JP2021034623A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化物半導体基板内に結晶性の高いシリコン拡散層を形成する技術を提案する。【解決手段】 半導体装置の製造方法であって、酸化物半導体基板の表面に有機シリコン化合物層を形成する工程と、前記有機シリコン化合物層が形成された前記酸化物半導体基板を第１温度に加熱することによって前記酸化物半導体基板内にシリコン拡散層を形成する工程と、前記酸化物半導体基板を前記第１温度に加熱する前記工程の後に前記酸化物半導体基板の前記表面から前記有機シリコン化合物層を除去する工程、を有する。【選択図】図２

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。

酸化物半導体基板を有する半導体装置の製造工程において、酸化物半導体基板内にシリコン拡散層が形成される場合がある。例えば、酸化物半導体基板内にｎ型領域を形成するために、シリコン拡散層が形成される。通常、シリコン拡散層は、酸化物半導体層にシリコンをイオン注入することによって形成される。酸化物半導体基板にシリコンが注入されるときに、酸化物半導体基板内に結晶欠陥が生成される。酸化物半導体基板では、酸化物半導体基板を加熱したとしても、結晶欠陥がほとんど回復しない。したがって、この方法では、結晶性の高いシリコン拡散層を得ることができない。

特許文献１には、固相拡散によって窒化ガリウム基板内にシリコン拡散層を形成する技術が開示されている。この技術では、窒化ガリウム基板の表面にシリコンからなるドープ材を形成する。その後、窒化ガリウム基板を加熱して、ドープ材から窒化ガリウム基板内にシリコンを拡散させる。その後、ドープ材は除去される。この方法によれば、窒化ガリウム基板内に結晶欠陥が少ないシリコン拡散層を形成することができる。

特開２００５−１０１５６５号公報

本願発明者らは、特許文献１の技術を応用して、酸化物半導体基板内にシリコン拡散層を形成する実験を行った。この実験では、以下のプロセスを実行した。まず、酸化物半導体基板の表面にシリコンからなるドープ材を形成する。その後、酸化物半導体基板を加熱して、ドープ材から酸化物半導体基板内にシリコンを拡散させる。その後、ドープ材をエッチングにより除去する。

しかしながら、この方法では、以下の問題が生じることが分かった。ドープ材を形成した後に酸化物半導体基板を高温（例えば、９５０℃以上）まで加熱すると、ドープ材（すなわち、シリコン）が酸化物半導体基板中の酸素と反応し、酸化物半導体基板が侵食される。このため、酸化物半導体基板を高温まで加熱することができない。酸化物半導体基板を低温（例えば、９００℃以下）で加熱する場合には、ドープ材から酸化物半導体基板内へシリコンが拡散する距離が極めて短く、酸化物半導体基板内に形成されるシリコン拡散層の厚さが薄くなる。その後、エッチングによりドープ材を除去するときには、ドープ材の下部の酸化物半導体基板（すなわち、シリコン拡散層が形成された部分）もエッチングされる。シリコン拡散層の厚さが薄いと、エッチングによりドープ材を除去するときに、シリコン拡散層全体が除去され、酸化物半導体基板内にシリコン拡散層を残存させることができない。このため、シリコンのドープ材を用いる方法では、酸化物半導体基板内にシリコン拡散層を形成することが困難である。

本明細書では、酸化物半導体基板内に結晶性の高いシリコン拡散層を形成する技術を提案する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、酸化物半導体基板の表面に有機シリコン化合物層を形成する工程と、前記有機シリコン化合物層が形成された前記酸化物半導体基板を第１温度に加熱することによって前記酸化物半導体基板内にシリコン拡散層を形成する工程と、前記酸化物半導体基板を前記第１温度に加熱する前記工程の後に前記酸化物半導体基板の前記表面から前記有機シリコン化合物層を除去する工程、を有する。

この製造方法では、酸化物半導体基板の表面に有機シリコン化合物層を形成した後に、酸化物半導体基板を加熱する。すると、有機シリコン化合物から酸化物半導体基板内へシリコンが拡散し、酸化物半導体基板内にシリコン拡散層が形成される。その後、有機シリコン化合物層が除去される。有機シリコン化合物層は、有機溶剤による洗浄やアッシング等の種々の方法によって酸化物半導体基板の表面から除去することができる。このような方法によれば、酸化物半導体基板をほとんど浸食することなく、有機シリコン化合物層を除去することができる。したがって、有機シリコン化合物の除去後に、酸化物半導体基板内にシリコン拡散層が残存する。このように、この方法によれば、酸化物半導体基板内にシリコン拡散層を形成することができる。また、この方法では、酸化物半導体基板内に結晶欠陥が形成され難いので、酸化物半導体基板内に結晶性が高いシリコン拡散層を形成することができる。

実施例１の製造方法の説明図。 実施例１の製造方法の説明図。 実施例１の製造方法の説明図。 実施例１の製造方法の説明図。 実施例１の製造方法により形成されたシリコン拡散層内のシリコンの濃度分布を示すグラフ。 イオン注入により形成されたシリコン拡散層内のシリコンの濃度分布を示すグラフ。実施例１の製造方法の説明図。 実施例２の製造方法の説明図。 実施例２の製造方法の説明図。 実施例２の製造方法の説明図。 実施例２の製造方法の説明図。 実施例２の製造方法の説明図。 実施例２の製造方法の説明図。

実施例１の製造方法では、まず、図１に示すように、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａに、ポリオルガノシロキサン層１４を形成する。酸化ガリウム基板１２は、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）により構成されている。酸化ガリウム基板１２は、酸化物半導体基板の一種である。ポリオルガノシロキサンは、有機シリコン化合物の一種である。ポリオルガノシロキサンは粘着性を有する。したがって、例えば、粘着剤としてポリオルガノシロキサンを有する粘着テープを酸化ガリウム基板１２の表面１２ａに貼り付けることで、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａにポリオルガノシロキサン層１４を形成することができる。

次に、第１加熱工程を実施する。第１加熱工程では、表面１２ａにポリオルガノシロキサン層１４を有する酸化ガリウム基板１２を加熱する。ここでは、ポリオルガノシロキサン層１４の耐熱温度未満の温度に酸化ガリウム基板１２を加熱する。例えば、ホットプレート等を用いて、酸化ガリウム基板１２を、１５０℃に１時間保持する。このように酸化ガリウム基板１２とポリオルガノシロキサン層１４を加熱すると、ポリオルガノシロキサン層１４内のシリコン（シリコン原子）が、酸化ガリウム基板１２内に拡散（固相拡散）する。その結果、図２に示すように、酸化ガリウム基板１２内であってポリオルガノシロキサン層１４近傍の領域（すなわち、表面１２ａ近傍の領域）に、シリコン拡散層１６が形成される。第１加熱工程では、加熱温度が低温であるので、ポリオルガノシロキサン層１４から酸化ガリウム基板１２内へのシリコンの拡散距離は短い。したがって、この段階では、シリコン拡散層１６の厚さは極めて薄い。

次に、図３に示すように、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａからポリオルガノシロキサン層１４を除去する。ここでは、有機溶剤によって洗浄することで、ポリオルガノシロキサン層１４を除去する。例えば、粘着テープの粘着剤によってポリオルガノシロキサン層１４が構成されている場合には、粘着テープを酸化ガリウム基板１２から剥離し、その後、表面１２ａを有機溶剤で洗浄する。有機溶剤として、例えば、酢酸ｎ−ブチルを用いることができる。有機溶剤を用いることで、ポリオルガノシロキサン層１４を酸化ガリウム基板１２の表面１２ａから容易に除去することができる。ポリオルガノシロキサン層１４を除去することで、図３に示すように、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａが露出する。有機溶剤は酸化ガリウム基板１２を浸食しないので、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａに露出する範囲にシリコン拡散層１６が残存する。

次に、第２加熱工程を実施する。第２加熱工程では、第１加熱工程よりも高温まで酸化ガリウム基板１２を加熱する。ここでは、ポリオルガノシロキサン層１４の耐熱温度以上の温度に酸化ガリウム基板１２を加熱する。例えば、拡散炉等を用いて、酸化ガリウム基板１２を、６００℃以上の温度に３０分時間保持する。第２加熱工程では、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａにポリオルガノシロキサン層１４が存在しないので、ポリオルガノシロキサン層１４の耐熱温度以上の温度に酸化ガリウム基板１２を加熱しても特に問題は生じない。また、このように酸化ガリウム基板１２を高温まで加熱すると、シリコン拡散層１６中のシリコン（シリコン原子）が、酸化ガリウム基板１２内で拡散する。その結果、図４に示すように、シリコン拡散層１６の厚さが増加する。また、第２加熱工程で高温まで酸化ガリウム基板１２を加熱すると、酸化ガリウム基板１２中のシリコンが活性化する。活性化したシリコンは、酸化ガリウム中でｎ型不純物として機能する。したがって、シリコン拡散層１６は、ｎ型領域となる。

その後、酸化ガリウム基板１２に種々の加工を行うことで、半導体装置を製造することができる。例えば、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａに、シリコン拡散層１６に対してオーミック接触する電極を形成してもよい。

以上に説明したように、実施例１の方法によれば、酸化ガリウム基板１２内にｎ型のシリコン拡散層１６を形成することができる。図５は、第２加熱工程実施後のシリコン拡散層１６内のシリコンの濃度分布を示している。図５の横軸は、表面１２ａからの深さを示しており、原点が表面１２ａの位置を示している。図５は、第２加熱工程における温度毎に、シリコンの濃度分布を示している。図５に示すように、第２加熱工程の温度が何れであっても、表面１２ａの位置において、シリコンの濃度が１×１０^２１／ｃｍ^３以上となる。表面１２ａの位置において１×１０^２１／ｃｍ^３以上の濃度が得られれば、表面１２ａ上に電極を形成したときに、電極をシリコン拡散層１６にオーミック接触させることができる。このように、この方法によれば、オーミック接触が可能な程度に高濃度のシリコン拡散層１６を形成することができる。また、図５から明らかなように、第２加熱工程の加熱温度が高いほど、シリコンの拡散範囲が広くなり、シリコン拡散層１６が厚くなる。このように、この方法によれば、第２加熱工程の加熱温度によって、シリコンの拡散範囲を制御することができる。

また、実施例１の方法によれば、イオン注入を用いずにシリコン拡散層１６を形成することができる。このため、結晶欠陥が少ないシリコン拡散層１６を形成することができる。

図６は、イオン注入によって酸化ガリウム基板内に形成されたシリコン拡散層内のシリコンの濃度分布を示している。なお、図６では、イオン注入後に９００℃の熱処理を行った場合、イオン注入後に１０００℃のイオン注入を行った場合、及び、熱処理を行わない場合（ａｓ−Ｉｍｐｌａ）のそれぞれについて、濃度分布を示している。図６に示すように、いずれの場合でも、表面１２ａにおけるシリコンの濃度は、実施例１の方法により形成されたシリコン拡散層１６（図５参照）よりも低い。特に、熱処理温度が高いほど、表面１２ａにおけるシリコンの濃度が低くなる。これは、イオン注入によって形成されたシリコン拡散層では、結晶欠陥密度が高いため、シリコンの外方拡散（酸化ガリウム基板の外部への拡散）が生じやすいことが理由の１つとして考えられる。また、結晶欠陥密度が高いため、シリコンが活性化し難いことも、理由の１つとして考えられる。以上に説明したように、実施例１の方法によれば、イオン注入よりも濃度が高いシリコン拡散層１６を形成することができる。

また、実施例１の方法によってシリコン拡散層１６を形成する前後で、酸化ガリウム基板１２の結晶性についてＲＢＳ（Rutherford Backscattering Spectrometry）により評価した。その結果、シリコン拡散層１６を形成する前よりもシリコン拡散層１６を形成した後の方が、結晶性が高くなることが分かった。これは、第１加熱工程において、ポリオルガノシロキサンを構成する酸素原子が、ポリオルガノシロキサン層１４から酸化ガリウム基板１２内へ拡散しているためであると考えられる。酸化ガリウム基板１２内には、酸素空孔（酸素サイトに酸素が存在しない欠陥）が存在する。ポリオルガノシロキサン層１４から酸化ガリウム基板１２内へ拡散した酸素が酸素空孔に入ることで、酸化ガリウム基板１２内の結晶欠陥が減少し、酸化ガリウム基板１２の結晶性が向上すると考えられる。このように、実施例１の製造方法によれば、より結晶性が高いシリコン拡散層１６を形成することができる。

なお、第１加熱工程において、ポリオルガノシロキサン層１４が硬化する場合がある。この場合、有機溶剤でポリオルガノシロキサン層１４を除去することが困難となる。このような場合には、アッシングによってポリオルガノシロキサン層１４を除去してもよい。アッシングによれば、酸化ガリウム基板１２をほとんど浸食することなく、ポリオルガノシロキサン層１４を除去することができる。

実施例２では、シリコン拡散層１６を、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａの一部に限定して形成する。実施例２のその他の構成は、実施例１と等しい。

実施例２では、まず、図７に示すように、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａ全体を覆うように、レジスト樹脂層２０を形成する。次に、フォトリソグラフィによってレジスト樹脂層２０をパターニングすることで、図８に示すように、レジスト樹脂層２０に開口部２０ａを形成する。次に、図９に示すように、開口部２０ａ内の表面１２ａとレジスト樹脂層２０の表面に接触するように、ポリオルガノシロキサン層１４を形成する。

次に、第１加熱工程を実施する。すると、開口部２０ａ内において、ポリオルガノシロキサン層１４から酸化ガリウム基板１２へシリコンが拡散する。その結果、図１０に示すように、開口部２０ａ内のポリオルガノシロキサン層１４近傍において、酸化ガリウム基板１２内にシリコン拡散層１６が形成される。なお、実施例２の第１加熱工程では、酸化ガリウム基板１２を、レジスト樹脂層２０の耐熱温度未満の温度に加熱する。

次に、図１１に示すように、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａからポリオルガノシロキサン層１４とレジスト樹脂層２０を除去する。ここでは、有機溶剤によって洗浄することで、ポリオルガノシロキサン層１４とレジスト樹脂層２０を除去する。有機溶剤を用いることで、ポリオルガノシロキサン層１４とレジスト樹脂層２０を同時に除去することができる。

次に、第２加熱工程を実施する。第２加熱工程では、酸化ガリウム基板１２を、ポリオルガノシロキサン層１４及びレジスト樹脂層２０の耐熱温度以上の温度に加熱する。すると、シリコン拡散層１６中のシリコンが、酸化ガリウム基板１２内で拡散する。その結果、図１２に示すように、シリコン拡散層１６の厚さが増加する。また、酸化ガリウム基板１２中のシリコンが活性化し、シリコン拡散層１６がｎ型領域となる。その後、実施例１と同様に、半導体装置が製造される。

以上に説明したように、実施例２の方法では、レジスト樹脂層２０をマスクとして用いることで、酸化ガリウム基板１２の表面１２ａの一部に限定してシリコン拡散層１６を形成することができる。

なお、マスクとして、酸化シリコン層等を用いることも可能である。しかしながら、酸化シリコン層によりマスクを形成する場合には、以下のプロセスが必要である。まず、酸化ガリウム基板の表面全体に、酸化シリコン層を形成する。次に、酸化シリコン層の表面全体に、レジスト樹脂層を形成する。次に、フォトリソグラフィによって、レジスト樹脂層に開口部を形成する。次に、レジスト樹脂層の開口部内の酸化シリコン層をエッチングにより除去して、酸化シリコン層に開口部を形成する。次に、レジスト樹脂層を除去する。以上のプロセスによって、酸化シリコン層のマスクが完成する。これに対し、レジスト樹脂層をマスクと用いる場合には、レジスト樹脂層を形成し、そのレジスト樹脂層に開口部を形成するだけで、マスクが完成する。すなわち、レジスト樹脂層をマスクとして用いる場合には、酸化シリコン層の成長、酸化シリコン層のエッチング等の時間を要する工程が不要となる。また、酸化シリコン層をマスクとして用いる場合には、使用後のマスク（酸化シリコン層）を除去するときに、酸化シリコン層をエッチングする必要がある。これに対し、実施例２のようにレジスト樹脂層２０をマスクとして用いる場合には、使用後のマスク（レジスト樹脂層２０）を除去するときに、有機溶剤によってポリオルガノシロキサン層１４と共にレジスト樹脂層２０を除去することができる。実施例２の方法では、マスクが高温に曝されないので、マスクにレジスト樹脂層２０を用いることができる。これによって、上記のように、酸化シリコン層をマスクとして用いる場合に比べて、プロセスを大幅に簡略化することができる。

なお、実施例２の第１加熱工程で、レジスト樹脂層２０が硬化する場合がある。この場合、有機溶剤でレジスト樹脂層２０を除去することが困難となる。このような場合には、アッシングによってポリオルガノシロキサン層１４とともにレジスト樹脂層２０を除去してもよい。

また、上述した実施例１、２では、半導体基板として酸化ガリウム基板を用いた。しかしながら、半導体基板として酸化ガリウム基板以外のいずれかの酸化物半導体基板を用いてもよい。酸化物半導体基板を用いることで、実施例１、２と同様の効果が得られる。

また、上述した実施例１、２では、シリコンの拡散源としてポリオルガノシロキサン層を用いた。しかしながら、シリコンの拡散源としてポリオルガノシロキサン以外のシロキサンを用いてもよい。また、シリコンの拡散源として、その他の有機シリコン化合物層（例えば、有機シラン、シロキシド、シリルヒドリド、シレン等に属するいずれかの化合物）を用いてもよい。有機シリコン化合物層を用いることで、実施例１、２と同様の効果が得られる。

また、上述した実施例１、２では、第２加熱工程を実施した。しかしながら、シリコン拡散層の厚さがそれほど必要ではない場合には、第２加熱工程を実施しなくてもよい。

本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する一例の製造方法は、有機シリコン化合物層を除去する工程の後に、第１温度よりも高い第２温度に酸化物半導体基板を加熱する工程をさらに有してもよい。

この製造方法によれば、第２温度に酸化物半導体基板を加熱することで、シリコン拡散層内のシリコンをより広範囲に拡散させることができる。

本明細書が開示する一例の製造方法では、第２温度に酸化物半導体基板を加熱する工程において、シリコン拡散層の厚さが増加してもよい。

この構成によれば、厚さが厚いシリコン拡散層を得ることができる。

本明細書が開示する一例の製造方法では、第２温度が、有機シリコン化合物層の耐熱温度よりも高くてもよい。

なお、有機シリコン化合物層の耐熱温度は、製造元によって定められた温度である。一般に、有機シリコン化合物層の耐熱温度は、有機シリコン化合物が変質して元の特性を失う温度である。例えば、耐熱温度は、有機シリコン化合物層が炭化する温度であってもよいし、有機シリコン化合物層が酸化シリコン化する温度であってもよい。

このように、有機シリコン化合物層の除去後に有機シリコン化合物の耐熱温度を超える温度まで酸化物半導体基板を加熱することで、シリコン拡散層内のシリコンをより広範囲に拡散させることができる。

本明細書が開示する一例の製造方法では、有機シリコン化合物層を除去する工程において、有機溶剤を用いて有機シリコン化合物層を除去してもよい。

この構成によれば、酸化物半導体基板を浸食することなく、有機シリコン化合物層を酸化物半導体基板から除去することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法では、有機シリコン化合物層が、酸素を含む有機シリコン化合物により構成されていてもよい。

この構成によれば、有機シリコン化合物層から酸化物半導体基板へシリコンと共に酸素が拡散する。酸化物半導体基板内には、酸素空孔（結晶欠陥の一種）が存在する。有機シリコン化合物層から酸化物半導体基板内へ拡散した酸素の一部は酸素空孔に入るので、シリコン拡散層の結晶性が向上する。したがって、より結晶性の高いシリコン拡散層を形成することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法は、酸化物半導体基板の表面に、開口部を有するレジスト樹脂層を形成する工程をさらに有してもよい。有機シリコン化合物層を形成する工程において、開口部内の酸化物半導体基板の表面に接する有機シリコン化合物層を形成してもよい。

この構成によれば、レジスト樹脂層をマスクとして用いて、開口部に対応する範囲にシリコン拡散層を形成することができる。レジスト樹脂層をマスクとして用いることで、酸化膜等をマスクとして用いる場合よりも、製造工程を簡略化することができる。

本明細書が開示する一例の製造方法では、有機シリコン化合物層が、シロキサンにより構成されていてもよい。

この構成によれば、好適にシリコン拡散層を形成することができる。

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 ：酸化ガリウム基板
１４ ：ポリオルガノシロキサン層
１６ ：シリコン拡散層

Claims (8)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   酸化物半導体基板の表面に、有機シリコン化合物層を形成する工程と、
   前記有機シリコン化合物層が形成された前記酸化物半導体基板を第１温度に加熱することによって、前記酸化物半導体基板内にシリコン拡散層を形成する工程と、
   前記酸化物半導体基板を前記第１温度に加熱する前記工程の後に、前記酸化物半導体基板の前記表面から前記有機シリコン化合物層を除去する工程、
   を有する製造方法。
2. 前記有機シリコン化合物層を除去する前記工程の後に、前記第１温度よりも高い第２温度に前記酸化物半導体基板を加熱する工程をさらに有する、請求項１の製造方法。
3. 前記第２温度に前記酸化物半導体基板を加熱する前記工程において、前記シリコン拡散層の厚さが増加する、請求項２の製造方法。
4. 前記第２温度が、前記有機シリコン化合物層の耐熱温度よりも高い、請求項２または３の製造方法。
5. 前記有機シリコン化合物層を除去する前記工程において、有機溶剤を用いて前記有機シリコン化合物層を除去する、請求項１〜４のいずれか一項の製造方法。
6. 前記有機シリコン化合物層が、酸素を含む有機シリコン化合物により構成されている、請求項１〜５のいずれか一項の製造方法。
7. 前記酸化物半導体基板の前記表面に、開口部を有するレジスト樹脂層を形成する工程をさらに有し、
   前記有機シリコン化合物層を形成する前記工程において、前記開口部内の前記酸化物半導体基板の前記表面に接する前記有機シリコン化合物層を形成する、請求項１〜６のいずれか一項の製造方法。
8. 前記有機シリコン化合物層が、シロキサンにより構成されている、請求項１〜７のいずれか一項の製造方法。

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