JPH1012547A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

半導体基板の製造方法

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JPH1012547A
JPH1012547A JP15796296A JP15796296A JPH1012547A JP H1012547 A JPH1012547 A JP H1012547A JP 15796296 A JP15796296 A JP 15796296A JP 15796296 A JP15796296 A JP 15796296A JP H1012547 A JPH1012547 A JP H1012547A
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JP
Japan
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silicon
silicon layer
layer
sapphire
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JP15796296A
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English (en)
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Kazuhiro Nagase
和宏 永瀬
Yoshitaka Moriyasu
嘉貴 森安
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、サファイア基板上に結晶欠
陥の少ない良質のシリコン層が形成された半導体基板の
製造方法を提供することにある。 【解決手段】 サファイア基板上にシリコン層を形成す
る工程と、形成したシリコン層を平坦化する工程と、平
坦化されたシリコン層上に再度シリコン層を形成する工
程とを有する製造方法によって結晶欠陥の少ない半導体
基板を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、サファイア基板上
にシリコン層が形成された半導体基板の製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】シリコン基板は、安価に大型の単結晶の
基板が製造でき、基板上にトランジスタが形成しやすい
ことから各種のICに幅広く利用され、最も普及してい
る半導体基板である。しかし、シリコンは絶縁性の基板
が得られないため、基板と基板上に形成された素子との
電気的分離をpn接合により行わなければならなかっ
た。従って、基板上の素子は薄い空乏層を挟んで導電性
の基板上に形成されていることになり、基板上の素子と
基板間に寄生容量が発生し、基板上に高周波回路を構成
しようとすると動作速度の低下につながるほか、高温で
の動作にも影響を与えるなど大きな障害となっていた。
【0003】そこで、シリコン基板のかわりに、絶縁性
の基板上にシリコン層を形成したものを基板として用い
ることによってこうした問題を解決しようとする試みが
なされてきた。サファイア基板上にシリコンを形成した
SOS(Silicon on Sapphire)基
板やシリコン基板上に酸化膜を形成し、その酸化膜上に
シリコンを形成したSOI(Silicon on I
nsulator)基板等がその代表的なものである。
しかしながら、これまでのところバルクのシリコン基板
と同様の高い結晶性を持つSOS、SOI基板は得られ
ていない。
【0004】SOI基板は、いくつかの製造方法がある
が、一般には表面に酸化膜を形成したウエハ上にもう1
枚のシリコン基板を張り合わせることにより得られる。
本構造の場合、シリコンの酸化膜は厚くした方が基板と
の寄生容量が小さくできる点で有利だが、酸化膜の熱伝
導が悪いため、素子内の発熱による特性の変動が避けら
れない。反対に、酸化膜を薄くしていくと基板と素子と
の寄生容量が大きくなり、バルクのシリコンに対する優
位性がなくなる。また、張り合わせのSOI基板の場
合、シリコン基板を張り合わせる際に密着しない部分が
発生することもあり、基板上に回路を形成した時に素子
特性の不良につながることもあった。
【0005】一方、SOS基板は、サファイアが絶縁性
の高い材料であり、しかも熱伝導度も高いことから、S
OI基板に見られるような熱放散や寄生容量の問題はな
い。しかし、サファイアとシリコンの格子定数が大きく
異なること、熱膨張係数が異なることにより、サファイ
ア基板上に良質の薄膜を形成するのが非常に困難であっ
た。SOS基板では、シリコン層の厚さにもよるが、バ
ルクのシリコンと比較して少なくとも10〜10000
倍の結晶欠陥が発生するほか、シリコン表面にMOS構
造を形成した場合、シリコンと酸化膜の間の界面準位に
よりトランジスタの閾値電圧がばらつくなどの問題があ
った。こうした問題を解決するために、シリコン層を形
成した後に熱処理、もしくは表面の研磨を行って表面を
平坦化するなど各種の試みが行われてきたが、厚くシリ
コン層を形成しても成長初期の凹凸はなかなか緩和され
ず、基板上に形成された素子特性の改善には到っていな
い。こうした事情からサファイア基板上に良質のシリコ
ン薄膜を形成する方法が求められていた。
【0006】
【本発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した
ような問題点を解決し、サファイア基板上にバルクのシ
リコン基板並の結晶欠陥の少ないシリコン層を得る工業
的製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】発明者等は、サファイア
上に単結晶のシリコンを形成するための方法、条件を各
種検討した。しかしながら、シリコンの成長初期には、
シリコンが3次元的な島状成長を行うため、シリコン層
の表面を平坦にすることが困難であることが明らかにな
った。特に一般にシリコンのトランジスタで活性層とし
て使われる0.1から0.5μmの厚さでは、表面の凹
凸が10〜20nm程度あり、単結晶と言うよりは結晶
欠陥が非常に多く、多結晶に近いものであることがわか
った。さらにシリコン層を形成してから熱処理や研磨に
よって表面の平坦化や結晶欠陥の低減を試みたが良好な
結果は得られなかった。
【0008】そこで、1度の成膜で平坦な薄膜を得る成
長条件を検討するのではなく、サファイア基板上に形成
されたシリコン層を一旦強制的に平坦化することによ
り、擬似的にバルクのシリコン基板に近い表面を作り出
し、その表面に再度シリコン層を形成する工程を検討し
たところ従来法に比べ極めて著しい改善が見られた。す
なわち、本発明はサファイア基板上にシリコン層2を形
成する工程と、該形成したシリコン層の表面を平坦化す
る工程と、該平坦化されたシリコン層2’上に再度シリ
コン層3を形成する工程とを有することを特徴とする半
導体基板の製造方法である。
【0009】第二の発明は、請求項1の半導体基板の製
造方法において、前記サファイア基板の表面の凹凸が5
nm以下であることを特徴とする半導体基板の製造方法
である。第三の発明は、請求項1の半導体基板の製造方
法において、前記サファイア基板上に形成されたシリコ
ン層2の厚みが0.1μm以上5μm以下の厚みである
ことを特徴とする半導体基板の製造方法である。
【0010】第四の発明は、請求項1の半導体基板の製
造方法において、前記平坦化されたシリコン層2’の厚
みが0.05μm以上0.5μm以下の厚みであること
を特徴とする半導体基板の製造方法である。第五の発明
は、請求項1の半導体基板の製造方法において、前記平
坦化する工程がサファイア基板上に形成したシリコン層
2を熱処理することを特徴とする半導体基板の製造方法
である。
【0011】第六の発明は、請求項1の半導体基板の製
造方法において、前記シリコン層3の厚みが0.1μm
以上2μm以下であることを特徴とする半導体基板の製
造方法である。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明において、基板として用い
るサファイア基板は、表面の平坦なものほど基板上に回
路を構成したときの特性は良好であり、表面の凹凸が5
nm以下のものを使用するとより好ましい。また、一旦
平坦化を行うまでにサファイア基板上に成長させるシリ
コン層の厚さは平坦化ができる厚さ以上であれば問題は
ないが、0.1μm以上5μm以下が好ましい。平坦化
の方法は、シリコンの表面が平坦にできる方法であれば
よいが、一般のシリコン基板の加工で使われる研磨方法
もしくは熱処理による平坦化が特に好ましい。研磨によ
り平坦化を行う際の研磨量は、最終的にサファイア上に
形成するシリコン層の厚さによって最適値は変わるが、
研磨後のシリコン層の厚さで0.05μmから0.5μ
mの範囲が最適である。
【0013】一旦平坦化した後に再度形成するシリコン
層の厚さは、平坦化後のシリコン層の厚さと関係なく選
んで良いが、0.1μm以上2μm以下は特に好まし
い。なお、サファイア基板上にシリコン層2を厚く形成
後、半導体装置のプロセスとして、シリコン層2を平坦
化し、再度シリコン層3を形成することも可能である。
【0014】
【実施例1】以下実施例によって本発明の実施の形態を
詳細に説明する。第1図は、本発明による基板の製造方
法を工程順に示した概略図である。まず、第1図(a)
に示すようにサファイア基板1上に化学気相成長法で堆
積温度700℃、ガス(SiH4 +H2 の混合ガス)圧
力10Pa、SiH4 の分圧0.2Pa、堆積時間18
0分の条件によりシリコン2を1.2μm形成した。こ
のときのシリコン層の表面をAFM(AtomicFo
rceMicroscopy)法により測定したとこ
ろ、10〜20nmの凹凸があった。
【0015】その後、サファイア基板1上のシリコン2
を機械的化学研磨法(CMP法)で研磨剤ヒュームドシ
リカ(粒径1500Å)、研磨圧力40kg/wafe
r、定盤回転数30rpm、研磨時間3分の条件によ
り、0.2μmまで研磨し、図1(b)のように表面の
凹凸を1nm以下まで平坦化した。次に平坦化したシリ
コン2の表面に再度シリコン層3を化学気相成長法で堆
積温度800℃、ガス(SiH4 +H2 の混合ガス)圧
力10Pa、SiH4 の分圧0.2Pa、堆積時間20
分の条件で0.2μm成長させ、サファイア上のシリコ
ン層の厚さを総計0.4μmとした。
【0016】こうして製造した基板の表面の格子欠陥を
KI(ヨウ化カリ)溶液によるエッチングを行い評価し
たところ、欠陥密度は2×107〜5×108/cm2
あった。これは一般に基板として用いられるシリコン基
板(バルク)の欠陥密度10 7〜108/cm2 と比較し
ても遜色のない値である。また、本基板上にnMOSト
ランジスタを形成したところ、トランジスタのしきい値
のばらつきは、平均値1.2Vに対して10mV以下で
あり、回路を設計する上で全く問題のない範囲であるこ
とが示された。
【0017】
【実施例2】次に平坦化の工程を熱処理により行った実
施例を示す。実施例1と同様にサファイア基板上にシリ
コン層2を化学気相成長法で堆積温度800℃、ガス
(SiH4 +H2 の混合ガス)圧力10Pa、SiH4
の分圧0.2Pa、堆積時間10分の条件で0.1μm
形成した。
【0018】次に水素雰囲気で1000℃1時間の熱処
理によりシリコン表面の凹凸を1nm以下まで平坦化し
た。その後、再度、化学気相成長法によりシリコン層3
を堆積温度800℃、ガス(SiH4 +H2 の混合ガ
ス)圧力10Pa、SiH4 の分圧0.2Pa、堆積時
間20分の条件で0.2μm成長させ、サファイア上の
シリコン層の厚さを0.3μmとした。このときのシリ
コン表面の欠陥密度は6×107〜8×108/cm2
あった。
【0019】この製造法の場合、熱処理によってシリコ
ン層2の平坦化を行うため、実施例1の場合に比べシリ
コン層2の厚さを薄くする必要はあるという点が実施例
1の場合と異なるが、形成されたシリコン層3の結晶性
は実施例1のものとほとんどかわりのないものが得られ
る。
【0020】
【比較例1】本発明の効果を示すために、実施例1と同
じ製造方法でサファイア上にシリコン層を0.4μm成
長させたものをつくり、従来法のSOS基板の製造工程
と比較した。その結果、本発明による実施例1では1n
m以下であった表面の平坦度は、従来法のものではシリ
コン表面の凹凸が10から20nmであって、また表面
の欠陥密度をKI溶液でエッチングして評価したとこ
ろ、5×108 〜3×109/cm2であった。本発明に
よる実施例1と比較すると、同じシリコン層の厚さであ
りながら、実施例1のものに比べ1桁以上結晶欠陥の多
い膜となっていることから本発明の効果が大きいことが
明らかである。
【0021】以上2つの実施例と一つの比較例により本
発明を説明した。しかし、ここで示した例はほんの一例
であり、各種の変化、条件の組み合わせ等が考えられる
が、これらもすべて本発明の範囲である。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、サファイア基板上に結
晶欠陥の少ない良質なシリコン薄膜を得るのが容易とな
り、工業的な生産が可能となる。しかもサファイア基板
上のシリコン層がバルクのシリコンと比較しても遜色の
ない特性を有するため、通常のシリコンプロセスで基板
上にトランジスタ、抵抗をはじめとしたIC回路を構成
することが容易となるなど工業的利用価値は非常に大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体基板の製造方法の工程概略
図である。
【符号の説明】
1 サファイア基板 2 サファイア基板上に形成されたシリコン層 2’平坦化されたシリコン層 3 再度形成されたシリコン層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】サファイア基板上にシリコン層2を形成す
    る工程と、該形成したシリコン層2の表面を平坦化する
    工程と、該平坦化されたシリコン層2’上に再度シリコ
    ン層3を形成する工程とを有することを特徴とする半導
    体基板の製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1の半導体基板の製造方法におい
    て、前記サファイア基板の表面の凹凸が5nm以下であ
    ることを特徴とする半導体基板の製造方法。
  3. 【請求項3】請求項1の半導体基板の製造方法におい
    て、前記サファイア基板上に形成されたシリコン層2の
    厚みが0.1μm以上5μm以下の厚みであることを特
    徴とする半導体基板の製造方法。
  4. 【請求項4】請求項1の半導体基板の製造方法におい
    て、前記平坦化されたシリコン層2’の厚みが0.05
    μm以上0.5μm以下の厚みであることを特徴とする
    半導体基板の製造方法。
  5. 【請求項5】請求項1の半導体基板の製造方法におい
    て、前記平坦化する工程がサファイア基板上に形成した
    シリコン層2を熱処理することを特徴とする半導体基板
    の製造方法。
  6. 【請求項6】請求項1の半導体基板の製造方法におい
    て、前記シリコン層3の厚みが0.1μm以上2μm以
    下であることを特徴とする半導体基板の製造方法。
JP15796296A 1996-06-19 1996-06-19 半導体基板の製造方法 Withdrawn JPH1012547A (ja)

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