JP2011071254A - 炭化珪素基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化学強化以外の方法で炭化珪素基板を強化することや、炭化珪素基板の薄板化の手法を工夫することで、割れやクラックの発生、進展を抑制した炭化珪素基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板の表裏主面のうち半導体装置の形成領域に対応する中央部ＣＰの周辺領域部ＰＰと基板側面部ＳＰとを含んで構成される炭化珪素基板ＷＦの外周部に、膨張力発生部ＥＸを形成することで、基板内部に向かうように圧縮応力ＣＳが生じる。このために、基板加工中または、プロセス中に、微小な割れの起点が発生しても、圧縮応力で抑えられて割れが広がらないために、ウエハ割れが発生せず、実質的に基板外周部が強化された構成となる。
【選択図】図１

Description

本発明は炭化珪素基板およびその製造方法に関し、特に、基板外周部を強化した炭化珪素基板およびその製造方法に関する。

従来の炭化珪素半導体装置では、例えば特許文献１に示されるように、低抵抗の炭化珪素半導体装置を実現するために、炭化珪素基板の厚みを２５０μｍ以下にまで研磨して（薄板化して）使用する構成が開示されている。

このような薄板化された炭化珪素半導体装置において縦型半導体装置を形成するためには、炭化珪素基板を薄板化した後に、電極金属をスパッタリング法などで形成し、当該電極金属をオーミック化するための熱処理を行う。

特許文献１においては、このときに炭化珪素基板にクラックや、割れが発生しやすいために、通常の炭化珪素半導体の結晶方向とは逆の結晶方位のエピタキシャル成長層を組み合わせる構成が開示されている。具体的には炭化珪素基板の（０００−１）カーボン面に半導体層を形成し、（０００１）シリコン面に下部電極を形成することにより、オーミック化するための熱処理温度を下げる構成が開示されている。

しかし、このように通常と異なる結晶方位を用いた炭化珪素基板では、デバイスに必要な低キャリア濃度のドーピング制御の再現性が悪く、デバイスを製作することが難しいことが知られている。

また、特許文献２には、情報記録媒体用ガラス基板の製造方法として、外周縁部および内周縁部にそれぞれ化学強化による圧縮応力層である、外周強化層および内周強化層を形成した構成が開示されている。

これは、ガラス成分のイオン交換法による化学的、応力付与の方法で、よく知られた方法である。ここでは、化学強化の方法を用いるために、基板の主面表面にも強化層が形成され、表面強化による表面荒れ層を除くための研磨を行うと、基板自体に反りなどが発生する。

そのため、主面表面に強化層を残した状態で、表面荒れ層を除く必要があり、厚みをマイクロメータ単位で調整して研磨する必要があるが、これは実用上、非常に困難なことである。また、半導体基板の場合、基板の両主面はデバイス化のために使用するので、強化処理を行うことができない。

特開２００４−２２８７８号公報 特開２００５−１７４５００号公報

以上説明したように、炭化珪素半導体装置では、炭化珪素基板を薄板化することによって性能が改善することが期待されているが、従来の技術では、薄板化した場合の熱処理および薄膜化のための研磨研削などの工程やハンドリングなどに対する耐久性を向上させることが難しく、また、化学強化の手法は炭化珪素基板においては置換可能なイオン種が見出されていないため困難である。

本発明は上記のような問題点に鑑み、化学強化以外の方法で炭化珪素基板を強化することや、炭化珪素基板の薄板化の手法を工夫することで、割れやクラックの発生、進展を抑制した炭化珪素基板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る炭化珪素基板は、一方主面と、その反対側の他方主面と、側面部とを有し、前記一方主面および前記他方主面において半導体装置の形成領域に対応する中央部と、その周辺領域部とが規定され、前記周辺領域部と前記側面部とで基板外周部が規定される炭化珪素基板であって、前記基板外周部に、基板内部に向かうように圧縮応力を生じさせる膨張力発生部を備えている。

本発明に係る炭化珪素基板によれば、基板外周部に、基板内部に向かうように圧縮応力を生じさせる膨張力発生部を備えているので、炭化珪素基板の薄板化時の研削および薄板化後のハンドリングや、熱処理などで微小クラックが発生しても、クラックが内部応力により抑えられるためにクラックが広がらず、割れやクラックの発生、進展を抑制することができる。

本発明に係る炭化珪素基板の実施の形態１の構成を示す断面図である。 膨張力発生部を模式的に表した炭化珪素基板の平面図である。 薄板加工前の炭化珪素基板の断面形状を模式的に示す図である。 薄板加工後の炭化珪素基板の断面形状を模式的に示す図である。 上下面非対称断面形状を有する炭化珪素基板の薄板加工前の断面形状を示す断面図である。 上下面非対称断面形状を有する炭化珪素基板の薄板加工後の断面形状を示す断面図である。 本発明に係る炭化珪素基板の実施の形態２の構成を示す断面図である。 薄板加工後の炭化珪素基板の断面形状を模式的に示す図である。

＜実施の形態１＞
本発明に係る炭化珪素基板の実施の形態１として、図１に、基板外周部に膨張力発生部ＥＸを備えた炭化珪素基板ＷＦの厚み方向の断面構成を示す。

図１において、基板の表裏主面のうち半導体装置の形成領域に対応する中央部ＣＰの周辺領域部ＰＰと基板側面部ＳＰとを含んで構成される炭化珪素基板ＷＦの外周部に、膨張力発生部ＥＸを形成することで、基板内部に向かうように圧縮応力ＣＳが生じる。このために、基板加工中または、プロセス中に、微小な割れの起点が発生しても、圧縮応力で抑えられて割れが広がらないために、ウエハ割れが発生せず、実質的に基板外周部が強化された構成となる。以下、膨張力発生部ＥＸの形成方法について説明する。

＜第１の方法＞
まず、第１の方法として、イオン注入による形成方法を説明する。

炭化珪素基板ＷＦの基板外周部表面内に、基板を構成する原子の個数比で０．１〜１％の原子をイオン注入することで注入原子層を形成し、格子間を膨張させて、膨張力を発生させることで、基板内部に圧縮応力を生じさせることができる。

なお、イオン注入の深さは０．２〜１μｍ、より好ましくは０．４μｍ程度とすることで、圧縮応力を有効に生じさせることができる。

ここで、炭化珪素の単位体積（ｃｍ³）当たりの原子数は２×１０¹⁸個であり、その１％は２×１０¹⁶個の原子数に相当する。この原子を注入するのに、通常のイオン注入条件では、加速電圧３５０ＫｅＶ、イオン電流５００μＡでおよそ１００秒程度の照射時間となる。

なお、上記の条件は一例であり、注入イオンもアルゴン、窒素、アルミニウム、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）など、半導体装置の製造に使用するものであれば使用可能である。何を注入しても、格子間に入るので、膨張力を発生し、内部に圧縮応力が発生する。

なお、注入イオンが変われば、所望の深さに注入するための加速電圧も変わるが、半導体装置の製造に使用するイオン注入装置を使用することで、５０ＫｅＶ〜１ＭｅＶの加速が可能である。

通常の半導体用イオン注入装置は、イオンビームを走査するタイプであるため、基板の側面部にイオン注入するには、基板回転機構とともに基板をビームに対して煽る方向に傾ける機構を付加すれば良い。また、基板の裏側主面側にイオン注入するには、基板を裏返してイオン注入すれば良い。

もちろん、基板主面には炭化珪素半導体装置を形成するので、基板の表側主面および裏側主面には、イオンが注入されないように、レジストで保護するが、膨張力発生部ＥＸは基板の表裏主面の周辺領域部にも形成するので、基板の表裏主面の平面部の端部から０．５ｍｍ程度内側の領域はレジストで覆わないようにする。なお、この０．５ｍｍという値は、基板の厚みに相当する値であり、この程度の領域に膨張力発生部ＥＸを形成することで基板の割れを低減することができる。

図２には、膨張力発生部ＥＸを模式的に表した炭化珪素基板ＷＦの平面図を示す。図２においてリング状に示される領域が、基板主面における膨張力発生部ＥＸの形成領域にほぼ相当する。

図２に示されるように、膨張力発生部ＥＸから基板中央部に向かうように圧縮応力ＣＳが生じる。

ここで、内部応力の確認は、クロスニコル装置を用いて行う。クロスニコル装置とは偏光板を直交させて光が通らない状態にしておいて、その偏光版の間に結晶ウエハを配置する。ウエハ端面に内部応力を発生させると、外周部が、白くなったり、着色したりする。この変色の程度は内部応力の値およびウエハの厚みで異なるが、通常は、均一に白くなったことをもって、内部応力が発生していると判定される。

炭化珪素基板は可視光線を透過するが、シリコンなどの可視光線を通さない結晶ウエハでは、近赤外線を光源にして、近赤外線用の偏光板を用いて、同様の判定が可能である。

なお、膨張力発生部ＥＸからどの程度の応力を付与するかは、基板の片面に膜等を形成することで判断する。すなわち基板の片面のみに膜を形成すると、応力によって基板に反りが生じる。圧縮応力を生じた場合、膜のついている面が凹面となるように反り、反りの程度が応力に比例するので、この反りの程度に基づいて膨張力発生部ＥＸから発生させる応力を決定する。

イオン注入は、半導体装置の製造プロセスで使用される工程の１つであり、膨張力発生部ＥＸの形成のために新たな装置を準備することなく、容易に基板内部に応力を導入することができる。

＜第２の方法＞
次に、膨張力発生部ＥＸ形成の第２の方法として、犠牲酸化膜による形成方法を説明する。

炭化珪素基板ＷＦを、大気中、あるいは乾燥酸素雰囲気中、あるいは湿潤酸素と窒素または湿潤酸素とアルゴンガスの混合雰囲気中で、１３００℃以上２０００℃以下で熱処理することにより、基板表面に厚さ０．５〜５．０μｍの酸化膜を形成する。この程度の厚さとすることで、基板内部に圧縮応力を加えることができる。

この状態では基板全表面に酸化膜が形成されているので、基板側面部以外の表面に形成されている酸化膜を除去することで、基板側面部に膨張力発生部ＥＸを形成する。

この処理では、基板側面部の酸化膜をレジストなどで覆って保護し、他の部分の酸化膜はフッ酸で洗浄して除去する。なお、酸化膜が均一に除去されない場合、基板の表側主面面および裏側主面を再研磨する。

なお、酸化膜の形成は、半導体装置の製造プロセスで使用される工程の１つであり、膨張力発生部ＥＸの形成のために新たな装置を準備することなく、容易に基板内部に応力を導入することができる。

＜第３の方法＞
次に、膨張力発生部ＥＸ形成の第３の方法として、窒化膜による形成方法を説明する。

炭化珪素基板ＷＦを、大気中、あるいは乾燥亜酸化窒素雰囲気中、あるいは湿潤酸素と亜酸化窒素の混合雰囲気中で、１０００℃以上２０００℃以下で熱処理することにより、基板表面に厚さ０．５〜５．０μｍ窒化膜または厚さ０．５〜５．０μｍの酸窒化膜を形成する。この程度の厚さとすることで、基板内部に圧縮応力を加えることができる。

この状態では基板全表面に窒化膜または酸窒化膜が形成されているので、基板側面部以外の表面に形成されている窒化膜または酸窒化膜を除去することで、基板側面部に膨張力発生部ＥＸを形成する。

この処理では、基板側面部の窒化膜または酸窒化膜をレジストなどで覆って保護し、他の部分の窒化膜または酸窒化膜は熱リン酸で洗浄して除去する。なお、窒化膜または酸窒化膜が均一に除去されない場合、基板の表側主面および裏側主面を再研磨する。

なお、窒化膜の形成は、半導体装置の製造プロセスで使用される工程の１つであり、膨張力発生部ＥＸの形成のために新たな装置を準備することなく、容易に基板内部に応力を導入することができる。

＜第４の方法＞
次に、膨張力発生部ＥＸ形成の第４の方法として、金属膜による形成方法を説明する。

炭化珪素基板ＷＦを真空状態を保てる反応室に置き、蒸着法またはスパッタリング法により基板表面に厚さ０．５〜５．０μｍの金属膜を形成する。この程度の厚さとすることで、基板内部に圧縮応力を加えることができる。

ここで使用する金属は、炭化珪素よりも膨張係数の大きな金属が望ましく、また、密着性の良いものが適する。例えば、電極材料として用いられるニッケルや、アルミニウム、チタンなどが挙げられる。

なお、基板側面部にのみ金属膜が形成されるように、基板を複数枚重ねてウエハホルダーに取付け、回転させながら金属を付着させる方法が考えられる。

また、金属膜を形成させたくない基板の表側主面および裏側主面をレジストなどで覆って保護する方法を採っても良く、基板側面部以外の表面に形成されている金属膜をエッチングにより除去する方法を採っても良い。

また、付着率を高めるために、基板を９００℃程度に加熱して金属膜を付着させる熱処理も有効である。

なお、金属膜の形成は、半導体装置の製造プロセスで使用される工程の１つであり、膨張力発生部ＥＸの形成のために新たな装置を準備することなく、容易に基板内部に応力を導入することができる。

以上説明した第１〜第４の方法による膨張力発生部ＥＸの形成は、半導体装置の製造プロセスに入る前の炭化珪素基板ＷＦに対して行っても良いが、半導体装置の製造プロセス中に、当該半導体の製造プロセスで使用される工程と兼用して行っても良い。

例えば、第１の方法におけるイオン注入は、炭化珪素基板ＷＦ主面にドリフト層となるエピタキシャル層を形成した後、エピタキシャル層の上層部にソース領域やベース領域を形成する際のイオン注入工程で兼用しても良い。

もちろん、ソース領域やベース領域とは、イオンの注入深さが異なるので、エピタキシャル層の主面上はレジスト等でマスクした状態で行う。

また、第２の方法における犠牲酸化膜の形成は、炭化珪素基板ＷＦ主面に形成したエピタキシャル層上に、ゲート絶縁膜や層間絶縁膜を形成する際の酸化膜形成工程で兼用しても良い。

もちろん、ゲート絶縁膜や層間絶縁膜とは、膜の厚さが異なるので、エピタキシャル層の主面上はレジスト等でマスクした状態で行う。

また、第３の方法における窒化膜の形成は、炭化珪素基板ＷＦ主面に形成したエピタキシャル層上に、層間絶縁膜として窒化膜を形成する際の酸化膜形成工程で兼用しても良い。

もちろん、層間絶縁膜とは、膜の厚さが異なるので、エピタキシャル層の主面上はレジスト等でマスクした状態で行う。

また、第４の方法における金属膜の形成は、炭化珪素基板ＷＦ主面に形成したエピタキシャル層上のソース電極を形成する際あるいは炭化珪素基板ＷＦの裏面側主面上にドレイン電極を形成する際の金属膜形成工程で兼用しても良い。

もちろん、電極とは、膜の厚さが異なるので、エピタキシャル層あるいは炭化珪素基板ＷＦの裏面側主面上はレジスト等でマスクした状態で行う。

＜実施の形態２＞
シリコン基板や炭化珪素基板に形成される電力用半導体装置において、半導体基板の主面に対して厚さ方向に主電流が流れる縦型の半導体装置では、厚み方向の固有抵抗の値が損失として働く。

電力用半導体装置では、電流値が大きいため、抵抗値が大きいと発熱量が大きくなり、電流損失も大きくなる。このため電力損失を低減（あるいは発熱量を低減）するために、基板厚みを半分以下に薄くし、基板抵抗の絶対値を低減して、損失低減を図ることが検討されている。

しかし、単純に、基板厚みを薄くするための研削を行うと、基板が薄板化の研削加工時、あるいは、薄板化後のプロセス処理中に割れる現象がしばしば発生する。

図３には、薄板加工前の半導体基板の厚さ方向の断面形状を模式的に示し、図４には、薄板加工後の半導体基板の厚さ方向の断面形状を模式的に示す。

図３に示すような断面形状を有する炭化珪素基板ＷＦを、片側の主面から研削して、元の厚みの半分以下の厚みまで薄板化すると、図４に見られるように、薄板加工後の炭化珪素基板ＬＷＦでは、基板外周部にナイフ状のエッジが形成される、このようなエッジが形成されると、脆性材料である炭化珪素基板は、ほとんどが割れる。

これを避けるためには、ナイフエッジが発生しないような工夫として、例えば図５に示す炭化珪素基板ＷＦ１のように、表側主面の直径が裏側主面の直径よりも小さく、断面形状が台形状となるように基板を予め加工しておき、薄板化時には研削範囲ＲＰを研削によって除くことで、図６に示されるような薄板化された炭化珪素基板ＷＦ２が得られる。炭化珪素基板ＷＦ２では、図４で示されるようなナイフ状のエッジが発生せず、割れにくい構造が得られる。

なお、図５に示すような台形状を上下面非対称断面形状と呼称する。そして、さらに、実施の形態１において説明した、基板外周部に膨張力発生部を形成した構成を併用することで、非対称形状に加工された炭化珪素基板ＬＷＦにおいても側面部表面に膨張力を発生させて、基板内部に向かうように圧縮応力ＣＳを生じさせる表面内部に圧縮応力を発生させて、割れを防止させることは非常に有用である。

具体的には、図７に示すように、上下面非対称断面形状に加工した炭化珪素基板ＷＦ１の基板外周部に、膨張力発生部ＥＸを形成した後、薄板化時に研削範囲ＲＰを研削によって除くことで、図８に示されるような薄板化された炭化珪素基板ＷＦ３が得られる。

ＥＸ 膨張力発生部、ＣＰ 中央部、ＰＰ 周辺領域部、ＳＰ 側面部。

Claims (20)

1. 一方主面と、その反対側の他方主面と、側面部とを有し、前記一方主面および前記他方主面において半導体装置の形成領域に対応する中央部と、その周辺領域部とが規定され、前記周辺領域部と前記側面部とで基板外周部が規定される炭化珪素基板であって、
   前記基板外周部に、基板内部に向かうように圧縮応力を生じさせる膨張力発生部を備える、炭化珪素基板。
2. 前記膨張力発生部は、前記基板外周部の表面内に、基板を構成する原子の個数比で０．１〜１％となるように注入された注入原子層によって構成される、請求項１記載の炭化珪素基板。
3. 前記注入原子層は、前記基板外周部の表面から０．２〜１μｍの深さの位置に形成される、請求項２記載の炭化珪素基板。
4. 前記注入原子層は、アルゴン、窒素、アルミニウム、ボロンおよびリンの何れかを含む、請求項２記載の炭化珪素基板。
5. 前記膨張力発生部は、前記基板外周部の表面に形成された酸化膜、窒化膜および酸窒化膜の何れかである、請求項１記載の炭化珪素基板。
6. 前記酸化膜、前記窒化膜および前記酸窒化膜の厚さは、０．５〜５．０μｍである、請求項５記載の炭化珪素基板。
7. 前記膨張力発生部は、前記基板外周部の表面に形成された金属膜である、請求項１記載の炭化珪素基板。
8. 前記金属膜の厚さは、０．５〜５．０μｍである、請求項７記載の炭化珪素基板。
9. 前記金属膜は、ニッケルを含む、請求項７記載の炭化珪素基板。
10. 前記炭化珪素基板は、表側となる前記第１の主面の直径が裏側なる前記第２の主面の直径よりも小さくなった上下面非対称断面形状を有する、請求項１記載の炭化珪素基板。
11. 一方主面と、その反対側の他方主面と、側面部とを有し、前記一方主面および前記他方主面において半導体装置の形成領域に対応する中央部と、その周辺領域部とが規定され、前記周辺領域部と前記側面部とで基板外周部が規定された炭化珪素基板の製造方法であって、
    (ａ)前記基板外周部に、基板内部に向かうように圧縮応力を生じさせる膨張力発生部を形成する工程を備える、炭化珪素基板の製造方法。
12. 前記工程(ａ)は、
    (ａ−１)前記基板外周部の表面内に、基板を構成する原子の個数比で０．１〜１％となるように原子をイオン注入により導入することで注入原子層を形成する工程を含み、前記注入原子層によって前記膨張力発生部を構成する、請求項１１記載の炭化珪素基板の製造方法。
13. 前記工程(ａ−１)は、
    前記基板外周部の表面から０．２〜１μｍの深さの位置に前記原子をイオン注入により導入する工程を含む、請求項１２記載の炭化珪素基板の製造方法。
14. 前記工程(ａ−１)は、
    アルゴン、窒素、アルミニウム、ボロンおよびリンの何れかの原子をイオン注入により導入する工程を含む、請求項１２記載の炭化珪素基板の製造方法。
15. 前記工程(ａ)は、
    (ａ−１)前記基板外周部の表面に酸化膜、窒化膜および酸窒化膜の何れかを形成する工程を含む、請求項１１記載の炭化珪素基板の製造方法。
16. 前記工程(ａ−１)は、
    前記酸化膜、前記窒化膜および前記酸窒化膜を、０．５〜５．０μｍの厚さに形成する工程を含む、請求項１５記載の炭化珪素基板の製造方法。
17. 前記工程(ａ)は、
    (ａ−１)前記基板外周部の表面に金属膜を形成する工程を含む、請求項１１記載の炭化珪素基板の製造方法。
18. 前記工程(ａ−１)は、
    前記金属膜を、０．５〜５．０μｍの厚さに形成する工程を含む、請求項１７記載の炭化珪素基板の製造方法。
19. 前記工程(ａ−１)は、
    ニッケル膜を形成する工程を含む、請求項１７記載の炭化珪素基板の製造方法。
20. 前記工程(ａ)に先だって、
    前記炭化珪素基板を、表側となる前記第１の主面の直径が裏側となる前記第２の主面の直径よりも小さくなった上下面非対称断面形状に加工する工程を備える、請求項１１記載の炭化珪素基板の製造方法。

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