JP3920103B2 - 絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法及びその製造装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法と、その製造装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶炭化シリコン（ＳｉＣ）は、熱的、化学的安定性に優れ、機械的強度も強く、放射線照射にも強いという特性から、次世代の半導体デバイス材料として注目を集めている。また、埋め込み絶縁層を有するＳＯＩ基板は、回路の高速化と低消費電力化を図る上で優れており、次世代のＬＳＩ基板として有望視されている。従って、これら２つの特徴を融合した絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板が半導体デバイス材料として有望なことはいうまでもない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単結晶炭化シリコンとＳＯＩ基板との特徴を融合した絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法は確立されていないのが現状である。
【０００４】
例えば、シリコン基板上に単結晶炭化シリコン薄膜を形成する方法としては、シリコン基板の上にプラズマ式気相反応法等を用いたものがあり、かかる手法をＳＯＩ基板に適用することで、ＳＯＩ基板上に単結晶炭化シリコン薄膜を形成することが可能であった。また、ＳＯＩ基板における表面シリコン層の膜厚は５０ｎｍを越えているのが現状である。
【０００５】
ＳＯＩ基板の上に単結晶炭化シリコン薄膜を形成する方法で製造された半導体基板は、単結晶炭化シリコン薄膜と埋め込み絶縁物との間にシリコン層が介在するという問題がある。かかる単結晶炭化シリコン薄膜と埋め込み絶縁物との間に介在するシリコン層は、後工程での加熱処理中に表面の単結晶炭化シリコン薄膜中へ拡散し、その物性を劣化させるという問題を有している。加えて、埋め込み絶縁物の上に炭化シリコンを形成しようとする所望の構造にもならない。
【０００６】
また、プラズマ式気相反応法等を用いてＳＯＩ基板上に単結晶炭化シリコン薄膜を形成する方法では、高真空中において成膜工程を行わなければならず、複雑な構成の製造装置が必要となっていた。もちろん、この複雑な構成の製造装置では、単結晶炭化シリコン薄膜の形成のコストが高くなるという問題点を内包している。
【０００７】
また、膜厚が１０ｎｍを越える表面シリコン層を有するＳＯＩ基板では、変成された単結晶炭化シリコン薄膜が局所的に核成長を起こして粒塊となることで、表面状態が荒れ、好ましくない状況となる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みて創案されたもので、ＳＯＩ基板上に単結晶炭化シリコン薄膜を安価かつ容易に形成することができる絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法と、製造装置とを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法は、所定の厚さの表面シリコン層と埋め込み絶縁物を有するＳＯＩ基板を加熱炉内に設置し、前記加熱炉内に水素ガスと炭化水素系ガスとの混合ガスを供給しつつ、加熱炉内の雰囲気温度を上昇させて、前記ＳＯＩ基板の表面シリコン層を単結晶炭化シリコン薄膜に変成させる第１の工程と、前記第１の工程を過剰に行って炭素薄膜を前記単結晶炭化シリコン薄膜の上に堆積させる第２の工程と、前記混合ガスを所定の割合で酸素ガスが混合された不活性ガスで置換し、前記ＳＯＩ基板を５５０℃以上に加熱して前記炭素薄膜をエッチングで除去する第３の工程と、前記酸素ガスが混合された不活性ガスを酸素ガスが混合されない純粋な不活性ガスで置換し、前記加熱炉内の雰囲気温度を所定の温度にまで上昇させる第４の工程と、前記所定の雰囲気温度を維持した状態で、水素ガスとシラン系ガスとを加熱炉内に供給して前記ＳＯＩ基板の表面の単結晶炭化シリコン薄膜の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜を成長させる第５の工程とを備えている。
【００１０】
また、前記所定の厚さの表面シリコン層の膜厚については、１０ｎｍ以下にすると良い。前記所定の温度については、５００〜１４０５℃にすると良い。前記一連の反応については、大気圧中で行うようにしても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係る絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法の各工程を示す概略的説明図、図２は本発明の実施の形態に係る絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法を実施するための絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造装置の概略的説明図である。なお、図１における各層の厚さ寸法は図示の都合上、具体的なものとは相違している。また、図１においては、絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法の各工程における周囲のガスを明記している。
【００１２】
本発明の実施の形態に係る絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法は、表面シリコン層１３０の膜厚が１０ｎｍ以下で埋め込み絶縁物層１２０を有するＳＯＩ基板１００を加熱炉２００内に設置し、前記加熱炉２００内に水素ガスＧ１と炭化水素系ガスＧ２との混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）を供給しつつ、加熱炉２００内の雰囲気温度を上昇させて、前記ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０を単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させる第１の工程と、前記第１の工程を過剰に行って炭素薄膜１５０を前記単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に堆積させる第２の工程と、前記混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）を所定の割合で酸素ガスＧ３が混合された不活性ガスＧ４で置換し、しかる後に前記ＳＯＩ基板１００を５５０℃以上に加熱して前記炭素薄膜１５０をエッチングで除去する第３の工程と、次に前記酸素ガスＧ３が混合された不活性ガスＧ４を酸素ガスＧ３が混合されない純粋な不活性ガスＧ４で置換し、前記加熱炉２００内の雰囲気温度を所定の温度にまで上昇させる第４の工程と、前記所定の雰囲気温度を維持した状態で、水素ガスＧ１とシラン系ガスＧ５とを加熱炉２００内に供給して前記ＳＯＩ基板１００の表面の単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜１６０を成長させる第５の工程とを有している。
【００１３】
前記ＳＯＩ基板１００は、図１（Ａ）に示すように、シリコン層１１０の中に埋め込み絶縁物としての埋め込み絶縁物層１２０が形成され、この埋め込み絶縁物層１２０の上に膜厚が１０ｎｍ以下の表面シリコン層１３０を形成したものである。なお、このＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０は、例えば面方位（１１１）である。
【００１４】
なお、ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０は、例えば所望の厚さを残して表面シリコン層１３０を酸化させ、フッ化水素酸等でエッチングする等の周知の方法によって、その膜厚は制御される。
【００１５】
また、前記加熱炉２００としては、電気炉を用いることができる。この加熱炉２００は、図２に示すように、一端がＳＯＩ基板等を出し入れするための出し入れ口となり、他端が排気手段２１０と連結されたものであって、炉壁２２０の周囲には電気ヒータ等の加熱手段２３０が設置されている。また、この加熱炉２００には、内部に各種のガスを供給するためのガス供給手段３００が接続されている。そして、この加熱炉２００の内部の圧力は、大気圧と同等になっている。
【００１６】
前記ガス供給手段３００は、水素ガスＧ１を供給する水素ガス供給部３１０と、炭化水素系ガスＧ２を供給する炭化水素系ガス供給部３２０と、酸素ガスＧ３を供給する酸素ガス供給部３３０と、不活性ガスＧ４（純粋な不活性ガスを含む）としてのアルゴンガスを供給する不活性ガス供給部３４０と、シラン系ガスＧ５を供給するシラン系ガス供給部３５０と、これらのガス供給部３１０〜３５０が接続された切換弁３６０とを有している。かかるガス供給手段３００は、供給管３７０を介して前記加熱炉２００に接続されている。
【００１７】
〈第１の工程〉（図１（Ｂ）参照）
当該第１の工程では、前記ＳＯＩ基板１００を加熱炉２００内に設置して、加熱炉２００内に炭化水素系ガスＧ２を水素ガスＧ１に対して１体積％の割合の混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）を供給する。また、この混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）の供給と同じくして、加熱炉２００内の雰囲気温度を１２００乃至１４０５℃に加熱する。この加熱によって、ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０を単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させる。すなわち、この第１の工程は、ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０を単結晶炭化シリコン薄膜１４０に変成させる工程である。
【００１８】
前記単結晶炭化シリコン薄膜１４０は、表面シリコン層１３０を変成させたものであるため、その膜厚は表面シリコン層１３０の膜厚と等しくなる。すなわち、単結晶炭化シリコン薄膜１４０の膜厚は、ＳＯＩ基板１００の表面シリコン層１３０の膜厚を任意に制御することができることになる。
【００１９】
なお、前記水素ガスＧ１はキャリアガスであり、炭化水素系ガスＧ２としてはプロパンガスを使用する。例えば、水素ガスＧ１の水素ガス供給部３１０からの供給量が１０００ｃｃ／分であったならば、炭化水素系ガスＧ２の炭化水素系ガス供給部３２０からの供給量を１０ｃｃ／分とする。
【００２０】
〈第２の工程〉（図１（Ｃ）参照）
当該第２の工程は、前記第１の工程を過剰に行って炭素薄膜１５０を前記単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に堆積させる工程である。前記炭素薄膜１５０は、前記第１の工程を例えば数分〜数時間継続させることによって堆積される。
【００２１】
〈第３の工程〉（図１（Ｄ）参照）
当該第３の工程は、前記炭化水素系ガス供給部３２０から供給される炭化水素系ガスＧ２と水素ガス供給部３１０から供給される水素ガスＧ１との混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）を所定の割合で酸素ガスＧ３が混合された不活性ガスＧ４で置換し、前記ＳＯＩ基板１００を５５０℃以上、例えば約６５０℃に加熱して前記炭素薄膜１５０をエッチングで除去する。前記不活性ガスＧ４としては、例えばアルゴンガスが用いられる。また、この不活性ガスＧ４に混合される酸素ガスＧ３は、例えば不活性ガスＧ４の不活性ガス供給部３４０からの供給量が１０００ｃｃ／分である場合、酸素ガスＧ３の酸素ガス供給部３３０からの供給量を１００ｃｃ／分とする。
【００２２】
この酸素ガスＧ３が混合された不活性ガスＧ４の供給とともに、加熱手段２３０によってＳＩＯ基板１００を約６５０℃に加熱する。この状態を数分〜数時間継続させる。
【００２３】
ＳＯＩ基板１００の表面に形成されている炭素薄膜１５０は、Ｃ＋Ｏ2 →ＣＯ2 という化学変化を起こして二酸化炭素ガスに変化する。これによって、炭素薄膜１５０はエッチングされて除去されるのである。なお、この二酸化炭素ガスは、排気手段２１０によって加熱炉２００の外部に排気される。
【００２４】
〈第４の工程〉（図１（Ｅ）参照）
当該第４の工程は、前記酸素ガスが混合された不活性ガスＧ４を酸素ガスが混合されな純粋な不活性ガスＧ４で置換し、前記加熱炉２００内の雰囲気温度を所定の温度にまで上昇させる工程である。なお、前記純粋な不活性ガスＧ４には、純粋なアルゴンガスが使用される。この第４の工程において加熱炉２００内を純粋な不活性ガスＧ４に置換するのは、後の第５の工程で使用するシラン系ガスＧ５は、メチルシランガスが酸素ガスと爆発的に反応するため、その危険性を回避することが目的である。
【００２５】
前記加熱炉２００内の雰囲気温度としては、５００〜１４０５℃が適当である。
【００２６】
なお、前記純粋な不活性ガスＧ４は、前記第３の工程において加熱炉２００に供給されていた酸素ガスＧ３の供給を停止し、不活性ガスＧ４の供給を継続することによって、加熱炉２００に供給されるものである。
【００２７】
〈第５の工程〉（図１（Ｆ）参照）
当該第５の工程は、前記所定の雰囲気温度（５００〜１４０５℃）を維持した状態で、水素ガス供給部３１０から水素ガスＧ１を、シラン系ガス供給部３５０からシラン系ガスＧ５をそれぞれ加熱炉２００内に供給して前記ＳＯＩ基板１００の表面の単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜１６０を成長させる工程である。
【００２８】
前記シラン系ガスＧ５としては、例えばメチルシランガスが用いられる。このメチルシランガスが分解されることによって生成されるシリコンと単結晶炭化シリコン薄膜１４０中の炭素とが反応することで、単結晶炭化シリコン薄膜１４０の上にさらなる単結晶炭化シリコン薄膜１６０が形成されるのである。
【００２９】
なお、前記シラン系ガスＧ５としては、メチルシランガスの他に、モノシランガス、ジシランガス、ジメチルシランガス、ジクロロシランガス等を使用することができる。
【００３０】
このようにして、単結晶炭化シリコン薄膜１４０，１６０を有する絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板を製造することができる。
【００３１】
なお、上述した実施の形態では、水素ガスＧ１は水素ガス供給部３１０から、炭化水素系ガスＧ２は炭化水素系ガス供給部３２０から、酸素ガスＧ３は酸素ガス供給部３３０から、不活性ガスＧ４（純粋な不活性ガスを含む）は不活性ガス供給部３４０から、シラン系ガスＧ５はシラン系ガス供給部３５０からそれぞれ別個に供給されているとしたが、第１の工程に必要な混合ガス（Ｇ１＋Ｇ２）は水素ガスＧ１と炭化水素系ガスＧ２とを予め所定の割合で混合したものであってもよいし、第３の工程に必要な混合ガスは不活性ガスＧ４と酸素ガスＧ３とを予め所定の割合で混合したものであってもよいし、第５の工程に必要な水素ガスとシラン系ガスとは予め所定の割合で混合したものであっもよい。
【００３２】
ただし、各種のガスを予め所定の割合が混合したものを供給するタイプのものより、各種のガスを別個に供給するタイプの方が、各種のガスの混合比を容易に変更することができるので、各種の化学反応に対応することができるのであるという点で柔軟性に富んでいるといえよう。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係る絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法は、所定の厚さの表面シリコン層と埋め込み絶縁物を有するＳＯＩ基板を加熱炉内に設置し、前記加熱炉内に水素ガスと炭化水素系ガスとの混合ガスを供給しつつ、加熱炉内の雰囲気温度を上昇させて、前記ＳＯＩ基板の表面シリコン層を単結晶炭化シリコン薄膜に変成させる第１の工程と、前記第１の工程を過剰に行って炭素薄膜を前記単結晶炭化シリコン薄膜の上に堆積させる第２の工程と、前記混合ガスを所定の割合で酸素ガスが混合された不活性ガスで置換し、前記ＳＯＩ基板を５５０℃以上に加熱して前記炭素薄膜をエッチングで除去する第３の工程と、前記酸素ガスが混合された不活性ガスを酸素ガスが混合されない純粋な不活性ガスで置換し、前記加熱炉内の雰囲気温度を所定の温度にまで上昇させる第４の工程と、前記所定の雰囲気温度を維持した状態で、水素ガスとシラン系ガスとを加熱炉内に供給して前記ＳＯＩ基板の表面の単結晶炭化シリコン薄膜の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜を成長させる第５の工程とを備えている。
【００３４】
このため、かかる製造方法であると、従来のプラズマ式気相反応法等で問題になっていた単結晶炭化シリコン薄膜と埋め込み酸化物層との間にシリコン層を介在させることなく、埋め込み酸化物層の真上に単結晶炭化シリコン薄膜を形成することができる。このため、この製造方法で製造された絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板は、従来の問題点であった単結晶炭化シリコン薄膜とその下部のシリコン層との界面における各種の欠陥発生や界面荒れを解消したものとなる。また、この製造方法であると、電気炉等の簡単な加熱炉のみでよく、従来のように高真空を維持する必要がないため、製造装置や製造工程の簡略化やその結果としての製造コストの低減に寄与することができる。
【００３５】
また、表面シリコン層の膜厚が１０ｎｍ以下であると、１０ｎｍ以上のもののように単結晶炭化シリコンが局所的に核成長を起こして粒塊になることによる表面状態の荒れがなくなり、良好な表面状態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法の各工程を示す概略的説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法を実施するための絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造装置の概略的説明図である。
【符号の説明】
１００ ＳＯＩ基板
１１０ シリコン層
１２０ 埋め込み絶縁物層
１３０ 表面シリコン層
１４０ 単結晶炭化シリコン薄膜
１５０ 炭素薄膜
１６０ 単結晶炭化シリコン薄膜

Claims (4)

  1. 所定の厚さの表面シリコン層と埋め込み絶縁物を有するＳＯＩ基板を加熱炉内に設置し、前記加熱炉内に水素ガスと炭化水素系ガスとの混合ガスを供給しつつ、加熱炉内の雰囲気温度を上昇させて、前記ＳＯＩ基板の表面シリコン層を単結晶炭化シリコン薄膜に変成させる第１の工程と、前記第１の工程を過剰に行って炭素薄膜を前記単結晶炭化シリコン薄膜の上に堆積させる第２の工程と、前記混合ガスを所定の割合で酸素ガスが混合された不活性ガスで置換し、前記ＳＯＩ基板を５５０℃以上に加熱して前記炭素薄膜をエッチングで除去する第３の工程と、前記酸素ガスが混合された不活性ガスを酸素ガスが混合されない純粋な不活性ガスで置換し、前記加熱炉内の雰囲気温度を所定の温度にまで上昇させる第４の工程と、前記所定の雰囲気温度を維持した状態で、水素ガスとシラン系ガスとを加熱炉内に供給して前記ＳＯＩ基板の表面の単結晶炭化シリコン薄膜の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜を成長させる第５の工程とを具備したことを特徴とする絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法。
  2. 前記所定の厚さの表面シリコン層の膜厚は、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法。
  3. 前記所定の温度は、５００〜１４０５℃であることを特徴とする請求項１記載の絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法。
  4. 前記一連の反応は、大気圧中で行われることを特徴とする請求項１、２又は３記載の絶縁層埋め込み型半導体炭化シリコン基板の製造方法。
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