半導体作製装置および半導体作製方法
【課題】真空雰囲気下において脱着可能なメタルマスクを用いて、半導体基板上に半導体層を選択的に再現性よく形成することが可能な半導体作製装置を提供する。
【解決手段】半導体基板が搭載される試料ホルダと、半導体基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口を有するマスクと、半導体基板およびマスクを試料ホルダとの間に挟み、試料ホルダと組み合わされるマスクホルダと、マスクとマスクホルダとの間に設けられた弾性体とを有する構成である。
【解決手段】半導体基板が搭載される試料ホルダと、半導体基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口を有するマスクと、半導体基板およびマスクを試料ホルダとの間に挟み、試料ホルダと組み合わされるマスクホルダと、マスクとマスクホルダとの間に設けられた弾性体とを有する構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶などの微小構造を半導体基板上の選択領域に作製する半導体作製装置および半導体作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バンドギャップの狭い半導体の微細構造が、バンドギャップの広い半導体によって２次元もしくは３次元にわたって囲まれた、いわゆる低次元量子構造は光・電子素子の高機能化、高性能化に有望であり、将来の光・電子産業発展の鍵として、近年多大な関心を集めている。特に３次元量子閉じこめ構造である量子ドットは、電子の強い閉じこめ効果に基づく状態密度の先鋭化に由来して、顕著な量子効果が多岐に渡り発現するため、従来にない優れた機能・性能を有する光・電子デバイスの基本構造としてその実現が期待されている。
【０００３】
化合物半導体を用いた量子ドットの他の代表的な形成方法は、例えば、非特許文献１に掲載されているように、Stransky-Krastanov (S-K) モード成長と呼ばれる成長方法である。これは、半導体基板上に、半導体基板とは格子定数が異なる、いわゆる、格子不整合系材料を、材料に依存して決まる臨界膜圧と呼ばれる所望の厚みにエピタキシャル成長させる方法である。この結果として、ウェッティングレアーと呼ばれる薄い薄膜層の上に、島状のドット構造が自己組織的に形成される。この方法は、リソグラフィーを必要とせず結晶成長のみによるため、良質な結晶ドットが形成可能な手法として注目されている。以下では、この結晶ドットに代表される半導体構造を半導体微小構造と称する。
【０００４】
このような半導体微小構造を半導体基板上の所定の選択領域のみに結晶成長法により作製する手法の一つとして、選択結晶成長がある。選択結晶成長は、半導体基板上に所望の開口が形成されたメタルマスクを、成長中に半導体基板上に配置し、半導体原料を、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置等により、開口を通して、半導体基板上の開口領域のみに照射し、半導体微小構造を開口領域のみに作製するものである。選択結晶成長の具体例が、非特許文献２や非特許文献３に開示されている。
【非特許文献１】Applied Physics Letters 63 (1993) 3202
【非特許文献２】Applied Physics Letters 第３２巻、４９１〜４９３頁（１９７８年）
【非特許文献３】Journal of Electric Materials 第２６巻、５１１〜５１４頁（１９９７年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
メタルマスクを用いた選択成長法はこれまでもいくつか報告があるが、これまで報告されているメタルマスクを用いた選択結晶成長には、結晶成長の制御性および再現性についていくつかの問題点がある。以下に、その一つを説明する。
【０００６】
問題点は、メタルマスクと半導体基板との距離を一定に保つことが難しいことである。これら両者の距離が選択成長を行う度にばらつくと、半導体原料が照射される領域が各回で変化する。つまり、距離が大きくなれば、選択形成領域は広がり、小さくなれば選択形成領域は小さくなる。
【０００７】
また、非特許文献３に記載されているようにメタルマスクを結晶成長装置の外で半導体基板上に固定した後、それらを結晶成長装置に入れて選択成長を行う場合、メタルマスクを半導体基板を固定したホルダ上に、ねじ止め機構等を使用することにより固定し、メタルマスクと半導体基板の距離を一定に保つことが可能である。しかし、メタルマスクを結晶成長装置内で着脱する必要がある場合、ねじ止め機構を使用することは難しい。この場合、一般的には、メタルマスクを固定するホルダにＬ字型の切り欠きを予め設け、半導体基板を固定する基板ホルダにピンを予め設け、ピンをＬ字型の切り欠きに引っかけることで２つのホルダの間で半導体基板を固定する。ところが、一般的には、Ｌ字型の切り欠きの幅の方がピンの直径よりやや大きいためガタつきがあり、メタルマスクと半導体基板距離を再現性よく一定に保つことは困難である。
【０００８】
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、真空雰囲気下において脱着可能なメタルマスクを用いて、半導体基板上に半導体層を選択的に再現性よく形成することが可能な半導体作製装置および半導体作製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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の半導体作製装置は、
半導体基板が搭載される試料ホルダと、
前記半導体基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口を有するマスクと、
前記半導体基板および前記マスクを前記試料ホルダとの間に挟み、前記試料ホルダと組み合わされるマスクホルダと、
前記マスクと前記マスクホルダとの間に設けられた弾性体とを有する構成である。
【００１０】
本発明では、結晶成長の処理毎に、試料ホルダにマスクホルダを組み合わせると、弾性体の弾力がマスクを半導体基板に押し付けるように働くため、マスクホルダと試料ホルダとのガタつきが抑制され、マスクと半導体基板とが密着し、半導体基板の表面からマスクまでの距離を一定に保つことが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、メタルマスクと半導体基板との距離を再現性よく一定に保つことが可能であり、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域に再現性よく形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体作製装置の構成を説明する。図１は本実施形態の半導体作製装置を用いた結晶成長装置を説明するための模式図である。図１では、結晶成長装置の処理室に配置された半導体作製装置の要部断面を示している。
【００１３】
本実施形態の半導体作製装置は、試料３を搭載するための試料ホルダ４と、選択成長領域を特定するためのメタルマスク１と、メタルマスク１を固定するためのマスクホルダ２と、メタルマスク１およびマスクホルダ２の間に設けられたバネ５とを有する。結晶成長の処理を行う際、半導体作製装置は、大気と隔離した処理室内に配置される。
【００１４】
結晶成長装置には、試料３に原料を照射するための蒸発源６が設けられている。蒸発源６については全体を処理室内に設けている必要はなく、原料の照射口が処理室にあればよい。また、蒸発源６の数は３つの場合に限られない。なお、結晶成長装置には、処理室を減圧するための排気ポンプや排気ポンプと処理室を接続するための配管などがあるが、それらの構成については従来と同様であるため、図に示すことを省略し、また、その詳細な説明を省略する。
【００１５】
次に、本実施形態の半導体作製装置の各構成について詳しく説明する。
【００１６】
メタルマスク１は、少なくとも１個以上の開口が形成され、かつ、開口を形成した領域の試料３との接触面が切削されている。開口は、試料３に結晶を選択的に成長させる領域に対応して設けられている。図１の断面に示すように、メタルマスク１が試料３と接触しているのは試料３の周辺部分だけであり、それ以外はメタルマスク１の全体の厚みのうち下側が薄く切削されている。メタルマスク１をこのような構造にしているのは、試料３で半導体素子を形成する領域にメタルマスク１が接触しないようにするためである。
【００１７】
図２（ａ）は試料ホルダの外観斜視図である。図２（ａ）に示すように、試料ホルダ４は、円盤形状であり、その円周に沿って中心角１２０度の間隔でピン２１ａが設けられている。また、円周に沿って中心角１２０度の間隔でピン２１ｂが設けられている。３本のピン２１ｂは試料３を搭載する面に近い側に設けられ、３本のピン２１ａはその面から遠い側に設けられている。ピン２１ａとピン２１ｂの円周での位置は中心角が６０度ずれている。
【００１８】
図２（ｂ）はマスクホルダの外観斜視図である。マスクホルダ２は円柱形状であるが、底面と内部がくり抜かれ、側面と上面とで構成される。また、マスクホルダ２の上面については、メタルマスクの開口が設けられた面を露出するために貫通孔が設けられ、バネ５を介してメタルマスクを周辺で押さえるための枠形状を有している。図２（ｂ）はメタルマスクをマスクホルダ２に装着した状態を示す。側面には、図２（ｂ）に示すようなＬ字型の切り欠き２２が設けられている。切り欠き２２は、円柱の軸方向の垂直部分と軸方向に直行する水平部分とがつながってＬ字型になっている。この切り欠き２２は円柱の中心軸に対して中心角１２０度の間隔で設けられている。
【００１９】
図２（ｂ）に示した切り欠き２２は図２（ａ）に示したピン２１ｂを引っかけるためのものである。なお、図２（ｂ）に示した切り欠き２２と同様なものが結晶成長装置（不図示）のマニピレータに予め設けられており、そこに図２（ａ）に示したピン２１ａが引っかけられる。
【００２０】
図１に示すバネ５は、結晶成長処理の温度に対して弾力性の劣化が小さい、耐熱性に優れた素材であることが望ましい。例えば、モリブデンなどの金属である。ただし、蒸発源６から原料の照射を直接受けるわけではないので、メタルマスク１ほどの耐熱性はなくてもよい。バネ５は、つるまきバネに限らず板バネであってもよく、これらのバネを含む弾性体であってもよい。
【００２１】
次に、半導体作製装置の組み立て方を説明する。
【００２２】
操作者が図２（ａ）に示した試料ホルダ４を結晶成長装置のマニピレータに装着し、試料ホルダ４に試料３を搭載し、その上にメタルマスク１を載せる。続いて、メタルマスク１の周辺部に３つのバネ５のそれぞれを中心角１２０度毎に配置し、その上からマスクホルダ２をかぶせ、試料ホルダ４の３箇所のピン２１ｂをマスクホルダ２の切り欠き２２に引っかける。
【００２３】
ピン２１ｂを切り欠き２２に引っかける際、バネ５がマスクホルダ２を上側に押し上げるため、次のように行う。ピン２１ｂを切り欠き２２の垂直部分の位置に合わせ、マスクホルダ２を下側に押し付ける。ピン２１ｂが切り欠き２２の水平部分の位置まで達したら、そのままマスクホルダ２を回転させる。図２（ｂ）の場合では、時計回りにマスクホルダ２を回転させる。これにより、ピン２１ｂが切り欠き２２の水平部分に入り込む。この状態で手を離し、組み立てが終了する。
【００２４】
このようにして半導体作製装置を組み立てた後では、バネ５がマスクホルダ２を押し上げようとしても、ピン２１ｂが切り欠き２２の水平部分の下側にぶつかってマスクホルダ２がそれ以上浮き上がるのを防ぐ。
【００２５】
また、試料ホルダ４に対してマスクホルダ２を着脱しやすくするために、通常、Ｌ字型の切り欠き２２の幅をピン２１の直径よりやや大きくしてある。そのため、ピン２１ｂを切り欠き２２の水平部分に入れてマスクホルダ２を装着しても、従来はガタつきがあった。本実施形態では、上述したように、メタルマスク１の周辺をバネ５により試料ホルダ４に密着させているため、メタルマスク１と試料３との間隔を全体的に一定に保つことが可能である。
【００２６】
また、メタルマスク１の周辺部がバネ５により試料３側に押されるため、メタルマスク１の周辺部は試料３の表面に密着し、メタルマスク１の切削された領域の深さが、常にメタルマスク１と試料３との距離となる。つまり、メタルマスク１と試料３との間隔は処理を行う度に常に一定になる。メタルマスク１と試料３との間隔は、切削の機械加工の精度で決定されることとなるが、機械加工の精度は、通常μｍ単位で制御可能であるため、選択成長領域を制御し決定するには十分な精度である。
【００２７】
なお、上記説明においてバネ５の数を３つとしたが、バネ５の数は３つに限らないが２つ以上であることが望ましい。試料３の表面とメタルマスク１との距離が試料３の表面全体にわたって均一になるようにするためである。バネ５を３つ設ける場合には、３本のピン２１ｂのそれぞれに対応する位置にバネ５をおくとよい。
【００２８】
また、メタルマスク１をバネ５でマスクホルダ２に予め取り付けておいてもよい。試料ホルダ４に試料３を載せた後、マスクホルダ２を試料ホルダ４に装着するだけで半導体作製装置を組み立てることが可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態の半導体作製装置を用いた結晶成長方法について簡単に説明する。結晶成長装置の処理室に本実施形態の半導体作製装置を取り付ける。そして、処理室内を所定の圧力まで減圧した後、蒸発源６より原料を照射させる。蒸発源６より照射された原料がメタルマスク１の開口を通じて試料３に照射され、選択成長層７が試料３の表面に形成される。
【００３０】
本実施形態による半導体作製装置は、メタルマスク１の周辺部がバネ５により試料３側に押されるためメタルマスク１が固定され、メタルマスク１の周辺部は試料３の表面に密着し、メタルマスク１の切削された領域の深さが、常にメタルマスク１と試料３との距離となる。そのため、メタルマスク１と試料３との距離を一定に保つことができる。これら両者の距離が選択成長を行う度に一定であるため、メタルマスク１と試料３との間隔は処理を行う度に常に一定になり、半導体原料が照射される領域が処理毎に変化することを防げる。
【００３１】
また、試料ホルダ４の切り欠きにマスクホルダ２のピンを引っかけたり、切り欠きから外したりするだけで、メタルマスクを結晶成長装置内で容易に着脱することが可能である。従来、切り欠きの幅の方がピンの直径よりやや大きいためガタつきがあったが、本実施形態では、試料ホルダ４にマスクホルダ２を取り付けると、バネの弾性力によりメタルマスクが動かなくなるため、ねじ止め機構の場合と同様にガタつきがなく、メタルマスクと半導体基板距離を再現性よく一定に保つことができる。
【００３２】
本発明によれば、メタルマスクと半導体基板との距離を再現性よく一定に保つことが可能であり、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域に再現性よく形成することができる。
【実施例１】
【００３３】
第１の実施形態による半導体作製装置の実施例について説明する。
【００３４】
試料ホルダ４と、メタルマスク１を具備したマスクホルダ２とを図２（ａ）および(ｂ)を参照して説明する。試料ホルダ４として、直径２インチ、厚さ１０mmの円盤状のモリブデンから成る試料ホルダ４を用意した。この試料ホルダ４には、円盤周囲の上下２段のそれぞれに中心角１２０度毎に１本ずつピンが配置されている。図２（ａ）では、３本のピン２１ａと３本のピン２１ｂとを合わせて計６本のピンが設置されている。結晶成長時、下段のピン２１ａの３本は、試料ホルダ４を結晶成長装置のマニピレータに固定するために使用される。上段のピン２１ｂの３本は、これらのピンをマスクホルダ２の側壁に形成されたＬ字型の切り欠き２２に引っかけることで、マスクホルダ２を試料ホルダ４に装着するために使用される。
【００３５】
マスクホルダ２とメタルマスク１の間には、円周に沿って中心角１２０度毎に図１に示したバネ５が設けられている。メタルマスク１としては、厚さ１mmのモリブデンから成る円盤が使用され、その円盤には３００μｍ×２ｍｍの開口が１２個設けられている。メタルマスク１の試料と接する側の面は、直径３０ｍｍの円状で、深さ１００μｍにわたり、切削加工が施されている。そのため、メタルマスク１が試料と接するのは、メタルマスク１の周辺部だけとなる。試料ホルダ４にマスクホルダ２を組み付けることで、メタルマスク１は、マスクホルダ２に１２０度毎に配置された３本のバネ５により固定される。
【００３６】
次に、第１の実施形態の半導体作製装置を用いて選択成長を行う方法を説明する。図３は選択成長の工程を示す図である。なお、図３に示す半導体作製装置３３は図１に示したメタルマスク１として簡略化して描かれたものである。また、図には示さないが、結晶成長装置には真空雰囲気の処理室内でマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着することが可能なロッドを備えているものとする。
【００３７】
ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）半導体から成る半導体基板３１をインジウム（Ｉｎ）を接着剤として試料ホルダ４に固定し、結晶成長装置の処理室内へ導入する。結晶成長装置には、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）およびＩｎの蒸発源６を備えている。マスクホルダ２を試料ホルダ４に装着していない状態で、処理室内を所定の圧力まで減圧して真空雰囲気にした後、蒸発源６よりＡｓを試料全面に加熱しながら照射することで、ＧａＡｓ基板上の自然酸化膜を除去する。続いて、ＡｓとＧａを同時照射することにより、ＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を試料上に形成する（図３（ａ））。
【００３８】
その後、処理室の真空雰囲気を維持したまま、ロッドを操作してマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着させる。続いて、図３（ｂ）に示すようにＩｎとＡｓを同時照射することにより、半導体作製装置３３の開口を介してＩｎとＡｓを試料に照射し、ＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４を第１の半導体層３２の上に３分子層分成長させた。このＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４は、ＧａＡｓとの格子不整合に起因する歪みにより、３次元上に成長し、ＩｎＡｓ量子ドット層となる。さらに、連続して、ＧａとＡｓを同時照射することにより、開口を介してＧａとＡｓを試料に照射し、厚さ５０ｎｍのＧａＡｓから成る第３の半導体層３５を成長させた。図３（ｃ）は、選択成長を終了して、マスクホルダ２を試料ホルダ４から外した後の状態を示す。
【００３９】
なお、処理室内で試料ホルダ４にマスクホルダ２を装着する作業をロッドにより行ったが、ロードロックチャンバのように処理室と扉で区切られた別のチャンバを結晶成長装置に予め設け、そのチャンバで試料ホルダ４にマスクホルダ２を装着する作業を行ってもよい。
【００４０】
次に、本実施例の選択成長層の評価結果を説明する。図４は本実施例の選択成長処理を行った後の試料の断面模式図である。選択成長実施後、選択成長層の評価を行ったところ、図４に示すように、試料表面上には、選択成長領域４１と非選択成長領域４２とが形成されていた。そして、厚さ１００ｎｍの半導体層がメタルマスクの開口と同じ大きさである３００μｍ×２ｍｍの範囲に選択的に形成されていることを確認できた。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、メタルマスク１を半導体基板に固定した場合であっても、結晶成長中の半導体基板表面の基板温度の測定を可能にしたものである。
【００４２】
結晶成長の再現性をより向上させるために、結晶成長処理中の基板温度をモニタして基板温度を制御することが有効である。従来、メタルマスクを半導体基板に固定した場合、成長中の半導体基板表面の基板温度測定が難しいという問題がある。特に、高性能な量子ドット等の半導体微小構造を結晶成長法により作製するためには、半導体基板温度を厳密に制御する必要がある。
【００４３】
結晶成長中に半導体基板表面温度を測定するためには、分子線エピタキシ法の場合、赤外線放射温度計を用いる手法や反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いる手法が一般的である。赤外線放射温度計は、基板表面から放射された赤外線を測定し、基板温度を確定するものである。ＲＨＥＥＤは、電子線を極低角度で半導体基板に照射し、反射した回折電子線を対向した蛍光板上に結像させ、表面の構造を解析することで表面の構造の変移点を測定し、半導体基板温度を確定するものである。
【００４４】
本実施形態では、ＲＨＥＥＤ法により選択成長中の基板温度を決定することを可能にしたものである。以下に、本実施形態の半導体作製装置の構成を説明する。
【００４５】
図５は本実施形態の半導体作製装置のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。図５では、マスクホルダの描写を省略している。図６は本実施形態のメタルマスクの一構成例を示す図であり、試料に接する側の面を見た外観斜視図である。
【００４６】
図５および図６に示すように、メタルマスク５１は、選択成長のための第１の開口５２と、試料５４との接触面側に設けられた溝６２と、基板温度の測定対象領域のための第２の開口５３とを有する構成である。第２の開口５３は、溝６２に少なくとも１つ設けられ、メタルマスク５１を貫通している。図５は第２の開口５３がメタルマスク５１の中央部に１つ設けられた場合を示す。
【００４７】
溝６２は、円盤状のメタルマスク５１の円周の一部から一方向に連続して設けられ、円周の他の部位まで貫通している。図６では、メタルマスク５１の試料との接触面側に形成された溝６２は、メタルマスク５１の円周の一部から中心を通って円周の反対側にまで達している。
【００４８】
溝６２の深さは、入射口５６から電子線５６が進入して試料の表面で反射した後に出口から出るまで、電子線５６がメタルマスク５１に衝突しないように設定する必要がある。図５および図６に示すように、溝６２がメタルマスク５１の中心を通る場合、電子線５６が試料で反射する際の試料表面から電子線５６の経路のなす角をθとし、メタルマスク５１の半径をｒとすると、溝６２の深さｄは、ｄ＞ｒ×ｔａｎθの式から設定することが可能である。
【００４９】
第２の開口５３は、次のような役割を果たす。通常、マスクを装着しないで結晶成長させた場合、結晶成長中、試料全面に主にＡｓ等のＶ族元素を直接照射することになる。一方、マスクを装着して結晶成長させた場合、第１の開口５２領域は直接Ｖ族元素が照射されるため成長条件は全面成長の場合と同じであるが、マスクによって陰になった領域は、マスクと試料表面との隙間に拡散した分しかＶ族元素が供給されない。そのため、陰になった領域は、全面成長領域と比較して成長条件が一般的には異なる。つまり、第２の開口５２は、選択成長領域と同じ条件での温度変化をＲＨＥＥＤ法により得るために設けられている。
【００５０】
次に、本実施形態の半導体作製装置を用いて、ＲＨＥＥＤ法により基板温度を測定する方法を説明する。
【００５１】
本実施形態の半導体作製装置を結晶成長装置の処理室にセットし、処理室内を減圧して真空雰囲気にする。続いて、結晶成長処理を開始すると、ＲＨＥＥＤ装置から電子線５７を入射口５６に向けて照射する。入射口５６から溝６２内へ導かれたＲＨＥＥＤの電子線５７はこの溝６２の中を通過し、試料中央部の第２の開口５３が形成された領域で試料表面に入射すると、試料表面で反射する。反射した電子線５７は、さらに、溝６２の中を伝搬し、対向位置より出射し、蛍光板上で回折像を結像する。その回折像から試料表面の構造変化が生じる温度を決定し、温度に換算することにより、試料表面の温度を精密に決定することが可能である。
【００５２】
なお、本実施形態では、第１の開口５２と第２の開口５３とを別のものとして説明したが、第２の開口５３は、電子線５７が通過する経路上にあればよく、第１の開口５２として選択成長を行う領域に設定しても何ら問題はない。また、溝６２がメタルマスク５１の円盤の中心を通るところに設けられているが、中心を通らなくてもよい。
【００５３】
本実施形態の半導体作製装置では、メタルマスクを半導体基板に固定した場合でも、ＲＨＥＥＤ測定を用いて選択結晶成長中の基板温度を測定することが可能となる。そのため、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域により再現性よく形成することが可能になる。また、高性能な量子ドット等の半導体微小構造を結晶成長法により作製する場合でも、半導体基板温度を厳密に制御することが可能となる。さらに、溝６２および第２の開口５３を組み合わせたものをメタルマスク５１に複数設けていれば、結晶成長の処理中に試料の複数個所で基板温度を測定したり、結晶成長の処理毎に試料における異なる位置で基板温度を測定したりすることが可能となる。
【実施例２】
【００５４】
第２の実施形態による半導体作製装置の実施例について説明する。試料ホルダ４およびマスクホルダ２の構造は実施例１と同様であるため、ここではメタルマスク５１の構造についてのみ、図５および図６を参照して説明する。
【００５５】
メタルマスク５１としては厚さ２mmのモリブデンから成る円盤を使用し、このメタルマスク５１に３００μｍ×２ｍｍの第１の開口５２が１２個設けられている。メタルマスク５１の試料５４と接する側の面は、実施例１と同じく直径３０ｍｍの円状で、深さ１００μｍにわたり、切削加工が施されている。これらに加えて、メタルマスク５１の試料５４との接触面側に、円周の一部から一方向で対向する位置へと連続、貫通した溝６３が形成されている。溝６２の幅は２ｍｍとし、深さは１ｍｍとした。さらに、メタルマスク５１の中央部に幅２ｍｍ、長さ５ｍｍの第２の開口５３が形成されている。
【００５６】
次に、本実施例の半導体作製装置を用いた基板温度測定方法を説明する。
【００５７】
上述のメタルマスク５１を、実施例１と同様にマスクホルダ２に固定し、図３に示した工程にしたがって、選択成長処理を行った。実施例１と同様にＧａＡｓ半導体基板３１上に、ＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を成長させた後、マスクホルダ２を装着し、ＩｎＡｓ量子ドットから成る第２の半導体層３４を成長させた。第２の半導体層３４の成長に先立ち、ＲＨＥＥＤ測定を行った。
【００５８】
通常、ＲＨＥＥＤ測定の電子線５７は、試料表面すれすれの０．５度以内の極低角度で入射するため、本実施例によるメタルマスクを装着した場合、溝６２とＲＨＥＥＤの電子線の相対位置関係を適当な位置に調整することは難しいことが予想された。しかし、結晶成長装置のマニピレータに予め備えられた、ｘｙｚ（ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）に対する位置調整機構と面内回転機構の調整により、ＲＨＥＥＤ電子線源と対向位置に配置した蛍光板上に試料表面で回折したＲＨＥＥＤ電子線５７の回折像を容易に得ることができた。
【００５９】
実際の成長温度の決定は以下の手順で行った。ＲＨＥＥＤの回折像は、ＧａＡｓ半導体から成る試料の結晶軸方位で［−１１０］方向から行った。試料温度が低い場合、ＲＨＥＥＤ回折像は、×２の超構造周期の存在を示すパターンを示していたが、試料温度を上げると次第にこの超構造が消失し、×４の超構造周期の存在を示すパターンへと変化した。マスクを用いない場合のＧａＡｓ結晶成長時の実験により、このパターン変化時の温度が４７０℃で、かつ、ＩｎＡｓ量子ドットの成長に適した温度であることがわかっており、このパターンが変化した温度で、ＩｎＡｓ量子ドットから成る第２の半導体層３４の成長を行った。その後、連続して、ＧａＡｓから成る第３の半導体層３５を成長させた後、選択成長を終了した。選択成長実施後、ＩｎＡｓ量子ドット選択成長層の光学評価を行ったところ、発光中心波長１．１５μｍ、発光エネルギー幅３０ｍｅＶの高品質なＩｎＡｓ量子ドットが形成されていることを確認できた。
【００６０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、選択成長層が非常に薄い場合でも、結晶成長工程の後、結晶装置外へ取り出し、光学顕微鏡等により選択成長領域を認識することを可能にしたものである。この機能は、例えば、量子ドットのみをある所望の領域のみに作製したい場合、量子ドット層の平均膜厚は、数原子層程度であるため、非常に有効な機能となる。
【００６１】
図７（ａ）および(ｂ)は本実施形態の半導体作製装置のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。なお、図７（ａ）および（ｂ）では、本実施形態の半導体作製装置のメタルマスクのみを描写し、その他の部材の描写を省略している。
【００６２】
図７（ａ）に示すように、本実施形態のメタルマスク７５には、試料と接触する側の面とは反対側の面にシャッター機構７１が設けられている。図７（ａ）はシャッター機構７１が開いた状態を示し、図７（ｂ）はシャッター機構７１が閉じた状態を示す。本実施形態では、シャッター機構７１は、結晶成長の温度に対して耐熱性のある金属部材で四角形に成形されたシャッター（遮蔽部材）と、メタルマスク７５と接続するためのちょうつがいと、重り７２とを有する構成である。シャッターの１つの辺がちょうつがいでメタルマスク７５に接続されている。また、重り７２は、ちょうつがいで接続された辺の対辺の部位に取り付けられている。図７（ｂ）に示すように、重り７２は、シャッター機構７１が閉じたときにメタルマスク１と接触する面とは反対側の面に取り付けられている。
【００６３】
メタルマスク７５には、第１の実施形態で説明した第１の開口５２と、第２の実施形態で説明した第２の開口５３がそれぞれ少なくとも１つ設けられている。図７（ａ）に示すように、本実施形態では、第１の開口５２が４つ設けられ、第２の開口５３が１つ設けられている。また、本実施形態のメタルマスク７５には、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、第３の開口７３が２つ設けられている。第３の開口７３は、シャッター機構７１が閉じたときに露出するような位置に、少なくとも１つ設けられていればよい。第３の開口７３は、観察対象の半導体層を形成するための窓の役目を果たす。
【００６４】
なお、図７（ａ）に示すメタルマスク７５には、第２の開口５３が設けられているが、第２の開口５３を設けていなくてもよい。また、シャッターの形状は四角形に限られず、シャッターのメタルマスク１への接続はちょうつがいに限られない。
【００６５】
次に、本実施形態の半導体作製装置の動作を説明する。
【００６６】
図７（ａ）に示すように、シャッター機構部７１のメタルマスク７５との接続部が下になるように半導体作製装置を置くと、重り７２の重力でシャッター機構部７１のシャッターが開く。シャッターが開いた状態では、図７（ａ）に示すように、第１の開口５２、第２の開口５３および第３の開口５３が露出している。
【００６７】
図７（ａ）に示す状態から、円盤状の半導体作製装置をその円盤の中心を軸にして１８０度回転させると、重り７２の重力でシャッター機構７１のシャッターが閉じ、図７（ｂ）に示す状態になる。シャッターが閉じた状態では、図７（ｂ）に示すように、第１の開口５２および第２の開口５３がシャッターで塞がれているが、第３の開口７３は露出している。この第３の開口７３の領域に、シャッター機構７１で遮蔽された第１の開口５２および第３の開口５３の領域の選択成長層とは異なる選択成長層を形成することにより、後工程でのマーカー層として利用することが可能となる。
【００６８】
このようにして、メタルマスク７５の試料と接触する側の面とは反対側の面に設けられたシャッター機構７１は、試料ホルダ４またはマスクホルダ２を面内回転させることにより開閉することが可能となる。
【００６９】
なお、シャッター機構７１の重り７２はシャッターの開閉動作をより確実にするために設けられており、重り７２を設けていなくてもよい。シャッター機構７１に重り７２を設けていない場合、シャッターの自重により、上述したように開閉動作させればよい。図７（ａ）および（ｂ）に示すようにメタルマスク７５を立てた状態から、シャッター機構７１を設けた面の方にメタルマスク７５を傾ければシャッターの開閉動作をよりスムーズに行うことが可能となる。
【００７０】
次に、本実施形態の半導体作製装置を用いた場合の選択成長領域の認識方法を説明する。
【００７１】
バネ５を備えたマスクホルダ２と試料ホルダ４とを準備し、試料ホルダ４の上に試料および図７で説明したメタルマスク７５を載せ、その上にマスクホルダ２を組み合わせて、本実施形態の半導体作製装置を組み上げる。そして、メタルマスク７５が図７（ａ）に示した状態で薄膜の成長層を試料に選択成長させる。この際、第１の開口５２、第２の開口５３および第３の開口７３の領域すべてに選択成長層が形成されることとなる。
【００７２】
続いて、試料ホルダ４を１８０度面内回転させるとメタルマスク７５も１８０度回転し、シャッター機構７１が閉じる（図７（ｂ））。第３の開口７３は、シャッターで遮蔽した領域外にあるので、シャッターを閉じても露出している。この状態で、さらに半導体層を成長すれば、第３の開口７３の領域のみに成長が行われる。その際、顕微鏡等で認識可能な十分な厚さの半導体層を成長すれば、第３の開口７３の領域に形成された半導体層を後工程でのマーカー層として利用することが可能となる。
【００７３】
本発明によれば、選択成長層が非常に薄い場合でも、結晶成長工程の後、結晶装置外へ取り出し、光学顕微鏡等により選択成長領域を認識することが可能である。選択成長領域を認識できるため、その後の加工工程を行うことができる。量子ドットのみをある所望の領域のみに作製したい場合等に、量子ドット層の平均膜厚は数原子層程度で、認識しにくいため、特に有効である。よって、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域に再現性よく形成することが可能になる。
【実施例３】
【００７４】
第３の実施形態による半導体作製装置の実施例について説明する。試料ホルダ４およびマスクホルダ２の構造は実施例１と同様であるため、ここではメタルマスク７５の構造についてのみ、図７を参照して説明する。
【００７５】
メタルマスク７５としては厚さ１mmのモリブデンから成る円盤を使用し、メタルマスク７５に３００μｍ×２ｍｍの第１の開口５２が実施例１と同様に１２個設けられている。メタルマスク７５の試料と接する側の面は、実施例１と同じく直径３０ｍｍの円状で、深さ１００μｍにわたり切削加工が施されている。これらに加えて、メタルマスク７５の試料と接する側の面とは反対側の面に、試料ホルダ４を保持して面内で回転させることにより自重で開閉する厚さ０．５ｍｍのモリブデン板から成るシャッター機構７１が設けられている。このシャッター機構７１は、閉じた状態では、第１の開口５２のすべてを遮蔽する。本実施例のメタルマスク７５には、シャッター機構７１が遮蔽する領域外に幅３００μｍ×１ｍｍの第３の開口７３が２個設けられている。
【００７６】
次に、本実施例の半導体作製装置による選択成長層の作製方法およびマーカー層の確認方法を説明する。
【００７７】
実施例１で説明した試料ホルダ４に試料を載せ、実施例１および実施例２と同様にＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を試料に成長させる。その後、本実施例のメタルマスク７５と実施例１で説明したマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着する。そして、シャッターを開けた状態で、ＩｎＡｓ量子ドットから成る第２の半導体層３４を第１の半導体層３２上に成長させた。続いて、結晶成長装置のマニピレータの面内回転機構を使用し、試料ホルダ４を１８０度面内回転させ、シャッター機構７１のシャッターを閉じた。そして、後工程のマーカー層として、ＧａＡｓを１００ｎｍ成長させた。この際、通常ＧａＡｓを成長する温度でシャッターを閉じると、Ｖ族元素であるＡｓの蒸気圧がシャッターで閉ざされた空間で不足し、ＧａＡｓ基板表面からＡｓ原子が抜けて表面荒れを起こすおそれがある。この問題を防ぐために、Ａｓ抜けが起こらない２００℃程度まで基板温度が下がってから、シャッターを閉じ、マーカー層の成長を行った。
【００７８】
成長温度を下げると成長層の結晶品質の低下が予想されるが、このマーカー層は、後工程でデバイス作製等に直接使用する層ではないため、成長温度を下げても、問題は生じない。そして、メタルマスク７５を外した後、さらにＧａＡｓから成る第３の半導体層３５を成長させ、結晶成長工程を終了した。作製された試料表面を顕微鏡で観察すると、量子ドットを成長した第２の半導体層３４の成長領域を確認することはできなかったが、第３の開口７３の領域に形成されたマーカー層は、容易に顕微鏡観察で確認することができ、後工程のプロセスを行うことができた。
【００７９】
（第４の実施形態）
次に、本実施形態の半導体作製方法について説明する。本実施形態での方法は、半導体微小構造として量子ドットの形成を想定した半導体作製方法である。本実施形態の半導体作製方法では、第１から第３の実施形態でその代表的な構成を説明した、本発明の半導体作製装置を用いる。
【００８０】
図８は量子ドット層を含む半導体薄膜から成る半導体微小構造の作製手順を示す工程概念図である。図８では、本発明の半導体装置を簡略化して描写し、符号３３で示している。
【００８１】
本発明の半導体作製装置の試料ホルダ４に試料として半導体基板３１を載せ、半導体基板３１上に第１の半導体層３２を成長させた後、第１の半導体層３２の全面に量子ドットから成る第２の半導体層３４を成長させる（図８（ａ））。続いて、メタルマスクおよびバネを備えたマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着し、半導体作製装置３３を組み上げ、開口領域のみに第３の半導体層３５を成長させる（図８（ｂ））。
【００８２】
量子ドットは高温での熱処理に弱く、容易にその構造を崩し、ある温度まで基板温度を上げると基板表面から蒸発または崩壊してしまうが、半導体層で覆ってやることにより崩壊および蒸発することはない。したがって、半導体作製装置３３を外した後、試料を加熱することにより、図８（ｃ）に示すように、第３の半導体層３５を形成した開口部の量子ドットのみがその形状を保持することができる。言い換えれば、開口部のみに量子ドットが形成可能である。その後、図８（ｄ）に示すように、第４の半導体層８１を第２の半導体層３５を覆って第１の半導体層３２の上に形成し、結晶成長工程を終える。
【００８３】
本実施形態の半導体作製方法は、開口領域のみに量子ドットを選択的に作製することが可能であるだけではなく、次のような利点を有している。
【００８４】
マスクを装着しての選択成長時の成長温度を低く設定することが可能である。通常、量子ドットを埋め込む場合の成長温度は、量子ドットの熱による崩壊を防ぐため、量子ドットを成長する場合の成長温度より低く設定される。本作製方法では、選択成長を量子ドットではなく、その後の埋め込み成長時に適用することにより、成長温度を低く設定できる。
【００８５】
また、成長温度が低いということは、それだけ、マスクからの脱ガスも少ないということを意味しており、このことも、利点となる。さらに、本手法では、量子ドットを全面に成長し、一部の量子ドットを半導体層で埋め込む形態により、選択的に量子ドットを残す手法をとっている。このことは、通常のマスクを用いない場合の既存の成長条件で成長した高品質な量子ドットを利用することができることを示しており、結果として再現性よく高品質な量子ドットが実現できる。
【００８６】
また、第３の半導体層３５として、量子ドットの格子不整合に起因する歪みを緩和する材料を採用することにより、選択成長領域のみの量子ドットの発光波長を制御することも可能である。
【実施例４】
【００８７】
第４の実施形態による半導体作製方法の実施例について図８を参照して説明する。本実施例では、ＩｎＡｓ量子ドットをＧａＡｓ基板上に選択的にメタルマスクの開口領域に形成する場合について述べる。メタルマスクとしては、第１の実施形態から第３の実施形態で説明したいずれかのメタルマスクを用いた。
【００８８】
図８（ａ）に示すように、試料ホルダに載せたＧａＡｓ半導体基板（半導体基板３１）上にＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を１００ｎｍ成長させ、ＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４を３分子層分成長させる。このＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４は、ＧａＡｓとの格子不整合に起因する歪みにより、３次元上に成長し、量子ドット層となる。続いて、試料ホルダにメタルマスクとマスクホルダを装着し、ＧａＩｎＡｓ（Ｉｎ組成２０％）（膜厚３ｎｍ）およびＧａＡｓ（膜厚５ｎｍ）から成る第３の半導体層３５を成長させた。この半導体層中のＧａＩｎＡｓ層は、ＩｎＡｓ量子ドットの歪みを緩和し、発光波長を長波化する効果もある。
【００８９】
次に、メタルマスクを含むマスクホルダを外した後、試料をＡｓ雰囲気下で所定の温度まで昇温した。この温度は、少なくとも量子ドットを崩壊させる温度であればよい。本実施例の場合は、量子ドットの成長温度である４７０℃まで加熱した。その結果、第３の半導体層３５を形成した領域以外に形成された量子ドットは、熱により、崩壊、消失した。そこで、さらに連続して、量子ドットを保護するため、ＧａＡｓから成る第４の半導体層８１を５０ｎｍ成長させた後、選択成長工程を終了した。作製された試料の光学特性を調べてみたところ、非選択成長領域では、何の発光も確認されなかったが、選択成長領域では、発光中心波長１．２８μｍ、発光エネルギー幅３０ｍｅＶの高品質なＩｎＡｓ量子ドットが形成されていることを確認できた。
【００９０】
なお、選択成長層として量子ドットを中心に実施の形態および実施例を説明したが、本発明の効果は量子ドットを対象とする場合に限定されるものではなく、他の半導体層をはじめとする微小構造を構成する材料系一派に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１の実施形態の半導体作製装置を用いた結晶成長装置を説明するための模式図である。
【図２】試料ホルダおよびマスクホルダの外観斜視図である。
【図３】第１の実施形態の半導体作製装置を用いた選択成長の工程を示す図である。
【図４】実施例１の選択成長処理を行った後の試料の断面模式図である。
【図５】第２の実施形態のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。
【図６】第２の実施形態のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。
【図７】第３の実施形態のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。
【図８】量子ドット層を含む半導体薄膜から成る半導体微小構造の作製手順を示す工程概念図である。
【符号の説明】
【００９２】
１、５１、７５ メタルマスク
２ マスクホルダ
３ 試料
４ 試料ホルダ
５ バネ
６ 蒸発源
７ 選択成長層
２１ａ、２１ｂ ピン
２２ 切り欠き
３１ 半導体基板
３２ 第１の半導体層
３３ 半導体作製装置
３４ 第２の半導体層
３５ 第３の半導体層
４１ 選択成長領域
４２ 非選択成長領域
５２ 第１の開口
５３ 第２の開口
５４ 試料
５６ 入射口
５７ 電子線
６３ 溝
７１ シャッター機構
７２ 重り
７３ 第３の開口
８１ 第４の半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体結晶などの微小構造を半導体基板上の選択領域に作製する半導体作製装置および半導体作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バンドギャップの狭い半導体の微細構造が、バンドギャップの広い半導体によって２次元もしくは３次元にわたって囲まれた、いわゆる低次元量子構造は光・電子素子の高機能化、高性能化に有望であり、将来の光・電子産業発展の鍵として、近年多大な関心を集めている。特に３次元量子閉じこめ構造である量子ドットは、電子の強い閉じこめ効果に基づく状態密度の先鋭化に由来して、顕著な量子効果が多岐に渡り発現するため、従来にない優れた機能・性能を有する光・電子デバイスの基本構造としてその実現が期待されている。
【０００３】
化合物半導体を用いた量子ドットの他の代表的な形成方法は、例えば、非特許文献１に掲載されているように、Stransky-Krastanov (S-K) モード成長と呼ばれる成長方法である。これは、半導体基板上に、半導体基板とは格子定数が異なる、いわゆる、格子不整合系材料を、材料に依存して決まる臨界膜圧と呼ばれる所望の厚みにエピタキシャル成長させる方法である。この結果として、ウェッティングレアーと呼ばれる薄い薄膜層の上に、島状のドット構造が自己組織的に形成される。この方法は、リソグラフィーを必要とせず結晶成長のみによるため、良質な結晶ドットが形成可能な手法として注目されている。以下では、この結晶ドットに代表される半導体構造を半導体微小構造と称する。
【０００４】
このような半導体微小構造を半導体基板上の所定の選択領域のみに結晶成長法により作製する手法の一つとして、選択結晶成長がある。選択結晶成長は、半導体基板上に所望の開口が形成されたメタルマスクを、成長中に半導体基板上に配置し、半導体原料を、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置等により、開口を通して、半導体基板上の開口領域のみに照射し、半導体微小構造を開口領域のみに作製するものである。選択結晶成長の具体例が、非特許文献２や非特許文献３に開示されている。
【非特許文献１】Applied Physics Letters 63 (1993) 3202
【非特許文献２】Applied Physics Letters 第３２巻、４９１〜４９３頁（１９７８年）
【非特許文献３】Journal of Electric Materials 第２６巻、５１１〜５１４頁（１９９７年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
メタルマスクを用いた選択成長法はこれまでもいくつか報告があるが、これまで報告されているメタルマスクを用いた選択結晶成長には、結晶成長の制御性および再現性についていくつかの問題点がある。以下に、その一つを説明する。
【０００６】
問題点は、メタルマスクと半導体基板との距離を一定に保つことが難しいことである。これら両者の距離が選択成長を行う度にばらつくと、半導体原料が照射される領域が各回で変化する。つまり、距離が大きくなれば、選択形成領域は広がり、小さくなれば選択形成領域は小さくなる。
【０００７】
また、非特許文献３に記載されているようにメタルマスクを結晶成長装置の外で半導体基板上に固定した後、それらを結晶成長装置に入れて選択成長を行う場合、メタルマスクを半導体基板を固定したホルダ上に、ねじ止め機構等を使用することにより固定し、メタルマスクと半導体基板の距離を一定に保つことが可能である。しかし、メタルマスクを結晶成長装置内で着脱する必要がある場合、ねじ止め機構を使用することは難しい。この場合、一般的には、メタルマスクを固定するホルダにＬ字型の切り欠きを予め設け、半導体基板を固定する基板ホルダにピンを予め設け、ピンをＬ字型の切り欠きに引っかけることで２つのホルダの間で半導体基板を固定する。ところが、一般的には、Ｌ字型の切り欠きの幅の方がピンの直径よりやや大きいためガタつきがあり、メタルマスクと半導体基板距離を再現性よく一定に保つことは困難である。
【０００８】
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、真空雰囲気下において脱着可能なメタルマスクを用いて、半導体基板上に半導体層を選択的に再現性よく形成することが可能な半導体作製装置および半導体作製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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の半導体作製装置は、
半導体基板が搭載される試料ホルダと、
前記半導体基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口を有するマスクと、
前記半導体基板および前記マスクを前記試料ホルダとの間に挟み、前記試料ホルダと組み合わされるマスクホルダと、
前記マスクと前記マスクホルダとの間に設けられた弾性体とを有する構成である。
【００１０】
本発明では、結晶成長の処理毎に、試料ホルダにマスクホルダを組み合わせると、弾性体の弾力がマスクを半導体基板に押し付けるように働くため、マスクホルダと試料ホルダとのガタつきが抑制され、マスクと半導体基板とが密着し、半導体基板の表面からマスクまでの距離を一定に保つことが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、メタルマスクと半導体基板との距離を再現性よく一定に保つことが可能であり、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域に再現性よく形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体作製装置の構成を説明する。図１は本実施形態の半導体作製装置を用いた結晶成長装置を説明するための模式図である。図１では、結晶成長装置の処理室に配置された半導体作製装置の要部断面を示している。
【００１３】
本実施形態の半導体作製装置は、試料３を搭載するための試料ホルダ４と、選択成長領域を特定するためのメタルマスク１と、メタルマスク１を固定するためのマスクホルダ２と、メタルマスク１およびマスクホルダ２の間に設けられたバネ５とを有する。結晶成長の処理を行う際、半導体作製装置は、大気と隔離した処理室内に配置される。
【００１４】
結晶成長装置には、試料３に原料を照射するための蒸発源６が設けられている。蒸発源６については全体を処理室内に設けている必要はなく、原料の照射口が処理室にあればよい。また、蒸発源６の数は３つの場合に限られない。なお、結晶成長装置には、処理室を減圧するための排気ポンプや排気ポンプと処理室を接続するための配管などがあるが、それらの構成については従来と同様であるため、図に示すことを省略し、また、その詳細な説明を省略する。
【００１５】
次に、本実施形態の半導体作製装置の各構成について詳しく説明する。
【００１６】
メタルマスク１は、少なくとも１個以上の開口が形成され、かつ、開口を形成した領域の試料３との接触面が切削されている。開口は、試料３に結晶を選択的に成長させる領域に対応して設けられている。図１の断面に示すように、メタルマスク１が試料３と接触しているのは試料３の周辺部分だけであり、それ以外はメタルマスク１の全体の厚みのうち下側が薄く切削されている。メタルマスク１をこのような構造にしているのは、試料３で半導体素子を形成する領域にメタルマスク１が接触しないようにするためである。
【００１７】
図２（ａ）は試料ホルダの外観斜視図である。図２（ａ）に示すように、試料ホルダ４は、円盤形状であり、その円周に沿って中心角１２０度の間隔でピン２１ａが設けられている。また、円周に沿って中心角１２０度の間隔でピン２１ｂが設けられている。３本のピン２１ｂは試料３を搭載する面に近い側に設けられ、３本のピン２１ａはその面から遠い側に設けられている。ピン２１ａとピン２１ｂの円周での位置は中心角が６０度ずれている。
【００１８】
図２（ｂ）はマスクホルダの外観斜視図である。マスクホルダ２は円柱形状であるが、底面と内部がくり抜かれ、側面と上面とで構成される。また、マスクホルダ２の上面については、メタルマスクの開口が設けられた面を露出するために貫通孔が設けられ、バネ５を介してメタルマスクを周辺で押さえるための枠形状を有している。図２（ｂ）はメタルマスクをマスクホルダ２に装着した状態を示す。側面には、図２（ｂ）に示すようなＬ字型の切り欠き２２が設けられている。切り欠き２２は、円柱の軸方向の垂直部分と軸方向に直行する水平部分とがつながってＬ字型になっている。この切り欠き２２は円柱の中心軸に対して中心角１２０度の間隔で設けられている。
【００１９】
図２（ｂ）に示した切り欠き２２は図２（ａ）に示したピン２１ｂを引っかけるためのものである。なお、図２（ｂ）に示した切り欠き２２と同様なものが結晶成長装置（不図示）のマニピレータに予め設けられており、そこに図２（ａ）に示したピン２１ａが引っかけられる。
【００２０】
図１に示すバネ５は、結晶成長処理の温度に対して弾力性の劣化が小さい、耐熱性に優れた素材であることが望ましい。例えば、モリブデンなどの金属である。ただし、蒸発源６から原料の照射を直接受けるわけではないので、メタルマスク１ほどの耐熱性はなくてもよい。バネ５は、つるまきバネに限らず板バネであってもよく、これらのバネを含む弾性体であってもよい。
【００２１】
次に、半導体作製装置の組み立て方を説明する。
【００２２】
操作者が図２（ａ）に示した試料ホルダ４を結晶成長装置のマニピレータに装着し、試料ホルダ４に試料３を搭載し、その上にメタルマスク１を載せる。続いて、メタルマスク１の周辺部に３つのバネ５のそれぞれを中心角１２０度毎に配置し、その上からマスクホルダ２をかぶせ、試料ホルダ４の３箇所のピン２１ｂをマスクホルダ２の切り欠き２２に引っかける。
【００２３】
ピン２１ｂを切り欠き２２に引っかける際、バネ５がマスクホルダ２を上側に押し上げるため、次のように行う。ピン２１ｂを切り欠き２２の垂直部分の位置に合わせ、マスクホルダ２を下側に押し付ける。ピン２１ｂが切り欠き２２の水平部分の位置まで達したら、そのままマスクホルダ２を回転させる。図２（ｂ）の場合では、時計回りにマスクホルダ２を回転させる。これにより、ピン２１ｂが切り欠き２２の水平部分に入り込む。この状態で手を離し、組み立てが終了する。
【００２４】
このようにして半導体作製装置を組み立てた後では、バネ５がマスクホルダ２を押し上げようとしても、ピン２１ｂが切り欠き２２の水平部分の下側にぶつかってマスクホルダ２がそれ以上浮き上がるのを防ぐ。
【００２５】
また、試料ホルダ４に対してマスクホルダ２を着脱しやすくするために、通常、Ｌ字型の切り欠き２２の幅をピン２１の直径よりやや大きくしてある。そのため、ピン２１ｂを切り欠き２２の水平部分に入れてマスクホルダ２を装着しても、従来はガタつきがあった。本実施形態では、上述したように、メタルマスク１の周辺をバネ５により試料ホルダ４に密着させているため、メタルマスク１と試料３との間隔を全体的に一定に保つことが可能である。
【００２６】
また、メタルマスク１の周辺部がバネ５により試料３側に押されるため、メタルマスク１の周辺部は試料３の表面に密着し、メタルマスク１の切削された領域の深さが、常にメタルマスク１と試料３との距離となる。つまり、メタルマスク１と試料３との間隔は処理を行う度に常に一定になる。メタルマスク１と試料３との間隔は、切削の機械加工の精度で決定されることとなるが、機械加工の精度は、通常μｍ単位で制御可能であるため、選択成長領域を制御し決定するには十分な精度である。
【００２７】
なお、上記説明においてバネ５の数を３つとしたが、バネ５の数は３つに限らないが２つ以上であることが望ましい。試料３の表面とメタルマスク１との距離が試料３の表面全体にわたって均一になるようにするためである。バネ５を３つ設ける場合には、３本のピン２１ｂのそれぞれに対応する位置にバネ５をおくとよい。
【００２８】
また、メタルマスク１をバネ５でマスクホルダ２に予め取り付けておいてもよい。試料ホルダ４に試料３を載せた後、マスクホルダ２を試料ホルダ４に装着するだけで半導体作製装置を組み立てることが可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態の半導体作製装置を用いた結晶成長方法について簡単に説明する。結晶成長装置の処理室に本実施形態の半導体作製装置を取り付ける。そして、処理室内を所定の圧力まで減圧した後、蒸発源６より原料を照射させる。蒸発源６より照射された原料がメタルマスク１の開口を通じて試料３に照射され、選択成長層７が試料３の表面に形成される。
【００３０】
本実施形態による半導体作製装置は、メタルマスク１の周辺部がバネ５により試料３側に押されるためメタルマスク１が固定され、メタルマスク１の周辺部は試料３の表面に密着し、メタルマスク１の切削された領域の深さが、常にメタルマスク１と試料３との距離となる。そのため、メタルマスク１と試料３との距離を一定に保つことができる。これら両者の距離が選択成長を行う度に一定であるため、メタルマスク１と試料３との間隔は処理を行う度に常に一定になり、半導体原料が照射される領域が処理毎に変化することを防げる。
【００３１】
また、試料ホルダ４の切り欠きにマスクホルダ２のピンを引っかけたり、切り欠きから外したりするだけで、メタルマスクを結晶成長装置内で容易に着脱することが可能である。従来、切り欠きの幅の方がピンの直径よりやや大きいためガタつきがあったが、本実施形態では、試料ホルダ４にマスクホルダ２を取り付けると、バネの弾性力によりメタルマスクが動かなくなるため、ねじ止め機構の場合と同様にガタつきがなく、メタルマスクと半導体基板距離を再現性よく一定に保つことができる。
【００３２】
本発明によれば、メタルマスクと半導体基板との距離を再現性よく一定に保つことが可能であり、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域に再現性よく形成することができる。
【実施例１】
【００３３】
第１の実施形態による半導体作製装置の実施例について説明する。
【００３４】
試料ホルダ４と、メタルマスク１を具備したマスクホルダ２とを図２（ａ）および(ｂ)を参照して説明する。試料ホルダ４として、直径２インチ、厚さ１０mmの円盤状のモリブデンから成る試料ホルダ４を用意した。この試料ホルダ４には、円盤周囲の上下２段のそれぞれに中心角１２０度毎に１本ずつピンが配置されている。図２（ａ）では、３本のピン２１ａと３本のピン２１ｂとを合わせて計６本のピンが設置されている。結晶成長時、下段のピン２１ａの３本は、試料ホルダ４を結晶成長装置のマニピレータに固定するために使用される。上段のピン２１ｂの３本は、これらのピンをマスクホルダ２の側壁に形成されたＬ字型の切り欠き２２に引っかけることで、マスクホルダ２を試料ホルダ４に装着するために使用される。
【００３５】
マスクホルダ２とメタルマスク１の間には、円周に沿って中心角１２０度毎に図１に示したバネ５が設けられている。メタルマスク１としては、厚さ１mmのモリブデンから成る円盤が使用され、その円盤には３００μｍ×２ｍｍの開口が１２個設けられている。メタルマスク１の試料と接する側の面は、直径３０ｍｍの円状で、深さ１００μｍにわたり、切削加工が施されている。そのため、メタルマスク１が試料と接するのは、メタルマスク１の周辺部だけとなる。試料ホルダ４にマスクホルダ２を組み付けることで、メタルマスク１は、マスクホルダ２に１２０度毎に配置された３本のバネ５により固定される。
【００３６】
次に、第１の実施形態の半導体作製装置を用いて選択成長を行う方法を説明する。図３は選択成長の工程を示す図である。なお、図３に示す半導体作製装置３３は図１に示したメタルマスク１として簡略化して描かれたものである。また、図には示さないが、結晶成長装置には真空雰囲気の処理室内でマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着することが可能なロッドを備えているものとする。
【００３７】
ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）半導体から成る半導体基板３１をインジウム（Ｉｎ）を接着剤として試料ホルダ４に固定し、結晶成長装置の処理室内へ導入する。結晶成長装置には、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）およびＩｎの蒸発源６を備えている。マスクホルダ２を試料ホルダ４に装着していない状態で、処理室内を所定の圧力まで減圧して真空雰囲気にした後、蒸発源６よりＡｓを試料全面に加熱しながら照射することで、ＧａＡｓ基板上の自然酸化膜を除去する。続いて、ＡｓとＧａを同時照射することにより、ＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を試料上に形成する（図３（ａ））。
【００３８】
その後、処理室の真空雰囲気を維持したまま、ロッドを操作してマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着させる。続いて、図３（ｂ）に示すようにＩｎとＡｓを同時照射することにより、半導体作製装置３３の開口を介してＩｎとＡｓを試料に照射し、ＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４を第１の半導体層３２の上に３分子層分成長させた。このＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４は、ＧａＡｓとの格子不整合に起因する歪みにより、３次元上に成長し、ＩｎＡｓ量子ドット層となる。さらに、連続して、ＧａとＡｓを同時照射することにより、開口を介してＧａとＡｓを試料に照射し、厚さ５０ｎｍのＧａＡｓから成る第３の半導体層３５を成長させた。図３（ｃ）は、選択成長を終了して、マスクホルダ２を試料ホルダ４から外した後の状態を示す。
【００３９】
なお、処理室内で試料ホルダ４にマスクホルダ２を装着する作業をロッドにより行ったが、ロードロックチャンバのように処理室と扉で区切られた別のチャンバを結晶成長装置に予め設け、そのチャンバで試料ホルダ４にマスクホルダ２を装着する作業を行ってもよい。
【００４０】
次に、本実施例の選択成長層の評価結果を説明する。図４は本実施例の選択成長処理を行った後の試料の断面模式図である。選択成長実施後、選択成長層の評価を行ったところ、図４に示すように、試料表面上には、選択成長領域４１と非選択成長領域４２とが形成されていた。そして、厚さ１００ｎｍの半導体層がメタルマスクの開口と同じ大きさである３００μｍ×２ｍｍの範囲に選択的に形成されていることを確認できた。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、メタルマスク１を半導体基板に固定した場合であっても、結晶成長中の半導体基板表面の基板温度の測定を可能にしたものである。
【００４２】
結晶成長の再現性をより向上させるために、結晶成長処理中の基板温度をモニタして基板温度を制御することが有効である。従来、メタルマスクを半導体基板に固定した場合、成長中の半導体基板表面の基板温度測定が難しいという問題がある。特に、高性能な量子ドット等の半導体微小構造を結晶成長法により作製するためには、半導体基板温度を厳密に制御する必要がある。
【００４３】
結晶成長中に半導体基板表面温度を測定するためには、分子線エピタキシ法の場合、赤外線放射温度計を用いる手法や反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いる手法が一般的である。赤外線放射温度計は、基板表面から放射された赤外線を測定し、基板温度を確定するものである。ＲＨＥＥＤは、電子線を極低角度で半導体基板に照射し、反射した回折電子線を対向した蛍光板上に結像させ、表面の構造を解析することで表面の構造の変移点を測定し、半導体基板温度を確定するものである。
【００４４】
本実施形態では、ＲＨＥＥＤ法により選択成長中の基板温度を決定することを可能にしたものである。以下に、本実施形態の半導体作製装置の構成を説明する。
【００４５】
図５は本実施形態の半導体作製装置のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。図５では、マスクホルダの描写を省略している。図６は本実施形態のメタルマスクの一構成例を示す図であり、試料に接する側の面を見た外観斜視図である。
【００４６】
図５および図６に示すように、メタルマスク５１は、選択成長のための第１の開口５２と、試料５４との接触面側に設けられた溝６２と、基板温度の測定対象領域のための第２の開口５３とを有する構成である。第２の開口５３は、溝６２に少なくとも１つ設けられ、メタルマスク５１を貫通している。図５は第２の開口５３がメタルマスク５１の中央部に１つ設けられた場合を示す。
【００４７】
溝６２は、円盤状のメタルマスク５１の円周の一部から一方向に連続して設けられ、円周の他の部位まで貫通している。図６では、メタルマスク５１の試料との接触面側に形成された溝６２は、メタルマスク５１の円周の一部から中心を通って円周の反対側にまで達している。
【００４８】
溝６２の深さは、入射口５６から電子線５６が進入して試料の表面で反射した後に出口から出るまで、電子線５６がメタルマスク５１に衝突しないように設定する必要がある。図５および図６に示すように、溝６２がメタルマスク５１の中心を通る場合、電子線５６が試料で反射する際の試料表面から電子線５６の経路のなす角をθとし、メタルマスク５１の半径をｒとすると、溝６２の深さｄは、ｄ＞ｒ×ｔａｎθの式から設定することが可能である。
【００４９】
第２の開口５３は、次のような役割を果たす。通常、マスクを装着しないで結晶成長させた場合、結晶成長中、試料全面に主にＡｓ等のＶ族元素を直接照射することになる。一方、マスクを装着して結晶成長させた場合、第１の開口５２領域は直接Ｖ族元素が照射されるため成長条件は全面成長の場合と同じであるが、マスクによって陰になった領域は、マスクと試料表面との隙間に拡散した分しかＶ族元素が供給されない。そのため、陰になった領域は、全面成長領域と比較して成長条件が一般的には異なる。つまり、第２の開口５２は、選択成長領域と同じ条件での温度変化をＲＨＥＥＤ法により得るために設けられている。
【００５０】
次に、本実施形態の半導体作製装置を用いて、ＲＨＥＥＤ法により基板温度を測定する方法を説明する。
【００５１】
本実施形態の半導体作製装置を結晶成長装置の処理室にセットし、処理室内を減圧して真空雰囲気にする。続いて、結晶成長処理を開始すると、ＲＨＥＥＤ装置から電子線５７を入射口５６に向けて照射する。入射口５６から溝６２内へ導かれたＲＨＥＥＤの電子線５７はこの溝６２の中を通過し、試料中央部の第２の開口５３が形成された領域で試料表面に入射すると、試料表面で反射する。反射した電子線５７は、さらに、溝６２の中を伝搬し、対向位置より出射し、蛍光板上で回折像を結像する。その回折像から試料表面の構造変化が生じる温度を決定し、温度に換算することにより、試料表面の温度を精密に決定することが可能である。
【００５２】
なお、本実施形態では、第１の開口５２と第２の開口５３とを別のものとして説明したが、第２の開口５３は、電子線５７が通過する経路上にあればよく、第１の開口５２として選択成長を行う領域に設定しても何ら問題はない。また、溝６２がメタルマスク５１の円盤の中心を通るところに設けられているが、中心を通らなくてもよい。
【００５３】
本実施形態の半導体作製装置では、メタルマスクを半導体基板に固定した場合でも、ＲＨＥＥＤ測定を用いて選択結晶成長中の基板温度を測定することが可能となる。そのため、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域により再現性よく形成することが可能になる。また、高性能な量子ドット等の半導体微小構造を結晶成長法により作製する場合でも、半導体基板温度を厳密に制御することが可能となる。さらに、溝６２および第２の開口５３を組み合わせたものをメタルマスク５１に複数設けていれば、結晶成長の処理中に試料の複数個所で基板温度を測定したり、結晶成長の処理毎に試料における異なる位置で基板温度を測定したりすることが可能となる。
【実施例２】
【００５４】
第２の実施形態による半導体作製装置の実施例について説明する。試料ホルダ４およびマスクホルダ２の構造は実施例１と同様であるため、ここではメタルマスク５１の構造についてのみ、図５および図６を参照して説明する。
【００５５】
メタルマスク５１としては厚さ２mmのモリブデンから成る円盤を使用し、このメタルマスク５１に３００μｍ×２ｍｍの第１の開口５２が１２個設けられている。メタルマスク５１の試料５４と接する側の面は、実施例１と同じく直径３０ｍｍの円状で、深さ１００μｍにわたり、切削加工が施されている。これらに加えて、メタルマスク５１の試料５４との接触面側に、円周の一部から一方向で対向する位置へと連続、貫通した溝６３が形成されている。溝６２の幅は２ｍｍとし、深さは１ｍｍとした。さらに、メタルマスク５１の中央部に幅２ｍｍ、長さ５ｍｍの第２の開口５３が形成されている。
【００５６】
次に、本実施例の半導体作製装置を用いた基板温度測定方法を説明する。
【００５７】
上述のメタルマスク５１を、実施例１と同様にマスクホルダ２に固定し、図３に示した工程にしたがって、選択成長処理を行った。実施例１と同様にＧａＡｓ半導体基板３１上に、ＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を成長させた後、マスクホルダ２を装着し、ＩｎＡｓ量子ドットから成る第２の半導体層３４を成長させた。第２の半導体層３４の成長に先立ち、ＲＨＥＥＤ測定を行った。
【００５８】
通常、ＲＨＥＥＤ測定の電子線５７は、試料表面すれすれの０．５度以内の極低角度で入射するため、本実施例によるメタルマスクを装着した場合、溝６２とＲＨＥＥＤの電子線の相対位置関係を適当な位置に調整することは難しいことが予想された。しかし、結晶成長装置のマニピレータに予め備えられた、ｘｙｚ（ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）に対する位置調整機構と面内回転機構の調整により、ＲＨＥＥＤ電子線源と対向位置に配置した蛍光板上に試料表面で回折したＲＨＥＥＤ電子線５７の回折像を容易に得ることができた。
【００５９】
実際の成長温度の決定は以下の手順で行った。ＲＨＥＥＤの回折像は、ＧａＡｓ半導体から成る試料の結晶軸方位で［−１１０］方向から行った。試料温度が低い場合、ＲＨＥＥＤ回折像は、×２の超構造周期の存在を示すパターンを示していたが、試料温度を上げると次第にこの超構造が消失し、×４の超構造周期の存在を示すパターンへと変化した。マスクを用いない場合のＧａＡｓ結晶成長時の実験により、このパターン変化時の温度が４７０℃で、かつ、ＩｎＡｓ量子ドットの成長に適した温度であることがわかっており、このパターンが変化した温度で、ＩｎＡｓ量子ドットから成る第２の半導体層３４の成長を行った。その後、連続して、ＧａＡｓから成る第３の半導体層３５を成長させた後、選択成長を終了した。選択成長実施後、ＩｎＡｓ量子ドット選択成長層の光学評価を行ったところ、発光中心波長１．１５μｍ、発光エネルギー幅３０ｍｅＶの高品質なＩｎＡｓ量子ドットが形成されていることを確認できた。
【００６０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、選択成長層が非常に薄い場合でも、結晶成長工程の後、結晶装置外へ取り出し、光学顕微鏡等により選択成長領域を認識することを可能にしたものである。この機能は、例えば、量子ドットのみをある所望の領域のみに作製したい場合、量子ドット層の平均膜厚は、数原子層程度であるため、非常に有効な機能となる。
【００６１】
図７（ａ）および(ｂ)は本実施形態の半導体作製装置のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。なお、図７（ａ）および（ｂ）では、本実施形態の半導体作製装置のメタルマスクのみを描写し、その他の部材の描写を省略している。
【００６２】
図７（ａ）に示すように、本実施形態のメタルマスク７５には、試料と接触する側の面とは反対側の面にシャッター機構７１が設けられている。図７（ａ）はシャッター機構７１が開いた状態を示し、図７（ｂ）はシャッター機構７１が閉じた状態を示す。本実施形態では、シャッター機構７１は、結晶成長の温度に対して耐熱性のある金属部材で四角形に成形されたシャッター（遮蔽部材）と、メタルマスク７５と接続するためのちょうつがいと、重り７２とを有する構成である。シャッターの１つの辺がちょうつがいでメタルマスク７５に接続されている。また、重り７２は、ちょうつがいで接続された辺の対辺の部位に取り付けられている。図７（ｂ）に示すように、重り７２は、シャッター機構７１が閉じたときにメタルマスク１と接触する面とは反対側の面に取り付けられている。
【００６３】
メタルマスク７５には、第１の実施形態で説明した第１の開口５２と、第２の実施形態で説明した第２の開口５３がそれぞれ少なくとも１つ設けられている。図７（ａ）に示すように、本実施形態では、第１の開口５２が４つ設けられ、第２の開口５３が１つ設けられている。また、本実施形態のメタルマスク７５には、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、第３の開口７３が２つ設けられている。第３の開口７３は、シャッター機構７１が閉じたときに露出するような位置に、少なくとも１つ設けられていればよい。第３の開口７３は、観察対象の半導体層を形成するための窓の役目を果たす。
【００６４】
なお、図７（ａ）に示すメタルマスク７５には、第２の開口５３が設けられているが、第２の開口５３を設けていなくてもよい。また、シャッターの形状は四角形に限られず、シャッターのメタルマスク１への接続はちょうつがいに限られない。
【００６５】
次に、本実施形態の半導体作製装置の動作を説明する。
【００６６】
図７（ａ）に示すように、シャッター機構部７１のメタルマスク７５との接続部が下になるように半導体作製装置を置くと、重り７２の重力でシャッター機構部７１のシャッターが開く。シャッターが開いた状態では、図７（ａ）に示すように、第１の開口５２、第２の開口５３および第３の開口５３が露出している。
【００６７】
図７（ａ）に示す状態から、円盤状の半導体作製装置をその円盤の中心を軸にして１８０度回転させると、重り７２の重力でシャッター機構７１のシャッターが閉じ、図７（ｂ）に示す状態になる。シャッターが閉じた状態では、図７（ｂ）に示すように、第１の開口５２および第２の開口５３がシャッターで塞がれているが、第３の開口７３は露出している。この第３の開口７３の領域に、シャッター機構７１で遮蔽された第１の開口５２および第３の開口５３の領域の選択成長層とは異なる選択成長層を形成することにより、後工程でのマーカー層として利用することが可能となる。
【００６８】
このようにして、メタルマスク７５の試料と接触する側の面とは反対側の面に設けられたシャッター機構７１は、試料ホルダ４またはマスクホルダ２を面内回転させることにより開閉することが可能となる。
【００６９】
なお、シャッター機構７１の重り７２はシャッターの開閉動作をより確実にするために設けられており、重り７２を設けていなくてもよい。シャッター機構７１に重り７２を設けていない場合、シャッターの自重により、上述したように開閉動作させればよい。図７（ａ）および（ｂ）に示すようにメタルマスク７５を立てた状態から、シャッター機構７１を設けた面の方にメタルマスク７５を傾ければシャッターの開閉動作をよりスムーズに行うことが可能となる。
【００７０】
次に、本実施形態の半導体作製装置を用いた場合の選択成長領域の認識方法を説明する。
【００７１】
バネ５を備えたマスクホルダ２と試料ホルダ４とを準備し、試料ホルダ４の上に試料および図７で説明したメタルマスク７５を載せ、その上にマスクホルダ２を組み合わせて、本実施形態の半導体作製装置を組み上げる。そして、メタルマスク７５が図７（ａ）に示した状態で薄膜の成長層を試料に選択成長させる。この際、第１の開口５２、第２の開口５３および第３の開口７３の領域すべてに選択成長層が形成されることとなる。
【００７２】
続いて、試料ホルダ４を１８０度面内回転させるとメタルマスク７５も１８０度回転し、シャッター機構７１が閉じる（図７（ｂ））。第３の開口７３は、シャッターで遮蔽した領域外にあるので、シャッターを閉じても露出している。この状態で、さらに半導体層を成長すれば、第３の開口７３の領域のみに成長が行われる。その際、顕微鏡等で認識可能な十分な厚さの半導体層を成長すれば、第３の開口７３の領域に形成された半導体層を後工程でのマーカー層として利用することが可能となる。
【００７３】
本発明によれば、選択成長層が非常に薄い場合でも、結晶成長工程の後、結晶装置外へ取り出し、光学顕微鏡等により選択成長領域を認識することが可能である。選択成長領域を認識できるため、その後の加工工程を行うことができる。量子ドットのみをある所望の領域のみに作製したい場合等に、量子ドット層の平均膜厚は数原子層程度で、認識しにくいため、特に有効である。よって、高品質な半導体成長層から成る半導体微小構造を半導体基板上の選択領域に再現性よく形成することが可能になる。
【実施例３】
【００７４】
第３の実施形態による半導体作製装置の実施例について説明する。試料ホルダ４およびマスクホルダ２の構造は実施例１と同様であるため、ここではメタルマスク７５の構造についてのみ、図７を参照して説明する。
【００７５】
メタルマスク７５としては厚さ１mmのモリブデンから成る円盤を使用し、メタルマスク７５に３００μｍ×２ｍｍの第１の開口５２が実施例１と同様に１２個設けられている。メタルマスク７５の試料と接する側の面は、実施例１と同じく直径３０ｍｍの円状で、深さ１００μｍにわたり切削加工が施されている。これらに加えて、メタルマスク７５の試料と接する側の面とは反対側の面に、試料ホルダ４を保持して面内で回転させることにより自重で開閉する厚さ０．５ｍｍのモリブデン板から成るシャッター機構７１が設けられている。このシャッター機構７１は、閉じた状態では、第１の開口５２のすべてを遮蔽する。本実施例のメタルマスク７５には、シャッター機構７１が遮蔽する領域外に幅３００μｍ×１ｍｍの第３の開口７３が２個設けられている。
【００７６】
次に、本実施例の半導体作製装置による選択成長層の作製方法およびマーカー層の確認方法を説明する。
【００７７】
実施例１で説明した試料ホルダ４に試料を載せ、実施例１および実施例２と同様にＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を試料に成長させる。その後、本実施例のメタルマスク７５と実施例１で説明したマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着する。そして、シャッターを開けた状態で、ＩｎＡｓ量子ドットから成る第２の半導体層３４を第１の半導体層３２上に成長させた。続いて、結晶成長装置のマニピレータの面内回転機構を使用し、試料ホルダ４を１８０度面内回転させ、シャッター機構７１のシャッターを閉じた。そして、後工程のマーカー層として、ＧａＡｓを１００ｎｍ成長させた。この際、通常ＧａＡｓを成長する温度でシャッターを閉じると、Ｖ族元素であるＡｓの蒸気圧がシャッターで閉ざされた空間で不足し、ＧａＡｓ基板表面からＡｓ原子が抜けて表面荒れを起こすおそれがある。この問題を防ぐために、Ａｓ抜けが起こらない２００℃程度まで基板温度が下がってから、シャッターを閉じ、マーカー層の成長を行った。
【００７８】
成長温度を下げると成長層の結晶品質の低下が予想されるが、このマーカー層は、後工程でデバイス作製等に直接使用する層ではないため、成長温度を下げても、問題は生じない。そして、メタルマスク７５を外した後、さらにＧａＡｓから成る第３の半導体層３５を成長させ、結晶成長工程を終了した。作製された試料表面を顕微鏡で観察すると、量子ドットを成長した第２の半導体層３４の成長領域を確認することはできなかったが、第３の開口７３の領域に形成されたマーカー層は、容易に顕微鏡観察で確認することができ、後工程のプロセスを行うことができた。
【００７９】
（第４の実施形態）
次に、本実施形態の半導体作製方法について説明する。本実施形態での方法は、半導体微小構造として量子ドットの形成を想定した半導体作製方法である。本実施形態の半導体作製方法では、第１から第３の実施形態でその代表的な構成を説明した、本発明の半導体作製装置を用いる。
【００８０】
図８は量子ドット層を含む半導体薄膜から成る半導体微小構造の作製手順を示す工程概念図である。図８では、本発明の半導体装置を簡略化して描写し、符号３３で示している。
【００８１】
本発明の半導体作製装置の試料ホルダ４に試料として半導体基板３１を載せ、半導体基板３１上に第１の半導体層３２を成長させた後、第１の半導体層３２の全面に量子ドットから成る第２の半導体層３４を成長させる（図８（ａ））。続いて、メタルマスクおよびバネを備えたマスクホルダ２を試料ホルダ４に装着し、半導体作製装置３３を組み上げ、開口領域のみに第３の半導体層３５を成長させる（図８（ｂ））。
【００８２】
量子ドットは高温での熱処理に弱く、容易にその構造を崩し、ある温度まで基板温度を上げると基板表面から蒸発または崩壊してしまうが、半導体層で覆ってやることにより崩壊および蒸発することはない。したがって、半導体作製装置３３を外した後、試料を加熱することにより、図８（ｃ）に示すように、第３の半導体層３５を形成した開口部の量子ドットのみがその形状を保持することができる。言い換えれば、開口部のみに量子ドットが形成可能である。その後、図８（ｄ）に示すように、第４の半導体層８１を第２の半導体層３５を覆って第１の半導体層３２の上に形成し、結晶成長工程を終える。
【００８３】
本実施形態の半導体作製方法は、開口領域のみに量子ドットを選択的に作製することが可能であるだけではなく、次のような利点を有している。
【００８４】
マスクを装着しての選択成長時の成長温度を低く設定することが可能である。通常、量子ドットを埋め込む場合の成長温度は、量子ドットの熱による崩壊を防ぐため、量子ドットを成長する場合の成長温度より低く設定される。本作製方法では、選択成長を量子ドットではなく、その後の埋め込み成長時に適用することにより、成長温度を低く設定できる。
【００８５】
また、成長温度が低いということは、それだけ、マスクからの脱ガスも少ないということを意味しており、このことも、利点となる。さらに、本手法では、量子ドットを全面に成長し、一部の量子ドットを半導体層で埋め込む形態により、選択的に量子ドットを残す手法をとっている。このことは、通常のマスクを用いない場合の既存の成長条件で成長した高品質な量子ドットを利用することができることを示しており、結果として再現性よく高品質な量子ドットが実現できる。
【００８６】
また、第３の半導体層３５として、量子ドットの格子不整合に起因する歪みを緩和する材料を採用することにより、選択成長領域のみの量子ドットの発光波長を制御することも可能である。
【実施例４】
【００８７】
第４の実施形態による半導体作製方法の実施例について図８を参照して説明する。本実施例では、ＩｎＡｓ量子ドットをＧａＡｓ基板上に選択的にメタルマスクの開口領域に形成する場合について述べる。メタルマスクとしては、第１の実施形態から第３の実施形態で説明したいずれかのメタルマスクを用いた。
【００８８】
図８（ａ）に示すように、試料ホルダに載せたＧａＡｓ半導体基板（半導体基板３１）上にＧａＡｓから成る第１の半導体層３２を１００ｎｍ成長させ、ＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４を３分子層分成長させる。このＩｎＡｓから成る第２の半導体層３４は、ＧａＡｓとの格子不整合に起因する歪みにより、３次元上に成長し、量子ドット層となる。続いて、試料ホルダにメタルマスクとマスクホルダを装着し、ＧａＩｎＡｓ（Ｉｎ組成２０％）（膜厚３ｎｍ）およびＧａＡｓ（膜厚５ｎｍ）から成る第３の半導体層３５を成長させた。この半導体層中のＧａＩｎＡｓ層は、ＩｎＡｓ量子ドットの歪みを緩和し、発光波長を長波化する効果もある。
【００８９】
次に、メタルマスクを含むマスクホルダを外した後、試料をＡｓ雰囲気下で所定の温度まで昇温した。この温度は、少なくとも量子ドットを崩壊させる温度であればよい。本実施例の場合は、量子ドットの成長温度である４７０℃まで加熱した。その結果、第３の半導体層３５を形成した領域以外に形成された量子ドットは、熱により、崩壊、消失した。そこで、さらに連続して、量子ドットを保護するため、ＧａＡｓから成る第４の半導体層８１を５０ｎｍ成長させた後、選択成長工程を終了した。作製された試料の光学特性を調べてみたところ、非選択成長領域では、何の発光も確認されなかったが、選択成長領域では、発光中心波長１．２８μｍ、発光エネルギー幅３０ｍｅＶの高品質なＩｎＡｓ量子ドットが形成されていることを確認できた。
【００９０】
なお、選択成長層として量子ドットを中心に実施の形態および実施例を説明したが、本発明の効果は量子ドットを対象とする場合に限定されるものではなく、他の半導体層をはじめとする微小構造を構成する材料系一派に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１の実施形態の半導体作製装置を用いた結晶成長装置を説明するための模式図である。
【図２】試料ホルダおよびマスクホルダの外観斜視図である。
【図３】第１の実施形態の半導体作製装置を用いた選択成長の工程を示す図である。
【図４】実施例１の選択成長処理を行った後の試料の断面模式図である。
【図５】第２の実施形態のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。
【図６】第２の実施形態のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。
【図７】第３の実施形態のメタルマスクの一構成例を示す外観斜視図である。
【図８】量子ドット層を含む半導体薄膜から成る半導体微小構造の作製手順を示す工程概念図である。
【符号の説明】
【００９２】
１、５１、７５ メタルマスク
２ マスクホルダ
３ 試料
４ 試料ホルダ
５ バネ
６ 蒸発源
７ 選択成長層
２１ａ、２１ｂ ピン
２２ 切り欠き
３１ 半導体基板
３２ 第１の半導体層
３３ 半導体作製装置
３４ 第２の半導体層
３５ 第３の半導体層
４１ 選択成長領域
４２ 非選択成長領域
５２ 第１の開口
５３ 第２の開口
５４ 試料
５６ 入射口
５７ 電子線
６３ 溝
７１ シャッター機構
７２ 重り
７３ 第３の開口
８１ 第４の半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板が搭載される試料ホルダと、
前記半導体基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口を有するマスクと、
前記半導体基板および前記マスクを前記試料ホルダとの間に挟み、前記試料ホルダと組み合わされるマスクホルダと、
前記マスクと前記マスクホルダとの間に設けられた弾性体とを有する半導体作製装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体作製装置において、
前記マスクは、
前記半導体基板と接する側の面に、該マスクの外周上の一部から一方向に直線的に切削された溝構造と、
前記溝構造に設けられ、前記マスクを貫通する、少なくとも１つ以上の第２の開口とを有することを特徴とする半導体作製装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の半導体作製装置において、
前記マスクは、
前記半導体基板に接する側と反対側の面に接続された遮蔽部材を含み、該面と平行な面で該遮蔽部材が回転することで、前記第１の開口を露出させる第１の状態と該第１の開口を前記遮蔽部材で遮蔽する第２の状態とに変換可能なシャッター機構と、
前記遮蔽部材により遮蔽されない領域に設けられた、少なくとも１つ以上の第３の開口とを有することを特徴とする半導体作製装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項記載の半導体作製装置を用いて、前記半導体基板上に半導体微小構造を選択的に形成することを特徴とする半導体作製方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項記載の半導体作製装置を用いて真空雰囲気下において、
前記半導体作製装置から前記マスクを外し、前記半導体基板に第１の半導体層を形成し、
前記半導体作製装置に前記マスクを装着し、前記半導体基板に第２の半導体層を選択的に形成することを特徴とする半導体作製方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の半導体作製方法において、
第１の半導体層を前記半導体基板上に形成し、
前記半導体作製装置を前記半導体基板に装着し、第２の半導体層を前記第１の半導体層上の前記第１の開口に対応する領域に選択的に形成し、
前記第２の半導体層を形成した後、前記半導体作製装置の前記マスクを外し、前記第１の開口に対応する領域以外の前記第１の半導体層が崩壊または蒸発するまで前記半導体基板の温度を上昇させることを特徴とする半導体作製方法。
【請求項１】
半導体基板が搭載される試料ホルダと、
前記半導体基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口を有するマスクと、
前記半導体基板および前記マスクを前記試料ホルダとの間に挟み、前記試料ホルダと組み合わされるマスクホルダと、
前記マスクと前記マスクホルダとの間に設けられた弾性体とを有する半導体作製装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体作製装置において、
前記マスクは、
前記半導体基板と接する側の面に、該マスクの外周上の一部から一方向に直線的に切削された溝構造と、
前記溝構造に設けられ、前記マスクを貫通する、少なくとも１つ以上の第２の開口とを有することを特徴とする半導体作製装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の半導体作製装置において、
前記マスクは、
前記半導体基板に接する側と反対側の面に接続された遮蔽部材を含み、該面と平行な面で該遮蔽部材が回転することで、前記第１の開口を露出させる第１の状態と該第１の開口を前記遮蔽部材で遮蔽する第２の状態とに変換可能なシャッター機構と、
前記遮蔽部材により遮蔽されない領域に設けられた、少なくとも１つ以上の第３の開口とを有することを特徴とする半導体作製装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項記載の半導体作製装置を用いて、前記半導体基板上に半導体微小構造を選択的に形成することを特徴とする半導体作製方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項記載の半導体作製装置を用いて真空雰囲気下において、
前記半導体作製装置から前記マスクを外し、前記半導体基板に第１の半導体層を形成し、
前記半導体作製装置に前記マスクを装着し、前記半導体基板に第２の半導体層を選択的に形成することを特徴とする半導体作製方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の半導体作製方法において、
第１の半導体層を前記半導体基板上に形成し、
前記半導体作製装置を前記半導体基板に装着し、第２の半導体層を前記第１の半導体層上の前記第１の開口に対応する領域に選択的に形成し、
前記第２の半導体層を形成した後、前記半導体作製装置の前記マスクを外し、前記第１の開口に対応する領域以外の前記第１の半導体層が崩壊または蒸発するまで前記半導体基板の温度を上昇させることを特徴とする半導体作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−３４４４５（Ｐ２００８−３４４４５Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０３２０２（Ｐ２００６−２０３２０２）
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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