(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ単結晶基板のＣ面を研磨パッドを用いて研磨するＳｉＣ単結晶基板の製造方法であって、ＳｉＯ２および過マンガン酸塩を供給源とする過マンガン酸イオンを含むスラリーを用い、前記研磨パッドの研磨面のうち少なくともＳｉＣ単結晶基板と研磨中に接触する領域が常にスラリーに浸されている状態で、前記基板のＣ面を研磨する、ＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項２】
前記スラリーのｐＨは７以下である、請求項１記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項３】
前記過マンガン酸塩は過マンガン酸カリウムである、請求項１または２に記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項４】
前記過マンガン酸イオンの濃度は０．０１ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下である、請求項１から３のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項５】
前記スラリーのＳｉＯ２濃度は０．５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下である、請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項６】
前記スラリーを、前記研磨パッド面上に１リットル／分以上の供給量で供給する、請求項１から５のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【請求項７】
前記研磨パッド面が前記スラリー中に浸漬されている、請求項１から５のいずれかに記載のＳｉＣ単結晶基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ単結晶基板の製造方法に関し、特に、ＳｉＣ単結晶基板の（０００−１）Ｃ面（カーボン面）を研磨するＳｉＣ単結晶基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳｉＣ単結晶基板は、高い品質のＳｉＣ半導体層を形成するための基板として注目されている。さらに、ＳｉＣ半導体はＳｉを超えるパワーデバイスを実現できるものとして期待されており、また、高温動作が可能であるなどの利点を有していることから、ＳｉＣ単結晶基板上に高品質のＳｉＣ半導体層を形成し、高耐圧のパワー半導体素子や、高温で動作する半導体素子を実現する研究・開発がなされている。
【０００３】
こうした用途のためのＳｉＣ基板には、基板表面の平滑性等において高い加工精度が要求される。しかし、ＳｉＣ単結晶は一般に硬度が高く、かつ、耐腐食性に優れるため、こうした基板を作製する場合の加工性は悪く、加工精度の高いＳｉＣ単結晶基板を得ることは難しい。
【０００４】
ＳｉＣ結晶には様々な面方位があるが、ＳｉＣ単結晶基板は、（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面という異なる面方位の結晶面によって両面が構成されている。以下、（０００１）Ｓｉ面を略してＳｉ面、（０００−１）Ｃ面を略してＣ面と呼ぶことがある。Ｓｉ面とＣ面は化学的性質及び機械的性質が大きく異なるため、それぞれの面に適した研磨方法を確立することが必要である。
【０００５】
従来、ＳｉＣ半導体素子はＳｉ面上に形成されてきた。この理由の１つに、基板上にエピタキシャル膜を形成する為には加工ダメージのない平滑な基板表面を作る必要があるが、Ｃ面の研磨方法についてはほとんど開発がなされていない為、Ｃ面へのエピタキシャル膜の形成が困難であったという背景がある。
【０００６】
一方で、近年ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスを実現するためには、酸化膜近傍の電子移動度が速い、基底面転位の変換率が高いなどの点から、ＳｉＣ基板のＣ面を用いることが有利であるという報告がなされており、具体的な例が特許文献１などで提案されている。
このような背景から、平滑なＣ面を得る研磨方法が早期に確立されることが望まれている。
【０００７】
ＳｉＣ単結晶基板表面の加工ダメージを除去する方法としては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）やその他の気相エッチングによる方法、基板表面に酸化膜を作製してフッ酸にて酸化膜をエッチングする方法、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）による方法が考えられる。前者二つは基板表面に存在する加工ダメージの除去には有効であるが、表面を一様にエッチングしてしまう為、基板の平滑化には効果が低いと考えられる。
また、ＣＭＰについては、シリカスラリー（研磨液）を用いる方法がＳｉ面の平滑化に対して効果があることが知られている。ところが、発明者が、Ｃ面の研磨に対してコロイダルシリカなどの従来のシリカスラリーを用いたところ、エッチピット、スクラッチ等が発生し、むしろ基板の平滑性を損なうということがわかった。
【０００８】
特許文献２、３には、コロイダルシリカなどの砥粒とヨウ素化合物を含有するスラリーを用いてＳｉＣ単結晶基板のＣ面を研磨する方法が提案されている。しかしながら、人体にきわめて有害であり、また、腐食性もあるヨウ素ガスの発生が懸念される為に、スラリーを使用するためにはドラフト等の大掛かりな装置が必要であるという問題がある。
【０００９】
特許文献４には、ＳｉＣ単結晶基板のＳｉ面を、酸化剤を混合したスラリーで研磨する例が記載されている。
【特許文献１】特開２００４−２２８７８号公報
【特許文献２】特開２００７−２１７０４号公報
【特許文献３】特開２００７−２７６６３号公報
【特許文献４】特開２００６−１２１１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明は、特別な装置を必要とせず、また、環境に有害な物質を排出することなく、スクラッチ等の加工ダメージの少ないＣ面を有するＳｉＣ単結晶基板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】
【００１１】
本発明のＳｉＣ単結晶基板の製造方法は、ＳｉＯ２および過マンガン酸イオンを含むスラリーを用い、研磨パッドの研磨面のうち少なくともＳｉＣ単結晶基板と研磨中に接触する領域が常にスラリーに浸されている状態で、前記基板のＣ面を研磨することを特徴とする。
【００１２】
好ましい実施形態において、前記スラリーのｐＨは７以下である。
【００１３】
好ましい実施形態において、前記過マンガン酸イオンの濃度は０．０１ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下である。
【００１４】
好ましい実施形態において、前記スラリーのＳｉＯ２濃度は０．５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下である。
【００１５】
好ましい実施形態において、前記スラリーを、前記研磨パッド上に１リットル／分以上の供給量で供給する。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記研磨パッド面が前記スラリー中に浸漬されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、特別な装置を必要とせず、また、環境に有害な物質を排出することなく、スクラッチ等の加工ダメージの少ないＣ面を有するＳｉＣ単結晶基板を得ることができる。本発明のＳｉＣ単結晶基板上にエピタキシャル膜を成長させると、膜中の基底面転位を低減でき、本発明のＳｉＣ単結晶基板を用いて作成したＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスは特性、歩留が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のＳｉＣ単結晶基板の製造方法は、ＳｉＯ２および過マンガン酸イオンを含むスラリーを用い、研磨パッドの研磨面のうち少なくともＳｉＣ単結晶基板と研磨中すなわち研磨開始から研磨終了までの間に接触する領域が常にスラリーに浸されている状態で、前記基板のＣ面を研磨することを特徴とする。
【００１９】
本発明の製造方法は、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板や６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板などの六方晶ＳｉＣ単結晶基板に好適に適用される。図１に４Ｈ−ＳｉＣの原子積層図を示す。図１中の丸で囲んだ部分がＳｉＣ原子層の一単位となっており、この原子層が堆積することによりＳｉＣ結晶が構成されている。
【００２０】
ＳｉＣ単結晶の層間の結合は完全な共有結合ではなく、結合の方向に異方性（極性）をもつ。このために、基板の一方の表面ともう一方の表面は異なった極性を持っており、うち一方が（０００１）Ｓｉ面、もう一方が（０００−１）Ｃ面である。
【００２１】
本発明に用いられるスラリーは、砥粒としてＳｉＯ２、酸化剤として過マンガン酸イオンを含む。ＳｉＯ２としては、市販のコロイダルシリカやヒュームドシリカなどが挙げられる。過マンガン酸イオンの供給源としては、過マンガン酸カリウムや過マンガン酸ナトリウムなどの過マンガン酸塩が好ましい。また、ｐＨ調整のために水酸化ナトリウム等の水酸化物、塩酸や硫酸などの無機酸類を含むこともある。
【００２２】
スラリーに含まれるＳｉＯ２の濃度は０．５ｍａｓｓ％以上、４０ｍａｓｓ％以下が好ましい。０．５ｍａｓｓ％未満では研磨能力が非常に低く、平滑な面を作成するのに非常に長時間を要する。４０ｍａｓｓ％を超えると、スラリーの分散が不十分となり、スクラッチの原因となる恐れがある。スラリーに含まれるＳｉＯ２の濃度は０．５ｍａｓｓ％以上、２０ｍａｓｓ％以下がさらに好ましい。
また、スラリーに含まれるＳｉＯ２の粒径は、良好な分散性と被研磨面の平滑性の観点から１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
【００２３】
特許文献４には、ＳｉＣ単結晶基板のＳｉ面を、酸化剤を混合したスラリーで研磨する例が記載されている。従来、特許文献４だけでなくこの他にも、ＳｉＣ単結晶基板研磨用スラリーに使用できる酸化剤として、過酸化水素や酸化クロム、三酸化二マンガン、次亜塩素酸ナトリウムなど様々な化合物が提案されている。しかし、発明者がＳｉＣ単結晶基板Ｃ面の研磨に対して検討を行った結果、以下１〜４の理由で、過マンガン酸イオンが酸化剤として最適であることを確認した。
【００２４】
１、酸化力
本発明においては、酸化剤の酸化力がある一定以上であることが必要である。酸化剤の酸化力が弱すぎると、ＳｉＣ単結晶基板の表面とスラリーの反応が不十分となり、この結果充分に平滑な基板面を得ることができない。
酸化剤が物質を酸化する酸化力の指標として一般的に、酸化還元電位が用いられる。本発明において用いられる過マンガン酸イオンの酸化還元電位は１．７０ｅＶである。一方、一般的に酸化剤としてよく用いられる過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ４）の酸化還元電位は１．２０ｅＶ、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）の酸化還元電位は１．６３ｅＶである。発明者は過塩素酸カリウムや次亜塩素酸ナトリウムを用いて検討を行ったが、酸化力不足により良好な被研磨面を得ることができず、スクラッチが発生することが判明した。
【００２５】
２、スラリーの反応速度
過マンガン酸イオンに匹敵する酸化力を持つ酸化剤としては、過酸化水素が知られている（Ｈ２Ｏ２、酸化還元電位：１．７６ｅＶ）。しかし、過酸化水素水溶液は反応速度が遅く、十分にその酸化力を活用することができない。発明者は過酸化水素水溶液を用いて検討を行ったが、良好な被研磨面を得ることができず、過酸化水素は本発明の方法に適していないことがわかった。
【００２６】
３、安全性
過マンガン酸イオンに匹敵する酸化力を持つ酸化剤としては、ほかにも二酸化鉛（ＰｂＯ２、酸化還元電位：１．６９ｅＶ）やニクロム酸カリウム（Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７、酸化還元電位：１．３６ｅＶ）が知られている。しかしながら二酸化鉛に含まれる鉛原子や、ニクロム酸カリウムに含まれる六価クロムは人体に対して著しく有害であることが知られており、こういった物質を工業的に用いるのは非常に困難である。
また、これ以外にも塩素ガス（Ｃｌ２、酸化還元電位：１．３６ｅＶ）、フッ素ガス（Ｆ２、酸化還元電位：２．８７ｅＶ）も強い酸化力を持つが、両者とも人体に対して毒性が強く、ガスの拡散を防ぎながら研磨を行うことは工業的には非常に難しい。
【００２７】
４、溶解度
本発明においては、過マンガン酸塩はスラリーに完全に溶解しており、スラリー中に存在する固体はＳｉＯ２のみである。酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、三酸化二マンガン（Ｍｎ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、などが固体の酸化剤として知られるが、これらはほとんど水に溶解しない。発明者の検討によると、これらがスラリー中に存在すると、酸化剤として働くよりもむしろスクラッチ発生の原因として働き、基板の平滑性に対して悪影響を与えることが判明した。
【００２８】
スラリーに含まれる過マンガン酸イオンの濃度は０．０１ｍａｓｓ％以上、１０ｍａｓｓ％以下が好ましい。０．０１ｍａｓｓ％未満では酸化剤としての効果が期待できず、平滑な面を作製するのに非常に長時間を要したり、被研磨面にスクラッチが発生する可能性がある。過マンガン酸イオンの濃度が１０ｍａｓｓ％を超えると、スラリーの温度によっては、過マンガン酸塩が溶解しきれず析出し、固体の過マンガン酸塩が被研磨面と接触することによりスクラッチが発生する可能性がある。スラリーに含まれる過マンガン酸イオンの濃度は０．１ｍａｓｓ％以上がさらに好ましい。
【００２９】
スラリーのｐＨは７以下が好ましい。ｐＨ７を超えるアルカリ性スラリーを使用すると、かえって被研磨面の平滑性が悪化する可能性がある。
ＳｉＣは化学的に非常に安定であり、常温常圧下では酸、アルカリなどに侵されることはほとんどない。しかし、高温で溶融したアルカリ（例えば水酸化カリウム、水酸化ナトリウム）と反応して溶解する。このとき、特に転位部分、結晶欠陥が激しく侵され、ピットとして発現する。発明者らがｐＨ７を超えるアルカリ性スラリーで研磨を試みたところ、多数のピット、スクラッチなどが観察された。これは、アルカリ性のスラリーを使用したため、ＣＭＰ中に局所的に高圧にさらされて高温となったＳｉＣに対してアルカリが作用して、研磨面の転位やスクラッチ部分がエッチングされたと考えられる。
【００３０】
本発明では、上記のスラリーを用い、かつ、前記研磨パッドの研磨面のうち少なくともＳｉＣ単結晶基板と研磨中に接触する領域が常にスラリーに浸されている状態で、ＣＭＰにより研磨する。
【００３１】
図２（ａ）は、通常ＣＭＰで行われている、ラップ盤にスラリーを少量滴下して供給しながら研磨する方法を示す図である。通常ＣＭＰにおいては、図２（ａ）に示されるように金属製などの研磨定盤に研磨パッド２を固定したものをラップ盤とし、研磨パッド２上にスラリー３を滴下しながらＳｉＣ単結晶基板１を研磨する。特許文献４にも、ＳｉＣ単結晶基板を図２（ａ）のような滴下方式によってスラリーを供給しながら研磨する方法が開示されている。
【００３２】
上述のように過マンガン酸イオンは、ＳｉＣ単結晶基板のＣ面を研磨するスラリーに添加するのに最適な酸化剤であるが、過マンガン酸イオンを用いる場合、下記に示すような過マンガン酸イオン特有の問題が発生し、図２（ａ）のような研磨方法ではＳｉＣ単結晶基板のＣ面の研磨には使用することができないということがわかった。
【００３３】
過マンガン酸イオンを含有する溶液は、空気中の酸素と反応してＭｎＯ２（二酸化マンガン）を発生する。発生したＭｎＯ２は一般的に酸、アルカリ両方に不溶、もしくは難溶であるので、スラリー中に粉塵として蓄積され続け、ＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面（Ｃ面）と接触することによりスクラッチの原因となる。図２（ａ）のような滴下方式では、研磨パッド２上にスラリー３が濡れ広がる。このとき、研磨パッド２の微細な凹凸面がそのまま濡れ広がったスラリー３の表面となり、スラリー３の表面積が非常に大きくなる。このため、スラリー３が研磨パッド２上で広く空気と接触して多量のＭｎＯ２を発生し、スクラッチのない良好な研磨面を得ることができない。
【００３４】
また、過マンガン酸イオンを含有するスラリーは、通常のスラリーに比べて粘度が高い。このため、図２（ａ）のような滴下方式では研磨パッド２の研磨面全体に均一にスラリー３を行き渡らせるのは非常に困難である。このため、ＳｉＣ単結晶基板１の研磨状態が不均一になり、スクラッチや凹凸の原因になることもある。
【００３５】
さらに、図２（ａ）のような滴下方式では、スラリー３の供給量が少なく、ＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面が常にスラリー３に触れている状態にならない為、スラリー中の成分とＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面との反応が充分に進まない。
【００３６】
発明者らの研究の結果、過マンガン酸イオンを酸化剤として使用した場合にも、研磨パッド２に濡れ広がったスラリー３が空気と触れ合うのを防ぐために、研磨パッド２の研磨面が空気と触れ合わない研磨方式を用いることにより、ＭｎＯ２の発生量を最小限にとどめて研磨することが可能であることがわかった。
【００３７】
図２（ｂ）は、本発明に好適に適用される研磨方法の一例である。図２（ｂ）の研磨方法においては、研磨パッド２の研磨面のうち、少なくともＳｉＣ単結晶基板１と研磨中に接触する領域が常にスラリー３に浸されている状態とし、研磨パッド２の研磨面が大気と全く接触しない状態を実現するために、スラリー３を大量に供給している。なお、スラリー３は不図示の循環器により、循環させながら再利用することが可能であり、さらには、スラリー３の状態を管理しながら循環させることにより、常にスラリー３を研磨に適した状態に保つことが可能である。
【００３８】
スラリー３の供給量は、研磨パッドの研磨面のうちＳｉＣ単結晶基板と研磨中に接触する領域の大きさによって最適量を選ぶのが好ましいが、通常の工業ベースで使用されている大きさの研磨パッドにおいては、１リットル／分以上が好ましい。供給量が１リットル／分より少ない場合、図２（ａ）のような状態となり、研磨パッド２に濡れ広がったスラリー３が広く空気と触れ合うことにより、多量のＭｎＯ２を発生するために、良好な研磨面が得られない可能性がある。図２（ｂ）のような方法をとることにより、スラリー３が研磨パッド２の研磨面を覆うためにスラリー３と空気との接触面積を減らすことができ、ＭｎＯ２の発生量を最小限に抑えてスクラッチが発生するのを防ぐことができる。また、研磨パッド２とＳｉＣ単結晶基板１の間にスラリー３を充分に分布させることもでき、その結果、スラリー中の成分とＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面との反応が充分に進んで良好な研磨面を得ることができる。なお、スラリー供給量の上限は、生産コストと、スラリーの円滑な循環を行うということを考慮すべきであるが、通常の規模の生産においては、５リットル/分以下であることが好ましい。
【００３９】
なお、スラリー３は、研磨パッド２の研磨面のうち、少なくともＳｉＣ単結晶基板１と研磨中に接触する領域を覆っていればよいが、ＭｎＯ２の発生量を最小限にとどめるためには研磨パッド２の研磨面の全面がスラリー３に浸されていることが望ましい。
【００４０】
また、図２（ｂ）と同等の状態を実現するには、スラリー３を大量に供給する以外にも、図２（ｃ）に示すように研磨機の周囲にカバー４を設けてスラリー３がラップ盤上より失われないようにする等、研磨パッド２およびＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面をスラリー３中に浸漬する方法が挙げられる。この方法によれば、常に研磨パッド２の研磨面の全面がスラリー３に浸されている状態を実現できる。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
濃度４ｍａｓｓ％のヒュームドシリカ水分散液に対して、０．５ｍａｓｓ％の過マンガン酸カリウムを添加、溶解させスラリーを作製した。これを用いて基板表面の方位がＣ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハのＣＭＰを実施した。なお、ＣＭＰ前には粒径１μｍ以下のダイヤモンド砥粒にて研磨を施した。このウェハを１５０ｇ／ｃｍ2の研磨面圧力でポリウレタン製不織布タイプの研磨パッドを固定した研磨定盤に押し付け、スラリー供給量１．５リットル／分にて滴下し、研磨定盤を３０ｒｐｍで回転させることにより研磨した。このとき、図２（ｂ）に示すような研磨面が大気に全く触れない状態となった。この条件で４時間研磨した後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、スクラッチは全く存在しなかった。
【００４２】
（実施例２）
図２（ｃ）に示すように研磨パッド上面がスラリーに浸るようにして研磨を行った以外はすべて実施例１と同様の条件で、Ｃ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハを研磨した。研磨後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、スクラッチは全く存在しなかった。
【００４３】
（比較例１）
スラリー供給量を０．１リットル／時とした以外はすべて実施例１と同様の条件で、Ｃ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハを研磨した。このとき、図２（ａ）に示すように、研磨パッドの研磨面が大気に触れる状態となった。研磨後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、多数のスクラッチが観察された。また研磨後の研磨パッドを観察したところ、二酸化マンガンの粉末の析出が観察された。
【００４４】
（比較例２）
スラリーとして、過マンガン酸カリウムを添加していない濃度４ｍａｓｓ％のヒュームドシリカ水分散液を用いたこと以外は、すべて実施例１と同じ条件で、基板表面の方位がＣ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハのＣＭＰを実施した。研磨後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、多数のピット、スクラッチが観察された。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、特別な装置を必要とせず、また、環境に有害な物質を排出することなく、スクラッチ等の加工ダメージの少ないＣ面を有するＳｉＣ単結晶基板を得ることができる、本発明のＳｉＣ単結晶基板上にエピタキシャル膜を成長させると、膜中の基底面転位が低減し、本発明のＳｉＣ単結晶基板を用いて作成したＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスは特性、歩留が向上する、等の点で産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】４Ｈ−ＳｉＣの原子積層を示す図である。
【図２】（ａ）は、通常ＣＭＰで行われている、ラップ盤にスラリーを少量滴下して供給しながら研磨する方法を示す図であり、図２（ｂ）、（ｃ）は、本発明に好適に適用される研磨方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ＳｉＣ単結晶基板
２  研磨パッド
３  スラリー
４  カバー
【図１】
0005358996.tif 000002
【図２】
0005358996.tif 000003