JP4331773B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、炭化珪素(SiC)膜を有する半導体基板を用いて製造される半導体装置及び、その製造方法に関する。
自動車や電車のモーター制御などのパワーエレクトロニクスの分野で使用されるSiを用いたパワーデバイスは、その絶縁耐性が性能限界に近づきつつある。このため、Siよりもワイドギャップで、絶縁破壊電界の大きい材料が求められている。形成炭化珪素(SiC)、GaN、ダイヤモンドは、いずれもSiに比べてバンドギャップ、絶縁破壊電界が大きい。さらに、これらの材質は、高温安定、飽和ドリフト速度が大きいなどの利点を有している。
SiCの物性をSiと比較すると、バンドギャップが約2〜3倍、絶縁破壊電界が約1桁大きく、飽和ドリフト速度も数倍大きい。さらに、他のワイドギャップ半導体と比べてSiCは、熱酸化によりSiOを形成できることから、Si系プロセスとの整合性にも優れる。また、SiCは不純物ドーピングによるp,n伝導型の制御も可能なことから、実用化の点で有利である。
SiC単結晶のエピタキシャル成長としては、化学的気相成長法(CVD)や昇華法などが用いられている。CVD成長工程は、ホットウォールCVD炉により、SiHやC、Hを用いて、1500℃以上の温度で行われる。また、昇華法では、坩堝に閉じ込めたSiC粉末を2000℃近くまで加熱して基板上にSiCを成長させる。昇華法は、CVD法に比べて成長速度が速い利点がある。
SiCエピタキシャル膜は種々の方法で成膜可能であるが、要求される素子性能に対して欠陥低減が不十分である。転移に代表される結晶欠陥は、耐圧など素子特性劣化の要因となっている。そのため、種々の工夫が成されている。特開2005−350278号公報がその一例である。
特開2005−350278号公報
SiC素子を形成する過程において、ドーパントの活性化などで1200〜1800℃程度の高温熱処理が必要になる。再結晶化により欠陥の少ない高品質な領域にまで欠陥が拡大することが懸念され、ひいては素子歩留まりの低下を生じる可能性がある。
また、半導体ウエハの大口径化(例えば、6インチ)が要求される現状では、エピタキシャル成長されたSiC膜を備えるSiC基板の反りが大きな問題となる。1μm以下のパターニングのためにはステッパー(縮小投影露光装置)を用いる必要があり、SiC基板の数十μm以上の大きなそりは微細パターン形成を困難にする。
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、ウエハの反りを低減可能な半導体装置の構造及び、その製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、SiC素子形成工程を経ても高品質な素子形成領域を維持できる半導体装置の構造及び、その製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、炭化珪素(SiC)膜を有する半導体基板を用いて製造される半導体装置の製造方法において、半導体ウエハ上に炭化珪素膜を形成する工程と;前記半導体ウエハの変形状態を確認する工程と;前記半導体ウエハの変形状態に応じて定められる形状の溝を前記炭化珪素膜に形成する工程とを含むことを特徴とする。
ここで、前記半導体ウエハに一方向に延びる隆起状の反りがある場合には、前記溝は、前記反りの延びる長手方向と略垂直に延びるスリット状の複数の溝とすることが好ましい。すなわち、ウエハ10の反りのない方向と溝の短辺とが平行(長辺とが垂直)とすることが好ましい。
また、前記半導体ウエハの中央付近に凹状又は凸状の反りがある場合には、前記溝は、第一の方向に延びる第一の溝と、前記第一の方向と直交する第二の方向に延びる第二の溝とから構成することが好ましい。
本発明の第2の態様は、表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハを用いて製造される半導体装置において、前記炭化珪素膜には溝が形成されている。そして、前記溝は、前記ウエハ上における一方向に延びる隆起状の反りの長手方向と略垂直に延びるスリット状の複数の溝であることを特徴とする。
本発明の第3の態様は、表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハを用いて製造される半導体装置において、前記炭化珪素膜には溝が形成されている。そして、前記溝は、第一の方向に延びる第一の溝と、前記第一の方向と直交する第二の方向に延びる第二の溝であることを特徴とする。
前記溝は、前記炭化珪素膜の結晶欠陥が集約された領域の周囲、或いは、前記炭化珪素膜中の結晶欠陥が集約された領域を除去するように形成することが好ましい。
前記結晶欠陥が集約された領域は、10個/cm以上の欠陥を有する領域とすることができる。
前記結晶欠陥が集約された領域は、所定の方法により意図的に形成することができる。炭化珪素単結晶は、成長面の調整によって、転位等の結晶欠陥を集約させることができる。これらの結晶欠陥は成長中においてさらに集約させることができる。このため、集約される領域以外の箇所は、転位等の結晶欠陥が少ない高品質な領域となる。
上記のような構成の本発明によれば、半導体ウエハ上の炭化珪素膜中の応力が解放され、ウエハの反り(変形)を低減することが可能となる。なお、ウエハの反り形状については、実際に計測する他、シミュレーションによって予め確認し、その形状に応じて最適な溝の形状及び方向を定めることが可能である。
また、前記炭化珪素膜の結晶欠陥が集約された領域の周囲に形成することにより、結晶欠陥が集約された領域と欠陥の少ない高品質な領域が空間的に切り離される。あるいは、炭化珪素膜において結晶欠陥が集約された領域を除去するように当該炭化珪素膜に溝を形成することにより、ドーパント活性化などの高温熱処理を施しても、SiC層再結晶化時の結晶欠陥が集約された領域の影響による欠陥拡大(伝播)を抑制することが可能となる。
図1は、本発明の実施例にかかる半導体ウエハ10の一部構成を示す概略平面図である。図1において、符号103は結晶欠陥が集約された領域を示す。結晶欠陥には、マイクロパイプ、螺旋転位、刃状転位などが含まれる。結晶欠陥が集約された領域103は、所定の方法により意図的に形成することができる。炭化珪素単結晶は、成長面の調整によって、転位等の結晶欠陥を集約させることができる。これらの結晶欠陥は成長中においてさらに集約させることができる。このため、集約される領域以外の箇所は、転位等の結晶欠陥が少ない高品質な領域となる。
図2(A)は、表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハ10に対して、一方向(X方向)に延びる隆起状(鞍状)の反りが形成されている状態を示す。図2(B)は、図2(A)に示す反り形状の場合に炭化珪素膜(102)に形成される溝107の配置を示す図であり、図1の点線円300に概ね対応するものである。溝107は、反りの延びる長手方向と略垂直に延びるスリット状の複数の溝である。すなわち、ウエハ10の反りのない方向Xと溝の短辺とが平行(長辺とが垂直)となる。
以下、炭化珪素膜102に結晶欠陥集約領域103を意図的に形成した場合について説明するが、炭化珪素膜102に結晶欠陥集約領域を意図的に形成しない場合にも本実施例を適用することができる。この場合には、結晶欠陥集約領域とは関係なく、反りの方向に応じて溝107の形状及び方向決定する。
最初に、本発明の第一の実施例について説明する。ここでは、非DiMOSFET(Double-Implanted
MOSFET)形成領域に近接する位置に溝が形成された炭化珪素(SiC)基板上にエピタキシャル成長されたSiC膜を備えるDiMOS製造方法の一部について説明する。
まず、図3(A)に示す工程で、炭化珪素(SiC)層102が形成されたSiC基板101を用意する。SiC層102はSiC基板101上にエピタキシャル成長されており、例えば、厚み15μmとなるように設定されている。エピタキシャル層表面は、化学的機械研磨(CMP)等によりエッチバックされ、平坦な表面が形成されている。
ここで、SiC層102中にはマイクロパイプ、螺旋転位、刃状転位などの結晶欠陥が形成される。これらの結晶欠陥が集約された領域を符号103(図3(B))で示す。また、結晶欠陥が集約された領域103は、所定の方法により意図的に形成することができる。炭化珪素単結晶は、成長面の調整によって、転位等の結晶欠陥を集約させることができる。これらの結晶欠陥は成長中においてさらに集約させることができる。このため、集約される領域以外の箇所は、転位等の結晶欠陥が少ない高品質な領域となる。
次に、図3(C)に示す工程で、SiC層102の表面に溝形成用マスクとなる厚さ2μmの酸化膜105を形成する。その後、フォトリソグラフィ工程により、図4(D)に示すように、レジスト106のパターンニングを行なう。なお、酸化膜105の形成に際しては、炉温度700℃の設定でSi(OCガスを用い、減圧雰囲気下で化学気相成長(CVD)を行なう。領域103は1箇所のみならず、密集して複数個所存在する場合もある。そのときは、複数個ある領域103の最外箇所に近接する位置に開口部分を形成する。なお、領域103の幅は100μm程度とすることができる。
次に、酸化膜105をマスクとして溝形成するために、レジストマスク106を用いて、CHF,CF,Arを用いたプラズマエッチングを行ない、酸化膜マスク105aを形成する(図4(E))。
続いて、他のエッチング装置にウエハ10を搬送し、酸化膜マスク105aを用いて、SFを用いたプラズマエッチングを行う。そして、非DiMOS形成領域であるSiC層102中に、例えば幅が2μm、深さが15μm程度の溝107を形成する(図4(F))。以上より、結晶欠陥が集約された領域103と欠陥の少ない高品質な領域が溝107により隔てられる。
その後、アッシングによるレジスト除去、酸化膜マスク105aのHF除去により、図5(G)に示す構造を形成する。
次に、図5(H)に示す工程で、溝107が形成されたSiC層102上に、厚さ1.5μmの酸化膜108を形成する。酸化膜108の形成は、TEO/O/Ar=100/1000/100sccmの流量を用いて、基板温度400℃、RFパワー400W設定としてプラズマCVDで行った。熱CVDに代えて、プラズマCVDを用いることで厚膜を高いスループットで形成可能である。ただし、プラズマCVDで形成した酸化膜は被覆性が悪く、溝107内部には空洞が形成される。
次に、図5(I)に示す工程で、酸化膜108はCMPにより削られ、溝107の中のみに残される。
次に、溝107が形成されたSiC層形成基板上に、ドーパント注入用マスクとなる厚さ2μmの酸化膜109を形成する。酸化膜109の形成方法、および条件は酸化膜105と同様である。次に、公知のフォトリソグラフィ、およびドライエッチング技術により、ドーパント注入を行う所定領域の酸化膜109を開口する(図5(J))。続いて、n型ドーパントであれば窒素(N)、リン(P)、p型のドーパントであればアルミニウム(Al)あるいはホウ素(B)を数十kV〜数MVのエネルギーにて複数回の多段注入を行う。
不純物の注入終了後は、図6(K)に示すように、ドーパント注入用マスク109をHF除去して、マスク形成〜マスク除去の工程を繰り返すことにより、ウエル領域、あるいはソース領域が形成される。ドーパント注入後の活性化熱処理は、各ドーパント毎、もしくは全ての注入終了後に一括して実施される。処理条件は、Ar雰囲気にて1200〜1800℃の温度で1〜30秒とする。この処理により、ドーパントの電気的活性化、および注入層のダメージが回復する。なお、上記工程中のドーパント注入用マスクを除去するときに、図5(I)の工程をスキップして、酸化膜で溝を塞いでも良い。
以上示したように、エピタキシャル成長されたSiC膜102に一定方向に並行な溝を形成することにより、膜102中の応力が解放され、SiC基板101(10)の反りを低減することが可能となる。
図7は、表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハに対して、中央付近に凹状又は凸状の反りが形成されている場合に炭化珪素膜に形成される溝の配置を示す図であり、図1の点線円を拡大して示したものである。なお、溝107の形成方法は上述したとおりである。
次に、本発明の第二の実施例について説明する。本実施例においては、エピタキシャル成長SiC膜を備える炭化珪素(SiC)基板上において、非DiMOS(Double-Implanted MOSFET)形成領域に位置する結晶欠陥が集約された領域をドライエッチングによって除去する。図8(A)〜図10(I)は、本発明の第二実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。なお、炭化珪素膜(202)に形成される溝(207)の形状については、第1実施例と同様である。
まず、図8(A)に示す工程で、炭化珪素(SiC)層202が形成されたSiC基板201を用意する。SiC層202はSiC基板201上にエピタキシャル成長されており、例えば、厚み15μmとなるように設定される。エピタキシャル層202の表面は、化学的機械研磨(CMP)等によりエッチバックされ、平坦な表面が形成されている。
ここで、SiC層202中にはマイクロパイプ、螺旋転位、刃状転位などの結晶欠陥が形成される。これらの結晶欠陥が集約された領域を符号203(図1及び図8(B))で示す。また、結晶欠陥が集約された領域203は、所定の方法により意図的に形成することができる。炭化珪素単結晶は、成長面の調整によって、転位等の結晶欠陥を集約させることができる。これらの結晶欠陥は成長中においてさらに集約させることができる。このため、集約される領域以外の箇所は、転位等の結晶欠陥が少ない高品質な領域となる。この時、結晶欠陥が集約された領域203を観察すると、図1に示すようになる。
次に、図8(C)に示すように、SiC基板201上に形成されたSiC層202の表面に溝形成用マスクとなる厚さ2μmの酸化膜205を形成する。酸化膜205の形成に際しては、炉温度700℃設定でSi(OCガスを用い、減圧雰囲気下で化学気相成長(CVD)を行う。
次に、図9(D)に示すように、フォトリソグラフィ工程によりレジスト206のパターンニングを行なう。このとき、パターニングによる開口部分206aは結晶欠陥が集約された領域203も含むものとする。結晶欠陥が集約された領域203の幅は、例えば10μm程度である。次に、図9(E)に示す工程で、レジストマスク206を用い、CHF,CF,Arを用いたプラズマエッチングにより酸化膜マスク205aを形成する。
その後、他のエッチング装置にウエハ10を搬送し、酸化膜マスク205aを用いて、SFを用いたプラズマエッチングを行い、図9(F)に示すように、非DiMOS形成領域であるSiC層202中に、例えば幅が12μm、深さが15μm程度の溝207を形成する。これにより、マイクロパイプ、螺旋転位、刃状転位などの欠陥の少ない高品質な領域のみが溝207を隔てて残される。続いて、アッシングによるレジスト除去、酸化膜マスク205aのHF除去を行う。
次に、図10(G)に示す工程で、溝207が形成されたSiC層形成基板上に、ドーパント注入用マスクとなる厚さ2μmの酸化膜208を形成する。酸化膜208の形成方法、および条件は酸化膜205と同様である。
つぎに、公知のフォトリソグラフィ、およびドライエッチング技術により、ドーパント注入を行う所定領域の酸化膜を開口する(図10(H))。続いて、n型ドーパントであれば窒素(N)、リン(P)、p型のドーパントであればアルミニウム(Al)あるいはホウ素(B)を数十kV〜数MVのエネルギーにて複数回の多段注入を行う(図10(H))。
不純物の注入終了後は、図10(I)に示すように、ドーパント注入用マスク208をHF除去して、マスク形成〜マスク除去の工程を繰り返すことにより、ウエル、あるいはソースが形成される。ドーパント注入後の活性化熱処理は、各ドーパント毎、もしくは全ての注入終了後に一括して実施される。処理条件は、Ar雰囲気にて1200〜1800℃の温度で11〜30秒とする。この処理により、ドーパントの電気的活性化、および注入層のダメージが回復する。
図11は、本発明に適用可能な溝の形状例を示す部分平面図である。シリコンウエハ10が鞍状(尾根状)に反る場合には、溝(短片方向を鞍状方向と垂直)は基板に対して一方向に形成すればよいが、シリコンウエハ10の中心付近が凹又は凸状となる場合には、図11(A),(B)に示すように、溝307を0°、90°と交互に形成することが好ましい。
上述した実施例においては、非DiMOS(Double-Implanted MOSFET)形成領域に近接する位置に溝が形成されているが、それ以外の任意の位置に溝を形成することもできる。また、本発明においては、溝の代わりに図11(C)に示すような孔407を形成してもよい。この場合、孔の形状は丸に限らず多角形状でもよい。あるいは、半導体ウエハ10の変形を抑制できれば、炭化珪素膜102を貫通しない窪みとすることもできる。
以上示したように、エピタキシャル成長された炭化珪素膜に0°、90°の溝307を形成することにより、シリコンウエハ10の中心付近が凹又は凸状となる場合にも、炭化珪素膜中の応力が解放され、シリコンウエハの反りを低減することが可能となる。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
図1は、本発明の実施例にかかる半導体ウエハ10の構成を示す概略平面図である。 図2(A)は、表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハに対して、一方向に延びる隆起状(鞍状)の反りが形成されている状態を示す。図2(B)は、図2(A)に示す反り形状の場合に炭化珪素膜に形成される溝の配置を示す図であり、図1の点線円を拡大して示したものである。 図3(A)−(C)は、本発明の第一実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。 図4(D)−(F)は、本発明の第一実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。 図5(G)−(I)は、本発明の第一実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。 図5(J),(K)は、本発明の第一実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。 図7は、表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハに対して、中央付近に凹状又は凸状の反りが形成されている場合に炭化珪素膜に形成される溝の配置を示す図であり、図1の点線円を拡大して示したものである。 図8(A)−(C)は、本発明の第二実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。 図9(D)−(F)は、本発明の第二実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。 図10(G)−(I)は、本発明の第二実施例にかかる半導体装置の製造工程を示す断面である。 図11は、本発明に適用可能な溝の形状例を示す部分平面図である。
符号の説明
10 半導体ウエハ
101,201 SiC基板
102,202 SiC層(エピタキシャル成長膜)
103,203 結晶欠陥集約領域
107,207,307 溝

Claims (20)

  1. 炭化珪素(SiC)膜を有する半導体基板を用いて製造される半導体装置の製造方法において、
    半導体ウエハ上に炭化珪素膜を形成する工程と;
    前記半導体ウエハの変形状態を確認する工程と;
    前記半導体ウエハの変形状態に応じて定められる形状の溝を前記炭化珪素膜に形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体ウエハに一方向に延びる隆起状の反りがある場合には、前記溝は、前記反りの延びる長手方向と略垂直に延びるスリット状の複数の溝とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記半導体ウエハの中央付近に凹状又は凸状の反りがある場合には、前記溝は、第一の方向に延びる第一の溝と、前記第一の方向と直交する第二の方向に延びる第二の溝とからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記溝は、前記炭化珪素膜の結晶欠陥が集約された領域の周囲に形成されることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記溝は、前記炭化珪素膜中の結晶欠陥が集約された領域を除去するように形成されることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記結晶欠陥が集約された領域は、10個/cm以上の欠陥を有する領域であることを特徴とする請求項4又は5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記結晶欠陥が集約された領域は、所定の方法により意図的に形成されることを特徴とする請求項4,5又は6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記結晶欠陥は、少なくとも、マイクロパイプ、螺旋転位、刃状転位のうちの1種類を含むことを特徴とする請求項4,5,6又は7に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハを用いて製造される半導体装置において、
    前記炭化珪素膜には溝が形成され、
    前記溝は、前記ウエハ上における一方向に延びる隆起状の反りの長手方向と略垂直に延びるスリット状の複数の溝であることを特徴とする半導体装置。
  10. 前記溝は、前記炭化珪素膜の結晶欠陥が集約された領域の周囲に形成されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
  11. 前記結晶欠陥が集約された領域は、10個/cm以上の欠陥を有する領域であることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
  12. 前記結晶欠陥が集約された領域は、所定の方法により意図的に形成された領域であることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置。
  13. 前記結晶欠陥は、少なくとも、マイクロパイプ、螺旋転位、刃状転位のうちの1種類を含むことを特徴とする請求項10,11又は12に記載の半導体装置。
  14. 前記溝は、前記炭化珪素膜中の結晶欠陥が集約された領域を除去するように形成されていることを特徴とする請求項10,11,12又は13に記載の半導体装置。
  15. 表面に炭化珪素(SiC)膜を有する半導体ウエハを用いて製造される半導体装置において、
    前記炭化珪素膜の結晶欠陥が集約された領域の周囲に溝が形成され、
    前記溝は、第一の方向に延びる第一の溝と、前記第一の方向と直交する第二の方向に延びる第二の溝であることを特徴とする半導体装置。
  16. 前記第一の溝と前記第二の溝とは交互に配置されることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
  17. 前記結晶欠陥が集約された領域は、10個/cm以上の欠陥を有する領域であることを特徴とする請求項15又は16に記載の半導体装置。
  18. 前記結晶欠陥が集約された領域は、所定の方法により意図的に形成された領域であることを特徴とする請求項15、16又は17に記載の半導体装置。
  19. 前記結晶欠陥は、少なくとも、マイクロパイプ、螺旋転位、刃状転位のうちの1種類を含むことを特徴とする請求項15,16,17又は18に記載の半導体装置。
  20. 前記溝は、前記炭化珪素膜中の結晶欠陥が集約された領域を除去するように形成されることを特徴とする請求項15,16,17,18又は19に記載の半導体装置。
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