JP2012031012A

JP2012031012A - 立方晶炭化珪素膜の製造方法

Info

Publication number: JP2012031012A
Application number: JP2010172166A
Authority: JP
Inventors: Yukimune Watanabe; 幸宗渡邉
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】結晶欠陥が少なく、かつ平坦性に優れた高品質の立方晶炭化珪素膜を容易に得ることができる立方晶炭化珪素膜の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｓｉ基板１の表面を炭化させて下地層２を形成し、次いで、Ｓｉ基板１の下地層２上に原料ガスｇ２を供給しつつ、この原料ガス雰囲気にて立方晶炭化珪素層３をエピタキシャル成長させ、次いで、この立方晶炭化珪素層３の表面３ａをクリーニングして異物を除去し、次いで、この立方晶炭化珪素層３上に再度、原料ガスｇ２を供給しつつ、この原料ガス雰囲気にて立方晶炭化珪素層４をエピタキシャル成長させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、立方晶炭化珪素膜の製造方法に関し、特に、ワイドバンドギャップ半導体として期待される炭化珪素（ＳｉＣ）半導体に用いて好適な結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化珪素膜を製造する方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、バンドギャップが２．２ｅＶ（３００Ｋ）と、シリコン（Ｓｉ）と比べて２倍以上のバンドギャップを有するワイドバンドギャップ半導体であり、パワーデバイス用半導体材料あるいは高耐圧デバイス用材料として注目されている。
この炭化珪素（ＳｉＣ）の結晶生成温度は、シリコン（Ｓｉ）と比べて高く、高品質の結晶を生成することが難しいとされているが、炭化珪素（ＳｉＣ）の中でも立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）は、結晶生成温度が比較的低温であり、安価なシリコン基板上にエピタキシャル成長（ヘテロエピタキシー）させることが可能であることが知られている。

ところで、立方晶炭化珪素の格子定数は４．３５９オングストロームであり、立方晶シリコンの格子定数（５．４３０７オングストローム）と比べて２０％程度も小さく、かつ熱膨張係数も異なることから、結晶欠陥が少ない高品質のエピタキシャル膜を得ることが非常に難しい。
さらに、エピタキシャル成長させた立方晶炭化珪素膜には、結晶欠陥が高密度で形成され易く、また、膜応力に起因する膜の異常成長が発生し易く、表面が平坦な立方晶炭化珪素膜を得ることが難しい。

一方、エピタキシャル成長させた立方晶炭化珪素膜は、膜厚が増加するにしたがって、異なる方向に成長した積層欠陥を互いに打ち消し合い、その結果、膜全体の結晶欠陥が減少することが知られている。
そこで、結晶方位が（１００）面のシリコン基板の表面に、［１１０］方向に平行に周期的な起伏構造を形成し、この周期的な起伏構造を有するシリコン基板上に立方晶炭化珪素を成長させる方法が提案されている（特許文献１）。
この方法では、結晶欠陥が少ない立方晶炭化珪素膜を得ることができる。

特開２００４−１８９５９８号公報

しかしながら、上述した従来の立方晶炭化珪素をシリコン基板の表面に成長させる方法では、エピタキシャル成長させた立方晶炭化珪素膜内の積層欠陥が会合消滅する付近では、応力の集中等により、結晶の異常成長が生じ、その結果、立方晶炭化珪素膜の表面の凹凸が大きくなり、結晶欠陥が少なく、平坦性に優れた立方晶炭化珪素膜を得ることができないという問題点があった。
また、シリコン基板の表面に周期的な起伏構造を形成するために、フォトリソグラフィ、プレス加工、レーザ加工、超音波加工、研磨加工等が必要となり、したがって、工程数が増加し、製造コストが上昇するという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、結晶欠陥が少なく、かつ平坦性に優れた高品質の立方晶炭化珪素膜を容易に得ることができる立方晶炭化珪素膜の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の立方晶炭化珪素膜の製造方法を採用した。
すなわち、本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法は、基板の上に立方晶炭化珪素膜を形成する方法であって、立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させる第１の工程及びエピタキシャル成長させた前記立方晶炭化珪素層の表面をクリーニングする第２の工程を、１回以上繰り返し行うことにより、前記基板上に複数の立方晶炭化珪素層を積層してなる立方晶炭化珪素膜を形成することを特徴とする。

この立方晶炭化珪素膜の製造方法では、立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させた後、このエピタキシャル成長させた立方晶炭化珪素層の表面をクリーニングするという一連の工程を行うことにより、立方晶炭化珪素層の表面に存在する異物が除去され、結晶欠陥も終端され、表面の平坦性も確保される。そこで、これら一連の工程を、１回以上繰り返し行うことにより、その上に形成される立方晶炭化珪素層は格子歪みや結晶欠陥が少なく、表面の平坦性が確保される。これにより、結晶欠陥が少なく異物も無い立方晶炭化珪素層を複数層、積層した構造の立方晶炭化珪素膜を得ることができる。

本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法は、シリコン基板の表面を炭化処理して下地層を形成した後、当該下地層上に、前記第１の工程及び前記第２の工程を繰り返し行うことを特徴とする。

この立方晶炭化珪素膜の製造方法では、シリコン基板の表面を炭化処理して当該表面に下地層を形成したことにより、この下地層がシリコン基板の表面とエピタキシャル成長する立方晶炭化珪素層との格子定数の差を緩和し、立方晶炭化珪素層に格子歪みや結晶欠陥が生じ難くする。
そこで、この下地層上に、立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させた後、この立方晶炭化珪素層の表面の異物を除去するという一連の工程を、１回以上繰り返し行うこととすれば、格子歪みや結晶欠陥が少ない立方晶炭化珪素層を複数層、積層した構造の立方晶炭化珪素膜を得ることができる。

本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法は、前記第１の工程は、炭素を含むガスと珪素を含むガスとを混合してなる混合ガス雰囲気、炭素及び珪素を含むガス雰囲気、炭素を含むガスと珪素を含むガスと炭素及び珪素を含むガスとを混合してなる複数種混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気下にて行うことを特徴とする。

この立方晶炭化珪素膜の製造方法では、立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させる第１の工程を、炭素を含むガスと珪素を含むガスとを混合してなる混合ガス雰囲気、炭素及び珪素を含むガス雰囲気、炭素を含むガスと珪素を含むガスと炭素及び珪素を含むガスとを混合してなる複数種混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気下にて行うことにより、化学量論的組成の立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させることができる。

本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法は、前記第２の工程は、水素、塩素または塩化水素を含むガス雰囲気下にて行うことを特徴とする。
この立方晶炭化珪素膜の製造方法では、立方晶炭化珪素層の表面の異物を除去する第２の工程を、水素、塩素または塩化水素を含むガス雰囲気下にて行うことにより、結晶欠陥や異常成長が生じ易い立方晶炭化珪素層の表面の異物が効率よく除去され、表面の平坦性も十分に確保される。

本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法は、前記ガス雰囲気は、水素原子を含むことを特徴とする。
この立方晶炭化珪素膜の製造方法では、前記ガス雰囲気が水素原子を含むことにより、立方晶炭化珪素層の表面に存在する結晶欠陥が水素原子により終端され、この立方晶炭化珪素層の表面における再成長時の結晶性を向上させることができる。

本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法は、基板の上に立方晶炭化珪素膜を形成する方法であって、前記基板の上に第１の立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、前記第１の立方晶炭化珪素層の表面をクリーニングして、前記立方晶炭化珪素膜の一部を構成する第２の立方晶炭化珪素層を形成する第２の工程と、を含むことを特徴とする。

この立方晶炭化珪素膜の製造方法では、基板の上に第１の立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させる工程の後に、第１の立方晶炭化珪素層の表面をクリーニングする工程を行うことにより、立方晶炭化珪素層の表面に存在する異物が除去され、結晶欠陥も終端され、表面の平坦性も確保される。したがって、得られた立方晶炭化珪素層は格子歪みや結晶欠陥が少なく、表面の平坦性が確保されたものとなり、結晶欠陥が少なく異物も無い立方晶炭化珪素層を備えた立方晶炭化珪素膜を得ることができる。

本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法は、前記第１の工程と、前記第２の工程とを繰り返し行うことを特徴とする。
この立方晶炭化珪素膜の製造方法では、第１の工程と第２の工程とを繰り返し行うことにより、下側の立方晶炭化珪素層の上に形成される立方晶炭化珪素層は格子歪みや結晶欠陥が少なく、表面の平坦性が確保される。これにより、結晶欠陥が少なく異物も無い立方晶炭化珪素層を複数層有する構造の立方晶炭化珪素膜を得ることができる。

本発明の一実施形態の立方晶炭化珪素膜の製造方法を示す過程図である。

本発明の立方晶炭化珪素膜の製造方法を実施するための形態について説明する。
本実施形態においては、発明の内容の説明を容易にするために、構造上の各部分の形状等については、適宜、実際の形状と異ならせてある。

本実施形態の立方晶炭化珪素膜の製造方法について、図１に基づき説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板１を用意し、このＳｉ基板１の表面を希フッ酸（ＤＨＦ）溶液を用いてエッチングし、このＳｉ基板１の表面に形成されている酸化膜を除去し、この表面を清浄面とする。

次いで、Ｓｉ基板１の表面に炭素原料ガスｇ１を所定の流速にて供給しつつ、Ｓｉ基板１の温度を９００℃〜１３５０℃の範囲内の任意の温度まで昇温させ、この温度を所定時間保持してＳｉ基板１の表面を炭化させ、このＳｉ基板１の表面に炭化珪素（ＳｉＣ）膜からなる下地層２を形成する。

この炭素原料ガスとしては、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）の他、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、メタン（ＣＨ_４）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ_５Ｈ_１２）等が好適に用いられる。
また、メチルシラン（ＳｉＨ_３ＣＨ_３）、ジメチルシラン（ＳｉＨ_２（ＣＨ_３）_２）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ_３）_３）等のガスを用いると、炭化珪素（ＳｉＣ）膜からなる下地層２をエピタキシャル成長させることができる。

このように、Ｓｉ基板１の表面を炭化処理して当該表面に下地層２を形成したことにより、この下地層２がＳｉ基板１の表面と後の工程でエピタキシャル成長する立方晶炭化珪素層との格子定数の差を緩和し、エピタキシャル成長する立方晶炭化珪素層に格子歪みや結晶欠陥が生じ難くなる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１の下地層２上に原料ガスｇ２を供給しつつ、この原料ガス雰囲気にて、下地層２上に立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）層３をエピタキシャル成長させる。
ここで、原料ガス雰囲気としては、炭素を含むガスと珪素を含むガスとを所定の割合にて混合してなる混合ガス雰囲気、炭素と珪素とを所定の割合にて含む炭素及び珪素を含むガス雰囲気、炭素を含むガスと珪素を含むガスと炭素及び珪素を含むガスとを所定の割合にて混合してなる複数種混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気が好ましい。

ここで、炭素を含むガスとしては、上記の炭素原料ガスと同様、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）の他、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、メタン（ＣＨ_４）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ_５Ｈ_１２）等が好適に用いられる。
また、珪素を含むガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、トリシラン（Ｓｉ_３Ｈ_８）、テトラシラン（Ｓｉ_４Ｈ_１０）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ_２Ｃｌ_６）等が好適に用いられる。
また、炭素及び珪素を含むガスとしては、メチルシラン（ＳｉＨ_３ＣＨ_３）、ジメチルシラン（ＳｉＨ_２（ＣＨ_３）_２）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ_３）_３）等が好適に用いられる。

このように、炭素を含むガスと珪素を含むガスとを所定の割合にて混合してなる混合ガス、炭素と珪素とを所定の割合にて含む炭素及び珪素を含むガス、炭素を含むガスと珪素を含むガスと炭素及び珪素を含むガスとを所定の割合にて混合してなる複数種混合ガス、のいずれかのガスを用いてエピタキシャル成長させれば、得られた立方晶炭化珪素層３は、化学量論的組成の立方晶炭化珪素となる。

ところで、エピタキシャル成長の過程では、立方晶炭化珪素層３中にはＳｉ基板１との格子定数が異なることに起因して、多くの結晶欠陥１１が発生する。
これらの結晶欠陥１１は、エピタキシャル成長が進行して膜厚が厚くなるのに伴い、結晶欠陥１１同士が打ち消し合い、消滅１２するものもある。したがって、立方晶炭化珪素層３は、膜厚が厚くなるにしたがって結晶欠陥１１の密度も減少する傾向がある。
一方、立方晶炭化珪素層３の表面では、結晶欠陥１１が残存したり、あるいは、膜応力等の影響により異常成長した核等の異物１３が生じたりするので、表面の凹凸は大きくなる。

そこで、立方晶炭化珪素層３をエピタキシャル成長させた後、この立方晶炭化珪素層３の表面３ａをクリーニングするという一連の工程を、１回以上繰り返し行うこととすれば、格子歪みや結晶欠陥が少ない立方晶炭化珪素層を複数層、積層した構造の立方晶炭化珪素膜を得ることが可能である。

そこで、原料ガスｇ２の供給を停止し、図１（ｃ）に示すように、立方晶炭化珪素層３上にエッチングガスｇ３を供給しつつ、立方晶炭化珪素層３の表面３ａのクリーニングを行う。
エッチングガスｇ３としては、立方晶炭化珪素層３の表面３ａをエッチングすることができる水素（Ｈ_２）ガス、塩素（Ｃｌ_２）ガス、塩化水素（ＨＣｌ）ガス等が好適に用いられる。

このクリーニングの過程で、立方晶炭化珪素層３の表面に存在する異常成長した核等の異物１３は結晶性が低いので、立方晶炭化珪素層３よりもエッチングレートが高い。したがって、このクリーニングの過程では、エッチングガスｇ３により立方晶炭化珪素層３よりも異物１３の方が優先的にエッチングされて消失することとなる。
よって、立方晶炭化珪素層３の表面が平坦化される。特に、水素（Ｈ_２）ガスや塩化水素（ＨＣｌ）ガス等の水素（Ｈ）原子を含むガスを用いたクリーニングでは、立方晶炭化珪素層３の表面に存在する結晶欠陥１１が水素（Ｈ）原子により終端されることで、終端部１４が形成され、クリーニング後の立方晶炭化珪素層３の表面における再成長時の結晶性を向上させることができる。

次いで、エッチングガスｇ３の供給を停止し、図１（ｄ）に示すように、クリーニング後の立方晶炭化珪素層３上に再度、原料ガスｇ２を供給しつつ、この原料ガス雰囲気にて、立方晶炭化珪素層３上に立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）層４をエピタキシャル成長させる。

ここでは、核等の異物１３が取り除かれて平坦化された立方晶炭化珪素層３の表面に立方晶炭化珪素層４をエピタキシャル成長させるので、立方晶炭化珪素層３中の結晶欠陥１１の一部は立方晶炭化珪素層４との界面で終端され、終端部１４が形成される。この終端された結晶欠陥１１がエピタキシャル成長する立方晶炭化珪素層４に影響を及ぼす虞はない。したがって、エピタキシャル成長する立方晶炭化珪素層４中の結晶欠陥１１は立方晶炭化珪素層３と比べて減少することとなり、結晶欠陥が少ない高品質の立方晶炭化珪素層４が形成される。

このように、Ｓｉ基板１の下地層２上に、立方晶炭化珪素層３をエピタキシャル成長させ、この立方晶炭化珪素層３の表面３ａのクリーニングを行い、クリーニング後の立方晶炭化珪素層３上に再度、立方晶炭化珪素層４をエピタキシャル成長させるという工程を行うことにより、下層側の立方晶炭化珪素層３の膜応力を緩和しながら、その上に、より高品質の立方晶炭化珪素層４を形成することができる。

また、同一チャンバー内で原料ガスｇ２とエッチングガスｇ３を切り換えることで、エッチングとエピタキシャル成長とを容易に切り換えることができるので、立方晶炭化珪素膜の成膜プロセスを簡単化することができる。また、成膜プロセスを簡単化することで、製造工程を短縮することができ、製造工程のコストダウンを図ることができる。
以上により、Ｓｉ基板１の下地層２上に、立方晶炭化珪素層３、立方晶炭化珪素層４を順次積層させた２層構造の高品質の立方晶炭化珪素膜２１を形成することができる。

このような工程をさらに繰り返すことにより、Ｓｉ基板１の下地層２上に、立方晶炭化珪素層３、立方晶炭化珪素層４、…、立方晶炭化珪素層ｎからなる多層構造の高品質の立方晶炭化珪素膜を形成することが可能である。
この多層構造の立方晶炭化珪素膜では、上層の立方晶炭化珪素層ほど結晶欠陥１１が少ないので、多層構造の立方晶炭化珪素膜では、最上層の立方晶炭化珪素層ｎの結晶欠陥１１は極めて少ないものとなる。

以上説明したように、本実施形態の立方晶炭化珪素膜の製造方法によれば、立方晶炭化珪素層３をエピタキシャル成長させ、この立方晶炭化珪素層３の表面３ａのクリーニングを行い、クリーニング後の立方晶炭化珪素層３上に再度、立方晶炭化珪素層４をエピタキシャル成長させるので、Ｓｉ基板１に加工等を施すこと無しに、Ｓｉ基板１の下地層２上に、立方晶炭化珪素層３、立方晶炭化珪素層４を順次積層させた２層構造の平坦性の良い高品質の立方晶炭化珪素膜２１を形成することができる。

また、これらの工程は、特に高価な設備等を必要とせず、汎用の設備を用いて実施可能であるから、製造コストを低く抑えることができる。したがって、結晶欠陥の少ない高品質の立方晶炭化珪素膜を安価に得ることができる。
また、同一チャンバー内で原料ガスｇ２とエッチングガスｇ３を切り換えることで、エッチングとエピタキシャル成長とを容易に切り換えることができる。したがって、立方晶炭化珪素膜の成膜プロセスを簡単化することができ、製造工程のコストダウンを図ることができる。

さらに、このような工程を繰り返すことにより、Ｓｉ基板１の下地層２上に、立方晶炭化珪素層３、立方晶炭化珪素層４、…、立方晶炭化珪素層ｎからなる多層構造の高品質の立方晶炭化珪素膜を形成することができる。
この多層構造の立方晶炭化珪素膜では、上層の立方晶炭化珪素層ほど結晶欠陥１１が少ないので、結晶欠陥が極めて少ない高品質の立方晶炭化珪素膜を安価に得ることができる。

本実施形態の立方晶炭化珪素膜の製造方法により得られた立方晶炭化珪素膜は、結晶欠陥が極めて少ない高品質の立方晶炭化珪素膜であるから、ワイドバンドギャップ半導体として期待される炭化珪素（ＳｉＣ）半導体に好適であることはもちろんのこと、パワーデバイス用半導体材料あるいは高耐圧デバイス用材料としても利用可能である。

なお、本実施形態では、立方晶炭化珪素層３をエピタキシャル成長させる工程と、この立方晶炭化珪素層３の表面３ａのクリーニングを行う工程とを繰り返し行ったが、立方晶炭化珪素層３をエピタキシャル成長させる工程と、この立方晶炭化珪素層３の表面３ａのクリーニングを行う工程を、それぞれ１回のみ行うこととしてもよい。

また、本実施形態では、Ｓｉ基板１の下地層２上に、立方晶炭化珪素層３、立方晶炭化珪素層４を順次積層させた２層構造の立方晶炭化珪素膜２１を形成したが、この立方晶炭化珪素膜２１は、必ずしもＳｉ基板１の下地層２上に形成させる必要はなく、この立方晶炭化珪素膜２１とＳｉ基板１の下地層２との間に単層または積層構造の第３の膜を形成した構造、あるいは、この立方晶炭化珪素膜２１の上に単層または積層構造の第３の膜を形成した構造であってもよい。

１…シリコン（Ｓｉ）基板、２…下地層、３…立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）層、３ａ…表面、４…立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）層、２１…立方晶炭化珪素膜、ｇ２…原料ガス、ｇ３…エッチングガス

Claims

基板の上に立方晶炭化珪素膜を形成する方法であって、
立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させる第１の工程及びエピタキシャル成長させた前記立方晶炭化珪素層の表面をクリーニングする第２の工程を、１回以上繰り返し行うことにより、前記基板上に複数の立方晶炭化珪素層を積層してなる立方晶炭化珪素膜を形成することを特徴とする立方晶炭化珪素膜の製造方法。
シリコン基板の表面を炭化処理して下地層を形成した後、当該下地層上に、前記第１の工程及び前記第２の工程を繰り返し行うことを特徴とする請求項１記載の立方晶炭化珪素膜の製造方法。
前記第１の工程は、炭素を含むガスと珪素を含むガスとを混合してなる混合ガス雰囲気、炭素及び珪素を含むガス雰囲気、炭素を含むガスと珪素を含むガスと炭素及び珪素を含むガスとを混合してなる複数種混合ガス雰囲気、のいずれかの雰囲気下にて行うことを特徴とする請求項１または２記載の立方晶炭化珪素膜の製造方法。
前記第２の工程は、水素、塩素または塩化水素を含むガス雰囲気下にて行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の立方晶炭化珪素膜の製造方法。
前記ガス雰囲気は、水素原子を含むことを特徴とする請求項４記載の立方晶炭化珪素膜の製造方法。
基板の上に立方晶炭化珪素膜を形成する方法であって、
前記基板の上に第１の立方晶炭化珪素層をエピタキシャル成長させる第１の工程と、
前記第１の立方晶炭化珪素層の表面をクリーニングして、前記立方晶炭化珪素膜の一部を構成する第２の立方晶炭化珪素層を形成する第２の工程と、
を含むことを特徴とする立方晶炭化珪素膜の製造方法。
前記第１の工程と、前記第２の工程とを繰り返し行うことを特徴とする請求項６記載の立方晶炭化珪素膜の製造方法。