JP4029466B2

JP4029466B2 - 炭化けい素半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JP4029466B2
Application number: JP10916398A
Authority: JP
Inventors: 明斎藤
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2018-04-20
Also published as: JPH11307467A

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、特にその不純物イオンの注入方法に関する。
【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。本発明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る。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ｐ―ｎダイオード等が試作されている。
【０００４】
ＳｉＣを用いてＭＯＳＦＥＴやｐｎダイオードのような半導体素子を製造する場合、単結晶シリコンを用いた半導体製造工程と同じように、洗練された要素技術が必要となる。すなわち、ＳｉＣ基板の表面を鏡面加工した後、ＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させたり、ドナーやアクセプターをドーピングしたり、金属膜や絶縁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。選択的な不純物領域の形成のため、ＳｉＣ基板表面にフォトレジストまたは約１μｍ程度の厚い酸化膜（減圧ＣＶＤ法または熱酸化法を用いて形成）を部分的に形成し、この膜をマスクとして不純物イオンを照射する方法が用いられることもある。
【０００６】
Ｓｉでは、１０００℃、３０分から１時間の熱処理によって、不純物イオンがＳｉ中を拡散していくとともに、シリコンと注入された原子との間で置換が起こり、不純物原子がＳｉ結晶中でドナーまたはアクセプタとして、活性化される。しかし、ＳｉＣでは、注入された不純物原子の活性化のために通常１５００℃前後の高温で熱処理（以下アニールと呼ぶ）がおこなわれる。主なアクセプタ原子としてはほう素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）が、ドナー原子としては窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）が用いられる。ＳｉＣ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、８００〜１０００℃の高温でのイオン注入が活性化率向上に効果があることも報告されている。
【０００７】
図５は、従来のイオン注入とアニールの温度プロセスを示す説明図であり、図の縦軸は、ＳｉＣ基板温度を、横軸は処理に要する時間を示している。
不純物イオンは、先に述べたように高温（〜１０００℃）に加熱されたＳｉＣ基板に注入される。ここで、イオン注入に要する時間は、例えば直径５０ｍｍ程度のウェハでは数十分間であるため、ピーク温度に保たれる時間も数十分程度である。その後室温まで冷却された後、イオン注入時よりも高温の１５００℃前後で、３０分間〜１時間程度の熱処理がアルゴン雰囲気中または真空中でおこなわれる。熱処理専用の炉としては、例えばタングステンをヒーターに用いた２０００℃まで昇温可能な炉などが用いられる。
【０００８】
例えば、不純物イオンとしてほう素イオンＢ⁺を用い、加速電圧１００ｋｅＶ、ドーズ量３×１０¹⁵ｃｍ^-2、６０ｋｅＶ、１．５×１０¹⁵ｃｍ^-2、３０ｋｅＶ、１×１０¹⁵ｃｍ^-2の３条件で連続注入した場合、不純物イオンの分布は表面から約０．４μｍまでは平坦なピーク濃度（２×１０²¹ｃｍ^-3）となり、それより深い領域では急激に濃度が下がり、結晶表面から０．５μｍの深さでは、１×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように単結晶ＳｉＣでは、注入された不純物原子が１５００℃前後の高温でもほとんど拡散せず、活性化率も低い。
拡散係数が小さいことおよび活性化率が低いことの要因としては、シリコンの最近接の原子間距離に比較して、ＳｉＣの原子間距離が短いこと、また、シリコンに比較してＳｉＣの結合が切れにくいことによると考えられる。
【００１０】
イオン注入された不純物の活性化率を向上させるためには、基板の加熱による高温でのイオン注入と、イオン注入後の高温（１５００℃）かつ長時間の熱処理が必要と考えられている。
しかし、この長時間の熱処理の結果、結晶表面からシリコン原子が蒸発していくため、表面の炭素原子に対する比が大きくなり、表面が黒っぽく見える（黒色化）といった現象が報告されている。さらに１５００℃以上のアニールを行うと、ＳｉＣ結晶表面に［１１２０］方向に走る凹凸が生じ、アニール温度を高くするほど大きくなることも報告されている。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。
【００１１】
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。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。
【００１２】
上記の問題点に鑑み本発明の目的は、より低温の熱処理によって高い活性化率を確保し、高温処理の弊害を抑えることのできる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。
【００１３】
【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、炭化けい素単結晶または多結晶からなる半導体基板表面および結晶中に、不純物イオンをイオン注入する炭化けい素半導体素子の製造方法において、不純物イオンと正に帯電した水素イオンとを同じ領域にイオン注入した後、高温熱処理するのに際し、水素イオンを不純物イオンと同時又は不純物イオンより先に注入し、かつ水素イオンの注入量が不純物イオンより多く、１０ ²⁰ 〜１０ ²¹ ｃｍ ^-3 の濃度になるような注入量で、更に水素イオンの分布が不純物イオンの分布に重なるか又は包含するようにイオン注入するものとする。
【００１４】
そのようにすることによって、後述するように注入された不純物の活性化を促進する作用がもたらされる。その機構としては、炭化けい素結晶のシリコン原子と炭素原子の間に集まっている結合に寄与している電子雲の分布が、注入された水素イオンの存在によって歪み、不純物原子とシリコン原子または炭素原子の置換の確率および拡散を促進すると考えられる。
【００１５】
正に帯電した水素イオンの注入と不純物イオンの注入とを繰り返すことや、正に帯電した水素イオンの注入と不純物イオンの注入とを同時におこなうことは、水素イオン濃度を高い状態に保つ上で効果があり、その結果注入された不純物の活性化を一層促進することになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図１は、本発明にかかるイオン注入プロセスを示す説明図であり、図の縦軸は、ＳｉＣ基板温度を、横軸は処理に要する時間を示している。
（０００１）面から少し傾けた主面をもつ約１０μｍのｎ型エピタキシャル層を成長させた４Ｈ−ＳｉＣウェハを用意した。１０００℃でＨ⁺を加速電圧４０ｋｅＶ、１×１０¹⁶ｃｍ^-2、３０ｋｅＶ、１×１０¹⁶ｃｍ^-2、２０ｋｅＶ、１×１０¹⁶ｃｍ^-2、１０ｋｅＶ、１×１０¹⁶ｃｍ^-2の４条件で連続注入する。続いてアルミニウム（Ａｌ）のイオンを１８０ｋｅＶで３×１０¹⁵ｃｍ^-2、１００ｋｅＶで、１．５×１０¹⁵ｃｍ^-2、５０ｋｅＶで１×１０¹⁵ｃｍ^-2の条件で連続注入した。次に、このウェハを真空中において１４００℃で３０分間アニールをおこなった。
【００１７】
ＸＰＳ（Ｘ線光電子分析法）で測定した不純物イオンの分布は、表面から約０．４μｍまでほぼ平坦なピーク濃度（２×１０²¹ｃｍ^-3）となり、それより深い領域では、急激に濃度が下がり、表面から０．５μｍの深さでは、１×１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度であった。
この試料について、van der Pauw 法によりシート抵抗を評価した。オーミック電極の形成は次のようにおこなった。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った。
【００１８】
その結果、アニール温度が１００℃低いにもかかわらず、シート抵抗は５０００Ω／□と、従来の１５００℃アニールと同等のシート抵抗となっていることがわかった。そして、表面の黒化も従来よりかなり抑えられた。すなわち、従来より低温のアニールで活性化率を高めることができたことになる。
図５の従来の方法と異なる点は、不純物イオンの注入前に正に帯電した水素イオンを照射するところにある。結晶中を正に帯電した水素イオンで満たすことにより、次の作用が起きると考えられる。図２は、説明のための原子結合状態の概念図である。１はシリコン原子、２は炭素原子、３は注入された正に帯電した水素イオンである。
【００１９】
▲１▼結晶格子点にあるシリコン原子１と炭素原子２の間に集まっている結合に寄与している電子雲４の分布が、シリコン原子１および炭素原子２近傍に注入された水素イオン３の存在によって歪む。この分布の歪んだ電子雲５により炭素原子２−シリコン原子１の間では、電子密度が低下する。
▲２▼このように、シリコン原子１と炭素原子２との結合に関与していた電子雲４の分布が歪んだ電子雲５となることによって、その近傍でシリコン原子１−炭素原子２の結合は弱まり、より低い温度で結合が切れる確率が高くなるため、不純物原子とシリコン原子１または炭素原子２とが置換する確率が増大し、また拡散を促進する作用がある。
【００２０】
この場合の水素イオン３の注入条件は、結晶を構成するシリコン原子１および炭素原子２の濃度に対応する量程度の注入が必要であるため、１０²⁰〜１０²¹ｃｍ^-3程度の濃度になるような注入量とする。また、水素イオン３の分布が、不純物イオンの分布に重なるかまたは、不純物イオンの分布を包含するような範囲に注入をおこなう必要がある。
【００２１】
［実施例２］
図３は、本発明にかかるイオン注入プロセスを示す説明図であり、図の縦軸は、ＳｉＣ基板温度を、横軸は処理に要する時間を示している。
この方法の特徴は、不純物イオンの注入と水素イオンの注入とを繰り返すことである。不純物イオンおよび水素イオンの総注入量は第一の実施例と同じとする。
【００２２】
特に高温でのイオン注入では、水素イオンは注入を止めた時点から基板の外にも拡散していく（アウトディフュージョンという）。このため、結晶中の水素イオン濃度は急激に下がっていく。アウトディフュージョンによる結晶中の水素イオン濃度の低下とともに、水素イオン注入による活性化および拡散の促進効果が失われる。
【００２３】
この問題の対策として、結晶中の水素イオン濃度が高い状態で不純物イオンの注入をおこなうために、水素イオンの注入と不純物イオンの注入と繰り返すと良い。
実際の不純物イオンの注入時間は数分間程度であるが、これを３回に分け、その前後に水素イオンの注入をおこなったところ、上の例より活性化温度が更に約５０℃低下した。それだけ炭化けい素基板の黒色化および粗面化を抑制できた。
【００２４】
これは、水素イオン濃度が高い状態で不純物イオンの注入をおこなったための他に、次の作用もあったと考えられる。すなわち、不純物イオンの注入量が少ない程、イオン注入による結晶の損傷が少なくなり、熱処理によって結晶性が回復し易いことが知られている。従って、この実施例では、同量の不純物イオンを数回にわけて注入することにより、一度に注入するドーズ量を少なくしたことが、結晶の回復に効果があったものであろう。
【００２５】
［実施例３］
水素イオンのアウトディフュージョンを考慮すれば、水素イオン濃度が高い状態で不純物イオンの注入をおこなうために、最も良い方法は、水素イオンと不純物イオンとを同時に注入する方法である。
図４は、本発明にかかるイオン注入プロセスを示す説明図であり、図の縦軸は、ＳｉＣ基板温度を、横軸は処理に要する時間を示している。
【００２６】
通常のイオン注入装置は、注入するイオン種としては１種類しか選べない。そこで、注入系統を２系統有するイオン注入装置を試作し、同時注入を試みた。不純物イオンおよび水素イオンの総注入量は第一の実施例と同じとした。この例では、従来より活性化温度を２００℃低下させることができ、それだけ炭化けい素基板の黒色化や粗面化を抑制できた。
【００２７】
これは、水素イオン濃度が高い状態で不純物イオンの注入をおこなったためと考えられる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、炭化けい素単結晶または多結晶からなる半導体基板の表面層に、不純物イオンをイオン注入する炭化けい素半導体素子の製造方法において、正に帯電した水素イオンと不純物イオンとを同じ領域にイオン注入するのに際し、水素イオンを不純物イオンと同時又は不純物イオンより先に注入し、かつ水素イオンの注入量が不純物イオンより多く、１０ ²⁰ 〜１０ ²¹ ｃｍ ^-3 の濃度になるような注入量で、更に水素イオンの分布が不純物イオンの分布に重なるか又は包含するようにイオン注入する。この注入された水素イオンの存在によってその後の高温熱処理における不純物原子とシリコン原子または炭素原子の置換の確率および拡散が促進されるので、活性化のための熱処理温度を下げることができ、高温熱処理による表面の黒色化、粗面化等を抑制できる。
【００２９】
正に帯電した水素イオンの注入と不純物イオンを注入とを繰り返すことや、正に帯電した水素イオンの注入と不純物イオンを注入とを同時におこなうことは、注入された不純物の活性化を一層促進することになる。
これらは、炭化けい素半導体装置の普及に多大の貢献をするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一の実施例の温度プロセスの説明図
【図２】本発明の作用原理の説明図
【図３】本発明第二の実施例の温度プロセスの説明図
【図４】本発明第三の実施例の温度プロセスの説明図
【図５】従来の温度プロセスの説明図
【符号の説明】
１シリコン原子
２炭素原子
３水素イオン
４電子雲
５歪んだ電子雲

Claims

炭化けい素単結晶または多結晶からなる半導体基板の表面層に、不純物イオンをイオン注入する炭化けい素半導体素子の製造方法において、正に帯電した水素イオンと不純物イオンとを同じ領域にイオン注入した後、高温熱処理するのに際し、
前記水素イオンを不純物イオンと同時又は不純物イオンより先に注入し、かつ水素イオンの注入量が不純物イオンより多く、１０ ²⁰ 〜１０ ²¹ ｃｍ ^-3 の濃度になるような注入量で、更に水素イオンの分布が不純物イオンの分布に重なるか又は包含するようにイオン注入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。
正に帯電した水素イオンの注入と不純物イオンの注入とを繰り返しおこなうことを特徴とする請求項１記載の炭化けい素半導体素子の製造方法。