JP4278635B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法の製造方法に関し、特に、炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法に関する。

１０００Ｖクラスの高耐圧が必要な炭化珪素ショットキバリアダイオードでは、電界集中緩和のために終端構造が必要である。終端構造の形成には、一般にアルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）等のｐ型不純物をｎ型エピタキシャル層にイオン注入し、１５００℃程度で活性化アニールする方法が用いられる。アニール雰囲気としては、アルゴン雰囲気が選択される。
しかし、アルゴン雰囲気において、ｐ型不純物を十分に活性化するための温度である１５００℃程度の高温でアニールすると、炭化珪素エピタキシャル層の表面に荒れが発生した。かかる表面の荒れは、炭化珪素エピタキシャル層にショットキ電極を設けて作製したショットキダイオードの順方向特性を不安定にしたり、逆リーク特性を悪化させる原因となっていた。
これに対して、アニール工程で荒れた炭化珪素エピタキシャル層の表面を、水素を含む雰囲気中でエッチングあるいは研磨し、除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３６３３２６号公報

しかしながら、荒れた炭化珪素エピタキシャル層の表面をエッチング等で除去する方法では、所望の厚さより除去される厚さの分だけ、炭化珪素エピタキシャル層を厚く形成しなければならないという問題があった。

また、アニール工程で荒れた表面では、バンチングステップのような凹凸だけでなく、Ｓｉ原子やＣ原子の脱離による組成の不均一も発生していた。このような組成の不均一な層は、必ずしもエッチングによって均一には除去されないという問題もあった。

更に、研磨により表面を除去した場合、炭化珪素エピタキシャル層の最表面に機械的なダメージ層が形成され、リーク電流等の発生原因になるという問題もあった。

そこで、本発明は、バンチングステップ等の表面荒れを発生させることなく、不純物注入層の活性化率を十分に高くする炭化珪素半導体装置の製造方法の提供を目的とする。

本発明は、（ａ）炭化珪素基板を準備する工程、（ｂ）炭化珪素基板に不純物イオンを注入する工程、（ｃ）炭化珪素基板を熱処理する熱処理工程を、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に行う工程を含み、熱処理工程は、水素ガスのみを供給する水素ガス雰囲気中で、炭化珪素基板の温度を上昇させる行程と、温度が温度Ｔ１に達した時に、プロパンガスを供給する工程と、温度を温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）に維持する工程と、温度を降下させて、温度が再び温度Ｔ１に達した時にプロパンガスの供給を停止する工程とを含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法である。

以上の説明か明らかなように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法では、バンチングステップ等の表面荒れを発生させることなく、注入層の不純物ドーパントを十分に活性化させることができる。これにより、良好な素子特性を有する炭化珪素半導体装置を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置（炭化珪素ショットキダイオード：ＳｉＣ−ＳＢＤ）の製造工程の断面図である。かかる製造工程は、以下の工程１〜３を含む。

工程１：図１（ａ）に示すように、まず、４Ｈ−ＳｉＣからなるｎ型基板１を準備する。基板１の抵抗率は、０．０２Ω・ｃｍ程度である。
次に、表面１の上に、不純物濃度が５×１０^１５／ｃｍ^３程度の低濃度のｎ型エピタキシャル層２を成長させた後に、表面を犠牲酸化する。
次に、耐圧を高めるための終端構造を作製するために、ｎ型エピタキシャル層２の表面上に、所望のパターンのフォトレジストからなるマスク７を形成する。続いて、マスク７の上からｐ型ドーパントであるアルミニウムイオン８を注入し、ｐ型終端構造となるイオン注入層３ａを形成する。

工程２：図１（ｂ）に示すように、マスク７および犠牲酸化膜（図示せず）を除去した後、イオン注入層３ａ中のアルミニウムイオンを活性化させるために、アニール（熱処理）を行う。アニールは、真空度が約２５０ｍｂａｒの、水素ガスとプロパンガスの混合ガス雰囲気中で行う。アニール工程では、プロパンガスが、炭化珪素からの炭素原子の昇華を抑制する効果を有する。なお、活性化アニールには、ＲＦ加熱式ＣＶＤファーネス炉が使用される。

図２は、アニール工程の時間と温度の関係であり、横軸が時間、縦軸が温度を示す。
図２に示すように、アニール工程では、まず、流量が５０ｓｌｍの水素を供給しながら、基板１を昇温する。基板１の温度がＴ１（約１３００℃）になった時点で流量が４．５ｓｃｃｍのプロパンガスを供給して、混合ガス雰囲気とする。続いて、基板１の温度がＴ２（約１４００℃）になった時点で、基板１の温度を約１４００℃で一定に保持する。保持時間は約１０分間である。約１０分間経過後に、基板１の温度を降温し、基板１の温度が再びＴ１（約１３００℃）になった時点で、プロパンガスの供給を停止し、水素ガスのみ供給する。この時、水素ガスの流量を約４０ｓｌｍとすることにより、水素ガスの節約が可能となる。基板１の温度を上昇させて約１３００℃になったにもかかわらずプロパンガスを供給しない場合、炭素原子の昇華により基板１の組成が不均一になるので注意を要する。

図２に示すようなアニール工程を行うことにより、イオン注入層３ａ中のアルミニウムイオンが活性化し、ｐ型の終端構造３ｂが得られる。

工程３：最後に、図１（ｃ）に示すように、基板１の裏面にオーミック電極４を形成する。一方、基板１の表面にはショットキ電極５を形成する。
以上の製造工程で、表面の荒れがないエピタキシャル層２上にショットキ電極５を設けた炭化珪素ショットキダイオード（ＳｉＣ−ＳＢＤ）１００が完成する。

炭化珪素ショットキダイオード１００では、ショットキ電極５が設けられたエピタキシャル層２の表面に、荒れや組成の不均一が発生していないため、ショットキダイオードの順方向特性が安定となり、逆リーク電流も低減でき、良好な特性を備えた炭化珪素ショットキダイオード１００を得ることができる。

このように、本実施の形態にかかる炭化珪素ショットキダイオード１００の製造方法では、ｐ型不純物を注入した後に、ＧＲ（Guard Ring）、ＪＴＥ（Junction Termination Extension）、あるいはｎ型フィールドストッパー等の終端構造を形成するために活性化アニールを行う。上述のように、アニール工程では、水素ガスとプロパンガスとの混合ガスをアニール雰囲気に用いている。

高品質な炭化珪素のエピタキシャル成長には、水素ガス雰囲気が必須とされている。シリコン半導体プロセスと同様に、高温水素によるクリーニング効果により成長面が常に清浄に保たれるからである。また、成長材料ガスには、シラン（ＳｉＨ_４）ガスとプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）ガスが用いられる。
ここでは、成長材料ガスのうち、シランガスの供給を停止することにより、プロパンガスが炭素原子の昇華を抑制することに着目して、アニール雰囲気を決定した。

プロパンガスと水素ガスの好適な混合比は、Ｃ_３Ｈ_８／Ｈ_２表記で、約１０ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍであり、特に１００ｐｐｍ程度が好ましい。即ち、水素ガス５０（ｓｌｍ）に対してプロパンガス５．０（ｓｃｃｍ）を混合するのが好ましい。

プロパンガスの分圧が小さ過ぎると、炭素原子の昇華抑制効果が不十分となる。逆に、プロパンガスの分圧が大き過ぎると、余剰の炭素原子のパーティクルが発生する等の問題が生じる。

続いて、他のアニール条件、特に、雰囲気ガスおよびアニール時間と、その結果である活性化率および表面モフォロジーについて検討する。
ただし、活性化アニール条件は、ｐ型ドーパントであるアルミニウムイオンを、終端構造として十分な濃度まで活性化できるとともに、リーク電流増大や耐圧低下の原因となるバンチングステップ等の表面荒れを抑制できる条件であれば、他の条件でも良い。

表１は、活性化アニール工程の雰囲気、温度、及び時間を変えた場合の、バンチングステップの大きさと活性化率の測定結果である。
アニール工程は、試料Ｎｏ．１〜８に対応する８つの条件で行った。活性化アニール後の表面平坦性は、原子間力顕微鏡「ｎａｎｏｐｉｃｓ（商標名）」を用いて評価した。

試料Ｎｏ．１〜４は、アルゴンガス雰囲気で３０分間アニールした場合である。アニール温度が１４２０℃、１３５０℃では、それぞれ１２〜４５ｎｍ、１４〜１８ｎｍ程度のバンチングステップが生じ、段差大となり表面が荒れる。一方、アニール温度が１３００℃、あるいは１２５０℃の低温では、バンチングステップは生じない代わりに、活性化率が低くなる。
このように、アルゴンガス雰囲気では、十分な活性化率の確保と表面荒れの抑制を同時に満たすことは困難である。

一方、試料Ｎｏ．５〜８は、炭素原子の昇華を抑制する効果のある水素ガスとプロパンガスの混合ガス雰囲気（Ｈ_２＆Ｃ_３Ｈ_８）で、５分間又は１０分間アニールした場合である。かかるアニール条件では、以下に詳しく述べるように、十分に高い活性化率が得られるとともに、バンチングステップ等の表面荒れも殆ど発生しなかった。
ただし、アニール温度が高すぎたり、アニール時間が長すぎる等の場合には、水素ガスによるエッチングのモードが支配的となり、試料表面がエッチングされ、設計値よりも膜厚、濃度ともに薄くなることが判明した。

ＳＩＭＳ分析から求めた、それぞれのアニール条件でのエッチング量と、活性化率は次のとおりである。
試料Ｎｏ．５（Ｈ_２＆Ｃ_３Ｈ_８、１５００℃、１０分）：
エッチング量総膜厚の約４０％、活性化率１００％
試料Ｎｏ．６（Ｈ_２＆Ｃ_３Ｈ_８、１５００℃、５分）：
エッチング量総膜厚の約２５％、活性化率１００％
試料Ｎｏ．７（Ｈ_２＆Ｃ_３Ｈ_８、１４００℃、１０分）：
エッチング量総膜厚の約５％、活性化率１００％

この結果から明らかなように、表１に示した活性化アニール条件の中で最適と考えられるのは、試料Ｎｏ．７の条件（Ｈ_２＆Ｃ_３Ｈ_８、１４００℃、１０分）である。
ただし、アニール装置、試料の特徴等に応じて、例えば試料Ｎｏ．５、６等のような他のアニール条件を採用してもかまわない。

なお、ＧＲ（Guard Ring）、ＪＴＥ（Junction Termination Extention）構造のためのｐ型注入層を形成のための、アルミニウムイオン注入条件は、例えば、ＧＲの場合は５×１０^１７／ｃｍ^３、ＪＴＥの場合は２×１０^１７／ｃｍ^３である。
ただし、注入時に敢えて少し高濃度の注入条件（例えば、ＧＲの場合は８×１０^１７／ｃｍ^３、ＪＴＥの場合は３．２×１０^１７／ｃｍ^３）を用いることにより、表１の試料Ｎｏ．７のアニール条件に加えて、試料Ｎｏ．５、６に示すアニール条件を採用することも可能である。

また、活性化アニールにおいて、プロパンガス以外のアルキル系炭化水素ガスを使用すること、活性化アニールを実施する装置の種類を変えること、アニールするサンプルの仕様を代えることも可能である。

即ち、表面荒れを発生させることなく、注入層の不純物ドーパントを十分に活性化する活性化アニールに、水素ガスとプロパンガスとの混合ガスに代えて、水素ガスと他のアルキル系炭化水素ガスとの混合ガスを採用しても良い。他のアルキル系炭化水素ガスとしては、例えば、メタンガス、エタンガス等が該当する。

アニール装置として、上述のＲＦ加熱式ＣＶＤファーネス炉以外に、ＲＦ加熱式または赤外線等のランプ加熱式のＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）タイプの加熱炉を用いても良い。その場合も、図２に示したアニール条件（時間、温度）を適用することができる。ただし、昇降温速度は、ファーネス炉に比べ格段に速くなる。

アニールする試料は、フォトレジスト等の有機膜で表面を覆っても構わない。グラファイトキャップと呼ばれる、活性化アニール時に炭化珪素の表面を有機膜で覆ってから加熱する方式がバンチングステップ等の表面荒れ抑制に有効であると報告されている。本実施の形態にかかるアニール方法は、グラファイトキャップと組み合わせることも可能である。

本発明の実施の形態にかかる炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造工程の断面図である。 本発明の実施の形態にかかる活性化アニール工程の、時間と温度の関係である。

符号の説明

１ 基板、２ エピタキシャル成長層、３ａ イオン注入層（活性化前）、３ｂ 終端構造（活性化後）、４ オーミック電極、５ ショットキ電極、７ マスク、８ 注入イオン（アルミニウムイオン）、１００ 炭化珪素ショットキバリアダイオード。

Claims (3)

1. （ａ）炭化珪素基板を準備する工程、
   （ｂ）該炭化珪素基板に不純物イオンを注入する工程、
   （ｃ）該炭化珪素基板を熱処理する熱処理工程を、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に行う工程を含み、
   該熱処理工程は、
   水素ガスのみを供給する水素ガス雰囲気中で、該炭化珪素基板の温度を上昇させる行程と、
   該温度が温度Ｔ１に達した時に、プロパンガスを供給する工程と、
   該温度を温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）に維持する工程と、
   該温度を降下させて、該温度が再び温度Ｔ１に達した時にプロパンガスの供給を停止する工程とを含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 上記プロパンガスと上記水素ガスの比率（プロパンガス／水素ガス）が、１０ｐｐｍ以上、１０００ｐｐｍ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 上記温度Ｔ１が１３００℃であり、上記温度Ｔ２が１４００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。

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