JP5568054B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、より詳しくは、半導体素子を形成するためのＳｉＣ基板の不純物をゲッタリングする工程を含む半導体素子の製造方法に関する。
従来、Ｓｉ等の半導体結晶中では、金属不純物による素子特性の低下を防止するために、イオン注入法、レーザ照射、異質材料皮膜の形成などによって歪領域を形成し、不純物のゲッタリングセンターを形成することが行なわれている。
本発明者は、ＳｉＣ単結晶に特有の問題として、特に１５００℃以上の高温で熱処理を施した場合、結晶中に含まれるかまたは結晶に隣接して存在する金属等の不純物が結晶中を拡散するという問題が発生することを新規に見出した。
実用材料としてのＳｉＣ半導体単結晶中には必ず不純物が存在する。特に、溶液法で成長したＳｉＣ単結晶は、成長速度の向上や結晶性の改善等のためにＳｉＣ溶液中に金属元素を添加することが多い。例えば、特許文献１にはＣｒ添加、特許文献２にはＮｉ添加が記載されており、成長したＳｉＣ単結晶中に金属不純物として残留する場合がある。そのような溶液法ＳｉＣ基板上に素子領域用のエピタキシャル層を形成した場合、ＳｉＣ基板からエピタキシャル層に金属不純物が拡散すると素子特性を損なう重大な問題を引き起こす。
残留不純物元素のうち、電気的特性や素子特性に影響を及ぼす元素については、結晶中への取り込み量を減らすこと、取り込まれた不純物元素を素子領域外に封じ込めておくことが必要である。この点について、Ｓｉ結晶の場合は、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉなどのアルカリ金属元素、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒなどの重金属元素について考慮されている。アルカリ金属元素は特にＭＯＳ特性に悪影響を及ぼし、重金属元素はキャリア寿命の短縮やＯＳＦ（oxidation stacking fault）欠陥の発生の原因となることが知られている。そのためＳｉ結晶の場合は、結晶中の特定部分（素子領域外）に意図的に形成した歪層により、これらの残留不純物元素をゲッタリング（捕捉・固定）することが知られている。
これに対してＳｉＣ結晶の場合は、不純物の拡散係数が極めて小さいため、Ｓｉ結晶で通常用いられるような熱処理温度（最高で１２００℃程度）では熱拡散は実質的に起きないと考えられてきた（非特許文献１）。そのため、ＳｉＣでのゲッタリング技術に関する報告は、ほとんど見当たらない。
しかし、本発明者の新規な知見によれば、ＳｉＣ特有の高温熱処理（１５００℃以上）を施すと不純物の拡散係数がＳｉに対して低いにもかかわらずＣｒ、Ｎｉ等の重金属元素でもＳｉＣ結晶中を拡散することが判明したため、これらの元素を考慮してＳｉＣ結晶についてゲッタリング処理をする必要がある。
特許文献３には、ＳｉＣ基板やＳｉ基板の所定深さにＨｅやＨのイオンビームを打ち込んでイオン濃縮層を形成し、その後、基板の破壊が起きる限界温度を超えない温度で熱処理を行なうことで、重金属イオンなどの汚染物質をトラップするゲッタリングを行うことが開示されている。しかし、ＳｉＣはＳｉとは異なり、拡散係数に依存せずにイオン拡散が発生し、汚染物質の拡散が起き難く、ゲッタリング後の基板の修復が行なわれにくい。そのため、ＳｉＣに特有の課題としてゲッタリングを必要とする基板部位および製造プロセスを適切に絞り込んで、不要な工程を削減することが必要になるという問題がある。しかし、特許文献３にはＳｉＣに対してゲッタリングを行った実施例の記載はなく、前記課題に関する記載や示唆はなされていない。
特許文献４には、撮像素子としての半導体装置において、回路層などの構成物のあるエピタキシャル層の反対側からレーザビームを照射して任意の深さにゲッタリング層を作製することが開示されている。
特許文献５には、重金属のゲッタリングを行なうときに、ゲッタリング層を形成する温度を１１００〜１３００℃にすることが開示されている。
特許文献６には、半導体基板の裏側にゲッタリング層を形成し、１０５０℃以上の温度で熱処理を行なうことで、過飽和格子間酸素を拡散させることが開示されている。
特許文献７には、基板上に複数の半導体素子部を作成し、半導体素子の分割部でかつ半導体基板の素子形成部とは逆の側にゲッタリング部位を形成することが開示されている。
しかし、上記従来技術のいずれにも、ＳｉＣ半導体基板について、特に１５００℃以上の熱処理を行なう際に、基板結晶中に存在するかまたは基板結晶外から侵入する不純物金属元素の拡散を前提として、ゲッタリング層の必要性に着目してはいない。
Yu. A. Vodakov and E. N. Mokhov, "Silicon Carbide" 1973 (Univ. South Carolina Press, Columbia, 1974, p. 508)
本発明は、ＳｉＣ半導体基板の不純物元素を捕捉・固定するためのゲッタリング層の形成を含む半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的は、本発明によれば、ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を形成し、該エピタキシャル層にイオン注入および熱処理を行なって半導体素子を製造する方法において、
上記ＳｉＣ基板よりも欠陥密度の高いゲッタリング層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法によって達成される。
上記ＳｉＣ基板よりも欠陥密度の高いゲッタリング層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法によって達成される。
本発明によれば、ＳｉＣ基板よりも欠陥密度の高いゲッタリング層を形成するので、不純物元素が優先的にゲッタリング層に捕捉・固定される。
本発明のゲッタリング層は、１５００℃以上の高温熱処理を含む製造方法により半導体素子を製造する際に特に有効である。
本発明の半導体素子の製造方法は、ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を形成し、該エピタキシャル層に種々のイオン注入および熱処理を行なって半導体素子を製造する際に、上記ＳｉＣ基板よりも欠陥密度の高いゲッタリング層を形成する工程を含む。
特に、１５００℃以上の高温熱処理（酸化、結晶成長を含む）を行う前に、ＳｉＣ単結晶基板に、希ガスなどの元素を高密度でイオン注入することにより、上記高温熱処理中において結晶中に含まれる重金属等の不純物元素がゲッタリング層に捕捉・固定され、拡散が抑制される。
本発明の望ましい一形態においては、ＳｉＣ基板にゲッタリング層を形成し、ＳｉＣ基板中に含まれる不純物が、基板上に形成した素子形成領域を含むエピタキシャル層へ拡散するのを防止する。主として基板厚さ方向の拡散に対処する。
すなわち、基板上に低Ｎ（窒素）密度のエピタキシャル成長層すなわち素子形成領域を積層する場合、エピタキシャル成長前に基板表面に希ガス元素のイオンを注入して、ガウス分布、ボックスプロファイルなどのゲッタリング層を形成する。
エピタキシャル成長を行う前に、Ｈ２エッチングなどにより基板表面を削除して清浄な新表面を露出させる。したがって、その前に行うゲッタリング層形成のためのイオン注入は、Ｈ２エッチングの削除代よりも深くまで行なう必要がある。
また、イオン注入により生成されゲッタリング層を形成する欠陥の密度は、捕捉すべき不純物の密度より高く、かつ、補償欠陥密度（ゲッタリングサイト＋非ゲッタリングサイト）が形成する半導体素子のキャリア濃度（例えばＮ（窒素）密度（ｎ型半導体の場合））を超えないように、注入ドーズ量を制御する必要がある。そうすることで、ゲッタリング用の欠陥導入後も電子移動が確保されるため、ＳｉＣ基板における導電性の確保がより容易になる。
ゲッタリング層の欠陥密度は、上記ＳｉＣ基板上における駆動時の電流に基づいて決定される。
ゲッタリング層の欠陥密度は、上記ＳｉＣ基板上における駆動時の電流に基づいて決定される。
図１（１）に示すように、Ｈｅなどの希ガスイオンによる基板１０のイオン注入領域１２あるいは注入イオンが通過した領域１４に、点欠陥、転位、積層欠陥などが形成され、これらの欠陥がゲッタリングサイトとして作用し、全体としてゲッタリング層１３を構成する。図１（２）に示すように、その後、例えば低Ｎ（窒素）濃度のエピタキシャル層１６を例えば１５００〜１８００℃で形成する際に、基板１０から拡散する重金属などの不純物を捕捉し、ゲッタリング層１３内に固定する。これにより、基板１０からエピタキシャル層１６への不純物元素の拡散・侵入が防止される。
注入イオンとしては、Ｈｅ、Ａｒなどの希ガスが望ましい。Ｈ、Ｓｉ、Ｃ、Ｇｅなどの４族元素を用いることもできる。ｎ型半導体基板の場合は、Ｎ（窒素）などの５族元素を用いてもよい。３族元素は、導電性を低下させる作用があるので、望ましくない。
イオン注入以外に、ゲッタリング層１３を形成する方法としては、電子線照射、中性子線照射など、基板の最表面から欠陥を形成できる方法であればよい。
本発明の方法により形成されたゲッタリング層は、種々の重金属元素を捕捉・固定（ゲッタリングできる。特に、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎなどに対して有効である。
本発明の他の望ましい形態においては、ＳｉＣ基板上のエピタキシャル層中の半導体素子形成予定領域（以下「素子形成領域」と略称）以外（耐圧保持部以外）の部位にゲッタリング層を形成し、ＳｉＣ基板中の不純物よりも、むしろ基板の周囲から侵入する不純物が、素子形成領域を含むエピタキシャル層へ拡散するのを防止する。図２に示すように、（１）エピタキシャル層１６の素子形成領域１８よりも浅い位置にゲッタリング層１３を形成して、基板厚さ方向の拡散に対処する場合と（２）エピタキシャル層１６の素子形成領域１８を水平に取り囲む位置にゲッタリング１３を形成して、基板面に平行な方向の拡散に対処する場合とがある。後述するように、Ｃｒなどの金属はエピタキシャル層中で非常に拡散し易いので、エピタキシャル接合によるｐｎ接合素子などのように素子領域内でのゲッタリングの虞が無ければ、図２（１）（２）のように表面付近のコンタクト層内やその他の部分（例えば素子分離層など）にゲッタリング層を設けてもよい。
典型的には、１５００℃を超える高温で熱処理すると不純物が拡散する。このとき素子形成領域内でゲッタリングが起きると素子特性が変化する虞があるので、素子形成領域以外の部位でゲッタリングを起こす。特に、素子動作時に空乏層が進展する領域を注入イオンや電子などが透過しないようにする必要がある。ゲッタリング層の形成部位が、電流の流れない領域かあるいは電流の流れる領域であるかを問わず、ドーズ量は、電流の流れを著しく阻害しない程度に制御する。
ＳｉＣはＳｉと異なり化合物半導体であるので、注入されたイオンや電子などが結晶を通過する際に生成される結晶欠陥（特に原子空孔などの真性欠陥）が熱的安定であり、１７００℃を超える温度で熱処理を施しても回復できない場合さえある。Ｓｉでは、複空孔は４００℃程度の熱処理で消滅する。したがって、ＳｉＣの場合、注入種が素子動作領域を通過すると、素子が設計どおりに動作しない虞がある。
本発明の更にもう一つの望ましい形態においては、図３に示すように、電子線、中性子線、軽いイオンをエピタキシャル層１６に照射または注入する際、基板１０の上面からではなく裏面から行なうことで、素子形成領域に欠陥を導入することなくゲッタリング層１３を形成することができる。図３では素子形成領域１８の上に電極２０を設けた状態を示す。
図４（１）〜（７）に、本発明の方法を種々の半導体素子に適用した例を示す。図示した以外にも、トランジスタなどの各種素子への適用できる。
以下に、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
〔比較例１〕
本発明の効果を確認するために、特別にＣｒ濃度の高い（１０１７ｃｍ−３）ＳｉＣ基板を溶液法により作製した。この基板上にＣＶＤ法によりエピタキシャル層を形成した。得られた試料のＣｒ密度のプロファイルを調べた結果、図５に示すように、基板からエピタキシャル層へＣｒが拡散しており、その一部が試料表面まで突き抜けている。
〔比較例１〕
本発明の効果を確認するために、特別にＣｒ濃度の高い（１０１７ｃｍ−３）ＳｉＣ基板を溶液法により作製した。この基板上にＣＶＤ法によりエピタキシャル層を形成した。得られた試料のＣｒ密度のプロファイルを調べた結果、図５に示すように、基板からエピタキシャル層へＣｒが拡散しており、その一部が試料表面まで突き抜けている。
〔比較例２〕
比較例１の現象をより簡易的に観察するために、エピタキシャル層の表面にイオン注入によりＣｒを注入した。図６に示すような深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料に１７８０℃、２４０分の熱処理を施したところ、図７に示すようにＣｒ密度のプロファイルが変化した。これは、注入したＣｒが拡散したことを意味している。
比較例１の現象をより簡易的に観察するために、エピタキシャル層の表面にイオン注入によりＣｒを注入した。図６に示すような深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料に１７８０℃、２４０分の熱処理を施したところ、図７に示すようにＣｒ密度のプロファイルが変化した。これは、注入したＣｒが拡散したことを意味している。
表１に、熱処理温度と拡散の有無の関係をまとめて示す。１５００℃以上の熱処理でＣｒが拡散することが分かる。
〔比較例３〕
比較例２と同様の実験を市販のＳｉＣウェハを用いて行なった結果、Ｃｒの拡散は認められなかった。したがってＣｒの拡散は、エピタキシャル層には少なく市販ウェハに多い欠陥によるものであることが分かった。
比較例２と同様の実験を市販のＳｉＣウェハを用いて行なった結果、Ｃｒの拡散は認められなかった。したがってＣｒの拡散は、エピタキシャル層には少なく市販ウェハに多い欠陥によるものであることが分かった。
〔実施例１〕
比較例２と同様にエピタキシャル層の表面にＣｒを注入した試料に、更にＡｒイオンを注入して欠陥を導入した。Ａｒは深さ２００ｎｍに密度１×１０２１ｃｍ−３のガウス分布で導入した（エネルギー２７０ｋｅＶの単エネルギー注入）。この試料を１７８０℃で３０分熱処理した。その結果、図８に示すように、イオン注入領域（Ａｒの通過領域）ではＣｒの密度プロファイルは殆ど変化せず、すなわちゲッタリングが起こった。
比較例２と同様にエピタキシャル層の表面にＣｒを注入した試料に、更にＡｒイオンを注入して欠陥を導入した。Ａｒは深さ２００ｎｍに密度１×１０２１ｃｍ−３のガウス分布で導入した（エネルギー２７０ｋｅＶの単エネルギー注入）。この試料を１７８０℃で３０分熱処理した。その結果、図８に示すように、イオン注入領域（Ａｒの通過領域）ではＣｒの密度プロファイルは殆ど変化せず、すなわちゲッタリングが起こった。
〔実施例２〕
比較例２と同様にエピタキシャル層の表面にＣｒを注入した試料に、更にＨｅイオンを注入して欠陥を導入した。Ｈｅは深さ１μｍに密度１×１０２１ｃｍ−３のガウス分布で導入した（エネルギー３６０ｋｅＶの単エネルギー注入）。この試料を１７８０℃で３０分熱処理した。その結果、図９に示すように、イオン注入領域（Ａｒの通過領域）ではＣｒの密度プロファイルは殆ど変化せず、すなわちゲッタリングが起こった。
比較例２と同様にエピタキシャル層の表面にＣｒを注入した試料に、更にＨｅイオンを注入して欠陥を導入した。Ｈｅは深さ１μｍに密度１×１０２１ｃｍ−３のガウス分布で導入した（エネルギー３６０ｋｅＶの単エネルギー注入）。この試料を１７８０℃で３０分熱処理した。その結果、図９に示すように、イオン注入領域（Ａｒの通過領域）ではＣｒの密度プロファイルは殆ど変化せず、すなわちゲッタリングが起こった。
〔実施例３〕
比較例２と同様にエピタキシャル層の表面にＣｒを注入した試料に、更にＨイオンを注入して欠陥を導入した。Ｈは深さ２．２μｍに密度１×１０２０ｃｍ−３のガウス分布で導入した（エネルギー３５０ｋｅＶの単エネルギー注入）。この試料を１７８０℃で３０分熱処理した。その結果、図１０に示すように、イオン注入領域（Ｈの通過領域）でＣｒの密度プロファイルは変化したものの、Ｃｒは１×１０１６ｃｍ−３程度の密度でＨ注入領域に残っており、ゲッタリングは起こっていると考えられる。本実施例では、Ｈ注入量が十分でなかったため、捕捉し切れなかったＣｒが拡散してしまったと考えられる。Ｈでもゲッタリングが可能であることが分かる。また、電子線や中性子線によってもＨ注入と同様のゲッタリング効果が理論上期待できる（ただし、注入量は十分に大きくする必要がある。）
比較例２と同様にエピタキシャル層の表面にＣｒを注入した試料に、更にＨイオンを注入して欠陥を導入した。Ｈは深さ２．２μｍに密度１×１０２０ｃｍ−３のガウス分布で導入した（エネルギー３５０ｋｅＶの単エネルギー注入）。この試料を１７８０℃で３０分熱処理した。その結果、図１０に示すように、イオン注入領域（Ｈの通過領域）でＣｒの密度プロファイルは変化したものの、Ｃｒは１×１０１６ｃｍ−３程度の密度でＨ注入領域に残っており、ゲッタリングは起こっていると考えられる。本実施例では、Ｈ注入量が十分でなかったため、捕捉し切れなかったＣｒが拡散してしまったと考えられる。Ｈでもゲッタリングが可能であることが分かる。また、電子線や中性子線によってもＨ注入と同様のゲッタリング効果が理論上期待できる（ただし、注入量は十分に大きくする必要がある。）
〔実施例４〕
エピタキシャル層にＦｅイオンを注入し、深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料にＨｅイオンを実施例２のように注入し、１７８０℃で３０分熱処理した後にＦｅ密度のプロファイルを調べた。その結果、図１１（Ｈｅ注入あり）に示すようにボックスプロファイルは維持されており、ゲッタリングが起きた（拡散が抑制された）ことが分かる。
エピタキシャル層にＦｅイオンを注入し、深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料にＨｅイオンを実施例２のように注入し、１７８０℃で３０分熱処理した後にＦｅ密度のプロファイルを調べた。その結果、図１１（Ｈｅ注入あり）に示すようにボックスプロファイルは維持されており、ゲッタリングが起きた（拡散が抑制された）ことが分かる。
〔比較例４〕
実施例４と同様にＦｅイオンを注入し、Ｈｅイオンは注入しなかった。この場合、図１１（Ｈｅ注入なし）に示すようにボックスプロファイルは乱れ、Ｆｅが拡散したこと（ゲッタリングが起きなかったこと）が分かる。
実施例４と同様にＦｅイオンを注入し、Ｈｅイオンは注入しなかった。この場合、図１１（Ｈｅ注入なし）に示すようにボックスプロファイルは乱れ、Ｆｅが拡散したこと（ゲッタリングが起きなかったこと）が分かる。
〔実施例５〕
エピタキシャル層にＺｎイオンを注入し、深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料にＨｅイオンを実施例２のように注入し、１７８０℃で３０分熱処理した後にＺｎ密度のプロファイルを調べた。その結果、図１２に示すようにボックスプロファイルは維持されており、ゲッタリングが起きた（拡散が抑制された）ことが分かる。
エピタキシャル層にＺｎイオンを注入し、深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料にＨｅイオンを実施例２のように注入し、１７８０℃で３０分熱処理した後にＺｎ密度のプロファイルを調べた。その結果、図１２に示すようにボックスプロファイルは維持されており、ゲッタリングが起きた（拡散が抑制された）ことが分かる。
〔実施例６〕
エピタキシャル層にＴｉイオンを注入し、深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料にＡｒイオンを実施例１のように注入し、１７８０℃で３０分熱処理した後にＴｉ密度のプルファイルを調べた。その結果、図１３に示すようにボックスプロファイルは維持されており、ゲッタリングが起きた（拡散が抑制された）ことが分かる。
エピタキシャル層にＴｉイオンを注入し、深さ４００ｎｍ、密度１×１０１７ｃｍ−３のボックスプロファイルを形成した。この試料にＡｒイオンを実施例１のように注入し、１７８０℃で３０分熱処理した後にＴｉ密度のプルファイルを調べた。その結果、図１３に示すようにボックスプロファイルは維持されており、ゲッタリングが起きた（拡散が抑制された）ことが分かる。
本発明によれば、ＳｉＣ半導体基板の不純物元素を捕捉・固定するためのゲッタリング層の形成を含む半導体素子の製造方法が提供される。
１０ ＳｉＣ基板
１２ イオン注入領域
１３ ゲッタリング層
１４ イオン通過領域
１６ エピタキシャル層
１８ 素子形成領域
２０ 電極
１２ イオン注入領域
１３ ゲッタリング層
１４ イオン通過領域
１６ エピタキシャル層
１８ 素子形成領域
２０ 電極
Claims (5)
- ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を形成し、該エピタキシャル層にイオン注入および熱処理を行なって半導体素子を製造する方法において、
上記ＳｉＣ基板よりも欠陥密度の高いゲッタリング層を形成する工程と、
上記ゲッタリング層を形成した後、１５００℃以上でゲッタリングする工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 請求項１において、上記ゲッタリング層は、エピタキシャル成長前に行なうエッチング除去代よりも深く形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
- 請求項１又は２において、上記ゲッタリング層は、上記ＳｉＣ基板上で半導体素子形成予定領域を避けて形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
- 請求項１から３までのいずれか１項において、エピタキシャル成長後に、エピタキシャル層内に、素子形成領域を避けてゲッタリング領域を形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
- 請求項１から４までのいずれか１項において、上記ゲッタリング層は、基板下面からの電子線または中性子線の照射によって形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。
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