JP6647621B2 - 不純物導入装置、不純物導入方法及び半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
−不純物導入装置の構造−
本発明の第1の実施の形態に係る不純物導入装置1aは、図1に示すように、固体材料からなる対象物2の表面に不純物元素を含む不純物源膜4を設ける成膜装置10と、不純物源膜4を介して平坦な表面を有する対象物2にレーザー光6等の照射フルエンス(エネルギー密度)の大きな光パルスを照射して不純物元素を導入する光照射装置20と、不純物源膜4の膜厚等の成膜条件及びレーザー光6のエネルギー密度や対象物2に対する光パルスの相対的な光照射位置等の光照射条件を制御可能な演算制御装置30と、を備える。
t=α・ln(F)−β …(1)
ここでαは、不純物元素の種類とレーザー光6の照射時間とから定まる熱拡散長(nm)、Fはレーザー光6のエネルギー密度(J/cm2)である。またβは、事前の実験データから不純物元素の種類とレーザー光6の照射時間とを考慮した経験則として設定される補正係数(nm)である。熱拡散長α及び補正係数βは入力装置41を介してデータ記憶装置42に格納されている。
T(x)=AFexp(−x/2√(Dτ))
で与えられる。ここでτはレーザーのパルス幅(照射時間)、Fはレーザー照射フルエンス(エネルギー密度)であり、Aは固体の比熱、密度、反射率などの関数であり、近似的に一定の係数とおける。
D=k/ρC≒0.95cm2/s …(4)
と求められる。よってレーザーパルス照射直後の熱拡散長αは、パルス幅が約50nsであるので、
tfmax=4.4×103・ln(F)−5350(nm) …(7)
tf≧240nm(下限厚さtfmin)
であることが望ましく、また、
tf≦4.4×103・ln(F)−5350nm(上限厚さtfmax)
であることが望ましい。
tfmax=4.4×103・ln(4.0)−5350≒750nm
となる。
次に、本発明の第1の実施の形態に係る不純物導入方法を、図3のフローチャート及び図4〜図12を参照して説明する。まず、図3のステップS1において図4に示すように、n+型の半導体基板21の上面側にn−型のエピ層22が形成された対象物2を用意し、図1中の成膜装置10の内部に2点鎖線で示したように、対象物2の上面をターゲット14側に向けて載置し固定する。
tf(F=4.0,ns=50)<4.4×103・ln(4.0)−5350
<750nm
と、不純物源膜4の膜厚tfを算出し、後続の成膜工程における成膜条件として設定する。本実施例では膜厚tf=240nmとした。
一方、図15に、比較例に係る不純物導入方法を用いてp型の不純物導入領域を4H−SiCに形成した対象物2の上面のSEM画像を示す。図15は第1の実施の形態に係る不純物導入方法における対象物2の上面を示した図8に対応する比較例の画像である。比較例では、図2中に示した膜厚上限直線Lと膜厚下限を示す点線との間に挟まれた、図2中右上側に表れるプロセスウィンドウ以外の、エネルギー密度Fと膜厚tfとの組み合わせを用いてドーピングを行った。尚、他の導入条件は上記した膜厚tf=240nmの場合と同様とした。
第1の実施の形態に係る不純物導入方法で用いた図4〜図7、図9、図12及び図18を用いて第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を説明する。例えば、まず図4に示したのと同様に、第1導電型の第1の半導体領域となるエピ層22を有する中間生成物を対象物2として用意する。第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法では、第1導電型はn型であり、第2導電型は第1導電型の反対のp型であると選択する。その後、図5に示したのと同様に、第1導電型の第1の半導体領域のn−型のエピ層22側の上面に第2導電型を呈する不純物元素を含む不純物源膜4を成膜する。
また第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法によれば、不純物元素を対象物2の表面から非常に深い位置まで導入すると共に、高濃度で導入して半導体領域を形成するので、大電流を使用するパワー半導体等向けの半導体素子として好適な半導体素子を得ることができる。
第1の実施の形態に係る半導体素子の製造方法では、第1導電型(n型)の第1の半導体領域を有する中間生成物を対象物2として、対象物2のn−型のエピ層22の内部にp++型の不純物元素を導入して第2の半導体領域2aを形成する場合を例として説明した。これに対し、図19〜図22に示すように、例えば第2導電型(p型)の第1の半導体領域をベース層73として有する中間生成物のp型のベース層73の内部に、ベース層73より高濃度のp++型の第2の半導体領域をベースコンタクト領域74aとして形成するようにすれば、MOSFETの製造方法の一部を構成できる。
第1変形例に係る半導体素子の製造方法を用いたMOSFETの製造方法によれば、ベース層73の内部で中間生成物の表面に、ベース層73に比し極めて高濃度のベースコンタクト領域74aを迅速に形成可能となるので、MOSFETの品質を維持しつつ効率よく大量生産できる。
また第1の実施の形態に係る不純物導入方法を用いれば、図32に示すように、エピタキシャル成長層(エピ層)82の上部に高濃度のp++型の第2の半導体領域84a〜84cを所望する任意のパターンで形成することにより、主面に平行なpn接合を構成した半導体素子(ダイオード)が製造できる。以下に図23〜図33を用いて第1導電型(n型)の第1の半導体領域をエピ層82として有する中間生成物を用意し、この中間生成物のn型のエピ層82と不純物源膜84の間に、不純物元素の導入を選択的に阻止する障壁をなす、第1導入阻止パターン83a、第2導入阻止パターン83b及び第3導入阻止パターン83cを有する不純物導入マスクを設けて選択的なレーザードーピングを行う方法について説明する。
―不純物導入装置の構造―
本発明の第2の実施の形態に係る不純物導入装置1bは、図38に示すように、対象物2の表面に不純物元素を含む不純物源膜4を設けると共に、不純物源膜4を介して対象物2にレーザー光6等のエネルギー密度の大きな光パルスを照射して不純物元素を導入する導入処理装置50と、この導入処理装置50の不純物源膜4の膜厚等の成膜条件及びレーザー光6のエネルギー密度や対象物2に対する光パルスの相対的な光照射位置等の光照射条件を制御可能な演算制御装置30と、を備える。
第1の実施の形態に係る不純物導入方法では、レーザー光6の光パルスを照射する際には大気圧下で照射するように構成した。これに対し例えば、第2の実施の形態に係る不純物導入装置1bを用いて、チャンバ51中の雰囲気ガスに気相の不純物元素を含ませると共に、不純物源膜4と同一の不純物元素からなる分子の分圧を高めることによって、ドーピング時のチャンバ51内の圧力を大気圧よりも高めて、光パルスを照射するように構成してもよい。これにより、雰囲気ガスに含まれる不純物元素の分圧を用いて不純物元素の導入を促進することができる。
本発明は上記の開示した第1及び第2の実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。例えば、対象物2の表面の欠陥状態の程度を一定の範囲に制御できる限り、光パルスの照射回数を1回に限定することなく、2回、3回等、複数回照射するように構成してもよい。
2 対象物(中間生成物)
2a 不純物導入領域(半導体領域)
3 突起部
4 不純物源膜
6 レーザー光
10 成膜装置
20 光照射装置
21 半導体基板
22 エピタキシャル成長層
30 演算制御装置
31 膜厚制御部
32 光源制御部
33 ビーム調整系
34 光源
50 導入処理装置
51 チャンバ
51a 光学窓
61 加熱装置
73 ベース層
74 不純物源膜
74a ベースコンタクト領域(コンタクト領域)
75 ソース電極膜(電極膜)
81 半導体基板
82 エピタキシャル成長層
83a 第1導入阻止パターン
83b 第2導入阻止パターン
83c 第3導入阻止パターン
84 不純物源膜
84a〜84c 半導体領域
85 カソード電極膜
86 アノード電極膜
F エネルギー密度
M 陥凹部
tf 膜厚
τ 照射時間
Claims (24)
- 光パルスの1回あたりの照射時間及び前記光パルスのエネルギー密度を考慮して式(1)を用いて決定された膜厚で、固体材料からなる対象物の表面上に、前記固体材料に対する不純物元素を含む不純物源膜を堆積するステップと、
前記光パルスを、前記照射時間及び前記エネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射して、前記対象物に前記不純物元素を導入するステップと、
を含み、
t=α・ln(F)−β …(1)
ここでαは、不純物元素の種類と光パルスの照射時間とから定まる熱拡散長であり、Fは光パルスのエネルギー密度であり、βは補正係数であることを特徴とする不純物導入方法。 - 前記不純物源膜の膜厚は、前記光パルスの照射により前記対象物の表面に生じる陥凹部の分布状態又は深さを更に考慮して決定されることを特徴とする請求項1に記載の不純物導入方法。
- 前記エネルギー密度は、3.3J/cm2以上6.0J/cm2以下であることを特徴とする請求項2に記載の不純物導入方法。
- 前記光パルスの波長は、190nm以上であることを特徴とする請求項3に記載の不純物導入方法。
- 前記光パルスを照射する処理は、前記対象物を室温以上500℃以下の状態として行われることを特徴とする請求項4に記載の不純物導入方法。
- 前記固体材料が炭化珪素であり、前記不純物源膜がアルミニウム膜であることを特徴とする請求項1に記載の不純物導入方法。
- 前記膜厚は、前記エネルギー密度をF(J/cm2)としたとき、
240nm以上、
(4.4×103・ln(F)−5350)nm以下、の範囲内で決定されることを特徴とする請求項6に記載の不純物導入方法。 - 第1導電型の第1の半導体領域を有する中間生成物を用意する工程と、
光パルスの1回あたりの照射時間及び前記光パルスのエネルギー密度を考慮して式(1)を用いて決定される膜厚で、前記第1の半導体領域に対する不純物元素であって、第2導電型を呈する不純物元素を含む不純物源膜を前記第1の半導体領域の表面上に堆積する工程と、
前記光パルスを、前記照射時間及び前記エネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射して、前記第1の半導体領域に前記不純物元素を導入することにより、第2導電型の第2の半導体領域を形成して、前記中間生成物にpn接合を含む素子構造を形成する工程と、
を含み、
t=α・ln(F)−β …(1)
ここでαは、不純物元素の種類と光パルスの照射時間とから定まる熱拡散長であり、Fは光パルスのエネルギー密度であり、βは補正係数であることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 一導電型の半導体領域を有する中間生成物を用意する工程と、
光パルスの1回あたりの照射時間及び前記光パルスのエネルギー密度を考慮して式(1)を用いて決定される膜厚で、前記半導体領域に対する不純物元素であって、前記一導電型と同一導電型を呈する不純物元素を含む不純物源膜を前記半導体領域の表面上に堆積する工程と、
前記光パルスを、前記照射時間及び前記エネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射して、前記半導体領域に前記不純物元素を導入することにより、前記半導体領域よりも高濃度のコンタクト領域を形成する工程と、
前記コンタクト領域に対しオーム性接触をする電極膜を形成して、前記中間生成物にオーム性のコンタクト構造を含む素子構造を形成する工程と、
を含み、
t=α・ln(F)−β …(1)
ここでαは、不純物元素の種類と光パルスの照射時間とから定まる熱拡散長であり、Fは光パルスのエネルギー密度であり、βは補正係数であることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記光パルスを照射する処理は、前記不純物元素を導入した領域をパターニングするように前記光パルスをスキャンして行うことを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体素子の製造方法。
- 第1導電型の第1の半導体領域を有する中間生成物を用意する工程と、
前記第1の半導体領域の上に、不純物導入用の窓部を有する不純物導入マスクを形成する工程と、
前記第1の半導体領域に対する不純物元素であって、第2導電型を呈する不純物元素を含む不純物源膜を、一部に前記不純物導入マスクを介在して、光パルスの1回あたりの照射時間及び前記光パルスのエネルギー密度を考慮して式(1)を用いて決定される膜厚で前記第1の半導体領域の表面上に堆積する工程と、
前記光パルスを、前記照射時間及び前記エネルギー密度で前記不純物源膜に向けて照射して、前記窓部の直下の前記第1の半導体領域に第2導電型の第2の半導体領域のパターンを選択的に形成する工程と、
を含み、
t=α・ln(F)−β …(1)
ここでαは、不純物元素の種類と光パルスの照射時間とから定まる熱拡散長であり、Fは光パルスのエネルギー密度であり、βは補正係数であることを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記不純物導入マスクは、酸化珪素膜であることを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の製造方法。
- 光パルスを出射する光源を有し、前記光パルスを対象物に照射するビーム調整系と、
前記光源を制御する光源制御部と、を備え、
固体材料からなる前記対象物の表面に、前記固体材料に対する不純物元素を含み、前記光パルスの1回あたりの照射時間及び前記光パルスのエネルギー密度を考慮して式(1)を用いて決定された膜厚を有する不純物源膜を形成し、前記不純物源膜に対して前記照射時間及び前記エネルギー密度で前記光パルスを照射して、前記対象物に前記不純物元素を導入し、
t=α・ln(F)−β …(1)
ここでαは、不純物元素の種類と光パルスの照射時間とから定まる熱拡散長であり、Fは光パルスのエネルギー密度であり、βは補正係数であることを特徴とする不純物導入装置。 - 前記照射時間と、前記エネルギー密度と、前記不純物元素の種類とを入力データとして前記膜厚を決定する演算処理を実行する演算制御装置を更に備えることを特徴とする請求項13に記載の不純物導入装置。
- 前記演算制御装置は、前記光パルスの照射により前記対象物の表面に生じる陥凹部の分布状態又は深さを更に考慮して前記膜厚を設定することを特徴とする請求項14に記載の不純物導入装置。
- 前記光源は、前記エネルギー密度が3.3J/cm2以上6.0J/cm2以下となる前記光パルスを出射することを特徴とする請求項15に記載の不純物導入装置。
- 前記光源は、波長が190nm以上の前記光パルスを出射することを特徴とする請求項16に記載の不純物導入装置。
- 前記光源は、前記光パルスを照射領域1箇所につき1回以上10回以内の照射回数で出射することを特徴とする請求項17に記載の不純物導入装置。
- 前記光パルスの照射時に前記対象物を室温以上500℃以下の状態に調温可能な加熱装置を更に有することを特徴とする請求項18に記載の不純物導入装置。
- 前記固体材料が炭化珪素であり、前記不純物源膜がアルミニウム膜であることを特徴とする請求項13に記載の不純物導入装置。
- 前記演算制御装置は、前記膜厚を、前記エネルギー密度をF(J/cm2)としたとき、
240nm以上、
(4.4×103・ln(F)−5350)nm以下、の範囲内で決定することを特徴とする請求項14に記載の不純物導入装置。 - 前記対象物を収納し、前記不純物源膜を前記膜厚で前記対象物の表面上に成膜する処理を実行するチャンバを備えることを特徴とする請求項21に記載の不純物導入装置。
- 前記チャンバは、前記光パルスを導入する光学窓を備え、
前記対象物を前記チャンバの内側に維持した状態で、前記不純物源膜を前記対象物の表面上に設ける処理と、前記光パルスを前記対象物に照射する処理とを、交互に連続して実行可能に構成されていることを特徴とする請求項22に記載の不純物導入装置。 - 前記中間生成物が炭化珪素であり、前記不純物源膜がアルミニウム膜であることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
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