JP2002261011A

JP2002261011A - デバイス用多層構造基板

Info

Publication number: JP2002261011A
Application number: JP2001058392A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fujimori; 洋行藤森
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＳＩに代表されるデバイス等の形成に使用
される単結晶シリコンウエハ基板の表面を改良・改質
し、光学的特性および電気的特性に優れたデバイス用多
層構造基板を提供する。【解決手段】単結晶シリコンウエハ基板上に、炭化ケ
イ素薄膜、ダイヤモンド薄膜が、順次積層されてなるこ
とを特徴とするデバイス用多層構造基板を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、デバイス用多層構
造基板に関し、より詳細には、光通信や光デバイス、プ
ラズマディスプレイ用デバイス等に好適に用いることが
できる、光学的特性および電気的特性に優れたデバイス
用多層構造基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは、波長域の広い光透過性
を有し、常温での化学的安定性にも優れており、耐摩耗
性・耐食性に優れていることから、従来から、光学材料
やその被覆材料等として使用されている。

【０００３】また、ダイヤモンドは、そのエネルギーバ
ンドギャップが大きく（５．５ｅＶ）、また、高い熱伝
導率（２０Ｗ・Ｋ／ｃｍ）および高い飽和キャリア移動
度（電子：２０００ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅｃ、正孔：２１０
０ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅｃ）を有し、絶縁破壊電界強度も優
れている（１０⁷ Ｖ／ｃｍ）という特性を有する。さら
に、ダイヤモンド薄膜は、所定のドーパントを添加する
ことにより半導体化することが可能であるため、高温お
よび放射線等の下で動作する耐環境性電子デバイス、ハ
イパワーデバイス、高周波デバイス等への応用も研究さ
れている。

【０００４】また、ダイヤモンド薄膜を用いた整流素子
等についても、種々の構造やその製造方法が、特開平７
−５０４２４号公報、特開平１０−９５６９４号公報等
に開示されている。これらの従来のダイヤモンド整流素
子等は、通常、単結晶ダイヤモンド基板、単結晶ダイヤ
モンド基板上に形成されたダイヤモンドエピタキシャル
膜、または、多結晶ダイヤモンド薄膜を構成要素として
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単結晶
ダイヤモンドを整流素子等のデバイス構成要素とした場
合は、現在の技術で製造できる単結晶ダイヤモンド基板
の面積が数ｍｍ² 程度と小さいため、一度に多数の素子
を製造することは困難である。さらに、単結晶ダイヤモ
ンド基板は極めて高価であり、素子の製造コストも非常
に高いという問題点もある。また、天然および高圧合成
による単結晶ダイヤモンド中には、多くの結晶欠陥が存
在するため、作製した整流素子の電気的特性は、理論的
に期待されるレベルにまでは到達していない。したがっ
て、前記整流素子等のデバイス用のダイヤモンド基板を
実用向けに製造するために、できる限り大口径の非ダイ
ヤモンドウエハ基板上に、ダイヤモンド薄膜を均質に形
成したものが検討されている。

【０００６】ところが、例えば、シリコンウエハ基板上
にダイヤモンド薄膜を形成しようとした場合、ダイヤモ
ンド薄膜はシリコンウエハ基板上に付着しにくく、たと
え付着した場合であっても、ダイヤモンドは単結晶化し
ないか、あるいはまた、高配向化していないものしか得
ることができなかった。すなわち、シリコンウエハ基板
上に、直接、ダイヤモンド薄膜を成長させた場合、格子
定数、熱膨張率等、原子の結合のしやすさ等の違いによ
り、シリコンウエハ基板とダイヤモンド薄膜とが密着
（接合）した状態を保つことは困難であった。特に、格
子定数の違いから、シリコンウエハ基板上にダイヤモン
ド薄膜を良好にエピタキシャル成長させることは困難で
あり、多くの転位や欠陥が含まれていた。このため、デ
バイス形成時の熱処理や配線による金属膜の接着等によ
り、例えば、図３に模式的に示したように、ダイヤモン
ド薄膜２３とシリコンウエハ基板２１との間に剥離ａが
生じたり、ダイヤモンド薄膜２３に割れｂが生じ、実用
的なデバイス用基板を得ることができなかった。

【０００７】近年、ダイヤモンド薄膜合成技術の進歩に
伴い、多結晶ダイヤモンドの薄膜に関しては、直径４イ
ンチ程度の非ダイヤモンド基板上に密着（接合）させる
ことが可能となった。しかしながら、多結晶ダイヤモン
ド薄膜は、多数の粒界と結晶欠陥を含むものであるだけ
でなく、表面平坦度が低く、高配向化された薄膜を得る
ことはほとんど不可能であるため、このダイヤモンド被
膜基板をデバイス用として実用に供することは困難であ
る。

【０００８】一方、単結晶シリコンウエハ基板上に単結
晶炭化ケイ素薄膜を成長させたものは、特開平１０−２
９７９９８号公報、特開平９−５２７９８号公報等にも
開示されており、実用化されている。これらの炭化ケイ
素被膜シリコンウエハ基板は、炭化ケイ素が大きいエネ
ルギーバンドギャップを有し、化学的安定性、耐環境性
に優れた半導体材料であることから、炭化ケイ素薄膜を
デバイスとして利用する目的で製造されている。

【０００９】しかしながら、炭化ケイ素の上記のような
優れた特性に鑑み、シリコン基板も併せて、デバイス形
成に活用することはなされておらず、また、前記炭化ケ
イ素薄膜上に、さらに、ダイヤモンド薄膜や他の半導体
物質の薄膜を積層することも行われていなかった。とこ
ろが、炭化ケイ素自体は光デバイスとしての応答ができ
ないため、例えば、エレクトロルミネッセンス等の発光
現象を組み合わせた光・電子デバイスを形成するために
は、別の新たなデバイスを組み合わせて用いなければな
らなかった。

【００１０】そこで、本発明者は、上記のような課題を
解決するため、鋭意研究を重ねた結果、単結晶シリコン
ウエハ基板上に、例えば、炭化ケイ素のエピタキシャル
膜を形成し、さらにその上に、ダイヤモンドのエピタキ
シャル膜を成長させて多層構造のシリコンウエハ基板と
することにより、後のデバイス形成工程における熱処理
や配線時の金属膜の接着等による基板の割れや剥離が発
生することなく、良好な光学的特性および電気的特性を
発揮するデバイスの形成が可能であるという知見を得
た。そして、この知見に基づき、本発明を完成するに至
った。

【００１１】したがって、本発明は、ＬＳＩに代表され
るデバイス等の形成に使用される単結晶シリコンウエハ
基板の表面を改良・改質し、光学的特性および電気的特
性に優れたデバイス用多層構造基板を提供することを目
的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係るデバイス用
多層構造基板は、単結晶シリコンウエハ基板上に、炭化
ケイ素薄膜、ダイヤモンド薄膜が、順次積層されてなる
ことを特徴とする。本発明は、ダイヤモンド薄膜が、炭
化ケイ素薄膜を介して、シリコンウエハ基板上に積層さ
れていることに構成上の特徴を有しており、ダイヤモン
ド層とシリコン層との両層の間に、炭化ケイ素層が形成
されることにより、各層間の密着性が良好となる。

【００１３】前記デバイス用多層構造基板においては、
単結晶シリコンウエハ基板、炭化ケイ素薄膜、ダイヤモ
ンド薄膜のいずれにも、ドーパントが添加されているこ
とが好ましい。このように、シリコンウエハ基板、炭化
ケイ素薄膜、ダイヤモンド薄膜のそれぞれに、ドーパン
トの種類、濃度等の条件を適宜コントロールしてドーピ
ングすることにより、各種デバイスおよびデバイス構造
に適応したエネルギーバンドギャップを選択して使用す
ることが可能である。

【００１４】また、前記炭化ケイ素薄膜は、エピタキシ
ャル膜または高配向性膜であることが好ましい。このよ
うな膜により構成される基板を用いることにより、形成
されるデバイスの性能および歩留の向上を図ることがで
きる。

【００１５】同様に、前記ダイヤモンド薄膜も、エピタ
キシャル膜または高配向性膜であることが好ましい。

【００１６】さらに、前記単結晶シリコンウエハ基板
は、該基板上にシリコンエピタキシャル膜が形成された
ものであることが好ましい。基板上に、炭化ケイ素のエ
ピタキシャル膜または高配向性膜を形成するために、よ
り好ましい態様であり、また、シリコンウエハ基板と炭
化ケイ素薄膜との密着性も良好となる。

【００１７】また、前記単結晶シリコンウエハ基板の代
わりに、絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を形成した
（ＳＯＩ）ウエハ基板を用いることもできる。ＳＯＩウ
エハ基板を用いることにより、シリコン酸化膜を含む５
層構造のデバイス用基板を容易に作製することが可能と
なる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、より詳細
に説明する。本発明に係るデバイス用多層構造基板は、
基本構造としては、図１に示したように、シリコン（Ｓ
ｉ）基板１と、前記シリコン基板１上に積層された炭化
ケイ素（ＳｉＣ）薄膜２と、さらに、前記炭化ケイ素薄
膜２上に積層されたダイヤモンド（Ｃ）薄膜３との三層
構造からなる。なお、本発明においては、炭化ケイ素薄
膜２は、六方晶系、すなわち、β型結晶構造からなるも
のである。

【００１９】シリコンとダイヤモンドは、ともに結晶系
が立方晶系に属するが、その格子定数（ａ₀ ）は、シリ
コン（Ｓｉ）が５．４３０７０Åであるのに対して、ダ
イヤモンド（Ｃ）は３．５６６７９Åであり、両者の差
が大きく、上述のとおり、単結晶シリコン上に直接、単
結晶ダイヤモンドを積層することは、非常に困難であ
る。また、炭化ケイ素は、シリコンとほぼ同等の熱膨張
率を有し、β型結晶の場合、シリコンおよびダイヤモン
ドと同じ立方晶系に属し、その格子定数は、４．３５９
６Åであり、両者のほぼ中間の値を有する。したがっ
て、ダイヤモンド層とシリコン層との両層の間に、炭化
ケイ素層が形成されることにより、各層間の密着性が良
好となり、デバイス形成工程等における熱処理や配線時
の金属膜の接着等による熱衝撃に対しても、薄膜に、割
れや剥離を生じることがない。

【００２０】本発明におけるシリコン基板としては、単
結晶シリコンウエハが用いられる。基板をシリコンウエ
ハとすることによって、既存の半導体用シリコンウエハ
基板と同等のサイズの多層構造基板を製造することがで
きる。したがって、基板サイズを必要に応じて、適宜選
択することができるため、実質的にサイズ上の制約がな
くなり、製造コストの低下にもつながる。

【００２１】また、基板となるシリコンウエハの種類と
しては、特に限定されるものではないが、例えば、チョ
クラルスキー（ＣＺ）法、フローティングゾーン（Ｆ
Ｚ）法等により得られた単結晶シリコンインゴットをウ
エハ状にスライスし、所定の加工を施した半導体用シリ
コンウエハを用いることができる。この場合、シリコン
ウエハ基板上に、炭化ケイ素のエピタキシャル膜または
高配向性膜を形成するためには、特に、シリコンウエハ
基板が一般的なプライム・ウエハである場合は、少なく
とも、その基板の薄膜形成面は鏡面研磨仕上げ加工が施
され、さらに、該表面近傍を無欠陥（ＤＺ）化する酸素
析出熱処理や水素ガス中熱処理を施したウエハ（例え
ば、ＤＺ−Ｇウエハ、Ｈｉ−ウエハ）等を使用すること
が好ましい。

【００２２】前記シリコンウエハ基板上に、炭化ケイ素
薄膜およびダイヤモンド薄膜を積層させる方法として
は、例えば、常圧化学気相成長（常圧ＣＶＤ）、減圧Ｃ
ＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、光ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、有機
金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）等のＣＶＤ法、スパッタリン
グ、真空蒸着等の物理気相成長（ＰＶＤ）法等を挙げる
ことができる。

【００２３】本発明に係るデバイス用多層構造基板にお
いては、単結晶シリコンウエハ基板、炭化ケイ素薄膜、
ダイヤモンド薄膜のいずれにも、ドーパントを添加する
ことが好ましい。各層にドーピングすることにより、各
層のドーパント濃度が安定化され、各種の新デバイスお
よびデバイス構造に対応して、所望の使用エネルギーバ
ンドギャップを容易に選択することができる。

【００２４】添加されるドーパントとしては、例えば、
アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等のド
ナー（Ｐドーパント）、また、ガリウム（Ｇａ）、ホウ
素（Ｂ）等のアクセプタ（Ｎドーパント）等を挙げるこ
とができる。そして、ドーピングは、イオン注入法等に
より、シリコンウエハ基板の準備段階、炭化ケイ素薄膜
成長後の段階およびダイヤモンド薄膜成長後の段階の各
段階において、ドーパントの種類、濃度等の条件を適宜
コントロールしてドーピングすることが好ましい。

【００２５】前記シリコンウエハ基板上に形成される炭
化ケイ素薄膜およびダイヤモンド薄膜は、ともに、エピ
タキシャル膜または高配向性膜であることが好ましい。
このような膜により構成される基板を用いることによ
り、形成されるデバイスの性能および歩留の向上を図る
ことができる。本発明においては、図２（ａ）に模式的
に示したように、例えば、結晶方位［１００］を有する
単結晶シリコンウエハ基板１１上に、同じ［１００］の
結晶方位を有する炭化ケイ素（β型）エピタキシャル膜
または高配向性膜１２を形成する。次いで、この炭化ケ
イ素薄膜１２上に、ダイヤモンドのエピタキシャル膜ま
たは高配向性膜１３を成長させる。同様に、図２（ｂ）
には、結晶方位［１１１］を有する単結晶シリコンウエ
ハ基板１１’上に、同じ［１００］の結晶方位を有する
炭化ケイ素（β型）エピタキシャル膜または高配向性膜
１２’を形成し、次いで、ダイヤモンドのエピタキシャ
ル膜または高配向性膜１３’を成長させた場合を模式的
に示した。

【００２６】エピタキシャル膜とは、単結晶基板結晶上
に、その単結晶の方位に対して一定の配向性を有する結
晶の層を成長させた薄膜であり、特に、本発明の場合の
ように、単結晶シリコンウエハ基板上に炭化ケイ素エピ
タキシャル膜を成長させたり、炭化ケイ素薄膜上にダイ
ヤモンドエピタキシャル膜を成長させる等、基板結晶と
成長薄膜結晶とが異種の場合は、ヘテロエピタキシャル
成長という。また、本発明でいう高配向性膜とは、その
形成された膜面積の８０％以上が、例えば、［１０
０］、［１１１］等の一定の結晶方位を有するものであ
る。エピタキシャル成長または高配向成長は、一般的に
は、ＣＶＤ法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法等に
より行われる。

【００２７】前記エピタキシャル成長では、基板やその
近傍に存在する結晶欠陥等に対応して、結晶が成長する
傾向が特に強いため、良好なエピタキシャル膜を成長さ
せるためには、基板表面が平坦かつ平滑であり、表面近
傍に結晶欠陥等がない単結晶基板を使用することが好ま
しい。

【００２８】また、使用する単結晶基板は、基板表面お
よびその近傍に、過剰な酸素を含まないことが好まし
い。このような過剰な酸素は、形成される薄膜における
酸素誘導積層欠陥（ＯＳＦ）等の原因となるからであ
る。したがって、本発明においては、酸素濃度が１０¹⁶
ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度以下の低酸素シリコン基板を用
いることが好ましい。

【００２９】さらに、良好な炭化ケイ素エピタキシャル
膜を形成するためには、炭化ケイ素とシリコンの界面に
生じる結晶格子の不整合による炭化ケイ素の結晶性の劣
化や結晶表面のホモロジーの悪化を回避するために、予
めシリコンウエハ基板の表面を、例えば、炭化水素等の
炭素を含んだ雰囲気中で炭化する等により、１００Å程
度の炭化膜を形成しておくことが、より好ましい。

【００３０】また、薄膜形成用基板としては、単結晶シ
リコンウエハ基板上にシリコンエピタキシャル膜をＣＶ
Ｄ法等により成長させたエピタキシャルウエハ、あるい
はまた、単結晶シリコンウエハ基板の代わりに、絶縁性
基板上に単結晶シリコン薄膜を形成した（ＳＯＩ）ウエ
ハ基板を用いることができる。特に、薄膜形成用基板と
して、ＳＯＩウエハを使用する場合は、シリコン酸化膜
を含む５層構造のデバイス用基板を容易に作製すること
が可能となる。

【００３１】さらに、シリコンウエハ基板上に形成され
る炭化ケイ素薄膜およびダイヤモンド薄膜は、各薄膜の
成長時間等の成膜条件をコントロールして、各膜厚を変
化させることにより、Ｃ−ＭＯＳ等のスタック構造だけ
でなく、トレンチ構造のＬＳＩ等のデバイスにも適用す
ることができるデバイス用多層構造基板を得ることがで
きる。

【００３２】形成される炭化ケイ素薄膜とダイヤモンド
薄膜の各膜厚は、形成するデバイスまたはその構造に対
応して適宜設定されるが、デバイス構造がスタック構造
の場合は、通常、炭化ケイ素薄膜の膜厚は０．０５〜２
μｍ、ダイヤモンド薄膜の膜厚は０．０５〜２μｍであ
る。また、デバイス構造がトレンチ構造の場合は、通
常、炭化ケイ素薄膜の膜厚は０．５〜５μｍ、ダイヤモ
ンド薄膜の膜厚は０．５〜５μｍである。

【００３３】本発明に係るデバイス用多層構造基板は、
最表層がダイヤモンド薄膜であるため、エレクトロルミ
ネッセンスや他の発光現象との組み合わせにより、直
接、光通信や光デバイス、さらに、プラズマディスプレ
イ用デバイスとして使用することができるため、エネル
ギーロスを大幅に削減することができる。また、前記発
光現象等を利用することにより、デバイス形成工程にお
ける不良箇所をその発光状態等から検出することができ
るという利点も有する。このため、デバイス形成工程で
の品質管理や評価解析を容易に行うことができる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体
的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限され
るものではない。［実施例］直径５インチのＦＺ法単結晶シリコンミラー
ウエハ基板（結晶方位［１００］、ＰドープＮ型ウエ
ハ、格子間酸素濃度１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）を
アセチレン−水素気流中、減圧下にて、８００〜１３０
０℃で炭化処理した後、枚葉式エピタキシャル気相成長
装置を用いて、該炭化処理されたウエハ基板上に膜厚１
μｍのβ−炭化ケイ素エピタキシャル膜を形成した。そ
して、このβ−炭化ケイ素エピタキシャル膜に、ホウ素
をイオン注入してＰ型とした後、この基板をマイクロ波
プラズマＣＶＤ装置に入れ、メタン−水素ガス気流中、
３００〜６００℃でエピタキシャル気相成長させること
により、前記炭化ケイ素薄膜上に、膜厚２μｍのダイヤ
モンド薄膜を形成した。

【００３５】このダイヤモンド薄膜を、電子顕微鏡で観
察したところ、この膜面積の７０％が、結晶方位［１０
０］のダイヤモンド結晶によりで覆われていることが判
明した。また、このダイヤモンド薄膜の断面写真から、
膜の表面平坦度は±５０ｎｍであることが認められた。

【００３６】［比較例］実施例１で用いたものと同様の
ＦＺ法単結晶シリコンミラーウエハ基板を、マイクロ波
プラズマＣＶＤ装置に入れ、メタン−水素ガス気流中、
種々の条件下にて、エピタキシャル気相成長により、基
板上に直接、ダイヤモンドの高配向性膜を形成すること
を試みたが、いずれの場合も、薄膜の剥離や割れが数多
く発生し、しかも、ランダム配向の微細多結晶膜しか得
ることができなかった。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るデバイス用
多層構造基板は、光学的特性および電気的特性に優れて
いるため、各種新デバイスおよび新デバイス構造に対応
することができる。すなわち、本発明に係るデバイス用
多層構造基板は、エレクトロルミネッセンスや発光現象
等との組み合わせにより、直接、光通信や光デバイス、
プラズマディスプレイ用デバイスとして使用することが
できるため、エネルギーロスを大幅に削減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るデバイス用多層構造基板の基本構
造を示す概略断面図である。

【図２】（ａ）は、本発明に係るデバイス用多層構造基
板において、結晶方位［１００］の場合の結晶配向を模
式的に示した断面図であり、（ｂ）は、本発明に係るデ
バイス用多層構造基板において、結晶方位［１１１］の
場合の結晶配向を模式的に示した断面図である。

【図３】シリコンウエハ基板に、直接、ダイヤモンド薄
膜を形成した場合の模式的な断面図である。

【符号の説明】

１、２１シリコン基板２炭化ケイ素薄膜３、２３ダイヤモンド薄膜１１、１１’ シリコン基板１２、１２’ 炭化ケイ素エピタキシャル膜または高配
向性膜１３、１３’ ダイヤモンドエピタキシャル膜または高
配向性膜ａ剥離ｂ割れ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコンウエハ基板上に、炭化ケ
イ素薄膜、ダイヤモンド薄膜が、順次積層されてなるこ
とを特徴とするデバイス用多層構造基板。
【請求項２】前記単結晶シリコンウエハ基板、前記炭
化ケイ素薄膜、前記ダイヤモンド薄膜のいずれにも、ド
ーパントが添加されていることを特徴とする請求項１記
載のデバイス用多層構造基板。
【請求項３】前記炭化ケイ素薄膜が、エピタキシャル
膜または高配向性膜であることを特徴とする請求項１ま
たは請求項２記載のデバイス用多層構造基板。
【請求項４】前記ダイヤモンド薄膜が、エピタキシャ
ル膜または高配向性膜であることを特徴とする請求項１
から請求項３までのいずれかに記載のデバイス用多層構
造基板。
【請求項５】前記単結晶シリコンウエハ基板は、該基
板上にシリコンエピタキシャル膜が形成されたものであ
ることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれ
かに記載のデバイス用多層構造基板。
【請求項６】前記単結晶シリコンウエハ基板の代わり
に、絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を形成した（Ｓ
ＯＩ）ウエハ基板を用いることを特徴とする請求項１か
ら請求項５までのいずれかに記載のデバイス用多層構造
基板。