(57)【要約】【課題】  本生産前の検査段階で、成膜の適切な条件を精度よく得ることが可能な半導体素子の製造方法等を提供することを目的とする。【解決手段】エピタキシャルウエハを製造する前に、該エピタキシャルウエハを製造するのと同じ原料ガス、同じ成長装置を用いて、エピタキシャルウエハを形成する工程を備え、該エピタキシャルウエハの形成工程が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層と多重量子井戸構造との間にエッチングストップ層を形成する工程を含み、該エッチングストップ層と該ＩＩＩ−Ｖ族半導体層とがエッチング選択性のある材料どうしで構成されている。【選択図】          図２
2014225578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、該基板の上に位置する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）とを備えるエピタキシャルウエハの製造方法であって、
前記多重量子井戸構造の上に位置する第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層、および、該第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の上に位置する第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程と、
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と前記多重量子井戸構造との間に第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程と、
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の膜厚を測定する工程と、を含み、
前記第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とをエッチング選択性のある材料どうしで形成する、エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項２】
前記第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の厚みを前記多重量子井戸構造の厚みの０．００２倍以上０．５倍以下とする、請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項３】
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はリン（Ｐ）を含まず、前記第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はリンを含む、請求項１または２に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項４】
前記第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とがエッチング選択性のある材料どうしで構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項５】
前記多重量子井戸構造が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１）と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）とのペア、からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項６】
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層がＩｎＧａＡｓで構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項７】
前記基板と前記多重量子井戸構造との間にバッファ層を有し、該多重量子井戸構造とバッファ層とがエッチング選択性のある材料どうしで構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項８】
前記基板が、（ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓ）のうちのいずれかである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項９】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、該基板の上に位置する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）とを備えるエピタキシャルウエハであって、
前記多重量子井戸構造の上に位置する第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の上に位置する第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と前記多重量子井戸構造との間に位置する第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とを備え、
前記第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とがエッチング選択性のある材料どうしで形成されている、エピタキシャルウエハ。
【請求項１０】
前記第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の厚みを前記多重量子井戸構造の厚みの０．００２倍以上０．５倍以下とする、請求項９に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１１】
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はリン（Ｐ）を含まず、前記第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はリンを含む、請求項９または１０に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１２】
前記第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とがエッチング選択性のある材料どうしで構成されている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
前記多重量子井戸構造が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１）と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）とのペア、からなる、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層がＩｎＧａＡｓで構成される、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記基板と前記多重量子井戸構造との間にバッファ層を有し、該多重量子井戸構造とバッファ層とがエッチング選択性のある材料どうしで構成されている、請求項９〜１４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記基板が、（ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓ）のうちのいずれかである、請求項９〜１５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルウエハおよびその製造方法に関し、より具体的には、エピタキシャルウエハを高精度で製造するための製造方法、およびその製造方法で用いられるエピタキシャルウエハ、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外〜赤外域に対応することから、通信用、生体検査用、夜間撮像用などの受光素子の研究開発が行われている。この近赤外〜赤外域の波長域は、生体や環境に関連する物質の吸収スペクトルが位置するので、上記ＩｎＰ等を用いた受光素子の長波長域への受光感度の拡大が重要なテーマとなっている。たとえば、より長波長域の感度を高めるため、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple  Quantum  Well）の受光層を備える、メサ型単画素のフォトダイオードの提案がなされている（非特許文献１）。このメサ型単画素のフォトダイオードのカットオフ波長は２．３９μｍであり、波長１．７μｍから２．７μｍまでの感度特性が示されている。
【０００３】
一方、撮像装置など、画素を複数、配列したフォトダイオードを形成するためには、各画素を隣の画素から分離させる必要がある。画素の独立性を確保するための方式として２つの代表的な方式がある。一つは薄膜成長中にドーピングによりｐｎ接合を形成し、画素間に溝を設けるメサ型方式であり、他の一つは薄膜成長時にはドーピングしないで窓層形成後に窓層から選択拡散により不純物をドーピングしてｐｎ接合を形成するプレーナ方式である。プレーナ方式では、画素間に不純物が選択拡散されていない領域が生じ、これによって各画素は隔てられる。近赤外〜赤外域の受光素子は、受光対象のフォトンエネルギーが小さいため暗電流を低くすることが強く求められる。メサ方式は、ｐｎ接合の端を製造中に大気にさらすことが避けられず、このためｐｎ接合の端部に酸素等の不純物が付着して暗電流を増大させる。これに対してプレーナ方式は、暗電流を低く抑えることができる。一方、メサ方式は画素の密度を高められる利点を有する。
【０００４】
しかし、プレーナ方式にしたがって、受光層／窓層など積層体に窓層から不純物を選択拡散する場合、受光層がタイプ２ＭＱＷの場合、そのＭＱＷの結晶性が不純物に対して脆弱であるという問題がある。この問題を解決するために、タイプ２ＭＱＷの受光層と、窓層との間に、拡散濃度分布調整層と呼ばれる比較的薄い、窓層と異なる材料の半導体層を介在させる提案がなされた（特許文献１，２）。この構造によって、タイプ２ＭＱＷ受光層内の不純物濃度分布は制御され、暗電流が抑制された近赤外〜赤外域の受光素子を得ることができる。その他の要請として、動画などの動きの追随性を高めるために挿入される拡散濃度分布調整層は、電気伝導度の高い材料で形成することが望ましい。
【０００５】
上記の拡散濃度分布調整層は、選択拡散された不純物の受光層内における適切な分布を決定するもので、膜厚について高精度の成長技術が要求される。一般に、ＭＱＷなどの半導体の構造は、研究開発段階ではＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy）法により形成される場合が多く、実用化され実生産に入ると、通常、高能率の有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal  Organic  Vapor  Phase  Epitaxy）で製造される。ＭＯＶＰＥ法では、原料ガスなどが製造機会ごとに微妙に変わって、上記の拡散濃度分布調整層の厚み変動の不安定要因となる。しかし、上記のように、拡散濃度分布調整層の高精度の厚みを安定に保つことは、高品質の受光素子の安定生産にとって不可欠である。受光素子の製造の最終段階に至って不具合が見つかった場合、その不具合を観察することで製造条件を見直すことは可能であるが、不具合要因を精度よく特定することはそれほど容易ではなく、また最終工程まで至ってからではロスが非常に大きい。
【０００６】
従来、高精度の管理が必要な、ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：Hetero  Bipolar  Transistor）用のエピタキシャルウエハ等の製造において、テスト用のエピタキシャルウエハを製造して検査する例はある（特許文献３）。この例では、実際の製品の各層の厚みを測定するというより、Ａｓ抜け等が生じるため実際の製品よりも厚みを厚くした上でベース層の厚みを測定し、ベース層の成膜条件を設定する方法などが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２０６４９９号公報
【特許文献２】特開２０１１−５４９１５号公報
【特許文献３】特開２００１−２８４３６３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R.Sidhu, et.al. "ALong-Wavelength  Photodiode  on InP  Using  Lattice-Matched  GaInAs-GaAsSb Type-II  Quantum  Wells, IEEE  Photonics  Technology  Letters,  Vol.17, No.12(2005),  pp.2715-2717
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体素子を構成するエピタキシャル層の厚みを高精度で形成することは、プレーナ型フォトダイオードにおける拡散濃度分布調整層に限定されず、重要である。それにもかかわらず半導体素子の製造において、エピタキシャル積層体の各層の厚みを精度よく測定する方法等は得られていない。
【００１０】
本発明は、半導体素子の製造において、半導体素子を構成するエピタキシャル積層体の各層の成膜の適切な条件を精度よく得ることが可能なエピタキシャルウエハの製造方法、およびそこで用いられるエピタキシャルウエハ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】
【００１１】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、該基板の上に位置する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）とを備えるエピタキシャルウエハの製造方法である。この製造方法では、多重量子井戸構造の上に位置する第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層、および、該第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の上に位置する第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程と、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と多重量子井戸構造との間に第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程と、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の膜厚を測定する工程と、を含み、第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とをエッチング選択性のある材料どうしで形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法等によれば、エピタキシャル積層体の各層の成膜の適切な条件を精度よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】図１の受光素子の製造方法に用いられるエピタキシャルウエハを説明するための断面図である。
【図３】図２のエピタキシャルウエハの平面図である。
【図４Ａ】ＩｎＰ窓層をエッチングで部分的に除去して段差測定が可能な状態を示す図である。
【図４Ｂ】ＩｎＰ窓層をエッチングで除去した状態を示す図である。
【図４Ｃ】ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層をエッチングで部分的に除去して段差測定が可能な状態を示す図である。
【図４Ｄ】ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層をエッチングで除去した状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２におけるエピタキシャルウエハの製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ａ】ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層をエッチングで除去したあと受光層上に保護テープを貼りつけた状態を示す図である。
【図６Ｂ】受光層をエッチングで部分的に除去して段差測定が可能な状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜本願発明の実施の形態例の列記＞
最初に本願発明の実施の形態例を、１.エピタキシャルウエハの製造方法、および２．エピタキシャルウエハ、について列記して説明する。
１．エピタキシャルウエハの製造方法：
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板の上に位置する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）を備えるエピタキシャルウエハを製造する。この製造方法は、多重量子井戸構造の上に位置する第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層、および、該第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の上に位置する第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程と、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と多重量子井戸構造との間に第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程と、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の膜厚を測定する工程と、を含み、第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とをエッチング選択性のある材料どうしで形成する。成長装置によりエピタキシャルウエハを形成して、各層の厚み等を測定することで、各層を意図した厚みに精度よく成長することができる。具体的には、エピタキシャルウエハの所定領域にテープ等の被覆材を貼りつけて、所定領域以外の領域をエッチングで除去して、エッチングストップ層として機能する第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を露出させる。すなわち第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の下層にエッチングストップ層（第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層）を配置してあるので、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の断面を確実に露出させて、精度よく膜厚を測定することができる。またそのまま多重量子井戸構造についてもエッチングストップ層の上からＸ線回折像（ＸＲＤ像）およびＰＬ（フォトルミネッセンス発光）測定等を行うことができる。この結果、多重量子井戸構造についても基礎データを得ることができる。
【００１５】
（１）第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の厚みを多重量子井戸構造の厚みの０．００５倍以上０．０５倍以下としてもよい。これによって、第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を残して、その第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層越しに、多重量子井戸構造に対するＸＲＤ像およびＰＬ測定を精度よく行うことができる。
【００１６】
（２）第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はリン（Ｐ）を含まず、第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はリンを含むようにしてもよい。これによって第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層との間にエッチング選択性を明確に出すことができ、すなわち第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層をエッチングで簡単に除去しながら第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層をエッチングストップ層として機能させてエッチングを止めることができる。通常、多重量子井戸構造はＰを含まない場合が多いので、多重量子井戸構造と第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とはエッチング選択性がなく、これら２つの層とエッチングストップ層とはエッチング選択性があることになり、各層の検査のために望ましい構成となる。
【００１７】
ここで、「第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とがエッチング選択性がある材料どうしで構成されている。」とは、所定のエッチャントに対して第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はエッチングされるが第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層はエッチングされず、また別の所定のエッチャントに対してその逆になることをいう。なお、リンの原料にはＴＢＰを用いると、低温で分解するため低温成膜が可能になる。このため下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱分解を生じさせずに良好な結晶性のエピタキシャル積層体を得ることができ、低い暗電流の達成が可能になる。無機原料のホスフィン（ＰＨ３）を用いてもよい。
【００１８】
エッチング選択性を持たせるために第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層にＰを含有させることは、ＭＢＥ法では実施しにくい。なぜならば上述のように、ＭＢＥ法ではＰの原料に固体原料（各種リン酸化物）を用いるので、成長室の内壁に固体リンが付着して頻繁にクリーニングを実施しなければならないからである。ＭＯＶＰＥ法では気体の原料を用いるので、容易にＰ含有の第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を用いることができる。
【００１９】
（３）第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とがエッチング選択性のある材料どうしで構成されていてもよい。具体的には、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層がリン（Ｐ）を含み第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層がリンを含まないようにしてもよい。これによって表面再結合電流を抑制するために配置される第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層との間にエッチング選択性をもたせることができ、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層をエッチングしてその断面を露出させて膜厚を段差測定によって精度よく測定することが容易になる。この場合は、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層がエッチングストップ層として機能する。プレーナ型の場合は、上記のように第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層から不純物を選択拡散してその先端にｐｎ接合もしくはｐｉ（ｐｉｎ）接合が形成されるので、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とともに第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の厚み制御は重要である。リン原料にＴＢＰを用いることの効用は上記のとおりである。
【００２０】
（４）第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層のバンドギャップエネルギは、多重量子井戸構造のバンドギャップエネルギよりも大きくしてもよい。これによって、確実に表面再結合電流を抑制することができる。
【００２１】
（５）多重量子井戸構造を、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１）と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）とのペア、からなるようにしてもよい。これによって、波長２μｍ〜１０μｍの近赤外〜中赤外域の光を検知することが可能となる。これらＭＱＷを構成する材料は、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とエッチング選択性がなく、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層のエッチング液でエッチングされるので、上記の第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の挿入が、上層から段階を追って各層を検査する上で有効になる。
【００２２】
（６）第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層をＩｎＧａＡｓで構成してもよい。ＩｎＧａＡｓは不純物の拡散速度が小さいため、上述の第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層に課せられた役割に適した材料である。また多重量子井戸構造の各層との間にエッチング選択性がないので、この点で、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とこの多重量子井戸構造との間に上記の第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を挿入した構成は、上層から段階を追って各層を検査する上で有効になる。また上記のように電気抵抗が低いので動画等の追随性を高めることができる。
【００２３】
（７）基板と多重量子井戸構造との間に、バッファ層を有し、そのバッファ層と多重量子井戸構造とがエッチング選択性のある材料どうしで形成されていてもよい。これによって良好な結晶品質のエピタキシャル積層体、とくに高品質の多重量子井戸構造を得ることが可能になる。また、多重量子井戸構造とエッチング選択性があるＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等のＰ含有材料を用いて良好な結晶品質のバッファ層を得ることができる。この結果、バッファ層がエッチングストップ層として機能して、多重量子井戸構造の膜厚を段差測定により精度よく行うことができる。バッファ層は、いわば、もう１つの第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の機能を奏することになる。
【００２４】
（８）基板を、（ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓ）のうちのいずれかとしてもよい。これらの基板を用いることで、波長２μｍ〜１０μｍの近赤外〜中赤外域の光を検知することが可能となる。
【００２５】
２．エピタキシャルウエハ
エピタキシャルウエハは、半導体素子の製造方法に用いられるエピタキシャルウエハである。すなわち、エピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、該基板の上に位置する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）とを備える。このエピタキシャルウエハは、多重量子井戸構造の上に位置する第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の上に位置する第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と多重量子井戸構造との間に位置する第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とを備え、第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層と第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層とがエッチング選択性のある材料どうしで形成されている。これによって、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を選択エッチングして断面を露出させてその厚みを高い精度で測定することができ、本生産の条件設定を適切なものにすることができる。
【００２６】
＜本願発明の実施の形態の詳細例＞
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子（プレーナ型フォトダイオード）５０の断面図である。受光素子５０は、次のエピタキシャルウエハに形成されている。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
【００２７】
画素Ｐの主要部は、ｐ型領域６によって形成されている。このｐ型領域は、選択拡散マスクパターン３６の開口部の窓層５の表面からｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）を選択拡散することで形成されている。隣の画素Ｐとは、選択拡散されていない領域によって隔てられることで、独立性が確保される。各画素Ｐのｐ型領域６の先端にはｐｎ接合１５もしくはｐｉ接合（グランド電極側も含めて広範囲にみればｐｉｎ接合）が形成されている。受光層３は、不純物を添加せずイントリンシック（intrinsic：真性）にするために不純物は添加しないで、ｐｉｎ接合とすることを意図するが、不可避的に不純物（たとえばｎ型不純物）が低濃度で含有される。このため、ｐｉｎ型フォトダイオードといいながらｐ型領域の先端には実際はｐｎ接合が形成されている。ここでは、ｐｉｎ接合およびｐｎ接合を含めて、ｐｎ接合１５と呼ぶ。
【００２８】
ｐｎ接合１５に、画素電極１１および共通のグランド電極１２によって逆バイアス電圧を印加すると、画素Ｐごとに空乏層が受光層３に張り出して受光待機状態となる。ある画素Ｐの空乏層に光が入射され受光されると電子・正孔ペアが生成し、正孔は画素電極１１にドリフトし、電子はグランド電極１２へとドリフトする。画素電極１１に蓄積された電荷を一定の時間ピッチで読み出し、画素にわたって受光信号の強度分布を作成することで画像を得ることができる。近赤外〜赤外域の受光素子は、受光対象のフォトンエネルギーが小さいため暗電流を低くすることが強く求められる。画素間に溝を設けるメサ方式は、ｐｎ接合の端を製造中に大気にさらすことが避けられず、このためｐｎ接合の端部に酸素等の不純物が付着して暗電流を増大させる。これに対してプレーナ方式は、ｐｎ接合の端を製造中に一瞬もさらすことなく製造可能であり、暗電流を低く抑えることができる。
【００２９】
プレーナ方式にしたがって、受光層／窓層など積層体に窓層から不純物を選択拡散する場合、受光層がタイプ２ＭＱＷの場合、そのＭＱＷの結晶性が不純物に対して脆弱であるという問題がある。比較的低い不純物に対しても結晶性は劣化して暗電流が大きく増大する。このため、ｐｎ接合を形成するとき、タイプ２ＭＱＷの受光層内に導入する不純物の範囲は、できるだけ窓層に近い上部にした上で、その濃度を厳格に低く制御しなければならない。
【００３０】
この問題を解決するために、タイプ２ＭＱＷの受光層３と、窓層５との間に、拡散濃度分布調整層４を配置する。選択拡散された不純物のキャリア濃度は、窓層内では画素電極とオーミック接触する必要があり高濃度で分布し、この拡散濃度分布調整層内においてステップ状に急低下させる必要がある。ステップ状に急低下させて、タイプ２ＭＱＷ受光層内の上部で受光層内の反対型キャリアのバックグランド濃度に交差するようにする。この反対型キャリアのバックグランド濃度との交差点（面）が、ｐｎ接合を構成する。このような構造によって、タイプ２ＭＱＷ受光層３内の不純物濃度分布は厳格に制御され、暗電流が抑制された近赤外〜赤外域の受光素子を得ることができる。その他の要請として、動画などの動きの追随性を高めるために挿入される拡散濃度分布調整層４は、電気伝導度の高い材料で形成することが望ましい。
【００３１】
拡散濃度分布調整層４は、選択拡散された不純物の受光層３内における適切な分布を決定するもので、高精度の成長技術が要求される。一般に、ＭＱＷなどの半導体の構造は、研究開発段階ではＭＢＥ法により形成される場合が多い。また、実用化され実生産に入ると高能率の有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で製造される。ＭＯＶＰＥ法では、原料ガスなどが製造機会ごとに微妙に変わって、拡散濃度分布調整層４の厚み変動の不安定要因となる。しかし、上記のように、拡散濃度分布調整層４の高精度の厚みを安定に保つことは、高品質の受光素子の安定生産にとって不可欠である。受光素子の製造の最終段階まで到達して製造条件の設定の不具合が見つかった場合、その不具合を観察することで製造条件を見直すことは可能であるが、不具合要因を精度よく特定することはそれほど容易ではなく、また最終工程まで至ってからではロスが非常に大きい。
【００３２】
図２はエピタキシャルウエハ１ａの積層構造を示す断面図であり、図３は平面図である。図２に示すエピタキシャルウエハ１ａにおける積層構造はつぎのとおりである。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＧａＡｓバッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／エッチングストップ層９／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
保護テープｇがＩｎＰ窓層または第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層５の表面に貼られている。
【００３３】
−本実施の形態におけるポイント−
エピタキシャルウエハ１ａには、図１の受光素子５０には存在しないエッチングストップ層９が配置されている点がポイントである。
【００３４】
エッチングストップ層（第３のＩＩＩ−Ｖ族半導体層）９の材料は、拡散濃度分布調整層または第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体層４を形成するＩｎＧａＡｓとは、所定のエッチャントに対してエッチング選択性を有しなければならない。さらにエッチングストップ層９の厚みは受光層３の厚みの０．００５倍〜０．０５倍とするのがよい。タイプ２ＭＱＷの受光層３の全体の厚みは３μｍ程度なので、１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下という非常に小さい厚みとするのがよい。その理由について順を追って説明する。図３には、保護テープｇがＩｎＰ窓層または第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体層５の表面に貼られている。この保護テープｇが貼られた状態で、たとえば塩酸３５％水溶液をエッチャントとしてエッチングすると、ＩｎＰ窓層５がエッチングされ、ＩｎＧａＡｓは３５％水溶液にはエッチングされないのでＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上面が露出される。その後、保護テープｇを除く。これによって図４Ａに示すように、段差測定によってＩｎＰ窓層５の膜厚を精度よく測定することができる。段差測定は断面が露出された層のトータル厚みを非常に高精度で測定することを可能にする。窓層５の表面からｐ型不純物の選択拡散をするので、窓層５の厚みを精度よく測定できることは重要である。この窓層５の厚み測定値と、窓層５を成膜中の条件とを関連付けることで、エピタキシャルウエハの窓層を精度よく安定して形成することが可能となる。
【００３５】
図４Ｂは、図４Ａにおける保護テープｇを除き、ＩｎＰ窓層５を塩酸３５％水溶液によるエッチングで除いた状態を示す図である。次いで保護テープｇをＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４に部分的に貼りつけた後、リン酸（８５％）：過酸化水素水（３０％）：水＝１：１：４、のエッチャントによってＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４をエッチングする。その後、保護テープｇを除く。これによって図４Ｃに示すように、段差測定によってＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の厚みを精度よく測定することができる。ＩｎＰエッチングストップ層９によりＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の断面を露出することができ、段差測定によって高い精度でＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の厚みを測定できる。上記のように、検査用エピタキシャルウエハ１ａの成長は、本生産のときと同じロットの原料ガス、配管系統、成長室等の成長装置、で成長し、その条件を記録している。このため、検査用エピタキシャルウエハ１ａにおけるＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の測定厚みに基いて、本生産時のＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層の成長条件を高い精度で設定することが可能になる。
【００３６】
図４Ｃの状態から、リン酸（８５％）：過酸化水素水（３０％）：水＝１：１：４、のエッチャントによってＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を完全に除去する。これによって図４Ｄに示すように、ＩｎＰエッチングストップ層９が表面に露出される。ＩｎＰエッチングストップ層９は、厚みが１５ｎｍ〜１５０ｎｍと薄い。このため、ＩｎＰエッチングストップ層９を配置したままタイプ２ＭＱＷ受光層３の、Ｘ線回折像（ＸＲＤ）およびフォトルミネッセンス測定（ＰＬ測定）をすることができる。すなわち、厚みが薄いため、ＩｎＰエッチングストップ層９の影響（フリンジ）の少ないＸＲＤ測定が可能である。また、厚みが薄いため励起光の吸収の影響を小さくでき、安定なＰＬ測定が可能となる。さらにエッチングストップ層９はＩｎＰで形成されていてバンドギャップが大きいため、暗電流を小さくすることができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２におけるエピタキシャルウエハ１ａの積層構造を示す断面図である。積層構造は次のとおりである。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２９／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＰエッチングストップ層９／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
【００３８】
図３Ａに示す実施の形態１における積層構造との相違は、本実施の形態ではバッファ層がＩｎＰ層で形成されている点である。ＩｎＰバッファ層２９は、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３とエッチング選択性を生じることがポイントである。このＩｎＰバッファ層２９はエッチングストップ層ということもできるが、拡散濃度分布調整層４に接して位置するエッチングストップ層９と異なり、本生産用エピタキシャルウエハもしくは受光素子にも、ＩｎＰバッファ層２９は配置されてもよい。
【００３９】
図６Ａは、実施の形態１の図４Ｄの状態のＩｎＰエッチングストップ層９を塩酸３５％水溶液で完全に除去した後、露出した受光層３の表面に保護テープｇを貼りつけた状態を示す図である。この後、リン酸（８５％）：過酸化水素水（３０％）：水＝１：１：４、のエッチャントによりタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３をエッチングする。その後、保護テープｇを除く。これによって図６Ｂに示すように、段差測定によって受光層３の厚みを精度よく測定することができる。タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３の断面が露出され、段差測定によってタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３の厚みを精度よく測定することが可能になる。受光層の測定膜厚を本生産にフィードバックすることで安定して精度よく受光層３を形成することが可能になる。
【００４０】
（全有機金属気相成長法）
実施の形態１および２のエピタキシャルウエハを全有機金属気相成長法によって製造する方法ついて説明する。
まずＩｎＰ基板１を準備し、基板テーブルに配置して、バッファ層をＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰにより形成する。ＩｎＰバッファ層２９を成長するとき、全有機金属気相成長法では原料にターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。ホスフィン（ＰＨ３）を用いてもよい。バッファ層２より上の各層の成長についても、全有機金属気相成長法を用いることで、低い成長温度で能率よく良好な結晶性を確保することができる。バッファ層２のあと、タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３、ＩｎＰエッチングストップ層９、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によって一貫して同じ成長室で成長する。このとき、上記のように、成長温度または基板温度は、温度４００℃以上かつ５２５℃以下の範囲に維持するのがよい。この温度範囲より高い成長温度にすると、受光層３中のＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて相分離を生じるからである。
【００４１】
４００℃未満の成長温度とすると、全有機ＭＯＶＰＥの原料ガスが十分に分解せず、炭素がエピタキシャル層に取り込まれる。原料ガスにおいて金属と結合している炭化水素の炭素である。炭素がエピタキシャル層に混入すると、意図しないｐ型領域が形成され、半導体素子にまで仕上げた状態で、性能劣化を生じる。たとえば受光素子の状態で、暗電流が多く、実用レベルの製品にならない。
【００４２】
成長室（チャンバ）内に石英管が配置され、その石英管に、原料ガスが導入される。石英管中には、基板テーブルが、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブルには、基板加熱用のヒータが設けられる。成膜途中のエピタキシャルウエハ１ａの表面の温度は、成長室の天井部に設けられたウィンドウを通して、赤外線温度モニタ装置によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、温度４００℃以上かつ５２５℃以下でＩｎＧａＡｓ層などを形成する、というときの４００℃以上および５２５℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。
【００４３】
原料ガスは、石英管に連通する配管によって、供給される。有機金属気体の原料ガスは、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（Mass  Flow  Controller:流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。
【００４４】
バッファ層２の成長のあと、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを量子井戸のペアとするタイプ２のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＧａＡｓＳｂは、膜厚はたとえば５ｎｍ、またＩｎＧａＡｓの膜厚もたとえば５ｎｍとする。ＧａＡｓＳｂの成膜では、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）およびＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を用いる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、４００℃以上かつ５２５℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。ＭＱＷの受光層３を全有機ＭＯＶＰＥによって、量子井戸の界面の組成変化を急峻にするすることができる。この結果、高精度の分光測光をすることができる。
【００４５】
Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよい。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよい。ＡｓＨ３（アルシン）を用いてもよい。Ｓｂ(アンチモン)の原料としては、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）でもよいし、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい。また、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)、また、ＴＤＭＡＳｂ(トリスジメチルアミノアンチモン)でもよい。
【００４６】
原料ガスは、配管を搬送されて、石英管に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管に練通させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。原料ガスは、流量の制御は、流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
【００４７】
エピタキシャルウエハ１ａの表面はモニタされる温度とされている。大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。しかし、エピタキシャルウエハ表面温度または基板温度が、４００℃未満のような過度に低い場合、原料ガスの巨大な分子、とくに炭素が十分に分解・除去されないで、エピタキシャルウエハ１ａに取り込まれる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体中に混入した炭素はｐ型不純物となり、意図しない受光素子を形成することになる。このため、半導体の本来の機能を低下させ、受光素子に製造された状態で性能劣化をもたらす。
【００４８】
真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスを電磁バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味している。
【００４９】
タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３を形成する場合、５２５℃を超える温度範囲で成長するとＭＱＷのＧａＡｓＳｂ層に相分離が大規模で起こり、上述の凸状部Ｋのサイズ拡大および密度増加を助長させる。しかし一方で、上記のように、４００℃未満の成長温度とすると、原料ガスに必然的に含まれる炭素がエピタキシャルウエハ内に取り込まれる。混入した炭素はｐ型不純物として機能するので、半導体素子に仕上げた状態で、製品にならないほどの性能劣化の原因になる。
【００５０】
バッファ層２の形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、重要である。すなわち、本実施の形態のエピタキシャルウエハ１ａは再成長界面を持たない。再成長界面では、酸素濃度１ｅ１７ｃｍ−３以上、炭素濃度１ｅ１７ｃｍ−３以上のうちの少なくとも１つが満たされ、結晶性は劣化し、エピタキシャル積層体の表面は平滑になりにくい。本発明では、酸素および炭素の濃度がいずれも１ｅ１７ｃｍ−３未満である。
【００５１】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法等によれば、半導体素子の製造工程の最終段階に至って不具合を発見するのではなく、エピタキシャル積層体の各層の特性を、本生産前の検査段階で、各層の成膜の適切な条件を精度よく得ることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  ＩｎＰ基板、１ａ  ウエハ、２  ＩｎＧａＡｓバッファ層、３  タイプ２のＭＱＷ受光層、４  ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５  ＩｎＰ窓層、６  ｐ型領域、９  エッチングストップ層、１１  ｐ側電極（画素電極）、１２  ｎ側電極、１５  ｐｎ接合、２９  ＩｎＰバッファ層、３５  ＡＲ（反射防止）膜、３６  選択拡散マスクパターン、５０  受光素子（受光素子アレイ）、Ｐ  画素。
【図１】
2014225578.tif 000003
【図２】
2014225578.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
2014225578.tif 000006
【図４Ｂ】
2014225578.tif 000007
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2014225578.tif 000009
【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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