JP2005303010A - Silicon carbide element and its manufacturing method - Google Patents

Silicon carbide element and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2005303010A
JP2005303010A JP2004117111A JP2004117111A JP2005303010A JP 2005303010 A JP2005303010 A JP 2005303010A JP 2004117111 A JP2004117111 A JP 2004117111A JP 2004117111 A JP2004117111 A JP 2004117111A JP 2005303010 A JP2005303010 A JP 2005303010A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon carbide
layer
substrate
impurity
carbide layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004117111A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kunimasa Takahashi
邦方 高橋
Makoto Kitahata
真 北畠
Osamu Kusumoto
修 楠本
Masao Uchida
正雄 内田
Masaya Yamashita
賢哉 山下
Ryoko Miyanaga
良子 宮永
Koichi Hashimoto
浩一 橋本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2004117111A priority Critical patent/JP2005303010A/en
Publication of JP2005303010A publication Critical patent/JP2005303010A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1608Silicon carbide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/0445Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising crystalline silicon carbide
    • H01L21/0455Making n or p doped regions or layers, e.g. using diffusion
    • H01L21/046Making n or p doped regions or layers, e.g. using diffusion using ion implantation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce surface irregularities of a silicon carbide layer generated by activated anneal and to raise dopant concentration in a surface region of the silicon carbide layer without complicating a manufacturing process in the manufacturing method of the silicon carbide element. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the silicon carbide element has (A) a process for preparing a substrate 1 with the silicon carbide layer 2 whose surface is covered with a cap layer 5, (B) a process for forming an impurity dope layer 6 by implanting impurity ion 3 to at least a part of the silicon carbide layer 2 via the cap layer 5, (C) a process for executing activated anneal to the silicon carbide layer 5 covered with the cap layer 5 and (D) a process for removing the cap layer 5 from the substrate 1. In the process (B), the impurity ion 3 is implanted so that the concentration of impurities in a surface region of the silicon carbide layer 2 is at least 80% of a maximum concentration of impurities in the inside of the silicon carbide layer 2. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭化珪素を用いた半導体素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using silicon carbide and a method for manufacturing the same.

炭化珪素(シリコンカーバイド:SiC)は、珪素(Si)に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いことなどから、次世代の低損失パワーデバイス等へ応用されることが期待される半導体材料である。炭化珪素は、立方晶系の3C−SiCや六方晶系の6H−SiC、4H−SiC等、多くのポリタイプを有する。この中で、実用的な炭化珪素半導体素子を作製するために一般的に使用されているポリタイプは6H−SiC及び4H−SiCである。   Silicon carbide (silicon carbide: SiC) is a semiconductor that is expected to be applied to the next generation of low-loss power devices because it has a larger band gap and higher dielectric breakdown field strength than silicon (Si). Material. Silicon carbide has many polytypes such as cubic 3C—SiC and hexagonal 6H—SiC and 4H—SiC. Among these, polytypes commonly used for producing practical silicon carbide semiconductor elements are 6H—SiC and 4H—SiC.

MOSFET、MESFET、ショットキーダイオードなどの炭化珪素半導体素子は、通常、c軸の結晶軸に対し垂直な(0001)面にほぼ一致する面を主面とする6H−SiC基板または4H−SiC基板を用いて作製される。6H−SiCまたは4H−SiC基板(SiC基板)上には、炭化珪素半導体素子の活性領域となるエピタキシャル成長層が形成される。エピタキシャル成長層のうち選択された領域には、導電型やキャリア濃度が制御された不純物ドープ層が形成される。不純物ドープ層は、例えばMOSFETではp型ウェル領域やn+ソース領域として機能する。 Silicon carbide semiconductor elements such as MOSFETs, MESFETs, and Schottky diodes usually have a 6H-SiC substrate or 4H-SiC substrate whose principal surface is a plane substantially coincident with the (0001) plane perpendicular to the c-axis crystal axis. It is made using. On the 6H—SiC or 4H—SiC substrate (SiC substrate), an epitaxial growth layer serving as an active region of the silicon carbide semiconductor element is formed. An impurity doped layer with a controlled conductivity type and carrier concentration is formed in a selected region of the epitaxial growth layer. The impurity doped layer functions as a p-type well region or an n + source region in a MOSFET, for example.

エピタキシャル成長させた炭化珪素層に不純物ドープ層を形成するためには、炭化珪素層に不純物イオンを注入することが必要不可欠である。さらに、イオン注入後にアニール処理を行い、不純物イオンを活性化させる必要がある。   In order to form an impurity doped layer in the epitaxially grown silicon carbide layer, it is indispensable to implant impurity ions into the silicon carbide layer. Furthermore, it is necessary to activate the impurity ions by performing an annealing process after the ion implantation.

以下、図8(a)〜(d)を参照しながら、従来の不純物ドープ層の形成方法について、MOSFETにおけるp型ウェル領域を形成する方法を例に説明する。   Hereinafter, a conventional method for forming an impurity doped layer will be described with reference to FIGS. 8A to 8D, taking a method for forming a p-type well region in a MOSFET as an example.

まず、図8(a)に示すように、SiC基板40にn型ドリフト層として機能する炭化珪素層41を形成する。SiC基板40として、(0001)面より数度(オフ角)傾けてステップ密度を増大させた表面(ステップ構造表面)を有するオフアングル基板がよく用いられる。この場合、炭化珪素層41は、SiC基板40のステップ構造表面に、ステップの横方向成長によるステップフローを利用してエピタキシャル成長させる。なお、標準的なオフアングル基板のオフ角は、4H−SiC基板では(0001)面を基準面として[11−20]方向に8°、6H−SiC基板では(0001)面を基準面として[11−20]方向に3.5°である。   First, as shown in FIG. 8A, a silicon carbide layer 41 functioning as an n-type drift layer is formed on SiC substrate 40. As the SiC substrate 40, an off-angle substrate having a surface (step structure surface) in which the step density is increased by inclining several degrees (off-angle) from the (0001) plane is often used. In this case, the silicon carbide layer 41 is epitaxially grown on the surface of the step structure of the SiC substrate 40 using a step flow by lateral growth of steps. The off-angle of a standard off-angle substrate is 8 ° in the [11-20] direction with the (0001) plane as the reference plane for the 4H-SiC substrate, and the (0001) plane as the reference plane for the 6H-SiC substrate [ 11-20] direction is 3.5 °.

続いて、図8(b)に示すように、炭化珪素層41の表面にイオン注入マスク42を形成する。注入マスク42は、炭化珪素層41のうち、p型ウェル領域43が形成される領域以外の領域上に設けられる。   Subsequently, as shown in FIG. 8B, an ion implantation mask 42 is formed on the surface of the silicon carbide layer 41. Implant mask 42 is provided on a region of silicon carbide layer 41 other than the region where p-type well region 43 is formed.

次に、図8(c)に示すように、注入マスク42の上方から炭化珪素層41に不純物イオン(Alイオン)44を注入する。なお、イオン注入時に炭化珪素層41の表面を保護する目的で、炭化珪素層41の表面にSiO2膜を設けておくこともある(例えば非特許文献1)。 Next, as shown in FIG. 8C, impurity ions (Al ions) 44 are implanted into the silicon carbide layer 41 from above the implantation mask 42. For the purpose of protecting the surface of silicon carbide layer 41 during ion implantation, a SiO 2 film may be provided on the surface of silicon carbide layer 41 (for example, Non-Patent Document 1).

その後、図8(d)に示すように、注入マスク42を除去した後、イオン注入による損傷の回復と不純物イオンの活性化のために活性化アニール処理を行う。活性化アニール処理は、希ガス(例えばアルゴンガス)雰囲気中で炭化珪素基板40を1700℃以上の温度まで加熱することにより行う。活性化アニール処理によって、炭化珪素層41の一部に不純物ドープ層としてp型ウェル領域43が形成される。炭化珪素層41のうちp型ウェル領域43が形成されていない領域はn型ドリフト領域47となる。   Thereafter, as shown in FIG. 8D, after removing the implantation mask 42, an activation annealing process is performed to recover damage caused by ion implantation and activate impurity ions. The activation annealing treatment is performed by heating the silicon carbide substrate 40 to a temperature of 1700 ° C. or higher in a rare gas (eg, argon gas) atmosphere. By activation annealing, p-type well region 43 is formed as an impurity doped layer in part of silicon carbide layer 41. A region of silicon carbide layer 41 where p-type well region 43 is not formed becomes n-type drift region 47.

上述した従来方法は2つの大きな課題を有している。   The conventional method described above has two major problems.

第1の課題は、不純物ドープ層(p型ウェル領域)43のドーパント濃度が基板表面近傍で低いことである。炭化珪素層41にイオン注入された不純物イオンの濃度プロファイルはガウス分布となるが、このプロファイルは活性化アニール後も維持される。炭化珪素層41では不純物の拡散係数が極めて小さいため、イオン注入後に1700℃以上の高温領域で活性化アニールを行っても、イオン注入されたドーパントは殆ど拡散しないからである。従って得られた不純物ドープ層におけるドーパント濃度は、基板内部でピークとなり、基板の表面方向に向かって減少する。基板表面近傍のドーパント濃度は基板内部におけるドーパント濃度に比べて大幅に低い値となる。   The first problem is that the dopant concentration of the impurity doped layer (p-type well region) 43 is low near the substrate surface. The concentration profile of impurity ions implanted into the silicon carbide layer 41 has a Gaussian distribution, but this profile is maintained even after activation annealing. This is because the impurity diffusion coefficient of the silicon carbide layer 41 is extremely small, so that even if activation annealing is performed in a high temperature region of 1700 ° C. or higher after ion implantation, the ion-implanted dopant hardly diffuses. Therefore, the dopant concentration in the obtained impurity doped layer has a peak inside the substrate and decreases toward the surface of the substrate. The dopant concentration near the substrate surface is significantly lower than the dopant concentration inside the substrate.

このようなドーパント濃度プロファイルは、炭化珪素素子の信頼性や性能の低下を引き起こす。以下、この理由をMOSFETを例に説明する。   Such a dopant concentration profile causes a decrease in reliability and performance of the silicon carbide element. Hereinafter, this reason will be described by taking MOSFET as an example.

図9は、MOSFETの一般的な構成を示す断面図である。このMOSFETでは、SiC基板40の上に形成された炭化珪素層41は、ドリフト領域47、p型ウェル領域43およびコンタクト領域(n+領域)48を有している。コンタクト領域48はソース電極49と接続されている。p型ウェル領域43の上には、ゲート酸化膜50を介してゲート電極51が設けられている。SiC基板40の裏面にはドレイン電極52が形成されている。このような構成のMOSFETでは、ゲート電極51に電圧を印加すると、ゲート電極51の下にあるp型ウェル領域43の表面層にチャネル層が形成されるため、ドレイン電極52からチャネル層を介してソース電極49へ電流が流れる。 FIG. 9 is a cross-sectional view showing a general configuration of a MOSFET. In this MOSFET, silicon carbide layer 41 formed on SiC substrate 40 has drift region 47, p-type well region 43, and contact region (n + region) 48. Contact region 48 is connected to source electrode 49. A gate electrode 51 is provided on the p-type well region 43 through a gate oxide film 50. A drain electrode 52 is formed on the back surface of the SiC substrate 40. In the MOSFET having such a configuration, when a voltage is applied to the gate electrode 51, a channel layer is formed on the surface layer of the p-type well region 43 below the gate electrode 51. Therefore, the drain electrode 52 passes through the channel layer. A current flows to the source electrode 49.

図8を参照しながら説明した方法でp型ウェル領域23を形成した場合、得られたMOSFETのp型ウェル領域43におけるドーパント濃度は、p型ウェル領域43の深さに対して一定ではなく、p型ウェル領域43の深さ方向における中央付近でピークとなり、炭化珪素層41の表面近傍で低くなっている。このようなMOSFETにおいて、ゲート電極51に電圧を印加すると、pウェル領域43と酸化膜50との界面に一定の厚さを有するチャネル層が形成されない。そのため、MOSFETの電気特性、特にしきい値電圧にバラツキが生じてしまうので、安定した素子特性が得られない可能性がある。   When the p-type well region 23 is formed by the method described with reference to FIG. 8, the dopant concentration in the p-type well region 43 of the obtained MOSFET is not constant with respect to the depth of the p-type well region 43. The peak is in the vicinity of the center in the depth direction of the p-type well region 43 and is low in the vicinity of the surface of the silicon carbide layer 41. In such a MOSFET, when a voltage is applied to the gate electrode 51, a channel layer having a certain thickness is not formed at the interface between the p well region 43 and the oxide film 50. For this reason, variations occur in the electrical characteristics of the MOSFET, particularly the threshold voltage, and there is a possibility that stable element characteristics cannot be obtained.

また、p型ウェル領域23と同様の方法でコンタクト領域48を形成する場合、コンタクト領域48の表面近傍のドーパント濃度はコンタクト領域48の内部のドーパント濃度よりも低くなる。そのため、コンタクト領域48とソース電極49との接合部で良好なオーミック特性が得られず、接合部のコンタクト抵抗による抵抗損失が大きくなる。これにより、MOSFETの電力損失が増大してしまう。   When the contact region 48 is formed by the same method as that for the p-type well region 23, the dopant concentration near the surface of the contact region 48 is lower than the dopant concentration inside the contact region 48. Therefore, good ohmic characteristics cannot be obtained at the junction between the contact region 48 and the source electrode 49, and resistance loss due to contact resistance at the junction increases. This increases the power loss of the MOSFET.

なお、図9に示すMOSFETだけでなく、他の炭化珪素素子、例えばMESFETやショットキーダイオードにおいても同様に、図8に示す従来の方法で不純物ドープ層を形成すると、不純物ドープ層が形成された炭化珪素層表面でドーパント濃度が低くなるため、十分な素子性能や信頼性を確保することは困難である。   In addition to the MOSFET shown in FIG. 9, in other silicon carbide elements such as MESFETs and Schottky diodes as well, when the impurity doped layer is formed by the conventional method shown in FIG. 8, the impurity doped layer is formed. Since the dopant concentration is low on the surface of the silicon carbide layer, it is difficult to ensure sufficient device performance and reliability.

一方、従来の不純物ドープ層の形成方法における第2の課題は、イオン注入後の活性化アニールによって炭化珪素層の表面荒れが生じることである。   On the other hand, the second problem in the conventional method for forming an impurity doped layer is that the surface of the silicon carbide layer is roughened by activation annealing after ion implantation.

再び図8(c)を参照する。図示するように、活性化アニール後、イオン注入によって形成されたp型ウェル領域43の表面にはマクロステップ45が形成されている。また、マクロステップ45より小さいが、炭化珪素層41のうちイオンが注入されていない領域の表面にもマクロステップ46が形成されている。これは、活性化アニールによって表面の原子層レベルのステップが数層ずつ合体して束になるためと考えられている。また、イオン注入によって形成された領域上のマクロステップ45がイオン注入されていない領域上のマクロステップ46よりも大きい理由は、イオン注入によって形成された領域では、イオン注入による損傷によって珪素及び炭素原子が表面から脱離し易くなっているためと考えられている。   Reference is again made to FIG. As shown in the figure, a macro step 45 is formed on the surface of the p-type well region 43 formed by ion implantation after the activation annealing. Although smaller than macro step 45, macro step 46 is also formed on the surface of silicon carbide layer 41 in the region where ions are not implanted. This is presumably because the step at the atomic layer level on the surface is combined into several bundles by activation annealing. Further, the reason why the macro step 45 on the region formed by ion implantation is larger than the macro step 46 on the region not ion-implanted is that, in the region formed by ion implantation, silicon and carbon atoms are caused by damage due to ion implantation. This is thought to be because it is easily detached from the surface.

これらのマクロステップ45、46の断面形状は、図10に示すように、頂点45aと底点45b、45cからなる略三角形である。マクロステップ45、46のサイズは、断面形状におけるステップ側壁45sの高さおよびテラス45wの幅によって表わすことができる。ここで、ステップ側壁45sの高さ(以下、単に「ステップ高さ」という)とは、基板40と垂直かつマクロステップの稜線方向と直交する断面図において、小さい方の底角を有する底点45bと頂点45aとの距離Hをいう。また、テラス45wの幅(以下、単に「テラス幅」という)とは、上記断面図において、大きい方の底角を有する底点45cと頂点45aとの距離Wをいう。マクロステップ45、46のサイズは、活性化アニールの温度が高いほど大きくなり、ステップ高さHが数10nm、テラス幅Wが数100nmに達することもある。   As shown in FIG. 10, the cross-sectional shapes of these macrosteps 45 and 46 are substantially triangular shapes including a vertex 45a and bottom points 45b and 45c. The size of the macro steps 45 and 46 can be represented by the height of the step side wall 45s and the width of the terrace 45w in the cross-sectional shape. Here, the height of the step side wall 45s (hereinafter, simply referred to as “step height”) is a bottom point 45b having a smaller base angle in a cross-sectional view perpendicular to the substrate 40 and perpendicular to the ridge line direction of the macrostep. And the distance H between the vertex 45a. The width of the terrace 45w (hereinafter simply referred to as “terrace width”) refers to the distance W between the base 45c having the larger base angle and the apex 45a in the cross-sectional view. The size of the macro steps 45 and 46 increases as the activation annealing temperature increases, and the step height H may reach several tens of nm and the terrace width W may reach several hundred nm.

このようなマクロステップ45、46は、以下に説明するように、種々の炭化珪素素子において、素子特性を低下させる要因となっている。   Such macro steps 45 and 46 are factors that degrade device characteristics in various silicon carbide devices, as will be described below.

図9に示すようなMOSFETを作製するプロセスでは、通常、活性化アニールによって不純物ドープ層43、48を形成した後、熱酸化により炭化珪素層41の表面に酸化膜50を形成する。このとき、炭化珪素層41の表面にマクロステップ45、46が存在すると、酸化膜50のうちステップ側壁45sの上に形成される部分の厚さとテラス45wの上に形成される部分の厚さとが異なる。そのため、作製されたMOSFETにゲート電圧を印加すると、炭化珪素層41の表面層に形成されるチャネル層(反転層)の厚さが不均一になり、チャネル移動度が低下するという問題がある。   In the process of manufacturing the MOSFET as shown in FIG. 9, the impurity doped layers 43 and 48 are usually formed by activation annealing, and then the oxide film 50 is formed on the surface of the silicon carbide layer 41 by thermal oxidation. At this time, if the macro steps 45 and 46 are present on the surface of the silicon carbide layer 41, the thickness of the portion formed on the step side wall 45s and the thickness of the portion formed on the terrace 45w in the oxide film 50 are determined. Different. Therefore, when a gate voltage is applied to the fabricated MOSFET, there is a problem that the thickness of the channel layer (inversion layer) formed on the surface layer of the silicon carbide layer 41 becomes non-uniform and the channel mobility decreases.

また、ショットキーダイオードでは、活性化アニールを施した炭化珪素層の表面にショットキー電極が接続されている。そのため、炭化珪素層の表面にマクロステップが存在していると、炭化珪素層表面とショットキー電極との界面においてマクロステップの先端部分に電界が集中し、耐圧が低下するという問題がある。さらに、炭化珪素層の表面近傍を電流が流れる構成を有するMESFETでは、炭化珪素層表面のマクロステップによってキャリアの乱れが生じ、その結果、移動度が小さくなり相互コンダクタンスが低下するという問題がある。   In the Schottky diode, a Schottky electrode is connected to the surface of the silicon carbide layer subjected to activation annealing. Therefore, if a macro step exists on the surface of the silicon carbide layer, there is a problem that an electric field concentrates on the tip portion of the macro step at the interface between the surface of the silicon carbide layer and the Schottky electrode, and the withstand voltage decreases. Further, in the MESFET having a configuration in which a current flows near the surface of the silicon carbide layer, carriers are disturbed by macro steps on the surface of the silicon carbide layer. As a result, there is a problem that the mobility is reduced and the mutual conductance is lowered.

上述したように、炭化珪素層41の表面にマクロステップ45、46が形成されていると、炭化珪素層41を用いて半導体素子を作製しても、炭化珪素本来の優れた物性値から期待されるような電気的特性を得ることは困難である。   As described above, when the macro steps 45 and 46 are formed on the surface of the silicon carbide layer 41, even if a semiconductor element is manufactured using the silicon carbide layer 41, it is expected from the excellent physical properties of silicon carbide. It is difficult to obtain such electrical characteristics.

上記第1および第2の課題を解決するための方法がそれぞれ検討されている。   Methods for solving the first and second problems have been studied.

第1の課題を解決するために、例えば、不純物ドープ層の表面におけるドーパント濃度の低い領域をリアクティブイオンエッチング(RIE)等によって除去する方法が行われている。   In order to solve the first problem, for example, a method of removing a region having a low dopant concentration on the surface of the impurity doped layer by reactive ion etching (RIE) or the like is performed.

しかしながら、この方法によると、RIE等によるエッチングの工程が増えてしまうという問題がある。また、エッチング工程で、不純物ドープ層がプラズマ中のイオンによってダメージを受けてしまい、結晶欠陥が生成されるという問題がある。ここでも、MOSFETを例に説明すると、RIEによってp型ウェル領域に結晶欠陥が生成されると、p型ウェル領域に形成されるチャネル層と酸化膜との界面にトラップ準位が形成されてしまう。そのため、チャネル層における電子の移動度が低下し、チャネル層の電流密度が低下する。   However, according to this method, there is a problem that the number of etching processes by RIE or the like increases. In addition, there is a problem in that the impurity doped layer is damaged by ions in the plasma during the etching process, and crystal defects are generated. Here again, taking MOSFET as an example, when a crystal defect is generated in the p-type well region by RIE, a trap level is formed at the interface between the channel layer and the oxide film formed in the p-type well region. . For this reason, the mobility of electrons in the channel layer decreases, and the current density of the channel layer decreases.

一方、第2の課題を解決するための方法が、例えば特許文献1に提案されている。特許文献1の方法では、活性化アニールによって表面にマクロステップが形成されないようにするために、イオン注入後、活性化アニールを行う前に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜やフォトレジストを保護膜として炭化珪素層の表面に形成している。   On the other hand, for example, Patent Document 1 proposes a method for solving the second problem. In the method of Patent Document 1, a diamond-like carbon (DLC) film or a photoresist is used as a protective film after ion implantation and before activation annealing in order to prevent macrosteps from being formed on the surface by activation annealing. It is formed on the surface of the silicon carbide layer.

しかしながら、特許文献1の方法によると、活性化アニール前に、ダイヤモンドライクカーボン膜やフォトレジストなどの保護膜を表面に形成するための工程が増える。半導体素子の構造によっては、複数回の活性化アニールを行う必要があるが、この方法では活性化アニールを行う度に保護膜を形成する必要がある。   However, according to the method of Patent Document 1, the number of steps for forming a protective film such as a diamond-like carbon film or a photoresist on the surface before activation annealing is increased. Depending on the structure of the semiconductor element, it is necessary to perform activation annealing a plurality of times. In this method, it is necessary to form a protective film every time activation annealing is performed.

また、特許文献1の方法では、前述のドープ層の表面におけるドーパント濃度の課題(第1の課題)を解決できないため、安定した素子特性を実現することは困難である。   Moreover, since the method of Patent Document 1 cannot solve the above-described problem of the dopant concentration on the surface of the doped layer (first problem), it is difficult to realize stable element characteristics.

従って、保護膜を用いて活性化アニールを行うことによって、マクロステップの形成を抑制できても、優れた特性の炭化珪素半導体素子を簡便に作製することは難しい。
特開2001−68428号公報 Advanced Power Devices Lab., Material Science Division, Hard Electronics Lab., ETL NEWS 2001.2, p.2-p.7(2001).
Therefore, even if the formation of macrosteps can be suppressed by performing activation annealing using a protective film, it is difficult to easily produce a silicon carbide semiconductor element having excellent characteristics.
JP 2001-68428 A Advanced Power Devices Lab., Material Science Division, Hard Electronics Lab., ETL NEWS 2001.2, p.2-p.7 (2001).

このように、従来の炭化珪素素子の製造方法によると、炭化珪素層(不純物ドープ層)の表面におけるドーパント濃度が低い、活性化アニールによって炭化珪素層表面に凹凸が生じるという2つの課題を同時に解決して、優れた性能を有する信頼性の高い炭化珪素素子を実現することは困難である。   Thus, according to the conventional method for manufacturing a silicon carbide element, the two problems of low dopant concentration on the surface of the silicon carbide layer (impurity doped layer) and unevenness on the surface of the silicon carbide layer due to activation annealing are simultaneously solved. Thus, it is difficult to realize a highly reliable silicon carbide element having excellent performance.

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭化珪素素子の製造方法において、製造工程を複雑にすることなく、活性化アニールによる炭化珪素層の表面凹凸を低減し、かつ、炭化珪素層の表面領域におけるドーパント濃度を高めることにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to reduce the surface roughness of the silicon carbide layer by activation annealing without complicating the manufacturing process in the method for manufacturing a silicon carbide element. It is to reduce and increase the dopant concentration in the surface region of the silicon carbide layer.

本発明による炭化珪素素子の製造方法は、(A)表面がキャップ層で覆われた炭化珪素層を有する基板を用意する工程と、(B)前記キャップ層を介して前記炭化珪素層の少なくとも一部に不純物のイオンを注入して不純物ドープ層を形成する工程と、(C)前記キャップ層で覆われた炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、(D)前記基板から前記キャップ層を除去する工程とを包含し、前記工程(B)においては、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の80%以上となるように前記不純物イオンを注入する。   A method for manufacturing a silicon carbide element according to the present invention includes (A) preparing a substrate having a silicon carbide layer whose surface is covered with a cap layer, and (B) at least one of the silicon carbide layers via the cap layer. A step of implanting impurity ions into the portion to form an impurity doped layer, (C) a step of performing activation annealing on the silicon carbide layer covered with the cap layer, and (D) the cap from the substrate And in the step (B), the concentration of the impurity in the surface region of the silicon carbide layer is 80% or more of the maximum value of the concentration of the impurity in the silicon carbide layer. The impurity ions are implanted so that

前記キャップ層の厚さは10nm以上1μm以下であることが好ましい。   The cap layer preferably has a thickness of 10 nm to 1 μm.

ある好ましい実施形態において、前記工程(A)は、前記炭化珪素層の表面をグラファイト化することによって前記キャップ層を形成する工程(A1)を含む。   In a preferred embodiment, the step (A) includes a step (A1) of forming the cap layer by graphitizing the surface of the silicon carbide layer.

前記工程(A1)は、10-5Pa以上10Pa以下の圧力で行われることが好ましい。 The step (A1) is preferably performed at a pressure of 10 −5 Pa to 10 Pa.

前記工程(A1)は、前記基板を1100℃以上1400℃以下の温度に加熱する工程を含むことが好ましい。   The step (A1) preferably includes a step of heating the substrate to a temperature of 1100 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower.

前記工程(A)は、前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程を含み、前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程と、前記工程(A1)とは、同一のチャンバー内で行われてもよい。   The step (A) includes a step of forming the silicon carbide layer on the substrate by epitaxial growth, and the step of forming the silicon carbide layer on the substrate by epitaxial growth is the same as the step (A1). It may be performed in a chamber.

好ましくは、前記工程(D)は、前記基板を熱酸化する工程を含む。   Preferably, the step (D) includes a step of thermally oxidizing the substrate.

前記工程(B)において、前記不純物のイオンを異なる加速エネルギーで複数回注入してもよい。   In the step (B), the impurity ions may be implanted a plurality of times with different acceleration energies.

前記工程(B)は、前記キャップ層の選択された領域を覆う注入マスクを形成する工程を含んでもよい。   The step (B) may include a step of forming an implantation mask that covers a selected region of the cap layer.

前記工程(B)は、異なる注入マスクを用いて互いに異なる不純物イオンを注入する工程を含んでもよい。   The step (B) may include a step of implanting different impurity ions using different implantation masks.

本発明による他の炭化珪素素子の製造方法は、イオン注入により形成された不純物ドープ層を有する炭化珪素層を備えた基板を用意する工程と、前記炭化珪素層の表面にグラファイト化によりキャップ層を形成する工程と、前記炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、前記基板から前記キャップ層を除去する工程とを包含し、前記キャップ層の厚さは、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内におけるイオンの濃度の最大値の80%以上となるように設定される。   Another method of manufacturing a silicon carbide element according to the present invention includes a step of preparing a substrate having a silicon carbide layer having an impurity doped layer formed by ion implantation, and a cap layer formed by graphitization on the surface of the silicon carbide layer. Including a step of forming, a step of performing activation annealing on the silicon carbide layer, and a step of removing the cap layer from the substrate, wherein the thickness of the cap layer is a surface region of the silicon carbide layer. The concentration of the impurity in is set to be 80% or more of the maximum value of the concentration of ions in the silicon carbide layer.

前記キャップ層の前記厚さは10nm以上1μm以下であることが好ましい。   The thickness of the cap layer is preferably 10 nm or more and 1 μm or less.

本発明の炭化珪素素子は、基板と、前記基板の上に形成された炭化珪素層とを備えた炭化珪素素子であって、前記炭化珪素層は、イオン注入により形成された不純物ドープ層を有しており、前記炭化珪素層の表面領域における不純物の濃度は、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の80%以上であり、前記炭化珪素層の表面のステップの高さは0.1nm以上1nm以下であり、前記ドープ層はノックオンされた炭素原子を含んでいる。   The silicon carbide element of the present invention is a silicon carbide element including a substrate and a silicon carbide layer formed on the substrate, and the silicon carbide layer has an impurity doped layer formed by ion implantation. The impurity concentration in the surface region of the silicon carbide layer is 80% or more of the maximum value of the impurity concentration in the silicon carbide layer, and the step height of the surface of the silicon carbide layer is 0 1 nm or more and 1 nm or less, and the doped layer contains knocked-on carbon atoms.

前記炭化珪素層の少なくとも一部を覆う電極をさらに備えていてもよい。   An electrode covering at least a part of the silicon carbide layer may be further provided.

前記炭化珪素層と前記電極との間に絶縁層をさらに備えていてもよい。   An insulating layer may be further provided between the silicon carbide layer and the electrode.

前記炭化珪素層と前記電極とが接触しており、前記炭化珪素層および前記電極の界面の少なくとも一部はショットキー障壁を形成していてもよい。   The silicon carbide layer and the electrode may be in contact, and at least a part of the interface between the silicon carbide layer and the electrode may form a Schottky barrier.

前記ドープ層における前記ノックオンされた炭素原子の濃度は、前記不純物の濃度の0.01%以上10%以下であってもよい。   A concentration of the knocked-on carbon atom in the doped layer may be 0.01% or more and 10% or less of the impurity concentration.

本発明の炭化珪素素子の製造方法によると、製造プロセスを複雑にすることなく、活性化アニールによる炭化珪素層の表面凹凸を低減し、かつ、炭化珪素層の表面領域におけるドーパント濃度を高めることができる。従って、優れた性能を有する信頼性の高い炭化珪素素子を提供できる。   According to the method for manufacturing a silicon carbide element of the present invention, the surface unevenness of the silicon carbide layer due to activation annealing can be reduced and the dopant concentration in the surface region of the silicon carbide layer can be increased without complicating the manufacturing process. it can. Therefore, a highly reliable silicon carbide element having excellent performance can be provided.

本発明による炭化珪素素子の製造方法では、炭化珪素層の表面に形成されたキャップ層を介して炭化珪素層に不純物イオンを注入し、続いて、そのキャップ層をそのまま保護膜として用いて活性化アニールを行う。これにより、炭化珪素層に不純物ドープ層が形成される。上記キャップ層は、活性化アニール後に除去される。後で詳しく説明するように、本発明によれば、上述した2つの課題を同時に解決することができる。   In the method for manufacturing a silicon carbide element according to the present invention, impurity ions are implanted into the silicon carbide layer through the cap layer formed on the surface of the silicon carbide layer, and then the cap layer is used as it is as a protective film for activation. Annealing is performed. Thereby, an impurity doped layer is formed in the silicon carbide layer. The cap layer is removed after the activation annealing. As will be described in detail later, according to the present invention, the above two problems can be solved simultaneously.

以下、図1を参照しながら、本発明の好ましい実施形態における不純物ドープ層の形成方法を説明する。   Hereinafter, a method for forming an impurity doped layer in a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、図1(a)に示すように、炭化珪素基板(オフアングル基板)1に、例えばエピタキシャル成長によって炭化珪素層2を形成する。   First, as shown in FIG. 1A, a silicon carbide layer 2 is formed on a silicon carbide substrate (off-angle substrate) 1 by, for example, epitaxial growth.

次いで、図1(b)に示すように、炭化珪素層2の表面にキャップ層5を形成する。キャップ層5は、炭化珪素基板1を真空雰囲気中で加熱することによって好適に形成される。炭化珪素基板1を真空雰囲気中で加熱すると、炭化珪素層2の表面で選択的にシリコンの昇華が起こるので、炭化珪素層2の表面がグラファイト化され、その結果、キャップ層5として機能するカーボン層を得ることができる。このようなグラファイト化を行なう代わりに、公知の堆積方法によって例えばDLC膜などのカーボン層を形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 1B, a cap layer 5 is formed on the surface of the silicon carbide layer 2. Cap layer 5 is preferably formed by heating silicon carbide substrate 1 in a vacuum atmosphere. When silicon carbide substrate 1 is heated in a vacuum atmosphere, silicon is selectively sublimated on the surface of silicon carbide layer 2, so that the surface of silicon carbide layer 2 is graphitized and, as a result, carbon that functions as cap layer 5. A layer can be obtained. Instead of performing such graphitization, a carbon layer such as a DLC film may be formed by a known deposition method.

次に、図1(c)に示すように、不純物イオン3を、キャップ層5を介して炭化珪素層2に注入し、不純物イオン注入層4を形成する。注入された不純物イオン3の濃度プロファイルを参照符号「P1」の曲線で模式的に示す。この濃度プロフィルP1は、図中における水平横方向の大きさが不純物イオン3の濃度を示しており、キャップ層5の表面から計測した深さに応じて変化している。不純物イオン3の濃度は、不純物イオン注入層4の内部(深さ:d1)でピーク値N1を示し、キャップ層5の表面および基板1に近づくほど低くなる(図1(f))。 Next, as shown in FIG. 1C, impurity ions 3 are implanted into the silicon carbide layer 2 through the cap layer 5 to form an impurity ion implanted layer 4. A concentration profile of the implanted impurity ions 3 is schematically shown by a curve of reference symbol “P1”. In the concentration profile P1, the horizontal horizontal direction in the figure indicates the concentration of the impurity ions 3, and changes according to the depth measured from the surface of the cap layer 5. The concentration of the impurity ions 3 shows a peak value N 1 inside the impurity ion implanted layer 4 (depth: d 1 ), and decreases as the surface of the cap layer 5 and the substrate 1 are approached (FIG. 1 (f)).

本発明では、炭化珪素層2の表面領域における不純物濃度、すなわち炭化珪素層2とキャップ層5との界面(深さ:d0)における不純物濃度N0が、炭化珪素層2の内部における不純物濃度の最大値N1の80%以上となるように、不純物イオン3の注入条件(加速電圧、ドーズ量など)やキャップ層5の厚さを適宜調整する。ここで、炭化珪素層2の「表面領域における不純物濃度」とは、キャップ層5と炭化珪素層2との界面からの深さが10nm以下の領域における不純物濃度の平均値を指すものとする。 In the present invention, the impurity concentration in the surface region of silicon carbide layer 2, that is, the impurity concentration N 0 at the interface (depth: d 0 ) between silicon carbide layer 2 and cap layer 5 is the impurity concentration in silicon carbide layer 2. The impurity ion 3 implantation conditions (acceleration voltage, dose, etc.) and the thickness of the cap layer 5 are adjusted as appropriate so that the maximum value N 1 is 80% or more. Here, the “impurity concentration in the surface region” of the silicon carbide layer 2 refers to an average value of the impurity concentration in a region having a depth of 10 nm or less from the interface between the cap layer 5 and the silicon carbide layer 2.

この後、図1(d)に示すように、注入された不純物イオン3を活性化させるために活性化アニール処理を行い、不純物ドープ層6を形成する。このとき、キャップ層5が保護膜の役割をするため、図8(d)に示すようなマクロステップ45、46が炭化珪素層2の表面に形成されることを抑制できる。炭化珪素層2における不純物の濃度プロファイルP1’は、イオン注入による不純物イオン3の濃度プロファイルP1と略同一である。これは、炭化珪素層2では不純物の拡散係数が小さいため、活性化アニールを行っても不純物がほとんど拡散しないからである。   Thereafter, as shown in FIG. 1D, an activation annealing process is performed to activate the implanted impurity ions 3, and an impurity doped layer 6 is formed. At this time, since the cap layer 5 serves as a protective film, the formation of the macro steps 45 and 46 as shown in FIG. 8D on the surface of the silicon carbide layer 2 can be suppressed. The impurity concentration profile P1 'in the silicon carbide layer 2 is substantially the same as the concentration profile P1 of the impurity ions 3 by ion implantation. This is because the impurity diffusion coefficient of the silicon carbide layer 2 is small, so that the impurity hardly diffuses even after activation annealing.

続いて、図1(e)に示すように、キャップ層5を炭化珪素層2の表面から除去する。キャップ層5を除去することにより、濃度N0よりも低い不純物濃度を有する領域が炭化珪素層2から除去されるため、表面で高い不純物濃度(N0)を有する炭化珪素層2が得られる。キャップ層5の除去方法は特に限定されないが、キャップ層5が上記グラファイト化により、あるいは他の方法によって形成されたカーボン層である場合は、カーボン層5を熱酸化することによって除去することが好ましい。炭化珪素層2の表面にダメージを与えることなくカーボン層5を略完全に除去できるからである。また、加熱炉で図1(d)に示す活性化アニールを行った後、その加熱炉でカーボン層5を熱酸化すれば、製造工程を簡略化できるので有利である。 Subsequently, the cap layer 5 is removed from the surface of the silicon carbide layer 2 as shown in FIG. By removing cap layer 5, a region having an impurity concentration lower than concentration N 0 is removed from silicon carbide layer 2, so that silicon carbide layer 2 having a high impurity concentration (N 0 ) on the surface is obtained. The method for removing the cap layer 5 is not particularly limited, but when the cap layer 5 is a carbon layer formed by the above graphitization or by another method, it is preferable to remove the carbon layer 5 by thermal oxidation. . This is because the carbon layer 5 can be removed almost completely without damaging the surface of the silicon carbide layer 2. It is also advantageous to perform the oxidation annealing shown in FIG. 1D in a heating furnace and then thermally oxidize the carbon layer 5 in the heating furnace because the manufacturing process can be simplified.

上記方法を用いると、従来よりも工程を複雑にすることなく、炭化珪素層2(不純物ドープ層6)の表面領域における不純物濃度を十分に高めることができるとともに、活性化アニール工程での炭化珪素層2の表面におけるマクロステップの発生を抑制できる。   When the above method is used, the impurity concentration in the surface region of the silicon carbide layer 2 (impurity doped layer 6) can be sufficiently increased without making the process more complicated than in the past, and silicon carbide in the activation annealing step can be achieved. Generation of macro steps on the surface of the layer 2 can be suppressed.

キャップ層5の厚さは、ドーパントやイオン注入条件によっても異なるが、10nm以上1μm以下であることが好ましい。基板にイオン注入された不純物の濃度プロファイルは、典型的には基板表面からの深さが100nm〜1μmの範囲内にピークを有する。従って、キャップ層5の厚さが10nm以上1μm以下、より好ましくは20nm以上0.5μm以下であれば、基板表面における不純物濃度が低い領域をより確実に除去できるとともに、炭化珪素層2の表面領域における不純物濃度を十分に高めることができる。   The thickness of the cap layer 5 varies depending on the dopant and ion implantation conditions, but is preferably 10 nm or more and 1 μm or less. The concentration profile of the impurities ion-implanted into the substrate typically has a peak in the range of 100 nm to 1 μm in depth from the substrate surface. Therefore, if the thickness of the cap layer 5 is 10 nm or more and 1 μm or less, more preferably 20 nm or more and 0.5 μm or less, the region having a low impurity concentration on the substrate surface can be more reliably removed and the surface region of the silicon carbide layer 2 can be removed. The impurity concentration in can be sufficiently increased.

キャップ層5は、活性化アニール温度で変形等を生じないように、十分な耐熱性を有していることが要求される。キャップ層5が活性化アニール工程中に変形したり蒸発すると、炭化珪素層2の表面の凹凸を効果的に低減できないからである。   The cap layer 5 is required to have sufficient heat resistance so as not to be deformed at the activation annealing temperature. This is because if the cap layer 5 is deformed or evaporated during the activation annealing step, the unevenness of the surface of the silicon carbide layer 2 cannot be reduced effectively.

なお、前述の非特許文献1では、イオン注入時に炭化珪素層表面を保護する目的で、炭化珪素層表面に酸化珪素(SiO2)膜を形成している。しかし、酸化珪素膜は耐熱性が低く、アニール温度では蒸発してしまうので、炭化珪素層2の表面の凹凸を十分に低減できない。その上、炭化珪素層の表面には、時間をかけてもせいぜい10nm程度の厚さの酸化珪素膜しか形成できない。よって、酸化珪素膜は炭化珪素層の表面の不純物濃度を十分に高める目的には不向きである。このように、非特許文献1の酸化珪素膜を用いても、上述したいずれの課題も解決することができない。 In Non-Patent Document 1 described above, a silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the surface of the silicon carbide layer for the purpose of protecting the surface of the silicon carbide layer during ion implantation. However, since the silicon oxide film has low heat resistance and evaporates at the annealing temperature, the surface unevenness of the silicon carbide layer 2 cannot be sufficiently reduced. In addition, only a silicon oxide film having a thickness of about 10 nm can be formed on the surface of the silicon carbide layer even if time is taken. Therefore, the silicon oxide film is not suitable for the purpose of sufficiently increasing the impurity concentration on the surface of the silicon carbide layer. Thus, even if the silicon oxide film of Non-Patent Document 1 is used, none of the above-described problems can be solved.

キャップ層5は、加熱処理によるグラファイト化を利用して形成されることが好ましい。炭化珪素膜を高温で処理すると炭化珪素膜の表面がグラファイト化されることは公知であったが、従来は、このようなグラファイト化は素子特性を低下させる一因と考えられていた。そのため、例えば炭化珪素膜表面からシリコンが蒸発することを防止するための活性化アニール方法などが検討されていた。これに対し、加熱処理によるキャップ層(カーボン層)5の形成は、炭化珪素素子の製造工程において、このグラファイト化を積極的に利用するものである。   The cap layer 5 is preferably formed using graphitization by heat treatment. It has been known that when a silicon carbide film is processed at a high temperature, the surface of the silicon carbide film is graphitized. However, conventionally, such graphitization has been considered to be a cause of deteriorating element characteristics. Therefore, for example, an activation annealing method for preventing silicon from evaporating from the surface of the silicon carbide film has been studied. On the other hand, the formation of the cap layer (carbon layer) 5 by the heat treatment actively uses this graphitization in the manufacturing process of the silicon carbide element.

グラファイト化を利用してキャップ層5を形成すると、以下のような利点がある。   When the cap layer 5 is formed using graphitization, there are the following advantages.

加熱処理の条件を制御することにより、炭化珪素層2とキャップ層(カーボン層)5との界面を極めて平坦にできる。また、得られたキャップ層(カーボン層)5の表面は略平坦である。なお、このようなカーボン層の構造は、炭化珪素のグラファイト化によってカーボンナノチューブ膜を形成する方法を提案する文献(M.Kusunoki, T. Suzuki, T. Hirayama, N.Shibata, APPLIED PHYSICS LETTERS, 77, p.531-p533(2000))にも記載されている。   By controlling the heat treatment conditions, the interface between the silicon carbide layer 2 and the cap layer (carbon layer) 5 can be made extremely flat. The surface of the obtained cap layer (carbon layer) 5 is substantially flat. In addition, the structure of such a carbon layer is described in a literature (M. Kusunoki, T. Suzuki, T. Hirayama, N. Shibata, APPLIED PHYSICS LETTERS, 77) which proposes a method for forming a carbon nanotube film by graphitization of silicon carbide. , p.531-p533 (2000)).

また、炭化珪素をエピタキシャル成長させたり、活性化アニールを行うために使用される加熱炉を用いてキャップ層5を形成および除去できるので、キャップ層5を形成したり除去するための新たな装置を導入する必要がない。さらに、加熱炉で炭化珪素層2をエピタキシャル成長させ、引き続いて、同じ加熱炉でキャップ層5を形成すると、製造工程を大幅に簡略化できる。同様に、活性化アニールおよびキャップ層5の除去を同一の加熱炉で連続して行うこともできる。   In addition, since the cap layer 5 can be formed and removed using a heating furnace used for epitaxial growth of silicon carbide or activation annealing, a new apparatus for forming or removing the cap layer 5 is introduced. There is no need to do. Furthermore, when the silicon carbide layer 2 is epitaxially grown in a heating furnace and subsequently the cap layer 5 is formed in the same heating furnace, the manufacturing process can be greatly simplified. Similarly, the activation annealing and the removal of the cap layer 5 can be continuously performed in the same heating furnace.

グラファイト化を用いずにキャップ層5を形成すると、たとえキャップ層5がカーボン層であっても、キャップ層5は不純物を含む可能性がある。この不純物は様々な問題を引き起こす。例えば、キャップ層5を形成した後、1600℃以上の高温で活性化アニールを行うと、キャップ層5に含まれる不純物が炭化珪素層2に拡散によって進入し、炭化珪素半導体素子の特性を著しく低下させるおそれがある。また、キャップ層5の不純物が昇華してアニール炉内を汚染することもある。これに対し、グラファイト化によってキャップ層5を形成する場合、キャップ層5は、炭化珪素層2に含まれる材料(炭素)のみから形成され、不純物をほとんど含まない。そのため、キャップ層5に含まれる不純物に起因する上記問題を防止できる。   If the cap layer 5 is formed without using graphitization, the cap layer 5 may contain impurities even if the cap layer 5 is a carbon layer. This impurity causes various problems. For example, when activation annealing is performed at a high temperature of 1600 ° C. or higher after the cap layer 5 is formed, impurities contained in the cap layer 5 enter the silicon carbide layer 2 by diffusion, and the characteristics of the silicon carbide semiconductor element are significantly deteriorated. There is a risk of causing. Further, impurities in the cap layer 5 may sublimate and contaminate the annealing furnace. On the other hand, when the cap layer 5 is formed by graphitization, the cap layer 5 is formed only from the material (carbon) contained in the silicon carbide layer 2 and contains almost no impurities. Therefore, the above problem caused by impurities contained in the cap layer 5 can be prevented.

グラファイト化によってキャップ層5を形成する場合、基板1を設置する加熱炉(チャンバー)の圧力を10-5Pa以上10Pa以下に設定することが好ましい。圧力が10Paより高いと、この加熱処理により炭化珪素基板1の表面にステップが形成されてしまい、圧力が10-5Paより低いと、この加熱処理によってシリコンだけでなくカーボンまでも昇華されてしまうおそれがあるからである。また、加熱処理における基板1の温度は1100℃以上1400℃以下であることが好ましい。基板温度が1100℃より低い場合には基板表面からの珪素の昇華が起こらずに、1400℃より高い場合にはカーボンまでも昇華されてしまうおそれがあるからである。 When the cap layer 5 is formed by graphitization, it is preferable to set the pressure of a heating furnace (chamber) in which the substrate 1 is installed to 10 −5 Pa or more and 10 Pa or less. When the pressure is higher than 10 Pa, a step is formed on the surface of the silicon carbide substrate 1 by this heat treatment. When the pressure is lower than 10 −5 Pa, not only silicon but also carbon is sublimated by this heat treatment. Because there is a fear. Moreover, it is preferable that the temperature of the board | substrate 1 in heat processing is 1100 degreeC or more and 1400 degrees C or less. This is because when the substrate temperature is lower than 1100 ° C., silicon does not sublime from the substrate surface, and when it is higher than 1400 ° C., carbon may be sublimated.

キャップ層5は、その形成方法にかかわらず、カーボン層であることが望ましい。キャップ層5としてカーボン層を用いて、図1(c)に示すイオン注入を行うと、図2に示すように、不純物イオン3とともに炭素原子5aが炭化珪素層2に注入(ノックオン)される。従って、その後の工程を経て得られた炭化珪素層2は、(低濃度で)ノックオンされた炭素原子を含んでいる。炭化珪素層2におけるノックオンされた炭素原子5aの濃度は、例えば前記不純物の濃度の0.01%以上10%以下である。   The cap layer 5 is desirably a carbon layer regardless of the formation method. When the carbon layer is used as the cap layer 5 and the ion implantation shown in FIG. 1C is performed, the carbon atoms 5a are implanted (knocked on) into the silicon carbide layer 2 together with the impurity ions 3 as shown in FIG. Therefore, silicon carbide layer 2 obtained through the subsequent steps contains carbon atoms knocked on (at a low concentration). The concentration of knocked-on carbon atom 5a in silicon carbide layer 2 is, for example, 0.01% to 10% of the impurity concentration.

炭化珪素層2に不純物イオン(例えばボロン)3のみを注入した後に活性化アニールを行うと、不純物イオン3が活性化アニール時に炭化珪素層2の欠陥の多い領域に拡散し、制御できない不純物濃度分布の変動を引き起こすおそれがある。これに対し、キャップ層5であるカーボン層を介してイオン注入を行うと、不純物イオン3とともに炭化珪素層2に注入された炭素原子5aが、不純物イオン3の濃度の制御困難な変動を防止する効果を有する。なお、炭素原子5aが不純物イオン3の拡散を防止するメカニズムなどについては、Michael Laube, Gerhard Pensl, Hisayashi Itoh, APPLIED PHYSICS LETTERS, 74, p.2292-p.2294(1999)に説明されている。   When activation annealing is performed after implanting only impurity ions (for example, boron) 3 into the silicon carbide layer 2, the impurity ions 3 diffuse into a region having many defects in the silicon carbide layer 2 during the activation annealing, and the impurity concentration distribution cannot be controlled. May cause fluctuations. On the other hand, when ion implantation is performed through the carbon layer that is the cap layer 5, the carbon atoms 5 a implanted into the silicon carbide layer 2 together with the impurity ions 3 prevent fluctuations in the concentration of the impurity ions 3 that are difficult to control. Has an effect. The mechanism by which the carbon atom 5a prevents the impurity ions 3 from diffusing is described in Michael Laube, Gerhard Pensl, Hisayashi Itoh, APPLIED PHYSICS LETTERS, 74, p.2292-p.2294 (1999).

図1を参照しながら説明した方法では、イオン注入工程の前にキャップ層5を形成し、そのキャップ層5をそのまま活性化アニール工程で保護膜として利用しているが、代わりにイオン注入工程後にキャップ層5を形成することもできる。   In the method described with reference to FIG. 1, the cap layer 5 is formed before the ion implantation step, and the cap layer 5 is used as it is as a protective film in the activation annealing step, but instead after the ion implantation step. The cap layer 5 can also be formed.

以下、図3を参照しながら、イオン注入工程後にキャップ層5を形成する場合の不純物ドープ層の形成方法の一例を説明する。   Hereinafter, an example of a method for forming the impurity doped layer when the cap layer 5 is formed after the ion implantation step will be described with reference to FIG.

まず、図3(a)に示すように、基板1の上に形成された炭化珪素層2に不純物イオン3を注入する。これにより、図3(b)に示すように、炭化珪素層2に不純物イオン注入層4が形成される。注入された不純物イオン3の濃度プロファイルを参照符号「P2」の曲線で模式的に示す。濃度プロファイルP2は、図1(c)における濃度プロファイルP1と同様の傾向を示す。   First, as shown in FIG. 3A, impurity ions 3 are implanted into the silicon carbide layer 2 formed on the substrate 1. Thereby, impurity ion implanted layer 4 is formed in silicon carbide layer 2 as shown in FIG. A concentration profile of the implanted impurity ions 3 is schematically shown by a curve of reference symbol “P2”. The density profile P2 shows the same tendency as the density profile P1 in FIG.

次いで、図3(c)に示すように、不純物イオン注入層4の表面をグラファイト化させることによって、キャップ層(カーボン層)5を形成する。これによって、不純物イオン注入層4の表面近傍における不純物濃度の比較的低い領域がカーボン層(厚さ:例えば10nm以上1μm以下)となる。グラファイト化によってカーボン層5を形成する方法は、例えば図1を参照しながら説明した方法と同様である。   Next, as shown in FIG. 3C, the surface of the impurity ion implanted layer 4 is graphitized to form a cap layer (carbon layer) 5. As a result, a region having a relatively low impurity concentration in the vicinity of the surface of the impurity ion implanted layer 4 becomes a carbon layer (thickness: 10 nm to 1 μm, for example). The method of forming the carbon layer 5 by graphitization is the same as the method described with reference to FIG.

この後、図3(d)に示すように、活性化アニールを行い、不純物ドープ層6を形成する。このとき、カーボン層5が保護膜として機能するので、炭化珪素層2の表面におけるマクロステップの発生を抑制できる。   Thereafter, as shown in FIG. 3D, activation annealing is performed to form an impurity doped layer 6. At this time, since the carbon layer 5 functions as a protective film, the occurrence of macro steps on the surface of the silicon carbide layer 2 can be suppressed.

続いて、図3(e)に示すように、カーボン層5を例えば熱酸化によって除去する。これにより、濃度プロファイルP2’に示すように、炭化珪素層2の表面領域における不純物濃度をピーク濃度に近い値まで高めることができる。このようにして、炭化珪素層2の表面を平坦に保ったまま、表面で高い不純物濃度を有する不純物ドープ層6を形成できる。   Subsequently, as shown in FIG. 3E, the carbon layer 5 is removed by, for example, thermal oxidation. Thereby, as shown in concentration profile P2 ', the impurity concentration in the surface region of silicon carbide layer 2 can be increased to a value close to the peak concentration. Thus, impurity doped layer 6 having a high impurity concentration on the surface can be formed while keeping the surface of silicon carbide layer 2 flat.

図3に示す方法においても、キャップ層5の厚さおよびイオン注入条件は、炭化珪素層2の表面領域における不純物濃度が、炭化珪素層2の内部における不純物濃度の最大値の80%以上となるように設定される。   Also in the method shown in FIG. 3, the thickness of cap layer 5 and the ion implantation conditions are such that the impurity concentration in the surface region of silicon carbide layer 2 is 80% or more of the maximum value of the impurity concentration in silicon carbide layer 2. Is set as follows.

本発明の炭化珪素素子は、例えば図1または図3を参照しながら説明した方法を用いて製造される。得られた炭化珪素素子における炭化珪素層2の表面領域の不純物濃度は、炭化珪素層2の内部における不純物濃度の最大値の80%以上、より好ましくは90%以上であり、従来よりも極めて高い。また、炭化珪素層2の表面のステップ高さHは0.1nm以上1nm以下、より好ましくは0.1nm以上0.5nm以下に抑えられている。そのため、高耐圧で、高い電流密度の電流を流すことができ、かつ電気特性のバラツキの少ない炭化珪素半導体素子を実現できる。   The silicon carbide element of the present invention is manufactured using the method described with reference to FIG. 1 or FIG. 3, for example. The impurity concentration of the surface region of silicon carbide layer 2 in the obtained silicon carbide element is 80% or more, more preferably 90% or more of the maximum value of the impurity concentration inside silicon carbide layer 2, and is extremely higher than before. . Further, the step height H of the surface of silicon carbide layer 2 is suppressed to 0.1 nm to 1 nm, more preferably 0.1 nm to 0.5 nm. Therefore, it is possible to realize a silicon carbide semiconductor element that can flow a current having a high withstand voltage, a high current density, and little variation in electrical characteristics.

炭化珪素層2の上に酸化膜および電極がこの順で形成されていてもよい。これにより、ゲート耐圧が高く良好な酸化膜−半導体界面が形成できるので、良好な電流電圧特性を実現できる。   An oxide film and an electrode may be formed in this order on silicon carbide layer 2. As a result, a good oxide film-semiconductor interface having a high gate breakdown voltage can be formed, and thus a good current-voltage characteristic can be realized.

さらに、炭化珪素層2(あるいは不純物ドープ層6)の表面と接触する電極を有していてもよい。この場合、炭化珪素層2と電極とが接触する界面の少なくとも一部分でショットキー障壁を形成していることが好ましい。これにより、炭化珪素素子の表面に良好なショットキー障壁を実現できるので、良好な電流電圧特性が得られる。   Furthermore, you may have the electrode which contacts the surface of the silicon carbide layer 2 (or impurity doped layer 6). In this case, it is preferable to form a Schottky barrier at at least a part of the interface where silicon carbide layer 2 and the electrode are in contact. Thereby, a good Schottky barrier can be realized on the surface of the silicon carbide element, so that a good current-voltage characteristic can be obtained.

(実施形態1)
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。本実施形態では、表面にキャップ層が形成された炭化珪素層に不純物イオンを注入し、続いて活性化アニールを行うことによって、不純物ドープ層を形成する方法を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a method of forming an impurity doped layer by implanting impurity ions into a silicon carbide layer having a cap layer formed on the surface and then performing activation annealing will be described.

まず、図4を参照しながら、本実施形態で用いる加熱炉の構造を説明する。   First, the structure of the heating furnace used in this embodiment will be described with reference to FIG.

図4に示す加熱炉は、反応炉150と、反応炉150を加熱するためのコイル154とを備えている。コイル154は、反応炉150の周りに設けられており、高周波誘導加熱により反応炉150を加熱する。反応炉150の内部には、支持軸153によって支持されたチャンバー163が設けられている。チャンバー163は周囲を断熱材62で覆われている。チャンバー163の内部にはカーボン製のサセプタ152が配置されている。炭化珪素基板などの試料151は、このサセプタ152によってチャンバー163に固定される。チャンバー163は、ガス排気系159およびガス供給系158とそれぞれ接続されている。ガス排気系159は、排気ガス用配管60と圧力調整バルブ61とを備え、必要に応じてチャンバー163のガスを排気する。ガス供給系158は、アルゴンガス155、炭化珪素のエピタキシャル成長に用いる原料ガス156、酸素ガス157などを必要に応じてチャンバー163に供給する。   The heating furnace shown in FIG. 4 includes a reaction furnace 150 and a coil 154 for heating the reaction furnace 150. The coil 154 is provided around the reaction furnace 150 and heats the reaction furnace 150 by high frequency induction heating. A chamber 163 supported by a support shaft 153 is provided inside the reaction furnace 150. The chamber 163 is covered with a heat insulating material 62 around. A susceptor 152 made of carbon is disposed inside the chamber 163. A sample 151 such as a silicon carbide substrate is fixed to the chamber 163 by the susceptor 152. The chamber 163 is connected to a gas exhaust system 159 and a gas supply system 158, respectively. The gas exhaust system 159 includes an exhaust gas pipe 60 and a pressure adjustment valve 61, and exhausts the gas in the chamber 163 as necessary. The gas supply system 158 supplies an argon gas 155, a source gas 156 used for epitaxial growth of silicon carbide, an oxygen gas 157, and the like to the chamber 163 as necessary.

本実施形態では、炭化珪素層のエピタキシャル成長、キャップ層の形成、活性化アニール及びキャップ層の除去を全て図4に示す加熱炉を使用して行う。従って、製造プロセスやコストを大幅に低減できる。   In the present embodiment, epitaxial growth of the silicon carbide layer, formation of the cap layer, activation annealing, and removal of the cap layer are all performed using the heating furnace shown in FIG. Therefore, the manufacturing process and cost can be greatly reduced.

次いで、図5(a)〜(d)を参照しながら、不純物ドープ層の形成工程を説明する。   Next, a process for forming an impurity doped layer will be described with reference to FIGS.

まず、図5(a)に示すように、基板1の上に成長させた炭化珪素層2の表面にキャップ層5を形成する。基板1として、例えば[11−20](112バー0)方向に8度のオフ角度を有する直径50mmの炭化珪素基板(4H−SiC基板)を用いる。   First, as shown in FIG. 5A, the cap layer 5 is formed on the surface of the silicon carbide layer 2 grown on the substrate 1. As the substrate 1, for example, a silicon carbide substrate (4H—SiC substrate) having a diameter of 50 mm and having an off angle of 8 degrees in the [11-20] (112 bar 0) direction is used.

炭化珪素層2は、例えば次のようにして形成される。まず、図4に示す加熱炉のチャンバー163に基板1を設置する。その後、誘導加熱用のコイル154に20.0kHz、20kWの高周波電力を印加して誘導加熱によって基板1を例えば1600℃まで加熱する。ガス供給系158より炭化珪素の原料ガス156をキャリアガスとともにチャンバー163に供給し、CVD法によって、基板1の上に炭化珪素層(厚さ:例えば10μm)2をエピタキシャル成長させる。原料ガス156として、例えばモノシラン(SiH4)およびプロパン(C3H8)を用いる。キャリアガスは例えば水素である。   Silicon carbide layer 2 is formed, for example, as follows. First, the substrate 1 is placed in the chamber 163 of the heating furnace shown in FIG. Thereafter, a high frequency power of 20.0 kHz and 20 kW is applied to the induction heating coil 154 to heat the substrate 1 to, for example, 1600 ° C. by induction heating. A silicon carbide source gas 156 is supplied from a gas supply system 158 to a chamber 163 together with a carrier gas, and a silicon carbide layer (thickness: 10 μm, for example) 2 is epitaxially grown on the substrate 1 by a CVD method. As the source gas 156, for example, monosilane (SiH4) and propane (C3H8) are used. The carrier gas is, for example, hydrogen.

本実施形態では、キャップ層5の形成は、炭化珪素層2を真空で加熱することによって行う。炭化珪素層2をエピタキシャル成長させた後、基板1をチャンバー163に設置したまま、ガス排気系59によってチャンバー163の真空引きを行い、チャンバー163の真空度を約10-4Paとする。次に、チャンバー163を真空に保った状態で、コイル154に高周波電力を印加して基板1の温度を1400℃とし、基板1に対して60分間のアニールを行う。これにより、炭化珪素層2の表面にキャップ層(カーボン層)5が形成される。 In the present embodiment, the cap layer 5 is formed by heating the silicon carbide layer 2 in a vacuum. After the silicon carbide layer 2 is epitaxially grown, the chamber 163 is evacuated by the gas exhaust system 59 while the substrate 1 is placed in the chamber 163, and the degree of vacuum of the chamber 163 is about 10 −4 Pa. Next, in a state where the chamber 163 is kept in vacuum, high-frequency power is applied to the coil 154 to set the temperature of the substrate 1 to 1400 ° C., and the substrate 1 is annealed for 60 minutes. Thereby, cap layer (carbon layer) 5 is formed on the surface of silicon carbide layer 2.

なお、炭化珪素層2を真空で加熱した後の基板1に対して、2次イオン質量分析(SIMS)によって表面の組成分析を行うことにより、厚さ約200nmのカーボン層5が炭化珪素層2の表面領域に形成されていることを確認した。   In addition, by performing composition analysis of the surface by secondary ion mass spectrometry (SIMS) on the substrate 1 after the silicon carbide layer 2 is heated in vacuum, the carbon layer 5 having a thickness of about 200 nm becomes the silicon carbide layer 2. It was confirmed that it was formed in the surface region of

カーボン層5を形成した後、図5(b)に示すように、イオン注入装置を用いて炭化珪素層2に不純物イオン3を注入することにより、不純物イオン注入層(厚さ:例えば4μm)4を形成する。本実施形態では、p型不純物ドープ層を形成するため、不純物イオン3としてアルミニウムイオンを選択する。ここでは、アルミニウムイオンは7種類の加速電圧で多段注入する。1.0MeV、1.6MeV、2.4MeVの加速電圧のイオンドーズ量を3×1014cm-3、3.3MeV、4.4MeVの加速電圧のドーズ量を7×1014cm-3、5.6MeV、7.0MeVの加速電圧のドーズ量を3×1014cm-3とする。イオン注入の際の基板温度は室温とする。 After forming the carbon layer 5, as shown in FIG. 5 (b), impurity ions 3 are implanted into the silicon carbide layer 2 by using an ion implantation apparatus, whereby an impurity ion implanted layer (thickness: 4 μm, for example) 4 Form. In the present embodiment, aluminum ions are selected as the impurity ions 3 in order to form a p-type impurity doped layer. Here, aluminum ions are implanted in multiple stages at seven acceleration voltages. The ion dose of the acceleration voltage of 1.0 MeV, 1.6 MeV, 2.4 MeV is 3 × 10 14 cm −3 , the dose of the acceleration voltage of 3.3 MeV, 4.4 MeV is 7 × 10 14 cm −3 , 5 The dose of the acceleration voltage of 0.6 MeV and 7.0 MeV is set to 3 × 10 14 cm −3 . The substrate temperature during ion implantation is room temperature.

次に、図5(c)に示すように、不純物イオン注入層4に対して活性化アニールを行うことにより、不純物ドープ層6を形成する。活性化アニールは、例えば以下のようにして行うことができる。不純物イオン3が注入された基板1を、加熱炉のチャンバー163に再び設置して、ガス供給系58からアニール雰囲気用ガス(アニールガス)を供給する。アニールガスとして、例えばアルゴンガス55を用いる。アルゴンガス55の流量は0.5リットル/分とする。活性化アニール時のチャンバー163の圧力は、圧力調整バルブ161を用いて91kPaで一定となるように調整する。また、コイル154へ高周波電力を印加することにより、基板1の温度が1750℃となるように基板1を加熱する。加熱時間は30分間とする。活性化アニールが終了すると、アルゴンガス55を供給したまま、コイル54への高周波電力の印加を停止し、基板1を800℃程度まで冷却する。   Next, as shown in FIG. 5C, the impurity doped layer 6 is formed by performing activation annealing on the impurity ion implanted layer 4. The activation annealing can be performed as follows, for example. The substrate 1 into which the impurity ions 3 are implanted is placed again in the chamber 163 of the heating furnace, and an annealing atmosphere gas (annealing gas) is supplied from the gas supply system 58. For example, argon gas 55 is used as the annealing gas. The flow rate of the argon gas 55 is 0.5 liter / min. The pressure in the chamber 163 at the time of activation annealing is adjusted to be constant at 91 kPa using the pressure adjusting valve 161. Further, by applying high frequency power to the coil 154, the substrate 1 is heated so that the temperature of the substrate 1 becomes 1750 ° C. The heating time is 30 minutes. When the activation annealing is completed, the application of the high frequency power to the coil 54 is stopped while the argon gas 55 is supplied, and the substrate 1 is cooled to about 800 ° C.

続いて、図5(d)に示すように、基板1をチャンバー163に設置したまま、カーボン層5を熱酸化することにより、カーボン層5を基板1から除去する。熱酸化は、チャンバー163に酸素(流量:5リットル/分)を供給しながら、カーボン層5を加熱することによって行う。加熱温度は800℃で一定とし、加熱時間は30分間とする。このようにして、表面に不純物ドープ層6が形成された炭化珪素基板(以下、「注入エピ基板」と呼ぶ)10が得られる。   Subsequently, as shown in FIG. 5D, the carbon layer 5 is removed from the substrate 1 by thermally oxidizing the carbon layer 5 while the substrate 1 is placed in the chamber 163. Thermal oxidation is performed by heating the carbon layer 5 while supplying oxygen (flow rate: 5 liter / min) to the chamber 163. The heating temperature is constant at 800 ° C., and the heating time is 30 minutes. In this way, a silicon carbide substrate (hereinafter referred to as “implanted epi substrate”) 10 having an impurity doped layer 6 formed on the surface is obtained.

次に、上記方法によって作製された注入エピ基板10の表面モフォロジーおよび不純物ドープ層6のドーピングプロファイルを調べたので、その方法および結果を説明する。   Next, since the surface morphology of the implantation epitaxial substrate 10 manufactured by the above method and the doping profile of the impurity doped layer 6 were examined, the method and result will be described.

注入エピ基板10の表面モフォロジーの解析は原子間力顕微鏡(AFM)を用いて行い、不純物ドープ層6のドーピングプロファイルの解析は二次イオン質量分析装置(SIMS)を用いて行った。   Analysis of the surface morphology of the implanted epitaxial substrate 10 was performed using an atomic force microscope (AFM), and analysis of the doping profile of the impurity doped layer 6 was performed using a secondary ion mass spectrometer (SIMS).

また、比較のために、キャップ層を形成せずに、炭化珪素層に不純物イオンを注入し、活性化アニールを行うことにより、比較例1の注入エピ基板を作製した。比較例1における不純物イオンの注入は、キャップ層を用いないこと以外は、実施形態1と同様の方法および条件で行った。比較例1における活性化アニールは、アルゴンガス雰囲気中で、基板温度を1750℃、アルゴンガスの流量を0.5リットル/分に設定して30分間行った。また、アニール時のチャンバーの圧力を91kPaで一定とする。比較例1の注入エピ基板についても、注入エピ基板10と同様に、表面モフォロジーおよびドーピングプロファイルを測定した。   For comparison, an implanted epitaxial substrate of Comparative Example 1 was fabricated by implanting impurity ions into the silicon carbide layer without forming a cap layer and performing activation annealing. Impurity ion implantation in Comparative Example 1 was performed by the same method and conditions as in Embodiment 1 except that the cap layer was not used. The activation annealing in Comparative Example 1 was performed for 30 minutes in an argon gas atmosphere at a substrate temperature of 1750 ° C. and an argon gas flow rate of 0.5 liters / minute. The chamber pressure during annealing is kept constant at 91 kPa. The surface morphology and doping profile of the implanted epitaxial substrate of Comparative Example 1 were also measured in the same manner as the implanted epitaxial substrate 10.

表面モフォロジーの測定結果によれば、本実施形態で得られた注入エピ基板10の表面粗さ(ステップ高さH)は約0.5nmであり、比較例1の注入エピ基板の表面粗さよりも2桁以上低減されていることが確認できた。   According to the measurement result of the surface morphology, the surface roughness (step height H) of the implanted epitaxial substrate 10 obtained in the present embodiment is about 0.5 nm, which is larger than the surface roughness of the implanted epitaxial substrate of Comparative Example 1. It was confirmed that it was reduced by 2 digits or more.

また、注入エピ基板10におけるアルミニウムのプロファイルを測定すると、炭化珪素層2の表面領域におけるドーパント濃度が最大値の約90%となっていることがわかった。これに対し、比較例1の注入エピ基板では、炭化珪素層表面領域におけるドーパント濃度は最大値の10%以下であった。さらに、注入エピ基板10におけるアルミニウムイオンの活性化率を調べると、約90%という非常に高い活性化を実現していることが確認できた。   Further, when the profile of aluminum in the implanted epitaxial substrate 10 was measured, it was found that the dopant concentration in the surface region of the silicon carbide layer 2 was about 90% of the maximum value. On the other hand, in the implantation epitaxial substrate of Comparative Example 1, the dopant concentration in the surface region of the silicon carbide layer was 10% or less of the maximum value. Further, when the activation rate of aluminum ions in the implanted epitaxial substrate 10 was examined, it was confirmed that a very high activation of about 90% was realized.

このように、本実施形態によると、イオン注入前にキャップ層5を形成することによって活性化アニール時に表面が荒れることを防止できると同時に、キャップ層5に存在するドーパント濃度の低い領域はキャップ層5と一緒に除去されるので、炭化珪素層2の表面領域のドーパント濃度を不純物ドープ層6の内部のドーパント濃度とほぼ同程度まで高めることができる。   As described above, according to the present embodiment, by forming the cap layer 5 before ion implantation, it is possible to prevent the surface from being roughened during the activation annealing, and at the same time, the region having a low dopant concentration present in the cap layer 5 is the cap layer. Therefore, the dopant concentration in the surface region of the silicon carbide layer 2 can be increased to almost the same as the dopant concentration in the impurity doped layer 6.

なお、本実施形態では、炭化珪素層2を真空で加熱することによってキャップ層5を形成しているが、代わりに、スパッタリング、蒸着、CVD法等によってキャップ層5を形成することもできる。同様に、キャップ層5を熱酸化によって除去する代わりに、酸素を用いたプラズマ処理やオゾン処理によってカーボン層5を除去してもよい。   In the present embodiment, the cap layer 5 is formed by heating the silicon carbide layer 2 in a vacuum. Alternatively, the cap layer 5 can be formed by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like. Similarly, instead of removing the cap layer 5 by thermal oxidation, the carbon layer 5 may be removed by plasma treatment using oxygen or ozone treatment.

また、本実施形態においては、不純物イオン注入層23の活性化アニールとカーボン層5の除去とを同一の加熱炉で連続して行ったが、それぞれの工程を別々の炉で行ってもよい。   In the present embodiment, the activation annealing of the impurity ion implantation layer 23 and the removal of the carbon layer 5 are continuously performed in the same heating furnace, but each process may be performed in separate furnaces.

また、本実施形態においては、4H−SiCを炭化珪素基板1として用いているが、4H−SiC以外のポリタイプからなる基板を用いてもよい。   In this embodiment, 4H—SiC is used as the silicon carbide substrate 1, but a substrate made of a polytype other than 4H—SiC may be used.

(実施形態2)
以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態の炭化珪素MOSFETの製造方法を説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a method for manufacturing a silicon carbide MOSFET according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図6(a)に示すように、炭化珪素基板21に形成された炭化珪素層22の表面にキャップ層25を形成する。炭化珪素基板21としては、例えば、主面が(0001)から[11−20](112バー0)方向に8度のオフ角度がついた直径50mmの4H−SiC基板を用いる。この基板21の導電型はn型で、キャリア濃度は1×1018cm-3である。炭化珪素層22の形成は、図4に示す加熱炉を用いてCVD法で行うことができる。ここでは、基板1の主面上にn型の不純物がドープされた炭化珪素層(厚さ:10μm)22をエピタキシャル成長させる。炭化珪素層22の形成に用いる原料ガスおよびキャリアガスは、実施形態1で用いたガスと同じである。ただし、本実施形態では、原料ガスに一定流量のドーピングガス(N2)を混入する。炭化珪素層2のキャリア濃度は、ドーピングガスの流量によって制御され、ここでは約5×1015cm-3である。 First, as shown in FIG. 6A, a cap layer 25 is formed on the surface of the silicon carbide layer 22 formed on the silicon carbide substrate 21. As the silicon carbide substrate 21, for example, a 4H—SiC substrate having a diameter of 50 mm and having an off angle of 8 degrees in the direction from (0001) to [11-20] (112 bar 0) is used. The conductivity type of the substrate 21 is n-type, and the carrier concentration is 1 × 10 18 cm −3 . Formation of silicon carbide layer 22 can be performed by a CVD method using a heating furnace shown in FIG. Here, a silicon carbide layer (thickness: 10 μm) 22 doped with n-type impurities is epitaxially grown on the main surface of the substrate 1. The source gas and carrier gas used for forming the silicon carbide layer 22 are the same as those used in the first embodiment. However, in the present embodiment, a doping gas (N 2 ) having a constant flow rate is mixed into the source gas. The carrier concentration of silicon carbide layer 2 is controlled by the flow rate of the doping gas, and here is about 5 × 10 15 cm −3 .

キャップ層25の形成は、炭化珪素層22を形成した後、基板21を加熱炉のチャンバー163に設置したまま行う。まず、ガス排気系159を用いてチャンバー163の真空引きを行い、チャンバー163の真空度を約10-4Paとする。この状態で、基板温度が1400℃となるように基板1を加熱する。加熱時間は60分間とする。これにより、炭化珪素層2の表面からSiが昇華して(グラファイト化)、厚さが約200nmのカーボン層25が得られる。 The cap layer 25 is formed while the substrate 21 is placed in the chamber 163 of the heating furnace after the silicon carbide layer 22 is formed. First, the chamber 163 is evacuated using the gas exhaust system 159, and the degree of vacuum of the chamber 163 is set to about 10 −4 Pa. In this state, the substrate 1 is heated so that the substrate temperature becomes 1400 ° C. The heating time is 60 minutes. Thereby, Si is sublimated from the surface of silicon carbide layer 2 (graphitization), and carbon layer 25 having a thickness of about 200 nm is obtained.

次に、図6(b)に示すように、炭化珪素層22の選択された領域に第1の不純物イオン注入層(厚さ:例えば1.5μm〜2μm)23を形成する。具体的には、まず炭化珪素層22の表面に例えばシリコン酸化膜(SiO2)からなる第1の注入マスク33を形成する。第1の注入マスク33は、炭化珪素層22のうち、第1の不純物イオン注入層23となる領域を既定する開口部を有している。第1の注入マスク33の形状は、フォトリソグラフィおよびエッチングによって任意に形成され得る。第1の注入マスク33の厚さは、その材料や注入条件によって決定されるが、注入飛程よりも充分に大きく設定することが好ましい。次いで、第1の注入マスク33の上方から、キャップ層25を介して炭化珪素層22にp型の不純物イオン(Alイオン)を注入する。不純物イオンの注入は、実施形態1で説明した方法と同様に多段階で行う。イオン注入後、第1の注入マスク33を取り除く。これにより、炭化珪素層22のうち不純物イオンが注入された領域に第1の不純物イオン注入層23が形成される。また、炭化珪素層22のうち不純物イオンが注入されずに残った領域は、n型ドリフト領域32となる。 Next, as shown in FIG. 6B, a first impurity ion implantation layer (thickness: for example, 1.5 μm to 2 μm) 23 is formed in a selected region of the silicon carbide layer 22. Specifically, first, a first implantation mask 33 made of, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on the surface of the silicon carbide layer 22. The first implantation mask 33 has an opening that defines a region to be the first impurity ion implantation layer 23 in the silicon carbide layer 22. The shape of the first implantation mask 33 can be arbitrarily formed by photolithography and etching. The thickness of the first implantation mask 33 is determined by its material and implantation conditions, but is preferably set sufficiently larger than the implantation range. Next, p-type impurity ions (Al ions) are implanted into silicon carbide layer 22 through cap layer 25 from above first implantation mask 33. Impurity ion implantation is performed in multiple stages as in the method described in the first embodiment. After the ion implantation, the first implantation mask 33 is removed. Thereby, first impurity ion implanted layer 23 is formed in a region of silicon carbide layer 22 where impurity ions are implanted. In addition, the region of silicon carbide layer 22 that remains without being implanted with impurity ions becomes n-type drift region 32.

続いて、図6(c)に示すように、炭化珪素層22に第2の不純物イオン注入層(厚さ:例えば0.5μm〜1μm)24を形成する。具体的には、まず炭化珪素層22の上に、第1の不純物イオン注入層24の表面の一部を露出する開口部を有する第2の注入マスク34を形成する。第2の注入マスク34は、第1の注入マスク33と同様にして形成されるが、その平面パターンが第1の注入マスク33の平面パターンから異なっている。次いで、第2の注入マスク34の上方から、キャップ層25を介して炭化珪素層22にn型の不純物イオン(窒素イオン)を注入する。イオン注入後、第2の注入マスク34を取り除く。   Subsequently, as shown in FIG. 6C, a second impurity ion implantation layer (thickness: for example, 0.5 μm to 1 μm) 24 is formed in the silicon carbide layer 22. Specifically, first, second implantation mask 34 having an opening exposing a part of the surface of first impurity ion implantation layer 24 is formed on silicon carbide layer 22. The second implantation mask 34 is formed in the same manner as the first implantation mask 33, but its planar pattern is different from the planar pattern of the first implantation mask 33. Next, n-type impurity ions (nitrogen ions) are implanted into silicon carbide layer 22 through cap layer 25 from above second implantation mask 34. After the ion implantation, the second implantation mask 34 is removed.

この後、図7(a)に示すように、第1および第2の不純物イオン注入層23、24に対して活性化アニールを行い、それぞれp型ウェル領域26およびコンタクト領域27を形成する。活性化アニールは、図4に示す加熱炉を用いて、実施形態1で説明した活性化アニールと同様の方法および条件で行う。得られたp型ウェル領域26のキャリア濃度は1×1017cm-3、n型のコンタクト領域27のキャリア濃度は1×1018cm-3である。 Thereafter, as shown in FIG. 7A, activation annealing is performed on the first and second impurity ion implantation layers 23 and 24 to form a p-type well region 26 and a contact region 27, respectively. The activation annealing is performed using the heating furnace shown in FIG. 4 under the same method and conditions as the activation annealing described in the first embodiment. The resulting p-type well region 26 has a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 , and the n-type contact region 27 has a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 .

続いて、図7(b)に示すように、加熱炉のチャンバー163に基板21を設置したまま、基板21からカーボン層25を除去する。カーボン層25の除去は、実施形態1で説明した方法と同様の方法および条件で行う。これにより、注入エピ基板90が得られる。   Subsequently, as shown in FIG. 7B, the carbon layer 25 is removed from the substrate 21 while the substrate 21 is installed in the chamber 163 of the heating furnace. The removal of the carbon layer 25 is performed by the same method and conditions as the method described in the first embodiment. Thereby, the implantation epitaxial substrate 90 is obtained.

最後に、図7(c)に示すように、注入エピ基板90に、ゲート絶縁膜28、ソース電極29、ドレイン電極30およびゲート電極31を形成する。ゲート絶縁膜28は、キャップ層25が除去された後の基板21を1100℃の温度で熱酸化することによって、炭化珪素層22の表面に形成される。ゲート絶縁膜28の厚さは例えば30nmである。この後、ソース電極29およびドレイン電極30を次のようにして形成する。まず、電子ビーム(EB)蒸着装置を用いてコンタクト領域27と接するようにNi膜を堆積させる。また、炭化珪素基板21の裏面にもNi膜を堆積させる。続いて、加熱炉を用いて、これらのNi膜を1000℃の温度で加熱する。これにより、コンタクト領域27とオーミック接合されたソース電極(第1のオーミック電極)29および、基板21の裏面にオーミック接合されたドレイン電極(第2のオーミック電極)30がそれぞれ形成される。ゲート電極31は、ゲート絶縁膜28の上にアルミニウムを蒸着することにより形成される。このようにして、炭化珪素素子(MOSFET)100が得られる。   Finally, as shown in FIG. 7C, the gate insulating film 28, the source electrode 29, the drain electrode 30, and the gate electrode 31 are formed on the implantation epitaxial substrate 90. Gate insulating film 28 is formed on the surface of silicon carbide layer 22 by thermally oxidizing substrate 21 after cap layer 25 is removed at a temperature of 1100 ° C. The thickness of the gate insulating film 28 is, for example, 30 nm. Thereafter, the source electrode 29 and the drain electrode 30 are formed as follows. First, a Ni film is deposited so as to be in contact with the contact region 27 using an electron beam (EB) vapor deposition apparatus. A Ni film is also deposited on the back surface of the silicon carbide substrate 21. Subsequently, these Ni films are heated at a temperature of 1000 ° C. using a heating furnace. As a result, a source electrode (first ohmic electrode) 29 ohmically joined to the contact region 27 and a drain electrode (second ohmic electrode) 30 ohmically joined to the back surface of the substrate 21 are formed. The gate electrode 31 is formed by evaporating aluminum on the gate insulating film 28. In this way, silicon carbide element (MOSFET) 100 is obtained.

炭化珪素素子100における炭化珪素層22の表面粗さおよび表面領域のドーパント濃度は、図7(b)に示す注入エピ基板90の表面モフォロジーおよび不純物濃度プロファイルを測定することによって調べることができる。これらの測定は、実施形態1で説明した方法と同様の方法で行ってもよい。   The surface roughness of silicon carbide layer 22 and the dopant concentration of the surface region in silicon carbide element 100 can be examined by measuring the surface morphology and impurity concentration profile of implanted epitaxial substrate 90 shown in FIG. These measurements may be performed by a method similar to the method described in the first embodiment.

注入エピ基板90における炭化珪素層22の表面モフォロジーを測定した結果、異なる不純物イオンを用いて2回のイオン注入工程を行ったにもかかわらず、炭化珪素層22の表面におけるステップ高さは1nm以下であることが確認できた。また、p型ウェル領域26の不純物濃度プロファイルを測定した結果、炭化珪素層22の表面領域における不純物(Al)濃度は、Alのピーク濃度の80%以上であることがわかった。同様に、コンタクト領域27の不純物濃度プロファイルを測定すると、炭化珪素層22の表面領域における不純物(N2)濃度は、N2のピーク濃度の80%以上であることがわかった。 As a result of measuring the surface morphology of the silicon carbide layer 22 on the implanted epitaxial substrate 90, the step height on the surface of the silicon carbide layer 22 is 1 nm or less despite the fact that two ion implantation steps were performed using different impurity ions. It was confirmed that. As a result of measuring the impurity concentration profile of the p-type well region 26, it was found that the impurity (Al) concentration in the surface region of the silicon carbide layer 22 was 80% or more of the Al peak concentration. Similarly, when the impurity concentration profile of the contact region 27 was measured, it was found that the impurity (N 2 ) concentration in the surface region of the silicon carbide layer 22 was 80% or more of the N 2 peak concentration.

比較のために、キャップ層を用いない従来の方法により、炭化珪素素子100と同様の構造を有するMOSFET(比較例2の炭化珪素素子)を作製した。比較例2における不純物イオンの注入は、キャップ層を用いないこと以外は、実施形態2と同様の方法および条件で行った。比較例2における活性化アニールは、アルゴンガス雰囲気中で、基板温度を1750℃、アルゴンガスの流量を0.5リットル/分に設定して30分間行った。また、活性化アニール時のチャンバー内の圧力は91kPaで一定とした。   For comparison, a MOSFET (silicon carbide element of Comparative Example 2) having the same structure as that of the silicon carbide element 100 was fabricated by a conventional method that does not use a cap layer. Impurity ion implantation in Comparative Example 2 was performed by the same method and conditions as in Embodiment 2 except that the cap layer was not used. The activation annealing in Comparative Example 2 was performed in an argon gas atmosphere for 30 minutes at a substrate temperature of 1750 ° C. and an argon gas flow rate of 0.5 liter / min. The pressure in the chamber during activation annealing was constant at 91 kPa.

比較例2の炭化珪素素子に対して、炭化珪素素子100と同様の方法で表面粗さおよび不純物濃度プロファイルを調べると、炭化珪素層のステップ高さHは約10nm、炭化珪素層の表面領域におけるAlおよびN2の濃度は、それぞれp型ウェル領域のピーク濃度およびコンタクト領域のピーク濃度の10%以下であった。 When the surface roughness and impurity concentration profile of the silicon carbide element of Comparative Example 2 were examined by the same method as that of silicon carbide element 100, the step height H of the silicon carbide layer was about 10 nm, and the surface area of the silicon carbide layer was The concentrations of Al and N 2 were 10% or less of the peak concentration of the p-type well region and the peak concentration of the contact region, respectively.

以下、本実施形態で得られた炭化珪素素子100および比較例2の炭化珪素素子の電流電圧特性を説明する。   Hereinafter, current-voltage characteristics of the silicon carbide element 100 obtained in the present embodiment and the silicon carbide element of Comparative Example 2 will be described.

炭化珪素素子100および比較例2の炭化珪素素子のドレイン電流の値をそれぞれ測定したところ、炭化珪素素子100のドレイン電流は、比較例2の炭化珪素素子のドレイン電流よりも5倍以上大きいことがわかった。これは、以下の理由によるものと考えられる。   When the drain current values of silicon carbide element 100 and the silicon carbide element of Comparative Example 2 were measured, the drain current of silicon carbide element 100 was 5 times or more larger than the drain current of the silicon carbide element of Comparative Example 2. all right. This is considered to be due to the following reasons.

比較例2の炭化珪素素子では、炭化珪素層の表面粗さが大きいため、表面近傍におけるキャリアの移動度が低く、ドレイン電流が流れにくい。これに対し、炭化珪素素子100では、炭化珪素層22の表面粗さが1nm以下と小さいので、炭化珪素層22におけるチャネル層が形成される領域(ゲート電極31の下にあるp型ウェル領域23の表面層)のキャリアの移動度の低下が抑えられる。従って、より高い電流密度のドレイン電流をチャネル層に流すことができる。また、比較例2の炭化珪素素子では、コンタクト領域の表面近傍におけるドーパント濃度が低いのでコンタクト抵抗が高いが、炭化珪素素子100では、コンタクト領域27の表面におけるドーパント濃度が高いので、コンタクト領域27とソース電極29との間のコンタクト抵抗を低減できる。このように、炭化珪素素子100では、チャネル層のキャリアの移動度が高く、かつコンタクト抵抗が低いので、より大きなドレイン電流を流すことができる。   In the silicon carbide element of Comparative Example 2, since the surface roughness of the silicon carbide layer is large, the carrier mobility in the vicinity of the surface is low and the drain current hardly flows. On the other hand, in silicon carbide element 100, since silicon carbide layer 22 has a surface roughness as small as 1 nm or less, a region in which channel layer is formed in silicon carbide layer 22 (p-type well region 23 under gate electrode 31). The lowering of the carrier mobility of the surface layer) can be suppressed. Therefore, a drain current having a higher current density can be passed through the channel layer. Further, in the silicon carbide element of Comparative Example 2, the contact concentration is high because the dopant concentration in the vicinity of the surface of the contact region is low, but in the silicon carbide element 100, the dopant concentration in the surface of the contact region 27 is high. The contact resistance with the source electrode 29 can be reduced. Thus, in silicon carbide element 100, since the carrier mobility of the channel layer is high and the contact resistance is low, a larger drain current can flow.

続いて、炭化珪素素子100および比較例2の炭化珪素素子のしきい値電圧を測定したところ、比較例2の炭化珪素素子のしきい値は2〜10Vの範囲でばらついているが、炭化珪素素子100のしきい値は3〜3.5Vと安定していることが確認できた。これは、以下の理由によるものと考えられる。   Subsequently, when the threshold voltage of silicon carbide element 100 and silicon carbide element of comparative example 2 was measured, the threshold value of silicon carbide element of comparative example 2 varied in the range of 2 to 10 V. It was confirmed that the threshold value of the element 100 was stable at 3 to 3.5V. This is considered to be due to the following reasons.

比較例2の炭化珪素素子では、p型ウェル領域の表面近傍におけるドーパント濃度が基板の表面方向に向かって減少しているために、p型ウェル領域と酸化膜との界面に一定の厚さを有するチャネル層が形成されず、しきい値電圧がばらつく。これに対し、炭化珪素素子100では、p型ウェル領域26の表面近傍におけるドーパント濃度がp型ウェル領域26の内部のドーパント濃度とほぼ等しいため、均一な厚さを有するチャネル層が形成され、安定したしきい値が得られる。   In the silicon carbide element of Comparative Example 2, since the dopant concentration in the vicinity of the surface of the p-type well region decreases toward the surface of the substrate, a constant thickness is applied to the interface between the p-type well region and the oxide film. The channel layer is not formed, and the threshold voltage varies. On the other hand, in silicon carbide element 100, since the dopant concentration in the vicinity of the surface of p-type well region 26 is substantially equal to the dopant concentration in p-type well region 26, a channel layer having a uniform thickness is formed and stable. The threshold value obtained is obtained.

以上の測定結果から明らかなように、炭化珪素層22を形成した後、イオン注入および活性化アニールを行う前に、減圧雰囲気でアニールすることにより炭化珪素層22の表面にカーボン層25を形成すると、その後の活性化アニール処理によって、平坦な表面(ステップ高さ:1nm以下)を維持したまま高い活性化率を実現できる。さらに、カーボン層25を除去することにより、炭化珪素層22の表面領域におけるドーパント濃度を従来よりも大幅に高めることができる。このように炭化珪素層22の表面特性を改善することによって、炭化珪素MOSFETの電気的特性や信頼性を向上できる。   As apparent from the above measurement results, when the carbon layer 25 is formed on the surface of the silicon carbide layer 22 by annealing in a reduced pressure atmosphere after the silicon carbide layer 22 is formed and before ion implantation and activation annealing are performed. By the subsequent activation annealing treatment, a high activation rate can be achieved while maintaining a flat surface (step height: 1 nm or less). Furthermore, by removing the carbon layer 25, the dopant concentration in the surface region of the silicon carbide layer 22 can be significantly increased as compared with the conventional case. Thus, by improving the surface characteristics of silicon carbide layer 22, the electrical characteristics and reliability of silicon carbide MOSFET can be improved.

本実施形態では反転型のMOSFETについて説明したが、蓄積型のMOSFETに本発明を適用しても同様の効果が得られる。また、MOSFETに限らず、基板表面でショットキー障壁を有するMESFETやショットキーダイオードなどの炭化珪素素子にも本発明を適用でき、本実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。   Although the inversion type MOSFET has been described in the present embodiment, the same effect can be obtained even if the present invention is applied to a storage type MOSFET. Further, the present invention can be applied not only to MOSFETs but also to silicon carbide elements such as MESFETs and Schottky diodes having a Schottky barrier on the substrate surface, and the same effects as those described in this embodiment can be obtained.

なお、前述した各実施形態では、キャップ層5を除去した後、炭化珪素層5の表面を更にエッチングする工程を行なっていないが、炭化珪素層5の表面領域における不純物濃度を調整する目的や、その他の理由により、炭化珪素層5の表面をエッチングしてもよい。   In each of the embodiments described above, the step of further etching the surface of the silicon carbide layer 5 is not performed after the cap layer 5 is removed, but the purpose of adjusting the impurity concentration in the surface region of the silicon carbide layer 5, For other reasons, the surface of silicon carbide layer 5 may be etched.

本発明によると、製造プロセスを複雑にすることなく、電気的特性に優れた信頼性の高い炭化珪素素子を提供できる。   According to the present invention, a highly reliable silicon carbide device having excellent electrical characteristics can be provided without complicating the manufacturing process.

本発明は、MOSFET、MESFET、ショットキーダイオードなどを含む種々の炭化珪素素子に広く適用できる。本発明の炭化珪素素子は、家電製品や自動車、電力輸送・変換装置、産業用機器などの各種電力・電気機器に使用可能な低損失パワーデバイスに用いられ得る。   The present invention can be widely applied to various silicon carbide elements including MOSFET, MESFET, Schottky diode and the like. The silicon carbide element of the present invention can be used for a low-loss power device that can be used for various electric power / electric equipment such as home appliances, automobiles, electric power transportation / conversion devices, and industrial equipment.

(a)〜(f)は、本発明による不純物ドープ層の形成方法を説明するための工程断面図である。(A)-(f) is process sectional drawing for demonstrating the formation method of the impurity dope layer by this invention. キャップ層としてカーボン層を用いてイオン注入を行う場合の不純物イオン注入層の状態を説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating the state of the impurity ion implantation layer in the case of performing ion implantation using a carbon layer as a cap layer. (a)〜(e)は、本発明による不純物ドープ層の形成方法を説明するための工程断面図である。(A)-(e) is process sectional drawing for demonstrating the formation method of the impurity doped layer by this invention. 本発明による実施形態で使用するアニール炉の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the annealing furnace used by embodiment by this invention. (a)〜(d)は、本発明による実施形態1の注入エピ基板の製造方法を説明するための工程断面図である。(A)-(d) is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the implantation epitaxial substrate of Embodiment 1 by this invention. (a)〜(c)は、本発明による実施形態2の炭化珪素素子の製造方法を説明するための工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the silicon carbide element of Embodiment 2 by this invention. (a)〜(c)は、本発明による実施形態2の炭化珪素素子の製造方法を説明するための工程断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the silicon carbide element of Embodiment 2 by this invention. (a)〜(d)は、従来の不純物ドープ層の形成方法を説明するための工程断面図である。(A)-(d) is process sectional drawing for demonstrating the formation method of the conventional impurity dope layer. MOSFETの一般的な構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the general structure of MOSFET. マクロステップのステップ高さおよびテラス幅を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the step height and terrace width of a macro step.

符号の説明Explanation of symbols

1、21、40 炭化珪素基板
2、22、41 炭化珪素層
3、44 不純物イオン
4 不純物イオン注入層
5、25 キャップ層(カーボン層)
6 不純物ドープ層
23 第1の不純物イオン注入層
24 第2の不純物イオン注入層
26、43 p型ウェル領域
27、48 n型ソース用コンタクト領域
28、50 ゲート絶縁膜
29、49 ソース電極
30、52 ドレイン電極
31、51 ゲート電極
32、47 n型ドリフト領域
33、34、42 イオン注入マスク
45、46 マクロステップ
10、90 注入エピ基板
100 炭化珪素素子
150 反応炉(チャンバー)
151 試料
152 サセプタ
153 サセプタ支持軸
154 コイル
155 アルゴンガス
156 炭化珪素の原料ガス
157 酸素ガス
158 ガス供給系
159 ガス排気系
160 排気ガス用配管
161 圧力調整バルブ
162 断熱材
1, 21, 40 Silicon carbide substrate 2, 22, 41 Silicon carbide layer 3, 44 Impurity ion 4 Impurity ion implantation layer 5, 25 Cap layer (carbon layer)
6 Impurity doped layer 23 First impurity ion implantation layer 24 Second impurity ion implantation layer 26, 43 p-type well region 27, 48 n-type source contact region 28, 50 Gate insulating film 29, 49 Source electrode 30, 52 Drain electrode 31, 51 Gate electrode 32, 47 N-type drift region 33, 34, 42 Ion implantation mask 45, 46 Macro step 10, 90 Implanted epitaxial substrate 100 Silicon carbide element 150 Reactor (chamber)
151 Sample 152 Susceptor 153 Susceptor support shaft 154 Coil 155 Argon gas 156 Silicon carbide source gas 157 Oxygen gas 158 Gas supply system 159 Gas exhaust system 160 Exhaust gas piping 161 Pressure adjustment valve 162 Heat insulating material

Claims (17)

(A)表面がキャップ層で覆われた炭化珪素層を有する基板を用意する工程と、
(B)前記キャップ層を介して前記炭化珪素層の少なくとも一部に不純物のイオンを注入して不純物ドープ層を形成する工程と、
(C)前記キャップ層で覆われた炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、
(D)前記基板から前記キャップ層を除去する工程と
を包含し、
前記工程(B)においては、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の80%以上となるように前記不純物イオンを注入する炭化珪素素子の製造方法。
(A) preparing a substrate having a silicon carbide layer whose surface is covered with a cap layer;
(B) forming an impurity doped layer by implanting impurity ions into at least part of the silicon carbide layer through the cap layer;
(C) performing activation annealing on the silicon carbide layer covered with the cap layer;
(D) removing the cap layer from the substrate,
In the step (B), the impurity ions are implanted so that the concentration of the impurity in the surface region of the silicon carbide layer is 80% or more of the maximum value of the concentration of the impurity in the silicon carbide layer. A method for manufacturing a silicon element.
前記キャップ層の厚さは10nm以上1μm以下である請求項1に記載の炭化珪素素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 1, wherein the cap layer has a thickness of 10 nm to 1 μm. 前記工程(A)は、前記炭化珪素層の表面をグラファイト化することによって前記キャップ層を形成する工程(A1)を含む、請求項1または2に記載の炭化珪素素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 1, wherein the step (A) includes a step (A1) of forming the cap layer by graphitizing a surface of the silicon carbide layer. 前記工程(A1)は、10-5Pa以上10Pa以下の圧力で行われる請求項3に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。 The said process (A1) is a manufacturing method of the silicon carbide semiconductor element of Claim 3 performed by the pressure of 10 < -5 > Pa or more and 10 Pa or less. 前記工程(A1)は、前記基板を1100℃以上1400℃以下の温度に加熱する工程を含む請求項3または4に記載の炭化珪素素子の製造方法。   The said process (A1) is a manufacturing method of the silicon carbide element of Claim 3 or 4 including the process of heating the said board | substrate to the temperature of 1100 degreeC or more and 1400 degrees C or less. 前記工程(A)は、前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程を含み、
前記炭化珪素層をエピタキシャル成長によって前記基板上に形成する工程と、前記工程(A1)とは、同一のチャンバー内で行われる請求項3から5のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。
The step (A) includes a step of forming the silicon carbide layer on the substrate by epitaxial growth,
The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 3, wherein the step of forming the silicon carbide layer on the substrate by epitaxial growth and the step (A1) are performed in the same chamber.
前記工程(D)は、前記基板を熱酸化する工程を含む請求項1から6のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 1, wherein the step (D) includes a step of thermally oxidizing the substrate. 前記工程(B)において、前記不純物のイオンを異なる加速エネルギーで複数回注入する請求項1から7のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 1, wherein in the step (B), the impurity ions are implanted a plurality of times with different acceleration energies. 前記工程(B)は、前記キャップ層の選択された領域を覆う注入マスクを形成する工程を含む請求項1から8のいずれかに記載の炭化珪素素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 1, wherein the step (B) includes a step of forming an implantation mask that covers a selected region of the cap layer. 前記工程(B)は、異なる注入マスクを用いて互いに異なる不純物イオンを注入する工程を含む請求項9に記載の炭化珪素素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 9, wherein the step (B) includes a step of implanting different impurity ions using different implantation masks. イオン注入により形成された不純物ドープ層を有する炭化珪素層を備えた基板を用意する工程と、
前記炭化珪素層の表面にグラファイト化によりキャップ層を形成する工程と、
前記炭化珪素層に対して活性化アニールを行う工程と、
前記基板から前記キャップ層を除去する工程と
を包含し、
前記キャップ層の厚さは、前記炭化珪素層の表面領域における前記不純物の濃度が、前記炭化珪素層内におけるイオンの濃度の最大値の80%以上となるように設定される炭化珪素素子の製造方法。
Preparing a substrate including a silicon carbide layer having an impurity doped layer formed by ion implantation;
Forming a cap layer by graphitization on the surface of the silicon carbide layer;
Performing activation annealing on the silicon carbide layer;
Removing the cap layer from the substrate,
The thickness of the cap layer is set so that the impurity concentration in the surface region of the silicon carbide layer is set to 80% or more of the maximum value of the ion concentration in the silicon carbide layer. Method.
前記キャップ層の前記厚さは10nm以上1μm以下である請求項11に記載の炭化珪素素子の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide element according to claim 11, wherein the thickness of the cap layer is not less than 10 nm and not more than 1 μm. 基板と、前記基板の上に形成された炭化珪素層とを備えた炭化珪素素子であって、
前記炭化珪素層は、イオン注入により形成された不純物ドープ層を有しており、
前記炭化珪素層の表面領域における不純物の濃度は、前記炭化珪素層内における前記不純物の濃度の最大値の80%以上であり、前記炭化珪素層の表面のステップの高さは0.1nm以上1nm以下であり、
前記ドープ層はノックオンされた炭素原子を含んでいる炭化珪素素子。
A silicon carbide element comprising a substrate and a silicon carbide layer formed on the substrate,
The silicon carbide layer has an impurity doped layer formed by ion implantation,
The impurity concentration in the surface region of the silicon carbide layer is 80% or more of the maximum value of the impurity concentration in the silicon carbide layer, and the step height of the surface of the silicon carbide layer is 0.1 nm or more and 1 nm. And
The silicon carbide device, wherein the doped layer contains knock-on carbon atoms.
前記炭化珪素層の少なくとも一部を覆う電極をさらに備えた請求項13に記載の炭化珪素素子。   The silicon carbide element according to claim 13, further comprising an electrode covering at least a part of the silicon carbide layer. 前記炭化珪素層と前記電極との間に絶縁層をさらに備えた請求項14に記載の炭化珪素素子。   The silicon carbide element according to claim 14, further comprising an insulating layer between the silicon carbide layer and the electrode. 前記炭化珪素層と前記電極とが接触しており、前記炭化珪素層および前記電極の界面の少なくとも一部はショットキー障壁を形成している請求項14に記載の炭化珪素素子。   The silicon carbide element according to claim 14, wherein the silicon carbide layer and the electrode are in contact with each other, and at least a part of an interface between the silicon carbide layer and the electrode forms a Schottky barrier. 前記ドープ層における前記ノックオンされた炭素原子の濃度は、前記不純物の濃度の0.01%以上10%以下である、請求項13から16のいずれかに記載の炭化珪素素子。   17. The silicon carbide element according to claim 13, wherein a concentration of the knocked-on carbon atom in the doped layer is 0.01% or more and 10% or less of the concentration of the impurity.
JP2004117111A 2004-04-12 2004-04-12 Silicon carbide element and its manufacturing method Pending JP2005303010A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004117111A JP2005303010A (en) 2004-04-12 2004-04-12 Silicon carbide element and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004117111A JP2005303010A (en) 2004-04-12 2004-04-12 Silicon carbide element and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005303010A true JP2005303010A (en) 2005-10-27

Family

ID=35334152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004117111A Pending JP2005303010A (en) 2004-04-12 2004-04-12 Silicon carbide element and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005303010A (en)

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008120469A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 Panasonic Corporation Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element
DE102008027106A1 (en) 2007-06-21 2008-12-24 Denso Corp., Kariya-shi Method for producing an SIC semiconductor device
EP2015348A2 (en) 2007-06-21 2009-01-14 Denso Corporation Method for manufacturing a SiC semiconductor device
WO2009080177A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-02 Siltronic Ag Method of manufacturing semiconductor substrate
US7569496B2 (en) 2006-04-03 2009-08-04 Denso Corporation Method for manufacturing SiC semiconductor device
JP2009212325A (en) * 2008-03-05 2009-09-17 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2009260115A (en) * 2008-04-18 2009-11-05 Mitsubishi Electric Corp Producing method of silicon carbide semiconductor device
JP2009541994A (en) * 2006-06-29 2009-11-26 クリー インコーポレイテッド Silicon carbide switching device including p-type channel and method of forming the same
JP2010140939A (en) * 2008-12-09 2010-06-24 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011023431A (en) * 2009-07-14 2011-02-03 Mitsubishi Electric Corp Method of fabricating silicon carbide semiconductor device
JP2011035257A (en) * 2009-08-04 2011-02-17 Showa Denko Kk Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011100967A (en) * 2009-07-21 2011-05-19 Rohm Co Ltd Semiconductor device
JP2011233780A (en) * 2010-04-28 2011-11-17 Kwansei Gakuin Univ Method of manufacturing semiconductor device
JP2012028446A (en) * 2010-07-21 2012-02-09 Kwansei Gakuin HEAT TREATMENT APPARATUS FOR SiC SEMICONDUCTOR WAFER
JP2012129492A (en) * 2010-11-26 2012-07-05 Mitsubishi Electric Corp Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2012146795A (en) * 2011-01-11 2012-08-02 Toyota Central R&D Labs Inc Manufacturing method of semiconductor device
CN102637581A (en) * 2012-04-06 2012-08-15 上海华力微电子有限公司 Method for preventing outgassing of boron doped layer
JP2012160544A (en) * 2011-01-31 2012-08-23 Toyota Motor Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
US20130023113A1 (en) * 2011-07-20 2013-01-24 National University Corporation NARA Institute of Science and Technology Method for manufacturing semiconductor device
US8653535B2 (en) 2010-09-06 2014-02-18 Panasonic Corporation Silicon carbide semiconductor device having a contact region that includes a first region and a second region, and process for production thereof
JP2014090045A (en) * 2012-10-30 2014-05-15 Sanken Electric Co Ltd Method for activating ion introduction layer, and method for manufacturing semiconductor device
JP2014096465A (en) * 2012-11-09 2014-05-22 Fuji Electric Co Ltd Silicon carbide mos semiconductor device manufacturing method
JP2014135422A (en) * 2013-01-11 2014-07-24 Toyota Motor Corp Semiconductor device manufacturing method
WO2015045628A1 (en) * 2013-09-25 2015-04-02 住友電気工業株式会社 Method for manufacturing silicon-carbide semiconductor device
JP2015115570A (en) * 2013-12-16 2015-06-22 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2017022423A (en) * 2011-11-30 2017-01-26 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device manufacturing method
CN113451513A (en) * 2020-03-24 2021-09-28 中国科学院化学研究所 Ultra-low energy ion implantation method
DE102011082289B4 (en) 2010-09-14 2023-04-06 Denso Corporation Method of manufacturing a SiC semiconductor device

Cited By (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7569496B2 (en) 2006-04-03 2009-08-04 Denso Corporation Method for manufacturing SiC semiconductor device
DE102007016085B4 (en) * 2006-04-03 2017-03-09 Denso Corporation Method for producing a MOSFET
JP2009541994A (en) * 2006-06-29 2009-11-26 クリー インコーポレイテッド Silicon carbide switching device including p-type channel and method of forming the same
US9552997B2 (en) 2006-06-29 2017-01-24 Cree, Inc. Silicon carbide switching devices including P-type channels
WO2008120469A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 Panasonic Corporation Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element
JPWO2008120469A1 (en) * 2007-03-29 2010-07-15 パナソニック株式会社 Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element
US7718519B2 (en) 2007-03-29 2010-05-18 Panasonic Corporation Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element
US8097530B2 (en) 2007-06-21 2012-01-17 Denso Corporation Method for manufacturing SIC semiconductor device
EP2015348A2 (en) 2007-06-21 2009-01-14 Denso Corporation Method for manufacturing a SiC semiconductor device
US7851382B2 (en) 2007-06-21 2010-12-14 Denso Corporation Method for manufacturing SiC semiconductor device
DE102008027106A1 (en) 2007-06-21 2008-12-24 Denso Corp., Kariya-shi Method for producing an SIC semiconductor device
WO2009080177A1 (en) * 2007-12-21 2009-07-02 Siltronic Ag Method of manufacturing semiconductor substrate
JP2009212325A (en) * 2008-03-05 2009-09-17 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2009260115A (en) * 2008-04-18 2009-11-05 Mitsubishi Electric Corp Producing method of silicon carbide semiconductor device
JP2010140939A (en) * 2008-12-09 2010-06-24 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011023431A (en) * 2009-07-14 2011-02-03 Mitsubishi Electric Corp Method of fabricating silicon carbide semiconductor device
US10446657B2 (en) 2009-07-21 2019-10-15 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
US11355609B2 (en) 2009-07-21 2022-06-07 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
US9601582B2 (en) 2009-07-21 2017-03-21 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
US10475894B2 (en) 2009-07-21 2019-11-12 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
JP2011100967A (en) * 2009-07-21 2011-05-19 Rohm Co Ltd Semiconductor device
US10797145B2 (en) 2009-07-21 2020-10-06 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
US9224825B2 (en) 2009-07-21 2015-12-29 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
US9911818B2 (en) 2009-07-21 2018-03-06 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
US11978778B2 (en) 2009-07-21 2024-05-07 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device
JP2011035257A (en) * 2009-08-04 2011-02-17 Showa Denko Kk Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011233780A (en) * 2010-04-28 2011-11-17 Kwansei Gakuin Univ Method of manufacturing semiconductor device
JP2012028446A (en) * 2010-07-21 2012-02-09 Kwansei Gakuin HEAT TREATMENT APPARATUS FOR SiC SEMICONDUCTOR WAFER
US8653535B2 (en) 2010-09-06 2014-02-18 Panasonic Corporation Silicon carbide semiconductor device having a contact region that includes a first region and a second region, and process for production thereof
DE102011082289B4 (en) 2010-09-14 2023-04-06 Denso Corporation Method of manufacturing a SiC semiconductor device
US8932944B2 (en) 2010-11-26 2015-01-13 Mitsubishi Electric Corporation Silicon carbide semiconductor device manufacturing method
JP2012129492A (en) * 2010-11-26 2012-07-05 Mitsubishi Electric Corp Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2012146795A (en) * 2011-01-11 2012-08-02 Toyota Central R&D Labs Inc Manufacturing method of semiconductor device
JP2012160544A (en) * 2011-01-31 2012-08-23 Toyota Motor Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
EP2736067A4 (en) * 2011-07-20 2015-07-08 Sumitomo Electric Industries Method for manufacturing semiconductor device
US20130023113A1 (en) * 2011-07-20 2013-01-24 National University Corporation NARA Institute of Science and Technology Method for manufacturing semiconductor device
JP2017022423A (en) * 2011-11-30 2017-01-26 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device manufacturing method
CN102637581A (en) * 2012-04-06 2012-08-15 上海华力微电子有限公司 Method for preventing outgassing of boron doped layer
JP2014090045A (en) * 2012-10-30 2014-05-15 Sanken Electric Co Ltd Method for activating ion introduction layer, and method for manufacturing semiconductor device
JP2014096465A (en) * 2012-11-09 2014-05-22 Fuji Electric Co Ltd Silicon carbide mos semiconductor device manufacturing method
US9437455B2 (en) 2013-01-11 2016-09-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Manufacturing method for semiconductor device
JP2014135422A (en) * 2013-01-11 2014-07-24 Toyota Motor Corp Semiconductor device manufacturing method
US9653297B2 (en) 2013-09-25 2017-05-16 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device by forming metal-free protection film
JP2015065316A (en) * 2013-09-25 2015-04-09 住友電気工業株式会社 Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
WO2015045628A1 (en) * 2013-09-25 2015-04-02 住友電気工業株式会社 Method for manufacturing silicon-carbide semiconductor device
JP2015115570A (en) * 2013-12-16 2015-06-22 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same
CN113451513A (en) * 2020-03-24 2021-09-28 中国科学院化学研究所 Ultra-low energy ion implantation method
CN113451513B (en) * 2020-03-24 2024-03-22 中国科学院化学研究所 Ultra-low energy ion implantation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2005303010A (en) Silicon carbide element and its manufacturing method
JP4418794B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element
EP1981076B1 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
US7569496B2 (en) Method for manufacturing SiC semiconductor device
US8697555B2 (en) Method of producing semiconductor device and semiconductor device
US7718519B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element
JP4666200B2 (en) Method for manufacturing SiC semiconductor device
JP4600438B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP5190451B2 (en) Annealing method of semiconductor device having silicon carbide substrate
JP2008108824A (en) Silicon-carbide semiconductor element and its manufacturing method
US20010046757A1 (en) Method for fabricating semiconductor device
JP2005039257A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2008205296A (en) Silicon carbide semiconductor element and its manufacturing method
US7867882B2 (en) Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
WO2009104299A1 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
JP2008004726A (en) Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2005005578A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP2004031471A (en) Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method
JP4042336B2 (en) Silicon carbide semiconductor element
JP2007027630A (en) Bipolar semiconductor device and its manufacturing method
JP2011023502A (en) Silicon carbide semiconductor device, method of manufacturing the same, and method of manufacturing silicon carbide epitaxial substrate
JP2008288482A (en) Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing the same
JP6853621B2 (en) Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device
JP2023000604A (en) Insulating gate type semiconductor device and method for manufacturing insulating gate type semiconductor device