JP2010118616A - 半導体基板の製造方法、半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン層又はシリコン基板上に、欠陥密度が低く高品質なエピタキシャル層を、少ない工程で低コストに形成することが可能な半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンウエーハ１１の一面１１ａに対して、ウエットエッチング法によって異方性エッチングを行う。シリコンウエーハ１１の一面１１ａに対して、異方性エッチングを行うと、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに微細な凹凸１２が形成される。この微細な凹凸１２は、例えば（１１１）面からなる傾斜面１２ａ，１２ｂで構成された溝１４が、周期的に多数形成されたものであればよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板の製造方法、および半導体基板に関する。

パワーデバイス用のワイドバンドギャップ半導体として、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が知られている。炭化ケイ素には六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣなど）、立方晶（３Ｃ−ＳｉＣ）といった結晶多形が存在しているが、六方晶の炭化ケイ素においては、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板が開発され半導体装置の開発に使用されている。ところが、炭化ケイ素単結晶基板は高コストでウエハの大口径化が難しいという問題もある。こうした炭化ケイ素膜を用いた半導体装置を低コストで製造するために、安価なシリコン単結晶基板（シリコンウエーハ）の上に立方晶の炭化ケイ素膜をエピタキシャル成長させることが検討されている。

しかしながら、シリコン単結晶基板の上に直接炭化ケイ素膜を形成すると、その界面で結晶欠陥、例えば転移欠陥が生じやすい。これは、シリコン単結晶の格子定数が０．５４３ｎｍであるのに対して、立方晶炭化ケイ素の格子定数が０．４３５ｎｍと、その値が約２０％も異なっているためである。転移欠陥が生じた半導体基板は、空乏層でリークが発生しやすい。

シリコン単結晶基板の上に、転移欠陥の少ない炭化ケイ素膜を得る方法として、例えば特許文献１には、シリコン単結晶基板の一面にフォトリソグラフィーによって起伏形状を形成した後、炭化ケイ素膜を成膜する方法が記載されている。こうした起伏形状を形成することによって、炭化ケイ素膜に転移欠陥が伝播するのを防止できるとされる。
特開２００４−１８９５９８号公報

シリコン単結晶基板上に形成した炭化ケイ素膜に欠陥が伝播するのを防止するためには、上述したような起伏形状はできるたけ微細化されているのが好ましい。しかしながら、従来のように、フォトリソグラフィーによってシリコン単結晶基板の上に起伏形状を形成する方法では、起伏形状の微細化に限界があった。また、フォトリソグラフィーによって起伏形状を形成するには、レジスト層の形成、露光、現像など多くの工程が必要となり、工程数の増加による製造効率の低下、製造コストの上昇を招く。

本発明にかかるいくつかの態様は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シリコン層又はシリコン基板上に、欠陥密度が低く高品質なエピタキシャル層を、少ない工程で低コストに形成することが可能な半導体基板の製造方法を提供する。
また、シリコン単結晶基板上に、結晶欠陥の少ないエピタキシャル層を形成した半導体基板を提供する。

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は次のような半導体基板の製造方法、および半導体基板を提供した。
すなわち、本発明の半導体基板の製造方法は、第１面がミラー指数（１１０）で表される結晶面であるシリコンウエーハの、前記第１面にエッチングを行い、第２面を形成する工程と、前記第２面上にエピタキシャル層を形成する工程と、を有し、前記エッチングは、異方性エッチング液を用いたウエットエッチングであり、前記第２面は、所定の角度で傾斜した複数の傾斜面からなる凹凸を有する面であることを特徴とする。

このような構成によれば、エピタキシャル層を形成する際に、エピタキシャル層に生じた面欠陥は、シリコンウエーハの一面に形成した凹凸によって、エピタキシャル層表面に伝播することが抑制される。これにより、面欠陥の少ない優れた結晶構造のエピタキシャル層を備えた半導体基板を得ることができる。そして、シリコンウエーハの一面に、エピタキシャル層表面への面欠陥の伝播を抑制する凹凸を形成する際に、シリコンウエーハの一面に異方性エッチング液を用いてウエットエッチングを行うだけでよい。このため、従来のように、シリコンウエーハの一面に、溝などの凹凸を形成する際に行われていたフォトリソグラフィーによる諸工程、即ち、レジスト層の形成、現像、露光など多くの工程を経ずとも、ウエットエッチング工程を経るだけで、シリコンウエーハの一面に微細な凹凸１２を形成する事が可能になる。よって、少ない工程で、短時間に、かつ低コストで面欠陥の少ない優れた結晶構造のエピタキシャル層を備えた半導体基板を得ることができる。

前記異方性エッチング液は、ミラー指数（１００）で表される結晶面に対してのエッチングレートが、前記ミラー指数（１１０）で表される結晶面に対してのエッチングレートよりも大きく、かつ、ミラー指数（１１１）で表される結晶面に対してのエッチングレートが、前記ミラー指数（１１０）で表される結晶面に対してのエッチングレートよりも小さいことが好ましい。
これにより、（１１０）面に対して、（１００）面や（１１１）面からなる凹凸をウエットエッチングにより形成できる。

前記異方性エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、水酸化ルビジウム、エチレンジアミンピロカテコールのうち、少なくとも１種を含む溶液であることが好ましい。
これによって、シリコンウエーハの一面に対して、短時間で凹凸を形成することができる。

前記複数の傾斜面は、前記シリコンウエーハの厚み方向に沿った断面において、周期的な三角形の溝を形成したものであることが好ましい。
これによって、エピタキシャル層に生じた面欠陥が伝播する事を効果的に抑制することができる。

前記複数の傾斜面は、ミラー指数（１００）で表される結晶面、またはミラー指数（１１１）で表される結晶面を含むことが好ましい。
これによって、（１１０）面であるシリコンウエーハの一面に形成した、エピタキシャル層に生じた面欠陥が伝播するのを効果的に抑制することが可能な凹凸を得ることができる。

前記エピタキシャル層は、立方晶の炭化ケイ素、または立方晶の窒化ガリウムからなることが好ましい。
これによって、面欠陥が少なく、かつ、パワーデバイス用のワイドバンドギャップ半導体として好適な半導体基板を得ることができる。

本発明の半導体基板は、前記半導体基板の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明の半導体基板によれば、面欠陥の少ない優れた結晶構造を持つエピタキシャル層を有する半導体基板を実現できる。

本発明の半導体基板の製造方法、および半導体基板の最良の形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明の半導体基板の実施形態の一例を示す断面図である。
本発明の半導体基板１０は、シリコンウエーハ（シリコン単結晶基板）１１と、このシリコンウエーハ１１の一面１１ａに形成されたエピタキシャル層１３とを備えている。そして、シリコンウエーハ１１の一面１１ａには、複数の傾斜面１２ａ，１２ｂが所定の角度で接続されてなる、微細な凹凸１２が形成されている。

シリコンウエーハ１１は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキー法）により引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライス、研磨して形成する。このシリコンウエーハ１１の一面１１ａはミラー指数（１１０）で表される結晶面（以下、単に（１１０）面と略記する）を成している。そして、この一面１１ａに形成される凹凸１２は、例えば、シリコンウエーハ１１の厚み方向に沿った断面において、２つの傾斜面１２ａ，１２ｂが接続された断面三角形の溝１４が周期的に多数形成されたものであればよい。

溝１４を成す２つの傾斜面１２ａ，１２ｂは、例えば、ミラー指数（１１１）で表される結晶面（以下、単に（１１１）面と略記する）であればよい。単結晶シリコンにおいて（１１０）面と（１１１）面とが成す角度θ１は「３５．３°」であるので、溝１４を成す２つの傾斜面１２ａ，１２ｂが（１１１）面である場合、溝１４の底部において対向する（１１１）面同士が成す角度θ２は「１０９．４°」となる。

エピタキシャル層１３は、上述した微細な凹凸１２を覆うようにエピタキシャル成長させた半導体膜である。エピタキシャル層１３は、例えば、立方晶の炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）から構成されていれば良い。立方晶の炭化ケイ素は、バンドギャップ値が２．２ｅＶ以上と広く、熱伝導率や、絶縁破壊電界が高いため、パワーデバイス用のワイドバンドギャップ半導体として好適である。またエピタキシャル層１３を立方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成することも好ましい。

このような構成の半導体基板１０は、（１１０）面となるシリコンウエーハ１１の一面１１ａに微細な凹凸１２が形成され、この微細な凹凸１２は、例えば（１１１）面の傾斜面１２ａ，１２ｂから構成された溝１４を多数形成したものである。これにより、エピタキシャル層１３を形成（成長）させる際に、エピタキシャル層に生じた面欠陥は、互いに鏡面対象となるような面欠陥の会合消滅機構によりエピタキシャル層途中で消滅する。

これにより、エピタキシャル層に生じた面欠陥は、微細な凹凸１２によってエピタキシャル層１３の途中で消滅し、表面に伝播することが抑制され、面欠陥の少ない優れた結晶構造を持つエピタキシャル層１３を有する半導体基板１０を実現できる。

なお、微細な凹凸１２を成す傾斜面１２ａ，１２ｂは、（１１１）面以外にも、例えば、（１００）面であってもよい。また、傾斜面１２ａ，１２ｂは、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに形成されるエピタキシャル層１３に向かって、面欠陥が伝播することを抑制可能な角度を持つ面であれば、（１１１）面や（１００）面以外の結晶面であってもよい。

また、シリコンウエーハ１１の一面１１ａには、オフ角を形成されていることも好ましい。こうしたオフ角は、（１１０）面から特定の結晶面方向へ所定の角度だけ大きい、または小さい角度にシリコンウエーハ１１の一面１１ａを傾斜させておくものである。オフ角を形成したシリコンウエーハ１１の一面１１ａに微細な凹凸１２を形成すれば、エピタキシャル層１３に生じた面欠陥が伝播することを更に効果的に抑制できる。オフ角の一例としては、（１１０）面から［１００］方向に０〜４５°、（１１０）面から［１１１］方向に０〜３５°傾斜するようにシリコンウエーハ１１の一面１１ａを形成することが挙げられる。

次に、本発明に係る半導体基板の製造方法を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の半導体基板の製造方法を段階的に示す断面図である。半導体基板、例えばシリコンウエーハの一面に３Ｃ−ＳｉＣからなるエピタキシャル層を備えた半導体基板を製造する際には、まず、一面１１ａが（１１０）面を成すシリコンウエーハ１１を用意する（図２（ａ）参照）。なお、この一面１１ａは、予め（１１０）面に対して所定のオフ角で傾斜した面であってもよい。

次に、このシリコンウエーハ１１の一面１１ａに対して、ウエットエッチング法によって異方性エッチングを行う（図２（ｂ）参照）。ウエットエッチングの一例としては、スピンエッチングが挙げられる。スピンエッチングは、シリコンウエーハ１１を回転させておき、ここに異方性エッチング液２１を滴下して、遠心力により異方性エッチング液２１が万遍なくシリコンウエーハ１１の一面１１ａに拡がるようにする。これにより、シリコンウエーハ１１の一面１１ａのどの部位にも異方性エッチング液２１が均等に広がり、シリコンウエーハ１１の一面１１ａ全体に異方性エッチングが施される。

なお、ウエットエッチングとしては、本実施形態のようなスピンエッチング以外にも、シリコンウエーハ１１を異方性エッチング液に浸漬するなど、一般的なウエットエッチングに用いられる処理技術および処理装置をそのまま利用することができる。

異方性エッチング液２１としては、シリコンウエーハ１１の一面１１ａを成す、ミラー指数（１１０）で表される結晶面よりも、他の結晶面、例えば、ミラー指数（１００）で表される結晶面に対してエッチングレートが大きく、かつ、ミラー指数（１１１）で表される結晶面に対してエッチングレートが小さいものを用いる。このような異方性エッチング液の具体例としては、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、水酸化ルビジウム、エチレンジアミンピロカテコールのうち、少なくとも１種を含む溶液が挙げられる。

シリコンウエーハ１１の一面１１ａに対して、異方性エッチングを行うと、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに微細な凹凸１２が形成される（図２（ｃ）参照）。この微細な凹凸１２は、例えば（１１１）面からなる傾斜面１２ａ，１２ｂで構成された溝１４が、周期的に多数形成されたものであればよい。

シリコンウエーハ１１の一面１１ａに、（１１０）面よりも他の結晶面に対してエッチングレートが異なる異方性エッチング液が接触すると、（１１０）面からなるシリコンウエーハ１１の一面１１ａは、（１１０）面に対して傾斜した面方向、例えば（１００）面に沿った方向へのエッチングが促進される。その結果、（１１０）面からなるシリコンウエーハ１１の一面１１ａは、シリコンウエーハ１１の厚み方向に向けて均等に厚みが減じられるようにエッチングされず、（１１１）面からなる傾斜面１２ａ，１２ｂが出現する。これによって、傾斜面１２ａ，１２ｂが接続された断面三角形の溝１４が、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに多数形成されることになる。

このような傾斜面１２ａ，１２ｂは、（１１１）面以外にも、（１００）面、あるいは（１１１）面に対して所定の角度で交差する他の結晶面であればよい。傾斜面１２ａ，１２ｂを構成する結晶面は、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに所定のオフ角を設けることによって、あるいは異方性エッチング液の種類を選択する事によって、目的のミラー指数をもつ結晶面を適宜選択する事ができる。

微細な凹凸１２を構成するそれぞれの溝１４の幅ｗは、例えば１００〜６００ｎｍ程度に形成されればよい。また、溝１４の深さｄは、例えば１〜５０ｎｍ程度に形成されればよい。なお、本実施形態においては、微細な凹凸１２を構成する溝１４は、シリコンウエーハ１１の厚み方向に沿った断面を三角形（略Ｖ字形状）にしているが、溝１４の形状はこれに限定されるものではない。例えば、溝１４を断面を略台形にしたり、溝１４を成す傾斜面１２ａ，１２ｂを傾斜面にしてもよい。

次に、微細な凹凸１２が形成されたシリコンウエーハ１１の一面１１ａに、エピタキシャル層１３を形成する（図２（ｄ）参照）。エピタキシャル層１３は、例えば、立方晶の炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）であればよい。エピタキシャル層１３の形成にあたっては、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて、微細な凹凸１２を覆うように、所定の厚みで立方晶の炭化ケイ素を成膜すれば良い。

ところが、このようなエピタキシャル層を成膜する際、下層であるシリコンウエーハと格子定数が大きく異なることから、エピタキシャル層に多数の結晶欠陥が発生する。しかし、上述したように、本発明に係る半導体基板の製造方法によれば、例えば、（１１０）面となるシリコンウエーハ１１の一面１１ａに（１１１）面となる傾斜面１２ａ，１２ｂから構成された溝１４を備えた微細な凹凸１２を形成した。これにより、エピタキシャル層１３を形成（成長）させる際に、エピタキシャル層に生じた面欠陥は、互いに鏡面対象となるような面欠陥の会合消滅機構によりエピタキシャル層途中で消滅する。これにより、エピタキシャル層に生じた面欠陥は、微細な凹凸１２によってエピタキシャル層１３の途中で消滅し、表面に伝播することが抑制される。従って、面欠陥の少ない優れた結晶構造のエピタキシャル層１３を備えた半導体基板１０を得ることができる。

そして、エピタキシャル層１３で発生した面欠陥の伝播を抑制する微細な凹凸１２を形成する際には、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに異方性エッチング液を用いてウエットエッチングを行うだけでよい。これにより、従来のように、シリコンウエーハの一面に、溝などの微細な凹凸を形成する際に行われていたフォトリソグラフィーによる諸工程、即ち、レジスト層の形成、現像、露光など多くの工程を経ずとも、ウエットエッチング工程を経るだけで、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに微細な凹凸１２を形成する事が可能になる。よって、少ない工程で、短時間に、かつ低コストで面欠陥の少ない優れた結晶構造のエピタキシャル層１３を備えた半導体基板１０を得ることができる。

なお、微細な凹凸１２を構成する傾斜面１２ａ，１２ｂは、上述した（１１１）面以外にも、（１００）面、あるいは（１１１）面に対して所定の角度で交差する他の結晶面であってもよい。こうした傾斜面１２ａ，１２ｂを構成する結晶面は、シリコンウエーハ１１の一面１１ａに所定のオフ角を設けることによって、あるいは異方性エッチング液の種類を選択する事によって、目的のミラー指数をもつ結晶面を適宜選択する事ができる。
また、エピタキシャル層１３は、立方晶の炭化ケイ素（３Ｃ−ＳｉＣ）以外にも、例えば、立方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成することも好ましい。

図３に、本発明の半導体基板の製造方法によって、一面に微細な凹凸を形成したシリコンウエーハのＡＦＭによる拡大画像を示す。また、この微細な凹凸の断面におけるサイズ分布を示すグラフを図４に示す。図３及び図４によれば、異方性エッチング液を用いたウエットエッチングによって、幅２００ｎｍ程度、深さ数ｎｍ程度の溝が周期的に多数形成されてなる微細な凹凸が、シリコンウエーハの一面に形成できることが確認された。

本発明の半導体基板の一実施形態を示す断面図である。 本発明の半導体基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施例を示す画像である。 本発明の実施例を示すグラフである。

符号の説明

１０ 半導体基板
１１ シリコンウエーハ
１２ 微細な凹凸
１２ａ，１２ｂ 傾斜面
１３ エピタキシャル層
１４ 溝

Claims (7)

1. 第１面がミラー指数（１１０）で表される結晶面であるシリコンウエーハの、前記第１面にエッチングを行い、第２面を形成する工程と、
   前記第２面上にエピタキシャル層を形成する工程と、
   を有し、
   前記エッチングは、異方性エッチング液を用いたウエットエッチングであり、
   前記第２面は、所定の角度で傾斜した複数の傾斜面からなる凹凸を有する面であることを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 前記異方性エッチング液は、
   ミラー指数（１００）で表される結晶面に対してのエッチングレートが、前記ミラー指数（１１０）で表される結晶面に対してのエッチングレートよりも大きく、かつ、ミラー指数（１１１）で表される結晶面に対してのエッチングレートが、前記ミラー指数（１１０）で表される結晶面に対してのエッチングレートよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方法。
3. 前記異方性エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、水酸化ルビジウム、エチレンジアミンピロカテコールのうち、少なくとも１種を含む溶液であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体基板の製造方法。
4. 前記複数の傾斜面は、前記シリコンウエーハの厚み方向に沿った断面において、周期的な三角形の溝を形成する、請求項１ないし３記載のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。
5. 前記複数の傾斜面は、ミラー指数（１００）で表される結晶面、またはミラー指数（１１１）で表される結晶面を含むことを特徴とする請求項１ないし４記載のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。
6. 前記エピタキシャル層は、立方晶の炭化ケイ素、または立方晶の窒化ガリウムからなることを特徴とする請求項１ないし５記載いずれか１項記載の半導体基板の製造方法。
7. 請求項１ないし６いずれか１項記載の半導体基板の製造方法によって製造されたことを特徴とする半導体基板。

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