JP2005303010A - 炭化珪素素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素素子の製造方法において、製造工程を複雑にすることなく、活性化アニールによる炭化珪素層の表面凹凸を低減し、かつ、炭化珪素層の表面領域におけるドーパント濃度を高める。
【解決手段】 炭化珪素素子の製造方法は、（Ａ）表面がキャップ層５で覆われた炭化珪素層２を有する基板１を用意する工程と、（Ｂ）キャップ層５を介して炭化珪素層２の少なくとも一部に不純物イオン３を注入して不純物ドープ層６を形成する工程と、（Ｃ）キャップ層５で覆われた炭化珪素層５に対して活性化アニールを行う工程と、（Ｄ）基板１からキャップ層５を除去する工程とを包含し、工程（Ｂ）においては、炭化珪素層２の表面領域における不純物の濃度が、炭化珪素層２の内部における不純物の濃度の最大値の８０％以上となるように不純イオン３を注入する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化珪素を用いた半導体素子及びその製造方法に関する。

炭化珪素（シリコンカーバイド：ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いことなどから、次世代の低損失パワーデバイス等へ応用されることが期待される半導体材料である。炭化珪素は、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣや六方晶系の６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ等、多くのポリタイプを有する。この中で、実用的な炭化珪素半導体素子を作製するために一般的に使用されているポリタイプは６Ｈ−ＳｉＣ及び４Ｈ−ＳｉＣである。

ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ショットキーダイオードなどの炭化珪素半導体素子は、通常、ｃ軸の結晶軸に対し垂直な（０００１）面にほぼ一致する面を主面とする６Ｈ−ＳｉＣ基板または４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いて作製される。６Ｈ−ＳｉＣまたは４Ｈ−ＳｉＣ基板（ＳｉＣ基板）上には、炭化珪素半導体素子の活性領域となるエピタキシャル成長層が形成される。エピタキシャル成長層のうち選択された領域には、導電型やキャリア濃度が制御された不純物ドープ層が形成される。不純物ドープ層は、例えばＭＯＳＦＥＴではｐ型ウェル領域やｎ⁺ソース領域として機能する。

エピタキシャル成長させた炭化珪素層に不純物ドープ層を形成するためには、炭化珪素層に不純物イオンを注入することが必要不可欠である。さらに、イオン注入後にアニール処理を行い、不純物イオンを活性化させる必要がある。

以下、図８（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、従来の不純物ドープ層の形成方法について、ＭＯＳＦＥＴにおけるｐ型ウェル領域を形成する方法を例に説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板４０にｎ型ドリフト層として機能する炭化珪素層４１を形成する。ＳｉＣ基板４０として、（０００１）面より数度（オフ角）傾けてステップ密度を増大させた表面（ステップ構造表面）を有するオフアングル基板がよく用いられる。この場合、炭化珪素層４１は、ＳｉＣ基板４０のステップ構造表面に、ステップの横方向成長によるステップフローを利用してエピタキシャル成長させる。なお、標準的なオフアングル基板のオフ角は、４Ｈ−ＳｉＣ基板では（０００１）面を基準面として[１１−２０]方向に８°、６Ｈ−ＳｉＣ基板では（０００１）面を基準面として[１１−２０]方向に３．５°である。

続いて、図８（ｂ）に示すように、炭化珪素層４１の表面にイオン注入マスク４２を形成する。注入マスク４２は、炭化珪素層４１のうち、ｐ型ウェル領域４３が形成される領域以外の領域上に設けられる。

次に、図８（ｃ）に示すように、注入マスク４２の上方から炭化珪素層４１に不純物イオン（Ａｌイオン）４４を注入する。なお、イオン注入時に炭化珪素層４１の表面を保護する目的で、炭化珪素層４１の表面にＳｉＯ₂膜を設けておくこともある（例えば非特許文献１）。

その後、図８（ｄ）に示すように、注入マスク４２を除去した後、イオン注入による損傷の回復と不純物イオンの活性化のために活性化アニール処理を行う。活性化アニール処理は、希ガス（例えばアルゴンガス）雰囲気中で炭化珪素基板４０を１７００℃以上の温度まで加熱することにより行う。活性化アニール処理によって、炭化珪素層４１の一部に不純物ドープ層としてｐ型ウェル領域４３が形成される。炭化珪素層４１のうちｐ型ウェル領域４３が形成されていない領域はｎ型ドリフト領域４７となる。

上述した従来方法は２つの大きな課題を有している。

第１の課題は、不純物ドープ層（ｐ型ウェル領域）４３のドーパント濃度が基板表面近傍で低いことである。炭化珪素層４１にイオン注入された不純物イオンの濃度プロファイルはガウス分布となるが、このプロファイルは活性化アニール後も維持される。炭化珪素層４１では不純物の拡散係数が極めて小さいため、イオン注入後に１７００℃以上の高温領域で活性化アニールを行っても、イオン注入されたドーパントは殆ど拡散しないからである。従って得られた不純物ドープ層におけるドーパント濃度は、基板内部でピークとなり、基板の表面方向に向かって減少する。基板表面近傍のドーパント濃度は基板内部におけるドーパント濃度に比べて大幅に低い値となる。

このようなドーパント濃度プロファイルは、炭化珪素素子の信頼性や性能の低下を引き起こす。以下、この理由をＭＯＳＦＥＴを例に説明する。

図９は、ＭＯＳＦＥＴの一般的な構成を示す断面図である。このＭＯＳＦＥＴでは、ＳｉＣ基板４０の上に形成された炭化珪素層４１は、ドリフト領域４７、ｐ型ウェル領域４３およびコンタクト領域（ｎ⁺領域）４８を有している。コンタクト領域４８はソース電極４９と接続されている。ｐ型ウェル領域４３の上には、ゲート酸化膜５０を介してゲート電極５１が設けられている。ＳｉＣ基板４０の裏面にはドレイン電極５２が形成されている。このような構成のＭＯＳＦＥＴでは、ゲート電極５１に電圧を印加すると、ゲート電極５１の下にあるｐ型ウェル領域４３の表面層にチャネル層が形成されるため、ドレイン電極５２からチャネル層を介してソース電極４９へ電流が流れる。

図８を参照しながら説明した方法でｐ型ウェル領域２３を形成した場合、得られたＭＯＳＦＥＴのｐ型ウェル領域４３におけるドーパント濃度は、ｐ型ウェル領域４３の深さに対して一定ではなく、ｐ型ウェル領域４３の深さ方向における中央付近でピークとなり、炭化珪素層４１の表面近傍で低くなっている。このようなＭＯＳＦＥＴにおいて、ゲート電極５１に電圧を印加すると、ｐウェル領域４３と酸化膜５０との界面に一定の厚さを有するチャネル層が形成されない。そのため、ＭＯＳＦＥＴの電気特性、特にしきい値電圧にバラツキが生じてしまうので、安定した素子特性が得られない可能性がある。

また、ｐ型ウェル領域２３と同様の方法でコンタクト領域４８を形成する場合、コンタクト領域４８の表面近傍のドーパント濃度はコンタクト領域４８の内部のドーパント濃度よりも低くなる。そのため、コンタクト領域４８とソース電極４９との接合部で良好なオーミック特性が得られず、接合部のコンタクト抵抗による抵抗損失が大きくなる。これにより、ＭＯＳＦＥＴの電力損失が増大してしまう。

なお、図９に示すＭＯＳＦＥＴだけでなく、他の炭化珪素素子、例えばＭＥＳＦＥＴやショットキーダイオードにおいても同様に、図８に示す従来の方法で不純物ドープ層を形成すると、不純物ドープ層が形成された炭化珪素層表面でドーパント濃度が低くなるため、十分な素子性能や信頼性を確保することは困難である。

一方、従来の不純物ドープ層の形成方法における第２の課題は、イオン注入後の活性化アニールによって炭化珪素層の表面荒れが生じることである。

再び図８（ｃ）を参照する。図示するように、活性化アニール後、イオン注入によって形成されたｐ型ウェル領域４３の表面にはマクロステップ４５が形成されている。また、マクロステップ４５より小さいが、炭化珪素層４１のうちイオンが注入されていない領域の表面にもマクロステップ４６が形成されている。これは、活性化アニールによって表面の原子層レベルのステップが数層ずつ合体して束になるためと考えられている。また、イオン注入によって形成された領域上のマクロステップ４５がイオン注入されていない領域上のマクロステップ４６よりも大きい理由は、イオン注入によって形成された領域では、イオン注入による損傷によって珪素及び炭素原子が表面から脱離し易くなっているためと考えられている。

これらのマクロステップ４５、４６の断面形状は、図１０に示すように、頂点４５ａと底点４５ｂ、４５ｃからなる略三角形である。マクロステップ４５、４６のサイズは、断面形状におけるステップ側壁４５ｓの高さおよびテラス４５ｗの幅によって表わすことができる。ここで、ステップ側壁４５ｓの高さ（以下、単に「ステップ高さ」という）とは、基板４０と垂直かつマクロステップの稜線方向と直交する断面図において、小さい方の底角を有する底点４５ｂと頂点４５ａとの距離Ｈをいう。また、テラス４５ｗの幅（以下、単に「テラス幅」という）とは、上記断面図において、大きい方の底角を有する底点４５ｃと頂点４５ａとの距離Ｗをいう。マクロステップ４５、４６のサイズは、活性化アニールの温度が高いほど大きくなり、ステップ高さＨが数１０ｎｍ、テラス幅Ｗが数１００ｎｍに達することもある。

このようなマクロステップ４５、４６は、以下に説明するように、種々の炭化珪素素子において、素子特性を低下させる要因となっている。

図９に示すようなＭＯＳＦＥＴを作製するプロセスでは、通常、活性化アニールによって不純物ドープ層４３、４８を形成した後、熱酸化により炭化珪素層４１の表面に酸化膜５０を形成する。このとき、炭化珪素層４１の表面にマクロステップ４５、４６が存在すると、酸化膜５０のうちステップ側壁４５ｓの上に形成される部分の厚さとテラス４５ｗの上に形成される部分の厚さとが異なる。そのため、作製されたＭＯＳＦＥＴにゲート電圧を印加すると、炭化珪素層４１の表面層に形成されるチャネル層（反転層）の厚さが不均一になり、チャネル移動度が低下するという問題がある。

また、ショットキーダイオードでは、活性化アニールを施した炭化珪素層の表面にショットキー電極が接続されている。そのため、炭化珪素層の表面にマクロステップが存在していると、炭化珪素層表面とショットキー電極との界面においてマクロステップの先端部分に電界が集中し、耐圧が低下するという問題がある。さらに、炭化珪素層の表面近傍を電流が流れる構成を有するＭＥＳＦＥＴでは、炭化珪素層表面のマクロステップによってキャリアの乱れが生じ、その結果、移動度が小さくなり相互コンダクタンスが低下するという問題がある。

上述したように、炭化珪素層４１の表面にマクロステップ４５、４６が形成されていると、炭化珪素層４１を用いて半導体素子を作製しても、炭化珪素本来の優れた物性値から期待されるような電気的特性を得ることは困難である。

上記第１および第２の課題を解決するための方法がそれぞれ検討されている。

第１の課題を解決するために、例えば、不純物ドープ層の表面におけるドーパント濃度の低い領域をリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等によって除去する方法が行われている。

しかしながら、この方法によると、ＲＩＥ等によるエッチングの工程が増えてしまうという問題がある。また、エッチング工程で、不純物ドープ層がプラズマ中のイオンによってダメージを受けてしまい、結晶欠陥が生成されるという問題がある。ここでも、ＭＯＳＦＥＴを例に説明すると、ＲＩＥによってｐ型ウェル領域に結晶欠陥が生成されると、ｐ型ウェル領域に形成されるチャネル層と酸化膜との界面にトラップ準位が形成されてしまう。そのため、チャネル層における電子の移動度が低下し、チャネル層の電流密度が低下する。

一方、第２の課題を解決するための方法が、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１の方法では、活性化アニールによって表面にマクロステップが形成されないようにするために、イオン注入後、活性化アニールを行う前に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜やフォトレジストを保護膜として炭化珪素層の表面に形成している。

しかしながら、特許文献１の方法によると、活性化アニール前に、ダイヤモンドライクカーボン膜やフォトレジストなどの保護膜を表面に形成するための工程が増える。半導体素子の構造によっては、複数回の活性化アニールを行う必要があるが、この方法では活性化アニールを行う度に保護膜を形成する必要がある。

また、特許文献１の方法では、前述のドープ層の表面におけるドーパント濃度の課題（第１の課題）を解決できないため、安定した素子特性を実現することは困難である。

従って、保護膜を用いて活性化アニールを行うことによって、マクロステップの形成を抑制できても、優れた特性の炭化珪素半導体素子を簡便に作製することは難しい。
特開２００１−６８４２８号公報 Advanced Power Devices Lab., Material Science Division, Hard Electronics Lab., ETL NEWS 2001.2, p.2-p.7(2001).

このように、従来の炭化珪素素子の製造方法によると、炭化珪素層（不純物ドープ層）の表面におけるドーパント濃度が低い、活性化アニールによって炭化珪素層表面に凹凸が生じるという２つの課題を同時に解決して、優れた性能を有する信頼性の高い炭化珪素素子を実現することは困難である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭化珪素素子の製造方法において、製造工程を複雑にすることなく、活性化アニールによる炭化珪素層の表面凹凸を低減し、かつ、炭化珪素層の表面領域におけるドーパント濃度を高めることにある。

本発明による炭化珪素素子の製造方法は、（Ａ）表面がキャップ層で覆われた炭化珪素層を有する基板を用意する工程と、（Ｂ）前記キャップ層を介して前記炭化珪素層の少なくとも一部に不純物のイオンを注入して不純物ドープ層を形成する工程と、（Ｃ）前記キャップ層で覆われた炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、（Ｄ）前記基板から前記キャップ層を除去する工程とを包含し、前記工程（Ｂ）においては、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の８０％以上となるように前記不純物イオンを注入する。

前記キャップ層の厚さは１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層の表面をグラファイト化することによって前記キャップ層を形成する工程（Ａ１）を含む。

前記工程（Ａ１）は、１０^-5Ｐａ以上１０Ｐａ以下の圧力で行われることが好ましい。

前記工程（Ａ１）は、前記基板を１１００℃以上１４００℃以下の温度に加熱する工程を含むことが好ましい。

前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程を含み、前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程と、前記工程（Ａ１）とは、同一のチャンバー内で行われてもよい。

好ましくは、前記工程（Ｄ）は、前記基板を熱酸化する工程を含む。

前記工程（Ｂ）において、前記不純物のイオンを異なる加速エネルギーで複数回注入してもよい。

前記工程（Ｂ）は、前記キャップ層の選択された領域を覆う注入マスクを形成する工程を含んでもよい。

前記工程（Ｂ）は、異なる注入マスクを用いて互いに異なる不純物イオンを注入する工程を含んでもよい。

本発明による他の炭化珪素素子の製造方法は、イオン注入により形成された不純物ドープ層を有する炭化珪素層を備えた基板を用意する工程と、前記炭化珪素層の表面にグラファイト化によりキャップ層を形成する工程と、前記炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、前記基板から前記キャップ層を除去する工程とを包含し、前記キャップ層の厚さは、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内におけるイオンの濃度の最大値の８０％以上となるように設定される。

前記キャップ層の前記厚さは１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

本発明の炭化珪素素子は、基板と、前記基板の上に形成された炭化珪素層とを備えた炭化珪素素子であって、前記炭化珪素層は、イオン注入により形成された不純物ドープ層を有しており、前記炭化珪素層の表面領域における不純物の濃度は、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の８０％以上であり、前記炭化珪素層の表面のステップの高さは０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下であり、前記ドープ層はノックオンされた炭素原子を含んでいる。

前記炭化珪素層の少なくとも一部を覆う電極をさらに備えていてもよい。

前記炭化珪素層と前記電極との間に絶縁層をさらに備えていてもよい。

前記炭化珪素層と前記電極とが接触しており、前記炭化珪素層および前記電極の界面の少なくとも一部はショットキー障壁を形成していてもよい。

前記ドープ層における前記ノックオンされた炭素原子の濃度は、前記不純物の濃度の０．０１％以上１０％以下であってもよい。

本発明の炭化珪素素子の製造方法によると、製造プロセスを複雑にすることなく、活性化アニールによる炭化珪素層の表面凹凸を低減し、かつ、炭化珪素層の表面領域におけるドーパント濃度を高めることができる。従って、優れた性能を有する信頼性の高い炭化珪素素子を提供できる。

本発明による炭化珪素素子の製造方法では、炭化珪素層の表面に形成されたキャップ層を介して炭化珪素層に不純物イオンを注入し、続いて、そのキャップ層をそのまま保護膜として用いて活性化アニールを行う。これにより、炭化珪素層に不純物ドープ層が形成される。上記キャップ層は、活性化アニール後に除去される。後で詳しく説明するように、本発明によれば、上述した２つの課題を同時に解決することができる。

以下、図１を参照しながら、本発明の好ましい実施形態における不純物ドープ層の形成方法を説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、炭化珪素基板（オフアングル基板）１に、例えばエピタキシャル成長によって炭化珪素層２を形成する。

次いで、図１（ｂ）に示すように、炭化珪素層２の表面にキャップ層５を形成する。キャップ層５は、炭化珪素基板１を真空雰囲気中で加熱することによって好適に形成される。炭化珪素基板１を真空雰囲気中で加熱すると、炭化珪素層２の表面で選択的にシリコンの昇華が起こるので、炭化珪素層２の表面がグラファイト化され、その結果、キャップ層５として機能するカーボン層を得ることができる。このようなグラファイト化を行なう代わりに、公知の堆積方法によって例えばＤＬＣ膜などのカーボン層を形成してもよい。

次に、図１（ｃ）に示すように、不純物イオン３を、キャップ層５を介して炭化珪素層２に注入し、不純物イオン注入層４を形成する。注入された不純物イオン３の濃度プロファイルを参照符号「Ｐ１」の曲線で模式的に示す。この濃度プロフィルＰ１は、図中における水平横方向の大きさが不純物イオン３の濃度を示しており、キャップ層５の表面から計測した深さに応じて変化している。不純物イオン３の濃度は、不純物イオン注入層４の内部（深さ：ｄ₁）でピーク値Ｎ₁を示し、キャップ層５の表面および基板１に近づくほど低くなる（図１（ｆ））。

本発明では、炭化珪素層２の表面領域における不純物濃度、すなわち炭化珪素層２とキャップ層５との界面（深さ：ｄ₀）における不純物濃度Ｎ₀が、炭化珪素層２の内部における不純物濃度の最大値Ｎ₁の８０％以上となるように、不純物イオン３の注入条件（加速電圧、ドーズ量など）やキャップ層５の厚さを適宜調整する。ここで、炭化珪素層２の「表面領域における不純物濃度」とは、キャップ層５と炭化珪素層２との界面からの深さが１０ｎｍ以下の領域における不純物濃度の平均値を指すものとする。

この後、図１（ｄ）に示すように、注入された不純物イオン３を活性化させるために活性化アニール処理を行い、不純物ドープ層６を形成する。このとき、キャップ層５が保護膜の役割をするため、図８（ｄ）に示すようなマクロステップ４５、４６が炭化珪素層２の表面に形成されることを抑制できる。炭化珪素層２における不純物の濃度プロファイルＰ１’は、イオン注入による不純物イオン３の濃度プロファイルＰ１と略同一である。これは、炭化珪素層２では不純物の拡散係数が小さいため、活性化アニールを行っても不純物がほとんど拡散しないからである。

続いて、図１（ｅ）に示すように、キャップ層５を炭化珪素層２の表面から除去する。キャップ層５を除去することにより、濃度Ｎ₀よりも低い不純物濃度を有する領域が炭化珪素層２から除去されるため、表面で高い不純物濃度（Ｎ₀）を有する炭化珪素層２が得られる。キャップ層５の除去方法は特に限定されないが、キャップ層５が上記グラファイト化により、あるいは他の方法によって形成されたカーボン層である場合は、カーボン層５を熱酸化することによって除去することが好ましい。炭化珪素層２の表面にダメージを与えることなくカーボン層５を略完全に除去できるからである。また、加熱炉で図１（ｄ）に示す活性化アニールを行った後、その加熱炉でカーボン層５を熱酸化すれば、製造工程を簡略化できるので有利である。

上記方法を用いると、従来よりも工程を複雑にすることなく、炭化珪素層２（不純物ドープ層６）の表面領域における不純物濃度を十分に高めることができるとともに、活性化アニール工程での炭化珪素層２の表面におけるマクロステップの発生を抑制できる。

キャップ層５の厚さは、ドーパントやイオン注入条件によっても異なるが、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。基板にイオン注入された不純物の濃度プロファイルは、典型的には基板表面からの深さが１００ｎｍ〜１μｍの範囲内にピークを有する。従って、キャップ層５の厚さが１０ｎｍ以上１μｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上０．５μｍ以下であれば、基板表面における不純物濃度が低い領域をより確実に除去できるとともに、炭化珪素層２の表面領域における不純物濃度を十分に高めることができる。

キャップ層５は、活性化アニール温度で変形等を生じないように、十分な耐熱性を有していることが要求される。キャップ層５が活性化アニール工程中に変形したり蒸発すると、炭化珪素層２の表面の凹凸を効果的に低減できないからである。

なお、前述の非特許文献１では、イオン注入時に炭化珪素層表面を保護する目的で、炭化珪素層表面に酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜を形成している。しかし、酸化珪素膜は耐熱性が低く、アニール温度では蒸発してしまうので、炭化珪素層２の表面の凹凸を十分に低減できない。その上、炭化珪素層の表面には、時間をかけてもせいぜい１０ｎｍ程度の厚さの酸化珪素膜しか形成できない。よって、酸化珪素膜は炭化珪素層の表面の不純物濃度を十分に高める目的には不向きである。このように、非特許文献１の酸化珪素膜を用いても、上述したいずれの課題も解決することができない。

キャップ層５は、加熱処理によるグラファイト化を利用して形成されることが好ましい。炭化珪素膜を高温で処理すると炭化珪素膜の表面がグラファイト化されることは公知であったが、従来は、このようなグラファイト化は素子特性を低下させる一因と考えられていた。そのため、例えば炭化珪素膜表面からシリコンが蒸発することを防止するための活性化アニール方法などが検討されていた。これに対し、加熱処理によるキャップ層（カーボン層）５の形成は、炭化珪素素子の製造工程において、このグラファイト化を積極的に利用するものである。

グラファイト化を利用してキャップ層５を形成すると、以下のような利点がある。

加熱処理の条件を制御することにより、炭化珪素層２とキャップ層（カーボン層）５との界面を極めて平坦にできる。また、得られたキャップ層（カーボン層）５の表面は略平坦である。なお、このようなカーボン層の構造は、炭化珪素のグラファイト化によってカーボンナノチューブ膜を形成する方法を提案する文献（M.Kusunoki, T. Suzuki, T. Hirayama, N.Shibata, APPLIED PHYSICS LETTERS, 77, p.531-p533(2000)）にも記載されている。

また、炭化珪素をエピタキシャル成長させたり、活性化アニールを行うために使用される加熱炉を用いてキャップ層５を形成および除去できるので、キャップ層５を形成したり除去するための新たな装置を導入する必要がない。さらに、加熱炉で炭化珪素層２をエピタキシャル成長させ、引き続いて、同じ加熱炉でキャップ層５を形成すると、製造工程を大幅に簡略化できる。同様に、活性化アニールおよびキャップ層５の除去を同一の加熱炉で連続して行うこともできる。

グラファイト化を用いずにキャップ層５を形成すると、たとえキャップ層５がカーボン層であっても、キャップ層５は不純物を含む可能性がある。この不純物は様々な問題を引き起こす。例えば、キャップ層５を形成した後、１６００℃以上の高温で活性化アニールを行うと、キャップ層５に含まれる不純物が炭化珪素層２に拡散によって進入し、炭化珪素半導体素子の特性を著しく低下させるおそれがある。また、キャップ層５の不純物が昇華してアニール炉内を汚染することもある。これに対し、グラファイト化によってキャップ層５を形成する場合、キャップ層５は、炭化珪素層２に含まれる材料（炭素）のみから形成され、不純物をほとんど含まない。そのため、キャップ層５に含まれる不純物に起因する上記問題を防止できる。

グラファイト化によってキャップ層５を形成する場合、基板１を設置する加熱炉（チャンバー）の圧力を１０^-5Ｐａ以上１０Ｐａ以下に設定することが好ましい。圧力が１０Ｐａより高いと、この加熱処理により炭化珪素基板１の表面にステップが形成されてしまい、圧力が１０^-5Ｐａより低いと、この加熱処理によってシリコンだけでなくカーボンまでも昇華されてしまうおそれがあるからである。また、加熱処理における基板１の温度は１１００℃以上１４００℃以下であることが好ましい。基板温度が１１００℃より低い場合には基板表面からの珪素の昇華が起こらずに、１４００℃より高い場合にはカーボンまでも昇華されてしまうおそれがあるからである。

キャップ層５は、その形成方法にかかわらず、カーボン層であることが望ましい。キャップ層５としてカーボン層を用いて、図１（ｃ）に示すイオン注入を行うと、図２に示すように、不純物イオン３とともに炭素原子５ａが炭化珪素層２に注入（ノックオン）される。従って、その後の工程を経て得られた炭化珪素層２は、（低濃度で）ノックオンされた炭素原子を含んでいる。炭化珪素層２におけるノックオンされた炭素原子５ａの濃度は、例えば前記不純物の濃度の０．０１％以上１０％以下である。

炭化珪素層２に不純物イオン（例えばボロン）３のみを注入した後に活性化アニールを行うと、不純物イオン３が活性化アニール時に炭化珪素層２の欠陥の多い領域に拡散し、制御できない不純物濃度分布の変動を引き起こすおそれがある。これに対し、キャップ層５であるカーボン層を介してイオン注入を行うと、不純物イオン３とともに炭化珪素層２に注入された炭素原子５ａが、不純物イオン３の濃度の制御困難な変動を防止する効果を有する。なお、炭素原子５ａが不純物イオン３の拡散を防止するメカニズムなどについては、Michael Laube, Gerhard Pensl, Hisayashi Itoh, APPLIED PHYSICS LETTERS, 74, p.2292-p.2294(1999)に説明されている。

図１を参照しながら説明した方法では、イオン注入工程の前にキャップ層５を形成し、そのキャップ層５をそのまま活性化アニール工程で保護膜として利用しているが、代わりにイオン注入工程後にキャップ層５を形成することもできる。

以下、図３を参照しながら、イオン注入工程後にキャップ層５を形成する場合の不純物ドープ層の形成方法の一例を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、基板１の上に形成された炭化珪素層２に不純物イオン３を注入する。これにより、図３（ｂ）に示すように、炭化珪素層２に不純物イオン注入層４が形成される。注入された不純物イオン３の濃度プロファイルを参照符号「Ｐ２」の曲線で模式的に示す。濃度プロファイルＰ２は、図１（ｃ）における濃度プロファイルＰ１と同様の傾向を示す。

次いで、図３（ｃ）に示すように、不純物イオン注入層４の表面をグラファイト化させることによって、キャップ層（カーボン層）５を形成する。これによって、不純物イオン注入層４の表面近傍における不純物濃度の比較的低い領域がカーボン層（厚さ：例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下）となる。グラファイト化によってカーボン層５を形成する方法は、例えば図１を参照しながら説明した方法と同様である。

この後、図３（ｄ）に示すように、活性化アニールを行い、不純物ドープ層６を形成する。このとき、カーボン層５が保護膜として機能するので、炭化珪素層２の表面におけるマクロステップの発生を抑制できる。

続いて、図３（ｅ）に示すように、カーボン層５を例えば熱酸化によって除去する。これにより、濃度プロファイルＰ２’に示すように、炭化珪素層２の表面領域における不純物濃度をピーク濃度に近い値まで高めることができる。このようにして、炭化珪素層２の表面を平坦に保ったまま、表面で高い不純物濃度を有する不純物ドープ層６を形成できる。

図３に示す方法においても、キャップ層５の厚さおよびイオン注入条件は、炭化珪素層２の表面領域における不純物濃度が、炭化珪素層２の内部における不純物濃度の最大値の８０％以上となるように設定される。

本発明の炭化珪素素子は、例えば図１または図３を参照しながら説明した方法を用いて製造される。得られた炭化珪素素子における炭化珪素層２の表面領域の不純物濃度は、炭化珪素層２の内部における不純物濃度の最大値の８０％以上、より好ましくは９０％以上であり、従来よりも極めて高い。また、炭化珪素層２の表面のステップ高さＨは０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下に抑えられている。そのため、高耐圧で、高い電流密度の電流を流すことができ、かつ電気特性のバラツキの少ない炭化珪素半導体素子を実現できる。

炭化珪素層２の上に酸化膜および電極がこの順で形成されていてもよい。これにより、ゲート耐圧が高く良好な酸化膜−半導体界面が形成できるので、良好な電流電圧特性を実現できる。

さらに、炭化珪素層２（あるいは不純物ドープ層６）の表面と接触する電極を有していてもよい。この場合、炭化珪素層２と電極とが接触する界面の少なくとも一部分でショットキー障壁を形成していることが好ましい。これにより、炭化珪素素子の表面に良好なショットキー障壁を実現できるので、良好な電流電圧特性が得られる。

（実施形態１）
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。本実施形態では、表面にキャップ層が形成された炭化珪素層に不純物イオンを注入し、続いて活性化アニールを行うことによって、不純物ドープ層を形成する方法を説明する。

まず、図４を参照しながら、本実施形態で用いる加熱炉の構造を説明する。

図４に示す加熱炉は、反応炉１５０と、反応炉１５０を加熱するためのコイル１５４とを備えている。コイル１５４は、反応炉１５０の周りに設けられており、高周波誘導加熱により反応炉１５０を加熱する。反応炉１５０の内部には、支持軸１５３によって支持されたチャンバー１６３が設けられている。チャンバー１６３は周囲を断熱材６２で覆われている。チャンバー１６３の内部にはカーボン製のサセプタ１５２が配置されている。炭化珪素基板などの試料１５１は、このサセプタ１５２によってチャンバー１６３に固定される。チャンバー１６３は、ガス排気系１５９およびガス供給系１５８とそれぞれ接続されている。ガス排気系１５９は、排気ガス用配管６０と圧力調整バルブ６１とを備え、必要に応じてチャンバー１６３のガスを排気する。ガス供給系１５８は、アルゴンガス１５５、炭化珪素のエピタキシャル成長に用いる原料ガス１５６、酸素ガス１５７などを必要に応じてチャンバー１６３に供給する。

本実施形態では、炭化珪素層のエピタキシャル成長、キャップ層の形成、活性化アニール及びキャップ層の除去を全て図４に示す加熱炉を使用して行う。従って、製造プロセスやコストを大幅に低減できる。

次いで、図５（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、不純物ドープ層の形成工程を説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、基板１の上に成長させた炭化珪素層２の表面にキャップ層５を形成する。基板１として、例えば[１１−２０]（１１２バー０）方向に８度のオフ角度を有する直径５０ｍｍの炭化珪素基板（４Ｈ−ＳｉＣ基板）を用いる。

炭化珪素層２は、例えば次のようにして形成される。まず、図４に示す加熱炉のチャンバー１６３に基板１を設置する。その後、誘導加熱用のコイル１５４に２０．０ｋＨｚ、２０ｋＷの高周波電力を印加して誘導加熱によって基板１を例えば１６００℃まで加熱する。ガス供給系１５８より炭化珪素の原料ガス１５６をキャリアガスとともにチャンバー１６３に供給し、ＣＶＤ法によって、基板１の上に炭化珪素層（厚さ：例えば１０μｍ）２をエピタキシャル成長させる。原料ガス１５６として、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）およびプロパン（Ｃ３Ｈ８）を用いる。キャリアガスは例えば水素である。

本実施形態では、キャップ層５の形成は、炭化珪素層２を真空で加熱することによって行う。炭化珪素層２をエピタキシャル成長させた後、基板１をチャンバー１６３に設置したまま、ガス排気系５９によってチャンバー１６３の真空引きを行い、チャンバー１６３の真空度を約１０^-4Ｐａとする。次に、チャンバー１６３を真空に保った状態で、コイル１５４に高周波電力を印加して基板１の温度を１４００℃とし、基板１に対して６０分間のアニールを行う。これにより、炭化珪素層２の表面にキャップ層（カーボン層）５が形成される。

なお、炭化珪素層２を真空で加熱した後の基板１に対して、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって表面の組成分析を行うことにより、厚さ約２００ｎｍのカーボン層５が炭化珪素層２の表面領域に形成されていることを確認した。

カーボン層５を形成した後、図５（ｂ）に示すように、イオン注入装置を用いて炭化珪素層２に不純物イオン３を注入することにより、不純物イオン注入層（厚さ：例えば４μｍ）４を形成する。本実施形態では、ｐ型不純物ドープ層を形成するため、不純物イオン３としてアルミニウムイオンを選択する。ここでは、アルミニウムイオンは７種類の加速電圧で多段注入する。１．０ＭｅＶ、１．６ＭｅＶ、２．４ＭｅＶの加速電圧のイオンドーズ量を３×１０¹⁴ｃｍ^-3、３．３ＭｅＶ、４．４ＭｅＶの加速電圧のドーズ量を７×１０¹⁴ｃｍ^-3、５．６ＭｅＶ、７．０ＭｅＶの加速電圧のドーズ量を３×１０¹⁴ｃｍ^-3とする。イオン注入の際の基板温度は室温とする。

次に、図５（ｃ）に示すように、不純物イオン注入層４に対して活性化アニールを行うことにより、不純物ドープ層６を形成する。活性化アニールは、例えば以下のようにして行うことができる。不純物イオン３が注入された基板１を、加熱炉のチャンバー１６３に再び設置して、ガス供給系５８からアニール雰囲気用ガス（アニールガス）を供給する。アニールガスとして、例えばアルゴンガス５５を用いる。アルゴンガス５５の流量は０．５リットル／分とする。活性化アニール時のチャンバー１６３の圧力は、圧力調整バルブ１６１を用いて９１ｋＰａで一定となるように調整する。また、コイル１５４へ高周波電力を印加することにより、基板１の温度が１７５０℃となるように基板１を加熱する。加熱時間は３０分間とする。活性化アニールが終了すると、アルゴンガス５５を供給したまま、コイル５４への高周波電力の印加を停止し、基板１を８００℃程度まで冷却する。

続いて、図５（ｄ）に示すように、基板１をチャンバー１６３に設置したまま、カーボン層５を熱酸化することにより、カーボン層５を基板１から除去する。熱酸化は、チャンバー１６３に酸素（流量：５リットル／分）を供給しながら、カーボン層５を加熱することによって行う。加熱温度は８００℃で一定とし、加熱時間は３０分間とする。このようにして、表面に不純物ドープ層６が形成された炭化珪素基板（以下、「注入エピ基板」と呼ぶ）１０が得られる。

次に、上記方法によって作製された注入エピ基板１０の表面モフォロジーおよび不純物ドープ層６のドーピングプロファイルを調べたので、その方法および結果を説明する。

注入エピ基板１０の表面モフォロジーの解析は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて行い、不純物ドープ層６のドーピングプロファイルの解析は二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）を用いて行った。

また、比較のために、キャップ層を形成せずに、炭化珪素層に不純物イオンを注入し、活性化アニールを行うことにより、比較例１の注入エピ基板を作製した。比較例１における不純物イオンの注入は、キャップ層を用いないこと以外は、実施形態１と同様の方法および条件で行った。比較例１における活性化アニールは、アルゴンガス雰囲気中で、基板温度を１７５０℃、アルゴンガスの流量を０．５リットル／分に設定して３０分間行った。また、アニール時のチャンバーの圧力を９１ｋＰａで一定とする。比較例１の注入エピ基板についても、注入エピ基板１０と同様に、表面モフォロジーおよびドーピングプロファイルを測定した。

表面モフォロジーの測定結果によれば、本実施形態で得られた注入エピ基板１０の表面粗さ（ステップ高さＨ）は約０．５ｎｍであり、比較例１の注入エピ基板の表面粗さよりも２桁以上低減されていることが確認できた。

また、注入エピ基板１０におけるアルミニウムのプロファイルを測定すると、炭化珪素層２の表面領域におけるドーパント濃度が最大値の約９０％となっていることがわかった。これに対し、比較例１の注入エピ基板では、炭化珪素層表面領域におけるドーパント濃度は最大値の１０％以下であった。さらに、注入エピ基板１０におけるアルミニウムイオンの活性化率を調べると、約９０％という非常に高い活性化を実現していることが確認できた。

このように、本実施形態によると、イオン注入前にキャップ層５を形成することによって活性化アニール時に表面が荒れることを防止できると同時に、キャップ層５に存在するドーパント濃度の低い領域はキャップ層５と一緒に除去されるので、炭化珪素層２の表面領域のドーパント濃度を不純物ドープ層６の内部のドーパント濃度とほぼ同程度まで高めることができる。

なお、本実施形態では、炭化珪素層２を真空で加熱することによってキャップ層５を形成しているが、代わりに、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤ法等によってキャップ層５を形成することもできる。同様に、キャップ層５を熱酸化によって除去する代わりに、酸素を用いたプラズマ処理やオゾン処理によってカーボン層５を除去してもよい。

また、本実施形態においては、不純物イオン注入層２３の活性化アニールとカーボン層５の除去とを同一の加熱炉で連続して行ったが、それぞれの工程を別々の炉で行ってもよい。

また、本実施形態においては、４Ｈ−ＳｉＣを炭化珪素基板１として用いているが、４Ｈ−ＳｉＣ以外のポリタイプからなる基板を用いてもよい。

（実施形態２）
以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態の炭化珪素ＭＯＳＦＥＴの製造方法を説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、炭化珪素基板２１に形成された炭化珪素層２２の表面にキャップ層２５を形成する。炭化珪素基板２１としては、例えば、主面が（０００１）から［１１−２０］（１１２バー０）方向に８度のオフ角度がついた直径５０ｍｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いる。この基板２１の導電型はｎ型で、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。炭化珪素層２２の形成は、図４に示す加熱炉を用いてＣＶＤ法で行うことができる。ここでは、基板１の主面上にｎ型の不純物がドープされた炭化珪素層（厚さ：１０μｍ）２２をエピタキシャル成長させる。炭化珪素層２２の形成に用いる原料ガスおよびキャリアガスは、実施形態１で用いたガスと同じである。ただし、本実施形態では、原料ガスに一定流量のドーピングガス（Ｎ₂）を混入する。炭化珪素層２のキャリア濃度は、ドーピングガスの流量によって制御され、ここでは約５×１０¹⁵ｃｍ^-3である。

キャップ層２５の形成は、炭化珪素層２２を形成した後、基板２１を加熱炉のチャンバー１６３に設置したまま行う。まず、ガス排気系１５９を用いてチャンバー１６３の真空引きを行い、チャンバー１６３の真空度を約１０^-4Ｐａとする。この状態で、基板温度が１４００℃となるように基板１を加熱する。加熱時間は６０分間とする。これにより、炭化珪素層２の表面からＳｉが昇華して（グラファイト化）、厚さが約２００ｎｍのカーボン層２５が得られる。

次に、図６（ｂ）に示すように、炭化珪素層２２の選択された領域に第１の不純物イオン注入層（厚さ：例えば１．５μｍ〜２μｍ）２３を形成する。具体的には、まず炭化珪素層２２の表面に例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）からなる第１の注入マスク３３を形成する。第１の注入マスク３３は、炭化珪素層２２のうち、第１の不純物イオン注入層２３となる領域を既定する開口部を有している。第１の注入マスク３３の形状は、フォトリソグラフィおよびエッチングによって任意に形成され得る。第１の注入マスク３３の厚さは、その材料や注入条件によって決定されるが、注入飛程よりも充分に大きく設定することが好ましい。次いで、第１の注入マスク３３の上方から、キャップ層２５を介して炭化珪素層２２にｐ型の不純物イオン（Ａｌイオン）を注入する。不純物イオンの注入は、実施形態１で説明した方法と同様に多段階で行う。イオン注入後、第１の注入マスク３３を取り除く。これにより、炭化珪素層２２のうち不純物イオンが注入された領域に第１の不純物イオン注入層２３が形成される。また、炭化珪素層２２のうち不純物イオンが注入されずに残った領域は、ｎ型ドリフト領域３２となる。

続いて、図６（ｃ）に示すように、炭化珪素層２２に第２の不純物イオン注入層（厚さ：例えば０．５μｍ〜１μｍ）２４を形成する。具体的には、まず炭化珪素層２２の上に、第１の不純物イオン注入層２４の表面の一部を露出する開口部を有する第２の注入マスク３４を形成する。第２の注入マスク３４は、第１の注入マスク３３と同様にして形成されるが、その平面パターンが第１の注入マスク３３の平面パターンから異なっている。次いで、第２の注入マスク３４の上方から、キャップ層２５を介して炭化珪素層２２にｎ型の不純物イオン（窒素イオン）を注入する。イオン注入後、第２の注入マスク３４を取り除く。

この後、図７（ａ）に示すように、第１および第２の不純物イオン注入層２３、２４に対して活性化アニールを行い、それぞれｐ型ウェル領域２６およびコンタクト領域２７を形成する。活性化アニールは、図４に示す加熱炉を用いて、実施形態１で説明した活性化アニールと同様の方法および条件で行う。得られたｐ型ウェル領域２６のキャリア濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3、ｎ型のコンタクト領域２７のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

続いて、図７（ｂ）に示すように、加熱炉のチャンバー１６３に基板２１を設置したまま、基板２１からカーボン層２５を除去する。カーボン層２５の除去は、実施形態１で説明した方法と同様の方法および条件で行う。これにより、注入エピ基板９０が得られる。

最後に、図７（ｃ）に示すように、注入エピ基板９０に、ゲート絶縁膜２８、ソース電極２９、ドレイン電極３０およびゲート電極３１を形成する。ゲート絶縁膜２８は、キャップ層２５が除去された後の基板２１を１１００℃の温度で熱酸化することによって、炭化珪素層２２の表面に形成される。ゲート絶縁膜２８の厚さは例えば３０ｎｍである。この後、ソース電極２９およびドレイン電極３０を次のようにして形成する。まず、電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置を用いてコンタクト領域２７と接するようにＮｉ膜を堆積させる。また、炭化珪素基板２１の裏面にもＮｉ膜を堆積させる。続いて、加熱炉を用いて、これらのＮｉ膜を１０００℃の温度で加熱する。これにより、コンタクト領域２７とオーミック接合されたソース電極（第１のオーミック電極）２９および、基板２１の裏面にオーミック接合されたドレイン電極（第２のオーミック電極）３０がそれぞれ形成される。ゲート電極３１は、ゲート絶縁膜２８の上にアルミニウムを蒸着することにより形成される。このようにして、炭化珪素素子（ＭＯＳＦＥＴ）１００が得られる。

炭化珪素素子１００における炭化珪素層２２の表面粗さおよび表面領域のドーパント濃度は、図７（ｂ）に示す注入エピ基板９０の表面モフォロジーおよび不純物濃度プロファイルを測定することによって調べることができる。これらの測定は、実施形態１で説明した方法と同様の方法で行ってもよい。

注入エピ基板９０における炭化珪素層２２の表面モフォロジーを測定した結果、異なる不純物イオンを用いて２回のイオン注入工程を行ったにもかかわらず、炭化珪素層２２の表面におけるステップ高さは１ｎｍ以下であることが確認できた。また、ｐ型ウェル領域２６の不純物濃度プロファイルを測定した結果、炭化珪素層２２の表面領域における不純物（Ａｌ）濃度は、Ａｌのピーク濃度の８０％以上であることがわかった。同様に、コンタクト領域２７の不純物濃度プロファイルを測定すると、炭化珪素層２２の表面領域における不純物（Ｎ₂）濃度は、Ｎ₂のピーク濃度の８０％以上であることがわかった。

比較のために、キャップ層を用いない従来の方法により、炭化珪素素子１００と同様の構造を有するＭＯＳＦＥＴ（比較例２の炭化珪素素子）を作製した。比較例２における不純物イオンの注入は、キャップ層を用いないこと以外は、実施形態２と同様の方法および条件で行った。比較例２における活性化アニールは、アルゴンガス雰囲気中で、基板温度を１７５０℃、アルゴンガスの流量を０．５リットル／分に設定して３０分間行った。また、活性化アニール時のチャンバー内の圧力は９１ｋＰａで一定とした。

比較例２の炭化珪素素子に対して、炭化珪素素子１００と同様の方法で表面粗さおよび不純物濃度プロファイルを調べると、炭化珪素層のステップ高さＨは約１０ｎｍ、炭化珪素層の表面領域におけるＡｌおよびＮ₂の濃度は、それぞれｐ型ウェル領域のピーク濃度およびコンタクト領域のピーク濃度の１０％以下であった。

以下、本実施形態で得られた炭化珪素素子１００および比較例２の炭化珪素素子の電流電圧特性を説明する。

炭化珪素素子１００および比較例２の炭化珪素素子のドレイン電流の値をそれぞれ測定したところ、炭化珪素素子１００のドレイン電流は、比較例２の炭化珪素素子のドレイン電流よりも５倍以上大きいことがわかった。これは、以下の理由によるものと考えられる。

比較例２の炭化珪素素子では、炭化珪素層の表面粗さが大きいため、表面近傍におけるキャリアの移動度が低く、ドレイン電流が流れにくい。これに対し、炭化珪素素子１００では、炭化珪素層２２の表面粗さが１ｎｍ以下と小さいので、炭化珪素層２２におけるチャネル層が形成される領域（ゲート電極３１の下にあるｐ型ウェル領域２３の表面層）のキャリアの移動度の低下が抑えられる。従って、より高い電流密度のドレイン電流をチャネル層に流すことができる。また、比較例２の炭化珪素素子では、コンタクト領域の表面近傍におけるドーパント濃度が低いのでコンタクト抵抗が高いが、炭化珪素素子１００では、コンタクト領域２７の表面におけるドーパント濃度が高いので、コンタクト領域２７とソース電極２９との間のコンタクト抵抗を低減できる。このように、炭化珪素素子１００では、チャネル層のキャリアの移動度が高く、かつコンタクト抵抗が低いので、より大きなドレイン電流を流すことができる。

続いて、炭化珪素素子１００および比較例２の炭化珪素素子のしきい値電圧を測定したところ、比較例２の炭化珪素素子のしきい値は２〜１０Ｖの範囲でばらついているが、炭化珪素素子１００のしきい値は３〜３．５Ｖと安定していることが確認できた。これは、以下の理由によるものと考えられる。

比較例２の炭化珪素素子では、ｐ型ウェル領域の表面近傍におけるドーパント濃度が基板の表面方向に向かって減少しているために、ｐ型ウェル領域と酸化膜との界面に一定の厚さを有するチャネル層が形成されず、しきい値電圧がばらつく。これに対し、炭化珪素素子１００では、ｐ型ウェル領域２６の表面近傍におけるドーパント濃度がｐ型ウェル領域２６の内部のドーパント濃度とほぼ等しいため、均一な厚さを有するチャネル層が形成され、安定したしきい値が得られる。

以上の測定結果から明らかなように、炭化珪素層２２を形成した後、イオン注入および活性化アニールを行う前に、減圧雰囲気でアニールすることにより炭化珪素層２２の表面にカーボン層２５を形成すると、その後の活性化アニール処理によって、平坦な表面（ステップ高さ：１ｎｍ以下）を維持したまま高い活性化率を実現できる。さらに、カーボン層２５を除去することにより、炭化珪素層２２の表面領域におけるドーパント濃度を従来よりも大幅に高めることができる。このように炭化珪素層２２の表面特性を改善することによって、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴの電気的特性や信頼性を向上できる。

本実施形態では反転型のＭＯＳＦＥＴについて説明したが、蓄積型のＭＯＳＦＥＴに本発明を適用しても同様の効果が得られる。また、ＭＯＳＦＥＴに限らず、基板表面でショットキー障壁を有するＭＥＳＦＥＴやショットキーダイオードなどの炭化珪素素子にも本発明を適用でき、本実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。

なお、前述した各実施形態では、キャップ層５を除去した後、炭化珪素層５の表面を更にエッチングする工程を行なっていないが、炭化珪素層５の表面領域における不純物濃度を調整する目的や、その他の理由により、炭化珪素層５の表面をエッチングしてもよい。

本発明によると、製造プロセスを複雑にすることなく、電気的特性に優れた信頼性の高い炭化珪素素子を提供できる。

本発明は、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ショットキーダイオードなどを含む種々の炭化珪素素子に広く適用できる。本発明の炭化珪素素子は、家電製品や自動車、電力輸送・変換装置、産業用機器などの各種電力・電気機器に使用可能な低損失パワーデバイスに用いられ得る。

（ａ）〜（ｆ）は、本発明による不純物ドープ層の形成方法を説明するための工程断面図である。 キャップ層としてカーボン層を用いてイオン注入を行う場合の不純物イオン注入層の状態を説明するための断面模式図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明による不純物ドープ層の形成方法を説明するための工程断面図である。 本発明による実施形態で使用するアニール炉の構造を示す概略図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明による実施形態１の注入エピ基板の製造方法を説明するための工程断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明による実施形態２の炭化珪素素子の製造方法を説明するための工程断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明による実施形態２の炭化珪素素子の製造方法を説明するための工程断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来の不純物ドープ層の形成方法を説明するための工程断面図である。 ＭＯＳＦＥＴの一般的な構成を示す断面模式図である。 マクロステップのステップ高さおよびテラス幅を説明するための図である。

符号の説明

１、２１、４０ 炭化珪素基板
２、２２、４１ 炭化珪素層
３、４４ 不純物イオン
４ 不純物イオン注入層
５、２５ キャップ層（カーボン層）
６ 不純物ドープ層
２３ 第１の不純物イオン注入層
２４ 第２の不純物イオン注入層
２６、４３ ｐ型ウェル領域
２７、４８ ｎ型ソース用コンタクト領域
２８、５０ ゲート絶縁膜
２９、４９ ソース電極
３０、５２ ドレイン電極
３１、５１ ゲート電極
３２、４７ ｎ型ドリフト領域
３３、３４、４２ イオン注入マスク
４５、４６ マクロステップ
１０、９０ 注入エピ基板
１００ 炭化珪素素子
１５０ 反応炉(チャンバー)
１５１ 試料
１５２ サセプタ
１５３ サセプタ支持軸
１５４ コイル
１５５ アルゴンガス
１５６ 炭化珪素の原料ガス
１５７ 酸素ガス
１５８ ガス供給系
１５９ ガス排気系
１６０ 排気ガス用配管
１６１ 圧力調整バルブ
１６２ 断熱材

Claims (17)

1. （Ａ）表面がキャップ層で覆われた炭化珪素層を有する基板を用意する工程と、
   （Ｂ）前記キャップ層を介して前記炭化珪素層の少なくとも一部に不純物のイオンを注入して不純物ドープ層を形成する工程と、
   （Ｃ）前記キャップ層で覆われた炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、
   （Ｄ）前記基板から前記キャップ層を除去する工程と
   を包含し、
   前記工程（Ｂ）においては、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の８０％以上となるように前記不純物イオンを注入する炭化珪素素子の製造方法。
2. 前記キャップ層の厚さは１０ｎｍ以上１μｍ以下である請求項１に記載の炭化珪素素子の製造方法。
3. 前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層の表面をグラファイト化することによって前記キャップ層を形成する工程（Ａ１）を含む、請求項１または２に記載の炭化珪素素子の製造方法。
4. 前記工程（Ａ１）は、１０^-5Ｐａ以上１０Ｐａ以下の圧力で行われる請求項３に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
5. 前記工程（Ａ１）は、前記基板を１１００℃以上１４００℃以下の温度に加熱する工程を含む請求項３または４に記載の炭化珪素素子の製造方法。
6. 前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程を含み、
   前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程と、前記工程（Ａ１）とは、同一のチャンバー内で行われる請求項３から５のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。
7. 前記工程（Ｄ）は、前記基板を熱酸化する工程を含む請求項１から６のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。
8. 前記工程（Ｂ）において、前記不純物のイオンを異なる加速エネルギーで複数回注入する請求項１から７のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。
9. 前記工程（Ｂ）は、前記キャップ層の選択された領域を覆う注入マスクを形成する工程を含む請求項１から８のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。
10. 前記工程（Ｂ）は、異なる注入マスクを用いて互いに異なる不純物イオンを注入する工程を含む請求項９に記載の炭化珪素素子の製造方法。
11. イオン注入により形成された不純物ドープ層を有する炭化珪素層を備えた基板を用意する工程と、
    前記炭化珪素層の表面にグラファイト化によりキャップ層を形成する工程と、
    前記炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、
    前記基板から前記キャップ層を除去する工程と
    を包含し、
    前記キャップ層の厚さは、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内におけるイオンの濃度の最大値の８０％以上となるように設定される炭化珪素素子の製造方法。
12. 前記キャップ層の前記厚さは１０ｎｍ以上１μｍ以下である請求項１１に記載の炭化珪素素子の製造方法。
13. 基板と、前記基板の上に形成された炭化珪素層とを備えた炭化珪素素子であって、
    前記炭化珪素層は、イオン注入により形成された不純物ドープ層を有しており、
    前記炭化珪素層の表面領域における不純物の濃度は、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の８０％以上であり、前記炭化珪素層の表面のステップの高さは０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下であり、
    前記ドープ層はノックオンされた炭素原子を含んでいる炭化珪素素子。
14. 前記炭化珪素層の少なくとも一部を覆う電極をさらに備えた請求項１３に記載の炭化珪素素子。
15. 前記炭化珪素層と前記電極との間に絶縁層をさらに備えた請求項１４に記載の炭化珪素素子。
16. 前記炭化珪素層と前記電極とが接触しており、前記炭化珪素層および前記電極の界面の少なくとも一部はショットキー障壁を形成している請求項１４に記載の炭化珪素素子。
17. 前記ドープ層における前記ノックオンされた炭素原子の濃度は、前記不純物の濃度の０．０１％以上１０％以下である、請求項１３から１６のいずれかに記載の炭化珪素素子。