JPH0982643A

JPH0982643A - 炭化珪素薄膜の製造方法

Info

Publication number: JPH0982643A
Application number: JP23748895A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kitahata; 真北畠
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 1997-03-28
Anticipated expiration: 2015-09-14
Also published as: JP3735145B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Si基板表面にヘテロエピタキシャル成長させる
ことにより、Siウェハ上に結晶欠陥の少ない単相の3C-S
iC単結晶薄膜を形成する方法を提供する。【解決手段】炭素を供給しＳｉ基板表面を加熱すること
により表面を炭化させて炭化珪素を形成する工程と、炭
化後に炭素と珪素を供給して炭化珪素を成長させる工程
からなり、前記Ｓｉのoffcut 基板表面にはテラス５と
ステップ６が多数存在した。これは、ステップエッジ１
０に平行な長く連なる原子列のＰ方向８と、ステップエ
ッジ１０に垂直でステップエッジ１０により分断された
短いテラス上の原子列のＮ方向７について異なった表面
反応性を示すためである。この異方性によって、アンチ
フェーズバウンダリー(APB) を含まない結晶欠陥の少な
い単相のSiC単結晶薄膜を形成可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高パワーデバイス
・高温デバイス・耐環境性デバイスなどの半導体素子に
応用可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化
珪素（SiC）の単結晶薄膜の製造方法に関する。特に、S
i基板表面にヘテロエピタキシャル成長させることによ
り、Siウェハ上に結晶欠陥の少ない単相の3C-SiC単結晶
薄膜を形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、6H型、4H型のSiC単結晶基板は市
販されているが、移動度が最も大きい3C-SiCに関して
は、Si基板上にヘテロエピタキシャル成長させた結晶が
形成されていた。Si基板表面に炭化珪素を成長させる場
合は、まずSi表面に炭素水素ガスを供給し加熱して炭化
させ、その後に炭素と珪素を供給して炭化珪素をヘテロ
エピタキシャル成長させていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この従来の技術によっ
て形成された炭化珪素薄膜は、SiC/Si界面において、高
密度の格子欠陥・ツウィン等の成長が起こり、電子デバ
イスを形成するための炭化珪素基板を作成するためには
問題であった。更に、Si基板上に２種類のフェーズの単
結晶粒が成長し、お互いに異なるフェーズの２種類の結
晶粒の界面にアンチフェーズバウンダリー(APB)が形成
されて、欠陥が多数導入されて問題であった。

【０００４】図１にSi表面に炭素を供給して加熱し、炭
化させてSiC結晶粒を形成するプロセスのメカニズムの
概念図を示す。清浄なSi(001)表面において、２本のダ
ングリングボンドを有するSi原子が[110]方向に連なっ
ている。このダングリングボンドを炭素原子によりコン
ペンセイトすると、Si-C-Si..と連なったSi-C原子列が
[110]方向に連なって形成される。ここで、炭素原子１
と結合したSi原子２とそのもう一層下のSi原子３との間
のボンドが切断されると、上記[110]方向に連なるSi-C-
Si..原子列１−２がSi[110]方向に収縮し、SiC原子構造
が形成される。off-cutの無いjust Si(001)表面におい
ては、Si[110]方向と直行する下記式（数１）方向は区
別することができず、Si(001)表面に同じ確立で現れ
る。

【０００５】

【数１】

【０００６】このため、上記Si[110]方向への収縮は互
いに直行する２方向に対してほぼ同じ確立で起こり、こ
の異なる方向性を有する２種類のSiC結晶粒は互いに異
なるフェーズを有する。異なるフェーズを有するSiC結
晶粒は、成長によって互いに結合して一体になることが
出来ず、界面にAPBを含む２フェーズの薄膜となってし
まい問題であった。

【０００７】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、Si基板表面にヘテロエピタキシャル成長させること
により、Siウェハ上に結晶欠陥の少ない単相の3C-SiC単
結晶薄膜を形成する方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の炭化珪素薄膜の製造方法は、炭化珪素（Ｓ
ｉ−Ｃ）薄膜の製造方法であって、炭素を供給しＳｉ基
板表面を加熱することにより表面を炭化させて炭化珪素
を形成する工程と、炭化後に炭素と珪素を供給して炭化
珪素を成長させる工程からなり、前記Ｓｉ基板表面に異
方性がありテラスとステップを形成することを特徴とす
る。

【０００９】前記構成においては、Ｓｉ基板表面のテラ
スの幅が５オングストローム（０．５ｎｍ）以上１００
０オングストローム（１００ｎｍ）以下であることが好
ましい。

【００１０】また前記構成においては、炭化珪素形成工
程において、Ｓｉ基板表面の温度が６００℃以下の段階
で炭素を供給することが好ましい。また前記構成におい
ては、Ｓｉ基板表面を加熱して炭化し炭化珪素を形成す
る時に供給する炭素源が、少なくとも炭素原子等の分子
線を含むことが好ましい。

【００１１】また前記構成においては、炭化後に炭素と
Ｓｉを供給して炭化珪素を成長させる工程において、炭
化珪素表面がＳｉターミネイト表面に過剰なＳｉ原子が
付加している構造を成長表面として保持していることが
好ましい。

【００１２】前記した本発明において、炭化して炭化珪
素を形成するSi基板の表面に異方性を付けてテラスとス
テップを導入することにより、従来の技術において問題
であった２種類のフェーズを有する結晶粒の形成が、１
つのフェーズの結晶粒に限定され、APBの形成が抑制さ
れる。

【００１３】更に、炭化後に炭素とSiを供給して炭化珪
素を成長させるプロセスにおいて、炭化珪素表面がSiタ
ーミネイト表面に過剰なSi原子が付加している構造を成
長表面として保持している場合に、炭化珪素の成長容易
軸が上記異方性を有するSi基板表面のテラスに沿う方向
に対応することとなり、１種類のフェーズの結晶粒が選
択的に成長し上記APBの形成が更に抑制される。

【００１４】更に、Si基板表面を加熱して炭化し炭化珪
素を形成する時に供給する炭素源が、炭化水素等のガス
状の物質だけではなく、少なくとも炭素原子等の分子線
を含む場合にツウィンの形成が抑制される。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の異方性をつけてテラスと
ステップを導入したSi基板表面の模式図を図２に示す。
Si(001)表面４が[110]方向に傾けてoff-cutされてお
り、テラス５とステップ６が導入されている。テラスの
幅（ステップエッジと垂直方向：図２中のN方向７）
は、ステップエッジと平行（図２中のP方向８）なテラ
スの長さに比べて非常に短く、off-cut角度が４度でス
テップ６の高さが１原子層の場合は、20オングストロー
ム程度である。この短く連なったSi[110]原子列（図２
のN方向７）は、長く連なっている図２のP方向８のSi[1
10]原子列に比べて、炭素と反応して収縮しSiC原子構造
を形成することが容易である。つまり、テラスとステッ
プが導入された表面においては、テラスの幅方向（図２
のN方向７）のSi[110]原子列が選択的に収縮し供給炭素
９とともにSiC原子構造を形成する。このように、just
Si(001)表面に形成され問題であった２つのフェーズのS
i結晶粒が、テラスとステップの導入により１つのフェ
ーズに限定され単相のSiC単結晶薄膜となることを本発
明者は確認した。

【００１６】テラス５とステップ６を含むSi(001)表面
に炭素９を供給し炭化しSiC結晶粒を形成する場合、炭
素９を炭化水素などのガス状の物質として供給するとツ
ウィンが形成されやすく、例えば炭素原子などの分子線
を含む炭素源を供給するとツウィンの形成が抑制される
ことも、本発明者は確認した。これは、次のような理由
によると考えられる。ガスフェーズの炭素源とSi表面と
の反応を考えると、Si表面で最も反応性の高い状態にあ
る原子から炭素との反応が始まると考えられる。Si表面
で最も反応性の高い状態にあるSi原子は、表面に存在す
るステップエッジ１０の位置にある原子であり、ガスフ
ェーズの炭素９によるSi表面４の炭化は、ステップエッ
ジ１０から始まると考えられる。ステップエッジ１０に
おいては、基板のSi原子配列に段差が存在するため、そ
の位置から方位の異なるツウィンが成長しやすい。一
方、ガスフェーズの炭素だけでなく、例えば炭素原子な
どの分子線を含む炭素源を供給すると、Si基板との反応
が、炭素が供給された任意の位置から起こり、ステップ
エッジ１０の位置から選択的に起こることが抑制されテ
ラス５上で起こる。このため、ステップエッジ１０の位
置からのツウィンの成長も抑制され、ツウィンの少ない
SiC結晶薄膜が形成されることを確認した。

【００１７】

【実施例】以下実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。（実施例１）まず、Si(001) 4度-offcut 基板をMBE装置
内に導入し、10^-9Torr以下の高真空下で９００℃以上に
加熱し、RHEED観察によりSi(001)(2x1)表面再配列が観
測されるSi清浄表面を形成した。この清浄表面を４００
℃以下に冷却した後、昇温速度１００−２５０℃／分で
昇温した。基板温度が４００℃に達した時点から、黒鉛
粒を充填した坩堝に電子銃を照射する電子線蒸着器から
炭素原子を蒸発させて、基板表面に供給した。この場合
の坩堝から基板までの距離は４０ｃｍ程度で、電子線蒸
着器への供給電力は、８kV,100mA程度が適当であった。
基板温度は、炭素の供給を受けつつ昇温され、昇温過程
で炭化処理がなされた。この場合、上記offcut基板を用
いると、炭化過程で形成されるSiC結晶粒の結晶方向が
揃うことが確認された。これは、図２に示したように、
offcut 基板表面にはテラス５とステップ６が多数存在
し、ステップエッジ１０に平行な長く連なる原子列のＰ
方向８と、ステップエッジ１０に垂直でステップエッジ
１０により分断された短いテラス上の原子列のＮ方向７
について異なった表面反応性を示すためである。

【００１８】炭素原子１がSi(001)表面のSi[110]原子列
２と反応して収縮することが、炭化の基本メカニズムで
あるため、Si[110]の原子列の連なりが短い方がより容
易に収縮することができ、均一な3C-SiC(001)/Si(001)
界面が形成できると考えられる。上記図２のoffcut基板
表面においては、上記Ｎ方向にSi[110]原子列の収縮が
容易に起こり、3C-SiC結晶の[110]のSi(下)C(上)方向が
Ｎ方向と一致する。

【００１９】基板温度が１０５０℃に達した時点から、
炭素に加えて珪素もクヌーセンセルから供給され、その
後は１０５０℃に保持された。この場合のSiクヌーセン
セルの温度は１３５７℃に保たれた。基板表面の結晶性
は、MBEの成長室中で常にRHEEDにより観測されており、
in-situ分析が行われている。3C-SiC(001)成長表面に供
給される C/Si 量は、3C-SiC(001)表面が安定な(3x2)表
面再配列構造を常に保つように制御された（表面制御成
長）。3C-SiC(001)(3x2)表面は、Si-terminated 表面に
過剰なSi原子が付加された構造を有し、C/Si=1のSiCの
構造に比べてSi過剰な表面となっている。この表面制御
成長による3C-SiC(001)表面の成長は、常にSi過剰な表
面からSi原子が供給されるため、Si(上)C(下)の方向へ
の成長が選択的に起こり結晶粒がこの方向へより長く成
長する。この結晶粒の選択成長方向が off-cut 基板表
面のテラス上に長く連なっている図２中のＰ方向８に一
致していれば、結晶粒の成長がテラス上でステップによ
る妨害無しに進行し、容易に単相の3C-SiC単結晶の成長
が得られる。一方上記結晶方向と９０度の関係にあるア
ンチフェーズドメインは、選択成長方向が図２中のＮ方
向７となり、成長がステップによって常に阻害される。
上記２種類のアンチフェーズドメインが成長する場合に
は、選択成長方向がＰ方向８に一致している結晶粒が選
択的に成長し、もう一方のアンチフェーズドメインは成
長に伴って消失してゆくと考えられる。上記、off-cut
表面の炭化によって形成される3C-SiC の結晶方向は Si
(下)C(上)//N方向であったが、この結晶方位は、テラス
上の選択成長を考慮した Si(上)C(下)//P方向と一致す
る。つまり、上記炭化処理と表面制御成長を行えば、方
位の揃った3C-SiC単結晶が選択的に成長し、他のアンイ
フェーズドメインの成長は阻害され、ある程度の膜厚を
成長させれば単相の3C-SiC単結晶薄膜が得られる。

【００２０】図３に上記表面制御成長を３時間行った１
０００オングストローム（１００ｎｍ）膜厚の単相3C-S
iC(001)表面のSEM写真を示す。方位の揃った結晶粒がテ
ラス上を選択的に成長しコアレスして大型の単結晶を形
成していっているのが観察できる。膜厚１０００オング
ストローム（１００ｎｍ）に対して、観測されるそれぞ
れの結晶粒の大きさは１０００オングストローム（１０
０ｎｍ）程度であった。さらにこの薄膜の成長を続ける
と、膜厚の増大に伴ってこれらの結晶粒は更に大きくコ
アレスして大きな単結晶粒を形成した。

【００２１】図４に、この(a)１０００オングストロー
ム（１００ｎｍ）厚の単相3C-SiC単結晶薄膜のESRスペ
クトルを、(b)just-cut Si(001)表面上に形成されたAPB
を含む２フェーズの薄膜のESRスペクトルと比較して示
す。(b)において観測される格子欠陥に対応するSiダン
グリングボンドのスペクトルが、本発明の炭化珪素薄膜
の製造方法により形成された(a)においては確認されず,
薄膜中のAPBに起因する格子欠陥が飛躍的に減少してい
ることが確認された。

【００２２】本実施例においては、異方性を有するSi基
板としてoff-cut基板を用いたが、表面に異方性があり
テラスとステップを含んでいれば、just-cut基板であっ
て異方性エッチングなどにより表面に凸凹を付けた表面
でも良く、off-cut の方向も[110]方向に限るものでは
なく、[110]方向と下記式（数２）方向について同等で
なく異方性があればどの方向にoff-cutしたものでも良
い。

【００２３】

【数２】

【００２４】本実施例において、off-cut の角度は４度
でテラスの幅は20オングストローム（２ｎｍ）程度であ
ったが、off-cut の角度を変化させてテラス幅を変えて
も、テラス幅が５オングストローム（０．５ｎｍ）−１
０００オングストローム（１００ｎｍ）の範囲では、良
好な単相の3C-SiC単結晶薄膜が得られた。５オングスト
ローム（０．５ｎｍ）以下のテラス幅の場合は、炭化に
よって多数のツウィンが形成され、単相の単結晶薄膜が
形成できない。また、１０００オングストローム（１０
０ｎｍ）以上のテラス幅においては、炭化メカニズムに
おいて異方性が有効に機能せず、APBを含む２フェーズ
の薄膜となった。

【００２５】本実施例においては、炭化処理において基
板の昇温中に４００℃から炭素の供給を始めたが、６０
０℃以下の温度であれば適用でき、４００℃に限るもの
ではない。６００℃以上の温度から炭素を供給し炭化す
るとSiC/Si界面にピットが形成され易くなり、薄膜中に
結晶方位の異なる結晶粒が成長しやすい。

【００２６】本実施例において、炭素は電子線蒸着器か
ら原子またはクラスターの形で供給されており、ガス状
の炭素の供給とは異なっている。本実施例の薄膜形成中
にC₂H₄等のガス状の炭素源を5x10^-8Torr以上供給する
と、実施例で述べた単相の3C-SiCの形成が悪化、多数の
ツウィンが形成されることが確認された。このことよ
り、本発明の炭化珪素薄膜の形成方法の実現のために
は、ガス状ではない分子線の炭素の供給が必要であるこ
とが確認された。

【００２７】本実施例においては、炭化後に炭素と珪素
を供給して炭化珪素を成長させるプロセスにおいて、3C
-SiC(001)表面が(3x2)の表面再配列を有しSiターミネイ
ト(001)表面上に付加Siが存在するSi過剰な表面を保持
して成長させた。表面再配列がSi過剰な他の再配列構造
(5x2),(7x2),・・(2n+1,2)（nは任意の正の整数）を保
持するように成長させた場合も本発明は有効であった。
また、Siターミネイト(001)表面である(2x1)表面でも有
効であった。

【００２８】本実施例においては、Si(001)表面につい
て説明したが、例えばSi(111)面のようなSi基板の他の
表面でも本発明が有効であることを発明者は確認した。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、炭化
珪素（Ｓｉ−Ｃ）薄膜の製造方法であって、炭素を供給
しＳｉ基板表面を加熱することにより表面を炭化させて
炭化珪素を形成する工程と、炭化後に炭素と珪素を供給
して炭化珪素を成長させる工程からなり、前記Ｓｉ基板
表面に異方性がありテラスとステップを形成することに
より、Si基板表面にヘテロエピタキシャル成長させ、Si
ウェハ上に結晶欠陥の少ない単相の3C-SiC単結晶薄膜を
形成できる。

【００３０】また本発明の炭化珪素薄膜の製造方法によ
り、APBを含まない単相の3C-SiC単結晶薄膜が制御性良
く成長可能となり、電子デバイスに応用可能な3C-SiC単
結晶薄膜が、Si基板上に形成できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Si(001)基板の表面炭化のプロセス概念図。

【図２】本発明の一実施例の炭化珪素薄膜の製造方法
に用いるSi基板の表面の模式図。

【図３】本発明の一実施例の炭化珪素薄膜の製造方法
により形成された3C-SiC(001)表面のSEM写真のトレース
図。

【図４】 (a)は本発明の一実施例の炭化珪素薄膜の製
造方法により形成された単相3C-SiC単結晶薄膜のESRス
ペクトルのトレース図、(b)は比較例のjust-cutSi(001)
表面上に形成されたAPBを含む２フェーズの薄膜のESRス
ペクトルのトレース図。

【符号の説明】

１炭素原子２炭素と結合したSi基板原子（Si[110]原子列）３炭素と結合したSi原子の一層下のSi基板原子４ Si基板表面５テラス６ステップ７ステップエッジと垂直なＮ方向８ステップエッジと平行なＰ方向９供給炭素１０ステップエッジ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化珪素（Ｓｉ−Ｃ）薄膜の製造方法で
あって、炭素を供給しＳｉ基板表面を加熱することによ
り表面を炭化させて炭化珪素を形成する工程と、炭化後
に炭素と珪素を供給して炭化珪素を成長させる工程から
なり、前記Ｓｉ基板表面に、異方性がありテラスとステ
ップを形成することを特徴とする炭化珪素薄膜の製造方
法。
【請求項２】Ｓｉ基板表面のテラスの幅が５オングス
トローム（０．５ｎｍ）以上１０００オングストローム
（１００ｎｍ）以下である請求項１に記載の炭化珪素薄
膜の製造方法。
【請求項３】炭化珪素形成工程において、Ｓｉ基板表
面の温度が６００℃以下の段階で炭素を供給する請求項
１に記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
【請求項４】Ｓｉ基板表面を加熱して炭化し炭化珪素
を形成する時に供給する炭素源が、少なくとも炭素原子
等の分子線を含む請求項１に記載の炭化珪素薄膜の製造
方法。
【請求項５】炭化後に炭素とＳｉを供給して炭化珪素
を成長させる工程において、炭化珪素表面がＳｉターミ
ネイト表面に過剰なＳｉ原子が付加している構造を成長
表面として保持している請求項１に記載の炭化珪素薄膜
の製造方法。