JP4888219B2

JP4888219B2 - 膜形成装置および炭化珪素半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4888219B2
Application number: JP2007125607A
Authority: JP
Inventors: 淳綾; 陽一郎樽井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: JP2008282976A

Description

この発明は、炭化珪素基板上に炭化珪素膜などの膜を形成できる膜形成装置、および、炭化珪素基板上に炭化珪素膜などの膜を形成する工程を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法に係るものである。

炭化珪素半導体装置の製造工程は、通常炭化珪素基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長する工程を有し、その炭化珪素膜をエピタキシャル成長工程では、１４００℃以上に加熱された炭化珪素基板上に珪素や炭素などを含む原料ガスを流しながらエピタキシャル成長を行なう。また、炭化珪素半導体装置を製造するときに、炭化珪素基板上に炭化珪素膜以外の二酸化珪素膜等の絶縁膜を形成する場合がある。

このように炭化珪素基板上に膜形成を行なう場合、膜形成装置として化学気相成長（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置（以下ＣＶＤ装置という）を使用することが一般的である。
炭化珪素基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長する場合、従来のＣＶＤ装置においては、炭化珪素基板の炭化珪素膜をエピタキシャル成長する面を上面にして炭化珪素基板を炭素製のサセプタ上に置き、反応炉の周りに巻かれた高周波誘導加熱用コイルを用いた高周波誘導加熱により炭素製のサセプタを加熱する。このように炭素製のサセプタを加熱しながら原料ガスを供給することにより炭化珪素膜を成長させる（例えば特許文献１）。

特開２０００−１５０３９３号公報（第２頁）

このような従来のＣＶＤ装置においては、炭化珪素基板を均一に加熱することができず、したがって、炭化珪素基板上に均一な膜厚および膜質の膜を形成できない、また、均一な電気的特性などの特性を有する炭化珪素半導体装置を得ることができないという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、炭化珪素基板上に均一な膜厚および膜質の膜を形成できる膜形成装置、および、均一な電気的特性などの特性を有す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。

この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、サセプタの開口部に炭化珪素基板を配置し炭化珪素基板の膜形成面を露出させる基板配置工程と、膜形成面と反対側の表面に赤外線吸収粒子を配置する粒子配置工程と、導電層を備えた反応管の中にサセプタを導入するサセプタ導入工程と、反応管に原料ガスを流しながら導電層を誘導加熱して前記導電層から赤外線を放射させ前記赤外線を前記赤外線吸収粒子に吸収させることにより赤外線吸収粒子を加熱することによって炭化珪素基板を加熱し膜形成する膜形成工程とを備えたものである。

また、この発明に係る膜形成装置は、開口部を有し開口部に膜形成面を露出させて炭化珪素基板を配置でき膜形成面と反対側の炭化珪素基板の表面に赤外線吸収粒子を配置できる構造を有するサセプタと、サセプタを内部に導入する、導電層を備えた反応管と、導電層を誘導加熱して前記赤外線吸収粒子に吸収させる赤外線を放射させるための誘導加熱機構と、反応管に原料ガスを流動させるガス流動機構とを備え、炭化珪素基板への膜形成ができるものである。

この発明によれば、炭化珪素基板の上に均一な膜厚および膜質の膜を形成できる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における、炭化珪素基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長する膜形成装置であるＣＶＤ装置の構成を示す模式図であり、図２は図１に示した膜形成装置であるＣＶＤ装置の成膜部１の断面模式図である。

本実施の形態におけるＣＶＤ装置は、図１に示すように、成膜部１と、成膜部１にガスを供給するガス流動機構２と、成膜部１を真空または低圧にできる排気機構３を備えている。成膜部１は、図２に示すように、ガス流動機構２に接続される側が細く、ガス流動方向１８の下流側が排気機構３に接続されている、円筒状で石英製の反応管１２を有している。反応管１２の内部には炭素製の導電層１４が円筒状に設けられており、その内側には炭化珪素基板１０を配置するための炭素製のサセプタ１１が配置されている。また、反応管１２の外部にはサセプタ１１を誘導加熱するための誘導加熱機構１３である高周波誘導加熱用コイルが反応管１２を周回して設けられている。
サセプタ１１には、膜を形成する炭化珪素基板よりわずかに径の大きな開口部１５が設けられており、開口部１５の最下部は炭化珪素基板よりわずかに径が小さくなっている。サセプタ１１の開口部１５の上方から膜形成面を下方側にして炭化珪素基板をはめ込むことができ、また、炭化珪素基板の上の炭化珪素基板の膜形成面の反対側の面には赤外線吸収粒子を載せることができる。

次に、炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程である炭化珪素基板への膜形成工程の一例として、図１および図２に示した膜形成装置を用いた炭化珪素基板上への炭化珪素膜のエピタキシャル成長方法について図３〜図６を用いて説明する。

はじめに、図３に示すように、サセプタ１１の上側から膜形成面を下向きにして炭化珪素基板１０をサセプタ１１の開口部１５にはめ込みながら配置する（基板配置工程）。つづいて、図４に示すように、膜形成面の反対側の面である炭化珪素基板１０の上面に赤外線吸収粒子２０である炭素粒子を配置する（粒子配置工程）。このようにして炭化珪素基板１０をはめ込み炭化珪素基板１０上に赤外線吸収粒子２０を載せたサセプタ１１を、図５に示すように、内側に導電層１４が設けられた石英製の反応管１２に導入する（サセプタ導入工程）。

次に、反応管１２の内部を図１に示した排気機構３により排気しながら、図６に示すように、図１に示したガス流動機構２からキャリアガスとして水素ガスを反応管１２の中に流し、誘導加熱機構１３である高周波誘導加熱用コイルに交流電流を流す。誘導加熱機構１３からは磁力線が発生し、その磁力線が反応管１２の内側に設けられた導電層１４を誘導加熱する。誘導加熱された導電層１４は赤外線を放射し、その赤外線は、炭素製のサセプタ１１および炭素製の赤外線吸収粒子２０により吸収され、サセプタ１１および赤外線吸収粒子２０が加熱される。炭化珪素基板１０は、炭素製のサセプタ１１および赤外線吸収粒子２０からの熱伝導により加熱される。

上述のようにして炭化珪素基板１０を加熱し、サセプタ１１の炭化珪素基板１０の近傍に設けられた図示しない熱電対により測定される温度が炭化珪素膜のエピタキシャル成長温度に達し安定した後に、図１に示したガス流動機構２により珪素や炭素などを含む炭化珪素膜の原料ガスを供給する。原料ガスが熱分解することにより、炭化珪素基板１０上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長する（膜形成工程）。所望の膜厚の炭化珪素膜が形成できた後、図１に示したガス流動機構２からの原料ガスの供給を停止し、その後、誘導加熱機構１３の交流電流を停止する。
サセプタ１１に設けられた熱電対によって測定される温度が室温近傍にまで低下した後に、図１に示したガス流動機構２からのキャリアガスの流動および図１に示した排気機構３による排気を停止し、反応管１２からサセプタ１１を取り出す。反応管１２から取り出したサセプタ１１から、炭化珪素基板１０上の赤外線吸収粒子２０を図示しない吸引器により吸引し、つづいて、炭化珪素基板１０を取り出す。
炭化珪素膜エピタキシャル成長の条件は、圧力：２．５×１０^５Ｐａ、サセプタ１１の温度：１６００℃、炭化珪素膜の原料ガスはＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８とした。

なお、炭化珪素膜エピタキシャル成長の条件は、ここに示したものに限るものではなく、炭化珪素膜の原料ガスがＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８である場合には、圧力：１×１０^５〜４×１０^５Ｐａ程度、サセプタ１１の温度：１４００℃以上など、炭化珪素膜がエピタキシャル成長する条件であればよい。また、炭化珪素膜の原料ガスはＳｉＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８限るものではなく、珪素、炭素を含み、炭化珪素膜がエピタキシャル成長するものであれば他のガスであってもよい。
また、炭化珪素基板１０の温度および原料ガスを変更することにより、炭化珪素基板１０上に他の膜を堆積できる。例えば、原料ガスをＳｉＨ_４とＮ_２Ｏとすることにより、酸化珪素膜を炭化珪素基板１０上に形成することができる。温度の変更は、誘導加熱機構１３に流す交流電流の電流量を変更することによって行なう。キャリアガスとしては水素ガスの例を示したが、窒素ガス、Ａｒガス、Ｈｅガスなどであればいずれのガスであってもよい。

また、本実施の形態においては、赤外線吸収粒子２０として炭素粒子の例を示したが、赤外線吸収粒子２０としてはこれに限るものではなく、２〜３ミクロンの波長の赤外線に対する吸収係数の大きな材料であれば何であっても良い。また、赤外線吸収粒子２０はほぼ球状のものが望ましいが、これに限るものではない。またその直径は０．０１ｍｍ〜１ｍｍであれば良い。
さらに、本実施の形態においては、誘導加熱される導電層１４として炭素層の例を、サセプタ１１として炭素製のサセプタ１１の例をそれぞれ示したが、導電層およびサセプタ１１の材料としては高融点の導電体であればよく、高融点金属などであってもよい。
また、導電層１４が反応管１２の内部に反応管１２と離間して設けられた例を示したが、導電層１４の位置は、反応管１２の内側に接して設けられてもよい。

ところで、炭化珪素膜を炭化珪素基板１０にエピタキシャル成長する場合は、通常上述のように１４００℃以上の温度に炭化珪素基板１０およびサセプタ１１を加熱する。１４００〜１８００℃の温度で輻射される赤外線の波長は、２〜３ミクロンの波長でピークを有する波長分布を有している（非特許文献１：伝熱工学資料（改訂４版）、丸善発行、ｐｐ１５６）。しかしながら、この波長域の赤外線、中でも波長域２ミクロン前後の赤外線を、炭化珪素という材料はほとんど吸収しない（非特許文献２：ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＭａｔｅｒｉａｌｓ、ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、Ｉｎｃ．、ｐｐ１２７）。そのため、炭素製の導電層１４や炭素製のサセプタ１１からの赤外線の輻射加熱による炭化珪素基板１０の加熱効果は少ない。

また、特許文献１に示された従来例のように、板状の炭素製のサセプタに炭化珪素基板を載せてサセプタを誘導加熱する場合、サセプタと炭化珪素基板との表面は平坦になるよう加工されているが、両者の表面の加工精度には限界があるため、両者が対向面全面で接触するわけではなく、接触点は数点程度（理論的には３点）となる。そのため、サセプタから炭化珪素基板への熱伝導は、両者が接触している箇所を経由したサセプタ−炭化珪素基板間の固体−固体間伝導加熱と、両者が接触していない箇所における、原料ガスを介した固体−気体−固体間伝導加熱によることになる。

このために、固体−固体間の熱伝導においては、炭化珪素基板とサセプタとの接触点数および接触箇所が変動することにより炭化珪素基板の各位置に伝わる熱量が変動する。また、固体−気体−固体の熱伝導においては、炭化珪素基板とサセプタとの平面度の良否によりそれぞれの点での炭化珪素基板とサセプタとの間の距離が変化し実効的な熱伝導率と加熱状態が変化することとなる。したがって、炭化珪素基板の各位置における温度にばらつきが生じる。

一方、本実施の形態における膜形成装置によれば、誘導加熱された導電層１４から放射された赤外線を吸収し加熱された多数の赤外線吸収粒子２０から多くの接触点を経由して炭化珪素基板１０に熱が伝わるために、炭化珪素基板１０は均一に加熱され、炭化珪素基板１０の各位置における温度を均一にできる。さらに、図７に示すように炭化珪素基板１０が重力により下方にたわんだ場合であっても均一に炭化珪素基板１０を加熱できる。このように、炭化珪素基板１０が均一に加熱され、均一な温度になるため、原料ガスの熱分解により膜が形成されるＣＶＤ装置においては、炭化珪素基板１０上に均一な膜厚で均一な膜質の炭化珪素膜を形成できる。
また、本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、上記のように炭化珪素基板１０上に均一な膜厚で均一な膜質の炭化珪素エピタキシャル成長膜を形成できるため、この膜を形成した炭化珪素半導体装置はその電気的特性が面内でそろったものとなる。

このように、本実施の形態における膜形成装置によれば、炭化珪素基板上に均一な膜厚で均一な膜質の膜を形成できる。また、本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、電気的特性が均一な炭化珪素半導体装置を得ることができる。

実施の形態２．
図８は、この発明を実施するための実施の形態２における膜形成装置および炭化珪素半導体装置の製造方法において、炭化珪素基板上に炭化珪素膜をエピタキシャル成長するための膜形成装置（ＣＶＤ装置）の成膜部の膜形成時における断面模式図を示すものである。図８において、炭化珪素基板１０をはめ込んだサセプタ１１が、炭化珪素基板１０の膜形成面が石英製の反応管１２の原料ガスのガス流動方向１８の上流側に向けて傾けて設けられており、炭化珪素基板１０上には赤外線吸収粒子２０である炭素粒子が炭素粒子の直径分の厚さ分、つまり１層分載せられていること以外は、実施の形態１における図６と同様であるので説明を省略する。図８において、反応管１２の側壁に対する炭化珪素基板１０の膜形成面の角度は約１５°であったが、この角度は５〜４５°など赤外線吸収粒子２０がこぼれ落ちない角度であればよい。

本実施の形態における膜形成装置によれば、炭化珪素基板１０をはめ込んだサセプタ１１が反応管１２の原料ガスのガス流動方向の上流側向けて傾斜して設けられていることにより、炭化珪素基板１０の膜形成面に対して原料ガスが均等に当たる。また、赤外線吸収粒子２０が基板面内に均等に１層分載せられているため、炭化珪素基板１０に伝導される熱が基板面内で均一になる。そのため、炭化珪素基板１０上に形成される炭化珪素膜はより均一な膜厚で均一な膜質なものとなる。したがって、本実施の形態における膜形成装置によれば、炭化珪素基板上に均一な膜厚で均一な膜質の膜を形成できる。
また、本実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、上記のように均一な膜厚で均一な膜質の膜を形成できるため、電気的特性が均一な炭化珪素半導体装置を得ることができる。

実施の形態３．
図９は、この発明を実施するための実施の形態３における炭化珪素半導体装置を示す断面図であり、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の例を示したものである。
図９において、ｎ型炭化珪素基板３０の膜形成面にエピタキシャル成長したｎ型炭化珪素ドリフト層３１の中に、イオン注入により形成されたｐ型ベース領域３２およびｎ型ソース領域３３が設けられ、ｎ型ソース領域３３の上にソース電極３６が、イオン注入されていないｎ型炭化珪素ドリフト層３１の上にゲート絶縁膜３４およびゲート電極３５が設けられている。また、ｎ型炭化珪素基板３０の膜形成面の反対側の面にはドレイン電極３７が設けられている。

次に、図９を用いて本実施の形態の炭化珪素半導体装置である炭化珪素ＭＯＳＦＥＴの製造方法を順に説明する。
まず、実施の形態１に示した炭化珪素基板への膜形成工程である炭化珪素膜のエピタキシャル成長工程により、ｎ型炭化珪素基板３０上に厚さ５〜５０μｍのｎ型炭化珪素ドリフト層３１を形成する。続いて、ｎ型炭化珪素ドリフト層３１中の所定の間隔に離間した部位に、フォトリソグラフィー技術を用いて注入マスクを形成し、アルミニウム（Ａｌ）をイオン注入して、一対のｐ型ベース領域３２を形成する。ｐ型ベース領域３２の厚さはｎ型炭化珪素ドリフト層３１の厚さを超えないものとし、注入したＡｌの濃度はｎ型炭化珪素ドリフト層３１中のｎ型の不純物濃度を超えるものとする。
さらに、ｎ型ソース領域３３の形成に用いるイオン注入マスクを形成し、ｎ型不純物の窒素（Ｎ）イオン注入を行ない、ｎ型ソース領域３３を形成する。このとき、ｎ型ソース領域３３の厚さはｐ型ベース領域３２の厚さを超えないものとする。また、ｎ型ソース領域３３中のｎ型の不純物濃度は、例えば１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３であればよい。

次に、上述のような処理を行なった炭化珪素基板を熱処理装置によってたとえば１３００〜１９００℃の高温で３０秒〜１時間程度熱処理する。続いて、ｎ型炭化珪素ドリフト層３１およびｐ型ベース領域３２、ｎ型ソース領域３３の上に二酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜３４を形成する。次に、ゲート絶縁膜３４上にｎ型多結晶珪素であるゲート電極３５を成膜しフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングする。ゲート電極３５は、一対のｐ型ベース領域３２およびｎ型ソース領域３３が両端部に位置し、ｐ型ベース領域３２間に露出したｎ型炭化珪素ドリフト層３１が中央に位置するような形状にパターニングされる。さらに、各ｎ型ソース領域３３上のゲート絶縁膜３４の残った部分はフォトリソグラフィー技術を用いたパターニングとエッチングによって除去する。そして、ｎ型ソース領域３３が表面に露出した部位にソース電極３６を成膜およびパターニングする。また、ｎ型炭化珪素基板３０上の裏面側にドレイン電極３７を形成する。なお、ソース電極３６とドレイン電極３７の素材としては、アルミニウムやニッケル、チタン、金などやそれらの複合物などでもよい。また、ｎ型ソース領域３３及びｎ型炭化珪素基板３０との接触抵抗を下げるために、ソース電極３６及びドレイン電極３７を形成した後に１０００℃程度の熱処理を施してもよい。

このようにして製造した炭化珪素半導体装置である炭化珪素ＭＯＳＦＥＴは、均一な温度でｎ型炭化珪素基板３０上に基板内の膜厚が均一で、かつ、膜の物理的な特性も均一なｎ型炭化珪素ドリフト層３１を形成できるため、絶縁耐圧などの電気的特性が均一で優れた特性の炭化珪素半導体装置となる。

この発明の実施の形態１における膜形成装置の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態１における膜形成装置の成膜部を示す断面模式図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す膜形成装置の断面模式図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す膜形成装置の断面模式図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す膜形成装置の断面模式図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造工程を示す膜形成装置の断面模式図である。この発明の実施の形態１における膜形成装置の成膜部の一例を示す断面模式図である。この発明の実施の形態２における膜形成装置の成膜部を示す断面模式図である。この発明の実施の形態３における炭化珪素半導体装置の断面模式図である。

符号の説明

１０炭化珪素基板、１１サセプタ、１２反応管、１３誘導加熱機構、１４導電層、２０赤外線吸収粒子、３０ｎ型炭化珪素基板、３１ｎ型炭化珪素ドリフト層、３２ｐ型ベース領域、３３ｎ型ソース領域、３４ゲート絶縁膜、３５ゲート電極、３６ソース電極、３７ドレイン電極。

Claims

サセプタの開口部に炭化珪素基板を配置し膜形成面を露出させる基板配置工程と、
前記膜形成面と反対側の表面に赤外線吸収粒子を配置して粒子層を形成する粒子配置工程と、
導電層を備えた反応管の中に前記サセプタを導入するサセプタ導入工程と、
前記反応管に原料ガスを流し、前記導電層を誘導加熱して前記導電層から赤外線を放射させ前記赤外線を前記赤外線吸収粒子に吸収させることにより前記赤外線吸収粒子を加熱し前記赤外線吸収粒子の熱を前記炭化珪素基板に伝達して前記炭化珪素基板を加熱し、膜形成する膜形成工程とを備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
粒子層の厚さは、赤外線吸収粒子の平均粒径であ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。
サセプタは、炭化珪素基板の膜形成面を原料ガスの流動方向の上流側に向けて傾斜させて配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
開口部を有し、膜形成面を露出させて前記開口部に炭化珪素基板を配置し、前記膜形成面と反対側の前記炭化珪素基板の表面に赤外線吸収粒子を配置するサセプタと、
前記サセプタを内部に導入する、導電層を具備する反応管と、
前記導電層を誘導加熱して前記赤外線吸収粒子に吸収させる赤外線を放射させるための誘導加熱機構と、
前記反応管に原料ガスを流動させるガス流動機構とを備えたことを特徴とする膜形成装置。
サセプタは、炭化珪素基板の膜形成面を原料ガスの流動方向の上流側に向けて傾斜して前記炭化珪素基板を配置することを特徴とする請求項４に記載の膜形成装置。