JPH07335562A

JPH07335562A - 炭化珪素の成膜方法

Info

Publication number: JPH07335562A
Application number: JP6128588A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nagasawa; 弘幸長澤
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】大面積で結晶性に優れた炭化珪素膜を形成す
る方法を提供する。【構成】単結晶シリコン基板表面を炭素雰囲気中で炭
化させて単結晶の炭化珪素からなる表面炭化層を形成す
る工程と、前記の表面炭化層をシリコン基板より分離す
る工程と、シリコン基板より分離された表面炭化層を基
板としてシリコンの原料ガスと炭素の原料ガスより炭化
珪素を析出させる工程とを含むことを特徴とする炭化珪
素の成膜方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化珪素の成膜方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化珪素は優れた耐環境性を有し、禁制
帯幅の広い半導体である。このため、高電圧下、放射線
照射下または高温下で動作する電子デバイスの素材とし
て有効である。

【０００３】炭化珪素基板を製造するためには、昇華
法、ディップ法、そして気相成長法が用いられる。しか
し、昇華法やディップ法では１６００℃を越える高温を
必要とするため、低温の炭化珪素結晶構造（β−Ｓｉ
Ｃ）を得ることは困難である。さらに、作製された基板
の直径もせいぜい２インチ程度であり、大面積の炭化珪
素基板を得ることは非現実的である。

【０００４】気相成長法による炭化珪素の成膜法では、
昇華法により作製された炭化珪素、炭化チタン、そして
シリコンなどを基板とし、これらの基板上に、シリコン
の原料ガスと炭素の原料ガスとの気相反応または表面反
応により炭化珪素を析出させている（Ｊ．Ａ．Ｐｏｗｅ
ｌｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓ
ｏｃ．１３４，（１９８７）；Ｋ．Ｓｈｉｂａｈａｒａ
ｅｔ．ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５０，
（１９８７）１８８８；Ｈ．Ｎａｇａｓａｗａｅｔ．ａ
ｌ．，Ｔｈｉｎ．Ｓｏｌｉｄ．Ｆｉｌｍｓ２２５（１
９９３）２３０；Ｊ．Ｄ．Ｐａｒｓｏｎｓｅｔ．ａ
ｌ．，ソリッド・ステート・テクノロジー日本版（Ｓｏ
ｌｉｄＳｔａｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），Ｊａｎ
ｕａｒｙ（１９８６）６１）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の気相成長法によ
る炭化珪素の成膜方法では、基板の大面積化と結晶性の
向上を両立させることが困難であった。すなわち、昇華
法により作製された炭化珪素や炭化チタンを基板として
用いた場合には、基板と炭化珪素膜の界面に格子不整合
が存在しないために、良好な結晶性を有する炭化珪素膜
を得ることができるが、その反面、入手可能な基板面積
が２インチ四方以下に限られており、大面積の炭化珪素
膜を得ることが不可能である。

【０００６】シリコンを基板として炭化珪素の成膜を行
なう場合には、直径３インチを越える単結晶シリコン基
板が入手可能であり、大面積の炭化珪素膜の形成が可能
となる。しかしながら、炭化珪素膜とシリコン基板との
界面に生ずる結晶格子の不整合により、成膜された炭化
珪素層の結晶性が損なわれたり、その再現性が損なわ
れ、表面モホロジーも悪化するという問題点がある。し
たがって、シリコン基板上に炭化珪素を成膜する場合に
は、あらかじめシリコン基板の表面を炭素を含んだ雰囲
気中で炭化し、炭化珪素からなる表面炭化層を形成して
おかなければならない（小野他、電子通信学会信学技
報、SSD80, (1980) 125 ）。ところが、シリコン基板表
面を炭化する工程の最中、またはその直後には、下地の
シリコン基板より表面へ向けて、局部的なシリコン原子
の拡散がおこる。このようなシリコン原子の拡散により
基板表面のモホロジー悪化、結晶性悪化がもたらされる
（たとえばＣ．Ｊ．Ｍｏｇａｂｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ａ
ｐｐ．Ｐｈｙｓ．４５，（１９７４）１０７５；Ｈ．Ｎ
ａｇａｓａｗａｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｃｒｙｓ．Ｇｒｏ
ｗ．，１１５，（１９９１），６１２）。そして、この
ような結晶性とモホロジーの悪化した基板を下地として
炭化珪素の気相成長を行なうと、気相成長により形成さ
れた炭化珪素膜の結晶性と表面モホロジーも悪化する。

【０００７】さらに、炭化珪素とシリコンとの界面には
熱膨張率の違いに基づく応力が生じ、基板のそりやクラ
ックが発生する。このため、シリコン基板上において、
良質で大面積の炭化珪素層を形成することは困難であっ
た。

【０００８】また、シリコンを基板とした場合には、炭
化珪素の成膜温度はシリコン基板の融点（１４００℃）
以下に制限されるため、６Ｈ−ＳｉＣをはじめとするα
相の炭化珪素の膜形成は不可能であり、低温の相である
３Ｃ−ＳｉＣの膜成長に限られている。

【０００９】従って本発明の目的は、上記従来技術の欠
点を解消し、(i) 大面積で結晶性に優れた炭化珪素膜を
得ることができる、(ii)シリコンの融点を越える温度で
炭化珪素膜を形成できる、などの利点を有する炭化珪素
の成膜方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的は、単結晶シリ
コン基板表面を炭素雰囲気中で炭化させて単結晶の炭化
珪素からなる表面炭化層を形成する工程と、前記の表面
炭化層をシリコン基板より分離する工程と、シリコン基
板より分離された表面炭化層を基板としてシリコンの原
料ガスと炭素の原料ガスより炭化珪素を析出させる工程
とを含むことを特徴とする炭化珪素の成膜方法によって
達成される。

【００１１】本発明によれば、シリコン基板と分離され
た表面炭化層の裏面（シリコン基板と接していた面）を
基板としてシリコンの原料ガスと炭素の原料ガスより炭
化珪素を析出させることが、結晶性と表面モホロジーを
改善するうえで最も望ましい。

【００１２】また本発明によれば、シリコン基板の表面
炭化により形成された炭化珪素からなる表面炭化層をシ
リコン基板と分離する前に、その表面炭化層上に炭化珪
素、窒化珪素、アルミナ、および窒化ホウ素の少なくと
も１種からなる膜を堆積させる工程を実施することもで
きる。

【００１３】

【作用】本発明の炭化珪素の成膜方法においては、シリ
コン基板の表面炭化により得られた炭化珪素からなる表
面炭化層を下地として気相成長法による炭化珪素の成膜
を行なうため、大面積の炭化珪素薄膜成長が可能となっ
た。また、炭化により形成された表面炭化層は、この上
に炭化珪素を成膜するに先立ち、あらかじめ下地のシリ
コン基板と分離されているために、シリコンの融点を越
える温度での炭化珪素の成膜が可能となった。さらに、
表面炭化層からなる基板の下地には単体のシリコン層が
もちろん存在しないため、基板表面へのシリコン原子の
拡散が起らず、成膜された炭化珪素層の結晶性と表面モ
ホロジーの向上が確認された。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の炭化珪素の成膜方法の一実施
例の工程図を示す。以下、図１を参照しつつ本発明の炭
化珪素の成膜方法の一実施例について説明する。シリコ
ン基板として３インチの直径を有する単結晶シリコンウ
ェハを用い、これを反応炉内に設置し、アセチレンと水
素雰囲気中で１０２０℃まで加熱したのち、アセチレン
と水素供給下、シリコン基板を１０２０℃で６０分間保
ち、シリコン基板表面を炭化した（図１の工程（ａ）参
照）。この際のアセチレン流量と水素流量、そして反応
炉内圧力は表１の通りである。

【００１５】

【表１】

【００１６】エリプソメトリーを用いて、シリコン基板
表面に形成された炭化珪素からなる表面炭化層の膜厚を
測定したところ８０オングストロームであることが確認
された。

【００１７】次に、表面炭化層の上に、９００℃にてジ
クロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）とアセチレン（Ｃ₂Ｈ
₂）との反応により、多結晶の炭化珪素の成膜を行なっ
た（図１の工程（ｂ）参照）。原料ガスの流量、反応炉
内圧力、そして、成膜された多結晶炭化珪素層の膜厚は
表２のとおりである。この際の炭化珪素の成膜温度（９
００℃）は基板の炭化温度（１０２０℃）に比べ著しく
低温であるため、下地シリコン基板からの局部的なシリ
コン原子の移動は抑制される。さらにこの多結晶炭化珪
素膜は、非常に薄い表面炭化層を保持し、機械的な破損
を防ぐと同時に、下地からのＳｉ原子の移動を封止する
という役割を果たす。

【００１８】

【表２】

【００１９】表面炭化および多結晶炭化珪素の成膜後の
シリコン基板の断面図を示す図２より、シリコン基板１
の周囲に表面炭化層２が形成され、表面炭化層２の周囲
に、多結晶炭化珪素層３が形成されていることが明らか
である。

【００２０】次にシリコン基板の裏面側の炭化珪素層
（表面炭化層および多結晶炭化珪素層）を反応性イオン
エッチング法を用いて除去し、シリコン基板を露出させ
た（図１の工程（ｃ）参照）。

【００２１】次にフッ酸と硝酸の混合溶液を用いて、露
出したシリコン基板を全て溶解させ、単体の炭化珪素膜
を得た（図１の工程（ｄ）参照）。

【００２２】このようにして得た炭化珪素膜は図３に示
すようにシリコンの表面炭化により形成された単結晶の
炭化珪素からなる表面炭化層２と、気相からの析出によ
り形成された多結晶の炭化珪素層３とからなる２層構造
である。この炭化珪素膜のうちの、表面炭化層を基板と
して用い、その裏面（シリコン基板と接している面）
に、原料ガスの交互供給法による炭化珪素の成膜を実施
した（図１の工程（ｅ）参照）。

【００２３】原料ガスの交互供給法による炭化珪素の成
膜手順を以下に示す。はじめに、上述の手順で作製した
炭化珪素膜からなる基板を反応炉内に設置する。次に、
基板を１０２０℃まで加熱する。基板温度が１０２０℃
に到達した後に、シリコンの原料ガスであるジクロルシ
ラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）と炭素の原料ガスであるアセチ
レン（Ｃ₂Ｈ₂）を交互に反応炉内に供給する。このよ
うな原料ガスの交互供給を５００回繰り返した。この成
膜条件の詳細は表３に示した。

【００２４】

【表３】

【００２５】比較のため、シリコン基板の表面炭化工程
と炭化シリコン基板表面上への原料ガスの交互供給によ
る炭化珪素成膜工程のみからなる従来方法を次のように
実施した。

【００２６】直径３インチの単結晶シリコンウェハを基
板とし、これを反応炉内に設置し、水素とアセチレン雰
囲気中で１０２０℃まで加熱する。この際のアセチレン
と水素流量、そして反応炉内圧力は前記の表１の条件と
同一である。アセチレンと水素供給下、シリコン基板を
１０２０℃、６０分間保ち、シリコン基板表面を炭化し
た。次にシリコン基板の表面炭化の後に、シリコンの原
料ガスであるジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）と炭素
の原料ガスであるアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）を交互に反応
炉内に供給し炭化珪素の成膜を実施した。成膜条件は前
記の表３の条件と同一である。

【００２７】図４（ａ）は従来技術で得られた炭化珪素
膜表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。本ＳＥ
Ｍ像からは、炭化珪素膜表面に明らかな島状の突起が観
測される。図４（ｂ）は本発明により形成した炭化珪素
膜表面のＳＥＭ像である。本ＳＥＭ像からは炭化珪素膜
表面にはいかなる突起も観測されない。すなわち、本発
明により形成された炭化珪素膜表面の方が顕著に平坦で
あることが明瞭である。

【００２８】図５（ａ）は従来技術で得られた炭化珪素
膜断面のＳＥＭ像である。本ＳＥＭ像からは、炭化珪素
膜との界面のシリコン基板側にエッチピットが観測され
る。さらに、エッチピット上部の炭化珪素膜表面には島
状の突起が形成されている。図５（ｂ）は本発明により
形成した炭化珪素膜断面のＳＥＭ像である。本ＳＥＭ像
からは炭化珪素膜断面にはいかなるエッチピットも観測
されない。さらに、成膜した炭化珪素膜表面にもいかな
る突起も観測されない。すなわち、本発明の方法を実施
した場合には下地シリコン基板からのシリコン原子の移
動がおこらないために平坦な表面を有する炭化珪素膜を
得ることができる。

【００２９】図６（ａ）は従来技術により得られた炭化
珪素膜表面の電子チャネリングパターン（ＥＣＰ）であ
る。このＥＣＰからは明瞭な電子チャネリングパターン
は観測されない。これに対し、図６（ｂ）は本発明によ
り形成した炭化珪素膜表面のＥＣＰである。このＥＣＰ
には結晶中での原子の周期的配置を示唆する菊池パター
ンが明確に見い出される。すなわち、本発明の方法を実
施した場合には結晶性の良好な炭化珪素膜を得ることが
可能となる。

【００３０】表４には従来技術と本発明により形成した
炭化珪素膜の内部応力を示した。表４から明らかなよう
に、本発明を用いることにより、成膜した炭化珪素の内
部応力が大幅に低減される。

【００３１】

【表４】

【００３２】以上、実施例により本発明を説明してきた
が、本発明は以下の変形例を含むものである。

【００３３】(i) 実施例では、表面炭化層を形成するた
めの炭素雰囲気として、アセチレンと水素からなる雰囲
気を用いたが、水素のかわりに窒素、アルゴン、ヘリウ
ム、ネオン、クリプトン、キセノンを、アセチレンのか
わりにメタン系炭化水素、エチレン系炭化水素、アセチ
レン系炭化水素からなる雰囲気を用いることもできる。

【００３４】(ii)実施例ではシリコン基板上に設けた表
面炭化層の上に、多結晶の炭化珪素層を形成した後、表
面炭化層をシリコン基板より分離したが、前記の多結晶
の炭化珪素層の形成は行なわなくてもよい。なお、多結
晶の炭化珪素層を設けない場合には、表面炭化層は、そ
の炭化層単体で形状を保持しうる強度を有するなどの、
基板としての要件を備えていなければならない。

【００３５】(iii) 実施例では、シリコンの原料ガスと
して、ジクロルシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）を用いたが、
他のクロルシラン系ガス、シラン系ガスなどを用いるこ
とができる。

【００３６】また実施例では炭素の原料ガスとして、ア
セチレン（Ｃ₂Ｈ₂）を用いたが、メタン系炭化水素、
エチレン系炭化水素、アセチレン系炭化水素などを用い
ることもできる。

【００３７】(iV)実施例では、シリコンの原料ガスと炭
素の原料ガスの供給による炭化珪素の成膜を１０２０℃
で行なったが、基板の炭化珪素層の融点はシリコンの融
点（１４００℃）よりも高いため、シリコンの融点を越
える温度での成膜も可能であり、これにより、６Ｈ−Ｓ
ｉＣをはじめとするα相の炭化珪素膜を形成できる。

【００３８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、(i) 大
面積で結晶性に優れた炭化珪素膜を得ることができる、
(ii)シリコンの融点を越える温度で炭化珪素膜を形成で
きる、などの利点を有する炭化珪素の成膜方法が提供さ
れた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の炭化珪素膜の成膜方法における工程図
である。

【図２】炭化と多結晶成膜を経たシリコン基板の断面図
である。

【図３】下地シリコンを除去した後の炭化珪素基板の断
面図である。

【図４】炭化珪素膜表面のＳＥＭ像である。

【図５】基板上に成膜された炭化珪素膜断面のＳＥＭ像
である。

【図６】炭化珪素薄膜のＥＣＰ像である。

【符号の説明】

１シリコンウェハ２表面炭化（炭化珪素）層３多結晶の炭化珪素層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコン基板表面を炭素雰囲気中
で炭化させて単結晶の炭化珪素からなる表面炭化層を形
成する工程と、前記の表面炭化層をシリコン基板より分
離する工程と、シリコン基板より分離された表面炭化層
を基板としてシリコンの原料ガスと炭素の原料ガスより
炭化珪素を析出させる工程とを含むことを特徴とする炭
化珪素の成膜方法。
【請求項２】シリコン基板と分離された表面炭化層の
裏面（シリコン基板と接していた面）を基板として、シ
リコンの原料ガスと炭素の原料ガスより炭化珪素を析出
させる、請求項１に記載の炭化珪素の成膜方法。
【請求項３】シリコン基板の表面炭化により形成され
た表面炭化層をシリコン基板と分離する前に、表面炭化
層上に炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、酸化マグネシウ
ム、グラファイト、ダイヤモンドおよび窒化ほう素の少
なくとも１種からなる膜を堆積させる工程を有する、請
求項２に記載の炭化珪素の成膜方法。