JP3344562B2 - 炭化けい素半導体装置の製造方法 - Google Patents
炭化けい素半導体装置の製造方法Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/0445—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising crystalline silicon carbide
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化けい素を用い
た半導体装置の製造方法、特に炭化けい素に導入したイ
オン注入不純物の活性化のための熱処理方法に関する。
た半導体装置の製造方法、特に炭化けい素に導入したイ
オン注入不純物の活性化のための熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）は、バ
ンドギャップが広く、また最大絶縁電界がシリコンと比
較して約一桁も大きいことから、次世代の電力用半導体
素子への応用が期待されている材料である。これまで
に、６Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ−ＳｉＣなどの単結晶が、かな
り高品質で製造できるようになってきており、ショット
キーダイオード、縦形ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタなどの
半導体素子が試作され、その特性から従来のシリコンと
比較して非常に特性が良好なことが確認されている。
ンドギャップが広く、また最大絶縁電界がシリコンと比
較して約一桁も大きいことから、次世代の電力用半導体
素子への応用が期待されている材料である。これまで
に、６Ｈ−ＳｉＣや４Ｈ−ＳｉＣなどの単結晶が、かな
り高品質で製造できるようになってきており、ショット
キーダイオード、縦形ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタなどの
半導体素子が試作され、その特性から従来のシリコンと
比較して非常に特性が良好なことが確認されている。
【０００３】ＳｉＣは、シリコンと同様に熱酸化法によ
って、表面に良好な半導体−絶縁膜界面をもつＳｉＯ2
膜が成長することが知られており、そのＳｉＯ2 膜をゲ
ート絶縁膜や安定化膜として利用することができること
から、同様にＭＯＳ型半導体装置への適用が可能であ
る。このような物性は化合物半導体としては他に類を見
ない特性であり、この特性を利用してＭＯＳＦＥＴ等の
ＭＯＳ型半導体装置の製造が容易となり、将来の広い応
用が期待されている。
って、表面に良好な半導体−絶縁膜界面をもつＳｉＯ2
膜が成長することが知られており、そのＳｉＯ2 膜をゲ
ート絶縁膜や安定化膜として利用することができること
から、同様にＭＯＳ型半導体装置への適用が可能であ
る。このような物性は化合物半導体としては他に類を見
ない特性であり、この特性を利用してＭＯＳＦＥＴ等の
ＭＯＳ型半導体装置の製造が容易となり、将来の広い応
用が期待されている。
【０００４】本発明は、これらの半導体素子を製造する
上で不可欠なイオン注入工程に関するものである。イオ
ン注入技術は、半導体結晶中に異なる濃度や導電型の領
域を容易に形成できるため、半導体素子作製において不
可欠な技術となっている。ＳｉＣにおいてもイオン注入
技術を用いて、上記のデバイスが試作されている。例え
ば、ＳｉＣの場合には、ｎ型領域形成のためには、窒素
やリンが、ｐ型領域形成のためにはアルミニウムやほう
素が一般的に使用されている。イオン注入後には、熱処
理によって注入された不純物を活性化するための熱処理
である高温アニールが必要になる。アニール温度は、シ
リコンでは９００℃以上でせいぜい１２５０℃程度であ
るが、ＳｉＣは非常に熱的に安定な材料であることか
ら、活性化の熱処理は１３００℃以上１７００℃の範囲
の高温アニールが実施される。
上で不可欠なイオン注入工程に関するものである。イオ
ン注入技術は、半導体結晶中に異なる濃度や導電型の領
域を容易に形成できるため、半導体素子作製において不
可欠な技術となっている。ＳｉＣにおいてもイオン注入
技術を用いて、上記のデバイスが試作されている。例え
ば、ＳｉＣの場合には、ｎ型領域形成のためには、窒素
やリンが、ｐ型領域形成のためにはアルミニウムやほう
素が一般的に使用されている。イオン注入後には、熱処
理によって注入された不純物を活性化するための熱処理
である高温アニールが必要になる。アニール温度は、シ
リコンでは９００℃以上でせいぜい１２５０℃程度であ
るが、ＳｉＣは非常に熱的に安定な材料であることか
ら、活性化の熱処理は１３００℃以上１７００℃の範囲
の高温アニールが実施される。
【０００５】図５は木本等の発表になる注入不純物の活
性化率のアニール温度依存性を示す特性図である［T.Ki
moto, O.Tkakemura, H.Matsunami, T.Nakata, and M.In
oue;J.Electronic Materials, Vol.27, No.4,(1998) p.
358 参照］。この図からアニール温度は、アルミニウ
ムでは１５００℃以上、ほう素では１７００℃以上の温
度でなければ１００％近い活性化が実現できないことが
わかる。
性化率のアニール温度依存性を示す特性図である［T.Ki
moto, O.Tkakemura, H.Matsunami, T.Nakata, and M.In
oue;J.Electronic Materials, Vol.27, No.4,(1998) p.
358 参照］。この図からアニール温度は、アルミニウ
ムでは１５００℃以上、ほう素では１７００℃以上の温
度でなければ１００％近い活性化が実現できないことが
わかる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このような高温でのア
ニールは、通常アルゴン（以下Ａｒと記す）中にておこ
なわれるが、そのままではＳｉＣ表面のＳｉ原子が気化
して表面が炭素（以下Ｃと記す）リッチになり、面荒れ
が発生することが知られている。これを抑えるために高
温でアニールする場合には、ＳｉＣ容器中に入れるか、
グラファイト容器中にＳｉＣ粉末などと一緒に入れるな
どしてＳｉ雰囲気を作り出し、Ｓｉ原子の蒸発を抑える
という工夫がされている。この方法を用いると、１７０
０℃程度の高温アニールでも鏡面が保たれる。
ニールは、通常アルゴン（以下Ａｒと記す）中にておこ
なわれるが、そのままではＳｉＣ表面のＳｉ原子が気化
して表面が炭素（以下Ｃと記す）リッチになり、面荒れ
が発生することが知られている。これを抑えるために高
温でアニールする場合には、ＳｉＣ容器中に入れるか、
グラファイト容器中にＳｉＣ粉末などと一緒に入れるな
どしてＳｉ雰囲気を作り出し、Ｓｉ原子の蒸発を抑える
という工夫がされている。この方法を用いると、１７０
０℃程度の高温アニールでも鏡面が保たれる。
【０００７】ところが、このような処理を施しても、高
温アニール後の表面を詳細に観察すると、実は微細な面
荒れが多数発生していることがわかった。例えば、発明
者らはアルミニウムイオンの注入後、１５５０℃での高
温アニールをおこなったＳｉＣ表面を走査型電子顕微鏡
（以下ＳＥＭと記す）にて観察し、＜１，１，−２，０
＞方向に垂直な方向の縞状の面荒れが発生することを発
見した［辻崇、斉藤明、上野勝典; 第４５回応用物理学
会関連連合講演会（30a-YG-1）講演予講集４１７頁,(19
98) 参照］。イオン注入せずに１５５０℃での高温熱処
理のみをおこなった場合も、多少の微細な面荒れは見ら
れるが、イオン注入後のものほどひどくは無い。高温ア
ニール後の表面の微細な面荒れは他の研究者からも最近
報告されており［例えば M.A.Capano, S.Ryu, M.R.Mell
och, J.A.Cooper,Jr., and M.R.Buss; J.Electronic Ma
terials, Vol.27, No.4,(1998) p.370参照］、アニール
温度が高いほど、またイオン注入量が多いほど激しくな
ることがわかった。他に点状の欠陥も発生することが知
られている。
温アニール後の表面を詳細に観察すると、実は微細な面
荒れが多数発生していることがわかった。例えば、発明
者らはアルミニウムイオンの注入後、１５５０℃での高
温アニールをおこなったＳｉＣ表面を走査型電子顕微鏡
（以下ＳＥＭと記す）にて観察し、＜１，１，−２，０
＞方向に垂直な方向の縞状の面荒れが発生することを発
見した［辻崇、斉藤明、上野勝典; 第４５回応用物理学
会関連連合講演会（30a-YG-1）講演予講集４１７頁,(19
98) 参照］。イオン注入せずに１５５０℃での高温熱処
理のみをおこなった場合も、多少の微細な面荒れは見ら
れるが、イオン注入後のものほどひどくは無い。高温ア
ニール後の表面の微細な面荒れは他の研究者からも最近
報告されており［例えば M.A.Capano, S.Ryu, M.R.Mell
och, J.A.Cooper,Jr., and M.R.Buss; J.Electronic Ma
terials, Vol.27, No.4,(1998) p.370参照］、アニール
温度が高いほど、またイオン注入量が多いほど激しくな
ることがわかった。他に点状の欠陥も発生することが知
られている。
【０００８】このような表面の微細な面荒れは、表面を
利用する半導体素子にとっては致命的である。たとえば
ショットキーバリアダイオードでは金属とＳｉＣの界面
状態で特性が左右されるし、ＭＯＳＦＥＴにおいては絶
縁膜とＳｉＣの界面がもっとも重要であり、良質の絶縁
膜を形成できることが必須である。図６は、ほう素イオ
ンの注入後１７００℃、３０分間Ａｒ中で高温アニール
したＳｉＣ上の酸化膜の絶縁特性図である（○印）。横
軸は印加電圧、縦軸はもれ電流である。酸化膜は水素と
酸素とを供給するパイロジェニック法により形成した。
ほう素イオンの注入および高温アニールをしていないＳ
ｉＣの酸化膜の絶縁特性（●印）と比較したものであ
る。酸化膜の厚さはいずれも３５ｎｍとした。
利用する半導体素子にとっては致命的である。たとえば
ショットキーバリアダイオードでは金属とＳｉＣの界面
状態で特性が左右されるし、ＭＯＳＦＥＴにおいては絶
縁膜とＳｉＣの界面がもっとも重要であり、良質の絶縁
膜を形成できることが必須である。図６は、ほう素イオ
ンの注入後１７００℃、３０分間Ａｒ中で高温アニール
したＳｉＣ上の酸化膜の絶縁特性図である（○印）。横
軸は印加電圧、縦軸はもれ電流である。酸化膜は水素と
酸素とを供給するパイロジェニック法により形成した。
ほう素イオンの注入および高温アニールをしていないＳ
ｉＣの酸化膜の絶縁特性（●印）と比較したものであ
る。酸化膜の厚さはいずれも３５ｎｍとした。
【０００９】イオン注入および高温アニール後の酸化膜
は、イオン注入をしていないものに比べ、もれ電流が約
一桁ないし二桁大きく、しかもイオン注入をしていない
ものでは破壊電圧が４５Ｖ以上であったのに対し、約２
５Ｖで破壊している。すなわち、イオン注入および高温
アニール後は、酸化膜の絶縁特性が非常に劣化すること
がわかる。この大きな原因の一つは高温アニールによる
表面の微細な面荒れにあると考えられる。
は、イオン注入をしていないものに比べ、もれ電流が約
一桁ないし二桁大きく、しかもイオン注入をしていない
ものでは破壊電圧が４５Ｖ以上であったのに対し、約２
５Ｖで破壊している。すなわち、イオン注入および高温
アニール後は、酸化膜の絶縁特性が非常に劣化すること
がわかる。この大きな原因の一つは高温アニールによる
表面の微細な面荒れにあると考えられる。
【００１０】以上の問題に鑑み本発明の目的は、表面の
微細な面荒れを防止し、絶縁特性の良好な酸化膜を形成
できる高温アニール方法を提供し、もって優れた特性の
炭化けい素半導体装置を実現することにある。
微細な面荒れを防止し、絶縁特性の良好な酸化膜を形成
できる高温アニール方法を提供し、もって優れた特性の
炭化けい素半導体装置を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記課題解決のため本発
明は、炭化けい素への不純物イオン注入後に、水素雰囲
気または水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で加熱
する予備熱処理をおこない、その後高温アニールをおこ
なう。
明は、炭化けい素への不純物イオン注入後に、水素雰囲
気または水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で加熱
する予備熱処理をおこない、その後高温アニールをおこ
なう。
【００１２】そのような予備熱処理をおこなえば、作用
の機構は明確ではないが、後述するように１７００℃程
度の熱処理後でもこれまで見られたような表面の微細な
面荒れが抑制され、欠陥がほとんど発生することがな
く、熱酸化により耐圧特性の良好な酸化膜が得られる。
水素と不活性ガスとの混合ガスの場合には、２０％以上
の水素を含む雰囲気とするのがよい。
の機構は明確ではないが、後述するように１７００℃程
度の熱処理後でもこれまで見られたような表面の微細な
面荒れが抑制され、欠陥がほとんど発生することがな
く、熱酸化により耐圧特性の良好な酸化膜が得られる。
水素と不活性ガスとの混合ガスの場合には、２０％以上
の水素を含む雰囲気とするのがよい。
【００１３】また、塩酸ガスをさらに加えた雰囲気とし
ても、同様の効果が得られる。但し、塩酸ガスの含有量
としては、水素の５％以下の範囲とするのが良い。その
ような範囲とすれば、表面の微細な面荒れが抑制され
て、しかも５％以下であればエッチピットを生じない。
予備熱処理の加熱温度としては、８００〜１２００℃の
範囲とするのがよい。
ても、同様の効果が得られる。但し、塩酸ガスの含有量
としては、水素の５％以下の範囲とするのが良い。その
ような範囲とすれば、表面の微細な面荒れが抑制され
て、しかも５％以下であればエッチピットを生じない。
予備熱処理の加熱温度としては、８００〜１２００℃の
範囲とするのがよい。
【００１４】そのような範囲とすれば、表面の微細な面
荒れを抑制することができる。８００℃未満では顕著な
効果が見られず、また１２００℃を越える温度とする
と、エッチピットを生じる。予備熱処理後に、同じ加熱
炉で直ちに１２００℃以上のアニール処理をおこなうこ
ととすれば、冷却、加熱工程が省かれるので、工程が簡
略にでき、結晶欠陥の導入が回避できる。
荒れを抑制することができる。８００℃未満では顕著な
効果が見られず、また１２００℃を越える温度とする
と、エッチピットを生じる。予備熱処理後に、同じ加熱
炉で直ちに１２００℃以上のアニール処理をおこなうこ
ととすれば、冷却、加熱工程が省かれるので、工程が簡
略にでき、結晶欠陥の導入が回避できる。
【００１５】予備熱処理の前に８００〜１２００℃の前
熱処理を施すことも良い。そのようにすれば、イオン注
入後の結晶欠陥が回復するので、エッチングされにくく
なって、エッチング性ガスによる表面の微細な面荒れが
抑制される。予備熱処理の加熱時間としては、５分間以
上とするのがよい。５分間以下では表面の微細な面荒れ
を抑制する顕著な効果が見られない。
熱処理を施すことも良い。そのようにすれば、イオン注
入後の結晶欠陥が回復するので、エッチングされにくく
なって、エッチング性ガスによる表面の微細な面荒れが
抑制される。予備熱処理の加熱時間としては、５分間以
上とするのがよい。５分間以下では表面の微細な面荒れ
を抑制する顕著な効果が見られない。
【００１６】酸化膜を除去した後に予備熱処理をおこな
うことも重要である。酸化膜を残したまま予備熱処理を
おこなうと、酸化膜のピンホール等を通じてエッチング
性ガスによる不均一なエッチングが起こり、表面が荒れ
る。また酸化膜が部分的に存在すると、その酸素によ
り、他の部分が不均一に酸化されて表面が荒れることも
ある。酸化膜を除去して予備熱処理をおこなうと、表面
の平滑さが保たれる。
うことも重要である。酸化膜を残したまま予備熱処理を
おこなうと、酸化膜のピンホール等を通じてエッチング
性ガスによる不均一なエッチングが起こり、表面が荒れ
る。また酸化膜が部分的に存在すると、その酸素によ
り、他の部分が不均一に酸化されて表面が荒れることも
ある。酸化膜を除去して予備熱処理をおこなうと、表面
の平滑さが保たれる。
【００１７】炭化けい素半導体基板が、４Ｈまたは６Ｈ
結晶であるものとする。４Ｈまたは６Ｈ結晶は、良質な
結晶が入手でき、半導体装置にも適することが知られて
いる。特に、４Ｈ結晶は移動度の結晶方位依存性が少な
く、またその移動度が他の多形よりも優れているため、
パワーデバイス応用には４Ｈ結晶がもっとも適してい
る。
結晶であるものとする。４Ｈまたは６Ｈ結晶は、良質な
結晶が入手でき、半導体装置にも適することが知られて
いる。特に、４Ｈ結晶は移動度の結晶方位依存性が少な
く、またその移動度が他の多形よりも優れているため、
パワーデバイス応用には４Ｈ結晶がもっとも適してい
る。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明で提供する方法は、そのメ
カニズムについては明確にはわからないが、いくつかの
実験により効果が明らかとなった。不純物イオンの注入
後に、注入した不純物の活性化のためにおこなう１７０
０℃程度の高温アニールの前の熱処理方法を吟味するこ
とによって、高温アニール時の表面の微細な面荒れを抑
制できる方法を得た。以下に図を参照しながら、本発明
の炭化けい素半導体装置の熱処理方法の詳細を述べる。
カニズムについては明確にはわからないが、いくつかの
実験により効果が明らかとなった。不純物イオンの注入
後に、注入した不純物の活性化のためにおこなう１７０
０℃程度の高温アニールの前の熱処理方法を吟味するこ
とによって、高温アニール時の表面の微細な面荒れを抑
制できる方法を得た。以下に図を参照しながら、本発明
の炭化けい素半導体装置の熱処理方法の詳細を述べる。
【００１９】［実施例１］図１は、本発明にかかる酸化
工程の、温度変化を表す温度プログラム図である。すな
わち、横軸は時間、縦軸は温度を表している。Ｐ1 の期
間はイオン注入後に本発明の予備熱処理をする工程であ
る。この工程は後のアニール工程と異なり水素（以下Ｈ
2 と記す）雰囲気とする。Ｔ1 は予備熱処理温度、ｔ1
は予備熱処理時間である。
工程の、温度変化を表す温度プログラム図である。すな
わち、横軸は時間、縦軸は温度を表している。Ｐ1 の期
間はイオン注入後に本発明の予備熱処理をする工程であ
る。この工程は後のアニール工程と異なり水素（以下Ｈ
2 と記す）雰囲気とする。Ｔ1 は予備熱処理温度、ｔ1
は予備熱処理時間である。
【００２０】次のＰ2 は試料を室温にして炉外に出して
いることを示している。Ｐ3 はアニール炉に挿入し、ア
ニール温度Ｔ2 まで昇温して試料をアニールする工程で
ある。炉入れ温度は、本発明の本質とはあまり関係が無
いが通常７００℃から９００℃の範囲である。このとき
前述のようにグラファイト容器あるいはＳｉＣ容器の中
に入れる。また最初に真空引きするなどして、炉内の酸
素や水分を除去するのが好ましい。アニールは、Ａｒ雰
囲気や窒素（Ｎ2 ）雰囲気などの不活性雰囲気とする。
アニール時間ｔ2 は必要なアニールに応じて設定され、
通常数分から数時間程度である。
いることを示している。Ｐ3 はアニール炉に挿入し、ア
ニール温度Ｔ2 まで昇温して試料をアニールする工程で
ある。炉入れ温度は、本発明の本質とはあまり関係が無
いが通常７００℃から９００℃の範囲である。このとき
前述のようにグラファイト容器あるいはＳｉＣ容器の中
に入れる。また最初に真空引きするなどして、炉内の酸
素や水分を除去するのが好ましい。アニールは、Ａｒ雰
囲気や窒素（Ｎ2 ）雰囲気などの不活性雰囲気とする。
アニール時間ｔ2 は必要なアニールに応じて設定され、
通常数分から数時間程度である。
【００２１】適当な雰囲気ガス中および冷却条件で冷却
した後引出し、室温に戻す。引出し温度も本発明の本質
にはあまり関係しないが７００℃から９００℃の範囲と
することが、界面凖位密度の低減に有効である。具体的
には、例えば次のような条件でおこなう。ＳｉＣウェハ
を室温の予備熱処理炉に挿入し、真空引きを経てＨ2 に
置換する。１０００℃（Ｔ1 ）に昇温し、Ｈ2 を毎分３
リットル（Ｌ）流して、３０分間（ｔ1 ）保持した後、
室温まで冷却して取り出す。
した後引出し、室温に戻す。引出し温度も本発明の本質
にはあまり関係しないが７００℃から９００℃の範囲と
することが、界面凖位密度の低減に有効である。具体的
には、例えば次のような条件でおこなう。ＳｉＣウェハ
を室温の予備熱処理炉に挿入し、真空引きを経てＨ2 に
置換する。１０００℃（Ｔ1 ）に昇温し、Ｈ2 を毎分３
リットル（Ｌ）流して、３０分間（ｔ1 ）保持した後、
室温まで冷却して取り出す。
【００２２】次に、ＳｉＣウェハを７００℃のアニール
炉に挿入し、１７００℃（Ｔ2 ）まで昇温する。雰囲気
はＡｒである。３０分間（ｔ2 ）のアニールをおこなっ
た後、同じ雰囲気中で毎分３℃の冷却速度で７００℃ま
で冷却し炉から取り出す。図２は、本発明の予備熱処理
とアニールとをおこなったＳｉＣにおける熱酸化膜の絶
縁特性図である。横軸は熱酸化膜に印加される電圧、縦
軸はもれ電流である。面方位（０００１）シリコン面の
４Ｈ−ＳｉＣウェハを用い、加速電圧１００ｋｅＶ、ド
ーズ量５×１０13ｃｍ-2でほう素のイオン注入をした。
その後上記の予備熱処理とアニールとをおこない、パイ
ロジェニック法により、１１００℃で５時間の熱酸化を
おこなった。酸化膜の膜厚は３５ｎｍである。なお、予
備熱処理炉の加熱は高周波加熱で、アニール炉の加熱は
抵抗加熱でおこなった。
炉に挿入し、１７００℃（Ｔ2 ）まで昇温する。雰囲気
はＡｒである。３０分間（ｔ2 ）のアニールをおこなっ
た後、同じ雰囲気中で毎分３℃の冷却速度で７００℃ま
で冷却し炉から取り出す。図２は、本発明の予備熱処理
とアニールとをおこなったＳｉＣにおける熱酸化膜の絶
縁特性図である。横軸は熱酸化膜に印加される電圧、縦
軸はもれ電流である。面方位（０００１）シリコン面の
４Ｈ−ＳｉＣウェハを用い、加速電圧１００ｋｅＶ、ド
ーズ量５×１０13ｃｍ-2でほう素のイオン注入をした。
その後上記の予備熱処理とアニールとをおこない、パイ
ロジェニック法により、１１００℃で５時間の熱酸化を
おこなった。酸化膜の膜厚は３５ｎｍである。なお、予
備熱処理炉の加熱は高周波加熱で、アニール炉の加熱は
抵抗加熱でおこなった。
【００２３】比較のため、イオン注入後予備熱処理をお
こなわないでアニールし、熱酸化した場合のもれ電流を
も示した。酸化膜上の電極はスパッタ法によりアルミニ
ウムを堆積し、直径２００μ、厚さ０．２μとした。本
実施例の方法で予備熱処理とアニールとをおこなったＳ
ｉＣにおける熱酸化膜の絶縁特性は、２８Ｖ付近から急
速に増大し、４０Ｖで約１×１０-7Ａのもれ電流を示し
た。４０〜４５Ｖで破壊し、１×１０-4Ａ付近の点は破
壊した後のもれ電流である。
こなわないでアニールし、熱酸化した場合のもれ電流を
も示した。酸化膜上の電極はスパッタ法によりアルミニ
ウムを堆積し、直径２００μ、厚さ０．２μとした。本
実施例の方法で予備熱処理とアニールとをおこなったＳ
ｉＣにおける熱酸化膜の絶縁特性は、２８Ｖ付近から急
速に増大し、４０Ｖで約１×１０-7Ａのもれ電流を示し
た。４０〜４５Ｖで破壊し、１×１０-4Ａ付近の点は破
壊した後のもれ電流である。
【００２４】一方、予備熱処理をおこなわなかったもの
では、２０Ｖ付近からもれ電流が急速に増大し、約２５
Ｖで１×１０-10 Ａ程度のもれ電流を示した後破壊して
いる。すなわち、本発明の方法により熱酸化膜の絶縁耐
圧が大きく、しかも破壊しにくくなっており、図６のイ
オン注入およびアニールをしていない場合とほぼ同じ特
性が得られたことを示している。またアニール後の表面
は従来のような縞状の微細な面荒れが殆ど発生していな
いことが確認され、本発明の方法が高温アニールにおい
て非常に有効な手段であることがわかった。
では、２０Ｖ付近からもれ電流が急速に増大し、約２５
Ｖで１×１０-10 Ａ程度のもれ電流を示した後破壊して
いる。すなわち、本発明の方法により熱酸化膜の絶縁耐
圧が大きく、しかも破壊しにくくなっており、図６のイ
オン注入およびアニールをしていない場合とほぼ同じ特
性が得られたことを示している。またアニール後の表面
は従来のような縞状の微細な面荒れが殆ど発生していな
いことが確認され、本発明の方法が高温アニールにおい
て非常に有効な手段であることがわかった。
【００２５】このような改善効果が得られるメカニズム
は明確にされていないが、H.Tsuchida,H. 等の報告[ Pr
oceedings of International conference on Silicon C
arbide, III-nitrides and Related Materials-1997]に
あるように、Ｈ2 中での加熱前処理によって表面の不完
全層がエッチングされることが影響しているかも知れな
い。
は明確にされていないが、H.Tsuchida,H. 等の報告[ Pr
oceedings of International conference on Silicon C
arbide, III-nitrides and Related Materials-1997]に
あるように、Ｈ2 中での加熱前処理によって表面の不完
全層がエッチングされることが影響しているかも知れな
い。
【００２６】予備熱処理の温度、時間を変化させて実験
をおこなったところ、温度Ｔ1 は８００℃以上で効果が
見られ、１２００℃を越すと表面にエッチピットを生じ
て良くないことがわかった。また、処理時間ｔ1 は５分
以上であれば効果があり、時間が長いほど良い。しかし
２時間以上では、効果が飽和する傾向を示すので、それ
以上長くすることはプロセス時間が長くなるだけで、無
駄である。
をおこなったところ、温度Ｔ1 は８００℃以上で効果が
見られ、１２００℃を越すと表面にエッチピットを生じ
て良くないことがわかった。また、処理時間ｔ1 は５分
以上であれば効果があり、時間が長いほど良い。しかし
２時間以上では、効果が飽和する傾向を示すので、それ
以上長くすることはプロセス時間が長くなるだけで、無
駄である。
【００２７】［実施例２］アニール工程の前におこなう
予備熱処理工程において、実施例１のＨ2 の代わりにＨ
2 を２０％含ませたＨ2 とＡｒとの混合ガス雰囲気とし
た。予備熱処理工程の温度、時間、および後のアニール
工程は実施例１とほぼ同じとした。予備熱処理工程およ
びアニール工程後に、パイロジェニック法により、熱酸
化膜を形成し、絶縁特性を評価したところ、実施例１と
ほぼ同じ絶縁特性であった。
予備熱処理工程において、実施例１のＨ2 の代わりにＨ
2 を２０％含ませたＨ2 とＡｒとの混合ガス雰囲気とし
た。予備熱処理工程の温度、時間、および後のアニール
工程は実施例１とほぼ同じとした。予備熱処理工程およ
びアニール工程後に、パイロジェニック法により、熱酸
化膜を形成し、絶縁特性を評価したところ、実施例１と
ほぼ同じ絶縁特性であった。
【００２８】すなわちＨ2 を２０％含むＡｒとの混合ガ
ス雰囲気においても、純Ｈ2 とほぼ同じ効果が得られる
ことがわかった。不活性ガスとの混合ガスとすれば、安
全面から純Ｈ2 より取扱いが容易である。ただし、Ｈ2
を１０％としたものでは、効果がかなり減殺された。従
って、Ｈ2 の含有量としては２０％以上がよい。Ａｒの
他に、不活性ガスとしてヘリウムや窒素も使用できた。
ス雰囲気においても、純Ｈ2 とほぼ同じ効果が得られる
ことがわかった。不活性ガスとの混合ガスとすれば、安
全面から純Ｈ2 より取扱いが容易である。ただし、Ｈ2
を１０％としたものでは、効果がかなり減殺された。従
って、Ｈ2 の含有量としては２０％以上がよい。Ａｒの
他に、不活性ガスとしてヘリウムや窒素も使用できた。
【００２９】［実施例３］高温アニール工程の前におこ
なう予備熱処理工程において、Ｈ2 に１％の塩酸ガス
（以下ＨＣｌと記す）を加えた。予備熱処理工程の温
度、時間、および後の高温アニール工程は実施例１とほ
ぼ同じとした。このようなアニール方法をおこなった
後、パイロジェニック法により、熱酸化膜を形成して耐
圧特性を測定した。本実施例の方法で熱処理した後の酸
化膜の絶縁特性を測定した結果は、実施例１より僅かで
はあるが高い耐圧を示した。
なう予備熱処理工程において、Ｈ2 に１％の塩酸ガス
（以下ＨＣｌと記す）を加えた。予備熱処理工程の温
度、時間、および後の高温アニール工程は実施例１とほ
ぼ同じとした。このようなアニール方法をおこなった
後、パイロジェニック法により、熱酸化膜を形成して耐
圧特性を測定した。本実施例の方法で熱処理した後の酸
化膜の絶縁特性を測定した結果は、実施例１より僅かで
はあるが高い耐圧を示した。
【００３０】ＨＣｌ濃度を変化させて実験をおこなった
ところ、５％を越すと表面にエッチピットを生じて良く
ないことがわかった。 ［実施例４］図１に示した第一の方法は、イオン注入後
に予備熱処理をおこなった後、一旦ＳｉＣウェハを取り
出してから、高温アニールを実施する場合について示し
たものであった。
ところ、５％を越すと表面にエッチピットを生じて良く
ないことがわかった。 ［実施例４］図１に示した第一の方法は、イオン注入後
に予備熱処理をおこなった後、一旦ＳｉＣウェハを取り
出してから、高温アニールを実施する場合について示し
たものであった。
【００３１】図３は、本発明にかかる別の熱処理方法
の、温度変化を表す温度プログラム図であり、予備熱処
理をする炉とアニール炉を同一とし、連続的におこなっ
た場合について示している。その方法について以下に記
す。ＳｉＣウェハを室温で酸化炉に挿入し、真空引きを
経てＨ2 に置換する。１０００℃（Ｔ1 ）に昇温し、Ｈ
2 を毎分３Ｌ流して、３０分間（ｔ1 ）保持する。終了
後、窒素置換、Ａｒ置換を経て炉の温度を１７００℃
（Ｔ2 ）に昇温し、３０分間（ｔ2 ）、高温アニールを
おこなった。高温アニール終了後同じ雰囲気で、毎分３
℃の冷却速度で７００℃まで冷却し炉から取り出す。
の、温度変化を表す温度プログラム図であり、予備熱処
理をする炉とアニール炉を同一とし、連続的におこなっ
た場合について示している。その方法について以下に記
す。ＳｉＣウェハを室温で酸化炉に挿入し、真空引きを
経てＨ2 に置換する。１０００℃（Ｔ1 ）に昇温し、Ｈ
2 を毎分３Ｌ流して、３０分間（ｔ1 ）保持する。終了
後、窒素置換、Ａｒ置換を経て炉の温度を１７００℃
（Ｔ2 ）に昇温し、３０分間（ｔ2 ）、高温アニールを
おこなった。高温アニール終了後同じ雰囲気で、毎分３
℃の冷却速度で７００℃まで冷却し炉から取り出す。
【００３２】このようにすると、別の炉を用意する必要
もなく、工程が簡素化されるという利点がある。各期間
については図１とまったく同じ意味であるが、図２では
Ｐ2の工程が省略されていることがわかる。このような
熱処理方法後に形成した酸化膜の絶縁特性を評価したと
ころ、図２の実施例１の酸化膜とほぼ同じもれ電流の電
圧依存性を示した。
もなく、工程が簡素化されるという利点がある。各期間
については図１とまったく同じ意味であるが、図２では
Ｐ2の工程が省略されていることがわかる。このような
熱処理方法後に形成した酸化膜の絶縁特性を評価したと
ころ、図２の実施例１の酸化膜とほぼ同じもれ電流の電
圧依存性を示した。
【００３３】［実施例５］図４は本発明の更に別の方法
にかかるアニール工程の、温度変化を表す温度プログラ
ム図である。図１のＰ1 〜Ｐ3 工程の以前にＰ4 の工程
が設けられている点が特徴である。これまでに示した方
法は不純物イオンの注入後に、Ｈ2 またはＨ2 と不活性
ガスの混合ガス雰囲気或いはそれにＨＣｌを添加した雰
囲気で予備熱処理をおこなった。しかし、これらのガス
雰囲気は高温では多少なりともエッチング性を有してい
る。
にかかるアニール工程の、温度変化を表す温度プログラ
ム図である。図１のＰ1 〜Ｐ3 工程の以前にＰ4 の工程
が設けられている点が特徴である。これまでに示した方
法は不純物イオンの注入後に、Ｈ2 またはＨ2 と不活性
ガスの混合ガス雰囲気或いはそれにＨＣｌを添加した雰
囲気で予備熱処理をおこなった。しかし、これらのガス
雰囲気は高温では多少なりともエッチング性を有してい
る。
【００３４】ＳｉＣのイオン注入層は、イオンを強制的
に注入されているため結晶欠陥が多く発生していて、結
晶性が乱れ、エッチングされ易くなっている。従って、
イオン注入直後にそのままエッチング性の雰囲気に曝す
ことは好ましく無い。そこで、いったん不活性雰囲気中
で１０００〜１３００℃の前熱処理工程Ｐ4を施し、結
晶性の乱れを少し回復してからＨ2 またはＨ2 と不活性
ガスの混合ガス雰囲気で予備熱処理を施すのが良い。
に注入されているため結晶欠陥が多く発生していて、結
晶性が乱れ、エッチングされ易くなっている。従って、
イオン注入直後にそのままエッチング性の雰囲気に曝す
ことは好ましく無い。そこで、いったん不活性雰囲気中
で１０００〜１３００℃の前熱処理工程Ｐ4を施し、結
晶性の乱れを少し回復してからＨ2 またはＨ2 と不活性
ガスの混合ガス雰囲気で予備熱処理を施すのが良い。
【００３５】この場合の前熱処理工程Ｐ4 はアニール工
程Ｐ2 と同様にＳｉＣなどの容器に入れるのが好まし
く、不活性雰囲気にて実施する。特に、この方法は、イ
オン注入ダメージを大きくする、高エネルギー注入ある
いは高ドーズを行った場合について有効である。以上の
実施例においては、ほう素イオンの注入の例を挙げた。
ほう素やアルミニウムは、注入された不純物の活性化率
を上げるため、１５００℃以上の高温アニールを必要と
した。しかし、窒素イオンなど、１２００℃以下のアニ
ールでもある程度の活性化が期待できる不純物もあり、
その場合は本発明の予備熱処理のみ施せばよく、高温ア
ニールが不要となる。
程Ｐ2 と同様にＳｉＣなどの容器に入れるのが好まし
く、不活性雰囲気にて実施する。特に、この方法は、イ
オン注入ダメージを大きくする、高エネルギー注入ある
いは高ドーズを行った場合について有効である。以上の
実施例においては、ほう素イオンの注入の例を挙げた。
ほう素やアルミニウムは、注入された不純物の活性化率
を上げるため、１５００℃以上の高温アニールを必要と
した。しかし、窒素イオンなど、１２００℃以下のアニ
ールでもある程度の活性化が期待できる不純物もあり、
その場合は本発明の予備熱処理のみ施せばよく、高温ア
ニールが不要となる。
【００３６】また、実施例において４Ｈ結晶を使用した
が、同じ閃亜鉛鉱型とウルツ鉱型とが積層された形で、
ただ積層の順序が異なるアルファ相ＳｉＣである６Ｈ結
晶でも同じ効果が得られるであろう。なお、再び補足す
ると、Ｈ2 、ＨＣｌ添加雰囲気での熱処理は酸化膜のエ
ッチング効果があることから、不均一なエッチングを避
けるため、イオン注入後酸化膜がある場合には、その酸
化膜を除去してから予備熱処理をする方が好ましい。ま
た、その後の高温アニールにおいては、酸化膜は融解す
るため、この点からも酸化膜を除去してから高温アニー
ルをするのが良い。
が、同じ閃亜鉛鉱型とウルツ鉱型とが積層された形で、
ただ積層の順序が異なるアルファ相ＳｉＣである６Ｈ結
晶でも同じ効果が得られるであろう。なお、再び補足す
ると、Ｈ2 、ＨＣｌ添加雰囲気での熱処理は酸化膜のエ
ッチング効果があることから、不均一なエッチングを避
けるため、イオン注入後酸化膜がある場合には、その酸
化膜を除去してから予備熱処理をする方が好ましい。ま
た、その後の高温アニールにおいては、酸化膜は融解す
るため、この点からも酸化膜を除去してから高温アニー
ルをするのが良い。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、炭
化けい素への不純物イオン注入後に、Ｈ2 またはＨ2 と
不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で例えば８００〜１２
００℃の範囲の温度に加熱する予備熱処理をおこない、
その後高温アニールをおこなうことによって、従来不純
物イオン注入およびアニール後に見られた表面の面荒れ
を改善することができることを示した。更にそれによ
り、状態の改善された表面に熱酸化により形成した酸化
膜は、絶縁特性が大幅に改善されることを示した。微量
のＨＣｌを加えた雰囲気としてもよい。
化けい素への不純物イオン注入後に、Ｈ2 またはＨ2 と
不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で例えば８００〜１２
００℃の範囲の温度に加熱する予備熱処理をおこない、
その後高温アニールをおこなうことによって、従来不純
物イオン注入およびアニール後に見られた表面の面荒れ
を改善することができることを示した。更にそれによ
り、状態の改善された表面に熱酸化により形成した酸化
膜は、絶縁特性が大幅に改善されることを示した。微量
のＨＣｌを加えた雰囲気としてもよい。
【００３８】表面状態は特にＭＯＳ型半導体装置にとっ
て極めて重要であり、本発明による大幅な改善は、炭化
けい素のＭＯＳ型半導体装置の実用化に資するところ大
である。
て極めて重要であり、本発明による大幅な改善は、炭化
けい素のＭＯＳ型半導体装置の実用化に資するところ大
である。
【図１】本発明の実施例１の温度プログラム図
【図２】実施例１の方法による酸化膜の絶縁特性図
【図３】本発明の実施例４の温度プログラム図
【図４】本発明の実施例５の温度プログラム図
【図５】イオン注入後高温アニールによる不純物活性化
の温度依存性を示す特性図
の温度依存性を示す特性図
【図６】高温アニール後に形成した熱酸化膜の絶縁特性
図
図
Ｐ1 予備熱処理工程 Ｐ2 移動工程 Ｐ3 高温アニール工程 Ｐ4 前熱処理工程 ｔ1 予備熱処理時間 ｔ2 高温アニール時間 ｔ3 前熱処理時間 Ｔ1 予備熱処理温度 Ｔ2 高温アニール温度 Ｔ3 前熱処理温度
Claims (10)
- 【請求項１】炭化けい素への不純物イオン注入後に、水
素雰囲気または水素と不活性ガスとの混合ガス雰囲気中
で加熱する予備熱処理をおこない、その後高温アニール
をおこなうことを特徴とする炭化けい素半導体装置の製
造方法。 - 【請求項２】予備熱処理時の混合ガス雰囲気が２０％以
上の水素を含むことを特徴とする請求項１記載の炭化け
い素半導体装置の製造方法。 - 【請求項３】予備熱処理の雰囲気を、さらに塩酸ガスを
加えた雰囲気とすることを特徴とする請求項１または２
のいずれかに記載の炭化けい素半導体装置の製造方法。 - 【請求項４】塩酸ガスの含有量を水素の５％以下とする
ことを特徴とする請求項３記載の炭化けい素半導体装置
の製造方法。 - 【請求項５】予備熱処理の温度を８００〜１２００℃の
範囲とすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
かに記載の炭化けい素半導体装置の製造方法。 - 【請求項６】予備熱処理後に、温度を下げず直ちに１２
００℃以上の高温アニールをおこなうことを特徴とする
請求項５に記載の炭化けい素半導体装置の製造方法。 - 【請求項７】予備熱処理の前に８００〜１２００℃の前
熱処理を施すことを特徴とする請求項５または６に記載
の炭化けい素半導体の製造方法。 - 【請求項８】予備熱処理の加熱時間を５分間以上とする
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の
炭化けい素半導体装置の製造方法。 - 【請求項９】酸化膜を除去した後に予備熱処理をおこな
うことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載
の炭化けい素半導体装置の製造方法。 - 【請求項１０】炭化けい素半導体基板が、４Ｈまたは６
Ｈ結晶であることを特徴とする請求項１ないし９のいず
れかに記載の炭化けい素半導体装置の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP20493798A JP3344562B2 (ja) | 1998-07-21 | 1998-07-21 | 炭化けい素半導体装置の製造方法 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20493798A JP3344562B2 (ja) | 1998-07-21 | 1998-07-21 | 炭化けい素半導体装置の製造方法 |
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|---|---|
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Family
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP4792645B2 (ja) * | 2001-03-12 | 2011-10-12 | 株式会社デンソー | 炭化珪素半導体装置の製造方法 |
| JP4595224B2 (ja) * | 2001-03-27 | 2010-12-08 | 株式会社デンソー | 炭化珪素半導体装置の製造方法 |
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