碳化矽半導體裝置的製造方法以及碳化矽半導體裝置與流程

2023-10-05 23:40:59 3

本發明涉及碳化矽半導體裝置的製造方法和碳化矽半導體裝置，更具體地說，涉及減少形成在碳化矽基板上的碳化矽外延膜的缺陷數量的方法。

背景技術：

現有的功率半導體裝置形成在矽基板上，但對於矽材料而言，在物理性能方面接近性能極限，基板耐壓高、電力損耗低、能夠進行高溫工作和高頻工作的碳化矽(SiC)半導體裝置正備受矚目。對SiC半導體裝置而言，通常有將低電阻的SiC基板作為基底，在其上形成SiC外延膜，以離子方式注入雜質來改善器件結構的方法。

在SiC中，由於Si與C結合時的周期結構的不同，因此具有存在大量2H、3C、4H、6H、15R等的多型體(多結晶形)，結晶生長中易發生不匹配的問題。因此，在製作SiC單晶時，無法避免不同種類多型體的結晶混在一起，存在大量因結晶不匹配而導致的錯位等結晶缺陷。如果在SiC基板上形成SiC外延膜，則存在直接以貫穿SiC基板表面的螺旋錯位和/或貫穿SiC基板表面的刃狀錯位等的形態，或者轉換為基底面錯位和/或胡蘿蔔缺陷，並傳播到外延膜，成為外延膜的缺陷的可能性。

另一方面，在SiC外延膜還存在並非因基底而引起的缺陷。例如，因成膜而產生的臺階聚集(Step bunching)，除此以外還存在稱為塌陷(downfall)的因在外延生長中異物附著在晶片表面而產生的缺陷等。

由於如果在SiC外延膜中存在結晶缺陷，則在製造出的SiC半導體裝置出現漏電流異常和/或耐壓不良，因此產品的成品率降低。

在下述的專利文獻1～專利文獻5中，公開了在外延膜形成前對SiC基板表面實施的減少缺陷的方法。另外，在專利文獻6中公開了這樣的減少外延膜的缺陷的方法，即，在SiC基板上形成SiC外延膜，加熱至該外延膜的表面粗糙度Ra變為1nm以上為止，接著進行平坦化處理至Ra變為小於0.5nm為止。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1:日本特開2005-311348號公報

專利文獻2:日本特開2006-32655號公報

專利文獻3:日本特開2008-230944號公報

專利文獻4:日本特開2010-182782號公報

專利文獻5:國際公開2010/090024號

專利文獻6:日本特開2008-222509號公報

技術實現要素：

技術問題

然而，在記載於專利文獻1～5的方法中，存在無法除去並非因基底而導致的外延膜的缺陷這樣的問題。另一方面，在專利文獻6記載的方法中，存在作為副作用而產生臺階聚集這樣的問題。

因此，本發明的目的在於，提供能夠減少在碳化矽基板上形成的碳化矽外延膜的缺陷的碳化矽半導體裝置的製造方法，以及通過該方法獲得的碳化矽半導體裝置。

技術方案

為了實現上述目的，本發明的碳化矽半導體裝置的製造方法的特徵在於，包括：工序(A)，在碳化矽基板上形成碳化矽的外延膜；工序(B)，以對該外延膜的表面進行化學機械研磨的方式進行平坦化處理直到算數平均表面粗糙度Ra成為0.3nm以下為止；工序(C)，使上述外延膜的表面熱氧化而形成犧牲氧化膜；工序(D)，除去該犧牲氧化膜；以及工序(E)，利用去離子水對外延膜的經除去上述犧牲氧化膜的表面進行清洗。

根據本發明，能夠通過化學機械研磨來除去在外延膜的生長中產生的缺陷，並且進一步將因化學機械研磨而引起的加工損傷與犧牲氧化膜一起除去。

在本發明的碳化矽半導體裝置的製造方法中，優選通過化學機械研磨，使上述工序(A)中使用的碳化矽基板平坦化為算數平均表面粗糙度Ra為1nm以下。

根據上述形態，通過在外延膜生長前除去在碳化矽基板的表面露出的缺陷，從而能夠減少外延膜的以碳化矽基板的結晶缺陷為起點的缺陷數量。

在本發明的碳化矽半導體裝置的製造方法中，優選上述工序(B)的上述外延膜的研磨量為0.3μm以上且1μm以下。

根據上述形態，能夠除去外延膜的缺陷，特別是能夠除去佔缺陷大多數的坑狀缺陷。

在本發明的碳化矽半導體裝置的製造方法中，優選上述工序(C)的上述犧牲氧化膜的厚度為20nm以上且100nm以下。

根據上述形態，能夠除去因化學機械研磨導致的加工損傷。

在本發明的碳化矽半導體裝置的製造方法中，優選上述工序(C)的上述犧牲氧化膜的形成溫度為800℃以上且1350℃以下。

根據上述形態，能夠準確地控制犧牲氧化膜的膜厚。

在發明的碳化矽半導體裝置的製造方法中，優選利用含有氫氟酸的水溶液來除去上述工序(D)的上述犧牲氧化膜。

根據上述形態，能夠相對於碳化矽外延層選擇性地除去犧牲氧化膜，因此能夠維持犧牲氧化前的光滑的表面粗糙度。

本發明的碳化矽半導體裝置優選為通過上述任一方法製造出的碳化矽半導體裝置。

通過減少外延膜的缺陷數量，從而能夠以高成品率生產可靠性和電特性優異的碳化矽半導體裝置。

有益效果

根據本發明，能夠通過化學機械研磨除去在外延膜的生長中產生的結晶缺陷，並能夠將因化學機械研磨而導致的加工損傷與犧牲氧化膜一起除去。通過減少外延膜的缺陷數量，從而能夠以高成品率生產可靠性和電特性優異的碳化矽半導體裝置。

附圖說明

圖1是表示本發明的SiC半導體裝置的製造方法的一個實施方式的工序圖。

圖2是表示實施例的SiC外延膜的缺陷分布的圖。

圖3是表示比較例的SiC外延膜的缺陷分布的圖。

圖4是實施例的SiC外延膜表面的原子力顯微鏡的圖像。

圖5是比較例的SiC外延膜表面的原子力顯微鏡的圖像。

符號說明

1：SiC基板

2：SiC外延膜

3：犧牲氧化膜

4：缺陷

具體實施方式

本發明的SiC半導體裝置的製造方法的特徵在於，由按順序包括以下工序的製造工序構成：

(A)形成SiC外延膜的工序；

(B)化學機械研磨(CMP)工序；

(C)形成犧牲氧化膜的工序；

(D)除去犧牲氧化膜的工序；以及

(E)清洗工序。

其中，在上述各工序的前後，也可以插入其他工序。例如，在工序(A)之前插入化學機械研磨工序，能夠提高SiC基板的平坦性。或者，在工序(A)之前插入照射反應性等離子體的工序，能夠清潔SiC基板的表面。另外，在工序(B)之後插入磨砂(scrub)清洗，能夠除去附著在SiC外延膜的表面的研磨劑。

在圖1示意性地圖示出了上述工序流程。在工序(A)中，在SiC基板1上形成SiC外延膜2，在工序(B)中，對SiC外延膜2進行化學機械研磨，在工序(C)中，形成犧牲氧化膜3，在工序(D)中，除去犧牲氧化膜3，在工序(E)中，用去離子水(DIW)進行清洗。在工序(A)產生的缺陷4通過工序(B)的化學機械研磨來除去。

[SiC基板]

本發明所使用的SiC基板沒有特別限定，可使用例如對通過升華法或者化學氣相生長(CVD)法所獲得的塊狀結晶進行切片而得的基板。

SiC單晶的多型體沒有特別限定，例如可列舉4H-SiC、6H-S iC、3C-SiC等，但在功率半導體裝置中優選使用絕緣耐壓和載流子遷移率高的4H-SiC。進行外延生長的基板主面沒有特別限定，例如在4H-SiC基板中，可列舉(0001)Si面、(0001)C面等。

另外，為了防止在外延生長時混入多型體，優選為相對於[0001]方向具有1～12°的偏離角的偏離基板，更加優選以4°或者8°的偏離角傾斜而切割出的基板。

另外，優選使SiC基板的表面平坦化為算數平均表面粗糙度Ra成為1nm以下。例如，可以在形成SiC外延膜之前，對SiC基板的表面進行化學機械研磨。通過這樣的方式，能夠減少從SiC基板表面傳播到SiC外延膜的缺陷數量。

[形成SiC外延膜的工序]

在SiC基板上形成SiC外延膜的方法沒有特別限定，可以通過例如減壓CVD法或者常壓CVD法形成。

原料氣體之中，可列舉甲矽烷、二氯甲矽烷等作為Si的供給源，可列舉丙烷、甲烷等作為C的供給源。另外，可以適當添加氮、氨水等作為n型摻雜氣體，三甲基鋁等作為p型摻雜氣體。另外，為了稀釋上述氣體，可以使用氫、氬等作為載流氣體。

CVD溫度優選為1400℃以上且1800℃以下，更加優選為1500℃以上且1750℃以下。如果低於1500℃則生長速度緩慢，如果高於1750℃則產生表面缺陷，因此不優選。在利用減壓CVD法的情況下，CVD壓力優選為0Pa以上且20Pa以下，更加優選為1Pa以上且15Pa以下。

用於形成SiC外延膜的CVD裝置沒有特別限定，例如，可列舉在水冷雙重圓筒管內具有由石墨形成的熱壁且利用感應線圈進行加熱的方式等。

應予說明，可以在形成SiC外延膜時，對SiC基板的表面進行氣體蝕刻來作為前處理。例如，使氯化氫氣體接觸到已加熱至1000℃以上的SiC基板，來對SiC表面進行蝕刻，能夠減少表面缺陷。

[化學機械研磨工序]

在本發明中，可以通過化學機械研磨進行平坦化，以使SiC外延膜的算數平均表面粗糙度Ra為0.3nm以下。如果SiC外延膜的Ra大於0.3nm，則形成在SiC外延膜上的柵氧化膜成為針孔和/或界面態多的膜，可靠性和/或器件性能降低，因此不優選。

另外，SiC外延膜的研磨量優選為0.3μm以上且1μm以下。如果如此進行研磨，則能夠除去SiC外延膜的缺陷，特別是能夠除去佔缺陷大多數的坑狀的缺陷。

對SiC外延膜的表面進行化學機械研磨的方法沒有特別限定，例如，可以是使用固定磨料的化學機械研磨法、使用軟質的研磨墊和研磨劑溶液的化學機械研磨法、或者在使用固定磨粒而進行研磨之後使用軟質的研磨墊和研磨劑溶液的化學機械研磨法。研磨墊和研磨劑溶液可以使用市售的產品。

[形成犧牲氧化膜的工序]

在本發明中，為了除去因化學機械研磨而引入的SiC外延膜的加工損傷，可以使SiC外延膜的表面熱氧化而形成厚度20nm以上且100nm以下的犧牲氧化膜。在此，加工損傷是指，因SiC外延膜的表面與磨料和/或研磨墊摩擦所產生的細小的劃傷、晶格的紊亂以及異物粘著，這些加工損傷伴隨著犧牲氧化膜的生長，被吸收到犧牲氧化膜中而消失，或者被分解而升華，因此可以在犧牲氧化膜下保留結晶性好的SiC外延膜。

形成犧牲氧化膜的方法沒有特別限定，例如可以使用在800℃以上且1350℃以下，使包含水蒸氣的氧化性氣體流通的溼式氧化法，或者使經乾燥的包含氧的氧化性氣體流通的乾式氧化法。此時，為了積極地除去金屬汙染，也可以在上述氧化性氣體中混合包含滷族元素的氣體(例如氯化氫)。

另外，在熱氧化之前，可以用混合氨水和過氧化氫水而成的水溶液、混合鹽酸和過氧化氫水而成的水溶液、或者含有氫氟酸的水溶液來清洗SiC外延膜。如此，能夠在有機物和/或金屬汙染少的狀態下，氧化SiC外延膜。

[除去犧牲氧化膜的工序]

犧牲氧化膜是吸收SiC外延膜的缺陷的同時生長而成的針孔和/或陷阱能級多的膜，因此不優選用作柵絕緣膜或隔離膜。因此，在本發明中，可以將熱氧化SiC外延膜而形成的犧牲氧化膜浸漬在例如含有氫氟酸的水溶液而選擇性地除去犧牲氧化膜。由於SiC在氫氟酸中不溶解，因此能夠維持犧牲氧化前的光滑的表面粗糙度，並在其上形成高品質的柵絕緣膜。

[清洗工序]

在本發明中，可以在除去犧牲氧化膜後，用去離子水(DIW)進行流水清洗，然後乾燥，獲得清潔表面。乾燥方法沒有特別限定，例如可以使用旋轉乾燥、異丙醇蒸氣乾燥等。

[SiC半導體裝置的製造]

可以使用具有通過上述工序所獲得的缺陷數量少的SiC外延膜的SiC基板，來製造SiC半導體裝置。

如此製造出的SiC半導體裝置具有無針孔且界面態少的柵絕緣膜，其絕緣耐壓高，漏電流小，飽和電流大，可靠性和性能優異。

實施例

[實施例]

對SiC基板(多型體4H，4°偏離基板)的表面進行化學機械研磨，通過原子力顯微鏡測定出算數平均表面粗糙度Ra。接著，在通過減壓CVD法形成膜厚10μm的SiC外延膜後，通過化學機械研磨來研磨除去從表面起算50nm深度的SiC外延膜。然後，通過使用共聚焦顯微鏡的表面缺陷檢查裝置來獲取缺陷分布圖，進一步通過原子力顯微鏡來測定出SiC外延膜的算數平均表面粗糙度Ra。

[比較例]

對SiC基板(多型體4H，4°偏離基板)的表面進行化學機械研磨，通過原子力顯微鏡測定出算數平均表面粗糙度Ra。接著，在通過減壓CVD法形成膜厚10μm的SiC外延膜後，通過使用共聚焦顯微鏡的表面缺陷檢查裝置來獲取缺陷圖，進一步通過原子力顯微鏡來測定出SiC外延膜的算數平均表面粗糙度Ra。

在圖2、圖3示出獲取的缺陷分布圖。SiC外延膜的缺陷用黑點表示。在SiC外延膜形成後，相對於未進行化學機械研磨的比較例(圖3)，在經化學機械研磨的實施例(圖2)中，缺陷數量急劇減少。

在圖4、圖5，示出利用原子力顯微鏡測定出的SiC外延膜的表面凹凸圖像。在SiC外延膜形成後，在未進行化學機械研磨的比較例(圖5)中，Ra為1.0nm，而經化學機械研磨的實施例(圖4)中，Ra減小至0.254nm，實現了目標值0.3nm以下。