JP2013247251A

JP2013247251A - 炭化珪素半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2013247251A
Application number: JP2012120259A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Tanaka; 敦之田中; Kenji Fukuda; 憲司福田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】炭化珪素基板に存在する結晶欠陥の位置を特定しやすくする。
【解決手段】炭化珪素単結晶のインゴットをスライスして炭化珪素基板１１を形成した後、炭化珪素基板１１の表面を化学機械研磨加工により、炭化珪素基板１１に存在する中空欠陥１２の位置を顕在化させる所定の条件により研磨する。化学機械研磨加工は、炭化珪素基板１１の表面上における中空欠陥１２の箇所を所定の大きさに開口する研磨を行いピット状の開口部１２ａを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に、基板内の結晶欠陥を簡単に特定できる炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

次世代の半導体材料として、炭化珪素（ＳｉＣ）が期待されている。ＳｉＣで構成された半導体素子は、これまでのシリコン（Ｓｉ）で構成された場合と比較して、オン状態における素子の抵抗（オン抵抗）が数百分の一に低減でき、２００℃以上の高温環境下で使用可能であることなどの特徴を有する。これらの特徴は、材料そのものの優位性、つまり、ＳｉＣはバンドギャップが４Ｈ−ＳｉＣで３．２５ｅＶとＳｉの１．１２ｅＶに対して３倍程度大きいこと、および電界強度がＳｉより１桁近く大きい２〜４ｍＶ／ｃｍという特徴に起因している。これらの特徴を有するＳｉＣを用いて、ダイオードなどの整流デバイス、トランジスタ、サイリスタなどのスイッチングデバイスなどの様々なデバイスが試作されている。

このようなＳｉＣ基板には、マイクロパイプと呼ばれる中空欠陥（結晶欠陥）が基板を貫通して多数個存在し、このＳｉＣ基板を用いて形成するショットキーダイオードなどの炭化珪素半導体装置では、この中空欠陥が耐圧低下やもれ電流増加の要因となっている。そのため、中空欠陥の少なくとも位置情報やＳｉＣ基板内に中空欠陥が何箇所存在するのか等の情報をデバイス作製プロセスに先立って調べておきたい要望がある。

中空欠陥は、ＳｉＣ基板を肉眼で観察するだけでは発見は難しく、光学顕微鏡やその他特殊な装置を用いて観察可能となる。中空欠陥の位置を特定する方法としては、例えば、結晶欠陥が光を散乱させることを用い、レジストの露光とエッチングと組み合わせて特定する方法や、結晶欠陥が水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液によるエッチングを受けやすいことを用い、この結晶欠陥の位置を特定する方法が提案されている（たとえば、下記特許文献１，２参照。）。

特開平１０−１２０４９６号公報特許３８０１０９１号公報

しかし、上記の方法は、いずれもＳｉＣ基板に対しレジストの露光やエッチング等の処理を行って結晶欠陥を特定するが、これらは、いずれも半導体素子を製造するためには直接必要とされない特別な処理である。したがって、結晶欠陥を特定するために、半導体素子製造の工程の複雑化や高コスト化を招いていた。

本発明は、上記課題に鑑み、余分な工程を付け加えることなく、半導体素子を製造する際のデバイス作製プロセスに先立ち、炭化珪素基板に存在する結晶欠陥の位置を特定しやすくし、その後のデバイス作製プロセス等でマイクロパイプの位置情報を基にした結晶欠陥に対する施策を簡単に行うことができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素単結晶のインゴットをスライスして炭化珪素基板を形成した後、前記炭化珪素基板の表面を化学機械研磨加工により、前記炭化珪素基板に存在する結晶欠陥の位置を顕在化させるための所定の条件により研磨することを特徴とする。

また、前記化学機械研磨加工は、前記所定の条件として通常圧力による研磨に続き、通常圧力より低圧力の仕上げ研磨を所定時間行うことにより、前記炭化珪素基板の表面上に位置する前記結晶欠陥の箇所を所定の大きさに開口させることを特徴とする。

また、前記化学機械研磨加工により前記結晶欠陥の位置を顕在化させた後、前記結晶欠陥の位置を顕在化させた前記炭化珪素基板に対して半導体素子を形成することを特徴とする。

また、前記化学機械研磨加工は、前記炭化珪素基板の表面上における前記結晶欠陥の開口部の大きさを１〜５０００μｍにすることを特徴とする。

上記構成によれば、炭化珪素単結晶のインゴットをスライスして炭化珪素基板を形成した後、炭化珪素基板の表面を化学機械研磨加工により研磨し、炭化珪素基板の表面に存在する結晶欠陥を顕在化させることができる。

本発明によれば、炭化珪素基板に存在する結晶欠陥の位置を特定しやすくできるという効果を奏する。

この発明の実施の形態における炭化珪素基板の断面図である。化学機械研磨を行った後の炭化珪素基板の断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。この発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素単結晶のインゴットをスライスして炭化珪素基板を形成した後、前記炭化珪素基板の表面を化学機械研磨加工により研磨し、前記炭化珪素基板の表面に存在する結晶欠陥を顕在化させる。

図１は、この発明の実施の形態における炭化珪素基板の断面図である。図１は、炭化珪素単結晶のインゴットをスライスし、ウェハ状の炭化珪素（ＳｉＣ）基板１１を形成した状態である。ＳｉＣ基板としては、両面鏡面研磨され、Ｎ（窒素）ドープされた直径３インチのｎ型４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板１１を使用する。ＳｉＣ基板１１の主面は、例えば＜１１−２０＞方向に４度程度のオフ角を有する（０００１）面である。

そして、図１に示すように、このＳｉＣ基板１１には、マイクロパイプと呼ばれる中空欠陥（結晶欠陥）１２が基板の上下を貫通して存在しているとする。

図２は、化学機械研磨を行った後の炭化珪素基板の断面図である。図１に示したＳｉＣ基板１１の表面に化学機械研磨を施す。この際、ＳｉＣ基板１１の表面には、中空欠陥１２の開口部１２ａが化学機械研磨によりピット状（凹状）に形成される。このときに表面側からの研磨厚さは、例えば５μｍであり、この研磨に要する時間は６時間とする。また、この化学機械研磨は、中空欠陥１２の開口部１２ａの直径が１〜５０００μｍになるように行う。より具体的には、通常圧力による研磨に続き、通常圧力より低圧力の仕上げ研磨を所定時間行う。例えば、通常の化学機械研磨（数百ｇ重／ｃｍ²〜１ｋｇ重／ｃｍ²程度）を行い、仕上げとして、さらに圧力３０ｇ重／ｃｍ²にて１時間仕上げ研磨を行い、通常時より表面が厚さ方向に削れない状態で通常時よりも長い時間行う。中空欠陥１２の内面は表面と面方位が違っていることと考えられ、中空欠陥１２の表面に加える圧力を小さくして比較的長い時間行うことが有効と考えられる。

これにより、ＳｉＣ基板１１の表面に存在する中空欠陥１２の研磨面側の開口部１２ａは、角がとれるとともに、所定深さまで削られてピット状に広げられる。このため、ＳｉＣ基板１１上において、中空欠陥１２の位置が開口部１２ａによって拡大されることになり、中空欠陥１２の位置をより顕在化させることができ、中空欠陥１２の位置を特定しやすくなる。

その後、ＳｉＣ基板１１の表面には、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってｎ型エピタキシャル層が形成される。例えば、ｎ型エピタキシャル層の厚さは５μｍであり、ドーピング濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3で形成される。このエピタキシャル層を形成した後であっても、化学機械研磨を行っていれば、中空欠陥１２の開口部１２ａの位置はエピタキシャル層の表面から確認できる。さらに、この後、イオン注入工程、活性化工程、金属蒸着工程を経て、ＳｉＣ半導体装置として、例えば、ショットキーバリアダイオードを完成させた状態とした後においても、中空欠陥１２の位置は、ＳｉＣ半導体装置の表面から容易に確認することができる。

そして、その後のデバイス作製プロセスでは、ＳｉＣ基板１１の中空欠陥１２の開口部１２ａの位置が顕在化しているため、この中空欠陥１２の開口部１２ａの位置情報を基にして中空欠陥１２を除去する等の施策を簡単に行える。

以上説明した製造方法によれば、中空欠陥１２の研磨面側の開口部１２ａの角がとれ、ピットになることにより、中空欠陥１２の開口部１２ａは開口径が大きくなるとともにある程度の深さまで深くなる。これによって、中空欠陥１２の視認性を増すことができる。また、このため、化学機械研磨をおこなった後、例えば、ＳｉＣ基板１１上にエピタキシャル層を形成する等のプロセスを行っても、中空欠陥１２の視認性が保たれる。また、２０１１年現在において、ＳｉＣ基板１１を用いたパワーデバイス用半導体装置の作製手順として、ＳｉＣ基板１１の形成後において、エピタキシャル層形成前には、化学機械研磨は必要な工程であり、中空欠陥を特定するための余分な工程を増やすこととはならない。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、ＳｉＣ基板を用いたパワーデバイス全般に適用することができ、ショットキーバリアダイオードやＭＯＳトランジスタの製造に有用である。

１１ＳｉＣ基板
１２ＳｉＣ基板内に存在する中空欠陥
１２ａ中空欠陥の開口部

Claims

炭化珪素単結晶のインゴットをスライスして炭化珪素基板を形成した後、
前記炭化珪素基板の表面を化学機械研磨加工により、前記炭化珪素基板に存在する結晶欠陥の位置を顕在化させるための所定の条件により研磨することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記化学機械研磨加工は、前記所定の条件として通常圧力による研磨に続き、通常圧力より低圧力の仕上げ研磨を所定時間行うことにより、前記炭化珪素基板の表面上に位置する前記結晶欠陥の箇所を所定の大きさに開口させることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記化学機械研磨加工により前記結晶欠陥の位置を顕在化させた後、
前記結晶欠陥の位置を顕在化させた前記炭化珪素基板に対して半導体素子を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記化学機械研磨加工は、前記炭化珪素基板の表面上における前記結晶欠陥の開口部の大きさを１〜５０００μｍにすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。