TW201315849A - 碳化矽單晶基板及研磨液 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種碳化矽單晶基板，其包括具有源自晶體結構之包含原子台階與階面之原子台階-階面結構之主面，且於上述原子台階-階面結構中，上述原子台階之前端線部之平均線粗糙度相對於上述原子台階之高度為20%以下之比例。

Description

碳化矽單晶基板及研磨液
本發明係關於一種碳化矽單晶基板及研磨液，更詳細而言，係關於一種適於使高品質之半導體層磊晶成長而形成的碳化矽單晶基板、及用以獲得此種基板之研磨液。
碳化矽(SiC)半導體與矽半導體相比，絕緣擊穿電場、電子之飽和漂移速度及熱導率較大，故而使用碳化矽半導體進行實現與先前之矽裝置相比可於高溫下高速動作之功率裝置的研究、開發。其中，用以驅動電動摩托車、電動汽車或混合動力汽車等之馬達之電源所使用的高效率之開關元件之開發正受到關注。為了實現此種功率裝置，需要用以藉由磊晶成長而形成高品質之碳化矽半導體層的表面平滑之碳化矽單晶基板。
又，作為用來以高密度記錄資訊之光源，藍色雷射二極體正受到關注，進而，對作為代替螢光燈或燈泡之光源的白色二極體之需求增高。此種發光元件係使用氮化鎵(GaN)半導體製作，且使用碳化矽單晶基板作為用以形成高品質之氮化鎵半導體層之基板。
在用於此種用途之碳化矽單晶基板中，於基板之平坦度、基板表面之平滑性等方面要求較高之加工精度，又，對源自研磨劑之研磨粒等之殘渣亦要求較高之洗淨性。然而，由於碳化矽單晶之硬度極高且耐腐蝕性優異，故而製作基板之情形時之加工性較差，難以一面維持較高之研磨 速度一面獲得平滑性較高之碳化矽單晶基板。又，由於碳化矽單晶之耐腐蝕性優異，故而於去除上述研磨粒等時，亦難以應用如矽基板之洗淨中所使用的使用氫氟酸等化學試劑並藉由剝離而去除研磨粒之殘渣之方法。因此，難以獲得高洗淨度之基板表面。
通常，半導體單晶基板之平滑之面係藉由研磨而形成。於研磨碳化矽單晶之情形時，以較碳化矽硬之金剛石等研磨粒作為研磨材，機械性地研磨表面而形成平坦之面，但於利用金剛石研磨粒研磨之碳化矽單晶基板之表面上，會添加對應於金剛石研磨粒之粒徑之微小之刮痕。又，由於在表面產生具有機械性之應變之加工變質層，故而於此種狀況下基板表面之平滑性不充分。
於半導體單晶基板之製造中，作為使機械研磨後之半導體基板之表面平滑之方法，使用有化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，以下有時稱為CMP)技術。CMP係藉由利用氧化等化學反應使被加工物之表面變成氧化物等，並使用硬度低於被加工物之研磨粒去除生成之氧化物而研磨表面之方法。該方法具有如下優點：不會於被加工物之表面產生應變，生成源自晶體結構之包含原子台階與階面之原子台階-階面結構，並可形成原子等級上極其平滑之面。
於碳化矽單晶基板上利用磊晶成長形成碳化矽半導體層係藉由熱CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法對利用上述CMP而生成原子台階-階面結構之原子等級 上極其平滑之面沈積矽原子及碳原子而進行。此時，原子台階之前端線部成為磊晶成長之起點，故而為了獲得無晶體缺陷之高品質之碳化矽半導體層，作為碳化矽單晶基板所要求之表面性狀，不僅要求生成源自晶體結構之原子台階-階面結構，而且對生成之原子台階之形狀亦要求較高之加工精度。尤其是於原子台階之前端線部上，必需抑制由研磨所致之機械性損傷所產生之晶體缺陷。
再者，於本說明書中，所謂「原子台階-階面結構」，係指包含以沿單晶基板之主面經由階差而相互並列之方式配設之平坦之複數個「階面」、及作為連接各階面間之階差部之「原子台階」的微觀之階梯狀結構。而且，將原子台階之上端部與階面連接之線狀之部位稱為「原子台階之前端線部」。關於「階面」、「原子台階」、「原子台階之前端線部」，於下文進一步進行說明。
為了形成高品質之碳化矽半導體層，提出有如下方法：於金剛石研磨後利用膠體二氧化矽漿料或含有氧化劑之膠體二氧化矽漿料進行CMP，生成具有源自晶體結構之原子台階-階面結構之平滑性較高之表面，進而藉由氣相法進行蝕刻(例如參照專利文獻1)。並且，於專利文獻1中，於不進行蝕刻處理而將碳化矽半導體層進行製膜之情形時，由在CMP後生成於基板表面之附近之氧化物而產生台階聚集(Step Bunching)，但藉由進行蝕刻處理，可維持CMP後之基板表面之較高之平滑性，並且僅去除由CMP而產生之表面氧化物層，可抑制台階聚集等晶體缺陷。
然而，於專利文獻1中，雖對源自晶體結構之原子台階-階面結構之生成進行考慮，但絲毫未對原子台階之端部形狀或晶體缺陷對晶體之磊晶成長的影響有所考慮。又，僅藉由蝕刻抑制碳化矽半導體層之晶體缺陷不足以獲得高品質之半導體。進而，就成本觀點而言，要求實現更高之研磨速度。
又，自先前以來，作為用來以較高之研磨速度且平滑地研磨碳化矽單晶基板之表面之研磨劑，提出有包含二氧化矽研磨粒、過氧化氫之類的氧化劑(供氧劑)及釩酸鹽之研磨用組合物(例如參照專利文獻2)。
然而，於專利文獻2之研磨用組合物中，存在對碳化矽單晶基板之研磨速度較低、研磨所需之時間非常長之問題。又，雖於研磨後之表面生成原子台階-階面結構，但有由研磨時之機械性損傷而使原子台階之前端線部成為具有缺損或凹陷之形狀，產生晶體缺陷之問題。進而，亦有無法藉由洗淨而去除之二氧化矽研磨粒殘留於基板上，該研磨粒殘渣導致於研磨後之基板表面上磊晶成長之半導體層之晶體缺陷的問題。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：國際公開2010-090024號
專利文獻2：日本專利特開2008-179655號公報
本發明係為了解決上述問題而成者，其目的在於提供一種適於使無晶體缺陷之高品質之半導體層磊晶成長的碳化矽單晶基板、及用以藉由CMP而獲得此種碳化矽單晶基板之研磨液。
本發明之碳化矽單晶基板之特徵在於：其具備具有源自晶體結構之包含原子台階與階面之原子台階-階面結構之主面，且於上述原子台階-階面結構中，上述原子台階之前端線部之平均線粗糙度相對於上述原子台階之高度為20%以下之比例。
於本發明之碳化矽單晶基板中，上述主面較佳為使晶體磊晶成長而形成碳化矽半導體層或氮化鎵半導體層之面。
本發明之研磨液之特徵在於：其係用以對碳化矽單晶基板之特定之面方向之主面進行化學機械研磨，以使該主面具有源自晶體結構之包含原子台階與階面之原子台階-階面結構，且於該原子台階-階面結構中，上述原子台階之前端線部之平均線粗糙度相對於上述原子台階之高度為20%以下之比例；並且該研磨液含有氧化還原電位為0.5 V以上之包含過渡金屬之氧化劑與水，不含研磨粒。
於本發明之研磨液中，上述氧化劑較佳為過錳酸根離子。又，上述過錳酸根離子之含量較佳為相對於研磨劑總量為0.05質量%以上、5質量%以下。進而，本發明之研磨液之pH值較佳為11以下，更佳為5以下。
本發明之碳化矽單晶基板具有源自晶體結構之原子台階-階面結構，且原子台階之前端線部之平均線粗糙度(R)相對於原子台階之高度(h)之比例為20%以下，並可抑制成為利用台階流(step-flow)方式之磊晶晶體成長之起點的前端線部之晶體缺陷等，因此，可藉由於該碳化矽單晶基板之主面上磊晶成長而獲得高品質之碳化矽半導體層或氮化鎵半導體層。
本發明之研磨液含有氧化還原電位為0.5 V以上之包含過渡金屬之氧化劑與水，並且不含研磨粒，因此，藉由使用該研磨液對碳化矽單晶基板之特定之面方向之主面進行化學機械研磨，可獲得具有源自晶體結構之原子台階-階面結構，且於原子台階之前端線部不存在由研磨時之機械性損傷所致之晶體缺陷的平滑性較高之面。又，藉由該研磨液，不會於洗淨後之碳化矽單晶基板上產生研磨粒之殘渣。
以下，對本發明之實施形態進行說明。
<碳化矽單晶基板>
本發明之實施形態之碳化矽單晶基板如圖1(a)及圖1(b)中模式性所示，具有源自晶體結構之平坦之階面1區域與作為階差區域之原子台階2交替相連的原子台階-階面結構，且具有平滑性較高之主面。於該原子台階-階面結構中，原子台階2之上端部與階面1相接之前端線部2a呈直線狀，無彎曲或缺損、凹陷。又，階面1之寬度於全部階面 上大致相同，且於各階面上，各部分大致均勻。再者，圖1(b)所示之C軸於圖1(a)中為垂直於紙面之方向。
進而，於此種原子台階-階面結構中，原子台階2之前端線部2a之平均線粗糙度(R)相對於原子台階2之高度(h)之比例成為20%以下。即，(R/h)×100≦20。可將R/h稱為表示對原子台階-階面結構中之前端線部2a之機械性損傷之程度的指標。
此處，具有原子台階-階面結構之主面係特定之面方向之主面，且相對於C軸呈特定之偏離角。又，前端線部2a之平均線粗糙度(R)係前端線部2a之剖面粗糙度曲線之中心線算術平均粗糙度(Ra)，例如可藉由以下所示之方法進行測定。即，利用AFM(Atomic Force Microscopy，原子力顯微鏡)觀察碳化矽單晶基板之主面之特定範圍(例如寬2 μm×長1 μm之範圍)，並根據所獲得之AFM圖像，對位於上述範圍內之複數個前端線部2a之各者測定算術平均面粗糙度(Ra)，以其平均值求出R。
於碳化矽單晶基板中，原子台階之高度(h)約為0.25 nm。
例如，4H-SiC基板具有圖2所示之晶體結構，作為C軸方向之晶格間隔(晶格常數)之C0(1.008 nm)之1/4成為原子台階之高度(h)。即，於4H-SiC基板中，原子台階之高度(h)成為由1.008 nm/4算出之值(約0.25 nm)。
6H-SiC基板中之原子台階之高度(h)亦與4H-SiC基板同樣地約為0.25 nm。即，於6H-SiC基板中，C軸方向之晶格常數C0為1.542 nm，該值之1/6為原子台階之高度(h)，因 此，原子台階之高度(h)成為約0.25 nm。
再者，以研磨對象物之項對上述4H-SiC基板、6H-SiC基板進行說明。
於實施形態之碳化矽單晶基板中，特定之面方向之主面具有源自晶體結構之原子台階-階面結構，平滑性較高，並且前端線部2a之平均線粗糙度(R)相對於原子台階2之高度(h)之比例成為20%以下，故而可抑制成為利用台階流方式之磊晶晶體成長之起點之前端線部2a的晶體缺陷等。因此，藉由於該碳化矽單晶基板之主面上使晶體磊晶成長，可獲得高品質之碳化矽半導體層或氮化鎵半導體層。再者，以下述磊晶成長之項對台階流方式進行詳細說明。
若前端線部2a之平均線粗糙度(R)相對於原子台階2之高度(h)之比例超過20%，則原子台階-階面結構中之前端線部2a之機械性損傷所導致之晶體缺陷等變大，無法藉由磊晶成長形成高品質之碳化矽半導體層或氮化鎵半導體層。
此種前端線部2a之形狀優異、並可抑制該部之晶體缺陷之碳化矽單晶基板之主面可藉由使用如下本發明之研磨液進行CMP而獲得，該研磨液含有氧化還原電位為0.5 V以上之包含過渡金屬之氧化能力較大之氧化劑，且實質上不含研磨粒。
<研磨液>
本發明之實施形態之研磨液之特徵在於：其係用以對碳化矽單晶基板之特定之面方向之主面進行化學機械研磨者，且其含有氧化還原電位為0.5 V以上之包含過渡金屬 之氧化劑與水，不含研磨粒。
藉由使用該研磨液進行碳化矽單晶基板之上述主面之CMP，可抑制由研磨時之機械性損傷所致之對表面之刮痕或原子台階之前端線部之晶體缺陷。並且，如上所述，可獲得具有源自晶體結構之原子台階-階面結構，且前端線部之平均線粗糙度(R)相對於原子台階之高度(h)之比例為20%以下((R/h)×100≦20)之經研磨的主面(以下有時表示為已研磨主面)。
又，藉由於此種原子等級上之加工中使用氧化能力較強之氧化劑，可以充分高之研磨速度研磨碳化矽單晶基板之類的硬度較高且化學穩定性較高之基板。進而，於使用該研磨液之情形時，於洗淨後之碳化矽單晶基板上未殘留研磨粒，故而亦可防止由研磨粒殘渣所引起之晶體缺陷之產生。
再者，作為本發明之實施形態之研磨液所含有之氧化劑，較佳為過錳酸根離子，其含量較佳為0.05質量%以上、5質量%以下。進而，較佳為將研磨液之pH值設為11以下，進而較佳為pH值5以下。為了將pH值調整至11以下，可於研磨液中添加pH值調整劑。於將研磨液之pH值設為11以下之情形時，上述氧化劑高效地發揮作用，故而研磨速度較高且研磨特性良好。
以下，對本發明之研磨液之各成分、及pH值進行記載。
(氧化劑)
本發明之實施形態之研磨液所含有之氧化還原電位為 0.5 V以上之包含過渡金屬的氧化劑係於作為研磨對象物之碳化矽單晶基板之被研磨面上形成氧化層者。藉由利用機械性之力自被研磨面去除該氧化層，可促進研磨對象物之研磨。即，雖然作為非氧化物之碳化矽單晶為難研磨材料，但藉由研磨液中之氧化還原電位為0.5 V以上之包含過渡金屬之氧化劑，可於表面形成氧化層，所形成之氧化層與研磨對象物相比硬度較低而容易研磨，故而亦可藉由與未內包研磨粒之研磨墊之接觸而去除。因此，可獲得充分高之研磨速度。作為氧化還原電位測定法，可使用通常市售之氧化還原電位計。作為參照電極，可列舉於內部溶液中使用飽和氯化鉀水溶液之銀/氯化銀電極，作為工作電極，可使用鉑等金屬電極。關於測定時之水溶液之溫度及pH值，可於25度附近之室溫下進行，並準備已適當調整pH值之試樣進行測定。
再者，於本發明中，所謂「被研磨面」，意指研磨對象物之經研磨之面，例如表面。
作為研磨液所含有之氧化還原電位為0.5 V以上之包含過渡金屬的氧化劑，例如可列舉過錳酸根離子、釩酸根離子、二鉻酸根離子、硝酸鈰銨、硝酸鐵(III)九水合物、硝酸銀、磷鎢酸、矽鎢酸、磷鉬酸、磷鎢鉬酸、磷釩鉬酸等，尤佳為過錳酸根離子。作為過錳酸根離子之供給源，較佳為過錳酸鉀或過錳酸鈉等過錳酸鹽。
將作為碳化矽單晶基板之研磨中之氧化劑尤佳為過錳酸根離子之原因示於以下。
(1)過錳酸根離子氧化碳化矽單晶之氧化能力較強。
若氧化劑之氧化能力過弱，則與碳化矽單晶基板之被研磨面之反應不充分，其結果，無法獲得充分平滑之表面。使用氧化還原電位作為氧化劑氧化物質之氧化能力之指標。過錳酸根離子之氧化還原電位為1.70 V，與通常用作氧化劑之過氯酸鉀(KClO4)(氧化還原電位為1.20 V)或次氯酸鈉(NaClO)(氧化還原電位為1.63 V)相比，氧化還原電位較高。
(2)過錳酸根離子之反應速度較大。
過錳酸根離子與作為氧化能力較強之氧化劑所知之過氧化氫(氧化還原電位為1.76 V)相比，氧化反應之反應速度較大，故而可迅速發揮氧化能力之強度。
(3)過錳酸根離子對人體毒性較低而安全。
(4)過錳酸鹽若為由溶解度曲線所獲得之取決於水溫之溶解濃度以下，則完全溶解於下述作為分散介質之水中。因此，溶解殘渣不會對基板之平滑性造成不良影響。
為了獲得較高之研磨速度，研磨液中之過錳酸根離子之含有比例(濃度)較佳為0.05質量%以上、5質量%以下。若未達0.05質量%，則無法期待作為氧化劑之效果，藉由研磨而形成平滑之面需要非常長之時間，或者有於被研磨面上產生刮痕之虞。若過錳酸根離子之含有比例超過5質量%，則根據研磨液之溫度不同，有由於過錳酸鹽未完全澈底溶解而析出，固體之過錳酸鹽與被研磨面接觸，從而產生刮痕之虞。研磨液所含之過錳酸根離子之含有比例進而 較佳為0.1質量%以上、4質量%以下，尤佳為0.2質量%以上、3.5質量%以下。
(研磨粒)
本發明之實施形態之研磨液之特徵在於：實質上不含氧化矽(silica，二氧化矽)粒子、氧化鈰(ceria)粒子、氧化鋁(alumina)粒子、氧化鋯(zirconia)粒子、氧化鈦(titania)粒子等研磨粒。由於研磨液不含研磨粒而如上所述於洗淨後不產生研磨粒之殘渣，故而可防止由研磨粒殘渣所引起之晶體缺陷之產生。又，存在如下優點：可不留意研磨粒之分散性地使用研磨液；由於實質上不產生研磨粒之凝集，故而可抑制對被研磨面之機械性損傷。
(pH值及pH值調整劑)
就研磨特性之方面而言，本發明之實施形態之研磨液之pH值較佳為11以下，更佳為5以下，尤佳為3以下。若pH值超過11，則不僅無法獲得充分之研磨速度，而且亦有被研磨面之平滑性惡化之虞。
研磨液之pH值可藉由作為pH值調整劑之酸或鹼性化合物之添加、調配而調整。作為酸，可使用：硝酸、硫酸、磷酸、鹽酸之類的無機酸；甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等飽和羧酸；乳酸、蘋果酸、檸檬酸等羥酸；鄰苯二甲酸、水楊酸等芳香族羧酸；草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、反丁烯二酸、順丁烯二酸等二羧酸；胺基酸、雜環系之羧酸之類的有機酸。較佳為使用硝酸及磷酸，其中尤佳為使用硝酸。作為鹼性化合物，可使用：氨；氫氧化 鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈉；四甲基銨等四級銨化合物；單乙醇胺、乙基乙醇胺、二乙醇胺、丙二胺等有機胺。較佳為使用氫氧化鉀、氫氧化鈉，其中尤佳為氫氧化鉀。
該等酸或鹼性化合物之含有比例(濃度)係設為將研磨液之pH值調整至特定之範圍內(pH值為11以下，更佳為5以下，進而較佳為3以下)之量。
(水)
於本發明之實施形態之研磨液中，含有水作為分散介質。水係用以將上述氧化劑及視需要而添加之下述任意成分分散、溶解之介質。關於水，並無特別限制，就對調配成分之影響、雜質之混入、對pH值等之影響之觀點而言，較佳為純水、超純水、及離子交換水(脫離子水)。
(研磨液之製備及任意成分)
本發明之實施形態之研磨液係製備成以上述特定之比例含有上述各成分並均勻地溶解之混合狀態而使用。混合可採用研磨液之製造所通常使用之利用攪拌翼之攪拌混合方法。研磨液未必需要以預先混合所有構成之研磨成分者之形式供給至研磨之場所。亦可於供給至研磨之場所時混合研磨成分而成為研磨液之組成。
於本發明之實施形態之研磨液中，只要不違背本發明之宗旨則可視需要適當含有潤滑劑、螯合劑、還原劑、黏性賦予劑、黏度調節劑、防銹劑等。其中，於該等添加劑具有氧化劑、酸或鹼性化合物之功能之情形時，作為氧化劑、酸或鹼性化合物處理。
作為潤滑劑，可使用：陰離子性、陽離子性、非離子性、兩性之界面活性劑；多糖類；水溶性高分子等。作為界面活性劑，可使用：具有脂肪族烴基、芳香族烴基作為疏水基，又，於該等疏水基內導入有一個以上之酯、醚、醯胺等鍵結基，醯基、烷氧基等連結基者；包含羧酸、磺酸、硫酸酯、磷酸、磷酸酯、胺基酸作為親水基者。作為多糖類，可使用海藻酸、果膠、羧甲基纖維素、卡特蘭多糖、支鏈澱粉、三仙膠、角叉菜膠、結冷膠、刺槐豆膠、阿拉伯膠、羅望子、洋車前子等。作為水溶性高分子，可使用聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯啶酮、聚甲基丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚天冬胺酸、聚麩胺酸、聚伸乙基亞胺、聚烯丙胺、聚苯乙烯磺酸等。
<研磨方法>
於使用本發明之實施形態之研磨液進行研磨時，使用不內包研磨粒之公知之研磨墊，一面將上述研磨液供給至該研磨墊，一面使作為研磨對象物之碳化矽單晶基板之被研磨面與研磨墊接觸，藉由兩者間之相對運動而進行研磨。關於研磨對象物係如下所述。
於該研磨方法中，作為研磨裝置，可使用先前公知之研磨裝置。於圖3中表示可使用之研磨裝置之一例。
於圖3所示之研磨裝置10中，研磨壓盤11係以可繞其垂直之軸心C1旋轉地被支持之狀態設置，藉由壓盤驅動馬達12而於圖中箭頭所示之方向旋轉驅動該研磨壓盤11。於該研磨壓盤11之上表面貼附有未內包研磨粒之公知之研磨墊13。
另一方面，於研磨壓盤11上之自軸心C1離心之位置上，對將研磨對象物14吸附或者使用保持框等保持於下表面之基板保持構件(載體)15以可繞其軸心C2旋轉且可於軸心C2方向上移動之方式進行支持。該基板保持構件15係構成為藉由未圖示之載體驅動馬達，或者藉由自上述研磨壓盤11受到之扭矩而於箭頭所示之方向上旋轉。於基板保持構件15之下表面、即與上述研磨墊13相對向之面上保持有作為研磨對象物14之碳化矽單晶基板。研磨對象物14係以特定之荷重按壓至研磨墊13。
又，於基板保持構件15之附近設置有滴加噴嘴16或噴霧噴嘴(省略圖示)，將自未圖示之槽送出之上述研磨液17供給至研磨壓盤11上。
於利用此種研磨裝置10進行研磨時，在藉由壓盤驅動馬達12及載體驅動馬達，使研磨壓盤11及貼附於其之研磨墊13與基板保持構件15及保持於其下表面之研磨對象物14繞各自之軸心旋轉驅動之狀態下，一面自滴加噴嘴16等將研磨液17供給至研磨墊13之表面，一面將保持於基板保持構件15之研磨對象物14按壓至該研磨墊13。藉此，對研磨對象物14之被研磨面、即與研磨墊13相對向之面進行化學機械研磨。
基板保持構件15不僅可旋轉運動亦可直線運動。又，研磨壓盤11及研磨墊13亦可不進行旋轉運動，例如亦可以帶式於一個方向上移動。
作為研磨墊13，可使用包含不織布、發泡聚胺基甲酸酯 等多孔質樹脂等且不含研磨粒之公知者。又，為了促進研磨液17對研磨墊13之供給或者使研磨墊13上積存一定量之研磨液17，亦可於研磨墊13之表面實施柵格狀、同心圓狀、螺旋狀等之溝槽加工。進而，亦可視需要使研磨墊調理器與研磨墊13之表面接觸而一面進行研磨墊13表面之調整一面進行研磨。
利用此種研磨裝置10之研磨條件並無特別限制，藉由對基板保持構件15施加荷重而按壓至研磨墊13，可進一步提高研磨壓力並提高研磨速度。研磨壓力較佳為5~80 kPa左右，就被研磨面內之研磨速度之均勻性、平坦性、刮痕等研磨缺陷之防止之觀點而言，更佳為10~50 kPa左右。研磨壓盤11及基板保持構件15之轉速較佳為50~500 rpm左右，但不限定於此。又，關於研磨液17之供給量，可根據研磨液之組成或上述研磨條件等而適當調整並選擇。
<研磨對象物>
使用本發明之實施形態之研磨液研磨之研磨對象物係作為非氧化物單晶之碳化矽單晶基板或氮化鎵單晶基板，更佳為碳化矽單晶基板。更具體而言，可列舉具有3C-SiC、4H-SiC、或6H-SiC之晶體結構之碳化矽單晶基板。再者，上述3C-、4H-、及6H-係表示由Si-C對之積層順序決定之碳化矽之多晶型。可藉由使用實施形態之研磨液而獲得較高之研磨速度。又，可獲得以下所示之表面性狀之主面(已研磨主面)。
其次，一面參照圖式，一面說明使用本發明之實施形態 之研磨液之情形、及使用包含作為氧化劑之過氧化氫與膠體二氧化矽研磨粒之先前之研磨漿料之情形各者中，藉由CMP而獲得之碳化矽單晶基板之主面之表面性狀、及已研磨主面上之利用磊晶成長之半導體層之形成。
<已研磨主面之表面性狀>
於作為CMP步驟之上一步驟的金剛石研磨後之碳化矽單晶基板之主面上，產生由金剛石研磨所致之機械性損傷，生成不僅於表面形成有刮痕，而且甚至內部亦產生晶體應變等缺陷之加工變質層。於利用上述先前之研磨漿料之CMP中，亦可藉由進行相當長時間之研磨而去除由金剛石研磨而產生之加工變質層，且如圖4(a)及圖4(b)模式性所示，可獲得具有源自晶體結構之平坦之階面1區域與作為階差區域之原子台階2交替地相連之原子台階-階面結構的已研磨主面。再者，圖4(b)所示之C軸於圖4(a)中為垂直於紙面之方向。
然而，於利用上述先前之研磨漿料之CMP中，原子台階2之前端線部2a由於研磨之時之機械性損傷而成為具有缺損或凹陷之形狀，產生晶體缺陷。作為其原因，認為係由機械性作用較強之研磨粒所致之前端線部2a之過剩研磨。
另一方面，由於本發明之實施形態之研磨液實質上不含研磨粒，故而於生成於已研磨主面上之原子台階-階面結構中，施加於原子台階之前端線部2a之機械性損傷明顯降低。因此，如圖1(a)及圖1(b)所示，可形成無缺損或凹陷、晶體缺陷之前端線部2a，可實現平滑性較高且前端線 部2a維持優異之形狀之原子等級之加工精度。進而，於使用實施形態之研磨液之情形時，藉由所含有之氧化能力較強之氧化劑之作用，儘管不存在研磨粒所產生之機械性作用，但可利用硬度低於研磨粒之研磨墊所產生之機械性作用而以較高之研磨速度迅速去除由金剛石研磨所產生之加工變質層。並且，可實現抑制對碳化矽單晶基板之被研磨面之損傷的原子等級之高加工精度。
<磊晶成長>
基於圖5，對利用台階流方式之碳化矽單晶基板上之半導體層之磊晶成長之機制、及原子台階之前端線部之作用進行說明。
為了使例如碳化矽半導體層於碳化矽單晶基板上磊晶成長，而藉由熱CVD法使矽原子與碳原子於上述碳化矽單晶基板之形成有原子台階-階面結構之已研磨主面上沈積、晶體成長。附著於原子台階-階面結構之階面1上之各原子到達前端線部2a，與前端線部2a之具有未鍵結鍵之原子鍵結，使晶體橫向地(與前端線部2a正交之方向，於圖5中以箭頭表示)於階面1之表面上成長，藉此進行製膜。即，原子台階2之前端線部2a於磊晶成長中發揮作為晶體成長之起點之功能。
並且，已知於碳化矽單晶基板上製膜之半導體層之晶體品質強烈地受基板之晶體缺陷或表面狀態之影響。作為碳化矽單晶基板之晶體缺陷，可列舉微管缺陷、螺旋位錯缺陷、刃狀位錯缺陷等。關於表面狀態，可列舉由研磨所致 之刮痕、或源自研磨劑之研磨粒等異物對階面1表面之附著、階面1之表面氧化物等。關於作為磊晶成長之起點的原子台階2之前端線部2a，亦考慮存在於該部分上之缺陷之傳播，因此，為了將更高品質之半導體層進行製膜，無需僅考慮原子台階-階面結構之生成之研磨加工，而需要亦考慮原子台階2之前端線部2a之形狀或晶體缺陷之原子等級之加工精度。
根據上述方面進行考察，使用上述先前之研磨漿料而獲得之碳化矽單晶基板之已研磨主面生成有原子台階-階面結構並平滑化，因此，可抑制由階面1表面之刮痕等所引起之半導體層之晶體缺陷，但由於作為晶體成長之起點的前端線部2a存在缺損或凹陷等而成為無法避免晶體缺陷之形狀，故而無法於其上藉由磊晶成長而形成高品質之碳化矽半導體層或氮化鎵半導體層。
與此相對，於使用本發明之實施形態之研磨液之CMP加工中，可獲得具有原子台階-階面結構，且於該原子台階-階面結構中可抑制對原子台階2之前端線部2a之機械性損傷之高平滑的主面，因此，可實現更高品質之半導體層之晶體成長。又，由於本發明之實施形態之研磨液不含研磨粒，故而於洗淨後亦不會於碳化矽單晶基板之表面殘留研磨粒，可防止由源自研磨劑之研磨粒殘渣所引起之半導體層之晶體缺陷。
實施例
以下，藉由實施例及比較例具體說明本發明，但本發明 並不限定於該等實施例。例1~4係本發明之實施例，例5、6係比較例。
(1)研磨液及研磨劑液之製備 (1-1)
以如下所示之方式製備例1~4之各研磨液。首先，於表1所示之作為氧化劑之過錳酸鉀中添加純水，並使用攪拌翼攪拌10分鐘。繼而，於例1~3中，一面攪拌一面緩慢地於該溶液中添加硝酸作為pH值調整劑，於例4中，一面攪拌一面緩慢地於該溶液中添加氫氧化鉀作為pH值調整劑，調整至表1所示之特定之pH值，獲得研磨液。將各例中使用之作為氧化劑之過錳酸鉀相對於研磨液整體之含有比例(濃度：質量%)示於表1。再者，表1中之氧化劑濃度並非過錳酸根離子之濃度，而是過錳酸鉀之濃度。
(1-2)
以如下所示之方式製備例5及例6之研磨劑液。於例5中，於一次粒徑為40 nm、二次粒徑約為70 nm之二氧化矽固形物成分約為40質量%的膠體二氧化矽分散液中添加純水，並使用攪拌翼攪拌10分鐘。繼而，一面攪拌一面於該溶液中添加釩酸銨作為金屬鹽，最後添加過氧化氫水攪拌30分鐘，獲得調整至表1所示之各成分濃度之研磨劑液。
於例6中，於一次粒徑為80 nm、二次粒徑約為110 nm之二氧化矽固形物成分約為40質量%的膠體二氧化矽分散液中添加純水並攪拌10分鐘。繼而，一面攪拌一面於該溶液中添加過錳酸鉀作為氧化劑，其後緩慢添加硝酸而調整至 表1所示之pH值，獲得研磨劑液。將例5及例6所使用之各成分相對於研磨劑整體之含有比例(濃度：質量%)示於表1。
再者，表1中之氧化劑濃度並非過錳酸根離子之濃度，而是過錳酸鉀之濃度。又，關於例5、6所調配之二氧化矽粒子之一次粒徑，係由利用BET(Brunauer-Emmett-Teller，布厄特)法獲得之比表面積進行換算而求出，關於二次粒徑，係使用作為動態光散射式粒度分佈測定裝置之Microtrac UPA(日機裝公司製造)而測定。
(2)pH值之測定
使用橫河電機公司製造之pH81-11，於25℃下測定例1~4所獲得之各研磨液及例5、6所獲得之各研磨劑液之pH值。將測定結果示於表1。
(3)研磨特性之評價
以如下方法對例1~4所獲得之各研磨液及例5、6所獲得之各研磨劑液進行研磨特性之評價。
(3-1)研磨條件
作為研磨機，使用MAT公司製造之小型單面研磨裝置。作為研磨墊，使用SUBA800-XY-groove(NITTA HAAS公司製造)，於研磨前使用金剛石磨盤(Diamond Disc)及刷進行研磨墊之調節。
將研磨液或研磨劑液之供給速度設為25 cm3/分鐘，將研磨壓盤之轉速設為68 rpm、將基板保持部之轉速設為68 rpm，將研磨壓力設為5 psi(34.5 kPa)，進行30分鐘之研磨。
(3-2)被研磨物
準備已使用金剛石研磨粒進行預研磨處理之3吋直徑之4H-SiC基板作為被研磨物。並且，使用相對於主面(0001)之C軸之偏離角為0°+0.25°以內之SiC單晶基板(軸上(On-axis)基板)，研磨Si面側並評價。
(3-3)研磨速度之測定
研磨速度係利用上述SiC單晶基板之每單位時間之厚度之變化量(nm/hr)進行評價。具體而言，測定厚度已知之未研磨基板之質量與研磨各時間後之基板質量，根據其差求出質量變化。並且，使用下述之式算出根據該質量變化而求出的基板之厚度之每單位時間之變化。將研磨速度之算出結果示於表1。
(研磨速度(V)之計算式)
△m=m0-m1
V=△m/m0×T0×60/t (式中，△m(g)為研磨前後之質量變化，m0(g)為未研磨基板之初始質量，m1(g)為研磨後基板之質量，V為研磨速度(nm/hr)，T0為未研磨基板之厚度(nm)，t為研磨時間(min))。
(3-4)原子台階之前端線部之平均線粗糙度(R)之測定
於寬2 μm×長1 μm之範圍內藉由AFM觀察利用例1~4之各研磨液及例5、6之各研磨劑液研磨之軸上基板之研磨後的主面，結果均確認到原子台階-階面結構之生成。繼而，根據所獲得之AFM圖像，對位於上述範圍內之複數個前端線部各者測定平均線粗糙度(Ra)，以其平均值之形式 求出R。再者，作為AFM，使用D3100(Veeco公司製造)。
於圖6中，以虛線表示前端線部2a之平均線粗糙度(Ra)之測定位置。於該圖中，符號1表示原子台階-階面結構中之階面。
繼而，根據上述(3-4)所求出之前端線部之平均線粗糙度(R)，使用下述式算出平均線粗糙度(R)相對於原子台階之高度(h)之比例(A)。將結果示於表1。
A(%)=(R(nm)/h(nm))×100
再者，包含矽與碳對之雙層原子台階之高度(h)係如上所述藉由1.008 nm/4而計算，約為0.25 nm。
由表1可知，於使用例1~4之研磨液之情形時，可對SiC單晶之軸上基板獲得較高之研磨速度，可實現高速研磨。又，根據研磨後之主面之AFM圖像，確認到原子台階-階面結構之生成，可獲得高平滑之已研磨主面。又，於原子台階-階面結構中，原子台階之前端線部之平均線粗糙度(R)相對於原子台階之高度(h)之理論值之比例(A)為20%以下，可獲得抑制由研磨所致之機械性損傷之原子等級之高加工精度。進而，由於研磨液不含研磨粒，故而可獲得無研磨粒殘渣之潔淨度較高之已研磨主面。
與此相對，於使用含有作為研磨粒之膠體二氧化矽與作為氧化劑之過氧化氫、及釩酸銨的例5之研磨劑液之情形時，與使用例1~4之研磨液之情形相比，研磨速度成為明顯較低之值。又，可知，雖根據研磨後之主面之AFM圖像，確認到原子台階-階面結構之生成，但原子台階之前端線部之平均線粗糙度(R)相對於原子台階之高度(h)之理論值的比例大於例1~4為24%，表面粗糙度惡化，由研磨所致之機械性損傷而於原子台階之前端線部產生缺損或凹陷。又，於已研磨主面觀察到認為係膠體二氧化矽之研磨粒殘渣。
又，於使用含有作為氧化劑之過錳酸鉀、進而含有作為研磨粒之膠體二氧化矽之例6之研磨劑液之情形時，亦與使用例1~4之研磨液之情形相比，研磨速度大幅降低。進而可知，雖根據研磨後之主面之AFM圖像，確認到原子台階-階面結構之生成，但原子台階之前端線部之平均線粗 糙度(R)相對於原子台階之高度(h)之理論值之比例大於例1~4為28%，表面粗糙度惡化，由研磨所致之機械性損傷而於原子台階之前端線部產生缺損或凹陷。又，於已研磨主面觀察到認為係膠體二氧化矽之研磨粒殘渣。
產業上之可利用性
藉由本發明之研磨液，能夠以較高之研磨速度研磨硬度較高且化學穩定性較高之碳化矽單晶基板，並且可獲得如下原子等級上加工精度較高之主面：其無損傷且平坦性及平滑性優異，生成原子台階-階面結構，並且可抑制利用台階流方式之磊晶成長中成為晶體成長之起點之原子台階前端線部之機械性損傷。因此，可實現碳化矽單晶基板上之高品質之半導體層之製膜，可有助於使用具有以上述方式製膜之半導體層之碳化矽單晶基板的電子裝置等之生產性之提高。
對本發明詳細地且參照特定之實施態樣進行了說明，但業者應知曉，可不脫離本發明之精神與範圍而施加各種變更或修正。
本申請案係基於2011年10月7日提出申請之日本專利申請2011-222782者，其內容係作為參照而併入此處。
1‧‧‧階面
2‧‧‧原子台階
2a‧‧‧前端線部
10‧‧‧研磨裝置
11‧‧‧研磨壓盤
12‧‧‧壓盤驅動馬達
13‧‧‧研磨墊
14‧‧‧研磨對象物
15‧‧‧基板保持構件
16‧‧‧滴加噴嘴
17‧‧‧研磨液
圖1(a)及(b)係模式性表示於本發明之實施形態之碳化矽單晶基板上，生成於主面之原子台階-階面結構，(a)為平面圖，(b)為放大立體圖。
圖2係表示4H-SiC單晶之晶體結構之圖。
圖3係表示可用於使用本發明之實施形態之研磨液之研磨的研磨裝置之一例之圖。
圖4係模式性表示於使用先前之研磨劑液而研磨之碳化矽單晶基板上，生成於主面之原子台階-階面結構，(a)為平面圖，(b)為放大立體圖。
圖5係模式性表示碳化矽單晶基板上之利用台階流方式之磊晶成長之圖。
圖6係表示於例1~6中，於CMP研磨後生成之原子台階-階面結構之前端線部之線粗糙度之測定位置的圖。
1‧‧‧階面
2‧‧‧原子台階
2a‧‧‧前端線部

Claims (7)

  1. 一種碳化矽單晶基板，其包括具有源自晶體結構之包含原子台階與階面之原子台階-階面結構之主面，且於上述原子台階-階面結構中，上述原子台階之前端線部之平均線粗糙度相對於上述原子台階之高度為20%以下之比例。
  2. 如請求項1之碳化矽單晶基板，其中上述主面係使晶體磊晶成長而形成碳化矽半導體層或氮化鎵半導體層之面。
  3. 一種研磨液，其用以對碳化矽單晶基板之特定之面方向之主面進行化學機械研磨，以使該主面具有源自晶體結構之包含原子台階與階面之原子台階-階面結構，並且於該原子台階-階面結構中，上述原子台階之前端線部之平均線粗糙度相對於上述原子台階之高度為20%以下之比例；且該研磨液含有氧化還原電位為0.5 V以上之包含過渡金屬之氧化劑與水，不含研磨粒。
  4. 如請求項3之研磨液，其中上述氧化劑為過錳酸根離子。
  5. 如請求項4之研磨液，其中上述過錳酸根離子之含量相對於研磨劑總量為0.05質量%以上、5質量%以下。
  6. 如請求項3至5中任一項之研磨液，其pH值為11以下。
  7. 如請求項6之研磨液，其pH值為5以下。
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