JP2019117871A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶性が高いｎ型またはｐ型の半導体領域を形成するとともに、その半導体領域の外部の領域の結晶性の低下を抑制する。【解決手段】 半導体装置の製造方法であって、炭化シリコン基板に不純物をイオン注入する第１工程と、前記炭化シリコン基板の前記不純物の注入範囲にシリコンと炭素の少なくとも一方をイオン注入する第２工程と、前記第１工程と前記第２工程を実施した後に前記炭化シリコン基板をアニールする工程を有する。前記第１工程でイオン注入された不純物の濃度のピークの深さと、前記第２工程で注入された元素のイオン注入深さが重複する。【選択図】図４

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、炭化シリコン（ＳｉＣ）により構成されたバルク層中の点欠陥を不活性化する技術が開示されている。この技術に用いられるＳｉＣ結晶は、バルク層と、バルク層よりも表面側に配置されている表面層を有している。バルク層には、多数の原子空孔が存在している。原子空孔は、点欠陥の一種であり、キャリアをトラップする性質を有する。この技術では、まず、表面層に炭素をイオン注入する。次に、ＳｉＣ結晶をアニールする。すると、表面層にイオン注入された炭素がバルク層へ拡散し、バルク層中の原子空孔に炭素が結合する。これによって、原子空孔（すなわち、点欠陥）が消滅し、バルク層の結晶性が向上する。

特開２００８−０５３６６７号公報

炭化シリコン基板に対してｎ型またはｐ型の不純物をイオン注入することによって、ｎ型またはｐ型の半導体層を炭化シリコン基板中に形成する技術が知られている。イオン注入後に、炭化シリコン基板内の不純物を活性化させるために、炭化シリコン基板をアニールする工程が実施される。しかしながら、アニール工程を実施すると、不純物をイオン注入した領域に、サイズが大きい結晶欠陥が多数生成されることが分かった。本願発明者らの研究により、上述したサイズが大きい結晶欠陥は、以下のメカニズムにより生成されることが分かった。まず、ｎ型またはｐ型の不純物のイオン注入工程において、不純物の注入領域に、原子空孔が生成される。原子空孔は、シリコンのサイトにおける空孔または炭素のサイトにおける空孔である。その後、炭化シリコン基板をアニールすると、炭化シリコン基板中で原子空孔が凝集し、サイズが大きい結晶欠陥が生成される。

サイズが大きい結晶欠陥の生成を防止するために、特許文献１の技術を用いて、原子空孔を消滅させることも考えられる。しかしながら、特許文献１の技術では、表面層に注入した炭素をバルク層まで拡散させるため、バルク層まで到達する炭素が少ない。このため、表面層に高濃度に炭素を注入する必要がある。炭素をイオン注入するときに表面層に結晶欠陥が生成されるため、表面層に高濃度に炭素をイオン注入すると、表面層の結晶性が低下する。このように、特許文献１の技術では、原子空孔を消滅させる領域（すなわち、バルク層）の外部の領域（すなわち、表面層）に炭素をイオン注入するので、当該外部の領域の結晶性が低下するという問題が生じる。

本明細書では、結晶性が高いｎ型またはｐ型の半導体領域を形成できるとともに、その半導体領域の外部の領域の結晶性の低下を抑制できる技術を提案する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、炭化シリコン基板に不純物をイオン注入する第１工程と、前記炭化シリコン基板の前記不純物の注入範囲にシリコンと炭素の少なくとも一方をイオン注入する第２工程と、前記第１工程と前記第２工程を実施した後に前記炭化シリコン基板をアニールする工程を有する。前記第１工程でイオン注入された前記不純物の濃度のピークの深さと、前記第２工程で注入された元素のイオン注入深さが重複する。

なお、第１工程と第２工程のいずれを先に行ってもよい。

この製造方法では、第１工程でイオン注入された不純物の濃度のピークの深さと第２工程で注入された元素のイオン注入深さが重複する。第２工程でイオン注入される元素が、第１工程でイオン注入された不純物の濃度のピークの深さに直接注入される。このため、不純物が注入された領域の外部の領域で原子空孔が生成され難く、当該外部の領域の結晶性の低下が抑制される。第１工程と第２工程の後に、炭化シリコン基板がアニールされる。すると、第２工程でイオン注入された元素が原子空孔と結合し、原子空孔が消滅する。このため、アニール工程では、原子空孔が凝集し難く、サイズが大きい結晶欠陥の生成が抑制される。また、アニール工程では、第１工程でイオン注入された不純物が活性化する。したがって、結晶性が高い半導体領域（ｎ型領域またはｐ型領域）が炭化シリコン基板内に形成される。このように、この製造方法によれば、結晶性が高い半導体領域（ｎ型領域またはｐ型領域）を形成できるとともに、その半導体領域の外部の領域における結晶性の低下を抑制することができる。

第１注入工程実施前の炭化シリコン基板の断面図。 第１注入工程実施前の炭化シリコン基板中の原子の配列を示す模式図。 第１注入工程の説明図。 不純物と炭素（またはシリコン）の不純物濃度分布を示すグラフ。 実施例１の第１注入工程実施後の炭化シリコン基板中の原子の配列を示す模式図。 第２注入工程の説明図。 実施例１の第２注入工程実施後の炭化シリコン基板中の原子の配列を示す模式図。 アニール工程実施後の炭化シリコン基板の断面図。 実施例１のアニール工程実施後の炭化シリコン基板中の原子の配列を示す模式図。 実施例２の第１注入工程実施後の炭化シリコン基板中の原子の配列を示す模式図。 実施例２の第２注入工程実施後の炭化シリコン基板中の原子の配列を示す模式図。 実施例２のアニール工程実施後の炭化シリコン基板中の原子の配列を示す模式図。 変形例の製造方法の図４に対応するグラフ。 変形例の製造方法の図４に対応するグラフ。

以下に、実施例の半導体装置の製造方法について説明する。実施例の製造方法では、図１に示す炭化シリコン基板１２にｎ型またはｐ型の不純物を注入することによって、炭化シリコン基板１２内にｎ型またはｐ型の拡散層を形成する。なお、以下では、「不純物」は、ｎ型またはｐ型の不純物を意味し、「拡散層」は、ｎ型またはｐ型の半導体領域を意味する。不純物としては、例えば、アルミニウム、リン、ボロン、窒素等を用いることができる。アルミニウム、リン、ボロンは、炭化シリコン基板１２にイオン注入されたときに、Ｓｉサイトに入る不純物である。窒素は、炭化シリコン基板１２にイオン注入されたときに、Ｃサイトに入る不純物である。なお、本明細書においては、Ｓｉサイトは、Ｓｉ原子（シリコン原子）とＣ原子（炭素原子）が結晶格子中で規則的に配列されたときに、Ｓｉ原子が位置すべき位置を意味する。また、Ｃサイトは、Ｓｉ原子とＣ原子が結晶格子中で規則的に配列されたときに、Ｃ原子が位置すべき位置を意味する。以下では、Ｓｉサイトに入る不純物を用いる場合を実施例１として説明し、Ｃサイトに入る不純物を用いる場合を実施例２として説明する。

図１に示す炭化シリコン基板１２の内部には、少量の点欠陥が存在するものの、大部分の原子は結晶格子の通りに規則的に配列されている。図２は、炭化シリコン基板１２の内部の原子の配列を模式的に示している。図２に示す範囲では、全てのＳｉ原子がＳｉサイトに位置しており、全てのＣ原子がＣサイトに位置している。したがって、図２に示す範囲には、欠陥は存在しない。

実施例１の製造方法では、まず、第１注入工程を実施する。第１注入工程では、図３に示すように、炭化シリコン基板１２に上面側から不純物１４をイオン注入する。ここでは、炭化シリコン基板１２にイオン注入されたときにＳｉサイトに入る不純物を、不純物１４として用いる。不純物１４は、炭化シリコン基板１２の上面から深さＤ１の位置を中心に注入される。このため、図４に示すように、深さＤ１に、不純物１４の濃度のピーク値が形成される。

図５は、第１注入工程後の原子の配列を模式的に示している。図５に示すように、第１注入工程でイオン注入された不純物原子１４は、Ｓｉサイトに入る。また、炭化シリコン基板１２に不純物１４が注入されると、図５に示すように、Ｃサイトに原子空孔２４が形成される。このため、不純物が注入された範囲において、炭化シリコンの結晶性が低下する。

次に、第２注入工程を実施する。第２注入工程では、図６に示すように、炭化シリコン基板１２に上面側から炭素１６をイオン注入する。ここでは、図４に示すように、注入した炭素１６が深さＤ１（すなわち、不純物の濃度が最大となる深さ）を含む範囲内に分布するように、炭素１６をイオン注入する。なお、注入した炭素１６が、不純物１４の濃度が所定値以上の深さ範囲全体に分布するようにしてもよい。

図７は、第２注入工程後の原子の配列を模式的に示している。図７に示すように、第２注入工程で注入された炭素原子１６は、格子間サイトに入る。

次に、アニール工程を実施する。アニール工程では、第１注入工程と第２注入工程を実施した後の炭化シリコン基板１２をアニールすることで、炭化シリコン基板１２に注入された不純物原子１４を活性化する。これによって、図８に示すように、不純物１４が注入された範囲に、ｎ型またはｐ型の拡散層１８が形成される。

図９は、拡散層１８内の原子の配列を模式的に示している。アニール工程を実施すると、アニール前に格子間サイトに位置していた炭素原子１６（すなわち、第２注入工程で注入された炭素原子１６（図７参照））が、Ｃサイトの原子空孔２４（図７参照）と結合する。これによって、図９に示すように、Ｃサイト（元は原子空孔２４だったＣサイト）に第２注入工程で注入された炭素原子１６が入り、原子空孔２４が消滅する。これによって、拡散層１８の結晶性が向上する。このため、この製造方法によれば、アニール工程中に、原子空孔２４が凝集することを抑制することができ、原子空孔２４よりもサイズが大きい結晶欠陥が生成されることを抑制することができる。

以上に説明したように、この半導体装置の製造方法によれば、結晶性が高い拡散層１８を炭化シリコン基板１２中に形成することができる。また、第２注入工程では、拡散層１８を形成すべき範囲に炭素１６がイオン注入されるので、拡散層１８の外部に結晶欠陥が形成され難い。これによって、拡散層１８の外部の結晶性の低下を抑制することができる。このように、この製造方法によれば、拡散層１８の外部の結晶性をほとんど低下させることなく、結晶性が高い拡散層１８を形成することができる。

実施例２でも、実施例１と同様に、図１に示す炭化シリコン基板１２中に拡散層を形成する。実施例２の第１注入工程では、炭化シリコン基板１２にイオン注入されたときにＣサイトに入る不純物を、不純物１４として用いる。実施例２の第１注入工程のその他の構成は、実施例１と等しい。このため、図４に示すように、深さＤ１に、不純物１４の濃度のピーク値が形成される。

図１０は、実施例２の第１注入工程後の原子の配列を模式的に示している。図１０に示すように、第１注入工程でイオン注入された不純物原子１４は、Ｃサイトに入る。また、炭化シリコン基板１２に不純物１４が注入されると、Ｓｉサイトに原子空孔３４が形成される。このため、不純物１４が注入された範囲において、炭化シリコンの結晶性が低下する。

次に、第２注入工程を実施する。実施例２の第２注入工程では、炭素１６の代わりに、シリコン１７をイオン注入する。実施例２の第２注入工程のその他の構成は、実施例１の第２注入工程と等しい。したがって、実施例２の第２注入工程を実施すると、図４に示すように、注入したシリコン１７が、実施例１の炭素１６と略同様に分布する。すなわち、注入したシリコン１７が深さＤ１（すなわち、不純物１４の濃度が最大となる深さ）を含む範囲に分布する。なお、注入したシリコン１７が、不純物１４の濃度が所定値以上の深さ範囲全体に分布するようにしてもよい。

図１１は、第２注入工程後の原子の配列を模式的に示している。図１１に示すように、第２注入工程で注入されたシリコン原子１７は、格子間サイトに入る。

次に、アニール工程を実施する。アニール工程では、第１注入工程と第２注入工程を実施した後の炭化シリコン基板１２をアニールすることで、炭化シリコン基板１２に注入された不純物１４を活性化する。これによって、図８に示すように、不純物１４が注入された範囲に、ｎ型またはｐ型の拡散層１８が形成される。

図１２は、実施例２の拡散層１８内の原子の配列を模式的に示している。アニール工程を実施すると、アニール前に格子間サイトに位置していたシリコン原子１７（すなわち、第２注入工程で注入されたシリコン原子１７（図１１参照））が、Ｓｉサイトの原子空孔３４（図１１参照）と結合する。これによって、図１２に示すように、Ｓｉサイト（元は原子空孔３４だったＳｉサイト）に、第２注入工程で注入されたシリコン原子１７が入り、原子空孔３４が消滅する。これによって、拡散層１８の結晶性が向上する。このため、この製造方法によれば、アニール工程中に、原子空孔２４が凝集することを抑制することができ、原子空孔２４よりもサイズが大きい結晶欠陥が生成されることを抑制することができる。

以上に説明したように、この半導体装置の製造方法によれば、結晶性が高い拡散層１８を炭化シリコン基板１２中に形成することができる。また、第２注入工程では、拡散層１８を形成すべき範囲にシリコン１７が注入されるので、拡散層１８の外部に結晶欠陥が形成され難い。これによって、拡散層１８の外部の結晶性の低下を抑制することができる。このように、この製造方法によれば、拡散層１８の外部の結晶性をほとんど低下させることなく、結晶性が高い拡散層１８を形成することができる。

なお、上述した実施例１、２では、図４に示すように、深さＤ１に不純物１４の濃度のピークが形成された。しかしながら、図１３に示すように、広い深さ範囲Ｒ１内において不純物１４の濃度が最大値を有していてもよい。この場合、図１３に示すように、範囲Ｒ１内全体に第２注入工程で注入された炭素１６（またはシリコン１７）が分布するように、第２注入工程を実施してもよい。また、図１４に示すように、範囲Ｒ１の一部のみに第２注入工程で注入された炭素１６（またはシリコン１７）が分布するように、第２注入工程を実施してもよい。図１４の構成では、炭素１６（またはシリコン１７）が分布していない範囲Ｒ２では、拡散層の結晶性が悪くなる。しかしながら、このような構成でも、範囲Ｒ２に高い電界が加わらない半導体装置の場合には、それほど問題は生じない。このように、不純物１４の濃度が最大値を有する深さ範囲が広い場合には、高い電界が加わる部分のみに炭素１６（またはシリコン１７）を注入して、その部分の結晶性を向上させてもよい。高い電界が加わる部分の結晶性を向上させることで、リーク電流等の問題を抑制することができる。

また、上述した実施例１、２では、第１注入工程を第２注入工程の前に実施したが、第１注入工程を第２注入工程の後に実施してもよい。この場合にも、実施例１、２と同様の効果が得られる。但し、第２注入工程を先に実施すると、第１注入工程で注入される不純物の分布が、第２注入工程で注入された炭素またはシリコンの分布の影響を受けて偏る場合がある。したがって、第１注入工程を第２注入工程よりも先に実施することが好ましい。

また、上述した実施例１、２において、第１注入工程及び第２注入工程における炭化シリコン基板１２の温度は、１０〜１７００℃の範囲内で適宜選択することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１２ ：炭化シリコン基板
１４ ：不純物
１６ ：炭素
１７ ：シリコン
１８ ：拡散層
２４ ：原子空孔
３４ ：原子空孔

Claims (1)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   炭化シリコン基板に、不純物をイオン注入する第１工程と、
   前記炭化シリコン基板の前記不純物の注入範囲に、シリコンと炭素の少なくとも一方をイオン注入する第２工程と、
   前記第１工程と前記第２工程を実施した後に、前記炭化シリコン基板をアニールする工程、
   を有し、
   前記第１工程でイオン注入された前記不純物の濃度のピークの深さと、前記第２工程で注入された元素のイオン注入深さが重複する、
   製造方法。