JPH09295893A - Ｓｏｉ構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＳＯＩ構造体において絶縁性基板上に成膜し
たシリコン結晶膜の結晶性および平坦性を改善すること
のできるＳＯＩ構造体の製造方法を提供する。 【解決手段】 絶縁性を有する酸化物基板上にシリコン
膜をエピタキシャル成長させる前に、前記基板上に、好
ましくは前記酸化物基板の構成している金属元素から選
ばれる、金属元素を薄く付着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術的分野】本発明は、エピタキシャル
成長方法を用いたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ＯｎＩｎｓ
ｕｌａｔｏｒ）構造体の製造方法において、絶縁性基板
上に成膜したシリコン結晶膜の結晶性および平坦性の改
善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】絶縁性基板上にシリコン結晶膜をエピタ
キシャル成長させてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉ
ｎｓｕｌａｔｏｒ）構造体を得る製造方法の代表的なも
のとしては、絶縁性基板としてサファイア単結晶基板を
用い、その上にシリコン結晶膜を成長させて、ＳＯＳ
（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）構造体を
得る方法がある。また、シリコン単結晶基板上にγ−Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ 層やマグネシア・スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）層を成長させ、しかる後にシリコン結晶膜を成長さ
せる方法も報告されている。これらの構造体は、いずれ
も、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）やＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂ
ｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）等によって製造されるのが一
般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
製造方法においては、酸化物基板の上にシリコンを成膜
しただけでは結晶性の良いシリコン膜を得ることができ
ず、シリコンの成膜後にシリコン膜にシリコンイオン照
射を行ってシリコン非晶質層を形成し、しかる後に、こ
の非晶質層をシード層としてアニール処理により固相エ
ピタキシャル層を成長させる方法などのように、後処理
工程が必要であった（例えば、Ｓ．Ｓ．Ｌａｕｅｔａ
ｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３４（１９７
９）７６に開示。）。また、平滑な表面を得るために
は、さらに機械的な研磨を行うなどの後工程が必要であ
った。

【０００４】したがって、本発明の課題は、ＳＯＩ構造
体において絶縁性基板上に成膜したシリコン結晶膜の結
晶性および平坦性を改善することのできるＳＯＩ構造体
の製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明者らは、鋭意研究を重ねたところ、次のよう
な知見を得ることができた。すなわち、シリコンを成膜
する前に極薄い金属層を酸化物基板の上に形成し、基板
上の表面の原子結合の終端を金属原子ですべて終端させ
る。そして、この金属原子を終端として持つ表面上にシ
リコンを成膜すると、成長するシリコン原子と前記金属
原子とが格子整合でき、結晶性の良いシリコンの成長膜
を得ることができることを、見出した。本発明は、かか
る知見に基づいてなされたものである。

【０００６】つまり、本発明の請求項１のＳＯＩ構造体
の製造方法は、絶縁性を有する酸化物基板上にシリコン
結晶膜が形成されてなるＳＯＩ構造体の製造方法であっ
て、前記シリコン結晶膜の成長前に金属元素を前記酸化
物基板上に付着させ、この金属元素膜の上にシリコン結
晶膜を成長させることを特徴とする。

【０００７】さらに、本発明の請求項２のＳＯＩ構造体
の製造方法は、前記請求項１のＳＯＩ構造体の製造方法
において、前記金属元素が、前記酸化物基板を構成して
いる金属元素から選ばれる少なくとも一種類の金属元素
であることを特徴とする。

【０００８】さらに、本発明の請求項３のＳＯＩ構造体
の製造方法は、前記請求項１または２のＳＯＩ構造体の
製造方法において、前記酸化物基板が単結晶Ａｌ₂ Ｏ₃
またはγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板のいずれかであり、前
記金属がアルミニウムであることを特徴とする。

【０００９】さらに、本発明の請求項４のＳＯＩ構造体
の製造方法は、前記請求項１ないし請求項３のいずれか
のＳＯＩ構造体の製造方法において、前記金属元素膜の
厚さが、実質的に３０オングストロームより薄いことを
特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明において、絶縁性を有する
酸化物基板は、高結晶性で単結晶であることが好まし
い。このような材料としては、例えば、サファイア、γ
−Ａｌ₂ Ｏ₃ 、マグネシア・スピネル、酸化亜鉛が、有
用である。また、この絶縁性基板としては、シリコン基
板の上に、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 、マグネシア・スピネル、酸
化亜鉛、酸化セリウム等の酸化物膜を、エピタキシャル
成長させてなる基板でもよい。これらのうち、特に、サ
ファイア基板やγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板が、絶縁性が
良好で好ましい。

【００１１】また、絶縁性を有する酸化物基板の上に付
着させる金属としては、該酸化物基板を構成している金
属が好ましい。例えば、サファイア基板やγ−Ａｌ₂ Ｏ
₃ ／Ｓｉ基板の場合、アルミニウムが特に好ましい。ア
ルミニウムは、半導体プロセスでは汎用の材料であるこ
とからも、ＳＯＩ構造体を製造する上で有用である。

【００１２】本発明における特徴的な処理である金属元
素の基板への付着は、従来の酸化物基板表面の原子レベ
ルでの不規則な表面を金属元素で終端させて、シリコン
を成膜する表面の状態を安定化、均一化するために行わ
れる。

【００１３】シリコン膜の成長方法としては、基板表面
に付着された金属元素が、シリコンの成長開始前に酸化
しないように、高真空下で行えるものが好ましく、例え
ば、ＭＢＥ法やＵＨＶ−ＣＶＤ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ
Ｖａｃｕｕｍ ＣＶＤ）法が挙げられる。

【００１４】また、付着された金属の一部は、シリコン
の成長温度まで基板を昇温する過程において、その一部
が消失する。その状況を図５に示す。図５は、ＭＢＥ法
においてγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板上にアルミニウムを
付着させ、シリコンの成長温度である８００℃まで昇温
し、それぞれの段階でアルミニウムがどういう化学状態
にあるかをＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏ−ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて分
析した結果を示すグラフである。図５の（ａ）はアルミ
ニウムの付着前で、基板表面のγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ に由来す
るＡｌ−Ｏ結合のみが検知されている。（ｂ）は室温に
おいてアルミニウムの付着後で、Ａｌ−Ｏ結合とＡｌ−
Ａｌ結合が検知されている。（ｃ）はアルミニウムの付
着後８００℃まで昇温した後のもので、Ａｌ−Ａｌ結合
は検知されず、Ａｌ−Ｏ結合のみが検知されている。す
なわち、熱処理によってＡｌ−Ａｌ結合が検出されない
程度にまでアルミニウムが消失したと言える。

【００１５】付着させる金属の膜厚は、熱処理の過程に
おいて減少するものであるから、熱処理条件が異なれ
ば、それに応じて付着させる際の金属の膜厚を変えるこ
とになる。つまり、熱処理によって適当な膜厚が存在
し、膜厚が厚いと逆にシリコン膜の膜質は悪化する。例
えば、８００℃で５分間熱処理する条件のもとでは、ア
ルミニウムの膜厚は、３０オングストローム以下である
ことが必要である。

【００１６】

【実施例】本発明の具体的な実施例を以下に詳細に説明
する。

【００１７】（実施例１）はじめに絶縁性の酸化物基板
を得るために、シリコン基板上にγ−Ａｌ₂ Ｏ₃成長を
行った。これには基板としてＳｉ（１１１）ウェハーを
使用した。金属アルミニウムとＮ₂ Ｏを原料として用い
るＭＢＥ装置内において、基板温度；８２０℃、アルミ
ニウムのクヌードセンセル温度（Ｋ−セル温度；Ｋｎｕ
ｄｓｅｎｃｅｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）；１１０
０℃、Ｎ₂ Ｏ圧力；３×１０^-2Ｐａで、単結晶γ−Ａｌ
₂ Ｏ₃ を、前記シリコン基板上に成長させた。６０分の
成長で、膜厚が約５０オングストロームの単結晶γ−Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ 膜が得られた。

【００１８】次に、表面にγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ を成長させた
シリコン基板（γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板）を室温にま
で下げ、アルミニウムのクヌードセンセル温度１０５０
℃において、アルミニウム薄膜を１オングストローム／
秒の成長速度で２０オングストローム成長させた。

【００１９】次に、基板温度を８００℃まで昇温し、ジ
シラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）を原料として用いるガスソースＭ
ＢＥ装置内で、約４０００オングストロームのシリコン
膜を５分間で成長させた。以上の処理を、同一のＭＢＥ
装置の中で連続して実施した。

【００２０】図１は、成長後のシリコン結晶膜表面の反
射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを撮影した電
子線回折写真である。この写真には、明瞭なストリーク
状の７×７パターンが観察され、シリコン結晶膜の結晶
性および平坦性が非常に良いことを示している。

【００２１】図２は、当該シリコン結晶膜の表面の走査
型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図２の写真から観
察されるように、得られたシリコン結晶膜の表面状態
は、凹凸が少なく、また凹凸レベルも低く、当該膜が平
坦な表面を有している。

【００２２】（比較例１）実施例１と同様に、Ｓｉ（１
１１）基板上に単結晶γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 膜を約５０オング
ストローム成長させた。その後、アルミニウムの付着な
しに、実施例１と同様に同一条件で、基板温度を８００
℃にて、シリコン結晶膜を約４０００オングストローム
成長させた。

【００２３】図３は、成長後のシリコン結晶膜表面のＲ
ＨＥＥＤパターンを撮影した電子線回折写真である。こ
の写真から観察されるように、この比較例のシリコン結
晶膜は、実施例１のシリコン結晶膜と異なり、回折パタ
ーンはスポット状であり、ファセットの存在を示す矢尻
状のパターンも観察される。

【００２４】図４は、前記シリコン結晶膜表面のＳＥＭ
写真である。このＳＥＭ写真から観察されるように、こ
のシリコン結晶膜表面には、粒状の突起が多数存在して
いる。

【００２５】これらの結果から、実施例１のＳＯＩ構造
体において、シリコン結晶膜の結晶性および平坦性が、
比較例１のＳＯＩ構造体と比べて飛躍的に向上している
ことが確認された。

【００２６】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明のＳＯＩ
構造体の製造方法によれば、サファイア等の絶縁性酸化
物基板を用いてＳＯＩ構造体を製造する場合に、従来必
要であったシリコンの固相エピタキシャル成長法などに
よる後処理工程を必要とせず、容易にかつ低コストで、
良好なＳＯＩ構造体を製造できる。また、シリコン結晶
膜の成長後の表面平坦性が非常によいことから、このＳ
ＯＩ構造体を用いて、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導
体素子を作製しようとする場合に、特性のばらつきの少
ない素子を作製できる。また本発明では、基板への金属
の付着とシリコン結晶膜の成長とを一貫プロセスで作製
でき、界面での汚染の影響も低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によって形成されたＳＯＩ構造体表面の
反射高速電子線回折パターンを撮影した電子線回折写真
である。

【図２】本発明によって形成されたＳＯＩ構造体の表面
の走査型電子顕微鏡写真である。

【図３】基板へのアルミニウムの付着を行わなかった比
較例のＳＯＩ構造体表面の反射高速電子線回折パターン
を撮影した電子線回折写真である。

【図４】基板へのアルミニウムの付着を行わなかった比
較例のＳＯＩ構造体表面の走査型電子顕微鏡写真であ
る。

【図５】γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板上にアルミニウムを
付着させ、シリコンの成長温度である８００℃まで昇温
し、途中の段階でアルミニウムがどういう化学状態にあ
るかをＸＰＳを用いて分析した結果を示すグラフであ
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性を有する酸化物基板上にシリコン
   結晶膜が形成されてなるＳＯＩ構造体の製造方法であっ
   て、前記シリコン結晶膜の成長前に金属元素を前記酸化
   物基板上に付着させ、この金属元素膜の上にシリコン結
   晶膜を成長させることを特徴とするＳＯＩ構造体の製造
   方法。
2. 【請求項２】 前記金属元素は、前記酸化物基板を構成
   している金属元素から選ばれる少なくとも一種類の金属
   元素であることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ構
   造体の製造方法。
3. 【請求項３】 前記酸化物基板が単結晶Ａｌ₂ Ｏ₃ また
   はγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ／Ｓｉ基板のいずれかであり、前記金
   属元素がアルミニウムであることを特徴とする請求項１
   または請求項２に記載のＳＯＩ構造体の製造方法。
4. 【請求項４】 前記金属元素膜の厚さが、実質的に３０
   オングストロームより薄いことを特徴とする請求項１な
   いし請求項３のいずれかに記載のＳＯＩ構造体の製造方
   法。