(57)【要約】【課題】炭化珪素のバイポーラデバイスにおいて、熱アニールはイオン注入後の活性化アニールとしてはウエハ全体が加熱されるため適さず、レーザーアニールが適しているところ、炭化珪素は活性化にシリコンよりも高温が必要であることに加えて、バンドギャップが広いことでレーザー光を吸収できず、温度上昇しにくく、また、炭化珪素が吸収できるまでレーザー光の波長を短くする場合、レーザーの進入長が足りず照射表面のみが局所的に温度上昇したり、アブレーション現象で表面元素が脱離したりしてしまうなどの問題で期待どおりに温度上昇できない。【解決手段】本発明では、炭化珪素にイオン注入した不純物元素をレーザーアニールで活性化する方法として、基板上に形成されたイオン注入層の表面にレーザー吸収膜を形成した後にレーザーアニールすることにより、炭化珪素では吸収できない波長の長いレーザーを用いた活性化が可能となった。【選択図】図１
2014146757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
炭化珪素基板上に不純物元素をイオン注入して不純物領域を形成する工程と、
イオン注入された面に炭素膜または金属膜、もしくは両者の混合膜からなるレーザー光を吸収し得るレーザー吸収膜を全面に形成する工程と、
レーザー光をレーザー吸収膜面に照射して略１６００摂氏度以上に加熱し、加熱されたレーザー吸収膜からの熱で不純物領域を活性化する工程と、
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記不純物イオン注入は、炭化珪素基板上にエピタキシャル成長層を形成し、該基板を除去しエピタキシャル成長層が露出した裏面に行う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。
【請求項３】
前記不純物元素のイオン注入は、前記エピタキシャル成長層と逆の導電性となる不純物であることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記不純物元素のイオン注入は、領域によりｎ型不純物とｐ型不純物が分かれていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載する炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記不純物領域を活性化する工程において、
活性化と同時に金属と炭化珪素のシリサイドまたはカーバイドからなるオーミック電極を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載する炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記レーザー光の波長を２４０ｎｍ以上とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載する炭化半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記レーザー光をレーザー吸収膜に照射したとき、基板反対側の温度が１０００℃以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載する炭化半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記レーザー光をレーザー吸収膜に照射したとき、基板反対側の温度が４００℃以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載する炭化半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温下の不純物活性化による炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素のパワー半導体デバイスは、バンドギャップが広く、絶縁破壊電界が高いことで、高耐圧と低オン抵抗を両立できる。さらにｐｎ接合を経由して電子とホールが伝導するバイポーラデバイスは、伝導度変調により高耐圧領域での低減効果が大きい。
【０００３】
ＰＮダイオードとInsulated Gate Bipolar Transistor(ＩＧＢＴ)は高耐圧のバイポーラデバイスであり、炭化珪素を用いて超高耐圧化が実現すれば、スマートグリッドなど配電系統の消費電力低減が期待される。
【０００４】
炭化珪素のＰＮダイオードとＩＧＢＴの製造プロセスでは、ｎ型とｐ型の不純物領域はエピタキシャル成長またはイオン注入とその後の活性化アニールによって形成している。特に部分的に不純物領域を形成する場合は、イオン注入と活性化アニールが広く利用されている。活性化アニールでイオン注入された不純物元素を活性化するには、約１６００℃以上の温度が必要とされている。
【０００５】
バイポーラデバイスのオン抵抗はドリフト層中の少数キャリアのライフタイムに大きく依存するが、ライフタイムは１６００℃以上の熱負荷により著しく低下することが知られており、活性化アニール工程によってオン抵抗が著しく悪化してしまう。よって活性化アニールはイオン注入層のみを昇温しドリフト層を高温から保護する工夫が必要となる。
【０００６】
また、１６００℃以上のアニールは高温であるため、製造工程において酸化膜や電極形成よりも前に済ませる必要があり、工程順を制約してしまう。
【０００７】
以上のことから、炭化珪素のバイポーラデバイスにおいて、熱アニールはイオン注入後の活性化アニールとしてはウエハ全体が加熱されるため適さず、レーザーアニールが適しているといえる。
【０００８】
これに対し、シリコンのＩＧＢＴでは基板の抵抗を削減するために、表面構造の工程後に研磨で基板を除去して裏面にｎ型ドリフト層を露出し、イオン注入とレーザーアニールで幅の薄いｐ型層を形成する方法が可能となっている。
これはレーザーの波長と出力を最適化することで裏面近傍のみを加熱し表面側の温度上昇を抑制できるためである。
【０００９】
炭化珪素のＩＧＢＴでもオン抵抗低減のために同様の工程が必要となるが、炭化珪素は活性化にシリコンよりも高温が必要であることに加えて、バンドギャップが広いことでレーザー光を吸収できず温度上昇しにくいため、その方法は確立されていない。
【００１０】
その対策として、炭化珪素が吸収できるまでレーザー光の波長を短くする方法が考えられるが、この場合、レーザーの進入長が足りず照射表面のみが局所的に温度上昇したり、アブレーション現象で表面元素が脱離したりしてしまうなどの問題で期待どおりに温度上昇できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３３５８１５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９９２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上に述べたように、炭化珪素のバイポーラデバイスにおいてイオン注入後の活性化アニールとして好適なレーザーアニールによる不純物領域の活性化方法が問題となっている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、最初に、次の方法を提供する。
（１）炭化珪素半導体装置の製造方法であって、炭化珪素基板上に不純物元素をイオン注入して不純物領域を形成する工程(Ｓ１１０)と、イオン注入された面に炭素膜または金属膜、もしくは両者の混合膜からなるレーザー光を吸収し得るレーザー吸収膜を全面に形成する工程(Ｓ１２０)と、レーザー光をレーザー吸収膜面に照射して略１６００摂氏度以上に加熱し、加熱されたレーザー吸収膜からの熱で不純物領域を活性化する工程(Ｓ１３０)と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
【００１４】
次に、
（２）前記不純物イオン注入は、炭化珪素基板上にエピタキシャル成長層を形成し、該基板を除去しエピタキシャル成長層が露出した裏面に行うことを特徴とする(１)に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法、
および、
（３）前記不純物元素のイオン注入は、前記エピタキシャル成長層と逆の導電性となる不純物であることを特徴とする(２)に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
【００１５】
次に、
（４）前記不純物元素のイオン注入は、領域によりｎ型不純物とｐ型不純物が分かれていることを特徴とする(１)乃至(３)のいずれかに記載する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
【００１６】
次に、
（５）前記不純物領域を活性化する工程において、活性化と同時に金属と炭化珪素のシリサイドまたはカーバイドからなるオーミック電極を形成することを特徴とする(１)乃至(４)のいずれかに記載する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
【００１７】
また、
（６）前記レーザー光の波長を２４０ｎｍ以上とすることを特徴とする(１)乃至(５)のいずれかに記載する炭化半導体装置の製造方法を提供する。
【００１８】
最後に、
（７）前記レーザー光をレーザー吸収膜に照射したとき、基板反対側の温度が１０００℃以下であることを特徴とする(１)乃至(６)のいずれかに記載する炭化半導体装置の製造方法と、
（８）前記レーザー光をレーザー吸収膜に照射したとき、基板反対側の温度が４００℃以下であることを特徴とする(１)乃至(７)のいずれかに記載する炭化半導体装置の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
上述の手段により、本発明では、炭化珪素にイオン注入した不純物元素をレーザーアニールで活性化する方法として、基板上に形成されたイオン注入層の表面にレーザー吸収膜を形成した後にレーザーアニールすることにより、炭化珪素では吸収できない波長の長いレーザーを用いた活性化が可能となった。
【００２０】
なお、特許文献１では炭化珪素をレーザーアニールする際に照射面に膜を形成する方法が開示されている。しかし、この膜はレーザー光の透過を防止し、膜下の温度上昇を抑制することを目的としており、本発明とは逆の効果を示している。
【００２１】
また本発明では、レーザー吸収膜に高融点金属を用いることにより、レーザーアニール中にシリサイドが形成され、活性化とオーミックコンタクト形成を単一工程で行うことが可能となった。
【００２２】
特許文献２ではシリコン上に高融点金属を形成し、その上にレーザー吸収膜を形成して、レーザー照射によって高融点金属とシリコンのシリサイドを形成する方法が開示されている。しかし、本発明の効果は高融点金属そのものがレーザー吸収膜として働き、さらに炭化珪素へのイオン注入不純物の活性化アニールと同時に行っている点で効果が異なる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の製造方法の工程を表わした工程図である。
【図２】図２は、本発明の製造方法の各工程における半導体装置の構成の概念図を表わした図である。
【図３】図３は、第１実施例に記載のＰＮダイオードの製造方法の工程を表わした工程図である。
【図４】図４は、第２実施例に記載の製造方法において裏面イオン注入活性化工程を表わした工程図である。
【図５】図５は、第３実施例に記載の製造方法において裏面イオン注入活性化工程を表わした工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明の製造方法の主工程を表わした主工程図である。
詳しくは、炭化珪素半導体装置の製造方法であって、炭化珪素基板上に不純物元素をイオン注入して不純物領域を形成する工程(Ｓ１１０)と、イオン注入された面に炭素膜または金属膜、もしくは両者の混合膜からなるレーザー光を吸収し得るレーザー吸収膜を全面に形成する工程(Ｓ１２０)と、レーザー光をレーザー吸収膜面に照射して略１６００摂氏度以上に加熱し、加熱されたレーザー吸収膜からの熱で不純物領域を活性化する工程(Ｓ１３０)と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法を表わしている。
図２の各図((２ａ)(２ｂ)(２ｃ))は、本発明の製造方法の各工程(Ｓ１１０乃至Ｓ１３０)における半導体装置の構成の概念図であり、図２(２ｄ)は、本発明の製造方法により製造される半導体装置の概念図である。
【実施例１】
【００２５】
図３は、ＰＮダイオードの製造方法の工程を表わした工程図である。
最初にｎ型炭化珪素基板１上にエピタキシャル成長により、ｎ型の低濃度炭化珪素膜７を形成する。
ついで表面にアノード９となるｐ型炭化珪素層８をエピタキシャル成長またはイオン注入により形成する(図３ａ)。
ついでｐ型領域外周部に終端構造となるｐ型領域１０をイオン注入により形成する(図３ｂ)。アノードをエピタキシャル成長でウエハ全面に形成した場合は、終端形成の前にドライエッチングにより外周部のｐ型層を除去する工程を行う。
【００２６】
その後、表面にレーザー吸収膜３としてカーボン膜をレジスト塗布や化学気相堆積法、スパッタリング法などで形成し(図３ｃ)、レーザーをその表面に照射する。
その後、酸素プラズマアッシングと犠牲酸化によりカーボン膜を除去する。ついで表面と裏面にアノード電極１１とカソード電極１２を形成し完成する(図３ｄ)。
【００２７】
このような工程により、イオン注入不純物の活性化熱アニールで基板全体を加熱せず表面のイオン注入層周辺のみを加熱できるので、ドリフト層の少数キャリアライフタイムが劣化せずダイオードの順方向特性における抵抗を低くでき、さらにＰＮ接合付近は加熱されてキャリアライフタイムが劣化することによりオンオフ動作時のリカバリー電流が小さく、低スイッチングロスが可能となった。
【実施例２】
【００２８】
図４は、本発明による製造方法において裏面イオン注入活性化工程を表した工程図である。
【００２９】
最初にｎ型炭化珪素基板１上にエピタキシャル成長により、ｎ型の低濃度炭化珪素膜７を形成する。
半導体装置の種類によって表面構造の形成工程が異なるが、例えばプレーナーゲート型ＭＯＳＦＥＴの場合、イオン注入またはエピタキシャル成長、あるいはそれらの組み合わせによりｐ型ウェル領域１３を形成し、ソース領域１４、ｐ型コンタクト領域１５、終端構造１０をイオン注入で形成する(図４ａ)。
【００３０】
その後熱アニールまたはレーザーアニールによりイオン注入不純物を活性化する。ついで裏面側から研磨により基板を除去してエピタキシャル膜を露出し、その面にｎ型不純物１６をイオン注入する(図４ｂ)。
また絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)の場合は注入イオンはｐ型不純物１７となり、領域によりｎ型とｐ型に分け逆導通ＩＧＢＴとすることもできる。
【００３１】
裏面イオン注入後、その面にカーボン膜や金属膜あるいはそれらの混合膜からなるレーザー吸収膜３を塗布し(図４ｃ)、化学気相堆積法、スパッタリング法などで形成し、レーザーをその表面に照射する。レーザー吸収膜に金属を含む場合は活性化と同時に、金属と炭化珪素が化合物を形成して、オーミック電極１８となる。ついで、酸素プラズマアッシングなどによりカーボン膜を除去する。
【００３２】
その後、表面にはフィールド酸化膜１９、ゲート酸化膜２０、ゲート電極２１、層間絶縁膜２２、ソース電極２３、配線メタル２４を順次形成し、裏面電極２５を形成する(図４ｄ)。
【実施例３】
【００３３】
図５は、本発明による製造方法において裏面イオン注入活性化の別の工程を表した工程図である。
【００３４】
最初にn型炭化珪素基板１上にエピタキシャル成長により、ｎ型の低濃度炭化珪素膜７を形成する。
半導体装置の種類によって表面構造の形成工程が異なるが、例えばプレーナーゲート型ＭＯＳＦＥＴの場合、イオン注入またはエピタキシャル成長、あるいはそれらの組み合わせによりｐ型ウェル領域１３を形成し、ソース領域１４、ｐ型コンタクト領域１５、終端構造１０をイオン注入で形成する(図５ａ)。
【００３５】
その後、熱アニールまたはレーザーアニールによりイオン注入不純物を活性化する。
【００３６】
その後、表面にフィールド酸化膜１９、ゲート酸化膜２０、ゲート電極２１、層間絶縁膜２２、ソース電極２３、配線メタル２４を順次形成する(図５ｂ)。
【００３７】
ついで裏面側から研磨により基板を除去してエピタキシャル膜を露出し、その面にｎ型不純物１６をイオン注入する。また絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)の場合は注入イオンはｐ型不純物１７となり、領域によりｎ型とｐ型に分け逆導通ＩＧＢＴとすることもできる。
【００３８】
裏面イオン注入後、その面にカーボン膜や金属膜あるいはそれらの混合膜からなるレーザー吸収膜３を塗布し(図５ｃ)、化学気相堆積法、スパッタリング法などで形成し、レーザーをその表面に照射する。レーザー吸収膜に金属を含む場合は活性化と同時に、金属と炭化珪素が化合物を形成して、オーミック電極１８となる。
【００３９】
ついで、酸素プラズマアッシングなどによりカーボン膜を除去し、裏面電極２５を形成し完成する(図５ｄ)。
【００４０】
レーザーアニールに用いるレーザーの波長によってレーザー吸収膜での吸収と炭化珪素での吸収の比率を変えることができ、表面側の温度上昇を制御することが可能である。ただし波長が２４０ｎｍ以下では吸収膜表面での吸収が過多となり吸収膜自身が昇華してしまい温度上昇できない。
【００４１】
レーザー波長と出力を最適化し表面の温度を１０００℃以下とすれば表面側にゲート酸化膜を形成した後での実施が可能であり、表面側の温度を４００℃以下とすれば、表面側にメタル配線を形成した後での実施が可能である。
【００４２】
ゲート酸化膜やメタル配線などの表面構造が完成した後での裏面の活性化が可能になれば、終盤工程での基板除去が可能になり、薄くなったウエハで工程を進めて破損するリスクが低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
なお上に述べた実施形態ではＭＯＳＦＥＴとＩＧＢＴについて示したが、ＰＮダイオード、ショットキーダイオード、バイポーラジャンクショントランジスタなど全ての縦型半導体装置に適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１    炭化珪素基板
２    イオン注入
３    レーザー吸収膜
４    不純物領域
５    レーザー光
６    活性領域
７    低濃度ｎ型炭化珪素層
８    ｐ型炭化珪素層
９    アノード
１０  終端構造
１１  アノード電極
１２  カソード電極
１３  ｐ型ウェル領域
１４  ソース領域
１５  ｐ型コンタクト領域
１６  ｎ型不純物領域
１７  ｐ型不純物領域
１８  オーミック電極
１９  フィールド酸化膜
２０  ゲート酸化膜
２１  ゲート電極
２２  層間絶縁膜
２３  ソース電極
２４  配線メタル
２５  裏面電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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