JP2008034464A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコンカーバイドMESFETなどの半導体装置の製造方法に係り、特に、製造工程の簡素化と共にデバイス特性の向上等を図ったものに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device such as a silicon carbide MESFET, and more particularly to a method for improving the device characteristics while simplifying the manufacturing process.
シリコンカーバイド(炭化珪素、SiC)は、その禁制体幅がシリコンに比べて約3倍、絶縁破壊電界が約10倍、熱伝導率が約3倍大きいため、大電力、低損失電力変換素子の材料として期待されている。さらに、シリコンカーバイドは、熱酸化によりシリコン酸化膜を形成することが可能で、不純物ドーピングによるn型、p型の導電型制御も可能なため、従来のシリコンデバイスで実現されている種々の構造を有するデバイスを作製できるという、他の化合物半導体材料と大きく異なる特徴を備えている。 Silicon carbide (silicon carbide, SiC) has a forbidden body width that is about 3 times that of silicon, about 10 times the dielectric breakdown electric field, and about 3 times larger in thermal conductivity. Expected as a material. Furthermore, since silicon carbide can form a silicon oxide film by thermal oxidation and can control n-type and p-type conductivity by impurity doping, various structures realized in conventional silicon devices can be obtained. It has a feature that is significantly different from other compound semiconductor materials, such that a device having the above can be manufactured.
このようなシリコンカーバイドを用いた半導体素子としては、これまでに、高耐圧高速スイッチングpnダイオードや、ショットキーダイオード、高耐圧低オン抵抗の金属−酸化膜−半導体接合電界効果トランジスタ(MOSFET)やゲート絶縁型バイポーラトランジスタ(IGBT)、接合型電界効果トランジスタ(JFET)、高出力高周波MESFET、静電誘導トランジスタ(SIT)などが開発されている。これらの中で、高出力高周波MESFETは、移動体通信の急速な普及により移動体基地局用高出力送信器やレーダ用の個体増幅器として注目されている。 As semiconductor devices using such silicon carbide, high breakdown voltage high-speed switching pn diodes, Schottky diodes, high breakdown voltage low on-resistance metal-oxide-semiconductor junction field effect transistors (MOSFETs), gates, etc. Insulated bipolar transistors (IGBTs), junction field effect transistors (JFETs), high power high frequency MESFETs, electrostatic induction transistors (SITs), and the like have been developed. Among these, high-power high-frequency MESFETs are attracting attention as high-power transmitters for mobile base stations and individual amplifiers for radar due to the rapid spread of mobile communications.
シリコンカーバイドを用いたMESFETの作製には、シリコンカーバイド上にホモエピタキシャル成長で導伝層を形成したエピタキシャルウェハが用いられる。例えば、このようなシリコンカーバイドを用いたMESFETの代表的な製造方法としては、特許文献1等に開示されたものなどがある。
For production of MESFET using silicon carbide, an epitaxial wafer in which a conductive layer is formed by homoepitaxial growth on silicon carbide is used. For example, a typical manufacturing method of MESFET using such silicon carbide is disclosed in
すなわち、特許文献1には、n型チャネル層と、これより高濃度に不純物を添加したn+高濃度層がエピタキシャル成長されたシリコンカーバイド基板を用いて、隣接するトランジスタと電気的に分離するためにメサエッチングを施す工程と、ソース電極とドレイン電極を形成した後、このソース電極とドレイン電極間のn+高濃度層をリセスエッチングにより除去する工程と、n型チャネル層上部にショットキー接合を形成してMESFETを作る工程からなる製造方法が開示されている。
That is, in
さらに、同文献には、別の方法として、シリコンカーバイド基板上に、n型チャネル層をエピタキシャル成長で形成する工程と、ソース電極とドレーン電極両域をイオン注入によりn型高濃度層としてオーミック電極を形成する工程と、そのソース電極とドレーン電極の間のn型チャネル層表面にショットキー電極を形成する工程と、隣接するFETと電気的に分離するためにメサエッチングを行いMESFETを作る工程とからなる製造方法が開示されている。 Further, in the same document, as another method, an ohmic electrode is formed by forming an n-type channel layer by epitaxial growth on a silicon carbide substrate, and forming an n-type high-concentration layer by ion implantation in both the source electrode and drain electrode regions. A step of forming, a step of forming a Schottky electrode on the surface of the n-type channel layer between the source electrode and the drain electrode, and a step of forming a MESFET by performing mesa etching to electrically isolate the adjacent FET. A manufacturing method is disclosed.
この他、エピタキシャル基板を用いずにMESFETを作製する方法としては、半絶縁性基板に形成したチャネル層にリンをイオン注入する一方、ソース・ドレーンには窒素をイオン注入してMESFETを作製する方法が非特許文献1などにおいて開示されている。
In addition, as a method of manufacturing a MESFET without using an epitaxial substrate, phosphorus is ion-implanted into a channel layer formed on a semi-insulating substrate, while nitrogen is ion-implanted into a source / drain to manufacture a MESFET. Is disclosed in
また、イオン注入を用いたMESFETの作製においては、イオン注入後の不純物活性化のための熱処理により、シリコンカーバイド表面が荒れることが知られており(例えば、非特許文献2など参照)、さらにまた、二重拡散型MOS(DMOS)FETの作成においては、シリコンカーバイド表面が荒れることで、オン抵抗が増大する(例えば、非特許文献3参照)。そのため、イオン注入プロセスを用いたシリコンカーバイド素子の開発では、表面荒れを防ぐアニール技術が盛んに研究されている。 Further, in the production of MESFETs using ion implantation, it is known that the surface of silicon carbide is roughened by heat treatment for impurity activation after ion implantation (see, for example, Non-Patent Document 2). In the production of a double diffusion type MOS (DMOS) FET, the on-resistance increases due to the rough surface of the silicon carbide (see, for example, Non-Patent Document 3). For this reason, in the development of silicon carbide elements using an ion implantation process, annealing techniques that prevent surface roughness are being actively studied.
ところで、上述のようなエピタキシャル膜を用いたMESFETでは、エピタキシャル成長を行う際の温度が約1500度と高温のため、炉内の温度制御やガスの流れを均一にすることが困難となり、そのため、エピタキシャル層の不純物濃度やその厚みを制御することが困難である。特に、MESFETのチャネル層には、数百nm程度とシリコンカーバイドデバイスでは比較的薄いエピタキシャル層を用いるため、高温で成膜するシリコンカーバイドの場合には、その不純物濃度や厚さなどの制御がより困難となっている。その結果、エピタキシャル層の不純物濃度とその厚さのばらつきが生じ、MESFETのしきい値制御ができないという問題が発生している。 By the way, in the MESFET using the epitaxial film as described above, the temperature during epitaxial growth is as high as about 1500 ° C., so it becomes difficult to control the temperature in the furnace and to make the gas flow uniform. It is difficult to control the impurity concentration and thickness of the layer. In particular, since the MESFET channel layer uses a relatively thin epitaxial layer of about several hundred nanometers in silicon carbide devices, in the case of silicon carbide formed at a high temperature, it is possible to control the impurity concentration and thickness. It has become difficult. As a result, the impurity concentration of the epitaxial layer and the thickness thereof vary, and there is a problem that the threshold control of the MESFET cannot be performed.
また、エピタキシャル成長では、MESFETのチャネル層に用いるような薄いエピタキシャル層を成長させる間に、不純物濃度を変えることは、ガスの流量制御などが困難なため、不純物濃度が一定のチャネル層しか形成できない。そのため、MESFETの電気的特性を変えようとした場合には、エピタキシャル層の不純物濃度とその厚さを最適化するしか方策がなかった。さらにまた、DMOSFETの作製工程では、表面の荒れによって、オン抵抗が増大するという問題が発生していた。 Further, in epitaxial growth, it is difficult to control the flow rate of the gas while changing the impurity concentration while growing a thin epitaxial layer used for the channel layer of MESFET, so that only a channel layer having a constant impurity concentration can be formed. Therefore, in order to change the electrical characteristics of the MESFET, there has been no other way but to optimize the impurity concentration and thickness of the epitaxial layer. Furthermore, in the manufacturing process of the DMOSFET, there has been a problem that the on-resistance increases due to surface roughness.
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、エピタキシャル装置を用いることなく、チャネル層の設計パラメータとして、不純物の厚みのほかに、不純物濃度の深さ方向の濃度勾配を形成するなどの第三の設計パラメータを導入することを可能とし、電気的特性の更なる改善を図ることのできる半導体装置の製造方法を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and without using an epitaxial device, as a design parameter of the channel layer, in addition to the thickness of the impurity, a concentration gradient in the depth direction of the impurity concentration is formed. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can introduce three design parameters and can further improve electrical characteristics.
本発明の他の目的は、イオン注入後の熱処理により、不純物を十分活性化させると共に、シリコンカーバイド表面の荒れを防止することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、反応性ガスを用いることなく安全性の高い熱処理を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can sufficiently activate impurities and prevent the surface of the silicon carbide from being roughened by heat treatment after ion implantation.
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device using a highly safe heat treatment without using a reactive gas.
上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置の製造方法は、
炭化珪素からなる半導体層を有する基板上に、当該半導体層を活性領域とする半導体素子を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体層に不純物をイオン注入する工程と、
前記イオン注入後に、少なくとも炭素及び珪素を含む雰囲気ガス中で、前記基板に対する熱処理を行うことで、前記イオン注入された不純物を活性化すると共に、当該イオン注入が施された前記半導体層表面に、炭化珪素からなる半導体層を堆積させる工程と、
前記半導体層にオーミック接合又はショットキー接合の電極を形成する工程と、を具備してなるものである。
かかる構成において、前記イオン注入後の熱処理を行う工程においては、
半導体層に不純物のイオン注入が施された状態の基板を、炭化珪素で被覆された加熱用容器中に、前記基板のイオン注入がなされた半導体層が、前記加熱用容器の炭化珪素で被覆された面に臨むように収納し、前記イオン注入がなされた半導体層表面に比して、当該半導体層表面に臨む前記加熱用容器の部位が高温となるよう加熱し、前記イオン注入がなされた半導体層と前記加熱用容器との間を、前記加熱用容器表面の炭化珪素の昇華ガスを含む雰囲気ガスで満たし、前記イオン注入により注入された不純物を活性化すると共に、当該イオン注入が施された前記半導体層表面に、炭化珪素からなる半導体層を堆積させるようにすると好適である。
また、前記イオン注入後の熱処理を行う工程において、前記加熱用容器中で、前記イオン注入された半導体層表面に比して、当該半導体層表面に臨む前記加熱用容器の部位が高温となるような温度勾配を保持しながら熱処理を行うようにするとより好適である。
In order to achieve the above object of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a semiconductor element having a semiconductor layer as an active region is formed on a substrate having a semiconductor layer made of silicon carbide,
Ion implantation of impurities into the semiconductor layer;
After the ion implantation, by performing a heat treatment on the substrate in an atmosphere gas containing at least carbon and silicon, the ion-implanted impurities are activated, and the surface of the semiconductor layer subjected to the ion implantation is activated. Depositing a semiconductor layer of silicon carbide;
Forming an ohmic junction or Schottky junction electrode on the semiconductor layer.
In such a configuration, in the step of performing the heat treatment after the ion implantation,
A substrate in which impurities are ion-implanted into a semiconductor layer is placed in a heating container coated with silicon carbide, and the semiconductor layer into which the substrate is ion-implanted is coated with silicon carbide in the heating container. The semiconductor which is stored so as to face the surface and heated so that the portion of the heating container facing the surface of the semiconductor layer reaches a higher temperature than the surface of the semiconductor layer on which the ion implantation has been performed. The space between the layer and the heating container was filled with an atmospheric gas containing a silicon carbide sublimation gas on the surface of the heating container, the impurities implanted by the ion implantation were activated, and the ions were implanted It is preferable to deposit a semiconductor layer made of silicon carbide on the surface of the semiconductor layer.
Further, in the step of performing the heat treatment after the ion implantation, the portion of the heating container that faces the surface of the semiconductor layer becomes higher in the heating container than the surface of the semiconductor layer into which the ions are implanted. It is more preferable to perform the heat treatment while maintaining a proper temperature gradient.
本発明によれば、イオン注入された不純物を活性化する熱処理において、基板表面の荒れを防ぐことができる。また、イオン注入によりMESFETのチャネル層を形成することができるため、不純物の濃度や深さ方向の分布などを所望の電気的特性に応じたものとすることができ、素子設計の自由度を増すことができるだけでなく、不純物の活性化のための熱処理を行っても、従来と異なり、基板表面の荒れを抑制することができるため、ゲートのリーク電流が少なく良好なMESFET特性を実現することができるという効果を奏するものである。
また、本発明をDMOSFETの製造工程に適用する場合、表面が平坦なまま不純物の活性化ができ、従来のようなイオン抵抗の増大を抑制することができる。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、反応性ガスを使用しないため、熱処理における高い安全性を確保することができる。
According to the present invention, roughening of the substrate surface can be prevented in the heat treatment for activating the ion-implanted impurities. In addition, since the channel layer of the MESFET can be formed by ion implantation, the impurity concentration, the distribution in the depth direction, and the like can be made in accordance with desired electrical characteristics, and the degree of freedom in device design is increased. In addition to being able to perform the heat treatment for activating the impurities, unlike the conventional case, the substrate surface can be prevented from being rough, and therefore, the gate leakage current is small and good MESFET characteristics can be realized. It has the effect of being able to do it.
In addition, when the present invention is applied to a DMOSFET manufacturing process, impurities can be activated while the surface is flat, and an increase in ion resistance as in the prior art can be suppressed.
In addition, since the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention does not use a reactive gas, high safety in heat treatment can be ensured.
以下、本発明の実施の形態について説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
Embodiments of the present invention will be described below.
The members and arrangements described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
以下、具体的に図1を参照しつつ、シリコンカーバイドMESFETの製造工程について説明する。
まず、高抵抗シリコンカーバイド基板1(図1(a)参照)に、イオン注入マスクを用いた選択注入を行い、n型チャネル層2を形成する(図1(b)参照)。ここで、イオン注入を行った場合の固体中の不純物濃度分布は、ガウス分布に従うことが一般に良く知られている。
Hereinafter, the manufacturing process of the silicon carbide MESFET will be described with reference to FIG.
First, selective implantation using an ion implantation mask is performed on the high resistance silicon carbide substrate 1 (see FIG. 1A) to form an n-type channel layer 2 (see FIG. 1B). Here, it is generally well known that the impurity concentration distribution in the solid when ion implantation is performed follows a Gaussian distribution.
次いで、ソースとドレーン領域3a,3bに、コンタクト抵抗率を小さくするために窒素をイオン注入する(図1(c)参照)。
次に、イオン注入した窒素を不純物として活性化し、格子位置に置換する熱処理を施すことによって、高抵抗シリコンカーバイド基板1の表面、すなわち、n型チャネル層2が形成された側の面上に、n型チャネル層2より不純物濃度が低いシリコンカーバイド層4を形成する(図1(d)参照)。
Next, nitrogen is ion-implanted into the source and
Next, by activating the ion-implanted nitrogen as an impurity and performing a heat treatment that replaces the lattice position, the surface of the high resistance
ここで、この熱処理は、次述するようなアニール装置によって行う。
すなわち、図2(a)に示されたように、アニール装置Sは、例えば、中空筒状に形成された石英反応管11と、この石英反応管11の外周囲に設けられたRFコイル13と、石英反応管11内に配設されるカーボン坩堝9と、このカーボン坩堝9と石英反応管11との間に設けられて石英反応管11の外部への熱の放散を防ぐカーボンを用いてなる断熱材10とを主たる構成要素として構成されたものである。かかるアニール装置Sは、後述するカーボン坩堝9を除けば、その基本構成は、良く知られている誘導加熱式のものである。
Here, this heat treatment is performed by an annealing apparatus as described below.
That is, as shown in FIG. 2A, the annealing apparatus S includes, for example, a
このアニール装置Sにおいて、石英反応管11は、図示を省略するが水冷されるようになっているものである。
また、加熱容器としてのカーボン坩堝9は、シリコンカーバイド基板1が収納される本体部9aと、本体部9aの開口部分を覆うための蓋体部9bとからなり、特に、高純度シリコンカーバイドでコーティングされたものとなっている。
かかるカーボン坩堝9にシリコンカーバイド基板1を収納する際、シリコンカーバイド基板1と蓋体部9bとの間には、0.05〜0.1mm程度の間隙12が生ずるように収納、配置するのが好適である。
In this annealing apparatus S, the
The carbon crucible 9 as a heating container includes a
When the
また、RFコイル13とカーボン坩堝9との位置関係は、カーボン坩堝9の蓋体部9b側の温度TUと、本体部9aの底部側の温度TBとが、TB<TUの関係となるような温度勾配(図2(b)参照)を生ずるように配設するのが好適である。なお、RFコイル13には、図示されない高周波電源に接続されて、高周波電圧の印加がなされるものとなっている。
Further, the positional relationship between the
しかして、上記構成のアニール装置のカーボン坩堝9に、先のイオン注入が施された状態のシリコンカーバイド基板1(図1(c)参照)を、当該シリコンカーバイド基板1と蓋体部9bとの間に先に述べたような間隙12が生ずるように収納、配置し、RFコイル13に所定の電圧を印加することにより誘導加熱による熱処理が行われることとなる。かかる熱処理においては、シリコンカーバイド基板1周囲の雰囲気は、炭素と珪素を含むガスで満たされることとなる。すなわち、誘導加熱によりカーボン坩堝9が熱せられ、カーボン坩堝9を被覆する炭化珪素が昇華するため、その昇華ガスが充満することとなる。このとき、カーボン坩堝9内には温度勾配が保持されている。
そして、シリコンカーバイド基板1は、カーボン坩堝9からの輻射熱により加熱され、その結果、シリコンカーバイド基板1の表面には、不純物濃度(窒素濃度)が1E16cm−3程度、厚さ20nm程度のシリコンカーバイド層4が形成されることとなる(図1(d)参照)。
Thus, the silicon carbide substrate 1 (see FIG. 1 (c)) in which the previous ion implantation has been performed on the carbon crucible 9 of the annealing apparatus having the above-described configuration is performed between the
The
次いで、シリコンカーバイド層4の上に窒化膜を堆積させてMESFETの能動領域だけに窒化膜5が残るようにエッチングを施す(図1(e)参照)。
次に、拡散炉(図示せず)を用いて窒化膜5で覆われていない領域を、シリコンカーバイド層4が全て酸化膜となるまで酸化させ、次いで、緩衝フッ酸液に浸してシリコンカーバイド層4の酸化膜と窒化膜5を除去する。その結果、MESFETの能動領域だけにシリコンカーバイド層4が残ることとなる(図1(f)参照)。
Next, a nitride film is deposited on the silicon carbide layer 4 and etching is performed so that the
Next, a region not covered with the
次に、ソース電極6aとドレイン電極6bを形成するため、ソース領域3a、ドレーン領域3bにオーミック接触するニッケルオーミック電極を形成する(図1(g))。
最後に、シリコンカーバイド層4上にショットキーゲート電極7を形成することによりMESFETが完成することとなる(図1(h)参照)。
Next, in order to form the
Finally, the MESFET is completed by forming the Schottky gate electrode 7 on the silicon carbide layer 4 (see FIG. 1H).
ところで、シリコンカーバイドを高温で加熱すると、基板表面からシリコン原子が蒸発し、原子の再配列が生じ、表面の荒れが生ずることが一般に良く知られている。例えば、イオン注入を施したシリコンカーバイド基板を1600度で加熱すると表面の荒れが生ずることが既に報告されている(例えば、Materials Science Forum, Vols.457-460, 2004, p893-896 参照)。
しかしながら、上述した本発明の実施の形態のように、誘導加熱装置と高純度シリコンカーバイドで覆われたカーボン坩堝9を用いて、イオン注入を施したシリコンカーバイド基板1を加熱する場合には、従来と異なり、表面を荒らすことなく1300℃から1700℃の範囲で加熱が可能である。これは、元素分析の結果などから、高温処理中にシリコンカーバイド表面に低不純物濃度のシリコンカーバイド層4が形成されるためと考えられる。
By the way, it is generally well known that when silicon carbide is heated at a high temperature, silicon atoms are evaporated from the substrate surface, rearrangement of atoms occurs, and the surface becomes rough. For example, it has already been reported that surface roughness occurs when a silicon carbide substrate subjected to ion implantation is heated at 1600 degrees (see, for example, Materials Science Forum, Vols. 457-460, 2004, p893-896).
However, when the
また、シリコンカーバイド層4の窒素不純物濃度の分布を、二次イオン質量分析装置(SIMS)を用いて測定した結果から、シリコンカーバイド層4は、シリコンと炭素の含有量が基板のシリコンカーバイドと全く同じで、窒素不純物濃度は、イオン注入したシリコンカーバイド基板1よりも低いことが確認されている。
Moreover, from the result of measuring the distribution of nitrogen impurity concentration in the silicon carbide layer 4 using a secondary ion mass spectrometer (SIMS), the silicon carbide layer 4 has a silicon and carbon content that is completely different from the silicon carbide of the substrate. In the same manner, it has been confirmed that the nitrogen impurity concentration is lower than that of the ion-implanted
図3には、シリコンカーバイドに不純物をイオン注入した場合の二次イオン質量分析結果が示されており、図3(a)は、イオン注入直後の不純物分布の二次イオン質量分析結果が、また、図3(b)には、1700℃で30分の熱処理後における二次イオン質量分析結果が、それぞれ示されている。
なお、図3(a)において、横軸は基板表面からの深さを、縦軸は窒素不純物濃度を、それぞれ表している。また、図3(b)において、横軸は基板表面からの深さを、同図左側の縦軸は窒素不純物濃度を、同図右側の縦軸は1秒当たりの再結合の回数を、それぞれ表している。
これらの図によれば、1700℃の熱処理を行っても、不純物の再拡散は生じておらず、表面にバルク基板と同じ組成のシリコンカーバイド層が形成されていることが確認できるものとなっている。
FIG. 3 shows the result of secondary ion mass spectrometry when impurities are ion-implanted into silicon carbide. FIG. 3A shows the result of secondary ion mass spectrometry of the impurity distribution immediately after ion implantation. FIG. 3B shows the results of secondary ion mass spectrometry after heat treatment at 1700 ° C. for 30 minutes.
In FIG. 3A, the horizontal axis represents the depth from the substrate surface, and the vertical axis represents the nitrogen impurity concentration. 3B, the horizontal axis indicates the depth from the substrate surface, the vertical axis on the left side of the figure indicates the nitrogen impurity concentration, and the vertical axis on the right side of the figure indicates the number of recombination per second. Represents.
According to these figures, even when heat treatment at 1700 ° C. is performed, no impurity re-diffusion occurs, and it can be confirmed that a silicon carbide layer having the same composition as the bulk substrate is formed on the surface. Yes.
図4には、上述のようにして製造された本発明の実施の形態におけるMESFETのチャネル層の不純物分布の一例が示されており、以下、同図について説明する。
まず、図4において、チャネル層を形成する際のイオン注入の条件を、加速電圧75keV、窒素ドーズを9E12cm−2とした場合の不純物濃度のシュミレーション結果が実線の特性線aで示されている。また、不純物濃度が3E17cm−2の従来のエピタキシャル層の深さ方向における不純物分布の例が二点鎖線の特性線bで表されている。
FIG. 4 shows an example of the impurity distribution in the channel layer of the MESFET according to the embodiment of the present invention manufactured as described above, and this figure will be described below.
First, in FIG. 4, the simulation result of the impurity concentration when the ion implantation conditions for forming the channel layer are an acceleration voltage of 75 keV and a nitrogen dose of 9E12 cm −2 is shown by a solid characteristic line a. An example of impurity distribution in the depth direction of a conventional epitaxial layer having an impurity concentration of 3E17 cm −2 is represented by a two-dot chain characteristic line b.
特性線aによれば、先に述べたように本発明の実施の形態におけるイオン注入を施すことにより、シリコンカーバイド基板表面からその内部へ向けて不純物濃度が高くなり、ある深さ(例えば、この例では150nmの深さ)で不純物濃度が1E18cm−3のピークとなり、更に内部へ向かうにつれて不純物濃度が減少する不純物分布を有するようなチャネル層が形成できることが確認できる。 According to the characteristic line a, as described above, by performing ion implantation in the embodiment of the present invention, the impurity concentration increases from the surface of the silicon carbide substrate toward the inside thereof, and a certain depth (for example, this In the example, it can be confirmed that a channel layer having an impurity distribution in which the impurity concentration becomes a peak of 1E18 cm −3 at a depth of 150 nm and the impurity concentration decreases further toward the inside can be confirmed.
図5には、上述のように製造された本発明の実施の形態におけるMESFETのゲート電圧に対するドレーン電流の変化特性が示されており、以下、同図について説明する。
図5には、本発明の実施の形態におけるMESFETのゲート電圧に対するドレーン電流の変化特性が実線の特性線aで示されると共に、従来のエピタキシャル層を用いて形成されたシリコンカーバイドMESFETのゲート電圧に対するドレーン電流の変化特性例が二点鎖線の特性線bで示されている。
FIG. 5 shows a change characteristic of the drain current with respect to the gate voltage of the MESFET according to the embodiment of the present invention manufactured as described above, which will be described below.
In FIG. 5, the change characteristic of the drain current with respect to the gate voltage of the MESFET in the embodiment of the present invention is shown by a solid characteristic line a, and also with respect to the gate voltage of the silicon carbide MESFET formed using the conventional epitaxial layer. An example of a change characteristic of the drain current is indicated by a two-dot chain line characteristic line b.
同図によれば、飽和ドレーン電流が同程度であるにも関わらず、本発明の実施の形態で説明したようなイオン注入で作製したMESFETにおいては、従来のエピタキシャル層でチャネル層を形成したMESFETに比して、しきい値電圧を小さく、相互コンダクタンスを大きくできることが確認できる。
そして、このように、相互コンダクタンスの大きなMESFETは、オン抵抗が小さくなり、高周波特性においても優れていることが一般に良く知られており、本発明の実施の形態におけるMESFETもかかる特徴を有するものとなっている。
According to the figure, in the MESFET manufactured by ion implantation as described in the embodiment of the present invention even though the saturation drain current is similar, the MESFET in which the channel layer is formed by the conventional epitaxial layer. It can be confirmed that the threshold voltage can be reduced and the mutual conductance can be increased as compared with FIG.
As described above, it is generally well known that a MESFET having a large mutual conductance has a small on-resistance and an excellent high-frequency characteristic, and the MESFET according to the embodiment of the present invention has such a feature. It has become.
次に、DMOSFETの製造工程について説明する。図6に示すように、低抵抗シリコンカーバイド基板1a上に、n−シリコンカーバイド層からなるn−活性層10をエピタキシャル成長により形成する。このn−活性層10の厚さは、デバイスの設計耐圧により適宜設定されるが、例えば1.2KVの耐圧であれば、10μm程度の厚さとなる。
Next, a manufacturing process of the DMOSFET will be described. As shown in FIG. 6, an n-
その後、p型ウエル層11とn+シリコンカーバイド層12をイオン注入により形成する。そして、イオン注入したイオン種を活性化させるため、前述の方法により、熱処理を行う。このとき、表面には、前述のシリコンカーバイド層4に相当するシリコンカーバイド層が形成する。
Thereafter, a p-
次に、ゲート酸化膜13を熱酸化により形成する。ソース電極6a、ドレーン電極6bを形成すると共に、ゲート酸化膜13上にゲート電極14を形成し、DMOSFETを完成する。
Next, the
なお、低抵抗のシリコンカーバイド基板1a上に形成されるシリコンカーバイド層は非常に薄いため、ゲート酸化膜13を形成する際の熱酸化によって、全て酸化膜となり、デバイス特性に影響を与えることはない。
Since the silicon carbide layer formed on the low-resistance silicon carbide substrate 1a is very thin, it becomes an oxide film by thermal oxidation when forming the
このように、本発明の実施の形態におけるシリコンカーバイド層4は、不純物濃度がイオン注入層より小さく、また、表面も平坦であるため、MESFETに用いた場合には、ショットキーゲートのリーク電流が低減され、DMOSFETに用いた場合には、オン抵抗が低減される。
また、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法により作製されたシリコンカーバイドMESFETは、エピタキシャル層を必要としないため、その成長に用いられるエピタキシャル装置が不要となるばかりでなく、先に述べたアニール装置Sは、一般的な誘導加熱を利用した加熱装置であり、その上、カーボン坩堝9もシリコンカーバイドをコーティングしただけであるので、結晶成長装置に比して装置費用が安く済む。しかも、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法は、反応性ガスを使用しないため、安全性の高い熱処理が実行できるものとなっている。
Thus, since the silicon carbide layer 4 in the embodiment of the present invention has an impurity concentration smaller than that of the ion implantation layer and a flat surface, when used in a MESFET, the leakage current of the Schottky gate is small. When it is used for a DMOSFET, the on-resistance is reduced.
In addition, since the silicon carbide MESFET manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention does not require an epitaxial layer, not only the epitaxial device used for the growth becomes unnecessary, but also as described above. The annealing apparatus S is a heating apparatus that uses general induction heating, and the carbon crucible 9 is only coated with silicon carbide, so that the apparatus cost is lower than that of the crystal growth apparatus. In addition, since the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment of the present invention does not use reactive gas, heat treatment with high safety can be performed.
1…シリコンカーバイド基板
4…シリコンカーバイド層
5…窒化膜
6a…ソース電極
6b…ドレーン電極
7…ショットキーゲート電極
9…カーボン坩堝
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記半導体層に不純物をイオン注入する工程と、
前記イオン注入後に、少なくとも炭素及び珪素を含む雰囲気ガス中で、前記基板に対する熱処理を行うことで、前記イオン注入された不純物を活性化すると共に、当該イオン注入が施された前記半導体層表面に、炭化珪素からなる半導体層を堆積させる工程と、
前記半導体層にオーミック接合又はショットキー接合の電極を形成する工程と、
を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a semiconductor element having a semiconductor layer as an active region is formed on a substrate having a semiconductor layer made of silicon carbide,
Ion implantation of impurities into the semiconductor layer;
After the ion implantation, by performing a heat treatment on the substrate in an atmosphere gas containing at least carbon and silicon, the ion-implanted impurities are activated, and the surface of the semiconductor layer subjected to the ion implantation is activated. Depositing a semiconductor layer of silicon carbide;
Forming an ohmic or Schottky junction electrode in the semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
半導体層に不純物のイオン注入が施された状態の基板を、炭化珪素で被覆された加熱用容器中に、前記基板のイオン注入がなされた半導体層が、前記加熱用容器の炭化珪素で被覆された面に臨むように収納し、前記イオン注入がなされた半導体層表面に比して、当該半導体層表面に臨む前記加熱用容器の部位が高温となるよう加熱し、前記イオン注入がなされた半導体層と前記加熱用容器との間を、前記加熱用容器表面の炭化珪素の昇華ガスを含む雰囲気ガスで満たし、前記イオン注入により注入された不純物を活性化すると共に、当該イオン注入が施された前記半導体層表面に、炭化珪素からなる半導体層を堆積させることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 In the step of performing the heat treatment after the ion implantation,
A substrate in which impurities are ion-implanted into a semiconductor layer is placed in a heating container coated with silicon carbide, and the semiconductor layer into which the substrate is ion-implanted is coated with silicon carbide in the heating container. The semiconductor which is stored so as to face the surface and heated so that the portion of the heating container facing the surface of the semiconductor layer reaches a higher temperature than the surface of the semiconductor layer on which the ion implantation has been performed. The space between the layer and the heating container was filled with an atmospheric gas containing a silicon carbide sublimation gas on the surface of the heating container, the impurities implanted by the ion implantation were activated, and the ions were implanted 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a semiconductor layer made of silicon carbide is deposited on the surface of the semiconductor layer.
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