JP2001508597A - エピタキシャル成長用炭化珪素ウェーハ製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体エピタキシャル成長用炭化珪素ウェーハ（４０）は、ブールから切出された炭化珪素ウェーハを金属の裏打ちされた型板（３０）の凹部に設置しウェーハを回転板（１２）上で対向して移動させることによるラッピング処理で先ずラッピングすることによって製造される。順次小さくなるダイヤモンド粒度サイズを有する２つの異なるダイヤモンドスラリー混合物（４４）が所定時間潤滑剤と共に連続的に使用される。順次小さくなるダイヤモンド粒度サイズを有する２つの異なるダイヤモンドスラリー混合物を連続的に使用すると共に順次柔らかくなる構成を有する３つの異なる穿孔パッドを回転プレートに適用する仕上げ処理が、ラッピング処理の後で行われる。好ましい実施態様では、新しいダイヤモンドスラリー混合物が用いられる度に、ウェーハが洗浄され、型板がとり換えられる。

Description

【発明の詳細な説明】 エピタキシャル成長用炭化珪素ウェーハ製造方法 発明の背景 発明の分野 この発明は一般に炭化珪素技術に関し、とくに炭化珪素半導体装置製造用の炭 化珪素ウェーハの製造に関する。関連技術の説明 炭化珪素は半導体材料として種々の電子的な用途に広く用いられている。炭化 珪素の半導体装置は、従来のシリコン又はガリウム砒素装置よりも高い電圧と温 度で作動する能力を有するので、冷却要求の少ない高電力装置を提供する。炭化 珪素金属−半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）は、ガリウム砒素ＭＥ ＳＦＥＴに対して報告された最高のものの２倍の電力密度で作動するように作ら れ、炭化珪素静電誘導トランジスタは、高周波マイクロ波レーダシステム用の同 様のシリコン装置の電力密度の４倍で作動してきた。 炭化珪素半導体装置に対する電子的な用途には、２，３の例を挙げれば、コン パクトで廉価な空輪，船舶および地上のレーダ，航空機エンジンおよび飛行の管 制，電気タンクおよび船舶推進システム，衛星通信がある。商業的な分野におい ては、炭化珪素は高画質テレビ，工業用電力調整，核兵器用制御および機器，電 気車両用伝動機構の分野で用いることができる。 炭化珪素半導体装置は薄い炭化珪素ウェーハを用いて製作されるが、その炭化 珪素ウェーハは炭化珪素結晶ブールをのこで切り出すことにより得られる。その 切り出し作業によって、一見滑らかであるが実際には損傷を受け、後のエピタキ シャル成長処理に十分に受入れられないウェーハ表面が生じる。損傷を受けた表 面により、その結果として生じる半導体装置は作動不能か低効率で作動する装置 になる。 従って、炭化珪素ウェーハ表面は高度に研磨され、いかなる傷や表面欠損であ ってもそれらのすべての痕跡を実質的に除去しなければならない。炭化珪素はシ リコンの２倍硬いという点から、シリコンウェーハ研磨用として適正な方法は炭 化珪素には不適当である。従来の光学的研磨技術は、炭化珪素ウェーハ用として 受入れ可能な表面仕上げを達成するのに１０日以上を要するかも知れない。 この発明は炭化珪素ウェーハの研磨時間を数時間のオーダまで減少させるもの である。 発明の要旨 この発明によれば、炭化珪素ウェーハはウェーハ保持型板の凹部内に、ウェー ハ表面が型板表面から突出するように設置される。 複数のウェーハは複数の凹部を有する型板（template）に収容される。ウェー ハの表面は回転板の表面に対向して設置され、型板は回転板に対して移動する。 ウェーハ表面は、少なくとも２種類のダイヤモンドスラリー混合物と潤滑剤を回 転板に連続的に供給することによってラッピング（lapping）され、それらのダ イヤモンドスラリー混合物は順次小さくなるダイヤモンド粒度サイズを有する。 ラッピングの後、最終的な仕上げは、回転板の表面に適用される複数の 連続的に柔らかくなるパッドを用いることによって行われるが、その回転板は研 磨に用いた回転板よりも重量が軽いものであってもよい。仕上げ期間中では、少 なくとも２種類のダイヤモンドスラリー混合物と潤滑剤とが使用中のパッド表面 に連続的に供給され、ダイヤモンドスラリー混合物は順次小さくなるダイヤモン ド粒度サイズを有する。所望によっては、仕上げられたウェーハ表面に、その後 、反応性イオンエッチングによるようなプラズマエッチングを施してもよい。 図面の簡単な説明 図１は、半導体ウェーハを研磨するために用いる研磨装置の基本要素を示す。 図２は、ウェーハ保持型板とその中に使用する裏板の分解図である。 図３は、図２の型板無いに設置されたウェーハの断面図である。 図４は、ここで用いられる研磨手法を示す図である。 図５Ａ，５Ｂおよび５Ｃは仕上げ研磨工程を示す。 図６は仕上げ研磨工程に用いる穿孔パッドと回転板の分解図である。 図７Ａ，７Ｂおよび７Ｃは各種の紫外光曇り測定結果を示す。 図８は、炭化珪素ウェーハの調整における最終プラズマエッチング工程を示す 。 好ましい実施態様の説明 図１は市販のウェーハ研磨機のいくつかの基本要素を示す。装置１０は格子縞 の表面１３を有し、モータ駆動部１６によって矢印１４で示すように回転する回 転板１２を備える。小さい上板２０は駆動機構２４とアーム ２６によって矢印２２で示すように揺動し、アーム２６は揺動板２０に所望の垂 直方向の力を印加する。枢着部２８により、揺動板２０はまた、そこに矢印３０ に示すように回転運動を与える。 研磨すべきウェーハは、回転板１２と揺動板２０との間に設置される。図２は この方法に使用できる型板を示す。型板３０はウェーハをそれぞれ受入れるため の１つ以上の凹部３２と、揺動板２０の下側に接着する接着剤塗膜を有するフェ ルト裏板３４とを備える。フェルト裏板はグリセリンのような液体で湿らされ、 表面処理操作中にウェーハを適所に保持する。 そのような型板を用いることにより、ワックスダウン（waxdown）処理に通常 付随する洗浄の問題が回避される。ワックスダウン処理では、ウェーハは揺動板 の下面に塗布されたワックスによって適所に保持される。さらに、炭化珪素ウェ ーハにワックスを用いることは、結晶成長過程によって炭化珪素ウェーハに存在 するかも知れないミクロ細孔にワックスが入り込むという付随的な問題をもたら す。捕捉されたワックスは、洗浄後でも、表面製造工程で使用したくない粒度サ イズを有し、後続工程において傷を生じさせるかも知れない。 図３に示すように、少なくとも１つの炭化珪素ウェーハ４０は型板の凹部３２ 内に、ウェーハ４０の表面４１が型板３０の表面４２から突出するように設置さ れる。 この発明の一つの実施態様によれば、図４に示すように、ウェーハ４０は、表 面製造処理における最初のラッピング処理の間は、回転板１２に対向して設置さ れる。回転板１２と揺動板２０との相対運動期間に、研磨用ダイヤモンドスラリ ー混合物が供給源４４から回転板１２の表面に供給されるが、それはスプレー動 作によることが好ましい。ダイヤモンド粒子は ある程度、例えば、１５ミクロン（Ａサイズ）を有するが、それは工程中で用い られる最大の粒度サイズである。ダイヤモンドスラリー混合物に加えて、潤滑剤 が供給源４６から回転板１２の表面にスプレーされダイヤモンドスラリー混合物 の集中を減少させる。ここに用いるダイヤモンドスラリー混合物および潤滑剤は 、ダイヤゾルというブランド名で販売され、イリノイ州エルムハーストのフジミ ・コーポレーションから入手可能である。 後述するように、ダイヤモンドスラリー混合物と潤滑剤は初期において各々の 時間間隔でスプレーされ、その後、ウェーハは取りはずされ、イオンを除去した 水で超音波洗浄器の中で十分に洗浄される。次に、上記工程が、さらに小さい、 例えば１２ミクロン（Ｂサイズ）のダイヤモンド粒度サイズを有する少なくとも １種類以上のダイヤモンドスラリー混合物を用いてくり返される。粒度サイズを 変える毎に、新しい型板３０が用いられるべきであり、もし同じ型板が、連続的 に小さくなる粒度サイズに対して用いられる場合には、粒度サイズが変更される 間に十分に洗浄される。 初期ラッピング処理後、最終仕上げ研磨工程が行われ、研磨操作によって通常 生じるウェーハ表面への損傷をすべて除去し、エピタキシャル成長に適した高度 鏡面ウェーハを形成する。この手順は図５Ａ〜５Ｃに示され、ラッピング工程で 用いたものに類似しているが異なる装置で実行される。 図５Ａにおいて、板５０は矢印５１で示すように軸を中心に回転し、板５２は 矢印５３で示すように揺動する。揺動板５３の下側は型板３０に類似した型板５ ６を備えて炭化珪素ウェーハ４０を保持し、最終仕上げ研磨工程においてパッド が回転板５０に付設される。特に、図６を併せて参照すると、接着剤を裏に塗布 したパッド６０は回転板５０の表面６２に付着される。図示するように、パッド は、仕上げ研磨中の研磨作業を助ける複 数の穿孔を備える。少なくとも２つの、好ましくは３つのパッドがこの工程にお いて用いられるが、各パッドは前のパッドよりも順に柔らかいものである。例え ば、デラウェア州ニューアークのローデル・コーポレーションから入手可能なポ リウレタンの３つのパッドが、以下に述べるように、この発明で用いられた。 再度、図５Ａを参照すると、２つの板が互いに相対移動し、ダイヤモンドスラ リー混合物が供給源７０からスプレー動作によりパッド６０の表面に周期的に注 がれる。研磨後のこの最初の工程中では、ダイヤモンドスラリー混合物は８ミク ロンの粒度サイズ（Ｃサイズ）を用いてもよい。さらに、ダイヤゾルのような潤 滑剤も供給源７２からスプレーで注がれるが、これはダイヤモンドスラリー混合 物と同時である必要はない。 少なくとも２種類のダイヤモンドスラリー混合物が、仕上げ研磨工程で用いら れ、そのスラリーは順次小さいダイヤモンド粒度サイズを有する。例えば、図５ Ａに示す初期仕上げ研磨の後に、ウェーハは十分に洗浄され、新しい型板に挿入 される。４ミクロン（Ｄサイズ）のダイヤモンド粒度サイズを用いたダイヤモン ドスラリー混合物が次に使用され、図５Ｂの供給源７０によって供給される。新 しいさらに柔らかいパッド６０’も提供され、ダイヤモンドスラリー混合物と潤 滑剤はそれぞれのスケジュールに従って注がれる。 図５Ｃにおいて、第３パッド６０”は、最終仕上げ研磨用としてパッド６０’ と置換されたが、パッド６０’と共に使用したものと同じ粒度サイズのダイヤモ ンドスラリー混合物を使用した。２種類の異なるダイヤモンド粒度サイズのみを 有するスラリー混合物を用いて、満足できる結果を得ることができるが、第３の さらに小さい粒度サイズのスラリー混合物を、 所望であれば第３パッドと共に用いてもよい。 例えば、１．５インチ（３．８１ｃｍ）の直径を有する６Ｈ−炭化珪素ウェー ハが、この発明により、次のように製造された。 ４つの６Ｈ−炭化珪素ウェーハが、図２のように、真鍮板２０で裏打ちされた 型板３０に設置された。初期ラッピング処理の間、鋳鉄製の回転板１２（図１） の回転速度は６０回転毎分で、真鍮上板２０の揺動速度は２０サイクル毎分であ った。次の処理に使用する各ダイヤモンドスラリー混合物は、フジミ・コーポレ ーションから入手した各ダイヤモンドスラリーをダイヤゾル潤滑剤と、スラリー が１、潤滑剤が２の割合で最初に混合することによって製造された。 粒度サイズＡのダイヤモンドスラリー混合物と潤滑剤との両方を最初に適用す るに際して、潤滑剤は３分毎に５秒間注がれ、ダイヤモンドスラリー混合物は５ 分毎に５秒間注がれた。この初期研磨工程は約１．５時間続けられた。 この初期工程の後、ウェーハは取りはずされ、イオンを除去した水で洗浄され 、新しい型板に設置された。さらに、新しい型板が粒度サイズＢのダイヤモンド スラリー混合物を用いる第２ラッピング工程に対して用いられた。この第２ラッ ピング工程は約４０分間継続し、その間に潤滑剤は３分毎に５秒間注がれ、ダイ ヤモンドスラリー混合物は５分毎に５秒間注がれた。ラッピング処理の２つの工 程において、ウェーハに印加される圧力は１０ｐｓｉ（６８．９５ｋＰａ）に設 定された。 次の仕上げ研磨処理のために、ウェーハは洗浄され、２０サイクル毎分の速度 で揺動する、真鍮板で裏打ちされた型板５２（図６）に挿入され、６０回転毎分 の回転速度を有するアルミニウム製回転板５０が用いられた。 板５０の表面に付着された第１パッド６０は、ローデル・コーポレーション製の ＩＣ６０型ミクロ細孔ブローン・ポリウレタンパッドであった。粒度サイズＣの ダイヤモンドスラリー混合物が、最初に潤滑剤と共に使用されたが、その適用時 間は、潤滑剤に対しては２．５分毎に１０秒間、スラリー混合物に対しては５分 毎に１０秒間であった。この第１工程の合計時間は２時間であった。 第１工程の後に、ウェーハの洗浄後に、新しいパッド６０’が粒度サイズＤの ダイヤモンドスラリー混合物と共に使用され、新しい型板が用いられた。パッド ６０’はスーバ５００というローデル型であった。潤滑剤の使用は２分毎に１０ 秒間であり、ダイヤモンドスラリー混合物の使用は４分毎に１０秒間であり、合 計２時間であった。 粒度サイズＤを使用しポリテックス・スプリームというローデル型の新しいパ ッド６０”と共に行う最終仕上げ研磨に備えて、ウェーハは再び洗浄された。潤 滑剤とダイヤモンドスラリー混合物の適用時間は第２仕上げ研磨工程と同じであ り、合計時間も２時間であった。仕上げ研磨の全工程の間、装置はウェーハ上に おいて５ｐｓｉ（３４．４７ｋＰａ）の圧力を維持した。 上記工程により調整したウェーハは紫外光曇りシステムにかけられ、表面の傷 が評価された。このような紫外光曇りシステムはよく知られており、表面検査に 使用される。このようなシステムにおいては、ウェーハは回転され、断続的な紫 外光が０．１ミクロンの消光深さまでウェーハ表面を照射する。散乱光は、フィ ルタを通過した後、ホトマルチプライアによって検出され、増幅器へ出力される 。傷のない研磨表面からの散乱光はほとんどないが、傷のある表面は散乱を多く 生じる。紫外光光源を固定しながら ウェーハを回転することにより、傷が紫外光曇り特性から検出され、その紫外光 曇り特性は、回転角を関数とする後方散乱光の強度変化となる。 図７Ａは、基準の紫外光曇り特性を示し、その基準は、容易に研磨されるシリ コンの研磨ウェーハであり、その回転中にほとんど強度変化がないものである。 図７Ｂは、ワックスダウン処理を用いて研磨した炭化珪素の光学研磨ウェーハの 紫外光曇り特性を示す。このウェーハに要する合計製造時間は約７労働日であっ た。これに対して図７Ｃは、この発明の技術により上記詳細な工程によって製作 された炭化珪素ウェーハの紫外光曇り特性を示す。強度変化は図７Ｂに示すもの より実質的に減少し、図７Ａに示す基準のものにほぼ接近している。ワックスダ ウン処理と比較すると、このウェーハの合計製造時間は約１労働日であった。ウ ェーハは全体として多くの用途に適するが、実質的に無傷の表面は、ウェーハに さらに処理を施すことによって製作されてもよく、その処理は図８を最終的に参 照するものである。 イオン化可能ガス８２を収容した真空チャンバー８２の中にウェーハ４０を設 置して反応イオンエッチングするという最終仕上げ調整を、ウェーハ表面で実行 してもよい。ラジオ周波数発生源８４の作動中にプラズマがチャンバー８２の内 部に発生し、ほぼ全表面の傷がエッチングによって除去されるまでウェーハ表面 をエッチングする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーレット，ドノバン，エル. アメリカ合衆国、ペンシルバニア 15235、 ピッツバーグ、クレッセント・ガーデン・ ドライブ 126 (72)発明者 ハルガス，エリザベス，アン アメリカ合衆国、ペンシルバニア、モンロ ービル、ジュディ・レーン 1478

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）ウェーハ保持型板の凹部にウェーハを設置して、ウェーハの表面を前 記型板の表面から突出させ、 （ｂ）ウェーハの表面を回転板に対向して設置し、前記型板を回転板に相対的に 移動させ、 （ｃ）前記相対移動中に回転板の表面に少なくとも２つのダイヤモンドスラリー 混合物と潤滑剤とを、ダイヤモンドスラリー混合物が順次小さい粒度サイズを有 するように連続的に供給することによってウェーハ表面をラッピングし、 （ｄ）回転可能な板の表面に、パッドが順次柔らかい構成物となるように連続的 にパッドを適用し、パッドに対してウェーハ表面を相対的に移動させると共に、 前記相対移動中にパッドの表面に少なくとも２つのダイヤモンドスラリー混合物 と潤滑剤とを、ダイヤモンドスラリー混合物が順次小さい粒度サイズを有するよ うに連続的に適用することによって、前記のラッピングされたウェーハ表面を仕 上げ研磨する工程からなる炭化珪素ウェーハ表面製造方法。 ２．（ａ）複数の凹所を有する型板の各凹部に複数のウェーハを設置する、 工程を備えた請求の範囲１記載の方法。 ３．（ａ）型板を裏板に対して設置し接着によって固定する、 工程を備えた請求の範囲１記載の方法。 ４．（ａ）新しいダイヤモンドスラリー混合物が使用される毎に型板を変更する 、 工程を備えた請求の範囲１記載の方法。 ５．仕上げ処理のために、 （ａ）穿孔を有するパッドを使用する、 工程を備えた請求の範囲１記載の方法。 ６．仕上げ処理のために、 （ａ）２つの異なるダイヤモンドスラリー混合物を使用し、 （ｂ）３つの異なるパッドを使用する、 工程を備える請求の範囲１記載の方法。 ７．研磨処理のために、 （ａ）１５ミクロンと１２ミクロンのダイヤモンド粒度サイズを各々有する２つ のダイヤモンドスラリー混合物を使用する、 工程を備える請求の範囲１記載の方法。 ８．仕上げ処理のために、 （ａ）８ミクロンと４ミクロンのダイヤモンド粒度サイズを各々有する２つのダ イヤモンドスラリー混合物を使用する、 工程を備える請求の範囲１記載の方法。 ９．（ａ）仕上げられた炭化珪素ウェーハ表面に反応イオンエッチングを施す、 工程を備える請求の範囲１記載の方法。