制造碳化硅衬底的方法

制造碳化硅衬底的方法
【专利摘要】一种制造碳化硅衬底(10)的方法，具有如下步骤。制备具有第一主表面(1a)以及与第一主表面(1a)相反的第二主表面(1b)的碳化硅单晶衬底(1)。对第一主表面(1a)进行化学机械抛光。利用含硫酸的酸来清洁第一主表面(1a)。在利用含硫酸的酸的清洁步骤之后，利用含氨的碱对第一主表面(1a)进行清洁。因此能够提供能实现外延层的降低的表面粗糙度的制造碳化硅衬底的方法。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制造碳化硅衬底的方法，且更特别地涉及一种包括利用含氨的碱 进行清洁的步骤的制造碳化硅衬底的方法。 制造碳化硅衬底的方法

【背景技术】
[0002] 近年来，为了实现半导体器件更高的击穿电压以及更低的损耗并在高温环境下进 行使用等，已经越来越多得采用碳化硅作为形成半导体器件的材料。因为在热传导性上碳 化硅比诸如氮化镓的氮化物半导体更好，因此其优越地用于适于高电压和高电流的高功率 半导体器件的衬底。
[0003] 例如，日本专利特开No. 2010-4073描述了一种通过利用含硫酸的酸以及过氧化 氢溶液清洁碳化硅而在碳化硅的表面实现诸如铁、镍以及铜的金属杂质的1 X 1011原子/ cm2以下的浓度。


【发明内容】

[0004] 但是，当利用上述文献中描述的方法清洁碳化硅衬底之后在碳化硅衬底的表面上 形成外延层时，外延层的表面粗糙度高。
[0005] 做出本发明以解决上述问题，且其目的之一是提供一种能实现外延层的降低的表 面粗糙度的制造碳化硅衬底的方法。
[0006] 本发明人已经研究了形成在碳化硅衬底上的外延层的高表面粗糙度的原因。因 此，本发明已经获得以下发现并探索出本发明。当利用硫酸-过氧化氢溶液清洁碳化硅衬 底时，有效移除粘附到碳化娃衬底的重金属和有机物质，但是在碳化娃衬底的表面残留下 硫（S)。当在残留硫的碳化硅衬底的表面上生长碳化硅的外延层时，在外延生长的早期，夕卜 延层会类似岛状地异常生长。因此，外延层的表面粗糙度变高。
[0007] 根据本发明的制造碳化硅衬底的方法具有如下步骤。制备具有第一主表面以及与 第一主表面相反的第二主表面的碳化娃单晶衬底。对第一主表面执行化学机械抛光。利用 含硫酸的酸对第一主表面进行清洁。在利用含硫酸的酸进行清洁的步骤之后，利用含氨的 碱对第一主表面进行清洁。
[0008] 当结合附图进行本发明的以下详细说明时，将使本发明的上述和其他目的、特征、 方面以及优点变得更加显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 图1是示意性示出本发明的一个实施例中的碳化硅衬底的结构的截面示意图。
[0010] 图2是示意性示出本发明的一个实施例中的碳化硅衬底的变型的结构的截面示 意图。
[0011] 图3是用于示意性说明制造本发明的一个实施例中的碳化硅衬底的方法的流程 图。
[0012] 图4是用于示意性说明制造本发明的一个实施例中的碳化硅衬底的方法中的清 洁方法的流程图。
[0013] 图5是示意性示出形成在碳化硅衬底上的外延层的表面态的截面示意图。

【具体实施方式】
[0014] 以下将参考【专利附图】
【附图说明】本发明的实施例。注意到在以下附图中，相同或相应的元件 被指定相同的附图标记并将不再赘述其说明。而且，本文中将单独取向，集合取向，单独面 以及成集合面分别示出为[]，〈>，0和{}。而且，在晶体学方面，负指数应当由数字上具有 横杠的方式来表示，但是本文将负号置于数字前进行表示。
[0015] (1)制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法具有如下步骤。制备具有第一主表 面la以及与第一主表面相反的第二主表面lb的碳化硅单晶衬底1。对第一主表面la进行 化学机械抛光。利用含硫酸的酸清洁第一主表面la。在利用含硫酸的酸清洁的步骤之后， 利用含氨的碱对第一主表面la进行清洁。随着利用含氨的碱对第一主表面la进行清洁， 有效地移除残留在第一主表面la的硫。因此降低形成在第一主表面la上的外延层2的表 面2a的表面粗糙度。
[0016] (2)在制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法中，优选地，在利用含氨的碱清 洁的步骤之后，在第一主表面la上形成碳化硅外延层2。因此，降低了形成在第一主表面上 的碳化硅外延层2的表面2a的表面粗糙度。
[0017] (3)在制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法中，优选地，含氨的碱由含氨水 溶液、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液构成。因此，能够更有效地移除残留在第一主表面la 上的硫。
[0018] (4)在制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法中，优选地，超纯水的体积为氨 水溶液体积的至少2倍且至多10倍那么大。如果超纯水的浓度是氨水溶液的至少2倍，则 能够在不使用过量氨水溶液的情况下有效去除硫。如果超纯水的浓度是氨水溶液的至多10 倍，则能够保持达到能够有效移除硫这样的程度的氨水溶液的浓度。
[0019] (5)在制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法中，优选地，含硫酸的酸由含硫 酸、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液构成。因此，能够有效地移除第一主表面la上的重金 属杂质以及有机物质。
[0020] (6)在制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法中，优选地，硫酸的体积为过氧 化氢溶液的体积的至少2倍且至多10倍那么大。如果硫酸的体积是过氧化氢溶液体积的 至少2倍那么大，则获得移除重金属杂质和有机物质的氧化能力。如果硫酸的体积是过氧 化氢溶液的体积的至多10倍那么大，则能够抑制第一主表面la处的硫的过量残留。
[0021] (7)在制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法中，优选地，利用含氨的碱清洁 的步骤之后，第一主表面la处的组分中硫的比率低于0. 5原子百分比。因此，能够获得硫 浓度低的碳化硅衬底10。
[0022] (8)在制造根据本实施例的碳化硅衬底10的方法中，优选地，在利用含氨的碱的 清洁步骤之后作为存在于第一主表面la的金属杂质的铝、铁、镍、铬、锌以及铜中的每一种 的浓度都不高于1 X 1011原子/cm2。因此，能够获得具有较少金属杂质的碳化硅衬底10。
[0023] 现在将更详细说明根据本发明的一个实施例的碳化硅衬底的构造。
[0024] 参考图1，本实施例中的碳化硅衬底10例如由4H多型的六方碳化硅单晶体构成 并具有第一主表面la以及与第一主表面相反的第二主表面lb。优选地，存在于第一主表 面la和第二主表面lb中的至少一个主表面（例如第一主表面la)处的作为金属杂质的铝 原子、铁原子、镍原子、铬原子、锌原子以及铜原子中的每一种的浓度都不高于1 X 1011原子 /cm2。
[0025] 优选地，第一主表面la和第二主表面lb中的至少一个主表面（例如第一主表面 la)处的组分中硫原子的比率低于0. 5原子百分比。第一主表面la和第二主表面lb中的 至少一个主表面（例如第一主表面la)的算数平均粗糙度（Ra)例如是0. lnm。碳化硅衬底 10的第一主表面la例如是{000-1}面或{0-33-8}面。第一主表面la可以是从{000-1} 面倾斜约8°以下的面。参考图2,碳化硅衬底10可以是这种衬底，即由碳化硅构成的外延 层2形成在由单晶碳化硅构成的碳化硅单晶衬底1上。
[0026] 现在将参考图3和4说明根据本发明的一个实施例的制造碳化硅衬底的方法。
[0027] 首先，在例如由石墨制成的坩锅中布置由单晶碳化硅构成的籽晶以及由碳化硅构 成的原料粉末。随后，通过加热原料粉末来升华碳化硅，由此在籽晶上再结晶单晶碳化硅。 这里，例如在引入氮等的同时进行再结晶。在籽晶上生长了所需尺寸的晶体的时间点停止 加热，且从坩锅中取出单晶碳化硅的晶体。将单晶碳化硅加工成具有柱状形状的晶锭。通 过切片晶锭，切割碳化硅单晶衬底1。碳化硅单晶衬底1例如由4H多型的六方碳化硅单晶 构成，且具有第一主表面la以及与第一主表面相反的第二主表面lb。
[0028] 随后，执行研磨步骤（S10 :图3)。在研磨步骤中，对碳化硅单晶衬底1的主表面la 进行研磨处理，由此降低切割表面（即第一主表面la)的粗糙度。在研磨处理中，金刚石磨 石用作工具且在碳化硅单晶衬底1的第一主表面la和磨石彼此面对的情况下旋转，并且以 恒定速率执行切割，使得碳化硅单晶衬底1的第一主表面la的表面层被移除。因此，移除 碳化硅单晶衬底1的第一主表面la上的凸起和凹陷且使第一主表面la平坦化，使得能够 调整碳化硅单晶衬底1的厚度。可对碳化硅单晶衬底1的第二主表面lb执行类似的研磨 步骤。
[0029] 随后，执行MP (机械抛光）步骤（S20 :图3)。在MP处理中，使用含金刚石等的磨 料颗粒的溶液，并且在碳化硅单晶衬底1的第一主表面la面对表面平台的情况下，对碳化 硅单晶衬底1施加负载，以便对第一主表面la进行抛光。通过调整金刚石等的磨料颗粒的 粒径，能够获得所需表面粗糙度。由铁、铜、锡、锡合金等制成的金属表面平台，金属和树脂 的复合表面平台或抛光布能够被用作表面平台。通过采用硬金属表面平台能够提高速率。 通过采用软平台能够降低表面粗糙度。也可对碳化硅单晶衬底1的第二主表面lb执行类 似的MP步骤。
[0030] 随后，执行化学机械抛光步骤（S30 :图3)。CMP中的磨料颗粒应由比碳化硅软的材 料制成，以便降低表面粗糙度或减少处理损伤层。作为CMP中的磨料颗粒，例如采用胶体氧 化硅或烟雾状氧化硅。CMP中的溶液优选具有4以下或9. 5以上的pH值，以便增强化学作 用，且更优选具有2以下且10. 5以上的pH值。能够通过添加诸如盐酸、硝酸、硫酸或磷酸 的无机酸，诸如甲酸、乙酸、草酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、酞酸或富马酸的有机酸， 诸如KOH，NaOH或NH40H的无机碱，诸如胆碱、胺或TMAH (四甲基氢氧化铵）有机碱及其盐 来控制CMP溶液的pH值。
[0031] 随后，执行清洁步骤（S40 :图3)。在清洁步骤中，例如通过如下步骤清洁碳化硅衬 底10的第一主表面la。首先，执行利用碱（S41 :图4)进行清洁的步骤。在利用碱进行清 洁的步骤中，例如采用TMAH和表面活性剂移除CMP步骤中粘附至碳化硅衬底10的第一主 表面la的诸如胶体氧化硅的磨料。随后，在利用超纯水的清洁步骤中（S42:图4)，利用超 纯水清洁碳化硅衬底10的第一主表面la，由此移除残留在碳化硅单晶衬底1的第一主表面 la上的TMAH等。
[0032] 随后，执行利用第一清洁溶液的清洁步骤（S43 :图4)。具体地，作为含硫酸的酸的 第一清洁溶液用于清洁碳化硅单晶衬底1的第一主表面la。第一清洁溶液例如是由含硫 酸、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液构成的硫酸-过氧化氢溶液。换言之，第一清洁溶液是 其中混合硫酸、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液。作为硫酸，例如能够使用其质量百分比浓 度为98%的浓硫酸。作为过氧化氢溶液，例如能够使用其质量百分比浓度为30%的过氧化 氢溶液。作为超纯水，例如能够使用电阻率不低于15ΜΩ ·_，总有机碳（T0C)低于30ppb， 且剩余的二氧化硅低于lOppb的水。
[0033] 第一清洁溶液中含有的硫酸、过氧化氢溶液以及超纯水之间的体积比例如是 10 (硫酸）：1 (过氧化氢溶液）：1 (超纯水）。体积比优选从10 (硫酸）：1 (过氧化氢溶 液）：1 (超纯水）至2 (硫酸）：1 (过氧化氢溶液）：1 (超纯水）。换言之，硫酸的体积为过 氧化氢溶液的体积的至少2倍且至多10倍那么大。而且，硫酸的体积为超纯水的体积的至 少2倍且至多10倍那么大。随后，在利用超纯水清洁的步骤中（S44 :图4)，利用超纯水清 洁碳化硅单晶衬底1的第一主表面la，由此移除残留在碳化硅单晶衬底1的第一主表面la 上的硫酸-过氧化氢溶液。
[0034] 随后，执行利用第二清洁溶液的清洁步骤（S45 :图4)。具体地，作为含氨的碱的第 二清洁溶液用于清洁碳化硅单晶衬底1的第一主表面la。第二清洁溶液例如是由含氨水 溶液、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液构成的氨-过氧化氢溶液。换言之，第二清洁溶液是 其中混合了氨水溶液、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液。作为氨水溶液，例如能够使用其质 量百分比浓度为28%的氨水溶液。作为过氧化氢溶液，例如能够使用其质量百分比浓度为 30%的过氧化氢溶液。作为超纯水，例如能够使用电阻率不低于15ΜΩ ·_，总有机碳（T0C) 低于30ppb，且剩余的二氧化硅低于lOppb的水。
[0035] 第二清洁溶液中包含的氨水溶液、过氧化氢溶液以及超纯水之间的体积比例如是 1 (氨水溶液）：1 (过氧化氢溶液）：5 (超纯水）。体积比优选从1 (氨水溶液）：1 (过氧化氢 溶液）：10 (超纯水）至1 (氨水溶液）：1 (过氧化氢溶液）：2 (超纯水）。换言之，超纯水的 体积是氨水溶液的体积的至少2倍且至多10倍那么大。另外，超纯水的体积是过氧化氢溶 液的体积的至少2倍且至多10倍那么大。随后，在利用超纯水清洁的步骤中（S46:图4)， 利用超纯水清洁碳化硅衬底10的第一主表面la，由此移除残留在碳化硅单晶衬底1的第一 主表面la上的氨-过氧化氢溶液。
[0036] 优选地，在利用第二清洁溶液（含氨的碱）清洁碳化硅单晶衬底1的第一主表面 la的步骤之后，碳化硅衬底10的第一主表面la处的硫浓度低于0. 5原子百分比。例如能 够利用ESCA(化学分析电子能谱）测量第一主表面la处的硫浓度。注意到，能够利用ESCA 测量的下限值（测量精度）例如约为0.5原子百分比。此外，优选地，在利用第二清洁溶液 (含氨的碱）清洁碳化硅单晶衬底1的第一主表面la之后，作为存在于碳化硅衬底10的 第一主表面la处的金属杂质的铝、铁、镍、铬、锌以及铜中的每一种的浓度都不高于1X1011 原子/cm2。例如能够利用ICP-MS (电感耦合等离子体质谱分析）测量存在于第一主表面la 处的铝、铁、镍、铬、锌以及铜中的每一种的浓度。
[0037] 随后，执行外延层形成步骤（S50)。在外延层形成步骤中，在碳化硅单晶衬底1的 第一主表面la上形成由碳化娃构成的外延层2。外延层2包含诸如氮的杂质并可以具有η 型。外延层2的厚度例如约为10 μ m，且诸如氮的杂质浓度例如约为5X 1015cm_3。
[0038] 参考图5,在碳化硅单晶衬底1 (碳化硅衬底10)的第一主表面la处存在硫原子3 的情况下，在硫原子3附近的位置生长的外延层的生长速率被认为不同于在远离硫原子3 的位置生长的外延层的生长速率。因此，认为存在硫原子3的位置上生长的外延层的厚度 不同于在不存在硫原子3的位置上生长的外延层的厚度，且外延层2的表面2a上的凸起和 凹陷大。换言之，通过降低碳化硅单晶衬底1(碳化硅衬底10)的第一主表面la处存在的 硫原子3的数量，能够提高碳化硅单晶衬底1 (碳化硅衬底10)的第一主表面la上生长的 外延层2的表面2a的平坦性。
[0039] 现在将说明根据本实施例的制造碳化硅衬底的方法的功能和效果。
[0040] 根据本实施例的制造碳化硅衬底的方法具有如下步骤。制备具有第一主表面la 以及与第一主表面la相反的第二主表面lb的碳化娃单晶衬底1。对第一主表面la进行化 学机械抛光。利用含硫酸的酸清洁第一主表面la。在利用含硫酸的酸清洁的步骤之后，利 用含氨的碱对第一主表面la进行清洁。随着利用含氨的碱对第一主表面la进行清洁，有 效地移除残留在第一主表面la的硫。因此降低形成在第一主表面la上的外延层2的表面 2a的表面粗糙度。
[0041] 此外，根据制造本实施例的碳化硅衬底10的方法，在利用含氨的碱清洁的步骤之 后，在第一主表面la上形成碳化硅外延层2。因此，降低了形成在第一主表面la上的碳化 硅外延层2的表面2a的表面粗糙度。
[0042] 而且，根据制造本实施例的碳化硅衬底10的方法，含氨的碱由含氨水溶液、过氧 化氢溶液以及超纯水的溶液构成。因此，能够更有效地移除残留在第一主表面la处的硫。
[0043] 而且，根据制造本实施例的碳化硅衬底10的方法，超纯水的体积为氨水溶液的体 积的至少2倍且至多10倍那么大。如果超纯水的浓度是氨水溶液的至少2倍那么高，则能 够在不使用过量氨水溶液的情况下有效去除硫。如果超纯水的浓度是氨水溶液的至多10 倍那么高，则能够保持达到能够有效移除硫这样的程度的氨水溶液的浓度。
[0044] 而且，根据制造本实施例的碳化硅衬底10的方法，含硫酸的酸由含硫酸、过氧化 氢溶液以及超纯水的溶液构成。因此，能够有效地移除第一主表面la上的重金属杂质以及 有机物质。
[0045] 而且，根据制造本实施例的碳化硅衬底10的方法，硫酸的体积为过氧化氢溶液的 体积的至少2倍且至多10倍那么大。如果硫酸的体积是过氧化氢溶液的体积的至少2倍 那么大，则获得移除重金属杂质和有机物质的氧化能力。如果硫酸的体积是过氧化氢溶液 的体积的至多10倍那么大，则能够抑制第一主表面la上的硫的过量残留。
[0046] 而且，根据制造本实施例的碳化硅衬底10的方法，利用含氨的碱清洁的步骤之 后，第一主表面la处的组分中硫的比率低于0. 5原子百分比。因此，能够获得硫浓度低的 碳化娃衬底10。
[0047] 而且，根据制造本实施例的碳化硅衬底10的方法，在利用含氨的碱的清洁步骤之 后作为存在于第一主表面la的金属杂质的铝、铁、镍、铬、锌以及铜中的每一种的浓度都不 高于1 X 1011原子/cm2。因此，能够获得具有较少金属杂质的碳化硅衬底10。
[0048] 示例
[0049] 在本示例中，进行用于检验碳化硅衬底10的外延层2的表面2a的表面粗糙度和 清洁碳化硅衬底10的方法之间的关系的试验。首先，利用以下清洁方法1制备根据比较示 例的碳化硅衬底10。利用以下清洁方法2制备根据本发明示例的碳化硅衬底10。在清洁 方法1中，利用硫酸-过氧化氢溶液而不利用氨-过氧化氢溶液清洁碳化硅单晶衬底1的 第一主表面la。在清洁方法2中，利用硫酸-过氧化氢溶液清洁碳化硅单晶衬底1的第一 主表面la且随后利用氨-过氧化氢溶液清洁碳化硅单晶衬底1的第一主表面la。具体地， 根据依据上述实施例的制造方法制备根据本发明示例的碳化硅衬底10。利用类似于根据本 发明示例的制造碳化硅衬底10的方法的、除了不执行利用第二清洁溶液清洁的步骤（S45) 以及利用超纯水清洁的步骤（S46)的方法来制备根据比较示例的碳化硅衬底10。
[0050] 利用上述方法，制备利用清洁方法1的碳化硅衬底10以及利用清洁方法2的碳化 硅衬底10。随后，测量各个碳化硅衬底10的第一主表面la处存在的金属杂质（具体地， 铝、铁、镍、铬、锌以及铜）的浓度。利用ICP-MS进行金属杂质的浓度测量。表1中示出金 属杂质的浓度的测量结果。
[0051] 表 1
[0052]

【权利要求】
1. 一种制造碳化硅衬底的方法，包括以下步骤：制备具有第一主表面和与所述第一主表面相反的第二主表面的碳化娃单晶衬底；对所述第一主表面进行化学机械抛光；利用含硫酸的酸来清洁所述第一主表面；以及在所述利用含硫酸的酸的清洁步骤之后，利用含氨的碱来清洁所述第一主表面。
2. 根据权利要求1的制造碳化硅衬底的方法，还包括在所述利用含氨的碱的清洁步骤 之后，在所述第一主表面上形成碳化硅外延层的步骤。
3. 根据权利要求1或2的制造碳化硅衬底的方法，其中 所述含氨的碱由包含氨水溶液、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液构成。
4. 根据权利要求3的制造碳化硅衬底的方法，其中 所述超纯水的体积为所述氨水溶液的体积的至少2倍且至多10倍。
5. 根据权利要求1至4中的任一项的制造碳化硅衬底的方法，其中 所述含硫酸的酸由包含硫酸、过氧化氢溶液以及超纯水的溶液构成。
6. 根据权利要求5的制造碳化娃衬底的方法，其中 所述硫酸的体积为所述过氧化氢溶液的体积的至少2倍且至多10倍。
7. 根据权利要求1至6中的任一项的制造碳化硅衬底的方法，其中 在所述利用含氨的碱的清洁步骤之后，所述第一主表面处的组分中硫的比率低于0.5 原子百分比。
8. 根据权利要求1至7中的任一项的制造碳化硅衬底的方法，其中 在所述利用含氨的碱的清洁步骤之后，作为存在于所述第一主表面处的金属杂质的 铝、铁、镍、铬、锌以及铜中的每一种的浓度都不高于IX 1011原子/cm2。
【文档编号】H01L21/02GK104112652SQ201410162822
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2013年4月22日
【发明者】冲田恭子 申请人:住友电气工业株式会社