JP7330189B2 - シリコン基板上に炭化ケイ素を形成するための方法 - Google Patents

シリコン基板上に炭化ケイ素を形成するための方法 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
〔発明の分野〕
本発明は一般に、半導体プロセス技術および装置に関する。より詳細には、本発明は一般に、シリコン基板の上部にＩＩＩ族窒化物層をエピタキシャル堆積する間に、シリコン基板を保護するための改良された方法に関する。
〔発明の背景〕
ＧａＮとも呼ばれる窒化ガリウムを含む半導体装置は、大電流を流して高電圧を支持する能力を有する。これにより、このような半導体装置はパワー半導体装置にとってますます望ましいものとなっている。近年、研究努力は、高出力／高周波応用のための装置の開発に焦点を当てた。一般に、これらのタイプの応用のために製造された装置は、高い電子移動度を示す装置構造に基づいており、ＨＦＥＴとも呼ばれるヘテロ接合電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴとも呼ばれる高電子移動度トランジスタ、またはＭＯＤＦＥＴとも呼ばれる変調ドープ電界効果トランジスタと呼ばれる。ＨＥＭＴは、例えば、ＲＦ／マイクロ波電力増幅器または電力スイッチのようなアナログ回路応用に役立つ。このような装置は例えば１００ｋＨｚ～１００ＧＨｚの高周波数で動作しながら、例えば１０００ボルトまでの高電圧に典型的に耐えることができる。
窒化ガリウムを含む半導体装置は、シリコンを含む基板、例えば、Ｓｉ基板とも呼ばれるシリコン基板の上部に成長される。Ｓｉ基板の上部に高品質のＧａＮ層を得るために、格子とＧａＮとＳｉの間の熱的不整合に対応するように、種々のステップ（工程）と最適化した処理パラメータとを持つ成長法が用いられる。シリコン基板とＧａＮ層との間にＡｌＮバッファ層を使用することは、従来技術から知られている。しかしながら、Ｓｉ基板の上部にＡｌＮを成長させることは非常に困難である。実際、ＡｌはＳｉ基板の表面上で低い移動度を持ち、ＡｌＮは島状に成長する。次いで、Ｓｉ基板の上部にＡｌＮの層を得るためには、横方向成長が必要である。例えば、米国特許出願公開第２００４／０１１９０６３Ａ１号は、アンモニアからシリコン基板を保護するために、シリコン基板上にアルミニウムのいくつかの単層が堆積され、次いで、ＡｌＮの核生成層と、様々な組成を有するＡｌＧａＮ半導体の多数の超格子と、ＧａＮまたは別のＧａリッチ窒化物半導体の中間層とを含む緩衝構造とを形成する装置を記載している。
一方、炭化ケイ素は、ＳｉＣとも呼ばれ、シリコン基板の上部にＩＩＩ族窒化物層、より詳細にはＡｌＮ層を成長させるのに特に適していると考えられる。炭化ケイ素は、広いバンドギャップ、高い飽和電子ドリフト速度、高い絶縁破壊電場、高い熱伝導率および良好な耐薬品性などの特性のため、多くの高温、高出力および高周波半導体装置の応用において有用である。炭化ケイ素は、炭化ケイ素の上部に堆積された層へのＳｉの拡散を妨げ、炭化ケイ素は窒化からＳｉ基板を保護することもでき、ＡｌＮに圧縮応力を導入することもできる。
シリコン表面は、１つ以上の炭化水素を使用して炭化され得ることが実証されている。しかしながら、これは、高温、例えば１０００℃より高い基板温度までシリコン基板を加熱することを必要とする。「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ ａ ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ ｎｉｔｒｉｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｎ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」と題するチェンらの米国特許第７６６６７６５ Ｂ２号は、例えば、Ｓｉ基板を窒化から保護し、ＡｌＮに圧縮応力を導入する方法を記載しており、この方法は「前投与」と呼ばれ、有機金属化合物の使用を含む。実際、Ａｌを含む１つ以上の有機金属化合物、例えばＴＭＡｌとも呼ばれるトリメチルアルミニウム、ＤＭＡｌ Ｈとも呼ばれるジメチルアルミニウムハイブリッド、またはＴＥＡｌとも呼ばれるトリエチルアルミニウムが、反応チャンバ内に提供され、好ましくは１０００℃～１２００℃に加熱されたＳｉ基板と反応するためのメチル基またはエチル基を提供する。米国特許第７６６６７６５ Ｂ２号明細書における超低流量の前駆体（前駆物質）の使用によって、シリコン表面は炭化され、その結果、メチル基によって不動態化される。Ｓｉ基板の上部にＳｉＣの単層が形成され、次いで、得られたＳｉＣ／Ｓｉ積層体の上部にＡｌＮ層を成長させることができる。
米国特許第７６６６７６５ Ｂ２号明細書に記載されている方法は、反応チャンバ内に有機金属化合物および他の気体を導入するときに正確なスイッチングシーケンスを必要とするので、非常に難しい。１０００℃より高い温度では、ＴＭＡｌは反応チャンバ内で既に分解され、メチル基およびＡｌ原子はシリコン基板の表面に結合する。一方、Ｓｉ基板の脱着（脱離）（ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）もこの温度で起こる。加えて、Ａｌ原子はＳｉ基板中に拡散する可能性があり、これは望ましくない。
あるいは、ＩＩＩ族窒化物材料を成長させる前にＳｉ基板を炭化させるための他の方法が開発され、この方法は、Ｇａを含む１つ以上の有機金属化合物、例えば、ＴＭＧまたはＴＭＧａとも呼ばれるトリメチルガリウム、ＤＭＧａとも呼ばれるジメチルガリウム、またはＴＥＧａとも呼ばれるトリエチルガリウムの使用を含む。
Ｇａベースの前駆体またはＧａ前投与の使用の重要な問題の１つは、２００２年５月３０日に発行されたＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ： Ｂ、Ｖｏｌｕｍｅ ９３、Ｉｓｓｕｅｓ １－３、７７－８４ページの「ＧａＮ－ｂａｓｅｄ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」と題するＫｒｏｓｔらの科学刊行物に記載されているメルトバックエッチングの問題である。Ｓｉ上のＧａの反応は、ＧａリッチＧａ‐Ｓｉ合金の形成のためにＳｉ基板のエッチングを実際にもたらす。その結果、ＡｌＮの形成前にＳｉＣとＳｉとの間に粗い界面が形成され、その結果、処理された装置の性能に不利な影響を及ぼす可能性がある。
本発明の目的は、現存する解決策の上記の欠点を克服する装置を開示することである。より詳細には、シリコン基板の上部にＩＩＩ族窒化物層をエピタキシャル堆積する間にシリコン基板を保護する方法を開示することが目的である。
〔発明の概要〕
本発明の第１の態様によれば、上記の目的は、シリコン基板と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体との反応によって、シリコン基板上に炭化ケイ素を形成するための方法によって実現される。
本発明は、シリコン基板の上部に例えばＩＩＩ族窒化物層のような広いバンドギャップ材料のエピタキシャル堆積を行う間に、シリコン基板の表面をその場で（ｉｎ－ｓｉｔｕ）保護するための改良された手法を提供する。言い換えれば、本発明による方法は、シリコン基板の上部に炭化ケイ素すなわちＳｉＣをその場で成長させるための改良された方法である。シリコン基板上へのＳｉＣのその場での形成に使用される本発明の第１の前駆体は、Ｉｎとも呼ばれるインジウムを含み、さらに、複数の炭素原子を含む。例えば、本発明による第１の前駆体は、ＴＭＩｎとも呼ばれるトリメチルインジウムを含む。Ｓｉ基板は、エピタキシャル成長に適した反応チャンバ、例えば、有機金属化学気相堆積反応器（有機金属ＣＶＤ装置）すなわちＭＯＣＶＤ反応器、または分子線エピタキシー反応器すなわちＭＢＥ反応器、または原子層堆積反応器すなわちＡＬＤ反応器、化学ビームエピタキシー反応器、または有機金属気相エピタキシー反応器すなわちＭＯＶＰＥ反応器などの反応チャンバ内に装填される。Ｓｉ基板は、５００℃から１４００℃の間、好ましくは８００℃から１４００℃の間、より好ましくは９００℃から１３００℃の間、さらにより好ましくは１０００℃から１２００℃の間に含まれる温度でその場で加熱される。インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体の分解温度は、７００℃～１２００℃の間に含まれる。１９５７年に発行されたＲＣＡ Ｒｅｖｉｅｗ １８の「Ｖａｐｏｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄａｔａ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｏｒｅ Ｃｏｍｍｏｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」と題するＲ．Ｅ．Ｈｏｎｉｇの出版物の１９５～２０４ページには、種々の温度に対するＩｎ、Ａｌ、およびＧａの蒸気圧が記載されている。例えば、１０００℃では、Ｇａは５×１０－６気圧に近い蒸気圧を有し、Ａｌは２×１０－７気圧に近い蒸気圧を有する。反対に、Ｉｎは１０００℃で５×１０－５気圧に近い蒸気圧を有する。したがって、インジウムはＡｌおよびＧａよりも高い蒸気圧を有し、インジウムは第１の前駆体が反応チャンバ内でシリコン基板上に提供されるときに、この温度でシリコン基板から蒸発する。反応器内の圧力は、好ましくは約２０ｍｂａｒ～１００ｍｂａｒである。さらに、１９６８年にＪｏｈｎ Ｗｉｌｅｙが発行した「Ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」と題するＳ．Ｋ．Ｇｈａｎｄｈｉの出版物は、ケイ素と比較した不純物原子の大きさを示している。ケイ素の原子の大きさが１．０の場合、アルミニウムの原子の大きさは１．０７であり、ガリウムの原子の大きさは１．０７である。ただし、ケイ素の原子の大きさが１．０の場合、インジウムの原子の大きさは１．２２である。したがって、インジウムは、シリコン基板中でＡｌおよびＧａよりも低い溶解度を有する。したがって、インジウム原子は、この温度でＡｌ原子またはＧａ原子が移動するよりも、シリコン基板内で移動することが少ない。したがって、本発明中のシリコン基板の表面は、第１の前駆体の炭素原子で炭化され、その結果、シリコン基板の上部に炭化ケイ素が生成される。
第１の前駆体は、その気体形態で、または気体組成で導入される。第１の前駆体は、Ｎ２中、またはＨｅまたはＡｒなどの任意の希ガス中、および好ましくはＨ２ガス中で希釈することができる。気体組成は、微量の窒素、すなわち、シリコン基板と反応することができ、それによってＳｉＮを形成し、その結果、シリコン基板として、部分的にＳｉＣで覆われ、部分的にＳｉＮで覆われ、互いに隣り合うＳｉＣおよびＳｉＮの領域を有するシリコン基板をもたらす、微量の窒素をさらに含むことができる。また、前投与ステップの前に、シリコン基板の一部に汚染物質としてＳｉＮが既に存在している可能性もある。その場合、前投与ステップは、ＳｉＮの領域同士の間にＳｉＣを堆積させ、シリコン基板は、ＳｉＣとＳｉＮの隣り合う領域で覆われる。ＳｉＮという表現は、窒化ケイ素すなわちＳｉ３Ｎ４の化学式の化学量論比によって厳密に定義される化合物に限定されないことが当業者には理解される。ＳｉＮの層では、化学量論比からの偏差が存在し得る。
炭化ケイ素は、シリコン基板の全面にわたってＳｉＣを含む層であってもよい。あるいは、炭化ケイ素は、ＳｉＣの１つまたは複数の領域と、ＳｉＮとも呼ばれる窒化ケイ素の１つまたは複数の領域とを含む層であってもよい。ＳｉＣ領域は、例えば最大３ｎｍの厚さを有することができる。あるいは、ＳｉＣ領域は、数ナノメートル、好ましくは５ｎｍ未満の厚さを有することができる。ＳｉＣ領域は、１つのＳｉＣ単層（単分子層）（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）、または互いの上部にＳｉＣ単層の積層体を含むことができる。あるいは、炭化ケイ素は、ＳｉＣの例えば単層、より具体的にはＳｉＣの原子単層（ａｔｏｍｉｃ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）であってもよい。この場合、炭化ケイ素は、シリコン基板の全面にわたって、複数のＳｉＣ単層、例えば２つまたは３つの単層積層体を、互いの上部に含む。この単層の数は、シリコン基板の表面全体にわたって均一であってもよく、シリコン基板の表面にわたって変化してもよい。単層の数は、第１の前駆体が反応チャンバ内に提供される期間に依存し得る。
ＳｉＣは結晶構造を示す。ＳｉＣは化学量論組成を有し、ＳｉＣの結晶構造は、得られるＳｉＣ／Ｓｉ積層体の上部に後に成長する可能性のあるＩＩＩ族窒化物層の品質を改善する。
本発明の任意の態様によれば、本方法は、以下のステップを含む：
シリコン基板を反応チャンバ内に装填するステップと、
反応チャンバ内のシリコン基板を反応サイクルにかける（供する、曝す、付す）（ｓｕｂｊｅｃｔｉｎｇ）ステップであって、反応サイクルは、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で第１の前駆体を反応チャンバに供給し、それによってシリコン基板上に炭化ケイ素を形成する、ステップ。
本発明の文脈において、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体を提供することは、「前投与（予備投入、プレドージング、予備ドーズ）（ｐｒｅ－ｄｏｓｉｎｇ）ステップ」と呼ぶことができる。この方法は、少なくとも１０μモルの第一前駆体を、５０μモル・分－１未満の流量（フロー）、好ましくは１０μモル・分－１未満の流量、または２μモル・分－１未満の流量であるが、ゼロではない流量で供給することを含む。
本発明の任意の態様によれば、第１の前駆体は、インジウムと、炭素原子を含む複数の有機分子とを含む。
本発明の任意の態様によれば、第１の前駆体は、インジウムと、複数のメチル基とを含む。
高温では、前駆体の分解速度と脱着速度の両方が高められる。第１の前駆体は次のように、高温でメチル基およびインジウム原子に分解され、より正確には、気相で１つのモノ金属インジウムおよび２つの金属基に分解される：
そして、シリコン基板の表面にメチル基とインジウム原子が結合する。一方、シリコン基板の脱着も起こる。第１の前駆体の低い低流量（ｌｏｗ ｆｌｏｗ）の第１の前駆体を提供することによって、第１の前駆体の分解と脱着との間の平衡が達成され、したがって、インジウム原子はシリコン基板の表面上に蓄積されない。実際、メチル基とケイ素原子との間の結合はより強い。したがって、シリコン基板は炭化され、メチル基によって不動態化される。
本発明の任意の態様によれば、温度閾値は６５０℃～１０００℃の間に含まれる。
本発明の任意の態様によれば、分圧閾値は、１×１０－６ｍＢａｒよりも大きい。
ＴＭＩｎの分圧は、（（ＴＭＩｎの流量）／（全流量））×（反応器内の圧）に等しい。全流量は水素と窒素の混合物を含み、全流量は、例えば約１モル／分間である。第１の前駆体の流量は、例えば２～１０μモル／分間である。例えば、ＴＭＩｎの流量は、一例として２～１０μモル／分である。反応器内の圧は、例えば４０ｍＢａｒに設定され、好ましくは２０～１００ｍＢａｒの間に含まれる。次に、ＴＭＩｎの分圧は、例えば少なくとも４０×１０－６ｍＢａｒであり、ＴＭＩｎの分圧は、好ましくは１×１０－６ｍＢａｒより大きい。
本発明の任意の態様によれば、シリコン基板と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体との反応によって、シリコン基板上に炭化ケイ素を形成するための方法は、反応チャンバ内のシリコン基板を反応サイクルにかけるステップであって、反応サイクルは、６５０℃と１０００℃との間に含まれる温度閾値を超える温度で、２～１０μモル／分の間に含まれる流量で、１×１０－６ｍｂａｒを超える分圧で、第１の前駆体を前記反応チャンバに供給し、それによってシリコン基板上に炭化ケイ素を形成する、ステップを含む。
本発明の任意の態様によれば、反応チャンバ内のシリコン基板を反応サイクルにかけるステップは、パージ（ｐｕｒｇｅ）ガス、または還元ガス、またはそれらの組み合わせを反応チャンバに供給するステップをさらに含む。
本発明の任意の態様によれば、反応チャンバは、有機金属化学気相堆積反応器、分子線エピタキシー反応器、原子層堆積反応器、化学ビームエピタキシー反応器、または有機金属気相エピタキシー反応器におけるエピタキシャル成長に適している。
本発明の任意の態様によれば、炭化ケイ素は、炭化ケイ素膜を含む。
本発明の任意の態様によれば、炭化ケイ素膜の厚さが所定の厚さ閾値を超えると、本方法は、アンモニアと、アルミニウムを含む第２の前駆体とを反応チャンバに供給し、それによって炭化ケイ素膜の上部に窒化アルミニウム層を成長させるステップをさらに含む。
本発明に従った方法を実行して得たＳｉＣ／Ｓｉ鋳型は、非常に高いエピタキシャルクオリティと低応力とを有するＡｌＮの更なる成長に非常に適していると考えられる。第２の前駆体は、アンモニアと、配位子（リガンド）としてアルキル、したがって炭素および水素、を有する元素周期律表第３族金属を含有するすべての化合物とを含む。配位子の少なくとも１つは、シリコン基板に炭素を供与することができるように、メチル、エチルまたはプロピルであるべきである。
本発明の任意の態様によれば、所定の厚さ閾値は、炭化ケイ素の単層の厚さと炭化ケイ素の３ｎｍとの間に含まれる。
あるいは、所定の厚さ閾値は、炭化ケイ素の単層の厚さと炭化ケイ素の数ナノメートルとの間に含まれ、例えば、炭化ケイ素の単層の厚さと炭化ケイ素の５ｎｍ未満との間に含まれる。
本発明の任意の態様によれば、アンモニアと、アルミニウムを含む第２の前駆体とを供給するステップは、初めにアンモニアを供給し、次いで、第２の前駆体を供給するステップを含む。
このようにして、第１の反応器は、第２の前駆体が反応チャンバ内に提供される前に、第１の前駆体が取り除かれる（パージされる）。
本発明の任意の態様によれば、アンモニアと、アルミニウムを含む第２の前駆体とを供給するステップは、初めに第２の前駆体を供給し、次いで、アンモニアを供給するステップを含む。
このようにして、シリコン基板の上部へのＳｉＮの成長が最小限に抑えられる。第２の前駆体を設けることにより、シリコン基板の上部、より詳細には炭化ケイ素の上部に窒化アルミニウム層を成長させることができる。
本発明の任意の態様によれば、本方法は、アンモニアおよび第２の前駆体を反応チャンバに供給する前に、第１の前駆体の反応チャンバへの供給を一時停止（中断）するステップをさらに含む。
このようにすることで、反応チャンバ内で、第１の前駆体とアンモニアとの間、および／または、第１の前駆体と第２の前駆体との間で、反応が起こりえない。
任意選択的に、炭化ケイ素膜の厚さが、炭化ケイ素の単層の厚さと炭化ケイ素の３ｎｍとの間に含まれる所定の厚さ閾値を超えると、本方法は、アンモニアおよびアルミニウムを含む第２の前駆体を反応チャンバに供給する前に、第１の前駆体の反応チャンバへの供給を一時停止し、それによって炭化ケイ素膜の上部に窒化アルミニウム層を成長させるステップをさらに含む。
本発明の任意の態様によれば、本方法は、アンモニアおよび第２の前駆体を反応チャンバに供給するときに、第１の前駆体を、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で、反応チャンバに供給し続けることを含む。
任意選択的に、この方法は、アンモニアおよび第２の前駆体を反応チャンバに供給するときに、６５０℃～１０００℃の間に含まれる温度閾値を超える温度で、２～１０μモル／分の間に含まれる流量で、１×１０－６ｍｂａｒを超える分圧で、第１の前駆体を反応チャンバに供給し続けることを含む。
このようにして、シリコン基板の表面は炭化され、それによって炭化ケイ素および／または窒化ケイ素を成長させることによって不動態化される。
本発明の任意の態様によれば、パージガスは窒素であり、還元ガスは水素である。
このようにして、シリコン基板の表面は、炭化ケイ素の成長の前に清浄化される。天然酸化物は、還元ガスによってその場で除去され、それによって、炭化ケイ素の成長の準備ができたシリコン基板の汚れのない（ｐｒｉｓｔｉｎｅ）表面が得られる。
本発明の任意の態様によれば、本方法は、前記反応チャンバにシランを供給するステップをさらに含む。
このようにして、シリコン基板の上部への炭化ケイ素の成長が高められる。実際、シランの分解温度は、例えば第１の前駆体が反応チャンバ内に提供されるときに、シランが反応チャンバ内にケイ素原子を提供するような温度である。さらに、炭化ケイ素を成長させる前にシランを使用して、シリコン基板の上部に酸化ケイ素の膜を堆積させることができる。得られたＳｉＯ２／Ｓｉ積層体は次に、炭化ケイ素を成長させるために、第１の前駆体の流れ（フロー）に曝される（ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ）。
本発明の第２の態様によれば、以下を含む半導体構造物が提供される：
シリコン基板と、
シリコン基板と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体との反応によってシリコン基板上に形成された炭化ケイ素。
本発明の任意の態様によれば、炭化ケイ素は、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧でシリコン基板上に第１の前駆体を供給するときに形成され、炭化ケイ素は、シリコン基板内へのＩＩＩ族元素に対する拡散障壁として働く。
本発明の任意の態様によれば、炭化ケイ素は、６５０℃と１０００℃との間に含まれる温度閾値を超える温度で、２～１０μモル／分の間に含まれる流量で、１×１０－６ｍｂａｒを超える分圧で、第１の前駆体をシリコン基板上に供給するときに形成される。
本発明は、シリコン基板の上部に例えばＩＩＩ族窒化物層のような広いバンドギャップ材料のエピタキシャル堆積を行う間にその場で保護されるシリコン基板の表面を含む半導体構造物を提供する。言い換えれば、本発明による半導体構造物は、シリコン基板の上部にその場でエピタキシャル成長された炭化ケイ素すなわちＳｉＣを含む。シリコン基板上へのＳｉＣのその場での形成に使用される本発明の第１の前駆体は、Ｉｎとも呼ばれるインジウムを含み、さらに、複数の炭素原子を含む。Ｓｉ基板は、エピタキシャル成長に適した反応チャンバ、例えば、有機金属化学気相堆積反応器すなわちＭＯＣＶＤ反応器、または分子線エピタキシー反応器すなわちＭＢＥ反応器、または原子層堆積反応器すなわちＡＬＤ反応器、化学ビームエピタキシー反応器、または有機金属気相エピタキシー反応器すなわちＭＯＶＰＥ反応器などの反応チャンバ内に装填される。Ｓｉ基板は、５００℃から１４００℃の間、好ましくは８００℃から１４００℃の間、より好ましくは９００℃から１３００℃の間、さらにより好ましくは１０００℃から１２００℃の間に含まれる温度でその場で加熱される。インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体の分解温度は、７００℃～１２００℃の間に含まれる。１９５７年に発行されたＲＣＡ Ｒｅｖｉｅｗ １８の「Ｖａｐｏｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄａｔａ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｏｒｅ Ｃｏｍｍｏｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」と題するＲ．Ｅ．Ｈｏｎｉｇの出版物の１９５～２０４ページには、種々の温度に対するＩｎ、Ａｌ、およびＧａの蒸気圧が記載されている。例えば、１０００℃では、Ｇａは５×１０－６気圧に近い蒸気圧を有し、Ａｌは２×１０－７気圧に近い蒸気圧を有する。反対に、Ｉｎは１０００℃で５×１０－５気圧に近い蒸気圧を有する。したがって、インジウムはＡｌおよびＧａよりも高い蒸気圧を有し、インジウムは第１の前駆体が反応チャンバ内でシリコン基板上に提供されるときに、この温度でシリコン基板から蒸発する。反応器内の圧力は、好ましくは約２０ｍｂａｒ～１００ｍｂａｒである。さらに、１９６８年にＪｏｈｎ Ｗｉｌｅｙが発行した「Ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」と題するＳ．Ｋ．Ｇｈａｎｄｈｉの出版物は、ケイ素と比較した不純物原子の大きさを示している。ケイ素の原子の大きさが１．０の場合、アルミニウムの原子の大きさは１．０７であり、ガリウムの原子の大きさは１．０７である。ただし、ケイ素の原子の大きさが１．０の場合、インジウムの原子の大きさは１．２２である。したがって、インジウムは、シリコン基板中でＡｌおよびＧａよりも低い溶解度を有する。したがって、インジウム原子は、この温度でＡｌ原子またはＧａ原子が移動するよりも、シリコン基板内で移動することが少ない。したがって、本発明中のシリコン基板の表面は、第１の前駆体の炭素原子で炭化され、その結果、シリコン基板の上部に炭化ケイ素が生成される。
シリコン基板の上部に形成された炭化ケイ素は、シリコン基板へのＩＩＩ族元素に対する拡散障壁として作用する。例えば、炭化ケイ素は、炭化ケイ素上に形成された層のアルミニウム原子および／またはガリウム原子に対する、シリコン基板への拡散障壁として作用する。言い換えれば、アンモニアと、アルミニウムを含む第２の前駆体とが反応チャンバに供給されて、シリコン基板の上部の炭化ケイ素の上部に窒化アルミニウム層を成長させるときに、炭化ケイ素は、この窒化アルミニウム層のアルミニウム原子に対する拡散障壁として作用する。言い換えると、例えば、窒化アルミニウム層がシリコン基板の上部の炭化ケイ素の上部に存在するときに、炭化ケイ素は、この窒化アルミニウム層のアルミニウム原子に対する拡散障壁として作用する。炭化ケイ素はさらに、この窒化アルミニウム層上に形成された付加的な層のＩＩＩ族元素に対する、シリコン基板への拡散障壁として作用する。例えば、炭化ケイ素はさらに、この窒化アルミニウム層上に形成された付加的な層のアルミニウム原子および／またはガリウム原子に対する、シリコン基板への拡散障壁として作用する。
本発明の第３の態様によれば、シリコン基板上に炭化ケイ素を形成するための、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体とシリコン基板との使用が提供される。
任意選択的に、反応チャンバ内でシリコン基板上に炭化ケイ素を形成するための、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体の使用が提供され、炭化ケイ素を形成することは、以下を含む：
シリコン基板を反応チャンバ内に装填するステップと、
温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で第１の前駆体を反応チャンバに供給することを含む反応サイクルに、反応チャンバ内のシリコン基板をかけるステップと、
を含む。
任意選択的に、反応チャンバ内でシリコン基板上に炭化ケイ素を形成するための、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体の使用が提供され、炭化ケイ素を形成することは、以下を含む：
反応チャンバ内にシリコン基板を装填するステップと、
６５０℃～１０００℃の間に含まれる温度閾値を超える温度で、２～１０μモル／分の間に含まれる流量で、１×１０－６ｍｂａｒよりも大きい分圧で、第１の前駆体を反応チャンバに供給することを含む反応サイクルに、反応チャンバ内のシリコン基板をかけるステップと、
を含む。
〔図面の簡単な説明〕
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明による半導体構造物の一実施形態を概略的に示す図である。
図２は、本発明による方法のステップの実施形態を概略的に示す図である。
図３は、ケイ素中のＡｌ、ＧａおよびＩｎ原子の溶解度を、ケイ素の温度の関数として概略的に示す図である。
〔実施形態の詳細な説明〕
図１Ａに示す実施形態によれば、本発明による半導体構造物１００は、反応チャンバ１０内に装填される。半導体構造物１００は、シリコン基板１と、シリコン基板１と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体２００との反応によってシリコン基板１上に形成された炭化ケイ素２とを含む。炭化ケイ素２は、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で第１の前駆体２００をシリコン基板１上に供給するときに形成される。炭化ケイ素は、ＩＩＩ族元素に対するシリコン基板１への拡散障壁として作用する。第１の前駆体２００は、インジウムと、炭素原子を含む複数の有機分子とを含む。第１の前駆体２００は、インジウムと、複数のメチル基とを含む。温度閾値は６５０℃～１０００℃の間に含まれ、分圧閾値は１×１０－６ｍＢａｒより大きく、好ましくは少なくとも４０×１０－６ｍＢａｒである。図１Ｂに示される実施形態によれば、図１Ａの半導体構造物１００は、パージガス３００または還元ガス３０１またはそれらの組み合わせに曝される。パージガス３００は窒素であり、還元ガス３０１は水素である。反応チャンバ１０は、例えば、ＭＯＣＶＤ反応器、ＭＢＥ反応器、ＡＬＤ反応器、または化学ビームエピタキシー反応器におけるエピタキシャル成長のための反応チャンバである。炭化ケイ素２は、炭化ケイ素膜２である。炭化ケイ素１の厚さが所定の厚さ閾値を超えると、アンモニア２０１と、アルミニウムを含む第２の前駆体２０２とが反応チャンバ１０に供給される。代替の実施形態によれば、シラン（ｓｉｌａｎｅ）３０２を反応チャンバ１０に供給することができる。
本発明に係る方法は、シリコン基板１と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体２００との反応によって、シリコン基板１上に炭化ケイ素２を形成することを含む。図２に示す方法のステップの一実施形態の一例によれば、シリコン基板１と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体２００との反応によって、シリコン基板１上に炭化ケイ素２が形成される。第１のステップ２１において、シリコン基板２は、ＭＯＣＶＤ反応器、ＭＢＥ反応器、ＡＬＤ反応器、または化学ビームエピタキシー反応器におけるエピタキシャル成長のための反応チャンバとすることができる反応チャンバ１０内に装填される。次に、第２のステップ２２において、シリコン基板２は、反応チャンバ１０内で反応サイクルにかけられ、この反応サイクルは、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で第１の前駆体２００を反応チャンバ１０に供給することを含み、それによってシリコン基板１上に炭化ケイ素２を形成する。第１の前駆体２００は、インジウムと、炭素原子を含む複数の有機分子とを含む。第１の前駆体２００は、インジウムと、複数のメチル基とを含む。温度閾値は例えば６５０℃～１０００℃である。分圧閾値は例えば１×１０－６ｍＢａｒより大きく、好ましくは例えば少なくとも４０×１０－６ｍＢａｒである。第１の前駆体の流量は、例えば２～１０μモル／分である。反応サイクルは、パージガス３００または還元ガス３０１またはそれらの組み合わせを反応チャンバ１０に供給することをさらに含む。パージガス３００は窒素であり、還元ガス３０１は水素である。任意選択の第３のステップ２３では、炭化ケイ素１の厚さが所定の厚さ閾値を超えると、アンモニア２０１と、アルミニウムを含む第２の前駆体２０２とが反応チャンバ１０に供給される。まず、第２の前駆体２０２を供給した後、アンモニア２０１を供給する。別の実施形態によれば、アンモニア２０１が最初に供給され、第２の前駆体２０２はその後に供給される。この方法は、アンモニア２０１および第２の前駆体２０２を反応チャンバ１０に供給するときに、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で反応チャンバ１０に供給される第１の前駆体２００を維持する（反応チャンバ１０に供給される第１の前駆体２００を、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧に保つ）ことを含む。代替の実施形態によれば、この方法は、アンモニア２０１および第２の前駆体２０２を反応チャンバ１０に供給するときに、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で反応チャンバ１０に供給される第１の前駆体２００を一時停止することを含む。さらなる代替の実施形態によれば、シラン３０２が、本方法のステップ２および／またはステップ３において反応チャンバ１０に供給されてもよい。
図３に示す実施形態によれば、ケイ素中のアルミニウム、ガリウムおよびインジウム原子の溶解度２４が、温度２５の関数としてプロットされている。図３上の点２６は、セルシウス度においてシリコン基板の温度２５の関数としてシリコン基板中のアルミニウム原子の原子・ｃｍ－３で表した溶解度２４に関連している。図３上の点２７は、セルシウス度においてシリコン基板の温度２５の関数としてシリコン基板中のガリウム原子の原子・ｃｍ－３で表した溶解度２４に関連している。図３上の点２８は、セルシウス度においてシリコン基板の温度２５の関数としてシリコン基板中のインジウム原子の原子・ｃｍ－３で表した溶解度２４に関連している。アルミニウムおよびガリウム原子が、インジウム原子よりもはるかに高いケイ素への溶解度を示すことが明らかに分かる。例えば、１０００℃で、ガリウム原子は１．６×１０１９原子・ｃｍ－３の溶解度２７を示す一方、インジウム原子は３×１０１９原子・ｃｍ－３の溶解度２８を示す。例えば、１２００℃で、ガリウム原子は２×１０１９原子・ｃｍ－３の溶解度２６を示す一方、インジウム原子は２．５×１０１９原子・ｃｍ－３の溶解度２８を示す。したがって、シリコン基板の上部に炭化ケイ素２を成長させることは、シリコン基板の高温において、アルミニウムおよび／またはガリウム原子のようなＩＩＩ族元素のシリコン基板への拡散を妨げる。言い換えれば、シリコン基板１の上部に堆積された炭化ケイ素２は、高温、例えば１０００℃より高い温度において、ＩＩＩ族元素からシリコン基板１への拡散障壁として作用する。
本発明を特定の実施形態に関して説明したが、本発明は前述の例示的な実施形態の細部に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を伴って本発明を実施することができることは当業者には明らかであろう。したがって、本実施形態はすべての点で、限定ではなく例示と見なされるべきであり、本発明の範囲は前述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の範囲の同等性の意味および範囲内に入るすべての変更はその中に包含されることが意図される。言い換えれば、基本的な基礎原理の範囲内にあり、その本質的な属性が本特許出願において主張される、任意のおよびすべての修正、変形、または均等物を包含することが企図される。さらに、「含んでいる」または「含む」という用語は他の要素またはステップを除外せず、「１つの」という用語は複数を除外せず、コンピュータシステム、プロセッサ、または別の統合されたユニットなどの単一の要素が、特許請求の範囲に列挙された、いくつかの手段の機能を満たすことができることが、本特許出願の読者によって理解されるであろう。特許請求の範囲内の任意の参照符号は、関連するそれぞれの特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。用語「第１」、「第２」、「第３」、「ａ」、「ｂ」、「ｃ」などは、明細書または特許請求の範囲内で使用される場合、類似の要素またはステップを区別するために導入され、必ずしも連続的または時系列的順序を記述するものではない。同様に、「上部」、「下部」、「上」、「下」などの用語は説明の目的で導入され、必ずしも相対位置を示すものではない。そのように使用される用語は適切な状況下で交換可能であり、本発明の実施形態は、他の配列で、または上記で説明または図示されたものとは異なった向きで、本発明に従って動作することができることを理解されたい。
本発明による半導体構造物の一実施形態を概略的に示す図である。 本発明による半導体構造物の一実施形態を概略的に示す図である。 本発明による方法のステップの実施形態を概略的に示す図である。 ケイ素中のＡｌ、ＧａおよびＩｎ原子の溶解度を、ケイ素の温度の関数として概略的に示す図である。

Claims (11)

  1. シリコン基板の上部に広いバンドギャップ材料のエピタキシャル堆積を行う間にシリコン基板の表面を保護する方法であって、
    前記シリコン基板（１）と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体（２００）との反応によって、シリコン基板（１）上に炭化ケイ素膜（２）を形成することと、
    前記炭化ケイ素膜の上部にＩＩＩ族窒化物層をエピタキシャル成長させることを含むことを特徴とする方法。
  2. 前記方法が、
    前記シリコン基板（１）を反応チャンバ（１０）内に装填するステップと、
    前記反応チャンバ（１０）内の前記シリコン基板（１）を反応サイクルにかけるステップであって、前記反応サイクルは、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で前記第１の前駆体（２００）を前記反応チャンバ（１０）に供給し、それによって前記シリコン基板（１）上に前記炭化ケイ素膜（２）を形成する、ステップと、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の前駆体（２００）が、インジウムと、炭素原子を含む複数の有機分子とを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記第１の前駆体（２００）が、インジウムと、複数のメチル基とを含むことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記反応チャンバ（１０）内の前記シリコン基板（１）を反応サイクルにかけるステップが、
    前記反応チャンバ（１０）に、パージガス（３００）、または還元ガス（３０１）、またはそれらの組み合わせを供給するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  6. 前記反応チャンバ（１０）が、有機金属化学気相堆積反応器、または分子線エピタキシー反応器、または原子層堆積反応器、または化学ビームエピタキシー反応器、または有機金属気相エピタキシー反応器におけるエピタキシャル成長に適していることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  7. 前記方法は、
    前記炭化ケイ素膜（２）の厚さが所定の厚さ閾値を超えると、アンモニア（２０１）と、アルミニウムを含む第２の前駆体（２０２）とを前記反応チャンバ（１０）に供給し、それによって前記炭化ケイ素膜（２）の上部に窒化アルミニウム層（３）を成長させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  8. 前記所定の厚さ閾値は、炭化ケイ素の単層の厚さと炭化ケイ素の３ｎｍとの間に含まれることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
  9. 前記方法は、
    前記アンモニア（２０１）および前記第２の前駆体（２０２）を前記反応チャンバ（１０）に供給する前に、前記第１の前駆体（２００）の前記反応チャンバ（１０）への供給を一時停止するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
  10. シリコン基板（１）と、インジウムと複数の炭素原子とを含む第１の前駆体（２００）との反応によって、シリコン基板（１）上に炭化ケイ素（２）を形成する方法であって、
    前記方法が、
    前記シリコン基板（１）を反応チャンバ（１０）内に装填するステップと、
    前記反応チャンバ（１０）内の前記シリコン基板（１）を反応サイクルにかけるステップであって、前記反応サイクルは、温度閾値を超える温度および分圧閾値を超える分圧で前記第１の前駆体（２００）を前記反応チャンバ（１０）に供給し、それによって前記シリコン基板（１）上に前記炭化ケイ素（２）を形成する、ステップと、
    をさらに含み、
    前記炭化ケイ素（２）が炭化ケイ素膜（２）を含み、
    前記方法は、
    前記炭化ケイ素膜（２）の厚さが所定の厚さ閾値を超えると、アンモニア（２０１）と、アルミニウムを含む第２の前駆体（２０２）とを前記反応チャンバ（１０）に供給し、それによって前記炭化ケイ素膜（２）の上部に窒化アルミニウム層（３）を成長させるステップをさらに含み、
    前記方法は、
    前記アンモニア（２０１）および前記第２の前駆体（２０２）を前記反応チャンバ（１０）に供給するときに、前記第１の前駆体（２００）を、前記温度閾値を超える温度および前記分圧閾値を超える分圧で前記反応チャンバ（１０）に供給し続けるステップを含むことを特徴とする方法。
  11. 前記方法は、前記反応チャンバ（１０）にシラン（３０２）を供給するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
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