JP2007261900A

JP2007261900A - 単結晶炭化シリコン基板の製造方法

Info

Publication number: JP2007261900A
Application number: JP2006090934A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Suzuki; 達也鈴木; Masahiko Sasaki; 正彦佐々木
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Admap Inc
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Ferrotec Material Technologies Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】炭化シリコンのみからなる自立型で、欠陥が少なく結晶性に優れた単結晶炭化シリコン基板を作製する。
【解決手段】シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３と表面シリコン膜４とからなるＳＯＩ基板１を製造開始時に準備された材料として、表面シリコン膜４を炭化処理して単結晶炭化シリコン膜５に変成し、単結晶炭化シリコン膜５の上にエピタキシャル成長法により単結晶炭化シリコン膜６を形成し、シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３とを除去して、単結晶炭化シリコン膜５，６の積層構造を単結晶炭化シリコン基板とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化シリコンのみからなる自立型で、かつ欠陥が少なく結晶性に優れた単結晶炭化シリコン基板の製造方法に関し、特に半導体基板や結晶成長用基板として利用できる単結晶炭化シリコン基板の製造方法に関するものである。

炭化シリコン（ＳｉＣ）は、耐熱性と安定性に優れ、且つワイドバンドギャップを有することから、高温・高耐圧の半導体材料として注目されている。
従来、単結晶炭化シリコンの製造方法としては、表面に種結晶を有する種結晶基板及び炭化シリコン原料粉末を用いる昇華法が一般的に採用されている。昇華法では、加熱炉中に炭化シリコン原料粉末と種結晶基板とを所定距離を隔てて配置し、炭化シリコン原料粉末と種結晶基板とを加熱する。このとき、炭化シリコン原料粉末が種結晶基板よりやや高温になるように加熱する。これにより、炭化シリコン原料粉末が昇華し、種結晶基板上の種結晶に再結晶して結晶成長する。しかし、昇華法では、成長温度の制限から低温型結晶（立方晶炭化シリコン）を作製することが困難であり、大面積で均質な単結晶立方晶炭化シリコン基板を実現することができないという問題点があった。

一方、単結晶炭化シリコンの他の製造方法として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）で作製したシリコン基板を下地基板として、シリコン原料ガスと炭素の原料ガスとを同時に、あるいは交互に反応炉へ供給し、気相成長法によってシリコン基板上に単結晶立方晶炭化シリコンを形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−５２７９８号公報

上記のように、昇華法を用いる製造方法では、大面積で均質な単結晶立方晶炭化シリコン基板を作製することが難しいという問題点があった。
一方、気相成長法を用いる製造方法では、均一性の高い単結晶立方晶炭化シリコン基板を作製することが可能であるが、単結晶シリコンからなる下地基板と単結晶立方晶炭化シリコンの物性値（例えば格子定数）の違いにより炭化シリコン結晶中に欠陥が発生するという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、炭化シリコンのみからなる自立型で、かつ欠陥が少なく結晶性に優れた単結晶炭化シリコン基板を作製することにある。

本発明の単結晶炭化シリコン基板の製造方法は、シリコン基板とシリコン基板の上に形成された埋め込み絶縁膜と埋め込み絶縁膜の上に形成された表面シリコン膜とからなるＳＯＩ基板を製造開始時に準備された材料として、このＳＯＩ基板の前記表面シリコン膜を炭化処理して単結晶炭化シリコン膜に変成する炭化処理工程と、前記単結晶炭化シリコン膜の上にエピタキシャル成長法により単結晶炭化シリコン膜を形成する炭化シリコン成膜工程と、前記シリコン基板と前記埋め込み絶縁膜とを除去する除去工程とを有し、前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜とからなる積層構造を単結晶炭化シリコン基板とするようにしたものである。
また、本発明の単結晶炭化シリコン基板の製造方法の１構成例は、さらに、前記除去工程後の単結晶炭化シリコン基板を１５００℃以上の温度で加熱する熱処理工程を有するものである。
また、本発明の単結晶炭化シリコン基板の製造方法の１構成例は、前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜の合計の厚さを５０μｍ以上とするようにしたものである。
また、本発明の単結晶炭化シリコン基板の製造方法の１構成例は、さらに、前記除去工程後の単結晶炭化シリコン基板の上に１４００℃以上の温度で単結晶炭化シリコン膜をエピタキシャル成長させる炭化シリコン追加成膜工程を有するものである。

本発明によれば、ＳＯＩ基板の表面シリコン膜を炭化処理し、炭化処理後の単結晶炭化シリコン膜上に単結晶炭化シリコン膜をエピタキシャル成長させるようにしたので、単結晶炭化シリコン膜に生じる欠陥を減少させることができ、欠陥が少なく結晶性に優れた自立型の単結晶炭化シリコン基板を実現することができる。また、本発明では、単結晶炭化シリコン膜とシリコン基板の熱膨張係数の差から発生する熱応力を緩和する緩衝層としての働きを埋め込み絶縁膜に持たせることができるので、炭化シリコン成膜工程における熱応力による単結晶立方晶炭化シリコン膜の割れを回避することができる。

また、本発明では、除去工程後の単結晶炭化シリコン基板を１５００℃以上の温度で加熱することにより、単結晶炭化シリコン基板の組織をより緻密にすることができる。

また、本発明では、炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜の合計の厚さを５０μｍ以上とすることにより、自立型の単結晶炭化シリコン基板を実現することができる。

また、本発明では、除去工程後の単結晶炭化シリコン基板の上に１４００℃以上の温度で単結晶炭化シリコン膜をエピタキシャル成長させることにより、半導体電子デバイス製作などのプロセスで使用できる強固な基板を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る単結晶炭化シリコン基板の製造方法を示す工程断面図である。
まず、単結晶シリコン基板２と、単結晶シリコン基板２上に形成された酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜３と、埋め込み絶縁膜３上に形成された所定の厚さの表面シリコン膜４とからなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１を用意する（図１（Ａ））。表面シリコン膜４の厚さは例えば１００ｎｍである。

続いて、ＳＯＩ基板１の表面シリコン膜４を炭化水素系雰囲気中において１０００〜１３５０℃程度で炭化処理することにより立方晶系の単結晶炭化シリコン（３Ｃ−ＳｉＣ）膜５に変成する（図１（Ｂ））。これで、表面に単結晶立方晶炭化シリコン膜５が形成された下地基板が用意できた。

次に、この下地基板を円筒形の横型炉の反応器内に水平に設置し、反応器を密閉する。窒素ガスや水素ガスを反応器内に１０ＳＬＭ程度の流量で約１０分流し、酸素ガスを反応器内から充分に追い出す。その後、窒素ガス雰囲気中で下地基板の温度を１１５０〜１３００℃に上げ、材料ガスとキャリアガスとしての水素ガスを反応器内に供給して、単結晶立方晶炭化シリコン膜５上にエピタキシャル成長法により単結晶立方晶炭化シリコン膜６を形成する（図１（Ｃ）））。このときの成長条件の詳細を表１に示す。

材料ガスとしてはシリコン原料ガスにジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）を使用したが、ＳｉＨ₄，ＳｉＣｌ₄，ＳｉＨＣｌ₃などを用いても差し支えない。炭素の原料ガスとしてアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）を使用したが、ＣＨ₄，Ｃ₂Ｈ₆，Ｃ₃Ｈ₈などを用いることもできる。また、単結晶炭化シリコン膜を成膜するのに、シリコンと炭素の材料ガスを別々に使用せずに、（ＣＨ₃）₄Ｓｉなどのシリコンと炭素を共に含有する成分を気化させたガスのみで成膜することも可能である。

単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６の合計の厚さが炭化シリコン単独で自立可能な５０μｍ以上の厚さになったところで、図１（Ｃ）の炭化シリコン成膜工程を終える。
最後に、単結晶シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３をフッ硝酸等の薬品で除去する。こうして、図１（Ｄ）のような単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６のみからなる自立型の単結晶炭化シリコン基板が完成する。

以上のように、本実施の形態では、ＳＯＩ基板１の表面シリコン膜４を炭化処理し、炭化処理後の単結晶立方晶炭化シリコン膜５上に単結晶立方晶炭化シリコン膜６をエピタキシャル成長させるようにしたので、従来の製造方法で問題であった下地基板（単結晶シリコン）と単結晶立方晶炭化シリコンの格子定数差を解消することができ、単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６に生じる欠陥を減少させることができる。その結果、欠陥が少なく結晶性に優れた自立型の単結晶炭化シリコン基板を実現することができる。

また、本実施の形態では、製造工程の出発材料としてＳＯＩ基板１を用いることにより、単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６と単結晶シリコン基板２との間に非晶質の酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜３を挟むことになり、この埋め込み絶縁膜３が単結晶立方晶炭化シリコン膜６の成膜中にその成膜温度によって軟化するので、単結晶立方晶炭化シリコン膜６と単結晶シリコン基板２の熱膨張係数の差から発生する熱応力を緩和する緩衝層としての働きを埋め込み絶縁膜３に持たせることができる。これにより、熱応力による単結晶立方晶炭化シリコン膜６の割れや単結晶シリコン基板２の反りを回避することができる。

なお、単結晶シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３を除去した後に、図１（Ｄ）の単結晶炭化シリコン基板を１５００℃以上の高温で熱処理するようにしてもよい。これにより、単結晶炭化シリコン基板の組織をより緻密にすることができる。
また、単結晶シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３を除去した後に、さらに単結晶立方晶炭化シリコン膜を１４００℃以上の高温で単結晶立方晶炭化シリコン膜６の上にエピタキシャル成長させて、炭化シリコンの厚みを増すようにしてもよい。これにより、半導体電子デバイス製作などのプロセスで使用できる強固な基板を実現することができる。

本発明は、単結晶炭化シリコン基板の製造技術に適用することができる。

本発明の実施の形態に係る単結晶炭化シリコン基板の製造方法を示す工程断面図である。

符号の説明

１…ＳＯＩ基板、２…単結晶シリコン基板、３…埋め込み絶縁膜、４…表面シリコン膜、５，６…単結晶立方晶炭化シリコン膜。

Claims

シリコン基板とシリコン基板の上に形成された埋め込み絶縁膜と埋め込み絶縁膜の上に形成された表面シリコン膜とからなるＳＯＩ基板を製造開始時に準備された材料として、このＳＯＩ基板の前記表面シリコン膜を炭化処理して単結晶炭化シリコン膜に変成する炭化処理工程と、
前記単結晶炭化シリコン膜の上にエピタキシャル成長法により単結晶炭化シリコン膜を形成する炭化シリコン成膜工程と、
前記シリコン基板と前記埋め込み絶縁膜とを除去する除去工程とを有し、
前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜とからなる積層構造を単結晶炭化シリコン基板とすることを特徴とする単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
請求項１記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法において、
さらに、前記除去工程後の単結晶炭化シリコン基板を１５００℃以上の温度で加熱する熱処理工程を有することを特徴とする単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
請求項１記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法において、
前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜の合計の厚さを５０μｍ以上とすることを特徴とする単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
請求項１記載の単結晶炭化シリコン基板の製造方法において、
さらに、前記除去工程後の単結晶炭化シリコン基板の上に１４００℃以上の温度で単結晶炭化シリコン膜をエピタキシャル成長させる炭化シリコン追加成膜工程を有することを特徴とする単結晶炭化シリコン基板の製造方法。