JP2007227655A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な加熱装置で高信頼性及び高品質を有するＳｉＣを材料とする半導体素子を製造する方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＣからなる基板を４００℃以下に加熱して、当該基板にイオン注入を行う工程を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、高信頼性及び高品質を有する半導体素子を低コストで製造しうる半導体素子の製造方法に関するものである。

ＳｉＣ（炭化ケイ素、シリコンカーバイド）は、Ｓｉ（ケイ素）に比べてバンドギャップが約３倍広く、絶縁破壊電界強度（約１０倍）、飽和電子速度（約２倍）、熱伝導度（約３倍）等の物性値も優れ、かつ、耐熱性（融点）も高い。ＳｉＣはこのような優れた特性を有するため、次世代のパワーデバイスや高周波デバイス、高温動作デバイス等の半導体デバイスへの応用が期待されている。

ＳｉＣを材料とする半導体素子は、一般的には、ＳｉＣ基板内に素子の種類に応じて必要な領域を設けることにより形成され、例えば、ダイオードであれば、ｐ型層、ｉ層（イントリンシック層）、ｎ型層等を形成し、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の場合には、ソース・ドレイン層、チャネル層等を設ける。このとき、ＳｉＣ基板中の特定の領域を所望の伝導型（導電型）にするために、ｎ型にする場合にはＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（砒素）等のイオンを、ｐ型にする場合にはＢ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）等のイオンをドーパントとして不純物ドーピングを行うが、ＳｉＣは１３００℃までは熱的、化学的、機械的に非常に安定であるため、不純物拡散係数が小さい。このためＳｉＣのドーピング手法として熱拡散法は使用が困難であり、化学的・熱力学的制約を受けることなく注入領域の不純物濃度と注入深さとを正確に制御できるイオン注入法が唯一かつ最良の方法として広く採用されている。

通常、基板にイオン注入を行うと、不純物イオンの衝突によって半導体材料の結晶構造が破壊され損傷が生じ、イオン注入量が多い場合はアモルファス化にまで至る。このため、イオン注入後は高温熱アニール処理を行うことが必要であり、例えば、イオン注入が施された基板をアニール炉内に設置し、アニール炉内に常圧のアルゴンガスを流しながら、基板を１０００℃以上の高温に加熱することにより、基板中の不純物イオンが打ち込まれた領域の結晶性の回復と、打ち込まれたイオンの活性化とを行なう（非特許文献１）。

ところが、ＳｉＣは２元化合物半導体であり、また、ＳｉＣは立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣや六方晶系の６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ等の多様な結晶構造（ポリタイプ）をとりうるため、一度アモルファス化した注入層をアニール処理によって再結晶化しても、Ｓｉのような非注入層からの固相エピタキシャル成長による完全な単結晶化は困難である。このため、近時、基板を高温に加熱してからイオン注入を行う高温イオン注入法が提案されているが、そのために必要とされる温度は一般的に高いほど良いとされ、６００℃以上、場合によっては８００〜１０００℃程度の高温に加熱される。
ＥＴＬ ＮＥＷＳ ２００１．２ 超高温・超高速熱アニール処理による４Ｈ−ＳｉＣへの低抵抗ｎ＋型イオン注入層形成

しかしながら、上述したような高温下でのイオン注入は、そのための特別な基板ステージを必要とし、更に、加熱温度が高温になればなるほど、基板ステージの構造は熱遮蔽等のために複雑化し、かつ、大型化する。また、基板の昇温時間、降温時間も、加熱温度が高くなるほど長くなり、スループットの低下に繋がる。このため、上述したような高温下でのイオン注入は、ＳｉＣ素子の製造にあたり、製造装置の高価格化、ひいてはプロセスコストの大幅な上昇とともに、製品の低信頼性及び低品質化の原因ともなり得る。

そこで本発明は、ＳｉＣを半導体材料として、簡便な加熱装置で高信頼性及び高品質を有する半導体素子を製造する方法を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る半導体素子の製造方法は、ＳｉＣからなる基板を４００℃以下に加熱して、当該基板にイオン注入を行う工程を有することを特徴とする。

本発明者が鋭意検討を行ったところ、従来当業者の間で周知となっていた、高温イオン注入法を用いてＳｉＣ基板にイオン注入を行う際には基板を１０００℃前後の高温に加熱することが必要であるという知見に反して、イオン注入時の加熱はより低温で充分であることを見出した。本発明はこの知見に基づいて完成されたものである。

ＳｉＣの結晶構造としては２００種類以上のものが知られているが、本発明において半導体材料とするＳｉＣとしては特に限定されずいずれの結晶構造を有するものであってもよく、例えば、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣや六方晶系の６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ等の構造を有するものが挙げられる。

本発明においてＳｉＣ基板に不純物イオンを注入する際には、ＳｉＣ基板を４００℃以下に加熱する。ＳｉＣ基板が４００℃以下に加熱されていればそのＳｉＣが元来有する結晶構造を維持したまま、同時に注入したイオンの活性化を行うことができる。好ましくい加熱温度は３００℃以下であり、より好ましくは２００℃以下である。

ここで、ＳｉＣ基板の加熱方法としては特に限定されず、イオン注入装置内の基板照射位置に取り付けてＳｉＣ基板を所定温度まで加熱し得る加熱装置であれば、抵抗加熱でも赤外線加熱でも、又は媒体を介した加熱によるものを用いてもよい。

本発明においてＳｉＣ基板に注入するイオンとしては特に限定されず所望の伝導型に応じて公知のイオンより適宜選択すればよく、例えば、ｎ型にする場合にはＮ、Ｐ、Ａｓ等のイオンを注入し、ｐ型にする場合にはＢ、Ａｌ等のイオンを注入する。これらの各イオン種の注入量（ドーズ量）と、ＳｉＣが元来有する結晶構造を維持したまま同時に注入したイオンの活性化を行うことができるＳｉＣ基板の加熱温度との関係は、以下の表１に示すとおりである。

なお、本発明者はイオン注入量が充分少ない場合はＳｉＣ基板の加熱自体が不要であることも見出した。

本発明は半導体素子の製造方法に係るが、本発明において製造する半導体素子としては特に限定されず、例えば、ＦＥＴ等のトランジスタ、サイリスタ（ＳＣＲ）、ダイオード（整流器）、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の公知の半導体素子が挙げられる。なかでも、本発明はパワー半導体デバイスを製造するために好適に用いられる。

本発明に係る半導体素子の製造方法は、上述のイオン注入工程（不純物拡散工程）以外の工程は従来公知の半導体素子の製造方法と同様であってよい。例えば、プレーナ型の拡散形半導体素子を製造する場合は、ウェーハを切り出した後、洗浄工程、酸化工程、フォトリソグラフィ工程、前記イオン注入工程、成膜工程からなる前工程を経て、更に、ダイシング工程、マウント工程、ボンディング工程、封入工程、検査工程からなる後工程を経て半導体素子が完成する。

このように本発明によれば、従来、高温イオン注入法実施時には、６００℃以上、場合によっては８００〜１０００℃程度の高温まで加熱していたＳｉＣ基板を、４００℃以下の低温に加熱すればよい。このため、基板加熱装置は構造が単純でかつ小型のものでよく、昇温、降温に要する時間も短くてすむので得られる製品の歩止まりもよい。したがって、高品質で高信頼性を有する半導体素子を低コストで製造することができる。また比較的低温で注入することにより、高温注入で顕著なＳｉＣ基板の表面の荒れを最小限に抑えることもできる。

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。

＜Ａｌイオンの注入＞
清浄なバルク４Ｈ−ＳｉＣ基板及び６Ｈ−ＳｉＣ基板の８ｍｍ角の断片を、抵抗加熱による高温注入用治具上に固定し、室温（ＲＴ）〜５００℃まで加熱温度を変化させて、１５０ｋｅＶのＡｌイオンを１×１０^１５ｃｍ^−２注入した。イオン注入後、ＲＢＳ法（ラザフォード後方散乱法）により２ＭｅＶのＨｅイオンビームを結晶軸に沿って入射し、後方に散乱されたＨｅイオンのエネルギー分布を測定することにより、基板中に存在する損傷を評価した。結果は図１に示した。

図１の横軸は後方散乱したＨｅビームのエネルギーに対応し、縦軸は該当するエネルギーのＨｅ強度を示す。図１中のＲａｎｄｏｍは、試料結晶に対して軸チャンネルの条件も面チャンネルの条件も外して測定した結果であり、もし試料がアモルファスになっているとするならば、結晶軸方向にＨｅビームを入射させてもこれに近いＨｅの強度が得られる。図１中のＶｉｒｇｉｎは、未注入のＳｉＣ基板の結晶軸方向にＨｅビームを入射させたときのスペクトルを示す。注入後の損傷が無視できるならば、その結果はここに示されるスペクトルに近いものとなる。測定結果が両者の間にあるときにはどちらに近いかにより、どの程度がアモルファス化しているかを見積もることができる。

図１に示すように、室温でイオン注入を行った場合はＳｉＣ基板のＡｌイオン注入部位はほとんどアモルファスの状態になっているのに対し、ＳｉＣ基板の加熱温度を上昇していくと基板損傷（アモルファス化）の程度は１５０℃の直前で急激な変化を示し、１５０℃では損傷が室温時の半分程度となった。これは物理現象としては、イオン注入時の「自己アニール効果」が１５０℃付近で急に発現することに対応する。更に基板加熱温度の上昇とともにアモルファス化は軽減して行き、３００℃においては１／４程度にまで低減した。また比較的低温で注入することにより、高温注入で顕著なＳｉＣ基板の表面の荒れを最小限に抑えることもできることも判明した。

アモルファス化の割合を半分以下程度に低減できれば、活性化アニール後に異なった構造が混入することなくほぼ完全に単結晶構造が回復することが知られているので、高温イオン注入法を用いて１×１０^１５ｃｍ^−２のＡｌイオンを注入する場合のＳｉＣ基板の加熱温度は２００〜３００℃程度でよいことが判明した。

本発明により、高品質で高信頼性を有する半導体素子を低コストで製造することが可能となる。

室温〜５００℃までＳｉＣ基板の加熱温度を変化させてＡｌイオンを注入した場合の基板損傷をＲＢＳ法で評価した結果を示すグラフ。

Claims (5)

1. ＳｉＣからなる基板を４００℃以下に加熱して、当該基板にイオン注入を行う工程を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
2. 前記ＳｉＣからなる基板の加熱温度が、１５０〜４００℃である請求項１記載の半導体素子の製造方法。
3. イオンの注入量が各イオン種に対して下記のとおりである請求項２記載の半導体素子の製造方法。
   Ａｌイオン：５×１０^１３ｃｍ^−２以上
   Ｂイオン：２×１０^１４ｃｍ^−２以上
   Ｐイオン：５×１０^１３ｃｍ^−２以上
   Ｂイオン：１×１０^１４ｃｍ^−２以上
4. 前記ＳｉＣからなる基板の加熱温度が、１５０℃未満である請求項１記載の半導体素子の製造方法。
5. イオンの注入量が各イオン種に対して下記のとおりである請求項４記載の半導体素子の製造方法。
   Ａｌイオン：５×１０^１３ｃｍ^−２未満
   Ｂイオン：２×１０^１４ｃｍ^−２未満
   Ｐイオン：５×１０^１３ｃｍ^−２未満
   Ｂイオン：１×１０^１４ｃｍ^−２未満