(57)【要約】【課題】エピタキシャル成長させるＳｉＣ層の結晶性を良好にして表面平坦性を向上させることができる単結晶ＳｉＣ基板の製造方法を提供する。【解決手段】所定厚さの表面Ｓｉ層と埋め込み絶縁層とを有するＳＯＩ基板を準備し、上記ＳＯＩ基板を炭化水素系ガス雰囲気中で加熱して上記表面Ｓｉ層を単結晶ＳｉＣ膜に変成させ、上記単結晶ＳｉＣ膜をシード層としてエピタキシャル成長させることにより単結晶ＳｉＣ層を形成する方法であって、上記エピタキシャル成長を、相対的に低温の成長温度に設定した第１段階と、相対的に高温の成長温度に設定した第２段階を含む少なくとも２段階の処理で段階的にエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャル成長過程での昇華による部分的なシード層の消滅が防止され、結晶性と表面の平坦性の良好な単結晶ＳｉＣ層を形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定厚さの表面Ｓｉ層と埋め込み絶縁層とを有するＳＯＩ基板を準備し、上記ＳＯＩ基板を炭化水素系ガス雰囲気中で加熱して上記表面Ｓｉ層を単結晶ＳｉＣ膜に変成させ、上記単結晶ＳｉＣ膜をシード層としてエピタキシャル成長させることにより単結晶ＳｉＣ層を形成する方法であって、上記エピタキシャル成長を、相対的に低温の成長温度に設定した第１段階と、相対的に高温の成長温度に設定した第２段階を含む少なくとも２段階の処理で段階的にエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の製造方法。
【請求項２】
上記シード層となる単結晶ＳｉＣ膜は１ｎｍ〜１５ｎｍの薄膜である請求項１記載の単結晶ＳｉＣ基板の製造方法。
【請求項３】
上記２段階の成長温度のうち第１段階の成長温度は、７００〜１２００℃の温度範囲内である請求項１または２記載の単結晶ＳｉＣ基板の製造方法。
【請求項４】
上記２段階の成長温度のうち第２段階以降の段階の成長温度は、１０００〜１４０５℃の温度範囲内である請求項１〜３のいずれか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁層埋め込み型の半導体基板である単結晶ＳｉＣ基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単結晶ＳｉＣ（炭化シリコン）は、熱的、化学的安定性に優れ、機械的強度も強く、放射線照射にも強いという特性から、次世代の半導体デバイス材料として注目を集めている。また、埋め込み絶縁層を有するＳＯＩ基板は、回路の高速化と低消費電力化を図る上で優れており、次世代のＬＳＩ基板として有望視されている。従って、これら２つの特徴を融合した絶縁層埋め込み型半導体ＳｉＣ基板が半導体デバイス材料として極めて有望視されている。
【０００３】
上記のような絶縁層埋め込み型半導体ＳｉＣ基板は、表面Ｓｉ層とこの表面Ｓｉ層の下側に存在する埋め込み絶縁層（ＳｉＯ２層）とを有する絶縁層埋め込み型のＳｉ基板（ＳＯＩ基板）を用いて作製する。すなわち、ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層を１０ｎｍ程度に薄膜化し、これを高温で炭化処理して単結晶ＳｉＣ薄膜に変成し、上記単結晶ＳｉＣ薄膜をシード層としてエピタキシャル法によりＳｉＣを成長させる（例えば下記の特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−２２４２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した製造方法では、炭化処理で形成される単結晶ＳｉＣ薄膜が極めて薄い膜であるため、その後に高温でエピタキシャル成長を行うと、単結晶ＳｉＣ薄膜が昇華により局所的に消滅してしまい、部分的にＳｉＯ２層が露出するという問題があった。このように、シード層としての単結晶ＳｉＣ薄膜が部分的に消滅すると、エピタキシャル成長で生成される単結晶ＳｉＣ層の結晶性が劣化し、表面の平坦性も悪いものになっていた。
【０００５】
本発明は、上記のような事情に鑑みなされたもので、エピタキシャル成長させるＳｉＣ層の結晶性を良好にして表面平坦性を向上させることができる単結晶ＳｉＣ基板の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の単結晶ＳｉＣ基板の製造方法は、所定厚さの表面Ｓｉ層と埋め込み絶縁層とを有するＳＯＩ基板を準備し、上記ＳＯＩ基板を炭化水素系ガス雰囲気中で加熱して上記表面Ｓｉ層を単結晶ＳｉＣ膜に変成させ、上記単結晶ＳｉＣ膜をシード層としてエピタキシャル成長させることにより単結晶ＳｉＣ層を形成する方法であって、上記エピタキシャル成長を、相対的に低温の成長温度に設定した第１段階と、相対的に高温の成長温度に設定した第２段階を含む少なくとも２段階の処理で段階的にエピタキシャル成長させることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
すなわち、本発明の単結晶ＳｉＣ基板の製造方法は、上記エピタキシャル成長を、相対的に低温の成長温度に設定した第１段階と、相対的に高温の成長温度に設定した第２段階を含む少なくとも２段階の処理で段階的にエピタキシャル成長させる。このように、まず、相対的に低温の成長温度に設定した第１段階でエピタキシャル成長させることにより、炭化処理で形成される単結晶ＳｉＣ薄膜のシード層が昇華で消滅するのを防止しながら、上記シード層に単結晶ＳｉＣを堆積させて厚みを増す。ついで、相対的に高温の成長温度に設定した第２段階で本格的な高温域におけるエピタキシャル成長を行うことにより、上記シード層は第１段階で厚みを増していることから、昇華による部分的なシード層の消滅が完全に防止でき、エピタキシャル成長で生成される単結晶ＳｉＣ層の結晶性が良くなり、表面の平坦性も大幅に向上する。さらに、この後にエピタキシャルＧａＮ膜等の他の半導体膜を形成させた場合にも、その半導体膜の結晶性や膜厚均一性はすぐれたものとなる。
【０００８】
本発明において、上記シード層となる単結晶ＳｉＣ膜は１ｎｍ〜１５ｎｍの薄膜である場合には、ＳＯＩ基板を構成するＳｉＯ２層やＳｉが軟化や溶融をしない温度域でのエピタキシャル成長でも、昇華によって単結晶ＳｉＣ膜が消滅しやすいことから、２段階によってシード層の消滅を防止して、成長させる単結晶ＳｉＣ層の結晶性を良好にして表面の平坦性を向上させる効果が顕著に現れて効果的である。
【０００９】
本発明において、上記２段階の成長温度のうち第１段階の成長温度は、７００〜１２００℃の温度範囲内である場合には、炭化処理で形成される単結晶ＳｉＣ薄膜のシード層が昇華で消滅するのを防止しながら上記シード層に単結晶ＳｉＣを堆積させ、その後の第２段階におけるシード層の消滅を有効かつ確実に防止する。
【００１０】
本発明において、上記２段階の成長温度のうち第２段階以降の段階の成長温度は、１０００〜１４０５℃の温度範囲内である場合には、ＳＯＩ基板を構成するＳｉＯ２層やＳｉが軟化や溶融をしない温度域において、結晶性と表面の平坦性が良好な単結晶ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の単結晶ＳｉＣ基板の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。
【００１３】
本発明の方法は、所定厚さの表面Ｓｉ層３と埋め込み絶縁層４とを有するＳＯＩ基板１を準備する。ついで、上記ＳＯＩ基板１の表面Ｓｉ層３の厚みを１ｎｍ〜１５ｎｍに薄膜化する。つぎに、上記ＳＯＩ基板１を炭化水素系ガス雰囲気中で加熱して上記表面Ｓｉ層４を単結晶ＳｉＣ薄膜５に変成させる。
【００１４】
そして、上記単結晶ＳｉＣ薄膜５をシード層５としてエピタキシャル成長させる際、上記エピタキシャル成長を、相対的に低温の成長温度に設定した第１段階と、相対的に高温の成長温度に設定した第２段階を含む少なくとも２段階の処理で段階的にエピタキシャル成長させる。
【００１５】
以下、各工程について詳しく説明する。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、上記ＳＯＩ基板１は、Ｓｉ母材２の表面近傍に、埋め込み絶縁層４として所定厚みのＳｉＯ２層が形成され、表面に所定厚さの表面Ｓｉ層３が形成されたものである。上記埋め込み絶縁層４の厚みは、約１〜２００ｎｍ程度の厚みになるよう設定されている。
【００１７】
図２（ｂ）に示すように、準備したＳＯＩ基板１に対し、ＳＯＩ基板１の表面Ｓｉ層３の厚みを薄くし薄膜化する処理を行う。この薄膜化は、例えば、ＳＯＩ基板１を酸化雰囲気で加熱処理することにより、埋め込み絶縁層４との界面近傍に所望厚みのＳｉ層を残存させるよう、表面Ｓｉ層３の表面から所定深さを酸化させたのち、表面に生成した酸化物層をフッ化水素酸等でエッチングすることにより除去して薄膜化することが行われる。
【００１８】
このとき、薄膜化した表面Ｓｉ層３の厚みは、１ｎｍ〜１５ｎｍ程度に設定するのが好ましく、より好ましいのは１ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、さらに好ましいの３ｎｍ〜７ｎｍ程度である。上記薄膜化した表面Ｓｉ層３の厚みが１ｎｍ未満では、その後の変成工程によって一次単結晶ＳｉＣ層６が十分に生成されず、やはりその後の変成工程での一次単結晶ＳｉＣ層６の生成に支障をきたすからである。
【００１９】
また、上記薄膜化した表面Ｓｉ層３の厚みが１５ｎｍを超えると、その後の炭化処理後のエピタキシャル成長で単結晶ＳｉＣ薄膜５が昇華で消滅しにくくなるので、本発明の効果が得られにくくなるからである。
【００２０】
また、その後にイオン注入して埋め込み絶縁層４と表面Ｓｉ層３の界面近傍に窒素含有Ｓｉ層をする場合に、窒素含有Ｓｉ層を表面から深い位置に形成させる必要が生じることから、イオン注入のエネルギーレベルを高くする必要が生じ、表面Ｓｉ層３の結晶性を低下させるおそれがある。また、窒素を表面から深いところまでイオン注入させる必要があることから、深さ方向の窒素分布領域も広くなる。このため、所定の窒素含有Ｓｉ層を、表面Ｓｉ層３と埋め込み絶縁層４との界面近傍の領域に形成したときに、表面Ｓｉ層３のうち窒素を含有しない表面層の存在比率が小さくなって、その後の変成工程での一次単結晶ＳｉＣ層６の生成に支障をきたすおそれがあるからである。
【００２１】
このとき、表面Ｓｉ層３の薄膜化後にＮイオンのイオン注入等を行うことにより、表面Ｓｉ層３と埋め込み酸化物層４との界面近傍領域に、窒素含有Ｓｉ層を形成し、この状態のＳＯＩ基板１を炭化水素系ガス雰囲気中で加熱して上記表面Ｓｉ層３を単結晶ＳｉＣ薄膜５に変成させることもできる。
【００２２】
図２（ｃ）に示すように、上記表面Ｓｉ層３の薄膜化を行ったＳＯＩ基板１を、炭化水素系ガス雰囲気中で加熱して上記表面Ｓｉ層３を単結晶ＳｉＣ薄膜５に変成させる。
【００２３】
上記変成工程は、例えば、雰囲気制御が可能な加熱炉において、加熱炉内に導入される雰囲気ガス（水素ガスおよび炭化水素ガス）を切り換えながら温度調節することにより行うことができる。
【００２４】
上記のような装置により、上記ＳＯＩ基板１を加熱炉内に設置し、上記加熱炉内に水素ガスと炭化水素系ガスとの混合ガスを供給しながら、加熱炉内の雰囲気温度を上昇させて、前記ＳＯＩ基板１の表面Ｓｉ層３を単結晶ＳｉＣ薄膜５に変成させることが行われる。
【００２５】
このとき、上記ＳＯＩ基板１を加熱炉内に設置して、加熱炉内に水素ガスに対して炭化水素系ガスを１体積％の割合で混合した混合ガスを供給する。また、この混合ガスの供給と同じくして、加熱炉内の雰囲気温度を１２００〜１４０５℃に加熱する。この加熱によって、ＳＯＩ基板１の表面Ｓｉ層３を単結晶ＳｉＣ薄膜５に変成させることができる。
【００２６】
ここで、前記水素ガスはキャリアガスであり、炭化水素ガスとしては例えばプロパンガスを使用する。例えば、水素ガスのボンベからの供給量が１０００ｃｃ／分であったならば、炭化水素ガスのボンベからの供給量を１０ｃｃ／分とする。
【００２７】
このとき、上述したように、表面Ｓｉ層３における表面Ｓｉ層３と埋め込み絶縁層４との界面近傍領域に窒素含有Ｓｉ層を形成したのち、上記ＳＯＩ基板１を炭化水素系ガス雰囲気中で加熱して上記表面Ｓｉ層３を一次単結晶ＳｉＣ層６に変成させると、その後のエピタキシャル成長でのＳｉＣの結晶性が向上する。
【００２８】
すなわち、上記窒素含有Ｓｉ層は、窒素が含有されたＳｉであり、純Ｓｉに比べて反応性が低く不活性である。このため、表面Ｓｉ層３における表面Ｓｉ層３と埋め込み絶縁層４との界面近傍領域に高温下で安定な窒素含有Ｓｉ層を形成してから炭化処理を行うことにより、生成されたＳｉＣが埋め込み絶縁層４に侵入して界面を不安定にするのが防止され、ＳｉＣ／絶縁層界面が均一な状態となる。したがって、その後にエピタキシャル成長によって単結晶ＳｉＣ層６,７を形成した場合にも、ＳｉＣの結晶性が向上するため、きれいな単結晶で膜厚も均一な単結晶ＳｉＣ層６,７が得られるようになる。さらに、この後にエピタキシャルＧａＮ層８等の他の半導体膜を形成させた場合にも、その半導体膜の結晶性や膜厚均一性はすぐれたものとなる。
【００２９】
上記単結晶ＳｉＣ薄膜５は、表面Ｓｉ層３を変成させたものであるため、その膜厚は表面Ｓｉ層３の膜厚とほぼ等しくなる。すなわち、単結晶ＳｉＣ薄膜５の膜厚は、ＳＯＩ基板１の表面Ｓｉ層３の膜厚を制御することにより、任意に制御できることになる。
【００３０】
必要に応じて、上記工程を過剰に行って単結晶ＳｉＣを上記単結晶ＳｉＣ薄膜５の上に堆積させることを行なってもよい。上記工程を過剰に行う（例えば数分〜数時間継続させる）ことにより、上記単結晶ＳｉＣ薄膜５の上に炭素薄膜が堆積される。
【００３１】
図３（ｄ）（ｅ）に示すように、上記炭化処理を行ったＳＯＩ基板１に対し、上記単結晶ＳｉＣ薄膜５をシード層５としてエピタキシャル成長することにより、上記シード層５の上に単結晶ＳｉＣ層６，７を成長させる。
【００３２】
図４に示すように、上記エピタキシャル成長工程は、後述する第２段階よりは相対的に低温の成長温度Ｔ１でエピタキシャル成長を行ってシード層５の上に一次単結晶ＳｉＣ層６を形成する第１段階と（図３（ｄ））、上記第１段階よりは相対的に高温の成長温度Ｔ２でエピタキシャル成長を行って上記一次単結晶ＳｉＣ層６の上に二次単結晶ＳｉＣ層７を形成する第２段階（図３（ｅ））との少なくとも２段階の処理で段階的にエピタキシャル成長させる。
【００３３】
具体的には、上記エピタキシャル成長は、例えば、下記の条件により単結晶ＳｉＣ層６，７を成長させる。例えば、単結晶ＳｉＣ薄膜５が形成されたＳＯＩ基板１を処理チャンバー内に配置し、上記処理チャンバー内にモノメチルシランまたはシランおよびポロパン等の原料ガスを約１ｓｃｃｍ程度のガス流量で供給しながら、所定の成長温度で処理することにより、上記単結晶ＳｉＣ薄膜５をシード層５としてエピタキシャル成長により、単結晶ＳｉＣ層６，７を成長させることができる。
【００３４】
上記２段階の成長温度のうち第１段階の成長温度は、７００〜１２００℃の温度範囲内で行われる。第１段階の成長温度としてより好ましいのは８００〜１１００℃であり、最も好ましいのは９００〜１０５０℃である。第１段階の成長温度が高すぎると、炭化処理で得られた単結晶ＳｉＣ薄膜５が昇華して部分的に消滅してしまい、本発明の効果が得られず、反対に、第１段階の成長温度が低すぎると、単結晶ＳｉＣ薄膜５のシード層５上に結晶性のより単結晶ＳｉＣが成長しなくなるからである。
【００３５】
また、上記２段階の成長温度のうち第２段階以降の段階の成長温度は、１０００〜１４０５℃の温度範囲内で行われる。第２段階の成長温度としてより好ましいのは１０００〜１２００℃であり、最も好ましいのは１０５０〜１１５０℃である。第２段階の成長温度が高すぎると、埋め込み酸化物層４が軟化したりＳｉ母材２が軟化や溶融をはじめ、形成される二次単結晶ＳｉＣ層７の結晶性や平坦性が悪化したり、清浄な基板を得られなかったりし、反対に、第２段階の成長温度が低すぎると、結晶性のよい二次単結晶ＳｉＣ層７が得られないからである。
【００３６】
図３（ｆ）に示すように、そののち、必要に応じて、上記二次単結晶ＳｉＣ層７の上に、エピタキシャル成長によりＧａＮ層８等の他の半導体膜を形成させることが行われる。
【００３７】
上記エピタキシャル成長は、例えば、下記の条件によりＧａＮ層８を成長させる。例えば、単結晶ＳｉＣ層６，７をエピタキシャル成長させたＳＯＩ基板１を処理チャンバー内に配置し、上記処理チャンバー内にトリメチルガリウムおよびアンモニア等の原料ガスを約１ｓｃｃｍ程度のガス流量で供給しながら、温度８００〜１４０５℃で処理することにより、上記二次単結晶ＳｉＣ層７の上にＧａＮ層８を形成させることができる。
【００３８】
このような方法では、まず、相対的に低温の成長温度に設定した第１段階でエピタキシャル成長させることにより、炭化処理で形成される単結晶ＳｉＣ薄膜５のシード層５が昇華で消滅するのを防止しながら、上記シード層５に一次単結晶ＳｉＣ６を堆積させて厚みを増す。ついで、相対的に高温の成長温度に設定した第２段階で本格的な高温域におけるエピタキシャル成長を行うことにより、上記シード層５は第１段階で厚みを増していることから、昇華による部分的なシード層５の消滅が完全に防止でき、エピタキシャル成長で生成される二次単結晶ＳｉＣ層７の結晶性が良くなり、表面の平坦性も大幅に向上する。さらに、この後にエピタキシャルＧａＮ膜８等の他の半導体膜を形成させた場合にも、その半導体膜の結晶性や膜厚均一性はすぐれたものとなる。
【００３９】
また、上記シード層５となる単結晶ＳｉＣ薄膜５は１ｎｍ〜１５ｎｍの薄膜であるため、ＳＯＩ基板１を構成するＳｉＯ２層やＳｉが軟化や溶融をしない温度域でのエピタキシャル成長でも、昇華によって単結晶ＳｉＣ薄膜５が消滅しやすいことから、２段階によってシード層５の消滅を防止して、成長させる単結晶ＳｉＣ層６，７の結晶性を良好にして表面の平坦性を向上させる効果が顕著に現れて効果的である。
【００４０】
さらに、上記２段階の成長温度のうち第１段階の成長温度は、７００〜１２００℃の温度範囲内であるため、炭化処理で形成される単結晶ＳｉＣ薄膜５のシード層５が昇華で消滅するのを防止しながら上記シード層５に一次単結晶ＳｉＣ６を堆積させ、その後の第２段階におけるシード層５の消滅を有効かつ確実に防止する。
【００４１】
本発明において、上記２段階の成長温度のうち第２段階以降の段階の成長温度は、１０００〜１４０５℃の温度範囲内であるため、ＳＯＩ基板１を構成するＳｉＯ２層やＳｉが軟化や溶融をしない温度域において、結晶性と表面の平坦性が良好でな二次単結晶ＳｉＣ層７をエピタキシャル成長させることができる。
【実施例】
【００４２】
つぎに、本発明の単結晶ＳｉＣ基板の製法の実施例について説明する。
【００４３】
サンプルとして厚み１００ｎｍの表面Ｓｉ層３を有した３０ｍｍ四方のＳＯＩ基板１を準備した。上記サンプルのＳＯＩ基板１を、１ｓｌｍで酸素ガスを流しながら１１００℃で９０分加熱して表面に酸化膜を形成させたのち、フッ化水素酸等でエッチングすることにより、表面Ｓｉ層３を５ｎｍに薄膜化した。
【００４４】
上記ＳＯＩ基板１を処理チャンバー内に配置し、処理チャンバー内に１ｓｌｍのＨ２ガスと１０ｓｃｃｍのＣ３Ｈ８を流しながら１２５０℃に加熱して１５分間炭化処理を行い、ＳｉＣ変成を行った。
【００４５】
そして、上記処理チャンバー内に０．１ｓｃｃｍのモノメチルシランを流しながら１０００℃に２０分間保持することにより、第１段階のＳｉＣのエピタキシャル成長を行い、一次単結晶ＳｉＣ層６を１５ｎｍ形成してトータル厚み２０ｎｍの単結晶ＳｉＣとした。
【００４６】
ついで、処理温度を１１００℃に上げて９０分間保持することにより、第２段階のＳｉＣのエピタキシャル成長を行い、二次単結晶ＳｉＣ層７を８０ｎｍ形成してトータル厚み１００ｎｍの単結晶ＳｉＣとした。
【００４７】
一方、比較例として１０００℃での第１段階を行わず、１１００℃で９０分間保持する１段階のみのエピタキシャル成長を行ったものを準備した。
【００４８】
上記実施例の単結晶ＳｉＣ基板の表面ＲＭＳラフネス粗さは５．９５ｎｍであったのに対し、比較例の単結晶ＳｉＣ基板の表面ＲＭＳラフネス粗さは３８．９０ｎｍであり、比較例に比べて実施例の方が大幅に表面平坦性が向上していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、大規模集積回路等に用いる半導体基板の製造等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例の単結晶ＳｉＣ基板の製造方法を示す工程図である。
【図２】上記単結晶ＳｉＣ基板の製造方法を示す図である。
【図３】上記単結晶ＳｉＣ基板の製造方法を示す図である。
【図４】エピタキシャル成長の温度条件を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１      ＳＯＩ基板
２      Ｓｉ母材
３      表面Ｓｉ層
４      埋め込み絶縁層（酸化物層）
５      シード層（単結晶ＳｉＣ薄膜）
６      一次単結晶ＳｉＣ層
７      二次単結晶ＳｉＣ層
８      ＧａＮ層
【図１】
2006228763.tif 000003
【図２】
2006228763.tif 000004
【図３】
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【図４】
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