(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡面仕上げに加工されたＳｉＣ単結晶基板にイオン化した不活性ガスを利用して前記基板の表面加工変質部と非加工変質部の一部とをエッチングする工程と、前記工程により導入されるイオン照射損傷層を反応性ガスを利用したエッチングにより除去する工程を有することを特徴とするＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２】
前記イオン化した不活性ガスまたは反応性ガスを用いてエッチングする装置として反応性イオンエッチング装置を用いることを特徴とする請求項１記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の製造方法により製造したＳｉＣ単結晶基板を酸化した後、酸化膜を剥ぐ表面処理を少なくとも一回行う工程を有することを特徴とするＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐圧半導体素子または高温や放射線環境下等で使用する耐環境用半導体素子として利用が期待されるＳｉＣ単結晶基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣ単結晶のインゴットからＳｉＣ単結晶基板に加工する工程は、先ず前記インゴットを任意の仕様を満たすウエハ状に切り出すスライス工程と、任意の板厚まで粗削りする研削工程と、基板の両面を平坦かつ鏡面に仕上げる研磨工程と、以上までの工程で基板に付着した有機物や金属を除去する洗浄工程と、加工工程で基板内部に導入する研削傷や研磨傷等の表面加工変質部を除去することから成る。
【０００３】
この一連の加工工程を経た基板を使用した後工程においてエピタキシャル膜またはダイオード等の半導体素子を作製する場合、その膜質や特性は表面加工変質部の残留度合によって大きく影響される。表面加工変質部の変質の程度は基板表面から連続的に変化、減少しているために一意的に表面加工変質部を定義できないが、後工程での精度や特性に影響が生じない程度に表面加工変質部を除去することが一連の加工工程の中で特に重要である。
【０００４】
ＳｉＣはダイヤモンドに次ぐ硬度を有するため、インゴットから前記基板を作製するまでに非常に硬い材料でしかも強い圧力を加えて加工しなければならなく、加工過程での加工変質がＳｉＣ単結晶基板内部に深く入りやすい。基板内部に導入されるこの表面加工変質部を除去する方法としてウェットエッチングが考えられるが、ＳｉＣは熱的にも化学的にも安定であるため室温における酸やアルカリ溶液ではエッチングの効果がほとんどない。しかし、一部の高温アルカリ溶液や溶融酸化剤等によってエッチングできることが知られている。例えば、４００℃以上の溶融ＫＯＨが代表的であるが、この方法を行うと微小な結晶欠陥までもが際だってエッチングされてＳｉＣ単結晶基板表面に肌荒れをおこしてしまい、半導体素子を作製する基板として使用することができなくなる。このためウェットエッチングによる表面加工変質部の除去は全く行われていない。
【０００５】
前記加工工程でＳｉＣ単結晶基板内部に導入される表面加工変質部を除去する従来の方法として、ＳｉＣ単結晶基板を酸化して酸化された基板表面の酸化膜を除去することで表面加工変質部も同時に除去できることが知られている。この方法は、ＳｉＣ単結晶基板のＣ面と呼ばれている面について効果あるが、Ｃ面の裏側のＳｉ面と呼ばれる面については酸化を行った際に反対に表面加工変質部が強調されて基板表面に肌荒れを発生させる原因となる。このためこの方法を施したＳｉ面では半導体素子を作製する基板として使用することができなくなる。
【０００６】
一方、ＳｉＣ単結晶を利用した能動素子を作製するために難波等（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ    Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ    Ｃａｒｂｉｄｅ  ；  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ    ｏｆ  Ａｐｐｌ．    Ｐｈｙ．    ｖｏｌ．２０，  Ｎｏ．１，  Ｊａｎ．，  １９８１；  Ｌ３８    ）や松波等（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｔｃｈｉｎｇ    ｏｆ    ＣＶＤ    Ｇｒｏｗｎ    Ｃｕｂｉｃ    ＳｉＣ    Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ；  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ    ｏｆ  Ａｐｐｌ．    Ｐｈｙ．    ｖｏｌ．２４，  Ｎｏ．１１，  Ｎｏｖ．，  １９８５；  Ｌ８７３  ）は、イオンビームやプラズマを利用したＳｉＣ単結晶のドライエッチング法を研究報告している。最近になって、Ｐａｌｍｏｕｒ  等（Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  ；  Ｐａｔｅｎｔ    Ｎｏ．４，９４６，５４７  ，  Ａｕｇ．７  ，１９９０    ）や加納等（特開平６−１８８１６３）は、このドライエッチング法を利用したＳｉＣ単結晶基板の表面加工変質部の除去方法を開示している。ドライエッチング法による表面加工変質部の除去は、Ｃ面およびＳｉ面について同じ効果があることが特徴である。  Ｐａｌｍｏｕｒ等は、プラズマにより加工変質層を除去する際、除去後の基板表面に新たな損傷を全く生じさせない時間でエッチングを終了させる方法を開発した。また、加納等は、エッチング深さ２００ｎｍから４００ｎｍの反応性イオンエッチングにより基板表面に散在する表面加工変質部と非変質部を均一に除去する方法を開示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の加工工程によってＳｉＣ単結晶基板内部に導入される表面加工変質部の深さは、加工装置または加工条件によって異なり基板内部に不均一に入るため、  Ｐａｌｍｏｕｒ等の方法では極端に深く入る一部の表面加工変質部については除去できなくなることが予想される。また、加納等の開発した方法はエッチングの深さが４００ｎｍを超える場合に前記基板表面が荒れることを報告しており、表面加工変質部の一部の深さが４００ｎｍ以上有する前記基板についてはこの方法は適用できなくなる。
【０００８】
本発明は上記課題を解決して、高耐圧半導体素子または高温や放射線環境下等で使用できる耐環境用半導体素子さらにはその他の半導体素子の材料として広く利用できるＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の加工工程により鏡面に仕上げられたＳｉＣ単結晶基板にイオン化した不活性ガスを利用して前記基板の表面加工変質部と非加工変質部の一部とをエッチングする工程と、前記工程により導入されるイオン照射損傷層を反応性ガスを利用したエッチングにより除去する工程を有することを特徴とするＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供する。
【００１０】
また本発明は、前記イオン化した不活性ガスまたは反応性ガスを用いてエッチングする装置として反応性イオンエッチング装置を用いることを特徴とする請求項１記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供する。
【００１１】
さらに本発明は、前記製造方法により製造したＳｉＣ単結晶基板を酸化した後、酸化膜を剥ぐ表面処理を少なくとも一回行う工程を有することを特徴とするＳｉＣ単結晶基板の製造方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る工程を模式的に表わした図面を用いて本発明を説明する。
【００１３】
本発明は、前述した加工工程の洗浄工程を完了するとウエハ状の基板はＳｉＣ単結晶基板１と加工過程で前記基板１内部に不均一に加工変質が導入された表面加工変質部２からなり（図１（ａ））、不活性ガスのイオンを表面加工変質部２に衝突させて前記変質部２の構成物質を叩き出して前記変質部２を除去し（図１（ｂ））、さらに非加工変質部の一部５を除去し（図１（ｃ））、この時イオン照射損傷層３が新たに前記基板１内部に生じるため反応性ガスを使用して前記損傷層３を化学的反応を利用したエッチングにより除去することで（図１（ｄ））、前記変質部２および前記損傷層３の有しないＳｉＣ単結晶基板（図１（ｅ））を作製するものである。
【００１４】
前記変質部２と非加工変質部の一部５とをエッチングするとしたのは、後工程で影響が出ない程度までオーバーエッチングする必要があるからである。しかし、オーバーエッチングすることは生産性の低下につながるためその度合は極力小さいことが望ましい。
【００１５】
前記変質部２を除去する工程において、前記変質部２には加工変質部と非加工変質部が散在していて両者を均一にしかも最初の加工精度を保ったまま前記変質部２を除去することが必須であり、化学的反応を伴わない不活性ガスを使用した純粋な物理的効果のみによるエッチングを施すことが適当である。
【００１６】
前記変質部２を除去するエッチングは比較的低エネルギーのイオン衝突であるため、前記損傷層３は原子空孔や格子間原子等の微小欠陥で構成されてしかも前記基板１のごく表面層に均一に導入される。このため前記損傷層３を除去する工程において、物理的効果によるエッチングが全くなく化学的反応のみを利用したエッチングを施すことが適当である。
【００１７】
上述のイオン化した不活性ガスまたは反応性ガスを用いてエッチングする装置として、前記両ガスを簡単な切り換えにより同一装置内で連続に処理でき且つガス圧力を物理的効果を引き出す低圧力から化学的反応効果を促進する高圧力まで可変できることが必須であるため、反応性イオンエッチング装置を用いることが望ましい。
【００１８】
さらに前記エッチング工程が終了した後の前記基板１に酸化処理を施してできた酸化膜４（図１（ｆ））を剥ぐことで、反応性ガスを利用したエッチング後にごくわずかに残る前記損傷層３や化学的反応を利用したエッチングに伴って生じる前記基板１上の残留生成物等を同時に除去することができるために、基板表面がより完全な結晶性を有しかつ清浄化されたＳｉＣ単結晶基板（図１（ｇ））が作製できる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００２０】
前述した加工工程の洗浄工程までを終了した６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板に本発明のエッチング法と従来法の一つである反応性イオンエッチング法とを実施して、エッチング後の基板表面の荒れやエッチング時の残留生成物の付着を総合的に評価するために分光分析計により測定した両表面の反射率を比較した。
【００２１】
本発明において前述した加工時に前記基板１内部に導入される前記変質部２をドライエッチングにより除去することが可能な機器として、反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）、反応性スパッター装置（ＲＳＥ）、ＥＣＲ装置等のように、ガス圧力を一定に調整でき、不活性ガスをイオン化してイオンを加速し前記変質部２に衝突させて前記変質部２の構成物質を叩き出し、この物質を排気する仕組があればよい。本実施例ではこのイオン化した不活性ガスを用いたエッチングの後に反応性ガスを使用したエッチングを行うために利便性のよいＲＩＥ装置を使用した。不活性ガスとして、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ２  等が使用できるが、本実施例においてはＳｉＣ材料のドーパントにならず、また取扱いが容易なＡｒを使用した。不活性ガスを用いたエッチングの条件として、投入する高周波電力は前記損傷層３が基板のごく表面層のみに生じる１Ｋｗ程度以下が好ましく、本実施例では０．３Ｗ／ｃｍ２  であり、エッチング圧力は前記層２のエッチング速度を速めるためにできる限り低い圧力（１０Ｐａ以下）が好ましく、本実施例では装置の仕様限界圧力の３Ｐａであり、Ａｒガス流量は２０ｓｃｃｍである。化学的反応を利用してエッチングする時に使用する反応性ガスとして、ＣＦ４  、ＣＨＦ３  、ＳＦ６  等のハライドガスとＯ２  との混合が一般的に知られている。本実施例において前記損傷層３を除去するために、ＣＦ４  とＯ２  を使用した。化学的反応を利用したエッチングの条件として、投入する高周波電力は前記損傷層３のみがエッチングされ新たにイオン照射損傷が生じにくい低電力密度が好ましく、本実施例では０．１Ｗ／ｃｍ２  であり、エッチング圧力はＳｉＣ単結晶基板のごく表面層のエッチングをゆっくり行うためにできる限り高い圧力（２０Ｐａ以上）が好ましく、本実施例では装置の仕様限界圧力に近い４０Ｐａであり、ＣＦ４  ガス流量は２０ｓｃｃｍであり、Ｏ２  ガス流量は４０ｓｃｃｍである。以上の条件により約９６０ｎｍをイオン化した不活性ガスを使用してエッチングし、約２０ｎｍを反応性ガスを使用してエッチングしてＳｉＣ単結晶基板の表面を合計約９８０ｎｍエッチングした。両ガスによるエッチング深さは、事前の試験により後工程に影響する表面加工変質部の厚さならびにそのばらつきを考慮して決めた。
【００２２】
その後、同装置を使用して本発明の実施例に使用した基板の未処理表面について従来方法の一つであるの反応性ガスのみによる方法（高周波電力０．２６５Ｗ／ｃｍ２  、圧力３．７Ｐａ、ＣＦ４  ガス流量１０ｓｃｃｍ、Ｏ２  ガス流量２ｓｃｃｍ）で約７５０ｎｍエッチングした。
【００２３】
上述の本発明と従来方法のエッチングの結果、本発明の場合は従来方法で基板の表面荒れが生じると言われている４００ｎｍの２倍以上の深さのエッチングを行っても基板表面はエッチング前の鏡面を維持していたが、従来方法の場合は基板の表面荒れやエッチング時の残留生成物の付着により肉眼でも基板表面の曇りが確認できた。図２は、分光分析計により測定された本発明のエッチング後の基板表面の反射率ｒ１に対する従来法のエッチング後の反射率ｒ２の比率を表わしている。反射率の測定ではビーム径４×６ｍｍの光を基板表面の法線に対して１０°で入射し、６００から８００ｎｍまでの波長領域について実施した。本発明によるエッチング後のＳｉＣ単結晶基板表面の反射率は従来方法によるエッチング後の反射率に比べて２倍以上良いことから、本発明によるエッチングの方がエッチング後の基板表面の荒れやエッチング時の残留生成物の付着が極めて少ないことがわかる。
【００２４】
次に前記変質部２と非加工変質部の一部５とが除去されたことを確認するために、本発明と従来方法のエッチング工程が終了したＳｉＣ単結晶基板に酸化前洗浄（ＲＣＡ洗浄）を行い、１１５０℃でウェット酸化処理を施した。その後に、表面粗さ計により基板表面を１００μｍ走査した時の凹凸を測定してその自乗平均値（ＲＭＳ）で加工変質部の残部を比較した。
【００２５】
図３は、本発明によるエッチング法で約１．５μｍのエッチングを行い、次いで前記酸化処理を施した後にＳｉＣ単結晶基板表面の凹凸を測定したものである。図４は、反応性ガスのみを用いた従来のエッチング法で基板の表面荒れが生じない約３５０ｎｍのエッチングを行い、次いで前記酸化処理を施した後にＳｉＣ単結晶基板表面の凹凸を測定したものである。図４では、明らかに加工変質部の残部のピークが現われていて、３５０ｎｍ程度のエッチングでは基板表面から深く導入された一部の加工変質部が残ることがわかる。本発明の場合、基板表面のＲＭＳは７．８ｎｍであり、エッチング前の値（ＲＭＳ＝７．３ｎｍ）と殆ど変わらないことからエッチング前の基板表面の加工精度を維持したまま加工変質部が完全に除去できている。従来方法の場合、基板表面のＲＭＳは１１．０ｎｍであり、本発明のＲＭＳ値と比較して基板表面に加工変質部の残部が存在することで１．４倍以上大きくなり、エッチング前の基板表面の加工精度が低下する。また、本発明および従来のエッチングを行わずに前記酸化処理だけを施した場合、基板表面のＲＭＳは２２．０ｎｍであった。
【００２６】
さらに、イオン照射損傷層３が除去されたことを確認するために、本発明のエッチング法を施した基板と不活性ガスを使用したエッチングのみの基板とをＲＢＳ法（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｅｒｉｎｇ    Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ    ）で比較した。本発明のエッチング法を施した基板では、表面近傍でのランダムスペクトルとチャネリングスペクトルのイールド比が２％であり、数値計算値の０．０２４に非常に近いため表面近傍は前記損傷層３が完全に除去されたほぼ完全結晶であった。一方、不活性ガスのみのエッチングの場合、イールド比が１０％以上にもなり不活性ガスを使用したエッチングにおいて前記損傷層３が形成されていた。
【００２７】
前記酸化処理に続いて、生成酸化膜をバファード弗酸によりエッチングする表面処理と前記酸化前洗浄および前記酸化処理を施したＳｉＣ単結晶基板を用いて、Ａｕ−ＳｉＣショットキー障壁ダイオードを作製した結果、前記表面処理を施さない前記ダイオードよりも順方向電流のＯＮ電圧のばらつきが１０％に抑えられ、逆方向リーク電流が１／２以下に低減できた。
【００２８】
前述のごとく本発明は、ＳｉＣ単結晶のインゴットからＳｉＣ単結晶基板に加工するまでの工程で基板内部に深く導入される表面加工変質部をドライエッチングを利用して除去する際、基板表面の表面荒れを発生させず且つエッチング前の平坦度を保ったままＳｉＣ単結晶基板を作製できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による製造方法で作製されたＳｉＣ単結晶基板は、不活性ガスを用いたエッチングを施したことにより、ＳｉＣ単結晶インゴットから平坦かつ鏡面を有する基板に加工するまでに生じる深い表面加工変質部を基板の表面荒れを発生させることなくかつエッチング前の平坦性を保ったまま除去することができる。これによりこの基板上にトランジスタやダイオード等の電子デバイスを作製すことで、これらのデバイスの特性や均一性を向上でき、歩留りの向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る工程を模式的に説明するための図である。
【図２】本発明によるエッチング後のＳｉＣ単結晶基板表面の反射率に対する従来方法を行った場合の反射率の比率を表わす図である。
【図３】本発明によるエッチングとウェット酸化処理を施した後のＳｉＣ単結晶基板表面の凹凸を示す図である。
【図４】従来の方法によるエッチングとウェット酸化処理を施した後のＳｉＣ単結晶基板表面の凹凸を示す図である。
【符号の説明】
１…ＳｉＣ単結晶基板、
２…表面加工変質部、
３…イオン照射損傷層、
４…酸化膜、
５…非加工変質部の一部。
【図１】
0003593195.tif 000002
【図２】
0003593195.tif 000003
【図３】
0003593195.tif 000004
【図４】
0003593195.tif 000005