JP5478041B2

JP5478041B2 - アニール装置、熱処理方法

Info

Publication number: JP5478041B2
Application number: JP2008217510A
Authority: JP
Inventors: 三郎清水; 和也塚越
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: JP2010056183A

Description

本発明はＳｉＣ半導体基板を熱処理する技術に係り、特に、熱処理の際のＳｉＣ半導体基板の表面荒れを防止する技術に関する。

シリコン・カーバイドと呼ばれるＳｉＣ材料は、セラミックス材料として、ディーゼルエンジンの排ガス用フィルターや高温ファンの羽根等の使用環境が高温の部品に使用されているが、近年では、シリコンに比べて高耐圧、低損失で、素子の消費電力を低減することができることから、高性能半導体材料として注目されている。

特に、パワー半導体に使用した場合、シリコンよりも熱伝導率が高いので冷却のためのファンが不要になったり高温でも使用できる等、熱伝導性、耐熱性に優れる他、耐薬品性、耐放射線性にも優れており利点は多い。

しかし、ＳｉＣ半導体素子としてショットキーダイオードは初期から試作されているものの、主流と目されるＭＯＳＦＥＴは近年漸く試作された。
ＭＯＳＦＥＴの作成が困難な理由は、第一に半導体素子中を流れる電流を制御するチャネル部の抵抗が高いことであり、第二はＳｉＣウエハーの欠陥の密度が高いことが挙げられる。
ｎ型ＳｉＣの形成にはリン（Ｐ）等のＶ族元素不純物をＳｉＣに添加する必要があるが、これらの不純物の熱拡散係数は極めて小さく、Ｓｉ素子製造で従来から使われている熱拡散法ではＳｉＣ内に導入できない。

そこで不純物を導入するために、不純物をイオン化し、イオン注入する技術が使用されているが、イオン注入後、ＳｉＣ半導体基板をアニール処理し、注入にともなって導入された結晶欠陥を回復させ、かつドーピングされた不純物原子を電気的に活性化させるアニール処理が行なわれる。

ＳｉＣ半導体基板中の不純物の活性化のためには、通常１５００℃以上の高温が必要とされている。しかし、このような高温においては、ＳｉＣ半導体基板自体の表面からＳｉが脱難し、表面荒れが生じてしまう。

このような表面荒れが生じたＳｉＣ半導体基板を用いてＭＯＳデバイスを作成した場合、チャンネル部上の酸化膜とＳｉＣの界面が平坦でなくなるため、電子の移動度が低くなり、デバイス特性を低下させてしまう。したがって、アニール後のＳｉＣ半導体基板の表面はできるだけ平坦であることが望ましい。

このため、従来技術では、１）アニール温度までの温度上昇時間及びアニール後の温度降下時間を極力短くして表面荒れを抑える方法や、２）ＳｉＣ半導体基板のイオン注入層の表面に、カーボンあるいはＤＬＣ膜等の保護膜を形成した状態でアニール処理を行ない、保護膜によってＳｉの脱離を防止する方法が用いられている。

しかし、１）の方法においては、昇温、あるいは降温時間を短くしても、温度を高温に保持するアニール時にどうしても表面荒れが生じてしまう。また、降温速度を大きくすると、ＳｉＣ半導体基板が割れ易いという新たな問題を生じてしまう。
また、２）の方法においては、保護膜の形成や除去のための工程が必要となるため、プロセスが非常に煩雑になってしまうという問題点があった。
特開２００６−３３９３９６号公報特開２００１−６８４２８号公報

本発明の課題は、不純物がイオン注入されたＳｉＣ半導体基板を高温に保持してアニールする際に、ＳｉＣ半導体基板表面からのＳｉ原子の蒸発にともなって引き起こされるウエハー表面荒れを抑制し、平坦な表面を保ったままドーピングされた不純物原子を電気的に活性化させる技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、前記真空槽の内部雰囲気を真空排気する真空排気系と、前記内部雰囲気に希ガスを導入するガス導入系と、前記真空槽内部に配置され、複数のＳｉＣ半導体基板からなる加熱対象物を保持する保持部材と、前記保持部材に保持された前記各加熱対象物を加熱する加熱装置を有するアニール装置であって、前記保持部材は、支柱と、複数枚の支持板とを有し、前記各支持板は、間隔を空けて積み重なるように前記支柱に取り付けられ、前記加熱対象物は、隣接する２枚の前記支持板間の空間である配置空間に、下方の前記支持板の表面に接触し、上方の前記支持板の裏面と離間して対面するように配置され、前記支持板間の間隔は、前記加熱対象物の上面と前記支持板の裏面との距離が１ｍｍ以上５ｍｍ以下になるよう設けられ、前記支持板には、前記支持板裏面の少なくとも前記加熱対象物と対面する部分にＳｉＣが露出され、前記配置空間は、前記真空槽の内部雰囲気であって前記保持部材の外部雰囲気である外部空間に前記支柱の間で接続され、前記加熱対象物と前記支持板との間の隙間に、前記ガス導入系から導入した希ガスと、前記支持板から放出されたＳｉ原子との流れが形成され、前記支持板から放出されるＳｉ原子は、前記配置空間から排気されるアニール装置である。
本発明は、複数枚のＳｉＣ半導体基板を同時に加熱して熱処理を行う熱処理方法であって、複数枚の支持板が間隔を空けて積み重ねられた保持部材の、隣接する前記支持板間の空間である配置空間に前記ＳｉＣ半導体基板を配置し、前記ＳｉＣ半導体基板の表面を、上方の前記支持板のＳｉＣが露出する部分と１ｍｍ以上５ｍｍ以下離間して対面させ、前記配置空間を、前記保持部材の外部雰囲気である外部空間に接続した状態で、前記保持部材の前記外部空間の真空排気と前記外部空間への希ガスの導入とを行って前記外部空間を１．３×１０ ² Ｐａ以上４.０×１０ ⁴ Ｐａ以下の圧力にしながら前記ＳｉＣ半導体基板と前記支持板とを加熱し、前記ＳｉＣ半導体基板と前記支持板との隙間に、ガス導入系から導入した希ガスと、前記支持板から放出されたＳｉ原子との流れを形成し、前記支持板から放出されるＳｉ原子を、前記配置空間から排気する熱処理方法である。

ＳｉＣ半導体基板表面荒れが防止されるので、高速動作するＭＯＳＦＥＴを形成できるＳｉＣ半導体基板が得られる。イオン注入されたＳｉＣ半導体基板表面に保護膜を形成する必要がないため、保護膜の形成、除去といった煩雑な工程を省略することができ、デバイスプロセス工程が簡略化する。

また、形成された保護膜自体のストレスで導入される結晶欠陥や、保護膜の形成、除去のプロセスにともない導入される結晶欠陥の心配が全くないため、高品質な、歩留まりの高いデバイスを作成することができる。
更に、複数枚のＳｉＣ半導体基板を同時にアニール処理可能であるから生産効率が高い。

図１の符号１は、本発明のアニール装置を示している。このアニール装置１はアニール室（真空槽）１５と、加熱対象物を保持する保持部材５０と、保持部材５０を加熱する加熱装置７０とを有している。保持部材５０はアニール室１５の内部に配置されている。

保持部材５０は、支柱５１と、複数枚の支持板５２とを有している。アニール室１５内部には底面側から、鉛直に配置された昇降軸５６が気密に挿通されており、昇降軸５６上には、一枚の支持板５２が略水平に取り付けられている。

ここでは支柱５１の数は複数である。昇降軸５６に取り付けられた支持板５２は底板となり、各支柱５１は底板の表面に略垂直に立設されている。支柱５１は間隔を空けて底板の外周に沿って並べられている。

底板以外の支持板５２は、略水平にされた状態で、底板上で一定間隔を空けて鉛直方向に積み重ねられ、縁部分が支柱５１に固定されている。従って、各支持板５２は底板や支柱５１を介して昇降軸５６に取り付けられている。

昇降軸５６の下端は、アニール室１５外部に配置された昇降機構２１に接続されている。昇降軸５６は、昇降機構２１によって、アニール室１５の内部雰囲気を外部雰囲気から遮断したまま、鉛直方向に昇降可能になっており、昇降軸５６が昇降すると、各支持板５２は互いに一定距離離間したままアニール室１５内部で昇降する。
アニール室１５側壁の底面側には搬出入口１４が設けられており、アニール室１５は搬出入口１４を介して搬送室等他の真空槽２２に接続されている。

加熱対象物は、例えば、円盤状のＳｉＣ半導体基板１０である。真空槽２２内には搬送ロボット２５が配置されており、ＳｉＣ半導体基板１０は搬送ロボット２５により、搬出入口１４を通ってアニール室１５内に搬入される。

図２は図１のＡ−Ａ切断線断面を上方から見た断面図である。上述したように、支柱５１は底板の外周に沿って互いに離間して立設されているから、支柱５１と支柱５１の間には隙間がある。

搬出入口１４と隣接する二本の支柱５１間の隙間は、ＳｉＣ半導体基板１０の幅（直径）よりも大きくされ、しかも、上下に隣接する支持板５２間の距離は、ＳｉＣ半導体基板１０の厚みよりも１．０ｍｍ以上大きくされ、支持板５２の間に、ＳｉＣ半導体基板１０と搬送ロボット２５のハンドが一緒に挿入可能になっている。

支持板５２間の隙間である配置空間５５が搬出入口１４と対面するように昇降軸５６を下降させた状態で、ＳｉＣ半導体基板１０をアニール室１５に搬入すると、ＳｉＣ半導体基板１０は支柱５１にも支持板５２にも衝突せずに、搬送ロボット２５により配置空間５５に挿入され、不図示の移載機構により、搬送ロボット２５から配置空間５５下方の支持板５２上に移載される。

ここでは３枚以上の支持板５２が積み重なって、配置空間５５が２以上形成されている。保持部材５０を上昇又は下降させ、ＳｉＣ半導体基板１０が配置された配置空間５５を搬出入口１４と対面する位置から離し、ＳｉＣ半導体基板１０が配置されていない配置空間５５を搬出入口１４と対面させる。
ＳｉＣ半導体基板１０の支持板５２上への移載と、保持部材５０の上昇又は下降とを繰り返せば、複数の配置空間５５にＳｉＣ半導体基板１０が配置される。

図３は各配置空間５５にＳｉＣ半導体基板１０を１枚ずつ保持させた状態を示している。
ＳｉＣ半導体基板１０は、ＳｉＣからなる基板本体１１と、イオン注入法によって基板本体１１表面にＮ型やＰ型の不純物が注入されて形成された不純物層１２とを有している。不純物層１２の表面は平坦である。

ＳｉＣ半導体基板１０は平面形状が支持板５２よりも小さく、不純物層１２が形成された面を上側に向けて、配置空間５５を構成する上下の支持板５２からはみ出さないように配置させておく。

ＳｉＣ半導体基板１０は支持板５２からはみ出さないから、不純物層１２が形成された表面全部が上方の支持板５２裏面と対面し、不純物層１２と反対側の裏面全部が下方の支持板５２表面と接触する。

配置空間５５上下の支持板５２間の距離はＳｉＣ半導体基板１０の厚みよりも大きいから、ＳｉＣ半導体基板１０と支持板５２裏面との間には隙間がある。

支柱５１は支持板５２の外周に沿って互いに離間して立設されているから、配置空間５５は密閉されず、ＳｉＣ半導体基板１０表面と支持板５２裏面との間の隙間の周囲は、保持部材５０の外部雰囲気（アニール室１５の内部雰囲気）に露出している。

アニール室１５には、真空排気系１６とガス導入系１７とが接続されており、予めアニール室１５内部を真空排気し、１×１０^-6Ｔｏｒｒ〜１×１０^-8Ｔｏｒｒの真空雰囲気を形成しておく。
アニール室１５内部を真空排気しながらガス導入系１７から希ガス(ここではＡｒガス)を導入し、所定圧力の希ガス雰囲気を形成する。希ガス雰囲気の圧力は、例えば１Ｔｏｒｒ以上３００Ｔｏｒｒ以下（１．３３３２×１０²Ｐａ以上３．９９９６×１０⁴Ｐａ以下）である。

上述したように、ＳｉＣ半導体基板１０表面と支持板５２裏面との間の隙間の周囲は、アニール室１５の内部雰囲気に露出するから、その隙間にも希ガスが導入されると共に、真空排気され、アニール室１５内部と略等しい希ガス雰囲気が形成される。

加熱装置７０は加熱コイル７１を有しており、加熱コイル７１は、アニール室１５の外部で、アニール室１５の少なくとも天井部分に巻き回されている。保持部材５０を上昇させ、各支持板５２と各ＳｉＣ半導体基板１０とを加熱コイル７１が巻き回された領域内に配置しておく。

アニール室１５の少なくとも加熱コイル７１が巻き回された部分は、石英等の誘電材料で構成されている。加熱コイル７１は交流電源７２に接続されている。
真空排気と希ガスの導入を続け、希ガス雰囲気を維持しながら、交流電源７２を動作させ、加熱コイル７１に交流電圧を印加し、加熱コイル７１によって巻き回わされた領域に交番磁界を形成する。

その交番磁界により、アニール室１５の加熱コイル７１が巻き回された部分の側壁に誘導電流が流れ、アニール室１５が誘導加熱される。
各支持板５２と各ＳｉＣ半導体基板１０は加熱コイル７１が巻き回された領域内に配置されているから、アニール室１５壁面からの輻射熱により加熱される。

ここでは、各支持板５２は加熱対象物と同じ材料（ＳｉＣ）で構成されているから、ＳｉＣ半導体基板１０と支持板５２は、少なくとも表面部分が略等しい昇温速度で昇温する。真空排気と希ガス導入を続けながら、各ＳｉＣ半導体基板１０と各支持板５２を所定のアニール温度（ここでは１５００℃〜２１００℃）にし、そのアニール温度に維持し、ＳｉＣ半導体基板１０の不純物層１２内の不純物を電気的に活性化させる(アニール処理)。

このアニール温度ではＳｉＣ半導体基板１０の表面からＳｉ原子が蒸発によって脱離する。支持板５２はＳｉＣからなり、支持板５２裏面のＳｉＣ半導体基板１０と対面する部分にＳｉＣが露出するから、その部分からもＳｉＣ原子が放出され、ＳｉＣ半導体基板１０の表面のＳｉが脱離した後の部分に、支持板５２から放出されたＳｉ原子が取り込まれる。

このとき、ＳｉＣ半導体基板１０表面と支持板５２裏面との間の隙間で、Ｓｉ原子濃度が不均一であると、ＳｉＣ半導体基板１０のＳｉ原子の取り込みにばらつきが生じ、ＳｉＣ半導体基板１０の平坦性が損なわれる。

上述したように、ＳｉＣ半導体基板１０表面と支持板５２裏面との間の隙間の周囲は、アニール室１５の内部雰囲気に露出しているから、アニール室１５を真空排気しながらアニール処理を行うことで、その隙間に生成されたＳｉ原子は、当該隙間の周囲へ放出される。

その結果、ＳｉＣ半導体基板１０表面と支持板５２裏面との間の隙間には、気体（Ｓｉ原子、希ガス等）の流れが生じ、Ｓｉ原子濃度分布が均一になるから、ＳｉＣ半導体基板１０のＳｉ原子の取り込みにばらつきが生じず、ＳｉＣ半導体基板１０の表面の平坦性が維持される。

なお、アニールに際しての典型的な昇温速度は、室温から１０００℃までが１０分、１０００℃からアニール温度までが３分、アニール温度での保持時間が３分、アニール温度から室温までの降温時間が３０分である。

アニール処理終了後は、保持部材５０を下降させて、配置空間５５を搬出入口１４と対面する位置に配置すれば、配置空間５５からアニール処理後のＳｉＣ半導体基板１０を真空槽２２に搬出することができる。

８°オフＳｉ面のＳｉＣ半導体基板１０に、Ａｌを５００℃で２×１０¹⁸／ｃｍ³注入して試料とした。その試料の表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したところ、不純物層１２が形成された面の表面粗さ（Ｒａ）は０．３７３ｎｍであった。

この試料を、不純物層１２表面から支持板５２裏面までの距離を３．０ｍｍにして、アニール室１５内を２×１０^-5Ｔｏｒｒまで排気してからＡｒを流量３ｓｃｃｍで流し、１００Ｔｏｒｒの希ガス雰囲気を維持しながら、１８００℃で３分間アニール処理した。アニール処理後の試料表面粗さＲａは０．６０２ｍｍであった。

これに対し、試料を支持板５２裏面と対面させずにアニール処理を行ったところ、表面粗さＲａは２．１６ｎｍであった。以上のことから、ＳｉＣ半導体基板１０にＳｉＣを対面させてアニール処理をすれば、表面粗さＲａの増大が抑制されることが分かる。

また、２枚の試料を重ね合わせ、不純物層１２同士を密着させてアニール処理を行ったところ、表面粗さＲａは０．６４０ｎｍであったが、試料から蒸発したＳｉが原因と思われる溶着部が見つかった。ＳｉＣ試料を密着させてアニール処理を行う方法は、試料が溶着しやすく、実用的でないことがわかる。

更に、試料と支持板５２との間隔を変えてアニール処理をしたところ、少なくとも希ガス雰囲気が１Ｔｏｒｒ以上３００Ｔｏｒｒ以下の範囲では、ＳｉＣ半導体基板１０表面と支持板５２裏面との間の距離を５．０ｍｍ以下にすることにより、表面粗さＲａを１ｎｍ以下に抑制可能なことが分かった。

以上は支持板５２をＳｉＣで構成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。支持板５２はＳｉＣ半導体基板１０と一緒に加熱されるものであって、かつ、ＳｉＣ半導体基板１０と対面する部分にＳｉＣが露出すればよい。例えば、グラファイトのような他の材料で構成された板の裏面にＳｉＣが露出する部分を形成して支持板５２とすることができる。この場合、板の裏面にスパッタ法やＣＶＤ法によってＳｉＣ薄膜を形成してもよいし、グラファイトの板中にＳｉ粒子を多数分散させてもよい。

支持板５２のうち、底板は裏面がＳｉＣ半導体基板１０と対面しないから、裏面にＳｉＣを露出させる必要がない。
なお、上記各アニール装置１では、加熱コイル７１を用いた誘導加熱方式の加熱装置７０によって加熱を行ったが、抵抗加熱ヒータや赤外線ランプ等によって支持板５２とＳｉＣ半導体基板１０を加熱してもよい。

以上は支持板５２を支柱５１で支える場合について説明したが、支柱５１に変え、底板上に筒を立設し、その筒の内壁面に支持板５２を取り付けても良い。この場合は、配置空間５５が外部と接続されるように、筒の側壁の配置空間５５と対面する部分に貫通孔を複数ずつ形成する。

しかし、筒に支持板５２を取り付けるよりも、支柱５１に取り付ける方が、配置空間５５を保持部材５０の外部雰囲気に接続する開口（支柱５１間の開口）が大きくなり、しかも、支持板５２裏面とＳｉＣ半導体基板１０表面との間の隙間の周囲から、Ｓｉ原子が均一に放出されるから、より望ましい。

尚、アニール室１５外部で保持部材５０にＳｉＣ半導体基板１０を配置してから、保持部材５０をアニール室１５内に搬入し、アニール処理を行なってもよい。この場合、ＳｉＣ半導体基板１０は搬送ロボットの他、手動でも保持部材５０に配置可能である。手動の場合、支持板５２間の距離が、ＳｉＣ半導体基板１０の厚みに１．０ｍｍを足した値より小さくても、配置可能である。

本発明にアニール装置の一例を説明する断面図図１のＡ−Ａ切断線断面を上方から観察した断面図アニール装置の部分拡大断面図

符号の説明

１……アニール装置１０……ＳｉＣ半導体基板１５……アニール室１６……真空排気系５０……保持部材５１……支柱７０……加熱装置

Claims

真空槽と、
前記真空槽の内部雰囲気を真空排気する真空排気系と、
前記内部雰囲気に希ガスを導入するガス導入系と、
前記真空槽内部に配置され、複数のＳｉＣ半導体基板からなる加熱対象物を保持する保持部材と、
前記保持部材に保持された前記各加熱対象物を加熱する加熱装置を有するアニール装置であって、
前記保持部材は、支柱と、複数枚の支持板とを有し、
前記各支持板は、間隔を空けて積み重なるように前記支柱に取り付けられ、
前記加熱対象物は、隣接する２枚の前記支持板間の空間である配置空間に、下方の前記支持板の表面に接触し、上方の前記支持板の裏面と離間して対面するように配置され、
前記支持板間の間隔は、前記加熱対象物の上面と前記支持板の裏面との距離が１ｍｍ以上５ｍｍ以下になるよう設けられ、
前記支持板には、前記支持板裏面の少なくとも前記加熱対象物と対面する部分にＳｉＣが露出され、
前記配置空間は、前記真空槽の内部雰囲気であって前記保持部材の外部雰囲気である外部空間に前記支柱の間で接続され、
前記加熱対象物と前記支持板との間の隙間に、前記ガス導入系から導入した希ガスと、前記支持板から放出されたＳｉ原子との流れが形成され、前記支持板から放出されるＳｉ原子は、前記配置空間から排気されるアニール装置。
複数枚のＳｉＣ半導体基板を同時に加熱して熱処理を行う熱処理方法であって、
複数枚の支持板が間隔を空けて積み重ねられた保持部材の、隣接する前記支持板間の空間である配置空間に前記ＳｉＣ半導体基板を配置し、前記ＳｉＣ半導体基板の表面を、上方の前記支持板のＳｉＣが露出する部分と１ｍｍ以上５ｍｍ以下離間して対面させ、
前記配置空間を、前記保持部材の外部雰囲気である外部空間に接続した状態で、前記保持部材の前記外部空間の真空排気と前記外部空間への希ガスの導入とを行って前記外部空間を１．３×１０ ² Ｐａ以上４.０×１０ ⁴ Ｐａ以下の圧力にしながら前記ＳｉＣ半導体基板と前記支持板とを加熱し、
前記ＳｉＣ半導体基板と前記支持板との隙間に、ガス導入系から導入した希ガスと、前記支持板から放出されたＳｉ原子との流れを形成し、
前記支持板から放出されるＳｉ原子を、前記配置空間から排気する熱処理方法。