JP6415360B2 - 炭化珪素単結晶基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基板の表面に存在する加工変質部やイオン損傷部が除去され、かつその除去処理に伴う残渣や表面荒れが無く、清浄性及び平坦性に優れた表面を有する炭化珪素単結晶基板の製造方法に関するものである。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定なことから、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、高周波高耐圧電子デバイス等の基板としてＳｉＣ単結晶基板の需要が高まっている。
ＳｉＣ単結晶のインゴットからＳｉＣ単結晶基板を加工する工程は、先ず前記インゴットをスライスしてウエハ状に切り出す工程と、所定の厚さまで荒削りする研削工程と、基板の両面を平坦かつ鏡面に仕上げる研磨工程と、上記各工程で基板に付着した汚れを除去する洗浄工程と、加工工程で導入された表面加工変質部を除去する工程とからなる。
このようなＳｉＣ単結晶基板を用いて、電力デバイス、高周波デバイス等を作製する場合には、通常基板上に熱ＣＶＤ法（熱化学蒸着法）と呼ばれる方法を用いてＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させたり、イオン注入法により直接ドーパントを打ち込んだりするのが一般的である。
この際、ＳｉＣ単結晶基板の表面に、上記加工変質部が残存していると、正常なエピタキシャル成長を阻害したり、打ち込まれたドーパントの活性化率が低下したりする等の問題が発生することが知られており、さらに、その変質部が電流のリークパスになり、デバイスの性能を落とすこと等も考えられる。
通常、ＳｉＣ単結晶基板の表面は、ダイヤモンド砥粒等による研磨加工による仕上げがされているが、近年のデバイスの微細化に伴い、さらに表面の平坦化が求められているため、メカノケミカル研磨等も行われている。このような基板の表面には、研磨による加工変質部が数百ｎｍ存在し、これが十分に除去されていないと、上記のような問題を引き起こすことが想定される。
このため、従来においては、Ｓｉとの反応性が高いフッ素系反応性ガスを用いたエッチングにより、この加工変質部を取り除いていた。このフッ素系反応性ガスは、酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜のエッチングにも用いられる、半導体プロセスにおいては、一般的なガスである。しかしながら、加工変質部の除去にこのようなフッ素系反応性ガスを用いると、ＳｉＣ単結晶基板の表面にフロロカーボン系の反応生成物が残渣として残ることがあり（非特許文献１）、一度このような残渣が生じてしまうと、その後に酸素ガスプラズマ処理あるいはＲＣＡ洗浄等の表面清浄化処理を行っても除去することが難しい。
そこで、このような問題を解決するために、フッ素系反応性ガスに替えて塩素系反応性ガスを用いる方法が発明されている（特許文献１）。この塩素系反応性ガスは、同じハロゲン系ガスではあるが、フッ素系反応性ガスよりも反応性が低く、加工変質部除去後にカーボン系の反応生成物が表面に残らないので、最終的に表面品質が高くなり、プロセスガスとして優れている。この塩素系反応性ガスを用いることで、表面粗さを表すマイクロラフネスＲａ値がＲａ＝０．３ｎｍと比較的良好な表面が得られるようになった。
しかしながら、並行平板型の電極を有する反応性イオンエッチング装置を用いる限り、高周波のマイクロ波を用いることが出来ず、また、イオンフラックスとイオンエネルギーとをそれぞれ独立に制御することができないことから、この塩素系反応性ガスを用いたエッチングの効果は限定的であった。
大森正道編、菅野卓雄監修、培風館発行「超高速化合物半導体デバイス」、２２２頁（１９８６）
表面技術 Vol.53(2002) No.12 pp881
そこで、本発明者らは、表面粗さＲａ値においてより優れた清浄性及び平坦性を達成するための方法について鋭意検討した結果、意外にも、反応性がよりマイルドなＨＩガスを用い、この低い反応性をプラズマ密度の高さで補うことにより、より優れた清浄性及び平坦性を有するＳｉＣ単結晶基板を製造することができることを見出し、本発明を完成した。
従って、本発明の目的は、マイクロ波で励起した反応性プラズマガスを用いた、清浄性及び平坦性に優れた表面を有するＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供するものである。
即ち、本発明は、以下の通りである。
(1) 炭化珪素単結晶インゴットからスライス加工により切り出し、表面研磨加工を行って得られた研磨加工後の炭化珪素単結晶基板について、その表面に存在する加工変質部を除去して炭化珪素単結晶基板を製造する方法において、前記研磨加工後の炭化珪素単結晶基板表面の加工変質部をマイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスによるＨＩプラズマ処理により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。
(2) 炭化珪素単結晶インゴットからスライス加工により切り出し、表面研磨加工を行って得られた研磨加工後の炭化珪素単結晶基板について、その表面に存在する加工変質部を除去して炭化珪素単結晶基板を製造する方法において、前記研磨加工後の炭化珪素単結晶基板表面の加工変質部を不活性ガスを用いたスパッタエッチングで除去した後、このスパッタエッチング処理後の炭化珪素単結晶基板表面のイオン損傷部をマイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスによるＨＩプラズマ処理により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。
(3) 前記ＨＩプラズマ処理の後に、マイクロ波でプラズマ化させたＯ2ガスによる表面清浄化処理を行うことを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
(1) 炭化珪素単結晶インゴットからスライス加工により切り出し、表面研磨加工を行って得られた研磨加工後の炭化珪素単結晶基板について、その表面に存在する加工変質部を除去して炭化珪素単結晶基板を製造する方法において、前記研磨加工後の炭化珪素単結晶基板表面の加工変質部をマイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスによるＨＩプラズマ処理により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。
(2) 炭化珪素単結晶インゴットからスライス加工により切り出し、表面研磨加工を行って得られた研磨加工後の炭化珪素単結晶基板について、その表面に存在する加工変質部を除去して炭化珪素単結晶基板を製造する方法において、前記研磨加工後の炭化珪素単結晶基板表面の加工変質部を不活性ガスを用いたスパッタエッチングで除去した後、このスパッタエッチング処理後の炭化珪素単結晶基板表面のイオン損傷部をマイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスによるＨＩプラズマ処理により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。
(3) 前記ＨＩプラズマ処理の後に、マイクロ波でプラズマ化させたＯ2ガスによる表面清浄化処理を行うことを特徴とする前記(1)又は(2)に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
この発明によれば、ＳｉＣ単結晶基板の表面に存在する加工変質部あるいはイオン損傷部が除去され、かつ、その除去処理に伴う残渣や表面荒れが無く、清浄性及び平坦性に優れた表面を有するＳｉＣ単結晶基板を作成することが可能である。
先ず、ＳｉＣ単結晶のインゴットからＳｉＣ単結晶基板を加工する工程についての概略を説明する。ＳｉＣ単結晶のインゴットを作製後、それをスライスして、ウエハ状の基板に切り出し、所定の厚さまで荒削りを行う。その後、基板の両面を平坦かつ鏡面に仕上げるための研磨を行い、続いて、基板に付着した汚れを除去するための洗浄を行う。最後に、上記各工程で基板に導入された表面加工変質部を除去する工程となるが、この工程が、本発明が対象としている工程である。
本発明では、反応性ガスを用いたエッチングによってＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部を除去する際に、使用するガス種とプラズマ密度とを考慮したものである。ＳｉＣに対してエッチング性を有するガスとしては、ＣＦ4、ＣＨＦ3等のフッ素系反応性ガスやＣｌ2、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ等のフッ素以外のハロゲン元素を含むハロゲン系反応性ガスがある。フッ素系反応性ガスでは、Ｆに起因するフロロカーボン系の反応生成物が表面に残り、それが残渣になるため、Ｆを含まないハロゲン系反応性ガスでのエッチングを試み検討した。
そして、フッ素以外のハロゲン元素を含むハロゲン系反応性ガスとして塩素系反応性ガスを用いた場合には、前述の通り、表面粗さＲａ値において比較的良好な結果が得られたことと、そのエッチング効果が限定的であったことを考慮し、特に、ハロゲン系反応性ガスとして更に反応性の低いヨウ素系反応性ガスのＨＩガスを用い、このＨＩガスの反応性の低さをプラズマ密度で補うことに着眼して検討を行った結果、マイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスを用いるＨＩプラズマ処理であれば、加工変質部やイオン損傷部を除去した後の表面に殆ど残渣が残らず、表面粗さＲａ値により優れたＳｉＣ単結晶基板を製造できることを見出した。これは、ＨＩガスが他のハロゲン水素化物に比べて反応性がよりマイルドであって表面がより平坦に仕上がり、また、この反応性の低さをプラズマ密度の高さで補って所定のエッチングが達成されたものと考えられる。因みに、並行平板型の電極でプラズマを発生させる際によく使われる周波数が１３．５６MHzであるのに比べて、２．４５ＧＨｚのマイクロ波ではプラズマ密度を約２０，０００倍上げられるためであり、マイクロ波の方がより高いプラズマ密度でＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部やイオン損傷部を効率良くエッチングできたものと考えられる。
また、上記ＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部をＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ等の不活性ガスによるスパッタエッチング処理で除去した後、このスパッタエッチング処理後のイオン損傷部をマイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスによるＨＩプラズマ処理で除去すれば、更に表面品質（マイクロラフネス）Ｒａ値が良くなることも確認した。
更に、以上のようにしてＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部をＨＩプラズマ処理で除去した後に、あるいは、スパッタエッチング処理で加工変質部を除去した後のイオン損傷部をＨＩプラズマ処理で除去した後に、マイクロ波でプラズマ化させたＯ2ガスを用いるＯ2プラズマ処理による表面清浄化処理を行うと、残渣をほぼ完全に除去することができることも確認した。なお、ＳｉＣ単結晶基板の表面は化学的に安定であり、Ｏ2プラズマ処理後の表面に酸化膜による干渉色が観察されなかったことからも、Ｏ2プラズマ処理後の表面が酸化膜で覆われていることは認められなかった。
本発明において使用する反応性イオンエッチング装置としては、反応性ガスのＨＩガスをマイクロ波でプラズマ化してエッチングする装置であり、例えば、プラズマ源として磁場コイルを利用した電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECP; Electron Cyclotron resonance Plasma)、磁場コイルを利用したヘリコン波励起プラズマ(HWP; Helicon Wave Plasma)、アンテナ内挿型等の誘導結合型プラズマ(ICP; Inductively Coupled Plasma)、スロットアンテナ等を利用したマイクロ波励起表面波プラズマ(SWP; Surface Wave Plasma)等を備えた装置を例示することができ、これらの反応性イオンエッチング装置によれば１０11〜１０13/cm-3という高いプラズマ密度を達成することができる。
ここで、ＨＩガスをプラズマ源とする反応性イオンエッチング装置を用いた場合の本発明のＨＩプラズマ処理について、その原理を説明すると、図１において、ＳｉＣ単結晶基板１が反応チャンバー２内にセットされており、発振器３で発信されたマイクロ波はインピーダンス整合器４でインピーダンスがマッチングされて反応チャンバー２内に導入され、また、反応性ガスのガスボンベ５からはＨＩガスが反応チャンバー２内に導入され、前記反応チャンバー２内でＨＩガスにマイクロ波が照射されて発生したプラズマによりＳｉＣ単結晶基板１の表面がエッチングされる。なお、符号６は、反応チャンバー２内のガスを排気させる排気ポンプである。
本発明において、ＨＩガスを用いるＨＩプラズマ処理の際のエッチング条件としては、ＨＩガスをプラズマ化させるマイクロ波の周波数領域が好ましくは４３３．０５〜４３４．７９MHz、９０２〜９２８MHz、２．４〜２．５GHz、５．７２５〜５．８７５GHz、２４〜２４．２５GHz、６１〜６１．５GHz、又は、１２２〜１２３GHzであり、エッチング時の圧力が通常１０Pa以上５０Pa以下、好ましくは１０Pa以上３０Pa以下であり、ガス流量が通常１０cm3/分以上５０cm3/分以下、好ましくは２０cm3/分以上３０cm3/分以下であり、前記マイクロ波の入力パワーが通常０．５W/cm2以上１．０W/cm2以下、好ましくは１．０W/cm2である。この条件は、エッチング後の残渣の発生を極力避けるために、エッチングのスパッタ性を高め、かつ生産性を落とさない程度にＳｉＣに対して適度なエッチング速度を持たせるという観点から設定されたものであり、この際のＳｉＣに対するエッチング速度は毎分８０〜９０ｎｍである。
また、不活性ガスによるスパッタエッチング処理時のエッチング条件としては、エッチング時の圧力が通常１０Pa以上５０Pa以下であり、ガス流量が通常１０cm3/分以上５０cm3/分以下であり、スパッタの入力パワーが通常０．２W/cm2以上１．０W/cm2以下である。特に、不活性ガスとしてＡｒガスを用いた場合のエッチング条件としては、エッチング時の圧力が１０Pa以上２０Pa以下、Ａｒ流量が２０cm3/分以上３０cm3/分以下、スパッタの入力パワーが０．２５W/cm2以上１．０W/cm2以下であるのがよい。
そして、マイクロ波でプラズマ化させたＯ2ガスを用いるＯ2プラズマ処理によって表面清浄化処理を行う際の処理条件としては、Ｏ2ガスをプラズマ化させるマイクロ波の周波数領域が好ましくは４３３．０５〜４３４．７９MHz、９０２〜９２８MHz、２．４〜２．５GHz、５．７２５〜５．８７５GHz、２４〜２４．２５GHz、６１〜６１．５GHz、又は、１２２〜１２３GHzであり、処理時の圧力が通常１０Pa以上１００Pa以下、好ましくは４０Pa以上５０Pa以下であり、Ｏ2流量が通常１０cm3/分以上５０cm3/分以下、好ましくは３０cm3/分以上４０cm3/分以下であり、また、前記マイクロ波の入力パワーが通常０．５W/cm2以上１．０W/cm2以下、好ましくは１．０W/cm2である。
以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の内容を具体的に説明する。
〔実施例１〕
ＳｉＣ単結晶インゴットからウエハ状にスライスし、粒径の大きいダイヤモンド研磨剤から順次粒径を小さくして研磨していき、最終的に平均粒径１μｍのダイヤモンド研磨剤で研磨した後のＳｉＣ単結晶基板を調製した。
得られたＳｉＣ単結晶基板を、プラズマ源としてＨＩガスを備えた反応性イオンエッチング装置の反応チャンバー内にセットし、この反応チャンバー内にＨＩガスを導入すると共に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射し、プラズマ化させたＨＩガスによるマイクロ波プラズマエッチングであるＨＩプラズマ処理を実施した。エッチング条件は、ガス流量が３０cm3/分で、エッチング時の真空度が１３Paで、また、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の入力パワーが１．０W/cm2であった。この場合は、表面に残渣は殆ど見られず、Ｒａ値はＲａ＝０．１nmと良好であり、この実施例１のＨＩプラズマ処理により清浄性及び平坦性に優れた表面を有するＳｉＣ単結晶基板が得られた。
〔実施例１〕
ＳｉＣ単結晶インゴットからウエハ状にスライスし、粒径の大きいダイヤモンド研磨剤から順次粒径を小さくして研磨していき、最終的に平均粒径１μｍのダイヤモンド研磨剤で研磨した後のＳｉＣ単結晶基板を調製した。
得られたＳｉＣ単結晶基板を、プラズマ源としてＨＩガスを備えた反応性イオンエッチング装置の反応チャンバー内にセットし、この反応チャンバー内にＨＩガスを導入すると共に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射し、プラズマ化させたＨＩガスによるマイクロ波プラズマエッチングであるＨＩプラズマ処理を実施した。エッチング条件は、ガス流量が３０cm3/分で、エッチング時の真空度が１３Paで、また、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の入力パワーが１．０W/cm2であった。この場合は、表面に残渣は殆ど見られず、Ｒａ値はＲａ＝０．１nmと良好であり、この実施例１のＨＩプラズマ処理により清浄性及び平坦性に優れた表面を有するＳｉＣ単結晶基板が得られた。
〔実施例２〕
実施例１で用いたのと同様の表面状態を有するＳｉＣ単結晶基板に、不活性ガスとしてＡｒガスを用いたスパッタエッチング処理を行い、ＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部の除去を行った。この際の具体的なエッチング条件は、Ａｒガスのガス流量が２０cm3/分で、エッチング時の真空度が１５Paで、スパッタの入力パワーが０．２５W/cm2であった。
その後、実施例１の場合と同じ条件でＨＩプラズマ処理によるマイクロ波プラズマエッチングを行った。
上記のスパッタエッチング処理及びＨＩプラズマ処理によりＳｉＣ単結晶基板の表面の荒れあるいは残渣が除去されており、Ｒａ値もＲａ＝０．０９nmと極めて良好であった。
実施例１で用いたのと同様の表面状態を有するＳｉＣ単結晶基板に、不活性ガスとしてＡｒガスを用いたスパッタエッチング処理を行い、ＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部の除去を行った。この際の具体的なエッチング条件は、Ａｒガスのガス流量が２０cm3/分で、エッチング時の真空度が１５Paで、スパッタの入力パワーが０．２５W/cm2であった。
その後、実施例１の場合と同じ条件でＨＩプラズマ処理によるマイクロ波プラズマエッチングを行った。
上記のスパッタエッチング処理及びＨＩプラズマ処理によりＳｉＣ単結晶基板の表面の荒れあるいは残渣が除去されており、Ｒａ値もＲａ＝０．０９nmと極めて良好であった。
〔実施例３〕
実施例１によって得られたＳｉＣ単結晶基板の表面に、更に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化させたＯ2ガスを用いたＯ2プラズマ処理による表面清浄化処理を実施した。処理条件としては、Ｏ2のガス流量が４０cm3/分で、処理時の真空度が５０Paで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の入力パワーが１．０W/cm2であり、Ｒａ値も実施例１の場合に比べてＲａ＝０．０８nmと更に改善された。
実施例１によって得られたＳｉＣ単結晶基板の表面に、更に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化させたＯ2ガスを用いたＯ2プラズマ処理による表面清浄化処理を実施した。処理条件としては、Ｏ2のガス流量が４０cm3/分で、処理時の真空度が５０Paで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の入力パワーが１．０W/cm2であり、Ｒａ値も実施例１の場合に比べてＲａ＝０．０８nmと更に改善された。
〔比較例１〕
比較例１として、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化させたフッ素系反応性ガス（ＣＦ4とＯ2の混合ガス）を用いてマイクロ波プラズマエッチングを行った。この際のエッチング条件は、ＣＦ4ガスのガス流量が２０cm3/分で、Ｏ2ガスのガス流量が４０cm3/分で、エッチング時の真空度が５０Paで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の入力パワーが０．２５W/cm2であった。この比較例１で得られたＳｉＣ単結晶基板の表面の表面粗さＲａ値はＲａ＝１．４８nmであり、実施例１で得られたＳｉＣ単結晶基板の表面状態に比べ、明らかに劣るものであった。
比較例１として、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化させたフッ素系反応性ガス（ＣＦ4とＯ2の混合ガス）を用いてマイクロ波プラズマエッチングを行った。この際のエッチング条件は、ＣＦ4ガスのガス流量が２０cm3/分で、Ｏ2ガスのガス流量が４０cm3/分で、エッチング時の真空度が５０Paで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の入力パワーが０．２５W/cm2であった。この比較例１で得られたＳｉＣ単結晶基板の表面の表面粗さＲａ値はＲａ＝１．４８nmであり、実施例１で得られたＳｉＣ単結晶基板の表面状態に比べ、明らかに劣るものであった。
本発明によれば、ＳｉＣ単結晶基板の表面に存在する加工変質部やイオン損傷部が反応性穏やかにかつ効率良く除去され、その除去処理に伴う残渣や表面荒れが無く、清浄性及び平坦性に優れた表面を有するＳｉＣ単結晶基板を作成することができる。そのため、このようなＳｉＣ単結晶基板上に電子デバイスを形成すれば、デバイスの特性が向上することが期待される。
１…炭化珪素単結晶基板、２…反応チャンバー、３…発振器、４…インピーダンス整合器、５…反応ガスボンベ、６…排気ポンプ。
Claims (3)
- 炭化珪素単結晶インゴットからスライス加工により切り出し、表面研磨加工を行って得られた研磨加工後の炭化珪素単結晶基板について、その表面に存在する加工変質部を除去して炭化珪素単結晶基板を製造する方法において、
前記研磨加工後の炭化珪素単結晶基板表面の加工変質部をマイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスによるＨＩプラズマ処理により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。 - 炭化珪素単結晶インゴットからスライス加工により切り出し、表面研磨加工を行って得られた研磨加工後の炭化珪素単結晶基板について、その表面に存在する加工変質部を除去して炭化珪素単結晶基板を製造する方法において、
前記研磨加工後の炭化珪素単結晶基板表面の加工変質部を不活性ガスを用いたスパッタエッチングで除去した後、このスパッタエッチング処理後の炭化珪素単結晶基板表面のイオン損傷部をマイクロ波でプラズマ化させたＨＩガスによるＨＩプラズマ処理により除去することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。 - 前記ＨＩプラズマ処理の後に、マイクロ波でプラズマ化させたＯ2ガスによる表面清浄化処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
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