JP4686945B2

JP4686945B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4686945B2
Application number: JP2001276707A
Authority: JP
Inventors: 広希中村; クマールラジェシュ; 義則大塚
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP2003086529A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＳｉ半導体装置においてイオン注入後に熱処理を行うことで不純物領域を形成する方法が知られている。この方法を炭化珪素（ＳｉＣ）半導体装置の不純物領域形成について適用すると、熱処理による不純物の拡散速度が非常に遅く、不純物が拡散しにくいといった問題がある。
【０００３】
そこで、図１（ａ）に示すように、Ａｒ，Ｃなどの不活性な元素を注入してＳｉＣをアモルファス化させ、そのアモルファス化させた領域にＢ，Ａｌなどのドーパントを注入して、熱処理を行うことで、図１（ｂ）のように不純物を拡散させる方法が知られている。
【０００４】
このようにアモルファス化された領域での不純物の拡散係数は大きく、アモルファス化されていない単結晶領域での不純物の拡散係数は小さいため、アモルファス領域と単結晶領域の境界で不純物の拡散が止まる。またアモルファス化した領域は、活性化熱処理で単結晶化し（再結晶化）、欠陥が存在しない不純物領域が形成される。したがって、このような拡散係数の違いによってセルファーラインなどを生成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにアモルファス化した領域にイオン注入により不純物層を形成した後、活性化熱処理によって再結晶化させると、表面の不純物濃度が減少し、図２に示すような不純物のプロファイルとなる。すなわち、活性化熱処理によって深さ方向への拡散が起こって表面付近の濃度が減少する。また活性化熱処理により不純物が基板表面から抜け出てしまう（アウトディフュージョンする）ため、表面濃度が減少する。このように表面付近の不純物濃度が減少することにより、表面に電極等を付けた際に、その電極等とのコンタクト抵抗が増加しデバイス特性に影響が出るといった問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、表面濃度の減少を防止し、電極等とのコンタクト抵抗を低減して、デバイス特性を向上させることができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上述した問題点を解決するためになされた請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、アモルファス化させた炭化珪素半導体（ＳｉＣ）基板へ継続的に不純物を供給しながら活性化熱処理を行うことができ、表面の不純物濃度を高めることができる。したがって、電極等を形成した場合のコンタクト抵抗が小さくなり、良好なオーミック特性が得られる。活性化熱処理は１８００℃以上で行われるため、処理時間が長くなるにつれ、ＳｉＣ基板中のＳｉが昇華するＳｉ抜けによる基板の表面荒れが進行する。そのため気相拡散用ドーパントとともにＳｉＣ粉末を封入して加熱する。このようにすることで平衡状態が保たれＳｉ抜けによる基板の表面荒れを防止することができる。
【０００８】
こうした熱処理による不純物領域の深さは、請求項２に示すようにアモルファス層の深さで制御することができ、請求項３に示すようして選択的に行うことができる。すなわちアモルファス領域は結晶性が崩れているため不純物が拡散しやすいが、単結晶領域ではほとんど拡散しない。したがって、ＳｉＣ基板中で不純物領域を形成したい位置（部分）について必要な深さだけアモルファス化することで、容易に設計通りに不純物領域を形成することができる。アモルファス層の深さは例えばアモルファス化するために打ち込むイオンのエネルギーを調節すれば容易に制御することができる。またアモルファス領域の形成位置は例えばアモルファス化するためのイオン打ち込み前にアモルファス化する部分以外の部分についてパターンニングを行いＬＴＯを形成しておくことで容易に制御することができる。
【０００９】
こうしたアモルファス化は、請求項４に示すように、ＳｉＣに対して不活性な元素を注入（打ち込み）して行うとよい。ＳｉＣに対して不活性な元素としては、例えば請求項５に示すように、Ｈｅ，Ａｒ，Ｓｉ，またはＣを用いることができる。また不活性な元素のドーズ量は例えば請求項６に示すように１×１０¹⁴ｃｍ^-2〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2とすればよい。そして、このような不活性な元素の注入は、請求項７に示すように常温で行うとよい。
【００１０】
なお請求項４〜７においては、ＳｉＣに対して不活性な元素を注入することとしたが、請求項８に示すようにアモルファス化用ドーパントを注入してアモルファス化してもよい。例えばアモルファス化用ドーパントととしてＡｌ等を打ち込むことができる。
請求項１〜８において、気相拡散用ドーパントは請求項９に示すように、粉末あるいはガスを用いるとよい。すなわち、液体では沸騰する可能性があるため、熱処理温度において昇華する粉末、あるいは、気体（ガス）のいずれかを用いるとよい。粉末は取り扱いが容易である一方、ガスは制御が容易なので不純物濃度の制御が容易にできる。
【００１１】
こうした気相拡散用ドーパントとしては、請求項１０に示すように炭化アルミニウム（Ａｌ₄Ｃ₃）や請求項１１に示すようにホウ素（Ｂ）または炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）、請求項１２に示すようにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）または３フッカボロン（ＢＦ３）を用いることにより、ｐ型不純物領域を形成することができる。また、ｎ型不純物領域を形成する場合にも同様にｎ型の気相拡散用ドーパントを使用すればよい。
【００１２】
そして、請求項１に示すように気化した気相拡散用ドーパントをＳｉＣ基板に当てる場合に、効率を高めるため、請求項１４のようにするとよい。例えば、気化した気相拡散用ドーパントの流速方向とＳｉＣ基板の処理面の法線方向とが対向するように設置することで気化したドーパントを直接ＳｉＣ基板に当てることができる。このように直接気化したドーパントを当てることで効率よく不純物領域を形成することができる。
【００１３】
こうした炭化珪素半導体装置を製造する際のＳｉＣ基板は、例えば請求項１５に示すものを用いることができる。また、加熱は例えば請求項１６に示すもので行うことができる。こうした加熱を行う際には、請求項１３に示すように気相拡散用ドーパントとなる粉末の温度をＳｉＣ基板に比べて１００℃〜１５０℃高くするとよい。また熱処理時の圧力は請求項１７に示すように４００ｈＰａ〜８００ｈＰａの低圧状態で行うとよい。このようにすることで、アモルファス化されたＳｉＣ基板内に気相拡散用ドーパントを効率よく取り込ませることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施例に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうることは言うまでもない。
【００１５】
本実施例の炭化珪素半導体の製造方法として、図３に高温気相拡散法による製造方法を示す。本実施例の高温気相拡散法は図３に示すように、るつぼ構造の誘導加熱炉１に、ＳｉＣ粉末と不純物ドーパントとなる粉末とからなる原料２を入れ、その原料２の上方に原料２側を不純物領域を形成する面としてＳｉＣ基板３を取り付ける。そして誘導加熱炉１を誘導加熱し、原料２を２０００℃に加熱する。
【００１６】
ＳｉＣ基板３は、図１（ａ）に示すように、ｐ型不純物領域を形成すべき部分にＬＴＯを形成し、ｐ型領域の形成が必要な深さだけ、予めアモルファス化している。このアモルファス化は、ＳｉＣに対して不活性な元素であるＨｅ，Ａｒ，ＳｉまたはＣを室温でイオン注入して行っている。
【００１７】
誘導加熱炉１は、原料２を２０００℃に加熱した際にＳｉＣ基板３の温度が１９００℃になるように構成されている。また不純物ドーパントととしては、炭化アルミニウム（Ａｌ₄Ｃ₃），ホウ素（Ｂ）または炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）を用いる。
【００１８】
誘導加熱炉１を加熱し、原料２を２０００℃に加熱することで、原料２の不純物ドーパントは昇華し、昇華ガスとなって図３の矢印の向きに上昇し、ＳｉＣ基板３に直接当たる。よってＳｉＣ基板３のアモルファス化された領域に昇華ガスとなったドーパントが当たり、この領域内に不純物が拡散する。またＳｉＣ基板３も１９００℃となるためアモルファス化された領域は、不純物が拡散されながら再結晶化されて、完全な単結晶となる。
【００１９】
この高温気相拡散法では、熱処理中に継続的に不純物を供給することができるため、不純物プロファイルは図４に示すようになり、表面付近の不純物濃度を高めることができる。よって、電極との接触抵抗を低減することが可能となりデバイス特性を向上させることができる。
【００２０】
なお本実施例では不活性なガスをイオン注入することによってアモルファス化することとしたが、ドーパントを注入してアモルファス化してもよい。注入する元素のドーズ量は１×１０¹⁴ｃｍ^-2〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2とするとよい。
また不純物ドーパントは粉末として説明したが、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）または３フッカボロン（ＢＦ₃）のようなガス（気体）を用いてもよい。そして、熱処理時の圧力は４００〜８００ｈＰａとするとよい。
【００２１】
本実施例では誘導加熱炉１を用いることとしたがヒータ、ランプを用いて加熱する炉としてもよい。
次に、このような高温気相拡散法を、トレンチ型ＪＦＥＴのｐ型ゲートプロセスへの適用例を図５及び図６を参照して説明する。
【００２２】
図５（ａ）は、炭化珪素半導体装置としてのトレンチ型ＪＦＥＴの製造工程において、トレンチを形成し、チャンネルエピ膜を形成した状態を示す図である。
図５（ａ）のＳｉＣ基板表面に不純物とならない不活性な元素（Ａｒ，Ｃ，Ｓｉ，Ｈｅなど）をイオン注入で打ち込み、表面にアモルファス層を形成する（図５（ｂ）参照）。注入時の温度は常温（ＲＴ）である。
【００２３】
このようにアモルファス層を形成した状態のＳｉＣ基板を前述した誘導加熱炉１内に、アモルファス化した表面に昇華したドーパントが直接当たるようにセットして高温気相拡散法による熱処理を行う。
アモルファス化された領域（図５（ｂ）のアモルファス層）は、不純物ドーパントが拡散しやすいため、容易にｐ型不純物層が形成される（図６（ｃ）参照）。
【００２４】
ｐ型不純物領域の深さはチャネル部の電子の通り道を確保するため、深さ制御が重要となるが、アモルファス化させる領域は深さは不活性元素の加速エネルギーで制御できるため、容易に制御できる。また、高温気相拡散は１８００℃以上の高温の熱処理であるため、アモルファス化された領域は再結晶化され、完全な単結晶に戻る。したがって、欠陥のない、不純物の高活性化率を実現した不純物領域を形成できる。
【００２５】
高温気相拡散法により、図５（ｃ）の状態となったＳｉＣ基板に対して、必要な部分のみ残るようにＬＴＯデポとパターンニングを行いＳｉＣエッチングをした後、ＬＴＯを除去することで、図５（ｄ）のようなｐ型ゲートとチャネルエピ膜を得ることができる。この状態から、ｐ型不純物領域に電極となる金属を蒸着するなど、図示しない通常のＪＦＥＴ製造工程を経て、トレンチ型ＪＦＥＴを製造することができる。このように高温気相拡散法により、ｐ型不純物の高活性化を実現した欠陥のないｐ型不純物領域を形成できるため、ｐｎ接合のビルトインポテンシャルＶｂｉが理想のＶｂｉ＝２．８Ｖに近づき、チャネル部の電子の通り道が十分に確保される。また、ｐ型不純物領域の表面の電極との接触抵抗が小さくなり、デバイスのオン抵抗を低減することができ、良好なデバイス特性を得ることができる。
【００２６】
なお、図５に示したトレンチ型ＪＦＥＴのｐ型ゲート形成プロセスでは、図５（ｂ），（ｃ）に示すようにｐ型不純物領域を基板表面全体に形成した後、図５（ｄ）に示すようにパターンニングを行うこととしたが、図６に示すように、ｐ型不純物領域を形成したい部分のみがアモルファス化されるように、ＬＴＯ等でパターニングを行い（図６（ｂ）参照）、高温気相拡散法でｐ型不純物領域を形成した後（図６（ｃ）参照）、チャネルエピ膜のパターンニングを行う（図６（ｄ）参照）プロセスとしてもよい。このようなプロセスを採用した場合も図５に示して説明したプロセスによる効果と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳｉＣにおけるアモルファス化と熱処理によるｐ型不純物領域の形成方法を説明する説明図である。
【図２】従来の炭化珪素半導体装置の製造方法による不純物プロファイルを示す図である。
【図３】実施例の炭化珪素半導体装置の製造装置の断面図である。
【図４】実施例の炭化珪素半導体装置の製造方法による不純物プロファイルを示す図である。
【図５】実施例の製造方法をトレンチ型ＪＦＥＴのｐ型ゲート形成プロセスに適用した場合の例を示す図である。
【図６】図５のトレンチ型ＪＦＥＴのｐ型ゲート形成プロセスの別例を示す図である。
【符号の説明】
１…誘導加熱炉
２…原料
３…ＳｉＣ基板

Claims

基板表面をアモルファス化させた炭化珪素半導体（ＳｉＣ）基板と気相拡散用ドーパントとＳｉＣ粉末とを一緒に封入して１８００度以上に加熱する熱処理を行って、気化した気相拡散用ドーパントを前記アモルファス化させたＳｉＣ基板に当てることにより当該気相拡散用ドーパントの不純物領域を前記ＳｉＣ基板に形成すること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記不純物領域の深さは、アモルファス層の深さで制御すること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記不純物領域の形成位置は、アモルファス領域の形成位置で制御すること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記アモルファス化は、ＳｉＣに対して不活性な元素を注入して行うこと
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項４に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記不活性な元素として、Ｈｅ，Ａｒ，ＳｉまたはＣを用いること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項４または５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記不活性な元素のドーズ量は１×１０¹⁴ｃｍ^-2〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2とすること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項４〜６のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記不活性な元素の注入は室温で行うこと
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項４〜７のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記不活性な元素に代えてアモルファス化用ドーパントを用いること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜８のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記気相拡散用ドーパントは粉末またはガスであること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜９のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記気相拡散用ドーパントとして炭化アルミニウム（Ａｌ₄Ｃ₃）を用いること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜９のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記気相拡散用ドーパントとしてホウ素（Ｂ）または炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）を用いること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜９のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記気相拡散用ドーパントとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）または３フッカボロン（ＢＦ₃）を用いること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜１１のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記気相拡散用ドーパントとなる粉末の温度は、前記ＳｉＣ基板に比べ、１００℃〜１５０℃高くすること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜１３のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記気化した気相拡散用ドーパントは前記ＳｉＣ基板に直接当てるようにすること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜１４のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記ＳｉＣ基板は、４Ｈ，６Ｈまたは１５Ｒの（０００１）面（Ｃ面）もしくは（１１−２０）面（ａ面）を使うこと
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜１５のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記加熱は、誘導加熱、ヒータ、ランプの少なくともいずれか１を用いること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求項１〜１６のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記熱処理時の圧力は、４００ｈＰａ〜８００ｈＰａとすること
を特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。