JP6758097B2 - シリコン酸化層形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣ基板の表面側にシリコン酸化層を形成するシリコン酸化層形成方法に関する。

近年、コンバータやインバータの電力制御にパワー半導体が広く利用されている。このようなパワー半導体用の基板としてＳｉＣ基板を用いる場合、酸素含有雰囲気中にてＳｉＣ基板を所定温度でアニールし、ＳｉＣ基板の表面側にシリコン酸化層を形成することが一般に知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、ＳｉＣ基板をアニールするとき、アニール時の処理温度によっては、ＳｉＣ基板中の炭素原子がシリコン酸化層との界面に偏析することがある。このように炭素原子が偏析すると、パワー半導体の特性が低下してしまう。そこで、炭素原子の偏析が抑制されるように、アニール時の処理温度を１２００℃以上の高温に設定することが考えられる。然し、これでは、ＳｉＣ基板中のシリコン原子が昇華、脱離し、これに起因して当該シリコン原子の脱離部分が窪むことで、シリコン酸化層を形成したＳｉＣ基板の表面が凸凹になってしまうという問題を招来する。

特開２０１４−１０３１７５号公報

本発明は、以上の点に基づき、シリコン酸化層との界面に炭素原子が偏析することを抑止しながら、ＳｉＣ基板の表面側にシリコン酸化層を平滑性良く形成することができるシリコン酸化層形成方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、ＳｉＣ基板の表面側にシリコン酸化層を形成する本発明のシリコン酸化層形成方法は、ＳｉＣ基板の表面に、このＳｉＣ基板中のシリコン原子の昇華、脱離を防止するカーボン膜を堆積により成膜する成膜工程と、カーボン膜が成膜されたＳｉＣ基板を酸素含有雰囲気にて１２００℃〜１９００℃の温度でアニールするアニール工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、シリコン酸化層形成時の処理温度を１２００℃〜１９００℃の高温に設定したため、ＳｉＣ基板中の炭素原子がシリコン酸化層との界面に偏析することが抑制できる。また、高温でのアニール中、ＳｉＣ基板の表面を覆うカーボン膜により、ＳｉＣ基板中のシリコン原子の昇華、脱離が防止されるため、シリコン酸化層を形成したＳｉＣ基板の表面は平滑なままに維持される。ここで、シリコン原子の昇華、脱離を防止するものとしてカーボン膜を採用したため、アニール時、雰囲気中の酸素がカーボン膜を透過するため、ＳｉＣ基板の表面側にシリコン酸化層を形成するという機能は損なわれず、しかも、カーボン膜の炭素原子が酸素と反応して一酸化炭素又は二酸化炭素となって雰囲気中に放出されることで、当該カーボン膜自体が除去されていく。このため、カーボン膜の厚さを適宜設定しておけば、アニール工程の終了後にカーボン膜を除去するための工程は特段必要としない。従って、本発明は、ＳｉＣ基板の表面側にシリコン酸化層を効率よく形成でき、有利である。なお、アニールの温度が１２００℃より低いと、シリコン酸化層形成時にＳｉＣ基板中の炭素原子がシリコン酸化層との界面に析出するという不具合があり、１９００℃より高いと、アニール時にシリコン原子がカーボン膜を介して昇華、脱離してＳｉＣ基板表面の平滑性が損なわれるという不具合がある。

本発明において、前記アニール工程にて、前記カーボン膜を除去して前記シリコン酸化層を露出させることが好ましい。これによれば、アニール工程の終了後にカーボン膜を除去するための工程を行う必要がなく、有利である。

本発明において、前記成膜工程は、真空チャンバ内にＳｉＣ基板とカーボン製のターゲットとを配置し、ターゲットに電力投入してスパッタリングするものであり、前記ターゲットに投入する電力密度を２５ｍＷ／ｍｍ^２以下に設定することが好ましい。ターゲットへの投入電力の電力密度が２５ｍＷ／ｍｍ^２よりも高いと、アニール時にシリコン原子がカーボン膜を介して昇華、脱離してＳｉＣ基板表面の平滑性が損なわれるという不具合がある。２５ｍＷ／ｍｍ^２以下の電力密度で成膜されたカーボン膜はダイヤモンドライクカーボン膜であり、アニールによりグラファイト構造のものに変化し、このグラファイト構造のカーボン膜を酸素が透過してＳｉＣ基板の表面に到達するため、当該表面が熱酸化されてシリコン酸化層が形成される。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態のシリコン酸化層形成方法を示す模式的断面図。 成膜工程を実施するスパッタリング装置を示す模式断面図。 本発明の効果を確認する実験結果を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のシリコン酸化層形成方法について説明する。

先ず、前工程として、ＳｉＣ基板Ｗの表面を薬液を用いて洗浄する（洗浄工程）。これにより、ＳｉＣ基板Ｗの表面に形成された自然酸化膜が除去される。洗浄に用いる薬液としては、例えば、フッ酸を用いることができる。このような薬液を用いた洗浄条件については公知のものを用いることができるため、洗浄条件の詳細については、ここでは説明を省略する。

次いで、図１（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板Ｗの表面にカーボン膜Ｃを成膜する（成膜工程）。カーボン膜Ｃの成膜方法としては、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を用いることができるが、ここでは、スパッタリング法を用いる場合について説明する。図２は、成膜工程を実施するスパッタリング装置ＳＭを示す模式断面図である。スパッタリング装置ＳＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスを導入するガス管１１が接続され、ガス管１１にはマスフローコントローラ１２が介設され、ガス源１３に連通している。スパッタガスとしては、アルゴン等の希ガスを用いることができる。真空チャンバ１の側壁には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空排気手段Ｐに通じる排気管１４が接続されている。これにより、マスフローコントローラ１２により流量制御されたスパッタガスが、真空排気手段Ｐにより真空引きされている処理室１０内に導入でき、成膜中、処理室１０の圧力が略一定に保持されるようにしている。

真空チャンバ１の底部には、絶縁部材Ｉ_１を介して基板ステージ２が配置されている。基板ステージ２は、図示省略する公知の静電チャックを有し、静電チャックの電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、基板ステージ２上にＳｉＣ板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。

真空チャンバ１の天井部にはターゲットアッセンブリ３が取付けられている。ターゲットアッセンブリ３は、ＳｉＣ板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形の板状に形成されたカーボン製のターゲット３１と、ターゲット３１のスパッタリングされる面をスパッタ面３１ａ、このスパッタ面３１ａ側を「下」とし、ターゲット３１の上面にインジウム等のボンディング材（図示省略）を介して接合されるバッキングプレート３２とで構成される。スパッタリング中、バッキングプレート３２の内部に冷媒（冷却水）を流すことでターゲット３１を冷却できるようになっている。ターゲット３１を装着した状態でバッキングプレート３２下面の周縁部が、絶縁部材Ｉ_２を介して真空チャンバ１の側壁上部に取り付けられる。ターゲット３１にはスパッタ電源Ｅたる直流電源の出力がバッキングプレート３２を介して接続され、ターゲット３１に直流電力を投入できるようになっている。

ターゲットアッセンブリ３の上方には磁石ユニット４が配置され、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの下方に漏洩磁場を局所的に作用させ、スパッタリングによる成膜中にスパッタ面３１ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット３１から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化できるようにしている。磁石ユニット４は、円板状のヨーク４１と、ヨーク４１の下面に所定形状（例えば環状）に列設した複数個の磁石４２とを有する。ヨーク４１上面の中央には図示省略の駆動手段の回転軸４３が接続され、磁石ユニット４が回転自在となっている。

上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備える図示省略の制御手段を有し、マスフローコントローラ１２の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、スパッタ電源Ｅの稼働等を統括制御するようにしている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた成膜工程について説明する。

図示省略の搬送ロボットを用いてステージ２上にＳｉＣ基板Ｗを搬送し、ステージ２によりＳｉＣ基板Ｗを位置決め保持する。次いで、マスフローコントローラ１２を制御してスパッタガスを所定の流量で導入し、これと併せて、スパッタ電源Ｅからターゲット３１に直流電力を投入して真空チャンバ１内にプラズマを形成し、ターゲット３１をスパッタリングする。スパッタリングにより飛散したスパッタ粒子をＳｉＣ基板Ｗの表面に付着、堆積させることで、ＳｉＣ基板Ｗ表面にカーボン膜Ｆｃが成膜される。このように成膜されるカーボン膜Ｆｃは、ダイヤモンドライクカーボン膜である。ここで、スパッタガスとしては、アルゴンガス等の希ガスを用いることができ、その流量は、処理室１０の圧力が４．５Ｐａ以下となるように適宜設定することができる。また、ターゲット３１への投入電力の電力密度は２５ｍＷ／ｍｍ^２以下に設定することが好ましい。電力密度が２５ｍＷ／ｍｍ^２よりも高いと、後述するアニール時にシリコン原子がカーボン膜Ｆｃを透過して昇華する虞がある。

成膜工程を所定時間行うと、つまり、所定膜厚のカーボン膜Ｆｃが成膜されると、成膜工程を終了する。カーボン膜Ｆｃの膜厚は、後述するアニール工程終了時に、カーボン膜Ｆｃが完全に除去されるように設定することが好ましい。そして、カーボン膜Ｆｃが成膜されたＳｉＣ基板Ｗを処理室１０から搬出し、図示省略するアニール装置の処理室内に搬送する。ここで、アニール装置としては、処理室内を酸素含有雰囲気にすることができ、ランプやヒータといった加熱手段を備える公知のものを用いることができる。

そして、カーボン膜Ｆｃが成膜されたＳｉＣ基板Ｗを酸素含有雰囲気にて１２００℃〜１９００℃の温度でアニールする（アニール工程）。このアニール工程では、ダイヤモンドライクカーボン膜がグラファイト構造のカーボン膜に変化する。つまり、カーボン膜Ｆｃの膜構造が変化する。

グラファイト構造のカーボン膜Ｆｃは酸素原子を透過させるため、カーボン膜Ｆｃを透過した酸素がＳｉＣ基板Ｗの表面に到達し、当該表面が熱酸化されてシリコン酸化層Ｌｏが形成される。これと共に、カーボン膜Ｆｃの炭素原子が酸素原子と反応して一酸化炭素又は二酸化炭素となって雰囲気中に放出されることで、カーボン膜Ｆｃ自体が除去されていく（図１（ｂ）参照）。このため、カーボン膜Ｆｃの厚さを適宜設定しておけば、所定時間アニールを行うことで所定厚さのシリコン酸化層Ｌｏが形成されたとき、カーボン膜Ｆｃが完全に除去される（図１（ｃ）参照）。

以上説明したように、本実施形態によれば、アニール時の処理温度を１２００℃〜１９００℃の高温に設定したため、ＳｉＣ基板Ｗ中の炭素原子がシリコン酸化層Ｌｏとの界面に偏析することが抑制できる。また、高温でのアニール中、ＳｉＣ基板Ｗの表面を覆うカーボン膜Ｆｃにより、ＳｉＣ基板Ｗ中のシリコン原子の昇華、脱離が防止されるため、シリコン酸化層Ｆｏを形成したＳｉＣ基板Ｗの表面は平滑なままに維持される。ここで、シリコン原子の昇華、脱離を防止するものとしてカーボン膜Ｆｃを採用したため、アニール時、雰囲気中の酸素原子がカーボン膜Ｆｃを透過するため、ＳｉＣ基板Ｗの表面側にシリコン酸化層Ｌｏを形成するという機能は損なわれず、しかも、カーボン膜Ｆｃの炭素原子が酸素原子と反応して一酸化炭素又は二酸化炭素となって雰囲気中に放出されることで、当該カーボン膜Ｆｃ自体が除去されていく。このため、カーボン膜Ｆｃの厚さを適宜設定しておけば、アニール工程の終了後にカーボン膜Ｆｃを除去するための工程は特段必要としない。従って、本発明は、ＳｉＣ基板Ｗの表面側にシリコン酸化層Ｌｏを効率よく形成でき、有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、カーボン製のターゲットをスパッタリングすることでカーボン膜Ｆｃを成膜する場合を例に説明したが、アセチレンガス等の炭化水素ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜する場合にも本発明を適用することができる。但し、成膜されるダイヤモンドライクカーボン膜中に水素が含まれるため、上記実施形態の如くスパッタリング法を用いることが好ましい。

また、上記実施形態では、アニールの終了時にカーボン膜Ｆｃが除去されるように、カーボン膜Ｆｃの膜厚を設定する場合を例に説明したが、アニールの終了時にカーボン膜Ｆｃが残存してもよい。但し、アニール工程の後にカーボン膜Ｆｃを除去する工程を行う必要があるため、上記実施形態の方がシリコン酸化層を効率よく形成できて有利である。

次に、上記効果を確認するために、以下の実験を行った。即ち、本実験では、ＳｉＣ基板Ｗとしてφ７６．２ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板を用い、上記スパッタリング装置ＳＭの真空チャンバ１内のステージ２にＳｉＣ基板Ｗをセットし、アルゴンガスを流量１００ｓｃｃｍで処理室１０内に導入し（このときの処理室１０内の圧力は約０．８Ｐａ）、ターゲット３１へ直流電力を２５０Ｗ投入して（このとき、電力密度は３．３ｍＷ／ｍｍ^２）処理室１０内にプラズマを形成し、カーボン製のターゲット３１をスパッタリングして、ＳｉＣ基板Ｗ表面にカーボン膜Ｆｃを３０ｎｍの膜厚で成膜した（成膜工程）。成膜したカーボン膜Ｆｃをラマン分光法により分析したところ、ダイヤモンドライクカーボン（アモルファス構造）であることが確認された。そして、カーボン膜Ｆｃが成膜されたＳｉＣ基板Ｗをランプ加熱式の熱処理炉の処理室内に入れ、処理室内を酸素含有雰囲気にして１２００℃の温度でアニールすることで、ＳｉＣ基板Ｗの表面側にシリコン酸化層Ｌｏを形成すると同時にカーボン膜Ｆｃを除去した（アニール工程）。アニール後のＳｉＣ基板Ｗにはシリコン酸化層Ｌｏのみが存在し、このシリコン酸化層Ｌｏは平滑性良く形成されていることが確認された。アニール温度を１０００℃、１４００℃、１６００℃、１９００℃、２０００℃に変える点を除き、上記と同様の条件でアニールを行い、ＳｉＣ基板Ｗとシリコン酸化層Ｌｏの界面における炭素の偏析抑制効果の有無と、シリコン酸化層Ｌｏの平滑性の良否とを確認した結果を図３に示す。これによれば、アニール温度を１２００℃〜１９００℃の高温に設定することで、シリコン酸化層Ｌｏが形成されたＳｉＣ基板Ｗ表面の平滑性が維持できることが判った。また、アニール温度が１２００℃よりも低いと、シリコン酸化層形成時にＳｉＣ基板Ｗ中の炭素原子がシリコン酸化層Ｌｏとの界面に偏析する不具合が生じた。これは、アニール温度が低いと、熱酸化時に副生成物として生成される炭素が一酸化炭素又は二酸化炭素となって雰囲気中に放出されないことに起因すると推測される。また、アニール温度が１９００℃よりも高いと、アニール時にＳｉＣ基板Ｗのシリコン原子がカーボン膜Ｆｃを透過して昇華、脱離し、シリコン酸化層Ｌｏが形成されたＳｉＣ基板Ｗ表面の平滑性が損なわれることが判った。

Ｗ…ＳｉＣ基板、Ｆｃ…カーボン膜、Ｌｏ…シリコン酸化層。

Claims (3)

1. ＳｉＣ基板の表面側にシリコン酸化層を形成するシリコン酸化層形成方法であって、
   ＳｉＣ基板の表面に、このＳｉＣ基板中のシリコン原子の昇華、脱離を防止するカーボン膜を堆積により成膜する成膜工程と、
   カーボン膜が成膜されたＳｉＣ基板を酸素含有雰囲気にて１２００℃〜１９００℃の温度でアニールするアニール工程とを含むことを特徴とするシリコン酸化層形成方法。
2. 前記アニール工程にて、前記カーボン膜を除去して前記シリコン酸化層を露出させることを特徴とする請求項１記載のシリコン酸化層形成方法。
3. 請求項１又は２記載のシリコン酸化層形成方法であって、前記成膜工程にて、真空チャンバ内にＳｉＣ基板とカーボン製のターゲットとを配置し、ターゲットに電力投入してスパッタリングするものにおいて、
   前記ターゲットに投入する電力密度を２５ｍＷ／ｍｍ^２以下に設定することを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン酸化層形成方法。

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