JP3557457B2

JP3557457B2 - ＳｉＣ膜の製造方法、及びＳｉＣ多層膜構造の製造方法

Info

Publication number: JP3557457B2
Application number: JP2001025523A
Authority: JP
Inventors: 眞希末光; 日出樹中澤
Original assignee: 東北大学長
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: CA2356229C; JP2002234799A; CA2356229A1; US20020102862A1; US6566279B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳｉＣ膜の製造方法、及びＳｉＣ多層膜構造の製造方法に関し、詳しくは、耐環境デバイス、各種半導体デバイスに対して好適に用いることのできるＳｉＣ膜の製造方法、及びＳｉＣ多層膜構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣはＳｉに比べてバンドギャップ、絶縁破壊電界、飽和ドリフト速度、熱伝導率が大きく、ＳｉやＧａＡｓでは対処できない高温、放射線下での耐環境デバイス、あるいは高周波・パワーデバイス用半導体材料として有望である。
また、ＳｉＣは、マイクロ波デバイス、青紫レーザなどＧａＮデバイス用基板としても有望である。これはＳｉＣが導電性を有するために、基板裏面に容易に電極を形成できること、さらには高い熱伝導度により放射性に優れることなどに起因する。また、璧開により共振器ミラーを容易に作製できること、ＧａＮ系結晶との格子不整合が小さい（３％）ことなどの理由にもよる。
【０００３】
従来、ＳｉＣ基板は昇華法又はＳｉ基板上へのヘテロエピタキシー法によって形成していた。昇華法による場合、マイクロパイプと呼ばれる中空貫通欠陥ができやすく、また大型のＳｉＣ基板を作製することが困難であるという問題があった。
【０００４】
一方、へテロエピタキシー法は、安価で大面積のＳｉウエハ上へのＳｉＣ膜の形成が容易であることから、大面積のＳｉＣ基板を容易に形成できる。しかしながら、ＳｉとＳｉＣとは約２０％の格子定数差を有するため、へテロエピタキシー法においては、前記ＳｉＣ膜を形成する以前に、Ｓｉ基板の情報を保持したＳｉＣ下地膜を形成する必要がある。
【０００５】
ＳｉＣ下地膜は、いわゆる炭化法によって形成される。すなわち、前記Ｓｉ基板を約９００℃以上の高温に加熱するとともに、分子中に炭素源のみを有する炭化水素ガスを前記Ｓｉ基板上に供給し、前記Ｓｉ基板のＳｉ原子と前記炭化水素ガスの炭素原子との表面化学反応によって、前記Ｓｉ基板上に極薄で単結晶のＳｉＣ下地膜を形成するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭化法によってＳｉＣ下地膜を形成すると、Ｓｉ基板内で中空ボイドが発生したり、Ｓｉ原子の外方拡散によって界面平坦性が劣化する。したがって、ＳｉＣ下地膜の結晶性が劣化し、その結果として平坦性も劣化する。このため、ＳｉＣ下地膜上に形成するＳｉＣ膜の結晶性及び平坦性も劣化し、良好な特性を有するＳｉＣ基板を提供することができないでいた。
【０００７】
本発明は、ＳｉＣ膜を形成する部材を高温加熱することなく、結晶性及び平坦性に優れたＳｉＣ膜を製造する方法を提供することを目的するとともに、この方法を利用してＳｉＣ下地膜を形成する工程を含む、ＳｉＣ多層膜構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、Ｓｉを含んだ部材の主面上にＳｉ−Ｈ結合とＳｉ−Ｃ結合とを有する有機珪素ガスを供給するとともに、前記主面上に飽和吸着させた後、前記部材の前記主面上にＳｉＣ膜を形成することを特徴とする、ＳｉＣ膜の製造方法に関する。
【０００９】
本発明者らは、高温加熱を必要としない、新規なＳｉＣ膜の製造方法を見いだすべく鋭意検討を実施した。その結果、数々の製造方法を試みるとともに、製造条件を種々変化させる過程において、従来の炭化水素ガスに代えて、Ｓｉ−Ｈ結合及びＳｉ−Ｃ結合を有する有機珪素ガスを用いることによって、ＳｉＣ膜を形成すべき部材の高温加熱を必要とすることなく、前記ＳｉＣ膜を形成できることを見いだした。
【００１０】
したがって、本発明のＳｉＣ膜の製造方法によれば、ＳｉＣ膜を形成すべきＳｉ含有部材を９００℃以上の高温に加熱する必要がない。このため、前記部材内の中空ボイドやＳｉ原子の外方拡散に起因した界面平坦性の劣化を抑制することができ、この結果、結晶性及びその結果として平坦性に優れたＳｉＣ膜を形成することができる。
【００１１】
なお、本発明の方法においては、Ｓｉ含有部材を加熱する操作を全く排除するものではない。好ましくは、前記Ｓｉ含有部材を８００℃以下、さらには４５０〜６５０℃に加熱する。これによって、ＳｉＣ膜の高い結晶性を維持した状態で、前記ＳｉＣ膜の平坦性をさらに向上させることができる。
【００１２】
さらに、本発明のＳｉＣ膜の製造方法によれば、前記部材の前記主面上に前記有機珪素ガスを飽和吸着した後に、例えば加熱処理を施すことによって前記ＳｉＣ膜を形成するようにしている。この場合、前記部材の前記主面を酸化などから防止するとともに、前記主面上において構成元素以外の不純物を介在させることなく、清浄な状態に保持しておくことができる。
【００１３】
本発明のＳｉＣ膜の製造方法は、ＳｉＣ基板などのＳｉＣ多層膜構造に対して好ましく用いることができる。すなわち、Ｓｉを含んだ部材の主面上に形成すべきＳｉＣ下地膜を、前述した本発明のＳｉＣ膜の製造方法によって形成するものであり、Ｓｉを含んだ部材の主面上にＳｉ−Ｈ結合とＳｉ−Ｃ結合とを有する有機珪素ガスを供給し、前記部材の前記主面上にＳｉＣ下地膜を形成することを特徴とする。
【００１４】
本発明のＳｉＣ多層膜構造の製造方法によれば、上述したＳｉＣ膜の製造方法と同様の効果によって、結晶性及び平坦性に優れたＳｉＣ下地膜を形成することができ、その結果、前記ＳｉＣ下地膜上に形成するＳｉＣ膜の結晶性及び平坦性をも良好なものとすることができる。
したがって、本発明のＳｉＣ多層膜構造の製造方法によれば、結晶性及び平坦性に優れたＳｉＣ基板を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。
本発明においては、上述したように、Ｓｉ−Ｈ結合及びＳｉ−Ｃ結合を有する有機珪素ガスを用いることが必要である。有機珪素ガスの種類は、本発明にしたがって高結晶性かつ高平坦性のＳｉＣ膜を形成できれば特には限定されない。
【００１６】
しかしながら、モノメチルシラン、モノエチルシラン、及びモノプロピルシランなどのモノシラン系ガスを用いることが好ましい。これらのモノシラン系ガスは容易に分解するとともに、反応性に富むため、目的とする高結晶性かつ高平坦性のＳｉＣ膜を簡易に形成することができる。また、ＳｉＣ膜を形成する際に、Ｓｉ含有部材を加熱することが好ましい場合においても、その加熱温度を低減することができる。
【００１７】
上記モノシラン系ガスの中でも、反応性が極めて高く、上記作用効果をより効果的に奏することができることから、モノメチルシランを用いることが好ましい。
【００１８】
これらのガスは、反応容器中に設置されたＳｉ含有部材の主面上に対して、例えば、７．５×１０ ^−８Ｐａ〜７．５×１０ ^−７Ｐａの圧力下において供給する。但し、上記ガスの供給条件は、本製造方法に用いる反応容器の形状、大きさ、並びに前記Ｓｉ含有部材の設置位置と前記ガスの導入位置との相対関係などによって決定される。
【００１９】
また、Ｓｉ含有部材は、前述したように、好ましくは８００℃以下、さらに好ましくは、４５０〜６５０℃の温度に加熱する。これによって、ＳｉＣ膜の高い結晶性を維持したまま、平坦性をさらに向上させることができる。上記加熱処理は、基板を支持するホルダー内に設置されたヒータを用いて、あるいは基板の上方に設けた赤外線ヒータなどによって行うことができる。
【００２０】
加熱処理を伴う場合においては、Ｓｉ含有部材を所定の反応容器内に設置し、このＳｉ含有部材を上記温度範囲内に加熱した後、例えば、上述したようなモノシラン系ガスを前記反応容器内に導入し、前記Ｓｉ含有部材の主面上に供給することによってＳｉＣ膜の形成を行うことができる。
【００２１】
また、前記モノシラン系ガスの前記Ｓｉ含有部材の前記主面に対する飽和吸着は、前記Ｓｉ含有部材を前記反応容器内に設置した後、前記モノシラン系ガスなどを前記反応容器内に導入し、前記Ｓｉ含有部材を前記温度範囲にまで加熱する以前に行う。
【００２２】
前記モノシラン系ガスの飽和吸着により、Ｓｉ含有部材の主面を酸化などから防止するとともに、前記主面上においてＳｉＣ膜の構成元素以外の不純物を介在させることなく、清浄な状態に保持しておくことができる。なお、飽和吸着の際には、前記Ｓｉ含有部材をＳｉＣ膜が形成しないような低温度に加熱しても良い。
【００２３】
本発明の製造方法においては、ＳｉＣ膜をＳｉ含有部材の主面上に形成するが、Ｓｉ含有部材としては、Ｓｉ部材、ＳｉＣ部材、ＳｉＧｅ部材及びＳｉＧｅＣ部材などを例示することができる。しかしながら、安価であって大面積のものを容易に準備することができ、その結果として、本発明の製造方法を、半導体デバイスのＳｉＣ基板などの製造に対して好適に用いることのできることから、Ｓｉ部材を用いることが好ましい。
また、Ｓｉ含有部材は、必ずしも単結晶である必要はなく、多結晶であっても良い。
【００２４】
上述した製造方法は、ＳｉＣ膜を含むＳｉＣ多層膜構造の製造に対しても用いることができる。この場合においては、上述した要件及び各種の好ましい態様にしたがって、所定のＳｉ含有部材の主面上にＳｉＣ下地膜を形成する。すなわち、上述した本発明の製造方法をＳｉＣ下地膜に対して適用する。その後、このＳｉＣ下地膜上に、目的とする１層あるいは２層以上のＳｉＣ膜を形成してＳｉＣ多層膜構造を得る。
【００２５】
ＳｉＣ膜は、上記モノシラン系ガスなどの有機珪素ガスを用いて、Ｓｉ含有部材を、例えば、９００〜１０００℃に加熱して形成する。
【００２６】
前記ＳｉＣ下地膜上に１層のＳｉＣ膜を形成した場合、このＳｉＣ膜は厚さ３５０Åで、その（２００）面からのＸ線回折による結晶ピークの半値幅が０．６８度以下の高い結晶性を示す。
【００２７】
Ｓｉ含有部材としてＳｉ部材を用い、このＳｉ部材の主面上に上記ＳｉＣ下地膜を形成し、このＳｉＣ下地膜上に１層のＳｉＣ膜を形成してＳｉＣ多層膜構造を製造することにより、このＳｉＣ膜は上述したような高い結晶性及びこれに起因して高い平坦性を有するようになるため、半導体デバイスなどのＳｉＣ基板として好適に用いることができる。
【００２８】
【実施例】
本実施例においては、上記製造方法を用いてＳｉＣ多層膜構造を作製した。
（ＳｉＣ下地膜の形成）
最初に、Ｓｉ（１００）単結晶部材を反応容器内に設置し、１０００℃に加熱することによってフラッシュアニールを２０分間実施して、前記Ｓｉ単結晶部材の主面を清浄した。次いで、前記Ｓｉ単結晶部材を３００℃に加熱するとともに、前記反応容器内にモノメチルシランを圧力が３．７×１０ ^−７Ｐａとなるように導入して、前記モノメチルシランを前記Ｓｉ単結晶部材の主面上に１０秒間飽和吸着させた。
【００２９】
次いで、前記Ｓｉ単結晶部材を６５０℃に加熱し、５分間保持して前記主面上にＳｉＣ下地膜を形成した。
【００３０】
図１は、このようにして形成したＳｉＣ下地膜の反射高速電子線回折像である。図１においては、立方晶のＳｉＣに基づくスポットのみが観察され、結晶性のＳｉＣ下地膜が一様に形成されていることが判明した。すなわち、Ｓｉ単結晶部材を９００℃以上に加熱する従来の炭化法に比較して、約２５０℃以上低い温度でＳｉＣ下地膜を形成できることが分かる。
【００３１】
（ＳｉＣ膜の形成）
次いで、モノメチルシランの圧力を３．７×１０ ^−７Ｐａに保持した状態で、前記Ｓｉ単結晶部材を９００℃に加熱し、６０分間保持することによって前記ＳｉＣ下地膜上にＳｉＣ膜を形成した。
【００３２】
図２は、上記ＳｉＣ膜の反射高速電子線回折像である。図２から明らかなように、前記ＳｉＣ膜は立方晶系のＳｉＣ単結晶であり、ＳｉＣの１×１スポットが＜００１＞方向へのストリークを伴っていることから、前記ＳｉＣ膜は平坦な成長表面を有していることが分かる。
【００３３】
図３は、上記ＳｉＣ膜のＸ線回折パターンである。４１．３６度において立方晶系のＳｉＣ単結晶からの結晶ピークが観察されるとともに、９０．１度において（４００）面からのピークが観察され、Ｓｉ（１００）基板の結晶情報を正しく保持した立方晶系のＳｉＣ薄膜が成長していることが分かる。また、（２００）面からのピーク半値幅は約０．６８度（厚さ３５０Å）である。
【００３４】
図４は、上記ＳｉＣ膜と、ＳｉＣ下地膜を形成することなく、前記Ｓｉ単結晶上に９００℃の温度で直接形成したＳｉＣ膜との赤外吸収スペクトルを比較して示すグラフである。
【００３５】
本発明にしたがって形成した上記ＳｉＣ膜の赤外吸収スペクトルを示すグラフ（ａ）は、半値幅約３８ｃｍ^−１で対称性の良好な立方晶系のＳｉＣ単結晶に基づく光学フォノン吸収ピーク（７９５ｃｍ^−１）を示し、ＳｉＣ薄膜が歪みの緩和された高品質のものであることが分かる。
一方、Ｓｉ単結晶基板上に直接形成されたＳｉＣ膜の赤外吸収スペクトルを示すグラフ（ｂ）には、８５０〜９５０ｃｍ^−１にエキストラ成分が見られる。このエキストラ成分はＳｉ／ＳｉＣ界面の粗れ、及び界面の粗れによって発生したＳｉＣ膜中の欠陥に起因するものである。
【００３６】
図５は、上記のようにして作製したＳｉＣ多層膜構造の断面における透過型電子顕微鏡写真であり、図６は、アセチレンガスを用いた従来の炭化法によって形成したＳｉＣ多層膜構造の断面における透過型電子顕微鏡写真である。
【００３７】
図５から明らかなように、上記実施例において得たＳｉＣ多層膜構造は、中空ボイドのない原子的に平坦なＳｉ／ＳｉＣ界面を有することが分かる。一方、図６から明らかなように、従来の炭化法によって作製したＳｉＣ多層膜構造においては、Ｓｉ／ＳｉＣ界面において巨大な中空ボイドが発生していることが分かる。
すなわち、上記実施例において、極めて平坦なＳｉ／ＳｉＣ界面を有するＳｉＣ多層膜構造が形成されていることが分かる。
【００３８】
以上、具体例を示しながら発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲において、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＳｉＣ膜を形成する部材を高温加熱することなく、結晶性及び平坦性に優れたＳｉＣ膜を製造する方法を提供することができる。その結果、この方法を利用してＳｉＣ下地膜を形成することにより、結晶性及び平坦性に優れたＳｉＣ基板などのＳｉＣ多層膜構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により作製したＳｉＣ下地膜の反射高速電子線回折像である。
【図２】本発明の方法により作製したＳｉＣ下地膜上に形成したＳｉＣ膜の反射高速電子線回折像である。
【図３】本発明の方法により作製したＳｉＣ下地膜上に形成したＳｉＣ膜のＸ線回折パターンである。
【図４】本発明の方法により作製したＳｉＣ下地膜上に形成したＳｉＣ膜、及び従来の方法により、Ｓｉ単結晶上に直接形成したＳｉＣ膜の赤外吸収スペクトルである。
【図５】本発明の方法により作製したＳｉＣ多層膜構造の断面における透過型電子顕微鏡写真である。
【図６】従来の炭化法によって形成したＳｉＣ多層膜構造の断面における原子間力顕微鏡写真である。

Claims

Ｓｉを含んだ部材の主面上にＳｉ−Ｈ結合とＳｉ−Ｃ結合とを有する有機珪素ガスを供給するとともに、前記主面上に飽和吸着させた後、前記部材の前記主面上にＳｉＣ膜を形成することを特徴とする、ＳｉＣ膜の製造方法。
前記部材を８００℃以下に加熱することを特徴とする、請求項１に記載のＳｉＣ膜の製造方法。
前記部材を４５０〜６５０℃に加熱することを特徴とする、請求項２に記載のＳｉＣ膜の製造方法。
前記有機珪素ガスは、モノシラン系ガスであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のＳｉＣ膜の製造方法。
前記有機珪素ガスは、モノメチルシランであることを特徴とする、請求項４に記載のＳｉＣ膜の製造方法。
前記部材は、Ｓｉ部材であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載のＳｉＣ膜の製造方法。
Ｓｉを含んだ部材の主面上にＳｉ−Ｈ結合とＳｉ−Ｃ結合とを有する有機珪素ガスを供給するとともに、前記主面上に飽和吸着させた後、前記部材の前記主面上にＳｉＣ下地膜を形成することを特徴とする、ＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記部材を８００℃以下に加熱することを特徴とする、請求項７に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記部材を４５０〜６５０℃に加熱することを特徴とする、請求項８に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記有機珪素ガスは、モノシラン系ガスであることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記有機珪素ガスは、モノメチルシランであることを特徴とする、請求項１０に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記部材は、Ｓｉ部材であることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記ＳｉＣ下地膜上に、ＳｉＣ膜を形成することを特徴とする、請求項７〜１２のいずれか一に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記ＳｉＣ膜は、厚さ３５０ÅにおいてＸ線回折による（２００）面からの回折ピークの半値幅が０．６８度以下であることを特徴とする、請求項１３に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。
前記Ｓｉを含んだ部材はＳｉ基板であり、前記ＳｉＣ多層膜構造はＳｉＣ基板を構成することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のＳｉＣ多層膜構造の製造方法。