(57)【要約】【課題】表面層の１００ｎｍ以上の深い領域において最大濃度となるよう不純物注入する工程を管理すること。【解決手段】ＳｉＣ基板に、表面は１×１０２０ｃｍ−３未満の濃度で、表面から１００ｎｍ以上の深さにおいて最大濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となるよう不純物を注入する工程の後、ＳｉＣ基板の表面層を、不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となる深さとして予め設定された深さまで除去する表面層除去工程と、この表面層除去工程の後、当該ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定を行う工程と、を含むようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物注入工程を管理する不純物注入管理工程を含むＳｉＣ半導体装置の製造方法において、
前記不純物注入工程は、
（ａ）ＳｉＣ基板に、表面は１×１０２０ｃｍ−３未満の濃度で、表面から１００ｎｍ以上の深さにおいて最大濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となるよう不純物を注入する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記ＳｉＣ基板の表面にグラファイト膜を形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、前記ＳｉＣ基板をアニール処理することにより前記不純物を活性化させる工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記グラファイト膜を除去する工程と、
を含み、前記不純物注入管理工程は、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記ＳｉＣ基板の表面層を、不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となる深さとして予め設定された深さまで除去する表面層除去工程と、
（ｆ）前記工程（ｅ）の後、当該ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定を行う工程と、
を含むことを特徴とするＳｉＣ半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｅ）における表面層除去工程は、前記表面層をドライエッチングにより除去する除去工程と、この除去工程の後、前記ＳｉＣ基板の表面を酸化して酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜を除去する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｅ）における表面層除去工程は、前記表面層をＫＯＨを用いたエッチングにより除去する工程であることを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｅ）における表面層除去工程は、前記表面層を研削、研磨、ケミカルメカニカルポリッシングの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＳｉＣ半導体装置の製造方法中の不純物注入工程を管理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ（炭化珪素）半導体装置の製造工程において使用されている不純物注入装置は、４０ｋｅＶ以上の注入を行っている。この不純物注入が正常に行われなければ、最終的に出来上がった素子が不良となる。そこで、不純物注入の段階で、この工程が正常に行われているかどうかを管理する必要がある。この工程の管理方法として、特許文献１に示される方法がある。特許文献１に示される方法は、ＳｉＣ基板に不純物注入後、グラファイト膜形成、活性化アニール処理、グラファイト膜除去、酸化膜形成、酸化膜除去後、４探針法による測定を行う方法である。この方法では、５０ｎｍ以下の浅いＳｉＣ表面層に１×１０20（ｃｍ−３）以上の濃度で不純物注入する工程によるＳｉＣ基板しか測定できず、１００ｎｍ以上の深い表面層において１×１０20（ｃｍ−３）以上の最大濃度となり、５０ｎｍ以下の浅い表面層の不純物濃度が１×１０20（ｃｍ−３）以下となるような不純物注入工程によるＳｉＣ基板は測定ができないため工程の管理ができない。このため、深い表面層において１×１０20（ｃｍ−３）以上の最大濃度となるような不純物注入工程を管理することが求められている。従来技術の酸化膜形成、除去では、除去する量が４０ｎｍ以下であり、深さが２００ｎｍであれば、酸化膜形成、除去を繰返し行う必要があり、時間がかかる。ＳＩＭＳで分析する手法があるが、定期管理として用いるのは手間がかかり過ぎ、測定点が限定されてしまう欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５６４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、特許文献１に記載されている従来方法では、少なくとも深さ５０ｎｍより浅いＳｉＣ表面層において不純物濃度が１×１０20（ｃｍ−３）以上となるよう不純物注入するＳｉＣ基板しか測定できず、１００ｎｍ以上の深さにおいて濃度が１×１０20（ｃｍ−３）以上となり、浅い深さにおいてＳｉＣ表面層の濃度が１×１０20（ｃｍ−３）以下となる工程は管理ができない問題点があった。１００ｎｍ以上の深さにおいて１×１０20（ｃｍ−３）以上の濃度となるよう不純物注入する工程は、ＳｉＣ半導体を製造する上で必須であるため、このような工程においても、所定の濃度で不純物注入できているかを管理する必要である。
【０００５】
この発明は、表面層の１００ｎｍ以上の深い領域において１×１０20（ｃｍ−３）以上の濃度となるよう不純物注入する工程を管理することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、不純物注入工程を管理する不純物注入管理工程を含むＳｉＣ半導体装置の製造方法において、不純物注入工程は、
（ａ）ＳｉＣ基板に、表面は１×１０２０ｃｍ−３未満の濃度で、表面から１００ｎｍ以上の深さにおいて最大濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となるよう不純物を注入する工程と、
（ｂ）工程（ａ）の後、ＳｉＣ基板の表面にグラファイト膜を形成する工程と、
（ｃ）工程（ｂ）の後、ＳｉＣ基板をアニール処理することにより不純物を活性化させる工程と、
（ｄ）工程（ｃ）の後、グラファイト膜を除去する工程と、
を含み、不純物注入管理工程は、
（ｅ）工程（ｄ）の後、ＳｉＣ基板の表面層を、不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となる深さとして予め設定された深さまで除去する表面層除去工程と、
（ｆ）工程（ｅ）の後、当該ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定を行う工程と、を含むものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、１００ｎｍ以上の深い領域において最大濃度となる不純物注入工程を管理できるＳｉＣ半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１によるＳｉＣ半導体装置の製造方法における不純物注入管理工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明を適用するＳｉＣ基板の深さ方向の不純物濃度分布の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２によるＳｉＣ半導体装置の製造方法における不純物注入管理工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態３によるＳｉＣ半導体装置の製造方法における不純物注入管理工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明におけるＳｉＣ半導体装置の製造方法は、不純物注入工程を管理する不純物注入管理工程を含む。不純物注入管理工程は、不純物注入をモニタするためのサンプル基板としての注入モニタ用のＳｉＣ基板を作製する工程と、作製したモニタ用のＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値を測定して注入量を得る工程とを備える。なお、本発明のＳｉＣ半導体装置の製造方法における不純物注入管理工程で、注入モニタとして適用されるモニタ用のＳｉＣ基板は、従来のＳｉ系熱処理装置で用いられている４探針シート抵抗測定器を用いて抵抗値を測定することが可能なＳｉＣ基板である。
【００１０】
実施の形態１．
図１はＳｉＣ半導体装置の製造方法における不純物注入の工程を示すフローチャートであり、特に、その製造方法において実施される不純物注入管理工程を詳細に示すフローチャートである。図１に示すフローチャートを用いて、各ステップについて説明する。
【００１１】
まず、ステップＳ０１において、ＳｉＣ基板表面層にＰ型層を形成するために、ＳｉＣ基板表面に不純物（例えばＡｌ）を注入する。具体的には、基板表面層（基板深さ５０ｎｍ程度）の濃度が１×１０２０ｃｍ−３未満であるが、基板表面からの深さ１００ｎｍ以上の領域において不純物濃度の最大値が１×１０２０ｃｍ−３以上となるよう不純物注入を行う。
【００１２】
このような不純物の注入は、例えば、イオン注入法により注入エネルギー３５０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１５ｃｍ−２、でＡｌの注入を行うものである。この工程の結果として得られる、ＳｉＣ基板のプロファイル（表面からの深さと不純物濃度との関係）の一例を図２に示す。図２のように、最大濃度１×１０２０ｃｍ−３以上のピークが表面からの深さ４００ｎｍ付近に形成されており、表面からの深さが浅い５０ｎｍ付近では、不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３未満となる。４探針法による測定では、表面における不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上でないと、針とのコンタクトが取れず、測定値が出ない。したがって、図２に示すような、表面付近の不純物濃度が低い工程により不純物注入されたＳｉＣ基板は、特許文献１に示される方法では、４探針法によっては抵抗値を測定できない。そこで、本発明を考案した。
【００１３】
なお、本実施の形態では不純物としてＡｌを注入した。Ａｌに限らず、他の不純物であっても同じ効果が得られると考えられるが、ＳｉＣ基板への一般的なＰ層形成方法であるＡｌ注入を採用した。特に、Ｎ型のＳｉＣ基板に対してＰＮ接合を形成するＰ型の不純物を注入する工程に本発明を適用するのが望ましい。不純物がＡｌの場合、ＳｉＣにおいて不純物の拡散係数が極めて小さいため、アニール前後で不純物濃度の分布が変わらない特有の課題がある。このため、下記に説明するように、表面層をエッチングなどで除去し、測定する際の基板表面における不純物濃度が、１×１０２０ｃｍ−３以上となるようにすることで、４探針法により抵抗値を測定することが可能になる。
【００１４】
次に、ステップＳ０２において、ＳｉＣ基板表面に保護膜を形成する。保護膜を形成するのは、続くステップＳ０３におけるアニール処理において、ＳｉＣ基板に注入した不純物が表面から熱拡散するのを防止するためである。１６００℃以上の高温に耐えうるように、保護膜としてグラファイト膜を形成する。グラファイト膜は、写真製版プロセスにて用いられるレジスト液を基板表面に塗布することによっても形成可能である。しかし、例えばレジストによって形成したグラファイト膜に対して１８５０℃〜１９００℃の温度領域にてアニール処理を実施すると、高温による局所昇華が発生し、注入したＡｌが保護されない部分が発生する。Ａｌが保護されない領域が発生すると、Ａｌが保護されない領域のＳｉＣ基板が昇華し、Ａｌの濃度が正確に測定できない可能性がある。そこで、本実施の形態では、減圧ＣＶＤ法により、エタノールを気化させたガスにより９５０℃以上の処理温度にてグラファイト膜を成膜する。この方法により、緻密な膜を形成することが可能なため、より高温の温度領域でも保護膜として使用することができる。また、膜厚については３０ｎｍ以上成膜することが望ましい。これは、膜厚が３０ｎｍに満たないと、高温による局所昇華が発生し保護されない部分が発生するためである。
【００１５】
続いて、ステップＳ０３において、ＳｉＣ基板に対してアニール処理を実施する。１６００℃以上で熱処理を行うことにより、ステップＳ０１においてＳｉＣ基板の表面層に注入した不純物（Ａｌ）を活性化させる。
【００１６】
続いて、ステップＳ０４において、ＳｉＣ基板表面に成膜したグラファイト膜を除去する。グラファイト膜は、Ｏ２プラズマガスによりアッシャー装置を用いて除膜される。アッシャー装置はＳｉ基板の製造の際に用いられるものが適用可能である。以上の、ステップＳ０１〜Ｓ０４の工程は、注入モニタ用のＳｉＣ基板を製造するための特別な工程ではなく、実際の製品としてのＳｉＣ半導体装置を製造するための全体の工程の中での不純物注入工程である。この不純物注入工程が正常に行われているかどうかを管理するために、製品としてのＳｉＣ半導体装置を製造する工程とは別の工程として、ステップＳ０４の工程終了後、不純物が注入された複数の基板からサンプル基板として基板を抜き取り、ステップＳ０５以下の不純物注入管理工程において、モニタ用のＳｉＣ基板を作製する。この不純物注入管理工程は、例えば数日に１回、といった頻度で実施する。
【００１７】
本実施の形態におけるＳｉＣ基板では、グラファイト膜除去後に４探針法による抵抗値の測定を実施しても、ＳｉＣ基板表面の原子配列が崩れており、針とのコンタクトがとれない。また、図２に示したように、ＳｉＣ基板最表面の不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３未満となっている。
【００１８】
このため、不純物注入モニタ用のＳｉＣ基板を作製する不純物注入管理工程において、表面に不純物濃度１×１０２０ｃｍ−３の部分が露出するようにして４探針法による抵抗値の測定を実施する。まず、ステップＳ０５においてＳｉＣ基板表面層に対して、表面層の除去を行う。実施の形態１では、表面層の除去は、ドライエッチングによって行う。高真空のチャンバーにおいて、ＳｉＣ基板を置く陰極に高周波電圧が印加されると、プラズマ化したエッチングガスが、ＳｉＣ基板方向に加速され、衝突し、ＳｉＣ基板表面層がエッチングされる。最終的に基板表面に不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上の部分が露出することを想定してエッチングする量を設定する。注入エネルギー３５０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１５ｃｍ−２のＡｌイオン注入を行った場合、ＳｉＣ基板表面層から濃度が最も高くなる４００ｎｍまで除去するのが望ましい。後述するが、熱酸化により、ＳｉＣ基板表面から深さ３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲を酸化した後、酸化膜を除去する。このため、ＳｉＣ基板表面層をエッチングする量は、基板表面から濃度が最も高くなる４００ｎｍから、熱酸化により酸化された深さ３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲の基板表面を差し引いた、３６０から３７０ｎｍが望ましい。
【００１９】
注入量の深さ方向の分布は、イオン注入種、加速エネルギー、ドーズ量をイオン注入シュミレーションソフトで計算することで、推測することができる。表面の深さ方向の分布を知ることができる二次イオン質量分析法と照合することが望ましい。このようにして、正常な不純物注入工程において得られる注入量の深さ方向の分布に基づいて、ステップＳ０４における表面層の除去厚さを予め決めておく。ドライエッチングを行う時間を調整することにより、エッチングする量が決まるため、予め決めた厚さを除去するために、ドライエッチングを行う時間を決めておけばよい。
【００２０】
ドライエッチング後のＳｉＣ基板の表面は、エッチングガスにより、原子配列が乱れているため、４探針法により抵抗値の測定を行おうとしても、針とのコンタクトが取れない。このため、ステップＳ０６、Ｓ０７において、エッチング後のＳｉＣ基板の表面層の除去を行なう。まず、ステップＳ０６においてＳｉＣ基板表面層に対して熱酸化を実施する。熱酸化は、酸化速度を上げるために１１５０℃以上の水蒸気雰囲気にて行う。ＳｉＣ基板表面から深さ３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲を酸化する。
【００２１】
続いて、ステップＳ０７において酸化膜のエッチングを行なう。ステップＳ０６において形成した酸化膜をフッ化水素（ＨＦ）にて除去する。ステップＳ０５、Ｓ０６、Ｓ０７により、ステップＳ０４までの不純物注入工程で製造したＳｉＣ基板表面からの深さが４００ｎｍの部分が最表面として露出する。以上の工程を経て、注入量測定用のＳｉＣ基板が完成する。
【００２２】
続いて、ステップＳ０８において、注入量測定用のＳｉＣ基板に対して４探針シート抵抗測定器によりシート抵抗値の測定を行う。シート抵抗測定器はＳｉデバイスにて使用している測定器でも使用することは可能である。ここで、シート抵抗測定器は、測定値の再現性向上のため針圧が管理できるように、針上下動作の駆動系をステッピングモーターなどにて一定圧で制御できるようにしておくことが望ましい。特にＳｉＣ基板の場合には結晶自体が硬いため、一定の針圧にて測定することが重要である。
【００２３】
このように、４探針法によりＳｉＣ基板のシート抵抗値を測定し、シート抵抗値の変化量を記録することで、注入量を管理することができる（ステップＳ０９）。シート抵抗値と注入量は相関が有るため、シート抵抗値の変化を記録することで注入量を管理することができる。従来方法であるＳＩＭＳ測定では注入量を得るのに個々の点を測定する必要があるのに対して、本方法では、基板上のどの箇所に対しても測定が行うことができるため、容易に面内分布を測定することができる利点がある。また、基板表面付近の濃度が１×１０ ２０（ｃｍ−３）未満であっても、基板表面層の濃度の最大値が、１×１０ ２０（ｃｍ−３）以上であれば、表面層をエッチングすることで、面内の測定ばらつきを低減できる。
【００２４】
以上説明したように、ＳｉＣ基板表面層をエッチングし、酸化膜を除去した際に、ＳｉＣ基板表面層の濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上の領域を表面に露出することが可能となるため、ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定をすることができる。また、作製した注入量測定用のＳｉＣ基板は基板上のどの箇所に対しても測定が行えることから、基板面内をより多点で測定することができ、基板面内の注入分布傾向を確認することができる。
【００２５】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によるＳｉＣ半導体装置の製造方法における不純物注入管理工程を示すフロー図である。本実施の形態２では、ステップＳ０５の表面層の除去工程において、ＳｉＣ基板表面層の除去を、研削または研磨後、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）することによって行う。ＳｉＣ基板を回転させ、Ａｌが注入された側のＳｉＣ基板に、回転した砥石を近づけ、ＳｉＣ基板を研削する。ＳｉＣ基板を研削する研削速度が速すぎて、所望の厚みに調整が難しい場合には、ＳｉＣ基板の研磨を行う。ＳｉＣ基板の研磨も、研削と同様、回転した砥石を近づけるが、研磨剤を使用していることが研削とは異なる。なお、研削または研磨、いずれも行わず、ＣＭＰのみによって表面層を除去してもよい。ただしＣＭＰのみによって除去する方法は、時間を要する。このように、本実施の形態２は、表面層の除去を、エッチングのような化学的な除去方法ではなく、物理的に剥がす、物理的な除去方法により行うのが特徴である。
【００２６】
ＳｉＣ基板を研磨する研磨速度は、研削速度より遅いため、所望の厚みに調整しやすい。研削、または研磨後は、研削屑、または研磨屑などの異物が付着するため、スクラバー洗浄、ＲＣＡ洗浄を行うことが望ましい。研削、研磨により、ＳｉＣ基板表面の原子配列が崩れるため、仕上げ加工として、ＣＭＰを行う。ＣＭＰに用いられるスラリー中の薬液により、研磨で発生した加工変質層を除去し、表面の粗さを低減することができ、表面層のダメージを少なくできる。
【００２７】
表面に不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上となる部分が露出するように、ＳｉＣ基板表面層を研削、研磨、ＣＭＰにより除去する。例えば、注入エネルギー３５０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１５ｃｍ−２のＡｌイオン注入を行った場合、基板表面から濃度が最も高くなる４００ｎｍ除去するのが望ましい。研削、研磨、ＣＭＰする量は、ＳｉＣ基板の研削、研磨、ＣＭＰする前に、ＳｉＣ基板の厚みを測定し、所望の厚みになるまで研削、研磨、ＣＭＰすることで実施できる。
【００２８】
ＳｉＣ基板表面層を研削、研磨、ＣＭＰすることにより、濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上の領域を基板表面に露出させることができ、ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定をすることができる。また、作製した注入測定用のＳｉＣ基板は基板上のどの箇所に対しても測定が行えることから、基板面内をより多点で測定することができ、基板面内の注入分布傾向を確認することができる。
【００２９】
ドライエッチングに対して、研削または研磨の後ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）することで、ＣＭＰに用いられるスラリー中の薬液により、研磨で発生した加工変質層を除去し、表面の粗さを低減することができ、表面層のダメージを少なくできる。このため、表面の酸化、酸化膜除去を省略できる効果がある。
【００３０】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３によるＳｉＣ半導体装置の製造方法における不純物注入管理工程を示すフロー図である。本実施の形態３では、ステップＳ０５の表面層の除去工程を、化学薬品によるウェットエッチングによって行う。望ましい化学薬品として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）融液がある。これは、分析の分野で広く用いられているものである。ＫＯＨによるエッチングは、例えば、５００℃に加熱したＫＯＨ融液に、ＳｉＣ基板を侵漬させて、結晶表面に潜在している結晶欠陥を顕在化させる手法であるが、ＳｉＣ基板を削ることができるため、本目的でも利用可能である。図３のステップＳ０１からＳ０４は、図１のステップＳ０１からＳ０４と同じである。
【００３１】
表面に不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上の部分が露出するように、ＳｉＣ基板表面層をＫＯＨによりエッチングして除去する。例えば、注入エネルギー３５０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０１５ｃｍ−２のＡｌイオン注入を行った場合、基板表面から濃度が最も高くなる４００ｎｍ除去するのが望ましい。ＫＯＨによりエッチングする時間は、所望のエッチング量をＳｉＣ基板のＫＯＨによるエッチングレートで割ることで決めることができる。
【００３２】
ＳｉＣ基板表面層を化学薬品によりウェットエッチングすることで、濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上の領域を表面に露出させることができ、ＳｉＣ基板に対して４探針法により抵抗値の測定をすることができる。また、作製した注入測定用のＳｉＣ基板は基板上のどの箇所に対しても測定が行えることから、基板面内をより多点で測定することができ、基板面内の注入分布傾向を確認することができる。
【００３３】
実施の形態１で説明したドライエッチングに対して、本実施の形態３では、表面層の除去を化学薬品によるウェットエッチングとすることで、薬液でＳｉＣ基板表面をエッチングするため、表面へのダメージが少なくできる。このため、基板表面の酸化、酸化膜除去を省略できる効果がある。
【００３４】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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