(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化けい素エピタキシャル結晶板のエピタキシャル層の表面層に、ほう素のイオン注入とその後のアニールにより不純物領域を形成する炭化けい素半導体素子の製造方法において、ほう素のイオン注入前または後に、希ガス元素を用いてのイオン注入を行い、希ガスの飛程より深い格子間原子層と希ガスの飛程より浅い原子空孔層を形成し、該原子空孔層に前記ほう素のイオン注入とその後のアニールにより不純物領域を形成することを特徴とする炭化けい素半導体素子の製造方法。
【請求項２】
希ガス元素を用いてのイオン注入した後、多結晶炭化けい素容器が存在しない状態において高温アニールすることを特徴とする請求項１に記載の炭化けい素半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を材料とする半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、けい素（以下Ｓｉと記す）に代わる半導体材料の一つとしてＳｉＣが注目されている。ＳｉＣは、バンドギャップが４Ｈ−ＳｉＣで３．２５eVと、Ｓｉのそれ（１．１２eV）に比べて３倍近く大きいため、動作上限温度を高くできる。また、絶縁破壊電界強度が４Ｈ−ＳｉＣで３．０MV/cm と、Ｓｉのそれ（０．２５MV/cm）に比べて約１桁大きいため、絶縁破壊電界強度の３乗の逆数で効いてくるオン抵抗（＝通電時の順方向電圧／順方向電流）が低減され、定常状態での損失を低減できる。更に、熱伝導度も４Ｈ−ＳｉＣで４．９W/cmK とＳｉのそれ（１．５W/cmK ）に比べて３倍以上高いので、熱冷却効果が高く冷却装置を小型化できるという利点も生まれる。飽和ドリフト速度が２×１０7cm/sと大きいため、高速動作にも優れている。
【０００３】
このようなことからＳｉＣは、電力用半導体素子（以下パワーデバイスと称する）や高周波デバイス、高温動作デバイスなどへの応用が期待されている。現在、ＭＯＳＦＥＴ、ｐｎダイオード、ショットキーダイオード等が試作され、絶縁耐圧とオン抵抗に関しては、Ｓｉ半導体の特性を越えるデバイスが続出している。
【０００４】
このような素子作成には、選択された領域において導電型やキャリア濃度を制御し、或いは接合を形成する技術が必要である。その方法には、熱拡散法とイオン注入法とがある。Ｓｉ半導体素子では、数μm 以上の深い接合を形成する場合には熱拡散法が、深さ１μm 以下の比較的浅い接合を形成する場合にはイオン注入法が一般的に用いられる。しかしＳｉＣ中においては、不純物の拡散係数が非常に小さいため、熱拡散法の適用は難しく、ほとんど全ての場合に、イオン注入法が用いられているのが現状である。
【０００５】
イオン注入用のｐ型ドーパントとしては、アルミニウム（以下Ａｌと記す）またはほう素（以下Ｂと記す）が多く用いられている。
ＢはＡｌよりも原子量が小さいためにより深い注入をすることができる。
しかし、Ｂの場合、電気的に活性化するために必要なアニール温度は、Ａｌより２００℃程度高く、約１７００℃以上にしなければならないことが知られている［例えば、 T.Kimoto, A.Itoh, N.Inoue, O.Takemura, T.Yamamoto, T.Nakajima and H.Matsunami : Materials Science Forum vols.264-268, pp.675-680 (1998)参照］。
【０００６】
また、ＲＢＳ法などで、ＳｉＣ中に注入されたＢ或いはＡｌイオンの分布を測定すると、Ｂの方がＡｌより注入時の結晶へのダメージが少ないことが知られている［例えば、 T.Kimoto, A.Itoh, H.Matsunami, T.Nakata and M.Watanabe : J.Electron.Mater., vol.25, no.5, pp.879-884 (1996)参照］。一方、デバイス特性の面から見ると、例えばｐｎダイオードにおいては、Ｂをイオン注入したダイオードの方が、Ａｌ注入のものと比べ、オン抵抗が若干高くなるが、絶縁耐圧が高く、リーク電流が少ないという特徴がある［例えば、T.Kimoto, O.Takemura, H.Matsunami, T.Nakata and M.Inoue : J.Electron.Mater.,vol.27, no.4, pp.358-364 (1998)参照］。
【０００７】
このように、Ａｌ、Ｂにはどちらにもそれぞれ利点があるので、ｐ型ドーパントとして両方ともに必要であり、用途によって二種類を使い分けるのが賢明である。
先に記したようにイオン注入した後に、注入されたＢを電気的に活性化するためには、１７００℃以上の高温アニールを行う必要がある。
【０００８】
その高温アニールの際、ＳｉＣ基板の表面近傍の原子が蒸発して表面荒れや、組成ずれが起きるのを防止するため、通常、ＳｉＣ結晶板を多結晶ＳｉＣからなる容器中に入れて高温アニールをおこなう。また、高温アニールの際、ＳｉＣ基板表面に酸化膜があると、酸化膜中の酸素と反応して表面のエッチングが起きるので、それを防ぐため、表面の酸化膜をあらかじめ除去しておくことが重要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＳｉＣ結晶板にＢがイオン注入されている場合、高温アニール時にＢは、外方拡散によって、基板表面から外に脱離したり、少ないながらも内方拡散を生じる。これらの拡散現象のために、深さ方向において均一な濃度分布を得ることや、浅い接合を形成すること、高濃度のｐ型層を形成することが困難になるという問題がある。
【００１０】
高温アニール時におけるＢの拡散については、kick-outメカニズムが提唱されている［ M.Laube, G.Pensl and H.Itoh : Appl.Phys.Lett., vol.74, no.16, pp.2292-2294 (1999)参照］。このメカニズムは、以下のような平衡式で表される。
Ｂ(S) ＋Ｓｉ(I) ⇔Ｂ(I) ［式１］
ここで、(I) は(Interstitial = 格子間) 、(S) は(Substitutional = 置換) の略で、Ｂ(I) は格子間位置のＢを、Ｓｉ(I) は格子間位置のＳｉを、Ｂ(S) はＳｉＣ基板中のＳｉ位置を置換したＢである。そして、この式の意味するところは、ＳｉＣ基板中のＳｉ位置を置換して電気的に活性になっているＢ原子すなわち  Ｂ(S) は、格子間位置のＳｉ(I) によってその位置を追い出され、拡散係数の大きい格子間原子のＢ(I) となってしまうということである。
【００１１】
この機構は注入された不純物がどのような原子であっても起こり得るが、特にＢのような比較的原子量の小さい原子の場合、イオン注入後の高温アニール時に外方・内方拡散するという問題は大きい。イオン注入深さが浅い場合には、外方拡散により表面から不純物原子が容易に真空中に抜け出してしまう。このような問題に鑑み本発明の目的は、アニール時の不純物の拡散を抑制し、濃度プロファイルを保って、良好な特性のデバイスを作製する方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上に記した［式１］からＢを始めとする不純物原子の拡散を抑えるためには、格子間位置のＳｉ(I) を減少させることが有効であると考えられる。
そこで上記の課題を解決するため本発明は、炭化けい素エピタキシャル結晶板のエピタキシャル層の表面層に、不純物のイオン注入とその後のアニールにより不純物領域を形成する炭化けい素半導体素子の製造方法において、不純物のイオン注入前または後に、不純物のイオン注入領域近傍の格子間原子濃度を低める手段をおこなうものとする。
【００１３】
不純物のイオン注入領域近傍の格子間原子濃度を低める手段としては、不純物のイオン注入領域近傍のシリコン原子の空孔濃度を高めることが有効である。
第二の不純物イオン、例えば希ガス元素を不純物、例えばＢのイオン注入領域より深くイオン注入すると、イオンの注入方向への飛程（以下Ｒp と記す）より浅い領域においては、Ｓｉ、Ｃの空孔が生じ、Ｒp より深い領域においては、格子間位置のＳｉ、Ｃを生じることが知られている［例えば、 M.V.Rao, J.A.Gardner, P.H.Chi, O.W.Holland, G.Kelner, J.Kretchmer and M.Ghezzo : J.Appl.Phys., 81巻, no.10,6635-6641 頁、(1997 年)参照］。
【００１４】
従って、希ガス元素の注入深さをＢの注入深さよりも十分深くすれば、注入されたＢの周囲では、多くのＳｉ、Ｃの空孔が存在しており、Ｂは格子間位置のＳｉ原子にたたき出されることなく安定にＳｉ格子位置に存在できるため、Ｂの外方・内方拡散が抑制される。
また、第二の不純物のイオン注入の実施前または後に、エピタキシャル層の表面層にＣの注入をおこなうと良い。
【００１５】
Ｃのイオン注入によって、Ｃ空孔を減少させることができ、不純物を電気的に活性なＳｉ格子位置に安定して入れることができる。
また、不純物のイオン注入領域近傍のシリコン原子の空孔濃度を高める方法としては、ＳｉＣ基板に第二の不純物イオンを注入した後、多結晶ＳｉＣ容器が存在しない状態において高温アニールをおこなっても良い。
【００１６】
イオン注入によりＳｉ−Ｃ結合を切断し、その後高温でアニールすることによりＣより飽和蒸気圧の高いＳｉがイオン注入領域から蒸発していくので、イオン注入領域にはＳｉ空孔が形成される。その後に不純物のイオン注入をおこなえば、格子間原子の不純物、ＳｉともこれらのＳｉ空孔に捕獲されることが多く、格子間位置のＳｉによってＳｉ位置を置換している不純物がたたき出される確率が小さくなり、不純物の拡散が抑制される。
【００１７】
【００１８】
第二の不純物イオンとしては、希ガス元素が良い。
希ガス元素は比較的重く、原子空孔を発生し易い。一方高温アニールにより、容易に脱離する。
更に、ほう素イオンは原子半径が小さく拡散し易いので、本発明の方法により最も顕著な効果が得られる元素である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下実施例に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
［実施例１］
図１は本発明第一の製造方法を説明する断面図である。
ウェハとしては、(0001)Ｓｉ面から８°オフした面のｎ型４Ｈ−ＳｉＣの下地基板１上にエピタキシャル層２を成長したエピタキシャル結晶板を用いた。下地基板１のキャリア濃度は１×１０18cm-3であり、エピタキシャル層２のキャリア濃度は１×１０16cm -3 、厚さ１０μm である。
【００２０】
この基板にドーズ量５×１０14cm-2、注入エネルギー１MeV の条件にてアルゴン（以下Ａｒと記す）イオンの室温注入をおこなう。この時、Ａｒの注入方向への飛程（以下Ｒp と記す）は約１μmとなり、Ｒp より深い領域にはＳｉ、Ｃの格子間原子Ｓｉ(I) 、Ｃ(I) が多数存在する格子間原子層３が、Ｒp より浅い領域にはＳｉ、Ｃの空孔Ｓｉ(V) 、Ｃ(V) が多数存在する原子空孔層４が形成される。これらの注入層の境界は二次イオンスペクトロメトリー（ＳＩＭＳ）法による不純物の深さ方向分析におけるＡｒのピーク位置から分かる。
【００２１】
次に、格子間原子層３と原子空孔層４との境界より浅くなるように、Ｂの室温イオン注入をおこなった。注入エネルギーとドーズ量は、１００keV ／２．８×１０13cm-2、６０keV ／１．４×１０13cm-2、３０keV ／８×１０12cm-2の３段注入である。このイオン注入によりＢ層５を形成した。なお、１００keV におけるＢのＲp は、約０．３μmとなる。
【００２２】
その後、Ｂを活性化するために多結晶ＳｉＣ容器中にて１７００℃、３０分間、常圧Ａｒ雰囲気中においてアニールを行った。
以上の方法で注入したＢイオンについて、イオン注入直後と、活性化アニール後の深さ方向の濃度分布をＳＩＭＳ分析により測定した。その結果を図４に示す。横軸はＳｉＣ基板の表面からの深さ、縦軸は対数表示したＢ濃度である。比較のため同図に、Ａｒイオン注入をおこなわない従来方法による濃度分布も載せた。
【００２３】
イオン注入直後は、濃度２×１０18cm-3、深さ０．３μmの箱型（box ）プロフィルであった［図４（ａ）］。Ａｒイオン注入を実施しない場合は、活性化アニール後の分布は、表面直下に厚さの極めて薄い高濃度層が見られるだけであり、その下方の不純物濃度は、１０17cm-3より低くなってしまっている[ 同図（ｃ）］。この分布は外方・内方拡散が顕著に現れたためである。
【００２４】
しかしながら、本発明の手法を用いた場合には、活性化アニール後でもＢの拡散は抑制され、箱型プロフィルが保たれたことがわかる［同図（ｂ）］。
念のため、注入されたＢ原子が電気的に活性化されているかどうかを、ＣＶ（容量−電圧）法により測定したところ、アクセプタ濃度が１．５×１０18cm-3となり、活性化率も８３％とかなり高いことがわかった。
【００２５】
Ａｒイオン注入をＢイオン注入の後におこなった場合も同様の結果が得られた。［実施例２］
実施例１と同様の基板を用い、同様の条件にてＡｒのイオン注入を行った後、Ｂのイオン注入の前に、Ｃのイオン注入を加速電圧１３０keV 、ドーズ量２．８×１０13cm-2、８０keV ／１．４×１０13cm-2、４０keV ／８×１０12cm-2の条件にて実施した。その後のＢ注入条件、活性化アニール条件は実施例１と同様である。〔図２〕
実施例１と同様に注入したＢの箱型プロフィルが高温アニール後もほぼそのまま保たれ、しかも１００% 近く活性化されて、高濃度領域を形成できることが確認された。
【００２６】
［実施例３］
実施例１と同様の基板上にＡｒイオン注入を加速電圧２００keV 、ドーズ量５×１０14cm-2でおこなった。この時の投影飛程は約０．２μmになる。続いて、Ｂイオン注入条件としては３０keV/１×１０14cm-2の浅いイオン注入を行った。このときの投影飛程は約０．０７μmになる。
【００２７】
その後、多結晶ＳｉＣ容器を用いずにアニール炉に入れて１７００℃、３０分間、真空中にてアニールを行った。この時、Ａｒイオン注入層から蒸気圧の高いＳｉが選択的に脱離し、イオン注入層にはＳｉの空孔であるＳｉ(V) が多数生じる。
実施例１より効果は少なかったが、従来よりはＢの箱型プロフィルが保たれる傾向が見られた。方法が簡単で、容易に実施できる利点がある。
【００２８】
［参考例］
実施例１と同様の基板上にさらに１μm程度Ｓｉ／Ｃ比を下げて、エピタキシャル層の成長をおこなった。通常Ｓｉ／Ｃ比＝０．２５〜０．５で成長をおこなうのに対し、この例ではＳｉ／Ｃ比＝０．１とした。具体的なガス流量は、プロパン（Ｃ3 Ｈ8 ） :モノシラン（ＳｉＨ4 ）＝１：０．３sccm、成長温度１５００℃である。この方法により、Ｓｉ空孔を多く含有したエピタキシャル成長層７が形成される［図３］。その後のＢイオン注入条件、活性化アニール条件は実施例１の場合と同様である。
【００２９】
実施例１より効果は少なかったが、従来よりはＢの箱型プロフィルが保たれ、活性化率も高かった。この方法も容易に実施できる利点がある。
この例の機構は、次のように理解される。ガス流量を制御して、エピタキシャル成長層の表面近傍のみで、Ｓｉ／Ｃ比を下げることにより、不純物のイオン注入領域近傍のシリコン原子の空孔Ｓｉ(V) の濃度を高めることができる。多数のＳｉ(V) が形成され、そこに格子間位置のＳｉ(I) が捕獲されるので、結果的にＳｉ(I) が減少する。そして、置換位置から格子間位置にたたき出されるＢすなわちＢ(I) が減少し、拡散も抑制されるのである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、不純物のイオン注入前後に、例えば稀ガスイオンを注入することによって、不純物領域近傍のシリコン空孔濃度が高められて、シリコン格子間原子が減り、その結果、不純物格子間原子が減って、不純物の外方、内方への拡散を大幅に低減することができることを示した。
【００３１】
特に、原子半径が小さいため、格子間原子になりやすく、しかも活性化しにくいほう素のドーピングにおいて、イオン注入後の箱型プロフィルが、高温アニール後もほぼそのまま保たれ、しかも活性化率も高くて、高濃度を実現できることが確認された。
シリコン空孔濃度を高める方法としては他に、ＳｉＣ容器を用いないで高温アニールする方法も有効であった。
【００３２】
よって本発明は、炭化けい素半導体素子の発展、普及に大きな貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明第一の実施例の方法によるＳｉＣ半導体素子の断面図
【図２】  本発明第二の実施例の方法によるＳｉＣ半導体素子の断面図
【図３】  本発明参考例の方法によるＳｉＣ半導体素子の断面図
【図４】  ＳＩＭＳ法によるＢ濃度プロフィル、（ａ）はアニール前、（ｂ）は本発明第一の実施例の方法によるもの、（ｃ）は従来の製造方法によるもの
【符号の説明】
１… 下地基板(1018cm -3)
２… エピタキシャル層(1016cm -3-10 μm)
３… 格子間原子層
４… 原子空孔層
５… Ｂイオン注入層
６…  Ｃイオン注入層
７…  Ｓｉ空孔を多く含有したエピタキシャル層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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