JP2017010986A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】炭化珪素基板の表面荒れを抑制することができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】まず、炭化珪素基板１のイオン注入面に、シリコン膜２およびカーボン膜３を順に積層した２層構造の保護膜４を形成し、活性化熱処理を行う。シリコン膜２の厚さｔは１ｎｍ以上３ｎｍ以下とする。カーボン膜３の厚さは２０ｎｍ以上とする。活性化熱処理後にカーボン膜３を除去し、その後の工程を行うことで炭化珪素基板１のイオン注入面に素子構造を形成する。カーボン膜３の除去後に、ＸＰＳ法を用いてＸ線入射角度４５°で炭化珪素基板１のイオン注入面を分析した場合に、炭化珪素基板１のイオン注入面に、結合エネルギー２８３ｅＶ〜２８４ｅＶにあらわれる炭化珪素のピークの強度に対して、結合エネルギー２８５ｅＶ〜２８６ｅＶにあらわれるｓｐ２結合の炭素のピークの強度の比率が０．４以下となるように各ピークが検出される。【選択図】図１Ｂ
Description
この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
従来、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、または出発基板上にエピタキシャル層を積層した炭化珪素エピタキシャル基板（以下、まとめて炭化珪素基板とする）を用いて各種デバイスを作製する場合、素子構造を形成するためのイオン注入工程が必要となる。そして、イオン注入工程後、炭化珪素基板にイオン注入した不純物を活性化させるための活性化熱処理が必要であるが、半導体材料として炭化珪素を用いる場合、活性化熱処理は１６００℃〜１８００℃程度の高温度で行う必要がある。このように非常に高温度で活性化熱処理を行うため、炭化珪素基板の表面を保護膜で保護しない状態で活性化熱処理を行う場合、炭化珪素基板の表面荒れが起こることが知られている。
活性化熱処理による炭化珪素基板の表面荒れを低減する方法として、モノシラン（ＳｉＨ4）ガスを添加したアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で活性化熱処理を行う方法が提案されている。また、活性化熱処理による炭化珪素基板の表面荒れを低減する別の方法として、炭化珪素基板に不純物をイオン注入した後、カーボン（Ｃ）膜で炭化珪素基板の表面を覆った状態で活性化熱処理を行う方法が公知である（例えば、下記特許文献１参照。）。カーボン膜の成膜（形成）方法として、スパッタリング法や、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、炭化珪素基板の表面に塗布したレジストを炭化させる方法などが用いられている。
しかしながら、発明者が鋭意研究を重ねた結果、モノシランガスを添加したガス雰囲気中で活性化熱処理を行う方法では、炭化珪素基板の表面荒れを十分に抑制することは難しいことが判明している。また、炭化珪素基板の表面をカーボン膜で覆った状態で活性化熱処理を行う方法においても、熱処理装置や熱処理条件によっては炭化珪素基板の表面荒れが発生する虞がある。これは、カーボン膜の成膜方法（スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法）や熱処理条件によってカーボン膜にクラックが発生するからである。また、カーボン膜にクラックが発生しなくても、カーボン膜の厚さや膜質が保護膜としての機能を得るために十分でない場合、炭化珪素基板の表面荒れが発生する虞がある。このため、歩留りを向上させたり、素子の信頼性を確保する上で、活性化熱処理時に炭化珪素基板の表面を保護する保護膜の形成方法に改良の余地がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、炭化珪素基板の表面荒れを抑制することができ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。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、炭化珪素基板の表面からシリコン原子が蒸発したとしても、炭化珪素基板の表面に新たにシリコン原子を供給することによって炭化珪素基板の表面荒れを抑制することができることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、炭化珪素を材料とする半導体基板の表面から不純物をイオン注入する注入工程を行う。次に、前記半導体基板の不純物をイオン注入した表面に保護膜を形成する形成工程を行う。次に、前記保護膜で覆われた状態の前記半導体基板に熱処理して前記不純物を活性化させる活性化工程を行う。前記形成工程では、前記半導体基板の表面に形成され、前記熱処理により前記半導体基板に不足する原子を供給する第１保護膜と、前記第１保護膜の表面に形成され、前記熱処理時に前記半導体基板および前記第１保護膜からのシリコン原子の蒸発を抑制する第２保護膜と、の２層構造の前記保護膜を形成する。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１保護膜は、シリコン膜であることを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２保護膜は、カーボン膜または窒化カーボン膜であることを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、シリコンターゲットを用いて、アルゴンガス雰囲気でのスパッタリングにより前記第１保護膜を形成することを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１保護膜の厚さは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、カーボンターゲットを用いて、アルゴンガス雰囲気または窒素を含むアルゴンガス雰囲気でのスパッタリングにより前記第２保護膜を形成することを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２保護膜の厚さは、２０ｎｍ以上であることを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記活性化工程の後、前記第２保護膜を除去する除去工程をさらに含むことを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記除去工程の後にＸ線光電子分光法を用いて前記半導体基板の前記不純物をイオン注入した表面を分析した場合に、前記半導体基板の表面に検出される炭素のピークの強度が炭化珪素のピークの強度よりも小さくなるように、前記第１保護膜の厚さを設定することを特徴とする。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記除去工程の後にＸ線光電子分光法を用いてＸ線入射角度４５°で前記半導体基板の前記不純物をイオン注入した表面を分析した場合に、結合エネルギー２８３ｅＶ〜２８４ｅＶにあらわれる前記炭化珪素のピークの強度に対して、結合エネルギー２８５ｅＶ〜２８６ｅＶにあらわれるｓｐ２結合の前記炭素のピークの強度の比率が０．４以下となるように、前記第１保護膜の厚さを設定することを特徴とする。
上述した発明によれば、熱処理時に炭化珪素基板のイオン注入面（炭化珪素を材料とする半導体基板の不純物をイオン注入した表面）からシリコン原子が蒸発することを抑制することができる。また、熱処理時に炭化珪素基板のイオン注入面からシリコン原子が蒸発したとしても、炭化珪素基板のイオン注入面に接するシリコン膜からシリコン原子が供給され、炭化珪素基板のイオン注入面のシリコン原子の蒸発箇所が修復される。
本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素基板の表面荒れを抑制することができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。
（実施の形態）
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図１Ａは、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図１Ｂは、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、炭化珪素基板（半導体ウエハ）１を用意し、一般的な有機洗浄法やＲＣＡ洗浄法により洗浄する（ステップＳ１）。炭化珪素基板１は、例えば、（０００−１）面（いわゆるＣ面）を結晶軸に対して例えば４°程度傾けた（オフ角を付けた）面をおもて面とする炭化珪素バルク基板であってもよい。また、炭化珪素基板１は、例えば、炭化珪素を材料とする出発基板上にエピタキシャル層を積層した炭化珪素エピタキシャル基板であってもよい。すなわち、炭化珪素基板１は、例えば四層周期六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ）などの炭化珪素を材料とする半導体基板である。
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図１Ａは、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図１Ｂは、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、炭化珪素基板（半導体ウエハ）１を用意し、一般的な有機洗浄法やＲＣＡ洗浄法により洗浄する（ステップＳ１）。炭化珪素基板１は、例えば、（０００−１）面（いわゆるＣ面）を結晶軸に対して例えば４°程度傾けた（オフ角を付けた）面をおもて面とする炭化珪素バルク基板であってもよい。また、炭化珪素基板１は、例えば、炭化珪素を材料とする出発基板上にエピタキシャル層を積層した炭化珪素エピタキシャル基板であってもよい。すなわち、炭化珪素基板１は、例えば四層周期六方晶（４Ｈ−ＳｉＣ）などの炭化珪素を材料とする半導体基板である。
次に、炭化珪素基板１を例えば５００℃程度の温度に加熱した状態で、一般的なイオン注入装置により炭化珪素基板１のおもて面（以下、イオン注入面とする）から不純物をイオン注入する（ステップＳ２）。ステップＳ２のイオン注入は、炭化珪素基板１に所定デバイスの素子構造を形成するためのイオン注入工程であり、そのイオン種やドーズ量は各デバイスの設計条件に応じて異なる。一例として、基板おもて面から０．４５μｍ以上０．８５μｍ以下程度の深さで、総ドーズ量が２×１０14／ｃｍ2程度のボックスプロファイルとなるように、２９０ｋｅＶ以上７００ｋｅＶ以下程度の加速エネルギーで窒素（Ｎ）を注入する。さらに、基板おもて面から０．３５μｍ以下程度の深さで、総ドーズ量が８×１０14／ｃｍ2程度のボックスプロファイルとなるように、２０ｋｅＶ以上３５０ｋｅＶ以下程度の加速エネルギーでリン（Ｐ）を注入する。
次に、例えばスパッタリングにより、炭化珪素基板１のイオン注入面上に、保護膜４として、後述する活性化熱処理により炭化珪素基板１に不足する原子を供給する材料膜、具体的にはシリコン（Ｓｉ）膜（第１保護膜）２を形成する（ステップＳ３）。熱処理により炭化珪素基板１に不足する原子とは、活性化熱処理時に炭化珪素基板１から蒸発するシリコン原子である。次に、例えばスパッタリングにより、シリコン膜２の表面に、保護膜４として、カーボン（炭素：Ｃ）膜または窒化カーボン膜（ＣＮｘ）（以下、まとめてカーボン膜（第２保護膜）３とする）を形成する（ステップＳ４）。すなわち、ステップＳ３，Ｓ４の処理により、炭化珪素基板１のイオン注入面上に、シリコン膜２およびカーボン膜３を順に積層した２層構造の保護膜４を形成する。
ステップＳ３においては、例えば、ＤＣ（直流：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）マグネトロンスパッタリング装置の処理炉（チャンバー）内に炭化珪素基板１を挿入し、純度９９．９９％のシリコンターゲットを用いて、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中においてマグネトロンスパッタリングを行うことでシリコン膜２を形成してもよい。このとき、例えば、基板温度を室温（例えば２５℃）以上３００℃以下程度とし、直流電力を１Ｗ／ｃｍ2となるように調整してもよい。シリコン膜２の厚さｔは、例えば後述する活性化熱処理の条件や、カーボン膜の厚さや膜質などに基づいて、活性化熱処理後の炭化珪素基板１のイオン注入面または炭化珪素基板１のイオン注入面から所定深さにおける元素組成や元素量、結合状態などが後述する所定条件となるように設定される。具体的には、シリコン膜２の厚さｔは、例えば１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であることが好ましい（１≦ｔ≦３）。その理由は、次の通りである。シリコン膜２の厚さｔが１ｎｍ未満である場合（ｔ＜１）、シリコン膜２の保護膜４としての機能を十分に得ることができない虞があるからである。また、シリコン膜２の厚さｔが３ｎｍを超える場合（ｔ＞３）、炭化珪素基板１のイオン注入面にシリコン膜２が残ってしまう。これにより、後述するカーボン（Ｃ）膜３を除去（例えば酸素アッシング）するときに、炭化珪素基板１のイオン注入面に酸化シリコン（ＳｉＯ2）が形成されてしまう虞があるからである。このため、シリコン膜２の厚さｔは、さらに、活性化熱処理後にシリコン膜２がほぼ残らない程度の厚さに設定することが好ましい。
ステップＳ４においては、例えば、純度９９．９９％のカーボンターゲットを用いて、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中または窒素（Ｎ2）ガスを添加したアルゴンガス雰囲気中においてスパッタリングを行うことでカーボン膜３を形成してもよい。このとき、例えば、基板温度を室温以上３００℃以下程度とし、直流電力を２Ｗ／ｃｍ2となるように調整してもよい。また、ステップＳ４の処理は、ステップＳ３の処理後の炭化珪素基板１が大気にさらされないように、例えば同一のスパッタリング装置を用いてステップＳ３の処理に連続して行うことが好ましい。カーボン膜３の厚さは、デバイスの素子構造や、成膜装置、後述する活性化熱処理に用いる熱処理装置に応じて種々変更し、本発明の効果が十分に得られる厚さに設定される。具体的には、カーボン膜３の厚さは、例えば２０ｎｍであってもよい。また、例えば、炭化珪素基板１のイオン注入面にデバイスの素子構造に応じた段差が生じている場合などは、カーボン膜３のステップカバレッジ（段差被覆性）に応じてカーボン膜３の厚さを厚くする（例えば２０ｎｍ以上）。成膜装置や熱処理装置の仕様に応じてカーボン膜３の厚さを厚くする（例えば２０ｎｍ以上）。
次に、炭化珪素基板１内にイオン注入された不純物を活性化させるための活性化熱処理を行う（ステップＳ５）。ステップＳ５においては、例えば、まず、熱処理装置の処理炉内に炭化珪素基板１を挿入し、処理炉内を７．５×１０-5Ｔｏｒｒ以下程度まで真空引きする。その後、処理炉内にアルゴンガスを導入し、６０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下程度の圧力で、１６００℃以上１８００℃以下程度の高温度の活性化熱処理を１分間以上５分間以下の処理時間で行ってもよい。この活性化熱処理時、炭化珪素基板１のイオン注入面にシリコン膜２からシリコン原子が供給され、シリコン膜２はほぼ残らない。次に、熱処理装置の処理炉から取り出し可能な温度になるまで炭化珪素基板１を冷却する。次に、カーボン膜３を除去（アッシング）する（ステップＳ６）。ステップＳ６のアッシングは、例えば、アッシング装置の処理炉内に導入した酸素（Ｏ2）ガスを５Ｐａ程度に減圧し、高周波（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を供給して生成した酸素プラズマ中で５分間程度行ってもよい。そして、その後の工程を順に行って残りの素子構造を形成し、半導体ウエハをチップ状に切断（ダイシング）することで、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置が完成する。
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板の表面の状態を検証した。まず、比較として、従来の炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板の表面の状態について説明する。図２は、従来の炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板の表面の状態を模式的に示す説明図である。図３は、従来の炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板の表面の凹凸状態を示す断面図である。図４は、従来の炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板の表面の化学結合状態を示す特性図である。従来例として、炭化珪素基板１０１のイオン注入を行った側の主面（以下、イオン注入面とする）に保護膜としてカーボン膜（不図示）のみを形成し、アルゴン雰囲気中において１７００℃の温度の活性化熱処理を５分間行った後、カーボン膜を除去（アッシング）した試料を用意した。
従来例のイオン注入面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で１００００倍の倍率で表面観察を行った結果を図２に示す。従来例のイオン注入面の断面状態を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察した結果を図３に示す。従来例のイオン注入面の化学結合状態を角度分解型Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法で検出した結果を図４に示す。図４の横軸は原子の結合エネルギー（ｅＶ）であり、縦軸は光電子の強度（任意単位（ａ．ｕ．：ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔ））である。図４では、Ｘ線入射角度が小さいほど最表面に近い（浅い）深さの情報となる（図５においても同様）。ここでは、イオン注入面に表面荒れが生じた試料を選択している。図２に示すように、従来例では、イオン注入面のところどころに凹み（黒い塗りつぶし部分）１０２が観察され、表面荒れが生じていることが確認された。
図３に示す結果より、従来例のイオン注入面に生じた凹み１０２の深さは数ｎｍから１０ｎｍ程度であり、凹み１０２の生じていない部分でも１ｎｍ程度の凹凸１０３が生じていることが確認された。図４に示す結果より、従来例では、イオン注入面から浅い部分（Ｘ線入射角度：５°および３０°）では、２８５ｅＶ付近にｓｐ２結合の炭素（Ｃsp2）のピーク１１１が確認された。また、イオン注入面から深い部分（Ｘ線入射角度：６０°および９０°）では、ｓｐ２結合の炭素（Ｃsp2）のピーク１１１（２８５ｅＶ付近）と、炭化珪素（ＳｉＣ）のピーク１１２（２８３ｅＶ付近）との混在状態であることが確認された。すなわち、イオン注入面から浅いほど炭化珪素からシリコン原子のみが蒸発して引き抜かれており、炭素が支配的になっていることがわかる。ｓｐ２結合の炭素（Ｃsp2）のピーク１１１よるも高結合エネルギー側は、カーボンの１軌道（Ｃ1s）のピークである。このように、アルゴンガス雰囲気による高温度の活性化熱処理により、イオン注入面からシリコン原子が蒸発しやすいことが、炭化珪素基板１０１の表面荒れの要因の１つであることがわかる。
これらの結果から、炭化珪素基板のイオン注入面をカーボン膜のみで保護した状態で高温度の活性化熱処理を行う場合、カーボン膜の状態（厚さ、膜質）や熱処理装置によっては、カーボン膜が保護膜として十分に機能せず、イオン注入面に表面荒れが起こることが確認された。すなわち、従来例のようにカーボン膜のみの保護膜では、炭化珪素基板１のイオン注入面からのシリコン原子の蒸発を十分に抑制できないことがわかる。従来例において生じるこの現象は常時発生するわけではないが、数回に１回の割合で発生することが本発明者の鋭意研究により確認されている。具体的には、例えば、カーボン膜を成膜するためのスパッタリング装置や熱処理装置の処理炉を変更した場合などに、同様の方法および条件で処理したとしても再現性が得られず、イオン注入面に表面荒れが生じることがあることが確認されている。
次に、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板１の表面の状態について説明する。図５は、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板の表面の化学結合状態を示す特性図である。図６は、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法における炭化珪素基板の表面の状態を示す鳥瞰図である。上述した実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法にしたがい、炭化珪素基板１のイオン注入面にシリコン膜２およびカーボン膜３を順に積層した保護膜４を形成し、活性化熱処理後にカーボン膜３を除去（アッシング）した試料を用意した（以下、実施例とする）。活性化熱処理の条件は、上記従来例と同様である。
実施例のイオン注入面の化学結合状態を角度分解型ＸＰＳ法で検出した結果を図５に示す。検出時のＸ線入射角度を４５°とした。図５の注釈に示す数値は、シリコン膜２の厚さｔである。実施例の各試料のシリコン膜２の厚さｔを０ｎｍ〜３ｎｍとした。シリコン膜２の厚さｔ＝０ｎｍとは、シリコン膜２がなく、保護膜４としてカーボン膜３のみを形成した状態であり、従来技術に相当する。シリコン膜２の厚さｔ＝０ｎｍの試料には、イオン注入面に表面荒れが生じた試料を選択している。図５に示す光電子の強度（縦軸の値）は、シリコン膜２の厚さｔ＝０ｎｍでのｓｐ２結合の炭素（Ｃsp2）のピーク１１を１として相対値を表示している。ｓｐ２結合の炭素のピーク１１よりも低結合エネルギー側に炭化珪素（ＳｉＣ）のピーク１２が検出され、ｓｐ２結合の炭素のピーク１１よりも高結合エネルギー側にカーボンの１軌道（Ｃ1s）のピークが検出される点は上記従来例（図４参照）と同様である。
図５に示す結果より、シリコン膜２の厚さｔ＝０ｎｍでは、上記従来例と同様に、ｓｐ２結合の炭素のピーク１１の強度が炭化珪素のピーク１２の強度よりも大きいことがわかる。一方、シリコン膜２の厚さｔを１ｎｍとすることで、シリコン膜２の厚さｔ＝０ｎｍの場合よりも、ｓｐ２結合の炭素のピーク１１の強度を大幅に小さくすることができ、かつ炭化珪素のピーク１２の強度を相対的に大きくすることができることが確認された。そして、シリコン膜２の厚さｔを２ｎｍおよび３ｎｍと厚くするほど、ｓｐ２結合の炭素のピーク１１の強度に対する炭化珪素のピーク１２の強度比をさらに大きくすることができることが確認された。
例えば、ＸＰＳ法を用いてＸ線入射角度４５°で炭化珪素基板１のイオン注入面を分析したときに、結合エネルギー２８３ｅＶ〜２８４ｅＶ付近にあらわれる炭化珪素のピーク１２の強度ｈ１を１．０に規格化したときの、結合エネルギー２８５ｅＶ〜２８６ｅＶ付近にあらわれるｓｐ２結合の炭素のピーク１１の強度ｈ２の比率（＝ｈ２／ｈ１）は０．４以下であることが好ましい。強度ｈ１，ｈ２は、一般的なバックグラウンド補正を行った数値である。図５には例えば直線近似法によりバックグラウンド補正を行った場合を示し、この場合、強度ｈ１，ｈ２は、バックグラウンドの強度の近似直線１０に基づいて測定値からバックグラウンドの強度を減算した数値である。バックグラウンドの強度の近似直線１０は、ｓｐ２結合の炭素のピーク１１および炭化珪素のピーク１２を挟んだ２点（ｓｐ２結合の炭素のピーク１１の高結合エネルギー側の端部と、炭化珪素のピーク１２の低結合エネルギー側の端部の２点）をつないだ直線である。
この結果から、炭化珪素基板１とカーボン膜３との間にさらに保護膜４としてシリコン膜２を挿入することで、炭化珪素基板１のイオン注入面からのシリコン原子の蒸発を大幅に抑制することができることが確認された。すなわち、活性化熱処理時に、炭化珪素基板１のイオン注入面にシリコン膜２からシリコン原子が供給されることが確認された。シリコン膜２の厚さｔを３ｎｍよりも厚くすると（ｔ＞３）、上述したように炭化珪素基板１のイオン注入面にシリコン膜２が残ることで酸化シリコンが形成されてしまう虞がある。このため、シリコン膜２の厚さｔは、炭化珪素基板１のイオン注入面に炭化珪素のピーク１２の強度よりも低い強度でｓｐ２結合の炭素のピーク１１が残る（すなわちシリコン原子が足りない）程度に炭化珪素基板１のイオン注入面にシリコン原子を供給する厚さであることが好ましい。
実施例のイオン注入面の平面状態をＡＦＭにより５μｍ×５μｍの範囲で観察した結果を図６に示す。図６には、シリコン膜２の厚さｔ＝３ｎｍとしたときの実施例のイオン注入面を示す。従来例（図３参照）では、５μｍの範囲内に多くの凹み１０２や凹凸１０３が観察され表面荒れが生じていることが確認されたが、図６に示すように、実施例においては、非常に平坦性がよく、ＡＦＭ画像から計測したイオン注入面の凹凸の高低差（段差）の二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）は０．１５ｎｍであった。
この結果から、炭化珪素基板１とカーボン膜３との間にさらに保護膜４としてシリコン膜２を挿入することで、炭化珪素基板１のイオン注入面を非常に平坦な状態に維持することができることが確認された。このため、本発明においては、炭化珪素半導体装置の作製（製造）においても、炭化珪素半導体装置の信頼性を向上させることができる。図５，６に示す結果は、スパッタリング装置や熱処理装置の処理炉を変更した場合においても再現性よく得られることが発明者により確認されている。
以上、説明したように、実施の形態によれば、炭化珪素基板のイオン注入面に形成する保護膜をシリコン膜およびカーボン膜を順に積層した２層構造とすることで、シリコン膜の表面がシリコン層（炭化珪素基板およびシリコン膜の積層）の最表面となる。これにより、炭化珪素基板のイオン注入面がシリコン層の最表面からシリコン膜の厚さ分だけ深い位置になるため、活性化熱処理時に炭化珪素基板のイオン注入面からシリコン原子が蒸発することを抑制することができる。また、活性化熱処理時に炭化珪素基板のイオン注入面からシリコン原子が蒸発したとしても、炭化珪素基板のイオン注入面に接するシリコン膜からシリコン原子が供給され、炭化珪素基板のイオン注入面のシリコン原子の蒸発箇所が修復される。これにより、炭化珪素基板のイオン注入面に活性化熱処理による表面荒れは生じず、活性化熱処理後においても炭化珪素基板のイオン注入面の平坦性が維持される。したがって、炭化珪素半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、保護膜を上記２層構造とすることで、シリコン膜がカーボン膜に覆われるため、シリコン膜からシリコン原子が蒸発することを抑制することができる。このため、シリコン膜の厚さの設定が容易となる。
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施の形態では、炭化珪素基板のおもて面を４°程度のオフ角を付けた（０００−１）面とする場合を例に説明しているが、炭化珪素基板のおもて面を（０００１）面（いわゆるＳｉ面）としてもよいし、オフ角も種々変更可能である。また、炭化珪素基板の裏面から不純物をイオン注入する場合においても、炭化珪素基板の裏面上に保護膜としてシリコン膜およびカーボン膜を順に形成することで、同様の効果が得られる。
また、本発明は、半導体材料として炭化珪素を用いて、かつイオン注入およびその後の活性化熱処理により素子構造を形成するさまざまな炭化珪素半導体装置に適用可能である。例えば、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等に本発明を適用してもよい。
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、イオン注入およびその後の活性化熱処理により素子構造を形成する炭化珪素半導体装置に有用である。
１ 炭化珪素基板
２ シリコン膜
３ カーボン膜
４ 保護膜
２ シリコン膜
３ カーボン膜
４ 保護膜
Claims (10)
- 炭化珪素を材料とする半導体基板の表面から不純物をイオン注入する注入工程と、
前記半導体基板の不純物をイオン注入した表面に保護膜を形成する形成工程と、
前記保護膜で覆われた状態の前記半導体基板に熱処理して前記不純物を活性化させる活性化工程と、
を含み、
前記形成工程では、
前記半導体基板の表面に形成され、前記熱処理により前記半導体基板に不足する原子を供給する第１保護膜と、
前記第１保護膜の表面に形成され、前記熱処理時に前記半導体基板および前記第１保護膜からのシリコン原子の蒸発を抑制する第２保護膜と、の２層構造の前記保護膜を形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記第１保護膜は、シリコン膜であ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。
- 前記第２保護膜は、カーボン膜または窒化カーボン膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- シリコンターゲットを用いて、アルゴンガス雰囲気でのスパッタリングにより前記第１保護膜を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記第１保護膜の厚さは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- カーボンターゲットを用いて、アルゴンガス雰囲気または窒素を含むアルゴンガス雰囲気でのスパッタリングにより前記第２保護膜を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記第２保護膜の厚さは、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記活性化工程の後、前記第２保護膜を除去する除去工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記除去工程の後にＸ線光電子分光法を用いて前記半導体基板の前記不純物をイオン注入した表面を分析した場合に、前記半導体基板の表面に検出される炭素のピークの強度が炭化珪素のピークの強度よりも小さくなるように、前記第１保護膜の厚さを設定することを特徴とする請求項８に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記除去工程の後にＸ線光電子分光法を用いてＸ線入射角度４５°で前記半導体基板の前記不純物をイオン注入した表面を分析した場合に、結合エネルギー２８３ｅＶ〜２８４ｅＶにあらわれる前記炭化珪素のピークの強度に対して、結合エネルギー２８５ｅＶ〜２８６ｅＶにあらわれるｓｐ２結合の前記炭素のピークの強度の比率が０．４以下となるように、前記第１保護膜の厚さを設定す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。
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