(57)【要約】【課題】デバイスとしての実用化に適した膜質を備えたβ鉄シリサイド領域をシリコン基板に形成するために、β鉄シリサイドの構造欠陥の指標となるアーバックテールの値を小さくする。【解決手段】シリコン基板にβ鉄シリサイド領域をスパッタ法を用いて作製する際、スパッタリング収率を２．４以上に設定するような、イオンの種類及びその加速電圧、装置内の圧力、イオンの入射角、またはその組み合わせの条件を設定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板にベータ鉄シリサイド領域をスパッタ法を用いて所定値以上のスパッタリング収率を満足する条件で作製することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所定値は２．４であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベータ鉄シリサイド領域の作製方法に関し、特に受光・発光効率の高いベータ鉄シリサイド領域を作製する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンは、間接遷移型半導体であるため、原理的には効率の良い発光機能を持つことができない。従って、直接遷移型半導体材料を用いて、これまでに構築されてきたシリコン微細加工技術を生かしつつ、電子的機能と光学的機能とを一体化させた集積型デバイスを製造できれば、高電力回路の電気的絶縁、ノイズ対策、さらには半導体チップ間の光通信による高速化など、新たな用途の拡大が期待できる。
【０００３】
そこで、近年、ＩＩＩ−Ｖ族を中心とする化合物半導体が、様々な光デバイスや電子デバイス等に広く用いられている。例えば、シリコンウエハ上にＧａＡｓをヘテロエピタキシャル成長させる試みも行われているが、ＧａＡｓは、Ｓｉとの格子不整合が大きいため、良質な結晶性を持つ膜が得られないなどの技術的に多くの問題点を抱えている。
【０００４】
半導体のうち、シリサイド系半導体は、複雑且つ多用な結合形態に起因して、優れた電気的特性、光学特性、及び熱電特性等の多数の物性を発現し得る材料として開発が盛んに進められている。シリサイド系半導体のうち、鉄シリサイドは、構成元素が鉄とケイ素という環境負荷が低く且つ資源寿命が長い元素であること、基板として用いられるシリコンとの格子不整合が小さいことなどから、きわめて実用性が高く且つ環境への負荷が少ない材料として注目されている。
【０００５】
一般にＦｅｘＳｉｙで表される鉄シリサイドは、成長条件や、鉄原子と珪素原子との組成比（ｘ：ｙ）によって複数の結晶相を発現する。結晶性の鉄シリサイドのうち半導体特性を有するのは、ベータ鉄シリサイド（β−ＦｅＳｉ２、以下β鉄シリサイドと称する）である。β鉄シリサイドは、バンドギャップが約０．８５ｅＶを持つ疑似直接遷移形半導体であり、斜方晶の結晶構造を有する。さらに、β鉄シリサイドは、発光波長が１．５５μｍ帯域で、石英光ファイバの最低損失波長と一致していることから、シリコン層とのヘテロ接合による発光素子としての開発が進められている。
【０００６】
また、β鉄シリサイドは、１ｅＶ（１２４０ｎｍ）程度の波長で１０５（ｃｍ−１）オーダの大きな吸収係数を有することから、光センサや太陽電池としての用途も期待されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
β鉄シリサイドの吸収係数の波長依存性を測定すると、吸収端から低エネルギ側にすそを引いた吸収スペクトルが観測される。すそを引いた吸収スペクトルは、バンドのすそ或いはバンドギャップ間の局在準位間遷移に基づく吸収と、フォノン・電子相互作用に基づいた吸収とに起因するものである。バンドのすそは、構造欠陥や不純物による結晶の不完全性により生じるものであり、アーバックテールと呼ばれている。アーバックテールが存在する場合、β鉄シリサイドを用いて受光素子を作製すると、アーバックテールのエネルギ値に応じて光電流の著しい低下が生じる。従って、β鉄シリサイドを用いて光センサや太陽電池などのデバイスとして実用化するためには、アーバックテールの値を小さくすることが必要とされている。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みて、アーバックテールの値を小さくできるβ鉄シリサイド領域の作製方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、シリコン基板にβ鉄シリサイド領域をスパッタ法を用いて所定値以上のスパッタリング収率を満足する条件で作製することを特徴とする。この方法によれば、作製されたβ鉄シリサイド領域のバンドギャップ内の欠陥若しくは不純物に起因する準位の形成を抑制でき、アーバックテールの値を小さくできる。この方法により作製されたβ鉄シリサイドは、アーバックテールの値を１００ｍｅＶ以下に抑制できるために、β鉄シリサイドを受光層として受光素子を作製した場合、十分な量の光電流が受光層を流れることができ、実用に適したデバイス特性を備えることができる。
【００１０】
好ましくは、前記所定値は２．４である。従って、スパッタリング収率を２．４以上とするような、イオンの種類とイオンの加速電圧、スパッタ装置内部の成膜時の圧力などの動作時の条件、およびイオンのターゲットへの入射角や基板・ターゲット間の距離などのスパッタ装置の構成上の条件を設定してβ鉄シリサイド領域を作製すると、そのアーバックテールの値は、デバイスとしての実用化に適した１００ｍｅＶ以下にすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のβ鉄シリサイド領域の作製方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明によるβ鉄シリサイド領域の作製方法の実施形態を示す。図１（ａ）に示すように、例えばシリコン基板１０をフッ酸（ＨＦ／Ｈ２Ｏ）水を用いて自然酸化膜を除去し、イオンビームスパッタ装置（図示せず）にロードする。
【００１２】
次に、図１（ｂ）に示すように、イオンビームスパッタ法などのスパッタ法を用いて、Ｆｅ薄膜１４をシリコン基板１０の上に形成する。次に、図１（ｃ）に示すように、Ｆｅ薄膜１４の上に例えばＳｉＯ２からなるキャップ層１６を形成してＦｅ薄膜１４を被覆する。その後、例えば窒素雰囲気中で温度９００℃で３時間アニールする。アニールにより、Ｆｅ薄膜１４からＦｅ原子がシリコン基板１０内に拡散し、シリコンと熱反応することによって鉄シリサイドが生成される。更に鉄シリサイドの結晶化を促進させてβ鉄シリサイドにすることで、図１（ｄ）に示すように、シリコン基板１０の主面にβ鉄シリサイドエピタキシャル領域１８が形成される。
【００１３】
または、図１（ａ）に示す洗浄処理の後、図１（ｅ）に示すように、シリコン基板１０の上に、スパッタ法を用いて鉄シリサイド薄膜２０を作製する。その後、例えば窒素雰囲気中で温度９００℃で３時間アニールして鉄シリサイドの結晶化を促進させて、図１（ｆ）に示すように、シリコン基板１０にβ鉄シリサイドエピタキシャル薄膜２０ａを形成する。
【００１４】
上記の何れの方法によっても、シリコン基板１０にβ鉄シリサイド領域１８または及びβ鉄シリサイド領域２０ａを形成することができる。なお、上記の成膜後のシリコン基板１０のアニールは、β鉄シリサイドの結晶化を促進させる６００〜９４０℃の範囲内の温度であれば、適宜の温度で行うことができる。
【００１５】
次に、上記方法によって作製されたβ鉄シリサイドの特性について説明する。一般に、β鉄シリサイドは、１ｅＶ程度の波長で１０５ｃｍ−１オーダの大きな吸収係数を有することから、光センサや太陽電池としての用途が期待されている。そこで、β鉄シリサイドを用いて例えば光センサや太陽電池などのデバイスを作製する場合、β鉄シリサイドからなる受光層から相当量の光電流が流れることが特性として要求される。
【００１６】
ところが、作製されたβ鉄シリサイド層に構造欠陥が多いと、バンドギャップ内に伝導帯や荷電子帯近傍に欠陥準位が形成され、これが光によって励起されたキャリアのトラップとして作用するため、十分な光電流が得られなくなる。一般に、アーバックテールの値は、膜の構造欠陥の程度を表すものであり、その値が小さいほど欠陥が少ないとされる。
【００１７】
上記のアーバックテールは、β鉄シリサイドの光の吸収係数の波長依存性を測定した場合に、吸収端から低エネルギ側に裾を引いた吸収スペクトルとして観測される。そして、アーバックテールの値は、吸収測定によって得られた吸収スペクトルの吸収端の傾きの逆数として求められる。
【００１８】
相当量の光電流が流れるような実用化の条件を満足するデバイスを作製するためには、アーバックテールの値を理想的にはゼロに、若しくはできるだけ小さくすることが必要である。例えば、β鉄シリサイド薄膜と同様の半導体特性を示すアモルファスシリコン薄膜では、太陽電池を例にすると実用化のためにはアーバックテールの値は上限が１００ｍｅＶ程度になることが要求されている。このことから、β鉄シリサイド薄膜の実用化に際しても、アーバックテールの値を１００ｍｅＶ以下にすることが必要であると考えられている。
【００１９】
そこで、本発明者は、研究の結果、スパッタ法でＦｅ薄膜や鉄シリサイド薄膜をシリコン基板１０に作製する際、スパッタリング収率（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ  ｙｉｅｌｄ）を所定の条件で制御することによって、Ｆｅ薄膜や鉄シリサイド薄膜を作製すると、作製されたβ鉄シリサイド薄膜のアーバックテールの値を小さくできることを見いだした。そして、作製されたβ鉄シリサイドエピタキシャル薄膜のアーバックテールの値を、デバイスとしての実用レベルとみられる１００ｍｅＶ以下に抑制できることを確認した。
【００２０】
【実施例】
アーバックテールの値をおよそ１００ｍｅＶ以下に抑制可能とするスパッタリング収率を得るために以下の実験を行った。実験は、適切なスパッタリング収率を決定するために、スパッタリング収率を以下に説明するようにそれぞれ変えて、サンプル１乃至５のβ鉄シリサイド薄膜を作製した。そして、各サンプルの吸収スペクトルを測定して、吸収端における吸収スペクトルの傾きからアーバックテールを求めた。なお、吸収測定は、日立製作所製のＵ−４０００系自記分光光度計を用いて行った。
【００２１】
最初に、シリコン基板を洗浄したあと、イオンビームスパッタ法を用いてエッチングしたシリコン基板の一主面に膜厚１００ｎｍのＦｅ薄膜を形成した。いずれのサンプルに対しても、スパッタ時の条件は、ビーム電流を１５０ｍＡとし、チャンバ内の圧力を１×１０−４Ｐａとした。さらに、スパッタリング収率は、サンプル１では、１．８４となるように、サンプル２では、２．５０となるように、サンプル３では、２．８７となるように、サンプル４では、３．６８となるように、サンプル５では、４．１２となるように、ビーム電圧及びイオンの入射角、またはその組み合わせを設定した。
【００２２】
次に、何れのサンプルにも、キャップ層として膜厚１００ｎｍのＳｉＯ２をスパッタ法にてＦｅ薄膜の上に形成してＦｅ薄膜を被覆した。この時のスパッタ条件は、ＲＦ投入電力を４００Ｗとし、スパッタ圧力を１．０Ｐａとし、基板温度は室温のままとした。
【００２３】
そして、上記のキャップ層で被覆されたＦｅ薄膜が形成された基板を窒素雰囲気中で９００℃で３時間アニールし、β鉄シリサイドのエピタキシャル薄膜を作製した。
【００２４】
次に、各サンプル１乃至５の吸収スペクトルを測定して、β鉄シリサイドのアーバックテールを求めた。その結果を以下の表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１に示したように、１．８４のスパッタリング収率で作製されたβ鉄シリサイドは、アーバックテールが２００ｍｅＶになっている。そして、スパッタリング収率が、２．５０、２．８７、３．６８、４．１２と増加するに従い、作製されたβ鉄シリサイドのアーバックテールは、それぞれ２００、８０、５０、３、１となった。
【００２７】
次に、表１に基づき、スパッタリング収率を横軸とし、アーバックテールを縦軸とするグラフに描いたものを図２に示す。グラフにも現れている通り、アーバックテールの値は、スパッタリング収率が増加するにつれて減少している。そして、スパッタリング収率が２．４以上となれば、アーバックテールの値は、デバイスとしての実用化に適した１００ｍｅＶ以下になることが読み取れる。尚、図２において、点線Ａは、デバイスとして実用可能なアーバックテールの上限値である１００ｍｅＶに相当する線を表す。
【００２８】
従って、スパッタリング収率が所定値、好ましくは２．４以上とするスパッタ法により、β鉄シリサイド薄膜を基板に作製すると、アーバックテールの小さい、即ち構造欠陥が少なく膜質が良好なβ鉄シリサイド領域を基板に作製できることが示された。また、スパッタリング収率を２．４以上とする条件は、イオンの種類やその加速電圧、スパッタ装置内の成膜時の圧力、イオンの入射角などの組合せによって決定される。従って、このようにして作製されたβ鉄シリサイド薄膜を用いて、発光素子や受光素子などのデバイスを作製する場合、実用に耐えうるデバイス特性を有し、発光効率や受光効率を向上することができることが示された。
【００２９】
また、周知のように、スパッタリング収率は、使用されるスパッタ装置の構成や、スパッタ時の加速電圧、イオンの種類、スパッタ装置内部の圧力、基板・ターゲット間の距離、加速されたイオンのターゲットへの入射角などの構造上、及び動作時の条件によって確定される指標である。従って、スパッタ時のイオンの加速電圧や入射角などは、スパッタリング収率を２．４以上とするような数値であれば、適宜の加速電圧、または入射角をスパッタによる成膜時に設定することができる。
【００３０】
なお、本発明においては、「β鉄シリサイド領域」は、シリコン基板の主面の上に作製された主要組成がβ鉄シリサイドからなる薄膜や層状の構造体と、シリコン基板を構成するシリコンの一部が鉄と反応し結晶化してβ鉄シリサイドに変化した領域との両方を意味する用語として用いている。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、シリコン基板にβ鉄シリサイド領域をスパッタ法を用いて所定値以上のスパッタリング収率を満足する条件で作製しているので、作製されたβ鉄シリサイド領域のバンドギャップに生成されたアーバックテールの値を抑制できる。また、この方法により作製されたβ鉄シリサイドを受発光層とする受発光素子を作製した場合、相当量の光電流を受発光層によって生成することができ、実用に適したデバイス特性を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるβ鉄シリサイド領域をシリコン基板に作製するプロセスを説明する図である。
【図２】スパッタリング収率と、アーバックテールの値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  シリコン基板
１６，２０ａ  β鉄シリサイド領域
【図１】
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【図２】
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