JP5979625B2

JP5979625B2 - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JP5979625B2
Application number: JP2011098927A
Authority: JP
Inventors: 基中尾
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2012231037A

Description

本発明は、半導体基板、詳しくは絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素（ＳｉＣ）基板の製造方法に関するものである。

シリコン（珪素）は集積回路用半導体材料として広く用いられており、現在実用化されているパワートランジスタ等の大電力用集積回路も、シリコンで作られているものが多い。しかし、シリコンを用いた半導体は、大電力用の用途の場合、耐電圧の点で必ずしも十分ではないという問題がある。シリコンにおけるこのような欠点を解決するために、半導体材料として炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されている。

そして、炭化珪素は、熱的、化学的安定性に優れ、機械的強度も強く、放射線照射にも強いという特性から、ポストシリコンとして、これまで数十年間、次世代半導体材料として研究開発が続けられて来ている。炭化珪素の結晶形としては、六方晶（２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ等）、立法晶（３Ｃ）、菱面体晶（１５Ｒ）等が知られているが、特に立法晶の炭化珪素
（３Ｃ−ＳｉＣ）は、シリコンとプロセス互換性に優れていること、及びシリコンに比してバンドギャップが大きいため、高温（例えば、５００℃）動作や高耐圧動作が可能であるので、様々な用途への展開が期待できる。とりわけ絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板を用いたＳｉＣデバイスは、需要拡大が期待されるカーエレクトロニクス分野における次世代電子デバイスや、ＭＥＭＳ（microelectro mechanical systems）技術との一体化を目指した、信号処理・制御に関する集積回路への可能性も模索でき、適用分野は多岐にわたるものと考えられる。

一方、埋め込み絶縁層を有するＳＯＩ（Silicon on insulator）基板は、回路の高速化と低消費電力化を図る上で優れており、次世代のＬＳＩ基板として有望視されている。従って、これら２つの特徴を融合した絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板を利用した、半導体デバイス材料の開発が色々と試みられている。

具体的には、絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板は、ＳＯＩ（Silicon on insulator、Ｓｉ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板）基板を出発材料として、そのＳｉ膜を炭化してＳｉＣ膜とする方法が知られている（例えば、特許文献１と２）。また、シリコン基板の熱酸化処理により得られる、絶縁層と単結晶シリコン層とからなる基板のシリコン層の表面に、炭素含有ガスを供給しつつ加熱して、シリコン層を炭化珪素層に変成させ、絶縁層とシリコン層とからなる基板と絶縁層の側で貼り合わせて、絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板を得る方法も知られている（特許文献３）。

本発明者も、ＳｉＣ基板のｎ型化の為に、PやNをイオン注入後、ＩＲランプ照射に熱処理（イオン注入によって不純物層に形成された格子欠陥を消滅させるために熱処理）する方法を提案した（特許文献４）。しかしながら、特許文献４では、ｐ型化が未解決であった。ｐ型化の場合、より高温（１８００〜１９００℃）での熱処理が必要で、ＳＯＩ基板を用いる技術では困難性があった。即ち、シリコンの融点が約１４００℃であり、これを超える高温、長時間の熱処理では、母材であるシリコンが溶融してしまうという問題があった。

特開２００３−２２４２４８号公報特開２００４−２９６５５８号公報特開２００７−２７６４８号公報特開２００９−１１１００７号公報

従って、本発明の課題は、絶縁層埋め込み型半導体の炭化珪素基板において、電子デバイス作製に不可避である、低抵抗ｐ型不純物層を形成するための工業的な方法を提案することにある。

本発明の特徴とするところは、絶縁層埋め込みＳｉＣ基板にイオン注入によりアクセプターとなり得る元素をドーピングし、その後に熱処理することでｐ型層を形成することにある。具体的には、請求項１に記載された発明は、絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板である３Ｃ−ＳｉＣ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板にイオン注入しｐ型不純物層を形成させ、次いで、ｐ型不純物層に発生した格子欠陥を、熱処理により、最大限に減少させることを特徴とするｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板の製造方法である。

請求項２に記載された発明は、注入されるイオンが、アルミニウムイオンであることを特徴とする請求項１記載のｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板の製造方法である。

請求項３に記載された発明は、熱処理が、レーザアニールを用いて行われることを特徴とする請求項１又は２記載のｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板の製造方法である。

請求項１に記載された発明は、熱処理が、レーザー照射０．２〜０．７Ｊ／ｃｍ^２の範囲の条件下で行われることを特徴とするｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板の製造方法である。

一般に炭化珪素基板の価格は、シリコン基板価格の１０〜１００倍もするが、本発明では、小消費電力用半導体として使用されているＳＯＩ（Ｓｉ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板）を利用し、そのＳｉ層を炭化してＳｉＣ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板とすることによって、炭化珪素半導体を廉価で提供することができる。具体的には、本発明の方法、例えば、ＳｉＣ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板にアルミニウムイオンを注入した後の熱処理として、ヒータを用いたアニールを実施するのではなく、集光レーザ光を走査することによって基板を熱処理することにより、ｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板を製造することができる。

本発明によって得られた、ｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板は、高性能炭化珪素デバイス作製に道を開くものであり、将来的なデバイス作製プロセスにおいても重要な位置づけになる。

本発明の炭化珪素基板の、表面炭化珪素層のシート抵抗と照射レーザエネルギー密度の関係を示す図である。

本発明は、絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板に、イオン注入によりアクセプタとなり得る元素をドーピング（注入）し、その後、格子欠陥を消滅させるために熱処理を行ない、ｐ型不純物層を形成するものである。絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板は、市販のＳＯＩ（Silicon on insulator、Ｓｉ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板）基板を用いて、例えば、特許文献１又は２に記載の方法で好ましく製造することができるが、本発明において用いられる絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板は、その他公知のアチソン法、昇華法、ＣＶＤ法、エピタキシャル法等種々の製造方法で製造されたものでも使用できる。

特許文献１の方法は、表面シリコン層の膜厚が１０ｎｍ以下で埋め込み絶縁物を有するＳＯＩ基板を加熱炉（成膜室）内に設置し、加熱炉内に水素ガスと炭化水素系ガスとの混合ガスを供給しつつ、加熱炉内の雰囲気温度を上昇させて、前記ＳＯＩ基板の表面シリコン層を単結晶炭化シリコン薄膜に変成させる第１の工程と、前記第１の工程を過剰に行って炭素薄膜を前記単結晶炭化シリコン薄膜の上に堆積させる第２の工程と、前記混合ガスを所定の割合で酸素ガスが混合された不活性ガスで置換し、前記ＳＯＩ基板を５５０℃以上に加熱して前記炭素薄膜をエッチングで除去する第３の工程と、前記酸素ガスが混合された不活性ガスを酸素ガスが混合されない純粋な不活性ガスで置換し、加熱炉内の雰囲気温度を所定の温度にまで上昇させる第４の工程と、前記所定の雰囲気温度を維持した状態で、水素ガスとシラン系ガスとを加熱炉内に供給して前記ＳＯＩ基板の表面の単結晶炭化シリコン薄膜の上に新たな単結晶炭化シリコン薄膜を成長させる第５の工程とを備えた方法である。第５の工程のシラン系ガスとしては、例えば、メチルシランガスが用いられる。このメチルシランガスが分解されることによって生成されるシリコンと、単結晶炭化シリコン薄膜中の炭素とが反応することで、単結晶炭化シリコン薄膜の上にさらなる単結晶炭化シリコン薄膜が形成される。

特許文献２に記載の方法は、基本的に特許文献１の方法と同じであるが、特許文献１の方法が加熱炉全体の雰囲気を、抵抗加熱方式や誘導加熱方式で昇温させるのに対し、特許文献２の方法では、ＳＯＩ基板の表面シリコン層に向けて赤外線を照射し、照射部分のみを加熱し、これにより表面シリコン層を単結晶炭化シリコン薄膜に変成させるのに必要な温度に上昇させる等、加熱手段として赤外線を用いることを特徴とする方法である。いずれの方法で得られた絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板でも、本発明の方法において使用することができる。

本発明において用いられる絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板において、炭化珪素としては六方晶（２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ等）、菱面体晶（１５Ｒ）等のアルファ炭化珪素、あるいは立法晶（３Ｃ）等のベータ炭化珪素等のいずれでも良いが、特に３Ｃ−ＳｉＣは、シリコンとプロセス互換性に優れているので好ましい。

前記ｐ型不純物層を形成するために炭化珪素表面層（ＳｉＣ膜）にイオン注入されるｐ型不純物としては、アルミニウムイオン、ホウ素イオン、ガリウムイオン、インジウムイオンの群から選ばれた１種のイオン、あるいは２種以上のイオンの混合物を用いることができるが、好ましいのはアルミニウムイオンである。

ｐ型不純物層の厚さは、トランジスタ等のｐ型不純物層としてソース・ドレイン等の要素機能を果たすのに必要且つ十分な厚さであれば良く、特に制限はないが、好ましくは５０ｎｍから０．５μｍ程度の厚さが良い。

前記ｐ型不純物であるアルミニウムイオン等のイオンを注入するための装置としては、半導体中に注入する不純物原子をイオン化するイオンビーム発生装置と、イオンビームを加速する加速装置と、イオンビーム発生装置によって発生したイオンビームを集光し、イオン注入される試料（半導体基板）が保持された試料室に導き、試料面上でイオンビームを走査して試料面に不純物イオンを注入することができる手段と、試料を１４００℃程度まで加熱保持できる装置とを有する、公知の高温イオン注入装置を用いることができる。

前記イオン注入装置によって注入するアルミニウムイオン等のイオンの加速電圧は、炭化珪素中に所望の深さのｐ型不純物層が形成できるだけの加速電圧で、通常２０〜４００ｋｅＶが用いられる。

アルミニウムイオン等のイオンの注入の後に行う熱処理工程は、イオンの注入において発生した格子欠陥を最大限に減少させるために行うもので、本発明においては、これをレーザアニール条件下に行うのが好ましい。レーザアニールとは、レーザーを使って表面改質を行う技術であり、例えば、ガラス基板表面に成膜されたアモルファスシリコンに、レーザーを照射することにより瞬間的な熱を発生させ、ポリシリコンに改質することができる。レーザーの照射条件によって、シリコンが結晶になる程度が決定される。パワーが高すぎると、膜がアブレーションされて飛んでしまうこともあるが、膜表面だけに瞬時に熱を加えれば安価なガラス基板を利用でき、かつ大きな基板サイズにも対応できるという特徴がある。

前記熱処理は真空中で行って良く、あるいは不活性雰囲気ガス中で行っても良い。不活性ガスとしては、高純度のアルゴンガスが好ましい。

そこで、本発明では、アルミニウムイオン等をドーピングした後、例えば、ＹＡＧレーザーを用いて、表面のみ照射、パルス、走査することによって、低抵抗化を実現することができる。アルミニウムイオンをドープしてアニールするには、１８００℃付近の温度が必要である。ＳｉＣ単結晶を用いるのであれば、１８００℃付近の高温でのアニールは特に問題ないが、ＳｉＣ単結晶は気相成長法で作成すので大変高価で、大型無欠陥の単結晶の製造は非常に困難であるという問題がある。本発明では、汎用のＳｉ単結晶を用いて安価に製造できるＳｉ（単結晶）／ＳｉＯ_２／Ｓｉ（表面）基板の表面Ｓｉを炭化したＳｉＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板を用いるので、安価で、大型化が容易という利点がある。しかし欠点として、Ｓｉの融点は１４１４℃なので、５０ナノ秒という瞬間的にレーザーを当てて、Ｓｉを溶融させることなく、表面のＳｉＣをアニールする必要がある。本発明者の検討結果によると、後述の図１に示したように、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板のシート抵抗は、エネルギー密度的に、０．２〜０．７Ｊ／ｃｍ^２、好ましくは、０．３５〜０．５５Ｊ／ｃｍ^２位の間で、低抵抗化できる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。熱処理後の表面炭化珪素層の抵抗率は、四深針抵抗測定法により測定した。

［実験]
市販のＳＯＩ（Silicon on insulator、Ｓｉ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板）基板の表面Ｓｉを薄層化し、その極薄Ｓｉ層を炭化処理によりＳｉＣ層に変性した。その上に、ＳｉＣエピタキシャル膜を、ＣＶＤ（化学気相成長）法により厚膜成長させた。膜厚１００ｎｍの３Ｃ−ＳｉＣを有する絶縁層埋め込み型ＳｉＣ基板に、アルミニウムイオンを、エネルギー１０、２０、３０、および５０ｋｅＶにおいて、それぞれドーズ量５．０×、１．０×、１．０、及び０．６×１０^１４／ｃｍ^２注入した。その後、ＹＡＧレーザ（波長：３５５ｎｍ）を未照射、０．０９、０．１４、０．２０、０．２３、０．２６、０．２８、０．３３、０．３８、０．４９、及び０．６２Ｊ／ｃｍ^２エネルギーで、表面のみ照射したサンプルを用意した。その後、当該サンプル表面に対して四探針測定装置を用いることにより、ＳｉＣ層のシート抵抗を測定した。

［結果］
得られた結果は図１に示した。図より明らかなように、当該ＳｉＣ層のシート抵抗は、レーザ照射がなされない状態や、レーザ照射エネルギー密度が０．２Ｊ／ｃｍ^２程度以下では、数十ｋΩ／□という非常に高い値を示すのに対して、レーザ照射エネルギー密度を０．２Ｊ／ｃｍ^２以上にすることでシート抵抗が減少し始め、０．４Ｊ／ｃｍ^２程度で最小値が得られた。また、０．４Ｊ／ｃｍ^２程度以上のレーザ照射エネルギー密度のサンプルに対しては、逆にシート抵抗が増大する傾向が得られた。この結果は、Ａｌをイオン注入したＳｉＣ層において、エネルギー密度が０．２〜０．７Ｊ／ｃｍ^２、好ましくは、０．３５〜０．５５Ｊ／ｃｍ^２位のレーザ照射を行うことで、ＳｉＣ半導体にて、Ａｌがアクセプターとして活性化していることを示すものである。この結果、ＳｉＣ表面層のシート抵抗が小さくなったと考えられる。

炭化珪素を用いた電子デバイスは、高温や高耐圧環境での用途が見込まれる。またポストシリコン材料の有力候補として、ＬＳＩデバイスの高性能化に向けて、絶縁層埋め込み型炭化珪素基板が電子デバイス材料として用いられることも期待される。従って、本発明によって得られた、ｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型半導体炭化珪素基板は、高性能炭化珪素デバイス作製に道を開くものであり、例えば、シリコンタイプに比較して電子移動度が大きく、高温、大電流に耐えるので、高性能ポストシリコン半導体、パワーデバイス、車搭載用半導体等として期待される。

Claims

絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板である３Ｃ−ＳｉＣ膜／ＳｉＯ_２膜／Ｓｉ基板にイオン注入しｐ型不純物層を形成させ、次いで、ｐ型不純物層に発生した格子欠陥を、熱処理により、最大限に減少させ、熱処理が、レーザー照射０．２〜０．７Ｊ／ｃｍ^２の範囲の条件下で行われることを特徴とするｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板の製造方法。
注入されるイオンが、アルミニウムイオンであることを特徴とする請求項１記載のｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板の製造方法。
熱処理が、レーザアニールを用いて行われることを特徴とする請求項１又は２記載のｐ型不純物層を有する絶縁層埋め込み型立方晶構造半導体炭化珪素基板の製造方法。