JP3688802B2 - Ｓｏｉ構造体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術的分野】
本発明は、エピタキシャル成長方法を用いたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造体の製造方法において、絶縁性基板上に成膜したシリコン結晶膜の結晶性および平坦性の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁性基板上にシリコン結晶膜をエピタキシャル成長させてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造体を得る製造方法の代表的なものとしては、絶縁性基板としてサファイア単結晶基板を用い、その上にシリコン結晶膜を成長させて、ＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）構造体を得る方法がある。また、シリコン単結晶基板上にγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 層やマグネシア・スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）層を成長させ、しかる後にシリコン結晶膜を成長させる方法も報告されている。これらの構造体は、いずれも、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）等によって製造されるのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法においては、酸化物基板の上にシリコンを成膜しただけでは結晶性の良いシリコン膜を得ることができず、シリコンの成膜後にシリコン膜にシリコンイオン照射を行ってシリコン非晶質層を形成し、しかる後に、この非晶質層をシード層としてアニール処理により固相エピタキシャル層を成長させる方法などのように、後処理工程が必要であった（例えば、Ｓ．Ｓ．Ｌａｕｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３４（１９７９）７６に開示。）。また、平滑な表面を得るためには、さらに機械的な研磨を行うなどの後工程が必要であった。
【０００４】
したがって、本発明の課題は、ＳＯＩ構造体において絶縁性基板上に成膜したシリコン結晶膜の結晶性および平坦性を改善することのできるＳＯＩ構造体の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねたところ、次のような知見を得ることができた。すなわち、シリコンを成膜する前に極薄い金属層を酸化物基板の上に形成し、基板上の表面の原子結合の終端を金属原子ですべて終端させる。そして、この金属原子を終端として持つ表面上にシリコンを成膜すると、成長するシリコン原子と前記金属原子とが格子整合でき、結晶性の良いシリコンの成長膜を得ることができることを、見出した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【０００６】
つまり、本願発明のＳＯＩ構造体の製造方法は、絶縁性を有する酸化物基板上にシリコン結晶膜が形成されてなるＳＯＩ構造体の製造方法であって、前記シリコン結晶膜の成長前に金属元素を前記酸化物基板上に３０オングストロームより薄い厚さで付着させ、この金属元素膜の上にシリコン結晶膜を成長させることを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記金属元素は、前記酸化物基板を構成している金属元素から選ばれる少なくとも一種類の金属元素であることが好ましい。
【０００８】
さらに、前記酸化物基板は単結晶Ａｌ_２Ｏ_３またはγ−Ａｌ_２Ｏ_３／Ｓｉ基板のいずれかであり、前記金属はアルミニウムであることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明において、絶縁性を有する酸化物基板は、高結晶性で単結晶であることが好ましい。このような材料としては、例えば、サファイア、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 、マグネシア・スピネル、酸化亜鉛が、有用である。また、この絶縁性基板としては、シリコン基板の上に、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 、マグネシア・スピネル、酸化亜鉛、酸化セリウム等の酸化物膜を、エピタキシャル成長させてなる基板でもよい。これらのうち、特に、サファイア基板やγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板が、絶縁性が良好で好ましい。
【００１１】
また、絶縁性を有する酸化物基板の上に付着させる金属としては、該酸化物基板を構成している金属が好ましい。例えば、サファイア基板やγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板の場合、アルミニウムが特に好ましい。アルミニウムは、半導体プロセスでは汎用の材料であることからも、ＳＯＩ構造体を製造する上で有用である。
【００１２】
本発明における特徴的な処理である金属元素の基板への付着は、従来の酸化物基板表面の原子レベルでの不規則な表面を金属元素で終端させて、シリコンを成膜する表面の状態を安定化、均一化するために行われる。
【００１３】
シリコン膜の成長方法としては、基板表面に付着された金属元素が、シリコンの成長開始前に酸化しないように、高真空下で行えるものが好ましく、例えば、ＭＢＥ法やＵＨＶ−ＣＶＤ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｖａｃｕｕｍ ＣＶＤ）法が挙げられる。
【００１４】
また、付着された金属の一部は、シリコンの成長温度まで基板を昇温する過程において、その一部が消失する。その状況を図５に示す。図５は、ＭＢＥ法においてγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板上にアルミニウムを付着させ、シリコンの成長温度である８００℃まで昇温し、それぞれの段階でアルミニウムがどういう化学状態にあるかをＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて分析した結果を示すグラフである。図５の（ａ）はアルミニウムの付着前で、基板表面のγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ に由来するＡｌ−Ｏ結合のみが検知されている。（ｂ）は室温においてアルミニウムの付着後で、Ａｌ−Ｏ結合とＡｌ−Ａｌ結合が検知されている。（ｃ）はアルミニウムの付着後８００℃まで昇温した後のもので、Ａｌ−Ａｌ結合は検知されず、Ａｌ−Ｏ結合のみが検知されている。すなわち、熱処理によってＡｌ−Ａｌ結合が検出されない程度にまでアルミニウムが消失したと言える。
【００１５】
付着させる金属の膜厚は、熱処理の過程において減少するものであるから、熱処理条件が異なれば、それに応じて付着させる際の金属の膜厚を変えることになる。つまり、熱処理によって適当な膜厚が存在し、膜厚が厚いと逆にシリコン膜の膜質は悪化する。例えば、８００℃で５分間熱処理する条件のもとでは、アルミニウムの膜厚は、３０オングストローム以下であることが必要である。
【００１６】
【実施例】
本発明の具体的な実施例を以下に詳細に説明する。
【００１７】
（実施例１）
はじめに絶縁性の酸化物基板を得るために、シリコン基板上にγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 成長を行った。これには基板としてＳｉ（１１１）ウェハーを使用した。金属アルミニウムとＮ₂ Ｏを原料として用いるＭＢＥ装置内において、基板温度；８２０℃、アルミニウムのクヌードセンセル温度（Ｋ−セル温度；Ｋｎｕｄｓｅｎ ｃｅｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）；１１００℃、Ｎ₂ Ｏ圧力；３×１０^-2Ｐａで、単結晶γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ を、前記シリコン基板上に成長させた。６０分の成長で、膜厚が約５０オングストロームの単結晶γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 膜が得られた。
【００１８】
次に、表面にγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ を成長させたシリコン基板（γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板）を室温にまで下げ、アルミニウムのクヌードセンセル温度１０５０℃において、アルミニウム薄膜を１オングストローム／秒の成長速度で２０オングストローム成長させた。
【００１９】
次に、基板温度を８００℃まで昇温し、ジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）を原料として用いるガスソースＭＢＥ装置内で、約４０００オングストロームのシリコン膜を５分間で成長させた。以上の処理を、同一のＭＢＥ装置の中で連続して実施した。
【００２０】
図１は、成長後のシリコン結晶膜表面の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを撮影した電子線回折写真である。この写真には、明瞭なストリーク状の７×７パターンが観察され、シリコン結晶膜の結晶性および平坦性が非常に良いことを示している。
【００２１】
図２は、当該シリコン結晶膜の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図２の写真から観察されるように、得られたシリコン結晶膜の表面状態は、凹凸が少なく、また凹凸レベルも低く、当該膜が平坦な表面を有している。
【００２２】
（比較例１）
実施例１と同様に、Ｓｉ（１１１）基板上に単結晶γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 膜を約５０オングストローム成長させた。その後、アルミニウムの付着なしに、実施例１と同様に同一条件で、基板温度を８００℃にて、シリコン結晶膜を約４０００オングストローム成長させた。
【００２３】
図３は、成長後のシリコン結晶膜表面のＲＨＥＥＤパターンを撮影した電子線回折写真である。この写真から観察されるように、この比較例のシリコン結晶膜は、実施例１のシリコン結晶膜と異なり、回折パターンはスポット状であり、ファセットの存在を示す矢尻状のパターンも観察される。
【００２４】
図４は、前記シリコン結晶膜表面のＳＥＭ写真である。このＳＥＭ写真から観察されるように、このシリコン結晶膜表面には、粒状の突起が多数存在している。
【００２５】
これらの結果から、実施例１のＳＯＩ構造体において、シリコン結晶膜の結晶性および平坦性が、比較例１のＳＯＩ構造体と比べて飛躍的に向上していることが確認された。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のＳＯＩ構造体の製造方法によれば、サファイア等の絶縁性酸化物基板を用いてＳＯＩ構造体を製造する場合に、従来必要であったシリコンの固相エピタキシャル成長法などによる後処理工程を必要とせず、容易にかつ低コストで、良好なＳＯＩ構造体を製造できる。また、シリコン結晶膜の成長後の表面平坦性が非常によいことから、このＳＯＩ構造体を用いて、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体素子を作製しようとする場合に、特性のばらつきの少ない素子を作製できる。また本発明では、基板への金属の付着とシリコン結晶膜の成長とを一貫プロセスで作製でき、界面での汚染の影響も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって形成されたＳＯＩ構造体表面の反射高速電子線回折パターンを撮影した電子線回折写真である。
【図２】本発明によって形成されたＳＯＩ構造体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】基板へのアルミニウムの付着を行わなかった比較例のＳＯＩ構造体表面の反射高速電子線回折パターンを撮影した電子線回折写真である。
【図４】基板へのアルミニウムの付着を行わなかった比較例のＳＯＩ構造体表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板上にアルミニウムを付着させ、シリコンの成長温度である８００℃まで昇温し、途中の段階でアルミニウムがどういう化学状態にあるかをＸＰＳを用いて分析した結果を示すグラフである。

Claims (3)

1. 絶縁性を有する酸化物基板上にシリコン結晶膜が形成されてなるＳＯＩ構造体の製造方法であって、前記シリコン結晶膜の成長前に金属元素を前記酸化物基板上に３０オングストロームより薄い厚さで付着させ、この金属元素膜の上にシリコン結晶膜を成長させることを特徴とするＳＯＩ構造体の製造方法。
2. 前記金属元素は、前記酸化物基板を構成している金属元素から選ばれる少なくとも一種類の金属元素であることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ構造体の製造方法。
3. 前記酸化物基板が単結晶Ａｌ_２Ｏ_３またはγ−Ａｌ_２Ｏ_３／Ｓｉ基板のいずれかであり、前記金属元素がアルミニウムであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩ構造体の製造方法。

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