JP2002314071A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
炭化珪素半導体装置の製造方法Info
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Abstract
処理による表面荒れと組成比異常を抑制する。 【解決手段】 n-型エピ層2にソース領域4、ドレイ
ン領域5を形成するためのp型不純物のイオン注入を行
う前あるいは後、n-型エピ層2の上にキャップ層とし
てシリコン酸化膜6を成膜する。そして、シリコン酸化
膜6によってn-型エピ層2、ソース領域4及びドレイ
ン領域5を覆った状態で活性化のための熱処理を行う。
このように、シリコン酸化膜6からなるキャップ層を用
いれば、高温でも有効にキャップ層としての役割を果た
し、不純物の活性化のための熱処理による表面荒れと組
成比異常を抑制することができる。
Description
置及びその製造方法に関し、特に絶縁ゲート型電界効果
トランジスタ、とりわけ大電力用の縦型パワーMOSF
ETに関するものである。
注入および注入されたイオンの活性化熱処理によって行
われる。SiCでは、不純物、特にp型不純物が熱処理
によって活性化し難いため、活性化のための熱処理温度
を上げることで不純物の活性化率を向上させようとして
いる。
ル膜(以下、エピ膜という)の形成を容易にするために
オフ角のあるウェハを用い、1600℃での活性化熱処
理を行った後にエピ膜に形成した不純物層の表面をAF
Mで観察したところ、ステップ状の表面荒れが発生して
いることが確認された。この表面荒れの大きさを調べた
ところ、表面荒れ量Ra=3.0nmであった。また、
1700℃での活性化熱処理を行なった後に、エピ膜に
形成した不純物層の表面をAES(オージェ電子分析)
で調べたところ、図7のように表面に組成異常が確認さ
れた。この組成異常層は表面から約10nmまで形成さ
れており、炭化珪素本来の組成比に比べ炭素が過剰にな
っていた。
は、活性化熱処理時に生じるマイグレーションに起因し
て発生すると考えられる。すなわち、オフ角を有するウ
ェハの場合には表面に細かいステップが存在するため、
活性化熱処理(特に、高温熱処理が必要とされるp型不
純物の活性化熱処理)の際に最もエネルギー的に不安定
なステップのエッジ部分でSi抜けが発生すると共に、
このSi抜けによってマイグレーションや組成比異常を
起こし、マイグレーションや組成比異常を起こした原子
が安定な(0001)面を形成しながら再結晶化してし
まうために、表面荒れが発生するのである。
る方法として、特開平10−174284号公報に示さ
れるようなSiキャップによって不純物注入領域を覆う
方法が提案されているが、SiCの活性化熱処理温度が
1500〜1700℃と非常に高く、Siの融点である
1420℃を大きく超えていることから、表面荒れ抑制
効果を得ることができない。
て、不純物の活性化のための熱処理による表面荒れと組
成比異常を抑制できる炭化珪素半導体装置の製造方法を
適用することを目的とする。
め、請求項1に記載の発明では、炭化珪素半導体(2)
にイオン注入を行ったのち、熱処理を施すことで注入さ
れたイオンを活性化させ、不純物層(4、5)を形成す
る不純物層形成工程を含んだ炭化珪素半導体装置の製造
方法において、不純物層形成工程では、炭化珪素半導体
にシリコン酸化膜からなるキャップ層(6)を配置した
のち、キャップ層によって不純物層の表面を覆った状態
で活性化を行うことを特徴とする。
ップ層を用いれば、高温でも有効にキャップ層としての
役割を果たし、不純物の活性化のための熱処理による表
面荒れと組成比異常を抑制することができる。また、シ
リコン酸化膜は、1200℃以上の高温雰囲気におい
て、炭化珪素半導体の表面の過剰炭素と反応して過剰炭
素を低減させることができるため、より不純物の活性化
のための熱処理による表面荒れと組成比異常を抑制でき
るただし、活性化時の雰囲気圧力に応じてシリコン酸化
膜が昇華して無くなっていくため、請求項2に示すよう
に、活性化時の雰囲気圧力に応じてキャップ層の膜厚を
調整し、キャップ層が活性化時に残存する厚みとなるよ
うにする。
を構成するシリコン酸化膜が昇華し難い状態となるよう
に活性化を行うようにしても良い。例えば、請求項4に
示すように、キャップ層に対してシリコン酸化膜を有す
る基板を向かい合わせた状態で活性化を行ったり、請求
項5に示すように、活性化時における雰囲気ガスとして
不活性ガスを用いると共に、雰囲気圧力を常圧〜10気
圧にしても良い。また、請求項6に示すように、活性化
時の雰囲気をシランもしくはジシランを含むシリコン化
合物雰囲気としても良い。
の雰囲気をシリコン酸化膜が生成される雰囲気としても
良い。例えば、請求項8に示すように、シリコン酸化膜
が生成される雰囲気として、シランとO2、シランとN2
O、シランとCO2とH2、SiH2Cl2とN2Oのいず
れかの雰囲気、又は、BPSG、BSG、PSG、As
SGのいずれかが生成される雰囲気を採用することがで
きる。
表面に耐高温の別材料(12)を形成することでダブル
キャップ構造とし、このダブルキャップ構造とした状態
で活性化を行うことを特徴とする。このように、ダブル
キャップ構造とした状態とすることで、シリコン酸化膜
が昇華し難くなるようにできる。
に示すようなカーボン、請求項11に示すような炭化珪
素を用いることが可能である。なお、炭化珪素の場合に
は、不純物層が形成される炭化珪素半導体と同材料であ
るため、工程に追加することが容易である。
層の表面に耐高温の炭化珪素を生成させながら活性化を
行っても良い。このようにすることで、熱処理と炭化珪
素膜形成を同時に処理することが可能となり、製造工程
の簡略化を図ることも可能である。
成工程では、炭化珪素半導体の表面にキャップ層を配置
したのち、キャップ層をスルーさせたイオン注入を行う
ことで不純物を炭化珪素半導体に注入することを特徴と
している。このようにキャップ層をスルーさせること
で、イオン注入時の汚染を防止することができる。
成工程では、熱処理をランプアニール装置によって行う
ことを特徴としている。このようにランプアニール装置
を用いて熱処理を行うことで、昇温、降温時間を短くす
ることができ、シリコン酸化膜の昇華量を減少させるこ
とができる。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
の一実施形態を適用した半導体装置の製造工程を示し、
この図に基づいて本実施形態における半導体装置の製造
方法についての説明を行う。
らなるn+型基板1を用意する。ここでは、n+型基板1
として、後工程でエピ膜の形成を容易にするためにオフ
角のあるウェハを用いている。そして、このn+型基板
1の表面にn-型エピ膜2をエピタキシャル成長させ
る。
の表面にマスク材3を成膜したのち、フォトリソグラフ
ィによってマスク材3をパターニングする。そして、マ
スク材3をマスクとして用い、p型不純物であるB又は
Alをイオン注入することでソース領域4及びドレイン
領域5を形成する。
図1(c)に示すようにマスク材3を除去したのち、図
1(d)に示すようにソース領域4及びドレイン領域5
の上を含み、n-型エピ膜2の表面全面にシリコン酸化
膜6を成膜する。
加熱炉、例えば昇温、降温時間を短くできるランプアニ
ール装置内に入れ、加熱炉内に雰囲気ガスとして不活性
ガス(例えばAr)を導入し、雰囲気圧力を調整する。
そして、シリコン酸化膜6によってn-型エピ膜2、ソ
ース領域4及びドレイン領域5を覆った状態で、つまり
シリコン酸化膜6をキャップ層として用いた状態で熱処
理を行い、ソース領域4及びドレイン領域5におけるp
型不純物を活性化させる。
で構成していることから、高温下においてもキャップ層
としての役割を果たすことができ、活性化時におけるS
i抜けやマイグレーション及び表面の組成比異常の発生
を抑制することができる。このため、n-型エピ膜2、
ソース領域4及びドレイン領域5の表面荒れと組成比異
常を抑制することが可能となる。
酸化膜6も高温下において昇華するため、熱処理期間中
にシリコン酸化膜6がすべて昇華してしまわないように
シリコン酸化膜6の膜厚を設定する必要がある。具体的
には、このときのシリコン酸化膜6の昇華量は熱処理を
行う炉内の雰囲気圧力に応じて決まるため、その雰囲気
圧力に応じてシリコン酸化膜6の膜厚を調整し、熱処理
期間中にシリコン酸化膜6が残存する厚みに設定する。
これにより、熱処理期間中、シリコン酸化膜6がキャッ
プ層としての役割を果たし、上記効果を得ることが可能
となる。
30min、雰囲気ガスとしてArを導入し、雰囲気圧
力を0.95×105Paとした条件で活性化のための
熱処理を行い、表面荒れについて観察を行った。その結
果、シリコン酸化膜6によるキャップ層を設けていない
場合には表面荒れ量Raが3.0373nmであったの
に対し、キャップ層を2μm設けた場合には表面荒れ量
Raが0.3673nmとなっており、表面荒れ量が1
/10程度に低減されていた。このように、実験結果か
らもシリコン酸化膜6をキャップ層として用いること
で、十分に表面荒れを抑制することができることが分か
る。
気ガスとしてArを導入し、雰囲気圧力を0.95×1
05Paとした条件で活性化のための熱処理を行い、表
面組成異常について観察を行った。その結果、シリコン
酸化膜6によるキャップ層を設けていない場合には図7
に示すように炭素過剰の組成異常が表面から約10nm
まで形成されていたのに対し、キャップ層を2μm設け
た場合には図2に示すように表面の炭素過剰層が5nm
へ低減されていた。
酸化膜のみによるキャップ層2μmが熱処理の途中に失
われてしまったため、表面の組成異常の抑制効果はある
程度にとどまっていたが、この実験結果からもシリコン
酸化膜6をキャップ層として用いることで、一定の表面
組成異常を抑制する効果があることが分かる。
図1(e)に示すようにシリコン酸化膜6を除去する。
その後、図1(f)に示すようにゲート酸化膜7やゲー
ト電極8を形成したのち、層間絶縁膜9を形成し、さら
に、層間絶縁膜9にコンタクトホールを形成したのち、
ソース領域4に電気的に接続されるソース電極10、ド
レイン領域5に電気的に接続されるドレイン電極11を
形成することで半導体装置としてMOSトランジスタが
完成する。
ス領域4やドレイン領域5の活性化のための熱処理時に
シリコン酸化膜6をキャップ層として用いることで、表
面荒れと組成比異常を抑制することが可能である。
施形態における半導体装置の製造工程を示す。ただし、
図3では、第1実施形態と異なる工程についてのみ示し
てある。上記第1実施形態では、図1(e)に示す工程
においてキャップ層として用いたシリコン酸化膜6を除
去した後に、新たにゲート酸化膜7を形成するようにし
ているが、熱処理後におけるシリコン酸化膜6の膜厚
(残存量)を調整することで、図3に示すように、シリ
コン酸化膜6をゲート酸化膜7の代りに用いることも可
能である。
施形態における半導体装置の製造工程を示す。ただし、
図4では、第1実施形態と異なる工程についてのみ示し
てある。上記第1実施形態では、図1(b)に示す工程
においてソース領域4及びドレイン領域5のためのp型
不純物のイオン注入を行ってから、図1(d)に示す工
程においてキャップ層となるシリコン酸化膜6を形成し
ているが、本実施形態ではその順序を逆にする。
層2を形成する。その後、図4(b)に示すようにキャ
ップ層となるシリコン酸化膜6を形成しのち、シリコン
酸化膜6の上にマスク材3を配置し、シリコン酸化膜6
をスルー膜としたイオン注入を行うことでソース領域4
及びドレイン領域5を形成する。そして、図4(c)に
示すようにマスク材3を除去した後、上述した図1
(d)と同様の工程を行う。
域4及びドレイン領域5のためのイオン注入の前に形成
しておき、シリコン酸化膜6をスルー膜としてソース領
域4及びドレイン領域5を形成することが可能である。
このようにすれば、ソース領域4及びドレイン領域5の
ためのイオン注入時に生じ得る汚染を防ぐことができ
る。
施形態における半導体装置の製造工程を示す。ただし、
図5では、第1〜第3実施形態と異なる工程についての
み示してある。上記第1〜第3実施形態では、キャップ
層としてシリコン酸化膜6のみを用いるようにしている
が、図1(d)の工程においてシリコン酸化膜6を形成
したのち、図5(a)に示すようにシリコン酸化膜6の
上に耐高温の別材料としてカーボン層12を形成するこ
とでダブルキャップ構造とする。そして、この状態で活
性化のための熱処理を行ったのち、図5(b)に示すよ
うにカーボン層12及びシリコン酸化膜6を除去する。
温の別材料となるカーボン層12を形成することで、熱
処理中にシリコン酸化膜6が昇華することを防止するこ
とができる。このため、雰囲気圧力やシリコン酸化膜6
の膜厚によらず、上記各実施形態と同様の効果を得るこ
とができる。
ボン層12を用いているが、SiCを用いても良い。こ
のようにSiCを用いれば、高温に耐え、かつn+型基
板1等と同材料であることから、SiCにて半導体装置
を製造する場合の工程に追加することが用意である。ま
た、SiCを用いる場合、熱処理中にSiCが形成され
るような条件とすることも可能であるため、このように
することで熱処理とSiC形成を同時に行うことがで
き、製造工程の削減を図ることも可能となる。
in、雰囲気ガスとしてArを導入して雰囲気圧力を
0.95×105Paと、シリコン酸化膜6の膜厚を4
μmにすると共にシリコン酸化膜6の上にSiCを配置
した条件で活性化のための熱処理を行い、表面荒れにつ
いて観察を行った。その結果、シリコン酸化膜6による
キャップ層を設けていない場合には表面荒れ量Raが
3.0nmであったのに対し、キャップ層を設けた場合
には表面荒れ量Raが0.2nmとなっており、表面荒
れ量が1/10程度に低減されていた。このように、実
験結果からもシリコン酸化膜6をキャップ層として用い
ることで、十分に表面荒れを抑制することができること
が分かる。
気ガスとしてArを導入し、雰囲気圧力を0.95×1
05Paとして、シリコン酸化膜6の膜厚を4μmにす
ると共にシリコン酸化膜6の上にSiCを配した条件で
活性化のための熱処理を行い、表面組成異常について観
察を行った。その結果、シリコン酸化膜6によるキャッ
プ層を設けていない場合には図7に示すように炭素過剰
の組成異常が表面から約10nmまで形成されていたの
に対し、キャップ層を2μm設けた場合には図6に示す
ように表面の組成異常が発生していなかった。
膜6をキャップ層として用いることで、十分に表面組成
異常を抑制することができると分かる。
雰囲気圧力に応じてシリコン酸化膜6の膜厚を調整する
ことで、熱処理期間中にシリコン酸化膜6が残存するよ
うにしているが、シリコン酸化膜6が昇華し難い条件と
するようにしても良い。
6に対してシリコン酸化膜を有する基板を向かい合わせ
て配置し、この状態で活性化を行うようにすることで、
シリコン酸化膜6の昇華を抑制することが可能である。
10気圧程度となるように制御することによっても可能
であり、活性化時の雰囲気をシランもしくはジシランを
含むシリコン化合物雰囲気とすることによっても可能で
ある。さらに、活性化時の雰囲気をシリコン酸化膜が生
成される雰囲気とすること、例えば、シランとO2、シ
ランとN2O、シランとCO2とH2、SiH2Cl2とN2
Oのいずれかの雰囲気としたり、又は、BPSG、BS
G、PSG、AsSGのいずれかが生成される周知の雰
囲気とすることによっても可能である。
してラテラル型のMOSトランジスタを例に挙げて説明
しているが、この他の半導体装置、例えばプレーナ型の
縦型パワーMOSFET、トレンチゲート型の縦型パワ
ーMOSFET等に関しても本発明を適用することが可
能である。また、上記各実施形態ではp型の不純物層
(ソース領域4及びドレイン領域5)に関する活性化熱
処理について説明しているが、勿論、n型の不純物層の
活性化熱処理に適用しても良い。
造工程を示す図である。
面深さ方向AES分析を示す図である。
造工程を示す図である。
造工程を示す図である。
造工程を示す図である。
面深さ方向AES分析を示す図である。
iC表面深さ方向AES分析を示す図である。
ソース領域、5…ドレイン領域、6…シリコン酸化膜、
7…ゲート酸化膜、8…ゲート電極、9…層間絶縁膜、
10…ソース電極、11…ドレイン電極、12…カーボ
ン層。
Claims (14)
- 【請求項1】 炭化珪素半導体(2)にイオン注入を行
ったのち、熱処理を施すことで前記注入されたイオンを
活性化させ、不純物層(4、5)を形成する不純物層形
成工程を含んだ炭化珪素半導体装置の製造方法におい
て、 前記不純物層形成工程では、前記炭化珪素半導体にシリ
コン酸化膜からなるキャップ層(6)を配置したのち、
該キャップ層によって前記不純物層の表面を覆った状態
で前記活性化を行うことを特徴とする炭化珪素半導体装
置の製造方法。 - 【請求項2】 前記不純物層形成工程では、前記活性化
時の雰囲気圧力に応じて前記キャップ層の膜厚を調整
し、前記キャップ層が前記熱処理期間中に残存する厚み
とすることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導
体装置の製造方法。 - 【請求項3】 前記不純物層形成工程では、前記キャッ
プ層を構成するシリコン酸化膜が昇華し難い状態となる
ように前記活性化を行うことを特徴とする請求項1又は
2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記不純物層形成工程では、前記キャッ
プ層に対してシリコン酸化膜を有する基板を向かい合わ
せた状態で前記活性化を行うことを特徴とする請求項3
に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記不純物層形成工程では、前記活性化
時における雰囲気ガスとして不活性ガスを用いると共
に、雰囲気圧力を1〜10気圧にすることを特徴とする
請求項3又は4に記載の炭化珪素半導体装置の製造方
法。 - 【請求項6】 前記不純物層形成工程では、前記活性化
時の雰囲気をシランもしくはジシランを含むシリコン化
合物雰囲気とすることを特徴とする請求項3又は4に記
載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記不純物層形成工程では、前記活性化
時の雰囲気をシリコン酸化膜が生成される雰囲気とする
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の炭化珪素半導
体装置の製造方法。 - 【請求項8】 前記シリコン酸化膜が生成される雰囲気
として、シランとO 2、シランとN2O、シランとCO2
とH2、SiH2Cl2とN2Oのいずれかの雰囲気、又
は、BPSG、BSG、PSG、AsSGのいずれかが
生成される雰囲気とすることを特徴とする請求項7に記
載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 前記不純物層形成工程では、前記キャッ
プ層の表面に耐高温の別材料(12)を形成することで
ダブルキャップ構造とし、このダブルキャップ構造とし
た状態で前記活性化を行うことを特徴とする請求項3に
記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】 前記耐高温の別材料としてカーボンを
用いることを特徴とする請求項9に記載の炭化珪素半導
体装置の製造方法。 - 【請求項11】 前記耐高温の別材料として炭化珪素を
用いることを特徴とする請求項10に記載の炭化珪素半
導体装置の製造方法。 - 【請求項12】 前記不純物層形成工程では、前記キャ
ップ層の表面に耐高温の炭化珪素を生成させながら前記
活性化を行うことを特徴とする請求項3に記載の炭化珪
素半導体装置の製造方法。 - 【請求項13】 前記不純物層形成工程では、前記炭化
珪素半導体の表面に前記キャップ層を配置したのち、前
記キャップ層をスルーさせたイオン注入を行うことで前
記不純物を前記炭化珪素半導体に注入することを特徴と
する請求項1乃至12のいずれか1つに記載の炭化珪素
半導体装置の製造方法。 - 【請求項14】 前記不純物層形成工程では、前記熱処
理をランプアニール装置によって行うことを特徴とする
請求項1乃至13のいずれか1つに記載の炭化珪素半導
体装置の製造方法。
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