(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）の上部に配置されたトップランプ（３）と、
前記ウェハステージの周囲を囲むように配置されたサイドランプ（４）と、
前記トップランプおよび前記サイドランプが配置されるハウジング（５）と、
前記ハウジングに形成され、前記ハウジングに備えられた前記トップランプもしくは前記サイドランプから前記ウェハステージ側に向かって延設され、内壁が前記トップランプもしくは前記サイドランプが発した光を反射するミラー構造であり、前記トップランプもしくは前記サイドランプが発した光を前記炭化珪素基板の一面を照射できる程度の面積で形成された窓部（５ｂ）に集める通路（５ｂ）と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】
前記ウェハステージの冷却を行う冷却手段（７）を備え、該冷却手段によって該ウェハステージ上に配置される前記炭化珪素基板の冷却が行われるようになっ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】
前記サイドランプは球状ランプであり、該球状ランプが等間隔に配置されて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体製造装置。
【請求項４】
前記サイドランプは円弧形状を成す少なくとも２つのランプ（１１）で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の炭化珪素半導体製造装置を用いて炭化珪素半導体を製造する方法であって、基板上にエピ層が形成されていると共に、前記エピ層に不純物のイオン注入が成された炭化珪素基板を用意し、前記ウェハステージ上に、該炭化珪素基板のうち前記エピ層が形成されている面となる表面側が前記ウェハステージ側に向くように搭載する工程と、前記トップランプと前記サイドランプとを用いて前記不純物の活性化温度まで加熱する工程と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程では、前記サイドランプのみを用いて行う第１加熱工程と、前記サイドランプと前記トップランプとを用いて行う第２加熱工程とを行い、前記第１加熱工程後に前記第２加熱工程を行うことを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体の製造方法。
【請求項７】
前記炭化珪素基板のうち、前記エピ層が形成された側である表面にキャップ層を形成したのち、該炭化珪素基板を前記ウェハステージに搭載することを特徴とする請求項５又は６に記載の炭化珪素半導体の製造方法。
【請求項８】
前記炭化珪素基板のうち、前記エピ層が形成されていない側である裏面に光吸収層を形成したのち、該炭化珪素基板を前記ウェハステージに搭載することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１つに記載の炭化珪素半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）からなる半導体製造装置およびその装置を用いた炭化珪素半導体製造方法に関する。
【０００１】
【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、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ｐ型不純物の活性化率を向上させようとしている。
【０００２】
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
しかしながら、ｐ型不純物の活性化に必要とされる熱処理温度がマイグレーション発生温度よりも高いこと（活性化熱処理温度が１５００℃以上であるのに対し、マイグレーション発生温度が１４２０℃）から、▲１▼熱処理温度を低下させるという方法は選択できない。
【０００７】
従って、ｐ型不純物の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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
しかし、ランプアニール装置を用いた活性化熱処理を行う場合においても、ランプ１つではウェハ全体を均一に熱せられない可能性があり、特にウェハが大口径化すると問題となる。
【００１１】
本発明は上記点に鑑みて、炭化珪素基板全体を均一に熱せられる炭化珪素半導体製造装置およびその装置を用いた炭化珪素半導体製造方法を提供することを目的とする
【００１２】
【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）の上部に配置されたトップランプ（３）と、ウェハステージの周囲を囲むように配置されたサイドランプ（４）と、トップランプおよび前記サイドランプが配置されるハウジング（５）と、前記ハウジングに形成され、前記ハウジングに備えられた前記トップランプもしくは前記サイドランプから前記ウェハステージ側に向かって延設され、内壁が前記トップランプもしくは前記サイドランプが発した光を反射するミラー構造であり、前記トップランプもしくは前記サイドランプが発した光を前記炭化珪素基板の一面を照射できる程度の面積で形成された窓部（５ｂ）に集める通路（５ｂ）とを備えていることを特徴としている。
このような構成とすることにより、活性化熱処理時間を短縮化できると共に、炭化珪素基板に均一に光が照射されるようにでき、炭化珪素基板全体を均一に加熱することが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、ウェハステージの冷却を行う冷却手段（７）を備え、該冷却手段によって該ウェハステージ上に配置される炭化珪素基板の冷却が行われるようになっていることを特徴としている。炭化珪素基板は、請求項６に示すように、表面側（エピ膜が形成された側）がウェハステージ側に向けられる。このため、冷却手段によってウェハステージの冷却を行うことで、炭化珪素基板の表面側を冷却することができ、表面荒れを抑制することができる。
【００１５】
なお、請求項３に示すように、サイドランプとしては球状ランプを用いることができ、球状ランプを等間隔に配置することでサイドランプを構成することができる。また、請求項４に示すように、サイドランプとしては円弧形状を成す少なくとも２つのランプ（１１）を用いることもできる。この場合、より炭化珪素基板の面内での温度分布を小さくすることができる。
【００１６】
請求項５乃至８に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の炭化珪素半導体製造装置を用いて炭化珪素半導体を製造する方法に関する。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、炭化珪素基板のうちエピ膜が形成されている面となる表面側がウェハステージ側に向くようにし、トップランプとサイドランプとを用いて不純物の活性化温度まで加熱することを特徴としている。このように、炭化珪素基板のうちエピ膜が形成されていない側である裏面にランプの光を照射することで、エピ膜の表面荒れを防止することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、加熱工程では、サイドランプのみを用いて行う第１加熱工程と、サイドランプとトップランプとを用いて行う第２加熱工程とを行い、第１加熱工程後に第２加熱工程を行うことを特徴としている。このようにすることで、エピ膜の表面にマイグレーションが起きることを防止でき、表面荒れを抑制することができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明では、炭化珪素基板のうち、エピ層が形成された側である表面にキャップ層を形成したのち、該炭化珪素基板をウェハステージに搭載することを特徴としている。このようにエピ膜の表面をキャップ層で覆うことで、エピ膜の表面にマイグレーションが起きることを防止でき、表面荒れを抑制することができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、炭化珪素基板のうち、エピ層が形成されていない側である裏面に光吸収層を形成したのち、該炭化珪素基板をウェハステージに搭載することを特徴としている。このように、炭化珪素基板の裏面に光吸収層を形成することで、昇温速度を向上させることができ、より活性化熱処理時間を短縮化することができる。
【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ランプアニール装置の模式図を示す。また、図２に、図１のＡ−Ａ断面図を示す。以下、これらの図に基づいてランプアニール装置の構成の説明を行う。
【００２３】
図１に示すランプアニール装置は、紙面上下方向が天地方向と一致するように配置される。このランプアニール装置は、ＳｉＣ基板１が収容される部屋を構成するケース部２と、複数のランプ３、４が設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、ＳｉＣ基板１が搭載されるウェハステージ６が備えられている。このウェハステージ６には例えばクライオポンプで構成された冷却機７からの冷却ガスとガス供給源８からのＨｅガスが供給されるようになっている。これらの構成により、ＳｉＣ基板１をランプアニールする際には、冷却機７から供給される冷却ガスによりウェハステージ６を介してＳｉＣ基板１の冷却が行え、かつガス供給源８から供給されるＨｅガスのアシストにより均一な冷却が行えるようになっている。
【００２５】
一方、ハウジング５には、複数のランプ３、４が備えられている。これら複数のランプ３、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、これら複数のランプ３、４がリフレクタ部９を介してハウジング５に固定されている。具体的には、ハウジング５のうちウェハステージ６の上部に位置する場所に１つのランプ３が配置され、ウェハステージ６を中心としてウェハステージ６の周囲を囲む等間隔の場所に４つのランプ４が等間隔に配置されている。以下、ウェハステージ６の上部に配置されたランプ３をトップランプといい、ウェハステージ６の周囲に配置されたランプ４をサイドランプともいう。
【００２６】
また、ハウジング５には各ランプ３、４が配置された位置からウェハステージ６側に延設された通路５ａが形成されている。この通路５ａの内壁はランプ３、４の光をガイドできるミラー構造となっており、各ランプ３、４が発した光が通路５ａの内壁面で反射し、ＳｉＣ基板１の一面を照射できる程度の面積で形成された窓部５ｂに集められるようになっている。このように集められた光により、ＳｉＣ基板１の一面を均一に加熱することが可能となっている。
【００２７】
続いて、構成を成すランプアニール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。
【００２８】
まず、ｎ+型基板１ａに対してｎ-型エピ膜１ｂを成膜すると共に、ｎ-型エピ膜１ｂに不純物、例えばｐ型不純物をイオン注入することによって形成したＳｉＣ基板１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１ｂが形成された側である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１ｂが形成されていない側の面、つまりｎ+型基板１ａ側である裏面が露出するように配置する。
【００２９】
続いて、ヘッドランプ３およびサイドランプ４を点灯させる。これにより、各ランプ３、４から発せられた光が通路５ａ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、サイドステージ６上の窓部５ｂを通じて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する。
【００３０】
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。
【００３１】
ただし、このときにランプ３、４にキセノンランプ等を使用する場合には、冷却機７およびガス供給源８から冷却ガスやＨｅガスを供給し、適宜、ＳｉＣ基板１の表面側の温度を制御する。これは、キセノンランプ等を用いる場合、ハロゲンランプ等を用いる場合と比べて温度制御が難しく、かつ極めて早い昇温速度で温度が上昇することになるためである。
【００３２】
このようにしてｎ-型エピ膜１ｂに注入された不純物が活性化され、不純物層が形成される。このとき、本実施形態のようにランプアニールによって活性化熱処理を行っているため、昇温速度を早めることができ、活性化熱処理時間を短縮化させることができる。そして、上述したように、複数のランプ３、４を用い、これら複数のランプ３、４の光を集めてＳｉＣ基板１に照射するようにしているため、ＳｉＣ基板１を均一に加熱することができる。
【００３３】
さらに、ランプ３、４の光をＳｉＣ基板１の裏面側に照射するようにしているため、以下の効果を得ることができる。
【００３４】
ランプアニール装置を用いた活性化熱処理を行う場合、一般的にはＳｉＣ基板１のうちイオン注入が成された側の表面に直接当てることになると想定される。
しかしながら、このような活性化熱処理を行った後、断面ＴＥＭによる観察を行ったところ、熱処理前のｐ型不純物層の深さが０．５μｍであったのに対し、熱処理後には０．３μｍに浅くなっていることが分かった。また、ＳＩＭＳ分析も行ったが、その分析でも同様の結果となった。
【００３５】
このような結果が得られたのは、ランプ光を直接不純物層に照射したことにより、照射された部分の温度がエピ膜成長温度である約１５５０℃を超え、表面からＳｉＣが昇華したためであると考えられ、これが表面荒れの一因になっていると考えられる。
【００３６】
これに対し、本実施形態では、ＳｉＣ基板１の裏面側、つまりｎ+型基板１ａにランプ３、４の光を照射していることになる。このｎ+型基板１ａの成長温度は約２３００℃であり、活性化熱処理温度よりも十分に大きい。このため、ｎ+型基板１ａ側に直接光を照射してもあまりＳｉＣが昇華しないようにできる。これにより、ＳｉＣ基板１の表面荒れを抑制することが可能となる。
【００３７】
参考として、図３に、１６００℃、３０ｍｉｎの熱処理を施した場合のｎ+型基板１ａとｎ-型エピ膜１ｂそれぞれの表面荒れを調べた結果を示す。この図に示されるように、熱処理前後において、ｎ+型基板１ａの場合には表面荒れがあまり変化していないが、ｎ-型エピ膜１ｂの場合には表面荒れが顕著に増加している。この結果からも、成長温度が熱処理温度よりも高いｎ+型基板１ａ側に光を照射した方が、成長温度が熱処理温度よりも低いｎ-型エピ層１ｂ側に光を照射するよりも、表面荒れを防止することが可能になると言える。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態に示す複数のランプ３、４を備えたランプアニール装置を用いることにより、活性化熱処理時間を短縮化できると共に、ＳｉＣ基板１を均一に加熱することが可能となる。また、ランプ３、４の光をＳｉＣ基板１の裏面側に照射することにより、ＳｉＣ基板１の表面荒れを抑制することができる。
【００３９】
なお、ここではＳｉＣ基板１の口径については特に触れていないが、ＳｉＣ基板１が大口径となる場合には、それに合わせてウェハステージ６上の窓部５ｂの径を調整すれば良い。
【００４０】
（第２実施形態）
上記第１実施形態において、活性化熱処理前にＳｉＣ基板１の裏面側での光の吸収をよくするために、ＳｉＣ基板１の裏面側となるｎ+型基板１ａにカーボンレジストを塗布したり、Ｐ（リン）やＮ（窒素）をイオン注入することでｎ＋型基板の一部をアモルファス化させたりすることで光吸収層を形成しても良い。
【００４１】
（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態において、活性化熱処理前にＳｉＣ基板１の表面側にキャップ層を形成しても良い。このようなキャップ層を形成しておくことにより、ＳｉＣ基板１の表面でマイグレーションが起きたり、ＳｉやＣの昇華が起こることを抑制することができる。このようなキャップ層としては、例えばＡｌＮ膜やカーボン膜等を用いることができる。
【００４２】
（第４実施形態）
上記第１〜第３実施形態では、ランプアニール装置に使用するランプとして、球状ランプを用いているが、図４に示すようにフィラメント１０を円弧状に設けたランプ１１を用いても良い。このようなランプ１１を用いると、ランプ１１の光を集め、ＳｉＣ基板１に照射した場合に、球状ランプを用いた場合と比べて、ＳｉＣ基板１の面内での温度分布を小さくすることができる。
【００４３】
（他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態では、トップランプ３を１つ、サイドランプ４を４つとしているが、これらのランプ３、４の数は任意に調整することが可能である。
例えば、図２に示す各サイドランプ４の間にさらにランプを増やすことで、サイドランプを８つにしても良い。
【００４４】
また、上記第１実施形態では、活性化熱処理の初めからトップランプ３とサイドランプ４を共に用いる例を挙げて説明したが、まず第１加熱工程としてサイドランプ４だけでマイグレーションの起こる温度（１４２０℃程度）まで昇温させ、その後、第２加熱工程としてトップランプ３も用いて更に昇温させるようにしても良い。このようにすることで、ｎ-型エピ膜１ｂの表面に起きることを防止でき、表面荒れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるランプアニール装置の模式図である。
【図２】図１に示すランプアニール装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３】活性化熱処理を行った場合におけるｎ＋型基板１ａとｎ−型エピ層１ｂそれぞれの表面荒れを調べた結果を示す図表である。
【図４】第４実施形態に示すランプアニール装置に用いられるランプ１１の模式図である。
【符号の説明】
１…ＳｉＣ基板、１ａ…ｎ+型基板、１ｂ…ｎ-型エピ層、２…ケース部、３…トップランプ、４…サイドランプ、５…ハウジング、５ａ…通路、５ｂ…窓部、６…ウェハステージ、７…冷却機、８…ガス供給源。
【図１】
0004581238.tif 000002
【図２】
0004581238.tif 000003
【図３】
0004581238.tif 000004
【図４】
0004581238.tif 000005