JP2011146662A - ＳｉＣ半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アニール後のＳｉＣ表面を清浄かつ平滑に保ち良好な特性のデバイスを作成する方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ基板１の表面層に不純物のドーピングを行なう工程と、不純物がドーピングされたＳｉＣ基板の表面に、不活性ガス雰囲気中でカーボン膜２を堆積する工程と、カーボン膜が堆積されたＳｉＣ基板をアニール処理する工程と、アニール処理されたＳｉＣ基板に堆積されているカーボン膜を除去する工程とを含むことを特徴とするＳｉＣ半導体素子の製造方法。好ましくはカーボン膜は水素濃度が５at％以下であること。カーボン膜を堆積する工程はＥＣＲスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、およびイオンビームスパッタ法のうちのいずれかの方法を用いてカーボン膜を堆積すること。カーボン膜を除去する工程は、水素プラズマ、硫化フッ素プラズマ、フッ化カーボンプラズマ、窒素プラズマを用いてカーボン膜を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明はＳｉＣ材料を基板に用いた半導体素子の製造方法に関する。

近年、Ｓｉに代わる半導体材料の一つとしてＳｉＣが注目されている。ＳｉＣはバンドギャップがＳｉのバンドギャップと比べて３倍近く大きいため、動作上限温度を高くできる。また、絶縁破壊電界強度がＳｉに比べて約一桁大きいため、絶縁破壊電界強度の３乗の逆数で効いてくるオン抵抗が低減され、定常状態での電力損失を低減できる。さらに、熱伝導もＳｉに比べて３倍以上高いので、熱冷却効果が高く冷却装置を小型化できる利点も有する。さらに、飽和ドリフト速度が大きいため、高速動作にも優れている。このようなことからＳｉＣは電力用半導体素子や高周波デバイス、高温動作デバイスなどへの応用が期待されている。

ＳｉＣを用いた代表的なデバイスとしては、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）や、ＰＮ接合ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)などがあり、電力用途を主体に多くの研究機関で精力的に開発されている。これらのデバイスを製作する基本的な工程は、イオン注入を用いてＳｉＣ基板内の所定の領域に各種不純物を導入し、適切な濃度分布を形成した後に、電極パターンを形成するものである。デバイス種類に応じて、電極には大別して３つの機能がある。

第１に、半導体基板であるＳｉＣに電流を供給するためのオーミック電極としての機能があり、この場合には電極−ＳｉＣ間の接触部分でのコンタクト抵抗を極力低減する必要がある。そのための方策として、ショットキー障壁の低い電極を用いてＳｉＣ表面のキャリア濃度をできるだけ高くするほか、電極形成後のアニール方法などが工夫される。実際のパワーデバイスでは、Ｎ型とＰ型の不純物領域に同じ金属を同時に形成することが望ましいが、Ａｌ／Ｎｉ電極を用いることで両方に対して低いコンタクト抵抗が確認されている。

電極の第２として、ショットキー電極がある。この電極は、ダイオードとしての整流機能を利用することから、正方向で低抵抗、逆方向で高抵抗のそれぞれ極限の特性が要求される。このような特性を満足させるために、キャリア濃度や電極材料、アニール条件が選ばれる。第１、第２の電極ともに、半導体であるＳｉＣと金属電極との直接のコンタクト電極であり、ＳｉＣとの反応性や導電性、仕事関数などの特性を満足する材料であれば何れの金属でも使用でき、通常はＡｌ／Ｔｉに代表されるように、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕなどの金属が組み合わせられて用いられる。金属だけでなく、ＥＣＲ (Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ)スパッタなどのスパッタ法を用いて成膜したカーボン膜は膜厚方向の導電性が高く反応性も低いことから、ＳｉＣとの界面部分に利用することができる。

第３の電極としては、ＭＯＳデバイスのゲート電極がある。この電極は、ＳｉＣ基板とゲート電極との間に絶縁膜を挿入し、ゲート電極への印加電圧を変化させることにより、ＳｉＣ表面のキャリア密度を可変させて電流制御を行う。ＭＯＳデバイスでは、絶縁膜内部及びＳｉＣとの界面に発生した固定電荷や界面準位が、ＦＥＴの閾値電圧変動やチャネル抵抗増大などの性能劣化要因となっている。このような現象を抑制し、特性を改善するために、ゲート絶縁膜に関して様々な形成法が提案されている。最も一般的にはＳｉＣ基板を高温の酸素雰囲気中で熱酸化してＳｉＯ₂を形成するものであるが、水分を含んだ雰囲気での酸化や、酸化後の水素雰囲気アニールなどが試みられている。またＳｉＣ基板上に、プラズマＣＶＤ (Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)やＡＬＤ (Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)、ＥＣＲスパッタなどを用いて成膜する方法もある。この方法では、ＳｉＯ₂以外にＡｌ₂Ｏ₃やＨｆＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂などの酸化物のほか、Ｓｉ₃Ｎ₄やＡＬＮなどの窒化物、さらにはこれらの多層や混合薄膜を用いることも可能である。そのほかに、プラズマを用いてＳｉＣ表面を酸化や窒化することも報告されており、プラズマ窒化後に熱酸化することでＮＯ酸化と同様な効果も得られている。ＥＣＲプラズマを用いれば、活性度が極めて高いことから酸化や窒化の自由度が更に高くなる。ＭＯＳデバイスの電極材料としては、オーミックやショットキー電極と同様の材料を利用できるが、Ｓｉ−ＬＳＩで一般的なＭｏやＷ、Ｔａ、Ｈｆのような高融点材料、またそのシリサイドや窒化物を用いることができる。これら全ての電極は、通常、スパッタ法で形成されているが、半導体基板への損傷が問題となる場合には、ＣＶＤ法のほか対向スパッタやＥＣＲスパッタも利用される。

上記のＳｉＣデバイスの基本的な性能は、ＳｉＣ基板内における各種不純物の濃度分布と活性化率の制御によって決定される。ＳｉＣ基板に注入されるイオン種としては、ｎ型に対しては窒素、リンが用いられ、ｐ型に対してはアルミニウム、ホウ素が用いられる。この注入された不純物を電気的に活性化するために高温のアニールが必要とされる。窒素では１３００℃以上、アルミニウムでは１５００℃以上、ホウ素では１７００℃以上の高温が必要であると言われている。このような高温のアニールを行うと、ステップバンチングによる表面荒れが顕著になり、素子化ができなくなる問題が生じる。特許文献１には、この問題を解決するため、イオン注入後、ＳｉＣ基板上にダイヤモンドライクカーボン、あるいはレジストに使用される有機膜と同様の組成の膜を成膜し、アニール時の表面荒れを防止する方法が記載されている。

特開２００１−０６８４２８号公報

鈴木、池永著、「実例で学ぶＤＬＣ成膜技術」、２００３年、日刊工業新聞社刊、ｐ２ 斉藤秀俊著、「ＤＬＣハンドブック」、２００６年、株式会社ＮＴＳ刊 International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2009, Technical Digest Mo-2A-4

アニールにより抵抗を低減するためには、アニール条件の選択が重要である。短時間で有効に活性化をするためには、できるだけ高温でアニールすることが望ましい。しかし、現状のカーボン膜では２０００℃程度の超高温条件において熱的耐久性を有するカーボン保護膜は開発されていなかった。超高温におけるカーボン保護膜の耐熱性を向上させるためには、１）結晶性のカーボン膜であること、２）不純物が少ないこと、３）できる限りｓｐ２構造主体の結合状態のカーボン膜であること、が望ましい。従来提案されているダイヤモンドライクカーボン膜はアモルファス膜である。アモルファス膜は室温では準安定状態であるため、高温にすると容易に結晶化して構造変化し、緻密な膜を維持することはできない。また、膜中にＨ２などの不純物が含まれていると、アニール時にＨ２などの不純物が膜から脱離し、体積収縮するため緻密な膜を維持することができない。レジストに使用される有機膜と同様の組成の膜でも同様な現象が発生する。さらに、カーボンは高温でｓｐ２状態（グラファイト）がｓｐ３状態（ダイヤモンド）よりも安定状態である。このため、ｓｐ３成分が多いカーボン膜では、超高温アニール時にｓｐ２に変態する。ダイヤモンドの密度は３．５ｇ/ｃｃであり、グラファイトの密度は２．２ｇ/ｃｃである。密度の高い物質から密度の低い物質に変態するため、体積膨張が生じ、均一な構造変化を起こすことができず、均質な膜を得ることはできない。以上のことから、超高温条件におけるアニールに耐えうる保護膜には、結晶性、高純度、高ｓｐ２結合が要求される。

従来カーボン膜は種々の手法で作成されてきた。主に、炭化水素系のガスを用いたスパッタ、ＣＶＤ法により、カーボン膜が作成され、比較的高硬度な膜が得られることから、このカーボン膜はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ膜）と呼ばれていた。概ね、水素化されたアモルファスカーボン膜がＤＬＣ膜と呼ばれている（非特許文献１、２）。その後、炭化水素系のガスを用いず、純アルゴンガスを用いたスパッタ法で成膜するカーボンも検討された。これは、アモルファスであったため、アモルファスカーボン（ａ−Ｃａｒｂｏｎ）と呼ばれていた。このＤＬＣ膜、ａ−Ｃａｒｂｏｎともにアモルファスカーボン膜である。

しかしながら、ＳｉＣ基板上にダイヤモンドライクカーボン、あるいは、レジストに使用される有機膜と同様の組成の膜を成膜することによって、アニール時の表面荒れを防止する方法では、膜中に多量の水素（５ａｔ％よりも多く、おおよそ２０ａｔ％ぐらいまでの量）が含まれているので、アニール温度を約５００℃以上にすると、膜中から水素が脱離する。水素が離脱した結果、膜中に空洞が発生するので、カーボン膜でＳｉＣ基板を完全に覆うことができず、高温アニールした場合のＳｉＣの表面荒れを基板全面にわたって抑制することができない問題があった。

また、アニールしたカーボン膜を除去するためには、酸素プラズマを用いたアッシングが有効である。この酸素アッシングはカーボン膜を除去するためには有効な手法であるが、酸素プラズマがカーボンを完全に除去した後、ＳｉＣ基板に照射されると、ＳｉＣ表面にＳｉＯｘＣｙが形成される。このＳｉＯｘＣｙは強固な膜でフッ酸などの酸、アルカリで除去することはできない（非特許文献３）。また、このＳｉＯｘＣｙは数ｎｍ以上の膜厚があると、アルゴンによるイオンエッチングでも困難となる。このため、酸素アッシングでカーボン膜を除去するためには、カーボン膜を除去し終わった後に、酸素プラズマを照射する時間を極力短くすることが重要である。この手法を量産装置で使用するには、信頼性、再現性に問題がある。このため、カーボン膜の除去をするためには、ＳｉＣ界面に酸素が触れない手法を開発する必要がある。

このような問題に鑑み、本発明の目的は、アニール後のＳｉＣ表面を清浄かつ平滑に保ち、良好な特性のデバイスを作成する方法を提供することにある。さらに、カーボン膜を除去する上で、ＳｉＣの表面にＳｉＯｘＣｙを形成させず、平坦で、低抵抗なＳｉＣ表面を得る手法を提供する。

本発明は、上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ＳｉＣ基板の表面層に不純物のドーピングを行なう工程と、上記不純物がドーピングされたＳｉＣ基板の表面に、不活性ガス雰囲気中でカーボン膜を堆積する工程と、上記カーボン膜が堆積されたＳｉＣ基板にアニール処理する工程と、上記アニール処理されたＳｉＣ基板に堆積されているカーボン膜を除去する工程とを含むことを特徴とするＳｉＣ半導体素子の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法において上記カーボン膜は、水素濃度が５at％以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法において、上記カーボン膜を堆積する工程は、ＥＣＲスパッタ法を用いてカーボン膜を堆積することを特徴とする。

このような構成により、ダイヤモンドライクカーボン膜では、成膜時に炭化水素系のガスを用いるため、膜中に高濃度の水素が含まれるが、ＥＣＲスパッタ法、ＤＣスパッタ、ＲＦスパッタ法において、ターゲットにカーボンを用た場合は、作用ガスにアルゴンを用いることができカーボン膜中の水素濃度を著しく低減できるため、アニール時の表面荒れを有効に低減することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法において、上記堆積されるカーボン膜は、結晶性のカーボン膜であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法において、前記カーボン膜を除去する工程は、Ｈ２プラズマによるエッチングを含むことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法において、前記カーボン膜を除去する工程は、硫化フッ素プラズマによるエッチングを含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法において、前記カーボン膜を除去する工程は、フッ化カーボンプラズマによるエッチングを含むことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法において、前記カーボン膜を除去する工程は、窒素プラズマによるエッチングを含むことを特徴とする。

本発明の製造方法にかかる半導体素子の製造工程ごとの断面を示す図である。 本発明の半導体素子の製造方法に用いることができるスパッタ方法の一例を説明する図である。 本発明の半導体素子の製造方法に用いることができるＥＣＲスパッタ装置の一例を示す図である。 基板表面の平坦性を示すＡＦＭ像を表した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の半導体素子の製造方法を説明するための図である。本発明のＳｉＣ半導体素子の製造方法は、ＳｉＣ基板の表面層に不純物のドーピングを行なう工程[図１（ｂ）]と、前記不純物がドーピングされたＳｉＣ基板の表面に、不活性ガス雰囲気中でカーボン膜を堆積する工程[図１（ｃ）]と、前記カーボン膜が堆積されたＳｉＣ基板をアニール処理する工程[図１（ｄ）]と、前記アニール処理されたＳｉＣ基板に堆積されたカーボン膜を除去する工程[図１（ｅ）]とを含むことを特徴とする。

本発明の製造方法においては、ウェハとして４Ｈ−ＳｉＣ基板１を用いることができる[図１（ａ）]。まず、このＳｉＣ基板１の表面層に不純物のドーピングを行う[図１（ｂ）]。不純物のドーピングは、例えば、ドーパントとしてアルミニウムを用いて、雰囲気温度４００℃の下、以下の注入条件でチルト角度０度（垂直入射）のイオン注入により行なう。

注入条件： １００ｋeV ２．０Ｅ１５/ｃｍ²
４０ｋeV ２．０Ｅ１４/ｃｍ²
２０ｋeV ２．０Ｅ１４/ｃｍ²

上記のようにして不純物をドーピングしたＳｉＣ基板１を得た後、スパッタ装置を用いてＳｉＣ基板１の表面に、カーボン膜を堆積する[図１（ｃ）]。本発明では、不純物をドーピングしたＳｉＣ基板１上へのカーボン膜の堆積を不活性ガス雰囲気中で行う点に特徴がある。この実施形態では、不活性ガスとしてＡｒガスを用いる場合を例に挙げて説明する。また、カーボン膜は、例えば１００ｎｍの膜厚とすることができる。

図２は、カーボン膜を堆積するためのＤＣスパッタ法の一例を説明する図である。ＤＣスパッタ法では、直流電源に接続された平行平板構造の電極板１２ａ、１２ｂを内部に備える真空容器１１をスパッタ装置１０として用いることができる。真空容器１１には、ガスを導入するガス入り口１１ａと、図示しないポンプに接続された排気口１１ｂとが設けられている。

図２に示すように、スパッタ装置１０の陰極（カソード）側の電極板１２ａに膜の原料物質（ターゲット）１３としてカーボンを載置し、陽極（アノード）側の電極板１２ｂにはイオン注入されたＳｉＣ基板１を載置する。電極板１２ａ、１２ｂ間に約５００ＶのＤＣ電圧を印加して、ガス入り口１１ａからＡｒガスを導入する。ＤＣ電圧を印加した状態でＡｒガスが導入されると、電極板１２ａ、１２ｂ間のＡｒガス内にグロー放電が発生してＡｒプラズマ１４が生ずる。このとき、Ａｒガス圧力を１Ｐａ程度となるように保つと、図２に示すように、プラズマ中のＡｒイオン１４が陰極の負電圧に引かれて加速される。加速されたＡｒイオン１４は、ターゲット１３に衝突してターゲット１３をスパッタさせる。スパッタしたカーボンの原子または分子は、陽極側の電極板１２ｂ上に置かれたＳｉＣ基板１上に到達してカーボン膜２として堆積される。

以上のようにして、スパッタ装置１０を用いてＡｒガス（不活性ガス）雰囲気中でカーボン膜２を堆積させたＳｉＣ基板１[図１（ｃ）]を得ることができる。

ここで、カーボン膜２の水素濃度を測定するために、上記のＳｉＣ基板１[図１（ｃ）]を複数製作し、そのカーボン膜２の水素濃度を測定したところ、水素濃度は５at％以下であった。すなわち、上記のように不活性ガス雰囲気中でＳｉＣ基板１上にカーボン膜２を堆積させると、そのカーボン膜２の水素濃度は５at％以下となることがわかる。なお、カーボン膜２の水素濃度は、高エネルギーイオンビーム技術を用いた共鳴核反応分析(RNRA)法を用いて測定した。

なお、本実施形態ではＤＣスパッタ法によってカーボン膜を堆積する場合を例に挙げて説明しているが、ＤＣスパッタ法によってカーボン膜を堆積する方法に代えて、ＥＣＲスパッタ法、ＲＦスパッタ法、イオンビームスパッタ法によってカーボン膜を堆積する方法を採用しても、堆積されたカーボン膜２の水素濃度が５at％以下となる。

また、ＥＣＲスパッタ法では、結晶性、高純度、高ｓｐ２成分のカーボン膜が生成可能なため、その他の手法よりも、より高温でのアニールに対する耐性を付与することが可能となる。ここで、ＥＣＲスパッタ法について説明する。

図３は、ＥＣＲスパッタ法を実施するのに好適なＥＣＲスパッタ装置の一例を示す図である。図３にＥＣＲスパッタ装置２０の概略図を示す。ＥＣＲスパッタ装置２０は、図３に示すように、入口にマイクロ波発生装置２１が設けられた導波管２７と、複数のコイル２２と、仕切り窓２３と、プラズマ室２４と、ターゲット２５と、電源２６と、成膜室２８とを備えて構成される。成膜すべきＳｉＣ基板１は成膜室２８に配置される。また、プラズマ室２４と成膜室２８にはガス導入口があり、それぞれのガス導入口にガス１、ガス２として例えばＡｒガスが導入される。

このＥＣＲスパッタ装置２０では、マイクロ波発生装置２１で生成したマイクロ波は導波管２７内部を伝播し、石英でできた仕切り窓２３を通過して、プラズマ室２４へ導入される。また、コイル２２に電流を印加することにより、プラズマ室２４に磁場を印加する。このマイクロ波と磁場の印加により、プラズマ室２４で電子サイクロトロン共鳴が起こり、プラズマが発生する。コイル２２は空芯コイルであるため成膜室２８に発散型の磁場を形成する。プラズマ室２４で発生したプラズマは、この発散磁場の磁場勾配で成膜室２８へ輸送され、ＳｉＣ基板１に到達する。プラズマ室２４の外側にはカーボンからできたターゲット２５が設置されている。このターゲット２５に電源２６からＤＣ電源を印加すると、プラズマ室２４のアルゴンイオンはこのＤＣ電位で加速され、ターゲット２５に衝突し、スパッタリングを起こし、カーボンが基板１上に輸送される。このＥＣＲスパッタ装置２０の特徴はカーボン膜をスパッタしている最中に、常に基板１へイオンを照射できることである。この照射効果により耐熱性に優れた結晶性のカーボン膜を形成することができる。このＥＣＲスパッタ装置におけるアルゴンガス圧は０．１Ｐａ、マイクロ波パワーは５００Ｗ、ターゲット電圧８００Ｖに設定することができる。

次いで、カーボン膜２を堆積したＳｉＣ基板１を、１気圧のＡｒガス中において１８００℃、１時間の条件でのアニール処理を行なう[図１（ｄ）]。このとき、ＳｉＣ基板１の表面に堆積したカーボン膜２は水素濃度が５at％以下であるので、アニール処理において水素が離脱して膜中に空洞が発生することがなく、カーボン膜２で完全にＳｉＣ基板１表面が覆われて保護される。

アニール処理後、この基板１をＥＣＲスパッタ装置に設置して酸素イオンでアッシングを行い、堆積されているカーボン膜を除去する[図１（ｅ）]。例えば、酸素ガス圧０．１Ｐａ、マイクロ波パワー８００Ｗの条件で３０分間アッシングを行うことによって、カーボン膜を除去できる。

図３は、ＥＣＲスパッタ法で水素濃度が５ａｔ％以下であるカーボン膜を堆積してアニール処理したＳｉＣ基板１についてアニール前とアッシング後の表面の平坦性についてＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて調べた図である。ＥＣＲスパッタ法で水素濃度が５ａｔ％以下であるカーボン膜を堆積した場合、アニール前のＲＭＳ（平均粗さ）は０．６ｎｍであり、アッシング後のＲＭＳは０．５ｎｍであった。

このように、本発明の製造方法により製造された半導体素子のように水素濃度５at％以下であるカーボン膜が堆積してアニール処理したものは、アッシング後の基板表面の平坦性が高いことが判る。これは、アニール処理の際にＳｉＣ基板の表面が完全に覆われて保護されるので、アニール処理の際の表面荒れを有効に低減できるからであると考えられる。

以上説明したように、本発明によれば、不活性ガス雰囲気中でカーボン膜の堆積を行うことにより、イオン注入後水素フリー（水素濃度５at％以下）のカーボン膜を成膜してアニール処理を行ない、アニール処理後、酸素イオンでアッシングを行うこととなるので、ＳｉＣ表面が平滑に保たれたＳｉＣ半導体デバイスを作成することができる。

つぎに、カーボン膜を堆積する工程として、ＥＣＲスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法それぞれを採用した場合を比較するために行った実験について説明する。

ＳｉＣ基板に対して上記実施形態と同様の方法で不純物をドーピングし、ＥＣＲスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法それぞれによって１００ｎｍのカーボン膜を堆積した。それぞれのスパッタ条件を以下に示す。

１）ＥＣＲスパッタ法：アルゴンガス圧０．１Ｐａ、マイクロ波パワー５００Ｗ、ターゲットＤＣ電圧８００Ｖ
２）ＤＣスパッタ法：アルゴンガス圧１Ｐａ、ＤＣ電圧５００Ｖ
３）ＲＦスパッタ法：アルゴンガス圧１Ｐａ、ＲＦパワー：８００Ｗ
次に、ＥＣＲスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法それぞれの方法で堆積したカーボン膜をアルゴン中１９００℃にて３０分アニールを行った。この基板を酸素ガス圧０．１Ｐａ、マイクロ波パワー８００Ｗの条件で酸素アッシングをした。酸素アッシングを行う時間は、以下の手法で決定した。イオン注入していないＳｉＣ基板に同一条件でカーボンを成膜し、この基板を同一の条件でアニールを行った。この基板に対して徐々に酸素アッシングを行い、抵抗を調べ、抵抗が消失した時間で酸素アッシング時間を決定した。このアッシング時間を用い、イオン注入した基板上のカーボン膜を除去してＳｉＣ半導体素子を作製した。

また、ＥＣＲスパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法それぞれの方法で堆積したカーボン膜をアルゴン中２０００℃にて３０分アニールを行った基板を得る。得られた基板を上記と同様に酸素アッシングでカーボン膜を除去してＳｉＣ半導体素子を作製した。表１に作製したＳｉＣ半導体素子をＡＦＭで測定したＲＭＳと４端子法で測定したシート抵抗を示す。

表１によれば、ＥＣＲスパッタ法で作成した膜の平坦性(ＲＭＳ)の値は、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法で作成した膜のＲＭＳの値よりも小さい。これは、ＥＣＲスパッタ法で作成した膜は、平坦性が優れていることを示している。ＥＣＲスパッタ法で作成した膜が平坦であるのは、結晶性で、高純度、ｓｐ２が主体の膜であるため、耐熱性にすぐれ、ＳｉＣ基板の保護性能が優れているからであると考えられる。一方のＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法で作成した膜は、アモルファス膜であるため、アニール時に緻密な膜を維持できず、面の平坦性が劣化したと考えられる。一方、シート抵抗は、成膜方法による差は少なかった。

本実施例からも明らかなように、ＥＣＲスパッタ法により堆積した高純度のカーボン膜は２０００℃に達する超高温における耐熱性に優れているので、熱拡散法によるドーピング時のマスクとしても利用することが可能である。

なお、上記実施形態では、ＳｉＣ基板自体の表面層に不純物をドーピングする場合を例に挙げて説明したが、ＳｉＣ基板の表面層としてエピタキシャル層を設けて、エピタキシャル層に不純物をドーピングしてもよい。この場合、カーボン膜は、エピタキシャル層上に堆積される。

上記実施形態では、不活性ガスとしてＡｒガスを用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｒｎガスなどの他の不活性ガスを用いてもよい。

第１の実施形態では、酸素アッシングによりカーボン膜を除去する方法を説明した。しかしながら、カーボン膜を酸素アッシングして、オーバーエッチングすると、ＳｉＣの表面に強固なＳｉＯｘＣｙが形成されて、この膜の除去が困難になる。このＳｉＯｘＣｙの形成を抑制させるためには、カーボン膜を完全に除去した直後に酸素アッシングを止める必要がある。実際のプロセスでは、膜厚の制御性、プラズマ条件の制御性の問題から、この時間を厳密に制御することは困難で、アッシングのマージンが狭く、実用に供するには困難である。従って、通常は、以下の第２の実施形態で方法でカーボン膜は除去される。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態において酸素イオンによるアッシングを行ってカーボン膜を除去する態様に代えて、Ｈ２、ＳＦ６などの硫化フッ素系のガス、ＣＦ４などフッ化水素系のガス、Ｎ２を用い、カーボン膜のエッチングを行うことによりカーボン膜を除去する。

この実施形態によれば、酸素フリーなプラズマでエッチングが可能なため、ＳｉＣの表面にＳｉＯｘＣｙを形成させずにカーボン膜を除去することが可能となる。このＳｉＯｘＣｙは強固な膜であり、フッ酸などの酸、アルカリで除去することはできないため、表面の平坦性を劣化させ、またシート抵抗を上昇させる原因であった。

この実施形態の方法でカーボン膜を除去したＳｉＣ半導体素子の表面の平坦性や、シート抵抗を測定するために行った実験について以下に説明する。

この実施例では、Ｈ２、ＳＦ６、ＣＦ４、Ｎ２の４種類のガスを用いたエッチング方法でカーボン膜を除去したＳｉＣ半導体素子を作製する。ＳｉＣ基板に対して第１の実施形態と同様の方法で不純物をドーピングし、ＥＣＲスパッタによってカーボン膜を堆積した。さらにカーボン膜を堆積した基板に対してアルゴン中で２０００℃、３０分の条件でアニールを行なった。

上記の工程により得られた基板をＥＣＲスパッタ装置に設置してＨ２でエッチングを行った。エッチング条件は、アルゴン流量１５ｓｃｃｍ、Ｈ２流量２ｓｃｃｍ、基板バイアス−１５Ｖ、マイクロ波パワー５００Ｗとした。エッチング時間は、事前にカーボン膜のエッチングレートを測定し、膜厚の１．１倍に相当する時間とした。

上記と同様にして、ＳＦ６ガスを用いたエッチングでカーボン膜を除去したＳｉＣ半導体素子、ＣＦ４ガスを用いたエッチングでカーボン膜を除去したＳｉＣ半導体素子、Ｎ２ガスを用いたエッチングでカーボン膜を除去したＳｉＣ半導体素子をそれぞれ作製する。ＳＦ６、ＣＦ４を用いてエッチングを行う際のエッチング条件およびエッチング時間は、Ｈ２流量２ｓｃｃｍとした代わりにそれぞれＳＦ６流量２ｓｃｃｍ、ＣＦ４流量２ｓｃｃｍとした以外はＨ２を用いたエッチングのときと同様にした。また、Ｎ２を用いてエッチングを行う際のＮ２流量は１５ｓｃｃｍとし、この場合にはＡｒを使用しなかった。エッチング時間などはＨ２の場合と同じプロセスを用いた。

上記のエッチング工程を経て作製された４つのＳｉＣ半導体素子の平坦性とシート抵抗を表２に示す。

表２に示すように、Ｈ２、ＳＦ６、ＣＦ４、Ｎ２のいずれを用いたエッチング方法でも１ｎｍ以下の平坦性と１ｋΩ/□以下の低抵抗を示している。なお、平坦性はＡＦＭで測定したＲＭＳで示し、シート抵抗は４端子法で測定した。

この実施例からも明らかなように、Ｈ２や、ＳＦ６などの硫化フッ素系のガス、ＣＦ４などフッ化水素系のガス、およびＮ２を用いてカーボン膜のエッチングを行うと、平坦性およびシート抵抗がともに良好となることが判る。これは、酸素フリーなプラズマでエッチングを行うので、ＳｉＣの表面にＳｉＯｘＣｙを形成させずにカーボン膜を除去することが可能となるからである。

実施例２ではエッチングの際に基板バイアスを行っていたが、本実施例ではエッチングの際に基板バイアスを行わない。エッチングの際に基板バイアスを行わない以外は実施例２と同様の条件でエッチングを行なって基板を作製した。また、この実施例では、３つの基板に対してＳＦ６、ＣＦ４、Ｎ２の３種類のエッチング方法でカーボン膜の除去を行い、３つのＳｉＣ半導体素子を作製した。

上記のエッチング工程を経て作製された２つのＳｉＣ半導体素子の平坦性とシート抵抗を表３に示す。

表３に示すように、ＳＦ６、ＣＦ４、Ｎ２のいずれを用いたエッチング方法でも１nm以下の平坦性と１ｋΩ/□以下の低抵抗を示している。なお、平坦性はＡＦＭで測定したＲＭＳで示し、シート抵抗は４端子法で測定した。

この実施例からも明らかなように、ＳＦ６などの硫化フッ素系のガス、ＣＦ４などフッ化水素系のガス、Ｎ２を用いてカーボン膜のエッチングを行う場合は、エッチングの際に基板バイアスを行わなくても平坦性およびシート抵抗がともに良好となることが判る。

１ ＳｉＣ基板
２ カーボン膜
１０ スパッタ装置
１１ 真空容器
１１ａ ガス入り口
１１ｂ 排気口
１２ａ カソード側の電極板
１２ｂ アノード側の電極板
１３ 平板ターゲット
１４ Ａｒイオン（Ａｒプラズマ雰囲気）
２０ ＥＣＲスパッタ装置
２１ マイクロ波発生装置
２２ コイル
２３ 仕切窓
２４ プラズマ室
２５ 原料物質（ターゲット）
２６ 電源
２７ 導波管
２８ 成膜チャンバ（成膜室）

Claims (8)

1. ＳｉＣ基板の表面層に不純物のドーピングを行なう工程と、
   前記不純物がドーピングされたＳｉＣ基板の表面に、不活性ガス雰囲気中でカーボン膜を堆積する工程と、
   前記カーボン膜が堆積されたＳｉＣ基板をアニール処理する工程と、
   前記アニール処理されたＳｉＣ基板に堆積されているカーボン膜を除去する工程と
   を含むことを特徴とするＳｉＣ半導体素子の製造方法。
2. 前記カーボン膜は、水素濃度が５at％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法。
3. 前記カーボン膜を堆積する工程は、ＥＣＲスパッタ法を用いてカーボン膜を堆積させることを特徴とする請求項１または２に記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法。
4. 前記堆積されるカーボン膜は、結晶性のカーボン膜であることを特徴とする請求項３に記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法。
5. 前記カーボン膜を除去する工程は、Ｈ２プラズマによるエッチングを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法。
6. 前記カーボン膜を除去する工程は、硫化フッ素プラズマによるエッチングを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法。
7. 前記カーボン膜を除去する工程は、フッ化カーボンプラズマによるエッチングを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法。
8. 前記カーボン膜を除去する工程は、窒素プラズマによるエッチングを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の製造方法。

Images