JP2008098200A

JP2008098200A - 成膜体およびその製造方法

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Publication number: JP2008098200A
Application number: JP2006274410A
Authority: JP
Inventors: Kiyoyoshi Mizuno; 清義水野; Satoru Tanaka; 悟田中; Tetsuo Shirasawa; 徹郎白澤; Kenjiro Hayashi; 賢二郎林; Hiroshi Tochihara; 浩栃原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】大気中でも化学的および熱的に安定な表面と界面を有する成膜体を提供する。
【解決手段】本発明の成膜体は、ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜１が形成され、ＳｉＮ膜１上にＳｉＯ膜２が形成されている成膜体であり、ＳｉＮ膜１とＳｉＯ膜２はいずれもエピタキシャル成長により形成された単結晶である。この成膜体は、ＳｉＣ基板に対して水素ガスを用いてエッチングを行った後に、水素を窒素に置換して窒素雰囲気中で加熱することにより、製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴ等のパワーデバイスに使用される、ＳｉＣ基板上に膜が形成された成膜体に関する。

ＳｉＣ（シリコンカーバイド）は、シリコンの単体と比べて、温度が上昇しても半導体としての機能を維持することができることから、耐熱性に優れた半導体材料として注目されている。パワーデバイスは、過酷な温度条件で使用される場合が多く、特にハイブリッド車用のインバータとして使用されるときには、耐熱性が要求されるとともに、スペース上の制約が厳しいことから、小型化が強く求められている。

ＳｉＣを用いてパワーデバイスを作製するためには、良質な絶縁膜をＳｉＣ基板上に成長させて界面準位密度を低減することが必要となる。しかし、ＳｉＣを基板としてパワーＭＯＳＦＥＴを作製しようとすると、ＭＯＳ界面準位密度が高いため、これまでのところ実用化が難しいという状況にある。通常、ＭＯＳ界面の形成は、高温酸化やＣＶＤ法によってＳｉＯ₂膜を成膜することによってなされているが、界面準位密度や膜質の点で十分なものはまだ得られていない。

また、ＳｉＣの（０００１）面に単層の酸化シリコン膜を生成したものが非特許文献１に報告されている。

Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙｉｄｅａｌｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ：Ｓｉｌｉｃａｔｅａｄｌａｙｅｒｓｏｎｈｅｘａｇｏｎａｌ（０００１）ａｎｄ（０００−１）ＳｉＣｓｕｒｆａｃｅｓ（エピタキシャリーアイデアルオキサイド−セミコンダクターインターフェイシズ：シリケイトアドレイヤーズオンヘキサゴナル（０００１）アンド（０００−１）ＳｉＣサーフィシーズ）（Ｊ．Ｂｅｒｎｈａｒｄｔ，Ｊ．Ｓｃｈａｒｄｔ，Ｕ．ＳｔａｒｋｅａｎｄＫ．Ｈｅｉｎｚ，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌｕｍｅ７４，Ｎｕｍｂｅｒ８，ｐ．１０８４−１０８６，２２Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９９９）（ジェイ．バーンハルト，ジェイ．シャルト，ユウ．シュタルク，アンドケイ．ハインツ，アプライドフィジックスレターズボリューム７４，ナンバー８，ｐ．１０８４−１０８６，２２フェブルアリ１９９９）

しかし、ＳｉＣ基板上に酸化シリコン膜を形成したものは、界面でダングリングボンド、すなわち結晶原子における未結合手が形成されることにより、化学的安定性および熱的安定性に問題があり、実用的なレベルにまでは至っていない。
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、大気中でも化学的および熱的に安定な表面と界面を有する成膜体を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の成膜体は、ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜が形成され、前記ＳｉＮ膜上にＳｉＯ膜が形成されている成膜体であって、前記ＳｉＮ膜と前記ＳｉＯ膜はいずれも単結晶からなることを特徴とする。

ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜が形成され、前記ＳｉＮ膜上にＳｉＯ膜が形成されていることにより、ダングリングボンドをなくすことができ、大気中でも化学的および熱的に安定な表面と界面を有する成膜体を形成することができる。

本発明の成膜体は、ＳｉＣ基板に対して水素ガスを用いてエッチングを行った後に、水素を窒素に置換して窒素雰囲気中で加熱することにより、ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜を形成し、前記ＳｉＮ膜上にＳｉＯ膜を形成することによって製造することができる。

この製造方法において、前記エッチングは、温度を１０００℃以上１６００℃以下として１分以上行い、前記窒素雰囲気中での加熱は、温度を１０００℃以上１６００℃以下として１分以上行うことを特徴とする。
エッチングの温度が１０００℃未満であると、エッチングが進行しないため平坦な表面は得られず、１６００℃を超えると、階段状のステップバンチングが形成されるようになり、平坦性が失われるため好ましくない。また、エッチングの時間が１分未満であると、エッチングが十分ではなく平坦化が途中までしか行われないため好ましくない。エッチング時間の上限については特に明確な基準はないが、１５分で十分平坦な面が得られ、その後は平衡状態となるため、実用上１５分程度行えば十分であり、最大でも１２０分間行えばよい。

また、窒素雰囲気中での加熱温度が１０００℃未満であると、反応が進まないため好ましくなく、１６００℃を超えると、表面構造に変化が生じるため好ましくない。また、窒素雰囲気中での加熱時間が１分未満であると、薄膜層が形成されないため好ましくない。加熱時間の上限については特に明確な基準はないが、１５分で十分に薄膜層が形成され、その後は平衡状態となるため、実用上１５分程度行えば十分であり、最大でも１２０分間行えばよい。

本発明によると、ダングリングボンドをなくすことができるため、大気中でも化学的および熱的に安定な表面と界面を有する成膜体を実現することができる。この成膜体を用いてパワーデバイスを作製すると、耐熱性に優れるとともに、界面準位密度を低減することが可能となる。

以下に、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る成膜体の構造を示す。
本発明の成膜体は、ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜１が形成され、ＳｉＮ膜１上にＳｉＯ膜２が形成されている成膜体であり、図１（ａ）は、ＳｉＯ膜２側から見た平面図、図１（ｂ）はＳｉＮ膜１上にＳｉＯ膜２が形成された構造を示す側面図である。ＳｉＮ膜１とＳｉＯ膜２はいずれもエピタキシャル成長により形成された単結晶である。
表１に、本発明の成膜体を構成する各原子の原子座標を示す。

表１に示す原子の番号は、図１に示すものと対応しており、平面方向についてはＣ（１）を原点とし、深さ方向についてはＯ（１）を原点として、それぞれの原子の座標を表示している。図１に示す構造のものは、Ｓｉ：４配位、Ｎ：３配位、Ｏ：２配位となっており、ダングリングボンドが存在しない構造となっている。

これらの膜は、ＳｉＣの（０００１）面上に形成されているが、他の面上に形成することもできる。基板となるＳｉＣは、電子デバイスの分野で汎用的に用いられる４Ｈ―ＳｉＣであってもよく、あるいは６Ｈ―ＳｉＣであってもよい。

図２に、本発明の成膜体を製造するための装置の構成を示す。
チャンバー１０内にＳｉＣ基板１１がセットされ、チャンバー１０の周囲には赤外線加熱装置１２が配置されている。チャンバー１０には水素ガスボンベ１３と窒素ガスボンベ１４とが接続されており、これらのボンベはバルブ１５の開閉によってチャンバー１０へ供給されるガスが選択されるようになっている。チャンバー１０内に供給されたガスは、排気口１６から常圧排気される。

図３に基づいて、本発明の成膜体を製造する方法を説明する。
チャンバー１０内の温度を室温から５分かけて１０００℃まで上昇させた後、１分間この温度で放置し、１．７分かけて１３４０℃まで昇温する。その後、気圧を１０⁵Ｐａ程度とし、１５分間水素を用いてエッチングを行って清浄化した後、水素ガスを窒素ガスに置換し始めてから２分以上の間、１Ｐａの窒素雰囲気中で加熱する。このようにステップ加熱すると、温度上昇の過程で熱的平衡状態を保ちやすい。
水素ガスを窒素ガスに置換し始めてから所定の時間内は、水素ガスと窒素ガスとが混在している状態が出現し、徐々に窒素ガス濃度が高まっていく。この条件下で、ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜が形成される。また、チャンバー１０内には残留酸素が存在しており、この残留酸素によって、ＳｉＮ膜上にＳｉＯ膜が形成される。その後急冷して試料を大気中に取り出す。この工程におけるガス流量は、直径が５０ｍｍのパイプ（反応管）を用いたときに毎分１Ｌである。

以上のプロセスを経て作製された試料を、超高真空室に導入して、入射エネルギー７９ｅＶで低速電子回折により回折パターンを観察した。その回折パターンを図４に示す。
基板であるＳｉＣに対して、√３×√３の周期で、バックグラウンドの少ない明瞭なスポットが観察されており、非常に周期性の高い膜が形成されていることがわかる。
この試料を１ヶ月間大気中に曝しても回折パターンにほとんど変化はみられなかった。また超高真空中において、９００℃まで安定に存在することができた。このことは、作製された試料が極めて安定性に優れていることを実証している。

図５に、低速電子回折による本発明の成膜体の構造決定のプロセスを示す。図５における括弧内の数値は、各回折スポットを示す。
図４に示される各回折スポットに対して、スポット強度の入射エネルギー依存性を測定し、その測定結果を、横軸を入射エネルギー、縦軸を各回折スポットの強度として任意スケールで示している（実験I-Vスペクトル）。また、成膜体の構造モデルを作り、その構造モデルに対するスポット強度の入射エネルギー依存性を理論計算し、その計算結果を同様に、横軸を入射エネルギー、縦軸を各回折スポットの強度として示している（理論I-Vスペクトル）。

上述した実験I-Vスペクトルと理論I-Vスペクトルとを比較し、両者がどの程度一致するかによって、構造モデルの正当性が判断される。両者の一致度の良さは、ＰｅｎｄｒｙＲ−ｆａｃｔｏｒ（Ｒｐ）として数値化され、この値が０．２０以下であれば、考案した構造モデルは正しいものであるとされる。本発明の成膜体については、Ｒｐがより小さくなるように原子位置を最適化したところ、Ｒｐ＝０．１６であることから、図１および表１に示した構造の信頼度はかなり高いものと判断される。

本発明は、大気中でも化学的および熱的に安定な表面と界面を有する成膜体として利用でき、この成膜体を用いることにより、理想的な絶縁膜を形成して界面準位密度を低減することが可能なパワーデバイスとして利用できる。

本発明の実施形態に係る成膜体の構造を示す図である。本発明の成膜体を製造するための装置の構成を示す図である。本発明の成膜体を製造する方法を示す図である。低速電子回折により観察されたパターンを示す図である。低速電子回折パターンによる本発明の成膜体の構造決定のプロセスを示す図である。

符号の説明

１ＳｉＮ膜
２ＳｉＯ膜
１０チャンバー
１１ＳｉＣ基板
１２赤外線加熱装置
１３水素ガスボンベ
１４窒素ガスボンベ
１５バルブ
１６排気口

Claims

ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜が形成され、前記ＳｉＮ膜上にＳｉＯ膜が形成されている成膜体であって、前記ＳｉＮ膜と前記ＳｉＯ膜はいずれも単結晶からなることを特徴とする成膜体。
ＳｉＣ基板に対して水素ガスを用いてエッチングを行った後に、水素を窒素に置換して窒素雰囲気中で加熱することにより、ＳｉＣ基板上にＳｉＮ膜を形成し、前記ＳｉＮ膜上にＳｉＯ膜を形成することを特徴とする成膜体の製造方法。
前記エッチングは、温度を１０００℃以上１６００℃以下として１分以上行い、前記窒素雰囲気中での加熱は、温度を１０００℃以上１６００℃以下として１分以上行うことを特徴とする請求項２記載の成膜体の製造方法。