JP2004363326A - 炭化珪素半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】4H−SiCよりなるn型基板1およびその表面に成長させたn型エピタキシャル層2よりなるウェハ3に、マスク4を介して、Al+イオン5を注入し、イオン注入層6を形成する。このウェハ3を、1気圧のAr雰囲気中で1700℃、30分間熱処理して、注入されたAl原子を活性化させる。つづいて、1800℃で、水素流量が毎分10リットルで、圧力が3kPaの雰囲気中で2分間のエッチングをおこない、ウェハ3の表面の膜質低下層7を除去する。最後に、基板裏面にオーミック電極8を形成し、基板表面にショットキー電極9を形成する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体素子の製造方法に関し、特にショットキーバリアダイオードを構成する炭化珪素半導体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化珪素(以下、SiCとする)は、シリコンと比較して、バンドギャップが大きい、飽和ドリフト速度が大きい、熱伝導度が高い、絶縁破壊電界強度が1桁程度大きいなどの優れた物性値を有している。そのため、SiCは、シリコンの限界を超える特性をもつパワーデバイスや高周波デバイス用の材料として期待されている。
【0003】
図3は、従来のSiCショットキーバリアダイオード(以下、SiC−SBDとする)の製造プロセスを示す図である。図3に示すように、<11−20>方向に8゜程度傾けた四周期六方晶(4H)の炭化珪素単結晶(以下、4H−SiCとする)よりなるn型基板1の表面上に、低濃度のn型エピタキシャル層2を成長させたウェハ3を用いる。なお、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味する。
【0004】
ついで、マスク4を用いてウェハ3の表面にAl+イオン5を注入し、n型エピタキシャル層2にイオン注入層6を形成する。ここまでの状態が図3(a)に示されている。マスク4を除去した後、1700℃の高温で活性化熱処理をおこない、注入されたAl原子を活性化させる。これによって、耐圧を得るためのガードリング構造ができあがる。
【0005】
この活性化熱処理をおこなうと、図3(b)に示すように、ウェハ3の表面には、おおよそ100μmの厚さの膜質低下層7が生じる。最後に、基板裏面にオーミック電極8を形成し、基板表面にショットキー電極9を形成することによって、図3(c)に示すように、SiC−SBDが完成する。
【0006】
上述したSiC−SBDの製造方法に関連して、つぎのような技術が公知である。たとえば、化学気相成長(CVD)法によりSiC膜を成膜すると、そのSiC膜の表面に、結晶性が悪く欠陥を含んだ余分な層ができるので、成膜直後にその結晶性の悪い層を除去することにより、結晶欠陥の少ないSiC膜を得る方法が公知である(たとえば、特許文献1参照。)。
【0007】
また、SiCに不純物イオンを注入した後、水素含有雰囲気で予備熱処理をおこなってから、高温アニールをおこなうことによって、高温アニール後のSiC表面の面荒れを改善する方法が公知である(たとえば、特許文献2参照。)。特許文献2では、この改善効果が得られるメカニズムについて明確に言及していないが、結晶成長直後の結晶表面に存在する不完全層が予備熱処理によって除去されることが影響していると示唆している。
【0008】
ところで、SiC−SBDの製造方法において、不純物を活性化するための熱処理をおこなうことによって、逆方向バイアス時の漏れ電流が増加するという問題点が報告されている(たとえば、非特許文献1参照。)。これは、SiC中における不純物の拡散係数が小さいため、活性化熱処理温度が1700℃の高温になることが原因である。
【0009】
SiCを1700℃程度まで加熱すると、SiCの表面からSi原子が脱離することによる表面付近の膜質の低下や、ステップバンチングと呼ばれる表面モフォロジーの低下が見られ、これがSBDの特性に大きな影響を与えることになる。従来は、このような原因により膜質が低下した層、すなわち膜質低下層7の上に直接ショットキー電極9を作製しているため、表面欠陥部などから局所的に大きな漏れ電流が発生してしまい、素子の特性低下を招いている。
【0010】
そこで、活性化熱処理後に、水素と酸素との混合ガスのプラズマや、フッ素原子を含むガスのプラズマでSiCの表面をエッチングしたり、溶融アルカリ等の高温溶融塩中で表面をエッチングすることにより、膜質低下層を除去する方法が公知である(たとえば、特許文献3参照。)。あるいは、高温と低温の2枚のSiCチップを重ねて熱処理をおこない、高温側チップ表面から蒸発した成分が低温側チップ表面に堆積することによって、高温側チップの表面に膜質低下層が形成されるのを抑制する方法が提案されている(たとえば、非特許文献2参照。)。
【0011】
【特許文献1】
特開2000−150393号公報
【特許文献2】
特許第3344562号公報
【特許文献3】
特開2001−35838号公報
【非特許文献1】
T.Tsujiら、Materials Science Forum、Vol.389−393(2002)、p.1141
【非特許文献2】
S.Izumiら、European Conference onSilicon Carbide and Related Materials、2002、MoP2−10
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1に開示された方法では、高温アニール中にSiC表面からSi原子が脱離したり、不純物が混入することによって発生した膜質低下層を除去することはできない。上記特許文献2に開示された方法でも同様であり、膜質低下層を除去することはできない。したがって、これらの方法では、SiC−SBDの逆方向バイアス時に漏れ電流が増加するのを抑制することはできない。
【0013】
また、上記特許文献3に開示されたプラズマによるエッチングでは、ラジカルによりウェハ表面が損傷されることが考えられる。溶融アルカリによるエッチングでは、欠陥や転位が存在する箇所のエッチング速度が清浄な表面に比べて大きいため、エッチング後に窪みが生じるという問題点がある。したがって、これらの方法によっても、SiC−SBDの逆方向バイアス時に漏れ電流が増加するのを抑制することは困難である。
【0014】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、SiC−SBDの逆方向バイアス時に漏れ電流が増加するのを抑制することができる炭化珪素半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法は、炭化珪素半導体基板の表面層に不純物イオンを注入する工程と、熱処理をおこなって、炭化珪素半導体基板に注入された不純物を活性化させる工程と、水素を含む雰囲気中で基板表面をエッチングして、前記熱処理時に基板表面に生じた膜質低下層を除去する工程と、前記膜質低下層が除去された表面に電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【0016】
この発明によれば、活性化熱処理後に、水素を含む雰囲気中で基板表面をエッチングすることによって、活性化熱処理時に基板表面に生じた膜質低下層を除去することができる。
【0017】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法は、炭化珪素半導体基板の表面層に不純物イオンを注入する工程と、熱処理をおこなって、炭化珪素半導体基板に注入された不純物を活性化させる工程と、基板表面を研磨して、前記熱処理時に基板表面に生じた膜質低下層を除去する工程と、前記膜質低下層が除去された表面に電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【0018】
この発明によれば、活性化熱処理後に、基板表面を研磨することによって、活性化熱処理時に基板表面に生じた膜質低下層を短時間で除去することができる。また、研磨中に表面を観察することによって、削り過ぎてしまうのを防ぐことができる。
【0019】
上記発明において、前記不純物イオンを、所望の深さよりも、前記膜質低下層の除去工程により除去される厚さ分だけ深く注入する構成としてもよい。このようにすれば、活性化熱処理後に基板表面の膜質低下層を除去しても、不純物イオンの注入深さが所望の深さになるので、設計どおりのプロファイルを得ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる製造方法を適用してSiC−SBDを製造するプロセスを示す図である。図1に示すように、<11−20>方向に8゜程度傾けた4H−SiCよりなるn型基板1(窒素濃度:1×1019cm3程度)の表面上に、1×1015〜1016cm3程度の低濃度のn型エピタキシャル層2を成長させたウェハ3を用意し、そのウェハ3を犠牲酸化する。
【0021】
ついで、耐圧を得るためのガードリング構造を作製するために、n型エピタキシャル層2の表面上に所望のパターンのマスク4を形成する。そして、そのマスク4の上からAl+イオン5を注入し、n型エピタキシャル層2にイオン注入層6を形成する。ここまでの状態が図1(a)に示されている。マスク4および犠牲酸化膜を除去した後、注入されたAl原子を活性化させるために、1気圧のAr雰囲気中でウェハ3の熱処理をおこなう。このときの熱処理温度は1700℃であり、熱処理時間は30分間である。
【0022】
熱処理後のウェハ3の表面には、図1(b)に示すように、おおよそ100nmの厚さの膜質低下層7が生じてしまう。そこで、熱処理につづいて、水素を含む雰囲気中でウェハ3のエッチングをおこない、膜質低下層7を除去する。エッチング条件については、特に限定しないが、たとえば水素流量は毎分10リットルであり、圧力は4kPaである。また、ウェハ3の保持温度は1600℃であり、処理時間は2分間である。膜質低下層7が除去された状態が、図1(c)に示されている。
【0023】
最後に、基板裏面にオーミック電極8を形成し、基板表面にショットキー電極9を形成する。それによって、図1(d)に示すように、ショットキー電極9の下に膜質低下層7が存在しないSiC−SBDが完成する。したがって、実施の形態1によれば、逆方向バイアス時の漏れ電流が少ないSiC−SBDが得られる。
【0024】
実施の形態2.
実施の形態2にかかる製造方法は、水素を含む雰囲気中でのエッチング処理に代わり、SiC表面を機械的に研磨することにより、膜質低下層7を除去するものである。研磨剤として、たとえば粒径0.02〜0.05μmのコロイダルシリカを用いる。研磨量は、たとえば約0.1μmである。その他のプロセスおよび条件等は、実施の形態1と同じである。
【0025】
実験をおこなったところ、活性化熱処理が終了した直後のSiCの表面平均粗さ(Ra)が約16.5nmであったのに対して、研磨後のRaは約2.1nmであり、研磨により表面モフォロジーが大幅に改善されたことが確認された。実施の形態2によれば、実施の形態1と同様に、ショットキー電極9の下に膜質低下層7が存在しないので、逆方向バイアス時の漏れ電流が少ないSiC−SBDが得られる。
【0026】
また、実施の形態2によれば、研磨処理の準備から加工終了までに要する時間が1時間程度であるので、反応炉内の真空引き、および加熱や冷却の過程に数時間程度かかるプラズマエッチングや水素雰囲気中でのエッチングに比べて、スループットが向上する。さらに、研磨の途中で表面を観察することができるので、削りすぎを防ぐことができる。
【0027】
実施の形態3.
図2は、本発明の実施の形態3にかかる製造方法を適用してSiC−SBDを製造するプロセスを示す図である。実施の形態3にかかる製造方法は、実施の形態1または実施の形態2において、図2(a)に示すように、活性化熱処理後に水素雰囲気中でのエッチングまたは機械的な研磨によりSiCの表面を削る厚さ分だけ深い位置に、イオン注入層6を形成しておくものである。
【0028】
つまり、水素雰囲気中でのエッチングや機械的な研磨によりSiC表面を削る際に、イオン注入層6も削られてしまうため、不純物の実質的な注入深さが所望の深さよりも浅くなってしまう。それによって、イオン注入層6の注入深さが耐圧に及ぼす影響が大きい場合には、理想の耐圧が得られなくなるおそれがある。そこで、耐圧を確保するため、あらかじめイオン注入層6を深い位置に形成しておけば、図2(c)に示すように、膜質低下層7を除去した後のイオン注入層6の深さが所望の深さとなる。その他のプロセスおよび条件等は、実施の形態1または実施の形態2と同じである。
【0029】
検証のため、実験をおこなった。まず、SiC表面にAl+イオンを、比較例1として180keV/2.7×1013cm−2、比較例2として100keV/1.4×1013cm−2、比較例3として50keV/9×1012cm−2(ドーズ量/注入エネルギー)の条件でそれぞれ注入した。比較例1〜3のいずれにおいても、深さが0.5μmであり、ピーク濃度が2.5×1018cm−3であり、ピーク深さが約0.2μmであるボックスプロファイルが得られた。
【0030】
得られた比較例1〜3の各ウェハをAr雰囲気中で1700℃、30分間のアニールをおこなった。アニール後のSiC表面をAFMで測定した結果、表面の凹凸の最大高さは約70nmであった。つづいて、1600℃で、水素流量が毎分10リットルで、圧力が4kPaの雰囲気中で、各ウェハを2分間エッチングしたところ、表面の凹凸の最大高さは約3nmまで減少した。しかし、Alのピーク濃度の深さは、約0.1μmとなった。
【0031】
それに対して、SiC表面にAl+イオンを、実施例1として270keV/4.0×1013cm−2、実施例2として180keV/2.1×1013cm−2、実施例3として90keV/1.4×1013cm−2(ドーズ量/注入エネルギー)の条件でそれぞれ注入した。実施例1〜3のいずれにおいても、ピーク濃度の深さは約0.3μmとなり、上記比較例1〜3よりも約0.1μm深かった。
【0032】
得られた実施例1〜3の各ウェハをAr雰囲気中で1700℃、30分間のアニールをおこなった。つづいて、1600℃で、水素流量が毎分10リットルで、圧力が4kPaの雰囲気中で、各ウェハを2分間エッチングし、表面から約0.1μmを削った。それによって、ピーク濃度の深さは約0.2μmとなり、ほぼ設計どおりのプロファイルを得ることができた。
【0033】
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、水素を含む雰囲気中でのエッチング処理の処理条件、研磨処理に用いる研磨剤や研磨量、イオン注入処理の処理条件や注入されるイオン種、基板1の傾き、および不純物濃度などは、一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、SiC−SBDに限らず、絶縁ゲート構造を有する炭化珪素半導体素子などにも適用可能である。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、活性化熱処理時に基板表面に生じた膜質低下層を電極作製前に除去するので、ショットキー電極の下に膜質の悪い層が存在しなくなる。したがって、逆方向バイアス時の漏れ電流が少ない炭化珪素半導体素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1にかかる製造プロセスを示す図である。
【図2】本発明の実施の形態3にかかる製造プロセスを示す図である。
【図3】従来の製造プロセスを示す図である。
【符号の説明】
3 炭化珪素半導体基板(ウェハ)
5 不純物イオン(Al+イオン)
7 膜質低下層
9 電極
Claims (3)
- 炭化珪素半導体基板の表面層に不純物イオンを注入する工程と、
熱処理をおこなって、炭化珪素半導体基板に注入された不純物を活性化させる工程と、
水素を含む雰囲気中で基板表面をエッチングして、前記熱処理時に基板表面に生じた膜質低下層を除去する工程と、
前記膜質低下層が除去された表面に電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 - 炭化珪素半導体基板の表面層に不純物イオンを注入する工程と、
熱処理をおこなって、炭化珪素半導体基板に注入された不純物を活性化させる工程と、
基板表面を研磨して、前記熱処理時に基板表面に生じた膜質低下層を除去する工程と、
前記膜質低下層が除去された表面に電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 - 前記不純物イオンを、所望の深さよりも、前記膜質低下層の除去工程により除去される厚さ分だけ深く注入することを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
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