JP5934633B2

JP5934633B2 - 単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法及び単結晶ＳｉＣ基板の製造方法

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Publication number: JP5934633B2
Application number: JP2012252753A
Authority: JP
Inventors: 聡鳥見; 紀人矢吹; 暁野上
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: JP2014101238A

Description

本発明は、主要には、単結晶ＳｉＣ基板の表面のエッチング速度を精度良く制御する方法に関する。

ＳｉＣは、Ｓｉ等と比較して耐熱性及び機械的強度等に優れるため、新たな半導体材料として注目されている。なお、単結晶ＳｉＣ基板の表面には、初めは結晶欠陥等が存在していることがある。

特許文献１は、この単結晶ＳｉＣ基板の表面を平坦化する（修復する）表面平坦化方法を開示する。この表面平坦化方法では、単結晶ＳｉＣ基板に炭化層及び犠牲成長層を形成し、この犠牲成長層をエッチングすることで、表面を平坦化する。これにより、エピタキシャル成長のための高品質な種基板を生産することができる。なお、特許文献１では、高真空下でエッチングを行う旨が開示されている。

一般的には、上記のようにして生産された種結晶に対して、エピタキシャル成長、イオン注入、及びイオン活性化等の処理が行われる。

また、特許文献２は、単結晶ＳｉＣ基板の表面にカーボン層（グラフェンキャップ）を形成した上で、上記のイオン活性化を行うことで、イオン活性化時のＳｉ及びＳｉＣの昇華を抑制する方法を開示する。その後、この方法では、カーボン層を除去するとともに、イオン注入不足部分を除去するために、単結晶ＳｉＣ基板の表面をエッチングする。

このエッチングは、単結晶ＳｉＣ基板の表面のイオン濃度が不足している部分（イオン注入不足部分）を除去するために行われる。特許文献２では、温度及びＳｉの蒸気圧を調整することで、エッチング速度を制御する技術を開示する。

特開２００８−２３０９４４号公報特開２０１１−２３３７８０号公報

特許文献１では、高真空下でエッチングを行うことを開示するにとどまり、エッチング速度を制御することまでは記載されていない。

特許文献２では、Ｓｉの蒸気圧を調整するために、例えば、エッチング前に収容容器を毎回調整又は交換しなければならないため、繁雑な処理が必要となる。また、収容容器の隙間を変化させる場合、若干の誤差でもＳｉの蒸気圧が変化してしまうので、所定の蒸気圧を確実に実現することが困難であった。

また、特許文献２では、カーボン層を形成する工程、及びカーボン層を除去する工程が必要であるため、工程が繁雑になってしまう。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、単結晶ＳｉＣ基板のエッチング速度を精度良く制御して、エッチング量を正確に把握可能な表面処理方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、単結晶ＳｉＣ基板をＳｉの蒸気圧下で加熱処理することによりエッチングする表面処理方法であって、前記単結晶ＳｉＣ基板周囲の雰囲気の不活性ガス圧を調整することによりエッチング速度を制御するエッチング工程を含み、前記エッチング工程では、前記エッチング速度が１０００ｎｍ／ｍｉｎ以下となるように不活性ガス圧を調整する方法が提供される。

これにより、エッチング速度を精度良く制御できるので、必要な量だけ単結晶ＳｉＣ基板をエッチングすることができる。特に、不活性ガス圧を調整するだけで良いので、Ｓｉの圧力を調整する構成と比較して、簡単にエッチング速度を制御することができる。

前記の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、この方法は、前記単結晶ＳｉＣ基板にイオンが注入されるイオン注入工程を含む。前記エッチング工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面のイオン注入不足部分が除去される。

これにより、本発明ではエッチング速度を精度良く制御できるので、イオン注入不足部分のみを正確にエッチングすることができる。

前記の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記エッチング工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板に注入されたイオンが活性化されるとともに、前記イオン注入不足部分が除去されることが好ましい。

これにより、１度の処理で２つの工程を行うことができるので、工程を簡素化することができる。

前記の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法においては、カーボン層に覆われておらず、表面が露出している前記単結晶ＳｉＣ基板に対して前記エッチング工程が行われることが好ましい。

これにより、カーボン層を形成する工程及びカーボン層を除去する工程が不要となるので、工程を一層簡素化することができる。

前記の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記エッチング速度が１００ｎｍ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。

本発明では不活性ガス圧を調整することで、従来よりも低速である１００ｎｍ／ｍｉｎというエッチング速度が実現できる。これにより、エッチング量を正確に把握することができる。また、単結晶ＳｉＣ基板の表面の形状を保持したままエッチングを行うことができる。

前記の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記エッチング工程は、エピタキシャル層を形成する前の前記単結晶ＳｉＣ基板に行われることが好ましい。

これにより、エピタキシャル層を形成する前の単結晶ＳｉＣ基板に対して、エッチング速度を精度良く制御しつつ、表面を平坦化することができる。

前記の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記不活性ガス圧が１０Ｐａ以上であることが好ましい。

不活性ガス圧を上記の範囲にすることにより、エッチング速度を精度良く制御することができる。なお、前記エッチング工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板は坩堝に収容されて加熱処理され、前記坩堝は、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして構成されていることが好ましい。

本発明の第２の観点によれば、表面処理方法を用いて基板表面を処理する工程を含む単結晶ＳｉＣ基板の製造方法が提供される。

これにより、必要な分だけ表面がエッチングされた単結晶ＳｉＣ基板を低コストで生産できるので、安価な単結晶ＳｉＣ基板が実現できる。

本発明の表面処理方法に用いる高温真空炉の概要を説明する図。各工程における基板の様子を概略的に示す図。エッチングによりイオン注入不足部分が除去されることを示すグラフ。加熱温度と、エッチング速度と、の関係性を示すグラフ。不活性ガスの圧力と、エッチング速度と、の関係性を加熱温度毎に示すグラフ。各条件における、４Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面及びＣ面の様子を示す顕微鏡写真。ＯＮ基板と４°ＯＦＦ基板における、不活性ガスの圧力と、エッチング速度と、の関係性を示すグラフ。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

初めに、図１を参照して、本実施形態の加熱処理で用いる高温真空炉１０について説明する。図１は、本発明の表面処理方法に用いる高温真空炉の概要を説明する図である。

図１に示すように、高温真空炉１０は、本加熱室２１と、予備加熱室２２と、を備えている。本加熱室２１は、単結晶ＳｉＣ基板を１０００℃以上２３００℃以下の温度に加熱することができる。予備加熱室２２は、単結晶ＳｉＣ基板を本加熱室２１で加熱する前に予備加熱を行うための空間である。

本加熱室２１には、真空形成用バルブ２３と、不活性ガス注入用バルブ２４と、真空計２５と、が接続されている。真空形成用バルブ２３により、本加熱室２１の真空度を調整することができる。不活性ガス注入用バルブ２４により、本加熱室２１内の不活性ガス（例えばＡｒガス）の圧力を調整することができる。真空計２５により、本加熱室２１内の真空度を測定することができる。

本加熱室２１の内部には、ヒータ２６が備えられている。また、本加熱室２１の側壁や天井には図略の熱反射金属板が固定されており、この熱反射金属板によって、ヒータ２６の熱を本加熱室２１の中央部に向けて反射させるように構成されている。これにより、単結晶ＳｉＣ基板を強力且つ均等に加熱し、１０００℃以上２３００℃以下の温度まで昇温させることができる。なお、ヒータ２６としては、例えば、抵抗加熱式のヒータや高周波誘導加熱式のヒータを用いることができる。

また、単結晶ＳｉＣ基板は、坩堝（収容容器）３０に収容された状態で加熱される。坩堝３０は、適宜の支持台等に載せられており、この支持台が動くことで、少なくとも予備加熱室から本加熱室まで移動可能に構成されている。

坩堝３０は、互いに嵌合可能な上容器３１と下容器３２とを備えている。また、坩堝３０は、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして構成されている。

単結晶ＳｉＣ基板を加熱処理する際には、初めに、図１の鎖線で示すように坩堝３０を高温真空炉１０の予備加熱室２２に配置して、適宜の温度（例えば約８００℃）で予備加熱する。次に、予め設定温度（例えば、約１８００℃）まで昇温させておいた本加熱室２１へ坩堝３０を移動させ、単結晶ＳｉＣ基板を加熱する。

次に、上記の高温真空炉１０を利用して単結晶ＳｉＣ基板４０から半導体素子を製造する処理について図２及び図３を参照して説明する。図２は、各工程における基板の様子を概略的に示す図である。図３は、エッチングによりイオン注入不足部分が除去されることを示すグラフである。

初めに、図２（ａ）に示すように、単結晶ＳｉＣ基板４０にエピタキシャル層４１を形成する。エピタキシャル層を形成する方法は、任意であり、公知の気相エピタキシャル法や準安定溶媒エピタキシャル法等を用いることができる。更には、単結晶ＳｉＣ基板４０がＯＦＦ基板である場合、ステップフロー制御によってエピタキシャル層を形成するＣＶＤ法を用いることもできる。

次に、図２（ｂ）に示すように、エピタキシャル層４１が形成された単結晶ＳｉＣ基板４０にイオン注入を行う。このイオン注入は、対象物にイオンを照射する機能を有するイオンドーピング装置を用いて行う。イオンドーピング装置によって、エピタキシャル層４１の表面の全面又は一部に選択的にイオンが注入される。そして、イオンが注入されたイオン注入部分４２に基づいて半導体素子の所望の領域が形成されることになる。

また、イオンが注入されることによって、図２（ｃ）に示すように、イオン注入部分４２を含むエピタキシャル層４１の表面が荒れた状態になる（単結晶ＳｉＣ基板４０の表面が損傷し、平坦度が悪化する）。

次に、注入したイオンの活性化、及び、イオン注入部分４２等へのエッチングを行う。本実施形態では、両方の処理を１つの工程で行うことができる。具体的には、Ｓｉ蒸気圧下で１５００℃以上２２００℃以下、望ましくは１６００℃以上２０００℃以下の環境で加熱処理（アニール処理）を行う。これにより、注入されたイオンを活性化することができる。また、単結晶ＳｉＣ基板４０の表面がエッチングされることで、イオン注入部分４２の荒れた部分が平坦化されていく（図２（ｄ）を参照）。

図３の細線は、イオン注入後であってエッチング前における、単結晶ＳｉＣ基板４０の表面からの深さと、注入されたイオンの濃度と、を示している。図３に示すように、イオン注入後における単結晶ＳｉＣ基板４０の表面から数十ｎｍ程度には、イオン濃度が不足する部分（イオン注入不足部分）が表れる。適切な半導体素子を製造するためには、イオン注入不足部分を除去することが好ましい。

従って、本実施形態では、少なくともイオン注入部分が除去されるまでエッチングを行う。図３の太線は、１６００℃でＡｒ１．３ｋＰａ雰囲気下において５分間のエッチングを行った結果である。詳細には、図３の太線は、エッチング後における、単結晶ＳｉＣ基板４０の表面からの深さと、注入されたイオンの濃度と、の関係を示している。図３に示すように、エッチングが行われることで、イオン注入不足部分が除去されたことが分かる。

しかし、単結晶ＳｉＣ基板４０を過剰にエッチングすることは、イオン濃度が十分である部分も除去することになるため好ましくない。従って、イオン注入不足部分のみを精度良くエッチングすることが理想的である。

この点、特許文献２ではＳｉの蒸気圧等を調整してエッチング速度を制御する構成であるが、Ｓｉの蒸気圧は、坩堝の構成を変更等する必要があるため、繁雑な処理が必要となる。

これに対して、本実施形態では、不活性ガスの圧力を調整することで、エッチング速度を正確かつ簡単に制御することができる。エッチング速度を制御することで、エッチング量を正確に把握することができるので、イオン注入不足部分のみをエッチングにより除去することが可能となる。

以下、不活性ガスの圧力とエッチング速度との関係性等について図４から図６を参照して説明する。

従来から知られているように、単結晶ＳｉＣ基板のエッチング速度は、加熱温度に依存する。図４は、所定の環境下において、加熱温度を１６００℃、１７００℃、１７５０℃、及び１８００℃としたときのエッチング速度を示すグラフである。このグラフの横軸は温度の逆数であり、このグラフの縦軸はエッチング速度を対数表示している。図４に示すように、このグラフは直線となっている。そのため、例えば温度を変更したときのエッチング速度を見積もることができる。

図５は、不活性ガス圧とエッチング速度との関係を示すグラフである。具体的には、不活性ガス圧を０．００００１Ｐａから１０００Ｐａ程度まで変えたときのエッチング速度の変化が加熱温度毎に示されている。なお、図５は、ＯＮ基板（インゴットを水平に切断してできる基板）のＳｉ面についてのグラフであるが、ＯＮ基板のＣ面についても同様の関係が得られることが出願人らの実験によって確かめられている。

従来は高真空下でエッチングが行われていたため、エッチング速度は比較的高く、エッチング量を正確に把握することが困難であった。この点、本実施形態では、不活性ガス圧を高くすることでエッチング速度を低下させることができる。特に、加熱温度が１８００℃であって数百Ｐａから１０００Ｐａ程度の範囲では、１００ｎｍ／ｍｉｎ以下という低速のエッチング速度が実現可能である。エッチング速度が低速である場合、エッチング量を正確に把握することができるので、微量のエッチングが要求される場合に非常に効果的である。なお、不活性ガス圧が１０Ｐａ以上である場合、エッチング速度を１０００ｎｍ／ｍｉｎ以下とすることが可能となるので、この場合もエッチング量を把握することができる。

図６には、ＯＮ基板のＳｉ面とＣ面についての、加熱温度及び不活性ガス圧を変化させたときの顕微鏡写真が示されている。各顕微鏡写真の右上の数値は表面粗さ（ｎｍ）を示しており、右下の数値はステップの高さ（ｎｍ）を示している。全体的な傾向としては、加熱温度を高くするとステップの形状が安定し、不活性ガスの圧力を高くするとテラス幅が長くなることが分かる。また、Ｃ面では、加熱温度及び不活性ガス圧によらず、理想的なステップが形成されていることが分かる。

上記では、ＯＮ基板について、不活性ガス圧とエッチング速度とに関連性があることを説明した。この関連性は、ＯＮ基板だけでなく、ＯＦＦ基板も有している。図７は、ＯＮ基板及びＯＦＦ基板において、加熱温度が１８００℃である場合における、エッチング速度と不活性ガス圧との関係を示すグラフである。図７に示すように、ＯＮ基板とＯＦＦ基板とでグラフの挙動は異なるが、不活性ガス圧を高くすることで、エッチング速度を低速にできる点は同一である。従って、ＯＦＦ基板においても、エッチング速度を低速にしてエッチング量を正確に把握することが可能である。

また、不活性ガス圧が低い場合、ＯＦＦ基板のエッチング速度が比較的高速となるが、１０００ｎｍ／ｍｉｎは超えない。従って、加熱温度が１８００℃の場合、エッチング速度が高速になり過ぎないので、エッチング速度の制御を的確に行うことができる。

次に、本実施形態のエッチングと、従来の方法によるエッチングと、を比較した実験及びその結果について説明する。

（実施例１）
また４Ｈ−ＳｉＣ４°−ｏｆｆ（０００１）（□１０ｍｍ／４”）、エピタキシャル層ｎ−ｔｙｐｅ１×１０¹⁶／ｃｍ³〜１０μｍの単結晶ＳｉＣ基板に、Ａｌ^＋イオンの多段注入を、高温（５００℃）、１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、基板表面から５００ｎｍ、の条件下で行った。このイオン注入後の単結晶ＳｉＣ基板を、直径２０ｍｍの蓋付の上記の坩堝内に載置し、１６００℃でＡｒ１．３ｋＰａ雰囲気下において５分間のエッチングを行った。

（比較例１）
イオン注入後の単結晶ＳｉＣ基板に、従来のカーボン層を形成してアニールを行い、上記の実施例１と電気特性を比較した。

実施例１及び比較例１の電気特性を測定したところ、比較例１によるアニール処理後では、シート抵抗１．３５×１０⁴ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ、キャリア密度３．４７×１０¹⁷／ｃｍ³であったのに対し、実施例１によるアニール処理後では、シート抵抗３．２６×１０⁴ｏｈｍ／ｓｑｕａｒｅ、キャリア密度３．８９×１０¹⁷／ｃｍ³であった。従って、活性化は、ほぼ遜色のないレベルであることが確認された。

また、比較例１、実施例１に用いた単結晶ＳｉＣ基板の、エピタキシャル成長直後、イオン注入直後の表面について、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）測定によりチャネリング測定を行いχ_min値を測定した。その結果、エピタキシャル成長直後は２．０％、イオン注入直後は７．８％となったが、実施例１は２．５％、比較例１は２．４％と、結晶性回復の効果についても従来のカーボン層を用いた場合と同等であることが確認された。

以上に説明したように、本実施形態では、Ｓｉの蒸気圧下で加熱処理することによりエッチングする表面処理方法であって、前記単結晶ＳｉＣ基板４０周囲の雰囲気の不活性ガス圧を調整することによりエッチング速度を制御する。

これにより、エッチング速度を精度良く制御できるので、必要な量だけ単結晶ＳｉＣ基板４０をエッチングすることができる。特に、不活性ガス圧を調整するだけで良いので、Ｓｉの圧力を調整する構成と比較して、簡単にエッチング速度を制御することができる。

また、本実施形態の表面処理方法は、単結晶ＳｉＣ基板４０にイオンが注入されるイオン注入工程を含み、上記のエッチングを行う際に、単結晶ＳｉＣ基板４０の表面のイオン注入不足部分が除去される。

これにより、本実施形態ではエッチング速度を精度良く制御できるので、イオン注入不足部分のみを正確にエッチングすることができる。

また、本実施形態の表面処理方法において、エッチングを行う際に、単結晶ＳｉＣ基板４０に注入されたイオンが活性化されるとともに、イオン注入不足部分が除去される。

また、本実施形態の表面処理方法では、カーボン層を形成する処理を行わず、表面が露出している単結晶ＳｉＣ基板４０に対してエッチングを行う。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

なお、本実施形態では、不活性ガス圧によるエッチング速度の制御をイオン注入後のエッチングに用いたが、エッチング量の精密さが要求される工程であれば、様々な工程に上記の制御を適用することができる。

例えば、エピタキシャル成長を行う前の基板（結晶欠陥等を有する基板）を平坦化する方法として、特許文献１に示すように、炭化層及び犠牲成長層を形成して犠牲成長層をエッチングする方法が知られている。犠牲成長層は残らず除去することが好ましいため、上記の制御を用いることで、犠牲成長層を確実に除去することができる。

上記実施形態では、カーボン層（グラフェンキャップ）を形成する処理を行わないが、この処理を行っても良い。この場合、カーボン層を除去する処理と、イオンを活性化する処理と、単結晶ＳｉＣ基板をエッチングする処理と、を１つの工程で行うことができる。

不活性ガスの調整方法は任意であり、適宜の方法を用いることができる。また、エッチング工程の間、不活性ガス圧を一定にしても良いし、変化させても良い。不活性ガス圧を変化させることで、例えば初めはエッチング速度を高くして後にエッチング速度を低くして微調整を行う方法が考えられる。

処理を行った環境及び用いた単結晶ＳｉＣ基板等は一例であり、様々な環境及び単結晶ＳｉＣ基板に対して適用することができる。例えば、加熱温度は上記で挙げた温度に限られず、より低温とすることでエッチング速度を一層低下させることができる。また、上述した高温真空炉以外の加熱装置を用いても良い。

１０高温真空炉
２１本加熱室
２２予備加熱室
３０坩堝
４０単結晶ＳｉＣ基板
４１エピタキシャル層
４２イオン注入部分

Claims

単結晶ＳｉＣ基板をＳｉの蒸気圧下で加熱処理することによりエッチングする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
前記単結晶ＳｉＣ基板周囲の雰囲気の不活性ガス圧を調整することによりエッチング速度を制御するエッチング工程を含み、
前記エッチング工程では、前記エッチング速度が１０００ｎｍ／ｍｉｎ以下となるように不活性ガス圧を調整することを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項１に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
前記単結晶ＳｉＣ基板にイオンが注入されるイオン注入工程を含み、
前記エッチング工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板の表面のイオン注入不足部分が除去されることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項２に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
前記エッチング工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板に注入されたイオンが活性化されるとともに、前記イオン注入不足部分が除去されることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項２又は３に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
カーボン層に覆われておらず、表面が露出している前記単結晶ＳｉＣ基板に対して前記エッチング工程が行われることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項２から４までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
前記エッチング速度が１００ｎｍ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項１から５までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
前記エッチング工程は、エピタキシャル層を形成する前の前記単結晶ＳｉＣ基板に行われることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項１から６までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
前記不活性ガス圧が１０Ｐａ以上であることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項１から７までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
前記エッチング工程では、前記単結晶ＳｉＣ基板は坩堝に収容されて加熱処理され、
前記坩堝は、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして構成されていることを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法。
請求項１から８までの何れか一項に記載の単結晶ＳｉＣ基板の表面処理方法を用いて基板表面を処理する工程を含むことを特徴とする単結晶ＳｉＣ基板の製造方法。