JP2002025916A - ヘテロ構造基板およびその製造方法 - Google Patents

ヘテロ構造基板およびその製造方法

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JP2002025916A
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silicon
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Yoshihiro Irokawa
芳宏 色川
Toru Kachi
徹 加地
Noboru Yamada
登 山田
Masahito Kigami
雅人 樹神
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エピタキシャル成長層に結晶欠陥層が生じに
くい、ヘテロ構造基板の製造方法を提供すること。 【解決手段】 シリコン単結晶基板51、シリコン酸化
層53、シリコン単結晶層55が積層されたSOI基板
を準備する。シリコン単結晶層55を選択的にエッチン
グ除去し、シリコン単結晶層55にトレンチを形成す
る。フッ酸を上記トレンチを介して、シリコン酸化層5
3に供給することにより、シリコン酸化層53を除去す
る。これにより、空間部61が形成される。シリコン単
結晶層55が、メンブレン構造のシリコン単結晶膜59
となる。CVD装置を用いて、シリコン単結晶膜59を
炭化し、その上に、ヘテロエピタキシャル成長によりシ
リコンカーバイド層63を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体素
子が形成されるヘテロ構造基板およびその製造方法に関
する。
【0002】
【背景技術】近年、ヘテロ構造基板に半導体素子が形成
された半導体装置の研究開発が進められている。ヘテロ
構造基板の製造方法として、例えば、半導体基板上に、
ヘテロエピタキシャル成長により、エピタキシャル成長
層を形成する方法がある。この場合、半導体基板の格子
定数とエピタキシャル成長層の格子定数との差により、
エピタキシャル成長層に応力が発生する。これにより、
エピタキシャル成長層に結晶欠陥層ができ、エピタキシ
ャル成長層に形成される半導体素子の特性に悪影響が生
じる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】半導体基板の格子定数
とエピタキシャル成長層の格子定数との差が小さい材料
を、選択すれば、エピタキシャル成長層に生じる応力を
小さくすることができる。これにより、エピタキシャル
成長層に結晶欠陥層ができるのを防ぐことが可能とな
る。この技術は、例えば、エピタキシャル成長技術実用
データ集の第1集MBEとMOCVDの第1分冊MOC
VD(サイエンスフォーラム社)の第225頁に開示さ
れている。
【0004】しかし、格子定数の差が小さい材料(半導
体基板、エピタキシャル成長層)の選択は、容易でな
い。また、このような材料を選択しても、基板の熱膨張
係数とエピタキシャル成長層の熱膨張係数との差に起因
する応力を緩和することができない。
【0005】本発明の目的は、エピタキシャル成長層に
結晶欠陥層が生じにくい、ヘテロ構造基板およびその製
造方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係るヘテロ構造
基板の製造方法は、メンブレン構造の結晶膜上に、ヘテ
ロエピタキシャル成長により、エピタキシャル成長層を
形成する工程を備える。
【0007】メンブレン構造の結晶膜は薄い。このた
め、例えば、結晶膜の格子定数とエピタキシャル成長層
の格子定数との差が大きくても、エピタキシャル成長層
に発生する応力は小さくなる。よって、エピタキシャル
成長層の結晶欠陥層を、なくす又は少なくすることが可
能となる。
【0008】本発明に係るヘテロ構造基板の製造方法
は、以下の態様がある。
【0009】前記結晶膜は、基材との間に空間部が形成
されるように、前記基材により支持されている。これに
よれば、結晶膜の取り扱いが容易となる。
【0010】本発明に係るヘテロ構造基板は、基材と、
前記基材との間に空間部が形成されるように前記基材に
形成された、メンブレン構造の結晶膜と、前記結晶膜上
に形成され、前記結晶膜とヘテロの関係にあるエピタキ
シャル成長層と、を備える。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明に係るヘテロ構造基板の製
造方法の一実施形態を説明する。図1〜図3は、これを
説明するための工程図である。
【0012】図1に示すように、シリコン単結晶基板5
1、シリコン酸化層53、シリコン単結晶層55が積層
されたSOI基板を準備する。シリコン単結晶基板51
の厚みは、0.3mm〜0.5mmである。シリコン酸
化層53の厚みは、100nm〜500nmである。シ
リコン単結晶層55の厚みは、30nm〜150nmで
ある。そして、シリコン単結晶層55上に所定のパター
ンニングがなされたレジスト57を形成する。レジスト
57をマスクとして、反応性イオンエッチングにより、
シリコン単結晶層55を選択的にエッチング除去する。
これにより、シリコン単結晶層55にトレンチを形成す
る。そして、レジスト57を除去する。
【0013】図2に示すように、フッ酸を上記トレンチ
を介して、シリコン酸化層53に供給することにより、
シリコン酸化層53を除去する。これにより、シリコン
単結晶層55とシリコン単結晶基板51との間に空間部
61が形成される。シリコン単結晶層55が、メンブレ
ン構造のシリコン単結晶膜59となる。
【0014】図3に示すように、CVD装置を用いて、
シリコン単結晶膜59をすべて炭化し、シリコンカーバ
イド層65にし、その後、ヘテロエピタキシャル成長に
よりシリコンカーバイド層63を形成する。以上によ
り、ヘテロ構造基板200が製造される。
【0015】なお、シリコン単結晶膜59の厚みとして
は、例えば、30nm〜150nmがある。シリコン単
結晶膜59の厚みが150nm以下の場合、シリコン単
結晶膜59に発生する応力が小さくなり、シリコンカー
バイド層63の結晶欠陥層を、なくす又は少なくする可
能性を高めることができるからである。シリコン単結晶
膜59が薄ければ、それだけ、シリコンカーバイド層6
3に発生する応力が小さくなる。しかし、あまり薄すぎ
ると、シリコン単結晶膜59が容易に削り取られ、シリ
コンカーバイド層63を形成することができなくなる。
シリコン単結晶膜59の厚みが30nm以上だと、シリ
コン単結晶膜59が容易に削り取られるのを防ぐことが
可能となる。
【0016】エピタキシャル成長層と結晶膜との組み合
わせは、上記のエピタキシャル成長層がSiC、結晶
膜がSiの他、エピタキシャル成長層がGaN、結晶
膜がSi、エピタキシャル成長層がGaAs、結晶膜
がSi、エピタキシャル成長層がGaN、結晶膜がs
apphire、がある。
【0017】本実施形態により製造されたヘテロ構造基
板200の用途としては、ダイオードやMOS電界効果
トランジスタ等からなる集積回路がヘテロ構造基板のエ
ピタキシャル成長層に形成された半導体装置がある。ま
た、ヘテロ構造基板200のシリコン単結晶基板51
を、フッ硝酸などでエッチング除去すると、SiC基板
が得られる。
【0018】
【実施例】本発明の実施例について、図面を用いて説明
する。図4は、本発明の実施例に係るヘテロ構造基板の
断面構造を示す模式図である。ヘテロ構造基板100
は、シリコン単結晶基板11と、空間部15を介してシ
リコン単結晶基板11により支持され、シリコン単結晶
膜の炭化により形成されたシリコンカーバイド層13
と、ヘテロエピタキシャル成長により形成されたシリコ
ンカーバイド層17と、を備える。シリコンカーバイド
層13の厚みtは、30nm〜150nmである。シリ
コンカーバイド層13の基となるシリコン単結晶膜(炭
化される)は、メンブレン構造をし、その厚みは上記t
と同じである。空間部15の深さdは、1μmである。
【0019】ヘテロ構造基板100を以下に示す工程に
より製造した。これを、図4〜図7を用いて説明する。
図5〜図7は、ヘテロ構造基板100の製造工程を説明
するための工程図である。
【0020】図5に示すように、面方位(100)のシ
リコン単結晶基板11を準備した。シリコン単結晶基板
11の厚みは、0.5mmであった。なお、面方位(1
11)のシリコン単結晶基板でも、本発明を適用するこ
とは可能である。シリコン単結晶基板11上に所定のパ
ターンニングがなされたレジスト19を形成した。
【0021】図6に示すように、レジスト19をマスク
として、反応性イオンエッチングにより、シリコン単結
晶基板11を選択的にエッチング除去した。これによ
り、シリコン単結晶基板11に深さ3μm程度の、多数
のトレンチ21を形成した。そして、レジスト19を除
去した。
【0022】図7に示すように、シリコン単結晶基板1
1を、シリコン単結晶基板11の表面が清浄を維持でき
る程度の雰囲気(例えば、圧力10Torr程度の減圧
水素雰囲気)で、アニールした。アニール時間は30分
程度、アニール温度は1300℃程度にした。これによ
り、シリコン単結晶基板11中に、空間部15が形成さ
れた。空間部15の上壁を構成するのがシリコン単結晶
膜14である。図7に示す構造物の写真が図8である。
この写真は、SEMを用いて撮影した。なお、メンブレ
ン構造のシリコン単結晶膜は、図1〜図3の工程を用い
て形成してもよい。その後、シリコン単結晶膜14表面
を酸化し、シリコン酸化層を形成し、シリコン酸化層を
HFにより除去する、を繰り返すことにより、シリコン
単結晶膜14の厚みを30nm〜150nmにした。
【0023】図4に示すように、常圧CVD装置を用い
て、シリコン単結晶膜14を炭化したものであるシリコ
ンカーバイド層13上に、ヘテロエピタキシャル成長に
よりシリコンカーバイド層17を形成した。シリコンカ
ーバイド層17は、3C−SiC結晶からなり、その厚
みは約5μmであった。
【0024】シリコンカーバイド層17の形成工程の詳
細を説明する。図7に示す構造物(以下、構造物とい
う)をまず、有機溶液(アセトン)を用いて洗浄し、次
に酸溶液(硫酸、水、過酸化水素の混合液)を用いて洗
浄し、最後に、フッ酸を用いて洗浄した。
【0025】次に、構造物を常圧CVD装置のチャンバ
内にセットした。そして、チャンバ内の水素流量が11
slmの雰囲気中で、シリコン単結晶基板11の基板温
度が1115℃とし、チャンバ内に流量1slmの塩酸
を流して、構造物に5分間のエッチングをした。そし
て、塩酸を止めて、構造物の温度を室温に戻した。
【0026】次に、チャンバ内にプロパンを流量6sc
cm流しながら、構造物の温度を15分かけて1350
℃まで上昇させて、3分間の炭化をした。この段階で、
シリコン単結晶膜14はシリコンカーバイド層13に変
化する。その後、プロパンを流量3sccmとし、同時
に、流量500sccmの1パーセントのシランを流
し、ヘテロエピタキシャル成長により、図4に示すシリ
コンカーバイド層17を形成した。エピタキシャル成長
温度は1350℃、時間は2時間であった。以上によ
り、図4に示すヘテロ構造基板100を製造した。
【0027】図9は、図4に示すヘテロ構造基板100
のシリコンカーバイド層17の表面モホロジー写真であ
る。図10は、成長条件を同じにして、ヘテロエピタキ
シャル成長により、シリコン基板(厚み0.5mm)上
にシリコンカーバイド層(厚み5μm)を形成した場合
におけるシリコンカーバイド層の表面モホロジー写真で
ある。これらの写真は、微分干渉顕微鏡を用いて撮影し
た。図9のほうが、表面の平坦性がよく、シリコンカー
バイド層の結晶性が高いことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るヘテロ構造基板の製造方法の一実
施形態を説明するための第1工程図である。
【図2】本発明に係るヘテロ構造基板の製造方法の一実
施形態を説明するための第2工程図である。
【図3】本発明に係るヘテロ構造基板の製造方法の一実
施形態を説明するための第3工程図である。
【図4】本発明の実施例に係るヘテロ構造基板の断面構
造を示す模式図である。
【図5】本発明の実施例に係るヘテロ構造基板の製造工
程を説明するための第1工程図である。
【図6】本発明の実施例に係るヘテロ構造基板の製造工
程を説明するための第2工程図である。
【図7】本発明の実施例に係るヘテロ構造基板の製造工
程を説明するための第3工程図である。
【図8】図7に示す構造物の断面を示す写真である。
【図9】図4に示すシリコンカーバイド層の表面モホロ
ジー写真である。
【図10】比較例となる方法で形成されたシリコンカー
バイド層の表面モホロジー写真である。
【符号の説明】
11 シリコン単結晶基板 13 シリコンカーバイド層 14 シリコン単結晶膜 15 空間部 17 シリコンカーバイド層 19 レジスト 21 トレンチ 51 シリコン単結晶基板 53 シリコン酸化層 55 シリコン単結晶層 57 レジスト 59 シリコン単結晶膜 61 空間部 63 シリコンカーバイド層 65 シリコンカーバイド層 100 ヘテロ構造基板 200 ヘテロ構造基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 登 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 樹神 雅人 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 4G077 AA03 BA04 DB01 EF03 5F004 BA04 DB01 DB03 EA09 EA10 EA29 EB08 FA08 5F045 AA03 AA20 AB06 AC01 AC07 AD16 AD17 AE29 AF03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メンブレン構造の結晶膜上に、ヘテロエ
    ピタキシャル成長により、エピタキシャル成長層を形成
    する工程を備える、ヘテロ構造基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記結晶膜は、基材との間に空間部が形成されるよう
    に、前記基材により支持されている、ヘテロ構造基板の
    製造方法。
  3. 【請求項3】 基材と、 前記基材との間に空間部が形成されるように前記基材に
    形成された、メンブレン構造の結晶膜と、 前記結晶膜上に形成され、前記結晶膜とヘテロの関係に
    あるエピタキシャル成長層と、 を備える、ヘテロ構造基板。
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