JP2003192328A - 二酸化シリコン膜の生成方法 - Google Patents

二酸化シリコン膜の生成方法

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    • C30B33/005—Oxydation

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン基板上に、シリコン層を堆積しこれ
を二酸化シリコン膜に生成する工程を繰り返すことによ
り、所定厚さの二酸化シリコン膜を生成するとともに、
生成される二酸化シリコン膜の表面粗さ、堆積するシリ
コン膜の成長速度などを、適宜に選択できるようにした
二酸化シリコン膜の生成方法を提供する。 【解決手段】 シリコン基板上に、あるいは熱酸化処理
によりこのシリコン基板上に形成された二酸化シリコン
膜上に、ポリシリコン、エピタキシャルシリコンあるい
はアモルファスシリコンのいずれかを堆積しシリコン膜
を形成する工程と、この膜を熱酸化処理し二酸化シリコ
ン膜にせしめる工程とを複数回繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン基板上に
二酸化シリコンの厚膜を生成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光情報通信・処理技術を主な対象とする
ソフト・フォトニクス、人間や環境にとって使いやすい
光表示・入出力などへの光の利用をめざすアメニテイ・
フォトニクス、新たな光源の極限性実現や先端的な光計
測利用技術の開発を行うハード・フォトニクスなどの分
野に使用されるデバイスには、シリコン基板上に厚膜の
二酸化シリコン膜を形成した材料が使用される。
【０００３】例えば光集積デバイスにおける光導波路
は、シリコン基板上の二酸化シリコン膜の中に光導波路
回路パターンを備えたコア層が埋め込まれ形成される。
この場合の二酸化シリコン膜の厚さは、コア層の厚さを
例えば接続される光ファイバと略同じ寸法にすると、少
なくとも１０数μｍ以上が必要である。
【０００４】二酸化シリコン膜をシリコン基板上に生成
する典型的な方法としては周知の直接熱酸化法がある。
直接熱酸化法は、シリコン基板の表面を直接熱酸化して
二酸化シリコン膜を生成するもので、生成される膜厚
は、薄膜の場合には酸化時間に比例するが、この酸化反
応は生成された酸化膜を通して行われるので、厚膜の場
合の膜厚は酸化時間の１／２乗に比例し生成に時間がか
かる。したがって、１０数μｍ以上のような厚膜の形成
が難しい。そこで、酸化速度を高めるために１０数〜２
５気圧といった酸化雰囲気による高圧酸化法が実施され
るが、高圧に関する法規制や高額な設備費などの障害も
ある。したがって、１０数μｍ〜１００μｍ超の厚膜な
二酸化シリコン層を形成するのは実質上困難である。
【０００５】本出願人は上述の問題を解決するために、
ポリシリコン堆積による二酸化シリコン膜の生成方法を
開発した（特願２０００−３４２８９３「二酸化シリコ
ン膜生成方法及び光導波路生成方法」）。この方法は、
シリコン基板上にポリシリコンを堆積し、これを熱酸化
処理して二酸化シリコン膜を生成し、生成された二酸化
シリコン膜上に新たにポリシリコンを堆積し熱酸化処理
して二酸化シリコン膜を生成し、この繰り返すことによ
り所望の厚膜の二酸化シリコン層を形成するものであ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のポ
リシリコン堆積による二酸化シリコン膜の生成には次の
とおりの改善すべき課題がある。
【０００７】（１）二酸化シリコン膜の表面粗さ：ポリ
シリコン堆積により生成される二酸化シリコン膜の表面
粗さは比較的粗くなる。そして、例えばこの表面に光導
波路コア層用の二酸化シリコン膜を堆積生成した場合、
境界面に粗い面が存在し光の散乱要因になり光損失が大
きくなる可能性がある。そのため必要な場合には、表面
粗さを改善するためにコア層生成前に二酸化シリコン膜
の表面の平面加工が行われる。
【０００８】（２）生産性：ポリシリコン堆積による厚
膜の生成は、大量のウエーハに二酸化シリコン膜を形成
するのに好都合である。しかしながら、例えば１０数μ
ｍの膜を形成するのに、直接熱酸化による方法よりは速
いが、それでも数日の日数を要する。そして、典型的な
シリコン膜堆積方法である減圧気相堆積法を採用する場
合、減圧程度の大きい生産設備が必要になる。したがっ
て、顧客からの二酸化シリコン膜形成に対する種々の要
求、納期、生産量の大小などに適宜に対応することがで
きる生産体制の用意が望まれている。
【０００９】本発明は上記事実に鑑みてなされたもの
で、その技術的課題は、シリコン基板上に、シリコン層
を堆積しこれを熱酸化処理し二酸化シリコン膜を生成す
る工程を繰り返すことにより所定厚さの二酸化シリコン
膜を生成するとともに、生成される二酸化シリコン膜の
表面粗さ、堆積するシリコン膜の成長速度などを、適宜
に選択できる二酸化シリコン膜の生成方法を提供するこ
とである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
る二酸化シリコン膜の生成方法として、本発明によれ
ば、シリコン基板上に、あるいは熱酸化処理により該シ
リコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリ
シリコン、エピタキシャルシリコン、あるいはアモルフ
ァスシリコンのいずれかを堆積しシリコン膜を形成する
堆積工程と、該シリコン膜を熱酸化処理し二酸化シリコ
ン膜にせしめる熱酸化工程とを含み、該堆積工程と熱酸
化工程とを複数回繰り返し遂行する、ことを特徴とする
二酸化シリコン膜の生成方法が提供される。
【００１１】そして、シリコン膜の堆積方法を、ポリシ
リコン堆積、エピタキシャルシリコン堆積、あるいはア
モルファスシリコン堆積のいずれかを選択し、あるいは
組み合わせることにより、生成される二酸化シリコン膜
の表面粗さ、成長速度などを適宜に変更できるようにす
る。
【００１２】好適には、該堆積工程１回当たりのシリコ
ン膜の厚さは５μｍ以下である。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る二酸化シリコ
ン膜の生成方法について、膜厚１５μｍの二酸化シリコ
ン膜の生成を例に、順を追ってさらに詳細に説明する。
【００１４】（１）シリコン基板の熱酸化：図１（ａ）
に示すシリコン基板２を電気炉において熱酸化し、図１
（ｂ）に示すごとくシリコン基板２の表面に二酸化シリ
コン膜４を生成する。この熱酸化には、例えば水蒸気に
よるウエット酸化方法が用いられる。ウエット酸化は、
シリコン基板２の融点１４１０℃よりも十分に低い温度
１０８０℃の温度で、また高圧の処理を必要としないで
行うことができる。この熱酸化工程において、例えば２
μｍの膜厚の二酸化シリコン膜を形成する。
【００１５】（２）堆積工程：上述の二酸化シリコン膜
４上に、図１（ｃ）に示すごとく、ポリシリコン、エピ
タキシャルシリコン、あるいはアモルファスシリコンを
周知の化学的気相堆積法（ＣＶＤ）により堆積させ、シ
リコン膜６を生成する。化学的気相堆積法としては、典
型的な減圧気相堆積法が用いられる。このポリシリコ
ン、エピタキシャルシリコン、あるいはアモルファスシ
リコンの選択、そして減圧気相堆積法については後に述
べる。この工程においては、例えば１μｍの膜厚のシリ
コン堆積膜を生成する。この膜厚は次の熱酸化工程にお
いて酸化速度を大きくすることができるように５μｍ以
下が好ましい。
【００１６】（３）熱酸化工程：上述の「（１）シリコ
ン基板の熱酸化」と同様に、電気炉においてシリコン膜
６を熱酸化処理し、図１（ｄ）に示すように、最初の二
酸化シリコン膜４の上に同質の二酸化シリコン膜８を生
成する。上述の１μｍのシリコン膜６は、熱酸化による
体積膨張によって３μｍの膜厚の二酸化シリコン膜８を
形成する。
【００１７】（４）堆積工程及び熱酸化工程の繰り返
し：図１（ｅ）及び（ｆ）に示すように、上述の「堆積
工程」と「熱酸化工程」とを所定の二酸化シリコン膜の
膜厚Ｔ、１５μｍが形成されるまで繰り返す。１５μｍ
の膜厚Ｔは、堆積工程と熱酸化工程とを５回繰り返し遂
行することにより形成される。すなわち、基板の熱酸化
２μｍ＋（３μｍ×４回）＋（１μｍ×１回）＝１５μ
ｍ最後の１μｍの膜厚は、０．３μｍのシリコン膜を熱
酸化することにより生成される。
【００１８】（５）減圧気相堆積法によるシリコン堆
積：減圧気相堆積法によるポリシリコン、エピタキシャ
ルシリコン、アモルファスシリコンの堆積について、本
発明者による実験結果の一例を示す表１を参照して説明
する。
【００１９】
【表１】
【００２０】（５−１）ポリシリコン堆積：ポリシリコ
ン堆積によれば、多結晶のシリコン膜を次のごとく生成
することができる。モノシランガス（ＳｉＨ４）１００
％、８０ｃｃ／ｍｉｎ、５７０℃、１００Ｐａ（０．７
５Ｔｏｒｒ）の条件で、膜成長速度０．００２０μｍ／
ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは２
０．５ｎｍであった。
【００２１】（５−２）エピタキシャルシリコン堆積：
エピタキシャルシリコン堆積によれば、シリコンエピタ
キシャル成長によるシリコン単結晶の膜を次のごとく生
成することができる。モノシランガス（ＳｉＨ４）２０
％、１２００ｃｃ／ｍｉｎ、１０００℃、５３２０Ｐａ
（４０Ｔｏｒｒ）の条件で、膜成長速度１．０６μｍ／
ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは０．
１５ｎｍであった。
【００２２】（５−３）アモルファスシリコン堆積：ア
モルファスシリコン堆積によれば、アモルファス（非晶
質）化による膜を次のごとく生成することができる。モ
ノシランガス（ＳｉＨ４）１００％、８０ｃｃ／ｍｉ
ｎ、５２０℃、１００Ｐａ（０．７５Ｔｏｒｒ）の条件
で、膜成長速度０．００１３μｍ／ｍｉｎが得られ、熱
酸化処理後の表面粗さＲＭＳは、０．４〜０．７ｎｍで
あった。また、比較的大面積の形成が可能である。
【００２３】しがって、所定の厚さＴ（１５μｍ）の二
酸化シリコン膜を生成する途中において二酸化シリコン
膜の表面粗度を良好にすることが必要な場合には、シリ
コン膜の堆積にエピタキシャルシリコンあるいはアモル
ファスシリコンを選択すればよい。シリコン膜の成長速
度を速くするには、エピタキシャルシリコンを選択すれ
ばよい。また、エピタキシャルシリコンの場合は、減圧
の程度の小さく装置は比較的簡便である。そして、アモ
ルファスシリコンの場合は、比較的大面積のシリコン堆
積が可能である。
【００２４】上述したとおりの二酸化シリコン膜の生成
方法の作用について説明する。
【００２５】（１）二酸化シリコン膜の表面粗さ、膜成
長速度：エピタキシャルシリコン堆積、あるいはアモル
ファスシリコン堆積によればポリシリコン堆積における
問題であった二酸化シリコン膜の表面粗さを改善するこ
とができる。すなわち、表面粗さ（ＲＭＳ）は、ポリシ
リコンの場合の２０．５ｎｍに対し、エピタキシャルシ
リコンの場合は０．１５ｎｍ、アモルファスシリコンの
場合は０．４〜０．７ｎｍと大幅に改善される。またシ
リコン膜成長速度は、エピタキシャルシリコンの場合
１．０６μｍ／ｍｉｎと、ポリシリコンの場合の０．０
０２０μｍ／ｍｉｎに対し大幅に改善される。したがっ
て、エピタキシャルシリコン堆積によれば、膜成長時間
を速くすることができる。
【００２６】（２）生産性：多量生産、少量生産、利用
できる設備、要求納期、要求される表面品質、形成する
面の大きさなどに応じて、シリコン堆積にポリシリコ
ン、エピタキシャルシリコン、あるいはアモルファスシ
リコンのいずれかを適宜に選択し、シリコン基板上に厚
膜の二酸化シリコン膜を形成することができる。
【００２７】（３）シリコン堆積の組合せ：また、厚膜
の二酸化シリコン膜の形成途中において、必要によりシ
リコン堆積に、ポリシリコン、エピタキシャルシリコ
ン、あるいはアモルファスシリコンを適宜に組み合わせ
用いることもできる。
【００２８】
【発明の効果】本発明に従って構成された二酸化シリコ
ン膜の生成方法によれば、シリコン基板上に、シリコン
層を堆積しこれを熱酸化処理し二酸化シリコン膜を生成
する工程を繰り返すことにより所定厚さの二酸化シリコ
ン膜を生成するとともに、生成される二酸化シリコン膜
の表面粗さ、堆積するシリコン膜の成長速度などを、適
宜に選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二酸化シリコン膜の生成方法の工
程を示した説明図。
【符号の説明】
２：シリコン基板 ４：二酸化シリコン膜 ６：シリコン膜 ８：二酸化シリコン膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリコン基板上に所定の厚さの二酸化シ
    リコン膜を生成する方法であって、 該シリコン基板上に、あるいは熱酸化処理により該シリ
    コン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリシ
    リコン、エピタキシャルシリコン、あるいはアモルファ
    スシリコンのいずれかを堆積しシリコン膜を形成する堆
    積工程と、該シリコン膜を熱酸化処理し二酸化シリコン
    膜にせしめる熱酸化工程とを含み、 該堆積工程と熱酸化工程とを複数回繰り返し遂行する、
    ことを特徴とする二酸化シリコン膜の生成方法。
  2. 【請求項２】 該堆積工程１回当たりのシリコン膜の厚
    さが５μｍ以下である、請求項１記載の二酸化シリコン
    層の生成方法。
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