InAs/high-k/low-k 構造作製

AlxTiyO^を用いたInAs/high-k/low-k構造を得るため、あらかじめInAs^上にAlxTiyO^を成膜 した後、InAs/AlxTiyO^を low-k FS に貼付けるプロセス検討を行った。図 3.1^{にプロセスを示} す。InAs を中間支持体に転写するところまでが従来プロセスである。ここから、high-k^絶縁体 として AlTiO^{を堆積し、}InAs/high-k/low-k構造作製を検討した。しかし、AlTiO^{を内側に反っ} てしまうため貼付けることができなかった。この問題に対して、図 3.2^{に示すように、}InAs/AlN が InAs/AlxTiyOと逆向きの反りを有することを利用し、AlxTiyO/AlN ^{積層構造による変形の} 抑制が可能であることを見い出した。このため、AlxTiyO/AlN ^をhigh-k^{絶縁体として用いて、}

InAs/high-k/low-k構造作製を行った。なお、2^章の図 2.22^でAlTiOの熱処理がリーク電流低減に おいて有効である事を示したが、low-k FS (PET)が熱に対して弱いことから、AlxTiyO^成膜後に 熱処理を行わず、このプロセスでは全体を通して、150^◦C以下の低温プロセスを行った。図3.3^に

InAs/high-k/low-k構造の作製プロセス概略図を示し、その詳細を以下に述べる。

GaAs(001) buffer layer ELO

InAs

low-k FS inverted VWB InAs Al2O3

InAs Al_xTi_yO intermediate support InAs

intermediate support

high-k insulator deposition

InAs AlxTiyO

FS

図3.1 InAs/AlxTiyOをlow-k FSに貼付けるプロセス検討

AlxTiyO InAs InAs AlN

Al_xTi_yO InAs AlN

図3.2 InAs/AlxTiyOとInAs/AlNの反りの向きとAlxTiyO/AlN積層構造による変形の抑制

GaAs(001) buffer layer ELO

InAs

InAs intermediate support

InAs FS InAs Al Ti x

O y

AlN FS inverted VWB

inverted VWB InAs AlxTiyO AlNInAs

InAs AlAlN xTiyO

intermediate support (ALD)

(ECR sputtering)

InAs/high-k/low-k

InAs/low-k InAs

intermediate support

high-k insulator deposition

no deposition

図3.3 InAs/high-k/low-kおよびInAs/low-k 構造作製プロセスフロー

3.2.1 ELO

分子線エピタキシー成長法により作製したInAs^{デバイス層}(500 nm)/AlAs^犠牲層 (4 nm)/InAs バッファ層(2.5µm)/GaAs(001)^{ヘテロ構造を}∼1×1 mm²サイズにカットする。その後、アセト ン、メタノール、純水で有機洗浄し、リン酸水溶液(H3PO4:H2O = 3:50)により酸化膜除去を行っ

3.2 InAs/high-k/low-k^構造作製 51 た後、粘着シートの中央に試料表面を貼り付ける。貼付後、粘着力を低下させるために紫外線照射を 行う。フッ化水素酸(HF)^水溶液 (∼6 % ) ^{に試料を浸漬させる。}HF^水溶液はInAs ^{に対してエッ} チレートをほとんど持たないため、犠牲層のみ選択的にエッチングされる。犠牲層が全てエッチング されると、デバイス層がバッファ層から切り離される。プロセスの条件については表 3.1^に示す。

3.2.2 中間支持体への貼付

InAs/high-k/low-k^{構造作製において、}high-k絶縁膜をいつ成膜するかが重要であるが、Al2O3

およびAlN^はHF(∼6 %)に対して、非常に大きなエッチングレート(>100 nm/s)^{を有するため、}

ELO^の後にhigh-k絶縁膜を成膜する必要がある。このため、InAs^を表 3.2^{の条件で作製した中間} 支持体(サファイア基板上にレジストを塗布したもの)^{に転写し、}high-k絶縁体成膜を行う。このと き、中間支持体上にInAsをどのように貼付けるかが重要であるが、ケミカルな処理を施して貼付 けるとInAsの品質への影響が懸念されるため、ファンデアワールス力による貼付(Van der Waals

bonding, VWB)を行う。しかしながら、中間支持体表面は電気的に中性であるため、ファンデア

ワールス相互作用が非常に弱い。このため、O2プラズマアッシングにより表面をOH^{基終端するこ} とにより、表面に双極子を形成して貼付を行う。一方、切り離されたInAsデバイス層についてはリ ン酸水溶液による酸化膜除去を行い、両貼付面を純水で濡らし貼り付ける。表3.2^{に条件を示す。}

3.2.3 粘着シート切離し

ホットプレートを用いて80-110 ^◦Cで加熱し、加熱した状態のまま粘着シートを剥離し除去する。

表 3.3^{に条件を示す。}

3.2.4 high-k ^絶縁体 (Al

Ti

O/AlN) ^成膜

リン酸水溶液により表面酸化膜除去を行った後、熱による基板変形やAs^{抜けを防ぎつつ低温成} 長可能な原子層堆積(Atomic layer deposition: ALD)^によりInAs^表面にAlxTiyO^{成膜を行った。}

表3.1 ELOプロセス

プロセス 内容詳細

基板カット ヘテロ構造に対して、GaAs^{面をけがき},∼1×1 mm^{2にカット} 表面処理 有機洗浄: ^アセトン2 min, ^{メタノール}2 min, DIW 2 min, N2 ブロー

酸化膜除去: ^{リン酸水溶液}(H3PO4:H2O=3:50) 3 min, DIW 3 min, N2

ブロー

粘着シート貼付 粘着面とInAsデバイス層表面を接着後、粘着部分UV^照射 20 min ELO HF^水溶液 (∼6 %)∼12 hours, DIW 5 min

膜厚50 nmとなるように成膜した。AlNについては、放熱特性向上の観点から、できるだけ大きい 膜厚を得ることを目指しところ、RFマグネトロンスパッタリングでは、∼30 nm^{が限界であった} が、図 3.4に示す電子サイクロトロン共鳴(electron cyclotron resonance, ECR)^{スパッタリングで} はAlN^膜厚>100 nmが可能なため、この方法で成膜した。具体的には、サンプル表面にN2プラ ズマビームを当てることによりAlNの窒素欠損を防ぎつつ、AlN^{ターゲットに}Ar-N2プラズマビー ムを当て、スパッタリングすることにより、膜厚30 nmとなるように成膜した。表 3.4^{に条件を示} す。なお、high-k絶縁体の成膜について、InAs/AlxTiyO/AlN ^とInAs/AlN/AlxTiyO^{の可能性が} あるが、界面制御の問題からInAs/Al2O3/AlN^{を採用している。}AlN/Al2O3の評価については、付 録 D^{で述べる。}

表3.2 中間支持体作製プロセス

プロセス 内容詳細

サファイア基板 アセトン2 min, ^{メタノール}2 min, DIW 2 min, N2 ブロー

有機洗浄 乾燥 110^◦C 5 min

レジスト塗布 LOL-2000 3000 rpm, 30 s 乾燥 110^◦C 3 min S1830 4000 rpm, 60 s 乾燥 110^◦C 3 min LOL-2000 3000 rpm, 30 s 乾燥 110^◦C 3 min OMR-85 4000 rpm, 60 s 乾燥 110^◦C 3 min

露光: ∼ 12 mW/cm² (405 nm), 60 sec

∼3×3 mm^{2にカット}

OH^{基終端 中間支持体表面} O2プラズマアッシング 30 W, 50 Pa, 2 min

表3.3 粘着シート切離し

プロセス 内容詳細

InAs^{表面処理 酸化膜除去}:

リン酸水溶液 (H3PO4:H2O=3:50) 3 min, DIW 3 min, N2ブロー 中間支持体貼付け 80 ^◦C 15 min, 110^◦C 10 min

粘着シート切離し シートの糊を110^◦C^{に保ちつつ、切離す}

3.2 InAs/high-k/low-k^構造作製 53

Magnet

Extractor electrode Substate

Target AlN Magnet

Extractor electrode

Ar-N₂ plasma beam

N₂ plasma beam

図3.4 ECRによるAlN成膜プロセス概略

3.2.5 中間支持体切離し

HP ^で 60 ^◦C に 熱 し た レ ジ ス ト 剥 離 液 1165 (Rohm and Haas ^社) 中 で 、中 間 支 持 体 か ら InAs/AlxTiyO/AlN ^{を切離した後、}1165^を 60 ^◦C の純水で置換し、表面をO2 プラズマ処理し

た low-k FS (東京応化工業株式会社製ネガ型フォトレジスト OMR-85^{をコートした} PET^基板

∼340µm)^上にInAs/Al2O3/AlN^を(3)^と同じで80-110^◦C^{で加熱し、}VWB^{を行う。プロセスの} 詳細は表3.5^{に示す。また、}low-k FSの作製手順については表3.6に示す。裏返して転写するのは、

InAs結晶成長方向の転位分布[44]^{の観点から、}InAs薄層化後に転位密度の少ない逆貼付けが電子 輸送特性に影響を与えるからである。

以上よりInAs/high-k/low-k^{構造が得られる。}

表3.4 AlxTiyO/AlNの成膜条件

プロセス 内容詳細

表面処理 リン酸水溶液(H3PO4:H2O=3:50) 3 min, DIW 3 min, N2ブロー AlxTiyO/AlN成膜 ALD AlxTiyO 50 nm depo. @ 130 ^◦C

ECR sputtering AlN 30 nm depo. @<50 ^◦C

3.2.6 InAs/low-k 作製

InAs/low-k^{については}high-k絶縁体成膜を除いたプロセスを行うことにより作製できる [50, 51, 79]^{。ただし、}PETへの貼付ける前に、リン酸水溶液によりInAs表面の酸化膜除去を行う。