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明細書 :炭化シリコンの作製方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4411433号 (P4411433)
公開番号 特開2005-325434 (P2005-325434A)
登録日 平成21年11月27日(2009.11.27)
発行日 平成22年2月10日(2010.2.10)
公開日 平成17年11月24日(2005.11.24)
発明の名称または考案の名称 炭化シリコンの作製方法
国際特許分類 C23C  16/42        (2006.01)
C23C  16/513       (2006.01)
H01L  21/205       (2006.01)
H05H   1/24        (2006.01)
H05H   1/30        (2006.01)
FI C23C 16/42
C23C 16/513
H01L 21/205
H05H 1/24
H05H 1/30
請求項の数または発明の数 4
全頁数 7
出願番号 特願2004-146779 (P2004-146779)
出願日 平成16年5月17日(2004.5.17)
審査請求日 平成18年12月18日(2006.12.18)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504190548
【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学
発明者または考案者 【氏名】白井 肇
個別代理人の代理人 【識別番号】100147485、【弁理士】、【氏名又は名称】杉村 憲司
【識別番号】100072051、【弁理士】、【氏名又は名称】杉村 興作
【識別番号】100101096、【弁理士】、【氏名又は名称】徳永 博
【識別番号】100107227、【弁理士】、【氏名又は名称】藤谷 史朗
【識別番号】100114292、【弁理士】、【氏名又は名称】来間 清志
【識別番号】100119530、【弁理士】、【氏名又は名称】冨田 和幸
審査官 【審査官】宮澤 尚之
参考文献・文献 特開平07-193269(JP,A)
特表2001-520320(JP,A)
特開昭63-113547(JP,A)
菊地智幸他,大気圧マイクロプラズマジェットによるカーボン系ナノ構造の作製,第64開応用物理学会学術講演会講演予稿集,2003年,第1分冊,第116頁
調査した分野 C23C 16/00-16/56
C23C 8/00-12/02
特許請求の範囲 【請求項1】
気圧マイクロプラズマジェットで、シリコン基材の表層部分に炭化シリコンを形成するに際し、針状電極を用い、前記針状電極内にメタンを含有する原料ガスを導入すると共に、前記シリコン基材の温度を400℃以下として、前記針状電極の先端部より前記原料ガスを放出しつつ、前記針状電極に高周波を印加し、さらに、前記針状電極と前記シリコン基材との距離を1~4mmの範囲とすることを特徴とする、炭化シリコンの作製方法。
【請求項2】
前記シリコン基材を非加熱状態としたことを特徴とする、請求項1に記載の炭化シリコンの作製方法。
【請求項3】
前記針状電極の内径が50μm~10cmであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の炭化シリコンの作製方法。
【請求項4】
前記原料ガスの流量が1sccm~1000sccmであることを特徴とする、請求項1~3のいずれか一に記載の炭化シリコンの作製方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、炭化シリコンの作製方法に関する。
【背景技術】
【0002】
炭化シリコン結晶は、半導体シリコンの次世代半導体材料として注目されている代表的な基盤材料である。従来、前記炭化シリコン結晶は、所定のシリコン基材を準備するとともに、前記導電性基材上にメタン及び/又はプロパンなどの原料ガスを供給する熱CVD法により作製されていた。この場合、前記炭化シリコン結晶は、前記シリコン基材と前記原料ガスとの熱化学反応を通じて、前記シリコン基材の表層部分に形成されるものであるため、前記シリコン基材を1000℃以上に加熱する必要があった。
【0003】
このため、特別な加熱手段が必要となるなど、前記炭化シリコン結晶を作製する際に使用する装置が複雑化し、前記シリコン基材に対する高温制御などの複雑な温度制御が必要となって、前記炭化シリコンの作製が繁雑化し、困難になるなどの諸問題が生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、高温加熱を必要とせず、高品質な炭化シリコンを作製する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】
【0005】
上記目的を達成すべく、本発明は、
気圧マイクロプラズマジェットシリコン基材の表層部分に炭化シリコンを形成するに際し、針状電極を用い、前記針状電極内にメタンを含有する原料ガスを導入すると共に、前記シリコン基材の温度を400℃以下として、前記針状電極の先端部より前記原料ガスを放出しつつ、前記針状電極に高周波を印加し、さらに、前記針状電極と前記シリコン基材との距離を1~4mmの範囲とすることを特徴とする、炭化シリコンの作製方法に関する。
【0006】
従来の熱CVD法などでは、メタンを含む原料ガスとシリコン基材とを熱化学的に反応させて目的とする炭化シリコンを形成させていた。前記原料ガス自体は化学的に大きな反応性を有しないために、前記熱化学反応を生ぜしめるためには、前記シリコン基材を1000℃以上にまで加熱することが要求されていた。
【0007】
一方、本発明では、前記原料ガスをそのまま使用せずに、前記原料ガスに対して高周波などを印加して得た大気圧マイクロプラズマジェットを原料として用いるようにしている。前記大気圧マイクロプラズマジェットは極めて反応性に富むので、前記大気圧マイクロプラズマジェットを所定のシリコン基材上に照射することにより、前記シリコン基材を高温に加熱しない場合においても、前記シリコン基材の表層部分に前記大気圧マイクロプラズマジェットと前記シリコン基材との化学反応を通じて、目的とする炭化シリコンを形成することができる。
【0008】
例えば、前記シリコン基材の加熱温度が400℃以下において良好な結晶性を有する炭化シリコンを形成することができ、作製時の諸条件を制御することによって、前記シリコン基材を全く加熱しない場合、すなわち室温状態においても良好な結晶性を有する炭化シリコンを形成することができる。したがって、特別な加熱手段などを用いることなく、また複雑な高温制御を行うことなく、目的とする炭化シリコンを簡易に形成することができる。
【0009】
また、上述した熱CVD法などでは、シリコン基材の局所領域に炭化シリコンを形成する場合、前記シリコン基材上に所定のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを介して原料ガスを供給することが要求される。
【0010】
一方、本発明では、大気圧マイクロプラズマジェットを用いているので、その径を適宜絞り込んでシリコン基材上に照射することにより、前述したようなマスクパターンを必要とすることなく、前記シリコン基材の局所領域に炭化シリコンを形成することができる。例えば、作製時の諸条件を制御することによって、前記シリコン基材の、100μm以下の局所領域に炭化シリコンを形成することができる。
【0011】
したがって、本発明によれば、マスクパターンなどを必要とすることなく、極めて簡易にシリコン基材上に炭化シリコンを集積するようにして形成することができる。この結果、炭化シリコンを含む集積化した半導体デバイスを簡易に作製することができる。
【発明の効果】
【0014】
以上説明したように、本発明によれば、高温加熱を必要とせず、高品質な炭化シリコンを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【0016】
図1は、本発明の炭化シリコン作製方法に使用する装置の一例を示す概略図である。図1に示す炭化シリコン作製装置10は、内部に原料ガスを導入し、貫通するように構成された針状電極11と、この針状電極11に高周波を印加するための高周波電源12とを具えている。また、針状電極11にはジョイント14を介してガス導入管13が接続されており、このガス導入管13を介して針状電極11内部に原料ガスを導入するように構成されている。
【0017】
また、針状電極11と対向するようにしてサセプタ15が設けられ、サセプタ15上にはシリコン基材Sが載置されている。シリコン基材Sは、サセプタ15上に例えば静電気力によって吸引固定されている。さらに、シリコン基材Sは、例えばサセプタ15内に埋設された図示しないヒータによって所定温度に加熱されるように構成されている。
【0018】
なお、針状電極11及びシリコン基材Sを含むサセプタ15は所定の雰囲気に保持された容器内に設置し、以下に示す炭化シリコンの形成工程を、前記雰囲気の密閉状態で行うこともできる。
【0019】
メタンを含む原料ガスRは、ガス導入管13を介して針状電極11内に導入され、その先端部より放出される。また、針状電極11には、高周波電源12よりRF又はVHF(Very High Frequency)などの高周波が印加される。すると、針状電極11の前記先端部から放出された前記原料ガスはプラズマ化され、結果として、針状電極11の先端部には大気圧マイクロプラズマジェットPが生成されるようになる。この大気圧マイクロプラズマジェットPは、サセプタ15上に設置されたシリコン基材Sの主面上に照射される。
【0020】
シリコン基材Sの、大気圧マイクロプラズマジェットPが照射された部分においては、シリコン基材Sと大気圧マイクロプラズマジェットPとの化学的な反応が生じ、シリコン基材Sのシリコン元素と、大気圧マイクロプラズマジェットPの炭素元素とが反応して、シリコン基材Sの表層部分に炭化シリコンが形成されるようになる。
【0021】
なお、針状電極11の、原料ガスRを導入し、貫通させる内側部分の径、すなわち内径は50μm~10cmであることが好ましい。また、原料ガスRの流量は1sccm~1000sccmであることが好ましい。これによって、大気圧マイクロプラズマジェットPの、シリコン基材Sに対する流速が最適化され、シリコン基材Sの表層部分において、より低温度で目的とする炭化シリコンを形成することができる。例えば、シリコン基材Sを400℃以下の温度、さらには200℃以下の温度に加熱した状態で、目的とする炭化シリコンを形成することができる。
【0022】
従来の熱CVD法などでは、シリコン基材上に、このシリコン基材とメタンなどの原料ガスとの熱化学反応を通じて炭化シリコンを形成するため、前記シリコン基材を1000℃以上の高温に加熱する必要があった。これに対して、図1に示す装置を用いた本発明の作製方法では、上述したように、反応性に富んだ大気圧マイクロプラズマジェットPを用い、これをシリコン基材Sに直接照射するようにしているので、シリコン基材Sを400℃以下の温度に加熱しても、十分に目的とする炭化シリコンを形成することができるようになる。
【0023】
したがって、特別な加熱手段などを用いることなく図1に示す簡易な構成の装置を用いて、また複雑な高温制御を行うことなく、目的とする炭化シリコンを簡易に形成することができる。
【0024】
針状電極11の前記先端部とシリコン基材Sとの距離は、針状電極11から放出された大気圧マイクロプラズマジェットPがシリコン基材Sに到達する範囲内に設定することが要求され、1mm~4mmの範囲に設定する必要がある
【0025】
なお、針状電極11の内径及び原料ガスRの流量、並びに針状電極11とシリコン基材Sとの距離を上述した範囲内で適宜に制御することによって、シリコン基材Sを加熱することなく、すなわち大気圧マイクロプラズマジェットPを非加熱のシリコン基材S上に照射するのみで、シリコン基材Sの表層部分に目的とする炭化シリコンを形成することができる。
【0026】
また、針状電極11の内径を50μm~10cmとし、及び/又は原料ガスRの流量を1sccm~1000sccmとすることにより、シリコン基材Sでの炭化シリコンの形成を可能とした状態で、大気圧マイクロプラズマジェットPの径を十分に絞り込むことができる。したがって、シリコン基材Sの、例えば100μm以下の局所領域における炭化シリコンの形成を実現することができる。
【0027】
従来の熱CVD法などでは、シリコン基材の局所領域に炭化シリコンを形成する場合、前記シリコン基材上に所定のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを介して原料ガスを供給し、熱化学反応を通じて目的とする炭化シリコンを前記シリコン基材の表層部分に形成していた。
【0028】
これに対して、図1に示す装置を用いた本発明の作製方法では、大気圧マイクロプラズマジェットPの径を絞り込むことによって、マスクパターンを用いることなく局所的な炭化シリコンの形成を実現することができる。したがって、極めて簡易にシリコン基材上に炭化シリコンを集積するようにして形成することができ、この結果、炭化シリコンを含む集積化した半導体デバイスを簡易に作製することができる。
【0031】
なお、結晶化度はX線回折やラマン分光法などを用いた汎用の方法によって導出することができる。
【実施例】
【0033】
以下、本発明の特徴を実施例によって具体的に説明する。
(実施例1)
図1に示すような装置を用い、針状電極11の内径を0.7mm、原料ガスとしてのメタンガスの流量を3sccm、メタンガスの流量を10sccm、及び針状電極11とシリコン基材S間の距離を2mmとして、炭化シリコンを形成した。なお、針状電極11には高周波電源12より20WのRFを印加し、前記メタンガスをプラズマ化して大気圧マイクロプラズマジェットPを生成させ、シリコン基材S上に照射させた。なお、シリコン基材Sの温度は400℃、200℃及び室温の3段階で変化させた。
【0034】
図2は、シリコン基材Sの表層部分のラマン分光スペクトルを示すグラフである。図2から明らかなように、シリコン基材Sの温度を上記範囲内で変化させた場合においては、いずれにおいてもシリコン基材Sの表層部分からは、多結晶炭化シリコンに起因した250cm-1及び800-1cmのラマンピークが観測された。すなわち、シリコン基材Sの温度を400℃以下に加熱した状態、特にはシリコン基材Sを加熱することなく室温に設定した場合においても、シリコン基材Sの表層部分には多結晶炭化シリコンが形成されていることが確認された。
【0035】
なお、得られた炭化シリコンの結晶化度は、シリコン基材Sの加熱温度とともに、10%、40%及び70%のように増大していることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明の炭化シリコンの作製方法に使用する装置の一例を概略的に示した構成図である。
【図2】本発明の炭化シリコンの作製方法によって得た炭化シリコンのラマンスペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【0037】
10 炭化シリコン作製装置
11 針状電極
12 高周波電源
13 ガス導入管
14 ジョイント
15 サセプタ
R 原料ガス
S シリコン基材
図面
【図1】
0
【図2】
1