JP6668674B2 - 炭化珪素基板 - Google Patents
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Description
本発明は炭化珪素基板に関するものである。
炭化珪素基板は、バルク状の単結晶炭化珪素をスライスして製造することができる。単結晶炭化珪素は、たとえば坩堝内において原料粉末を昇華させて種結晶上に再結晶させる方法（昇華法）により製造することができる。具体的には、坩堝内に原料粉末および種結晶を配置し、誘導加熱によって坩堝を加熱することにより、原料粉末を昇華させて種結晶上に再結晶させる方法が知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。
炭化珪素基板においては、反りが発生する場合がある。炭化珪素基板の反りは、炭化珪素基板を用いた半導体装置の製造プロセスにおいて、種々の問題の原因となる。そこで、反りの低減を可能とする炭化珪素基板を提供することを目的の１つとする。
本発明に従った半導体基板は、カーボン面側主面と、シリコン面側主面とを含み、４Ｈの結晶構造を有する炭化珪素基板である。カーボン面側主面およびシリコン面側主面の、｛０００１｝面に対するオフ角は４°以下である。直径は１００ｍｍ以上である。厚みは３００μｍ以上である。そして、カーボン面側主面における窒素濃度がシリコン面側主面における窒素濃度よりも高く、カーボン面側主面とシリコン面側主面とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下である。
上記炭化珪素基板によれば、反りの低減を可能とする炭化珪素基板を提供することができる。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の半導体基板は、カーボン面側主面と、シリコン面側主面とを含み、４Ｈの結晶構造を有する炭化珪素基板である。カーボン面側主面およびシリコン面側主面の、｛０００１｝面に対するオフ角は４°以下である。直径は１００ｍｍ以上である。厚みは３００μｍ以上である。そして、カーボン面側主面における窒素濃度がシリコン面側主面における窒素濃度よりも高く、カーボン面側主面とシリコン面側主面とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下である。
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の半導体基板は、カーボン面側主面と、シリコン面側主面とを含み、４Ｈの結晶構造を有する炭化珪素基板である。カーボン面側主面およびシリコン面側主面の、｛０００１｝面に対するオフ角は４°以下である。直径は１００ｍｍ以上である。厚みは３００μｍ以上である。そして、カーボン面側主面における窒素濃度がシリコン面側主面における窒素濃度よりも高く、カーボン面側主面とシリコン面側主面とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下である。
炭化珪素基板においては、反りが発生する場合がある。炭化珪素基板の反りは、炭化珪素基板を用いた半導体装置の製造プロセスにおいて、種々の問題の原因となる。具体的には、たとえばフォトリソグラフィープロセスにおいて基板が吸着により固定される場合、反りは吸着不良の原因となり得る。本発明者らはその原因および対応策について検討し、以下のような知見を得た。
炭化珪素基板は、たとえば昇華法により得られた単結晶炭化珪素をスライスして製造することができる。昇華法では、成長方向に沿った温度勾配が存在する状態で単結晶炭化珪素が成長する。具体的には、昇華法で成長する単結晶炭化珪素においては、先に成長した領域に比べて後で成長した領域の成長温度は高くなる。そのため、後で成長した領域の格子定数は、先に成長した領域の格子定数に比べて大きくなる。また、昇華法による４Ｈ構造の炭化珪素の成長では、カーボン面が成長面として採用される場合が多い。
このようにして得られた単結晶炭化珪素を成長方向に交差する面でスライスして炭化珪素基板を製造した場合、シリコン面側主面に近い領域に比べてカーボン面側主面に近い領域の格子定数が大きくなる。特に、単結晶炭化珪素が成長方向に垂直に近い面でスライスされた場合、たとえばカーボン面側主面およびシリコン面側主面の｛０００１｝面に対するオフ角が４°以下になるようにスライスされた場合、カーボン面側主面に近い領域とシリコン面側主面に近い領域との格子定数の差が大きくなる。そして、格子定数の差に起因して、基板内部からシリコン面側主面に向けて延在するｅｘｔｒａ−ｈａｌｆ−ｐｌａｎｅが存在する状態となる。その結果、シリコン面側主面において引張応力が、カーボン面側主面において圧縮応力が発生する。この引張応力および圧縮応力により、炭化珪素基板に反りが発生する。特に、炭化珪素基板の直径が大きい場合、たとえば直径が１００ｍｍ以上である場合、反りの発生が問題となる。これに対し、本発明者らの検討によれば、カーボン面側主面における窒素濃度がシリコン面側主面における窒素濃度よりも高い状態とすることにより、上記引張応力および圧縮応力が緩和され、反りが抑制される。
本願の炭化珪素基板においては、カーボン面側主面における窒素濃度がシリコン面側主面における窒素濃度よりも高く、カーボン面側主面とシリコン面側主面とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下とされている。ここで、引張応力が存在する場合にはラマンピークはプラス側にシフトし、圧縮応力が存在する場合にはラマンピークはマイナス側にシフトする。すなわち、本願の炭化珪素基板においては、ラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下となる程度にまで上記引張応力および圧縮応力が低減されるように、カーボン面側主面における窒素濃度がシリコン面側主面における窒素濃度よりも高く設定される。これにより、本願の炭化珪素基板によれば、反りの低減を可能とする炭化珪素基板を提供することができる。
上記炭化珪素基板において、カーボン面側主面における窒素濃度は、シリコン面側主面における窒素濃度よりも１×１０１６ｃｍ−３以上高く設定されてもよい。このようにすることにより、反りの発生がより確実に抑制される。
上記炭化珪素基板において、カーボン面側主面における窒素濃度と、シリコン面側主面における窒素濃度との差は１×１０１７ｃｍ−３以下であってもよい。これにより、カーボン面側主面とシリコン面側主面とにおける窒素濃度の差を適切に設定することができる。
上記炭化珪素基板において、厚み方向において、窒素濃度が上記カーボン面側主面に近づくにしたがって上昇していてもよい。このようにすることにより、有効に反りの低減を達成することができる。
上記炭化珪素基板において、直径は１５０ｍｍ以上であってもよい。反りの発生しやすい大口径の炭化珪素基板として、本願の炭化珪素基板は好適である。
なお、六方晶炭化珪素の｛０００１｝面（ｃ面）のうち、最表面に珪素原子が並ぶ面はシリコン面、炭素原子が並ぶ面はカーボン面と定義される。本願において、カーボン面側主面とは、カーボン面を主体とする結晶面から構成される主面である。シリコン面側主面とは、シリコン面を主体とする結晶面から構成される主面である。また、本願においてラマンピークシフトとは、ＦＴＯ（２／４）Ｅ２（波数７７６ｃｍ−１)のラマンピークのピークシフトを意味する。
［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる炭化珪素基板の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。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。
次に、本発明にかかる炭化珪素基板の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。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を参照して、本実施の形態における炭化珪素基板９は、カーボン面側主面９１と、シリコン面側主面９２とを含む。炭化珪素基板９は、４Ｈの結晶構造を有する単結晶炭化珪素から構成される。炭化珪素基板９を構成する炭化珪素の｛０００１｝結晶面に対するカーボン面側主面９１およびシリコン面側主面９２のオフ角は４°以下である。すなわち、カーボン面側主面９１およびシリコン面側主面９２と｛０００１｝面とのなす角は４°以下である。
図１および図２を参照して、炭化珪素基板９は円盤状の形状を有する。炭化珪素基板９の直径は１００ｍｍ以上である。炭化珪素基板９の直径は、１５０ｍｍ以上であってもよい。炭化珪素基板９がより大きな直径を有することにより、炭化珪素基板９を用いた半導体装置（ダイオード、電界効果トランジスタなど）の製造を効率よく実施することができる。炭化珪素基板９の厚み（カーボン面側主面９１とシリコン面側主面９２との距離）は、３００μｍ以上である。炭化珪素基板９の厚みは、６００μｍ以下であってもよい。
そして、カーボン面側主面９１における窒素濃度がシリコン面側主面９２における窒素濃度よりも高く、カーボン面側主面９１とシリコン面側主面９２とにおけるラマンピークシフトの差は０．２ｃｍ−１以下となっている。カーボン面側主面９１における窒素濃度がシリコン面側主面９２における窒素濃度よりも高いことにより、カーボン面側主面９１とシリコン面側主面９２とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下となっている。
本実施の形態の炭化珪素基板９においては、カーボン面側主面９１とシリコン面側主面９２とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下となる程度にまでカーボン面側主面９１における圧縮応力およびシリコン面側主面９２における引張応力が低減されるように、カーボン面側主面９１における窒素濃度がシリコン面側主面９２における窒素濃度よりも高く設定されている。その結果、本実施の形態の炭化珪素基板９は、反りが低減された炭化珪素基板となっている。
ここで、カーボン面側主面９１およびシリコン面側主面９２におけるラマンピークシフトは、たとえば以下のように調査することができる。図２を参照して、カーボン面側主面９１（またはシリコン面側主面９２）の中心で直交する直線を想定する（図２の破線参照）。さらに、当該直線とカーボン面側主面９１（またはシリコン面側主面９２）の外周との交点を想定する。そして、当該直線上であって、外周との交点から１０ｍｍだけ中心に近い点に対応する４つの測定領域９９Ｃ、中心に対応する測定領域９９Ａ、および当該直線上において測定領域９９Ａと測定領域９９Ｃとの中点に対応する４つの測定領域９９Ｂの合計９か所の測定領域においてラマンピークシフトを測定し、その平均値をもってカーボン面側主面９１（またはシリコン面側主面９２）とする。
炭化珪素基板９において、カーボン面側主面９１における窒素濃度は、シリコン面側主面９２における窒素濃度よりも１×１０１６ｃｍ−３以上高く設定されていることが好ましい。このようにすることにより、反りの発生がより確実に抑制される。カーボン面側主面９１における窒素濃度と、シリコン面側主面９２における窒素濃度との差は１×１０１７ｃｍ−３以下であってもよい。
また、炭化珪素基板９の厚み方向において、窒素濃度がシリコン面９２からカーボン面側主面９１に近づくにしたがって上昇していることが好ましい。これにより、有効に反りの低減を達成することができる。窒素濃度は、炭化珪素基板９の厚み方向において、シリコン面９２からカーボン面側主面９１に近づくにしたがって段階的に上昇していてもよい。また、窒素濃度は、炭化珪素基板９の厚み方向において、シリコン面９２からカーボン面側主面９１に近づくにしたがって連続的に上昇していてもよい。
次に、本実施の形態における炭化珪素基板９の製造方法の一例について、図３〜図５を参照して説明する。本実施の形態の炭化珪素基板９の製造方法では、図４に示す単結晶の製造装置１００を用いて炭化珪素の単結晶が作製される。図４を参照して、単結晶の製造装置１００は、坩堝１と、断熱部材２１，２２，２３と、放射温度計７１，７２と、誘導加熱コイル７４とを備えている。
坩堝１は、誘導加熱により加熱可能な材料、たとえばグラファイトからなっている。坩堝１は、筒状の形状を有する周壁部１１と、周壁部１１に接続され、周壁部１１の一方の開口を閉塞する底壁部１２と、周壁部１１に接続され、周壁部１１の他方の開口を閉塞し、種結晶５１を保持するための保持部１４を有する蓋部１３とを含む。本実施の形態において、周壁部１１は、中空円筒状の形状を有している。底壁部１２は、円盤状の形状を有している。周壁部１１と底壁部１２とは、一体に形成されている。
蓋部１３は、周壁部１１に対して着脱自在となっている。蓋部１３の外周に形成された蓋部結合面１３Ａと周壁部１１の内周に形成された周壁部結合面１１Ａとが接触することにより、蓋部１３は周壁部１１に対して固定される。蓋部結合面１３Ａおよび周壁部結合面１１Ａには、たとえばらせん状のねじ溝が形成されていてもよい。蓋部１３の一方の主面には、当該主面の中央部から突出する保持部１４が形成されている。蓋部１３を周壁部１１に取り付けた状態において、保持部１４は、中央軸αを含むように位置する。中央軸αは、周壁部１１の中心軸に対応する。保持部１４の先端には、種結晶を保持する保持面１４Ａが形成されている。
断熱部材２１，２２，２３は、たとえば成形断熱材からなっている。断熱部材２１，２２，２３は、たとえばフェルト状の構造を有し、炭素を主成分とする繊維から構成される。断熱部材２２は、円盤状の形状を有している。断熱部材２２の第１の主面２２Ｂに底壁部１２の外面１２Ｂが接触するように、坩堝１が断熱部材２２上に配置される。断熱部材２１は、中空円筒状の形状を有している。断熱部材２１は、坩堝１の周壁部１１の外面１１Ｂを全域にわたって覆うように配置される。断熱部材２３は、坩堝１の蓋部１３の外面１３Ｂを覆うように蓋部１３の外面１３Ｂ上に配置される。坩堝１は、断熱部材２１，２２，２３によって取り囲まれる。
断熱部材２２において中央軸αを含む領域には、断熱部材２２を厚み方向に貫通する貫通孔２２Ａが形成されている。この貫通孔２２Ａを通して坩堝１の底壁部１２と向かい合うように、放射温度計７１が配置される。放射温度計７１により、底壁部１２の温度が測定され、原料粉末５２の温度が把握される。断熱部材２３において中央軸αを含む領域には、断熱部材２３を厚み方向に貫通する貫通孔２３Ａが形成されている。この貫通孔２３Ａを通して坩堝１の蓋部１３と向かい合うように、放射温度計７２が配置される。放射温度計７２により、蓋部１３の温度が測定され、種結晶５１の温度が把握される。
誘導加熱コイル７４は、断熱部材２１に覆われた坩堝１の周壁部１１の外面１１Ｂ側をらせん状に取り囲むように配置される。誘導加熱コイル７４は、電源（図示しない）に接続される。誘導加熱コイル７４に取り囲まれた領域内に、断熱部材２１，２２，２３に覆われた坩堝１が配置される。
次に、炭化珪素基板の具体的な製造手順について説明する。図３を参照して、本実施の形態における炭化珪素基板の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として原料粉末配置工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図４を参照して、坩堝１の底壁部１２の内面１２Ａ上に接触するように原料粉末５２が配置される。具体的には、蓋部１３を取り外した状態で、坩堝１内に炭化珪素の原料粉末５２を配置する。
次に、工程（Ｓ２０）として種結晶配置工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、保持部１４に種結晶５１が配置される。種結晶５１は、４Ｈの結晶構造を有する炭化珪素からなる。具体的には、たとえば周壁部１１から取り外された蓋部１３の保持部１４に、種結晶５１を貼り付ける。種結晶５１は、保持部１４の保持面１４Ａに貼り付けられる。このとき、種結晶５１の成長面５１Ａは、カーボン面とされる。次に、蓋部１３を周壁部１１に取り付ける。これにより、種結晶５１は、中央軸αと交差する領域に配置される。上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ２０）により、坩堝１内に原料粉末５２および種結晶５１が配置される。
次に、工程（Ｓ３０）として昇華−再結晶工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、原料粉末５２を昇華させて種結晶５１上に再結晶させることにより、種結晶５１上に単結晶５３を成長させる。具体的には、たとえば原料粉末５２および種結晶５１が内部に配置された坩堝１を断熱部材２１，２２，２３により覆う。さらに、断熱部材２１，２２，２３により覆われた坩堝１を、図４に示すように誘導加熱コイル７４に取り囲まれた領域に配置する。そして、誘導加熱コイル７４に高周波電流を流すと、坩堝１が誘導加熱により加熱される。
このとき、原料粉末５２の温度が種結晶５１の温度に比べて高くなるように誘導加熱が実施される。その結果、成長方向である中央軸αに沿って種結晶５１側が低く、原料粉末５２側が高い温度勾配が形成される。具体的には、たとえば種結晶５１の温度は２０００℃以上２３００℃以下とすることができる。原料粉末５２の温度は２１００℃以上２４００℃以下とすることができる。種結晶５１と原料粉末５２との温度差は、１００℃以上３００℃以下とすることができる。また、坩堝１内の圧力は、たとえば１ｋＰａ以上５ｋＰａ以下とすることができる。坩堝１内は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気とされる。また、本実施の形態では、坩堝１内に窒素ガスが導入される。坩堝１内への窒素ガスの導入量（流量）は、時間の経過とともに増加するように調整される。窒素ガスの導入量は、段階的に増加させてもよいし、連続的に増加させてもよい。
これにより、炭化珪素の粉末である原料粉末５２が昇華し、気体状態の炭化珪素である原料気体が生成する。この原料気体は、種結晶５１上に供給される。その結果、図５に示すように、種結晶５１上で原料気体が再結晶し、種結晶５１上に４Ｈの結晶構造を有する炭化珪素の単結晶５３が成長する。単結晶５３内には、窒素が取り込まれる。
上記温度勾配が存在することにより、単結晶炭化珪素である単結晶５３においては、先に成長した領域に比べて後で成長した領域の成長温度は高くなる。そのため、何ら対策をとらない場合、単結晶５３において後で成長した領域の格子定数は、先に成長した領域の格子定数に比べて大きくなる。本実施の形態では、上述のように坩堝１内に導入される窒素ガスの量が時間の経過とともに増加する。そのため、単結晶５３においては、先に成長した領域に比べて後で成長した領域の窒素濃度が高くなる。炭化珪素内に導入される窒素濃度が高くなると、炭化珪素の格子定数は小さくなる。その結果、単結晶５３の格子定数の変化が抑制される。そして、この状態が維持されることにより、単結晶５３は中央軸αに沿った方向に成長する。そして、予め設定された加熱時間が経過することにより加熱が終了し、工程（Ｓ３０）が完了する。
次に、工程（Ｓ４０）としてスライス工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において坩堝１内に成長した単結晶５３が坩堝１から取り出され、スライスされる。具体的には、工程（Ｓ３０）における加熱終了後、誘導加熱コイル７４に取り囲まれた領域から坩堝１が取り出される。その後、坩堝１の蓋部１３が取り外される。そして、蓋部１３から単結晶５３が採取される。採取された単結晶５３は、｛０００１｝面に対する角度が４°以下となる主面を形成するようにスライスされる。その結果、図１を参照して、カーボン面側主面９１と、シリコン面側主面９２とを含み、カーボン面側主面９１およびシリコン面側主面９２の、｛０００１｝面に対するオフ角が４°以下である炭化珪素基板９が得られる。
次に、工程（Ｓ５０）として表面平坦化工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において得られた炭化珪素基板９のカーボン面側主面９１およびシリコン面側主面９２の少なくとも一方が平坦化される。具体的には、カーボン面側主面９１およびシリコン面側主面９２の少なくとも一方に対し、ＭＰ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などの研磨が実施される。そして、洗浄等が実施されることにより、本実施の形態の炭化珪素基板９が得られる。
本実施の形態の炭化珪素基板の製造方法においては、上述のように工程（Ｓ３０）においてカーボン面を成長面として単結晶５３が成長する。また、坩堝１内に導入される窒素ガスの量が時間の経過とともに増加する。そのため、単結晶５３においては、先に成長した領域に比べて後で成長した領域の窒素濃度が高くなる。したがって、温度変化に伴う格子定数の増大が抑制される。そして、得られた単結晶５３が工程（Ｓ４０）でスライスされる。その結果、カーボン面側主面９１における窒素濃度がシリコン面側主面９２における窒素濃度よりも高く、カーボン面側主面９１とシリコン面側主面９２とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下である炭化珪素基板９を製造することができる。
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、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、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。
本願の炭化珪素基板は、反りの低減が求められる炭化珪素基板に、特に有利に適用され得る。
１ 坩堝
１１ 周壁部
１１Ａ 周壁部結合面
１１Ｂ 外面
１２ 底壁部
１２Ａ 内面
１２Ｂ 外面
１３ 蓋部
１３Ａ 蓋部結合面
１３Ｂ 外面
１４ 保持部
１４Ａ 保持面
２１，２２，２３ 断熱部材
２２Ａ，２３Ａ 貫通孔
２２Ｂ 第１の主面
５１ 種結晶
５１Ａ 成長面
５２ 原料粉末
５３ 単結晶
７１，７２ 放射温度計
７４ 誘導加熱コイル
９ 炭化珪素基板
９１ カーボン面側主面
９２ シリコン面側主面
９９Ａ，９９Ｂ，９９Ｃ 測定領域
１００ 単結晶の製造装置
１１ 周壁部
１１Ａ 周壁部結合面
１１Ｂ 外面
１２ 底壁部
１２Ａ 内面
１２Ｂ 外面
１３ 蓋部
１３Ａ 蓋部結合面
１３Ｂ 外面
１４ 保持部
１４Ａ 保持面
２１，２２，２３ 断熱部材
２２Ａ，２３Ａ 貫通孔
２２Ｂ 第１の主面
５１ 種結晶
５１Ａ 成長面
５２ 原料粉末
５３ 単結晶
７１，７２ 放射温度計
７４ 誘導加熱コイル
９ 炭化珪素基板
９１ カーボン面側主面
９２ シリコン面側主面
９９Ａ，９９Ｂ，９９Ｃ 測定領域
１００ 単結晶の製造装置
Claims (5)
- カーボン面側主面と、シリコン面側主面とを含み、４Ｈの結晶構造を有する炭化珪素基板であって、
前記カーボン面側主面および前記シリコン面側主面の、｛０００１｝面に対するオフ角は４°以下であり、
直径は１００ｍｍ以上であり、
厚みは３００μｍ以上であり、
前記カーボン面側主面における窒素濃度が前記シリコン面側主面における窒素濃度よりも高く、前記カーボン面側主面と前記シリコン面側主面とにおけるラマンピークシフトの差が０．２ｃｍ−１以下である、炭化珪素基板。 - 前記カーボン面側主面における窒素濃度は、前記シリコン面側主面における窒素濃度よりも１×１０１６ｃｍ−３以上高い、請求項１に記載の炭化珪素基板。
- 前記カーボン面側主面における窒素濃度と、前記シリコン面側主面における窒素濃度との差は１×１０１７ｃｍ−３以下である、請求項１または２に記載の炭化珪素基板。
- 厚み方向において、窒素濃度が前記カーボン面側主面に近づくにしたがって上昇する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素基板。
- 直径が１５０ｍｍ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素基板。
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