JP4013660B2

JP4013660B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4013660B2
Application number: JP2002173989A
Authority: JP
Inventors: 俊介和泉
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP2004022715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化珪素（以下ＳｉＣと記す）を材料とする炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣはシリコンと比較して、ギャップが大きい、飽和ドリフト速度が大きい、熱伝導度が高い、絶縁破壊電界強度が１桁大きいなどの優れた物性値をもつ材料であり、パワーデバイス、高周波デバイスなどの分野で期待されている。
デバイス製作上不可欠な不純物導入（ｐ形不純物やｎ形不純物の導入）において、ＳｉＣでは不純物の拡散係数がシリコンに比べて小さいために、拡散法を用いることが困難である。例えば、１１００℃の温度でのＳｉ結晶への熱拡散するホウ素（Ｂ）の拡散係数と、同等の拡散係数をＳｉＣ結晶で得るには、２０００℃と極めて高い温度が必要となる。従って、ＳｉＣへの不純物導入法としては、熱拡散法ではなく、イオン注入法が主流である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
イオン注入によりＳｉＣ結晶内に注入された不純物原子は、格子位置を占めるシリコン（以下シリコンまたはＳｉと記す）原子もしくはカーボン（以下カーボンまたはＣと記す）原子と衝突して散乱された後、大部分はＳｉＣ結晶内の格子間位置に不規則に存在している。これらの不純物原子が電気的に活性化するためにはＳｉ原子もしくはＣ原子の占めていた格子位置を、イオン注入された不純物原子と置換する必要がある。この置換は、不純物原子の拡散によって行われる。
前記したように、ＳｉＣ結晶内に導入された不純物原子の拡散係数は小さいために、不純物原子の活性化には１６００℃以上の高温が必要となる。
【０００４】
しかし、このような高温でのアニール（熱処理）は、ＳｉＣ結晶表面モフォロジー（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）の低下（数十ｎｍ以上の表面荒れの発生）やイオン注入した不純物原子が外方拡散によりＳｉＣ結晶の表面層から消失されるなどの問題を引き起こす。特に、現在主に使われている（０，０，０，１）結晶基板では、エピタキシャル成長の際にポリタイプを制御する（４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、Ｃ−ＳｉＣなどの構造を制御する）ために、基板を（１，１，−２，０）方向に３〜１０度程度（通常は８度程度）傾けている（この角度をオフアングルという）。そのため、高温アニール時の表面原子の再配列によりステップバンチング（ｓｔｅｐｂｕｎｃｈｉｎｇ）と呼ばれる数十ｎｍ程度のステップ状の凹凸が発生し、この凹凸がデバイス特性に悪影響を与えると言われている。デバイス特性への悪影響は、例えば、ＭＯＳデバイスのチャネル抵抗の増大やショットキーダイオードのもれ電流増大などである。
【０００５】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、イオン注入された不純物原子の活性化のための熱処理温度を低くして、デバイス特性を向上できる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、炭化珪素半導体結晶に不純物原子をイオン注入して形成する炭化珪素半導体装置の製造方法において、炭化珪素半導体結晶内のシリコン格子位置もしくはカーボン格子位置に空孔を導入する工程と、炭化珪素半導体結晶内に不純物原子（当然、原子はイオン化されている）をイオン注入する工程と、該不純物原子を前記空孔と置換する熱処理工程とを有し、前記空孔を導入する工程は、炭化珪素半導体結晶内に、周期律表の IIIb 族からＶ b 族の第４周期以降の原子のいずれか一つをイオン注入する製造方法とする。
【０００７】
また、炭化珪素半導体結晶内に、周期律表のIIIb族からＶb 族の第４周期以降の原子（Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｂｉ）のいずれか一つをイオン注入することで、前記空孔を導入するとよい。
【０００８】
また、前記空孔を前記炭化珪素半導体結晶内に選択的に形成し、該選択的に形成された領域に不純物原子をイオン注入し、該不純物原子を前記空孔と置換するとよい。
また、前記炭化珪素半導体結晶内に、選択的に不純物原子をイオン注入し、残留した空孔を置換するシリコンもしくはカーボンの少なくとも一方をイオン注入するとよい。
【０００９】
また、前記炭化珪素半導体結晶内の前記空孔を形成した領域に不純物原子をイオン注入し、イオン注入された該不純物原子をシリコン格子位置もしくはカーボン格子位置の空孔と置換させた後、シリコンもしくはカーボンの少なくとも一方を、前記空孔を形成した領域にイオン注入し、該シリコンもしくはカーボンの少なくとも一方で残留した空孔を置換するとよい。
【００１０】
前記のように、ＳｉＣ結晶内に空孔を形成し、この空孔と不純物原子を置換させると、低い熱処理温度で、不純物原子をＳｉもしくはＣの格子位置に配置することができる。
また、空孔を形成した後、選択的に不純物原子をイオン注入でＳｉＣ結晶内に導入し、その後、不純物原子を導入しない箇所へ、Ｓｉ原子もしくはＣ原子の少なくとも一方をＳｉＣ結晶内に導入して、Ｓｉ格子位置もしくはＣ格子位置の空孔を埋めて結晶性を回復させることで、デバイス特性の向上を図る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の参考例の半導体装置の製造方法で、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。
４Ｈ−ＳｉＣ結晶のＳｉＣ基板１上に成長させたＳｉＣのエピタキシャル成長層２の内、最表面層約１μｍをエピタキシャル成長させる時、Ｃ／Ｓｉ比＝６とすることにより、エピタキシャル成長層２の表面層１μｍに１×１０¹⁸ｃｍ^-3の密度でＳｉ格子位置に空孔（ｖａｃａｎｃｙ）を導入した空孔層３を形成する（同図（ａ））。
【００１２】
つぎに、この空孔層３内に、不純物原子としてｐ形となるアルミニウムを５×１０¹³ｃｍ^-2のドーズ量で、加速エネルギー３６０ｋｅＶでイオン注入４を行う（同図（ｂ））。
つぎに、１５００℃の加熱処理を、アルゴン１気圧の雰囲気中で行うことによりアルミニウムを１００％活性化させ、高品質のｐ形導電層５を形成する（同図（ｃ））。
【００１３】
アルミニウム原子は原子番号が１３であるので、原子番号が１４のＳｉ原子と置換し易い。さらに、Ｓｉ格子位置に空孔があるとこの空孔にアルミニウムが入り易くなる。そのため、前記の条件で、イオン注入されたアルミニウムは１００％活性化する。
また、ｎ形導電層の形成に原子番号１５のリンをイオン注入する場合も同様である。また、ｐ形導電層の形成に原子番号５のホウ素をイオン注入する場合やｎ形導電層の形成に原子番号７の窒素をイオン注入する場合には原子番号６のＣ格子位置に空孔を導入するのが有効である。
【００１４】
図２は、この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法で、同図（ａ）から同図（ｄ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。
４Ｈ−ＳｉＣ結晶のＳｉＣ基板１上に成長させたＳｉＣのエピタキシャル成長層２に、マスク６を用いて、ゲルマニウムを１×１０¹⁴ｃｍ^-2のドーズ量で、加速エネルギー２ＭｅＶでイオン注入７を行う（同図（ａ））。
【００１５】
つぎに、空孔層３を選択的に形成するために導入されたゲルマニウムを１３００℃の加熱処理で蒸発させて除去する（同図（ｂ））。
つぎに、再度マスク６を用いて空孔層３にアルミニウムを５×１０¹³ｃｍ^-2のドーズ量で、加速エネルギー２ＭｅＶでイオン注入４を行う（同図（ｃ））。
つぎに、アルゴン１気圧の雰囲気で１５００℃の加熱処理を行い、選択的にｐ形導電層５を形成する（同図（ｄ））。
【００１６】
この方法によれば、結晶全体の品質を損なうことなく必要な領域にのみ空孔を導入し、不純物原子を活性化することができる。
また、図２においては、空孔層３にはＳｉ格子位置の空孔だけでなく、Ｃ格子位置の空孔も導入される。アルミニウムはＳｉ格子位置を置換するため、Ｃ格子位置の空孔は残存する。従って、空孔を補うために、図２（ｃ）に続いて、図３のようにマスク６を用いて空孔層３にアルミニウムと同程度のドーズ量のＣ原子のイオン注入８を行うと、図２（ｄ）のｐ形導電層５のＣ格子位置にある空孔がＣ原子で置換され、デバイス特性がさらに向上する。
【００１７】
尚、空孔を形成する原子として、ここでは、ゲルマニウム（Ｇｅ）を例として挙げたが、Ｇｅ以外のIIIb族からＶ族の第４周期以降の原子（Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｂｉ）を導入してもよい。
また、前記したように、Ｃ格子位置の空孔を置換して結晶性を回復する場合には、Ｃ原子を用いるが、Ｓｉ格子位置の空孔を置換して結晶性を回復する場合には、Ｓｉ原子を用いるとよい。
【００１８】
図４は、この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法で、同図（ａ）から同図（ｄ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。
４Ｈ−ＳｉＣ結晶のＳｉＣ基板１上にＳｉＣのエピタキシャル成長層２を気相ＣＶＤ法で形成し、エピタキシャル成長層２の表面層全体に、ゲルマニウムをイオン注入して空孔層３を形成する（同図（ａ））。
【００１９】
つぎに、マスク６を用いてｐ形の不純物原子であるアルミニウムを選択的にイオン注入４を行う（同図（ｂ））。アルミニウムが注入されたｐ形導電層５は、Ｓｉ格子位置の空孔がアルミニウムで置換され、注入されない空孔層３では、Ｓｉ格子位置に空孔が残存する（同図（ｃ））。
つぎに、マスク６のネガマスク９（マスク６を反転したマスク）を用いてＳｉ原子のイオン注入８を行う（同図（ｄ））。
【００２０】
つぎに、熱処理を加えて注入したＳｉ原子を空孔位置に移動させて結晶性を回復させる。
この後、図５に示すように、全面にＣ原子のイオン注入１０を行い、熱処理することで、Ｃ格子位置の空孔をＣ原子で置換することで、さらに結晶性は良好となり、デバイス特性は向上する。
【００２１】
前記のように、ＳｉＣ結晶内のＳｉ格子位置、Ｃ格子位置に空孔を導入することで、イオン注入した不純物原子がこれらの格子位置の空孔と置換し易くなり、イオン注入した不純物原子を活性化するための熱処理温度を低くできる。
熱処理温度を低くすることで、結晶表面モフォロジーの低下を防止でき、外方拡散による不純物原子の消失を防止できて、デバイス特性を向上できる。
【００２２】
尚、図２で、マスク６を用いずに全面にゲルマニウムをイオン注入し、その後、不純物原子を選択的に導入し、この不純物原子がＳｉ格子位置と置換した場合には、不純物原子を導入しない箇所にＳｉ原子を導入して空孔を置換し、その後、全面にＣ原子を導入してＣ格子位置の空孔をＣ原子で置換しても、前記した効果が得られる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、ＳｉＣ結晶内に空孔を形成することで、イオン注入した不純物原子の活性化するための熱処理温度を低くできる。
熱処理温度を低くすることで、結晶表面モフォロジーの低下を防止でき、外方拡散による不純物原子の消失を防止できる。その結果、デバイス特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の参考例の半導体装置の製造方法で、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図
【図２】この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法で、（ａ）から（ｄ）は工程順に示した要部製造工程断面図
【図３】図２（ｃ）に続く、要部製造工程断面図
【図４】この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法で、（ａ）から（ｄ）は工程順に示した要部製造工程断面図
【図５】図４（ｄ）に続く、要部製造工程断面図
【符号の説明】
１ＳｉＣ基板
２エピタキシャル成長層
３空孔層
４イオン注入（アルミニウム原子）
５ｐ形導電層
６マスク
７イオン注入（ゲルマニウム原子）
８イオン注入（シリコン原子）
９ネガマスク
１０イオン注入（カーボン原子）

Claims

炭化珪素半導体結晶に不純物原子をイオン注入して形成する炭化珪素半導体装置の製造方法において、炭化珪素半導体結晶内のシリコン格子位置もしくはカーボン格子位置に空孔を導入する工程と、炭化珪素半導体結晶内に不純物原子をイオン注入する工程と、該不純物原子を前記空孔と置換する熱処理工程とを有し、前記空孔を導入する工程は、炭化珪素半導体結晶内に、周期律表の IIIb 族からＶ b 族の第４周期以降の原子のいずれか一つをイオン注入することであることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記空孔を前記炭化珪素半導体結晶内に選択的に形成し、該選択的に形成された領域に不純物原子をイオン注入し、該不純物原子を前記空孔と置換する請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記炭化珪素半導体結晶内に、選択的に不純物原子をイオン注入し、残留した空孔を置換するシリコンもしくはカーボンの少なくとも一方をイオン注入する請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記炭化珪素半導体結晶内の前記空孔を形成した領域に不純物原子をイオン注入し、イオン注入された該不純物原子をシリコン格子位置もしくはカーボン格子位置の空孔と置換させた後、シリコンもしくはカーボンの少なくとも一方を、前記空孔を形成した領域にイオン注入し、該シリコンもしくはカーボンの少なくとも一方で残留した空孔を置換する請求項２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。