JP6573163B2 - Impurity introduction apparatus, impurity introduction method, and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

Impurity introduction apparatus, impurity introduction method, and semiconductor device manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、不純物導入装置、不純物導入方法、この不純物導入方法による半導体装置の製造方法及び半導体装置に関し、特に不純物元素の拡散係数の極めて小さい固体材料に対して不純物元素としての窒素(N)を導入する技術に関する。   The present invention relates to an impurity introduction device, an impurity introduction method, a method for manufacturing a semiconductor device using the impurity introduction method, and a semiconductor device. In particular, nitrogen (N) as an impurity element is applied to a solid material having a very small diffusion coefficient of the impurity element. It relates to the technology to be introduced.

シリコンカーバイド(SiC)等のワイドバンドギャップ半導体は、拡散時の活性化エネルギーが大きくなるので、不純物元素の拡散係数が小さくなる。半導体基板が4Hのシリコンカーバイド(4H−SiC)の場合、4H−SiCの(0001)面((000−1)面)に対して、例えば1015/cm程度以上の高ドーズ量のイオン注入を行う際には、不純物元素の活性化を促進するため、半導体基板を事前に300〜800℃程度に昇温させて加熱すると共に、イオン注入後、1600〜1800℃程度の高温のアニールを行う必要がある。しかし、このような処理を経ても、例えばn型のドーパントであるNは4H−SiCの結晶中でほとんど熱拡散しない。 A wide band gap semiconductor such as silicon carbide (SiC) has a large activation energy at the time of diffusion, so that a diffusion coefficient of the impurity element is small. When the semiconductor substrate is 4H silicon carbide (4H-SiC), ion implantation with a high dose of, for example, about 10 15 / cm 2 or more with respect to the (0001) plane ((000-1) plane) of 4H-SiC. In order to promote the activation of the impurity element, the semiconductor substrate is heated to about 300 to 800 ° C. in advance and heated, and after ion implantation, annealing at a high temperature of about 1600 to 1800 ° C. is performed. There is a need. However, even after such treatment, for example, N, which is an n-type dopant, hardly thermally diffuses in 4H—SiC crystals.

これに対し、n型のSiC基板を、高濃度のアンモニア水溶液(NHaq)中に浸漬させ、このアンモニア水溶液を介してレーザー光の光パルスを照射して、SiC基板にn型の不純物ドープ層を形成する方法が提案されている(非特許文献1参照。)。非特許文献1に記載の発明においては、10重量%の濃度のアンモニア水溶液を用いて、2.5J/cm程度のエネルギー密度の光パルス(KrFエキシマレーザー、波長248nm)を、照射時間55nsで、3発(3ショット)照射して、NをSiC基板の表面に導入する。しかし、非特許文献1の技術の場合、SiC基板に実質的に接触できるNの密度が低いため、SiCにおけるNの熱力学的平衡濃度、すなわち固溶濃度を超える高濃度で導入することが困難であるという問題がある。 On the other hand, an n-type SiC substrate is immersed in a high-concentration aqueous ammonia solution (NH 3 aq), and a laser light pulse is irradiated through the aqueous ammonia solution, thereby doping the SiC substrate with an n-type impurity. A method of forming a layer has been proposed (see Non-Patent Document 1). In the invention described in Non-Patent Document 1, a light pulse (KrF excimer laser, wavelength 248 nm) having an energy density of about 2.5 J / cm 2 is used at an irradiation time of 55 ns using an aqueous ammonia solution having a concentration of 10% by weight. Irradiation is performed three times (three shots) to introduce N into the surface of the SiC substrate. However, in the case of the technique of Non-Patent Document 1, since the density of N that can substantially contact the SiC substrate is low, it is difficult to introduce N at a high thermodynamic equilibrium concentration in SiC, that is, higher than the solid solution concentration. There is a problem that.

「アンモニア水溶液中レーザー照射による4H−SiCへの窒素ドーピング(Nitrogen doping of 4H SiC by Laser Irradiation in Ammonia Solution)」井上祐樹 他5名、第74回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集(2013年秋 同志社大学)“Nitrogen doping of 4H SiC by Laser Irradiation in Ammonia Solution” Yuki Inoue and 5 others, 74th JSAP Autumn Meeting, Proceedings (Autumn 2013) Doshisha University)

本発明は上記した問題に着目して為されたものであって、窒素の拡散係数の極めて小さい、例えばワイドバンドギャップ半導体等の固体材料であっても、窒素を固体材料の表面に、固体材料の固溶濃度(熱力学的平衡濃度)を超える高濃度で導入することが可能な不純物導入装置、不純物導入方法、この不純物導入方法を用いた半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problem, and even if the diffusion coefficient of nitrogen is extremely small, for example, a solid material such as a wide band gap semiconductor, nitrogen is applied to the surface of the solid material. Impurity introducing apparatus capable of introducing at a high concentration exceeding the solid solution concentration (thermodynamic equilibrium concentration), impurity introducing method, semiconductor device manufacturing method and semiconductor device using this impurity introducing method Objective.

上記課題を解決するために、本発明に係る不純物導入装置のある態様は、窒化物膜を対象物の表面に成膜する成膜装置と、光パルスを出射する光源と、窒化物膜に光パルスを照射するビーム調整系と、を備え、窒化物中の窒素を対象物に導入することを要旨とする。   In order to solve the above problems, an aspect of the impurity introduction apparatus according to the present invention includes a film forming apparatus that forms a nitride film on a surface of an object, a light source that emits a light pulse, and light applied to the nitride film. And a beam adjusting system for irradiating a pulse, and introducing the nitrogen in the nitride into the object.

また本発明に係る不純物導入方法のある態様は、窒化物膜を対象物の表面上に堆積するステップと、窒化物膜に光パルスを照射するステップと、を含み、窒化物中の窒素を対象物に導入することを要旨とする。   An aspect of the impurity introduction method according to the present invention includes a step of depositing a nitride film on a surface of an object and a step of irradiating the nitride film with a light pulse, and targets nitrogen in the nitride. The main point is to introduce it into a product.

また本発明に係る半導体装置の製造方法のある態様は、第1のn型半導体領域を有する中間生成物を用意する工程と、窒化物膜を第1のn型半導体領域の表面上に堆積する工程と、光パルスを窒化物膜に照射して、窒化物中の窒素を熱力学的平衡濃度を超える濃度で第1のn型半導体領域の内部に導入して第2のn型半導体領域を形成する工程と、第2のn型半導体領域に接触するオーム性接触電極膜を形成する工程と、を含むことを要旨とする。   According to another aspect of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of preparing an intermediate product having a first n-type semiconductor region and a nitride film are deposited on the surface of the first n-type semiconductor region. A step of irradiating the nitride film with a light pulse, introducing nitrogen in the nitride into the first n-type semiconductor region at a concentration exceeding the thermodynamic equilibrium concentration, and forming the second n-type semiconductor region The present invention includes a step of forming and a step of forming an ohmic contact electrode film in contact with the second n-type semiconductor region.

また本発明に係る半導体装置のある態様は、第1のn型半導体領域と、この第1のn型半導体領域の内部に設けられ、熱力学的平衡濃度を超える濃度で窒素が導入された第2のn型半導体領域と、この第2のn型半導体領域に接触したオーム性接触電極膜と、を備えることを要旨とする。   According to another aspect of the semiconductor device of the present invention, there is provided a first n-type semiconductor region and a first n-type semiconductor region which is provided in the first n-type semiconductor region and into which nitrogen is introduced at a concentration exceeding the thermodynamic equilibrium concentration. And an ohmic contact electrode film in contact with the second n-type semiconductor region.

従って本発明に係る不純物導入装置及び不純物導入方法によれば、窒素の拡散係数の極めて小さい固体材料であっても、窒素を固体材料の表面に、固体材料の固溶濃度を超える高濃度で導入することができる。また本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、オーム性の優れたコンタクト構造を含む半導体装置を製造することができる。また本発明の実施の形態に係る半導体装置は、オーム性の優れたコンタクト構造を備えることができる。   Therefore, according to the impurity introduction apparatus and the impurity introduction method according to the present invention, even if the solid material has a very small diffusion coefficient of nitrogen, nitrogen is introduced to the surface of the solid material at a high concentration exceeding the solid solution concentration of the solid material. can do. In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, a semiconductor device including a contact structure with excellent ohmic characteristics can be manufactured. Further, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention can have a contact structure with excellent ohmic characteristics.

本発明の実施の形態に係る不純物導入装置の構成の概略を模式的に説明する断面図を含むブロック図である。It is a block diagram including sectional drawing which illustrates typically the outline of the structure of the impurity introduction | transduction apparatus which concerns on embodiment of this invention. 演算制御装置の構成の概略を模式的に説明するブロック図である。It is a block diagram which illustrates the outline of the structure of an arithmetic and control unit typically. 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the impurity introduction method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明する工程断面図である(その1)。It is process sectional drawing explaining the impurity introduction method which concerns on embodiment of this invention (the 1). 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明する工程断面図である(その2)。It is process sectional drawing explaining the impurity introduction method which concerns on embodiment of this invention (the 2). 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明する工程断面図である(その3)。It is process sectional drawing explaining the impurity introduction method which concerns on embodiment of this invention (the 3). 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明する工程断面図である(その4)。It is process sectional drawing explaining the impurity introduction method which concerns on embodiment of this invention (the 4). 本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を説明する工程断面図である(その5)。It is process sectional drawing explaining the impurity introduction method which concerns on embodiment of this invention (the 5). 実施例1に係る不純物導入方法において、光パルスを1回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。6 is a graph showing a profile of a step formed between an irradiation region and a non-irradiation region of a nitride film when an optical pulse is irradiated once in the impurity introduction method according to Example 1. FIG. 実施例1に係る不純物導入方法において、光パルスを3回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。6 is a graph showing a profile of a step formed between an irradiation region and a non-irradiation region of a nitride film when an optical pulse is irradiated three times in the impurity introduction method according to Example 1. FIG. 実施例1に係る不純物導入方法において、光パルスを10回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。6 is a graph showing a profile of a step formed between an irradiation region and a non-irradiation region of a nitride film when an optical pulse is irradiated ten times in the impurity introduction method according to Example 1. FIG. 実施例1に係る不純物導入方法において、窒化物膜除去後の窒素導入領域の上面に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。6 is a graph showing a profile of a step formed on the upper surface of a nitrogen introduction region after removing a nitride film in the impurity introduction method according to Example 1. FIG. 実施例1に係る不純物導入方法を用いて形成された窒素導入領域の窒素濃度と侵入深さについてSIMSを用いて得られたプロファイルを示すグラフ図である。It is a graph which shows the profile obtained using SIMS about the nitrogen concentration and penetration depth of the nitrogen introduction area | region formed using the impurity introduction method which concerns on Example 1. FIG. 実施例1に係る不純物導入方法を用いて形成された窒素導入領域の表面の電流−電圧(I−V)特性の測定方法を説明する断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a method for measuring current-voltage (IV) characteristics of a surface of a nitrogen introduction region formed using the impurity introduction method according to Example 1. FIG. 実施例1に係る不純物導入方法を用いて形成された窒素導入領域のI−V特性を照射回数毎に示すグラフ図である。It is a graph which shows the IV characteristic of the nitrogen introduction area | region formed using the impurity introduction | transduction method based on Example 1 for every frequency | count of irradiation. 実施例1に係る不純物導入方法を用いて形成された窒素導入領域の抵抗値を照射回数毎に示すグラフ図である。It is a graph which shows the resistance value of the nitrogen introduction area | region formed using the impurity introduction method which concerns on Example 1 for every frequency | count of irradiation. 実施例2に係る不純物導入方法において、光パルスを1回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。In the impurity introduction | transduction method based on Example 2, it is a graph which shows the profile of the level | step difference formed between the irradiation area | region of a nitride film, and the non-irradiation area | region at the time of irradiating a light pulse once. 実施例2に係る不純物導入方法において、光パルスを2回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。6 is a graph showing a profile of a step formed between an irradiation region and a non-irradiation region of a nitride film when an optical pulse is irradiated twice in the impurity introduction method according to Example 2. FIG. 実施例2に係る不純物導入方法において、光パルスを3回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。FIG. 10 is a graph showing a profile of a step formed between an irradiation region and a non-irradiation region of a nitride film when an optical pulse is irradiated three times in the impurity introduction method according to Example 2. 実施例2に係る不純物導入方法において、光パルスを5回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。6 is a graph showing a profile of a step formed between an irradiation region and a non-irradiation region of a nitride film when an optical pulse is irradiated five times in the impurity introduction method according to Example 2. FIG. 実施例2に係る不純物導入方法において、光パルスを10回照射した場合の、窒化物膜の照射領域と非照射領域の間に形成された段差のプロファイルを示すグラフ図である。6 is a graph showing a profile of a step formed between an irradiation region and a non-irradiation region of a nitride film when an optical pulse is irradiated ten times in the impurity introduction method according to Example 2. FIG. 実施例2に係る不純物導入方法を用いて形成された窒素導入領域のI−V特性を照射回数毎に示すグラフ図である。It is a graph which shows the IV characteristic of the nitrogen introduction area | region formed using the impurity introduction method which concerns on Example 2 for every frequency | count of irradiation. 実施例2に係る不純物導入方法を用いて形成された窒素導入領域の抵抗値を照射回数毎に示すグラフ図である。It is a graph which shows the resistance value of the nitrogen introduction area | region formed using the impurity introduction | transduction method based on Example 2 for every irradiation frequency. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の概略を説明する模式的な工程断面図である(その1)。It is typical process sectional drawing explaining the outline of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention (the 1). 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の概略を説明する模式的な工程断面図である(その2)。It is typical process sectional drawing explaining the outline of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention (the 2). 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の概略を説明する模式的な工程断面図である(その3)。It is typical process sectional drawing explaining the outline of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention (the 3). 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の概略を説明する模式的な工程断面図である(その4)。It is typical process sectional drawing explaining the outline of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention (the 4). 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の概略を説明する模式的な工程断面図である(その5)。FIG. 6 is a schematic process cross-sectional view for explaining the outline of the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention (No. 5).

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Embodiments of the present invention will be described below. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and it should be noted that the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each device and each member, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

また、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を90度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を180度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。また本明細書及び添付図面においては、n又はpを冠した領域や層では、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。またnやpに付す+や−は、+及び−が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。   Further, the directions of “left and right” and “up and down” in the following description are merely definitions for convenience of description, and do not limit the technical idea of the present invention. Thus, for example, if the paper is rotated 90 degrees, “left and right” and “up and down” are read interchangeably, and if the paper is rotated 180 degrees, “left” becomes “right” and “right” becomes “left”. Of course. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in the region or layer bearing n or p, respectively. Further, + or − attached to n or p means a semiconductor region having a relatively high or low impurity concentration as compared with a semiconductor region not including + and −.

<不純物導入装置>
本発明の実施の形態に係る不純物導入装置1は、図1のブロック図中の左側に示すように、窒化物膜4を固体材料からなる対象物2の表面に成膜する成膜装置10を備える。また不純物導入装置1は、図1中の右側に示すように、光パルスを出射する光源34と、光パルスを窒化物膜4に照射するビーム調整系33と、光源34を制御する光源制御部32と、を有する光照射装置20を備える。また不純物導入装置1は、窒化物膜4の膜厚等の成膜条件及びレーザー光6のエネルギー密度や対象物2に対する光パルスの相対的な光照射位置等の光照射条件を制御可能な演算制御装置30と、を備える。不純物導入装置1は、窒化物膜4に含まれる窒化物中のNを対象物2の内部に導入する
<Impurity introduction device>
An impurity introducing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes a film forming apparatus 10 that forms a nitride film 4 on the surface of an object 2 made of a solid material, as shown on the left side in the block diagram of FIG. Prepare. Further, as shown on the right side in FIG. 1, the impurity introduction apparatus 1 includes a light source 34 that emits a light pulse, a beam adjustment system 33 that irradiates the nitride film 4 with the light pulse, and a light source control unit that controls the light source 34. 32. The light irradiation apparatus 20 having 32 is provided. Further, the impurity introduction apparatus 1 is capable of controlling film formation conditions such as the thickness of the nitride film 4 and light irradiation conditions such as the energy density of the laser light 6 and the relative light irradiation position of the light pulse with respect to the object 2. And a control device 30. The impurity introduction device 1 introduces N in the nitride contained in the nitride film 4 into the object 2.

窒化物膜4は、対象物2に対するNの不純物導入源であり、窒化物を含む薄膜、例えば窒化珪素(Si、以下、単に「SiN」と称する。)や窒化炭素(C)が採用可能である。以下ではSiN膜を用いる場合について例示的に説明する。 The nitride film 4 is an N impurity introduction source for the object 2 and is a thin film containing a nitride, for example, silicon nitride (Si x N y , hereinafter simply referred to as “SiN”) or carbon nitride (C x N). y ) can be adopted. Hereinafter, a case where a SiN film is used will be described as an example.

対象物2は、SiC基板を例示的に採用し、具体的にはパワー半導体装置用の基板材料として期待されているn型の4H−SiC基板を用いて説明する。対象物2は、(0001)面((000−1)面)を有する半導体基板21の上に、図4に例示したように、1×1016/cm程度の濃度で10μm程度の厚みを有するn型の4H−SiCのエピタキシャル成長層(以下、「エピ層」と称する。)22を設けた2層構造である。図1中に例示した対象物2は、エピ層22側の面を表面(上面)としてビーム調整系33側に向けて配置されている。対象物2の表面上には図示を省略するが位置合わせのための基準マークが設けられていてもよい。 The target object 2 will be described using an SiC substrate as an example, specifically, an n + type 4H—SiC substrate that is expected as a substrate material for a power semiconductor device. The object 2 has a thickness of about 10 μm at a concentration of about 1 × 10 16 / cm 3 on a semiconductor substrate 21 having a (0001) plane ((000-1) plane) as illustrated in FIG. The n-type 4H—SiC epitaxial growth layer (hereinafter referred to as “epi layer”) 22 is provided. The object 2 illustrated in FIG. 1 is disposed toward the beam adjustment system 33 side with the surface on the epi layer 22 side as a surface (upper surface). Although not shown in the figure, a reference mark for alignment may be provided on the surface of the object 2.

尚、対象物2の材料はSiCに限定されることなく、例えば酸化ガリウム(Ga)、ダイヤモンド等、他のワイドバンドギャップ半導体であっても本発明を適用できる。対象物2は、Nの拡散係数が極めて小さい固体材料であればワイドバンドギャップ半導体に限定されるものでもないが、Nがドナー型の不純物元素として機能しうる固体材料であることが望ましい。 The material of the object 2 is not limited to SiC, and the present invention can also be applied to other wide band gap semiconductors such as gallium oxide (Ga 2 O 3 ) and diamond. The object 2 is not limited to a wide band gap semiconductor as long as it is a solid material having a very small diffusion coefficient of N, but it is desirable that the object 2 be a solid material that can function as a donor-type impurity element.

成膜装置10は、例えばスパッタ装置、電子ビーム蒸着装置、プラズマCVD装置等が採用可能である。本発明の実施の形態に係る成膜装置10は、図1に示すように、真空排気可能なチャンバ11と、チャンバ11内に設けられ対象物2を載置する下部電極12と、この下部電極12と上下方向に間隔を空けて互いに平行に正対するように設けられた上部電極13と、を備える容量結合型プラズマCVD装置の場合を例示している。   As the film forming apparatus 10, for example, a sputtering apparatus, an electron beam vapor deposition apparatus, a plasma CVD apparatus, or the like can be employed. As shown in FIG. 1, a film forming apparatus 10 according to an embodiment of the present invention includes a chamber 11 that can be evacuated, a lower electrode 12 that is provided in the chamber 11 and on which an object 2 is placed, and the lower electrode. 12 illustrates a case of a capacitively coupled plasma CVD apparatus including 12 and an upper electrode 13 provided to face each other in parallel in the vertical direction.

容量結合型プラズマCVD装置としては、更に下部電極12と上部電極13との間に接続された高周波電源15と、チャンバ11に接続されチャンバ11内に成膜のための原料ガスを導入するガス導入バルブ16と、チャンバ11に接続されチャンバ11内を真空状態にするロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ或いはクライオポンプ等で構成される真空ポンプ17と、が成膜装置10に設けられる。高周波電源15、ガス導入バルブ16及び真空ポンプ17には、成膜される窒化物膜4の膜厚を制御する膜厚制御部31が接続されている。また膜厚制御部31は成膜装置10に装備された図示を省略した膜厚計からの信号をインシツ(in situ)モニタして帰還制御することができる。高周波電源15、ガス導入バルブ16及び真空ポンプ17は、膜厚制御部31を介して演算制御装置30に接続されている。   The capacitively coupled plasma CVD apparatus further includes a high-frequency power source 15 connected between the lower electrode 12 and the upper electrode 13, and gas introduction for introducing a source gas for film formation into the chamber 11 connected to the chamber 11. The film forming apparatus 10 is provided with a valve 16 and a vacuum pump 17 connected to the chamber 11 and configured to be in a vacuum state in the chamber 11, such as a rotary pump, a turbo molecular pump, or a cryopump. A film thickness controller 31 that controls the film thickness of the nitride film 4 to be formed is connected to the high frequency power supply 15, the gas introduction valve 16, and the vacuum pump 17. Further, the film thickness control unit 31 can perform feedback control by monitoring a signal from a film thickness meter (not shown) provided in the film forming apparatus 10 in situ. The high frequency power supply 15, the gas introduction valve 16, and the vacuum pump 17 are connected to the arithmetic control device 30 via the film thickness control unit 31.

成膜装置10は、下部電極12と上部電極13との間に高周波電源15によって印加された高周波電圧により、チャンバ11内に導入した原料ガスを対象物2の表面に付着させて成膜する。成膜装置10は、容量結合型プラズマCVD装置以外に、誘導結合型プラズマCVD装置、マイクロ波プラズマCVD装置、電子サイクロトロン共鳴型(ECR)プラズマCVD装置等で構成してもよい。   The film forming apparatus 10 forms a film by causing the source gas introduced into the chamber 11 to adhere to the surface of the object 2 with a high frequency voltage applied by the high frequency power supply 15 between the lower electrode 12 and the upper electrode 13. The film forming apparatus 10 may be configured by an inductively coupled plasma CVD apparatus, a microwave plasma CVD apparatus, an electron cyclotron resonance (ECR) plasma CVD apparatus, or the like in addition to the capacitively coupled plasma CVD apparatus.

光照射装置20は、対象物2を支持する支持台24と、支持台24を介して対象物2を搭載して対象物2の主面に平行な面内に定義されるX−Y方向に自在に移動させるX−Y移動ステージ23と、を備える。光照射装置20は、窒化物膜4を介して対象物2の平坦な上面にレーザー光6の光パルスをスキャン照射する。「光励起効果」には熱エネルギーの効果も含まれる。   The light irradiation device 20 includes a support base 24 that supports the object 2, and the object 2 is mounted via the support base 24 in an XY direction defined in a plane parallel to the main surface of the object 2. And an XY moving stage 23 that is freely moved. The light irradiation device 20 scans and irradiates the flat upper surface of the object 2 with the light pulse of the laser light 6 through the nitride film 4. The “photoexcitation effect” includes the effect of thermal energy.

ビーム調整系33は、図1に示すように、レーザー光6等の照射フルエンス(エネルギー密度)の大きな光パルスを出射する光源34と一体的に設けられ、対象物2の表面に光パルスを一定寸法の照射領域でスキャン照射する。ビーム調整系33及び光源34には、照射されるレーザー光6の照射条件を制御する光源制御部32が接続されると共に、光源制御部32は演算制御装置30に接続されている。   As shown in FIG. 1, the beam adjustment system 33 is provided integrally with a light source 34 that emits a light pulse having a large irradiation fluence (energy density) such as a laser beam 6, and the light pulse is constant on the surface of the object 2. Scan irradiation in the irradiation area of the dimension. The beam adjustment system 33 and the light source 34 are connected to a light source control unit 32 that controls the irradiation conditions of the irradiated laser light 6, and the light source control unit 32 is connected to the arithmetic control device 30.

エネルギー密度の大きな光パルスとしては、窒化物膜4を介して十分な反応エネルギーが生じるように、光エネルギーを不純物元素及び対象物2の格子振動に与えることが可能な波長を有するレーザー光6のパルスが好ましい。例えば、248nm(KrF)、193nm(ArF)、308nm(XeCl)、351nm(XeF)等の発振波長を有するエキシマレーザーや、266nm(YAG第4高調波)、355nm(YAG第3高調波)、532nm(YAG第2高調波)レーザーや、1.064μm(YAG基本波)、10.6μm(炭酸(CO)ガス)レーザー等を用いることができる。また水銀(Hg)ランプやキセノン(Xe)ランプ等の高出力の連続光を分光器やフィルターで波長選択してもエネルギー密度の大きな光パルスを得ることが可能であるので、必ずしもレーザーに限定されるものではない。 As the light pulse having a large energy density, the laser light 6 having a wavelength capable of giving light energy to the lattice vibration of the impurity element and the object 2 so that sufficient reaction energy is generated through the nitride film 4. A pulse is preferred. For example, an excimer laser having an oscillation wavelength of 248 nm (KrF), 193 nm (ArF), 308 nm (XeCl), 351 nm (XeF), 266 nm (YAG fourth harmonic), 355 nm (YAG third harmonic), 532 nm A (YAG second harmonic) laser, 1.064 μm (YAG fundamental wave), 10.6 μm (carbonic acid (CO 2 ) gas) laser, or the like can be used. Even if high-power continuous light such as a mercury (Hg) lamp or xenon (Xe) lamp is wavelength-selected by a spectroscope or a filter, a light pulse having a large energy density can be obtained. It is not something.

またエキシマレーザーのように、窒化物膜4及び多くの半導体材料の禁制帯幅よりも大きなエネルギーとなる、紫外線領域の波長のレーザー光6を照射するように構成すれば、窒化物膜4の構成元素及び半導体材料の構成元素の振動エネルギーを励起し、紫外線領域の光エネルギーによる光触媒作用等の表面反応を光励起させることができる。このため不純物元素の導入対象となる固体材料の表面の格子振動を励起し、不純物元素を目的とする固体材料の格子間位置や置換位置等の導入位置に移動させる表面マイグレーション等を含めた表面反応等を容易にすることができる。   Further, when the laser beam 6 having a wavelength in the ultraviolet region having an energy larger than the forbidden band width of the nitride film 4 and many semiconductor materials is irradiated like the excimer laser, the structure of the nitride film 4 is obtained. The vibrational energy of the element and the constituent element of the semiconductor material can be excited to excite surface reactions such as photocatalysis by the light energy in the ultraviolet region. For this reason, surface reactions including surface migration that excite the lattice vibration of the surface of the solid material to which the impurity element is introduced and move the impurity element to the introduction position such as the interstitial position or substitution position of the target solid material Etc. can be facilitated.

ただし、ArF(=193nm)レーザー等よりも短波長、すなわち真空紫外光の範囲に含まれる短波長の光は、大気中の酸素分子に吸収され伝播が阻害されるため、大気中でのレーザードーピングにおいては、190nm程度以上の波長を有するレーザー光6であることが好ましい。更に窒化物膜4と4H−SiCとの反応エネルギーを十分に生じさせるためには、380nm程度以下すなわちYAG第3高調波(=355nm)クラス以下の波長を有するレーザー光6であることが好ましい。   However, since light having a shorter wavelength than that of an ArF (= 193 nm) laser or the like, that is, in the range of vacuum ultraviolet light is absorbed by oxygen molecules in the atmosphere and propagation is inhibited, laser doping in the atmosphere Is preferably a laser beam 6 having a wavelength of about 190 nm or more. Further, in order to sufficiently generate the reaction energy between the nitride film 4 and 4H—SiC, the laser beam 6 having a wavelength of about 380 nm or less, that is, a YAG third harmonic (= 355 nm) class or less is preferable.

またビーム調整系33は、いずれも図示を省略する、出射されたレーザー光6を所定の形状に成形する可変スリット等の成形装置と、レーザー光6を集光するレンズ等の集光装置と、を備える。成形されたレーザー光6等の光パルスは、対象物2の上面と窒化物膜4との界面領域に向けて照射される。成形されるレーザー光6の形状は、長方形(矩形)状が好適に用いられるが、矩形に限定されることなく、他の形状であってもよい。   The beam adjustment system 33 is not shown in the figure, and a shaping device such as a variable slit for shaping the emitted laser light 6 into a predetermined shape, a condensing device such as a lens for condensing the laser light 6, Is provided. The shaped light pulse such as the laser beam 6 is irradiated toward the interface region between the upper surface of the object 2 and the nitride film 4. The shape of the laser beam 6 to be molded is preferably a rectangular shape (rectangular shape), but is not limited to a rectangular shape and may be other shapes.

また図示を省略しているが、対象物2に対する光パルスの照射位置を制御するに際し、ビーム調整系33には、対象物2の基準マークを撮像するCCDカメラ等の撮像装置、照明光を照射する照明光発光装置、照明光を反射及び透過させるミラー及びアライメント機構等を必要に応じて別途設けてもよい。また後述する直接描画(ダイレクト・ライティング)を実施する場合は、更にレーザー干渉計等の測距システムを設けてもよい。またビーム調整系33は、レーザー光6を掃引する場合、必要であれば、成形されたレーザー光6を反射して集光装置に導く反射ミラーやプリズム等の他の光学系を備えるようにしてもよい。   Although not shown, when the irradiation position of the light pulse on the object 2 is controlled, the beam adjustment system 33 is irradiated with an imaging device such as a CCD camera that images the reference mark of the object 2 and illumination light. An illumination light emitting device, a mirror that reflects and transmits illumination light, an alignment mechanism, and the like may be separately provided as necessary. When direct drawing (direct writing) described later is performed, a distance measuring system such as a laser interferometer may be further provided. Further, when sweeping the laser beam 6, the beam adjusting system 33 is provided with another optical system such as a reflection mirror or a prism that reflects the shaped laser beam 6 and guides it to the light collecting device, if necessary. Also good.

X−Y移動ステージ23は、支持台24を下方から水平に支持するとともに、図示を省略する移動ステージ駆動装置に接続され、移動ステージ駆動装置を演算制御装置30によって制御することにより、支持台24を水平なX−Y平面内のX−Y方向にそれぞれ自在に移動することで、対象物2を光パルスの照射位置に対し自在に移動できるように構成されている。例えば光パルスの照射位置に対する対象物2の相対的な位置を自在に移動することにより、直接描画の手法で、所望の平面領域の範囲に対して光パルスを照射し、Nが添加された領域を選択的にパターニングすることが可能になる。更に、支持台24とX−Y移動ステージ23との間に、支持台24をX−Y方向に垂直なZ方向に移動させるZ移動ステージを設けることで、X−Y方向に加えZ方向にも移動可能に支持台24を構成して焦点等の調整ができるようにしてもよい。   The XY moving stage 23 supports the supporting base 24 horizontally from below and is connected to a moving stage driving device (not shown), and the moving stage driving device is controlled by the arithmetic control device 30, whereby the supporting base 24. The object 2 can be moved freely with respect to the irradiation position of the light pulse by freely moving each in the XY direction in the horizontal XY plane. For example, a region in which N is added by irradiating a range of a desired plane region with a direct drawing method by freely moving the relative position of the object 2 with respect to the irradiation position of the light pulse. Can be selectively patterned. Furthermore, by providing a Z moving stage for moving the supporting table 24 in the Z direction perpendicular to the XY direction between the supporting table 24 and the XY moving stage 23, in the Z direction in addition to the XY direction. Alternatively, the support 24 may be configured to be movable so that the focus and the like can be adjusted.

演算制御装置30は、図2に示すように、照射回数算出回路301を備える。また図1に示したように演算制御装置30には入力装置41及びデータ記憶装置42が接続されており、演算制御装置30は、データ記憶装置42の内部に格納されたデータにアクセス可能に構成されている。データ記憶装置42には、入力装置41を介して、窒化物膜4の膜厚t、光パルスのエネルギー密度F及び1パルス(1ショット)の照射時間(パルス幅)τが入力される。 The arithmetic and control unit 30 includes an irradiation number calculating circuit 301 as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 1, an input device 41 and a data storage device 42 are connected to the arithmetic control device 30, and the arithmetic control device 30 is configured to be able to access data stored in the data storage device 42. Has been. The data storage device 42 receives the thickness t f of the nitride film 4, the energy density F of the light pulse, and the irradiation time (pulse width) τ of one pulse (one shot) via the input device 41.

演算制御装置30の照射回数算出回路301は、データ記憶装置42に格納された膜厚t、エネルギー密度F及び1パルスの照射時間τを用いて、光パルスの照射回数nを、経験則から算出する。照射回数算出回路301は、光パルス照射後に対象物2の表面に窒化物膜4が残らない程度に照射回数nを算出するように設定可能である。また光パルス照射後に対象物2の表面に窒化物膜4が少なくとも一原子層相当の膜厚分残存可能となるように、光パルスの照射回数nを算出するように設定することも可能である。 The irradiation number calculation circuit 301 of the arithmetic and control unit 30 uses the film thickness t f , energy density F, and one pulse irradiation time τ stored in the data storage device 42 to calculate the number n of light pulse irradiations based on empirical rules. calculate. The irradiation number calculation circuit 301 can be set so as to calculate the irradiation number n so that the nitride film 4 does not remain on the surface of the object 2 after the light pulse irradiation. It is also possible to set so that the number of times of light pulse irradiation n is calculated so that the nitride film 4 can remain on the surface of the object 2 at least by a thickness corresponding to one atomic layer after the light pulse irradiation. .

光パルス照射後に対象物2の表面に窒化物膜4が少なくとも一原子層相当の膜厚分残存できなくなると、窒素導入領域の表面欠陥をなす凹凸の程度が激しくなり、後工程で対象物2の表面に電極を設けて半導体装置を製造した際、順方向の電流値低下や、逆バイアス時のリーク電流の増加を招き、十分な特性を備えることができない。   When the nitride film 4 cannot remain on the surface of the object 2 after the light pulse irradiation for at least the thickness corresponding to one atomic layer, the degree of unevenness forming the surface defect in the nitrogen introduction region becomes severe, and the object 2 is processed in a later step. When an electrode is provided on the surface of the semiconductor device to manufacture a semiconductor device, the current value in the forward direction decreases and the leakage current increases during reverse bias, and sufficient characteristics cannot be provided.

窒化物膜4の膜厚tは、10nm程度以上、1μm程度以下で設定されることが好ましい。膜厚tが10nm未満の場合、Nを十分に導入することが困難な場合や、光パルスのエネルギー密度Fの大きさに対し薄すぎて表面の凹凸の程度が激しくなる場合がある。また1μmを超える場合、Nを導入できたとしてもエネルギー効率が悪くなる。また光パルスのエネルギー密度Fは、1.0J/cm程度以上、約6.0J/cm程度以下で設定されることが好ましい。エネルギー密度Fが1.0J/cm未満の場合、Nを十分に導入することが困難になる。また6.0J/cmを超える場合、エネルギー効率が悪くなると共に、窒素導入領域の表面の凹凸の程度が激しくなる。 Thickness t f of the nitride film 4 is not less than about 10 nm, and is preferably set below about 1 [mu] m. If the thickness t f is less than 10 nm, there is a case or if N is difficult to sufficiently introduce, in which the degree of unevenness of too thin to size the surface energy density F of the light pulse becomes severe. On the other hand, if it exceeds 1 μm, energy efficiency is deteriorated even if N can be introduced. The energy density F of the light pulses, 1.0 J / cm 2 less than approximately, and is preferably set below about 6.0 J / cm 2. When the energy density F is less than 1.0 J / cm 2 , it is difficult to sufficiently introduce N. Moreover, when it exceeds 6.0 J / cm < 2 >, energy efficiency will worsen and the grade of the unevenness | corrugation of the surface of a nitrogen introduction area | region will become intense.

また光パルスの照射時間τは、20ns〜100ns程度の範囲内で適宜設定できるが、例えば50ns程度が好適である。また設定される光パルスの照射回数nは、窒化物膜4を少なくとも一原子層相当の膜厚分残存できる限り、任意の回数が選定され得るが、半導体装置の量産性を考慮して、1回以上100回以内の範囲内であることが好ましい。   Further, the irradiation time τ of the light pulse can be appropriately set within a range of about 20 ns to 100 ns, and for example, about 50 ns is preferable. The number of times n of light pulses to be set can be selected as long as the nitride film 4 can remain at least as much as the thickness of one atomic layer. However, considering the mass productivity of the semiconductor device, 1 It is preferably within the range of not less than 100 times and not more than 100 times.

このように、窒化物膜4の膜厚t、レーザー光6のエネルギー密度F及び1パルスの照射時間τを考慮して、光パルスの照射回数nを設定することにより、対象物2の表面に凹凸を過剰に形成しないと共に、仮に表面欠陥が発生しても、所望のI−V特性を達成できる等、凹凸の程度を許容範囲内に留めることができる。 In this way, the surface n of the object 2 is determined by setting the number of times of light pulse irradiation n in consideration of the film thickness t f of the nitride film 4, the energy density F of the laser light 6 and the irradiation time τ of one pulse. In addition, the degree of unevenness can be kept within an allowable range, for example, the desired IV characteristics can be achieved even if surface defects occur without excessively forming unevenness.

演算制御装置30が算出した照射回数nのデータは、演算制御装置30に入力されたエネルギー密度F及び照射時間τのデータと共に、光源制御部32に入力される。また演算制御装置30に入力された膜厚tのデータは、膜厚制御部31に入力される。また演算制御装置30には、図示を省略する表示装置が接続されることで、膜厚t、エネルギー密度F、照射時間τ及び照射回数nのデータ等が表示されるように構成されてもよい。 The data on the number of irradiations n calculated by the arithmetic control device 30 is input to the light source control unit 32 together with the data of the energy density F and the irradiation time τ input to the arithmetic control device 30. Further, the film thickness t f data input to the arithmetic and control unit 30 is input to the film thickness control unit 31. Further, the arithmetic control device 30 may be configured to display data such as the film thickness t f , the energy density F, the irradiation time τ, and the number of irradiations n by connecting a display device (not shown). Good.

膜厚制御部31は、入力された膜厚tで窒化物膜4が対象物2上に成膜されるように、成膜装置10の高周波電源15の電圧、ガス導入バルブ16及び真空ポンプ17の動作を制御する。光源制御部32は、入力されたエネルギー密度F、照射時間τ及び算出した照射回数nで、光パルスのスキャン照射が行われるようにビーム調整系33及び光源34の動作を制御する。 The film thickness controller 31 includes the voltage of the high-frequency power supply 15 of the film forming apparatus 10, the gas introduction valve 16, and the vacuum pump so that the nitride film 4 is formed on the object 2 with the input film thickness t f. 17 operations are controlled. The light source control unit 32 controls the operations of the beam adjustment system 33 and the light source 34 so that the scan irradiation of the light pulse is performed with the input energy density F, the irradiation time τ, and the calculated number of irradiations n.

<不純物導入方法>
次に、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法を、図4に示すようにn型の半導体基板21の上面側にn型のエピ層22が形成された対象物2を用いる場合について、図3のフローチャート及び図4〜図8を参照して説明する。図4の対象物2の構造は例示であり、例えばp型半導体基板の上面側にn型のエピ層が形成された構造であっても構わないし、n型半導体基板の上面側にp型のエピ層が形成された構造であっても構わない.或いはエピ層が無いバルクの半導体基板が用いられても構わない。
<Impurity introduction method>
Next, the impurity introducing method according to the embodiment of the present invention uses the object 2 in which the n type epi layer 22 is formed on the upper surface side of the n + type semiconductor substrate 21 as shown in FIG. This will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and FIGS. Structure of the object 2 of Fig. 4 are exemplary, for example, a structure in which the epitaxial layer is formed of n-type on the upper surface of the p + -type semiconductor substrate to may be, p on the upper surface of the n + -type semiconductor substrate A structure with an epitaxial layer of the mold may be used. Alternatively, a bulk semiconductor substrate without an epi layer may be used.

(a)まず、図3のステップS1において、用意した対象物2を、図1中の成膜装置10の内部に2点鎖線で示したように、エピ層22側の表面を上部電極13側に向けて下部電極12上に載置し固定する。   (A) First, in step S1 in FIG. 3, the surface of the epilayer 22 side of the prepared object 2 is arranged on the upper electrode 13 side as shown by a two-dot chain line inside the film forming apparatus 10 in FIG. It is placed and fixed on the lower electrode 12 toward the surface.

(b)次に、ステップS2において入力装置41を介して、窒化物膜の膜厚t、光パルスのエネルギー密度F及び照射時間τを入力してデータ記憶装置42に格納する。尚、ステップS2をステップS1の前に実施してもよい。 (B) Next, in step S 2, the nitride film thickness t f , the energy density F of the light pulse, and the irradiation time τ are input via the input device 41 and stored in the data storage device 42. Step S2 may be performed before step S1.

(c)次に、不純物導入装置1の演算制御装置30は、ステップS3においてデータ記憶装置42から窒化物膜の膜厚t、光パルスのエネルギー密度F及び照射時間τを読み出して、照射回数nを算出する。そして算出した照射回数nと、光パルスのエネルギー密度F及び照射時間τのそれぞれを光照射装置20の光源制御部32に出力する。また膜厚tを成膜装置10の膜厚制御部31に出力する。 (C) Next, in step S3, the arithmetic control device 30 of the impurity introduction device 1 reads the nitride film thickness t f , the energy density F of the light pulse, and the irradiation time τ from the data storage device 42, and the number of irradiation times. n is calculated. Then, the calculated number of irradiations n, the energy density F of the light pulse, and the irradiation time τ are output to the light source controller 32 of the light irradiation device 20. And it outputs the film thickness t f in the film thickness control portion 31 of the deposition apparatus 10.

(d)次に、成膜装置10の膜厚制御部31は、ステップS4において高周波電源15、ガス導入バルブ16及び真空ポンプ17のそれぞれの動作を制御して、図5に示すように、対象物2のエピ層22の上面に、SiN膜等の窒化物膜4の薄膜を設定された膜厚tで成膜する。 (D) Next, the film thickness controller 31 of the film forming apparatus 10 controls the operations of the high-frequency power source 15, the gas introduction valve 16, and the vacuum pump 17 in step S4, as shown in FIG. the upper surface of the epitaxial layer 22 of the object 2, is formed to a thickness t f of the thin film of the nitride film 4 of SiN film or the like is set.

(e)次に、窒化物膜4が成膜された対象物2を成膜装置10から取り出して光照射装置20へ搬送し、窒化物膜4の上面をビーム調整系33側に向けて、支持台24上に載置し固定する。光照射装置20は、室温状態の大気の雰囲気中に配置されている。尚、光照射装置20に載置された対象物2の温度は、室温以上600℃程度以下の範囲で、適宜設定可能である。そして、対象物2のエピ層22に対し不純物元素であるNをドーピングさせる最初の照射目標位置に応じた基準マークの位置を、レーザー光6の光軸に合致させるように、ビーム調整系33をX方向及びY方向に所定量移動させる。   (E) Next, the object 2 on which the nitride film 4 is formed is taken out of the film forming apparatus 10 and transported to the light irradiation apparatus 20, and the upper surface of the nitride film 4 is directed to the beam adjustment system 33 side. Place on the support 24 and fix. The light irradiation device 20 is disposed in an air atmosphere at room temperature. In addition, the temperature of the target object 2 placed on the light irradiation device 20 can be appropriately set within a range of room temperature to about 600 ° C. Then, the beam adjustment system 33 is set so that the position of the reference mark corresponding to the first irradiation target position for doping the impurity layer N with respect to the epi layer 22 of the object 2 matches the optical axis of the laser beam 6. Move a predetermined amount in the X and Y directions.

(f)次に、光照射装置20の光源制御部32は、ステップS5において、入力されたエネルギー密度F、照射時間τ、照射回数nでレーザー光6が照射されるように、ビーム調整系33及び光源34の動作を制御する。そして図6に示すように、対象物2のエピ層22の上面に窒化物膜4を介してレーザー光6の光パルスを照射する。   (F) Next, in step S5, the light source control unit 32 of the light irradiation apparatus 20 causes the beam adjustment system 33 so that the laser light 6 is irradiated with the input energy density F, irradiation time τ, and number of irradiations n. And the operation of the light source 34 is controlled. Then, as shown in FIG. 6, the light pulse of the laser beam 6 is irradiated on the upper surface of the epi layer 22 of the object 2 through the nitride film 4.

光パルスが照射された窒化物膜4の照射領域sでは、レーザー光6のエネルギーにより、ドーピング元素としてのNが飛躍的に活性化して窒化物膜4が溶融し、窒化物膜4とエピ層22の界面で、Nがエピ層22の内部に、固溶濃度を超えるレベルまで導入される。またレーザードーピングの進行に伴い、窒化物膜4の膜厚tが減じる。このとき、照射回数nが複数であって、同一の照射領域sに繰り返し光パルスが照射される場合、照射回数nの増加に伴い窒化物膜4が薄くなる。一方、照射領域sの周辺にはSiNの溶融流動領域が生じる。 In the irradiation region s of the nitride film 4 irradiated with the light pulse, N as a doping element is remarkably activated by the energy of the laser light 6, and the nitride film 4 is melted. At the interface 22, N is introduced into the epi layer 22 to a level exceeding the solid solution concentration. Also with the progress of laser doping reduces the thickness t f of the nitride film 4. At this time, when the number of irradiations n is plural and the same irradiation region s is repeatedly irradiated with the light pulse, the nitride film 4 becomes thinner as the number of irradiations n increases. On the other hand, a melt flow region of SiN is generated around the irradiation region s.

そして光パルスのn回の照射後、図7に示すように、照射領域sに対応するエピ層22の上部には、窒素導入領域2aが形成される。また窒化物膜4の照射領域sと非照射領域との間には、段差が形成される。また照射領域sと非照射領域との境界近傍の領域の一部には、溶融流動によりSiNの一部が盛り上がって堆積する。尚、図7中には、先行して行われたステップS2及びS3の処理により、対象物2の表面欠陥をなす凹凸の形成が低減されるように、窒素導入領域2aの上面に、窒化物膜4の一部が一定の厚みで堆積して残留させた場合が例示されている。   Then, after irradiation with the light pulse n times, as shown in FIG. 7, a nitrogen introduction region 2a is formed on the epilayer 22 corresponding to the irradiation region s. Further, a step is formed between the irradiation region s and the non-irradiation region of the nitride film 4. Further, a part of the SiN is raised and deposited by melt flow in a part of the region near the boundary between the irradiation region s and the non-irradiation region. In FIG. 7, a nitride is formed on the upper surface of the nitrogen-introduced region 2 a so that the formation of the unevenness that forms the surface defect of the object 2 is reduced by the processing of steps S 2 and S 3 performed in advance. The case where a part of the film 4 is deposited with a constant thickness and remains is illustrated.

(f)次に、窒化物膜4がSiN膜の場合は、ステップS6において熱リン酸(HPO)等を用いて、図8に示すように、エピ層22の表面上に残留した窒化物膜4を除去する。残留した窒化物膜4が窒素導入領域2aの上面を保護していたため、窒素導入領域2aは、上面の粗面化が抑制され、平坦に形成されている。上記(a)〜(f)の工程により、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法が構成される。 (F) Next, when the nitride film 4 is an SiN film, it remains on the surface of the epi layer 22 using hot phosphoric acid (H 3 PO 4 ) or the like in step S6 as shown in FIG. The nitride film 4 is removed. Since the remaining nitride film 4 protected the upper surface of the nitrogen introduction region 2a, the nitrogen introduction region 2a is formed flat with the upper surface roughened. The impurity introduction method according to the embodiment of the present invention is constituted by the steps (a) to (f).

次に、本発明の実施例1を説明する。実施例1では、図4に示したようなエピ層22を有する対象物2を用意し、半導体基板21の上側のエピ層22の表面に、窒化物膜4SiNxを、成膜装置10を用いて、図5に示したように厚さt=約100nm成膜した。 Next, Example 1 of the present invention will be described. In Example 1, the object 2 having the epi layer 22 as shown in FIG. 4 is prepared, and the nitride film 4SiNx is formed on the surface of the upper epi layer 22 of the semiconductor substrate 21 by using the film forming apparatus 10. As shown in FIG. 5, the film was formed with a thickness t f = about 100 nm.

次に、図6及び図7に示したように、大気中に設けた光照射装置20により光パルスを、窒化物膜4に対して、エネルギー密度F=4.0J/cm程度、照射時間τ=50nsで照射し、Nをエピ層22にドーピングした。レーザー光6としては248nm(KrF)エキシマレーザーを用い、照射領域sが平面パターンで約300μm角の正方形状となるようにビームを成形した。レーザードーピングは、照射回数nを1回、2回、3回、5回及び10回の5パターン行うと共に、各パターンでa列、b列及びc列の計3列のパターニングを行った。5パターンのうち、n=1、3、10の3パターンで得られた、照射領域sの表面の段差のプロファイルを、図9〜図11に例示的に示す。 Next, as shown in FIGS. 6 and 7, the light pulse is applied to the nitride film 4 by the light irradiation device 20 provided in the atmosphere, and the irradiation time is about energy density F = 4.0 J / cm 2. Irradiation was performed at τ = 50 ns, and N was doped into the epi layer 22. As the laser beam 6, a 248 nm (KrF) excimer laser was used, and the beam was shaped so that the irradiation region s had a planar pattern and a square shape of about 300 μm square. In the laser doping, the number of irradiations n was 1, 5, 3, 5 and 10 patterns, and patterning was performed in a total of 3 rows: a row, b row, and c row. FIG. 9 to FIG. 11 exemplarily show the profile of the level difference on the surface of the irradiation region s obtained in three patterns of n = 1, 3, and 10 among the five patterns.

照射回数n=1の場合、図9のグラフ図に示すように、段差の最大深さは100nm程度であった。また照射回数n=3の場合、図10のグラフ図に示すように、段差の最大深さは150nm〜200nm程度であった。また照射回数n=10の場合、図11のグラフ図に示すように、段差の最大深さは200nm〜250nm程度であった。すなわち照射回数nが増えると共に、段差が大きくなったことが分かる。尚、図9〜図11中では、縦軸の「0」の位置が、光パルス照射前に成膜された窒化物膜4の上面の高さに相当する。   When the number of irradiations n = 1, as shown in the graph of FIG. 9, the maximum depth of the step was about 100 nm. When the number of irradiations n = 3, as shown in the graph of FIG. 10, the maximum depth of the step was about 150 nm to 200 nm. Further, when the number of irradiations n = 10, as shown in the graph of FIG. 11, the maximum depth of the step was about 200 nm to 250 nm. That is, it can be seen that the level difference increases as the number of irradiations n increases. 9 to 11, the position of “0” on the vertical axis corresponds to the height of the upper surface of the nitride film 4 formed before the light pulse irradiation.

次に、図8に示したように、エピ層22の上面に残留した窒化物膜4を除去した。図12のグラフ図に示すように、照射回数n=1、2、3及び5の4パターンの場合、照射領域sのエピ層22の上面の高さは、概ね変化しないか若干の隆起を伴い、略平坦であった。一方、照射回数n=10の場合、照射領域sでは窒化物膜4が略すべて無くなり、更に窒化物膜4の下側の窒素導入領域2aの上部が部分的に100nm以上エッチングされた。照射回数n=10の場合、窒素導入領域2aの表面には、著しい凹凸が形成されたことが分かる。尚、図12中では、縦軸の「0」の位置が、エピ層22の上面すなわち窒素導入領域2aの上面の高さに相当する。   Next, as shown in FIG. 8, the nitride film 4 remaining on the upper surface of the epi layer 22 was removed. As shown in the graph of FIG. 12, in the case of four patterns of the number of irradiations n = 1, 2, 3, and 5, the height of the upper surface of the epi layer 22 in the irradiation region s is not substantially changed or accompanied by a slight bump. It was almost flat. On the other hand, when the number of irradiations n = 10, almost all of the nitride film 4 disappeared in the irradiation region s, and the upper part of the nitrogen introduction region 2a below the nitride film 4 was partially etched by 100 nm or more. When the number of irradiations is n = 10, it can be seen that significant irregularities were formed on the surface of the nitrogen introduction region 2a. In FIG. 12, the position of “0” on the vertical axis corresponds to the height of the upper surface of the epi layer 22, that is, the upper surface of the nitrogen introduction region 2a.

実施例1の場合、図13のグラフ図に示すように、Nを、エピ層22の最表面では4H−SiCの固溶濃度である1×1020cm−3以下程度を大きく超える、濃度1×1021cm−3程度以上に導入できた。またエピ層22の内部には、Nを深さ50nm近傍位置まで導入することができた。尚、図13は、照射回数n=10の場合の窒素濃度のプロファイルを示す。 In the case of Example 1, as shown in the graph of FIG. 13, N greatly exceeds 1 × 10 20 cm −3 or less, which is a solid solution concentration of 4H—SiC, on the outermost surface of the epi layer 22. × 10 21 cm −3 or more could be introduced. In addition, N could be introduced into the epitaxial layer 22 to a position near a depth of 50 nm. FIG. 13 shows a profile of the nitrogen concentration when the number of irradiations n = 10.

次に、図14の断面図に示すように、窒素導入領域2aの表面に、互いに間隔を空けて2個のプローブ針58a,58cを接触させ、プローブ針58a,58c間で電気抵抗を測定した。照射回数nを5パターンに変化させて形成した窒素導入領域2aのうち、n=1、3、5、10の4パターンの場合に得られたI−V特性を、図15のグラフ図に例示的に示す。またプローブ針58a,58c間に2Vの電圧を印加したときの、5パターンの場合それぞれで得られた抵抗の値を、図16のグラフ図に示す。   Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 14, the two probe needles 58a and 58c were brought into contact with the surface of the nitrogen introduction region 2a at a distance from each other, and the electrical resistance was measured between the probe needles 58a and 58c. . The graph of FIG. 15 illustrates the IV characteristics obtained in the case of four patterns of n = 1, 3, 5, 10 among the nitrogen introduction regions 2a formed by changing the number of irradiations n to 5 patterns. Indicate. Also, the resistance values obtained in the case of 5 patterns when a voltage of 2 V is applied between the probe needles 58a and 58c are shown in the graph of FIG.

照射回数n=1の場合、図15中の破線で示したように、電圧を変化させても電流は殆ど流れなかった。また図16に示すように、2Vの電圧を印加したときのa列〜c列の3個の抵抗値は、6×10〜5×1010Ω程度の範囲内となり、比較的高い値を示した。 When the number of irradiations was n = 1, almost no current flowed even when the voltage was changed, as indicated by the broken line in FIG. In addition, as shown in FIG. 16, the three resistance values of the a column to the c column when a voltage of 2 V is applied are in the range of about 6 × 10 8 to 5 × 10 10 Ω, which is a relatively high value. Indicated.

一方、照射回数n=3、5、10の場合、図15に示したように、電圧を変化させると、電圧に比例した電流が流れるオーム性を示した。また図16に示すように、照射回数n=2、3、5、10の4パターンの場合、2Vの電圧を印加したときのそれぞれの3個の抵抗値は、いずれも10Ωレベルであった。図15及び図16より、実施例1のレーザードーピング条件では、照射回数nが2回以上の場合に、窒素導入領域2aが有効なI−V特性を備えることが分かる。 On the other hand, in the case of the number of irradiations n = 3, 5, and 10, as shown in FIG. 15, when the voltage was changed, an ohmic property in which a current proportional to the voltage flows was shown. In addition, as shown in FIG. 16, in the case of four patterns of irradiation times n = 2, 3, 5, and 10, each of the three resistance values when a voltage of 2 V is applied is 10 3 Ω level. It was. 15 and 16, it can be seen that under the laser doping conditions of Example 1, the nitrogen introduction region 2a has effective IV characteristics when the number of irradiations n is 2 or more.

次に、本発明の実施例2を説明する。実施例2は、実施例1と同様に窒化物膜4をSiNx膜とする場合であるが、光パルスのエネルギー密度Fを、実施例1の場合の約4分の1となる1.0J/cm程度に小さくすると共に、その他のレーザードーピング条件は実施例1の場合と同様にして行った。また照射回数nは、実施例1の場合と同様に、1回、2回、3回、5回及び10回の5パターンとし、各パターンでa列、b列及びc列の計3列のパターニングを行った。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. Example 2 is a case where the nitride film 4 is a SiNx film as in Example 1, but the energy density F of the light pulse is 1.0 J /, which is about a quarter of that in Example 1. The laser doping condition was reduced to about cm 2 and the other laser doping conditions were the same as in Example 1. Similarly to the case of Example 1, the number of times of irradiation n is set to 5 patterns of 1, 2, 3, 5, and 10 times, and a total of 3 rows, a row, b row, and c row in each pattern. Patterning was performed.

照射回数n=1の場合、図17のグラフ図に示すように、平均的な段差の最大深さは20〜30nm程度であり、図9に示した実施例1の対応するレーザードーピング条件の場合に比べ、段差の深さは5分の1〜4分の1程度に短くなった。また照射回数n=2の場合、図18のグラフ図に示すように、段差の最大深さは30〜70nm程度であった。   When the number of irradiations is n = 1, as shown in the graph of FIG. 17, the maximum depth of the average step is about 20 to 30 nm. In the case of the laser doping conditions corresponding to Example 1 shown in FIG. The depth of the step was shortened to about 1/5 to 1/4. When the number of irradiations n = 2, the maximum depth of the step was about 30 to 70 nm as shown in the graph of FIG.

また照射回数n=3の場合、図19のグラフ図に示すように、段差の最大深さは70nm程度であり、図10に示した実施例1の対応するレーザードーピング条件の場合に比べ、段差の深さは3分の1〜半分程度に短くなった。また照射回数n=5の場合、図20のグラフ図に示すように、段差の最大深さは70〜100nm程度であった。   When the number of irradiations n = 3, as shown in the graph of FIG. 19, the maximum depth of the step is about 70 nm, which is higher than that of the corresponding laser doping condition of Example 1 shown in FIG. The depth was reduced to about one-third to half. When the number of irradiations n = 5, as shown in the graph of FIG. 20, the maximum depth of the step was about 70 to 100 nm.

また照射回数n=10の場合、図21のグラフ図に示すように、80〜100nm程度であり、図11に示した実施例1の対応するレーザードーピング条件の場合に比べ、段差の深さは3分の1〜半分程度に短くなった。   Further, when the number of irradiations n = 10, as shown in the graph of FIG. 21, the depth is about 80 to 100 nm, and the depth of the step is larger than that of the corresponding laser doping condition of Example 1 shown in FIG. It shortened to about one-third to half.

また実施例1の場合と同様に、照射回数nを5パターンに変化させて形成した窒素導入領域2aのうち、n=1、3、5、10の4パターンの場合に得られたI−V特性を、図22のグラフ図に例示的に示す。また図14で示した方法によって、5パターンの場合それぞれで得られた抵抗の値を、図23のグラフ図に示す。   Similarly to the case of Example 1, among the nitrogen introduced regions 2a formed by changing the number of irradiations n to 5 patterns, IV obtained in the case of 4 patterns of n = 1, 3, 5, 10 were obtained. The characteristics are exemplarily shown in the graph of FIG. Further, the resistance values obtained in the case of five patterns by the method shown in FIG. 14 are shown in the graph of FIG.

図22中では、破線で例示される照射回数n=1の場合の軌跡、1点鎖線で例示される照射回数n=3の場合の軌跡及び2点鎖線で例示される照射回数n=5の場合の軌跡は、いずれも同一直線上に略重なって示されている。図22に示すように、照射回数n=1、3、5の場合いずれも、電圧を変化させても電流は殆ど流れなかった。また図23に示すように、照射回数n=1、2、3、5の場合、2Vの電圧を印加したときのa列〜c列の3個の抵抗値は、概ね1×10〜1×1011Ω程度の範囲内となり、比較的高い値を示した。 In FIG. 22, the trajectory when the number of irradiations n = 1 exemplified by a broken line, the trajectory when the number of irradiations n = 3 exemplified by a one-dot chain line, and the number of irradiations n = 5 exemplified by a two-dot chain line. In each case, the trajectories are substantially overlapped on the same straight line. As shown in FIG. 22, in all cases of the number of irradiations n = 1, 3, and 5, almost no current flowed even when the voltage was changed. Further, as shown in FIG. 23, when the number of irradiations is n = 1, 2, 3, 5, the three resistance values of the a column to the c column when a voltage of 2 V is applied are approximately 1 × 10 8 to 1 It was in the range of about × 10 11 Ω and showed a relatively high value.

一方、照射回数n=10の場合、図22に示すように、電圧を変化させると、オーム性で、大きな電流が流れた。また図23に示すように、2Vの電圧を印加したときのそれぞれの3個の抵抗値は、いずれも1×10Ω前後程度と、照射回数n=1、2、3、5の4パターンよりも格段に低くなった。図22及び図23より、光パルスのエネルギー密度Fを小さくする場合には、照射回数nを増やして調整することで、窒素導入領域2aが有効なI−V特性を備えるように制御できることが分かる。 On the other hand, when the number of irradiations n = 10, as shown in FIG. 22, when the voltage was changed, a large current flowed with ohmic characteristics. Further, as shown in FIG. 23, each of the three resistance values when a voltage of 2 V is applied is about 1 × 10 2 Ω, and four patterns of irradiation times n = 1, 2, 3, 5 It became much lower than. 22 and 23, when the energy density F of the light pulse is reduced, it can be understood that the nitrogen introduction region 2a can be controlled to have effective IV characteristics by increasing and adjusting the number of irradiations n. .

また実施例1及び実施例2の他に、光パルスのエネルギー密度Fを、6.0J/cm程度と、実施例1及び実施例2の場合より大きくすると共に、その他のレーザードーピング条件は実施例1及び実施例2の場合と同様にして行った。この場合、実施例1及び実施例2の場合と同様に、照射回数nが増える程、窒化物膜4の段差は広がり、窒素導入領域2aがエッチングされる場合のエッチング深さも大きくなった。 In addition to Example 1 and Example 2, the energy density F of the optical pulse is set to about 6.0 J / cm 2, which is larger than those in Examples 1 and 2, and other laser doping conditions are set. It carried out like the case of Example 1 and Example 2. In this case, as in the case of Example 1 and Example 2, as the number of irradiations n increased, the step of the nitride film 4 increased and the etching depth when the nitrogen introduction region 2a was etched also increased.

本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、室温、大気圧下で、窒化物膜4の膜厚tと、光パルスのエネルギー密度F及び照射時間τを考慮して光パルスの照射回数nを設定した上で光パルスを窒化物膜4に照射することにより、4H−SiCのエピ層22の表面へのNの導入を促進する。よって、対象物2としての4H−SiCのエピ層22の表面の窒素の濃度を1021cm−3レベル以上という、Nの通常の固溶濃度(1×1020cm−3以下程度)を大きく上回る高濃度のレベルまで導入することができる。またNを、エピ層22の表面から50nm程度の深さ位置まで導入することが容易である。 According to the impurity introduction method according to the embodiment of the present invention, the light pulse of the light pulse is considered in consideration of the film thickness t f of the nitride film 4, the energy density F of the light pulse, and the irradiation time τ at room temperature and atmospheric pressure. By irradiating the nitride film 4 with a light pulse after setting the number of irradiations n, introduction of N into the surface of the epilayer 22 of 4H—SiC is promoted. Therefore, the normal solid solution concentration (about 1 × 10 20 cm −3 or less) of N, that is, the concentration of nitrogen on the surface of the epilayer 22 of 4H—SiC as the object 2 is 10 21 cm −3 level or higher is increased. It can be introduced up to a higher concentration level. Further, it is easy to introduce N up to a depth position of about 50 nm from the surface of the epi layer 22.

また例えばSiCの半導体基板を高濃度のアンモニア水溶液中に浸漬させ、このアンモニア水溶液を介してレーザー光の光パルスを照射して、Nをドーピングする方法の場合、目的のN原子のみならず、アンモニア水溶液に含まれる酸素(O)や水素(H)がSiCの結晶中に進入し、結晶性が劣化するという問題がある。この点、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、アンモニア水溶液ではなく、固体の窒化物膜4を用いるため、半導体特性の劣化が生じるような大量のOやHがSiCの結晶中に進入することがない。また,照射雰囲気を大気圧の窒素雰囲気下で行うことによりOやHの進入をさらに抑制することが可能である.また本発明の実施の形態のようにSiCを対象物とする不純物導入方法においては、窒化物としてSiとNの化合物であるSiNxを用いるため、SiCとの相性がよく、SiNxがアブレーションしてSiが4H−SiCの表面に堆積しても、素子にとって不要な物質として働く懸念を小さくできる。   Further, for example, in the case of a method of doping N by immersing a SiC semiconductor substrate in a high concentration aqueous ammonia solution and irradiating a laser light pulse through this aqueous ammonia solution, not only the target N atoms but also ammonia. There is a problem that oxygen (O) and hydrogen (H) contained in the aqueous solution enter the SiC crystal, and the crystallinity deteriorates. In this regard, according to the impurity introduction method according to the embodiment of the present invention, since a solid nitride film 4 is used instead of an aqueous ammonia solution, a large amount of O or H is a SiC crystal that causes deterioration of semiconductor characteristics. There is no entry inside. Moreover, it is possible to further suppress the entry of O and H by performing the irradiation atmosphere in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure. Further, in the impurity introduction method using SiC as an object as in the embodiment of the present invention, SiNx, which is a compound of Si and N, is used as a nitride, so that compatibility with SiC is good, and SiNx is ablated and SiNx is ablated. Even if it is deposited on the surface of 4H—SiC, the concern that it works as an unnecessary substance for the device can be reduced.

また本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、レーザードーピングが行われる状態が室温〜600℃程度の範囲内であるので、従来のような1600〜1800℃程度に及ぶ極めて高温のアニールを行う必要がない。そのため、熱的履歴による応力変形等を加えないで、Nのドーピング作業を容易に行うことができる。   Further, according to the impurity introduction method according to the embodiment of the present invention, since the state in which laser doping is performed is in the range of room temperature to 600 ° C., an extremely high temperature annealing of about 1600 to 1800 ° C. as in the prior art. There is no need to do. Therefore, N doping can be easily performed without applying stress deformation due to thermal history.

また従来は、4H−SiCの対象物2上に不純物元素を固相導入源として設けてレーザー光6を照射しレーザードーピングする際、約6.7×10−5Paの低圧状態で行う場合があった。本発明の実施の形態に係る不純物導入方法によれば、大気圧下でも不純物元素として窒素を導入可能になる。よって低圧状態とするための設備負担や作業負担を無くし、従来以上に容易かつ迅速にレーザードーピングを行うことができる。 Conventionally, when an impurity element is provided as a solid phase introduction source on the 4H—SiC target 2 and laser doping is performed by irradiating the laser beam 6, it may be performed in a low pressure state of about 6.7 × 10 −5 Pa. there were. According to the impurity introduction method according to the embodiment of the present invention, nitrogen can be introduced as an impurity element even under atmospheric pressure. Therefore, it is possible to eliminate the burden of equipment and work for setting the low pressure state, and to perform laser doping more easily and more quickly than before.

<半導体装置の製造方法>
次に、本発明の実施の形態に係る不純物導入方法で用いた図4〜図8を参照して本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
(g)まず、図24の断面図に示すように、最終的にはn型のドリフト層となる半導体基板52SUBが形成された中間生成物2を対象物として用意する。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 8 used in the impurity introduction method according to the embodiment of the present invention.
(G) First, as shown in the cross-sectional view of FIG. 24, an intermediate product 2 on which a semiconductor substrate 52 SUB that will eventually become an n-type drift layer is formed as an object.

この中間生成物2の半導体基板52SUBの図24中の上側の表面の内部には、複数のp型のウェル領域53a,53bが選択的に設けられていると共に、この複数のp型のウェル領域53a,53bのそれぞれの内部にはソース領域54a,54bが設けられている。またウェル領域53a,53bの表面にはゲート絶縁膜55を介してゲート電極56が設けられている。またゲート電極56の上には層間絶縁膜57が設けられていると共に層間絶縁膜57の上には、ウェル領域53a,53bとソース領域54a,54bとを短絡するようにソース電極膜58が設けられている。またソース電極膜58の上には、シリコン酸化膜(SiO膜)やポリイミド膜等のパッシベーション膜51が形成されている。すなわち図24に示した中間生成物2の表面には、MOSゲート構造が形成されている。 Inside the intermediate product 2 of the semiconductor substrate 52 SUB Figure 24 upper surface in a plurality of p - type well region 53a, with 53b is selectively provided, the plurality of p - type Source regions 54a and 54b are provided in the respective well regions 53a and 53b. A gate electrode 56 is provided on the surface of the well regions 53a and 53b via a gate insulating film 55. An interlayer insulating film 57 is provided on the gate electrode 56, and a source electrode film 58 is provided on the interlayer insulating film 57 so as to short-circuit the well regions 53a, 53b and the source regions 54a, 54b. It has been. On the source electrode film 58, a passivation film 51 such as a silicon oxide film (SiO 2 film) or a polyimide film is formed. That is, a MOS gate structure is formed on the surface of the intermediate product 2 shown in FIG.

(h)そして化学的機械研磨(CMP)等の手法を用いて、半導体基板52SUBが所望の厚さtdriftになるまで、厚み調整を行う。所望の厚さtdriftとしては、例えば10μm〜60μm程度の厚さを選定できる。所望の厚さtdriftになった半導体基板52SUBの残余の部分が、半導体装置のドリフト層52として機能する。ドリフト層52は、本発明の第1のn型半導体領域に相当する。 (H) Then, using a method such as chemical mechanical polishing (CMP), the thickness adjustment is performed until the semiconductor substrate 52 SUB has a desired thickness t drift . As the desired thickness t drift , for example, a thickness of about 10 μm to 60 μm can be selected. The remaining portion of the semiconductor substrate 52 SUB having the desired thickness t drift functions as the drift layer 52 of the semiconductor device. The drift layer 52 corresponds to the first n-type semiconductor region of the present invention.

(i)次に、図25の断面図に示すように、半導体装置の上下を反転させて、図1に示した成膜装置10のチャンバ11の内部に、MOSゲート構造と反対側のドリフト層52の裏面が上面となるように配置する。そして、図5に示したのと同様に、ドリフト層52の裏面に、窒化物膜4をプラズマCVD等の低温成膜技術を用いて一定の厚みtで成膜する。 (I) Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 25, the semiconductor device is turned upside down, and the drift layer on the side opposite to the MOS gate structure is placed inside the chamber 11 of the film forming apparatus 10 shown in FIG. It arrange | positions so that the back surface of 52 may become an upper surface. Then, in the same manner as shown in FIG. 5, the back surface of the drift layer 52 is deposited with a constant thickness t f using a nitride film 4 a low-temperature film-forming technique such as plasma CVD.

(j)次に、図26の断面図に示すように、ドリフト層52の裏面に、窒化物膜4を介してレーザー光6の光パルスを、図6に示したのと同様に照射する。この際、ドリフト層52の裏面全面にレーザー光6をスキャンして照射し、ドリフト層52の下部(図26中では「上部」として表現されている。)に、Nをドリフト層52の固溶濃度を超える高濃度で導入する。スキャンは、図1中のX−Y移動ステージ23の内部に双方向矢印で示したようなX−Y移動ステージ23の移動、又はビーム調整系33側の移動により行うことができる。   (J) Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 26, the back surface of the drift layer 52 is irradiated with the light pulse of the laser light 6 through the nitride film 4 in the same manner as shown in FIG. At this time, the entire back surface of the drift layer 52 is scanned and irradiated with the laser beam 6, and N is dissolved in the lower part of the drift layer 52 (represented as “upper part” in FIG. 26). Introduce at a high concentration exceeding the concentration. Scanning can be performed by moving the XY moving stage 23 as indicated by a bidirectional arrow in the XY moving stage 23 in FIG. 1 or by moving the beam adjustment system 33 side.

このとき、照射する光パルスのエネルギー密度Fが比較的大きい場合には、図15及び図16に示したように、照射回数nが3回や5回等の少ない回数に抑えても、優れたI−V特性を有する窒素導入領域を形成可能である。ドリフト層52の裏面に照射する光パルスの照射回数nを抑えることにより、半導体装置の製造プロセスを短縮化すると共に、窒素導入領域の表面のエッチング量が増えることを抑制できる。   At this time, when the energy density F of the light pulse to be irradiated is relatively large, as shown in FIGS. 15 and 16, it is excellent even if the number of times of irradiation n is suppressed to a small number such as 3 times or 5 times. A nitrogen introduction region having IV characteristics can be formed. By suppressing the number of irradiations n of the light pulses applied to the back surface of the drift layer 52, the manufacturing process of the semiconductor device can be shortened, and an increase in the etching amount of the surface of the nitrogen introduction region can be suppressed.

(k)次に、図8に示したのと同様に、ドリフト層52の裏面上に残留した窒化物膜4を除去し、図27の断面図に示すように、ドリフト層52の下部であって、MOSゲート構造と反対側の全面に、固溶濃度を超えるレベルまでNがドープされたn++型の窒素導入領域を、ドレイン領域52aとして形成する。ドレイン領域52aは、本発明の第2のn型半導体領域に相当する。 (K) Next, as shown in FIG. 8, the nitride film 4 remaining on the back surface of the drift layer 52 is removed, and as shown in the sectional view of FIG. Thus, an n ++ type nitrogen introduction region doped with N to a level exceeding the solid solution concentration is formed as a drain region 52a on the entire surface opposite to the MOS gate structure. The drain region 52a corresponds to the second n-type semiconductor region of the present invention.

(l)次に、図28の断面図に示すように、ドレイン領域52aの上に、例えばNi等からなるドレイン電極膜59を形成する。窒素が高濃度で導入されたドレイン領域52aとドレイン電極膜59とは、図13〜図23で説明したように良好なオーム性接触をし、第2のn型半導体領域にオーム性のコンタクト構造を含む素子構造が形成される。上記工程(g)〜(l)により、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法が構成される。   (L) Next, as shown in the sectional view of FIG. 28, a drain electrode film 59 made of, for example, Ni is formed on the drain region 52a. The drain region 52a into which nitrogen is introduced at a high concentration and the drain electrode film 59 are in good ohmic contact as described with reference to FIGS. 13 to 23, and the second n-type semiconductor region has an ohmic contact structure. Is formed. The above-described steps (g) to (l) constitute the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment of the present invention.

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、室温、大気圧下で、窒化物膜4の膜厚tと、光パルスのエネルギー密度F及び照射時間τを考慮して光パルスの照射回数nを設定した上で光パルスを窒化物膜4に照射することにより、4H−SiCの半導体基板の表面の窒素の濃度を1021cm−3レベル以上という、Nの通常の固溶濃度(1×1020cm−3以下)を大きく上回る高濃度で導入し、オーミック抵抗の低い、コンタクト性に優れた半導体領域を有する半導体装置50を製造することができる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, at room temperature, under atmospheric pressure, in consideration of the thickness t f of the nitride film 4, the energy density F and the irradiation time of the light pulse τ light By irradiating the nitride film 4 with an optical pulse after setting the number of pulse irradiations n, the nitrogen concentration on the surface of the 4H—SiC semiconductor substrate is 10 21 cm −3 level or more, and the normal solid solution of N A semiconductor device 50 having a semiconductor region with low ohmic resistance and excellent contact properties can be manufactured by introducing a high concentration that greatly exceeds the solution concentration (1 × 10 20 cm −3 or less).

また従来、半導体基板の裏面側に設けられるドレイン領域は、例えば、比較的厚みを有する半導体基板を予め用意し、この半導体基板の表面側にMOSゲート構造等を形成した後で、半導体基板の裏面をCMP等により薄く削っていた。そして、その後にn型の不純物を導入し、高温アニールを施す等の処理が必要であったため、半導体基板の反り、ひび割れ等の破損が生じる問題があった。しかし本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、高温アニールが必要がないので、表面構造を形成した半導体基板を例えばtdrift=10μm〜60μm程度の極めて薄いレベルまで薄く削った後でもなお、高濃度のドレイン領域52aを形成することが可能となる。よって半導体装置の製造負担を低減してプロセスを効率化できると共に、高速動作・低損失の半導体装置を実現できる。 Conventionally, the drain region provided on the back side of the semiconductor substrate is prepared, for example, by preparing a semiconductor substrate having a relatively large thickness in advance and forming a MOS gate structure or the like on the front side of the semiconductor substrate. Was thinned by CMP or the like. Then, since a process such as introducing n-type impurities and then performing high-temperature annealing is necessary, there has been a problem that the semiconductor substrate is warped or broken, such as cracks. However, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, since high-temperature annealing is not necessary, the semiconductor substrate on which the surface structure is formed is thinned to an extremely thin level of, for example, about t drift = 10 μm to 60 μm. Even after that, it becomes possible to form the high concentration drain region 52a. Therefore, it is possible to reduce the manufacturing burden of the semiconductor device and improve the efficiency of the process, and to realize a semiconductor device with high speed operation and low loss.

(その他の実施の形態)
本発明は上記の開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。例えば本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、窒化物膜4の膜厚t、光パルスのエネルギー密度F及び照射時間τを入力データとして、光パルスの照射回数nを決定する演算処理を演算制御装置30が実行したが、光パルスの照射回数nの決定をオペレータが行うように構成してもよい。
(Other embodiments)
Although the present invention has been described with reference to the above disclosed embodiments, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, it should be understood that various alternative embodiments, examples, and operational techniques will become apparent to those skilled in the art. For example, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the number n of times of light pulse irradiation is determined using the thickness t f of the nitride film 4, the energy density F of the light pulse, and the irradiation time τ as input data. Although the arithmetic processing unit 30 executes the arithmetic processing, the operator may determine the number of times n of the light pulse irradiation.

また本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、MOSFETを例として説明したが、半導体装置としてはMOSFETに限定されるものではない。本発明は、ダイオードが含まれるのは勿論、IGBT、SIT、GTO、SIサイリスタ等、各種の半導体装置(半導体素子)のn型半導体領域において、適用することができる。以上のとおり本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the MOSFET is described as an example. However, the semiconductor device is not limited to the MOSFET. The present invention can be applied to n-type semiconductor regions of various semiconductor devices (semiconductor elements) such as IGBT, SIT, GTO, and SI thyristor as well as including a diode. As described above, the present invention includes various embodiments and the like not described above, and the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the appropriate claims from the above description. Is.

1 不純物導入装置
2 対象物(中間生成物)
2a 窒素導入領域
4 窒化物膜
6 レーザー光
10 成膜装置
20 光照射装置
21 半導体基板
22 エピタキシャル成長層
23 X−Y移動ステージ
30 演算制御装置
31 膜厚制御部
32 光源制御部
33 ビーム調整系
34 光源
50 半導体装置
52 ドリフト層(第1のn型半導体領域)
52a ドレイン領域(第2のn型半導体領域)
53a,53b ウェル領域
54a,54b ソース領域
55 ゲート絶縁膜
56 ゲート電極
57 層間絶縁膜
58 ソース電極膜
59 ドレイン電極膜(オーム性接触電極膜)
F エネルギー密度
n 照射回数
膜厚
τ 照射時間
1 Impurity introduction device 2 Object (intermediate product)
2a Nitrogen introduction region 4 Nitride film 6 Laser beam 10 Film formation device 20 Light irradiation device 21 Semiconductor substrate 22 Epitaxial growth layer 23 XY movement stage 30 Arithmetic control device 31 Film thickness control unit 32 Light source control unit 33 Beam adjustment system 34 Light source 50 Semiconductor device 52 Drift layer (first n-type semiconductor region)
52a Drain region (second n-type semiconductor region)
53a, 53b Well regions 54a, 54b Source region 55 Gate insulating film 56 Gate electrode 57 Interlayer insulating film 58 Source electrode film 59 Drain electrode film (ohmic contact electrode film)
F energy density n number of irradiations t f film thickness τ irradiation time

Claims (19)

窒化物膜を、窒素がドナー型の不純物元素として機能する固体材料からなる対象物の表面上に堆積するステップと、
前記窒化物膜の膜厚を減じるように前記窒化物膜に光パルスを照射して、窒化物中の窒素を前記対象物に導入するステップと、
を含み、
前記光パルスを照射するステップは、
前記窒化物膜の膜厚、前記光パルスのエネルギー密度及び前記光パルスの1回あたりの照射時間を考慮して、前記光パルスの照射後に前記対象物の表面に前記窒化物膜が少なくとも一原子相当の膜厚分残存するように前記光パルスの照射回数を決定する段階と、
前記光パルスを、前記エネルギー密度、前記照射時間及び前記照射回数で前記窒化物膜に照射する段階と、
を含むことを特徴とする不純物導入方法。
Depositing a nitride film on a surface of an object made of a solid material in which nitrogen functions as a donor-type impurity element ;
Irradiating the nitride film with a light pulse so as to reduce the thickness of the nitride film, and introducing nitrogen in the nitride into the object ;
Including
Irradiating the light pulse comprises:
In consideration of the film thickness of the nitride film, the energy density of the light pulse, and the irradiation time per time of the light pulse, the nitride film has at least one atom on the surface of the object after the light pulse irradiation. Determining the number of times the light pulse is irradiated so as to remain for a considerable film thickness;
Irradiating the nitride film with the light pulse at the energy density, the irradiation time and the number of irradiations;
Impurity introduction method characterized by including .
前記窒化物膜は、窒化珪素膜であることを特徴とする請求項に記載の不純物導入方法。 The impurity introduction method according to claim 1 , wherein the nitride film is a silicon nitride film. 前記窒化物膜の膜厚は、10nm以上1μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の不純物導入方法。 3. The impurity introduction method according to claim 1, wherein the nitride film has a thickness of 10 nm to 1 μm. 前記エネルギー密度は、1.0J/cm以上6.0J/cm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の不純物導入方法。 The energy density, impurity introduction method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that 1.0 J / cm 2 or more 6.0 J / cm 2 or less. 前記光パルスの波長は、190nm以上380nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の不純物導入方法。 The impurity introduction method according to claim 1, wherein a wavelength of the light pulse is 190 nm or more and 380 nm or less. 前記光パルスの照射を、照射領域1箇所につき1回以上10回以内の照射回数で行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の不純物導入方法。 The impurity introduction method according to any one of claims 1 to 5, wherein the irradiation of the light pulse is performed at an irradiation frequency of 1 to 10 times per irradiation region. 前記光パルスの照射を、前記光パルスの照射位置に対し前記対象物をX−Y平面内を相対的に移動させつつ行うスキャン照射により、所望の平面領域の範囲に対して前記窒素が導入された平面パターンを直接描画することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の不純物導入方法。 The nitrogen is introduced into the range of a desired plane region by the scan irradiation in which the light pulse is irradiated while moving the object relative to the irradiation position of the light pulse in the XY plane. 7. The impurity introducing method according to claim 1, wherein the planar pattern is directly drawn. 前記光パルスを照射するステップを、前記対象物の温度を室温以上600℃以下にして行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の不純物導入方法。 The impurity introducing method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the step of irradiating the light pulse is performed by setting the temperature of the object to a room temperature to 600 ° C. 窒化物膜を、窒素がドナー型の不純物元素として機能する固体材料からなる対象物の表面に成膜する成膜装置と、
光パルスを出射する光源と、
前記窒化物膜の膜厚を減じるように前記窒化物膜に前記光パルスを照射するビーム調整系と、
前記窒化物膜の膜厚、前記光パルスのエネルギー密度及び前記光パルスの1回あたりの照射時間を考慮して、前記光パルスの照射後に前記対象物の表面に前記窒化物膜が少なくとも一原子相当の膜厚分残存するように前記光パルスの照射回数を決定し、前記ビーム調整系が前記光パルスを前記エネルギー密度、前記照射時間及び前記照射回数で前記窒化物膜に照射するように、前記光源を制御する光源制御部と、
を備え、窒化物中の窒素を前記対象物に導入することを特徴とする不純物導入装置。
A film forming apparatus for forming a nitride film on a surface of an object made of a solid material in which nitrogen functions as a donor-type impurity element ;
A light source that emits light pulses;
A beam adjustment system for irradiating the nitride film with the light pulse so as to reduce the thickness of the nitride film;
In consideration of the film thickness of the nitride film, the energy density of the light pulse, and the irradiation time per time of the light pulse, the nitride film has at least one atom on the surface of the object after the light pulse irradiation. The number of irradiation times of the light pulse is determined so as to remain for a considerable film thickness, and the beam adjustment system irradiates the nitride film with the energy density, the irradiation time, and the number of irradiation times. A light source control unit for controlling the light source;
An impurity introducing apparatus characterized in that nitrogen in nitride is introduced into the object.
前記膜厚、前記エネルギー密度及び前記照射時間を入力データとして前記照射回数を決定する演算処理を実行する演算制御装置を更に備えることを特徴とする請求項に記載の不純物導入装置。 The impurity introduction apparatus according to claim 9 , further comprising an arithmetic control device that executes arithmetic processing for determining the number of times of irradiation using the film thickness, the energy density, and the irradiation time as input data. 前記成膜装置は、前記窒化物膜として窒化珪素膜を成膜することを特徴とする請求項9又は10に記載の不純物導入装置。 The impurity introduction apparatus according to claim 9 or 10 , wherein the film forming apparatus forms a silicon nitride film as the nitride film. 前記光源制御部は、前記エネルギー密度を1.0J/cm以上6.0J/cm以下に制御することを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の不純物導入装置。 The light source control section, an impurity introduction apparatus according to any one of claims 9 to 11, wherein the controller controls the energy density below 1.0 J / cm 2 or more 6.0 J / cm 2. 前記光源は、190nm以上380nm以下の波長の前記光パルスを出射することを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載の不純物導入装置。 The impurity introduction apparatus according to claim 9, wherein the light source emits the optical pulse having a wavelength of 190 nm or more and 380 nm or less. 前記光源制御部は、照射領域1箇所につき1回以上10回以内の照射回数で前記光パルスを照射するように制御することを特徴とする請求項9〜13のいずれか1項に記載の不純物導入装置。 The impurity according to any one of claims 9 to 13, wherein the light source control unit performs control so that the light pulse is emitted at an irradiation frequency of 1 to 10 times per irradiation region. Introduction device. 前記対象物を搭載してX−Y平面内を移動させるX−Y移動ステージを更に備え、
前記ビーム調整系が、前記X−Y移動ステージにより移動する前記対象物の表面上の前記窒化物膜に対して前記光パルスを照射することにより、所望の平面領域の範囲に対して前記窒素が導入された平面パターンを直接描画することを特徴とする請求項9〜14のいずれか1項に記載の不純物導入装置。
An XY moving stage for mounting the object and moving the object in an XY plane;
The beam adjustment system irradiates the nitride film on the surface of the object moved by the XY movement stage with the light pulse, so that the nitrogen is applied to a range of a desired plane region. The impurity introduction apparatus according to claim 9, wherein the introduced planar pattern is directly drawn.
窒素がドナー型の不純物元素として機能する第1のn型半導体領域を有する中間生成物を用意する工程と、
窒化物膜を前記第1のn型半導体領域の表面上に堆積する工程と、
前記窒化物膜の膜厚を減じるように光パルスを前記窒化物膜に照射して、窒化物中の窒素を熱力学的平衡濃度を超える濃度で前記第1のn型半導体領域の内部に導入して第2のn型半導体領域を形成する工程と、
前記第2のn型半導体領域に接触するオーム性接触電極膜を形成する工程と、
を含み、
前記第2のn型半導体領域を形成する工程は、
前記窒化物膜の膜厚、前記光パルスのエネルギー密度及び前記光パルスの1回あたりの照射時間を考慮して、前記光パルスの照射後に前記第1のn型半導体領域の表面に前記窒化物膜が少なくとも一原子相当の膜厚分残存するように前記光パルスの照射回数を決定する段階と、
前記光パルスを、前記エネルギー密度、前記照射時間及び前記照射回数で前記窒化物膜に照射する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Providing an intermediate product having a first n-type semiconductor region in which nitrogen functions as a donor-type impurity element ;
Depositing a nitride film on the surface of the first n-type semiconductor region;
The nitride film is irradiated with a light pulse so as to reduce the thickness of the nitride film, and nitrogen in the nitride is introduced into the first n-type semiconductor region at a concentration exceeding the thermodynamic equilibrium concentration. Forming a second n-type semiconductor region;
Forming an ohmic contact electrode film in contact with the second n-type semiconductor region;
Only including,
The step of forming the second n-type semiconductor region includes:
Considering the film thickness of the nitride film, the energy density of the light pulse, and the irradiation time per time of the light pulse, the nitride is formed on the surface of the first n-type semiconductor region after the light pulse irradiation. Determining the number of times of irradiation of the light pulse so that the film remains for a film thickness corresponding to at least one atom;
Irradiating the nitride film with the light pulse at the energy density, the irradiation time and the number of irradiations;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第2のn型半導体領域を形成する工程は、前記光パルスの照射位置に対し前記第1のn型半導体領域の平面位置をX−Y平面内を相対的に移動させつつ行うスキャン照射により、前記第2の半導体領域の平面パターンを直接描画することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the second n-type semiconductor region is performed by scan irradiation performed while moving the plane position of the first n-type semiconductor region relative to the irradiation position of the light pulse in the XY plane. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16 , wherein a planar pattern of the second semiconductor region is directly drawn. 前記光パルスを照射するステップの後に、前記窒化物膜を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の不純物導入方法。  The impurity introducing method according to claim 1, further comprising a step of removing the nitride film after the step of irradiating the light pulse. 前記第2のn型半導体領域を形成する工程の後に、前記窒化物膜を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, further comprising a step of removing the nitride film after the step of forming the second n-type semiconductor region.
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