(57)【要約】【課題】β−ＦｅＳｉ２層からＳｉ基板中へのＦｅの拡散を抑止し、電子素子の性能を向上させ、光・電子半導体集積素子を高歩留、且つ安価に製作可能とする。【解決手段】同一Ｓｉ基板上に複数の光半導体素子が形成された半導体集積素子又は同一Ｓｉ基板上に光半導体素子と電子半導体素子が形成された半導体集積素子であって、光半導体素子の能動層がＦｅ−Ｓｉ化合物を含む半導体集積素子において、Ｆｅ−Ｓｉ化合物層２とＳｉ基板１の間に、高濃度ｐ型Ｓｉ層８及び９又はその一方を有し、且つ高濃度ｐ型Ｓｉ層のアクセプタ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である構造とする。【選択図】　　　図１
2004140299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一Ｓｉ基板上に複数の光半導体素子が形成された半導体集積素子であって、光半導体素子の能動層がＦｅ−Ｓｉ化合物を含む半導体集積素子において、
Ｆｅ−Ｓｉ化合物層とＳｉ基板の間に、高濃度ｐ型Ｓｉ層を有し、且つ高濃度ｐ型Ｓｉ層のアクセプタ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体集積素子。
【請求項２】
同一Ｓｉ基板上に光半導体素子と電子半導体素子が形成された半導体集積素子であって、光半導体素子の能動層がＦｅ−Ｓｉ化合物を含む半導体集積素子において、
Ｆｅ−Ｓｉ化合物層とＳｉ基板の間に、高濃度ｐ型Ｓｉ層を有し、且つ高濃度ｐ型Ｓｉ層のアクセプタ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする半導体集積素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体集積素子において、
高濃度ｐ型Ｓｉ層のドーパントがＢもしくはＡｌ、またはＢとＡｌの両方であることを特徴とする半導体集積素子。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の半導体集積素子において、
高濃度ｐ型Ｓｉ層がＢドープ層とＡｌドープ層の二層で構成されていることを特徴とする半導体集積素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体集積素子において、
Ｓｉ基板の裏面に、ＢもしくはＡｌのドープによる高濃度ｐ型Ｓｉ層が形成されていることを特徴とする半導体集積素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積素子に係り、特に同一Ｓｉ基板上に複数の光半導体素子が形成された光半導体集積素子又は光半導体素子と電子半導体素子が形成された光・電子半導体集積素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フォトカプラやフォトインタラプタ等の受光素子として使用されるフォトトランジスタの製造については、エミッタ形成予定領域の周囲にたとえばＰ＋型のベース拡散領域を予め形成した後、硼素（Ｂ＋）と砒素（Ａｓ＋）のような二種類のイオンを打ち込み、一回の熱処理により、エミッタ層とその直下のベース層とを同時に形成する、といったことが行われる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、導波路と光検出手段をモノリシックに集積した光検出器において、ｐ型不純物拡散層とｎ型不純物拡散層の少なくとも一方を光検出手段の近傍に選択的に設け、且つそれぞれの領域に電極を設ける構造なども知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
一方、Ｆｅ−Ｓｉ化合物であるベータ鉄シリサイド（以下、β−ＦｅＳｉ２）は、バンドキャップが約０．８５ｅＶの直接遷移型半導体であり、１．５μｍ波長帯の発光ダイオードやレーザーの能動層材料として応用が可能である。この波長帯は、石英光ファイバの損失が最低となることから、光ファイバを用いた情報システム用デバイス材料として注目されている。特に、β−ＦｅＳｉ２はＳｉとの格子定数の差が約５％と小さく、単結晶Ｓｉの（１００）面上へのエピタキシャル成長が可能である。このため、β−ＦｅＳｉ２を能動層に用いた光半導体素子（発光素子、受光素子）とＳｉ系光半導体素子及び電子半導体素子をモノリシックに集積させた光半導体集積素子や光・電子半導体集積素子の開発が精力的に進められている。さらに、β−ＦｅＳｉ２は、Ｆｅ、Ｓｉといった資源的制約がなく安全な元素で構成されるため、環境への負荷が極めて小さい半導体材料としても注目されている。
【０００５】
図３は、β−ＦｅＳｉ２を能動層に用いた受光素子と、Ｓｉ系電子素子で構成される電子回路をモノリシックに集積させた従来の光・電子半導体集積素子の一例を簡略化して示すものである。本図を用いて光・電子半導体集積回路の構成を簡単に説明する。
【０００６】
受光素子は、Ｓｉ基板１上にエピタキシャル成長させたｎ型Ｓｉ層２、ｎ型β−ＦｅＳｉ２層３及びｐ型β−ＦｅＳｉ２層４から構成される。ｎ型β−ＦｅＳｉ２層３とｐ型β−ＦｅＳｉ２層４は受光素子の能動層であり、波長１．５μｍよりも短波長の光を電気信号に変換することができる。受光素子の電気信号を外部に取り出すためｐ型β−ＦｅＳｉ２層４上にアノード電極５、及びｎ型Ｓｉ層２上にカソード電極６がそれぞれ形成されている。
【０００７】
詳細には図示されていないが、ｎ型Ｓｉ層２、ｎ型β−ＦｅＳｉ２層３及びｐ型β−ＦｅＳｉ２層４が選択的に除去された図中二点破線で示す領域７には、Ｓｉ系電子素子が形成されており、受光素子の電気信号を処理するための電子回路が構成されている。電子素子と受光素子の表面は、図中では省略されている絶縁膜で覆われ、さらに、電子素子と受光素子の間は、図中では省略されている金属配線により電気的に接続されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−０６３２２８号公報（段落番号００１２）
【０００９】
【特許文献２】
特開平５−１６０４３０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示すような光・電子半導体集積素子の製作においては、エピタキシャル成長や不純物拡散等の半導体素子製造工程が不可欠である。これらの工程においては、素子形成用のＳｉ基板を８００℃〜９００℃程度の温度で、最短でも３０分以上熱処理する必要がある。
【００１１】
一方、β−ＦｅＳｉ２層のエピタキシャル成長において、程度の差はあるにしても余剰なＦｅ原子が膜中に取り込まれることは不可避である。これらの余剰なＦｅ原子は、エピタキシャル成長や拡散工程の熱処理によりＳｉ基板中に拡散する。Ｓｉ中に不純物として存在するＦｅ原子は、バンドキャップ中に深い準位を形成し、電子や正孔をトラップする。これらの深い準位は、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタの性能を著しく低下させ、スイッチング動作不良、応答特性不良、増幅率低下等の問題を引き起こす。これらの問題を回避するためには、深い準位の密度を１０１２ｃｍ−３台に抑える必要がある。
【００１２】
図３に示す、光・電子半導体集積素子の領域７をＤＬＴＳ（ｄｅｅｐ　ｌｅｖｅｌ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｐｅｃｔｏｒｓｃｏｐｙ）で評価した結果、１０１６ｃｍ−３台の深い準位が存在することが確認された。この高密度の深い準位により、電子素子がスイッチング動作不良、応答特性不良、増幅率低下等を呈し、光・電子半導体集積素子としての所望の性能を得ることができなかった。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、β−ＦｅＳｉ２層からＳｉ基板中へのＦｅの拡散を抑止し、電子素子の性能を向上させ、光・電子半導体集積素子を高歩留で製作するとともに、安価に提供することにある。
【００１４】
【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、次のように構成したものである。
【００１５】
請求項１の発明に係る半導体集積素子は、同一Ｓｉ基板上に複数の光半導体素子が形成された半導体集積素子であって、光半導体素子の能動層がＦｅ−Ｓｉ化合物を含む半導体集積素子において、Ｆｅ−Ｓｉ化合物層とＳｉ基板の間に、高濃度ｐ型Ｓｉ層を有し、且つ高濃度ｐ型Ｓｉ層のアクセプタ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明に係る半導体集積素子は、同一Ｓｉ基板上に光半導体素子と電子半導体素子が形成された半導体集積素子であって、光半導体素子の能動層がＦｅ−Ｓｉ化合物を含む半導体集積素子において、Ｆｅ−Ｓｉ化合物層とＳｉ基板の間に、高濃度ｐ型Ｓｉ層を有し、且つ高濃度ｐ型Ｓｉ層のアクセプタ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体集積素子において、高濃度ｐ型Ｓｉ層のドーパントがＢもしくはＡｌ、またはＢとＡｌの両方であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の半導体集積素子において、高濃度ｐ型Ｓｉ層がＢドープ層とＡｌドープ層の二層で構成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体集積素子において、Ｓｉ基板の裏面に、ＢもしくはＡｌのドープによる高濃度ｐ型Ｓｉ層が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
＜発明の要点＞
本発明に係わる半導体集積素子では、Ｆｅ−Ｓｉ化合物層の例えばβ−ＦｅＳｉ２をエピタキシャル成長させる前に、高キャリア濃度のｐ型Ｓｉ層を形成する。このｐ型Ｓｉ層は、Ｂドープｐ型層、または、Ａｌドープｐ型層、または、Ｂドープｐ型層とＡｌドープｐ型層の二層から構成される。アクセプタであるＢ、Ａｌの濃度はいずれも５×１０１８ｃｍ−３以上である。
【００２１】
Ｆｅ原子は、熱処理により容易にＳｉ中を移動し、その拡散係数は、１．１×１０−３ｅｘｐ（−０．６６／ｋＴ）ｃｍ２ｓ−１程度と見積られる。ところが、ＢやＡｌを高濃度にドープしたＳｉ層中では、Ｆｅの見かけ上の拡散係数は約２桁小さくなる。これは、ＢやＡｌを高濃度にドープしたＳｉ層中では、Ｂ−Ｆｅ化合物あるいはＡｌ−Ｆｅ化合物が短時間で形成され、これらの化合物の拡散係数がＦｅ単体に比べて極端に小さくなるためと考えられる。
【００２２】
従って、ＢやＡｌを高濃度にドープしたＳｉ層をβ−ＦｅＳｉ２層とＳｉ基板の間に形成することにより、β−ＦｅＳｉ２層からＳｉ基板へのＦｅ原子の拡散を抑止することが可能になる。この結果、Ｓｉ基板中の深い準位の密度が低く抑えられ、電子半導体素子の性能を向上させることが可能となる。
【００２３】
一方、ＢやＡｌを高濃度にドープしたＳｉ層中のＦｅ濃度は高くなるが、これらの層は能動層ではないため、素子特性に影響を与えることはない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図示の発光素子の実施例に基づいて説明する。
【００２５】
＜第一実施例＞
図１は、β−ＦｅＳｉ２を能動層に用いた受光素子と、Ｓｉ系電子素子で構成される電子回路をモノリシックに集積させた半導体集積素子（光・電子半導体集積素子）の一例を簡略化して示すものである。
【００２６】
まず、Ｓｉ基板１上に拡散法によりＡｌドープによる高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層８を形成した。この層の平均的なＡｌ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３とした。次に、Ａｌドープによる高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層８の上に、Ｂドープによる高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層９をエピタキシャル成長させた。この層のＢ濃度は１×１０１９ｃｍ−３とした。
【００２７】
Ｂドープ及びＡｌドープによる高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層９、８を形成した後、受光素子の構成層であるｎ型Ｓｉ層２、ｎ型β−ＦｅＳｉ２層３及びｐ型β−ＦｅＳｉ２層４をエピタキシャル成長法で形成した。
【００２８】
Ｓｉ系電子素子は、主にＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタで構成した。これらの素子は、図１において詳細には示していないが、Ｂドープ及びＡｌドープによる高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層９、８、ｎ型Ｓｉ層２、ｎ型β−ＦｅＳｉ２層３及びｐ型β−ＦｅＳｉ２層４を選択的に除去した後、図中二点破線で示した領域（Ｓｉ系電子素子形成領域）７に形成した。電子素子の電極を形成する過程で、受光素子のアノード電極５及びカソード電極６も同時に形成した。また、図１では省略されているが、電子素子と受光素子の表面は絶縁膜で覆われ、さらに、電子素子と受光素子の間は金属配線により電気的に接続されている。
【００２９】
図１に示した実施例において、Ｆｅ原子の拡散を抑止するための高キャリア濃度ｐ形Ｓｉ層は、Ｂドープ層９とＡｌドープ層８の二層で構成し、アクセプタ濃度はいずれも１×１０１９ｃｍ−３とした。この構成において、領域７の深い準位の密度をＤＬＴＳ法で評価したところ、２×１０１２ｃｍ−３と低い値であった。この結果から、高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層８、９が、Ｆｅ拡散の抑止層として効果的に機能していることが確認できた。また、Ｓｉ系電子素子形成領域７に形成した電子素子もほぼ設計通りに動作することが確認できた。
【００３０】
また、高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層をＢドープ層単層、あるいは、Ａｌドープ層単層で構成した場合も評価した。アクセプタ濃度を５×１０１８ｃｍ−３とし、Ｂドープ層単層で構成した場合の領域７における深い準位の密度は８×１０１２ｃｍ−３であった。一方、同じアクセプタ濃度のＡｌドープ層単層の場合は６×１０１２ｃｍ−３であった。いずれの場合においても、Ｓｉ系電子素子形成領域７に形成した電子素子は、ほぼ設計通りの性能を示した。ところが、アクセプタ濃度が５×１０１８ｃｍ−３よりも低くなると、深い準位の密度は急激に増加し２×１０１３ｃｍ−３以上となった。この場合、領域７に形成した電子素子にはスイッチング動作不良、応答特性不良、増幅率低下等の不良が多発し、素子の歩留が著しく低下した。
【００３１】
＜第二実施例＞
図２は、β−ＦｅＳｉ２を能動層に用いた受光素子と、Ｓｉ系電子素子で構成される電子回路をモノリシックに集積させた半導体集積素子（光・電子半導体集積素子）の変形例を簡略化して示すものである。
【００３２】
図１に示した第１実施例に対して、Ｓｉ基板１の裏面に、ＢドープまたはＡｌドープによる高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層１０が形成されている。このｐ型Ｓｉ層を素子形成の過程で形成し、素子形成後に４００℃〜７００℃の温度範囲で３０分〜１２０分程度熱処理すると、Ｓｉ基板中の深い準位密度はさらに低減され、１×１０１２ｃｍ−３以下になった。これは、Ｓｉ基板中に存在した極微量のＦｅ原子が、熱処理中に高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層１０に取りこまれたためと考えられる。このような処理をした電子素子の特性はさらに改善され、歩留も向上した。高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層１０は、熱処理終了後に除去することが可能である。
【００３３】
本発明は、同一Ｓｉ基板上に光半導体素子と電子半導体素子が形成された半導体集積素子（光・電子半導体集積素子）だけでなく、同一Ｓｉ基板上に複数の光半導体素子が形成された半導体集積素子についても適用することができる。そして、これらの半導体集積素子は、石英系光ファイバを用いた情報システムや通信システム用のデバイスとして使用することができる。
【００３４】
また、テレビ、エアコン等で使用されるリモートコントロールシステムにも応用が可能である。従来は、ＧａＡｓＬＥＤとその駆動のためのＳｉＩＣをディスクリート素子で構成する必要があったが、本発明を適用することにより、赤外ＬＥＤと駆動用ＩＣをモノリシックに構成することが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、同一Ｓｉ基板上に複数の光半導体素子が形成された半導体集積素子又は同一Ｓｉ基板上に光半導体素子と電子半導体素子が形成された半導体集積素子であって、光半導体素子の能動層がＦｅ−Ｓｉ化合物を含む半導体集積素子において、Ｆｅ−Ｓｉ化合物層とＳｉ基板の間に、高濃度ｐ型Ｓｉ層を有し、且つ高濃度ｐ型Ｓｉ層のアクセプタ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である構成としたので、β−ＦｅＳｉ２系受発光素子とＳｉ系半導体素子をモノリシックに集積させる際の阻害要因であるＦｅの拡散を抑止することができる。このため、本発明によれば、Ｓｉ系半導体素子の歩留を大幅に向上させることが可能になり、環境への負荷が極めて小さいβ−ＦｅＳｉ２系素子を用いた光・電子半導体集積素子等の半導体集積素子を安価に供給できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第一実施例のβ−ＦｅＳｉ２系受光素子と、Ｓｉ系電子素子をモノリシックに集積させた光・電子半導体集積素子の断面構造の概略図である。
【図２】本発明に係わる第二実施例のβ−ＦｅＳｉ２系受光素子と、Ｓｉ系電子素子をモノリシックに集積させた光・電子半導体集積素子の断面構造の概略図である。
【図３】従来のβ−ＦｅＳｉ２系受光素子とＳｉ系電子素子をモノリシックに集積させた光・電子半導体集積素子の断面構造の概略図である。
【符号の説明】
１　Ｓｉ基板
２　ｎ型Ｓｉ層
３　ｎ型β−ＦｅＳｉ２層
４　ｐ型β−ＦｅＳｉ２層
５　アノード電極
６　カソード電極
７　Ｓｉ系電子素子形成領域
８　Ａｌドープ高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層
９　Ｂドープ高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層
１０　ＡｌまたはＢドープによる高キャリア濃度ｐ型Ｓｉ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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