JP2009231574A - ＳｉＣ半導体素子とその製造方法並びにその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度ｐ型ＳｉＣ層を形成し、オン抵抗の低い半導体デバイスを得る製造方法と製造装置を提供する。
【解決手段】化学的気相成長方法を用いて基板上１３に第１導電型の炭化珪素層を形成するために、反応部１と、ガス供給部２と、排気部３と、ラジカル供給部４とから成る装置で、半導体基板１３上に炭素および珪素を含む原料ガスと不純物ラジカルとを供給することにより、前記基板１３上に炭化珪素と前記不純物とが共有結合して成る第１導電型の炭化珪素層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｉＣ半導体層を含む半導体装置であって、特にパワー半導体デバイスとして利用される半導体装置とその製造方法並びにその製造装置に関する。

ＳｉＣ（炭化珪素）は、Ｓｉ（シリコン）およびＧａＡｓ（ガリウム砒素）といった従来の半導体材料と比較してエネルギーギャップが２〜３倍大きく、絶縁破壊電界が約１桁大きいといった特徴があるため、現在主流となっているＳｉに代わる高耐圧のパワー半導体デバイスへの利用が期待されている半導体材料である。

ＳｉＣ半導体デバイスを製造するため、ＳｉＣ単結晶基板は、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）とＣ（コークス）とを２０００℃以上の高温で反応させてＳｉＣ種結晶板を得るＡｃｈｅｓｏｎ法、ＳｉＣの粉末をるつぼ内で昇華させてＳｉとＣとの蒸気をＳｉＣ種結晶板の上に凝結させて成長させてＳｉＣ単結晶基板を得る改良Ｌｅｌｙ法、あるいはＳｉＣ種結晶板を設置した反応炉内にＳｉとＣとをそれぞれ含む原料ガスを供給してＳｉＣ種結晶板上にＳｉＣ結晶を成長させてＳｉＣ単結晶基板を得るＣＶＤ法（化学的気相成長法）などの代表的手法により製造される。

ところで、ＳｉＣ半導体デバイスを製造する上で、半導体デバイスのオン抵抗および降伏電圧を任意に制御するためには、半導体層への不純物導入が必要不可欠である。Ｓｉ半導体層に対しては、不純物材料の熱拡散あるいはイオン注入といった導入方法が一般的であり、ＳｉＣ半導体層に対してもこれらの方法の適用が試みられたが、良好な不純物ＳｉＣ層は得られなかった。これは、熱拡散に関しては、低温（約１５００℃以下）におけるＳｉＣ層の不純物の拡散係数が低いために不純物がＳｉＣ層にドライブインしにくく、任意の不純物濃度および深さの不純物ＳｉＣ層が得られないことが原因であり、イオン注入に関しては、注入によりＳｉＣ層内部に生じる結晶欠陥が、アニール工程で十分に修復できず残存するため、漏れ電流等の特性が劣化してしまうことが原因である。これらの問題は、ＳｉＣ半導体デバイスを製造する上で、特にｐ型不純物導入を困難にしている。

そこで、昇華法またはＣＶＤ法とアニール工程を用いて、高濃度ｐ型ＳｉＣ層を得る方法が検討されている。昇華法では、前述の改良Ｌｅｌｙ法のようなるつぼ内において、ＳｉＣの粉末とＡｌ（アルミニウム）またはＢ（ボロン）等のｐ型不純物とを混合して昇華させることで、ｐ型不純物原子が取り込まれたＳｉＣ結晶を半導体基板上に凝結、成長させる。また、ＣＶＤ法では、ＳｉとＣとをそれぞれ含む原料ガスと、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｂ_２Ｈ_６（ジボラン）あるいはＢＣｌ_３（三塩化ホウ素）等のｐ型不純物材料ガスと、を反応炉に送入して常圧または減圧の環境下で熱分解反応させることで、ｐ型不純物原子が取り込まれたＳｉＣ結晶を半導体基板上に成長させる。そして、ｐ型不純物の活性化と結晶欠陥の修復とをアニール工程によって行う。

ところが、前述の昇華法およびＣＶＤ法によって得られたｐ型ＳｉＣ層においては、不純物の活性化率が低くなってしまう。即ち、取り込まれた不純物原子は、ＳｉおよびＣと共有結合しなければアクセプタとして機能しないにもかかわらず、不純物原子の多くがＳｉＣ結晶中において独立した原子として存在している。そのため、前述のｐ型ＳｉＣ層は、導入する不純物濃度を上げてもシート抵抗が低減できず、ＳｉＣ半導体デバイスの電力損失を大きくする要因になってしまう。

この問題を解決するため、ＣＶＤ法における不純物の活性化率を高める方法の１つが、特許文献１で開示されている。この従来のＣＶＤ法の概略構成を図５に示し、説明する。
従来のＣＶＤ法は、反応部１と、ガス供給部２と、排気部３と、から成り、
反応部１は、反応炉１１と、反応炉１１内に設置された基板ホルダ１２と、基板ホルダ１２上に設置された半導体基板１３と、半導体基板１３を加熱する加熱装置１４と、を備え、
ガス供給部２は、その一端が反応炉１１に接続されるガス送入管２１と、ガス送入管２１の他端と接続され且つ互いに異なる原料ガスを供給するガス供給源２２〜２５と、を備え、
排気部３は、その一端が反応炉１１と接続される排気管３１を備えている。

従来のＣＶＤ法においては、半導体基板１３を加熱装置１４により一定温度まで加熱しておき、排気部３を制御して反応炉１１内の圧力を一定に保つ一方で、Ｈ_２供給源２２から常時Ｈ_２（水素）ガスを反応炉１１に供給する。同時に、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２供給源２３およびＢＣｌ_３供給源２５から常時または断続的にＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロロシラン）ガスおよびＢＣｌ_３ガスを反応炉１１に供給するとともにＣ_２Ｈ_２供給源２５から断続的にＣ_２Ｈ_２（アセチレン）ガスを反応炉１１に供給する工程を繰り返すことで、半導体基板１３上にｐ型不純物を取り込んだＳｉＣ結晶層を成長させる。
この方法によれば、ＢＣｌ_３ガスによる不純物添加過程とＣ_２Ｈ_２ガスによる炭化過程とを交互に行うようにガス供給源２２〜２５からのガス供給を制御することで、不純物原子がＳｉＣ結晶中のＳｉサイトに置換されやすく、アニール工程による不純物の活性化処理を経て高濃度ｐ型ＳｉＣ層が得られる。

特許３６５０７２７

しかしながら、従来のＣＶＤ法は、ガス供給を断続的に行うため、ガス供給源の制御が複雑になり、また、不純物の活性化処理のため、アニール工程が必要であることから、プロセスが煩雑になるという欠点がある。

そこで本発明は、上記の問題点を解決するために、簡易な製造方法によって高濃度ｐ型ＳｉＣ層を形成し、オン抵抗の低い半導体デバイスを得ることである。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項１に係る本発明の炭化珪素製造方法は、
化学的気相成長方法を用いて基板上に第１導電型の炭化珪素層を形成する炭化珪素製造方法において、
基板上に炭素および珪素を含む原料ガスと不純物ラジカルとを供給することにより、前記基板上に炭化珪素と前記不純物とが共有結合して成る第１導電型の炭化珪素層を形成することを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項２に係る本発明の炭化珪素製造方法は、反応炉内に基板を配置する工程と、
前記反応炉内に、炭素および珪素を含む原料ガスと不純物ラジカルとを供給する工程と、
前記基板上に炭化珪素と前記不純物とが共有結合して成る第１導電型の炭化珪素層を形成する工程と、
を有することを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項３に係る本発明の炭化珪素製造方法は、気相状態で前記不純物と共有結合した第１導電型の炭化珪素を析出させることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項４に係る本発明の炭化珪素製造方法は、前記第１導電型はｐ型であることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項５に係る本発明の半導体製造装置は、化学的気相成長方法を用いて基板上に半導体層を形成する半導体製造装置において、
前記基板が配置される反応炉と、
前記反応炉内に炭素および珪素を含む原料ガスを供給する原料ガス送入管と、
前記反応炉内に不純物ラジカルを送入するラジカル送入管と、
を備えたことを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項６に係る本発明の半導体製造装置は、不純物ガスを励起して前記不純物ラジカルを生成するラジカル発生部を備え、
前記ラジカル発生部は前記ラジカル送入管を介して前記反応炉に接続されていることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項７に係る本発明の半導体製造装置は、前記ラジカル発生部は、前記不純物ラジカルとイオンとを分離する分離装置を備えることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項８に係る本発明の半導体素子は、半導体基板と前記半導体基板上に形成された第１導電型の炭化珪素層を有する半導体素子において、前記炭化珪素層は炭化珪素と不純物ラジカルとが共有結合して成ることを特徴とする。

各請求項の発明によれば、簡易な製造方法によって高濃度ｐ型ＳｉＣ層を形成でき、オン抵抗の低い半導体デバイスを得られる。

次に、図１〜２を参照して本発明の実施形態に係る製造方法の一例を説明する。

図１に本発明の第１実施例に係る製造方法の概略構成図を示す。なお、図５で示す従来のＣＶＤ法と同じ機能を有する部分については同じ符号を付記し、詳細な説明を省略する。
第１実施例の製造方法は、反応部１と、ガス供給部２と、排気部３と、ラジカル供給部４と、から成り、
反応部１は、反応炉１１と、反応炉１１内に設置された基板ホルダ１２と、基板ホルダ１２上に設置された半導体基板１３と、半導体基板１３を加熱する加熱装置１４と、を備え、
ガス供給部２は、その一端が反応炉１１に接続されるガス送入管２１と、ガス送入管２１の他端と接続されるガス供給源２２〜２４と、を備え、
排気部３は、その一端が反応炉１１と接続される排気管３１を備え、
ラジカル供給部４は、その一端が反応炉１１に接続されるラジカル送入管４１と、ラジカル送入管４１の他端と接続され且つプラズマ発生部４３と加熱装置４４とイオン／ラジカル分離装置４５とを有するラジカル発生部４２と、ラジカル発生部４２に接続される不純物ガス供給源４６と、を備える。
即ち、本発明の第１実施例に係る製造方法は、前述のようにラジカル供給部４を反応部１に接続するように設けた点で従来のＣＶＤ法と異なる。

次に、本発明の第１実施例に係る高濃度ｐ型ＳｉＣ層の製造方法について説明する。
ラジカル供給部４では、不純物ガス供給源４６からＴＭＡをラジカル発生部４２に供給する。ラジカル発生部４２では、プラズマ発生部４３に供給されるマイクロ波により発生したプラズマと加熱装置４４による熱とによってＴＭＡを分解および励起し、Ａｌ^−３（イオン）およびＡｌ^＊（ラジカル）等の活性粒子を発生する。活性粒子はラジカル発生部４２からラジカル送入管４１へと送られるが、Ａｌ^−３はイオン／ラジカル分離装置４５でトラップされ、Ａｌ^＊のみがラジカル送入管４１を通って反応炉１１へ供給される。
即ち、不純物ガスを励起して得た不純物ラジカルを反応炉１１に供給する点で従来のＣＶＤ法と異なる。

ラジカルは、電子軌道上に電子が１個存在する原子または分子であり、遊離基とも呼ばれる。通常の原子や分子の電子軌道上では電子がペアになって存在するが、これを例えば前述のようにプラズマで励起することで電子を失わせることで、ラジカルを生成することができる。ラジカルは、他の原子および分子等の非ラジカル種との間に非常に高い反応性を有するため、反応炉１１に供給されたＡｌ^＊は、原料ガスのＳｉおよびＣの原子または分子と気相状態で反応して共有結合を形成する。

また、イオン／ラジカル分離装置４５は、接地したＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌ等の導電性金属板にスリットまたはピンホール等の貫通孔を設けた構造を有するが、直流または交流電流が流れる正負の電極を設けた構造でも良い。いずれの構造においても、ラジカルは電気的に中性であるのに対し、イオンは電荷を有するという電気的性質を利用して、ラジカルとイオンとを分離でき、Ａｌ^＊のみを反応炉１１に供給できる。

本発明の第１実施例に係る製造方法によれば、次の作用効果が得られる。
（１）Ａｌ^＊が原料ガスと共有結合した後、即ち不純物が活性化した状態で半導体基板１３上に析出するため、活性化処理のためのアニール工程が不要であり、製造プロセスを簡易化できる。
（２）ラジカル送入管４１を含むラジカルの供給経路において、Ａｌ^＊が他の非ラジカル種と反応することを抑制できるので、不純物の活性化率が高く、半導体デバイスの特性および信頼性改善に寄与できる。
（３）ＣＶＤ法を用いているため、半導体基板１３の種類（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等）または結晶系に関係無く高濃度ｐ型ＳｉＣ層を得ることができる。

図２に本発明の第２実施例に係る製造方法の概略構成図を示す。第２実施例に係る製造方法は、反応部１が縦型構造である点で第１実施例に係る製造方法と異なり、その他は同一の構成を有するが、第１実施例に係る製造方法と同様の作用効果が得られる。

次に、図３〜４を参照して本発明の実施形態に係る半導体装置の一例を説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された高濃度ｐ型ＳｉＣ層を有するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の構造断面図であり、図４は、その製造方法の工程断面図である。

本発明の実施形態に係るＩＧＢＴは、高濃度ｎ型の半導体基板１０１と、低濃度ｎ型のエピタキシャル層１０２と、ｐ型のベース層１０３と、ｎ型のエミッタ層１０４と、高濃度ｐ型ＳｉＣ層１０５と、ＳｉＯ２から成るゲート酸化膜１０６と、ポリシリコンから成るゲート電極１０７と、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ積層構造から成るエミッタ電極１０８と、Ｎｉから成るコレクタ電極１０９と、を有する。

次に、本発明の実施形態に係るＩＧＢＴの製造方法について説明する。
図４（ａ）のように、本発明の実施形態に係る製造方法により半導体基板１０１上に高濃度ｐ型ＳｉＣ層１０５を形成する。

次に、図４（ｂ）のように、エピタキシャル層１０２の一部をドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去し、エッチングによるダメージを取り除く。

次に、図４（ｃ）のように、ベース層１０３を周知のＣＶＤ法により形成し、さらにベース層１０３上におけるエミッタ層１０４を形成する位置にｎ型不純物のイオン注入を施し、アニールによって活性化を行い、エミッタ層１０４を形成する。

そして、図４（ｄ）のように、エピタキシャル層１０２、ゲート層１０３およびエミッタ層１０４上にゲート酸化膜１０６を周知のＣＶＤ法により形成した後、ゲート酸化膜１０６上にゲート電極１０７を形成し、エミッタ電極１０８、コレクタ電極１０９を形成する。

本発明の実施形態に係わるＩＧＢＴによれば、高濃度ｐ型ＳｉＣ層１０５を有することで、ＳｉＣを用いた高耐圧および低オン抵抗を実現したパワー半導体デバイスが得られる。また、本発明の製造方法は、ＳｉＣを用いない半導体デバイスおよびＩＧＢＴ以外の各種の広範なデバイスに応用できる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が可能なものである。
（１）本発明の製造方法は、ｎ型不純物を含むＳｉＣ層形成に適用しても良い。
（２）反応炉１１の構造は、拡散炉等の周知のＣＶＤ法が有する構造を用いても良い。
（３）基板ホルダ１２、ガス送入管２１およびラジカル送入管４１は、反応または結晶成長の要求に応じて、互いに角度を有して設置しても良く、反応炉１１内で基板ホルダ１２を回転させるように構成しても良い。
（４）不純物ガスの励起手段は、プラズマに限らず、熱、光あるいはレーザ等を用いても良い。
（５）プラズマ発生部４３の発生原理は、供給する不純物ガスに応じてＲＦ（高周波）またはＶＨＦ（超短波）等による励起を利用しても良い。
（６）イオン／ラジカル分離装置４５の分離方式は、電気的なものに限らず化学反応を利用した方式でも良い。
（７）ＩＧＢＴの製造方法において、ベース層１０３は、エピタキシャル層１０２にエッチングを用いず、ｐ型不純物のイオン注入とアニールによって形成しても良い。

本発明の第１実施例に係る製造方法の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施例に係る製造方法の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図３に示す半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 従来のＣＶＤ法の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 反応部
２ ガス供給部
３ 排気部
４ ラジカル供給部
１１ 反応炉
２１ ガス送入管
４１ ラジカル送入管
４２ ラジカル発生部
４３ プラズマ発生部
４４ 加熱装置
４５ イオン／ラジカル分離装置
４６ 不純物ガス供給源
１０１ 半導体基板
１０２ ゲート層
１０３ エミッタ層
１０４ ドレイン層
１０５ コレクタ層
１０６ ゲート酸化膜
１０７ ゲート電極
１０８ エミッタ電極
１０９ コレクタ電極

Claims (8)

1. 化学的気相成長方法を用いて基板上に第１導電型の炭化珪素層を形成する炭化珪素製造方法において、
   基板上に炭素および珪素を含む原料ガスと不純物ラジカルとを供給することにより、前記基板上に炭化珪素と前記不純物とが共有結合して成る第１導電型の炭化珪素層を形成することを特徴とする炭化珪素製造方法。
   
2. 反応炉内に基板を配置する工程と、
   前記反応炉内に、炭素および珪素を含む原料ガスと不純物ラジカルとを供給する工程と、
   前記基板上に炭化珪素と前記不純物とが共有結合して成る第１導電型の炭化珪素層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素製造方法。
   
3. 前記炭化珪素層を形成する工程は、気相状態で前記不純物と共有結合した第１導電型の炭化珪素を析出させることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素製造方法。
   
4. 前記第１導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の炭化珪素製造方法。
   
5. 化学的気相成長方法を用いて基板上に半導体層を形成する半導体製造装置において、
   前記基板が配置される反応炉と、
   前記反応炉内に炭素および珪素を含む原料ガスを供給する原料ガス送入管と、
   前記反応炉内に不純物ラジカルを送入するラジカル送入管と、
   を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
   
6. 不純物ガスを励起して前記不純物ラジカルを生成するラジカル発生部を備え、
   前記ラジカル発生部は前記ラジカル送入管を介して前記反応炉に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置。
   
7. 前記ラジカル発生部は、前記不純物ラジカルとイオンとを分離する分離装置を備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造装置。
   
8. 半導体基板と前記半導体基板上に形成された第１導電型の炭化珪素層を有する半導体素子において、前記炭化珪素層は炭化珪素と不純物ラジカルとが共有結合して成ることを特徴とする半導体素子。

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