JP6108588B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素単結晶半導体素子の製造方法に関し、特に、SiC半導体を用いた半導体装置において、熱処理時にSiC半導体表面の荒れを防ぐ炭化珪素半導体素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide single crystal semiconductor element, and more particularly, to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element that prevents a SiC semiconductor surface from being roughened during heat treatment in a semiconductor device using an SiC semiconductor.

近年、珪素(以下Siと記す)に代わる半導体材料の一つとして炭化珪素(SiC)が注目されている。SiCは、バンドギャップが4H−SiCで3.25eVと、Siのバンドギャップ(1.12eV)に比べて3倍近く大きいため、動作上限温度を高くできる。また、絶縁破壊電界強度についても、4H−SiCで3.0MV/cmと、Siの絶縁破壊電界強度(0.25MV/cm)に比べて約1桁大きいため、絶縁破壊電界強度の3乗の逆数で効く素子の抵抗(オン抵抗)が低減され、定常状態での電力損失を低減できる。   In recent years, silicon carbide (SiC) has attracted attention as one of semiconductor materials that can replace silicon (hereinafter referred to as Si). Since SiC has a band gap of 4H-SiC, which is 3.25 eV, which is nearly three times larger than the Si band gap (1.12 eV), the upper limit temperature of operation can be increased. Also, the dielectric breakdown electric field strength is 3.0 MV / cm for 4H-SiC, which is about an order of magnitude higher than the dielectric breakdown electric field strength of Si (0.25 MV / cm). The resistance (ON resistance) of the element that works in the reciprocal is reduced, and the power loss in the steady state can be reduced.

さらに、熱伝導度についても、4H−SiCで4.9W/cmKと、Siの熱伝導度(1.5W/cmK)に比べて3倍以上高いので、熱冷却効果が高く冷却装置を小型化できるという利点も有している。飽和ドリフト速度も2×107cm/sと大きいため、高速動作にも優れている。このようなことから、SiCは、電力用半導体素子(以下パワーデバイスと呼ぶ)や高周波デバイス、高温動作デバイスなどへの応用が期待されている。 Furthermore, the thermal conductivity is 4.9 W / cmK for 4H-SiC, which is more than three times higher than the thermal conductivity of Si (1.5 W / cmK). It also has the advantage of being able to. Since the saturation drift speed is as large as 2 × 10 7 cm / s, it is excellent in high-speed operation. For these reasons, SiC is expected to be applied to power semiconductor elements (hereinafter referred to as power devices), high-frequency devices, high-temperature operating devices, and the like.

現在、SiCを用いてMOSFET、pnダイオード、ショットキーダイオード等が試作され、絶縁耐圧とオン抵抗(すなわち、通電時の順方向電圧/順方向電流)についてSiの特性を超えるデバイスが続出しており、徐々に量産化の動きが加速されてきている。   Currently, MOSFETs, pn diodes, Schottky diodes, etc. are manufactured using SiC, and devices that exceed the characteristics of Si in terms of withstand voltage and on-resistance (ie, forward voltage / forward current during energization) have been developed one after another. The mass production is gradually being accelerated.

これらSiCの素子作製には、選択された領域において導電型やキャリア濃度を制御する技術が必要である。その方法としては、熱拡散法とイオン注入法がある。SiC中においては、不純物の拡散係数が非常に小さいため、Si半導体で広く用いられている熱拡散法は、SiCに適用することが難しい。そのため、SiCでは通常イオン注入法が用いられている(例えば、下記特許文献1参照。)。注入されるイオン種としては、n型に対しては窒素(N)、燐(P)が用いられ、p型に対してはアルミニウム(Al)または、ほう素(B)が多く用いられる。   The fabrication of these SiC elements requires a technique for controlling the conductivity type and carrier concentration in selected regions. As the method, there are a thermal diffusion method and an ion implantation method. In SiC, since the diffusion coefficient of impurities is very small, the thermal diffusion method widely used in Si semiconductors is difficult to apply to SiC. Therefore, an ion implantation method is usually used for SiC (for example, see Patent Document 1 below). As ion species to be implanted, nitrogen (N) and phosphorus (P) are used for n-type, and aluminum (Al) or boron (B) is often used for p-type.

SiCに対するイオン注入後には、イオンを活性化させるために、例えば1700℃前後の温度で活性化熱処理する必要があるが、表面を保護しないで熱処理すると表面荒れが起こることが知られている。表面荒れが起こる原因の一つが高温における表面近傍のSi原子の昇華である。もう一つは、ステップバンチングによる表面荒れである。ステップバンチングとは、例えば4H−SiCの(0001)面から[11−20]方向に8°程度傾けた(この角度をオフ角度という)SiC基板上に成長させたエピタキシャル層について、各原子層が横方向に成長していくため、各原子層の端にある成長ステップが、ある条件下において統合されて、表面の凹凸が激しくなる現象である。   After ion implantation for SiC, in order to activate the ions, it is necessary to perform an activation heat treatment at a temperature of, for example, around 1700 ° C. However, it is known that surface roughening occurs when the heat treatment is performed without protecting the surface. One cause of surface roughness is sublimation of Si atoms near the surface at high temperatures. The other is surface roughness due to step bunching. Step bunching refers to, for example, an epitaxial layer grown on a SiC substrate tilted by about 8 ° in the [11-20] direction from the (0001) plane of 4H—SiC (this angle is referred to as an off angle). Since the crystal grows in the lateral direction, the growth step at the end of each atomic layer is integrated under certain conditions, and the surface becomes uneven.

活性化熱処理の後、例えば絶縁ゲート構造のMOS素子の場合には熱酸化膜を、ショットキーダイオードの場合は、ショットキー電極を形成する。しかし、前述の表面荒れにより、絶縁破壊やリークを起こし、素子特性の低下を引き起こすことが問題となる。   After the activation heat treatment, for example, a thermal oxide film is formed in the case of a MOS element having an insulated gate structure, and a Schottky electrode is formed in the case of a Schottky diode. However, there is a problem that the above-described surface roughness causes dielectric breakdown or leakage and causes deterioration of element characteristics.

この表面荒れを防ぐための一つの方法として、SiH4ガスを添加したArガス中での熱処理をすると、表面荒れが低減できることが報告されている。この方法では、材料ガスの供給、装置本体、残留ガスの排気等の各部に、安全に特殊材料ガスを使用するための特殊仕様が必要となり、装置コストが高くなることが問題となる。また、表面荒れを防ぐ別の方法としては、イオン注入後に、表面にカーボンの膜を形成してから熱処理することにより、表面荒れが低減されることが知られている。カーボン保護膜の成膜はスパッタ法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、レジストを塗布して炭化させる方法などが行われている。   As one method for preventing this surface roughness, it has been reported that the surface roughness can be reduced by heat treatment in Ar gas to which SiH4 gas is added. In this method, special specifications for safely using the special material gas are required for each part such as the supply of the material gas, the apparatus main body, and the exhaust of the residual gas, which raises a problem that the apparatus cost increases. As another method for preventing the surface roughness, it is known that the surface roughness is reduced by performing a heat treatment after forming a carbon film on the surface after ion implantation. The carbon protective film is formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), or carbonizing by applying a resist.

CVD法の場合は、キャリアガス等に用いる水素の材料ガスの供給、装置本体、残留ガスの排気等の各部にかかるコストが高くなる。レジストを塗布して炭化させる方法の場合は、一度に大量形成できる一方、材料自体の利用効率が低いことや炭化するための工数が増えるため、一概に有効な手法とは言い難い。このため、一般的にはスパッタ法で、カーボンターゲットを用いArガスでスパッタリングを行い、例えば200〜600℃の加熱成膜温度が用いられている。   In the case of the CVD method, the cost of each part such as supply of a hydrogen material gas used for a carrier gas or the like, apparatus main body, exhaust of residual gas, and the like becomes high. In the case of the method of carbonizing by applying a resist, a large amount can be formed at one time, but the utilization efficiency of the material itself is low and the number of steps for carbonization increases, so it is difficult to say that the method is generally effective. For this reason, generally, sputtering is performed with Ar gas using a carbon target, and a heating film formation temperature of, for example, 200 to 600 ° C. is used.

特開2001−68428号公報JP 2001-68428 A

しかしながら、上記のスパッタ法では、表面(SiC基板のおもて側)近傍のSi原子の昇華、およびステップバンチングによる表面荒れを抑えることはできるが、おもて側から深さ2〜10nm、幅100nm程度の箇所に、長さが1μm程度を有してワームのようなやや直線の湾曲した筋状のくぼみが発生することが問題となっている。   However, in the above sputtering method, sublimation of Si atoms near the surface (the front side of the SiC substrate) and surface roughness due to step bunching can be suppressed, but the depth from the front side is 2 to 10 nm, the width There is a problem that a linearly curved streak-like dent such as a worm is generated at a location of about 100 nm having a length of about 1 μm.

本発明は、上記課題に鑑み、活性化熱処理後の炭化珪素基板の表面荒れを防いで平滑に保ち、安価に良好な特性のデバイスを作製できる炭化珪素半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element capable of preventing the surface roughness of the silicon carbide substrate after the activation heat treatment, keeping the surface smooth, and manufacturing a device having good characteristics at low cost. And

上記目的を達成するため、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、半導体デバイスの材料として炭化珪素単結晶基板および炭化珪素エピタキシャル膜が成膜された炭化珪素基板の表面層にイオン注入により不純物領域を形成する工程と、前記炭化珪素基板を加熱を行わない室温のスパッタ装置を用い、前記炭化珪素基板の表面上にグラファイト化していないアモルファスカーボンを堆積させカーボン保護膜を形成する工程と、前記炭化珪素基板を活性化熱処理することでグラファイトのカーボン結合を発生させる工程と、前記カーボン保護膜を除去する工程と、を含むことにより、前記カーボン保護膜は、前記活性化熱処理前のラマン分光測定による波数1280〜1380cm-1および1550〜1650cm-1に散乱強度のピークを有さず、前記活性化熱処理後に前記散乱強度のピークをそれぞれし、前記活性化熱処理の前後で1500〜1550cm -1 と1700cm -1 に散乱強度のピークを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention provides impurities by ion implantation in a surface layer of a silicon carbide substrate on which a silicon carbide single crystal substrate and a silicon carbide epitaxial film are formed as a semiconductor device material. Forming a region, forming a carbon protective film by depositing non-graphitized amorphous carbon on the surface of the silicon carbide substrate using a room temperature sputtering apparatus that does not heat the silicon carbide substrate, and The carbon protective film includes a step of generating a carbon bond of graphite by activating heat treatment of the silicon carbide substrate and a step of removing the carbon protective film, whereby the carbon protective film is subjected to Raman spectroscopic measurement before the activation heat treatment. the peak of scattering intensity at a wavenumber 1280~1380Cm -1 and 1550~1650Cm -1 by Is not, the peak of the scattering intensity possess respectively after the activation heat treatment, characterized by having a peak of scattering intensity in 1500~1550Cm -1 and 1700 cm -1 before and after the activation heat treatment.

また、前記炭化珪素基板に形成する前記カーボン保護膜の形成膜厚は、10nm〜1000nm、好ましくは10〜100nm、さらに好ましくは10〜30nmであることを特徴とする。   The carbon protective film formed on the silicon carbide substrate has a thickness of 10 nm to 1000 nm, preferably 10 to 100 nm, and more preferably 10 to 30 nm.

また、前記スパッタ装置のスパッタパワー密度は、1W/cm2以下、好ましくは0.5W/cm2以下、さらに好ましくは0.35W/cm2以下であることを特徴とする Further, the sputtering power density of the sputtering apparatus, 1W / cm 2 or less, preferably 0.5 W / cm 2 or less, further preferably characterized in that 0.35 W / cm 2 or less.

上記構成によれば、カーボン保護膜の形成時にグラファイト化していないアモルファスカーボンを堆積させて活性化熱処理を行うことで、カーボン保護膜に局所的なクラックを防止することができる。そして、筋状のくぼみを抑え、活性化熱処理後のSiC基板表面の荒れを防いで平滑に保ち、安価に良好な特性のデバイスを作製できる。また、カーボン保護膜製膜を室温で行うため、設定基板温度までの昇温時間を短縮でき、さらにスパッタ装置本体の加熱機構等が不要であり、生産性を向上でき、安価なデバイス作製が可能となる。   According to the above configuration, it is possible to prevent local cracks in the carbon protective film by depositing amorphous carbon that has not been graphitized during the formation of the carbon protective film and performing the activation heat treatment. Further, it is possible to suppress streak-like dents, prevent the SiC substrate surface after activation heat treatment from being rough and keep it smooth, and manufacture a device having good characteristics at low cost. In addition, since the carbon protective film is formed at room temperature, the temperature rise time to the set substrate temperature can be shortened, and the heating mechanism of the sputtering equipment body is not required, improving the productivity and enabling low-cost device fabrication. It becomes.

本発明によれば、活性化熱処理後の炭化珪素基板の表面荒れを防いで平滑に保ち、安価に良好な特性のデバイスを作製できるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to prevent the surface roughness of the silicon carbide substrate after the activation heat treatment from being kept smooth and to produce a device having good characteristics at low cost.

本発明の炭化珪素半導体素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor element of this invention. 本発明の実施例により作製したカーボン保護膜の熱活性化処理前のラマン分光状態を示す図表である。It is a graph which shows the Raman spectrum state before the heat activation process of the carbon protective film produced by the Example of this invention. 本発明の実施例により作製したカーボン保護膜の熱活性化処理後のラマン分光状態を示す図表である。It is a graph which shows the Raman spectroscopy state after the heat activation process of the carbon protective film produced by the Example of this invention. カーボン保護膜のスパッタ条件を異ならせた比較例におけるカーボン保護膜のラマン分光状態を示す図表である。It is a graph which shows the Raman spectrum state of the carbon protective film in the comparative example which varied the sputtering conditions of the carbon protective film. 本発明の実施例により作製したカーボン保護膜の除去後のSiC基板の表面粗さを示すAFM像である。It is an AFM image which shows the surface roughness of the SiC substrate after the removal of the carbon protective film produced by the Example of this invention. 比較例におけるカーボン保護膜の除去後の表面粗さを示すAFM像である。It is an AFM image which shows the surface roughness after the removal of the carbon protective film in a comparative example. QBD測定の結果を示す図表である。It is a graph which shows the result of QBD measurement.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

発明者らは、上述した課題に記載した筋状のくぼみは、カーボン保護膜をアッシングで除去する前に存在することから、カーボン保護膜とSiCとの線膨脹係数の違いにより、活性化熱処理時に局所的なクラックが生じ、クラックが生じた箇所でSi原子の昇華が起こっていることを見出した。   The inventors have found that the streak-like dent described in the above-mentioned problem exists before the carbon protective film is removed by ashing, and therefore, due to the difference in linear expansion coefficient between the carbon protective film and SiC, It was found that local cracks occurred and Si atoms were sublimated at the locations where cracks occurred.

このため、本発明では、カーボン保護膜形成時に、グラファイト化していないアモルファスカーボンを堆積させ、活性化熱処理時の局所的なクラックを防止する。グラファイト化していないアモルファスカーボンは、例えば、室温スパッタ法、かつ0.5W/cm2のスパッタパワー密度、かつ20nmの膜厚で形成する。 For this reason, in this invention, the amorphous carbon which is not graphitized is deposited at the time of carbon protective film formation, and the local crack at the time of activation heat processing is prevented. The non-graphitized amorphous carbon is formed by, for example, room temperature sputtering, a sputtering power density of 0.5 W / cm 2 and a film thickness of 20 nm.

カーボン保護膜のスパッタ形成時のSiC基板加熱は、グラファイトのカーボン結合を発生させる。グラファイトのカーボン結合は、ラマン分光による測定で確認することができる。カーボン結合の一つがグラファイトのラマン活性モード(振動モード)いわゆるGバンドである1550〜1650cm-1の散乱強度のピーク、もうひとつがグラファイトの欠陥に由来する、いわゆるDバンドである1280〜1380cm-1の散乱強度のピークで確認できる。カーボン保護膜に前記カーボン結合が存在した場合、活性化熱処理時の1℃/sec以上の急激な昇温速度によって、局所的なクラックを生じさせる。 Heating the SiC substrate during sputter formation of the carbon protective film generates graphite carbon bonds. The carbon bond of graphite can be confirmed by measurement by Raman spectroscopy. One of the carbon bonds is a Raman active mode (vibration mode) of graphite, which is a so-called G band, a peak of scattering intensity of 1550 to 1650 cm −1 , and the other is a so-called D band, 1280 to 1380 cm −1, which is derived from graphite defects. The peak of the scattering intensity can be confirmed. When the carbon bond is present in the carbon protective film, local cracks are generated by a rapid temperature increase rate of 1 ° C./sec or more during the activation heat treatment.

スパッタパワー密度が5W/cm2と高すぎる場合もSiC基板の加熱と同様に、プラズマによりSiC基板が加熱され、グラファイトのカーボン結合を発生させ、結果的にカーボン保護膜の局所的な発生を起こす。ただしSiC基板の冷却機構を有するスパッタ装置の場合においてはこの限りではない。 When the sputtering power density is too high, such as 5 W / cm 2 , similarly to the heating of the SiC substrate, the SiC substrate is heated by plasma to generate carbon bonds of graphite, resulting in local generation of the carbon protective film. . However, this is not the case in the case of a sputtering apparatus having a SiC substrate cooling mechanism.

カーボン保護膜の膜厚は、ランダムな堆積によりSiC基板表面を一様に覆うことができる10nm以上であることが望ましく、生産性を考えた場合タクトタイムから1000nm以下であることが望ましい。   The film thickness of the carbon protective film is preferably 10 nm or more, which can uniformly cover the SiC substrate surface by random deposition, and is preferably 1000 nm or less from the tact time in consideration of productivity.

(実施例)
次に、活性化熱処理時に局所的なクラックを発生させないカーボン保護膜の形成方法について実施例を用いて説明する。なお、本実施例は、製膜方法、条件等本発明の効果を得られるための一例であり、すべての条件を表すものではない。
(Example)
Next, a method for forming a carbon protective film that does not generate local cracks during the activation heat treatment will be described with reference to examples. In addition, a present Example is an example for obtaining the effect of this invention, such as a film forming method and conditions, and does not represent all conditions.

図1は、本発明の炭化珪素半導体素子の製造工程を示す図である。本発明の炭化珪素半導体素子1は、図1(a)に示すように、結晶構造が4H−SiC基板(4°オフ基板)11に、ドナー密度1×1016/cm3のn型SiCエピタキシャル膜12を5μm成長させた炭化珪素(SiC)基板を使用する。以下の説明において、4H−SiC基板11と、SiCエピタキシャル膜12を含めてSiC基板11と称す。 FIG. 1 is a diagram showing a process for manufacturing a silicon carbide semiconductor element of the present invention. As shown in FIG. 1 (a), the silicon carbide semiconductor device 1 of the present invention has an n-type SiC epitaxial structure with a 4H-SiC substrate (4 ° off substrate) 11 and a donor density of 1 × 10 16 / cm 3. A silicon carbide (SiC) substrate on which the film 12 is grown by 5 μm is used. In the following description, the 4H-SiC substrate 11 and the SiC epitaxial film 12 are referred to as the SiC substrate 11.

そして、図1(b)に示すように、SiC基板11を有機洗浄、RCA洗浄し、SiC基板11上にイオン注入装置により、0.5μmまでボックスプロファイルの濃度が1×1018/cm3となるように30keV〜350keVの範囲でアルミニウム(Al+)イオン13を注入し不純物領域を形成する。注入するイオンとしては、ほかに燐(P)、窒素(N)が挙げられる。 As shown in FIG. 1B, the SiC substrate 11 is subjected to organic cleaning and RCA cleaning, and the concentration of the box profile is 1 × 10 18 / cm 3 up to 0.5 μm on the SiC substrate 11 by an ion implantation apparatus. Thus, aluminum (Al + ) ions 13 are implanted in the range of 30 keV to 350 keV to form impurity regions. Other ions to be implanted include phosphorus (P) and nitrogen (N).

次に、図1(c)に示すように、イオン注入を行ったSiC基板11に、DCマグネトロンスパッタ装置によるカーボンターゲットを用いて、純アルゴン(Ar)ガスをスパッタガスとしてカーボン保護膜14を形成する。スパッタ条件は、スパッタパワー密度0.5W/cm2、スパッタ圧力0.6Pa、膜厚20nmで行う。この際、SiC基板11の加熱は行わない。 Next, as shown in FIG. 1C, a carbon protective film 14 is formed on a SiC substrate 11 subjected to ion implantation using a carbon target by a DC magnetron sputtering apparatus and using pure argon (Ar) gas as a sputtering gas. To do. The sputtering conditions are a sputtering power density of 0.5 W / cm 2 , a sputtering pressure of 0.6 Pa, and a film thickness of 20 nm. At this time, the SiC substrate 11 is not heated.

このカーボン保護膜14の形成膜厚は、10nm〜1000nm、好ましくは10〜100nm、さらに好ましくは10〜30nmである。また、スパッタ装置のスパッタパワー密度は、1W/cm2以下、好ましくは0.5W/cm2以下、さらに好ましくは0.35W/cm2以下である。 The carbon protective film 14 is formed with a thickness of 10 nm to 1000 nm, preferably 10 to 100 nm, and more preferably 10 to 30 nm. Further, the sputtering power density of the sputtering apparatus, 1W / cm 2 or less, preferably 0.5 W / cm 2 or less, further preferably 0.35 W / cm 2 or less.

次に、カーボン保護膜14を形成したSiC基板11を活性化熱処理装置に挿入し、1×10-2Pa以下まで真空引きを行い、Arガスを導入し、1×105Paの圧力で1700℃5minの熱活性化処理を行う。 Next, the SiC substrate 11 on which the carbon protective film 14 is formed is inserted into an activation heat treatment apparatus, evacuated to 1 × 10 −2 Pa or less, Ar gas is introduced, and 1700 at a pressure of 1 × 10 5 Pa. A thermal activation process is performed at 5 ° C. for 5 minutes.

次に、図1(d)に示すように、活性化熱処理したSiC基板11をアッシング装置でカーボン保護膜14の除去(アッシング)を行う。アッシングは、リアクティブイオンエッチング装置で酸素(O2)を導入し、12Paの圧力、RFパワー500Wの印加により、酸素プラズマ中で行う。アッシング時間は5分である。   Next, as shown in FIG. 1D, the carbon protective film 14 is removed (ashed) from the activated heat-treated SiC substrate 11 using an ashing apparatus. Ashing is performed in oxygen plasma by introducing oxygen (O2) with a reactive ion etching apparatus and applying a pressure of 12 Pa and RF power of 500 W. Ashing time is 5 minutes.

(比較例)
比較例として、上述した実施例に示した製造工程のうち、カーボン保護膜のスパッタ条件を除き、同様の工程でSiC基板の作製を行った。この比較例におけるカーボン保護膜のスパッタ条件は、DCマグネトロンスパッタ装置でカーボンターゲットを用い、純ArガスをスパッタガスとしてSiC基板11を加熱600℃、スパッタパワー密度5W/cm2、スパッタ圧力0.6Pa、膜厚20nmで行った。
(Comparative example)
As a comparative example, a SiC substrate was manufactured in the same process except for the sputtering condition of the carbon protective film in the manufacturing process shown in the above-described example. The sputtering conditions for the carbon protective film in this comparative example were as follows: a carbon target was used in a DC magnetron sputtering apparatus, the SiC substrate 11 was heated at 600 ° C. using pure Ar gas as a sputtering gas, a sputtering power density of 5 W / cm 2 , and a sputtering pressure of 0.6 Pa. The film thickness was 20 nm.

(実施例と比較例の評価1)
作製したカーボン保護膜について実施例および比較例のカーボン保護膜について、ラマン分光法によるラマン分光測定を行った。図2は、本発明の実施例により作製したカーボン保護膜の熱活性化処理前のラマン分光状態を示す図表であり、図3は、本発明の実施例により作製したカーボン保護膜の熱活性化処理後のラマン分光状態を示す図表である。図4は、カーボン保護膜のスパッタ条件を異ならせた比較例におけるカーボン保護膜のラマン分光状態を示す図表である。これらの図における横軸は波数、縦軸はラマン散乱強度である。
(Evaluation 1 of Example and Comparative Example 1)
About the produced carbon protective film, the Raman spectroscopic measurement by a Raman spectroscopy was performed about the carbon protective film of the Example and the comparative example. FIG. 2 is a chart showing a Raman spectral state before the thermal activation process of the carbon protective film manufactured according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a thermal activation of the carbon protective film manufactured according to the embodiment of the present invention. It is a graph which shows the Raman spectral state after a process. FIG. 4 is a chart showing the Raman spectral state of the carbon protective film in the comparative example in which the sputtering conditions of the carbon protective film are varied. In these figures, the horizontal axis represents the wave number, and the vertical axis represents the Raman scattering intensity.

実施例の図2においては、カーボン保護膜14の活性化熱処理前においては、グラファイトのカーボン結合によるGバンド(1580cm-1)と、Dバンド(1360cm-1)のピークはなく、図3に示すように、カーボン保護膜14の活性化熱処理後にGバンドおよびDバンドのピークが発生していることが分かる。比較例の図4においては、スパッタにより、グラファイトのラマン活性モードによるGバンド、およびグラファイト欠陥に起因するDバンドのピークが発生している。 In FIG. 2 of the example, there is no peak of G band (1580 cm −1 ) and D band (1360 cm −1 ) due to carbon bonding of graphite before the activation heat treatment of the carbon protective film 14, which is shown in FIG. 3. Thus, it can be seen that peaks of the G band and the D band are generated after the activation heat treatment of the carbon protective film 14. In FIG. 4 of the comparative example, peaks of G band due to the Raman active mode of graphite and D band due to graphite defects are generated by sputtering.

そして、これら実施例および比較例ともに、カーボン保護膜を除去した後に、原子間力顕微鏡(AFM)を用い、5μm□の範囲でSiC基板11の表面粗さを評価した。評価は、一つのSiC基板11あたり5点とし、10個のSiC基板11について測定を行った。図5は、本発明の実施例により作製したカーボン保護膜の除去後のSiC基板11の表面粗さを示すAFM像であり、図6は、比較例におけるカーボン保護膜の除去後の表面粗さを示すAFM像である。   In both of these Examples and Comparative Examples, after removing the carbon protective film, the surface roughness of the SiC substrate 11 was evaluated in the range of 5 μm □ using an atomic force microscope (AFM). The evaluation was performed with respect to 10 SiC substrates 11 with 5 points per SiC substrate 11. FIG. 5 is an AFM image showing the surface roughness of the SiC substrate 11 after removal of the carbon protective film produced according to the example of the present invention, and FIG. 6 is the surface roughness after removal of the carbon protective film in the comparative example. FIG.

図5に示すように、実施例では、SiC基板11上に筋状のくぼみは全く発生しなかった。これに対し、図6に示すように、比較例においては、深さ2〜3nm、幅100nm、長さが1μm程度のワームのようなやや直線の湾曲した筋状のくぼみが発生しており、この1μmの筋状のくぼみの本数は3本〜25本発生している。10個のSiC基板11の平均では1個あたり約10本程度生じている。   As shown in FIG. 5, in the example, no streak was formed on the SiC substrate 11 at all. On the other hand, as shown in FIG. 6, in the comparative example, a slightly straight and curved streak like a worm having a depth of 2 to 3 nm, a width of 100 nm, and a length of about 1 μm occurs. The number of 1 μm streak-like depressions is 3 to 25. On the average of 10 SiC substrates 11, about 10 are generated per one.

(実施例と比較例の評価2)
次に、実施例および比較例のカーボン保護膜を除去したSiC基板11に有機洗浄、RCA洗浄を行い、水蒸気と酸素を含むガス中で1000℃のウェット酸化を30分行い、厚さ約50nmの絶縁膜を形成した。この絶縁膜上に真空蒸着装置を用いてAlを300nm堆積させ、フォトリソグラフィとエッチングを用いたパターニングにより、φ100μmの電気測定用のアルミニウムパッドを形成した。この後、SiC基板11の裏側にも真空蒸着装置を用いてAlを蒸着し、70nmの厚さで裏面電極として形成した。
(Evaluation 2 of Example and Comparative Example 2)
Next, the SiC substrate 11 from which the carbon protective film of the example and the comparative example is removed is subjected to organic cleaning and RCA cleaning, and is subjected to wet oxidation at 1000 ° C. for 30 minutes in a gas containing water vapor and oxygen to have a thickness of about 50 nm An insulating film was formed. On the insulating film, 300 nm of Al was deposited using a vacuum deposition apparatus, and an aluminum pad for electrical measurement of φ100 μm was formed by patterning using photolithography and etching. Thereafter, Al was vapor-deposited on the back side of the SiC substrate 11 using a vacuum vapor deposition apparatus, and a back electrode having a thickness of 70 nm was formed.

そして、完成したMOSキャパシタを25mA/cm2の電流密度でそれぞれ破壊電荷量(QBD)の測定を行った。図7は、QBD測定の結果を示す図表である。横軸はQBD値、縦軸は累積破壊確率である。実施例においては、若干少ない電荷量で破壊確率を示しているものの、ほぼ酸化膜自体の破壊確率を示しており、比較例と比べ良好な結果が得られた。 The completed MOS capacitor was measured for the breakdown charge amount (QBD) at a current density of 25 mA / cm 2 . FIG. 7 is a chart showing the results of QBD measurement. The horizontal axis is the QBD value, and the vertical axis is the cumulative failure probability. In the example, although the breakdown probability is shown with a slightly small charge amount, the breakdown probability of the oxide film itself is almost shown, and a better result was obtained than in the comparative example.

以上説明したように、本実施の形態によれば、スパッタ時に加熱せず、グラファイト結合のないアモルファスカーボン膜を形成することにより、加熱時のカーボン保護膜のクラックを抑制でき、SiC基板表面に筋状のくぼみの発生を防止できる。カーボン保護膜の形成時にグラファイト化していないアモルファスカーボンを堆積させて活性化熱処理を行うため、カーボン保護膜に局所的なクラックを防止している。   As described above, according to the present embodiment, by forming an amorphous carbon film that is not heated during sputtering and has no graphite bond, cracks in the carbon protective film during heating can be suppressed, and the surface of the SiC substrate can be suppressed. The generation of a dent in the shape can be prevented. Since activation heat treatment is performed by depositing amorphous carbon that has not been graphitized when forming the carbon protective film, local cracks are prevented in the carbon protective film.

SiC基板表面の筋状のくぼみを抑えることにより、活性化熱処理後のSiC基板表面の荒れを防いで平滑に保ち、絶縁破壊やリークを防ぎ、素子特性を向上させて安価に良好な特性のデバイスを作製できるようになる。また、カーボン保護膜製膜を室温で行うため、設定基板温度までの昇温時間を短縮でき、さらにスパッタ装置本体の加熱機構等が不要であり、生産性を向上でき、安価なデバイス作製が可能となる。本発明のSiC半導体を用いた半導体装置としては、MOSFET、SBD、IGBTなどに適用できる。   By suppressing streak-like dents on the surface of the SiC substrate, the surface of the SiC substrate after activation heat treatment is prevented and kept smooth, preventing dielectric breakdown and leakage, improving device characteristics, and having good characteristics at low cost Can be made. In addition, since the carbon protective film is formed at room temperature, the temperature rise time to the set substrate temperature can be shortened, and the heating mechanism of the sputtering equipment body is not required, improving the productivity and enabling low-cost device fabrication. It becomes. The semiconductor device using the SiC semiconductor of the present invention can be applied to MOSFET, SBD, IGBT and the like.

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法は、例えばパワーデバイス等の電力用半導体装置や、産業用あるいは自動車用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。   As described above, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to the present invention is useful for power semiconductor devices such as power devices, and power semiconductor devices used for industrial or automotive motor control and engine control. is there.

1 炭化珪素半導体素子
11 炭化珪素(SiC)基板
12 SiCエピタキシャル膜
13 注入イオン
14 カーボン保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon carbide semiconductor element 11 Silicon carbide (SiC) substrate 12 SiC epitaxial film 13 Implanted ion 14 Carbon protective film

Claims (3)

半導体デバイスの材料として炭化珪素単結晶基板および炭化珪素エピタキシャル膜が成膜された炭化珪素基板の表面層にイオン注入により不純物領域を形成する工程と、
前記炭化珪素基板を加熱を行わない室温のスパッタ装置を用い、前記炭化珪素基板の表面上にグラファイト化していないアモルファスカーボンを堆積させカーボン保護膜を形成する工程と、
前記炭化珪素基板を活性化熱処理することでグラファイトのカーボン結合を発生させる工程と、
前記カーボン保護膜を除去する工程と、を含むことにより、
前記カーボン保護膜は、前記活性化熱処理前のラマン分光測定による波数1280〜1380cm-1および1550〜1650cm-1に散乱強度のピークを有さず、前記活性化熱処理後に前記散乱強度のピークをそれぞれし、前記活性化熱処理の前後で1500〜1550cm -1 と1700cm -1 に散乱強度のピークを有することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
A step of forming an impurity region by ion implantation in a surface layer of a silicon carbide substrate on which a silicon carbide single crystal substrate and a silicon carbide epitaxial film are formed as a semiconductor device material;
Using a room temperature sputtering apparatus that does not heat the silicon carbide substrate, depositing amorphous carbon that has not been graphitized on the surface of the silicon carbide substrate, and forming a carbon protective film;
Generating a carbon bond of graphite by activating heat treatment of the silicon carbide substrate;
Removing the carbon protective film,
The carbon protective layer does not have a peak of scattering intensity at a wavenumber 1280~1380Cm -1 and 1550~1650Cm -1 by Raman spectroscopic measurement before the activation heat treatment, each peak of the scattering intensity after the thermal activation Yes, and method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device characterized by having a peak of scattering intensity in 1500~1550Cm -1 and 1700 cm -1 before and after the activation heat treatment.
前記炭化珪素基板に形成する前記カーボン保護膜の形成膜厚は、10nm〜1000nmであることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。   2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 1, wherein the carbon protective film formed on the silicon carbide substrate has a thickness of 10 nm to 1000 nm. 前記スパッタ装置のスパッタパワー密度は、1W/cm2以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to claim 1, wherein the sputtering power density of the sputtering apparatus is 1 W / cm 2 or less.
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