JP2005325434A

JP2005325434A - 炭化シリコンの作製方法、炭化シリコン、及び炭化シリコンの作製装置

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Publication number: JP2005325434A
Application number: JP2004146779A
Authority: JP
Inventors: Hajime Shirai; 肇白井
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-05-17
Also published as: JP4411433B2

Abstract

【課題】高温加熱を必要とせず、高品質な炭化シリコンを作製する。
【解決手段】少なくともメタンを含む大気圧マイクロプラズマジェットＰを生成し、シリコン基材Ｓの主面上に照射して、シリコン基材Ｓの表層部分に炭化シリコンを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化シリコンの作製方法、炭化シリコン、及び炭化シリコンの作製装置に関する。

炭化シリコン結晶は、半導体シリコンの次世代半導体材料として注目されている代表的な基盤材料である。従来、前記炭化シリコン結晶は、所定のシリコン基材を準備するとともに、前記導電性基材上にメタン及び／又はプロパンなどの原料ガスを供給する熱ＣＶＤ法により作製されていた。この場合、前記炭化シリコン結晶は、前記シリコン基材と前記原料ガスとの熱化学反応を通じて、前記シリコン基材の表層部分に形成されるものであるため、前記シリコン基材を１０００℃以上に加熱する必要があった。

このため、特別な加熱手段が必要となるなど、前記炭化シリコン結晶を作製する際に使用する装置が複雑化し、前記シリコン基材に対する高温制御などの複雑な温度制御が必要となって、前記炭化シリコンの作製が繁雑化し、困難になるなどの諸問題が生じていた。

本発明は、高温加熱を必要とせず、高品質な炭化シリコンを作製することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の導電性基材を準備する工程と、
少なくともメタンを含む大気圧マイクロプラズマジェットを生成し、前記シリコン基材の主面上に照射して、前記導電性基材の表層部分に炭化シリコンを生成する工程と、
を具えることを特徴とする、炭化シリコンの作製方法に関する。

従来の熱ＣＶＤ法などでは、メタンを含む原料ガスとシリコン基材とを熱化学的に反応させて目的とする炭化シリコンを形成させていた。前記原料ガス自体は化学的に大きな反応性を有しないために、前記熱化学反応を生ぜしめるためには、前記シリコン基材を１０００℃以上にまで加熱することが要求されていた。

一方、本発明では、前記原料ガスをそのまま使用せずに、前記原料ガスに対して高周波などを印加して得た大気圧マイクロプラズマジェットを原料として用いるようにしている。前記大気圧マイクロプラズマジェットは極めて反応性に富むので、前記大気圧マイクロプラズマジェットを所定のシリコン基材上に照射することにより、前記シリコン基材を高温に加熱しない場合においても、前記シリコン基材の表層部分に前記大気圧マイクロプラズマジェットと前記シリコン基材との化学反応を通じて、目的とする炭化シリコンを形成することができる。

例えば、前記シリコン基材の加熱温度が４００℃以下においても良好な結晶性を有する炭化シリコンを形成することができ、作製時の諸条件を制御することによって、前記シリコン基材を全く加熱しない場合、すなわち室温状態においても良好な結晶性を有する炭化シリコンを形成することができる。したがって、特別な加熱手段などを用いることなく、また複雑な高温制御を行うことなく、目的とする炭化シリコンを簡易に形成することができる。

また、上述した熱ＣＶＤ法などでは、シリコン基材の局所領域に炭化シリコンを形成する場合、前記シリコン基材上に所定のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを介して原料ガスを供給することが要求される。

一方、本発明では、大気圧マイクロプラズマジェットを用いているので、その径を適宜絞り込んでシリコン基材上に照射することにより、前述したようなマスクパターンを必要とすることなく、前記シリコン基材の局所領域に炭化シリコンを形成することができる。例えば、作製時の諸条件を制御することによって、前記シリコン基材の、１００μｍ以下の局所領域に炭化シリコンを形成することができる。

したがって、本発明によれば、マスクパターンなどを必要とすることなく、極めて簡易にシリコン基材上に炭化シリコンを集積するようにして形成することができる。この結果、炭化シリコンを含む集積化した半導体デバイスを簡易に作製することができる。

本発明の好ましい態様においては、前記原料ガス中にシランを含有させ、前記大気圧マイクロプラズマジェット中にメタンに加えてシランを含有させることができる。このようにシランを含有した大気圧マイクロプラズマジェットを用いることにより、シランを含有しない大気圧マイクロプラズマジェットを用いた場合に比べて、形成された炭化シリコンの結晶化度を向上させることができる。例えば、シランを含有しないメタン含有の大気圧マイクロプラズマジェットを用いた場合、形成された炭化シリコンの結晶化度は０％〜７０％であるが、シランを含有したメタン含有の大気圧マイクロプラズマジェットを用いた場合、形成された炭化シリコンの結晶化度は１０％〜８０％まで向上させることができる。

なお、原料ガス中におけるシランの濃度は１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％であることが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、高温加熱を必要とせず、高品質な炭化シリコンを作製することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の炭化シリコン作製方法に使用する装置の一例を示す概略図である。図１に示す炭化シリコン作製装置１０は、内部に原料ガスを導入し、貫通するように構成された針状電極１１と、この針状電極１１に高周波を印加するための高周波電源１２とを具えている。また、針状電極１１にはジョイント１４を介してガス導入管１３が接続されており、このガス導入管１３を介して針状電極１１内部に原料ガスを導入するように構成されている。

また、針状電極１１と対向するようにしてサセプタ１５が設けられ、サセプタ１５上にはシリコン基材Ｓが載置されている。シリコン基材Ｓは、サセプタ１５上に例えば静電気力によって吸引固定されている。さらに、シリコン基材Ｓは、例えばサセプタ１５内に埋設された図示しないヒータによって所定温度に加熱されるように構成されている。

なお、針状電極１１及びシリコン基材Ｓを含むサセプタ１５は所定の雰囲気に保持された容器内に設置し、以下に示す炭化シリコンの形成工程を、前記雰囲気の密閉状態で行うこともできる。

メタンを含む原料ガスＲは、ガス導入管１３を介して針状電極１１内に導入され、その先端部より放出される。また、針状電極１１には、高周波電源１２よりＲＦ又はＶＨＦ（Very High Frequency）などの高周波が印加される。すると、針状電極１１の前記先端部から放出された前記原料ガスはプラズマ化され、結果として、針状電極１１の先端部には大気圧マイクロプラズマジェットＰが生成されるようになる。この大気圧マイクロプラズマジェットＰは、サセプタ１５上に設置されたシリコン基材Ｓの主面上に照射される。

シリコン基材Ｓの、大気圧マイクロプラズマジェットＰが照射された部分においては、シリコン基材Ｓと大気圧マイクロプラズマジェットＰとの化学的な反応が生じ、シリコン基材Ｓのシリコン元素と、大気圧マイクロプラズマジェットＰの炭素元素とが反応して、シリコン基材Ｓの表層部分に炭化シリコンが形成されるようになる。

なお、針状電極１１の、原料ガスＲを導入し、貫通させる内側部分の径、すなわち内径は５０μｍ〜１０ｃｍであることが好ましい。また、原料ガスＲの流量は１ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍであることが好ましい。これによって、大気圧マイクロプラズマジェットＰの、シリコン基材Ｓに対する流速が最適化され、シリコン基材Ｓの表層部分において、より低温度で目的とする炭化シリコンを形成することができる。例えば、シリコン基材Ｓを４００℃以下の温度、さらには２００℃以下の温度に加熱した状態で、目的とする炭化シリコンを形成することができる。

従来の熱ＣＶＤ法などでは、シリコン基材上に、このシリコン基材とメタンなどの原料ガスとの熱化学反応を通じて炭化シリコンを形成するため、前記シリコン基材を１０００℃以上の高温に加熱する必要があった。これに対して、図１に示す装置を用いた本発明の作製方法では、上述したように、反応性に富んだ大気圧マイクロプラズマジェットＰを用い、これをシリコン基材Ｓに直接照射するようにしているので、シリコン基材Ｓを４００℃以下の温度に加熱しても、十分に目的とする炭化シリコンを形成することができるようになる。

したがって、特別な加熱手段などを用いることなく図１に示す簡易な構成の装置を用いて、また複雑な高温制御を行うことなく、目的とする炭化シリコンを簡易に形成することができる。

針状電極１１の前記先端部とシリコン基材Ｓとの距離は、針状電極１１から放出された大気圧マイクロプラズマジェットＰがシリコン基材Ｓに到達する範囲内に設定することが要求されるが、この要求が満足される限りにおいて、前記距離は任意に決定することができる。しかしながら、好ましくは１ｍｍ〜４ｍｍの範囲に設定する。

なお、針状電極１１の内径及び原料ガスＲの流量、並びに針状電極１１とシリコン基材Ｓとの距離を上述した範囲内で適宜に制御することによって、シリコン基材Ｓを加熱することなく、すなわち大気圧マイクロプラズマジェットＰを非加熱のシリコン基材Ｓ上に照射するのみで、シリコン基材Ｓの表層部分に目的とする炭化シリコンを形成することができる。

また、針状電極１１の内径を５０μｍ〜１０ｃｍとし、及び／又は原料ガスＲの流量を１ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍとすることにより、シリコン基材Ｓでの炭化シリコンの形成を可能とした状態で、大気圧マイクロプラズマジェットＰの径を十分に絞り込むことができる。したがって、シリコン基材Ｓの、例えば１００μｍ以下の局所領域における炭化シリコンの形成を実現することができる。

従来の熱ＣＶＤ法などでは、シリコン基材の局所領域に炭化シリコンを形成する場合、前記シリコン基材上に所定のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを介して原料ガスを供給し、熱化学反応を通じて目的とする炭化シリコンを前記シリコン基材の表層部分に形成していた。

これに対して、図１に示す装置を用いた本発明の作製方法では、大気圧マイクロプラズマジェットＰの径を絞り込むことによって、マスクパターンを用いることなく局所的な炭化シリコンの形成を実現することができる。したがって、極めて簡易にシリコン基材上に炭化シリコンを集積するようにして形成することができ、この結果、炭化シリコンを含む集積化した半導体デバイスを簡易に作製することができる。

なお、原料ガスＲ中には、メタンに加えてシランを混合させることもできる。この場合、大気圧マイクロプラズマジェットＰはメタン及びシランを含むことになり、このような大気圧マイクロプラズマジェットＰを用いて炭化シリコンを形成することにより、シランを含まない大気圧マイクロプラズマジェットＰを用いて炭化シリコンを形成した場合に比べて、炭化シリコンの結晶化度を向上させることができる。

例えば、シランを含まない大気圧マイクロプラズマジェットＰを用いた場合、得られた炭化シリコンの結晶化度は０％〜７０％であるが、シランを含む大気圧マイクロプラズマジェットＰを用いた場合、得られた炭化シリコンの結晶化度は１０％〜８０％となる。

なお、結晶化度はＸ線回折やラマン分光法などを用いた汎用の方法によって導出することができる。

また、原料ガスＲ中のシランの濃度は１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％であることが好ましい。

以下、本発明の特徴を実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）
図１に示すような装置を用い、針状電極１１の内径を０．７ｍｍ、原料ガスとしてのメタンガスの流量を３ｓｃｃｍ、メタンガスの流量を１０ｓｃｃｍ、及び針状電極１１とシリコン基材Ｓ間の距離を２ｍｍとして、炭化シリコンを形成した。なお、針状電極１１には高周波電源１２より２０ＷのＲＦを印加し、前記メタンガスをプラズマ化して大気圧マイクロプラズマジェットＰを生成させ、シリコン基材Ｓ上に照射させた。なお、シリコン基材Ｓの温度は４００℃、２００℃及び室温の３段階で変化させた。

図２は、シリコン基材Ｓの表層部分のラマン分光スペクトルを示すグラフである。図２から明らかなように、シリコン基材Ｓの温度を上記範囲内で変化させた場合においては、いずれにおいてもシリコン基材Ｓの表層部分からは、多結晶炭化シリコンに起因した２５０ｃｍ^−１及び８００^−１ｃｍのラマンピークが観測された。すなわち、シリコン基材Ｓの温度を４００℃以下に加熱した状態、特にはシリコン基材Ｓを加熱することなく室温に設定した場合においても、シリコン基材Ｓの表層部分には多結晶炭化シリコンが形成されていることが確認された。

なお、得られた炭化シリコンの結晶化度は、シリコン基材Ｓの加熱温度とともに、１０％、４０％及び７０％のように増大していることが判明した。

本発明の炭化シリコンの作製方法に使用する装置の一例を概略的に示した構成図である。本発明の炭化シリコンの作製方法によって得た炭化シリコンのラマンスペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１０炭化シリコン作製装置
１１針状電極
１２高周波電源
１３ガス導入管
１４ジョイント
１５サセプタ
Ｒ原料ガス
Ｓシリコン基材

Claims

所定の導電性基材を準備する工程と、
少なくともメタンを含む大気圧マイクロプラズマジェットを生成し、前記導電性基材の主面上に照射して、前記シリコン基材の表層部分に炭化シリコンを形成する工程と、
を具えることを特徴とする、炭化シリコンの作製方法。
前記大気圧マイクロプラズマジェットは、針状電極を準備し、前記針状電極内に少なくともメタンを含有する原料ガスを導入するとともに、前記針状電極の先端部より前記原料ガスを放出し、前記針状電極に高周波を印加することによって生成することを特徴とする、請求項１に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記針状電極の内径が５０μｍ〜１０ｃｍであることを特徴とする、請求項２に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記原料ガスの流量が1ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍであることを特徴とする、請求項２又は３に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記針状電極の内径を５０μｍ〜１０ｃｍとし、前記炭化シリコンの生成領域を１００μｍ以下とすることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記原料ガスの流量を1〜１０００ｓｃｃｍとし、前記炭化シリコンの生成領域を１００μｍ以下とすることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記シリコン基材の温度が４００℃以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記炭化シリコンは非加熱状態で形成することを特徴とする、請求項７に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記炭化シリコンは多結晶であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記炭化シリコンの結晶化度が０％〜７０％であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記原料ガスはシランを含み、前記大気圧マイクロプラズマジェットはメタン及びシランを含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記原料ガス中における前記シランの濃度が１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とする、請求項１１に記載の炭化シリコンの作製方法。
前記炭化シリコンの結晶化度が１０％〜８０％であることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の炭化シリコンの作製方法。
請求項１〜１３のいずれか一に記載の方法によって作製された炭化シリコンを含むことを特徴とする、半導体デバイス。
結晶化度が０％〜７０％であることを特徴とする、炭化シリコン。
結晶化度が１０％〜８０％であることを特徴とする、炭化シリコン。
内部に少なくともメタンを含有する原料ガスを導入するように構成された針状電極と、
前記針状電極に対して高周波を印加し、前記原料ガスから所定のシリコン基材に対して照射すべき大気圧マイクロプラズマジェットを生成するための高周波電極と、
を具えることを特徴とする、炭化シリコンの作製装置。
前記針状電極の内径は５０μｍ〜１０ｃｍであることを特徴とする、請求項１７に記載の炭化シリコンの作製装置。
前記針状電極の内径は５０μｍ〜１０ｃｍであることを特徴とする、請求項１７に記載の炭化シリコンの作製装置。