JP2008184361A - ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｉ単結晶基板上に、平坦かつ反位相領域の存在しない高品質な３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を簡便に形成する方法を提供する。
【解決手段】面方位（００１）からのオフ角度が０．２°以上１°未満であり、オフ方向が＜１００＞以外の方向であるＳｉ単結晶基板上に、前記Ｓｉ単結晶基板を１００％水素ガス雰囲気中でアニール処理した後、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させることにより、高品質な３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、次世代電子素子、高速高温動作可能電子素子、太陽光発電素子等としての応用が期待される、立方晶炭化ケイ素（以下、３Ｃ−ＳｉＣという。）単結晶膜をＳｉ単結晶基板上に形成する方法に関する。

ＳｉＣは、広いバンドギャップ、高い電子移動度、高耐熱性等の優れた特性を有しており、また、構成元素の資源量が豊富であり、かつ、環境汚染への懸念が小さいこと等から、次世代電子素子、高速高温動作可能電子素子、太陽光発電素子等における化合物半導体としての応用が期待される材料である。

上記のようなＳｉＣの薄膜の形成方法としては、各種ＣＶＤ法、スパッタリング法、各種ＭＢＥ法等が用いられている。
これらの方法によって結晶性に優れたＳｉＣ薄膜を得るためには、Ｓｉ−Ｃ間の結合が共有結合であり、化学結合形成エネルギーおよびエピタキシャル結晶成長のための拡散エネルギーがともに大きいことから、例えば、ＣＶＤ法においては、１２００℃以上での高温条件を要する。また、スパッタリング法、ＭＢＥ法においては、高真空雰囲気下で成長させなければならない。

また、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶は、比較的低温で成長可能であるため、Ｓｉ基板上に成長させる試みも盛んに行われている。特に、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＣ薄膜は、現在のシリコンテクノロジーを継承することができるため、産業技術の開発コストにおける優位性からも、その実用化が求められている。

しかしながら、単一原子からなる無極性基板であるＳｉ基板上に、極性をもつ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を成長させると、反位相領域が発生し、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶を半導体素子として利用する際、形成されたＳｉ−ＳｉまたはＣ−Ｃ結合が、電流リークパスとなるという課題を有していた。
また、ＳｉとＳｉＣとの間には約２０％もの格子不整合が存在するため、積層欠陥が発生する等の課題も有しており、高品質の連続した３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を形成することは非常に困難であった。

これに対しては、例えば、非特許文献１や特許文献１に、Ｓｉ（００１）基板に、＜０１０＞以外の方向に２°以上のオフ角度を設けることにより、反位相領域および積層欠陥を低減させることができることが開示されている。
特許第２６３３４０３号公報 古川勝紀、藤井良久、鈴木彰、中嶋重夫，「Ｓｉ基板上のＣＶＤ成長β−ＳｉＣ単結晶の欠陥制御」，シャープ技報，４７（１９９０），ｐ．１１−１５

しかしながら、オフ角度は、大きくなるにつれて、ステップバンチングが発生しやすくなり、３Ｃ−ＳｉＣ成長表面に荒れを生じたり、３Ｃ−ＳｉＣのステップフロー成長に異方性が生じたりするため、積層欠陥等の対消滅の確率が減少し、欠陥残留確率が増加する等の不具合を生じる。
このため、対消滅の確率を高めるためには、３Ｃ−ＳｉＣを厚膜で成長させなければならないが、厚膜成長させると、３Ｃ−ＳｉＣ膜の反りや表面の凹凸の増大を招くこととなる。

これに対しては、成長表面粗さを低減させるために、塩化物等のハロゲン系ガスを使用する方法も提案されているが、Ｓｉ基板がエッチングされる等により制御が複雑となり、また、装置の腐食や排気処理等のための設備コストが増大する。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、Ｓｉ単結晶基板上に、平坦かつ反位相領域の存在しない高品質な３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を簡便に形成する方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の形成方法は、面方位（００１）からのオフ角度が０．２°以上１°未満であり、オフ方向が＜１００＞以外の方向であるＳｉ単結晶基板上に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
これにより、Ｓｉ（００１）基板上に、平坦かつ反位相領域の存在しない３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を簡便に得ることができる。

上記形成方法においては、成長させる３Ｃ−ＳｉＣへの異方性の付与、反位相領域の消滅効果等の観点から、前記Ｓｉ単結晶基板のオフ角度を０．５°以下とし、また、オフ方向を＜０１１＞、または、＜０１１＞から＜１００＞への傾き５°以下とすることが好ましい。

さらに、上記形成方法においては、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長前に、前記Ｓｉ単結晶基板を、１００％水素ガス雰囲気中でアニール処理することが好ましい。
上記アニール処理を経ることにより、Ｓｉ単結晶基板の３Ｃ−ＳｉＣ成長面の酸化膜等が除去され、さらに、酸化誘起積層欠陥の発生が抑制され、Ｓｉ単結晶基板表面に明瞭なステップを出現させることができる。

上述したとおり、本発明によれば、Ｓｉ単結晶基板上に、表面平坦度に優れた高品質な面方位（００１）の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を容易に形成することができる。
また、本発明により得られる３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜は、反りが小さく、反位相領域が存在しないため、高出力電子デバイス等として好適に用いることができ、さらには、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、ＧａＮ等の六方晶系化合物半導体の結晶成長用基板としても利用することができる。

以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の形成方法は、Ｓｉ（００１）基板上に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜をエピタキシャル成長させるにあたり、その形成面の面方位（００１）からのオフ角度を０．２°以上１°未満とし、オフ方向を＜１００＞以外の方向とすることを特徴とするものである。
上記のようなＳｉ基板を用いることにより、この基板上に、平坦かつ反位相領域の存在しない３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を簡便に得ることができる。

ＳｉＣを成長させるためのＳｉ単結晶基板としては、一般に、面方位（００１）または（１１１）のＳｉ基板が用いられるが、本発明においては、劈開性等の観点から製造上優位であるＳｉ（００１）基板を用いる。

また、前記Ｓｉ単結晶基板には、上記のようなオフ角度を設けておくことにより、成長させる３Ｃ−ＳｉＣに異方性を与えることができる。
前記オフ角度が０．２°未満である場合、アニールによりヘイズが発生しやすい。
一方、前記オフ角度が２°以上の場合は、ステップバンチングの発生等により、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の表面粗さが増大しやすい。
前記オフ角度は０．５°以下とすることがより好ましい。

さらに、前記Ｓｉ単結晶基板は、上記のようなオフ角度を設けるのと同時に、オフ方向を＜１００＞以外の方向とすることにより、反位相領域を効果的に消滅させることができる。
アニール処理したＳｉ単結晶基板表面には、オフ角度が設けられている状態では、テラス状の２×１構造（ダブルステップ）領域と島状の１×２構造（シングルステップ）領域が出現する。通常、３Ｃ−ＳｉＣ成長は、＜１００＞方向において高速となるため、オフ方向を＜１００＞とした場合、シングルステップの拡大方向とダブルステップの成長方向、すなわち、反位相領域の拡大方向とステップフロー成長の進行方向が同じになる。
したがって、反位相領域の形成要因となるシングルステップ領域を、対消滅またはダブルステップ領域で覆って消滅させることが困難となり、＜１００＞方向にオフした場合は、反位相領域が消滅しにくいと考えられる。

これに対して、例えば、＜１１０＞方向にオフした場合は、シングルステップ領域は、＜１００＞と＜０１０＞方向に拡大するため、両方向の対消滅確率が高く、加えて、＜１１０＞方向のステップフロー成長によって覆われ、反位相領域が消滅する。
前記Ｓｉ単結晶基板のオフ方向は、反位相領域の消滅効果の観点から、＜０１１＞、または、＜０１１＞から＜１００＞への傾き５°以下とすることがより好ましい。

また、上記形成方法においては、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長前に、前記Ｓｉ単結晶基板を、１００％水素ガス雰囲気中でアニール処理することが好ましい。
３Ｃ−ＳｉＣ成長前のＳｉ単結晶基板を１００％水素ガス雰囲気中でアニール処理することにより、成長表面の酸化膜等を除去するのみならず、酸化誘起積層欠陥の発生を抑制し、Ｓｉ単結晶基板表面に明瞭なステップを出現させることができる。
雰囲気ガスをアルゴン等の不活性ガスやこれと水素ガスとの混合ガスとした場合は、上記のような水素ガスのみの場合と同様の効果が得られない。
一方、塩化物等のハロゲン系ガスを含むガスを用いた場合には、Ｓｉ単結晶基板表面にエッチピットが発生しやすくなり、３Ｃ−ＳｉＣ成長等の制御が困難となる。
上記の１００％水素ガス雰囲気中でのアニール処理は、１０００〜１３００℃で１０分以上保持することにより行うことが好ましい。

なお、前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長は、通常の条件で行うことができるが、Ｓｉ単結晶基板表面を炭化処理した後、表面が平滑になるために十分な膜厚を確保できる程度まで成長させることが好ましく、その成長温度は、成長表面マイグレーションを考慮して、１１００℃以上１３５０℃以下とすることが好ましい。
具体的な成長方法は、下記実施例に示す。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
面方位（００１）からのオフ角度が０．６°、オフ方向が＜０１１＞から＜１００＞への傾き５°のＳｉ単結晶基板を用い、これを基板ホルダに載置し、反応管内の成長領域にセットして、１００％水素ガス雰囲気中、１２００℃で１０分間のアニール処理を行った。
引き続き、炉内温度を５００℃以下に下げ、キャリア水素ガス１．５ｓｌｍに対して、炭化層形成のための原料ガスとしてプロパンを５０Ｔｏｒｒ雰囲気下、６ｓｃｃｍ供給した。
そして、プロパンガスを供給したまま、基板温度を１１８０℃まで上昇させ、そのまま５分間保持した。
次に、供給ガスを、キャリア水素ガス３０ｓｌｍに対して、３Ｃ−ＳｉＣ成長原料ガスとしてプロパン１．２ｓｃｃｍ、シラン１．６ｓｃｃｍに切り換え、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を厚さ約１μｍ成長させた。
得られたＳｉ単結晶基板上の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の表面は、原子間力顕微鏡（ＡＭＦ）による観察の結果、非常に平坦であり、反位相領域は確認されなかった。

［比較例１］
面方位（００１）からのオフ角度が０．５°、オフ方向が＜１００＞のＳｉ単結晶基板を用い、それ以外は実施例１と同様にして、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を厚さ約１μｍ成長させたところ、膜表面に、反位相領域が確認された。

［比較例２］
Ｓｉ（００１）基板を用い、それ以外は実施例１と同様にして、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を厚さ約１μｍ成長させたところ、膜表面に、反位相領域が確認された。

［比較例３］
アニール処理に用いるガスをアルゴンガスとし、それ以外は比較例２と同様にして、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を厚さ約１μｍ成長させたところ、膜表面に、比較例２の場合よりも多くの反位相領域が存在することが確認された。

［比較例４］
面方位（００１）からのオフ角度が２°のＳｉ単結晶基板を用い、それ以外は実施例１と同様にして、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を厚さ約１μｍ成長させたところ、膜表面に、ステップバンチングが発生し、表面粗さが増大した。

［比較例５］
面方位（００１）からのオフ角度が４°のＳｉ単結晶基板を用い、それ以外は比較例４と同様にして、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜を厚さ約１μｍ成長させたところ、膜表面に、ステップバンチングが発生し、表面粗さが増大した。

Claims (4)

1. 面方位（００１）からのオフ角度が０．２°以上１°未満であり、オフ方向が＜１００＞以外の方向であるＳｉ単結晶基板上に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とする３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の形成方法。
2. 前記Ｓｉ単結晶基板のオフ角度を０．５°以下とすることを特徴とする請求項１記載の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の形成方法。
3. 前記Ｓｉ単結晶基板のオフ方向を＜０１１＞、または、＜０１１＞から＜１００＞への傾き５°以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の形成方法。
4. ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶のエピタキシャル成長前に、前記Ｓｉ単結晶基板を、１００％水素ガス雰囲気中でアニール処理することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜の形成方法。