JP2008153512A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイア基板上に成膜されるＳｉエピタキシャル層中の結晶欠陥、特に双晶欠陥を低減する。
【解決手段】サファイア基板１０のＲ面１２上にエピ成長によりＳｉ膜１４を成膜する工程、Ｓｉ膜上にＳｉＯ₂膜を形成する工程、ＳｉＯ₂膜を格子状にパターニングして、被エッチング領域２４を形成する工程、ＳｉＯ₂膜パターン２２をマスクとして、ＫＯＨを含む溶液で被エッチング領域のエッチングを行い、ＳｉＯ₂膜パターン直下に、Ｓｉ膜由来のファセット面を有する成長用マスク前駆体２６を形成する工程、成長用マスク前駆体の表面に絶縁膜２８を形成して成長用マスク３０を作成する工程、及び露出したＲ面に選択エピ成長法で、成長用マスクで囲まれた領域を充填して、成長用マスクの高さよりも厚い単結晶Ｓｉ層４１を平坦に成長させる工程を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、サファイア基板上にエピタキシャル成長させた単結晶シリコン層の双晶欠陥を低減させる半導体装置及びその製造方法に関する。

シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ：Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）デバイスは、高速で低消費電力動作が可能なデバイスとして注目されている。

しかし、基板となるサファイアとシリコン単結晶とは、格子定数及び熱膨張係数が大きく異なるために、結晶欠陥（特に双晶欠陥）の少ない単結晶シリコン層を成膜することが非常に難しかった。

図６に、この双晶欠陥の様子を［１−１０］方向から見た透過型電子顕微鏡写真を示す。なお、この写真の観察倍率を示すために、図中にスケールを表示している。図６において、下側の黒色領域がサファイア基板である。そして、この黒色領域に接する灰色領域が、サファイア基板のＲ面上にエピタキシャル成長された単結晶シリコン層である。

単結晶シリコン層中には、基板界面から伸びる傾斜した無数の直線が観察される。これらの直線の１本１本が双晶欠陥のすべり面に対応する。双晶欠陥は、｛１１１｝面と平行に、つまり、Ｒ面に対して５４．７°の角度をなして延在している。

この双晶欠陥を低減するために、固相エピタキシャル成長を利用する技術が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に開示された技術は、まずサファイア基板上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。そして、この単結晶シリコン層にＳｉ⁺のイオン注入を行い、表面領域以外の単結晶シリコン層をアモルファス化する。その後、この表面領域を成長基点として、サファイア基板に向かって固相エピタキシャル成長を行い、双晶欠陥が低減されたシリコンエピタキシャル層を形成する。

また、ＳＯＳに限らず、ヘテロエピタキシャル成長の分野では、種々の結晶欠陥低減法が提案されている。

例えば、成長領域を制限するマスクを基板表面に設け、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をファセット成長させることで結晶欠陥を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された技術は、マスク（ＳｉＯ₂膜等）で制限された成長領域にＧａＮ膜等をエピタキシャル成長させてファセット構造を形成する。そして、結晶欠陥の進行方向がファセットの成長とともに曲げられる性質を利用して、ＧａＮ膜表面での結晶欠陥を低減する。

また、例えば、成長領域を制限するマスクを基板表面に設け、エピタキシャル層をマスク上で横方向成長させることで結晶欠陥を低減する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された技術は、シリコン基板上にＳｉＯ₂膜等からなるマスクを設け、まず、このマスクの開口を埋めるようにシリコンエピタキシャル層を成長させる。続いて、シリコンエピタキシャル層をマスク上で横方向成長させることでシリコンエピタキシャル層の結晶欠陥を低減する。

また、例えば、基板面から伸びる結晶欠陥をエピタキシャル層中で会合消滅させる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された技術では、複数の起伏を設けた基板の表面にＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させることで、ＳｉＣ膜中で発生した結晶欠陥を会合消滅させている。
Ｊｕｎ Ａｍａｎｏ ａｎｄ Ｋｅｎｔ Ｃａｒｅｙ，"Ａ ｎｏｖｅｌ ｔｈｒｅｅ−ｓｔｅｐ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｌｏｗ−ｄｅｆｅｃｔ−ｄｅｎｓｉｔｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｓａｐｐｈｉｒｅ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，３９（２），１５ Ｊｕｌｙ １９８１，ｐｐ１６３−１６５ 特開平１０−３１２９７１号公報 特開昭６１−２９５６２４号公報 特開２０００−１７８７４０号公報

この発明は、以上のような技術的背景の下でなされたものである。したがって、この発明の目的は、サファイア基板上に成膜される単結晶シリコン層中の結晶欠陥、特に双晶欠陥を、従来とは異なる方法で低減することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の半導体装置の製造方法は下記の工程を備えている。
（１）サファイア基板のＲ面上にエピタキシャル成長により第１シリコン膜を成膜する第１工程。
（２）第１シリコン膜上に全面にわたりＳｉＯ₂膜を形成する第２工程。
（３）ＳｉＯ₂膜を格子状にパターニングして、第１シリコン膜が露出した平面形状が矩形の複数の被エッチング領域を形成する第３工程。
（４）パターニングされたＳｉＯ₂膜をマスクとして、ＫＯＨを含む溶液で被エッチング領域のウエットエッチングを行うことにより、被エッチング領域直下でＲ面を露出させ、かつ、パターニングされたＳｉＯ₂膜直下に第１シリコン膜由来のファセット面を有する成長用マスク前駆体を形成する第４工程。
（５）成長用マスク前駆体の表面に絶縁膜を形成して成長用マスクを作成する第５工程。
（６）成長用マスクをマスクとして、露出したＲ面に選択エピタキシャル成長法で、成長用マスクで囲まれた領域を充填して、成長用マスクの高さよりも厚い単結晶シリコン層を平坦に成長させる第６工程。

この発明の半導体装置の製造方法では、第３工程において、ＳｉＯ₂膜を格子状にパターニングする。このときＳｉＯ₂膜からなる格子をシリコン（００１）面に対して［１１０］方向に延在するように形成する。

第４工程においては、第１シリコン膜を、ＫＯＨを含む溶液でエッチングする。これにより、第１シリコン膜は｛１１１｝面が露出するように異方性エッチングされる。つまり、隣り合った２個の被エッチング領域を区画している第１シリコン膜は、両斜辺が｛１１１｝面である台形状の断面形状を保ったままエッチングされていく。

この工程では、サファイア基板のＲ面露出後もウエットエッチングを続行する。ウエットエッチングは、上述した第１シリコン膜に形成される台形の上底の長さが短縮し、０（零）となるまで行う。つまり、第１シリコン膜パターンの斜面（｛１１１｝面）同士が一つの稜線を共有するまでエッチングを実施する。これにより、断面形状が二等辺三角形状であり、両斜面が｛１１１｝面であるような成長用マスク前駆体が形成される。

なお、｛１１１｝面とは、（１１１）面に等価な面、すなわち以下の８種の面（１１１）面、（−１１１）面、（１−１１）面、（１１−１）面、（−１−１１）面、（１−１−１）面、（−１１−１）面及び（−１−１−１）面の総称とする。例えば、「｛１１１｝面が露出する」との表現は、「（１１１）面に等価な８種の面のいずれかの面が露出する」との意味を表す。

第５工程においては、成長用マスク前駆体の表面に絶縁膜を形成して成長用マスクを作成する。第５工程を経ることにより、サファイア基板のＲ面は、Ｒ面が露出した領域（以下、「露出領域」と称する。）と、成長用マスクで覆われた領域（以下、「被覆領域」と称する。）とに区画される。なお、絶縁膜をＳｉＯ₂膜とすることにより、サファイア基板面は、基板構成元素であるＯ（酸素）で再配列表面を形成すると考えられ、第６工程のエピタキシャル成長時に、通常のサーマルクリーニング処理を行うだけで成長を進めることができる。

その結果、第６工程で十分に制御された選択エピタキシャル成長を行うことによって、エピタキシャル層としての単結晶シリコン層が、露出領域だけから成長を開始する。そして、Ｒ面に平行な成長面（（００１）面）を保ったまま、成長用マスクで囲まれた空間（以下、「成長空間」と称する。）を埋めるように成長していく。なお、ここで「成長面」とは、成長途上の単結晶シリコン層の露出した表面、すなわちシリコン原子が選択的に堆積されていく最表面のことを示す。

さらに成長を続けると、単結晶シリコン層の厚みが成長用マスクの高さを超えた時点で、隣り合った成長空間の単結晶シリコン層同士が結合する。単結晶シリコン層同士の結合後も成長を継続することにより、Ｒ面に平行な表面（（００１）面）を有し、Ｒ面の全面を一様に被覆する（００１）単結晶シリコン層が得られる。

以上の工程を経て得られる単結晶シリコン層は、該層中のサファイア基板Ｒ面由来の双晶欠陥の数が成長用マスクを設けない場合に比べて、（露出領域の総面積／Ｒ面の面積）にまで低減する。

上述した半導体装置の製造方法において、第４工程中、又は第４工程と第５工程との間に、ＳｉＯ₂膜を除去する工程を備えていることが好ましい。

また、絶縁膜として、成長用マスク前駆体の表面を熱酸化することにより得られるＳｉＯ₂膜を用いることが好ましい。

また、絶縁膜として、成長用マスク前駆体の表面に成膜したＳｉＮ膜を用いてもよい。

上述した目的の達成を図るために、この発明の半導体装置は、サファイア基板と、サファイア基板のＲ面に格子状に設けられた成長用マスクと、サファイア基板のＲ面に、成長用マスクを埋めてＲ面に平行、かつ成長用マスクの高さよりも厚く選択エピタキシャル成長された単結晶シリコン層とを備えている。ここで、成長用マスクは、｛１１１｝ファセット面を両斜面とし、かつ、両斜面がＳｉＯ₂膜で覆われている。

このように構成することにより、露出領域の総面積と、サファイア基板のＲ面の面積との比率に応じて双晶欠陥の個数が減少した単結晶シリコン層を得ることができる。より詳細には、双晶欠陥は、成長用マスクを設けない場合に比べて、（露出領域の総面積／サファイア基板Ｒ面の総面積）にまで低減する。

この場合において、斜面とＲ面とがなす鋭角が５４．７°であることが好ましい。

この発明は、成長用マスクにより、単結晶シリコン層の成長開始領域を制限している。成長開始領域が制限された結果、形成される単結晶シリコン層中に導入されるサファイア基板由来の双晶欠陥を低減することができる。

また、この発明の半導体装置の製造方法では、単結晶シリコン層を成膜する選択エピタキシャル成長の成膜条件を成膜の途中で変更する必要がない。よって、従来技術に比較してより簡単に単結晶シリコン層を成膜することができる。

以下、図を参照して、この発明の半導体装置及びその製造方法について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

まず、図１（Ａ）〜（Ｅ）、図２（Ａ）〜（Ｅ）及び図３〜図５を参照して、半導体装置の製造方法を主に説明し、適宜半導体装置について説明する。

図１（Ａ）〜（Ｅ）及び図２（Ａ）〜（Ｅ）は、この発明の半導体装置の製造方法の説明に供する工程断面図である。

（サファイア基板の準備）
まず、単結晶シリコン層が成膜されるサファイア基板の清浄化を行う。ここで用いるサファイア基板は、Ｒ面（１−１０２）が被成膜面となるように切り出されたものである。

より具体的には、大気圧下において、５ＳＬＭのＯ₂を流通させながら、サファイア基板を約１０００℃の温度に約３０分間保つ。これにより、サファイア基板のＲ面をクリーニングするととともに、Ｒ面を酸素で一様に終端化する効果がある。

なお、流量の単位「ＳＬＭ」は、標準状態（２５℃、かつ１気圧）における１分間当りのガス流量をＬ（リットル）で表したものである。「ＳＬＭ」の意味は、以降の記載でも同様である。

（第１工程：図１（Ａ））
次に、サファイア基板のＲ面上にエピタキシャル成長により第１シリコン膜を成膜する。

すなわち、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、クリーニング後のサファイア基板１０のＲ面１２に第１シリコン膜としてのシリコンエピタキシャル膜１４を、約１００ｎｍの厚みで成膜する。その結果、表面１４ｂが（００１）面であるようなシリコンエピタキシャル膜１４が形成される。

より詳細には、ＣＶＤエピタキシャル成膜は、大気圧下で、基板温度が約１０００℃、ＳｉＨ₄（モノシラン）流量が約１００ＳＣＣＭ、及び、ＳｉＨ₄に対して５×１０^-4〜１×１０^-1の流量比率の範囲のＨ₂を用いて実施した。このときのシリコンエピタキシャル膜１４の成長速度は約０．２μｍ／分である。

（第２工程：図１（Ｂ））
次に、第１シリコン膜上に全面にわたりＳｉＯ₂膜を形成する。

すなわち、図１（Ｂ）に示すように、大気圧下で、基板温度が約１０００℃、及びＯ₂流量が約５ＳＬＭでシリコンエピタキシャル膜１４の熱酸化を行う。これにより、シリコンエピタキシャル膜１４の表面１４ｂから約５０ｎｍまでの厚みが酸化され、約７５ｎｍの膜厚のＳｉＯ₂膜１６が形成される。その結果、シリコンエピタキシャル膜１４の厚みが約５０ｎｍにまで減少する。以下、シリコンエピタキシャル膜１４において、酸化されなかった領域（厚みが５０ｎｍに減少した領域）を、「シリコンエピタキシャル膜１４ａ」と称する。

つまり、ＳｉＯ₂膜１６は、シリコンエピタキシャル膜１４ａの表面（（００１面））上に延在している。

なお、ここで、シリコンエピタキシャル膜１４ａの厚み（約５０ｎｍ）と、ＳｉＯ₂膜１６の厚み（約７５ｎｍ）との和の厚みは約１２５ｎｍとなり、酸化前のシリコンエピタキシャル膜１４の厚み（約１００ｎｍ）よりも大きくなっている。これは、シリコンエピタキシャル膜１４がＳｉＯ₂膜１６へと酸化される際に、体積が膨張するためである。

（第３工程：図１（Ｃ）〜（Ｅ）及び図３）
次に、ＳｉＯ₂膜を格子状にパターニングして、第１シリコン膜が露出した平面形状が矩形の複数の被エッチング領域を形成する。

すなわち、図１（Ｃ）に示すように、まず、ＳｉＯ₂膜１６の表面１６ａ全体に、例えばスピンコート等で、厚みが約０．５μｍのフォトレジスト１８を塗布する。

その後、図１（Ｄ）に示すように、公知のフォトリソグラフィによりフォトレジスト１８を格子状にパターニングして、フォトレジストパターン２０を形成する。なお、フォトレジストパターン２０により形成される「格子」の平面形状については後述する。

そして、図１（Ｅ）に示すように、フォトレジストパターン２０をエッチングマスクとして、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりシリコンエピタキシャル膜１４ａの表面まで、ＳｉＯ₂膜１６をエッチングする。その後、公知の方法で、フォトレジストパターン２０を除去する。その結果、格子状にパターニングされたＳｉＯ₂膜パターン２２が形成される。これと同時に、ＳｉＯ₂膜パターン２２で被覆されていないシリコンエピタキシャル膜１４ａの領域、すなわちＳｉＯ₂膜パターン２２の開口から露出した領域として被エッチング領域２４が形成される。このようにして得られた被エッチング領域２４は、平面形状が正方形である。

ここで、図３を参照して、格子の平面形状、すなわちＳｉＯ₂膜パターン２２及び被エッチング領域２４の平面形状について詳細に説明する。図３は、第３工程後に得られる構造体の形状を模式的に示す平面図である。

図３に示すように、ＳｉＯ₂膜パターン２２は、シリコンエピタキシャル膜１４ａの表面に格子状に形成される。より詳細には、ＳｉＯ₂膜パターン２２は、シリコン（００１）面に対して［１−１０］方向に延在する縦ライン２２ａと、［１１０］方向に延在する横ライン２２ｂとを備えている。

各縦ライン２２ａは、それぞれ［１−１０］方向に延在しており、互いに平行かつ等間隔に配置されている。ここで、１本の縦ライン２２ａの幅を、好ましくは、例えば約７０ｎｍとする。また、隣り合った２本の縦ライン２２ａ及び２２ａ間の間隔を、好ましくは、例えば約５０ｎｍとする。

各横ライン２２ｂは、各縦ライン２２ａに対して互いに直角に交わっていて、［１１０］方向に延在しており、互いに平行かつ等間隔に配置されている。ここで、１本の横ライン２２ｂの幅を、好ましくは、例えば約７０ｎｍとする。また、隣り合った２本の横ライン２２ｂ及び２２ｂ間の間隔を、好ましくは、例えば約５０ｎｍとする。

これらの結果、隣り合った２本の縦ライン２２ａ及び２２ａと、隣り合った２本の横ライン２２ｂ及び２２ｂとで囲まれた被エッチング領域２４の平面形状は、一辺が約５０ｎｍの正方形となる。そして、被エッチング領域２４は、約１２０ｎｍ（＝５０ｎｍ＋７０ｎｍ）の配列周期で縦横にマトリクス状に並んでいる。

（第４工程：図２（Ａ）及び（Ｂ））
次に、パターニングされたＳｉＯ₂膜をマスクとして、ＫＯＨを含む溶液で被エッチング領域のウエットエッチングを行うことにより、被エッチング領域直下でＲ面を露出させ、かつ、パターニングされたＳｉＯ₂膜直下に第１シリコン膜由来のファセット面を有する成長用マスク前駆体を形成する。なお、このファセット面は、ＫＯＨなどのアルカリ系のエッチング溶液を用いた場合に特異的に形成されるものである。

すなわち、ＳｉＯ₂膜パターン２２をマスクとして、第３工程で得られた構造体を、エッチング溶液に浸漬してウエットエッチングを行う。ここでエッチング溶液としては、例えば、ＫＯＨとイソプロピルアルコールとを含有する水溶液を用いる。ここで、ＫＯＨの添加量は、好ましくは、例えば約２５ｗｔ％とする。また、イソプロピルアルコールの添加量は、好ましくは、例えば約５ｗｔ％とする。なお、イソプロピルアルコールは、後述する｛１１１｝面の形成性を増すために添加するものである。

これにより、図２（Ａ）に示すように、被エッチング領域２４において、シリコンエピタキシャル膜１４ａは、｛１１１｝面を形成しながら異方性エッチングされる。詳細には、ウエットエッチングは、被エッチング領域２４のＳｉＯ₂膜パターン２２で囲まれた外縁から始まる。そして、１個の被エッチング領域２４を囲む各縦ライン及び各横ライン２２ａ及び２２ｂ（図３）から構成される４斜面が全て｛１１１｝面である逆四角錐台形のエッチング痕２５が自己整合的に形成されて、徐々に深さを増すように進行していく。

図２（Ｂ）に示すように、エッチングは、隣り合った被エッチング領域２４及び２４を区画しているシリコンエピタキシャル膜１４ａの断面形状が、エッチング異方性により形成される｛１１１｝面からなる三角形状となるまで続行する。つまり、ＳｉＯ₂膜パターン２２の直下に存在するシリコンエピタキシャル膜１４ａを、言わばオーバーエッチする。そして、このオーバーエッチは、隣り合った被エッチング領域２４及び２４のそれぞれに面した斜面２６ａ及び２６ａ（どちらも｛１１１｝面）同士が一つの稜線２６ｃを共有するまで行われる。

その結果、ＳｉＯ₂膜パターン２２の直下に残留したシリコンエピタキシャル膜１４ａにより両斜面が｛１１１｝ファセット面からなる成長用マスク前駆体２６が形成される。この成長用マスク前駆体２６のＲ面１２から測った高さは、シリコンエピタキシャル膜１４ａの厚さと等しい。また、この成長用マスク前駆体２６は、｛１１１｝面に代表される面を各斜面２６ａとし、かつ底面２６ｂがサファイア基板１０のＲ面１２に接触している。そして、これらの各斜面２６ａが共有する稜線２６ｃは、ＳｉＯ₂膜パターン２２の延在方向（［１１０］方向、及び［１−１０］方向）に沿って延在している。

なお、この工程ではＳｉＯ₂膜パターン２２直下のシリコンエピタキシャル膜１４ａをオーバーエッチしている。そのため、エッチング終了時点で、ＳｉＯ₂膜パターン２２は、言わばファセット構造の頂点に位置することとなる。これにより、ＳｉＯ₂膜パターン２２と成長用マスク前駆体２６との結合面積が減少し、両者の密着力が低下する。その結果、エッチング終了時点で、ＳｉＯ₂膜パターン２２は成長用マスク前駆体２６から自然に剥離する。

（第５工程：図２（Ｃ）、図４及び図５）
次に、成長用マスク前駆体の表面に絶縁膜を形成して成長用マスクを作成する。

すなわち、図２（Ｃ）に示すように、酸化時間が短い以外は第２工程と同様の条件で成長用マスク前駆体２６の各斜面２６ａを熱酸化して、絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜２８を形成する。ＳｉＯ₂膜２８の厚みは、好ましくは、例えば約２０ｎｍとする。これにより、成長用マスク前駆体２６の表面にＳｉＯ₂膜２８が形成された成長用マスク３０が完成する。

なお、上述したように、ＳｉＯ₂膜２８の形成時には、体積膨張が生じる。しかし、ＳｉＯ₂膜２８の膜厚が薄い（約２０ｎｍ）ので、この体積膨張に由来する成長用マスク３０の寸法変化は実質的に無視できる。

成長用マスク３０の完成により、サファイア基板１０のＲ面１２は、Ｒ面１２が露出している露出領域３２と、成長用マスク３０で被覆されている被覆領域３４とに区画される。

図４に、第５工程終了時におけるＲ面１２及び成長用マスク３０の斜視図を示す。１個の露出領域３２は、平面形状が正方形状であり、周囲が成長用マスク３０の、結晶学的に等価な｛１１１｝面からなる４斜面３０ａで囲まれている。その結果、成長用マスク３０の４つの斜面３０ａと露出領域３２とで囲まれた空間は、逆四角錐台形の立体形状を有することとなる。以下、この逆四角錐台形の空間を成長空間３６と称する。

ここで、図５を参照して、第５工程により得られた構造体の寸法について具体的に説明する。

図５は、＜１−１０＞方向から見た成長用マスク３０の断面形状を模式的に示す図である。なお、図に描かれた２個の成長用マスクを区別する必要がある場合には、それぞれ３０₁及び３０₂と称する。

ここで、被エッチング領域２４の配列周期、したがって成長用マスク３０₁及び３０₂の頂点間の距離をＳとする。また、シリコンエピタキシャル膜１４ａの膜厚、すなわち成長用マスク３０の高さをｄとする。そして、成長用マスク３０の底辺の長さの半値をＸとする。さらに、露出領域３２の長さ、すなわち成長用マスク３０₁及び３０₂の間に露出しているサファイア基板１０のＲ面１２の長さをＹとする。

上述のように、成長用マスク３０の斜面３０ａの面方位は｛１１１｝である。したがって、この斜面３０ａは、サファイア基板１０のＲ面１２と５４．７°の角度をなして延在している。

以上のことより、Ｘは、下記（１）式で与えられる。

Ｘ＝ｄ／（ｔａｎ５４．７°）・・・（１）
さらに、図４より、Ｘ、Ｙ及びＳの間には、下記（２）式の関係が成り立つことが明らかである。

Ｙ＋２Ｘ＝Ｓ・・・（２）
したがって、Ｙは、（２）式に（１）式を代入した下記（３）式で与えられる。

Ｙ＝Ｓ−２｛ｄ／（ｔａｎ５４．７°）｝・・・（３）
ところで、この実施の形態においては、Ｓ≒１２０（ｎｍ）、及びｄ≒５０（ｎｍ）である。また、ｔａｎ５４．７°≒１．４１２である。したがって、（１）式よりＸは、約３５ｎｍと求まる。また、（２）式よりＹは、約５０ｎｍと求まる。

（第６工程：図２（Ｄ）及び（Ｅ））
次に、成長用マスクをマスクとして、露出したＲ面に選択エピタキシャル成長法で、成長用マスクで囲まれた領域を充填して、成長用マスクの高さよりも厚い単結晶シリコン層を平坦に成長させる。

すなわち、図２（Ｄ）に示すように、減圧ＣＶＤ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、露出領域３２を成長開始領域として、成長空間３６を充填するように単結晶シリコン層３８をエピタキシャル成長させる。

この選択エピタキシャル成長は、ファセット構造（特許文献１）が形成されないような成長条件で実施する。つまり、単結晶シリコン層３８の成長面が、一様な（００１）面のみからなるような成長条件で選択エピタキシャル成長を行う。このような成長条件を選択することにより、単結晶シリコン層３８の表面がＲ面１２に平行を保ったまま、選択エピタキシャル成長が進行する。

この成長条件の好適例を以下に例示する。

原料ガスとしては、ＳｉＨ₄、Ｈ₂及びＨＣｌを用いる。ここで、ＳｉＨ₄ガスの流量は約２００ＳＣＣＭとする。また、Ｈ₂ガスの流量は約３０ＳＬＭとする。また、ＨＣｌガスの流量は約５００ＳＣＣＭとする。そして、成膜温度は約８５０℃、及び成膜室の圧力は約３０Ｔｏｒｒとする。この条件での成膜速度は約８ｎｍ／分である。

なお、ここで、原料ガスのＨＣｌは、ＳｉＯ₂膜２８上での核成長を防ぐとともに、単結晶シリコン層３８のファセット構造の形成を抑制する効果を有する公知技術の応用例である。

この成長条件で成長を行うと、単結晶シリコン層３８は、成長面が（００１）面を保ったまま、成長空間３６を埋めながら露出領域３２に堆積していく。この際、格子不整合に由来する結晶欠陥、主として双晶欠陥３９がＲ面１２から単結晶シリコン層３８に導入される。背景技術の欄で説明したように、双晶欠陥３９に由来する不整合面は、｛１１１｝面に平行に延在する。なお、双晶欠陥３９が低減されることについては後述する。

そして、図２（Ｅ）に示すように、単結晶シリコン層３８の厚みが成長用マスク３０の高さ（約５０ｎｍ）を超えると、それまでは個々の成長空間３６ごとに成長していた単結晶シリコン層３８が互いに結合する。その結果、Ｒ面の面積と等面積の成長面を有する単結晶シリコン層４１が現出する。この成長面は、それまでの面方位（（００１）面）を保ちながら堆積していく。この実施の形態では、単結晶シリコン層４１の膜厚が、Ｒ面１２から測って約１００ｎｍとなるまで選択エピタキシャル成長を実施する。

これにより、表面が（００１）面である単結晶シリコン層４１がサファイア基板１０上に形成される。

このようにして、この発明の半導体装置４０が完成する。この半導体装置４０は、サファイア基板１０と、成長用マスク３０と、単結晶シリコン層４１とを備えている。そして、成長用マスク３０は、サファイア基板１０のＲ面１２に格子状に設けられていて、断面形状が二等辺三角形であるとともに、その両斜面３０ａ及び３０ａがＳｉＯ₂膜２８で覆われている。また、単結晶シリコン層４１は、成長用マスク３０を埋めてＲ面１２に平行、かつ成長用マスク３０の高さよりも厚く選択エピタキシャル成長されている。

次に、この発明の奏する効果について説明する。

＜効果１＞
この発明の半導体装置及びその製造方法によれば、サファイア基板１０上に成長された単結晶シリコン層４１中の双晶欠陥３９の数を低減することができる。

以下、主に図５を参照して、この点について詳細に説明する。

１個の成長空間３６に注目すると、露出領域３２は正方形であるので、単結晶シリコン層３８の成長開始領域（露出領域３２）の面積はＹ²で与えられる。また、仮に成長用マスク３０が存在しないと考えた場合に、単結晶シリコン層の成長開始領域の面積はＳ²で与えられる。

したがって、成長用マスク３０を設けた場合には、成長用マスク３０が無い場合に比較して、単結晶シリコン層３８の成長開始領域の面積が小さくなる（Ｙ²＜Ｓ²）。ところで、双晶欠陥３９のＲ面１２上での数面密度は場所によらず一定と考えられる。よって、成長開始領域が狭くなれば、単結晶シリコン層４１に導入される双晶欠陥の個数は減少すると考えられる。

つまり、成長用マスク３０が無い場合を基準（＝１）とすると、成長用マスク３０を設けることにより、単結晶シリコン層４１に導入される双晶欠陥は（Ｙ²／Ｓ²）にまで低減すると考えられる。換言すれば、この発明の製造方法によれば、単結晶シリコン層４１に導入される双晶欠陥３９の個数を、露出領域３２のＲ面に対する面積比（露出領域の総面積／Ｒ面の面積）にまで減少することができる。

この実施の形態では、Ｙ≒５０（ｎｍ）及びＳ≒１２０（ｎｍ）であることから、単結晶シリコン層４１に導入される双晶欠陥の個数は、成長用マスク３０を設けない場合の約１７％（＝（５０／１２０）²）にまで低減すると推測される。

＜効果２＞
第６工程においては、厚みが約１００ｎｍの単結晶シリコン層４１を形成するに当り、成膜条件を途中で変更することなく、単一の条件で選択エピタキシャル成長を行っている。

ところで、一般に、特許文献１及び２に示されたようなマスク上への横方向成長を伴うエピタキシャル成長においては、エピタキシャル膜の成膜の途中で成膜条件を変更する必要があった。すなわち、（１）マスクの開口部をエピタキシャル膜で埋め込み、基板面特有のファセット構造を形成するまでの成膜条件と、（２）マスク上で横方向成長させて、隣接するエピタキシャル膜同士を結合させるための成膜条件とを変化させる必要があった。

しかし、この発明の成膜方法では、｛１１１｝面に平行な斜面３０ａを有する成長用マスク３０を用いることにより、成長用マスク３０上への単結晶シリコン層３８の成長を防止することで、横方向成長を回避している。したがって、単一の成膜条件で成長空間３６の埋め込みと、隣接する単結晶シリコン層３８及び３８の結合とを行うことができる。つまり、横方向成長を行う従来の技術に比較して、単結晶シリコン層４１をより簡単に成膜できる。

次に、この発明で許容される設計条件及び変形例について説明する。

＜設計条件１＞
図５に示すように、この実施の形態においては、Ｙ≒５０（ｎｍ）及びＳ≒１２０（ｎｍ）とした場合について説明した。しかし、Ｙ及びＳは、これらの値には限定されない。ＳｉＯ₂膜パターン２２の間隔、及び、シリコンエピタキシャル膜１４ａの膜厚を変更することにより、Ｙ及びＳは、シリコン（００１）面に対してアルカリエッチングによるファセット面が自己整合的に形成されることから、設計に応じた所望の値とすることができる。

単結晶シリコン層４１に導入される双晶欠陥の個数を低減する観点から見れば、（Ｙ／Ｓ）の値が小さくなるようにＹ及びＳの値を設定すればよい。

＜設計条件２＞
図２（Ｃ）に示すように、この実施の形態では、成長用マスク３０の表面に形成する絶縁膜がＳｉＯ₂膜２８である場合について説明した。しかし、成長用マスク３０の表面に形成する絶縁膜は、ＳｉＮ膜であってもよい。ただし、露出領域３２に形成される窒化物については適切なエッチング等により除去する必要がある。

＜設計条件３＞
この実施の形態では、第４工程終了時に、ＳｉＯ₂膜パターン２２が成長用マスク前駆体２６から自然に剥離する場合について説明した。しかし、ＳｉＯ₂膜パターン２２をより確実に剥離するために、第４工程と第５工程との間に、ＳｉＯ₂膜パターン２２を剥離する専用の工程を設けてもよい。なお、この工程には、公知のＳｉＯ₂除去方法を用いることができる。

＜設計条件４＞
図３に示すように、この実施の形態では、被エッチング領域２４の平面形状が正方形である場合について説明した。しかし、被エッチング領域２４の平面形状は正方形には限定されない。縦ライン２２ａ及び横ライン２２ｂの間隔を調整することにより、被エッチング領域２４の形状を所望の縦横比の矩形とすることができる。

また、双晶欠陥の低減効果が若干低下することを許容できれば、縦ライン２２ａ又は横ライン２２ｂのどちらか一方のみからなるライン・アンド・スペース状のＳｉＯ₂膜パターンを用いてもよい。

＜設計条件５＞
第６工程における選択エピタキシャル成長条件の好適範囲を以下に示す。

ＳｉＨ₄ガスとしては、ジクロロシランＳｉＨ₂Ｃｌ₂を用いることができる。ジクロロシランのＨＣｌガスに対する流量比（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂／ＨＣｌ）は、０．１〜１００の間の比率とすることが好ましい。

基板温度、雰囲気圧力を含む原料ガスなどの成膜条件を適正な範囲の値に設定することによって、成長面が常にサファイア基板面に平行に保たれた単結晶シリコン層４１を成長させることができる。

＜設計条件６＞
シリコンエピタキシャル膜１４ａの表面に形成されるＳｉＯ₂膜パターン２２は、縦ライン２２ａ及び横ライン２２ｂがそれぞれ［１１０］方向及び［１−１０］方向に沿って延在することが好ましい。縦ライン２２ａ及び横ライン２２ｂをこれらの方向に延在させることにより、第４工程において、成長用マスク前駆体２６の斜面２６ａを｛１１１｝面とすることができる。

（Ａ）〜（Ｅ）は、この発明の半導体装置の製造方法に係る工程を示した工程断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、この発明の半導体装置の製造方法に係る図１以降の工程を示した工程断面図である。 第３工程後に得られる構造体の形状を模式的に示す平面図である。 第５工程終了時におけるサファイア基板Ｒ面の一部及び成長用マスクの斜視図を示す。 シリコン（００１）面に対して［１−１０］方向から見た成長用マスクの断面形状を模式的に示す図である。 従来技術の説明に供する、双晶欠陥の様子を［１−１０］方向から見た透過型電子顕微鏡写真を示す図である。

符号の説明

１０ サファイア基板
１２ Ｒ面
１４，１４ａ シリコンエピタキシャル膜
１６，２８ ＳｉＯ₂膜
１６ａ，１４ｂ 表面
１８ フォトレジスト
２０ フォトレジストパターン
２２ ＳｉＯ₂膜パターン
２２ａ 縦ライン
２２ｂ 横ライン
２４ 被エッチング領域
２５ エッチング痕
２６ 成長用マスク前駆体
２６ａ，３０ａ 斜面
２６ｂ 底面
２６ｃ 稜線
３０，３０₁，３０₂ 成長用マスク
３２ 露出領域
３４ 被覆領域
３６ 成長空間
３８，４１ 単結晶シリコン層
３９ 双晶欠陥
４０ 半導体装置

Claims (6)

1. サファイア基板のＲ面上にエピタキシャル成長により第１シリコン膜を成膜する第１工程と、
   該第１シリコン膜上に全面にわたりＳｉＯ₂膜を形成する第２工程と、
   該ＳｉＯ₂膜を格子状にパターニングして、前記第１シリコン膜が露出した平面形状が矩形の複数の被エッチング領域を形成する第３工程と、
   パターニングされた前記ＳｉＯ₂膜をマスクとして、ＫＯＨを含む溶液で前記被エッチング領域のウエットエッチングを行うことにより、被エッチング領域直下で前記Ｒ面を露出させ、かつ、パターニングされた前記ＳｉＯ₂膜直下に前記第１シリコン膜由来のファセット面を有する成長用マスク前駆体を形成する第４工程と、
   該成長用マスク前駆体の表面に絶縁膜を形成して成長用マスクを作成する第５工程と、
   該成長用マスクをマスクとして、露出した前記Ｒ面に選択エピタキシャル成長法で、該成長用マスクで囲まれた領域を充填して、該成長用マスクの高さよりも厚い単結晶シリコン層を平坦に成長させる第６工程と
   を備えた半導体装置の製造方法。
2. 前記第４工程と前記第５工程との間に、前記ＳｉＯ₂膜を除去する工程を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記絶縁膜として、前記成長用マスク前駆体の表面を酸化することにより得られるＳｉＯ₂膜を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記絶縁膜として、前記成長用マスク前駆体の表面に成膜したＳｉＮ膜を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
5. サファイア基板と、
   該サファイア基板のＲ面に格子状に設けられた成長用マスクと、
   前記サファイア基板のＲ面に、前記成長用マスクを埋めて前記Ｒ面に平行、かつ当該成長用マスクの高さよりも厚く選択エピタキシャル成長された単結晶シリコン層とを備え、
   前記成長用マスクは、｛１１１｝ファセット面を両斜面とし、かつ、該両斜面がＳｉＯ₂膜で覆われていることを特徴とする半導体装置。
6. 前記斜面と前記Ｒ面とがなす鋭角が５４．７°であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。