JP7296914B2

JP7296914B2 - サテライトおよび炭化珪素半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP7296914B2
Application number: JP2020073829A
Authority: JP
Inventors: 泰己山本; 健一 ▲濱▼野; 茂久山本; 泰広木村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2040-04-17
Also published as: JP2021170615A

Description

本開示は、半導体基板を載置するサテライトおよびそれを用いた炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドギャップ半導体材料は、シリコンと比較して絶縁破壊耐量が高いため、ワイドギャップ半導体から成る半導体基板（以下、単に「基板」ということもある）は、シリコンから成る基板よりも不純物濃度を高めて低抵抗化することが可能である。基板の低抵抗化は、パワー半導体装置（パワーデバイス）のスイッチング損失の低減に有効である。また、ワイドギャップ半導体は、熱伝導度が高く、機械的強度にも優れ、小型で低損失、高効率なパワーデバイスを実現できる半導体材料として期待されている。

ＳｉＣは多くの結晶多形を持つことが知られており、パワーデバイスには４Ｈ型のＳｉＣがよく用いられている。また、ＳｉＣは、わずかなエネルギーで別の結晶多形に変わる可能性がある。そのため、ウエハとしてのＳｉＣ基板上にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長工程では、［０００１］結晶軸に対し４～８°程度傾いた表面を持つ基板を用いることで、エピタキシャル層の結晶多形を基板と同一に保持する、ステップフロー成長と呼ばれる方法をとるのが一般的である。

ＳｉＣのエピタキシャル成長工程では、ＳｉＣコートを施したカーボン製のサセプタの中に、ＳｉＣコートを施したカーボン製のサテライトを設置し、サテライトの上にＳｉＣ基板を載置するのが一般的である。例えば下記の特許文献１には、ＳｉＣから成る基板が載置されるサテライトに、基板の反り形状に合致する曲面状の底面を持つザグリを設け、その中に、裏面をサテライト（ザグリの底面）に密着させるように基板を載置する技術が開示されている。

特開２０１５－９３８０６号公報

ＳｉＣのエピタキシャル成長工程において、成長ガスが基板の裏面へ回り込むと、当該基板の裏面にＳｉＣ多結晶の突起が形成される問題が生じる。特許文献１のように、基板の裏面をサテライトに密着させれば、成長ガスが基板の裏面への回り込むことが防止され、基板の裏面に突起が形成されることを防止できる。しかし、基板の初期の反り量および昇温時の反り量は、基板のメーカーや基板の材料であるインゴットによって様々であるため、特許文献１の技術では、あらゆる半導体基板をサセプタに密着させることは困難である。

本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、エピタキシャル成長工程において炭化珪素半導体基板の裏面に突起が形成されることを防止できるサテライトおよび炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係るサテライトは、半導体基板を載置するためのサテライトであって、前記半導体基板が載置される領域を含むように形成され、中央部が外縁部よりも深いすり鉢型の凹部と、前記凹部の前記外縁部から立ち上がる側壁を持つ段差部と、を備え、前記凹部の前記外縁部における前記段差部の前記側壁との境界部の深さと前記凹部の最深部の深さとの差が１０００μｍ以上である。

本開示によれば、エピタキシャル成長時に成長ガスが炭化珪素半導体基板の裏面へ回り込むことが防止され、炭化珪素半導体基板の裏面に炭化珪素多結晶の突起が形成されることが抑制される。

実施の形態１に係るサテライトの構成を示す図である。実施の形態１に係るサテライトにＳｉＣ基板が載置された状態を示す図である。実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法におけるガス流入工程を示す図である。実施の形態２に係るサテライトの構成を示す図である。実施の形態３に係るサテライトの構成を示す図である。実施の形態３に係るサテライトにＳｉＣ基板が載置された状態を示す図である。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係るサテライト１０の構成を示す図である。図１において、上部にはサテライト１０の上面図が示されており、下部にはサテライト１０の断面図が示されている。また、図２は、サテライト１０に炭化珪素半導体基板（以下「ＳｉＣ基板」という）２０が載置された状態を示す断面図である。

図１のように、サテライト１０の上面には、ＳｉＣ基板２０が載置される領域に形成された凹部１１と、凹部１１の外縁部から立ち上がる側壁を持つ段差部１２とが形成されている。凹部１１は、中央部が外縁部よりも深い、いわゆるすり鉢型の形状を有しており、凹部１１の外縁部の深さと最深部の深さとの差Ｄは１０００μｍ以上である。

段差部１２は、図２のように凹部１１内にＳｉＣ基板２０が載置されたとき、ＳｉＣ基板２０の外周の側面と対面するように延在している。すなわち、段差部１２の形状は、平面視で、ＳｉＣ基板２０の外形に対応する円形である。凹部１１の直径Ｌは、載置されたＳｉＣ基板２０と段差部１２の側壁との間に大きな隙間ができないように、ＳｉＣ基板２０の直径よりも１００μｍ～５０００μｍだけ大きく設計される。

本実施の形態では、ＳｉＣのエピタキシャル層の形成手法として、化学気相成長法として知られているＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が用いられる。よって、サテライト１０は、ＣＶＤ装置（不図示）内に設置される。また、本実施の形態では、サテライト１０は、ＳｉＣコートが施されたカーボン製とする。ただし、ＳｉＣコートは施されなくてもよい。

図３は、実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示すフローチャートであり、特に、ＳｉＣ基板２０の上に、ＳｉＣのエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長工程が示されている。以下、図３のフローチャートに基づいて、実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明する。

ＳｉＣ基板準備工程（ステップＳＴ１）では、エピタキシャル成長のベース基板となるＳｉＣ基板２０が準備される。ベース基板としては、例えば、ｎ型の炭化珪素から成るＳｉＣ基板が用いられる。

サテライト準備工程（ステップＳＴ２）では、ステップＳＴ１で準備されたＳｉＣ基板２０を載置するためのサテライト１０（図１）が準備される。

ＳｉＣ基板載置工程（ステップＳＴ３）では、ステップＳＴ１で準備されたＳｉＣ基板２０が、ステップＳＴ２で準備されたサテライト１０上に載置される。図２のように、ＳｉＣ基板２０は、その側面が段差部１２と対面するように、サテライト１０の凹部１１内に載置される。このとき、ＳｉＣ基板２０はおもて面を上、裏面を下にして、サテライト１０に載置される。よって、以下の説明において、ＳｉＣ基板２０の「上面」はおもて面を指し、ＳｉＣ基板２０の「下面」は裏面を指している。

ＳｉＣ基板加熱工程（ステップＳＴ４）では、ＣＶＤ炉内を加熱して、サテライト１０に載置されたＳｉＣ基板２０の温度を、予め定められた温度まで上昇させる。この温度は、エピタキシャル成長が促される温度であり、１４００度から１７００度の範囲の温度、例えば１６００度などが好ましい。

成長ガス流入工程（ステップＳＴ５）では、ステップＳＴ４で加熱された状態を維持しつつ、ＣＶＤ炉内にエピタキシャル膜の成長ガスを流入させる。それにより、図４のように、サテライト１０に載置されたＳｉＣ基板２０の上面側に成長ガス３０が流れ、ＳｉＣ基板２０の上面にＳｉＣのエピタキシャル層が成長する。成長ガス３０としては、シラン系ガス（例えばモノシランもしくはジクロロシラン）と、炭化水素系ガス（例えばプロパン）と、ドーパントガス（例えば窒素）とが導入される。これらのガスの比率および流量は、成長させるエピタキシャル層のキャリア濃度が所望の値になるように調整される。

本実施の形態では、ＳｉＣ基板２０の下面の外縁部が凹部１１の上面の外縁部と接しており、且つ、ＳｉＣ基板２０の側面は段差部１２の側壁に対面している。この構造により、成長ガス３０がＳｉＣ基板２０の裏面に回り込むことが防止される。

ここで、ステップＳＴ４でＳｉＣ基板２０が加熱されるとき、ＳｉＣ基板２０のおもて面と裏面との熱膨張の差に起因して、ＳｉＣ基板２０に反りが発生するため、図４に示すように、ＳｉＣ基板２０は下面の中央部が突き出た形状（上面の中央部が窪んだ形状）となる。このとき、ＳｉＣ基板２０の下面の中央部がサテライト１０と接触すると、ＳｉＣ基板２０の外縁部がサテライト１０から浮き、ＳｉＣ基板２０の外縁部と凹部１１の外縁部との間に隙間が生じるため、ステップＳＴ５において成長ガス３０がＳｉＣ基板２０の裏面へ回り込むおそれが生じる。しかし、本実施の形態では、凹部１１の外縁部の深さと最深部（凹部１１の中央部）の深さとの差Ｄが１０００μｍ以上であり、凹部１１が十分に深い。よって、ＳｉＣ基板２０の下面の中央部がサテライト１０に接触することが防止され、成長ガス３０がＳｉＣ基板２０の裏面へ回り込むことが防止されるという効果は維持される。

また、ＳｉＣ基板２０の下面の中央部がサテライト１０と接触すると、その部分だけ局所的に温度が高くなり、ＳｉＣ基板２０に温度分布ムラが生じて、エピタキシャル層の濃度のバラつきの要因となるが、本実施の形態ではこの問題の発生も防止できる。

以上のように、実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法では、エピタキシャル成長時に成長ガス３０がＳｉＣ基板２０の裏面へ回り込むことが防止される。その結果、ＳｉＣ基板２０の裏面に炭化珪素多結晶の突起が形成されることが抑制される。

仮にＳｉＣ基板２０の裏面に突起が形成されてしまうと、半導体プロセス装置の搬送系などが、ＳｉＣ基板２０の裏面を吸着したときにＳｉＣ基板２０に反りが生じる。この反りは、ＳｉＣ基板２０の搬送エラーや、ＳｉＣ基板２０の割れ、写真製版時の露光のデフォーカスなどの問題を生じさせる原因となるが、本実施の形態によれば、これらの問題の発生を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、ＳｉＣ基板２０の外形を円形と仮定したが、ＳｉＣ基板２０がオリエンテーションフラット（以下「オリフラ」という）と呼ばれる直線状の部位を有していることもある。つまり、ＳｉＣ基板２０がオリフラを有する場合、ＳｉＣ基板２０の外形は、単純な円形状ではなく、局所的な直線部を有する円形状となる。

ＳｉＣ基板２０がオリフラを有する場合、実施の形態１のようにサテライト１０の段差部１２の平面視形状が円形であると、ＳｉＣ基板２０のオリフラ部分の側面と段差部１２の側壁との間に隙間ができ、そこからＳｉＣ基板２０の裏面への成長ガス３０が回り込むおそれがある。

そこで、実施の形態２では、サテライト１０の段差部１２の平面視形状を、オリフラを持つＳｉＣ基板２０の外形に対応させ、局所的な直線部を有する円形状とする。つまり、実施の形態２に係るサテライト１０の段差部１２は、図５のように、平面視でＳｉＣ基板２０のオリフラ部分と対面する直線部４１と、ＳｉＣ基板２０のオリフラ以外の部分と対面する円形部４２とを有する。

ＳｉＣ基板２０がオリフラを有する場合、実施の形態２に係るサテライト１０を用いることで、ＳｉＣ基板２０のオリフラの側面と段差部１２との間に隙間ができることが防止される。よって、オリフラを有するＳｉＣ基板２０に対し、実施の形態１と同様の効果が得られる。

＜実施の形態３＞
図６は、実施の形態３に係るサテライト１０の構成を示す図である。図６のように、実施の形態３に係るサテライト１０は、凹部１１の最深部（凹部１１の中央部）に貫通孔５０を備えている。貫通孔５０は真空ポンプの吸気口に接続されており、貫通孔５０を通して、サテライト１０に載置されたＳｉＣ基板２０と凹部１１との間の空間の真空引きが可能となっている。

実施の形態３では、成長ガス流入工程（ステップＳＴ５）において、サテライト１０に載置されたＳｉＣ基板２０の下面側が、貫通孔５０から真空引きされる。それにより、サテライト１０が凹部１１に真空吸着され、図７のようにＳｉＣ基板２０の下面全体が凹部１１の上面に密着して、ＳｉＣ基板２０の裏面への成長ガス３０の回り込みが防止される。このとき、段差部１２は、ＳｉＣ基板２０と凹部１１との間の真空度を高めることにも効果的である。

また、実施の形態３においても、凹部１１の深さが浅いと、ＳｉＣ基板２０に反りが発生したときに、ＳｉＣ基板２０の外縁部と凹部１１の外縁部との間に隙間が生じ、成長ガス３０がＳｉＣ基板２０の裏面へ回り込むおそれが生じる。そのため、凹部１１の外縁部の深さと最深部（凹部１１の中央部）の深さとの差Ｄは１０００μｍ以上であることが望ましい。

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１０サテライト、１１凹部、１２段差部、２０ＳｉＣ基板、３０成長ガス、４１直線部、４２円形部、５０貫通孔。

Claims

半導体基板を載置するためのサテライトであって、
前記半導体基板が載置される領域を含むように形成され、中央部が外縁部よりも深いすり鉢型の凹部と、
前記凹部の前記外縁部から立ち上がる側壁を持つ段差部と、
を備え、
前記凹部の前記外縁部における前記段差部の前記側壁との境界部の深さと前記凹部の最深部の深さとの差が１０００μｍ以上である、
サテライト。
前記凹部の前記最深部に貫通孔を有する
請求項１に記載のサテライト。
前記段差部は平面視で円形である、
請求項１または請求項２に記載のサテライト。
前記段差部は平面視で局所的な直線部を有する円形状である、
請求項１または請求項２に記載のサテライト。
炭化珪素から成る半導体基板を準備する工程と、
上面に中央部が外縁部よりも深いすり鉢型の凹部および前記凹部の前記外縁部から立ち上がる側壁を持つ段差部を有するサテライトを準備する工程と、
前記半導体基板の側面が前記段差部の前記側壁と対面するように、前記半導体基板を前記サテライトの前記凹部内に載置する工程と、
前記サテライトに載置された前記半導体基板を加熱する工程と、
加熱された状態で、前記サテライトに載置された前記半導体基板の上面側にエピタキシャル膜の成長ガスを流す工程と、
を備え、
前記サテライトにおいて、前記凹部の前記外縁部における前記段差部の前記側壁との境界部の深さと前記凹部の最深部の深さとの差が１０００μｍ以上である、
炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記サテライトは、前記凹部の前記最深部に貫通孔を有し、
前記成長ガスを流す工程において、前記サテライトに載置された前記半導体基板の下面側は前記貫通孔から真空引きされる、
請求項５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記サテライトの前記段差部は、平面視で前記半導体基板の外形に対応する円形である、
請求項５または請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記サテライトの前記段差部は、平面視で前記半導体基板のオリエンテーションフラット部分の側面と対面する直線部と、前記半導体基板の前記オリエンテーションフラット以外の部分の側面と対面する円形部とを有する、
請求項５または請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記半導体基板を加熱する工程において、前記半導体基板は１４００℃から１７００℃の範囲の温度に加熱される、
請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。