碳化硅单晶基板及研磨液的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2012年10月2日、申请号为201280049471.0的中国专利申请 的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及碳化硅单晶基板及研磨液，更详细而言，涉及适合用于通过外延生长 而形成高品质的半导体层的碳化硅单晶基板以及用于得到这样的基板的研磨液。
【背景技术】
[0003] 碳化硅（SiC)半导体与硅半导体相比，绝缘击穿电场、电子的饱和漂移速度及热 导率大，因此正在进行使用碳化硅半导体来实现与现有的硅器件相比能够在高温下高速工 作的功率器件的研宄、开发。其中，在用于驱动电动自行车、电动汽车和混合动力汽车等的 发动机的电源中使用的高效率的开关元件的开发备受瞩目。为了实现这样的功率器件，需 要用于通过外延生长形成高品质的碳化硅半导体层的表面光滑的碳化硅单晶基板。
[0004] 另外，作为用于以高密度记录信息的光源，蓝色激光二极管备受瞩目，此外，对作 为代替荧光灯、灯泡的光源的白色二极管的需求增高。这样的发光元件使用氮化镓（GaN) 半导体来制作，作为用于形成高品质的氮化镓半导体层的基板，使用碳化硅单晶基板。
[0005] 对于用在这样的用途中的碳化硅单晶基板，在基板的平坦度、基板表面的光滑性 等方面要求高加工精度，另外，对来源于研磨剂的磨粒等残渣，也要求高可洗性。但是，由于 碳化硅单晶的硬度极高且耐腐蚀性优良，因此制作基板时的加工性差，难以在维持高研磨 速度的同时得到光滑性高的碳化硅单晶基板。另外，由于碳化硅单晶的耐腐蚀性优良，对于 上述磨粒等的除去，也难以应用使用在硅基板的清洗中使用的氢氟酸等药液通过剥离来除 去磨粒的残渣的方法。因此，难以得到高洁净度的基板表面。
[0006] -般而言，半导体单晶基板的光滑的面通过研磨形成。在对碳化硅单晶进行研磨 时，以比碳化硅硬的金刚石等磨粒作为研磨材料，对表面进行机械研磨而形成平坦的面，但 在用金刚石磨粒研磨后的碳化硅单晶基板的表面会产生与金刚石磨粒的粒径对应的微小 划痕。另外，在表面产生具有机械变形的加工变质层，因此，直接使用时基板表面的光滑性 不充分。
[0007] 在半导体单晶基板的制造中，作为使机械研磨后的半导体基板的表面光滑的方 法，使用化学机械研磨（ChemicalMechanicalPolishing:以下，也称为CMP)技术。CMP为 通过利用氧化等化学反应使被加工物的表面变成氧化物等并使用硬度比被加工物低的磨 粒将所生成的氧化物除去而对表面进行研磨的方法。该方法不会使被加工物的表面产生变 形，生成包含来源于结晶结构的原子台阶和平台的原子台阶-平台结构，因此存在能够形 成原子水平上极光滑的面的优点。
[0008] 通过向碳化硅单晶基板的外延生长而形成碳化硅半导体层的方法如下进行：对于 通过上述CMP生成有原子台阶-平台结构的原子水平上极光滑的面，利用热CVD法堆积硅 原子及碳原子。此时，原子台阶的前端线部为外延生长的起点，因此得到无结晶缺陷的高品 质的碳化硅半导体层，因此，作为碳化硅单晶基板所需要的表面性状，不仅要求生成来源于 结晶结构的原子台阶-平台结构，而且对于生成的原子台阶的形状也要求高加工精度。特 别是，对于原子台阶的前端线部，需要抑制来源于因研磨而引起的机械损伤的结晶缺陷。
[0009] 需要说明的是，在本说明书中，"原子台阶-平台结构"是指包含沿单晶基板的主面 经由高差而相互并列地配置的多个平坦的"平台"和作为连接各平台间的高差部的"原子台 阶"的微观的阶梯状结构。而且，将原子台阶的上端部与平台接触的线状的部位称为"原子 台阶的前端线部"。在后文中对"平台"、"原子台阶"、"原子台阶的前端线部"进一步进行说 明。
[0010] 为了形成高品质的碳化硅半导体层，提出了以下方法：在金刚石研磨后，利用胶态 二氧化硅浆料或含有氧化剂的胶态二氧化硅浆料进行CMP，生成具有来源于结晶结构的原 子台阶-平台结构的光滑性高的表面，进一步利用气相法进行蚀刻（例如，参照专利文献 1)。而且，在专利文献1中，在不进行蚀刻处理的情况下形成碳化硅半导体层时，在CMP后， 利用在基板表面的极近处生成的氧化物，产生阶梯束，但通过蚀刻处理，能够在维持CMP后 的基板表面的高光滑性的同时仅除去通过CMP产生的表面氧化物层，能够抑制阶梯束等结 晶缺陷。
[0011] 然而，专利文献1中，虽然考虑了来源于结晶结构的原子台阶-平台结构的生成， 但对于原子台阶的端部形状、结晶缺陷给结晶的外延生长带来的影响没有任何考虑。另外， 仅仅利用蚀刻来抑制碳化硅半导体层的结晶缺陷，对于得到高品质的半导体层是不充分 的。此外，从成本的观点考虑，要求实现更高的研磨速度。
[0012] 另外，以往，作为用于以高研磨速度且光滑地对碳化硅单晶基板的表面进行研磨 的研磨剂，提出了含有二氧化硅磨粒和过氧化氢这样的氧化剂（供氧剂）和钒酸盐的研磨 用组合物（例如，参照专利文献2)。
[0013] 然而，对于专利文献2的研磨用组合物而言，存在对碳化硅单晶基板研磨的速度 低、研磨所需要的时间非常长的问题。另外，存在如下问题：虽然在研磨后的表面生成原子 台阶-平台结构，但由于研磨时的机械损伤而使原子台阶的前端线部成为具有缺口、凹陷 的形状，从而产生结晶缺陷。而且，还存在如下问题：不能通过清洗除去的二氧化硅磨粒 残留在基板上，该磨粒残渣成为在研磨后的基板表面外延生长的半导体层的结晶缺陷的原 因。
[0014] 现有技术文献
[0015] 专利文献
[0016] 专利文献1 :国际公开2010-090024号
[0017] 专利文献2 :日本特开2008-179655号公报
【发明内容】
[0018] 发明所要解决的问题
[0019] 本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供适合用于通过外延生长而 形成无结晶缺陷的高品质的半导体层的碳化硅单晶基板及用于通过CMP得到这样的碳化 硅单晶基板的研磨液。
[0020] 用于解决问题的手段
[0021] 本发明的碳化硅单晶基板的特征在于具备具有包含来源于结晶结构的原子台阶 和平台的原子台阶-平台结构的主面，所述原子台阶-平台结构中，所述原子台阶的前端线 部的平均线粗糙度相对于所述原子台阶的高度的比例为20%以下。
[0022] 本发明的碳化硅单晶基板中，优选所述主面为使结晶外延生长而形成碳化硅半导 体层或氮化镓半导体层的面。
[0023] 本发明的研磨液的特征在于，其为用于对碳化硅单晶基板的预定的面方向的主 面进行化学机械研磨使得该主面具有包含来源于结晶结构的原子台阶和平台的原子台 阶-平台结构并且该原子台阶-平台结构中所述原子台阶的前端线部的平均线粗糙度相 对于所述原子台阶的高度的比例为20%以下的研磨液，所述研磨液含有氧化还原电位为 〇.5V以上的含过渡金属的氧化剂和水，且不含磨粒。
[0024] 本发明的研磨液中，优选所述氧化剂为高锰酸根离子。另外，优选所述高锰酸根离 子的含量相对于研磨剂总量为〇.05质量％以上且5质量％以下。此外，优选本发明的研磨 液的pH为11以下，进一步优选为5以下。
[0025] 发明效果
[0026] 本发明的碳化硅单晶基板具有来源于结晶结构的原子台阶-平台结构且原子台 阶的前端线部的平均线粗糙度（R)相对于原子台阶的高度（h)的比例为20%以下，可抑 制作为利用台阶流动方式的外延结晶生长的起点的前端线部的结晶缺陷等，因此可在该碳 化硅单晶基板的主面上外延生长，由此能够得到高品质的碳化硅半导体层或氮化镓半导体 层。
[0027] 本发明的研磨液含有氧化还原电位为0. 5V以上的含过渡金属的氧化剂和水，且 不含磨粒，因此，通过使用该研磨液对碳化硅单晶基板的预定的面方向的主面进行化学机 械研磨，可得到具有来源于结晶结构的原子台阶-平台结构且在原子台阶的前端线部没有 因研磨时的机械损伤而导致的结晶缺陷的光滑性高的面。另外，根据该研磨液，清洗后的碳 化硅单晶基板不会产生磨粒的残渣。
【附图说明】
[0028] 图1 (a)及（b)示意性地示出本发明的实施方式的碳化硅单晶基板中生成在主面 的原子台阶-平台结构，（a)是俯视图，（b)是放大立体图。
[0029] 图2是示出4H_SiC单晶的结晶结构的图。
[0030] 图3是示出可在使用本发明的实施方式的研磨液的研磨中使用的研磨装置的一 例的图。
[0031] 图4示意性地示出使用现有的研磨剂液进行研磨后的碳化硅单晶基板中生成在 主面的原子台阶-平台结构，（a)是俯视图，（b)是放大立体图。
[0032] 图5是示意性地示出碳化硅单晶基板上的利用台阶流动方式的外延生长的图。
[0033] 图6是示出例1~6中在CMP研磨后生成的原子台阶-平台结构的前端线部的线 粗糙度的测定位置的图。
【具体实施方式】
[0034] 以下，对本发明的实施方式进行说明。
[0035] <碳化硅单晶基板>
[0036] 如图1(a)及图1(b)的示意图所示，本发明的实施方式的碳化硅单晶基板具备具 有来源于结晶结构的平坦的平台1区域和作为高差区域的原子台阶2交替连接的原子台 阶-平台结构的光滑性高的主面。该原子台阶-平台结构中，原子台阶2的上端部与平台1 接触的前端线部2a呈直线状，没有弯曲、缺口、凹陷。另外，平台1的宽度在全部平台大致 相同，且在各平台各部大致均匀。需要说明的是，图1(b)所示的C轴为图1(a)中与纸面垂 直的方向。