CN104425215B - SiC半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够通过4探针法测定电阻值的SiC半导体装置的制造方法。本发明所涉及的SiC半导体装置的制造方法具有：工序(a)，其向SiC衬底的表面层注入大于或等于1×1020cm‑3浓度的杂质；工序(b)，其在工序(a)之后，在SiC衬底的表面形成石墨膜；工序(c)，其在工序(b)之后，通过对SiC衬底进行退火处理而使杂质活性化；工序(d)，其在工序(c)之后，将石墨膜去除；工序(e)，其在工序(d)之后，将SiC衬底的表面氧化而形成氧化膜；工序(f)，其将氧化膜去除；以及工序(g)，其在工序(f)之后，对该SiC衬底通过4探针法进行电阻值的测定。

Description

SiC半导体装置的制造方法
技术领域
本发明涉及一种SiC半导体装置的制造方法，特别是涉及能够通过4探针法测定电阻值的SiC半导体装置的制造方法。
背景技术
在SiC(碳化硅)半导体装置的制造工序中使用的活性化退火装置，在大于或等于1600℃的温度下实施退火处理。在现有的Si(硅)半导体装置中，退火的温度最大也就是1300℃左右为止，向热处理装置的内部插入热电偶(例如，JIS标准的R类型或者B类型的热电偶)而进行温度校正。
在利用活性化退火装置在大于或等于1600℃的高温下进行热处理的情况下，能够通过钨·铼(W-Re)合金的热电偶进行温度校正，但是，由于热电偶的氧化而引起素线劣化。由此，如果将热电偶2次左右插入高温热气氛中，则由于劣化导致在素线上发生断线，因此，很难稳定地进行活性化退火装置的温度校正管理。
另外，对于衬底表面内的温度分布的测定，通过使用该热电偶的方法对带有热电偶的衬底进行测定。但是，将热电偶的素线向SiC衬底焊接的方法问题较多，难以管理应用。因此，在现有的应用中，使用下述方法，即，利用SiC衬底制成简单的图案衬底，对该衬底的C-V特性(电容电压特性)进行测定而算出衬底中的受主浓度，并置换为温度换算值。上述简单的图案衬底通过下述的工序进行制造。
首先，为了在衬底表面层上形成P型层，向SiC衬底注入Al(铝)。然后，作为退火处理的前处理，在衬底表面形成保护膜(例如石墨膜)。然后，为了使注入的杂质活性化，通过活性化退火装置在大于或等于1600℃的高温下实施退火处理。然后，将保护膜去除，在SiC衬底表面形成圆筒状的Al电极。对于SiC衬底的杂质注入、退火处理等,例如参照专利文献1、专利文献2。
对通过上述的工序而形成的SiC衬底实施C-V测定，算出衬底中的Al受主浓度，通过将其换算为温度而进行温度校正。
专利文献1：日本特开2012－231037号公报
专利文献2：日本特开2012－248648号公报
在上述现有的SiC半导体装置的制造方法中所应用的、简单的图案衬底的制造工序中，由于包含Al电极形成、图案化等很多其他工艺，因此，存在制造工序数增多的问题。
另外，衬底的面内测定也仅能够在形成有电极的部位进行测定，无法在没有电极的部分进行测定，因此，测定部位存在限制，无法实施温度的详细的表面内分布分析。
作为该监视方法的替代方法，如果能够利用在Si器件的热处理装置中所采用的4探针薄层电阻测定器对SiC衬底实施测定，则能够对衬底上的所有部位进行测定，而不需要进行Al电极的形成。但是，SiC衬底本身非常硬，无法取得与针的触点，因此，成为无法实施测定的状况。
发明内容
本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种能够通过4探针法进行电阻值的测定的SiC半导体装置的制造方法。
本发明所涉及的SiC半导体装置的制造方法具有：工序(a)，在该工序中，向SiC衬底的表面层注入大于或等于1×1020cm-3浓度的杂质；工序(b)，在该工序中，在工序(a)之后，在SiC衬底的表面形成石墨膜；工序(c)，在该工序中，在工序(b)之后，通过对SiC衬底进行退火处理而使杂质活性化；工序(d)，在该工序中，在工序(c)之后，将石墨膜去除；工序(e)，在该工序中，在工序(d)之后，将SiC衬底的表面氧化而形成氧化膜；工序(f)，在该工序中，将氧化膜去除；以及工序(g)，在该工序中，在工序(f)之后，对该SiC衬底通过4探针法进行电阻值的测定。
发明的效果
根据本发明所涉及的SiC半导体装置的制造方法，能够制造SiC衬底，该SiC衬底能够通过4探针法对薄层电阻进行测定，因此，能够不需要在衬底上形成电极，而通过最小限的工序数制成温度测定用SiC衬底。另外，制成的温度测定用的SiC衬底无论对衬底上的哪个部位都可以进行测定，因此，能够在衬底表面内进行更多点的测定，能够确认衬底表面内的温度分布趋势。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的SiC半导体装置的制造方法的流程图。
图2是表示实施方式1所涉及的SiC衬底的距离表面的深度与杂质浓度的关系的图。
图3是表示实施方式1所涉及的薄层电阻值与衬底表面温度的相互关系的图。
图4是表示现有技术所涉及的受主浓度与衬底表面温度的相互关系的图。
图5是表示实施方式1所涉及的薄层电阻与受主浓度的相互关系的图。
图6是现有技术所涉及的图案衬底的俯视图。
图7是现有技术所涉及的图案衬底的剖面图。
标号的说明
1背面电极，2SiC衬底，3P型层，4Al电极。
具体实施方式
在SiC半导体装置的制造工序中，包含对SiC衬底进行退火处理的工序。退火处理在大于或等于1600℃的高温下进行，但是，需要在该退火处理中监视SiC衬底的温度。如上面所述，作为温度监视手段，优选对SiC衬底应用4探针法。
在本实施方式中的SiC半导体装置的制造方法中，作为温度监视手段所适用的SiC衬底，是能够使用4探针薄层电阻测定器而测定电阻值的SiC衬底，该4探针薄层电阻测定器在现有的Si类热处理装置中使用。本实施方式中的SiC半导体装置的制造方法包含温度监视工序。温度监视工序具有：制造温度监视用的SiC衬底(下面简称为SiC衬底)的工序，该SiC衬底作为用于进行温度监视的样本衬底；以及通过4探针法对制造出的SiC衬底测定电阻值而得到温度的工序。
图1是表示SiC半导体装置的制造方法的流程图，特别是详细表示在该制造方法中实施的温度监视工序的流程图。使用图1所示的温度监视工序的流程图，对温度监视工序的各工序进行说明。首先，在图1的步骤S01中，为了在SiC衬底表面层上形成P型层，向SiC衬底表面注入杂质(例如Al)。在步骤S01中，Al的注入以衬底表面层(衬底深度为50nm左右)的浓度大于或等于1×1020cm-3的方式进行。在小于或等于1×1020cm-3的浓度中，无法取得与针的触点，从而在4探针法测定时无法得出测定值。
图2是SiC衬底的曲线(距离表面的深度与杂质浓度的关系)。使注入能量在40keV、70keV、150keV这3个等级变化而通过离子注入法进行Al离子的注入。作为结果，如图2所示，在距离表面的深度是50nm附近，杂质浓度大于或等于1×1020cm-3。
此外，在本实施方式中，作为杂质将Al注入。不限定于Al，认为即使是其他的杂质也可以得到相同的效果，但是，作为向SiC衬底的通常的P型层的形成方法而采用Al注入。特别是，优选向N型的SiC衬底形成PN结的P型的杂质。
然后，在图1的步骤S02中，在SiC衬底表面形成保护膜。形成保护膜是为了防止在之后的步骤S03的退火处理中，向SiC衬底注入的杂质从表面进行热扩散。为了能承受大于或等于1600℃的高温，作为保护膜形成石墨膜。
石墨膜也可以通过将保护液涂敷在衬底表面而形成，该保护液在照相制版工艺中使用。但是，例如，如果对通过保护而形成的石墨膜在1850℃～1900℃的温度区域实施退火处理，则由于高温导致在局部产生升华，因此，产生出注入的Al不被保护的部分。
因此，在本实施方式中，通过减压CVD法，利用使乙醇气化而成的气体在大于或等于950℃的处理温度下形成石墨膜。通过该方法，能够形成致密的膜，因此，即使在更高温的温度区域，也能够作为保护膜使用。另外，优选膜厚形成大于或等于30nm。这是由于，如果膜厚小于30nm，则由于高温导致在局部产生升华而产生Al不被保护的部分。
然后，在图1的步骤S03中，对SiC衬底实施退火处理。通过在大于或等于1600℃下进行热处理，从而使在步骤S01中向SiC衬底的表面层注入的杂质(Al)活性化。
然后，在步骤S04中，将在SiC衬底表面形成的石墨膜去除。石墨膜通过O2等离子气体，使用脱除装置而进行除膜。脱除装置能够应用在Si衬底的制造时使用的装置。
如果是Si衬底，则能够在将退火处理之前形成的保护膜(所谓罩膜)去除之后，通过4探针法进行电阻值的测定。但是，在本实施方式的SiC衬底中，即使在石墨膜去除之后实施通过4探针法进行的电阻值测定，由于SiC衬底表面的原子排列散乱，也无法取得与针的触点。另外，如图2所示，SiC衬底最外表面的杂质浓度小于或等于1×1020cm-3，因此，需要将该表面层去除。
根据上述的理由，在图1的步骤S05、S06中进行SiC衬底的表面层的去除。首先，在步骤S05中对SiC衬底表面层实施热氧化。热氧化为了提高氧化速度，在大于或等于1150℃的水蒸气气氛中进行。从SiC衬底表面开始将大于或等于30nm而小于或等于40nm的深度范围氧化。
然后，在步骤S06中进行氧化膜的蚀刻。将在步骤S05中形成的氧化膜通过氟化氢(HF)去除。通过步骤S05、S06，距离衬底表面的深度是30～40nm的部分作为最外层表面而露出。经过上述的工序(步骤S01～S06)，完成温度测定用的SiC衬底。
然后，在步骤S07中，对温度测定用的SiC衬底通过4探针薄层电阻测定器进行薄层电阻值的测定。薄层电阻测定器虽然是在Si器件中使用的测定器，但是也能够在此使用。在这里，薄层电阻测定器，优选能够通过步进电动机等以一定压力控制针上下动作驱动系统，以使得为了提高测定值的再现性而能够管理针压。特别是在SiC衬底的情况下，结晶本身较硬，因此，通过一定的针压进行测定很重要。
图3表示制成的SiC衬底的薄层电阻值、与SiC衬底的衬底表面温度的相互关系图。图3的横轴的衬底表面温度是将通过退火装置设定的处理温度置换为衬底表面温度的推定值。在图3中，在薄层电阻值和衬底表面温度之间取线性近似。
能够通过4探针法测定SiC衬底的薄层电阻值(步骤S07)，通过参照图3将薄层电阻值换算为衬底表面温度，从而求得大于或等于1600℃的高温区域的衬底表面温度(步骤S08)。
另外，图4表示在现有的图案衬底上测定出的Al受主浓度、与衬底表面温度的相互关系图。图4的横轴的衬底表面温度与图3相同，是将通过退火装置设定的处理温度置换为衬底表面温度的推定值。图4的纵轴是Al受主浓度值，横轴是衬底表面温度，在它们之间取线性近似。
因此，能够经由图3以及图4中的共通的衬底表面温度，将薄层电阻值与Al受主浓度建立关系(图5)。如图5所示，在薄层电阻值与Al受主浓度之间，线性的相互关系成立。这意味着下述情况，即，能够通过与现有的根据Al受主浓度求得衬底表面温度相同的换算方法，根据薄层电阻值求得衬底表面温度。
此外，图4示出的Al受主浓度与衬底表面温度的关系，如背景技术所述，可以通过对形成有Al电极的图案衬底进行C-V测定而得到。图6表示图案衬底的俯视图。另外，图7表示沿图6中的线段AB的剖面图。如图6所示，Al电极4例如是圆筒状。图案衬底由形成在SiC衬底2的表面层的P型层3、以圆筒状形成在P型层3的表面的Al电极4、形成在衬底背面的背面电极1构成。在C-V测定中，分别使针与Al电极4的电极内侧和外侧进行接触。
<效果>
本实施方式中的SiC半导体装置的制造方法具有：工序(a)，在该工序中，向SiC衬底的表面层注入大于或等于1×1020cm-3浓度的杂质；工序(b)，在该工序中，在工序(a)之后，在SiC衬底的表面形成石墨膜；工序(c)，在该工序中，在工序(b)之后，通过对SiC衬底进行退火处理而使杂质活性化；工序(d)，在该工序中，在工序(c)之后，将石墨膜去除；工序(e)，在该工序中，在工序(d)之后，将SiC衬底的表面氧化而形成氧化膜；工序(f)，在该工序中，将氧化膜去除；以及工序(g)，在该工序中，在工序(f)之后，通过4探针法对SiC衬底进行电阻值的测定。
因此，通过本制造工序，能够制造SiC衬底，该SiC衬底能够通过4探针法进行薄层电阻的测定，因此，能够不需要在衬底上形成电极，而通过最小限的工序数制成温度测定用SiC衬底。另外，制成的温度测定用SiC衬底无论对衬底上的哪个部位都可以进行测定，因此，能够在衬底表面内进行更多点的测定，能够确认衬底表面内的温度分布趋势。
另外，本实施方式中的SiC半导体装置的制造方法具有温度监视工序，其特征在于，温度监视工序具有所述工序(a)～(g)，所述工序(a)～(g)中的SiC衬底是温度监视用的SiC衬底。
因此，能够在温度监视工序中，通过最小限的工序数制成温度测定用的SiC衬底。另外，制成的温度测定用SiC衬底无论对衬底上的哪个部位都可以进行测定，因此，能够确认衬底表面内的温度分布趋势。
另外，在本实施方式中的SiC半导体装置的制造方法中，工序(a)中的杂质是铝。因此，作为向SiC衬底的P型层注入，通常使用Al，特别是，对于N型的SiC衬底，优选用于形成PN结的P型的杂质。
另外，在本实施方式中的SiC半导体装置的制造方法中，其特征在于，在工序(b)中形成的石墨膜的膜厚大于或等于30nm，工序(c)中的退火处理在大于或等于1600℃下进行。
因此，通过使注入杂质后的SiC衬底的表面被具有大于或等于30nm的膜厚的石墨膜覆盖，即使在大于或等于1600℃的高温下进行退火处理，也能够防止退火处理中的杂质的热扩散。
另外，在本实施方式中的SiC半导体装置的制造方法中，其特征在于，工序(e)中的氧化膜是在大于或等于1150℃的水蒸气气氛中形成的，氧化膜的膜厚大于或等于30nm而小于或等于40nm。
因此，通过将氧化膜在大于或等于1150℃的水蒸气气氛中形成，从而能够进一步加速氧化膜形成的速度。另外，通过将氧化膜的膜厚控制在大于或等于30nm而小于或等于40nm的范围内，当去除氧化膜时，能够将受主浓度大于或等于1×1020cm-3的区域向表面露出。
此外，本发明能够在该发明的范围内将实施方式适当地变形、省略。

Claims (6)

1.一种SiC半导体装置的制造方法，其具有：
工序(a)，在该工序中，向SiC衬底的表面层注入大于或等于1×1020cm-3浓度的杂质；
工序(b)，在该工序中，在所述工序(a)之后，在所述SiC衬底的表面形成石墨膜；
工序(c)，在该工序中，在所述工序(b)之后，通过对所述SiC衬底进行退火处理而使所述杂质活性化；
工序(d)，在该工序中，在所述工序(c)之后，将所述石墨膜去除；
工序(e)，在该工序中，在所述工序(d)之后，将所述SiC衬底的表面氧化而形成氧化膜；
工序(f)，在该工序中，将所述氧化膜去除；以及
工序(g)，在该工序中，在所述工序(f)之后，对该SiC衬底以通过直接接触而实施的4探针法进行电阻值的测定。
2.根据权利要求1所述的SiC半导体装置的制造方法，其中，
所述工序(a)中的所述杂质是铝。
3.根据权利要求1所述的SiC半导体装置的制造方法，其特征在于，
在所述工序(b)中形成的所述石墨膜的膜厚大于或等于30nm，
所述工序(c)中的所述退火处理在大于或等于1600℃下进行。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的SiC半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(e)中的所述氧化膜在大于或等于1150℃的水蒸气气氛中形成，
所述氧化膜的膜厚大于或等于30nm而小于或等于40nm。
5.一种SiC半导体装置的制造方法，其具有温度监视工序，
该SiC半导体装置的制造方法具有：
工序(a)，在该工序中，向温度监视用的SiC衬底的表面层注入大于或等于1×1020cm-3浓度的杂质；
工序(b)，在该工序中，在所述工序(a)之后，在所述SiC衬底的表面形成石墨膜；
工序(c)，在该工序中，在所述工序(b)之后，通过对所述SiC衬底进行退火处理而使所述杂质活性化；
工序(d)，在该工序中，在所述工序(c)之后，将所述石墨膜去除；
工序(e)，在该工序中，在所述工序(d)之后，将所述SiC衬底的表面氧化而形成氧化膜；
工序(f)，在该工序中，将所述氧化膜去除；
工序(g)，在该工序中，在所述工序(f)之后，对该SiC衬底通过4探针法进行电阻值的测定；以及
工序(h)，在该工序中，基于所述SiC衬底的电阻的测定来确定该SiC衬底的表面温度。
6.根据权利要求5所述的SiC半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(e)中的所述氧化膜在大于或等于1150℃的水蒸气气氛中形成，
所述氧化膜的膜厚大于或等于30nm而小于或等于40nm。
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