JP6080075B2 - ＳｉＣ基板の表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は少なくとも表面がＳｉＣ層で構成される基板の表面処理方法に関する。

半導体材料としては、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等が従来から知られるところである。半導体素子の利用分野は近年急速に拡大しており、それに伴って、高温環境等の苛酷な領域で使用される機会も増加していえる。従って、高温環境に耐えられる半導体素子の実現は、幅広い用途における動作の信頼性と大量の情報処理・制御性の向上にとって重要な課題の１つである。

耐熱性に優れる半導体素子を製造する材料の１つとして、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が注目されている。ＳｉＣは、機械的強度に優れるとともに、放射線にも強い。また、ＳｉＣは、不純物の添加によって電子や正孔の濃度制御も容易にできるとともに、広い禁制帯幅（６Ｈ型の単結晶ＳｉＣで２．９３ｅＶ、４Ｈ型の単結晶ＳｉＣで３．２６ｅＶ）を有するという特徴を備えている。このような理由から、ＳｉＣは、上述した既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧、及び耐環境性を実現できる次世代のパワーデバイスの材料として期待されている。特許文献１から３は、ＳｉＣを用いた半導体材料を製造する方法を開示する。

特許文献１は、種結晶を成長させる成長炉内の温度を均一にすることで、ＳｉＣ多結晶の生成を抑制して良質なＳｉＣ半導体を製造する方法を開示する。特許文献２は、種結晶に複数の窪みを形成することで、欠陥の少ない良質なＳｉＣ半導体を製造する方法を開示する。

特開２０１２−１９３０５５号公報 特開２０１２−１７６８６７号公報

ところで、ＳｉＣを用いた半導体材料は、単結晶ＳｉＣで構成されるインゴットから所定の角度で切り出したバルク基板を用いて製造される。このバルク基板は、機械研磨等を行って表面を平坦にする必要がある。しかし、機械研磨では、サブミクロンオーダーの研磨傷が発生するので、従来では、化学機械研磨により当該研磨傷を除去して基板を更に平坦にする。

その後、基板の表面にＣＶＤ法（化学気相蒸着法）等によりエピタキシャル層を形成する。しかし、ＣＶＤ法を行うと、基板の表面に多数の潜傷が露出してしまう。本出願人は、この件について解析を行った結果、機械研磨時に基板の表面に圧力が掛かることで生じる機械的歪み（以下、変質層）が原因であることを突き止めた。

しかし、この変質層は、図１９に示すように、基板の表面から１０μｍ程度まで生じており、化学機械研磨の研磨速度は例えば約２ｎｍ／ｍｉｎであるため、化学機械研磨でこの変質層を除去するためには８０時間以上の膨大な時間が掛かってしまう。なお、化学機械研磨に代えて水素ガスによるエッチングを行った場合であってもそれ以上の時間が掛かってしまう。従って、従来の方法では、半導体素子の生産効率が非常に低くなってしまう。これに対し、特許文献１及び２等の先行技術文献では、この課題を解決する方法は開示されていない。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、バルク基板に機械研磨を行うことで発生する変質層を短時間で除去可能なＳｉＣ基板の表面処理方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、少なくとも表面がＳｉＣの（０００１）Ｓｉ面又は（０００−１）Ｃ面で構成されるとともにオフ角を有する基板の表面処理方法において、前記基板に機械研磨や化学機械研磨を行うことで、表面に研磨傷が生じるとともに当該研磨傷の更に内部側にも変質層が生じており、当該基板をＳｉ蒸気圧下で加熱して前記基板の表面から少なくとも１０μｍを除去することで、前記研磨傷及び前記変質層を除去する第１除去工程を行うＳｉＣ基板の表面処理方法が提供される。

これにより、第１除去工程で変質層を除去することで、潜傷の発生を防止できるので、半導体素子の歩留まりを向上させることができる。また、第１除去工程はエッチング速度（研磨速度）が高速なので、変質層を短時間で除去でき、半導体素子の生産効率を向上させることができる。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記第１除去工程では、温度範囲が１８００℃以上２２００℃以下であって、Ｓｉの圧力が１０^-2Ｐａ以上で加熱することで、前記基板の表面から少なくとも１０μｍを除去することが好ましい。

これにより、第１除去工程におけるエッチング速度を約２０００℃以上で処理した場合５００ｎｍ／ｍｉｎ程度以上に制御することができるので、変質層を短時間で除去できる。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、化学気相蒸着法を用いて前記基板の表面に形成されたエピタキシャル層に生じたマクロステップバンチングを、当該基板をＳｉ蒸気圧下で加熱することで除去する第２除去工程を行うことが好ましい。

これにより、基板の表面に生じたマクロステップバンチングを適切に除去できる。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記第２除去工程では、前記第１除去工程よりもエッチング速度が遅いことが好ましい。

第１除去工程では、基板の表面から１０μｍ程度まで除去すれば変質層を取り除けるのに対し、第２除去工程では、条件によって異なるが基板の表面から数十ｎｍ程度まで除去すればマクロステップバンチングを取り除ける。従って、第１除去工程のエッチング速度を第２除去工程のエッチング速度よりも速くすることで、効率的に処理を行うことができる。また、第２除去工程のエッチング速度を抑えることで、エピタキシャル層が過剰に除去されることを防止できる。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記第２除去工程では、温度範囲が１６００℃以上２０００℃以下であって、Ｓｉの圧力が１０^-3Ｐａ以下で加熱することが好ましい。

これにより、この範囲のＳｉの圧力で加熱処理を行うことで、マクロステップバンチングが形成された部分を素早く除去しつつ、エピタキシャル層が過剰に除去されることを防止できる。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記第１除去工程では温度範囲が２０００℃以上２２００℃以下であって、前記第２除去工程では温度範囲が１６００℃以上２３００℃以下の加熱条件で加熱を行うことが好ましい。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記第１除去工程及び前記第２除去工程では、＜１１−２０＞方向又は＜１−１００＞方向のオフ角が４度以下の表面を有する前記基板に対して、前記加熱条件で加熱を行うことが好ましい。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記基板の表面は、＜１１−２０＞方向のオフ角が４度以下の面であることが好ましい。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記基板の表面は、＜１−１００＞方向のオフ角が４度以下の面であることが好ましい。

前記のＳｉＣ基板の表面処理方法においては、前記基板の表面が、ＳｉＣ分子の積層方向の１周期分であるフルユニットの高さ又は半周期分であるハーフユニットの高さからなるステップで終端していることが好ましい。

以上により、基板の表面の平坦度が一層高いものになるので、より高品質な半導体素子を製造することができる。

半導体素子を製造するための加熱処理に用いられる高温真空炉を示す模式図。 高温真空炉の本加熱室内の坩堝の密閉度を制御する仕組みを詳細に示す断面図。 （ａ）坩堝が予備加熱室内にあるときの高温真空炉の正面断面図。（ｂ）密閉された坩堝が加熱室内にあるときの高温真空炉の正面断面図。（ｃ）開放された坩堝が加熱室内にあるときの高温真空炉の正面断面図。 炭素ゲッター効果を有する坩堝の外観写真及び断面写真。 炭素ゲッター効果を説明する模式図。 従来技術における基板の表面処理方法を模式図及び原子間力顕微鏡写真で示す図。（ａ）４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶を（０００１）面から＜１１−２０＞方向に４度オフして切出し、機械研磨した後の研磨加工傷を伴う基板表面形態を示す図。（ｂ）前記基板に化学機械研磨を施した後の基板表面形態を示す図。（ｃ）ＣＶＤ法を用いてＳｉＣエピタキシャル層を１５００℃で成長させ、その後基板を１６００℃で高温アニールを行った場合に現れる表面欠陥（エピタキシャル層形成前の基板表面に対して機械研磨または化学機械研磨を施した際に蓄積された表面加工歪（潜傷）がエピタキシャル成長後の高温アニールによってエピタキシャル層を伝搬して表面に影響を与えた表面形状）を示す図。 （ａ）Ｓｉ蒸気圧で満たされた高圧雰囲気での加熱処理を行うときの状況と（ｂ）Ｓｉ蒸気圧を真空背圧環境にわずかに開放して低圧雰囲気での加熱処理を行うときの状況とを示す図。 本実施形態における基板の表面処理を模式図及び原子間力顕微鏡写真で示す図。（ａ）４Ｈ−ＳｉＣバルク単結晶を（０００１）面から＜１１−２０＞方向に４度オフして切出し、機械研磨した後の研磨加工傷をともなう基板表面形態を示す図。（ｂ）前記基板をＳｉ蒸気圧下で加熱することで潜傷を含む表面領域を高速かつ均一にエッチングする第１除去工程と平坦後の基板表面形態を示す図。（ｃ）ＣＶＤ法を用いたＳｉＣエピタキシャル層の成長工程と成長後に現れたマクロステップバンチング表面形態を示す図。（ｄ）前記基板をＳｉ蒸気圧下で加熱することでマクロステップバンチングを含む表面領域を低速かつ均一に分解・エッチングする第２除去工程と平坦後の基板表面を示す図。 ４H-ＳｉＣ（０００１）単結晶基板表面形状とオフ角度との関係を説明する原子配列概念図、及び、加熱処理によるエッチングを施した場合にマクロステップバンチングが基板表面に発生する仕組みを説明する図。 ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶及び６Ｈ−ＳｉＣ単結晶の原子配列と積層周期を説明するための断面模式図。 一定の温度において（例１８００℃）高真空下でＳｉ圧力を変化させたときに発現するＳｉＣ基板表面上のエッチング特性とＡｒ導入にともない現れるエッチング特性の変化（Ｓｉ分圧に依存したエッチング速度の関係性）と、エッチング速度に依存したＳｉＣ単結晶基板表面の変質層を除去する第１除去工程とマクロステップバンチングを除去する第２除去工程の条件と、を示す図。 加熱温度を変化させたときにおけるＳｉ圧力に依存したエッチング速度と４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）オフ基板表面（［１１−２０］方向に４°オフ）でのマクロステップバンチングの発生の有無を示すグラフ。 所定の加熱温度及び加熱時間の条件下における、エッチング速度とＳｉＣ基板表面の状態との関係を示すグラフ。 オフ角の異なる基板に対してＳｉの圧力が異なる環境でそれぞれ加熱処理を行ったときの基板表面の原子間力顕微鏡写真を示す図。 オフ角の異なる基板に対して加熱条件を異ならせたときのエッチング速度を示す図。 ステップの後退速度と初期のテラス幅とを比較する図。 マクロステップバンチングの発生が抑制される場合と進行する場合を模式的に示す図。 発生したマクロステップバンチングが除去（分解）されるときの流れを示す図。 機械研磨による研磨傷及び変質層を示すＳｉＣ単結晶基板の模式的な断面形状と、研磨傷及び変質層を除去するための方法及びその所要時間と、を示す図。

次に発明の実施の形態について説明する。

まず、半導体素子を製造するために用いる高温真空炉（加熱炉）１１と坩堝（収容容器）２について説明する。図１は、半導体素子を製造するための加熱処理に用いられる高温真空炉を示す模式図である。図２は、高温真空炉の本加熱室内の坩堝の密閉度を制御する仕組みを詳細に示す断面図である。図３は、加熱処理を行うときにおける高温真空炉１１の坩堝等の配置を示した正面断面図である。

図１及び図２に示すように、高温真空炉１１は、坩堝２に収容された被処理物を１０００℃以上２３００℃以下の温度に加熱することが可能な本加熱室２１と、被処理物を５００℃以上の温度に予備加熱可能な予備加熱室２２と、を備えている。予備加熱室２２は本加熱室２１の下方に配置され、本加熱室２１に対して上下方向に隣接している。

高温真空炉１１は真空チャンバ１９を備え、前記本加熱室２１と予備加熱室２２は、この真空チャンバ１９の内部に備えられている。真空チャンバ１９には真空形成装置としてのターボ分子ポンプ３４が接続されており、例えば１０^-2Ｐａ以下、望ましくは１０^-7Ｐａ以下の真空を真空チャンバ１９内に得ることができるようになっている。ターボ分子ポンプ３４と真空チャンバ１９との間には、ゲートバルブ２５が介設される。また、ターボ分子ポンプ３４には、補助のためのロータリポンプ２６が接続される。

高温真空炉１１には、真空度を測定するための真空計３１、及び、質量分析法を行うための質量分析装置３２が設けられている。前記真空チャンバ１９は、被処理物を保管しておくための図略のストック室と、搬送路１４を通じて接続されている。なお、この搬送路１４は、ゲートバルブ３６によって開閉可能になっている。

前記本加熱室２１は、平面断面視で正九角形に形成されるとともに、真空チャンバ１９の内部空間の上部に配置される。図２に示すように、本加熱室２１の内部には、加熱装置３３が備えられている。この加熱装置３３は、本加熱室２１を取り囲むように配置されるメッシュヒータ（加熱ヒータ）８０及びこのメッシュヒータ８０に電流を流すための電源等で構成される。加熱装置３３は、図略の温度検出部の検出結果に基づいてメッシュヒータ８０に流す電流を調整することにより、本加熱室２１内の温度分布を精度良く制御することができる。また、本加熱室２１の側壁や天井には第１多層熱反射金属板４１が固定され、この第１多層熱反射金属板４１によって、メッシュヒータ８０が発生させた熱を本加熱室２１の中央部に向けて反射させるように構成されている。

これにより、本加熱室２１内において、加熱処理対象としての被処理物を取り囲むようにメッシュヒータ８０が配置され、更にその外側に多層熱反射金属板４１が配置されるレイアウトが実現されている。従って、被処理物を強力且つ均等に加熱し、１０００℃以上２３００℃以下の温度まで昇温させることができる。

本加熱室２１の天井側は第１多層熱反射金属板４１によって閉鎖される一方、底面の第１多層熱反射金属板４１には開放部５５が形成されている。坩堝２は、この開放部５５を介して、本加熱室２１と前記予備加熱室２２との間を移動できるようになっている。

予備加熱室２２は、本加熱室２１の下側の空間を、多層熱反射金属板４６で囲うことにより構成されている。この予備加熱室２２は、平面断面視で円状となるように構成されている。なお、予備加熱室２２内には、加熱装置３３のような加熱手段は備えられていない。

また、予備加熱室２２の側壁をなす多層熱反射金属板４６において、前記搬送路１４と対面する部位に図略の開閉部材を備えている。そして、この開閉部材によって、搬送路１４と対面する部位に通路孔を形成して坩堝２を搬送可能に構成する状態と、当該通路孔を閉鎖して加熱処理を行うことが可能な状態と、を切り替えることができる。

また、図２に示すように、予備加熱室２２の底面部においては、前記多層熱反射金属板４６に開放部５６が形成されている。

高温真空炉１１は、坩堝２を上下方向に移動させるための構成として、移動機構１００を備えている。この移動機構１００は、第１支持体１１１と第２支持体１２１とを独立して上下方向に動作させることが可能に構成されている。

第１支持体１１１の上部には第１昇降シャフト１１２が接続されており、この第１昇降シャフト１１２の上部には、第４多層熱反射金属板４４が配置されている。そして、この第４多層熱反射金属板４４と、その上方に位置する第３多層熱反射金属板４３と、更に上方に位置する第２多層熱反射金属板４２と、は互いに間隔を空けて配置されるとともに、垂直方向に設けた柱部１１３によって互いに連結されている。また、第２多層熱反射金属板４２には、坩堝２の密閉度を調整するための蓋部（調整手段）１１４が取り付けられており、この蓋部１１４は後述の受け台１２３の上方に位置している。なお、第２多層熱反射金属板４２の積層枚数は、本加熱室２１の第１多層熱反射金属板４１の積層枚数よりも少なくなっている。

一方、第２支持体１２１の上部には、第２昇降シャフト１２２が接続されている。この第２昇降シャフト１２２は、第３多層熱反射金属板４３及び第４多層熱反射金属板４４の中心に形成された孔を挿通するように配置されており、この第３多層熱反射金属板４３及び第４多層熱反射金属板４４に対して相対移動可能に構成されている。そして、第２昇降シャフト１２２の上端部には、坩堝２を載置するためのタングステン製の受け台１２３が接続されている。また、本実施形態で用いる坩堝２は上部に孔が形成されており、この孔と前記蓋部１１４との位置関係を変えることにより、坩堝２の密閉度を調整することができる。

また、図２に示すように、第４多層熱反射金属板４４の下方には、内部に液体窒素が循環されているシュラウド６０が配置されている。これにより、本加熱室２１から排気された不要なガスは、シュラウド６０と接触した際に表面に吸着するので、本加熱室２１から不要なガスを良好に排気して真空度を保つことができる。

以上の構成の高温真空炉１１により行われる加熱処理の流れの一例について説明する。初めに、被処理物を収容した坩堝２を搬送路１４から真空チャンバ１９の内部へ導入し、予備加熱室２２内にある前記受け台１２３上に載置する（図３（ａ）参照）。この状態で前記加熱装置３３を駆動すると、本加熱室２１が１０００℃以上２３００℃以下の所定の温度（例えば約１８００℃）に加熱される。またこのとき、前記ターボ分子ポンプ３４の駆動によって、真空チャンバ１９内の圧力は１０^-2Ｐａ以下、好ましくは１０^-7Ｐａ以下となるように調整されている。

前述したとおり、第２多層熱反射金属板４２の積層枚数は、前記第１多層熱反射金属板４１の積層枚数よりも少なくなっている。従って、加熱装置３３のメッシュヒータ８０が発生する熱の一部が第２多層熱反射金属板４２を介して予備加熱室２２に適度に供給（分配）され、予備加熱室２２内の被処理物を５００℃以上の所定の温度（例えば８００℃）となるように予備加熱することができる。即ち、予備加熱室２２にヒータを設置しなくても予備加熱を実現でき、予備加熱室２２の簡素な構造が実現できている。

上記の予備加熱処理を所定時間行った後、第１支持体１１１及び第１昇降シャフト１１２を上昇させる。これにより、坩堝２が開放部５５を通過して本加熱室２１に移動するとともに、当該本加熱室２１を第３多層熱反射金属板４３によって閉鎖することができる。これにより、直ちに加熱処理が開始され、本加熱室２１内の被処理物を所定の温度（約１８００℃）に急速に昇温させることができる。このとき、第２支持体１２１を上下させて坩堝２の密閉度を変化させることにより、内部の圧力を調整することができる（詳細は後述）。

また、以上で示した多層熱反射金属板４１〜４４，４６は何れも、金属板（タングステン製）を所定の間隔をあけて積層した構造になっている。

多層熱反射金属板４１〜４４，４６の材質としては、メッシュヒータ８０の熱輻射に対して十分な加熱特性を有し、また、融点が雰囲気温度より高い物質であれば、任意のものを用いることができる。例えば、前記タングステンのほか、タンタル、ニオブ、モリブデン等の高融点金属材料を多層熱反射金属板４１〜４４，４６として用いることができる。また、タングステンカーバイド、ジリコニウムカーバイド、タンタルカーバイド、ハフニウムカーバイド、モリブデンカーバイド等の炭化物を、多層熱反射金属板４１〜４４，４６として用いることもできる。また、その反射面に、金やタングステンカーバイド等からなる赤外線反射膜を更に形成しても良い。

次に、坩堝２について図４及び図５を参照して説明する。図４は、炭素ゲッター効果を有する坩堝の外観写真及び断面写真である。図５は、炭素ゲッター効果を説明する模式図である。図４（ａ）に示すように、坩堝２は互いに嵌合可能な上容器２ａと下容器２ｂとを備える嵌合容器である。また、この坩堝２は、真空下で高温処理を行う場合に後述の炭素ゲッター効果を発揮するように構成されており、具体的には、タンタル金属からなるとともに、炭化タンタル層を内部空間に露出させるようにして備えている。

更に詳細に説明すると、坩堝２は図４（ｂ）に示すように、その最表層の部分にＴａＣ層を形成し、このＴａＣ層の内側にＴａ₂Ｃ層を形成し、更にその内側に基材としてのタンタル金属を配置した構成となっている。なお、タンタルと炭素の結合状態は温度依存性を示すため、前記坩堝２は、炭素濃度が高いＴａＣを最も表層の部分に配置するとともに、炭素濃度が若干低いＴａ₂Ｃが内側に配置される。そして、Ｔａ₂Ｃの更に内側には、炭素濃度がゼロである基材のタンタル金属を配置した構成となっている。

また、前記坩堝２は上述したように、その表面が炭化タンタル層に覆われており、当該炭化タンタル層（ＴａＣ層）が坩堝２の内部空間に露出する構成になっている。従って、上述のように真空下で高温処理を続ける限りにおいて、坩堝２は図５に示すように、炭化タンタル層の表面から連続的に炭素原子を吸着して取り込む機能を奏する。この意味で、本実施形態の坩堝２は炭素原子吸着イオンポンプ機能（イオンゲッター機能）を有するということができる。これにより、加熱処理時に坩堝２内の雰囲気に含まれているシリコン蒸気及び炭化珪素蒸気のうち、炭素だけが坩堝２に選択的に吸蔵されるので、坩堝２内を高純度のシリコン雰囲気に保つことができる。

本実施形態においては、以上のように構成される高温真空炉１１と坩堝２を用いて基板から半導体素子を製造する。以下の説明において、単に加熱処理等といった場合は上述した高温真空炉１１を用いて行うものとする。

次に、半導体素子の製造方法の過程において行われる基板の表面処理方法について説明する。初めに、従来の表面処理方法及びその課題について説明する。図６は、従来技術における基板の表面処理方法を模式図及び原子間力顕微鏡写真で示す図である。なお、図６等に示す基板７０の図は、基板の断面図を模式的に示した図である。

半導体素子を製造する元となるバルク基板は、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶又は６Ｈ−ＳｉＣ単結晶から構成されるインゴット９０を所定の厚みに切り出すことで得られる。特に、インゴット９０を斜めに切り出すことにより、オフ角を有する基板７０を得ることができる。その後、基板７０の表面の凹凸を除去するために、基板７０に対して機械研磨を行う。機械研磨後の基板７０の表面は、図６（ａ）の原子間力顕微鏡写真に示すように、複数の研磨傷が形成されている。

そのため、従来では、化学機械研磨により基板７０をより平坦にする方法が採用されていた。化学機械研磨は、研磨液に含まれる化学作用又は研磨剤が有する表面化学作用によって、機械研磨の効果をより有効に発揮させ、機械研磨よりも平坦な面を形成する研磨方法である。化学機械研磨を行うことで、図６（ｂ）の原子間力顕微鏡写真に示すように、基板７０の表面は見かけ上良好となる。

次に、ＣＶＤ法を用いたエピタキシャル層形成工程を行う。この方法では、基板７０の表面のオフ角を利用して、ＣＶＤ法を用いてエピタキシャル層７１を形成する。このＣＶＤ法には、例えば図６（ｃ）に示すサセプタ９１等が用いられる。サセプタ９１は、基板７０の支持及び加熱を行うための装置である。サセプタ９１は、複数の基板７０を同時に支持可能であり、それぞれの基板７０を個別に回転させることが可能であるとともに、複数の基板７０をまとめて回転軸９２を中心に回転させることが可能である。この構成により、基板７０を均等に加熱することができる。なお、この加熱処理は、１２００℃以上１６００℃以下の温度範囲で行われることが好ましい。

そして、図６（ｃ）の矢印に示す方向に原料ガスを流しながら基板７０を加熱することにより、基板７０の表面に、ＳｉＣ単結晶（４Ｈ−ＳｉＣ単結晶又は６Ｈ−ＳｉＣ単結晶）で構成されるエピタキシャル層７１を形成することができる。

しかし、上述したように、基板７０の表面には、機械研磨時に圧力が掛かることにより機械的歪み（変質層）が生じている。この変質層の影響により、図６（ｃ）の原子間力顕微鏡写真に示すように、エピタキシャル層７１の表面には、潜傷による結晶欠陥が発生する。なお、図１９に示すように変質層は基板７０の表面から１０μｍにまで生じているので研磨速度が低速（約２ｎｍ／ｍｉｎ）である化学機械研磨で変質層を全て除去するためには５，０００時間以上も掛かり現実的でない

また、基板７０は、オフ角を有しているため、ＣＶＤ法を行う際の加熱処理等により基板７０のステップが基板の表面に沿う方向に成長し、マクロステップバンチングが発生することがある。マクロステップバンチングとは、複数のＳｉＣ層によってステップの束が形成される現象（又は複数のＳｉＣ層によって形成されたステップそのもの）である。このマクロステップバンチングが発生すると、表面粗さが大きくなってしまう。

このマクロステップバンチングの発生により、半導体素子のデバイス構造が不安定になったり、電界の局所集中によって半導体素子としての性能が低下したりする。また、潜傷の影響により半導体素子としての機能を発揮することができないことがある。

以下、潜傷及びマクロステップバンチングを低コストかつ簡単な処理で除去可能な本実施形態の製造方法について説明する。初めに、上記で説明した高温真空炉１１を用いて加熱環境（詳細にはＳｉの圧力）を変化させる方法について説明する。図７は、Ｓｉ高圧雰囲気又はＳｉ低圧雰囲気での加熱処理を行うときの状況を示す図である。

加熱処理を行う際は、図７に示すように坩堝２の内部にシリコンペレット７７を供給しておく。なお、シリコンペレット７７に代えて、坩堝２の壁面にシリコンを塗布しても良い。この状態で蓋部１１４の位置を変えて坩堝２の密閉度を変化させることで、坩堝２内のＳｉの圧力を調整することができる。

例えば、図７（ｂ）に示すように坩堝２の密閉度を低くすることで、Ｓｉ低圧雰囲気で加熱処理を行うことができる。一方、図７（ａ）に示すように坩堝２の密閉度を高くすることで、Ｓｉ高圧雰囲気で加熱処理を行うことができる。なお、坩堝２の密閉度は細かく調整できるので、Ｓｉの圧力を所望の値にして加熱処理を行うことができる。

次に、本実施形態の具体的な工程について説明する。図８は、本実施形態における基板の表面処理を模式図及び原子間力顕微鏡写真で示す図である。

図８（ａ）に示すオフ基板の切出し及び機械研磨は、従来技術と同様である。図８では、オフ角が４°の基板７０を用いて半導体素子を製造する方法を説明する。詳細には、基板７０の表面は、（０００１）Ｓｉ面又は（０００−１）Ｃ面であり、＜１１−２０＞方向のオフ角が４度になっており、＜１−１００＞方向のオフ角が４度になっている（図９を参照）。なお、以下に示すＣＶＤ法によって効率的にエピタキシャル層を形成するためには、＜１１−２０＞方向のオフ角及び＜１−１００＞方向のオフ角は、例えば４度程度であることが好ましい。

その後、従来では機械化学研磨を行うが、本実施形態では、Ｓｉ高圧雰囲気（図８（ａ）の状態）において１８００℃以上２３００℃以下での加熱処理を行うことで基板７０の表面をエッチングする（図８（ｂ）、第１除去工程を参照）。この加熱処理により、表面のＳｉＣがＳｉ₂Ｃ又はＳｉＣ₂になって昇華することで、基板７０の表面を除去していくことができる。

なお、詳細は後述するが、このエッチング処理では坩堝内のＳｉの圧力が上昇するに従ってエッチング速度が上昇する。例えば１０^-1Ｐａの真空中におけるＳｉの圧力が５×１０^-2Ｐａである場合、基板７０のエッチング速度（研磨速度）は約５００ｎｍ／ｍｉｎとなる。これにより、従来の方法では８０時間以上の膨大な時間が掛かる変質層の除去を、図１９に示すようにＳｉ蒸気圧エッチングを用いることで約２０分で完了させることができる。また、このエッチング処理（第１除去処理）を行うことで、図８（ｂ）の原子間力顕微鏡写真に示すように、基板７０の表面を分子レベルに平坦にすることができる。

次に、従来と同様にＣＶＤ法によるエピタキシャル層成長工程を行う。本実施形態では第１除去工程により変質層が除去されているので、図８（ｃ）の原子間力顕微鏡写真に示すように、潜傷等は発生していない。しかし、基板７０の表面には図９に示すマイクロステップバンチングが発生することがある。

図９に示すように＜１１−２０＞方向にオフした階段状のステップ端部ではＳｉＣ単結晶の積層形態に依存せず炭素原子は常に１本の不対電子（ダングリングボンド）をもつのに対して、＜１−１００＞方向にオフしたステップ端部では積層形態に依存して１本の場合と（α−ｓｔｅｐ）と２本の場合（β−ｓｔｅｐ）の二種類が二分子層ごと現れる。ＳｉＣ単結晶を高温に加熱した場合、ステップ端部に存在する炭素原子の脱離のし易さが表面全体のエッチング機構を律することから、α−ｓｔｅｐとβ−ｓｔｅｐを比較するとβ−ｓｔｅｐの炭素原子の方が結合手数の観点から脱離し易く、その結果β−ｓｔｅｐのエッチングはより早く進行する。β−ｓｔｅｐはやがてα−ｓｔｅｐに追いつくことからステップどうしが束となるバンチングが誘発され、エネルギー的に安定なファセット面の形成へと至る。＜１１−２０＞方向に４度オフした基板では、ステップ端部の安定性は＜１１−２０＞方向からそれぞれ３０°ずれた＜１−１００＞方向へ発展する小さなファセットの集団として形成される。

次に、基板７０に対して第２除去工程を行う。第２除去工程では、Ｓｉの圧力を所定の値に低くして１６００℃以上２３００℃以下での加熱処理を行う。この加熱処理を行うことにより、第１除去工程と同じ原理で基板７０の表面がエッチングされる。これにより、図８（ｄ）の模式図及び原子間力顕微鏡写真に示すように、マクロステップバンチングを除去することができる。

なお、第２除去工程では、マクロステップバンチングが除去されることで、エピタキシャル層７１の表面が平坦化して、ＳｉＣ分子の積層方向の１周期分であるフルユニット高さ、又は半周期分であるハーフユニット高さからなるステップで終端する。「フルユニット高さ」とは、ＳｉとＣからなるＳｉＣ単分子層が積層方向に積み重ねられる１周期分の前記積層方向の高さをいう。従って、フルユニット高さのステップとは、図１０（ａ）に示すように、４Ｈ−ＳｉＣの場合は１．０１ｎｍのステップを意味する。「ハーフユニット高さ」とは、前記１周期の半分の時点での積層方向の高さをいう。従って、ハーフユニット高さのステップとは、図１０（ａ）に示すように、４Ｈ−ＳｉＣの場合０．５０ｎｍのステップを意味する。なお、６Ｈ−ＳｉＣの場合は、図１０（ｂ）に示すように、フルユニット高さのステップとは１．５１ｎｍのステップを意味し、ハーフユニット高さのステップとは０．７６ｎｍのステップを意味する。

次に、図１１を参照して、Ｓｉの圧力と基板７０のエッチング速度との関係性について説明する。図１１のグラフの左半分には、１０^-1Ｐａの真空中におけるＳｉの圧力を変化させたときのエッチング速度の変化が示されている。このグラフから分かるように、Ｓｉの圧力を変化させることで、エッチング速度を例えば１ｎｍ／ｍｉｎから１０００ｎｍ／ｍｉｎ程度まで変化させることができる。

ここで、本実施形態の高温真空炉１１は、坩堝２の蓋部１１４を移動させることでＳｉの圧力を容易に変化させることができるので、状況に応じて簡単にエッチング速度を変化させることができる。

例えば、上述の第１除去工程では、基板７０の表面から１０μｍ程を除去する必要があるので、エッチング速度を高速にすることが好ましい。従って、第１除去工程では、例えばＳｉの圧力を１０^-2Ｐａ以上とすることが好ましい。また、第２除去工程では、条件によって異なるが、基板７０の表面から数十ｎｍ程度の除去が必要である。また、第２除去工程では、形成したエピタキシャル層７１が除去され過ぎないことが好ましい。従って、第２除去工程ではＳｉの圧力を１０^-3Ｐａ以下とすることが好ましい。

次に、マクロステップバンチングの発生の有無と、加熱条件と、の関係性について、図１２から図１４までを参照して説明する。

図１２は、Ｓｉの圧力を一定にし加熱温度等の条件を変化させたときにおける、マクロステップバンチングの発生の有無を示すグラフである。図１２のグラフでは、境界線（図１２の破線）より上の高速エッチング領域では等方性のエッチングが、境界線より下の低速エッチング領域では異方性のエッチングが発現する。ここで、マクロステップバンチングが分解されるのは等方性エッチング領域である。つまり、図１２のグラフからは、エッチング速度を対数表示した場合、所定の直線（図１２の破線）よりも上側の領域ではマクロステップバンチングが発生せず。この直線よりも下側の領域ではマクロステップバンチングが発生することが分かる。

また、図１３には、１８００℃で６０分間加熱処理を行ったときにおける、エッチング速度とＳｉＣ基板表面の状態（マクロステップバンチングの発生の有無）との関係が示されている。図１３のグラフからは、エッチング速度が低速である場合（低速エッチングモード）ではマクロステップバンチングが発生し、エッチング速度が高速である場合（高速エッチングモード）ではマクロステップバンチングの分解および発生抑制が可能であることが分かる。

また、図１４には、オフ角の異なる基板７０に対して、Ｓｉの圧力が異なる環境でそれぞれ加熱処理を行ったときの基板表面の原子間力顕微鏡写真が示されている。なお、マクロステップバンチングが発生している原子間力顕微鏡写真の下側には「Ｍａｃｒｏ Ｓｔｅｐ Ｂｕｎｃｈｉｎｇ」と記載されている。

この図１４からも、Ｓｉの圧力が低いほど（エッチング速度が遅いほど）、マクロステップバンチングが発生し易いことが分かる。また、図１４では、オフ角が小さいほど（初期のテラス幅が長いほど）、マクロステップバンチングが発生し易いことも読み取れる。

このように、マクロステップバンチングの発生の有無は、加熱条件（Ｓｉの圧力、加熱温度、エッチング速度等）及び加熱対象（基板のオフ角）と関係性を有していることが分かる。従って、この関係性を利用して加熱条件を設定することで、第１除去工程又は第２除去工程において、マクロステップバンチングの発生を確実に避けることができる。

次に、図１５から図１８までを参照して、マクロステップバンチングの発生原理について説明する

図１５は、オフ角の異なる基板７０に対して、加熱条件を異ならせたときのエッチング速度を示す図である。図１５からは、エッチング速度は加熱条件に応じて定まり、基板７０のオフ角には依存しないことが分かる。

ここで、エッチング速度とは、図１６（ａ）に示すように、基板の厚み方向の減少速度である。従って、オフ角が大きいほど（初期のテラス幅が短いほど）、基板７０の各ステップの後退速度（図１６（ａ）の矢印）が遅いことが分かる。

以下、この結果について説明する。初めに、各ステップのエッチング速度は、各ステップ（即ちＳｉ雰囲気に触れる部分）に拡散するＳｉ量に依存する。ここで、図１６（ｂ）は、各基板の角度を揃えた図であり、雲状のマークはステップ上に位置する気体のＳｉを示している。図１６（ｂ）から分かるように、オフ角が大きいほどテラス幅が短くなるので、各ステップに触れるＳｉ量が少なくなり、基板からＳｉが昇華しにくくなる。従って、オフ角が大きいほど、ステップの後退速度が遅くなると考えられる。

また、ステップ上に位置する気体のＳｉは、図１７（ａ１）に示すように下側のステップの後退に寄与する場合と、図１７（ｂ１）に示すようにその１つ上側（気体のＳｉ同じ高さ）のステップの後退に寄与する場合と、がある。

ステップ上に位置する気体のＳｉが下側のステップの後退に寄与する場合、図１７（ａ２）に示すように、テラス幅が長いステップは後退速度が速く、テラス幅が短いステップは後退速度が遅くなる。その結果、基板７０のテラス幅は均一となる。

一方、ステップ上に位置する気体のＳｉが上側のステップの後退に寄与する場合、図１７（ｂ２）に示すように、テラス幅が長いステップの１つ上のステップは後退速度が速く、テラス幅が短いステップの１つ上のステップは後退速度が遅くなる。その結果、基板７０のテラス幅が揃ってしまい、ステップバンチングが発生する。

また、図１８に示すように、既にステップバンチングが発生している場合であっても、ステップ上に位置するＳｉが下側のステップの後退に寄与すれば、ステップバンチングの最上段のステップが後退することで、２段目のステップが出現し、２段目のステップが後退することで３段目のステップが後退するというように、ステップの束が徐々に分解される。その後、図１７（ａ２）と同様に、基板７０のテラス幅が均一となるように各ステップが後退するので、ステップバンチングを除去することができる。

以上により、ステップ上に位置する気体のＳｉが下側のステップの後退に寄与することで、第１除去工程時にマクロステップバンチングの発生を防止したり、第２除去工程時にマクロステップバンチングを適切に除去したりすることができる。なお、ステップ上の気体のＳｉの全てが下側のステップの後退に寄与する必要は無く、下側のステップの後退に寄与する割合が多ければ十分である。

上述した実験結果等を踏まえると、ステップ上のＳｉが下側のステップの後退に寄与する割合が多くなるのは以下の場合であると考えられる。即ち、坩堝２内のＳｉの圧力が高い場合（エッチング速度が速い場合）及び初期のテラス幅が短い場合（オフ角が大きい場合）である。以上の点を考慮して第１除去工程及び第２除去工程を行うことで、マクロステップバンチングの発生を確実に防止できる。

以上に説明したように、本実施形態の基板７０の表面処理方法では、基板７０に機械的研磨や化学機械研磨を行うことで生じた変質層を、当該基板７０をＳｉ蒸気圧下で加熱することで除去する第１除去工程を行う。

これにより、第１除去工程で変質層を除去することで、潜傷の発生を防止できるので、半導体素子の歩留まりを向上させることができる。また、第１除去工程はエッチング速度（研磨速度）が高速なので、変質層を短時間で除去でき、半導体素子の生産効率を向上させることができる。

また、本実施形態の表面処理方法では、ＣＶＤ法を用いて基板７０の表面に形成されたエピタキシャル層７１に生じたマクロステップバンチングを、当該基板７０をＳｉ蒸気圧下で加熱することで除去する第２除去工程を行う。

これにより、基板７０の表面に生じたマクロステップバンチングを適切に除去できる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

処理を行った環境及び用いた単結晶ＳｉＣ基板等は一例であり、様々な環境及び単結晶ＳｉＣ基板に対して適用することができる。例えば、加熱温度及び圧力は上記で挙げた値に限られず、適宜変更することができる。

２ 坩堝
１１ 高温真空炉
７０ 基板
７１ エピタキシャル層
１１４ 蓋部

Claims (10)

1. 少なくとも表面がＳｉＣの（０００１）Ｓｉ面又は（０００−１）Ｃ面で構成されるとともにオフ角を有する基板の表面処理方法において、
   前記基板に機械研磨や化学機械研磨を行うことで、表面に研磨傷が生じるとともに当該研磨傷の更に内部側にも変質層が生じており、当該基板をＳｉ蒸気圧下で加熱して前記基板の表面から少なくとも１０μｍを除去することで、前記研磨傷及び前記変質層を除去する第１除去工程を行うことを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
2. 請求項１に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   前記第１除去工程では、温度範囲が１８００℃以上２２００℃以下であって、Ｓｉの圧力が１０^-2Ｐａ以上で加熱することで、前記基板の表面から少なくとも１０μｍを除去することを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
3. 請求項１又は２に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   化学気相蒸着法を用いて前記基板の表面に形成されたエピタキシャル層に生じたマクロステップバンチングを、当該基板をＳｉ蒸気圧下で加熱することで除去する第２除去工程を行うことを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
4. 請求項３に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   前記第２除去工程は、前記第１除去工程よりもエッチング速度が遅いことを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
5. 請求項３又は４に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   前記第２除去工程では、温度範囲が１６００℃以上２０００℃以下であって、Ｓｉの圧力が１０^-3Ｐａ以下で加熱することを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
6. 請求項３又は４に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   前記第１除去工程では温度範囲が２０００℃以上２２００℃以下であって、前記第２除去工程では温度範囲が１６００℃以上２３００℃以下の加熱条件で加熱を行うことを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
7. 請求項６に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   前記第１除去工程及び前記第２除去工程では、＜１１−２０＞方向又は＜１−１００＞方向のオフ角が４度以下の表面を有する前記基板に対して、前記加熱条件で加熱を行うことを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
8. 請求項１から５までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   前記基板の表面は、＜１１−２０＞方向のオフ角が４度以下の面であることを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
9. 請求項１から５までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
   前記基板の表面は、＜１−１００＞方向のオフ角が４度以下の面であることを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。
10. 請求項１から９までの何れか一項に記載のＳｉＣ基板の表面処理方法であって、
    前記基板の表面が、ＳｉＣ分子の積層方向の１周期分であるフルユニットの高さ又は半周期分であるハーフユニットの高さからなるステップで終端していることを特徴とするＳｉＣ基板の表面処理方法。