立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法
【課題】立方晶炭化ケイ素と格子定数が異なるシリコン基板上に、結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１は、シリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４が多数形成されている。
【解決手段】本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１は、シリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４が多数形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法に関し、特に、ワイドバンドギャップ半導体として期待される炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体に好適に用いられ、シリコン基板上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、バンドギャップが２．２ｅＶ（３００Ｋ）と、シリコン（Ｓｉ）と比べて２倍以上のバンドギャップを有するワイドバンドギャップ半導体であり、パワーデバイス用半導体材料あるいは高耐圧デバイス用材料として注目されている。
ところで、この炭化ケイ素（ＳｉＣ）の結晶生成温度は、シリコン（Ｓｉ）と比べて高く、シリコンと同じように液相からの引き上げ法により炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶インゴットを得るのが困難である。そこで、昇華法という方法により炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶インゴットを作製するが、昇華法では、大口径で結晶欠陥の少ない炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶インゴットを得ることが非常に難しい。それ故、現在市販されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の径は３〜４インチであり、価格も非常に高価である。
【０００３】
一方、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の中でも立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）は、結晶生成温度が比較的低温であり、安価なシリコン基板上にエピタキシャル成長（ヘテロエピタキシー）させることができる。そこで、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の大口径化の手段の一つとして、このヘテロエピタキシャル技術が検討されている。
ところで、立方晶炭化ケイ素の格子定数は４．３５９オングストロームであり、立方晶シリコンの格子定数（５．４３０７オングストローム）と比べて２０％程度も小さく、かつ熱膨張係数も異なることから、結晶欠陥が少ない高品質のエピタキシャル膜を得ることが非常に難しい。
そこで、シリコン基板上に、シリコンと格子定数の差が大きい結晶をエピタキシャル成長するときに、格子定数の差を緩和する目的で、このシリコン基板とエピタキシャル膜との間に、格子定数がシリコン基板とエピタキシャル膜との中間にあるバッファ層を設ける方法が提案されている。
【０００４】
例えば、シリコン基板上にバッファ層として、リン化ホウ素（ＢＰ）層を設ける方法が提案されている（特許文献１）。
このリン化ホウ素（ＢＰ）層は、立方晶の結晶構造をとり、格子定数が４．５３８オングストロームと立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）の格子定数に近いので、シリコン基板上に立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）層をエピタキシャル成長させるときのバッファ層として好適である。
【０００５】
また、シリコン基板上にバッファ層として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を主成分とするエピタキシャル酸化物薄膜を設ける方法が提案されている（特許文献２）。
この酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）は、立方晶の結晶構造をとり、格子定数が５．１５オングストロームとシリコンの格子定数より小さい。
このように、シリコン及び立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）と同じ結晶構造をとり、格子定数がシリコン及び立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）の中間にある材料をバッファ層として用いることが検討されている。
【０００６】
また、支持基板上に、空孔により分離された薄膜シリコン層を形成し、この薄膜シリコン層の上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピタキシャル膜を形成する方法が提案されている（特許文献３）。
この空孔部は、Ｈ＋イオン注入を高濃度にて行い、その後熱処理を行うことで形成している。そして、この空孔部により応力を緩和し、良質のエピタキシャル膜を得ている。
【０００７】
さらに、フォトリソグラフィによりシリコン基板上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いたエッチングによりシリコン基板上に溝を形成し、その後、Ｈ２雰囲気にて熱処理することで、上部開口部をシリコン薄膜にて塞ぎ、空孔を有する基板を作製し、この基板の上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピタキシャル膜を形成する方法が提案されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−８１６９５号公報
【特許文献２】特開平８−１０９０９９号公報
【特許文献３】特開２００２−２９９２７７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４０，２００１，ｐｐ．５９０７−５９０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１、２の方法では、シリコン基板とバッファ層と立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）層との間で格子定数の差が完全に解消されるわけではないので、格子定数の差による結晶欠陥の発生を完全に防止することができないという問題点があった。
また、特許文献３及び非特許文献１の方法では、応力緩和による結晶性の向上、デバイス特性の向上等の効果があるが、空孔を形成するために多くの工程を必要とし、製造工程に係るコストも大きくなるという問題点があり、現実的ではない。
【００１１】
さらに、従来では、シリコン基板をプロパンやエチレン等の炭化水素系ガスを用いて炭化処理を行った後、その上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜をエピタキシャル成長させる場合、偶発的に、シリコン基板に逆ピラミッド状の空孔が形成されることが知られているが、この逆ピラミッド状の空孔は、まばらにしか形成されないために、応力緩和による結晶性の向上等の効果を得ることはできない。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、立方晶炭化ケイ素と格子定数が異なるシリコン基板上に、結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法を採用した。
すなわち、本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜が形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板であって、前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板では、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成したことにより、これら略四角錐状の空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性を向上させることができる。これにより、シリコン基板上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板を提供することができる。その結果、大口径シリコン基板を用いた高品質立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル基板を実現することが可能になり、低価格で高品質の高耐圧炭化ケイ素デバイスを実現することが可能になる。
【００１５】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、前記空孔の開口の一辺の長さは、０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板では、空孔の開口の一辺の長さを０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下としたことにより、この大きさの空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を効果的に緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性をさらに向上させることができる。
【００１６】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、前記空孔の密度は、２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板では、空孔の密度を２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下としたことにより、多数の空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を効果的に緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性をさらに向上させることができる。
【００１７】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する方法であって、前記シリコン基板を炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱し、前記シリコン基板の温度を炭化処理温度まで上昇させる間に前記シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する第１の工程と、前記炭化処理温度に達した前記シリコン基板を、その温度を所定時間保持することにより、前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成する第２の工程と、を有することを特徴とする。
【００１８】
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、シリコン基板を炭素及び水素を含むガス雰囲気中に導入して加熱し、シリコン基板の温度を炭化処理温度まで上昇させる間にシリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する第１の工程と、炭化処理温度に達したシリコン基板を、その温度を所定時間保持することにより、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成する第２の工程と、を有することにより、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔が形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板を、簡便な工程で、容易かつ安価に得ることができる。
【００１９】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記炭素及び水素を含むガスは、炭化水素系ガスを含むことを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、炭素及び水素を含むガスを炭化水素系ガスとしたことにより、炭化水素系ガスに含まれる水素原子がシリコン基板の表面をエッチングし、このシリコン基板の表面に多数の略四角錐状の空孔を容易に形成することができる。
【００２０】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記シリコン基板を前記炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱する際の加熱前の基板温度は、室温以上かつ８００℃以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、シリコン基板の炭素及び水素を含むガス雰囲気中における基板温度を室温以上かつ８００℃以下としたことにより、シリコン基板の表面の上に安定した炭素及び水素を含むガス雰囲気を形成することができる。したがって、次工程であるシリコン基板の炭化処理を効率的に行うことができる。
【００２１】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記炭化処理温度は、８００℃以上かつ１４００℃以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、炭化処理温度を８００℃以上かつ１４００℃以下としたことにより、シリコン基板を加熱する過程で、このシリコン基板の表面が炭素及び水素を含むガスにより曝露されて炭化されることにより、このシリコン基板の表面に結晶性のよい立方晶炭化ケイ素膜を形成することができる。
また、この炭化処理温度を上記の範囲で制御することにより、形成される略四角錐状の空孔の大きさ及び密度を所望の大きさ及び密度に制御することができる。
【００２２】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力は、１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力を１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下としたことにより、この炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力を上記の範囲で制御することにより、形成される略四角錐状の空孔の大きさ及び密度を所望の大きさ及び密度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法を示す過程図である。
【図３】本発明の実施例１の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
【図４】本発明の実施例１の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の断面構造を示す走査型電子顕微鏡像である。
【図５】本発明の実施例２の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
【図６】本発明の実施例３の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の断面構造を示す走査型電子顕微鏡像である。
【図７】本発明の実施例４の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法を実施するための形態について説明する。
本実施形態においては、発明の内容の説明を容易にするために、構造上の各部分の形状等については、適宜、実際の形状と異ならせてある。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を示す断面図である。図において、１は立方晶炭化ケイ素膜付き基板であり、シリコン（Ｓｉ）基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状、いわゆる逆ピラミッド状の空孔４が多数形成されている。
【００２６】
この空孔４の開口は正方形状であり、この開口の一辺の長さは、０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上かつ２μｍ以下である。
ここで、空孔４の開口の一辺の長さが０．０５μｍ未満であると、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力の緩和が不十分なものとなり、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなり、一方、空孔４の開口の一辺の長さが５μｍを超えると、開口が大きすぎるために、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力に分布が生じ、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなるので、好ましくない。
【００２７】
この空孔４のシリコン基板２の表面２ａにおける密度は、２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下であることが好ましく、より好ましくは２．０×１０７個／ｃｍ２以上かつ５．０×１０８個／ｃｍ２以下である。
ここで、空孔４の密度が２．０×１０６個／ｃｍ２未満であると、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力の緩和が不十分なものとなり、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなり、一方、空孔４の密度が１．０×１０１０個／ｃｍ２を超えると、空孔４の密度が高すぎるために、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力に分布が生じ、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなるので、好ましくない。
【００２８】
次に、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板１の製造方法について、図２に基づき説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板２を用意し、このシリコン基板２を熱処理炉のチャンバー内に収納し、このチャンバー内を真空にしてシリコン基板２を加熱して、その基板温度を所定の温度、例えば７５０℃に上昇させた後、所定の時間、例えば５分間熱処理を行い、シリコン基板２の表面２ａの自然酸化膜等のクリーニングを行う。
【００２９】
次いで、シリコン基板２の基板温度を室温以上かつ８００℃以下、好ましくは４００℃以上かつ８００℃以下に調整し、この基板温度を保持した状態で、シリコン基板２の表面２ａに炭素及び水素を含むガスｇを導入する。
ここで、炭素及び水素を含むガスｇを導入する際のシリコン基板２の基板温度を室温以上かつ８００℃以下とした理由は、基板温度が８００℃を超えると、シリコン基板２の表面２ａの上に導入された炭素及び水素を含むガスｇが熱分解等し易くなり、安定した炭素及び水素を含むガスｇ雰囲気を形成することができなくなるからである。
【００３０】
この炭素及び水素を含むガスｇとしては、多数の略四角錐状の空孔４を容易に形成することが出来ることから炭素原子及び水素原子を含む炭化水素系ガスが好ましい。
炭化水素系ガスとしては、例えば、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ４Ｈ１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ４Ｈ１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）等が好適に用いられる。これらは、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００３１】
この炭素及び水素を含むガスｇの雰囲気の圧力は、１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下が好ましい。
この炭素及び水素を含むガスｇの雰囲気の圧力を１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下としたことにより、この圧力を上記の範囲内で制御することにより、次工程の炭化処理にて形成される略四角錐状の空孔４の大きさ及び密度を所望の大きさ及び密度に制御することができる。
【００３２】
次いで、このシリコン基板２を、炭素及び水素を含むガスｇの雰囲気中にて加熱し、このシリコン基板２の基板温度を炭化処理温度まで上昇させる。
この炭化処理温度は、８００℃以上かつ１４００℃以下が好ましく、より好ましくは９００℃以上かつ１１００℃以下である。
【００３３】
ここで、炭化処理温度が８００℃未満であると、炭素及び水素を含むガスｇによるシリコン基板２の表面２ａの炭化が不十分なものとなり、その結果、シリコン基板２の表面２ａに結晶性のよい立方晶炭化ケイ素膜３を形成することができず、一方、炭化処理温度が１４００℃を超えると、シリコンの融点（１４１０℃）を超えるため、基板が溶けてしまうという問題を生じる。
【００３４】
このシリコン基板２の基板温度を炭化処理温度まで上昇させる過程で、このシリコン基板２の表面２ａが炭素及び水素を含むガスｇにより曝露されて炭化され、図２（ｂ）に示すように、このシリコン基板２の表面２ａに厚みが薄い多孔質性の立方晶炭化ケイ素膜３が形成される。
【００３５】
次いで、この炭化処理温度に達したシリコン基板２を、この炭化処理温度にて所定時間保持する。
この炭化処理温度にて所定時間保持する過程で、炭素及び水素を含むガスｇの熱分解により生じた水素原子は、厚みが薄い多孔質性の立方晶炭化ケイ素膜３を容易に透過してシリコン基板２の表面２ａを、このシリコン基板２の表面２ａと立方晶炭化ケイ素膜３との界面付近からエッチングする。これにより、図２（ｃ）に示すように、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状、いわゆる逆ピラミッド状の空孔４が多数形成される。
同時に、エッチングによりシリコン基板２の表面２ａから発生するケイ素（Ｓｉ）と、炭素及び水素を含むガスｇ中の炭素（Ｃ）とが反応して、立方晶炭化ケイ素膜３上に立方晶炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる。
【００３６】
以上により、シリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４が多数形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板１を得ることができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１によれば、シリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４が多数形成されているので、これら略四角錐状の空孔４によりシリコン基板２と立方晶炭化ケイ素膜３との界面に生じる応力を緩和することができ、その結果、この立方晶炭化ケイ素膜３の結晶性を向上させることができる。したがって、シリコン基板２上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜３を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板１を提供することができる。
【００３８】
本実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１の製造方法によれば、シリコン基板２を炭素及び水素を含むガスｇ雰囲気中にて加熱し、シリコン基板２の温度を炭化処理温度まで上昇させる間にシリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３を形成し、次いで、炭化処理温度に達したシリコン基板２を、その温度を所定時間保持することにより、シリコン基板２の表面２ａに内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４を多数形成するので、シリコン基板２上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜３を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板１を、簡便な工程で、容易かつ安価に得ることができる。
【００３９】
本実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１は、結晶欠陥が少なくかつ高品質のワイドバンドギャップ半導体である立方晶炭化ケイ素膜を有するものであるから、パワーデバイス用半導体材料として好適である。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４１】
「実施例１」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスを流速３ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は８．０×１０−３Ｐａであった。
【００４２】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を１時間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例１の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００４３】
図３は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図３によれば、表面全体に一辺が１μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は１．５×１０８個／ｃｍ２であった。
図４は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の断面構造を示す走査型電子顕微鏡像である。
図４によれば、空孔の断面形状は、立方晶炭化ケイ素エピタキシャル層（立方晶炭化ケイ素膜）に底面が接する逆ピラミッド状の形をしていることが分かる。
【００４４】
「実施例２」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスを流速０．５ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は１．６×１０−３Ｐａであった。
【００４５】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を１時間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例２の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００４６】
図５は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図５によれば、表面全体に一辺が１μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は３．３×１０７個／ｃｍ２であった。
【００４７】
「実施例３」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスを流速３ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は２．０×１０−２Ｐａであった。
【００４８】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を３０分間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例３の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００４９】
図６は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図６によれば、表面全体に一辺が０．５μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は１．７６×１０８個／ｃｍ２であった。
【００５０】
「実施例４」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスを流速２０ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は８．５×１０−２Ｐａであった。
【００５１】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を５分間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例４の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００５２】
図７は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図７によれば、表面全体に一辺が０．５μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は６．１６×１０７個／ｃｍ２であった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を多数形成することで、これらの空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性を向上させることができるものであるから、大口径シリコン基板を用いた高品質立方晶炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル基板への応用も可能であり、よって、低価格で高品質の高耐圧炭化ケイ素デバイスを実現することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１…立方晶炭化ケイ素膜付き基板、２…シリコン（Ｓｉ）基板、２ａ…表面、３…立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）膜、４…空孔、ｇ…炭素及び水素を含むガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法に関し、特に、ワイドバンドギャップ半導体として期待される炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体に好適に用いられ、シリコン基板上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、バンドギャップが２．２ｅＶ（３００Ｋ）と、シリコン（Ｓｉ）と比べて２倍以上のバンドギャップを有するワイドバンドギャップ半導体であり、パワーデバイス用半導体材料あるいは高耐圧デバイス用材料として注目されている。
ところで、この炭化ケイ素（ＳｉＣ）の結晶生成温度は、シリコン（Ｓｉ）と比べて高く、シリコンと同じように液相からの引き上げ法により炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶インゴットを得るのが困難である。そこで、昇華法という方法により炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶インゴットを作製するが、昇華法では、大口径で結晶欠陥の少ない炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶インゴットを得ることが非常に難しい。それ故、現在市販されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の径は３〜４インチであり、価格も非常に高価である。
【０００３】
一方、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の中でも立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）は、結晶生成温度が比較的低温であり、安価なシリコン基板上にエピタキシャル成長（ヘテロエピタキシー）させることができる。そこで、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板の大口径化の手段の一つとして、このヘテロエピタキシャル技術が検討されている。
ところで、立方晶炭化ケイ素の格子定数は４．３５９オングストロームであり、立方晶シリコンの格子定数（５．４３０７オングストローム）と比べて２０％程度も小さく、かつ熱膨張係数も異なることから、結晶欠陥が少ない高品質のエピタキシャル膜を得ることが非常に難しい。
そこで、シリコン基板上に、シリコンと格子定数の差が大きい結晶をエピタキシャル成長するときに、格子定数の差を緩和する目的で、このシリコン基板とエピタキシャル膜との間に、格子定数がシリコン基板とエピタキシャル膜との中間にあるバッファ層を設ける方法が提案されている。
【０００４】
例えば、シリコン基板上にバッファ層として、リン化ホウ素（ＢＰ）層を設ける方法が提案されている（特許文献１）。
このリン化ホウ素（ＢＰ）層は、立方晶の結晶構造をとり、格子定数が４．５３８オングストロームと立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）の格子定数に近いので、シリコン基板上に立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）層をエピタキシャル成長させるときのバッファ層として好適である。
【０００５】
また、シリコン基板上にバッファ層として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を主成分とするエピタキシャル酸化物薄膜を設ける方法が提案されている（特許文献２）。
この酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）は、立方晶の結晶構造をとり、格子定数が５．１５オングストロームとシリコンの格子定数より小さい。
このように、シリコン及び立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）と同じ結晶構造をとり、格子定数がシリコン及び立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）の中間にある材料をバッファ層として用いることが検討されている。
【０００６】
また、支持基板上に、空孔により分離された薄膜シリコン層を形成し、この薄膜シリコン層の上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピタキシャル膜を形成する方法が提案されている（特許文献３）。
この空孔部は、Ｈ＋イオン注入を高濃度にて行い、その後熱処理を行うことで形成している。そして、この空孔部により応力を緩和し、良質のエピタキシャル膜を得ている。
【０００７】
さらに、フォトリソグラフィによりシリコン基板上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いたエッチングによりシリコン基板上に溝を形成し、その後、Ｈ２雰囲気にて熱処理することで、上部開口部をシリコン薄膜にて塞ぎ、空孔を有する基板を作製し、この基板の上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピタキシャル膜を形成する方法が提案されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−８１６９５号公報
【特許文献２】特開平８−１０９０９９号公報
【特許文献３】特開２００２−２９９２７７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４０，２００１，ｐｐ．５９０７−５９０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１、２の方法では、シリコン基板とバッファ層と立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）層との間で格子定数の差が完全に解消されるわけではないので、格子定数の差による結晶欠陥の発生を完全に防止することができないという問題点があった。
また、特許文献３及び非特許文献１の方法では、応力緩和による結晶性の向上、デバイス特性の向上等の効果があるが、空孔を形成するために多くの工程を必要とし、製造工程に係るコストも大きくなるという問題点があり、現実的ではない。
【００１１】
さらに、従来では、シリコン基板をプロパンやエチレン等の炭化水素系ガスを用いて炭化処理を行った後、その上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜をエピタキシャル成長させる場合、偶発的に、シリコン基板に逆ピラミッド状の空孔が形成されることが知られているが、この逆ピラミッド状の空孔は、まばらにしか形成されないために、応力緩和による結晶性の向上等の効果を得ることはできない。
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、立方晶炭化ケイ素と格子定数が異なるシリコン基板上に、結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法を採用した。
すなわち、本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜が形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板であって、前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板では、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成したことにより、これら略四角錐状の空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性を向上させることができる。これにより、シリコン基板上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板を提供することができる。その結果、大口径シリコン基板を用いた高品質立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）ヘテロエピタキシャル基板を実現することが可能になり、低価格で高品質の高耐圧炭化ケイ素デバイスを実現することが可能になる。
【００１５】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、前記空孔の開口の一辺の長さは、０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板では、空孔の開口の一辺の長さを０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下としたことにより、この大きさの空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を効果的に緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性をさらに向上させることができる。
【００１６】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、前記空孔の密度は、２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板では、空孔の密度を２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下としたことにより、多数の空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を効果的に緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性をさらに向上させることができる。
【００１７】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する方法であって、前記シリコン基板を炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱し、前記シリコン基板の温度を炭化処理温度まで上昇させる間に前記シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する第１の工程と、前記炭化処理温度に達した前記シリコン基板を、その温度を所定時間保持することにより、前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成する第２の工程と、を有することを特徴とする。
【００１８】
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、シリコン基板を炭素及び水素を含むガス雰囲気中に導入して加熱し、シリコン基板の温度を炭化処理温度まで上昇させる間にシリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する第１の工程と、炭化処理温度に達したシリコン基板を、その温度を所定時間保持することにより、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成する第２の工程と、を有することにより、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔が形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板を、簡便な工程で、容易かつ安価に得ることができる。
【００１９】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記炭素及び水素を含むガスは、炭化水素系ガスを含むことを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、炭素及び水素を含むガスを炭化水素系ガスとしたことにより、炭化水素系ガスに含まれる水素原子がシリコン基板の表面をエッチングし、このシリコン基板の表面に多数の略四角錐状の空孔を容易に形成することができる。
【００２０】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記シリコン基板を前記炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱する際の加熱前の基板温度は、室温以上かつ８００℃以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、シリコン基板の炭素及び水素を含むガス雰囲気中における基板温度を室温以上かつ８００℃以下としたことにより、シリコン基板の表面の上に安定した炭素及び水素を含むガス雰囲気を形成することができる。したがって、次工程であるシリコン基板の炭化処理を効率的に行うことができる。
【００２１】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記炭化処理温度は、８００℃以上かつ１４００℃以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、炭化処理温度を８００℃以上かつ１４００℃以下としたことにより、シリコン基板を加熱する過程で、このシリコン基板の表面が炭素及び水素を含むガスにより曝露されて炭化されることにより、このシリコン基板の表面に結晶性のよい立方晶炭化ケイ素膜を形成することができる。
また、この炭化処理温度を上記の範囲で制御することにより、形成される略四角錐状の空孔の大きさ及び密度を所望の大きさ及び密度に制御することができる。
【００２２】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法は、前記炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力は、１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下であることを特徴とする。
この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法では、炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力を１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下としたことにより、この炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力を上記の範囲で制御することにより、形成される略四角錐状の空孔の大きさ及び密度を所望の大きさ及び密度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法を示す過程図である。
【図３】本発明の実施例１の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
【図４】本発明の実施例１の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の断面構造を示す走査型電子顕微鏡像である。
【図５】本発明の実施例２の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
【図６】本発明の実施例３の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の断面構造を示す走査型電子顕微鏡像である。
【図７】本発明の実施例４の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板及びその製造方法を実施するための形態について説明する。
本実施形態においては、発明の内容の説明を容易にするために、構造上の各部分の形状等については、適宜、実際の形状と異ならせてある。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を示す断面図である。図において、１は立方晶炭化ケイ素膜付き基板であり、シリコン（Ｓｉ）基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状、いわゆる逆ピラミッド状の空孔４が多数形成されている。
【００２６】
この空孔４の開口は正方形状であり、この開口の一辺の長さは、０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上かつ２μｍ以下である。
ここで、空孔４の開口の一辺の長さが０．０５μｍ未満であると、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力の緩和が不十分なものとなり、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなり、一方、空孔４の開口の一辺の長さが５μｍを超えると、開口が大きすぎるために、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力に分布が生じ、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなるので、好ましくない。
【００２７】
この空孔４のシリコン基板２の表面２ａにおける密度は、２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下であることが好ましく、より好ましくは２．０×１０７個／ｃｍ２以上かつ５．０×１０８個／ｃｍ２以下である。
ここで、空孔４の密度が２．０×１０６個／ｃｍ２未満であると、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力の緩和が不十分なものとなり、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなり、一方、空孔４の密度が１．０×１０１０個／ｃｍ２を超えると、空孔４の密度が高すぎるために、この上に形成される立方晶炭化ケイ素膜とシリコン基板２との間に加わる応力に分布が生じ、結晶欠陥の少ない良質な立方晶炭化ケイ素膜を形成することが難しくなるので、好ましくない。
【００２８】
次に、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板１の製造方法について、図２に基づき説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板２を用意し、このシリコン基板２を熱処理炉のチャンバー内に収納し、このチャンバー内を真空にしてシリコン基板２を加熱して、その基板温度を所定の温度、例えば７５０℃に上昇させた後、所定の時間、例えば５分間熱処理を行い、シリコン基板２の表面２ａの自然酸化膜等のクリーニングを行う。
【００２９】
次いで、シリコン基板２の基板温度を室温以上かつ８００℃以下、好ましくは４００℃以上かつ８００℃以下に調整し、この基板温度を保持した状態で、シリコン基板２の表面２ａに炭素及び水素を含むガスｇを導入する。
ここで、炭素及び水素を含むガスｇを導入する際のシリコン基板２の基板温度を室温以上かつ８００℃以下とした理由は、基板温度が８００℃を超えると、シリコン基板２の表面２ａの上に導入された炭素及び水素を含むガスｇが熱分解等し易くなり、安定した炭素及び水素を含むガスｇ雰囲気を形成することができなくなるからである。
【００３０】
この炭素及び水素を含むガスｇとしては、多数の略四角錐状の空孔４を容易に形成することが出来ることから炭素原子及び水素原子を含む炭化水素系ガスが好ましい。
炭化水素系ガスとしては、例えば、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ノルマルブタン（ｎ−Ｃ４Ｈ１０）、イソブタン（ｉ−Ｃ４Ｈ１０）、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）等が好適に用いられる。これらは、１種のみを単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００３１】
この炭素及び水素を含むガスｇの雰囲気の圧力は、１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下が好ましい。
この炭素及び水素を含むガスｇの雰囲気の圧力を１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下としたことにより、この圧力を上記の範囲内で制御することにより、次工程の炭化処理にて形成される略四角錐状の空孔４の大きさ及び密度を所望の大きさ及び密度に制御することができる。
【００３２】
次いで、このシリコン基板２を、炭素及び水素を含むガスｇの雰囲気中にて加熱し、このシリコン基板２の基板温度を炭化処理温度まで上昇させる。
この炭化処理温度は、８００℃以上かつ１４００℃以下が好ましく、より好ましくは９００℃以上かつ１１００℃以下である。
【００３３】
ここで、炭化処理温度が８００℃未満であると、炭素及び水素を含むガスｇによるシリコン基板２の表面２ａの炭化が不十分なものとなり、その結果、シリコン基板２の表面２ａに結晶性のよい立方晶炭化ケイ素膜３を形成することができず、一方、炭化処理温度が１４００℃を超えると、シリコンの融点（１４１０℃）を超えるため、基板が溶けてしまうという問題を生じる。
【００３４】
このシリコン基板２の基板温度を炭化処理温度まで上昇させる過程で、このシリコン基板２の表面２ａが炭素及び水素を含むガスｇにより曝露されて炭化され、図２（ｂ）に示すように、このシリコン基板２の表面２ａに厚みが薄い多孔質性の立方晶炭化ケイ素膜３が形成される。
【００３５】
次いで、この炭化処理温度に達したシリコン基板２を、この炭化処理温度にて所定時間保持する。
この炭化処理温度にて所定時間保持する過程で、炭素及び水素を含むガスｇの熱分解により生じた水素原子は、厚みが薄い多孔質性の立方晶炭化ケイ素膜３を容易に透過してシリコン基板２の表面２ａを、このシリコン基板２の表面２ａと立方晶炭化ケイ素膜３との界面付近からエッチングする。これにより、図２（ｃ）に示すように、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状、いわゆる逆ピラミッド状の空孔４が多数形成される。
同時に、エッチングによりシリコン基板２の表面２ａから発生するケイ素（Ｓｉ）と、炭素及び水素を含むガスｇ中の炭素（Ｃ）とが反応して、立方晶炭化ケイ素膜３上に立方晶炭化ケイ素をエピタキシャル成長させる。
【００３６】
以上により、シリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４が多数形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板１を得ることができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１によれば、シリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３が形成され、このシリコン基板２の立方晶炭化ケイ素膜３との界面近傍に、シリコン基板２の表面２ａから内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４が多数形成されているので、これら略四角錐状の空孔４によりシリコン基板２と立方晶炭化ケイ素膜３との界面に生じる応力を緩和することができ、その結果、この立方晶炭化ケイ素膜３の結晶性を向上させることができる。したがって、シリコン基板２上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜３を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板１を提供することができる。
【００３８】
本実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１の製造方法によれば、シリコン基板２を炭素及び水素を含むガスｇ雰囲気中にて加熱し、シリコン基板２の温度を炭化処理温度まで上昇させる間にシリコン基板２の表面２ａに立方晶炭化ケイ素膜３を形成し、次いで、炭化処理温度に達したシリコン基板２を、その温度を所定時間保持することにより、シリコン基板２の表面２ａに内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔４を多数形成するので、シリコン基板２上に結晶欠陥が少なくかつ高品質の立方晶炭化ケイ素膜３を有する立方晶炭化ケイ素膜付き基板１を、簡便な工程で、容易かつ安価に得ることができる。
【００３９】
本実施形態の立方晶炭化ケイ素膜付き基板１は、結晶欠陥が少なくかつ高品質のワイドバンドギャップ半導体である立方晶炭化ケイ素膜を有するものであるから、パワーデバイス用半導体材料として好適である。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４１】
「実施例１」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスを流速３ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は８．０×１０−３Ｐａであった。
【００４２】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を１時間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例１の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００４３】
図３は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図３によれば、表面全体に一辺が１μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は１．５×１０８個／ｃｍ２であった。
図４は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の断面構造を示す走査型電子顕微鏡像である。
図４によれば、空孔の断面形状は、立方晶炭化ケイ素エピタキシャル層（立方晶炭化ケイ素膜）に底面が接する逆ピラミッド状の形をしていることが分かる。
【００４４】
「実施例２」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスを流速０．５ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は１．６×１０−３Ｐａであった。
【００４５】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を１時間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、ネオペンタン（ｎｅｏ−Ｃ５Ｈ１２）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例２の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００４６】
図５は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図５によれば、表面全体に一辺が１μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は３．３×１０７個／ｃｍ２であった。
【００４７】
「実施例３」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスを流速３ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は２．０×１０−２Ｐａであった。
【００４８】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を３０分間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例３の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００４９】
図６は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図６によれば、表面全体に一辺が０．５μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は１．７６×１０８個／ｃｍ２であった。
【００５０】
「実施例４」
シリコン基板を真空中にて７５０℃に昇温させ、５分間熱処理を行い、シリコン基板の表面の自然酸化膜等のサーマル・クリーニングを行った。
その後、シリコン基板を放冷して、その基板温度を６００℃にまで低下させ、この基板温度を６００℃に保持した状態で、シリコン基板上にエチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスを流速２０ｓｃｃｍにて供給した。このときの雰囲気の圧力は８．５×１０−２Ｐａであった。
【００５１】
次いで、シリコン基板を加熱して、その基板温度を１０００℃まで昇温させ、１０００℃に達した後、この温度を５分間保持し、炭化処理を行った。
炭化処理終了後、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガスの供給を停止し、シリコン基板を放冷して、その基板温度を室温付近にまで低下させ、実施例４の立方晶炭化ケイ素膜付き基板を得た。
【００５２】
図７は、この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の表面状態を示す顕微鏡像である。
図７によれば、表面全体に一辺が０．５μｍ前後の四角い空孔が形成されていることが分かる。この立方晶炭化ケイ素膜付き基板の空孔の密度は６．１６×１０７個／ｃｍ２であった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の立方晶炭化ケイ素膜付き基板は、シリコン基板の立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を多数形成することで、これらの空孔がシリコン基板と立方晶炭化ケイ素膜との界面に生じる応力を緩和し、この立方晶炭化ケイ素膜の結晶性を向上させることができるものであるから、大口径シリコン基板を用いた高品質立方晶炭化ケイ素ヘテロエピタキシャル基板への応用も可能であり、よって、低価格で高品質の高耐圧炭化ケイ素デバイスを実現することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１…立方晶炭化ケイ素膜付き基板、２…シリコン（Ｓｉ）基板、２ａ…表面、３…立方晶炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）膜、４…空孔、ｇ…炭素及び水素を含むガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜が形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板であって、
前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔が形成されていることを特徴とする立方晶炭化ケイ素膜付き基板。
【請求項２】
前記空孔の開口の一辺の長さは、０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板。
【請求項３】
前記空孔の密度は、２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１または２記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板。
【請求項４】
シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する方法であって、
前記シリコン基板を炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱し、前記シリコン基板の温度を炭化処理温度まで上昇させる間に前記シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する第１の工程と、
前記炭化処理温度に達した前記シリコン基板を、その温度を所定時間保持することにより、前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成する第２の工程と、
を有することを特徴とする立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項５】
前記炭素及び水素を含むガスは、炭化水素系ガスを含むことを特徴とする請求項４記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項６】
前記シリコン基板を前記炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱する際の加熱前の基板温度は、室温以上かつ８００℃以下であることを特徴とする請求項４または５記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項７】
前記炭化処理温度は、８００℃以上かつ１４００℃以下であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項８】
前記炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力は、１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下であることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項１】
シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜が形成された立方晶炭化ケイ素膜付き基板であって、
前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔が形成されていることを特徴とする立方晶炭化ケイ素膜付き基板。
【請求項２】
前記空孔の開口の一辺の長さは、０．０５μｍ以上かつ５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板。
【請求項３】
前記空孔の密度は、２．０×１０６個／ｃｍ２以上かつ１．０×１０１０個／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１または２記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板。
【請求項４】
シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する方法であって、
前記シリコン基板を炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱し、前記シリコン基板の温度を炭化処理温度まで上昇させる間に前記シリコン基板の表面に立方晶炭化ケイ素膜を形成する第１の工程と、
前記炭化処理温度に達した前記シリコン基板を、その温度を所定時間保持することにより、前記シリコン基板の前記立方晶炭化ケイ素膜との界面近傍に、前記シリコン基板の表面から内部に向かって漸次縮小する略四角錐状の空孔を形成する第２の工程と、
を有することを特徴とする立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項５】
前記炭素及び水素を含むガスは、炭化水素系ガスを含むことを特徴とする請求項４記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項６】
前記シリコン基板を前記炭素及び水素を含むガス雰囲気中にて加熱する際の加熱前の基板温度は、室温以上かつ８００℃以下であることを特徴とする請求項４または５記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項７】
前記炭化処理温度は、８００℃以上かつ１４００℃以下であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【請求項８】
前記炭素及び水素を含むガス雰囲気の圧力は、１．０×１０−３Ｐａ以上かつ１．０×１０−１Ｐａ以下であることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項記載の立方晶炭化ケイ素膜付き基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４１２０３（Ｐ２０１２−４１２０３Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１２０５（Ｐ２０１０−１８１２０５）
【出願日】平成２２年８月１３日（２０１０．８．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１３日（２０１０．８．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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