JP4100669B2

JP4100669B2 - 炭化珪素薄膜の形成方法

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Publication number: JP4100669B2
Application number: JP2002251975A
Authority: JP
Inventors: 広幸藤澤; 俊介和泉; 武志俵; 勝典上野; 睦久平岡
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2004091228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素薄膜の形成方法に関し、より詳細には、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を選択的に結晶成長させるための薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンに代わる次世代半導体材料の１つとして炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されている。炭化珪素は、シリコンに比較して、バンドギャップと飽和ドリフトが大きく、熱伝導度が高く、絶縁破壊電界強度も１桁大きいなど、物性面で優れ、高温センサ、高周波デバイス、パワーデバイスなどの半導体装置の材料として期待されている。
【０００３】
炭化珪素半導体デバイスの製造には、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を所望の領域に結晶成長させる技術、および、炭化珪素半導体中の不純物を所望の濃度で分布させる技術の開発が不可欠である。
【０００４】
このうち、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を所望の領域に結晶成長させる技術に関しては、例えば、炭化珪素結晶基板上の薄膜中に第１の導電型または第２の導電型をもつ不純物領域を部分的に形成するための炭化珪素結晶基板の作製方法として、Ｒ．Ｃ．Ｇｌａｓｓらによる報告がある（ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ｂ），２０２，１４９（１９９７））。
【０００５】
また、化学的気相成長により炭化珪素薄膜を基板全面に堆積させ、この薄膜を部分的にエッチングして不純物領域を形成する方法も提案されており、反応性イオンエッチング法を用いた例としては、Ｐ．Ｈ．Ｙｉｈらによる報告がある（ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ｂ），２０２，６０５（１９９７））。
【０００６】
さらに、特開平１１−１６８４０号公報には、基板上に予めＳｉＯ_２マスクを形成しておき、このマスク領域以外の部分にｐ型炭化珪素薄膜を選択的に成長させるという発明が開示されている。
【０００７】
また、炭化珪素半導体中の不純物を所望の濃度で分布させる方法に関しては、炭化珪素結晶中での不純物の拡散係数が小さく拡散により炭化珪素結晶に不純物領域を選択的に形成することは困難であることから、炭化珪素結晶基板上に形成した薄膜中に不純物領域を形成するに際してイオン注入法によりイオンを結晶中に注入しその後高温熱処理を施すことで注入イオンを活性化するという方法を用いるのが一般的であり（例えば、Ｔ．Ｔｒｏｆｆｅｒら、ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ａ），１６２，２７７（１９９７））、この方法では、ｐ型不純物としてのアルミやボロン、ｎ型不純物としての窒素などの元素をイオン打ち込みし、１７００℃程度の温度で熱処理することで活性化させる。
【０００８】
図５は、従来の熱処理方法を説明するための図で、不純物注入領域５５を有する炭化珪素エピタキシャル層５４が炭化珪素基板５３上に形成された炭化珪素ウエハ５６を、不純物注入領域５５が上向きになるように炭化珪素製の坩堝５１の中に配置し、坩堝蓋５２を閉じた状態でアニール炉中で１７００℃程度の加熱を行うことで不純物を活性化させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エッチング法やＳｉＯ_２マスクを用いた選択成長法では、エッチングやパターニングのためのフォトプロセスが必要となり、製造プロセスが煩雑になるという問題がある。
【００１０】
一方、特開２０００−１３９９号公報には、種結晶となるα―ＳｉＣ単結晶基板上に結晶成長原料を部分的に接触させ、α―ＳｉＣ単結晶基板を下側、原料を上側として「重ね合わせ配置」し、基板を低温側として原料との間に温度差をもたせ、この状態でＳｉＣ飽和蒸気圧の不活性ガス雰囲気中で２０００〜２３００℃で熱処理することで単結晶を成長させる方法が記載されているものの、選択成長方法についての開示はなされていない。
【００１１】
また、特開２０００−３４１９７号公報には、α―ＳｉＣ単結晶基板とβ−ＳｉＣ多結晶基板とを両者の対向面が僅かに隙間を有するように平行配置させた状態で、α―ＳｉＣ単結晶基板が低温側となるように温度勾配をもたせ、この状態でＳｉＣ飽和蒸気圧の不活性ガス雰囲気中で熱処理し、Ｓｉ原子およびＣ原子を上述の微小隙間内に昇華・拡散させて単結晶を成長させるという発明が開示されているものの、選択成長方法については何ら開示がなされていない。
【００１２】
さらに、Ｔａｎａｋａらによって炭化珪素基板を２枚重ね合わせる方法が提案されているが（ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＦｏｒｕｍＶｏｌ．３８９−３９３（２００２），ｐ．８０３）、この方法は、イオン注入後の活性化熱処理のために行う方法であり、この方法を実施した際の結晶表面のエッチング状態や膜の堆積状態についての知見は得られていない。
【００１３】
また、従来の不純物活性化熱処理方法では、高温熱処理中にウエハ表面が荒れてしまうという問題に加え、ボロン等の比較的軽い元素が熱処理中にウエハ表面から外方拡散してしまい、熱処理後の不純物濃度がイオン注入時の濃度よりも減少してして設計値どおりの不純物分布を得ることが困難であるという問題がある。
【００１４】
図６は、ボロンを２３０ｋｅＶのエネルギでイオン注入した後の注入直後のボロン濃度分布と、１７００℃３０分の熱処理を施した後のボロン濃度分布を２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析した結果を示す図で、この例では、約３０％ものボロンが結晶外へと外方拡散していることが確認できる。
【００１５】
このうち、「表面荒れ」問題については、高温熱処理時に炭化珪素ウエハ上にダミーの炭化珪素ウエハを載せるという方法が提案されている（Ｈ．Ｔａｎａｋａ，ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｏｆＩＣＳＣＲＭ２００１，ｐｐ．４４２−４４３（２００１））ものの、「外方拡散」問題については有効な解決策は提案されていない。
【００１６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、イオン注入やＳｉＯ_２マスク形成やエッチングといった複雑なプロセスを必要とすることなく炭化珪素基板上に簡便に炭化珪素薄膜を選択的に結晶成長させるための方法、および、イオン注入後の不純物の外方拡散を抑制して設計値どおりの不純物分布を実現する熱処理方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、炭化珪素薄膜の形成方法であって、第１の炭化珪素結晶基板上に予め炭化珪素薄膜を成長させ、当該炭化珪素薄膜を第２の炭化珪素結晶基板表面に接触させた状態で炭化珪素坩堝内に配置し、前記第１の炭化珪素結晶基板が低温側、前記第２の炭化珪素結晶基板が高温側となるように温度勾配を設け、前記坩堝内雰囲気を１７００〜２０００℃の熱処理温度とし、前記第２の炭化珪素結晶基板側から昇華した炭化珪素を前記第１の炭化珪素結晶基板上の炭化珪素薄膜上に再結晶化させて成長させ、前記第２の炭化珪素結晶基板は０．１μｍ以上の凹凸をもった表面形状を有し、前記炭化珪素薄膜と前記第２の炭化珪素結晶基板とは当該凸領域でのみ接触し、当該接触領域にのみ炭化珪素薄膜を選択的に成長させることを特徴とする。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記第２の炭化珪素結晶基板は、炭化珪素単結晶基板、炭化珪素多結晶基板、または、炭化珪素薄膜付基板の何れかであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記炭化珪素坩堝内に所望の不純物源を設け、当該不純物源を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記炭化珪素坩堝に予め所望の不純物を含有させ、当該炭化珪素坩堝を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法において、前記第２の炭化珪素結晶基板中に予め所望の不純物を含有させ、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
[炭化珪素薄膜の形成方法]
（実施例１）
図１は、本発明の炭化珪素薄膜の形成方法を説明するための概念図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は断面図である。この炭化珪素薄膜の形成方法では、炭化珪素薄膜付の２枚の炭化珪素結晶基板（２、３）同士を互いの炭化珪素薄膜面が接するように向かい合わせた状態で坩堝（１）内に配置させて熱処理し、一方の炭化珪素結晶基板を原料として他方の炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を形成させる。
【００２５】
図中、１は多結晶炭化珪素からなる蓋付坩堝、２は上側の炭化珪素基板、３は下側の炭化珪素基板であり、これらの炭化珪素基板は、ドーパント濃度５．９×１０^１５ｃｍ^−３、厚み１０μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板である。
【００２６】
なお、ここに示した例では、本発明の薄膜形成方法で得られる炭化珪素薄膜の平坦性を確認する目的で、２枚の基板（２、３）を意図的にずらして配置させており、図中のＴＣとＴＵおよびＢＣとＢＵは、各々、上側の炭化珪素基板の重なり部分と非重なり部分、および、下側の炭化珪素基板の重なり部分と非重なり部分を示している。
【００２７】
この配置で坩堝１ごと熱処理炉にいれてタングステンヒータにより加熱を行い、Ａｒガス雰囲気中１７００℃で３０分間の熱処理を施した。熱処理後の基板（２、３）を観察すると、上述のＴＣとＴＵとの境界領域、および、ＢＣとＢＵとの境界領域には共に段差が認められ、上側基板（２）では、ＴＣ部がＴＵ部に比較して１００ｎｍ程度高くなっている一方、下側基板（３）では、ＢＣ部がＢＵ部に比較して１００ｎｍ程度低くなっていた。すなわち、上述の熱処理過程において、下側基板（３）から昇華した炭化珪素が上側基板（２）のＴＣ部に堆積して結晶成長が進行していることが明らかとなった。
【００２８】
これは、熱処理中は、下側基板（３）は坩堝（１）からの熱伝導と放射熱で加熱されるのに対して、上側基板（２）は放射熱のみで加熱されることとなるため、上側基板（２）の温度は下側基板（３）の温度に比べて低くなり、下側基板（３）のＢＣ部から昇華した炭化珪素が原料となり上側基板（２）のＴＣ部に炭化珪素として堆積することによるものと解釈される。
【００２９】
表１は、これらの基板の熱処理前後での表面平坦性の程度（Ｒａ）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した結果である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
ＴＵ、ＢＣ、ＢＵの各領域の表面は熱処理中の炭化珪素の昇華により大きく荒れているのに対し、熱処理中に結晶成長が進行した上側基板のＴＣ部の平坦度は熱処理前と同等の平坦度を維持しており、極めて平坦な炭化珪素薄膜が得られていることが分る。
【００３２】
（実施例２）
ドーパント濃度５．９×１０^１５ｃｍ^−３、厚み１０μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板を２枚用い、アルミ不純物を１０^１６ｃｍ^−３混入させた坩堝中に配置し、実施例１と同様の熱処理を実行して薄膜形成を行なった。段差計による評価により、基板の重なり部分に約１００ｎｍの炭化珪素薄膜が形成されていることが確認された。
【００３３】
図２は、このようにして得られた上側基板の重なり部分（ＴＣ）の薄膜を、ＳＩＭＳを用いてＡｌ不純物の深さ方向での分布を評価した結果を説明するための図である。
【００３４】
この図に示すように、ＴＣ部でのアルミ濃度は１０^１８ｃｍ^−３で深さは１００ｎｍであり、その他の部分（ＴＵ、ＢＣ、ＢＵ）からはアルミ不純物は検出されなかった。このことから、アルミ不純物を含む炭化珪素薄膜が、下側基板と接触した部分にのみ選択的に形成されたことが確認できる。
【００３５】
なお、本実施例では炭化珪素坩堝自身に不純物を予め含有させることとしているが、炭化珪素坩堝内に所望の不純物源を設けることとしてもよいことは言うまでもない。
【００３６】
（実施例３）
ドーパント濃度５．９×１０^１５ｃｍ^−３、厚み１０μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板を上側基板とし、アルミ不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚み１μｍのｎ型炭化珪素エピタキシャル層を成長させたｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板を下側基板として重ね合わせた状態で実施例１と同様の熱処理を行い、得られた薄膜のアルミ不純物分布の様子をＳＩＭＳにより評価した。
【００３７】
その結果は、図２に示したものとほぼ同様であり、アルミ濃度１０^１８ｃｍ^−３で厚み１００ｎｍの炭化珪素薄膜の形成が確認された。
【００３８】
なお、所望により、下側基板にもアルミ不純物を添加させておくこととしてもよい。
【００３９】
（実施例４）
下側の基板に、機械的研磨または物理的化学的エッチングにより、予め１μｍ以上の凹凸を形成させ、上側の基板に接触する部分と接触しない部分とを設けて重ね合わせ配置し、実施例１と同様の熱処理を実施して薄膜形成を行なった。この場合、炭化珪素薄膜同士は凸領域でのみ接触することとなる。
【００４０】
炭化珪素薄膜の形成は、下側基板に接触していた上側基板領域にのみ認められ、この部分に炭化珪素薄膜が選択的に形成されたことが確認された。
【００４１】
なお、下側基板表面の凹凸の程度に特に制限はなく、選択成長させたい領域に応じて設定が可能であるが、凹凸レベルが０．１μｍ以下の場合には凹部での上側基板との間隔が狭くなりすぎてこの凹部においても薄膜成長が進行しやすくなるため、０．１μｍ以上の凹凸をもたせることが好ましく、微細パターンの形成を特別に要しない場合には、１００μｍ以上とすることがより好ましい。
【００４２】
また、熱処理温度を変化させて同様の薄膜形成を実施した結果、１７００〜２０００℃の熱処理温度範囲で上記と同様に選択的な薄膜形成が確認された。なお、熱処理温度が２０００℃を越える場合には、基板間の非接触部分にも結晶成長が進行して選択性が低下し、１７００℃を下回る温度では充分な結晶成長速度が得られないことも確認された。従って、本発明の炭化珪素薄膜の形成方法においては、１７００〜２０００℃の熱処理温度が好ましい。
【００４３】
なお、これまでの実施例では、下側基板を薄膜を形成させた単結晶基板であるものとして説明したが、多結晶基板でもよく、更には、その表面に薄膜を有しないベアの基板であってもよい。
【００４４】
[不純物活性化熱処理方法]
（参考例１）
図３は、本発明の不純物活性化のための第１の熱処理方法を説明するための図で、ここに示した例では、ｎ＋型炭化珪素基板３３の上にｎ−型炭化珪素エピタキシャル層３４を成長させ、不純物注入領域３５を有する第１の炭化珪素ウエハ３８と、上記不純物注入領域３５に注入した不純物と同じ不純物を同濃度に注入した不純物注入領域３６を有する第２の炭化珪素ウエハ３７を用意し、これらの不純物注入領域３５、３６同士の位置を合わせて接触させ、炭化珪素製の坩堝３１内に配置し、この状態で炭化珪素製の坩堝蓋３２を閉めて密閉し、第１および第２の炭化珪素ウエハ（３８、３７）の不純物注入領域（３５、３６）間に温度勾配が生じない加熱条件下で、Ａｒ雰囲気中で、不純物活性化温度以上の１７００℃３０分の高温熱処理を行う。
【００４５】
なお、ここで、第１および第２の炭化珪素ウエハ（３８、３７）の不純物注入領域（３５、３６）間に温度勾配が生じない加熱条件とするのは、これらの領域間に温度勾配が生じると、一方の領域から他方の領域への物質移動が生じ易くなり、所望の不純物分布が得られなくなるためである。このように不純物注入領域間に温度勾配が生じないようにするためには、図３に示すように、坩堝蓋側の炭化珪素ウエハを坩堝蓋に接触させ、坩堝の底に接触している下側の炭化珪素ウエハと同様の加熱環境とすることが有効である。
【００４６】
図５に示した従来のウエハ配置とすれば、不純物注入領域５５から炭化珪素ウエハ５６の外部に向けて不純物が外方拡散して不純物濃度が低下するのに対し、図３に示す本発明のウエハ配置では、同一元素を同濃度で注入された不純物注入領域３５、３６同士が互いに接触しているために、各々のウエハの外部への不純物濃度勾配が緩やかとなって不純物が外方拡散し難くなり、その結果、高温熱処理中での不純物の現象が抑制されることとなる。
【００４７】
なお、本参考例では、熱処理温度が１７００℃の場合について説明したが、１６００〜１８００℃の温度範囲で同様の効果が認められた。
【００４８】
また、不純物注入領域が複数ある場合には、図４に示すように、対応する各不純物注入領域同士（３５と３６、３５´と３６´）を位置合わせして接触させるように配置させればよい。
【００４９】
不純物注入領域同士を位置合わせせずに配置して熱処理を行うと、不純物注入領域から、その領域に接触している不純物非注入領域へと不純物が拡散して表面を汚染させる結果となることはいうまでもない。
【００５０】
なお、本発明の熱処理方法においては、２つのウエハの不純物注入領域同士が接触していることが必要なのであって、その他の領域は必ずしも接触している必要はない。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の薄膜形成方法によれば、炭化珪素薄膜付の一方の炭化珪素結晶基板を上側とし、他方の炭化珪素結晶基板を下側として、これらの基板面同士を接触させた状態で坩堝内に配置させて熱処理し、後者の炭化珪素結晶基板を原料として前者の炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を形成させるようにした。また、下側の基板（原料）に予め凹凸を形成し、上の基板（成長基板）に接触する部分と接触しない部分とを設けることにより、接触した部分にのみ炭化珪素薄膜を選択的に成長させたり、予め不純物源を設置することにより上の基板に不純物を導入した薄膜を形成するようにした。
【００５２】
このような構成とすることにより、炭化珪素基板上に炭化珪素薄膜を選択的に結晶成長させるための方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭化珪素薄膜の形成方法を説明するための概念図である。
【図２】本発明の炭化珪素薄膜の形成方法により得られた薄膜を、２次イオン質量分析装置を用いてＡｌ不純物分布評価した結果を説明するための図である。
【図３】参考例の不純物活性化のための第１の熱処理方法を説明するための図である。
【図４】参考例の不純物活性化のための第２の熱処理方法を説明するための図である。
【図５】従来の不純物活性化熱処理方法を説明するための図である。
【図６】従来の不純物活性化熱処理前後でのボロン濃度分布のＳＩＭＳ分析結果を説明するための図である。
【符号の説明】
１多結晶炭化珪素からなる蓋付坩堝
２上側の炭化珪素基板
３下側の炭化珪素基板
ＴＣ上側の炭化珪素基板の重なり部分
ＴＵ上側の炭素基板の非重なり部分
ＢＣ下側の炭化珪素基板の重なり部分
ＢＵ下側の炭化珪素基板の非重なり部分
３１、５１坩堝
３２、５２坩堝蓋
３３ｎ＋型炭化珪素基板
３４ｎ−型炭化珪素エピタキシャル層
３５、３６、３５´、３６´、５５不純物注入領域
３６不純物領域
３７第２の炭化珪素ウエハ
３８第１の炭化珪素ウエハ
５３炭化珪素基板
５４炭化珪素エピタキシャル層
５６炭化珪素ウエハ

Claims

第１の炭化珪素結晶基板上に予め炭化珪素薄膜を成長させ、
当該炭化珪素薄膜を第２の炭化珪素結晶基板表面に接触させた状態で炭化珪素坩堝内に配置し、
前記第１の炭化珪素結晶基板が低温側、前記第２の炭化珪素結晶基板が高温側となるように温度勾配を設け、
前記坩堝内雰囲気を１７００〜２０００℃の熱処理温度とし、
前記第２の炭化珪素結晶基板側から昇華した炭化珪素を前記第１の炭化珪素結晶基板上の炭化珪素薄膜上に再結晶化させて成長させ、
前記第２の炭化珪素結晶基板は０．１μｍ以上の凹凸をもった表面形状を有し、
前記炭化珪素薄膜と前記第２の炭化珪素結晶基板とは当該凸領域でのみ接触し、
当該接触領域にのみ炭化珪素薄膜を選択的に成長させることを特徴とする炭化珪素薄膜の形成方法。
前記第２の炭化珪素結晶基板は、炭化珪素単結晶基板、炭化珪素多結晶基板、または、炭化珪素薄膜付基板の何れかであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素薄膜の形成方法。
前記炭化珪素坩堝内に所望の不純物源を設け、
当該不純物源を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法。
前記炭化珪素坩堝に予め所望の不純物を含有させ、
当該炭化珪素坩堝を加熱することにより、前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法。
前記第２の炭化珪素結晶基板中に予め所望の不純物を含有させ、
前記成長させる炭化珪素薄膜中に不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素薄膜の形成方法。