JP2005537678A - エピタキシー段階を含むSiCOI型複合基板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】SiCOI型複合基板の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、以下に示す段階を含むSiCOI型複合基板の製造方法に関する:
SiC薄層(3)が転写されるSiO層(2)を担持するSiまたはSiC支持体(1)を備える初期基板を供給する段階、および
SiC薄層(3)上に、SiC(4)をエピタキシャル成長させる段階
ここでエピタキシャル成長は、それぞれ以下の温度で行う:
支持体(1)がSiCからなる場合、転写された6Hまたは4Hポリタイプ薄層(3)上で6Hまたは4Hポリタイプエピタキシー(4)をそれぞれ得るためには、1450℃以上で、
支持体(1)がSiまたはSiCからなる場合、転写された3Cポリタイプ薄層(3)上で3Cポリタイプエピタキシー(4)を得るためには、1350℃以上で、
支持体(1)がSiからなる場合、転写された6Hまたは4Hポリタイプ薄層(3)上で6Hまたは4Hポリタイプエピタキシー(4)をそれぞれ得るためには、1350℃以上。

Description

本発明は、複合基板のSiC層上で行うエピタキシー段階を含むSiCOI型複合基板の製造方法に関する。
炭化シリコンまたはSiCは、パワーエレクトロニクスに非常に好適な物理化学的および電子的特性を有する材料である。これらのパワー装置は縦モードで動作し、活性層は単結晶SiC基板上のエピタキシャル成長層である。残念ながら、固体基板結晶成長は2000℃以上の温度において昇華型の技術により行われており、例えばシリコン基板に匹敵するような品質、ウェハ径、およびコストを持つ基板を得ることはできない。
そのため、例えば低コストのベース基板(結晶品質またはシリコンの観点から言えば、品質の劣る多結晶SiCまたは単結晶SiC)に堅固に固定した単結晶SiC薄層から成る複合基板を製造することが、非常に興味をもたれている。
ショットキーダイオード、PINダイオード、SiC上のパワースイッチ等のパワー装置を作製するために、SiC固体基板に必要な特性は、低電気抵抗、優れた熱伝導性、および前記基板上にエピタキシャル成長させた活性層が良好なエピタキシャル品質を持つことである。しかし、このような4インチサイズの基板を入手することは困難であり、また非常に高価なものである。
現在、パワー装置は基板および4Hまたは6Hポリタイプエピタキシャル成長膜を用いて作製されているが、そのような装置の作製に好適な特性を有する炭化シリコン立方ポリタイプは、固体基板として入手できない。
スマートカット(Smart−Cut、登録商標)と呼ばれる技術で一般に得られる前記複合基板の製造により、転写される単結晶薄層と支持体間の結合障壁の選択および前記支持体の電気抵抗の選択が完全に自由に行えるようになった。米国特許第6391799号に該当するフランス特許第A2774214号には、SOI構造作製方法が開示されている。しかし、SiCの場合、これらの転写層は、前記層中において電気的活性を得るために、1μmの程度、通常は0.5μmの厚さを有する。
この種の複合基板上に装置を作製するには、パワー部品の電圧の強さに対して必要である、厚さに制限のない活性層を得るために、さらにエピタキシャル成長させることが必要である。
種々の技術により、SiCOI構成(SiC/酸化物/ベース)を作製することが可能である。
第1の解決法は、(SIMOX法またはスマートカット法を用いて得られる)SOI基板から始まり、表面シリコン層を部分的に変換した後、立方SiCをさらにエピタキシャル成長させることからなる。この場合、3Cポリタイプのみが得られる。さらに、M.Eickhoffらによる「SOI基板上での3C−SiCエピタキシャル成長の選択析出(Selective Deposition of 3C−SiC Epitaxially Grown on SOI Substrates)」(Materials Science Forum Vols.353−356(2001)175〜178ページ)、およびG.Ferroらによる「β−SIC/SIMOXの構造特性におけるSIMOX欠陥の役割(Role of SIMOX defects on the structural properties of β−SIC/SIMOX)」(Materials Science and Engineering B61−62(1999)586〜592ページ)において報告されているように、酸化物層中にホールが生成される。これらの欠陥は表面SiC層中のホールを消滅させることにより減少させることができることが観察された。また、良好な結果は得られなかったが、Si層を挿入することも提案された。これに関しては、S.Zappeらによる「3C−SiC/SOIシステムと中間窒化シリコン層の安定化(Stabilization of the 3C−SiC/SOI system an intermediate silicon nitride layer)」(Materials Science and Engineering B61−62(1999)522〜525ページ)を参照することができる。立方ポリタイプは、1350℃程度の温度においてエピタキシャル成長するが、約1250℃から酸化崩壊限界までの温度範囲における方法を開発する動向にある。
第2の解決法は、電気的な絶縁基板上にSiC材料構成を作製することからなる。例えば、これは、SiC/酸化物/Si構成から成る。この構成は、スマートカット法を用いて作製される。これにより、転写薄膜として、6H,4Hおよび3C−SiCを得ることが可能になる。しかし、前述のように、またマイクロエレクトロニクス産業における標準として用いる装置、特にイオンインプランテーション装置という観点から、電気的に転写される活性SiC膜の最大厚さは1μm程度である。
電子装置を作製するために、異なるドーピングレベルを厳密に制御したより厚いSiC薄膜を用いる必要がよくある。このため、SiC固体基板の場合と同じようなエピタキシャル成長段階を適用する必要性が発生する。しかし、そのような複合基板上にさらにエピタキシャル成長させることは、主に2つの理由から問題が起きる。
まず第1に、シリコン支持体が存在するので、シリコンが溶解しないように、エピタキシャル温度は最大で1413℃ほどに制限される。しかし、より良好な6Hおよび4Hポリタイプ(1450℃においてより良好な結果を得ることが可能になる)得るためには、この温度では十分でない。非常に軽微な表面欠陥として立方SiC介在物が、層中に観察される。さらに、SiC層での意図的ではないドーピングが低温で増加する。
また、酸化物が存在するために、擬基板が、炭化シリコンについて必要なエピタキシャル温度に耐えることができない。実際、従来のエピタキシャル温度すなわち1450℃以上の温度において、エピタキシャル成長で用いられる環境である水素雰囲気中で、酸化物は著しい腐食を受ける。これは、Chacko Jacobらによる「ヘキサクロロジシランとプロパンを用いるパターン化したシリコン基板上の炭化シリコンの選択的エピタキシャル成長(Selective Epitaxial Growth of Silicon Carbide on Patterned Silicon Substrates using Hexachlorodisilane and Propane)」(Materials Science Forum Vols.338−342(2000)249〜252ページ)により確認されている。しかし、水素雰囲気を用いなくても、真空中において酸化物は1200℃から蒸発する。結合層としての酸化シリコンを窒化シリコンで置き換えることが想定されるが、非常に多くの応用について、電気的な観点から、埋め込み酸化シリコン層を有することは非常に重要である。
第3の解決法は、高温に耐える電気的な絶縁基板上にSiC材料構成を作製することから成る。これにより、多結晶SiCまたは単結晶SiC支持体、あるいは高温に耐える別の材料の支持体上に、SiCOI基板を作製することが可能である。これは、前述のものと同じ構成からなり、支持体のシリコンは例えば多結晶SiCにより置き換えられる。これにより、溶融シリコンの問題を解決することが可能になる。しかし、酸化崩壊の問題は残る。このような構成はスマートカット法により得られる。薄層中のSiCは、所望のポリタイプである。
SiCOI基板上の6Hまたは4HポリタイプSiCエピタキシャル成長の研究に関して、それに該当する技術文献は見当たらない。これは、1350℃までの温度については、6Hおよび4HポリタイプSiCエピタキシャル成長の品質が劣ること(シリコン支持プレートを有するSiCOI上のエピタキシャル成長の場合)が知られているという事実によるものである。さらに、1400℃を超えると、酸化物は崩壊する、すなわち破壊または再結晶する。
しかし、本発明の発明者らは、これらすべての異なる種類の材料についてエピタキシーを行い、予想外の満足のいく結果がいくつか得られた。
酸化シリコン層およびSiC薄層を連続的に担持するSiC支持体から形成されるSiCOI基板上でエピタキシーを行う場合、高温(1410℃〜1600℃)において酸化物は劣化しないので、固体SiC上のエピタキシーと同等の高品質なエピタキシーを作製することが可能となる。
発明者らは、支持体がシリコンで構成されたSiCOI基板上で、6Hおよび4HポリタイプSiCエピタキシーも行った。期待のもてる結果が得られた。
従って、本発明は次の段階を含むSiCOI型複合基板の製造方法に関するものである。すなわち、
SiC薄層(3)が転写される(transferred)ためのSiO層(2)を担持する、SiまたはSiC支持体(1)を備える初期基板を供給する段階、および
SiC薄層(3)上に、SiC(4)をエピタキシャル成長させる段階
ここでエピタキシャル成長は、それぞれ以下の温度で行う:
支持体(1)がSiCからなる場合、転写される6Hまたは4Hポリタイプ薄層(3)上で6Hまたは4Hポリタイプエピタキシー(4)をそれぞれ得るためには、1450℃以上で、
支持体(1)がSiまたはSiCからなる場合、転写される3Cポリタイプ薄層(3)上で3Cポリタイプエピタキシー(4)を得るためには、1350℃以上で、
支持体(1)がSiからなる場合、転写される6Hまたは4Hポリタイプ薄層(3)上で6Hまたは4Hポリタイプエピタキシー(4)をそれぞれ得るためには、1350℃以上。
エピタキシャル成長段階の前に、転写されるSiC薄層の表面品質を向上させるために初期基板を準備する段階を備えてもよい。この準備段階は、転写されるSiC薄層の表面を、研磨、エッチングおよび水素エッチングから選択される操作にかけることから成ってもよい。
複数のSiC層を、SiC薄層上に連続的にエピタキシャル成長させてもよい。
本発明は、半導体装置を作製するために上記の製造方法により得られるSiCOI型複合基板を用いることにも関する。
本発明は、上記の製造方法により得られるSiCOI型複合基板上に作製される半導体装置にも関する。
非制限的な例としての添付図面に付随する次の説明を読むことにより、本発明をより明確に理解し、かつその他の利点および特徴が明らかになるであろう。
SiCエピタキシャル成長物は、図1に示すようなSiCOI基板で作製され、酸化シリコン2およびSiC薄層3を連続的に担持する支持体1から構成された。薄層3は転写層である。転写はスマートカット技術により得てもよい。
SiC支持体1がSiCである場合、1450℃〜1550℃の温度範囲において、6Hおよび4HポリタイプSiCエピタキシャル成長をそれぞれ6Hおよび4Hポリタイプ薄層3上で行った。また、1350℃以上の温度範囲において、3CポリタイプSiCエピタキシャル成長を3Cポリタイプ薄層3上で行った。これらのエピタキシャル成長させた層を、図1中の符号4で示す。
エピタキシャル成長中の圧力は、大気圧または真空であった。使用したガスは、3〜200l/minの流量範囲の水素H、4〜2000sccmの流量範囲のシランSiH、および4〜2000sccmの流量範囲のプロパンCであった。SiC層にドープするために用いたドープ剤は、2〜2000sccmの流量範囲の窒素であった。エピタキシャル成長は、CVD技術により行った。
エピタキシャル成長の前に、表面品質を向上させるために、薄層3を研磨またはエッチングにより処理してもよい。薄層3表面のin situ水素エッチングを行ってもよい。
得られたエピタキシャル成長物の品質およびドーピングレベルは、固体基板を用いて得られるものと同等であった。
それぞれ対応するポリタイプおよびシリコン支持体に相当するSiC薄層を有するSiCOI基板上で、6Hおよび4HポリタイプSiCエピタキシャル成長も行った。
表面の配向減少が8°である転写された4HポリタイプSiC薄層において、1400℃で、予想外に良好な品質のエピタキシャル成長が得られた。
6HポリタイプSiC薄層の場合、立方体形の介在物が観察された。薄層に用いる材料の表面での配向減少が原因と思われる。この配向減少は、約3.5°である。8°配向減少させた6HSiC薄層は、上記4HSiC薄層と同様の結果を与えることが明らかになった。
SiC支持体1、酸化シリコン層2および3CSiC薄層から構成される初期複合基板を用いて、1413℃以上の温度で、3CSiCをエピタキシャル成長させてもよい。シリコン支持体よりもむしろSiC支持体を用いると、より高温でのエピタキシャル成長が可能になる。
本発明の方法に関しては、固体基板上でのエピタキシャル工程の利点がそのまま保持される。すなわち、
・活性層のエピタキシャル品質は、固体基板のエピタキシャル品質と同等であり、
・電子部品の構成、支持体プレートの選択あるいはベースのドーピングに応じた導電状態において、オーム接点に対して低抵抗であり
・(電子部品の構成に応じて)熱伝導特性が良好である。
更なる利点も得られる。すなわち、
・エピタキシャル成長によりn+導電支持体が作製され基板よりも高いドーピングレベルが達成されるので、低電気抵抗であり、
・シリコン製造ラインと互換性のある直径4インチ以上のベースプレートを使用することが可能である。
これらのタイプのエピタキシャル成長の実現可能性を実証することにより、種々の応用を想定することが可能になる。実際、これらの可能性の実証により、酸化物上のSiCの厚さを制御して制限なしに増加させることが出来る。これは、厚さが約1μmに制限される転写されたSiC膜からなる構成とは異なるものである。再エピタキシャル成長は、異なるドーピング層を構成する技術も可能にする。これは、SiCOI単独の場合とは明らかに異なる。
いくつかの応用を、例として説明する。
エピタキシャル成長させた層は、転写された支持体に関係なく、SiCおよび絶縁基板(SiCOI)上に擬縦モード装置を作製することを可能にする。
図2は、本発明による方法を適用して製造したショットキーダイオードの断面図である。初期SiCOI基板は、酸化シリコン層102および追加されたもしくは転写されたSiC薄層103を連続的に担持するSiもしくはSiC支持体101から成る。2つの連続するSiC層をエピタキシャル成長させて、n+ドープした第1のエピタキシャル成長層104とn−ドープした第2のエピタキシャル成長層114を得た。リソグラフィー技術により、図2に示す構造、エピタキシャル成長層114上のショットキー接点105、およびエピタキシャル成長層104上のオーム接点106を得ることができる。エッチング107により、得られた構造を絶縁することができる。
活性層114の下にエピタキシャル成長させて強くドープしたバッファ層104上のフロント接点は、従来技術による装置上のリア接点に置き換わる。エピタキシャル成長させた層は、商業的に入手可能な基板よりも高いドーピングレベルを有するので、これは別の利点となる。
図3は、本発明による方法を適用して製造したPIN型双極性ダイオードの断面図である。初期SiCOI基板は、酸化シリコン層202および追加もしくは転写されたSiC薄層203を連続的に担持する、SiまたはSiC支持体201を備える。3つの連続するSiC層をエピタキシャル成長させて、n+ドープした第1のエピタキシャル成長層204、n−ドープした第2のエピタキシャル成長層214、およびpドープした第3のエピタキシャル成長層224を得た。リソグラフィー技術により、図3に示す構造、エピタキシャル成長層224上のオーム接点205、エピタキシャル成長層204上のオーム接点206を得ることができる。
図4は、本発明による方法を適用して製造したMESFETトランジスタの断面図である。初期SiCOI基板は、酸化シリコン層302および追加もしくは転写されたSiC薄層303を連続的に担持するSiまたはSiC支持体301を備える。2つの連続するSiC層をエピタキシャル成長させて、p−ドープした第1のエピタキシャル成長層304または半絶縁バッファ層と、n−ドープした第2のエピタキシャル成長層314を得た。第2のエピタキシャル成長層の2つの表面領域305と306は、インプランテーションによりn+ドープされた。オーム接点307と308が、表面領域305と306上にそれぞれ形成された。ショットキー接点309が、表面領域305と306の間で、かつ第2のエピタキシャル成長層314上に形成された。
図5は、本発明による方法を適用して製造したMOSFETトランジスタの断面図である。初期SiCOI基板は、酸化シリコン層402および追加されたまたは転写されたSiC薄層403を連続的に担持するSiまたはSiC支持体401を備える。SiC層をエピタキシャル成長させて、pドープしたエピタキシャル成長層404を得た。エピタキシャル成長層の2つの表面領域405と406は、インプランテーションによりn+ドープされた。オーム接点407と408が、表面領域405と406上にそれぞれ形成された。オーム接点407と408の間に、酸化シリコン層410が表面領域405と406に重なるように形成された。最後に、例えばポリシリコンで形成されるゲート409がゲート酸化物層10上に形成された。
より一般的に、本発明は、材料的には絶縁型の基板上でスマートカットタイプの転写により得られる活性層が満足のいく厚さあるいは電気的品質でないようなあらゆる装置に適用される。
この種の支持体のエピタキシャル成長を実証することにより、(問題のエピタキシャル温度に耐える支持プレートを有する)転写されたSiC構成を用いることから、すべての高成長速度エピタキシャル技術についての種成長として転写されたSiC構成を用いた固体基板を作製することが判断できる。
シリコン以外の支持体上で単結晶3CSiCエピタキシャル成長を実証することにより、この特別なポリタイプに対する高パワー用および超高周波での応用にこの材料を用いることが想定できる。
本発明によるSiCOI基板の断面図であり、薄いSiC層がSiCエピタキシーを受けている。 本発明による方法を適用して製造したショットキーダイオードの断面図である。 本発明による方法を適用して製造したPIN型双極性ダイオードの断面図である。 本発明による方法を適用して製造したMESFETトランジスタの断面図である。 本発明による方法を適用して製造したMOSFETトランジスタの断面図である。

Claims (6)

  1. 以下に示す段階を含むSiCOI型複合基板の製造方法:
    SiC薄層(3)が転写される(transferred)ためのSiO層(2)を担持する、SiまたはSiC支持体(1)を備える初期基板を供給する段階、および
    SiC薄層(3)上に、SiC(4)をエピタキシャル成長させる段階
    ここでエピタキシャル成長は、それぞれ以下の温度で行う:
    支持体(1)がSiCからなる場合、転写される6Hまたは4Hポリタイプ薄層(3)上で6Hまたは4Hポリタイプエピタキシー(4)をそれぞれ得るためには、1450℃以上で、
    支持体(1)がSiまたはSiCからなる場合、転写される3Cポリタイプ薄層(3)上で3Cポリタイプエピタキシー(4)を得るためには、1350℃以上で、
    支持体(1)がSiからなる場合、転写される6Hまたは4Hポリタイプ薄層(3)上で6Hまたは4Hポリタイプエピタキシー(4)をそれぞれ得るためには、1350℃以上。
  2. エピタキシー成長段階の前に、転写されるSiC薄層(3)の表面品質を向上させるために初期基板を準備する段階を備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 準備段階は、転写されるSiC薄層(3)の表面を、研磨、エッチング、および水素エッチングから選択される操作にかけることから成ることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 複数のSiC層が、SiC薄層上に連続的にエピタキシャル成長することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 半導体装置を製造するための、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法により得られるSiCOI型複合基板の使用。
  6. 請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法により得られるSiCOI型複合基板上に製造される半導体装置。
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