JP3812396B2

JP3812396B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法及び炭化硅素半導体装置

Info

Publication number: JP3812396B2
Application number: JP2001308905A
Authority: JP
Inventors: 信之加藤; 有一竹内; 弘之松波; 恒暢木本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2021-10-04
Also published as: JP2003115460A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる半導体基板に選択的にエピタキシャル膜を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣ基板に選択的にホモエピタキシャル膜（ホモエピ膜）を形成する方法として、特開平１１−１６８４０号公報に開示された方法がある。この選択エピタキシャル成長法（選択エピ）は、ＳｉＯ₂をマスクとしてエピタキシャル成長を行うことにより、ＳｉＯ₂に形成された開口部にのみエピタキシャル膜を選択的に成長させるというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術では以下の問題点がある。この問題点について図６、図７に基づいて説明する。
【０００４】
図６は、（０００１）面を有する六方晶ＳｉＣ基板Ｊ１にマスクＪ２を用いて選択エピを行う場合を示している。図６（ａ）（ｂ）ともに図中上側が基板平面図、下側が基板断面図を示している。（０００１）面基板Ｊ１はオフ角を有していないと３Ｃ−ＳｉＣが形成されホモエピ膜が形成できないため、図６（ａ）に示すように所定のオフ角を有するオフ基板を用いて選択エピを行う。
【０００５】
ところが、（０００１）基板は＜１１−２０＞軸方向の成膜レートが速いため、図６（ｂ）に示すようにマスク開口部Ｊ３に対してホモエピ膜の形状が異形になる。また、ＳｉＣ基板Ｊ１のオフ角情報がある部分Ｊ３ではホモエピ成長するが、基板のオフ角情報がない部分Ｊ４では３Ｃ−ＳｉＣが成長するため、全面がホモエピ領域とはならない。
【０００６】
ところで、（０００１）面より（１１−２０）面を用いたデバイスの方が電子移動度が高いとの報告があり、これによれば（０００１）基板よりも（１１−２０）基板を用いる方がデバイスの特性向上を図ることができる。
【０００７】
図７は、（１１−２０）面を有するＳｉＣ基板Ｊ４にマスクＪ２を用いて選択エピを行う場合を示している。（１１−２０）基板を用いて選択エピを形成した場合には、＜０００１＞軸に直交する（０００１）面が、上記（０００１）基板のオフ角がゼロの場合に相当する。このため、マスク開口部が（０００１）面に該当する箇所では、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように３Ｃ−ＳｉＣが形成されてしまい形成面が荒くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、（１１−２０）面の炭化珪素基板に選択エピタキシャル成長を行う炭化珪素半導体装置の製造方法において、エピタキシャル膜の面荒れを防止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、（１１−２０）面の炭化珪素基板を用意する工程と、炭化珪素基板の上に所定形状のマスクパターンを有するマスク材を形成する工程と、マスク材を用いて炭化珪素基板上に選択エピタキシャル成長によりエピタキシャル膜を形成する工程とを備え、マスクパターンを構成する辺を、炭化珪素基板の（０００１）面に対して３°以上９０°以下となるように形成することを特徴としている。
【００１０】
このように、マスクパターンを＜０００１＞方向に対して直交する面がないように、マスクパターンを構成するすべての辺が（０００１）面に対して３°以上９０°以下となるように形成することで、エピタキシャル膜形成工程で３Ｃ−ＳｉＣが形成されるのを防ぐことができる。これにより、エピタキシャル膜の面荒れを防止することができる。
【００１１】
また、マスクパターンを構成する辺を、炭化珪素基板の（０００１）面に対して３°以上となるように形成することが好ましい。これにより、１５００℃付近の温度条件で実用的にエピタキシャル成長を行うことができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明のように、マスクパターンを四角形状とすることができ、あるいは、請求項３に記載の発明のように、マスクパターンを六角形状とすることができる。
また、マスクパターンが六角形状の場合には、請求項４に記載の発明のように、マスクパターンを構成する辺を、炭化珪素基板の（０００１）面に対して３°以上３０°以下となるように形成することができる。
【００１３】
また、マスクパターンが六角形状の場合には、請求項５に記載の発明のように、対向する一対の辺が＜０００１＞方向に平行となるように形成することで、マスクパターンを構成する辺を、（０００１）面に対して所定角度以上にすることができる。さらに、マスクパターンが六角形状の場合には、請求項６に記載の発明のように、マスクパターンを、等間隔に複数形成することができる。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明のように、マスク材をカーボン層から構成することができる。このカーボン層は、請求項８に記載の発明のように、炭化珪素基板の表層部に存在するＳｉを昇華させることにより形成することができ、請求項９に記載の発明のように、炭化珪素基板の上にレジストを塗布し、レジストを熱処理することにより形成することができる。
【００１５】
また、選択エピタキシャル成長は、請求項１０に記載の発明のようにＣＶＤ法により行うことができ、請求項１１に記載の発明のように、１０００〜２０００℃の温度範囲で行うことができる。
【００１６】
また、エピタキシャル膜は、請求項１２に記載の発明のようにｐ型とすることができ、請求項１３に記載の発明のようにｎ型とすることができる。
【００１７】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法により製造された炭化珪素半導体装置である。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造工程を示している。
【００２０】
まず、図１（ａ）に示すように、主表面及び裏面を有するＳｉＣからなるｎ⁺型基板１を用意すると共に、このｎ⁺型基板１の主表面側にｎ^-型エピタキシャル層（以下、ｎ^-型エピ層という）２をエピタキシャル成長させる。ＳｉＣ半導体基板１は（１１−２０）面を有する六方晶のものを用いる。ＳｉＣ半導体基板１の結晶構造は、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣのいずれでもよい。
【００２１】
次に、図１（ｂ）に示すように、ｎ^-型エピ層２の表面からＳｉを昇華させる。例えば、減圧雰囲気において、１５００℃の温度で３０分間の熱処理をすることで、ｎ^-型エピ層２の表面からＳｉを昇華させることができる。
【００２２】
そして、この処理を終えると、図１（ｃ）に示すようにｎ^-型エピ層２の表層部にはＳｉＣの炭素成分のみが残ったカーボン層３が形成される。このように、カーボン層３の形成を減圧雰囲気で行うことにより、Ｓｉの蒸気圧が高くなるため、よりカーボン層３を形成し易くすることができると共に、１５００℃以上の温度で加熱することにより、Ｓｉの昇華速度を高くすることができ、容易にカーボン層３を所望の膜厚とすることができる。
【００２３】
次に、図１（ｄ）に示すように、カーボン層３の上面にレジスト４を堆積させたのち、このレジスト４をマスクとした選択エッチングを行い、カーボン層３に所望形状の開口部３ａを形成する。カーボン層３は、ｎ^-型エピ層２上に選択エピタキシャル成長を行う際のマスク材として用いられ、開口部３ａがマスクパターンとなる。
【００２４】
図２は、カーボン層３の開口部３ａの具体例を示す平面図である。開口部３ａは、図２（ａ）に示すように例えば四角形状とすることができ、あるいは図２（ｂ）に示すように例えば六角形状とすることができる。開口部３ａは＜０００１＞軸に対して直交する辺がないように、開口部３ａのすべての辺が（０００１）面に対して所定角度α以上となるように形成する。具体的には、以下に示すように（０００１）面に対してすべての辺が３°以上の角度となるように開口部３ａを設けることが望ましい。
【００２５】
図３は、基板のオフ角とステップフロー成長との関係を示している。横軸は温度、縦軸はエピ膜の成長レートを示している。図３中のオフ角αを示す各線の右側の領域が、ＳｉＣ基板に実用的にステップフロー成長を行うことができる領域である。図３から、オフ角が３°程度以上であれば、エピタキシャル成長を行う１５００℃付近で、実用的な速度でエピ成膜ができることが分かる。
【００２６】
従って、カーボン層３の開口部３ａのすべての辺が（０００１）面に対して３°以上の角度があれば、カーボン層３をマスクとして３Ｃ−ＳｉＣが成長することなくホモエピ成長させることができる。図２（ｂ）に示す六角形状の場合には、対向する一対の辺を＜０００１＞方向に対して平行になるようにすれば、角度αを３０°とすることができる。
【００２７】
次に、図１（ｅ）に示すように、レジスト４を除去した後、カーボン層３をマスクとして用いて開口部３ａに選択エピタキシャル成長を行い、カーボン層３の開口部３ａにＳｉＣからなる選択エピタキシャル層（選択エピ層）５を成長させる。選択エピタキシャル成長は、１０００〜２０００℃の温度範囲で行う。
【００２８】
このとき、上述のようにマスクパターンである開口部３ａのすべての辺が（０００１）面に対して所定角度α以上となるように形成されているので、３Ｃ−ＳｉＣの形成を抑えることができ、面荒れのないパターン形成を行うことができる。
【００２９】
次に、図１（ｆ）に示すように、例えばＲＩＥやＨ₂エッチングによってカーボン層３を除去したり、カーボン層３を酸化により除去したり、ＳＣｌによってカーボン層３を除去することで、ｎ^-型エピ層２の上に選択エピ層５を形成した構成を得ることができる。
【００３０】
以上のように、（１１−２０）面基板を用いた場合でも、マスクパターンを（０００１）面に対して所定角度αを有するように形成することで、選択エピ層の形成面に面荒れが発生することを防止できる。また、ＳｉＣ基板そのものから形成されたカーボン層３をマスク材として用いることで、マスク材からの不純物汚染という問題が生じることがない。
【００３１】
なお、このような構成のＳｉＣ半導体装置は、例えば選択エピ層５をｐ型半導体とすることで、ＰＮダイオードとして用いることができる。また、選択エピ層をｎ型半導体とすることもできる。
【００３２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に対してカーボン層の形成方法が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略する。
【００３３】
図４は、本第１実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造工程を示している。
【００３４】
まず、図４（ａ）に示すように、ｎ⁺型ＳｉＣ基板１を用意し、このｎ⁺型基板１の主表面側にｎ^-型エピ層２をエピタキシャル成長させる。
【００３５】
次に、図４（ｂ）に示すように、ｎ^-型エピ層２上にレジストを塗布してレジスト層６を形成する。このとき、レジスト層６には所望の開口部６ａを形成しておく。開口部６ａは、上記第１実施形態と同様に、（０００１）面に対して所定角度以上、好ましくは３°以上の角度を持つように形成する。続いて、レジスト層６をレジストが炭化する所定温度以上に加熱し、レジスト層６を炭化させてカーボン層を形成する。
【００３６】
次に、図４（ｃ）に示すように、カーボン化したレジスト層６をマスクとして選択エピ成長を行い、図４（ｄ）に示すように、レジスト層６を除去することで、ｎ^-型エピ層２の上に選択エピ層５を形成した構成を得ることができる。
【００３７】
以上のような本第２実施形態の製造方法によっても、上記第１実施形態と同様に選択エピ層の形成面に面荒れが発生することを防止できる。
【００３８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記各実施形態に比較して、選択エピ成長させる場合のマスクパターンがことなるものである。上記各実施形態と同様の部分については説明を省略する。
【００３９】
図５は、本第３実施形態におけるカーボン層７の平面図である。カーボン層７は、ｎ^-型エピ層２の上に形成されており、選択エピ成長のマスク材として用いられる。図５に示すように、カーボン層７に形成されたマスクパターン８は六角形状であり、複数のパターン８が等間隔に形成されている。また、カーボン層７は、各パターン８の隙間９がエッチングされており、各パターン８にカーボン層７が残された状態となっている。各六角形状パターン８は、対向する一対の辺が、＜０００１＞方向に平行となるように形成されている。
【００４０】
このようなカーボン層７をマスク材として用いることにより、各六角形状パターン８の隙間９に選択エピ成長させることができる。このような構成により、例えば選択エピ層をチャネル部としたＭＯＳＦＥＴを作製することができる。このように、複数の六角形状のマスクを用いることで、単位面積当たりのチャネル幅を効果的に増加できる
また、エピ膜を形成した後、マスクを用いたエッチングで選択的にエピ膜を除去する場合には、エピ膜形成による面内ばらつきとエッチングによる深さのばらつきが生じる。なおかつ基板にエッチングダメージを生じるため、デバイス特性に影響を及ぼす。これに対し、本第３実施形態ではマスクを用いて選択エピ形成するので、エピ膜形成時の面内ばらつきだけを考慮すればよく、デバイス設計が容易となる。また、エッチング工程がないため、エッチングダメージがなくなり、デバイスの特性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のＳｉＣ半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図２】カーボン層から形成されるマスクパターンを示す平面図である。
【図３】ＳｉＣ基板のオフ角とステップフロー成長との関係を示す特性図である。
【図４】第２実施形態のＳｉＣ半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図５】第３実施形態のマスクパターンを示す平面図である。
【図６】従来技術の選択エピタキシャル成長を示す工程図である。
【図７】従来技術の選択エピタキシャル成長を示す工程図である。
【符号の説明】
１…ｎ⁺型基板、２…ｎ^-型基板、３、６、７…カーボン層、４…レジスト、５…選択エピタキシャル層。

Claims

（１１−２０）面の炭化珪素基板を用意する工程と、
前記炭化珪素基板の上に所定形状のマスクパターンを有するマスク材を形成する工程と、
前記マスク材を用いて前記炭化珪素基板上に選択エピタキシャル成長によりエピタキシャル膜を形成する工程とを備え、
前記マスクパターンを構成する辺を、前記炭化珪素基板の（０００１）面に対して３°以上９０°以下となるように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。
前記マスクパターンは、四角形状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。
前記マスクパターンは、六角形状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。
前記マスクパターンを構成する辺を、前記炭化珪素基板の（０００１）面に対して３°以上３０°以下となるように形成することを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記マスクパターンは、対向する一対の辺が＜０００１＞方向に平行となるように形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記マスクパターンは、等間隔に複数形成されていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記マスク材は、カーボン層からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記カーボン層は、前記炭化珪素基板の表層部に存在するＳｉを昇華させることにより形成することを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記カーボン層は、前記炭化珪素基板の上にレジストを塗布し、前記レジストを熱処理することにより形成することを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記選択エピタキシャル成長は、ＣＶＤ法により行うことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記選択エピタキシャル成長は、１０００〜２０００℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記エピタキシャル膜はｐ型であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記エピタキシャル膜はｎ型であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法により製造された炭化珪素半導体装置。