JP4267810B2

JP4267810B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4267810B2
Application number: JP2000371122A
Authority: JP
Inventors: 秀明田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: JP2002175997A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣと記す）半導体基板（以下、ＳｉＣ基板と記す）を用いたＳｉＣ半導体装置の製造方法に係り、特に、ＳｉＣ基板に不純物拡散層を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳｉＣ半導体装置におけるＳｉＣ基板への不純物の局所的ドーピング技術としては、例えば特開平８−３１６１６４号公報に記載された技術が知られている。
【０００３】
上記従来技術は、ＳｉＣ基板の表面に不純物をドーピングした層を形成した後に、ＳｉＣ基板を５００℃〜１５００℃に加熱しながら、基板表面側から水素イオンまたはγ線を照射して不純物を拡散させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く、上記従来のＳｉＣ基板へ不純物を拡散させる方法においては、ＳｉＣ基板を所定の高温に加熱しながら、水素イオンまたはγ線を照射することによって不純物を拡散させるようにしていた。
【０００５】
したがって、水素イオン照射を行なった場合には、イオン照射によって基板表面にダメージが生じてしまう。また、γ線を照射する場合には、γ線の照射機が必要となるが、このγ線の照射機は広く普及しているものではなく、高価なので、コストが高くなってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、基板表面にダメージを生じることなく、低コストでＳｉＣ基板に不純物拡散領域を形成することのできるＳｉＣ半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、不純物を導入したＳｉＣ基板の格子間シリコン原子の数を増加させることにより、不純物の拡散定数を増大させ、上記課題を解決して、不純物拡散層を形成するものである。
【０００８】
すなわち、本発明の請求項１のＳｉＣ半導体装置の製造方法は、炭化珪素半導体基板の表面に加熱しながら不純物イオンを加速して注入する工程と、前記注入した不純物を加熱して活性化して不純物ドーピング層を形成する工程と、前記不純物ドーピング層を水蒸気雰囲気中で熱酸化させることで、前記半導体基板の格子間シリコン原子の数を増加させることにより、前記不純物を前記半導体基板の裏面に向かって拡散させて、不純物拡散層を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２では、前記半導体基板が第１導電型であり、前記不純物が第２導電型であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項３では、前記熱酸化は、酸化雰囲気の全圧を１としたときの水蒸気分圧が０．２以上の水蒸気雰囲気中で行なうことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項４では、前記不純物は、窒素またはほう素であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の請求項１のＳｉＣ半導体装置の製造方法によれば、ＳｉＣ基板の格子間シリコン原子の数を増加させることにより、不純物の拡散定数を増大させ、深い不純物拡散層を形成することができる。したがって、従来のように水素イオン照射によるＳｉＣ基板表面にダメージを生じることなく、また、γ線照射を行う必要もないため、高価なγ線の照射機が不要なので、低コストでＳｉＣ基板に不純物拡散領域を形成することができる。また、熱酸化を水蒸気雰囲気中で行なうことにより、不純物の拡散定数が著しく増大し、ＳｉＣ基板表面にダメージを生じることなく、低コストで不純物拡散領域を形成することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２では、第１導電型のＳｉＣ基板表面に第２導電型の不純物拡散層を、ＳｉＣ基板表面にダメージを生じることなく、低コストで形成することができる。
【００１８】
また、本発明の請求項３では、熱酸化は酸化雰囲気の全圧を１としたときの水蒸気分圧が０．２以上の水蒸気雰囲気中で行なうことにより、不純物の拡散定数が著しく増大し、ＳｉＣ基板表面にダメージを生じることなく、低コストで不純物拡散領域を形成することができる。
【００１９】
また、本発明の請求項４では、不純物は、窒素またはほう素を用いることにより、両元素の共有結合半径がＳｉＣの共有結合半径０．９７よりも小さいため、不純物の拡散定数を効果的に増大させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明のＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態を示す工程断面図である。本実施の形態では、ＳｉＣ基板の格子間シリコン原子数の増加方法として、熱酸化を利用し、ｐｎ接合を形成するプレーナ型ｐｎ接合ダイオードの例を用いて説明する。
【００２２】
まず、図１（Ａ）に示すように、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型ＳｉＣ単結晶基板１上に、キャリア濃度２×１０^１６ｃｍ^−３のｐ型ＳｉＣエピタキシャル成長膜２を熱ＣＶＤ法により形成した後、低温ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）からなるイオン注入マスク３を形成する。次いで、ＳｉＣ基板１を８００℃に加熱しながら、それぞれ加速電圧３０、６０、１００、１５０ｋｅＶ、ドーズ量８×１０^１４、１．４×１０^１５、２．８×１０^１５、３．４×１０^１５ｃｍ^−２、総ドーズ量８．４×１０^１５ｃｍ^−２の条件で窒素イオン４を、マスク３を通して局所的に注入する。５は注入した窒素イオンである。
【００２３】
次に、バッファード弗酸水溶液によりマスク３を除去した後、Ａｒ雰囲気中にて１７００℃、１分間の熱処理を行い、注入した窒素５を活性化させ、図１（Ｂ）に示すように、不純物ドーピング層６を形成する。
【００２４】
その後、水蒸気を含む酸化雰囲気中にて、１１００℃、４２０分間熱酸化を行い、不純物ドーピング層６の窒素を拡散させ、図１（Ｃ）に示すように、ｎ型不純物拡散層７を形成する。８はこの熱酸化により形成される熱酸化膜である。なお、このときの雰囲気は、酸化雰囲気の全圧を１としたとき、水蒸気分圧を０．２以上とした。
【００２５】
図２にＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy：２次イオン質量分析法）により分析した窒素原子の深さ方向分布を示す。図１（Ａ）における窒素イオン注入直後、および図１（Ｂ）の１７００℃、１分間の熱処理後における窒素原子の分布は、図２のＡに示すように、該熱処理前後で変化せず、接合深さは約０．５μｍである。これに対して、図１（Ｃ）における１１００℃、４２０分間の水蒸気雰囲気中での熱酸化後の接合深さは、図２のＢに示すように、接合深さは約１．１μｍになっている。この拡散長から求めた拡散定数は、約２．０×１０^−１３ｃｍ／ｓであった。この値は、従来報告されているＳｉＣ中の窒素の拡散定数より約２桁大きい値である（Sov. Tech. Phys. Lett., Vol.8(1982) pp.120）。
【００２６】
次に、熱酸化膜８上にフォトレジスト膜（図示省略）を形成し、該フォトレジスト膜にアノード電極形成用のパターニングを行った後、バッファード弗酸水溶液による熱酸化膜８のウェットエッチングにより、図１（Ｄ）に示すように、熱酸化膜８にコンタクト開口部９を形成し、ｎ型不純物拡散層７側にＮｉからなるアノード電極１０、ｐ型ＳｉＣ基板１側にＡｌからなるカソード電極１１を形成し、Ａｒ雰囲気中にて１０００℃、２分間の熱処理を行って、プレーナ型ｐｎ接合ダイオードを完成させた。ここで、ＡｌはＳｉＣ基板１の表面と反応することで合金層が形成され、オーミックコンタクトが得られる。
【００２７】
このように、本実施の形態では、ＳｉＣ基板１の表面に不純物（窒素イオン４）を導入する工程（図１（Ａ））と、表面に不純物（注入窒素イオン５）を導入したＳｉＣ基板１の格子間シリコン原子の数を増加させることにより、不純物ドーピング層６（図１（Ｂ））の不純物をＳｉＣ基板１の裏面に向かって拡散させて、不純物拡散層７を形成する工程（図１（Ｃ））とを備えたものである。
【００２８】
上記実施の形態に示したように、本発明によれば、ＳｉＣ基板に形成した不純物ドーピング層に対し、水蒸気雰囲気中で熱酸化すると、ＳｉＣ基板の格子間シリコン原子の数が増加する。これにより不純物の拡散定数が増大し、深い不純物拡散層を形成することができる。水蒸気雰囲気中で熱酸化を行った場合に、不純物の拡散定数が増大する理由は、以下に述べるとおりである。
【００２９】
図３は、本発明において水蒸気雰囲気中で熱酸化を行った場合に、不純物の拡散定数が増大する理由を説明するための図である。
【００３０】
図３において、１２はＳｉ原子、１３はＣ原子、１４は自己格子間原子、１５は空孔、１６はドーパント・自己格子間原子対、１７はドーパント・空孔対である。
【００３１】
結晶中に存在する点欠陥（ここでは、図３の自己格子間原子１４、空孔１５）は、その周辺に歪み場を形成したり、電子を捕らえてクーロン場を生じることが知られている（ReV. Mod. Phys., Vol.61(1989) pp.289）。
【００３２】
このため、点欠陥は、ドーパント（不純物）と対になり、歪み場を緩和したり、クーロン場を遮蔽することにより、系全体のエネルギーを下げようとする。すなわち、図３に示すように、共有結合半径がＳｉＣの共有結合半径より小さいドーパントは、系のエネルギーを低下するために、自己格子間原子１４を引き寄せてドーパント・自己格子間原子対１６を形成する。一方、共有結合半径がＳｉＣの共有結合半径より大きいドーパントは、機械的な歪みエネルギーを低下するために、空孔１５を引き寄せてドーパント・空孔対１７を形成する。
【００３３】
通常、格子位置に置換されたドーパントは、隣接する原子（ＳｉＣの場合、Ｓｉ原子、もしくはＣ原子）と、強固に共有結合しているため、他の格子位置に移動することはできない。しかし、ドーパント周辺に点欠陥が存在する場合、点欠陥はドーパント・点欠陥対、つまり、ドーパント・自己格子間原子対１６、ドーパント・空孔対１７を形成しようとし、その結果、ドーパントと点欠陥が入れ替わり、ドーパントは元の格子位置を外れることになる。すなわち、ドーパントは、結晶中での拡散が可能な状態になる。このため、ドーパントの拡散定数Ｄは、定性的に次式（１）で与えられる。
【００３４】
Ｄ／Ｄ_ｅｑ＝ｆ_ｉ(Ｃ_ｉ／Ｃ_ｉｅｑ)＋(１−ｆ_ｉ)(Ｃ_ｖ／Ｃ_ｖｅｑ)…(１)
前式（１）中のｆ_ｉは、ドーパントの種類によって決まる定数で、ドーパント・自己格子間原子対１６もしくはドーパント・空孔対１７を形成し、ドーパントが拡散する割合を示している。すなわち、自己格子間原子１４と対を形成するドーパントの場合は、ｆ_ｉの値はほぼ１に近くなり、空孔１５と対を形成するドーパントの場合は、ｆ_ｉの値はほぼ零に近くなる。また、Ｃ_ｉは自己格子間原子密度、Ｃ_ｖは空孔密度、Ｄ_ｅｑは熱平衡状態における拡散定数、Ｃ_ｉｅｑは熱平衡状態における自己格子間原子密度、Ｃ_ｖｅｑは熱平衡状態における空孔密度である。
【００３５】
前式（１）から明らかなように、用いるドーパントと自己格子間原子密度Ｃ_ｉ、空孔密度Ｃ_ｖが決まれば、一意的に拡散定数Ｄが決まる。
【００３６】
ＳｉＣの場合、ＳｉとＣの結合が強固であるため、Ｓｉの熱拡散に用いられる温度領域においても自己格子間原子密度Ｃ_ｉ、空孔密度Ｃ_ｖが小さく、そのため、ドーパントの拡散定数Ｄが小さい。ＳｉＣ基板表面に形成した不純物ドーピング層に対し、熱酸化を行うと、ＳｉＣが酸化される際の体積膨張に伴って酸化膜／ＳｉＣ基板界面において格子間Ｓｉ原子が生じ、ＳｉＣ基板中へと基板裏面に向かって拡散する。その結果、前式（１）中の自己格子間原子密度Ｃ_ｉが増大し、ドーパントの拡散定数Ｄが増大する。したがって、酸化によって効率よくドーパントの拡散速度を増大させるためには、酸化時間中の単位時間におけるドーパントの拡散定数Ｄをいかに増大させるか、すなわち、単位時間当たりに酸化膜／ＳｉＣ基板界面において発生する格子間Ｓｉ原子の量をいかに増大するかが重要になる（以上、請求項１、２に関して）。
【００３７】
乾燥酸素雰囲気中での通常の熱酸化による酸化方法の場合、ＳｉＣの酸化膜成長速度が小さいため、単位時間当たりに酸化膜／ＳｉＣ基板界面において発生する格子間Ｓｉ原子の量は少なく、ドーパントの拡散速度を効率よく増大させることは困難である。
【００３８】
本発明者は、特に、水蒸気を含む酸化雰囲気の全圧を１としたとき、水蒸気分圧０．２以上の酸化雰囲気中で熱酸化を行うと、酸化反応が著しく促進され、酸化膜／ＳｉＣ基板界面において多量の格子間Ｓｉ原子が発生するため、ＳｉＣ基板中の格子間Ｓｉ原子の数が急激に増加し、ドーパントの拡散定数Ｄが上記通常の熱酸化を行った場合と比較して著しく増大し、Ｓｉの拡散速度を効率よく増大させることが可能であることを見出した（以上、請求項３、４、５に関して）。
【００３９】
また、本発明において、ドーパントとして例えば窒素あるいはほう素を用いた場合、両元素の共有結合半径がＳｉＣの共有結合半径０．９７よりも小さいため、前式（１）中における定数ｆ_ｉの値はほぼ１になり、したがって、前式（１）の右辺は第１項のみになる。すなわち、自己格子間原子密度Ｃ_ｉのみがドーパントの拡散定数Ｄに影響することになり、ドーパントの拡散速度をより効果的に増大させることが可能である（以上、請求項６に関して）。
【００４０】
また、本発明によると、ＳｉＣ基板表面に形成した不純物ドーピング層においては、不純物は酸化を行った箇所のみが拡散するので、不純物ドーピング層形成後、拡散を行いたくない箇所を例えばシリコン窒化膜などによって保護して、酸化を行うことにより、選択的に深い不純物拡散層を形成することが可能である。
【００４１】
また、ドーパントの拡散長は酸化時間によって制御することが可能であるため、従来の高い加速電圧によるイオン注入は不要であり、１５０ｋｅＶ程度の低い加速電圧で１μｍ前後のｐｎ接合を形成することが可能である。
【００４２】
さらに、酸化反応のみを利用して拡散定数Ｄを増大するので、不純物ドーピング層に対して水素イオン照射やγ線照射を行う必要もないから、ＳｉＣ基板表面にダメージを生じることなく、また、高価なγ線の照射機が不要なので、低コストでＳｉＣ基板に不純物拡散領域を形成することができる。
【００４３】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、上記実施の形態では、半導体基板の格子間シリコン原子の数を増加させるのに、熱酸化を利用したが、外部からシリコンを導入し、半導体基板の格子間シリコン原子の数を増加させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明のＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態を示す工程断面図である。
【図２】ＳＩＭＳにより分析した窒素原子の深さ方向分布を示す図である。
【図３】本発明において不純物の拡散定数が増大する理由を説明するためのドーパント・点欠陥対を示す図である。
【符号の説明】
１…ｐ型ＳｉＣ単結晶基板、２…ｐ型ＳｉＣエピタキシャル成長膜、３…イオン注入マスク、４…窒素イオン、５…注入窒素イオン、６…不純物ドーピング層、７…ｎ型不純物拡散層、８…熱酸化膜、９…コンタクト開口部、１０…Ｎｉアノード電極、１１…Ａｌカソード電極、１２…Ｓｉ原子、１３…Ｃ原子、１４…自己格子間原子、１５…空孔、１６…ドーパント・自己格子間原子対、１７…ドーパント・空孔対。

Claims

炭化珪素半導体基板の表面に加熱しながら不純物イオンを加速して注入する工程と、
前記注入した不純物を加熱して活性化して不純物ドーピング層を形成する工程と、
前記不純物ドーピング層を水蒸気雰囲気中で熱酸化させることで、前記半導体基板の格子間シリコン原子の数を増加させることにより、前記不純物を前記半導体基板の裏面に向かって拡散させて、不純物拡散層を形成する工程と
を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記半導体基板が第１導電型であり、前記不純物が第２導電型であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記熱酸化は、酸化雰囲気の全圧を１としたときの水蒸気分圧が０．２以上の水蒸気雰囲気中で行なうことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記不純物は、窒素またはほう素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。