炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法
【課題】本発明は、荒研磨(ラップ)した化学的に安定な炭化珪素単結晶ウェハ表面から加工変質層を除去して仕上げ研磨(ポリッシュ)することで、高品質な表面を得る効果的な方法を提供する。
【解決手段】ダイヤモンド機械研磨で荒研磨(ラップ)した炭化珪素単結晶ウェハ表面を、酸化した後に仕上げ研磨(ポリッシュ)で表面の酸化膜を除去することで、ダイヤモンド機械研磨で発生した加工変質層を除去して高品質な表面を効率的に創成する研磨方法である。
【解決手段】ダイヤモンド機械研磨で荒研磨(ラップ)した炭化珪素単結晶ウェハ表面を、酸化した後に仕上げ研磨(ポリッシュ)で表面の酸化膜を除去することで、ダイヤモンド機械研磨で発生した加工変質層を除去して高品質な表面を効率的に創成する研磨方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶ウェハの研磨方法に関し、特に、青色発光ダイオードや電子デバイス等の基板ウェハの母材となる良質で大型の炭化珪素単結晶ウェハの表面研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとして、SiC単結晶ウェハの需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それ故、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にも拘らず、その実用化が阻まれていた。
【０００３】
従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。また、化学気相成長法(CVD法)を用いて、珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約20%もあること等により、多くの欠陥(〜107cm-2)を含むSiC単結晶しか成長させることができず、高品質のSiC単結晶を得ることは容易でない。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、SiC単結晶｛0001｝ウェハを種結晶として用いて、昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案されている(非特許文献1)。この方法では、種結晶を用いているため、結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を100Pa〜15kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。現在、口径2インチ(50mm)〜4インチ(100mm)のSiC単結晶インゴットは成長できるようになり、ウェハに加工されて、種々のデバイス作製に供されるようになって来た。
【０００５】
ウェハに加工するに際しては、成長したインゴットを所望の直径、即ち、2インチ(50mm)〜4インチ(100mm)で目的に合致する口径の円柱形に加工した後、ウェハにスライスして、更に表面を研磨する工程を踏む。
【０００６】
表面の研磨では、SiCが大変硬いために、それより硬いダイヤモンド等を研磨剤として表面を機械的に研磨し、平坦な面を作る。しかし、ダイヤモンド砥粒で研磨したSiCウェハ表面には転位等の結晶欠陥が多数発生するために、表面に残留応力や機械的な歪（本来占めるべき位置からの分子のズレ）、即ち、加工変質層が残り、そのままでは表面に性能の良い半導体素子を作製するのは困難である。この表面に半導体素子を作ると、素子が正常に動作しなかったり、動作しても著しく性能が劣化したりする可能性が高くなる。
【０００７】
そのため、例えば、特許文献1或いは特許文献2に記載されているように、過酸化水素水、或いは、二酸化マンガン、或いは、三酸化マンガン等でSiCウェハ表面を酸化しながら、酸化クロム砥粒で、仕上げ研磨するような工夫がなされている。
【特許文献１】特開2001-205555号公報
【特許文献２】特開2006-121111号公報
【非特許文献１】Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52 (1981) pp.146-150
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、ダイヤモンド等の硬質砥粒による機械的な研磨加工だけでは、SiC単結晶ウェハ表面に加工変質層が残るため、半導体素子作製に適した高品質なウェハ表面が得られないが、酸化クロム等を用いて加工変質層を除去すると、クロムが研磨面に化学的に結合して残留し、表面金属汚染を引き起こすおそれがある。また、酸化剤を用いることで、酸化剤に曝される研磨装置表面も酸化するので、長期的には装置の劣化に繋がる。また、酸化剤の二酸化マンガンと三酸化マンガンは、表面金属汚染を引き起こすおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明は、上記のような表面金属汚染や研磨装置の劣化が起こらず、高品質な表面を得る炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
高性能半導体素子作製に耐え得る高品質な大口径SiC単結晶ウェハ表面を実現するためには、金属汚染を引き起こさないで、SiC基板の表面下部の加工変質層を酸化させて柔らかい物質に変えて、剥離する方法が有効である。そこで、本発明者らは、研磨条件について鋭意比較検討・観察・解析を行った結果、荒研磨(ラップ)した炭化珪素単結晶ウェハ表面を、酸化した後に、仕上げ研磨(ポリッシュ)で表面の酸化膜を除去することが加工変質層の除去に有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
即ち、本発明は、
（１）機械研磨により荒研磨した炭化珪素単結晶ウェハの表面を酸化し、形成された酸化膜を仕上げ研磨によって除去することを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（２）炭化珪素単結晶ウェハの酸化が熱酸化である(1)に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（３）炭化珪素単結晶ウェハの熱酸化が、水分を含んだ酸素ガス雰囲気下での熱酸化である(2)に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（４）荒研磨により炭化珪素単結晶ウェハの表層部に形成された加工変質層を酸化し、酸化された加工変質層を仕上げ研磨によって除去する(1)〜(3)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（５）仕上げ研磨で用いる研磨剤が、酸化珪素と炭化珪素の間のヌープ硬度を有する研磨剤である(1)〜(4)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（６）前記研磨剤が、シリカ、ガーネット、ジルコニア及びアルミナから選ばれた１種又は２種以上である(5)記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の研磨方法によれば、金属汚染を引き起こさないで、SiC基板の表面部の加工変質層を酸化させて柔らかい酸化珪素に変えて、該酸化珪素層を除去することで、仕上げ研磨後のSiC単結晶ウェハ表面には、ダメージを受けたSiCの加工変質層が残らず、表面の凹凸が0.3nm以下と大変小さい、高品質表面が安定して得られる。さらに、硬さが酸化珪素と炭化珪素の中間に位置する研磨剤を用いることで効率的に剥離・除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明における研磨のメカニズムを説明する。炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨工程で、荒研磨(ラップ)後の表面は鏡面で平坦であるが、表面下に加工変質層が残り、そのままでは表面に性能の良い半導体素子を作製するのは困難である。そこで、荒研磨後に表面下の加工変質層を酸化して、シリカとほぼ同じ硬度のSiOxに変える。表面を酸化する方法として、表面を酸化剤に曝す方法があるが、炭化珪素単結晶では酸化剤分子が表面下に拡散しないので、適切でない。また、酸素イオンを炭化珪素単結晶ウェハ表面にイオン注入して酸化する方法は、注入イオンにより更に表面下にダメージが発生するので、適さない。したがって、表面下にダメージを残さず、効果的に荒研磨後の加工変質層を酸化するには、表面を熱酸化することが、最良の形態である。
【００１４】
SiCウェハ表面の熱酸化は、水分を含む大気圧の酸素雰囲気中でSiCウェハを加熱することで、容易に実現できる。雰囲気ガスは、酸素ガスを水中にバブリングして得たwetO2を用いる。大気圧雰囲気の電気炉中で加熱しているSiCウェハにwetO2を供給することで、SiCウェハが常時wetO2に曝されて、SiCウェハ表面下の加工変質層を含む表面部分が酸化される。この熱酸化プロセスにおいて特段の厳格な制限はないので、雰囲気に関しては、容易に実現できる大気圧が最良の形態である。即ち、SiCウェハは開放系の石英管中でヒーターにて加熱し、雰囲気ガスは、ガスボンベから供給される酸素ガスをお湯に潜らせて水分の加えたwetO2を、SiCウェハを入れて加熱する石英管に供給し、その後大気に放散する。ガス流量は1.7×10-4〜1.7×10-1Pa・m3/secの範囲で任意に選び、お湯は超純水等を用いる必要はなく、通常の水道水を40〜100℃に温めて使用するのが最良の形態である。温める意味は、wetO2を石英管に供給することでSiCウェハの温度が下がったり、加熱炉に不要な熱勾配が発生したりするのを防ぐためである。SiCウェハを加熱する際の温度は、高い方が酸化を促進するので望ましいが、高過ぎると石英管が軟化変形するおそれがある。したがって、温度範囲は800℃以上1400℃未満、望ましくは1000℃以上1200℃未満が最良の形態である。
【００１５】
硬度の観点から考えると、SiCがヌープ硬度2500(修正モース硬度13)に対して、アルミナのヌープ硬度は2100(修正モース硬度12)、ジルコニアの修正モース硬度が11、ガーネットの修正モース硬度が10、シリカのヌープ硬度は750〜820(修正モース硬度は5(溶融石英)〜6(結晶))であり、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカの方がSiCより遥かに柔らかいので、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカでSiCを機械的効率的に研磨することは困難である。本発明では、SiCウェハ表面を酸化することによって表面のSiCをシリカ同等の硬度のSiOxに変えることで、効率的に仕上げ研磨できる。即ち、SiCのCは酸化されてCO2となってSiC表面から脱離し、表面にはSiCのSiがSiOxの形で残る。このSiOxをアルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカで機械的に研磨除去することで、SiCの表面は効率的に仕上げ研磨され、加工変質層が除去される。本発明の仕上げ研磨法では、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカがSiCより柔らかいために、SiOxが除去された後のSiC単結晶表面に加工変質層は残らない。尚、SiCの砥粒で仕上げ研磨すると、研磨後のウェハ表面にダメージ層を新たに形成することがあるので、SiC砥粒は適さない。他方、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカの少なくとも2種類以上を混合した研磨剤を用いても、酸化された加工変質層を除去することができる。
【００１６】
アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカ砥粒の条件に関して、形状に関しては、球形に近い通常の形状であれば特段制限はない。粒径に関しても特段制限はなく、平均粒径で10〜100nmの範囲にある市販品を使用して何ら障害は生じない。
【００１７】
仕上げ研磨では、研磨布として市販されているバフを用いることに特段の制限はない。また、ウェハと研磨布の相対速度にも特段制限はないので、好ましい研磨定盤の回転条件範囲は、研磨装置側の設備能力で決定して支障はない。常識的な例として、10〜200rpm程度の範囲で問題はない。研磨時の研磨面圧力に関しては、大きい方が研磨効率が上がるので有利である。しかし、大きな研磨面圧力は装置に負荷をかけるので、その観点からは研磨面圧力は小さい方が望ましい。本発明では、0.01kg/cm2程度の僅かな研磨面圧力でも表面が研磨できることは確認しているが、効率向上のために装置に過大な負荷がかからない程度に大きな研磨面圧力で研磨する。本発明で適用する面圧力としては、0.01kg/cm2程度の僅かな研磨面圧力から3.0kg/cm2程度の大きな圧力まで広範囲で有効であることは確認している。より好ましくは、装置構成上適切な範囲が良い。面圧力を0.05〜0.2kg/cm2の範囲で装置を構成すると、研磨効率も下がらず、力学的な装置負荷も過大にならないので、より好ましい。
【００１８】
ラップで生じる加工変質層の量は、ラップに用いる砥粒の大きさ、研磨時の圧力等々の諸条件によって決まり、ウェハ断面のTEM観察などによって、加工変質層の厚さを測定することができる。即ち、「ダメージのないSiC層」ではSiC分子が本来あるべき位置に規則的に配置されているためにTEMで観察すると一様に明るい像が得られる。これに対して、「加工変質層」には転位等の結晶欠陥が多数存在して、SiC分子が本来占めるべき位置からずれているためにTEMの電子線が散乱されてしまい、不均一な暗い像となる。加工変質層の厚さは、TEM像で最表面から深さ方向にどのくらい暗い部分があるかで見積もれる。しかし、非破壊で加工変質層の厚さを正確に見積もることは難しいので、TEM観察をした時の過去のラップ条件と同じ条件で研磨した場合に過去と同等の厚さの加工変質層が生じると仮定する。留意すべき点は、TEM観察で見積もれる加工変質層の厚さは、観察したその部分のデータであり、ウェハ全体ではTEM観察した部分よりも加工変質層が薄い部分も厚い部分も存在することである。したがって、ウェハ表面全体から加工変質層を完全に除去するために、表面を酸化する厚さは、加工変質層より厚めに設定する。経験的には、TEM観察で見積もった加工変質層厚さの２倍の厚さを酸化すれば、完全に加工変質層は酸化される。尚、荒研磨（ラップ）の手段については特に制限はなく、例えばダイヤモンド砥粒を用いた研磨のような通常行われる機械研磨等を例示することができる。
【実施例】
【００１９】
以下に、本発明を実施例で説明する。
先ず、コロイダルシリカスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００２０】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。尚、表面粗さRaはJIS B0601:2001に準拠する算術平均粗さである。
【００２１】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００２２】
このウェハのSi面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、コロイダルシリカ固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００２３】
この条件で6時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００２４】
次に、アルミナスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００２５】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００２６】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００２７】
このウェハのC面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、アルミナ固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００２８】
この条件で6時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００２９】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００３０】
また、ジルコニアスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００３１】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００３２】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００３３】
このウェハのC面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、ジルコニア固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００３４】
この条件で12時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００３５】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００３６】
更に、ガーネットスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００３７】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００３８】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００３９】
このウェハのC面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、ガーネット固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００４０】
この条件で24時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００４１】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００４２】
更にまた、ガーネットスラリーとコロイダルシリカスラリーを混合して用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００４３】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００４４】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００４５】
このウェハのSi面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、ガーネット固形分を濃度10mass%とコロイダルシリカ固形分を濃度10mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００４６】
この条件で3時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００４７】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００４８】
尚、従来技術として、コロイダルシリカとアルカリ液の相乗作用を利用する研磨方法では、表面の凹凸がAFMでの測定値でRa=0.5〜0.8nm程度に平坦化されるに留まった。この時、研磨面圧力は0.5kg/cm2で、研磨定盤の回転速度は80rpmであり、本発明の実施例より高い圧力をかけて高回転速度で研磨したが、加工変質層の除去には48時間以上かかり、スループットが悪化した。
【００４９】
また、別の従来技術として、酸化クロムで研磨した場合は、コロイダルシリカとアルカリ液の相乗作用を利用する研磨方法よりは平坦性に優れるが、表面の評価結果は、表面の凹凸のAFMでの測定値はRa=0.4nmであった。この時、酸化クロムは不織布のバフ盤にすり込んで研磨定盤上に保持し、研磨面圧力は0.15kg/cm2で、研磨定盤は80rpmで回転させた。研磨後のウェハ表面を蛍光Ｘ線分析装置(XRF)で分析した所、残留するクロムが検出され、金属汚染が確認できた。他方、本発明方法による研磨後のウェハ表面には金属汚染が見出せなかった。
これらの比較から本発明方法の優位性は明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】熱酸化装置の構成
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶ウェハの研磨方法に関し、特に、青色発光ダイオードや電子デバイス等の基板ウェハの母材となる良質で大型の炭化珪素単結晶ウェハの表面研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素(SiC)は、耐熱性及び機械的強度に優れ、放射線に強い等の物理的、化学的性質から耐環境性半導体材料として注目されている。また、近年、青色から紫外にかけての短波長光デバイス、高周波高耐圧電子デバイス等の基板ウェハとして、SiC単結晶ウェハの需要が高まっている。しかしながら、大面積を有する高品質のSiC単結晶を、工業的規模で安定に供給し得る結晶成長技術は、未だ確立されていない。それ故、SiCは、上述のような多くの利点及び可能性を有する半導体材料にも拘らず、その実用化が阻まれていた。
【０００３】
従来、研究室程度の規模では、例えば、昇華再結晶法(レーリー法)でSiC単結晶を成長させ、半導体素子の作製が可能なサイズのSiC単結晶を得ていた。しかしながら、この方法では、得られた単結晶の面積が小さく、その寸法及び形状を高精度に制御することは困難である。また、SiCが有する結晶多形及び不純物キャリア濃度の制御も容易ではない。また、化学気相成長法(CVD法)を用いて、珪素(Si)等の異種基板上にヘテロエピタキシャル成長させることにより、立方晶のSiC単結晶を成長させることも行われている。この方法では、大面積の単結晶は得られるが、基板との格子不整合が約20%もあること等により、多くの欠陥(〜107cm-2)を含むSiC単結晶しか成長させることができず、高品質のSiC単結晶を得ることは容易でない。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、SiC単結晶｛0001｝ウェハを種結晶として用いて、昇華再結晶を行う改良型のレーリー法が提案されている(非特許文献1)。この方法では、種結晶を用いているため、結晶の核形成過程が制御でき、また、不活性ガスにより雰囲気圧力を100Pa〜15kPa程度に制御することにより、結晶の成長速度等を再現性良くコントロールできる。現在、口径2インチ(50mm)〜4インチ(100mm)のSiC単結晶インゴットは成長できるようになり、ウェハに加工されて、種々のデバイス作製に供されるようになって来た。
【０００５】
ウェハに加工するに際しては、成長したインゴットを所望の直径、即ち、2インチ(50mm)〜4インチ(100mm)で目的に合致する口径の円柱形に加工した後、ウェハにスライスして、更に表面を研磨する工程を踏む。
【０００６】
表面の研磨では、SiCが大変硬いために、それより硬いダイヤモンド等を研磨剤として表面を機械的に研磨し、平坦な面を作る。しかし、ダイヤモンド砥粒で研磨したSiCウェハ表面には転位等の結晶欠陥が多数発生するために、表面に残留応力や機械的な歪（本来占めるべき位置からの分子のズレ）、即ち、加工変質層が残り、そのままでは表面に性能の良い半導体素子を作製するのは困難である。この表面に半導体素子を作ると、素子が正常に動作しなかったり、動作しても著しく性能が劣化したりする可能性が高くなる。
【０００７】
そのため、例えば、特許文献1或いは特許文献2に記載されているように、過酸化水素水、或いは、二酸化マンガン、或いは、三酸化マンガン等でSiCウェハ表面を酸化しながら、酸化クロム砥粒で、仕上げ研磨するような工夫がなされている。
【特許文献１】特開2001-205555号公報
【特許文献２】特開2006-121111号公報
【非特許文献１】Yu. M. Tairov and V. F. Tsvetkov, Journal of Crystal Growth, vol.52 (1981) pp.146-150
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、ダイヤモンド等の硬質砥粒による機械的な研磨加工だけでは、SiC単結晶ウェハ表面に加工変質層が残るため、半導体素子作製に適した高品質なウェハ表面が得られないが、酸化クロム等を用いて加工変質層を除去すると、クロムが研磨面に化学的に結合して残留し、表面金属汚染を引き起こすおそれがある。また、酸化剤を用いることで、酸化剤に曝される研磨装置表面も酸化するので、長期的には装置の劣化に繋がる。また、酸化剤の二酸化マンガンと三酸化マンガンは、表面金属汚染を引き起こすおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明は、上記のような表面金属汚染や研磨装置の劣化が起こらず、高品質な表面を得る炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
高性能半導体素子作製に耐え得る高品質な大口径SiC単結晶ウェハ表面を実現するためには、金属汚染を引き起こさないで、SiC基板の表面下部の加工変質層を酸化させて柔らかい物質に変えて、剥離する方法が有効である。そこで、本発明者らは、研磨条件について鋭意比較検討・観察・解析を行った結果、荒研磨(ラップ)した炭化珪素単結晶ウェハ表面を、酸化した後に、仕上げ研磨(ポリッシュ)で表面の酸化膜を除去することが加工変質層の除去に有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
即ち、本発明は、
（１）機械研磨により荒研磨した炭化珪素単結晶ウェハの表面を酸化し、形成された酸化膜を仕上げ研磨によって除去することを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（２）炭化珪素単結晶ウェハの酸化が熱酸化である(1)に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（３）炭化珪素単結晶ウェハの熱酸化が、水分を含んだ酸素ガス雰囲気下での熱酸化である(2)に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（４）荒研磨により炭化珪素単結晶ウェハの表層部に形成された加工変質層を酸化し、酸化された加工変質層を仕上げ研磨によって除去する(1)〜(3)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（５）仕上げ研磨で用いる研磨剤が、酸化珪素と炭化珪素の間のヌープ硬度を有する研磨剤である(1)〜(4)のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
（６）前記研磨剤が、シリカ、ガーネット、ジルコニア及びアルミナから選ばれた１種又は２種以上である(5)記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法、
である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の研磨方法によれば、金属汚染を引き起こさないで、SiC基板の表面部の加工変質層を酸化させて柔らかい酸化珪素に変えて、該酸化珪素層を除去することで、仕上げ研磨後のSiC単結晶ウェハ表面には、ダメージを受けたSiCの加工変質層が残らず、表面の凹凸が0.3nm以下と大変小さい、高品質表面が安定して得られる。さらに、硬さが酸化珪素と炭化珪素の中間に位置する研磨剤を用いることで効率的に剥離・除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明における研磨のメカニズムを説明する。炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨工程で、荒研磨(ラップ)後の表面は鏡面で平坦であるが、表面下に加工変質層が残り、そのままでは表面に性能の良い半導体素子を作製するのは困難である。そこで、荒研磨後に表面下の加工変質層を酸化して、シリカとほぼ同じ硬度のSiOxに変える。表面を酸化する方法として、表面を酸化剤に曝す方法があるが、炭化珪素単結晶では酸化剤分子が表面下に拡散しないので、適切でない。また、酸素イオンを炭化珪素単結晶ウェハ表面にイオン注入して酸化する方法は、注入イオンにより更に表面下にダメージが発生するので、適さない。したがって、表面下にダメージを残さず、効果的に荒研磨後の加工変質層を酸化するには、表面を熱酸化することが、最良の形態である。
【００１４】
SiCウェハ表面の熱酸化は、水分を含む大気圧の酸素雰囲気中でSiCウェハを加熱することで、容易に実現できる。雰囲気ガスは、酸素ガスを水中にバブリングして得たwetO2を用いる。大気圧雰囲気の電気炉中で加熱しているSiCウェハにwetO2を供給することで、SiCウェハが常時wetO2に曝されて、SiCウェハ表面下の加工変質層を含む表面部分が酸化される。この熱酸化プロセスにおいて特段の厳格な制限はないので、雰囲気に関しては、容易に実現できる大気圧が最良の形態である。即ち、SiCウェハは開放系の石英管中でヒーターにて加熱し、雰囲気ガスは、ガスボンベから供給される酸素ガスをお湯に潜らせて水分の加えたwetO2を、SiCウェハを入れて加熱する石英管に供給し、その後大気に放散する。ガス流量は1.7×10-4〜1.7×10-1Pa・m3/secの範囲で任意に選び、お湯は超純水等を用いる必要はなく、通常の水道水を40〜100℃に温めて使用するのが最良の形態である。温める意味は、wetO2を石英管に供給することでSiCウェハの温度が下がったり、加熱炉に不要な熱勾配が発生したりするのを防ぐためである。SiCウェハを加熱する際の温度は、高い方が酸化を促進するので望ましいが、高過ぎると石英管が軟化変形するおそれがある。したがって、温度範囲は800℃以上1400℃未満、望ましくは1000℃以上1200℃未満が最良の形態である。
【００１５】
硬度の観点から考えると、SiCがヌープ硬度2500(修正モース硬度13)に対して、アルミナのヌープ硬度は2100(修正モース硬度12)、ジルコニアの修正モース硬度が11、ガーネットの修正モース硬度が10、シリカのヌープ硬度は750〜820(修正モース硬度は5(溶融石英)〜6(結晶))であり、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカの方がSiCより遥かに柔らかいので、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカでSiCを機械的効率的に研磨することは困難である。本発明では、SiCウェハ表面を酸化することによって表面のSiCをシリカ同等の硬度のSiOxに変えることで、効率的に仕上げ研磨できる。即ち、SiCのCは酸化されてCO2となってSiC表面から脱離し、表面にはSiCのSiがSiOxの形で残る。このSiOxをアルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカで機械的に研磨除去することで、SiCの表面は効率的に仕上げ研磨され、加工変質層が除去される。本発明の仕上げ研磨法では、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカがSiCより柔らかいために、SiOxが除去された後のSiC単結晶表面に加工変質層は残らない。尚、SiCの砥粒で仕上げ研磨すると、研磨後のウェハ表面にダメージ層を新たに形成することがあるので、SiC砥粒は適さない。他方、アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカの少なくとも2種類以上を混合した研磨剤を用いても、酸化された加工変質層を除去することができる。
【００１６】
アルミナ、ジルコニア、ガーネット、シリカ砥粒の条件に関して、形状に関しては、球形に近い通常の形状であれば特段制限はない。粒径に関しても特段制限はなく、平均粒径で10〜100nmの範囲にある市販品を使用して何ら障害は生じない。
【００１７】
仕上げ研磨では、研磨布として市販されているバフを用いることに特段の制限はない。また、ウェハと研磨布の相対速度にも特段制限はないので、好ましい研磨定盤の回転条件範囲は、研磨装置側の設備能力で決定して支障はない。常識的な例として、10〜200rpm程度の範囲で問題はない。研磨時の研磨面圧力に関しては、大きい方が研磨効率が上がるので有利である。しかし、大きな研磨面圧力は装置に負荷をかけるので、その観点からは研磨面圧力は小さい方が望ましい。本発明では、0.01kg/cm2程度の僅かな研磨面圧力でも表面が研磨できることは確認しているが、効率向上のために装置に過大な負荷がかからない程度に大きな研磨面圧力で研磨する。本発明で適用する面圧力としては、0.01kg/cm2程度の僅かな研磨面圧力から3.0kg/cm2程度の大きな圧力まで広範囲で有効であることは確認している。より好ましくは、装置構成上適切な範囲が良い。面圧力を0.05〜0.2kg/cm2の範囲で装置を構成すると、研磨効率も下がらず、力学的な装置負荷も過大にならないので、より好ましい。
【００１８】
ラップで生じる加工変質層の量は、ラップに用いる砥粒の大きさ、研磨時の圧力等々の諸条件によって決まり、ウェハ断面のTEM観察などによって、加工変質層の厚さを測定することができる。即ち、「ダメージのないSiC層」ではSiC分子が本来あるべき位置に規則的に配置されているためにTEMで観察すると一様に明るい像が得られる。これに対して、「加工変質層」には転位等の結晶欠陥が多数存在して、SiC分子が本来占めるべき位置からずれているためにTEMの電子線が散乱されてしまい、不均一な暗い像となる。加工変質層の厚さは、TEM像で最表面から深さ方向にどのくらい暗い部分があるかで見積もれる。しかし、非破壊で加工変質層の厚さを正確に見積もることは難しいので、TEM観察をした時の過去のラップ条件と同じ条件で研磨した場合に過去と同等の厚さの加工変質層が生じると仮定する。留意すべき点は、TEM観察で見積もれる加工変質層の厚さは、観察したその部分のデータであり、ウェハ全体ではTEM観察した部分よりも加工変質層が薄い部分も厚い部分も存在することである。したがって、ウェハ表面全体から加工変質層を完全に除去するために、表面を酸化する厚さは、加工変質層より厚めに設定する。経験的には、TEM観察で見積もった加工変質層厚さの２倍の厚さを酸化すれば、完全に加工変質層は酸化される。尚、荒研磨（ラップ）の手段については特に制限はなく、例えばダイヤモンド砥粒を用いた研磨のような通常行われる機械研磨等を例示することができる。
【実施例】
【００１９】
以下に、本発明を実施例で説明する。
先ず、コロイダルシリカスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００２０】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。尚、表面粗さRaはJIS B0601:2001に準拠する算術平均粗さである。
【００２１】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００２２】
このウェハのSi面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、コロイダルシリカ固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００２３】
この条件で6時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００２４】
次に、アルミナスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００２５】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００２６】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００２７】
このウェハのC面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、アルミナ固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００２８】
この条件で6時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００２９】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００３０】
また、ジルコニアスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００３１】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００３２】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００３３】
このウェハのC面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、ジルコニア固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００３４】
この条件で12時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００３５】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００３６】
更に、ガーネットスラリーを用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００３７】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００３８】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００３９】
このウェハのC面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、ガーネット固形分を濃度20mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００４０】
この条件で24時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００４１】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００４２】
更にまた、ガーネットスラリーとコロイダルシリカスラリーを混合して用いて本発明を実施した例を説明する。SiCウェハは、コロイダルシリカスラリーの実施例と同じく、直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハで、ウェハ表面の方位は、Si(0001)面から(1-210)方向に4°傾いている。
【００４３】
本発明による仕上げ研磨前のSiCウェハの表面状態は、ダイヤモンド遊離砥粒で機械研磨した状態で、ウェハ表面の凹凸は、AFMで測定した結果、Ra=0.8nmであった。また、加工変質層の厚さは、断面TEMで評価したところ15nm程度であった。
【００４４】
図1に示すように、汎用の酸素ボンベから供給する酸素ガスを80℃に熱したお湯に潜らせてwetO2を作り、電気炉中でSiCウェハ入れて加熱する石英管に供給する。流量は凡そ1.7×10-3Pa・m3/secであった。炉の温度は1100℃で、2時間加熱した。その結果、荒研磨工程で発生したSiCウェハ表面下の加工変質層は全て酸化された。即ち、本ウェハのSi面側表面には厚さ凡そ20nmの酸化膜が形成され、C面側表面には厚さ凡そ200nmの酸化膜が形成された。したがって、加工変質層は全て酸化されたことになる。
【００４５】
このウェハのSi面を0.2kg/cm2の研磨面圧力で研磨定盤に押し付け、研磨定盤を40rpmで回転させることによって研磨した。研磨剤は、ガーネット固形分を濃度10mass%とコロイダルシリカ固形分を濃度10mass%含むスラリーで、pHは弱アルカリ(pH〜10)に調整した。スラリーは毎時１リットルの割合でローラーポンプで供給した。研磨機下部から排出されたスラリーは回収して再度ローラーポンプで研磨定盤に循環供給した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径4インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。研磨定盤は直径15インチ(380mm)のバフ盤であり、ウェハ貼付け板には直径４インチ(100mm)の4H-SiC単結晶ウェハを一枚貼付け、貼付け板一枚を研磨定盤に載せて研磨した。
【００４６】
この条件で3時間研磨した結果、表面の加工変質層は完全に除去され、断面TEMで表面のダメージを観察したが、全くダメージは検出できなかった。また、AFMで表面の凹凸を測定したところ、Ra=0.1nmと、非常に平坦性に優れていた。
【００４７】
同じ条件で再現性を確かめたところ、常に、仕上げ研磨後の表面からは加工変質層が除去されており、AFMで測定した表面の凹凸は、常に0.3nm以下の値で仕上げられた。
【００４８】
尚、従来技術として、コロイダルシリカとアルカリ液の相乗作用を利用する研磨方法では、表面の凹凸がAFMでの測定値でRa=0.5〜0.8nm程度に平坦化されるに留まった。この時、研磨面圧力は0.5kg/cm2で、研磨定盤の回転速度は80rpmであり、本発明の実施例より高い圧力をかけて高回転速度で研磨したが、加工変質層の除去には48時間以上かかり、スループットが悪化した。
【００４９】
また、別の従来技術として、酸化クロムで研磨した場合は、コロイダルシリカとアルカリ液の相乗作用を利用する研磨方法よりは平坦性に優れるが、表面の評価結果は、表面の凹凸のAFMでの測定値はRa=0.4nmであった。この時、酸化クロムは不織布のバフ盤にすり込んで研磨定盤上に保持し、研磨面圧力は0.15kg/cm2で、研磨定盤は80rpmで回転させた。研磨後のウェハ表面を蛍光Ｘ線分析装置(XRF)で分析した所、残留するクロムが検出され、金属汚染が確認できた。他方、本発明方法による研磨後のウェハ表面には金属汚染が見出せなかった。
これらの比較から本発明方法の優位性は明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】熱酸化装置の構成
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械研磨により荒研磨した炭化珪素単結晶ウェハの表面を酸化し、形成された酸化膜を仕上げ研磨によって除去することを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項２】
炭化珪素単結晶ウェハの酸化が熱酸化である請求項１に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項３】
炭化珪素単結晶ウェハの熱酸化が、水分を含んだ酸素ガス雰囲気下での熱酸化である請求項２に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項４】
荒研磨により炭化珪素単結晶ウェハの表層部に形成された加工変質層を酸化し、酸化された加工変質層を仕上げ研磨によって除去する請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項５】
仕上げ研磨で用いる研磨剤が、酸化珪素と炭化珪素の間のヌープ硬度を有する研磨剤である請求項１〜４のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項６】
前記研磨剤が、シリカ、ガーネット、ジルコニア及びアルミナから選ばれた１種又は２種以上である請求項５記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項１】
機械研磨により荒研磨した炭化珪素単結晶ウェハの表面を酸化し、形成された酸化膜を仕上げ研磨によって除去することを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項２】
炭化珪素単結晶ウェハの酸化が熱酸化である請求項１に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項３】
炭化珪素単結晶ウェハの熱酸化が、水分を含んだ酸素ガス雰囲気下での熱酸化である請求項２に記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項４】
荒研磨により炭化珪素単結晶ウェハの表層部に形成された加工変質層を酸化し、酸化された加工変質層を仕上げ研磨によって除去する請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項５】
仕上げ研磨で用いる研磨剤が、酸化珪素と炭化珪素の間のヌープ硬度を有する研磨剤である請求項１〜４のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【請求項６】
前記研磨剤が、シリカ、ガーネット、ジルコニア及びアルミナから選ばれた１種又は２種以上である請求項５記載の炭化珪素単結晶ウェハ表面の研磨方法。
【図１】
【公開番号】特開２００９−２８３６２９（Ｐ２００９−２８３６２９Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３３３４８（Ｐ２００８−１３３３４８）
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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