JPH11233439A

JPH11233439A - 単結晶基板、単結晶薄膜及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11233439A
Application number: JP10030029A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Izumi; 聡志泉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】単結晶基板の表面状態を従来よりも飛躍的に
安定化させる。また、単結晶薄膜の薄膜化に伴い、膜全
体に対して界面／表面の領域が大きな割合を占めるよう
になり、これらの影響により膜自体の性質が変化し、不
安定になる。この薄膜化にともなう性質の変化を抑制す
る。【解決手段】ダイヤモンド型の単結晶基板や単結晶薄
膜の表面の主要部を（１１１）シャフルセット面とす
る。これにより、表面領域の弾性定数がバルクと変わら
ず、物理的、化学的性質が極めて安定になる。シャフル
セット面の形成は、ＳＴＭやＭＢＥ法を用いることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶基板、単結
晶薄膜及びそれらの製造方法に関する。より詳しくは、
本発明は、シリコンなどからなる単結晶の基板または薄
膜を備え高性能且つ高集積化が可能な半導体装置やマイ
クロ・マシンなどの単結晶基板、単結晶薄膜及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンなどのダイヤモンド型の結晶構
造を有する単結晶基板を備えた装置として、半導体装置
やマイクロ・マシンなどに関する研究開発が広範に進め
られ、実用化が図られている。例えば、シリコン基板の
上に形成された半導体集積回路などの半導体装置は、集
積度や諸特性の向上を目指してますますの微細化が図ら
れている。また、シリコン基板の上に種々の構造物を形
成した「マイクロ・マシン」は、半導体プロセスを応用
して微細化が図られている。本願明細書においては、こ
のような、単結晶基板を備えた半導体装置やマイクロ・
マシンなどを総称して、「単結晶基板装置」と称する。
一方、シリコンなどのダイヤモンド型の結晶構造を有す
る単結晶薄膜も、半導体素子やマイクロ・マシンなどに
広く用いられている。例えば、半導体装置においては、
膜厚が数１００オングストローム以下のシリコン薄膜が
形成され、能動層或いは活性層などとして用いられるこ
とが多い。また、ピエゾ・アクチュエータやマイクロモ
ータなどのいわゆる「マイクロ・マシン」においても、
シリコンなどの単結晶の薄膜部分が必要とされることが
多く、微細化が容易な半導体プロセス技術を利用して広
範に研究開発が進められている。本願明細書において
は、このような単結晶薄膜を備えた半導体装置やマイク
ロ・マシンなどを総称して、「単結晶薄膜装置」と称す
る。

【０００３】半導体装置やマイクロ・マシンの微細化に
伴って、単結晶基板の表面状態が従来よりも重要な位置
を占めるようになっている。また、用いられる単結晶薄
膜の膜厚の下限も数１０オングストローム以下に達し、
ますますの薄膜化が進んでいる。薄膜化に伴って重要と
なってくるのは、膜の表面あるいは他の部材との界面の
性質である。すなわち薄膜が薄くなればなるほど膜全体
に対して表面あるいは界面の領域が大きな割合を占める
ようになり、これらの影響により膜自体の性質が変化し
てしまう。たとえば量子的効果により電子が薄膜を透過
するいわゆるトンネル酸化膜などはその一例である。ま
た、その薄膜そのものが性質の変化を起こさない場合で
も、その薄膜と隣接する基板あるいは他の薄膜との界面
の性質が変化してしまえば、薄膜は著しくその影響を受
けてしまう。

【０００４】つまり、薄膜化にともない、薄膜は従来の
厚い膜とは異なった性質を有することが予想される。こ
のような現象が生ずると、薄膜が構造的に不安定になっ
たり、本来の期待される性質を持つことができず、例え
ば、薄膜の割れや欠けが多発したり、電気的な信頼性が
低下することが考えられる。また、単結晶基板において
も、その表面の状態が重要であり、シリコン基板表面に
おける転位やその他の欠陥を極力抑制することが望まし
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、いわゆる
ダイヤモンド型の結晶構造を有する単結晶の（１１１）
面の表面構造を定量的に解析することにより、その表面
の原子配列と薄膜の物性との間に極めて密接かつ臨界的
な関係が存在することを知得するに至った。その結果、
従来の単結晶基板及び単結晶薄膜が有する構造上の課題
を定量的に認識した。以下、この認識に基づく課題につ
いて、シリコンを一例として例示しつつ詳細に説明す
る。

【０００６】従来の（１１１）面を主面とする単結晶シ
リコンの表面には、いわゆる「グライドセット面」と
「シャフルセット面」とがランダムに混在して存在して
いた。そして従来は、これらの面に起因する薄膜の物性
は明確には明らかにされておらず、その表面状態を積極
的に制御するという発想は無かった。

【０００７】図７は、グライドセット面を表面に有する
シリコン単結晶薄膜の断面結晶構造を表す模式図であ
る。ここで、シリコンの［１１１］方向には、同図に符
号Ａで例示した原子面間隔の狭い原子間結合部分と、符
号Ｂで例示した原子面間隔の広い原子間結合部分とが存
在する。「グライドセット面」とは、これらの原子間結
合のうちで、符号Ａに対応する狭い原子間結合を切断し
て表面に現れた面をいう。グライドセット面の最表面に
現れているそれぞれのシリコン原子は、四面体配位を有
する４本の結合手のうちのおよそ３本の結合が切断さ
れ、残る一本の結合手によって第２層目のシリコン原子
によって支持された状態になっている。従って、グライ
ドセット面を構成する表面のシリコン原子は、物理的に
も化学的にも不安定な状態にある。実際には、グライド
セット面においては、シリコン原子が再配列を起こし
て、さらに煩雑な配置関係を有し、不安定な構造になっ
ている場合が多い。

【０００８】本発明者は、シリコンのグライドセット面
の表層の弾性的性質を考えるために、分子動力学の手法
を用いて表層の平均弾性定数を求めた。シミュレーショ
ンに用いたポテンシャルはＴｅｒｓｏｆｆ（Ｊ．Ｔｅｒ
ｓｏｆｆ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ３８（１９８８）、ｐ
ｐ．９９０２）が提案したモデルであり、弾性定数が実
験値と一致するようにフィッテングした。また、弾性定
数の算出にはＭａｒｔｉｎ（Ｊ．Ｗ．Ｍａｒｔｉｎ、
Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃ８（１９７５）、ｐｐ．２８５８）が
提案し、Ｖｉｔｅｋ（Ｉ．Ａｌｂｅｒ，Ｊ．Ｌ．Ｂａｓ
ｓａｎｉ．．、Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌ
ｏｎｄ．Ａ３３９（１９９２）、ｐｐ．５５５）らによ
っても適用が行われている方法を用いた。

【０００９】表面から４層部分（６Ａ（オングストロー
ム））の、弾性的に重要と思われる表面層部分の面内平
均弾性定数（Ｃ₁₁，Ｃ₁₂，Ｃ₆₆＝Ｃ₁₂₁₂）を求めると、
式（１）のようになり（式中の値は規格化したものであ
る）、式（２）に示すバルクの値と比べて非常に小さく
なることがわかった（ただし、ｉ、ｊは整数である）。
すなわち、グライドセット面の表面層は、バルクよりも
「軟らかい」ことが分かった。

【００１０】

【数１】表面の安定性を測る尺度としてＹｉｐ（Ｊ．Ｗａｎｇ、
Ｊ．Ｌｉ、Ｓ．Ｙｉｐ．．、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５２
（１９９５）、ｐｐ．１２６２７）らによっても用いら
れている弾性定数の行列式Ｓ＝ｄｅｔ（Ｃ_ijkl）を計算
すると、Ｓ＝０．０４６となる。バルクについての値は
Ｓ＝０．３７４であるため、グライドセット面の表面層
は安定性が著しく低下し、構造的に不安定であることが
わかった。

【００１１】このような不安定な表面上に薄膜を形成す
る場合、不安定な界面が形成され、形成される薄膜自身
も不安定になることは明らかである。

【００１２】次に、表面に（１１１）グライドセット面
の自由表面を持つシリコン薄膜を考え、その薄膜化に伴
う薄膜全体の弾性定数の変化について検討した。

【００１３】図８は、（１１１）グライドセット面を自
由表面に有するシリコン薄膜の膜厚と弾性定数との関係
を示すグラフ図である。同図に示したように、薄膜の膜
厚が薄くなるに従って、特に膜厚５０Ａ（オングストロ
ーム）以下で弾性定数の著しい低下が起ってしまう。こ
れらは前述した不安定な表面状態の影響である。安定化
の指標であるｄｅｔ（Ｃ_ijkl）を膜厚３７．６Ａ（［１
１１］方向における原子配列の４周期分の距離）のもの
について求めるとＳ＝０．３００となり、薄膜としての
安定性に欠けることが分かった。ここで、安定性の指標
を表す別のパラメータとして、次式により表されるχが
ある。

【００１４】

【数２】ここで、Ｃ^bulkは、バルクのシリコンの弾性定数であ
る。図３に示した各データ点について、上式のχを計算
した結果、膜厚９．４１Ａ（［１１１］方向の原子配列
の１周期分の距離）でχ＝０．３６５５４、膜厚１８．
８Ａ（２周期分の距離）でχ＝０．２０４７４、膜厚３
７．６Ａ（４周期分の距離）でχ＝０．１１７６４、膜
厚７５．３Ａ（８周期分の距離）でχ＝０．０７６１０
であることが分かった。

【００１５】ここで、構造安定性の目安として、χ＜１
なる条件が用いられることが多い。従って、（１１１）
グライドセット面を自由表面に有するシリコン薄膜にお
いては、膜厚が５０Ａよりも薄くなると、構造的に不安
定になり問題を生ずることが多いことが分かった。

【００１６】以上説明したように、従来の（１１１）シ
リコンの表面にランダムに存在していたグライドセット
面は、物理的、化学的に不安定であり、弾性定数が低
く、表面において再配列を生じやすいものであった。そ
の結果として、従来の（１１１）シリコンの薄膜は、膜
厚を薄くするほどグライドセット面の影響が強く表れ、
薄膜自身の物理的、化学的性質が不安定になるという問
題があった。

【００１７】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、シリコンな
どのダイヤモンド型の結晶構造を有する単結晶基板また
は単結晶薄膜を備え、基板の表面状態を従来よりも大幅
に改善し、また、膜厚が極めて薄い単結晶薄膜において
も、従来よりも飛躍的に改善された物性を有する独特の
構成を開示する単結晶基板、単結晶薄膜、及びこれらの
製造方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明による
単結晶基板は、ダイヤモンド型の結晶構造の単結晶から
なる基板を備え、前記基板の少なくとも一部が実質的に
（１１１）シャフルセット面により構成されていること
を特徴とし、シャフルセット面が物理的、化学的に極め
て安定であり従来よりも高性能で高集積化が可能な半導
体装置やマイクロマシンが実現できる。

【００１９】または、本発明による単結晶基板は、ダイ
ヤモンド型の結晶構造の単結晶からなる基板と、前記基
板に形成されたゲート酸化膜と、を備え、前記基板と、
前記ゲート酸化膜とが接触する少なくとも一部分が（１
１１）シャフルセット面により構成されていることを特
徴とし、従来よりも安定でゲート耐圧の高いＦＥＴとし
ての単結晶基板を実現できる。

【００２０】または、本発明による単結晶基板は、ダイ
ヤモンド型の結晶構造の単結晶からなる基板と、前記基
板の主面に形成されたｐｎ接合部と、を備え、前記基板
と、前記ｐｎ接合部とが接触する少なくとも一部分が
（１１１）シャフルセット面により構成されていること
を特徴とし、従来よりも安定で、高集積化が容易なバイ
ポーラ・トランジスタやダイオードなどの半導体装置を
実現できる。

【００２１】一方、本発明の単結晶薄膜は、（１１１）
面を両面に形成し、前記（１１１）面がシャフルセット
面からなるダイヤモンド型の単結晶からなることを特徴
とし、従来よりも物理的、化学的に安定で高集積化が容
易な単結晶薄膜装置を実現できる。

【００２２】ここで、前記単結晶薄膜の膜厚は、５０オ
ングストローム以下としても、従来のような弾性定数の
低下が生ずることはなく、従来は困難であった微細化が
実現される。

【００２３】また、本発明の単結晶基板の製造方法は、
（１１１）面を表面に有するダイヤモンド型の結晶構造
を有する単結晶の基板の表面の少なくとも一部に、走査
トンネル顕微鏡を用いてシャフルセット面を形成する工
程を備えたことを特徴とする。

【００２４】または、本発明の単結晶基板の製造方法
は、（１１１）面を表面に有するダイヤモンド型の結晶
構造を有する単結晶の基板の表面の少なくとも一部に、
分子線エピタキシャル法によりシャフルセット面を形成
する工程を備えたことを特徴とする。

【００２５】ここで、前記シャフルセット面に薄膜を堆
積する工程を備えたことにより、特性が改善され、高集
積化された単結晶基板を製造することができる。

【００２６】また、前記シャフルセット面にプレーナ状
のｐｎ接合を形成する工程を備えたことにより、特性が
改善され、高集積化が容易な単結晶基板を製造すること
ができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明は、（１１１）面を主面と
するダイヤモンド型の結晶構造を有する単結晶基板また
は、単結晶薄膜の表面の要部を「シャフルセット面」に
より構成することを特徴とする。すなわち、本発明者
は、ダイヤモンド型の結晶構造を有する単結晶の（１１
１）面の表面構造を定量的に解析することにより、その
表面の原子配列と薄膜の物性との間に極めて密接かつ臨
界的な関係が存在することを知得するに至った。このよ
うな「シャフルセット面」を有する単結晶基板または単
結晶薄膜は、表面層領域の弾性定数が大きく機械的強度
に優れると共に、化学的にも安定で、電子素子を形成し
た場合においても電気的特性が良好且つ安定する。ま
た、単結晶薄膜の膜厚を極めて薄くした場合でも、構造
的な不安定性が効果的に抑制され、従来よりも膜厚が薄
く、且つ物理的化学的性質も優れた薄膜を実現すること
ができるようになる。

【００２８】以下に、本発明の実施の形態について、ダ
イヤモンド型の結晶構造を有する物質の一例としてシリ
コンを例に挙げて従来例と比較しつつ説明する。

【００２９】図１は、シャフルセット面を表面に有する
シリコン単結晶薄膜の断面結晶構造を表す模式図であ
る。同図に示したように、「シャフルセット面」とは、
シリコンの［１１１］方向において原子面間隔の広い原
子間結合部分（符号Ｂ）を切断して表面に現れた面をい
う。面間距離が大きいシャフルセット面を表面に有する
シリコン基板の表面原子は図７に示したグライドセット
面のような再配列を起こさず、整然と配置して、安定な
構造になっている。すなわち、シャフルセット面の最表
面に現れているそれぞれのシリコン原子は、四面体配位
を有する４本の結合手のうちのおよそ１本の結合のみが
切断され、残る３本の結合手によって直下に位置する第
２層目のシリコン原子によって支持された状態になって
いる。従って、シャフルセット面を構成する表面のシリ
コン原子は、グライドセット面と比較して物理的にも化
学的にも安定な状態にある。さらに、周囲のシリコン原
子によって支持されているので、再配列を起こしにく
く、不安定な構造になりにくい場合が多い。

【００３０】本発明者は、シャフルセット面の表面層の
弾性定数をグライドセット面と同様な方法で検討した。
すなわち、表面から４層部分（６Ａ）の、平均弾性定数
を求めると、式（３）のようになり、バルクの値（式
（２））と比べてほとんど変化しないことが分かった。

【００３１】

【数３】表面の安定性を測る尺度Ｓ＝ｄｅｔ（Ｃ_ijkl）を計算す
ると、Ｓ＝０．３９１となり、バルクのＳ＝０．３７４
よりも大きくなり構造的に安定性が増していることが分
かった。このような安定な表面上に薄膜を形成する場
合、安定な界面が形成され、形成される薄膜自身もより
安定な物性を有することは明らかである。

【００３２】すなわち、シリコンなどのダイヤモンド型
の単結晶基板の表面の要部を（１１１）シャフルセット
面により構成すれば、物理的、化学的に極めて安定な半
導体装置あるいはマイクロ・マシンを実現することがで
きる。ここで、単結晶基板の全面をシャフルセット面と
する必要は、必ずしもない。すなわち、半導体装置やマ
イクロ・マシンの要部となる部分の単結晶基板表面のみ
をシャフルセット面とすれば良い。例えば、ＦＥＴやバ
イポーラ・トランジスタなどの半導体装置の場合には、
いわゆる活性領域となるゲート酸化膜の下部や、ｐｎ接
合部のみを（１１１）シャフルセット面とすれば足り
る。

【００３３】ここで、シャフルセット面とすべき表面
は、基板の自由表面に限定されない。例えば、単結晶基
板の上に薄膜やその他の部材が設けられているような半
導体装置において、これらの薄膜やその他の部材と基板
との界面の部分の基板表面を（１１１）シャフルセット
面とすれば、安定な界面を形成することができ、機械
的、電気的あるいは化学的な諸特性を改善することがで
きる。

【００３４】一方、ピエゾアクチュエータやマイクロモ
ータなどを含んだマイクロ・マシンの場合には、単結晶
基板の表面のうちで、アクチュエータやモータ部の要
部、例えば駆動部や摺動部などの表面の少なくとも一部
分を（１１１）シャフルセット面としても所定の効果を
得ることができる。すなわち、機械的強度や摩擦耐久性
などが改善され、従来よりも高速な動作が可能となり、
寿命が延びるとともに信頼性も向上する。

【００３５】次に、本発明者は、両側に（１１１）シャ
フルセット面の自由表面を持つシリコン薄膜を考え、そ
の薄膜化に伴う膜全体の弾性定数の変化を調べた。図２
は、（１１１）シャフルセット面を自由表面に有するシ
リコン薄膜の膜厚と弾性定数との関係を示すグラフ図で
ある。ここで、弾性定数の計算は、それぞれ膜厚が９．
４１Ａ（［１１１］方向における原子配列の１周期分の
距離）、１８．８Ａ（２周期分の距離）、３７．６Ａ
（４周期分の距離）、７５．３Ａ（８周期分の距離）の
４点について実施した。同図に示したように、シャフル
セット面を用いると薄膜の膜厚が薄くなっても弾性定数
は殆ど低下せず、構造的に極めて安定であることが分か
る。この薄膜の安定性は、前述の表面状態と安定性と同
意味である。安定化の指標であるｄｅｔ（Ｃ_ijkl）を膜
厚３７．６Ａ（４周期分の距離）について求めるとＳ＝
０．３８４となり、グライドセット面を自由表面に有す
る薄膜と較べて安定性が高いことは勿論であるが、バル
クの値よりも高い。すなわち、シャフルセット面を有す
る薄膜は、バルクよりも構造的に安定になるといえる。

【００３６】本発明によれば、薄膜の表面を（１１１）
シャフルセット面とすることによって、薄膜化にともな
う構造の不安定化を回避することが出来、薄膜が本来期
待される性質を発揮する事が出来る。また、薄膜の割れ
や欠けが抑制され、電気的な信頼性が向上し、シリコン
薄膜の転位やその他の結晶欠陥を抑制することができ
る。さらに、本発明によれば、従来と異なり、薄膜の膜
厚が薄くなって構造的な安定性が維持される。従って、
本発明によれば、従来は困難であった超薄膜を用いた高
集積度、高性能の半導体装置やシリコン薄膜装置を実現
できるようになる。ここで、本発明は、上述したシリコ
ン単結晶に限定されるものではない。すなわち、本発明
者の検討において用いた原子間ポテンシャル（Ｔｅｒｓ
ｏｆｆらによる前述の文献）は、そのまま同じ性質の共
有結合を有する炭素、ゲルマニウムなどにも適用可能で
あり、ダイヤモンドやゲルマニウムあるいはシリコンと
ゲルマニウムの混晶からなる単結晶においてもほぼ同様
な結果が得られることは明らかである。さらに、ＧａＡ
ｓやＩｎＰなどの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する化合物
においても同様の効果を得ることができる。

【００３７】以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例
について説明する。

【００３８】図３は、本発明の第１の実施例に係る単結
晶基板を用いた装置の概略構成を表す断面図である。す
なわち、同図に示した単結晶基板装置１０は、いわゆる
ＣＭＯＳ型のＦＥＴであり、シリコン基板１２の上に
は、素子分離用の酸化膜２２が設けられ、ｐウェル領域
１６が選択的に形成されている。分離された素子領域に
は、それぞれソース領域２８とドレイン領域３０とが形
成されている。ソース領域２８とドレイン領域３０との
間には、ゲート酸化膜２４を介してゲート電極２６が設
けられている。また、素子の表面は、層間絶縁膜３２に
より覆われている。

【００３９】本発明によれば、例えば、シリコン基板１
２の表面のうちで、ゲート酸化膜２４の下部の領域をシ
ャフルセット面とすることにより、シリコン基板１２の
表面状態が安定し、ゲート酸化膜２４との間で安定な界
面を形成する。その結果として、ゲート耐圧が高く、し
きい値が安定したＣＭＯＳ型のＦＥＴを得ることができ
る。

【００４０】次に、このＣＭＯＳ型ＦＥＴの製造方法に
ついて説明する。

【００４１】図４及び図５は、半導体装置１０の要部製
造工程を表す工程断面図である。

【００４２】すなわち、半導体装置１０の製造にあたっ
ては、まず、リン（Ｐ）がドープされたｎＮ型で面方位
が（１１１）面であるシリコン基板１２上に熱酸化によ
ってシリコン熱酸化膜１４を約１７００Ａ成長させる。
次に、図示しないフォトレジストを用いて、酸化膜上に
ｐウェルの領域となるパターンを形成する。パターニン
グされたフォトレジストをマスクにして、イオン注入法
により、ホウ素（Ｂ）をシリコン基板１２内に打ち込
む。その後、フォトレジストを取り除き、ホウ素を熱拡
散させてｐウェル層１６を形成する。次に、ＣＶＤ（Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
法により、酸化膜上にシリコン窒化膜１８を形成し、フ
ォトレジスト２０で素子分離領域のパターンを形成した
後にフォトレジストの開口部の窒化膜を取り除く。図４
は、この状態の断面構造を表す概略図である。

【００４３】次に、フォトレジスト２０を取り除き、パ
ターニングされたシリコン窒化膜１８をマスクにして約
１０００℃で１００００Ａ程度の厚い酸化膜を選択的に
形成させ、図５に示したようにフィールド酸化膜２２を
形成する。マスクとして利用した窒化膜１８と、その下
の酸化膜１４をエッチングにより除去し、フィールド酸
化膜２２に囲まれた領域に酸化膜５０ＡをＣＶＤ等によ
って堆積、または熱酸化によりゲート酸化膜２４を形成
する。

【００４４】この際、少なくともゲート酸化膜の直下の
みのシリコン基板１２の表面１２Ａをシャフルセット面
となるようにする。シャフルセット面の形成方法として
は、例えば、ＳＴＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉ
ｎｇｍｉｃｒｏｓｃａｐｅ：走査トンネル顕微鏡）な
どを利用した原子マニュピレータを用いることができ
る。すなわち、ＳＴＭを用いれば、シリコン基板の表面
の原子をピックアップして、所定の位置に置くことがで
きる。従って、シリコン基板１２の表面のうちのゲート
酸化膜を形成する部分において、表面のシリコン原子を
適宜ピックアップし、所定の格子点位置に配置し直すこ
とにより、安定なシャフルセット面を形成することがで
きる。

【００４５】また、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅ
ａｍｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法によ
り、（１１１）シリコン基板の表面に単原子層ずつシリ
コン原子を堆積して、安定なシャフルセット面を形成す
ることもできる。この際には、シリコン原子の供給速度
と、成長温度とのバランスを調節して、シリコン基板の
表面に供給されたシリコン原子が基板表面において十分
に拡散移動して、所定の格子点位置に安定に定着するよ
うな成長条件を選択することが望ましい。ＭＢＥ法によ
れば、超高真空中においてシリコン基板の表面の汚染を
防止しながら単原子層ずつ制御してシリコン原子を堆積
することができる点で有利である。

【００４６】一方、ＣＶＤ法などのその他の結晶成長方
法を用いても、シャフルセット面を形成することが可能
である。但し、前述したＭＢＥ法の場合と同様に、単原
子層ずつ堆積することが望ましく、また、シリコン原子
の供給速度と、成長温度とのバランスを調節して、シリ
コン基板の表面に供給されたシリコン原子が基板表面に
おいて十分に拡散移動して、所定の格子点位置に安定に
定着するような成長条件を選択することが望ましい。

【００４７】その上に、ＣＶＤ法によりポリシリコンを
成長形成し、パターニングしてゲート電極２６を形成す
る。図５は、この状態の断面構造を表す概略図である。

【００４８】次に、ｐウェル形成と同様な方法でｐウェ
ル領域１６にはヒ素（Ａｓ）を、ｐウェル領域以外には
ホウ素をそれぞれイオン注入法によりシリコン基板１２
に打ち込み、熱処理を施してソース領域２８、ドレイン
領域３０をそれぞれ形成する。これにより、ＦＥＴトラ
ンジスタの各素子が形成される。その後、層間絶縁膜と
してＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケート・ガラス）３
２を１００００Ａ程度ＣＶＤ法で形成し、所定の電極及
び配線のパターニングを行い、図３に示したＣＭＯＳ型
ＦＥＴ１０が完成する。

【００４９】本実施例においては、ゲート酸化膜２４直
下に、安定な界面を形成することによって高い電気的信
頼性が実現する。酸化膜２４の下部以外は、必ずしもシ
ャフルセット表面である必要はない。本実施例によれ
ば、安定な界面が形成され、安走な酸化膜が形成され、
安定で信頼性が高い半導体装置が製造できる。熱酸化を
行う場合は、酸化反応するため、酸化後の実際の界面は
シャフルセット面ではなくなる場合もあるが、シリコン
の表面１２Ａが安定ならば、酸化反応のバラツキがなく
なり、安定した熱酸化膜と界面が得られ、その結果とし
て電気特性や信頼性も安定する。

【００５０】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図６は、本発明の第２の実施例に係る単結晶基板
を用いた装置の概略説明図である。すなわち、同図は、
いわゆる「貼り合わせ基板」による半導体装置の製造方
法を表す概略図である。図示したように、（１１１）面
を主面としたシリコン基板４０の上に５０Ａ程度の熱酸
化膜４２を形成し、シリコン基板５０と貼り合わせる。
この際に、シリコン基板５０の裏面、すなわち貼り合わ
せ側の面を全面に渡ってシャフルセット面としておく。
その方法としては、例えば、前述したＳＴＭやＭＢＥな
どの方法を用いることができる。２枚の基板を貼り合わ
せた後に、適宜研磨することによって、極めて安定な貼
り合わせ界面を有し、密着性も高いＳＯＩ（ｓｉｌｉｃ
ｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハを形成する
ことができる。この後に、このＳＯＩウェーハ上に、Ｆ
ＥＴやバイポーラ・トランジスタなどの種々の構造を形
成して、高性能な半導体装置としての単結晶基板装置を
実現することができる。また、このようなＳＯＩウェー
ハを用いて、高性能なマイクロマシンとしての単結晶基
板装置を実現することもできる。

【００５１】本発明は、これらの具体例に限定されるも
のではない。

【００５２】この他にも、例えば、バイポーラ型トラン
ジスタ、ダイオード、サイリスタ、その他これらを組み
合わせた集積回路素子などの種々の半導体装置につい
て、本発明は、同様に適用して、同様の効果を得ること
ができる。

【００５３】さらに、本発明は、ピエゾアクチュエータ
やマイクロモータなどのマイクロマシンが備えられたシ
リコン薄膜装置に同様に適用して、同様の効果を得るこ
とができる。特に、これらのシリコン薄膜装置において
は、近年、小型化が急速に進められており、極めて膜厚
の薄いシリコンなどの薄膜部分を有するマイクロマシン
が必要とされる場合が増えている。このような場合にお
いても、本発明によれば、（１１１）シャフルセット面
を自由表面として形成することにより、従来よりもはる
かに、機械的に強固で壊れにくく、化学的にも安定な薄
膜を組み込むことができるようになる。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、シリコンなどのダイヤ
モンド型の結晶の表面を（１１１）シャフルセット面と
することによって、安定な表面が形成され、物理的、化
学的な物性を大幅に改善することができる。具体的に
は、機械的な強度が改善され、表面の割れや欠け、ある
いは転位やその他の結晶欠陥の導入が抑制される。ま
た、化学的にも安定化し、この表面の上に形成した他の
層との界面の物性も安定なものとなる。従って、半導体
装置の特性が改善され、安定化し、信頼性も改善され
る。

【００５５】また、本発明によれば、薄膜の物性も従来
よりも大幅に改善することができる。すなわち、薄膜化
による構造不安定を回避することが出来、物理的、化学
的な耐久性を従来よりも飛躍的に向上させることができ
る。具体的には、薄膜の割れや欠けを抑制し、電気的な
信頼性を改善し、さらに転位やその他の結晶欠陥の発生
を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】シャフルセット面を表面に有するシリコン単結
晶薄膜の断面結晶構造を表す模式図である。

【図２】（１１１）シャフルセット面を自由表面に有す
るシリコン薄膜の膜厚と弾性定数との関係を示すグラフ
図である

【図３】本発明の第１の実施例に係る単結晶基板を用い
た装置の概略構成を表す断面図である。

【図４】半導体装置１０の要部製造工程を表す工程断面
図である。

【図５】半導体装置１０の要部製造工程を表す工程断面
図である。

【図６】本発明の第２の実施例に係る単結晶基板を用い
た装置の概略説明図である。

【図７】グライドセット面を表面に有するシリコン単結
晶薄膜の断面結晶構造を表す模式図である。

【図８】（１１１）グライドセット面を自由表面に有す
るシリコン薄膜の膜厚と弾性定数との関係を示すグラフ
図である。

【符号の説明】

１０単結晶基板装置１２シリコン基板１２Ａシャフルセット面１４酸化膜１６Ｐウェル領域１８窒化膜２０レジスト２２フィールド酸化膜２４ゲート酸化膜２６ゲート電極２８ソース領域３０ドレイン領域３２酸化膜４０、５０シリコン基板

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 49/00 Ｈ０１Ｌ 21/205 // Ｈ０１Ｌ 21/205 27/12 Ｂ 27/12 29/78 ３０１Ｑ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンド型の結晶構造の単結晶からな
る基板を備え、前記基板の少なくとも一部が実質的に（１１１）シャフ
ルセット面により構成されていることを特徴とする単結
晶基板。
【請求項２】ダイヤモンド型の結晶構造の単結晶からな
る基板と、前記基板に形成されたゲート酸化膜と、を備え、前記基板と前記ゲート酸化膜とが接触する少なくとも一
部分が（１１１）シャフルセット面により構成されてい
ることを特徴とする単結晶基板。
【請求項３】ダイヤモンド型の結晶構造の単結晶からな
る基板と、前記基板に形成されたｐｎ接合部と、を備え、前記基板と前記ｐｎ接合部とが接触する少なくとも一部
分が（１１１）シャフルセット面により構成されている
ことを特徴とする単結晶基板。
【請求項４】（１１１）面を両面に形成し、前記（１１
１）面がシャフルセット面からなるダイヤモンド型の単
結晶からなることを特徴とする単結晶薄膜。
【請求項５】前記単結晶薄膜の膜厚は、５０オングスト
ローム以下であることを特徴とする請求項４記載の単結
晶薄膜。
【請求項６】（１１１）面を表面に有するダイヤモンド
型の結晶構造を有する単結晶の基板の表面の少なくとも
一部に、走査トンネル顕微鏡を用いてシャフルセット面
を形成する工程を備えたことを特徴とする単結晶基板の
製造方法。
【請求項７】（１１１）面を表面に有するダイヤモンド
型の結晶構造を有する単結晶の基板の表面の少なくとも
一部に、分子線エピタキシャル法によりシャフルセット
面を形成する工程を備えたことを特徴とする単結晶基板
の製造方法。
【請求項８】前記シャフルセット面に薄膜を堆積する工
程を備えたことを特徴とする請求項６または７に記載の
単結晶基板の製造方法。
【請求項９】前記シャフルセット面にプレーナ状のｐｎ
接合を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項６
または７に記載の単結晶基板の製造方法。