(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板（１）が搭載されるウェハステージ（６）と、
前記ウェハステージの上に配置され、光の照射を行うランプ（４）と、
前記ランプの発する光を集め、前記炭化珪素基板に対して光を照射させる集光手段（９）と、
前記ウェハステージの下方に配置されるＲＦコイル（８）とを備え、前記ランプによる熱処理と前記ＲＦコイルによる熱処理の双方が行えるように構成され、
さらに、前記ウェハステージと前記ランプ及び前記集光手段との間に配置され、前記ランプからの光が前記炭化珪素基板に照射されることを遮る閉状態と、前記ランプからの光が前記炭化珪素に照射されるようにする開状態とに制御される可動ゲート（１０）を備えていることを特徴とする炭化珪素半導体製造装置。
【請求項２】
前記集光手段によって集められた光を透過させながら所定方向に導く石英ロット（１１）を備え、該石英ロットを通過させた光を前記炭化珪素基板に照射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体製造装置。
【請求項３】
炭化珪素基板（１）が搭載されるウェハステージ（６）と、
前記ウェハステージの上に配置され、光の照射を行うランプ（４）と、
前記ランプの発する光を集め、前記炭化珪素基板に対して光を照射させる集光手段（９）と、
前記ウェハステージの下方に配置されるＲＦコイル（８）とを備え、前記ランプによる熱処理と前記ＲＦコイルによる熱処理の双方が行えるように構成され、
さらに、前記集光手段によって集められた光を透過させながら所定方向に導く石英ロット（１１）を備え、該石英ロットを通過させた光を前記炭化珪素基板に照射するように構成されていることを特徴とする炭化珪素半導体製造装置。
【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（以下、ＳｉＣという）半導体の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＣにおける不純物層形成は、イオン注入および注入されたイオンの活性化熱処理によって行われる。ＳｉＣでは、不純物、特にｐ型不純物が熱処理によって活性化し難いため、活性化のための熱処理温度を上げることで活性化率を向上させようとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、エピタキシャル膜（以下、エピ膜という）の形成を容易にするためにオフ角のあるウェハを用い、１６００℃での活性化熱処理を行った後にエピ膜に形成した不純物層の表面をＡＦＭで観察したところ、ステップ状の表面荒れ（ステップバンチング）が発生していることが確認された。この表面荒れの大きさを調べたところ、表面荒れ量Ｒａ＝９．５ｎｍであった。
【０００４】
このような表面荒れは、活性化熱処理時に生じるマイグレーションに起因して発生すると考えられる。すなわち、オフ角を有するウェハの場合には表面に細かいステップが存在するため、活性化熱処理（特に、高温熱処理が必要とされるｐ型不純物の活性化熱処理）の際に最もエネルギー的に不安定なステップのエッジ部分でＳｉ抜けが発生すると共に、このＳｉ抜けによってマイグレーションを起こし、マイグレーションを起こした原子が安定な（０００１）面を形成しながら再結晶化してしまうために、表面荒れが発生するのである。
【０００５】
また、エピ層の表面部分に炭化層が形成されることも確認された。これは、活性化熱処理が高温であるために生じるエピ膜表面からのＳｉ抜けが原因となって、カーボンリッチとなるために形成されると考えられる。
【０００６】
このようなマイグレーションやＳｉ抜けによる炭化膜の形成を抑制するためには、▲１▼熱処理温度を低下させる方法、▲２▼熱処理時間を短時間化することでマイグレーションを起こす時間を与えない方法が考えられる。
【０００７】
しかしながら、電気的活性化率を高くするためにはより高温での熱処理を行うのが好ましく、例えば１８００℃の温度下では１６００℃の温度下よりも電気的活性化率が約３倍程度となる。また、より高温での熱処理を行った方がＰＮ接合でのリーク電流も少なく、ＰＮ接合での耐圧も高くなる。そして、このような温度がマイグレーション発生温度よりも高いこと（マイグレーション発生温度：１４２０℃）から、▲１▼熱処理温度を低下させるという方法を選択できない。
【０００８】
従って、電気的活性化率の向上と表面荒れの抑制を両立するという観点から、▲２▼熱処理時間を短時間化することでマイグレーションを起こす時間を与えないという方法が選択される。
【０００９】
そして、このような方法について様々な検討を行った。まず、従来の熱処理プログラムを分析したところ、熱処理時の昇温速度が２０℃／ｍｉｎと遅く、マイグレーションが起こる温度（１４２０℃）以上となる時間が十分長くなっている。従って、これが原因となって上記のように大きな表面荒れが発生していると考えられる。このため、昇温速度を１５０℃／ｍｉｎとなるまで上げて活性化熱処理を実施したが、この場合においても上記と同様の結果となった。
【００１０】
そこで、さらに昇温速度が高められるランプアニール装置（例えば、昇温速度が３５０℃／ｍｉｎ程度）を用いて、活性化熱処理を実施した。つまり、ランプアニール装置を用いることによって、マイグレーションが起こる温度以上の熱処理が実施されている時間が短縮化されるようにした。その結果、表面荒れ量ＲａがＲａ＝３．４ｎｍとなるまで低減できた。
【００１１】
このような短時間での高温熱処理によれば、従来の高温炉による熱処理に比べ、デバイス特性を向上させる可能性がある。すなわち、高速、高温プロセスのランプレート（昇温速度）が熱処理炉の昇温速度（５〜６℃／ｍｉｎ）と比べて２０〜１００倍と非常に大きいことから、以下のような有利点がある。
【００１２】
例えば、ソース領域やドレイン領域等の不純物層の形成において、高活性化、残留欠陥の低減が図れると共に、浅い接合を実現することが可能となる。また、ドーパントの著しい再分配無しに活性化熱処理が可能となる。さらに、熱処理雰囲気の制御を容易に行え、例えば熱処理時の表面汚染を低減することが可能となる。
【００１３】
しかしながら、プロセスとして優れていても、現状では、大面積ウェハに対して、活性化熱処理で必要とされるような高温度を実現できるランプアニール装置が存在しない。つまり、ハロゲンランプやキセノンランプでのスポット加熱により、２０００℃までの熱処理を行うことはできるが、ランプ照射されていない部分はほとんど加熱されないため、小面積ウェハしか処理することができず、大面積ウェハには対応できない。また、小面積ウェハの場合、ウェハの両面をランプで加熱することで熱処理を行うことが可能ではあるが、両面ともランプで加熱するとウェハ表面からＳｉＣが昇華してしまうという問題がある。さらに、ランプアニール装置では、ウェハを直接加熱するだけであるため、反応チャンバーや雰囲気の温度が上がらないし、大きな温度勾配も発生する。
【００１４】
本発明は上記点に鑑みて、大面積ウェハにも対応でき、ＳｉＣの昇華が防げるＳｉＣ半導体製造装置を提供すること目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、炭化珪素基板（１）が搭載されるウェハステージ（６）と、ウェハステージの上に配置され、光の照射を行うランプ（４）と、ランプの発する光を集め、炭化珪素基板に対して光を照射させる集光手段（９）と、ウェハステージの下方に配置されるＲＦコイル（８）とを備え、ランプによる熱処理とＲＦコイルによる熱処理の双方が行えるように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、ＲＦコイルによる熱処理とランプを用いた熱処理とを兼用して活性化処理を行うことができる。そして、マイグレーションが発生しない所定温度まではＲＦコイルを用いた加熱を行い、マイグレーションが発生し得る所定温度以上ではランプを用いた加熱を行うことができる。このため、ＲＦコイルでの加熱によりチャンバー内全体が高温となり、ランプによる加熱に移行した後に加熱が局所的に行われるようになっても、それ以外の領域も加熱することができ、大面積ウェハに対応した熱処理を行うことができる。また、チャンバー内全体を高温とすることができることから、炭化珪素基板の面内での温度勾配を小さく抑えることができる。
【００１７】
さらに、請求項１に記載の発明では、ウェハステージとランプ及び集光手段との間に配置され、ランプからの光が炭化珪素基板に照射されることを遮る閉状態と、ランプからの光が炭化珪素に照射されるようにする開状態とに制御される可動ゲート（１０）と備えていることを特徴とする。
【００１８】
このような構成とすれば、可動ゲートを用いることでランプを消灯させること無く次々と不純物を活性化させ、不純物層を形成することができる。このため、ランプによる照射が安定するまでの間に時間がかかるような場合であっても、各部位での熱履歴を均等にすることができ、ＳｉＣ基板の電気的特性を安定させることができる。
【００１９】
請求項２または３に記載の発明では、集光手段によって集められた光を透過する石英ロット（１１）を備え、該石英ロットを通過させた光を炭化珪素基板に照射するように構成されていることを特徴とする。こののような構成とすれば、より広範囲に光照射を行えるため、広い範囲での活性化を行うことが可能となる。
【００２１】
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。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の一実施形態に用いるＳｉＣ半導体製造装置としての熱処理装置の模式図を示す。以下、図１に基づいて熱処理装置の構成の説明を行う。
【００２３】
図１に示す熱処理装置は、紙面上下方向が天地方向と一致するように配置される。この熱処理装置は、ＳｉＣ基板１が収容されるチャンバーを構成するケース部２および石英チューブ３と、ランプ４が配置されるハウジング部５とを有して構成されている。
【００２４】
ケース部２には、石英製のウェハステージ６が備えられていると共に、ウェハステージ６の上に搭載されるグラファイト製のサセプタ７が備えられており、これらが石英チューブ３内に延設された構成となっている。ウェハステージ６は、水平面上においてＸ−Ｙ方向に走査可能に構成され、サセプタ７は水平面上において回転可能に構成されている。そして、ＳｉＣ基板１がサセプタ７を介してウェハステージ６上に搭載され、ウェハステージ６にて水平面上で自由に走査されようになっている。
【００２５】
また、ケース部２には、ガス導入口２ａとガス排出口２ｂが備えられている。ガス導入口２ａには、ＳｉＨ4ガス、Ｈ2ガス、ＨＣｌガス、ＡｒガスおよびＣ3Ｈ8ガスそれぞれの供給源が備えられ、ガス導入口２ａを通じてチャンバー内に各ガスの導入を行い、ガス排出口２ｂを通じて適宜各ガスの排出を行うことで、チャンバー内の雰囲気調整が行えるようになっている。
【００２６】
ケース部２の内部には、加熱手段を構成するＲＦコイル８が備えられている。このＲＦコイル８はウェハステージ６の下部に配置され、ウェハステージ６に搭載されたＳｉＣ基板１をウェハステージ６の反対側から加熱できるようになっている。このＲＦコイル８を上面から見た時の形状は、例えば図２に示すような渦巻き状になっており、ＳｉＣ基板１を全体的に加熱できる構成となっている。
【００２７】
一方、ハウジング部５には、複数のランプ４が配置されている。これら複数のランプ４は、図１中では省略して記載してあるが、下方から見ると、図３に示すようにアレイ状に規則的に配置されている。複数のランプ４には、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、赤外線ランプが用いられている。そして、複数のランプ４が集光手段としてのリフレクタ部９を介してハウジング部５に固定されている。このような構成においては、図中矢印で示すように、リフレクタ部９の内壁面（反射面）によってランプ４の光が反射され、反射光が所定位置、つまりウェハステージ６の上に搭載されたＳｉＣ基板１の位置で集められるようになっている。
【００２８】
続いて、上記構成を成す熱処理装置を用いた活性化熱処理方法について、図１を利用して説明する。
【００２９】
まず、ＳｉＣ基板１を用意する。具体的には、ＳｉＣ基板１として、ｎ+型基板に対してｎ-型エピ膜を成膜したのち、ｎ-型エピ膜に不純物、例えばｐ型不純物をイオン注入したものを用意する。そして、このＳｉＣ基板１をウェハステージ６に搭載する。このとき、ＳｉＣ基板１のうちｎ-型エピ膜が形成された側の表面がウェハステージ６側に向けられるようにする。すなわち、ＳｉＣ基板１のうちｎ-型エピ膜が形成されていない側の面、つまりｎ+型基板側である裏面が露出するように配置する。
【００３０】
続いて、ウェハステージ６を走査することでランプ４からの光が集まる位置とＳｉＣ基板１のうち加熱させる部位とを一致させる。すなわち、ＳｉＣ基板１の裏面において、ｎ-型エピ層のうち不純物が注入された場所と対応する部位にランプ４からの光が照射されるように位置合わせする。
【００３１】
その後、ガス導入口２ａを通じてチャンバー内にＳｉＨ4ガスとＨ2ガスまたはＨＣｌガスを導入したのち雰囲気圧力を調整し、必要に応じてＡｒガスを導入して、ＲＦコイル８による加熱を行う。そして、ＲＦコイル８による加熱によって１０００〜１４００℃まで温度を上昇させたのち、ＲＦコイル８による加熱を止め、ランプ４を点灯させる。これにより、ランプ４から発せられた光がリフレクタの内壁面で反射され、ウェハステージ６の上部に束ねられて、ＳｉＣ基板１の裏面に向かって照射される。このため、ＳｉＣ基板１の裏面側の温度が高い昇温速度で上昇し、１０００〜１４００℃以上の高い温度となる。
【００３２】
このとき、ランプ加熱の場合には光が照射される部分が最も温度が上昇することになるが、ＳｉＣの熱伝導が良いことから、裏面側から表面側にも容易に熱が伝わる。このため、不純物が注入されたＳｉＣ基板１の表面側に直接光を照射しなくても、その表面側も高温となる。
【００３３】
このようにして、高い昇温速度での加熱処理が成され、ｎ-型エピ膜に注入された不純物が活性化されて、不純物層が形成される。このとき、本実施形態のようにマイグレーションが発生しない程度となる１０００〜１４００℃までの熱処理をＲＦコイル８によって行い、それを超える温度での熱処理をランプ４によって行っている。すなわち、マイグレーションが発生しない温度範囲ではＲＦコイル８によって加熱し、マイグレーションが発生しうる温度範囲ではランプ４による早い昇温速度での加熱を行うようにしている。このため、ＲＦコイル８によってチャンバー内をある程度高温となるようにした状態で、ランプ４による高い昇温速度での加熱を行うことが可能となる。
【００３４】
そして、上述したように、ランプ４からの光を集めてＳｉＣ基板１に照射するようにしているため、不純物層を形成したい部位を局所的に高温化させることができる。
【００３５】
次に、ランプ４を照射したままウェハステージ６を走査し、ＳｉＣ基板１のうち次に加熱させたい部位とランプ４からの光が集まる位置とを一致させる。これにより、ＳｉＣ基板１が加熱され、不純物が活性化されて不純物層が形成される。そして、ウェハステージ６の走査による位置合わせ工程とＳｉＣ基板１への光の照射工程とを繰り返し、順に不純物を活性化させて不純物層を形成する。
【００３６】
このように、本実施形態では、ＲＦコイル８による熱処理とランプ４を用いた熱処理とを兼用して活性化処理を行うと共に、ランプ照射をｎ-型エピ層に形成する不純物層に直接行うのではなくｎ+型基板側に行うようにしている。また、熱処理中の雰囲気をＳｉＨ4ガスとＨ2ガス又はＨＣｌガスを含む雰囲気としている。このため、以下の効果を得ることができる。
【００３７】
まず、マイグレーションが発生しない温度範囲ではＲＦコイル８によって加熱を行っている。このため、チャンバー内全体が高温となり、ランプ４による加熱に移行した後に加熱が局所的に行われるようになっても、それ以外の領域も加熱することができ、大面積ウェハに対応した熱処理を行うことができる。また、チャンバー内全体を高温とすることができることから、ＳｉＣ基板１の面内での温度勾配を小さく抑えることができる。
【００３８】
また、ランプ４による加熱をＳｉＣ基板１の一方の面のみとすることができるため、ＳｉＣ基板１の表面からＳｉＣが昇華してしまうことを抑制することができる。さらに、本実施形態では、ｎ+型基板側にランプ照射している。このｎ+型基板の成長温度は２３００℃程度であり、活性化熱処理温度やｎ-型エピ層の成長温度である１５５０℃程度よりも十分に高い。このため、ｎ+型基板にランプ照射を行ってもあまりＳｉＣが昇華しないようにできる。これにより、よりＳｉＣ基板１の表面荒れを抑制することが可能となる。
【００３９】
また、熱処理中の雰囲気にＳｉＨ4ガスを含有させているため、Ｓｉリッチな雰囲気とすることができ、ＳｉＣ基板１からのＳｉ抜けを防止することができる。さらに、熱処理中の雰囲気にＨ2ガスまたはＨＣｌガスを含有させているため、マイグレーションした原子をエッチングすることができ、よりＳｉＣ基板１の表面荒れを抑制することが可能となる。
【００４０】
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態に用いるＳｉＣ半導体製造装置としての熱処理装置の模式図を示す。この熱処理装置の基本構成は図１に示す第１実施形態のものと同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
【００４１】
図４に示すように、本実施形態では、加熱用にランプ４が１つ備えられている。また、ハウジング部５には、ランプ４とウェハステージ６の上に配置されたＳｉＣ基板１との間の開閉を行う可動ゲート１０が備えられている。この可動ゲート１０が開状態の際にはランプ４から照射された光がウェハステージ６の上に配置されたＳｉＣ基板１まで届き、閉状態の際にはランプ４から照射された光が可動ゲート１０によって遮られてＳｉＣ基板１まで届かないようになっている。
【００４２】
このような熱処理装置を用いての熱処理方法は、基本的には第１実施形態と同様であり、その効果も第１実施形態と同様になるが、本実施形態ではさらに以下のような作動を行うようにし、以下の効果を得ている。
【００４３】
まず、ＳｉＣ基板１を第１実施形態と同様にサセプタ７上に搭載したのち、ウェハステージ６を走査することでランプ４からの光が集まる位置とＳｉＣ基板１のうち加熱させる部位とを一致させる。そして、可動ゲート１０を閉状態としてランプ４を点灯させたのち、ランプ４からの照射が安定したら可動ゲート１０を開状態とする。これにより、ランプ４から発せられた光がリフレクタ部９の内壁面で反射され、ウェハステージ６の上部に束ねられて、ＳｉＣ基板１の裏面に向かって照射される。このため、ＳｉＣ基板１の裏面側の温度が高い昇温速度で上昇し、不純物が活性化されて不純物層が形成される。
【００４４】
次に、ランプ４を照射したまま可動ゲート１０を閉状態としたのち、ウェハステージ６やサセプタ７を走査して、ＳｉＣ基板１のうち次に加熱させたい部位とランプ４からの光が集まる位置とを一致させる。その後、可動ゲート１０を開状態とする。これにより、ＳｉＣ基板１が加熱され、不純物が活性化されて不純物層が形成される。そして、ランプ４を照射したまま可動ゲート１０を閉状態とする工程と、ウェハステージ６の走査による位置合わせ工程と、可動ゲート１０を開状態とすることによるＳｉＣ基板１への光の照射工程とを繰り返し、順に不純物を活性化させて不純物層を形成する。
【００４５】
このように、本実施形態では、可動ゲート１０を用いることでランプ４を消灯させること無く次々と不純物を活性化させ、不純物層を形成するようにしている。このため、ランプ４による照射が安定するまでの間に時間がかかるような場合であっても、各部位での熱履歴を均等にすることができ、ＳｉＣ基板１の電気的特性を安定させることができる。また、ランプ４による照射を行ったままウェハステージ６を走査して位置合わせすると、活性化する必要がない箇所にまで光が照射され、その箇所を加熱してしまうが、本実施形態ではこれを防止することができ、ＳｉＣ基板１の温度コントロールを容易にすることができる。
【００４６】
なお、可動ゲート１０に対してもランプ４からの光が照射されることになるが、可動ゲート１０にはデフォーカス位置での光の照射しかなされないため、可動ゲート１０を高融点材料で構成しなくてもよい。
【００４７】
（第３実施形態）
図５に、本発明の第３実施形態に用いるＳｉＣ半導体製造装置としての熱処理装置の模式図を示す。この熱処理装置の基本構成は図１に示す第１実施形態のものと同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
【００４８】
図５に示すように、ランプ４と石英チューブ３との間には石英ロット１１が配置されている。この石英ロット１１は、図６に示すように、ランプ４での照射光およびリフレクタ部９での反射光を内面反射させることでＳｉＣ基板１に向けて光を導くようになっている。この石英ロット１１は各ランプ４とリフレクタ部９の組毎に備えられており、各石英ロット１１それぞれからＳｉＣ基板１に向けて光が照射されるようになっている。
【００４９】
このような熱処理装置を用いての熱処理方法は、基本的には第１実施形態と同様であり、その効果も第１実施形態と同様になるが、本実施形態のような構成とすれば、より広範囲に光照射を行えるため、広い範囲での活性化を行うことが可能となる。
【００５０】
（他の実施形態）
上記実施形態では、マイグレーションが発生しない温度ではＲＦコイル８による加熱を行い、マイグレーションが発生しうる温度ではランプ４による加熱を行うようにしているがこれに限るものではない。
【００５１】
例えば、マイグレーションが発生しない温度ではＲＦコイル８による加熱を行い、マイグレーションが発生しうる温度ではランプ４に加えてＲＦコイル８による加熱を行うようにしても良い。この場合、活性化が完了したらランプ４を消灯させると共にＲＦコイル８への通電を止め、加熱を止めるようにする。
【００５２】
また、マイグレーションが発生しない温度でもマイグレーションが発生しうる温度でも、共に、ランプ４およびＲＦコイル８による加熱を行うようにしても良い。この場合、活性化が完了したらランプ４を消灯させると共にＲＦコイル８への通電を止め、加熱を止めるようにする。
【００５３】
上記第３実施形態では、複数の石英ロット１１からの光がそのままＳｉＣ基板１に照射されるように構成しているが、複数の石英ロット１１からの光をさらに１つの石英ロットに集め、その後、ＳｉＣ基板１に照射されるようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における熱処理装置を示す図である。
【図２】図１に示すＲＦコイル８の正面図である。
【図３】図１に示すランプ４を備えるハウジング部５の正面図である。
【図４】本発明の第２実施形態における熱処理装置を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態における熱処理装置を示す図である。
【符号の説明】
１…ＳｉＣ基板、２…ケース部、３…石英チューブ、４…ランプ、５…ハウジング部、６…ウェハステージ、７…サセプタ、８…ＲＦコイル、９…リフレクタ部、１０…可動ゲート、１１…石英ロット。
【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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