TWI831700B - 碳化矽基板及碳化矽磊晶晶圓 - Google Patents
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Abstract
本發明之課題係在於提供即使經過加工程序，也不易翹曲的SiC基板及SiC磊晶晶圓為目的。
作為解決手段，關於本實施形態的SiC基板係由厚度、和直徑、和關於從中心在[11-20]方向從外周端起10mm內側的第1外周端的應力求出的翹曲因數F為300μm以下。
Description
本發明係有關碳化矽(SiC)基板及碳化矽(SiC)磊晶晶圓。
碳化矽(SiC)與矽(Si)相比，絕緣破壞電場大1個數量級，能帶隙大3倍。又，碳化矽(SiC)係具有熱傳導率較矽(Si)高3倍程度等之特性。為此，碳化矽(SiC)有期望應用於功率裝置、高頻裝置、高溫動作裝置等。為此，近年以來，在如上所述的半導體裝置中，使用了SiC磊晶晶圓。
SiC磊晶晶圓係經由在從SiC晶錠切出的SiC基板的表面，層積SiC磊晶層而獲得。以下，將層積SiC磊晶層前的基板稱為SiC基板，將層積SiC磊晶層後的基板稱為SiC磊晶晶圓。
在層積SiC磊晶層之前的SiC基板係平坦的。從SiC基板到製造半導體裝置，有各種各樣的加工程序。SiC基板在經過加工程序時有可能翹曲。作為引起SiC基板翹曲的加工程序，例如有磊晶層的成膜、表面研磨、氧化膜形成、離子植入等。SiC基板的翹曲係對半導體裝置的程序會產生不利影響。例如，翹曲係會成為微影技術加工的焦點偏移的原因。又，翹曲係成為輸送程序中的晶圓的位置精度降低的原因。
另一方面，如上所述，加工前的SiC基板是平坦的，難以預想經過加工程序後的翹曲。例如，在專利文獻1中記載了為了在研磨結束前，預測研磨工程完成的SiC單結晶製品晶圓的翹曲值，使用拉曼散亂光的波數偏移量的差分。在專利文獻2中，揭示了在基板的厚度方向測定拉曼光譜，在厚度方向上應力的分佈降低的基板。又，例如在專利文獻3中，記載了經由緩和結晶學的疲勞，降低SiC基板的翹曲。另外，例如在專利文獻4中記載了經由增大晶錠的周方向的壓縮應力，來抑制晶錠的龜裂的情形。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2015-59073號公報
[專利文獻2]國際公開第2019/111507號
[專利文獻3]美國專利申請公開第2021/0198804號
[專利文獻4]日本特開2007-290880號公報
[發明欲解決之課題]
在專利文獻1及2中，雖使用拉曼位移來評估基板的內部應力，但拉曼位移不包含方向的資訊。又，專利文獻1~3中記載了減小應力的情形，但僅經由減小應力，不能充分抑制SiC磊晶晶圓的翹曲。又，專利文獻4中規定的應力是晶錠的應力，與SiC基板的應力不同。
本發明是鑒於上述問題而完成的，在於提供即使經過加工程序，也不易翹曲的SiC基板及SiC磊晶晶圓為目的。
[為解決課題之手段]
本發明人利用外周部應力、直徑和厚度，發現了與加工後的翹曲相關的新的係數(翹曲因數)。發現經由將該翹曲因數抑制在某一定值以下，能夠抑制加工後的翹曲，抑制裝置流動的障礙。本發明係為解決上述課題，提供以下之手段。
(1)關於第1形態的SiC基板係由厚度、和直徑、和關於從中心在[11-20]方向從外周端起10mm內側的第1外周端的應力求出的以下式(1)所表示的翹曲因數F為300μm以下。
在此，式(1)係以
加以表示。
式(1)中、K、a、b、c、d係滿足K=1.3373、a=
-11.67123、b=1.4030953、c=1.8050972、d=-1.585898之定數，σ係滿足σ=60(MPa)-2/3×S(MPa)，S係關於與前述第1外周端圓周方向相同的方向之＜1-100＞方向的內部應力，拉伸應力為正，壓縮應力為負者，t
s係前述厚度(mm)，R係前述直徑(mm)。
(2)關於上述形態的SiC基板中，前述翹曲因數F可為200μm以下。
(3)關於上述形態的SiC基板中，前述翹曲因數F可為100μm以下。
(4)關於上述形態的SiC基板中，前述翹曲因數F可為50μm以下。
(5)關於上述形態的SiC基板係前述直徑為145mm以上，前述厚度可為300μm以下。
(6)關於上述形態的SiC基板係前述直徑為195mm以上，前述厚度可為600μm以下。
(7)關於上述形態的SiC基板係前述厚度為400μm以下亦可。
(8)關於上述形態的SiC基板係前述直徑為210mm以上，前述厚度可為600μm以下。
(9)關於上述形態的SiC基板係前述直徑為290mm以上，前述厚度可為800μm以下。
(10)關於上述形態的SiC基板係前述厚度為600μm以下亦可。
(11)關於第2形態的SiC磊晶晶圓係具有關於上述形態的SiC基板、和層積在前述SiC基板的一面的SiC磊晶層。
[發明效果]
關於上述形態的SiC基板及SiC磊晶晶圓係即使經過加工程序亦不易翹曲。
以下，適當參照附圖對關於本實施形態的SiC基板等，進行詳細說明。在以下的說明中使用的圖面，為了容易理解本實施形態的特徵，為了方便有放大顯示成為特徵的部分之情形，各構成要素的尺寸比率等係有與實際不同之情形。在以下的說明中例示的材質、尺寸等僅係一個例子，本發明並不限定於此，可以在不變更其主旨的範圍適當變更實施。
首先，對於SiC基板10的翹曲加以說明。圖1係用於說明SiC基板10的翹曲的模式圖。
加工前之SiC基板10係大致平坦。所謂大致平坦，係指在載置於平坦面上時，沒有大幅上浮的部分。例如，在加工前的狀態下，SiC基板10的第1面10a和第2面10b係大致平行。第1面10a和第2面10b係SiC基板10之彼此相對的面。
經過加工程序時，在SiC基板10的第1面10a，形成處理層11。處理層11係例如由表面處理、成膜、裝置形成等而形成。當在SiC基板10的一面，形成處理層11時，SiC基板10有翹曲的情形。
例如，經由表面處理形成的處理層11係加工變質層。例如，在第1面10a為鏡面研磨面、第2面10b為CMP處理面的情況下，在第1面10a形成加工變質層。由於第1面10a和第2面10b的表面狀態的不同，在SiC基板10上產生特懷曼效應。特懷曼效應係在基板的兩面的殘留應力產生差的情况下，彌補兩面的應力的差的力所起作用的現象。特懷曼效應係可導致SiC磊晶晶圓20之翹曲。
又，例如，經由成膜形成的處理層11係磊晶層。磊晶層係例如在SiC基板10的第1面10a上成膜。由於形成有磊晶層第1面10a和第2面10b的狀態不同，有SiC基板10翹曲的情形。
又，例如，經由裝置形成的處理層11係裝置層。在裝置層上形成例如二極體、電晶體等。例如，為了在磊晶層上形成裝置而進行離子植入等時，SiC基板10會有翹曲。此係因為被離子植入的面和沒有被離子植入的面之間的狀態有所不同之故。
在此，雖提示了加工程序所引起SiC基板10翹曲的原因的一個例子，但翹曲的原因並不限於此，而亦有此等因素複合影響的情形。為此，在SiC基板10的狀態下，難以預測經過加工程序後的翹曲程度。本實施形態的SiC基板，經由新規定的翹曲因數F來規定經過加工程序後的翹曲程度。
圖2係關於本實施形態之SiC基板10之平面圖。SiC基板10係由SiC所成。SiC基板10的晶型則沒有特別限定，可為2H、3C、4H、6H中的任一者。SiC基板10係例如，4H-SiC。SiC基板10的俯視形狀為略圓形。SiC基板10係可具有用以掌握結晶軸之方向之定向平面OF或切口。
翹曲因數F係由SiC基板10的厚度t
s(參照圖1)、直徑R、第1外周端1的應力S求出的參數。
翹曲因數F係由下式(1)表示。
式(1)中，K、a、b、c、d係定數。滿足K=1.3373、a=
-11.67123、b=1.4030953、c=1.8050972、d=-1.585898。σ係滿足σ=60(MPa)-2/3×S(MPa)。S係第1外周端1的應力。t
s係SiC基板10的厚度(mm)，R係SiC基板10的直徑(mm)。
第1外周端1係位於距外周端10mm內側的外周部2，位於距中心C[11-20]的方向之點。應力S係關於與第1外周端1的圓周方向相同的方向之＜1-100＞方向的內部應力。然而，在本發明中，應力S為拉伸應力的情況為正，壓縮應力的情況為負。在討論應力S的大小時，用絕對值規定大小。
應力S係以應變ε和楊氏模數的乘積計算。應變ε係以(a
0-a)/a
0求得。a
0係基準晶格常數。a
0係4H-SiC之時，約3.08Å。a係由X線繞射法(XRD)求出的晶格常數。應力S的方向係由X射線繞射的入射X射線的方向求出。晶格常數a係越小於基準晶格常數a
0，則應變ε則變大，拉伸應力變大。晶格常數a係越大於基準晶格常數a
0，則應變ε則變大，壓縮應力變大。
圖3係用於說明第1外周端1的圓周方向的應力S的測定方法的模式圖。第1外周端1的圓周方向係與連接SiC基板10的中心C和第1外周端1的線段正交的方向(以下稱為第1方向)。第1方向係＜1-100＞方向。在測定第1外周端1的圓周方向的應力時，從第1方向照射X射線。經由從該圓周方向向SiC基板10入射X射線，求出第1外周端1的圓周方向的晶格常數a。然後，利用該晶格常數a，由上式求出第1外周端1的圓周方向的應力S。另外，在實測的晶格常數a小於基準晶格常數a
0的情况下，視為作用有拉伸應力，在實測的晶格常數a大於基準晶格常數a
0的情况下，視為作用有壓縮應力。
翹曲因數F係例如為300μm以下，200μm以下為佳，較佳為100μm以下，更佳為50μm以下。
上述翹曲因數F的值係SiC基板10的直徑滿足在145mm以上為佳，較佳係直徑滿足在195mm以上，更佳為直徑滿足在210mm以上，尤以直徑滿足在290mm以上為佳。
上述翹曲因數F的值係SiC基板10的厚度t
s為滿足800μm以下為佳，較佳係厚度t
s為滿足600μm以下，更佳係厚度t
s為400μm以下，尤以滿足厚度t
s為300μm以下為佳。
例如，SiC基板10直徑為290mm以上且厚度為800μm以下時，翹曲因數F為300μm以下為佳，較佳為200μm以下，更佳為100μm以下，尤以50μm以下為佳。又，SiC基板10直徑為290mm以上且厚度為600μm以下時，翹曲因數F為300μm以下為佳，較佳為200μm以下，更佳為100μm以下，尤以50μm以下為佳。
例如，SiC基板10直徑為210mm以上且厚度為600μm以下時，翹曲因數F為300μm以下為佳，較佳為200μm以下，更佳為100μm以下，尤以50μm以下為佳。
例如，SiC基板10直徑為195mm以上且厚度為600μm以下時，翹曲因數F為100μm以下為佳，較佳為50μm以下。又，SiC基板10直徑為195mm以上且厚度為400μm以下時，翹曲因數F為200μm以下為佳，較佳為100μm以下，更佳為50μm以下。
例如，SiC基板10直徑為145mm以上且厚度為300μm以下時，翹曲因數F為100μm以下為佳，較佳為50μm以下。
圖4係顯示SiC基板的翹曲的預測值、與翹曲因數F的關係的圖。翹曲因數F係根據上述之式(1)求出。
SiC基板的翹曲的預測值係以模擬求出。模擬係使用有限元素法ANSYS加以進行。另外確認使用有限元素法ANSYS的模擬，與實際製作物之結果一致。翹曲的預測值係第1面10a的最高點與最低點的厚度方向的距離，對應於Warp(翹曲度)。
模擬係按照以下步驟進行。首先，設定SiC基板及應力不同的表面層的物性值。設定的物性值係SiC基板的板厚、表面層的膜厚、楊氏模數、卜瓦松比。SiC基板的板厚、直徑係如後述的實施例所示設定了各種各樣者。SiC基板之楊氏模數係480GPa、卜瓦松比係0.20。表面層膜之膜厚係10μm。在此，考慮表面層經由離子植入產生應力的情況，表面層的楊氏模數及卜瓦松比係使用與SiC基板相同的值。
接著，設定SiC基板的應力分佈和表面層的應力。接著，設定SiC基板的應力分佈。SiC基板的應力為+60MPa、+30MPa、0MPa、-30MPa中的任一者。在表面層之整體，施加60MPa作為應力。在上述條件下進行模擬，求出附有表面層的SiC基板的翹曲。
如圖4所示，翹曲因數F係與由模擬求出的翹曲的預測值成比例的關係。翹曲因數F係反映SiC基板10的翹曲量。即，經由控制翹曲因數F，能夠控制加工程序後的翹曲。又，求出翹曲因數F時，則即使不進行模擬等也能夠容易地預測通過SiC基板10的加工程序後的翹曲量。
接著，對本實施形態的SiC基板10的製造方法的一例進行說明。SiC基板10係對SiC晶錠進行切片而得。SiC晶錠係例如經由昇華法獲得。
圖5係用於說明SiC晶錠的製造裝置30的一例的昇華法的模式圖。在圖5中，將與台座32的表面正交的方向設為z方向，將與z方向正交的一方向設為x方向，將與z方向及x方向正交的方向設為y方向。
昇華法係在配置在石墨製的坩堝31內的台座32，配置由SiC單結晶所成的種晶33，經由加熱坩堝31，將從坩堝31內的原料粉末34昇華後的昇華氣體，供給至種晶33，使種晶33成長為更大的SiC晶錠35的方法。坩堝31的加熱例如由線圈36進行。
用於計算翹曲因數F的SiC基板10的直徑R係由於製品規格而決定的參數。為此，對應所規定的SiC基板10的直徑R，控制SiC基板10的厚度t
s和第1外周端1的應力S，由此能夠製作所期望的SiC基板10。
首先經由控制昇華法中的結晶成長條件，可以控制施加在由SiC晶錠35所得的SiC基板10內部的應力。
例如，在使SiC晶錠35 c面成長時，控制結晶成長面的中心部的溫度和外周部的溫度。結晶成長面係結晶之成長過程之表面。例如，在使SiC晶錠35 c面成長時，使外周部的溫度較結晶成長面的中心部的溫度為低。又，以xy面內的中央和外周的成長速度差為0.001mm/h以上、0.05mm/h以下的方式進行結晶成長。在此，xy面內的中央的成長速度係較外周的成長速度慢。經由如此進行結晶成長，關於第1外周端1的應力S為壓縮應力的情況下可以減小其絕對值，關於第1外周端1的應力S為拉伸應力的情況下可以增大其絕對值。成長速度係經由改變結晶成長面的溫度而變化。
結晶成長面的溫度係可以經由控制線圈36對坩堝31的加熱中心的z方向的位置來調整。例如，坩堝31的加熱中心的z方向的位置可以通過改變線圈36的z方向的位置來變更。坩堝31的加熱中心的z方向的位置和結晶成長面的z方向的位置係以0.5mm/h控制離開。在此，控制坩堝31的加熱中心的z方向的位置，使其相對於結晶成長面的z方向的位置，位於下側(原料粉末34側)。
接著，將在如此條件下製作的SiC晶錠35加工成SiC基板10。在一般的加工方法中，在SiC晶錠35的狀態和SiC基板10的狀態下，施加於單結晶的應力會發生變化。例如，在成型工程中，從直徑180mm的SiC晶錠35加工成直徑150mm的SiC基板10時，需要減小直徑。又，例如，在多線切斷工程中，會產生表面的波紋，需要除去波紋。經過如此工程，例如，SiC晶錠35的應力大的部分被除去或晶格面的形狀發生變化，SiC晶錠35的狀態的應力係有在SiC基板10的狀態下開放之情形。施加於SiC晶錠35狀態的單結晶的應力被加工成被SiC基板10所繼承。
例如，對SiC晶錠35的單面實施無損傷加工後，用單線鋸切斷，吸附實施無損傷加工的面，對切斷面進一步進行無損傷加工。經由對SiC基板10的兩面進行無損傷加工，在SiC晶錠的狀態下產生的應力的一部分則也被SiC基板10繼承。無損傷加工係例如CMP加工。如此，經由進行基板加工以殘留SiC晶錠35的狀態的格子面形狀，SiC晶錠35所具有的應力被SiC基板10繼承。然後，經由進行調整直徑的成型工程，能夠調整SiC基板10的第1外周端1的應力。
又，在將SiC晶錠35加工成SiC基板10時，決定SiC基板10的厚度t
s。為了從SiC晶錠35增加SiC基板10的取出數量，減小SiC基板10的厚度雖可以提高生產效率，但是可設計SiC基板10的厚度t
s，使得翹曲因數F在特定值以內。從關於自SiC基板10的直徑R和SiC晶錠的狀態可預測的SiC基板10的應力，預測SiC基板10的厚度t
s的下限值，將SiC基板10的厚度設定為較該厚度t
s為厚。
為此，對應由規格規定的SiC基板10的直徑R，經由控制SiC基板10的厚度t
s和第1外周端1的應力S，能夠製作翹曲因數F為規定值以下的本實施形態的SiC基板10。
如上所述，由SiC基板10的直徑R、厚度t
s、應力S求出的翹曲因數F係與在SiC基板10上形成處理層11時，由模擬求出的翹曲量相關。又，在SiC基板10上形成處理層11時的模擬結果係與實測值相關。即，經由使用由SiC基板10的直徑R、厚度t
s、應力S求出的翹曲因數F，能夠簡便地預測經過加工程序後的SiC基板10的翹曲。
對應製品、加工程序的規格，經過加工程序後的SiC基板的翹曲容許值係有所不同。如上所述，能夠從加工前的SiC基板10的直徑R、厚度t
s、應力S的值預測得到加工程序後的SiC基板的翹曲量時，則能夠在加工前進行SiC基板10的分選，能夠降低加工程序中成為不良品的概或然率。又，經由在加工程序中不產生翹曲的範圍內使SiC基板10的膜厚t
s變薄，能夠從SiC晶錠35取得更多SiC基板10，能夠提高生產效率。來自SiC晶錠35的SiC基板10的取得枚數變多，經由降低伴隨翹曲的加工程序中的不良，能夠降低每1枚SiC基板10的成本。
以上，對本發明的較佳實施形態進行了詳細說明，但本發明並不限定於特定的實施形態，在專利請求範圍內記載的本發明的主旨的範圍內，可以進行各種變形、變更。
實施例
(實施例1)
在SiC基板的表面上，層積處理層時的翹曲，經由模擬加以求出。模擬係使用有限元素法ANSYS加以進行。另外確認使用有限元素法ANSYS的模擬，與實際製作物之結果一致。
模擬係按照以下步驟進行。首先，設定SiC基板及應力不同的表面層的物性值。設定的物性值係SiC基板的板厚、表面層的膜厚、楊氏模數、卜瓦松比。SiC基板之板厚係350μm。SiC基板之直徑係75mm。SiC基板之楊氏模數係480GPa、卜瓦松比係0.20。表面層之膜厚係0.01mm。在此，考慮處理層經由離子植入產生應力的情況，表面層的楊氏模數及卜瓦松比係使用與SiC基板相同的值。
然後，改變SiC基板的厚度和施加於SiC基板的第1外周端的應力，求出SiC基板的翹曲量。施加於第1外周端的應力分別以-30MPa(壓縮應力)、0MPa、+30MPa(拉伸應力)、+60MPa(拉伸應力)之4種模式求出。
(實施例2)
實施例2係與實施例1的不同之處在於，SiC基板的直徑為100mm。其他條件係與實施例1相同，以模擬求出SiC基板的翹曲量。
(實施例3)
實施例3係與實施例1的不同之處在於，SiC基板的直徑為150mm。其他條件係與實施例1相同，以模擬求出SiC基板的翹曲量。
(實施例4)
實施例4係與實施例1的不同之處在於，SiC基板的直徑為200mm。其他條件係與實施例1相同，以模擬求出SiC基板的翹曲量。
(實施例5)
實施例5係與實施例1的不同之處在於，SiC基板的直徑為250mm。其他條件係與實施例1相同，以模擬求出SiC基板的翹曲量。
(實施例6)
實施例6係與實施例1的不同之處在於，SiC基板的直徑為300mm。其他條件係與實施例1相同，以模擬求出SiC基板的翹曲量。
顯示實施例1~6中的各個結果，與翹曲參數F的關係者是為圖4。即，可以確認形成處理層後的SiC基板的翹曲的模擬結果，與形成處理層前的SiC基板的翹曲參數F之間存在相關性。
又，從實施例1~6的結果可知，SiC基板的直徑R越大，加工後的SiC基板的翹曲量越大。又，從實施例1~6的結果可知，SiC基板的厚度t
s越薄，加工後的SiC基板的翹曲量越大。又，從實施例1~6的結果可知，施加於SiC基板的第1外周端的應力為壓縮應力時，絕對值越小，施加於SiC基板的第1外周端的應力為拉伸應力時，絕對值越大，加工後的SiC基板的翹曲量越大。此結果係決定翹曲參數F的參數則與由SiC基板的直徑R、厚度t
s和應力S所求出之部分一致。
1:第1外周端
2:外周部
10:SiC基板
10a:第1面
10b:第2面
11:處理層
C:中心
R:直徑
S:應力
[圖1]用於說明SiC基板的翹曲的模式圖。
[圖2]關於本實施形態之SiC基板之平面圖。
[圖3]用於說明第1外周端的圓周方向的應力S的測定方法的模式圖。
[圖4]係顯示SiC基板的翹曲的預測(模擬)值、與翹曲因數的關係的圖。
[圖5]用於說明SiC晶錠的製造裝置的一例的昇華法的模式圖。
[圖6]顯示實施例1之SiC基板之翹曲之模擬結果圖。
[圖7]顯示實施例2之SiC基板之翹曲之模擬結果圖。
[圖8]顯示實施例3之SiC基板之翹曲之模擬結果圖。
[圖9]顯示實施例4之SiC基板之翹曲之模擬結果圖。
[圖10]顯示實施例5之SiC基板之翹曲之模擬結果圖。
[圖11]顯示實施例6之SiC基板之翹曲之模擬結果圖。
1:第1外周端
2:外周部
10:SiC基板
C:中心
OF:定向平面
R:直徑
S:應力
Claims (11)
- 一種碳化矽基板，其特徵係由厚度、和直徑、和關於從中心在[11-20]方向從外周端起10mm內側的第1外周端的應力求出的以下式(1)所表示的翹曲因數F為300μm以下； 式(1)中， K、a、b、c、d係滿足K=1.3373、a=-11.67123、b=1.4030953、c=1.8050972、d=-1.585898之定數， σ係滿足σ=60(MPa)-2/3×S(MPa)， S係關於與前述第1外周端圓周方向相同的方向之＜1-100＞方向的內部應力，拉伸應力為正，壓縮應力為負者，t s係前述厚度(mm)，R係前述直徑(mm)。
- 如請求項1記載之碳化矽基板，其中，前述翹曲因數F為200μm以下。
- 如請求項1記載之碳化矽基板，其中，前述翹曲因數F為100μm以下。
- 如請求項1記載之碳化矽基板，其中，前述翹曲因數F為50μm以下。
- 如請求項1記載之碳化矽基板，其中，前述直徑為145mm以上，前述厚度為300μm以下。
- 如請求項1記載之碳化矽基板，其中，前述直徑為195mm以上，前述厚度為600μm以下。
- 如請求項6記載之碳化矽基板，其中，前述厚度為400μm以下。
- 如請求項1記載之碳化矽基板，其中，前述直徑為210mm以上，前述厚度為600μm以下。
- 如請求項1記載之碳化矽基板，其中，前述直徑為290mm以上，前述厚度為800μm以下。
- 如請求項9記載之碳化矽基板，其中，前述厚度為600μm以下。
- 一種碳化矽磊晶晶圓，其特徵係具有如請求項1~10之任一項記載的碳化矽基板、和層積在前述碳化矽基板的一面的碳化矽磊晶層。
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