JPWO2004097914A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

高温下、イオンを高エネルギで加速して行なうイオン注入を可能とし、半導体基板（１，１０１）、特にＳｉＣ半導体基板への領域選択的で、十分な深さの不純物注入を簡便に行なうことのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。このため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板（１，１０１）の表面に、ポリイミド樹脂膜（２）、または、ＳｉＯ２膜（１０７ａ，１０７ｂ）と金属薄膜（１０５）を備えるマスク層を形成する工程と、不純物イオンの注入を行なう工程を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、イオン注入法により、半導体基板の表面に不純物の注入領域を形成する半導体装置の製造方法に関し、さらに詳細には、ＳｉＣ半導体基板の表面にイオン注入用のマスクを形成した後、不純物イオンの注入を行なう半導体装置の製造方法に関する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、バンドギャップが広く、最大絶縁電界がシリコン（Ｓｉ）に比較して約一桁大きい。また、キャリアの移動度がＳｉなみに大きく、電子の飽和ドリフト速度がＧａＡｓなみに大きく、かつ耐圧が大きいので、高速スイッチング素子または大電力用素子などの次世代の電力用半導体素子（特に、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ：Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など）への応用が期待される材質である。
ＳｉＣの結晶構造には、六方最密充填構造と立方最密充填構造とがあり、六方最密充填構造ではさらに層の繰返し周期の違うものが数多く存在し、１００種以上の結晶多形（ポリタイプ）が知られている。代表的なポリタイプとして、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈなどがある。Ｃは立方晶を、またＨは六方晶を意味し、その前の数字は繰り返し周期を表す。立方晶形は３Ｃのみであり、これをβ−ＳｉＣ、その他をまとめてα−ＳｉＣと呼んでいる。
最近では電力用素子としてショットキーダイオード、縦型ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、サイリスタなど、あるいは、最も汎用的な半導体装置であるＣＭＯＳ−ＩＣが試作され、その特性から従来のＳｉ半導体装置と比較して非常に良好な特性を実現する可能性があることが示唆されている。
ところが、ＳｉＣ−縦型ＭＯＳ半導体素子、ＳｉＣ−ＪＦＥＴ素子などでは、非常に優れた特性の実現が期待されるものの、実際には、これまで良好な特性が実現した旨の報告は少なく、実際に製造されているケースも少ない。その原因は、ＳｉＣ半導体基板へのイオン注入などの工程において微細加工の制御が困難であることにある。
Ｓｉ系半導体基板を用いる半導体素子では、ｐ型不純物とｎ型不純物とを同一のマスクにより選択的に導入し、熱拡散することによって、精密なチャネル密度が実現される。すなわちＪＦＥＴなどの半導体素子の特性を左右するチャネルの寸法などが非常に精密に制御可能で、歩留まり良くＪＦＥＴなどの半導体素子のを作ることができる。
これに対し、ＳｉＣ半導体基板を用いる半導体素子では、Ｓｉ系半導体基板に比べて不純物の拡散がほとんど起きないため、Ｓｉ系半導体基板を用いる半導体素子のような精密なチャネル密度などの制御を実現することが難しい。そのため、チャネル抵抗などが大きくなり、また、そのばらつきも非常に大きなものとなってしまう傾向がある。その結果、期待されたようなＳｉＣ半導体素子の特性が十分に実現されていないのが現状である。
また、ＳｉＣ半導体基板を用いる半導体素子では、イオン注入した不純物の活性化率が悪く、活性化率を向上するために、３００℃以上での高温のイオン注入を行なうこともあり、レジスト膜をイオン注入のマスク層として好適に使用できないという問題がある。さらに、シリコン酸化膜やポリシリコン膜などをマスク層として用いても、高温によりマスク層のひび割れや剥離が起こる傾向があるという問題がある。
上述のように、ＳｉＣ半導体基板を用いる半導体素子（本明細書において、ＳｉＣデバイスとも記載する。）の製造の際には、結晶損傷の抑制のため高温環境下でのイオン注入が必要である。
そこで、高温環境下でのイオン注入においてマスク層として用いることのできる材質の開発が求められており、関係各方面で技術開発が行われている。ここで、ＳｉＯ_２を材質として含有するマスク層は、高温環境下での高エネルギ注入に耐え得る優れた特性を有する。このような特性を利用して、ＳｉＯ_２膜をマスク層としてイオン注入を行い、その後、熱拡散により十分な深さの不純物注入領域を形成する技術が、特開平１０−２５６１７３号公報および「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」（電気学会高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会編，コロナ社，１９９６年７月，ｐ．３８−４１）に開示されている。
たとえば、シリコン基板上にＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜を全面に形成した後、フォトリソグラフィ法によりマスクパターンを形成する。フォトリソグラフィ法では、ＳｉＯ_２膜の全面にフォトレジストを形成し、穴を開けたい部分にのみ光を当て、フォトレジストを感光し、感光した部分を現像により除去する。つぎに、残ったフォトレジストの上から下地のＳｉＯ_２膜をドライエッチングにより開口し、エッチングの後、フォトレジストを除去すると、ＳｉＯ_２のマスクパターンが得られる。
つづいて、Ｂなどの不純物イオンを１×１０^１４ｃｍ^−２程度注入する。ＳｉＯ_２膜がマスクとなるため、ＳｉＯ_２膜の開口部にのみ不純物イオンが注入される。イオン注入は、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＢＦ_２などのガスを放電して得られるドーパントのイオンを、数１０ｋｅＶ〜数１００ｋｅＶに加速して基板に打ち込む方法である。つぎに、熱拡散により不純物を押し込んだ後、ＳｉＯ_２膜をフッ酸で溶解して除去する。その後、半導体装置の製造工程においては、このような薄膜の形成、フォトリソグラフィ、エッチングおよびイオン注入が繰り返し行なわれる。
しかし、ＳｉＣデバイスの製造の際には、ＳｉＣ半導体基板における不純物の熱拡散が小さいため、十分な深さの不純物注入を行なうためには、高エネルギでのイオン注入が必要である。そして、ＳｉＯ_２を用いるマスク層は、１μｍを超える厚さになるとクラックが生じやすいため、イオン注入のマスク層としては使用しにくいという問題がある。
一方、ＳｉＯ_２を含有する酸化膜の厚さを１μｍ以下とすると、この酸化膜により阻止できるイオン注入のエネルギが小さくなるため、イオンを高エネルギで加速できず、イオン注入の深さはせいぜい０．３μｍにとどまる。よって、一般に、半導体装置に必要な０．６μｍ〜１μｍの注入深さを得ることが困難であり、ＳｉＣ半導体基板用のマスクとしてＳｉＯ_２は好適に用いることができないという問題がある。
また、ＳｉＯ_２をマスク材料として利用するときは、ＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜の形成、レジストを用いたフォトリソグラフィ、ドライエッチングによるＳｉＯ_２膜の開口、イオン注入およびＳｉＯ_２膜の除去という一連の複雑な工程が必要となる。さらに、ＣＶＤ法およびドライエッチングは、真空引きをした反応炉内に半導体基板を投入しなければならないため、製造効率が低い。
このように、ＳｉＯ_２を用いるマスク層には、イオン注入の注入深さに制約が生じるという問題があるため、ＳｉＣ半導体基板を用いる半導体素子の製造にはあまり利用されていない。また、仮に利用されていたとしても、以上の欠点を克服するために複雑な工程が必要であるという問題を抱えている。

本発明の目的は、高温下、イオンを高エネルギで加速して行なうイオン注入を可能とし、半導体基板、特にＳｉＣ半導体基板への領域選択的で、十分な深さの不純物注入を簡便に行なうことのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
かかる目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、イオン注入法により半導体基板の表面に不純物の注入領域を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の表面にポリイミド樹脂膜を備えるマスク層を形成する工程と、不純物イオンの注入を行なう工程を備えることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の他の製造方法は、イオン注入法により半導体基板の表面に不純物の注入領域を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の表面に、ＳｉＯ_２膜と金属薄膜を備えるマスク層を形成する工程と、不純物イオンの注入を行なう工程を備えることを特徴とする。
半導体基板は、ＳｉＣ半導体基板を使用することができる。半導体基板のうち、マスク層を形成した領域には、不純物イオンの注入を行なわないようにすることができ、不純物イオンはマスク層を形成していない領域に注入することができる。
ポリイミド樹脂膜を備えるマスク層を形成するときは、半導体基板を、好ましくは３００℃以上、より好ましくは５００℃以上に加熱して、不純物イオンの注入を行なう態様が好ましい。ポリイミド樹脂膜は、感光性ポリイミド樹脂膜が好適であり、ポリイミド樹脂膜の厚さは、半導体基板のうち、ポリイミド樹脂膜を形成していない領域において注入される不純物の深さの２倍以上が好ましい。ポリイミド樹脂膜と半導体基板との間には、金属薄膜またはＳｉＯ_２からなる薄膜を形成する態様が好ましい。
一方、ＳｉＯ_２膜と金属薄膜を備えるマスク層形成するときは、半導体基板を、好ましくは３００℃〜５００℃、より好ましくは５００℃〜８００℃に加熱して、不純物イオンの注入を行なう態様が好ましい。マスク層は、３層以上の層からなるものが好適であり、ＳｉＯ_２膜の平均厚さと、金属薄膜の平均厚さは、それぞれ５００ｎｍ〜１．５μｍが好ましい。マスク層は、最下層膜としてＳｉＯ_２膜もしくは金属薄膜を備える態様、または、最上層膜としてＳｉＯ_２膜もしくは金属薄膜を備える態様が好ましい。かかるＳｉＯ_２膜は、ＳＯＧ法により好ましく形成することができる。

図１Ａ〜図１Ｅは、本発明の半導体装置の製造方法を示す工程図である。
図２は、ポリイミド樹脂膜の厚さと注入される不純物（Ａｌ）の深さとの関係を示す図である。
図３は、本発明における、ポリイミド樹脂膜とＳｉＣ半導体基板との間に薄膜が形成されている態様を示す断面図である。
図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の半導体装置の製造方法を示す工程図である。

（ポリイミド樹脂膜をマスクとして用いる半導体装置の製造方法）
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に、ポリイミド樹脂膜を備えるマスク層を形成した後、不純物イオンの注入を行なう工程を備えることを特徴とする。半導体基板に、ポリイミド樹脂膜を形成し、ポリイミド樹脂膜を半導体基板用のマスクとして用いることにより、高温下で、高エネルギのイオンによる不純物の注入を行なうことができ、ＳｉＣ半導体基板においても不純物の十分な注入深さを得ることができる。
本発明に用いる半導体基板は、従来公知の半導体基板の中でも、ＳｉＣ半導体基板であることが好ましい。炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、バンドギャップが広く、最大絶縁電界がシリコン（Ｓｉ）に比較して約一桁大きく、キャリアの移動度がＳｉなみに大きい。また、電子の飽和ドリフト速度がＧａＡｓなみに大きく、かつ耐圧が大きいという優れた特性を有するからである。
また、後述する本発明のマスク層は、ＳｉＣ半導体基板をはじめとする不純物の熱拡散が小さい半導体基板に対して、高温環境下での高エネルギ注入を行なうことができ、十分な深さの不純物注入を行なうことができるという優れた特性を発揮するからである。
本明細書において、ＳｉＣ半導体基板とは、ＳｉＣを材質として含む半導体基板を示すものとする。ここで、ＳｉＣ半導体基板は、ＳｉＣのみを材質として含む必要はなく、ＳｉＣの優れた特性を損なわない範囲で他の成分を材質として含んでいてもよい。
本発明に用いるＳｉＣの結晶構造は、特に限定されず、たとえば六方最密充填構造あるいは立方最密充填構造のＳｉＣを用いることができる。また、ＳｉＣの六方最密充填構造ではさらに層の繰返し周期の違うものが数多く存在し、１００種以上の結晶多形（ポリタイプ）が知られているが、いずれの種類の構造であってもよい。たとえば代表的なポリタイプとして、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈなどを用いることができる。本明細書において、Ｃは立方晶を、またＨは六方晶を意味し、その前の数字は繰り返し周期を表すものである。これらの中で、立方晶形は３Ｃのみであり、これをβ−ＳｉＣ、その他をまとめてα−ＳｉＣと呼ぶ。
もっとも、本発明に用いる半導体基板は、ＳｉＣ半導体基板に特に限定されず、従来公知の任意の半導体基板を用いることができる。本発明に使用するマスク層は、ＳｉＣ半導体基板以外の半導体基板に適用した場合においても、高温下、高エネルギのイオンによる不純物注入を行なうことができ、不純物の十分な注入深さを得ることができるからである。
本発明の製造方法の典型的な例として、感光性ポリイミド樹脂膜を用い、ＳｉＣ半導体基板にイオン注入する方法を、図１Ａ〜図１Ｅに示す。まず、図１Ａに示すように、ＳｉＣ半導体基板１上に感光性ポリイミド樹脂膜２を形成する。つぎに、図１Ｂに示すように、所定のパターンを有するマスク３を介して、光４を照射した後、現像し、焼成することにより、図１Ｃに示すように、ＳｉＣ半導体基板上に、所定のパターンを有するポリイミド樹脂膜２ａを容易に形成することができる。
つづいて、図１Ｄに示すように、ポリイミド樹脂膜を備えるマスク層を介してイオン５をＳｉＣ半導体基板１に打ち込み、不純物領域１ａを形成する。最後に、ポリイミド樹脂膜を除去すると、図１Ｅに示すような、不純物領域１ａを有するＳｉＣ半導体基板１が得られる。所定のマスクを形成することにより、マスクを形成した領域における不純物イオンの注入を阻止することができ、マスクを形成していない領域にのみ不純物イオンを注入することができる。
不純物イオンの注入は、ＳｉＣ半導体基板の結晶構造のアモルファス化を抑制するために、ＳｉＣ半導体基板を３００℃以上に加熱して行なう態様が好ましく、５００℃以上に加熱して、不純物イオンの注入を行なう態様がより好ましい。また、基板温度は、ＳｉＣの昇華を防ぐ理由から、１０００℃以下である態様が好ましく、８００℃以下がより好ましい。
ポリイミドは、二官能カルボン酸無水物と、第１級ジアミンとから合成される縮合重合物であり、ポリマ骨格の主鎖にイミド構造（−ＣＯ−ＮＲ−ＣＯ）を有する。ポリイミドのうち、芳香族複素環ポリイミドは、優れた機械的性質を有し、熱および酸化に対する安定性が大きい点で好ましい。また、芳香族複素環ポリイミドのなかでも、芳香族ジアミンと芳香族ジアンヒドリドから誘導されるポリイミドは熱に対して安定であるため、より好ましい。
さらに、ポリイミド樹脂膜は、ＳｉＣ半導体基板上に所定のパターンを有するマスクを容易に形成することができる点で、感光性ポリイミド樹脂により形成する態様が好ましい。感光性ポリイミド樹脂膜は、ＳｉＣ半導体基板上に塗布することにより形成することができ、ＳｉＯ_２をマスク材料とするときのように、フォトレジストを用いたフォトリソグラフィなどを含む複雑な工程は不要であり、ＳｉＣ半導体基板上に領域選択的なイオン注入を簡便に行なうことができる。さらに、ＣＶＤ法およびドライエッチングなどが不要であるため、製造効率が高い。
ＳｉＣ半導体基板上に形成するポリイミド樹脂膜の厚さは、ＳｉＣ半導体基板のうち、ポリイミド樹脂膜を形成していない領域において注入される不純物の深さの２倍以上が好ましい。４Ｈ−ＳｉＣ半導体基板に対して、加速エネルギ３４０ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０^１５ｃｍ^−２で、Ａｌイオンを注入する場合における、ポリイミド樹脂膜の厚さと注入される不純物（Ａｌ）の深さとの関係を図２に示す。
図２の結果から明らかなとおり、ポリイミド樹脂膜の形成されていない領域では、不純物の深さは１．１μｍである。一方、ポリイミド樹脂膜の厚さが２．２μｍである領域では、不純物の深さは０．０μｍであり、Ａｌイオンは完全に遮断されている。したがって、注入するイオンのエネルギに応じて、注入を予定している不純物領域の深さの２倍以上の厚さのポリイミド樹脂膜を形成することにより、注入されるイオンを完全に遮断し、イオン注入領域の選択を確実にすることができる。
ポリイミド樹脂膜は、接着性および耐薬品性が大きいため、イオン注入後のポリイミド樹脂膜の除去を容易にする観点から、図３に示すように、ポリイミド樹脂膜３２とＳｉＣ半導体基板３１との間に、金属薄膜またはＳｉＯ_２からなる薄膜３６を形成する態様が好ましい。Ａｌなどからなる金属薄膜またはＳｉＯ_２からなる薄膜の厚さは、薄膜をウェットエッチングすることによりポリイミド樹脂膜を容易に除去できる点で、０．０２μｍ以上が好ましく、０．０５μｍ以上がより好ましい。一方、かかる薄膜の厚さは、エッチングにより容易に薄膜を除去し、また、サイドエッチングを抑えるため、０．５μｍ以下が好ましく、０．２μｍ以下がより好ましい。したがって、かかる薄膜は、たとえば、厚さ０．１μｍ程度形成する態様が好ましい。
ＳｉＯ_２などからなる薄膜は、ポリイミド樹脂膜を形成する前に、ＳｉＣ半導体基板に形成し、ポリイミド樹脂膜の露光、現像、焼成後、ポリイミド樹脂膜の空孔部にあるＳｉＯ_２などからなる薄膜をウェトエッチングにより除去しておくと、イオン注入が薄膜により妨げられることなく、イオン注入をスムーズに進めることができる点で好ましい。
（ＳｉＯ_２膜と金属薄膜をマスクとして用いる半導体装置の製造方法）
本発明の半導体装置の他の製造方法は、半導体基板の表面に、ＳｉＯ_２膜と金属薄膜とを備えるマスク層を形成する工程と、半導体基板の表面に不純物イオンの注入を行なう工程とを備えることを特徴とする。かかるマスクは、高エネルギのイオン注入を阻止できる厚さにおいても、ＳｉＯ_２を含有するマスク層にクラックが生じにくく、かかるマスク層を用いることにより、ＳｉＣ半導体基板をはじめとする不純物の熱拡散が小さい半導体基板に対しても、高温下での高エネルギによるイオン注入を行なうことができ、十分な深さの不純物注入を行なうことができる。
図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の半導体装置の製造方法を示す工程図である。本発明の半導体装置の製造方法においては、まず、半導体基板の表面に、マスク層として、ＳｉＯ_２膜と金属薄膜とを備える複合膜を形成する。図４Ａは、本発明の半導体装置の製造方法におけるマスク層１０３の形成工程を示す。本発明の半導体装置１０００は、図４Ａに示すように、半導体基板１０１の表面にマスク層１０３を形成する。ＳｉＣ半導体をはじめとする半導体基板１０１については前述のとおりである。また、図４Ａに示す例では、マスク層１０３は、ＳｉＯ_２膜１０７ａと、金属薄膜１０５と、ＳｉＯ_２膜１０７ｂと、を備える３層構造からなる複合膜である。
ここで、一般に半導体デバイス（半導体素子）の製造の際には、決められた領域のみに選択的に不純物を導入することが重要である。選択的な不純物の導入を可能にする手段の一つが、マスク層を介してのイオン注入である。特に、ＳｉＣ半導体などの不純物の熱拡散が小さい半導体を材料とする半導体デバイスでは、マスク層を介してのイオン注入は、選択的に不純物を導入するほとんど唯一の実用的な方法である。所定のマスクを形成することにより、マスクを形成した領域における不純物イオンの注入を阻止し、マスクを形成していない領域にのみ不純物イオンを注入することができる。
本発明の半導体装置の製造方法においては、イオン注入を行なう領域を選択するために半導体基板上に形成するマスク層を、図４Ａに示すようにＳｉＯ_２膜と金属薄膜との複合膜として形成することにより、ＳｉＣ半導体基板をはじめとする不純物の熱拡散が小さい半導体基板に対する、領域選択的なイオン注入を、結晶構造へのダメージを抑制しつつ行なうことができる。
本発明のマスク層は、半導体基板に不純物イオン注入を行なう際に用いるマスク層であって、ＳｉＯ_２膜と、金属薄膜と、を備えるマスク層である。ＳｉＯ_２膜は、ＳｉＯ_２を材質として含む酸化膜であればよい。ＳｉＯ_２を材質として含む酸化膜は、高温環境下での高エネルギ注入に耐え得る優れた特性を有するからである。また、ＳｉＯ_２膜は、ＳｉＯ_２のみを材質として含む必要はなく、ＳｉＯ_２の優れた特性を損なわない範囲で他の成分を材質として含んでいてもよい。
マスク層に備えられるＳｉＯ_２膜は、特に限定せず、従来公知の方法で形成することができるが、たとえばＳＯＧ法によりＳｉＯ_２膜を形成することができる。ここで、ＳＯＧ法とは、おもにシラノール［（ＯＲ）_ｍＲ_ｎＳｉ（ＯＨ）_{４−ｍ−ｎ}］をアルコールなどの溶剤に溶かしてウェハ上にスピン塗布した後に熱硬化させ、純粋なＳｉＯ_２の組成に近い絶縁膜（本明細書において、ＳＯＧ膜とも記載する。）を得る方法を意味する。本明細書においては、ＳｉＯ_２膜には、ＳＯＧ膜が含まれる。ＳＯＧ膜には、シラノール化合物の種類によって、無機ＳＯＧ膜と有機ＳＯＧ膜とがある。ＳＯＧ法には、液体を利用して膜を形成するため、せまい配線間を埋めることができるという利点がある。
本発明のマスク層に備えられるＳｉＯ_２膜の平均厚さは５００ｎｍ以上が好ましく、８００ｎｍ以上がより好ましい。また、平均厚さは１．５μｍ以下が好ましく、１．２μｍ以下がより好ましい。ＳｉＯ_２膜の平均厚さが５００ｎｍ未満の場合には、このＳｉＯ_２膜により阻止できるイオン注入のエネルギは限られ、イオン注入の注入深さが小さくなる傾向にある。また、ＳｉＯ_２膜の平均厚さが１．５μｍを超えると、ＳｉＯ_２膜に高温環境下でクラックが生じやすくなる。
マスク層に備えられる金属薄膜は、金属を材質として含む薄膜であればよいが、金属蒸着膜が特に好ましい。金属蒸着膜は、ＳｉＯ_２を材質として含む酸化膜あるいはＳｉＣ半導体基板などに、従来公知の方法で金属を蒸着させることにより容易に得られる。金属薄膜を金属蒸着法により形成するには、たとえば、ＥＢ蒸着により形成することが好ましい。金属蒸着膜をはじめとする金属薄膜をマスク層に備えることにより、ＳｉＯ_２膜の平均厚さが１．５μｍを超えることなく、マスク層全体の平均厚さを１．５μｍ以上とすることができる。そのため、ＳｉＯ_２膜が高温環境下でもクラックを生じにくく、高エネルギのイオン注入を阻止できる。
マスク層に備えられる金属薄膜は、特に限定されず、従来公知の任意の金属を材質として含む薄膜を用いることができるが、たとえば、アルミニウム、ニッケル、金などの金属を材質として含む薄膜を用いることができる。これらの金属の中でも、薄膜の形成の容易さとコスト面の理由から、アルミニウムを材質として含む薄膜を用いることが特に好ましい。金属薄膜は、金属のみを材質として含むことは必要でなく、金属薄膜の優れた特性を損なわない範囲で他の成分を材質として含んでいてもよい。
マスク層に備えられる金属薄膜の平均厚さは５００ｎｍ以上が好ましく、８００ｎｍ以上がより好ましい。また、この平均厚さは１．５μｍ以下が好ましく、１．２μｍ以下がより好ましい。金属薄膜の平均厚さが５００ｎｍ未満であると、高温環境下でＳｉＯ_２膜にクラックが生じやすくなり、高エネルギによるイオン注入が困難となる傾向がある。一方、金属薄膜の平均厚さが１．５μｍより厚くなると、マスクのパターニングを行なう際にサイドエッチングが大きくなる傾向がある。
本発明のマスク層は、半導体基板に不純物イオン注入を行なう際に用いるマスク層であって、ＳｉＯ_２膜と金属薄膜とを備えるマスク層であれば、ＳｉＯ_２膜と、金属薄膜と、の二層構造であってもよく、あるいは三層以上の構造であってもよい。三層以上の構造とすることにより、ＳｉＯ_２膜が高温環境下でもクラックを生じにくく、マスク層全体の膜厚を増すことで高エネルギのイオン注入を阻止できる利点がある。
本発明のマスク層は、最下層膜としてＳｉＯ_２膜を備える態様が好ましい。このような構造により、金属薄膜由来の金属イオンによるＳｉＣ半導体基板をはじめとする半導体基板への汚染を防ぐことができる。また、マスク層は、最下層膜として金属薄膜を備える態様が好ましい。このような構造により、イオン注入後の半導体基板からのマスク層の除去を容易にすることができる。
本発明のマスク層は、最上層膜としてＳｉＯ_２膜を備える態様が好ましい。このような構造により、金属蒸着膜をはじめとする金属薄膜が、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法などによりエッチングされる事態を回避することができ、パターン形成が容易になる。また、マスク層は、最上層膜として金属薄膜を備える態様が好ましい。このような構造により、ＳｉＯ_２膜にクラックが発生しても、その影響を最小限に抑えることができる。
本発明のマスク層は、これらの構造の中でも、最下層から順にＳｉＯ_２膜と、金属薄膜と、ＳｉＯ_２膜と、を備える構造が特に好ましい。このような三層構造を有するマスク層は、ＳｉＯ_２膜の平均厚さが１．５μｍを超えることなく、マスク層全体の平均厚さを１．５μｍ以上とすることができる。そのため、ＳｉＯ_２膜が高温環境下でもクラックを生じにくく、マスク層全体として高エネルギのイオン注入を阻止できる。
つぎに、たとえば、図４Ｂに示すように、図４Ａでマスク層１０３を形成された半導体装置１０００は、マスク層１０７ａ上にレジスト材料を塗布した後、ガラスマスク１１１を用いてパターン露光することにより、レジスト材料を硬化させてレジスト膜１０９を形成する。レジスト材料としては、特に限定せず、従来公知のレジスト材料を条件に応じて選択して用いることができる。また、ガラスマスクも、特に限定せず、従来公知のガラスマスクを用いてパターン露光を行なうことができる。
つづいて、たとえば、図４Ｃに示すように、図４Ｂでレジスト膜１０９を形成された半導体装置１０００は、ＲＩＥ法、ウェットエッチング法などにより、レジスト膜１０９を利用して、エッチングし、パターン化したマスク層１０３ａを形成する。ＲＩＥ法などによるエッチングの条件は、特に限定せず、従来公知の条件によりエッチングを行なうことができるが、たとえば、平行平板型ＲＩＥ装置、酸性溶液などを用いてエッチングを行なうことができる。
つぎに、図４Ｄに示すように、半導体装置１０００は、イオン注入法により不純物をＳｉＣ半導体基板１０１に注入する。本発明に用いる不純物の種類は、特に限定されず、製造される半導体装置の構造と目的に応じて適宜選択可能であるが、たとえば、アルミニウム、ホウ素、窒素、リンなどを選択することができる。また、イオン注入の条件は、特に限定せず、従来公知の条件によりイオン注入を行なうことができるが、イオン注入に用いる装置としては、高電流イオン注入装置などを用いることが好ましい。
本発明におけるイオン注入のドーズ量は、１×１０^１５ｃｍ^−２以下であることが好ましい。このドーズ量が１×１０^１５ｃｍ^−２を超えると、注入済のイオンに新たに注入されたイオンが衝突してさらに深く押込まれる傾向があるためである。さらに、ドーズ量が１×１０^１７ｃｍ^−２を超えると、ＳｉＣの結晶が壊れやすくなり、アモルファス化しやすくなるためである。
本発明におけるイオン注入の際の基板温度は、イオン注入によるＳｉＣ半導体基板の結晶構造へのダメージ（アモルファス化）を抑制するために、３００℃以上であることが望ましく、特に５００℃以上であることがさらに望ましい。また、基板温度は、ＳｉＣの昇華を防ぐ理由から、１０００℃以下であることが望ましく、特に８００℃以下であることがさらに望ましい。また、本発明におけるイオン注入の角度は、特に限定せず、従来公知のイオン注入法で採用されてきたいずれの角度において注入してもよいが、たとえば、基板に対して垂直な角度でイオン注入することが好ましい。
つづいて、図４Ｅに示すように、図４Ｄで不純物がイオン注入された半導体装置１０００のマスク層１０３ａを除去する。マスク層の除去方法は、特に限定せず、従来公知のマスク層の除去方法を用いることができるが、たとえば、酸性溶液による溶解により除去することが好ましい。
本発明における半導体基板への不純物のイオン注入方法は、半導体基板の表面に、ＳｉＯ_２膜と金属薄膜とを備えるマスク層を形成する工程と、半導体基板の表面に不純物のイオン注入を行なう工程とを備える。本発明の半導体基板への不純物イオン注入方法の詳細は、本発明の半導体装置の製造方法の詳細と同様である。

まず、図１Ａに示すように、５インチ径、厚さ６００μｍの４Ｈ−ＳｉＣ半導体基板１上に、ネガ型感光性ポリイミド樹脂（日立デュポンマイクロシステムズ社製ＨＤ４０１０）をスピンコートし、空気雰囲気下、乾燥して、厚さ３．０μｍの感光性ポリイミド樹脂膜２を形成した。つぎに、図１Ｂに示すように、所定のパターンを有するマスク３を介して、感光性ポリイミド樹脂膜２に光４を照射した後、有機溶媒からなる専用の現像液で現像し、焼成することにより、図１Ｃに示すように、ＳｉＣ半導体基板のうち、不純物の注入を行なわない領域上に、パターン化したポリイミド樹脂膜２ａを形成した。感光性ポリイミド樹脂を使用したことにより、フォトリソグラフィ法によるよりも容易にマスクを形成することができた。
つづいて、ＳｉＣ半導体基板１とポリイミド樹脂膜を５００℃に加熱し、図１Ｄに示すように、パターン化したポリイミド樹脂膜２ａを介して、Ａｌイオン５をＳｉＣ半導体基板１に注入し、不純物領域１ａを形成した。Ａｌイオンの注入は、加速エネルギ３４０ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０^１５ｃｍ^−２で行なった。最後に、ポリイミド樹脂膜をフッ酸により除去すると、図１Ｅに示すような、不純物領域１ａを有するＳｉＣ半導体基板１が得られた。不純物領域１ａの深さは１．１μｍであり、従来のＳｉＯ_２マスクでは達し得なかった深さを有する不純物領域が得られた。

図３に示すように、ポリイミド樹脂膜３２とＳｉＣ半導体基板３１との間に、Ａｌからなる厚さ０．１μｍの金属薄膜３６を形成した以外は、実施例１と同様にして、不純物領域を有するＳｉＣ半導体基板を製造した。ポリイミド樹脂膜とＳｉＣ半導体基板との間にＡｌからなる金属薄膜を形成したため、イオン注入後、ポリイミド樹脂膜をリン酸によりウェットエッチングする際に、ポリイミド樹脂膜は、Ａｌ製の金属薄膜を境にして、ＳｉＣ半導体基板から容易に除去し、製造効率を高めることができた。
Ａｌからなる薄膜は、ポリイミド樹脂膜を形成する前に、ＳｉＣ半導体基板に形成し、ポリイミド樹脂膜の露光、現像、焼成後、ポリイミド樹脂膜の空孔部にあるＡｌからなる薄膜をウェットエッチングにより除去しておいたため、イオン注入が妨げられることはなかった。

ポリイミド樹脂膜とＳｉＣ半導体基板との間に、ＳｉＯ_２からなる厚さ０．１μｍの薄膜を形成した以外は、実施例１と同様にして、不純物領域を有するＳｉＣ半導体基板を製造した。イオン注入後、ポリイミド樹脂膜をフッ酸によりウェットエッチングする際に、実施例２と同様に、ポリイミド樹脂膜は、ＳｉＯ_２薄膜を境にして容易に剥離したため、作業効率が良好であった。
ＳｉＯ_２からなる薄膜は、ポリイミド樹脂膜を形成する前に、ＳｉＣ半導体基板に形成し、ポリイミド樹脂膜の露光、現像、焼成後、ポリイミド樹脂膜の空孔部にあるＳｉＯ_２からなる薄膜をウェットエッチングにより除去したため、イオン注入が妨げられることはなかった。

まず、１ｃｍ角の４Ｈ−ＳｉＣ基板（表面の面方位は０００１面から約８度傾いている。）を用意した。つぎに、図４Ａに示すように、ＳｉＣ半導体基板１０１上に、下から順にＳｉＯ_２膜１０７ｂ（平均厚さ１μｍ）、Ａｌ金属薄膜１０５（平均厚さ１μｍ）、ＳｉＯ_２膜１０７ａ（平均厚さ１μｍ）の組合せからなるマスク層１０３を積層した。なお、ＳｉＯ_２膜１０７ａ，１０７ｂはＳＯＧ法で作成し、Ａｌ金属薄膜１０５は金属蒸着法で作成した。
つぎに、図４Ｂに示すように、ＳｉＯ_２膜１０７ａ上にレジスト材料を塗布し、ガラスマスク１１１を用いてパターン露光してレジスト材料を硬化させてレジスト膜１０９を形成した。その後、レジスト膜１０９を形成したＳｉＣ半導体基板１０１を、ＲＩＥ法によりレジスト膜１０９を介してエッチングし、パターン化したマスク層１０３ａを形成した（図４Ｃ）。続いて、図４Ｄに示すように、マスク層１０３ａを介してＳｉＣ半導体基板１０１に、イオン注入法により不純物として、ＡｌイオンをＳｉＣ半導体基板１０１に注入した。
イオン注入に際しては、予め、ＳｉＣ半導体基板とマスク層を、５００℃に加熱し、また、Ａｌイオンの注入は、加速エネルギ３４０ｋｅＶ、ドーズ量１．０×１０^１５ｃｍ^−２で行なった。最後に、図４Ｄで不純物イオン注入したＳｉＣ半導体基板１０１から、フッ酸で溶解することにより、パターン化したマスク層１０３ａを除去した（図４Ｅ）。
得られたＳｉＣ半導体基板１０１を、Ａｒ中、１７００℃、３０分間のアニールをした後、ＳＩＭＳにより評価したところ、パターン化したマスク層１０３ａに被覆された領域においては、Ａｌが検出されないという結果が得られ、Ａｌの加速エネルギ３４０ｋｅＶの注入を阻止できていることが判明した。不純物領域１１５の深さは１．１μｍであり、従来のＳｉＯ_２マスクでは達し得なかった深さを有する不純物領域が得られた。また、ラマン散乱測定により評価したところ、ＳｉＣ半導体基板１０１の結晶構造は損傷していないことが判明した。
比較例１
ＳｉＣ半導体基板上に、ＳｉＯ_２膜（平均厚さ１μｍ）のみからなるマスク層を積層した以外は、実施例４と同様にしてＳｉＣ半導体基板にイオン注入を行なった。不純物イオンを注入されたＳｉＣ半導体基板を、実施例４と同様にして評価したところ、ＳｉＯ_２膜（平均厚さ１μｍ）のみからなるマスク層では厚さが足りないため、ＳｉＯ_２膜（平均厚さ１μｍ）からなるマスク層に被覆された領域においてもＡｌが検出され、Ａｌイオンの加速エネルギ３４０ｋｅＶの注入を十分に阻止できないことが判明した。なお、ＳｉＣ半導体基板１０１の結晶構造は、損傷していなかった。
比較例２
ＳｉＣ半導体基板上に、ＳｉＯ_２膜（平均厚さ３μｍ）のみからなるマスク層を積層した以外は、実施例４と同様にしてＳｉＣ半導体基板にＡｌイオン注入を行なった。不純物イオンを注入されたＳｉＣ半導体基板を、実施例４と同様に評価したところ、ＳｉＯ_２膜（平均厚さ３μｍ）からなるマスク層にはクラックが発生し、その部分からＡｌが検出され、ＳｉＯ_２膜（平均厚さ３μｍ）のみからなるマスク層では、Ａｌイオンの加速エネルギ３４０ｋｅＶの注入を十分に阻止できないことが判明した。なお、ＳｉＣ半導体基板１０１の結晶構造は、損傷していなかった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、結晶構造へのダメージを抑制しつつ、ＳｉＣ半導体基板をはじめとする半導体基板の表面に、領域選択的な高エネルギのイオン注入を簡便に行なうことができ、十分な深さの不純物注入が可能である。また、マスク層は、高温環境下でもクラックを生じない。

Claims (20)

1. イオン注入法により半導体基板（１）の表面に不純物の注入領域を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板（１）の表面にポリイミド樹脂膜（２）を備えるマスク層を形成する工程と、不純物イオン（５）の注入を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. イオン注入法により半導体基板（１０１）の表面に不純物の注入領域を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板（１０１）の表面に、ＳｉＯ_２膜（１０７ａ，１０７ｂ）と金属薄膜（１０５）を備えるマスク層（１０３）を形成する工程と、不純物イオンの注入を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記半導体基板（１，１０１）は、ＳｉＣ半導体基板である請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記マスク層は、半導体基板（１，１０１）における不純物イオンの注入を行なわない領域に形成する請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記不純物イオンは、マスク層を形成していない領域に注入する請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記半導体基板（１）を３００℃以上に加熱して、不純物イオン（５）の注入を行なう請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記半導体基板（１）を５００℃以上に加熱して、不純物イオン（５）の注入を行なう請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。
8. ポリイミド樹脂膜（２）は、感光性ポリイミド樹脂により形成される請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。
9. ポリイミド樹脂膜（２ａ）の厚さは、半導体基板（１）のうち、ポリイミド樹脂膜（２ａ）を形成していない領域において注入される不純物の深さの２倍以上である請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。
10. ポリイミド樹脂膜（２ａ）と半導体基板（１）との間に、金属薄膜を備える請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。
11. ポリイミド樹脂膜（２ａ）と半導体基板（１）との間に、ＳｉＯ_２からなる薄膜を備える請求の範囲第１項に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記半導体基板（１０１）を３００℃〜５００℃に加熱して、不純物イオンの注入を行なう請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記半導体基板（１０１）を５００℃〜８００℃に加熱して、不純物イオンの注入を行なう請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記マスク層（１０３）は、３層以上の層からなる請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記ＳｉＯ_２膜（１０７ａ，１０７ｂ）の平均厚さと、前記金属薄膜（１０５）の平均厚さは、それぞれ５００ｎｍ〜１．５μｍである請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記マスク層（１０３）は、最下層膜としてＳｉＯ_２膜を備える請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記マスク層（１０３）は、最下層膜として金属薄膜を備える請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記マスク層（１０３）は、最上層膜としてＳｉＯ_２膜を備える請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記マスク層（１０３）は、最上層膜として金属薄膜を備える請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。
20. 前記ＳｉＯ_２膜（１０７ａ，１０７ｂ）は、ＳＯＧ法により形成する請求の範囲第２項に記載の半導体装置の製造方法。

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