JP2008544945A

JP2008544945A - 酸素感受性の高いケイ素層及び該ケイ素層を得るための方法

Info

Publication number: JP2008544945A
Application number: JP2008519928A
Authority: JP
Inventors: パトリックスーキアスラン，; ファブリススモン，
Original assignee: コミッサリアタレネルジーアトミーク; ユニベルシテパリスードゥ（パリ１１）
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2008-12-11
Also published as: US20090294776A1; WO2007003638A1; EP1900012A1; FR2888398A1; FR2888398B1

Abstract

本発明は、酸素感受性の高いケイ素層と、それを得るための方法とに関する。このケイ素層（２）は、例えばＳｉＣで作られた基板（４）の上に形成され、３×２構造を有する。ケイ素層を得るための方法は、この基板の１つの表面上にほぼ均一にケイ素を堆積させることから構成される。本発明は、例えばマイクロエレクトロニクスに適用可能である。

Description

技術分野
本発明は、酸素に対する感受性が非常に高いケイ素層、及びこのような層を得るための方法に関する。
本発明は特に、マイクロエレクトロニクスの分野に適用される。

従来の技術
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、特に高電力、高電圧、又は高温のデバイス及びセンサに適する極めて有益なＩＶ−ＩＶ半導体化合物である。

近年、この材料の表面の知識、並びに絶縁材及び金属とのＳｉＣのインタフェースの知識において顕著な進歩が見られる。

ＳｉＣに基づく電子デバイス（特にこの材料の六方晶系のポリタイプに基づくもの）の成功についての重要な論点の２つは、有効なＭＯＳ（金属酸化膜半導体）トランジスタ、表面のパッシベーション（絶縁保護化）、したがってＳｉＣの酸化を得ること、及びＳｉＣ構造上の絶縁体である。

注記したいのは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のひときわ優れた特性に主に起因して、ケイ素が現在最も広く使われている半導体材料であることである。

この観点から、ＳｉＣは特に有益である。その理由は、ケイ素の条件に類似の条件下で、ＳｉＯ_２の成長によってＳｉＣの表面のパッシベーションが達成されるからである。

しかし、炭素の存在により、ＳｉＣの表面（特にこの材料の六方晶系の表面）の通常の酸化（ＳｉＣの直接酸化）は概して、平凡な電気特性を有するＳｉ（ケイ素）とＣとの酸化物をもたらし、そして急峻でないＳｉＯ_２／ＳｉＣインタフェースをもたらす。急峻でないのは、ＳｉＣとＳｉＯ_２との間の遷移が複数の原子層にわたって生じるからである。

ｐ−ＳｉＣ構造上のＭＯＳの反転層内の電子移動度は、インタフェースでの異常に起因してケイ素よりもはるかに（１０倍）低い。

ＳｉＣ上にＳｉＯ_２でのパッシベーションを得るための方法が、特許文献、欧州特許出願公開第０６３７０６９号（ＣｒｅｅＲｅｓｅａｒｃｈ、Ｉｎｃ．）から知られている。Ｓｉ層（ケイ素層）から６２ｎｍのＳｉＯ_２層を得るには、この文献によれば、高温（約１２００℃）且つきわめて高い酸素圧（大気圧に近い圧力、すなわち約１０^５Ｐａ）での熱的酸化を行う必要がある。

しかし、高温及び高圧の使用には多くのエネルギーを要する。したがって、よりゆるい条件下でのパッシベーション（絶縁保護膜）層の生成が、電子業界での主要な論点である。

その上、パッシベーション層とそれを支える基板との間のインタフェースがますます急峻になることでもあり、マイクロエレクトロニクス・デバイスの小型化が、ますます薄いパッシベーション層の必要性を創出している。

室温で酸素感受性のあるケイ素層もまた、特許文献、米国特許出願公開第６６６７１０２Ａ号（国際公開番号第ＷＯ０１／３９２５７に対応）から知られている。この層は、六方晶系の炭化ケイ素上に形成され、４×３表面構造を有する。

発明の開示
本発明は、前記の欠点を克服することを意図するものである。

本発明は、ケイ素層であって基板上での酸化物の成長を促進し、その結果として急峻なＳｉＯ_２／基板インタフェースをもたらし、他方上記の従来技術で可能な条件よりゆるい酸化条件を可能にするようなケイ素層に関する。

加えて本発明は、上記のような既知の従来技術によって得られるパッシベーション層よりも薄いパッシベーション層を得ることを可能にする。

具体的には、本発明は、基板上に形成された、特には堆積されたケイ素層に関し、このケイ素層は、３×２ケイ素構造を有し、上記基板がこの３×２ケイ素構造を受けることが可能であり又はこの３×２ケイ素構造の形成の推進に適することを特徴とする。

本発明の推薦実施例によれば、上記ケイ素層は３×２ケイ素表面構造（３×２再構築構造とも称する）を有し、上記基板はこの３×２ケイ素表面構造を受けることが可能であり又はこの３×２ケイ素表面構造の形成の推進に適する。

上記の層は、好ましくは６５０℃よりも低い又は６５０℃に等しい温度で酸化可能である。

本発明の推薦実施例によれば、上記基板は炭化ケイ素β−ＳｉＣである。

本発明はまた、本発明のケイ素層の酸化の結果として得られる酸化ケイ素層に関する。

本発明はまた、この酸化ケイ素層で覆われた表面に関する。

本発明はまた、ケイ素が基板の表面上にほぼ均一に堆積される、本発明のケイ素層を得るための方法に関する。

本発明はまた、基板上に酸化ケイ素層を得るための別の方法に関し、この方法は、次の一連のステップ、すなわち
（ａ）基板上に、本発明のこのケイ素層を形成する（特には、堆積する）ステップと、
（ｂ）このケイ素層を酸化するステップ
とを含むことを特徴とする。

このケイ素層の酸化は好ましくは、６５０℃よりも低い又は６５０℃に等しい温度で、より具体的には室温から５００℃までの範囲の温度で行われる。この温度は、室温（約２０℃）が有利である。

酸化後に得られるＳｉＯ／Ｓｉ又はＳｉＯ_２／基板のインタフェースは急峻で、基板とＳｉＯ_２との間の遷移が実際的に数原子層にわたって生じる。

この別の方法の推奨実施例によれば、この基板上に形成された（特には、堆積された）ケイ素層は３×２ケイ素表面構造（３×２再構築構造とも称する）を有し、この基板はこの３×２ケイ素表面構造を受けることが可能であり又はこの３×２ケイ素表面構造の形成の推進に適する。

この基板は好ましくは、炭化ケイ素とケイ素とから選択された材料で作られる。
炭化ケイ素は、単結晶、多結晶、非結晶質、又は多孔性でもよい。

ケイ素層はβ−ＳｉＣ表面上に形成されるので有利であり、好ましくは面（００１）上に形成される。

本発明においては、基板を加熱する必要のあるときは、好ましくはこの基板中に連続電流を通すことによりジュール効果を用いることができるので有利である。加えて、本発明の方法の種々のステップが、好ましくは高真空室内で行われる。また方法全体の実施の間、同一の高真空室内で行われると有利である。
代替として、基板の加熱はこの基板の電子衝撃によって行うこともできる。

好ましくは、基板上にケイ素層を形成する前に基板の表面が洗浄される。洗浄は好ましくは有機溶剤で行われる。この有機溶剤はエタノール又はメタノールを含むと有利である。

ケイ素層の形成の前に基板が脱ガスされるのが好ましい。

本発明の推奨実施例によれば、脱ガスするために、基板は、減圧下、有利であるには３×１０^−９Ｐａで十分な時間、例えば２４時間、特に炭化ケイ素について好ましくは約６５０℃に加熱される。

基板上にケイ素層を形成する前に、１回以上のアニール作業をまた基板上に行ってもよく、このアニールは、低速電子線回折（ＬＥＥＤ）又は反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）汚染の検出がなくなるまで行われる。基板の冷却の前に少なくとも１回のアニール作業を行うと有利である。

好ましくは、特にもし基板が炭化ケイ素の場合に、アニールの各々の作業が下記のように、すなわち
− 基板が１０００℃で３分間、それから１１００℃で１分間、そして１２００℃で１分間加熱され、次に、
− 該基板が、室温（約２０℃）に到達するまで１００℃／分の割合で徐々に冷却されるように行われる。

このような方法は、基板の表面にわたってほぼ均一にケイ素を堆積させることを可能にする。

上記ステップ（ａ）のケイ素層は好ましくは室温で形成される。

この層の厚さは、好ましくは１０ｎｍよりも薄いか又は１０ｎｍに等しい。

上記ケイ素層の少なくとも１回のアニールは、好ましくは上記ステップ（ａ）におけるこの層の形成後に行われる。

本発明の方法の推奨実施例によれば、上に示した手法では、室温に保持された基板の表面は、ケイ素層を受けるように用意され、それからケイ素が基板の表面上にほぼ均一に堆積され、ケイ素が堆積されたその基板上で、少なくとも１０００℃での少なくとも１回のアニール作業が行われ、合計のアニール時間が少なくとも５分であり、そして基板は少なくとも１００℃／分の割合で室温（約２０℃）まで冷却される。

基板はまた、堆積を行うために、室温より高い温度、例えば約６５０℃まで温度を上げてもよい。堆積とアニールのステップはまた、同時に行ってもよく、この場合に堆積は高温で行われる。

好ましくは、特にもし基板が単結晶の炭化ケイ素で作られている場合には、ケイ素層は室温で基板上に形成され、それから基板とこのケイ素層とにより構成されたアセンブリに対して少なくとも６５０℃で少なくとも１回のアニール作業が行われ、合計のアニール時間は少なくとも７分であり、そしてこのアニール作業には少なくとも５０℃／分の割合での冷却作業が追従する。

好ましくは、特に基板が単結晶の炭化ケイ素で作られている場合には、単結晶の炭化ケイ素を受けるためのそして／又は後者の形成を促進するための基板の表面の形成は、少なくとも１０００℃での基板の補助加熱と、このように加熱された基板の表面上への単結晶ケイ素のほぼ均一な補助堆積と、この補助堆積の後の、少なくとも６５０℃での少なくとも１回の基板の補助アニール作業であって、合計の補助アニール時間が少なくとも７分である補助アニールとを含む。

基板の表面の形成は好ましくは、補助加熱の前に、超高真空下での基板の脱ガスと、それから上記基板の少なくとも１回のアニール、そしてその後の基板の冷却を含む。

本発明において、ケイ素層は好ましくは、真空蒸発で形成される。

この層は別の仕方で、例えばシランの化学吸着／相互作用によって、又はケイ素試料の電子衝撃による蒸発によって形成してもよいことを注記したい。

本発明の推奨実施例によればケイ素は、その表面が上記基板の表面よりも大きいケイ素試料から基板上に堆積される。

好ましくは、ケイ素試料の表面と基板の表面とは２ｃｍから３ｃｍの規模の距離で隔てられる。

本発明によれば、ケイ素層の酸化はケイ素層の堆積後に、好ましくは同じ超高真空室内で行われる。

好ましくは、ケイ素層の酸化は、８０００ラングミュア（約０．８Ｐａ・ｓ）から１５０００ラングミュア（約１．５Ｐａ・ｓ）までの範囲の酸素への露出で行われ、この露出は好ましくは１００００ラングミュア（約１Ｐａ・ｓ）に等しい。

本発明による酸化層を得るための方法で、インタフェースが急峻のままの状態で、酸化物の厚さを１０ｎｍに増加することが可能である。同一の結果を得るには、酸素へのより広範な露出と、より僅かに高い、６５０℃に近い温度とにより酸化物の量を増加することが可能なので有利である。

本発明においては、アニール作業を３×２ケイ素層構造の酸化後に行うことができる。

本発明は、ＭＯＳデバイスの生成に、そして特にＭＯＳＦＥＴデバイス（ＭＯＳ電界効果トランジスタ）の生成に極めて有用である。

本発明はまた、炭化ケイ素上のみならずケイ素又は他の基板上など、その上にこのような３×２ケイ素層構造が堆積されるようないかなるコンポーネント（構成要素）のパッシベーションにも有用である。

本発明の主題を構成するこの方法によって得られる二酸化ケイ素層（ＳｉＯ_２）は、従来技術のＳｉＯ_２層よりも入射イオン化照射光の衝撃から受ける被害が少ない。その理由は、これらの層よりも低い温度で実施可能なことと、薄いこと（１ｎｍぐらいに薄いそしていかなる場合にも８ｎｍより薄いか８ｎｍに等しい厚さを持たせることが可能である）及び下に位置する基板と急峻なインタフェースを有することである。

本発明は、純粋に表示のためにのみ与えられたもので決して制限をもたらすものではない例示実施例についての下記説明を、１つからなる添付図面を参照して読めば、本発明が更によく理解されよう。

具体的な実施例の詳細説明
先ず、３×２構造を有するケイ素層が、特許文献の仏国特許出願公開第２８２３７７０Ａ号（米国特許出願公開第２００４／０１０４４０６Ａ号に対応）に述べられている手法によって得られることを表示したい。

ここで、本発明によるケイ素層の生成の例を述べる。

この例においては、立方晶系単結晶の炭化ケイ素試料を用いる。これは、ＮｏｖａＳｉＣ及びＨＯＹＡ株式会社から、そして同じくＬＥＴＩ（ａｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆｔｈｅＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）から商業的に入手可能である。

用いられたこの試料の面は、面（１００）である。

この試料は、シリコンウェハ上にエピタキシャルに成長され、１μｍより厚いか又は１μｍに等しい厚さを有する薄膜で構成されてもよく、又は厚さ約３００μｍのバルク試料でもよい。加えて、この試料は例えば、１３ｍｍの長さと５ｍｍの幅とを有する。

上記試料から、３×２再構築構造の清浄なβ−ＳｉＣ表面（１００）を生成することから始める。

試料は先ず、エタノール又はメタノールで洗浄される。

それから、試料が高真空室内に置かれる。同室内では、３×１０^−９Ｐａの規模の圧力が確立され、同室内で前記試料が、試料を通して電流を流すことによる直接のジュール効果によって加熱される。

後者の温度が赤外線高温計を用いて計測される。

先ず、試料が、超高真空下に６５０℃で２４時間放置されることによって脱ガスされる。

試料には次に、一連のアニール作業が行われ、この作業は、例えば光電子放出による汚染が検出されなくなるまで、そして試料の表面が清浄になるまで（これはＬＥＥＤ又はＲＨＥＥＤによって検証される）、行われる。この一連のアニールでは、
− 試料が１０００℃で３分間、それから１１００℃で１分間、そして１２００℃で１分間加熱され、次に、
− 試料が、室温（約２０℃）に到達するまで１００℃／分の割合で徐々に冷却される。

それから、１１５０℃に加熱された清浄なケイ素試料（例えば２０ｍｍの長さと１０ｍｍの幅とを有する）で行われる真空蒸発を用いて、１０分間、室温に保たれた炭化ケイ素試料の表面上に均一に堆積される。

この堆積の間、炭化ケイ素試料とケイ素試料とが、相手から２ｃｍの距離Ｄで相互に対面する。

ケイ素試料の表面が最大であるので、炭化ケイ素試料上のケイ素の堆積の均質性、すなわち均一性が得られる。

最後に、このようにケイ素被覆されたＳｉＣ試料に対して、上に述べた一連のアニール作業が再び行われる。すなわちこの試料が、１０００℃で３分間、それから１１００℃で１分間、そして１２００℃で１分間、加熱される。

このようにＳｉで被覆された試料には次に、新たな一連のアニール作業、すなわち７５０℃で１分間、７００℃で１分間、それから６５０℃で５分間のアニール作業が行われる。

試料はそれから、室温まで５０℃／分の割合で徐々に冷却される。

このようにして得られたβ−ＳｉＣ表面（１００）は、３×２構造（正方形単位セル）を有する。

３×２構造の再構築区域は、５５０ｎｍ×４５０ｎｍの規模の寸法を有し、低ステップ密度を有することがあり、３×２層中に数個のＳｉ島状箇所を有する。これらの３×２再構築構造の島状箇所がそれから次のステップのために選択される。

次にケイ素を加えてもよく、３×２再構築ケイ素層のエピタキシャル成長が可能になる。

このようにして、複数の原子層に相当する厚さ（１ｎｍから１０ｎｍまで）を有するケイ素層を得ることが可能になる。

３×２構造におけるこのＳｉ層の組織化がこうして、上に述べたように７５０℃、それから７００℃、そして６５０℃での一連のアニールによって達成される。

１つからなる添付図面に、β−ＳｉＣ（１００）の３×２再構築基板４の清浄な表面上に３×２構造を有するケイ素層２の生成を極めて略図的に示す。

基板４の生成とケイ素層２の形成とがその中で行われる、真空室６もまた同図に見られる。

超高真空を得るのを可能にするポンプ手段が矢印８によって象徴化されている。

基板４が、適切な支持部１０上に取り付けられ、そしてジュール効果により基板を加熱するための手段が、矢印１２によって象徴化されている。

ケイ素試料１４をジュール効果により加熱するための手段も見られ、この手段は矢印１６によって象徴化されている。

ここで、３×２構造を有するケイ素層の酸化について述べる。

この酸化は、次のようにして生じる。すなわち、３×２ケイ素層で覆われた試料が、２５℃から６５０℃までの範囲の温度に保たれながら酸素に露出される。酸素への露出は、１０^４ラングミュア（約１Ｐａ・ｓ）に等しい。

これらの条件下で、図中点線で表わされる酸化ケイ素層（参照番号１８）が得られる。この酸化ケイ素層は、平均厚さ１ｎｍを有する。

供給される酸素の量と同じく温度とを増加することによって、より厚い厚さ、例えば１０ｎｍが得られる。

ＳｉＯ_２と基板との間のインタフェースが急峻なまま、最後の過程が何度か行われる。

したがって、要求仕様に応じた種々の厚さの試料が、酸素への露出を変化させることによって得られる。

ケイ素層２の酸化が好ましくは真空室６内で行われる。この場合、この真空室にはこの酸化に必要な手段、詳しくは酸素入口（図示しない）が設けられる。

本発明によるケイ素層の生成を略図的に示す。

Claims

基板上に形成されたケイ素層において、
該ケイ素層（２）が３×２ケイ素構造を有し、
該基板（４）が該３×２ケイ素構造を受けることが可能であり又は該３×２ケイ素構造の形成の推進に適することを特徴とするケイ素層。
該ケイ素層（２）が３×２ケイ素表面構造を有し、
該基板（４）が該３×２ケイ素表面構造を受けることが可能であり又は該３×２ケイ素表面構造の形成の推進に適することを特徴とする請求項１による層。
該ケイ素層が６５０℃よりも低い又は６５０℃に等しい温度で酸化可能である、請求項１又は２のうちのいずれかによる層。
該基板（４）が炭化ケイ素β−ＳｉＣである、請求項１から３までのうちのいずれかによる層。
酸化ケイ素層（１８）であって、請求項１から４までのうちのいずれかによる該ケイ素層の酸化の結果として得られる、酸化ケイ素層。
請求項５による該酸化ケイ素層で覆われた表面。
ケイ素が該基板（４）の表面上にほぼ均一に堆積される、請求項１から４までのうちのいずれかによる層を得るための方法。
基板（４）上に酸化ケイ素層を得るための方法において、
該方法が、次の一連のステップ、すなわち
（ａ）該基板上に、請求項１又は２のうちのいずれかによるケイ素層（２）を形成するステップと、
（ｂ）該ケイ素層を酸化するステップと、
を含むことを特徴とする、基板（４）上に酸化ケイ素層を得るための方法。
該ケイ素層の酸化が６５０℃よりも低い又は６５０℃に等しい温度で行われる、請求項８による方法。
該ケイ素層の酸化が室温で行われる、請求項９による方法。
該基板（４）が炭化ケイ素又はケイ素で作られる、請求項８及び１０のうちのいずれかによる方法。
該ステップ（ａ）が、次に該ケイ素層（２）が形成されることになる該基板の表面を洗浄するステップによって先行される、請求項８から１１までのうちのいずれかによる方法。
該洗浄が有機溶剤で行われる、請求項１２による方法。
該有機溶剤がエタノール又はメタノールを含む、請求項１３による方法。
該ステップ（ａ）が、該基板を脱ガスするステップによって先行される、請求項８から１４までのうちのいずれかによる方法。
該脱ガスが、減圧下で該基板を加熱することによって行われる、請求項１５による方法。
該脱ガスが、３×１０^−９Ｐａの圧力下で約６５０℃で行われる、請求項１５及び１６のうちのいずれかによる方法。
該ステップ（ａ）で該ケイ素層を形成する前に、該基板の少なくとも１回のアニールが行われる、請求項８から１７までのうちのいずれかによる方法。
該アニールの各々の作業が下記のように、すなわち
− 該基板が１０００℃で３分間、それから１１００℃で１分間、そして１２００℃で１分間加熱され、次に、
− 該基板が、室温に到達するまで１００℃／分の割合で冷却されるように行われる、請求項１８による方法。
該ケイ素層が、真空蒸発によって、シランの化学吸着／相互作用によって、又はケイ素試料の電子衝撃による蒸発によって形成される、請求項８から１９までのうちのいずれかによる方法。
該ステップ（ａ）の該ケイ素層（２）の形成が室温で行われる、請求項８から２０までのうちのいずれかによる方法。
該ステップ（ａ）において形成される該ケイ素層の厚さが１０ｎｍよりも薄いか又は１０ｎｍに等しい、請求項８から２１までのうちのいずれかによる方法。
該ケイ素層の該アニールのうちの少なくとも１回のアニールが、ステップ（ａ）における該ケイ素層の形成後に行われる、請求項８から２２までのうちのいずれかによる方法。
該ケイ素層（２）が室温で該基板の上に形成され、それから該基板と該ケイ素層とにより構成されたアセンブリに対して、少なくとも６５０℃での少なくとも１回のアニール作業が行われ、合計のアニール時間が少なくとも７分に等しく、そして該アニール作業には少なくとも５０℃／分の割合での冷却作業が追従する、請求項８から２３までのうちのいずれかによる方法。
該ケイ素層（２）の該酸化が約０．８Ｐａ・ｓから約１．５Ｐａ・ｓまでの範囲の酸素への露出で行われる、請求項８から２４までのうちのいずれかによる方法。