(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェハを300〜1000℃に保ちながら、シリコンウェハに対し、炭素を含むイオンと珪素を含むイオンとをそれぞれ1〜500eVのエネルギーで、同時または交互に照射することにより、単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハを製造する方法。
【請求項２】
シリコンウェハを300〜1000℃に保ちながら、シリコンウェハに対し、炭素を含むイオンを1〜500eVのエネルギーで照射し、シリコンウェハ表面を炭化珪素化した後に、炭素を含むイオンと珪素を含むイオンとをそれぞれ1〜500eVのエネルギーで、同時または交互に照射することにより、単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハを製造する方法。
【請求項３】
炭素を含むイオンおよび/または珪素を含むイオンの電流量が、0.1μA/cm2〜10mA/cm2である請求項１または２に記載の単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハを製造する方法。
【請求項４】
炭素を含むイオンが、質量分離された炭素を含むイオンである請求項１または２に記載の単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハを製造する方法。
【請求項５】
珪素を含むイオンが、質量分離された珪素を含むイオンである請求項１または２に記載の単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハを製造する方法。
【請求項６】
質量分離された炭素を含むイオンに含まれる炭素が、質量数１２の炭素のみまたは質量数１３の炭素のみである請求項４に記載の単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハを製造する方法。
【請求項７】
質量分離された珪素を含むイオンに含まれる珪素が、質量数２８の珪素のみ、質量数２９の珪素のみまたは質量数３０の珪素のみである請求項５に記載の単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハを製造する方法。
【請求項８】
請求項１〜７の製造方法により製造される単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハ。
【請求項９】
厚みが、1nm〜100μmである請求項８に記載の単結晶炭化珪素薄膜を備えたシリコンウェハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素薄膜の製造方法および炭化珪素薄膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の半導体には、高温・高放射線などの極限環境においても使用することができたり、ハイパワーデバイス用として使用できることが求められている。シリコンウェハ上に単結晶炭化珪素薄膜を形成させた基板は、このような次世代の半導体として期待されており、現在開発が進んでいる。
【０００３】
シリコンウェハ上への単結晶炭化珪素薄膜の形成方法としては、従来、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ  Ｍｅｔｈｏｄ）などの蒸着法が採られている。具体的には、１０００  ℃より高い温度に保ったシリコンウェハ上に炭化水素などのガスとシランなどのガスを供給し、シリコンウェハ上で化学反応を起こすことにより炭化珪素の単結晶を成長させる。
【０００４】
しかしながら、上記の方法では、炭化珪素を成長させるために１０００℃より高い温度とする必要があるので、シリコンと炭化珪素の界面付近に欠陥や転位が生じる。また、素子の電気伝導性を制御するためのドープ剤濃度の分布に狂いが生じる。これらは、電子素子としての品質低減の原因となるので、上記方法により得られた基板は、電子素子として応用しがたい。
【０００５】
また、放熱特性、熱伝導率向上などの特性がより優れた電子素子を得るために、特定の同位体だけを含む薄膜を製造する方法の開発が望まれているが、実用には至っていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の問題点を鑑み成されたものであって、主として、低エネルギーの特定のイオンを用いることにより、シリコンウェハを１０００℃より高い温度に加熱することなく、炭化珪素薄膜を製造する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】
発明者は、鋭意研究の結果、特定のイオン種を低エネルギーでシリコンウェハに照射することにより、ウェハ上に高品質の単結晶炭化珪素薄膜を形成できることを見出し、本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本願発明は、下記の炭化珪素薄膜の製造方法および炭化珪素薄膜を提供するものである。
１．リコンウェハに炭素を含むイオンと珪素を含むイオンとを低エネルギーで、同時または交互に照射し、シリコンウェハ上に単結晶炭化珪素薄膜を形成させる炭化珪素薄膜の製造方法。
２．シリコンウェハに炭素を含むイオンを低エネルギーで照射し、シリコンウェハ表面を炭化珪素化した後に、炭素を含むイオンと珪素を含むイオンとを同時または交互に照射し、シリコンウェハ上に単結晶炭化珪素薄膜を形成させる炭化珪素薄膜の製造方法。
３．シリコンウェハを３００〜１０００℃に保ちながら、炭素を含むイオンおよび／または珪素を含むイオンを照射する上記１または２に記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
４．炭素を含むイオンおよび／または珪素を含むイオンのエネルギーが、１〜５００ｅＶである上記１または２に記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
５．炭素を含むイオンおよび／または珪素を含むイオンの電流量が、０．１μＡ／ｃｍ２〜１０ｍＡ／ｃｍ２である上記１または２に記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
６．炭素を含むイオンが、質量分離された炭素を含むイオンである上記１または２に記載の炭化珪素薄膜を製造する方法。
７．珪素を含むイオンが、質量分離された珪素を含むイオンである上記１または２に記載の炭化珪素薄膜を製造する方法。
８．質量分離された炭素を含むイオンに含まれる炭素が、質量数１２の炭素のみまたは質量数１３の炭素のみである上記６に記載の炭化珪素薄膜を製造する方法。
９．質量分離された珪素を含むイオンに含まれる珪素が、質量数２８の珪素のみ、質量数２９の珪素のみまたは質量数３０の珪素のみである上記７に記載の炭化珪素薄膜を製造する方法。
１０．同位体分離された炭素を含む炭化珪素薄膜。
１１．同位体分離された珪素を含む炭化珪素薄膜。
１２．同位体分離された炭素が、質量数１２または質量数１３の炭素である上記１０に記載の炭化珪素薄膜。
１３．同位体分離された珪素が、質量数２８、質量数２９または質量数３０の珪素である上記１１に記載の炭化珪素薄膜。
１４．厚みが、１ｎｍ〜１００μｍである上記１０〜１３のいずれかに記載の炭化珪素薄膜。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、シリコンウェハ表面に炭素を含むイオンと珪素を含むイオンとを同時または交互に照射し、シリコンウェハ上に単結晶炭化珪素薄膜を形成させる炭化珪素薄膜の製造方法に係る。
【００１０】
シリコンウェハ表面に照射する炭素を含むイオンは、特に制限されず、ＣｎＨｍｘ＋、ＣｎＨｍ−などの炭化水素イオン（ｎは、１から１００程度（好ましくは１〜２０程度）の範囲に含まれるいずれかの整数を示し、ｍは、１から（２ｎ＋２）で示されるいずれかの整数を示し、ｘは、１〜１００程度（好ましくは１〜５程度，より好ましくは１〜２程度）の範囲に含まれるいずれかの整数を示す）；Ｃ＋；Ｃ−；Ｃ２−などを例示することができる。炭化水素イオンとしては、より具体的には、ＣＨ＋、ＣＨ２＋、ＣＨ３＋、ＣＨ４＋、Ｃ２Ｈ＋、Ｃ２Ｈ２＋、Ｃ２Ｈ３＋、Ｃ２Ｈ４＋、Ｃ２Ｈ５＋、Ｃ２Ｈ６＋などを例示できる。これらの中では、ＣＨ３＋、Ｃ＋、Ｃ−、Ｃ２−などが好ましい。炭素を含むイオンは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。炭素を含むイオンの質量は、特に制限されないが、通常１２〜１００程度、好ましくは１２〜８０程度である。
【００１１】
シリコンウェハ表面に照射する珪素を含むイオンは、特に制限されず、ＳｉＨ４＋などのシラン系イオン；Ｓｉ＋；Ｓｉ−；Ｓｉ２−などを例示することができる。これらの中では、ＳｉＨ４＋；Ｓｉ＋；Ｓｉ−が好ましい。珪素を含むイオンは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。珪素を含むイオンの質量は、特に制限されないが、通常２８〜１００程度、好ましくは２８〜８０程度である。
【００１２】
このような炭素を含むイオンと珪素を含むイオンのそれぞれをシリコンウェハに同時または交互に照射する。それぞれのイオンは、必要に応じてイオンビームとしてもよい。イオンを照射する順番は、特に制限されないが、好ましくは、先ず、炭素を含むイオンのみをシリコンウェハに照射し、シリコンウェハ表面を炭化珪素化する。
【００１３】
１回当たりのシリコンウェハへのイオン照射量は、特に制限されない。照射量は、反射高速電子線回折法  （ＲＨＥＥＤ  ：  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）でモニターすることなどにより、適宜設定することができる。例えば、シリコンウェハへ炭素を含むイオンのみを照射する場合には、ＲＨＥＥＤにより得られる回折像が、珪素のパターンから炭化珪素結晶のパターンに変化するまで、イオンを照射すればよい。炭化珪素薄膜に珪素を含むイオンを照射する場合には、ＲＨＥＥＤにより得られる回折像が、炭化珪素結晶のみのパターンから、炭化珪素結晶のパターンと珪素結晶のパターンとが重複した像となるまで、イオンを照射すればよい。このようにして得られた基板に、更に、炭素を含むイオンを照射する場合には、上記の重複したパターンから珪素結晶のパターンが徐々に消失し、炭化珪素結晶のパターンのみになるまで照射すればよい。一方、炭化珪素薄膜に炭素を含むイオンを照射する場合には、ＲＨＥＥＤにより得られる回折像において、炭化珪素結晶のパターンが消失するまで、炭素を含むイオンを照射すればよい。得られた基板に、更に、珪素を含むイオンを照射する場合には、再び炭化珪素結晶のパターンが現れるまで、照射すればよい。ＲＨＥＥＤによるモニターがしやすいという点からは、炭化珪素薄膜へのイオンの照射順序は、珪素を含むイオンを照射した後に、炭素を含むイオンを照射する方が好ましい。２種のイオンを同時に照射する場合には、ＲＨＥＥＤにおいて、炭化珪素結晶のパターンが常にみられるように、照射条件を設定すればよい。
【００１４】
シリコンウェハへの単位面積（１ｃｍ２）当たりの１回の照射時間は、イオンの照射エネルギー、照射イオン電流量などに応じて適宜設定することができる。シリコンウェハへの単位面積当たりの１回の照射時間は、通常１秒〜６０分程度、好ましくは１秒〜３０分程度、より好ましくは１秒〜２０分程度である。
【００１５】
炭素を含むイオンまたは珪素を含むイオンを発生させる方法は特に制限されず、公知の方法を用いることが出来る。イオン源として、例えば、フリーマン型イオン源、カウフマン型イオン源、ＥＣＲ型イオン源、スパッタ型イオン源などを例示できる。
【００１６】
本発明においては、必要に応じて、炭素を含むイオンおよび／または珪素を含むイオンについて、シリコンウェハに照射する前に質量分離を行ってもよい。質量分離を行うことにより、例えば、特定の炭素同位体を含むイオンまたは特定の珪素同位体を含むイオンだけを分離することができる。本発明によると、質量分離を行うことにより、所望のイオンだけを選択的にシリコンウェハへ照射することができるので、同位体分離された炭素および／または同位体分離された珪素を含む炭化珪素薄膜を製造することができる。即ち、炭素成分として質量数１２の炭素のみまたは質量数１３の炭素のみを含む炭化珪素薄膜、あるいは、珪素成分として質量数２８の珪素のみ、質量数２９の珪素のみ、または質量数３０の珪素のみを含む炭化珪素薄膜を製造することができる。
【００１７】
同位体分離された炭素および／または同位体分離された珪素を含む炭化珪素薄膜は、同位体の質量数に拘わらず、高い熱伝導率を示す。同位体分離されていない炭化珪素薄膜の熱伝導率は、約４．９Ｗ／ｃｍＫであるが、例えば、炭素のみ同位体分離された炭化珪素薄膜の熱伝導率は、通常６〜６．８  Ｗ／ｃｍＫ程度、好ましくは６．３〜６．６Ｗ／ｃｍＫ程度である。珪素のみ同位体分離された炭化珪素薄膜の熱伝導率は、通常６．３〜７  Ｗ／ｃｍＫ程度、好ましくは６．５〜６．８  Ｗ／ｃｍＫ程度である。炭素と珪素の両方について同位体分離された炭化珪素薄膜の熱伝導率は、通常７〜８  Ｗ／ｃｍＫ程度、好ましくは７．２〜７．８  Ｗ／ｃｍＫ程度である。
【００１８】
本発明の方法に用いるシリコンウェハは、特に制限されず、一般に電子素子、集積回路などの製造用に用いられているシリコンウェハ（好ましくは単結晶シリコンウェハ）を使用できる。シリコンウェハは、シリコン単結晶であることが好ましい。シリコンウェハの厚みは、特に制限されないが、通常１  μｍ〜１０  ｍｍ程度、好ましくは５μｍ〜１  ｍｍ程度である。シリコンウェハは、イオン照射に先立って、シリコン表面の酸化層を除去するための表面処理を施して、シリコン原子面を露出させておくことが好ましい。この様な表面処理方法は、特に制限されず、フッ化水素酸による洗浄、高真空下（通常１０−９〜１０−７Ｐａ程度）における加熱（通常８００〜９００℃程度）などの公知の表面処理を適用することができる。
【００１９】
本発明の炭化珪素薄膜製造方法の一例をより具体的に以下に示す。まず、シリコンウェハを照射真空槽などに設置し、別途形成させた炭素を含むイオンビームと珪素を含むイオンビームをそれぞれ、この照射真空槽などに導入し、シリコンウェハへ照射する。
【００２０】
低エネルギーの炭素を含むイオンを形成させる方法は、特に制限されない。例えば、以下の様な方法を例示できる。放電箱などにおいて、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などの炭化水素ガス、ＣＯ、ＣＯ２などのガスを導入するとともにマイクロ波を磁場とともに印加することによりガスをプラズマ化し、炭素を含むイオンを発生させる。マイクロ波の出力は、通常１０ｍＷ〜１ｋＷ程度、好ましくは０．５〜１ｋＷ程度である。マイクロ波の周波数は、１〜３  ＧＨｚ程度、好ましくは２〜２．８ＧＨｚ程度である。磁場は、通常０．０１〜１テスラ程度、好ましくは０．１〜１テスラ程度である。イオン生成効率上昇のために、セシウム、リチウムなどの蒸気をイオン源内に導入してもよい。イオン源内で発生させたプラズマからイオンを引き出した後、シリコンウェハを設置した照射真空槽などに導き、所定のエネルギーのイオンをウェハ上に照射する。
【００２１】
質量分離を行う場合を行う場合も、低エネルギーの炭素を含むイオンを形成させる方法は、特に制限されず、例えば、以下の様な方法を例示できる。放電箱などにおいて、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などの炭化水素ガス、ＣＯ、ＣＯ２などのガスを導入するとともにマイクロ波を磁場とともに印加することによりガスをプラズマ化し、炭素を含むイオンを発生させる。マイクロ波の出力は、通常１０ｍＷ〜１ｋＷ程度、好ましくは０．５〜１ｋＷ程度である。マイクロ波の周波数は、１〜３  ＧＨｚ程度、好ましくは２〜２．８ＧＨｚ程度である。磁場は、通常０．０１〜１テスラ程度、好ましくは０．１〜１テスラ程度である。イオン生成効率上昇のために、セシウム、リチウムなどの蒸気をイオン源内に導入してもよい。発生させたイオンをプラズマから引き出した後、所望のイオンを質量分離し、シリコンウェハを設置した照射真空槽などに導く。質量分離を行う前に、必要に応じてイオンを加速してイオンビーム化してもよい。シリコンウェハへ照射前に、必要に応じて逆電界をかける方法などにより所定のエネルギーにイオンビームを減速してもよい。
【００２２】
低エネルギーの珪素を含むイオンを形成させる方法は、特に制限されない。例えば、以下の様な方法を例示できる。イオン源内にターゲットを設置し、ターゲットに逆バイアスをかけ、希ガスイオンでスパッタすることによりターゲットをイオン化する方法などにより形成できる。希ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトンなどを使用することができ、これらのなかではアルゴンが好ましい。イオン生成効率上昇のために、更にセシウム、リチウムなどの蒸気をイオン源内に導入してもよい。ターゲットとしては、シリコンウェハなどを用いることができる。バイアス電圧の大きさは、特に制限されないが、通常５０ｋＶ〜１０ｋＶ程度、好ましくは１００Ｖ〜５ｋＶ程度である。希ガスを導入することなどにより発生した希ガスプラズマを用いて、ターゲットをスパッタする方法などにより、珪素を含むプラズマを発生させる。イオン源内で発生させたプラズマから珪素を含むイオンを引き出し、照射真空槽などに導き、所定のエネルギーでシリコンウェハへ照射する。
【００２３】
質量分離を行う場合には、例えば、以下の方法などにより珪素を含むイオンを形成させることができる。上述した方法などにより発生させたイオンをイオン源から引き出し、所望のイオンを質量分離し、シリコンウェハを設置した照射真空槽などに導き、所定のエネルギーでシリコンウェハへ照射する。質量分離前に、必要に応じて加速してイオンビーム化してもよい。シリコンウェハへ照射する前に、必要に応じて逆電界をかける方法などによりイオンビームを所定のエネルギーに減速してもよい。
【００２４】
炭素または珪素を含むイオンをイオンビームとしてシリコンウェハに照射するときのエネルギーは、通常１〜５００  ｅＶ程度、好ましくは１〜６０  ｅＶ程度、より好ましくは５〜４０ｅＶ程度である。いずれのイオンビームの場合も、電流量は、特に制限されないが、通常０．１μＡ／ｃｍ２〜１０  ｍＡ／ｃｍ２程度、好ましくは１μＡ／ｃｍ２〜１  ｍＡ／ｃｍ２程度、より好ましくは１μＡ／ｃｍ２〜０．５ｍＡ／ｃｍ２程度である。イオン電流量をモニターすることによって、炭素または珪素を含むイオンの照射量を概算することができる。
【００２５】
炭化珪素薄膜の形成にあたっては、シリコンウェハに炭素および珪素を含むイオンを同時または交互に照射しながら、シリコンウェハ表面の結晶構造や表面荒れなどの表面形状をＲＨＥＥＤなどを用いてモニターしておくことが望ましい。例えば、シリコンウェハ表面に炭素を含むイオンを照射する場合には、シリコンウェハ表面の結晶構造が、シリコンから炭化珪素に変化する過程をＲＨＥＥＤなどによりモニターしておくことが望ましい。
【００２６】
シリコンウェハ上に炭素を含むイオンまたは珪素を含むイオンを照射する時間は、イオンビームの電流量などに応じて適宜設定することが出来る。いずれのイオンビームの場合も、イオンビームの電流密度が１００μＡ／ｃｍ２の時には、イオンビーム照射時間は、１〜６０分程度、好ましくは５〜４０分程度である。或いは、イオン照射時のＲＨＥＥＤによるモニタリングにより、照射時間を決定してもよい。例えば、シリコンウェハ表面に炭素を含むイオンを照射する場合には、シリコンウェハのパターンが消え、炭化珪素結晶のパターンが現れるまで、イオンを照射しても良い。シリコンウェハ上に炭素イオンを照射しすぎると、炭化珪素面において炭素過剰となるおそれがある。
【００２７】
イオン照射時におけるシリコンウェハを設置した照射真空槽などの真空度は、高真空である程好ましい。照射真空槽内の真空度は、通常約１０−５Ｐａ以下、好ましくは約１０−６  Ｐａ以下である。
【００２８】
イオン照射時のシリコンウェハの温度は、通常３００〜１０００℃程度、好ましくは５００〜７００℃程度、より好ましくは６００〜７００℃程度である。
【００２９】
必要に応じて炭化珪素薄膜にドープ剤をドーピングする場合には、当該分野において公知の方法を用いることが出来る。例えば、炭素および／または珪素を含むイオンとともに、ドープ剤含有のガス、ドープする元素の蒸気などをシリコンウェハを設置した照射真空槽に導き、イオンビームとともに照射する方法などを採用することができる。より具体的には、Ｎなどをドーピングする場合には、Ｎ含有ガス（例えば、Ｎ２、ＮＨ３など）を照射真空槽に導く方法などを採ることが出来る。Ｇａ、Ａｌ、Ｂなどをドーピングする場合には、これらの元素を含むガス（例えば、ジボランなどの水素化物など）を照射真空槽に導く方法；クヌーセンセルなどの高温セルを使用し、高温セルから所望の元素種（Ｇａ、Ａｌなど）を蒸気として流出させて、これを照射真空槽に導く方法などをとることができる。
【００３０】
質量分離を行う方法は、特に制限されず、公知の方法を適用することができる。例えば、電場型；セクターマグネット、ウィーンフィルターなどの磁場型；四重極型、多重極質量フィルターなどの多重極電場型；飛行時間型（ＴＯＦ）；イオンサイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）；磁場型二重収束型（磁場および電場の組合せで分析部が構成されているタイプ）などを例示でき、電場型、磁場型、四重極型が好ましい。
【００３１】
本発明の製造方法により得られる炭化珪素薄膜は、シリコンウェハの上に単結晶炭化珪素を被覆した炭化珪素薄膜である。本発明の製造方法により得られる炭化珪素薄膜には、シリコンウェハ表面を炭化珪素化することにより得られた単結晶炭化珪素層が含まれていてもよい。
【００３２】
本発明の方法により得られた炭化珪素薄膜は、単結晶である。炭化珪素薄膜の赤外吸収スペクトルは、７９０〜８１０ｃｍ−１程度に半値全幅４０〜６０  ｃｍ−１程度、好ましくは３０〜５０ｃｍ−１程度のピークを示す。更に、反射高速電子線回折像が、スポット形状を示す。ＲＨＥＥＤにより得られる回折像は、単結晶炭化珪素のものに対応する。また、本発明の方法により得られた単結晶炭化珪素薄膜は、シリコンウェハの結晶軸と結晶軸の方位がそろっている。すなわち、炭化珪素薄膜は、シリコンウェハ上にエピタキシャル成長している。炭化珪素単結晶がエピタキシャル成長している場合には、得られた炭化珪素薄膜のＲＨＥＥＤ回折像が、スポット状となり、炭化珪素のパターンを示す。或いは、製造中に、炭化珪素薄膜をＲＨＥＥＤでモニターすることによっても、得られた炭化珪素薄膜が単結晶であるかどうかが判る。
【００３３】
炭化珪素薄膜の平滑性は、薄膜のＲＨＥＥＤにおいてスポット形状がみられる限り特に制限されないが、最大高さとして、通常約５Å以下、好ましくは約３Å以下、より好ましくは０．１〜３Å程度である。
【００３４】
本発明の製造方法により得られる単結晶炭化珪素薄膜の厚みは、特に制限されない。単結晶炭化珪素薄膜の厚みの下限値は、通常１ｎｍ程度、好ましくは１５ｎｍ程度である。単結晶炭化珪素薄膜の厚みの上限値は、通常１００μｍ程度、好ましくは５０μｍ程度、より好ましくは１０μｍ程度である。
【００３５】
本発明の製造方法により得られる炭化珪素薄膜は、単結晶であれば特に制限されず、３Ｃ型立方最密充填構造であることが好ましい。
【００３６】
炭化珪素薄膜は、必要に応じて、Ｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂなどのドープ剤を含んでいても良い。ドープ量は、ドープ剤の種類などに応じて適宜設定することができるが、通常１０１３〜１０２０ｃｍ−３程度、好ましくは１０１４〜１０１６ｃｍ−３程度である。
【００３７】
【発明の効果】
電子素子製造過程は、できるだけ低温で行われることが望ましい。本発明によると、従来の製造方法よりも低温でシリコン基板上へ高品質単結晶炭化珪素薄膜を形成することが可能となる。
【００３８】
本発明方法によると、高品質の単結晶炭化珪素薄膜を得ることができる。得られた単結晶炭化珪素薄膜は、ＲＨＥＥＤにおいて、スポット形状を含む回折像を示す。好ましい条件下において製造された単結晶炭化珪素薄膜は、ストリーク形状を含むＲＨＥＥＤを示す。また、得られた単結晶炭化珪素薄膜は、スペクトルにおいて、７９０〜８１０ｃｍ−１にピークを示し、このピークの半値全幅は、通常４０〜６０ｃｍ−１程度である。
【００３９】
本発明の製造方法において、質量分離を行い特定の同位体のみを含むイオンを照射する場合には、特定の同位体のみを含む炭化珪素薄膜を製造することができる。特定の同位体のみを含む炭化珪素薄膜は、熱伝導率などにおいて、より優れた特性を有する。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、本発明をより具体的に説明する。本発明は、以下の実施例に制限されるものではない。
【００４１】
実施例１
（１００）表面の出たシリコンウェハをフッ化水素酸で洗浄し、表面酸化層を取り除いた後、シリコンウェハを照射真空槽に設置し、真空槽内を８×１０−８  Ｐａ以下とした。その後、シリコンウェハの温度を数秒間９００℃程度まで上げることにより、シリコンウェハ表面を清浄化し、シリコン原子面を露出させた。シリコン表面が清浄化されていることをＲＨＥＥＤで観察することによって確認した。即ち、ＲＨＥＥＤで観察した結果、（２×１）表面超構造が形成されていた。
【００４２】
一方、イオンビーム照射に用いる炭素を含むイオンを以下のようにして発生させた。ＥＣＲ型イオン源内のＢＮ放電箱中にイオン源となるＣＨ４ガスを導入した。このＢＮ放電箱に０．１テスラの磁場をかけ、７００  Ｗ程度、周波数２．５４  ＧＨｚのマイクロ波を導入し、放電箱中のガスをプラズマ化し、Ｃ＋、ＣＨ３＋などの炭化水素イオンから構成されるプラズマを生成した。このようなプラズマからイオンを引き出したのち、炭素を含むイオンを照射真空槽へと導いた。得られた炭素を含むイオン（イオンエネルギー：５０ｅＶ）を照射真空槽内に設置したシリコンウェハ上へ照射した。照射条件については後述する。
【００４３】
また、イオンビーム照射に用いる珪素イオンを以下のようにして発生させた。スパッタ型イオン源内に設置されたターゲットホルダーに直径２５  ｍｍ程度のシリコンでできた円板を固定した。イオン源内に、ターゲットスパッタ用の放電ガスとしてＡｒを導入した。このＡｒをイオン化するため、ターゲットを挟んで設置されたタングステンフィラメントから熱電子を発生させるとともに、ターゲットとイオン源壁面間に約５０  Ｖの電圧を印可した。ターゲットにバイアス電圧−５００  Ｖをかけてイオン化されたＡｒを加速し、珪素ターゲットをスパッタすることにより珪素プラズマを発生させた。種々の質量の珪素イオンから構成されるプラズマをイオン源から引き出し、照射真空槽へと導いた。このようにして得られた珪素イオン（イオンエネルギー：５０ｅＶ）を照射真空槽内に設置したシリコンウェハ上へ照射した。照射条件については後述する。
【００４４】
清浄化後のシリコンウェハを７００  ℃に保ち、シリコンウェハ上へ先ず上述の炭素を含むイオンを照射した。イオンの電流量は２０μＡ／ｃｍ２、イオンのエネルギーは５０  ｅＶであった。また、その際の真空槽の真空度は１０−６  Ｐａ程度であった。照射された炭素を含むイオンがシリコンウェハ表面のＳｉと反応し、シリコンウェハ表面の結晶構造が、シリコンから単結晶炭化珪素へと変化した。炭素を含むイオンの照射時にＲＨＥＥＤによるモニタリングを行ったところ、ＲＨＥＥＤにおいて、シリコンウェハのパターンが消え、炭化珪素結晶のパターンが現れたので、イオン照射を止めた。シリコンウェハ１  ｃｍ２あたりの照射時間は１分程度であった。
【００４５】
イオンビーム照射中および照射後の基板表面のＲＨＥＥＤにおいてストリーク形状が見られたことから、シリコンウェハ上へ炭化珪素がエピタキシャルに形成されていることを確認した。
【００４６】
炭素を含むイオンビーム照射によるシリコンウェハ表層の炭化珪素化を行った後、上記のようにして発生させた５０  ｅＶの珪素イオンビーム照射と、５０  ｅＶの炭素イオンビーム照射とを１分交代で交互に照射し、炭化珪素エピタキシャル薄膜を成長させた。珪素イオンと炭素イオンのイオン電流量は、それぞれ２０μＡ／ｃｍ２程度であった。イオン照射時における照射真空槽の真空度は、１０−６  Ｐａ程度であった。イオン照射時の基板温度は７００℃とした。交互にイオンビームを照射している間も、その成長過程をＲＨＥＥＤによってモニタリングすることにより、珪素原子の堆積と炭素原子との反応により３Ｃ−ＳｉＣがエピタキシャルに成長していることを確認した。２種類のイオンビームの照射時間は合計４０分であった。
【００４７】
得られたエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣ（膜厚：約３０ｎｍ）について赤外線吸収測定を行ったところ、８００  ｃｍ−１に半値全幅（半分のピーク強度におけるピーク幅）が約５０  ｃｍ−１である鋭い吸収ピークが得られた（図１）。ピークが鋭い程、得られた薄膜の結晶性が高いことを示す。この半値全幅の値（約５０  ｃｍ−１）から、欠陥の程度および結晶性が少なくとも従来と同等レベルの単結晶炭化珪素がエピタキシャル成長していることがわかった。
【００４８】
上述したようなイオン照射の操作を繰り返し行うことにより、より膜厚の厚い単結晶炭化珪素薄膜を得ることが出来る。
【００４９】
実施例２
Ｓｉ（１００）面の出たシリコンウェハをフッ化水素酸で洗浄し、表面酸化層を取り除いた後、シリコンウェハを照射真空槽に設置し、真空槽内を７  ｘ  １０−８  Ｐａ以下の減圧とした。その後、シリコンウェハの温度を数秒間９００℃程度まで上げることにより、シリコンウェハ表面を清浄化し、シリコン原子面を露出させた。シリコン表面が、清浄化されていることをＲＨＥＥＤで観察することにより確認した。即ち、ＲＨＥＥＤで観察した結果、（２×１）表面超構造が形成されていた。
【００５０】
一方、イオンビーム照射に用いる炭素を含むイオンを以下のようにして発生させた。ＥＣＲ型イオン源内のＢＮ放電箱中にイオン源となるガス（ＣＯ２）を導入した。このＢＮ放電箱に０．１テスラの磁場をかけ、８００  Ｗ程度、周波数２．５４  ＧＨｚのマイクロ波を導入し、放電箱中のガスをプラズマ化した。生成されたプラズマからイオンを引きだし、２０ｋｅＶ程度に加速した後、１２Ｃ＋を選択的に質量分離した。質量分離された炭素を含むイオンのみを照射真空槽へと導き、逆電界をかけることによりシリコンウェハ直前で減速させ、イオンのエネルギーを５０  ｅＶとした。このようにして得られた低エネルギーの炭素を含むイオンを照射真空槽内に設置したシリコンウェハ上へ照射した。照射条件については、後述する。
【００５１】
また、イオンビーム照射に用いる珪素を含むイオンを以下のようにして発生させた。スパッタ型イオン源内に設置されたターゲットホルダーに直径２５  ｍｍ程度のシリコンでできた円板を固定した。イオン源内に、ターゲットスパッタ用の放電ガスとしてＡｒを、また、イオン生成効率上昇のためにセシウム蒸気を導入した。ターゲットにスパッタ用のバイアス電圧−２００  Ｖをかけ、かつ、ターゲットとイオン源内に約５０  Ｖの電圧を印加し、ターゲットを挟んで設置されたタングステンフィラメントからの熱電子によりＡｒをイオン化し、珪素ターゲットをスパッタした。スパッタの結果発生した負イオンを２０  ｋｅＶ程度に加速した後、Ｓｉ−イオン（質量２８）のみを選択的に質量分離した。質量分離された２８Ｓｉ−イオンを照射真空槽へと導き、逆電界をかけることによりシリコンウェハ直前で減速させ、イオンのエネルギーを５０  ｅＶとした。このようにして得られた低エネルギーの珪素イオンを照射真空槽内に設置したシリコンウェハ上へ照射する。照射条件については後述する。
【００５２】
清浄化後のシリコンウェハを７００℃に保ち、シリコンウェハへ先ず炭素を含むイオンを照射した。イオンの電流量が３μＡ／ｃｍ２であり、イオンのエネルギーが５０ｅＶの１２Ｃ＋を照射した。その際の真空槽の真空度は、１０−６  Ｐａ程度であった。照射された炭素イオンが、シリコンウェハ表面のＳｉと反応し、シリコンウェハ表面の結晶構造が、単結晶シリコンから単結晶炭化珪素へと変化した。炭素イオン照射時に、ＲＨＥＥＤによるモニタリングを行ったところ、ＲＨＥＥＤにおいて、シリコンウェハのパターンが消え、炭化珪素結晶のパターンが現れたので、イオン照射を止めた。シリコンウェハ１ｃｍ２あたりの照射時間は、１０分程度であった。
【００５３】
イオンビーム照射中および照射後の基板表面のＲＨＥＥＤにおいてストリーク形状が見られたことから、シリコンウェハ上へ炭化珪素がエピタキシャルに形成されていることを確認した。
【００５４】
炭素を含むイオンビーム照射によるシリコンウェハ表層の炭化珪素化を行った後、上記のようにして発生させた５０  ｅＶの２８Ｓｉ−イオンビームと、５０  ｅＶの１２Ｃ＋イオンビームとを２０分交代で交互に照射し、２８Ｓｉと１２Ｃのみからなる炭化珪素エピタキシャル薄膜を成長させた。珪素イオンと炭素イオンのイオン電流量は、それぞれ３μＡ／ｃｍ２程度であった。イオン照射時における照射真空槽の真空度は、１０−６Ｐａ程度であった。イオン照射時の基板温度は、７００℃とした。交互イオンビーム照射の間も、その成長過程をＲＨＥＥＤによってモニタリングすることにより、珪素原子の堆積と炭素原子との反応により３Ｃ−ＳｉＣがエピタキシャルに成長していることを確認した。２種類のイオンビームの照射時間は、合計４時間であった。
【００５５】
得られたエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣ（膜厚：約３０ｎｍ）について赤外線吸収測定を行ったところ、８００  ｃｍ−１に半値全幅（半分のピーク強度におけるピーク幅）が約５０  ｃｍ−１である鋭い吸収ピークが得られた。ピークが鋭い程、得られた薄膜の結晶性が高いことを示す。この半値全幅の値（約５０  ｃｍ−１）から、欠陥の程度および結晶性が少なくとも従来と同等レベルの単結晶炭化珪素がエピタキシャル成長していることがわかった。上述したようなイオン照射の操作を繰り返し行うことにより、より膜厚の厚い単結晶炭化珪素薄膜を得ることができる。
【００５６】
得られた単結晶炭化珪素薄膜の熱伝導率は、３００Ｋにおいて、約７．５Ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
【００５７】
実施例３
Ｓｉ（１００）面の出たシリコンウェハをフッ化水素酸で洗浄し、表面酸化層を取り除いた後、シリコンウェハを照射真空槽に設置し、真空槽内を７  ｘ  １０−８  Ｐａ以下の減圧とした。その後、シリコンウェハの温度を数秒間９００℃程度まで上げることにより、シリコンウェハ表面を清浄化し、シリコン原子面を露出させた。シリコン表面が、清浄化されていることをＲＨＥＥＤで観察することにより確認した。即ち、ＲＨＥＥＤで観察した結果、（２×１）表面超構造が形成されていた。
【００５８】
一方、イオンビーム照射に用いる炭素を含むイオンを以下のようにして発生させた。ＥＣＲ型イオン源内のＢＮ放電箱中にイオン源となるガス（ＣＯ２およびＣＨ４）を導入した。このＢＮ放電箱に０．１テスラの磁場をかけ、８００  Ｗ程度、周波数２．５４  ＧＨｚのマイクロ波を導入し、放電箱中のガスをプラズマ化した。生成されたプラズマから、Ｃ＋、ＣＨ３＋などの炭素を含むイオンを引きだし、２０ｋｅＶ程度に加速した後、Ｃ＋イオン（質量数１２）およびＣＨ３＋イオン（質量数１５）を質量分離した。質量分離された炭素を含むイオンを照射真空槽へと導き、逆電界をかけることによりシリコンウェハ直前で減速させ、イオンのエネルギーを５０  ｅＶとした。このようにして得られた低エネルギーの炭素を含むイオンを照射真空槽内に設置したシリコンウェハ上へ照射した。照射条件については、後述する。
【００５９】
また、イオンビーム照射に用いる珪素を含むイオンを以下のようにして発生させた。スパッタ型イオン源内に設置されたターゲットホルダーに直径２５  ｍｍ程度のシリコンでできた円板を固定した。イオン源内に、ターゲットスパッタ用の放電ガスとしてＡｒを、また、イオン生成効率上昇のためにセシウム蒸気を導入した。ターゲットにスパッタ用のバイアス電圧−２００  Ｖをかけ、かつ、ターゲットとイオン源内に約５０  Ｖの電圧を印加し、ターゲットを挟んで設置されたタングステンフィラメントからの熱電子によりＡｒをイオン化し、珪素ターゲットをスパッタした。スパッタの結果発生した負イオンを２０  ｋｅＶ程度に加速した後、Ｓｉ−イオン（質量２８）を質量分離した。質量分離された珪素を含むイオンを照射真空槽へと導き、逆電界をかけることによりシリコンウェハ直前で減速させ、イオンのエネルギーを５０  ｅＶとした。このようにして得られた低エネルギーの珪素イオンを照射真空槽内に設置したシリコンウェハ上へ照射する。照射条件については後述する。
【００６０】
清浄化後のシリコンウェハを７００℃に保ち、シリコンウェハへ先ず炭素を含むイオンを照射した。イオンの電流量が３μＡ／ｃｍ２であり、イオンのエネルギーが５０ｅＶのＣ＋またはＣＨ３＋を照射した。その際の真空槽の真空度は、１０−６  Ｐａ程度であった。照射された炭素を含むイオンが、シリコンウェハ表面のＳｉと反応し、シリコンウェハ表面の結晶構造が、単結晶シリコンから単結晶炭化珪素へと変化した。炭素イオンを含むイオンの照射時に、ＲＨＥＥＤによるモニタリングを行ったところ、ＲＨＥＥＤにおいて、シリコンウェハのパターンが消え、炭化珪素結晶のパターンが現れたので、イオン照射を止めた。シリコンウェハ１  ｃｍ２あたりの照射時間は、１０分程度であった。
【００６１】
イオンビーム照射中および照射後の基板表面のＲＨＥＥＤにおいてストリーク形状が見られたことから、シリコンウェハ上へ炭化珪素がエピタキシャルに形成されていることを確認した。
【００６２】
炭素を含むイオンビーム照射によるシリコンウェハ表層の炭化珪素化を行った後、上述で発生させた５０  ｅＶの珪素イオンビーム照射と、５０  ｅＶの炭素イオンビームを２０分交代で交互に照射し、炭化珪素エピタキシャル薄膜を成長させた。珪素イオンと炭素イオンのイオン電流量は、それぞれ３μＡ／ｃｍ２程度であった。イオン照射時における照射真空槽の真空度は、１０−６  Ｐａ程度であった。イオン照射時の基板温度は、７００℃とした。交互イオンビーム照射の間も、その成長過程をＲＨＥＥＤによってモニタリングすることにより、珪素原子の堆積と炭素原子との反応により３Ｃ−ＳｉＣがエピタキシャルに成長していることを確認した（図２）。２種類のイオンビームの照射時間は、合計４時間であった。
【００６３】
得られたエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣ（膜厚：約３０ｎｍ）について赤外線吸収測定を行ったところ、８００  ｃｍ−１に半値全幅（半分のピーク強度におけるピーク幅）が約５０  ｃｍ−１である鋭い吸収ピークが得られた（図３）。ピークが鋭い程、得られた薄膜の結晶性が高いことを示す。この半値全幅の値（約５０  ｃｍ−１）から、欠陥の程度および結晶性が少なくとも従来と同等レベルの単結晶炭化珪素がエピタキシャル成長していることがわかった。
【００６４】
得られた単結晶炭化珪素薄膜の熱伝導率は、３００Ｋにおいて、約７．７Ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
【００６５】
上述したようなイオン照射の操作を繰り返し行うことにより、より膜厚の厚い単結晶炭化珪素薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例１において得られた単結晶炭化珪素薄膜の赤外線吸収スペクトルを示す。
【図２】図２は、実施例３において得られた単結晶炭化珪素薄膜のＲＨＥＥＤ回折像を示す。図２の回折像は、スポット形状を示している。
【図３】図３は、実施例３において得られた単結晶炭化珪素薄膜の赤外線吸収スペクトルを示す。
【図１】
0003550665.tif 000002
【図２】
0003550665.tif 000003
【図３】
0003550665.tif 000004