JP2017071525A - 半導体積層体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エピ層の大幅な研磨を必要とすることなく、エピ層内の基底面転位の密度を低減することが可能な炭化珪素からなる半導体積層体の製造方法を提供する。【解決手段】半導体積層体の製造方法は、炭化珪素からなり、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である第１主面１０Ａを有する基板１０を準備する工程と、第１主面１０Ａに、基板１０に含まれる転位に対応するピットを形成する工程と、ピットが形成された第１主面１０Ａ上に、炭化珪素からなるエピ層２０を形成する工程と、を備える。ピットを形成する工程では、深さ５０ｎｍ以下のピットが形成される。【選択図】図８

Description

本発明は半導体積層体の製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）層を動作層として含む半導体装置（ＳｉＣ半導体装置）は、炭化珪素からなる基板上に炭化珪素からなるエピ層が形成された半導体積層体を準備し、エピ層上に二酸化珪素からなる絶縁膜や金属などの導電体からなる電極を形成することにより製造することができる。炭化珪素からなる基板内には、貫通転位および基底面転位が不可避的に形成される。そして、何ら対策を講じることなく基板上にエピ層を形成すると、基板に含まれる転位に起因して、エピ層にも貫通転位および基底面転位が形成される。

このような半導体積層体を用いてＳｉＣ半導体装置を製造した場合、ＳｉＣ半導体装置の動作中に、特性が劣化する場合がある。これは、エピ層に電流が流れることで、基底面転位が生成サイトとなって積層欠陥が生成し、エピ層の結晶性が低下することが原因である。

この基底面転位に起因したＳｉＣ半導体装置の特性の劣化を抑制する目的で、炭化珪素からなる基板の主面を溶融水酸化カリウムによりエッチングする技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。これにより、基板の主面に露出する転位（貫通転位および基底面転位）に対応する領域にピットが形成される。そして、当該主面上にエピ層を形成すると、エピ層内で基底面転位が貫通転位に変換される。その結果、エピ層内の基底面転位の密度が低減され、上記動作中のＳｉＣ半導体装置の特性の劣化が抑制される。

ＵＳ２００５／００６４７２３号明細書

しかし、上記特許文献１に記載のように炭化珪素からなる基板の主面を溶融水酸化カリウムによりエッチングした場合、基板の主面には深さ５〜１０μｍ程度のピットが形成される。そして、基板の主面上にエピ層を形成すると、基板のピットに起因して、エピ層の基板とは反対側の主面にも深さ５〜１０μｍ程度の凹部が形成される。このような凹部は、その後の半導体装置の製造の妨げとなる。そのため、エピ層の主面を研磨により、たとえば１５μｍ程度の厚み分だけ除去して平坦化する必要が生じる（たとえば、特許文献１の段落［００４２］参照）。このようなエピ層の大幅な研磨は、半導体装置の製造コストを上昇させる原因となる。

そこで、エピ層の大幅な研磨を必要とすることなく、エピ層内の基底面転位の密度を低減することが可能な炭化珪素からなる半導体積層体の製造方法を提供することを目的の１つとする。

本発明に従った半導体積層体の製造方法は、炭化珪素からなり、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である第１主面を有する基板を準備する工程と、第１主面に、基板に含まれる転位に対応するピットを形成する工程と、ピットが形成された第１主面上に、炭化珪素からなるエピ層を形成する工程と、を備える。ピットを形成する工程では、深さ５０ｎｍ以下のピットが形成される。

上記半導体積層体の製造方法によれば、エピ層の大幅な研磨を必要とすることなく、エピ層内の基底面転位の密度を低減することができる。

実施の形態１における半導体積層体の概略的な製造方法を示すフローチャートである。 基板の構造を示す概略断面図である。 図２の基板の主面付近を拡大して示す概略断面図である。 酸化膜が形成された基板の構造を示す概略断面図である。 図４の基板の主面付近を拡大して示す概略断面図である。 酸化膜が除去された基板の構造を示す概略断面図である。 図６の基板の主面付近を拡大して示す概略断面図である。 半導体積層体の構造を示す概略断面図である。 実施の形態２における半導体積層体の概略的な製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態３における半導体積層体の概略的な製造方法を示すフローチャートである。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の半導体積層体の製造方法は、炭化珪素からなり、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である第１主面を有する基板を準備する工程と、第１主面に、基板に含まれる転位に対応するピットを形成する工程と、ピットが形成された第１主面上に、炭化珪素からなるエピ層を形成する工程と、を備える。ピットを形成する工程では、深さ５０ｎｍ以下のピットが形成される。

本発明者は、エピ層の大幅な研磨を必要とすることなく、エピ層内の基底面転位の密度を低減する方策について検討した。その結果、上記特許文献１に記載のような深さ５〜１０μｍ程度のピットではなく、同様の観察方法、同様の観点では、認識されないような深さ（具体的には１／１００〜１／２００程度の以下の深さ）の微小なピットを基板の主面に形成し、その後、当該主面上にエピ層を形成することによって、エピ層内の基底面転位の密度を十分に低減できることを見出した。

より具体的には、本願の半導体積層体の製造方法では、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である第１主面に、転位に対応する深さ５０ｎｍ以下のピットを形成し、その後、エピ層を形成することで、エピ層内の基底面転位の密度を低減する。そして、第１主面に形成されるピットの深さが５０ｎｍ以下であることにより、エピ層の基板とは反対側の主面に形成される凹部も同程度の深さとなる。そのため、凹部の形成は、その後の半導体装置の製造への影響が小さい。したがって、エピ層の大幅な研磨は必要とならない。このように、本願の半導体積層体の製造方法によれば、エピ層の大幅な研磨を必要とすることなく、エピ層内の基底面転位の密度を低減することができる。

なお、六方晶炭化珪素の｛０００１｝面（ｃ面）のうち、最表面に珪素原子が並ぶ面はシリコン面、炭素原子が並ぶ面はカーボン面と定義される。本願において、第１主面が、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である状態とは、第１主面が、シリコン面を主体とする結晶面から構成される面であって、｛０００１｝面とのなす角が４°以下である状態を意味する。

上記半導体積層体の製造方法において、上記転位は、貫通転位および基底面転位を含んでいてもよい。貫通転位および基底面転位の両方に対応する深さ５０ｎｍ以下の上記ピットを形成することで、エピ層内の基底面転位の密度を十分に低減することができる。

上記半導体積層体の製造方法において、上記ピットを形成する工程では、深さ５ｎｍ以上の上記ピットが形成されてもよい。このようにすることにより、エピ層内の基底面転位の密度低減をより確実に達成することができる。

上記半導体積層体の製造方法において、上記ピットを形成する工程では、深さ２０ｎｍ以下の上記ピットが形成されてもよい。このようにすることにより、エピ層の基板とは反対側の主面の平坦性を一層向上させることができる。エピ層の基板とは反対側の主面の平坦性をさらに向上させる観点から、上記ピットを形成する工程では、深さ１０ｎｍ以下の上記ピットが形成されてもよい。

上記半導体積層体の製造方法において、上記ピットを形成する工程は、第１主面を含む領域を酸化することにより酸化膜を形成する工程と、酸化膜を除去する工程と、を含んでいてもよい。このような手順により、深さ５０ｎｍ以下の上記ピットを容易に形成することができる。

上記半導体積層体の製造方法において、上記酸化膜を形成する工程では、膜厚が１００ｎｍ以下の上記酸化膜が形成されてもよい。このようにすることにより、適切な深さのピットを容易に形成することができる。

上記半導体積層体の製造方法において、上記ピットを形成する工程では、第１主面を、塩素を含むガス（塩素原子を含むガスを含有するガス）によってエッチングすることにより上記ピットが形成されてもよい。これにより、深さ５０ｎｍ以下の上記ピットを容易に形成することができる。

上記半導体積層体の製造方法において、上記ピットを形成する工程では、第１主面を、塩酸を含むエッチャントによってエッチングすることにより上記ピットが形成されてもよい。これにより、深さ５０ｎｍ以下の上記ピットを容易に形成することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる半導体積層体の製造方法の実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態の半導体積層体であるエピ基板の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図２を参照して、たとえば所望の濃度でｎ型不純物を含む４Ｈ−ＳｉＣからなるインゴットがスライスされる。その後、表面の平坦化処理、洗浄等のプロセスを経て、基板１０が準備される。

基板１０の第１主面１０Ａは、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である。基板１０の第２主面１０Ｂは、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるカーボン面である。図３を参照して、基板１０内には、第１主面１０Ａに露出する転位８１が不可避的に複数含まれる。複数の転位８１は、貫通転位および基底面転位を含む。

次に、工程（Ｓ２１）として酸化膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ２１）では、工程（Ｓ１０）において準備された基板１０が、たとえば熱酸化される。これにより、図２および図４を参照して、第１主面１０Ａを含むように、酸化膜９１が形成される。酸化膜９１は、二酸化珪素からなる。酸化膜９１の膜厚は１００ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以下とすることがより好ましい。熱酸化は、たとえば常圧下において１ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ）の流量で酸素ガスを供給しつつ基板１０を１３５０℃に加熱して２０分間保持することにより実施することができる。これにより、たとえば厚み５０ｎｍの酸化膜９１を形成することができる。

このとき、図３および図５を参照して、第１主面１０Ａにおいて転位８１が露出している領域では、他の領域に比べて酸化速度が速くなる。そのため、酸化膜９１の転位８１に対応する領域には、突出部９１Ａが形成される。上記条件にて熱酸化が実施されると、転位８１が貫通転位である場合、突出部９１Ａの高さは５〜１０ｎｍ程度となる。また、転位８１が基底面転位である場合、突出部９１Ａの高さは２〜４ｎｍ程度となる。

次に、工程（Ｓ２２）として酸化膜除去工程が実施される。この工程では、図４および図６を参照して、工程（Ｓ２１）において形成された酸化膜９１が除去される。酸化膜９１の除去は、たとえばフッ酸を用いて実施することができる。

このとき、図５および図７を参照して、突出部９１Ａに対応する領域には、ピット９１Ｂが形成される。上記条件にて熱酸化が実施されると、転位８１が貫通転位である場合、ピット９１Ｂの深さｄ_１は５〜１０ｎｍ程度となる。また、転位８１が基底面転位である場合、ピット９１Ｂの深さｄ_１は２〜４ｎｍ程度となる。これにより、第１主面１０Ａに、基板１０に含まれる転位に対応するピット９１Ｂが形成される。工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）は、第１主面１０Ａに、基板１０に含まれる転位に対応するピットを形成する工程を構成する。ピット９１Ｂの深さｄ_１は、たとえば熱酸化の時間により調整することができる。

次に、工程（Ｓ３０）としてエピタキシャル成長工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図６および図８を参照して、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）においてピット９１Ｂが形成された第１主面１０Ａ上に、炭化珪素からなるエピ層２０がエピタキシャル成長により形成される。エピ層２０の厚みは、たとえば３０μｍとすることができる。これにより、本実施の形態の半導体積層体であるエピ基板１が完成する。

本実施の形態のエピ基板１の製造方法においては、工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）において、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である第１主面１０Ａに、１μｍを超えるようなピットを形成することなく、転位に対応する深さ５０ｎｍ以下のピット９１Ｂが形成される。そして、工程（Ｓ３０）において、ピット９１Ｂが形成された第１主面１０Ａ上に、炭化珪素からなるエピ層２０がエピタキシャル成長により形成される。これにより、エピ層２０の成長に際して、第１主面１０Ａに露出する転位８１のうち基底面転位が貫通転位に変換される。そのため、エピ層２０内の基底面転位の密度が低減される。そして、第１主面１０Ａに形成されるピット９１Ｂの深さが５０ｎｍ以下であることにより、エピ層２０の基板１０とは反対側の主面２０Ａに形成される凹部も同程度の深さとなる。

具体的には、たとえば上記条件により工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）を実施してピット９１Ｂを形成し、工程（Ｓ３０）において厚み３０μｍのエピ層２０を形成した場合、第１主面１０Ａに露出する基底面転位のうち９９．９５％が貫通転位に変換される。また、エピ層２０の主面２０ＡをＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した場合の粗さＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）を、一辺５μｍの正方形領域内において０．２５μｍ以下とすることができる。このようなエピ層２０の主面２０Ａの表面粗さは、半導体装置の製造において障害とならない範囲である。したがって、エピ層２０の大幅な研磨は必要とならない。このように、本実施の形態の半導体積層体であるエピ基板１の製造方法によれば、エピ層２０の大幅な研磨を必要とすることなく、エピ層２０内の基底面転位の密度を低減することができる。

上記ピット９１Ｂを形成する工程である工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）では、深さ５ｎｍ以上のピット９１Ｂが形成されてもよい。これにより、エピ層２０内の基底面転位の密度低減をより確実に達成することができる。

さらに、上記ピット９１Ｂを形成する工程である工程（Ｓ２１）および（Ｓ２２）では、深さ２０ｎｍ以下のピット９１Ｂが形成されてもよい。このようにすることにより、エピ層２０の主面２０Ａの平坦性を一層向上させることができる。エピ層２０の主面２０Ａの平坦性をさらに向上させる観点から、ピット９１Ｂを形成する工程では、深さ１０ｎｍ以下のピット９１Ｂが形成されてもよい。

（実施の形態２）
次に、他の実施の形態である実施の形態２における半導体積層体であるエピ基板の製造方法について説明する。実施の形態２におけるエピ基板１の製造方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２におけるエピ基板１の製造方法は、ピット９１Ｂの形成方法において実施の形態１の場合とは異なっている。

図９を参照して、実施の形態２におけるエピ基板１の製造方法では、上記実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ１０）が実施された後、工程（Ｓ２３）として塩素エッチング工程が実施される。この工程（Ｓ２３）では、工程（Ｓ１０）において準備された基板１０の第１主面１０Ａが、塩素を含むガス、たとえば塩素ガス、酸素ガス、および窒素ガスの混合ガスによってエッチングされることによりピット９１Ｂが形成される。

このとき、図２および図３を参照して、第１主面１０Ａにおいて転位８１が露出している領域では、他の領域に比べて塩素ガスによるエッチングの速度が速くなる。そのため、図３および図７を参照して、第１主面１０Ａの転位８１に対応する領域には、実施の形態１の場合と同様にピット９１Ｂが形成される。エッチングは、たとえば塩素ガス、酸素ガス、および窒素ガスの混合ガスを第１主面１０Ａに対して供給することにより実施することができる。エッチング温度は１０００℃、エッチング時間は１０秒間とすることができる。このような条件でガスエッチングが実施されると、転位８１が貫通転位である場合、ピット９１Ｂの深さは５〜１０ｎｍ程度となる。また、転位８１が基底面転位である場合、ピット９１Ｂの深さは２〜４ｎｍ程度となる。工程（Ｓ２３）は、第１主面１０Ａに、基板１０に含まれる転位に対応するピットを形成する工程である。ピット９１Ｂの深さｄ_１は、たとえばエッチングの時間により調整することができる。

その後、上記実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ３０）が実施されることにより、本実施の形態の半導体積層体であるエピ基板１が完成する。

（実施の形態３）
次に、さらに他の実施の形態である実施の形態３における半導体積層体であるエピ基板の製造方法について説明する。実施の形態３におけるエピ基板１の製造方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３におけるエピ基板１の製造方法は、ピット９１Ｂの形成方法において実施の形態１の場合とは異なっている。

図１０を参照して、実施の形態３におけるエピ基板１の製造方法では、上記実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ１０）が実施された後、工程（Ｓ２４）として塩酸エッチング工程が実施される。この工程（Ｓ２４）では、工程（Ｓ１０）において準備された基板１０の第１主面１０Ａが、塩酸を含むエッチャントによってエッチングされることによりピット９１Ｂが形成される。

このとき、図２および図３を参照して、第１主面１０Ａにおいて転位８１が露出している領域では、他の領域に比べてエッチングの速度が速くなる。そのため、図３および図７を参照して、第１主面１０Ａの転位８１に対応する領域には、実施の形態１の場合と同様にピット９１Ｂが形成される。エッチングは、第１主面１０Ａを、たとえば３５％の塩酸によりエッチングすることにより実施することができる。エッチング温度は５０℃、エッチング時間は６００秒間とすることができる。このような条件で塩酸エッチングが実施されると、転位８１が貫通転位である場合、ピット９１Ｂの深さは５〜１０ｎｍ程度となる。また、転位８１が基底面転位である場合、ピット９１Ｂの深さは２〜４ｎｍ程度となる。工程（Ｓ２４）は、第１主面１０Ａに、基板１０に含まれる転位に対応するピットを形成する工程である。ピット９１Ｂの深さｄ_１は、たとえばエッチングの時間により調整することができる。

その後、上記実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ３０）が実施されることにより、本実施の形態の半導体積層体であるエピ基板１が完成する。

なお、上記実施の形態においては、ピット９１Ｂの形成方法として、酸化膜の形成および除去、塩素ガスによるガスエッチングおよび塩酸によるエッチングを例示したが、ピット９１Ｂの形成方法はこれらに限られず、深さ５０ｎｍ以下のピット９１Ｂを形成可能な種々の方法を採用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本願の半導体積層体は、基底面転位の低減が求められる炭化珪素からなる半導体積層体の製造に、特に有利に適用され得る。

１ エピ基板
１０ 基板
１０Ａ 第１主面
１０Ｂ 第２主面
２０ エピ層
２０Ａ 主面
８１ 転位
９１ 酸化膜
９１Ａ 突出部
９１Ｂ ピット

Claims (8)

1. 炭化珪素からなり、ｃ面に対するオフ角が４°以下であるシリコン面である第１主面を有する基板を準備する工程と、
   前記第１主面に、前記基板に含まれる転位に対応するピットを形成する工程と、
   前記ピットが形成された前記第１主面上に、炭化珪素からなるエピ層を形成する工程と、を備え、
   前記ピットを形成する工程では、深さ５０ｎｍ以下のピットが形成される、半導体積層体の製造方法。
2. 前記転位は、貫通転位および基底面転位を含む、請求項１に記載の半導体積層体の製造方法。
3. 前記ピットを形成する工程では、深さ５ｎｍ以上のピットが形成される、請求項１または２に記載の半導体積層体の製造方法。
4. 前記ピットを形成する工程では、深さ２０ｎｍ以下のピットが形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体積層体の製造方法。
5. 前記ピットを形成する工程は、
   前記第１主面を含む領域を酸化することにより酸化膜を形成する工程と、
   前記酸化膜を除去する工程と、を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層体の製造方法。
6. 前記酸化膜を形成する工程では、膜厚が１００ｎｍ以下の前記酸化膜が形成される、請求項５に記載の半導体積層体の製造方法。
7. 前記ピットを形成する工程では、前記第１主面を、塩素を含むガスによってエッチングすることにより前記ピットが形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層体の製造方法。
8. 前記ピットを形成する工程では、前記第１主面を、塩酸を含むエッチャントによってエッチングすることにより前記ピットが形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層体の製造方法。

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