JP4581240B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）からなる半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣにおける不純物層形成は、イオン注入および注入されたイオンの活性化熱処理によって行われる。ＳｉＣでは、ｐ型不純物が熱処理によって活性化し難いため、活性化のための熱処理温度を上げることでｐ型不純物の活性化率を向上させようとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１６００℃での活性化熱処理を行った後に、不純物層の表面をＡＦＭで観察したところ、ステップ状の表面荒れが発生することが確認された。
この表面荒れは、活性化熱処理時のＳｉ抜けによって生じるマイグレーションに起因して発生するが、活性化熱処理温度がマイグレーション発生温度よりも高いこと（活性化熱処理温度が１５００℃以上であるのに対し、マイグレーション発生温度が１４２０℃）から、ｐ型不純物の活性化率向上のためにさらなる活性化熱処理を実施すれば、よりこの表面荒れが悪化すると考えられる。換言すれば、ＳｉＣにおいてｐ型不純物の活性化熱処理を行うと必ずマイグレーションが発生すると共に、これに起因した表面荒れが発生するため、ｐ型不純物の活性化率の向上と表面荒れの抑制を両立することは困難である。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みて、不純物の活性化率の向上とＳｉＣの表面荒れの抑制を両立することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは以下の検討を行った。まず、従来の熱処理プログラムに従って活性化熱処理を実施した。この従来の活性化熱処理の熱処理プログラムを図６（ａ）に示す。そして、この熱処理プログラムを実施したところ、マイグレーションによる表面荒れが発生し、このときの表面荒れ量（凹凸量）Ｒａを確認したところＲａ＝９．５ｎｍと大きかった。
【０００６】
従来の熱処理プログラムを分析すると、図に示されるように熱処理時の昇温速度が２０℃／ｍｉｎと遅く、マイグレーションが起こる温度（１４２０℃）以上となる時間が十分長いため、これが原因となって上記のように大きな表面荒れが発生していると考えられる。
【０００７】
このため、昇温速度を１５０℃／ｍｉｎとなるまで上げて活性化熱処理を実施したが、この場合においても上記と同様の結果となった。
【０００８】
そこで、さらに昇温速度が高められるランプアニール装置（例えば、昇温速度が３５０℃／ｍｉｎ程度）を用いて、図６（ｂ）のような短時間の熱処理プログラムとなる活性化熱処理を実施した。つまり、ランプアニール装置を用いることによって、マイグレーションが起こる温度以上の熱処理が実施されている時間が短縮化されるようにした。その結果、表面荒れ量ＲａがＲａ＝２．５ｎｍとなるまで低減できた。
【０００９】
そこで、請求項１に記載の発明では、不純物が注入された炭化珪素基板（３）に対して活性化熱処理を施すことで、炭化珪素基板に不純物層を形成する炭化珪素半導体装置の製造方法において、ランプ（４）とミラー部（５）とを有し、ミラー部がランプを覆う部分と、当該部分の窓部に配置されて光を炭化珪素基板に向けて照射する筒形状部分とからなり、ランプを覆う部分が筒形状部分にランプの光を集めるように構成された第１、第２のランプ機構（１、２）を用いて、不純物が注入された炭化珪素基板に対して活性化熱処理を施す際、マイグレーションが発生する温度よりも低い際には、炭化珪素基板の裏面側に配置した第２のランプ機構によって炭化珪素基板の裏面へのランプ照射を行い、マイグレーションが発生する温度以上の際には、炭化珪素基板の裏面へのランプ照射に加え、炭化珪素基板のうち不純物が注入された表面側に配置した第１のランプ機構によって炭化珪素基板の表面にもランプ照射を、不純物を活性化させるのに必要な時間だけ行うことを特徴としている。
【００１０】
このように、活性化熱処理をランプの光を集めて照射できる第１、第２のランプ機構を用いて、ランプ加熱によって行うことで炭化珪素基板の昇温速度を向上させることができ、従来の加熱方法と比較して、より短時間で不純物を活性化させることができる。このため、マイグレーションの起こる温度以上での熱処理時間を短時間とすることができ、マイグレーションの発生を抑制できると共に、炭化珪素基板の表面荒れを抑制できる。
【００１２】
そして、基本的には炭化珪素基板の裏面側からランプ加熱を行い、短期間だけ炭化珪素基板の表面側からもランプ加熱を行うようにすれば、直接光を照射することによって発生しうる炭化珪素基板の表面荒れを抑制することができる
この場合、例えば、請求項２に示すように、第１、第２のランプ機構のそれぞれに可動ミラー（６）を備え、該可動ミラーを制御することで第１、第２のランプ機構による加熱位置を調整することができる。また、請求項３に示すように、第１、第２のランプ機構に複数のランプを備えると共に、該第１、第２のランプ機構を炭化珪素基板に対向するように配置し、該複数のランプによって炭化珪素基板の加熱を行うことも可能である。
【００１３】
なお、このように半導体基板の表裏面からランプ加熱を行う場合、請求項４に示すように、半導体基板の裏面側でのランプ照射の方が表面側よりも、ランプ強度が高くなるようにする方が好ましい。
【００１４】
請求項５に記載の発明においては、活性化熱処理は、該活性化熱処理時にマイグレーションを起こした原子がエッチングされる雰囲気で行うことを特徴としている。例えば、請求項６に示すように、活性化熱処理の雰囲気ガスとして、Ｈ₂、ＨＣｌ、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₆／Ｈ₂のいずれかを用いることができる。
【００１５】
このような雰囲気で活性化熱処理を行うことで、マイグレーションを起こした原子を取り除くことが可能となり、より表面荒れを抑制することが可能となる。なお、このような雰囲気ガスを流すのは、請求項７に示すように、マイグレーションが発生する温度以上の領域だけでも構わない。
【００１６】
請求項８に記載の発明では、温度低下時においても雰囲気ガスを流すことを特徴としている。このようにすることで、Ｓｉ抜けによるカーボンリッチによって形成されるカーボン面を除去することができる。
【００１７】
請求項９に記載の発明では、活性化熱処理では、不活性ガスを用いた加圧雰囲気とすることを特徴としている。このように、不活性ガスを用いた加圧雰囲気とすることで、炭化珪素基板の表面でマイグレーションが起こることを抑制できると共に、炭化珪素基板の表面からのＳｉ抜けも抑制できる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本実施形態におけるＳｉＣ半導体熱処理装置の模式図を示す。以下、図１に基づいてＳｉＣ半導体熱処理装置の構成について説明する。
【００２０】
ＳｉＣ半導体熱処理装置には、第１、第２のランプ機構１、２が備えられている。そして、これら第１、第２のランプ機構１、２の間にＳｉＣ基板３が配置されるようになっている。
【００２１】
第１、第２のランプ機構１、２は、それぞれＳｉＣ基板３を挟んで反対側に配置され、第１のランプ機構１は、ＳｉＣ基板３のうち不純物注入層３ａが形成されている側の面（以下、表面という）側に配置され、第２のランプ機構２は、ＳｉＣ基板３のうち表面とは反対側の面（以下、裏面という）側に配置ている。第１、第２のランプ機構１、２は、ランプ容量が異なっており、第１のランプ機構１よりも第２のランプ機構２の方がランプ容量が大きく、すなわちランプ強度が強くされている。
【００２２】
図２に、図１中のランプ部分の拡大図を示し、第１、第２のランプ機構１、２の詳細について説明する。第１、第２のランプ機構１、２は、光の照射によりＳｉＣ基板３を加熱する光源としてのランプ４と、ランプ４から照射される光を一方向に集めるミラー部５とが備えられている。
【００２３】
ランプ４には、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、赤外線ランプが用いられている。このランプ４がミラー部５内に収容されている。ミラー部５は、ランプ４を覆うように構成された断面楕円形状の部分（以下、楕円形状部分という）５ａと、楕円形状部分５ａの一端側に備えられた窓部に配置される円筒形状の部分（以下、円筒形状部分という）５ｂとを有して構成されている。このミラー部５により、例えばランプ４によって発せられた光が図中点線で示されるように反射し、円筒形状部分５ｂの内径（例えば１０〜２０ｍｍ）程度に集められるようになっている。このように、光を円筒形状部分５ｂの内径程度に集めている。
【００２４】
なお、図では示されていないが、このＳｉＣ半導体熱処理装置は、装置内の雰囲気ガスおよび雰囲気圧力を適宜調整できるように構成されている。
【００２５】
次に、このような構成のＳｉＣ半導体熱処理装置を用いた活性化熱処理について説明する。このＳｉＣ半導体熱処理装置では、図３に示すような熱処理プログラムに従って活性化熱処理を行う。以下、この図を参照してＳｉＣ半導体熱処理装置による活性化熱処理について説明する。
【００２６】
まず、不純物、例えばｐ型不純物のイオン注入が成され、不純物注入層３ａが形成されたＳｉＣ基板３を用意する。そして、このＳｉＣ基板３をＳｉＣ半導体熱処理装置内に格納する。このとき、第１、第２のランプ機構１、２の間に配置し、ＳｉＣ基板３のうちの表面、つまりイオン注入が成された面が第１のランプ機構１側を向き、ＳｉＣ基板３のうちの裏面が第２のランプ機構２側を向くようにする。そして、ＳｉＣ半導体熱処理装置内にＨ₂ガスを流し、Ｈ₂雰囲気とする。
【００２７】
次に、ＳｉＣ基板３の裏面側に配置した第２のランプ機構２に備えられたランプ４を点灯させ、ＳｉＣ基板３を裏面側から加熱する。そして、このＳｉＣ基板３の裏面側での加熱により、ＳｉＣ基板３の温度がマイグレーションの起きる温度（１４２０℃程度）となるまで加熱する（図３中、期間ｔ１〜ｔ２）。
【００２８】
続いて、ＳｉＣ半導体熱処理装置内の温度がマイグレーションの起きる温度まで上昇したら、ＳｉＣ基板３の表面側に配置した第１のランプ機構１に備えられたランプ４を点灯させ、ＳｉＣ基板３の裏面側のみで行われていた加熱をアシストする。これにより、短時間でＳｉＣ半導体熱処理装置内の温度が不純物活性化温度以上まで上昇し、ＳｉＣ基板３に注入された不純物が活性化される。
【００２９】
これにより、短時間で不純物の活性化が成されることになるが、短時間であるにしてもＳｉＣ半導体熱処理装置内の温度がマイグレーションの起きる温度よりも高くなり、マイグレーションが起きて表面荒れが発生し得るが、上述したように装置内をＨ₂雰囲気としているため、マイグレーションを起こした原子を効果的に取り除くことができ、より表面荒れを抑制することが可能である。
【００３０】
そして、第１のランプ機構１における加熱アシストを所定時間続けたのち、第１、第２のランプ機構１、２に備えられたそれぞれのランプ４を消灯させ、ランプ加熱を停止する（図３中、期間ｔ２〜ｔ３）。このとき、第１のランプ機構１による加熱アシストの時間は、不純物が活性化するのに必要な最も短い時間に設定される。その後、ＳｉＣ半導体熱処理装置内の温度が低下してマイグレーションの起きる温度まで低下し、さらに温度が低下し続ける（図３中、期間ｔ３〜ｔ４）。この温度低下時においてもＨ₂ガスを流すようにし、Ｓｉ抜けによるカーボンリッチによって形成されるカーボン面を除去するようにしている。
【００３１】
以上のようにして、図３に示す熱処理プログラムが終了し、ＳｉＣ基板３に注入された不純物が活性化される。
【００３２】
このように、活性化熱処理をランプ加熱によって行うことでＳｉＣ基板３の昇温速度を向上させることができ、より短時間で不純物を活性化させることができる。このため、マイグレーションの起こる温度以上での熱処理時間を短時間とすることができ、マイグレーションの発生を抑制できると共に、ＳｉＣ基板３の表面荒れを抑制できる。
【００３３】
また、本実施形態では、熱処理をＨ₂雰囲気中で行っている。このため、マイグレーションを起こした原子を取り除くことが可能となり、より表面荒れを抑制することが可能となる。なお、ここでは雰囲気ガスとしてＨ₂を流す場合について説明しているが、不活性ガスを導入することで加圧雰囲気とすれば、炭化珪素基板の表面でマイグレーションが起こることを抑制できると共に、炭化珪素基板の表面からのＳｉ抜けも抑制できる。さらに、ここでは、雰囲気をＨ₂とする場合について説明しているが、Ｈ₂以外であってもよく、例えば、ＨＣｌ、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₆／Ｈ₂等を用いても良い。
【００３４】
また、基本的にはＳｉＣ基板３の裏面側からランプ加熱を行い、短期間だけＳｉＣ基板３の表面側からもランプ加熱を行うようにしている。従って、直接光を照射することによって発生しうるＳｉＣ基板３の表面荒れを抑制することができる。なお、ランプ加熱の場合、光が照射される部分が最も温度が上昇するが、ＳｉＣの熱伝導が良いことから、裏面側から表面側に容易に熱が伝わる。このため、不純物が注入されたＳｉＣ基板３の表面側に直接光を照射しなくても、その表面側を高温にすることが可能である。
【００３５】
なお、本実施形態では、ランプ機構をＳｉＣ基板３の表裏面側それぞれに配置した場合について説明しているが、少なくともランプ機構を用いれば、昇温速度向上による表面荒れ抑制効果を得ることが可能である。
【００３６】
（第２実施形態）
図４に、本実施形態におけるＳｉＣ半導体熱処理装置の模式図を示す。本実施形態は、第１、第２のランプ機構１、２からのランプ光を直接ＳｉＣ基板３に照射せずに、可動ミラー６を介して照射していることに関して第１実施形態と異なる。この他の部分に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００３７】
図４に示すように、第１、第２のランプ機構１、２には共に、可動ミラー６が備えられている。可動ミラー６は、角度調整可能に構成され、ミラー部５によって集められた光を様々な方向に反射できるようになっている。このため、可動ミラー６の角度調整を行うことで、ＳｉＣ基板３の一面側全面に光を照射できるようになっている。
【００３８】
このように可動ミラー６を備え、ＳｉＣ基板３の所望位置をスキャンし、そのスキャンに合わせて可動ミラー６の角度調整を行うことで、ＳｉＣ基板３が大面積であっても問題なく熱処理を行うことができる。
【００３９】
（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態では、短時間ではあるがランプ光をＳｉＣ基板３の表面にも照射するようにしている。しかしながら、ランプ光をＳｉＣ基板３の表面に直接照射すると、上述したように表面が高温になって表面荒れが発生しうる。
また、ＳｉＣ基板３の裏面からの照射であったとしても、表面の温度が上昇すれば、ＳｉＣ構成元素であるＳｉの抜けが生じて表面荒れが発生しうる。
【００４０】
このため、図５に示すように、ＳｉＣ基板３の表面側にＳｉＣで構成されたダミー基板７を所定間隔（例えば１ｍｍ以下の間隔）で配置し、ＳｉＣ基板３の表面側に関しては、ダミー基板７にランプ光を照射する。このようにすると、ＳｉＣ基板３からのＳｉ抜けが発生しても、ダミー基板７からも同様にＳｉ抜けが生じ、図中に示すようにＳｉＣ基板３とダミー基板７との間に仮想的にＳｉ雰囲気が形成され、Ｓｉ抜けとＳｉ供給とが平衡状態になって、結果的にＳｉ抜けを抑制することができる。これにより、Ｓｉ抜けによる表面荒れを抑制することができる。
【００４１】
（他の実施形態）
第１実施形態では、第１、第２ランプ機構１、２にそれぞれランプが１つずつしか備えられていない例を示してあるが、複数のランプをＳｉＣ基板３の表裏面に対向するように配列させるようにすれば、より大面積なＳｉＣ基板３の熱処理にも対処可能である。
【００４２】
また、上記各実施形態では、活性化熱処理中常にエッチングガス雰囲気にする場合を説明しているが、マイグレーションが発生する温度以上の領域だけでも構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるＳｉＣ半導体熱処理装置を模式的に示した図である。
【図２】図１における第１、第２のランプ機構１、２の拡大図である。
【図３】図１に示すＳｉＣ半導体熱処理装置を用いて行う熱処理プログラムを示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態におけるＳｉＣ半導体熱処理装置を模式的に示した図である。
【図５】本発明の第３実施形態におけるＳｉＣ基板３の配置構成を示した図である。
【図６】（ａ）は従来の熱処理プログラムを示した図であり、（ｂ）は本発明者らの検討時の熱処理プログラムを示した図である。
【符号の説明】
１…第１のランプ機構、２…第２のランプ機構、３…ＳｉＣ基板、４…ランプ、５…ミラー部、５ａ…楕円形上部分、５ｂ…円筒形状部分、６…可動ミラー、７…ダミー基板。

Claims (9)

1. 不純物が注入された炭化珪素基板（３）に対して活性化熱処理を施すことで、前記炭化珪素基板に不純物層を形成する炭化珪素半導体装置の製造方法において、
   前記活性化熱処理では、ランプ（４）とミラー部（５）とを有し、前記ミラー部がランプを覆う部分と、当該部分の窓部に配置されて光を前記炭化珪素基板に向けて照射する筒形状部分とからなり、前記ランプを覆う部分が前記筒形状部分にランプの光を集めるように構成された第１、第２のランプ機構（１、２）を用いて、前記不純物が注入された前記炭化珪素基板に対して前記活性化熱処理を施す際、マイグレーションが発生する温度よりも低い際には、前記炭化珪素基板の裏面側に配置した第２のランプ機構によって前記炭化珪素基板の裏面へのランプ照射を行い、マイグレーションが発生する温度以上の際には、前記炭化珪素基板の裏面へのランプ照射に加え、前記炭化珪素基板のうち前記不純物が注入された表面側に配置した第１のランプ機構によって前記炭化珪素基板の表面にもランプ照射を、前記不純物を活性化させるのに必要な時間だけ行うことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記第１、第２のランプ機構のそれぞれに可動ミラー（６）を備え、該可動ミラーを制御することで前記第１、第２のランプ機構による加熱位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 前記第１、第２のランプ機構に複数のランプを備えると共に、該第１、第２のランプ機構を前記炭化珪素基板に対向するように配置し、該複数のランプによって前記炭化珪素基板の加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 前記半導体基板の裏面側でのランプ照射の方が表面側よりも、ランプ強度を高くすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 前記活性化熱処理は、該活性化熱処理時に前記マイグレーションによる原子がエッチングされる雰囲気で行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 前記活性化熱処理の雰囲気ガスとして、Ｈ₂、ＨＣｌ、Ｃ₃Ｈ₈／Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₆／Ｈ₂のいずれかを用いることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
7. 前記雰囲気ガスを、前記マイグレーションが発生する温度以上の領域で流すことを特徴とする請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
8. 前記活性化熱処理では、前記ランプ照射を行ったのち、該ランプ照射を停止して前記炭化珪素基板の温度を低下させ、該温度低下時においても前記雰囲気ガスを流すことを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
9. 前記活性化熱処理では、不活性ガスを用いた加圧雰囲気とすることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

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