WO2016113924A1 - 半導体積層体 - Google Patents

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Abstract

半導体積層体は、 第１の主面と、第１の主面と反対側の主面である第２の主面とを有する炭化珪素基板と、第１の主面上に設けられた炭化珪素からなるエピ層と、を備える。第２の主面の粗さの、平均値はＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下であり、標準偏差は平均値の２５％以下である。

Description

半導体積層体
　本開示は半導体積層体に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に炭化珪素からなるエピ層を設ける技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０１３－３４００７号公報
本開示の半導体積層体は、 第１の主面と、第１の主面と反対側の主面である第２の主面とを有する炭化珪素基板と、第１の主面上に設けられた炭化珪素からなるエピ層と、を備える。第２の主面の粗さの、平均値はＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下であり、標準偏差は平均値の２５％以下である。
図１は半導体積層体の構造を示す概略断面図である。 図２は半導体積層体の製造方法の概略を示すフローチャートである。 図３は半導体積層体の製造方法を説明するための概略断面図である。 図４はホルダの構造を示す概略斜視図である。
  本発明者らの検討によれば、エピ層に高い品質が付与された場合でも、炭化珪素基板上にエピ層が設けられた半導体積層体を用いて製造される半導体装置の特性が低下したり、製造時の歩留りが低下したりする場合がある。より具体的には、半導体積層体を用いた半導体装置の製造工程において実施されるフォトリソグラフィープロセスにおける精度が低下し、得られる半導体装置の特性がばらつき、歩留りが低下する場合がある。本発明者らは、通常着目されない炭化珪素基板のエピ層とは反対側の主面（裏面）における粗さの平均値およびばらつきを所定の範囲とすることで、上記問題の発生を抑制可能であることを見出した。具体的には、裏面の粗さの、平均値をＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下とし、かつ標準偏差を平均値の２５％以下とすることにより、上記問題の発生を抑制できる。
また、炭化珪素基板の厚み方向に電流が流れる縦型半導体装置の裏面電極の接触抵抗が上昇する場合がある。具体的には、炭化珪素基板の裏面に裏面電極を有する半導体装置を製造する際には、裏面電極と裏面をオーミック接合する工程が設けられる。オーミック接合する工程においては、レーザアニールが用いられる場合がある。裏面の粗さの、平均値をＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下とし、かつ標準偏差を平均値の２５％以下とすることにより、レーザアニール時の熱吸収のばらつきが抑制される。したがって、裏面と電極のオーミック接合の均一性が向上する。つまり、裏面電極の接触抵抗の上昇が抑制される。
  本開示の半導体積層体においては、裏面の粗さの、平均値はＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下であり、標準偏差は上記平均値の２５％以下である。本開示によれば、炭化珪素を材料として採用した半導体装置に優れた特性を安定して付与することが可能な半導体積層体を提供できる。
  裏面（第２の主面）の粗さの平均値および標準偏差は、たとえば以下のようにして調査できる。裏面の算術平均粗さ（Ｒａ）の測定を複数回実施し、その平均値および標準偏差を算出する。測定は、裏面の中心から径方向に直線的に実施することができる。裏面の外周から３ｍｍ以内の領域については、測定対象から除外する。１回の測定における測定距離は、たとえば４００μｍとする。最初の測定を裏面の中心から開始し、測定距離４００μｍの測定が完了すると、径方向にたとえば１０ｍｍの間隔をおいて次の測定を測定距離４００μｍにて実施する。これを測定領域が裏面の外周から３ｍｍ以内の領域に到達するまで繰り返す。そして、得られた複数の粗さ（Ｒａ）のデータから裏面全体における平均値および標準偏差を算出する。粗さの測定には、たとえばレーザ顕微鏡を使用できる。レーザ顕微鏡としては、たとえば株式会社キーエンス製ＶＫ－８７００またはＶＫ－９７００を採用できる。これらのレーザ顕微鏡を用いるにあたって、対物レンズの倍率は５倍程度が好ましい。
上記半導体積層体のｂｏｗは、第１の主面を上にしたとき０μｍを超え１０μｍ以下であってもよい。ｂｏｗ測定には、たとえばＴＲＯＰＥＬ社製ＦｌａｔＭａｓｔｅｒが用いられる。ＦｌａｔＭａｓｔｅｒにおいては、半導体積層体の外周から３ｍｍを除いた領域について測定される。より詳細には、レーザ光が測定領域全面に一括で照射され半導体積層体表面の高低差情報が干渉縞として検出される。測定装置において最小二乗平面を基準面とし、半導体積層体の中央部と基準面との差分がｂｏｗとして算出される。被測定面を下にしたときｂｏｗの値が正である場合、半導体積層体は上に凸の形状を有している。一方、ｂｏｗの値が負である場合、半導体積層体は下に凸の形状を有している。半導体積層体のｂｏｗが第１の主面を上にしたとき０μｍを超え１０μｍ以下であると、以下の点で有用である。
半導体装置の製造プロセスにおいては、半導体積層体を加熱する工程がある。例えば、フォトリソグラフィのベーク工程や、プラズマＣＶＤ、高温イオン注入などである。これらの工程において半導体積層体は、表面を上側にして加熱されたステージやサセプタ上に載置される。よって、これらの工程において半導体積層体は、その裏面側から加熱される。半導体積層体の裏面の面粗さが均一であり、ｂｏｗが０μｍを超え１０μｍ以下であると加熱による変形が抑制される。よって、半導体装置の製造工程中の半導体積層体の変形による加工ばらつきが抑制される。
  上記半導体積層体の直径は７５ｍｍ以上であってもよい。上記問題の発生は、大口径の基板において特に顕著となる。そのため、直径７５ｍｍ以上の半導体積層体に、本開示の半導体積層体は好適である。上記半導体積層体の直径は１００ｍｍ以上であってもよく、１５０ｍｍ以上であってもよく、２００ｍｍ以上であってもよい。
  上記半導体積層体において、上記基板および上記エピ層は多数キャリアを生成させる不純物を含み、その不純物の濃度が上記エピ層に比べて上記基板において高くなっていてもよい。このような半導体積層体は、縦型半導体装置の製造に適している。そして、上記問題のうち一部は、縦型半導体装置の製造において顕著に発生する。そのため、不純物の濃度がエピ層に比べて基板において高い半導体積層体に、本開示の半導体積層体は好適である。
  ［実施形態の詳細］
  次に、本開示にかかる半導体積層体の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない場合がある。
  図１を参照して、本実施の形態における半導体積層体１は、円盤状の形状を有し、炭化珪素基板１０と、炭化珪素基板１０の第１の主面１０Ａ上にエピタキシャル成長により形成され、炭化珪素からなるエピ層２０と、を備える。半導体積層体１の直径は、たとえば７５ｍｍである。半導体積層体１の直径は、１００ｍｍ以上であってもよく、１５０ｍｍ以上であってもよく、２００ｍｍ以上であってもよい。
  炭化珪素基板１０は、たとえば窒素（Ｎ）などのｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型となっている。エピ層２０は、たとえば窒素（Ｎ）などのｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型となっている。そして、炭化珪素基板１０のｎ型不純物の濃度は、エピ層２０のｎ型不純物の濃度に比べて高くなっている。炭化珪素基板１０における不純物濃度はたとえば５．０×１０１８ｃｍ－３以上２．０×１０１９ｃｍ－３以下である。エピ層２０の不純物濃度はたとえば１．０×１０１５ｃｍ－３以上１．０×１０１６ｃｍ－３以下である。炭化珪素基板１０とエピ層２０それぞれの不純物濃度は、たとえばウエハの厚み方向において二次イオン質量分析法（Secondary　Ion　Mass　Spectrometry：ＳＩＭＳ）により測定できる。
半導体積層体１を用いた半導体装置の製造においては、エピ層２０に、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、硼素（Ｂ）などのｐ型不純物や、リン（Ｐ）などのｎ型不純物が導入されて不純物領域（図示せず）が形成される。エピ層２０の炭化珪素基板１０に接触する第１の主面２０Ｂとは反対側の主面である第２の主面２０Ａ上にレジスト層（図示せず）が形成され、フォトリソグラフィープロセスによりマスク層（図示せず）が作製されたうえで、イオン注入等が実施されることにより所望の形状の不純物領域が形成される。また、エピ層２０の第２の主面２０Ａ上および炭化珪素基板１０の第２の主面１０Ｂ上に、電極（図示せず）が形成される。上述のように、半導体積層体１に不純物領域や電極が形成されることにより、半導体装置が製造される。
本実施の形態の半導体積層体１においては、炭化珪素基板１０の第２の主面１０Ｂの粗さの、平均値はＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下であり、標準偏差は平均値の２５％以下である。炭化珪素基板１０の第２の主面１０Ｂ（裏面）における粗さの平均値のみならず、ばらつきをこのような範囲とすることで、本実施の形態の半導体積層体においては、フォトリソグラフィープロセスにおける精度の低下および／または裏面電極の接触抵抗の上昇および／またはダイボンドの信頼性の低下などの問題の発生が抑制される。
  ［半導体積層体１の製造方法］
  図２を参照して、本実施の形態における半導体積層体１の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として基板準備工程が実施される。工程（Ｓ１０）では、たとえば所望の濃度でｎ型不純物を含む４Ｈ－ＳｉＣからなるインゴットがスライスされることにより、円盤状の形状を有する炭化珪素基板１０が準備される。炭化珪素基板１０の直径は、たとえば１００ｍｍである。炭化珪素基板１０の厚みは、たとえば３００μｍである。
次に、炭化珪素基板１０上にエピ層２０を形成する工程が実施される。ここで、炭化珪素基板１０上にエピ層２０を形成するために用いられる結晶成長装置であるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置についての説明がなされる。
図３を参照して、本実施の形態におけるＣＶＤ装置５０は、保護管５１と、断熱材５２と、発熱体５３と、誘導加熱コイル５４とを備えている。発熱体５３は、中空円筒状の形状を有する。発熱体５３は、たとえば厚み１００μｍの炭化珪素（ＳｉＣ）が被覆された炭素（グラファイト）からなる。断熱材５２は、発熱体５３の外周面に、内周面において接触する中空円筒状の形状を有している。保護管５１は、断熱材５２の外周面に、内周面において接触する中空円筒状の形状を有している。保護管５１は、たとえば石英からなっている。誘導加熱コイル５４は、電源（図示しない）に接続され、保護管５１の外周面に巻き付けられている。
発熱体５３の内周面を含む領域には、凹部５３Ａが形成されている。凹部５３Ａは、平面視で円盤状の形状を有するホルダ６０を保持することが可能となっている。凹部５３Ａは平面視で円盤状のホルダ６０を保持するために、円形にへこんだ構成を有する。凹部５３Ａの段差は、後述されるようにホルダ６０に炭化珪素基板１０を載置したときに炭化珪素基板１０の第２の主面１０Ｂが発熱体５３の表面より上方に位置するように構成される。
図４を参照して、ホルダ６０は、平板状のベース部６１と、ベース部６１の外周を取り囲むように配置される傾斜部６２とを備えている。ベース部６１の第１の主面６１Ａ側に突出するように、傾斜部６２が形成されている。傾斜部６２の厚みは、外周面６０Ａに近づくにしたがって大きくなっている。傾斜部６２は、ベース部６１の中心側に傾斜した面である傾斜面６２Ａを有している。傾斜部６２には、傾斜部６２を径方向に貫通する複数のスリット６３が形成されている。複数のスリット６３は、周方向において等間隔かつ放射状に形成されている。スリット６３を規定する底面６３Ａは、ベース部６１の第１の主面６１Ａと同一平面を構成する。
ホルダ６０は、例えば厚み２０μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）が被覆されたグラファイトからなる。ホルダ６０の直径は、炭化珪素基板１０の直径と対応するように構成される。つまり、直径が１００ｍｍの炭化珪素基板１０を保持する場合は、ホルダ６０の直径は１０５ｍｍから１１０ｍｍ程度に構成される。直径が１５０ｍｍの炭化珪素基板１０を保持する場合は、ホルダ６０の直径は１５５ｍｍから１６０ｍｍ程度に構成される。つまり、ホルダ６０の直径は、炭化珪素基板１０の直径より大きいことが好ましい。凹部５３Ａは、ホルダ６０の直径に対応するように構成される。つまり、凹部５３Ａはホルダ６０の直径よりわずかに大きいことが好ましい。
  本実施の形態における半導体積層体１の製造方法では、工程（Ｓ１０）に続いて、工程（Ｓ２０）として基板装填工程が実施される。工程（Ｓ２０）では、まず工程（Ｓ１０）において準備された炭化珪素基板１０が、ホルダ６０上に載置される。このとき、図４を参照して、炭化珪素基板１０の外周がホルダ６０の傾斜面６２Ａに接触するように、炭化珪素基板１０がホルダ６０上に載置される。
次に、図３を参照して、炭化珪素基板１０が載置されたホルダ６０が、ＣＶＤ装置５０の発熱体５３に形成された凹部５３Ａ内に配置される。このとき、炭化珪素基板１０の外周がホルダ６０の傾斜面６２Ａに接触するように、炭化珪素基板１０がホルダ６０上に載置されることにより、炭化珪素基板１０と第１の主面６１Ａとの間には、間隔が形成される。より具体的には、炭化珪素基板１０においてエピ層２０が形成されるべき第１の主面１０Ａとは反対側の第２の主面１０Ｂ（裏面）と、ホルダ６０との間には間隔が形成される。すなわち、第２の主面１０Ｂとホルダ６０とは接触しない状態で、炭化珪素基板１０はホルダ６０により保持される。
  次に、工程（Ｓ３０）としてエピタキシャル成長工程が実施される。工程（Ｓ３０）では、炭化珪素基板１０の第１の主面１０Ａ上にエピタキシャル成長によりエピ層２０が形成される（図１参照）。具体的には、図３を参照して、工程（Ｓ２０）において炭化珪素基板１０が装填されたＣＶＤ装置５０内の温度および圧力が適切に調整されつつ、まず水素ガスが矢印αに沿ってＣＶＤ装置５０内に導入される。ＣＶＤ装置５０内の温度は、誘導加熱コイル５４に高周波電流が流されることにより調整される。誘導加熱コイル５４に高周波電流が流されることにより、発熱体５３が誘導加熱され、ＣＶＤ装置５０内の温度が上昇する。
加熱された水素ガスにより、炭化珪素基板１０の表面がエッチングされる。よって、炭化珪素基板１０の表面に付着した異物等が除去される。その結果、炭化珪素基板１０の第１の主面１０Ａがエピタキシャル成長に適した清浄な状態となる。その後、ＣＶＤ装置５０内にプロパン、シランなどの原料ガスおよびアンモニア（ＮＨ３）などのドーパントガスが導入される。導入された原料ガスおよびドーパントガスは、熱により分解される。分解された原料ガスの化学反応により、第１の主面１０Ａ上に単結晶炭化珪素からなるエピ層２０がエピタキシャル成長する。エピタキシャル成長中に、分解されたドーパントガスの一部である窒素（Ｎ）がエピ層２０に取り込まれる。その結果、炭化珪素基板１０上に窒素（Ｎ）がドープされたエピ層２０を備える半導体積層体１が作製される。
　エピタキシャル成長の詳細な条件が以下に示される。成長温度は１５００℃以上１６５０℃以下が好ましい。成長温度は、典型的には１６００℃である。成長圧力は、６０ｈＰａ以上１２０ｈＰａ以下が好ましい。成長圧力は、典型的には８０ｈＰａである。水素ガス流量は、１００ｓｌｍ以上１２０ｓｌｍ以下が好ましい。水素ガス流量は、典型的には１００ｓｌｍである。シラン流量は、４０ｓｃｃｍ以上１００ｓｃｃｍ以下が好ましい。シラン流量は、典型的には９０ｓｃｃｍである。プロパン流量は、１０ｓｃｃｍ以上４０ｓｃｃｍ以下が好ましい。プロパン流量は、典型的には３０ｓｃｃｍである。アンモニア流量は、０．１ｓｃｃｍ以上１ｓｃｃｍ以下が好ましい。アンモニア流量は、典型的には０．５ｓｃｃｍである。
  次に、工程（Ｓ４０）として半導体積層体取り出し工程が実施される。工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において作製された半導体積層体１がＣＶＤ装置５０内から取り出される。具体的には、工程（Ｓ３０）において作製された半導体積層体が取り出し可能な温度まで冷却された後、ＣＶＤ装置５０内から取り出される。以上の手順により、本実施の形態における半導体積層体１が製造される。
  本実施の形態における半導体積層体の製造方法では、上述のように、工程（Ｓ３０）において炭化珪素基板１０のエッチングが実施される。ここで、一般的なエピタキシャル成長工程では、炭化珪素基板１０の第２の主面１０Ｂとホルダ６０とが接触する状態でエッチングが実施される。本発明者らの検討によれば、このプロセスにおいて、第２の主面１０Ｂの粗さのばらつきが大きくなる。すなわち、第２の主面１０Ｂとホルダ６０とが接触する状態でエッチングが実施されると、炭化珪素基板１０の反りなどの影響により第２の主面１０Ｂとホルダ６０との間に不均一かつ部分的に隙間が形成される。その結果、第２の主面１０Ｂ内において不均一にエッチングが進行し、粗さのばらつきが大きくなると推定される。
  これに対し、本実施の形態における半導体積層体の製造方法では、第２の主面１０Ｂとホルダ６０とは接触しない状態で、炭化珪素基板１０がホルダ６０により保持される。さらに、ホルダ６０には複数のスリット６３が形成されている。そのため、エッチングに寄与する水素ガスが、炭化珪素基板１０とホルダ６０との隙間にスムーズに進入する。その結果、第２の主面１０Ｂの全域において均一なエッチングが進行する。そのため、第２の主面１０Ｂにおける粗さのばらつきが抑制される。よって、第２の主面１０Ｂの粗さの、平均値がＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下、標準偏差が平均値の２５％以下である半導体積層体１が得られる。つまり、第２の主面１０Ｂの粗さを所定の範囲に収めた半導体積層体１が、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などの研磨を実施することなく容易に製造される。
  今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
  本開示の半導体積層体は、高性能な半導体装置の製造に使用される半導体積層体に適用され得る。
１  半導体積層体
１０  炭化珪素基板
１０Ａ  第１の主面
１０Ｂ  第２の主面
２０  エピ層
２０Ａ  第２の主面
２０Ｂ  第１の主面
５０  ＣＶＤ装置
５１  保護管
５２  断熱材
５３  発熱体
５３Ａ  凹部
５４  誘導加熱コイル
６０  ホルダ
６０Ａ  外周面
６１  ベース部
６１Ａ  第１の主面
６２  傾斜部
６２Ａ  傾斜面
６３  スリット
６３Ａ  底面

Claims (7)

  1.   第１の主面と、前記第１の主面と反対側の主面である第２の主面とを有する炭化珪素基板と、
      前記第１の主面上に設けられた炭化珪素からなるエピ層と、を備え、
      前記第２の主面の粗さの、平均値はＲａで０．１μｍ以上１μｍ以下であり、標準偏差は前記平均値の２５％以下である、
    半導体積層体。
  2. 前記第１の主面を上にしたときのｂｏｗが０μｍを超え１０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体積層体。
  3.   直径が７５ｍｍ以上である、請求項１または２に記載の半導体積層体。
  4.   直径が１００ｍｍ以上である、請求項１または２に記載の半導体積層体。
  5.   直径が１５０ｍｍ以上である、請求項１または２に記載の半導体積層体。
  6.   直径が２００ｍｍ以上である、請求項１または２に記載の半導体積層体。
  7.   前記炭化珪素基板および前記炭化珪素エピ層のそれぞれは多数キャリアを生成させる不純物を含み、
      前記炭化珪素基板における前記不純物の濃度は、前記エピ層における前記不純物の濃度より高い、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体積層体。
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