JP2014146757A - Manufacturing method of silicon-carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は高温下の不純物活性化による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 by activating impurities at a high temperature.
炭化珪素のパワー半導体デバイスは、バンドギャップが広く、絶縁破壊電界が高いことで、高耐圧と低オン抵抗を両立できる。さらにpn接合を経由して電子とホールが伝導するバイポーラデバイスは、伝導度変調により高耐圧領域での低減効果が大きい。 A silicon carbide power semiconductor device has a wide band gap and a high dielectric breakdown electric field, so that both high breakdown voltage and low on-resistance can be achieved. Furthermore, a bipolar device in which electrons and holes conduct via a pn junction has a large reduction effect in a high breakdown voltage region due to conductivity modulation.
PNダイオードとInsulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)は高耐圧のバイポーラデバイスであり、炭化珪素を用いて超高耐圧化が実現すれば、スマートグリッドなど配電系統の消費電力低減が期待される。 PN diodes and Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) are high breakdown voltage bipolar devices, and if ultrahigh breakdown voltage is realized using silicon carbide, it is expected to reduce power consumption of distribution systems such as smart grids.
炭化珪素のPNダイオードとIGBTの製造プロセスでは、n型とp型の不純物領域はエピタキシャル成長またはイオン注入とその後の活性化アニールによって形成している。特に部分的に不純物領域を形成する場合は、イオン注入と活性化アニールが広く利用されている。活性化アニールでイオン注入された不純物元素を活性化するには、約1600℃以上の温度が必要とされている。 In the manufacturing process of the silicon carbide PN diode and IGBT, the n-type and p-type impurity regions are formed by epitaxial growth or ion implantation and subsequent activation annealing. In particular, when an impurity region is partially formed, ion implantation and activation annealing are widely used. In order to activate the impurity element ion-implanted by the activation annealing, a temperature of about 1600 ° C. or higher is required.
バイポーラデバイスのオン抵抗はドリフト層中の少数キャリアのライフタイムに大きく依存するが、ライフタイムは1600℃以上の熱負荷により著しく低下することが知られており、活性化アニール工程によってオン抵抗が著しく悪化してしまう。よって活性化アニールはイオン注入層のみを昇温しドリフト層を高温から保護する工夫が必要となる。 The on-resistance of a bipolar device greatly depends on the lifetime of minority carriers in the drift layer, but it is known that the lifetime is significantly reduced by a thermal load of 1600 ° C. or higher. It will get worse. Therefore, the activation annealing requires a device for raising the temperature of only the ion implantation layer and protecting the drift layer from a high temperature.
また、1600℃以上のアニールは高温であるため、製造工程において酸化膜や電極形成よりも前に済ませる必要があり、工程順を制約してしまう。 In addition, since annealing at 1600 ° C. or higher is a high temperature, it is necessary to complete the process before the formation of the oxide film and the electrode in the manufacturing process, which restricts the order of processes.
以上のことから、炭化珪素のバイポーラデバイスにおいて、熱アニールはイオン注入後の活性化アニールとしてはウエハ全体が加熱されるため適さず、レーザーアニールが適しているといえる。 From the above, in silicon carbide bipolar devices, thermal annealing is not suitable as activation annealing after ion implantation because the entire wafer is heated, and laser annealing is suitable.
これに対し、シリコンのIGBTでは基板の抵抗を削減するために、表面構造の工程後に研磨で基板を除去して裏面にn型ドリフト層を露出し、イオン注入とレーザーアニールで幅の薄いp型層を形成する方法が可能となっている。
これはレーザーの波長と出力を最適化することで裏面近傍のみを加熱し表面側の温度上昇を抑制できるためである。
In contrast, in the case of silicon IGBT, in order to reduce the resistance of the substrate, the substrate is removed by polishing after the surface structure process to expose the n-type drift layer on the back surface, and the p-type is thin by ion implantation and laser annealing. A method of forming a layer is possible.
This is because by optimizing the wavelength and output of the laser, only the vicinity of the back surface can be heated to suppress the temperature rise on the front surface side.
炭化珪素のIGBTでもオン抵抗低減のために同様の工程が必要となるが、炭化珪素は活性化にシリコンよりも高温が必要であることに加えて、バンドギャップが広いことでレーザー光を吸収できず温度上昇しにくいため、その方法は確立されていない。 Silicon carbide IGBTs require the same process to reduce on-resistance, but silicon carbide requires a higher temperature than silicon for activation, and can absorb laser light due to its wide band gap. However, the method has not been established since the temperature does not easily rise.
その対策として、炭化珪素が吸収できるまでレーザー光の波長を短くする方法が考えられるが、この場合、レーザーの進入長が足りず照射表面のみが局所的に温度上昇したり、アブレーション現象で表面元素が脱離したりしてしまうなどの問題で期待どおりに温度上昇できない。 As a countermeasure, it is conceivable to shorten the wavelength of the laser beam until silicon carbide can be absorbed. In this case, however, the laser penetration length is insufficient and only the irradiated surface temperature rises locally, or the surface element is ablated. The temperature cannot rise as expected due to problems such as desorption.
以上に述べたように、炭化珪素のバイポーラデバイスにおいてイオン注入後の活性化アニールとして好適なレーザーアニールによる不純物領域の活性化方法が問題となっている。 As described above, there is a problem of an impurity region activation method by laser annealing that is suitable as activation annealing after ion implantation in a silicon carbide bipolar device.
本発明は、最初に、次の方法を提供する。
(1)炭化珪素半導体装置の製造方法であって、炭化珪素基板上に不純物元素をイオン注入して不純物領域を形成する工程(S110)と、イオン注入された面に炭素膜または金属膜、もしくは両者の混合膜からなるレーザー光を吸収し得るレーザー吸収膜を全面に形成する工程(S120)と、レーザー光をレーザー吸収膜面に照射して略1600摂氏度以上に加熱し、加熱されたレーザー吸収膜からの熱で不純物領域を活性化する工程(S130)と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
The present invention first provides the following method.
(1) A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, the step of forming an impurity region by ion-implanting an impurity element on a silicon carbide substrate (S110), and a carbon film or a metal film on the ion-implanted surface, or A step (S120) of forming a laser absorbing film that can absorb a laser beam composed of a mixed film of the two over the entire surface, and irradiating the surface of the laser absorbing film with a laser beam to heat it to about 1600 degrees Celsius or more. And a step of activating the impurity region with heat from the absorption film (S130).
次に、
(2)前記不純物イオン注入は、炭化珪素基板上にエピタキシャル成長層を形成し、該基板を除去しエピタキシャル成長層が露出した裏面に行うことを特徴とする(1)に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法、
および、
(3)前記不純物元素のイオン注入は、前記エピタキシャル成長層と逆の導電性となる不純物であることを特徴とする(2)に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
next,
(2) The manufacture of the silicon carbide semiconductor device according to (1), wherein the impurity ion implantation is performed on a back surface where an epitaxial growth layer is formed on a silicon carbide substrate and the substrate is removed and the epitaxial growth layer is exposed. Method,
and,
(3) The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to (2), wherein the ion implantation of the impurity element is an impurity having conductivity opposite to that of the epitaxial growth layer.
次に、
(4)前記不純物元素のイオン注入は、領域によりn型不純物とp型不純物が分かれていることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
next,
(4) The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of (1) to (3), wherein the impurity element is ion-implanted so that an n-type impurity and a p-type impurity are separated depending on a region. provide.
次に、
(5)前記不純物領域を活性化する工程において、活性化と同時に金属と炭化珪素のシリサイドまたはカーバイドからなるオーミック電極を形成することを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
next,
(5) In the step of activating the impurity region, an ohmic electrode made of a silicide of metal and silicon carbide or carbide is formed at the same time as the activation, according to any one of (1) to (4) A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device is provided.
また、
(6)前記レーザー光の波長を240nm以上とすることを特徴とする(1)乃至(5)のいずれかに記載する炭化半導体装置の製造方法を提供する。
Also,
(6) The method of manufacturing a carbonized semiconductor device according to any one of (1) to (5), wherein a wavelength of the laser beam is 240 nm or more.
最後に、
(7)前記レーザー光をレーザー吸収膜に照射したとき、基板反対側の温度が1000℃以下であることを特徴とする(1)乃至(6)のいずれかに記載する炭化半導体装置の製造方法と、
(8)前記レーザー光をレーザー吸収膜に照射したとき、基板反対側の温度が400℃以下であることを特徴とする(1)乃至(7)のいずれかに記載する炭化半導体装置の製造方法を提供する。
Finally,
(7) The method for manufacturing a carbide semiconductor device according to any one of (1) to (6), wherein the temperature on the opposite side of the substrate is 1000 ° C. or lower when the laser absorbing film is irradiated with the laser light. When,
(8) The method for manufacturing a carbide semiconductor device according to any one of (1) to (7), wherein the temperature on the opposite side of the substrate is 400 ° C. or lower when the laser absorbing film is irradiated with the laser light. I will provide a.
上述の手段により、本発明では、炭化珪素にイオン注入した不純物元素をレーザーアニールで活性化する方法として、基板上に形成されたイオン注入層の表面にレーザー吸収膜を形成した後にレーザーアニールすることにより、炭化珪素では吸収できない波長の長いレーザーを用いた活性化が可能となった。 According to the present invention, in the present invention, as a method of activating the impurity element ion-implanted into silicon carbide by laser annealing, laser annealing is performed after forming a laser absorption film on the surface of the ion-implanted layer formed on the substrate. This enabled activation using a laser with a long wavelength that silicon carbide cannot absorb.
なお、特許文献1では炭化珪素をレーザーアニールする際に照射面に膜を形成する方法が開示されている。しかし、この膜はレーザー光の透過を防止し、膜下の温度上昇を抑制することを目的としており、本発明とは逆の効果を示している。
Note that
また本発明では、レーザー吸収膜に高融点金属を用いることにより、レーザーアニール中にシリサイドが形成され、活性化とオーミックコンタクト形成を単一工程で行うことが可能となった。 Further, in the present invention, by using a refractory metal for the laser absorption film, silicide is formed during laser annealing, and activation and ohmic contact formation can be performed in a single process.
特許文献2ではシリコン上に高融点金属を形成し、その上にレーザー吸収膜を形成して、レーザー照射によって高融点金属とシリコンのシリサイドを形成する方法が開示されている。しかし、本発明の効果は高融点金属そのものがレーザー吸収膜として働き、さらに炭化珪素へのイオン注入不純物の活性化アニールと同時に行っている点で効果が異なる。
図1は、本発明の製造方法の主工程を表わした主工程図である。
詳しくは、炭化珪素半導体装置の製造方法であって、炭化珪素基板上に不純物元素をイオン注入して不純物領域を形成する工程(S110)と、イオン注入された面に炭素膜または金属膜、もしくは両者の混合膜からなるレーザー光を吸収し得るレーザー吸収膜を全面に形成する工程(S120)と、レーザー光をレーザー吸収膜面に照射して略1600摂氏度以上に加熱し、加熱されたレーザー吸収膜からの熱で不純物領域を活性化する工程(S130)と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法を表わしている。
図2の各図((2a)(2b)(2c))は、本発明の製造方法の各工程(S110乃至S130)における半導体装置の構成の概念図であり、図2(2d)は、本発明の製造方法により製造される半導体装置の概念図である。
FIG. 1 is a main process diagram showing the main process of the manufacturing method of the present invention.
Specifically, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, an impurity element is ion-implanted on a silicon carbide substrate to form an impurity region (S110), and a carbon film or a metal film on the ion-implanted surface, or A step (S120) of forming a laser absorbing film that can absorb a laser beam composed of a mixed film of the two over the entire surface, and irradiating the surface of the laser absorbing film with a laser beam to heat it to about 1600 degrees Celsius or more. And a step (S130) of activating the impurity region with heat from the absorption film. This represents a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
Each drawing ((2a), (2b), (2c)) in FIG. 2 is a conceptual diagram of the configuration of the semiconductor device in each step (S110 to S130) of the manufacturing method of the present invention, and FIG. It is a conceptual diagram of the semiconductor device manufactured by the manufacturing method of invention.
図3は、PNダイオードの製造方法の工程を表わした工程図である。
最初にn型炭化珪素基板1上にエピタキシャル成長により、n型の低濃度炭化珪素膜7を形成する。
ついで表面にアノード9となるp型炭化珪素層8をエピタキシャル成長またはイオン注入により形成する(図3a)。
ついでp型領域外周部に終端構造となるp型領域10をイオン注入により形成する(図3b)。アノードをエピタキシャル成長でウエハ全面に形成した場合は、終端形成の前にドライエッチングにより外周部のp型層を除去する工程を行う。
FIG. 3 is a process diagram showing the steps of a method for manufacturing a PN diode.
First, n-type low-concentration
Next, a p-type
Next, a p-
その後、表面にレーザー吸収膜3としてカーボン膜をレジスト塗布や化学気相堆積法、スパッタリング法などで形成し(図3c)、レーザーをその表面に照射する。
その後、酸素プラズマアッシングと犠牲酸化によりカーボン膜を除去する。ついで表面と裏面にアノード電極11とカソード電極12を形成し完成する(図3d)。
Thereafter, a carbon film is formed on the surface as a
Thereafter, the carbon film is removed by oxygen plasma ashing and sacrificial oxidation. Then, the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 are formed on the front and back surfaces to complete (FIG. 3d).
このような工程により、イオン注入不純物の活性化熱アニールで基板全体を加熱せず表面のイオン注入層周辺のみを加熱できるので、ドリフト層の少数キャリアライフタイムが劣化せずダイオードの順方向特性における抵抗を低くでき、さらにPN接合付近は加熱されてキャリアライフタイムが劣化することによりオンオフ動作時のリカバリー電流が小さく、低スイッチングロスが可能となった。 By such a process, activation thermal annealing of the ion implantation impurity can heat only the periphery of the ion implantation layer on the surface without heating the entire substrate, so that the minority carrier lifetime of the drift layer is not deteriorated and the forward characteristic of the diode is improved. The resistance can be lowered, and the vicinity of the PN junction is heated to deteriorate the carrier lifetime, so that the recovery current during the on / off operation is small and a low switching loss is possible.
図4は、本発明による製造方法において裏面イオン注入活性化工程を表した工程図である。 FIG. 4 is a process diagram showing a back surface ion implantation activation process in the manufacturing method according to the present invention.
最初にn型炭化珪素基板1上にエピタキシャル成長により、n型の低濃度炭化珪素膜7を形成する。
半導体装置の種類によって表面構造の形成工程が異なるが、例えばプレーナーゲート型MOSFETの場合、イオン注入またはエピタキシャル成長、あるいはそれらの組み合わせによりp型ウェル領域13を形成し、ソース領域14、p型コンタクト領域15、終端構造10をイオン注入で形成する(図4a)。
First, n-type low-concentration
For example, in the case of a planar gate type MOSFET, a p-type well region 13 is formed by ion implantation or epitaxial growth, or a combination thereof, and a
その後熱アニールまたはレーザーアニールによりイオン注入不純物を活性化する。ついで裏面側から研磨により基板を除去してエピタキシャル膜を露出し、その面にn型不純物16をイオン注入する(図4b)。
また絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の場合は注入イオンはp型不純物17となり、領域によりn型とp型に分け逆導通IGBTとすることもできる。
Thereafter, ion implantation impurities are activated by thermal annealing or laser annealing. Next, the substrate is removed from the back side by polishing to expose the epitaxial film, and n-
In the case of an insulated gate bipolar transistor (IGBT), the implanted ions become the p-
裏面イオン注入後、その面にカーボン膜や金属膜あるいはそれらの混合膜からなるレーザー吸収膜3を塗布し(図4c)、化学気相堆積法、スパッタリング法などで形成し、レーザーをその表面に照射する。レーザー吸収膜に金属を含む場合は活性化と同時に、金属と炭化珪素が化合物を形成して、オーミック電極18となる。ついで、酸素プラズマアッシングなどによりカーボン膜を除去する。
After the back surface ion implantation, a
その後、表面にはフィールド酸化膜19、ゲート酸化膜20、ゲート電極21、層間絶縁膜22、ソース電極23、配線メタル24を順次形成し、裏面電極25を形成する(図4d)。
Thereafter, a
図5は、本発明による製造方法において裏面イオン注入活性化の別の工程を表した工程図である。 FIG. 5 is a process diagram showing another process of the back surface ion implantation activation in the manufacturing method according to the present invention.
最初にn型炭化珪素基板1上にエピタキシャル成長により、n型の低濃度炭化珪素膜7を形成する。
半導体装置の種類によって表面構造の形成工程が異なるが、例えばプレーナーゲート型MOSFETの場合、イオン注入またはエピタキシャル成長、あるいはそれらの組み合わせによりp型ウェル領域13を形成し、ソース領域14、p型コンタクト領域15、終端構造10をイオン注入で形成する(図5a)。
First, n-type low-concentration
For example, in the case of a planar gate type MOSFET, a p-type well region 13 is formed by ion implantation or epitaxial growth, or a combination thereof, and a
その後、熱アニールまたはレーザーアニールによりイオン注入不純物を活性化する。 Thereafter, the ion implantation impurities are activated by thermal annealing or laser annealing.
その後、表面にフィールド酸化膜19、ゲート酸化膜20、ゲート電極21、層間絶縁膜22、ソース電極23、配線メタル24を順次形成する(図5b)。
Thereafter, a
ついで裏面側から研磨により基板を除去してエピタキシャル膜を露出し、その面にn型不純物16をイオン注入する。また絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の場合は注入イオンはp型不純物17となり、領域によりn型とp型に分け逆導通IGBTとすることもできる。
Next, the substrate is removed by polishing from the back side to expose the epitaxial film, and n-
裏面イオン注入後、その面にカーボン膜や金属膜あるいはそれらの混合膜からなるレーザー吸収膜3を塗布し(図5c)、化学気相堆積法、スパッタリング法などで形成し、レーザーをその表面に照射する。レーザー吸収膜に金属を含む場合は活性化と同時に、金属と炭化珪素が化合物を形成して、オーミック電極18となる。
After the back surface ion implantation, a
ついで、酸素プラズマアッシングなどによりカーボン膜を除去し、裏面電極25を形成し完成する(図5d)。 Next, the carbon film is removed by oxygen plasma ashing or the like, and the back electrode 25 is formed and completed (FIG. 5d).
レーザーアニールに用いるレーザーの波長によってレーザー吸収膜での吸収と炭化珪素での吸収の比率を変えることができ、表面側の温度上昇を制御することが可能である。ただし波長が240nm以下では吸収膜表面での吸収が過多となり吸収膜自身が昇華してしまい温度上昇できない。 The ratio of the absorption by the laser absorption film and the absorption by silicon carbide can be changed depending on the wavelength of the laser used for laser annealing, and the temperature rise on the surface side can be controlled. However, if the wavelength is 240 nm or less, the absorption on the surface of the absorption film is excessive and the absorption film itself sublimes, and the temperature cannot be increased.
レーザー波長と出力を最適化し表面の温度を1000℃以下とすれば表面側にゲート酸化膜を形成した後での実施が可能であり、表面側の温度を400℃以下とすれば、表面側にメタル配線を形成した後での実施が可能である。 If the laser wavelength and output are optimized and the surface temperature is set to 1000 ° C. or less, it can be carried out after the gate oxide film is formed on the surface side. If the surface side temperature is set to 400 ° C. or less, the surface side is set. It can be implemented after the metal wiring is formed.
ゲート酸化膜やメタル配線などの表面構造が完成した後での裏面の活性化が可能になれば、終盤工程での基板除去が可能になり、薄くなったウエハで工程を進めて破損するリスクが低減できる。 If the back surface can be activated after the surface structure such as the gate oxide film or metal wiring is completed, the substrate can be removed in the final stage process, and there is a risk that the thinned wafer will be damaged by proceeding with the process. Can be reduced.
なお上に述べた実施形態ではMOSFETとIGBTについて示したが、PNダイオード、ショットキーダイオード、バイポーラジャンクショントランジスタなど全ての縦型半導体装置に適用できる。 In the above-described embodiment, the MOSFET and the IGBT are shown, but the present invention can be applied to all vertical semiconductor devices such as a PN diode, a Schottky diode, and a bipolar junction transistor.
1 炭化珪素基板
2 イオン注入
3 レーザー吸収膜
4 不純物領域
5 レーザー光
6 活性領域
7 低濃度n型炭化珪素層
8 p型炭化珪素層
9 アノード
10 終端構造
11 アノード電極
12 カソード電極
13 p型ウェル領域
14 ソース領域
15 p型コンタクト領域
16 n型不純物領域
17 p型不純物領域
18 オーミック電極
19 フィールド酸化膜
20 ゲート酸化膜
21 ゲート電極
22 層間絶縁膜
23 ソース電極
24 配線メタル
25 裏面電極
DESCRIPTION OF
Claims (8)
炭化珪素基板上に不純物元素をイオン注入して不純物領域を形成する工程と、
イオン注入された面に炭素膜または金属膜、もしくは両者の混合膜からなるレーザー光を吸収し得るレーザー吸収膜を全面に形成する工程と、
レーザー光をレーザー吸収膜面に照射して略1600摂氏度以上に加熱し、加熱されたレーザー吸収膜からの熱で不純物領域を活性化する工程と、
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
Forming an impurity region by ion-implanting an impurity element on the silicon carbide substrate;
Forming a laser absorption film over the entire surface of the ion-implanted surface that can absorb a laser beam composed of a carbon film or a metal film, or a mixture of both;
Irradiating the surface of the laser absorption film with laser light to heat it to about 1600 degrees Celsius or higher, and activating the impurity region with heat from the heated laser absorption film;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
活性化と同時に金属と炭化珪素のシリサイドまたはカーバイドからなるオーミック電極を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載する炭化珪素半導体装置の製造方法。 In the step of activating the impurity region,
5. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein an ohmic electrode made of a silicide of metal and silicon carbide or carbide is formed simultaneously with the activation.
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