JP3880717B2 - 炭化珪素の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子材料としての炭化珪素単結晶成長技術等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭化珪素（ＳｉＣ）の成長は、昇華法によるバルク成長と、基板上へのエピタキシャル成長による薄膜形成とに分類されてきた。
【０００３】
昇華法によるバルク成長では高温相の結晶多形である６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣの成長が可能であり、かつ、ＳｉＣ自体の基板作製が実現されてきた。しかしながら、結晶内に導入される欠陥（マイクロパイプ）が多く、かつ基板面積の拡大が困難であった。
【０００４】
基板上へのエピタキシャル成長法に関しては、不純物添加の制御性向上や基板面積の拡大、そして昇華法で問題となっていたマイクロパイプの低減が実現される反面、積層欠陥の増大や、ＳｉＣ成長層に内部応力が発生することが問題となっている。特に、成長用基板としてＳｉを用いた場合には、ＳｉＣとの格子不整合が大きいことから、双晶（Ｔｗｉｎ）や反位相領域境界面（ＡＰＢ：Anti Phase Boundary）の発生が著しく、これらがＳｉＣの電子素子としての特性を損なわせている。
【０００５】
さらに、成長法に関わらず、ＳｉＣは化学的、機械的に安定であるため、エッチング加工によって微細パターンを形成して電子素子を得ることが著しく困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＳｉＣ膜内の積層欠陥を低減する方法として、成長用基板上に炭化珪素単結晶の成長領域を設け、この成長領域にある厚さ以上の厚さで炭化珪素単結晶を成長させることで、ある厚さ以降の積層欠陥を排除する技術が知られている（特公平６−４１４００号公報）。ここで、ある厚さとは、成長領域の代表的な寸法（例えば一辺）の√2倍以上であるとしている。
【０００７】
しかしながら、特公平６−４１４００号公報記載の方法で、実際に炭化珪素単結晶を成長させた場合、反位相領域境界面を効果的に低減できないという問題がある。
【０００８】
すなわち、図１に示すように、開口部の高さｔを、開口部の幅ｗの√2倍以上とすると、理論的にはＳｉＣは非成長領域１ａ上には成長せず想像線２の形状で成長するはずであるが、実際にはＳｉＣは非成長領域１ａ上にも形成され実線３の形状で成長することを本発明者らは突き止めた。したがって、開口部の高さｔを、開口部の幅ｗの√2倍以上としたとしても、非成長領域上に形成されたＳｉＣから欠陥が派生してしまい、反位相領域境界面を低減できない場合がある。
【０００９】
また、実際にはＳｉＣは実線３の形状で成長するため、隣り合う開口部間の間隔に制約があり、隣り合う開口部間の間隔が狭いと成長したＳｉＣ同士が成長に伴って結合してしまい、この結合部に新たに反位相領域境界面が形成されてしまい、電気的特性等が損なわれる。
【００１０】
さらに、矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を一定範囲内としないと反位相領域境界面を低減できないことを本発明者らは突き止めた。
【００１１】
また、ＳｉＣ中に含まれる２種類の反位相領域どうしは、ＳｉＣの膜厚増加に対して、互いに直交した方向へと拡大する特性を有しているため、ＳｉＣの平面パターン形状及びその配置する結晶方位を考慮しないと、反位相領域境界面を効果的に低減することができない。
さらに、成長したＳｉＣ表面に形成される超構造の向きを任意に制御することができない。
【００１２】
本発明は上述した背景の下になされたものであり、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる炭化珪素の製造方法等の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下の構成としてある。
（構成１）炭化珪素の成長用基板上に炭化珪素の成長を阻むマスク層を設け、このマスク層に一箇所以上の開口部を設けて基板表面を露出させて炭化珪素の成長を行う炭化珪素の製造方法であって、前記開口部の高さを、開口部の幅ｗの√2（＝２1/2）倍以上で、かつ、形成する炭化珪素の厚さを超える高さとして、炭化珪素の成長を行うことを特徴とする炭化珪素の製造方法。
【００１４】
（構成２）前記成長用基板の面方位が立方晶の（１００）面に相当し、この面上に炭化珪素をエピタキシャル成長させることを特徴とする構成１記載の炭化珪素の製造方法。
【００１５】
（構成３）マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、±１５°以内とすることを特徴とする構成１又は２記載の炭化珪素の製造方法。
【００１６】
（構成４）マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、０°とすることを特徴とする構成３記載の炭化珪素の製造方法。
【００１７】
（構成５）前記炭化珪素の成長レートが、０．０１〜３０μｍ／ｈｒであることを特徴とする構成１乃至４記載の炭化珪素の製造方法。
【００１８】
（構成６）前記炭化珪素の断面形状が、台形であることを特徴とする構成１乃至５記載の炭化珪素の製造方法。
【００１９】
（構成７）マスク層に形成する矩形の開口部の長辺が短辺の２倍以上であり、かつ、短辺の長さが０．０５μｍから１０μｍであることを特徴とする構成１乃至６記載の炭化珪素の製造方法。
【００２０】
（構成８）前記成長用基板の面方位を単結晶Ｓｉの（１００）面とし、炭化珪素の成長を阻むマスク層をＳｉＯ2層とすることを特徴とする構成１乃至７記載の炭化珪素の製造方法。
【００２１】
（構成９）エピタキシャル成長させる炭化珪素が立方晶であることを特徴とする構成１乃至８記載の炭化珪素の製造方法。
【００２２】
（構成１０）前記炭化珪素は、シラン系化合物ガスと炭化水素ガスを交互に反応炉内へ供給して気相化学堆積（ＣＶＤ）法で成長させることを特徴とする構成１乃至９記載の炭化珪素の製造方法。
【００２３】
（構成１１）構成１乃至１０記載の炭化珪素の製造方法を用いて素子設計に基づいた形状を有する炭化珪素パターンを形成し、この炭化珪素パターン自体を活性領域として用いたことを特徴とする電子素子。
【００２４】
【作用】
【００２５】
本発明では成長用基板（下地）とＳｉＣとの界面で発生した面欠陥が、ＳｉＣの成長に伴って上層に伝播するにつれ、互いに会合し結合する。また、会合せずにさらに上層へと伝播する面欠陥も、いずれはＳｉＣ膜の側壁に到達し、消滅する。パターンの最も端点で発生した面欠陥も、下地が立方晶の（１００）面に相当する場合には（１１１）面として挿入されるため、ＳｉＣ層の膜厚ｔとＳｉＣ層の短辺幅ｗの関係がｔ＝√2ｗとなった時点でＳｉＣ側面に到達して消滅する。
ただし、（１００）面上には４つの（１１１）面に等価な面が存在するため、紙面に対して鏡面対称な面欠陥も存在している。しかし、本発明では、ＳｉＣ層の平面パターン形状を矩形としかつ長辺が短辺の２倍以上と規定することで、最終的に長辺方向に拡大する領域のみが最表面を覆い、反位相領域境界面の消滅を確実に実現できるとともに、離散したパターンすべてにわたり反位相領域境界のない単一領域の形成が可能となる。
【００２６】
上記構成１によれば、開口部の高さを形成する炭化珪素の厚さを超える高さとしているので、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。すなわち、開口部の高さを形成する炭化珪素の厚さを超える高さとすることで、非成長領域上に形成されるＳｉＣから派生する欠陥を排除し、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。
また、構成１によれば、隣り合う開口部間の間隔を狭くしても、成長したＳｉＣ同士が成長に伴って結合することがない。したがって、開口部間の間隔の制約がなくなり、設計上有利となる。具体的には、開口部間の間隔を０．０５μｍ程度にまで狭くでき、設計の自由度が向上し、微細化を達成できる。
【００２７】
上記構成２によれば、成長用基板の面方位を立方晶の（１００）面とすることで他の場合に比べＳｉＣの応力を低減でき、この面上に炭化珪素をエピタキシャル成長させることでＳｉＣの結晶性や電気的特性が向上する。
【００２８】
上記構成３及び４によれば、マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、±１５°以内とすることで、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。これは、表６に示すように、交差角度が±１５°以内であれば、反位相領域境界面濃度は低く、許容レベル内にあるからである。逆に、交差角度が±３０°、±４５°になるにつれ反位相領域境界面濃度は極端に増大する。
特に、マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、０°とすることで、反位相領域境界面濃度はゼロとなり、反位相領域境界面の消滅を確実に実現できる。
また、これらのことを考慮してパターン設計を行うことで、反位相領域境界面の低減又は消滅をすべてのパターンについて確実に実現できる。
【００２９】
上記構成５によれば、炭化珪素の成長レートを０．０１〜３０μｍ／ｈｒとすることで、反位相領域境界面濃度を含めた積層欠陥が少なくなる。また、ＳｉＯ2マスク層上にＳｉＣが形成されにくくなるため、表面形状の悪化が防げるばかりでなく、ＳｉＣ層の除去工程等の後工程が不要となる。
同様の観点から炭化珪素の成長レートは、０．０２〜１０μｍ／ｈｒとすることが好ましく、０．０３〜０．１μｍ／ｈｒとすることがより好ましい。
【００３０】
上記構成６によれば、炭化珪素の断面形状を台形とすることで、耐圧を高め、電圧に対するブレークダウンを回避できるなど、パフォーマンスのよい構造となる。
炭化珪素の断面形状を台形とするには、マスク層に形成する開口部の断面形状をテーパー状とすればよい。
【００３１】
上記構成７では、マスク層に形成する矩形の開口部の長辺を短辺の２倍以上とすることで、上述したように最終的に長辺方向に拡大する領域のみが最表面を覆い、反位相領域境界面の消滅を確実に実現できる。また、短辺の長さを０．０５μｍから１０μｍとすることで、デバイス製造上実用的なＳｉＣ面積となる。
【００３２】
上記構成８では、成長用基板の面方位を単結晶Ｓｉの（１００）面とすることで、他の場合に比べＳｉＣの応力を最も低くでき、また、炭化珪素の成長を阻むマスク層をＳｉＯ2層とすることで、Ｓｉを熱酸化してＳｉＯ2層を形成できるため、工程を簡略化できる。
【００３３】
上記構成９によれば、エピタキシャル成長させる炭化珪素を立方晶とすることで、面欠陥の低減効果が確実となる。
【００３４】
上記構成１０によれば、炭化珪素を、シラン系化合物ガスと炭化水素ガスを交互に反応炉内へ供給して気相化学堆積（ＣＶＤ）法でエピタキシャル成長させることで、他の場合に比べ結晶性、面内均一性及び表面ホモロジーに優れる。
この場合、特にジクロルシランとアセチレンを用いることで、他のガスを用いた場合に比べ成長温度の低温化、制御性の向上が可能となる。
その他に、上記構成１０によれば、ＳｉＣの選択成長性を助長でき、また、分子吸着の自己制御機構が発現し再現性、均一性が向上し、さらに、より微細なパターン内へのＳｉＣ成長が可能となる。
【００３５】
上記構成１１によれば、反位相領域境界面の低減又は消滅を実現した電子素子が得られる。また、ＳｉＣの成長パターンを適当な素子設計パターンに相当させることにより、エッチング加工を行うことなく素子製造が実現できる。さらに、ＳｉＣと基板との間に応力が発生したとしても、それらの応力はＳｉＣが被覆していない部分にも分散し、望まざる応力値の増大を防ぐことが可能となる。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに具体的に説明する。
【００３７】
実施例１
Ｓｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、３μｍの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件を表１に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．２５μｍ、長辺３μｍの矩形開口パターンをレジストにて形成した。ただし、矩形開口パターンの辺は＜１１０＞方位に平行にした。この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、矩形のＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けられる。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の詳細を表２に、ＳｉＣ成長工程の詳細を表３にそれぞれ示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
【表３】
【００４２】
ＳｉＣ成長工程において、原料ガスの供給サイクル数を変化させることにより、ＳｉＣの膜厚を変化させて、反位相領域境界面の濃度を測定したところ、表４に示す結果を得た。
なお、反位相領域境界面の濃度は、炭化珪素表面をＡＦＭ観察して求めた。この際、炭化珪素の表面を熱酸化処理しさらに熱酸化膜を除去することにより反位相境界を顕在化させたあとに観察を行った。
【００４３】
【表４】
【００４４】
表４から、ＳｉＣの膜厚の増加に伴い反位相領域境界面の濃度が減少することがわかる。また、ＳｉＣの厚さが短辺の√2倍である１．７７μｍ以上になると反位相領域境界面の濃度が完全にゼロになることがわかる。さらに、本発明では、酸化膜（ＳｉＯ２層）厚さを３μｍとしているので、ＳｉＣの厚さを２μｍとしても、反位相領域境界面の濃度は完全にゼロになった。また、ＳｉＣの断面形状は矩形であった。さらに、開口間隔を０．０５μｍとしたこと以外は上記と同様にしてＳｉＣの成長を実施したところ、隣り合うＳｉＣどうしが結合することはなかった。
比較のため、酸化膜（ＳｉＯ２層）厚さを１．５μｍ又は１．８μｍとし、２μｍの高さのＳｉＣを成長させたが、いずれの場合も反位相領域境界面の濃度はゼロにならず、断面形状は山状であった。さらに、開口間隔を０．０５μｍとしてＳｉＣの成長を実施したところ、隣り合うＳｉＣどうしの結合が確認された。
【００４５】
実施例２
Ｓｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、３μｍの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件は表１と同じとした。
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．２５μｍ、長辺３μｍの矩形開口パターンをレジストにて形成した。ただし、複数の矩形開口パターンを設け、矩形開口パターンの辺と＜１１０＞方位との交差角度をそれぞれ変化させた。
この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、＜１１０＞方位との交差角度が異なる複数の矩形のＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けて行った。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の条件は表２と同じとし、ＳｉＣ成長工程の詳細は表５に示す通りとした。
【００４６】
【表５】
【００４７】
形成した矩形開口パターンの長辺と＜１１０＞方位との交差角度θ（図２）に対する反位相領域境界面の濃度を測定したところ、表６に示す結果を得た。
【００４８】
【表６】
【００４９】
表６から、矩形開口パターンの辺が＜１１０＞方位に配向するに従い、反位相領域境界面の濃度が減少することがわかる。また、交差角度が±１５°以内であれば反位相領域境界面の濃度は小さいことがわかる。
【００５０】
実施例３
直形３インチのＳｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、３μｍの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件は表１と同じとした。
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．２５μｍのラインアンドスペースをレジストにて形成した。ただし、ラインアンドスペースの辺は＜１１０＞方位に平行にした。
この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、上記ラインアンドスペースのＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けて行った。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の条件は表２と同じとし、ＳｉＣ成長工程の詳細は表５に示す通りとした。
【００５１】
反位相領域境界面の濃度を測定したところ、すべてのパターンについて反位相領域境界面の消滅を実現した電子素子が得られた。また、隣り合うＳｉＣどうしが結合することはなかった。
また、成長後の基板の反り量を６３３ｎｍの干渉計を用いて測定し、そこからＳｉＣ膜の内部応力求めたところ、表７に示すように、ラインアンドスペースパターン状に形成したＳｉＣ膜に関して、著しい応力の低減が認められた。
【００５２】
【表７】
【００５３】
比較例１
Ｓｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、４０００オングストロームの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件を表８に示す。
【００５４】
【表８】
【００５５】
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．０μｍ、長辺１０００μｍの矩形開口パターンをレジストにて形成した。ただし、矩形開口パターンの辺は＜１１０＞方位に平行にした。この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、矩形のＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けられる。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の条件は表２と同じとし、ＳｉＣ成長工程の詳細は表９に示す通りとした。
【００５６】
【表９】
【００５７】
以上の方法により、成長したＳｉＣ層断面の様子を図３に示し、このＳｉＣ層断面の走査型電子顕微鏡写真を図４及び図５に示す。
これらの図面に示されたように、ＳｉＣ層はＳｉＯ2層上には成長せず、ＳｉＯ2から露出したＳｉ面上に成長している。ただし、成長したＳｉＣ層はＳｉＯ2層上を横方向にも成長し、互いに結合し合っている。そして、ＳｉＣ層の結合部に予期せぬ面欠陥を導入している。したがって、ＳｉＣの膜厚が短辺の幅（１．０μｍ）の√2倍以上であるにもかかわらず、反位相領域境界面濃度の低減はもたらされなかった。
【００５８】
以上実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【００５９】
例えば、炭化珪素膜の成膜条件や膜厚等は実施例のものに限定されない。
【００６０】
また、成長用基板としては、例えば、炭化珪素、サファイヤなどの単結晶基板等を使用でき、マスク層としては、他に窒化珪素、アモルファスシリコンなどを使用できる。
【００６１】
珪素の原料ガスとしては、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）を使用したが、ＳｉＨ4、ＳｉＣｌ4、ＳｉＨＣｌ3などを使用することもできる。また、炭素の原料ガスとしては、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）を使用したが、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8などを使用することもできる。
【００６２】
なお、炭化珪素のエピタキシャル成長法としては、気相化学堆積（ＣＶＤ）法の他に、液相エピタキシャル成長法、スパッタリング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などを使用することもできる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の炭化珪素の製造方法によれば、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭化珪素の成長の様子を説明するための断面図である。
【図２】矩形開口パターンの長辺と＜１１０＞方位との交差角度を説明するための斜視図である。
【図３】比較例における成長したＳｉＣの断面の様子を示す断面図である。
【図４】基板上に形成された微細パターンであるＳｉＣの走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】基板上に形成された微細パターンであるＳｉＣの走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ マスク層
１ａ 非成長領域
２ 理論上の炭化珪素の成長面
３ 実際の炭化珪素の成長面
ｔ 開口部の高さ
ｗ 開口部の幅
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子材料としての炭化珪素単結晶成長技術等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭化珪素（ＳｉＣ）の成長は、昇華法によるバルク成長と、基板上へのエピタキシャル成長による薄膜形成とに分類されてきた。
【０００３】
昇華法によるバルク成長では高温相の結晶多形である６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣの成長が可能であり、かつ、ＳｉＣ自体の基板作製が実現されてきた。しかしながら、結晶内に導入される欠陥（マイクロパイプ）が多く、かつ基板面積の拡大が困難であった。
【０００４】
基板上へのエピタキシャル成長法に関しては、不純物添加の制御性向上や基板面積の拡大、そして昇華法で問題となっていたマイクロパイプの低減が実現される反面、積層欠陥の増大や、ＳｉＣ成長層に内部応力が発生することが問題となっている。特に、成長用基板としてＳｉを用いた場合には、ＳｉＣとの格子不整合が大きいことから、双晶（Ｔｗｉｎ）や反位相領域境界面（ＡＰＢ：Anti Phase Boundary）の発生が著しく、これらがＳｉＣの電子素子としての特性を損なわせている。
【０００５】
さらに、成長法に関わらず、ＳｉＣは化学的、機械的に安定であるため、エッチング加工によって微細パターンを形成して電子素子を得ることが著しく困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＳｉＣ膜内の積層欠陥を低減する方法として、成長用基板上に炭化珪素単結晶の成長領域を設け、この成長領域にある厚さ以上の厚さで炭化珪素単結晶を成長させることで、ある厚さ以降の積層欠陥を排除する技術が知られている（特公平６−４１４００号公報）。ここで、ある厚さとは、成長領域の代表的な寸法（例えば一辺）の√2倍以上であるとしている。
【０００７】
しかしながら、特公平６−４１４００号公報記載の方法で、実際に炭化珪素単結晶を成長させた場合、反位相領域境界面を効果的に低減できないという問題がある。
【０００８】
すなわち、図１に示すように、開口部の高さｔを、開口部の幅ｗの√2倍以上とすると、理論的にはＳｉＣは非成長領域１ａ上には成長せず想像線２の形状で成長するはずであるが、実際にはＳｉＣは非成長領域１ａ上にも形成され実線３の形状で成長することを本発明者らは突き止めた。したがって、開口部の高さｔを、開口部の幅ｗの√2倍以上としたとしても、非成長領域上に形成されたＳｉＣから欠陥が派生してしまい、反位相領域境界面を低減できない場合がある。
【０００９】
また、実際にはＳｉＣは実線３の形状で成長するため、隣り合う開口部間の間隔に制約があり、隣り合う開口部間の間隔が狭いと成長したＳｉＣ同士が成長に伴って結合してしまい、この結合部に新たに反位相領域境界面が形成されてしまい、電気的特性等が損なわれる。
【００１０】
さらに、矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を一定範囲内としないと反位相領域境界面を低減できないことを本発明者らは突き止めた。
【００１１】
また、ＳｉＣ中に含まれる２種類の反位相領域どうしは、ＳｉＣの膜厚増加に対して、互いに直交した方向へと拡大する特性を有しているため、ＳｉＣの平面パターン形状及びその配置する結晶方位を考慮しないと、反位相領域境界面を効果的に低減することができない。
さらに、成長したＳｉＣ表面に形成される超構造の向きを任意に制御することができない。
【００１２】
本発明は上述した背景の下になされたものであり、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる炭化珪素の製造方法等の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下の構成としてある。
（構成１）炭化珪素の成長用基板上に炭化珪素の成長を阻むマスク層を設け、このマスク層に一箇所以上の開口部を設けて基板表面を露出させて炭化珪素の成長を行う炭化珪素の製造方法であって、前記開口部の高さを、開口部の幅ｗの√2（＝２1/2）倍以上で、かつ、形成する炭化珪素の厚さを超える高さとして、炭化珪素の成長を行うことを特徴とする炭化珪素の製造方法。
【００１４】
（構成２）前記成長用基板の面方位が立方晶の（１００）面に相当し、この面上に炭化珪素をエピタキシャル成長させることを特徴とする構成１記載の炭化珪素の製造方法。
【００１５】
（構成３）マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、±１５°以内とすることを特徴とする構成１又は２記載の炭化珪素の製造方法。
【００１６】
（構成４）マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、０°とすることを特徴とする構成３記載の炭化珪素の製造方法。
【００１７】
（構成５）前記炭化珪素の成長レートが、０．０１〜３０μｍ／ｈｒであることを特徴とする構成１乃至４記載の炭化珪素の製造方法。
【００１８】
（構成６）前記炭化珪素の断面形状が、台形であることを特徴とする構成１乃至５記載の炭化珪素の製造方法。
【００１９】
（構成７）マスク層に形成する矩形の開口部の長辺が短辺の２倍以上であり、かつ、短辺の長さが０．０５μｍから１０μｍであることを特徴とする構成１乃至６記載の炭化珪素の製造方法。
【００２０】
（構成８）前記成長用基板の面方位を単結晶Ｓｉの（１００）面とし、炭化珪素の成長を阻むマスク層をＳｉＯ2層とすることを特徴とする構成１乃至７記載の炭化珪素の製造方法。
【００２１】
（構成９）エピタキシャル成長させる炭化珪素が立方晶であることを特徴とする構成１乃至８記載の炭化珪素の製造方法。
【００２２】
（構成１０）前記炭化珪素は、シラン系化合物ガスと炭化水素ガスを交互に反応炉内へ供給して気相化学堆積（ＣＶＤ）法で成長させることを特徴とする構成１乃至９記載の炭化珪素の製造方法。
【００２３】
（構成１１）構成１乃至１０記載の炭化珪素の製造方法を用いて素子設計に基づいた形状を有する炭化珪素パターンを形成し、この炭化珪素パターン自体を活性領域として用いたことを特徴とする電子素子。
【００２４】
【作用】
【００２５】
本発明では成長用基板（下地）とＳｉＣとの界面で発生した面欠陥が、ＳｉＣの成長に伴って上層に伝播するにつれ、互いに会合し結合する。また、会合せずにさらに上層へと伝播する面欠陥も、いずれはＳｉＣ膜の側壁に到達し、消滅する。パターンの最も端点で発生した面欠陥も、下地が立方晶の（１００）面に相当する場合には（１１１）面として挿入されるため、ＳｉＣ層の膜厚ｔとＳｉＣ層の短辺幅ｗの関係がｔ＝√2ｗとなった時点でＳｉＣ側面に到達して消滅する。
ただし、（１００）面上には４つの（１１１）面に等価な面が存在するため、紙面に対して鏡面対称な面欠陥も存在している。しかし、本発明では、ＳｉＣ層の平面パターン形状を矩形としかつ長辺が短辺の２倍以上と規定することで、最終的に長辺方向に拡大する領域のみが最表面を覆い、反位相領域境界面の消滅を確実に実現できるとともに、離散したパターンすべてにわたり反位相領域境界のない単一領域の形成が可能となる。
【００２６】
上記構成１によれば、開口部の高さを形成する炭化珪素の厚さを超える高さとしているので、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。すなわち、開口部の高さを形成する炭化珪素の厚さを超える高さとすることで、非成長領域上に形成されるＳｉＣから派生する欠陥を排除し、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。
また、構成１によれば、隣り合う開口部間の間隔を狭くしても、成長したＳｉＣ同士が成長に伴って結合することがない。したがって、開口部間の間隔の制約がなくなり、設計上有利となる。具体的には、開口部間の間隔を０．０５μｍ程度にまで狭くでき、設計の自由度が向上し、微細化を達成できる。
【００２７】
上記構成２によれば、成長用基板の面方位を立方晶の（１００）面とすることで他の場合に比べＳｉＣの応力を低減でき、この面上に炭化珪素をエピタキシャル成長させることでＳｉＣの結晶性や電気的特性が向上する。
【００２８】
上記構成３及び４によれば、マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、±１５°以内とすることで、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。これは、表６に示すように、交差角度が±１５°以内であれば、反位相領域境界面濃度は低く、許容レベル内にあるからである。逆に、交差角度が±３０°、±４５°になるにつれ反位相領域境界面濃度は極端に増大する。
特に、マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、０°とすることで、反位相領域境界面濃度はゼロとなり、反位相領域境界面の消滅を確実に実現できる。
また、これらのことを考慮してパターン設計を行うことで、反位相領域境界面の低減又は消滅をすべてのパターンについて確実に実現できる。
【００２９】
上記構成５によれば、炭化珪素の成長レートを０．０１〜３０μｍ／ｈｒとすることで、反位相領域境界面濃度を含めた積層欠陥が少なくなる。また、ＳｉＯ2マスク層上にＳｉＣが形成されにくくなるため、表面形状の悪化が防げるばかりでなく、ＳｉＣ層の除去工程等の後工程が不要となる。
同様の観点から炭化珪素の成長レートは、０．０２〜１０μｍ／ｈｒとすることが好ましく、０．０３〜０．１μｍ／ｈｒとすることがより好ましい。
【００３０】
上記構成６によれば、炭化珪素の断面形状を台形とすることで、耐圧を高め、電圧に対するブレークダウンを回避できるなど、パフォーマンスのよい構造となる。
炭化珪素の断面形状を台形とするには、マスク層に形成する開口部の断面形状をテーパー状とすればよい。
【００３１】
上記構成７では、マスク層に形成する矩形の開口部の長辺を短辺の２倍以上とすることで、上述したように最終的に長辺方向に拡大する領域のみが最表面を覆い、反位相領域境界面の消滅を確実に実現できる。また、短辺の長さを０．０５μｍから１０μｍとすることで、デバイス製造上実用的なＳｉＣ面積となる。
【００３２】
上記構成８では、成長用基板の面方位を単結晶Ｓｉの（１００）面とすることで、他の場合に比べＳｉＣの応力を最も低くでき、また、炭化珪素の成長を阻むマスク層をＳｉＯ2層とすることで、Ｓｉを熱酸化してＳｉＯ2層を形成できるため、工程を簡略化できる。
【００３３】
上記構成９によれば、エピタキシャル成長させる炭化珪素を立方晶とすることで、面欠陥の低減効果が確実となる。
【００３４】
上記構成１０によれば、炭化珪素を、シラン系化合物ガスと炭化水素ガスを交互に反応炉内へ供給して気相化学堆積（ＣＶＤ）法でエピタキシャル成長させることで、他の場合に比べ結晶性、面内均一性及び表面ホモロジーに優れる。
この場合、特にジクロルシランとアセチレンを用いることで、他のガスを用いた場合に比べ成長温度の低温化、制御性の向上が可能となる。
その他に、上記構成１０によれば、ＳｉＣの選択成長性を助長でき、また、分子吸着の自己制御機構が発現し再現性、均一性が向上し、さらに、より微細なパターン内へのＳｉＣ成長が可能となる。
【００３５】
上記構成１１によれば、反位相領域境界面の低減又は消滅を実現した電子素子が得られる。また、ＳｉＣの成長パターンを適当な素子設計パターンに相当させることにより、エッチング加工を行うことなく素子製造が実現できる。さらに、ＳｉＣと基板との間に応力が発生したとしても、それらの応力はＳｉＣが被覆していない部分にも分散し、望まざる応力値の増大を防ぐことが可能となる。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに具体的に説明する。
【００３７】
実施例１
Ｓｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、３μｍの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件を表１に示す。
【００３８】
【表１】
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．２５μｍ、長辺３μｍの矩形開口パターンをレジストにて形成した。ただし、矩形開口パターンの辺は＜１１０＞方位に平行にした。この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、矩形のＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けられる。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の詳細を表２に、ＳｉＣ成長工程の詳細を表３にそれぞれ示す。
【００４０】
【表２】
【表３】
ＳｉＣ成長工程において、原料ガスの供給サイクル数を変化させることにより、ＳｉＣの膜厚を変化させて、反位相領域境界面の濃度を測定したところ、表４に示す結果を得た。
なお、反位相領域境界面の濃度は、炭化珪素表面をＡＦＭ観察して求めた。この際、炭化珪素の表面を熱酸化処理しさらに熱酸化膜を除去することにより反位相境界を顕在化させたあとに観察を行った。
【００４３】
【表４】
表４から、ＳｉＣの膜厚の増加に伴い反位相領域境界面の濃度が減少することがわかる。また、ＳｉＣの厚さが短辺の√2倍である１．７７μｍ以上になると反位相領域境界面の濃度が完全にゼロになることがわかる。さらに、本発明では、酸化膜（ＳｉＯ２層）厚さを３μｍとしているので、ＳｉＣの厚さを２μｍとしても、反位相領域境界面の濃度は完全にゼロになった。また、ＳｉＣの断面形状は矩形であった。さらに、開口間隔を０．０５μｍとしたこと以外は上記と同様にしてＳｉＣの成長を実施したところ、隣り合うＳｉＣどうしが結合することはなかった。
比較のため、酸化膜（ＳｉＯ２層）厚さを１．５μｍ又は１．８μｍとし、２μｍの高さのＳｉＣを成長させたが、いずれの場合も反位相領域境界面の濃度はゼロにならず、断面形状は山状であった。さらに、開口間隔を０．０５μｍとしてＳｉＣの成長を実施したところ、隣り合うＳｉＣどうしの結合が確認された。
【００４５】
実施例２
Ｓｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、３μｍの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件は表１と同じとした。
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．２５μｍ、長辺３μｍの矩形開口パターンをレジストにて形成した。ただし、複数の矩形開口パターンを設け、矩形開口パターンの辺と＜１１０＞方位との交差角度をそれぞれ変化させた。
この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、＜１１０＞方位との交差角度が異なる複数の矩形のＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けて行った。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の条件は表２と同じとし、ＳｉＣ成長工程の詳細は表５に示す通りとした。
【００４６】
【表５】
形成した矩形開口パターンの長辺と＜１１０＞方位との交差角度θ（図２）に対する反位相領域境界面の濃度を測定したところ、表６に示す結果を得た。
【００４８】
【表６】
表６から、矩形開口パターンの辺が＜１１０＞方位に配向するに従い、反位相領域境界面の濃度が減少することがわかる。また、交差角度が±１５°以内であれば反位相領域境界面の濃度は小さいことがわかる。
【００５０】
実施例３
直形３インチのＳｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、３μｍの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件は表１と同じとした。
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．２５μｍのラインアンドスペースをレジストにて形成した。ただし、ラインアンドスペースの辺は＜１１０＞方位に平行にした。
この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、上記ラインアンドスペースのＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けて行った。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の条件は表２と同じとし、ＳｉＣ成長工程の詳細は表５に示す通りとした。
【００５１】
反位相領域境界面の濃度を測定したところ、すべてのパターンについて反位相領域境界面の消滅を実現した電子素子が得られた。また、隣り合うＳｉＣどうしが結合することはなかった。
また、成長後の基板の反り量を６３３ｎｍの干渉計を用いて測定し、そこからＳｉＣ膜の内部応力求めたところ、表７に示すように、ラインアンドスペースパターン状に形成したＳｉＣ膜に関して、著しい応力の低減が認められた。
【００５２】
【表７】
比較例１
Ｓｉ（１００）面を成長用基板とし、この表面を熱酸化し、４０００オングストロームの酸化膜（ＳｉＯ2層）を形成した。熱酸化条件を表８に示す。
【００５４】
【表８】
熱酸化後に、フォトリソグラフィー技術を用いて熱酸化膜上に短辺１．０μｍ、長辺１０００μｍの矩形開口パターンをレジストにて形成した。ただし、矩形開口パターンの辺は＜１１０＞方位に平行にした。この後、１０％ＨＦ溶液中にて熱酸化膜の露出部をエッチングし、矩形のＳｉ露出部を形成した。
レジストを過酸化水素と硫酸の混合液中で除去した後、ＳｉＣの成長を実施した。ＳｉＣの成長は、基板表面の炭化工程と、原料ガスの交互供給によるＳｉＣ成長工程に分けられる。炭化工程では、アセチレン雰囲気中で上記加工済みの基板を室温から１０５０℃まで１２０分間かけて加熱した。炭化工程の後に、１０５０℃にてジクロルシランガスとアセチレンとを交互に基板表面に暴露して、ＳｉＣの成長を実施した。炭化工程の条件は表２と同じとし、ＳｉＣ成長工程の詳細は表９に示す通りとした。
【００５６】
【表９】
以上の方法により、成長したＳｉＣ層断面の様子を図３に示し、このＳｉＣ層断面の走査型電子顕微鏡写真を図４及び図５に示す。
これらの図面に示されたように、ＳｉＣ層はＳｉＯ2層上には成長せず、ＳｉＯ2から露出したＳｉ面上に成長している。ただし、成長したＳｉＣ層はＳｉＯ2層上を横方向にも成長し、互いに結合し合っている。そして、ＳｉＣ層の結合部に予期せぬ面欠陥を導入している。したがって、ＳｉＣの膜厚が短辺の幅（１．０μｍ）の√2倍以上であるにもかかわらず、反位相領域境界面濃度の低減はもたらされなかった。
【００５８】
以上実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【００５９】
例えば、炭化珪素膜の成膜条件や膜厚等は実施例のものに限定されない。
【００６０】
また、成長用基板としては、例えば、炭化珪素、サファイヤなどの単結晶基板等を使用でき、マスク層としては、他に窒化珪素、アモルファスシリコンなどを使用できる。
【００６１】
珪素の原料ガスとしては、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）を使用したが、ＳｉＨ4、ＳｉＣｌ4、ＳｉＨＣｌ3などを使用することもできる。また、炭素の原料ガスとしては、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）を使用したが、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8などを使用することもできる。
【００６２】
なお、炭化珪素のエピタキシャル成長法としては、気相化学堆積（ＣＶＤ）法の他に、液相エピタキシャル成長法、スパッタリング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などを使用することもできる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の炭化珪素の製造方法によれば、反位相領域境界面の低減又は消滅を確実に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭化珪素の成長の様子を説明するための断面図である。
【図２】矩形開口パターンの長辺と＜１１０＞方位との交差角度を説明するための斜視図である。
【図３】比較例における成長したＳｉＣの断面の様子を示す断面図である。
【図４】基板上に形成された微細パターンであるＳｉＣの走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】基板上に形成された微細パターンであるＳｉＣの走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ マスク層
１ａ 非成長領域
２ 理論上の炭化珪素の成長面
３ 実際の炭化珪素の成長面
ｔ 開口部の高さ
ｗ 開口部の幅
Claims (12)
- 炭化珪素の成長用基板上に炭化珪素の成長を阻むマスク層を設け、このマスク層に一箇所以上のスリット状の開口部を設けて基板表面を露出させて炭化珪素の成長を行う炭化珪素の製造方法であって、
前記開口部の高さを、スリット状の開口部の幅ｗの√2（＝２１／２）倍以上で、かつ、形成する炭化珪素の厚さを超える高さとして、炭化珪素の成長を行うことを特徴とする炭化珪素の製造方法。 - 前記スリット状の開口部の辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、±１５°以内とすることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素の製造方法。
- 前記スリット状の開口部の辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、０°とすることを特徴とする請求項２記載の炭化珪素の製造方法。
- 炭化珪素の成長用基板上に炭化珪素の成長を阻むマスク層を設け、このマスク層に一箇所以上の矩形の開口部を設けて基板表面を露出させて炭化珪素の成長を行う炭化珪素の製造方法であって、
前記開口部の高さを、矩形の開口部の短辺ｗの√2（＝２１／２）倍以上で、かつ、形成する炭化珪素の厚さを超える高さとして、炭化珪素の成長を行うことを特徴とする炭化珪素の製造方法。 - マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、±１５°以内とすることを特徴とする請求項４記載の炭化珪素の製造方法。
- マスク層に形成する矩形の開口部のいずれかの辺と、成長用基板の成長面における立方晶の＜１１０＞方位との交差角度を、０°とすることを特徴とする請求項５記載の炭化珪素の製造方法。
- マスク層に形成する矩形の開口部の長辺が短辺の２倍以上であり、かつ、短辺の長さが０．０５μｍから１０μｍであることを特徴とする請求項４乃至６いずれかに記載の炭化珪素の製造方法。
- 前記成長用基板の面方位が立方晶の（１００）面に相当し、この面上に炭化珪素をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の炭化珪素の製造方法。
- 前記炭化珪素の成長レートが、０．０１〜３０μｍ／ｈｒであることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の炭化珪素の製造方法。
- 前記成長用基板の面方位を単結晶Ｓｉの（１００）面とし、炭化珪素の成長を阻むマスク層をＳｉＯ２層とすることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の炭化珪素の製造方法。
- エピタキシャル成長させる炭化珪素が立方晶であることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の炭化珪素の製造方法。
- 前記炭化珪素は、シラン系化合物ガスと炭化水素ガスを交互に反応炉内へ供給して気相化学堆積（ＣＶＤ）法で成長させることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の炭化珪素の製造方法。
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