JP4581332B2

JP4581332B2 - ベータ鉄シリサイド領域の作製方法

Info

Publication number: JP4581332B2
Application number: JP2003093498A
Authority: JP
Inventors: 久雄師岡; 康弘會田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004303868A

Description

【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、特に発光や受光の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Ｆｅ_ｘＳｉ_ｙ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−ＦｅＳｉ_２、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１０^５（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る。アーバックテールの値が大きいと、β鉄シリサイドを用いて受光素子を作製した場合、アーバックテールのエネルギ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】
ところが、作製されたβ鉄シリサイド領域に構造欠陥が多いと、例えばエネルギバンド構造では、バンドギャップ内の価電子帯や伝導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エネルギは、膜の構造欠陥の程度を表すものであり、そのエネルギの値が小さいほど欠陥が少ないとされる。
【０００９】
アーバックテールが存在する場合は、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。
【００１０】
実用に耐えうる、相当量の光電流が流れ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、デバイスとして、太陽電池としての実用化のためには、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。
【００１１】
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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、研究によって、β鉄シリサイド薄膜を基板に作製する前に、基板の表面を不活性ガスのイオンビームによって所定の厚み以上にエッチングすると、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。さらに、エッチングされる基板の厚みを所定膜厚以上とすることによって、その後に形成されるβ鉄シリサイド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も確認した。
【００１３】
本発明のβ鉄シリサイド領域の作製方法は、シリコン基板の主面を不活性ガスのイオンによってエッチングして基板を１０ｎｍ以上エッチングするエッチング工程と、エッチング工程の後に、エッチングされたシリコン基板の主面にβ鉄シリサイド領域を作製する作製工程とを有することを特徴とする。この方法によってシリコン基板の主面にβ鉄シリサイド領域を形成した場合、β鉄シリサイドのアーバックテールの値を、シリコン基板をエッチングせずに作製したβ鉄シリサイドに比較すると小さくできる。従って、アーバックテールの値が小さい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、相当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。
【００１４】
好ましくは、作製工程は、エッチングされたシリコン基板の主面上に鉄薄膜を形成し、鉄薄膜が形成されたシリコン基板を所定温度でアニールしてシリコン基板を鉄と反応させることによりβ鉄シリサイド領域を形成する工程を有する。シリコン基板の上に鉄薄膜を形成した後アニールすることによって、シリコン基板の上に形成された鉄薄膜から鉄原子がシリコン基板内に拡散してシリコンとの熱反応によって鉄シリサイドが形成される。さらに、鉄の成膜条件および熱処理条件の最適化することにより鉄シリサイドの結晶化がすすんでエピタキシャルなβ鉄シリサイド領域がシリコン基板の主面に形成される。
【００１５】
また、好ましくは、作製工程は、エッチングされたシリコン基板の主面上にβ鉄シリサイド領域を作製する工程を有する。このようにして、不活性ガスのイオンでエッチングされたシリコン基板の主面上に形成されたβ鉄シリサイド領域は、構造欠陥が少なく、アーバックテールの値が小さいので、かかるβ鉄シリサイド領域を用いて作製したデバイスは、実用に適した特性を備えることができる。
【００１６】
この様な良好な特性を持つβ鉄シリサイドを得るための具体的な条件は、エッチング工程にて、不活性ガスはアルゴンを使用して、シリコン基板を１０ｎｍ以上エッチングすることが好ましい。シリコン基板をアルゴンガスのイオンによって１０ｎｍ以上エッチングしてから形成されたβ鉄シリサイドは、アーバックテールが抑制されて、デバイスに作製したときに実用に適した特性を備えることができる。また、シリコン基板の主面に形成されるβ鉄シリサイド領域は、薄膜であるから、受発光素子などのデバイスに容易に組み込める。
【００１７】
【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／Ｈ_２Ｏ）水溶液を用いて自然酸化膜を除去し、イオンビームエッチング装置（図示せず）にロードする。イオンビームエッチング装置において、図１（ｂ）に示すように、Ａｒ等の不活性ガスのイオンビームをシリコン基板１０に照射して、シリコン基板１０の主面１０ａを１０ｎｍ以上の厚みに亘ってエッチングする。なお、イオンビームによってエッチングされた部分を符号１２で示す。なお、イオンビームを形成するガスは、Ａｒに限らず、Ｎｅ、Ｘｅ等の適宜の不活性ガスを用いることができる。
【００１８】
次に、図１（ｃ）に示すように、例えばイオンビームスパッタ法、ＲＦスパッタ法、電子ビーム蒸着法、及びレーザーアブレーション法等の適宜の薄膜作成技術を用いて、Ｆｅ薄膜１４をシリコン基板１０のエッチングされた主面１０ａに形成する。次に、図１（ｄ）に示すように、Ｆｅ薄膜１４の上に例えばＳｉＯ_２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、図１（ｅ）に示すようにβ鉄シリサイドのエピタキシャル膜１８が得られる。
【００１９】
または、図１（ｂ）に示すエッチング処理の後、図１（ｆ）に示すように、シリコン基板１０のエッチングされた主面１０ａの上に、ＣＶＤ法やスパッタ法などの薄膜作成技術を用いて鉄シリサイド領域２０を作製する。その後、例えば真空雰囲気中で温度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（ｇ）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領域２０ａを形成する。
【００２０】
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、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ながらもα相が発現しない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。
【００２１】
【実施例】
次に、アーバックテールを所定値、好ましくは１００ｍｅＶ以下にする基板のエッチングの厚みについて以下の実験を行った。基板をエッチングする適切な厚みを決定するために、エッチングの厚み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４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、アーバックテールの値を求めた。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。
【００２２】
４つのサンプル１乃至４の作製時の条件について以下に説明する。最初に、イオンビームエッチング装置において、各サンプル１乃至４のシリコン基板を、ビーム電圧５００Ｖ、ビーム電流５０ｍＡのＡｒイオンビームで照射した。この時のエッチングの厚みを、サンプル１は１０ｎｍとし、サンプル２は２０ｎｍ、サンプル３は５０ｎｍ、サンプル４は１００ｎｍとした。
【００２３】
次に、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。スパッタ時の条件は、ビーム電圧を６００Ｖとし、ビーム電流を１５０ｍＡとし、チャンバ内の圧力を１×１０^−４Ｐａとした。
【００２４】
次に、何れのサンプルにも、キャップ層として膜厚１００ｎｍのＳｉＯ_２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５０Ｗとし、スパッタ圧力を０．３Ｐａとし、基板温度は室温のままとした。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、基板にβ鉄シリサイドのエピタキシャル薄膜を作製した。
【００２５】
次に、各サンプルの吸収スペクトルを測定して、アーバックテールの値を求めた。その結果を以下の表１に示す。なお、比較のために、Ａｒイオンビーム照射によるエッチングを行わずに基板にβ鉄シリサイド薄膜を作製し、アーバックテールの値を求めたものを比較例とする。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１を参照すると、エッチングを行わなかったβ鉄シリサイド薄膜のアーバックテールは、１５０ｍｅＶである。一方、エッチングによってシリコン基板を１０ｎｍ削ってから作製されたβ鉄シリサイド薄膜のアーバックテールは、７０ｍｅＶであり、エッチングの量を２０、５０、１００ｎｍと増やすと、β鉄シリサイド薄膜のアーバックテールは、それぞれ５２、１５、５０ｍｅＶとなっている。
【００２８】
また、表１の結果を、エッチングの厚みを横軸とし、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。表１及び図２から、基板のエッチングをせずに形成されたβ鉄シリサイド薄膜（比較例）のアーバックテールの値は、１５０ｍｅＶと、実用レベルの上限である１００ｍｅＶを上回っている。しかし、エッチングの厚みが３ｎｍを超えると、アーバックテールの値は１００ｍｅＶを下回り、いずれのサンプル１乃至４のβ鉄シリサイド薄膜も、アーバックテールが１００ｍｅＶ以下となっていることが分かる。すなわち、アーバックテールの値は、基板のエッチングの厚みが増加するにつれて徐々に減少することが分かる。また、基板を７ｎｍ以上エッチングすると、アーバックテールの値は実用化に適した１００ｍｅＶ以下になることも分かる。尚、図２において、点線Ａは、アーバックテールのデバイスとして実用可能な上限値である１００ｍｅＶに相当する線を表す。
【００２９】
従って、β鉄シリサイド薄膜を基板に作製する前に、成膜を予定している基板の一主面をエッチングすると、好ましくは１０ｎｍ以上エッチングすると、アーバックテールの小さい、即ち構造欠陥の少ない良好な膜質のβ鉄シリサイドエピタキシャル薄膜を基板に作製できる。また、このようにして基板表面のエッチングを行ってから作製されたβ鉄シリサイド薄膜を用いて、発光素子や受光素子などを作製することにより、発光効率や受光効率を改善することができ、実用に耐えうるデバイス特性をえることができる。
【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り積層された主要組成が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β鉄シリサイド領域の作製方法は、シリコン基板の主面を不活性ガスのイオンによってエッチングして基板を１０ｎｍ以上エッチングするエッチング工程と、エッチング工程の後に、エッチングされたシリコン基板の主面にβ鉄シリサイド領域を作製する作製工程とを有しているので、β鉄シリサイドのアーバックテールの値を小さくできる。また、アーバックテールの値が小さいβ鉄シリサイドを受光層とする受光素子を作製した場合、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】Ａｒイオンガスによるエッチングの厚みと、作製されたβ鉄シリサイドのアーバックテール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
１２エッチング部
１８ β鉄シリサイド領域

Claims

シリコン基板の主面を不活性ガスのイオンによってエッチングして前記基板を１０ｎｍ以上エッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程の後に、エッチングされた前記シリコン基板の主面にベータ鉄シリサイド領域を作製する作製工程とを有することを特徴とするベータ鉄シリサイド領域の作製方法。
前記作製工程は、エッチングされた前記シリコン基板の主面上に鉄薄膜を形成し、前記鉄薄膜が形成された前記シリコン基板を所定温度でアニールして前記シリコン基板の主面に前記ベータ鉄シリサイド領域を作製する工程を有することを特徴とする請求項１記載のベータ鉄シリサイド領域の作製方法。
前記作製工程は、エッチングされた前記シリコン基板の主面上に前記ベータ鉄シリサイド領域を作製する工程を有することを特徴とする請求項１記載のベータ鉄シリサイド領域の作製方法。
前記不活性ガスは、アルゴンであることを特徴とする請求項１記載のベータ鉄シリサイド領域の作製方法。
前記ベータ鉄シリサイド領域は、薄膜であることを特徴とする請求項３記載のベータ鉄シリサイド領域の作製方法。
前記ベータ鉄シリサイド領域のアーバックテールは、発光素子又は受光素子としての実用化に適した１００ｍｅＶを下回ることを特徴とする請求項１記載のベータ鉄シリサイド領域の作製方法。