JP5267271B2 - 半導体基板の製造方法及び半導体基板 - Google Patents

Description

本発明は、例えば立方晶の炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）膜を有する半導体基板の製造方法及び半導体基板に関するものである。

パワーデバイスに用いられるワイドバンドギャップの半導体として、例えば炭化珪素が知られている。炭化珪素には、六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣなど）、立方晶（３Ｃ−ＳｉＣ）といった結晶形態が存在する。六方晶の炭化珪素は、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板が開発されており、半導体装置の開発に使用されている。しかし、立方晶の炭化珪素は、次世代低損失のパワーデバイスに用いられる半導体材料として期待されているものの、立方晶の炭化珪素基板は、高コストでウエハの大口径化が難しいという問題がある。そのため、安価なシリコン単結晶基板の上に３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させることが検討されている。

ところが、Ｓｉの格子定数が０．５４３ｎｍ、３Ｃ−ＳｉＣの格子定数が０．４３６ｎｍであり、両者の格子定数は、２０％程度異なる。そのため、シリコン基板上に形成される３Ｃ−ＳｉＣに結晶欠陥が発生してしまう。そこで、Ｓｉの格子定数と３Ｃ−ＳｉＣの格子定数との間の格子定数を有する二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を主成分とするバッファ層をシリコン基板上に形成し、そのバッファ層上に３Ｃ−ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、バッファ層を設けることでシリコン基板と３Ｃ−ＳｉＣとの間の格子定数の差を緩和し、結晶欠陥を抑制する。

特開２００３−１８６４号公報

しかしながら、上記従来の製造方法においても、以下の課題が残されている。すなわち、ＺｒＯ_２などの金属酸化物がイオン性結晶であるため、金属酸化物の構成元素である酸素が熱処理などの加熱によって移動しやすくなる。したがって、一般に１０００℃以上の成長温度で形成される３Ｃ−ＳｉＣ膜のエピタキシャル成長では、エピタキシャル成長する前に非晶質なシリコン酸化膜が形成されてしまうので、良質なエピタキシャル成長が阻害されるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされてもので、良好な立方晶の炭化珪素膜を形成可能な半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明にかかる半導体基板の製造方法は、シリコン基板上に炭化珪素膜を形成する半導体基板の製造方法であって、前記シリコン基板上にバッファ層を形成する第１の工程と、前記バッファ層上にシリコン膜を形成する第２の工程と、前記シリコン膜を炭化して前記炭化珪素膜を形成する第３の工程と、を含み、前記バッファ層は、シリコンの格子定数と前記炭化珪素膜の格子定数との間の格子定数を有する金属酸化物で構成され、前記第３の工程は、炭化水素系ガスの雰囲気下で行われ、前記バッファ層は、二酸化ハフニウムで形成されていること、を特徴とする。また、本発明にかかる半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上に配置されたバッファ層と、前記バッファ層の上に配置された炭化珪素膜と、を含み、前記バッファ層は、シリコンの格子定数と前記炭化珪素膜の格子定数との間の格子定数を有する金属酸化物で構成され、前記バッファ層は、二酸化ハフニウムを含むことを特徴とする。

この発明では、シリコン膜の成長及び炭化が低い温度で行われるため、バッファ層中の酸素の移動を規制し、良好な炭化珪素膜を形成できる。
すなわち、バッファ層上に立方晶の炭化珪素膜ではなくシリコン膜を成長させると、シリコン膜を成長させる温度が炭化珪素膜を成長させる温度よりも低いため、シリコン膜を成長させる工程におけるバッファ層中の酸素の移動を制限できる。そして、このシリコン膜を炭化処理によって炭化珪素膜とすると、シリコン膜を炭化処理する温度が炭化珪素膜を成長させる温度よりも低いため、先と同様に、炭化処理中におけるバッファ層中の酸素の移動を制限できる。このように、バッファ層中の酸素の移動に起因する非晶質なシリコン酸化膜が形成されないため、良好な立方晶の炭化珪素膜を形成することができる。
なお、炭化処理によって形成された炭化珪素膜は、低温で形成されることから安定した立方晶構造をとると共に、例えば１０００℃以上の高温処理においても安定している。そのため、炭化珪素膜上に従来と同様の方法で立方晶の炭化珪素からなる層を積層欠陥なくエピタキシャル成長することができる。

また、本発明の半導体基板の製造方法は、前記炭化水素ガスの雰囲気は、真空環境の下に前記炭化水素系ガスを導入することで形成されることが好ましい。
この発明では、例えば１０^−７Ｐａ程度の超高真空環境下で前記炭化水素系ガスを導入することで、より低温で炭化処理が行えるため、バッファ層中の酸素の移動をさらに制限することができる。これにより、欠陥の少ない炭化珪素膜をより確実に形成できる。

また、本発明の半導体基板の製造方法は、前記バッファ層は、二酸化ハフニウムで形成されていることが好ましい。
この発明では、二酸化ハフニウムをバッファ層として用いることで、良好な炭化珪素膜を形成する。

本発明の一実施形態における半導体基板を示す概略斜視図である。 本発明の一実施形態における半導体基板の製造方法を示す工程図である。 加熱温度とシリコン膜の成長レートとの関係を示すグラフである。

以下、本発明における半導体基板の製造方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態における半導体基板１は、図１に示すように、シリコン基板１１と、シリコン基板１１上に形成されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成された炭化珪素膜１３と、炭化珪素膜１３上に形成されたエピタキシャル層１４と、を備える。
シリコン基板１１は、例えばＣＺ法（チョクラルスキー法）により引き上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス、研磨して形成されている。
バッファ層１２は、例えば立方晶または正方晶の結晶構造をとる二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）で形成されており、エピタキシャル成長によって形成された単結晶層である。ＨｆＯ_２の格子定数は、シリコン基板１１を構成する珪素（Ｓｉ）の格子定数０．５４３ｎｍと炭化珪素膜１３を構成する３Ｃ−ＳｉＣの格子定数０．４３６ｎｍとの間となっている。
炭化珪素膜１３は、エピタキシャル成長によってバッファ層１２上に形成された後述するシリコン膜１５を炭化することによって形成されている。
エピタキシャル層１４は、立方晶の炭化珪素で形成されており、エピタキシャル成長によって炭化珪素膜１３上に形成されている。

次に、以上のような構成からなる半導体基板１の製造方法について説明する。
まず、シリコン基板１１の表面をフッ酸によりエッチングし、シリコン基板１１の表面に付着している酸化膜を除去する（図２（ａ））。
そして、シリコン基板１１上にバッファ層１２を形成する。ここでは、ＨｆＯ_２をアトミックレイヤエピタキシ（ＡＬＥ）法やスパッタ法、化学蒸着（ＣＶＤ）法などを用いてシリコン基板１１上にバッファ層１２をエピタキシャル成長する。これにより、シリコン基板１１上に立方晶または正方晶の構造を有するバッファ層１２が形成される（図２（ｂ））。

続いて、バッファ層１２上にシリコン膜１５を形成する。ここでは、超高真空ＣＶＤ装置を用いて、Ｓｉの原料ガスとして例えばジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を供給し、バッファ層１２上にＳｉをエピタキシャル成長させる。このとき、１０^−７Ｐａ程度の超高真空環境下で原料ガスを導入することによってシリコン膜１５を形成しているため、例えば７００℃程度の低温であっても十分な成長レートでシリコン膜１５が形成される（図２（ｃ））。

ここで、図３に、Ｓｉ_２Ｈ_６を原料ガスとして用いた場合のシリコン膜１５の成長レートを示す。図３に示すように、７００℃で１００ｎｍ／分程度の成長レートが得られ、５００℃程度であっても１ｎｍ／分程度の成長レートが得られることが分かる。そのため、超高真空環境下で十分低い温度でシリコン膜１５を成長することで、バッファ層１２中の酸素の移動をより確実に制限できる。
なお、Ｓｉの原料ガスとしては、ジシランに限らず、シラン（ＳｉＨ_４）やテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、モノクロロシラン（ＳｉＨ_３Ｃｌ）、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ_２Ｃｌ_６）など、他の原料ガスを用いてもよい。

そして、シリコン膜１５を炭化処理する。ここでは、超高真空環境下で炭化水素系ガスとしてエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）を供給することにより、シリコン膜１５を炭化して炭化珪素膜１３を形成する（図２（ｄ））。このとき、１０^−７Ｐａ程度の超高真空環境下で炭化水素系ガスを供給することによって炭化処理を行っているため、例えば７５０℃程度の低温であってもシリコン膜１５を炭化して炭化珪素膜１３とすることができる。なお、超高真空環境下でない高真空環境下であっても、例えば８００℃程度の低温でシリコン膜１５を炭化して炭化珪素膜１３とすることができる。

ここで、炭化水素系ガスとしては、エチレンのほか、例えばプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）やアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ_４Ｈ_１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ_５Ｈ_１２）などが挙げられる。アセチレンでは、アセチレンを構成する炭素原子が二重結合していることから、炭化処理の温度を低下させることが可能となる。また、ノルマルブタンやイソブタン、ネオペンタンでは、分解温度が低いことから、炭化処理の温度を低下させることが可能となる。

このように、シリコン膜１５を炭化して炭化珪素膜１３を形成することで、バッファ層１２上に炭化珪素膜を直接エピタキシャル成長させるための温度（一般的に例えば１０００℃）よりも低い温度で炭化珪素膜１３が形成される。このため、バッファ層１２を構成するＨｆＯ_２中の酸素の移動が制限され、形成される炭化珪素膜１３に酸素が移動して非晶質なシリコン酸化物膜が形成されることが抑制される。
なお、バッファ層１２の格子定数がシリコン基板１１の格子定数と炭化珪素膜１３の格子定数との間であるため、格子定数の差に起因する結晶欠陥密度が低い炭化珪素膜１３が形成される。

その後、炭化珪素膜１３上にエピタキシャル層１４を形成する。ここでは、例えば超高真空環境下でＣＶＤ法を用いて炭化珪素膜１３上にエピタキシャル層１４をエピタキシャル成長する（図２（ｅ））。
このとき、供給される原料ガスとしては、例えばモノメチルシラン（ＳｉＨ_３ＣＨ_３）やジメチルシラン（（ＣＨ_３）_２ＳｉＨ_２）、トリメチルシラン（ＳｉＨ（ＣＨ_３）_３）、ヘキサメチルジシラン（Ｓｉ_２(ＣＨ_３)_６）、テトラエチルシラン（Ｓｉ(Ｃ_２Ｈ_５)_４）などのＳｉ−Ｃ原料ガスが挙げられる。なお、供給される原料ガスとしては、シランやジシラン、テトラクロロシラン、トリクロロシラン、ジクロロシラン、モノクロロシラン、ヘキサクロロジシランなどのＳｉ原料ガスと、メタン（ＣＨ_４）やアセチレン、エチレン、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ノルマルブタン、イソブタン、ネオペンタンなどのＣ原料ガスとの混合ガスであってもよく、上記Ｓｉ−Ｃ原料ガスとＳｉ原料ガスとの混合ガスや上記Ｓｉ−Ｃ原料ガスとＣ原料ガスとの混合ガス、上記Ｓｉ−Ｃ原料ガスとＳｉ原料ガスとＣ原料ガスとの混合ガスであってもよい。ここで上げられた原料ガスを用いた場合には、８００℃以下の低温でエピタキシャル層１４をエピタキシャル成長させることができる。

なお、３Ｃ−ＳｉＣからなるエピタキシャル層１４は、上述したように１０００℃程度の高温でエピタキシャル成長される。しかし、バッファ層１２上に炭化珪素膜１３が形成されており、この炭化珪素膜１３が安定した立方晶構造をとるため、例えば１０００℃以上の高温環境下で３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させても、バッファ層１２中の酸素がバッファ層１２から抜けない。このため、エピタキシャル層１４は、炭化珪素膜１３上に積層欠陥が低減されて形成される。
以上のようにして、半導体基板１を製造する。

以上のように、本発明にかかる半導体基板１の製造方法では、立方晶の炭化珪素膜をバッファ層１２上に直接成長させるよりも低温でシリコン膜１５の成長及び炭化処理が行われ、バッファ層１２中の酸素の移動が制限されるので、良好な炭化珪素膜１３を形成できる。そして、この炭化珪素膜１３が１０００℃以上の高温に対しても安定しているため、炭化珪素膜１３上に従来と同様の方法でエピタキシャル層１４を少ない積層欠陥で形成できる。
また、超高真空環境下でより低温でシリコン膜１５の炭化処理を行うことで、バッファ層１２中の酸素の移動をさらに制限することができる。これにより、さらに良好な炭化珪素膜１３を形成できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、バッファ層は、ＨｆＯ_２に限らず、ＺｒＯ_２など格子定数がＳｉの格子定数と３Ｃ−ＳｉＣの格子定数との間であって立方晶または正方晶の結晶構造をとる他の金属酸化物を用いてもよい。
また、超高真空環境下でシリコン膜の形成や炭化処理を行っているが、超高真空環境下に限らず、従来の高真空環境下で行ってもよい。
そして、炭化結晶膜上にエピタキシャル層が形成されているが、エピタキシャル層が形成されていなくてもよい。

１ 半導体基板、１１ シリコン基板、１２ バッファ層、１３ 炭化珪素膜、１５ シリコン膜

Claims (3)

1. シリコン基板上に炭化珪素膜を形成する半導体基板の製造方法であって、
   前記シリコン基板上にバッファ層を形成する第１の工程と、
   前記バッファ層上にシリコン膜を形成する第２の工程と、
   前記シリコン膜を炭化して前記炭化珪素膜を形成する第３の工程と、
   を含み、
   前記バッファ層は、シリコンの格子定数と前記炭化珪素膜の格子定数との間の格子定数を有する金属酸化物で構成され、
   前記第３の工程は、炭化水素系ガスの雰囲気下で行われ、
   前記バッファ層は、二酸化ハフニウムで形成されていること、
   を特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 前記炭化水素ガスの雰囲気は、真空環境の下に前記炭化水素系ガスを導入することで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
3. シリコン基板と、
   前記シリコン基板の上に配置されたバッファ層と、
   前記バッファ層の上に配置された炭化珪素膜と、
   を含み、
   前記バッファ層は、シリコンの格子定数と前記炭化珪素膜の格子定数との間の格子定数を有する金属酸化物で構成され、
   前記バッファ層は、二酸化ハフニウムを含むことを特徴とする半導体基板。

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