JP7214032B1

JP7214032B1 - ＳｉＣデバイスの製造方法

Info

Publication number: JP7214032B1
Application number: JP2022186449A
Authority: JP
Inventors: 正人伊藤; 裕政周防
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2023-01-27
Anticipated expiration: 2042-06-02
Also published as: JP2023178178A

Abstract

【課題】レーザー加工時に加工しやすい、ＳｉＣデバイスの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態にかかるＳｉＣデバイスの製造方法は、ＳｉＣ基板にＳｉＣエピタキシャル層が形成されたＳｉＣエピタキシャルウェハを用いてＳｉＣデバイスを作製する工程を有する。前記ＳｉＣ基板は、中心及び前記中心から［１１－２０］方向又は［－１－１２０］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の測定点を含む複数の第１測定点のうちの隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ－１以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｉＣデバイスの製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また、炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。そのため炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。このため、近年、上記のような半導体デバイスにＳｉＣエピタキシャルウェハが用いられるようになっている。

ＳｉＣエピタキシャルウェハは、ＳｉＣ基板の表面にＳｉＣエピタキシャル層を積層することで得られる。以下、ＳｉＣエピタキシャル層を積層前の基板をＳｉＣ基板と称し、ＳｉＣエピタキシャル層を積層後の基板をＳｉＣエピタキシャルウェハと称する。ＳｉＣ基板は、ＳｉＣインゴットから切り出される。

特許文献１には、結晶成長中の結晶欠陥を避けるために、周辺領域と内側領域との間の平均吸収係数の差を１０ｃｍ^－１以下としたＳｉＣ基板が開示されている。

特表２０２０－５１１３９１号公報

近年、ＳｉＣ単結晶をレーザーで加工することが行われている。例えば、レーザーでＳｉＣ単結晶にクラックを入れることで、ＳｉＣ単結晶を分割できる。例えば、ＳｉＣインゴットからＳｉＣ基板を切り出す際、ＳｉＣ基板からさらに薄い基板を切り出す際、ＳｉＣ基板をチップ化する際に、レーザー加工が用いられている。レーザー加工は、ワイヤーソーを用いた加工より切削損失が少ないという利点を有するが、切断面の粗さが粗くなる場合や予期せぬ割れが生じる場合がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、レーザー加工時に加工しやすい、ＳｉＣ基板及びＳｉＣインゴットを提供することを目的とする。

本発明者らは、レーザー光に対する吸収係数が局所的に大きく変化することのないＳｉＣ基板及びＳｉＣインゴットを作製し、これを用いることで加工成功率が高まることを見出した。本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかるＳｉＣ基板は、中心及び前記中心から［１１－２０］方向又は［－１－１２０］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の測定点を含む複数の第１測定点のうちの隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である。

（２）上記態様にかかるＳｉＣ基板は、前記複数の第１測定点のそれぞれから［－１１００］方向又は［１－１００］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の第２測定点をさらに有し、前記複数の第１測定点及び前記複数の第２測定点のうち隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下でもよい。

（３）上記態様にかかるＳｉＣ基板は、１０ｍｍ離れた任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下でもよい。

（４）上記態様にかかるＳｉＣ基板は、直径が１４９ｍｍ以上でもよい。

（５）上記態様にかかるＳｉＣ基板は、直径が１９９ｍｍ以上でもよい。

（６）上記態様にかかるＳｉＣ基板は、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の最大値が３．００ｃｍ^－１以下でもよい。

（７）上記態様にかかるＳｉＣ基板は、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の最大値が２．７５ｃｍ^－１以下でもよい。

（８）第２の態様にかかるＳｉＣインゴットは、ＳｉＣ基板を切り出し、その切断面を評価した際に、中心及び前記中心から［１１－２０］方向又は［－１－１２０］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の測定点を含む複数の第１測定点のうちの隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である。

上記態様にかかるＳｉＣ基板及びＳｉＣインゴットは、レーザー加工時に加工しやすい。

本実施形態に係るＳｉＣ基板の平面図である。ＳｉＣ基板の吸収係数とＳｉＣ基板にクラックを入れるのに必要なレーザーの出力の関係を示すグラフである。本実施形態に係るＳｉＣ基板の別の例の平面図である。ＳｉＣインゴットの製造装置の一例である昇華法を説明するための模式図である。

以下、本実施形態にかかるＳｉＣ基板等について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本実施形態に係るＳｉＣ基板１０の平面図である。ＳｉＣ基板１０は、例えば、ｎ型ＳｉＣからなる。ＳｉＣ基板１０のポリタイプは、特に問わず、２Ｈ、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈのいずれでもよい。ＳｉＣ基板１０は、例えば、４Ｈ－ＳｉＣである。

ＳｉＣ基板１０の平面視形状は略円形である。ＳｉＣ基板１０は、結晶軸の方向を把握するためのオリエンテーションフラットＯＦもしくはノッチを有してもよい。ＳｉＣ基板１０の直径は、例えば、１４９ｍｍ以上であり、好ましくは１９９ｍｍ以上である。ＳｉＣ基板１０の直径が大きいほど、レーザー加工で安定な切断が難しいため、本実施形態の構成を満たすＳｉＣ基板１０は、直径が大きいほど有用性が高い。

本実施形態に係るＳｉＣ基板１０は、複数の第１測定点１のうちの隣接する任意の２つの測定点１Ａ、１Ｂにおいて、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である。隣接する任意の２つの測定点１Ａ、１Ｂの選択の仕方は、図１に限られるものではなく、任意である。以下、吸収係数αは、３００Ｋの温度条件における値である。

複数の第１測定点１は、中心Ｃと、中心Ｃから［１１－２０］方向又は［－１－１２０］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の測定点とを含む。複数の第１測定点１は、中心Ｃを通る［１１－２０］方向及び［－１－１２０］方向に延びる線上に１０ｍｍ間隔で配列している。隣接する２つの第１測定点の間の距離は、いずれも１０ｍｍである。

吸収係数αは、ＳｉＣ基板１０の波長１０６４ｎｍの光に対する吸収率ＡとＳｉＣ基板１０の厚さＬから求められる。ＳｉＣ基板１０の波長１０６４ｎｍの光に対する吸収率Ａは、反射率Ｔ、透過率ＲからＡ＝１－Ｔ－Ｒで求められる。反射率Ｔは、ＳｉＣ基板１０への入射光の強度Ｉ_０とＳｉＣ基板１０からの反射光の強度Ｉ_１とを用いて、Ｔ＝Ｉ_１／Ｉ_０で求められる。透過率Ｒは、ＳｉＣ基板１０への入射光の強度Ｉ_０とＳｉＣ基板１０を透過する透過光の強度Ｉ_２とを用いて、Ｒ＝Ｉ_２／Ｉ_０で求められる。また吸収率Ａは、Ａ＝ｅｘｐ（－α・Ｌ）で表すことができるため、吸収率ＡとＳｉＣ基板１０の厚さＬから吸収係数αを求めることができる。

隣接する２つの測定点１Ａ、１Ｂの間の吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下であると、レーザー加工で切断した切断面の表面粗さが粗くなることや予期せぬ割れが生じることを抑制できる。これは、ＳｉＣ基板１０の吸収係数の分布がなだらかになることで、レーザー加工が安定化するためである。レーザー加工で多く用いられるＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザーのレーザー光の波長は１０６４ｎｍである。

図２は、ＳｉＣ基板１０の吸収係数とＳｉＣ基板１０にクラックを入れるのに必要なレーザーの出力の関係を示すグラフである。図２に示すように、ＳｉＣ基板１０の吸収係数が高くなるほど、クラックを入れるために必要なレーザーの出力が高くなる。図２に示すように、吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１の範囲内であれば、一定のレーザー出力で、ＳｉＣ基板１０全面にクラックを入れることができる。局所的に吸収係数が変化する場合は、レーザー出力を急激に変化させる必要があるが、吸収係数が一方向になだらかに変化する場合は、レーザー出力の急激な変化がなく、レーザー加工が安定化する。そのため、ＳｉＣ基板１０の吸収係数が一方向になだらかに変化すれば、切断面の表面粗さが粗くなることや予期せぬ割れが生じることを抑制できる。

ＳｉＣ基板１０における波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の最大値は、例えば、３．００ｃｍ^－１以下であり、２．７５ｃｍ^－１以下であることが好ましい。吸収係数は、ＳｉＣ基板１０に含まれる不純物濃度が高いほど、高くなる。上述のように、ＳｉＣ基板１０の吸収係数が高くなるほど、クラックを入れるために必要なレーザーの出力が高くなるため、吸収係数の最大値が小さいＳｉＣ基板１０は少ないエネルギーで加工できる。

ここで、ＳｉＣ基板１０の切断は、例えば、ＳｉＣ基板１０のチップ化、ＳｉＣ基板１０からさらに薄い基板を切り出す場合等がある。

図３は、本実施形態に係るＳｉＣ基板１０の別の例の平面図である。図３に示すＳｉＣ基板１０は、複数の第２測定点２をさらに有する。複数の第２測定点２は、複数の第１測定点１のそれぞれから［－１１００］方向又は［１－１００］方向に１０ｍｍずつ離れた測定点である。隣接する２つの第２測定点２の間の距離及び隣接する第１測定点１と第２測定点２との間の距離は、いずれも１０ｍｍである。

複数の第１測定点１及び複数の第２測定点２のうち隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差は、０．２５ｃｍ^－１以下であることが好ましい。また１０ｍｍ離れた任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下であることがより好ましい。ＳｉＣ基板１０の吸収係数が複数の方向になだらかに変化することで、切断面の表面粗さが粗くなることや予期せぬ割れが生じることをより抑制できる。

次いで、本実施形態に係るＳｉＣ基板１０の製造方法の一例について説明する。ＳｉＣ基板１０は、ＳｉＣインゴットをスライスして得られる。ＳｉＣインゴットは、例えば、昇華法によって得られる。ＳｉＣインゴットの成長条件を制御することで、本実施形態に係るＳｉＣ基板１０を作製できる。

図４は、ＳｉＣインゴットの製造装置３０の一例である昇華法を説明するための模式図である。図４において台座３２の表面と直交する方向をｚ方向、ｚ方向と直交する一方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。

昇華法は、黒鉛製の坩堝３１内に配置した台座３２にＳｉＣ単結晶からなる種結晶３３を配置し、坩堝３１を加熱することで坩堝３１内の原料粉末３４から昇華した昇華ガスを種結晶３３に供給し、種結晶３３をより大きなＳｉＣインゴット３５へ成長させる方法である。種結晶３３は、例えば、［１１－２０］方向に対して４度のオフセット角を有するＳｉＣ単結晶であり、Ｃ面を成長面として台座３２に設置される。

坩堝３１の周囲には、例えば、断熱材を配置してもよい。坩堝３１は、例えば、二重石英管の内部に配置される。二重石英管の内部は、アルゴンガスやドーパントガス（窒素ガス）が供給され、真空ポンプで排気することで圧力が制御されている。二重石英管の外側にはコイル３６が配置され、コイル３６に高周波電流を流すことで、坩堝３１が加熱される。

坩堝３１内には、台座３２から坩堝３１の内側壁に向かって拡径するテーパー部材３７を配置してもよい。テーパー部材３７を用いることで、結晶成長する単結晶の径を拡大することができる。拡径しながら結晶成長を行うことで、ファセットと呼ばれる高窒素濃度領域を、ＳｉＣインゴット３５からＳｉＣ基板１０を取得する際の有効領域外に配置することができる。

吸収係数が局所的に変化しないＳｉＣ基板１０は、ＳｉＣインゴット３５の作製、ＳｉＣ基板１０の切り出し、ＳｉＣ基板１０の測定、測定結果のフィードバックという処理を複数回繰り返し、ＳｉＣインゴット３５の成長条件を変更することで作製できる。変更する成長条件は、例えば、ＳｉＣインゴット３５を作製する際の温度分布及び原料粉末３４に含まれる不純物濃度分布である。

ＳｉＣインゴット３５を作製する際は、ＳｉＣインゴット３５のｘｙ方向の外周部の温度を内側より高くし、原料粉末３４のｘｙ方向の外周側の不純物の濃度を内側より高くする。

ＳｉＣインゴット３５に含まれる不純物には、ｎ型のドーパントとして意図的に導入された窒素と、炉内部材や原料粉末３４から意図せずに結晶中に取り込まれる不純物がある。意図せずに結晶中に含まれる不純物は、例えば、ボロン、アルミニウム、チタン、バナジウム等である。

ＳｉＣインゴット３５への不純物の導入経路は、例えば、第１経路、第２経路、第３経路がある。第１経路は、ドーパントガスが坩堝３１の側壁を通過してＳｉＣインゴット３５に導入される経路である。第２経路は、坩堝３１内の部材からのデガスに含まれる不純物がＳｉＣインゴット３５に導入される経路である。第３経路は、原料粉末３４に含まれる不純物がＳｉＣインゴット３５に導入される経路である。

第１経路及び第２経路において、不純物はｘｙ方向の外側からＳｉＣインゴット３５に導入される。そのため、製造条件を制御しなければ、ＳｉＣインゴット３５の外周部は、内側より不純物濃度が高くなりやすい。ＳｉＣインゴット３５の外周部の温度を高くすることで、第１経路又は第２経路で外周部に導入される不純物を減らすことができる。

一方で、第３経路において、不純物はｚ方向の下方からＳｉＣインゴット３５に導入される。第１経路又は第２経路から外周部に導入される不純物を減らすために、ＳｉＣインゴット３５の外周部の温度を内側より高くすると、第３経路から外周部に導入される不純物の量も内側より少なくなり、第３経路からＳｉＣインゴット３５に導入される不純物がｘｙ面内でばらつく。そこで、原料粉末３４のｘｙ方向の外周側の不純物の濃度を内側より高くすることで、ＳｉＣインゴット３５の外周部の温度を内側より高くした場合でも、ＳｉＣインゴット３５に導入される不純物のｘｙ方向の面内バラツキを小さくできる。

坩堝３１の側壁を通過するドーパントガス量、坩堝３１内の部材からのデガス量は、坩堝３１毎に異なり一定ではない。そのため、製造装置毎に適切な温度条件及び不純物濃度条件は異なる。ＳｉＣインゴット３５のｘｙ方向の温度分布、原料粉末の不純物濃度分布は、複数回のフィードバックを繰り返すことで最適化される。

フィードバックする際に測定するのは、ＳｉＣ基板１０の吸収係数の面内分布である。吸収係数の面内分布は、上述の手順に従って測定する。ＳｉＣ基板１０において、複数の第１測定点のうちの隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１より大きい場合は、製造条件を変更する。

このように、複数回のＳｉＣインゴット３５の結晶成長を繰り返し、それぞれの結果をフィードバックすることで、ＳｉＣインゴット３５の結晶成長条件を確定する。そして、確定した成長条件でＳｉＣインゴット３５を作製し、このＳｉＣインゴット３５を切断することで、本実施形態に係るＳｉＣ基板１０を作製できる。

本実施形態に係るＳｉＣ基板１０は、複数の第１測定点のうち隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である。そのため、レーザー加工中に、レーザーの出力を急激に変化させる必要がなく、レーザー加工が安定化する。レーザーの出力変化がなだらかになることで、切断面の表面粗さが粗くなることや予期せぬ割れが生じることを抑制できる。

ここまでＳｉＣ基板１０をレーザー加工する場合を例示したが、ＳｉＣインゴット３５をレーザー加工する場合も同様である。例えば、ＳｉＣインゴット３５からＳｉＣ基板１０を切り出す場合が、ＳｉＣインゴット３５をレーザー加工する場合に該当する。ＳｉＣインゴット３５の状態は、ＳｉＣインゴット３５からＳｉＣ基板１０を切り出して評価することで求められる。ＳｉＣインゴット３５の状態は、切り出されたＳｉＣ基板１０の切断面を評価することで求められる。どこを切断面とするかは、取得したい基板の種類によるが、例えば（０００１）平面から［１１－２０］方向に対して４°傾けた面である。狙いのＳｉＣ基板の厚さは例えば４００μｍ等である。

ＳｉＣインゴット３５をレーザー加工する場合は、ＳｉＣ基板１０を切り出し、その切断面を評価した際に、中心及び中心から［１１－２０］方向又は［－１－１２０］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の測定点を含む複数の第１測定点のうちの隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である。切断箇所が上記の条件を満たすと、レーザー加工時に切断面の表面粗さが粗くなることや予期せぬ割れが生じることを抑制できる。

また切断面において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の最大値は、例えば、３．００ｃｍ^－１以下であり、２．７５ｃｍ^－１以下であることが好ましい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

「実施例１」
ＳｉＣインゴットの作製、ＳｉＣ基板の切り出し、ＳｉＣ基板の測定、測定結果のフィードバックという処理を複数回繰り返した。そして、複数の第１測定点のうちの隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下となるＳｉＣインゴットの成長条件を決定した。当該成長条件で作製したＳｉＣインゴットを切断し、実施例１のＳｉＣ基板を作製した。

作製したＳｉＣ基板の複数の第１測定点のそれぞれの波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数を求めた。隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差の最大値は、０．０５ｃｍ^－２であった。このＳｉＣ基板に対してレーザーを照射した。レーザーは、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーを用いた。

実施例１のＳｉＣ基板に対してレーザー照射を行うことで、割れや欠けが生じることなく、ＳｉＣ基板にクラックを入れることができた。そして、ＳｉＣ基板１０を厚み方向に２分割することができた。

「比較例１」
製造条件のフィードバックを行わず、ＳｉＣインゴットの製造条件の条件だしを行わなかった点が実施例１と異なる。特に精密な制御を行わずに、ＳｉＣインゴットを作製し、作製したインゴットを切断して、比較例１のＳｉＣ基板を作製した。

作製したＳｉＣ基板の隣接する任意の第１測定点のそれぞれの波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数を求めた。隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差の最大値は、０．３５ｃｍ^－２であった。このＳｉＣ基板に対してレーザーを照射した。レーザーは、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーを用いた。

比較例１のＳｉＣ基板に対してレーザー照射を行っても、ＳｉＣ基板を分割するためのクラックを全面に入れることができなかった。そのため、割れ欠けなくＳｉＣ基板１０を厚み方向に２分割することができなかった。

１…第１測定点、２…第２測定点、１０…ＳｉＣ基板、３０…製造装置、３１…坩堝、３２…台座、３３…種結晶、３４…原料粉末、３５…ＳｉＣインゴット、３６…コイル、３７…テーパー部材、Ｃ…中心

Claims

ＳｉＣ基板にＳｉＣエピタキシャル層が形成されたＳｉＣエピタキシャルウェハを用いてＳｉＣデバイスを作製する工程を有し、
前記ＳｉＣ基板は、中心及び前記中心から［１１－２０］方向又は［－１－１２０］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の測定点を含む複数の第１測定点のうちの隣接する任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である、ＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣ基板は、前記複数の第１測定点のそれぞれから［１－１００］方向又は［－１１００］方向に１０ｍｍずつ離れた複数の第２測定点をさらに有し、
前記複数の第１測定点及び前記複数の第２測定点のうち任意の隣接する２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である、請求項１に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣ基板は、１０ｍｍ離れた任意の２つの測定点において、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の差が０．２５ｃｍ^－１以下である、請求項１に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣ基板は、直径が１４９ｍｍ以上である、請求項１に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣ基板は、直径が１９９ｍｍ以上である、請求項１に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣ基板は、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の最大値が３．００ｃｍ^－１以下である、請求項１に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣ基板は、波長が１０６４ｎｍの光に対する吸収係数の最大値が２．７５ｃｍ^－１以下である、請求項１に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣデバイスがパワーデバイスである、請求項１～７のいずれか一項に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣデバイスが高周波デバイスである、請求項１～７のいずれか一項に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。
前記ＳｉＣデバイスが高温動作デバイスである、請求項１～７のいずれか一項に記載のＳｉＣデバイスの製造方法。