JP2016139685A - 単結晶炭化珪素基板、単結晶炭化珪素基板の製造方法、および単結晶炭化珪素基板の検査方法 - Google Patents

単結晶炭化珪素基板、単結晶炭化珪素基板の製造方法、および単結晶炭化珪素基板の検査方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光学顕微鏡では観察できない、加工由来の欠陥の原因を評価する方法並びに加工由来の欠陥となる原因が低減した単結晶炭化珪素基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】単結晶炭化珪素基板の製造方法は、主面を有する単結晶炭化珪素基板を用意する工程S10と、最大砥粒の直径の砥粒を用いて、単結晶炭化珪素基板の主面が以下の表面粗さを有するまで、主面に機械研磨を施す工程S11と、機械研磨が施された主面に化学機械研磨を施し、主面を鏡面に仕上げる工程S12と、鏡面に仕上げられた主面の表面をエッチングによって除去する工程S13とを包含する。【選択図】図4A

Description

本発明は単結晶炭化珪素基板、単結晶炭化珪素基板の製造方法、および単結晶炭化珪素基板の検査方法に関する。
炭化珪素半導体は、シリコン半導体よりも大きな絶縁破壊電界強度、電子の飽和ドリフト速度および熱伝導率を備える。このため、炭化珪素半導体を用いて、従来のシリコンデバイスよりも高温、高速で大電流動作が可能なパワーデバイスを実現する研究・開発が活発になされている。なかでも、電動二輪車、電気自動車やハイブリッドカーに使用されるモータは交流駆動あるいはインバータ制御されるため、こうした用途に使用される高効率なスイッチング素子の開発が注目されている。このようなパワーデバイスを実現するためには、高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させるための単結晶炭化珪素基板が必要である。
単結晶炭化珪素基板は、例えば特許文献1に開示されるように、他の半導体単結晶基板と同様、インゴットから所定の厚さを有する基板を切り出し、機械研磨によって基板表面を平坦化した後、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing、以下CMPと略す)によって、表面の平坦度および平滑度を原子オーダーまで高めることによって製造される。しかし、単結晶炭化珪素は、他の半導体に比べて硬度が高く、かつ、耐腐食性に優れるため、こうした基板を作製する場合の加工性は悪く、平滑度の高い単結晶炭化珪素基板を得ることは一般に難しい。
単結晶炭化珪素基板への炭化珪素半導体層の形成はホモエピタキシャル成長であるため、炭化珪素半導体層の品質は、単結晶炭化珪素基板の表面の品質に大きく依存する。例えば単結晶炭化珪素基板には、積層欠陥や転位欠陥などが含まれる。また、単結晶炭化珪素基板の表面には一例として、加工変質部分、スクラッチ、マイクロスクラッチなどの様々な傷が残存していたりする。それにより、炭化珪素半導体層中に欠陥が生じる。
高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させるための単結晶炭化珪素基板を得るためには、こうした、単結晶炭化珪素基板の表面を評価し、上述した欠陥を抑制する必要がある。
評価方法の一例として、例えば、特許文献2は、基板の表面に所定波長の紫外線を照射し、基板から発光して得られるフォトルミネッセンス光から、所定波長を除く長波長側のフォトルミネッセンス像を得て、この像と隣接する部位との明暗の差から積層欠陥を判別する方法を開示している。
また、加工由来の欠陥の原因の一部となる単結晶炭化珪素基板の表面のスクラッチ等は、例えば、光学顕微鏡などの光学的手法によって、観察することができる。
特許第3761546号公報 特開2011−220744号公報
本発明者は、平滑な表面に仕上げた炭化珪素単結晶基板であっても、炭化珪素半導体層中の欠陥が十分に低減されたレベルではないことを見出した。
本発明は、炭化珪素半導体層中の欠陥がより低減された単結晶炭化珪素基板、その製造方法、および単結晶炭化珪素基板の検査方法を提供することを目的とする。
本願の一実施形態に係る単結晶炭化珪素基板は、表面粗さRaがRa≦1nmを満たす主面を有し、前記主面の面内において、直径100μmの視野で、任意に少なくとも50点以上前記主面を観察したとき、全観察視野数に対して、50μmの長さを超える筋状に観察される潜傷が存在する視野数を潜傷割合として、前記潜傷割合が50%未満である。
前記潜傷割合は、前記単結晶炭化珪素基板の前記主面をミラー電子顕微鏡によって撮影することによって判定されてもよい。
前記ミラー電子顕微鏡の撮影において、5keV以下の加速電圧で、電子線を前記単結晶炭化珪素基板の前記主面に照射したとき、前記主面はチャージアップしない。
本願の一実施形態に係る単結晶炭化珪素基板の製造方法は、主面を有する単結晶炭化珪素基板を用意する工程(A)と、前記単結晶炭化珪素基板の前記主面がRa≦5nmの表面粗さを有するまで、前記主面に機械研磨を施す工程(B)と、前記機械研磨が施された前記主面に化学機械研磨を施す工程(C)と、前記主面をエッチングする工程(D)と、前記工程(C)から前記工程(D)までの間のいずれかにおいて、前記主面を酸化する工程(E)とを包含し、前記工程(C)において、前記化学機械研磨による前記主面の研磨量tは工程(B)における表面粗さRaを用いて、Ra×70≦tの関係を満たしている。
前記工程(E)を前記工程(C)と前記工程(D)との間に行い、前記主面を酸化する工程(E)は、酸素ガスを含む反応性イオンエッチングを用いてもよい。
前記工程(D)と前記工程(E)とを、交互に繰り返してそれぞれ複数回行ってもよい。
前記複数回行う工程(D)のうち、最後に行う工程(D)は、フッ化水素酸を含む水溶液によって行ってもよい。
前記工程(E)を前記工程(C)と同時に行ってもよい。
前記工程(E)を前記工程(D)と同時に行ってもよい。
前記工程(D)および前記工程(E)を、反応性イオンエッチングを用いて行ってもよい。
本願の一実施形態に係る単結晶炭化珪素基板の検査方法は、単結晶炭化珪素基板の主面に、電子線、又は電子線および紫外線を照射しながらミラー電子顕微鏡を用いて前記主面を観察し、前記主面における潜傷割合に基づき、前記単結晶炭化珪素基板の良否を判定する。
前記紫外線のエネルギーは、検査を行う単結晶炭化珪素基板を構成する材料のバンドギャップよりも大きくてもよい。
前記単結晶炭化珪素基板の前記主面は、0.2nm以下の表面粗さを有していてもよい。
前記単結晶炭化珪素基板の前記主面は、5nm以下の酸化物層を有していてもよい。
本発明の単結晶炭化珪素基板の検査方法によれば、光学的手法では観察が困難な欠陥を評価することができる。また、欠陥が抑制された単結晶炭化珪素基板および単結晶炭化珪素基板の製造方法が提供される。
ミラー電子顕微鏡の構成を示す模式図である。 (a)および(b)は、ミラー電子顕微鏡で観察する試料、および静電ポテンシャル分布と電子ビームの反転の様子を模式的に示す図である。 (a)および(b)は、ミラー電子顕微鏡で観察する試料、および静電ポテンシャル分布と電子ビームの反転の様子を模式的に示す他の図である。 本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法を示すフローチャートである。 本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法を示す他のフローチャートである。 本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法を示す他のフローチャートである。 本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法を示す他のフローチャートである。 本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法を示す他のフローチャートである。 (a)から(d)および(b’)、(c’)は、本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法を示す工程断面図である。 (a)および(b)は、ミラー電子顕微鏡の撮影像の例であって、(a)は、紫外線を照射しなかった場合および(b)は、紫外線を照射した場合に得られた画像を示している。
本発明者が、炭化珪素単結晶基板の表面について詳細に検討したところ、光学的手法などでは平滑な表面であると判断される炭化珪素単結晶基板の表面または内部において欠陥の存在が示唆された。本発明は、従来の手法では観察できない欠陥の発生を抑制したものである。以下に本発明について詳しく説明する。
まず、本発明者は、光学的手法などでは平滑な表面であると判断される炭化珪素単結晶基板の表面について、ミラー電子顕微鏡(MEM:Mirror Electron Microscope)を用いて潜在する欠陥の確認を試みた。ミラー電子顕微鏡は、被観察対象部の等電位面を視覚化できるため、潜在する欠陥に起因した等電位面の変化を捉えることが可能と考えたためである。なお、ミラー電子顕微鏡については後に詳しく説明する。本発明者の詳細な検討によれば、従来の光学的手法などでは観察できない欠陥は、表面から単結晶炭化珪素基板の内部に存在していると考えられ、ミラー電子顕微鏡を用いて筋状に観察されることから、筋状に異なる等電位面を有することがわかった。以下、このような原因を「潜傷」と呼ぶ。潜傷は、基板表面を機械的研磨する際に基板内部に生成した歪層(破砕層)が、後の研磨加工によっても除去しきれず、残存している部分や、CMP等によって、基板内部に生成した、基板の均一な材料とは異質な部分であると推察される。
なお、本願明細書において、主面とは、単結晶炭化珪素基板を構成している複数の面のうち、炭化珪素半導体層を形成する面を意味している。また、単結晶炭化珪素基板を規定する概念的な面(face)を意味している。一方、表面(surface)とは、概念的な面において露出している領域をいう。したがって、単結晶炭化珪素基板の主面を研磨しても、主面であることには変わりがないが、研磨により主面において露出する表面は変わってゆく。
本願発明者の検討によれば、単結晶炭化珪素基板の主面に存在する潜傷は、特許文献1に開示された方法や、例えば、一般的な光学的手法によるウエハ表面の検査装置(例えばKLA社のCandela等)を用いても原子の大きさと同程度に平坦であるため確認できない。
潜傷は基板内部に存在するため、一般に、非破壊検査によって検出することは難しいと考えられる。例えば、GaN基板では、カソードルミネッセンスを用いることによって、基板内部の欠陥を観察できることが報告されている(例えば、特開2010−254576号公報)。しかし、GaN基板は直接遷移型の半導体によって構成されており、間接遷移型の半導体である炭化珪素の基板を同様の方法によって検査することはできない。
本願発明者はこのような課題に鑑み、ミラー電子顕微鏡を用いて単結晶炭化珪素基板中の潜傷を観察することを想到した。また、ミラー電子顕微鏡によって観察される潜傷の密度に基づき、単結晶炭化珪素基板を評価すること、およびこの評価に基づいて、潜傷が少ない高品位な単結晶炭化珪素基板を製造する方法を想到した。
以下、図面を参照しながら、単結晶炭化珪素基板、単結晶炭化珪素基板の製造方法、および単結晶炭化珪素基板の検査方法の実施の形態を説明する。
(ミラー電子顕微鏡)
まずミラー電子顕微鏡を説明する。ミラー電子顕微鏡は、例えば、日立評論、2012年2月号、46−51ページに説明されている。ミラー電子顕微鏡は電子顕微鏡の一種であり、試料に向けて照射した電子ビームを試料の直前で減速反転させ、戻ってきた電子ビームを電子レンズによって結像することによって試料の表面状態を観察する装置である。図1は、ミラー電子顕微鏡の構成を模式的に示している。図1に示すように、ミラー電子顕微鏡11は、電子源12と、第1の電子レンズ14と、セパレータ16と、第2の電子レンズ21と、蛍光板22と撮像装置23とを備える。
電子源12には、電源13が接続され、電子源12は電子ビームを出射する。電子ビーム15は第1の電子レンズ14によって、収束され、セパレータ16を通過し、試料18の表面に向けて進む。
試料18はステージ上に電気的に絶縁され支持される。また試料18は、電源17によって負電位が与えられる。このため、電子ビーム15は、試料18に与えられた負電位によって、試料18には衝突せず、試料18の表面近傍で反転し、試料18から遠ざかる。
試料18から戻る電子ビーム20はセパレータ16を通過し、第2の電子レンズ21によって収束する。セパレータ16は試料18へ向かう電子ビーム15と試料18から戻る電子ビーム20との光路を分離する。これにより、蛍光板22の表面で像が形成される。撮像装置23は、蛍光板22において形成された像を撮影する。
このようにミラー電子顕微鏡11は、試料18の表面で反転した電子ビームを利用するため、試料18表面近傍の静電ポテンシャルを反映した形状および試料18の表面から内部の電子分布を反映した形状を画像化することができる。
図2および図3は、ミラー電子顕微鏡における、試料18の表面形状および内部の電子分布とこれらにより影響を受ける電子ビームを模式的に示している。図2(a)に示すように、試料18の表面に凸部18aが存在する場合、試料18の表面における等電位面は、凸部18aにおいて盛り上がる。このため、電子ビームは、等電位面の盛り上がった部分で広がるように散乱すると考えられる。同様に図2(b)に示すように、試料18の表面が平坦であっても、試料18の表面近傍に負電荷が局在している場合、その部分において、電子ビームは広がるように散乱する。この場合、第2の電子レンズ21によって形成される像において、電子が散乱している部分は、その周囲に比べて、暗くなる。
一方、図3(a)に示すように、試料18の表面に凹部18bが存在する場合、試料18の表面における等電位面は、凹部18bにおいて窪む。このため、電子ビームは、等電位面の窪んだ部分で収束すると考えられる。同様に図3(b)に示すように、試料18の表面が平坦であっても、試料18の表面近傍に正電荷が局在している場合、その部分において、電子ビームは収束する。この場合、第2の電子レンズ21によって形成される像において、電子が収束している部分は、その周囲に比べて明るくなる。
上述したように、ミラー電子顕微鏡で観察を行う場合、試料18は負電位にバイアスされる。したがって、試料18として単結晶炭化珪素基板を用いる場合、基板に潜傷が存在すると、試料18表面の負電位に対して、潜傷に電荷が局在するため、単結晶炭化珪素基板の表面が平坦であっても、基板内部の潜傷を画像化し、観察することができる。
また、上述した原理に基づき、ミラー電子顕微鏡による試料の観察を行うため、特に、試料の表面における絶縁性が高い場合、試料がチャージアップする可能性がある。この場合でも、チャージアップ、つまり、試料内での電子の蓄積は、試料の表面形状や、試料内部の材料の均一性をある程度反映し得る。ただし、蓄積させる電子が多くなると、観察したい微小な表面形状や試料内部の材料分布が等電位面に反映されない可能性がある。このような場合には、試料のチャージアップを解消させることが好ましい。
試料が単結晶炭化珪素基板である場合、例えば、基板を構成している炭化珪素のバンドギャップ(3.2eV)以上のエネルギーを有する紫外線を単結晶炭化珪素基板に照射すると、基板内に正孔−電子対が生成する。生成した正孔は電子と結合することによってチャージアップの原因となる電子を減少させることができる。また、紫外線は、ある程度単結晶炭化珪素基板の内部にまで侵入する。例えば、波長365nm(エネルギー:3.4eV)の紫外線を用いる場合、120μm程度まで、紫外線は単結晶炭化珪素基板の内部へ侵入する。これにより、生成した正孔−電子対の電子は、単結晶炭化珪素基板の内部の潜傷にトラップされると考えられる。よって、紫外線を照射しながら、単結晶炭化珪素基板をミラー電子顕微鏡で観察した場合、5keV以下の加速電圧で、電子線を単結晶炭化珪素基板の主面に照射しても、チャージアップが抑制されるとともに、撮影した画像における潜傷のコントラストがより大きくなり、潜傷が見やすくなる。
このように、ミラー電子顕微鏡を用いて単結晶炭化珪素基板の主面を観察した場合、得られた観察画像中において、周囲よりも明るくまたは暗く示される潜傷が存在する。本願発明者の詳細な検討によれば、このような潜傷は、単結晶炭化珪素基板を製造する機械的研磨工程およびCMP工程においてそれぞれ生成すると考えられることが分かった。
したがって、単結晶炭化珪素基板を製造する際、潜傷ができるだけ生成しないようにすること、および、生成した潜傷をできるだけ除去することによって、潜傷が少なく、高品位な炭化珪素半導体層を形成することのできる単結晶炭化珪素基板を製造することができる。
(単結晶炭化珪素基板の製造方法)
以下、本実施形態の単結晶炭化珪素基板を製造する方法を詳細に説明する。
図4Aは、本発明による単結晶炭化珪素基板の製造方法の第1の実施形態を示すフローチャートである。また、図5(a)から(d)、(b’)および(c’)は、単結晶炭化珪素基板の製造過程における工程ごとの断面図を示している。
まず、工程S10および図5(a)に示すように、主面30sを有する単結晶炭化珪素基板30を用意する。単結晶炭化珪素基板30は、所望のポリタイプの単結晶炭化珪素のインゴットから、所望の結晶方位を主面30sが有するようにスライスすることにより得られる。単結晶炭化珪素基板30の厚さ、大きさおよび結晶方位に特に制限はなく、用途に応じた厚さ、大きさおよび結晶方位を選択し得る。例えば、単結晶炭化珪素基板30の厚さは、200μm以上600μm以下であり、直径は、2インチ以上8インチ以下である。また、主面30sの結晶方位は、六方晶の炭化珪素の場合(0001)、(000−1)、立方晶の場合は(111)等、これらの方位から、0°より大きく10°以下で傾斜していてもよい。図5(a)に示すように、単結晶炭化珪素基板30の主面30sには、単結晶炭化珪素のインゴットをスライスする際に生じた歪層(加工変質層)33が生成している。
次に工程S11で示すように、用意した単結晶炭化珪素基板30の主面30sを機械研磨によって研磨する。機械研磨には、例えば、ダイヤモンドなどの砥粒を用い、研磨機や研削機などの装置を用いる。
機械研磨によって主面30sの表面30s(1)の表面粗さは徐々に小さくなる。これにより図5(b)に示すように、主面30sに位置する歪層33の厚さは小さくなる。ただし、機械研磨で用いる砥粒によってスクラッチ34およびスクラッチ34よりも内部に位置する歪層が新たに生成する。この歪層は潜傷30d(a)となる。潜傷30d(a)は、スクラッチ34の深さ、つまり、主面30sの表面30s(1)の粗さに依存する。このため、機械研磨後の主面30sの表面30s(1)の粗さは、できるだけ小さい方が好ましい。具体的に機械研磨後の主面30sの表面30s(2)の粗さRaはRa≦5nm程度であることが好ましい。このように、機械研磨によってできるだけ主面の表面の粗さを小さくすることにより、潜傷30d(a)の密度を小さくすることができるため、さらに好ましくはRa≦3nm、特にRa≦1nmであることが好ましい。機械研磨で達成可能な主面の表面の粗さとしてはRa≧0.3nm程度まで可能であるが、機械研磨加工のコストに見合った粗さとしては、少なくともRa≧0.5nmであることが望ましい。
次に工程S12で示すように、主面30sに化学機械研磨を施す。CMPに用いる研磨スラリーは、分散媒および分散媒に分散した砥粒を含む。
主面の粗さRaは、例えば、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope;AFM)を用いて測定することができる。具体的には、例えば、Digital Instruments社製のNanoscope 3Aを用いて測定することができる。
研磨スラリーに含まれる砥粒としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化チタンなどを用いることができる。このうち、砥粒が液体に均一に分散しやすいという点でコロイダルシリカ、ヒュームドシリカなどの酸化珪素砥粒を用いることが好ましい。分散媒には通常水が用いられる。
図5(c)に示すように、CMP工程によって、歪層33はほぼ完全に除去される。また、潜傷30d(a)も除去される。ただし、CMP工程によって、主面30sの表面30s(3)に珪素、炭素および酸素を含む複合酸化物である潜傷30d(b)が残存している。
CMP工程における加工量tは、Ra×70≦tを満たしていることが好ましい。Raは上述した機械研磨後の主面30sの表面30s(2)の粗さである。これにより、歪層33をほぼ完全に除去することができる。また、CMP工程による加工はコストがかかるため、加工量tは直前の機械研磨で用いた砥粒の最大粒径Dより小さい、即ち、加工量t≦Dを満たすことが好ましい。より好ましくは、加工量tは、Ra×200≦t≦Dを満たしており、さらに好ましくは、加工量tは、Ra×1000≦t≦Dを満たしている。
次に、工程S13に示すように、化学機械研磨を施した主面30sの表面30s(3)をエッチングする。エッチングにより、主面30sの表面30s(3)から所定の深さで炭化珪素が除去され、CMP工程で生成した潜傷30d(b)を除去することができる。これにより、潜傷30d(a)および潜傷30d(b)が低減した、単結晶炭化珪素基板を得ることができる。
エッチングを気相エッチングによって行う場合、たとえば、イオンエッチング、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;以下省略してRIEと記載することもある。)、プラズマエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチングなどを用いることができる。
気相エッチングに用いるガス種に特に制限はない。しかし、四フッ化炭素、六フッ化硫黄などのフッ素を含むガスや、水素など、炭化珪素と反応性を有するガスを用いることが好ましい。
印加するパワーなどエッチングの諸条件については、エッチングに用いる装置などにより決定される。エッチング速度は10μm/hを超えないことが好ましい。エッチング速度が10μm/hを超える場合、エッチング条件が単結晶炭化珪素基板30の主面30sに対して激しすぎ、主面30sにイオンの衝突によるダメージが入ったり、エッチング後の主面30sの表面モフォロジーが悪化したりする可能性があるため好ましくない。
エッチングを液相で行う場合、例えば、フッ化水素酸を含む水溶液を用いて行うことができる。具体的には、フッ化水素酸、バッファードフッ化水素酸(BHF)、フッ硝酸などを用いることができる。
気相および液相のいずれでエッチングを行う場合でも、工程S13の後、更に純水によって単結晶炭化珪素基板をリンスしてもよい。
本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法では、このエッチング工程において、単結晶炭化珪素が部分的に酸化されることによって生成する潜傷30d(b)をできるだけ取り除くことが好ましい。このため、エッチング工程において、例えば、主面30sの表面30s(3)から20nm以上500nm以下の範囲の厚さ(深さ)で単結晶炭化珪素基板をエッチングすることが好ましい。これにより、単結晶炭化珪素基板40の主面30sから基板の一部とともに、潜傷30d(b)が除去され、図5(d)に示すように、潜傷をほとんど含まない単結晶炭化珪素基板を得ることができる。
本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法において、潜傷30d(a)および潜傷30d(b)を効率よく除去するために、CMP工程S12からエッチング工程S13までの間のいずれかにおいて、主面30sの表面30s(2)または30s(3)を酸化させてもよい。ここで、CMP工程S12からエッチング工程S13までの間のいずれかにおいてとは、CMP工程S12またはエッチング工程S13と同時に、または、CMP工程S12とエッチング工程S13との間に主面30sの表面30s(2)または30s(3)を酸化させる工程を行うことを意味する。
まず、主面30sの表面30s(2)または30s(3)を酸化させながら、CMP工程(S12)またはエッチング工程(S13)を行う例を説明する。
例えば図4Bに示すように、機械研磨工程(S11)後、CMPと酸化とを同時に行う工程S12’を用いてもよい。このために、研磨スラリーは酸化剤をさらに含んでいてもよい。つまり、分散媒に酸化剤が溶解されていてもよい。酸化剤には、例えば、過酸化水素、オゾン、過マンガン酸塩、過酢酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩および次亜塩素酸塩のうちから選ばれる少なくとも一種を含む酸化剤を用いることができる。これにより、CMP工程中に歪層33の酸化も行われる。具体的には、図5(b’)に示すように、CMP工程中に主面30sの表面30s(2)が酸化され、歪層33に酸化物層35が形成される。よって、CMPによって、歪層33をエッチングする速度が大きくなり、より確実に潜傷30d(a)を除去することが可能となる。
また、図4Cに示すように、CMP工程(S12)後、エッチングと酸化とを同時に行う工程S13’を用いてもよい。このために、エッチングを酸化雰囲気で行ってもよい。例えば、エッチング工程S13’を気相エッチングで行う場合には、上述したガスに酸素を添加したガスを用いてもよい。エッチングを液相で行う場合には、上述したエッチング液に過酸化水素、硫酸、塩酸等の酸化剤を添加することができる。これにより、図5(c’)に示すように、潜傷30d(b)が存在する表面30s(3)において、炭化珪素が酸化してケイ素酸化物に変わり、酸化物層35が形成される。酸化物層35は酸素を多く含み炭素やケイ素が酸化された状態にあるため、表面30s(3)がエッチングされやすくなる。よってエッチング工程におけるエッチング速度が大きくなり、より確実に潜傷30d(b)を除去することが可能となる。
また、エッチング工程における潜傷30d(b)の除去をより確実にするために、図4Dに示すように、CMP工程S12とエッチング工程S13との間に酸化工程S14を行ってもよい。
例えば、主面30sの表面30s(3)を気相で酸化し、酸化物を形成する。この工程により潜傷30d(b)を含む炭化珪素が気相で酸化され、図5(c’)に示すように、主面30sに酸化物層35が形成される。酸化工程S14には、ウェット酸化、陽極酸化、プラズマ酸化法、熱酸化法およびオゾン酸化法のうち、いずれかの方法を用いることができる。
プラズマ酸化法を用いて酸化工程S14を行う場合、例えば、反応性イオンエッチングによって単結晶炭化珪素基板30の主面30sの表面30s(3)を酸素プラズマに曝すことによって酸化物層35を形成することができる。たとえば、酸素雰囲気または酸素およびArなどの不活性ガスを含む雰囲気中、10-1〜102Pa程度の圧力および0.01〜2W/cm2のパワーでプラズマ酸化を行う。続いて行うエッチング工程S13を反応性イオンエッチングによって行う場合には、反応性イオンエッチングと同じ装置でプラズマ酸化を行うことが好ましい。単結晶炭化珪素基板30の移送等を行う必要がなく、ガスの入れ換えのみによって2つの工程を連続して行うことができるからである。
熱酸化法を用いる場合には、酸素雰囲気下で単結晶炭化珪素基板30を高温に保ち、酸化物層35を形成する。たとえば、単結晶炭化珪素基板30を900℃〜1500℃の温度に保ち、酸素雰囲気下で、10分〜240分間保持する。
オゾン酸化法を用いる場合、単結晶炭化珪素基板30の主面30sの表面30s(3)をオゾンに曝す。たとえば、オゾン気流中で単結晶炭化珪素基板30に紫外線を1分〜60分間照射する。
酸化工程S14を行う場合、続く、エッチング工程S13では、主として生成した酸化物層35を除去する。酸化物層35は炭化珪素の一部が酸化され、ミクロ的な視点では主として酸化珪素からなり、酸化工程S14を行わない場合のエッチング工程S13に比べて、より温和な条件で酸化物層35をエッチングすることができる。
また、酸化工程S14を行う場合、酸化工程S14とエッチング工程S13とを交互に繰り返してそれぞれ複数回行ってもよい。これにより、酸化工程S14をより温和な条件で行うことができ、酸化工程S14で用いる条件によって、単結晶炭化珪素基板にダメージを与える可能性を低減したり、酸化工程S14における温度を下げたり、プラズマ発生のための出力を低下させることができる。
さらに、酸化工程S14とエッチング工程S13とを交互に繰り返してそれぞれ複数回行う場合最後に行うエッチング工程S13は、フッ化水素酸を含む水溶液によって行うことが好ましい。これにより、単結晶炭化珪素基板にダメージを与えることなく、主面30sの表面30s(3)から酸化物を除去し、単結晶炭化珪素基板を仕上げることができる。
さらに、機械研磨によって生成した潜傷30d(a)およびCMP工程で生成した潜傷30d(b)の両方を効率的に除去するため、CMP工程およびその後のエッチング工程のいずれにおいても酸化工程を同時に行ってもよい。例えば、図4Eに示すように、機械研磨工程(S11)後、上述したようにCMPと酸化とを同時に行う(S12’)。その後、工程S13−1で示すように、気相または液相によってエッチングを行う。続いて、工程S13’で示すように、エッチングおよび酸化を同時に行う。最後に工程S13−2で示すように、再度気相または液相によってエッチングを行う。工程S13−1およびS13−2のいずれか一方または両方はなくてもよい。この方法によれば、上述したように、潜傷30d(a)および潜傷30d(b)が効率的に除去されるため、単結晶炭化珪素基板の生産性を高めることができる。
(単結晶炭化珪素基板の検査方法および本実施形態の単結晶炭化珪素基板)
次に本実施形態による単結晶炭化珪素基板の検査方法を説明する。本実施形態の単結晶炭化珪素基板の検査方法は、研磨が施された主面を有する単結晶炭化珪素基板に、電子線、または、電子線および紫外線を照射しながらミラー電子顕微鏡を用いて主面を観察し、主面における潜傷割合に基づき、単結晶炭化珪素基板の良否を判定する。これにより、従来の炭化珪素基板の検査方法では、非破壊では検出することができなかった潜傷の有無を評価することができ、潜傷割合を制御することによって、より高品位な単結晶炭化珪素基板であるか否かを判定することが可能となる。
ミラー電子顕微鏡を用いて主面を観察する際には、上述したように主面に紫外線で照射することが好ましい。これにより、単結晶炭化珪素基板のチャージアップを抑制し、より確実に潜傷を観察することが可能となる。
検査方法の一例として、例えば、主面の面内全体における潜傷割合を評価に用いることができる。ここで、潜傷割合は、炭化珪素基板の主面に所定の間隔で観察点を設定し、潜傷が確認できた観測点の数を全観測点の数で除した値で定義される。観測点におけるミラー電子顕微鏡の視野は、例えば、直径100μm以上直径200μm以下の円であり、観察点は例えば、200μm以上基板の半径以下の間隔で設定される。隣接する観察点との中間に境界を設定し、各観察点を中心とする領域を観察領域と定義する場合、観察領域に対する電子顕微鏡の視野の大きさは0.0001%以上100%以下であることが好ましい。
この検査方法によれば、1本の筋状の潜傷が観測点にまたがって存在する場合、複数の領域に潜傷が存在すると評価されるため、潜傷の数に加え、潜傷の長さや大きさも考慮して単結晶炭化珪素基板の良否を判定することができる。例えば、検査方法によって評価した潜傷割合が50%未満である場合、後工程でエピタキシャル成長を含む半導体プロセスを経て作成されるSBD(Schottky Barrier Diode)素子は、例えば適切な製品歩留まりである平均80%程度の収率で製造することができる。また、SBD素子と比較し炭化珪素半導体層の表面の影響が大きいMOS FET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)素子の場合、前述にて定義した潜傷割合が好ましくは10%未満、さらに好ましくは0%であることが好ましい。当然、SBD素子の場合も、さらに収率を上げるため、10%未満であることが好ましい。
したがって、本実施形態の検査方法によって単結晶炭化珪素基板を評価することにより、非破壊で、単結晶炭化珪素基板中の加工由来の潜傷が低減しており、高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させることが可能な単結晶炭化珪素基板を選別することができる。また、光学顕微鏡等では評価が困難な潜傷が低減しており、高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させることが可能な単結晶炭化珪素基板を得ることが可能となる。
本実施形態の検査方法において、潜傷を、ミラー電子顕微鏡の視野を規定する円の直径の1/2以上の長さを有し、かつ、筋状形状を有していると定義する。上述したように、潜傷は機械研磨の研磨傷に由来すると考えられるため筋状になると考えられる。判定の基準として視野の直径の半分以上の長さを有しているとすることで、例えば、ミラー電子顕微鏡による評価比較的容易となり、かつ、再現性の高い評価が可能となるからである。具体的には、ミラー電子顕微鏡の視野を規定する円の直径が100μmである場合、50μm以上の長さを有する筋状形状の潜傷が確認できた観測点の数を求める。
ただし、単結晶炭化珪素基板の主面の表面粗さが大きい場合、特に潜傷以外の光学的手法で観察可能な凹凸がある場合、画像に表面粗さの影響が生じ、潜傷が観察しにくい場合がある。また、主面に5nmを超えるような厚い酸化物層が形成されている場合、紫外線を照射しても、チャージアップにより、潜傷が観察しにくい場合がある。このため、ミラー電子顕微鏡を用いて潜傷の密度を評価する場合、単結晶炭化珪素基板の主面における表面粗さRaは1nm以下であり、最大高さRmaxは10nm以下であることが好ましく、特にRaは0.2nm以下であることが好ましい。また、主面に生じている酸化物層の厚さは、5nm以下であることが好ましい。最大高さRmaxは、粗さRaと同様、例えば、AFMによって測定することができる。
以下の実施例で説明するように、本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法を用いて製造された単結晶炭化珪素基板は、この基準を満たし得る。このため、例えば、本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法に従って、具体的な製造条件等を決定し、決定された条件に従って作製した単結晶炭化珪素基板が、本実施形態の検査方法によって、潜傷割合が50%未満であるという判定条件を満たすことが確認できた場合、決定された条件による製造方法で作製した単結晶炭化珪素基板を、常に本実施形態の検査方法によって検査しなくても、潜傷割合が50%未満である単結晶炭化珪素基板が得られる。つまり、本実施形態の単結晶炭化珪素基板は、本実施形態の検査方法によって潜傷割合が50%未満であることを確認したものに限られない。
(実施例1)
本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法により、単結晶炭化珪素基板を作製し、ミラー電子顕微鏡によって潜傷を観察した結果を示す。
単結晶炭化珪素基板を図4Eに示す手順で作製した。まず、単結晶炭化珪素のインゴットを切断し、適切な厚さを有する基板を得た(S10、工程(A))。基板の切断面の粗さから適切な砥粒を選定し、基板の主面を機械研磨などにより平坦に加工した(S11、工程(B))。例えば中心粒径5μmのダイヤモンドを用い、面粗さRa<10nmとなるように主面を研磨した。その後、最大粒径1μmのダイヤモンド砥粒と金属定盤を用い、面粗さRa<1nmとなるように主面を研磨した。
次に、主面を、コロイダルシリカを主成分として酸化剤を添加したスラリーと研磨パッドを用い、Ra<0.2nmとなるように、1μmの研磨量でCMPを行った(S12’、工程(C)、(E))。これにより酸化工程とCMP工程とを同時に行った。CMP終了後、基板をHFを含む溶液で洗浄した(S13−1、工程(D))。さらに、酸素を用いたRIEおよびCF4を用いたRIEによって、主面を20nmエッチングした。これにより、酸素を用いたRIEによって酸化工程とエッチング工程を同時に行う(S13’、工程(D),(E))と共に、CF4を用いたRIEによってエッチング工程を行い、それらを繰り返し行った。その後、HFを含む溶液にて基板の主面をエッチング(S13−2、工程(D))した後、純水にてリンス洗浄を行った。主面以外のもう一方の面は、目的に応じて、放熱のためにRaの大きな面としても良いし、エピタキシャル成長させるために第2の主面としても良い。もう一方の面を第2の主面とする場合、第1の主面にCMP工程と酸化工程とエッチング工程と含む工程を行った後第1の主面をレジストにてマスクし、第2の主面に同じ工程を行えばよい。
比較のため、図4Eに示す製造工程において、CMP工程S12’まで単結晶炭化珪素基板の主面全体に処理を施し、エッチング工程S13−1を行う前に、主面の一部をレジストで覆い、エッチング工程S13−1、S13’、S13−2が行われなかった領域を作製した。
また、ミラー電子顕微鏡の観察条件は以下の通りである。加速電圧5keV、波長365nmの紫外線を照射ありと無しの両方の条件で観察した。
図6(a)および(b)にミラー電子顕微鏡によって得られた画像の一例を示す。図6(a)および(b)において、領域40は、直径100μmの円形の観察領域40を示している。領域40中、右上の部分41は、エッチング工程S13が行われなかった領域を示し、左下の部分42は、本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法にしたがって、全ての工程が施された領域を示している。また、図6(a)は、紫外線を照射しないで撮影され、図6(b)は、波長365nmの紫外線を照射しながら撮影を行った結果を示す。
図6(a)に示すように、領域40の部分41には、白点がみられる。これは、試料がチャージアップしていることを示している。一方、領域40の部分42には白点は見られない。また、部分41、42のいずれにおいても筋状の部分は見られない。
図6(b)に示すように、紫外線を照射して撮影した画像では、部分41の白点は消失している。しかし、図6(b)において点線の円43で囲む領域に黒い筋状の部分がみられる。これは、潜傷であると考えられる。部分42には、図6(a)と同様このような筋状部分は見られない。
このように、本実施形態の単結晶炭化珪素基板の製造方法によって得られた単結晶炭化珪素基板には、筋状の潜傷が、観察領域において観察されなかった。したがって、本実施形態によれば、潜傷が少なく、欠陥密度が少ない高品位な炭化珪素半導体層を形成し得る、単結晶炭化珪素基板をえることができることが分かる。また、本実施形態の単結晶炭化珪素基板の検査方法によって、潜傷を観察することが可能であり、潜傷の密度に基づき単結晶炭化珪素基板の品質を評価し得ることが分かる。
(実施例2)
単結晶炭化珪素基板の製造工程における、機械研磨後の面粗さRa、CMP時の研磨量t、RIEにおけるCF4によるエッチング(除去工程)およびO2によるエッチング(酸化工程)の有無を異ならせ、実施例A〜Eおよび比較例A〜Fの試料を作製した。条件を表1に示す。それ以外の条件については実施例1と同じ条件とした。
作製した実施例A〜Eおよび比較例A〜Fの単結晶炭化珪素基板の潜傷割合を求めた。直径100mmの大きさの単結晶炭化珪素基板の周辺部2mmを除いた有効エリアに85点の観察点を設定した。
ミラー電子顕微鏡を用い、各観察点において単結晶炭化珪素基板の主面を撮影した。ミラー電子顕微鏡の視野は直径100μmであった。
各観察点における撮影された画像から、潜傷の有無を確認し、潜傷が見られた観察点の数を求めた。また、潜傷が見られた観察点の数を全観察点数で除した潜傷割合を求めた。結果を表1に示す。
実施例A〜Eに示されるように、CMPによる研磨量tと機械研磨後の主面の粗さRaとが、Ra×70≦tの関係を満たしている場合、潜傷割合は50%未満であることが分かる。また、CMPによる研磨量tが大きい方が潜傷割合を小さくすることができる。特に、実施例A、Bに示されるように、CF4によるエッチングおよびO2によるエッチングを行い、Ra×1000≦tの関係を満たしている場合、潜傷は観察されなかった。
また、実施例Bと実施例Eとの比較からCMP工程と酸化工程を同時に行うだけでなく、O2によるエッチング、つまり、エッチング工程においても同時に酸化工程を行ったほうが潜傷を減少させることが分かる。
一方、比較例A、Bから分かるように、CF4によるエッチングおよびO2によるエッチングを行なっても、Ra×70≦tの関係を満たさない場合、単結晶炭化珪素基板に多くの潜傷が存在することが分かる。
このように本実施例によれば、ミラー電子顕微鏡を用いて潜傷を観察することが可能であり、潜傷割合によって、単結晶炭化珪素基板の品質を評価することが可能である。また、本実施例によれば、潜傷割合が50%未満であり、単結晶炭化珪素基板中の加工由来の欠陥が低減され、高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させることが可能な単結晶炭化珪素基板が得られる。
本発明は、種々の半導体素子を作製するための炭化珪素単結晶基板の製造に好適に用いられる。
11 ミラー電子顕微鏡
12 電子源
13 電源
14 第1の電子レンズ
15 電子ビーム
16 セパレータ
18 試料
18a 凸部
18b 凹部
20 電子ビーム
21 第2の電子レンズ
22 蛍光板
23 撮像装置
30 単結晶炭化珪素基板
30s 主面
30d(a)、30d(b) 潜傷
33 歪層
34 スクラッチ
35 酸化物層

Claims (14)

  1. 表面粗さRaがRa≦1nmを満たす主面を有し、
    前記主面の面内において、直径100μmの視野で、任意に少なくとも50点以上前記主面を観察したとき、全観察視野数に対して、50μmの長さを超える筋状に観察される潜傷が存在する視野数を潜傷割合として、前記潜傷割合が50%未満である、単結晶炭化珪素基板。
  2. 前記潜傷割合は、前記単結晶炭化珪素基板の前記主面をミラー電子顕微鏡によって撮影することによって判定された請求項1に記載の単結晶炭化珪素基板。
  3. 前記ミラー電子顕微鏡の撮影において、5keV以下の加速電圧で、電子線を前記単結晶炭化珪素基板の前記主面に照射したとき、前記主面はチャージアップしない請求項2に記載の単結晶炭化珪素基板。
  4. 主面を有する単結晶炭化珪素基板を用意する工程(A)と、
    前記単結晶炭化珪素基板の前記主面がRa≦5nmの表面粗さを有するまで、前記主面に機械研磨を施す工程(B)と、
    前記機械研磨が施された前記主面に化学機械研磨を施す工程(C)と、
    前記主面をエッチングする工程(D)と、
    前記工程(C)から前記工程(D)までの間のいずれかにおいて、前記主面を酸化する工程(E)と
    を包含し、
    前記工程(C)において、前記化学機械研磨による前記主面の研磨量tは工程(B)における表面粗さRaを用いて、
    Ra×70≦t
    の関係を満たしている、
    単結晶炭化珪素基板の製造方法。
  5. 前記工程(E)を前記工程(C)と前記工程(D)との間に行い、
    前記主面を酸化する工程(E)は、酸素ガスを含む反応性イオンエッチングを用いる、請求項4に記載の単結晶炭化珪素基板の製造方法。
  6. 前記工程(D)と前記工程(E)とを、交互に繰り返してそれぞれ複数回行う請求項4または5に記載の単結晶炭化珪素基板の製造方法。
  7. 前記複数回行う工程(D)のうち、最後に行う工程(D)は、フッ化水素酸を含む水溶液によって行う請求項6に記載の単結晶炭化珪素基板の製造方法。
  8. 前記工程(E)を前記工程(C)と同時に行う、請求項4に記載の単結晶炭化珪素基板の製造方法。
  9. 前記工程(E)を前記工程(D)と同時に行う、請求項4に記載の単結晶炭化珪素基板の製造方法。
  10. 前記工程(D)および前記工程(E)を、反応性イオンエッチングを用いて行う請求項5から7および9のいずれかに記載の単結晶炭化珪素基板の製造方法。
  11. 単結晶炭化珪素基板の主面に、電子線、又は電子線および紫外線を照射しながらミラー電子顕微鏡を用いて前記主面を観察し、前記主面における潜傷割合に基づき、前記単結晶炭化珪素基板の良否を判定する、単結晶炭化珪素基板の検査方法。
  12. 前記紫外線のエネルギーは、検査を行う単結晶炭化珪素基板を構成する材料のバンドギャップよりも大きい請求項11に記載の単結晶炭化珪素基板の検査方法。
  13. 前記単結晶炭化珪素基板の前記主面は、0.2nm以下の表面粗さを有する請求項11または12に記載の単結晶炭化珪素基板の検査方法。
  14. 前記単結晶炭化珪素基板の前記主面は、5nm以下の酸化物層を有する請求項11から13のいずれかに記載の単結晶炭化珪素基板の検査方法。
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