CN101536162B - 制造碳化硅半导体装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制造SiC半导体装置的方法，该方法包括在SiC单晶体(4)的至少一部分表面中离子注入掺杂剂的步骤，在离子注入之后在SiC单晶体(4)的表面上形成Si膜(8)的步骤，以及将提供有Si膜(8)的SiC单晶体(4)加热至不低于Si膜(8)的熔化温度的温度的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造碳化硅半导体装置的方法，具体而言，本发明涉及未被碳污染、同时以稳定的方式抑制由台阶聚束(step bunching)引起的表面粗糙的制造SiC半导体装置的方法。
背景技术
碳化硅(SiC)具有在硅(Si)中看不到的特性。与Si相比，SiC具有约2-3倍宽的带隙，约10倍高的击穿电压，以及约10倍高的热导率。利用这些特性，近年来，期望包括SiC单晶体的SiC半导体装置被用于诸如克服包括Si的Si半导体装置的物理限制的功率器件或在高温下工作的耐环境器件的应用。
制造这样的SiC半导体装置的方法的示例例如公开于专利文献1(日本专利特开No.2001-68428)。在下文中，参照图14-18，将描述在专利文献1公开的制造SiC半导体装置的方法的示例。
首先，如图14中的示意性横截面图所示，由n型4H-SiC单晶体组成的外延层102外延地生长在底层101上，然后通过热氧化(pyrogenic oxidation)在外延层102上形成氧化物膜103，所述底层101是由n型4H-SiC单晶体组成的、偏离轴8°的(0001)Si面。
然后，如图15中的示意性横截面图所示，在氧化物膜103的表面上形成构图的光致抗蚀剂膜104之后，通过光致抗蚀剂膜104暴露的氧化物膜103由缓冲氢氟酸去除以暴露外延层102的表面。
随后，如图16中的示意性横截面图所示，在室温下对暴露的外延层102的表面执行硼离子105的离子注入，以在外延层102的表面中形成杂质区107。
然后，通过O2等离子体灰化来去除光致抗蚀剂膜104并且由缓冲的氢氟酸完全去除氧化物膜103。如图17中的示意性横截面图所示，然后通过利用甲烷的ECR-CVD方法，在外延层102的表面上形成厚度为约100nm的类金刚石碳膜106。
然后在1700℃下在氩气氛中进行退火30分钟以活化离子注入的硼。
如图18中的示意性横截面图所示，然后通过O2等离子体灰化来去除类金刚石碳膜106。
根据专利文献1的制造SiC半导体装置的方法，能够抑制在类金刚石碳膜106去除之后在外延层102的表面上由台阶聚束所引起的表面粗糙。
专利文献1：日本专利特开No.2001-68428
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，在上述专利文献1的制造SiC半导体装置的方法中，类金刚石碳膜106有时不能完全去除，如果类金刚石碳膜106不能完全去除，则出现这样的问题，即SiC半导体装置被碳污染。
此外，在上述专利文献1的制造SiC半导体装置的方法中，不容易形成具有适当密度的类金刚石碳膜106，并且如果类金刚石碳膜106的密度太低，则出现这样的问题，即不能充分抑制由台阶聚束所引起的表面粗糙。
考虑到上述情形，本发明的目的是提供制造未被碳污染的、同时以稳定的方式抑制由台阶聚束所引起的表面粗糙的SiC半导体装置的方法。
解决问题的手段
本发明提供一种制造SiC半导体装置的方法，该方法包括下列步骤：将掺杂剂离子注入到SiC单晶体的至少一部分表面中；在离子注入的SiC单晶体的表面上形成Si膜；以及将其上形成了Si膜的SiC单晶体加热至不低于Si膜的熔化温度的温度。根据该方法，能够制造未被碳污染的、同时以稳定的方式抑制由台阶聚束所引起的表面粗糙的SiC半导体装置。
此外，本发明提供一种制造SiC半导体装置的方法，该方法包括下列步骤：在SiC单晶体的至少一部分表面中离子注入掺杂剂；将离子注入后的SiC单晶体加热至不小于使经过离子注入而注入的掺杂剂活化的温度的温度；在加热的SiC单晶体的表面上形成Si膜；以及将在其上形成了Si膜的SiC单晶体加热至不小于Si膜的熔化温度的温度。根据该方法，能够制造未被碳污染的、同时以稳定的方式抑制由台阶聚束所引起的表面粗糙的SiC半导体装置。
此外，本发明提供一种制造SiC半导体装置的方法，该方法包括下列步骤：在SiC单晶体的至少一部分表面中离子注入掺杂剂；在离子注入的SiC单晶体的表面上形成Si膜；以及将在其上形成了Si膜的SiC单晶体加热至不小于Si膜的熔化温度的温度以及不小于使经过离子注入而注入的掺杂剂活化的温度的温度。根据该方法，能够更有效地制造未被碳污染的、同时以稳定的方式抑制由台阶聚束所引起的表面粗糙的SiC半导体装置。
发明效果
根据本发明，可以提供一种制造未被碳污染的、同时以稳定的方式抑制由台阶聚束所引起的表面粗糙的SiC半导体装置的方法。
由此，根据本发明，能够抑制由表面粗糙产生的载流子陷阱、泄漏通道或电场集中的发展。因此，可以制造可靠性提高的SiC半导体装置。
附图说明
图1是示出制造根据本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图2是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图3是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图4是示出制造本发明SiC的半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图5是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图6是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图7是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图8是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图9是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图10是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图11是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图12是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图13是示出制造本发明的SiC半导体装置的方法的另一个示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图14是示出制造SiC半导体装置的传统方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图15是示出制造SiC半导体装置的传统方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图16是示出制造SiC半导体装置的传统方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图17是示出制造SiC半导体装置的传统方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
图18是示出制造SiC半导体装置的传统方法的示例的一部分制造过程的示意性横截面图。
附图标记说明
1：SiC基板，2：p-型SiC层，3：n型SiC层，4：p型SiC层，5a和5b：离子注入阻止膜，6和7：离子注入区域，6a：n+层，7a：p+层，8：Si膜，9：牺牲氧化物膜，10：场氧化物膜，11a、11b和11c：欧姆电极，12a：源电极，12b：栅电极，12c：漏电极，30a和30b：开口，101：底层，102：外延层，103：氧化物膜，104：光致抗蚀剂膜，105：硼离子，106：类金刚石碳膜，107：杂质区。
具体实施方式
下文描述本发明的实施例。注意在本发明的附图中，相同或相应的元件具有分配的相同的附图标记。
(实施例1)
参照图1-12，将在下文中描述制造结型场效应晶体管的方法的示例，该结型场效应晶体管是SiC半导体装置的示例。
首先，如图1中的示意性横截面图所示，在由n型SiC单晶体组成的SiC基板1上，按照以下顺序外延地生长有：用作第一个第一导电型SiC层的p-型SiC层2，该p-型SiC层例如由p型SiC单晶体组成；用作第二导电型SiC层的n型SiC层3，该n型SiC层例如由n型SiC单晶体组成；以及用作第二个第一导电型SiC层的p型SiC层4，该p型SiC层例如由p型SiC单晶体组成。p-型SiC层2的载流子浓度被设定为低于p型SiC层4的载流子浓度。
随后，如图2中的示意性横截面图所示，在预定区域中具有开口30a的离子注入阻止膜5a形成在p型SiC层4的表面上，以及诸如磷的n型掺杂剂的离子被离子注入到经过开口30a暴露的p型SiC层4的表面中。因而，n型掺杂剂离子注入区域6形成在p型SiC层4的表面上。此后，去除离子注入阻止膜5a。
随后，如图3中的示意性横截面图所示，在与具有n型掺杂剂离子的离子注入区域6不同的区域中具有开口30b的离子注入阻止膜5b形成在p型SiC层4的表面上，以及诸如铝这样的p型掺杂剂的离子被离子注入到通过开口30b而暴露的p型SiC层4的表面中。因而，p型掺杂剂离子注入区域7形成在p型SiC层4的表面中。此后，去除离子注入阻止膜5b。
然后，如图4中的示意性横截面图所示，在例如氩的惰性气体氛围中，通过将n型SiC层3和p型SiC层4加热(活化退火)至不小于使经过离子注入而注入的掺杂剂活化的温度的温度(例如，不低于1500℃且不高于1800℃)，具有n型掺杂剂的离子注入区域6变成用作n型层的n+层6a，具有p型掺杂剂的离子注入区域7变成用作p型层的p+层7a。
然而，如图4中的示意性横截面图所示，在n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面上活化退火之后，出现了由台阶聚束引起的表面粗糙。
如图5中的示意性横截面图所示，然后通过溅射方法在n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面上形成Si膜8，以及在诸如氩的惰性气体气氛中将Si膜8以及在其上形成了Si膜8的n+层6a、p+层7a和p型SiC层4加热至不小于Si膜8的熔化温度的温度(例如，不低于1300℃且不高于1700℃)。因而，如图6中的示意性横截面图所示，利用熔化的Si膜8对n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面进行再组成，并且将n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面再组成为台阶状平滑表面。由于Si由熔化的Si膜8供应至n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面，碳由n+层6a、p+层7a和p型SiC层4供应，使得SiC在n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面处被再组成，从而认为发生了再组成。
如图7中的示意性横截面图所示，然后通过浸入硝酸/氟化氢溶液等中，去除在n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面上的Si膜8。
如图8中的示意性横截面图所示，然后通过在1150℃下在氧气氛围中加热p型SiC层4的表面例如90分钟，在n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面上形成牺牲氧化物膜9。然后通过浸入硝酸/氟化氢溶液等中，从n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面去除牺牲氧化物膜9。因而，能够去除在该过程中到目前为止在n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面附近产生的损伤。
然后，如图9中的示意性横截面图所示，通过在1300℃下在氧气氛围中加热n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面40分钟，在n+层6a、p+层7a和p型SiC层4的表面上形成场氧化物膜10。
此后，如图10中的示意性横截面图所示，利用光刻技术在一部分场氧化物膜10中提供多个开口，以从场氧化物膜10的开口暴露n+层6a的表面或p+层7a的表面。
随后，如图11中的示意性横截面图所示，利用剥离方法等，在n+层6a的表面上和p+层7a的表面上形成例如由镍制成的欧姆电极11a、11b和11c。
然后，如图12中的示意性横截面图所示，利用剥离方法等，在欧姆电极11a上形成例如由铝制成的源电极12a，在欧姆电极11b上形成例如由铝制成的栅电极12b，以及在欧姆电极11c上形成例如由铝制成的漏电极12c。
通过将在其上形成了源电极12a、栅电极12b和漏电极12c的晶片分成各个元件，然后能够获得作为SiC半导体装置的结型场效应晶体管。
当以这样的方式获得结型场效应晶体管时，在制造过程中未采用类金刚石碳膜。因此，结型场效应晶体管未被碳污染。
此外，在以这样的方式获得的结型场效应晶体管中以稳定的方式抑制由台阶聚束引起的表面粗糙，因为表面利用Si膜再组成。因此，在该结型场效应晶体管中能够抑制由表面粗糙产生的载流子陷阱、泄漏通道或电场集中的发展，使得结型场效应晶体管具有提高的可靠性。
(实施例2)
将在下文中描述制造结型场效应晶体管的方法的另一个实施例，该结型场效应晶体管是SiC半导体装置的实施例。该实施例的特征在于，在一个步骤中进行活化退火和利用Si膜对p型SiC层表面的再组成。
首先，如图1-3所示，在SiC基板1上以如下顺序外延地生长有：p-型SiC层2、n型SiC层3和p型SiC层4，然后通过离子注入在p型SiC层4的一部分表面中形成具有n型掺杂剂的离子注入区域6和具有p型掺杂剂的离子注入区域7，接着此后去除离子注入阻止膜5b。到目前为止该过程与实施例1的过程相同。
如图13中的示意性横截面图所示，例如通过溅射方法，在具有n型掺杂剂的离子注入区域6、具有p型掺杂剂的离子注入区域7和p型SiC层4的表面上形成Si膜8。
随后，在例如氩的惰性气体气氛中，将Si膜8以及在其上形成了Si膜8的离子注入区域6、离子注入区域7和p型SiC层4加热至不小于Si膜8的熔化温度的温度并且不小于使经过离子注入而注入的掺杂剂活化的温度的温度。例如，可以将Si膜8以及在其上形成了Si膜8的离子注入区域6、离子注入区域7和p型SiC层4加热至不小于1500℃且不大于1800℃的温度。
因而，执行经过离子注入而注入的掺杂剂的活化和利用熔化的Si膜8对p型SiC层4的表面的再组成，使得在活化退火之后由台阶聚束引起的在p型SiC层4的表面上的表面粗糙受到抑制，以及p型SiC层4的表面变成台阶状平滑表面，例如，如图6所示，具有n型掺杂剂的离子注入区域6变成用作n型层的n+层6a，并且具有p型掺杂剂的离子注入区域7变成用作p型层的p+层7a。
在下文中，通过执行与如图7-12所示的实施例1相同的过程，获得作为SiC半导体装置的结型场效应晶体管。
在该实施例中，因为能够在一个步骤中执行活化退火和利用Si膜的SiC单晶体的表面再组成，所以可以更有效地制造SiC半导体装置。另外的说明与实施例1中相同。
示例
首先，通过CVD(化学气相沉积)方法，由p型4H-SiC单晶体组成的p型SiC层(层厚度：10μm，载流子浓度：1×1016cm-3)、由n型4H-SiC单晶体组成的n型SiC层(层厚度：0.4μm，载流子浓度：2×1017cm-3)和由p型4H-SiC单晶体组成的p型SiC层(层厚度：0.3μm，载流子浓度：2×1017cm-3)以这样的顺序外延地生长在SiC基板的表面上，所述SiC基板是由p型4H-SiC单晶体组成的、偏离轴8°的(0001)Si面。
接着，通过EB(电子束)气相沉积方法，在p型SiC层的表面上将铝膜气相沉积至3μm的厚度。然后，利用光刻技术，在铝膜上形成被构图为在预定区域中具有开口的光致抗蚀剂膜。然后通过湿法蚀刻来蚀刻经过开口暴露的铝膜，以通过开口暴露p型SiC层的表面。随后，通过完全去除光致抗蚀剂膜，形成在预定区域中具有开口、由铝膜组成的离子注入阻止膜。
随后，作为n型掺杂剂的磷的离子被离子注入到上述离子注入阻止膜的开口中。以50-300keV的加速能量和1×1014cm-2的剂量注入磷离子。在离子注入之后，通过湿法蚀刻完全去除离子注入阻止膜。
再次通过EB气相沉积方法，在磷离子注入区域和p型SiC层的表面上将铝膜气相沉积至3μm的厚度。然后，利用光刻技术，在铝膜上形成被构图为在不同于上述区域的位置中具有开口的光致抗蚀剂膜。然后通过湿法蚀刻来蚀刻通过开口暴露的铝膜，以经过开口暴露p型SiC层的表面。随后，通过完全去除光致抗蚀剂膜，形成由在不同于磷离子注入区域的位置中具有开口的铝膜所实现的离子注入阻止膜。
随后，作为p型掺杂剂的铝的离子被离子注入到上述离子注入阻止膜的开口中。以40-300keV的加速能量和4×1014cm-2的剂量注入铝离子。在离子注入之后，通过湿法蚀刻来完全去除离子注入阻止膜。
在上述离子注入之后，通过在氩气氛中将磷离子注入区域、铝离子注入区域和p型SiC层加热至1500℃-1800℃的温度以进行活化退火，使已经离子注入的磷和铝活化，使得磷离子注入区域变成n+层以及铝离子注入区域变成p+层。
在活化退火之后，然后通过溅射方法，在n+层、p+层和p型SiC层的表面上，将Si膜形成为0.1μm的厚度。随后通过在氩气氛中，将Si膜以及在其上形成了Si膜的n+层、p+层和p型SiC层加热至1300℃-1700℃的温度，n+层、p+层和p型SiC层的表面被再组成，并且n+层、p+层和p型SiC层的表面从在活化退火之后由台阶聚束引起的粗糙状态变成台阶状平滑表面的状态。在n+层、p+层和p型SiC层的表面的再组成之后，通过浸入硝酸/氟化氢溶液中来完全去除Si膜。
随后，在去除Si膜之后，通过在1150℃下在氧气氛中加热n+层、p+层和p型SiC层的表面90分钟，在n+层、p+层和p型SiC层的表面上形成牺牲氧化物膜。然后通过浸入硝酸/氟化氢溶液中，去除在n+层、p+层和p型SiC层的表面上的牺牲氧化物膜。
在去除牺牲氧化物膜之后，然后通过在1300℃下在氧气氛中加热n+层、p+层和p型SiC层的表面40分钟，在n+层、p+层和p型SiC层的表面中形成场氧化物膜。
利用光刻技术，在一部分场氧化物膜中提供多个开口，以通过场氧化物膜的开口来暴露n+层的表面或p+层的表面。然后通过EB气相沉积方法，在场氧化物膜、n+层和p+层的表面上气相沉积厚度为0.1μm的镍膜。在通过剥离方法去除一部分气相沉积的镍膜之后，通过在1000℃下在氩气氛中执行热处理2分钟，在n+层的表面和p+层的表面上形成由镍膜实现的欧姆电极。
然后利用光刻技术，形成在与形成上述欧姆电极的位置相对应的位置中具有开口的光致抗蚀剂膜。通过EB气相沉积方法，在光致抗蚀剂膜的整个表面上，气相沉积厚度为1.5μm的铝膜。
通过剥离方法去除一部分气相沉积的铝膜，在n+层表面上的欧姆电极上形成源电极或漏电极，以及在p+层表面上的欧姆电极上形成栅电极。
通过将在其上形成了源电极、栅电极和漏电极的晶片分成各个元件，获得作为SiC半导体装置的结型场效应晶体管。
证实了在该实施例中获得的结型场效应晶体管未被碳污染，同时由台阶聚束引起的表面粗糙受到抑制。因此，在该实施例中获得的结型场效应晶体管认为是高度可靠的，因为它能够减少由表面粗糙产生的载流子陷阱、泄漏通道或电场集中的发展。
本文中公开的实施例和示例在所有方面都作为示例，而不应当理解为限制性的。本发明的范围不是由上述说明书确定，而是由所附的权利要求书确定，并且意在包括在与权利要求书的含义和范围等价的含义和范围内的所有修改。
工业实用性
根据本发明，可以提供一种制造未被碳污染的、同时以稳定的方式抑制由台阶聚束引起的表面粗糙的SiC半导体装置的方法。
Claims (3)
1.一种制造碳化硅半导体装置的方法，所述方法包括下列步骤：
将掺杂剂离子注入到碳化硅单晶体(4)的至少一部分表面中；
在离子注入后的所述碳化硅单晶体(4)的表面上形成硅膜(8)；
将其上形成有所述硅膜(8)的所述碳化硅单晶体(4)加热至不低于所述硅膜(8)的熔化温度的温度；以及
将离子注入后的所述碳化硅单晶体加热至不小于使经过离子注入而注入的所述掺杂剂活化的温度的温度。
2.一种制造碳化硅半导体装置的方法，所述方法包括下列步骤：
将掺杂剂离子注入到碳化硅单晶体(4)的至少一部分表面中；
将离子注入后的所述碳化硅单晶体(4)加热至一温度：该温度不低于使得通过离子注入而注入的所述掺杂剂发生活化的温度；
在加热后的所述碳化硅单晶体(4)的表面上形成硅膜(8)；以及
将其上形成有所述硅膜(8)的所述碳化硅单晶体(4)加热至不低于所述硅膜(8)的熔化温度的温度。
3.一种制造碳化硅半导体装置的方法，所述方法包括下列步骤：
将掺杂剂离子注入到碳化硅单晶体(4)的至少一部分表面中；
在离子注入后的所述碳化硅单晶体(4)的表面上形成硅膜(8)；以及
将其上形成有所述硅膜(8)的所述碳化硅单晶体(4)加热至一温度：该温度不低于所述硅膜(8)的熔化温度，且不低于使得通过离子注入而注入的掺杂剂发生活化的温度。
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