(57)【要約】【課題】ＳＯＩ基板上にイオン注入法でＦｅ原子を導入し、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板を製造するための最適の方法を提供すること。【解決手段】ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層に鉄イオンを注入し、その後熱処理することによって、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を形成させることを特徴とする、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法。ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層への鉄イオンの注入量が、表面層のＦｅとＳｉの比が約１：２の組成比を満たす量であり、熱処理温度は、９００℃以上１１００℃未満で、処理時間は１分以上１０分未満であるのが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層に鉄イオンを注入し、その後熱処理することによって、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を形成させることを特徴とする、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法。
【請求項２】
ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層への鉄イオンの注入量が、表面層のＦｅとＳｉのモル比が約１：２の組成比を満たす量であることを特徴とする、請求項１記載の表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法。
【請求項３】
熱処理が、９００℃以上１１００℃未満の温度で、１分以上１０分未満の時間行われることを特徴とする、請求項１又は２記載の表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法。
【請求項４】
熱処理における昇温速度が、１０℃／秒以上の急速加熱の下で行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の方法で製造された、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種半導体デバイスとして利用可能な、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光デバイスは色々な分野で需要が飛躍的に増加してきているが、それに用いられる光デバイス素子に使用されている化合物半導体材料は、殆どが稀少金属で、しかも有毒なため、昨今の環境問題への関心も高まる中、代替材料の開発が望まれている。例えば、通信用光デバイス素子は、化合物半導体のＧａＡｓ系材料が実用化されているが、その原料であるＧａは希少金属で高価であり、Ａｓは有毒であるため、使用後の廃棄問題を考えると、より安価で安全な代替材料の開発が待たれている。
【０００３】
現在、ＧａＡｓ系に変わる光デバイス素子の材料として、安価で毒性も無いβ−ＦｅＳｉ２が最も有力視されている。β−ＦｅＳｉ２は１９９０年代後半に直接遷移構造からの発光特性が確認されてから、環境半導体として着目され始め、国内外を問わず活発に研究開発がなされてきた。ＳｉとＦｅは地球上に潤沢にある元素であり、これらの材料による化合物半導体で光デバイス素子が作製できれば、環境問題と希少金属の資源枯渇問題が一挙に解決できる。
【０００４】
従来、β−ＦｅＳｉ２の作製のために、Ｓｉ基板を用いたイオンビーム合成法やエピタキシャル成長法が採用されている。しかし、Ｓｉ基板上に結晶系を維持したままβ−ＦｅＳｉ２単結晶層を安定して成長させることは、技術的に非常に困難である。また、Ｓｉ基板上にＦｅ原子を物理的に注入し、結果的に表面にβ−ＦｅＳｉ２単結晶層を形成させる方法では、形成したβ−ＦｅＳｉ２単結晶層は、その後の工程における熱処理でＦｅ原子が更にＳｉ基板内部に拡散してしまい、ＦｅとＳｉの化学両論比がずれてしまい、良好なβ−ＦｅＳｉ２単結晶層を維持することが困難であるという問題がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２６３０号公報
【０００５】
以上の問題を解決する方法として、安価で大口径のＳＯＩ基板上にイオン注入法でＦｅ原子を導入し、表面にβ−ＦｅＳｉ２単結晶層を形成させた通信系光デバイス素子が提案されている（特許文献２）。しかしながら、特許文献２には、β−ＦｅＳｉ２単結晶層を形成させるための具体的な方法については開示がない。
【特許文献２】特開２００７−１０９７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、次世代光デバイスの有力材料であるβ−ＦｅＳｉ２に着目し、その膜質を高品質化（結晶性向上）する方法の開発を課題とし、ＳＯＩ基板上にイオン注入法でＦｅ原子を導入する方法について鋭意検討を行った結果、ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層に鉄イオンを注入する際の条件、特に熱処理条件が非常に重要であることを知見し、本発明に到達したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に記載された発明は、ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層に鉄イオンを注入し、その後熱処理することによって、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を形成させることを特徴とする、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法である。なお、ＳＯＩ(Silicon on insulator)基板とは、Ｓｉ膜／ＳｉＯ２膜／Ｓｉ基板からなる絶縁層埋め込み型の半導体基板である。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層への鉄イオンの注入量が、表面層のＦｅとＳｉのモル比が約１：２の組成比を満たす量であることを特徴とする、請求項１記載の表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法である。
【０００９】
請求項３に記載された発明は、熱処理が、９００℃以上１１００℃未満の温度で、１分以上１０分未満の時間行われることを特徴とする、請求項１又は２記載の表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法である。
【００１０】
請求項４に記載された発明は、熱処理における昇温速度が、１０℃／秒以上の急速加熱の下で行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板の製造方法である。
【００１１】
そして、請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法で製造された、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の方法によって得られる光デバイス基板は、表面のβ−ＦｅＳｉ２層の結晶性が向上するので、デバイス特性の優れた光素子を作製するのに利用できる。また、その製造にＳＯＩ基板を用いているので、光デバイス基板の大口径化が図られ、その結果、大幅なコストダウンも期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、表面にβ−ＦｅＳｉ２層を有する光デバイス基板を製造する方法であって、ＳＯＩ基板を用い、その表面Ｓｉ層に鉄イオンを注入し、その後熱処理することによって、表面Ｓｉ層をβ−ＦｅＳｉ２の単結晶層に変成させることを特徴とする。本発明の方法においては、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜層を反応阻止層として機能させることにより、ＦｅＳｉ２層のストイキオメトリを精密に制御でき、熱処理によってβ−ＦｅＳｉ２層の結晶性を向上させることができるものと推察される。ＳＯＩ基板（Ｓｉ膜／ＳｉＯ２膜／Ｓｉ基板）としては、市販のものを用いることができる。
【００１４】
本発明者は、小消費電力半導体用に販売されているＳＯＩ基板（Ｓｉ膜／ＳｉＯ２膜／Ｓｉ基板）を利用すれば、ＳｉＯ２層がバリアーとして働くので、Ｓｉの拡散が回避され、化学量論比（モル比）が正確に１：２のＦｅＳｉ２デバイスを作製できると考え、その製造条件について鋭意研究した結果、イオン注入後の熱処理条件を、例えば、赤外線（ＩＲ）放射加熱で１０℃／秒以上の昇温速度で昇温し、９００〜１１００℃の温度で、１〜１０分間保持することで、高品質のＦｅＳｉ２膜を作製できることを見出した。この際、温度や時間が不足すると、イオン注入状態から結晶性が改善せず、温度や時間をかけ過ぎると、Ｆｅは酸素との親和性が強いので酸素の拡散のために結晶性がより悪くなるということも分かった。
【００１５】
本発明において用いられるＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ２絶縁層とその上に更に薄いＳｉ層が乗っている三層構造をしている。一番上のＳｉ層は厚さが最大０．１μｍと薄いため、Ｆｅ原子を注入し表面にβ−ＦｅＳｉ２単結晶層を形成した後、熱処理によってもＦｅの内部への拡散がＳｉＯ２層により阻害され、β−ＦｅＳｉ２の単結晶層が維持でき、通信用光デバイス素子等の光デバイス基板として十分使用に耐えるものである。特に、ＳＯＩにおいて表面のＳｉ層の厚さは、４０〜６０ｎｍ、特に５０nm程度が好ましい。Ｓｉ層の厚さが５０ｎｍ程度のものが、現在の市販ＳＯＩウェーハの標準膜厚であり、本発明においてもこれをそのまま利用できる。５０ｎｍよりも余りに薄過ぎると、β−ＦｅＳｉ２単結晶層形成時において、下部ＳｉＯ２の影響による結晶性低下が懸念されるし、余りに厚過ぎると、イオン注入量が多くなることによる結晶性低下及び生産性低下が懸念されるので、好ましくない。４０〜６０ｎｍ、特に５０nm程度の厚さであれば、後の熱処理工程に対してもより安定なβ−ＦｅＳｉ２単結晶層が形成される。
【００１６】
鉄イオンを注入するための装置としては、半導体中に注入する原子をイオン化するイオンビーム発生装置と、イオンビームを加速する加速装置と、イオンビーム発生装置によって発生したイオンビームを集光し、イオン注入される試料（半導体基板）が保持された試料室に導き、試料面上でイオンビームを走査して試料面にイオンを注入することができる手段と、試料を１４００℃程度まで加熱保持できる装置とを有する、公知の高温イオン注入装置を用いることができる。前記イオン注入装置によって注入する鉄イオンの加速電圧は、通常２０〜１００ｋｅＶが用いられる。
【００１７】
ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層への鉄イオンの注入量は、表面層のＦｅとＳｉのモル比が約１：２の組成比を満たす量であるのが好ましい。
【００１８】
鉄イオンの注入の後に行う熱処理工程は、イオンの注入において発生した格子欠陥を最大限に減少させるために行うもので、本発明においては、これを、好ましくは９００℃以上１１００℃未満の温度範囲で、１分以上１０分未満の時間範囲で行うものである。特に好ましくは、９５０〜１１００℃の温度範囲で、２〜７分の時間範囲である。また、熱処理は、例えば、抵抗加熱ヒータ、誘導加熱、エレクトロン（電子ビーム）、レーザー（ビーム）等を使用することができるが、赤外線照射によって、昇温速度が１０℃／秒以上の急速加熱の条件下で行うのが好ましい。前記熱処理は真空中で行って良く、あるいは不活性雰囲気ガス中で行っても良い。不活性ガスとしては、高純度のアルゴンガスが好ましい。
【実施例１】
【００１９】
［実験］
ＳＯＩ基板（表面Ｓｉ層／埋め込み酸化膜層＝５５ｎｍ／１４５ｎｍ）に鉄イオン（Ｆｅ＋）を注入し、その後熱処理することによって、表面Ｓｉ層をβ−ＦｅＳｉ２単結晶層に変性させた。即ち、表面側から、ドーズ量１．２５×１０１７／ｃｍ２の鉄イオンを、エネルギー３５ｋｅＶでイオン注入し、その後、真空雰囲気で４００〜１３５０℃で、保持時間０．５分及び５分間の熱処理を実施した。熱処理後のβ−ＦｅＳｉ２層の結晶性評価にはＸ線回折法を用いた。
【００２０】
［結果］
図１に、鉄イオン注入されたＳＯＩ基板の熱処理後の、X線回折強度変化を示した。X線回折角はβ−ＦｅＳｉ２結晶で得られる２θ＝４５°である。保持時間5分のアニールにおいては、９５０〜１０５０℃熱処理でβ−ＦｅＳｉ２結晶性が急激に向上していることが観察される。また、保持時間０．５分のアニールにおいては、１２５０℃程度でβ−ＦｅＳｉ２結晶性が向上しているものの、保持時間５分での結晶性向上と比較すると数段小さいことが分かる。これらの結果は、Feイオンが注入されたＳＯＩ基板の熱処理により、良好なβ−ＦｅＳｉ２結晶層を形成できたことを示すものである。
【００２１】
実施例１において、ＳＯＩ基板への鉄イオン（Ｆｅ＋）注入後（熱処理前）の、ＳＯＩ基板の深さ方向の元素プロファイル評価を、Ｘ線光電子分光（ＥＳＣＡ）法を用いて行い、その結果を図２に示した。図２より、エッチング時間が３０〜１４０秒において、組成濃度４０％程度の鉄が観察される。この結果は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜（ＳｉＯ２膜）上に、ＦｅＳｉ２ストイキオメトリとほぼ一致した層が形成されたことを示している。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の光デバイス基板は、光通信として使用されている赤外線領域の波長を有する光デバイスへの適用が期待される。また、この材料はβ−ＦｅＳｉ２であることより、現在の電子デバイス材料であるＳｉ系基板との融合ができ、将来の光電子集積回路の基板材料への展開も期待できる。また、ＳＯＩ基板を利用するので、ＧａＡｓ系材料より大幅なコストダウンが期待できる。本発明で得られる光デバイス基板は、光電変換素子用半導体材料としての利用に加えて、熱電変換素子用材料として利用可能であり、太陽電池や小型の廃熱利用発電機、（温室効果ガスとなる）冷媒を使わない冷却器への応用が期待されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の光デバイス基板の、熱処理条件とβ−ＦｅＳｉ２層の結晶性の関係を示す図である。
【図２】本発明の光デバイス基板において、鉄イオン注入後（熱処理前）のＳＯＩ基板の深さ方向の元素プロファイルを示す図である。
【図１】
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【図２】
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