JP6053645B2 - ＳｉＣ半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はＳｉＣ半導体装置の製造方法に関し、特に４探針法による抵抗値の測定が可能なＳｉＣ半導体装置の製造方法に関する。
ＳｉＣ（炭化珪素）半導体装置の製造工程において使用されている活性化アニール装置は１６００℃以上の温度にてアニール処理を実施している。従来のＳｉ（シリコン）半導体装置では、アニールの温度は最大でも１３００℃程度までとなっており、熱処理装置の内部に熱電対（例えば、ＪＩＳ規格のＲタイプもしくはＢタイプの熱電対）を挿入して温度校正を行っている。
活性化アニール装置により１６００℃以上の高温で熱処理を行う場合、タングステン・レニウム（Ｗ−Ｒｅ）合金の熱電対により温度校正を行うことができるが、熱電対の酸化により素線劣化が起こる。よって、高温熱雰囲気に熱電対を２回程度挿入すると、劣化により素線に断線が生じるため、定常的に活性化アニール装置の温度校正管理を行うことは非常に困難となっている。
また、基板面内の温度分布の測定に関しては、この熱電対を用いた手法では熱電対付基板にて測定することになる。しかし、ＳｉＣ基板へ熱電対の素線を溶着する手法も課題が多く、管理運用が難しい。このため、現在の運用ではＳｉＣ基板にて簡易的なパターニング基板を作成し、この基板のＣ−Ｖ特性（容量電圧特性）を測定して基板中のアクセプタ濃度を算出し、温度換算値に置き換える手法が用いられている。上述の簡易的なパターニング基板は以下の工程により製造される。
まず、基板表面層にＰ型層を形成するために、ＳｉＣ基板にＡｌ（アルミニウム）を注入する。次に、アニール処理の前処理として、基板表面に保護膜（例えばグラファイト膜）を形成する。そして、注入した不純物を活性化させるために、活性化アニール装置にて１６００℃以上の高温でアニール処理を実施する。その後、保護膜を除去して、ＳｉＣ基板表面に円筒状のＡｌ電極を形成する。ＳｉＣ基板に対する不純物注入、アニール処理等は、例えば特許文献１、特許文献２を参照。
以上の工程によって形成されたＳｉＣ基板に対してＣ−Ｖ測定を実施し、基板中のＡｌアクセプタ濃度を算出して、これを温度に換算することにより温度校正を行なう。
上述した従来のＳｉＣ半導体装置の製造方法に適用される、簡易的なパターニング基板の製造工程においては、Ａｌ電極形成、パターニングなど、他プロセスも多く含まれるため、製造工程数が増大する問題があった。
また、基板の面内測定も、電極を形成した箇所でのみ測定は行えるが、電極のない部分では測定することができないため、測定箇所に限りがあり、温度の詳細な面内分布分析までは実施することができなかった。
このモニタ手法の置き換えとして、Ｓｉデバイスの熱処理装置にて採用されている４探針シート抵抗測定器による測定をＳｉＣ基板に対しても実施できれば、Ａｌ電極の形成を行う必要がなく、基板上のあらゆる箇所の測定が可能となる。しかし、ＳｉＣ基板自体が非常に硬く、針とのコンタクトがとれないため、測定が実施できない状況となっていた。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、４探針法による抵抗値の測定が可能なＳｉＣ半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
本発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法は、温度モニタ工程を備えるＳｉＣ半導体装置の製造方法であって、温度モニタ工程は、（ａ）温度モニタ用のＳｉＣ基板の表面層に１×１０２０ｃｍ−３以上の濃度で不純物を注入する工程と、（ｂ）工程（ａ）の後、ＳｉＣ基板の表面にグラファイト膜を形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、ＳｉＣ基板をアニール処理することにより不純物を活性化させる工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、グラファイト膜を除去する工程と、（ｅ）工程（ｄ）の後、ＳｉＣ基板の表面を酸化して酸化膜を形成する工程と、（ｆ）酸化膜を除去する工程と、（ｇ）工程（ｆ）の後、当該ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定を行う工程と、（ｈ）工程（ｇ）において測定した抵抗値に基づいて、ＳｉＣ基板の表面温度を決定する工程と、を備える。
本発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法によれば、４探針法によるシート抵抗の測定が可能なＳｉＣ基板を製造することが可能となるため、基板上に電極形成をする必要がなく、最小限のプロセス数で温度測定用ＳｉＣ基板を作成することができる。また、作成した温度測定用のＳｉＣ基板は基板上のどの箇所に対しても測定が行えることから、基板面内をより多点で測定することができ、基板面内の温度分布傾向を確認することができる。
ＳｉＣ半導体装置の製造工程には、ＳｉＣ基板をアニール処理する工程が含まれる。アニール処理は１６００℃以上の高温で行なわれるが、このアニール処理中にＳｉＣ基板の温度をモニタする必要がある。前述した様に、温度モニタ手段としてＳｉＣ基板に対して４探針法を適用することができれば好ましい。
本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法において温度モニタ手段として適用されるＳｉＣ基板は、従来のＳｉ系熱処理装置で用いられている４探針シート抵抗測定器を用いて抵抗値を測定することが可能なＳｉＣ基板である。本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法は、温度モニタ工程を含む。温度モニタ工程は、温度モニタを行うためのサンプル基板としての温度モニタ用のＳｉＣ基板（以下、単にＳｉＣ基板と記載）を製造する工程と、製造したＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値を測定して温度を得る工程とを備える。
図１はＳｉＣ半導体装置の製造方法を示すフローチャートであり、特に、その製造方法において実施される温度モニタ工程を詳細に示すフローチャートである。図１に示す温度モニタ工程のフローチャートを用いて、温度モニタ工程の各工程について説明する。まず、図１のステップＳ０１において、ＳｉＣ基板表面層にＰ型層を形成するために、ＳｉＣ基板表面に不純物（例えばＡｌ）を注入する。ステップＳ０１において、Ａｌの注入は、基板表面層（基板深さ５０ｎｍ程度）の濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となるように行う。これ以下の濃度では、針とのコンタクトが取れず、４探針法による測定の際に測定値が出ない。
図２は、ＳｉＣ基板のプロファイル（表面からの深さと不純物濃度の関係）である。注入エネルギーを４０ｋｅＶ、７０ｋｅＶ、１５０ｋeＶの３段階に変化させてイオン注入法によりＡｌイオンの注入を行なう。結果として、図２に示す様に、表面からの深さが５０ｎｍ付近において、不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となる。
なお、本実施の形態では不純物としてＡｌを注入した。Ａｌに限らず、他の不純物であっても同じ効果が得られると考えられるが、ＳｉＣ基板への一般的なＰ層形成方法としてＡｌ注入を採用した。特に、Ｎ型のＳｉＣ基板に対してＰＮ接合を形成するＰ型の不純物が望ましい。
次に、図１のステップＳ０２において、ＳｉＣ基板表面に保護膜を形成する。保護膜を形成するのは、続くステップＳ０３におけるアニール処理において、ＳｉＣ基板に注入した不純物が表面から熱拡散するのを防止するためである。１６００℃以上の高温に耐えうるように、保護膜としてグラファイト膜を形成する。
グラファイト膜は、写真製版プロセスにて用いられるレジスト液を基板表面に塗布することによっても形成可能である。しかし、例えばレジストによって形成したグラファイト膜に対して１８５０℃〜１９００℃の温度領域にてアニール処理を実施すると、高温による局所昇華が発生し、注入したＡｌが保護されない部分が発生する。
そこで本実施の形態では、減圧ＣＶＤ法により、エタノールを気化させたガスにより９５０℃以上の処理温度にてグラファイト膜を成膜する。この方法により、緻密な膜を形成することが可能なため、より高温の温度領域でも保護膜として使用することができる。また、膜厚については３０ｎｍ以上成膜することが望ましい。これは、膜厚が３０ｎｍに満たないと、高温による局所昇華が発生し保護されない部分が発生するためである。
続いて、図１のステップＳ０３において、ＳｉＣ基板に対してアニール処理を実施する。１６００℃以上で熱処理を行うことにより、ステップＳ０１においてＳｉＣ基板の表面層に注入した不純物（Ａｌ）を活性化させる。
次に、ステップＳ０４において、ＳｉＣ基板表面に成膜したグラファイト膜を除去する。グラファイト膜は、Ｏ２プラズマガスによりアッシャー装置を用いて除膜される。アッシャー装置はＳｉ基板の製造の際に用いられるものを適用可能である。
Ｓｉ基板であれば、アニール処理前に形成した保護膜（いわゆるキャップ膜）を除去した後に、４探針法により抵抗値の測定を行なうことが可能である。しかし、本実施の形態におけるＳｉＣ基板では、グラファイト膜除去後に４探針法による抵抗値の測定を実施しても、ＳｉＣ基板表面の原子配列が崩れており、針とのコンタクトがとれない。また、図２に示したように、ＳｉＣ基板最表面の不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以下となっているため、この表面層を除去する必要がある。
上記の理由から、図１のステップＳ０５，Ｓ０６においてＳｉＣ基板の表面層の除去を行なう。まず、ステップＳ０５においてＳｉＣ基板表面層に対して熱酸化を実施する。熱酸化は、酸化速度を上げるために１１５０℃以上の水蒸気雰囲気にて行う。ＳｉＣ基板表面から深さ３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲を酸化する。
次にステップＳ０６において酸化膜のエッチングを行なう。ステップＳ０５において形成した酸化膜をフッ化水素（ＨＦ）にて除去する。ステップＳ０５，Ｓ０６により基板表面からの深さが３０〜４０ｎｍの部分が最表面として露出する。以上の工程（ステップＳ０１〜Ｓ０６）を経て、温度測定用のＳｉＣ基板が完成する。
続いて、ステップＳ０７において、温度測定用のＳｉＣ基板に対して４探針シート抵抗測定器によりシート抵抗値の測定を行う。シート抵抗測定器はＳｉデバイスにて使用している測定器でも使用することは可能である。ここで、シート抵抗測定器は、測定値の再現性向上のため針圧が管理できるように、針上下動作の駆動系をステッピングモーターなどにて一定圧で制御できるようにしておくことが望ましい。特にＳｉＣ基板の場合には結晶自体が硬いため、一定の針圧にて測定することが重要である。
図３に、作成したＳｉＣ基板のシート抵抗値と、ＳｉＣ基板の基板表面温度との相関図を示す。図３の横軸の基板表面温度とは、アニール装置にて設定した処理温度を基板の表面温度に置き換えた推定値である。図３において、シート抵抗値と基板表面温度との間には線形近似が取れている。
４探針法によりＳｉＣ基板のシート抵抗値を測定し（ステップＳ０７）、図３を参照することによりシート抵抗値を基板表面温度に換算して、１６００℃以上の高温領域の基板表面温度を求めることが可能となる（ステップＳ０８）。
また、図４に、従来のパターニング基板にて測定したＡｌアクセプタ濃度と、基板表面温度の相関図を示す。図４の横軸の基板表面温度は、図３と同じく、アニール装置にて設定した処理温度を基板の表面温度に置き換えた推定値である。図４の縦軸はＡｌアクセプタ濃度値、横軸は基板表面温度であり、これらの間には線形近似が取れている。
従って、図３および図４において共通の基板表面温度を介して、シート抵抗値とＡｌアクセプタ濃度を関係付けることが可能となる（図５）。図５に示すように、シート抵抗値とＡｌアクセプタ濃度の間には線形の相関関係が成り立っている。これは、従来Ａｌアクセプタ濃度から基板表面温度を求めていたのと同様の換算方法によって、シート抵抗値から基板表面温度を求めることができることを意味している。
なお、図４に示したＡｌアクセプタ濃度と基板表面温度との相関は、背景技術で述べたようにＡｌ電極を形成したパターニング基板に対してＣ−Ｖ測定を行なうことにより得られる。図６にパターニング基板の平面図を示す。また、図７に、図６中の線分ＡＢにおける断面図を示す。図６に示すように、Ａｌ電極４は例えば円筒状である。パターニング基板は、ＳｉＣ基板２の表面層に形成されたＰ型層３、Ｐ型層３の表面に円筒状に形成されたＡｌ電極４、基板裏面に形成された裏面電極１から構成される。Ｃ−Ｖ測定はＡｌ電極４の電極内側と外側のそれぞれに針を接触させて行われる。
＜効果＞
本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法は、（ａ）ＳｉＣ基板の表面層に１×１０２０ｃｍ−３以上の濃度で不純物を注入する工程と、（ｂ）工程（ａ）の後、ＳｉＣ基板の表面にグラファイト膜を形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、ＳｉＣ基板をアニール処理することにより不純物を活性化させる工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、グラファイト膜を除去する工程と、（ｅ）工程（ｄ）の後、ＳｉＣ基板の表面を酸化して酸化膜を形成する工程と、（ｆ）酸化膜を除去する工程と、（ｇ）工程（ｆ）の後、ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定を行う工程と、を備える。
本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法は、（ａ）ＳｉＣ基板の表面層に１×１０２０ｃｍ−３以上の濃度で不純物を注入する工程と、（ｂ）工程（ａ）の後、ＳｉＣ基板の表面にグラファイト膜を形成する工程と、（ｃ）工程（ｂ）の後、ＳｉＣ基板をアニール処理することにより不純物を活性化させる工程と、（ｄ）工程（ｃ）の後、グラファイト膜を除去する工程と、（ｅ）工程（ｄ）の後、ＳｉＣ基板の表面を酸化して酸化膜を形成する工程と、（ｆ）酸化膜を除去する工程と、（ｇ）工程（ｆ）の後、ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定を行う工程と、を備える。
従って、本製造工程にて、４探針法によりシート抵抗の測定が可能なＳｉＣ基板を製造することが可能となるため、基板上に電極形成をする必要がなく、最小限のプロセス数で温度測定用ＳｉＣ基板を作成することができる。また、作成した温度測定用のＳｉＣ基板は基板上のどの箇所に対しても測定が行えることから、基板面内をより多点で測定することができ、基板面内の温度分布傾向を確認することができる。
また、本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法は、温度モニタ工程を備えるＳｉＣ半導体装置の製造方法であって、温度モニタ工程は、前記工程（ａ）〜（ｇ）を備え、前記工程（ａ）〜（ｇ）におけるＳｉＣ基板は温度モニタ用のＳｉＣ基板であることを特徴とする。
従って、温度モニタ工程において、最小限のプロセス数で温度測定用のＳｉＣ基板を作成することができる。また、作成した温度測定用のＳｉＣ基板は基板上のどの箇所に対しても測定が行えることから、基板面内の温度分布傾向を確認することができる。
また、本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法において、工程（ａ）における不純物はアルミニウムである。従って、ＳｉＣ基板へのＰ層注入としてＡｌが一般的であり、特に、Ｎ型のＳｉＣ基板に対してＰＮ接合を形成するＰ型の不純物が望ましい。
また、本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法において、工程（ｂ）において形成するグラファイト膜の膜厚は３０ｎｍ以上であり、工程（ｃ）におけるアニール処理は１６００℃以上で行なわれることを特徴とする。
従って、不純物を注入したＳｉＣ基板の表面を３０ｎｍ以上の膜厚を有するグラファイト膜で覆うことにより、１６００℃以上の高温でアニール処理を行なう場合であっても、アニール処理中の不純物の熱拡散を防止することが可能である。
また、本実施の形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法において、工程（ｅ）における酸化膜の形成は１１５０℃以上の水蒸気雰囲気で行なわれ、酸化膜の膜厚は３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。
従って、酸化膜の形成を１１５０℃以上の水蒸気雰囲気で行なうことにより、酸化膜形成の速度をより速めることが可能である。また、酸化膜の膜厚を３０ｎｍ以上４０以下の範囲とすることにより、酸化膜を除去した際に、アクセプタ濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上の領域を表面に露出することが可能となる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 裏面電極、２ ＳｉＣ基板、３ Ｐ型層、４ Ａｌ電極。
Claims (4)
- 温度モニタ工程を備えるＳｉＣ半導体装置の製造方法であって、
前記温度モニタ工程は、
（ａ）温度モニタ用のＳｉＣ基板の表面層に１×１０２０ｃｍ−３以上の濃度で不純物を注入する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記ＳｉＣ基板の表面にグラファイト膜を形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記ＳｉＣ基板をアニール処理することにより前記不純物を活性化させる工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記グラファイト膜を除去する工程と、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記ＳｉＣ基板の表面を酸化して酸化膜を形成する工程と、
（ｆ）前記酸化膜を除去する工程と、
（ｇ）前記工程（ｆ）の後、当該ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定を行う工程と、
（ｈ）前記工程（ｇ）において測定した抵抗値に基づいて、前記ＳｉＣ基板の表面温度を決定する工程と、
を備える、
ＳｉＣ半導体装置の製造方法。 - 前記工程（ａ）における前記不純物はアルミニウムである、
請求項１に記載のＳｉＣ半導体装置の製造方法。 - 前記工程（ｂ）において形成する前記グラファイト膜の膜厚は３０ｎｍ以上であり、
前記工程（ｃ）における前記アニール処理は１６００℃以上で行なわ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ＳｉＣ半導体装置の製造方法。 - 前記工程（ｅ）における前記酸化膜の形成は１１５０℃以上の水蒸気雰囲気で行なわれ、
前記酸化膜の膜厚は３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、
請求項１から請求項３のいずれかに記載のＳｉＣ半導体装置の製造方法。
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