JP5772635B2 - Method for manufacturing silicon carbide single crystal substrate - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素単結晶基板の製造方法に関するものであり、詳しくは切断面に形成される加工変質層等が除去された良好な原子配列の結晶面を有する炭化珪素単結晶基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate, and more specifically, a method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate having a crystal plane with a good atomic arrangement from which a work-affected layer or the like formed on a cut surface is removed. About.
炭化珪素半導体は熱的・化学的に優れた特性を有し、禁制帯幅が珪素(Si)半導体に比べ大きく電気的にも優れた特性を有する半導体材料として知られている。特に4H型の炭化珪素半導体は電子移動度や飽和電子速度が大きいことから、パワーデバイス向け半導体材料として実用化が始まっている。 A silicon carbide semiconductor is known as a semiconductor material having excellent thermal and chemical characteristics, a forbidden band width larger than that of a silicon (Si) semiconductor, and also having excellent electrical characteristics. In particular, 4H-type silicon carbide semiconductors have been put into practical use as semiconductor materials for power devices because of their high electron mobility and saturated electron velocity.
炭化珪素半導体デバイスを製造する場合、一般に、炭化珪素単結晶基板面に半導体デバイスの活性領域をエピタキシャル成長させて形成する必要があり、炭化珪素単結晶基板面には、高精度の平坦性、平滑性と同時に、良好な原子配列の結晶面が現れていることが必要である。 When manufacturing a silicon carbide semiconductor device, it is generally necessary to epitaxially grow the active region of the semiconductor device on the silicon carbide single crystal substrate surface, and the silicon carbide single crystal substrate surface has high-precision flatness and smoothness. At the same time, it is necessary that a crystal plane with a good atomic arrangement appears.
そこで、炭化珪素単結晶基板の製造工程においては、炭化珪素単結晶インゴットをワイヤーソー等を用いてスライスし、その切断面をダイヤモンド砥粒を含むスラリー等で研磨する。しかし、スライス時に生じた細かい傷を取り切ることができず、また炭化珪素の結晶性の乱れた加工変質層も残り、このような表面欠陥を有する炭化珪素単結晶基板を用いて良好な炭化珪素半導体デバイスを製造することができない。なお、以下において、スライス時の傷、加工変質層が表面に残り、表面欠陥を有する研磨工程等を経ていない、または研磨工程等の完了していない炭化珪素基板を炭化珪素素板と呼び、研磨工程等を経て、表面は高精度の平坦性、平滑性を有し、良好な原子配列の結晶面が表面に現れている状態の基板を炭化珪素単結晶基板と呼ぶ。 Therefore, in the manufacturing process of the silicon carbide single crystal substrate, the silicon carbide single crystal ingot is sliced using a wire saw or the like, and the cut surface is polished with a slurry containing diamond abrasive grains. However, fine scratches generated at the time of slicing cannot be removed, and a work-affected layer with disordered crystallinity of silicon carbide remains, and good silicon carbide is obtained using a silicon carbide single crystal substrate having such surface defects. A semiconductor device cannot be manufactured. In the following description, a silicon carbide substrate that has not been subjected to a polishing step or the like having scratches or a work-affected layer remaining on the surface due to slicing and having surface defects, or a polishing step or the like that has not been completed is referred to as a silicon carbide base plate. A substrate in which the surface has high-precision flatness and smoothness through a process and the like, and a crystal surface having a good atomic arrangement appears on the surface is referred to as a silicon carbide single crystal substrate.
この課題に対し、ダイヤモンド砥粒を含むスラリーでの研磨の後に、コロイダルシリカ砥粒と酸化剤、添加材を含む研磨液を用い、機械的研磨と化学的研磨を同時に行う化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)加工が用いられる。CMP加工の例としては、コロイダルシリカ砥粒とバナジン酸塩と酸素供与剤である過酸化水素水を混合し、pH調整剤を添加した研磨用組成物を用いたCMP加工法が提案されている(例えば、特許文献1)。 In response to this problem, chemical mechanical polishing (CMP) in which mechanical polishing and chemical polishing are simultaneously performed using a polishing liquid containing colloidal silica abrasive grains, an oxidizing agent, and an additive after polishing with a slurry containing diamond abrasive grains. Chemical Mechanical Polishing) processing is used. As an example of CMP processing, a CMP processing method using a polishing composition in which colloidal silica abrasive grains, vanadate and hydrogen peroxide as an oxygen donor are mixed and a pH adjuster is added has been proposed. (For example, patent document 1).
しかしながら、CMP加工法を用いた炭化珪素素板の研磨では、その研磨速度は数10〜数100nm/時間と非常に遅く、一枚の炭化珪素素板の研磨を完了するために、10時間以上の長時間を要するという問題がある。 However, in the polishing of the silicon carbide base plate using the CMP processing method, the polishing rate is very slow, such as several tens to several hundred nm / hour, and in order to complete the polishing of one silicon carbide base plate, it takes 10 hours or more. There is a problem that it takes a long time.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、炭化珪素素板の表面の傷や加工変質層を除去し、炭化珪素素板の表面に良好な原子配列の結晶面が現れ、優れた特性の炭化珪素エピタキシャル層を形成することができる炭化珪素単結晶基板を、短時間のCMP加工により得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and removes scratches and work-affected layers on the surface of the silicon carbide base plate, so that a crystal plane with a good atomic arrangement appears on the surface of the silicon carbide base plate. An object of the present invention is to obtain a silicon carbide single crystal substrate capable of forming a silicon carbide epitaxial layer having excellent characteristics by CMP in a short time.
本発明の炭化珪素単結晶基板の製造方法は、炭化珪素素板の表面を炭化処理して炭化層を形成する炭化層形成工程と、前記炭化層形成工程で形成された炭化層を除去する炭化層除去工程と、前記炭化層除去工程後の前記炭化珪素素板の表面を砥粒と酸化剤を含む研磨液で研磨する化学機械研磨工程と、を備える。
A method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to the present invention includes a carbonization layer forming step of carbonizing a surface of a silicon carbide base plate to form a carbonized layer, and a carbonization layer removing the carbonized layer formed in the carbonized layer forming step. A layer removal step, and a chemical mechanical polishing step of polishing the surface of the silicon carbide base plate after the carbide layer removal step with a polishing liquid containing abrasive grains and an oxidizing agent.
本発明の製造方法を用いることにより、炭化珪素素板表面の傷、加工変質層がほぼ完全に取り去られ、良好な炭化珪素エピタキシャル層を形成することができる炭化珪素単結晶基板を、短時間のCMP加工により得ることができる。 By using the production method of the present invention, a silicon carbide single crystal substrate capable of forming a good silicon carbide epitaxial layer by removing the scratches on the surface of the silicon carbide base plate and the work-affected layer almost completely and forming a good silicon carbide epitaxial layer can be obtained in a short time. It can be obtained by CMP processing.
実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。また、本実施の形態において、スライス時の傷、加工変質層が表面に残り、表面欠陥を有する研磨工程等を経ない、または研磨工程等の完了しない炭化珪素基板を炭化珪素素板と呼び、研磨工程等の製造工程を完了した炭化珪素基板を炭化珪素単結晶基板と呼ぶ。 In the description of the embodiments and the respective drawings, the portions denoted by the same reference numerals indicate the same or corresponding portions. Further, in the present embodiment, a silicon carbide substrate that is not subjected to a polishing process or the like that does not undergo a polishing process or the like that does not pass through a polishing process or the like having a surface defect, a scratch at the time of slicing, and a work-affected layer is called a silicon carbide base plate, A silicon carbide substrate that has completed a manufacturing process such as a polishing process is referred to as a silicon carbide single crystal substrate.
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る炭化珪素単結晶基板の製造方法を示す工程図である。図1の工程図に沿って、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素単結晶基板の製造方法を説明する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a process diagram showing a method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to the first embodiment. A method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the process chart of FIG.
<スライス工程(P01)>
炭化珪素単結晶インゴットから、ワイヤーソーを用いてウエハ状に炭化珪素素板がスライスされる。炭化珪素単結晶インゴットは結晶構造が4Hのものを用い、スライスされた炭化珪素素板の切断面が六方晶の(0001)面から8°傾いた方向となるようにスライスする場合を例に以下では説明する。なお、基板の厚みは300μmとした。
<Slicing process (P01)>
A silicon carbide base plate is sliced from a silicon carbide single crystal ingot into a wafer shape using a wire saw. A silicon carbide single crystal ingot having a crystal structure of 4H is used as an example in the case of slicing so that the cut surface of the sliced silicon carbide base plate is inclined by 8 ° from the hexagonal (0001) plane. Let's explain. The thickness of the substrate was 300 μm.
本実施の形態においては、ワイヤーソーを用いたが、特に限定するものでなくホイールダイヤモンドソー、超音波カッタ等を用いることができ、基板の厚みは300μmとしたが、特に限定するものではなく、製造する炭化珪素半導体デバイスに適応した厚みに切断することができ、一般的には100〜500μmに切断する。また、六方晶の(0001)面の角度は以下では8°オフさせた場合を説明するが、目的に応じてオフ角度を設定してスライスすれば良い。一般的には炭化珪素素板面が4°または8°傾いた角度にスライスする。 In the present embodiment, a wire saw is used, but is not particularly limited, and a wheel diamond saw, an ultrasonic cutter or the like can be used, and the thickness of the substrate is 300 μm, but is not particularly limited. It can cut | disconnect to the thickness suitable for the silicon carbide semiconductor device to manufacture, and generally cut | disconnects to 100-500 micrometers. In addition, the case where the angle of the hexagonal (0001) plane is turned off by 8 ° will be described below. However, the off-angle may be set according to the purpose and sliced. In general, the silicon carbide base plate is sliced at an angle of 4 ° or 8 °.
<端面加工工程(P02)>
スライスした炭化珪素素板の端面(エッジ)は鋭くとがった状態であると同時に微細なクラックが残存することが多く、続く工程での搬送や位置合わせ等の取扱い時に割れたり欠けたりする場合がある。また、欠けた断片が他の基板表面を傷つけたりすることが考えられる。そのため、研削・研磨工程の前に端面加工工程が必要である。端面加工は、ダイヤモンド砥粒を用いた面取り砥石により行う。
<End face processing step (P02)>
The end face (edge) of the sliced silicon carbide base plate is in a sharply pointed state, and at the same time, fine cracks often remain, and may be cracked or chipped during handling such as transport and alignment in the subsequent process. . Further, it is conceivable that the chipped pieces may damage the surface of other substrates. Therefore, an end face processing step is necessary before the grinding / polishing step. End face processing is performed with a chamfering grindstone using diamond abrasive grains.
<研削・研磨工程(P03)>
端面加工を行った炭化珪素素板に対して、両面に機械的な研削・研磨工程により表面を平坦化する。一般的に、表面の凹凸を減らす工程を研削工程、その後に表面の平坦性をさら鏡面にまで高める工程を研磨工程と呼ぶ。本実施の形態においては、研削・研磨工程は2段階に分けて行っており、最初の工程を研削工程、後の工程を研磨工程と呼ぶ。
<Grinding and polishing process (P03)>
The surface of the silicon carbide base plate subjected to the end face processing is flattened on both sides by a mechanical grinding / polishing process. In general, a process of reducing surface irregularities is called a grinding process, and a process of improving the surface flatness to a mirror surface is called a polishing process. In the present embodiment, the grinding / polishing process is performed in two stages. The first process is called a grinding process, and the subsequent process is called a polishing process.
研削工程では、まず、端面加工を行った炭化珪素素板を真空吸着によりテーブルに固定し、そのテーブルを回転させる。次に、粒径2μmのダイヤモンド砥粒をビトリファイドで結合した砥石が回転しながらそのテーブルに接近し、炭化珪素素板に押圧される。 In the grinding process, first, the silicon carbide base plate subjected to the end face processing is fixed to the table by vacuum suction, and the table is rotated. Next, a grindstone in which diamond abrasive grains having a particle diameter of 2 μm are bonded by vitrification approaches the table while rotating and is pressed against the silicon carbide base plate.
この研削工程を行った炭化珪素素板の表面近傍の断面TEM(Transmission Electron Microscope)観察を行った。図2は炭化珪素素板の研削面の断面TEM像である。図2より、表面から数100nmの深さの結晶性が乱れた加工変質層1が見られ、本実施の形態で作成した炭化珪素素板では、加工変質層1が最も厚く形成された部分で約250nmであった。なお、図2において、加工変質層1の上層にある膜はTEM観察の際に表面を保護する有機保護膜2と、観察用の目印のAu膜3である。 Cross-sectional TEM (Transmission Electron Microscope) observation in the vicinity of the surface of the silicon carbide base plate subjected to this grinding step was performed. FIG. 2 is a cross-sectional TEM image of the ground surface of the silicon carbide base plate. From FIG. 2, a work-affected layer 1 having a disordered crystallinity of a depth of several hundreds of nanometers from the surface can be seen. In the silicon carbide base plate produced in the present embodiment, the work-affected layer 1 is the thickest part. About 250 nm. In FIG. 2, the films above the work-affected layer 1 are an organic protective film 2 that protects the surface during TEM observation, and an Au film 3 that serves as a mark for observation.
炭化珪素のように脆性の高い高硬度単結晶材料の加工では、一般に金属を加工する場合に比べて塑性変形のみでなく脆性破壊が優先的に発生するため、結晶内部深くまで加工変質層1が形成される。例えば砥粒径が500nmのダイヤモンド砥粒を用いて研削・研磨を行った場合、砥粒径の半分の250nm程度の加工変質層1が形成される。 In the processing of a single crystal material having high brittleness and high brittleness such as silicon carbide, not only plastic deformation but also brittle fracture occurs preferentially in comparison with the case of processing metal, so that the work-affected layer 1 is formed deep inside the crystal. It is formed. For example, when grinding / polishing is performed using diamond abrasive grains having an abrasive grain size of 500 nm, the work-affected layer 1 having a thickness of about 250 nm, which is half the abrasive grain diameter, is formed.
研削工程の後に、研磨工程を行った。研磨工程は、金属定盤または不織布パッドを貼り付けた定盤の上にダイヤモンド遊離砥粒を分散させ、炭化珪素素板に荷重を与えて定盤と炭化珪素素板の表面をすり合わせる。この研磨工程によって、炭化珪素素板の表面の平坦性は高くなるが、加工変質層1は存在したままである。 The grinding process was performed after the grinding process. In the polishing step, diamond free abrasive grains are dispersed on a metal surface plate or a surface plate on which a nonwoven fabric pad is attached, and a load is applied to the silicon carbide base plate to rub the surfaces of the surface plate and the silicon carbide base plate. By this polishing process, the flatness of the surface of the silicon carbide base plate is improved, but the work-affected layer 1 still exists.
<炭化層形成工程(P04)>
研削・研磨工程(P03)により平坦化された炭化珪素素板の表面に、炭化処理により炭化層を形成する。本実施の形態において炭化層形成工程(P04)は放電加工法を用いて行った。この炭化層は、後述するように炭素のみからなるものではなく、炭化珪素の珪素が欠乏し、炭素が過剰となった状態であるが、以下では通常の炭化珪素と区別して炭化層と呼ぶ。
<Carbized layer forming step (P04)>
A carbonized layer is formed by carbonization on the surface of the silicon carbide base plate flattened by the grinding / polishing step (P03). In the present embodiment, the carbonized layer forming step (P04) was performed using an electric discharge machining method. As will be described later, this carbonized layer is not composed of carbon alone, and is a state in which silicon of silicon carbide is deficient and carbon is excessive. Hereinafter, the carbonized layer is referred to as a carbonized layer to distinguish from normal silicon carbide.
図3を用いて炭化層形成工程を説明する。図3は本発明の実施の形態1の放電加工装置4の模式図である。炭化珪素素板5をステージ6に導電性テープを用いて固定し、ワイヤー電極7を炭化珪素素板5に近接する位置に保持する。ワイヤー電極7をはじめとする放電加工を行う部分は脱イオン水や油のような誘電体液体8中に浸漬されている。ワイヤー電極7は1μm厚の黄銅被覆した直径50μmのスチール線が用いられる。
The carbonized layer forming step will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of the electric
ステージ6とワイヤー電極7の間に電源9を用いてパルス幅1μ秒(25%duty)、80Vのパルス電圧を印加し、0.5mm/分のスピードで、ワイヤー電極7を炭化珪素素板5の表面を移動させながら放電加工を行った。パルス電圧は、ワイヤー電極7を(−)、炭化珪素素板5が(+)となるように接続して、印加された。
A
ワイヤー電極7にパルス電圧を印加すると、ワイヤー電極7と炭化珪素素板5の表面との間に微小な放電が起こり、局所的に非常な高温状態となるため、炭化珪素が溶融し、さらには気化が起こる。炭素と珪素の気化温度を比較すると珪素の方が低く、従って放電加工法により珪素がより優先的に気化し、炭化珪素素板5の表面は珪素が欠乏し、炭素が過剰な炭化珪素層が形成される。ここでは前述したように珪素が欠乏し、炭素が過剰な炭化珪素層を炭化層と呼ぶ。以上のメカニズムによって、放電加工された炭化珪素素板5の表面に炭化層が形成されるものと推定している。
When a pulse voltage is applied to the
ワイヤー電極7にパルス電圧を印加しながら、徐々に移動させ、炭化珪素素板5の全面を放電加工することで、炭化珪素素板5の表面に炭化層を形成することができる。
A carbide layer can be formed on the surface of the silicon
さらにこの放電加工法による炭化層の形成を詳細に検討すると、炭化珪素素板5の表面の加工変質層1の一部または全部が放電加工法により加熱、溶融され、さらに珪素が優先的に気化することで炭化層に変質する。すなわち、炭化珪素素板5の表面にはスライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)により生成した結晶性の異なる加工変質層1が形成されており、その全部、または一部が炭化層となる。
Further, when the formation of the carbide layer by this electric discharge machining method is examined in detail, part or all of the work-affected layer 1 on the surface of the silicon
この変質して得られた炭化層の膜厚は、ワイヤー電極7と炭化珪素素板5の距離、放電加工条件により変化する。炭化珪素素板5の表面の加工変質層1の厚みは250nm程度あるため、200nm〜300nmの加工変質層1の略全部を放電加工により溶融させ、珪素を優先的に気化させて炭化層に変質させることが好ましく、後述の放電加工条件等を、目的とする厚みの炭化層に変質できるように調整する。
The film thickness of the carbonized layer obtained by this alteration varies depending on the distance between the
放電加工法による炭化層形成工程(P04)により、スライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)によって形成した加工変質層1が、炭化珪素素板5の表面から除去され、炭化層形成工程(P04)後の炭化珪素素板5の表面は、前述のように、放電加工により炭化珪素が溶融し、珪素がより優先的に気化するため、炭素が過剰となった炭化珪素層である炭化層へ変化している。
In the carbonized layer forming step (P04) by the electric discharge machining method, the work-affected layer 1 formed by the slicing step (P01) and the grinding / polishing step (P03) is removed from the surface of the silicon
この炭化層は、その形成工程においては、スライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)等の機械加工のように機械的な応力は加わらないので、結晶性の変化は見られず、組成変化のみが生じている。すなわち、加工変質層1の一部または全部を炭化層に変質させれば、炭化層の下の炭化珪素素板5では、加工変質層1の厚さが減少もしくは消失することとなり、炭化層の下の炭化珪素の結晶性は向上する。
This carbonized layer is not subjected to a change in crystallinity in the formation process because no mechanical stress is applied as in the machining process such as the slicing process (P01) and the grinding / polishing process (P03). Only changes have occurred. That is, if a part or all of the work-affected layer 1 is altered to a carbonized layer, the thickness of the work-affected layer 1 is reduced or eliminated in the silicon
本実施の形態においては、放電加工法の条件として、パルス電圧80V,パルス幅1μ秒(25%duty)、0.5mm/分として行ったが特に限定するものではなく、炭化珪素素板5に形成された加工変質層1の深さ、大きさ等に対応して定めることができる。具体的には、パルス電圧50V〜300V、パルス幅0.1〜10μ秒、10〜80%duty、スピード0.1mm/分〜10mm/分の範囲で調整することが好ましい。 In the present embodiment, the conditions of the electric discharge machining method are a pulse voltage of 80 V, a pulse width of 1 μsec (25% duty), and 0.5 mm / min. It can be determined according to the depth, size, etc. of the formed work-affected layer 1. Specifically, it is preferable to adjust the pulse voltage within a range of 50 V to 300 V, a pulse width of 0.1 to 10 μs, a 10 to 80% duty, and a speed of 0.1 mm / min to 10 mm / min.
またワイヤー電極7の直径は50μmとしたが、特に限定するものではなく、ワイヤー電極7の移動速度に合わせて、適当な電流を流し、放電加工が可能となるように、25μm〜500μmのワイヤー電極7を用いることができる。
Moreover, although the diameter of the
スライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)で形成された加工変質層1を変質させて形成された炭化層の表面状態は、放電加工時のワイヤー電極7と炭化珪素素板5との間のパルス電圧に依存して変化する。
The surface state of the carbide layer formed by altering the work-affected layer 1 formed in the slicing step (P01) and the grinding / polishing step (P03) is determined between the
図4は放電加工法による炭化層形成工程(P04)を行った炭化珪素素板5の表面の断面SEM(Secondary Electron Microscope)像であり、印加パルス電圧を100V、300Vとした時の炭化珪素素板5の表面状態を示している。また図5は、放電加工法による炭化層形成工程(P04)を行う前後の炭化珪素素板5の表面の断面模式図である。図4に示すように、印加電圧が高い時(図4(a))は、放電加工により炭化珪素素板5の表面が溶融し、珪素が優先的に気化した後に再硬化して形成されたと推定される炭化層付近において、炭化層と下地となる炭化珪素素板5との界面荒れがはっきりと見られ、界面の凹凸が大きくなっている。一方、印加電圧が低い時(図4(b))は炭化層と下地となる炭化珪素素板5との界面荒れは少なく界面の凹凸が小さくなっていることがわかる。
FIG. 4 is a cross-sectional SEM (Secondary Electron Microscope) image of the surface of the silicon
図5は、放電加工法による炭化層形成工程(P04)前の炭化珪素素板の断面模式図(図5(a))、炭化層形成工程(P04)後の炭化珪素素板5の断面模式図(図5(b))を示している。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the silicon carbide base plate before the carbide layer forming step (P04) by the electric discharge machining method (FIG. 5A), and a cross-sectional schematic view of the silicon
図5(a)に示すように、炭化層形成工程(P04)前には、表面の凹凸が大きく、かつスライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)に起因する加工変質層1が表面に厚く形成されている。この厚い加工変質層1を後述するCMP工程(P05)により取り除くことは容易ではない。 As shown in FIG. 5A, before the carbonized layer forming step (P04), the surface irregularities are large, and the work-affected layer 1 resulting from the slicing step (P01) and the grinding / polishing step (P03) is on the surface. It is formed thick. It is not easy to remove the thick work-affected layer 1 by a CMP process (P05) described later.
一方、図5(b)に示すように、適切な放電加工条件で実施された炭化層形成工程(P04)後には、加工変質層1は見られず、表面に薄く炭化層10が形成されているのみであり、その界面の凹凸である界面荒れ11も薄くなっている。
On the other hand, as shown in FIG. 5 (b), after the carbonized layer forming step (P04) performed under appropriate electric discharge machining conditions, the work-affected layer 1 is not seen, and a thin carbonized
放電加工法による炭化層形成工程(P04)後に後述するCMP工程(P05)により炭化珪素素板5の表面の凹凸を取り除くことが必要である。後述するCMP工程(P05)の加工時間等を考慮すると界面荒れ11は100nm以下とすることが好ましい。
It is necessary to remove irregularities on the surface of the silicon
界面荒れ11の厚みは放電加工法による炭化層形成工程(P04)の印加パルス電圧に依存し、印加パルス電圧を下げた場合界面荒れ11が少なくなり好ましい。一方、放電加工法により、スライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)で形成した加工変質層1を除去するためには、印加電圧を高くすることが必要である。さらに加工時間等も考慮した上で、界面荒れ11を薄くし、かつ加工変質層1を確実に除去できる放電加工時の印加パルス電圧をできるだけ低くすることが重要である。
The thickness of the
<CMP工程(P05)>
放電加工法による炭化層形成工程(P04)を行った炭化珪素素板5の表面を、砥粒と酸化剤を含む研磨液を用いてCMP加工を行う。図6は本発明の実施の形態1のCMP加工装置の模式図である。
<CMP process (P05)>
CMP processing is performed on the surface of the silicon
CMP加工装置は、研磨液15を滴下したパッド12を付けた定盤13とヘッド14が対向して配置しており、それぞれが独立に回転する構成となっている。ヘッド14の下面に炭化珪素素板5が表面を下に向けて取り付けられる。次に、定盤13とヘッド14を対向させ、荷重をかけながらそれぞれを回転させて炭化珪素素板5の表面のCMP加工を行う。本実施の形態においては、定盤13は直径400mm、ヘッド14は3インチの炭化珪素素板5を取り付けることができる大きさのものを用いた。
In the CMP processing apparatus, a
従来の炭化珪素単結晶基板の製造工程においては、スライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)等で形成された加工変質層1をCMP工程で除去し、基板を平坦化していた。炭化珪素素板5は非常に硬いため、炭化珪素よりも硬度の低いコロイダルシリカ砥粒を用いたCMP加工では、一般的に10時間以上CMP加工を行うことが必要であった。従って、量産に適した短時間のCMP加工では加工変質層1を取り除くことができず、このようにして得られた炭化珪素単結晶基板上には良好な炭化珪素エピタキシャル層を形成することはできなかった。
In the conventional manufacturing process of a silicon carbide single crystal substrate, the work-affected layer 1 formed in the slicing step (P01), the grinding / polishing step (P03) or the like is removed in the CMP step, and the substrate is flattened. Since the silicon
本実施の形態において、放電加工法による炭化層形成工程(P04)を行った炭化珪素素板5の表面は、前述のように、放電加工法により加工変質層1は消失し、炭素リッチな炭化層となっており、その硬度は、非常に高硬度の炭化珪素よりも低く、炭素に近い硬度となっている。そのため、炭化層10は炭化珪素の加工変質層1よりも容易に除去することができる。
In the present embodiment, as described above, the surface of the silicon
本実施の形態においては、砥粒として粒径100nmのコロイダルシリカを用い、酸化剤として過酸化水素を用いた研磨液15を用いてCMP加工を行った。CMP加工において、定盤13及びヘッド14の回転速度は50〜150rpm、荷重は150〜500gf/cm2の範囲でCMP加工の状態を観察し、またパッド12や研磨液15の種類に応じて適宜調整して行った。
In the present embodiment, CMP processing was performed using a polishing
本実施の形態において、3時間のCMP工程を経ることで良好な鏡面状態とすることができ、本実施の形態において製造した炭化珪素単結晶基板は、炭化珪素素板5の表面の傷、加工変質層1を短時間でほぼ完全に取り去ることができ、その表面に良好な特性の炭化珪素エピタキシャル層を形成することができた。またCMP工程時間を大幅に短縮することができたため、他の半導体製造工程と工程時間の不整合がなく、スムーズな半導体製造を確保することができた。
In the present embodiment, a good mirror surface state can be obtained by performing a CMP process for 3 hours, and the silicon carbide single crystal substrate manufactured in the present embodiment has a scratch on the surface of silicon
実施の形態2.
実施の形態1においては、炭化層形成工程(P04)では、放電加工法により、加工変質層1を消失させ、炭化層10を形成したが、本実施の形態においては、炭化層形成工程(P04)は、炭化珪素素板5を真空中でアニールすることで加工変質層1の全部または一部を炭化層10に変質させる。その他の工程は、全て実施の形態1と同一の工程を用いた。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, in the carbonized layer forming step (P04), the work-affected layer 1 is eliminated and the carbonized
なお、炭化層形成工程(P04)の具体的な例としては、電気エネルギーを用いた放電加工法、熱エネルギーを用いた真空中でのアニール法を実施の形態1及び2にそれぞれ示したが、これらに限定されるものではなく、高エネルギーを炭化珪素素板5に印加して、その組成を炭素リッチな炭化層10に変質させることができる方法であれば用いることができるのは言うまでもない。
As specific examples of the carbonized layer forming step (P04), the electric discharge machining method using electrical energy and the annealing method in vacuum using thermal energy are shown in Embodiments 1 and 2, respectively. It is not limited to these, and it is needless to say that any method can be used as long as it can apply high energy to the silicon
図7は、本発明の実施の形態2のアニール装置16の模式図である。図7に示すアニール装置16を用いて、スライス工程(P01)、端面加工工程(P02)、研削・研磨工程(P03)を行った炭化珪素素板5を真空アニール処理して、ここまでの工程で形成された加工変質層1の全部または一部を炭化層10に変質させる。
FIG. 7 is a schematic diagram of annealing
まず、スライス工程(P01)、端面加工工程(P02)、研削・研磨工程(P03)を行った炭化珪素素板5を基板支持具17に設置し、アニール装置16のアニール炉18内に導入する。本実施の形態においては、基板支持具17に炭化珪素素板5を同時に25枚設置した。アニール炉18内の空気を排気管19から排気して、アニール炉18内を真空状態とする。アニール炉18内の真空度は少なくとも1Pa以下、好ましくは10−4Pa以下とする。
First, the silicon
アニール炉18内は断熱材20とヒータ21が基板支持具17の周辺に設けられており、アニール炉18の周囲の高周波コイル22を用いて、ヒータ21を高周波誘導法により加熱し、炭化珪素素板5のアニール処理を行う。
In the
アニール処理において、炭化珪素素板5の表面温度は少なくとも1500℃以上、好ましくは1700℃程度とすることが好ましい。炭化珪素素板5を真空中で気化温度以上に加熱するアニール処理を行うと、炭化珪素素板5の表面にスライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)によって形成した加工変質層1を含む表面の炭化珪素の少なくとも一部が分解して気化し、珪素がより優先的に気化するため、炭素が過剰となった炭化珪素からなる炭化層10が形成される。すなわち、加工変質層1の一部または全部が炭化層10に変質する。
In the annealing treatment, the surface temperature of the silicon
アニール処理終了後、炭化珪素素板5の温度を下げ、ガス導入管23からアルゴン、窒素等の希ガスを導入して、常圧とした後、炭化層10を形成した炭化珪素素板5が取りだされる。本実施の形態のアニール処理条件では、表面から300nm程度の炭化珪素が炭化層10を形成した。
After the annealing treatment is completed, the temperature of the silicon
本実施の形態のアニール処理を行うことで、炭化珪素素板5の表面だけでなく、裏面等にも炭化層10が形成される。炭化層10が不要な部分については、後述(実施の形態3で詳細に述べる)する酸素または水素中でのアニール処理、または酸素プラズマ処理することで炭化層10を減じることができる。
By performing the annealing treatment of the present embodiment, the
ここで得た炭化珪素素板5について実施の形態1と同様のCMP工程(P05)を行うことにより、表面の炭化層10が除去され、4時間のCMP工程を経ることで良好な鏡面状態とすることができ、本実施の形態において製造した炭化珪素単結晶基板は、炭化珪素素板5の表面の傷、加工変質層1を短時間でほぼ完全に取り去ることができ、その表面に良好な特性の炭化珪素エピタキシャル層を形成することができた。
By performing the same CMP process (P05) as that of the first embodiment on the silicon
実施の形態3.
図8は本発明の実施の形態3で用いた炭化珪素単結晶基板の製造過程を示す工程図である。実施の形態1においては、炭化層形成工程(P04)により、スライス工程(P01)、研削・研磨工程(P03)によって形成された加工変質層1の全部または一部を炭化層10に変質させた後、CMP工程(P05)を行ったが、本実施の形態では、炭化珪素形成工程(P04)とCMP工程(P05)の間に炭化層除去工程を備えている点で異なっている。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a process diagram showing a manufacturing process of the silicon carbide single crystal substrate used in the third embodiment of the present invention. In the first embodiment, all or part of the work-affected layer 1 formed by the slicing step (P01) and the grinding / polishing step (P03) is altered to the carbonized
実施の形態1と同様の条件で放電加工法を用いて炭化層形成工程(P04)を行い、次に図7に示すアニール装置を用いて、炭化層除去工程を行った。 The carbonized layer forming step (P04) was performed using the electric discharge machining method under the same conditions as in the first embodiment, and then the carbonized layer removing step was performed using the annealing apparatus shown in FIG.
放電加工法による炭化層形成工程(P04)を行った炭化珪素素板5を基板支持具17に設置し、アニール装置16のアニール炉18内に導入する。本実施の形態においては、基板支持具17に炭化珪素素板5を同時に25枚設置した。アニール炉18内の空気を排気管19から排気して、残存ガスを極力少なくするため、まずアニール炉18内を真空状態とする。次にガス導入管23から酸素ガスを供給することで、アニール炉18内を酸素ガスで満たすが、この時、アニール炉18内の圧力はやや減圧状態とする。
The silicon
アニール炉18内は断熱材20とヒータ21が基板支持具17の周辺に設けられており、アニール炉18の周囲の高周波コイル22を用いて、ヒータ21を高周波誘導法により加熱し、炭化珪素素板5を酸素雰囲気下でアニール処理を行う。
In the
酸素ガス下でアニール処理を行うことにより、炭化珪素素板5の表面の炭化層10の炭素成分は二酸化炭素となり除去される。炭化層10の珪素成分は二酸化珪素となり炭化珪素素板5の表面に残存することになるが、二酸化珪素は、この後に行うCMP工程(P05)により容易に除去されるため、最終的に炭化珪素素板5の表面の汚染等とはならない。
By performing the annealing process under oxygen gas, the carbon component of the carbonized
本実施の形態では、アニール処理を酸素ガス下で行ったが、水素ガス下で行っても、基本的に同様の効果を得ることができる。炭化珪素素板5の表面に形成された炭化層10は、水素ガス下でアニール処理を行うことで炭化水素となり除去される。
In the present embodiment, the annealing treatment is performed under oxygen gas, but basically the same effect can be obtained even when performed under hydrogen gas.
また、本実施の形態では、酸素ガスまたは水素ガス下でのアニール処理を行い炭化層10を取り除く方法を説明したが、炭化層形成工程(P04)とCMP工程(P05)の間に炭化珪素素板5の表面に酸素プラズマ処理を行うことによっても炭化層10を取り除くことができ、同様の効果を得ることができる。
Further, in the present embodiment, the method of removing the
さらに、本実施の形態においては、放電加工法を用いた炭化層形成工程(P04)を経た炭化珪素素板5について炭化層除去工程を実施したが、真空アニールによる炭化層形成工程(P04)やその他の高エネルギー印加による炭化層形成工程(P04)を経た炭化珪素素板5についても同様の炭化層除去工程を実施することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the carbide layer removing step is performed on the silicon
酸素ガス、または水素ガス下でのアニール処理、または酸素プラズマ処理を行った炭化珪素素板5の表面を、実施の形態1と同様の手法でCMP工程(P05)を行うことにより、2時間のCMP工程を経ることで良好な鏡面状態とすることができ、本実施の形態において製造した炭化珪素単結晶基板は、炭化珪素素板5の表面の傷、加工変質層1を短時間でほぼ完全に取り去ることができ、その表面に良好な特性の炭化珪素エピタキシャル層を形成することができた。
By performing the CMP process (P05) on the surface of the silicon
1 加工変質層、2 有機保護膜、3 金(Au)膜、4 放電加工装置 5 炭化珪素素板、6 ステージ、7 ワイヤー電極、8 誘電体液体、9 電源、10 炭化層、11 界面荒れ、12 パッド、13 定盤、14 ヘッド、15 研磨液、16 アニール装置、17 基板支持具、18 アニール炉、19 排気管、20 断熱材、21 ヒータ、22 高周波コイル、23 ガス導入管。
1 Work-affected layer, 2 Organic protective film, 3 Gold (Au) film, 4
Claims (7)
前記炭化層形成工程で形成された炭化層を除去する炭化層除去工程と、
前記炭化層除去工程後の前記炭化珪素素板の表面を砥粒と酸化剤を含む研磨液で研磨する化学機械研磨工程と、
を備える炭化珪素単結晶基板の製造方法。 A carbonized layer forming step of forming a carbonized layer by carbonizing the surface of the silicon carbide base plate;
A carbonized layer removing step of removing the carbonized layer formed in the carbonized layer forming step;
A chemical mechanical polishing step of polishing the surface of the silicon carbide base plate after the carbide layer removing step with a polishing liquid containing abrasive grains and an oxidizing agent;
A method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate comprising:
を特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。 The method for producing a silicon carbide single crystal substrate according to claim 1, wherein the carbide layer forming step is performed by heating to a temperature higher than a vaporization temperature of silicon.
を特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to claim 1, wherein the carbide layer forming step is a step of performing electric discharge machining.
を特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to claim 1, wherein the carbide layer forming step is a step of annealing in vacuum.
を特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。 The method for producing a silicon carbide single crystal substrate according to claim 1 , wherein the carbide layer removing step is an annealing treatment step in oxygen.
を特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。 Carbide layer removing step, the method for manufacturing the silicon carbide single crystal substrate according to claim 1, characterized in that the annealing step in hydrogen.
を特徴とする請求項1に記載の炭化珪素単結晶基板の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide single crystal substrate according to claim 1 , wherein the carbonized layer removing step is an oxygen plasma treatment.
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