(57)【要約】  後のエピタキシャル膜成長またはイオンインプランテーションおよび半導体デバイス製作に適した、ＳｉＣウエハの滑らかで損傷のない表面を作るプロセスが教示される。そのプロセスは、制御されたやり方でウエハ面から材料を除去するために、コロイド状研磨材との組合せで酸素化溶液を使用する。オゾン化水を備えた、あるいは備えない過酸化水素とコロイドシリカまたはアルミナとの組合せ（あるいは酸化物除去に影響するＨＦとの組合せ）が発明の好適実施例である。発明は、さらに表面下損傷深さおよび範囲をモニターする手段を提供するが、それはより高い酸化速度とそれに関連するより高い除去速度であるが、最初にこの損傷を明らかにするからである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
後のエピタキシャル膜成長、イオンインプランテーション、半導体デバイス製作、その他の用途に適した、ＳｉＣウエハの滑らかで平坦な損傷のない表面を作る方法であって、
ａ）コロイド状研磨材の懸濁液を準備する工程と、
ｂ）前記コロイド状研磨材の懸濁液に酸化剤を加えて、研磨スラリーを形成する工程と、
ｃ）キャリアにＳｉＣウエハを取り付け、前記ＳｉＣウエハの表面がパッドまたはプレートの研磨要素の表面に対向するよう前記キャリアを位置づける工程と、
ｄ）前記ＳｉＣウエハに接する前記研磨要素の表面に前記研磨スラリーを置く工程と、
ｅ）前記ＳｉＣウエハおよび前記研磨要素の少なくとも何れか一方を相対移動させることによって、前記研磨要素および前記研磨スラリーが、前記ＳｉＣウエハの表面から材料を取り除くことで研磨する工程と、
を備えたＳｉＣウエハの表面を作る方法。
【請求項２】
前記コロイド状研磨材の前記懸濁液がコロイドシリカおよびコロイドアルミナの少なくとも何れか一方を含む請求項１の方法。
【請求項３】
前記酸化剤が過酸化水素およびオゾン化水の少なくとも何れか一方を含む請求項１の方法。
【請求項４】
前記ＳｉＣウエハの酸化速度を制御するために、前記過酸化水素の濃度を制御する工程および前記オゾン化水のオゾン化の程度を制御する工程の少なくとも何れか一方をさらに含む請求項３の方法。
【請求項５】
前記ＳｉＣウエハの酸化速度を増すために、前記コロイド状研磨材の懸濁液のｐＨを８〜１４の範囲内で緩衝する工程をさらに含む請求項１の方法。
【請求項６】
前記研磨する工程において、操作温度を高める工程をさらに含む請求項１の方法。
【請求項７】
前記ＳｉＣウエハ、前記キャリア、前記研磨要素および前記研磨スラリーの少なくとも何れか１つを加熱することにより温度を高める請求項６の方法。
【請求項８】
化学反応によって前記研磨スラリーの温度を高める請求項６の方法。
【請求項９】
発熱反応を生じさせるように前記研磨スラリーに酸性または塩基性溶液を加えることをさらに含む請求項８の方法。
【請求項１０】
加えられる溶液が硫酸、水酸化カリウムまたは水酸化アンモニウムを含む請求項９の方法。
【請求項１１】
コロイド状研磨材の懸濁液が、前記研磨する工程で３００ｎｍ以下の大きさの研磨粒子を含有する請求項１の方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の各工程に先立つラッピング／中間研磨作業をさらに含み、サブミクロン・ダイヤモンドスラリーを研磨スラリーとして用いる請求項１１の方法。
【請求項１３】
後のエピタキシャル膜成長、イオンインプランテーション、半導体デバイス製作、その他の用途に適した、ＳｉＣウエハの滑らかで平坦な損傷のない表面を作る方法であって、
ａ）コロイド状研磨材の懸濁液を準備する工程と、
ｂ）コロイド状研磨材の懸濁液を８〜１４のｐＨに緩衝して研磨スラリーを形成する工程と、
ｃ）キャリアに前記ＳｉＣウエハを取り付け、前記ＳｉＣウエハの表面がパッドまたはプレートの研磨要素の表面に対向するようキャリアを位置づけする工程と、
ｄ）前記ＳｉＣウエハに接する前記研磨要素の表面に前記研磨スラリーを置く工程と、
ｅ）前記ＳｉＣウエハおよび前記研磨要素の少なくとも何れか一方を相対移動させることによって、前記研磨要素および前記研磨スラリーが、前記ＳｉＣウエハの表面から材料を取り除くことで研磨する工程と、
を備えたＳｉＣウエハの表面を作る方法。
【請求項１４】
前記コロイド状研磨材の懸濁液が水酸化カリウムまたは水酸化アンモニウムで緩衝される請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記コロイド状研磨材の懸濁液がコロイドシリカおよびコロイドアルミナの少なくとも何れか一方を含む請求項１３の方法。
【請求項１６】
前記研磨する工程において、操作温度を高める工程をさらに含む請求項１３の方法。
【請求項１７】
前記ＳｉＣウエハ、前記キャリア、前記研磨要素および前記研磨スラリーの少なくとも何れか１つを加熱することにより温度を高める請求項１６の方法。
【請求項１８】
化学反応によって研磨スラリーの温度を高める請求項１６の方法。
【請求項１９】
後のエピタキシャル膜成長、イオンインプランテーション、半導体デバイス製作、その他の用途に適した、ＳｉＣウエハの滑らかで平坦な損傷のない表面を作る方法であって、
ａ）化学還元剤を、過酸化水素等の酸化剤および／またはオゾン化水と組み合わせて、研磨スラリーを形成する工程と、
ｂ）キャリアにＳｉＣウエハを取り付け、ＳｉＣウエハの表面がパッドまたはプレートの研磨要素の表面に対向するよう前記キャリアを位置づけする工程と、
ｃ）前記ＳｉＣウエハに接する前記研磨要素の表面に前記研磨スラリーを置く工程と、
ｄ）前記ＳｉＣウエハおよび前記研磨要素の少なくとも何れか一方を相対移動させることによって、前記研磨要素および前記研磨スラリーが、前記ＳｉＣウエハの表面から材料を取り除くことで研磨する工程と、
を備えたＳｉＣウエハの表面を作る方法。
【請求項２０】
前記ＳｉＣウエハの酸化速度を制御するために、前記過酸化水素の濃度を制御する工程および前記オゾン化水のオゾン化の程度を制御する工程の少なくとも何れか一方をさらに含む請求項１９の方法。
【請求項２１】
前記研磨する工程において、操作温度を高める工程をさらに含む請求項１９の方法。
【請求項２２】
前記ＳｉＣウエハ、前記キャリア、前記研磨要素および前記研磨スラリーの少なくとも何れか１つを加熱することにより温度を高める請求項２１の方法。
【請求項２３】
化学反応によって前記研磨スラリーの温度を高める請求項２１の方法。
【請求項２４】
発熱反応を生じさせるように前記研磨スラリーに酸性または塩基性溶液を加えることをさらに含む請求項２３の方法。
【請求項２５】
加えられる溶液が硫酸、水酸化カリウムまたは水酸化アンモニウムを含む請求項２４の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、さらなるエピタキシャル膜成長、イオンインプランテーションおよび／または後のデバイス加工に適した損傷なしのＳｉＣ半導体ウエハ表面の化学機械的研磨による生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣは、電子デバイス用としてそれを非常に魅力的で有用にする電気的特性および熱物性の素晴らしい組合せを備えた半導体材料である。例えば、高いブレークダウン電界強度、高い実際的な動作温度、良好な電子モビリティおよび高い熱伝導率を含むこれらの特性は、シリコン、ＧａＡｓなどのより普通の半導体で作られた類似のデバイスより著しく高い電力、高温、そしてより大きい放射抵抗でのデバイス動作を可能にする。高抵抗率の「半絶縁」ＳｉＣで作られたトランジスタは、１０ＧＨｚまでの周波数で類似のＧａＡｓマイクロ波集積回路の５倍を超える出力密度を生成すると推測される。
【０００３】
マイクロ波装置に加えて、ＳｉＣ基板は、高電圧および電流の取扱適性が類似のシリコンベースの装置より５〜１０倍大きく、ユーティリティ用途でのデバイス電力損失を著しく減らすと予測されるパワースイッチングデバイスおよびダイオードを作るのに使用される。ＳｉＣトランジスタは、シリコンデバイスのｌ００〜１５０℃に対して４００〜５００℃の温度で作動することができ、原子炉、航空機エンジンおよび油井ロギング等の厳しい環境下における用途のエレクトロニクスを可能にする。
【０００４】
さらに、半絶縁ＳｉＣは、ＳｉＣベースの装置で可能であるよりさらに高いマイクロ波振動数で作動するマイクロウェーブトランジスタおよび回路に組み込むことができるＧａＮベースのフィルムの成長用に好適な基板である。電導性ＳｉＣ基板は、交通制御、ディスプレイおよび自動車用のＧａＮベースの発光ダイオードを作るのに使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体技術において周知のように、平坦なウエハを作るのに使用される摩耗性のラッピングおよび研磨処理は、後の装置生産工程に悪影響を及ぼす残留表面損傷および欠陥を残す可能性がある。そのような表面に形成されたエピタキシャル膜は局所的な欠陥領域を生じる可能性があり、装置製作が過度に低い歩留りを示し得る。さらに、損傷した表面材料は、装置製造時に使用されるイオン注入ステップにおいて表面に対して意図的に導入されるドーパントの活性化に影響する。
【０００６】
表面下の損傷は光学的には見るのが難しく、通常は、エッチングによって通常明らかになる。例えば、ＳｉＣの特定ケースでは溶融ＫＯＨエッチングにより明らかになる。この方法は、表面を荒くし、ＳｉＣ成長過程から存在する欠陥を増すから破壊的である。損傷はエピタクシーに先立つエピタキシアル・リアクタでの熱処理の後に明白かもしれず、損傷上の欠陥描写によってエピタクシーの後に通常増強される。これは通常、前の研磨工程時の表面におけるスラリー粒子の摩耗性経路に対応する密なスクラッチ網として現われる。
【０００７】
コロイドシリカおよび種々のエッチング剤を使用する化学機械研磨（ＣＭＰ）処理は、素材の除去を最大限にし、シリコンのウエハの表面損傷を最小限にするよう発展した。シリコンＣＭＰで、材料除去は、ＮＨ４ＯＨ溶液またはＫＯＨ溶液で（つまり高いＯＨ-濃度で）コロイドシリカのｐＨを緩衝することにより増加することが明らかにされた。しかし、ＳｉＣの著しいかたさと相対的な化学的不活性、特に炭素の酸化は、類似の化学機械研磨処理の開発を困難にした。緩衝されたコロイドスラリー（より高いｐＨ）も他の酸化剤（例えば次亜塩素酸ナトリウムまたはトリ・クロロ・イソ・シアヌル酸）を備えた他の市販のコロイドスラリーも、ＳｉＣに作用しないように思える。
【０００８】
現在のＳｉＣの化学機械的処理は再生不可能か、可能であったとしても、時間及びコストがかかる。その結果、ＳｉＣの素晴らしい半導体性質の全価値を実際に得られないかもしれない。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術の問題および障害の回避する化学機械的研磨処理で、エピタキシャル膜成長、イオンインプランテーションおよび／または装置製作に適した、均一の電気的性質および構造的品質を備えた滑らかな、損傷なしの炭化珪素基板を生成するプロセスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明は、標準研磨設備（ＳｉＣウエハキャリアと研磨要素）を使用して、ＳｉＣから化学機械的に材料を除去し、損傷なしの高度に磨かれた表面を達成するプロセスでこの目的を満たす。プロセスの主な実施例は、ＳｉＣ材料が研磨される研磨要素（パッドまたはプレート）上のコロイドシリカまたはアルミナの懸濁液に追加の酸化剤、過酸化水素および／またはオゾン化水を（別々にあるいは組合せで）使用する。炭化けい素の酸化の速度、したがって表面からのＳｉＣの除去速度を制御するために、水の「オゾン化」の程度（つまり溶液中の溶存オゾンの量）または過酸化水素の濃度を調節してもよい。さらにＳｉＣの酸化速度を増すために、コロイドシリカを８〜１４の範囲のｐＨで緩衝してもよい。コロイド懸濁液は、プロセスの最終工程で３００ｎｍまでの領域のシリカまたはアルミナ微粒子あるいはその両方を持っていてもよい。しかし、前の工程では、いわゆるラッピング／中間研磨工程で低ダメージの「ストック」除去を達成するために、より大きな粒径の、ひいてはサブミクロン・ダイヤモンドスラリーを使用することも構想される。ＫＯＨあるいはＮＨ４ＯＨでバッファーされた（ｐＨ  ８〜１４）コロイドシリカまたはアルミナだけでのＳｉＣの研磨も本発明に含まれる。
【００１１】
プロセスのさらなる実施例では、プロセス温度を高めることにより改良を達成することができる。温度上昇は２つの方法で達成しえる。研磨スラリー、ウエハ・キャリア、ウエハおよびポリシングプレートは、より高温度に直接加熱することができ、あるいは、化学反応を利用して温度を上げることができる。後者の場合は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）のような酸性または塩基性溶液を、発熱反応を刺激するために工程に加えてもよく、それは最終的にウエハ面での温度を上げる。この温度上昇が溶液中へのＳｉＣの除去を支援すると考えられる。
【００１２】
純粋に化学的なプロセス（つまり、コロイドシリカまたはアルミナを用いない）も提供され、それによって、上記のように生成されたＳｉＣの酸化物が純粋に化学的な還元によってＨＦのような薬剤中で取り除かれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、時間の関数として処理時のＳｉＣウエハの粗さを示すグラフである。そして、図２は、種々のＳｉＣウエハサンプルの表面モフォロジを示す写真である。
【００１４】
ここで教示されたプロセスの重要な特徴は、過酸化水素および／またはオゾン化水による、別々あるいは組合せで、ＳｉＣウエハの表面を酸化する方法にある。酸化物の除去は、ＳｉＣ表面を損傷せずに、コロイドシリカまたはアルミナの摩耗性摩擦、あるいはＨＦ等の薬剤中での酸化物の純粋に化学的な還元によって遂行される。これらの薬剤が別々にあるいは組合せで使用されると、非常に平坦な、非常に低い粗さの表面をもたらす（例えば、３５０ｕｍｘ２５０ｕｍ視野でＺｙｇｏ白色光干渉計によって測定された＜＜３オングストローム、あるいは５´５ｕｍ視野で原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定された＜０．５オングストローム）。また、生じる表面は表面下の損傷がない。
【００１５】
他所のＳｉＣ研磨の技術的現状は、はるかに高いレベルの表面の粗さ（３〜１５オングストローム）で、ある程度の表面下の損傷の証拠があるウエハ面を生成する。さらに、従来の化学機械的処理の最先端技術の除去速度は低い。本発明によって達成された低い表面の粗さおよびゼロ表面下損傷の組合せは、既存の研磨作業から得られない。本発明のプロセスは、大きな程度のエッチングや大きな研磨選択性なしで、これらの結果を達成し、それはＳｉＣ結晶における成長欠陥または確率的変化を過度にエッチングしたり、促進したり、好んだりしないことを保証する。そのプロセスは、Ｓｉ末端またはＣ末端（０００１）の正確な方向の結晶を含めて、すべての方向のＳＩＣ結晶から表面下の損傷を取り除くことができる。
【００１６】
表面はＳｉＣ上でエピタクシーを行なう顧客にとって重要である。過成長により、損傷部位あるいはざらつきが装飾され、不十分なインターフェース制御、粗いインターフェースおよびキャリア散乱に結びつき、それは後で生成される装置の搬送特性と性能を下げるからである。さらに、イオンインプランテーションを行なう顧客は、よりよいインプラント活性化と、下面および表面下固有のトラップ準位、したがって向上したデバイス性能を見るはずである。低い粗さで「表面下損傷なし」の材料上に直接作られたショットキーダイオードやＭＯＳデバイスは向上した特性を持つことになる。
【００１７】
本発明の酸化工程は、ほとんどの光学技術によって通常目に見えないすべてのレベルの表面下損傷および転位を明らかにする効率的な方法でもある。Ｈ２Ｏ２（過酸化水素）またはオゾン化水を使用する効率的な酸化工程は、損傷を受けていない材料と比較して、転位し損傷した材料により速く作用する。厚い酸化した材料は光学の方法で識別するのが簡単で、摩耗性の摩擦または還元によって取り除くのがより簡単である。図１に示すように、酸化と研磨処理の組合せは、工程の全体にわたる時間の関数として損傷の程度および損傷の除去をモニターするために使用することができる。この図は、損傷が装飾され明らかにされと、平均の粗さ（Ｒａ）が最初に増加し、損傷され酸化した材料が選択的に取り除かれると結局低下することを示す。酸化工程が継続しているので、新しい特徴の出現のないことと粗さが横ばいになることは、表面下の損傷がないことのよいしるしである。
【００１８】
さらに、より高温度を使用する考案された方法は工程を促進することができる。さらに、オゾン化水および／または過酸化水素を（別々にあるいは組合せで）酸化物除去に影響する酸化剤およびＨＦとして用いる純粋に化学的な工程（コロイドシリカやアルミナ研磨材なし）を使用する提案はユニークである。
【００１９】
我々は、本発明を使用して表面下の損傷の削除を実証し、非常に低い表面の粗さを達成した。これは光学的干渉分析および顕微鏡検査を用いた表面の調査によって証拠づけられている。
【００２０】
表面下損傷除去と粗さの改善は図１でも示され、それは、初期の機械的研磨（Ｍｅｃｈ）から、その後、本発明による研磨の周期的な間隔で検査した（ＣＭＰＩ〜ＣＭＰ７）、プロセスの時間が計られた工程の関数としての表面の粗さの発展を示す。光学的干渉分析による最終の粗さレベル＜２Ａが実証された。このプロセス後の表面下損傷のない材料が、表面下損傷が存在すればそれを描写する溶融ＫＯＨエッチングを使用して実証された。ＫＯＨエッチング後の表面は、表面下損傷を示す表面下スクラッチ網を示さない。微視的に観察された特徴は、成長に関連する転位であり、それはエッチングによって明らかにされた。
【００２１】
Ｚｙｇｏ白色光干渉計を使用して証拠づけられるように、優れた平面度とミクロの粗さがプロセスから実証された。我々は、ＳｉＣ用の定評ある最良の外部ポリッシャと最大のＳｉＣ市販ウエハ業者に対してプロセスをベンチマークし、本発明のプロセスがすべての粗さの観点において優れていると分かった。これを下の表１および２に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
本発明の化学機械研磨（ＣＭＰ）の方法が最先端の基板供給者よりはるかによい粗さを与えることは明らかである。さらに、データの分布がよりしまっている。より重要なこととして、本発明に関するデータが、定評ある最良の市販の磨き作用（「外部ポリッシュ＃１」）のＣＭＰ仕上げより粗さ条件で優れている。これは表２に明白に示され、そこでは注目した粗さパラメータすべてで本発明が優れている。この表で、パラメータＰＶは最大〜最小粗さであり、パラメータＲａは平均の粗さであり、パラメータＨはスエーデン高さであって、それは高さ特徴の上位５％と下位１０％を取り除く。スエーデン高さはＰＶと比べてデータ・スパイクにそれほど敏感ではない。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
さらに、原子間力顕微鏡測定値は、本発明の表面の粗さが最先端であることを示した。これを下の表３に示す。測定値はすべて、５ｘ５ｐｍの視野を備えたディジタル計器ＡＦＭのタッピングモードを使用して得られた。平均の粗さ（Ｒａ）が表３に要約されている。本発明で研磨したＳｉＣウエハの表面は、４つのサンプル中で最も滑らかで、０．３８ＡのＲａであった。競争品１は１１．２のＡのＲａのために最も粗かった。市販ポリッシャ「外部ポリッシュ＃１」はＲａが０．９４Ａであった。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
４つのサンプルの表面モフォロジが図２に示されている。本発明によって研磨したウエハには明白なマイクロスクラッチはない。しかし、「外部供給者＃１」の研磨表面には２つのより大きなスクラッチがある。競争品２のウエハからの表面は多数の交差したスクラッチがある。４つのサンプル中で最大のＲａに反映されるように、競争品１からのウエハは多くの深く広いスクラッチがある。本発明のプロセスによって生成された表面は、エピタキシャル技術による成長がなされ、よいモフォロジ（つまり、残留する表面下の損傷を示すスクラッチ描写がない）を持つことが分かる。
【００２８】
本発明を議論された実施例に関連して詳細に記載したが、本発明の精神と範囲から外れずに、種々の変更が当業者によってなされ得る。したがって、本発明の範囲は付記された請求項によって決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】時間の関数として処理時のＳｉＣウエハの粗さを示すグラフ
【図２】種々のＳｉＣウエハサンプルの表面モフォロジを示す写真
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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