JP6597381B2 - 炭化珪素基板の製造方法、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

炭化珪素基板の製造方法、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、炭化珪素基板の製造方法、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
たとえば特開2015−135902号公報(特許文献1)には、ワイヤソーにより炭化珪素インゴットを切断する方法が記載されている。
特開2015−135902号公報
本開示の目的は、炭化珪素基板のSORIを低減し、かつ欠損を低減可能な炭化珪素基板の製造方法、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。なお、SORIとは、基板の表面の最小二乗平面を基準面とした場合、基準面に対して垂直な方向における、表面の最高点から基準面までの距離と、表面の最低点から基準面までの距離との合計である。
本開示に係る炭化珪素基板の製造方法は以下の工程を備えている。炭化珪素インゴットが準備される。ワイヤによって炭化珪素インゴットが切断される。炭化珪素インゴットのポリタイプは、4H−SiCである。炭化珪素インゴットは、頂面と、頂面と反対側の底面と、頂面および底面の間の側面とを含む。底面から頂面に向かう方向は、[0001]方向に対して平行または8°以下傾斜した方向である。炭化珪素インゴットを切断する工程においては、(000−1)面側の側面から切断し始め、かつ底面から頂面に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向から±5°以内の方向と平行な直線に沿って、炭化珪素インゴットが切断される。
本開示に係る炭化珪素基板の製造方法は以下の工程を備えている。炭化珪素インゴットが準備される。ワイヤによって炭化珪素インゴットが切断される。炭化珪素インゴットのポリタイプは、4H−SiCである。炭化珪素インゴットは、頂面と、頂面と反対側の底面と、頂面および底面の間の側面とを含む。底面から頂面に向かう方向は、[0001]方向に対して平行または8°以下傾斜した方向である。炭化珪素インゴットを切断する工程においては、(000−1)面側の側面から切断し始め、かつ底面から頂面に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向から±5°以内の方向と平行な直線に沿って、炭化珪素インゴットが切断される。炭化珪素インゴットを切断する工程において、ワイヤの線速は、1000m/分以上であり、かつワイヤの張力は、ワイヤの破断張力の70%以下である。ワイヤの直径は、200μm以下である。ワイヤにダイヤモンド砥粒が固着されている。ダイヤモンド砥粒の粒径は、50μm以下である。
本開示によれば、炭化珪素基板のSORIを低減し、かつ欠損を低減可能な炭化珪素基板の製造方法、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法および炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することができる。
本実施形態に係る炭化珪素板の構成を示す斜視模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法を概略的に示すフロー図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第1工程を示す斜視模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第2工程を示す斜視模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第3工程を示す斜視模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第3工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造装置の構成を示す斜視模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造装置のワイヤソーの構成を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第4工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第4工程を示す正面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第5工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第5工程を示す正面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第6工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法の第6工程を示す正面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法を概略的に示すフロー図である。 本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を概略的に示すフロー図である。 本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第1工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第2工程を示す断面模式図である。 本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第3工程を示す断面模式図である。 本実施形態の第1例に係る炭化珪素基板の表面形状を示す図である。 図21のXXII−XXII線に沿って測定された高さプロファイルである。 図21のXXIII−XXIII線に沿って測定された高さプロファイルである。 本実施形態の第2例に係る炭化珪素基板の表面形状を示す図である。 図24のXXV−XXV線に沿って測定された高さプロファイルである。 図24のXXVI−XXVI線に沿って測定された高さプロファイルである。 図24のXXVII−XXVII線に沿って測定された高さプロファイルである。 図24のXXVIII−XXVIII線に沿って測定された高さプロファイルである。 本実施形態の第3例に係る炭化珪素基板の表面形状を示す図である。 図29のXXX−XXX線に沿って測定された高さプロファイルである。 図29のXXXI−XXXI線に沿って測定された高さプロファイルである。 図29のXXXII−XXXII線に沿って測定された高さプロファイルである。 図29のXXXIII−XXXIII線に沿って測定された高さプロファイルである。 サンプル1〜4の炭化珪素インゴットの切断方向を示す図である。 サンプル5の炭化珪素インゴットの切断方向を示す図である。
[本開示の実施形態の概要]
まず、本開示の実施形態の概要について説明する。本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。負の指数については、結晶学上、”−”(バー)を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。
(1)本開示に係る炭化珪素基板10の製造方法は以下の工程を備えている。炭化珪素インゴット1が準備される。ワイヤ2によって炭化珪素インゴット1が切断される。炭化珪素インゴット1のポリタイプは、4H−SiCである。炭化珪素インゴット1は、頂面3と、頂面3と反対側の底面4と、頂面3および底面4の間の側面5とを含む。底面4から頂面3に向かう方向104は、[0001]方向に対して平行または8°以下傾斜した方向である。炭化珪素インゴット1を切断する工程においては、(000−1)面側の側面5から切断し始め、かつ底面4から頂面3に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向から±5°以内の方向と平行な直線に沿って、炭化珪素インゴット1が切断される。
炭化珪素結晶は、シリコン原子で終端する(0001)面(以降、シリコン面とも称する)と、カーボン原子で終端する(000−1)面(以降、カーボン面とも称する)とを有する。シリコン面およびカーボン面は、互いに物理的および化学的性質が異なる。また六方晶炭化珪素は、[1−100]方向と[11−20]方向とに沿って劈開する性質を有する。
炭化珪素基板は、たとえばワイヤを用いて炭化珪素インゴットを切断することにより得られる。発明者らが鋭意検討した結果、炭化珪素の劈開方向にワイヤを走行させて炭化珪素インゴットを切断すると、得られた炭化珪素基板のスライス面において、たとえばクラックおよびソーマークなどの欠損が発生しやすくなることが判明した。言い換えれば、劈開方向である[1−100]方向および[11−20]方向の各々と傾斜する方向に沿って炭化珪素インゴットを切断することにより、炭化珪素基板の欠損を低減することができる。また炭化珪素インゴットに対するワイヤの切り込み方向によっても、炭化珪素基板のSORIが異なることが判明した。具体的には、シリコン面側から炭化珪素インゴットを切断する場合と比較して、カーボン面側から炭化珪素インゴットを切断することにより、炭化珪素基板のSORIを低減することができる。
(2)上記(1)に係る炭化珪素基板10の製造方法の炭化珪素インゴットを切断する工程において、ワイヤ2の線速は、1000m/分以上であってもよい。これにより、加工時間を短縮することができる。結果として、炭化珪素基板に対するダメージを低減し、かつ炭化珪素基板のSORIを低減することができる。
(3)上記(1)または(2)に係る炭化珪素基板10の製造方法の炭化珪素インゴットを切断する工程において、ワイヤ2の張力は、ワイヤ2の破断張力の70%以下であってもよい。
(4)上記(1)〜(3)のいずれかに係る炭化珪素基板10の製造方法において、ワイヤ2の直径は、200μm以下であってもよい。これにより、炭化珪素インゴットの切り代を低減することができる。
(5)上記(1)〜(4)のいずれかに係る炭化珪素基板10の製造方法において、ワイヤ2にダイヤモンド砥粒6が固着されていてもよい。これにより、遊離砥粒の場合と比較して、加工時間を短縮することができる。結果として、炭化珪素基板に対するダメージを低減し、かつ炭化珪素基板のSORIを低減することができる。
(6)上記(5)に係る炭化珪素基板10の製造方法において、ダイヤモンド砥粒6の粒径は、50μm以下であってもよい。これにより、炭化珪素インゴットの切り代を低減することができる。
(7)本開示に係る炭化珪素基板10の製造方法は以下の工程を備えている。炭化珪素インゴット1が準備される。ワイヤ2によって炭化珪素インゴット1が切断される。炭化珪素インゴット1のポリタイプは、4H−SiCである。炭化珪素インゴット1は、頂面3と、頂面3と反対側の底面4と、頂面3および底面4の間の側面5とを含む。底面4から頂面3に向かう方向104は、[0001]方向に対して平行または8°以下傾斜した方向である。炭化珪素インゴット1を切断する工程においては、(000−1)面側の側面5から切断し始め、かつ底面4から頂面3に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向から±5°以内の方向と平行な直線に沿って、炭化珪素インゴット1が切断される。炭化珪素インゴット1を切断する工程において、ワイヤ2の線速は、1000m/分以上であり、かつワイヤ2の張力は、ワイヤ2の破断張力の70%以下である。ワイヤ2の直径は、200μm以下である。ワイヤ2にダイヤモンド砥粒6が固着されている。ダイヤモンド砥粒6の粒径は、50μm以下である。これにより、SORIが低減され、かつ欠損が低減された炭化珪素基板を得ることができる。
(8)本開示に係る炭化珪素エピタキシャル基板100の製造方法は以下の工程を備えている。上記(1)〜(7)のいずれか1項に記載の製造方法により炭化珪素基板10が準備される。炭化珪素基板10上に炭化珪素層20が形成される。これにより、炭化珪素エピタキシャル基板のSORIを低減し、かつ欠損を低減することができる。
(9)本開示に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法は以下の工程を備えている。上記(8)に記載の製造方法により炭化珪素エピタキシャル基板100が準備される。炭化珪素エピタキシャル基板100が加工される。これにより、炭化珪素半導体装置の歩留まりを向上することができる。
[本開示の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本開示の実施形態の詳細について説明する。まず、本実施形態に係る炭化珪素基板10の製造方法により製造された炭化珪素基板10の構成について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
図1に示されるように、本実施形態に係る炭化珪素基板10は、第1主面11と、第1主面11と反対側の第2主面13と、周縁部30とを主に有している。第1主面11は、たとえば(0001)面または(0001)面がオフ方向に傾斜した面である。第1主面11は、たとえば(0001)面が0.5°以上8°以下傾斜した面である。第1主面11の傾斜方向(オフ方向)は、たとえば<11−20>方向である。オフ方向は、たとえば<1−100>方向でもよいし、<11−20>方向成分と<1−100>方向成分とを含む方向であってもよい。(0001)面からの傾斜角(オフ角)は、1°以上であってもよいし、2°以上であってもよい。オフ角は、7°以下であってもよいし、6°以下であってもよい。
周縁部30は、たとえば、第1オリエンテーションフラット31(以降、第1フラットとも称する)と、第2オリエンテーションフラット32(以降、第2フラットとも称する)と、曲面部33とを有している。第1フラット31は、たとえば<11−20>方向に沿って延在する。第1フラット31は、たとえば(1−100)面である。第2フラット32は、たとえば<1−100>方向に沿って延在する。第2フラット32は、たとえば(11−20)面である。
炭化珪素基板10は、炭化珪素単結晶から構成される。炭化珪素単結晶のポリタイプは、たとえば4H−SiCである。4H−SiCは、電子移動度、絶縁破壊電界強度等において他のポリタイプより優れている。炭化珪素基板10は、たとえば窒素などのn型不純物を含んでいる。炭化珪素基板10の導電型は、たとえばn型である。第1主面11の直径は、100mm以上である。直径は150mm以上でもよいし、200mm以上でもよいし、250mm以上でもよい。直径の上限は特に限定されない。直径の上限は、たとえば300mmであってもよい。なお、炭化珪素基板の形状の詳細については後述する。
次に、本実施形態に係る炭化珪素基板の製造方法について説明する。
まず、炭化珪素インゴット準備工程(S1:図2)が実施される。たとえば昇華法により、炭化珪素インゴット1が製造される。たとえば、グラファイトから構成された容器内に、単結晶炭化珪素から構成された種結晶と、固体状の多結晶炭化珪素粉末から構成された炭化珪素原料とが配置される。炭化珪素原料が昇華し、種結晶上に昇華することにより、種結晶上に炭化珪素インゴットが成長する。炭化珪素インゴットが成長している間、たとえばドナーとなる窒素が導入される。結果として、炭化珪素インゴットは、窒素を含む。炭化珪素インゴットは、たとえばポリタイプが4Hの炭化珪素単結晶から構成される。言い換えれば、炭化珪素インゴットのポリタイプは、4H−SiCである。
図3に示されるように、炭化珪素インゴット1は、頂面3と、頂面3と反対側の底面4と、側面5とを含む。側面5は、頂面3と底面4との間に位置する。側面5は、頂面3と連続的に設けられ、かつ底面4と連続的に設けられている。頂面3は、たとえば凸状の曲面である。底面4は、たとえば、略平面状の略円形である。側面視において、側面5は、底面4から頂面3に向かって幅が拡がっている。坩堝を用いて炭化珪素単結晶が昇華法により製造される場合、頂面3は、炭化珪素原料に対面する面であり、底面4は、種基板に対面する面である。
次に、炭化珪素インゴット1に対して整形加工が実施される。たとえば砥石により、炭化珪素インゴット1の頂面3および側面5が研削される。これにより、炭化珪素インゴット1が略円柱状に成形される(図4参照)。炭化珪素インゴット1は、略円形の頂面3と、略円形の底面4と、略円筒状の側面5とを有する。
次に、炭化珪素インゴット1の側面5に、第1オリエンテーションフラット21と、第2オリエンテーションフラット22とが形成される(図5参照)。たとえば、側面5に(1−100)面が露出するように、第1オリエンテーションフラット21が形成される。第1オリエンテーションフラット21は、第1方向101に延在する平面である。第1方向101は、たとえば[11−20]方向である。同様に、側面5に(11−20)面が露出するように、第2オリエンテーションフラット22が形成される。第2オリエンテーションフラット22は、第2方向102に延在する平面である。第2方向102は、たとえば[1−100]方向である。側面5において、第1オリエンテーションフラット21および第2オリエンテーションフラット22以外の領域は、曲面部23である。曲面部23は、第1オリエンテーションフラット21および第2オリエンテーションフラット22の間に位置する。
図6に示されるように、頂面3に対して平行な方向から見て、炭化珪素インゴット1は、略長方形状である。頂面3は、底面4とほぼ平行である。頂面3は、たとえば(0001)面または(0001)面がオフ方向に8°以下の角度だけ傾斜した面である。オフ方向101は、たとえば<11−20>方向であり、特定的には[11−20]方向である。底面4から頂面3に向かう第4方向104は、[0001]方向に対して平行または8°以下傾斜した方向である。底面4の中心から頂面3の中心に向かう第4方向104は、たとえば[0001]方向に対して8°以下傾斜した方向である。第4方向104は、(0001)面に対して垂直な第3方向103から角度θ1だけ傾斜している。角度θ1は、たとえばオフ角と同じ角度である。第4方向104は、たとえば、昇華法において炭化珪素インゴット1を成長させる工程において、炭化珪素インゴット1が成長する方向である。
炭化珪素インゴット1の外周部の加工は、炭化珪素インゴット1に対するダメージを低減するために、高番手の砥石および研磨剤を用いることが好ましい。放電加工により、炭化珪素インゴット1の整形加工が行われてもよい。整形加工後に、アニール、ウェットエッチングまたはドライエッチングを行うことにより、炭化珪素インゴット1に対する加工ダメージが低減されてもよい。
次に、炭化珪素インゴット切断工程(S2:図2)が実施される。炭化珪素インゴット1は、たとえば図7に示す炭化珪素インゴットの切断装置300を用いて切断される。切断装置300は、ガイドローラ52と、ワイヤ2と、ノズル54とを主に有している。ガイドローラ52は、たとえば2つ設けられている。2つのガイドローラ52の間に、炭化珪素インゴットが配置される。ガイドローラ52は、たとえば樹脂製である。ガイドローラ52の外周面には、V字状のワイヤ案内溝53が設けられている。ワイヤ案内溝53の間隔を調整することで、炭化珪素基板10の厚みを調整することができる。ワイヤ2は、ワイヤ案内溝53に沿って、ガイドローラ52に巻かれている。ノズル54は、たとえば炭化珪素インゴット1とガイドローラ52との間に設けられている。
ワイヤ2に対しては張力が加えられている。ワイヤ2の張力は、たとえばワイヤ2の破断張力の70%以下であり、好ましくは60%以下であり、より好ましくは50%以下である。ワイヤ2の張力が大きいと、ワイヤ2が破断するおそれがある。一方、ワイヤ2の張力が小さいと、ワイヤ2が撓み、炭化珪素インゴット1から切り出される炭化珪素基板10のSORIが大きくなる。ワイヤの破断張力は、たとえば日本工業規格のJIS Z2241に記載の方法に準拠して測定することができる。
図8に示されるように、ワイヤ2には、たとえばダイヤモンド砥粒6が固着されている。ダイヤモンド砥粒は、たとえば電着またはレジン等により、ワイヤ2の外周面に固着されている。ワイヤ2は、たとえば炭素鋼などで作製されたピアノ線を真鍮メッキしたものである。ワイヤ2は、たとえばダイヤモンド砥粒6が固着された固定砥粒ワイヤである。
ワイヤ2の直径41(図8参照)は、たとえば200μm以下であり、好ましくは120μm以下であり、より好ましくは80μm以下である。ワイヤ2の直径41の下限は特に限定されないが、ワイヤ2の直径41は、たとえば70μm以上である。ワイヤの本数は、スライスする炭化珪素インゴットの厚みによるが、たとえば20本以上30本以下である。
ダイヤモンド砥粒6の平均粒径42(図8参照)は、たとえば50μm以下であり、好ましくは15μm以下であり、より好ましくは10μm以下である。ダイヤモンド砥粒6の平均粒径42の下限は特に限定されないが、たとえば4μm以上である。
図9および図10に示されるように、最初に、炭化珪素インゴット1の側面5に対面してワイヤ2が配置される。ワイヤ2は、(0001)面側(言い換えれば、シリコン面側)の側面5ではなく、(000−1)面側(言い換えれば、カーボン面側)の側面5に対面するように配置される。(000−1)面側の側面5とは、(000−1)面と対面する側面5の部分である。反対に、(0001)面側の側面5とは、(0001)面と対面する側面5の部分である。
次に、ワイヤ2が、ワイヤ2の長手方向50に往復運動した状態で、炭化珪素インゴット1がワイヤ2に接近する。炭化珪素インゴット1がワイヤ2と接触することで、炭化珪素インゴット1の切断が開始される。つまり、ワイヤ2によって炭化珪素インゴット1が切断される。
図11および図12に示されるように、炭化珪素インゴット1は、(000−1)面側の側面5から切断し始める。つまり、ワイヤ2が(000−1)面側の側面5に切り込まれる。炭化珪素インゴット1からワイヤ2を見た場合、ワイヤ2は、炭化珪素インゴット1の外部から、(000−1)面側の側面5を通過して、炭化珪素インゴット1の内部へ移動する。なお、ワイヤ2が固定されたまま、炭化珪素インゴット1がワイヤ2に接触するように移動してもよいし、炭化珪素インゴット1が固定されたまま、ワイヤ2が炭化珪素インゴット1に接触するように移動してもよい。
図7に示されるように、ガイドローラ52は、矢印51の方向に沿って正回転と逆回転とを交互に繰り返す。これにより、ワイヤ2は、ワイヤ2の長手方向50に沿って往復運動を行う。ワイヤ2が往復運動をしながら、炭化珪素インゴット1に接触することで、炭化珪素インゴット1が切断される。ワイヤ2の線速は、たとえば1000m/分以上であり、好ましくは1500m/分以上であり、より好ましくは2000m/分以上である。
ワイヤ2が炭化珪素インゴット1と点接触するように、ワイヤ2および炭化珪素インゴット1は揺動を行う。ワイヤ2が炭化珪素インゴット1を切断している際、ノズル54から切断部に対してクーラントが噴射されている。クーラントとして、たとえば水溶性研削液が用いられる。
図12に示されるように、底面4から頂面3に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向105から角度θ3以内の方向に平行な直線に沿って、炭化珪素インゴット1が切断される。角度θ3は、±5°である。言い換えれば、炭化珪素インゴット1の切断方向106は、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向105から±5°以内の方向に平行な直線を、第1主面11に投影した方向である。底面4から頂面3に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向105と、第1方向101とのなす角度θ2は、45°である。角度θ3は、好ましくは±4°であり、より好ましくは±3°である。
図13および図14に示されるように、炭化珪素インゴット1は、(0001)面側の側面5で切断し終わる。つまり、ワイヤ2が(0001)面側の側面5から切り抜ける。炭化珪素インゴット1からワイヤ2を見た場合、ワイヤ2は、炭化珪素インゴット1の内部から、(0001)面側の側面5を通過して、炭化珪素インゴット1の外部へ移動する。これにより、複数の炭化珪素基板10(図1参照)が得られる。炭化珪素基板10の第1主面11は、たとえば(0001)面が<11−20>方向に8°以下程度傾斜した面である。
炭化珪素基板10の第1主面11および第2主面13が、たとえばダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨される。次に、たとえばコロイダルシリカを用いて、第1主面11および第2主面13に対して化学的機械研磨が行われる。以上により、炭化珪素基板10が得られる(図1参照)。
なお上記実施形態においては、(0001)面からオフ方向に8°以下程度傾斜した頂面3を有した炭化珪素インゴット1を用い、頂面3から底面4に向かう方向104(図6参照)に対して垂直な面において炭化珪素インゴット1を切断することにより、(0001)面がオフ方向に8°以下程度傾斜した第1主面11を有する炭化珪素基板10を得る方法について説明した。しかしながら、本開示は、当該実施形態に限定されない。たとえば(0001)面が頂面3であり、かつ(000−1)面が底面4である炭化珪素インゴット1を用い、頂面3から底面4に向かう方向104に対して傾斜した面において炭化珪素インゴット1を切断することにより、(0001)面からオフ方向に8°以下程度傾斜した第1主面11を有する炭化珪素基板10が得られてもよい。
(炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法)
次に、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法について説明する。
本実施形態に係る炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法は、炭化珪素基板準備工程(S3:図15)と、炭化珪素層形成工程(S4:図15)とを主に有する。まず、前述の炭化珪素基板の製造方法を用いて、炭化珪素基板準備工程(S3:図15)が実施される。これにより、炭化珪素基板10(図1参照)が得られる。
次に、炭化珪素層形成工程(S4:図15)が実施される。たとえばホットウォール方式のCVD(Chemical Vapor Deposition)を用いて、炭化珪素単結晶基板10上に炭化珪素層20がエピタキシャル成長によって形成される。具体的には、炭化珪素単結晶基板10が、CVDの反応室内に配置される。たとえば反応室内の圧力が大気圧から1×10-6Pa程度に低減された後、炭化珪素単結晶基板10の昇温が開始される。たとえば昇温の途中において、キャリアガスである水素(H2)ガスが、反応室に導入される。
反応室内の温度がたとえば1600℃程度となった後、原料ガスおよびドーピングガスが反応室に導入される。原料ガスは、Si源ガスおよびC源ガスを含む。Si源ガスとして、たとえばシラン(SiH4)ガス用いることができる。C源ガスとして、たとえばプロパン(C38)ガスを用いることができる。シランガスの流量およびプロパンガスの流量は、たとえば46sccmおよび14sccmである。水素に対するシランガスの体積比率は、たとえば0.04%である。原料ガスのC/Si比は、たとえば0.9である。
ドーピングガスとして、たとえばアンモニア(NH3)ガスが用いられる。アンモニアガスは、三重結合を有する窒素ガスに比べて熱分解されやすい。アンモニアガスを用いることにより、キャリア濃度の面内均一性の向上が期待できる。水素ガスに対するアンモニアガスの濃度は、たとえば1ppmである。炭化珪素単結晶基板10が1600℃程度に加熱された状態で、キャリアガス、原料ガスおよびドーピングガスが反応室に導入されることで、炭化珪素単結晶基板10上に炭化珪素層20がエピタキシャル成長により形成される。これにより、炭化珪素単結晶基板10と、炭化珪素層20とを有する炭化珪素エピタキシャル基板100(図16参照)が製造される。炭化珪素層20は、第1主面11と接する第4主面14と、第4主面14と反対側の第3主面12とを有する。
(炭化珪素半導体装置の製造方法)
次に、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の製造方法について説明する。
本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、エピタキシャル基板準備工程(S10:図17)と、基板加工工程(S20:図17)とを主に有する。
まず、エピタキシャル基板準備工程(S10:図17)が実施される。具体的には、前述した炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法によって、炭化珪素エピタキシャル基板100が準備される(図16参照)。
次に、基板加工工程(S20:図17)が実施される。具体的には、炭化珪素エピタキシャル基板を加工することにより、炭化珪素半導体装置が製造される。「加工」には、たとえば、イオン注入、熱処理、エッチング、酸化膜形成、電極形成、ダイシング等の各種加工が含まれる。すなわち基板加工ステップは、イオン注入、熱処理、エッチング、酸化膜形成、電極形成およびダイシングのうち、少なくともいずれかの加工を含むものであってもよい。
以下では、炭化珪素半導体装置の一例としてのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の製造方法を説明する。基板加工工程(S20:図17)は、イオン注入工程(S21:図17)、酸化膜形成工程(S22:図17)、電極形成工程(S23:図17)およびダイシング工程(S24:図17)を含む。
まず、イオン注入工程(S21:図17)が実施される。開口部を有するマスク(図示せず)が形成された第3主面12に対して、たとえばアルミニウム(Al)等のp型不純物が注入される。これにより、p型の導電型を有するボディ領域132が形成される。次に、ボディ領域132内の所定位置に、たとえばリン(P)等のn型不純物が注入される。これにより、n型の導電型を有するソース領域133が形成される。次に、アルミニウム等のp型不純物がソース領域133内の所定位置に注入される。これにより、p型の導電型を有するコンタクト領域134が形成される(図18参照)。
炭化珪素層20において、ボディ領域132、ソース領域133およびコンタクト領域134以外の部分は、ドリフト領域131となる。ソース領域133は、ボディ領域132によってドリフト領域131から隔てられている。イオン注入は、炭化珪素エピタキシャル基板100を300℃以上600℃以下程度に加熱して行われてもよい。イオン注入の後、炭化珪素エピタキシャル基板100に対して活性化アニールが行われる。活性化アニールにより、炭化珪素層20に注入された不純物が活性化し、各領域においてキャリアが生成される。活性化アニールの雰囲気は、たとえばアルゴン(Ar)雰囲気でもよい。活性化アニールの温度は、たとえば1800℃程度でもよい。活性化アニールの時間は、たとえば30分程度でもよい。
次に、酸化膜形成工程(S22:図17)が実施される。たとえば炭化珪素エピタキシャル基板100が酸素を含む雰囲気中において加熱されることにより、第3主面12上に酸化膜136が形成される(図19参照)。酸化膜136は、たとえば二酸化珪素(SiO2)等から構成される。酸化膜136は、ゲート絶縁膜として機能する。熱酸化処理の温度は、たとえば1300℃程度でもよい。熱酸化処理の時間は、たとえば30分程度でもよい。
酸化膜136が形成された後、さらに窒素雰囲気中で熱処理が行なわれてもよい。たとえば、一酸化窒素(NO)、亜酸化窒素(N2O)等の雰囲気中、1100℃程度で1時間程度、熱処理が実施されてもよい。さらにその後、アルゴン雰囲気中で熱処理が行なわれてもよい。たとえば、アルゴン雰囲気中、1100〜1500℃程度で、1時間程度、熱処理が行われてもよい。
次に、電極形成工程(S23:図17)が実施される。第1電極141は、酸化膜136上に形成される。第1電極141は、ゲート電極として機能する。第1電極141は、たとえばCVD法により形成される。第1電極141は、たとえば不純物を含有し導電性を有するポリシリコン等から構成される。第1電極141は、ソース領域133およびボディ領域132に対面する位置に形成される。
次に、第1電極141を覆う層間絶縁膜137が形成される。層間絶縁膜137は、たとえばCVD法により形成される。層間絶縁膜137は、たとえば二酸化珪素等から構成される。層間絶縁膜137は、第1電極141と酸化膜136とに接するように形成される。次に、所定位置の酸化膜136および層間絶縁膜137がエッチングによって除去される。これにより、ソース領域133およびコンタクト領域134が、酸化膜136から露出する。
たとえばスパッタリング法により当該露出部に第2電極142が形成される。第2電極142はソース電極として機能する。第2電極142は、たとえばチタン、アルミニウムおよびシリコン等から構成される。第2電極142が形成された後、第2電極142と炭化珪素エピタキシャル基板100が、たとえば900〜1100℃程度の温度で加熱される。これにより、第2電極142と炭化珪素エピタキシャル基板100とがオーミック接触するようになる。次に、第2電極142に接するように、配線層138が形成される。配線層138は、たとえばアルミニウムを含む材料から構成される。
次に、第2主面13に第3電極143が形成される。第3電極143は、ドレイン電極として機能する。第3電極143は、たとえばニッケルおよびシリコンを含む合金(たとえばNiSi等)から構成される。
次に、ダイシング工程(S24:図17)が実施される。たとえば炭化珪素エピタキシャル基板100がダイシングラインに沿ってダイシングされることにより、炭化珪素エピタキシャル基板100が複数の半導体チップに分割される。これにより、炭化珪素半導体装置200が製造される(図20参照)。
上記において、MOSFETを例示して、本開示に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明したが、本開示に係る製造方法はこれに限定されない。本開示に係る製造方法は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、SBD(Schottky Barrier Diode)、サイリスタ、GTO(Gate Turn Off thyristor)、PiNダイオード等の各種炭化珪素半導体装置に適用可能である。
次に、本実施形態に係る炭化珪素基板10の製造方法により製造された炭化珪素基板10の形状について説明する。
炭化珪素基板10の形状は、たとえばCorning Tropel社製のFlatMaster(登録商標)を用いて測定することができる。図21、図24および図29は、第1主面11における[0001]方向の高さを、等高線状に示した図である。図21、図24および図29において、同じ程度の高さの領域は、同じハッチングを用いて示されている。
図21に示されるように、中心Oから第1オリエンテーションフラット31に向かう方向と、中心Oから第2オリエンテーションフラット32に向かう方向との間の角度を2等分する方向71に対して垂直な方向72に沿って、第1主面11の凸部が延在している場合がある。第1主面11のbowは正の値である。方向71は、[11−20]方向と[1−100]方向との間の角度を2等分する方向である。第2主面13に対して垂直な方向から見て、凸部の形状は、たとえば楕円形状であってもよい。
図22に示されるように、方向72に沿った直線上において、第1主面11の中心から外縁に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が低くなっている。図23に示されるように、方向71に沿った直線上において、第1主面11の中心から外縁に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が低くなっている。図21〜図23に示されるように、方向72における凸部の高さは、方向71における凸部の高さの2.2倍程度である。
図24に示されるように、方向72に沿って第1主面11の凹部が延在している場合がある。第1主面11のbowは負の値である。図25に示されるように、方向72に沿った直線上において、第1主面11の中心から外縁に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなっている。図26に示されるように、方向71に沿った直線上において、第1主面11の中心から外縁に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなっている。第2主面13に対して垂直な方向から見て、凹部の形状は、たとえば楕円形状であってもよい。
図27に示されるように、方向73に沿った直線上において、第1主面11の中心から外縁に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなっている。方向73は、[11−20]方向と平行な方向である。図28に示されるように、方向74に沿った直線上において、第1主面11の中心から外縁に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなっている。方向74は、[1−100]方向と平行な方向である。図24〜図28に示されるように、方向72における凹部の高さは、方向71における凹部の高さの1.5倍程度である。
図29に示されるように、方向72と平行な方向に沿って第1主面11の凹部が延在している場合がある。図30に示されるように、方向72に沿った直線上において、第1主面11の中心から外縁に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなっている。図31に示されるように、方向71に沿った直線上において、第1主面11の中心から第1オリエンテーションフラット31および第2オリエンテーションフラット32から離れる方向に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が低くなり、極小値を示した後、高くなる。反対に、方向71に沿った直線上において、第1主面11の中心から第1オリエンテーションフラット31および第2オリエンテーションフラット32に近づく方向に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなり、極大値を示した後、低くなる。
図32に示されるように、方向73に沿った直線上において、第1主面11の中心から第2オリエンテーションフラット32から離れる方向に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が低くなり、極小値を示した後、高くなっている。反対に、方向73に沿った直線上において、第1主面11の中心から第2オリエンテーションフラット32に近づく方向に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなり、極大値を示した後、低くなっている。図33に示されるように、方向74に沿った直線上において、第1主面11の中心から第1オリエンテーションフラット31から離れる方向に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が低くなり、極小値を示した後、高くなっている。反対に、方向74に沿った直線上において、第1主面11の中心から第1オリエンテーションフラット31に近づく方向に向かうにつれて、[0001]方向の相対位置が高くなり、極大値を示した後、低くなっている。図29〜図33に示されるように、方向72と平行な方向における凹部の高さは、方向71における凹部の高さの1.6倍程度である。
以上のように、本実施形態に係る炭化珪素基板10において、[11−20]方向と[1−100]方向との間の角度を2等分する方向と垂直な方向において、凹部または凸部が延在する。機械研磨、化学機械研磨および加工歪除去の条件を変更することにより、第1主面11を凹状にすることも可能であるし、凸状にすることも可能である。しかしながら、機械研磨、化学機械研磨および加工歪除去の条件を変更することによって、凹部および凸部の延在方向を変更することはスライスの方向に強く依存するため困難である。本実施形態に係る炭化珪素基板10によれば、[11−20]方向と[1−100]方向との間の角度を2等分する方向72に対して垂直な方向71における当該凹部または凸部の高さは、[11−20]方向と[1−100]方向との間の角度を2等分する方向72に対して平行な方向における当該凹部または凸部の高さの1.2倍以上2.5倍以下である。
(評価1)
(サンプル準備)
まず、昇華法を用いて、サンプル1〜4の炭化珪素インゴット1(図5および図6参照)が準備された。炭化珪素インゴットの直径および厚みは、それぞれ100mmおよび10mmである。炭化珪素インゴット1の側面5に、第1オリエンテーションフラット21と、第2オリエンテーションフラット22とが設けられている。第1オリエンテーションフラット21は、(1−100)面である。第2オリエンテーションフラット22は、(11−20)面である。頂面3は、(0001)面である。底面4は、(000−1)面である。
次に、炭化珪素インゴット1がワイヤ2によりスライスされた。スライス後の炭化珪素基板10の第1主面11が、(0001)面が<11−20>方向に4°傾斜した面となり、かつ第1主面11の<1−100>方向に対する傾きが0°となるように、ワイヤ2の延在方向に対する炭化珪素インゴット1の傾きが、ゴニオメータにより調整された。ワイヤ2にはダイヤモンド砥粒6が電着されていた。ダイヤモンド砥粒6の粒径は、30μm以上40μm以下程度であった。ワイヤ2の直径は、180μmであった。クーラントとして、水溶性研削液が用いられた。ワイヤ2の線速は、1200m/分であった。ワイヤ2の張力は、45Nであった。炭化珪素インゴット1を切断する際、ワイヤ2および炭化珪素インゴット1の各々は揺動を繰り返した。炭化珪素インゴット1は、ワイヤ2の延在方向に対して垂直な方向に上下しながら切断された。
図34に示されるように、サンプル1に係る炭化珪素インゴット1は、底面4に対して垂直な方向から見て、[1−100]方向と平行な方向107に沿って切断された。サンプル2に係る炭化珪素インゴット1は、底面4に対して垂直な方向から見て、[11−20]方向と平行な方向108に沿って切断された。サンプル3に係る炭化珪素インゴット1は、底面4に対して垂直な方向から見て、方向106と垂直な方向109に沿って切断された。サンプル4に係る炭化珪素インゴット1は、底面4に対して垂直な方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向と平行な方向106に沿って切断された。
次に、炭化珪素基板10の第1主面11および第2主面13が、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨されることで両面が鏡面加工された。次に、コロイダルシリカを用いて、第1主面11および第2主面13に対して化学的機械研磨が行われた。次に、炭化珪素基板10が酸性の洗浄液およびアルカリ性の洗浄液により洗浄された。以上により、サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10が準備された。炭化珪素基板10の厚みは、450μmであった。
(実験方法)
サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10の第1主面11のSORIは、Corning Tropel社製のFlatMaster(登録商標)を用いて測定された。サンプル1〜4の係る炭化珪素基板10の第1主面11の粗さは、株式会社菱化システム製の光干渉型粗さ測定機を用いて測定された。測定位置は、第1主面11の中央と、外周側の8カ所であった。外周側の8カ所の測定位置は、それぞれ、第1主面11に対して垂直な方向から見て、0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°および315°の方角である。外周側の8カ所の測定位置は、外縁から中央に向かって3mm程度離れた位置であった。測定領域は、64μm×64μmの正方形領域であった。面積平均粗さSqおよび面積最大粗さStが算出された。サンプル1〜4の係る炭化珪素基板10の第1主面11の欠損は、微分干渉顕微鏡を用いて測定された。対物レンズの倍率および接眼レンズの倍率は、それぞれ5倍および10倍であった。シリコン面側である第1主面11を十字方向に観測し、長さまたは幅が50μm以上の欠損をカウントした。
(実験結果)
Figure 0006597381
サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10の第1主面11のSORI、粗さSq、粗さSt、欠損個数および品質順位について説明する。表1に示されるように、サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10の第1主面11のSORIは、それぞれ、38μm、46μm、22μmおよび18μmであった。サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10の第1主面11の粗さSqは、それぞれ、0.21μm、0.22μm、0.18μmおよび0.18μmであった。サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10の第1主面11の粗さStは、それぞれ、0.25μm、0.26μm、0.13μmおよび0.12μmであった。サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10の第1主面11における欠損個数は、それぞれ、15個、18個、5個および4個であった。
サンプル1および2においては、炭化珪素の劈開方法と、ワイヤの走行方向とが一致する。そのため、切断の際に突発的に発生するソーマークにより切断面の粗さが悪化していると考えられる。一方、サンプル3および4においては、炭化珪素の劈開方法と、ワイヤの走行方向とが異なっている。サンプル1〜3に係る炭化珪素基板10と比較して、サンプル4に係る炭化珪素基板10は、SORIが小さく、粗さStが小さく、欠損個数が少ないことが実証された。総合的には、サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10の中で、サンプル4に係る炭化珪素基板10の品質が最も優れていると考えられる。
(評価2)
(サンプル準備)
以下の点を除き、サンプル4と同じ方法を用いて、サンプル5の炭化珪素基板10が準備された。サンプル5の炭化珪素インゴット1は、シリコン面側の側面5(図9参照)から切断された(図35参照)のに対して、サンプル4の炭化珪素インゴット1は、カーボン面側の側面5(図9参照)から切断された(図34参照)。切断方向以外のサンプル5の炭化珪素インゴット1の切断条件は、サンプル4の炭化珪素インゴット1の切断条件と同じである。つまり、サンプル4の炭化珪素インゴット1の切断方向106は、サンプル5の炭化珪素インゴット1の切断方向110に対して平行であり、かつ向きは反対である。
(実験方法)
サンプル5に係る炭化珪素基板10の第1主面11のSORIと、第1主面11の粗さSqおよびStと、第1主面11の欠損個数とが、サンプル1〜4に係る炭化珪素基板10と同じ方法により測定された。
(実験結果)
Figure 0006597381
サンプル5に係る炭化珪素基板10の第1主面11のSORI、粗さSq、粗さSt、欠損個数および品質順位について説明する。表2に示されるように、サンプル5に係る炭化珪素基板10の第1主面11のSORIは、23μmであった。サンプル5に係る炭化珪素基板10の第1主面11の粗さSqおよび粗さStは、それぞれ、0.19μmおよび0.13μmであった。サンプル5に係る炭化珪素基板10の第1主面11における欠損個数は、6個であった。サンプル4に係る炭化珪素基板10の品質は、サンプル5に係る炭化珪素基板10の品質よりも優れていた。
以上の結果より、シリコン面側の側面から切断されて得られたサンプル5に係る炭化珪素基板10と比較して、カーボン面側の側面から切断されて得られたサンプル4は、SORIが小さく、粗さSqおよび粗さStが小さく、欠損個数が少ないことが実証された。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 炭化珪素インゴット
2 ワイヤ
3 頂面
4 底面
5 側面
6 ダイヤモンド砥粒
10 炭化珪素基板(炭化珪素単結晶基板)
11 第1主面
12 第3主面
13 第2主面
14 第4主面
20 炭化珪素層
21,31 第1オリエンテーションフラット(第1フラット)
22,32 第2オリエンテーションフラット(第2フラット)
23,33 曲面部
30 周縁部
41 直径
42 粒径
50 長手方向
52 ガイドローラ
53 ワイヤ案内溝
54 ノズル
100 炭化珪素エピタキシャル基板
101 オフ方向
101 第1方向
102 第2方向
103 第3方向
104 第4方向
106,110 切断方向
131 ドリフト領域
132 ボディ領域
133 ソース領域
134 コンタクト領域
136 酸化膜
137 層間絶縁膜
138 配線層
141 第1電極
142 第2電極
143 第3電極
200 炭化珪素半導体装置
300 切断装置

Claims (9)

  1. 炭化珪素インゴットを準備する工程と、
    ワイヤによって前記炭化珪素インゴットを切断する工程とを備え、
    前記炭化珪素インゴットのポリタイプは、4H−SiCであり、
    前記炭化珪素インゴットは、頂面と、前記頂面と反対側の底面と、前記頂面および前記底面の間の側面とを含み、
    前記底面から前記頂面に向かう方向は、[0001]方向に対して平行または8°以下傾斜した方向であり、
    前記炭化珪素インゴットを切断する工程においては、(000−1)面側の前記側面から切断し始め、かつ前記底面から前記頂面に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向から±5°以内の方向と平行な直線に沿って、前記炭化珪素インゴットが切断される、炭化珪素基板の製造方法。
  2. 前記炭化珪素インゴットを切断する工程において、前記ワイヤの線速は、1000m/分以上である、請求項1に記載の炭化珪素基板の製造方法。
  3. 前記炭化珪素インゴットを切断する工程において、前記ワイヤの張力は、前記ワイヤの破断張力の70%以下である、請求項1または請求項2に記載の炭化珪素基板の製造方法。
  4. 前記ワイヤの直径は、200μm以下である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
  5. 前記ワイヤにダイヤモンド砥粒が固着されている、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素基板の製造方法。
  6. 前記ダイヤモンド砥粒の粒径は、50μm以下である、請求項5に記載の炭化珪素基板の製造方法。
  7. 炭化珪素インゴットを準備する工程と、
    ワイヤによって前記炭化珪素インゴットを切断する工程とを備え、
    前記炭化珪素インゴットは、頂面と、前記頂面と反対側の底面と、前記頂面および前記底面の間の側面とを含み、
    前記底面から前記頂面に向かう方向は、[0001]方向に対して平行または8°以下傾斜した方向であり、
    前記炭化珪素インゴットを切断する工程においては、(000−1)面側の前記側面から切断し始め、かつ前記底面から前記頂面に向かう方向から見て、[1−100]方向と[11−20]方向とがなす角度を2等分する方向から±5°以内の方向と平行な直線に沿って、前記炭化珪素インゴットが切断され、
    前記炭化珪素インゴットを切断する工程において、前記ワイヤの線速は、1000m/分以上であり、かつ前記ワイヤの張力は、前記ワイヤの破断張力の70%以下であり、
    前記ワイヤの直径は、200μm以下であり、
    前記ワイヤにダイヤモンド砥粒が固着されており、
    前記ダイヤモンド砥粒の粒径は、50μm以下である、炭化珪素基板の製造方法。
  8. 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の製造方法により炭化珪素基板を準備する工程と、
    前記炭化珪素基板上に炭化珪素層を形成する工程とを備える、炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法。
  9. 請求項8に記載の製造方法により炭化珪素エピタキシャル基板を準備する工程と、
    前記炭化珪素エピタキシャル基板を加工する工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
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