(57)【要約】【課題】  従来例よりも深い選択導電領域の形成に利用でき、かつ選択導電領域の高品質化が可能なイオン注入マスクおよびその製造方法、並びにイオン注入マスクを用いた炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  半導体基板１１上の全面に保護膜である酸化膜１２を形成する酸化膜形成工程と、酸化膜１２上に金属薄膜１３を形成する金属薄膜形成工程と、金属薄膜１３上にイオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層１４を形成するイオン阻止層形成工程と、を有する。【選択図】    図１
2007042803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の全面に形成された保護膜である酸化膜と、
イオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層と、
前記酸化膜と前記イオン阻止層との間に、前記酸化膜と前記イオン阻止層とを密着させる金属薄膜と、を有することを特徴とするイオン注入マスク。
【請求項２】
前記金属薄膜は、前記イオン阻止層に用いる金属より酸化しやすいことを特徴とする請求項１記載のイオン注入マスク。
【請求項３】
前記酸化膜はシリコン酸化膜であり、前記金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、前記イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることを特徴とする請求項１または２記載のイオン注入マスク。
【請求項４】
半導体基板上の全面に形成された保護膜である窒化膜と、
イオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層と、
前記窒化膜と前記イオン阻止層との間に、前記窒化膜とイオン阻止層とを密着させる金属薄膜と、を有することを特徴とするイオン注入マスク。
【請求項５】
前記金属薄膜は、前記イオン阻止層に用いる金属より窒化しやすいことを特徴とする請求項４記載のイオン注入マスク。
【請求項６】
前記窒化膜はシリコン窒化膜であり、前記金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、前記イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることを特徴とする請求項４または５記載のイオン注入マスク。
【請求項７】
半導体基板上の全面に保護膜である酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記酸化膜上に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、
前記金属薄膜上にイオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層を形成するイオン阻止層形成工程と、を有することを特徴とするイオン注入マスクの製造方法。
【請求項８】
前記金属薄膜は、前記イオン阻止層に用いる金属より酸化しやすいことを特徴とする請求項７記載のイオン注入マスクの製造方法。
【請求項９】
前記酸化膜はシリコン酸化膜であり、前記金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、前記イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることを特徴とする請求項７または８記載のイオン注入マスクの製造方法。
【請求項１０】
半導体基板上の全面に保護膜である窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、
前記窒化膜上に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、
前記金属薄膜上にイオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層を形成するイオン阻止層形成工程と、を有することを特徴とするイオン注入マスクの製造方法。
【請求項１１】
前記金属薄膜は、前記イオン阻止層に用いる金属より窒化しやすいことを特徴とする請求項１０記載のイオン注入マスクの製造方法。
【請求項１２】
前記窒化膜はシリコン窒化膜であり、前記金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、前記イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることを特徴とする請求項１０または１１記載のイオン注入マスクの製造方法。
【請求項１３】
第１の導電型の低抵抗層である炭化珪素半導体基板に形成された第１の導電型の高抵抗層と、
第１導電型の低抵抗層からなるソース領域と、
請求項１〜６のいずれか１項に記載されたイオン注入マスクを用いてイオン注入を行い形成された第２導電型の低抵抗層であるゲート領域と、
ソース電極とゲート電極とドレイン電極と、
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【請求項１４】
第１の導電型の低抵抗層である炭化珪素半導体基板に第１の導電型の高抵抗層を形成する高抵抗層形成工程と、
ソース領域となる第１導電型の低抵抗層を形成する低抵抗層形成工程と、
請求項１〜６のいずれか１項に記載されたイオン注入マスクを用いてイオン注入を行い第２導電型の低抵抗層であるゲート領域を形成するゲート領域形成工程と、
ソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成する電極形成工程と、
を有することを特徴とする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、半導体基板に導電領域を形成するためのイオン注入プロセスに用いられるイオン注入マスクおよびその製造方法、並びにイオン注入マスクを用いた炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体炭化珪素（シリコン・カーバイド、ＳｉＣ）は、シリコンと比較してバンドギャップが大きいことから耐電圧・耐熱性に優れた材料であり、パワーデバイスに応用した場合のポテンシャルが高いものと期待されている。
【０００３】
図１４と図１５に、それぞれＳｉＣパワーデバイスの代表例である接合型電界効果トランジスタ１００の一部の断面構造と平面構造を示す。図１５にはソースを５本有する接合型電界効果トランジスタ１００の例を示し、図１４は、図１５のＢ−Ｂ線断面での構造を拡大して示している。この接合型電界効果トランジスタ１００は、ｎ型低抵抗層であるドレイン領域１０１とｎ型高抵抗層であるドリフト領域１０２とｎ型低抵抗領域のソース領域１０３とそれらソース領域を囲むように形成されたｐ型低抵抗領域のゲート領域１０４とドレイン電極１０５とソース電極１０６とゲート電極１０７からなっている。この構造では、主電極の一つのドレイン領域１０１となる低抵抗ｎ＋ＳｉＣ基板（１０１）上に高抵抗ｎ−層１０２がエピタキシャル成長により形成されている。高抵抗ｎ−層１０２の表面にはもう一方の主電極となるソース領域１０３が設けられている。図１５で示されるように、単一のソース電極１０６は細長い形状をしており、互いに分離された多数のソース電極１０６が配列されている。ソース電極１０６の周囲には制御電極であるゲート電極１０７が設けられている。ソース電極１０６とドレイン電極１０５の間に流れる電流のオン・オフをゲート電極１０７に印加する信号で制御する。
【０００４】
このようなＳｉＣデバイスの製造プロセスには、用いられる材料の性質の違いから、シリコンプロセスをそのまま転用できない場合が多く、新たなプロセス技術の開発が主要な課題のひとつである。図１４の例におけるｐ＋ゲート領域１０４等の選択導電領域の形成技術もその一つである。ＳｉＣ中では半導体の導電率を制御するために用いられる不純物の拡散係数が小さいために、選択導電領域であるゲート領域１０４を形成する際に、シリコンで一般的に用いられている熱拡散法は使えない。そこで、ＳｉＣでは、選択導電領域であるゲート領域１０４を形成するためにもっぱらイオン注入法が利用される。
【０００５】
図１６は、イオン注入法でゲート領域を形成するときの作製途中の接合型電界効果トランジスタ１００の一部の断面を示す図である。図１４で示したものと同様の要素には同一の符号を付している。イオン注入法では、図１６に示されるように、形成しようとするゲート領域１０４以外の領域のＳｉＣ中に不純物イオンが注入されることを防ぐため、予め開口部１０８を備えたマスク１０９を設け、その後全面に矢印１１０で示すように不純物イオンを照射して必要な領域にだけイオンを注入する。ここで、深いゲート領域を形成するには高い注入エネルギーが必要になり、マスクの材料や厚みも従来のシリコンで利用されていたものが使えない場合には、専用のマスクを準備する必要がある。非特許文献１には、３．２μｍ厚の化学気相堆積（ＣＶＤ）法で形成したシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）をマスクにして、アルミニウムをイオン種とし最大エネルギー１．４ＭｅＶのイオン注入でゲートを形成している例が記載されている。これにより、２μｍ程度の深さのゲート領域が形成されている。また、このようにして形成された接合型電界効果型トランジスタでは、ゲート電極に逆電圧を印加することでチャネルが遮断されオフ状態に移行することが確認されている。すなわち、ゲート電極に負の電圧を印加して接合型電界効果型トランジスタをオフさせるノーマリオン型の特性を示すことが確認されている。
【非特許文献１】（財）新機能素子開発協会著「平成１４年度新エネルギー・産業技術総合開発機構委託成果報告書、超低損失電力素子技術開発、素子化技術」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パワーデバイスでは、何らかの異常が発生してゲートへの制御信号が途絶えた場合に、デバイスがオフ状態になることが望まれるものが多い。このような、パワーデバイスでは、ノーマリオフ型の特性を有することが重要な条件となる。非特許文献１の例では、約２μｍのゲート深さを得ているが、その接合型電界効果トランジスタでは、ノーマリオン型の特性を有していた。そこで、ゲートに負の電圧を印加してデバイスをオフさせるノーマリオン特性から、ゲート電圧が０Ｖでオフ状態を保持できるノーマリオフ特性にするためには、より深いゲート領域を形成することが望まれる。より深い選択導電領域であるゲート領域を形成するためには、より高エネルギーのイオンを注入する必要がある。しかしながら、従来のＳｉＯ２などのマスクを用いた場合、高エネルギーのイオン注入がされることで、マスクの開口部以外の領域にも、マスクを通してイオン注入されてしまうという問題がある。また、マスクの開口部は、ＳｉＣが露出しているためゲート領域が汚染する可能性があり、選択導電領域の品質が低下する可能性があるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、従来例よりも深い選択導電領域の形成に利用でき、かつ選択導電領域の高品質化が可能なイオン注入マスクおよびその製造方法、並びにイオン注入マスクを用いた炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るイオン注入マスクおよびその製造方法、並びにイオン注入マスクを用いた炭化珪素半導体装置およびその製造方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【０００９】
第１のイオン注入マスク（請求項１に対応）は、半導体基板上の全面に形成された保護膜である酸化膜と、イオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層と、酸化膜とイオン阻止層との間に、酸化膜とイオン阻止層とを密着させる金属薄膜と、を有することで特徴づけられる。
【００１０】
上記の構成では、イオン阻止層は、従来マスクとして用いられていたシリコン酸化膜に比べて密度が高い金属からなるため、そのイオン阻止層を構成要素として持つイオン注入マスクは、従来のマスクに比べてイオン阻止能が高い。そのため、このイオン阻止層は、より高エネルギーのイオンを阻止することができるので、このイオン阻止層を構成要素にもつイオン注入マスクを用いてイオン注入を行うことにより、深い選択導電領域が半導体中に形成される。
【００１１】
第２のイオン注入マスク（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは金属薄膜は、イオン阻止層に用いる金属より酸化しやすいことで特徴づけられる。
【００１２】
上記の構成では、イオン注入マスクを構成する金属薄膜は、イオン阻止層に用いる金属より酸化しやすいため、酸化膜の酸素原子と金属薄膜の金属原子との原子間結合が酸化膜とイオン阻止層の金属原子との原子間結合よりも強いので、イオン阻止層と酸化膜との間の金属薄膜は、イオン阻止層が剥離することを防止させる働きを有している。
【００１３】
第３のイオン注入マスク（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは酸化膜はシリコン酸化膜であり、金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることで特徴づけられる。
【００１４】
上記の構成では、イオン阻止層が、従来イオン注入マスクとして用いられているシリコン酸化膜に比べて密度が高いモリブデンまたはタングステンからなるため、シリコン酸化膜に比べてイオン阻止能が高い。そのため、このイオン阻止層は、より高エネルギーのイオンを阻止することができるので、このイオン阻止層を構成要素にもつイオン注入マスクを用いてイオン注入を行うことにより、深い選択導電領域が半導体中に形成される。また、このイオン注入マスクを構成する金属薄膜として用いるチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウムまたはクロムの薄膜は、イオン阻止層に用いるモリブデンまたはタングステンより酸化しやすいため、酸化膜の酸素原子と金属薄膜のチタン原子、ジルコニウム原子、バナジウム原子、ニオブ原子、ハフニウム原子またはクロム原子との原子間結合が酸化膜とイオン阻止層のモリブデン原子またはタングステン原子との原子間結合よりも強いので、イオン阻止層と酸化膜との間のチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウムまたはクロムの薄膜は、イオン阻止層が剥離することを防止させる働きを有している。
【００１５】
第４のイオン注入マスク（請求項４に対応）は、半導体基板上の全面に形成された保護膜である窒化膜と、イオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層と、窒化膜とイオン阻止層との間に、窒化膜とイオン阻止層とを密着させる金属薄膜と、を有することで特徴づけられる。
【００１６】
上記の構成では、イオン阻止層は、従来マスクとして用いられていたシリコン酸化膜に比べて密度が高い金属からなるため、そのイオン阻止層を構成要素として持つイオン注入マスクは、従来のマスクに比べてイオン阻止能が高い。そのため、このイオン阻止層は、より高エネルギーのイオンを阻止することができるので、このイオン阻止層を構成要素にもつイオン注入マスクを用いてイオン注入を行うことにより、深い選択導電領域が半導体中に形成される。
【００１７】
第５のイオン注入マスク（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは金属薄膜は、イオン阻止層に用いる金属より窒化しやすいことで特徴づけられる。
【００１８】
上記の構成では、イオン注入マスクを構成する金属薄膜は、イオン阻止層に用いる金属より窒化しやすいため、窒化膜の窒素原子と金属薄膜の金属原子との原子間結合が窒化膜とイオン阻止層の金属原子との原子間結合よりも強いので、イオン阻止層と窒化膜との間の金属薄膜は、イオン阻止層が剥離することを防止させる働きを有している。
【００１９】
第６のイオン注入マスク（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは窒化膜はシリコン窒化膜であり、金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることで特徴づけられる。
【００２０】
上記の構成では、イオン阻止層が、従来イオン注入マスクとして用いられているシリコン酸化膜に比べて密度が高いモリブデンまたはタングステンからなるため、シリコン酸化膜に比べてイオン阻止能が高い。そのため、このイオン阻止層は、より高エネルギーのイオンを阻止することができるので、このイオン阻止層を構成要素にもつイオン注入マスクを用いてイオン注入を行うことにより、深い選択導電領域が半導体中に形成される。また、このイオン注入マスクを構成する金属薄膜として用いるチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウムまたはクロムの薄膜は、イオン阻止層に用いるモリブデンまたはタングステンより窒化しやすいため、窒化膜の酸素原子と金属薄膜のチタン原子、ジルコニウム原子、バナジウム原子、ニオブ原子、ハフニウム原子またはクロム原子との原子間結合が窒化膜とイオン阻止層のモリブデン原子またはタングステン原子との原子間結合よりも強いので、イオン阻止層と窒化膜との間のチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウムまたはクロムの薄膜は、イオン阻止層が剥離することを防止させる働きを有している。
【００２１】
第１のイオン注入マスクの製造方法（請求項７に対応）は、半導体基板上の全面に保護膜である酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、酸化膜上に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、金属薄膜上にイオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層を形成するイオン阻止層形成工程と、を有することで特徴づけられる。
【００２２】
第２のイオン注入マスクの製造方法（請求項８に対応）は、上記の方法において、好ましくは金属薄膜は、イオン阻止層に用いる金属より酸化しやすいことで特徴づけられる。
【００２３】
第３のイオン注入マスクの製造方法（請求項９に対応）は、上記の方法において、好ましくは酸化膜はシリコン酸化膜であり、金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることで特徴づけられる。
【００２４】
第４のイオン注入マスクの製造方法（請求項１０に対応）は、半導体基板上の全面に保護膜である窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、窒化膜上に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、金属薄膜上にイオン阻止能を有する金属からなるイオン阻止層を形成するイオン阻止層形成工程と、を有することで特徴づけられる。
【００２５】
第５のイオン注入マスクの製造方法（請求項１１に対応）は、上記の方法において、好ましくは金属薄膜は、イオン阻止層に用いる金属より窒化しやすいことで特徴づけられる。
【００２６】
第６のイオン注入マスクの製造方法（請求項１２に対応）は、上記の方法において、好ましくは窒化膜はシリコン窒化膜であり、金属薄膜は少なくともチタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムのいずれかを用いた薄膜であり、イオン阻止層に用いる金属はモリブデンまたはタングステンであることで特徴づけられる。
【００２７】
炭化珪素半導体装置（請求項１３に対応）は、第１の導電型の低抵抗層である炭化珪素半導体基板に形成された第１の導電型の高抵抗層と、第１導電型の低抵抗層からなるソース領域と、上記の構成のイオン注入マスクを用いてイオン注入を行い形成された第２導電型の低抵抗層であるゲート領域と、ソース電極とゲート電極とドレイン電極と、を有することで特徴づけられる。
【００２８】
炭化珪素半導体装置の製造方法（請求項１４に対応）は、第１の導電型の低抵抗層である炭化珪素半導体基板に第１の導電型の高抵抗層を形成する高抵抗層形成工程と、ソース領域となる第１導電型の低抵抗層を形成する低抵抗層形成工程と、上記の構成のイオン注入マスクを用いてイオン注入を行い第２導電型の低抵抗層であるゲート領域を形成するゲート領域形成工程と、ソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成する電極形成工程と、を有することで特徴づけられる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、イオン阻止層は、従来マスクとして用いられていたシリコン酸化膜に比べて密度が高い金属からなるため、そのイオン阻止層を構成要素として持つイオン注入マスクは、従来のマスクに比べてイオン阻止能が高い。そのため、このイオン阻止層は、より高エネルギーのイオンを阻止することができるので、このイオン阻止層を構成要素にもつイオン注入マスクを用いてイオン注入を行うことにより、深い選択導電領域が半導体中に形成される。また、このイオン注入マスクを構成する金属薄膜は、イオン阻止層に用いる金属より酸化しやすいため、酸化膜の酸素原子と金属薄膜の金属原子との原子間結合が酸化膜とイオン阻止層の金属原子との原子間結合よりも強いので、イオン阻止層と酸化膜との間の金属薄膜は、イオン阻止層が剥離することを防止させる働きを有している。
また、本発明によれば、イオン注入マスクが数種類の材料からなる多層膜であるため、材料の種類によってエッチング速度を異なるようエッチング条件を制御することにより、容易に酸化膜、あるいは窒化膜だけを残すことが可能となる。それらのエッチングされずに残った酸化膜あるいは窒化膜によって半導体基板を汚染から保護することができる。そのため、高品位で安定したプロセスが実現できる。
また、本発明によれば、上述のように深い選択導電領域が半導体中に形成することができ、高品位で安定したプロセスが実現できるので、高品質の炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１と図２は、それぞれ本発明のイオン注入マスク１０の基本構造を示す縦断面図と平面図である。このイオン注入マスク１０は、例えば、ＳｉＣパワーデバイスを作製するときのイオン注入プロセスで用いることができるマスクである。そこで、例として、ＳｉＣ接合型電界効果トランジスタのゲート領域を作製するためのマスクとして説明する。図２は、５本のソース領域の周囲に選択導電領域であるゲート領域を形成するため開口部１７を設けた作製途中の基板１１の上部から見たイオン注入マスク１０の一部を示す。図１は、図２のＡ−Ａ線断面での構造を拡大して示している。ＳｉＣ基板１１には、ドレイン領域やソース領域などのゲート領域作製までの前工程により作製された構造が形成されているが、本実施形態では、イオン注入マスクの構造を説明するためのものであるので、それらの構造は省略している。
【００３２】
イオン注入マスク１０は、ＳｉＣ基板１１上の全面に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第１の酸化膜１２と、第１の酸化膜１２の上に形成されたチタン（Ｔｉ）からなる第１の金属薄膜１３と、第１の金属薄膜１３の上に形成されたモリブデン（Ｍｏ）からなるイオン阻止層１４と、イオン阻止層１４の上に形成されたチタンからなる第２の金属薄膜１５と、第２の金属薄膜１５の上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第２の酸化膜１６からなっている。また、開口部１７は、ゲート領域を形成するためにイオンを注入するために第１の酸化膜１２だけを残して開けた部分である。
【００３３】
イオン阻止層１４は、従来マスクとして用いられていたシリコン酸化膜に比べて密度が高い金属からなるため、そのイオン阻止層１４を構成要素として持つイオン注入マスク１０は、従来のマスクに比べてイオン阻止能が高い。そのため、このイオン阻止層１４は、より高エネルギーのイオンを阻止することができ、このイオン阻止層１４を構成要素にもつイオン注入マスク１０を用いて高エネルギーのイオン注入を行うことにより、マスク部分は十分にイオン阻止をしつつ、より深い選択導電領域（ゲート領域）が半導体中に形成される。
【００３４】
また、イオン阻止層１４に用いるモリブデンという金属は、スパッタリング装置や蒸着装置により容易に成膜することができ、また、エッチング加工も容易に行うことができる。すなわち、従来の半導体プロセス装置をそのまま適用して、モリブデンを用いたプロセス処理が可能である。さらに、モリブデンは、ＳｉＣ基板１１との熱膨張係数の差が少ないため、モリブデンからなるイオン阻止層１４を高温で成膜した後、その基板を室温に戻したときに、イオン阻止層１４に働く熱応力が少ない。そのため、イオン阻止層１４にクラックなどが入りにくく、高品質のイオン阻止層１４を形成することができる。それゆえ、イオン注入時に、そのイオン阻止層１４により良好に注入イオンを阻止することができる。
【００３５】
また、このイオン注入マスク１０を構成する第１の金属薄膜１３と第２の金属薄膜１５に用いるチタン薄膜は、イオン阻止層１４に用いる金属であるモリブデンより酸化しやすい。すなわち、酸化膜１２，１６の酸素原子と金属薄膜１３，１５のチタン原子との原子間結合が酸化膜１２，１６とイオン阻止層１４のモリブデン原子との原子間結合よりも強いので、イオン阻止層１４と酸化膜１２，１６との間のチタン薄膜からなる金属薄膜１３，１５は、イオン阻止層１４が剥離することを防止させる密着層としての働きを有している。
【００３６】
上記のチタンがモリブデンに比べて酸化しやすい理由を説明する。イオン注入マスク１０の使用温度範囲で酸化しやすいことの目安として、酸化反応の標準自由エネルギー変化（あるいは標準自由エネルギー変化にエントロピー変化を加えた標準生成エンタルピー変化）が用いられる。酸化反応における標準自由エネルギー変化の負の絶対値が大きければ大きいほど酸化しやすいと考えられる。図３の表１は、各金属の酸化反応における金属１ｍｏｌ当たりの標準生成エンタルピー変化ΔＨ０を示す表である。表１に示されるように、モリブデンの酸化反応における標準生成エンタルピー変化は−５４３．５（kJ/mol）であり、チタンの酸化反応における標準生成エンタルピー変化は−９１６．３（kJ/mol）である。それゆえ、チタンの方が、モリブデンよりも酸化反応における標準生成エンタルピーの負の絶対値が大きい。したがって、それらの値に酸化反応におけるエントロピー変化を差し引いた標準自由エネルギーの負の絶対値もチタンの方がモリブデンよりも大きいために、チタンの方がモリブデンよりも酸化しやすいと言うことができる。
【００３７】
また、チタンは、通常のスパッタリング装置や蒸着装置により容易に成膜することができ、また、エッチング加工も容易に行うことができる。そのため、第１の金属薄膜と第２の金属薄膜に用いる金属としてふさわしいものである。なお、通常の半導体プロセスに適用可能であり、酸化し易く、密着層としての機能を満たすものであれば、金属薄膜１３，１５としてチタン以外の材料を用いても良い。チタン以外では、例えば、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、クロムが考えられる。
【００３８】
第２の酸化膜１６は、イオン阻止層１４を形成するモリブデンをエッチングする処理の時のマスクとして機能させるために形成している。なお、モリブデン層上に直接フォトレジストが形成できれば、第２の金属薄膜１５や第２の酸化膜１６は不要となる。ただし、従来のＣＦ４／Ｏ２混合ガスを使用する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたモリブデンエッチング時の処理装置の反応系では、モリブデン上に直接フォトレジスト形成ができないため、第２の酸化膜１６を設ける。
【００３９】
図１で示したイオン注入マスク１０は、少なくとも３ＭｅＶ以上のアルミニウムイオン注入の阻止層として機能するマスク構造として用いられる。主として高エネルギーイオンを阻止するイオン阻止層１４として用いたモリブデンは、半導体プロセス装置で数μｍの厚さの膜が形成でき、イオン阻止能力が高く、半導体プロセスでの加工性に優れ、熱膨張係数が半導体材料に近い材料である。
【００４０】
なお、モリブデン以外にも例えば、タングステンも上記の性質を持っているため、イオン阻止層１４として用いることができる。図３の表１に示されるように、タングステンの酸化反応における標準生成エンタルピー変化は−５６９．９（kJ/mol)であり、チタンの酸化反応における標準生成エンタルピー変化−９１６．３（kJ/mol)に比べて負の絶対値が小さく、モリブデンと同様酸化しにくい。そのため、第１の金属薄膜１３としてチタン薄膜を用いることにより、タングステンを用いたイオン阻止層１４は、第１の酸化膜１２から剥がれにくくなる。さらに、タングステンはＳｉＣと熱膨張係数の差が少ないため、タングステンからなるイオン阻止層１４を高温で形成後に室温に戻したときに、イオン阻止層１４に働く熱応力が少ないために、イオン阻止層１４にはクラックが入りにくい。したがって、タングステンを用いることにより高品質のイオン阻止層１４を形成することができ、良好に注入イオンを阻止するイオン注入マスクを形成することができる。
【００４１】
図４では、上記のようなモリブデンのイオン阻止能が優れることを確認するために行ったシミュレーション結果を示す。図４は、３ＭｅＶのエネルギーでアルミニウムを注入した場合での、シリコン酸化物中とモリブデン中のアルミニウムの分布のシミュレーション結果である。横軸は、注入されている深さを示し、縦軸は、アルミニウム濃度を示す。白丸プロットＰ１０は、モリブデン中にアルミニウムイオンを注入したときの各注入深さでのアルミニウム濃度を示す。また、黒丸プロットＰ１１は、シリコン酸化物中にアルミニウムイオンを注入したときの各注入深さでのアルミニウム濃度を示す。アルミニウムのピーク濃度の約１×１０１９ｃｍ−３に対して３桁低い１×１０１６ｃｍ−３以下の濃度に落ちる厚さは、シリコン酸化物で約３μｍ、モリブデンで約１．７μｍである。このように、阻止層にモリブデンを用いることでマスクの厚みを１／２近くまで低減できることが期待できる。
【００４２】
イオン注入する際には、汚染を防ぐために半導体表面を露出させずに薄いシリコン酸化膜などで覆うことが望ましい。このため、本発明では、図１で示したように、半導体表面はシリコン酸化膜からなる第１の酸化膜１２で覆っている。
【００４３】
上記に説明したような、イオン注入マスク１０は、３ＭｅＶ以上の高エネルギーのアルミニウムイオンを阻止できる。また、イオン阻止層１４に用いるモリブデン、あるいはタングステンの熱膨張係数とＳｉＣ基板１１の熱膨張係数の差が小さいので、イオン阻止層１４形成時の高温から室温に戻したときのイオン阻止層１４に働く熱応力が小さいため、品質の良いイオン注入マスク１０を形成することができる。さらに、第１の酸化膜１２とイオン阻止層１４の間にモリブデンやタングステンよりも酸化しやすいチタンからなる第１の金属薄膜１３を挿入するため、イオン阻止層１４の剥がれを防止することができる。
【００４４】
また、モリブデンは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの半導体プロセスを用いてシリコン酸化物などに対してエッチング選択比を確保した条件での加工が可能である。最上層の第２の酸化膜１６をマスクにしてモリブデンあるいはタングステンをエッチングする際に、モリブデンあるいはタングステンと第１の酸化膜１２とのエッチング速度比が高い条件を用いることでモリブデンあるいはタングステンのエッチングを速い速度で行い、モリブデンあるいはタングステン、およびチタンのエッチングが完了した後で、ＳｉＣ上の第１の酸化膜１２が露出した時点でエッチング速度が低下するために、その時点でエッチングを停止することが容易である。それにより、ＳｉＣ表面を汚染から保護する第１の酸化膜１２をほとんどエッチングせずにエッチング工程を完了させることが容易である。さらに、エッチングの終点検出に、光学的な干渉を利用する手法を取り入れることで、より高精度にエッチング工程を制御することができる。
【００４５】
図５は、本発明のイオン注入マスク１０の製造方法を示すフローチャートである。イオン注入マスク１０の製造方法は、半導体基板上の全面にシリコン酸化膜からなる第１の酸化膜１２を形成する第１酸化膜形成工程（ステップＳ１１）と、第１の酸化膜１２上にチタンからなる第１の金属薄膜１３を形成する第１金属薄膜形成工程（ステップＳ１２）と、第１の金属薄膜１３上にモリブデンからなるイオン阻止層１４を形成するイオン阻止層形成工程（ステップＳ１３）と、イオン阻止層１４上にチタンからなる第２の金属薄膜１５を形成する第２金属薄膜形成工程（ステップＳ１４）と、第２の金属薄膜１５上にシリコン酸化膜からなる第２の酸化膜１６を形成する第２酸化膜形成工程（ステップＳ１５）と、を有している。なお、既述の如く、使用する処理装置によっては、ステップＳ１４、ステップＳ１５、ステップＳ１７は省略できる。この製造方法での第１の金属薄膜１３と第２の金属薄膜１５に用いるチタンは、イオン阻止層１４に用いるモリブデンよりも酸化しやすい。また、イオン注入マスク１０の製造方法は、レジストパターン形成工程（ステップＳ１６）と、第２の酸化膜エッチング工程（ステップＳ１７）と、イオン阻止層エッチング工程（ステップＳ１８）を有している。
【００４６】
次に図６と図７により本発明のイオン注入マスク１０を形成する工程を説明する。基板１１には４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面から８°オフの基板を用いる（図６（ａ））。第１酸化膜形成工程（ステップＳ１１）では、基板１１を洗浄後、熱酸化してＳｉＣ表面にシリコン酸化膜を形成する。この層が第１の酸化膜１２となる。一例としてドライ酸素雰囲気で温度１１００℃、時間２０ｈの酸化で、約５０ｎｍの酸化膜が形成できる。酸化膜１２は、化学気相堆積法（Chemical Vapor Deposition : CVD）でも形成可能である。
【００４７】
次に、第１金属薄膜形成工程（ステップ１２）において、５０ｎｍの厚さのチタンをスパッタリングにより堆積し、第１の金属薄膜１３を形成する。イオン阻止層形成工程（ステップＳ１３）では、２．３μｍの厚さのモリブデンをスパッタリングにより堆積し、イオン阻止層１４を形成する。
【００４８】
イオン阻止層１４として用いるモリブデンの厚さ２．３μｍは、図８で示す実験結果から決定した。図８は、Ｓｉ半導体表面にＭｏ膜を形成した試料に、最大注入エネルギー３ＭｅＶ、Ａｌ濃度５×１０１９ｃｍ−３の１１段の多段イオン注入を行い、Ｓｉ半導体表面でのＡｌ濃度を測定した結果である。横軸は、モリブデンの厚さを示し、縦軸は、半導体表面でのアルミニウム濃度を示す。実際のイオン注入では、図３で示したシミュレーション結果では考慮されていないなだらかな注入イオンの分布があるために計算結果よりも厚いＭｏ層が必要であるが、２．３μｍの厚さのモリブデンで十分にＡｌイオンを阻止できていることが分かる。それゆえ、本実施形態では、イオン阻止層１４の厚さとして２．３μｍを用いた。なお、厚さ２．３μｍ以上ではＡｌ濃度が変化していないが、これは、使用した測定器の測定限界が原因だと考えられる。
【００４９】
続いて、第２金属薄膜形成工程（ステップＳ１４）では、５０ｎｍの厚さのチタンをスパッタリングにより堆積し、第２の金属薄膜１５を形成する。
【００５０】
さらに、第２酸化膜形成工程（ステップＳ１５）では、ＣＶＤ法などで１．２μｍのシリコン酸化膜を形成する。この層が第２の酸化膜１６となる。以上の工程で図６（ｂ）で示すイオン注入多層膜が形成できる。なお、ここで用いた各層の厚さは、一例であり、形成しようとするイオン注入層の深さに応じて、適宜変更することができる。
【００５１】
多層膜を形成した後は、以下の加工を行う。まず、レジストパターン形成工程（ステップＳ１６）では、通常のフォトリソグラフィー工程で多層膜上にフォトレジスト１８によりフォトレジストパターンを形成する（図６（ｃ））。
【００５２】
次に、第２の酸化膜エッチング工程（ステップＳ１７）では、フォトレジスト１８をマスクとしてシリコン酸化膜からなる第２の酸化膜１６の加工を行う（図７（ａ））。例えば、ＣＨＦ３とアルゴン、酸素などの混合ガス中での反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でエッチングできる。
【００５３】
シリコン酸化膜のエッチング後、酸素プラズマでフォトレジスト１８を除去する。
【００５４】
その後、イオン阻止層エッチング工程（ステップＳ１８）では、ＣＦ４と酸素の混合ガス中でのＲＩＥなどでシリコン酸化膜をマスクとして第２の金属薄膜１５とイオン阻止層１４と第１の金属薄膜１３（Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉ層）のエッチングを行う（図７（ｂ））。エッチング条件を調整することで、Ｍｏ／シリコン酸化膜のエッチング速度比を３以上にすることができる。下層のチタン（第１の金属薄膜１３）のエッチングが完了した段階でエッチングを停止する。
【００５５】
シリコン酸化膜１２のエッチングレートが遅い条件でエッチングしているために、下層のシリコン酸化膜１２を残した状態でプロセスを完了することが容易である。また、基板上に設けた観測部分を用いて光学的な干渉によりエッチング状態をモニターしながらプロセスを行うことで、より精密な制御が可能である。
【００５６】
上記のようにして作製したイオン注入マスク上から矢印２０で示すアルミニウムイオンを高エネルギー（例えば、３ＭｅＶ）でイオン注入することで、開口部１７から基板１１にアルミニウムイオンが注入され、選択導電領域２１（ゲート領域）が形成される（図７（ｃ））。
【００５７】
上記のように製作したイオン注入マスク１０を用いて最大３ＭｅＶ、濃度１×１０１９ｃｍ−３のアルミニウムのイオン注入を行ったところ、アルミニウムの濃度が１×１０１６ｃｍ−３まで低下する地点で定義した注入深さは、約２．５μｍであった。また、イオン注入時の温度を８００℃として注入を行った場合でも、パターンの崩れなどの問題はまったく生じなかった。また、これらの技術を利用して接合型電界効果トランジスタを試作し、良好な特性を得ている。
【００５８】
図９は、上述のイオン注入マスク１０を用いて形成した、本発明の実施形態である炭化珪素半導体装置３０（例として接合型電界効果トランジスタ）の一部の断面構造を示す。この接合型電界効果トランジスタ３０は、ｎ型低抵抗層であるドレイン領域３１とｎ型高抵抗層であるドリフト領域３２とｎ型低抵抗領域のソース領域３３とそれらソース領域３３を囲むように形成されたｐ型低抵抗領域のゲート領域３４とドレイン電極３５とソース電極３６とゲート電極３７とを有する。この構造では、主電極の一つのドレイン領域３１となる低抵抗ｎ＋ＳｉＣ基板上に高抵抗ｎ−層（３２）がエピタキシャル成長により形成されている。高抵抗ｎ−層（３２）の表面にはもう一方の主電極となるソース領域３３が設けられている。図１５で示した従来の接合型電界効果トランジスタ１００と同様、単一のソース領域３３とソース電極３６は細長い形状をしており、互いに分離された多数のソース電極３６が配列されている。ソース電極３６の周囲には制御電極であるゲート電極３７が設けられている。ソース電極３６とドレイン電極３５の間に流れる電流のオン・オフをゲート電極３７に印加する信号で制御する。また、この接合型電界効果トランジスタ３０では、ゲート領域３４を作製するときに、イオン注入マスク１０を用いてアルミニウムを高エネルギーでイオン注入することにより、図１４で示したような従来の接合型電界効果トランジスタ１００のゲート領域１０４よりも深いゲート領域３４が形成されている。
【００５９】
図１０は、本実施形態に係る接合型電界効果トランジスタ３０の動作を説明する図である。図１０（ａ）では、この接合型電界効果トランジスタ３０に、ソース電極３６とドレイン電極３５間にドレイン電圧ＶＤが印加され、ゲート電極３７にピンチオフ電圧以下の電圧が印加されている状態を示す。このとき、ゲート領域３４のドリフト領域内で空乏領域ｄｒが広がり、ソース領域３３からの電子（矢印ｅ）は、空乏層ｄｒに阻まれて、電子は、ドリフト領域を流れない。一方、図１０（ｂ）に示すように、ゲート電極３７にピンチオフ電圧以上の電圧が印加されたとき、空乏層が狭まり、ソース電極３６とドレイン電極３５間に電子（矢印ｅ２）が流れ、電流が流れる。また、図１０（ｃ）に示すようにさらにゲート電極３７に電圧を印加すると、ゲート領域３４からドリフト領域３２への正孔（矢印ｈ１）の注入が起こる。それにより、電荷中性化条件を満たすように、ソース領域３３から電子（矢印ｅ１）の注入がおこり、高抵抗層３２の伝導度変調が起こる。それにより、高抵抗層３２の伝導度変調が生じ、オン抵抗も低下する。
【００６０】
図１４で示した従来の製造方法で作製した接合型電界効果トランジスタ１００の構造では、ゲート領域１０４が深く形成されていないため、ピンチオフ電圧が、ゼロボルト以下であり、ノーマリオンの特性を有している。しかしながら、本発明の接合型電界効果トランジスタ３０では、ゲート領域３４が深く形成されているため、ピンチオフ電圧が、ゼロボルト以上であり、ノーマリオフの特性を有している。
それゆえ、本発明での接合型電界効果トランジスタ３０は、何らかの異常が発生してゲートへの制御信号が途絶えた場合に、オフ状態になる特性を有している。
【００６１】
次に、本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明する。図１１は、本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法により接合型電界効果トランジスタを製造する工程を示すフローチャートである。また、図１２と図１３は、各工程での構造断面図である。炭化珪素半導体装置の製造方法は、第１の導電型（ｎ＋型）の炭化珪素半導体基板３１にｎ−型高抵抗層３２を形成する高抵抗層形成工程（ステップＳ２１）と、ソース領域となる第１導電型（ｎ＋型）の低抵抗層３３を形成する低抵抗層形成工程（ステップＳ２２）と、イオン注入マスク１０を用いてイオン注入を行い第２導電型（ｐ＋型）のゲート領域３４を形成するゲート領域形成工程（ステップＳ２３）と、ソース電極３６とゲート電極３７とドレイン電極３５を形成する電極形成工程（ステップＳ２４）と、を有している。
【００６２】
高抵抗層形成工程（ステップＳ２１）では、エピタキシャル成長法によりＳｉＣ（炭化珪素）高濃度ｎ型基板３１上に、厚さ１０μｍで濃度１×１０１６ｃｍ−３の窒素を不純物としてドープしたＳｉＣ層３２をエピタキシャル成長させる（図１２（ａ））。次に、低抵抗層形成工程（ステップＳ２２）では、ＳｉＣ層３２にイオン注入により厚さ０．２〜０．４μｍで濃度１〜５×１０１９ｃｍ−３の窒素を不純物としてドープしたソース層３３を形成する（図１２（ｂ））。
【００６３】
次にゲート領域形成工程（ステップＳ２３）では、ｐ型ゲート領域は、選択イオン注入によって形成する。図１２（ｃ）において、まず、表面にゲート領域を形成しない領域を保護するための本発明のイオン注入マスク１０を形成する。図１２中の符号１２は、シリコン酸化膜である。
【００６４】
イオン注入マスク１０を形成した後、ゲート領域３４を形成するための高エネルギーのイオン注入を行う（図中矢印Ａ）（図１２（ｄ））。
【００６５】
イオン注入後、イオン注入マスク１０をエッチングで除去する（図１３（ａ））。
【００６６】
イオン注入後に、注入イオンを半導体中で電気的に活性化するとともにイオン注入で発生した結晶欠陥を消すための活性化熱処理を行う。例えば、高周波熱処理炉などを用い、１７００〜１８００℃程度の高温下で約１０分程度の熱処理を行う。雰囲気ガスにはアルゴンを用いる。
【００６７】
その後、ソース電極３６、ゲート電極３７、ドレイン電極３５を形成する（図１３（ｂ））。ソース電極３６、ドレイン電極３５にはニッケルやチタンを用い、ゲート電極３７にはチタン・アルミニウムなどを用いる。各電極は、蒸着やスパッタリングなどで形成し、パターン形成には、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング、ウェットエッチング、リフトオフ法などが利用できる。また、電極形成後には、金属と半導体の接触抵抗を低減するために熱処理を行う。条件は、８００〜１０００℃、１０〜３０分程度である。
【００６８】
最後に、分離されているソースをひとつの電極に取り出すための上層配線工程を行う。例えば、ＣＶＤ酸化膜などを層間膜として形成した後、フォトリソグラフィー工程とエッチングによりソース電極３６部分のＣＶＤ酸化膜などを取り除きソース電極３６を露出させたあと上層電極を堆積させる。電極材料にはアルミニウムを用いる。
【００６９】
このようにして、図９で示したノーマリオフ特性を有する高性能の炭化珪素半導体装置３０を作製することができる。なお、各層の厚みやイオン注入エネルギー量など本実施例で示した具体的数値はあくまでも一例であり、本発明を実現する範囲で適宜変更可能である。
【００７０】
なお、本実施形態においては、イオン阻止層１４としてモリブデンを用いたがタングステンを用いることもできる。第１の酸化膜１２と第２の酸化膜１６にシリコン酸化物を用いて説明したが、それに限らず、第１の酸化膜１２と第２の酸化膜１６は、シリコン酸化膜以外の他の酸化膜で形成しても良い。また、第１の酸化膜１２と第２の酸化膜１６の代わりに、シリコン窒化膜あるいは、シリコン窒化膜以外の他の窒化膜を用いても良い。このとき、上述の如く、第１の金属薄膜１３と第２の金属薄膜１５には、通常の半導体プロセスが適用可能であって、イオン阻止層１４に用いる金属より窒化しやすく、かつ密着層として十分に機能する材料を用いる。例えば、第１の金属薄膜１３と第２の金属薄膜１６にはチタン薄膜が好ましい。
【００７１】
なお、図１に示した本発明のイオン注入マスク１０では、第１の酸化膜１２，第１の金属薄膜１３、イオン阻止層１４、第２の金属薄膜１５および第２の酸化膜１６は、それぞれ単層で構成したが、同様の機能を満たすものであれば他の素材と組み合わせて多層としてもよい。例えば、密着層である第１の金属薄膜１３は、チタン等による多層構造としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、半導体基板にイオン注入法によりゲート領域などの選択導電領域を形成するときに使用するイオン注入マスクとして利用でき、また、そのイオン注入マスクを製造するときの方法として利用でき、さらに、炭化珪素半導体装置を製造する方法として利用でき、また、その製造方法を用いて製造した炭化珪素半導体装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態に係るイオン注入マスクの基本構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るイオン注入マスクの基本構造を示す平面図である。
【図３】各金属の酸化反応における標準生成エンタルピー変化ΔＨ０を示す表である。
【図４】３ＭｅＶのエネルギーでアルミニウムをイオン注入した場合での、シリコン酸化物とモリブデン中のアルミニウムの分布のシミュレーション結果である。
【図５】本発明の実施形態に係るイオン注入マスクの製造方法によりイオン注入マスクを製造する工程を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態に係るイオン注入マスクの製造方法によりイオン注入マスクを製造する各工程での半導体基板の断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るイオン注入マスクの製造方法によりイオン注入マスクを製造する各工程での半導体基板の断面図である。
【図８】半導体基板にモリブデン膜を形成した試料にアルミニウムイオンをイオン注入したときの半導体表面でのアルミニウム濃度を測定した結果のグラフである。
【図９】本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の一部の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る接合型電界効果トランジスタの動作説明図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法により接合型電界効果トランジスタを製造する工程を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法により接合型電界効果トランジスタを製造する各工程での半導体基板の断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法により接合型電界効果トランジスタを製造する各工程での半導体基板の断面図である。
【図１４】従来の接合型電界効果トランジスタの一部の断面図である。
【図１５】従来の接合型電界効果トランジスタの平面図である。
【図１６】イオン注入法でゲート領域形成時の接合型電界効果トランジスタの断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０      イオン注入マスク
１１      基板
１２      第１の酸化膜
１３      第１の金属薄膜
１４      イオン阻止層
１５      第２の金属薄膜
１６      第２の酸化膜
１７      開口部
【図１】
2007042803.tif 000003
【図２】
2007042803.tif 000004
【図３】
2007042803.tif 000005
【図４】
2007042803.tif 000006
【図５】
2007042803.tif 000007
【図６】
2007042803.tif 000008
【図７】
2007042803.tif 000009
【図８】
2007042803.tif 000010
【図９】
2007042803.tif 000011
【図１０】
2007042803.tif 000012
【図１１】
2007042803.tif 000013
【図１２】
2007042803.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2007042803.tif 000016
【図１５】
2007042803.tif 000017
【図１６】
2007042803.tif 000018