JP7175115B2 - SiCデバイスの製造方法および評価方法 - Google Patents

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Description

本発明は、SiCデバイスの製造方法および評価方法に関する。
炭化珪素(SiC)は、特徴的な特性を有する。例えば、シリコン(Si)と比べて、絶縁破壊電界は1桁大きく、バンドギャップは3倍大きく、熱伝導率は3倍程度高い。そのため、炭化珪素(SiC)は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。
しかし、SiCデバイスには解決すべき多くの課題が残されている。
課題の一つとして製造プロセスの効率化があり、歩留まりの改善も課題の一つである。SiCの結晶成長技術は現在も発展途上にあるため、基板中に多くの結晶欠陥が存在する。これらの結晶欠陥がSiCデバイスの特性を劣化させるデバイスキラー欠陥となり、歩留まりを阻害する大きな要因となっている。
結晶欠陥がSiCデバイスの特性を劣化させる例として、耐圧不良や酸化膜破壊等がある。特許文献1に記載された発明は、SiCエピタキシャルウェハの欠陥部の位置を特定する工程を含む。欠陥部の位置はフォトルミネッセンス測定により特定される。欠陥部の特定されたSiCエピタキシャルウェハは、素子を備え付けた後、耐圧測定が行われる。
特許文献1に記載された発明以外にも半導体薄膜製造の歩留まり改善を目的とした発明が行われている。特許文献2には、酸化物半導体薄膜の移動度およびストレス耐性を予測および推定する評価装置について記載されている。これらの評価は、フォトルミネッセンス測定により行われる。
特許文献3には、SiCバルク単結晶基板中の6H型の積層構造を含んだ欠陥領域を判別する欠陥評価方法について記載されている。この欠陥評価は、フォトルミネッセンス測定により行われる。6H型の積層構造は、電流リークを生み出す原因欠陥として知られている。
特許文献4には、フォトルミネッセンス測定により結晶欠陥の位置を特定する欠陥検出方法について記載されている。この欠陥検出方法では、半導体試料に励起光を照射し、半導体試料を励起光に対して走査することを特徴とする。
特開2016-25241号公報 特開2015-56583号公報 特開2011-220744号公報 特開2017-11100号公報
しかしながら、特許文献1及び2に記載にされたフォトルミネッセンス測定では、デバイスに影響を及ぼす欠陥を十分に特定することができない。例えば、傷等により酸化膜が破壊された欠陥を見出すことができない。酸化膜破壊が生じた欠陥部は、リークの原因となる。
また特許文献3及び4に記載のフォトルミネッセンス測定は、SiCインゴット又はSiCウェハに対して行っている。したがって、SiCウェハ上にデバイスを形成する過程で生じたプロセス欠陥を特定することはできない。
本発明は、プロセス過程で発生した欠陥を容易に検出できるSiCデバイスの製造方法を得ることを目的とする。
本発明者は、鋭意検討の結果、表面検査を行うことで検出される表面欠陥像と、PL検査工程で検出されるPL欠陥像と、を照合することで、表面欠陥像のうち耐圧不良や酸化膜破壊に起因する欠陥と、耐圧不良や酸化膜破壊に起因しない欠陥と、を分類できることを見出した。本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。
(1)第一の態様にかかるSiCデバイスの製造方法は、エピタキシャル層を有するSiCエピタキシャルウェハの前記エピタキシャル層にイオン注入をするイオン注入工程と、前記イオン注入工程の後に、前記SiCエピタキシャルウェハの欠陥を評価する評価工程と、を有し、前記評価工程は、前記SiCエピタキシャルウェハの表面検査をする表面検査工程と、前記表面検査工程後に、前記表面検査で検出された欠陥を含む領域に励起光を照射し、フォトルミネッセンス測定をするPL検査工程と、前記表面検査で検出される表面欠陥像及び前記PL検査工程で検出されるPL欠陥像から前記欠陥の程度を判定する判定工程と、を有する。
(2)上記態様にかかるSiCデバイスの製造方法は、前記評価工程の後に、作製された各SiCデバイスに電圧を印加し、耐圧測定をする耐圧測定工程を有してもよい。
(3)上記態様にかかるPL検査工程は、発光する発光部における輝度Sと、発光しない非発光部における発光強度Nと、の比が4.0以上の場合に、前記評価工程において評価した前記欠陥を不良と判断してもよい。
(4)上記の態様にかかるPL検査工程は、発光する発光部における輝度Sと、発光しない非発光部における発光強度Nと、の比が2.0以上の場合に、前記評価工程において評価した前記欠陥を不良と判断してもよい。
(5)第2の態様にかかるSiCデバイスの評価方法は、SiCエピタキシャルウェハの表面検査をする表面検査工程と、SiCエピタキシャルウェハの表面に励起光を照射し、フォトルミネッセンス測定をするPL検査工程と、前記表面検査で検出される表面欠陥像及び前記PL検査工程で検出されるPL欠陥像から欠陥の程度を判定する判定工程と、を有してもよい。
上記態様にかかるSiCデバイスの製造方法によれば、SiCデバイス製造においてプロセス過程で発生した欠陥を容易に検出できる。
イオン注入工程前のSiCウェハの表面検査像(左)と、表面検査工程時のSiCエピタキシャルウェハの表面検査像(右)である。イオン注入工程後のSiCエピタキシャルウェハの表面模式図である。 SiCエピタキシャルウェハ上のある位置における表面欠陥像(左)と同位置を観察したPL欠陥像である。 SiCエピタキシャルウェハ上のある位置における表面欠陥像(左)と同位置を観察したPL欠陥像である。 SiCエピタキシャルウェハ上のある位置における表面欠陥像(左)と同位置を観察したPL欠陥像である。 SiCエピタキシャルウェハ上のある位置における表面検査像(左)と同位置を観察したPL検査像である。 図2、図3、図4で観察した欠陥の存在する各デバイスのゲート・ソース間漏れ電流Igssを測定した結果である。 図2、図3、図4で観察した欠陥の存在する各デバイスのドレイン遮断電流Idssを測定した結果である。
以下、本発明の実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明は、それらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
「SiCデバイスの製造方法」
本実施形態にかかるSiCデバイスの製造方法は、イオン注入工程と、評価工程とを有する。以下、SiCデバイスの製造方法を具体的に説明する。
(ウェハ準備工程)
まずSiC基板を準備する。SiC基板は、単結晶のSiCインゴットをスライスして得られる。次いで、SiC基板の一面にSiCからなるエピタキシャル層を積層する。エピタキシャル層が積層されたSiC基板をSiCエピタキシャルウェハという。
(イオン注入工程)
イオン注入工程では、SiCエピタキシャルウェハのエピタキシャル層にイオン注入をする。エピタキシャル層のイオン注入された部分は、p型又はn型の半導体となる。p型の場合は、不純物イオンとしてアルミニウム、ボロン等がエピタキシャル層にイオン注入される。n型の場合は、不純物イオンとしてリン、窒素等がエピタキシャル層にイオン注入される。イオン注入された部分は、例えばMOSFETのソース領域、ドレイン領域となる。イオン注入工程は、SiCエピタキシャルウェハの一面にパターニングを行いながら複数回に分けて行われる。
イオン注入工程では、結晶欠陥が導入されることがある。この結晶欠陥は、SiCデバイスの耐圧不良の原因となりえる。
イオン注入工程の後には、炭化膜形成工程、活性化アニール工程、酸化工程、酸化膜剥離工程が行われる。
炭化膜形成工程は以下の手順で行う。まずウェハ両面にレジストを塗布する。次いで、ウェハをハードベークする。さらに、ウェハ両面に塗布したレジスト膜をAr雰囲気中で高温処理することで、炭化膜が形成される。炭化膜は、SiCエピタキシャルウェハを保護する保護膜となる。
活性化アニール工程では、SiCエピタキシャルウェハを所定の温度で加熱する。活性化アニールによりエピタキシャル層に注入された不純物が活性化され、キャリアとなる。酸化工程では、SiCウェハ両面の酸化を行う。
酸化工程は、炭化膜の除去のために行う。
酸化膜剥離工程では、形成された酸化膜を剥離する。酸化膜剥離はフッ酸処理等により形成した酸化膜を剥離する。酸化膜は、膜質が悪く、表面にパーティクルが多い。この酸化膜を剥離することで、高品質なSiCエピタキシャルウェハとなる。
炭化膜形成工程、活性化アニール工程、酸化工程、酸化膜剥離工程におけるパーティクルの付着は、SiCデバイスの不良の原因となりえる欠陥である。
また、炭化膜形成工程において保護膜が適切に形成されない場合がある。保護膜が適切に形成されないと、SiCエピタキシャル層に傷等が生じる原因となる。傷等もSiCデバイスの不良の原因となる。
(評価工程)
本実施形態にかかるSiCデバイスの製造方法は、イオン注入工程後に評価工程を行う。評価工程は、表面検査工程と、PL検査工程と、判定工程とを有する。
(表面検査工程)
表面検査工程では、イオン注入工程を行った後に、SiCエピタキシャルウェハの表面の欠陥(傷)を検出する。表面検査工程は、SiCエピタキシャルウェハの表面に入射した光の反射光を計測する。表面検査工程は、光学顕微鏡や、電子顕微鏡、走査プロープ顕微鏡等を用いて行う。表面検査工程では、幅1μm~1000μmの欠陥を検出する。このうち10μm~1mmの欠陥は、欠陥の種類を表面検査工程で測定される光学検査で分類することができる。分類可能な欠陥の種類は、Downfall、Carrot、Large-pit、直線型欠陥、三角欠陥、スクラッチ、浅傷、ピット等が挙げられる。
図1は、イオン注入工程前のSiCエピタキシャル層と、表面検査工程時におけるSiCエピタキシャル層と、において同一箇所の表面を表面検査した図である。図1における左図は、イオン注入工程前のSiCエピタキシャル層の表面画像である。図1における右図は、表面検査工程において測定されたSiCエピタキシャル層の表面画像である。図1に示すように、イオン注入工程前には欠陥が確認されていない。つまり、この欠陥はイオン注入工程以降のプロセス起因で生じた欠陥である。
表面検査工程により、これらの欠陥の位置座標を特定することができる。表面検査装置を用いて、SiCエピタキシャルウェハのオリフラ部を基準に基板全面を観察し、欠陥の位置座標を特定する。
(PL検査工程)
PL検査工程は、イオン注入を行ったSiCエピタキシャルウェハに対してPL測定を実施する。PL検査工程では、フォトルミネッセンス検査装置を用いる。検査時の励起光波長は270nm~380nmであればよい。好ましくは、310nm~365nmで、さらに好ましくは365nmである。ヘリウム‐カドミウム(He-Cd)レーザ(λ=325nm)や水銀‐キセノン(Hg-Xe)UV(Ultra Violet)ランプ(λ=314nm)、Nレーザ(λ=365nm)等を励起光として用いることができる。
受光波長は、420nm~750nmであることが好ましく、更に好ましくは660nmである。受光波長は、ローパスバンドフィルタ等を用いて制御できる。ローパスバンドフィルタは、特定の波長以下の波を遮断するフィルタである。受光波長を制限することで、所定の欠陥以外に起因する発光を除去することができる。
本実施形態にかかるPL検査工程は、表面検査工程で検出された欠陥を含む領域に対して行う。図2~図4は、表面検査工程で検出された欠陥を含む領域に対してPL検査を行った画像である。図2~図4において左図は欠陥の表面検査像であり、右図は同じ箇所をPL検査したPL検査像である。
図2に示すPL検査像は、表面検査と同じ位置に白く見える輝点が存在する。図3に示すPL検査像は、図2ほどではないが、表面検査と同じ位置に薄く白く見える輝点が存在する。図4に示すPL検査像は、表面検査と同じ位置には輝点が見えない。
一般に、PL検査で検出されるフォトルミネッセンス光は、励起光により価電子帯から伝導帯に励起された電子が、価電子帯に戻る際に生じる光である。したがって、表面欠陥が存在するからと言って発光するというものではない。そのため、図2に示すように強い発光が生じる場合もあれば、図4に示すように発光が生じない場合もある。
また反対に、フォトルミネッセンス光は、表面に欠陥が無い部分でも確認される。図5は、基板に対して表面検査及びPL検査を行った像である。図5における左図は、表面検査画像であり、図5における右図はPL検査画像である。図5の左図では表面欠陥が検出されていないにも関わらず、右図では白く靄のようにフォトルミネッセンス光が測定されている。換言すると、PL検査のみを行った場合は、図2に示すように表面欠陥に起因する発光と、図5に示すようにエピタキシャル層内部に起因する発光が測定され、これらを分離することはできない。
(判定工程)
判定工程では、表面検査工程で検出される欠陥像及びPL検査工程で検出されるPL欠陥像から欠陥の程度を判定する。
図2~図4に示すように、表面検査工程で同じような欠陥が検出されていても、PL検査工程での見え方に違いがある。発明者らは、PL検査工程での見え方の違いと、SiCデバイスにおける酸化膜破壊及び耐圧不良との間における相関を見出した。
図6は、表面検査工程で特定された欠陥における酸化膜破壊試験結果である。図7は、表面検査工程で特定された欠陥における耐圧リーク試験結果である。図6及び図7において、PitAは、図2に示すようにPL検査において強い発光が見られた欠陥であり、PitBは、図3に示すようにPL検査において弱い発光が見られた欠陥であり、PitCは、図4に示すようにPL検査において発光が見られなかった欠陥である。
酸化膜破壊試験及び耐圧リーク試験は、SiCデバイスとして、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)を作製して行った。生成したデバイスが、酸化膜破壊されているかはゲート・ソース間漏れ電流(Igss)を測定することで判定した。ドレイン・ソース間をショートし、ゲート・ソース間に電圧Vgsを印加した。印加した電圧は、10Vと15Vの2パターンを行った。
また、生成したデバイスが、耐圧不良であるかはドレイン遮断電流(Idss)を測定することで判定した。ゲート・ソース間をショートし、ドレイン・ソース間に電圧を印加した。印加電圧は、10Vと800Vの2パターンで行った。
図6及び図7に示すように、PitAは酸化膜破壊及び耐圧不良が生じた。PitBは、酸化膜破壊は生じなかったが、800Vの電圧を印加した際に耐圧不良が生じた。PitCは、酸化膜破壊及び耐圧不良が生じなかった。換言すると、表面検査で特定された欠陥をPL検査することで、欠陥の程度を判定することができる。ここで、酸化膜破壊を示すゲート・ソース間漏れ電流の閾値は1.0×10-7Aとし、耐圧不良を示すドレイン遮断電流の閾値は1.0×10-3Aとした。なお、これらの閾値は求められる性能に応じて適宜設定できる。
ここでPL検査像における発光度合いの程度は、得られた測定画像から目視で分析してもよいが、厳密性を高めるために欠陥と正常部との間のコントラスト比から判定することが好ましい。またコントラスト比を用いることで、検出の自動化が可能となる。
図2に示すPL欠陥像において、発光する発光部(PitA)における輝度Sと、発光しない非発光部における発光強度Nと、の比(S/N比)は、9.00527である。また図3に示すPL欠陥像において、発光する発光部(PitB)におけるS/N比は、3.07779である。また図4に示すPL欠陥像において、発光する発光部(PitB)
におけるS/N比は、1.67965である。
したがって、PL検査工程において、S/N比が4.0以上の場合に欠陥を不良と判断することが好ましく2.0以上の場合に欠陥を不良と判断することがより好ましい。
S/N比が4.0以上の場合に欠陥を不良と判断すると、少なくとも酸化膜破壊及び耐圧不良を引き起こす欠陥は除去できる。またS/N比が2.0以上の場合に欠陥を不良と判断すると、耐圧不良を引き起こす欠陥を除去できる。
(ゲート酸化膜形成工程)
上記検査により不良箇所を特定した後に、ゲート酸化膜形成工程を行う。ゲート酸化膜形成工程では、例えば酸素を含む雰囲気中においてSiCエピタキシャルウェハを所定の温度で加熱する。加熱により、エピタキシャルウェハの両面が熱酸化される。ゲート酸化膜上には、ゲート電極が形成され、SiCデバイスが得られる。
(耐圧測定工程)
SiCエピタキシャルウェハ上に作製した各SiCデバイスに電圧を印加して、耐圧測定をさらに行ってもよい。耐圧測定は、裏面パッド電極とソースパッド電極との間に所定の電圧を印加する。耐圧測定工程を行うことで、表面検査工程及びPL検査工程では特定できなかった欠陥を測定できる。
上述のように、本実施形態にかかるSiCデバイスの評価方法及びSiCデバイスの製造方法によれば、酸化膜破壊及び耐圧不良の原因となるキラー欠陥を判定できる。フォトルミネッセンスを利用したPL検査のみでは正確な判定を行うことは難しい。これに対し、本実施形態にSiCデバイスの評価方法及びSiCデバイスの製造方法は、表面欠陥像及びPL欠陥像をそれぞれ確認することで、精度より酸化膜破壊及び耐圧不良の原因となるキラー欠陥を判定できる。

Claims (3)

  1. エピタキシャル層を有するSiCエピタキシャルウェハの前記エピタキシャル層にイオン注入をするイオン注入工程と、
    前記イオン注入工程の後に、前記SiCエピタキシャルウェハの欠陥を評価する評価工程と、を有し、
    前記評価工程は、
    前記SiCエピタキシャルウェハの表面検査をする表面検査工程と、
    前記表面検査工程後に、前記表面検査で検出された欠陥を含む領域に励起光を照射し、フォトルミネッセンス測定をするPL検査工程と、
    前記表面検査で検出される表面欠陥像及び前記PL検査工程で検出されるPL欠陥像から前記欠陥の程度を判定する判定工程と、を有し、
    前記PL検査工程において、発光する発光部における輝度Sと、発光しない非発光部における発光強度Nと、の比が2.0以上4.0未満の場合に、前記評価工程において評価した前記欠陥を不良と判断するSiCデバイスの製造方法。
  2. 前記評価工程の後に、作製された各SiCデバイスに電圧を印加し、耐圧測定をする耐圧測定工程を有する、請求項1に記載のSiCデバイスの製造方法。
  3. SiCエピタキシャルウェハの表面検査をする表面検査工程と、
    SiCエピタキシャルウェハの表面に励起光を照射し、フォトルミネッセンス測定をするPL検査工程と、
    前記表面検査で検出される表面欠陥像及び前記PL検査工程で検出されるPL欠陥像から欠陥の程度を判定する判定工程と、を含む評価工程を有し、
    前記PL検査工程において、発光する発光部における輝度Sと、発光しない非発光部における発光強度Nと、の比が2.0以上4.0未満の場合に、前記評価工程において評価した前記欠陥を不良と判断するSiCデバイスの評価方法。
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