JP4734557B2 - ３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法及び同方法で作製したＳｉＣエピタキシャル薄膜 - Google Patents
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Description
本発明は、３Ｃ−ＳｉＣ薄膜の結晶格子欠陥の生成を抑制したエピタキシャル薄膜の作製方法とそれにより得られるＳｉＣ薄膜に関するものであり、更に詳しくは、炭化珪素（ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つである、ダブル
ポジショニング バウンダリー（ＤＰＢ）の生成を抑制したＳｉＣエピタキシャル薄膜を、Ｓｉ基板の上に作製することを可能とする、ＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法及びその製品に関するものである。
ポジショニング バウンダリー（ＤＰＢ）の生成を抑制したＳｉＣエピタキシャル薄膜を、Ｓｉ基板の上に作製することを可能とする、ＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法及びその製品に関するものである。
本発明は、従来のシリコン半導体と比べて、広いバンドギャップを持つ等の様々な優れた性質を有し、高温や放射線等の極限環境下でも作動させることが可能な、次世代半導体素子としてその実用化が世界的に注目されている炭化珪素（ＳｉＣ）系の半導体素子及び基板の技術分野において、ＳｉＣを素子や基板として実用化するためには、結晶格子欠陥のない高品質なエピタキシャル薄膜を作製する技術が重要であり、従来、数多くの研究が行われてきたが、従来の技術では、格子欠陥の一つであるＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製することは困難であり、特に、ＳｉＣ基板上ではその発生を抑制することができていないことを踏まえ、Ｓｉ基板上にＤＰＢのない良質な３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製することを可能とする、新規ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製技術を提供し、その実用化を可能とするものとして有用である。
ＳｉＣは、従来のシリコン半導体と比べて、広いバンドギャップを持つ等の様々な優れた性質を有し、高温や放射線等の極限環境下でも動作させることが可能な次世代半導体素子の素材である。また、このＳｉＣは、青色発光素子用の半導体材料として最近注目を集めている窒化ガリウム（ＧａＮ）と、格子定数・熱膨張率の差が小さいことから、ＧａＮエピタキシャル薄膜を作製するための基板としても脚光を浴びている。また、ＳｉＣの多形の中で、３Ｃ−ＳｉＣは、移動度が高く異方性も少ない等の利点を持ち、Ｓｉ基板上に容易に成膜することができるが、これを素子や基板として利用するためには、ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つであるＤＰＢ（非特許文献１）のない高品質なエピタキシャル薄膜を作製する技術が重要である。
３Ｃ−ＳｉＣ薄膜は、Ｓｉ基板上に、例えば、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、スパッタ法等を用いて作られる。薄膜を作る際には、まず、様々な方法で基板表面のクリーニングが行われる。例えば、Ｓｉ基板の場合、はじめに、有機溶媒や沸騰した硫酸等で表面の有機物を除去する。次に、アンモニア＋過酸化水素水＋超純水や、塩酸＋過酸化水素水＋超純水、フッ酸等の薬液を用いて、酸化、エッチングを数回繰り返して金属や炭化水素等の不純物を取り除く。最後に、塩酸＋過酸化水素水＋超純水で表面に酸化膜を形成する。これを超高真空の容器内で加熱し、酸化膜を蒸発させて清浄な基板表面を得る（非特許文献２）。しかし、この方法で処理した基板を３Ｃ−ＳｉＣの成膜温度である１１００℃付近まで昇温させると、表面に３Ｃ−ＳｉＣの析出物が現れる。この析出物は、ＤＰＢを含んでおり、その上に作製したＳｉＣ薄膜も同様にＤＰＢを含んだものになってしまう。
そこで、Ｓｉ基板上に良質な３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製するために、これまでに数多くの研究が行われてきた。Ｓｉと３Ｃ−ＳｉＣとの間には大きな格子定数の差がある。この格子不整合を緩和させるために、通常、Ｓｉ基板表面をメタンなどの炭化水素で炭化してＳｉＣ層を形成してから３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を成長させる方法がとられる（非特許文献３）。しかし、この方法により膜の結晶性は大きく向上するが、いまだ、ＤＰＢの生成を押さえることはできていない（非特許文献４）。
また、Ｓｉ以外の基板を用いて、ＤＰＢの生成を押さえる研究も行われている。１５Ｒ−ＳｉＣの単結晶を使えばＤＰＢを減らすことができる（非特許文献５）。しかし、大面積の１５Ｒ−ＳｉＣ単結晶基板を得ることは非常に困難である。また、６Ｈ−ＳｉＣ基板では、１ｍｍ×１ｍｍの小さなメサ構造の上にＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣ膜を作製できたとの報告がなされている（非特許文献６）。しかし、いずれの方法でも、作製が困難で、しかも高価なＳｉＣ単結晶の上に、小さな領域でしか、ＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣ膜を作ることはできていない。このように、従来の技術ではＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製することは困難であり、特に、Ｓｉ基板上ではその生成を押さえることはできていない。
H. S. Kong, B. L. Jiang, J.T. Glass, G. A. Rozgonyi, and K. L. More: J. Appl. Phys. 63 (1988) 2645.
R. C. Henderson: J.Electrochem. Soc. 119 (1972) 772.
S. Nishino, Y. Hazuki, H.Matsunami, and T. Tanaka: J. Electrochem. Soc. 127 (1980) 2674.
M. J. Hernandez, G. Ferro, T.Chassagne, J. Dazord, and Y. Monteil: J. Crystal Growth 253 (2003) 95.
F. R. Chien, S. R. Nutt, W.S. Too, T. Kimoto, and H. Matsunami: J. Mater. Res. 9 (1994) 940.
J. A. Powell, D. J. Larkin, J.B. Petit, and J. H. Edgar: Amorphous and Crystalline Silicon Carbide IV (Springer-Verlag,New York, 1992) Spring Proceeding in Physics, Vol. 71, p. 23.
このような状況の中で、本発明者らは、前記従来技術に鑑みて、ＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜を安価なＳｉ基板上に作る方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、クリーニングを行った基板の表面を、大気に触れさせないように酸化膜で覆って保護し、その後、真空中で加熱を行い、酸化膜を蒸発させて得られる清浄な基板上に成膜することで、ＤＰＢの生成が、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）及びＸ線回折（ＸＲＤ）の測定限界以下である、３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製することに成功し、本発明を完成するに至った。
本発明は、Ｓｉ基板上にＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製する方法、及び該方法により得られるＤＰＢの生成が反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）及びＸ線回折（ＸＲＤ）の測定限界以下である３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、ワイドバンドギャップ半導体エレクトロニクスの基盤となる、結晶性ＳｉＣ薄膜基板及びＳｉＣエピタキシャル薄膜積層構造を作製可能とする方法及びその製品を提供することを目的とするものである。
本発明は、Ｓｉ基板上にＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製する方法、及び該方法により得られるＤＰＢの生成が反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）及びＸ線回折（ＸＲＤ）の測定限界以下である３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、ワイドバンドギャップ半導体エレクトロニクスの基盤となる、結晶性ＳｉＣ薄膜基板及びＳｉＣエピタキシャル薄膜積層構造を作製可能とする方法及びその製品を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）炭化珪素（ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つである、ダブル ポジショニング バウンダリー（ＤＰＢ）の生成を抑制して、結晶内部にもＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製する方法であって、Ｓｉ単結晶基板又は結晶性Ｓｉ膜基板の上にＳｉＣ薄膜を作製する過程で、基板の表面をクリーニングした後にその表面を大気に曝さないように酸化させて保護して酸化膜で被い、その後、真空中で基板加熱を行い、被った酸化膜を蒸発させて得られる表面析出物のない清浄な基板表面に、成膜を行うことでＤＰＢの生成を抑制することを特徴とする、ＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法。
（２）ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜が、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣであることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（３）Ｓｉ基板の表面が（１１１）面であることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（４）基板加熱時の基板温度が、１１００℃から１４００℃の範囲、真空度が１０−４Ｐａ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（５）前記（１）から（４）のいずれかに記載の方法で製造してなる、炭化珪素（ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つである、ＤＰＢの生成を抑制した、結晶内部にもＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜であって、
表面析出物のない清浄なＳｉ基板表面に作製された、エピタキシャル成長させた立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣ薄膜であり、Ｓｉ単結晶の（１１１）面上に作製されたＳｉ基板／３Ｃ−ＳｉＣ薄膜構造を有し、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ薄膜が同じ方位関係を持ってエピタキシャル成長していて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定で、３Ｃ−ＳｉＣ膜の（２２０）のピークが１２０°周期で現れ、これ以外の方位関係を持つ３Ｃ−ＳｉＣのダブル ポジショニング グレイン（ＤＰＧ）がないこと、を特徴とする３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜。
（６）前記（５）に記載のＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣへテロエピタキシャル薄膜からなることを特徴とする半導体デバイス。
（７）前記（５）に記載のＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜からなる基板用部材。
（８）Ｓｉ単結晶基板又は結晶性Ｓｉ膜基板の上に炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜を作製する過程で、基板の表面をクリーニングした後にその表面を大気に曝さないように酸化させて保護して酸化膜で被い、その後、真空中で基板加熱を行い、被った酸化膜を蒸発させて得られる表面析出物のない清浄な基板表面に、成膜を行うことでＤＰＢの生成を抑制することを特徴とするＳｉＣエピタキシャル薄膜におけるＤＰＢ抑制方法。
（９）ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜が、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣであることを特徴とする前記（８）に記載のＤＰＢ抑制方法。
（１０）Ｓｉ基板の表面が（１１１）面であることを特徴とする前記（８）に記載のＤＰＢ抑制方法。
（１）炭化珪素（ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つである、ダブル ポジショニング バウンダリー（ＤＰＢ）の生成を抑制して、結晶内部にもＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製する方法であって、Ｓｉ単結晶基板又は結晶性Ｓｉ膜基板の上にＳｉＣ薄膜を作製する過程で、基板の表面をクリーニングした後にその表面を大気に曝さないように酸化させて保護して酸化膜で被い、その後、真空中で基板加熱を行い、被った酸化膜を蒸発させて得られる表面析出物のない清浄な基板表面に、成膜を行うことでＤＰＢの生成を抑制することを特徴とする、ＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法。
（２）ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜が、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣであることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（３）Ｓｉ基板の表面が（１１１）面であることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（４）基板加熱時の基板温度が、１１００℃から１４００℃の範囲、真空度が１０−４Ｐａ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（５）前記（１）から（４）のいずれかに記載の方法で製造してなる、炭化珪素（ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つである、ＤＰＢの生成を抑制した、結晶内部にもＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜であって、
表面析出物のない清浄なＳｉ基板表面に作製された、エピタキシャル成長させた立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣ薄膜であり、Ｓｉ単結晶の（１１１）面上に作製されたＳｉ基板／３Ｃ−ＳｉＣ薄膜構造を有し、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ薄膜が同じ方位関係を持ってエピタキシャル成長していて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定で、３Ｃ−ＳｉＣ膜の（２２０）のピークが１２０°周期で現れ、これ以外の方位関係を持つ３Ｃ−ＳｉＣのダブル ポジショニング グレイン（ＤＰＧ）がないこと、を特徴とする３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜。
（６）前記（５）に記載のＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣへテロエピタキシャル薄膜からなることを特徴とする半導体デバイス。
（７）前記（５）に記載のＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜からなる基板用部材。
（８）Ｓｉ単結晶基板又は結晶性Ｓｉ膜基板の上に炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜を作製する過程で、基板の表面をクリーニングした後にその表面を大気に曝さないように酸化させて保護して酸化膜で被い、その後、真空中で基板加熱を行い、被った酸化膜を蒸発させて得られる表面析出物のない清浄な基板表面に、成膜を行うことでＤＰＢの生成を抑制することを特徴とするＳｉＣエピタキシャル薄膜におけるＤＰＢ抑制方法。
（９）ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜が、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣであることを特徴とする前記（８）に記載のＤＰＢ抑制方法。
（１０）Ｓｉ基板の表面が（１１１）面であることを特徴とする前記（８）に記載のＤＰＢ抑制方法。
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、Ｓｉ基板をクリーニングする際に、ＳｉＣ析出物の生成の原因となる大気中の炭化水素等が表面に付着するのを避けるため、その最終工程で基板表面を酸化膜で被い、その後、真空容器中で高温度まで加熱して表面酸化物を蒸発させて清浄な表面を作り、その上にＳｉＣ薄膜を堆積させることにより、Ｓｉ基板上に高品質な３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製することを特徴とするものである。
本発明は、Ｓｉ基板をクリーニングする際に、ＳｉＣ析出物の生成の原因となる大気中の炭化水素等が表面に付着するのを避けるため、その最終工程で基板表面を酸化膜で被い、その後、真空容器中で高温度まで加熱して表面酸化物を蒸発させて清浄な表面を作り、その上にＳｉＣ薄膜を堆積させることにより、Ｓｉ基板上に高品質な３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製することを特徴とするものである。
ＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製するには、薄膜を作製する前に基板表面のクリーニングを行う必要がある。Ｓｉ基板に対しては、通常、脱脂後、ウエットエッチング等により、表面不純物の除去が行われる。基板表面に付着した有機物の除去は、有機溶媒、例えば、アセトン等による表面洗浄処理が通常採用される。表面エッチングの方法は、特に限定されないが、好適には、例えば、フッ酸、フッ化アンモニウム、リン酸等を含むエッチング液を用いて表面の酸化物等を除去する方法が採用される。表面の不純物を完全に除去するには、表面洗浄及びエッチング処理を数回繰り返すことが好ましい。フッ酸等でエッチングしたＳｉ基板の表面は活性化されており、大気中に存在する炭化水素等の不純物を容易に吸着する。この炭化水素類等を吸着した基板表面を、８００〜１１００℃の温度に加熱すると、吸着された炭化水素類等と、基板のＳｉが反応して、ＤＰＢを含んだＳｉＣの析出が生じる。
そこで、クリーニングを行った後の基板表面が、ＳｉＣ析出物の原因となる、炭化水素等で汚染されないように、その表面を大気に触れさせずに酸化させて保護する。Ｓｉ基板の表面を酸化膜で被うには、例えば、クリーニングした後、酸化剤、例えば、塩酸＋過酸化水素水、硝酸、オゾン水により酸化処理することで実行できる。基板表面の酸化膜は、例えば、約１ｎｍの厚さである。表面酸化を行った後の酸化膜の表面に吸着された炭化水素類等は、真空中で基板の加熱を行うと、酸化物と共に蒸発してしまうので、基板のＳｉ原子と反応してＳｉＣ析出物を作ることはない。本発明では、残留ガス中の炭化水素と反応してＳｉ基板表面にＳｉ析出物が生成するのを防ぐために、１０-4Ｐａ以下、例えば、１０-5Ｐａの真空下で基板加熱を行うことが好ましい。また、Ｓｉ基板を高真空中で１１００℃以上に加熱すると、表面原子は再配列を起こし、原子レベルで平坦な表面が得られる。この上に３Ｃ−ＳｉＣの成膜を行い、ＤＰＢのないエピタキシャル薄膜を得ることができる。１０００℃以上にＳｉ基板を加熱処理するのが好ましい。
本発明では、ウエットエッチングによる基板表面クリーニングを行うが、保護酸化膜をつける前の表面クリーニング方法は、ウエットエッチングである必要はない。ドライエッチング等であっても何ら差し支えはない。また、本発明では、パルスレーザ蒸着法で３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製するが、他の成膜法、例えば、ＣＶＤ法やＭＢＥ法、スパッタ法等を用いることができる。
本発明により、（１）ＤＰＢの生成が反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）及びＸ線回折（ＸＲＤ）の測定限界以下である３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を作製することができる、（２）ＳｉＣには、様々な種類の結晶格子欠陥が入りやすく、デバイス化のためにはこれらの欠陥が大きな問題となっているが、本発明では、Ｓｉ（１１１）基板上に、格子欠陥がない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製することができる、（３）ＳｉＣの多形の中でも移動度が高く、また結晶異方性が少ない等の利点を持ち、次世代半導体の素子材料として有望視されている３Ｃ−ＳｉＣの高品質なエピタキシャル薄膜を作製し、提供できる、（４）ワイドバンドギャップ半導体エレクトロニクスの基盤となる、結晶性ＳｉＣ薄膜基板及びＳｉＣエピタキシャル薄膜積層構造を作製することができる、（５）本発明のＳｉＣ薄膜は、青色発光素子として注目を集めているＧａＮのエピタキシャル薄膜を作製するための基板材料として有用である、（６）ＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣ薄膜の作製を可能とするものであり、次世代半導体素子を作製するための基盤技術として、半導体産業の発展に大きく寄与できる、という効果が奏される。
次に、本発明の、ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法について、実施例により具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により何ら限定されるものではない。
本実施例では、ＤＰＢがほとんどない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜をＳｉ基板上に作製する方法、及び該方法を用いて得られるＳｉＣエピタキシャル薄膜の一実施形態を、図面により詳細に説明する。
（１）Ｓｉ基板のクリーニング
基板クリーニングは、基本的には、次の３つのプロセスからなる。
プロセス１：Ｓｉ基板をアセトンで２回超音波洗浄し、表面に付着した有機物等による汚れを取り除く。
プロセス２：ビーカーに、アンモニア（２８％）：水を、１：４の割合で混合した溶液を入れ、８０℃に加熱する。アンモニアと同量の過酸化水素水（３０％）を加え、その後、ビーカーの中に基板を入れて１０分間ビーカーを揺すりながら洗浄する。基板を流水で洗浄した後、フッ酸（４．８％）に２分間浸して酸化膜の除去を行う。フッ酸から基板を取り出し、更に、流水で１０分間洗浄する。
プロセス３：塩酸（３５％）：水を、１：４の割合で混合した溶液を８０℃に加熱し、塩酸と同量の過酸化水素水（３０％）を加える。その溶液の中に基板を入れ、１０分間表面酸化を行う。その後、基板を取り出し、流水で洗浄し、フッ酸（４．８％）に２分間浸して酸化膜の除去を行ってから、更に、流水で１０分間洗浄する。
ここで、水は、比抵抗１８．２ＭΩ・ｃｍの超純水を、また、アセトン、アンモニア、塩酸、フッ酸は、ＥＬグレードのものを使用した。
基板クリーニングは、基本的には、次の３つのプロセスからなる。
プロセス１：Ｓｉ基板をアセトンで２回超音波洗浄し、表面に付着した有機物等による汚れを取り除く。
プロセス２：ビーカーに、アンモニア（２８％）：水を、１：４の割合で混合した溶液を入れ、８０℃に加熱する。アンモニアと同量の過酸化水素水（３０％）を加え、その後、ビーカーの中に基板を入れて１０分間ビーカーを揺すりながら洗浄する。基板を流水で洗浄した後、フッ酸（４．８％）に２分間浸して酸化膜の除去を行う。フッ酸から基板を取り出し、更に、流水で１０分間洗浄する。
プロセス３：塩酸（３５％）：水を、１：４の割合で混合した溶液を８０℃に加熱し、塩酸と同量の過酸化水素水（３０％）を加える。その溶液の中に基板を入れ、１０分間表面酸化を行う。その後、基板を取り出し、流水で洗浄し、フッ酸（４．８％）に２分間浸して酸化膜の除去を行ってから、更に、流水で１０分間洗浄する。
ここで、水は、比抵抗１８．２ＭΩ・ｃｍの超純水を、また、アセトン、アンモニア、塩酸、フッ酸は、ＥＬグレードのものを使用した。
基板のクリーニングには、プロセス１を１回、続いてプロセス２を１回行い、最後にプロセス３を２回行った。プロセス３が終わり、フッ酸で表面酸化膜を除去した後、基板が大気に触れない様に溶液中に漬けたままビーカー内の溶液を超純水で数回置換し、更に、流水で１０分間洗浄した。次に、ビーカー内の超純水４に対して１の割合の塩酸（３５％）を加え、８０℃に加熱し、加えた塩酸と同量の過酸化水素水（３０％）を入れ、１０分間、基板表面の酸化処理を行った。最後に１０分間の流水で洗浄した。Ｓｉの表面は、酸化膜で保護されているので、ビーカーから基板を取り出し、乾燥窒素ガスで水分を吹き飛ばしてから、成膜装置内の基板ホルダーにセットした。Ｓｉ表面に形成された酸化膜は、約１ｎｍの厚みであった。
（２）クリーニング後の基板表面の状態
本発明による処理を行った基板（ｃ）の他に、比較のため、表面をフッ酸でエッチングして表面の自然酸化物を取り除いただけの基板（ａ）、表面クリーニングを行った後、いったん基板表面を大気に曝してから酸化膜で覆った基板（ｂ）を用意し、それぞれ、真空中で１１００℃に加熱した後の表面のＲＨＥＥＤ回折パターンを図１に示す。基板表面をフッ酸でエッチングしただけでは炭化水素等の表面不純物を除去しきれず、その結果、表面は完全にＳｉＣの析出物で被われてしまうことが分かる（図１（ａ））。表面クリーニングを行った基板からはＳｉの回折パターンが観察された。しかし、同時にＳｉＣの回折スポットも見られることから、依然ＳｉＣが表面に析出していることが分かる（図１（ｂ））。また、回折パターンから、（ａ）、（ｂ）いずれのＳｉＣもＤＰＢを含んでいることが分かる。他方、本発明による処理を行い、加熱処理した基板の表面のＲＨＥＥＤパターンからはＳｉＣによる回折スポットは見られない。更に、Ｓｉ基板の表面が平坦であることを示す７×７構造が現れているのが分かる（図１（ｃ））。これらのことから、本発明による処理をした基板を使えば、表面析出物のない非常に平坦な基板表面が得られることが分かる。
本発明による処理を行った基板（ｃ）の他に、比較のため、表面をフッ酸でエッチングして表面の自然酸化物を取り除いただけの基板（ａ）、表面クリーニングを行った後、いったん基板表面を大気に曝してから酸化膜で覆った基板（ｂ）を用意し、それぞれ、真空中で１１００℃に加熱した後の表面のＲＨＥＥＤ回折パターンを図１に示す。基板表面をフッ酸でエッチングしただけでは炭化水素等の表面不純物を除去しきれず、その結果、表面は完全にＳｉＣの析出物で被われてしまうことが分かる（図１（ａ））。表面クリーニングを行った基板からはＳｉの回折パターンが観察された。しかし、同時にＳｉＣの回折スポットも見られることから、依然ＳｉＣが表面に析出していることが分かる（図１（ｂ））。また、回折パターンから、（ａ）、（ｂ）いずれのＳｉＣもＤＰＢを含んでいることが分かる。他方、本発明による処理を行い、加熱処理した基板の表面のＲＨＥＥＤパターンからはＳｉＣによる回折スポットは見られない。更に、Ｓｉ基板の表面が平坦であることを示す７×７構造が現れているのが分かる（図１（ｃ））。これらのことから、本発明による処理をした基板を使えば、表面析出物のない非常に平坦な基板表面が得られることが分かる。
（３）ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製
本発明の一実施態様として、本発明の上記処理を行った基板上にレーザ蒸着法で３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製した。パルスレーザ光にはＮｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波（紫外線：波長２６６ｎｍ）を用い、６Ｈ−ＳｉＣのターゲットを、エネルギー密度１．０Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅに集光したレーザ光で蒸発させ、Ｓｉ基板上に堆積させた。基板温度は１１００℃、１０-5Ｐａ、レーザ周波数２Ｈｚで３０分間蒸着した。
本発明の一実施態様として、本発明の上記処理を行った基板上にレーザ蒸着法で３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製した。パルスレーザ光にはＮｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波（紫外線：波長２６６ｎｍ）を用い、６Ｈ−ＳｉＣのターゲットを、エネルギー密度１．０Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅに集光したレーザ光で蒸発させ、Ｓｉ基板上に堆積させた。基板温度は１１００℃、１０-5Ｐａ、レーザ周波数２Ｈｚで３０分間蒸着した。
（４）結果
作製した３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜のＲＨＥＥＤ回折パターンを図２に示す。ＤＰＢによる回折スポットが見られないことから、膜表面にはダブル ポジショニング グレイン（ＤＰＧ）がないことが分かる。次に、この試料のＸＲＤ測定を行った。図３に、Ｓｉ基板及び３Ｃ−ＳｉＣ膜の（２２０）極の極点図形を示す。Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ薄膜が同じ方位関係を持ってエピタキシャル成長していることが分かる。また、３Ｃ−ＳｉＣ膜の（２２０）のピークが１２０°周期で現れることから、結晶内部にもＤＰＧの存在は確認されなかった。
以上の結果から、本発明による方法を用いることにより、ＤＰＢの生成がＲＨＥＥＤ及びＸＲＤの測定限界以下である３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を作製できることが分かった。
作製した３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜のＲＨＥＥＤ回折パターンを図２に示す。ＤＰＢによる回折スポットが見られないことから、膜表面にはダブル ポジショニング グレイン（ＤＰＧ）がないことが分かる。次に、この試料のＸＲＤ測定を行った。図３に、Ｓｉ基板及び３Ｃ−ＳｉＣ膜の（２２０）極の極点図形を示す。Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ薄膜が同じ方位関係を持ってエピタキシャル成長していることが分かる。また、３Ｃ−ＳｉＣ膜の（２２０）のピークが１２０°周期で現れることから、結晶内部にもＤＰＧの存在は確認されなかった。
以上の結果から、本発明による方法を用いることにより、ＤＰＢの生成がＲＨＥＥＤ及びＸＲＤの測定限界以下である３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜を作製できることが分かった。
以上詳述したように、本発明は、３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法及び同方法で作製したＳｉＣエピタキシャル膜に係るものであり、本発明により、ＤＰＢの生成が反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）及びＸ線回折（ＸＲＤ）の測定限界以下である３Ｃ−ＳｉＣ薄膜を作製することができる。また、本発明により、ワイドバンドギャップ半導体エレクトロニクスの基盤となる、結晶性ＳｉＣ薄膜基板及びＳｉＣエピタキシャル薄膜積層構造を作製することができる。高温や放射線等の環境下での作動が可能な利点を有し、次世代半導体の素子材料として有望視されている３Ｃ−ＳｉＣの高品質なエピタキシャル薄膜を製造し、提供できる。また、本発明のＳｉＣ薄膜は、青色発光素子として注目を集めているＧａＮのエピタキシャル薄膜を作製するための基板材料として有用である。また、ＳｉＣには様々な種類の結晶格子欠陥が入りやすく、デバイス化のためにはこれらの欠陥が大きな問題となっているが、本発明は、ＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣ薄膜の作製を可能とするものであり、次世代半導体素子を作製するための基盤技術として、半導体産業の分野における新技術・新産業の創出を可能とするものである。
Claims (10)
- 炭化珪素（ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つである、ダブル ポジショニング バウンダリー（ＤＰＢ）の生成を抑制して、結晶内部にもＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜を作製する方法であって、Ｓｉ単結晶基板又は結晶性Ｓｉ膜基板の上にＳｉＣ薄膜を作製する過程で、基板の表面をクリーニングした後にその表面を大気に曝さないように酸化させて保護して酸化膜で被い、その後、真空中で基板加熱を行い、被った酸化膜を蒸発させて得られる表面析出物のない清浄な基板表面に、成膜を行うことでＤＰＢの生成を抑制することを特徴とする、ＤＰＢのないＳｉＣエピタキシャル薄膜の作製方法。
- ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜が、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- Ｓｉ基板の表面が（１１１）面であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 基板加熱時の基板温度が、１１００℃から１４００℃の範囲、真空度が１０−４Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 請求項１から４のいずれかに記載の方法で製造してなる、炭化珪素（ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル薄膜の結晶格子欠陥の１つである、ＤＰＢの生成を抑制した、結晶内部にもＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル薄膜であって、
表面析出物のない清浄なＳｉ基板表面に作製された、エピタキシャル成長させた立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣ薄膜であり、Ｓｉ単結晶の（１１１）面上に作製されたＳｉ基板／３Ｃ−ＳｉＣ薄膜構造を有し、Ｓｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ薄膜が同じ方位関係を持ってエピタキシャル成長していて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定で、３Ｃ−ＳｉＣ膜の（２２０）のピークが１２０°周期で現れ、これ以外の方位関係を持つ３Ｃ−ＳｉＣのダブル ポジショニング グレイン（ＤＰＧ）がないこと、を特徴とする３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜。 - 請求項５に記載のＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣへテロエピタキシャル薄膜からなることを特徴とする半導体デバイス。
- 請求項５に記載のＤＰＢのない３Ｃ−ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜からなる基板用部材。
- Ｓｉ単結晶基板又は結晶性Ｓｉ膜基板の上に炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜を作製する過程で、基板の表面をクリーニングした後にその表面を大気に曝さないように酸化させて保護して酸化膜で被い、その後、真空中で基板加熱を行い、被った酸化膜を蒸発させて得られる表面析出物のない清浄な基板表面に、成膜を行うことでＤＰＢの生成を抑制することを特徴とするＳｉＣエピタキシャル薄膜におけるＤＰＢ抑制方法。
- ＳｉＣヘテロエピタキシャル薄膜が、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣであることを特徴とする請求項８に記載のＤＰＢ抑制方法。
- Ｓｉ基板の表面が（１１１）面であることを特徴とする請求項８に記載のＤＰＢ抑制方法。
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