CN107002280B - 碳化硅基板、其制造方法和制造碳化硅半导体装置的方法 - Google Patents

碳化硅基板、其制造方法和制造碳化硅半导体装置的方法 Download PDF

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Abstract

一种碳化硅基板，其由碳化硅构成，且当用氯气对其主表面进行蚀刻时，在所述主表面中观察到的线性蚀坑组的总长度等于或小于所述基板的直径。

Description

碳化硅基板、其制造方法和制造碳化硅半导体装置的方法
技术领域
本公开涉及碳化硅基板、其制造方法和制造碳化硅半导体装置的方法。
背景技术
碳化硅(SiC)基板可以用于制造半导体装置。具体地，例如通过在碳化硅基板上经由外延生长形成由碳化硅构成的半导体层且进一步在半导体层上形成电极等可以制造诸如二极管或晶体管的半导体装置。
通过外延生长在碳化硅基板上形成的半导体层的品质受到在其上形成半导体层的碳化硅基板的主表面的表面粗糙度的很大影响。因此，对要通过外延生长在其上形成半导体层的碳化硅基板的主表面进行诸如机械抛光(MP)或化学机械抛光(CMP)的抛光。这确保要在其上形成半导体层的主表面的平滑度，且可以外延生长高品质的半导体层。此外，关于碳化硅基板的抛光，为了确保主表面的平滑度而进行了各种研究(例如，参考专利文献1和专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-238891号公报
专利文献2：日本特开2012-248569号公报
发明内容
本公开的碳化硅基板由碳化硅构成，且当用氯气对其主表面进行蚀刻时，在所述主表面中观察到的线性蚀坑组的总长度等于或小于所述基板的直径。
制造本公开的碳化硅基板的方法包括准备原料基板的步骤和通过化学机械抛光将所述原料基板的主表面抛光的步骤。所述通过化学机械抛光将所述主表面抛光的步骤包括通过使用具有超过5质量％的高锰酸根离子浓度的抛光液将所述主表面化学机械抛光的步骤。
附图说明
[图1]图1为显示碳化硅基板的形状的概略立体图；
[图2]图2为显示制造碳化硅基板的方法的一个例子的流程图；
[图3]图3为显示抛光设备的结构的概略图；
[图4]图4为显示线性蚀坑组的一个例子的微分干涉差显微镜照片；
[图5]图5为显示高锰酸根离子浓度与抛光速率之间的关系的图；
[图6]图6为显示高锰酸根离子浓度与线性蚀坑组的总长度之间的关系的图；
[图7]图7为显示线性蚀坑组的长度与器件的不合格率之间的关系的图。
具体实施方式
首先，列出并说明本公开的实施方式。本公开的碳化硅基板由碳化硅构成，且当用氯气对其主表面进行蚀刻时，在所述主表面中观察到的线性蚀坑组的总长度等于或小于所述基板的直径。
如上所述，即使在碳化硅基板的主表面光滑的情况下，当在主表面上通过外延生长形成由碳化硅构成的半导体层时，半导体层的品质在某些情况下可能变得不足。本发明人的研究已经显示，即使碳化硅基板的主表面光滑，当用氯气对主表面进行蚀刻且存在在主表面上形成的许多线性蚀坑组、即蚀坑线性排列的蚀坑组时，半导体层的品质也变得不足。具体地，当线性蚀坑组的总长度(即，在主表面中观察到的线性蚀坑组的总长度)等于或小于基板的直径时，在主表面上通过外延生长形成的半导体层具有适合制造诸如二极管或晶体管的半导体装置的高品质。在本公开的碳化硅基板中，在其主表面中观察到的线性蚀坑组的总长度等于或小于基板的直径。因此，根据本公开，可以提供可以在其主表面上形成高品质半导体层的碳化硅基板。
在所述碳化硅基板中，所述碳化硅可以具有六方晶体结构。所述主表面可以为相对于Si面具有小于8度的偏角的晶面。在对应于靠近作为六方晶系碳化硅的(0001)面的Si面的晶面的主表面中，通过将线性蚀坑组的总长度设置成等于或小于基板的直径，可以在所述主表面上更可靠地形成高品质半导体层。
制造本公开的碳化硅基板的方法包括准备原料基板的步骤和通过化学机械抛光将所述原料基板的主表面抛光的步骤。所述通过化学机械抛光将所述主表面抛光的步骤包括通过使用具有超过5质量％的高锰酸根离子浓度的抛光液将所述主表面化学机械抛光的步骤。
如上所述，即使在碳化硅基板的主表面光滑的情况下，当用氯气对所述主表面进行蚀刻且线性蚀坑组的总长度大时，也难以形成高品质半导体层。本发明人已经发现，通过将包含在CMP的抛光液中的作为氧化剂的高锰酸根离子的浓度设置成高于现有技术的高锰酸根离子浓度，可以减少线性蚀坑组。据认为其原因例如为如下所述。
在CMP中，通过氧化剂对碳化硅基板的表面区域的氧化和通过研磨剂对氧化的表面区域的除去同时进行，由此将基板的主表面抛光。即使在现有的氧化剂的浓度水平下，也可以实现可以确保表面的平滑度的氧化速率。然而，在现有的CMP的氧化速率下，当通过研磨剂除去表面区域时，在碳化硅基板中引入由于研磨剂造成的损伤。尽管该损伤对于主表面的平滑度具有轻微影响，但是该损伤影响要在主表面上形成的半导体层的品质。该损伤显现为通过用氯气进行蚀刻产生的线性蚀坑组。通过将包含在CMP的抛光液中的高锰酸根离子的浓度设定为高于现有技术的水平，具体地设定为大于5质量％，可以使氧化速率增加，并且抑制引入由于研磨剂造成的损伤。
在本公开的制造碳化硅基板的方法中，可以将包含在CMP的抛光液中的高锰酸根离子的浓度设定为大于10质量％。由此，在本公开的制造碳化硅基板的方法中，可以提供可以在其主表面上形成高品质半导体层的碳化硅基板。
所述抛光液可以通过使其通过具有5μm以下的孔径的PTFE树脂过滤器来准备。
所述抛光液的温度可以为35℃以上。
所述抛光液可以含有高锰酸钠。
在制造碳化硅基板的方法中，所述抛光液的高锰酸根离子浓度可以为40质量％以下。即使当高锰酸根离子浓度增加到超过40质量％的水平时，抑制引入到碳化硅基板中的损伤的效果也达到饱和。因此，考虑到由于氧化剂造成的对抛光设备的损伤，可以将高锰酸根离子浓度设定为40质量％以下。
在制造碳化硅基板的方法中，所述抛光液可以含有由金属氧化物构成的研磨剂。通过在本公开的制造碳化硅基板的方法中使用抛光能力比被广泛用作研磨剂(磨粒)的二氧化硅(SiO2)的抛光能力高的金属氧化物作为研磨剂，可以实现高抛光速率，同时抑制线性蚀坑组。作为构成研磨剂的金属氧化物，可以使用例如氧化铝(Al2O3)、氧化铬(Cr2O3)、氧化锆(ZrO2)等。
在制造碳化硅基板的方法中，所述抛光液的酸碱度(power of Hydrogen，pH)可以小于5。通过在本公开的制造碳化硅基板的方法中使抛光液的酸性足够强，可以实现高抛光速率，同时抑制线性蚀坑组。
所述制造碳化硅基板的方法还可以包括清洗已经通过化学机械抛光进行了抛光的所述主表面的步骤。清洗所述主表面的步骤可以包括通过使用盐酸作为清洗液清洗所述主表面的步骤。通过使用盐酸进行清洗，可以从已经经受了CMP的碳化硅基板充分地除去高锰酸根离子。
在制造碳化硅基板的方法中，所述碳化硅可以具有六方晶体结构。所述主表面可以为相对于Si面具有小于8度的偏角的晶面。通过对对应于靠近作为六方晶系碳化硅的(0001)面的Si面的晶面的主表面进行CMP，可以在所述主表面上更可靠地形成高品质半导体层。
[实施方式的详情]
下文将参考附图对本公开的碳化硅基板的实施方式进行说明。在以下附图中，相同的参考数字指示相同或相应的部分，且在某些情况下可以省略重复的说明。
参考图1，本实施方式中的碳化硅基板1为圆盘状的且具有主表面1A。当用氯气对主表面1A进行蚀刻时，在主表面1A中观察到的线性蚀坑组的总长度等于或小于基板的直径。也就是说，例如当基板的直径为100mm时，线性蚀坑组的总长度为100mm以下。当基板的直径为150mm时，线性蚀坑组的总长度为150mm以下。例如通过用微分干涉差显微镜对已经用氯气进行了蚀刻的主表面1A进行观察可以确认线性蚀坑组。需要说明的是，当用氢氧化钾(KOH)对主表面1A进行蚀刻时，蚀刻速率比用氯气进行蚀刻时的低。也就是说，在当用KOH对主表面1A进行蚀刻时的主表面1A中观察到的线性蚀坑组的总长度近似等于基板的直径的情况下，存在当用氯气对主表面1A进行蚀刻时观察到的线性蚀坑组的总长度将超过基板的直径的可能性。
考虑到半导体装置的制造效率等，碳化硅基板1的基板直径优选为4英寸以上(100mm以上)。碳化硅基板1的基板直径可以例如为6英寸以上(150mm以上)。主表面1A为当使用碳化硅基板1制造半导体装置时要通过外延生长在其上形成由碳化硅构成的半导体层的表面。构成碳化硅基板1的碳化硅具有例如六方晶体结构。主表面1A例如为相对于Si面具有小于8度的偏角的晶面。
如上所述，在碳化硅基板1的主表面1A中观察到的线性蚀坑组的总长度等于或小于基板的直径。因此，在碳化硅基板1中，可以在主表面1A上形成高品质半导体层。
接着，将对制造碳化硅基板1的方法的一个例子进行说明。参考图2，首先进行作为步骤(S10)的原料基板准备步骤。在步骤(S10)中，例如对由六方晶系碳化硅构成的锭进行切割以获得圆盘状原料基板1。例如，可以使用沿<0001>方向生长的锭。例如以形成相对于(0001)面具有小于8度的偏角的主表面1A的方式对锭进行切割。
接着，进行作为步骤(S20)的MP步骤。在步骤(S20)中，对在步骤(S10)中准备的原料基板1的主表面1A进行使用硬磨粒的机械抛光(MP)。由此，降低原料基板1的主表面1A的粗糙度。
接着，进行作为步骤(S30)的CMP步骤。在步骤(S30)中，对已经在步骤(S20)中进行了机械抛光的原料基板1的主表面1A进行化学机械抛光(CMP)。可以使用如下所述的抛光设备进行CMP。
参考图3，在本实施方式中使用的抛光设备50包括抛光平板51、夹持器52和抛光液供应装置53。抛光平板51包括圆盘状主体部51B和与主体部51B连接而包括主体部51B的中心轴A1的轴部51C。主体部51B的一个主表面作为抛光表面51A。抛光平板51的轴部51C与诸如电动机(未示出)的驱动装置连接。主体部51B由驱动装置驱动，以使得其可以以中心轴A1作为旋转轴沿箭头α的方向旋转。
夹持器52包括圆盘状主体部52B和与主体部52B连接而包括主体部52B的中心轴A2的轴部52C。夹持器52的主体部52B的直径小于抛光平板51的主体部51B的直径。主体部52B的一个主表面作为保持原料基板1的保持表面52A。夹持器52的轴部52C与诸如电动机(未示出)的驱动装置连接。主体部52B由驱动装置驱动，以使得其可以以中心轴A2作为旋转轴沿箭头β的方向旋转。抛光平板51的中心轴A1与夹持器52的中心轴A2彼此平行。也就是说，夹持器52的主体部52B和抛光平板51的主体部51B可以以不同的平行中心轴作为旋转轴沿圆周方向旋转。如在图3中所示，夹持器52的主体部52B的旋转方向可以与抛光平板51的主体部51B的旋转方向相同。夹持器52的保持表面52A面对抛光平板51的抛光表面51A。
将抛光液供应装置53配置在抛光平板51的抛光表面51A上方距抛光平板51一定距离处，并且将抛光液(浆料)91供应到抛光表面51A上。抛光液供应装置53例如与保持抛光液91的槽(未示出)连接，并且将所需要的量的抛光液91供应到抛光表面51A上。
接着，将对使用抛光设备50的CMP进行说明。首先，将已经在步骤(S20)中进行了机械抛光的原料基板1例如粘贴到夹持器52的保持表面52A并由其保持。此时，原料基板1以主表面1A相反侧的主表面1B与保持表面52A接触的方式由夹持器52保持，其中在得到的碳化硅基板1中要通过外延生长在所述主表面1A上形成由碳化硅构成的半导体层。由此，要在其上形成半导体层的主表面1A面对抛光表面51A。
接着，抛光平板51和夹持器52分别以中心轴A1和中心轴A2作为旋转轴旋转。然后，对抛光平板51的主体部51B与夹持器52的主体部52B之间的距离进行调节，并且使抛光平板51的抛光表面51A与原料基板1的主表面1A彼此接触。此时，将抛光液91从抛光液供应装置53供应到抛光表面51A上。由此，将原料基板1的主表面1A化学机械抛光。更具体地，在包括主表面1A的区域被包含在抛光液91中的氧化剂氧化的同时，该区域被包含在抛光液91中的研磨剂除去，由此进行CMP。
抛光液91含有作为氧化剂的高锰酸根离子。高锰酸根离子浓度大于5质量％。高锰酸根离子浓度例如为10质量％以上且20质量％以下。在这种情况下，可以确保抛光液91对原料基板1的足够氧化速率。包含在抛光液91中的高锰酸根离子浓度可以为40质量％以下。由此，可以抑制由氧化剂造成的对抛光设备50的损伤。所述高锰酸根离子可以例如来自钠(Na)盐。也就是说，可以将高锰酸钠作为氧化剂添加到抛光液中。以这样的方式，可以在常温下容易地实现上述高锰酸根离子浓度。所述高锰酸根离子可以例如来自钾(K)盐。
抛光液91可以通过使其通过具有5μm以下的孔径的聚四氟乙烯(PTFE)树脂过滤器来制备。此外，抛光液91的温度可以为35℃以上。其原因在于可改善抛光效率。
抛光液91含有例如由作为研磨剂的金属氧化物构成的磨粒(游离的磨粒)。抛光液91可以含有例如选自由由Al2O3构成的磨粒、由Cr2O3构成的磨粒和由ZrO2构成的磨粒构成的组中的至少一种类型的磨粒。通过使用抛光能力比SiO2的抛光能力高的金属氧化物作为研磨剂，可以实现高抛光速率，同时抑制线性蚀坑组。研磨剂的平均粒度优选小于0.5μm。
可以将抛光液91的pH设定为小于5。通过使抛光液91的酸性足够强，可以实现高抛光速率，同时抑制线性蚀坑组。抛光液91可以含有例如硝酸以实现上述pH值。抛光液91可以含有表面活性剂。可以将抛光液91的粘度设定为例如0.002Pa·s以上且0.2Pa·s以下。
接着，进行作为步骤(S40)的清洗步骤。在步骤(S40)中，清洗已经在步骤(S30)中进行了化学机械抛光的原料基板1的主表面1A。由此，获得本实施方式的碳化硅基板1。例如可以通过使用盐酸作为清洗液来进行主表面1A的清洗。此外，在使用盐酸作为清洗液清洗之后，可以使用水(纯水)进行清洗。由此，除去已经在步骤(S30)中附着于原料基板1的抛光液91。由此，可以防止在碳化硅基板1的表面上形成的氧化膜中含有包含在抛光液91中的锰(Mn)。通过上述顺序，完成本实施方式的制造碳化硅基板的方法。
在本实施方式的制造碳化硅基板1的方法中，将包含在CMP的抛光液91中的高锰酸根离子的浓度设定为大于10质量％。由此，在碳化硅基板1中，可以在主表面1A上形成高品质半导体层。
实施例
[碳化硅基板]
进行如下实验：用与上述实施方式相同的顺序以在CMP中使用的抛光液的变化的高锰酸根离子浓度形成碳化硅基板1，并且对线性蚀坑组进行观察。根据如下所述的顺序进行实验。
首先，准备基板直径为100mm的多个原料基板1，且在相同条件下进行机械抛光(步骤(S10)和(S20))。对机械抛光后的原料基板1的主表面1A各自使用含有作为氧化剂的高锰酸根离子、作为研磨剂的ZrO2磨粒和作为pH调节剂的硝酸的抛光液91进行CMP。CMP在如下条件下进行：接触压力为600g/cm2，抛光时间为1小时，pH为4且ZrO2磨粒的加入量为15g/L，而仅改变在抛光液91中的高锰酸根离子浓度(步骤(S30))。然后，在相同条件下依次进行使用盐酸的清洗和使用纯水的清洗(步骤(S40))，且使用得到的碳化硅基板作为样品。
随后，以如下顺序用氯气对得到的样品各自进行蚀刻。首先，将样品插入反应管中，使温度升高到900℃，且将压力降低到50Pa。接着，以0.5slm的流量向反应管中引入5分钟的氯气以对样品进行蚀刻。然后，在将反应管内的压力降低到50Pa并保持30分钟之后，以2.5slm的流量向反应管中引入10分钟的含有10体积％氧气和90体积％氮气的气体混合物以从样品除去由于氯气蚀刻产生的表面碳化层。用微分干涉差显微镜观察得到的样品(碳化硅基板1)的主表面1A，并且调查线性蚀坑组的总长度。
图4为显示观察到的线性蚀坑组的一个例子的照片。在线性蚀坑组19中，通过用氯气进行蚀刻而形成的蚀坑线性排列。观察各样品，并且调查CMP中的抛光液91的高锰酸根离子浓度与抛光速率和线性蚀坑组的总长度各自之间的关系。调查结果示于图5和图6中。
在图5中，横轴代表高锰酸根离子浓度，且纵轴代表抛光速率。在图6中，横轴代表高锰酸根离子浓度，且纵轴代表在主表面1A中观察到的线性蚀坑组的总长度。参考图6，在高锰酸根离子浓度直至10质量％的区域中，线性蚀坑组的总长度随着高锰酸根离子浓度的增加而急剧减小。在高锰酸根离子浓度为10质量％以上的区域中，线性蚀坑组的总长度等于或小于基板的直径(100mm)。此外，参考图5，在高锰酸根离子浓度一直到10质量％的区域中，抛光速率随着高锰酸根离子浓度的增加而增加。因此，可以说包含在抛光液91中的高锰酸根离子的浓度应该为10质量％以上。
另一方面，参考图6，当高锰酸根离子浓度超过40质量％时，线性蚀坑组的总长度倾向于增加。此外，参考图5，当高锰酸根离子浓度超过40质量％时，抛光速率的增加达到饱和。因此，优选将包含在抛光液91中的高锰酸根离子的浓度设定为40质量％以下。此外，参考图5，从增加抛光速率的观点考虑，优选将高锰酸根离子浓度设定为15质量％以上。考虑到由于高锰酸根离子浓度的增加对抛光设备造成的损伤，可以将高锰酸根离子浓度设定为例如15质量％以上且20质量％以下。此外，从重视线性蚀坑组的总长度减小的观点考虑，优选将高锰酸根离子浓度设定为20质量％以上。此外，从重视线性蚀坑组的总长度减小的观点考虑，优选将高锰酸根离子浓度设定为35质量％以下。
关于线性蚀坑组的检测，在晶体缺陷存在于碳化硅基板1中的情况下，优选区分线性蚀坑组与晶体缺陷。具体地，当用微分干涉差显微镜观察氯气蚀刻后的样品时，在某些情况下，可以检测到线性蚀坑组与晶体缺陷相混合。因此，例如通过如下所述的方法区分线性蚀坑组与晶体缺陷。
首先，对被氯气蚀刻的表面相反侧的表面进行光致发光(PL)成像测量。通过PL成像测量检测晶体缺陷。PL成像测量中的参数例如为如下。激发光的波长为313nm。光接收滤光器为具有390nm的波长的带通滤光器且具有仅使波长为390nm的光通过的功能。激发光的照射时间为5秒。测量区域具有2.3mm见方的间距(ピッチ)且覆盖整个表面。
通过从由微分干涉差显微镜获得的数据减去由PL成像获得的晶体缺陷的数据而检测线性蚀坑组。
[器件的不合格率]
如在图7中所示，确认线性蚀坑组的总长度与器件的不合格率之间的关系。使用具有150mm直径的碳化硅基板1来制作器件。在碳化硅基板1上，形成具有6mm见方的芯片尺寸的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。由如下确定次品：当在栅电极与源电极之间施加0V～20V的电压时出现10nA以上的漏电流或在栅电极与源电极之间出现短路而导致不能施加电压的状态。
参考图7，在线性蚀坑组的总长度为0mm、20mm、60mm、100mm或150mm的样品中，不合格率小于30％。另一方面，在线性蚀坑组的总长度为180mm的样品中，不合格率升到37％。此外，在线性蚀坑组的总长度为240mm的样品中，不合格率超过60％。也就是说，当线性蚀坑组的总长度超过150mm时，不合格率急剧增加。因此，当线性蚀坑组的总长度等于或小于基板的直径时，可以抑制次品的出现。
此外，可以通过使用本公开的碳化硅基板1制造碳化硅半导体装置。在通过使用本公开的碳化硅基板1制造的碳化硅半导体装置中，在碳化硅基板1的主表面上配置高品质半导体层，从成品率和可靠性的观点考虑，这是有效的。
应该考虑到本次公开的实施方式在所有方面都是说明性而非限制性的。本发明的范围并非由以上说明限定，而是由所附权利要求限定，且旨在包括与权利要求的含义和范围等价的含义和范围内的所有变更。
产业实用性
本公开可以特别有利地应用于需要在其主表面上形成由碳化硅构成的高品质半导体层的碳化硅基板及其制造方法。
标号说明
1 碳化硅基板(原料基板)
1A 主表面
1B 主表面
19 线性蚀坑组
50 抛光设备
51 抛光平板
51A 抛光表面
51B 主体部
51C 轴部
52 夹持器
52A 保持表面
52B 主体部
52C 轴部
53 抛光液供应装置
91 抛光液

Claims (2)

1.一种碳化硅基板，其包含碳化硅，
其中，当用氯气对其主表面进行蚀刻时，在所述主表面中观察到的线性蚀坑组的总长度为20mm至150mm，且所述基板的直径为150mm。
2.根据权利要求1所述的碳化硅基板，其中，
所述碳化硅具有六方晶体结构，且
所述主表面为相对于Si面具有小于8度的偏角的晶面。
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