JP3944970B2 - 炭化けい素半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化けい素からなる半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波、大電力の制御を目的として、シリコン（以下Ｓｉと記す）を用いた電力用半導体素子（以下パワーデバイスと称する）では、各種の工夫により高性能化が進められている。しかし、パワーデバイスは高温や放射線等の存在下で使用されることもあり、そのような条件下ではＳｉのパワーデバイスは使用できないことがある。
【０００３】
また、Ｓｉのパワーデバイスより更に高性能のものを求める声に対して、新しい材料の適用が検討されている。本提案でとりあげる炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）は広い禁制帯幅（４Ｈ型で３．２６ｅＶ、６Ｈ型で３．０２ｅＶ）をもつため、高温での電気伝導度の制御性に優れ、動作上限温度を高くできる。またＳｉより約１桁高い絶縁破壊電圧をもつため、オン抵抗を低減でき、定常状態でのパワーロスを低減できて、高耐圧素子への適用が可能である。さらに、ＳｉＣはＳｉの約２倍の電子飽和ドリフト速度をもつので、高周波大電力制御にも適する。このようなＳｉＣの長所を生かすことができれば、パワーデバイスの飛躍的な特性向上が実現できると考えられ、現在、ＭＯＳＦＥＴやダイオード等が試作されている。
【０００４】
しかし、このようなＳｉＣの優れた物性をパワーデバイスに応用するためには、Ｓｉのプロセス技術並みに洗練された要素技術が必要となる。すなわち、ＳｉＣ基板の表面を鏡面に仕上げた後、ＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させたり、その過程でドナーやアクセプターをドーピングしたり、金属膜や酸化膜を形成する等のプロセス技術の確立が必要である。
【０００５】
最も重要なプロセス技術の一つとして、不純物導入による選択的な不純物領域形成技術がある。その方法には、熱拡散法とイオン注入法がある。Ｓｉ半導体素子で広く用いられている熱拡散法は、ＳｉＣでは不純物の拡散係数が非常に小さいために適用が困難である。そのためＳｉＣでは主としてイオン注入が用いられる。
【０００６】
しかし、イオン注入では、結晶にダメージが生じる、このダメージの回復と、注入した不純物の活性化のため、通常１５００℃前後の高温中で熱処理する（以下アニールと呼ぶ）。その結果、ダメージの回復とともに不純物の活性化率は向上し、不純物領域の形成ができる。炭化けい素のイオン注入においては、注入した不純物の活性化率を向上させるために、８００〜９００℃の高温でのイオン注入がおこなわれるが、なお活性化は十分でなく、より高温でのアニールが必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、さらに活性化率の増大をはかるため、１５００℃以上のアニールを行うと、ＳｉＣ結晶表面に［１，１，−２，０］方向に走る凹凸が生じる。そしてこの凹凸はアニール温度を高くするほど大きくなる。例えば、真空中１５００℃のアニールで、表面粗さが平均振幅で約９５ｎｍであるのに対し、１６００℃のアニールでは、約２００ｎｍになる。この凹凸は、高温領域においてはＳｉの蒸気圧が高くなり表面脱離を生じることによって発生すると考えられる。アルゴン中でも、真空中ほどではないが、１５００℃で約５５ｎｍになる。
【０００８】
その結果、表面近傍の移動度が低下したり、接触抵抗の増大を招いたりするという問題が発生する。特に、ＭＯＳＦＥＴでは、表面近傍に誘起した層でのキャリアの輸送が重要であり、表面近傍の移動度は表面状態により大きな影響を受ける。
上記の問題点に鑑み本発明の目的は、イオン注入後に１５００℃以上の高温でのアニールを行っても表面が平滑であり、特性の低下を招くことの無い炭化けい素半導体素子の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明は、炭化けい素基板にイオン注入を行い、高温でアニールを実施する炭化けい素半導体素子の製造方法において、１５００℃以上の温度でのアニール後に基板表面を平滑化することを目的とする。
そのようにすれば、平滑な表面をもつ炭化けい素半導体素子が得られる。
【００１０】
【００１１】
特に、アニール前に基板表面にアルミナのような１５００℃以上のアニール温度で昇華しない薄膜を積層し、１５００℃以上の温度でのアニール後にその薄膜を除去することとする。
アルミナのような高温で安定な物質で覆ってアニールすれば、Ｓｉ原子の表面からの蒸発が抑制されて、アニール時の表面の粗面化が避けられるので、平滑な表面が保たれる。
【００１２】
また、イオン注入前に基板表面に１５００℃以上のアニール温度で昇華しないアルミナの薄膜を積層し、イオン注入および１５００℃以上のアニールを経た後、その薄膜を除去しても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［参考例］
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明による炭化けい素半導体素子の製造工程順に示した主な工程ごとの断面図である。
（０００１）面から少し傾けた主面をもつｎ型４Ｈ−ＳｉＣウェハ１を用意し、約１０μｍのエピタキシャル層２を成長させた。初期の表面粗さは、平均振幅で約２０ｎｍである。このＳｉＣウェハに、９００℃で加速電圧１８０ｋｅＶ、１００ｋｅＶ、５０ｋｅＶ、総ドーズ量５×１０¹³ｃｍ^-2の条件でアルミニウム（Ａｌ）のイオン注入を行った［図１（ａ）］。イオン注入層３の深さは約０．５μｍであり、ほぼ平坦な不純物プロフィルとなる。
【００１４】
次に、このウェハを真空中において１６００℃で３０分間アニールを行った［同図（ｂ）］。この後、表面粗さは約２００ｎｍであった。
その後、この表面を水素（Ｈ₂ ）希釈の１％ＨＣｌガス中において１３００℃、５分間、エッチングを行った［同図（ｃ）］。その結果、表面粗さが約４０ｎｍに減少した。なお、表面粗さは、いずれも走査トンネル顕微鏡の観測結果から算出した。
【００１５】
この試料について、van der Pauw 法によりキャリアの移動度を評価した。すなわち、試料のエピタキシャル層上の四隅に、金属マスクを使ったスパッタ法によりニッケル（Ｎｉ）電極を形成する。電極の直径は２００μｍ、厚さは４００ｎｍである。この後、整流性を除きオーミックな接触とするためアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で１０５０℃、５分間のアニールをおこなう。
【００１６】
そして、この結果、移動度は６０ｃｍ² ／Ｖｓと、ＨＣｌエッチングをおこなわない場合のほぼ二倍に増大した。また、金属電極とのオーミック接触の接触抵抗を約２０％低減できた。
なお、イオン注入の深さが約０．５μｍあり、ほぼ平坦な不純物プロフィルをもっていたので、粗面化した表面層をエッチングにより除去しても、シート抵抗が大幅に増大することはなかった。
【００１７】
［実施例１］
参考例と同様にイオン注入を行った後、イオン注入層３上にスパッタ法によりアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）層４を１００ｎｍ堆積した［図２（ａ）］。その後、参考例と同様の条件で高温アニールをおこなった。その後、ＨＦ溶液によりＡｌ₂ Ｏ₃ 層４を除去した［同図（ｂ）］。
【００１８】
その結果、表面粗さは、ほぼ初期の値に保たれた。
この試料についても、参考例と同様にキャリア移動度の評価をおこなったところ、約８０ｃｍ² ／Ｖｓであった。金属電極とのオーミック接触の接触抵抗も約３０％低減できた。
［実施例２］
不純物イオンの注入以前に、表面保護用の薄膜を堆積しておいても良い。
【００１９】
先ず、スパッタ法によりアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）を１００ｎｍ堆積した後に、実施例１と同様なイオン注入および高温アニールをおこなった。その後、ＨＦ溶液によりＡｌ₂ Ｏ₃ 膜を除去した。
この場合も、表面粗さは、ほぼ初期の値に保たれ、キャリア移動度も実施例１と同程度であった。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、イオン注入を行い、高温でアニールを実施する炭化けい素半導体素子の製造方法において、１５００℃以上の温度でのアニール前に基板表面にアルミナの薄膜を積層することによって、基板表面の平滑性を保つことによって、表面の平滑な炭化けい素半導体素子とすることができる。その結果、特に表面層のキャリア移動度が増大し、また、金属電極のオーミックな接触抵抗が低減される。これらは、いずれもオン抵抗の低減につながり、半導体素子の損失低減に大きな寄与をなすことになる。また、作製された半導体素子における特性の均一化も図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）はイオン注入後、（ｂ）はアニール後、（ｃ）はＨＣｌによるエッチング後のＳｉＣ基板の模式的断面図
【図２】 （ａ）はイオン注入、Ａｌ₂ Ｏ₃ 堆積後、（ｂ）はアニール、Ａｌ₂ Ｏ₃ 除去後のＳｉＣ基板の模式的断面図
【符号の説明】
1…SiCウェハ
2…エピ層
3…イオン注入層
4…Al₂O₃層

Claims (2)

1. 炭化けい素基板にイオン注入を行い、高温でアニールを実施する炭化けい素半導体素子の製造方法において、アニール前に基板表面にアルミナの薄膜を積層し、１５００℃以上の温度でのアニール後にアルミナの薄膜を除去することを特徴とする炭化けい素半導体素子の製造方法。
2. 炭化けい素基板にイオン注入を行い、高温でアニールを実施する炭化けい素半導体素子の製造方法において、イオン注入前に基板表面にアルミナの薄膜を積層し、イオン注入および１５００℃以上の温度でのアニールを経た後、アルミナの薄膜を除去することを特徴とする炭化けい素半導体素子の製造方法。

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