JPWO2020059810A1 - デバイス作製用ウエハの製造方法 - Google Patents
デバイス作製用ウエハの製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2020059810A1 JPWO2020059810A1 JP2020548608A JP2020548608A JPWO2020059810A1 JP WO2020059810 A1 JPWO2020059810 A1 JP WO2020059810A1 JP 2020548608 A JP2020548608 A JP 2020548608A JP 2020548608 A JP2020548608 A JP 2020548608A JP WO2020059810 A1 JPWO2020059810 A1 JP WO2020059810A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wafer
- manufacturing
- dislocation density
- basal
- sic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 124
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 78
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 73
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 49
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 66
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 64
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 33
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 27
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 abstract 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 172
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 118
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 117
- 208000030963 borderline personality disease Diseases 0.000 description 45
- 206010006475 bronchopulmonary dysplasia Diseases 0.000 description 45
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 15
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 11
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 aluminum ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 2
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 2
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 2
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000007666 vacuum forming Methods 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000005092 sublimation method Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003481 tantalum Chemical class 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/0445—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising crystalline silicon carbide
- H01L21/0455—Making n or p doped regions or layers, e.g. using diffusion
- H01L21/046—Making n or p doped regions or layers, e.g. using diffusion using ion implantation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
- C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/36—Carbides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B33/02—Heat treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02378—Silicon carbide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/02433—Crystal orientation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02529—Silicon carbide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02656—Special treatments
- H01L21/02658—Pretreatments
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02656—Special treatments
- H01L21/02664—Aftertreatments
- H01L21/02667—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02656—Special treatments
- H01L21/02664—Aftertreatments
- H01L21/02694—Controlling the interface between substrate and epitaxial layer, e.g. by ion implantation followed by annealing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
- H01L21/3247—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering for altering the shape, e.g. smoothing the surface
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1608—Silicon carbide
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
デバイス作製用ウエハ43の製造方法では、SiCウエハ40に単結晶SiCのエピタキシャル層41が形成されたSiCエピタキシャルウエハ42に対して、当該SiCエピタキシャルウエハ42のエピタキシャル層中に存在する基底面転位密度を低減させる基底面転位密度低減工程を行って、半導体デバイスを作製するために用いられるデバイス作製用ウエハ43を製造する。基底面転位密度低減工程では、基底面転位密度を低減させるために必要な所定時間にわたって、SiCエピタキシャルウエハ42にキャップ層を形成することなく、Si蒸気圧下でSiCエピタキシャルウエハ42を加熱することで、表面荒れを抑制しつつ基底面転位密度を低減する。
Description
本発明は、主として、SiCエピタキシャルウエハに基底面転位密度低減工程を行って、エピタキシャル層中の基底面転位密度を低減する方法に関する。
従来から、SiCエピタキシャルウエハ中に基底面転位が存在する場合、SiCウエハを用いて作製される半導体デバイスの通電性能が劣化し易くなることが知られている。特許文献1は、この基底面転位密度を低減するための方法を開示する。
特許文献1には、SiCエピタキシャルウエハにカーボンキャップを形成し、例えば1750℃より高く1875℃より低い温度で加熱することで、エピタキシャル層に含まれる基底面転位密度を低減することが記載されている。
また、特許文献2には、エピタキシャル層にイオンが注入されたSiCエピタキシャルウエハをSi蒸気圧下で加熱することで、イオンの活性化及び表面の平坦化を行う方法が記載されている。
非特許文献1には、カーボンキャップを形成しない場合と、カーボンキャップを形成した場合とで、表面粗さを比較した結果が記載されている。非特許文献1には、カーボンキャップを形成することで、ウエハの表面粗さが低くなることが記載されている。
T. Kimoto et al、 "Fundamentals of Silicon Carbide Technology"、 2014年、 Wiley−IEEE Press、 pp.201−203
キャップ層を形成せずにSiCエピタキシャルウエハを加熱して基底面転位密度を低減する場合、表面荒れが発生する。しかし、特許文献1又は非特許文献1のようにキャップ層を形成する場合、キャップ層を形成する工程、及び、キャップ層を除去する工程が必要となるため、処理に掛かる時間が長くなる。また、条件によっては、キャップ層を形成しても表面荒れを防止できなかったり、キャップ層とエピタキシャル層とが反応したりする可能性がある。なお、特許文献2には、基底面転位密度を低減する処理については記載も示唆もされていない。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、キャップ層を形成せずに、かつ、表面荒れを抑制しつつ、SiCエピタキシャルウエハの基底面転位密度を低減する方法を提供することにある。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
本発明の観点によれば、以下のデバイス作製用ウエハの製造方法が提供される。即ち、この製造方法では、SiCウエハに単結晶SiCのエピタキシャル層が形成されたSiCエピタキシャルウエハに対して、当該SiCエピタキシャルウエハのエピタキシャル層中に存在する基底面転位密度を低減させる基底面転位密度低減工程を行って、半導体デバイスを作製するために用いられるデバイス作製用ウエハを製造する。前記基底面転位密度低減工程では、基底面転位密度を低減させるために必要な所定時間にわたって、前記SiCエピタキシャルウエハにキャップ層を形成することなく、Si蒸気圧下で前記SiCエピタキシャルウエハを加熱することで、表面荒れを抑制しつつ基底面転位密度を低減する。
これにより、Si蒸気圧下でSiCエピタキシャルウエハを加熱することで、表面荒れが発生しにくいので、基底面転位密度低減工程時においてキャップ層が不要となる。そのため、キャップ層の形成及び除去に関する工程を無くしつつ、SiCエピタキシャルウエハの表面荒れを抑制できる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、このデバイス作製用ウエハの製造方法は、イオン注入工程と、活性平坦化工程と、を含む。前記イオン注入工程では、前記SiCエピタキシャルウエハにイオンを注入する。前記活性平坦化工程では、前記イオン注入工程で前記イオンが注入された前記SiCエピタキシャルウエハをSi蒸気圧下で加熱することで、当該イオンを活性化するとともに、前記SiCエピタキシャルウエハの表面を平坦化する。前記基底面転位密度低減工程は、前記活性平坦化工程とは別工程である。
これにより、基底面転位の除去に特に適した条件で、基底面転位密度低減工程を行うことができる。また、イオン注入後にSi蒸気圧下で加熱を行って活性化を行うことで、仮にイオン注入量が多かったり、活性化時の加熱温度が高かったりしても、表面粗さの上昇を抑えつつ、電気特性を向上させることができる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、前記基底面転位密度低減工程は、前記イオン注入工程の前に行われることが好ましい。
これにより、イオン注入によりエピタキシャル層の性質が変化する前に基底面転位密度低減工程が行われるので、基底面転位を一層確実に除去することができる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、前記基底面転位密度低減工程での温度が、前記活性平坦化工程での温度よりも高いことが好ましい。
これにより、基底面転位密度を十分に低減するための比較的高い温度で、基底面転位密度低減工程を行うことができる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、前記基底面転位密度低減工程中のエッチング速度が、前記活性平坦化工程中のエッチング速度よりも遅いことが好ましい。
これにより、基底面転位密度低減工程において、SiCエピタキシャルウエハのエピタキシャル層が過剰に除去されることを防止できる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、以下のようにすることが好ましい。即ち、前記SiCエピタキシャルウエハにイオンを注入するイオン注入工程を含む。前記基底面転位密度低減工程は、前記イオン注入工程の後に行われる。前記基底面転位密度低減工程では、更に、前記イオン注入工程で注入された前記イオンを活性化するとともに、前記SiCエピタキシャルウエハの表面を平坦化する。
これにより、工程数を減らすことができる。また、イオン注入後にSi蒸気圧下で加熱を行って活性化を行うことで、仮にイオン注入量が多かったり、活性化時の加熱温度が高かったりしても、表面粗さの上昇を抑えつつ、電気特性を向上させることができる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、前記SiCエピタキシャルウエハは、<11−20>方向又は<1−100>方向に対して4度以下のオフ角を有していていることが好ましい。
これにより、イオンの活性化時における表面粗さの上昇をより確実に抑えることができる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、前記基底面転位密度低減工程での温度が1950℃以上2200℃以下であることが好ましい。
これにより、基底面転位密度を十分に低減することができる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、前記基底面転位密度低減工程を行った後の前記デバイス作製用ウエハの表面粗さ(Ra)が0.4nm以下となる処理環境及び処理時間で当該基底面転位密度低減工程を行うことが好ましい。
これにより、デバイス作製用ウエハにステップバンチングが生じていない可能性が高いので、品質が高いデバイス作製用ウエハを製造できる。
前記のデバイス作製用ウエハの製造方法においては、前記基底面転位密度低減工程により、前記SiCエピタキシャルウエハのエピタキシャル層中の基底面転位密度が97%以上低減することが好ましい。
これにより、基底面転位が非常に少ないデバイス作製用ウエハを製造できる。
次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。初めに、図1を参照して、本実施形態の単結晶SiCの製造方法等で用いる高温真空炉10について説明する。
図1に示すように、高温真空炉10は、本加熱室21と、予備加熱室22と、を備えている。本加熱室21は、処理対象を1000℃以上2300℃以下の温度で加熱することができる。処理対象であるウエハは、少なくとも表面が単結晶SiC(例えば、4H−SiC又は6H−SiC)で構成されるSiCウエハ40、又は、SiCウエハ40に単結晶SiCのエピタキシャル層41が形成されたSiCエピタキシャルウエハ42である。予備加熱室22は、SiCウエハ40等を本加熱室21で加熱する前に予備加熱を行うための空間である。
本加熱室21には、真空形成用バルブ23と、不活性ガス注入用バルブ24と、真空計25と、が接続されている。真空形成用バルブ23は、本加熱室21の真空度を調整することができる。不活性ガス注入用バルブ24は、本加熱室21内の不活性ガスの圧力を調整することができる。本実施形態において、不活性ガスとは、例えばAr等の第18族元素(希ガス元素)のガス、即ち、固体のSiCに対して反応性が乏しいガスであり、窒素ガスを除くガスである。真空計25は、本加熱室21内の真空度を測定することができる。
本加熱室21の内部には、ヒータ26が備えられている。また、本加熱室21の側壁及び天井には図略の熱反射金属板が固定されており、この熱反射金属板は、ヒータ26の熱を本加熱室21の中央部に向けて反射させるように構成されている。これにより、SiCウエハ40等を強力かつ均等に加熱し、1000℃以上2300℃以下の温度まで昇温させることができる。なお、ヒータ26としては、例えば、抵抗加熱式のヒータ又は高周波誘導加熱式のヒータを用いることができる。
高温真空炉10は、坩堝(収容容器)30に収容されたSiCウエハ40等に対して加熱を行う。収容容器30は、適宜の支持台等に載せられており、この支持台が動くことで、少なくとも予備加熱室から本加熱室まで移動可能に構成されている。収容容器30は、互いに嵌合可能な上容器31と下容器32とを備えている。収容容器30の下容器32に設けられた支持部33は、SiCウエハ40等の主面及び裏面の両方を露出させるように、当該SiCウエハ40等を支持可能である。SiCウエハ40等の主面はSi面であり、結晶面で表現すると(0001)面である。SiCウエハ40等の裏面はC面であり、結晶面で表現すると(000−1)面である。また、SiCウエハ40等は上記のSi面、C面に対してオフ角を有していてもよい。詳細には、<11−20>方向又は<1−100>方向に対して例えば4度以下のオフ角を有していてもよい。また、C面を主面としてもよい。ここで、主面とは、SiCウエハ40等の面のうち面積が最も大きい2面(図1の上面及び下面)のうちの一方であり、後工程でエピタキシャル層が形成される面のことである。裏面とは、主面の裏側の面である。
収容容器30は、SiCウエハ40等が収容される内部空間の壁面(上面、側面、底面)を構成する部分において、外部側から内部空間側の順に、タンタル層(Ta)、タンタルカーバイド層(TaC及びTa2C)、及びタンタルシリサイド層(TaSi2又はTa5Si3等)から構成されている。
このタンタルシリサイド層は、加熱を行うことで、収容容器30の内部空間にSiを供給する。また、収容容器30にはタンタル層及びタンタルカーバイド層が含まれるため、周囲のC蒸気を取り込むことができる。これにより、加熱時に内部空間内を高純度のSi雰囲気とすることができる。なお、タンタルシリサイド層を設けることに代えて、固体のSi等のSi源を内部空間に配置してもよい。この場合、加熱時に固体のSiが昇華することで、内部空間内を高純度のSi蒸気圧下とすることができる。
SiCウエハ40等を加熱する際には、初めに、図1の鎖線で示すように収容容器30を高温真空炉10の予備加熱室22に配置して、適宜の温度(例えば約800℃)で予備加熱する。次に、予め設定温度(例えば、約1800℃)まで昇温させておいた本加熱室21へ収容容器30を移動させる。その後、圧力等を調整しつつSiCウエハ40等を加熱する。なお、予備加熱を省略してもよい。
次に、図2を参照してSiCウエハ40に行われる処理を説明する。図2は、本実施形態のSiCウエハ40に行われる処理を模式的に示す図である。
SiCウエハ40はインゴットから作製される。インゴットは、公知の昇華法又は溶液成長法等によって作製される単結晶SiCの塊である。ダイヤモンドワイヤ等の切断手段によってSiCのインゴットを所定の間隔で切断することで、インゴットから複数のSiCウエハ40が作製される(ウエハ作製工程)。SiCウエハ40は、例えば円板状である。図2では、SiCウエハ40を厚み方向に沿って切断した断面図が模式的に示されている。
なお、SiCウエハ40を別の方法で作製してもよい。例えば、インゴットにレーザー照射等でダメージ層を設けた後に、ウエハ形状にして取り出すことができる。また、インゴット等から得られた単結晶SiC基板と多結晶SiC基板とを貼り合わせた後に、必要に応じて剥離等の処理を行うことで、少なくとも表面が単結晶SiCのSiCウエハを作製できる。
次に、SiCウエハ40に対して、研削工程及び研磨工程が行われる。研削工程では、例えば、SiCウエハ40の少なくとも主面を、ダイヤモンドホイール等により機械的に削る処理(研削)を行う。研磨工程では、例えば化学機械研磨等により、SiCウエハ40の少なくとも主面が研磨される。なお、研削工程及び研磨工程は、例えば後述のSi蒸気圧エッチング等の化学エッチングによって行うこともできる。
次に、SiCウエハ40に対して、エピタキシャル層形成工程が行われる。エピタキシャル層形成工程では、例えば、MSE法(準安定溶媒エピタキシー法)等の溶液成長法又はCVD(化学気相蒸着法)等により、SiCウエハ40の主面にエピタキシャル層41が形成される。なお、MSE法では、多結晶SiC等からなるシード基板と、シード基板より自由エネルギーの高い単結晶SiC等からなるフィード基板と、Si融液と、を用いる。シード基板とフィード基板を対向するように配置し、その間にSi融液を介在させた状態で真空下で加熱することにより、シード基板の表面に単結晶SiCのエピタキシャル層41を成長させる。また、CVDとは、サセプタ等の処理装置にSiCウエハ40を配置し、高温環境下で原料ガスを導入することで、SiCウエハ40に短結晶SiCのエピタキシャル層41を成長させる。また、上述したように、エピタキシャル層41が形成されたSiCウエハ40がSiCエピタキシャルウエハ42である。
次に、SiCエピタキシャルウエハ42に対して、基底面転位密度低減工程が行われる。基底面転位密度低減工程では、SiCエピタキシャルウエハ42をSi蒸気圧下で加熱することで、SiCエピタキシャルウエハ42のエピタキシャル層中の基底面転位密度が低減される。
基底面転位密度低減工程について詳細に説明する前に、基底面転位について図3を参照して説明する。また、以下の説明では、基底面転位のことをBPDと称する。BPDは、Basal Plane Dislocationの略称である。
ここで、BPDには、広義のBPDと狭義のBPDが存在する、本明細書において単にBPDと称したときは、広義のBPDを示すものとする。広義のBPDには、以下の4つの転位が含まれる。
広義のBPDの1つ目は、バーガースベクトルがb=<11−20>/3の転位であり、完全転位としてのBPDである。また、1つ目の転位が狭義のBPDに相当する。なお、転位の方向は、図3に示すように、SiCの(0001)面内に平行な転位である。この(0001)面が基底面に相当する。また、1つ目の転位の安定方向は、<11−20>である。即ち、1つ目の転位の安定方向は、[11−20],[−1−120],[−2110],[2−1−10],[−12−10],[1−210]の6つである。従って、1つ目の転位は6種類(1番目と2番目、3番目と4番目、5番目と6番目はそれぞれ実質的に同じであるため、それらを1つと捉えると3種類)存在する。
広義のBPDの2つ目は、1つ目の転位がバーガースベクトルb=<1−100>/3タイプの2本のショックレー部分転位に分解して基底面に存在する転位(ショックレー型欠陥)である。広義のBPDの3つ目は、上記のバーガースベクトルのbにc成分を含むフランク欠陥の部分転位である。広義のBPDの4つ目は、積層欠陥と完全結晶の境界に存在する部分転位である。
BPD密度が高い場合、半導体デバイスの通電性能が劣化し易くなる。TED(threading edge dislocation、貫通刃状転位)は、図3に示すように、SiCの<0001>方向に平行な転位の1種である。従って、TEDは基底面を垂直に貫通するように形成されている。TEDは、半導体デバイスの性能に影響がないとされている。
SiCエピタキシャルウエハ42を加熱することで、その表面に存在しているBPDの先端がTEDに変化する。また、このTEDが基底面内で滑ることでBPDが短くなっていき、SiCエピタキシャルウエハ42の表面からBPDが除去される。また、基底面内でのTEDの滑りを十分に生じさせるためには、高いエネルギーが必要になる。そのため、基底面転位密度低減工程での温度を高くすることが好ましい。
ここで、SiCエピタキシャルウエハ42を高温で加熱する場合、表面からSiが脱離することにより、表面が荒れてしまう。しかし、Siの脱離を防ぐために表面にキャップ層を形成する場合、キャップ層を形成する工程、及び、キャップ層を除去する工程が必要となるため、処理に掛かる時間が長くなる。また、条件によっては、キャップ層を形成しても表面荒れを防止できなかったり、キャップ層とエピタキシャル層とが反応したりする可能性がある。以上を考慮し、本実施形態では、キャップ層を形成する工程を行わずに、Si蒸気圧下でSiCエピタキシャルウエハ42を加熱することにより、基底面転位密度低減工程を行う。
本実施形態では、基底面転位密度低減工程は、SiCエピタキシャルウエハ42をSi蒸気圧下で加熱するSi蒸気圧エッチングによって行われる。具体的には、SiCエピタキシャルウエハ42を収容容器30に収容し、Si蒸気圧下で高温真空炉10を用いて高温(具体的な温度は後述)で加熱を行う。なお、この加熱時において、Si蒸気以外にも不活性ガスを供給してもよい。不活性ガスを供給することでSiCエピタキシャルウエハ42のエッチング速度を低下させることができる。なお、Si蒸気及び不活性ガス以外には、他の蒸気の発生源は使用されない。この条件でSiCエピタキシャルウエハ42が加熱されることで、表面が平坦化されつつエッチングされる。具体的には、以下に示す反応が行われる。簡単に説明すると、SiCエピタキシャルウエハ42がSi蒸気圧下で加熱されることで、SiCエピタキシャルウエハ42のSiCが熱分解ならびにSiとの化学反応によってSi2C又はSiC2等になって昇華するとともに、Si雰囲気下のSiがSiCエピタキシャルウエハ42の表面でCと結合して自己組織化が起こり平坦化される。
(1) SiC(s) → Si(v) + C(s)
(2) 2SiC(s) → Si(v) + SiC2(v)
(3) SiC(s) + Si(v) → Si2C(v)
(1) SiC(s) → Si(v) + C(s)
(2) 2SiC(s) → Si(v) + SiC2(v)
(3) SiC(s) + Si(v) → Si2C(v)
従って、Si蒸気圧エッチングを行うことで、仮にSiの脱離が生じた場合であっても、自己組織化が起こることで、SiCエピタキシャルウエハ42の表面の平坦さが維持されるか平坦さが向上する。そのため、基底面転位密度低減工程においては、キャップ層の形成が不要となる。以上のようにして、SiCエピタキシャルウエハ42のエピタキシャル層中のBPDが低減される。また、基底面転位密度低減工程を行う時間長さは、実験及び処理条件等を考慮して予め定められている。なお、以下の説明では、基底面転位密度低減工程が行われた後のSiCエピタキシャルウエハ42をデバイス作製用ウエハ43と称することがある。
次に、デバイス作製用ウエハ43に対して、イオン注入工程が行われる。イオン注入工程では、対象物にイオンを注入する機能を有するイオン注入装置を用いて、デバイス作製用ウエハ43にイオンが注入される。これにより、デバイス作製用ウエハ43(詳細にはエピタキシャル層41)の表面の全面又は一部に選択的に不純物としてのイオン(アルミニウムイオン等)が注入される。
デバイス作製用ウエハ43には、イオンが注入されることでイオン注入領域44が形成される。また、注入されるイオンのエネルギー等にも依存するが、一般的にはイオン注入領域44の表面近傍には、イオン濃度が不十分な領域が存在する。
次に、デバイス作製用ウエハ43に対して、活性平坦化工程が行われる。活性平坦化工程では、上述したSi蒸気圧エッチングが行われる。Si蒸気圧エッチングは高温で行われるため、デバイス作製用ウエハ43に注入されたイオンが活性化する。また、活性平坦化工程でエッチングが行われることにより、デバイス作製用ウエハ43の表面のイオン濃度が不十分な領域が除去される。なお、デバイス作製用ウエハ43にステップバンチング(複数のSiC層が束になるようにして形成された段差、例えば高さが1nm以上の段差)が発生していた場合であっても、それを分解して除去することができる。その後、デバイス作製用ウエハ43をデバイス単位に分割したり、作製するデバイスに応じた処理を行ったりするデバイス作製工程が行われることで、半導体デバイスが作製される。
基底面転位密度低減工程と活性平坦化工程は、Si蒸気圧下でウエハを加熱する点で共通するが、目的が異なるため処理条件も異なる。具体的には、高温で加熱する方がBPD密度が低減され易いので、基底面転位密度低減工程での温度は、活性平坦化工程での温度よりも高い。また、基底面転位密度低減工程では、エッチングは不要であり、むしろ高速のエッチングが行われるとエピタキシャル層が無駄に除去されるため、エッチング速度が遅いことが好ましい。これに対し、活性平坦化工程では、表面から数十から100nm程度の深さのイオン濃度が不十分な領域を除去するため、基底面転位密度低減工程と比較して速いエッチング速度が許容される。従って、基底面転位密度低減工程中のエッチング速度は、活性平坦化工程のエッチング速度よりも遅い。ここで、一般的には、温度が高くなるに連れて、エッチング速度は速くなる。従って、基底面転位密度低減工程での温度を高くした場合、エッチング速度が速くなってしまう。ここで、Si蒸気圧エッチングは、不活性ガス圧が高くなるに連れて、エッチング速度が遅くなるという性質を有している。そのため、本実施形態では、基底面転位密度低減工程中の不活性ガス圧を、活性平坦化工程中の不活性ガス圧より高くすることで、温度の高さとエッチング速度の遅さを両立している。
また、基底面転位密度低減工程での温度、エッチング速度、又は不活性ガス圧とは、例えば基底面転位密度低減工程中に計測された値の平均値であってもよいし、目標値(設定値)であってもよい。
次に、図4から図8を参照して、本実施形態の基底面転位密度低減工程を各種条件を変えて行った実験の結果について説明する。この実験では、準備したSiCエピタキシャルウエハ42に対して、基底面転位密度低減工程の前及び後にPL(フォトルミネッセンス)イメージング法を行うことで、BPDがどの程度低減したかを評価した。
また、本実験で用いたSiCエピタキシャルウエハ42は、オフ角が4度で結晶多形が4H−SiCであり、(0001)Si面に10μmのエピタキシャル層41が形成されている。また、SiCエピタキシャルウエハ42には、窒素イオンがドーピングされており、キャリア濃度は1×1016atoms/cm3である。また、PLイメージング法では、レーザテック社製のSICA88を用いてランプ波長313nm及びバンドパスフィルタを400nm−678nmにしてBPDを観察した。また、基底面転位密度低減工程では、不活性ガス圧が13kPaであり、処理時間は3分である。また、基底面転位密度低減工程の温度とBPD密度の低減率との関係を調べるため、温度を1700℃、1800℃、1900℃、1950℃、2000℃、及び2050℃と変えてこの実験を行った。
図4、図5、及び図6には、それぞれ、1800℃、1900℃、及び2000℃で基底面転位密度低減工程が行われた場合のPLイメージング法での計測結果の拡大図が示されている。これらの図に示すように、PLイメージング法を行うことにより、BPDが消滅したか否か、BPDが短くなったか否か等を判定することができる。
図7には、温度が1800℃、1900℃、1950℃、及び2000℃の4つについてPLイメージング法により得られたウエハ全体の計測結果が示されている。図7に示すように、温度が高くなるに連れて、BPDの個数が大幅に低減する。特に、温度が1900℃の場合は、1073個あったBPDが213個に低減しているため、BPDの低減率は80.1%である。また、温度が1950℃の場合は、164個あったBPDが4個に低減したため、BPDの低減率は97.6%である。また、温度が2000℃の場合は、836個あったBPDが10個に低減しているため、BPDの低減率は98.8%である。また、図8には、今回実験を行った全ての温度でのBPDの低減率が示されている。
図7及び図8に示すように、1950℃を境界として、ウエハの略全てのBPDが消滅している。従って、基底面転位密度低減工程は、1950℃以上で行うことが好ましく、2000℃以上で行うことが更に好ましい。
上述したように、狭義のBPDは6種類(3種類)存在する。狭義の6種類のBPDは、大きな偏りなくある程度均等に存在していると考えられる。ここで、本実施形態の方法により98.8%という高いBPDの低減率が実現されているため、狭義の6種類のBPDのそれぞれが、本実施形態の基底面転位密度低減工程によって除去されていることは明らかである。また、広義のBPDは4種類存在する。これらの存在比率は均等ではないが、本実施形態の方法により98.8%という高いBPDの低減率が実現されているため、広義の4種類のBPDのそれぞれが、本実施形態の基底面転位密度低減工程によって除去されていると推測できる。
また、基底面転位密度低減工程の処理環境及び処理時間によっては、ウエハ表面にステップバンチングが発生することがある。例えば、エッチング速度が低過ぎる条件で過剰なエッチングを行った場合(即ち、例えば温度が高い条件で長時間の処理を行ったり、不活性ガスの圧力が低い条件で長時間の処理を行ったりする場合)、ステップバンチングが発生し易くなる。また、従って、ステップバンチングが発生しない処理環境及び処理時間で基底面転位密度低減工程が行われることが好ましい。
図9には、上記の実験と同じ条件で、処理時間が3分のウエハと処理時間が15分のウエハの表面を観察した結果が示されている。処理時間が3分のウエハには直線状の部分が殆ど確認できないのでステップバンチングが全く又は殆ど存在していない。これに対し、処理時間が15分のウエハには図の上下に沿う直線状の部分が存在しており、これらはステップバンチングを示している。また、ステップバンチングが発生することで表面粗さ(算術平均粗さRa)が上昇する傾向にある。図9では、ステップバンチングが存在していないウエハの表面粗さが0.13nmであり、ステップバンチングが存在しているウエハの表面粗さが0.43nmである。また、図10には、更に条件を変えて基底面転位密度低減工程を行った後における、ウエハの表面の観察結果及びその表面粗さの計測結果が示されている。図10に示すように、表面粗さが0.51nm及び0.47nmではステップバンチングが発生しており、表面粗さが0.44nmでは局所的に(矢印で示した箇所に)ステップバンチングが発生しており、表面粗さが0.38nmではステップバンチングが発生していない。以上により、ステップバンチングが発生することで表面粗さが0.4nmを超えると考えられる。従って、「基底面転位密度低減工程後にステップバンチングが発生しない処理環境及び処理時間」は、「基底面転位密度低減工程後に表面粗さが0.4nm以下となる処理環境及び処理時間」とおおよそ同じである。
なお、エピタキシャル層の厚みが大きくなるに連れて、ウエハの表面が荒れ易くなる可能性がある。しかし、現在一般的に用いられている厚み(10μm、30μm)では表面荒れの発生し易さが大きく変化しないことが出願人によって確かめられている。また、これら以外の厚みのエピタキシャル層を形成する場合であっても、基底面転位密度低減工程後に表面粗さが0.4nm以下となる処理環境及び処理時間を設定すれば、ステップバンチング等の表面荒れを抑制つつ、BPDを十分に低減できる。なお、要求されるウエハの品質等によっては、基底面転位密度低減工程後に表面粗さが0.1nm以下、0.2nm以下、又は0.3nm以下となる処理環境及び処理時間を設定することが好ましい。
次に、図11を参照して、基底面転位密度低減工程と活性平坦化工程とを同時に行う変形例について説明する。本実施形態では、イオン注入工程の前に基底面転位密度低減工程を行うが、本変形例では、イオン注入工程の後に基底面転位密度低減工程を行う。なお、本実施形態において、基底面転位密度低減工程と活性平坦化工程は、目的及び条件は異なるが、何れもSi蒸気圧下での加熱である。従って、本変形例では、基底面転位密度低減工程と活性平坦化工程を同時に行う。これにより、工程数を減らすことができるので、製造時間及び製造コストを低減することができる。
基底面転位密度低減工程を行うタイミングが異なっても、好ましい処理条件及び達成される表面粗さは本実施形態と同じである。従って、本変形例においても、基底面転位密度低減工程は、1950℃以上で行うことが好ましく、2000℃以上で行うことが更に好ましい。また、本変形例においても、0.4nm以下の表面粗さを実現できる。
次に、イオン注入工程でのイオン注入量及び活性化時の加熱温度が、ウエハの表面粗さに与える影響について説明する。ここで、非特許文献1には、イオン注入量が多くなるに連れて、活性化後の表面粗さが高くなることが記載されている。また、非特許文献1には、カーボンキャップを形成することで、活性化後の表面粗さを低くすることが記載されているが、例えばイオン注入量が多い場合においては表面粗さ(Rms)が0.4nmを超えるデータも記載されている。従って、活性化後の表面粗さを向上させることが望まれている。
本願発明者は、本実施形態及び変形例の方法で作成したウエハの表面粗さが低いことに着目し、イオン注入量及び活性化時の加熱温度が表面粗さに与える影響について検証する実験を行った。具体的には、イオン注入量を異ならせたり、加熱温度を異ならせたりして活性化を行い、活性化後の表面粗さを計測した。また、この実験を、従来のカーボンキャップ法、本実施形態及び変形例の方法(Si蒸気圧下での加熱)の何れに対しても行い、結果を比較した。なお、カーボンキャップ法を用いる場合、カーボンキャップを除去した後の表面粗さを計測した。
また、活性化時の加熱温度とは、本実施形態では活性平坦化工程での加熱温度であり、上記変形例では基底面転位密度低減工程での加熱温度である。また、イオン注入量とは、単位面積あたりに注入するイオン数を意味する。従って、イオン注入量をイオン注入密度と称することもできる。
この実験の加熱条件は、活性化時の加熱温度が1700℃〜2000℃の4点であり、加熱時間が2分であり、圧力が13kPa(Ar雰囲気)である。また、実験に用いるウエハは、結晶多型が4H−SiCであり、オフ角が4度で主面がSi面であり、CMPによる研摩後であり、10μmのエピタキシャル層(n−type 1×1016/cm3)が形成されている。また、イオン注入はウエハの温度が500℃の状況下でAlイオンを多段注入し、イオン注入量は、1×1014atoms/cm2〜1×1016atoms/cm2の4点である。また、表面粗さの評価には、走査型白色干渉顕微鏡(CSI)を用いた。
図12は、カーボンキャップ法で活性化を行った場合の実験結果を示すグラフである。図12のグラフは横軸がイオン注入量であり、縦軸が表面粗さ(Ra)である。また、グラフの各プロットに記載されている温度は、活性化時の加熱温度である。また、下側のグラフは、上側のグラフの縦軸のスケールを変更したグラフである。図12に示すように、基本的には加熱温度が高くなるに連れて表面粗さが高くなっており、特に加熱温度が2000℃の場合は表面粗さが特に高くなっている。また、イオン注入量に関しては、例えば加熱温度が2000℃の場合はイオン注入量が多くなるに連れて表面粗さが高くなっており、特にイオン注入量が5×1015atomsの場合は、表面粗さが非常に高くなっている。また、加熱温度が1900℃の場合でも、1×1015atomsの条件において表面粗さが上述の0.4nmを超えており、ステップバンチングが発生している(図14のAを参照)。以上の結果及び非特許文献1のデータを考慮すると、加熱温度が高温(例えば1900℃以上)かつイオン注入量が多い場合(例えば1×1015atomsより多い場合)に、表面粗さが高くなる可能性があることが分かる。更に言えば、このような処理条件では半導体デバイスを作製するために要求される仕様を満たさない可能性があるため、このような処理条件を実際に採用することはできず、加熱温度又はイオン注入量を低減せざるを得ない。
なお、特許文献2の実施例1には、イオン注入量について「1×1019atoms/cm3、ウエハ表面から500nmの条件」と記載されている。イオン注入量の単位は、厳密には面積あたりの注入原子量を示す「atoms/cm2」であるが、体積あたりの注入原子量を示す「atoms/cm3」が用いられることもある。特許文献2の1×1019atoms/cm3をウエハ表面から500nmにイオンが注入されている条件で単位を変換すると、5×1014atoms/cm2となる。従って、特許文献2に記載されているイオン注入量では、イオン注入量に起因する表面荒れがあまり生じていない可能性がある。また、特許文献2の図6では、表面粗さが0.4nm以下のウエハも記載されているが、図6はオフ角が0°のウエハを用いた場合の実験結果であり、オフ角が0°のウエハとオフ角を有するウエハとでは表面粗さを低減させるための条件が異なるため、特許文献2と同じ処理を行ったとしても、オフ角が0°のウエハで同程度の表面粗さが実現できない可能性がある。
図13は、本実施形態及び変形例の方法で活性化を行った場合の実験結果を示すグラフである。このグラフに示すように、加熱温度及びイオン注入量に関係なく、十分に低い(0.4nm以下)の表面粗さが実現できていることがわかる。また、何れの場合においてもステップバンチングが発生していない(例えば図13及び図14のB及びCを参照)。従って、従来は表面粗さが高くなって採用できない処理条件においても、本実施形態及び変形例の方法で活性化を行うことで、十分に低い表面粗さが実現できる。その結果、高い加熱温度又は多いイオン注入量で処理を行うことができる。ここで、高い加熱温度で活性化を行うことで、電気特性に優れたウエハを作製することができる。具体的には、低いシート抵抗、高い電子移動度、高いチャネル移動度を実現できる。
また、イオン注入量は、製造メーカ及びデバイスの特性等に応じて異なる。本実施形態及び変形例の方法は、多いイオン注入量だけでなく、もちろん少ないイオン注入量にも対応可能であるため、汎用性が高い。
上述したように、基底面転位密度低減工程は1950℃以上で行うことが好ましい。仮に、カーボンキャップ法を用いて基底面転位密度低減工程と同時に活性化を行う場合、加熱温度を1950℃以上にすると、表面粗さが非常に高くなる可能性がある。この点、図11の変形例では、1950℃以上にしても表面粗さが高くならない。従って、この変形例では、工程数の低減、低い基底面転位密度、低い表面粗さ、及び電気特性の向上の全てを同時に達成することができる。
また、本実施形態及び変形例の方法で製造されたウエハは、MOS(Metal Oxide Semiconductor)タイプのデバイス又はショットキーダイオードの製造に特に有用である。具体的には、MOSタイプのデバイスにおいては求められるイオン注入量が領域毎に異なる。そのため、様々なイオン注入量に対応可能な方法を有効に活用できる。また、この方法で作製されたウエハは表面粗さが低い、言い換えればステップバンチングが少ない。ここで、ステップバンチングは酸化膜形成の際に酸化膜の厚みムラの原因となる。具体的には、ステップバンチングの発生箇所近傍の膜厚の薄い部分と厚い部分の境界において、MOSデバイス又はショットキーダイオードの不良に繋がる電界集中が発生し易くなる。従って、ステップバンチングが少ない本実施形態及び変形例のウエハ(又はウエハを分割して作製されるチップ)は、信頼性が高いMOSデバイス又はショットキーダイオードの製造に特に適している。また、上述したように、このウエハは電気特性も優れているため、この観点においても、信頼性が高いMOSデバイス又はショットキーダイオードの製造に適している。具体的には、このウエハを用いることで、低いシート抵抗、高い電子移動度、高いチャネル移動度を有するMOSデバイス又はショットキーダイオードを製造できる。
以上に説明したように、本実施形態又は変形例のデバイス作製用ウエハ43の製造方法では、SiCウエハ40に単結晶SiCのエピタキシャル層41が形成されたSiCエピタキシャルウエハ42に対して、当該SiCエピタキシャルウエハ42のエピタキシャル層中に存在する基底面転位密度を低減させる基底面転位密度低減工程を行って、半導体デバイスを作製するために用いられるデバイス作製用ウエハ43を製造する。基底面転位密度低減工程では、SiCエピタキシャルウエハ42にキャップ層を形成することなく、基底面転位密度を低減させるために必要な所定時間にわたって、Si蒸気圧下でSiCエピタキシャルウエハ42を加熱することで、表面荒れを抑制しつつ基底面転位密度を低減する。
これにより、Si蒸気圧下でSiCエピタキシャルウエハ42を加熱することで、表面荒れが発生しにくいので、基底面転位密度低減工程時においてキャップ層が不要となる。そのため、キャップ層の形成及び除去に関する工程を無くしつつ、表面荒れを抑制できる。
また、本実施形態のデバイス作製用ウエハ43の製造方法は、イオン注入工程と、活性平坦化工程と、を含む。イオン注入工程では、SiCエピタキシャルウエハ42にイオンを注入する。活性平坦化工程では、イオン注入工程でイオンが注入されたSiCエピタキシャルウエハ42をSi蒸気圧下で加熱することで、当該イオンを活性化するとともに、SiCエピタキシャルウエハ42の表面荒れを抑制する。基底面転位密度低減工程は、活性平坦化工程とは別工程である。
これにより、基底面転位の除去に特に適した条件で、基底面転位密度低減工程を行うことができる。また、イオン注入後にSi蒸気圧下で加熱を行って活性化を行うことで、仮にイオン注入量が多かったり、活性化時の加熱温度が高かったりしても、表面粗さの上昇を抑えつつ、電気特性を向上させることができる。
また、本実施形態のデバイス作製用ウエハ43の製造方法において、基底面転位密度低減工程は、イオン注入工程の前に行われる。
これにより、イオン注入によりエピタキシャル層41の性質が変化する前に基底面転位密度低減工程が行われるので、基底面転位を一層確実に除去することができる。
また、本実施形態のデバイス作製用ウエハ43の製造方法において、基底面転位密度低減工程での温度が、活性平坦化工程での温度よりも高い。
これにより、基底面転位密度を十分に低減するための比較的高い温度で、基底面転位密度低減工程を行うことができる。
また、本実施形態のデバイス作製用ウエハ43の製造方法において、基底面転位密度低減工程中のエッチング速度が、活性平坦化工程中のエッチング速度よりも遅い。
これにより、基底面転位密度低減工程において、SiCエピタキシャルウエハ42のエピタキシャル層41が過剰に除去されることを防止できる。
また、変形例のデバイス作製用ウエハ43の製造方法において、基底面転位密度低減工程では、イオン注入工程で注入されたイオンを活性化するとともに、SiCエピタキシャルウエハ42の表面を平坦化する。
これにより、工程数を減らすことができる。また、イオン注入後にSi蒸気圧下で加熱を行って活性化を行うことで、仮にイオン注入量が多かったり、活性化時の加熱温度が高かったりしても、表面粗さの上昇を抑えつつ、電気特性を向上させることができる。
また、本実施形態又は変形例のデバイス作製用ウエハ43の製造方法において、SiCエピタキシャルウエハ42は、<11−20>方向又は<1−100>方向に対して4度以下のオフ角を有していていることが好ましい。
これにより、イオンの活性化時における表面粗さの上昇をより確実に抑えることができる。
また、本実施形態又は変形例のデバイス作製用ウエハ43の製造方法において、基底面転位密度低減工程での温度が1950℃以上2200℃以下である。
これにより、基底面転位密度を十分に低減することができる。
また、本実施形態又は変形例のデバイス作製用ウエハ43の製造方法では、基底面転位密度低減工程を行った後のデバイス作製用ウエハの表面粗さ(Ra)が0.4nm以下となる処理環境及び処理時間で当該基底面転位密度低減工程を行う。
これにより、デバイス作製用ウエハ43にステップバンチングが生じていない可能性が高いので、品質が高いデバイス作製用ウエハ43を製造できる。
また、本実施形態又は変形例のデバイス作製用ウエハ43の製造方法において、前記基底面転位密度低減工程により、前記SiCエピタキシャルウエハ42のエピタキシャル層中の基底面転位密度が97%以上低減する。
これにより、基底面転位が非常に少ないデバイス作製用ウエハ43を製造できる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
上記実施形態で説明した製造工程は一例であり、工程の順序を入れ替えたり、一部の工程を省略したり、他の工程を追加したりすることができる。例えば、図11を用いて説明したように、基底面転位密度低減工程は、イオン注入工程よりも後に行ってもよい。この場合、例えば、活性平坦化工程と基底面転位密度低減工程とを同時に行うこともできる。
上記で説明した温度条件及び圧力条件等は一例であり、適宜変更することができる。また、上述した高温真空炉10以外の加熱装置を用いたり、多結晶のSiCウエハ40を用いたり、収容容器30と異なる形状又は素材の容器を用いたりしても良い。例えば、収容容器の外形は円柱状に限られず、立方体状又は直方体状であっても良い。
10 高温真空炉
40 SiCウエハ
41 エピタキシャル層
42 SiCエピタキシャルウエハ
43 デバイス作製用ウエハ
40 SiCウエハ
41 エピタキシャル層
42 SiCエピタキシャルウエハ
43 デバイス作製用ウエハ
Claims (10)
- SiCウエハに単結晶SiCのエピタキシャル層が形成されたSiCエピタキシャルウエハに対して、当該SiCエピタキシャルウエハのエピタキシャル層中に存在する基底面転位密度を低減させる基底面転位密度低減工程を行って、半導体デバイスを作製するために用いられるデバイス作製用ウエハを製造する方法において、
前記基底面転位密度低減工程では、基底面転位密度を低減させるために必要な所定時間にわたって、前記SiCエピタキシャルウエハにキャップ層を形成することなく、Si蒸気圧下で前記SiCエピタキシャルウエハを加熱することで、表面荒れを抑制しつつ基底面転位密度を低減することを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項1に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記SiCエピタキシャルウエハにイオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程で前記イオンが注入された前記SiCエピタキシャルウエハをSi蒸気圧下で加熱することで、当該イオンを活性化するとともに、前記SiCエピタキシャルウエハの表面を平坦化する活性平坦化工程と、
を含み、
前記基底面転位密度低減工程は、前記活性平坦化工程とは別工程であることを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項2に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記基底面転位密度低減工程は、前記イオン注入工程の前に行われることを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項2に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記基底面転位密度低減工程での温度が、前記活性平坦化工程での温度よりも高いことを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項2に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記基底面転位密度低減工程中のエッチング速度が、前記活性平坦化工程中のエッチング速度よりも遅いことを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項1に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記SiCエピタキシャルウエハにイオンを注入するイオン注入工程を含み、
前記基底面転位密度低減工程は、前記イオン注入工程の後に行われ、
前記基底面転位密度低減工程では、更に、前記イオン注入工程で注入された前記イオンを活性化するとともに、前記SiCエピタキシャルウエハの表面を平坦化することを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項2に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記SiCエピタキシャルウエハは、<11−20>方向又は<1−100>方向に対して4度以下のオフ角を有していていることを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項1に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記基底面転位密度低減工程での温度が1950℃以上2200℃以下であることを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項1に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記基底面転位密度低減工程を行った後の前記デバイス作製用ウエハの表面粗さ(Ra)が0.4nm以下となる処理環境及び処理時間で当該基底面転位密度低減工程を行うことを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。 - 請求項1に記載のデバイス作製用ウエハの製造方法であって、
前記基底面転位密度低減工程により、前記SiCエピタキシャルウエハのエピタキシャル層中の基底面転位密度が97%以上低減することを特徴とするデバイス作製用ウエハの製造方法。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018178074 | 2018-09-21 | ||
JP2018178074 | 2018-09-21 | ||
JP2018209202 | 2018-11-06 | ||
JP2018209202 | 2018-11-06 | ||
PCT/JP2019/036803 WO2020059810A1 (ja) | 2018-09-21 | 2019-09-19 | デバイス作製用ウエハの製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2020059810A1 true JPWO2020059810A1 (ja) | 2021-08-30 |
Family
ID=69888483
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020548608A Withdrawn JPWO2020059810A1 (ja) | 2018-09-21 | 2019-09-19 | デバイス作製用ウエハの製造方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20220002905A1 (ja) |
EP (1) | EP3854916A4 (ja) |
JP (1) | JPWO2020059810A1 (ja) |
CN (1) | CN112930422A (ja) |
TW (1) | TW202033849A (ja) |
WO (1) | WO2020059810A1 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11987902B2 (en) * | 2020-07-27 | 2024-05-21 | Globalwafers Co., Ltd. | Manufacturing method of silicon carbide wafer and semiconductor structure |
CN115058765B (zh) * | 2022-05-18 | 2024-06-28 | 北京青禾晶元半导体科技有限责任公司 | 一种碳化硅复合基板的制造方法 |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5561676B2 (ja) * | 2010-07-21 | 2014-07-30 | 学校法人関西学院 | SiC半導体ウエーハ熱処理装置 |
JP5958949B2 (ja) * | 2011-05-26 | 2016-08-02 | 一般財団法人電力中央研究所 | 炭化珪素基板、炭化珪素ウェハ、炭化珪素ウェハの製造方法及び炭化珪素半導体素子 |
TWI600081B (zh) * | 2012-11-16 | 2017-09-21 | Toyo Tanso Co Ltd | Surface treatment method of single crystal silicon carbide substrate and single crystal silicon carbide substrate |
JP6093154B2 (ja) * | 2012-11-16 | 2017-03-08 | 東洋炭素株式会社 | 収容容器の製造方法 |
JP5934633B2 (ja) | 2012-11-16 | 2016-06-15 | 東洋炭素株式会社 | 単結晶SiC基板の表面処理方法及び単結晶SiC基板の製造方法 |
JP6080075B2 (ja) * | 2013-06-13 | 2017-02-15 | 学校法人関西学院 | SiC基板の表面処理方法 |
JP6247566B2 (ja) * | 2014-02-28 | 2017-12-13 | 東洋炭素株式会社 | 加熱処理容器、加熱処理容器集合体、及び、半導体素子製造装置 |
JP6232329B2 (ja) * | 2014-03-31 | 2017-11-15 | 東洋炭素株式会社 | SiC種結晶の加工変質層の除去方法、SiC種結晶及びSiC基板の製造方法 |
US10665465B2 (en) * | 2014-11-18 | 2020-05-26 | Kwansei Gakuin Educational Foundation | Surface treatment method for SiC substrate |
CN105244255B (zh) * | 2015-08-27 | 2019-03-05 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种碳化硅外延材料及其生产方法 |
-
2019
- 2019-09-19 EP EP19862939.6A patent/EP3854916A4/en not_active Withdrawn
- 2019-09-19 US US17/277,378 patent/US20220002905A1/en not_active Abandoned
- 2019-09-19 WO PCT/JP2019/036803 patent/WO2020059810A1/ja unknown
- 2019-09-19 CN CN201980069147.7A patent/CN112930422A/zh active Pending
- 2019-09-19 JP JP2020548608A patent/JPWO2020059810A1/ja not_active Withdrawn
- 2019-09-20 TW TW108134019A patent/TW202033849A/zh unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3854916A1 (en) | 2021-07-28 |
CN112930422A (zh) | 2021-06-08 |
EP3854916A4 (en) | 2022-06-22 |
WO2020059810A1 (ja) | 2020-03-26 |
TW202033849A (zh) | 2020-09-16 |
US20220002905A1 (en) | 2022-01-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4964672B2 (ja) | 低抵抗率炭化珪素単結晶基板 | |
TWI313892B (en) | Low 1c screw dislocation 3 inch silicon carbide wafer | |
EP1807558B1 (en) | Method for producing 100 mm silicon carbide wafer with low micropipe density | |
JP5607781B2 (ja) | 大面積で均一な低転位密度GaN基板およびその製造プロセス | |
JP5304713B2 (ja) | 炭化珪素単結晶基板、炭化珪素エピタキシャルウェハ、及び薄膜エピタキシャルウェハ | |
JP6232329B2 (ja) | SiC種結晶の加工変質層の除去方法、SiC種結晶及びSiC基板の製造方法 | |
JP7008063B2 (ja) | 改質SiCウエハの製造方法及びエピタキシャル層付きSiCウエハの製造方法 | |
CN107002288B (zh) | 碳化硅基板的表面处理方法 | |
WO2011122368A1 (ja) | 単結晶3C-SiC基板の製造方法およびそれによって得られた単結晶3C-SiC基板 | |
JP6757955B2 (ja) | n型SiC単結晶基板及びその製造方法、並びにSiCエピタキシャルウェハ | |
US11081347B2 (en) | Method for manufacturing silicon-carbide semiconductor element | |
TWI659463B (zh) | 碳化矽基板之蝕刻方法及收容容器 | |
JP2024038313A (ja) | SiCウエハの製造方法 | |
JPWO2020059810A1 (ja) | デバイス作製用ウエハの製造方法 | |
JP5786759B2 (ja) | エピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法 | |
TW202113172A (zh) | 碳化矽種晶及其製造方法、已使碳化矽種晶成長的碳化矽鑄錠及其製造方法、由碳化矽鑄錠所製造的碳化矽晶圓及其製造方法以及附磊晶膜的碳化矽晶圓及其製造方法 | |
WO2018232080A1 (en) | Two-stage seeded growth of large aluminum nitride single crystals | |
JP2005314167A (ja) | 炭化珪素単結晶成長用種結晶とその製造方法及びそれを用いた結晶成長方法 | |
JP7194407B2 (ja) | 単結晶の製造方法 | |
JP6628673B2 (ja) | エピタキシャル炭化珪素単結晶ウェハの製造方法 | |
TW202129093A (zh) | 半導體基板的製造方法以及半導體基板的製造裝置 | |
JP6820785B2 (ja) | 炭化珪素単結晶の製造方法 | |
KR20240088776A (ko) | 헤테로에피택셜막의 제작방법 | |
JP2011184226A (ja) | エピタキシャル成長用基板、窒化物系化合物半導体基板及び窒化物系化合物半導体自立基板 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220920 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20230906 |