(57)【要約】【課題】３Ｃ−ＳｉＣによる高周波デバイスやセンサー等の電子デバイスの作製において、ＳｉＣＯＩ構造が知られているものの、３Ｃ−ＳｉＣ膜をＳｉの熱酸化膜上へ直接成長させることによってＳｉＣＯＩ構造を形成する技術はこれまで報告されていない。また、従来、ＣＶＤ法に用いられているシラン系ガスは自然発火性があるため、その代替となる原料ガスを用いて３Ｃ−ＳｉＣ膜の成膜を可能とする。  【解決手段】水素ガスを熱分解させるホットワイア触媒体を１４００〜１８００℃に加熱して水素ガスを熱分解させて水素ラジカルを生成させるとともに、分子内にＳｉ−Ｃ結合を有する有機珪素化合物ガスを７００〜８００℃に加熱したシリコン熱酸化膜基板の表面近傍に直接供給して該水素ラジカルで分解することによってシリコン熱酸化膜表面に（100）配向の立方晶炭化珪素膜を結晶成長させることを特徴とする(100)配向した立方晶炭化珪素結晶膜の作製方法。【選択図】図１
2005317670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを熱分解させるホットワイア触媒体を１４００〜１８００℃に加熱して水素ガス
を熱分解させて水素ラジカルを生成させるとともに、分子内にＳｉ−Ｃ結合を有する有機
珪素化合物ガスを７００〜８００℃に加熱したシリコン熱酸化膜基板の表面近傍に直接供
給して該水素ラジカルで分解することによってシリコン熱酸化膜表面に（100）配向の立
方晶炭化珪素膜を結晶成長させることを特徴とする(100)配向した立方晶炭化珪素結晶膜
の作製方法。
【請求項２】
高融点金属ワィアをメッシュ状構造とした触媒体を基板と対向して配置し、水素ガスを該
触媒体のメッシュ孔を通過させて基板方向へ流すことを特徴とする請求項１記載の立方晶
炭化珪素結晶膜の作製方法。 
【請求項３】
該有機珪素化合物ガスをノズルからシリコン熱酸化膜基板表面近傍に直接供給することを
特徴とする請求項１又は２記載の立方晶炭化珪素結晶膜の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板上に形成したシリコン熱酸化膜上に、ホットワイア触媒体によ
る触媒反応による水素ガスの熱分解を利用したＣＶＤ法によって比較的低い基板温度で(1
00)配向した立方晶炭化珪素（3C-SiC）結晶膜を成長させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、低温での薄膜成長にはプラズマＣＶＤ法が主に用いられてきた。しかし、液
晶ディスプレーや太陽電池等の薄膜デバイスにおいては堆積面積が１ｍ2 を超えるような
大面積堆積技術が求められており、プラズマの大型化には、均一性維持等の技術的課題の
解決が大変難しい。
【０００３】
高温に加熱したタングステン、タンタル、レニウム、白金等の高融点金属でできたフィ
ラメントの触媒分解反応によってガスを分解し、生成した分解種（ラジカル）を用いる膜
成長法として、触媒ＣＶＤ（Catalytic-CVD:Cat-CVD）又はホットワイヤＣＶＤ（Hot Wir
e CVD :HW-CVD）やホットフィラメント(Hot Filament CVD;HF-CVD)等と呼ばれる成長法が
ある（例えば、特許文献１〜７）。Ｃａｔ−ＣＶＤにおいては、触媒体の設置面積の増大
によって堆積面積の増大が容易に可能である。また、プラズマ中で発生する荷電粒子によ
る膜へのダメージの懸念がないこと、装置も単純である等多くの有利な特徴がある。
【０００４】
この方法の特徴として、減圧ＣＶＤ法と比較した場合、基板表面温度による原料ガスの
熱分解ではないため、低温の基板温度での成長が可能なことや、原料ガスを金属触媒によ
って分解する場合、プラズマＣＶＤ法と異なり、金属ワイヤ等の二次元の固体表面でラジ
カルを生じるため、ガスの分解効率が高いこと等が挙げられる。これまで、成長温度２０
０〜３００℃ほどの低温でＣａｔ−ＣＶＤ法を用い、太陽電池やＴＦＴ等への応用を目的
としたアモルファスＳｉ（a-Si）、多結晶Ｓｉ（Poly-Si）、アモルファスＳｉＣ（a-SiC
）、微結晶ＳｉＣ（μc-SiC）等の作製について報告がなされている。
【０００５】
炭化珪素（SiC）は、ＳｉやＧａＡｓのパワーデバイスや高周波デバイスの性能を凌駕
するデバイス用材料としての可能性を持っている。ＧａＮを作製する際、サファイヤやＳ
ｉＣを基板として作製されているが、ＳｉＣを用いた場合、熱伝導率が大きいことや格子
ミスマッチが約３％と比較的小さいなどの理由からサファイヤ基板を用いた場合より優れ
たデバイス特性が得られている。
【０００６】
ＳｉＣ／Ｓｉへテロエピタキシャル成長は主に、化学気相堆積成長（ＣＶＤ）法、分子
線エピタキシー（ＭＢＥ）法等を用いて行われている。しかし、ＳｉとＳｉＣとの間には
２０％もの大きな格子不整合、約８％の熱膨張係数差が存在し、高い成長温度を用いた場
合ＳｉＣ／Ｓｉ界面付近には積層欠陥(Stacking Fault)や転移(Dislocation）が発生しや
すい。また、ＳｉＣ核発生密度が低い場合には、基板のＳｉ原子の外部拡散によるＳｉＣ
／Ｓｉ界面のボイド（Void) 等の欠陥の問題が生じる。
【０００７】
Ｓｉ基板上に形成される半導体素子は、基板との間に浮遊容量が発生し、消費電力の低
減と動作周波数の高速化が阻害されてきた。半導体素子と基板との間に絶縁層を挿入した
ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造は浮遊容量を抑え、トランジスタの高速化や低消費
電力化、高集積化に有効な構造である。３Ｃ−ＳｉＣによる高周波デバイスやセンサー等
の電子デバイスの作製においても、Ｓｉ基板とＳｉＣ膜の絶縁も非常に重要な技術であり
、Ｓｉ基板とＳｉＣ膜の間に絶縁層を挿入したＳｉＣＯＩ（SiC on Insulator））構造と
して知られている。
【０００８】
これまで、Ｓｉ基板の熱酸化膜上にＳｉＣ膜を持つ構造の作製には、貼り合わせ（Bond
ing）技術やエッチバック（Etch Back）技術等の方法が用いられてきた（非特許文献 1、
２）。これは、ＣＶＤ法のように熱エネルギーによる水素の脱離によって膜成長が生じる
場合、アモルファスの酸化膜基板上ではＳｉＣのどの結晶面が成長するかという選択性が
なく、無配向の多結晶になるため、これまで、シリコン熱酸化膜という非晶質基板上に（
100）配向を有するＳｉＣ結晶膜の成長が不可能であったためである。これらの方法は、
ＳｉＣ膜を堆積させたＳｉ基板をＳｉ基板上の熱酸化膜に結合させ、Ｓｉ基板をエッチン
グして取り除き、ＳｉＣ膜を露出させるものであり、多くのプロセスを必要とする。
【０００９】
【非特許文献１】Q. Y. Tong et.al., J. Electrochem. Soc.142(1) (1995) pp.232-236,
【非特許文献２】C. Serre et.al.,Sensors and Actuators 74(1999) pp.169-173
【特許文献１】特開昭６１−２７６９７６号（特公平３−６５４３４号）公報
【特許文献２】特開昭６３−０４０３１４号公報
【特許文献３】特開平０８−２５０４３８号公報
【特許文献４】特開２０００−２２３４２１号公報
【特許文献５】特開２０００−２４３７１２号公報
【特許文献６】特開２００２−０９３７１３号公報
【特許文献６】特開２００３−１５５５６７号公報
【特許文献７】特開２００４−９５７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＳｉＣには１００種類以上のポリタイプが存在する。ＳｉＣのポリタイプの中で、比較
的発生確率が高く、実用面で研究されているのが、３Ｃ−，４Ｈ−、６Ｈ−ＳｉＣである
。ここで、数字はＣ軸方向への繰り返し周期、Ｃは立方晶を、Ｈは六方晶を意味する。
これらのポリタイプの中で、３Ｃ−ＳｉＣは比較的大きな電子移動度と飽和ドリフト速度
を持つため、パワーデバイスや、高周波デバイス用材料として大変期待されている。
【００１１】
また、閃亜鉛構造を有する３Ｃ−ＳｉＣは他のポリタイプに比べ低温安定ポリタイプで
あり、Ｓｉ上に唯一エピタキシャル成長が可能で、この系のヘテロエピタキシャル技術が
向上すれば安価な大面積の結晶を得ることが可能であり、基板としてのＳｉＣの用途が開
かれる。
【００１２】
改良レーリ一法によって作製された六方晶ＳｉＣ（４Ｈ−、６Ｈ−ＳｉＣ）基板は、欠
陥を多く含むことや残留キャリア密度が高いこと、熱拡散による伝導度制御が困難である
といった原因から、素子構造のつくり込みが困難なため素子構造形成のためにもエピタキ
シャル成長が不可欠である。
【００１３】
３Ｃ−ＳｉＣによる高周波デバイスやセンサー等の電子デバイスの作製において、Ｓｉ
ＣＯＩ（SiC on Insulator）構造が知られているものの、３Ｃ−ＳｉＣ膜をＳｉの熱酸化
膜上へ直接成長させることによってＳｉＣＯＩ構造を形成する技術はこれまで報告されて
いない。また、従来ＣＶＤ法に用いられているシラン系ガスは自然発火性があり大変危険
な原料であるため、その代替となる原料ガスを用いて３Ｃ−ＳｉＣ膜の成膜を可能とする
方法が求められている。  
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、シリコン基板上に形成した熱酸化膜、すなわち酸化ケイ素膜上に、ホットワ
イア触媒体を用いたＣＶＤ法によって、比較的低い基板温度で（100）配向の３Ｃ−Ｓｉ
Ｃ結晶膜を成長させる方法を提供する。
【００１５】
本発明は、水素ガスを熱分解させるホットワイア触媒体を１４００〜１８００℃に加熱
して水素ガスを熱分解させて水素ラジカルを生成させるとともに、分子内にＳｉ−Ｃ結合
を有する有機珪素化合物ガスを７００〜８００℃に加熱したシリコン熱酸化膜基板の表面
近傍に直接供給して該水素ラジカルで分解することによってシリコン熱酸化膜表面に（10
0）配向の立方晶炭化珪素膜を結晶成長させることを特徴とする(100)配向した立方晶炭化
珪素結晶膜の作製方法、である。 
【００１６】
本発明の方法では、ホットワイア触媒体の表面で原料の有機珪素化合物ガスは直接分解
されず、酸化ケイ素膜表面のＳｉＣ膜成長表面における有機珪素化合物の過剰なメチル基
や、結合水素の水素ラジカルによる引き抜き効果を用いて、荷電粒子の存在しない、純粋
に水素ラジカルの化学的反応過程のみを利用した条件で、シリコン熱酸化膜基板上に(100
)配向した３Ｃ−ＳｉＣの低温成長を行うことを特徴とする。
【００１７】
本発明の方法では、高融点金属ワィアをメッシュ状構造とした触媒体を基板と対向して
配置し、水素ガスを該触媒体のメッシュ孔を通過させて基板方向へ流すことが好ましい態
様として挙げられる。また、該有機珪素化合物ガスをノズルからシリコン熱酸化膜基板表
面近傍に直接供給することが好ましい態様として挙げられる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の方法によって、シリコン熱酸化膜上への(100)配向した立方晶炭化珪素結晶膜
の直接成長がはじめて可能になったので、ＳｉＣＯＩ構造基板の量産におけるコスト削減
の点で非常に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１に、本発明の方法に用いるホットワイアＣＶＤ装置の一例を概略図で示す。成長チ
ャンバー１内には、基板２をＰＢＮ（熱分解法窒化ホウ素）板などの絶縁シート３を介し
て基板ヒータ４上にセットする。基板２の表面に対向する位置に水素ガスを熱分解させる
触媒体となるホットワイア触媒体５を取り付ける。基板ヒータ４と触媒体５にはそれぞれ
、チャンバーの電流導入端子（図示せず）から電流を供給できるようになっている。基板
ヒータ４としてはカーボン面状ヒータなどを用いる。ホットワイア触媒体を基板と対向し
て配置し、水素ガスをホットワイアを通過させて基板方向へ流すことによって触媒体表面
の触媒反応によって水素を熱分解して高密度の水素ラジカル（水素原子）を発生させる。
【００２０】
ホットワイアの材料としては、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジ
ウム等の高融点金属、パラジウム、シリコン、金属を付着したセラミックス、アルミナ、
炭化珪素などが上げられる。特に、高温強度に優れた高融点金属であるタングステン線が
好ましい。ホットワイアの構造としては、メッシュ状が好ましい。メッシュ状とすること
によって、フィラメントやコイル状と比べて単位面積あたりの触媒体表面積を大きくする
ことが容易であり、装置内にセットしやすく、水平に配置した場合に高温加熱時に垂れ下
がり等の問題も生じない。
【００２１】
メッシュ構造は単位面積あたりの表面積が大きいほど触媒作用による水素の分解効率は
高くなるので線径が細く単位面積当りのメッシュ数が大きいものを用いる方が好ましいが
、市販品として入手容易なものとしては、線径約０．１ｍｍ、メッシュ間隔０．８５ｍｍ
（30mesh/inch）のタングステン製メッシュが例示される。触媒体と基板表面間の距離は
、特に限定されないが、メッシュの輻射熱による基板表面温度の上昇を防ぐようにするこ
とが好ましい。
【００２２】
チャンバー１内には、原料ガス供給系Ｓ１，Ｓ２、反応用水素ガス供給系Ｓ３，希釈ガ
ス、パージ用ガス供給系Ｓ４によってそれぞれのガスを導入する。排気系はロータリーポ
ンプＰ１と拡散ポンプＰ２によって構成する。反応用水素ガスはホットワイヤ触媒体の背
面から供給されてホットワイアを通過して基板側へ流れるようにする。原料ガスは触媒体
を通過させずに基板表面へ直接供給する。原料ガスを効率的に基板表面へ供給するには原
料ガス供給管の先端にノズルを取り付けることが望ましい。大面積基板に均質な（100）
配向の立方晶炭化珪素膜を成長させるには、基板の周囲をリング状に取り囲み、基板表面
に向かって多数のガス配管の孔からガスを吹き付けるような形態とすることが望ましい。
希釈ガス、パージ用ガスはチャンバー内に直接供給する。
【００２３】
原料ガスには分子内にＳｉ−Ｃ結合を有する有機珪素化合物を用いる。このような有機
珪素化合物としてはモノメチルシラン、ジメチルシランが適する。反応用ガスには高純度
水素を用いる。希釈ガス、パージ用ガスとしてはＮ２ガスなどを用いる。        
【００２４】
原料ガスの供給量は水素ガス供給量の1/100〜1/500程度と少なくする。原料ガスは、基
板直上に供給するが、原料ガス供給のノズルの位置で実際の基板表面での水素と原料分子
の比は大きく変化するので特定はできないが、基板表面での水素ラジカルに対する原料分
子の比は、1/100程度以上と考えられる。
【００２５】
チャンバー内を真空排気した後、反応時のガス圧が約400Paとなるように原料ガス、反
応ガス、希釈ガスを供給する。基板ヒータに電圧を印加し、所定の成長温度まで急速加熱
し、その後ホットワイヤ触媒体に電圧を印加し、所定の温度まで触媒体を昇温させ、膜堆
積を行う。膜堆積は、加熱した触媒体に水素ガスを吹きつけ触媒分解反応によって水素ガ
スを分解する。そして、シリコン熱酸化膜基板近傍に原料ガスを吹きつけ、同時に、触媒
体で生成した高密度の水素ラジカル（水素原子）を基板上に供給することで基板上の酸化
ケイ素膜表面での分解反応を促し、７００〜８００℃に設定したシリコン熱酸化膜基板上
に（100）配向の立方晶炭化珪素（3C-SiC）膜が結晶成長する。
【００２６】
この時、（100）配向の立方晶炭化珪素（3C-SiC）膜が成長するには、ホットワイヤ触
媒体の表面温度とシリコン熱酸化膜基板の設定温度に狭い条件範囲があり、触媒体の表面
温度は１６００℃付近で最も結晶性の良好な（100）配向の３Ｃ−ＳｉＣ結晶が成長する
。図２に、触媒体の温度を変化させ基板温度７５０℃で作製した膜のＸＲＤスペクトルを
示す。ほぼ膜成長の見られない触媒体の温度１０００〜１２００℃で作製した膜において
は当然ながら３Ｃ−ＳｉＣに関する回折ピークは見られない。触媒体の温度１４００〜１
８００℃で作製した膜においては２θが４１．４°付近において３Ｃ−ＳｉＣ(200)に関
するピークが得られた。そして、触媒体の温度が１６００℃においてピーク強度は最大と
なる。１８００℃を超える温度では水素ラジカルの供給密度が高すぎてエッチングが支配
的となり、１４００℃未満の温度では反応を進める水素ラジカルの供給密度が不足しどち
らも結晶成長が進まない。
【００２７】
さらに、図３に、各成長温度における３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）、（２２０）、（２００
）に関するピークの強度を示す。９５０℃から成長温度を下げるにつれ、無配向の多結晶
から、（１１１）、（２２０）に関するピークが弱まり、８００〜７５０℃で（１００）
配向優位な結晶になり、さらに７００℃よりも温度を下げると結晶性が見られずアモルフ
ァス膜になることがわかる。
【００２８】
シリコン熱酸化膜基板の設定温度は７００℃〜８００℃において最も良好な３Ｃ−Ｓｉ
ｃ（100）配向結晶膜が成長するが、８５０℃以上では様々な結晶方位のドメインからな
るＳｉＣ膜となり無配向の多結晶となる。７００℃未満ではアモルファス膜となり結晶膜
は得られない。
【実施例１】
【００２９】
図１に模式的に示すメッシュ状構造のホットワイアを用いたＣＶＤ装置を用いてシリコ
ン熱酸化膜基板上にＳｉＣ膜の成長を行った。シリコン熱酸化膜基板は、シリコン(100)
基板（n-型、ρ=100〜200Ωcm）を純酸素雰囲気中１０００℃で６時間加熱して表面にＳ
ｉＯ２膜を形成したもので膜厚はばらつきがあったが０．２〜０．３μｍの範囲内であっ
た。
【００３０】
シリコン基板は純水、メタノール、アセトン、メタノール、純水の順に洗浄液を用いて
各５分間超音波洗浄して脱脂、有機物除去を行った。基板をカーボンヒータ上に置いたＰ
ＢＮ板上にセットした。
【００３１】
ホットワイア触媒体としては、メッシュ状のタングステンワイア（30mesh/inch, メッ
シュ径0.1mmφ、メッシュ面積20mm×40mm）を用い、メッシュ状触媒体と基板間の距離を8
0mmとした。メッシュ状触媒体は両側をモリブデンの板状電極で挟み、直流安定化電源を
用いて電圧を印加して加熱した。
【００３２】
真空引きの前に、チャンバー内壁に付着したガスや水分の排気を促進させるため、チャ
ンバーをチャンバー外壁のニクロム線に約５０Ｖの電圧を印加し、１００℃程度の温度で
２時間ベーキングした。また、チャンバー内の基板ホルダー部分もカーボンヒータによっ
て約１００℃で２時間ベーキングした。
【００３３】
次いで、チャンバー内を減圧して圧力１．３３×１０−３Ｐａ以下となった状態でモノ
メチルシランガスの供給を開始し、圧力１．３３×１０−３Ｐａに調整した。次に、水素
ガスを供給し電離真空計でモニターしながら、約２．７×１０−２Ｐａ程度になるように
水素流量を調整した。次に、カーボンヒータに電圧を印加し、７５０℃の成長温度まで急
速加熱した。その後触媒体に電圧を印加し、１６００℃まで触媒体の温度を上昇させた。
【００３４】
１６００℃に加熱したメッシュ状のタングステンワイア触媒体に水素ガスを吹きつける
ことによって生成した高密度の水素ラジカル（水素原子）を基板方向に供給した。同時に
、７５０℃に加熱したシリコン熱酸化膜基板近傍にモノメチルシランをノズルを用いて吹
きつけることで基板表面での水素ラジカルによる分解反応によってシリコン熱酸化膜基板
上に膜成長させた。反応時のトータルガス圧は、約０．４ｋＰａ、水素流量は１００ｓｃ
ｃｍであった。成長膜のＸＲＤスペクトルは図２に示されている。（100）配向の立方晶
炭化珪素（3C-SiC）膜が結晶成長したことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の方法によって、非常に簡単なプロセスでシリコン熱酸化膜基板上に（100）配
向の３Ｃ−ＳｉＣ結晶膜を成長させた基板を提供できる。本発明の方法によって製造され
る基板は、従来のＳｉ半導体デバイスよりも高い電圧や電力を低損失でコントロールする
ためのワイドバンドギャップ半導体デバイス材料として、省エネルギー化の要求が高まっ
ている電力分野、産業機器、家庭電化製品などにおいて電力損失を大幅に低減することが
可能である。さらに、電気自動車や高速情報処理などの分野においてもその実用化の促進
が期待される。  
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の方法に用いるホットワイアＣＶＤ装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の方法において、触媒体の温度を変化させ基板温度７５０℃で作製した膜のＸＲＤスペクトルを示すグラフである。
【図３】本発明の方法において、各成長温度における３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）、（２２０）、（２００）に関するピークの強度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１  成長チャンバー
２  基板
３  絶縁シート
４  基板ヒータ
５  ホットワイア触媒体
【図１】
2005317670.tif 000003
【図２】
2005317670.tif 000004
【図３】
2005317670.tif 000005