JPH02267197A

JPH02267197A - 炭化硅素の成長方法

Info

Publication number: JPH02267197A
Application number: JP1088948A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Oshita; 祥雄大下
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1989-04-06
Publication date: 1990-10-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はＣＶＤ法による成長方法（化学気相成長方法）
に関し、特に膜厚が精密に制御されかつ高品質の結晶を
得ることができる炭化硅素の成長方法に関する。

（従来の技術）従来、ＳｉＣの結晶の成長は、加熱された基板をキャリ
アガスである水素ガスと原料ガスにさらすことにより行
われている。原料ガスとしては、シリコン原料としては
ＳｉＨ４、ＳｉＨ４ガス、　５ｉＨ２ＣＩ２などが使用
されている。また、炭素原料としては、Ｃ５Ｈｇ、０２
Ｈ２などが使用されている。基板としては、シリコン、
サファイアなどが用いられている。ＳｉＨ４とＣ２Ｈ２
を原料とし、基板としてはシリコンを用いた結晶成長を
例に取って説明する。縦型あるいは横型の反応管の中に
、通常〜１４００度に加熱したサセプタ上にシリコン基
板を保持し、キャリアガスである水素ガスに対して数％
程度のＳｉＨ４ガスならびにＣ２Ｈ２ガスを混合したも
のを反応管の上流から流すことにより基板の上にＳｉＣ
を堆積させている。また、成長に先立って、炭化法ある
いはスパッタ法などによりバッファー層を形成すること
もある。

（発明が解決しようとする問題点）ＣＶＤ法によるＳｉＣ結晶成長においては、ＳｉＨ４と
Ｃ２Ｈ２のような原料ガスとギヤリアガスを同時に反応
室に導入して結晶を成長させる。このため、反応室の上
流に於ては厚相、ガス濃度が高いため、成長速度が速く
、下流にいくにしたがって原料ガスが消費されて少なく
なるにともない成長速度が遅くなる。その結果、ガス上
流に於て基板上に堆積した膜は厚く、下流に行くにした
がって膜厚が薄くなる。このような不均一性は、大口径
の基板に均一に制御してＳｉＣ膜を形成することがデバ
イスの設計上重要であることを考えると大きな問題であ
る。さらに、今後の半導体デバイスは、原子レベルで制
御する必要性が高くなっている。このような要求に対し
ても、従来の方法では原子層オーダーでの膜厚制御に対
処することは不可能である本発明の目的は、このような従来の欠点を除去せしめて
、大面積の基板全面に渡り均一に、かつ原子層オーダー
の膜厚の制御性を有したＳｉＣ膜成長方法を提供するこ
とである。

（問題点を解決するための手段）本発明はシリコン系ガスと塩化水素ガスと炭化水素系ガ
スとを基板上に順番に流す工程を繰り返し行うことによ
り炭化硅素の成長を行うものである。

本発明によれば、シリコン供給用の原料・ガスとして例
えば水素化シリコン系ガスあるいは塩化シリコン系ガス
とＨＣＩガスと、炭素供給用の原料ガスである炭化水素
系ガスを順番に流すことにより、原子層−層程度の精密
さで膜厚を制御することが出来る。また同時に化学量論
的組成を維持した良質の膜を基板全体に約−に得ること
が出来る。原料ガスあるいはキャリアガスとＨＣＩガス
との流量比は原料ガス量ならびにキャリアガス量によっ
て異なり、使用される原料ガスならびにキャリアガス量
に於て単原子層制御が可能となるように最適の割合に適
宜選択され得る。また、水素化シリコン系ガスあるいは
塩化シリコン系ガスと、塩化水素ガスと、炭化水素系ガ
スとを順番に流す場合に於けるガスを流す時間ならびに
、先のガスを止めた後に次のガスを流し始めるまでの時
間間隔に関しても単原子量制御が可能となるように最適
の時間に適宜選択され得る。また、ガスを流す順番に関
しては、最初に炭化水素系ガスを流した後、水素化シリ
コン系ガスあるいは塩化シリコン系ガスを流し、最後に
塩化水素ガスを流しても良い。重要なことは、水素化シ
リコン系ガスあるいは塩化シリコン系ガスを流した後に
は必ず塩化水素ガスを流すことである。

（作用）成長膜が基板全体に均一に成長しない原因に次のことが
挙げられる。すなわち、原料ガスであるＳｉＨ４やＣ２
Ｈ２などは１０００°Ｃ以上の温度では充分に分解して
いる。このため、成長膜としては単にＳｉＣだけでなく
シリコン結晶あるいはグラファイトが同時に成長し得る
。このことは、この温度に於てＳｉＨ４を原料ガスとし
てシリコン結晶を成長し得ることからも理解できる。こ
のため、原料ガスの濃度むらなどに起因して均一にＳｉ
Ｃが成長することが困難となる。このことを避けるため
にはシリコン原子と炭素原子を一層づつ成長させること
が必要である。しかしながら、従来の方法ではこれを達
成することは不可能である。他の材料系に於ては、分子
層エピタキシャル成長法（特開昭６１−３４９２８号）
により原子層の制御性で基板全面に成長することが行わ
れている。しかしながら、ＳｉＣの結晶成長ニ於ては実
現できていない。このことはシリコン原子の隣に炭素原
子とシリコン原子のどちらも吸着できるため、炭素原料
ガスとシリコン原料ガスを交互に流しても−サイクルで
シリコン−層だけ吸着させることが困難であることに起
因している。このことから、−サイクルの間にシリコン
原子の隣に吸着したシリコン原子、炭素原子の隣に吸着
した炭素原子を何等かの方法で離脱させれば良いことが
分かる。ただし、炭素原子の隣に炭素原子が吸着する可
能性は１０００°Ｃ程度のｌ温度ではほとんどないこと
から、シリコン原子の隣のシリコン原子を離脱させるこ
とが本質的には重要である。

このことを実現するためには、シリコン系原料ガスを流
した後に、シリコン原子のとなりに吸着したシリコン原
子をエツチングするガスを流せば良いことが分かる。こ
こで重要なことは、ＳｉＣとして取り込まれたシリコン
原子、すなわちＳｉＣの炭素原子のとなりに吸着したシ
リコン原子はＳｉＣの構成元素であることから、安定で
あり容易にエツチングされないのに工］シて、ＳｉＣの
シリコン原子の隣に吸着したシリコン原子はＳｉＣの構
成元素としてのシリコンではなく、むしろシリコン結晶
に近い物であり容易に愛知することが可能であることで
ある。ＳｉＣ結晶をエツチングすることなく、シリコン
結晶をエツチングすることが出来るガスとしては塩化水
素ガスがある。そこで本発明者らはシリコン原料ガスを
流して、シリコンを堆積させた後、塩化水素ガスを流し
たところシリコン原子に吸着しているシリコン原子を除
去でき、シリコン原子を一層だけ吸着させることが可能
であることを見いだした。次に、炭化水素系ガスを流す
ことにより、炭素原子を一層だけ吸着させることができ
る。このように、シリコン原料ガスと塩化水素ガスと炭
素原料ガスを順番に流すのを−サイクルとすると、この
ような繰り返し数に応じて膜厚を制御することができる
。この時、原料ガスの濃度が薄い場合は、原料・ガスを
流している時間を長くすれば、基板全面に吸着させるこ
とができる。このため、原料ガスを反応管内に流してい
る時間を適宜変化させてやることにより、原理的にはど
のような大きさの基板であっても、基板全体に均一に吸
着させることが可能である。それ故、本方法によれば基
板全面に渡って、どの場所に置いても先のサイクル数に
応じた膜厚のＳｉＣを基板全体に均一に堆積することが
出来る。

（実施例）次に本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説
明する。

（実施例１）第１図は本発明の方法に用いられる半導体成長装置の一
例を示す概略構成図である。

呑）装置は、成長を行う反応管１、基板８を保持するための
サセプタ（ＳｉＣコートしたグラファイト製）２、基板
８ならびにサセプタ２、加熱装置３、ボンベ４ａ。

４ｂ、　４ｃ、　４ｄ、ガスミキサー５、流量制御部６
、各ガスの精製装置１ａ、１ｂから構成されている。シ
リコンの原料ガスとしては水素５％希釈のＳｉＨ４ガス
、炭素の原料ガスとしては水素５％希釈のＣ３Ｈ５ガス
、エツチングガスとしては１００％ＨＣＩガス、キャリ
アガスとしては水素を使用している。水素は高純度精製
装置により精製して使用した。基板は（１００）の面方
位をもつ直径３インチのシリコン基板を使用した。基板
の前処理としてはアンモニア、ブランソン洗浄を行った
。基板を水素６１／ｍｉｎ、温度１００００Ｃ１時間５
分の条件でベーキングすることによりシリコン基板表面
の自然酸化膜を除去したのち、水素６１／ｍｉｎ、Ｃ２
Ｈ２１０ｃｃ／ｍｉｎ、温度１０００°Ｃ１時間１０分
間炭化を行った。その後、水素６１／ｍｉｎ、温度１０
００’Ｃ１成長圧力２０ｔｏｒｒの条件で成長を行った
。３０秒間ＳｉＨ４ガス１０ｃｃ／ｍｉｎ流した後、４
０秒間原料ガスの供給を停止する。次にＨＣＩガス１５
０ｃｃ／ｍｉｎ流した後、４０秒間原料ガスの供給を停
止する。その後、Ｃ２Ｈ２ガスを１０ｃｃ／ｍｉｎ、３
０秒間流した後、４０秒間原料ガスの供給を停止する。

その後、最初と同様にＳｉＨ４ガス、次にＨＣＩガスを
、最後にＣ３Ｈ８ガスを流すというように繰り返して成
長を行った。その結果、繰り返し数に応じた膜厚のＳｉ
Ｃ層を基板全体に渡り均一に鏡面成長することが出来た
。なお、このＳｉＣの成長は基板温度６５０〜１３００
°Ｃの間、成長圧力は常圧以下で確認できた。ガス流量
についてもガスのよどみ層が生じない範囲であれば可変
である。

（実施例２）第１図は本発明の方法に用いられる半導体成長装置の一
例を示す概略構成図である。

装置は、成長を行う反応管１、基板８を保持するための
サセプタ（ＳｉＣコートシたグラファイト製）２、基板
８ならびにサセプタ２、加熱装置３、ボンベ４ａ。

４ｂ、　４ｃ、　４ｄ、ガスミキサー５、流量制御部６
、各ガスの精製装置７ａ、　７ｂから構成されている。

原料ガスとしては１００％５ｉＨ２Ｃ１２ガス、１００
％Ｃ３Ｈ５ガス、エツチングガスとしては１００％ＨＣ
１ガス、キャリアガスとしては水素を使用している。キ
ャリアガスは高純度精製装置により精製して使用した。

基板は（１００）の面方位をもつ直径３インチのシリコ
ン基板を使用した。基板の前処理としてはアンモニア・
ブランソン洗浄を行った。基板を水素６１／ｍｉｎ、〆
黒度１０００°Ｃ１時間５分の条件でベーキングするこ
とによりシリコン基板表面の自然酸化膜を除去したのち
、水素６１／ｍｉｎ、　Ｃ２Ｈ２１０ｃｃ／ｍｉｎ、温
度１０００°Ｃ１時間１０分間炭化を行った。その後、
水素６１／ｍｉｎ、　’ＩＲ度１０００°Ｃ１成長圧力
２０ｔｏｒｒの条件で成長を行った。３０秒間５ｉＨ２
Ｃ１２ガス１０ｃｃ／ｍｉｎ流した後、４０秒間原料ガ
スの供給を停止する。次にＨＣＩガス１５０ｃｃ／ｍｉ
ｎ流した後、４０秒間原料ガスの供給を停止する。その
後、Ｃ３Ｈ８ガスを１０ｃｃ／ｍｉｎ、３０秒間流した
後、４０秒間原料ガスの供給を停止する。その後、最初
と同様に５ｉＨ２Ｃ１２ガス、次にＭＣＩガスを、最後
にＣ３Ｈ８ガスを流すというように繰り返して成長を行
った。その結果、繰り返し数に応じノご膜厚のＳｉＣ層
を基板全体に渡り均一に鏡面成長することが出来た。こ
のＳｉＣの成長は基板温度９００〜１３０００Ｃで成長
圧力は常圧以下で確認できた。

以上の実施例においてはＳｉＣ原旧原料してシリコン系
ガスはＳｉＨ４ガス、５ｉＨ２ＣＩ２ガスを、炭素系ガ
スはＣ３Ｈ５ガスを用いたが、本発明はこれに限らずＳ
ｉ２Ｈ６，５ｉＨＣ１３、Ｃ２Ｈ２などの他の原料ガス
でも効果が得られる。本発明の効果は原料ガスに依存す
るものではなく、要は原料ガスと塩化水素ガスを交互に
供給すれば良い。

（発明の効果）以上、詳細に述べた通り、本発明の方法によればＣＶＤ
法によりシリコン基板上にＳｉＣ膜を成長させる際に、
シリコンの原料ガス、シリコンのエツチングガスである
ＨＣＩガス、炭素の原料ガスを順番に流すことにより、
膜厚が均一で良質の結晶を基板全面に渡り成長させるこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法に用いられる半導体装置の一例を
示す概略構成図である。１・・・反応管、２・・・サセプタ、３・・・加熱装置
、４ａ、　４ｂ、　４ｃ。４ｄ・・・ボンベ、５・・・ガスミギザー、６・・・流
量制御部、７ａ。

Claims

【特許請求の範囲】１）シリコン系ガスと炭化水素系ガスを原料としたＣＶ
Ｄ法により炭化硅素を基板上に成長させる方法において
、シリコン系ガスと塩化水素ガスと炭化水素ガス系ガス
とを順番に基板上に流す工程を繰り返し行うことを特徴
とする炭化硅素の成長方法。２）請求項１記載のシリコン系ガスとして水素化シリコ
ン系ガスを用いることを特徴とする炭化硅素の成長方法
。３）請求項１記載のシリコン系ガスとして塩化シリコン
系ガスを用いることを特徴とする炭化硅素の成長方法。