(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶基板からなる種子結晶と原料結晶とを略平行で、かつ重力方向に略垂直に対置させ、該種子結晶と原料結晶との間を、インジウムを溶媒とし、シリコンを溶質とする成長用溶液で満たし、１０００℃まで昇温し、９８０℃まで冷却する工程を繰り返すことにより、前記種子結晶表面近傍に前記原料結晶から溶出したシリコンを移動させ、該シリコンを種子結晶表面に析出させる液相エピタキシャル成長法であって、
前記成長用溶液で満たされた種子結晶と原料結晶との間の寸法を、前記寸法に比例して成長膜厚が増加し、かつ前記原料結晶表面から溶出したシリコンが前記種子結晶表面近傍に形成された成層圏に移動する際に発生する未飽和の対流により、前記成層圏に影響を与えて平坦性を損なうことのない範囲で選択し、前記種子結晶上に均一な膜厚のエピタキシャル層を形成することを特徴とする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、厚いエピタキシャル層を得ることができる液相成長法に関する。
【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、液相エピタキシャル成長法によるのが一般的である。液相エピタキシャル成長法は、適当な物質を溶媒とし、成長させようとする半導体を溶質として飽和状態に溶解させ、この溶液を過飽和状態にすることによって、単結晶を析出させる方法である。
【０００３】
従来、厚いエピタキシャル層を得ることができる方法として、図２に示す装置を使用する液相エピタキシャル成長法が提案されている。図において、１はエピタキシャル成長を行う種子結晶、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は原料結晶である。
【０００４】
以下、シリコン単結晶基板上にｎ型シリコンエピタキシャル層を形成する場合について説明する。エピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板からなる種子結晶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に固定する。エピタキシャル成長する面は下向きに固定する。シリコン単結晶基板からなる原料結晶６は、種子結晶１と平行に固定される。ここで、種子結晶１と原料結晶６との間の寸法は、１０ｍｍ未満に設定され、５００ミクロン以内に設定されるのが一般的である。成長用溶液は、溶媒となるインジウムに、成長温度で飽和するシリコンを加える。更に、ｎ型不純物として砒化インジウム、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、この成長系を外部から遮断し、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。
【０００５】
反応管５内部が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と種子結晶１表面を接触させる。一定時間経過後、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℃まで冷却するという工程を繰り返す。
【０００６】
この昇温過程において、原料結晶６表面から成長用溶液２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、成長用溶液の上側に配置された種子結晶１表面近傍に移動し、種子結晶１表面は、常に溶質の濃度の高い層（以下、成層圏という）に接することになる。その後、冷却過程において、成層圏内の過飽和となったシリコンが、種子結晶１表面に析出する。
【０００７】
従って、上記昇温過程と冷却過程を繰り返し行うことによって、種子結晶１表面に選択的に、厚いエピタキシャル層を成長させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような方法で直径５０ｍｍを越える種子結晶上にエピタキシャル成長を行う場合、エピタキシャル層の成長膜厚が種子結晶表面内でばらつき、平坦性が悪いという問題点があった。本発明は、面積の大きい種子結晶上に均一な膜厚のエピタキシャル層を形成す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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコン単結晶基板からなる種子結晶と原料結晶とを略平行で、かつ重力方向に略垂直に対置させ、該種子結晶と原料結晶との間を、インジウムを溶媒とし、シリコンを溶質とする成長用溶液で満たし、１０００℃まで昇温し、９８０℃まで冷却する工程を繰り返すことにより、前記種子結晶表面近傍に前記原料結晶から溶出したシリコンを移動させ、該シリコンを種子結晶表面に析出させる液相エピタキシャル成長法であって、前記成長用溶液で満たされた種子結晶と原料結晶との間の寸法を、前記寸法に比例して成長膜厚が増加し、かつ前記原料結晶表面から溶出したシリコンが前記種子結晶表面近傍に形成された成層圏に移動する際に発生する未飽和の対流により、前記成層圏に影響を与えて平坦性を損なうことのない範囲で選択し、前記種子結晶上に均一な膜厚のエピタキシャル層を形成することができる方法を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。エピタキシャル成長装置は図２に示す従来方法と同様である。エピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板からなる種子結晶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に固定する。エピタキシャル成長を行う面は下向きに固定する。シリコン単結晶基板からなる原料結晶６は、種子結晶１と平行に固定され、従来方法と異なり、種子結晶１と原料結晶６との間の寸法を１０〜２０ｍｍの範囲の寸法に設定する。
【００１１】
成長用溶液は、溶媒となるインジウムに、成長温度で飽和するシリコンを加える。更に、ｎ型不純物として砒化インジウム、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、この成長系を外部から遮断し、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。
【００１２】
反応管５内部が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と種子結晶１を接触させる。一定時間経過後、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℃まで冷却するという工程を繰り返す。
【００１３】
この昇温過程において、原料結晶６表面から成長用溶液２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種子結晶１表面近傍に移動し、成層圏を形成する。成層圏に接する種子結晶１は、シリコンが飽和状態に溶解する成長用溶液に接しているため、その表面から溶出するシリコンはわずかである。一方、原料結晶６は、未飽和の成長用溶液に接しているため、シリコンは溶出し続けることになる。その後冷却過程において、成層圏内の過飽和となったシリコンは、種子結晶１表面に析出する。原料結晶６は未飽和の成長用溶液に接触しているため、原料結晶６表面に析出するシリコンは、わずかとなる。ここで、成層圏の厚さは、成長温度等の条件により異なるが、上述の条件では、おおよそ２ｍｍとなることが確かめられている。
【００１４】
このように、昇温過程と冷却過程を繰り返し行うことによって、種子結晶１表面のみに、厚いエピタキシャル層を成長させることができる。
【００１５】
本発明は、種子結晶１と原料結晶６との間の寸法を、エピタキシャル層の成長速度と平坦性の両面を考慮した結果、１０〜２０ｍｍの範囲で選択している。図１に種子結晶と原料結晶との間の寸法と成長するエピタキシャル層の膜厚との関係を示す。尚、膜厚は図２に示すエピタキシャル成長装置を使用し、シリコンを飽和状態に溶解したインジウム溶液を成長用溶液とし、１０００℃から９８０℃に冷却した際に成長したエピタキシャル成長層の厚さを示す。図１より、種子結晶と原料結晶間の寸法が、２０ｍｍ程度までは、寸法に比例して成長膜厚が増加し、２０ｍｍを越えると成長膜厚は増加しないことがわかる。従って、成長用溶液を有効に利用して厚いエピタキシャル層を得ることができるのは、種子結晶と原料結晶の間の寸法が２０ｍｍまでということになる。
【００１６】
また、２０ｍｍを越えると、成層圏内にシリコン微結晶が発生することがあり、この微結晶によりエピタキシャル層の平坦性が損なわれることがある。
【００１７】
一方、１０ｍｍ未満では、次のような問題が生じる。即ち、種子結晶と原料結晶との寸法を２ｍｍ以下にすると、厚い成長膜厚を得ることができない。また、２ｍｍ〜１０ｍｍ未満では、原料結晶表面から溶出したシリコンが、成層圏に移動する際に発生する未飽和溶液の対流が、成層圏に影響を与え、平坦性を損なうという結果が得られている。
【００１８】
従って、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下の寸法を選択することで、均一で厚いエピタキシャル層を得ることができるように構成したのである。
【００１９】
エピタキシャル層の不純物濃度は、不純物の添加量に応じて適宜選択できるが、特に上述の実施の形態では、１０19オーダーに不純物が添加された高濃度のエピタキシャル層が容易に形成できる。また、インジウム溶媒に砒素を不純物としてシリコンエピタキシャル層を成長させる場合、シリコン単結晶基板とエピタキシャル層の格子定数は、ほぼ一致し、格子不整合が生じることもない。
【００２０】
以上、成長用溶液にｎ型不純物として砒化インジウム、砒化硅素を添加した場合を説明したが、本発明によれば、成長用溶液に導電型を決める不純物を添加しない場合や、他の不純物を添加した場合でも、均一な厚さのエピタキシャル層を得ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、大面積の種子結晶上に、均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができた。
【００２２】
本発明のエピタキシャル層は、高濃度（１０19オーダー）に不純物添加されるため、低濃度種子結晶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使用し、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。
【００２３】
また本発明は、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ことで、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、砒化インジウム、砒化硅素のような化合物として添加するため、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液相エピタキシャル成長法を説明する説明図である。
【図２】この種の液相エピタキシャル成長装置を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  種子結晶
２  成長用溶液
３  ボート
４  ピストン
５  反応管
６  原料結晶
【図１】
0003717220.tif 000002
【図２】
0003717220.tif 000003