(57)【要約】【課題】炭化シリコンのみからなる自立型で、欠陥が少なく結晶性に優れた立方晶系単結晶炭化シリコン基板を作製する。【解決手段】シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３と表面シリコン膜４とからなるＳＯＩ基板１を製造開始時に準備された材料として、表面シリコン膜４を炭化処理して単結晶炭化シリコン膜５に変成し、単結晶炭化シリコン膜５の上にエピタキシャル成長法により単結晶炭化シリコン膜６を形成し、単結晶炭化シリコン膜６の上に気相成長法により非晶質炭化シリコン膜７を形成し、シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３を除去し、基板を加熱して非晶質炭化シリコン膜７を単結晶化し、単結晶炭化シリコン膜５，６と非晶質炭化シリコン膜７を単結晶化して生成した単結晶炭化シリコン膜とからなる積層構造を立方晶系単結晶炭化シリコン基板とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板とシリコン基板の上に形成された埋め込み絶縁膜と埋め込み絶縁膜の上に形成された表面シリコン膜とからなるＳＯＩ基板を製造開始時に準備された材料として、このＳＯＩ基板の前記表面シリコン膜を炭化処理して単結晶炭化シリコン膜に変成する炭化処理工程と、
前記単結晶炭化シリコン膜の上にエピタキシャル成長法により単結晶炭化シリコン膜を形成する第１の炭化シリコン成膜工程と、
この第１の炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜の上に気相成長法により非晶質炭化シリコン膜を形成する第２の炭化シリコン成膜工程と、
前記シリコン基板と前記埋め込み絶縁膜とを除去する除去工程と、
この除去工程後の基板を加熱して前記非晶質炭化シリコン膜を単結晶化する単結晶化処理工程とを有し、
前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記第１の炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記単結晶化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜とからなる積層構造を立方晶系単結晶炭化シリコン基板とすることを特徴とする立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法において、
前記単結晶化処理工程は、前記除去工程後の基板を８００℃以上１５００℃未満の温度で加熱することを特徴とする立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法において、
前記単結晶化処理工程を所望の厚さの単結晶炭化シリコン膜が得られた時点で止めて、前記非晶質炭化シリコン膜の一部を残すことを特徴とする立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法において、
前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記第１の炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記第２の炭化シリコン成膜工程で形成した非晶質炭化シリコン膜の合計の厚さを５０μｍ以上とすることを特徴とする立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化シリコンのみからなる自立型で、かつ欠陥が少なく結晶性に優れた単結晶炭化シリコン基板の製造方法に関し、特に半導体基板や結晶成長用基板として利用できる立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化シリコン（ＳｉＣ）は、耐熱性と安定性に優れ、且つワイドバンドギャップを有することから、高温・高耐圧の半導体材料として注目されている。
従来、単結晶炭化シリコンの製造方法としては、表面に種結晶を有する種結晶基板及び炭化シリコン原料粉末を用いる昇華法が一般的に採用されている。昇華法では、加熱炉中に炭化シリコン原料粉末と種結晶基板とを所定距離を隔てて配置し、炭化シリコン原料粉末と種結晶基板とを加熱する。このとき、炭化シリコン原料粉末が種結晶基板よりやや高温になるように加熱する。これにより、炭化シリコン原料粉末が昇華し、種結晶基板上の種結晶に再結晶して結晶成長する。しかし、昇華法では、成長温度の制限から低温型結晶（立方晶炭化シリコン）を作製することが困難であり、大面積で均質な単結晶立方晶炭化シリコン基板を実現することができないという問題点があった。
【０００３】
一方、単結晶炭化シリコンの他の製造方法として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）で作製したシリコン基板を下地基板として、シリコン原料ガスと炭素の原料ガスとを同時に、あるいは交互に反応炉へ供給し、気相成長法によってシリコン基板上に単結晶立方晶炭化シリコンを形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−５２７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、昇華法を用いる製造方法では、大面積で均質な単結晶立方晶炭化シリコン基板を作製することが難しいという問題点があった。
一方、気相成長法を用いる製造方法では、均一性の高い単結晶立方晶炭化シリコン基板を作製することが可能であるが、単結晶シリコンからなる下地基板と単結晶立方晶炭化シリコンの物性値（例えば格子定数）の違いにより炭化シリコン結晶中に欠陥が発生するという問題点があった。また、単結晶の成長プロセスが難しく、複雑な工程が必要となるため、単結晶立方晶炭化シリコンを結晶成長させていくと、結晶中に積層欠陥などの各種欠陥が増えてしまい、高品質の単結晶炭化シリコン基板を得ることが難しいという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、炭化シリコンのみからなる自立型で、かつ欠陥が少なく結晶性に優れた立方晶系単結晶炭化シリコン基板を作製することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法は、シリコン基板とシリコン基板の上に形成された埋め込み絶縁膜と埋め込み絶縁膜の上に形成された表面シリコン膜とからなるＳＯＩ基板を製造開始時に準備された材料として、このＳＯＩ基板の前記表面シリコン膜を炭化処理して単結晶炭化シリコン膜に変成する炭化処理工程と、前記単結晶炭化シリコン膜の上にエピタキシャル成長法により単結晶炭化シリコン膜を形成する第１の炭化シリコン成膜工程と、この第１の炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜の上に気相成長法により非晶質炭化シリコン膜を形成する第２の炭化シリコン成膜工程と、前記シリコン基板と前記埋め込み絶縁膜とを除去する除去工程と、この除去工程後の基板を加熱して前記非晶質炭化シリコン膜を単結晶化する単結晶化処理工程とを有し、前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記第１の炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記単結晶化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜とからなる積層構造を立方晶系単結晶炭化シリコン基板とするようにしたものである。
また、本発明の立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法の１構成例において、前記単結晶化処理工程は、前記除去工程後の基板を８００℃以上１５００℃未満の温度で加熱するようにしたものである。
また、本発明の立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法の１構成例は、前記単結晶化処理工程を所望の厚さの単結晶炭化シリコン膜が得られた時点で止めて、前記非晶質炭化シリコン膜の一部を残すようにしたものである。
また、本発明の立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法の１構成例は、前記炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記第１の炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と前記第２の炭化シリコン成膜工程で形成した非晶質炭化シリコン膜の合計の厚さを５０μｍ以上とするようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＳＯＩ基板の表面シリコン膜を炭化処理し、炭化処理後の単結晶炭化シリコン膜上に単結晶炭化シリコン膜をエピタキシャル成長させるようにしたので、単結晶炭化シリコン膜に生じる欠陥を減少させることができる。また、本発明では、エピタキシャル成長させる単結晶炭化シリコン膜を非晶質炭化シリコン膜よりも薄くすることで、単結晶炭化シリコン膜に生じる積層欠陥などの各種欠陥の増加を防ぎ、基板としての強度を持たせる部分を製作し易い非晶質炭化シリコン膜とし、シリコン基板及び埋め込み絶縁膜を除去してから熱処理で非晶質炭化シリコン膜を単結晶化するようにしたので、欠陥が少なく結晶性に優れた自立型の立方晶系単結晶炭化シリコン基板を実現することができる。さらに、本発明では、単結晶炭化シリコン膜及び非晶質炭化シリコン膜とシリコン基板との熱膨張係数の差から発生する熱応力を緩和する緩衝層としての働きを埋め込み絶縁膜に持たせることができるので、第１の炭化シリコン成膜工程及び第２の炭化シリコン成膜工程における熱応力による単結晶炭化シリコン膜及び非晶質炭化シリコン膜の割れを回避することができる。
【０００９】
また、本発明では、単結晶化処理工程を所望の厚さの単結晶炭化シリコン膜が得られた時点で止めて、非晶質炭化シリコン膜の一部を残すことにより、基板の加熱を短時間で終えることができる。
【００１０】
また、本発明では、炭化処理工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と第１の炭化シリコン成膜工程で形成した単結晶炭化シリコン膜と第２の炭化シリコン成膜工程で形成した非晶質炭化シリコン膜の合計の厚さを５０μｍ以上とすることにより、自立型の立方晶系単結晶炭化シリコン基板を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法を示す工程断面図である。
まず、単結晶シリコン基板２と、単結晶シリコン基板２上に形成された酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜３と、埋め込み絶縁膜３上に形成された所定の厚さの表面シリコン膜４とからなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１を用意する（図１（Ａ））。表面シリコン膜４の厚さは例えば１００ｎｍである。
【００１２】
続いて、ＳＯＩ基板１の表面シリコン膜４を炭化水素系雰囲気中において１０００〜１３５０℃程度で炭化処理することにより立方晶系の単結晶炭化シリコン（３Ｃ−ＳｉＣ）膜５に変成する（図１（Ｂ））。これで、表面に単結晶立方晶炭化シリコン膜５が形成された下地基板が用意できた。
【００１３】
次に、この下地基板を円筒形の横型炉の反応器内に水平に設置し、反応器を密閉する。窒素ガスや水素ガスを反応器内に１０ＳＬＭ程度の流量で約１０分流し、酸素ガスを反応器内から充分に追い出す。その後、窒素ガス雰囲気中で下地基板の温度を１１５０〜１３００℃に上げ、材料ガスとキャリアガスとしての水素ガスを反応器内に供給して、単結晶立方晶炭化シリコン膜５上にエピタキシャル成長法により単結晶立方晶炭化シリコン膜６を例えば１００ｎｍ程度の厚さに形成する（図１（Ｃ））。引き続いて、単結晶立方晶炭化シリコン膜６上に気相成長法により非晶質炭化シリコン膜７を形成する（図１（Ｄ））。図１（Ｃ）の単結晶炭化シリコン成膜工程（第１の炭化シリコン成膜工程）と図１（Ｄ）の非晶質炭化シリコン成膜工程（第２の炭化シリコン成膜工程）の成長条件の詳細を表１に示す。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
材料ガスとしてはシリコン原料ガスにジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）を使用したが、ＳｉＨ4，ＳｉＣｌ4，ＳｉＨＣｌ3などを用いても差し支えない。炭素の原料ガスとしてアセチレン（Ｃ2Ｈ2）を使用したが、ＣＨ4，Ｃ2Ｈ6，Ｃ3Ｈ8などを用いることもできる。また、単結晶炭化シリコン膜と多結晶炭化シリコン膜を成膜するのに、シリコンと炭素の材料ガスを別々に使用せずに、（ＣＨ3）4Ｓｉなどのシリコンと炭素を共に含有する成分を気化させたガスのみで成膜することも可能である。
【００１６】
単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６と非晶質炭化シリコン膜７の合計の厚さが炭化シリコン単独で自立可能な５０μｍ以上の厚さになったところで、図１（Ｄ）の非晶質炭化シリコン成膜工程を終える。
続いて、裏面側から単結晶シリコン基板２と埋め込み絶縁膜３をフッ硝酸等の薬品で順次除去する。これで、図１（Ｅ）のような単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６と非晶質炭化シリコン膜７とからなる自立型の炭化シリコン基板を得ることができる。
【００１７】
最後に、この炭化シリコン基板をアルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気中において８００℃以上１５００℃未満の温度で加熱処理して、非晶質炭化シリコン膜７を単結晶立方晶炭化シリコン膜に変える単結晶化処理工程を行う。この単結晶化処理工程を、必要な厚さの単結晶立方晶炭化シリコン膜が得られたところで止め、非晶質炭化シリコン膜７の一部を残す。こうして、単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６と非晶質炭化シリコン膜７を単結晶化して生成した単結晶立方晶炭化シリコン膜と残りの非晶質炭化シリコン膜７とからなる自立型の立方晶系単結晶炭化シリコン基板が完成する。
【００１８】
以上のように、本実施の形態では、ＳＯＩ基板１の表面シリコン膜４を炭化処理し、炭化処理後の単結晶立方晶炭化シリコン膜５上に単結晶立方晶炭化シリコン膜６をエピタキシャル成長させるようにしたので、従来の製造方法で問題であった下地基板（単結晶シリコン）と単結晶立方晶炭化シリコンの格子定数差を解消することができ、単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６に生じる欠陥を減少させることができる。また、単結晶立方晶炭化シリコン膜６を非晶質炭化シリコン膜７よりも薄い１００ｎｍ程度の厚さに留めることで、単結晶立方晶炭化シリコン膜６に生じる積層欠陥などの各種欠陥の増加を防ぎ、基板としての強度を持たせる部分を製作し易い非晶質炭化シリコン膜７とし、単結晶シリコン基板２及び埋め込み絶縁膜３を除去してから熱処理で非晶質炭化シリコン膜７を単結晶化するようにしたので、欠陥が少なく結晶性に優れた自立型の立方晶系単結晶炭化シリコン基板を実現することができる。単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６及び非晶質炭化シリコン膜７を単結晶化して生成した単結晶立方晶炭化シリコン膜は、半導体基板や結晶成長用基板として必要な厚さに形成すればよい。
【００１９】
また、本実施の形態では、製造工程の出発材料としてＳＯＩ基板１を用いることにより、単結晶立方晶炭化シリコン膜５，６と単結晶シリコン基板２との間に非晶質の酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜３を挟むことになり、この埋め込み絶縁膜３が単結晶立方晶炭化シリコン膜６及び非晶質炭化シリコン膜７の成膜中にその成膜温度によって軟化するので、単結晶立方晶炭化シリコン膜６及び非晶質炭化シリコン膜７と単結晶シリコン基板２との熱膨張係数の差から発生する熱応力を緩和する緩衝層としての働きを埋め込み絶縁膜３に持たせることができる。これにより、熱応力による単結晶立方晶炭化シリコン膜６及び非晶質炭化シリコン膜７の割れや単結晶シリコン基板２の反りを回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、単結晶炭化シリコン基板の製造技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る立方晶系単結晶炭化シリコン基板の製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…ＳＯＩ基板、２…単結晶シリコン基板、３…埋め込み絶縁膜、４…表面シリコン膜、５，６…単結晶立方晶炭化シリコン膜、７…非晶質炭化シリコン膜。
【図１】
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