JP2003282451A - ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法 - Google Patents
ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低い成長温度でＳｉＣの単結晶をホモエピタ
キシャル成長させて高品質のＳｉＣ単結晶薄膜を作製す
る方法を提供する。 【解決手段】 単結晶の炭化珪素（ＳｉＣ）領域を含む
基板上に、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ
法）を用いて、８００〜１２００℃でＳｉＣの単結晶を
ホモエピタキシャル成長させるＳｉＣ単結晶薄膜の作製
法である。特に、マイクロ波でプラズマを発生させた高
密度・高エネルギーのプラズマを利用すること、炭素と
珪素の原子供給比（Ｃ／Ｓｉ比）を１００以上、供給さ
れる原料珪素原子濃度を１００ｍｏｌ．ｐｐｍ以下とし
て成長させることが好ましい。
キシャル成長させて高品質のＳｉＣ単結晶薄膜を作製す
る方法を提供する。 【解決手段】 単結晶の炭化珪素（ＳｉＣ）領域を含む
基板上に、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ
法）を用いて、８００〜１２００℃でＳｉＣの単結晶を
ホモエピタキシャル成長させるＳｉＣ単結晶薄膜の作製
法である。特に、マイクロ波でプラズマを発生させた高
密度・高エネルギーのプラズマを利用すること、炭素と
珪素の原子供給比（Ｃ／Ｓｉ比）を１００以上、供給さ
れる原料珪素原子濃度を１００ｍｏｌ．ｐｐｍ以下とし
て成長させることが好ましい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＳｉＣ単結晶薄膜
の作製法に関するものであり、より詳しくは、プラズマ
ＣＶＤを用いて低温において高品質なα―ＳｉＣ単結晶
薄膜を作製する方法及びそれを用いる半導体装置の作製
法に関する。
の作製法に関するものであり、より詳しくは、プラズマ
ＣＶＤを用いて低温において高品質なα―ＳｉＣ単結晶
薄膜を作製する方法及びそれを用いる半導体装置の作製
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭化珪素（ＳｉＣ）は、大きなバンドギ
ャップ、高い熱伝導率、高い飽和電子ドリフト速度及び
高い絶縁破壊電圧などの優れた諸特性を有する半導体材
料であることから、次世代の低損失パワーデバイス素子
材料として注目されている。そのようなデバイスにＳｉ
Ｃを応用するには、単結晶エピタキシャル膜が必要不可
欠となる。ＳｉＣには、組成が同じでも積層構造の異な
る結晶多形が多数存在するが、その対称性により立方晶
ＳｉＣ（β―ＳｉＣ）と六方晶ＳｉＣ（α―ＳｉＣ）の
二種類に分けられる。現在、β―ＳｉＣは、ホモエピ用
基板が得られないため単結晶薄膜を作製できず、したが
って電子デバイスへの応用が遅れている。一方、α―Ｓ
ｉＣは、昇華法によりバルク単結晶が得られるため、高
品質なホモエピタキシャル薄膜が、主に化学気相成長法
（ＣＶＤ法）により得られている。
ャップ、高い熱伝導率、高い飽和電子ドリフト速度及び
高い絶縁破壊電圧などの優れた諸特性を有する半導体材
料であることから、次世代の低損失パワーデバイス素子
材料として注目されている。そのようなデバイスにＳｉ
Ｃを応用するには、単結晶エピタキシャル膜が必要不可
欠となる。ＳｉＣには、組成が同じでも積層構造の異な
る結晶多形が多数存在するが、その対称性により立方晶
ＳｉＣ（β―ＳｉＣ）と六方晶ＳｉＣ（α―ＳｉＣ）の
二種類に分けられる。現在、β―ＳｉＣは、ホモエピ用
基板が得られないため単結晶薄膜を作製できず、したが
って電子デバイスへの応用が遅れている。一方、α―Ｓ
ｉＣは、昇華法によりバルク単結晶が得られるため、高
品質なホモエピタキシャル薄膜が、主に化学気相成長法
（ＣＶＤ法）により得られている。
【０００３】α―ＳｉＣ薄膜の作製に用いられている薄
膜成長法は、熱により原料ガスを分解させて、基板上に
薄膜を堆積させる薄膜成長法であり、熱ＣＶＤ法とも呼
ばれている。従来より、ＳｉＣ単結晶薄膜を作製する過
程では、二種類以上の結晶多形が混在してしまうという
欠点があり、この問題を解決するために、例えば米国特
許第４９１２０６４号明細書には、１°以上オフ角を付
けたＳｉＣ（０００１）基板上に、１３５０〜１８００
℃という高い成長温度において、ステップフローモード
によりホモエピタキシャル成長させる方法が提案されて
いる。しかし、従来の熱ＣＶＤ法は、その成長温度が高
いためにＳｉＣデバイスプロセスの幅が制限されるこ
と、また、高温で分解されたサセプター材料が不純物と
して薄膜に混入するなどの問題がある。また、プラズマ
ＣＶＤによるＳｉＣ薄膜の低温成長については既に多数
試みられているが、それらはβ―ＳｉＣ（例えばP. Man
dracci et al., Thin Solid Films 383 (2001) p.169）
あるいは無定型ＳｉＣ（例えばA. Tabata et al., J. P
hys. D: Appl. Phys. 30 (1997) p.194）をＳｉ基板上
にヘテロエピタキシャル成長させるものにすぎず、Ｓｉ
Ｃ単結晶薄膜のホモエピタキシャル成長をプラズマＣＶ
Ｄで行うものについては知られていない。
膜成長法は、熱により原料ガスを分解させて、基板上に
薄膜を堆積させる薄膜成長法であり、熱ＣＶＤ法とも呼
ばれている。従来より、ＳｉＣ単結晶薄膜を作製する過
程では、二種類以上の結晶多形が混在してしまうという
欠点があり、この問題を解決するために、例えば米国特
許第４９１２０６４号明細書には、１°以上オフ角を付
けたＳｉＣ（０００１）基板上に、１３５０〜１８００
℃という高い成長温度において、ステップフローモード
によりホモエピタキシャル成長させる方法が提案されて
いる。しかし、従来の熱ＣＶＤ法は、その成長温度が高
いためにＳｉＣデバイスプロセスの幅が制限されるこ
と、また、高温で分解されたサセプター材料が不純物と
して薄膜に混入するなどの問題がある。また、プラズマ
ＣＶＤによるＳｉＣ薄膜の低温成長については既に多数
試みられているが、それらはβ―ＳｉＣ（例えばP. Man
dracci et al., Thin Solid Films 383 (2001) p.169）
あるいは無定型ＳｉＣ（例えばA. Tabata et al., J. P
hys. D: Appl. Phys. 30 (1997) p.194）をＳｉ基板上
にヘテロエピタキシャル成長させるものにすぎず、Ｓｉ
Ｃ単結晶薄膜のホモエピタキシャル成長をプラズマＣＶ
Ｄで行うものについては知られていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題を
解決するためになされたものであって、低い成長温度で
ＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させて高品質
のＳｉＣ単結晶薄膜を作製する方法を提供することを目
的とする。
解決するためになされたものであって、低い成長温度で
ＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させて高品質
のＳｉＣ単結晶薄膜を作製する方法を提供することを目
的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するために鋭意検討を重ねた結果、プラズマＣＶ
Ｄ法をＳｉＣ単結晶薄膜作製に適用することにより、従
来では１５００℃程度が必要であった成長温度を８００
〜１２００℃程度に低減させて、高品位のＳｉＣの単結
晶薄膜を得ることができることを見出し、本発明を完成
するに至った。すなわち、本発明は、単結晶の炭化珪素
（ＳｉＣ）領域を含む基板上に、プラズマ化学気相成長
法（プラズマＣＶＤ法）を用いて、８００〜１２００℃
でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させること
を特徴とするＳｉＣ単結晶薄膜の作製法である。特に、
マイクロ波でプラズマを発生させた高密度・高エネルギ
ーのプラズマを利用すること、炭素と珪素の原子供給比
（Ｃ／Ｓｉ比）を１００以上、供給される原料珪素原子
濃度を１００ａｔｍ．ｐｐｍ以下として成長させること
が好ましい。
を達成するために鋭意検討を重ねた結果、プラズマＣＶ
Ｄ法をＳｉＣ単結晶薄膜作製に適用することにより、従
来では１５００℃程度が必要であった成長温度を８００
〜１２００℃程度に低減させて、高品位のＳｉＣの単結
晶薄膜を得ることができることを見出し、本発明を完成
するに至った。すなわち、本発明は、単結晶の炭化珪素
（ＳｉＣ）領域を含む基板上に、プラズマ化学気相成長
法（プラズマＣＶＤ法）を用いて、８００〜１２００℃
でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させること
を特徴とするＳｉＣ単結晶薄膜の作製法である。特に、
マイクロ波でプラズマを発生させた高密度・高エネルギ
ーのプラズマを利用すること、炭素と珪素の原子供給比
（Ｃ／Ｓｉ比）を１００以上、供給される原料珪素原子
濃度を１００ａｔｍ．ｐｐｍ以下として成長させること
が好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明におけるＳｉＣ薄膜の作製方法で
は、例えば、図１に示すような構成のプラズマＣＶＤ装
置を用いて薄膜の形成が行われる。すなわち、真空容器
内に設置された基板上に、Ｓｉ元素およびＣ元素を含む
原料ガスを導入し、その原料ガスをプラズマで励起する
ことにより、低温において基板の表面上にＳｉＣの単結
晶を堆積させて、ＳｉＣの単結晶薄膜を形成させるもの
である。
て説明する。本発明におけるＳｉＣ薄膜の作製方法で
は、例えば、図１に示すような構成のプラズマＣＶＤ装
置を用いて薄膜の形成が行われる。すなわち、真空容器
内に設置された基板上に、Ｓｉ元素およびＣ元素を含む
原料ガスを導入し、その原料ガスをプラズマで励起する
ことにより、低温において基板の表面上にＳｉＣの単結
晶を堆積させて、ＳｉＣの単結晶薄膜を形成させるもの
である。
【０００７】本発明に用いる基板としては、単結晶の炭
化珪素（ＳｉＣ）領域を含む基板であれば如何なるもの
も使用可能であるが、基板に含まれるＳｉＣ領域が六方
晶炭化珪素（α−ＳｉＣ）であって、その上にα−Ｓｉ
Ｃの単結晶薄膜をホモエピタキシャル成長させることが
好ましい。そのα−ＳｉＣの結晶多形には、２Ｈ、４
Ｈ、６Ｈの３種があるが、これらのいずれも用いること
ができる。また、成長結晶面としては、（０００１）
面、（０００−１）面、（１１−２０）面のいずれの面
にもホモエピタキシャル成長を行うことができる。その
基板の構造としては、例えば、ＳｉＣ／ＳｉＯ２／Ｓｉ
構造或いはＳｉＣ／ＳｉＯ２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を
有する基板（ＳｉＣＯＩ基板）なども含まれる。
化珪素（ＳｉＣ）領域を含む基板であれば如何なるもの
も使用可能であるが、基板に含まれるＳｉＣ領域が六方
晶炭化珪素（α−ＳｉＣ）であって、その上にα−Ｓｉ
Ｃの単結晶薄膜をホモエピタキシャル成長させることが
好ましい。そのα−ＳｉＣの結晶多形には、２Ｈ、４
Ｈ、６Ｈの３種があるが、これらのいずれも用いること
ができる。また、成長結晶面としては、（０００１）
面、（０００−１）面、（１１−２０）面のいずれの面
にもホモエピタキシャル成長を行うことができる。その
基板の構造としては、例えば、ＳｉＣ／ＳｉＯ２／Ｓｉ
構造或いはＳｉＣ／ＳｉＯ２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を
有する基板（ＳｉＣＯＩ基板）なども含まれる。
【０００８】供給原料ガスには、炭素（Ｃ）源及び珪素
（Ｓｉ）源を含むガスを用いる。その炭素源としては、
メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン等の炭
化水素の単独ガス或いはそれらの混合ガスが用いられ
る。また、珪素源としては、モノシラン、ジシラン、ジ
クロロシランなどの単独ガス或いはそれらの混合ガスが
用いられる。さらに、供給原料ガスには、必要に応じ
て、キャリアガスとして水素、アルゴン、ヘリウムなど
を混合して用いる。
（Ｓｉ）源を含むガスを用いる。その炭素源としては、
メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン等の炭
化水素の単独ガス或いはそれらの混合ガスが用いられ
る。また、珪素源としては、モノシラン、ジシラン、ジ
クロロシランなどの単独ガス或いはそれらの混合ガスが
用いられる。さらに、供給原料ガスには、必要に応じ
て、キャリアガスとして水素、アルゴン、ヘリウムなど
を混合して用いる。
【０００９】供給原料ガスに含まれる炭素原子と珪素原
子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）としては、平坦な薄膜の形
成などから、好ましくは１００以上、より好ましくは１
００〜７５０であり、また、供給される珪素源ガスのモ
ル濃度については、１００ｍｏｌ．ｐｐｍ以下、より好
ましくは１〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍである。
子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）としては、平坦な薄膜の形
成などから、好ましくは１００以上、より好ましくは１
００〜７５０であり、また、供給される珪素源ガスのモ
ル濃度については、１００ｍｏｌ．ｐｐｍ以下、より好
ましくは１〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍである。
【００１０】本発明においては、プラズマにより低い成
長温度で高品質のＳｉＣ単結晶薄膜を作製することがで
きるものであって、そのプラズマの発生には、ＤＣグロ
ー放電、アーク放電、ｒｆプラズマ、ＥＣＲプラズマ、
ＩＣＰプラズマ、マイクロ波プラズマのいずれの方式も
使用できるが、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラ
ズマを用いることが望ましい。本発明におけるホモエピ
タキシャルの成長温度は、８００〜１２００℃で行う
が、好ましくは８００〜１０００℃である。また、本発
明を用いれば、０°〜８°の範囲のオフ角を持つ基板上
にホモエピタキシャル成長できるが、特に基板の結晶面
方位のオフ角が０°〜１°においても、プラズマによる
表面拡散の促進によりホモエピタキシャル成長が可能で
ある。
長温度で高品質のＳｉＣ単結晶薄膜を作製することがで
きるものであって、そのプラズマの発生には、ＤＣグロ
ー放電、アーク放電、ｒｆプラズマ、ＥＣＲプラズマ、
ＩＣＰプラズマ、マイクロ波プラズマのいずれの方式も
使用できるが、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラ
ズマを用いることが望ましい。本発明におけるホモエピ
タキシャルの成長温度は、８００〜１２００℃で行う
が、好ましくは８００〜１０００℃である。また、本発
明を用いれば、０°〜８°の範囲のオフ角を持つ基板上
にホモエピタキシャル成長できるが、特に基板の結晶面
方位のオフ角が０°〜１°においても、プラズマによる
表面拡散の促進によりホモエピタキシャル成長が可能で
ある。
【００１１】基板に形成されるＳｉＣの単結晶薄膜品質
を制御するには、バイアスを印加することが好ましい。
そのバイアスとしては、基板に５０〜４００Ｖの直流
（ＤＣ）のバイアス電圧を印加することにより、プラズ
マの成長表面へのイオン衝撃を制御でき、得られるＳｉ
Ｃ薄膜の平坦性を向上させることができる。
を制御するには、バイアスを印加することが好ましい。
そのバイアスとしては、基板に５０〜４００Ｖの直流
（ＤＣ）のバイアス電圧を印加することにより、プラズ
マの成長表面へのイオン衝撃を制御でき、得られるＳｉ
Ｃ薄膜の平坦性を向上させることができる。
【００１２】以上のとおり、本発明では、低温でＳｉＣ
薄膜を製造できることから、様々なデバイスプロセスに
応用可能である。例えば、ＳｉＣ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造
又はＳｉＣ／ＳｉＯ２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する
基板（ＳｉＣＯＩ基板）は、絶縁体の上にデバイスを形
成できるから、金属―半導体（ショットキー）構造を有
する電界効果型トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）などへの
応用が有効であると考えられている。しかし、これらの
基板は酸化膜を含むため、通常の熱ＣＶＤエピタキシャ
ル成長では１５００℃程度の高い成長温度により、酸化
膜が分解されてＳｉＣＯＩ基板が損傷してしまうという
欠点がある。ところが、本発明を適用すれば、ＳｉＣＯ
Ｉ基板上に低温でエピタキシャル成長できるため、酸化
膜を損傷させることなくＳｉＣ薄膜を作製できる。すな
わち、本発明によれば、ＳｉＣ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造又
はＳｉＣ／ＳｉＯ２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する基
板（ＳｉＣＯＩ基板）上に、原料ガスを導入し、プラズ
マ化学気相成長法を用いて８００〜１２００℃でホモエ
ピタキシャル成長させることにより、ＳｉＣ単結晶薄膜
を有する半導体装置を容易に作製することができる。
薄膜を製造できることから、様々なデバイスプロセスに
応用可能である。例えば、ＳｉＣ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造
又はＳｉＣ／ＳｉＯ２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する
基板（ＳｉＣＯＩ基板）は、絶縁体の上にデバイスを形
成できるから、金属―半導体（ショットキー）構造を有
する電界効果型トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）などへの
応用が有効であると考えられている。しかし、これらの
基板は酸化膜を含むため、通常の熱ＣＶＤエピタキシャ
ル成長では１５００℃程度の高い成長温度により、酸化
膜が分解されてＳｉＣＯＩ基板が損傷してしまうという
欠点がある。ところが、本発明を適用すれば、ＳｉＣＯ
Ｉ基板上に低温でエピタキシャル成長できるため、酸化
膜を損傷させることなくＳｉＣ薄膜を作製できる。すな
わち、本発明によれば、ＳｉＣ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造又
はＳｉＣ／ＳｉＯ２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する基
板（ＳｉＣＯＩ基板）上に、原料ガスを導入し、プラズ
マ化学気相成長法を用いて８００〜１２００℃でホモエ
ピタキシャル成長させることにより、ＳｉＣ単結晶薄膜
を有する半導体装置を容易に作製することができる。
【００１３】また、従来の熱ＣＶＤ法では、マスクを用
いるＳｉＣ単結晶薄膜の選択成長は、高温でマスク材が
損傷してしまうため行えなかったが、本発明を用いるこ
とにより可能となる。すなわち、本発明によれば、Ｓｉ
Ｃ単結晶基板上に、あらかじめ決められた所望の形状
（パターン）のマスク材を蒸着し、その上からプラズマ
化学気相成長法を用いて８００〜１２００℃でＳｉＣの
単結晶をホモエピタキシャル成長させた後、そのマスク
材を除去することによりＳｉＣの単結晶を選択的にホモ
エピタキシャル成長させたＳｉＣの単結晶薄膜を有する
半導体装置を作製することができる。そのマスク材とし
ては、金属酸化物や窒化物、高融点金属、炭化金属など
を用いることが望ましい。したがって、この本発明方法
は、金属−絶縁体―半導体（ＭＯＳ）構造を有する電界
効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）におけるチャネル
領域への成長（エピチャネル）やイオン注入後の活性化
アニールによって荒れた表面の平坦化などにも応用可能
である。
いるＳｉＣ単結晶薄膜の選択成長は、高温でマスク材が
損傷してしまうため行えなかったが、本発明を用いるこ
とにより可能となる。すなわち、本発明によれば、Ｓｉ
Ｃ単結晶基板上に、あらかじめ決められた所望の形状
（パターン）のマスク材を蒸着し、その上からプラズマ
化学気相成長法を用いて８００〜１２００℃でＳｉＣの
単結晶をホモエピタキシャル成長させた後、そのマスク
材を除去することによりＳｉＣの単結晶を選択的にホモ
エピタキシャル成長させたＳｉＣの単結晶薄膜を有する
半導体装置を作製することができる。そのマスク材とし
ては、金属酸化物や窒化物、高融点金属、炭化金属など
を用いることが望ましい。したがって、この本発明方法
は、金属−絶縁体―半導体（ＭＯＳ）構造を有する電界
効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）におけるチャネル
領域への成長（エピチャネル）やイオン注入後の活性化
アニールによって荒れた表面の平坦化などにも応用可能
である。
【００１４】以下、実施例により、本発明をさらに具体
的に説明する。
的に説明する。
【実施例】図１に示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置
を用いてＳｉＣ薄膜を作製した。ここでは、原料ガスと
してシランガスとメタンガスを用い、キャリアガスには
水素を用いた。基板には、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用
い、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマを用いてプラ
ズマを発生させ、そのＳｉＣ単結晶表面へホモエピタキ
シャル成長を行なった。成長結晶面としては、通常（０
００１）面、（０００−１）面、（１１−２０）面のい
ずれかが用いられるが、いずれの面を用いてもホモエピ
タキシャル成長を行うことができた。また、０°〜８°
の範囲のオフ角を持つ基板上に作製した結果、０°〜８
°の範囲では、如何なるオフ角においても他の結晶多形
が混入することなくホモエピタキシャル成長することが
確認された。オフ角が１°以下においてもα−ＳｉＣ薄
膜がホモエピタキシャル成長するのは、プラズマにより
原料ガスが活性化され、表面拡散距離が大きくなるため
低オフ角でもホモエピタキシャル成長が行われたものと
考えられる。
を用いてＳｉＣ薄膜を作製した。ここでは、原料ガスと
してシランガスとメタンガスを用い、キャリアガスには
水素を用いた。基板には、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用
い、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマを用いてプラ
ズマを発生させ、そのＳｉＣ単結晶表面へホモエピタキ
シャル成長を行なった。成長結晶面としては、通常（０
００１）面、（０００−１）面、（１１−２０）面のい
ずれかが用いられるが、いずれの面を用いてもホモエピ
タキシャル成長を行うことができた。また、０°〜８°
の範囲のオフ角を持つ基板上に作製した結果、０°〜８
°の範囲では、如何なるオフ角においても他の結晶多形
が混入することなくホモエピタキシャル成長することが
確認された。オフ角が１°以下においてもα−ＳｉＣ薄
膜がホモエピタキシャル成長するのは、プラズマにより
原料ガスが活性化され、表面拡散距離が大きくなるため
低オフ角でもホモエピタキシャル成長が行われたものと
考えられる。
【００１５】成長基板として４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）
面８°オフ単結晶基板を用い、マイクロ波パワーが１３
００Ｗ、バイアス電圧が０Ｖ、成長温度（パイロメータ
により試料表面の温度を測定）が９７０℃の条件下で、
Ｃ／Ｓｉ比が１７５、モノシラン濃度が４ｍｏｌ．ｐｐ
ｍの原料ガスを真空容器に導入し、その単結晶基板上
に、ホモエピタキシャル成長させて２００ｎｍの薄膜を
得た。得られた薄膜について、共焦点ラマン分光法で結
晶多形を評価した結果を図２に示す。ＬＯフォノン−プ
ラズモン結合モードピーク（ＬＯＰＣピーク）は、試料
に含まれる電子キャリア濃度が高いほど高ｃｍ−１側へ
移動し、ピーク形状も広帯化することが知られている
（S. Nakashima et al., Phys. Stat. Sol. (a) Vol. 1
62 (1997) 39）。図２のＬＯＰＣピークに注目すると、
高濃度にｎドープされている基板からのスペクトルでは
かなり広帯化しているのに対し、薄膜からのスペクトル
ではシャープなピークが観察された。さらに、そのシャ
ープなピーク位置はノンドープ４Ｈ−ＳｉＣのピーク位
置（９６４ｃｍ−１）に一致しており、その他の結晶構
造によるピーク（６Ｈ：７８９ｃｍ−１、３Ｃ：９７２
ｃｍ−１など）が観測されなかったことから、得られた
薄膜は４Ｈ−ＳｉＣであることが示された。また、反射
高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンより、得られた
薄膜が単結晶であることを確認した。これらの事実か
ら、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶薄膜が９７０℃の低温で他の結
晶多形が混入することなくホモエピタキシャル成長して
いることが確認された。なお、従来の熱ＣＶＤ法におい
ては、１０００℃以下で作製すると膜中にβ―ＳｉＣが
混入するが、本実施例では、プラズマにより原料ガスを
活性化させることができ、１０００℃以下の低温におい
ても単結晶α−ＳｉＣが成長したものと考えられる。
面８°オフ単結晶基板を用い、マイクロ波パワーが１３
００Ｗ、バイアス電圧が０Ｖ、成長温度（パイロメータ
により試料表面の温度を測定）が９７０℃の条件下で、
Ｃ／Ｓｉ比が１７５、モノシラン濃度が４ｍｏｌ．ｐｐ
ｍの原料ガスを真空容器に導入し、その単結晶基板上
に、ホモエピタキシャル成長させて２００ｎｍの薄膜を
得た。得られた薄膜について、共焦点ラマン分光法で結
晶多形を評価した結果を図２に示す。ＬＯフォノン−プ
ラズモン結合モードピーク（ＬＯＰＣピーク）は、試料
に含まれる電子キャリア濃度が高いほど高ｃｍ−１側へ
移動し、ピーク形状も広帯化することが知られている
（S. Nakashima et al., Phys. Stat. Sol. (a) Vol. 1
62 (1997) 39）。図２のＬＯＰＣピークに注目すると、
高濃度にｎドープされている基板からのスペクトルでは
かなり広帯化しているのに対し、薄膜からのスペクトル
ではシャープなピークが観察された。さらに、そのシャ
ープなピーク位置はノンドープ４Ｈ−ＳｉＣのピーク位
置（９６４ｃｍ−１）に一致しており、その他の結晶構
造によるピーク（６Ｈ：７８９ｃｍ−１、３Ｃ：９７２
ｃｍ−１など）が観測されなかったことから、得られた
薄膜は４Ｈ−ＳｉＣであることが示された。また、反射
高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンより、得られた
薄膜が単結晶であることを確認した。これらの事実か
ら、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶薄膜が９７０℃の低温で他の結
晶多形が混入することなくホモエピタキシャル成長して
いることが確認された。なお、従来の熱ＣＶＤ法におい
ては、１０００℃以下で作製すると膜中にβ―ＳｉＣが
混入するが、本実施例では、プラズマにより原料ガスを
活性化させることができ、１０００℃以下の低温におい
ても単結晶α−ＳｉＣが成長したものと考えられる。
【００１６】次に、Ｃ／Ｓｉ比が薄膜品質に及ぼす影響
について、得られた薄膜の表面形態を原子間力顕微鏡に
より観察し、算術平均粗さＲａを調べた結果を、図３に
示す。Ｃ／Ｓｉ比以外は、図２の試料と同じ作製条件で
ある。図３より、大きなＣ／Ｓｉ比において平坦な薄膜
が得られていることがわかる。ただし、Ｃ／Ｓｉ比を７
５０以上にすると膜表面にパーティクルが発生する。高
濃度な炭素源ガスにより、ダイヤモンドの微粒子が発生
したと考えられる。そこで、プラズマＣＶＤ法によって
十分に平坦なα−ＳｉＣ薄膜（Ｒａ＜１０ｎｍ）を得る
には１００〜７５０のＣ／Ｓｉ比が望ましいことが分っ
た。
について、得られた薄膜の表面形態を原子間力顕微鏡に
より観察し、算術平均粗さＲａを調べた結果を、図３に
示す。Ｃ／Ｓｉ比以外は、図２の試料と同じ作製条件で
ある。図３より、大きなＣ／Ｓｉ比において平坦な薄膜
が得られていることがわかる。ただし、Ｃ／Ｓｉ比を７
５０以上にすると膜表面にパーティクルが発生する。高
濃度な炭素源ガスにより、ダイヤモンドの微粒子が発生
したと考えられる。そこで、プラズマＣＶＤ法によって
十分に平坦なα−ＳｉＣ薄膜（Ｒａ＜１０ｎｍ）を得る
には１００〜７５０のＣ／Ｓｉ比が望ましいことが分っ
た。
【００１７】また、同じＣ／Ｓｉ比（１７５）におけ
る、シラン流量による影響について、同じように表面粗
さを調べた結果を図４に示す。図４より、低いシラン流
量において平坦性が向上していることがわかる。しか
し、シラン流量の減少に伴って成長速度も低下するた
め、薄膜成長を得るにはシラン流量１ｍｏｌ．ｐｐｍ程
度は必要である。そこで、プラズマＣＶＤ法によって十
分に平坦なα−ＳｉＣ薄膜（Ｒａ＜１０ｎｍ）を得るに
は１〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍ程度という極めて低いシラ
ン流量が望ましいことがわかる。さらに、基板へバイア
スを印加すると平坦性が向上した。バイアスなしではＲ
ａ＝５．７ｎｍに対し、バイアスを＋２００Ｖ印加する
ことによりＲａ＝３．４ｎｍとなった。
る、シラン流量による影響について、同じように表面粗
さを調べた結果を図４に示す。図４より、低いシラン流
量において平坦性が向上していることがわかる。しか
し、シラン流量の減少に伴って成長速度も低下するた
め、薄膜成長を得るにはシラン流量１ｍｏｌ．ｐｐｍ程
度は必要である。そこで、プラズマＣＶＤ法によって十
分に平坦なα−ＳｉＣ薄膜（Ｒａ＜１０ｎｍ）を得るに
は１〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍ程度という極めて低いシラ
ン流量が望ましいことがわかる。さらに、基板へバイア
スを印加すると平坦性が向上した。バイアスなしではＲ
ａ＝５．７ｎｍに対し、バイアスを＋２００Ｖ印加する
ことによりＲａ＝３．４ｎｍとなった。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
８００〜１２００℃という低温領域でα−ＳｉＣの単結
晶をホモエピタキシャル成長させて高品位のα−ＳｉＣ
単結晶薄膜を容易に作製できるから、各種の広範なデバ
イスプロセスに応用可能である。例えば、金属―半導体
（ショットキー）構造を有する電界効果型トランジスタ
（ＭＥＳＦＥＴ）、金属−絶縁体―半導体（ＭＯＳ）構
造を有する電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）に
おけるチャネル領域への成長（エピチャネル）やイオン
注入後の活性化アニールによって荒れた表面の平坦化技
術などにも適用できるから、この発明の工業的価値は大
である。
８００〜１２００℃という低温領域でα−ＳｉＣの単結
晶をホモエピタキシャル成長させて高品位のα−ＳｉＣ
単結晶薄膜を容易に作製できるから、各種の広範なデバ
イスプロセスに応用可能である。例えば、金属―半導体
（ショットキー）構造を有する電界効果型トランジスタ
（ＭＥＳＦＥＴ）、金属−絶縁体―半導体（ＭＯＳ）構
造を有する電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）に
おけるチャネル領域への成長（エピチャネル）やイオン
注入後の活性化アニールによって荒れた表面の平坦化技
術などにも適用できるから、この発明の工業的価値は大
である。
【図１】 本発明におけるＳｉＣ単結晶薄膜の作製に用
いられる一例の製造装置の構成を示す概念図である。
いられる一例の製造装置の構成を示す概念図である。
【図２】 本発明の実施例により得られた低温成長Ｓｉ
Ｃ薄膜の結晶多形を、共焦点ラマン分光測定により調べ
た結果を示したグラフであり、（ａ）は基板からのピー
ク、（ｂ）は堆積された薄膜からのピークを示してい
る。
Ｃ薄膜の結晶多形を、共焦点ラマン分光測定により調べ
た結果を示したグラフであり、（ａ）は基板からのピー
ク、（ｂ）は堆積された薄膜からのピークを示してい
る。
【図３】 本発明の実施例により得られた低温成長Ｓ
ｉＣ薄膜を、原子間力顕微鏡により求めた表面粗さ（Ｒ
ａ）のＣ／Ｓｉ比依存性について示したグラフである。
ｉＣ薄膜を、原子間力顕微鏡により求めた表面粗さ（Ｒ
ａ）のＣ／Ｓｉ比依存性について示したグラフである。
【図４】 本発明の実施例により得られた低温成長Ｓ
ｉＣ薄膜を、原子間力顕微鏡により求めた表面粗さ（Ｒ
ａ）のシラン流量依存性について示したグラフである。
ｉＣ薄膜を、原子間力顕微鏡により求めた表面粗さ（Ｒ
ａ）のシラン流量依存性について示したグラフである。
１ 真空容器
２ 基板
３ ｒｆヒータコイル
４ グラファイトサセプター
５ プラズマ発生領域
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 福田 憲司
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
(72)発明者 田中 保宣
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE08 DB19 EA02 ED05
HA06 TB02 TB07
4K030 AA09 AA17 BA37 BB02 CA04
FA01 JA06 JA10 JA17 LA12
5F045 AA09 AB06 AC01 AC08 AC09
AD12 AD13 AD14 AD15 AF02
BB08 DP03 DQ10
Claims (11)
- 【請求項１】 単結晶の炭化珪素領域を含む基板上に、
プラズマ化学気相成長法を用いて、８００〜１２００℃
でＳｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させること
を特徴とするＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。 - 【請求項２】 プラズマの発生が、マイクロ波を用いる
ものであることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ単
結晶薄膜の作製法。 - 【請求項３】 供給原料ガスに含まれる炭素原子と珪素
原子の原子数比（Ｃ／Ｓｉ比）が、１００〜７５０であ
ることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳｉＣ単結
晶薄膜の作製法。 - 【請求項４】 供給される珪素源ガスのモル濃度が、１
〜１００ｍｏｌ．ｐｐｍであることを特徴とする請求項
１〜３のいずれか１項に記載のＳｉＣ単結晶薄膜の作製
法。 - 【請求項５】 供給原料ガス中の炭素源が、メタン、エ
タン、プロパン及びアセチレンから選ばれる１種以上の
炭化水素ガスであり、かつ、珪素源が、モノシラン、ジ
シラン及びジクロロシランから選ばれる１種以上の珪素
含有ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
か１項に記載のＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。 - 【請求項６】 基板に含まれるＳｉＣ領域が、六方晶炭
化珪素（α−ＳｉＣ）であり、その上にα−ＳｉＣ単結
晶薄膜を成長させることを特徴とする請求項１〜５のい
ずれか１項に記載のＳｉＣ単結晶薄膜の作製法 - 【請求項７】 基板に含まれるＳｉＣ領域が、α―Ｓｉ
Ｃ（０００１）、（０００−１）、（１１−２０）面の
いずれかであり、その上にホモエピタキシャル成長させ
ることを特徴とする請求項６に記載のＳｉＣ単結晶薄膜
の作製法。 - 【請求項８】 基板に含まれるα―ＳｉＣ領域のオフ角
が、（０００１）面又は（０００−１）面に対して１°
以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載のＳ
ｉＣ単結晶薄膜の作製法。 - 【請求項９】 基板に５０〜４００Ｖの直流バイアス電
圧を印加することを特徴とする請求項１〜８のいずれか
１項に記載のＳｉＣ単結晶薄膜の作製法。 - 【請求項１０】 ＳｉＣ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造又はＳｉ
Ｃ／ＳｉＯ２／ｐｏｌｙ−ＳｉＣ構造を有する基板（Ｓ
ｉＣＯＩ基板）上に、プラズマ化学気相成長法を用い
て、８００〜１２００℃でＳｉＣの単結晶をホモエピタ
キシャル成長させたＳｉＣ単結晶薄膜を有することを特
徴とする半導体装置の作製法。 - 【請求項１１】 ＳｉＣ単結晶基板上に、ＳｉＯ２、Ｓ
ｉ３Ｎ４、金属及び炭化金属から選ばれるあらかじめ決
められたパターンのマスク材を蒸着し、その上からプラ
ズマ化学気相成長法を用いて、８００〜１２００℃でＳ
ｉＣの単結晶をホモエピタキシャル成長させた後、その
マスク材を除去することによりＳｉＣの単結晶を選択的
にホモエピタキシャル成長させたＳｉＣの単結晶薄膜を
有することを特徴とする半導体装置の作製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002080254A JP3742877B2 (ja) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002080254A JP3742877B2 (ja) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003282451A true JP2003282451A (ja) | 2003-10-03 |
| JP3742877B2 JP3742877B2 (ja) | 2006-02-08 |
Family
ID=29229364
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002080254A Expired - Lifetime JP3742877B2 (ja) | 2002-03-22 | 2002-03-22 | ＳｉＣ単結晶薄膜の作製法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3742877B2 (ja) |
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| EP3882956A1 (en) | 2020-03-05 | 2021-09-22 | Hitachi Metals, Ltd. | Sic wafer and manufacturing method thereof |
| CN113697812A (zh) * | 2021-09-30 | 2021-11-26 | 中国航发北京航空材料研究院 | 基于高频电磁场激发的碳化硅纳米管制备方法 |
-
2002
- 2002-03-22 JP JP2002080254A patent/JP3742877B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| US9728612B2 (en) | 2011-07-20 | 2017-08-08 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Silicon carbide substrate, semiconductor device and methods for manufacturing them |
| US9484416B2 (en) | 2011-07-20 | 2016-11-01 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Silicon carbide substrate, semiconductor device and methods for manufacturing them |
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