JPS63137412A - 半導体用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明はＳｏｌ　（５ｉｌｉｃｏｎ　　ｏｎ　　１ｎ
ｓｕｌａｔｏｒ　）型基板構造を有し、たとえば高速・
高１！積したバイポーラトランジスタとＭＯＳトランジ
スタとの混成回路を形成することができる低欠陥密度な
半導体用基板の製造方法に関するものである。

（０）従来の技術 従来より、サファイヤ基板は、たとえばＳＯ８技術にお
いては利用されてきた。ＳＯ８技術は、サファイヤ基板
の上にシリコン薄膜をヘテロエピタキシャル成長させて
ＭＯＳデバイスなどを構成し、従来問題となっていた配
線容■と素子間分離を解決し、ＭＯＳデバイスなどの高
速化をはかるようにしたものである。更に、ＳＯ８技術
の欠点を克服するために、シリコン基板全面にスピネル
単結晶薄膜や、ＹｌＣａ　、Ｍ（Ｊ　、ＳＣなどを添加
した安定化ジルコニア薄膜を被覆してなる新しい半導体
基板も提案されている。

サファイヤ単結晶基板上に気相成長法で形成されたシリ
コン単結晶薄膜は、表面モホロジーや結品性があまり良
くなく、しかも／ｌのオートドープによる汚染も生じや
すく、欠陥密度は１０３〜１０′（個／ｃｍ’　）と多
く、またサフフイヤ基板は高価であるため、デバイス作
成用の基板として広く利用できないのが現状であった。

このような状況に鑑みて、シリコン基板上にスピネル単
結晶薄膜や安定化ジルコニア薄膜を被覆し、高温の酸化
によってこれら酸化膜とシリコン単結晶基板の界面にシ
リコン酸化膜を形成してなる新しい半導体用絶縁基板が
提案され、半導体デバイスが形成可能な半導体用絶縁基
板が実現されている。

（ハ〉発明が解決しようとする問題点 しかし、シリコン単結晶基板上に形成してなるスピネル
単結晶薄膜や安定化ジルコニア薄膜上に、気相成長法で
シリコン単結晶薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた
場合、格子の不整合や熱膨張係数などの違いによって結
晶性の劣化に伴う欠陥密度の増加や表面モホロジーの悪
化などが生じた。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、シリコ
ン単結晶基板上に形成してなるスピネル単結晶薄膜や、
安定化ジルコニア単結晶薄膜上に気相成長法でシリコン
単結晶薄膜を形成するヘテロエピタキシャル成長におい
て問題となる、欠陥密度の増加及び表面モホロジーの悪
化などの欠点を改善するとともに、シリコン単結晶薄膜
を形成する気相成長時に、サフフイヤ基板の場合のよう
な１．１２のオートドープによる汚染が全くなく、より
高温で結晶性の優れたシリコン単結晶膜を有する半導体
用基板の製造方法を提供することを目的としている。

（ニ）問題を解決するための手段 この発明の半導体用基板の製造方法は、シリコン単結晶
基板の全面に酸化物単結晶薄膜を形成する工程と、次に
高温酸化によってシリコン単結晶基板と酸化物結晶薄膜
との界面に熱酸化膜を形成する工程と、酸化物単結晶薄
膜上に気相成長法によりシリコン薄膜を形成する工程と
、シリコン薄膜と酸化物単結晶薄膜界面近傍にイオンイ
ンプランテーション法によりシリコンをイオン注入して
シリコン薄膜と酸化物単結晶薄膜の界面にアモルファス
シリコン層を形成する工程と、その後高温の熱処理を行
って固相成長させる工程と、ざらにシリコン薄膜表面近
傍にシリコンをイオン注入してシリコン薄膜の表面にア
モルファスシリコン層を形成する工程と、その後高温の
熱処理を行なって固相成長させる工程とを含んでなる構
成である。

この発明に用いるシリコン単結晶基板としては、（１０
０）や（１１１）方位を有するものが使用される。

これらのシリコン単結晶基板上に形成する酸化物単結晶
薄膜としては、シリコン単結晶基板と同方位を有するス
ピネル単結晶薄膜や安定化ジルコニア単結晶１膜が使用
され、その膜厚は３００人〜１μｍ程度が好ましい。

上記、酸化物単結晶薄膜は必要に応じて、たとえば１０
００℃〜１１５０℃の温度で水素（Ｈ２）ガスや０．１
〜１．０％の塩酸（ＨＣＩ　）を含む水素ガス中で、た
とえば５０人〜１０００人のガスエツチングを行なって
表面を清浄化することが好ましい。

上記酸化物単結晶薄膜上に気相成長法により形成するシ
リコン単結晶薄膜の膜厚は、０．０２〜１．０μｍ程度
が好ましく、気相成長法において、たとえば原料ガスと
してＳｔ　Ｈ４、Ｓｉ　Ｈ２Ｃ１２、Ｓｉ　ＨＣＩ　ｓ
　、Ｓｉ　Ｃｌ　４などのシラン系のガスを、０．０５
容量％〜５容旦％の割合で水素ガス中に含ませたものを
用い、９００℃〜１１５０℃の温度で成長速度０．１〜
３．０．ｃｚｍ　／ｍｉｎで形成する。上記シリコン単
結晶薄膜上には、必要に応じてパイロ酸化や塩酸酸化、
あるいは乾燥酸素により、たとえば８００℃〜１０００
℃の温度で膜厚２００人〜２０００人の熱酸化膜を形成
することが好ましい。

シリコン１ｉｌｌｌと酸化物単結晶の界面にアモルファ
スシリコン層を形成するためのイオン注入条件は、シリ
コン薄膜などの膜厚によっても異なるが、たとえば注入
エネルギー２０Ｋｅ■〜４００ＫｅＶ、注入量１Ｘ１０
ＣＩｌｌ−２〜５×１０ｃｍ′程度で行ない、シリコン
薄膜と酸化物単結晶薄膜の界面近傍にアモルファスシリ
コン層を３５０人〜４５００人程度の層厚に形成するの
が好ましい。

高温の熱処理を行なって固相成長させる場合、たとえば
水素又は窒素雰囲気中で、５００℃〜１１５０℃程度の
温度で３０分から１２時間の範囲で行なうのが好ましい
。

シリコン薄膜表面にアモルファスシリコン層を形成する
場合のイオン注入条件は、たとえば注入エネルギー２０
Ｋｅｖ〜８０ＫｅＶ１注入１ｘｌＯ”ｃｒ’　〜６ｘ　
１０”　ｃｍ’程度で行ナウノカ好マシク、またシリコ
ン薄膜の表面にアモルファスシリコン層を３５０人〜１
２００人程度の層厚に形成する。

（ホ）作　用 上記したこの発明に係る半導体用基板の製造方法におい
ては、シリコン単結晶基板上に形成されたスピネル単結
晶薄膜または安定化ジルコニア単結晶薄膜などの酸化物
単結晶薄膜を高温酸化する。

シリコン単結晶基板と酸化物単結晶薄膜の界面に、Ｓ！
０２を形成した半導体用基板上に気相成長法により形成
した第一層目のシリコン単結晶薄膜を、イオン注入法に
よりアモルファス化した後、ａＫＷで固相成長を行うプ
ロセスを２度行なう、いわゆるダブル固相成長を行なう
。

この方法によれば、第一層目の簿い、たとえば０．０２
〜１．０μｍ厚のシリコン単結晶簿膜及びこのシリコン
単結晶Ｎ！！上に形成したシリコン単結晶薄膜の欠陥密
度は、５個／　ｃｎ＋２内に低減し表面モホルジーも改
善されるので同一基板内にバイポーラトランジスタ、Ｍ
ＯＳトランジスタなどの能動素子の作成が容易に可能に
なる。

（へ）実施例 以下この発明の実施例を図面にて説明するが、この発明
は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１ 第１図は、この発明の半導体用基板の製造方法の実施例
を説明するための製造工程図である。

まず、第１図の（ωに示すように、（１００）面を有す
るシリコン単結晶基板１上に、（１００）面を有するス
ピネル単結晶薄膜や、（１００）面を有する安定化ジル
コニア単結晶薄膜のような酸化物単結晶薄膜２を、膜厚
４５００人に形成する。次に、１１００℃の酸素の雰囲
気でこの基板を酸化して、第１図の（ｂ）に示すように
、シリコン単結晶基板１と、酸化物単結晶簿膜２との界
面に熱酸化膜（Ｓｉ　０２　）３を形成する。次にエピ
タキシャルチャンバー内で、酸化物単結晶ｌＩ２を、１
１００℃の温度で、水素ガスや０．３％の塩酸を含む水
素ガス中で、２００人をガスエツチングをして表面を清
浄化する。その後、シラン（Ｓｆ　Ｈ４）ガスを０．２
容量％の割合で水素ガス中に含ませて、１０００℃の温
度でシランガスを熱分解させ、第１図の（Ｃ）に示すよ
うに、酸化物単結晶簿膜２上に成長速度０．２μｂ 膜厚に形成する。

次に第１図の（ｄ）に示すように、シリコン単結晶簿膜
５にシリコンのイオン注入を行ない、酸化物単結晶薄膜
２とシリコン単結晶薄膜５との界面近傍にアモルファス
シリコン層７を形成する。注入条件は注入エネルギー３
００ＫｅＶ、注入口５×１Ｑ　ｒ”；　ｃ　ｍ−２で行
なって、酸化物単結晶薄膜２とシリコン単結晶簿膜５の
界面近傍にアモルファスシリコン層７を３０００人の範
囲に形成する。次に、第１図の＋ｅ）に示すように、水
素又は窒素雰囲気で、シリコン単結晶薄膜５とアモルフ
ァスシリコン層７の界面の単結晶シリコンを種結晶とし
て、１０００℃の温度で１時間の条件で固相成長を行な
い、アモルファスシリコン層７を良質な低欠陥密度のシ
リコン単結晶薄膜５１に改質させる。すなわち、高温の
熱処理を行なって固相成長を行なうことにより、シリコ
ン単結晶源ｙ１５と酸化物単結晶簿膜２との界面で格子
の不整合を矯正しながら、又、結晶性の優れたシリコン
単結晶ｔｉｌｌｌ！５の表面のシリコンを種結晶として
固相成長することになり、その結果、界面結晶構造及び
結晶性の良好なシリコン単結品薄Ｗｉ、５１が形成され
る。

次に、第１図の＋ｆ＋に示すように、シリコン単結晶簿
膜５１にシリコンのイオン注入を行ない、シリコン単結
晶薄膜５１の表面近傍にアモルファスシリコン層８を形
成する。シリコンのイオン注入を注入エネルギー４０Ｋ
ｅＶ、ｕ入ｆｊｋ　２ｘ　１０１６ｃｒ’の条件で行な
う。その結果、シリコン単結晶薄暎５１の表面にアモル
ファスシリコン層８を層厚５００Ａの領域に形成する。

次にＮ１図の（９）に示すように、８００℃の水素また
は窒素雰囲気で１時間保持し、１回目の固相成長により
改質されたアモルファスシリコン層８と接する部分のシ
リコン単結晶薄膜５１を種結晶として、表面方向にシリ
コン単結晶が成長することにより、結晶性の優れた界面
の結晶構造の良好な膜厚０．７μ曙のシリコン単結晶薄
膜５２が形成され、半導体用基板として提供される。

ざらに膜厚０．７μｍ以上の半導体用基板を提供する場
合には、このシリコン単結晶薄膜５２上をＮ２またはＮ
２　＋ＨＣ１でガスエツチングした後、ａｉｊ！（たと
えば９００〜１１５０℃）で気相成長法により、第１図
のｆｈ）に示すように、所定の膜厚（たとえば０．５〜
２０μｌ）のシリコン単結晶薄膜を、シリコン単結晶簿
膜５２を種結晶とするホモエピタキシャル成長法によっ
て形成すると、絶縁基板上に結晶性の良い低欠陥密度（
たとえば５個／ｃｍ”）で表面モホロジーの良いシリコ
ン単結晶膜６を有する半導体用基板を提供することがで
きる。

！１」Ｌと 第２図の（ω乃至ｆｈ）はそれぞれこの発明の半導体用
基板の製造方法の他の実施例を説明するための製造工程
図であり、第１図の（ω乃至（ｔｕと異なる点は、第２
図の（Ｃ）に示すようにシリコン単結晶薄膜５上に、８
５０℃の温度でスチーム（Ｎ２０）雰囲気で熱酸化膜４
を１０００人の膜厚に形成し、以後のイオン注入の工程
をこの熱酸化膜４を介して行なう。第２図の（小及び（
ｔ）に示すように、熱酸化膜４をシリコン単結晶薄膜５
上に形成してイオン注入することにより、シリコンイオ
ンのシリコン基板中でのチャンネリングを防止すること
ができ、またフンバーミネーションによる汚染も防止で
きるので、製造上ウェハー間のバラツキ（アモルファス
領域の幅）を小さくすることができる。またシリコン薄
膜のより表面近くにアモルファスシリコン層を形成する
ことができ、たとえば第１図の（ｈに対応して形成した
場合、アモルファスシリコン層８を３５０人の領域に形
成することができ、その後の高温の熱処理による固相成
長することによって、シリコン表面の結晶性を高め、２
段にシリコンをエピタキシャル成長させる場合に有利で
ある。

上記したこの発明の実ｍ例によれば非常に結晶性のよい
シリコン単結晶薄膜６が得られ熱による塑性変形のない
内部応力フリーの半導体用基板の作成が可能となる。

（ト）発明の効果 以上のようにこの発明によれば、従来困難を極めたシリ
コン単結晶基板上に形成したスピネル単結晶ｓｉや安定
化ジルコニア単結晶薄膜のような酸化物単結晶薄膜上に
形成されるシリコン単結晶薄膜の結晶性が改善され、そ
の結果、低欠陥密度を実現することができ、また表面モ
ホロジーについて著しい改善をすることができる。また
シリコン単結晶薄膜内に形成する各アモルファスシリコ
ン領域は、イオン注入で形成するため、基板面内、基板
間でのバラツキが少なく、大面積化も容易であり、この
発明により半導体用基板を容易に製造することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例の製作工程を順次示す半
導体用基板の模式断面図であり、Ｎ２図は、この発明の
他の実施例の製作工程を順次示す半導体用基板の模式断
面図である。 １・・・・・・シリコン単結晶基板、 ２・・・・・・酸化物単結晶膜、 ３．４・・・・・・熱酸化膜（ＳｔＯ２）、５．６・・
・・・・シリコン単結晶薄膜、７．８・・・・・・アモ
ルファスシリコン領域、５１．５２・・・・・・改質さ
れたシリコン単結晶薄膜。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、シリコン単結晶基板の全面に酸化物単結晶薄膜を形
   成する工程と、次に高温酸化によってシリコン単結晶基
   板と酸化物結晶薄膜との界面に熱酸化膜を形成する工程
   と、酸化物単結晶薄膜上に気相成長法によりシリコン薄
   膜を形成する工程と、シリコン薄膜と酸化物単結晶薄膜
   界面近傍にイオンインプランテーシヨン法によりシリコ
   ンをイオン注入してシリコン薄膜と酸化物単結晶薄膜の
   界面にアモルファスシリコン層を形成する工程と、その
   後高温の熱処理を行つて固相成長させる工程と、さらに
   シリコン薄膜表面近傍にシリコンをイオン注入してシリ
   コン薄膜の表面にアモルファスシリコン層を形成する工
   程と、その後高温の熱処理を行なって固相成長させる工
   程とを含んでなることを特徴とする半導体用基板の製造
   方法。