JP2005116870A

JP2005116870A - 半導体装置の製造方法および半導体製造装置

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Publication number: JP2005116870A
Application number: JP2003350739A
Authority: JP
Inventors: Masaya Yamashita; 賢哉山下; Makoto Kitahata; 真北畠; Kunimasa Takahashi; 邦方高橋; Osamu Kusumoto; 修楠本; Masao Uchida; 正雄内田; Ryoko Miyanaga; 良子宮永
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】不純物を活性化するための熱処理を行っても、炭化珪素層の上面の平坦性を保つことができる半導体装置の製造方法とその方法を使用する半導体製造装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法では、炭化珪素基板１の上部に不純物２をイオン注入した後、炭化珪素基板１を製造装置のシャーレ１０内に導入する。そして、炭化珪素基板１を１４２０℃の温度まで加熱する。そして、サセプター１１内にシランを供給しながら、１４２０℃の温度を１０分以上保持する。このとき、固体状のシリコン１２の融解が進行し、気体になったシリコンが貫通穴１５を通過してシャーレ１０内に供給される。次に、炭化珪素基板１の温度をさらに上昇させて１５００℃の温度で３０分間保持することにより、不純物層を活性化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法とその半導体製造装置に関し、特に、炭化珪素層を有する半導体装置の製造方法と、炭化珪素層に注入された不純物を活性化するための熱処理を行う半導体製造装置に関する。

炭化珪素（シリコンカーバイド、ＳｉＣ）は珪素（Ｓｉ）に比べて高硬度で薬品にも犯されにくく、バンドギャップが大きいという性質を有しているため、次世代のパワーデバイスや高温動作デバイス等へ応用できる半導体材料として期待されている。炭化珪素の表
面部を熱酸化すると良質の二酸化珪素膜が得られるため、炭化珪素を、大電力駆動用の絶縁ゲート型半導体装置に適用することが有力視されている。

炭化珪素を用いた絶縁ゲート型半導体装置は、以下のような工程を経て形成される。まず、炭化珪素層内の所望の位置に不純物をイオン注入して、活性化のための熱処理を行うことにより不純物拡散層を形成する。その後、炭化珪素の表面部を熱酸化することによりゲート絶縁膜を形成し、そのゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する。

炭化珪素内に注入された不純物は熱処理によって活性化されにくい。そのため、不純物の活性化率を高めるために熱処理の温度を高くする傾向があり、その温度は１５００℃程度にまでなっている。

炭化珪素層中に注入された不純物に対して１５００℃以上の温度で熱処理を行った後に、不純物層の表面をＡＦＭ（Atomic Force Microscopy ）で観察すると、ステップ状の表面荒れが確認されている。場合によっては、マクロステップが生じている場合もある。このような表面荒れは、炭化珪素のマイグレーション発生温度が、熱処理温度よりも低い１４２０℃程度であるため生じたと考えられている。つまり、熱処理時に炭化珪素表面からシリコンが昇華してマイグレーションが起こりＳｉＣ基板表面再構成が起こるため、表面荒れが生じる。

このように表面が荒れた状態で、炭化珪素層の上面を熱酸化してゲート絶縁膜を形成すると、ゲート絶縁膜の膜厚にばらつきが生じ、品質も低いものとなってしまう。この不具合に対し、シラン雰囲気中で熱処理を行うことで不純物層の表面荒れを防ぐという手法が存在する（例えば、非特許文献１参照。）。

図３は、従来において、シラン雰囲気中において熱処理を行う半導体製造装置内の構成を示す模式図である。図３に示す製造装置では、サセプタ１００内における基板支持台１０１の上に、炭化珪素基板１０２が搭載されている。そして、サセプタ１００内にはシランが供給される。
Journal of Electronic Materials, Vol. 28, No. 3, 1999

しかしながら、上記従来の方法では、以下に示すような不具合が生じていた。

まず、熱処理を行う際に、サセプタ１００の内壁などから供給される炭素とシランとが反応を起こし、炭化珪素基板１０２の表面上に炭化珪素膜が成長してしまうことがあった。この炭化珪素膜の成長を制御するのは困難であるため、炭化珪素基板１０２の表面の平坦性や品質は悪化する。

また、熱処理を行った後の降温時には、シリコンドロップレットが発生しやすいという不具合もあった。

本発明の目的は、熱処理を行う手段を講ずることにより、不純物拡散層の表面を平坦な状態に保持しつつ、不純物の活性化率を高めることができる半導体装置の製造方法と、その製造方法に使用する半導体製造装置とを提供することにある。

本発明の第１の半導体装置の製造方法は、炭化珪素層の一部に、不純物をイオン注入する工程（ａ）と、上記工程（ａ）の後に、気体状のシリコンを含む雰囲気下で、１４００℃以上の温度で、上記炭化珪素層に対して熱処理を行う工程（ｂ）とを備える。

これにより、工程（ｂ）では、炭化珪素のマイグレーション発生温度に近いか、あるいはそれ以上の温度で熱処理を行っても、炭化珪素層の上面からシリコンが昇華して表面荒れが生じるのを抑制することができる。なお、この熱処理は、１５００℃以上の温度で行うことがより好ましい。

上記工程（ｂ）の後に、上記炭化珪素層の上を熱酸化することによりゲート絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、上記工程（ｃ）の後に、上記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｄ）とを備えている場合には、膜厚が均一で高品質のゲート絶縁膜を形成することができるので、優れた電気特性を有するゲート絶縁型の半導体装置を得ることができる。

上記工程（ｂ）では、上記気体状のシリコンが飽和した雰囲気下で、上記熱処理を行うことにより、雰囲気中に含まれている炭素の量は極めて微量となるので、シリコンと炭素とにより制御不可能な炭化珪素層が成長するのを防止することができる。

上記工程（ｂ）では、気体を発生させるためのシリコンを、固体から融解することにより、上記気体状のシリコンを発生させることができる。

上記工程（ｂ）の前に、上記気体を発生させるためのシリコンの温度を１４２０℃以上１４５０℃以下の温度で１０分間以上保持する工程（ｅ）をさらに備え、上記工程（ｂ）では、上記工程（ｅ）における上記温度よりも高い温度で上記熱処理を行うことにより、工程（ｅ）では、固体状のシリコンを十分に融解させることができ、工程（ｂ）では、不純物を十分に活性化することができる。

上記工程（ａ）の後で上記工程（ｅ）の前に、上記炭化珪素層を有する基板を反応容器内に導入する工程（ｆ）をさらに備え、上記工程（ｂ）および上記工程（ｅ）では、上記反応容器の外部に、シランおよび不活性ガスのうちの少なくとも１つを供給することにより、反応容器内に外部からの気体が侵入するおそれがある場合であっても、炭化珪素層の上面の表面荒れを確実に防ぐことができる。

上記工程（ｂ）および上記工程（ｅ）では、上記気体を発生させるためのシリコンの温度を、上記炭化珪素層の温度より高くすることが好ましい。この場合には、シリコンの融解が進行しやすくなる。

上記工程（ｂ）の後に、上記炭化珪素層の温度を、５０℃／ｍｉｎ以上の速度で１４００℃まで降温する工程（ｇ）をさらに備えることが好ましい。このように急速に冷却した場合には、シリコンドロップレットの発生を抑制することができる。

上記工程（ｇ）の後に、犠牲酸化膜の形成および上記犠牲酸化膜を除去する工程（ｈ）をさらに備えることにより、炭化珪素層の上面の平坦性をより高めることができる。

上記工程（ａ）では、上記不純物として、ｐ型不純物であるＢ、ＡｌまたはＧｅをイオン注入し、上記工程（ｂ）では、１７００℃以上の温度で上記不純物の活性化を行ってもよい。

あるいは、上記工程（ａ）では、上記不純物として、ｎ型不純物であるＮまたはＰをイオン注入し、上記工程（ｂ）では、１５００℃以上１６００℃以下の温度で上記不純物の活性化を行ってもよい。

あるいは、上記工程（ａ）では、上記不純物として、準不導体を形成するためのＶをイオン注入してもよい。この場合には工程（ｂ）において、炭化珪素層の表面を修復することができる。

本発明の第２の半導体装置の製造方法は、炭化珪素層の一部に、不純物をイオン注入する工程（ａ）と、上記工程（ａ）の後に、１４００℃以上の温度で、上記炭化珪素層に液体状のシリコンが接する状態で、上記炭化珪素層に対して熱処理を行う工程（ｂ）とを備える。

本発明の半導体製造装置は、炭化珪素層に対して熱処理を行う半導体製造装置であって、上記炭化珪素層を有する基板を保持することができる反応容器と、上記反応容器内と気体の出し入れが可能であり、固体状および液体状のシリコンを保持することができるシリコン保持部と、上記反応容器および上記シリコン保持部を加熱することができる加熱機構とを備える。

このような半導体製造装置を用いることにより、炭化珪素層に対して熱処理を行う際に、固体状のシリコンを融解することにより発生させた気体状のシリコンを炭化珪素層の表面に供給することができる。したがって、炭化珪素のマイグレーション発生温度に近いか、あるいはそれ以上の温度で熱処理を行っても、炭化珪素層の上面からシリコンが昇華して表面荒れが生じるのを抑制することができる。

上記加熱機構が、上記炭化珪素層よりも上記固体状および液体状のシリコンを高い温度に加熱することができる場合には、固体状のシリコンの融解をより進行させることができる。

上記反応容器のうちの少なくとも一部は炭化珪素からなっていることにより、反応容器が炭素からなる従来と比較して、炭化珪素層の表面に供給される炭素の量が減少するので、制御不可能な炭化珪素層の成長をより抑制することができる。

本発明における半導体装置の製造方法および半導体製造装置では、炭化珪素層に不純物を注入した後に高温の熱処理を行っても、炭化珪素層の上面の平坦性を保ちつつ、炭化珪素膜の過剰な成長やシリコンドロップレットの発生を抑制することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図１（ａ）〜（ｄ）および図２を参照しながら説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法のうち、不純物を注入して活性化のための熱処理を行う工程を示す模式図である。図２は、図１（ａ）〜（ｄ）に示す熱処理工程において、時間と温度の関係を示すタイムチャート図である。

まず、図１（ａ）に示す工程で、炭化珪素基板１の上部に不純物２をイオン注入することにより、不純物注入層３を形成する。ここで注入する不純物としては、Ｐ型不純物のボロン（Ｂ）, アルミニウム（Ａｌ）, ゲルマニウム（Ｇｅ）と、Ｎ型不純物の窒素（Ｎ）, リン（Ｐ）と、準不導体領域を形成するためのバナジウム（Ｖ）とが挙げられる。

次に、図１（ｂ）に示す工程で、炭化珪素基板１を、半導体製造装置のシャーレ１０内に導入する。

ここで、本実施形態の半導体製造装置の構造について説明しておく。本実施形態の半導体製造装置は、サセプター１１と、サセプター１１内に設けられ、炭化珪素基板１が保持されるシャーレ１０と、シャーレ１０の下に設けられ、側面と底面からなる容器１３とを有している。

サセプター１１の下部には、外部からガスが導入できるガス導入口１６が設けられている。

シャーレ１０としては、炭素からなる通常のシャーレを用いてもよいが、炭化珪素からなるシャーレを用いることが好ましい。炭化珪素からなるシャーレ１０を用いた場合には、後の熱処理工程において、炭化珪素基板１に炭素が供給されるおそれがなくなるからである。

容器１３の上部は、シャーレ１０を固定するシャーレ固定部１３ｂとなり、容器１３の下部は、固体状のシリコンが保持されるシリコン保持部１３ａとなっている。シャーレ固定部１３ｂでは、内径が上に向かって大きくなるように段差１４が設けられており、この段差１４にシャーレ１０の下縁部が固定されている。

そして、シャーレ１０の底面のうち炭化珪素基板１が搭載されている領域の周囲には、複数の貫通穴１５が設けられている。この貫通穴１５より、シリコン保持部１３ａとシャーレ１０内とでは気体の出入りが可能となっている。

以上に述べたような半導体製造装置内に炭化珪素基板１を導入した後、サセプター１１内にアルゴンガス等の不活性ガスを供給しながら、シャーレ１０内を１４２０℃の温度まで昇温する（図２参照）。炭化珪素基板１を昇温するにしたがって、固体状のシリコン１２も加熱される。このとき、シャーレ１０内の温度を均一にすることが好ましい。しかしながら、シャーレ１０内の全体の温度を均一にするのは現実的に困難であるため、シリコン１２の温度が炭化珪素基板１の温度以上となるようにするとよい。このように加熱を行うことにより、シリコン１２の加熱が進行しやすくなる。

次に、図１（ｃ）に示す工程で、シャーレ１０内を、１４２０℃の温度で２０分間保持する。このとき、固体状のシリコン１２の融解が進行する。融解して気体になったシリコンは、貫通穴１５を通過してシャーレ１０内に供給される。なお、図２に示すように、シャーレ１０内の温度が１４２０℃になった時点で、サセプター１１内に供給するガスをアルゴンからシラン（ＳｉＨ₄ 、Ｓｉ₂Ｈ₆、Ｓｉ₃Ｈ₈・・・）に切り替えておく。ここで、シランのかわりに他の不活性ガスを用いてもよい。また、１４２０℃の温度に保持する時間は１０分以上であればよい。

サセプター１１およびシャーレ１０は、両者間の気体の出入りが可能となるようには設計されていない。しかしながら、シャーレ１０内には、隙間からサセプター１１内の気体が入り込むおそれがあるので、サセプター１１内の雰囲気をシランにすることは有効である。つまり、サセプター１１内に他の活性なガスを充填している場合と比較して、炭化珪素基板１の表面荒れが発生するのを防止することができる。

次に、図１（ｄ）に示す工程で、炭化珪素基板１の温度をさらに上昇させて１５００℃とし、３０分間保持することにより不純物を活性化する。このとき、炭化珪素基板１の表面の周囲ではシリコン蒸気が飽和の状態にある。また、図２に示すように、３０分間の熱処理のうち２０分程度の間には、サセプター１１内にシランを供給し続ける。その後の１０分程度の間にはアルゴンを供給する。

熱処理が終了すると、炭化珪素基板１の温度を室温まで降温する。このとき、５０℃／ｍｉｎ以上の速度で温度を下げることが好ましい。急速に冷却した方が、シリコンドロップレットの発生を抑制できるからである。特に、シリコンドロップレットが発生しやすい１５００℃から１４００℃までの降温過程では、急速に温度を下げることが好ましい。

以上の工程により熱処理が完了した時点では、炭化珪素基板１の表面上には数原子層程度の膜が形成されている場合がある。この場合には、犠牲酸化を行うことにより、その膜を除去することにより、炭化珪素基板１の上面をより平坦にすることができる。

本実施形態における半導体装置の製造方法では、シリコンが飽和している雰囲気中で熱処理を行う。つまり、炭化珪素基板１の表面には常にシリコンが供給されるので、炭化珪素基板１の表面が荒れてマクロステップが生じるのを抑制することができる。そのため、炭化珪素基板１の上にゲート絶縁膜を形成した場合には、均一な膜厚で品質の高いゲート絶縁膜を得ることができる。

また、シャーレ１０内はシリコンで飽和していることから、シャーレ１０内に含まれる炭素の濃度は極めて低い。したがって、従来では、雰囲気中のシランと炭素とによって炭化珪素の層がさらに成長するおそれがあるのに対し、本実施形態ではそのようなおそれがなくなる。

また、熱処理の後には、急速に温度を低下させるのに伴ってシリコンの蒸気圧も急速に低下する。そのため、シリコンドロップレットが発生しにくくなる。

なお、上述の実施形態では、気体状のシリコンが飽和した雰囲気下で熱処理を行った。しかし、本発明では、液体状のシリコンの中に炭化珪素基板を導入した状態で熱処理を行ってもよい。つまり、固体状のシリコンを融解することにより液体状にし、その中に炭化珪素基板を導入してもよい。その場合にも、炭化珪素基板の上の平坦性を保ちつつ、不純物の活性化率を高めることができる。

以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法および半導体製造装置は、高い平坦性を要求される炭化珪素層に対しても高温の熱処理を行える点で産業利用可能性は高い。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法のうち、不純物を注入して活性化のための熱処理を行う工程を示す模式図である。図１（ａ）〜（ｄ）に示す熱処理工程において、時間と温度の関係を示すタイムチャート図である。従来において、シラン雰囲気中において熱処理を行う半導体製造装置内の構成を示す模式図である。

符号の説明

１炭化珪素基板
２不純物
３不純物注入層
１０シャーレ
１１サセプター
１２シリコン
１３容器
１３ａシリコン保持部
１３ｂシャーレ固定部
１４段差
１５貫通穴
１６ガス導入口

Claims

炭化珪素層の一部に、不純物をイオン注入する工程（ａ）と、
上記工程（ａ）の後に、気体状のシリコンを含む雰囲気下で、１４００℃以上の温度で、上記炭化珪素層に対して熱処理を行う工程（ｂ）とを備える、半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｂ）の後に、上記炭化珪素層の上を熱酸化することによりゲート絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、
上記工程（ｃ）の後に、上記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程（ｄ）と
を備える、半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｂ）では、上記気体状のシリコンが飽和した雰囲気下で上記熱処理を行う、半導体装置の製造方法。
請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｂ）では、気体を発生させるためのシリコンを固体から融解することにより、上記気体状のシリコンを発生させる、半導体装置の製造方法。
請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｂ）の前に、上記気体を発生させるためのシリコンの温度を１４２０℃以上１４５０℃以下の温度で１０分間以上保持する工程（ｅ）をさらに備え、
上記工程（ｂ）では、上記工程（ｅ）における上記温度よりも高い温度で上記熱処理を行う、半導体装置の製造方法。
請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ａ）の後で上記工程（ｅ）の前に、上記炭化珪素層を有する基板を反応容器内に導入する工程（ｆ）をさらに備え、
上記工程（ｂ）および上記工程（ｅ）では、上記反応容器の外部に、シランおよび不活性ガスのうちの少なくとも１つを供給する、半導体装置の製造方法。
請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｂ）および上記工程（ｅ）では、上記気体を発生させるためのシリコンの温度を、上記炭化珪素層の温度より高くする、半導体装置の製造方法。
請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｂ）の後に、上記炭化珪素層の温度を、５０℃／ｍｉｎ以上の速度で１４００℃まで降温する工程（ｇ）をさらに備える、半導体装置の製造方法。
請求項８に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ｇ）の後に、犠牲酸化膜の形成および上記犠牲酸化膜を除去する工程（ｈ）をさらに備える、半導体装置の製造方法。
請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ａ）では、上記不純物として、ｐ型不純物であるＢ、ＡｌまたはＧｅをイオン注入し、
上記工程（ｂ）では、１７００℃以上の温度で上記不純物の活性化を行う、半導体装置の製造方法。
請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ａ）では、上記不純物として、ｎ型不純物であるＮまたはＰをイオン注入し、
上記工程（ｂ）では、１５００℃以上１６００℃以下の温度で上記不純物の活性化を行う、半導体装置の製造方法。
請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記工程（ａ）では、上記不純物として、準不導体を形成するためのＶをイオン注入する、半導体装置の製造方法。
炭化珪素層の一部に、不純物をイオン注入する工程（ａ）と、
上記工程（ａ）の後に、１４００℃以上の温度で、上記炭化珪素層に液体状のシリコンが接する状態で、上記炭化珪素層に対して熱処理を行う工程（ｂ）とを備える、半導体装置の製造方法。
炭化珪素層に対して熱処理を行う半導体製造装置であって、
上記炭化珪素層を有する基板を保持することができる反応容器と、
上記反応容器内と気体の出し入れが可能であり、固体状および液体状のシリコンを保持することができるシリコン保持部と、
上記反応容器および上記シリコン保持部を加熱することができる加熱機構と
を備える、半導体製造装置。
請求項１４に記載の半導体製造装置であって、
上記加熱機構は、上記炭化珪素層よりも上記固体状および液体状のシリコンを高い温度に加熱する、半導体製造装置。
請求項１４または１５に記載の半導体製造装置であって、
上記反応容器のうちの少なくとも一部は炭化珪素からなっている、半導体製造装置。