JP4414433B2 - ＳｉＣ薄膜におけるエピ前表面処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、マイクロエレクトロニクスおよび／またはオプトエレクトロニクス用途を対象とした半導体材料の処理に関する。
特に、本発明は、１ナノメートル（ｎｍ）または数１０ｎｍから、１００ｎｍまたは数１００ｎｍ、例えば４００ｎｍまたは５００ｎｍといった範囲の厚さの薄膜の表面を製造する方法に関する。
特に、本発明は、エピタキシャル成長を実施するための炭化珪素単結晶膜に関する。
上記膜は、他の材料（酸化物または堆積された酸化物や窒化物等の他の膜で被覆された、シリコン、ＳｉＣ単結晶または多結晶）の上に移された炭化珪素膜であってもよい。
特に、本発明は、エレクトリックパワーコンポーネントを製造する目的で行うエピタキシャル成長のために使用される、例えばポリタイプが４ＨのＳｉＣ基板に適用できる。
良質なエピタキシーを得るためには、出発表面は、無欠陥かつ可能な限り滑らかでなければならない。
薄膜を移す方法、特にＳｉＣ薄膜を移すことに関する方法が、“スマートカット”法（または基板分割法）として知られている。それは、例えば、A.J.Auberton-Herveらによる論文“Why can Smart-Cut Change the future of microelectronics?”,Int. Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol.10, No1，2000, p.131-146で述べられている。その方法によれば、分割後、約５ｎｍ ｒｍｓ（root mean square）の粗さが残るが、そうした粗さはエピタキシャル成長とあまり相性がよくない。
その粗さは、熱酸化型処理（アニールとして知られている）および／またはイオンエッチングを適用することによって、約１ｎｍ〜２ｎｍ ｒｍｓまで減じなければならない。しかしながら、それらの技術では、望ましい最終的な粗さ（０．１ｎｍ〜０．２ｎｍ ｒｍｓ）を得ることができない。
ＳｉＣの熱酸化は、特にシリコン面で極めて緩やかであるため、アニール工程を行ったとしても、粗さを大幅に減ずるには材料消費が不十分となる。
さらに、シリコンのような材料に比して、研磨された表面の化学反応性が低いので、ＳｉＣの化学機械研磨（ＣＭＰ）は、実施することが困難である。それに加えて、シリコンの研磨の毎分５０ｎｍに対して、毎時１０ｎｍのオーダーと除去速度が非常に遅い。
さらに、ＳｉＣの機械的な硬さは極めて高く、“ダイヤモンド”研磨剤、またはシリコンを研磨するためのものとして知られている研磨剤の使用は、研磨痕を付けるだけに終わる可能性がある。
このように、上記研磨痕および欠陥を生じさせることなく、十分に高い除去速度を達成できる研磨剤を使用することは困難である。それゆえに、ＳｉＣ研磨方法は、しばしば長時間（数時間）を要し、尚かつダイヤモンド粒子に基づく研磨剤では、１ｎｍ ｒｍｓ未満の粗さを生じさせることができない。
これら２つの理由のために、ＳｉＣ研磨技術は、極めて特殊なものとなっている。現在のところ、ＳｉＣ基板の研磨方法は、ほとんど知られていない。
米国公報US-A-5895583には、連続した研磨方法、すなわち、各研磨工程によって生ずる加工硬化領域を除去するためにいくつかの工程を必須とする、研磨方法が記載されている。その方法は、直径を減じたダイヤモンド含有粒子に基づく研磨剤を使用する。
２００２年８月２日付けのフランス特許出願02/09869号には、分子結合と相性がよい粗さを生じさせることができる、混合研磨剤（ダイヤモンド／シリカ）を使用した方法が記載されている。
研磨以外の技術が、小さい粗さを生じさせるために存在する。その大多数は、プラズマ（ＲＩＥ）またはビーム（例えばガスクラスターイオンビーム）からのイオンで表面を攻撃することに基づいており、１つの技術が、US-2002 0014407に記載されている。それらの技術は、除去速度に関しては興味深いが、表面状態は、エピタキシーにとってあまりに粗く、特に、表面を滑らかにすることができない。
このように、膜（特に炭化珪素膜）の表面を処理する、または製造する新しい方法を開発することに関して課題が存在する。
さらなる課題は、小さい粗さを生じさせることができ、および／または、研磨痕や欠陥を生じさせることなく十分な除去速度を達成できる、膜、特に炭化珪素膜を処理する方法を見出すことにある。
さらなる課題、すなわち、好ましくは１５オングストローム（Å）または１０Å ｒｍｓまたは５Å ｒｍｓまたは１Å ｒｍｓ未満であり、エピタキシャル成長と相性のよい、小さい粗さを生じさせることができる、膜、特に炭化珪素膜を処理する方法を開発する、という課題がある。
本発明は、炭化珪素ウェーハの表面を製造する方法であって、前記ウェーハの表面における粗さを減ずるために、研磨を予定している表面の全体を酸化雰囲気に曝しつつ、前記ウェーハを酸化雰囲気中でアニールする工程と、前記アニール工程を経て粗さが減じられた前記表面を、コロイダルシリカ粒子に基づく研磨剤を用いて研磨する工程と、を含む方法を提供する。
特に炭化珪素の場合には、これら２工程の組み合わせは、満足できる表面状態を生じさせることができる。
アニール工程は、２０Å ｒｍｓのオーダーか、それより小さい粗さを生じさせることを可能にする。それは、例えば、１０００℃〜１３００℃の範囲の温度、１．５時間〜２．５時間の期間、実施することができる。
アニール工程の後、例えば、フッ化水素酸のような化学薬品を用いた形式で、表面脱酸素工程を実施することができる。イオンエッチングを行う場合には、ＲＣＡ（ＳＣ１，ＳＣ２）形式の化学洗浄工程をアニール工程の後で実施することができる。
研磨は、例えば、ＳＹＴＯＮ Ｗ３０型コロイダルシリカを用い、研磨ヘッドの回転速度を１０〜１００回転／分（ｒｐｍ）の範囲内として実施する。
化学洗浄工程は、研磨後に、例えばフッ化水素酸を用いて実施することができる。
最後に、例えばアニール工程の前に、イオンエッチング工程も実施することができる。
ＳｉＣ膜のシリコン面に関して、実施形態を以下に記す。ＳｉＣは極性材料であり、したがって、異なる原子によって構成される２つの面（シリコン面と炭素面）を含む、ということを想起すべきである。
上記薄膜は、例えば、A.J.Auberton-Herveらによる前述の論文で述べられているような、基板分割方法（“スマートカット”）によって得られる。
まず、酸化雰囲気中、例えば１１００℃または１１５０℃から１３００℃までの範囲の温度で、１時間〜３時間の期間、上記薄膜の熱処理を実施する。酸化雰囲気中におけるこのアニール工程は、２ｎｍ ｒｍｓのオーダーの粗さを生じさせることができる。上記アニール工程を実施するための装置の一例は、“Thermal and Dopant Processes”,Chapter 4,Advanced Semiconductor Fabrication Handbook,ICE,1998に記載されている。
処理された表面は、例えば１０％のフッ化水素酸を用いた化学エッチングによって脱酸素処理することができる。
その後、例えばＩＣ１０００パッド（ＲＯＤＥＬによって販売、圧縮性＝３％）およびＳＹＴＯＮ Ｗ３０（またはＬｕＤｏｘ）型コロイダルシリカ粒子に基づく研磨剤（ｐＨ＝１０．２、粘度＝２（ｍＰａ・ｓ）、平均粒径＝１２５ｎｍ、３０重量％のＳｉＯ２を含有）を用い、ＣＭＰ（化学機械研磨）を実施する。
研磨すべき基板１２が装着された研磨ヘッド１０が図１Ａに示されている。図１Ｂは、研磨ヘッド、研磨すべき基板１２とともに、定盤１６および研磨パッド１４を示している。液体研磨剤は、例えば側部の導管１８を経由して、ヘッドに導入される。圧力２０および矢印２２によって表される動作が、研磨を実施するために、ヘッド１０に加えられる。
場合によっては、フッ化水素酸を用いた化学洗浄を行い、表面上における研磨剤の結晶化を防いでもよい。
このような方法は、良質なホモエピタキシー（ＳｉＣ上のＳｉＣエピタキシー）、および場合によってはヘテロエピタキシー（ＳｉＣ上のＡｌＮ、ＡｌＧａＮまたはＧａＮ）のために使用されることを可能にする粗さを有する表面を生じさせることができる。
４Ｈ型ＳｉＣ薄膜（“スマートカット”法によって得られる）に関する例において：
・酸化雰囲気中でアニール工程を実施し（例えば１１５０℃で２時間）、その後、１０％ＨＦ中で表面の脱酸素処理を行った。
・続いてＣＭＰにより表面を研磨した。研磨は、次の条件にて実施した。
＊研磨ヘッドを上に配置した回転研磨定盤を使用し、６０ｒｐｍ（この速度は１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍの範囲内とすることができる）のオーダーの回転速度を適用するとともに、０．７５ｂａｒｓ（０．１ｂａｒ〜１ｂａｒの範囲内とすることができる）の圧力を加えた。
＊使用したパッドは、ＲＯＤＥＬによって販売されている“ハード”型ＩＣ１０００であり、ＳＹＴＯＮ Ｗ３０型コロイダルシリカであるスラリーを用いた。
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＊使用したパッドは、ＲＯＤＥＬによって販売されている“ハード”型ＩＣ１０００であり、ＳＹＴＯＮ Ｗ３０型コロイダルシリカであるスラリーを用いた。
研磨時間は、１５分〜３０分とした。
研磨後に得られた粗さは、３Å ｒｍｓのオーダーであった。
最終洗浄は、１０％のＨＦを含む脱イオン水浴を用いて、１０分間実施した。
下記の表１は、異なる条件下でＳｉＣ薄膜に関して得られた結果をまとめたものである。
表において、欄Iは、試験番号を示しており、欄IIは、ＣＭＰ研磨の前に実施した処理の種類を示している。試験２および３は、イオンエッチングに続いて１１５０℃で２時間のアニールを受けたものであり、試験Ｎｏ．５に関しては、１１５０℃で２時間のアニールに続いてイオンエッチングを行った処理である。
試験４，６および８〜１０に関しては、１１５０℃で２時間のアニールを行っただけである。
欄IIIは、ＣＭＰ研磨の実施条件、時間、回転速度、適用圧力を与える。
欄IVは、パッドおよび混合研磨剤の種類を示している。
欄Vは、５μｍ×５μｍの表面領域における粗さ寸法を示している。
欄VIに備考を示している。
この表は、アニール工程に続いて研磨を行うという組み合わせが、初期の膜の粗さを、２ｎｍ ｒｍｓ未満（試験３〜５および７〜１１）、１．５ｎｍ未満（試験３〜５，８〜１１）、１ｎｍ ｒｍｓ未満（試験３，８〜１１）、０．５ｎｍ ｒｍｓ未満（試験８〜１１）、または０．１ｎｍ ｒｍｓ未満（試験１１）にまで、十分減じることができることを示している。
このように、本発明によれば、２ｎｍ ｒｍｓ未満、１ｎｍ ｒｍｓ未満、０．５ｎｍ ｒｍｓ未満、または０．１ｎｍ ｒｍｓ未満の粗さを持った炭化珪素薄膜を作製することができる。
イオンエッチングを予め行えば、試験Ｎｏ．３のように、この結果は改善する。
最も良い結果は、ＩＣ１０００パッドおよびＳｙｔｏｎ Ｗ３０研磨液で得られるようである。
表２は、試験Ｎｏ．１０と１１に関して、より詳細な条件を示している。
試験Ｎｏ．１０は“Ｓ１０７”定盤を用いて実施したのに対し、試験Ｎｏ．１１は“Ｓ１２６”定盤を用いて実施した。
表２は、定盤Ｓ１２６とＳ１０７を使用したときの粗さを比較している。
２種類の測定を実施、具体的には、特定の表面領域（欄Ｓ、平方マイクロメートル（μｍ２）で表される表面領域）の走査、および点測定（欄Ｂ、μｍ×μｍで表される表面測定）を実施した。
後ろ３つの欄は、根二乗平均値（ｒｍｓ）としての粗さ、平均粗さ（Ｒａ）、および最大粗さ（Ｒｍａｘ）を、オングストロームで示している。
表１において試験１０および１１に関して示す値は、それぞれ表２の第３行および第７行に示すものと一致する（ｒｍｓ欄）。
これらの表に示す結果は、本発明の方法が、マイクロエレクトロニクスで標準となっている工程および機械を採用した急速技術の使用により、ＳｉＣ薄膜上のエピタキシーのための準備ができている（“epiready”）表面の作製を可能にすることを意味する。ＳｉＣ表面を滑らかにすればするほど、およびＳｉＣ表面の粗さを減ずれば減ずるほど、エピタキシーの品質が良化し、これにより薄膜上に作製されるエレクトリックコンポーネントの歩留まりを相当高めることが可能となる。
アニール工程に続く研磨を含む、本発明のこの表面製造方法は、このように、粗く無く、かつ滑らかである良質な表面を生じさせることを可能にする。
ポリタイプ４ＨのＳｉＣ基板の例を示したが、本発明は、ポリタイプ６Ｈまたは３ＣのＳｉＣ基板にも適用できる。
Claims (16)
- 炭化珪素ウェーハの表面を製造する方法であって、
前記ウェーハの表面における粗さを減ずるために、研磨を予定している表面の全体を酸化雰囲気に曝しつつ、前記ウェーハを酸化雰囲気中でアニールする工程と、
前記アニール工程を経て粗さが減じられた前記表面を、コロイダルシリカ粒子に基づく研磨剤を用いて研磨する工程と、
を含む、方法。 - 前記アニール工程を、１０００℃〜１３００℃の範囲の温度で実施する、請求項１記載の方法。
- 前記アニール工程を、１時間〜２．５時間の期間実施する、請求項１または請求項２記載の方法。
- 前記アニール工程と前記研磨工程との間に、前記表面の脱酸素工程をさらに含む、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記脱酸素工程を、フッ化水素酸中で実施する、請求項４記載の方法。
- 研磨後、化学洗浄工程を実施する、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記洗浄工程を、フッ化水素酸を用いて実施する、請求項６記載の方法。
- 前記アニール工程の前に、前記表面に対してイオンエッチング工程をさらに実施する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記アニール工程と前記研磨工程との間に、前記表面に対してイオンエッチング工程をさらに実施する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記アニール工程と前記イオンエッチング工程との間に、前記表面に対してＲＣＡ（ＳＣ１，ＳＣ２）形式の化学洗浄工程をさらに実施する、請求項９記載の方法。
- 前記研磨を、１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍの範囲の速度で研磨ヘッドを回転させて実施する、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
- ０．１ｂａｒ〜１ｂａｒの範囲内の圧力を前記研磨ヘッドに加える、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
- 前記研磨を、１５分〜３０分の期間実施する、請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記研磨を、ＩＣ１０００型研磨パッドを用いて実施する、請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記表面が前記ウェーハのシリコン面である、請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記アニール工程で前記表面の粗さを２０Åｒｍｓまたはそれ未満まで減らし、
前記研磨工程で前記表面の粗さを３Åｒｍｓまたはそれ未満までさらに減らす、請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
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