同図(
C)]、所望パターンのフォトマスクを用いてフォトレ
ジスト3を感光させ、現像によってフォトレジスト3を
部分的に除去する[同図(D)1゜残留しているフォト
レジスト3をマス°りとして、薄膜2をエツチングし、
所望パターンの薄膜2を形成する[同図(E)]。
このようなフォトリソグラフィ工程を繰返すことで、所
望パターンの薄膜を積層し、集積回路を構成する。その
際、各層の薄膜の位置合せが素子の特性にとって極めて
重要な要因となる。特に、超LSIのようにサブミクロ
ンの精度が要求される場合では、位置合せとともに各層
の薄膜の形状の精度も極めて重要となる。
しかしながら、上記従来の薄膜形成方法では、必要なフ
ォトマスクの位置合せを精度良く行うことが困難であり
、またエツチングにより所望パターンの薄膜を形成して
いるために、形状の精度も不十分である。
第5図は、従来のリフトオフを用いた薄膜形成方法を示
す工程図である。
まず、基板1にフォトレジスト4を塗布し[第5図(A
)]、フォトリソグラフィにより所望パターンのフォト
レジスト4を除去する[同図(B)]。
続いて、薄膜堆積法により薄膜5を堆積させ[同図(C
)】、残留フォトレジスト4を溶解除去する。これによ
って残留フォトレジスト4上の薄膜が同時に除去され、
所望パターンの薄膜5が形成される。以上の工程を繰返
して集積回路が構成される。
しかしながら、このような薄膜形成方法は、フォトレジ
スト上に薄膜の形成を行うために、フォトレジストの耐
用温度以下で薄膜の堆積を行う必要があり、堆積法が大
きく制約される。また、フォトレジストを除去する際に
、残留する薄膜の形状が影響を受けるために、形状の精
度が不十分となる。また、薄膜の側壁部や内部がフォト
レジストの成分であるカーボン等によって汚染される可
能性が高い等の問題点も有している。
また、選択堆積法としては、単結晶基板を部分的に非晶
質薄膜で覆い、単結晶基板の露出部分にのみ基板材料と
同一の材料を選択的にエピタキシャル成長させる方法が
知られている。例えば、シリコン単結晶基板を部分的に
シリコン酸化物でてって選択的にシリコンを成長させる
選択エピタキシャル成長(SEG)法(B、D、Joy
ce & J、A、Ba1drey。
Nature vol、195,485.1962)、
GaAs基板を5in2゜5i3N4等の非晶質薄膜で
部分的に覆って選択的にGaAsをエピタキシャル成長
させる方法(P、Ra1−Choudhury & D
、に、5chroder J、Electrochem
、 Sac。
118.107.1971)等ある。
しかしながら、これらの選択堆積法は、単結晶基板の露
出表面から同種の単結晶半導体を選択的に成長させるも
のであるために、下地となる堆積面は単結晶半導体に限
定され、多結晶基板、非晶質絶縁基板には適用されない
[発明が解決しようとする問題点1 このように従来の堆積膜形成法は使用し得る基板が制限
され、さらに形成された堆積膜のパターンの形状、寸法
精度にも問題があった。本発明はこのような従来の問題
点を解決し、下地基板の結晶性に関係なく、基板上の任
意の部分に、任意の形状のIII −V族化合物膜を自
己整合的に形成する方法を提供することを目的とする。
E問題点を解決するための手段] 上述した従来の問題点を解決するために、本発明による
III −V族化合物膜の形成方法は、核形成密度の小
さい非核形成面(SNDS) と、非核形成面(SND
S)の核形成密度(NDs)より大きな核形成密度(N
DL)を有する核形成面(SNDL) とを有する基体
に、化合物膜形成処理を施して、核形成面(SNDL)
上にのみIII −V族化合物膜を選択形成することを
特徴とする。
[作用] 本発明においては、核形成密度差を利用して核形成面上
にIII −V族化合物膜を選択的に形成するので、下
地基板は単結晶に限定されることなく、非晶質絶縁物を
使用す乞こともできる。また形成されるIII −V族
化合物膜のパターンは核形成面のパターンに従うので、
所望のパターンのIII −V 族化合物膜を形成する
ことができる。
[実施例] 本発明が対象とするIII −V族化合物は2元素化合
物に限られず、3元素もしくはそれ以上の多売素III
 −V族混晶化合物をも含むものである。一般に堆積膜
形成過程は次のように考えられている。
堆積面の基板が飛来する原子と異なる種類の材料、特に
非晶質材料である場合、飛来する原子は基板表面を自由
に拡散し、または再蒸発する。そして原子同志の衝突の
末、核が形成され、その自由エネルギGの変化ΔGが最
大となるような核(安定核)の犬ぎさrc以上になると
、ΔGは減少し、核は安定に三次元的に成長を続け、島
状となる。
核を形成することによって生ずる自由エネルギGの変化
ΔGは、 G= 4πf(θ)((70r2+1/3 ・gv−r
’)f(θ)  = 1/4 (2−3cosθ十co
s2θ)ただし、r:核の曲率半径 θ:核の接触角 gv:単位堆積当りの自由エネルギ oo=核と真空間の表面エネルギ と表わされる。ΔGの変化の様子を第6図に示す。同図
において、ΔGが最大値であるときの安定核の曲率半径
が「Cである。
このように核が成長して島状になり、更に成長して島同
志が接触して綱目状に基板表面を覆い、最後に連続膜と
なって基板表面を完全に覆う。このような過程を経て基
板上に薄膜が堆積する。
上述したような堆積過程において、基板表面の単位面積
当りに形成される核の密度は、飛来原子と基板との相互
作用に大きく依存し、また温度をはじめとする堆積条件
にも大きく影響される。
そこで堆積膜の材料と基板材料との種類を適当に選択し
、また温度、圧力、ガス種等の堆積条件を適当に設定す
ることで、核形成密度(あるいは核形成速度)を決める
ことができる。従って、一種類の堆積材料を用い、上記
核形成密度が大きく異なるような多種類の基板材料から
成る堆積面に当該堆積材料を堆積させようとすると、堆
積膜は核形成密度の高低によフて選択的に形成される。
例えば、次のようにして選択的に形成される。
第1図(Δ)〜(D)は、本発明による堆積膜の選択形
成方法の概略的説明図である。
まず、堆積面を構成する二種類の材料をAおよびB1堆
積材料をCとし、ある一定の堆積条件の下で堆積材料C
の核形成密度が材料AおよびBで大幅に異なるように、
上記材料A、BおよびCを選択する。ここでは材料Aで
の核形成密度は十分に大きく、材料Bでの核形成密度は
無視できる程度に小さいとする。
第1図(^)において、基板1上に薄膜形成法により材
料Bの薄膜6を堆積させ、その上に、集束イオンビーム
注入技術を用い、所望パターンで材料Aのイオンを注入
する。
これによって同図(B) に示すように、材料Bの薄膜
6に、材料Aの領域7が所望パターンで形成される。
このように堆積面に所望パターンの材料Aを形成する方
法としては、同図(C)に示すように、材料B上にマス
ク8を所望パターンで形成し、全面に材料Aのイオンを
注入して同図(B)に示す堆積面を形成してもよい。
また、材料B上に材料への薄膜を形成し、材料Aの薄膜
をフォトリソグラフィによって所望パターンに形成して
もよい。
同図(B)に示すように、堆積面が材料AおよびBによ
って所望パターンで構成されると、所定の堆積条件で材
料Cを堆積させる。この時、材料Bの薄膜6上には材料
Cは堆積しない。
これは、材料Cの飛来原子が、安定核になるまでに再蒸
発してしまうか、またはC原子が材料Bと反応して蒸気
圧の高い物質が形成され、材料Bをエツチングするため
と考えられる。
こうして材料Aの領域7上だけに材料Cが堆積し、その
結果材料Aの領域7のパターンと同一パターンの堆積膜
9が自己整合的に形成される。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
亙直■ユ 第2図を参照して本発明の第1の実施例としてStO,
上へのGaAs膜の形成法を説明する。
まず高融点ガラス、石英、アルミナ、セラミックスなど
からなる高温に耐える基板1上に、シラン(SiH4)
と酸素(02)を用いた通常のCVD  (化学気相法
)によって、S i02膜10を約1000人程度堆積
する[第2図(^)1゜SiO□上のGaAsの核形成
密度(ND!1)は小さく、このSiO2膜lOが非核
形成面(SNDS)となる。
次にフォトレジスト11で所望のパターンにSiO2膜
10の表面をマスクする[第2図(B)1゜イオンイン
プランタを用いて^s3−イオン12を打込む、 As
’−イオンは露出された表面にのみ打込まれる[第2図
(C)]。打込み量は1 x 101B/ cm2以上
が望ましい。As’−イオンの打込まれないSin、表
面13ではGaAsの核形成密度(NDg)は小さく、
この部分が非核形成面(5sos)となる。一方、^S
3−イオンが打込まれた領域14では非核形成面(Ss
oi)13より大きな核形成密度(ND+、)をもち、
この部分が核形成面(SNDL) となる。
フォトレジスト11を剥離した後、基板1をH2雰囲気
中で約900℃でlO分間程度熱処理し、表面を清浄化
する[第2図(D)】。
ついで基板1を600℃に加熱しながら、基板表面にキ
ャリアガスH2とともにトリメチルガリウム(TMG)
 とアルシン(AsH3)をモル比で1:60の比で流
し、、 MOCVD  (有機金属化学気相)法によっ
てGaAs膜を成長させる。反応圧力は20Torrと
した。
第2図(E)に示すように、GaAs膜15はAs’−
イオンを打込んで形成した核形成面(SNOL) 14
上にのみ形成され、非核形成面(SMDI+) 13す
なわちAs’−イオンの打込まれていないSiO2表面
上にはGaAs膜は形成されなかった。
従って、As3−イオンを所望のパターンで打込むこと
によって、非晶質の絶縁体である5io2上に任意の形
状、寸法のGaAs膜を選択的に形成することができる
基板温度は600〜650℃1反応正650℃〜5゜T
orrの範囲で膜形成は可能である。
罠直■ユ 第3図は本発明の他の実施例の成膜工程を説明する図で
ある。
まず実施例1と同様に、高融点ガラス、石英。
アルミナ、セラミックスなどからなる高温に耐える基板
1の表面に、5it(4と02を用いたCVt1法によ
ってSiO2膜10を1000人程度堆積する[第3図
(A)]。
次に、アーク放電型イオンブレーティング装置を用いて
、5in2膜10上にAj1203膜を堆積する。
装置内を10−’Torrまで排気した後、02ガスを
1〜3 X 10−’Torrまで導入し、イオン化電
極50■、基板電位−50v、出力500Wで、400
℃に加熱した基板上にAuzO5膜16を約160人堆
積する[第3図(B)1゜ フォトレジスト17で所定のパターンにAj2203膜
16上をマスクし、H3PO4: HNO3: CH3
CO0H:LO=18二1:2:1の溶液で八J2zO
sll!の露出されている部分をエツチングする[第3
図(C)】。
この時、基板を40上程度に加熱することが望ましい。
フォトレジスト17を剥離した後、基板1をH2雰囲気
中で約900℃でlO分間程度熱処理し、表面を清浄化
する[第3図(0)1゜5102表面10ではGaAs
の核形成密度(NDS)は小さく、この部分が非核形成
面(SNDS) となる。一方、AIL2(hfeは非
核形成面(SNos) 10より大きな核形成密度(N
DL)をもち、この部分が核形成面(SNDL) とな
る。
ついで基板1を600℃に加熱しながら、基板表面にキ
ャリアガスH2とともにトリメチルガリウム(TMG)
 とアルシン(ASH3)をモル比で1:60の比で流
し、MOCVD  (有機金属化学気相)法によってG
aAs膜を成長させる。反応圧力は20Torrとした
。第3図(E) に示すように、GaAs膜15はAl
2203核形成面(SNDL)16上にのみ形成され、
非核形成面(SNos)10すなわちSin、表面上に
はaaAsn%は形成されない。
従って、この実施例の方法によっても、非晶質絶縁体で
ある5in2上に任意の形状、寸法のGaAstl眞を
選択的に形成することができる。温度および圧力の条件
は実施例1で述べたと同様に広げてもさしつかえない。
夫族■ユ SiO2上にGaAl1八s混晶III −V族化合物
膜を選択的に形成した。
実施例1と同様にして、基板1上に5in4と0□を用
いたCVD法によってSiO2膜を約1000人堆積し
た後、フォトレジストで所望のパターンに表面をマスク
し、イオンプランタ−を用いてAs’−イオンを露出し
ティる5t(h中ニI X IQIS/ cm2以上打
込む。
ついでレジスト膜を剥離し、基板を11.雰囲気中で約
900℃10分間程度熱処理して表面を清浄化する。
GaAl2^S混晶に対してもAs3−イオンの打込ま
れないSiO2部分は小さい核形成密度(NDs)をも
ち、非核形成面(SMDI+) となる。一方、^S3
″イオンが打込まれた部分はより大きな核形成密度(N
DL)を有し、核形成面(SNOL)となる。
このように核形成密度差(△ND)を有する核形成面(
SNDL) と非核形成面(SNDS)が存在する表面
上に、キャリアガスとして112を用い、TMGとトリ
メチルアルミニウム (TMG+TMA党);八SH3の比を1=15(モル
比)として流した。基板温度は800℃,反応圧力は2
0Torrとした。(TMG+TMA立) :ASH,
の比は1:10〜20,基板温度は650〜850℃,
圧力は10〜50Torrの範囲で膜形成が可能である
。第2図(E)に示したと同様に、As’−イオンを打
込んで形成した核形成面(SNOL)上のみに選択的に
3元液晶III − V族化合物Ga/42 AsIl
ljが形成された。
GaAlAsにおけるGaとAsの比は反応ガスTMG
とTMA j2の比を変えることによって任意に制御す
ることができる。
以上の実施例に示したように、本発明によれば、Ill
 − V族化合物半導体膜をエツチングすることなく、
大きな核形成密度(NDL)を有する核形成面(SND
L)を所望のパターンに形成し、そのパターンに従った
化合物半導体膜を形成することができる。
以上の実施例においては、CVD法によってSin。
膜を形成する例を示したが、スパッタ法によってSiO
2膜を形成することもできる。ざらに表面をよく平坦化
した石英そのものを堆積面として用いることもできる。
核形成面(SNDL)を形成するために打込まれるイオ
ン種としては、ΔS3−イオンだけでなく、III族元
素のイオン、V族元素のイオン、さらにII族元素のイ
オンや■族元素のイオンを用いることもできる。
III −V族化合物としては、反応ガスとしてトリメ
チルインジウムIn (CH3) 3とホスフィンI’
H3を用いてrnP膜を、トリメチルアルミニウムA℃
(CH3)iとスチビン5bl−13を用いてへfLs
b膜を非晶質基板の上に選択形成させることができる。
上述した核反応ガスの組合せによってGaP、 GaS
b、 InAs。
InSb、A、9^s、Al2 P膜を選択形成させる
ことができ、さらに任意の組合せの混晶III −V族
化合物膜を選択形成させることかできる。
また、III族元素の反応ガスとしては上述したメチル
基を有する化合物に限られず、トリエチルガリウムGa
(C2H5)i 、トリプロピルインジウムIn (C
3H7) 3.  トリブチルガリウムGa (C4H
9) s 、  トリイソブチルアルミニウムAJl(
にH3) 2[;11(:)12などのエチル基、プロ
ピル基、ブチル基、イソブチル基を有する化合物を用い
ることもできる。
混晶化合物半導体を、実施例2と同様に5in2上に設
けたAl2203を核形成面(SNDL) として、そ
の上に選択形成できることは言うまでもない。
さらに上述した各実施例においては、GaAsおよびG
aAl1^S膜の選択形成の工程にMOCVD法を用い
た例を示したが、本発明のIII −V族化合物膜の選
択形成はMBE  (分子線エピタキシ)法等を用いて
も全く同じ原理で行うことができる。
[発明の効果コ 以上詳細に説明したように、本発明によるIII −V
族化合物膜の選択形成方法は、III −V族化合物の
堆積面材料の種類による核形成密度差(八ND)を利用
して、所望パターンの堆積膜を自己整合的に形成できる
ために、所望パターンの堆積膜が高精度に形成でき、特
に高集積回路を構成する上で極めて有利である。さらに
、堆積面の材料を単結晶だけに限定する必要はなく、核
形成密度差を有する核形成面/形成l材料(ML)と非
核形成面2形成2材料(MS)とを選択することで、非
晶質絶縁物上にもIII −V族化合物の堆積膜を選択
的に高精度で形成できる。
特に、化学的エツチングによる影響が大きい化合物半導
体の場合、膜そのものをエツチングすることなしにパタ
ーンを形成できるので、作られた膜の化学的安定性を高
く保つことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による堆積膜の選択形成方法の概略図、 第2図はGaAs膜の選択形成の一実施例を示す工程図
、 第3図はG a A s liの選択形成の他の実施例
を示す工程図、 第4図は従来のフォトリソグラフィによる薄膜形成方法
を示す工程図、 第5図は従来のりフトオフを用いた薄膜形成方法を示す
工程図、 第6図は自由エネルギGの変化ΔGと核の半径との関係
を示す線図である。 1・・・基板、 2・・・薄膜、 3・・・フォトレジスト、 4・・・フォトレジスト、 6・・・材料Bの薄膜、 7・・・材料Aの領域、 8…マスク、 9・・・材料Cの堆積膜、 lO・・・5t(h膜、 1110.フォトレジスト、 12・・・へS3−イオン、 13・・・非核形成面(SNos)、 14・・・核形成面(SNDL)、 15=・GaAs膜、 1訃・・へ立、03膜(核形成面)、 1714.フォトレジスト。 〜1−                      
   〜I第2図 第3図 第5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)核形成密度の小さい非核形成面(S_N_D_S)
    と、該非核形成面(S_N_D_S)の核形成密度(N
    D_S)より大きな核形成密度(ND_L)を有する核
    形成面(S_N_D_L)とを有する基体に、化合物膜
    形成処理を施して、前記核形成面(S_N_D_L)上
    にIII−V族化合物膜を選択的に形成することを特徴と
    するIII−V族化合物膜の選択形成方法。 2)前記III−V族化合物膜が二元系III−V族化合物膜
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のI
    II−V族化合物膜の選択形成方法。 3)前記III−V族化合物膜が三元系以上の多元系混晶
    III−V族化合物膜であることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載のIII−V族化合物膜の選択形成方法。 4)前記非核形成面(S_N_D_S)の一部にイオン
    打込みによって核形成面(S_N_D_L)を形成する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第3項の
    いずれかの項に記載のIII−V族化合物膜の選択形成方
    法。 5)前記非核形成面(S_N_D_S)の一部に大きな
    核形成密度(ND_L)を有する核形成面形成物質を堆
    積して核形成面とすることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項ないし第3項のいずれかの項に記載のIII−V族
    化合物膜の選択形成方法。 6)前記非核形成面が非晶質絶縁体であることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項ないし第5項のいずれかの項
    に記載のIII−V族化合物膜の選択形成方法。 7)前記非晶質絶縁体がSiO_2であることを特徴と
    する特許請求の範囲第6項記載のIII−V族化合物膜の
    選択形成方法。 8)前記非核形成面がSiO_2であり、前記核形成面
    がAl_2O_3であることを特徴とする特許請求の範
    囲第5項記載のIII−V族化合物膜の選択形成方法。 9)前記化合物膜形成処理がMOCVD法であることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第8項のいずれ
    かの項に記載のIII−V族化合物膜の選択形成方法。
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