JP2011023431A - Method of fabricating silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
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成長させた、炭化珪素層を有する炭化珪素ウエハに対して、導電型および導電度を制御するために、n型やp型となる不純物イオンを注入し、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させるために、イオン注入した、炭化珪素ウエハをアルゴン(Ar)などの不活性ガスの雰囲気下で、高温に曝すアニール処理工程がある。このアニール処理は、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ほうが良く、通常1500℃以上、望ましくは1600℃以上で処理される。 Silicon carbide (SiC) is capable of producing a silicon carbide semiconductor device having higher voltage resistance than conventional silicon (Si), and is expected as a next-generation high-power semiconductor device. In manufacturing a silicon carbide semiconductor device using such silicon carbide, in order to control the conductivity type and conductivity for a silicon carbide wafer having a silicon carbide layer epitaxially grown on a silicon carbide substrate, Impurity ions to be n-type or p-type are implanted, and after the ion implantation, the implanted silicon carbide wafer is activated by argon (Ar) in order to activate the implanted ions and recover crystal defects formed by the ion implantation. There is an annealing treatment step of exposing to a high temperature in an atmosphere of an inert gas. In the case of using a silicon carbide wafer, this annealing treatment is preferably carried out at as high a temperature as possible in order to stabilize the characteristics, and is usually carried out at 1500 ° C. or higher, preferably 1600 ° C. or higher.
しかしながら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。ステップバンチングが形成される理由は次の通りである。 However, when the silicon carbide wafer is annealed at a high temperature, an uneven surface called step bunching is formed on the surface of the silicon carbide wafer. The reason why step bunching is formed is as follows.
炭化珪素ウエハは、通常、炭化珪素基板上に炭化珪素層をエピタキシャル結晶成長させて得られるのであるが、この際のエピタキシャル成長は、同一結晶面内に例えば6H型や、4H型などの結晶形が混在して、発生するのを防止するために、成長する結晶軸をC軸方向(結晶面である〔0001〕面に対し垂直な方向)に対して4度または8度傾けて行われる。 A silicon carbide wafer is usually obtained by epitaxially growing a silicon carbide layer on a silicon carbide substrate. In this case, the epitaxial growth has a crystal form such as 6H type or 4H type in the same crystal plane. In order to prevent them from being mixed and occurring, the growth is performed by tilting the growing crystal axis by 4 degrees or 8 degrees with respect to the C-axis direction (direction perpendicular to the [0001] plane which is the crystal plane).
このように結晶軸を傾けて結晶成長させた炭化珪素ウエハは、アニール処理のような高温に曝されると、炭化珪素ウエハの表面から構成元素であるSiおよび炭素(C)が蒸発する。この蒸発の際、珪素および炭素の蒸発条件が異なり、かつ結晶軸が傾いているために、珪素および炭素の蒸発量が炭化珪素ウエハ面内で異なることになり、結果的に、炭化珪素ウエハの表面にステップバンチングが形成される。 When the silicon carbide wafer thus grown with the crystal axis inclined is exposed to a high temperature such as an annealing process, Si and carbon (C) as constituent elements are evaporated from the surface of the silicon carbide wafer. In this evaporation, the evaporation conditions of silicon and carbon are different and the crystal axes are inclined, so that the evaporation amounts of silicon and carbon are different in the silicon carbide wafer surface. Step bunching is formed on the surface.
このようにして形成される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上にゲート酸化膜を形成する際の支障となり、さらに、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また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る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。 The step bunching formed in this manner hinders the formation of a gate oxide film on the silicon carbide wafer after the annealing process, and further hinders the formation of a gate electrode on the gate oxide film. For example, there is a possibility that a decrease in adhesion or a deterioration in leak characteristics may occur due to unevenness at the interface between the silicon carbide wafer and the gate oxide film or the gate oxide film and the gate electrode.
このため、ステップバンチングの防止あるいは低減は、炭化珪素半導体装置の品質を安定させ、歩留まりを向上させるための大きな課題である。 For this reason, prevention or reduction of step bunching is a major issue for stabilizing the quality of the silicon carbide semiconductor device and improving the yield.
このようなステップバンチングを防止あるいは低減する方法として、炭化珪素ウエハの表面に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および炭素の蒸発を防止する保護膜とする方法がある。 As a method for preventing or reducing such step bunching, there is a method in which a carbon film is formed on the surface of a silicon carbide wafer, and this carbon film is used as a protective film for preventing evaporation of silicon and carbon during annealing.
特許文献1には酸素を含む炭化水素材料ガスを用いてSiCに対するアニール用炭素保護膜を形成し、この膜をアニール処理の際の珪素および炭素の蒸発を防止する保護膜として用いることが開示されている。特許文献1では、酸素を含む炭化水素ガス(エチルアルコールやメチルアルコール)を用いることにより、良質なカーボン膜が得られ、アニール炉内清浄化の妨げとなる炉内低温部でのタール成分の発生を抑制している。
しかしながら、特許文献1の方法では、ソースガスが液体から供給されることから、ガス供給量、成膜レートを安定化するためにはベーパライザーが必要となり、装置が高価、複雑になってしまう。
However, in the method of
この発明は上記の課題を解消するためになされたもので、ベーパライザーなしでソースガスを供給できるとともに、成膜レートを安定させ、良質なカーボン膜を形成してアニール炉内清浄化の妨げとなる炉内低温部でのタール成分の発生を抑制し、炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの向上を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and can supply a source gas without a vaporizer, stabilize the film formation rate, and form a high-quality carbon film to prevent the annealing furnace from being cleaned. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device that suppresses generation of tar components in a low temperature portion in the furnace and realizes stable quality and improved yield of the silicon carbide semiconductor device.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第1の態様は、炭化珪素ウエハの表面内に不純物をイオン注入して、前記炭化珪素半導体装置の活性領域を形成する工程(a)と、前記工程(a)の後、少なくとも一酸化炭素ガスをソースガスに用いた化学気相成長法により、前記炭化珪素ウエハの全表面に所定厚さのカーボン保護膜を形成する工程(b)と、前記カーボン保護膜が形成された前記炭化珪素ウエハをアニールする工程(c)とを備えている。 A first aspect of a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming an active region of the silicon carbide semiconductor device by ion-implanting impurities into the surface of the silicon carbide wafer; After step (a), a step (b) of forming a carbon protective film having a predetermined thickness on the entire surface of the silicon carbide wafer by chemical vapor deposition using at least carbon monoxide gas as a source gas; And (c) annealing the silicon carbide wafer on which the carbon protective film is formed.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第2の態様は、炭化珪素ウエハの表面内に不純物をイオン注入して、炭化珪素半導体装置の活性領域を形成する工程(a)と、前記工程(a)の後、炭化水素ガスと酸素ガスまたは水素ガスをソースガスに用いた化学気相成長法により、前記炭化珪素ウエハの全表面に所定厚さのカーボン保護膜を形成する工程(b)と、前記カーボン保護膜が形成された前記炭化珪素ウエハをアニールする工程(c)と、を備えている。 A second aspect of the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming an active region of a silicon carbide semiconductor device by ion-implanting impurities into the surface of the silicon carbide wafer, and the step (a) After the step (b), a carbon protective film having a predetermined thickness is formed on the entire surface of the silicon carbide wafer by chemical vapor deposition using a hydrocarbon gas and an oxygen gas or a hydrogen gas as a source gas. And (c) annealing the silicon carbide wafer on which the carbon protective film is formed.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第1の態様によれば、炭化珪素ウエハの全表面に所定の厚さのカーボン保護膜を形成することで、アニール処理の際に炭化珪素ウエハの表面にステップバンチングが発生することを防止できるとともに、不純物が少ない高純度で良質なカーボン保護膜が得られるため、炭化珪素半導体装置に対する汚染が防止できる。また炭化珪素ウエハに生じる不均衡な熱応力が防止できるため、この熱応力に伴う炭化珪素ウエハの結晶欠陥の増大も防止できる。よって安定した品質と歩留まりの向上が実現可能な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、一酸化炭素をソースガスとして用いることにより、ベーパライザーなしでソースガスの供給が可能であり、ガス供給量、成膜レートの安定化を図ることができる。 According to the first aspect of the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention, a carbon protective film having a predetermined thickness is formed on the entire surface of the silicon carbide wafer, so that the silicon carbide wafer is subjected to an annealing process. Step bunching can be prevented from occurring on the surface, and a high-quality, high-quality carbon protective film with few impurities can be obtained, so that contamination of the silicon carbide semiconductor device can be prevented. Further, since unbalanced thermal stress generated in the silicon carbide wafer can be prevented, an increase in crystal defects of the silicon carbide wafer due to the thermal stress can also be prevented. Therefore, it is possible to obtain a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of realizing stable quality and improvement in yield. Further, by using carbon monoxide as a source gas, the source gas can be supplied without a vaporizer, and the gas supply amount and the film formation rate can be stabilized.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第2の態様によれば、炭化珪素ウエハの全表面に所定の厚さのカーボン保護膜を形成することで、アニール処理の際に炭化珪素ウエハの表面にステップバンチングが発生することを防止できる。また、不純物が少ない高純度で良質なカーボン保護膜が得られるため、炭化珪素半導体装置に対する汚染が防止できる。また炭化珪素ウエハに生じる不均衡な熱応力が防止できるため、この熱応力に伴う炭化珪素ウエハの結晶欠陥の増大も防止できる。よって安定した品質と歩留まりの向上が実現可能な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、炭化水素ガスと酸素ガスまたは水素ガスをソースガスに用いることにより、ベーパライザーなしでソースガスの供給が可能であり、ガス供給量、成膜レートの安定化を図ることができる。 According to the second aspect of the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention, a carbon protective film having a predetermined thickness is formed on the entire surface of the silicon carbide wafer, so that the silicon carbide wafer is subjected to an annealing process. Step bunching can be prevented from occurring on the surface. In addition, since a high-purity and high-quality carbon protective film with few impurities can be obtained, contamination of the silicon carbide semiconductor device can be prevented. Further, since unbalanced thermal stress generated in the silicon carbide wafer can be prevented, an increase in crystal defects of the silicon carbide wafer due to the thermal stress can also be prevented. Therefore, it is possible to obtain a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of realizing stable quality and improvement in yield. Further, by using a hydrocarbon gas and an oxygen gas or a hydrogen gas as a source gas, the source gas can be supplied without a vaporizer, and the gas supply amount and the film formation rate can be stabilized.
<実施の形態1>
<製造方法>
本発明に係る実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造方法について、一例として、パワーMOSFET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)100の製造工程を順に示す図1〜図8を用いて説明する。なお、パワーMOSFET100の構成は、最終工程を説明する図8に示される。
<
<Manufacturing method>
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described by way of example with reference to FIGS. 1 to 8 sequentially illustrating a manufacturing process of a power MOSFET (Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 100. The configuration of the power MOSFET 100 is shown in FIG. 8 for explaining the final process.
ここで、「MOS」という用語は、古くは金属/酸化物/半導体の積層構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にMOS構造を有する電界効果トランジスタ(以下、単に「MOSトランジスタ」と称す)においては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。 Here, the term “MOS” has been used for a metal / oxide / semiconductor laminated structure in the past, and is an acronym for Metal-Oxide-Semiconductor. However, in particular, in a field effect transistor having a MOS structure (hereinafter, simply referred to as “MOS transistor”), materials for a gate insulating film and a gate electrode have been improved from the viewpoint of recent integration and improvement of a manufacturing process.
例えばMOSトランジスタにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。 For example, in a MOS transistor, polycrystalline silicon has been adopted instead of metal as a material of a gate electrode mainly from the viewpoint of forming a source / drain in a self-aligned manner. From the viewpoint of improving electrical characteristics, a material having a high dielectric constant is adopted as a material for the gate insulating film, but the material is not necessarily limited to an oxide.
従って「MOS」という用語は必ずしも金属/酸化物/半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。すなわち、技術常識に鑑みて、ここでは「MOS」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体/絶縁体/半導体の積層構造をも含む意義を有する。 Therefore, the term “MOS” is not necessarily limited to the metal / oxide / semiconductor stacked structure, and is not presumed in this specification. That is, in view of the common general knowledge, “MOS” is not only an abbreviation derived from the word source, but also has a meaning including widely a laminated structure of a conductor / insulator / semiconductor.
まず、図1に示す工程において、n型(第1導電型)不純物を比較的高濃度(n+)に含む半導体基板1の一方主面上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、n型不純物を比較的低濃度(n-)に含む炭化珪素層2を形成する。ここで、半導体基板1としては、例えば、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とで、炭化珪素ウエハWFが構成される。
First, in the step shown in FIG. 1, an n-type impurity is formed on one main surface of the
次に、図2に示す工程において、炭化珪素ウエハWFの表面内、具体的には炭化珪素層2の表面内に、レジスト(図示せず)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、互いに離間した複数のウェル領域3を選択的に形成する。イオン注入後、レジストは除去される。ここで、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。
Next, in the step shown in FIG. 2, a p-type (second conductivity type) impurity is formed in the surface of silicon carbide wafer WF, specifically in the surface of
次に、それぞれのウェル領域3の表面内に、レジスト(図示せず)をマスクとしてn型の不純物をイオン注入して、ソース領域4を選択的に形成する。イオン注入後、レジストは除去される。ここで、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。
Next, n-type impurities are ion-implanted into the surface of each
次に、レジスト(図示せず)をマスクとして、ソース領域4が周囲に接するようにp型の不純物をイオン注入して、p型不純物を比較的高濃度(p+)に含むコンタクト領域5を形成する。イオン注入後、レジストは除去される。ここで、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高くなるように設定される。このp型不純物としては、例えばボロン(B)あるいはアルミニウム(Al)が挙げられる。
Next, using a resist (not shown) as a mask, a p-type impurity is ion-implanted so that the
次に、図3に示す工程において、ソースガスとして一酸化炭素を使用し、CVD(Chemical Vapor Deposition)などの化学気相成長法によって、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜6を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3, carbon monoxide is used as a source gas, and a carbon
具体的には、CVDを行う成膜装置内を真空ポンプにより真空排気し、残存する酸素を極力除去した後、アルゴン(Ar)やヘリウム(He)などの不活性ガスを流しながら、減圧下で成膜装置内の温度を500℃から1000℃の範囲に加熱する。この温度に達したら、不活性ガスの流入を停止し、成膜装置内にソースガスとして一酸化炭素を流入させることで、炭化珪素ウエハWFの全表面にカーボン保護膜6を形成する。
Specifically, the inside of the film forming apparatus for performing CVD is evacuated by a vacuum pump, and after removing residual oxygen as much as possible, an inert gas such as argon (Ar) or helium (He) is allowed to flow under reduced pressure. The temperature in the film forming apparatus is heated to a range of 500 ° C. to 1000 ° C. When this temperature is reached, the inflow of the inert gas is stopped, and carbon monoxide is caused to flow into the film forming apparatus as a source gas, thereby forming the carbon
このとき成膜装置内の圧力は、1Pa〜107Paの範囲になるように制御するが、成膜装置内の圧力が減圧状態から大気圧までの場合は、一酸化炭素の分解促進のために水素ガスを添加しても良い。なお、成膜装置内の圧力が加圧状態に設定される場合は、水素ガスを添加しなくても良い。 At this time, the pressure in the film forming apparatus is controlled to be in a range of 1 Pa to 10 7 Pa. However, when the pressure in the film forming apparatus is from a reduced pressure state to atmospheric pressure, the decomposition of carbon monoxide is promoted. Hydrogen gas may be added. Note that in the case where the pressure in the film formation apparatus is set to a pressurized state, it is not necessary to add hydrogen gas.
水素ガスを添加する場合、一酸化炭素ガスと水素ガスの流量は、一酸化炭素ガス:水素ガスの流量比が1:10〜10:1、好ましくは1:4〜4:1の範囲となるように制御する。なお、一酸化炭素ガスはアルゴンガスで希釈されたものを用いても良い。 When hydrogen gas is added, the flow rate of carbon monoxide gas and hydrogen gas is in the range of carbon monoxide gas: hydrogen gas flow ratio of 1:10 to 10: 1, preferably 1: 4 to 4: 1. To control. The carbon monoxide gas may be diluted with argon gas.
一酸化炭素ガスと水素ガスとをソースガスとして使用した場合、炭化水素ガスのみで得られるカーボン保護膜よりも、より欠陥の少ない炭化膜が得られる。これは、水素ガスが膜形成時のアモルファス構造の炭素とより反応して、膜の欠陥を減少させる効果があるためである。 When carbon monoxide gas and hydrogen gas are used as source gases, a carbon film with fewer defects can be obtained than a carbon protective film obtained only with a hydrocarbon gas. This is because hydrogen gas reacts more with carbon having an amorphous structure during film formation, and has an effect of reducing defects in the film.
さらに、成膜装置内の低温部に、未反応の炭素や高分子の炭化水素膜が付着することが減少し、生産時の成膜装置のメンテナンス性も向上する。 Furthermore, adhesion of unreacted carbon or polymer hydrocarbon film to the low temperature portion in the film forming apparatus is reduced, and the maintainability of the film forming apparatus during production is improved.
また、水素ガスを添加することで、一酸化炭素が分解しやすくなり、カーボン膜の成膜レートが向上する。 Further, by adding hydrogen gas, carbon monoxide is easily decomposed, and the deposition rate of the carbon film is improved.
このようにCVDなどの化学気相成長法によって形成されるカーボン保護膜6は、不純物の少ない高純度で良質なカーボン膜である。ここで良質とは、形成された膜が、アモルファス成分が少なく、グラファイト化が進んだ状態を指す。
Thus, the carbon
なお、カーボン保護膜6の膜厚は、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および炭化珪素ウエハWFに生じる温度差によりひび割れを生じない1000nm以下が望ましく、より望ましい範囲は、膜厚制御が容易な10nm以上、500nm以下である。
The film thickness of the carbon
また、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜6を形成するため、バッチ式に複数枚の一括同時の成膜処理が可能となる。
In addition, since the carbon
具体的には、成膜装置内に、炭化珪素ウエハの全表面に均一にカーボン保護膜6が形成される間隔を保って炭化珪素ウエハWFを複数枚配置することで、一括しての膜形成が可能となり、スループットが向上する。
Specifically, a plurality of silicon carbide wafers WF are arranged in a film forming apparatus at a distance so that the carbon
次に全表面にカーボン保護膜6が成膜された炭化珪素ウエハWFをアニール処理装置に入れて、不活性ガスの雰囲気中でアニール処理を行う。
Next, the silicon carbide wafer WF having the carbon
ここでは、前述のカーボン保護膜形成用の成膜装置とアニール装置に使用する基板保持具を、例えばカーボンなどを用いて構成し、アニール装置と成膜装置とで共用化することにより、保持具間での炭化珪素ウエハWFの乗せ変え作業が不要になり、パーティクル等の付着を低減して歩留まりの向上が期待できるとともに、膜剥がれなどによる、炉内の汚染の可能性がより減少するという効果が得られる。 Here, the substrate holder used in the carbon protective film forming film forming apparatus and the annealing apparatus described above is configured using, for example, carbon, and the annealing apparatus and the film forming apparatus are used in common. The effect of reducing the possibility of contamination in the furnace due to film peeling or the like can be expected while reducing the adhesion of particles and the like and improving the yield. Is obtained.
なお、基板保持具の材質にカーボンを用いるのは、アニール処理では1500℃以上の高温に曝されるので、耐久性を考慮してのことである。 Carbon is used as the material for the substrate holder because it is exposed to a high temperature of 1500 ° C. or higher in the annealing process, so that durability is taken into consideration.
ここで、図9を用いて成膜装置およびアニール装置の一例を説明する。図9の(a)部には、カーボン保護膜6を形成するための成膜装置として、一般的なCVD装置30の構成を示している。
Here, an example of a film forming apparatus and an annealing apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 9A shows a configuration of a
図9に示すように、CVD装置30は、一酸化炭素ガスおよび必要に応じて水素ガスを導入するためのガス導入管31、炭化珪素ウエハWFの全表面にカーボン保護膜6を形成するための成膜炉32、熱分解された一酸化炭素ガスを排気するためのガス排気管33、成膜炉32の外周部に、一酸化炭素ガスに直接接触しないように設けられた一酸化炭素ガスを熱分解させるためのヒータ34、炭化珪素ウエハWFの全表面に、カーボン保護膜6が形成可能なように保持し、かつ炭化珪素ウエハWFを複数枚同時にバッチ処理するための基板保持具35を備えている。基板保持具35は、炭化珪素ウエハWFの周縁部を、例えば3点で支持して保持できるようにしたものが考えられる。
As shown in FIG. 9, a
なお、図9に示したCVD装置30の構成は一例であり、これに相当する構成を備えていればカーボン保護膜6の形成は可能である。
The configuration of the
図9の(c)部には、カーボン保護膜6が成膜された炭化珪素ウエハWFをアニール処理するためのアニール処理装置40の構成を示している。
FIG. 9C shows the configuration of an
図9において、アニール処理装置40は、アニール炉41、このアニール炉41にアルゴンなどの不活性ガスを導入するガス導入管42、アニール炉41内を排気するためのガス排気管43、複数の炭化珪素ウエハが載置可能であり、かつCVD装置30と共用化されている基板保持具35、基板保持具35の周囲に設けられたカーボンヒータなどのヒータ44、少なくともヒータ44の周囲に設けられ、ヒータ44の熱を均一に炭化珪素ウエハに与えるための石英やセラミックで構成される均熱材45、アニール炉41の周囲に設けられ、ヒータ44を誘導加熱するためのコイル46を備えている。
In FIG. 9, an
アニールは、具体的には、アニール炉41内を排気後に、アルゴンガスをガス導入管42から導入し、所定の圧力に設定されたアルゴン雰囲気中で、コイル46により誘導加熱されたヒータ44の熱で予備加熱(1000℃程度)を行った後、所定の温度(1500℃以上,好ましくは1700℃程度)で所定の時間加熱し、その後速やかに冷却する。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。
Specifically, the annealing is performed after the
なお、先に説明したように、基板保持具35は、アニール処理装置40とCVD装置30とで共用化されており、図9の(b)部に示されたように、CVD装置30から取り出された基板保持具35は、そのままアニール処理装置40内に導入される。
As described above, the
アニール処理の後、カーボン保護膜6を、950℃程度の酸素雰囲気中で30分程度曝すことにより除去する。あるいは、レジスト除去に用いられる酸素プラズマを用いたアッシングにより除去する。
After the annealing treatment, the carbon
ここで、炭化珪素ウエハWFは、全表面にカーボン保護膜6が形成されているために、アニール処理の際に炭化珪素ウエハWFの表面にステップバンチングが発生することがない。
Here, since carbon
カーボン保護膜6を除去した後の炭化珪素ウエハWFの表面の凹凸をAFM(原子間力顕微鏡:Atomic Force Microscopy)で測定したところ、カーボン保護膜6を設けなかった場合は、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を用いた場合は、1nm以下の凹凸しか発生せず、その効果が確認できた。
When the unevenness of the surface of the silicon carbide wafer WF after removing the carbon
また、本発明に係る製造方法によれば、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WFの全表面にカーボン保護膜6を形成するので、アニール処理の際に炭化珪素ウエハWFに生じる不均衡な熱応力が改善され、炭化珪素ウエハWFに生じる歪みが低減される。その結果、炭化珪素ウエハWFの結晶に生じる欠陥が増大することを防止できる。
In addition, according to the manufacturing method of the present invention, since the high-purity carbon
次に、図4に示す工程において、カーボン保護膜6が除去された炭化珪素ウエハWFの一方主面、具体的にはイオン注入によりウェル領域3等が形成された側の主面上に、熱酸化法によって二酸化珪素(SiO2)で構成されるゲート酸化膜7を形成する。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。
Next, in the process shown in FIG. 4, heat is applied to one main surface of the silicon carbide wafer WF from which the carbon
次に、図5に示す工程において、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、フォトリソグラフィーによりパターニングされたレジストマスク(図示せず)を用いて、ウェットエッチング法あるいはRIE(Reactive Ion Etching)などのドライエッチング法によりポリシリコン膜の不要部分を除去してゲート電極8を形成する。このとき、ゲート電極8は、対向する2つのソース領域4間に跨るように形成され、2つのソース領域4間の炭化珪素層2上およびウェル領域3上に接する。
Next, in the step shown in FIG. 5, after a polysilicon film is formed on the
次に、図6に示す工程において、ゲート酸化膜7およびゲート電極8の表面上に、TEOS(Tetraethoxysilane)ガスを用いた化学気相成長法により、二酸化珪素(SiO2)で構成される層間絶縁膜9を形成する。この工程で形成される層間絶縁膜9はTEOS酸化膜である。
Next, in the step shown in FIG. 6, interlayer insulation composed of silicon dioxide (SiO 2 ) is formed on the surfaces of the
次に、図7に示す工程において、フォトリソグラフィーによりパターニングされたレジストマスク(図示せず)を用いて、ウェットエッチング法あるいはRIEなどのドライエッチング法によりコンタクト領域5および一部のソース領域4が露出するように、層間絶縁膜9およびゲート酸化膜7を除去する。このとき、ゲート酸化膜7は、対向する2つのソース領域4間に跨るとともに、ソース領域4の一部上部に接するように形成され、その上にはゲート酸化膜7上からはみ出さないようにゲート電極8が存在している。また、ゲート電極8の上面および側面を覆うように層間絶縁膜9が残されている。
Next, in the step shown in FIG. 7, the
次に、層間絶縁膜9およびゲート酸化膜7が除去された後の露出したコンタクト領域5および一部のソース領域4上を覆うように、例えばスパッタリングなどの物理気相成長法(PVD:Physical Vapor Deposition)により導電膜を形成する。
Next, a physical vapor deposition method (PVD: Physical Vapor) such as sputtering is applied so as to cover the exposed
その後、図8に示す工程において、フォトリソグラフィーによりパターニングされたレジストマスク(図示せず)を用いて、ウェットエッチング法あるいはRIEなどのドライエッチング法により層間絶縁膜9の上面に形成された導電膜の不要部分を除去して、コンタクト領域5および一部のソース領域4上に接する、ソース電極(第1の主電極)10を形成する。ソース電極10は、コンタクト領域5およびソース領域4に電気的に接続されている。
Thereafter, in the step shown in FIG. 8, a conductive mask formed on the upper surface of the
なお、ソース電極10の構成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。
The constituent material of the
最後に、図8に示す工程において、炭化珪素ウエハWFの裏面上、具体的にはイオン注入によりウェル領域3等が形成された側とは反対側の主面上に、スパッタリングなどの物理気相成長法により、導電膜を形成し、ドレイン電極(第2の主電極)11とする。ドレイン電極11の構成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。
Finally, in the step shown in FIG. 8, a physical vapor phase such as sputtering is formed on the back surface of the silicon carbide wafer WF, specifically on the main surface opposite to the side where the
以上の工程を経て、図8に示すようにパワーMOSFET100の主要部が完成する。 Through the above steps, the main part of the power MOSFET 100 is completed as shown in FIG.
<効果>
以上説明したように、実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、不純物のイオン注入後に、一酸化炭素ガスを熱分解させて成膜する化学気相成長法により炭化珪素ウエハWFの全表面に所定の厚さのカーボン保護膜6を形成する。これにより、アニール処理の際に炭化珪素ウエハWFの表面にステップバンチングが発生することを防止できるとともに、不純物が少ない高純度で良質なカーボン保護膜6が得られるため、炭化珪素半導体装置に対する汚染が防止できる。また炭化珪素ウエハWFに生じる不均衡な熱応力が防止できるため、この熱応力に伴う炭化珪素ウエハWFの結晶欠陥の増大も防止できる。よって安定した品質と歩留まりの向上が実現可能な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、一酸化炭素をソースガスとして用いることにより、ベーパライザーなしでソースガスの供給が可能であり、ガス供給量、成膜レートの安定化を図ることができる。
<Effect>
As described above, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, the silicon carbide wafer is formed by chemical vapor deposition in which carbon monoxide gas is thermally decomposed after impurity ion implantation. A carbon
<実施の形態2>
実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造方法では、ソースガスに一酸化炭素ガスを用いてカーボン保護膜6を形成する構成を示したが、ソースガスとして炭化水素ガスと酸素ガスを用いても良い。
<
In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment, the structure in which carbon
より具体的には、図9に示したCVD装置30を使用する場合、基板保持具35に搭載されて炭化珪素ウエハWFが配置されている成膜炉32内を減圧状態まで排気し、炉内に残存した酸素を極力排気した後、成膜炉32内に、アルゴン(Ar)やヘリウム(He)などの不活性ガスをキャリアガスとして流しながら、真空排気をしながらの減圧下で装置内の温度を850℃から1000℃の範囲に加熱する。その後、キャリアガスを停止もしくは流した状態で、アセチレン、メタンおよびプロパンなどの炭化水素ガスと酸素ガスを所定の圧力で供給して、炭化水素ガスを熱分解させて炭化珪素ウエハWFの全表面にカーボン保護膜6を形成する。なお、カーボン保護膜6の膜厚は、実施の形態1において形成したものと同じである。
More specifically, when the
ここで、減圧時の圧力は10000Pa以下、より好ましくは1000Pa以下にすることが望ましい。 Here, the pressure during decompression is desirably 10,000 Pa or less, and more desirably 1000 Pa or less.
ソースガスとして炭化水素ガスと酸素ガスを用いる場合は、成膜炉32内に流入する酸素ガス:炭化水素ガスの流量比が1:100〜4:1の範囲となり、かつガスの燃焼反応が起こらないように炭化水素ガスと酸素ガスの流量、圧力を調整する。例えば、メタンガスを使用する場合、大気圧であれば、空気との混合比(容量比)で、メタンが5%以下、14%以上では燃焼反応が起きない。減圧中は大気圧の場合より燃焼範囲が狭くなり、例えば1000Paでは、メタンガス:酸素ガスの流量比が9:1でも燃焼反応は起きない。
When hydrocarbon gas and oxygen gas are used as the source gas, the flow rate ratio of oxygen gas: hydrocarbon gas flowing into the
このように、炭化水素ガスおよび酸素ガスをソースガスとして用いることにより、ベーパライザーなしでソースガスの供給が可能であり、ガス供給量、成膜レートの安定化を図ることができる。 As described above, by using the hydrocarbon gas and the oxygen gas as the source gas, the source gas can be supplied without a vaporizer, and the gas supply amount and the film formation rate can be stabilized.
また、炭化水素ガスとともに酸素ガスをソースガスとして使用した場合、炭化水素ガスのみで得られるカーボン保護膜よりも、より欠陥の少ない炭化膜が得られる。これは、酸素ガスが膜形成時のアモルファス構造の炭素とより反応して、膜の欠陥を減少させる効果があるためである。 Further, when oxygen gas is used as a source gas together with hydrocarbon gas, a carbon film having fewer defects can be obtained than a carbon protective film obtained using only hydrocarbon gas. This is because oxygen gas reacts more with carbon having an amorphous structure during film formation, and has an effect of reducing defects in the film.
さらに、成膜装置内の低温部に、未反応の炭素や高分子の炭化水素膜が付着することが減少し、生産時の成膜装置のメンテナンス性も向上する。 Furthermore, adhesion of unreacted carbon or polymer hydrocarbon film to the low temperature portion in the film forming apparatus is reduced, and the maintainability of the film forming apparatus during production is improved.
<変形例>
なお、酸素ガスの代わりに水素ガスを用いても同様の効果が得られる。ソースガスとして炭化水素ガスと水素ガスを用いる場合は、成膜炉32(図9)に流入する水素ガス:炭化水素ガスの流量比が1:100〜4:1となるように、炭化水素ガスと水素ガスの流量を制御する。
<Modification>
Note that the same effect can be obtained by using hydrogen gas instead of oxygen gas. When using hydrocarbon gas and hydrogen gas as the source gas, the hydrocarbon gas is set so that the flow ratio of hydrogen gas: hydrocarbon gas flowing into the film forming furnace 32 (FIG. 9) is 1: 100-4: 1. And control the flow rate of hydrogen gas.
6 カーボン保護膜、35 基板保持具、WF 炭化珪素ウエハ。 6 Carbon protective film, 35 substrate holder, WF silicon carbide wafer.
Claims (7)
(b)前記工程(a)の後、少なくとも一酸化炭素ガスをソースガスに用いた化学気相成長法により、前記炭化珪素ウエハの全表面に所定厚さのカーボン保護膜を形成する工程と、
(c)前記カーボン保護膜が形成された前記炭化珪素ウエハをアニールする工程と、を備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。 (a) ion-implanting impurities into the surface of the silicon carbide wafer to form an active region of the silicon carbide semiconductor device;
(b) after the step (a), forming a carbon protective film having a predetermined thickness on the entire surface of the silicon carbide wafer by chemical vapor deposition using at least carbon monoxide gas as a source gas;
(c) annealing the silicon carbide wafer on which the carbon protective film is formed. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
化学気相成長を行う成膜装置内の圧力が減圧状態から大気圧までの場合は、前記ソースガスとして、前記一酸化炭素ガスとともに水素ガスを導入し、
前記成膜装置内の圧力が加圧状態の場合は、前記ソースガスとして、前記一酸化炭素ガスのみを導入する工程を含む、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (b)
When the pressure in the film forming apparatus for performing chemical vapor deposition is from a reduced pressure state to atmospheric pressure, hydrogen gas is introduced together with the carbon monoxide gas as the source gas,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of introducing only the carbon monoxide gas as the source gas when the pressure in the film forming apparatus is in a pressurized state.
(b)前記工程(a)の後、炭化水素ガスと酸素ガスまたは水素ガスをソースガスに用いた化学気相成長法により、前記炭化珪素ウエハの全表面に所定厚さのカーボン保護膜を形成する工程と、
(c)前記カーボン保護膜が形成された前記炭化珪素ウエハをアニールする工程と、を備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。 (a) ion-implanting impurities into the surface of the silicon carbide wafer to form an active region of the silicon carbide semiconductor device;
(b) After the step (a), a carbon protective film having a predetermined thickness is formed on the entire surface of the silicon carbide wafer by chemical vapor deposition using a hydrocarbon gas and an oxygen gas or a hydrogen gas as a source gas. And a process of
(c) annealing the silicon carbide wafer on which the carbon protective film is formed. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
前記所定厚さが1nm〜1000nmの範囲となるように前記カーボン保護膜を形成する工程を含む、請求項1または請求項3記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (b)
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming the carbon protective film so that the predetermined thickness is in a range of 1 nm to 1000 nm.
複数の前記炭化珪素ウエハに対して一括して前記カーボン保護膜を形成するバッチ処理を含む、請求項1または請求項3記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (b)
The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of Claim 1 or Claim 3 including the batch process which forms the said carbon protective film collectively with respect to the said several silicon carbide wafer.
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