TWI659463B - 碳化矽基板之蝕刻方法及收容容器 - Google Patents
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Abstract
提供一種基於收容容器之組成而對碳化矽基板之蝕刻速度進行控制的方法。本發明之蝕刻方法，係藉由在將碳化矽基板收容於坩堝之狀態下且於Si的蒸汽壓力下加熱，而對碳化矽基板進行蝕刻。坩堝係構成為包含鉭金屬，並於比該鉭金屬靠內部空間側設置有碳化鉭層，且於比該碳化鉭層更靠內部空間側設置有矽化鉭層。並且，根據矽化鉭層之組成的差異，對碳化矽基板之蝕刻速度進行控制。
Description
本發明主要關於一種使用在內部空間側設置有矽化鉭層的收容容器而對碳化矽基板進行蝕刻之方法。
先前已知有一種蝕刻方法，該蝕刻方法藉由將碳化矽(SiC)基板收容於收容容器，且於將此收容容器內設定為高純度之矽(Si)的蒸汽壓力之狀態下進行加熱，對碳化矽基板之表面進行蝕刻(Si的蒸汽壓力蝕刻)。專利文獻1及2揭示此種技術。
專利文獻1中揭示有一種為了將收容容器內設定為Si的蒸汽壓力，而於收容容器內配置Si顆粒(固態的Si)的方法。此外，專利文獻2中揭示有一種為了將收容容器內設定為Si的蒸汽壓力，使Si黏著於收容容器內側之壁面的方法。
其中，專利文獻1之方法中，有可能於Si的壓力分佈上產生偏差。此外，專利文獻2之方法中，例如，黏著於收容容器的上側之壁面的Si有可能熔融而掉落於碳化矽基板。
考慮到上述因素，於專利文獻3中提出一種以矽化鉭層構成收容容器之內部空間側，將此矽化鉭層作為Si蒸汽的供給源之方法。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開2011-233780號公報
專利文獻2：日本特開2008-230944號公報
專利文獻3：日本特開2014-103180號公報
近年來，蝕刻速度之控制已受到重視。例如，已知藉由對碳化矽基板進行加熱，有時可能產生台階聚束(step bunching)，但能否除去此台階聚束，則依蝕刻速度而定。在此，對在將Si的蒸汽壓力蝕刻應用於SiC製造製程時，與在下述步驟中的碳化矽基板之蝕刻速度相關的技術課題進行說明，這些步驟包含供磊晶生長(Epitaxy Growth)之碳化矽基板的加工步驟及具有被離子植入之磊晶生長層的碳化矽基板之活化退火步驟。
首先，對供磊晶生長之碳化矽基板的加工步驟進行說明。碳化矽基板係藉由將晶碇切割成規定的厚度而獲得。在自晶碇切割成碳化矽基板之狀態下，表面粗糙
度大，因而需要進行機械研磨(MP)及化學機械研磨(CMP)等之加工步驟而將表面研磨平坦。然而，藉由進行機械研磨及化學機械研磨等，雖能大致除去殘留於碳化矽基板的表面之研磨損傷，但仍有可能殘留一部分較深之研磨損傷、或因於機械研磨時及化學機械研磨時等對碳化矽基板的表面施加壓力而形成之結晶性凌亂之變質層(以下稱為潛傷)。此研磨損傷或潛傷，根據情況的不同有時可能達到數十μm之深度，為了有效率地除去此種損傷，希望能將蝕刻速度加快。
此外，於具有被離子植入之磊晶生長層之碳化矽基板的活化退火步驟中，需要提供作為離子而植入之雜質(以下，稱為摻雜物)於SiC晶格位置被取代(活化)之充分的高溫，並需要藉由蝕刻精密地除去自碳化矽基板之表面至規定之深度而存在的摻雜物濃度不足的摻雜物不足部分(約數十至數百nm級)。然而，若過多地對碳化矽基板進行蝕刻，則有可能連摻雜物濃度充分之部分也被除去。因此，對於具有被離子植入之磊晶生長層之碳化矽基板，需要於不產生台階聚束之蝕刻速度下正確地控制蝕刻深度，因而較佳為，可適宜地使蝕刻速度減慢。
再者，作為與蝕刻速度相關之參數，已知還有加熱溫度、Si的壓力、及惰性氣體之壓力等。然而，由於除了蝕刻速度外，也能考慮藉由控制這些參數來產生影響，因此較佳為，能以各種之方法控制蝕刻速度。
本發明係鑒於以上問題而完成，其主要目的
在於，提供一種基於收容容器之組成而對碳化矽基板之蝕刻速度進行控制的蝕刻方法。
(解決問題之技術手段及功效)
本發明所欲解決之問題誠如上述，下面對用以解決此問題之技術手段及其功效進行說明。
根據本發明之第一方面，提供以下之碳化矽基板之蝕刻方法。亦即，此蝕刻方法係藉由在將碳化矽基板收容於收容容器之狀態下且於Si的蒸汽壓力下加熱該碳化矽基板，而對該碳化矽基板進行蝕刻。上述收容容器係構成為包含鉭金屬，並於比該鉭金屬靠內部空間側設置有碳化鉭層，且於比該碳化鉭層更靠內部空間側設置有矽化鉭層。並且，根據上述矽化鉭層之組成的差異，對上述碳化矽基板之蝕刻速度進行控制。
藉此，不用變更加熱溫度及Si的壓力等，能控制碳化矽基板之蝕刻速度。
於上述碳化矽基板之蝕刻方法中，較佳為，上述矽化鉭層包含TaSi2、Ta5Si3、Ta2Si、Ta3Si、Ta5Si3C0.5之任一者。
藉此，能使用由Ta及Si構成之普通化合物對蝕刻速度進行控制。
於上述碳化矽基板之蝕刻方法中，較佳為，使用上述矽化鉭層之組成互不相同之至少2個上述收容容器，且根據實施之處理分開使用上述收容容器。
藉此，只要變更收容容器，不用變更溫度條件等，就能實施要求蝕刻速度不同之處理。
於上述碳化矽基板之蝕刻方法中，較佳為依以下方式構成。亦即，能實施高速蝕刻及低速蝕刻。於進行高速蝕刻之情況，使用構成上述矽化鉭層的化合物之1分子中所佔之鉭的比例相對較高之上述收容容器。於進行低速蝕刻之情況，使用構成上述矽化鉭層的化合物之1分子中所佔之鉭的比例相對較低之上述收容容器。
藉此，於鉭的比例高之情況下，氣體氛圍中之碳原子容易被吸收，因此蝕刻速度變快。藉此，如上述，藉由分開使用收容容器，能以適宜之速度進行蝕刻。
根據本發明之第二方面，提供一種於上述碳化矽基板之蝕刻方法中使用的收容容器。
藉此，能實現不用變更加熱溫度及Si之壓力等，可控制碳化矽基板之蝕刻速度的收容容器。
10‧‧‧高溫真空爐
30‧‧‧坩堝(收容容器)
40‧‧‧碳化矽基板
圖1為說明用於本發明之蝕刻方法之高溫真空爐的概要之圖。
圖2為顯示低速蝕刻用的坩堝之壁面的構成及坩堝之X光繞射圖案之圖。
圖3為顯示高速蝕刻用的坩堝之壁面的構成及坩堝之X光繞射圖案之圖。
圖4為顯示根據Si及Si化合物之溫度之分壓的變化之曲線圖。
圖5為說明坩堝具有的碳吸附功能之概略圖。
圖6為對使用內壁面為TaSi2之坩堝的情況與使用內壁面為Ta3Si5之坩堝的情況之蝕刻速度進行比較之曲線圖。
圖7為顯示改變進行蝕刻時之惰性氣體的壓力(即蝕刻速度)而進行蝕刻時的碳化矽基板表面的顯微鏡照片及表面粗糙度之圖。
圖8為顯示與距碳化矽基板表面之深度相應的摻雜物濃度、尤其是摻雜物不足部分之曲線圖。
圖9為Ta-C-Si之相位圖。
下面，參照圖式對本発明之實施形態進行說明。首先，參照圖1對本實施形態之加熱處理中採用之高溫真空爐10進行說明。
如圖1所示，高溫真空爐10具備主加熱室21及預備加熱室22。主加熱室21可將至少表面由單晶SiC構成之碳化矽基板40(單晶碳化矽基板)加熱至1000℃以上且2300℃以下的溫度。預備加熱室22係用以進行預備加熱的空間，該預備加熱係於利用主加熱室21對碳化矽基板40加熱之前進行。
於主加熱室21連接有真空形成用閥23、惰性
氣體注入用閥24及真空計25。真空形成用閥23能調整主加熱室21之真空度。惰性氣體注入用閥24能調整主加熱室21內的惰性氣體(例如Ar氣體)之壓力。真空計25能測量主加熱室21內之真空度。
主加熱室21之內部具備加熱器26。此外，於主加熱室21之側壁或頂部固定有省略圖示的熱反射金屬板，此熱反射金屬板係構成為使加熱器26的熱朝主加熱室21之中央部反射。藉此，能強有力且均勻地加熱碳化矽基板40，使其昇溫至1000℃以上且2300℃以下的溫度。再者，作為加熱器26例如可使用電阻加熱式之加熱器或高頻感應加熱式之加熱器。
此外，碳化矽基板40係於收容於坩堝(收容容器)30之狀態下被加熱。坩堝30係載置於適宜之支撐台等上，且被構成為藉由移動此支撐台，至少能自預備加熱室移動至主加熱室。坩堝30具備能相互嵌合之上容器31及下容器32。再者，關於坩堝30之詳細構成，容待後述。
於對碳化矽基板40進行加熱處理時，首先如圖1之點劃線所示，將坩堝30配置於高溫真空爐10的預備加熱室22，且以適宜之溫度(例如，約800℃)進行預備加熱。接著，使坩堝30朝預先被昇溫至設定溫度(例如，約1800℃)之主加熱室21移動。然後，一面調整壓力等一面加熱碳化矽基板40。再者，也可省略預備加熱。
其次，參照圖2及圖3對坩堝30之壁面的組
成及矽化鉭層之形成方法進行說明。
坩堝30係於構成收容碳化矽基板40的內部空間之壁面(上面、側面、底面)的部分，成為圖2所示之構成。具體而言，坩堝30係自外部側朝內部空間側依序由鉭層(Ta)、碳化鉭層(TaC及Ta2C)、及矽化鉭層(TaSi2或Ta5Si3等)構成。
此矽化鉭層係朝內部空間供給Si。此外，由於坩堝30包含有鉭層及碳化鉭層，因此能取入周圍之C蒸汽。藉此，能將內部空間內設定為高純度之Si的氣體氛圍。
由鉭層及碳化鉭層構成之坩堝早已周知。本實施形態中，於此坩堝形成矽化鉭層。具體而言，藉由將預先於高溫下汽化之Si配置在坩堝的內部空間，於例如10Pa以下之減壓下以1800℃加熱15分鐘，如圖2(a)所示，形成以TaSi2為組成之矽化鉭層。圖2(b)顯示依上述方式製作之矽化鉭層的X光繞射圖案。圖2(b)中標示有圓符號之峰值顯示碳化鉭，其他之峰值顯示TaSi2。如此，可見藉由利用上述方法形成矽化鉭層，能充分地形成TaSi2。
作為矽化鉭層，除了TaSi2外，也可形成Ta5Si3(參照圖3(a))。該情況下，與上述同樣將汽化之Si導入坩堝的內部空間，於例如10Pa以下之減壓下以2000℃加熱15分鐘。圖3(b)顯示依上述方式製作之矽化鉭層的X光繞射圖案。圖3(b)中標示有圓符號之峰值顯示碳化
鉭，其他之峰值顯示Ta5Si3。如此，可見藉由利用上述方法形成矽化鉭層，能充分地形成Ta5Si3。
圖4為顯示Si、SiC、TaSi2及Ta5Si3之Si的蒸汽壓力之分壓之曲線圖。由圖4可知，自TaSi2及Ta5Si3供給之Si的蒸汽壓力顯示非常高的壓力。藉此，顯然矽化鉭層成為供給於坩堝30之內部空間的Si的供給源。此外，矽化鉭層被形成於構成內部空間之壁面全體。藉此，能將內部空間之Si的壓力分佈均勻化。藉此，能均勻地對碳化矽基板40進行蝕刻。
其次，參照圖5及圖6對本實施形態中進行之Si的蒸汽壓力蝕刻(以下，簡稱為蝕刻)進行說明，並對使用組成不同之坩堝30的情況下之蝕刻速度之差異進行說明。
本實施形態中，將碳化矽基板40收容於坩堝30，於高純度之Si的蒸汽壓力下，且於1500℃以上且2200℃以下、較適為1600℃以上且2000℃以下的溫度範圍內，使用高溫真空爐10進行加熱，對碳化矽基板40之表面進行蝕刻。於此蝕刻時，進行以下所示之反應。若簡單地說明，藉由在Si的蒸汽壓力下將碳化矽基板40加熱，Si蒸汽因熱分解而自SiC脫離。此外，自矽化鉭層供給有Si蒸汽。因Si蒸汽經熱分解脫離而殘留之C，藉由與Si蒸氣反應，成為Si2C或SiC2等而昇華。
(1)SiC(s) → Si(v)I+C(s)
(2)TaxSiy → Si(v)II+Tax，Siy，
(3)2C(s)+Si(v)I+II → SiC2(v)
(4)C(s)+2Si(v)I+II → Si2C(v)
若上述反應繼續反應，式(3)及式(4)中產生之SiC2及Si2C變得過剩，其結果會造成式(1)至(4)之反應速度降低。然而，本實施形態中，採用圖2所示之坩堝30的情況，SiC2與TaSi2反應而產生TaC及Si。此外，採用圖3所示之坩堝30的情況，SiC2與Ta5Si3反應而產生Ta2C及TaSi2。如此，SiC2含有之C被取入於坩堝30之鉭(參照圖5)。此外，於產生有Si之情況，此Si被再次用於除去殘留於碳化矽基板40之C原子的反應。藉此，能不使反應速度下降而繼續進行蝕刻。
考慮到以上內容，可認為蝕刻速度係與SiC2及Si2C取入C原子之速度密切相關。藉此，可認為構成矽化鉭層之化合物含有之鉭的物質量的比例越高，則蝕刻速度越快。此外，SiC2與TaSi2之反應的壓力平衡常數，係比SiC2與Ta5Si3之反應的壓力平衡常數小。藉此，可認為使用矽化鉭層為TaSi2之坩堝30的情況之蝕刻速度，比使用矽化鉭層為Ta5Si3之坩堝30的情況的蝕刻速度慢。
圖6為顯示使用矽化鉭層為TaSi2之坩堝30、及矽化鉭層為Ta5Si3之坩堝30，於高真空下(10-4Pa)且以1650℃至2100℃之溫度，對偏離角為4°之4H-SiC的(0001)面進行蝕刻時之結果的圖。由圖6之曲線圖可以確認，含有TaSi2之坩堝30比含有Ta5Si3之坩堝30，蝕
刻速度大幅變慢。
如此，本實施形態中，藉由分開使用矽化鉭層之組成不同的坩堝30，能不用變更加熱溫度等而容易地改變蝕刻速度。下面對分開使用坩堝30之具體狀況進行說明。
根據申請人等的實驗，已確認有以下之現象，即：藉由將蝕刻速度設定為規定之臨界值以上可將台階聚束除去，而於蝕刻速度比規定之臨界值小的情況下，例如即使長時間進行蝕刻，也無法將台階聚束除去。圖7為顯示改變進行蝕刻時之惰性氣體(Ar氣體)的壓力(即蝕刻速度)而進行蝕刻之情況下的碳化矽基板40之表面的顯微鏡照片及表面粗糙度之圖。如圖7所示，可知於本實驗之條件下，於惰性氣體之壓力為1.3kPa之情況下，表面粗糙度高，自顯微鏡照片中也可看出明顯殘留有台階聚束。於惰性氣體之壓力為133Pa之情況下，表面粗糙度顯著下降，自顯微鏡照片中也可看出一部分台階聚束已被除去。於惰性氣體之壓力為13Pa及1.3Pa之情況及高真空的情況下，表面粗糙度進一步下降，自顯微鏡照片中也可看出台階聚束已被大致上完全除去。如此，可根據惰性氣體之壓力(即蝕刻速度)，選擇是否除去台階聚束。不產生台階聚束之碳化矽基板40，不會產生電場之局部集中等，因而作為半導體單元之性能高。然而，已知產生有台階聚束之碳化矽基板40，例如於進行溶液生長法時，能進一步消除結晶缺陷(錯位)之影響。藉此，較佳為，根據
狀況對有無台階聚束之產生進行切換。
本實施形態中，只要分開使用坩堝30，就能切換蝕刻速度，因此，於製造不產生台階聚束之碳化矽基板40的情況下，只要使用矽化鉭層為Ta5Si3之坩堝30進行蝕刻(高速蝕刻)即可。另一方面，於製造產生有台階聚束之碳化矽基板40的情況，只要使用矽化鉭層為TaSi2之坩堝30進行蝕刻(低速蝕刻)即可。
接著，對分開使用坩堝30之其他狀況進行說明。首先，於供磊晶生長之碳化矽基板40的加工步驟中，將由4H-SiC單晶或6H-SiC單晶構成之晶碇切割成規定的厚度。然後，為了除去切斷時形成於碳化矽基板40之表面的凹凸，進行機械研磨及化學機械研磨等的加工。由於此凹凸之高低差相當大，因此要求能以高速對碳化矽基板40進行研磨。此外，因機械研磨時等對碳化矽基板40之表面施加有壓力，結晶性凌亂之變質層(以下稱為潛傷)根據情況有時可能達到數十μm之深度，於除去此潛傷之情況也要求以高速對碳化矽基板40進行研磨。藉此，為了機械研磨及化學機械研磨等之取代、或為了除去潛傷，藉由使用矽化鉭層為Ta5Si3之坩堝30，能比先前更容易進行蝕刻(高速蝕刻)。
此外，於具有被離子植入之磊晶生長層的碳化矽基板40之活化退火步驟中，對經過了上述加工步驟之碳化矽基板40進行磊晶層生長、離子植入、及作為離子而植入之雜質(以下，稱為摻雜物)的活化。並且，為了
除去摻雜物不足部分、及將因離子植入而粗化的表面加工平坦，有被進行蝕刻。若具體地說明，摻雜物不足部分係隨離子植入條件而異，例如存在於自碳化矽基板40之表面至約數十nm~數百nm的區域內。圖8顯示與距碳化矽基板40之表面的深度相應之摻雜物濃度的一例，圖8中，於自表面至數十nm之部分，摻雜物濃度低，隨著比約500nm更深，摻雜物濃度下降。藉此，為了既要將摻雜物不足部分除去同時又要殘留具有充分之摻雜物濃度的部分，需要對蝕刻量進行精密控制，因此較佳為將蝕刻速度設定為低速。然而，如上述，於蝕刻速度比規定之速度低的情況下，無法消除台階聚束。因此，為了防止此蝕刻將充分地存在有摻雜物之部分過多地除去，只要採用矽化鉭層為TaSi2之坩堝30，且於不產生台階聚束之條件下進行精密的蝕刻(低速蝕刻)即可。
藉此，於潛傷之除去時及離子植入後的蝕刻時，藉由使用矽化鉭層不同的坩堝30，不用太改變加熱溫度等，就能以適當之蝕刻速度進行蝕刻。
如以上之說明，本實施形態之蝕刻方法，係藉由在將碳化矽基板40收容於坩堝30之狀態下且於Si的蒸汽壓力下加熱，而對碳化矽基板40進行蝕刻。坩堝30係構成為包含鉭金屬，並於比該鉭金屬靠內部空間側設置有碳化鉭層，於比該碳化鉭層更靠內部空間側設置有矽化鉭層。並且，根據矽化鉭層之組成的差異，對碳化矽基板40之蝕刻速度進行控制。
藉此，不用變更加熱溫度及Si的壓力等，能控制碳化矽基板40之蝕刻速度。
於本實施形態之碳化矽基板40之蝕刻方法中，使用矽化鉭層之組成互不相同(具體為TaSi2或Ta5Si3)之至少2個坩堝30，且根據實施之處理分開使用坩堝30。
藉此，只要變更坩堝30，不用變更溫度條件等，就能實施要求蝕刻速度不同之處理。
此外，於本實施形態之碳化矽基板40之蝕刻方法中，能實施高速蝕刻及低速蝕刻。於進行高速蝕刻之情況，使用構成矽化鉭層之化合物之1分子中所佔之鉭的比例相對較高(具體為Ta5Si3)之坩堝30。於進行低速蝕刻之情況，使用構成矽化鉭層之化合物之1分子中所佔之鉭的比例相對較低(具體為TaSi2)之坩堝30。
藉此，於鉭之比例高的情況下，氣體氛圍中之碳原子容易被吸收，因此蝕刻速度變快。藉此，如上述，藉由分開使用坩堝30，能以適宜之速度進行蝕刻。
以上對本發明之較佳實施形態進行了說明，但上述構成例如也能依如下方式進行變更。
於上述實施形態中，作為矽化鉭，係形成有TaSi2或Ta5Si3的構成，但也可形成以其他之化學式表示的矽化鉭。例如，如圖9之相位圖所示，也可形成Ta2Si、Ta3Si或Ta5Si3C0.5。再者，於本說明書中，像Ta5Si3C0.5那樣即使含有其他之原子，也可視同矽化鉭層
者。
上述實施形態中，於1個坩堝30之內壁面整體形成有相同組成的矽化鉭，但也可於1個坩堝30之內壁面形成複數組成的矽化鉭。此情況下，能僅對碳化矽基板40之一部分表面使蝕刻速度加快或減慢，考慮此點還能生成所期形狀的碳化矽基板40。
上述說明之溫度條件及壓力條件等僅為一例而已，可適宜變更。此外，也可採用上述高溫真空爐10以外之加熱裝置、或者使用與坩堝30不同之形狀或素材之容器。例如，收容容器之外形不限於圓柱狀，也可為立方體狀或長方體狀。
Claims (5)
- 一種碳化矽基板之蝕刻方法，係藉由在將碳化矽基板收容於收容容器之狀態下且於Si的蒸汽壓力下加熱該碳化矽基板，而對該碳化矽基板進行蝕刻之蝕刻方法，其特徵在於：上述收容容器係構成為包含鉭金屬，並於比該鉭金屬靠內部空間側設置有碳化鉭層，於比該碳化鉭層更靠內部空間側設置有矽化鉭層，且根據上述矽化鉭層之組成的差異，對上述碳化矽基板之蝕刻速度進行控制。
- 如請求項1之碳化矽基板之蝕刻方法，其中，上述矽化鉭層包含TaSi2、Ta5Si3、Ta2Si、Ta3Si、Ta5Si3C0.5之任一者。
- 如請求項1之碳化矽基板之蝕刻方法，其中，使用上述矽化鉭層之組成互不相同之至少2個上述收容容器，且根據實施之處理分開使用上述收容容器。
- 如請求項3之碳化矽基板之蝕刻方法，其中，能實施高速蝕刻及低速蝕刻，於進行高速蝕刻之情況，使用構成上述矽化鉭層之化合物之1分子中所佔之鉭的比例相對較高之上述收容容器，於進行低速蝕刻之情況，使用構成上述矽化鉭層之化合物之1分子中所佔之鉭的比例相對較低之上述收容容器。
- 一種收容容器，其特徵在於：該收容容器係於如請求項1至4中任一項之碳化矽基板之蝕刻方法中使用。
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