JP4449814B2 - 炭化けい素半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を材料とする半導体素子の製造方法に関する。

近年、けい素（以下Ｓｉと記す）に代わる半導体材料の一つとしてＳｉＣが注目されている。ＳｉＣは、バンドギャップが４Ｈ−ＳｉＣで３．２５eVと、Ｓｉのそれ（１．１２eV）に比べて３倍近く大きいため、動作上限温度を高くできる。また、絶縁破壊電界強度が４Ｈ−ＳｉＣで３．０MV/cm と、Ｓｉのそれ（０．２５MV/cm）に比べて約１桁大きいため、絶縁破壊電界強度の３乗の逆数で効いてくるオン抵抗が低減され、定常状態での電力損失を低減できる。更に、熱伝導度も４Ｈ−ＳｉＣで４．９W/cmK とＳｉのそれ（１．５W/cmK ）に比べて３倍以上高いので、熱冷却効果が高く冷却装置を小型化できるという利点も生まれる。飽和ドリフト速度が２×１０⁷cm/sと大きいため、高速動作にも優れている。
このようなことからＳｉＣは、電力用半導体素子（以下パワーデバイスと呼ぶ）や高周波デバイス、高温動作デバイスなどへの応用が期待されている。現在、ＭＯＳＦＥＴ、ｐｎダイオード、ショットキーダイオード等が試作され、絶縁耐圧とオン抵抗（＝通電時の順方向電圧／順方向電流）に関してはＳｉの特性を越えるデバイスが続出している。

これらの素子作成には、選択された領域において導電型やキャリア濃度を制御する技術が必要である。その方法には、熱拡散法とイオン注入法がある。ＳｉＣ中においては不純物の拡散係数が非常に小さいため、Ｓｉ半導体子で広く用いられている熱拡散法はＳｉＣには適用が難しい。そのため、ＳｉＣでは通常イオン注入法が用いられている。
注入されるイオン種としては、ｎ型に対しては窒素（以下Ｎと記す）リン（以下Ｐと記す）が用いられ、ｐ型に対してはアルミニウム（以下Ａｌと記す）またはほう素（以下Ｂと記す）が多く用いられる。
図３（ａ）〜（ｅ）はイオン注入とそれに引き続くプロセスの工程を説明する工程順の断面図である。
下地層１上にエピタキシャル層２を成長したエピタキシャルウェハを有機溶剤や酸等で前処理した後、酸化膜３を形成する〔図３（ａ）〕。

フォトレジスト４を塗布し、酸化膜３をパターニングする〔同図（ｂ）〕。
Ｂイオン５を注入する〔同図（ｃ）〕。イオン注入用のマスクとしてはフォトレジストでも良い。しかし、イオン注入による結晶ダメージを最小限に抑えるため時として数１００℃〜１０００℃の雰囲気中においてイオン注入が行われる。その場合は、当然その温度に耐える材料のマスクでなければならない。
注入後高温アニールする前に、フォトレジストや酸化膜などを全て除去し、ＳｉＣ表面が露出した状態にする〔同図（ｄ）〕。これは、その後の高温アニール時にＳｉＣ上に熱酸化膜などが堆積されているとＳｉＣとの反応が起こり、エッチングが起こることを防ぐためである。特に、イオン注入された領域には結晶ダメージがあり、各原子間の結合力が弱いため他の領域よりエッチングされやすいので注意が必要である。

その後、注入された不純物を電気的に活性化するための高温アニールをおこなう〔同図（ｅ）〕。不純物を完全に活性化するためには、Ｎでは１３００℃、Ａｌでは１５００℃、Ｂでは１７００℃の高温が必要である。このようにＡｌはイオン注入後のアニール温度をＢより１００〜２００℃程度低くできるが、Ｂより原子量が大きいためイオン注入時のダメージは大きい。
また、高温アニール時には、イオン注入したＳｉＣのサンプルは多結晶ＳｉＣ容器中に入れられる。これは、高温における表面近傍の原子の昇華を防止して表面荒れを防ぐためである。
この後、例えば絶縁ゲート構造のＭＯＳ素子の場合には、熱酸化膜を形成する。また、ショットキーダイオードの場合は、ショットキー電極を形成する。
特開平8-107223号公報 特開平11-135450号公報

Ｂのような比較的原子量の小さい原子の場合、イオン注入後の１７００℃アニール時にＢ原子が外方・内方拡散するという問題が発生する。特にイオン注入深さが浅いと、外方拡散により表面からＢ原子が真空中に抜け出してしまう。
また、アニール温度を高くすること、イオン注入ドーズ量を大きくすること、原子量の大きなイオン注入種を注入することのいずれにおいても、ステップバンチングによる表面荒れが激しくなるという問題がある。
ステップバンチングとは次のような現象のことである。例えば４Ｈ−ＳｉＣの（0001）面から［11-20 ］方向に８度程度傾けた（この角度をオフ角度という）下地基板上に成長したエピタキシャル層で、各原子層が横方向に成長していくため、各原子層の端にある成長ステップが、ある条件下において統合されて、表面の凹凸が激しくなる現象である。

一方、熱拡散法はイオン注入に比べて工程が少なくて済み、深い接合を容易に形成することができる。しかしながら、先に述べたようにＳｉＣ中における不純物の拡散係数は非常に小さい。従って、熱拡散法により接合を形成するためには２０００℃近くの高温にする必要があり、そのような高温に耐え、かつパターニングなどの加工が容易な適当なマスク材料が見当たらないため、これまで拡散法は殆ど実施されなかった。
このような問題に鑑み本発明の目的は、アニール後のＳｉＣ表面を清浄かつ平滑に保ち、良好な特性のデバイスを作製する方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため本発明は、炭化けい素結晶板の表面層に不純物の選択的なドーピング及び拡散により不純物領域を形成する炭化けい素半導体素子の製造方法において、前記選択的なドーピング及び拡散を有機膜のマスクを用いたガス拡散法により前記マスクが炭化されてグラファイト膜となる条件でおこない、前記選択的なドーピング及び拡散の後に、前記炭化されてグラファイト膜となった前記マスクを除去する。
そのようにすれば、拡散の高温加熱時に有機膜中のＨ原子、Ｏ原子が脱離し、グラファイト化したＣ薄膜となる。グラファイトの融点は３５５０℃であり、熱拡散に必要な温度の２０００℃に十分耐え得る。
この場合、マスクの除去方法としては、酸素プラズマにより除去するものとする。
そうすると、炭化した膜は０₂ プラズマによりＣ０、Ｃ０₂ などとなって除去される。

以上説明したように本発明によれば、フォトレジスト等の有機膜のマスクを用い、そのマスクを炭化させることにより、従来非常に困難であった選択的な拡散が可能になり、数μmの深さの接合を形成できることを示した。
従って本発明は、炭化けい素半導体素子の普及、発展に大きな貢献をなすものである。

以下実施例に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
［参考例］
図１（ａ）〜（ｆ）は参考例の製造方法を説明する工程順の断面図である。
ウェハとしては、(0001)Ｓｉ面から８°オフした面のｎ型４Ｈ−ＳｉＣの下地層１上にエピタキシャル層２を成長したエピタキシャルウェハを用いた。下地層１のキャリア濃度は１×１０¹⁸/cm³であり、エピタキシャル層２のキャリア濃度は１×１０¹⁶/cm ³ 、厚さ１０μm である。
このウェハー上にまず、１１００℃、５時間のパイロジェニック酸化により厚さ３０nmの酸化膜３を形成する〔図１（ａ）〕。
ついで、スピンコータにより厚さ約５μmのフォトレジスト４を塗布する。１００℃のベーキングによりフォトレジスト４と熱酸化膜３との密着性を高めた後、フォトリソグラフィによりフォトレジスト４をパターニングし、その後バッファードフッ酸により熱酸化膜３の露出部分をエッチングする〔同図（ｂ）〕。

その後、室温でＢイオン５の注入をおこなう〔同図（ｃ）〕。加速電圧は３０、６０、１００kV、総ドーズ量は５×１０¹³cm^-2である。
イオン注入後、フォトレジスト４は、基板温度１００℃においてＯ₂ プラズマアッシングにより除去する。また、熱酸化膜３をバッファードフッ酸によりすべて除去する。その後、メタン（ＣＨ₄ ）を用いたＥＣＲ−ＣＶＤ法により、厚さ約１００nmのＤＬＣ膜６を成膜する〔同図（ｄ）〕。ＤＬＣ膜成膜時にＳｉＣウェハからの剥離を防ぐために、内部応力を小さくする必要があり、そのためにはＥＣＲ−ＣＶＤ法において成膜中に基板への負バイアスはかけない方がよい。
その後、Ａｒ雰囲気中で１７００℃、３０分間のアニールをおこない、注入されたＢ原子を活性化する。これにより深さ約０．５μm、濃度１×１０¹⁸cm^-3の不純物領域７が形成される〔同図（ｅ）〕。この時、ＳｉＣサンプルは多結晶ＳｉＣ容器中に入れられる。

アニール後、ＤＬＣ膜６を約４分間のＯ₂ プラズマアッシングにより除去する〔同図（ｆ）〕。アッシングの条件はパワー３００W 、Ｏ₂ ガス圧５０Pa、基板温度１００℃である。
上記のプロセスを実施した表面のＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）観察をおこなったところ、表面粗さＲａは約０．３nmであった。この値は、保護膜を被着しないでアニールした場合の表面粗さ３nmに比べ、表面荒さが１／１０に低減されたことになる。
また、同様の条件のイオン注入およびアニールにより、従来のプロセスではＢのピーク濃度が５０%減少していたのに対し、本発明によるプロセスにおいては２０%のピーク濃度の減少に抑えることができた。

すなわち、本参考例の方法では、全面にＤＬＣ膜を被着するだけで、表面荒さの低減、濃度の保持に大きな効果が得られたことがわかる。
なお、ＤＬＣ膜をスパッタ法により成膜してもよいし、また、ＤＬＣ膜の代わりにフォトレジストを用いてもよい。

図２（ａ）〜（ｄ）は本発明第１の製造方法を説明する工程順の断面図である。
参考例と同様に、下地層１上にエピタキシャル層２を成長した４Ｈ−ＳｉＣウェハ使用した。
エピタキシャル層２上にスピンコータにより厚さ約５μmのフォトレジスト４を塗布した後、そのフォトレジスト４のパターニングをおこなって選択的ドーピングを行う部分を露出させる〔図２（ａ）〕。
次いで、選択的ドーピングをおこなうための加熱過程で、フォトレジスト４は炭化しグラファイト膜８となるが、熱拡散時のマスクとして十分適用できる〔同図（ｂ）〕。
２０００℃、１時間のドーピングおよび拡散をおこない、不純物領域７を形成する〔同図（ｃ）〕。ドーピングガス９としては、例えばＢの場合にはジボラン〔Ｂ₂ Ｈ₆ 〕が使用できる。キャリアガスはＡｒである。この時の拡散深さは、５μm となる。表面不純物濃度は１×１０¹⁹cm^-3であった。

２０分間のＯ₂ プラズマアッシングにより、グラファイト膜９を除去する〔同図（ｄ）〕。
この場合も表面粗さは０．５nm以下であった。
この方法では、マスク材料が有機膜であれば良いが、フォトレジストであればパターニングのための加工が容易であるという利点がある。
なお、ドーピングガス９としては、Ａｌの場合にはトリメチルアルミニウム〔Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ 〕が使用でき、同じアニールで拡散深さは約１μmとなる。

（ａ）〜（ｆ）は参考例の製造方法による半導体素子の製造工程順の断面図 （ａ）〜（ｄ）は本発明第１の製造方法による半導体素子の製造工程順の断面図 （ａ）〜（ｅ）は従来の製造方法による半導体素子の製造工程順の断面図

符号の説明

1 …下地層
2 …エピタキシャル層
3 …熱酸化膜
4 …フォトレジスト
5 …Ｂイオン
6 …ＤＬＣ膜
7 …不純物領域
8 …グラファイト膜
9 …ドーピングガス

Claims (1)

1. 炭化けい素結晶板の表面層に不純物の選択的なドーピング及び拡散により不純物領域を形成する炭化けい素半導体素子の製造方法において、前記選択的なドーピング及び拡散を有機膜のマスクを用いたガス拡散法により前記マスクが炭化されてグラファイト膜となる条件でおこない、前記選択的なドーピング及び拡散の後に、前記炭化されてグラファイト膜となった前記マスク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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