JP3742877B2

JP3742877B2 - ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法

Info

Publication number: JP3742877B2
Application number: JP2002080254A
Authority: JP
Inventors: 光央岡本; 亮治小杉; 和雄荒井; 憲司福田; 保宣田中
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003282451A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法に関するものであり、より詳しくは、プラズマＣＶＤを用いて低温において高品質なα―ＳｉＣ単結晶薄膜を作製する方法及びそれを用いる半導体装置の作製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、大きなバンドギャップ、高い熱伝導率、高い飽和電子ドリフト速度及び高い絶縁破壊電圧などの優れた諸特性を有する半導体材料であることから、次世代の低損失パワーデバイス素子材料として注目されている。そのようなデバイスにＳｉＣを応用するには、単結晶エピタキシャル膜が必要不可欠となる。
ＳｉＣには、組成が同じでも積層構造の異なる結晶多形が多数存在するが、その対称性により立方晶ＳｉＣ（β―ＳｉＣ）と六方晶ＳｉＣ（α―ＳｉＣ）の二種類に分けられる。
現在、β―ＳｉＣは、ホモエピ用基板が得られないため単結晶薄膜を作製できず、したがって電子デバイスへの応用が遅れている。一方、α―ＳｉＣは、昇華法によりバルク単結晶が得られるため、高品質なホモエピタキシャル薄膜が、主に化学気相成長法（ＣＶＤ法）により得られている。
【０００３】
α―ＳｉＣ薄膜の作製に用いられている薄膜成長法は、熱により原料ガスを分解させて、基板上に薄膜を堆積させる薄膜成長法であり、熱ＣＶＤ法とも呼ばれている。従来より、ＳｉＣ単結晶薄膜を作製する過程では、二種類以上の結晶多形が混在してしまうという欠点があり、この問題を解決するために、例えば米国特許第４９１２０６４号明細書には、１°以上オフ角を付けたＳｉＣ（０００１）基板上に、１３５０〜１８００℃という高い成長温度において、ステップフローモードによりホモエピタキシャル成長させる方法が提案されている。
しかし、従来の熱ＣＶＤ法は、その成長温度が高いためにＳｉＣデバイスプロセスの幅が制限されること、また、高温で分解されたサセプター材料が不純物として薄膜に混入するなどの問題がある。
また、プラズマＣＶＤによるＳｉＣ薄膜の低温成長については既に多数試みられているが、それらはβ―ＳｉＣ（例えばP. Mandracci et al., Thin Solid Films 383 (2001) p.169）あるいは無定型ＳｉＣ（例えばA. Tabata et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 30 (1997) p.194）をＳｉ基板上にヘテロエピタキシャル成長させるものにすぎず、ＳｉＣ単結晶薄膜のホモエピタキシャル成長をプラズマＣＶＤで行うものについては知られていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、低い成長温度でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させて高品質のＳｉＣ単結晶薄膜を作製する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、プラズマＣＶＤ法をＳｉＣ単結晶薄膜作製に適用することにより、従来では１５００℃程度が必要であった成長温度を８００〜１２００℃程度に低減させて、高品位のα−ＳｉＣの単結晶薄膜を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、単結晶のα−ＳｉＣ領域を含む基板上に、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ法）を用いて、８００〜１２００℃でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させることを特徴とするα−ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法である。特に、マイクロ波でプラズマを発生させた高密度・高エネルギーのプラズマを利用すること、炭素と珪素の原子供給比（Ｃ／Ｓｉ比）を１００以上、供給される原料珪素原子濃度を１００ｍｏｌ．ｐｐｍ以下として成長させることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明におけるＳｉＣ薄膜の作製方法では、例えば、図１に示すような構成のプラズマＣＶＤ装置を用いて薄膜の形成が行われる。すなわち、真空容器内に設置された基板上に、Ｓｉ元素およびＣ元素を含む原料ガスを導入し、その原料ガスをプラズマで励起することにより、低温において基板の表面上にＳｉＣの単結晶を堆積させて、ＳｉＣの単結晶薄膜を形成させるものである。
【０００７】
本発明に用いる基板としては、基板に含まれるＳｉＣ領域が六方晶炭化珪素（α−ＳｉＣ）であって、その上にα−ＳｉＣの単結晶薄膜をホモエピタキシャル成長させるものである。そのα−ＳｉＣの結晶多形には、２Ｈ、４Ｈ、６Ｈの３種があるが、これらのいずれも用いることができる。また、成長結晶面としては、（０００１）面、（０００−１）面、（１１−２０）面のいずれの面にもホモエピタキシャル成長を行うことができる。その基板の構造としては、例えば、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ構造或いはＳｉＣ／ＳｉＯ_２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する基板（ＳｉＣＯＩ基板）なども含まれる。
【０００８】
供給原料ガスには、炭素（Ｃ）源及び珪素（Ｓｉ）源を含むガスを用いる。その炭素源としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン等の炭化水素の単独ガス或いはそれらの混合ガスが用いられる。また、珪素源としては、モノシラン、ジシラン、ジクロロシランなどの単独ガス或いはそれらの混合ガスが用いられる。さらに、供給原料ガスには、必要に応じて、キャリアガスとして水素、アルゴン、ヘリウムなどを混合して用いる。
【０００９】
供給原料ガスに含まれる炭素原子と珪素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）としては、平坦な薄膜の形成などから、好ましくは１００以上、より好ましくは１００〜７５０であり、また、供給される珪素源ガスのモル濃度については、１００ｍｏｌ．ｐｐｍ以下、より好ましくは１〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍである。
【００１０】
本発明においては、プラズマにより低い成長温度で高品質のＳｉＣ単結晶薄膜を作製することができるものであって、そのプラズマの発生には、ＤＣグロー放電、アーク放電、ｒｆプラズマ、ＥＣＲプラズマ、ＩＣＰプラズマ、マイクロ波プラズマのいずれの方式も使用できるが、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマを用いることが望ましい。
本発明におけるホモエピタキシャルの成長温度は、８００〜１２００℃で行うが、好ましくは８００〜１０００℃である。
また、本発明を用いれば、０°〜８°の範囲のオフ角を持つ基板上にホモエピタキシャル成長できるが、特に基板の結晶面方位のオフ角が０°〜１°においても、プラズマによる表面拡散の促進によりホモエピタキシャル成長が可能である。
【００１１】
基板に形成されるα−ＳｉＣの単結晶薄膜品質を制御するには、バイアスを印加することが好ましい。そのバイアスとしては、基板に５０〜４００Ｖの直流（ＤＣ）のバイアス電圧を印加することにより、プラズマの成長表面へのイオン衝撃を制御でき、得られるＳｉＣ薄膜の平坦性を向上させることができる。
【００１２】
以上のとおり、本発明では、低温でα−ＳｉＣ薄膜を製造できることから、様々なデバイスプロセスに応用可能である。
例えば、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ構造又はＳｉＣ／ＳｉＯ_２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する基板（ＳｉＣＯＩ基板）は、絶縁体の上にデバイスを形成できるから、金属―半導体（ショットキー）構造を有する電界効果型トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）などへの応用が有効であると考えられている。しかし、これらの基板は酸化膜を含むため、通常の熱ＣＶＤエピタキシャル成長では１５００℃程度の高い成長温度により、酸化膜が分解されてＳｉＣＯＩ基板が損傷してしまうという欠点がある。
ところが、本発明を適用すれば、ＳｉＣＯＩ基板上に低温でエピタキシャル成長できるため、酸化膜を損傷させることなくα−ＳｉＣ薄膜を作製できる。すなわち、本発明によれば、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ構造又はＳｉＣ／ＳｉＯ_２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する基板（ＳｉＣＯＩ基板）上に、原料ガスを導入し、プラズマ化学気相成長法を用いて８００〜１２００℃でホモエピタキシャル成長させることにより、α−ＳｉＣ単結晶薄膜を有する半導体装置を容易に作製することができる。
【００１３】
また、従来の熱ＣＶＤ法では、マスクを用いるＳｉＣ単結晶薄膜の選択成長は、高温でマスク材が損傷してしまうため行えなかったが、本発明を用いることにより可能となる。すなわち、本発明によれば、α−ＳｉＣ単結晶基板上に、あらかじめ決められた所望の形状（パターン）のマスク材を蒸着し、その上からプラズマ化学気相成長法を用いて８００〜１２００℃でα−ＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させた後、そのマスク材を除去することによりＳｉＣの単結晶を選択的にホモエピタキシャル成長させたα−ＳｉＣの単結晶薄膜を有する半導体装置を作製することができる。そのマスク材としては、金属酸化物や窒化物、高融点金属、炭化金属などを用いることが望ましい。したがって、この本発明方法は、金属−絶縁体―半導体（ＭＯＳ）構造を有する電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）におけるチャネル領域への成長（エピチャネル）やイオン注入後の活性化アニールによって荒れた表面の平坦化などにも応用可能である。
【００１４】
以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。
【実施例】
図１に示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＣ薄膜を作製した。ここでは、原料ガスとしてシランガスとメタンガスを用い、キャリアガスには水素を用いた。
基板には、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用い、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマを用いてプラズマを発生させ、そのＳｉＣ単結晶表面へホモエピタキシャル成長を行なった。成長結晶面としては、通常（０００１）面、（０００−１）面、（１１−２０）面のいずれかが用いられるが、いずれの面を用いてもホモエピタキシャル成長を行うことができた。
また、０°〜８°の範囲のオフ角を持つ基板上に作製した結果、０°〜８°の範囲では、如何なるオフ角においても他の結晶多形が混入することなくホモエピタキシャル成長することが確認された。オフ角が１°以下においてもα−ＳｉＣ薄膜がホモエピタキシャル成長するのは、プラズマにより原料ガスが活性化され、表面拡散距離が大きくなるため低オフ角でもホモエピタキシャル成長が行われたものと考えられる。
【００１５】
成長基板として４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面８°オフ単結晶基板を用い、マイクロ波パワーが１３００Ｗ、バイアス電圧が０Ｖ、成長温度（パイロメータにより試料表面の温度を測定）が９７０℃の条件下で、Ｃ／Ｓｉ比が１７５、モノシラン濃度が４ｍｏｌ．ｐｐｍの原料ガスを真空容器に導入し、その単結晶基板上に、ホモエピタキシャル成長させて２００ｎｍの薄膜を得た。得られた薄膜について、共焦点ラマン分光法で結晶多形を評価した結果を図２に示す。
ＬＯフォノン−プラズモン結合モードピーク（ＬＯＰＣピーク）は、試料に含まれる電子キャリア濃度が高いほど高ｃｍ^−１側へ移動し、ピーク形状も広帯化することが知られている（S. Nakashima et al., Phys. Stat. Sol. (a) Vol. 162 (1997) 39）。
図２のＬＯＰＣピークに注目すると、高濃度にｎドープされている基板からのスペクトルではかなり広帯化しているのに対し、薄膜からのスペクトルではシャープなピークが観察された。さらに、そのシャープなピーク位置はノンドープ４Ｈ−ＳｉＣのピーク位置（９６４ｃｍ^−１）に一致しており、その他の結晶構造によるピーク（６Ｈ：７８９ｃｍ^−１、３Ｃ：９７２ｃｍ^−１など）が観測されなかったことから、得られた薄膜は４Ｈ−ＳｉＣであることが示された。
また、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンより、得られた薄膜が単結晶であることを確認した。
これらの事実から、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶薄膜が９７０℃の低温で他の結晶多形が混入することなくホモエピタキシャル成長していることが確認された。
なお、従来の熱ＣＶＤ法においては、１０００℃以下で作製すると膜中にβ―ＳｉＣが混入するが、本実施例では、プラズマにより原料ガスを活性化させることができ、１０００℃以下の低温においても単結晶α−ＳｉＣが成長したものと考えられる。
【００１６】
次に、Ｃ／Ｓｉ比が薄膜品質に及ぼす影響について、得られた薄膜の表面形態を原子間力顕微鏡により観察し、算術平均粗さＲａを調べた結果を、図３に示す。Ｃ／Ｓｉ比以外は、図２の試料と同じ作製条件である。
図３より、大きなＣ／Ｓｉ比において平坦な薄膜が得られていることがわかる。ただし、Ｃ／Ｓｉ比を７５０以上にすると膜表面にパーティクルが発生する。高濃度な炭素源ガスにより、ダイヤモンドの微粒子が発生したと考えられる。
そこで、プラズマＣＶＤ法によって十分に平坦なα−ＳｉＣ薄膜（Ｒａ＜１０ｎｍ）を得るには１００〜７５０のＣ／Ｓｉ比が望ましいことが分った。
【００１７】
また、同じＣ／Ｓｉ比（１７５）における、シラン流量による影響について、同じように表面粗さを調べた結果を図４に示す。図４より、低いシラン流量において平坦性が向上していることがわかる。しかし、シラン流量の減少に伴って成長速度も低下するため、薄膜成長を得るにはシラン流量１ｍｏｌ．ｐｐｍ程度は必要である。
そこで、プラズマＣＶＤ法によって十分に平坦なα−ＳｉＣ薄膜（Ｒａ＜１０ｎｍ）を得るには１〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍ程度という極めて低いシラン流量が望ましいことがわかる。
さらに、基板へバイアスを印加すると平坦性が向上した。バイアスなしではＲａ＝５．７ｎｍに対し、バイアスを＋２００Ｖ印加することによりＲａ＝３．４ｎｍとなった。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、８００〜１２００℃という低温領域でα−ＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させて高品位のα−ＳｉＣ単結晶薄膜を容易に作製できるから、各種の広範なデバイスプロセスに応用可能である。例えば、金属―半導体（ショットキー）構造を有する電界効果型トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、金属−絶縁体―半導体（ＭＯＳ）構造を有する電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）におけるチャネル領域への成長（エピチャネル）やイオン注入後の活性化アニールによって荒れた表面の平坦化技術などにも適用できるから、この発明の工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＳｉＣ単結晶薄膜の作製に用いられる一例の製造装置の構成を示す概念図である。
【図２】本発明の実施例により得られた低温成長ＳｉＣ薄膜の結晶多形を、共焦点ラマン分光測定により調べた結果を示したグラフであり、（ａ）は基板からのピーク、（ｂ）は堆積された薄膜からのピークを示している。
【図３】本発明の実施例により得られた低温成長ＳｉＣ薄膜を、原子間力顕微鏡により求めた表面粗さ（Ｒａ）のＣ／Ｓｉ比依存性について示したグラフである。
【図４】本発明の実施例により得られた低温成長ＳｉＣ薄膜を、原子間力顕微鏡により求めた表面粗さ（Ｒａ）のシラン流量依存性について示したグラフである。
【符号の説明】
１真空容器
２基板
３ｒｆヒータコイル
４グラファイトサセプター
５プラズマ発生領域

Claims

単結晶のα−ＳｉＣ領域を含む基板上に、プラズマ化学気相成長法を用いて、供給原料ガスに含まれる炭素原子と珪素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が１００〜７５０である条件において、８００〜１２００℃でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させることを特徴とするα−ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。
供給される珪素源ガスのモル濃度が、１〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載のα−ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。
供給原料ガス中の炭素源が、メタン、エタン、プロパン及びアセチレンから選ばれる１種以上の炭化水素ガスであり、かつ、珪素源が、モノシラン、ジシラン及びジクロロシランから選ばれる１種以上の珪素含有ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載のα−ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。
基板に含まれるα―ＳｉＣ領域が、α―ＳｉＣ（０００１）、（０００−１）または（１１−２０）面のいずれかであり、その上にＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のα―ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。
基板に含まれるα―ＳｉＣ領域のオフ角が、（０００１）面又は（０００−１）面に対して１°以下であることを特徴とする請求項４に記載のα―ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。
基板に５０〜４００Ｖの直流バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のα―ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。
ＳｉＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ構造又はＳｉＣ／ＳｉＯ_２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する基板（ＳｉＣＯＩ基板）上に、プラズマ化学気相成長法を用いて、供給原料ガスに含まれる炭素原子と珪素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が１００〜７５０である条件において、８００〜１２００℃でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させたα−ＳｉＣ単結晶薄膜を有することを特徴とする半導体装置の作製法。
ＳｉＣ単結晶基板上に、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、金属及び炭化金属から選ばれるあらかじめ決められたパターンのマスク材を蒸着し、その上からプラズマ化学気相成長法を用いて、供給原料ガスに含まれる炭素原子と珪素原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が１００〜７５０である条件において、８００〜１２００℃でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させた後、そのマスク材を除去することによりα−ＳｉＣの単結晶を選択的にホモエピタキシャル成長させたα−ＳｉＣの単結晶薄膜を有することを特徴とする半導体装置の作製法。