JP5190451B2 - 炭化ケイ素基板を有する半導体デバイスのアニール方法 - Google Patents
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Description
(Phys.Stat.Sol.(a)Vol.162(1997),p,263,T.Kimoto,N.Inoue and H.Matsunami)
炭化ケイ素(SiC)半導体デバイスにおける不純物制御には、イオン注入装置により炭化ケイ素(SiC)基板に不純物となるイオンを必要な部分に注入する。次に、炭化ケイ素(SiC)基板は、高周波誘導加熱装置等の高温アニール装置を用いて、不純物を活性化するためのアニール処理が行われる。(特開2004−311696号公報参照)
そこで、本発明は上記問題点を解決することを目的としたものであり、表面平坦性(RMS値)が6.0nm以下となるような炭化ケイ素(SiC)基板を含むデバイスのアニール方法を提供することを目的とするものであり、さらに、このアニール方法を用いて表面平坦性(RMS値)を2nm以下、好ましくは1nm以下に維持しつつ、高い電気的活性化を実現可能な半導体デイバスを提供することを目的とする。
本発明に従う炭化ケイ素(SiC)基板を含むデバイスのアニール方法は、炭化ケイ素(SiC)基板に不純物添加領域を形成する工程と、炭化ケイ素(SiC)基板の不純物添加領域をアニールする工程とからなり、アニールする工程におけるアニール雰囲気のH2Oの分圧が10−2Pa以下とされている。
1つの実施例では、前記炭化ケイ素(SiC)基板はエピタキシャル炭化ケイ素(SiC)結晶層を表面層として有し、炭化ケイ素(SiC)結晶層内に不純物添加領域が形成されている。
アニールする工程の雰囲気は、H2Oの分圧を10−3Pa以下にすることが更に好ましい。
アニールする工程において、不純物注入された炭化ケイ素(SiC)基板をキャップで覆いアニールすることが好ましい。
アニール工程は真空排気可能な真空容器内で行われ、1つの実施例では、真空容器内の圧力が10−4Pa以下になるように真空排気されている。
炭化ケイ素(SiC)基板と基板内の不純物添加領域とを含む半導体デバイスであって、炭化ケイ素(SiC)基板の表面平坦性がRMSで2nm又は、より好ましくは1nm以下である半導体デバイスが提供され、1つの実施例では、半導体デバイスはMOS電界効果トランジスタである。
発明の効果
この発明にかかる炭化ケイ素(SiC)基板を含むデバイスの活性化アニール方法は、真空容器内の残留H2Oの分圧が10−2Pa以下となるよう設定し、アニールを行うことにより、炭化ケイ素(SiC)基板の表面平坦性(RMS値)≦2nmとすることが可能となるという効果を奏する。
更に、真空容器内の残留H2Oの分圧が10−3Pa以下となるに設定し、アニールを行うことにより、表面平坦性(RMS値)≦1nmを維持しつつ、高い電気的活性化を容易に実現できる半導体デバイスを形成できるという効果がある。
一般的に、単結晶炭化ケイ素(SiC)基板はまだ品質に疑問があるため、SiCエピタキシャル成長炉でエピタキシャル成長を単結晶SiC基板表面上に行った後に、そのSiCエピタキシャル層中にデバイスを形成する。炭化ケイ素(SiC)は、結晶タイプが3C、4H、6Hと複数存在するため、結晶性を揃えたホモエピタキシャル成長を行うために、結晶をC軸面に対して4度または、8度オフさせた炭化ケイ素(SiC)基板が用いられる。(ステップフロー成長:Ext.Abst.19th Conf.Solid State Devices and Materials(Tokyo,1987)227,N.Kuroda,K.Shibahara,W.S.Yoo,S.Nishino and H.Matsunami)
第1A図に示す、単結晶炭化ケイ素(SiC)基板1上にSiCエピタキシャル層2のを成長させる工程を述べる。1300℃程度でHCl(流量1mL/分)により単結晶SiC基板表面をエッチングし、ダメージ層を除去する。次に、1500℃程度で原料ガスとしてSiH4(50sccm、1.0%H2希釈)とC3H8ガス(33sccm、1.0%H2希釈)を、キャリアガスとしてH2ガス(流量3sLm)を用いて、炭化ケイ素(SiC)のエピタキシャル層を成長(成膜速度3マイクロン/時)させる。この際、ドーピングガスとして窒素ガス(6sccm、0.5%H2中)を流すとn型エピタキシャル層になる。上記の工程により、単結晶炭化ケイ素(SiC)基板1上に炭化ケイ素(SiC)エピタキシャル層2(膜厚10マイクロン)を形成する。尚、本願明細書では、単結晶炭化ケイ素(SiC)基板と単結晶基板上にエピタキシャルSiC層が形成されている第1A図の構造体全体も、炭化ケイ素(SiC)基板と総称する。
第2図は、SiC基板にデバイス製造のためウエル領域やコンタクト領域を選択的に形成するためのイオン注入装置を示す。本発明に用いるイオン注入装置の動作は以下の通りである。
イオンガン20中のイオン源21にてフィラメントやプラズマを用い注入したい不純物材料をイオン化する。プラズマ(励起されたイオン種)を引き出し電極22でビーム状に引き出す。分析マグネット23又は分析管で注入したい不純物イオンだけを取り出す。加速管24でイオン源1とエンドステーション201間の加速電圧により、注入エネルギーを決める。(注入エネルギーで注入深さが決定する。)ビーム25は、イオン流入領域を露出させたマスクを有するウェハ26面内に均一に注入できるように、スキャンさせる。エンドステーション201では、均一性を向上させるために回転させたり、結晶性を維持するために高温にすることも可能である。本発明に用いたSiC基板への不純物の注入プロセスは以下に示す通りである。
SiCエピタキシャル層を有する4H−SiC(0001)4度オフ基板を、熱酸化炉で1150℃30分間酸化した後、フッ酸処理を行い清浄な表面を出す。汚染防止のために再度熱酸化炉でスルー酸化膜10nmを形成する。第2図のイオン注入装置で不純物を注入する。エンドステーション201にSiC基板サンプル26を載置する。室温のまま注入しても良いが、結晶性維持の観点からサンプル温度を300℃〜800℃に加熱する場合もある。不純物としてTMA(テトラメチルアルミニウム)をソースとして、プラズマにて励起し、引き出し電極22と分析マグネット23で、注入するAlイオンを引き出す。
イオン源21とエンドステーション201間の引き出しエネルギーにて注入深さを制御し、イオン電流量にて注入量を制御する。(エネルギーと電流量の組み合わせを注入スケジュールと呼び、これで注入プロファイルを制御する。)注入したSiC基板サンプル26は、フッ酸処理を行いスルー酸化膜を除去してから活性化アニールを行う。
上記に示す工程により、第1B図に示すような、SiCエピタキシャル層2内にAl不純物のイオン注入された領域4が形成される。即ち、犠牲酸化、フッ酸処理を行った後、炭化ケイ素(SiC)エピタキシャル層上にSiO2等によるマスク3を設け、炭化ケイ素(SiC)エピタキシャル層2内に、不純物注入領域4(ウエル領域やコンタクト領域)を選択的に形成するため第2図に示すイオン注入装置等により、不純物とすべきアルミニウムイオンを注入する。
なお、本実施例では、不純物としてTMA(テトラメチルアルミニウム)をソースとして、プラズマにて励起し、引き出し電極と分析管で、注入するAlイオンを引き出す場合を示したが、アルミニウムターゲットをソースとして、プラズマにて励起し、引き出し電極と分析管で、注入するアルミニウムイオンを引き出すことも可能である。
第3図は、アニーリングを行う加熱処理装置の断面図である。加熱処理室30は、内壁鏡面仕上げにより反射率を高めたアルミニウム製で、流体流動部31に冷却用流体が流動可能にされている水冷アルミ製のアルミチャンバである。この加熱処理室31は、10−2Pa程度の真空に排気可能になっているが、大気圧状態において加熱処理を行うことも可能である。
サセプタ32内には加熱手段33が内蔵されており、サセプタ32の第3図中上側にある基板支持部の上側に加熱処理を受ける炭化ケイ素(SiC)基板34が置かれる。上側面に炭化ケイ素(SiC)基板34が置かれるサセプタ支持部には図示のようなセンサ35が配備されており、これによって、加熱温度が検知されるようになっている。加熱手段33として、本図は電子衝撃加熱用の熱電子発生手段を示しているが、他に赤外線ランプ加熱用の赤外線ランプまたは、高周波誘導加熱用高周波誘導コイルなどを採用してもよい。サセプタ32の内部は、加熱処理室とは別系統の真空ポンプ等の排気手段によって、常時10−2Pa程度以下の真空に排気可能になっている。
次に、マスクを除去した後、打ち込んだ不純物はそのままでは電気的に不活性化であるため、活性化するため、第3図に示す様な加熱処理装置を用いて活性化アニールを行う(第1C図)。一般に炭化ケイ素(SiC)におけるp型不純物の活性化には、n型不純物のそれと比較して、より高温でアニールする必要があり、(1)炭化ケイ素(SiC)表面がステップバンチングと呼ばれる表面荒れが第4図に示すように生じていた。それを防ぐため、従来技術としてアニーリングの際に、第1D図(国際公開番号WO2006/043530号公報参照)に示すように加熱処理装置のサセプタ32の基板支持上のSiC基板の基板表面をキャップ5で覆った後、アニールを行う場合がある。(2)又、他の手法として第1E図に示すように、炭化膜(Materials Science Forum Vols.483−485(2005)pp.599−604,Y.Negoro T.Kimoto and H.Matsunami)、Si、AlN膜(Journal of Applied Physics Vol.86(1999)pp.746−751,Evan M.Handy,Muluri V.Rao,K.A.Jones,M.A.Derenge,P.H.Chi,R.D.Vispute,T.Venkatesan,N.A.Papanicolaou and J.Mittereder)などのキャップ層6をエピタキシャル層3上に成膜し、エピタキシャル層3を覆った状態でアニールする場合がある。(3)又、更に他の手法として、第1F図に示すようにSiH4添加(MRS Spring(2004),S.Rao,S.E.Saddow,F.Bergamini,R.Nipoti,Y.Emirov and A.Agarwal)や炭化ケイ素(SiC)容器(Materials Science Forum Vols.483−485(2005)pp.621−624,M.Rambach,A.J.Bauer,L.Frey,P.Friedrichs and H.Ryssel)等を使用してアニールする場合がある。
しかしながら、上記の炭化ケイ素(SiC)基板の注入不純物活性化アニール方法では以下に示すような問題がある。
第1E図のような炭化膜、Si、AlN等のキャップ層6を炭化ケイ素(SiC)基板表面に成膜する方法が提案されているが、前後の工程数を増加させ、製造コストの上昇を引き起こしている。第1F図のようなSiH4添加や炭化ケイ素(SiC)容器34等(第1F図)を使用することで表面荒れの抑制が報告されているが、再現性や制御性に問題があった。又、アニール装置内部部品に放出ガスを抑制する部品を用い、真空でアニールすることで表面荒れを抑制できる可能性が見いだされたが、単なる減圧下という条件だけでは、注入種や注入条件によっては、再現性などの点で充分ではなかった。
本願発明者は、真空ポンプにより、第2図のエンドステーション20の真空容器内の圧力を10−5Pa以下になるように真空排気し、真空容器内の残留H2Oの分圧が10−2Pa以下となるように設定した状態でアニール(Ex.1800℃)すると、表面平坦性(RMS値)が6nmよりもかなり低い2nm程になることを見出した。更に、真空容器内の残留H2Oの分圧が10−3Pa以下となるに設定し、この状態でアニール(Ex.1800℃度)すると、活性化率が約80%、RMSが0.8nmとなり、表面平坦性(RMS値)を1nm以下に維持しつつ高い電気的活性化を実現できた。即ち、H2Oを極力減少させた雰囲気にすると、より高温で高い電気的活性化を実現させても、表面平坦性が維持できることが見出された。本明細書中に記載の「活性化率」とは、注入した不純物がどれだけのキャリア(電子やホール)を出しているかを示す率をいう。なお、本実施例においては、Ex.1800℃でアニールする場合を示したが、1500℃から2200℃の範囲でアニールすることも可能である。1500℃を超える高温下におけるアニールでは、2H2O + SiC ⇒ SiO↑ + CO↑ + 2H2↑ と言うエッチング反応により表面がエッチングされ、Ar大気圧中で、5Nの高純度Arガスを用いても、H2O分圧は1Pa程度あり、上記反応確率が1000倍高く、結果として表面が荒れてしまうと考えられる。
第5図は残留H2O分圧と表面荒れの関係を示すグラフである。第5図のグラフから約10−2PaのH2O分圧雰囲気で表面平坦性が2nm、そして約10−3PaのH2Oの分圧の雰囲気で表面平坦性が1nmに抑制されていることがわかる。高純度Arを導入した大気圧アニールや、減圧下アニールでも若干の表面荒れの改善が見られたが、表面平坦性(RMS値)<2nm又は<1nmの実現には、高温下において炭化ケイ素(SiC)基板と残留水分の反応によりエッチングされ表面が荒れてしまっていた。本発明においては、残留H2Oの分圧を10−2Pa又は10−3Pa以下に達成する雰囲気を作り出すことによって、高温下においても炭化ケイ素(SiC)と残留水分の反応確率を大幅に低減でき、エッチング反応を抑制できることから、結果的に表面平坦性(RMS値)2nm以下好ましくは1nm以下を維持しつつ、高い電気的活性化を容易に実現される。
なお、本発明で実施した表面平坦性(RMS)の具体的測定方法は以下に示すとおりである。
1.測定装置:原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)
メーカー名 SII(セイコーインスツルメンツ株式会社)
2.型名 NPX200M0001
観察ヘッド NPX200
コントローラー Nanopics 2100
3.測定方法
ダンピングフォースモード(DFM)でスキャン
(一定の振幅で周期的に振動する探針を炭化ケイ素(SiC)基板試料表面に近づけ、その振幅の減推量が一定のとなるようにカンチレバーと試料表面の距離を制御するモード)
4.測定領域は、4×4μm2。
第6図は、本発明のアニール方法を実施しる他の加熱処理装置60の断面図であり、第7A図〜第7D図は第6図の覆い体(キャップ)を説明する斜視図である。
第1D図(国際公開番号WO2006/043530号公報参照)に示すような加熱処理装置と異なり、第6図に示す加熱処理装置においては、覆い体(キャップ)61と加熱処理室壁62との間に形成される空間部64と、加熱処理室内の空間部64とを連通する通気部である透孔65が覆い体(キャップ)61の周壁55に形成されていることにより、加熱手段67で加熱処理される炭化ケイ素(SiC)基板63周辺のコンダクタンスが大きくされている。
これによって、真空ポンプによる真空排気により、第6図記載の加熱処理室内の圧力を10−5Pa以下になるように真空排気し、加熱処理室内の残留H2Oの分圧が10−2Pa以下、好ましくは10−3Pa以下となるようにした雰囲気で、このような透孔65のある覆い体(キャップ)により、炭化ケイ素(SiC)基板63をより均一に加熱でき、充分な活性化を実現できる。
第7A図のキャップ70Aは、円筒状のキャップの周壁70Aの下に脚部70A2を設け、脚部と脚部との間が透孔となる。第7B図のキャップ70Bは、円筒状のキャップの周壁70B1に孔70B2を設け、孔70B2が透孔となる。第7C図のキャップ70Cは、円筒状の頂板70C1に孔70C2を設け、孔70C2が透孔となる。第7D図のキャップ67は、網70D1によって円筒体を形成し、網目が透孔となる。
次に、第8A図〜第8B図を参照し、炭化ケイ素(SiC)基板81の不純物注入されたウエル領域82のアニール方法を説明する。
犠牲酸化、フッ酸処理を行った後、炭化ケイ素(SiC)基板81上にSiO2等を成膜し、リソグラフィとドライエッチングによりマスク83を設け、炭化ケイ素(SiC)基板81内に、ウエル領域82を選択的に形成するため第2図に示すイオン注入装置等により、不純物とすべきアルミニウムイオンを注入する(第8A図を参照)。
なお、本実施例では、不純物としてTMA(テトラメチルアルミニウム)をソースとして、プラズマにて励起し、引き出し電極と分析管で、注入するAlイオンを引き出し、イオン注入を行ったが、アルミニウムをソースとして、プラズマにて励起し、引き出し電極と分析管で、注入するアルミニウムイオンを引し、イオン注入を行うことも可能である。
マスクを除去し、ウエル領域を活性化するため、第1D図、第3図又は第6図に示す加熱処理装置を用いてアニールする(第8B図を参照)。
なお、本実施例においては、1800℃度でアニールしたが、1500℃から2300℃の範囲でアニールすることも可能である。
第9図に、本発明による炭化ケイ素(SiC)−DMOSFET製造のプロセスフロー(a)〜(p)を示す。ステップ(a)においてSiCエピタキシャル層の形成されたSiC基板91を用意する。ステップ(b)で2つのp−ウエルを形成するためのSiO2マスク92をパターン形成する。ステップ(c)にてAlイオン注入をp−ウエル領域93に注入する。ステップ(d)にてSiO2マスク92を除去する。ステップ(e)にて、2つのp−ウエル間を露出したチャネル用SiO2マスク94をパターン形成する。ステップ(f)にて、チャネルにNイオンを注入してチャネル95を形成する。ステップ(g)にて、チャネル用SiO2マスク94を除去する。ステップ(h)にて、p−ウエルの一部を露出するn+コンタクト形成用SiO2マスク96を形成する。
ステップ(i)にて、Pイオンをコンタクト領域97に注入してn+コンタクト97を形成する。ステップ(j)にて、n+コンタクト用SiO2マスク96を除去する。ステップ(h)にて、+Pコンタクト用SiO2マスク98をp−ウエルでn+コンタクト領域を露出するよう形成する。ステップ(l)にて、AlイオンをP+コンタクト領域99に注入してP+コンタクト99を形成する。ステップ(m)にて+Pコンタクト用SiO2マスク98を除去する。ステップ(n)にて、SiC基板のSiCエピタキシャル層に形成された不純物領域93、95、97及び99を本発明に従う前述してきた雰囲気にて活性化アニールする。ステップ(o)にて、アニール後のSiC基板表面にゲート酸化膜100を形成する。本発明によるアニール処理により平坦度の高い状態の表面にゲート酸化膜の信頼性を失わず、又チャネル移動度の低下を防ぐことになった。最後にステップ(p)にて、ソース電極101を、ゲート電極102、ソース電極103及びドレイン電極104を形成し、SiC−DMOSFETの構造を完成させる。
なお、本明細書中に記載の「ドーズ量」とは、イオン注入を用いて不純物を半導体基板に打ち込む時の添加量をいい、イオンのビームエネルギーとビームの照射時間によって決まるものをいう。
上述に示したpウエル領域、p+コンタクト領域の形成のほか、燐(P)や窒素(N)を注入するn+コンタクト領域、チャネル領域の形成等にも適用させることで、第9図に示すような炭化ケイ素(SiC)MOSFETの製作が可能となる。
また、RMSが0.6nmになると、MOSFETにおけるゲート酸化膜の信頼性の低下やチャネルモビリティの低下やpn接合におけるリーク電流の増加などの問題生じない。
Claims (4)
- 炭化ケイ素(SiC)基板(1)に不純物をイオン注入して該基板(1)に不純物添加領域を形成する工程と、前記炭化ケイ素(SiC)基板(1)の該不純物添加領域を活性化するためにアニールする工程とを有する炭化ケイ素(SiC)基板を含むデバイスのアニール方法であって、
前記アニールする工程におけるアニール雰囲気のH2Oの分圧が10−2Pa以下である、炭化ケイ素(SiC)基板を含み、
前記アニールする工程において、不純物注入された前記炭化ケイ素(SiC)基板(1)を透孔(65)を有するキャップ(61)で覆いアニールすることを特徴とする
デバイスのアニール方法。 - 前記炭化ケイ素(SiC)基板(1)はエピタキシャル炭化ケイ素(SiC)結晶層(2)を表面層として有し、前記炭化ケイ素(SiC)結晶層内に不純物添加領域が形成されている請求項1に記載のアニール方法。
- 前記アニールする工程において、H2Oの分圧を10−3Pa以下にしてアニールすることを特徴とする請求項1又は2記載のアニール方法。
- 前記アニール工程を真空排気可能な真空容器内で行い、該真空容器内の圧力が10−4Pa以下になるように真空排気したことを特徴とする請求項1から請求項3記載のアニール方法。
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