(57)【要約】【課題】ＳｉＣのｃ面基板に不純物層を形成する場合において、ポリタイプや結晶欠陥が形成されることを抑制し、周期性が優れた高い活性率の不純物層を形成する。【解決手段】イオン注入層２を形成する際に非イオン注入層３が形成されるようにすると共に、イオン注入層２と非イオン注入層３との境界線の少なくとも一辺が＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行になるようにする。そして、アニール処理においてＳｉＣウェハ１の面内において温度分布を持たせ、イオン注入層２と非イオン注入層３との境界線のうち＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行な部分からアクティブ化すると共に結晶を再配列させるようにする。これにより、周期性に優れた不純物層とすることができ、ポリタイプや結晶欠陥の少ない良好な不純物層を備えたＳｉＣ半導体装置を形成することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板（１）の表層部に不純物層が形成される炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記ＳｉＣ基板の表層部に不純物をイオン注入する工程と、
前記ＳｉＣ基板の表層部を加熱することにより、前記不純物を活性化させるアニール工程とを有し、
前記イオン注入工程では、前記不純物が注入されるイオン注入層（２）と前記不純物が注入されない非イオン注入層（３）とを設けるようにし、前記イオン注入層と前記非イオン注入層との境界線のうち少なくとも一辺が、＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行となるようにすると共に、前記イオン注入層をアモルファス化させ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】
前記アニール工程では、前記ＳｉＣ基板の表面に対して温度分布を形成する加熱手段（４〜９）を用いた加熱を行い、＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行にされた前記境界線から前記イオン注入層内の原子をアクティブとし、結晶を再配列させていく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】
前記アニール工程では、前記加熱手段に相当するものとして光源および非球面レンズ（４）を用い、前記光源からの光を前記非球面レンズにて収束し、その光の収束率を前記ＳｉＣ基板の面方向において変化させることにより前記温度勾配を形成す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】
前記アニール工程では、前記加熱手段に相当するものとして光源（６）および反射板（５、８）を用い、前記光源からの光を前記反射板（５、８）にて反射させ、反射する光の収束率を前記ＳｉＣ基板の面方向において変化させることにより前記温度勾配を形成す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５】
前記アニール工程では、前記加熱手段に相当するものとして光源（６）および複数のレンズ（５）を用い、前記光源からの光を前記複数のレンズにて収束させ、その光の収束率を前記ＳｉＣ基板の面方向において変化させることにより前記温度勾配を形成す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６】
前記アニール工程では、前記加熱手段としてレーザーを用いたレーザーショットによる加熱処理を行い、前記レーザーショットの密度を前記ＳｉＣ基板の面方向において変化させることにより前記温度勾配を形成す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７】
前記アニール工程では、前記加熱手段として高周波加熱用コイル（９）を用いた加熱処理を行い、前記コイルの密度を前記ＳｉＣ基板の面方向において変化させることにより前記温度勾配を形成す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８】
前記アニール工程では、＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行にされた前記境界線からその垂直方向に前記ＳｉＣウェハ又は前記加熱手段を移動させることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１つ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体にイオン注入して不純物層を形成するＳｉＣ半導体装置の製造方法およびそれに用いる製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣの結晶模式図を図１０に示す。従来、ＳｉＣ基板にイオン注入を行った後、活性化アニールを行うことで、ＳｉＣ基板の表層部に不純物層を形成している。このような不純物層の形成において、ＳｉＣのａ面基板を用いることで、ドーパントの活性化率を高くすることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
佐藤政孝、「ＳｉＣイオン注入層における再結晶化過程の面方位依存性」、ＳｉＣおよび関連ワイドギャップ半導体研究会第９回講演会予稿集、応用物理学会、ＳｉＣ関連およびワイドギャップ半導体研究会、２０００年１２月１３、１４日、ｐ．９
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状で得られるＳｉＣのａ面基板は口径が小さく、デバイス作製には不向きである。
【０００５】
一方、ＳｉＣのｃ面基板に対してイオン注入を行い、活性化アニールを行うことでＳｉＣ基板の表層部に不純物層を形成した場合、ポリタイプや結晶欠陥が発生してしまい、ドーパントの活性化率が上がらないという問題がある。これは、イオン注入後の結晶回復が、結晶の破壊されていない部分を種結晶とした固相成長によって行なわれるためであり、Ｓｉと異なり、４Ｈ、６Ｈ−ＳｉＣがｃ軸方向に図１１（ａ）に示すような結晶の周期性を有していることから、図１１（ｂ）、（ｃ）に示すようにイオン注入を行った後、アニール処理を施すと、上述の周期性を継続することができなくなってしまうために生じる。つまり、周期性の情報が不足しているため、原子の結合は起こるものの周期的にはならないのである。その結果、欠陥が残留して活性化率が上がらないのである。また、ウェハ内に温度勾配を設けることができるのであれば固相成長も容易に行なわれるかもしれないが、従来のアニール装置ではウェハ全体を加熱炉内に入れてアニールするという方法を採用しているため、厚さ４００μｍ程度しかないＳｉＣウェハに温度勾配を形成することは難しい。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、ＳｉＣのｃ面基板に不純物層を形成する場合において、ポリタイプや結晶欠陥が形成されることを抑制し、周期性の優れた不純物層を形成することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述したように、ＳｉＣのａ面基板を用いた場合には、ポリタイプや結晶欠陥をあまり発生させないで結晶性の優れた不純物層を形成することが可能となることが報告されている。具体的には、図１２（ａ）に示されるようにａ面基板に不純物をイオン注入した場合、その後アニール処理を行うことによりａ面の周期性が容易に継続され、図１２（ｂ）に示されるように周期性の優れた不純物層となる。これは、ａ面の周期性の情報を得易いためである。
【０００８】
この報告について本発明者らが鋭意検討を重ね、その結果、ｃ面基板に対して不純物をイオン注入した後、ＳｉＣのａ面を種結晶として固相成長させることにより、ドーパントの活性化率を向上させることができ、周期性の優れた不純物層を形成可能にできることを見出した。具体的には、図１３（ａ）に示されるように、ｃ面基板に対してイオン注入を行う時に、イオン注入がｃ面基板に対して部分的に行われるようにし、イオン注入層の端面がＳｉＣのａ面と一致するようにする。このようにすれば、その後アニール処理を行うことにより、図１３（ｂ）に示されるように、活性化の際にａ面の周期性が継続され、周期性に優れた不純物層を形成することが可能となるのである。
【０００９】
そこで、請求項１に記載の発明では、ＳｉＣ基板（１）の表層部に不純物層が形成される炭化珪素半導体装置の製造方法において、ＳｉＣ基板の表層部に不純物をイオン注入する工程と、ＳｉＣ基板の表層部を加熱することにより、不純物を活性化させるアニール工程とを有し、イオン注入工程では、不純物が注入されるイオン注入層（２）と不純物が注入されない非イオン注入層（３）とを設けるようにし、イオン注入層と非イオン注入層との境界線のうち少なくとも一辺が、＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行となるようにすると共に、イオン注入層をアモルファス化させることを特徴としている。
【００１０】
このように、イオン注入層と非イオン注入層との境界線のうち少なくとも一辺が、＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行となるようにし、イオン注入層をアモルファス化させるようにすれば、非イオン注入層を種結晶とし、非イオン注入層のａ面から固相成長させることができる。これにより、イオン注入層を結晶性が良好な周期性に優れた不純物層とすることが可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、アニール工程では、ＳｉＣ基板の表面に対して温度分布が形成されるような加熱手段（４〜９）を用いた加熱を行い、＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行にされた境界線からイオン注入層内の原子をアクティブとし、結晶を再配列させることを特徴としている。
【００１２】
このように、まず最初にイオン注入層と非イオン注入層との境界線のうち＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行な部分からアクティブとなるようにし、結晶が再配列されていくようにすれば、確実に種結晶となる非イオン注入層のａ面から固相成長させることができる。
【００１３】
加熱手段としては、請求項３に示すような光源および非球面レンズ（４）、請求項４に示すような光源（６）および反射板（５、８）、請求項５に示すような光源（６）および複数のレンズ（５）、請求項６に示すようなレーザーを用いたレーザーショット、請求項７に示すような高周波加熱用コイル（９）を適用することができ、これらにより温度勾配を設けるようにしている。
【００１４】
請求項８に記載の発明では、アニール工程では、＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行にされた境界線から垂直方向にＳｉＣウェハ又は加熱手段を移動させることを特徴としている。このようにＳｉＣウェハ又は加熱手段を移動させることに、ウェハの広範囲を加熱可能である。
【００１５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかるＳｉＣ半導体装置の製造方法および製造装置について説明する。ここで説明するＳｉＣ半導体装置の製造方法および製造装置は、イオン注入によりＳｉＣ基板の表層部に不純物層を形成するすべての炭化珪素半導体装置に対して適用可能なものであり、例えばバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等、どのようなタイプの素子に対しても適用可能である。なお、本発明は、不純物層の形成工程についてのみ従来のＳｉＣ半導体装置の製造工程と異なっており、他の工程については周知のものと同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明するものとする。
【００１７】
図１（ａ）に、不純物形成に用いられるＳｉＣ半導体装置の製造装置内にＳｉＣウェハ１を収容し、不純物層形成工程を実施しているＳｉＣ半導体装置の概略断面図を示す。また、図１（ｂ）に、ＳｉＣウェハ面方向におけるイオン注入層（不純物層）２の表面の温度分布を示す。
【００１８】
まず、ＳｉＣウェハ１の表層部にイオン注入を行うことで、図１（ａ）に示されるようにイオン注入層２を形成する。この時のイオン注入の詳細を図２および図３に基づいて説明する。
【００１９】
図２は、イオン注入後におけるＳｉＣウェハ１の上面拡大図である。図３は、イオン注入深さとドーパント濃度との関係を示したもので、紙面左側がその関係をグラフで表したもの、紙面右側がその関係をＳｉＣウェハ１の断面図として視覚的に表したものである。
【００２０】
図２に示されるように、ＳｉＣウェハ１に対して部分的にイオン注入層２を形成し、固相成長の種結晶となる部分として、イオン注入が行われていない非イオン注入層３も形成する。そして、ＳｉＣウェハ１の表層部に不純物をイオン注入した際、イオン注入層２と非イオン注入層３との境界線の少なくとも一辺が＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行になるようにする。
【００２１】
さらに、イオン注入後に、イオン注入層２がほぼ完全にアモルファス化されているようにする。具体的には、イオン注入をボックスプロファイルで行う場合、加速エネルギーの変化を小さくして、多段注入し、イオン注入層が完全にアモルファス化されるようにする。すなわち、図３（ａ）に示されるように、イオン注入時の加速エネルギーの変化が大きい場合には、イオン注入層２内のドーパントの量にばらつきが生じ、アモルファス化が完全とならない。しかしながら、図３（ｂ）に示されるように、イオン注入時の加速エネルギーの変化が小さい場合には、イオン注入層２内に均一にドーパントが注入され、完全にアモルファス化される。
【００２２】
このイオン注入において、アモルファス化をより完全なものとするために、不純物と同時にＳｉやＣというＳｉＣを構成する原子や希ガス元素など不純物とならない元素を注入しても良い。これらの元素を加えることにより、注入される元素量が多くなり、イオン注入ダメージが大きくなって、よりイオン注入層２を完全にアモルファス化させることが可能となる。
【００２３】
次に、ＳｉＣ半導体装置の製造装置としての加熱処理装置内にＳｉＣウェハ１を入れる。この加熱処理装置には、図１（ａ）に示すように加熱手段に相当する非球面レンズ４が備えられており、図示しない光源からの光を収束させ、ＳｉＣウェハ１に形成されたイオン注入層２に照射させるようになっている。この非球面レンズ４は、＜１１−２０＞または＜１−１００＞に垂直な方向において光の収束率が変化するようになっている。具体的には、非球面レンズ４は、紙面左側において光の収束率が最も高くなっており、紙面右側においては光の収束率が低くなるような構成となっている。そして、非球面レンズ４は、ＳｉＣウェハ１に照射した際において、その光の幅が例えば１ｍｍ〜１０ｍｍとなるように設定されている。
【００２４】
このような非球面レンズ４を備えた加熱処理装置を用いて、ＳｉＣウェハ１におけるイオン注入層２内のドーパントを活性化させる。このとき、非球面レンズ４の光の収束率が高い部分がイオン注入層２と非イオン注入層３との境界線のうち＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行となっている辺と一致するようにし、光源から光を照射した際に、その境界線部分に最も光りが収束されるようにする。さらに、ＳｉＣウェハ１をイオン注入層２と非イオン注入層３との境界線と垂直な方向、つまり＜１１−２０＞または＜１−１００＞方向に対して垂直な方向に掃引し、ＳｉＣウェハ１の全体（広範囲）を加熱できるようにする。
【００２５】
このようなアニール処理を実施すると、非球面レンズ４の光の収束率が変化させられていることから、図１（ｂ）に示すように、非球面レンズ４による加熱ゾーンに温度分布を持たせられる。このため、図４に示すＳｉＣウェハ１の温度分布を表す概略図に示されるように、ＳｉＣウェハ１の掃引方向の上流側が高温域、下流側が低温域となって、イオン注入層２の各部位は高温域を経た後に低温域を経るようにすることができる。従って、イオン注入層２と非イオン注入層３との境界線のうち＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行な部分がまず最初に高温域となり、ＳｉＣウェハ１の掃引が進むに連れて、紙面左側に高温域がずれていく。
【００２６】
このようにＳｉＣウェハ１の面内において温度分布を持たせた場合、高温域においてイオン注入されたドーパントがアクティブになり、低温域で結晶が再配列させられる。
【００２７】
このとき、まず最初にイオン注入層２と非イオン注入層３との境界線のうち＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行な部分が高温域となるようにしているため、この部分からアクティブとなり、結晶が再配列されていく。このため、この部分、つまり非イオン注入層３を種結晶とし、種結晶となる非イオン注入層３のａ面から固相成長させることができる。これにより、イオン注入層２を結晶性が良好な周期性に優れた不純物層とすることが可能となる。
【００２８】
以上のように、本実施形態では、イオン注入層２を形成する際に非イオン注入層３が形成されるようにすると共に、イオン注入層２と非イオン注入層３との境界線の少なくとも一辺が＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行になるようにしている。そして、アニール処理においてＳｉＣウェハ１の面内において温度分布を持たせ、イオン注入層２と非イオン注入層３との境界線のうち＜１１−２０＞または＜１−１００＞と平行な部分からアクティブ化すると共に結晶を再配列させるようにしている。このため、周期性に優れた不純物層とすることができ、ポリタイプや結晶欠陥の少ない良好な不純物層を備えたＳｉＣ半導体装置を形成することができる。
【００２９】
なお、アニール処理時におけるＳｉＣウェハ１の掃引のスピードは、イオン注入の際における結晶破壊状況に基づいて決定され、例えば破壊の度合いが大きい場合にはスピードを遅くして、より充分にアニール処理が成されるようにすることができる。
【００３０】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態にかかる反射板５を備えた加熱処理装置の概略模式図である。第１実施形態では、加熱手段として非球面レンズ４を用いてアニール処理を行っているが、図５に示すような反射板５および光源６を備えた加熱処理装置を用いてアニール処理を行っても良い。
【００３１】
この場合には、紙面左側から紙面右側に進むに従って反射板５の反射面５ａの曲率が変化するような構成とすることで、光源６から照射された光の収束率を変化させ、高温域と低温域とを形成している。このような構成の反射板５を有する加熱処理装置を用いても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態にかかるレーザーショット方式による加熱処理装置の概略模式図である。本実施形態のように、図６に示すようなレーザーショット方式による加熱処理装置を用いてアニール処理を行っても良い。
【００３３】
この場合には、紙面左側から紙面右側に進むに従ってレーザーショットの密度分布が変化するような構成とすることで、レーザーの密度を変化させ、高温域と低温域とを形成している。このように、加熱手段としてレーザーを用いたレーザーショット方式による加熱処理装置を採用しても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態にかかる複数の球面レンズ７を備えた加熱処理装置の概略模式図である。本実施形態のように、図７に示すような複数の球面レンズ７を備えた加熱処理装置を用いてアニール処理を行っても良い。
【００３５】
この場合には、紙面左側から紙面右側に進むに従って複数の球面レンズ７それぞれの光の収束率が変化させ、図示しない光源から照射された光の収束率を変化させ、高温域と低温域とを形成している。具体的には、紙面左側の球面レンズ７が紙面右側の球面レンズ７よりも光の収束率が高くなるような構成としている。このよに、加熱手段として図示しない光源および複数の球面レンズ７を用いた加熱処理装置を採用しても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態にかかる複数の反射板８を備えた加熱処理装置の概略模式図である。本実施形態のように、図８に示すような複数の反射板８を備えた加熱処理装置を用いてアニール処理を行っても良い。
【００３７】
この場合には、紙面左側から紙面右側に進むに従って反射板８それぞれの光の収束率が変化させ、光源６から照射された光の収束率を変化させ、高温域と低温域とを形成している。具体的には、紙面左側の反射板８が紙面右側の反射板８よりも光の収束率が高くなるような構成としている。このように、加熱手段として光源６および複数の反射板８を用いた加熱処理装置を採用しても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
（第６実施形態）
図９は、本発明の第６実施形態にかかる高周波加熱方式による加熱処理装置の概略模式図である。本実施形態のように、図９に示すようなコイル９を用いた高周波加熱方式による加熱処理装置を用いてアニール処理を行っても良い。
【００３９】
この場合には、コイル９の形状に分布を持たせ、紙面左側から紙面右側に進むに従ってコイル９の密度分布が変化するような構成とすることで、温度分布を生じさせ、高温域と低温域とを形成している。このように、加熱手段として高周波加熱用のコイル９を用いた加熱処理装置を採用しても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、ＳｉＣウェハ１側を掃引するようにしているが、ＳｉＣウェハ１が加熱処理装置の加熱手段となるレンズや反射板から相対的に移動するようにすればよいため、レンズや反射板の方を掃引するようにしても良い。
【００４１】
なお、結晶において方位を表す場合、本来なら所望の数字の上にバー（−）を記載するべきであるが、パソコン出願により文字表記に制限があるため、本明細書では、数字の前にバーを記載するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造装置としての加熱処理装置の概略構成を示す図である。
【図２】イオン注入後におけるＳｉＣウェハ１の上面拡大図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）共にイオン注入深さとドーパント濃度との関係を示したもので、紙面左側がその関係をグラフで表した図、紙面右側がその関係をＳｉＣウェハ１の断面図として視覚的に表した図である。
【図４】ＳｉＣウェハ１の温度分布を表す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造装置としての加熱処理装置の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造装置としての加熱処理装置の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造装置としての加熱処理装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第５実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造装置としての加熱処理装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の第６実施形態におけるＳｉＣ半導体装置の製造装置としての加熱処理装置の概略構成を示す図である。
【図１０】ＳｉＣの結晶構造を示した模式図である。
【図１１】（ａ）は、ｃ面を有するＳｉＣ結晶の初期状態の結晶構造を示す図、（ｂ）は、イオン注入後における結晶構造を示す図、（ｃ）は、アニール後における結晶構造を示す図である。
【図１２】（ａ）は、ａ面を有するＳｉＣ結晶の初期状態の結晶構造を示す図、（ｂ）は、アニール後における結晶構造を示す図である。
【図１３】（ａ）は、ｃ面を有するＳｉＣ結晶に部分的にイオン注入を行った際における初期状態の結晶構造を示す図、（ｂ）は、アニール後における結晶構造を示す図である。
【符号の説明】
１…ＳｉＣウェハ、２…イオン注入層、３…非イオン注入層、
４…非球面レンズ、５…反射板、６…光源、７…球面レンズ、
８…反射板、９…コイル。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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