JPH11256325A - 結晶性ＳｉＣ薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素プラズマ中のスパッタによりＳｉ基板上
に立方晶ＳｉＣの薄膜を形成するにあたって、Ｓｉ基板
を有効に加熱することにより結晶性の良い結晶性ＳｉＣ
薄膜を製造する方法を提供する。 【解決手段】 スパッタ装置のチェンバー１内において
Ｓｉ基板３を保持、加熱するヒータープレート６とＳｉ
基板３との間の空間に水素ガスを導入する。この際、ヒ
ータープレート６とＳｉ基板３との間の空間領域の圧力
がチェンバー１内における反応領域の圧力よりも高くな
るように設定し、水素ガスが上記空間内で流れを持つよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉ基板上に結晶
性に優れた結晶性ＳｉＣ薄膜を形成する方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】立方晶ＳｉＣ（「３Ｃ−ＳｉＣ」又は
「β−ＳｉＣ」とも呼ばれている）の結晶は４００℃程
度の高温でも半導体として機能し、バンドギャップが大
きく、かつモビリティが大きいので、次世代の半導体基
板として期待されている。この結晶性ＳｉＣの薄膜を製
造する従来の方法としては、ＳｉＣセラミック基板上に
シランと炭化水素を用いて薄膜を形成するＣＶＤ法や、
分子ビームエピタキシ技術等が知られている。しかし、
これらの方法では実用的な面積の均質な基板を得ること
ができないばかりでなく、その加工に従来の半導体製造
技術が利用できなかった。そこで従来の半導体製造技術
が活用できるＳｉ基板の表面に、ＳｉＣの立方晶を成長
させる技術が求められた。

【０００３】ところが、立方晶ＳｉＣの結晶膜を成長さ
せるには一般に１３００〜１４００℃の高温が必要であ
り、この温度はＳｉの融点に接近しているので、Ｓｉ基
板上に立方晶ＳｉＣを成長させようとすると、成長しつ
つあるＳｉＣ薄膜に基板からＳｉ原子が拡散して非晶質
を生成し、Ｓｉ基板上に立方晶ＳｉＣの結晶性薄膜を形
成することは極めて困難であった。

【０００４】この問題を解決する技術として、近年、水
素プラズマ中でＳｉＣセラミック板をターゲットとして
スパッタすると、８００℃という比較的低温度でＳｉ基
板上に立方晶ＳｉＣの薄膜を形成し得ることが見いださ
れ（Yong Sun and Tatsuro Miyasato,et al,"Character
ization of 3C-SiC films grown on monocrystallineSi
by reactive hydrogen plasma sputtering",J.Appl.Ph
ys.,82(5),p2334,1997）、その実用化が期待された。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スパッ
タ装置のチェンバー内に収容したＳｉ基板を８００℃に
加熱する場合、高温のヒータープレート（加熱板）上に
Ｓｉ基板を載置して加熱するのが一般的であるが、実際
のところ、Ｓｉ基板の温度を８００℃という高温に基板
全面に均一に到達させるのは困難であった。なぜなら
ば、成膜中、スパッタ装置のチェンバー内は高真空状態
にあるが、Ｓｉ基板に反りがあったり、ヒータープレー
トの平滑度が悪いような時にＳｉ基板とヒータープレー
トとの間に隙間があると、その隙間がわずかなものであ
っても高真空中ではヒータープレートの熱がほとんどＳ
ｉ基板に伝わらないからである。

【０００６】したがって、ＳｉＣを８００℃程度の温度
で成膜すると立方晶ＳｉＣ薄膜が得られることが見いだ
されながらも、実際には基板温度が均一にならないため
に良好な結晶性を持つ均一なＳｉＣ薄膜を得るのが難し
いという問題があった。つまり、Ｓｉ基板とヒータープ
レートの密着性が悪いとＳｉ基板の面内で温度分布が生
じるため、結晶性にむらが生じるという問題である。例
えば、上記Ｓｉ基板の反りの問題などは、実用化に向け
てＳｉ基板のサイズが大きくなる程、顕著になる問題で
あり、結晶性ＳｉＣ薄膜を形成するスパッタ装置におい
てＳｉ基板を有効に加熱する手段の提供が望まれてい
た。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、水素プラズマ中のスパッタによりＳｉ基板上
に立方晶ＳｉＣの薄膜を形成するにあたり、Ｓｉ基板を
有効に加熱することにより結晶性に優れた結晶性ＳｉＣ
薄膜を製造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】上記の目的を達成するた
めに、本発明の結晶性ＳｉＣ薄膜の製造方法は、スパッ
タ装置のチェンバー内に発生させた水素プラズマ中のス
パッタによりＳｉ基板上に結晶性ＳｉＣ薄膜を形成する
に際して、チェンバー内においてＳｉ基板を保持、加熱
する加熱板とＳｉ基板との間に、水素ガスまたは不活性
ガスを介在させたことを特徴とするものである。そし
て、薄膜形成時には、加熱板とＳｉ基板との間の空間領
域の圧力をチェンバー内における反応領域の圧力よりも
高くしておくことが望ましい。

【０００９】本発明においては、加熱板にＳｉ基板を装
着させるだけではなく、加熱板とＳｉ基板との間に水素
ガスまたは不活性ガスを介在させたことによって、これ
らのガスを伝熱媒体として加熱板の熱がＳｉ基板に効率
良くかつ均一に伝わるようになる。水素ガスもしくはヘ
リウムガス等の分子量の小さいガスは、気体の中でも熱
伝導率の高い気体であり、伝熱媒体として用いるのに好
適である。また、これらのガスであれば、支障なくスパ
ッタを行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図
１、図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態の結
晶性ＳｉＣ薄膜の製造方法に用いるスパッタ装置の一例
を示すものである。図１に示すように、本装置は、ステ
ンレス製の円筒形チェンバー１を有しており、チェンバ
ー１の排気口１ａにはターボ分子ポンプ２が接続され、
チェンバー１内が１×１０^-7torrまで減圧できるように
なっている。また、チェンバー１のガス導入口１ｂには
図示しない水素ガス供給源が接続され、チェンバー１内
に水素ガスが導入できるようになっている。

【００１１】本装置は、チェンバー１上部側にＳｉ基
板、チェンバー１下部側にターゲットが設置される方式
のものであり、チェンバー１内にＳｉ基板３とセラミッ
クＳｉＣの円盤状のターゲット４とが上下に対向配置さ
れている。チェンバー１内上部には成膜時にＳｉ基板３
側を陽極とするための陽極板５が固定されており、陽極
板の下面にはヒータープレート６（加熱板）が設置され
ている。このヒータープレート６は、ＡｌＮまたはＡｌ
₂Ｏ₃等の絶縁材料からなる支持板の内部にＷ等からなる
抵抗体が挿通されたものであり、抵抗体に通電すること
により全体が加熱されるものである。

【００１２】図２はヒータープレート６をチャンバー１
下部側から見上げた状態を示す図である。図１、図２に
示すように、ヒータープレート６の下面には環状の基板
ホルダー７が設けられている。基板ホルダー７の内面下
部にはＳｉ基板３が挿入できるだけの寸法を有する溝が
形成されるとともに、基板ホルダー７は全体が複数に分
割されており、円形の支持板の径方向に移動可能となっ
ている。この構成によって、基板ホルダー７に対してＳ
ｉ基板３を装着、脱着できるようになっている。したが
って、Ｓｉ基板３が基板ホルダー７の溝に挿入される
と、Ｓｉ基板３はヒータープレート６からわずかではあ
るが所定距離離間した位置で保持され、ヒータープレー
ト６と基板ホルダー７とＳｉ基板３とで囲まれた空間が
できる（図１では空間を誇張して図示しているが、実際
にはわずかな空間である）。

【００１３】図２に示すように、ヒータープレート６お
よび陽極板５の中心を貫通するガス導入孔８が設けら
れ、この孔８に、図１に示すように、図示しない水素ガ
ス供給源からヒータープレート６と基板ホルダー７とＳ
ｉ基板３とで囲まれた空間に水素ガスを導入するための
水素ガス導入管９が接続されている。また、図２に示す
ように、ヒータープレート６の周縁部には環状の溝１０
が形成され、この溝１０の複数箇所には、図１に示すよ
うに、陽極板５の裏面側に貫通して上記空間から水素ガ
スを排出するためのガス排出孔１１が形成されている。

【００１４】一方、チェンバー１の下部には高周波印加
によるプラズマ発生装置１２が配設されており、プラズ
マ発生装置１２の上面にＳｉＣターゲット４が保持され
るようになっている。また、チェンバー１の側壁には石
英窓１３が設けられ、この窓１３を通して光学温度計１
４がＳｉ基板３の表面温度を計測できるようになってい
る。

【００１５】次に、上記構成のスパッタ装置を用いた結
晶性ＳｉＣ薄膜の形成方法について説明する。まず、タ
ーボ分子ポンプ２の作動によりチェンバー１内を１×１
０^-7torrにまで一旦減圧した後、チェンバー１内に水素
ガスを導入し、チェンバー内圧力を０．７５torrに調整
する。なお、ここでの水素ガス流量は、例えば１５sccm
（標準立方センチメートル／分）程度とする。次に、ヒ
ータープレート６を通電加熱すると同時に、水素ガス導
入管９を通じてヒータープレート６とＳｉ基板３との間
の空間に水素ガスを導入し、水素ガスを介してＳｉ基板
３を８００℃程度に加熱する。この際、ヒータープレー
ト６とＳｉ基板３との間の空間領域の圧力をチェンバー
内における反応領域の圧力（０．７５torr）よりも高
く、例えば５torr程度になるように水素ガスを導入す
る。

【００１６】８００℃の基板温度を保持した状態でプラ
ズマ発生装置１２に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印
加すると、Ｓｉ基板３とＳｉＣターゲット４との間に水
素プラズマ１５が発生し、そのスパッタ作用によってＳ
ｉ基板３の表面にＳｉＣの結晶性薄膜が生成する。この
８００℃におけるスパッタを所定時間続けることによ
り、Ｓｉ基板３上に所定の膜厚の結晶性ＳｉＣ薄膜が形
成される。

【００１７】本実施の形態のＳｉＣ薄膜の形成方法にお
いては、ヒータープレート６とＳｉ基板３との間に空間
を設け、この空間に水素ガスを導入するようにしたこと
により、熱伝導率の高い水素ガスを伝熱媒体としてヒー
タープレート６の熱がＳｉ基板３に効率良く伝わる。そ
の結果、Ｓｉ基板３の温度を８００℃にまで充分昇温す
ることができるので、結晶性の良い立方晶のＳｉＣ薄膜
を得ることができる。なお、本方法は水素プラズマ中で
のスパッタを前提としているため、伝熱媒体としてチェ
ンバー１内に水素ガスを導入しても何ら支障なくスパッ
タを行うことができる。

【００１８】さらに、本実施の形態においては、伝熱媒
体となる水素ガスを導入する際にヒータープレート６と
Ｓｉ基板３との間の空間領域の圧力がチェンバー内にお
ける反応領域の圧力よりも高くなるように水素ガス流量
を設定した結果、ガス導入孔８から導入された水素ガス
がガス排出孔１１からチェンバー１内に抜けていく。す
なわち、水素ガスが単にヒータープレート６とＳｉ基板
３との間に介在するというだけでなく、ヒータープレー
ト６とＳｉ基板３との間の空間でヒータープレートの中
心から周縁に向かう流れが生じることになる。そのた
め、伝熱効率がさらに向上して基板温度が上昇しやすく
なるという効果が得られるとともに、Ｓｉ基板３面内の
温度均一性もより向上し、大口径のＳｉ基板に適用する
のに好適な方法となる。

【００１９】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば上記実施の形態ではヒータープレートの中心にガス
導入孔、周縁部の溝にガス排出孔を設け、これら孔を通
じて水素ガスを流通させるようにしたが、ヒータープレ
ートとＳｉ基板の間の空間に水素ガスを流通させるため
の具体的な構成に関しては適宜設計変更が可能である。
また、上記実施の形態の成膜条件はほんの一例にすぎ
ず、変更が可能なことは勿論である。さらに、伝熱媒体
用のガスがプラズマ発生領域内に流れないような構成と
すれば、伝熱媒体としてヘリウム等の不活性ガスを用い
ることもできる。

【００２０】

【発明の効果】本発明の結晶性ＳｉＣ薄膜の製造方法に
よれば、加熱板とＳｉ基板との間に伝熱媒体となるガス
を介在させたため、加熱板の熱がＳｉ基板に効率良く伝
わり、Ｓｉ基板を充分かつ均一に昇温することができる
ので、結晶性に優れた立方晶のＳｉＣ薄膜を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態である結晶性ＳｉＣ薄
膜の形成方法に用いるスパッタ装置の一例を示す概略図
である。

【図２】 同装置のヒータープレートの部分を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ チェンバー ２ ターボ分子ポンプ ３ Ｓｉ基板 ４ ＳｉＣターゲット ５ 陽極板 ６ ヒータープレート（加熱板） ７ 基板ホルダー １２ プラズマ発生装置 １３ 石英窓 １４ 光学温度計 １５ 水素プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 綾部 時宏 東京都国立市谷保992 株式会社プラズマ システム内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スパッタ装置のチェンバー内に発生させ
   た水素プラズマ中のスパッタによりＳｉ基板上に結晶性
   ＳｉＣ薄膜を形成するに際して、前記チェンバー内にお
   いて前記Ｓｉ基板を保持して加熱する加熱板と前記Ｓｉ
   基板との間に、水素ガスまたは不活性ガスを介在させた
   ことを特徴とする結晶性ＳｉＣ薄膜の製造方法。
2. 【請求項２】 前記薄膜形成時に、前記加熱板と前記Ｓ
   ｉ基板との間の空間領域の圧力を前記チェンバー内にお
   ける反応領域の圧力よりも高くすることを特徴とする請
   求項１に記載の結晶性ＳｉＣ薄膜の製造方法。