JPH09183695A - 液相エピタキシャル成長法 - Google Patents

液相エピタキシャル成長法

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JPH09183695A
JPH09183695A JP7353799A JP35379995A JPH09183695A JP H09183695 A JPH09183695 A JP H09183695A JP 7353799 A JP7353799 A JP 7353799A JP 35379995 A JP35379995 A JP 35379995A JP H09183695 A JPH09183695 A JP H09183695A
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Chikao Kimura
親夫 木村
Masatoshi Saito
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 格子整合されたn型シリコン層を得ることが
できる液相エピタキシャル成長法を提供する。 【解決手段】 シリコンを溶解させたインジウム溶液
に、n型不純物として砒素を添加した成長用溶液を用い
て、エピタキシャル成長を行う。砒素は、インジウム溶
液に対して、0.9〜2.4重量%の割合で添加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液相エピタキシャ
ル成長法に関し、特にn型シリコンエピタキシャル成長
法に関する。
【0002】
【従来の技術】エピタキシャル成長法には、気相エピタ
キシャル成長法と液相エピタキシャル成長法がある。厚
いエピタキシャル層を形成する場合は、液相成長法によ
るのが一般的である。
【0003】液相成長法により、シリコン単結晶基板上
に、不純物ドープされたシリコンエピタキシャル層を形
成する場合、次のような問題が発生する。シリコンエピ
タキシャル層は、シリコン原子が規則正しく配列してお
り、添加された不純物原子がシリコン原子と置換する場
合、硼素、リンのようにシリコン原子より共有結合半径
の小さい原子では、隣接するシリコン原子との距離が、
シリコン原子−シリコン原子間の距離より小さくなる。
従って、共有結合半径の小さい不純物が大量に添加され
たエピタキシャル層の格子定数は、シリコン単結晶基板
の格子定数より小さくなり、格子定数の不整合が生じ
る。
【0004】このような問題点を解決するため、本願出
願人は、インジウムを溶媒、リンを不純物原子としてエ
ピタキシャル成長を行う際、格子定数補正用の不純物と
して錫を添加するシリコン素子用基板作製方法を提案し
ている(特願昭61−226264号)。
【0005】この方法によると、シリコン原子より共有
結合半径の小さいリンを不純物として添加しても、シリ
コン結晶中においては電気的に中性で、かつシリコン原
子より共有結合半径が大きい錫を添加することで、シリ
コン単結晶基板と格子整合したエピタキシャル層を得る
ことができる。
【0006】図6に成長溶液に添加する錫の量を変化さ
せたとき、得られるエピタキシャル層の格子定数と基板
の格子定数との差を示す。ここで、基板として主表面の
結晶方位が(111)面、n型、不純物濃度4×1012
cm-3のシリコン単結晶基板を使用し、成長用溶液はイ
ンジウムを溶媒とし、エピタキシャル層はリンを添加
し、1×1019cm-3の不純物濃度となるように調整さ
れている。
【0007】このような方法によると、錫の添加量が
0.05モル%付近でエピタキシャル層と基板が格子整
合することがわかる。しかし、錫の添加量が、0.05
mol%からわずかに変化しただけで、格子定数が急激
に変化する。このように従来の方法では、シリコン単結
晶基板と格子整合するエピタキシャル層を得るために
は、錫の添加量を厳密に制御する必要がある。
【0008】更に、錫の偏析係数は1より小さく、しか
も温度係数を持つため、特に厚いエピタキシャル層を形
成する際には、成長過程において、成長温度が徐々に低
下するに伴い、エピタキシャル層内で錫の分布が変化
し、成長初期では格子整合がとれていても、成長が進む
に従い、格子不整合が発生するという問題があった。図
7に、シリコン単結晶基板上に約15ミクロンのエピタ
キシャル成長させた後、X線回析装置を用いて、シリコ
ン単結晶基板とエピタキシャル層の格子定数の差を測定
した際のロッキングカーブを示す。図に示すように、シ
リコン単結晶基板(sub)とエピタキシャル層(ep
i)のピークに角度差が生じ、格子整合されていないこ
とがわかる。このように、厚いエピタキシャル層を成長
させる際には、格子整合のとれたエピタキシャル層を得
ることは難しいという問題点があった。
【0009】一方、シリコンより共有結合半径の大きい
砒素やアンチモンを不純物として添加する場合、シリコ
ンより共有結合半径の小さい不純物を添加しなければな
らないと考えられていた。しかし、砒素とシリコンより
共有結合半径の小さい不純物の組み合わせにより、格子
整合をとることができる方法は、提案されていなかっ
た。
【0010】また、気相成長法により、砒素のみを不純
物として添加し、エピタキシャル成長を行う場合、シリ
コンと砒素の共有結合半径の差に起因する格子不整合が
発生し、シリコン基板厚が450ミクロンの時、エピタ
キシャル成長層の厚さは、150ミクロン程度が限界で
あった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】従来の方法において、
格子整合されたエピタキシャル層を得るためには、錫の
添加量を厳密に制御する必要があるという問題があっ
た。また、成長過程において、格子不整合が発生すると
いう問題があった。砒素を不純物として添加する場合、
格子不整合が発生しない厚いエピタキシャル成長層を得
ることができる成長法は、提案されていなかった。本発
明は、上記問題点を解消するため、不純物として砒素を
添加し、格子整合された厚いエピタキシャル層を得るこ
とができる液相エピタキシャル成長法を提供することを
目的とする。
【0012】
【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、成長用溶液を半導体基板に接触させ、該半導
体基板表面にエピタキシャル層を形成する液相エピタキ
シャル成長法において、シリコンを溶解させたインジウ
ム溶液に、n型不純物として砒素を添加した成長用溶液
を用いることで、半導体基板と格子整合するエピタキシ
ャル成長層を得ることができる。
【0013】また、前記成長用溶液は、前記インジウム
溶液に、0.9〜2.4重量%の割合で砒素を添加する
ことで、更に格子整合したエピタキシャル成長層を得る
ことができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施の形態
を説明する。図1は液相成長装置を示す。図において1
はエピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板、2は
成長用溶液、3はカーボン、窒化アルミニウムあるいは
炭化硼素等からなるボート、4はピストン、5は石英、
アルミナあるいは窒化アルミニウムからなる反応管であ
る。
【0015】まず、エピタキシャル成長を行うシリコン
単結晶基板1を、表面を十分に平坦化し、清浄化した
後、ボート3にエピタキシャル成長を行う表面を重力方
向に対して垂直で、下向きに固定する。成長用溶液2
は、溶媒となるインジウムに、成長温度以上で飽和する
シリコンを加える。更に、n型不純物としてインジウム
砒素、砒化硅素等を所望の不純物濃度となるように添加
する。反応管5内は、この成長系を外気から遮断し、水
素雰囲気とする。反応管5全体をヒータ(図示せず)に
よって加熱する。
【0016】シリコン単結晶基板1の温度が1000℃
まで上昇したところで、ピストン4を動かし、成長用溶
液2とシリコン単結晶基板1を接触させる。その後、
0.5℃/分の冷却速度で冷却した。その結果、約15
ミクロンの厚さのエピタキシャル層の成長が確認され
た。
【0017】このような方法で成長させたエピタキシャ
ル層のシリコン単結晶基板との格子定数の差を調べるた
め、X線回析法により、ロッキングカーブを測定した。
図2に、インジウム150gにシリコン0.735gお
よびインジウム砒素3gの割合で添加した成長用溶液を
使用し、エピタキシャル成長を行った際の、ロッキング
カーブを示す。図に示すように、シリコン単結晶基板の
ピークとエピタキシャル層のピークが一致し、従来の方
法でエピタキシャル成長した測定結果(図7)のような
ピークが分離するような測定結果は得られなかった。
【0018】従って、本発明によれば、シリコン単結晶
基板と格子整合されたエピタキシャル層が得られたこと
がわかる。
【0019】尚、シリコンを溶解したインジウム溶液に
対する砒素の添加量は、成長させるエピタキシャル成長
層の不純物濃度により適宜決められる。図3に示すよう
に、砒素の添加量によって、任意の不純物濃度を得るこ
とができる。図3に示す不純物濃度のエピタキシャル層
は、X線回析法により、いずれもシリコン単結晶基板と
格子整合していることが確認された。
【0020】次に、本発明の第2の実施の形態を説明す
る。図4はその液相成長装置を示す。図において1はエ
ピタキシャル成長を行うシリコン単結晶基板、2は成長
用溶液、3はカーボン、窒化アルミニウムあるいは炭化
硼素等からなるボート、4はピストン、5は石英、アル
ミナあるいは窒化アルミニウムからなる反応管、6はシ
リコン単結晶基板からなるシリコンソースである。
【0021】第1の実施の形態同様、エピタキシャル成
長を行うシリコン単結晶基板1を、表面を十分に平坦化
し、清浄化した後、ボート3にエピタキシャル成長を行
う表面を重力方向に対して垂直で、下向きに固定する。
成長用溶液2は、溶媒となるインジウムに、成長温度以
上で飽和するシリコンを加える。更に、n型不純物とし
てインジウム砒素、砒化硅素等を所望の不純物濃度とな
るように添加する。反応管5内は、この成長系を外気か
ら遮断し、水素雰囲気とする。反応管5全体をヒータ
(図示せず)によって加熱する。
【0022】シリコン単結晶基板1の温度が1000℃
まで上昇したところで、ピストン4を動かし、成長用溶
液2とシリコン単結晶基板1を接触させる。0.5℃/
分の冷却速度で980℃まで冷却し、エピタキシャル成
長を行う。その後、1000℃まで昇温し、980℃ま
で冷却する工程を繰り返す。この昇温過程において、シ
リコンソース6からインジウム溶液中にシリコンが溶出
し、溶出したシリコンは、インジウムとの比重差によ
り、溶液の上方に配置されたシリコン単結晶基板1表面
近傍に移動する。このようにシリコンソースから成長用
溶液中にシリコンが供給され、シリコン単結晶1表面近
傍の成長用溶液2は、常にシリコンを飽和状態に溶解す
ることになる。
【0023】その結果、1回の冷却で、約15ミクロン
の厚さのエピタキシャル層が成長し、冷却回数を増すこ
とで厚いエピタキシャル層を得ることができ、250ミ
クロンのエピタキシャル成長層が得られることが確認で
きた。尚、このエピタキシャル層の厚さは、本発明の成
長層の厚さの限界を示すものではなく、昇温、冷却工程
を繰り返すことによって、更に厚いエピタキシャル層を
得ることができる。
【0024】このような方法で成長させたエピタキシャ
ル層のシリコン単結晶基板との格子定数の差を調べるた
め、X線回析法により、ロッキングカーブを測定した結
果、第1の実施の形態同様、シリコン単結晶基板のピー
クとエピタキシャル層のピークは一致し、従来の方法で
エピタキシャル成長した測定結果のようなピークが分離
するような測定結果は得られなかった。
【0025】従って、本発明によれば、シリコン単結晶
基板と格子整合された厚いエピタキシャル成長層が得ら
れたことがわかる。
【0026】以上のように、導電型を決めるため、シリ
コンと共有結合半径の異なる不純物を添加してエピタキ
シャル成長を行う場合、格子不整合を緩和するための別
の不純物を添加する必要があったが、インジウムを溶媒
とし、砒素をn型不純物として選択することで、格子整
合されたエピタキシャル成長層が得られることがわかっ
た。また、エピタキシャル層の厚さが増しても、格子定
数の不整合が生じることがない。
【0027】次に、本発明の第3の実施の形態を説明す
る。上述のように導電型を決める不純物として砒素を選
択することで、格子整合させたエピタキシャル層を得る
ことができる。更に、砒素を所定の添加量にすること
で、良好なエピタキシャル層を得ることができる。図5
に、砒素の添加量に対するロッキングカーブの半値角の
値を示す。図に示すように、インジウム溶液中の砒素濃
度が0.9重量%以上のとき、好ましくは1.2重量%
以上のとき、ロッキングカーブの半値角が小さくなり、
特性が改善していることがわかる。尚、実験では、イン
ジウム溶液中の砒素濃度が、2.4重量%まで同様な特
性を示すことが確認されている。
【0028】以上のように本発明によれば、導電型を決
める不純物として砒素を選択することで、シリコン単結
晶基板と格子整合されたエピタキシャル層を得ることが
できる。また、砒素の添加量を所定の値、即ち0.9〜
2.4重量%に設定することで、更に良好なエピタキシ
ャル層を得ることができた。特に、1.2〜2.4重量
%の範囲で砒素を添加すると、半値角が最小となる。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、インジウムを溶媒と
し、導電型を決める不純物として砒素を添加するだけ
で、格子整合されたエピタキシャル層を得ることができ
る。砒素は、インジウム砒素、砒化硅素のような化合物
としてインジウム溶媒に添加するため、単体砒素に較べ
て毒性が弱く、取扱が容易であるという利点がある。
【0030】本発明により形成したエピタキシャル層
は、高濃度(1019/cm3オーダー)に不純物が添加
されるため、低濃度基板上にエピタキシャル成長させる
ことで、急峻なn+−n-接合を実現することができる。
従って、本発明により形成したエピタキシャル成長層
を、pinダイオード、SIT等の半導体デバイスに適
用すれば、良好な特性が得られることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の液相成長装置を示
す説明図である。
【図2】本発明の液相成長法によるエピタキシャル層の
ロッキングカーブを示す説明図である。
【図3】本発明の実施の形態における砒素の添加量に対
するエピタキシャル層の不純物濃度を示す説明図であ
る。
【図4】本発明の第2の実施の形態の液相成長装置を示
す説明図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態を説明する説明図で
ある。
【図6】従来の液相成長法を説明する説明図である。
【図7】従来の液相成長法によるエピタキシャル層のロ
ッキングカーブを示す説明図である。
【符号の説明】
1 シリコン単結晶基板 2 成長用溶液 3 ボート 4 ピストン 5 反応管 6 シリコンソース

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 成長用溶液を半導体基板に接触させ、該
    半導体基板表面にエピタキシャル層を形成する液相エピ
    タキシャル成長法において、 シリコンを溶解させたインジウム溶液に、n型不純物と
    して砒素を添加した成長用溶液を用いることを特徴とす
    る液相エピタキシャル成長法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の液相エピタキシャル成長
    法において、前記成長用溶液は、前記インジウム溶液
    に、0.9〜2.4重量%の割合で砒素を添加すること
    を特徴とする液相エピタキシャル成長法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6429035B2 (en) 1997-11-28 2002-08-06 Canon Kabushiki Kaisha Method of growing silicon crystal in liquid phase and method of producing solar cell

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6429035B2 (en) 1997-11-28 2002-08-06 Canon Kabushiki Kaisha Method of growing silicon crystal in liquid phase and method of producing solar cell

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