JP4427472B2

JP4427472B2 - ＳｉＣ単結晶基板の製造方法

Info

Publication number: JP4427472B2
Application number: JP2005079818A
Authority: JP
Inventors: 崇藍郷; 辰雄藤本; 正和勝野; 充澤村; 弘志柘植; 正史中林; 弘克矢代; 昇大谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006261563A

Description

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶基板の表面に存在する加工変質部やイオン損傷部が除去され、かつその除去処理に伴う残渣や表面荒れが無く、清浄で平坦性に優れた表面を有する基板の製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐熱性及び機械的強度に優れ、物理的、化学的に安定なことから、耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、高周波高耐圧電子デバイス等の基板としてＳｉＣ単結晶基板の需要が高まっている。

ＳｉＣ単結晶のインゴットからＳｉＣ単結晶基板を加工する工程は、まず前記インゴットをスライスしてウエハ状に切り出す工程と、所定の厚さまで荒削りする研削工程と、基板の両面を平坦かつ鏡面に仕上げる研磨工程と、上記各工程で基板に付着した汚れを除去する洗浄工程と、加工工程で導入された表面加工変質部を除去する工程とからなる。

このようなＳｉＣ単結晶基板を用いて、電力デバイス、高周波デバイス等を作製する場合には、通常基板上に熱ＣＶＤ法（熱化学蒸着法）と呼ばれる方法を用いてＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させたり、イオン注入法により直接ドーパントを打ち込んだりするのが一般的である。

この際、ＳｉＣ単結晶基板の表面に、上記加工変質部が残存していると、正常なエピタキシャル成長を阻害したり、打ち込まれたドーパントの活性化率が低下したりする等の問題が発生することが知られており、さらに、その変質部が電流のリークパスになり、デバイスの性能を落とすこと等も考えられる。

通常、ＳｉＣ単結晶基板の表面は、ダイヤモンド砥粒等による研磨加工による仕上げがされているが、近年のデバイスの微細化に伴い、さらに表面の平坦化が求められているため、メカノケミカル研磨等も行われている。このような基板の表面には、研磨による加工変質部が数百ｎｍ存在し、これが十分に除去されていないと、上記のような問題を引き起こすことが想定されるため、通常は、Ｓｉとの反応性が高いフッ素系反応性ガスを用いたエッチングにより、この加工変質部を取り除いている。

図１は、このようにして加工変質部を取り除いた基板表面の１０μｍ×１０μｍ部分を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した像である。エッチングに用いた反応性ガスはＣＦ_４であり、このガスは、酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁膜のエッチングにも用いられる、半導体プロセスにおいては、一般的なガスである。図１において、表面に針状の異物として見えているのが、エッチング後の表面の荒れ、あるいは残渣であり、一度このような残渣が生じてしまうと、その後に酸素ガスプラズマ処理あるいはＲＣＡ洗浄等のプロセスを通しても除去することは難しい。この残渣は、フッ素系のガスを用いることによるフロロカーボン系の反応生成物が表面に残ったものと考えられる（非特許文献１）。

このような表面では、表面粗さを表すＲａ値がＲａ＝１．４８ｎｍであり、デバイスの微細化に求められるＲａ＜１ｎｍはクリアできず、また、残渣がある場合には、その上に形成されるデバイスの特性にも悪影響を及ぼす。一方、不活性ガスを用いたエッチング（スパッタエッチング）によって加工変質部を除去すれば、上記反応生成物は防げると考えられるが、この場合は、イオン損傷部が残存してしまい、これを除去するためには、やはり反応性ガスエッチングが必要になる。したがって、最終的には、表面の荒れや残渣の問題は避けられず、図１と同様な表面状態になる。

特許文献１に記載の発明も、ＣＦ_４によるエッチングを行っており、ＳｉＣ表面のダメージ部が選択的にエッチングされないよう、スパッタ性の強いエッチング条件を用いている。しかし、ＣＦ_４の反応性ガスを用いている以上、表面に反応生成物が残ることは避けられず、スパッタ性の強いエッチング条件であることから、加えてイオン損傷部が発生する問題もある。

また、特許文献２に記載の発明も、反応性ガスを用いたエッチングで表面の加工変質部を除去する方法を開示しているが、使用するガスがＮＦ_３をベースとしているため、やはりフッ素に起因するフロロカーボン系の反応生成物の生成は避けられない。

したがって、研磨によって平坦な表面が得られたとしても、表面の加工変質部を取り除くため、あるいは、スパッタエッチングによって加工変質部を除去した場合には、その後のイオン損傷部を取り除くため、最終的には反応性ガスを用いたエッチングが必要になる。従来方法ではフッ素系の反応性ガスを用いてエッチングを行っていたため、表面には再び荒れあるいは残渣が生じてしまい、デバイス作成に必要な変質部が無くかつ清浄、平坦な表面を得ることは難しかった。
特開平６−１８８１６３号公報米国特許第４９４６５４７号明細書大森正道編、菅野卓雄監修、超高速化合物半導体デバイス、ｐ．２２２（１９８６）培風館

本発明は、上記表面加工変質部あるいはイオン損傷部の除去処理に伴う残渣や表面荒れが無く、清浄で平坦性に優れた表面を有するＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供するものである。

本発明は、表面加工変質部あるいはイオン損傷部除去処理のための反応性イオンエッチングにおいて、エッチングに用いるガス種を考慮することにより、上記課題を解決できることを見出し、完成したものである。即ち、本発明は、
（１）ＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部を、並行平板型の電極を有する反応性イオンエッチング装置で塩素ガス（Ｃｌ_２）、ＨＣｌ、又はＢＣｌ _３を用いたエッチングによって、除去する工程と、前記工程の後に、酸素ガス（Ｏ _２）プラズマを用いて表面清浄化処理を行う工程と、を有することを特徴とするＳｉＣ単結晶基板の製造方法、
（２）ＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部を、不活性ガスを用いたエッチングによって除去し、前記エッチングの際に生じるイオン損傷部を、並行平板型の電極を有する反応性イオンエッチング装置で塩素ガス（Ｃｌ_２）、ＨＣｌ、又はＢＣｌ _３を用いたエッチングによって除去する工程と、前記工程の後に、酸素ガス（Ｏ _２）プラズマを用いて表面清浄化処理を行う工程と、を有することを特徴とするＳｉＣ単結晶基板の製造方法、
（３）前記不活性ガスを用いたエッチングを行う際に使用するガスがアルゴンガス（Ａｒ）である（２）記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法、
である。
（４）前記塩素ガス（Ｃｌ_２）を用いたエッチング条件として、エッチング時の圧力が５〜１０Ｐａ、Ｃｌ_２流量が毎分２０〜３０ｃｍ^３、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２で、エッチング速度は毎分４０〜５０ｎｍであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
（５）前記不活性ガスを用いたエッチングの条件として、エッチング時の圧力が１〜５０Ｐａ、ガス流量が毎分１０〜５０ｃｍ^３、入力パワーが０．２〜１．０Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする（２）又は（３）に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
（６）前記酸素（Ｏ_２）プラズマを用いて表面清浄化処理を行う条件として、処理時の圧力が４０〜５０Ｐａ、Ｏ_２流量が毎分３０〜４０ｃｍ^３、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。

この発明によれば、ＳｉＣ単結晶基板の表面に存在する加工変質部あるいはイオン損傷部が除去され、かつ、その除去処理に伴う残渣や表面荒れが無く、清浄で平坦性に優れた表面を有するＳｉＣ単結晶基板を作成することが可能である。

まず、ＳｉＣ単結晶のインゴットからＳｉＣ単結晶基板を加工する工程についての概略を説明する。ＳｉＣ単結晶のインゴットを作製後、それをスライスして、ウエハ状の基板に切り出し、所定の厚さまで荒削りを行う。その後、基板の両面を平坦かつ鏡面に仕上げるための研磨を行い、続いて、基板に付着した汚れを除去するための洗浄を行う。最後に、上記各工程で基板に導入された表面加工変質部を除去する工程となるが、この工程が本発明が対象としている工程である。

本発明では、反応性ガスを用いたエッチングによってＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部を除去する際に、使用するガス種を考慮したものである。ＳｉＣに対してエッチング性を有するガスとしては、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３等のフッ素系のガスやＣｌ_２等の塩素系ガスがあるが、フッ素系のガスでは、Ｆに起因するフロロカーボン系の反応生成物が表面に残り、それが残渣になるのではないかと考え、Ｆを含まないガスでエッチングを行うことを試みた。また、塩素系ガスでも純塩素（Ｃｌ_２）を使用すれば、エッチングに寄与するイオンが塩素のみであり、ＳｉＣとは蒸気圧の高い反応生成物が形成されるため、ＳｉＣ表面での残渣、汚染等を考慮する必要はなく、最適であると判断された。

そこで、本発明の内容は、フッ素系ガスを除く反応性ガス、特に、Ｃｌ_２を用いて、ＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部のエッチングを行う、場合によっては、エッチングを行った後、酸素ガス（Ｏ_２）を用いて、表面清浄化処理を行うものである。また、上記加工変質部をＡｒ等の不活性ガスによるスパッタエッチングで除去した際には、それに伴うイオン損傷部をフッ素系ガスを除く反応性ガス、特に、Ｃｌ_２のエッチングで除去、場合によっては、エッチング後Ｏ_２による表面清浄化処理を行うものである。実際に使用した装置は、通常の平行平板型の電極を有する反応性イオンエッチング装置であり、フッ素系ガスを除く反応性ガスを用いる場合のエッチング条件の例としては、エッチング時の圧力が５〜５０Ｐａ、ガス流量が毎分１０〜５０ｃｍ^３、入力パワーが０．５〜１．０Ｗ／ｃｍ^２である。Ｃｌ_２のエッチング条件としては、エッチング時の圧力が５〜１０Ｐａ、Ｃｌ_２流量が毎分２０〜３０ｃｍ^３、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２であることが望ましい。この条件は、エッチング後の残渣の発生を極力避けるために、エッチングのスパッタ性を高め、かつ生産性を落とさない程度にＳｉＣに対して適度なエッチング速度を有すると言う観点から設定されたものであり、ＳｉＣに対するエッチング速度は毎分４０〜５０ｎｍである。

また、不活性ガスによるエッチングの条件の例としては、エッチング時の圧力が１〜５０Ｐａ、ガス流量が毎分１０〜５０ｃｍ^３、入力パワーが０．２〜１．０Ｗ／ｃｍ^２である。Ａｒのスパッタエッチング条件としては、エッチング時の圧力が５〜１０Ｐａ、Ａｒ流量が毎分２０〜３０ｃｍ^３、入力パワーが０．２５Ｗ／ｃｍ^２であり、Ｏ_２プラズマを用いた表面清浄化処理の条件は、処理時の圧力が４０〜５０Ｐａ、Ｏ_２流量が毎分３０〜４０ｃｍ^３、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２であることが好ましい。上記の条件で、フッ素系ガスを除く反応性ガス、特に、Ｃｌ_２によるエッチングを行ったところ、処理後の表面には殆ど残渣は残らず、Ｒａ値も良好であった。さらに、Ｏ_２プラズマを用いて表面清浄化処理を追加すると、残渣をほぼ完全に除去することができた。なお、ＳｉＣ表面は化学的に安定であり、Ｏ_２プラズマ処理後の表面に酸化膜による干渉色が観察されなかったことからも、処理後の表面が酸化膜で覆われていることは無かった。

（参考例１）
図２は、ＳｉＣ単結晶インゴットからウエハ状にスライスし、粒径の大きいダイヤモンド研磨剤から順次粒径を小さくして研磨していき、最終的に平均粒径１μｍのダイヤモンド研磨剤で研磨した後のＳｉＣ単結晶基板に、Ａｒによるスパッタエッチングを行い、その後Ｃｌ_２による反応性エッチングを行った場合の表面のＡＦＭ像である。具体的なエッチング条件としては、Ａｒについては、流量が毎分２０ｃｍ^３、エッチング時の真空度が６．７Ｐａ、入力パワーが０．２５Ｗ／ｃｍ^２であり、Ｃｌ_２については、流量が毎分３０ｃｍ^３、エッチング時の真空度が６．７Ｐａ、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２である。図１で、針状の異物として見えていたエッチング後の表面の荒れあるいは残渣が、図２においては、かなり除去されていることから、Ｃｌ_２を用いた効果が明瞭に現れており、Ｒａ値もＲａ＝０．３８ｎｍと良好である。

（実施例２）
参考例１によって得られた表面に、さらに、Ｏ_２プラズマによる清浄化処理を追加した後のＡＦＭ像を図３に示す。処理条件としては、Ｏ_２の流量が毎分４０ｃｍ^３、処理時の真空度が５０Ｐａ、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２であり、図２で多少見られていたエッチング後の残渣が、ほぼ完全に除去されており、Ｒａ値もＲａ＝０．３０ｎｍと更に改善された。

（参考例３）
参考例１で用いたのと同様の表面状態を有するＳｉＣ単結晶基板に、Ｃｌ_２による反応性エッチングのみを行った場合の表面のＡＦＭ像を図４に示す。エッチングの条件は、実施例１の場合と同じである。この場合も、表面に残渣は殆ど見られず、Ｒａ値もＲａ＝０．３４ｎｍと良好であり、Ｃｌ_２のみでも効果のあることは明らかである。
なお、本実施例においては、Ｃｌ_２による反応性エッチングについて示したが、ＨＣｌ、ＢＣｌ_３等の塩素系ガスについても同様であることも確認している。

（比較例）
比較例として、フッ素系の反応性ガスを用いてエッチングを行った場合の表面のＡＦＭ像を図１に示す。ガスとしては、ＣＦ_４とＯ_２の混合ガスを用いており、ＣＦ_４については、流量が毎分２０ｃｍ^３、Ｏ_２は、流量が毎分４０ｃｍ^３で、エッチング時の真空度が５０Ｐａ、入力パワーが０．２５Ｗ／ｃｍ^２である。Ｒａ値がＲａ＝１．４８ｎｍであり、実施例２で得られた表面状態に比べ、明らかに劣っている。

本発明によれば、ＳｉＣ単結晶基板の表面に存在する加工変質部やイオン損傷部が除去され、かつ、その除去処理に伴う残渣や表面荒れが無く、清浄で平坦性に優れた表面を有する基板を作成することが可能である。そのため、このような基板上に電子デバイスを形成すれば、デバイスの特性が向上することが期待できる。

従来技術によって表面処理されたＳｉＣ単結晶基板のＡＦＭ像の一例参考例１で表面処理されたＳｉＣ単結晶基板ＡＦＭ像の一例実施例２で表面処理されたＳｉＣ単結晶基板ＡＦＭ像の他の例参考例３で表面処理されたＳｉＣ単結晶基板ＡＦＭ像の他の例

Claims

炭化珪素単結晶基板表面の加工変質部を、並行平板型の電極を有する反応性イオンエッチング装置で塩素ガス（Ｃｌ_２）、ＨＣｌ、又はＢＣｌ _３を用いたエッチングによって除去する工程と、
前記工程の後に、酸素ガス（Ｏ _２）プラズマを用いて表面清浄化処理を行う工程と、を有することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。
ＳｉＣ単結晶基板表面の加工変質部を、不活性ガスを用いたエッチングによって除去し、前記エッチングの際に生じるイオン損傷層を、並行平板型の電極を有する反応性イオンエッチング装置で塩素ガス（Ｃｌ_２）、ＨＣｌ、又はＢＣｌ _３を用いたエッチングによって除去する工程と、
前記工程の後に、酸素ガス（Ｏ _２）プラズマを用いて表面清浄化処理を行う工程と、を有することを特徴とする炭化珪素単結晶基板の製造方法。
前記不活性ガスを用いたエッチングを行う際に使用するガスがアルゴンガス（Ａｒ）である請求項２記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
前記塩素ガス（Ｃｌ_２）を用いたエッチング条件として、エッチング時の圧力が５〜１０Ｐａ、Ｃｌ_２流量が毎分２０〜３０ｃｍ^３、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２で、エッチング速度は毎分４０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
前記不活性ガスを用いたエッチングの条件として、エッチング時の圧力が１〜５０Ｐａ、ガス流量が毎分１０〜５０ｃｍ^３、入力パワーが０．２〜１．０Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項２又は３に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。
前記酸素（Ｏ_２）プラズマを用いて表面清浄化処理を行う条件として、処理時の圧力が４０〜５０Ｐａ、Ｏ_２流量が毎分３０〜４０ｃｍ^３、入力パワーが１．０Ｗ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。