JP2009260115A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステップバンチング防止のためのカーボン保護膜への不純物の混入とカーボン保護膜及び炭化珪素ウエハに生じる欠陥を低減させて、かつカーボン保護膜の形成からアニール処理に至る工程を一つの製造装置内で連続して行うことを可能にする炭化珪素半導体装置の製造方法を提供し、炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの向上並びに製造コストの低減を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法を得る。
【解決手段】 酸素を含む炭化水素ガスを供給して、減圧下で酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、炭化珪素ウエハ２４の全表面にカーボン保護膜６を形成する工程と、酸素を含む炭化水素ガスの供給ガスを停止し不活性ガスを供給して、減圧下でカーボン保護膜６が形成された炭化珪素ウエハ２４にアニール処理を行う工程とを、一つの成膜兼アニール装置で連続して行えるようにした。
【選択図】図９

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特にアニール処理の際に炭化珪素ウエハの表面に形成されるステップバンチングの防止に係る炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、従来の珪素（Ｓｉ）に比べ高い耐電圧特性を有する炭化珪素半導体装置が製作可能であり、次世代の高電力用半導体装置として期待されている。このような炭化珪素を用いて炭化珪素半導体装置を製造する際に、炭化珪素基板上にエピタキシャル結晶成長させた炭化珪素層からなる炭化珪素ウエハに対して、導電型及び導電度を制御するために、ｎ型やｐ型となる不純物をイオン注入し、イオン注入後に、注入イオンを活性化し、かつイオン注入により形成された結晶欠陥を回復するために、炭化珪素ウエハをアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスの雰囲気で、高温に曝すアニール処理工程がある。このようなアニール処理は、炭化珪素ウエハを用いた場合、特性を安定にするために、なるべく高温で処理した方がよく、通常１５００℃以上、望ましくは１６００℃以上で処理される。

このように、炭化珪素ウエハを高温でアニール処理した場合、炭化珪素ウエハの構成元素である珪素（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）との蒸発条件が相違することや結晶軸が傾斜していることにより、炭化珪素ウエハ面内で珪素と炭素の蒸発量が異なるために、炭化珪素ウエハの表面にステップバンチングと呼ばれる凹凸面が形成される。

このステップバンチングは、アニール処理後に炭化珪素ウエハの表面上にゲート酸化膜を形成する際や、このゲート酸化膜上にゲート電極を形成する際の支障となる。例えば、炭化珪素ウエハとゲート酸化膜又はゲート酸化膜とゲート電極の境界面が凹凸となることにより、密着性の低下やリーク特性の劣化などが生じる可能性がある。

このため、従来より、ステップバンチングを防止或いは低減する提案がなされている。

例えば、特許文献１では、炭化珪素ウエハの表面上にダイヤモンドライクカーボン膜や有機膜を形成し、この膜をアニール処理の際の珪素及び炭素の蒸発を防止する保護膜としている。

特許文献２では、イオン注入側の炭化珪素ウエハの表面上に、スパッタリング法を用いてカーボン膜を形成し、このカーボン膜を、アニール処理の際の珪素及び炭素の蒸発を防止する保護膜としている。

特許文献３では、炭化珪素ウエハを真空中で熱処理することにより、炭化珪素ウエハ表面から珪素原子を蒸発させて、炭化珪素ウエハ表層部にカーボン層を形成し、このカーボン層を、アニール処理の際の珪素及び炭素の蒸発を防止する保護膜としている。

特許第３７６０６８８号公報 特開２００５−３５３７７１号公報 再公表特許ＷＯ２００５／０７６３２７

しかしながら、特許文献１から３に示す方法を利用して、炭化珪素半導体装置を製造しようとした場合、次に示すような課題がある。

特許文献１の方法では、保護膜として、レジストを炭化させたもの又はダイヤモンドライクカーボン膜を用いている。レジストには、光学活性や密着性を向上させるために、炭素と水素以外の元素が多く含まれている。これらの炭素、水素以外の元素は、レジストを炭化させて得られた保護膜中に不純物として残留するため、アニール処理の際に、不純物が蒸発又は飛散して、炭化珪素半導体装置に対する汚染源となる。またこの保護膜は、炭化珪素ウエハとの密着性に乏しく、容易に剥がれる場合があり、これもまた炭化珪素半導体装置に対する汚染源となる。またレジスト膜の炭化工程による不均一性やレジストに含まれる不純物により、保護膜内にピンホールなどの欠陥が生じる場合がある。またダイヤモンドライクカーボン膜は、通常、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を用いて形成するため、膜形成の際に、これらの製造装置を構成する材料（例えば、アルミやステンレスなどの金属材料）の一部が飛散する場合がある。それらが不純物として飛散して炭化珪素半導体装置に対する汚染源となる。

特許文献２の方法では、スパッタリング法を用いて形成したカーボン膜を保護膜として用いているため、膜形成の際に、スパッタリング装置を構成する材料（例えば、アルミやステンレスなどの金属材料）の一部が飛散する場合がある。それらが不純物として飛散して炭化珪素半導体装置に対する汚染源となる。

特許文献３の方法では、炭化珪素ウエハ表層部に保護膜であるカーボン層を形成する際に、イオン注入した領域とそうでない領域で段差が生じる。この段差は、アニール処理後のゲート酸化膜形成やゲート電極形成の際の支障となる。例えばリーク特性が劣化する。また、この段差の防止のため、化学機械研磨法などを用いて段差を除去する場合は、研磨装置などの新たな製造装置が必要になるため、製造工程及び製造コストが増加する。

また、特許文献１から３の方法では、保護膜は、例えばイオン注入側の炭化珪素ウエハ面など、炭化珪素ウエハの一方面上のみに形成される。このように、炭化珪素ウエハの一方面上のみに保護膜を形成した場合、アニール処理の際に、炭化珪素ウエハ内部に生じる温度勾配や炭化珪素ウエハと保護膜との熱膨張係数の相違により、不均衡な熱応力が炭化珪素ウエハに生じるため、炭化珪素ウエハに結晶欠陥が生じる。

以上示したような問題は、炭化珪素半導体装置の特性を不安定にすると共に、製造工程のおける歩留まり低下や製造コスト上昇の要因となる。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、保護膜への不純物の混入と保護膜及び炭化珪素ウエハに生じる欠陥を低減させて、かつ保護膜の形成からアニール処理に至る工程を一つの製造装置内で連続して行うことを可能にする炭化珪素半導体装置の製造方法を提供するものである。これにより炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの向上並びに製造コストの低減を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることを目的とするものである。

この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、成膜兼アニール炉内に酸素を含む炭化水素ガスを供給し、減圧下で前記酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜を形成する工程と、前記カーボン保護膜形成の後、前記酸素を含む炭化水素ガスの供給を停止して、前記成膜兼アニール炉内に不活性ガスを供給し、減圧下で前記カーボン保護膜が形成された前記炭化珪素ウエハにアニール処理を行う工程とを含むことを特徴とするものである。

この発明によれば、酸素を含む炭化水素ガスを供給して、所定の減圧下で酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜を形成する工程と、酸素を含む炭化水素ガスの供給ガスを停止して不活性ガスを供給して、所定の減圧下で、カーボン保護膜が形成された炭化珪素ウエハにアニール処理を行う工程とを、一つの成膜兼アニール装置内で一貫して行うことを可能にしたので、不純物の少ない高純度で欠陥も少ない良質なカーボン保護膜が得られ、また炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜を形成するので、炭化珪素ウエハに不均衡な熱応力が生じることがなくなるため、炭化珪素ウエハに生じる結晶欠陥を低減することができ、さらにイオン注入の有無による炭化珪素ウエハに段差が生じることも無く、加えて、成膜兼アニール装置で、カーボン保護膜の形成とアニール処理を行えるようにしたので、製造工程及び製造装置の簡略化を図ることができる。これにより、炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの向上並びに製造コストの低減を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

実施の形態１
この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、一例として、パワーＭＯＳＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の製造方法を、図１から図８を参照して説明する。

まずｎ^＋型（第１導電型）の半導体基板１の一方面上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、炭化珪素からなるｎ⁻型（第１導電型）の炭化珪素層２を形成する（図１）。半導体基板１としては、例えば、ｎ^＋型の炭化珪素基板が好適である。この半導体基板１と炭化珪素層２でもって炭化珪素ウエハを構成する。

次に炭化珪素ウエハの表面内、具体的には炭化珪素ウエハを構成する炭化珪素層２の表面内の所定の間隔に離間した部位に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｐ型（第２導電型）のウェル領域３を選択的に形成する（図２）。炭化珪素層２内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、それぞれのウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｎ型（第１導電型）のソース領域４を選択的に形成する（図２）。ウェル領域３内でｎ型となる不純物としては、例えばリン（Ｐ）あるいは窒素（Ｎ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、ウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして、ｐ型（第２導電型）の不純物をイオン注入して、ソース領域４の周囲に隣接して、ｐ^＋型（第２導電型）のコンタクト領域５を形成する（図２）。ここではコンタクト領域５の不純物濃度は、ウェル領域３の不純物濃度より相対的に濃くなるように設定される。ウェル領域３内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜６を形成する（図３）。

次に、全表面上にカーボン保護膜６が形成された炭化珪素ウエハに対し、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガス雰囲気でアニール処理を行う。これにより、注入イオンが電気的に活性化され、かつイオン注入により形成された結晶欠陥が回復する。

アニール処理の後、カーボン保護膜６を、酸素（Ｏ_２）雰囲気で除去する。酸素プラズマを用いて除去してもよい。

このように炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜６を形成するので、アニール処理の際に、炭化珪素ウエハ表面にステップバンチングが発生することがない。カーボン保護膜６を除去した後の炭化珪素ウエハ表面の凹凸をＡＦＭで測定したところ、カーボン保護膜６がない場合は、数１０ｎｍ程度の凹凸が炭化珪素ウエハの全面に発生するのに対して、カーボン保護膜６を形成した場合は、１ｎｍ以下の凹凸となり、その効果が確認できた。また不純物の少ない高純度なカーボン保護膜６が形成されるため、炭化珪素半導体装置を汚染することがない。さらに、炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜が形成されるので、アニール処理の際に炭化珪素ウエハに生じる不均衡な熱応力が改善され、炭化珪素ウエハに生じる歪みが低減される。そのため炭化珪素ウエハの結晶に生じる欠陥が低減される。

次に、カーボン保護膜６が除去された炭化珪素ウエハの一方面上、具体的にはイオン注入された側の炭化珪素ウエハ上に、熱酸化法によって二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなるゲート酸化膜７を形成する（図４）。この工程で形成されるゲート酸化膜７は熱酸化膜である。

次に、ゲート酸化膜７上に、化学気相成長法によりポリシリコン膜を形成した後、不要部分を、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により除去してゲート電極８を形成する（図５）。

次に、ゲート酸化膜７及びゲート電極８の表面上に、ＴＥＯＳガスを用いた化学気相成長法により、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる層間絶縁膜９を形成する（図６）。この工程で形成される層間絶縁膜９はＴＥＯＳ酸化膜である。

次に、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により、コンタクト領域５及び一部のソース領域４が露出するようにして、層間絶縁膜９及びゲート酸化膜７を除去する（図７）。その後、レジストも除去される。

次に、層間絶縁膜９及びゲート酸化膜７が除去され露出したコンタクト領域５及びソース領域４上に、例えばスパッタリングなどの物理気相成長法により導電膜を形成する。その後、層間絶縁膜９の表面上に形成された導電膜の不要部分を、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいは反応性イオンエッチングなどによるドライエッチング法により除去して、コンタクト領域５及び一部のソース領域４上に、ソース電極（第１の主電極）１０を形成する（図８）。ソース電極１０は、コンタクト領域５及びソース領域４に電気的に接続されている。ソース電極１０となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。

最後に、炭化珪素ウエハの裏面上にスパッタリングなどの物理気相成長法により、導電膜からなるドレイン電極（第２の主電極）１１を形成する（図８）。ドレイン電極１１となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。

以上により、この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置であるパワーＭＯＳＦＥＴの主要部が完成する。

次に、この発明の実施の形態１に係る特徴的な工程について説明する。特徴的な工程は、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行う工程であり、この発明では、これらの工程を同一の製造装置内で連続して処理する方法を提供する。

図９は、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行うのに適している成膜兼アニール装置の概略図である。

図９において、２０はカーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行うための成膜兼アニール装置である。成膜兼アニール装置２０は、炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜６を形成してアニール処理するための成膜兼アニール炉２１、成膜兼アニール炉２１に接続され、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスやアルゴンなどの不活性ガスを成膜兼アニール装置２１内に導入するためのガス導入管２２、成膜兼アニール炉２１に接続され、成膜兼アニール炉２１内を排気するためのガス排気管２３、成膜兼アニール炉２１のほぼ中央に内設され、炭化珪素ウエハ２４の周縁部、例えば、周縁部の少なくとも３箇所を支持し、かつバッチ処理するための複数の炭化珪素ウエハ２４を所定間隔で配設するカーボンからなる基板保持具２５、基板保持具２５の周囲に設けられ、複数の炭化珪素ウエハ２４を均一に加熱するためのカーボンヒータからなるヒータ２６、ヒータ２６の周囲に設けられ、ヒータ２６の熱を均一にして専ら炭化珪素ウエハ２４に供給するカーボン製の断熱材２７、成膜兼アニール炉２１の周囲に設けられ、ヒータ２６を高周波誘導加熱するための高周波コイル２８から構成されている。

次に、成膜兼アニール装置２０で、炭化珪素ウエハ２４に対し、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を連続して行う方法について、図９及び図１０を参照し説明する。ここで、図１０は、炭化珪素ウエハ２４に対し、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行う際の炭化珪素ウエハ２４の処理温度を示し、図中、実線が、この実施の形態１に係る処理温度を示す。

まず、カーボン保護膜６の形成方法について説明する。

始めに、図９に示すような複数の炭化珪素ウエハ２４が配設された基板保持具２５を、成膜兼アニール炉２１に配設した後、成膜兼アニール炉２１内の残存酸素を極力無くすために、成膜兼アニール炉２１内を、ガス排気管２３から真空に排気する。

次に、成膜兼アニール炉２１内に、ガス導入管２２からアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスをキャリアガスとして供給する。この時、成膜兼アニール炉２１内の圧力は減圧状態とする。なお成膜兼アニール炉２１内の圧力は、１．３３×１０^４Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）以下、好ましくは６．６７×１０^３Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）以下、より好ましくは１．３３×１０^３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下とすることが望ましい。成膜兼アニール炉２１内の圧力は、ガス排気管２３からの排気量を変えて調整する。このような減圧下で、炭化珪素ウエハ２４に対する処理温度を、成膜温度である８５０℃から１０００℃の範囲（図１０中Ｔ１）になるように加熱する。なお、圧力の最低値は、成膜兼アニール炉２１内へのガスの流入量と、成膜兼アニール炉２１内からのガスの最大排気量で決定される。

炭化珪素ウエハ２４に対する処理温度が成膜温度に到達した後、不活性ガスを停止又は流した状態で、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスをガス導入管２２から供給し、前述した減圧下で酸素を含む炭化水素ガスを熱分解し、炭化珪素ウエハの全表面上に所定の厚さのカーボン保護膜６を形成する。図１０中ｔ１〜ｔ２が成膜時間に相当する、ここで所定の厚さは、保護膜としての効果が生じる１ｎｍ以上で、炭化珪素ウエハに加わる温度負荷及び炭化珪素ウエハに生じる温度差によりひび割れを生じない１０００ｎｍ以下がよく、より好ましくは、膜厚制御が容易な１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下がよい。

このように酸素を含む炭化水素ガスを熱分解して形成されるカーボン保護膜６は、高純度の炭化水素ガスを用いることが出来るため、不純物の少ない高純度で良質なカーボン保護膜６が形成される。ここで良質とはグラファイト化が進んだ状態を指す。また、炭化珪素ウエハ２４の全表面上にカーボン保護膜６を形成するため、バッチ式の膜形成処理が可能である。具体的には、成膜兼アニール炉２１内に、炭化珪素ウエハ２４の全表面上に均一にカーボン保護膜６が形成可能な間隔でもって、炭化珪素ウエハ２４を複数枚（例えば１ロット分）配置することにより、一括した膜形成処理が可能である。これによりスループットが向上する。

また、減圧下において成膜処理を行うので、ヒータ２６の熱が効率良く炭化珪素ウエハ２４に吸収される。このためカーボン保護膜６は、主に、成膜兼アニール炉２１内で高温部となる炭化珪素ウエハ２４に対して形成され、成膜兼アニール炉２１内の他の部分は、形成されにくい。これは、成膜兼アニール装置２０の汚染防止とメンテナンス性の向上に繋がる。

なお、カーボン保護膜６を形成する際、炭化珪素ウエハ２４は動かないように基板保持具２５に支持される。そのため、支持されている炭化珪素ウエハ２４と基板保持具２５の接触部（例えば、炭化珪素ウエハ２４の周縁部）においては、カーボン保護膜６が形成されない、又は形成されにくい。しかしながら、このような接触部の領域は、炭化珪素ウエハ２４の全領域に対して小さいものであり、この発明の効果を何ら阻害しない。従って、この発明において、カーボン保護膜６が全表面上に形成された炭化珪素ウエハ２４とは、炭化珪素ウエハ２４と基板保持具２５の接触部において、カーボン保護膜６が形成されていない、又は形成されにくく薄膜となっている炭化珪素ウエハ２４をも含むものである。

次に、カーボン保護膜６が全表面上に形成された炭化珪素ウエハに対するアニール処理方法について説明する。

炭化珪素ウエハの全表面上に所定の厚さのカーボン保護膜６を形成（図１０中ｔ１〜ｔ２）した後、酸素を含む炭化水素ガスの供給を停止する。成膜兼アニール炉２１内には、アルゴンガスなどの不活性ガスが、ガス導入管２２から供給される。この時、成膜兼アニール炉２１内の圧力は減圧状態とする。なお成膜兼アニール炉２１内の圧力は、成膜時の圧力を維持してもよいが、アニール処理後のカーボン保護膜６の除去を考慮した場合、６．６７×１０^４Ｐａ（５００Ｔｏｒｒ）以上とすることが望ましい。成膜兼アニール炉２１内の圧力は、ガス排気管２３からの排気量を変えて調整する。このような減圧下で、炭化珪素ウエハ２４に対する処理温度を、アニール処理温度である１５００℃以上，好ましくは１７００℃程度になるように加熱する（図１０中Ｔ２）。

炭化珪素ウエハ２４に対する処理温度が、アニール処理温度に到達した後、所定の時間（３０分程度）加熱する。図１０中ｔ３〜ｔ４がアニール処理時間に相当する。アニール処理終了後、炭化珪素ウエハ２４は速やかに冷却される（図１０中ｔ４〜ｔ５）。その後、成膜兼アニール装置２０から取出され、カーボン保護膜６を酸素を用いて除去する工程に移る。

以上が、この発明の実施の形態１に係る特徴的な工程である。

この発明の実施の形態１によれば、酸素を含む炭化水素ガスを供給して、減圧下で酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、炭化珪素ウエハ２４の全表面上にカーボン保護膜６を形成する工程と、酸素を含む炭化水素ガスの供給ガスを停止して不活性ガスを供給して、減圧下でカーボン保護膜６が形成された炭化珪素ウエハ２４にアニール処理を行う工程を、一つの成膜兼アニール装置２０で順次行うようにした。これにより、不純物の少ない高純度で欠陥も少ない良質なカーボン保護膜６が得られる。また炭化珪素ウエハ２４の全表面上にカーボン保護膜６を形成するので、炭化珪素ウエハに不均衡な熱応力が生じることがないので、炭化珪素ウエハに生じる結晶欠陥を低減することができ、またイオン注入の有無により炭化珪素ウエハに段差を生じることも無い。また研磨装置などの新たな製造装置を準備する必要もなく、一つの成膜兼アニール装置２０で、カーボン保護膜６を形成とアニール処理を一貫して行えるようにしたので、製造工程及び製造装置の簡略化を図ることができる。従って、炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの向上並びに製造コストの低減を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

また、減圧下で炭化珪素ウエハ２４の全表面上にカーボン保護膜６を形成するので、ヒータ２６の熱が効率良く炭化珪素ウエハ２４に吸収されるため、カーボン保護膜６は、主に、成膜兼アニール炉２１内で高温部となる炭化珪素ウエハ２４に対して形成され、成膜兼アニール炉２１内の他の部分には、形成されにくい。これにより、成膜兼アニール装置２０の汚染防止とメンテナンス性の向上、並びに高周波誘導加熱に伴う放電の防止を図ることができる。これは歩留まりの向上と製造コストの低減に繋がる。

さらに、カーボン保護膜６の形成とアニール処理の間で炭化珪素ウエハを外気に曝すことがないので、異物付着により歩留まり低下も防止可能である。

なお、この実施の形態１によれば、炭化珪素ウエハ２４の全表面上にカーボン保護膜６を形成したものを示したが、炭化珪素ウエハに加わる不均衡な熱応力の防止から見れば、図１１に示すように、少なくとも炭化珪素ウエハ２４の両面上（表裏面上）にカーボン保護膜６を形成するようにしてもよく、この実施の形態１と同じ効果が得られる。

実施の形態２
実施の形態１では、カーボン保護膜６の形成とアニール処理を、一つの成膜兼アニール装置２０で一貫して行うものを示したが、更に、アニール処理後に行うカーボン保護膜６の除去を成膜兼アニール装置２０で行ってもよい。以下、その詳細について、図１０を参照して説明する。図１０中、点線がカーボン保護膜６の除去の際の炭化珪素ウエハ２４の処理温度を示す。なお、カーボン保護膜６の除去以外の工程については、実施の形態１で示したものと同じであるため、ここでの説明は省略する。

アニール処理の後、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気の中で、炭化珪素ウエハ２４に対する処理温度を、カーボン保護膜６の除去温度である９００℃程度（図１０中Ｔ３）まで下げる。

炭化珪素ウエハ２４に対する処理温度がカーボン保護膜６の除去温度に達した後、不活性ガスを停止又は流した状態で、酸素ガスをガス供給管２２から供給して、酸素雰囲気の中で、カーボン保護膜６を除去する。図１０中ｔ６〜ｔ７が除去時間に相当する。なお除去時の成膜兼アニール炉２１内の圧力は、適宜定められる。例えば、アニール処理時の圧力とする。

この発明の実施の形態２によれば、アニール処理後に行うカーボン保護膜６の除去を成膜兼アニール装置２０で行えるようにしたので、カーボン保護膜６を除去する装置が不要となる。よって実施の形態１に示した効果に加え、更に、製造コストの低減を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

実施の形態３
実施の形態１，２では、図９に示した高周波誘導加熱方式の成膜兼アニール装置２０を例にして説明したが、何も高周波誘導加熱方式の成膜兼アニール装置２０を用いる必要はなく、図１２に示すような抵抗加熱方式の成膜兼アニール装置を用いることもできる。以下では、図１２に示す抵抗加熱方式の成膜兼アニール装置を用いて、この発明の実施の形態３に係る特徴的な工程について説明する。ここで特徴的な工程とは、実施の形態１で説明したものと同様、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行う工程にあり、これらの工程を同一の製造装置内で連続して処理する方法を提供する。その他の工程については、実施の形態１で示したものと同じであるため、ここでの説明は省略する。

図１２は、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行うのに適している成膜兼アニール装置の概略図である。

図１２において、３０はカーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行うための成膜兼アニール装置である。成膜兼アニール装置３０は、炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜６を形成してアニール処理するための成膜兼アニール炉３１、成膜兼アニール炉３１に接続され、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスやアルゴンなどの不活性ガスを成膜兼アニール炉３１内に導入するためのガス導入管３２、成膜兼アニール炉３１に接続され、成膜兼アニール炉３１内を排気するためのガス排気管３３、成膜兼アニール炉３１のほぼ中央に内設され、炭化珪素ウエハ３４の周縁部、例えば、周縁部の少なくとも３箇所を支持し、かつバッチ処理するための複数の炭化珪素ウエハ３４を所定間隔で配設するカーボンからなる基板保持具３５、基板保持具３５の周囲に設けられ、複数の炭化珪素ウエハ２４を均一に加熱するためのヒータ３６、ヒータ３６に成膜兼アニール炉３１外部から電力を供給するためのヒータ引出線３７、ヒータ３６の周囲に設けられ、ヒータ３６の熱を均一にして専ら炭化珪素ウエハ２４に供給するカーボン製の断熱材３８から構成されている。

次に、成膜兼アニール装置３０で、炭化珪素ウエハ３４に対し、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を連続して行う方法について、図１２及び図１０を参照し説明する。ここで、図１０は、炭化珪素ウエハ３４に対し、カーボン保護膜６の形成及びアニール処理を行う際の炭化珪素ウエハ３４の処理温度を示し、図中、実線が、この実施の形態３に係る処理温度を示す。

まず、カーボン保護膜６の形成方法について説明する。

始めに、図２に示すような複数の炭化珪素ウエハ３４が配設された基板保持具３５を、成膜兼アニール炉３１に配設した後、成膜兼アニール炉３１内の残存酸素を極力無くすために、成膜兼アニール炉３１内を、ガス排気管３３から排気する。

次に、成膜兼アニール炉３１内に、ガス導入管３２からアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスをキャリアガスとして供給する。この時、成膜兼アニール炉３１内の圧力は減圧状態とする。なお成膜兼アニール炉３１内の圧力は、１．３３×１０^４Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）以下、好ましくは６．６７×１０^３Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）以下、より好ましくは１．３３×１０^３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下とすることが望ましい。成膜兼アニール炉３１内の圧力は、ガス排気管３３からの排気量を変えて調整する。このような減圧下で、炭化珪素ウエハ３４に対する処理温度を、成膜温度である８５０℃から１０００℃の範囲（図１０中Ｔ１）になるように加熱する。加熱は、ヒータ引出線３７を介して電力をヒータ３６に供給して加熱する。なお、圧力の最低値は、成膜兼アニール炉３１内へのガスの流入量と、成膜兼アニール炉２１内からのガスの最大排気量で決定される。

炭化珪素ウエハ３４に対する処理温度が成膜温度に到達した後、不活性ガスを停止又は流した状態で、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスをガス導入管３２から供給し、前述した減圧下で酸素を含む炭化水素ガスを熱分解し、炭化珪素ウエハの全表面上に所定の厚さのカーボン保護膜６を形成する。図１０中ｔ１〜ｔ２が成膜時間に相当する、ここで所定の厚さは、保護膜としての効果が生じる１ｎｍ以上で、炭化珪素ウエハに加わる温度負荷及び炭化珪素ウエハに生じる温度差によりひび割れを生じない１０００ｎｍ以下がよく、より好ましくは、膜厚制御が容易な１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下がよい。

このように酸素を含む炭化水素ガスを熱分解して形成されるカーボン保護膜６は、高純度の炭化水素ガスを用いることが出来るため、不純物の少ない高純度で良質なカーボン保護膜６が形成される。ここで良質とはグラファイト化が進んだ状態を指す。また、炭化珪素ウエハ２４の全表面上にカーボン保護膜６を形成するため、バッチ式の膜形成処理が可能である。具体的には、成膜兼アニール炉３１内に、炭化珪素ウエハ３４の全表面上に均一にカーボン保護膜６が形成可能な間隔でもって、炭化珪素ウエハ３４を複数枚（例えば１ロット分）配置することにより、一括した膜形成処理が可能である。これによりスループットが向上する。

また、減圧下において成膜処理を行うので、ヒータ３６の熱が効率良く炭化珪素ウエハ３４に吸収される。このためカーボン保護膜６は、主に、成膜兼アニール炉３１内で高温部となる炭化珪素ウエハ３４に対して形成され、成膜兼アニール炉３１内の他の部分は、形成されにくい。これは、成膜兼アニール装置３０の汚染防止とメンテナンス性の向上に繋がる。

なお、カーボン保護膜６を形成する際、炭化珪素ウエハ３４が動かないように基板保持具３５で支持される。そのため、支持されている炭化珪素ウエハ３４と基板保持具３５の接触部（例えば、炭化珪素ウエハ３４の周縁部）においては、カーボン保護膜６が形成されない、又は形成されにくい。しかしながら、このような接触部の領域は、炭化珪素ウエハ３４の全領域に対して小さいものであり、この発明の効果を何ら阻害しない。従って、この発明において、カーボン保護膜６が全表面上に形成された炭化珪素ウエハ３４とは、炭化珪素ウエハ３４と基板保持具３５の接触部において、カーボン保護膜６が形成されていない、又は形成されにくく薄膜となっている炭化珪素ウエハ３４をも含むものである。

次に、カーボン保護膜６が全表面上に形成された炭化珪素ウエハに対するアニール処理方法について説明する。

炭化珪素ウエハ３４の全表面上に所定の厚さのカーボン保護膜６を形成（図１０中ｔ１〜ｔ２）した後、酸素を含む炭化水素ガスの供給を停止する。成膜兼アニール炉３１内には、アルゴンガスなどの不活性ガスが、ガス導入管３２から供給される。この時、成膜兼アニール炉３１内の圧力は減圧状態とする。なお成膜兼アニール炉３１内の圧力は、成膜時の圧力を維持してもよいが、アニール処理後のカーボン保護膜６の除去も考慮した場合、６．６７×１０^４Ｐａ（５００Ｔｏｒｒ）以上とすることが望ましい。成膜兼アニール炉３１内の圧力は、ガス排気管３３からの排気量を変えて調整する。このような減圧下で、炭化珪素ウエハ３４に対する処理温度を、アニール処理温度である１５００℃以上，好ましくは１７００℃程度になるように加熱する（図１０中Ｔ２）。

炭化珪素ウエハ３４に対する処理温度が、アニール処理温度に到達した後、所定の時間（３０分程度）加熱する。図１０中ｔ３〜ｔ４がアニール処理時間に相当する。アニール処理終了後、炭化珪素ウエハ３４は速やかに冷却される（図１０中ｔ４〜ｔ５）。その後、成膜兼アニール装置３０から取出され、カーボン保護膜６を酸素を用いて除去する工程に移る。

以上が、この発明の実施の形態３に係る特徴的な工程である。

この発明の実施の形態３によれば、酸素を含む炭化水素ガスを供給して、減圧下で酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、炭化珪素ウエハ３４の全表面上にカーボン保護膜６を形成する工程と、酸素を含む炭化水素ガスの供給ガスを停止して不活性ガスを供給して、減圧下でカーボン保護膜６が形成された炭化珪素ウエハ３４のアニール処理工程を、一つの成膜兼アニール装置３０で順次行うようにした。これにより、不純物の少ない高純度で欠陥も少ない良質なカーボン保護膜６が得られる。また炭化珪素ウエハ３４の全表面上にカーボン保護膜６を形成するので、炭化珪素ウエハに不均衡な熱応力が生じることがないので、炭化珪素ウエハに生じる結晶欠陥を低減することができ、またイオン注入の有無により炭化珪素ウエハに段差を生じることも無い。また研磨装置などの新たな製造装置を準備する必要もなく、一つの成膜兼アニール装置３０で、カーボン保護膜６を形成とアニール処理を一貫して行えるようにしたので、製造工程及び製造装置の簡略化を図ることができる。従って、炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの向上並びに製造コストの低減を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

また、減圧下で炭化珪素ウエハ３４の全表面上にカーボン保護膜６を形成するので、ヒータ３６の熱が効率良く炭化珪素ウエハ３４に吸収されるため、カーボン保護膜６は、主に、成膜兼アニール炉３１内で高温部となる炭化珪素ウエハ３４に対して形成され、成膜兼アニール炉３１内の他の部分には、形成されにくい。これにより、成膜兼アニール装置３０の汚染防止とメンテナンス性の向上、並びにヒータ３６への通電に伴う放電の防止を図ることができる。これは歩留まりの向上と製造コストの低減に繋がる。

さらに、カーボン保護膜６の形成とアニール処理の間に炭化珪素ウエハ３４を外気に曝すことがないので、異物付着により歩留まり低下も防止可能である。

なお、この実施の形態３によれば、炭化珪素ウエハ３４の全表面上にカーボン保護膜６を形成したものを示したが、炭化珪素ウエハに加わる不均衡な熱応力の防止から見れば、図１１に示すように、少なくとも炭化珪素ウエハ３４の両面上（表裏面上）にカーボン保護膜６を形成するようにしてもよく、この実施の形態３と同じ効果が得られる。

また、この実施の形態３においても、実施の形態２と同様に、カーボン保護膜６の除去を成膜兼アニール装置３０で処理可能にしてもよい。この場合、実施の形態２で示した製造方法が利用可能である。

なお上記の各実施の形態では、酸素を含む炭化水素ガスとしてエタノールやメタノールなどの低級アルコールを例にして説明したが、酸素を含む炭化水素ガスとしては、酸素、炭素及び水素を含んだガスであればよく、例えば、セタノールなどの高級アルコール、ヒドロキシ酸、カルボン酸、ケトン、アルデヒド、フェノール、エステル又はエーテルを気化させたもの、またテトラヒドロフラン（tetrahydrofuran, ＴＨＦ）などの環状エーテル化合物を気化させたものを用いることができる。

この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１及び２に係る成膜兼アニール装置の概要を示す説明図である。 この発明の実施の形態に係る成膜兼アニール装置における炭化珪素ウエハの処理温度を示す。 この発明の実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の別の工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態３に係る成膜兼アニール装置の概要を示す説明図である。

１ ｎ^＋型（第１導電型）の半導体基板１、２ ｎ⁻型（第１導電型）の炭化珪素層、３ ｐ型（第２導電型）のウェル領域、４ ｎ型（第１導電型）のソース領域、５ ｐ^＋型（第２導電型）のコンタクト領域、６ カーボン保護膜、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、２０ 成膜兼アニール装置、２１ 成膜兼アニール炉、２２ ガス導入管、２３ ガス排気管、２４ 炭化珪素ウエハ、２５ 基板保持具、２６ ヒータ、２７ 断熱材、２８ 高周波コイル、３０ 成膜兼アニール装置、３１ 成膜兼アニール炉、３２ ガス導入管、３３ ガス排気管、３４ 炭化珪素ウエハ、３５ 基板保持具、３６ ヒータ、３７ ヒータ引出線、３８断熱材

Claims (13)

1. 成膜兼アニール炉内に酸素を含む炭化水素ガスを供給し、減圧下で前記酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、炭化珪素ウエハの全表面上にカーボン保護膜を形成する工程と、
   前記カーボン保護膜形成の後、前記酸素を含む炭化水素ガスの供給を停止して、前記成膜兼アニール炉内に不活性ガスを供給し、減圧下で前記カーボン保護膜が形成された前記炭化珪素ウエハにアニール処理を行う工程と
   を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 成膜兼アニール炉内に酸素を含む炭化水素ガスを供給し、減圧下で前記酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて、少なくとも炭化珪素ウエハの両面上にカーボン保護膜を形成する工程と、
   前記カーボン保護膜形成の後、前記酸素を含む炭化水素ガスの供給を停止して、前記成膜兼アニール炉内に不活性ガスを供給し、減圧下で前記カーボン保護膜が形成された前記炭化珪素ウエハにアニール処理を行う工程と
   を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   前記カーボン保護膜形成時の圧力は１．３３×１０^４Ｐａ以下であり、前記アニール処理時の圧力は前記カーボン保護膜形成時の圧力又は６．６７×１０^４Ｐａ以上であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   前記カーボン保護膜を形成する際の前記炭化珪素ウエハの処理温度は８５０℃から１０００℃の範囲であり、アニール処理の際の前記炭化珪素ウエハの処理温度は１５００℃以上とすることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   前記カーボン保護膜の厚さは、１ｎｍ以上で１０００ｎｍ以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   酸素を含む炭化水素ガスはエタノール又はメタノールであることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
7. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   前記カーボン保護膜の形成及び前記アニール処理は、複数の前記炭化珪素ウエハに対して一括して処理するバッチ処理により行うことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
8. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   前記アニール処理の後、前記成膜兼アニール炉内に酸素ガスを供給し、前記カーボン保護膜を除去する工程を、更に含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
9. 請求項８に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   前記カーボン保護膜形成時の圧力は１．３３×１０^４Ｐａ以下であり、前記アニール処理時の圧力は前記カーボン保護膜形成時の圧力又は６．６７×１０^４Ｐａ以上であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
10. 請求項９に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
    前記カーボン保護膜を形成する際の前記炭化珪素ウエハの処理温度は８５０℃から１０００℃の範囲であり、アニール処理の際の前記炭化珪素ウエハの処理温度は１５００℃以上とし、前記カーボン保護膜を除去する際の炭化珪素ウエハの処理温度は約９００℃とすることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
11. 請求項８に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
    前記カーボン保護膜の厚さは、１ｎｍ以上で１０００ｎｍ以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
12. 請求項８に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
    酸素を含む炭化水素ガスはエタノール又はメタノールであることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
13. 請求項８に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
    前記カーボン保護膜の形成、前記アニール処理及び前記カーボン保護膜の除去は、複数の前記炭化珪素ウエハに対して一括して処理するバッチ処理により行うことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。

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