JP5939626B2

JP5939626B2 - 炭化珪素半導体素子の製造方法

Info

Publication number: JP5939626B2
Application number: JP2012104223A
Authority: JP
Inventors: 福田　憲司; 憲司福田; 憲幸岩室; 雅秀後藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: JP2013232556A

Description

本発明は、単結晶炭化珪素半導体素子の製造方法に関し、特に、高耐圧縦型デバイスとして製造する炭化珪素半導体素子の製造方法に関する。

単結晶炭化珪素（ＳｉＣ）は、単結晶シリコン（Ｓｉ）を大幅に上回るバンドギャップや破壊電界強度を有し、単体で耐圧１０ｋＶを超える超高耐圧半導体素子を実現することができると期待されている。炭化珪素半導体素子の製造プロセスでは、オーミック電極を形成する際、金属薄膜を堆積し、アルゴンなどの不活性ガス中で１０００℃程度の熱アニールを行うのが、最も簡便であるとされている。上記金属の材料としては、現在のところＮｉ系が一般的である（たとえば、下記非特許文献１参照。）。

縦型半導体素子では、電流が必ず基板裏面を通るため、裏面のオーミック抵抗の低抵抗化は最も重要な課題の一つである。このために、基板裏面を意図的に荒らして有効面積を増やす技術（たとえば、下記特許文献１，２参照。）、イオン注入を行って基板裏面のドーパント濃度を上げる技術（たとえば、下記特許文献３，４参照。）等が提案されている。特に、後者は、活性化アニール直前までの期間であれば、いつでも実施できることから、プロセス設計の自由度が高く好適である。

単結晶炭化珪素基板は、単結晶シリコンと異なり、面方位によって酸化の進行速度が極端に違うという性質を有する。縦型半導体素子の製造に多用される、Ｓｉ面とＣ面とを比較すると、同じ酸化条件でもＣ面の方がＳｉ面よりも約１０倍速く酸化されることが知られている（たとえば、下記非特許文献２参照。）。

特開２００６−３２４５８号公報特開２００６−４１２４８号公報特開２００１−１１０７４６号公報特開２００６−３２４５８５号公報

佐治学、安田和人、早川俊高：電気学会研究会資料、ＥＦＭ−９０、１７−２３号、ｐｐ．３１−３３、１９９０年Ａ．Ｇｏｌｚ，Ｇ．Ｈｏｒｓｔｍａｎｎ，Ｅ．ＳｔｅｉｎｖｏｎＫａｍｉｅｎｓｋｉ，ａｎｄＨ．Ｋｕｒｚ，「Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆ３Ｃ，４Ｈ，ａｎｄ６Ｈｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ」，Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．１４２，１９９６，ｐ６３３−６３６

半導体素子の製造においては、表面側にゲート構造やメタル電極を形成する直前に、それまでのプロセスを経てウエハの最表層に蓄積した結晶欠陥などを除去する目的で、犠牲酸化と酸化膜除去を組にして行うことが一般的になされている。上記の酸化速度の違いから、特にＣ面を裏面として使用する場合、犠牲酸化は、この犠牲酸化で目減りする基板の厚さを予め考慮に入れて行わねばならない。

単結晶炭化珪素半導体素子の裏面のコンタクト抵抗（オーミック抵抗）を低減するには、この基板裏面にｎ型ドーパントとなる元素のイオン注入を行うのが最も確実だが、裏面をＣ面とする場合、犠牲酸化などによる最表面の目減りがＳｉ面の約１０倍と大きいため、予め犠牲酸化による目減り分を見越して、イオン注入深さを大きく取っておく必要がある。これにより、イオン注入に要するエネルギーおよび時間が増大する。また、製造ラインに設けるイオン注入装置が大型化する。

本発明は、上記課題に鑑み、裏面のオーミック抵抗を低抵抗化でき、犠牲酸化などによる最表面の目減りを少なくできることを目的とする。また、イオン注入に要するエネルギーおよび時間を削減でき、製造ラインに設けるイオン注入装置の大型化を抑制できることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法は、単結晶炭化珪素基板のＳｉ面を表面、Ｃ面を裏面とし、半導体素子を作製する半導体素子の製造方法において、前記単結晶炭化珪素基板の裏面に第１導電型のドーパントのリン（ｐ）のイオン注入を行う工程と、前記単結晶炭化珪素基板の裏面の前記第１導電型ドーパントよりも浅い領域に第２導電型ドーパントとして、第１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ）のうちいずれか１種類以上を含むイオン注入を行う工程と、前記単結晶炭化珪素基板の前記裏面全面を犠牲酸化する工程と、前記犠牲酸化により形成された犠牲酸化膜を除去する工程と、を含むことにより、前記単結晶炭化珪素基板の裏面の最表層を減速酸化させることを特徴とする。

また、前記第２導電型ドーパントのイオン注入量が、ドーパント濃度換算で１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることを特徴とする。

また、前記第２導電型ドーパントの最大ピーク深さが、前記イオン注入直後の時点で、オーミック電極材料として用いる金属の膜厚よりも小さいことを特徴とする。

また、前記第２導電型ドーパントが、第１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ）のうちいずれか１種類以上を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、炭化珪素半導体素子の裏面のオーミック接触によるコンタクト抵抗を低減するために、炭化珪素基板の裏面をＣ面とし、基板裏面から第１導電型ドーパントのイオン注入を行う。これに加えて、第１導電型ドーパントよりも浅い領域に第２導電型ドーパントのイオン注入を行う。これにより、犠牲酸化などによる最表面の目減りを少なくできるようになる。

本発明によれば、裏面のオーミック抵抗を低抵抗化でき、犠牲酸化などによる最表面の目減りを少なくできるという効果を奏する。また、イオン注入に要するエネルギーおよび時間を削減でき、製造ラインに設けるイオン注入装置の大型化を抑制できるという効果を奏する。

この発明の実施の形態における炭化珪素半導体素子の製造工程を示す断面図である。炭化珪素基板に注入するＰイオンとＡｌイオンの裏面からの深さ方向の濃度分布を示す図表である。犠牲酸化に用いるウェット酸化の条件において、Ａｌイオン注入したＣ面が酸化される膜厚と、イオン注入したＡｌの濃度との相関を示す図表である。実施例および比較例において、犠牲酸化を行う前後における炭化珪素基板Ｃ面の目減り量を示す断面図である。比較例における炭化珪素基板に注入するＰイオンの裏面からの深さ方向の濃度分布を示す図表である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。以下に説明するイオン注入量や加速電圧、犠牲酸化の膜厚の数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、この発明の実施の形態における炭化珪素半導体素子の製造工程を示す断面図である。はじめに、図１（ａ）に示すように、ｎ型の単結晶炭化珪素基板１の表面をＳｉ面１ａ、裏面をＣ面１ｂとし、Ｓｉ面１ａ側に、拡散構造に属する物、すなわち表面素子構造を構成する不純物拡散領域（ｐ⁺、ｐ^-、ｎ⁺、ｎ^-）を順次作り込む（図示略）。

次に、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉ面１ａを堆積酸化膜などの保護酸化膜１１で保護した上で、オーミック抵抗低減のために、Ｃ面１ｂ側から第１導電型（ｎ型）ドーパントとなる元素のリン（Ｐ）のイオン注入を行う。このＰのイオン注入は、Ｃ面１ｂからの深さ５０ｎｍ〜２５０ｎｍの領域に、ドーズ量と加速電圧を変えて複数回行う。

図２は、炭化珪素基板に注入するＰイオンとＡｌイオンの裏面からの深さ方向の濃度分布を示す図表である。図中横軸は裏面（Ｃ面）１ｂからの深さ、縦軸はＰおよびＡｌの濃度である。また、図３は、犠牲酸化に用いるウェット酸化の条件において、Ａｌイオン注入したＣ面が酸化される膜厚と、イオン注入したＡｌの濃度との相関を示す図表である。図中横軸はイオン注入したＡｌの濃度、縦軸はＣ面の酸化膜厚である。第２導電型（ｐ型）ドーパントのイオン注入量は、ドーパント濃度換算で１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上とする。

図２のＰの濃度分布に示すように、Ｐのイオン注入は、ドーパント濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3の箱状分布を確保する。このため、
１．加速電圧６０ｋｅＶ、ドーズ量３．３×１０¹³ｃｍ^-2
２．加速電圧１１０ｋｅＶ、ドーズ量５．３×１０¹³ｃｍ^-2
３．加速電圧１８０ｋｅＶ、ドーズ量７．５×１０¹³ｃｍ^-2
４．加速電圧３００ｋｅＶ、ドーズ量１．４×１０¹⁴ｃｍ^-2
の４段階で注入を実施する（後述する図４（ａ）の領域４１に相当）。

次に、犠牲酸化時にＣ面１ｂの最表層の減速酸化を起こさせるため、図１（ｃ）に示すように、Ｃ面１ｂ側に上記ｎ型ドーパントよりも浅い領域にｐ型ドーパントとしてたとえば、アルミニウム（Ａｌ）のイオン注入を行う。このＡｌのイオン注入は、Ｃ面１ｂからの深さ１０ｎｍ〜５０ｎｍの領域に、ドーズ量と加速電圧を変えて複数回行う。

このＡｌの最大ピーク深さは、イオン注入直後の時点で、後ほど形成するオーミック電極層の材料として用いる金属の膜厚よりも小さく設定する。また、イオン注入するｐ型ドーパントは、第１３族元素のボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）のうちいずれか１種類以上を含む。

図２のＡｌの濃度分布に示すように、Ａｌのイオン注入は、ドーパント濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3の（図３より、Ｃ面１ｂの酸化速度が通常の約４０％に減少する濃度）の箱状分布を確保する。このため、
５．加速電圧１０ｋｅＶ、ドーズ量１．３×１０¹²ｃｍ^-2
６．加速電圧２５ｋｅＶ、ドーズ量１．５×１０¹²ｃｍ^-2
７．加速電圧４５ｋｅＶ、ドーズ量４．２×１０¹²ｃｍ^-2
の３段階で注入を実施する（後述する図４（ａ）領域４３に相当）。

次に、図１（ｄ）に示すように、保護酸化膜１１を除去し、炭化珪素基板１を活性化アニールする。その後、図１（ｅ）に示すように、炭化珪素基板１の最表層に蓄積した結晶欠陥などを除去する目的で、炭化珪素基板１全面の犠牲酸化を行う。犠牲酸化として、たとえばウェット酸化により、Ｃ面１ｂ側を表面から深さ１０ｎｍまで酸化すると、Ａｌイオンが注入された領域１２では酸化速度が通常の４０％に落ちているため、Ｃ面１ｂ側は表面から深さ５０ｎｍの位置Ｌ１までしか酸化されない（犠牲酸化膜１２の形成に相当）。

この後、Ｃ面１ｂ上の犠牲酸化膜１２を除去し、図１（ｆ）に示すように、Ｓｉ面１ａ側に化学気相成長（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などによる保護酸化膜層１３を形成した後、Ｃ面１ｂ側にオーミック電極層１４を形成する。

図４は、実施例および比較例において、犠牲酸化を行う前後における炭化珪素基板Ｃ面の目減り量を示す断面図である。図４（ａ）に示す実施例において、オーミック電極層１４の形成のために、ニッケル（Ｎｉ）を１００ｎｍ堆積し、熱アニールを行い、炭化珪素（ＳｉＣ）とＮｉを充分に反応させたとする。この場合、図４（ａ）に示すようにＰを注入した領域４１のうち、約１００ｎｍの領域（Ａｌ注入を行った場合のＮｉと反応させるための領域）４２が消費されることになる。しかし、約１００ｎｍが残存するため、炭化珪素基板１とオーミック電極層１４のオーミック接触が不安定になるようなことはない。図中４５は、Ａｌ注入を行った場合の犠牲酸化後のＣ面１ｂの最表面である。

また、上述した１．〜７．の７段階全てを合計したトータルドーズ量は３．０８×１０¹⁴ｃｍ^-2となり、また最大加速電圧は３００ｋｅＶで済み、エネルギー注入量を低減できる。

（比較例）
実施例同様に、単結晶炭化珪素半導体基板のＳｉ面１ａを表面とし、Ｃ面１ｂを裏面とし、Ｓｉ面１ａ側に拡散構造を作り込む。次に、Ｓｉ面１ａを堆積酸化膜などの保護酸化膜１１で保護した上で、Ｃ面１ｂ側にＰのイオン注入を行う。

図５は、比較例における炭化珪素基板に注入するＰイオンの裏面からの深さ方向の濃度分布を示す図表である。次に、犠牲酸化により目減りする分を予め見越して、Ｃ面１ｂの深さ１００ｎｍ〜３００ｎｍの領域に、図５に示すドーパント濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3の箱状分布を確保する。このため、
ａ．加速電圧１００ｋｅＶ、ドーズ量３．６×１０¹³ｃｍ^-2
ｂ．加速電圧１５０ｋｅＶ、ドーズ量５．３×１０¹³ｃｍ^-2
ｃ．加速電圧２２５ｋｅＶ、ドーズ量７．６×１０¹³ｃｍ^-2
ｄ．加速電圧３５０ｋｅＶ、ドーズ量１．５×１０¹⁴ｃｍ^-2
の４段階でイオン注入を実施する。（図４（ｂ）の領域４６に相当）。

次に、保護酸化膜１１を除去し、活性化アニールを行い、その後に、炭化珪素基板１の最表層に蓄積した結晶欠陥などを除去する目的で、炭化珪素基板１全面の犠牲酸化を行う。たとえば、ウェット酸化により、Ｓｉ面１ａ側を深さ１０ｎｍまで酸化すると、Ｃ面１ｂの酸化速度は通常と変わらないので、実施例よりも深く、深さ１００ｎｍまで酸化が進む（図４（ｂ）の４８に相当する領域）。この後、犠牲酸化膜１２を除去し、Ｓｉ面１ａ側にＣＶＤ酸化膜などで保護酸化膜層１３を形成した後、Ｃ面１ｂ側にオーミック電極層１４を形成する。図中４９は、Ａｌ注入を行わなかった場合の犠牲酸化後のＣ面１ｂの最表面である。

オーミック電極層１４の形成のために、Ｎｉを１００ｎｍ堆積し、熱アニールを行い、炭化珪素とＮｉを充分に反応させると、Ｐを注入した領域４６のうち、約１００ｎｍの領域（Ａｌ注入を行わない場合のＮｉと反応させるための領域）４８が消費されるが、約１００ｎｍが残存するため、オーミック接触が不安定になるようなことはない。

しかしながら、上述したａ．〜ｄ．の４段階全てを合計したトータルドーズ量は３．１５×１０¹⁴ｃｍ^-2と実施例よりも多くなる。また、最大加速電圧も３５０ｋｅＶと大きくなり、実施例よりもエネルギー注入量が大きくなる。

以上説明したように、本発明の上記実施の形態によれば、炭化珪素半導体素子の裏面のオーミック接触によるコンタクト抵抗を低減するために、炭化珪素基板の裏面をＣ面とし、基板裏面からｎ型ドーパントのイオン注入を行う。これに加えて、ｎ型ドーパントよりも浅い領域にｐ型ドーパントのイオン注入を行う。これにより、犠牲酸化などによる最表面の目減りを少なくできるようになる。したがって、イオン注入に要するエネルギーおよび時間を削減でき、製造ラインに設けるイオン注入装置の大型化を抑制できるようになる。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法は、たとえばパワーデバイス等の電力用半導体装置や、産業用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。

１単結晶炭化珪素基板
１ａＳｉ面
１ｂ犠牲酸化前のＣ面の最表面
４１Ａｌ注入を行った場合のＰの注入領域
４２Ａｌ注入を行った場合のＮｉと反応させるための領域
４３Ａｌ注入を行った場合に犠牲酸化によって目減りする領域
４５Ａｌ注入を行った場合の犠牲酸化後のＣ面の最表面

Claims

単結晶炭化珪素基板のＳｉ面を表面、Ｃ面を裏面とし、半導体素子を作製する半導体素子の製造方法において、
前記単結晶炭化珪素基板の裏面に第１導電型のドーパントのリン（ｐ）のイオン注入を行う工程と、
前記単結晶炭化珪素基板の裏面の前記第１導電型ドーパントよりも浅い領域に第２導電型ドーパントとして、第１３族元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ）のうちいずれか１種類以上を含むイオン注入を行う工程と、
前記単結晶炭化珪素基板の前記裏面全面を犠牲酸化する工程と、
前記犠牲酸化により形成された犠牲酸化膜を除去する工程と、
を含むことにより、前記単結晶炭化珪素基板の裏面の最表層を減速酸化させる
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
前記第２導電型ドーパントのイオン注入量が、ドーパント濃度換算で１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
前記第２導電型ドーパントの最大ピーク深さが、前記イオン注入直後の時点で、オーミック電極材料として用いる金属の膜厚よりも小さい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素子の製造方法。