JP7338759B2

JP7338759B2 - ４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板

Info

Publication number: JP7338759B2
Application number: JP2022128040A
Authority: JP
Inventors: 宏二亀井
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: JP2022160660A

Description

本発明は、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板に関する。

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倍大きく、熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。炭化珪素はこれらの特性を有することから、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デバイスの実用化の促進には、高品質の結晶成長技術、高品質のエピタキシャル成長技術の確立が不可欠である。

ＳｉＣデバイスは、昇華再結晶法等で成長させたＳｉＣのバルク単結晶から加工して得られたＳｉＣ単結晶基板（単に、ＳｉＣ基板ということもある）上に、化学的気相成長法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）等によってデバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル膜を成長させたＳｉＣエピタキシャルウェハを用いて作製されるのが一般的である。

ＳｉＣエピタキシャルウェハは、（０００１）面から＜１１－２０＞方向にオフ角を有する面を成長面とするＳｉＣ単結晶基板上にステップフロー成長（原子ステップからの横方向成長）させて４ＨのＳｉＣエピタキシャル膜を成長させるのが一般的である。

ステップフロー成長により成長したＳｉＣエピタキシャル膜には、ステップバンチングが形成される場合がある（特許文献１）。ステップバンチングとは、表面において原子ステップ（通常２～１０原子層程度）が集まって合体する現象をいい、表面の段差自体を指すこともある。ステップバンチングは、ＳｉＣ単結晶基板の表面の欠陥や転位に起因し、ステップ端の成長速度のバラツキにより生じる。

また特許文献２には、ＳｉＣエピタキシャル膜を成長する際の温度条件、Ｓｉ供給ガス及びＣ供給ガスの供給条件を設定することで、ステップバンチングを抑制できることが記載されている。

特開２０１１－４９４９６号公報国際公開第２０１４／１２５５５０号

特許文献１及び特許文献２に記載のステップバンチングは、欠陥や転位を起点とするものであり、ＳｉＣエピタキシャルウェハの表面に確率的に発生する。そのため、ステップバンチングは位置異方性を有さない。

一方で、本発明者らは、ＳｉＣエピタキシャルウェハの面内における位置異方性を有し、外周端部から延在して発生する外端ステップバンチングと言う新たな欠陥モードを見出した。ＳｉＣエピタキシャルウェハをデバイスとして用いる場合に熱酸化膜を形成することがある。外端ステップバンチングは熱酸化膜の耐電圧性を低下させ、熱酸化膜の寿命の劣化の原因となりうる。そのため、外端ステップバンチングは、ＳｉＣエピタキシャルウェハをショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）として用いる場合は問題ならなかったが、ＳｉＣエピタキシャルウェハを電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として用いる際に大きな問題となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、外周端から延在する外端ステップバンチングの密度が低いＳｉＣエピタキシャルウェハを提供することを目的とする。

本発明者らは、ＳｉＣ単結晶基板の端面の形状に着目した。ＳｉＣ単結晶基板の端部のエピタキシャル膜が形成される面の形状を所定の形状にすると、外端ステップバンチングの発生を効果的に抑制できることを見出した。すなわち、本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、ｃ面に対してオフ角を有する面を主面とし、周縁部にベベル部を有する４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板と、前記４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板上に形成されたＳｉＣエピタキシャル膜と、を備え、前記ＳｉＣエピタキシャル膜の外周端から延在し、前記外周端より３ｍｍ以上内側の位置まで至る外端ステップバンチングを有さない。

（２）上記態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、前記外周端から３ｍｍ以内の領域にも外端ステップバンチングを有さなくてもよい。

（３）第２の態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハは、ｃ面に対してオフ角を有する面を主面とし、周縁部にベベル部を有する４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板と、前記４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板上に形成されたＳｉＣエピタキシャル膜と、を備え、前記ベベル部の外周端部の上面の曲率半径が８０μｍ以下である。

（４）第３の態様にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、ｃ面に対してオフ角を有する面を主面とする４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板の外周端部の上面を、８０μｍ以下の曲率半径に加工する工程を有する。

本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハによれば、外周端から延在する外端ステップバンチングの密度を低くできる。

本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハの断面模式図である。外端ステップバンチングを説明するための模式図である。（ａ）は外端ステップバンチングの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像であり、（ｂ）はステップフロー方向（Ａ－Ａ方向）に沿ってエピタキシャル膜の表面粗さを測定した結果である。外端ステップバンチングが発生するメカニズムを説明するための模式図である。本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハのベベル部近傍を拡大した模式図である。実施例１の結果をまとめた図である。実施例１－１と比較例１－１の共焦点顕微鏡像である。

以下、本発明を適用した実施形態であるＳｉＣエピタキシャルウェハ及びその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、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が実際と同じであるとは限らない。以下の説明において例示される材料、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、その効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハ１０の断面模式図である。図１に示すように、ＳｉＣエピタキシャルウェハ１０は、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板１（以下、単結晶基板１という。）と、ＳｉＣエピタキシャル膜２（以下、エピタキシャル膜２という。）とを備える。

単結晶基板１は、ｃ面に対してオフセット角（以下、オフ角という）を有する主面１ａを有する基板部１１と、周縁に位置するベベル部１２とを備える。ここで、ベベル部１２は、単結晶基板１の周縁部において、基板の欠けやパーティクルの発生などを防止するために角取りされた部分であり、基板の厚みよりも薄い部分をいう。

エピタキシャル膜２は、単結晶基板１上に積層されている。なお、本明細書では単結晶基板１のエピタキシャル膜２が形成されている方向を「上」として表現する。エピタキシャル膜２は、上方から平面視した際に、ＳｉＣエピタキシャルウェハ１０の外周端１０ｅから延在し外周端１０ｅより３ｍｍ以上内側の位置まで至る外端ステップバンチングを有さない。またエピタキシャル膜２は、外周端から３ｍｍ以内の領域にも外端ステップバンチングを有さない、すなわち外端ステップバンチングを有さないことが好ましい。

図２は、外端ステップバンチングを説明するための模式図である。図２の左図は、外端ステップバンチングが発生しやすいエリアを示す図であり、図２の右図は外端ステップバンチングの共焦点顕微鏡像である。

図２に示すように、外端ステップバンチングは、ＳｉＣエピタキシャルウェハ１０の中心を通りステップフロー方向ＳＦに延在する中心線を基準に反時計回りに、２５°から１５５°の範囲内及び２０５°から３３５°の範囲内に存在する。

図３（ａ）は外端ステップバンチングのＡＦＭ像であり、図３（ｂ）はステップフロー方向（図３（ａ）のＡ－Ａ方向）に沿ってエピタキシャル膜の表面粗さをＡＦＭを用いて測定した結果である。

図３（ａ）に示すように外端ステップバンチングは、ＳｉＣエピタキシャルウェハ１０の外周端からステップフロー方向ＳＦ（図２参照）と交差する方向に延在する。エピタキシャル膜２の表面において外端ステップバンチングは、段差として確認される（図３（ｂ）参照）。図３（ａ）に示すように、外端ステップバンチングは密集して存在する。欠陥又は転位起因のステップバンチングは、よほど欠陥又は転位が多い単結晶基板１でない限り、これほど密集して測定されない。

外端ステップバンチングの発生原因は明確になっていない。しかしながら、単結晶基板１の主面１ａとベベル部１２における外周上端１ｂとの傾斜角の違いにより発生するのではないかと考えられる。

図４（ａ）は、単結晶基板１の主面１ａを拡大した断面模式図である。単結晶基板１の主面１ａは、オフセット角を有し、（０００１）面からわずかに傾いている。そのため、原子レベルのテラス２２と、ステップ２３により主面１ａは構成される。

これに対し、図４（ｂ）は、単結晶基板１の主面１ａと外周上端１ｂとの境界を模式的に示した図である。図４に示すように主面１ａと外周上端１ｂとでは、オフセット角が異なる。そのため、主面１ａを構成するテラス２２ａ及びステップ２３ａと、外周上端１ｂを構成するテラス２２ｂ及びステップ２３ｂとは、形状が異なる。その結果、ステップフローの成長速度が主面１ａと外周上端１ｂとでは異なり、エピタキシャル膜２を成長する過程で主面１ａに基づくステップ２３ａと外周上端１ｂに基づくステップ２３ｂとが重なりあり、外端ステップバンチングが形成されると考えられる。

このように外端ステップバンチングは、主面１ａと外周上端１ｂとの間の成長速度の違いに起因して生じるものであり、欠陥等を起点として生じるステップバンチングとは異なる。

本実施形態にかかる単結晶基板１のベベル部１２の外周端部の上面の曲率半径Ｒは８０μｍ以下である。図５は、本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハ１０のベベル部近傍を拡大した模式図である。

図５に示すように、ベベル部１２は様々な形状をとることができる。図５（ａ）に示すベベル部１２Ａは、外周端部３１と、外周端部３１と基板部１１とを結ぶ斜面部３２と、を有する。図５（ａ）に示す外周端部３１は、曲率半径Ｒが８０μｍ以下の外周端面３１ｅを有する。外周端面３１ｅは単結晶基板１の厚み方向に対称であり、外周端部３１の上面の曲率半径Ｒも８０μｍ以下である。

また図５（ｂ）に示すベベル部１２Ｂは、外周端部３３のみからなる。図５（ｂ）に示す外周端部３３は、曲率半径Ｒが８０μｍ以下の外周端面３３ｅを有する。外周端面３３ｅは単結晶基板１の厚み方向に対称であり、外周端部３３の上面の曲率半径Ｒも８０μｍ以下である。

また図５（ｃ）に示すベベル部１２Ｃは、外周端部３５のみからなる。図５（ｃ）に示す外周端部３５の外周端面３５ｅは、上面３５ｅ１と側面３５ｅ２と下面３５ｅ３とを有する。外周端面３５ｅの形状は、単結晶基板１の厚み方向に非対称である。上面３５ｅ１の曲率半径は８０μｍ以下である。

図５（ａ）～（ｃ）に示すベベル部は、外周端部３１，３３，３５の上面の曲率半径Ｒが８０μｍ以下である。外周端部３１，３３，３５の上面の曲率半径Ｒが８０μｍ以下の単結晶基板１を用いると、エピタキシャル膜２内に外端ステップバンチングが形成されにくい。

外端ステップバンチングは、主面と外周端部とのステップフローの成長速度の違いによって生じると考えられる。外周端部３１，３３，３５の上面の曲率半径Ｒが小さいと、外周端部３１，３３，３５の上面にエピタキシャル膜が成長しにくい。すなわち、外周端部の上面にエピタキシャル膜２が成長しなければ、ステップフローの成長速度の違いも生じず、外端ステップバンチングが生じないと考えられる。

ステップフローの成長速度の違いを発生させないという観点からは、図５（ａ）における斜面部３２の長さは短い方が好ましい。具体的には、斜面部３２の長さは、１５０μｍ以下であることが好ましい。また外周端部は、図５（ｂ）及び図５（ｃ）のように斜面部３２を有さないことがさらに好ましい。

ここでエピタキシャル膜２の成長に影響を及ぼすのは、単結晶基板１の上面のみである。そのため、外周端部においても上面の曲率半径Ｒが８０μｍ以下であればよく、図５（ｃ）に示すように、側面３５ｅ２及び下面３５ｅ３の形状は特に問わない。そのため、図５（ｃ）に示すように、外周端面３５ｅの形状は、単結晶基板１の厚み方向に非対称であってもよい。

外周端部の上面の曲率半径Ｒは、８０μｍ以下であればよく、４０μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下であることがより好ましい。

「ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法」
本実施形態にかかるＳｉＣエピタキシャルウェハの製造方法は、ｃ面に対してオフ角を有する面を主面とする４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板の外周端部の上面を、８０μｍ以下の曲率半径に加工する工程を有する。

まず４Ｈ－ＳｉＣのインゴットを作製する。ＳｉＣのインゴットは、公知の方向で作製できる。例えば、昇華法を用いて種結晶上に単結晶を結晶成長させる。

次いで、ＳｉＣインゴットから単結晶基板を作製する。単結晶基板は、ＳｉＣインゴットをワイヤーソー等で切断して得られる。切断は、ｃ面に対してオフ角を持つように切断する。

次いで、単結晶基板の外周端部の上面を、８０μｍ以下の曲率半径に加工する。加工は、公知の加工方法を用いて行うことができる。例えば、砥石を用いた外周研削、砥粒が固定されたラッピングフィルムを用いたフィルム研磨等を用いることができる。砥石を用いた外周研削としては、コンタクリング加工等を用いることができる。

加工後の端部が所定の形状を満たしているかは、面取り形状の観察機を用いて確認できる。例えば、ＳＰＥＥＤＦＡＭ社製のＥＰＲＯ－２１２ＥＮ等を用いることができる。

そして、外周端部が所定の形状の単結晶基板上にエピタキシャル膜を成膜する。エピタキシャル膜の成膜は、公知の方法を用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施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」
実施例１では、単結晶基板のベベル部の形状を変えながら、外端ステップバンチングの発生の有無を確認した。ベベル部の形状は、斜面部を有する場合は図５（ａ）の形状とし、斜面部を有さない場合は、図５（ｃ）の形状とした。そして、曲率半径Ｒ（図５（ａ）、（ｃ）参照）、斜面部３２の斜面長さＡ１（図５（ａ）参照）、基板部１１とベベル部１２との接続点のなす角θ１の異なる単結晶基板を準備した。ここで、基板部１１とベベル部１２との接続点のなす角θ１は、図５（ａ）の場合は斜面部３２の斜面と基板部１１の主面とのなす角であり、図５（ｃ）の場合は外周端部３５の上面３５ｅ１と基板部１１の主面とのなす角である。そして、これらの単結晶基板上に、エピタキシャル膜を１０μｍ成膜した。その結果を、表１に示す。なお、表１において、反ＯＦはＳｉＣエピタキシャルウェハの中心に対してオリエンテーションフラットと反対側を意味し、反ＩＦはＳｉＣエピタキシャルウェハの中心に対してインデックスフラットと反対側を意味する。

また表１の結果を図６にまとめた。図６（ａ）は、曲率半径Ｒと、基板部とベベル部との接続点のなす角θ１と、の関係を示した図であり、図６（ｂ）は、斜面部の斜面長さＡと、基板部とベベル部との接続点のなす角θ１と、の関係を示した図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、四角のマークで図示したものが比較例１－１に対応する。図６（ａ）に示すように、外周端部の曲率半径Ｒが８０μｍ以下の単結晶ウェハ上に、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成すると、外端ステップバンチングは生じなかった。図７は、実施例１－１と比較例１－１の共焦点顕微鏡像である。

「実施例２」
実施例２では、単結晶基板上に成長させるエピタキシャル膜の厚みを変更した。その結果を表２に示す。

実施例２に示すように、エピタキシャル膜の厚さを変えても、外端ステップバンチングの発生の有無は変化がなかった。一方で、外端ステップバンチングが発生した比較例２－１において、エピタキシャル膜の厚みが変わると、外端ステップバンチングの長さが変化した。すなわち、外端ステップバンチングが多少発生する単結晶基板を用いる場合でも、エピタキシャル膜の厚みを薄くすると、デバイス作製に影響を及ぼすエリア内に、外端ステップバンチングが至ることを抑制できる。

１０ＳｉＣエピタキシャルウェハ
１単結晶基板
２エピタキシャル膜
１１基板部
１２ベベル部
１ａ主面
１ｂ外周上端
１０ｅ外周端
２２，２２ａ，２２ｂテラス
２３，２３ａ，２３ｂステップ
３１，３３，３５外周端部
３２斜面部
３１ｅ，３３ｅ，３５ｅ外周端面
３５ｅ１上面
３５ｅ２側面
３５ｅ３下面

Claims

ＳｉＣエピタキシャル膜の成膜に用いる４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板であって、
前記４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板は、ｃ面に対してオフ角を有する面を主面とし、周縁部にベベル部を有し、
前記ベベル部は角取りされた凸形状で凹部を含まず、
前記ベベル部の外周端部の上面の曲率半径が８０μｍ以下である、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板。
前記曲率半径が４０μｍ以下である、請求項１に記載の４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板。
前記曲率半径が２０μｍ以下である、請求項１に記載の４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板。