JP6372881B2 - 不純物導入方法及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は不純物導入方法及び半導体素子の製造方法に関する。

パワー半導体としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、特に４Ｈのシリコンカーバイド（４Ｈ−ＳｉＣ）を用いた半導体素子が期待されている。４Ｈ−ＳｉＣの半導体素子は、通常、所望の濃度でエピタキシャル成長させた４Ｈ−ＳｉＣ結晶層が形成された半導体基板に、リン（Ｐ）やアルミニウム（Ａｌ）等の不純物元素のイオンをドーピングして製造される。具体的には、例えば、加速させた不純物元素のイオンを半導体基板に照射することで注入するとともに、その後、イオンが注入された半導体基板の結晶構造の回復及び不純物元素の活性化のために半導体基板を加熱する処理（アニール）が行われる。

ここで半導体基板が４Ｈ−ＳｉＣの場合、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面（（０００−１）面）に対して高ドーズ（例えば１０^１５／ｃｍ^２程度以上）のイオン注入を行うにあたり、半導体基板を事前に３００〜８００度程度に昇温させる加熱処理を行う必要がある。事前の加熱処理が無い場合、４Ｈ−ＳｉＣの再結晶化及び不純物元素の活性化が有効に行われないからである。

また半導体基板がＳｉＣの場合のアニールは、１６００〜１８００度程度と、シリコン（Ｓｉ）の場合より高温で行われる。この高温アニールによって半導体素子の表面からＳｉが脱落することや、マイグレーションにより半導体素子の表面が荒れることが知られている。そこで、半導体素子の表面に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や炭素（Ｃ）等の保護膜を形成した上でアニールするという方法があるが、保護膜の形成及び除去のための処理工程が増加し、処理コストが増大するという問題がある。またアルミニウム（Ａｌ）や炭素（Ｃ）による周辺の汚染という問題も懸念される。また半導体基板がＳｉの場合のアニールであっても、活性化させる不純物元素によっては８００度以上の高温で行われることがある。すなわち、半導体素子の製造においては、高温処理が用いられることが多い一方、高温処理が半導体基板の特性変動や製造プロセスへの制約等様々な影響を与えるという問題がある。

上記した問題を解決する手段として、非特許文献１に記載のレーザードーピングの技術が考えられる。非特許文献１は、高濃度の不純物元素の化合物を含む水溶液である溶液中に４Ｈ−ＳｉＣの半導体基板を浸漬し、半導体基板の表面と溶液との界面領域にレーザ光をパルス照射することで、半導体基板に対し局所的な加熱を行い、溶液中の不純物元素をドーピングする。具体的には、不純物元素の窒素（Ｎ）をアンモニア（ＮＨ_３）の形で化合物として水に溶解させたアンモニア水溶液の中に半導体基板を浸漬してレーザードーピングを行う。照射されるレーザ光は、ＳｉＣにおいて吸収係数の大きい紫外域の波長の光が用いられる。非特許文献１によれば、室温相当の環境下であっても不純物元素の注入と半導体基板の活性化とを同時に行うことが可能であり、半導体基板に対する上記した事前の加熱処理及び不純物元素注入後のアニールを行う必要がないとされている。

しかし非特許文献１の技術の場合、レーザ光の照射中に、半導体基板を浸漬する溶液中に含まれる不純物元素以外の化合物塩や溶媒構成材料が、レーザ光の熱で分解される。そして、分解された化合物塩や溶媒構成材料が半導体基板の表面に吸着して汚染を生じさせたり、半導体基板の結晶層中に取り込まれたりすることで、半導体素子の特性に悪影響が生じるという問題がある。

井上祐樹 他５名、「アンモニア水溶液中レーザー照射による４Ｈ−ＳｉＣ中への窒素ドーピング」、第７４回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集、１９ａ−Ｐ９−８、２０１３年

本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、レーザードーピングを行う際に、不純物元素以外の化合物塩や溶媒構成材料が、半導体基板の表面に吸着して生じる汚染が生じたり、半導体基板の結晶層中に取り込まれたりすることを回避できる不純物元素の導入方法及び半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る不純物導入方法のある態様は、ＳｉＣの半導体基板の表面上に、不純物元素の分子単体の液相を形成する工程と、液相を介して半導体基板の表面にレーザ光を照射する工程と、を含み、半導体基板の内部の一部に不純物元素を導入することを要旨とする。

また本発明に係る半導体素子の製造方法のある態様は、ＳｉＣの半導体基板の表面上に、不純物元素の分子単体の液相を形成する工程と、液相を介して半導体基板の表面にレーザ光を照射して、半導体基板の内部の一部に不純物元素を導入し、第１の半導体領域を形成する工程と、を含むことを要旨とする。

従って本発明に係る不純物導入方法及び半導体素子の製造方法によれば、レーザードーピングを行う際に、不純物元素以外の化合物塩や溶媒構成材料が、半導体基板の表面に吸着して生じる汚染が生じたり、半導体基板の結晶層中に取り込まれたりすることを回避できる。

本発明の実施形態に係る不純物導入方法に用いる不純物導入装置を側面視で模式的に説明する一部断面図である。 本発明の実施形態に係る不純物導入方法に用いる不純物導入装置において、不純物元素が揮発する状態を側面視で模式的に説明する一部断面図である。 本発明の実施形態に係る不純物導入方法を用いた半導体素子の製造方法を説明する一部断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体素子の製造方法で得られた半導体素子の製造方法を説明する一部断面図である。 本発明の実施例で得られた半導体基板の内部の不純物元素の濃度と侵入深さのプロファイルを示す図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。

まず、本発明の実施形態に係る不純物導入方法及び半導体素子の製造方法が用いられる不純物導入装置を、図１及び図２を参照して説明する。図１及び図２では、説明のため半導体基板２、不純物液槽５が断面視で示されている。半導体基板２は、例えば４Ｈ−ＳｉＣであり、図１に示すように、不純物液槽５の内側で底面上に配置され固定されている。半導体基板２上には、所定の濃度の４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル成長層が形成されている。そして半導体基板２は、不純物液槽５の内側に貯留された不純物液１中に浸漬され、半導体基板２のレーザ光６が照射される側の面を、４Ｈ−ＳｉＣの結晶層の（０００１）面（（０００−１）面）としている。不純物液槽５は、支持台３に下方から支持されるとともに、支持台３は更にＸ−Ｙ移動ステージ８に搭載されている。

不純物液１は、不純物元素の分子が液相とされた液体である。本発明の実施形態に係る不純物元素としては液体窒素が用いられる。液体窒素は、例えば図示しないタンクに液相を保持されて蓄えられており、レーザードーピングの際、図２に示すように、タンクから不純物液槽５に供給される。窒素の沸点はマイナス約１９６度と比較的低温であり、液体窒素に接触する半導体基板２及び不純物液槽５は、低温に耐性を有する材料で構成されている。尚、半導体基板２にドーピングさせる不純物元素としては、窒素に限定されることなく他の元素であってもよいが、例えばｎ型の半導体領域を形成する場合には、窒素は工業的に安価に量産可能であるとともに、安全性が比較的高いため好ましい。

不純物液槽５の内側には、不純物液１が、半導体基板２の上面上に不純物液１の層が存在する領域が形成されるように、半導体基板２の厚み（図１中の上下方向の長さ）よりも大きい液位となる量で貯留されている。また不純物液槽５は、Ｘ−Ｙ移動ステージ８によって支持台３が移動する場合であっても、支持台３からずれることがないように、支持台３上の所定位置に固定されている。また不純物液槽５の底面には、例えば不図示の基準マークが複数形成されている。基準マークは、半導体基板２に予め設定されたレーザ光６の照射目標位置に対応する、不純物液槽５側の照射目標位置として用いられるものである。

Ｘ−Ｙ移動ステージ８は、支持台３を下方から水平に支持するとともに、不図示の駆動装置に接続され、半導体基板２を、水平面内の方向（Ｘ−Ｙ方向）にそれぞれ自在に移動可能に構成されている。尚、例えば、支持台３とＸ−Ｙ移動ステージ８との間に、支持台３をＺ方向に移動させる図示しないＺ移動ステージを設けることにより、支持台３を、更にＸ−Ｙ方向に垂直なＺ方向に移動可能に構成してもよい。支持台３をＸＹＺの３軸移動可能に構成することにより、半導体基板２をレーザ光６の照射目標位置に応じた所定の位置に自在に移動させ、半導体基板２の所望の位置に、所望の不純物元素を導入することができる。

レーザ光６は、図１に示すように、レーザ光学系１０により照射される。レーザ光学系１０は、レーザ光６を照射するレーザ光源１１と、照射されたレーザ光６を所定形状に成形する可変スリット１２と、成形されたレーザ光６を反射して集光装置１５に導く２枚の反射ミラー１３、１４とを備える。集光装置１５は、例えば集光レンズであり、集光されたレーザ光６は半導体基板２と不純物液１との界面領域に照射される。またレーザ光学系１０には、不純物液槽５の基準マークを撮像するＣＣＤカメラ等からなる撮像装置１８、照明光を照射する照明光発光装置１６、照明光を反射及び透過させるミラー１７が設けられている。またレーザ光学系１０には不図示のアライメント機構等が別途設けられてよい。レーザ光学系１０は、不図示の駆動装置に接続された上でＸ及びＹ方向に移動可能に構成されてよい。

レーザ光学系１０は、半導体基板２の禁制帯幅よりも大きなエネルギーとなる波長のレーザ光を照射するように構成されることが好ましい。例えば、ＫｒＦ（＝２４８ｎｍ）レーザやＡｒＦ（＝１９３ｎｍ）レーザ等の紫外線領域のレーザ光を照射するレーザ光源１１を用いるようにすればよい。紫外線領域の光エネルギーで励起させることにより、不純物元素を４Ｈ−ＳｉＣの格子間位置に移動させることを容易にすることができる。

次に、本発明の実施形態に係る不純物導入方法を説明する。まず図１に示すように、半導体基板２を、上面を支持台３と反対側に向けて不純物液槽５の内側の底面上に載置し固定する。次に、半導体基板２上で不純物元素をドーピングさせる照射目標領域に応じた基準マークの位置を、レーザ光６の光軸に合致させるように、Ｘ−Ｙ移動ステージ８を用いて支持台３をＸ及びＹ方向に所定量移動させる。このとき支持台３の移動に替えて、レーザ光学系１０をＸ及びＹ方向に所定量移動させてもよい。

次に、不純物液槽５の内側に不純物液１を供給して貯留させた上で、貯留した不純物液１中に半導体基板２を浸漬させる。或いは、不純物液槽５の内側の底面上に半導体基板２を載置した上で、不純物液１を不純物液槽５の内側に供給して貯留させてもよい。不純物液１の供給により、不純物元素の分子の液相が、半導体基板２の上面上に形成される。すなわち不純物元素の濃度が１００％又は１００％に極めて近似する状態の液体を半導体基板２に接触させる。

次に、不純物液１を介して半導体基板２の上面上の照射目標位置にレーザ光６を照射する。レーザ光６の照射により、照射位置の下側の領域に不純物元素がドーピングされる。ここで図１に示すように、不純物導入装置は常温環境とされた室内に配置されているが、不純物液槽５には断熱容器を用いて、不純物液１が揮発して発生した気泡によりレーザ光６が散乱されることを抑制している。タンクから不純物液槽５に移動した不純物液１は、直ちに周囲から蒸発潜熱を奪い、図２中の複数の上向き矢印で示すように、不純物液１の液面から揮発する。そして揮発した不純物液１は、不純物液槽５の周囲から大気を排除し、不純物液１の液面には不純物と同組成の気体（揮発した不純物液１）のみが接するような構成としている。この様にして、空気中の酸素などが不純物液１に溶け込み、不純物液１の純度が低下することを防止している。尚、図２中では説明のため、集光装置１５以外のレーザ光学系１０の構成の図示は省略されている。

不純物液１の揮発に伴い不純物液１と空気との置換が進行すると、不純物液槽５中の不純物液１の貯留量は漸減する。しかし本発明の実施形態では、不純物液１の揮発が進行する一方で、不純物液槽５の内側に、レーザードーピングを継続可能な量の不純物液１を、図２中の白抜きの下向き矢印で示すように、供給して貯留する。すなわち、レーザードーピング処理中は、不純物液１の貯留量の減少が抑制され、半導体基板２の内部に所望の濃度の不純物元素を所望の深さまで導入可能な量の不純物液１が、半導体基板２の上面に存在する。レーザードーピング中における不純物液１の貯留量は、不純物液１の単位時間あたりの揮発量や、レーザ光６の照射開始から終了までの処理時間等を考慮して設定されている。そのため、レーザードーピングの途中で不純物元素が不足してドーパントの導入濃度が低下するという事態を回避できる。

またレーザードーピングの際、レーザ光６が照射された半導体基板２の表面は、局所的に加熱され昇温するが、半導体基板２の表面には、常温より遥かに低温の液体窒素が接触することにより、昇温した半導体基板２の冷却が促進され速やかに降温する。通常、シリコンの安定性が比較的高いとされるＳｉＣの半導体基板であっても、千数百度以上の高温レベルで加熱処理が施されると、半導体基板の表面が溶発（アブレーション）し、表面からシリコンが脱落することが知られている。本発明の実施形態では、液体窒素を不純物液１として用いることにより、ＳｉＣの半導体基板２の表面のアブレーションを抑制できる。

尚、常温より低い沸点を有し本発明の実施形態に係る不純物導入方法のドーパントとして使用可能な他の不純物元素として、例えば水素（Ｈ、沸点：マイナス約２５２度）、酸素（Ｏ、沸点：マイナス約１８３度）、フッ素（Ｆ、沸点：マイナス約１８８度）、塩素（Ｃｌ、沸点：マイナス約３４度）等が好適に用いられる。

次に、ある照射目標位置におけるレーザ光６の照射が終了した後、支持台３又はレーザ光学系１０を、所望の方向に所定量移動させることにより、レーザ光６の照射位置を次の照射目標位置に移動させる。そして新たな照射目標位置に対してレーザ光６を照射し、照射が終了した後、レーザ光６の照射位置を次の照射目標位置に移動させ…の処理を繰り返し、半導体基板２の内部の一部に不純物元素を導入する。レーザ光６の照射及び照射位置の移動を繰り返すことにより、半導体基板２の上面上に複数の照射領域を重ね合わせたパターンを形成し、不純物元素のドーピング面を形成する。

次に、本発明の実施形態に係る不純物導入方法を用いた半導体素子の製造方法を説明する。まず、第１導電型又は第２導電型の半導体基板２の上面の一部に、不純物元素の分子の液相を形成する。ここで第１導電型はｐ型又はｎ型であり、第２導電型は第１導電型の反対の導電型である。次に、液相を介して半導体基板２の上面にレーザ光６を照射して、半導体基板２の上部に、第１導電型（ｐ型又はｎ型）の第１の半導体領域を形成する。次に、第１の半導体領域が形成されていない半導体基板２の上面にオーミックコンタクト電極層を接合させ、半導体素子を製造する。

図３及び図４には、第２導電型（ｐ型）の半導体基板２の上面に、第１導電型（ｎ型）の第１の半導体領域２ａを形成する実施例が示されている。尚、図３中では説明のため、レーザ光６及び集光装置１５以外のレーザ光学系１０の構成の図示は省略されている。まず濃度１０^１７／ｃｍ^３のアルミニウム（Ａｌ）をドーピングしたｐ型エピタキシャル層を厚さ２μｍで形成した４Ｈ−ＳｉＣの半導体基板２を、図３に示すように、不純物液槽５の内側に貯留させた不純物液１中に浸漬した。不純物液１は液体窒素を用いた。

次に、不純物液１を介して半導体基板２の上面にＫｒＦ（＝２４８ｎｍ）エキシマレーザをパルス照射した。レーザ光６のビームは１３０μｍ×３３０μｍの矩形状に形成した。パルス照射は、レーザ光６のパワー密度を４Ｊ／ｃｍ^２とするとともに、パルス幅を５５ｎｓ、繰り返し周波数を１００Ｈｚとした。そして半導体基板２の上面のある照射目標位置に対してレーザ光６の照射を１０００回繰り返して第１の半導体領域２ａを形成し、半導体基板２に窒素をドーピングした。

レーザードーピング終了後、半導体基板２を酸素プラズマに曝し、表面に堆積したカーボンコンタミネーションを除去した。次に半導体基板２の表面上にチタン（Ｔｉ）、続けてアルミニウム（Ａｌ）を、それぞれスパッタリングにより成膜形成した後、Ｔｉ／Ａｌ膜が、半導体基板２の第１の半導体領域２ａ以外のレーザ光６を照射していないｐ型領域に残るようにパターニングした。その後、半導体基板２に対し窒素（Ｎ_２）雰囲気中で１０００度／２分のアニールを行い、Ｔｉ／Ａｌ膜を合金化し、図４に示すように、半導体基板２のｐ型層上にオーミックコンタクト電極層Ｃを形成した。

図４中の半導体基板の上側には、ｎ型の第１の半導体領域２ａと、第１の半導体領域２ａが形成されていないｐ型の半導体基板２の上面に接合されたオーミックコンタクト電極層Ｃとの間を接続した回路が模式的に例示されている。図４に示す回路を用いて、第１の半導体領域２ａとオーミックコンタクト電極層Ｃとの間の電流‐電圧特性を確認したところ、約２．８Ｖで、回路に電流が流れ始めた。２．８Ｖの値は、ＳｉＣにおけるｐｎ接合のビルトインポテンシャル近傍の値であるので、ｎ型の第１の半導体領域２ａとｐ型領域との間にｐｎ接合が形成されていることが確認された。

また実施例で得られた半導体基板２中にドーピングされた窒素は、ＳＩＭＳを用いた分析により、図５中のＮで示す曲線のように、ピーク濃度が、半導体基板２の表面近傍で４×１０^２１／ｃｍ^３程度であった。また窒素の侵入深さについては、図５中の「Ｎ」で示す曲線の略水平な領域で表されるように、ＳＩＭＳによる検出限界濃度が３×１０^１８／ｃｍ^３程度であったため、図５に示すプロファイルからは１μｍ程度以上の深さにおける正確な濃度は不明であった。しかし、少なくとも１μｍ程度の深さまでは濃度３×１０^１８／ｃｍ^３以上でドーピングされたことが確認できた。

尚、図５中には、ドーピングされた窒素の濃度プロファイルとともに、半導体基板２に含まれるシリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）のそれぞれのイオン強度（ａ．ｕ．）の深さ方向分布が、図５中の「Ｓｉ」で示す曲線及び「Ｃ」で示す曲線によって表されている。「Ｓｉ」で示す曲線と「Ｃ」で示す曲線とが略平行に現れる状態で示されるように、ＳｉＣの結晶構造の維持が、半導体基板２の表面から０．３〜０．４μｍ程度以上深い領域で達成されている。そして、ＳｉＣの結晶構造が維持された領域に、窒素が深く導入されていることがわかる。

また比較例として、実施例と同様のｐ型エピタキシャル層を形成した４Ｈ−ＳｉＣの半導体基板２を、８５％リン酸水溶液中に浸漬させ、実施例と同様の条件でレーザ光６を照射し、半導体基板の内部にリンをドーピングしてｎ型の半導体領域を形成した半導体基板を製造した。図５中には、比較例における半導体基板の内部のリンの濃度のプロファイルが、「Ｐ」で示す曲線で表されている。リンのピーク濃度は、半導体基板の表面近傍で１×１０^２１／ｃｍ^３程度であった。また侵入深さについては、上限が０．４μｍ程度であるとともに、０．１〜０．４μｍ程度の深さにおけるドーピング濃度は２×１０^１５／ｃｍ^３程度であった。よって本発明の実施例は、比較例に比べて、不純物元素のピーク濃度及び侵入深さのいずれについても上回った。

本発明の実施形態に係る不純物導入方法によれば、レーザードーピングを行う際に、不純物元素の分子の液相である不純物液１を半導体基板２の表面に存在させ、不純物液１を介してレーザードーピングを行う。不純物液１に含まれる不純物元素は分子単体であり、不純物元素を溶解させるための化合物塩や溶媒を用いないため、不純物元素以外の化合物塩や溶媒構成材料が半導体基板の表面に接触しない。よって、これらの化合物塩や溶媒構成材料が、半導体基板の表面に吸着して汚染が生じたり、半導体基板の結晶層中に取り込まれたりすることを回避できる。

また通常、不純物元素を溶媒に溶解させて溶液を作成し、作成した溶液を用いてＳｉＣの半導体基板に対して行うレーザードーピングの場合、不純物元素の注入効率の観点から、溶液中の不純物元素の分子又は不純物元素の化合物は、溶液中に溶解度限界付近の高濃度で溶解されることが多い。そのため、溶液の温度が僅かに低下しただけで、不純物元素の分子又は不純物元素を含む化合物が析出する状態が生じる場合がある。本発明の実施形態では、不純物元素を溶媒に溶解させた溶液を使用せず、不純物元素の分子の液相を選択的に用いるので、所望の不純物元素を高濃度で半導体基板２の内部に導入するとともに、レーザードーピング中に不純物元素の分子や不純物元素を含む化合物が析出することがない。

本発明は上記のとおり開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。すなわち本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、本実施例では不純物液槽５に断熱容器を用いたが、これに限ることはなく、不純物液槽５を液体ヘリウムなど不純物液の沸点以下の温度の液体やクライオスタットなどで冷却して不純物液の揮発を抑制する構造を用いても良い。

１ 不純物液
２ 半導体基板
２ａ 第１の半導体領域
６ レーザ光
Ｃ オーミックコンタクト電極層

Claims (5)

1. ＳｉＣの半導体基板の表面上に、不純物元素の分子単体の液相を形成する工程と、
   前記液相を介して前記半導体基板の表面にレーザ光を照射する工程と、
   を含み、前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素を導入することを特徴とする不純物導入方法。
2. 前記不純物元素の分子単体として、沸点が常温より低い温度の不純物元素の分子単体を用いることを特徴とする請求項１に記載の不純物導入方法。
3. 前記不純物元素の分子単体として、窒素分子単体を用いることを特徴とする請求項２に記載の不純物導入方法。
4. ＳｉＣの半導体基板の表面上に、不純物元素の分子単体の液相を形成する工程と、
   前記液相を介して前記半導体基板の表面にレーザ光を照射して、前記半導体基板の内部の一部に前記不純物元素を導入し、第１の半導体領域を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
5. 前記半導体基板の第１の半導体領域以外の領域にオーミックコンタクト電極層を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の製造方法。

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