(57)【要約】  単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させる方法が開示されている。方法は、コールドウォール型化学気相蒸着反応器（７）内に単結晶シリコン基板（２）を提供する段階と、７００℃に等しいかそれより高く、および１２００℃に等しいかそれより低い温度に基板を加熱する段階と、基板が該温度である間に混合ガス（４１）を反応器内に導入する段階であって、混合ガスは、単結晶シリコン上に３Ｃ−ＳｉＣのエピタキシャル層（４、図１）を堆積させるように、シリコン源前駆体（１６）、炭素源前駆体（１８）およびキャリアガス（２４）を含む、段階とを備える。
2018522412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させる方法であって、
コールドウォール型化学気相蒸着反応器内に単結晶シリコン基板を提供する段階と
７００℃に等しいかそれより高く、および１２００℃に等しいかそれより低い温度に前記単結晶シリコン基板を加熱する段階と
前記単結晶シリコン基板が前記温度である間に混合ガスを前記コールドウォール型化学気相蒸着反応器内に導入する段階であって、前記混合ガスは、前記単結晶シリコン上に３Ｃ−ＳｉＣのエピタキシャル層を堆積させるように、シリコン源前駆体、炭素源前駆体およびキャリアガスを含む、段階とを
備える方法。
【請求項２】
前記炭素源前駆体は、有機シリコン化合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記炭素源前駆体は、メチル含有シランを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭素源前駆体は、トリメチルシランを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記炭素源前駆体の流量は、少なくとも１ｓｃｃｍである請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記炭素源前駆体の流量は、少なくとも１０ｓｃｃｍである請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記シリコン源前駆体は、シランまたは塩素含有シランを含む請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記シリコン源前駆体は、ジクロロシランを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シリコン源前駆体は、２またはそれより多くの異なる前駆体の成分を含む請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記シリコン源前駆体の流量は、少なくとも１ｓｃｃｍである請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記シリコン源前駆体の流量は、少なくとも１０ｓｃｃｍである請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記炭素源前駆体および前記シリコン源前駆体の流量の比は、１．２より小さく０．８より大きい、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記炭素源前駆体および前記シリコン源前駆体の流量は同じである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記温度、Ｔは、１１００℃に等しいか１１００℃より高い、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
堆積の間の前記コールドウォール型化学気相蒸着反応器内の圧力は、６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより大きく、および２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより小さい、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
堆積の間の前記コールドウォール型化学気相蒸着反応器内の圧力は、１３．３ｋＰａ（１００Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより大きい請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記単結晶シリコンは、（００１）表面配向を有する請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記単結晶シリコン基板は、平らな表面を有する請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記単結晶シリコン基板は、単結晶シリコンウェハを含む請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記混合ガスは、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを除外したものである請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
単結晶シリコン表面を有する基板と
少なくとも５００ｎｍの厚さを有する、前記単結晶シリコン表面上に配置されたエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣの層と
を備える、ヘテロ構造。
【請求項２２】
請求項２１に記載のヘテロ構造を備える、半導体デバイス。
【請求項２３】
単結晶シリコン表面を有する基板上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させるための化学気相蒸着システムであって、
前記基板を支持するための支持体を収容するコールドウォール型反応器と
シリコン源前駆体のサプライと
炭素源前駆体のサプライと
キャリアガスのサプライと
各マスフローコントローラがそれぞれのサプライと選択可能に流体連通する１セットのマスフローコントローラと
前記マスフローコントローラからガスを受け取り、かつ、前記コールドウォール型反応器に混合ガスを供給するためのマニホールドと
前記基板を加熱するための１または複数のヒータと
前記基板の温度を測定するための温度センサと
前記コールドウォール型反応器内の圧力を測定するための圧力センサと
前記コールドウォール型反応器と選択可能に流体連通する真空ポンプと
前記基板が、前記コールドウォール型反応器内に提供される場合、その間、前記基板が７００℃に等しいかそれより高く、および１２００℃に等しいかそれより低い温度で、前記基板の前記単結晶シリコン表面上にエピタキシャルに３Ｃ−ＳｉＣの層の堆積を引き起こす制御システムと
を備える、化学気相蒸着システム。
【請求項２４】
少なくとも１００ｍｍの直径を有するウェハの形態をとる基板を取り扱うことが可能である請求項２３に記載の化学気相蒸着システム。
【請求項２５】
前記直径が少なくとも２００ｍｍまたは少なくとも４５０ｍｍである請求項２４に記載の化学気相蒸着システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−シリコンカーバイドを成長させるための方法およびシステムに関し、特に、軸上（ｏｎ−ａｘｉｓ）の、００１配向単結晶シリコンに関するがそれに限らない。
【背景技術】
【０００２】
シリコンカーバイドは、熱伝導率、破壊電界および飽和速度の高い値を有しているため、ハイパワーおよび高周波の電子デバイスに用いられるのによく適している、ワイドバンドギャップ化合物の半導体材料である。
【０００３】
シリコンカーバイドは、シリコンおよび炭素の二重層のスタックのシーケンスに応じて、いくつかの異なる結晶形態（または「ポリタイプ」）で存在する。これらのポリタイプの、３Ｃ−シリコンカーバイド（３Ｃ−ＳｉＣ）、４Ｈ−シリコンカーバイド（４Ｈ−ＳｉＣ）および６Ｈ−シリコンカーバイド（６Ｈ−ＳｉＣ）は、電子デバイスおよび微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）およびセンサならびに、窒化ガリウム（ＧａＮ）のような他の材料を成長させるための低コストのプラットフォームとして、最も一般的に用いられる。
【０００４】
４Ｈおよび６Ｈ型ＳｉＣ基板は、市販されており、４Ｈおよび６Ｈ型ＳｉＣの高品質なホモエピタキシャル層が、これらの種類の基板上に成長させられ得る。しかしながら、４Ｈおよび６Ｈ型ＳｉＣ基板は、シリコン基板よりも、製造するのがはるかに高価で、はるかに小型である。
【０００５】
３Ｃ−ＳｉＣ基板は利用できないが、ヘテロエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣはシリコン上に成長させられ得る。これは、より大きく、より安価なシリコンウェハが用いられるのを可能にする。しかしながら、現在は、ホットウォール型化学気相蒸着（ＣＶＤ）反応器が、シリコン上に３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層を成長させるべく用いられる。反応器または反応器内にある成分を損なうことなく、どのように１，３００℃を超す温度が、そのような反応器内で実現され得るか明らかではないが、高温のコールドウォール型ＣＶＤ反応器は、シリコン上に３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層を成長させるべく用いられているといわれている。
【０００６】
さらに、３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉヘテロエピタキシに対する研究の大半は、すべてではないが、直径５０ｍｍのウェハまたは１０ｍｍのダイのような小型の基板上で行われる傾向がある。これは、小型の基板にわたって均一な温度を実現することがより容易なので、所与のヘテロエピタキシャルプロセスが成功しており、製造に適しているか否かについて、誤解を招くような印象を与え得る。したがって、小さなヘテロ構造は、ウェハ、ボイド、およびウェハボウ（ｗａｆｅｒ  ｂｏｗ）にわたる均一性の欠如に関する課題を明らかにし得ない。
【０００７】
例えば、Ｒ.Ａｎｚａｌｏｎｅらの「Ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｙ  ｏｆ  ３Ｃ−ＳｉＣ  ｏｎ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｏｎ−ａｘｉｓ  ｏｒｉｅｎｔｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌｕｍｅ  １０５、ｐａｇｅ  ０８４９１０（２００９）は、１３５０℃の成長温度で、シリコンサプライとしてトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）を、炭素サプライとしてエチレン（Ｃ２Ｈ４）を、および、キャリアガスとして水素（Ｈ２）を用いたホットウォール方式の減圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）反応器で、２ｉｎｃｈ（５．０８ｃｍ）のシリコンウェハ上にエピタキシャル膜を成長させることを記載している。ホットウォール型のＣＶＤ反応器は、スループットが低い傾向があり、かつ、定期的な、コストのかかるメンテナンスが必要である。
【０００８】
Ｗｅｉ−Ｙｕ  Ｃｈｅｎらの「Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  ３Ｃ−ＳｉＣ  Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｓｔｅｐ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｆｏｕｒ−Ｓｔｅｐ  Ｍｅｔｈｏｄ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、ｖｏｌｕｍｅ  １５７、ｐａｇｅｓ  Ｈ３７７−Ｈ３８０（２０１０）は、１４２０℃の成長温度で、シリコンサプライとしてシラン（ＳｉＨ４）を、炭素サプライとしてプロパン（Ｃ３Ｈ８）を、および、キャリアガスとして水素（Ｈ２）を用いた横型の、コールドウォール型ＬＰＣＶＤシステムで、１ｃｍ×ｃｍの基板上にエピタキシャル膜を成長させることを記載している。コールドウォール型反応器が用いられるが、シリコンの融解点に近い温度を採用して、複雑な３または４段階の堆積プロセスが用いられる。しかしながら、プロセスが繰返し可能であり、チャンバおよびチャンバ内の成分を損なうことなく実現され得、かつ、大量の大径のウェハを製造するべく用いられ得るかどうか明らかではない。
【０００９】
Ｙ.Ｇａｏらの「Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ３Ｃ−ＳｉＣ  ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  Ｓｉ（１００）ｕｓｉｎｇ  ＳｉＨ４−Ｃ２Ｈ４−ＨＣｌ−Ｈ２」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、ｖｏｌｕｍｅ  １９１、ｐａｇｅｓ  ４３９  ｔｏ  ４４５（１９９８）は、ピュアシリコンの核生成を抑制するべくＨＣｌを用いたシリコン上の３Ｃ−ＳｉＣ膜の堆積を記載している。しかしながら、この論文は、ウェハのオフカットおよびサイズのようないくつかの詳細を省略しており、基板が堆積後の歪みまたは反りに悩まされるかどうかに言及していない。さらに、ＳｉＣ膜は非常に粗いと思われる。同論文で示されている顕微鏡写真から、ＳｉＣ膜のＲＭＳ表面粗さの値は、数百ナノメートルであると思われる。さらに、より高濃度のＨＣｌを用いることは、結晶の品質を向上させると思われるが、成長速度を低下させ、かつ、ＨＣｌが省略された場合にはＳｉＣ膜は多結晶となる。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、単結晶シリコンウェハ、またはシリコンオンインシュレータウェハのシリコンの単結晶層等のような、単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させるための改良された方法およびシステムを提供するべく努める。
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させる方法が提供される。方法は、コールドウォール型化学気相蒸着反応器内に（単結晶シリコンウェハまたはシリコンオンインシュレータウェハのような）単結晶基板を提供する段階を含む。方法は、７００℃に等しいかそれより高く、および１２００℃に等しいかそれより低い温度に基板を加熱する段階と、単結晶シリコン上に３Ｃ−ＳｉＣのエピタキシャル層を堆積させるように、基板が該温度である間に混合ガスを反応器内に導入する段階とを含む。混合ガスは、シリコン源前駆体、炭素源前駆体およびキャリアガスを含む。
【００１２】
したがって、３Ｃ−ＳｉＣエピ層が、より安価に製造され得るのは、それ自体がより安価であるシリコンが用いられ得るからだけでなく、はるかにより大きな（例えば、少なくとも１００ｍｍの直径を有する）ウェハが用いられ得るからでもあり、そのことで３Ｃ−ＳｉＣエピ層の製造が一層安価になり得る。さらに、石英チャンバを有し、（好適に変更されるが）通常、シリコン処理で用いられる種類の、市販されている、コールドウォール型の、減圧または大気圧化学気相蒸着反応器、および赤外線ランプ熱源が、単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させるべく用いられ得る。
【００１３】
３Ｃ−ＳｉＣの成長速度は少なくとも１μｍ／ｈであってよい。成長速度は少なくとも１０μｍ／ｈであってよい。成長速度は２０μｍ／ｈまで、またはそれより速くてよい。しかしながら、例えば、３Ｃ−ＳｉＣの薄層（例えば、＜１００ｎｍ）を成長させるべく、より遅い成長速度が用いられ得る。
【００１４】
方法は、ウェハ上に３Ｃ−ＳｉＣを成長させる段階を含んでよい。ウェハは、少なくとも１００ｍｍ、少なくとも２００ｍｍ、または少なくとも４５０ｍｍ、もしくはそれより大きい直径を有してよい。ウェハは、好ましくは単結晶ウェハである。しかしながら、ウェハは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ、またはシリコンオンサファイア（ＳｏＳ）ウェハ、もしくは他の同様の種類の基板であってよい。
【００１５】
炭素源前駆体は、有機シリコン化合物であってよい。炭素源前駆体は、メチル含有シランであってよい。好ましくは、炭素源前駆体は、トリメチルシラン（Ｃ３Ｈ１０Ｓｉ）である。
【００１６】
シリコン源前駆体および炭素源前駆体は、好ましくは異なる、すなわち、シリコン源および炭素源の両方として機能する単一前駆体は用いられない。炭素源前駆体は、少なくとも１ｓｃｃｍまたは少なくとも１０ｓｃｃｍの流量を有してよい。
【００１７】
シリコン源前駆体は、シランまたは塩素含有シランであってよい。好ましくは、シリコン源前駆体は、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）である。シリコン源前駆体は、トリクロロシランであってよい。シリコン源前駆体は、第１および第２の前駆体成分を含んでよい。例えば、シリコン源前駆体は、シランまたはジシランおよび塩化水素（ＨＣｌ）のようなガスの混合物を含んでよい。シリコン源前駆体は少なくとも１ｓｃｃｍまたは少なくとも１０ｓｃｃｍの流量を有してよい。キャリアガスは、好ましくは水素（Ｈ２）である。キャリアガスは、少なくとも１ｓｃｃｍまたは少なくとも１０ｓｃｃｍの流量を有してよい。
【００１８】
炭素源前駆体およびシリコン源前駆体の流量の比は、３より小さく、０．３３より大きくてよい。炭素源前駆体およびシリコン源前駆体の流量の比は、２より小さく、０．５より大きくてよい。炭素源前駆体およびシリコン源前駆体の流量は、同じまたは実質的に同じであってよい（例えば、炭素源前駆体およびシリコン源前駆体の流量の比は、１．２より小さく、０．８より大きい）。
【００１９】
混合ガスは、好ましくは、シリコン源前駆体、炭素源前駆体およびキャリアガス、または、シリコン源前駆体、炭素源前駆体、キャリアガスおよびドーパント源前駆体から成る。
【００２０】
混合ガスは、好ましくは、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを除外したものである（すなわち、それを含まない、または、それから成らない）。
【００２１】
温度は、９００℃に等しいかそれより高い、または１０００℃に等しいかそれより高くてよい。温度は、好ましくは、１１００℃に等しいかそれより高い。
【００２２】
堆積の間の反応器内の圧力は、６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより大きく、および２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより小さい、または８０ｋＰａ（６００Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより小さい、すなわち、低大気圧の化学気相蒸着であってよい。堆積の間の反応器内の圧力は、１３．３ｋＰａ（１００Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより大きく、および１３．３ｋＰａ（７６０Ｔｏｒｒ）に等しいかそれより小さい。
【００２３】
単結晶シリコンは、（００１）表面配向を有する。単結晶シリコンは、（１１０）配向を有してよい。単結晶シリコンは、（１１１）配向を有してよい。（１１１）配向を有する（すなわち、（１１１）Ｓｉ上に成長させられる）３Ｃ−ＳｉＣのエピ層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の過成長のための基板として用いられてよい。
【００２４】
好ましくは、単結晶シリコンの表面は平らである、すなわち、パターニングされていない。単結晶シリコンは、軸上にあってよい。単結晶シリコンは、軸外にあってよい。
【００２５】
エピタキシに低い温度を用いることは、選択的なエピタキシの促進を支援し得る。例えば、シリコン表面が、酸化シリコン、または窒化シリコン、またはマスクを形成するための他のマスキング材料のような誘電材料の領域で覆われている場合、その後３Ｃ−ＳｉＣは、マスク上に成長させることなく、シリコン上に選択的に成長させられ得る。
【００２６】
本発明の第２の態様によれば、（単結晶基板のような）上面を有する単結晶シリコンの領域、および上面に配置されるエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣの層を含むヘテロ構造が提供される。エピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣの層は、少なくとも１ｎｍ、または１０ｎｍ、または少なくとも５００ｎｍの厚さを有してよい。
【００２７】
少なくとも１００ｍｍの直径を有するヘテロ構造では、実質的にウェハボウはない。エピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣの表面は、ＡＦＭにより測定され、２０ｎｍに等しいかそれより小さく、および、好ましくは１０ｎｍに等しいかそれより小さい、ＲＭＳ表面粗さを有してよい。
【００２８】
本発明の第３の態様によれば、第２の態様のヘテロ構造を含む（ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような）半導体デバイスが提供される。
【００２９】
本発明の第４の態様によれば、第２の態様のヘテロ構造を含むＭＥＭＳデバイスが提供される。
【００３０】
本発明の第５の態様によれば、単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させるための化学気相蒸着システムが提供される。システムは、コールドウォール型反応器の筐体と、基板のための支持体と、シリコン源前駆体のサプライと、炭素源前駆体のサプライと、キャリアガスのサプライと、各マスフローコントローラがそれぞれのサプライと選択可能に流体連通する１セットのマスフローコントローラと、マスフローコントローラからガスを受け取り、かつ、反応器に混合ガスを供給するためのマニホールドと、基板を加熱するためのヒータと、基板の温度を測定するための温度センサと、反応器内の圧力を測定するための圧力センサと、反応器と選択可能に流体連通する真空ポンプと、基板が反応器内に提供される場合、７００℃に等しいかそれより高く、および１，２００℃に等しいかそれより低い温度で、基板の単結晶シリコン表面上にエピタキシャルに３Ｃ−ＳｉＣの層の堆積を引き起こすように構成される制御システムとを含む。
【００３１】
化学気相蒸着システムは、好ましくは、少なくとも１００ｍｍの直径を有するウェハの形態である基板を取り扱うことが可能である。システムは、２００ｍｍに等しいかそれより大きい、または４５０ｍｍに等しいかそれより大きい直径を有するウェハを取り扱うことができてよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
ここで、本発明の特定の実施形態が、添付の図面を参照して、例を挙げて説明される。
【００３３】
【図１】軸上の、００１配向単結晶基板の、３Ｃ−ＳｉＣの層を示している。
【００３４】
【図２】単結晶シリコン表面を有する基板上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させるための装置の概略図である。
【００３５】
【図３】単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させる方法のプロセスフロー図である。
【００３６】
【図４】３Ｃ−ＳｉＣのエピタキシャル成長プロセスの温度プロフィールを示している。
【００３７】
【図５】変更された３Ｃ−ＳｉＣのエピタキシャル成長プロセスの温度プロフィールを示している。
【００３８】
【図６】異なる炭素対シリコンの比を有する、４つの３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉヘテロ構造の対称的なＸ線回折のω‐２θプロットを示している。
【００３９】
【図７】３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉインターフェースに積層欠陥およびボイドの欠如があることを示している、Ｓｉ（００１）上の結晶３Ｃ−ＳｉＣの層の、２２０面における、断面の暗視野の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉヘテロ構造１
図１を参照すると、本発明によるエピタキシャル成長プロセスにより製造される、３Ｃ−シリコンカーバイド／シリコン（３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉ）ヘテロ構造１が示されている。
【００４１】
３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉヘテロ構造１は、上面３および、シリコン基板２の上面３上に直接配置される３Ｃ−ＳｉＣの単結晶層４（本明細書ではまた「エピタキシャル層」または「エピ層」、または単に「層」と称される）を有する単結晶シリコン基板２を含む。しかしながら、単結晶シリコン基板２は用いられなくてもよい。シリコンオンインシュレータのような、その上面に単結晶シリコンの領域または層を有する基板（図示せず）が、用いられ得る。
【００４２】
シリコン基板２は、１００ｎｍである、直径ｄを有し、それは軸上の（００１）配向シリコンウェハの形態をとる。しかしながら、直径ｄは、４５０ｍｍと同じかそれより大きいものであり得る。シリコン基板２の表面３は、パターニングされていない。換言すれば、表面３は、エピタキシを促進するべく、特別に構成されなくてもよい。
【００４３】
３Ｃ−ＳｉＣ層４は、厚さｔｅｐｉを有し、それは１ｎｍに等しいかそれより大きい、１０ｎｍに等しいかそれより大きい、１００ｎｍに等しいかそれより大きい、または５００ｎｍに等しいかそれより大きいものであり得る。３Ｃ−ＳｉＣ層４は、１μｍの１０倍の１０または、さらに１００μｍを有する、厚さｔｅｐｉを有してよい。
【００４４】
化学気相蒸着システム６
図２を参照すると、本発明による、シリコン上に結晶３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャルに成長させるための化学気相蒸着システム６が示されている。ＣＶＤシステム６は、減圧化学気相蒸着（ＲＰ−ＣＶＤ）システムの形態をとる。特に、システム６は、ＡＳＭ  Ｅｐｓｉｌｏｎ（登録商標）２０００のＲＰ−ＣＶＤシステムの形態をとる。ベントバルブのような様々なバルブ、およびバイパスラインのようなラインが、分かりやすくするために図２から省略されている。
【００４５】
化学気相蒸着システム６は、水冷式石英反応器壁（図示せず）を有するコールドウォール型の、横型反応器７、および赤外線ランプの形態をとる１セットの外部ヒータ９を含む。誘導コイルのような、ヒータ９の他の形態が用いられ得る。
【００４６】
反応器７は、ロードロック１１を通じて反応器内に積載されてよい１または複数のシリコンウェハ２のための基板支持体１０を収容する。ウェハ２の温度Ｔは、パイロメータの形態をとる温度センサ１２を用いて測定される。ヒータ９および、上述の温度Ｔは、温度コントローラ１３を用いて制御される。
【００４７】
化学気相蒸着システム６は、シリコン源前駆体１６のサプライ１５と、炭素源前駆体１８のサプライ１７と、ｎ型ドーパント前駆体２０の任意のサプライ１９と、ｐ型ドーパント前駆体２２の任意のサプライ２１と、水素ガス（Ｈ２）の形態をとるキャリアガス２４のサプライ２３と、窒素ガス（Ｎ２）の形態をとるパージガス２６のサプライ２５と、１セットの各バルブ２７、２８、２９、３０、３１、３２と、（標準的なリットル毎分で、または標準的な立方センチメートル毎分で測定された）各規定の流量のガスを、反応器７のガス吸気口４０に連結されたマニホールド３９内に供給するべく用いられる、１セットの各マスフローコントローラ３３、３４、３５、３６、３７、３８を有する、ガス供給システム１４を含む。
【００４８】
以下で、より詳細に説明されることになるが、ガス供給システム１４は、シリコン源前駆体１６、炭素源前駆体１８、任意にドーパント前駆体２０、２２、およびキャリアガス２４を含む混合ガス４１を３Ｃ−ＳｉＣエピタキシのために反応器７に供給するべく用いられる。
【００４９】
化学気相蒸着システム６は、反応生成混合物４４を抽出するべく用いられ得る排出口４３と流体連通するポンプシステム４２を含む。ポンプシステム４２は、反応器７をベース圧力に、急速にポンプダウンするために用いられ得る高コンダクタンスライン４６および対応するバルブ４７と、成長の間に用いられ得る低コンダクタンスライン４８および対応する流れ制御可能バルブ４９の並列配置により排出口４３に連結した１または複数の真空ポンプ４５を含む。反応器７内の圧力Ｐは、例えばピラニ真空計の形態をとる、圧力センサ５０を用いて測定される。ポンプ４５、制御可能なバルブ４９、および、上述の圧力Ｐは、圧力コントローラ５１を用いて制御される。
【００５０】
化学気相蒸着システム６は、メインコントローラ５３を含み、メインコントローラ５３は、コンピュータシステムの形態をとり、温度コントローラ１３、マスフローコントローラ３３、３４、３５、３６、３７、３８、および圧力コントローラ５１を、例えば、設定値の調整により、制御するべく用いられ得る。
【００５１】
シリコン源前駆体１６は、化学式ＳｉＨ２Ｃｌ２を有するジクロロシラン（「ＤＣＳ」と称されてよい）の形態をとり、シリコン源前駆体１８は、化学式Ｃ３Ｈ１０Ｓｉを有するトリメチルシラン（「ＴＭＳ」と称されてよい）の形態をとる。ｎ型ドーパント前駆体２０は、アルシン（ＡｓＨ３）またはホスフィン（ＰＨ３）の形態をとってよい。ｐ型ドーパント前駆体２２は、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）の形態をとってよい。
【００５２】
Ｓｉ上の結晶３Ｃ−ＳｉＣの低温（≦１，２００℃）のエピタキシャル成長
ジクロロシラン１６およびトリメチルシラン１８を用い、化学気相蒸着システム６は、１,２００℃かそれよりも低い、堆積温度、ＴＥＰＩで、軸上の（００１）配向シリコンウェハのような、ブランク（すなわちパターニングされていない）シリコン基板２上に結晶３Ｃ−ＳｉＣエピ層を成長させるべく用いられ得て、１０μｍ／ｈより速い成長速度が実現され得る。必要に応じて、より遅い成長速度が用いられ得る。
【００５３】
図３は、軸上の（００１）配向シリコンウェハ２上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させる方法が示されているプロセスフロー図である。
【００５４】
図２、図３および図４を参照すると、軸上の（００１）配向シリコンウェハ２は、きれいにされ、その自然表面酸化物（図示せず）が、フッ化水素（ＨＦ）酸浸漬を用いて取り除かれる（段階Ｓ１）。ウェハ２は、大気圧でロードロック１１を通じて、待機温度ＴＳＢで反応器７内に積載される。（段階Ｓ２）。待機温度ＴＳＢは９００℃である。しかしながら、待機温度ＴＳＢは、室温と１，２００℃の間の値をとり得る。
【００５５】
この場合水素である、キャリアガス２４は、圧力１００Ｔｏｒｒで、１０ｓｌｍの流量で、反応器７内に導入される（段階Ｓ３）。ヒータ９は、スイッチを入れられ、ウェハ２の温度が、この場合１，１９０℃である、設定値の温度に到達し、その温度に保たれるように制御される（段階Ｓ４）。
【００５６】
ジクロロシラン１６、トリメチルシラン１８、および水素２４の混合物４１は、それぞれ１０ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ、および１０，０００ｓｃｃｍの流量を有して、反応器７内に導入され、その間温度は１，１９０℃に保たれ、圧力は１３．３ｋＰａ（１００Ｔｏｒｒ）に保たれる（段階Ｓ５）。したがって、ジクロロシラン１６およびトリメチルシラン１８の分圧は、それぞれ、１３．３Ｐａと１３．３Ｐａである。この混合ガス４１およびガス流量の、この温度および圧力での成長速度は約２０μｍ／ｈである。 
【００５７】
混合ガス４１は、３Ｃ−ＳｉＣが所望される厚さに成長するまで流れ続ける（段階Ｓ６）。所望される厚さに達したら、ジクロロシラン１６およびトリメチルシラン１８の流れが停止されるが（段階Ｓ７）、キャリアガス２４は流れ続ける（段階Ｓ８）。ヒータ９は、スイッチが切られ（段階Ｓ９）、３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉウェハ１（図１）は冷却が可能となる。これには約５から１０分かかり得る。ウェハ１（図１）が冷却されたら、キャリアガス２４の流れは停止され、反応器７はパージされる（段階Ｓ１０）。３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉウェハ１（図１）は、その後反応器７から取り除かれる（段階Ｓ１１）。
【００５８】
３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉウェハ１は、ドリフト層、ドープウェル領域、ソースおよびドレイン領域を形成するべく３Ｃ−ＳｉＣを用いて、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴおよび／またはＳｉＣ  ＩＧＢＴ（図示せず）のような、パワー電子デバイスを形成するべく処理され得る。３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉウェハ１は、ＭＥＭＳデバイスを形成するべく処理され得る。
【００５９】
図５を参照すると、プロセスは、エピタキシの前に薄いシード層（図示せず）をインサイチュで形成することにより変更され得る。シード層（図示せず）は、１０ｎｍまでの厚さを有する、シリコン‐炭素の層（Ｓｉ１−ｘＣｘ  ｘは約０．０１）を含む。
【００６０】
大気圧でロードロック１１を通じて、待機温度ＴＳＢでウェハ２を反応器７内に積載した後、ウェハ２は約６００℃に冷却される。同じ前駆体、同じ流量、および同じ圧力を用いた（例えば、数分続く）短い堆積サイクルが実行される。しかしながら、より低い温度であるため、プロセスはエピタキシとはならない。
【００６１】
理論にとらわれようとしなければ、シード層（図示せず）は、エピタキシの間の、シリコンの表面のボイドの形成を防止するのに役立つと考えられる。
【００６２】
特性評価
上述のプロセスを用いて、直径１００ｍｍの（１００）配向で、ジクロロシランおよびトリメチルシランを用いた１，１９０℃の軸上の単結晶シリコンウェハに成長させられる３Ｃ−ＳｉＣエピ層を含む３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉヘテロ構造１に、ウェハボウは認められ得ない。さらに、３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉヘテロ構造１は、原子間力顕微鏡を用いて測定された、（１０±１）ｎｍのＲＭＳ表面粗さを有する。
【００６３】
図６は、それぞれ、４：１、３：１、６：４、および３：４の炭素対シリコンの比を有する、第１、第２、第３、および第４の３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉヘテロ構造の対称的なＸ線回折のω‐２θプロットを示している。
【００６４】
Ｓｉ（００１）基板および３Ｃ−ＳｉＣエピ層のピークは、それぞれ、３４．５°および４５°で、明確に視認できる。プロットは、３Ｃ−ＳｉＣエピ層が結晶質であることを示している。
【００６５】
図７は、１，１９０℃の温度で、上述のプロセスを用いて成長させられた３Ｃ−ＳｉＣ／Ｓｉ（００１）ヘテロ構造１の断面のＴＥＭ画像を示している。ＴＥＭ画像は、低温で成長させられた３Ｃ−ＳｉＣエピ層の結晶化度および品質を検証する。
【００６６】
シリコン源および炭素源として異なる前駆体を用いることで、炭素対シリコンの比を調整し、基板からのシリコンの外方拡散を妨げ、ボイドの形成を防止することが可能である。
【００６７】
変更
上述の複数の実施形態に対して多数の変更が成されてよいことが理解されよう。
【００６８】
シリコン基板は、シリコンハンドル層、埋め込み酸化層、およびトップシリコン層を含む、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の形態をとり得る。シリコン基板は、（００１）結晶配向を有さなくてもよいが、（１１１）または（１１０）のような他の結晶配向を有し得る。
【００６９】
ＣＶＤシステムは、ＲＰＣＶＤシステムでなくてもよいが、大気圧化学気相蒸着（ＡＰＣＶＤ）システムであり得る。反応器は、横型反応器でなくてもよいが、放射のバレル型または縦型の反応器のような、他の形態をとり得る。
【００７０】
（少なくとも１００ｍｍの直径を有するウェハを取り扱い得る）工業規模のシリコン処理において、通常、用いられる種類の、および好適な前駆体とともに提供される、コールドウォール型の減圧または大気圧化学気相蒸着反応器が、単結晶シリコン上にエピタキシャル３Ｃ−ＳｉＣを成長させるべく用いられ得る。
【００７１】
他のシリコン源前駆体が用いられてよい。例えば、シラン（ＳｉＨ４）または、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）のような塩素含有シラン等の、シラン類が用いられてよい。 
【００７２】
他の炭素源前駆体が用いられてよい。例えば、メチルシラン（ＣＨ６Ｓｉ）またはペンタメチレンメチルシラン（Ｃ６Ｈ１４Ｓｉ）のようなメチル含有シランが用いられてよい。アルゴンまたはヘリウムのような他のキャリアガスが用いられ得る。
【図１】
2018522412.tif 000003
【図２】
2018522412.tif 000004
【図３】
2018522412.tif 000005
【図４】
2018522412.tif 000006
【図５】
2018522412.tif 000007
【図６】
2018522412.tif 000008
【図７】
2018522412.tif 000009
【国際調査報告】
2018522412.tif 000010
2018522412.tif 000011