説明

平坦化処理方法

【課題】カーボンの供給を抑えた反応室内条件での平滑な表面を与えるSiC基板表面の平坦化処理方法を提供する。
【解決手段】水素ガスによるSiC基板表面の平坦化処理において、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下にSiC基板の昇温中にハイドロカーボンを供給し、エピタキシャル成長温度に到達後にハイドロカーボンの供給を停止又は減らして、引き続き水素ガスを供給してSiC基板表面をエッチングすることを特徴とするSiC基板表面の平坦化処理方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、SiC基板(SiCウェハーということもある)表面の平坦化処理方法に関し、さらに詳しくはカーボンの供給を抑えた反応室内条件下に、特定の条件で前処理した後、水素ガス雰囲気下にSiC基板表面をエッチングすることによってSiドロップレットが抑制されて平滑な表面が得られるSiC基板表面の平坦化処理方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、エレクトロニクス分野における低損失化や小型化の実現に向けて、従来のSi半導体に比べて高い電気変換効率および高い熱伝導率などによって大幅な性能向上が期待できるSiC単結晶半導体がパワー半導体デバイス材料として有望視されている。このSiC単結晶半導体はCVD(Chemical Vapor Deposition)装置などの製膜装置を用いて半導体基板上へのエピタキシャル薄膜の形成によって得られる。
このCVD装置によれば、サセプタおよび断熱材を備えた反応室に原料ガスをキャリアガスとともに供給してSiC基板にSiC単結晶薄膜をエピタキシャル結晶成長させることができる。
【0003】
しかし、一般的なグラファイトサセプタやグラファイト断熱材などを備えた製膜装置を使用してエピタキシャル結晶成長させると、この製膜装置を起源とするハイドロカーボン・不純物の発生があり、その発生量や種類の制御が難しく、SiC単結晶の成長条件の精密な制御が困難である。
このため、サセプタとしてSiCを用いるかサセプタ表面をSiCでコートしたSiCコートグラファイトを用いるなどのカーボンの供給を抑えた反応室内条件下にSiC基板上にSiC単結晶をエピタキシャル成長させる技術が検討されている。
【0004】
一方、SiC基板のスライス技術や研磨技術がシリコン基板(シリコンウェハー)の技術に比べて未だ十分でないため、SiC基板には研磨によるダメージ層やスクラッチと呼ばれる傷が全面に発生する。最終的なデバイス性能の多くはSiC基板上に成長させたエピタキシャル薄膜の膜質に左右され、エピタキシャル薄膜は下地層の影響を受けるから、高品質のエピタキシャル薄膜を得るためには、エピタキシャル薄膜の成膜前にSiC基板表面のダメージ層を除去して平坦かつ清浄な表面を得ることが必要となる。
このため、エピタキシャル成長の前処理として、SiC基板の水素雰囲気によるエッチング処理が提案された(特許文献1〜3)。
【0005】
【特許文献1】特開2002−255692号公報
【特許文献2】特開2005−277229号公報
【特許文献3】特開2005−311348号公報
【0006】
上記の特許文献1には、炭化珪素単結晶ウェハーを1550℃以上の温度で水素ガス又は塩化水素ガス流通雰囲気中で前処理を行った後に、該ウェハー上に炭化珪素薄膜をエピタキシャル成長する炭化珪素エピタキシャル基板の製造方法が記載されている。そして、具体例として、グラファイトサセプタを用いて前記温度および雰囲気で前処理を行った例が示されている。
【0007】
上記の特許文献2には、炭化珪素基板の平滑化における水素エッチング時に原料ガスを添加する炭化珪素平滑化基板の作製方法が記載されている。そして、原料ガスとしてシランが記載され、サセプタの種類については記載がない。
【0008】
上記の特許文献3には、炭化珪素基板の表面を水素エッチングで処理した後に、この処理面から炭化珪素をエピタキシャル成長させてエピタキシャル層を形成するバイポーラ型半導体装置の製造方法が記載されているが、サセプタの種類については記載がない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
このように、公知文献に記載の方法は、グラファイトサセプタを用いるなどカーボンの供給を前提とする反応室内条件下あるいはカーボンの供給を抑えることが不明な反応室内条件下での水素エッチングによるエピタキシャル成長の前処理であり、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下で平滑な表面を有するSiC基板表面の平坦化処理法は知られていない。
従って、この発明の目的は、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下で平滑な表面を形成することが出来るSiC基板表面の平坦化処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この発明者らは、前記の目的を達成することを目的として鋭意検討した結果、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下に水素ガスを供給してSiC基板を高温熱処理すると基板表面がSi過剰となりSiドロップレットが生じることを見出し、さらに検討を行った結果、この発明を完成した。
この発明は、水素ガスによるSiC基板表面の平坦化処理において、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下にSiC基板の昇温中にハイドロカーボンを供給し、エピタキシャル成長温度に到達後にハイドロカーボンの供給を停止又は減らして、引き続き水素ガスを供給してSiC基板表面をエッチングすることを特徴とするSiC基板表面の平坦化処理方法に関する。
【発明の効果】
【0011】
この発明によれば、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下でSiC基板表面を平坦化処理して、基板表面のSiドロップレットが抑制されて平滑な表面を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
この発明における好適な態様を次に示す。
1)カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、サセプタをSiC、SiCコートグラファイト又はTaCコートグラファイトによって構成することである前記の平坦化処理方法。
2)カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、さらに断熱材をSiC、SiCコートグラファイト又はTaCコートグラファイトによって構成することである前記の平坦化処理方法。
3)水素ガスを5〜30分間供給してSiC基板表面をエッチングする前記の平坦化処理方法。
【0013】
以下、この発明を図面を参照して説明する。図1は、この発明の平坦化処理方法に用いる製膜装置の1実施態様の概略図であり、図2はこの発明の1実施態様における加熱温度の時間変化およびハイドロカーボン供給の時間変化を示すグラフである。
図1において、製膜装置は、反応室1内にサセプタ2および断熱材3を備え、サセプタ2上のSiC基板4に薄膜を形成するためのチャンバー、例えば、石英製チャンバーからなり、反応室1外に装置内加熱装置5、例えば、高周波電源と装置内加熱温度測定用の熱電対温度計6と、ガス、例えば水素キャリアガス、原料ガスの供給配管(図示せず)、排気管(図示せず)および形成された薄膜を取り出す薄膜取り出し装置(図示せず)を備えている。
【0014】
この発明は、例えば図1に一例を示す製膜装置を用いたSiC基板表面の平坦化処理方法に関するものであり、先ずカーボンの供給を抑えた反応室内条件下に水素ガス供給下にSiC基板の昇温中にハイドロカーボンを供給することが必要である。
前記のカーボンの供給を抑えた反応室内条件としては、好適にはサセプタをSiC、SiCコートグラファイト又はTaCコートグラファイトで構成することが挙げられ、さらに断熱材もSiC、SiCコートグラファイト又はTaCコートグラファイトで構成することが挙げられる。
【0015】
そして、前記のカーボンの供給を抑えた反応室内条件下とSiC基板の水素ガス供給下の昇温中にハイドロカーボンを供給する方法としては、図2に示すように、昇温の最初は水素ガスを供給し、次いで水素ガスとともにハイドロカーボンを昇温の途中、好適には500℃以上の温度、特に750℃以上の温度、その中でも1000℃以上の温度に達した段階で供給することが好ましい。この温度は、図1に示すように熱伝対温度計で測定される加熱温度を意味する。また、前記の昇温中とは、エピタキシャル成長温度に到達するまでの温度範囲内で熱電対温度計が示す温度が上昇している状態を示す。昇温の条件については特に制限はなく、図2に示すように一定の昇温速度で温度上昇させてもよく又は、温度上昇−温度保持−温度上昇等の段階的な昇温を繰り返しても良い。
【0016】
この発明の方法において、水素ガス単独で供給した後に水素ガスとともにハイドロカーボンを供給する条件については特に制限はないが、圧力は、1torr〜1atm、特に2torr〜1atmであることが好ましい。また、水素ガスは、好適には10〜5000sccm(standard cc/minの略号、0℃で規格化したsccmを表示する。)、特に50〜2500sccm程度の供給量で供給することが好ましい。
また、水素ガスとともに供給するハイドロカーボンとしては、特に制限はなく、例えばメタン、プロパン、アセチレンなどを使用することができる。
前記のハイドロカーボンは、水素ガスの供給量中の割合が0.1〜50容積%、特に1〜10容積%、その中でも2〜10容積%で供給することが好ましい。
【0017】
この発明においては、前記のカーボンの供給を抑えた反応室内条件下で昇温中に水素ガスとともにハイドロカーボンを供給することが必要であり、ハイドロカーボンを供給せず水素ガスを単独で供給したのではSiC基板表面にシリコンドロップレットが生じる。
この従来の昇温中での水素ガスの単独供給によるSiドロップレット生成の要因として、水素雰囲気下でSiC基板を加熱することによって下記の反応がおきることによると考えられる。
【0018】
SiC+2H→Si(s)+CH(g)+0.72eV
このSiC基板表面に発生したSi(s)がドロップレットとして表面に残ると考えられる。
このSi(s)は加熱により次式に従って蒸発すると考えられる。
Si(s)→Si(g)+4.4eV
この反応によるSiの蒸発は、活性化エネルギーの関係から低温域では遅く、高温域では早い。また、飽和蒸気圧の関係から、蒸発速度は圧力の平方根分の1に比例するため温度や圧力によってSiC基板表面に残るSi量が異なり、結局水素ガス雰囲気ではSiC基板表面にSiがドロップレットとして残ることは避けられない。
【0019】
これに対して、この発明においてSiドロップレットが抑制される要因としては、SiC基板の昇温中に水素ガスとともにハイドロカーボンを供給するため、下記の反応がおきることによると考えられる。
Si+CH→SiC+H−0.72eV
3Si+C→3SiC+4H−0.88eV
2Si+C→2SiC+H+0.91eV
この反応式に示すように、ハイドロカーボンの種類によって反応式は異なるが、いずれによってもSiC基板でSiCの再生成が起き、Siのドロップレットが解消されると考えられる。
【0020】
この発明においては、SiC基板の昇温中に水素ガスとともにハイドロカーボンを供給し、エピタキシャル成長温度に到達後にハイドロカーボンの供給を停止又は減らして、引き続き水素ガスを供給してSiC基板表面をエッチングすることが必要である。後者の場合はハイドロカーボン(特にアセチレン)の供給を昇温中の3分の1以下、特に5分の1以下に減らすことが好ましい。エピタキシャル成長温度に到達後にハイドロカーボンの供給を停止又は減らさないで、そのまま水素ガスとともにハイドロカーボンを供給すると、SiC基板表面が曇り等の現象が現れ平坦面が得られないので好ましくない。
【0021】
前記のエピタキシャル成長温度に到達後は、図2に示すように一定温度で水素ガスを供給してSiC基板表面をエッチングすることが好ましいが、エピタキシャル成長温度以上の温度であれば加熱温度について特に制限はなく、前記の範囲で温度を上昇又は降温させてSiC基板表面を水素ガスエッチングしてもよい。
前記のエピタキシャル成長温度としては、1300℃以上〜2000℃未満、特に1500℃以上〜1800℃、その中でも特に1500〜1550℃の温度が好適である。
また、前記のハイドロカーボンの供給を停止した後に引き続き水素ガスを供給してSiC基板表面をエッチングする条件としては、10〜5000sccm、特に50〜2500sccm程度の水素ガス供給量、1500℃以上〜2000℃未満、特に1500〜1800℃程度、その中でも特に1500〜1550℃の温度、5分間〜2時間、特に5〜30分間の時間が好ましい。
【0022】
前記の一連の工程によるこの発明の方法によりSiC基板表面をエッチングすることによって、SiCドロップレットの発生が抑制され、表面の研磨ひずみ層が除去されてSRq(粗さ曲面の自乗平均平方根粗さを示す)が好適には1nm以下、特に0.5nm以下、その中でも0.4nm以下の平坦面を有するSiC基板を得ることができる。
前記のエッチング処理されたSiC基板に、引き続いてキャリアガス(前記の水素ガスを使用しても良い。)および原料ガスを供給してSiC単結晶をエピタキシャル成長させることができる。
【0023】
前記のSiC単結晶をエピタキシャル成長させる方法としては特に制限はなく、任意の方法を採用することが出来る。
例えば、エピタキシャル成長によって形成される薄膜は単一層であってもよく2種以上の多層であってもよい。また、SiCのみからなる薄膜の場合、p型およびn型の単結晶が相互に接合されて構成されてもよく、異種の結晶からなる薄膜が相互に接合されて構成されてもよい。
前記のSiCをエピタキシャル結晶成長させるために原料ガスとしては、シリコン源としてSiHやジクロルシランなどを挙げることができ、カーボン源としてメタン、プロパン、アセチレンなどを使用することができる。
【0024】
さらに、反応室内の温度(サセプタの熱電対温度)は1000℃以上2000℃未満、特に1500〜1800℃の範囲内の温度であることが好ましく、1torr〜2atmの圧力、厚みによって異なるが5〜10μmの場合には通常1〜2時間の反応時間(素子1枚ごとの成長時間)でエピタキシャル成長を行うことが好ましい。
前記の各サセプタおよび断熱材のうちどれを組み合わせて使用するかによって、原料のシリコン源およびカーボン源の割合を変えることが好ましく、例えば、SiCサセプタおよびSiC断熱材の場合、SiCエピタキシャル結晶成長時の適切な原料供給比:C/Siは6である。
【0025】
この発明のSiC基板表面の平坦化処理方法によって得られるSiドロップレットがなく平滑な表面を有するSiC基板表面に、前記のSiCエピタキシャル結晶成長法によってSiC薄膜を得ることができる。
【実施例】
【0026】
以下にこの発明の実施例を示すが、この発明は以下の実施例に限定されるものではない。
以下の各例において、SiC基板の表面粗さをAFM(Atomic Force Microscopo、原子間力顕微鏡)によって測定し、SRqで表示する。
【0027】
実施例1
図1に示す製膜装置を用いて、下記の工程でSiC基板の表面平坦化処理を行った。
1)洗浄したSiC基板を、SiCサセプタおよびSiC断熱材を備えた製膜装置の反応室に設置した。
2)水素ガス500sccmを流しながら2torrの圧力下で加熱を始め、40℃/分の一定の昇温速度で昇温し、温度が1000℃になったところで水素ガス希釈5%メタンの供給を開始した。この際の水素ガス希釈5%メタンの供給量を0.5sccm、1sccm、1.4sccmおよび2sccmで行った。
3)引き続き一定速度で昇温し、エピタキシャル成長温度の1500℃になったところでメタンの供給を停止し、そのまま30分間水素ガスを供給しながら温度を保持して、SiC基板を表面平坦化処理した。
【0028】
SiC基板の表面平坦化処理が終了後、降温してSiC基板を取り出し、SiC基板の表面形状をAFMを用いて評価した。
この加熱温度の時間変化およびハイドロカーボン供給の時間変化の概略を示すグラフを図2に示す。
また、表面平坦化処理によって得られたSiC基板の表面粗さを測定した結果を比較例の結果とともにまとめて図5に、AFMによるSiC基板の表面形状を図6に示す。
【0029】
比較例1
下記の工程に変えた他は、実施例1と同様にしてSiC基板の表面平坦化処理を行った。
1)洗浄したSiC基板を、SiCサセプタおよびSiC断熱材を備えた製膜装置の反応室に設置した。
2)水素ガス500sccmを流しながら2torrの圧力下で加熱を始め、40℃/分の一定の昇温速度で昇温した。
3)引き続き一定速度で昇温し、エピタキシャル成長温度の1500℃になるまで加熱を続けて、SiC基板を表面平坦化処理した。
【0030】
SiC基板の表面平坦化処理が終了後、降温してSiC基板を取り出し、SiC基板の表面形状をAFMを用いて評価した。
この加熱温度の時間変化を示すグラフを図3に示す。
また、AFMによるSiC基板の表面形状を図7に示す。
【0031】
比較例2
下記の工程に変えた他は、実施例1と同様にしてSiC基板の表面平坦化処理を行った。
1)洗浄したSiC基板を、SiCサセプタおよびSiC断熱材を備えた製膜装置の反応室に設置した。
2)水素ガス500sccmを流しながら2torrの圧力下で加熱を始め、40℃/分の一定の昇温速度で昇温し、温度が1000℃になったところで水素ガス希釈5%メタンの供給を開始した。この際のメタンの供給量を0.5sccm、1.4sccm、2.8sccm、10sccmおよび100sccmで行った。
3)引き続き一定速度で昇温し、エピタキシャル成長温度の1500℃になったところで昇温を停止し、そのまま30分間水素ガスおよびメタンを供給しながら温度を保持して、SiC基板を表面平坦化処理した。
【0032】
SiC基板の表面平坦化処理が終了後、降温してSiC基板を取り出し、SiC基板の表面形状をAFMを用いて評価した。
この加熱温度の時間変化を示すグラフを図4に示す。
また、表面平坦化処理によって得られたSiC基板の表面は曇り、表面粗さを測定したところ、SRqが数十〜200nmで、且つ晶癖を有した形状であった。メタンの供給量が0.5sccm、1.4sccmおよび2.8sccmの場合のSiC基板のAFMによる表面形状を図8に示す。
【0033】
比較例3
下記の工程に変えた他は、実施例1と同様にしてSiC基板の表面平坦化処理を行った。
1)洗浄したSiC基板を、SiCサセプタおよびSiC断熱材を備えた製膜装置の反応室に設置した。
2)水素ガス500sccmを流しながら2torrの圧力下で加熱を始め、40℃/分の一定の昇温速度で昇温した。
3)引き続き一定速度で昇温し、エピタキシャル成長温度の1500℃になったところで昇温を停止し、そのまま水素ガスを供給しながら30分間保持して、SiC基板を表面平坦化処理した。
【0034】
SiC基板の表面平坦化処理が終了後、降温してSiC基板を取り出し、SiC基板の表面形状をAFMを用いて評価した。
この加熱温度の時間変化を示すグラフは図4と同じである。
また、表面平坦化処理によって得られたSiC基板の表面形状をAFMにより評価した。
SiC基板の表面形状をAFMにより評価した結果について、実施例1と比較例1〜3の結果をまとめて表1に示す。
【0035】
【表1】

【0036】
実施例2
図1に示す製膜装置を用いて、下記の工程でSiC基板の表面平坦化処理を行った。
1)洗浄したSiC基板を、SiCサセプタおよびSiC断熱材を備えた製膜装置の反応室に設置した。
2)水素ガス500sccmを流しながら2torrの圧力下で加熱を始め、40℃/分の一定の昇温速度で昇温し、温度が1000℃になったところで水素ガス希釈1%アセチレンの供給を開始した。この際のアセチレンの供給量を7sccmで行った。
3)引き続き一定速度で昇温し、エピタキシャル成長温度の1500℃になったところでアセチレンの供給量を1sccmに減らし、そのまま30分間温度を維持して、SiC基板を表面平坦化処理した。
【0037】
SiC基板の表面平坦化処理が終了後、降温してSiC基板を取り出し、SiC基板の表面形状をAFMを用いて評価した。
表面粗さSRqは0.3nmと平坦になった。
Raman散乱測定から、表面にSiドロップレットが発生していないことを確認した。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】図1は、この発明の平坦化処理方法に用いる製膜装置の1実施態様の概略図である。
【図2】図2は、この発明の1実施態様における加熱温度の時間変化およびハイドロカーボン供給の時間変化を示すグラフである。
【図3】図3は、比較例1における加熱温度の時間変化を示すグラフである。
【図4】図4は、比較例2における加熱温度の時間変化を示すグラフである。
【図5】図5は、実施例1および比較例2の表面平坦化処理によって得られたSiC基板の表面粗さをまとめて示すグラフである。
【図6】図6は、実施例1の表面平坦化処理によって得られたSiC基板のAFMによる表面形状写真である。
【図7】図7は、比較例1の表面平坦化処理によって得られたSiC基板のAFMによる表面形状写真である。
【図8】図8は、比較例2の表面平坦化処理によって得られたSiC基板のAFMによる表面形状写真である。
【符号の説明】
【0039】
1 反応室
2 サセプタ
3 断熱材
4 基板
5 装置内加熱装置
6 熱電対温度計
10 製膜装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素ガスによるSiC基板表面の平坦化処理において、カーボンの供給を抑えた反応室内条件下にSiC基板の昇温中にハイドロカーボンを供給し、エピタキシャル成長温度に到達後にハイドロカーボンの供給を停止又は減らして、引き続き水素ガスを供給してSiC基板表面をエッチングすることを特徴とするSiC基板表面の平坦化処理方法。
【請求項2】
カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、サセプタをSiC、SiCコートグラファイト又はTaCコートグラファイトによって構成することである請求項1に記載の平坦化処理方法。
【請求項3】
カーボンの供給を抑えた反応室内条件が、さらに断熱材をSiC、SiCコートグラファイト又はTaCコートグラファイトによって構成することである請求項2に記載の平坦化処理方法。
【請求項4】
水素ガスを5〜30分間供給してSiC基板表面をエッチングする請求項1〜3のいずれか1項に記載の平坦化処理方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2009−239103(P2009−239103A)
【公開日】平成21年10月15日(2009.10.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−84546(P2008−84546)
【出願日】平成20年3月27日(2008.3.27)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】(000173522)財団法人ファインセラミックスセンター (147)
【Fターム(参考)】