JP5267177B2 - Method for manufacturing silicon carbide single crystal substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は炭化珪素単結晶基板およびその製造方法に関し、特に、炭化珪素単結晶基板の研磨に関する。 The present invention relates to a silicon carbide single crystal substrate and a method for manufacturing the same, and more particularly to polishing a silicon carbide single crystal substrate.
炭化珪素半導体は、シリコン半導体よりも絶縁破壊電界、電子の飽和ドリフト速度および熱伝導率が大きい。このため、炭化珪素半導体を用いて、従来のシリコンデバイスよりも高温、高速で動作が可能なパワーデバイスを実現する研究・開発が活発になされている。なかでも、電動二輪車、電気自動車やハイブリッドカーなどのモータを駆動するための電源に使用する高効率なスイッチング素子の開発が注目されている。このようなパワーデバイスを実現するためには、高品質な炭化珪素半導体層をエピタキシャル成長させるための炭化珪素基板が必要である。 A silicon carbide semiconductor has a breakdown electric field, an electron saturation drift velocity, and a thermal conductivity larger than those of a silicon semiconductor. For this reason, research and development have been actively conducted to realize a power device that can operate at a higher temperature and higher speed than conventional silicon devices by using a silicon carbide semiconductor. In particular, the development of high-efficiency switching elements that are used as power sources for driving motors of electric motorcycles, electric vehicles, hybrid cars, and the like has attracted attention. In order to realize such a power device, a silicon carbide substrate for epitaxially growing a high-quality silicon carbide semiconductor layer is necessary.
また、高密度で情報を記録するための光源として青色レーザダイオード、および、蛍光灯や電球に替わる光源としての白色ダイオードへのニーズが高まっている。このような発光素子は窒化ガリウム半導体を用いて作製され、高品質な窒化ガリウム半導体層を形成するための基板として炭化珪素単結晶基板が使用される。 In addition, there is an increasing need for a blue laser diode as a light source for recording information at a high density and a white diode as a light source replacing a fluorescent lamp or a light bulb. Such a light-emitting element is manufactured using a gallium nitride semiconductor, and a silicon carbide single crystal substrate is used as a substrate for forming a high-quality gallium nitride semiconductor layer.
こうした用途のための炭化珪素単結晶基板には、基板の平坦度、基板表面の平滑度等において高い加工精度が要求される。しかし、炭化珪素単結晶は一般に硬度が高く、かつ、耐腐食性に優れるため、こうした基板を作製する場合の加工性は悪く、平滑度の高い炭化珪素単結晶基板を得ることは難しい。 A silicon carbide single crystal substrate for such applications requires high processing accuracy in terms of the flatness of the substrate, the smoothness of the substrate surface, and the like. However, since silicon carbide single crystal generally has high hardness and excellent corrosion resistance, the workability in producing such a substrate is poor, and it is difficult to obtain a silicon carbide single crystal substrate with high smoothness.
一般に、半導体単結晶基板の平滑な面は研磨によって形成される。炭化珪素単結晶を研磨する場合、炭化珪素よりも硬いダイヤモンド等の砥粒を研磨材として表面を機械的に研磨し、平坦な面を作る。しかし、ダイヤモンド砥粒で研磨した炭化珪素単結晶基板の表面には、ダイヤモンド砥粒の粒径に応じた微小なスクラッチが導入される。また、機械的な歪みを有する加工変質層が炭化珪素単結晶基板の表面に生じる。このため、そのままでは炭化珪素単結晶基板の表面の平滑性が十分ではなく、炭化珪素単結晶基板の表面に高品質な炭化珪素半導体層を形成することはできない。 In general, a smooth surface of a semiconductor single crystal substrate is formed by polishing. When polishing a silicon carbide single crystal, the surface is mechanically polished using abrasive grains such as diamond harder than silicon carbide as an abrasive to form a flat surface. However, fine scratches corresponding to the grain size of the diamond abrasive grains are introduced on the surface of the silicon carbide single crystal substrate polished with the diamond abrasive grains. In addition, a work-affected layer having mechanical strain is generated on the surface of the silicon carbide single crystal substrate. For this reason, the smoothness of the surface of the silicon carbide single crystal substrate is not sufficient as it is, and a high-quality silicon carbide semiconductor layer cannot be formed on the surface of the silicon carbide single crystal substrate.
半導体単結晶基板の製造では、従来、機械研磨後の半導体基板の表面を平滑にする方法として、CMP(Chemical Mechanical Polishing、化学機械研磨)が用いられる。CMPは酸化などの化学反応を利用して、被加工物を酸化物などに変え、被加工物よりもやわらかい砥粒を用いて、生成した酸化物を砥粒で除去することにより半導体単結晶基板の表面を研磨する方法である。この方法は、被加工物の表面に歪みをまったく導入せずに、きわめて平滑な面を形成できるという利点を備える。特許文献1は、シリカスラリーを用いたCMPにより、機械研磨後の炭化珪素単結晶基板の表面を平滑にすることを開示している。 In manufacturing a semiconductor single crystal substrate, CMP (Chemical Mechanical Polishing) is conventionally used as a method of smoothing the surface of a semiconductor substrate after mechanical polishing. CMP uses a chemical reaction such as oxidation to change the workpiece to oxide, etc., and uses abrasive grains that are softer than the workpiece to remove the generated oxide with abrasive grains. It is the method of grind | polishing the surface of this. This method has the advantage that a very smooth surface can be formed without introducing any strain on the surface of the workpiece. Patent Document 1 discloses that the surface of a silicon carbide single crystal substrate after mechanical polishing is smoothed by CMP using silica slurry.
しかしながら、特許文献1のようにシリカスラリーのみを用いた場合、スラリーの反応性が低いために、平滑な面の形成に長時間を要する。また、圧力をかけて炭化珪素単結晶基板を研磨するため、CMPの時間が長くなるほど、基板に欠陥が生じたり、欠けが発生したりするなどの問題が生じやすくなる。 However, when only the silica slurry is used as in Patent Document 1, the reactivity of the slurry is low, so it takes a long time to form a smooth surface. Further, since the silicon carbide single crystal substrate is polished by applying pressure, the longer the CMP time, the more likely to cause problems such as defects in the substrate and chipping.
この問題を解決するため、たとえば特許文献2は、炭化珪素単結晶基板のCMP用研磨スラリーに酸化剤を添加することを開示している。特許文献2によれば、研磨面に酸化剤が存在する状態でCMPすることにより、研磨速度を大きくし、炭化珪素などの硬質材料を低い加工圧力でも効率よく研磨できる。 In order to solve this problem, for example, Patent Document 2 discloses that an oxidizing agent is added to a polishing slurry for CMP of a silicon carbide single crystal substrate. According to Patent Document 2, by performing CMP in a state where an oxidizing agent is present on the polishing surface, the polishing rate is increased, and a hard material such as silicon carbide can be efficiently polished even at a low processing pressure.
特許文献2に記載されているような酸化剤を含んだ研磨スラリーを用いる方法は、炭化珪素単結晶基板を効率よく研磨する方法として非常に優れている。しかしながら、本願発明者がこのような研磨スラリーを用いて炭化珪素単結晶基板の表面をCMPによって鏡面に仕上げ、平滑化した炭化珪素単結晶基板に炭化珪素半導体層や窒化ガリウム半導体層をエピタキシャル成長させたところ、成長した炭化珪素半導体層の表面に凹凸やスクラッチ状の結晶欠陥が発現するなどといった問題が発生した。 The method using a polishing slurry containing an oxidizing agent as described in Patent Document 2 is very excellent as a method for efficiently polishing a silicon carbide single crystal substrate. However, the inventors of the present invention used such a polishing slurry to finish the surface of the silicon carbide single crystal substrate to a mirror surface by CMP, and epitaxially grew a silicon carbide semiconductor layer or a gallium nitride semiconductor layer on the smoothed silicon carbide single crystal substrate. However, problems such as unevenness and scratch-like crystal defects appear on the surface of the grown silicon carbide semiconductor layer.
本発明は、このような課題を解決し、平滑で高品質な表面を有する炭化珪素半導体層等を成長させるための炭化珪素単結晶基板およびそれを製造する方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve such problems and to provide a silicon carbide single crystal substrate for growing a silicon carbide semiconductor layer or the like having a smooth and high-quality surface and a method for manufacturing the same.
本発明の炭化珪素単結晶基板の製造方法は、機械研磨が施された主面を有する炭化珪素単結晶基板を用意する工程(A)と、過酸化水素、オゾン、過マンガン酸塩、過酢酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩および次亜塩素酸塩のうちから選ばれる少なくとも一種を含む酸化剤が溶媒に溶解した第1溶液中に第1砥粒が分散した第1研磨スラリーを用いて、前記炭化珪素単結晶基板の前記主面に化学機械研磨を施し、前記主面を鏡面に仕上げる工程(B)と、過酸化水素、オゾン、過マンガン酸塩、過酢酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩および次亜塩素酸塩のいずれも含まない第2溶液中に第2砥粒が分散した第2研磨スラリーを用いて、前記鏡面に仕上げられた主面に化学機械研磨を施す工程(C)とを包含する。 The method for producing a silicon carbide single crystal substrate of the present invention comprises a step (A) of preparing a silicon carbide single crystal substrate having a main surface subjected to mechanical polishing, hydrogen peroxide, ozone, permanganate, peracetic acid. First abrasive particles dispersed in a first solution in which an oxidizing agent containing at least one selected from perchlorate, periodic acid, periodate and hypochlorite is dissolved in a solvent. Using a polishing slurry, subjecting the main surface of the silicon carbide single crystal substrate to chemical mechanical polishing and finishing the main surface into a mirror surface (B), hydrogen peroxide, ozone, permanganate, peracetic acid, The mirror surface was finished by using a second polishing slurry in which second abrasive grains were dispersed in a second solution containing none of perchlorate, periodic acid, periodate and hypochlorite. And (C) performing chemical mechanical polishing on the main surface.
ある好ましい実施形態において、前記第1砥粒および第2砥粒は酸化珪素砥粒である。 In a preferred embodiment, the first abrasive grains and the second abrasive grains are silicon oxide abrasive grains.
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)および(C)における化学機械研磨を同一研磨パット上で連続的に行なう。 In a preferred embodiment, the chemical mechanical polishing in the steps (B) and (C) is continuously performed on the same polishing pad.
ある好ましい実施形態において、前記工程(B)後の前記鏡面に仕上げられた主面は、炭化珪素の単結晶構造に由来するステップ構造を有している。 In a preferred embodiment, the mirror-finished main surface after the step (B) has a step structure derived from a single crystal structure of silicon carbide.
ある好ましい実施形態において、前記工程(C)後の前記化学機械研磨が施された主面は、炭化珪素の単結晶構造に由来するステップ構造を有している。 In a preferred embodiment, the main surface subjected to the chemical mechanical polishing after the step (C) has a step structure derived from a single crystal structure of silicon carbide.
ある好ましい実施形態において、前記炭化珪素単結晶基板は六方晶構造を有する単結晶基板であり、前記主面の(0001)面のC軸に対するオフ角は4°度以内である。 In a preferred embodiment, the silicon carbide single crystal substrate is a single crystal substrate having a hexagonal crystal structure, and an off angle with respect to the C axis of the (0001) plane of the main surface is within 4 °.
本発明の炭化珪素単結晶基板は、上記いずれかに規定される製造方法を用いて作製される。 The silicon carbide single crystal substrate of the present invention is manufactured using the manufacturing method defined in any of the above.
本発明によれば、酸化能力の高い酸化剤を含む第1研磨スラリーを用いて炭化珪素単結晶基板の表面にCMPを施すため、主面を鏡面に仕上げるのに要する時間が短くてすみ、実用的な加工条件で高品質な鏡面を有する炭化珪素単結晶基板を製造することができる。また、第1研磨スラリーに含まれる酸化能力の高い酸化剤を含まない第2研磨スラリーを用いて、鏡面に仕上げられた主面をさらに研磨するため、主面上には炭化珪素の酸化物が残存していない。このため、炭化珪素単結晶基板の主面上に欠陥のない高品質な炭化珪素半導体層や窒化ガリウム半導体層を形成することができる。 According to the present invention, CMP is performed on the surface of the silicon carbide single crystal substrate using the first polishing slurry containing an oxidizing agent having a high oxidation ability, so that the time required for finishing the main surface into a mirror surface can be shortened. It is possible to manufacture a silicon carbide single crystal substrate having a high-quality mirror surface under typical processing conditions. In addition, since the main surface finished to a mirror surface is further polished using the second polishing slurry not containing an oxidizing agent having a high oxidizing ability contained in the first polishing slurry, an oxide of silicon carbide is formed on the main surface. It does not remain. Therefore, a high-quality silicon carbide semiconductor layer or gallium nitride semiconductor layer having no defects can be formed on the main surface of the silicon carbide single crystal substrate.
本願発明者は、特許文献2に記載されているような強い酸化剤を含んだ研磨スラリーを用いてCMPを行った場合において、炭化珪素単結晶基板に成長した炭化珪素半導体層に欠陥が生じる原因を詳細に検討した。 The inventor of the present application causes defects in a silicon carbide semiconductor layer grown on a silicon carbide single crystal substrate when CMP is performed using a polishing slurry containing a strong oxidizing agent as described in Patent Document 2. Were examined in detail.
図1(a)は、このような方法によって炭化珪素半導体層が形成された、炭化珪素単結晶基板の表面を模式的に示しており、図1(b)は、その断面の状態を推察した模式図を示している。図1(a)および(b)に示すように、炭化珪素単結晶基板51の主面51Sに炭化珪素半導体層61が形成されている。炭化珪素半導体層61を顕微鏡で観察したところ、炭化珪素単結晶基板51の結晶方位とは無関係な方向に伸びるスクラッチ状の結晶欠陥61aおよび、炭化珪素単結晶基板51の主面51S上に生じた点状欠陥に起因して異相が成長した三角形状の欠陥61bが見られた。
FIG. 1 (a) schematically shows the surface of a silicon carbide single crystal substrate on which a silicon carbide semiconductor layer is formed by such a method, and FIG. 1 (b) infers the state of its cross section. A schematic diagram is shown. As shown in FIGS. 1A and 1B, silicon
しかし、炭化珪素半導体層61の成長前に炭化珪素単結晶基板51の主面51Sを光学顕微鏡観察やX線光電子分光法など通常の表面分析方法によって分析したところ、スクラッチ状の結晶欠陥61aや三角形状の欠陥61bの原因となるスクラッチや異物、変質層などを検出することはできなかった。
However, when the
炭化珪素半導体層61のこのような欠陥は、炭化珪素半導体層61が形成される主面51Sの状態を反映していると考えられるため、酸化剤を含んだ研磨スラリーを用いたCMPによる研磨後に、炭化珪素単結晶基板51の主面51Sに、通常の表面分析では検出できないほど薄い変質層52が部分的に生成または残留し、炭化珪素半導体層61のエピタキシャル成長を阻害しているのが原因ではないかと推察される。また、変質層52は酸化珪素ではないと考えられる。酸化珪素であれば、炭化珪素半導体層61を形成する前に炭化珪素単結晶基板51の主面51Sに生じた自然酸化膜などを除去するためのフッ化水素酸などによってエッチングされるからである。
Since such a defect in silicon
詳細な検討の結果、このような変質層52の生成は、強い酸化剤入りの研磨スラリーを用いたことに起因していると推察される。CMPは上述したように化学反応と機械的研磨とを利用して被研磨物を研磨する。強い酸化剤入りの研磨スラリーは酸化能力が高いため、炭化珪素単結晶基板の最表面からある程度内部にいたる部分の炭化珪素を酸化し、珪素、炭素および酸素を含む酸化物(Si−C−O)が生成するものと考えられる。しかし、砥粒による機械的研磨では、生成した酸化物を完全に除去するほど表面から内部を削ることはできないため、研磨後、酸化物が変質層52として残存するものと考えられる。この酸化物は、均一には基板表面に残存せず、CMPによる研磨を行なう前の基板に生じたダイヤモンド砥粒によるスクラッチ等に依存して部分的に残存するものと考えられる。
As a result of detailed examination, it is surmised that the generation of the deteriorated
これに対し、特許文献1に開示されているような強い酸化剤を含まない研磨スラリーを用い、炭化珪素単結晶基板をCMPにより研磨する場合、研磨スラリーは強い酸化剤を含まないため、炭化珪素単結晶基板の最表面近傍しか酸化しない。このため、砥粒による機械的な研磨によって生成した酸化物が完全に除去され、CMPによる研磨後、余分な酸化物が残存しないと考えられる。 On the other hand, when a silicon carbide single crystal substrate is polished by CMP using a polishing slurry that does not contain a strong oxidizing agent as disclosed in Patent Document 1, since the polishing slurry does not contain a strong oxidizing agent, silicon carbide Only the vicinity of the outermost surface of the single crystal substrate is oxidized. For this reason, it is considered that oxides generated by mechanical polishing with abrasive grains are completely removed, and no excess oxide remains after polishing by CMP.
このような推定に基づき、本願発明は、強い酸化剤入りの研磨スラリーを用いてCMPにより炭化珪素単結晶基板の表面を研磨した後、強い酸化剤を含まない研磨スラリーを用いてさらにCMPを行なうことにより、基板表面に残存した珪素、炭素および酸素を含む酸化物、つまり変質層を除去する。これにより、強い酸化剤入りの研磨スラリーを用いて実用的な時間で炭化珪素単結晶基板の主面を鏡面に仕上げることができ、かつ、強い酸化剤を含まない研磨スラリーを用いて従来除去し得なかった基板表面に残留する酸化物を除去し、異物のない鏡面に仕上げられた主面を有する炭化珪素単結晶基板を得ることができる。以下、本発明による炭化珪素単結晶基板の製造方法の実施形態を詳細に説明する。 Based on such estimation, in the present invention, after polishing the surface of the silicon carbide single crystal substrate by CMP using a polishing slurry containing a strong oxidizing agent, further CMP is performed using a polishing slurry containing no strong oxidizing agent. As a result, the oxide containing silicon, carbon and oxygen remaining on the substrate surface, that is, the altered layer, is removed. As a result, the main surface of the silicon carbide single crystal substrate can be mirror-finished in a practical time using a polishing slurry containing a strong oxidizer, and conventionally removed using a polishing slurry that does not contain a strong oxidizer. The oxide remaining on the substrate surface that was not obtained can be removed, and a silicon carbide single crystal substrate having a main surface finished as a mirror surface free from foreign matter can be obtained. Hereinafter, embodiments of a method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to the present invention will be described in detail.
図2は、本発明による炭化珪素単結晶基板の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。また、図3(a)から(c)は、炭化珪素単結晶基板の製造工程における工程断面図を示している。まず、工程S11および図3(a)に示すように、機械研磨が施された炭化珪素単結晶基板10を用意する。炭化珪素単結晶基板10は少なくとも鏡面に仕上げられる主面10Sを備える。主面10Sの表面には機械的研磨によって応力が生じている加工変質層11が生じている。加工変質層11の表面11Sの表面粗度Raは1μm程度以下であることが好ましい。通常、加工変質層11は表面粗度と同程度の厚さを有しており、加工変質層11の厚さはたとえば1μm以下である。
FIG. 2 is a flowchart showing an embodiment of a method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to the present invention. 3A to 3C show process cross-sectional views in the manufacturing process of the silicon carbide single crystal substrate. First, as shown in step S11 and FIG. 3A, silicon carbide
炭化珪素単結晶基板10の主面10Sの面方位に特に制限はなく、どのような方位の炭化珪素単結晶基板10でも、本実施形態の方法を好適に用いることができる。しかし、本発明は特に従来の方法によって高品質な鏡面を形成するのが困難であった硬い表面を有する炭化珪素単結晶基板の製造に好適に用いられる。具体的には、炭化珪素単結晶基板10の炭化珪素単結晶は六方晶構造を備え、2H−SiC、4H−SiC、6H−SiCなどであることが好ましく、4H−SiCまたは6H−SiCであることが特に好ましい。炭化珪素単結晶基板10の主面10Sの(0001)面のC軸に対するオフ角θは10°以下であり、炭化珪素単結晶基板10の上に形成される半導体の種類によって適切に選定される。オフセット角が小さくなるほど、強力な酸化剤を含まない研磨スラリーを用いたCMPによる研磨速度が遅くなるが、本発明はそのような表面を有する炭化珪素単結晶基板10、具体的にはオフ角θが4°以下である炭化珪素単結晶基板10を実用的な時間で鏡面仕上げすることが可能であり、得られる鏡面上に形成される炭化珪素半導体層の品質も高い。炭化珪素単結晶基板10は六方晶構造のもの以外であってもよく、例えば立方晶構造のものにも適用できる。具体的には炭化珪素単結晶基板10は3C−SiCであってもよい。
The surface orientation of
なお、本実施形態では炭化珪素単結晶基板10の一方の主面10Sのみを鏡面に仕上げるが、他の主面10Rも鏡面に仕上げてもよい。この場合、たとえば、以下において説明する各工程において、主面10Sおよび主面10Rに対してCMPを施せばよい。
In this embodiment, only one
次に、工程S12に示すように、CMPによって加工変質層11を除去し、炭化珪素単結晶基板10の主面10Sを鏡面に仕上げる。CMPに用いる第1研磨スラリーは、酸化剤が溶媒に溶解した第1溶液と、溶液に分散した第1砥粒とを含む。酸化剤は酸化能力が高いことが好ましく、過酸化水素、過マンガン酸塩、オゾン、過酢酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩および次亜塩素酸塩のうちから選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。たとえば、特開2007−27663号公報に開示された過ヨウ素酸を用いることができる。中でも過酸化水素は重金属元素を含まず、安価で入手が容易な上に毒性も低い点で好ましい。
Next, as shown in step S12, the work-affected
また、第1研磨スラリーは、遷移金属イオンを含み、上述した酸化剤から生成する過酸イオン((O2)2-)が遷移金属イオンに配位したペルオキソメタル酸イオンをさらに含んでいることが好ましい。ペルオキソメタル酸イオンは炭化珪素の酸化物と結合し、炭化珪素の酸化物の酸化還元反応の活性化エネルギーを低下させることにより、酸化反応の反応速度を高めることができると考えられる。図4は、ペルオキソメタル酸イオンの一例を模式的に示している。過酸イオンは、図4に示すように2座配位子であり、図4は2つの過酸イオンが配位した5座配位のペルオキソメタル酸イオンを示している。ペルオキソメタル酸イオンは、少なくとも1つの過酸イオンが配していれば、炭化珪素の酸化反応を促進する。 Further, the first polishing slurry contains transition metal ions and further contains peroxometalate ions in which the peracid ions ((O 2 ) 2− ) generated from the oxidant described above are coordinated to the transition metal ions. Is preferred. It is considered that the peroxometalate ion is bonded to the silicon carbide oxide and the activation energy of the oxidation-reduction reaction of the silicon carbide oxide is reduced, so that the reaction rate of the oxidation reaction can be increased. FIG. 4 schematically shows an example of peroxometalate ions. The peracid ion is a bidentate ligand as shown in FIG. 4, and FIG. 4 shows a pentadentate peroxometalate ion in which two peracid ions are coordinated. The peroxometalate ion promotes the oxidation reaction of silicon carbide if at least one peracid ion is arranged.
ペルオキソメタル酸イオンの金属種としては、Ti、V、Nb、Ta、MoおよびWからなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。たとえば、特開2008−179655号公報に記載されているようにバナジン酸と過酸化水素を含む溶液を用いることによって、非常に効率のよい研磨を行うことができる。 The metal species of the peroxometalate ion is preferably at least one selected from the group consisting of Ti, V, Nb, Ta, Mo and W. For example, very efficient polishing can be performed by using a solution containing vanadic acid and hydrogen peroxide as described in JP-A-2008-179655.
第1研磨スラリーに含まれる第1砥粒としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化チタンなどからなる砥粒を用いることができる。このうち、第1砥粒が上述の溶液に均一に分散しやすいという点でコロイダルシリカ、ヒュームドシリカなどの酸化珪素砥粒を用いることが好ましい。 As the first abrasive grains contained in the first polishing slurry, abrasive grains made of silicon oxide, aluminum oxide, cerium oxide, titanium oxide, or the like can be used. Among these, it is preferable to use silicon oxide abrasive grains such as colloidal silica and fumed silica in that the first abrasive grains are easily dispersed uniformly in the above solution.
溶媒には通常水が用いられる。このほか、上述の酸化剤やペルオキソメタル酸イオンの活性や適度な反応性を示すように溶液のpHを調整するため、塩酸や酢酸などの酸、水酸化ナトリウムなどのアルカリを第1研磨スラリーの溶液に添加してもよい。 Water is usually used as the solvent. In addition, an acid such as hydrochloric acid or acetic acid or an alkali such as sodium hydroxide is added to the first polishing slurry in order to adjust the pH of the solution so as to exhibit the activity and appropriate reactivity of the oxidant and peroxometalate ion. It may be added to the solution.
上述した第1研磨スラリーを用意し、炭化珪素単結晶基板10の主面10S側をたとえば50g重/cm2〜1000g重/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を回転させ、第1研磨スラリーをたとえばlml/min程度の割合で研磨定盤上に供給しながら、炭化珪素単結晶基板10の主面10Sの研磨を行う。第1研磨スラリーの供給量は研磨定盤の大きさ、研磨すべき炭化珪素単結晶基板10の大きさや基板の枚数に依存する。研磨を数時間から十数時間行うことにより、主面10Sに生成していた加工変質層11が第1研磨スラリー中の酸化剤によって酸化され、生成した珪素、炭素および酸素を含む酸化物が第1砥粒によって機械的に削られる。これにより、加工変質層11が完全に除去され、かつ、主面10Sが平坦化されて鏡面に仕上げられた炭化珪素単結晶基板10が得られる。図3(b)に示すように、このとき、加工変質層11は完全に除去されるが、表面観察では確認できない珪素、炭素および酸素を含む酸化物の薄い変質層52が部分的に残存している。
Providing a first polishing slurry described above, pressed against the polishing table to the
しかし、全体として主面10Sは高い平坦度および平滑度を有しており、原子レベルの段差である炭化珪素単結晶に由来するステップ構造10dが主面10Sの表面に現れる。CMPによって鏡面に仕上げられた炭化珪素単結晶基板10の主面10Sの表面粗度Raは、1nm以下であることが好ましい。
However,
次に工程S13に示すように、第2研磨スラリーを用いて、鏡面に仕上げられた炭化珪素単結晶基板10の主面10SにさらにCMPを施す。
Next, as shown in step S <b> 13, CMP is further performed on
第2研磨スラリーは、第2溶液と第2溶液に分散した第2砥粒とを含む。第2溶液には、上述した強い酸化剤、具体的には、過酸化水素、過マンガン酸塩、オゾン、過酢酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩および次亜塩素酸塩のいずれも含まれていない。また、ペルオキソメタル酸イオンも含んでいない。溶媒には通常水が用いられる。 The second polishing slurry includes a second solution and second abrasive grains dispersed in the second solution. The second solution contains a strong oxidant as described above, specifically hydrogen peroxide, permanganate, ozone, peracetic acid, perchlorate, periodic acid, periodate and hypochlorite. None of these are included. It also does not contain peroxometalate ions. Water is usually used as the solvent.
第2砥粒には、第1砥粒と同じものを使用することができる。具体的には、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化チタンなどからなる砥粒を用いることができる。これらの中から選ばれる限り、第1砥粒と第2砥粒とが異なっていてもよい。ただし、第1砥粒と同様、分散の観点からは、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカなどの酸化珪素砥粒を用いることが好ましい。 The same thing as a 1st abrasive grain can be used for a 2nd abrasive grain. Specifically, abrasive grains made of silicon oxide, aluminum oxide, cerium oxide, titanium oxide, or the like can be used. As long as it is chosen from these, the 1st abrasive grain and the 2nd abrasive grain may differ. However, similarly to the first abrasive grains, from the viewpoint of dispersion, it is preferable to use silicon oxide abrasive grains such as colloidal silica and fumed silica.
このような第2研磨スラリーを用意し、炭化珪素単結晶基板10の鏡面に仕上げられた主面10SにさらにCMPを施す。変質層52が生じている主面10Sに、強い酸化剤を含まない第2研磨スラリーを用いたCMPを施すことにより、変質層52がさらに酸化され、酸化物が第2研磨スラリー中の第2砥粒によって研磨、除去される。このとき、第2研磨スラリーには強い酸化剤が含まれていないことにより、主面10Sに残存する変質層52の最表面近傍しか酸化されない。このため、第2研磨スラリーによるCMP中、新たに変質層52が生成することなく、変質層52が除去されていき、変質層52が完全に除去される。
Such a second polishing slurry is prepared, and the
第1研磨スラリーを用いた上述のCMPと第2研磨スラリーを用いたCMPとは同一の研磨パッド上で連続的に行なうことが好ましい。ここで連続とは、第1研磨スラリーを用いた上述のCMPの後、研磨パッドを他のものに交換することなく第2研磨スラリーを用いたCMPを行うことを言う。第1研磨スラリーを用いたCMPと第2研磨スラリーを用いたCMPとを異なる研磨パッド上で行なうと、研磨パッド間のわずかな形状の差異によって炭化珪素単結晶基板10と研磨パッドの接触状態が変化し、炭化珪素単結晶基板10の主面10Sに局所的な圧力がかかって、主面10Sにスクラッチが生じる可能性があるからである。
The above-described CMP using the first polishing slurry and the CMP using the second polishing slurry are preferably performed continuously on the same polishing pad. Here, “continuous” means that after the above-described CMP using the first polishing slurry, CMP using the second polishing slurry is performed without replacing the polishing pad with another one. When the CMP using the first polishing slurry and the CMP using the second polishing slurry are performed on different polishing pads, the contact state between the silicon carbide
第2溶液の成分は、上述した強い酸化剤およびペルオキソメタル酸イオンを含んでいないという点を除いて第1溶液の成分と同じであることが望ましい。上述したとおり、第1研磨スラリーを用いたCMPと第2研磨スラリーを用いたCMPとを同一の研磨パッド上で連続的に行なう場合、第1研磨スラリーの第1溶液と第2研磨スラリーの第2溶液とが接触する可能性があるため、第1溶液の成分と第2溶液の成分とが互いに反応し、研磨に悪影響を及ぼす固形物などを生じることを避けるためである。 The components of the second solution are preferably the same as the components of the first solution except that they do not contain the strong oxidizing agent and peroxometalate ions described above. As described above, when the CMP using the first polishing slurry and the CMP using the second polishing slurry are continuously performed on the same polishing pad, the first solution of the first polishing slurry and the second solution of the second polishing slurry are used. This is to prevent the components of the first solution and the components of the second solution from reacting with each other and producing solids that adversely affect polishing, because there is a possibility of contact with the two solutions.
第2研磨スラリーを用いたCMPの研磨条件は第1研磨スラリーによる研磨と同様の条件を用いることができる。ただし、上述したように変質層52は薄いため、研磨を数十分から数時間行なうことにより、図3(c)に示すように、変質層52が除去された主面10Sの炭化珪素単結晶基板10が得られる。この第2研磨スラリーを用いたCMPでは主面10Sの表面粗度はほとんど変化しない。このため、CMPによって得られた平坦化で鏡面に仕上げられた主面10Sが維持されており、第2研磨スラリーを用いたCMP後の炭化珪素単結晶基板10の主面10Sの表面粗度Raも1nm以下である。また、原子レベルの段差である炭化珪素単結晶に由来するステップ構造10dが主面10Sの表面に維持されている。
The polishing conditions for CMP using the second polishing slurry can be the same as the polishing conditions for the first polishing slurry. However, since the deteriorated
このように得られた炭化珪素単結晶基板10は、主面10Sの表面が平坦であり、かつ、表面粗度Raが1nm以下の鏡面に仕上げられている。また、主面10S上に変質層52が残存していない。このため、炭化珪素単結晶基板10の主面10S上にスクラッチ状の結晶欠陥61aや三角形状の欠陥61bのない高品質な炭化珪素半導体層や窒化ガリウム半導体層を形成することができる。
Silicon carbide
また、酸化能力の高い酸化剤を含む第1研磨スラリーを用いて炭化珪素単結晶基板の表面にCMPを施すため、主面を鏡面に仕上げるのに要する時間が短くてすみ、実用的な加工条件で高品質な鏡面を有する炭化珪素単結晶基板を製造することができる。 Also, since CMP is performed on the surface of the silicon carbide single crystal substrate using the first polishing slurry containing an oxidizing agent having a high oxidizing ability, the time required to finish the main surface to a mirror surface can be shortened, and practical processing conditions A silicon carbide single crystal substrate having a high-quality mirror surface can be manufactured.
(実験例)コロイダルシリカスラリー1に対して、酸化剤として濃度30mass%の過酸化水溶液を0.25の比で添加し、第1研磨スラリーを作製した。この第1研磨スラリーを用い、直径2インチの4H−SiC単結晶基板をCMPにより研磨した。(0001)面のC軸に対する主面のオフ角θは4°である。また、主面は、粒径1μm以下のダイヤモンド砥粒にて研磨されており、表面粗度Raは2nmである。基板を500g重/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を30rpmで回転させることにより単結晶基板を研磨した。研磨定盤は直径15インチのバフ盤である。この条件で4時間研磨し、鏡面(表面粗度Raが1nm以下)に仕上げられた主面を有する炭化珪素単結晶基板を得た。 (Experimental Example) To the colloidal silica slurry 1, an aqueous peroxide solution having a concentration of 30 mass% was added as an oxidizing agent at a ratio of 0.25 to prepare a first polishing slurry. Using this first polishing slurry, a 4H—SiC single crystal substrate having a diameter of 2 inches was polished by CMP. The off angle θ of the principal surface with respect to the C-axis of the (0001) plane is 4 °. The main surface is polished with diamond abrasive grains having a particle size of 1 μm or less, and the surface roughness Ra is 2 nm. The single crystal substrate was polished by pressing the substrate against a polishing platen at a polishing surface pressure of 500 g weight / cm 2 and rotating the polishing platen at 30 rpm. The polishing surface plate is a buffing machine having a diameter of 15 inches. Polishing was performed under these conditions for 4 hours to obtain a silicon carbide single crystal substrate having a main surface finished to a mirror surface (surface roughness Ra is 1 nm or less).
その後、第1研磨スラリーを、コロイダルシリカスラリー1のみを含む第2研磨スラリーに交換し、同一の研磨定盤を用いて同様の条件により30分間研磨を行なった。この基板上にCVD法により炭化珪素半導体層を成長したところ、欠陥は見られなかった。 Thereafter, the first polishing slurry was replaced with a second polishing slurry containing only the colloidal silica slurry 1, and polishing was performed for 30 minutes under the same conditions using the same polishing surface plate. When a silicon carbide semiconductor layer was grown on this substrate by the CVD method, no defects were found.
(比較例)実施例と同様の条件の炭化珪素単結晶基板を用意し、主面を実施例の第1研磨スラリーを用いて実施例と同様の条件でCMPにより研磨し、鏡面に仕上げられた主面を有する炭化珪素単結晶基板を得た。主面上にCVD法により炭化珪素半導体層を成長したところ、スクラッチ状の欠陥が多数見られた。 (Comparative Example) A silicon carbide single crystal substrate having the same conditions as in the example was prepared, and the main surface was polished by CMP using the first polishing slurry in the example under the same conditions as in the example, and finished to a mirror surface. A silicon carbide single crystal substrate having a main surface was obtained. When a silicon carbide semiconductor layer was grown on the main surface by the CVD method, many scratch-like defects were observed.
(実験結果のまとめ)
実験例の結果から、強い酸化剤を含まない第2研磨スラリーを用いてCMPを行なうことにより、強い酸化剤を含む第1研磨スラリーを用いたCMP後の炭化珪素単結晶基板の変質層が除去され、高品質な炭化珪素半導体層を形成することができるのが分かる。
(Summary of experimental results)
From the result of the experimental example, by performing the CMP using the second polishing slurry not containing the strong oxidant, the altered layer of the silicon carbide single crystal substrate after the CMP using the first polishing slurry containing the strong oxidant is removed. It can be seen that a high-quality silicon carbide semiconductor layer can be formed.
本発明は、種々の半導体素子を作製するための炭化珪素単結晶基板の製造に好適に用いられる。 The present invention is preferably used for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate for manufacturing various semiconductor elements.
10、51 炭化珪素単結晶基板
10d ステップ構造
10S、10R 主面
11 加工変質層
61 炭化珪素半導体層
61a スクラッチ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
過酸化水素、オゾン、過マンガン酸塩、過酢酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩および次亜塩素酸塩のうちから選ばれる少なくとも一種を含む酸化剤が溶媒に溶解した第1溶液中に第1砥粒が分散した第1研磨スラリーを用いて、前記炭化珪素単結晶基板の前記主面に化学機械研磨を施し、前記主面を鏡面に仕上げる工程(B)と、
過酸化水素、オゾン、過マンガン酸塩、過酢酸、過塩素酸塩、過ヨウ素酸、過ヨウ素酸塩および次亜塩素酸塩のいずれも含まない第2溶液中に第2砥粒が分散した第2研磨スラリーを用いて、前記鏡面に仕上げられた主面に化学機械研磨を施す工程(C)と
を包含する炭化珪素単結晶基板の製造方法。 A step (A) of preparing a silicon carbide single crystal substrate having a main surface subjected to mechanical polishing;
An oxidizing agent containing at least one selected from hydrogen peroxide, ozone, permanganate, peracetic acid, perchlorate, periodic acid, periodate and hypochlorite is dissolved in a solvent. Using the first polishing slurry in which the first abrasive grains are dispersed in one solution, subjecting the main surface of the silicon carbide single crystal substrate to chemical mechanical polishing (B), and finishing the main surface into a mirror surface;
The second abrasive grains were dispersed in the second solution containing neither hydrogen peroxide, ozone, permanganate, peracetic acid, perchlorate, periodic acid, periodate, or hypochlorite. A method of manufacturing a silicon carbide single crystal substrate, comprising: (C) performing chemical mechanical polishing on the main surface finished to the mirror surface using a second polishing slurry.
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