(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長用溶液を半導体基板に接触させ、該半導体基板表面にエピタキシャル層を形成する液相エピタキシャル成長法において、
シリコンを溶解させたインジウム溶液に、ｎ型不純物として砒素のみを、０．９〜２．４重量％の割合で添加した成長用溶液を用いることを特徴とする液相エピタキシャル成長法。
【請求項２】
前記砒素はインジウム砒素あるいは砒化硅素として、前記インジウム溶液に添加することを特徴とする請求項１記載の液相エピタキシャル成長法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液相エピタキシャル成長法に関し、特にｎ型シリコンエピタキシャル成長法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エピタキシャル成長法には、気相エピタキシャル成長法と液相エピタキシャル成長法がある。厚いエピタキシャル層を形成する場合は、液相成長法によるのが一般的である。
【０００３】
液相成長法により、シリコン単結晶基板上に、不純物ドープされたシリコンエピタキシャル層を形成する場合、次のような問題が発生する。シリコンエピタキシャル層は、シリコン原子が規則正しく配列しており、添加された不純物原子がシリコン原子と置換する場合、硼素、リンのようにシリコン原子より共有結合半径の小さい原子では、隣接するシリコン原子との距離が、シリコン原子−シリコン原子間の距離より小さくなる。従って、共有結合半径の小さい不純物が大量に添加されたエピタキシャル層の格子定数は、シリコン単結晶基板の格子定数より小さくなり、格子定数の不整合が生じる。
【０００４】
このような問題点を解決するため、本願出願人は、インジウムを溶媒、リンを不純物原子としてエピタキシャル成長を行う際、格子定数補正用の不純物として錫を添加するシリコン素子用基板作製方法を提案している（特願昭６１−２２６２６４号）。
【０００５】
この方法によると、シリコン原子より共有結合半径の小さいリンを不純物として添加しても、シリコン結晶中においては電気的に中性で、かつシリコン原子より共有結合半径が大きい錫を添加することで、シリコン単結晶基板と格子整合したエピタキシャル層を得ることができる。
【０００６】
図６に成長溶液に添加する錫の量を変化させたとき、得られるエピタキシャル層の格子定数と基板の格子定数との差を示す。ここで、基板として主表面の結晶方位が（１１１）面、ｎ型、不純物濃度４×１０12ｃｍ-3のシリコン単結晶基板を使用し、成長用溶液はインジウムを溶媒とし、エピタキシャル層はリンを添加し、１×１０19ｃｍ-3の不純物濃度となるように調整されている。
【０００７】
このような方法によると、錫の添加量が０．０５モル％付近でエピタキシャル層と基板が格子整合することがわかる。しかし、錫の添加量が、０．０５ｍｏｌ％からわずかに変化しただけで、格子定数が急激に変化する。このように従来の方法では、シリコン単結晶基板と格子整合するエピタキシャル層を得るためには、錫の添加量を厳密に制御する必要がある。
【０００８】
更に、錫の偏析係数は１より小さく、しかも温度係数を持つため、特に厚いエピタキシャル層を形成する際には、成長過程において、成長温度が徐々に低下するに伴い、エピタキシャル層内で錫の分布が変化し、成長初期では格子整合がとれていても、成長が進むに従い、格子不整合が発生するという問題があった。図７に、シリコン単結晶基板上に約１５ミクロンのエピタキシャル成長させた後、Ｘ線回析装置を用いて、シリコン単結晶基板とエピタキシャル層の格子定数の差を測定した際のロッキングカーブを示す。図に示すように、シリコン単結晶基板（ｓｕｂ）とエピタキシャル層（ｅｐｉ）のピークに角度差が生じ、格子整合されていないことがわかる。このように、厚いエピタキシャル層を成長させる際には、格子整合のとれたエピタキシャル層を得ることは難しいという問題点があった。
【０００９】
一方、シリコンより共有結合半径の大きい砒素やアンチモンを不純物として添加する場合、シリコンより共有結合半径の小さい不純物を添加しなければならないと考えられていた。しかし、砒素とシリコンより共有結合半径の小さい不純物の組み合わせにより、格子整合をとることができる方法は、提案されていなかった。
【００１０】
また、気相成長法により、砒素のみを不純物として添加し、エピタキシャル成長を行う場合、シリコンと砒素の共有結合半径の差に起因する格子不整合が発生し、シリコン基板厚が４５０ミクロンの時、エピタキシャル成長層の厚さは、１５０ミクロン程度が限界であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法において、格子整合されたエピタキシャル層を得るためには、錫の添加量を厳密に制御する必要があるという問題があった。また、成長過程において、格子不整合が発生するという問題があった。砒素を不純物として添加する場合、格子不整合が発生しない厚いエピタキシャル成長層を得ることができる成長法は、提案されていなかった。本発明は、上記問題点を解消するため、不純物として砒素を添加し、格子整合された厚いエピタキシャル層を得ることができる液相エピタキシャル成長法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、成長用溶液を半導体基板に接触させ、該半導体基板表面にエピタキシャル層を形成する液相エピタキシャル成長法において、シリコンを溶解させたインジウム溶液に、ｎ型不純物として砒素のみを、０．９〜２．４重量％の割合で添加した成長用溶液を用いることで、半導体基板と格子整合するエピタキシャル成長層を得ることができる。
【００１３】
また、前記砒素はインジウム砒素あるいは砒化硅素として、前記インジウム溶液に添加することで、格子整合したエピタキシャル成長層を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は液相成長装置を示す。図において１はエピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板、２は成長用溶液、３はカーボン、窒化アルミニウムあるいは炭化硼素等からなるボート、４はピストン、５は石英、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる反応管である。
【００１５】
まず、エピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板１を、表面を十分に平坦化し、清浄化した後、ボート３にエピタキシャル成長を行う表面を重力方向に対して垂直で、下向きに固定する。成長用溶液２は、溶媒となるインジウムに、成長温度以上で飽和するシリコンを加える。更に、ｎ型不純物としてインジウム砒素、砒化硅素等を所望の不純物濃度となるように添加する。反応管５内は、この成長系を外気から遮断し、水素雰囲気とする。反応管５全体をヒータ（図示せず）によって加熱する。
【００１６】
シリコン単結晶基板１の温度が１０００℃まで上昇したところで、ピストン４を動かし、成長用溶液２とシリコン単結晶基板１を接触させる。その後、０．５℃／分の冷却速度で冷却した。その結果、約１５ミクロンの厚さのエピタキシャル層の成長が確認された。
【００１７】
このような方法で成長させたエピタキシャル層のシリコン単結晶基板との格子定数の差を調べるため、Ｘ線回析法により、ロッキングカーブを測定した。図２に、インジウム１５０ｇにシリコン０．７３５ｇおよびインジウム砒素３ｇの割合で添加した成長用溶液を使用し、エピタキシャル成長を行った際の、ロッキングカーブを示す。図に示すように、シリコン単結晶基板のピークとエピタキシャル層のピークが一致し、従来の方法でエピタキシャル成長した測定結果（図７）のようなピークが分離するような測定結果は得られなかった。
【００１８】
従って、本発明によれば、シリコン単結晶基板と格子整合されたエピタキシャル層が得られたことがわかる。
【００１９】
尚、シリコンを溶解したインジウム溶液に対する砒素の添加量は、成長させるエピタキシャル成長層の不純物濃度により適宜決められる。図３に示すように、砒素の添加量によって、任意の不純物濃度を得ることができる。図３に示す不純物濃度のエピタキシャル層は、Ｘ線回析法により、いずれもシリコン単結晶基板と格子整合していることが確認された。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図４はその液相成長装置を示す。図において１はエピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板、２は成長用溶液、３はカーボン、窒化アルミニウムあるいは炭化硼素等からなるボート、４はピストン、５は石英、アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる反応管、６はシリコン単結晶基板からなるシリコンソースである。
【００２１】
第１の実施の形態同様、エピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板１を、表面を十分に平坦化し、清浄化した後、ボート３にエピタキシャル成長を行う表面を重力方向に対して垂直で、下向きに固定する。成長用溶液２は、溶媒となるインジウムに、成長温度以上で飽和するシリコンを加える。更に、ｎ型不純物としてインジウム砒素、砒化硅素等を所望の不純物濃度となるように添加する。反応管５内は、この成長系を外気から遮断し、水素雰囲気とする。反応管５全体をヒータ（図示せず）によって加熱する。
【００２２】
シリコン単結晶基板１の温度が１０００℃まで上昇したところで、ピストン４を動かし、成長用溶液２とシリコン単結晶基板１を接触させる。０．５℃／分の冷却速度で９８０℃まで冷却し、エピタキシャル成長を行う。その後、１０００℃まで昇温し、９８０℃まで冷却する工程を繰り返す。この昇温過程において、シリコンソース６からインジウム溶液中にシリコンが溶出し、溶出したシリコンは、インジウムとの比重差により、溶液の上方に配置されたシリコン単結晶基板１表面近傍に移動する。このようにシリコンソースから成長用溶液中にシリコンが供給され、シリコン単結晶１表面近傍の成長用溶液２は、常にシリコンを飽和状態に溶解することになる。
【００２３】
その結果、１回の冷却で、約１５ミクロンの厚さのエピタキシャル層が成長し、冷却回数を増すことで厚いエピタキシャル層を得ることができ、２５０ミクロンのエピタキシャル成長層が得られることが確認できた。尚、このエピタキシャル層の厚さは、本発明の成長層の厚さの限界を示すものではなく、昇温、冷却工程を繰り返すことによって、更に厚いエピタキシャル層を得ることができる。
【００２４】
このような方法で成長させたエピタキシャル層のシリコン単結晶基板との格子定数の差を調べるため、Ｘ線回析法により、ロッキングカーブを測定した結果、第１の実施の形態同様、シリコン単結晶基板のピークとエピタキシャル層のピークは一致し、従来の方法でエピタキシャル成長した測定結果のようなピークが分離するような測定結果は得られなかった。
【００２５】
従って、本発明によれば、シリコン単結晶基板と格子整合された厚いエピタキシャル成長層が得られたことがわかる。
【００２６】
以上のように、導電型を決めるため、シリコンと共有結合半径の異なる不純物を添加してエピタキシャル成長を行う場合、格子不整合を緩和するための別の不純物を添加する必要があったが、インジウムを溶媒とし、砒素をｎ型不純物として選択することで、格子整合されたエピタキシャル成長層が得られることがわかった。また、エピタキシャル層の厚さが増しても、格子定数の不整合が生じることがない。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。上述のように導電型を決める不純物として砒素を選択することで、格子整合させたエピタキシャル層を得ることができる。更に、砒素を所定の添加量にすることで、良好なエピタキシャル層を得ることができる。図５に、砒素の添加量に対するロッキングカーブの半値角の値を示す。図に示すように、インジウム溶液中の砒素濃度が０．９重量％以上のとき、好ましくは１．２重量％以上のとき、ロッキングカーブの半値角が小さくなり、特性が改善していることがわかる。尚、実験では、インジウム溶液中の砒素濃度が、２．４重量％まで同様な特性を示すことが確認されている。
【００２８】
以上のように本発明によれば、導電型を決める不純物として砒素を選択することで、シリコン単結晶基板と格子整合されたエピタキシャル層を得ることができる。また、砒素の添加量を所定の値、即ち０．９〜２．４重量％に設定することで、更に良好なエピタキシャル層を得ることができた。特に、１．２〜２．４重量％の範囲で砒素を添加すると、半値角が最小となる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、インジウムを溶媒とし、導電型を決める不純物として砒素を添加するだけで、格子整合されたエピタキシャル層を得ることができる。砒素は、インジウム砒素、砒化硅素のような化合物としてインジウム溶媒に添加するため、単体砒素に較べて毒性が弱く、取扱が容易であるという利点がある。
【００３０】
本発明により形成したエピタキシャル層は、高濃度（１０19／ｃｍ3オーダー）に不純物が添加されるため、低濃度基板上にエピタキシャル成長させることで、急峻なｎ+−ｎ-接合を実現することができる。従って、本発明により形成したエピタキシャル成長層を、ｐｉｎダイオード、ＳＩＴ等の半導体デバイスに適用すれば、良好な特性が得られることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の液相成長装置を示す説明図である。
【図２】本発明の液相成長法によるエピタキシャル層のロッキングカーブを示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態における砒素の添加量に対するエピタキシャル層の不純物濃度を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の液相成長装置を示す説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を説明する説明図である。
【図６】従来の液相成長法を説明する説明図である。
【図７】従来の液相成長法によるエピタキシャル層のロッキングカーブを示す説明図である。
【符号の説明】
１  シリコン単結晶基板
２  成長用溶液
３  ボート
４  ピストン
５  反応管
６  シリコンソース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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