JP4192112B2 - SiC基板表面の平坦化方法 - Google Patents
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また、SiCの物性値は、Siと比較して、許容電界強度が約10倍、動作温度が約4倍と高いこと、また、Si半導体プロセスにもよく適応し従来の半導体製造技術が利用できるなどの特徴を有している。この特徴から、SiC結晶は、高電圧、大容量の次世代パワー半導体としても期待されており、SiC半導体素子の材料として、3C−SiC基板や4H−SiC基板など、ポリタイプの異なる種々のSiC基板(SiCウエハ)が開発・製造されている。
またSiC基板は、その耐食性および耐熱性から、Si半導体デバイスにおける、半導体製造装置の状態や各プロセスの実行結果のチェックのためのモニタウエハとしても使用されている。
また、現行のSi半導体デバイスにおけるモニタウエハとして使用する際にも、SiCウエハ基板の表面は高精度に平坦化されている必要がある。これは、半導体製造装置の状態や各プロセスの実行結果のチェックのためにウエハ表面の非常に微細なパーティクルを検出する場合など、表面の平坦度が低ければ(表面粗さが大きければ)微細なパーティクルを検出することができないためである。
少なくとも0.1μmのパーティクルを検出することができるレベルにまでSiC表面を平坦化するには、機械研磨とCMPのみでは、砥粒や薬品の種類、研磨条件を変更しつつ、段階的に非常に多くの回数を繰り返して研磨を行う必要があり、平坦な表面が得られるまでに非常に多くの時間がかかっていた。また、微小なスクラッチ傷を完全に除去することは出来ないままであった。
また、前記第2のガスは、Arガスであることであることが好ましい。
本発明によって高精度に表面が平坦化されたSiC基板を、半導体デバイスの材料として用いることで微細加工精度が上昇し、高機能な半導体デバイスが作製できる。
また、Si半導体製造プロセスにおけるモニタウエハとして用いることで、Si半導体プロセスにおいて発生したサブミクロンレベル以下の非常に微細なパーティクルを検出することができる。
図1は本発明によって表面を平坦化するSiC基板の利用形態の一例を説明する図であり、縦型LPCVD装置10を用いた成膜プロセスにおけるモニタウエハとして使用する際のSiC基板の配置を説明する図である。
本実施形態において表面を平坦化する3C−SiC基板は、SiC結晶のポリタイプの1つである3C−SiC結晶の基板であり、(111)結晶面を表面としている。この基板は、後述のように、一方の表面層がSi原子のみで構成されており、成膜工程における酸化膜厚のチェックを高精度に行うことが可能であり、モニタウエハとして適している。
なお、本実施形態では、半導体製造プロセスにおけるモニタウエハを作製する際の3C−SiC基板の平坦化方法について示すが、表面を平坦化する基板はモニタウエハとして用いられる基板に限らず、半導体デバイスの材料用の基板として用いられるものであってもよく、特に限定されない。SiC結晶のポリタイプについても、例えば4H−SiCであってもよく特に限定されない。
図3に示すように、まず、製造するSi基板の寸法に合わせた、高純度黒鉛からなる所定寸法の円板状黒鉛基材40を製作する(図3(a))。その後、円板状黒鉛基材40をCVD装置に入れ、装置(炉)内を所定の温度(例えば、1000〜1600℃)に加熱、保持するとともに、炉内を所定の圧力(例えば、1.3kPa)に制御する。そして、キャリアガスである水素ガス(H2)とともに、SiCの原料となるSiCl4、C3H8などを体積%で5〜20%供給し、黒鉛基材40の表面にSiCの層42を0.3〜1mm成膜する(図3(b))。(以上、図2中のステップ100)
まず、この3C−SiC基板50のC面を機械研磨を行う(図2中のステップ104)。この機械研磨は例えばダイヤモンド砥粒を用いて行われ表面粗さが例えばRa=0.02μmとなるまで研磨される。
この後、CMP研磨を行う(図2中のステップ106)。このCMPは、例えば研磨剤にコロイダルシリカ(粒径70nm)を用いて、アルカリ添加によりスラリーのpHを10ないし11に調整しつつ行われる。このCMP研磨では、SiC基板50のC面の表面粗さが例えばRa=1.5nm程度となるまで行われる。このCMPにおける基板表面のエッチング速度は、スラリー温度55℃でのエッチング速度はpH10で0.1μm/h、pH11で0.2μm/hである。スラリー温度が室温程度では、エッチング速度が更に小さくなる。また、Si面では、そのエッチング速度がC面に比較し半分以下となる。
図5は、本発明のSiC基板表面の平坦化方法の実施形態の1つの概略を示すフローチャート図を示す。
本実施形態では、図5に示すように、まず、第1の照射として反応性ガスを含んだ混合ガスのガスクラスターイオンビーム(以降、反応性ガスGCIBとする)をSiC基板50のC面に照射し、次に第2の照射として不活性ガスのガスクラスターイオンビーム(以降、不活性ガスGCIBとする)を照射する。
拡散チャンバー72はガスクラスターの生成・選別を行う部位であり、真空状態の拡散チャンバー内にガスを噴出することでガスクラスターを生成するノズル78、および生成されたガスクラスターを選別するスキマー80を有している。
また、メインチャンバー76は、電界によってガスクラスターイオンを加速する第2加速部90と、電界によってガスクラスターイオンの飛翔方向を制御するデフレクター電極92と、表面を平坦化する対象であるSiC基板50を保持するためのターゲットステージ94とを有している。
まず、拡散チャンバー72のノズル78に、ガスボンベなどから供給されたソースガスが数気圧に加圧されて供給される。このノズル78に供給されたガスが、超音速でノズル78から真空状態の拡散チャンバー72内に噴出されて、断熱膨張によって急激に冷却される。冷却されたガス原子またはガス分子は、非常に弱い原子・分子間の結合によってクラスター分子となって一定の方向に進んでいく。この際、すべてのガス原子または分子が、クラスター分子になるわけではなく、単原子・分子(モノマー)から数千個の原子が固まったクラスター分子が混在している。クラスター分子流は中心部が重くクラスター数の多いクラスター分子が存在し、周辺に行くにしたがってクラスター数の少ないクラスター分子が分布している。
そこでスキマー80によってクラスター分子流の中心部分にあるクラスター数の多いクラスター分子を取り出して、モノマーあるいはクラスター数の少ないものをできる限り除去する。
第2加速部90を通過して試料に照射されるイオンビームは、第2加速部90と3C−SiC基板との間に設けられた、互いに直交して配置されたデフレクター電極92により照射位置を任意に変えることが可能となっている。このようにしてガスクラスターイオンビームをターゲットステージ94上に配置されたSiC基板50の任意の位置へ照射する。
まず、第1の照射として、機械研磨およびCMP研磨されたSiC基板50の表面に、第1のガスである、SF6ガスやCF4ガスなどの反応性ガスまたはこれら反応性ガスを少なくとも含む混合ガスのガスクラスターイオンビームを、例えば照射エネルギー(ガスクラスターイオン加速電圧)5〜20keV、照射ドーズ量1.00E+15〜1.00E+16(ions/cm2)で20分間照射する(図5中のステップ108a)。
反応性ガスのガスクラスターイオンビームの照射のように、平坦化効果を有しつつ比較的速いエッチングレートのガスクラスターイオンビームの照射を行うことで、短い時間でスクラッチ傷のような局所的に深い傷を無くすことができる(図7(a))。
このような不活性ガスを主成分とするクラスターイオンビームの照射では、主にクラスターの衝突によって表面をスパッタする物理スパッタが行われる。
この酸素ガスを主成分としたガスクラスターイオンビームの照射によると、SiC基板表面はほとんどエッチングされることなく平坦化される(図7(c))。O2ガスを主成分とするガスクラスターイオンビーム照射における基板表面の平坦化の態様は、基板表面の薄膜の形成によるものである。
SiC表面が平坦化され、かつエッチングがされていない(または極端にエッチングレートが低い)点からも、SiCの表面がガスクラスターイオンによって改質されており、酸化膜などの何らかの薄膜が形成されていると判断できる。
第3の照射によれば、第2の照射工程で得られた表面粗さを、短い時間でより低減する(より平坦化する)ことが可能である。
本発明のガスクラスターイオンビームの照射によるSiC基板の平坦化方法では、このように、SiC基板表面の巨視的な表面粗さや局所的な傷の状態に応じて、それぞれガス種の異なる第1の照射、第2の照射、第3の照射の3段階のガスクラスターイオンビームの照射を行い、短い時間で高精度に平坦化されたSiC基板表面を得るものである。
下記表1は、上述の実施形態に示すSiC基板の平坦化方法を実施した結果の一例について示す表である。本実施例では、上述の実施形態の通りCVD成長によって3C−SiC基板を作製し、C面を機械研磨およびCMP研磨行ったSiC基板のC面に、段階的にガスクラスターイオンビームを照射した際の、各ガスクラスターイオンビームの照射条件と照射後の3C−SiC基板表面の平均粗さのデータである。
本実施例では、第1の照射においてSF6(10%)+He(90%)である混合ガスのガスクラスターイオンビームを照射し、第2の照射においてArガスのガスクラスターイオンビームを照射し、第3の照射においてO2(70%)+He(30%)である混合ガスのガスクラスターイオンビームを照射した。
図8は、本実施例における第1の照射前(CMP研磨後)のSiC基板表面の所定の1μm四方の領域をAFM(原子間力顕微鏡)で走査して得られたSiC基板表面のプロファイル評価結果の図であり、基板表面の凹凸の程度を色濃度の違いによって表した図である。図8に示す評価結果から、CMP研磨後には3C−SiC基板表面には線状に伸びた深い溝状の凹部が多数発生していることがわかる。これら溝状の凹部はダイヤモンド砥粒またはSiC自身によるスクラッチ傷である。
図9は、本実施例における第2の照射後(不活性ガスのガスクラスターイオンビーム照射後)のSiC基板表面の表面の凹凸の程度を色濃度の違いによって表した図であり、図8に示す領域とほぼ同じ1μm四方の領域をAFM(原子間力顕微鏡)で走査して得られたプロファイル評価結果の図である。図8と図9に示すプロファイル評価結果の図における凹凸のスケールは、図8および図9ともに同一のスケールである。図9に示す評価結果から分かるように、第1の照射および第2の照射によって、CMP研磨によって形成されたSiC基板表面のスクラッチ傷が消失し、平坦な表面が得られていることが確認できる。
そして、図10(d)は、表1に示す、第1の照射においてSF6(10%)+He(90%)である混合ガスのガスクラスターイオンビームを照射し、第2の照射においてArガスのガスクラスターイオンビームを照射し、第3の照射においてO2(70%)+He(30%)である混合ガスのガスクラスターイオンビームを照射してSiC基板表面を平坦化させた際のグラフである。
これに対し、本発明のSiC基板表面の平坦化方法を用いた場合(図10(d)のグラフ)、1時間程度の短い時間で目標表面粗さ(0.5(nm))に到達することができる。
12 炉本体
14 プロセスチューブ
16 ベース
18 ボート受け
20 ウエハボート
22 シリコンウエハ
24 ガス導入間
28 ダミーウエハ
30 モニタウエハ
40 黒鉛基材
50 SiC基板
70 ガスクラスターイオン照射装置
72 拡散チャンバー
74 ソースチャンバー
76 メインチャンバー
78 ノズル
80 スキマー
82 イオン化部
84 第1加速部
86 減速電界部
88 ファラデーカップ
90 第2加速部
98 スクラッチ傷
Claims (5)
- ガスクラスターをイオン化し、ガスクラスターイオンビームとしてSiC基板表面に照射してSiC基板表面を平坦化する方法であって、
反応性ガスまたは前記反応性ガスを少なくとも含む混合ガスである第1のガスのガスクラスターイオンビームを、前記SiC基板の表面に照射して前記反応性ガスとSiCとの化学反応によって前記SiC基板の表面をエッチングする第1の照射工程と、
不活性ガスである第2のガスのガスクラスターイオンビームを、前記SiC基板のエッチングされた表面に照射してイオン衝撃により前記SiC基板の表面をさらにエッチングすることで、前記第1の照射工程で得られた前記SiC基板の表面粗さをさらに低減する第2の照射工程と、
酸素及び/又は酸素化合物を50〜100%含みかつ不活性ガスを0〜50%含む酸素ガスを主成分としたガスのガスクラスターイオンビームを前記SiC基板表面の一方の面に照射し、前記第2の照射工程で得られた前記SiC基板の表面粗さをさらに低減する仕上げ照射工程と、を有することを特徴とするSiC基板表面の平坦化方法。 - 前記酸素化合物は、CO,CO 2 ,NO及びNO 2 から1種又は2種以上選ばれることを特徴とする請求項1に記載のSiC基板表面の平坦化方法。
- 前記反応性ガスは、SF6またはCF4からなるガスであることを特徴とする請求項1または2に記載のSiC基板表面の平坦化方法。
- 前記第2のガスは、Arガスであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のSiC基板表面の平坦化方法。
- 前記SiC基板は、結晶系3CのSiC基板であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のSiC基板表面の平坦化方法。
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