JP2008034464A

JP2008034464A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2008034464A
Application number: JP2006203435A
Authority: JP
Inventors: Manabu Arai; 学新井; Takaharu Kataue; 崇治片上
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】簡易な工程で、所望する不純物の濃度やその分布を得ることができ、しかも、デバイスの更なる電気的特性の向上を図る。
【解決手段】ｎ型チャネル層２へのイオン注入後、シリコンカーバイド基板１に対して、少なくとも炭素及び珪素を含む雰囲気ガス中で誘導加熱による熱処理を施し、イオン注入された不純物を活性化すると共に、イオン注入が施されたｎ型チャネル層２表面に、不純物濃度がｎ型チャネル層２より低く、炭化珪素からなるシリコンカーバイド層４を堆積させることで、従来と異なり、エピタキシャル層を用いることなく、所望する不純物の濃度やその分布を有するＭＥＳＦＥＴを得ることができる。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開平５−１７５２３９号公報（第４−８頁、図１−図７） J.B. Tucker他著，「Nitrogen and phosphorous implanted MESFETs in semi-insulating 4H-SiC」，Diamond and Related Materials 11，２００２年，p392-395 S. Blanque他著，「Room Temperature Implantaion and Activation Kinetics of Nitrogen and Phosphorous in 4H-SiC Crystal」，Material Science Forum Vols.457-460，２００４年，p893-896 M.A. Capano他著，「Surface Roughening in Ion Implanted 4H-Silicon Carbied」，Jornal of Electronics Materials，Vol.28，No.3，１９９９年，p214-218

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法に基づくシリコンカーバイドＭＥＳＦＥＴの製造工程の説明図である。本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法に基づくシリコンカーバイドＭＥＳＦＥＴの製造工程において用いられるアニール装置の構成を説明するための模式図であり、図２（ａ）は、本発明の実施の形態におけるアニール装置の構成を模式的に示す模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されたアニール装置において用いられるカーボン坩堝における温度勾配を模式的に示した模式図である。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を示す特性線図であり、図３（ａ）は、本発明の実施の形態におけるシリコンカーバイドに不純物をイオン注入した直後における深さに対する不純物濃度を示す特性線図、図３（ｂ）はイオン注入後に所定の熱処理を施した後における深さに対する不純物濃度及び再結合の頻度を示す特性線図である。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を、従来のエピタキシャル基板における不純物分布の例と共に示す特性線図である。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を、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と共に示す特性線図である。本発明の実施形態における半導体装置の製造方法に基づくシリコンカーバイドＤＭＯＳＦＥＴの製造工程の説明図である。

符号の説明

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

Claims

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、
を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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。
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ことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。