JP5482051B2 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイドバンドギャップ半導体として期待される炭化珪素単結晶膜を備えた、半導体基板の製造方法等に関する。

シリコンの単結晶は大口径で高品質かつ安価であるため、多くの材料の単結晶成長基板として用いられている。特に、立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）は次世代低損失のパワーデバイス用半導体材料として期待されており、安価なシリコン基板上に単結晶成長（ヘテロエピタキシー）できることは非常に有用である。

しかし、炭化珪素の成長には非常に高い温度が必要であるため、シリコン基板のシリコン原子が、炭化珪素の成長初期に蒸発してしまうことがある。このような蒸発が起こると、得られる炭化珪素単結晶には多くのボイドやミスフィット転位が発生してしまい、高品位な結晶を成長させることが困難になる。

そこで、炭化水素ガスのみを低温時からシリコン基板に供給して、シリコンの蒸発を緩和させる炭化緩衝層の形成が１９８３年に提案されている。この提案の技術によれば、立方晶炭化珪素単結晶膜の形成が成功している（非特許文献１参照）。
ところで、前述したように本来のＳｉＣの成長に適した温度は非常に高温であり、一般に４Ｈ−ＳｉＣや６Ｈ−ＳｉＣの六方晶では１８００℃以上、低温で安定と言われている立方晶でも１５００℃〜１７００℃程度の温度が、成長に適している。しかし、特許文献１に見られるように従来のＳｉＣからなる炭化緩衝層の形成では、これまで１４００℃以下の温度が加熱温度として使われている。

これは、基板であるシリコンの融点が１４１６℃であり、この基板が溶けない温度に加熱温度を制限しているからである。ところが、このように１４００℃以下で作製した炭化緩衝層は比較的不安定であり、その膜上に３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させた際、下地のシリコンが昇華することなどによって得られる３Ｃ−ＳｉＣにラフネスが増大し、高品質の単結晶が得られなくなってしまう。
このような背景のもとに、３Ｃ−ＳｉＣをエピタキシャル成長させる際の昇温レートを速くして、なるべく昇華させないようにする対策が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−１２３６７５号公報

"Production of large-area single-crystal wafers of cubic SiC for semiconductor device", Appl. Phys. Lett., 42(5), p460 (1983)

しかしながら、特許文献１の技術をもってしても、十分な品質の炭化珪素単結晶膜を得ることが困難であるのが現状である。
本発明の一態様は、立方晶炭化珪素の単結晶膜を高品位（高品質）に作製することができる、半導体基板の製造方法を提供するものである。

本発明の半導体基板の製造方法は、
少なくとも一面に単結晶シリコンを有する基板の前記一面上に、炭素を主に含んでなる炭素層を厚さ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下に形成する工程と、前記炭素層に電磁波としてのエキシマレーザーを照射して、炭化珪素の単結晶膜を生成するための炭化緩衝層を形成する工程と、を含み、前記炭化緩衝層を形成する工程では、前記炭素層の加熱温度を、１３００℃以上２３００℃以下にすることを特徴とする。
本発明の半導体基板の製造方法は、少なくとも一面に単結晶シリコンを有する基板の前記一面上に、炭素を主に含んでなる炭素層を形成する工程と、
前記炭素層に電磁波を照射して加熱し、炭化珪素を含む炭化緩衝層を形成する工程と、を含むことを特徴としている。

この半導体基板の製造方法によれば、炭素層に電磁波を照射して加熱するので、電磁波の波長、強度等を適宜に調整することにより、単結晶シリコンを直接加熱することなく、炭素層を選択的に加熱することが可能になる。したがって、このように炭素層を選択的に加熱することにより、特に炭素層と単結晶シリコンとの界面における炭素層側を加熱することで、例えばこの炭素層側の炭素を単結晶シリコン側に熱拡散させることにより、炭素と単結晶シリコンとを反応させて立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）からなる炭化緩衝層を形成することが可能になる。また、単結晶シリコンを直接加熱しないことで、シリコンの蒸発を防止することができる。よって、このようにして形成した炭化緩衝層上に、立方晶炭化珪素を高品位に結晶成長させることが可能になる。

また、前記半導体基板の製造方法においては、前記電磁波が、レーザーであるのが好ましい。
電磁波としてレーザーを用いることにより、その強度等を適宜に調整することにより、単結晶シリコンを直接加熱することなく、炭素層を選択的に加熱することが容易になる。

また、前記半導体基板の製造方法においては、前記レーザーが、エキシマレーザーであるのが好ましい。
主に紫外領域の波長のエキシマレーザーを用いることにより、照射エネルギーのほとんどが炭素層に吸収されて熱となるため、炭素層を十分に高い温度に加熱することが可能になる。

本発明の他の半導体装置の製造方法は、少なくとも一面に単結晶シリコンを有する基板の前記一面の上に、炭素を含んだ炭素層を形成する工程と、
前記炭素層を選択的に加熱し、炭化珪素からなる炭化緩衝層を形成する工程と、を含むことを特徴としている。

この半導体基板の製造方法によれば、炭素層を選択的に加熱するので、単結晶シリコン膜を直接加熱することなく、炭素層のみを加熱することが可能になる。したがって、このように炭素層を選択的に加熱することにより、特に炭素層と単結晶シリコン膜との界面における炭素層側を加熱することで、例えばこの炭素層側の炭素を単結晶シリコン膜側に熱拡散させることにより、炭素と単結晶シリコン膜とを反応させて立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）からなる炭化緩衝層を形成することが可能になる。また、単結晶シリコンを直接加熱しないことで、シリコンの蒸発を防止することができる。よって、このようにして形成した炭化緩衝層上に、立方晶炭化珪素を高品位に結晶成長させることが可能になる。

また、前記半導体基板の製造方法においては、レーザー照射を用いて前記炭素層を選択的に加熱するのが好ましい。
レーザー照射を用いることにより、その強度等を適宜に調整することにより、単結晶シリコンを直接加熱することなく、炭素層を選択的に加熱することが容易になる。

また、前記半導体基板の製造方法において、前記レーザー照射は、エキシマレーザーを用いるのが好ましい。
主に紫外領域の波長のエキシマレーザーを用いることにより、照射エネルギーのほとんどが炭素層に吸収されて熱となるため、炭素層を十分に高い温度に加熱することが可能になる。

また、前記半導体基板の製造方法においては、前記炭化珪素からなる炭化緩衝層を形成する工程では、前記炭素層の加熱温度を、１３００℃以上２３００℃以下に、さらに望ましくは１８００℃以下にするのが好ましい。
加熱温度が１３００℃未満では、炭化珪素の生成が困難である。また、１８００℃を超えると、形成する炭化珪素が立方晶でなく六方晶になってしまい、この六方晶の炭化珪素からなる炭化緩衝層上に、立方晶炭化珪素の単結晶を形成するのが難しくなる。また、２３００℃を超える温度では炭化珪素自体が昇華してしまうおそれがある。

本発明の半導体基板の製造方法の、工程を説明するため断面図である。 半導体基板の製造方法の、図１に続く工程を説明するため断面図である。 半導体基板の製造方法の、図２に続く工程を説明するため断面図である。 半導体基板の製造方法の、図３に続く工程を説明するため断面図である。

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について、図面を参照して説明する。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、各部材の縮尺を適宜変更している。

本実施形態の半導体基板の製造方法では、まず、図１に示すようにシリコン単結晶基板（以下、シリコン基板と記す）１を用意する。ここで、シリコン基板１は本発明の基板となるものであり、その一面１ａに単結晶シリコン膜を有したものとなる。なお、このシリコン基板１の一面１ａに露出する単結晶シリコンの結晶面は、例えば、ミラー指数（１００）で表される結晶面（以下、単に（１００）面と略記する。）をなすものとされるが、（１００）面以外にも、（１００）面に対して５４．７３°傾斜した（１１１）面であってもよい。

続いて、このシリコン基板１の一面１ａに形成された自然酸化膜を除去（洗浄）する。自然酸化膜の除去（洗浄）については、例えば、シリコン基板１を真空チャンバー内に配置し、減圧雰囲気下でアニール処理を行うことにより、一面１ａに付着した自然酸化膜（ＳｉＯ_２）を除去する。

アニール処理については、シリコン基板１を例えば７５０℃で５分程度加熱することで行うことができる。また、その際、真空チャンバー内に水素ガスを導入し、水素ガスと自然酸化膜とを反応させて、シリコン基板１の一面１ａから自然酸化膜を除去してもよい。
さらに、アニール処理に代えて、フッ化水素酸（ＨＦ）等のエッチング液でシリコン基板１の一面１ａをエッチングし、自然酸化膜を除去してもよい。

次に、図２に示すように、前記シリコン基板１の一面１ａ上に、スパッタリング法によって炭素を主に含んでなる炭素層２を形成する。ここで、「炭素を主に含んでなる」とは、炭素を主成分としたものであれば、炭素以外の成分を不純物として含んでいてもよいことを意味している。すなわち、炭素以外の成分を不純物として含んだ層も、本発明の炭素層２の範囲内となる。この炭素層２として具体的には、アモルファスカーボンやグラファイト、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等からなる層が挙げられる。

本実施形態では、前記したようにスパッタリング法でアモルファスカーボンを成膜し、一面１ａ上にアモルファスカーボン層を形成することにより、炭素層２を形成する。炭素層２の膜厚としては、特に限定されないものの、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度とするのが好ましい。このような範囲が好ましいのは、後述するようにこの炭素層２を加熱するのにエキシマレーザーを用いた場合に、シリコン基板１を直接加熱することなく、このシリコン基板１と炭素層２との界面における炭素層２側を加熱することが容易になるからである。なお、本実施形態では、炭素層２の膜厚を１０ｎｍに形成する。

次いで、炭素層２を形成したシリコン基板１を真空チャンバー内に入れ、真空チャンバー内を１×１０^−３Ｐａ以下に減圧する。また、シリコン基板１を加熱してその温度を４００℃にまで上昇させる。そして、その状態のもとで、炭素層２に電磁波を照射し、炭素層２を加熱する。電磁波としてはレーザーが好適に用いられるが、電子線等も使用可能である。

このような電磁波で炭素層２を加熱するにあたっては、電磁波の強度等を炭素層２の膜厚等に対応させて適宜に調整することにより、シリコン基板１を直接加熱することなく、炭素層２を選択的に加熱する。詳しくは、炭素層２とシリコン基板１の一面１ａとの界面における炭素層２側を、集中的に加熱する。

なお、「シリコン基板１を直接加熱することなく」とは、シリコン基板１が間接的に加熱されることは、本発明の範囲内であることを意味している。すなわち、シリコン基板１と炭素層２とは接しているため、炭素層２を加熱することで炭素層２の温度が上昇すれば、熱伝導によってシリコン基板１も温度上昇し、間接的に加熱されたことになる。しかし、このような間接的な加熱は、シリコンの蒸発を引き起こすような直接的な加熱とは異なり、後述する炭素とシリコンとの反応を促進するためにのみ機能するようになるため、本発明においては当然ながら許容されることとなる。

このように、炭素層２とシリコン基板１との界面における炭素層２側を加熱すると、例えばこの炭素層２側の炭素がシリコン基板１側に熱拡散する。すると、前記したように界面側のシリコン基板１は、熱伝導によって間接的に加熱されているため、熱拡散してきた炭素とシリコン基板１の一面１ａ側のシリコンとが反応し、図３に示すように立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）からなる炭化緩衝層３が形成される。

ここで、炭素層２を加熱するための電磁波としては、前記したようにレーザーが好適に用いられる。レーザーとしては、特に波長が紫外領域となるエキシマレーザーが好適に用いられる。具体的には、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーなどが好適に用いられる。

炭素層２は、ダイアモンド以外の前記したアモルファスカーボンや、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）であれば、紫外領域に吸収領域がある。したがって、このようなエキシマレーザーを用いることにより、炭素層２を良好に選択加熱することができる。なお、可視光領域のレーザーを用いることも可能ではあるが、より高温での加熱が難しく、また、レーザー光が照射面から深く入るため、その分炭素層２の膜厚を十分に厚くする必要があり、好ましくない。

前記したように、炭素層２の膜厚を１ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度にしたのは、電磁波としてエキシマレーザーを用いることを前提にしている。１ｎｍ未満であると、例えば波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを用いた場合でも、レーザー光が炭素層２を透過してシリコン基板１に到達し、シリコン基板１を直接加熱してしまう。また、５０ｎｍを超えると、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーを用いても、レーザー光が炭素層２とシリコン基板１との界面にまで到達せず、したがってこの界面近傍の炭素層２を良好に加熱するのが難しくなるからである。

本実施形態では、前記したように炭素層２の膜厚を１０ｎｍに形成し、電磁波として、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーを用いる。
ＸｅＣｌエキシマレーザーの光照射時間については、過度に加熱するとシリコン基板１の溶融を引き起こすおそれがあるため、十分に短い時間とする。具体的には、数ナノ秒（１０^−９秒）〜数百ナノ秒程度、好ましくは十ナノ秒程度以下のパルス照射とされ、最大でも、１パルスが１マイクロ秒（１０^−６秒）未満とされる。このようなパルス長とすることにより、シリコン基板１の温度がほとんど上昇しなくなり、したがってシリコン基板１を融解させるおそれもなくなる。

すなわち、このような時間のパルス照射を行うことにより、炭素層２とシリコン基板１との界面における炭素層２側を、選択的に加熱し、炭素層２のみをシリコンの融点以上に加熱することが可能になる。
つまり、前記した条件でＸｅＣｌエキシマレーザー（電磁波）を照射し、炭素層２を選択的に加熱して特に炭素層２とシリコン基板１との界面における炭素層２側を集中的に加熱すると、ＸｅＣｌエキシマレーザーはその波長が３０８ｎｍと十分に短いため、ほとんどの照射エネルギーはアモルファスカーボンからなる炭素層２に吸収される。

すると、アモルファスカーボンの融点は十分に高温であるため（グラファイトで融点が３５５０℃）、高い強度でエキシマレーザーを照射しても、炭素層２はレーザーアブレーションを起こすことなく、十分に高温化される。炭素層２の加熱温度として具体的には、１３００℃以上２３００℃以下、さらに望ましくは１８００℃以下とするのが好ましい。加熱温度が１３００℃未満では、炭化珪素の生成が困難である。また、１８００℃を超えると、形成する炭化珪素が立方晶でなく六方晶になってしまい、この六方晶の炭化珪素からなる炭化緩衝層３上に、立方晶炭化珪素の単結晶を形成するのが難しくなるからである。また、２３００℃を超える温度では炭化珪素自体が昇華してしまうおそれがある。

このような高温で加熱することにより、炭素層２の炭素原子とシリコン基板１のシリコン原子とを、前記界面又はその近傍にて、十分な高温領域で反応させることができ、これによって図３に示したように、十分な強度と安定性とを備えた立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）からなる炭化緩衝層３を、形成することができる。

なお、このようなＸｅＣｌエキシマレーザーによる加熱、すなわちレーザー光のパルス照射は、基本的には炭素層２の炭素の全量がシリコンと反応して、炭化珪素になるまで行うのが望ましい。しかし、炭素層２の膜厚を比較的厚くした場合などでは、その全厚を反応させるのは時間がかかり過ぎ、困難な場合もある。そのような場合には、必要に応じて、ＣＭＰ法（化学機械研磨法）で炭素層２の未反応な表層部を除去する。すなわち、未反応な炭素の状態に残された表層部のみを、ＣＭＰ法で研磨除去する。あるいは、酸素プラズマを用いたアッシング処理を行うことにより、炭素層２の未反応な表層部を除去するようにしてもよい。

このようにして、炭素層２の未反応な表層部を必要に応じて除去したら、立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）からなる炭化緩衝層３を形成したシリコン基板１を、エピタキシャル成長用真空チャンバー内に入れる。そして、基板温度を例えば１０００℃になるまで上昇させ、その状態で真空チャンバー内に、原料ガスとしてモノメチルシランを例えば１．０sccmの流量で供給する。

これにより、図４に示すように前記炭化緩衝層３上に、立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）を所望の厚さにエピタキシャル成長させ、単結晶膜４を形成する。そして、シリコン基板１上に、炭化緩衝層３を介して立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）の単結晶膜４を形成した、半導体基板５を得る。

シリコン基板１の温度については、原料ガスであるモノメチルシランが熱分解可能な温度にまで上昇すればよく、例えば７００℃以上１１００℃以下とすればよい。
また、単結晶膜４の原料ガスとして用いるモノメチルシラン（ＳｉＨ_３ＣＨ_３）は、分子中にシリコン原子と炭素原子とを含むため、それ自体で炭化珪素膜を形成することが可能になる。

また、シリコン原子と炭素原子の組成比が１：１であるため、例えばジメチルシランやトリメチルシラン等の他のガス種を用いる場合に比べて、炭化珪素単結晶膜の組成比を良好に制御することができる。さらに、比較的低温で熱分解するため、単結晶膜４を形成した後、シリコン基板１を室温に戻すときに、単結晶膜４とシリコン基板１との間の熱膨張係数の違いによって、新たな結晶欠陥を引き起こすおそれも少ない。

以上の方法により、シリコン基板１上に立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）の単結晶膜４を形成した半導体基板５が完成したら、半導体基板５をそのままパワーデバイス用半導体基板として出荷してもよく、あるいは、半導体基板５上に、単結晶膜４と格子整合し易い立方晶窒化ガリウム層をさらに成長させ、窒化ガリウム半導体装置を作製してもよい。

以上に説明した半導体基板５の製造方法にあっては、炭素層２にエキシマレーザーを照射してシリコン基板１を直接加熱することなく、炭素層２を選択的に加熱するようにしたので、特に炭素層２とシリコン基板１との界面における炭素層２側を集中的に加熱することにより、炭素と単結晶シリコン膜とを反応させて立方晶炭化珪素（３Ｃ−ＳｉＣ）からなる炭化緩衝層３を形成することができる。

その際、シリコン基板１を直接加熱せず、また、熱伝導によってシリコン基板１が高温になることも回避しているため、シリコンの蒸発を最小限に抑えることができる。その結果、炭化緩衝層３上に形成される単結晶膜４へのボイドやミスフィット転位の発生を防止することができ、これにより、立方晶炭化珪素の単結晶膜を高品位（高品質）に作製することができる。よって、大面積の炭化珪素単結晶基板を製造することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、本発明の基板として単結晶シリコン基板を用いたが、例えば石英等からなる基板上に、単結晶シリコン膜を形成したものであってもよい。

１…シリコン単結晶基板（シリコン基板）、１ａ…一面、２…炭素層、３…炭化緩衝層、４…単結晶膜、５…半導体基板

Claims (1)

1. 少なくとも一面に単結晶シリコンを有する基板の前記一面上に、炭素を主に含んでなる炭素層を厚さ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下に形成する工程と、
   前記炭素層に電磁波としてのエキシマレーザーを照射して、炭化珪素の単結晶膜を生成するための炭化緩衝層を形成する工程と、
   を含み、
   前記炭化緩衝層を形成する工程では、前記炭素層の加熱温度を、１３００℃以上２３００℃以下にすることを特徴とする半導体基板の製造方法。

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