JP3661409B2

JP3661409B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device

Info

Publication number: JP3661409B2
Application number: JP14853898A
Authority: JP
Inventors: 親夫木村; 弘毅本田
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: JPH11340158A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素基板にｎ型又はｐ型の不純物となる原子のイオン注入を行い、その後にアニールにより結晶欠陥と電気的活性化を行って拡散層を形成する炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素（SiC：シリコンカーバイド)は、禁制帯幅が約３eVと広く、またシリコンに比べて約３倍の熱伝導度、約２倍の飽和電子ドリフト速度を有することから、絶縁破壊電圧はシリコンに比べて１０倍程度も高く、動作可能温度は500℃に達するので、耐環境（例えば放射線）用デバイス、高温動作デバイス、大電力デバイス等のように厳しい環境下で動作させようとする半導体デバイス材料として期待されている。
【０００３】
この炭化珪素への不純物のイオン注入に関しては、ｎ型としては窒素、隣等が、またｐ型としてはアルミニウムや硼素等が用いられる。これら炭化珪素への不純物の導入方法に関しては、Proceeding of the IEEE.Vol.79 No5 May 1991 P677において、Robert.F.Davisらにより詳細が報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで炭化珪素は、結晶欠陥の回復とイオン注入した不純物の電気的活性化のためには、熱的に安定であることが逆に災いして、1,500℃〜1,700℃という非常に高い温度で、且つ長時間行う熱処理（アニール）が必要となる。
【０００５】
しかし、このように高温で長時間のアニールを行うと、炭化珪素基板内にイオン注入した不純物が外方拡散してしまい、初期の不純物濃度を得ることができなくなるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオン注入した不純物の外方拡散を防ぎ、初期の不純物濃度のままでその不純物の活性化が行われるようにした炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第１の発明の製造方法は、炭化珪素基板の所定の領域にｎ型又はｐ型不純物となる原子のイオン注入を行い、該不純物のイオン注入を行った領域の一部又は全面を、少なくともイオン注入した不純物原子を含んだ高融点金属化合物で構成された第１の薄膜により被覆し、その後アニールするようにした。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記ｐ型不純物として硼素を注入し、前記第１の薄膜として硼化タングステン又は硼化モリブデンを使用した。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、前記ｎ型不純物として窒素を注入し、前記第１の薄膜として窒化タングステン又は窒化モリブデンを使用した。
【００１０】
第４の発明は、第１の発明において、前記ｎ型不純物として隣を注入し、前記第１の薄膜として隣化タングステン又は隣化モリブデンを使用した。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至第４の発明において、前記第１の薄膜を、少なくともイオン注入した不純物原子を含んだランタン化合物の薄膜に置換した。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至第５の発明において、前記第１の薄膜の上に、炭化タングステン又は炭化モリブデンからなる第２の薄膜を積層し、その後にアニールするようにした。
【００１３】
第７の発明は、第１、２、５、又は第６の発明において、前記第１の薄膜として高融点金属硼化物を使用するとき、該高融点金属硼化物ターゲットをジボラン雰囲気中でスパッタすることにより、前記第１の薄膜を形成するようにした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態の製造方法の説明図である。まず、炭化珪素基板１にｐ型不純物としての硼素イオン２のイオン注入を行い（図１の(a)）、硼素インプラ領域３を形成する（図１の(b)）。次に、基板１の表面に硼化タングステン薄膜４をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）或いはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）により形成する(図１の(c)）。この後1,500℃〜1,700℃の高温でアニールを行って、注入した硼素を活性化させる。これにより、結晶欠陥の回復と電気的活性化が行われる。
【００１５】
以上により、硼素インプラ領域３に、ｐ型の所定濃度の拡散領域が作成されるので、これを例えば、抵抗素子として、或いはトランジスタ素子ではドレインやソースとして、或いは他の動作領域として構成することができる。薄膜４はその後必要に応じて除去する。
【００１６】
炭化珪素基板１では、不純物のイオン注入を行ってそのまま何も被覆しないで高温で熱処理を行うと、注入した不純物が外方拡散してしまうが、ここではイオン注入した領域３の表面を、そのイオン注入した不純物原子を含む高融点金属化合物で構成された薄膜４で被覆してからアニールするので、不純物の外方拡散を防ぐことができる。
【００１７】
しかも、高温でのアニールの際に不純物原子を含んだ高融点金属化合物の薄膜４から炭化珪素基板１の側に不純物（硼素）の拡散が生じ、そのドーピング濃度をより高くすることが可能となる。
【００１８】
また、注入した不純物を組成にもつ高融点金属化合物の薄膜４と炭化珪素基板１とでは、熱膨張係数の差が小さいため、薄膜４の剥離や亀裂が生じにくい。
【００１９】
［第２の実施の形態］
図２は本発明の第２の実施の形態の製造方法の説明図である。まず、炭化珪素基板１にｎ型不純物としての窒素イオン５のイオン注入を行い（図２の(a)）、窒素インプラ領域６を形成する（図２の(b)）。次に、基板１の表面に窒化タングステン薄膜７をＣＶＤ或いはＰＶＤにより形成する(図２の(c)）。さらに、薄膜７の表面に炭化タングステンの薄膜８を同様にＣＶＤ又はＰＶＤにより形成する（図２の(d)）。この後1,500℃〜1,700℃の高温でアニールを行って、注入した窒素を活性化させる。
【００２０】
この実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、炭化珪素基板１にイオン注入した窒素がアニール時に外方拡散することを防止することができる。さらに、高融点金属化合物として窒化タングステンの薄膜７を使用するので、高温アニール時にその薄膜７から分解された窒素が外方拡散することがあるが、ここでは、この薄膜７の上面に炭化タングステンの薄膜８を積層しているので、その外方拡散を防ぐことができる。
【００２１】
炭化タングステンの薄膜８の役割は、窒化タングステンの融点が低く、高温で酸素と反応することから、酸化を防ぐ保護膜としても働く。窒化タングステンの薄膜７から分解された窒素により発生する窒素の圧力が平衡蒸気圧を越えると窒化タングステンの継続的分解が抑止されて、安定な拡散の確保と良好なオーム性接触を可能にする。タングステンは原子半径が大きいために、炭化珪素基板１中への拡散は無視できるほどに小さいので、窒化タングステンの状態で窒素の拡散源として有効に働く。
【００２２】
［その他の実施の形態］
なお、炭化珪素基板１にｎ型の拡散層を形成するときは、イオン注入する不純物として隣を使用することもでき、このときは薄膜７に代えて隣化タングステンの薄膜を使用する。また、高融点金属としてはモリブデンを使用することもでき、このときは薄膜４に代えて硼化モリブデンの薄膜を使用し、薄膜７に代えて窒化モリブデン又は隣化モリブデンの薄膜を使用し、薄膜８はそのまま又はこれに代えて炭化モリブデンの薄膜を使用する。また、薄膜４、７に代えて、イオン注入した不純物を含むランタン化合物（硼化ランタン、窒化ランタン、隣化ランタン等）で構成された薄膜を使用することもできる。特に、硼化ランタンは融点が約2,400℃と高く安定な物質であるので、外方拡散を防ぐ効果が大きい。さらに、薄膜８のように２層目の薄膜はｎ型不純物をイオン注入して拡散層を形成する場合について説明したが、ｐ型不純物をイオン注入して拡散層を形成する場合にも使用することができる。
【００２３】
また、上記の１層目の薄膜４，７として高融点金属硼化物を使用するときは、その高融点金属硼化物ターゲットをジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）雰囲気中でスパッタすることにより、そのターゲット材の硼素濃度以上の高融点金属硼化物の薄膜を形成することができる。この条件で形成した高融点金属硼化物の薄膜により、より高濃度の拡散を行うことができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、イオン注入する不純物と同じ不純物を含む薄膜によりイオン注入した部分を被覆してアニールするので、アニール時の不純物の外方拡散を防止して所望の不純物濃度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の製造方法の説明図である。
【図２】第２の実施の形態の製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１：炭化珪素基板、２：硼素イオン、３：硼素インプラ領域、４：硼化タングステンの薄膜、５：窒素イオン、６：窒素インプラ領域、７：窒化タングステンの薄膜、８：炭化タングステンの薄膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, in which ion implantation of atoms serving as n-type or p-type impurities is performed on a silicon carbide substrate, and then a crystal defect and electrical activation are performed by annealing to form a diffusion layer. It is about.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC: silicon carbide) has a wide forbidden band of about 3 eV, a thermal conductivity about 3 times that of silicon, and a saturation electron drift velocity about 2 times that of silicon. Semiconductor devices that are intended to operate in harsh environments such as environment-resistant (for example, radiation) devices, high-temperature operating devices, high-power devices, etc. Expected as a material.
[0003]
Regarding the ion implantation of impurities into the silicon carbide, nitrogen, the neighbor, etc. are used as n-type, and aluminum, boron, etc. are used as p-type. Details of the method for introducing impurities into silicon carbide have been reported by Robert F. Davis et al. In Proceeding of the IEEE. Vol. 79 No5 May 1991 P677.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, silicon carbide suffers from the fact that it is thermally stable for recovery of crystal defects and electrical activation of ion-implanted impurities, and at a very high temperature of 1,500 ° C. to 1,700 ° C., In addition, heat treatment (annealing) performed for a long time is required.
[0005]
However, when annealing is performed at such a high temperature for a long time, impurities implanted into the silicon carbide substrate are diffused outward, and the initial impurity concentration cannot be obtained.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to prevent the out-diffusion of ion-implanted impurities and to activate the impurities while maintaining the initial impurity concentration. It is to provide a method for manufacturing a silicon semiconductor device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a manufacturing method according to a first aspect of the present invention includes performing ion implantation of atoms that become n-type or p-type impurities into a predetermined region of a silicon carbide substrate, The part or the entire surface was covered with a first thin film made of a refractory metal compound containing at least ion-implanted impurity atoms, and then annealed.
[0008]
In a second invention, boron is implanted as the p-type impurity in the first invention, and tungsten boride or molybdenum boride is used as the first thin film.
[0009]
According to a third invention, in the first invention, nitrogen is implanted as the n-type impurity, and tungsten nitride or molybdenum nitride is used as the first thin film.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the adjacent is implanted as the n-type impurity, and the adjacent thin film tungsten or the adjacent molybdenum is used as the first thin film.
[0011]
According to a fifth invention, in the first to fourth inventions, the first thin film is replaced with a lanthanum compound thin film containing at least ion-implanted impurity atoms.
[0012]
According to a sixth invention, in the first to fifth inventions, a second thin film made of tungsten carbide or molybdenum carbide is laminated on the first thin film, and then annealed.
[0013]
According to a seventh invention, in the first, second, fifth, or sixth invention, when a refractory metal boride is used as the first thin film, the refractory metal boride target is sputtered in a diborane atmosphere. Thus, the first thin film was formed.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. First, boron ions 2 as p-type impurities are implanted into the silicon carbide substrate 1 (FIG. 1A) to form a boron implantation region 3 (FIG. 1B). Next, a tungsten boride thin film 4 is formed on the surface of the substrate 1 by CVD (Chemical Vapor Deposition) or PVD (Physical Vapor Deposition) ((c) in FIG. 1). Thereafter, annealing is performed at a high temperature of 1,500 ° C. to 1,700 ° C. to activate the implanted boron. Thereby, recovery of crystal defects and electrical activation are performed.
[0015]
As described above, a p-type diffusion region having a predetermined concentration is formed in the boron implantation region 3, and this can be configured as a resistance element, as a drain or source in a transistor element, or as another operation region, for example. it can. The thin film 4 is then removed as necessary.
[0016]
In the silicon carbide substrate 1, if the ion implantation of impurities is performed and heat treatment is performed at a high temperature without covering anything, the implanted impurities diffuse outwardly. Here, the surface of the ion-implanted region 3 is Since the annealing is performed after coating with the thin film 4 made of the refractory metal compound containing the ion-implanted impurity atoms, the outward diffusion of impurities can be prevented.
[0017]
Moreover, impurities (boron) are diffused from the refractory metal compound thin film 4 containing impurity atoms to the silicon carbide substrate 1 side during annealing at high temperature, and the doping concentration can be further increased. .
[0018]
Also, the thin film 4 of the refractory metal compound having the composition of the implanted impurities and the silicon carbide substrate 1 have a small difference in thermal expansion coefficient, so that the thin film 4 is hardly peeled off or cracked.
[0019]
[Second Embodiment]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. First, ion implantation of nitrogen ions 5 as n-type impurities is performed on the silicon carbide substrate 1 (FIG. 2A) to form a nitrogen implantation region 6 (FIG. 2B). Next, a tungsten nitride thin film 7 is formed on the surface of the substrate 1 by CVD or PVD (FIG. 2 (c)). Further, a tungsten carbide thin film 8 is similarly formed on the surface of the thin film 7 by CVD or PVD (FIG. 2 (d)). Thereafter, annealing is performed at a high temperature of 1,500 ° C. to 1,700 ° C. to activate the implanted nitrogen.
[0020]
In this embodiment, as in the first embodiment, nitrogen ion-implanted into silicon carbide substrate 1 can be prevented from diffusing out during annealing. Further, since the tungsten nitride thin film 7 is used as the refractory metal compound, the nitrogen decomposed from the thin film 7 may diffuse out during the high temperature annealing. Since the thin film 8 is laminated, the outward diffusion can be prevented.
[0021]
The role of the tungsten carbide thin film 8 is that tungsten nitride has a low melting point and reacts with oxygen at a high temperature, so that it also serves as a protective film for preventing oxidation. When the pressure of nitrogen generated by the nitrogen decomposed from the tungsten nitride thin film 7 exceeds the equilibrium vapor pressure, the continuous decomposition of the tungsten nitride is suppressed, enabling stable diffusion and good ohmic contact. Since tungsten has a large atomic radius, diffusion into the silicon carbide substrate 1 is negligibly small, and therefore effectively acts as a nitrogen diffusion source in the state of tungsten nitride.
[0022]
[Other embodiments]
When an n-type diffusion layer is formed on silicon carbide substrate 1, the next can be used as an impurity for ion implantation. In this case, a thin film of tungsten nitride is used instead of thin film 7. Also, molybdenum can be used as the refractory metal. At this time, a thin film of molybdenum boride is used in place of the thin film 4, and a thin film of molybdenum nitride or molybdenum nitride is used in place of the thin film 7, and the thin film No. 8 uses a molybdenum carbide thin film as it is or instead. Moreover, it can replace with the thin films 4 and 7 and the thin film comprised by the lanthanum compound (The lanthanum boride, the lanthanum nitride, the adjacent lanthanum, etc.) containing the ion-implanted impurity can also be used. In particular, since lanthanum boride has a high melting point of about 2,400 ° C. and is a stable substance, it has a great effect of preventing outward diffusion. Furthermore, the second thin film, such as the thin film 8, has been described with respect to the case where the n-type impurity is ion-implanted to form the diffusion layer, but it is also used when the p-type impurity is ion-implanted to form the diffusion layer. be able to.
[0023]
When a refractory metal boride is used as the first thin film 4 or 7, the target material is obtained by sputtering the refractory metal boride target in a diborane (B ₂ H ₆ ) atmosphere. A thin film of a refractory metal boride having a boron concentration equal to or higher than that of boron can be formed. A high-concentration diffusion can be performed by a thin film of a refractory metal boride formed under these conditions.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the ion-implanted portion is covered with the thin film containing the same impurity as the impurity to be ion-implanted, the impurity is prevented from outward diffusion at the time of annealing to obtain a desired impurity concentration. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a manufacturing method according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing method according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1: silicon carbide substrate, 2: boron ion, 3: boron implantation region, 4: tungsten boride thin film, 5: nitrogen ion, 6: nitrogen implantation region, 7: tungsten nitride thin film, 8: tungsten carbide thin film.

Claims

炭化珪素基板の所定の領域にｎ型又はｐ型不純物となる原子のイオン注入を行い、該不純物のイオン注入を行った領域の一部又は全面を、少なくともイオン注入した不純物原子を含んだ高融点金属化合物で構成された第１の薄膜により被覆し、その後アニールすることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。A high melting point containing at least ion-implanted impurity atoms in a predetermined region of a silicon carbide substrate by ion implantation of atoms that become n-type or p-type impurities, and a part or the entire surface of the ion-implanted region of the impurities A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising: coating with a first thin film made of a metal compound, and then annealing.

前記ｐ型不純物として硼素を注入し、前記第１の薄膜として硼化タングステン又は硼化モリブデンを使用したことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein boron is implanted as the p-type impurity, and tungsten boride or molybdenum boride is used as the first thin film.

前記ｎ型不純物として窒素を注入し、前記第１の薄膜として窒化タングステン又は窒化モリブデンを使用したことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein nitrogen is implanted as the n-type impurity, and tungsten nitride or molybdenum nitride is used as the first thin film.

前記ｎ型不純物として隣を注入し、前記第１の薄膜として隣化タングステン又は隣化モリブデンを使用したことを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type impurity is implanted next to the first thin film, and the first thin film is made of tungsten or molybdenum silicide.

前記第１の薄膜を、少なくともイオン注入した不純物原子を含んだランタン化合物の薄膜に置換したことを特徴とする請求項１乃至４に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。5. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the first thin film is replaced with a thin film of a lanthanum compound containing at least ion-implanted impurity atoms.

前記第１の薄膜の上に、炭化タングステン又は炭化モリブデンからなる第２の薄膜を積層し、その後にアニールすることを特徴とする請求項１乃至５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。6. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein a second thin film made of tungsten carbide or molybdenum carbide is laminated on the first thin film, and then annealed.

前記第１の薄膜として高融点金属硼化物を使用するとき、該高融点金属硼化物ターゲットをジボラン雰囲気中でスパッタすることにより、前記第１の薄膜を形成することを特徴とする請求項第１、２、５、又は６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。The first thin film is formed by sputtering the refractory metal boride target in a diborane atmosphere when a refractory metal boride is used as the first thin film. The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of 2, 5, or 6.