JP4480775B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。特に、炭化珪素基板に導入した導電性不純物を活性化するアニール処理に関する。

炭化珪素を基板材料に用いた半導体装置が多く開発されている。炭化珪素基板を用いた半導体装置の製造では、導入した導電性不純物を活性化させるために、炭化珪素基板を２０００℃近くの高温まで加熱するアニール処理が実施される。このような高温なアニール処理では、炭化珪素基板がダメージを受けることがある。即ち、炭化珪素基板の表面からシリコン原子や導電性不純物が外部へ離脱し、炭化珪素基板の表面が荒れるといった問題や、表層部の不純物濃度が低下するといった問題が生じやすい。

上記の問題に対して、特許文献１には、アニール処理に先立って、炭化珪素基板の表面をキャップ層で被覆する技術が開示されている。この技術では、キャップ層をＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）によって形成する。特許文献１によると、ＤＬＣで形成されたキャップ層は、アニール処理時に水素原子や酸素原子が離脱し、グラファイト化される。グラファイトは、その融点が３０００℃を超える。そのことから、キャップ層をＤＬＣで形成しておくと、２０００℃近くの高温でアニール処理を実施しても、炭化珪素基板の表面が確実に保護されることになる。

特開２００１−６８４２８号公報

特許文献１の技術によると、グラファイト化したキャップ層は、酸化させることによって除去することができる。しかしながら、炭素原子が強固に結合し合うグラファイトを完全に酸化させることは容易ではない。そのことから、特許文献１の技術では、グラファイト化したキャップ層を酸化させるために、プラズマ化した酸素を照射する工程が必要とされている。
上記の問題を鑑み、本発明は、炭化珪素基板の表面に形成したキャップ層を、後の工程で容易に除去することができる技術を提供する。

本発明は、半導体装置の製造方法に具現化される。この半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板に導電性不純物を導入する導入工程と、導電性不純物を導入した炭化珪素基板の表面に金属炭化物からなるキャップ層を形成する被覆工程と、キャップ層を形成した炭化珪素基板を脱酸素雰囲気下で加熱処理し、炭化珪素基板に導入した導電性不純物を活性化させる第１アニール工程と、第１アニール工程後の炭化珪素基板を酸素含有雰囲気下で加熱処理し、キャップ層を酸化させる第２アニール工程と、第２アニール工程後の炭化珪素基板から前記キャップ層を除去する除去工程を備えている。

本発明に係る製造方法では、キャップ層を形成する材料に金属炭化物が用いられる。金属炭化物は、例えばグラファイトと異なり、比較的に低い酸化開始温度まで加熱されることで容易に酸化する。そのことから、第２アニール工程では、キャップ層をその酸化開始温度まで加熱すれば、キャップ層を確実に酸化させることができる。金属炭化物で形成されたキャップ層は、酸化されることによって非常に脆くなり、容易に除去することが可能となる。
本発明に係る製造方法によると、炭化珪素基板に形成したキャップ層を、複雑な工程を必要とすることなく、容易に除去することができる。

前記したキャップ層を形成する材料は、融点が第１アニール工程における処理温度以上であるとともに、酸化開始温度が１０００℃以下の金属炭化物であることが好ましい。
それにより、第２アニール工程における処理温度を１０００℃以下に抑えることができ、第２アニール工程によって炭化珪素基板にダメージを与えてしまうことが防止される。

さらに、キャップ層を形成する材料は、融点が炭化珪素基板の融点よりも高い金属炭化物であることが好ましい。
第１アニール工程における処理温度は、活性化させる導電性不純物の種類によって様々に設定されるが、炭化珪素の融点以上の温度範囲に設定されることはない。そのことから、キャップ層を形成する材料の融点が炭化珪素の融点以上であると、第１アニール工程における処理温度にかかわらず、炭化珪素の表面を確実に保護することができる。

前記したキャップ層を形成する材料は、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブのうちの一又は複数であることが好ましい。
これらの金属炭化物は、融点が３０００℃以上であるとともに、酸化開始温度が１０００℃以下であり、キャップ層を形成する材料に好適に採用することができる。特に炭化タンタルは、酸化反応によって酸化タンタルに変化する際に、不動態膜が形成されないことから、キャップ層の深部でも酸化反応が確実に進行する。また、酸化タンタルは非常に脆い性質を有するので、酸化反応時の体積変化によってキャップ層には多数の亀裂が生成される。それにより、キャップ層を炭化タンタルで形成しておくと、キャップ層の全体を確実に酸化させることができるとともに、酸化後のキャップ層を容易に除去することができる。

本発明によると、炭化珪素基板の表面を保護するキャップ層を、後の工程で容易に除去することが可能となり、炭化珪素を利用する半導体装置の製造システムを簡素に構成することが可能となる。

最初に、本発明の好適な実施形態を列記する。
（形態１） 炭化珪素基板は、六方晶構造の４Ｈ−ＳｉＣであり、オフ角度を有することが好ましい。
（形態２） 第１アニール処理は、窒素やアルゴンといった不活性ガス雰囲気下で実施することが好ましい。
（形態３） 第１アニール処理の処理温度は、炭化珪素基板内の導電性不純物を活性化させる温度であって、１０００℃以上２０００℃以下の温度範囲で実施することが好ましい。
（形態４） 第２アニール処理は、窒素やアルゴンといった不活性ガスと酸素との混合気雰囲気下で実施することが好ましい。
（形態５） 第２アニール処理の処理温度は、炭化珪素基板の結晶構造に影響を与えない温度であって、１０００℃以下で実施することが好ましい。
（形態６） 第２アニール処理は、第１アニール処理で加熱された炭化珪素基板の余熱を利用して行うことが好ましい。即ち、第１アニール処理で加熱された炭化珪素基板の温度が、キャップ層の酸化開始温度以上１０００℃以下となった時点で、炭化珪素基板を酸素含有雰囲気下に配置することが好ましい。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は、本発明を実施した半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。なお、本実施例では、図２、図３に示す半導体装置１０を製造する製造方法について説明する。半導体装置１０は、ショットキバリアダイオード構造部１２とｐｎダイオード構造部１４が交互に形成された、いわゆるジャンクションバリアショットキダイオード（ＪＢＳ）である。

本実施例の製造方法を説明するに前に、半導体装置１０の構造について説明しておく。図２に示すように、半導体装置１０は、主に、炭化珪素基板３０と、炭化珪素基板３０の上面３０ａに形成された上部電極２０と、炭化珪素基板３０の下面３０ｂに形成された下部電極５０を備えている。

炭化珪素基板３０は、六方晶の結晶構造を有する炭化珪素の結晶体（詳しくは４Ｈ−ＳｉＣ）であり、４度のオフ角度を有している。炭化珪素基板３０は、ｎ型の不純物を高濃度に含むコンタクト層３２と、ｎ型の不純物を低濃度に含むドリフト層３４を有している。本実施例の半導体装置１０では、一例として、ｎ型の不純物に窒素（Ｎ）が用いられている。また、コンタクト層３２の不純物濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³に調整されており、ドリフト層３４の不純物濃度は５×１０¹⁵／ｃｍ³に調整されている。また、ドリフト層３４の厚みは１３μｍである。

炭化珪素基板３０には、ｐ型半導体領域３６が形成されている。ｐ型半導体領域３６は、炭化珪素基板３０のうち、ｐｎダイオード構造部１４となる範囲に形成されている。ｐｎダイオード構造部１４では、炭化珪素基板３０の下面３０ｂから上面３０ａまでの間に、ｎ型半導体領域（コンタクト層３２及びドリフト層３４）とｐ型半導体領域３６が積層されている。一方、ショットキバリアダイオード構造部１２となる範囲では、炭化珪素基板３０の下面３０ｂから上面３０ａまでの間に、ｎ型半導体領域（コンタクト層３２及びドリフト層３４）のみが存在する構造となっている。
ｐ型半導体領域３６は、ドリフト層３４の上層部分に形成されており、炭化珪素基板３０の上面３０ａに露出している。本実施例の半導体装置１０では、一例として、ｐ型の不純物にアルミニウム（Ａｌ）が用いられており、その不純物濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³に調整されている。

図３は、図２中のIII−III線断面図であり、炭化珪素基板３０の上面３０ａを示している。図２、図３に示すように、ｐ型半導体領域３６は、図中の左右方向に沿って、ストライプ状に形成されている。それにより、炭化珪素基板３０の上面３０ａには、図中の左右方向に沿って、ｎ^-型のドリフト層３４とｐ型半導体領域３６が交互に露出している。本実施例の半導体装置１０では、一例として、ｐ型半導体領域３６の幅が２μｍとなっており、ｐ型半導体領域３６のピッチ（間隔）が５μｍとなっており、その厚みＤが０．５μｍとなっている。ただし、ｐ型半導体領域３６の各寸法は、これらの数値に限定されない。
さらに、ｐ型半導体領域３６を形成するパターンは、本実施例のようなストライプ状に限定されない。例えばｐ型半導体領域３６は、格子状のパターンで形成してもよいし、ハニカム状のパターンで形成してもよい。

次に、上部電極２０について説明する。図２に示すように、上部電極２０は、主に、第１種類の金属材料で形成されたショットキ電極２２と、第２種類の金属材料で形成された主電極２４を有している。即ち、ショットキ電極２２と主電極２４は、互いに異なる金属材料によって形成されている。ショットキ電極２２は、炭化珪素基板３０の上面３０ａに露出するドリフト層３４にショットキ接触しているとともに、炭化珪素基板３０の上面３０ａに露出するｐ型半導体領域３６に略オーミック接触している。主電極２４は、ショットキ電極２２の上部に形成されており、ショットキ電極２２を上方から覆っている。本実施例では、一例として、ショットキ電極２２がモリブデンによって形成されており、主電極２４がアルミニウムによって形成されている。また、ショットキ電極２２の厚みは２００ｎｍとなっており、主電極２４の厚みは３μｍとなっている。

下部電極５０は、炭化珪素基板３０の下面３０ｂに形成されており、コンタクト層３２にオーミック接触している。下部電極５０には、一般的なオーミック接触電極の構造を採用することができる。具体的には、下部電極５０は、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造や、ＮｉＳｉ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造とすることができる。

次に、半導体装置１０の動作について説明する。半導体装置１０に逆方向バイアスを印加した場合（上部電極２０が低電位）、ｐ型半導体領域３６とドリフト層３４の間のｐｎ接合面から空乏層が伸び、ショットキ電極２２が接合されたドリフト層３４が空乏化される。それにより、ショットキバリアダイオード構造部１２における漏れ電流の発生やサージ耐力不足が改善される。一方、順方向バイアス時には、ショットキバリアダイオード構造部１２によって、順方向電圧降下（オン抵抗）が抑制される。

次に、図１に示すフローチャートに沿って、半導体装置１０の製造方法について説明する。なお、以下の説明では一つの半導体装置１０を製造する過程のみを示すが、一般的な半導体装置の製造方法と同様に、単一のウエハから複数の半導体装置１０が同時に製造される。
先ず、ステップＳ１０では、図４に示すように、ｎ型の炭化珪素ウエハ３２を準備する。炭化珪素ウエハ３２は、半導体装置１０の完成時にコンタクト層３２となるものである。本実施例では、後述するエピタキシャル成長時に均質な結晶構造を得るために、４度のオフ角度を有する４Ｈ構造の炭化珪素ウエハ３２を準備する。
次に、ステップＳ２０では、図５に示すように、炭化珪素ウエハ３２を結晶成長させ、エピタキシャル成長層３４を形成する。エピタキシャル成長層３４の形成時には、ｎ型の不純物である窒素を５×１０¹⁵／ｃｍ³の濃度で含有させる。エピタキシャル成長層３４は、半導体装置１０の完成時にドリフト層３４となるものである。

次に、ステップＳ３０では、図６に示すように、エピタキシャル成長層３４にｐ型不純物であるアルミニウムを導入し、ｐ型半導体領域３６の形成を行う。ｐ型不純物の導入は、フォトリソグラフィによるマスク１０１を形成した後、イオン注入によって行うことができる。本実施例では、先に説明したとおり、ｐ型半導体領域３６をストライプ状に形成する（図３参照）。以上の工程により、コンタクト層３２とドリフト層３４とｐ型半導体領域３６を有する炭化珪素基板３０が形成される。
次に、ステップＳ４０では、図７に示すように、炭化珪素基板３０の上面３０ａに、キャップ層４０を形成する。キャップ層４０は、後述するステップＳ５０の第１アニール処理において、炭化珪素基板３０の上面３０ａを保護するための保護層である。そのことから、キャップ層４０を形成する材料の融点は、第１アニール処理における加熱温度（本実施例では１７００℃）よりも高い必要がある。本実施例では、キャップ層４０を炭化タンタル（ＴａＣ）によって形成する。炭化タンタルは、その融点が３３８０℃と非常に高く、耐熱性に極めて優れている。また、炭化タンタルは、炭化珪素に対して安定した材料であり、１０００℃を超えるような高温下においても、炭化珪素と化学反応を起こすようなことがない。炭化タンタルからなるキャップ層は、例えば熱ＣＶＤ法やイオンプレーティング法によって形成することができる。

次に、ステップＳ５０では、図８に示すように、キャップ層４０を形成した炭化珪素基板３０を加熱処理する第１アニール処理を実施する。第１アニール処理は、炭化珪素基板３０に導入した導電性不純物（アルミニウム等）を活性化されるために行われる。第１アニール処理は、脱酸素雰囲気（酸素が実質的に存在しない雰囲気）下で行われ、その処理温度が１７００℃に設定されている。本実施例では、一例として、第１アニール処理を窒素雰囲気下で実施する。なお、第１アニール処理は、例えばアルゴンといった他の不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。第１アニール処理が脱酸素雰囲気下で実施されることから、炭化タンタルで形成されたキャップ層４０は、１７００℃という高温な処理温度下でも安定している。
第１アニール処理において、炭化珪素基板３０の上面３０ａは、キャップ層４０によって保護されている。それにより、炭化珪素基板３０の上面３０ａからシリコン原子や導電性不純物が外部へ離脱することが防止される。従って、炭化珪素基板３０の上面３０ａが荒れることもなく、また、炭化珪素基板３０の上面３０ａ近傍で導電性不純物の濃度が低下することもない。

次に、ステップＳ６０では、図９に示すように、第１アニール処理後の炭化珪素基板３０を加熱処理する第２アニール工程を実施する。第２アニール処理は、炭化タンタルで形成されたキャップ層４０を酸化させるために行われる。第２アニール処理は、酸素含有雰囲気（酸素が存在する雰囲気）下で行われ、その処理温度が７００℃に設定されている。本実施例では、一例として、第１アニール処理を窒素と酸素の混合雰囲気下で実施する。また、７００℃という処理温度は、炭化タンタルの酸化開始温度に応じて設定されている。
炭化タンタルは、７００℃を超える酸素含有雰囲気下で酸化反応が著しく進行し、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）に変化する。そのことから、例えば酸素をプラズマ化して照射するような必要はない。また、酸化タンタルは不動体膜として機能しないことから、炭化タンタルの酸化反応はキャップ層４０の深部においても確実に進行する。さらに、酸化タンタルは非常に脆い性質を持つことから、酸化反応時の体積膨張によって、キャップ層４０には多くの亀裂が生成される。そのことから、酸化反応を受けて酸化タンタルに変化したキャップ層４０は、後段の工程において容易に除去することができる。

次に、ステップＳ７０では、図１０に示すように、炭化珪素基板３０からキャップ層４０を除去する処理が実施される。酸化タンタルに変化したキャップ層４０は、例えば超音波洗浄によって完全に除去することができる。
次に、ステップＳ８０では、図１１に示すように、炭化珪素基板３０の上面３０ａに上部電極２０を形成する。本実施例では、炭化珪素基板３０の上面３０ａにショットキ電極２２をモリブデンによって形成し、ショットキ電極２２の上部に主電極２４をアルミニウムによって形成する。一例として、ショットキ電極２２は２００ｎｍの厚みで形成することができ、主電極２４は３μｍの厚みで形成することができる。
次に、ステップＳ９０では、炭化珪素基板３０の下面３０ｂに下部電極５０を形成する。それにより、図２、図３に示す半導体装置１０を得ることができる。

以上のように、上記した半導体装置１０の製造方法では、処理温度が１０００℃を超える第１アニール処理に先立って、炭化珪素基板３０の上面３０ａにキャップ層４０を形成する。キャップ層４０を構成する炭化タンタルは、その融点が第１アニール処理の処理温度よりも高く、また、炭化珪素に対して化学的に安定な物質でもある。そのことから、第１アニール処理の間、炭化珪素基板３０の上面３０ａはキャップ層４０によって確実に保護される。
一方、キャップ層４０を構成する炭化タンタルは、酸素が存在する雰囲気下であると、７００℃という比較的に低い温度で酸化反応を起こす。一般に、炭化珪素基板３０を構成する炭化珪素は、１０００℃以下の温度で加熱される限り、その結晶構造に有意な影響が現われないとされる。そのことから、キャップ層４０を炭化タンタルで構成しておくと、炭化珪素基板３０の結晶構造に影響を及ぼすことなく、その後の除去が容易な酸化タンタルへと変化させることができる。

本実施例の製造方法では、キャップ層４０を炭化タンタルによって形成したが、キャップ層４０を他の金属炭化物によって形成することもできる。この場合、キャップ層４０を形成する金属炭化物は、その融点が第１アニール処理における処理温度よりも高い必要がある。ここで、第１アニール処理における処理温度は、活性化させる導電性不純物の種類によって異なり、通常は１５００℃から１９００℃という温度範囲に設定される。そのことから、キャップ層４０を形成する材料は、その融点が２０００℃以上であることが好ましく、その融点が炭化珪素の融点（２７３０℃）よりも高いことがより好ましい。
さらに、キャップ層４０を形成する材料は、炭化珪素からなる炭化珪素基板３０に影響を与えることなく、酸化反応させることができる必要がある。そのことから、キャップ層４０を形成する材料は、その酸化開始温度が１０００℃以下であることが好ましい。
以上の条件を満たす材料として、炭化タンタル以外にも複数の金属炭化物が挙げられる。具体的には、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）が挙げられる。これらの金属炭化物は、その融点が３０００℃以上であり、炭化珪素よりも高い融点を有する材料であるとともに、酸化開始温度が１０００℃以下の材料である。

上記した製造方法では、ステップＳ５０の第１アニール工程における余熱を利用して、ステップＳ６０の第２アニール工程を実施することができる。即ち、第１アニール工程による加熱後、炭化珪素基板３０の温度がキャップ層４０の酸化開始温度以上１０００℃以下まで低下した時点で、炭化珪素基板３０を酸素含有雰囲気下に配置する。それにより、炭化珪素基板３０の余熱を利用して、キャップ層４０を酸化させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

半導体装置の製造方法の流れを示すフローチャート。 半導体装置の構造を示す断面図。 図２中のIII−III線断面図。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ１０）。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ２０）。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ３０）。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ４０）。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ５０）。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ６０）。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ７０）。 半製品状態の半導体装置を示す図（ステップＳ８０）。

符号の説明

１０：半導体装置
１２：ショットキバリアダイオード構造部
１４：ｐｎダイオード構造部
２０：上部電極
２２：ショットキ電極
２４：主電極
３０：炭化珪素基板
３２：コンタクト層
３４：ドリフト層
３６：ｐ型半導体領域
４０：キャップ層
５０：下部電極

Claims (4)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   炭化珪素基板に導電性不純物を導入する導入工程と、
   導電性不純物を導入した炭化珪素基板の表面に金属炭化物を含むキャップ層を形成する被覆工程と、
   キャップ層を形成した炭化珪素基板を脱酸素雰囲気下で加熱処理し、炭化珪素基板に導入した導電性不純物を活性化させる第１アニール工程と、
   第１アニール工程後の炭化珪素基板を酸素含有雰囲気下で加熱処理し、前記キャップ層を酸化させる第２アニール工程と、
   第２アニール工程後の炭化珪素基板から前記キャップ層を除去する除去工程と、
   を備える半導体装置の製造方法。
2. 前記キャップ層を形成する材料は、融点が第１アニール工程における処理温度以上であるとともに、酸化開始温度が１０００℃以下である金属炭化物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記キャップ層を形成する材料は、融点が炭化珪素基板の融点よりも高い金属炭化物であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記キャップ層を形成する材料は、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブのうちの一又は複数であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。

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