JP4172184B2 - 半導体基板への亜鉛拡散方法、半導体基板の加熱方法。 - Google Patents
半導体基板への亜鉛拡散方法、半導体基板の加熱方法。 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、V族構成元素としてリンを含むIII−V族化合物半導体が表面に現れる半導体基板に亜鉛を拡散する、半導体基板への亜鉛拡散方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
InP基板を用いて半導体デバイスを作製する際には、InP基板へ亜鉛を拡散する工程やInP基板へイオンを注入した後のアニール工程といったInP基板加熱工程が実施される。InP基板加熱工程においては、InP基板が例えば550℃程度といった高い温度に加熱される。このような高温に加熱されると、InP基板の表面でInPが熱分解し、InおよびPがそれぞれ析出することとなる。ところが、Pの蒸気圧は、Inに比べ高いため、析出したPの大部分は昇華してしまい、いわゆるリン抜けという現象が発生する。リン抜けが発生すると、InP基板の表面には多数の欠陥が発生してしまう。
【0003】
また、リン抜けは、InP基板ばかりでなくGaP基板においても生じ、さらに、GaAs基板上に成長されたGaxIn1-xP(0<x<1)といった半導体膜においても生じる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
リン抜けを防止する方法は、例えば、特開2000−49105号公報に記載されている。この公報に記載の方法では、表面が粗面化されたノンドープInP基板(以下、ダミー基板)がInP基板の表面に対面するように配置される。このような状態で、InP基板およびダミー基板を同時に加熱する。このようにすれば、ダミー基板からPが昇華し、InP基板の表面が所定の蒸気圧のP蒸気に晒されることとなる。このP蒸気によりInP基板からのリン抜けが防止される。
【0005】
しかしながら、上記の方法においては、InP基板の大口径化に伴い以下の問題が生じる。InP基板の表面全面にP蒸気を晒すためには、ダミー基板はInP基板よりも大きな直径を有している必要がある。現在、広く使用されつつある直径4インチのInP基板を上記の方法により加熱しようとすれば、直径が4インチを超えるダミー基板が必要となる。しかし、このようなダミー基板を入手することは難しい。また、譬え入手できたとしても、このようなダミー基板は高価であるため、InP基板の加熱工程に要するコストが上昇してしまう。しかも、本発明者らの知見によれば、ダミー基板を使用できる回数は3回程度であるため、高価なダミー基板の使用に伴うコストの上昇は重大な問題となる。
【0006】
このような事情を鑑み、本発明者らは、ダミー基板を使用することなくInP基板を加熱する方法について検討を重ね、本発明に到達した。
【0007】
本発明の目的は、V族構成元素としてリンを有するIII−V族化合物半導体が表面に現れる半導体基板をリン抜けが発生しないように加熱するとともに当該基板中に亜鉛を拡散する方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体基板への亜鉛拡散方法は、V族構成元素としてリンを含むIII−V族化合物半導体が表面に現れる半導体基板に亜鉛を拡散する方法であって、(1)スズ、インジウム、およびリンを主体とする合金と、亜鉛およびリンを含む原料と、半導体基板とを加熱炉内に配置する工程と、(2)合金の加熱により合金から発生するリンの蒸気を半導体基板の表面に晒したまま半導体基板を加熱する工程と、(3)半導体基板を加熱したまま、所定の時間、原料の加熱により原料から発生する亜鉛およびリンの蒸気を表面に晒す工程と、を備え、(4)上記の合金は、スズに対するインジウムのモル比が0.65以上1.3以下となるように用意されたスズ材およびインジウム材と、インジウムリン材またはリン材とから得られる。
【0009】
上記の亜鉛拡散方法によれば、半導体基板が加熱される際に、上記の合金からリンの蒸気が発生し、リンの蒸気が半導体基板の表面に晒される。このため、半導体基板からのリン抜けが防止される。また、半導体基板を所定の時間加熱している間に、リンと亜鉛の蒸気が半導体基板の表面に晒されるため、当該基板からのリン抜けが防止されると共に、同半導体基板中に亜鉛が拡散される。また、スズに対するインジウムのモル比が0.65以上1.3以下となるように用意されたスズおよびインジウムと、インジウムリンまたはリンとから上記の合金が得られるため、合金中のIn濃度を高くすることができる。このため、合金からのSn蒸気の発生が抑制され、Snによる汚染が防止される。
【0010】
また、(1)上記の配置する工程において、加熱炉内に設けられ底部に複数の貫通孔を有し該底部は半導体基板の表面に対面するよう設けられた第1の容器内に合金が配置され、第1の容器に隣接し底部に開口部を有する第2の容器内に原料が配置され、(2)上記の加熱する工程において、第1の容器はその底部が半導体基板に対面するように配置され、(3)上記の晒す工程において、第2の容器は半導体基板の上方に配置される。
【0011】
また、晒す工程の後、表面が合金から発生するリンの蒸気に晒されるよう半導体基板の温度を下げる工程を更に備えると好ましい。このようにすれば、半導体基板の温度を下げる際にも、リン抜けが防止される。
【0012】
さらに、上記の温度を下げる工程において、第1の容器の底部が半導体基板に対面するように第1の容器が配置されると好ましい。このようにすれば、半導体基板の温度を下げる際に、半導体基板の表面にリンの蒸気を確実に晒すことができる。
【0013】
また、上記の合金を得る際、上記スズ材、上記インジウム材、および上記インジウムリン材またはリン材の温度を半導体基板が加熱されるべき温度以上とすると好ましい。このようにすれば、合金が加熱されて当該合金からリンの蒸気が発生するときに、合金中のリン濃度を飽和濃度とできる。
【0014】
さらに、上記の合金から発生するリンの蒸気を半導体基板の表面に晒す際、合金には固体のインジウムリンまたはリンが含まれていると有益である。このようにすれば、合金中のリン濃度を一層確実に飽和濃度とできる。
【0015】
本発明に係る半導体基板の加熱方法は、V族構成元素としてリンを含むIII−V族化合物半導体が表面に現れる半導体基板を加熱する方法であって、(1)スズ、インジウム、およびリンを主体とする合金と、半導体基板とを加熱炉内に配置する工程と、(2)合金の加熱により合金から発生するリンの蒸気を半導体基板の表面に晒したまま半導体基板を加熱する工程と、を備え、(4)上記の合金は、スズに対するインジウムのモル比が0.65以上1.3以下となるように用意されたスズ材およびインジウム材と、インジウムリン材またはリン材とから得られる。
【0016】
また、加熱する工程の後に、半導体基板を加熱したまま、所定の時間、合金から発生するリンの蒸気を半導体基板の表面に晒す工程を更に備えると好適である。このようにすれば、半導体基板を所定の時間加熱しても、半導体基板からのリン抜けが防止される。
【0017】
さらに、晒す工程の後に、半導体基板の表面に上記の合金から発生するリンの蒸気が晒されるよう半導体基板の温度を下げる工程を更に備えると好適である。このようにすれば、半導体基板の温度を下げる際にも半導体基板からのリン抜けが防止される。
【0018】
さらにまた、配置する工程において、加熱炉内に設けられ底部に複数の貫通孔を有し当該底部は半導体基板の表面に対面するよう設けられた容器内に合金が配置され、合金から発生するリンの蒸気に表面が晒されている際には、第1の容器の底部は表面に対面すると好適である。このようにすれば、半導体基板からのリン抜けが一層確実に防止される。
【0019】
また、合金を得る際、上記スズ、上記インジウム、および上記インジウムリンまたはリンの温度を半導体基板が加熱されるべき温度以上とすると好ましい。また、上記の合金から発生するリンの蒸気に表面が晒されている際には、合金には固体のインジウムリン材またはリン材が含まれていると有益である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体基板の加熱方法および半導体基板への亜鉛拡散方法の好適な実施形態を説明する。なお、図面の説明においては、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものとは必ずしも一致していない。
【0021】
(第1の実施形態)
本発明に係る半導体基板への亜鉛拡散方法の一実施形態を説明する。初めに、第1の実施形態において好適に使用される加熱拡散炉について説明する。図1は、加熱拡散炉の一構成を示す模式図である。図示の通り、加熱拡散炉1は、InP基板Wが収納される石英管10と、石英管10の外周面を取り囲むよう設けられたヒータ20と、石英管10の内部に載置されるとともに基板Wを保持する支持台30と、支持台30上に摺動可能に設けられた治具40と、治具40を摺動するための操作棒45とを備える。
【0022】
石英管10は、ガス供給口10aおよびガス排気口(図示せず)を有する。ガス供給口10aにはガス供給源(図示せず)が接続されている。ガス供給源からは、水素(H2)ガス又は窒素(N2)ガスといったパージガスを1〜3リットル/分程度の流量で石英管10内に供給できる。
【0023】
支持台30には、基板Wが収納される凹部30aが設けられている。また、支持台30には熱電対Tが挿入されている。熱電対Tの先端は凹部30aの下方に位置している。熱電対Tにより基板Wの温度がモニタされる。支持台30は、高純度カーボン製であることができる。また、支持台30上を治具40が摺動する際には摩擦により粉が発生することがあるため、支持台30の表面はシリコンカーバイト(SiC)膜で被覆されていると好ましい。
【0024】
図1を参照すると、治具40は、ボート41および枠体42を有する。これらは、治具40が摺動する方向に互いに隣り合っている。ボート41は、互いに重なり合う底板41aおよび底板41bと、底板41b上に載置される枠部41cを有する。枠体42は、枠部42aおよび蓋部42bから構成される。また、枠部42aには棚部42cが設けられている。棚部42cには、後述するように、拡散原料120が収納される。
【0025】
図2を参照しながら、治具40の構成を詳しく説明する。図2は、治具40を蓋部42bを除いた状態で示す上面図である。図示の通り、ボート41は、枠部41cに加えて板41dを底板41b上に有する。枠部41cおよび板41dにより領域Rが規定される。領域Rには、底板41bに設けられた貫通孔hが現れている。後述するように、領域Rには、Sn、In、およびPを主体とする合金が配置される。また、治具40は、枠部42aが基板Wの上方に位置するように配置されている。図2に示す通り、枠部42aに囲まれた領域は基板Wより大きい。このため、拡散原料120から発生するZnおよびPの蒸気が基板Wの全面に晒されることとなる。
【0026】
図3(a)は底板41aの平面図であり、図3(b)は底板41bの平面図である。図3(a)および(b)を参照すると、底板41a,41bは矩形である。底板41a,41bの短辺Lは、基板Wの直径よりも長い。短辺Lの長さは、具体的には、基板Wの直径100mmに対し、例えば105mm程度とすることができる。図3(a)に示す通り、底板41aには複数の貫通孔Hが格子状に配置されている。貫通孔Hの直径は0.5mm程度とすることができる。また、貫通孔Hの間隔は、5〜6mmとすることができる。図3(b)に示す通り、底板41bには貫通孔hが複数設けられている。貫通孔hの直径は0.5mm程度とすることができる。また、貫通孔hの間隔は10mm程度とすることができる。
【0027】
再び図1を参照すると、治具40には操作棒45が設けられており、これにより、治具40は支持台30上を摺動されることができる。治具40は、ボート41の底部が凹部30aに収納された基板Wに対面するよう配置されることができる。また、治具40は、枠体42の枠部42bが基板Wの上方に位置するよう配置されることもできる。治具40は、支持台30と同様に、高純度カーボンから作製される。また、治具40の支持台30と接触する面は、SiCで被覆されていると好ましい。
【0028】
ヒータ20には、ヒータ20に電力を供給する電源装置(図示せず)が接続されている。ヒータ20に電力が供給されると、ヒータ20からの輻射熱により支持台30および治具40が加熱される。
【0029】
続いて、図4(a)〜(d)を参照しながら、第1の実施形態によるInP基板への亜鉛拡散方法を説明する。第1の実施形態は、加熱拡散炉1を用いて実施される。図4(a)〜(d)は、第1の実施形態の亜鉛拡散方法を説明する図である。
【0030】
(合金の準備工程)
初めに、Sn、In、およびPを主体とする合金(以下、Sn−In−P合金)を準備する手順を説明する。先ず、SnおよびInの原料を用意する。これらの原料としては、例えば、SnおよびInの高純度ペレットを使用できる。ここで、高純度とは、99.999%程度の純度を意味する。
【0031】
次に、Snに対するInのモル比が0.65〜1.3の範囲の値となるようにSnおよびInを秤量する。Snに対するInのモル比が0.65未満のときは、後の工程において基板Wを加熱する際、Snが蒸発し易くなり、蒸発したSnによりInP基板が汚染されてしまう。また、Sn−In合金中のSnに対するInのモル比が1.3よりも大きいときは、後の工程において融解したSnおよびInにInPを溶解させる際、溶解するInPの量がIn濃度により制限されてしまいP濃度を十分に高くすることができない。そのため、基板Wを加熱する際、十分なP蒸気を供給できなくなってしまう。
【0032】
また、後の工程において底板41b上に載置されたSn−In−P合金が融解されたときに、融解されたSn−In−P合金が底板41bの貫通孔hのすべてを覆うと好ましい。この状況が実現されるに十分な量の当該合金が得られるようにSnおよびInの原料の質量が決定される。
【0033】
続いて、InP原料が用意される。ここで、InP原料は、例えば、高純度InPの多結晶片であることができる。また、InP原料は、高純度InP基板を粉砕した欠片又は粉末であってもよい。InP原料の質量は、後の工程において、Sn−In−P合金を得る際、融解した合金に固体のInPが残るよう決定される。なお、純度を考慮すればInP原料が好適であるが、InP原料に替わり赤リンを用いても構わない。赤リンを用いる場合でも融解した合金中に固体の赤リンが残るようにすると好ましい。
【0034】
図4(a)に示す通り、以上のようにして得たSn、InおよびInPを加熱拡散炉1のボート41内に載置する。この後、ヒータ20に通電し、Sn、In、およびInPを加熱する。すると、SnおよびInが融解し、融解したSnおよびInにInPが溶解する。このとき、融解した合金中にはInPが固体のまま残っている。加熱条件を例示すると、以下の通りとすることができる。
・H2ガス供給量:1〜3リットル/分
・加熱温度:600℃
・加熱時間:1時間以上
【0035】
本実施形態においては加熱温度を600℃としたが、加熱温度は、後の工程においてInP基板WにZnを拡散させるときの温度(Zn拡散温度)以上であればよく、この温度に限られることはない。Zn拡散温度以上の温度にて融解したSnおよびInにInPを溶解しておくと、Sn−In−P合金中のP濃度は、Zn拡散温度において確実に飽和濃度とできる。具体的には、Zn拡散温度よりも50℃程度高いと好ましい。以上により、Sn−In−P合金(以下、合金110)が得られる。
【0036】
ヒータ20への通電を遮断し、合金110を室温程度まで降温する。降温後、ボート41内には、固体の合金110と、合金110から析出した固体のInPとがある。
【0037】
(亜鉛拡散原料の準備工程)
次いで、亜鉛およびリンの蒸気を発生させるための拡散原料を用意する。拡散原料としては、例えば、リン化亜鉛(ZnP2)および二リン化三亜鉛(Zn3P2)といった化合物のペレットを使用できる。また、拡散原料として、例えば、Znのペレットおよび赤リンのペレットを使用してよい。さらに、拡散原料として、ZnP2またはZn3P2のペレット、および赤リンのペレットを用いてもよい。
【0038】
(基板および原料の収納工程)
次に、図4(b)に示すように、InP基板Wを加熱拡散炉1の凹部30aに載置し、用意した拡散原料120を枠体42の棚部42cに載置する。ここで、合金110は既にボート41内に載置されている。
【0039】
(基板昇温工程)
操作棒45を用い、底板41aが基板Wに対面するように治具40を動かす。すなわち、治具40は、図4(b)に示すように配置される。次いで、石英管10の内部にH2ガスを1〜3リットル/分の流量で流し、石英管10内を置換する。この後、ヒータ20に通電すると、ヒータ20からの輻射熱により、支持台30および治具40が加熱される。このため、支持台30に載置された基板W、および治具40内に収納された合金110が加熱される。基板Wの温度は、熱電対Tによりモニタされ、例えば550〜580℃といった範囲の所定の温度にまで上昇される。加熱された合金110からP蒸気が発生する。合金110から発生するP蒸気は、底板41aの貫通孔Hを通り抜けた後、底板41bの貫通孔hを通り抜けて基板Wの上方へ至る。その結果、基板Wの上方の空間は、上記合金の温度で決まる蒸気圧のP蒸気で満たされることとなる。このようにして基板Wの表面がP蒸気で晒されるため、基板Wからのリン抜けが抑制される。
【0040】
このとき融解した合金110中には、固体のインジウムリンが残っている。そのため、合金110からP蒸気が発生しても、合金110中のP濃度は常に飽和濃度に保たれる。
【0041】
また、融解した合金110は、底板41b上で広がり、底板41bの貫通孔hを覆っている。そのため、基板Wの上方の空間は、ボート41の側壁および底板41bにより密閉される。よって、P蒸気が十分に高い蒸気圧で基板Wの表面にかかるため、リン抜けが確実に抑制される。
【0042】
(亜鉛拡散工程)
基板Wが所定の温度まで加熱された後、操作棒45を用いて、枠体42の枠部42bが基板Wの上方に位置するように治具40を移動する。すなわち、治具40は、図4(c)に示すように配置される。このとき、枠体42の棚部42cに収納された拡散原料120もまた基板Wとともに加熱されており、この原料からZnおよびPの蒸気が発生する。そのため、基板Wの上方の空間が拡散原料120から発生したZnおよびPの蒸気により満たされる。よって、Pの蒸気により基板Wからのリン抜けが防止されると共に、Zn原子が基板W中へ拡散していく。この状態で、例えば、5分間放置し、所望の量のZnを基板W中へ拡散させる。
【0043】
(降温工程)
この後、操作棒45を操作して底板41aを基板Wに対面させる。すなわち、治具40は、図4(d)に示すように配置される。この後、ヒータ20への通電を停止すると、基板Wの温度が徐々に低下し始める。基板Wの温度がリン抜けが顕著に生じる程度に高いときには、合金の温度も同程度に高いため、合金から発生するP蒸気の蒸気圧は十分に高く、このP蒸気により、基板Wからのリン抜けは防止される。また、合金の温度が低下していき、合金からのP蒸気の蒸気圧が低下したときには、基板Wの温度もまた同様に低下しているため、基板Wからの顕著なリン抜けは生じない。すなわち、底板41aを基板Wに対面させておけば、基板Wの表面に温度に応じてP蒸気圧がかかるため、リン抜けが生じることなく基板Wの温度を下げることができる。基板Wの温度が室温程度まで低下した後、石英管10内部をN2ガスで置換し、基板Wを取り出す。以上の工程により、基板WへのZn拡散が終了する。
【0044】
第1の実施形態においては、Snに対するInのモル比が0.65〜1.3となるように秤量されたSnおよびInが融解され、融解したSnおよびIn中にInPが溶解されて、合金110が得られる。基板Wを加熱する際には、治具40はボート41の底面が基板Wと対面するように配置され、ボート41に収納された合金もまた加熱される。このため、当該合金からPの蒸気が発生する。このP蒸気は、底板41aの貫通孔Hを通り抜けた後、底板41bの貫通孔hを通り抜けて基板Wの上方へ至る。その結果、基板Wの表面はP蒸気に晒されるため、基板Wからのリン抜けが防止される。
【0045】
基板WにZnを拡散させる際には、枠体42の枠部42bが基板Wの上方に配置される。したがって、基板Wの上方の空間は、蓋部42bと枠部42aとにより密閉されることになる。このような状況では、基板Wの上方の空間は、拡散原料120から発生したZnおよびPの蒸気により満たされることとなる。このため、Pの蒸気により基板Wからのリン抜けが抑制されると共に、Zn原子が基板W中へ拡散していく。
【0046】
基板Wの温度を下げる際には、ボート41の底面が基板Wと対面するように配置され再び配置される。したがって、基板Wを加熱するときと同様に基板Wからのリン抜けが防止される。
【0047】
また、第1の実施形態においては、合金110が使用されるため、以下の効果が奏される。すなわち、合金110は、加熱されると融解し、底板41b上で広がることができる。そのため、基板Wの直径を考慮して底板41a,41bおよびボート41を用意すれば、基板Wの直径に拘わらず合金110を使用できる。従来のダミー基板を使用する加熱方法においては、直径がInP基板よりも大きいダミー基板を用意しなければならなかった。InP基板の直径が大きくなるほど、ダミー基板を入手するのが難しくなる。しかし、第1の実施形態によれば、直径4インチ以上といった大口径InP基板に亜鉛を拡散する場合であっても、基板を覆い隠せる程度に大きい底板41a,41bおよびボート41を用意すれば、十分な量のP蒸気を基板Wの表面全面に均一に晒すことができる。
【0048】
また、底板41a,41bおよびボート41は、カーボン製とすることができる。ダミー基板に比べ安価なカーボン製のボート41および底板41a,41bを使用できるため、亜鉛拡散工程に要するコストを低減できる。
【0049】
さらに、合金110の再使用回数はダミー基板よりも多い。合金110からPが蒸発し合金中のP濃度は低下した場合にも、Pを補充すれば、この合金を繰り返し使用することができる。一方、ダミー基板を使用する場合には、使用後、ダミー基板の表面はInリッチとなるため、Pの蒸気を十分に発生させるためには表面をエッチングする必要がある。エッチングを行うとダミー基板の厚さが薄くなるため、ダミー基板を繰り返し使用することはできない。本発明者らの知見によれば、ダミー基板の再利用用可能回数は3回程度である。しかしながら、本実施形態の亜鉛拡散方法においては、合金110を繰り返し使用できるため、ダミー基板を使用する場合に比べコストを低減できる。
【0050】
さらにまた、融解した合金はボート41の底板41bの全面に広がり、貫通孔hを確実に覆うことができる。このため、基板W上方の空間は確実に密閉される。このため、基板Wの表面にP蒸気が確実に晒される。
【0051】
本発明者らは、第1の実施形態の亜鉛拡散方法を用いて、光通信用フォトダイオードを作製した。図5は、フォトダイオードの構造を示す断面図である。図示の通り、フォトダイオード20は、n型InP製の基板21と、基板21上に設けられた光吸収層22と、光吸収層22上に設けられた窓層23とを有する。光吸収層22はn型InGaAsから形成され、窓層23はn型InPから形成される。また、フォトダイオード20は拡散領域26を有する。拡散領域26にはZnが添加され、拡散領域26と光吸収層22および窓層23との界面にpn接合が形成されている。また、拡散領域26上には電極27が形成され、基板21の裏面に電極28が形成されている。さらに、拡散領域26の外側にはチッ化ケイ素からなるパッシベーション膜29が形成されている。
【0052】
拡散領域26は、第1の実施形態の亜鉛拡散方法により形成された。すなわち、パッシベーション膜29の形成後、拡散領域26に相当する部分のパッシベーション膜を除去して開口部を設けた。次に、上記の亜鉛拡散方法により、開口部に露出する窓層23(InP)の表面から窓層23および光吸収層24内にZnを拡散し、拡散領域26を形成した。上記構成のフォトダイオード20を4インチInP基板上に4万個作製し、チップ化した後に暗電流特性の測定を行ったところ、良好な特性のフォトダイオードが4インチInP基板の全面から得られた。これは、第1の実施形態の亜鉛拡散方法により、均一にZnが拡散され、しかも、リン抜けに伴う欠陥の発生が抑制された結果である。
【0053】
(第2の実施形態)
続いて、本発明に係る半導体基板の加熱方法の一実施形態について説明する。第2の実施形態もまた加熱拡散炉1を用いて実施される。第2の実施形態は、亜鉛拡散工程を有していない点でのみ第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態を説明した際に参照した図4を適宜参照しながら、第1の実施形態との相違点を中心として第2の実施形態を説明する。ただし、第2の実施形態においては、同図に図示された拡散原料120は不要である。また、第2の実施形態の加熱方法により加熱される基板としては、例えば、Si、S、Se、およびZnといった不純物がイオン注入されたInP基板であってよい。
【0054】
(基板加熱工程)
先ず、第1の実施形態における合金の準備工程に従って、Sn、InおよびPを主体とする合金(以下、合金110)を準備する。次に、図4(b)に示すと同様に、InP基板Wを加熱拡散炉1の凹部30aに載置する。このとき、ボート41には合金110が既に載置されている。次いで、合金110が収納されているボート41の底板41aが基板Wに対面するように操作棒45を用いて治具40の位置を調整する。この後、ヒータ20に通電して支持台30および治具40を加熱する。これにより、基板Wと合金110とが加熱される。加熱された合金110からはPの蒸気が発生する。
【0055】
(基板温度維持工程)
基板Wの温度が所定の温度となった後、所定の時間、基板Wの表面に合金110から発生するP蒸気を晒す。このとき、底板41aは基板Wに対面している。ここで、所定の温度は、例えば、600〜650℃とすることができる。基板Wがこの程度の温度に維持されると、基板Wにイオン注入された不純物原子がドナーまたはアクセプタとして活性化されるとともに、イオン注入時に基板Wに導入された損傷が修復される。
【0056】
(降温工程)
所定の時間が経過した後、ヒータ20への通電を停止し、基板Wの温度を下げる。このときにも底板41aは基板Wの表面に対面しているため、上述の通り、リン抜けが発生することなく基板Wの温度を下げることができる。基板Wの温度が室温程度まで低下した後、石英管10内部をN2ガスで置換し、基板Wを取り出す。以上の工程により、基板Wの加熱が終了する。
【0057】
第2の実施形態では、基板昇温工程、基板温度維持工程、および降温工程のいずれにおいても、底板41aは基板Wの表面に対面している。このため、いずれの工程においても、基板Wの表面は合金110からのP蒸気に晒される。したがって、リン抜けが防止されると共に基板Wが加熱されることができる。
【0058】
なお、文献1(P. Besomi et al., J. Appl. Phys. 54(1983) pp.535-539.)および文献2(G. A. Antypas, Appl. Phys. Lett. 37(1980) pp.64-65.)に、Sn−In−P合金を使用する例が記載されている。これらの文献の例では、SnおよびInPを加熱してSn−In−P合金を得る。このようにすると、SnへのInPの溶解量はPの固溶限界により決定されるため、溶解されたSn−In−P合金中のIn濃度を高くできない。文献1によれば、当該合金中のInモル比XInは、0.07≦XIn≦0.2である。この場合には、本発明者らの知見によれば、Snが蒸発し易く、InP基板がSn蒸気により汚染されてしまう。SnはInP中でドナーとして働くため、Snにより汚染されたInP基板ではキャリア濃度が変化してしまうこととなる。また、p型InP基板を加熱しようとすれば、導電型がn型に反転してしまうといった事態さえ起こる可能性がある。
【0059】
本発明者らは、Snの影響について検討を行った。以下に、その結果を説明する。この検討は、(1)InP基板内の残留Sn濃度をSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて測定し、(2)第2の実施形態による加熱方法により、このInP基板を加熱し、(3)加熱後、再びSIMSを用いてSn濃度を測定する、という方法で行った。
【0060】
図6(a)は、InP基板の加熱前のSIMS測定結果を示すグラフである。図6(b)は、InP基板の加熱後のSIMS測定結果を示すグラフである。図6(a),(b)において、縦軸は濃度を示し、横軸は基板表面からの深さを示す。なお、図中の濃度は標準試料の結果に基づいて較正した値である。また、図6(a),(b)中、線50はSn濃度を示し、線15はリン濃度を示す。図6(a)を参照すると、InP基板を加熱する前であっても、InP基板中には、1×1015〜9×1015cm-3程度のSnが残留している。InP基板の加熱後では、図6(b)に示す通り、Sn濃度は、基板の最表面で7×1016cm-3程度とやや高くなるものの、深部では1×1016cm-3程度である。加熱の後においても実用上問題となる程度の濃度増加は認められない。以上の結果から、第2の実施形態によるInP基板の加熱方法においては、Snによる汚染は無視できる程度まで抑制されることが分かった。
【0061】
本発明者らは、上記結果の理由について以下のように推測している。上述した通り、Sn−In−P合金は、Snに対するInのモル比が0.65以上1.3以下となるよう用意されたSnおよびInが加熱されて融解し、融解したSnおよびInにInPが溶解されて得られる。このようにすると、Sn−In−P合金中のIn濃度は、融解されたSnにInPを溶解する場合に比べて高くすることができる。当該合金中のIn濃度が高いため、Sn−In−P合金からのSnの蒸発量を低減できると推定される。このように、本発明の半導体基板の加熱方法および半導体基板への亜鉛拡散方法は、InP基板がSnに汚染されるのを抑制できるという利点を有する。
【0062】
以上、幾つかの実施形態を参照しながら、本発明に係る半導体基板の加熱方法および半導体基板への亜鉛拡散方法について説明したが、本発明は、これらに限られることなく、種々に変形可能である。第2の実施形態において、合金110をボート41に替わって石英製の容器に収納し、この容器および基板を所定の加熱炉に載置しても良い。この場合、加熱炉が開管型であれば、容器は基板よりもパージガスの流れの上流側に載置する必要がある。このようにすれば、合金110からのP蒸気を基板の表面に晒すことができる。
【0063】
また、第1および第2の実施形態においては、基板WをInP基板として説明したが、InP基板ばかりでなく、GaP基板、および表面にGaxIn1-xP(0<x<1)といった半導体膜が成長されたGaAs基板に対しても、本発明が好適に適用されることは言うまでもない。
【0064】
図2(a),(b)に示す底板41a,41bの構成は、例示的に示されたに過ぎず、これに限られるものではない。例えば、貫通孔の直径は、0.5mmに限られることなく、融解した合金110から発生するP蒸気が基板Wの表面に十分に提供される程度であり、且つ、融解した合金110が貫通孔から流れ落ちない程度であればよい。また、貫通孔の数は、基板Wの表面がP蒸気に十分に晒されるよう適宜決定されて良い。また、ボート41の底板は1枚でもよく、3枚以上でもよい。
【0065】
また、第1および第2の実施形態においては、合金110を得る際に加熱拡散炉1を使用したが、他の炉を適宜使用してよい。他の炉を使用する場合には、用意された合金110は、基板Wを支持台30に載置する際に加熱拡散炉1のボート41に収納される。
【0066】
合金110の準備工程における合金を得るための条件を始め幾つかの数値を例示したが、これらに限定されることなく、適宜決定してよい。
【0067】
また、枠体42の底部には、底板41aまたは底板41bと同様な貫通孔を有する底板が設けられていてもよい。この場合には、拡散原料120を棚部42cにではなく底板上に配置されることができる。底板が設けられた場合でも、拡散原料120から発生するZnおよびPの蒸気は貫通孔を通して半導体基板の上方に至ることができる。よって、半導体基板からのリン抜けが防止されると共に亜鉛を半導体基板中に拡散できる。
【0068】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る半導体基板への亜鉛拡散方法および半導体基板の加熱方法によれば、V族構成元素としてリンを有するIII−V族化合物半導体が表面に現れる半導体基板をリン抜けが発生しないように加熱するとともに当該基板中に亜鉛を拡散する方法を提供される。また、上記の合金を用いるため、半導体基板がSnにより汚染されるのが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、加熱拡散炉の一構成を示す模式図である。
【図2】図2は、治具40の蓋部42bを除いた状態を示す上面図である。
【図3】図3(a)は底板41aの平面図である。図3(b)は底板41bの平面図である。
【図4】図4(a)〜(d)は、第1の実施形態の亜鉛拡散方法を説明する図である。
【図5】図5は、フォトダイオードの構造を示す断面図である。
【図6】図6(a)は、InP基板の加熱前のSIMS測定結果を示すグラフである。図6(b)は、InP基板の加熱後のSIMS測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1…加熱拡散炉、10…石英管、20…ヒータ、30…支持台、30a…凹部、40…治具、41…ボート、41a,41b…底板、42…枠体、42a…枠部、42b…蓋部、42c…棚部、45…操作棒、110…合金、120…拡散原料、H,h…貫通孔、T…熱電対、W…基板。
Claims (12)
- V族構成元素としてリンを含むIII−V族化合物半導体が表面に現れる半導体基板に亜鉛を拡散する方法であって、
スズ、インジウム、およびリンを主体とする合金と、亜鉛およびリンを含む原料と、前記半導体基板とを加熱炉内に配置する工程と、
前記合金の加熱により前記合金から発生するリンの蒸気を前記半導体基板の表面に晒したまま前記半導体基板を加熱する工程と、
前記半導体基板を加熱したまま、所定の時間、前記原料の加熱により前記原料から発生する亜鉛およびリンの蒸気を前記表面に晒す工程と、
を備え、
前記合金は、スズに対するインジウムのモル比が0.65以上1.3以下となるように用意されたスズ材およびインジウム材と、インジウムリン材またはリン材とから得られる、半導体基板への亜鉛拡散方法。 - 前記配置する工程において、
加熱炉内に設けられ底部に複数の貫通孔を有し該底部は前記半導体基板の表面に対面するよう設けられた第1の容器内に前記合金が配置され、前記第1の容器に隣接し底部に開口部を有する第2の容器内に前記原料が配置され、
前記加熱する工程において、前記第1の容器はその底部が前記半導体基板に対面するように配置され、
前記晒す工程において、前記第2の容器は前記半導体基板の上方に配置される、請求項1記載の半導体基板への亜鉛拡散方法。 - 前記晒す工程の後、前記表面が前記合金から発生するリンの蒸気に晒されるよう前記半導体基板の温度を下げる工程を更に備える、請求項1または2に記載の半導体基板への亜鉛拡散方法。
- 前記温度を下げる工程において、
前記第1の容器の底部が前記半導体基板に対面するように前記第1の容器が配置される、請求項3記載の半導体基板への亜鉛拡散方法。 - 前記合金を得る際、前記スズ材、前記インジウム材、および前記インジウムリン材または前記リン材の温度を前記半導体基板が加熱されるべき温度以上とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体基板への亜鉛拡散方法。
- 前記合金から発生するリンの蒸気を前記表面に晒す際、前記合金には固体のインジウムリンまたはリンが含まれている、請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体基板への亜鉛拡散方法。
- V族構成元素としてリンを含むIII−V族化合物半導体が表面に現れる半導体基板を加熱する方法であって、
スズ、インジウム、およびリンを主体とする合金と、前記半導体基板とを加熱炉内に配置する工程と、
前記合金の加熱により前記合金から発生するリンの蒸気を前記半導体基板の表面に晒したまま前記半導体基板を加熱する工程と、
を備え、
前記合金は、スズに対するインジウムのモル比が0.65以上1.3以下となるように用意されたスズ材およびインジウム材と、インジウムリン材またはリン材とから得られる、半導体基板の加熱方法。 - 前記加熱する工程の後に、前記半導体基板を加熱したまま、所定の時間、前記合金から発生するリンの蒸気を前記表面に晒す工程を更に備える、請求項7記載の半導体基板の加熱方法。
- 前記晒す工程の後に、前記表面に前記合金から発生するリンの蒸気が晒されるよう前記半導体基板の温度を下げる工程を更に備える、請求項8記載の半導体基板の加熱方法。
- 前記配置する工程において、前記加熱炉内に設けられ底部に複数の貫通孔を有し該底部は前記半導体基板の表面に対面するよう設けられた容器内に前記合金が配置され、
前記合金から発生するリンの蒸気に前記表面が晒されている際には、前記第1の容器の底部は前記表面に対面する、請求項7から9のいずれか一項に記載の半導体基板の加熱方法。 - 前記合金を得る際、前記スズ、前記インジウム、および前記インジウムリン材または前記リン材の温度を前記半導体基板が加熱されるべき温度以上とする、請求項7から10のいずれか一項に記載の半導体基板の加熱方法。
- 前記合金から発生するリンの蒸気に前記表面が晒されている際には、前記合金には固体のインジウムリン材またはリン材が含まれている、請求項7から11のいずれか一項に記載の半導体基板の加熱方法。
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