(57)【要約】【課題】基板の反りが抑制され、高い不純物の活性化率を保ちつつ従来よりも平滑な炭化珪素の表面を有する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板のおもて面に不純物ドープ領域を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、炭化珪素基板のおもて面に不純物イオンを注入する工程と、前記炭化珪素基板のおもて面及び裏面にカーボン膜を成膜する工程と、前記カーボン膜を保護膜として前記炭化珪素基板を活性化熱処理する工程と、前記活性化熱処理する工程の後に、前記おもて面及び裏面のカーボン膜を除去する工程と、を順に実施することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板のおもて面に不純物ドープ領域を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
炭化珪素基板のおもて面に不純物イオンを注入する工程と、
前記炭化珪素基板のおもて面及び裏面にカーボン膜を成膜する工程と、
前記カーボン膜を保護膜として前記炭化珪素基板を活性化熱処理する工程と、
前記活性化熱処理する工程の後に、前記おもて面及び裏面のカーボン膜を除去する工程と、を順に実施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】
前記カーボン膜がスパッタ法またはＣＶＤ法によって成膜されたカーボン膜、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜、または有機膜を炭化させて形成したカーボン膜のいずれかであることを特徴する請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記活性化熱処理は、加熱温度が１６００〜２０００℃で行うことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記活性化熱処理は、高周波加熱法、ランプ加熱法、真空熱電子衝撃法のいずれかによる加熱であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記活性化熱処理を、アルゴン雰囲気又は１×１０−２Ｐａ以下の減圧雰囲気で行うこと特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の炭化珪素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、炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、炭化珪素基板に不純物イオンを注入した後の活性化熱処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素半導体は、シリコン半導体よりも絶縁破壊電圧が大きく、エネルギーバンドギャップが広く、また、熱伝導度が高いなど優れた特徴を有するので、発光素子、大電力パワーデバイス、耐高温素子、耐放射線素子、高周波素子等への応用が期待されている。
【０００３】
上記炭化珪素半導体を用いて素子（ＳｉＣ半導体素子）を形成するためには、例えば、炭化珪素基板（ＳｉＣ基板）上に半導体素子の活性領域としてエピタキシャル成長層を形成し、このエピタキシャル成長層の選択された領域で導電型やキャリア濃度を制御することが必要となる。そこで、不純物ドーパント原子を活性領域であるエピタキシャル成長層中に部分的に注入することによって、ｐ型又はｎ型の各種不純物ドープ領域を形成し、トランジスタやダイオードなどの半導体素子を構成することが可能となる。
【０００４】
ところで、炭化珪素基板の活性領域にイオン注入された不純物を活性化させるためには、非常に高温でのアニール処理（例えば１６００℃〜２０００℃）を行う必要がある。この高温でのアニール処理により、炭化珪素基板表面のＳｉ原子が気化して表面が炭素（以下Ｃと記す）リッチになり、表面荒れやバンチングが発生し、デバイスの特性に悪影響を及ぼすことが知られている。したがって、このような表面の炭化珪素基板を用いてトランジスタやダイオードを形成しても、ＳｉＣ本来の優れた物性値から期待されるような電気的特性を得ることが困難であるという問題があった。
【０００５】
そこで、炭化珪素基板の表面荒れを抑制可能な高温アニール処理方法が提案されている（特許文献１〜３）。具体的には、特許文献１には、活性領域となるエピタキシャル層上にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜や有機膜を保護膜として堆積して活性化アニール（活性化熱処理）することでＳｉＣ基板の表面荒れを抑制する高温アニール処理方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、活性領域上に形成したレジスト層を炭化させた膜を保護膜として、活性化アニールすることで面荒れの発生を防止する高温アニール処理方法が開示されている。
また、特許文献３には、活性領域上にスパッタによるカーボン膜を形成し保護膜として用い、このカーボン膜の純度を規定することにより、活性化アニールによる面荒れの発生を防止する高温アニール処理方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−６８４２８号公報
【特許文献２】特開２００７−２８１００５号公報
【特許文献３】特開２００５−３５３７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１〜３に開示された発明では、活性化熱処理である高温アニール処理の前に、炭化珪素基板のおもて面（活性化面又はエピ面）だけに保護膜を成膜していた。しかしながら、この場合、炭化珪素基板のおもて面側だけに、保護膜と炭化珪素基板との熱膨張率の違いに起因する熱応力が存在し、裏面にはかかる熱応力が存在しない。また、炭化珪素基板のおもて面側は保護膜の残留応力（内部応力）の影響を受けるが、保護膜を有さない裏面側にはかかる影響はない。このように、炭化珪素基板のおもて面にだけ保護膜を成膜した場合には、成膜による応力が基板の両面に非対称に存在するため、これに起因して、高温の活性化アニール時に基板の反りが発生する。また、後で詳述するが、炭化珪素基板のおもて面側だけに保護膜がある場合、炭化珪素基板のおもて面と裏面とで加熱される態様が異なるためにおもて面と裏面とで温度差が生じて、この温度差が熱膨張の差を招来し、基板の反りの起因となる。基板の反りは特に、基板が大口径化するほど顕著になる。
さらに、炭化珪素基板の裏面電極等のように裏面も素子機能として利用する場合は、炭化珪素基板の裏面側の表面荒れも抑制する必要がある。
【０００９】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、高温度のアニール処理による表面荒れ及びバンチングだけでなく、基板の反りが抑制され、高い不純物の活性化率を保ちつつ従来よりも平滑な炭化珪素の表面を有する炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
図１に、炭化珪素基板の片面だけに保護膜（カーボン膜）を有する場合と両面に有する場合について、輻射熱による基板の加熱の概念図を示す。
図１において、符号１は保護膜を備えた炭化珪素基板、符号２はサセプタ、符号２Ａはサセプタ本体、符号２Ｂはサセプタ蓋、符号２ａは試料台である。
アニール炉内で炭化珪素基板１が熱処理される際、その片面だけに保護膜が形成されている場合、保護膜を有する面（おもて面）では、サセプタ２からの輻射熱はまず保護膜に吸収されて保護膜が加熱され、この加熱された保護膜からの熱伝導によりおもて面が加熱される。これに対して、保護膜を有さない面（裏面）では炭化珪素基板１が半透明であるため、輻射熱は裏面を透過してしまう。そのため、裏面の加熱は、おもて面から基板内を経て伝導する熱によってなされることになる。このように炭化珪素基板１の保護膜を有する面と有しない面とでは加熱される態様が異なり、これに起因して両面に温度差が生じることになる。この温度差に応じてそれぞれの面側の熱膨張に差が生じることになるので上述の通り、高温アニール時に基板の反りの起因となる。
他方、炭化珪素基板１の両面に保護膜を有する場合は、面による加熱の態様に差はないので、基板の均一加熱が可能となる。
【００１１】
本発明は、以下の手段を提供する。
（１）炭化珪素基板のおもて面に不純物ドープ領域を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、炭化珪素基板のおもて面に不純物イオンを注入する工程と、前記炭化珪素基板のおもて面及び裏面にカーボン膜を成膜する工程と、前記カーボン膜を保護膜として前記炭化珪素基板を活性化熱処理する工程と、前記活性化熱処理する工程の後に、前記おもて面及び裏面のカーボン膜を除去する工程と、を順に実施することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
（２）前記カーボン膜がスパッタ法またはＣＶＤ法によって成膜されたカーボン膜、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜、または有機膜を炭化させて形成したカーボン膜のいずれかであることを特徴する前項（１）に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
（３）前記活性化熱処理は、加熱温度が１６００〜２０００℃で行うことを特徴とする前項（１）又は（２）のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
（４）前記活性化熱処理は、高周波加熱法、ランプ加熱法、真空熱電子衝撃法のいずれ
かによる加熱であることを特徴とする前項（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
（５）前記活性化熱処理を、アルゴン雰囲気又は１×１０−２Ｐａ以下の減圧雰囲気で行うこと特徴とする前項（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
炭化珪素基板に不純物イオンを注入した後に高温の活性化熱処理を行っても基板の反りが抑制される。この効果は大口径の基板に特に有効である。また、基板の裏面も表面荒れが抑制され平滑なので裏面電極等のように裏面も素子機能として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】炭化珪素基板の片面だけに保護膜を成膜した場合と両面に成膜した場合について、輻射熱による基板の加熱の概念図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本実施形態の炭化珪素半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】３インチ炭化珪素基板のアニール前後の反りとWARPの測定結果を示す図である。
【図４】炭化珪素基板のおもて面と裏面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）観察による表面モルフォルジーの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した一実施形態である炭化珪素半導体装置の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。  
【００１５】
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の炭化珪素半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。本実施形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板のおもて面に不純物イオンを注入する工程（不純物注入工程）と、炭化珪素基板の両面にカーボン膜を成膜する工程（保護膜形成工程）と、カーボン膜を保護膜として炭化珪素基板を活性化熱処理する工程（活性化熱処理工程）と、カーボン膜を除去する工程（保護膜除去工程）とを備えて概略構成され、これらの工程を順に実施して、炭化珪素基板のおもて面に不純物ドープ領域を備えた炭化珪素半導体装置を製造するものである。
【００１６】
（不純物注入工程）
先ず、不純物注入工程において、炭化珪素基板のおもて面に不純物を注入する。具体的には、先ず、図２（ａ）に示すように炭化珪素基板としてｎ＋型炭化珪素基板３上にｎ型エピタキシャル層２を成長させたエピタキシャル基板１を用いる。このエピタキシャル基板１は、例えばＲａ＜１ｎｍ以下の表面粗さの小さい平滑な表面であることが好ましい。
【００１７】
次に、エピタキシャル層の表面上に不純物イオン注入用のマスクを形成する。このマスクは、エピタキシャル層の表面の一部分を覆い、不純物イオン注入によってｐ型領域（不純物領域）を形成しようとする領域に開口部が設けられている。そして、この開口部から露出するエピタキシャル層の表面層にｐ型領域を形成するための不純物イオン、例えばアルミニウム（Ａｌ）イオン６を６種類の加速電圧を用いて多段で注入する。具体的には、加速電圧を２４０ｋＶ，１５０ｋＶ，９５ｋＶ，５５ｋＶ，２７ｋＶ，１０ｋＶとした合計６段のイオン注入を行なう（６段注入法）。また、注入されたＡｌ濃度は、例えば、２×１０１９ｃｍ−３または２×１０２０ｃｍ−３とする。このような不純物注入工程により、図に示すように不純物イオン注入層を形成する。
【００１８】
（保護膜形成工程）
次に、図２（ｂ）に示すように、保護膜形成工程において、エピタキシャル基板（炭化珪素基板）のおもて面及び裏面にカーボン膜４、５を成膜する。具体的には、先ず、不純物イオン注入に用いたマスクを除去する。続いて、保護膜としてのカーボン膜を、エピタキシャル基板のおもて面及び裏面の両面に形成する。
【００１９】
保護膜としてのカーボン膜４、５はスパッタ法またはＣＶＤ法による成膜、あるいは高周波プラズマＣＶＤ法などによるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜による成膜、またはレジスト等の有機膜を炭化させたカーボン膜などを用いることができる。
【００２０】
カーボン膜の膜厚は、スパッタ法またはＣＶＤ法などによる成膜では１０〜５００ｎｍであることが好ましく、３０〜２００ｎｍであることがより好ましく、５０〜１５０ｎｍであることが特に好ましい。カーボン膜の膜厚が１０ｎｍ未満であると、後述する活性化熱処理工程において保護膜としての機能が不十分となるため好ましくない。また、カーボン膜の膜厚が５００ｎｍを超えると、基板に反りが生じたり割れたりするため好ましくない。さらに、後述する保護膜除去工程においてカーボン膜の除去が困難となるため好ましくない。一方、カーボン膜の膜厚が上記範囲であれば、活性化熱処理の際に基板に反りや割れが生じることなく、エピタキシャル基板１の表面からのＳｉ原子の昇華を抑制することができるとともに、保護膜除去工程において除去が容易となるため、好ましい。
【００２１】
カーボン膜４、５は例えば、以下のようにして、エピタキシャル基板（炭化珪素基板）のおもて面及び裏面に成膜する。
スパッタ法によるカーボン膜を成膜する場合は、最初にエピタキシャル基板１のおもて面側をスパッタ源側に向け、裏面側を基板載置側に接するように設置して、おもて面側にカーボン膜を成膜する。その後、基板を反転して、裏面側をスパッタ源側に向け、おもて面側を基板載置側に接するように設置し、裏面側に成膜する。
CVD法によるカーボン膜を成膜する場合は、最初にエピタキシャル基板１のおもて面側を気相反応雰囲気側（プラズマ雰囲気側）に向け、裏面側を基板載置側に接するように設置して、おもて面側にカーボン膜を成膜する。その後、基板を反転して、裏面側を気相反応雰囲気側（プラズマ雰囲気側）に向け、おもて面側を基板載置側に接するように設置し、裏面側に成膜する。
また、レジスト等の有機膜を炭化させたカーボン膜の場合は、エピタキシャル基板１のおもて面側と裏面側の両面に有機膜を３μm程度に塗布し、所定の条件にてベークを行い、その後、アルゴン雰囲気の加熱炉において所定の加熱条件にてカーボン膜形成を行う。
【００２２】
（活性化熱処理工程）
次に、図２（ｃ）に示すように、カーボン膜４、５を両面の保護膜としてエピタキシャル基板１を活性化熱処理して不純物ドープ領域を形成する。活性化熱処理は、１×１０―２Ｐａ未満の真空アニール方式によって行う。
加熱温度は、１６００〜２０００℃の範囲が好ましく、１７００〜１９００℃の範囲がより好ましく、１７００〜１８５０℃の範囲がもっとも好ましい。加熱温度が１６００℃未満であると、注入した不純物の活性化が不十分となり好ましくない。また、２０００℃を超えると保護膜があってもエピタキシャル基板１の表面が炭化して表面が荒れる可能性があるため好ましくない。
【００２３】
また、加熱時間は、１〜１０分で行うことが好ましく、１〜７分で行うことがより好ましく、１〜５分で行うことが特に好ましい。加熱時間が１分未満であると、不純物の活性化が不十分となるため、好ましくない。また、加熱時間が１０分を超えると、保護膜があってもエピタキシャル基板の表面が炭化して表面が荒れる可能性があるため、好ましくない。
【００２４】
（保護膜除去工程）
次に、図２（ｄ）に示すように、保護膜として用いたカーボン膜を除去する。カーボン膜の除去は、酸素雰囲気の熱酸化によりカーボン膜を灰化して除去する。具体的には、熱酸化炉内に基板を設置し、例えば、流量３．５Ｌ／ｍｉｎの酸素を供給して１１２５℃で９０分間加熱する条件を用いることによって、エピタキシャル層２及び不純物イオン注入層７の上のカーボン膜４及びエピタキシャル基板裏面のカーボン膜５を除去することができる。
なお、エピタキシャル基板１は酸化炉内の基板載置上（石英ボート等）に基板両面が酸素雰囲気に十分晒されるように設置され、基板両面のカーボン膜を同時に灰化して除去することができる。
なお、本実施形態では、アルミニウムの活性化率は約８０％であり、十分な活性化が行なわれる。このような保護膜除去工程により、図1に示すような高い活性化率の不純物ドープ領域８を有すると共に表面が平滑な炭化珪素半導体基板（ウェハー）を製造することができる。そして、このような表面を含む炭化珪素半導体基板に、例えばショットキーダイオードを形成することにより、炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【００２５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態においては、活性化熱処理工程を減圧方式の加熱炉を用いて行ったが、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス雰囲気の加熱炉を用いてもよい。また、加熱方式は、ランプ加熱や高周波方式を用いても良いし、電子線加熱方式を用いてもよい。
【００２６】
また、本実施形態においては、熱酸化を利用してカーボン膜を除去したが、酸素を用いたプラズマ処理やオゾン処理によっても、カーボン膜を除去することができる。
【実施例１】
【００２７】
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２８】
ＳｉＣ単結晶ウェハへのエピタキシャル膜の成長は高周波誘導加熱方式の横型ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置を使用して行った。
具体的には、ＳｉＣ単結晶ウェハをサセプタ上に水平に配置し、２００ｍｂａｒの水素ガス減圧雰囲気において、１６２０℃まで昇温し、厚さ８μmのＳｉＣエピタキシャル膜を成膜した。キャリアガスとしては水素を使用し、原料ガスとしてはＳｉＨ４とＣ３Ｈ8との混合ガスを用いた。
こうして、直径３インチで厚さ３８０μmのＳｉＣ単結晶基板に、厚さ８μmのエピタキシャル膜が成膜されたエピタキシャル基板を作製した。
【００２９】
次に、この直径３インチのＳｉＣエピタキシャル基板にＡｌイオンの注入を行った。Ａｌイオンの注入条件としては、６段注入法（加速電圧２４０ｋＶ，１５０ｋＶ，９５ｋＶ，５５ｋＶ，２７ｋＶ，１０ｋＶの合計６段）を用いた。なお、注入後のＡｌ濃度は、２×１０１９ｃｍ−３であった。
Ａｌイオンの注入後、レジスト塗布膜を炭化させたカーボン膜によって上記ＳｉＣ基板のおもて面及び裏面の両面にカーボン膜を成膜した。上記条件としては、最初にＳｉＣ基板のおもて面にレジスト膜を３μm程度塗布後にベーク処理し、次にＳｉＣ基板の裏面にレジスト膜を３μm程度塗布後にベーク処理した。
その後、炭化処理を以下の条件で行った。
炭化処理の条件はアルゴン雰囲気にて、温度を室温から８００℃まで1時間で昇温させ、次に８００℃で１０分間保持し、その後、約７時間で室温まで降温させた。
【００３０】
次に、真空アニール炉を用いて５×１０−４〜５×１０−３Ｐａ以下に減圧して、温度１８３０℃、保持時間５分の条件で不純物の活性化熱処理を行った。最後に、酸素雰囲気の熱酸化（１１２５℃、９０分）により、カーボン膜を灰化して除去し、実施例１の炭化珪素半導体装置を製造した。
【００３１】
（基板の反りの結果）
上記実施例１の３インチ炭化珪素半導体装置（本発明）と、実施例１と製造条件が同じで片面だけにカーボン膜を有する３インチ炭化珪素基板（従来例）とについて、基板平坦度測定器（メーカー名：コーニングトロペル社、装置名：ウルトラソート）により、「反り」及び「ＷＡＲＰ」を測定した。図３に、実施例１の結果を示す。
従来例ではアニール前の「反り」及び「ＷＡＲＰ」がそれぞれ、２６．２１５μm、２７．２１５μmであるのに対して、アニール後ではそれぞれ、７６．２９３μm、７６．３７７μmであり、アニール前後で基板の反りが認められる。
他方、本実施例の場合は、アニール前の「反り」及び「ＷＡＲＰ」がそれぞれ、１５．５９３μm、１４．４０８μmであり、アニール後では１６．４９８μm、１４．００１μmであり、アニール前後で基板の反りが抑制されていることが確認できた。
【００３２】
（基板のおもて面及び裏面の表面状態の結果）
上記実施例１の３インチ炭化珪素半導体装置のおもて面と裏面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）観察による表面モルフォルジー（Ｒｍｓ）の結果を図４に示す。図４の走査面積は２μmｘ２μmである。また、高さのスケールは、図中に記載した。基板のおもて面及び裏面のＲｍｓはいずれも０．３nm以下であり、裏面についてもおもて面と同程度の面荒れ抑制効果が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、高温度のアニール処理による表面荒れ及びバンチングだけでなく、基板の反りが抑制され、高い不純物の活性化率を保ちつつ従来よりも平滑な炭化珪素の表面を有する炭化珪素半導体装置の製造に利用することができる。特に、大口径の基板に対しても活性化熱処理後に基板の反りのない状態を保つことができるので、大口径の基板を用いた炭化珪素半導体装置の製造に特に有効である。また、炭化珪素基板の裏面も素子機能として利用する炭化珪素半導体装置の製造にも利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  エピタキシャル基板
２  エピタキシャル層
３  炭化珪素基板
４  おもて面のカーボン膜
５  裏面のカーボン膜
６  不純物イオン
７  不純物イオン注入層
８  不純物ドープ層
【図１】
2011035257.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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