JP3820424B2 - Activation method of impurity ion implantation layer - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入による伝導性制御が可能なワイドバンドギャップ半導体における不純物イオン注入層の活性化法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体に対する不純物イオン注入法は、不純物濃度や深さ分布を精度良く制御できることから、選択的な伝導性制御方法として、拡散法と並んで周知の技術である。一般的に、半導体にイオン注入法により不純物を導入する場合、加速イオンと標的原子との衝突により格子間原子や格子欠陥等の結晶欠陥が発生し、このままでは不純物が電気的に活性化せず、キャリアが発生しない。
【０００３】
そこで、熱アニールにより結晶性を回復させ、かつ不純物を活性化させる事により伝導性制御が可能となる。実際Siのイオン注入による伝導性制御プロセスにおいてはこの技術が活用されている。しかし、炭化珪素（SiC）、ダイヤモンド、窒化ガリウム（GaN）等のワイドギャップ半導体と呼ばれている材料においては、単純に熱アニールを行えば結晶性が回復し不純物が活性化できるわけではない。例えば、SiCにおいては、キャリアの活性化のためには1500℃以上という非常に高温の熱アニール処理が必要であり、実デバイスプロセスへ組み入れるにはかなりの問題がある。例えば、SiO2/SiCとSiO2/Siの貼り合わせ、及びスマートカット法を用いたSiCOI（SiC on insulator）の作成技術は既に確立されているが、SiO2膜及びSi基板はイオン注入後の活性化アニールの温度では溶融してしまうため、現在の技術ではSiCOI基板にイオン注入による不純物導入を行うことは困難である。また、高温処理後にも大きな結晶欠陥が残留していたり、高温処理による表面Si元素の蒸発、さらにはイオン注入した不純物の再分布等の問題点も指摘されている。
【０００４】
レーザアニールによるイオン注入層の結晶性の回復及び不純物活性化に関しては、特にSiにおいて古くから研究が行われており、SiC等のワイドギャップ半導体においても最近研究が盛んになってきている。菱田らは（特許公開2000-277448参照）、イオン注入したSiCに、表面元素が蒸発しない程度の照射パワー密度のKrF及びXeClエキシマレーザを照射することにより、イオン注入層の結晶性の回復及び不純物の電気的活性化を明らかにした。
【０００５】
しかし、彼らの研究においては、Al＋イオンにおいて50kV、N＋イオンにおいて30kVと非常に低いエネルギーによりイオン注入を行っているため、イオン注入層の深さは、両方とも50nm程度と比較的浅い。したがって、それより深いイオン注入層のアニーリングにはそのままでは応用することができない。さらに、彼らの研究においては、イオン注入を室温で行っているため、電気抵抗を出来るだけ減らすために、さらに注入量を増やしたい場合、イオン注入層は完全にアモルファス化してしまい、アニーリング後再び結晶性を回復させ、不純物を活性化させることは非常に困難であると考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、SiC、ダイヤモンド、GaN等のワイドギャップ半導体へのイオン注入による伝導性制御技術の応用にはいくつかの問題点が残っており、エキシマレーザ照射によるアニーリング技術においてはさらに問題点が多い。そのため、現在のところ、実際のデバイスプロセスには応用されていない。本発明の目的は、SiC、ダイヤモンド、GaN等のワイドギャップ半導体への不純物イオン注入層の活性化を効率よく行い、実デバイスプロセスへの応用を可能にする手法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る不純物イオン注入層の活性化法は、所定の不純物元素をイオン注入によりドーピングした半導体材料に対して、その半導体材料のバンドギャップと同じか、またはそれよりも高いエネルギーのレーザ光を、その半導体材料を加熱した状態で照射するものである。さらに、照射するレーザ光のパワー密度を段階的に変化させながら照射することにより半導体材料の表面構成元素の蒸発を防ぎつつ、より深い位置に注入された不純物を電気的に活性化させるものである。
【０００８】
本発明に係わる不純物イオン注入層の活性化法においては、イオン注入は、室温または100℃〜1000℃の高温環境下において行われる。特に、半導体デバイスにおける電流の出入り口になるオーミック電極を作製する際に、イオン注入による局所的な高濃度不純物層が必要な場合においては、高濃度イオン注入による残留欠陥を極力少なくするために高温においてのイオン注入が望ましい。
【０００９】
レーザ光を半導体材料に照射する際には、照射するレーザ光のパワー密度を低い値から高い値に段階的に変化させながら照射することが重要である。不純物イオン注入された半導体材料はイオンの照射損傷により、注入された領域においては光の透過率が低くなっている。この状態において、いきなり高いパワー密度のレーザ光を照射すると、極表面層においてのみレーザ光のエネルギーが吸収されるため、半導体材料の表面構成元素が蒸発しやすくなる。そこで、まず、低いパワー密度で不純物イオン注入された半導体材料の極表面のみを表面構成元素の蒸発を防ぎつつ電気的に活性化させ、さらに、段階的にレーザ光のパワー密度を増加させることにより、より深い不純物イオン注入層を段階的に電気的に活性化させることが出来る。この際、一定パワー密度によるレーザ光照射において、半導体材料の表面構成元素が蒸発する程度のパワー密度照射を、多段階パワー密度照射の最終段として行った場合においても半導体材料の表面構成元素の蒸発は観察されない。つまり、一定パワー密度のレーザ光照射よりも多段階パワー密度照射の方がより多くのパワーを半導体材料に与えることが出来るため、不純物の電気的活性化率の向上に効果が有り、さらに深い不純物イオン注入層の電気的活性化が可能となる。
【００１０】
レーザを照射する際には、対象となる半導体材料を100℃〜1000℃に加熱することが重要である。加熱することによる熱エネルギーが半導体材料中の定常的な格子振動を誘起し、さらにパルスレーザによる光エネルギーが短時間に加えられることにより原子間の結合が弱められ、イオン注入された不純物及び反跳された格子間原子の拡散が容易になることで不純物が格子位置に収まる。その結果、不純物イオン注入層が所望の伝導型を持った伝導層になる。対象となる半導体材料を加熱せずにパルスレーザを照射した場合、同じパワー密度でレーザ照射しても、加熱した場合と比較して不純物の電気的活性化率は低く、所望の電気的特性は得られなかった。
【００１１】
また、レーザ光を照射する際には、半導体表面をSiO2膜のようなレーザ光の吸収がないマスク材で覆った状態でイオン注入層を電気的に活性化させることが可能である。この際、レーザ光はマスク材ではほとんど吸収されず通過し、半導体中でのみ吸収が起こるためマスク材を蒸発させることなくイオン注入層をアニールすることが出来る。この手法により、半導体表面を最外層にさらすことなくアニールプロセスを行うことが出来るようになり、付着物等の表面汚染を防ぐことが出来る。また、イオン注入及び電極蒸着を共通のマスク材で行うプロセス、いわゆるセルフアラインメントプロセスへの応用も可能となる。
【００１２】
炭化珪素(SiC)の場合、0.4〜1.3J/cm2のパワー密度の範囲において、2段階以上の多段階パワー密度照射することが重要である。各々のパワー密度では1回もしくは2回以上の照射が必要である。これにより、半導体表面構成元素の蒸発を防ぎ、かつ1000Å以上の深さのイオン注入層を効率よく活性化できる。従来の熱的なアニール手法では半導体基板全体が1500℃以上の高温に加熱されるが、波長の短い、かつ短パルスレーザ光照射では、アニールされる領域は対象となるイオン注入層のみに限られる。従って、高温アニールに耐えられない材料を含む基板、例えばSiCOI基板、においてもイオン注入による不純物導入が可能となる。
【００１３】
SiCにイオン注入される不純物元素は、窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ベリリウム(Be)、硫黄(S)、バナジウム(V)、酸素(O)、炭素(C)、ケイ素(Si)の内いずれか1種類または複数種類の元素である。それにより、n型、p型または半絶縁性のSiCが得られる。
【００１４】
対象となる半導体材料が窒化ガリウム(GaN)でもよい。この場合も、半導体表面構成元素の蒸発を防ぎ、かつ深いイオン注入層を効率よく活性化できる。GaNにイオン注入される不純物元素は、酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)の内いずれか1種類または複数種類の元素である。それによりn型またはp型のGaNが得られる。
【００１５】
対象となる半導体材料がダイヤモンドでもよい。この場合も、半導体表面構成元素の蒸発を防ぎ、かつ深いイオン注入層を効率よく活性化できる。ダイヤモンドにイオン注入される不純物元素は、窒素(N)、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ベリリウム(Be)、硫黄(S)、酸素(O)の内いずれか1種類または複数種類の元素である。それによりn型またはp型のダイヤモンドが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるワイドバンドギャップ半導体への不純物イオン注入層の活性化法の実施例を説明する。
【ＳｉＣの場合】
第１の形態として、まずSiCへ伝導性を制御するための不純物のイオン注入を行う。不純物元素はN、 P、As、B、Al、Ga、Be、S、V、O、C、Siの内いずれか1種類または複数種類の元素である。イオン注入は室温または100℃〜1000℃の高温環境下で行われる。特に、半導体デバイスにおける電流の出入り口になるオーミック電極を作製する際にイオン注入による局所的な高濃度不純物層が必要な場合においては、高濃度イオン注入による残留欠陥を極力少なくするために高温でのイオン注入が望ましい。イオン注入を行う際は、表面汚染を防ぐために100〜200Å程度のマスク材で覆い、その上からイオン注入を行うことが望ましい。マスク材としてはSiC表面を熱酸化した際に形成されるSiO2膜、またはCVD法で蒸着するSiO2膜等が好ましい。また、MOSFETのソース、ドレイン領域のようにある深さまで一様な不純物密度分布が必要な場合は2段階以上のエネルギーを用いた多段階イオン注入を行う必要がある。
【００１７】
イオン注入を行った後、SiCに対してXeClエキシマレーザ（波長が308nm）またはそれ以上の波長を持つパルスレーザ光を照射する。XeClより波長の長いパルスレーザ光を用いることによりSiC中のレーザ光の進入長は長くなり、より深いイオン注入層の活性化を行うことができる。レーザ光を照射する際はSiC試料を100℃〜1000℃の範囲で加熱する。さらに、レーザ光は0.4〜1.3J/cm2のパワー密度の範囲で2段階以上の多段階パワー密度照射を行う。各々のパワー密度では1回もしくは2回以上の照射が必要である。高温加熱及び多段階パワー密度レーザ光照射により半導体表面構成元素の蒸発を防ぎ、かつ1000Å以上の深さのイオン注入層を効率よく活性化できる。
【００１８】
また、レーザ光を照射する際には半導体表面をSiO2膜のようなレーザ光の吸収がないマスク材で覆った状態でイオン注入層を電気的に活性化させることも可能である。この際、レーザ光はマスク材ではほとんど吸収されず通過し、半導体中でのみ吸収が起こるためマスク材を蒸発させることなくイオン注入層をアニールすることが出来る。この手法により、半導体表面を最外層にさらすことなくアニールプロセスを行うことが出来るようになり、付着物等の表面汚染を防ぐことが出来る。また、イオン注入及び電極蒸着を共通のマスク材で行うプロセス、いわゆるセルフアラインメントプロセスへの応用も可能となる。このような不純物活性化手法を用いることによりSiCによる各種半導体素子を作成することができる。特に、高温アニールに耐えられない材料を含む基板、例えばSiCOI基板、においてもイオン注入による不純物導入が可能となり、実用的なデバイスが作製可能になる。
【００１９】
【ＧａＮの場合】
第2の形態として、GaNへ伝導性を制御するための不純物のイオン注入を行う。不純物はO、S、Se、Te、Be、Mg、Ca、C、Si、Ge、Snの内いずれか1種類または複数種類の元素である。イオン注入は室温または100℃〜1000℃の高温環境下で行われる。特に、半導体デバイスにおける電流の出入り口になるオーミック電極を作製する際に、イオン注入による局所的な高濃度不純物層が必要な場合においては、高濃度イオン注入による残留欠陥を極力少なくするために高温でのイオン注入が望ましい。イオン注入を行う際は、表面汚染を防ぐために100〜200Å程度のマスク材で覆い、その上からイオン注入を行うことが望ましい。また、MOSFETのソース、ドレイン領域のようにある深さまで一様な不純物密度分布が必要な場合は2段階以上のエネルギーを用いた多段階イオン注入を行う必要がある。イオン注入を行った後、GaNに対してそのバンドギャップと同じか、またはそれよりも高いエネルギーのレーザ光を照射する。レーザ光を照射する際は、GaN試料を100℃〜1000℃の範囲で加熱する。さらに、レーザ光は、GaNに対し所定のパワー密度の範囲で2段階以上の多段階パワー密度照射を行う。各々のパワー密度においては1回もしくは2回以上の照射が必要である。高温加熱及び多段階パワー密度レーザ光照射により半導体表面構成元素の蒸発を防ぎ、単一パワー密度レーザ光照射においては実現できない、深いイオン注入層を効率よく活性化できる。この不純物活性化手法を用いることによりGaNによる各種半導体素子を作成することができる。
【００２０】
【ダイヤモンドの場合】
第3の形態として、ダイヤモンドへ伝導性を制御するための不純物のイオン注入を行う。不純物はN、P、As、Sb、B、Al、Ga、In、Be、S、Oの内いずれか1種類または複数種類の元素である。イオン注入は室温または100℃〜1000℃の高温環境下において行われる。特に、半導体デバイスにおける電流の出入り口になるオーミック電極を作製する際にイオン注入による局所的な高濃度不純物層が必要な場合においては、高濃度イオン注入による残留欠陥を極力少なくするために高温においてのイオン注入が望ましい。イオン注入を行う際は、表面汚染を防ぐために100〜200Å程度のマスク材により覆い、その上からイオン注入を行うことが望ましい。また、MOSFETのソース、ドレイン領域のようにある深さまで一様な不純物密度分布が必要な場合は2段階以上のエネルギーを用いた多段階イオン注入を行う必要がある。イオン注入を行った後、ダイヤモンドに対してそのバンドギャップと同じか、またはそれよりも高いエネルギーのレーザ光を照射する。レーザ光を照射する際はダイヤモンド試料を100℃〜1000℃の範囲において加熱する。さらに、レーザ光はダイヤモンドに対し所定のパワー密度の範囲において2段階以上の多段階パワー密度照射を行う。各々のパワー密度において1回もしくは2回以上の照射が必要である。高温加熱及び多段階パワー密度レーザ光照射により半導体表面構成元素の蒸発を防ぎ、単一パワー密度レーザ光照射においては実現できない、深いイオン注入層を効率よく活性化できる。この不純物活性化手法を用いることによりダイヤモンドによる各種半導体素子を作成することができる。
【００２１】
【第一の実施例】
第一の実施例として、4H-SiCへAl+をイオン注入した試料に対してレーザアニールを試みた。4x4mm2にカットされたn型4H-SiC基板（エピタキシャル膜:4.9μm、Nd-Na=4.0x1015/cm3）に対してAl+イオンを30-100kVの加速エネルギーの範囲でトータルドーズ5.0x1015/cm2の多段階エネルギーイオン注入を行った。この際、基板温度は基板のアモルファス化を抑制するために500℃に加熱した。また、イオン注入中の基板汚染を防ぐため、かつSiC表面付近で所望の不純物密度を得るためにSiC表面上に200Åの熱酸化膜（SiO2）を形成し、その上からイオン注入を行った。この条件でイオン注入した場合におけるAl原子の深さ分布のシミュレーション計算結果を図１に示す。この結果より、イオン注入領域の深さは、SiO2を除いて約1500Åであることが分かる。
【００２２】
次に、イオン注入したSiC試料を真空チェンバー中に格納し1.0x10-7Torrまで真空引きを行い、波長308nmのXeClエキシマレーザ光照射を行った。図２に基板温度を700℃に保った状態で1.3J/cm2のパワー密度でエキシマレーザ光を600ショット照射した際のSiC表面の顕微鏡像を示す。SiC表面からのSi及びCの蒸発により表面の凹凸が激しいことが分かる。
【００２３】
一方、同じく700℃に保った状態で0.8J/cm2、1.0J/cm2、1.2J/cm2、1.3J/cm2の順番で徐々に照射パワー密度を上げながらエキシマレーザ光を合計2400ショット（各々のパワー密度で600ショットずつ）照射した際のSiC表面では図２において観察されたような表面モフォロジーの悪化は観察されず、エキシマレーザ光照射前の表面状態と変化はなかった。以上のことより、単一パワー密度照射の場合には表面元素の蒸発を防ぐために1.3J/cm2未満のパワー密度で照射する必要があるが、多段階パワー密度照射の場合には最大1.3J/cm2でのエキシマレーザ光照射が可能である事が分かる。つまり、多段階パワー密度照射の方がSiC基板に与えるトータルパワーが大きくなり、イオン注入した不純物元素を深い領域まで効率よく電気的活性化させることが可能となる。
【００２４】
前述のように、多段階パワー密度照射したSiC試料の電気特性を調べるために電圧・電流測定を行った。図３に電圧・電流測定を行った試料の電極等の配置図を示す。n+型基板４（Nd-Na=1.0x1019/cm3）上のn-エピタキシャル層３（4.9μm、Nd-Na=4.0x1015/cm3）に形成されたAl+イオン注入層２を基板温度700℃で多段階パワー密度レーザ光照射し、その上にAl/Ti/Al電極１（1000 Å /500 Å /1000 Å）を電子ビーム蒸着した後1000℃、1分間のシンタリングアニールを行った。なお、ここでレーザ光照射時の基板温度（700℃）及び電極シンタリング時の温度（1000℃）のみが不純物の活性化に与える影響は全く観察されなかった。
【００２５】
図４は、これらの表面電極１間の電圧・電流特性を測定した結果である。2段階（0.8、1.0J/cm2）、3段階（0.8、1.0、1.2J/cm2）、4段階（0.8、1.0、1.2、1.3J/cm2）で多段階パワー密度照射した試料、及び比較のために1700℃で通常の炉アニールを行った試料に対する測定結果を示す。エキシマレーザ光照射前には全く電流は流れなかったが、照射後には何れの照射条件においてもきれいなオーミック特性が得られており、エキシマレーザ光照射による不純物の電気的活性化が確認された。また、照射するエキシマレーザ光の最大パワー密度が増加するに従って抵抗が減少し電流が多く流れていること、さらに最大パワー密度が1.3J/cm2の条件では通常の炉アニールした試料とほぼ同等の特性が得られていることが確認された。
【００２６】
さらに伝導型、及びキャリア密度を明らかにするために上記の試料の内、4段階パワー密度照射をした試料、及び1700℃で炉アニールをした試料に対してvan der Pauwによるホール測定を行った。その結果伝導型は何れもp型を示し、キャリア密度はレーザ照射試料が2.38x1018/cm3、炉アニール試料が2.04x1018/cm3とほぼ同じ値を示した。以上の結果より、高温加熱（700℃）及び多段階パワー密度レーザ光照射の相乗効果により、深さ1500ÅのAl+イオン注入層は通常のSiCプロセスで用いられている炉アニールと同程度の活性化率が得られていることが明らかになった。
【００２７】
さらに、ホール測定を行った上記2種類の試料に対して原子間力顕微鏡（AFM）で表面モフォロジーの観察を行った。図５は炉アニールを行った試料のAFM像であるが、表面Si及びC元素の脱離によるステップバンチングが起こり300〜400Å程度の大きなステップが観察され、表面凹凸の指標であるRmsも10.35nmと非常に大きな値になっている。一方、レーザアニールを行った試料のAFM像では（図６）上記のようなステップバンチングは全く観察されず、Rmsも0.992nmと非常に小さな値になっておりレーザ照射前とほとんど同じである。このような表面凹凸は電極を付ける場合にコンタクト抵抗の増加を招くおそれがありデバイスプロセスにおいても大きな問題となる。この点においてもレーザアニールの優位性が確認された。
【００２８】
次に実際のデバイスへの応用を試みるためレーザアニールを用いてpnダイオードを作製し電圧・電流特性を測定した。図７にpnダイオードの素子断面を示す。n+型基板８（Nd-Na=1.0x1019/cm3）上のn-エピタキシャル層７（4.9μm、Nd-Na=4.0x1015/cm3）に形成されたAl+イオン注入層６（注入条件は同上）を基板温度700℃で多段階パワー密度レーザ光照射（4段階：0.8、1.0、1.2、1.3J/cm2）し、表面にはAl/Ti/Al電極５（1000 Å /500 Å /1000 Å）を、裏面にはNi電極９（2000Å）を電子ビーム蒸着した。さらに、表面電極をマスク材として反応性イオンエッチング法によりメサ型にエッチングを行い、電極のシンタリングアニール（1000℃）を行った後、表面電極５と裏面電極９の間の電圧・電流特性を測定した。
【００２９】
図８は、順方向特性、図９は、逆方向特性であり、いくつかの表面電極で測定を行った。これらの図から明らかなように作製した素子は、整流性を示しており、レーザアニールによるpnダイオードが作製可能であることを確認した。さらに、逆漏れ電流は、-100Vで1.59x10-6A/cm2、逆耐圧は、少なくとも450V以上あり、かなり良い特性が得られた。
【００３０】
【第二の実施例】
4H-SiCへN+をイオン注入した試料に対してレーザアニールを試みた。4x4mm2にカットされたp型4H-SiC基板（エピタキシャル膜:4.9μm、Na -Nd-=5.0x1015/cm3）に対してN+イオンを30-100kVの加速エネルギーの範囲でトータルドーズ4.0x1015/cm2の多段階エネルギーイオン注入を行った。この際、基板温度は基板のアモルファス化を抑制するために500℃に加熱した。また、イオン注入中の基板汚染を防ぐため、かつSiC表面付近で所望の不純物密度を得るためにSiC表面上に200Åの熱酸化膜（SiO2）を形成し、その上からイオン注入を行った。この時のイオン注入層の厚みはシミュレーションより2000Åと見積もられた。
【００３１】
次に、イオン注入したSiC試料を真空チェンバー中に格納し1.0x10-7Torrまで真空引きを行い、波長308nmのXeClエキシマレーザ光照射を行った。700℃に保った状態で0.8J/cm2、1.0J/cm2、1.2J/cm2、1.3J/cm2の順番で徐々に照射パワー密度を上げながらエキシマレーザ光を合計2400ショット（各々のパワー密度で600ショットずつ）照射した試料、及び1600℃、5分間の炉アニールを行った試料のN原子の深さ分布をSIMSにより測定した結果を図１０に示す。レーザアニールした試料はシミュレーション結果とほぼ一致した分布をしているが、炉アニールした試料では全体的に表面側にシフトしたような分布が観察された。これは、炉アニールにより表面構成元素が蒸発し一部表面層が消失している事が原因であると考えられる。この結果より、炉アニールでは表面元素の蒸発を考慮に入れた素子設計が必要であるのに対し、レーザアニールではその必要がないことが明らかになった。
【００３２】
さらに、伝導型、シート抵抗及びキャリア密度を明らかにするためにレーザアニールした試料に対してvan der Pauwによるホール測定を行った。その結果伝導型はｎ型を示し、既に炉アニールで報告されている値と比較しても、シート抵抗は474Ω/□と低く、キャリア密度は3.20x1020/cm3と高い値が得られた。以上の結果より、高温加熱（700℃）及び多段階パワー密度レーザ光照射の相乗効果により、深さ2000ÅのN+イオン注入層は通常のSiCプロセスで用いられている炉アニールと同程度か、またはそれ以上の活性化率が得られていることが明らかになった。
【００３３】
【第三の実施例】
4H-SiCへP+をイオン注入した試料に対してレーザアニールを試みた。4x4mm2にカットされたp型4H-SiC基板（エピタキシャル膜:4.9μm、Na -Nd-=5.0x1015/cm3）に対してP+イオンを30-100kVの加速エネルギーの範囲でトータルドーズ5.7x1015/cm2の多段階エネルギーイオン注入を行った。この際、基板温度は基板のアモルファス化を抑制するために500℃に加熱した。また、イオン注入中の基板汚染を防ぐため、かつSiC表面付近で所望の不純物密度を得るためにSiC表面上に200Åの熱酸化膜（SiO2）を形成し、その上からイオン注入を行った。この時のイオン注入層の厚みはシミュレーションより1300Åと見積もられた。
【００３４】
次に、イオン注入したSiC試料を真空チェンバー中に格納し1.0x10-7Torrまで真空引きを行い、波長308nmのXeClエキシマレーザ光照射を行った。700℃に保った状態で0.8J/cm2、1.0J/cm2、1.2J/cm2、1.3J/cm2の順番で徐々に照射パワー密度を上げながらエキシマレーザ光を合計2400ショット（各々のパワー密度で600ショットずつ）照射した試料、及び1600℃、5分間の炉アニールを行った試料の伝導型、シート抵抗及びキャリア密度を明らかにするために、それぞれの試料に対してvan der Pauwによるホール測定を行った。その結果伝導型はいずれもｎ型を示し、レーザアニールした試料はシート抵抗は153Ω/□、キャリア密度は2.45x1020/cm3、一方炉アニールした試料はシート抵抗は135Ω/□、キャリア密度は1.13x1020/cm3という値が得られた。炉アニールした試料は、シート抵抗ではレーザアニールした試料よりも低く特性はよいが、キャリアの活性化率ではレーザアニールした試料よりも低く劣っている。以上の結果より、高温加熱（700℃）及び多段階パワー密度レーザ光照射の相乗効果により、深さ1300ÅのP+イオン注入層は通常のSiCプロセスで用いられている炉アニール以上の活性化率が得られていることが明らかになった。
【００３５】
【発明の効果】
高温加熱及び多段階パワー密度レーザ光照射の相乗効果により、かなり深いイオン注入層においても通常のSiCプロセスで用いられている炉アニール以上の活性化率が得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Al原子の深さ分布シミュレーション計算結果
【図２】 均一な光照射後のSiC表面の顕微鏡像
【図３】試料の電極等の配置図
【図４】表面電極間の電圧・電流特性図
【図５】炉アニールを行った試料のAFM像
【図６】レーザアニールを行った試料のAFM像
【図７】 pn接合ダイオードの素子断面図
【図８】順方向電流電圧特性図
【図９】逆方向電流電圧特性図
【図１０】炉アニールを行った試料におけるN原子の深さ分布をSIMSにより測定した結果図
【符号の説明】
１・・・Ａｌ電極
２・・・Ａｌ＋イオン注入層
３・・・ｎ―エピタキシャル層
４・・・ｎ＋型基板
５・・・Ａｌ／Ｔｉ／Ａｌ電極
６・・・Ａｌ＋イオン注入層
７・・・ｎ―エピタキシャル層
８・・・ｎ＋型基板
９・・・Ｎｉ電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for activating an impurity ion implantation layer in a wide band gap semiconductor capable of controlling conductivity by ion implantation.
[0002]
[Prior art]
The impurity ion implantation method for semiconductors is a well-known technique along with the diffusion method as a selective conductivity control method because the impurity concentration and depth distribution can be controlled with high accuracy. In general, when impurities are introduced into a semiconductor by an ion implantation method, crystal defects such as interstitial atoms and lattice defects occur due to collisions between accelerated ions and target atoms, and the impurities are not electrically activated as they are. , Career does not occur.
[0003]
Therefore, conductivity can be controlled by recovering crystallinity by thermal annealing and activating impurities. In fact, this technology is used in the conductivity control process by Si ion implantation. However, in materials called wide-gap semiconductors such as silicon carbide (SiC), diamond, and gallium nitride (GaN), crystallinity can be recovered and impurities cannot be activated by simple thermal annealing. For example, in SiC, a very high-temperature thermal annealing process of 1500 ° C. or higher is necessary for carrier activation, and there is a considerable problem in incorporating it into an actual device process. For example, SiO 2 / SiC and SiO 2 SiCOI (SiC on insulator) fabrication technology using the Si / Si bonding and smart cut methods has already been established. 2 Since the film and the Si substrate melt at the temperature of activation annealing after ion implantation, it is difficult to introduce impurities into the SiCOI substrate by ion implantation with the current technology. In addition, problems such as large crystal defects remaining after high-temperature treatment, evaporation of surface Si elements due to high-temperature treatment, and redistribution of ion-implanted impurities have been pointed out.
[0004]
Research on crystallinity recovery and impurity activation of an ion-implanted layer by laser annealing has been conducted especially for Si since ancient times, and recently research has been actively conducted for wide gap semiconductors such as SiC. Hishida et al. (See Japanese Patent Publication No. 2000-277448) recovers the crystallinity and impurities of an ion-implanted layer by irradiating the ion-implanted SiC with KrF and XeCl excimer lasers with an irradiation power density that does not evaporate surface elements. The electrical activation of was revealed.
[0005]
However, in their research, Al + 50kV at ion, N + Since ions are implanted with an energy as low as 30 kV, the depth of both ion implantation layers is relatively shallow at about 50 nm. Therefore, it cannot be applied as it is to annealing of an ion implantation layer deeper than that. In addition, in their research, since ion implantation is performed at room temperature, in order to reduce the electrical resistance as much as possible, if it is desired to further increase the implantation amount, the ion implantation layer is completely amorphized and crystallized again after annealing. It is considered very difficult to restore the properties and activate the impurities.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As mentioned above, several problems remain in the application of conductivity control technology by ion implantation into wide gap semiconductors such as SiC, diamond and GaN, and there are further problems in annealing technology by excimer laser irradiation. Many. Therefore, at present, it is not applied to an actual device process. An object of the present invention is to provide a technique that efficiently activates an impurity ion implantation layer in a wide gap semiconductor such as SiC, diamond, GaN, etc., and enables application to an actual device process.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the activation method of the impurity ion implantation layer according to the present invention, a laser beam having an energy equal to or higher than the band gap of the semiconductor material is applied to a semiconductor material doped with a predetermined impurity element by ion implantation. The semiconductor material is irradiated in a heated state. Furthermore, by irradiating while changing the power density of the laser beam to be irradiated stepwise, the impurities implanted at a deeper position are electrically activated while preventing evaporation of the surface constituent elements of the semiconductor material. .
[0008]
In the activation method of the impurity ion implantation layer according to the present invention, ion implantation is performed at room temperature or in a high temperature environment of 100 ° C. to 1000 ° C. In particular, when a local high concentration impurity layer by ion implantation is required when fabricating an ohmic electrode that serves as a current entrance / exit in a semiconductor device, in order to minimize residual defects due to high concentration ion implantation at a high temperature. Ion implantation is desirable.
[0009]
When irradiating a semiconductor material with laser light, it is important to irradiate while changing the power density of the irradiated laser light stepwise from a low value to a high value. The semiconductor material into which the impurity ions are implanted has a low light transmittance in the implanted region due to ion irradiation damage. In this state, when laser light with a high power density is suddenly irradiated, the energy of the laser light is absorbed only in the extreme surface layer, so that the surface constituent elements of the semiconductor material are easily evaporated. Therefore, by first activating only the extreme surface of the semiconductor material implanted with impurity ions at a low power density while preventing evaporation of surface constituent elements, and further increasing the power density of the laser light step by step. The deeper impurity ion implantation layer can be electrically activated stepwise. At this time, even when laser light irradiation with a constant power density is performed so that the surface constituent elements of the semiconductor material are evaporated, the evaporation of the surface constituent elements of the semiconductor material is performed even when the final stage of the multi-step power density irradiation is performed. Is not observed. In other words, the multi-stage power density irradiation can give more power to the semiconductor material than the laser light irradiation with a constant power density, which is effective in improving the electrical activation rate of impurities, and deeper impurities. Electrical activation of the ion implantation layer becomes possible.
[0010]
When irradiating a laser, it is important to heat the target semiconductor material to 100 ° C to 1000 ° C. The thermal energy generated by heating induces steady lattice vibrations in the semiconductor material, and the light energy from the pulsed laser is applied in a short time to weaken the bonds between the atoms, and the implanted impurities and recoils. The diffusion of the interstitial atoms is facilitated so that impurities can be accommodated at the lattice positions. As a result, the impurity ion implanted layer becomes a conductive layer having a desired conductivity type. When the target semiconductor material is irradiated with a pulse laser without heating, the electrical activation rate of impurities is lower than that when heated even when laser irradiation is performed at the same power density, and the desired electrical characteristics are It was not obtained.
[0011]
In addition, when irradiating laser light, the semiconductor surface is made of SiO. 2 The ion-implanted layer can be electrically activated while covered with a mask material that does not absorb laser light such as a film. At this time, the laser light passes almost without being absorbed by the mask material and is absorbed only in the semiconductor, so that the ion implantation layer can be annealed without evaporating the mask material. By this method, the annealing process can be performed without exposing the semiconductor surface to the outermost layer, and surface contamination such as deposits can be prevented. In addition, the present invention can be applied to a process in which ion implantation and electrode deposition are performed using a common mask material, that is, a so-called self-alignment process.
[0012]
In the case of silicon carbide (SiC), 0.4 to 1.3 J / cm 2 In the range of the power density, it is important to irradiate the multi-stage power density of two or more stages. Each power density requires one or more irradiations. As a result, evaporation of the semiconductor surface constituent elements can be prevented, and an ion implantation layer having a depth of 1000 mm or more can be efficiently activated. In the conventional thermal annealing method, the entire semiconductor substrate is heated to a high temperature of 1500 ° C. or more. However, in the case of short wavelength and short pulse laser light irradiation, the region to be annealed is limited only to the target ion implantation layer. . Accordingly, impurities can be introduced by ion implantation even in a substrate containing a material that cannot withstand high-temperature annealing, such as a SiCOI substrate.
[0013]
Impurity elements ion-implanted into SiC are nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), beryllium (Be), sulfur (S), One or more elements selected from vanadium (V), oxygen (O), carbon (C), and silicon (Si). Thereby, n-type, p-type or semi-insulating SiC is obtained.
[0014]
The target semiconductor material may be gallium nitride (GaN). Also in this case, evaporation of the semiconductor surface constituent elements can be prevented, and the deep ion implantation layer can be activated efficiently. Impurity elements ion-implanted into GaN are oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), carbon (C), One or more elements selected from silicon (Si), germanium (Ge), and tin (Sn). Thereby, n-type or p-type GaN is obtained.
[0015]
The target semiconductor material may be diamond. Also in this case, evaporation of the semiconductor surface constituent elements can be prevented, and the deep ion implantation layer can be activated efficiently. Impurity elements ion-implanted into diamond are nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), One or more elements of beryllium (Be), sulfur (S), and oxygen (O). Thereby, n-type or p-type diamond is obtained.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a method for activating an impurity ion implantation layer in a wide band gap semiconductor according to the present invention will be described.
[For SiC]
As a first mode, impurity ions are first implanted into SiC to control conductivity. The impurity element is one or more of N, P, As, B, Al, Ga, Be, S, V, O, C, and Si. Ion implantation is performed at room temperature or in a high temperature environment of 100 ° C. to 1000 ° C. In particular, when a local high-concentration impurity layer is required by ion implantation when producing an ohmic electrode that serves as a current entrance / exit in a semiconductor device, in order to minimize residual defects due to high-concentration ion implantation at a high temperature, Ion implantation is desirable. When ion implantation is performed, in order to prevent surface contamination, it is desirable to cover with a mask material of about 100 to 200 mm and perform ion implantation from there. As the mask material, SiO formed when the SiC surface is thermally oxidized 2 Film or SiO deposited by CVD 2 A membrane or the like is preferred. In addition, when a uniform impurity density distribution is required up to a certain depth, such as the source and drain regions of a MOSFET, it is necessary to perform multi-stage ion implantation using two or more stages of energy.
[0017]
After ion implantation, XeCl excimer laser (wavelength is 308 nm) or pulsed laser light having a wavelength longer than that is irradiated onto SiC. By using pulsed laser light having a wavelength longer than that of XeCl, the penetration length of the laser light in SiC becomes longer, and a deeper ion implantation layer can be activated. When irradiating the laser beam, the SiC sample is heated in the range of 100 ° C to 1000 ° C. Furthermore, the laser beam is 0.4 to 1.3 J / cm 2 Multi-stage power density irradiation of two or more stages within the power density range. Each power density requires one or more irradiations. High temperature heating and multistage power density laser light irradiation can prevent evaporation of the constituent elements of the semiconductor surface and can efficiently activate an ion implantation layer having a depth of 1000 mm or more.
[0018]
In addition, when irradiating laser light, the semiconductor surface is made of SiO. 2 It is also possible to electrically activate the ion implantation layer in a state of being covered with a mask material that does not absorb laser light such as a film. At this time, the laser light passes almost without being absorbed by the mask material and is absorbed only in the semiconductor, so that the ion implantation layer can be annealed without evaporating the mask material. By this method, the annealing process can be performed without exposing the semiconductor surface to the outermost layer, and surface contamination such as deposits can be prevented. In addition, the present invention can be applied to a process in which ion implantation and electrode deposition are performed using a common mask material, that is, a so-called self-alignment process. By using such an impurity activation method, various semiconductor elements made of SiC can be produced. In particular, impurities can be introduced by ion implantation even in a substrate containing a material that cannot withstand high-temperature annealing, such as a SiCOI substrate, and a practical device can be manufactured.
[0019]
[For GaN]
As a second embodiment, impurity ions are implanted into GaN to control conductivity. The impurity is one or more elements selected from O, S, Se, Te, Be, Mg, Ca, C, Si, Ge, and Sn. Ion implantation is performed at room temperature or in a high temperature environment of 100 ° C. to 1000 ° C. In particular, when a local high concentration impurity layer by ion implantation is required when fabricating an ohmic electrode that serves as a current entrance / exit in a semiconductor device, a high temperature is used to minimize residual defects due to high concentration ion implantation. Ion implantation is desirable. When ion implantation is performed, in order to prevent surface contamination, it is desirable to cover with a mask material of about 100 to 200 mm and perform ion implantation from there. In addition, when a uniform impurity density distribution is required up to a certain depth, such as the source and drain regions of a MOSFET, it is necessary to perform multi-stage ion implantation using two or more stages of energy. After ion implantation, the GaN is irradiated with laser light having an energy equal to or higher than the band gap. When irradiating the laser beam, the GaN sample is heated in the range of 100 ° C to 1000 ° C. Further, the laser light irradiates GaN with two or more stages of power density within a predetermined power density range. Each power density requires one or more irradiations. The high temperature heating and multistage power density laser light irradiation prevent evaporation of constituent elements of the semiconductor surface, and a deep ion implantation layer that cannot be realized by single power density laser light irradiation can be activated efficiently. By using this impurity activation method, various semiconductor elements made of GaN can be produced.
[0020]
[In the case of diamond]
As a third embodiment, ion implantation of impurities for controlling conductivity is performed on diamond. The impurity is one or more elements selected from N, P, As, Sb, B, Al, Ga, In, Be, S, and O. Ion implantation is performed at room temperature or in a high temperature environment of 100 ° C. to 1000 ° C. In particular, when a local high-concentration impurity layer is required by ion implantation when producing an ohmic electrode that serves as a current entrance / exit in a semiconductor device, a high-temperature ion implantation is performed to minimize residual defects due to high-concentration ion implantation. Ion implantation is desirable. When performing ion implantation, in order to prevent surface contamination, it is desirable to cover with a mask material of about 100 to 200 mm and perform ion implantation from there. In addition, when a uniform impurity density distribution is required up to a certain depth, such as the source and drain regions of a MOSFET, it is necessary to perform multi-stage ion implantation using two or more stages of energy. After ion implantation, the diamond is irradiated with laser light having an energy equal to or higher than the band gap. When irradiating the laser beam, the diamond sample is heated in the range of 100 ° C to 1000 ° C. Further, the laser beam irradiates the diamond with two or more stages of power density in a predetermined power density range. One or more irradiations are required at each power density. The high temperature heating and multistage power density laser light irradiation prevent evaporation of constituent elements of the semiconductor surface, and a deep ion implantation layer that cannot be realized by single power density laser light irradiation can be activated efficiently. By using this impurity activation method, various semiconductor elements using diamond can be produced.
[0021]
[First embodiment]
As a first example, 4H-SiC to Al + Laser annealing was attempted on a sample into which ions were implanted. 4x4mm 2 N-type 4H-SiC substrate (epitaxial film: 4.9μm, N d -N a = 4.0x10 15 /cm Three ) Against Al + Total dose 5.0x10 for ions in the range of 30-100kV acceleration energy 15 /cm 2 Multi-stage energy ion implantation was performed. At this time, the substrate temperature was heated to 500 ° C. in order to suppress the amorphization of the substrate. In addition, in order to prevent substrate contamination during ion implantation and to obtain a desired impurity density near the SiC surface, a 200 mm thermal oxide film (SiO2) is formed on the SiC surface. 2 ) And ion implantation was performed from above. FIG. 1 shows a simulation calculation result of the depth distribution of Al atoms when ions are implanted under these conditions. From this result, the depth of the ion implantation region is
[0022]
The ion-implanted SiC sample is then stored in a vacuum chamber and 1.0x10 -7 A vacuum was drawn to Torr, and XeCl excimer laser light with a wavelength of 308 nm was irradiated. Fig. 2 shows 1.3J / cm with the substrate temperature maintained at 700 ° C. 2 Shows a microscopic image of the SiC surface when 600 shots of excimer laser light are irradiated at a power density of. It can be seen that the unevenness of the surface is severe due to evaporation of Si and C from the SiC surface.
[0023]
On the other hand, 0.8J / cm when kept at 700 ℃ 2 , 1.0J / cm 2 1.2J / cm 2 , 1.3J / cm 2 As the irradiation power density is gradually increased in this order, a total of 2400 shots of excimer laser light (600 shots at each power density) are irradiated. There was no change from the surface state before excimer laser light irradiation. From the above, in the case of single power density irradiation, 1.3 J / cm to prevent evaporation of surface elements 2 Although it is necessary to irradiate with a power density of less than that, it is understood that excimer laser light irradiation at a maximum of 1.3 J /
[0024]
As described above, voltage and current measurements were performed to investigate the electrical characteristics of SiC samples irradiated with multi-step power density. FIG. 3 shows an arrangement diagram of the electrodes and the like of the sample subjected to voltage / current measurement. n + Mold substrate 4 (N d -N a = 1.0x10 19 /cm Three N) above - Epitaxial layer 3 (4.9 μm, N d -N a = 4.0x10 15 /cm Three Al) formed in + The ion-implanted
[0025]
FIG. 4 shows the results of measuring the voltage / current characteristics between these
[0026]
Furthermore, in order to clarify the conductivity type and carrier density, hole measurement by van der Pauw was performed on the sample subjected to 4-step power density irradiation and the sample annealed at 1700 ° C. among the above samples. As a result, the conductivity type is p-type, and the carrier density is 2.38x10 for the laser irradiated sample. 18 /cm Three Furnace annealing sample is 2.04x10 18 /cm Three The value was almost the same. From the above results, a 1500 相乗 deep Al is obtained by the synergistic effect of high-temperature heating (700 ℃) and multi-step power density laser irradiation + It has been clarified that the ion implantation layer has the same activation rate as the furnace annealing used in the normal SiC process.
[0027]
Furthermore, the surface morphology was observed with an atomic force microscope (AFM) for the above two types of samples for which Hall measurement was performed. FIG. 5 is an AFM image of the sample subjected to the furnace annealing. Step bunching due to the desorption of surface Si and C elements occurs, and a large step of about 300 to 400 mm is observed. ms Is also a very large value of 10.35nm. On the other hand, in the AFM image of the sample subjected to laser annealing (FIG. 6), the above step bunching is not observed at all. ms Is also very small, 0.992nm, almost the same as before laser irradiation. Such surface irregularities may cause an increase in contact resistance when an electrode is attached, which is a serious problem in the device process. Also in this point, the superiority of laser annealing was confirmed.
[0028]
Next, to try application to an actual device, we fabricated a pn diode using laser annealing and measured the voltage and current characteristics. FIG. 7 shows an element cross section of the pn diode. n + Mold substrate 8 (N d -N a = 1.0x10 19 /cm Three N) above - Epitaxial layer 7 (4.9 μm, N d -N a = 4.0x10 15 /cm Three Al) formed in + Ion implantation layer 6 (implantation conditions same as above) is irradiated with multistage power density laser light at a substrate temperature of 700 ° C (4 stages: 0.8, 1.0, 1.2, 1.3 J / cm 2 Then, an Al / Ti / Al electrode 5 (1000 Å / 500 Å / 1000 Å) was deposited on the surface, and a Ni electrode 9 (2000 Å) was deposited on the back surface by electron beam evaporation. Further, the surface electrode is used as a mask material to perform mesa etching by a reactive ion etching method, and after sintering annealing (1000 ° C.) of the electrode, the voltage / current characteristics between the
[0029]
FIG. 8 shows the forward direction characteristics, and FIG. 9 shows the reverse direction characteristics. Measurement was performed using several surface electrodes. As is apparent from these figures, the fabricated device showed rectifying properties, and it was confirmed that a pn diode by laser annealing could be fabricated. In addition, reverse leakage current is 1.59x10 at -100V -6 A / cm 2 The reverse breakdown voltage is at least 450V, and quite good characteristics were obtained.
[0030]
[Second embodiment]
4H-SiC to N + Laser annealing was attempted on a sample into which ions were implanted. 4x4mm 2 P-type 4H-SiC substrate (epitaxial film: 4.9μm, N a -N d -= 5.0x10 15 /cm Three ) Against N + Total dose of ions in the range of 30-100kV acceleration energy 4.0x10 15 /cm 2 Multi-stage energy ion implantation was performed. At this time, the substrate temperature was heated to 500 ° C. in order to suppress the amorphization of the substrate. In addition, in order to prevent substrate contamination during ion implantation and to obtain a desired impurity density near the SiC surface, a 200 mm thermal oxide film (SiO2) is formed on the SiC surface. 2 ) And ion implantation was performed from above. The thickness of the ion implantation layer at this time was estimated to be 2000 mm from the simulation.
[0031]
The ion-implanted SiC sample is then stored in a vacuum chamber and 1.0x10 -7 A vacuum was drawn to Torr, and XeCl excimer laser light with a wavelength of 308 nm was irradiated. 0.8J / cm when kept at 700 ℃ 2 , 1.0J / cm 2 1.2J / cm 2 , 1.3J / cm 2 The depth of N atoms in the sample irradiated with a total of 2400 shots of excimer laser light (600 shots at each power density) while gradually increasing the irradiation power density in this order, and the sample annealed at 1600 ° C for 5 minutes The result of measuring the thickness distribution by SIMS is shown in FIG. The laser-annealed sample has a distribution almost in agreement with the simulation result, but the furnace-annealed sample has a distribution that is shifted to the surface side as a whole. This is considered to be because the surface constituent elements are evaporated by the furnace annealing and a part of the surface layer disappears. From this result, it became clear that furnace annealing requires device design taking into account evaporation of surface elements, whereas laser annealing does not.
[0032]
Furthermore, in order to clarify the conductivity type, sheet resistance, and carrier density, hole measurement by van der Pauw was performed on the laser annealed sample. As a result, the conductivity type is n-type, and the sheet resistance is as low as 474Ω / □ compared to the value already reported in furnace annealing, and the carrier density is 3.20x10. 20 /cm Three A high value was obtained. Based on the above results, it is possible to achieve a depth of 2000 mm N due to the synergistic effect of high-temperature heating (700 ° C) and multi-step power density laser irradiation. + It has been clarified that the ion implantation layer has an activation rate comparable to or higher than the furnace annealing used in the normal SiC process.
[0033]
[Third embodiment]
4H-SiC to P + Laser annealing was attempted on a sample into which ions were implanted. 4x4mm 2 P-type 4H-SiC substrate (epitaxial film: 4.9μm, N a -N d -= 5.0x10 15 /cm Three ) Against P + Total dose of 5.7x10 ions in the acceleration energy range of 30-100kV 15 /cm 2 Multi-stage energy ion implantation was performed. At this time, the substrate temperature was heated to 500 ° C. in order to suppress the amorphization of the substrate. In addition, in order to prevent substrate contamination during ion implantation and to obtain a desired impurity density near the SiC surface, a 200 mm thermal oxide film (SiO2) is formed on the SiC surface. 2 ) And ion implantation was performed from above. The thickness of the ion implantation layer at this time was estimated to be 1300 mm from the simulation.
[0034]
The ion-implanted SiC sample is then stored in a vacuum chamber and 1.0x10 -7 A vacuum was drawn to Torr, and XeCl excimer laser light with a wavelength of 308 nm was irradiated. 0.8J / cm when kept at 700 ℃ 2 , 1.0J / cm 2 1.2J / cm 2 , 1.3J / cm 2 The conductivity type and sheet of the sample irradiated with a total of 2400 shots of excimer laser light (600 shots at each power density) while gradually increasing the irradiation power density in this order, and the sample annealed at 1600 ° C for 5 minutes In order to clarify the resistance and the carrier density, a hole measurement by van der Pauw was performed on each sample. As a result, the conductivity type is all n-type, and the laser annealed sample has a sheet resistance of 153Ω / □ and a carrier density of 2.45x10. 20 /cm Three On the other hand, the furnace annealed sample has a sheet resistance of 135Ω / □ and a carrier density of 1.13x10 20 /cm Three The value was obtained. The furnace annealed sample is lower in sheet resistance and better in characteristics than the laser annealed sample, but the carrier activation rate is inferior to that of the laser annealed sample. Based on the above results, the synergistic effect of high-temperature heating (700 ° C) and multi-step power density laser light irradiation makes P at a depth of 1300mm + It was revealed that the activation rate of the ion implantation layer was higher than that of furnace annealing used in the normal SiC process.
[0035]
【The invention's effect】
Due to the synergistic effect of high temperature heating and multi-stage power density laser light irradiation, an activation rate higher than that of furnace annealing used in a normal SiC process can be obtained even in a considerably deep ion implantation layer.
[Brief description of the drawings]
[Fig.1] Depth distribution simulation calculation result of Al atom
[Figure 2] Microscopic image of SiC surface after uniform light irradiation
[Fig. 3] Arrangement of sample electrodes, etc.
Fig. 4 Voltage / current characteristics between surface electrodes
[Fig.5] AFM image of furnace annealed sample
Fig. 6 AFM image of laser annealed sample
FIG. 7 is a sectional view of a pn junction diode element.
[Figure 8] Forward current-voltage characteristics
FIG. 9: Reverse current voltage characteristics diagram
FIG. 10 is a result of SIMS measurement of the depth distribution of N atoms in a furnace annealed sample.
[Explanation of symbols]
1 ... Al electrode
2 ... Al + Ion implantation layer
3 ... n - Epitaxial layer
4 ... n + Mold substrate
5 ... Al / Ti / Al electrode
6 ... Al + Ion implantation layer
7 ... n - Epitaxial layer
8 ... n + Mold substrate
9 ... Ni electrode
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