JP2010056560A - カーボン膜成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高純度で良質なカーボン保護膜を一括して形成可能なカーボン膜成膜装置を得る。
【解決手段】 カーボン膜成膜装置を、酸素を含む炭化水素を気化する気化器と、気化器で気化された酸素を含む炭化水素ガスを導入するガス導入管（３１）と、ガス導入管により導入される酸素を含む炭化水素ガスを熱分解してウエハの全表面にカーボン保護膜を形成するための成膜炉（３２）で構成する。
【選択図】 図１０

Description

この発明は、特に炭化珪素半導体装置の製造に用いられるカーボン膜成膜装置に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、従来の珪素（Ｓｉ）に比べ高い耐電圧特性を有する炭化珪素半導体装置が製作可能であり、次世代の高電力用半導体装置として期待されている。このような炭化珪素を用いて炭化珪素半導体装置を製造する際に、炭化珪素基板上にエピタキシャル結晶成長させた炭化珪素層からなる炭化珪素ウエハに対して、導電型及び導電度を制御するために、ｎ型やｐ型となる不純物をイオン注入し、イオン注入後に、注入イオンを活性化し、かつイオン注入により形成された結晶欠陥を回復するために、炭化珪素ウエハをアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスの雰囲気で、高温に曝すアニール処理工程がある。このようなアニール処理は、炭化珪素ウエハを用いた場合、特性を安定にするために、なるべく高温で処理した方がよく、通常１５００℃以上、望ましくは１６００℃以上で処理される。

しかしながら、炭化珪素ウエハを高温でアニール処理した場合、炭化珪素ウエハの表面にステップバンチングと呼ばれる凹凸面が形成される。ステップバンチングが形成される理由は、次の通りである。

炭化珪素ウエハは、通常、炭化珪素基板上に炭化珪素層をエピタキシャル結晶成長させて得られるのであるが、この際のエピタキシャル結晶成長は、同一結晶面内に、例えば６Ｈ型や４Ｈ型などの結晶形が混在して発生するのを防止するために、結晶軸をＣ軸方向（結晶面である〔０００１〕面に対し垂直方向）に対して４度又は８度程度傾けて行われる。

このように結晶軸を傾けて結晶成長させた炭化珪素ウエハは、アニール処理のような高温に曝されると、炭化珪素ウエハの表面から構成元素である珪素（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）が蒸発する。この蒸発の際、珪素及び炭素の蒸発条件が異なり、かつ結晶軸が傾いているために、珪素及び炭素の蒸発量が炭化珪素ウエハ面内で異なることになり、結果、炭化珪素ウエハの表面にステップバンチングが形成される。

このようにして形成されるステップバンチングは、アニール処理後に炭化珪素ウエハ上にゲート酸化膜を形成する際の支障となり、更には、このゲート酸化膜上にゲート電極を形成する際の支障となる。例えば、炭化珪素ウエハとゲート酸化膜又はゲート酸化膜とゲート電極の境界面が凹凸となることによる密着性の低下やリーク特性の劣化などが生じる可能性がある。

このため、ステップバンチングの防止或いは低減することは、炭化珪素半導体装置の品質を安定させ、歩留まりを向上させるための大きな課題である。

このようなステップバンチングを防止或いは低減する方法として、例えば、特許文献１には、炭化珪素ウエハの表面にダイヤモンドライクカーボン膜や有機膜を形成し、この膜をアニール処理の際の珪素及び炭素の蒸発を防止する保護膜とする技術が開示されている。

また、特許文献２には、イオン注入された側の炭化珪素ウエハ上に、スパッタリング法を用いてカーボン膜を形成し、このカーボン膜をアニール処理の際の珪素及び炭素の蒸発を防止する保護膜とする技術が開示されている。

特許第３７６０６８８号公報 特開２００５−３５３７７１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、保護膜としてレジストを炭化させたものが用いられる。レジストには、光学活性や密着性を向上させるために、多くの炭素、水素以外の原子が含まれている。これらの炭素、水素以外の原子は、レジストを炭化させて得られた保護膜中に不純物として残留する。そのため、アニール処理の際に、不純物が蒸発し、又は飛散して炭化珪素半導体装置に対する汚染源となる。

また、特許文献２の方法では、スパッタリング法を用いて形成したカーボン膜を保護膜として用いているが、スパッタリング法は、スパッタリング装置を構成している材料（例えば、アルミやステンレスなどの金属材料）なども一部スパッタリングされるため、それらが不純物として飛散して炭化珪素半導体装置に対する汚染源となる。

さらに、特許文献１及び２の方法では、保護膜は炭化珪素ウエハの一方面上に形成される。具体的には、保護膜は、不純物をイオン注入した側の炭化珪素ウエハ上に形成される。このように、炭化珪素ウエハの一方面上のみに保護膜が形成された場合、アニール処理の際に、炭化珪素ウエハ内部に生じる温度勾配や炭化珪素ウエハと保護膜との熱膨張係数の相違により、不均衡な熱応力が炭化珪素ウエハに生じる。その結果、炭化珪素ウエハの結晶欠陥を増大させる。

このような不純物の混入及び結晶欠陥の増大は、炭化珪素半導体装置の品質を不安定にするとともに歩留まり低下の要因となる。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、アニール処理の際に生じるステップバンチングを防止するために炭化珪素ウエハ上に形成される保護膜として、保護膜への不純物の混入が極めて少なく、かつ炭化珪素ウエハに対する不均衡な熱応力が生じない保護膜の形成方法を提供し、以って炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの向上を実現する炭化珪素半導体装置の製造方法およびその製造に供するカーボン膜成膜装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係るカーボン膜成膜装置は、酸素を含む炭化水素を気化する気化器と、気化器で気化された酸素を含む炭化水素ガスを導入するガス導入管と、ガス導入管により導入される酸素を含む炭化水素ガスを熱分解してウエハの全表面にカーボン保護膜を形成するための成膜炉とを備える。

この発明によれば、酸素を含む炭化水素を気化する気化器と、気化器で気化された酸素を含む炭化水素ガスを導入するガス導入管と、ガス導入管により導入される酸素を含む炭化水素ガスを熱分解してウエハの全表面にカーボン保護膜を形成するための成膜炉とを備えるようにしたので、高純度で良質なカーボン保護膜が一括して形成可能となる。

実施の形態１
この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、一例として、パワーＭＯＳＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の製造方法を、図１から図８を参照して説明する。

まずｎ^＋型（第１導電型）の半導体基板１の一方面上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、炭化珪素からなるｎ⁻型（第１導電型）の炭化珪素層２を形成する（図１）。半導体基板１としては、例えば、ｎ^＋型の炭化珪素基板が好適である。この半導体基板１と炭化珪素層２でもって炭化珪素ウエハを構成する。

次に炭化珪素ウエハの表面内、具体的には炭化珪素ウエハを構成する炭化珪素層２の表面内の所定の間隔に離間した部位に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｐ型（第２導電型）のウェル領域３を選択的に形成する（図２）。炭化珪素層２内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、それぞれのウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｎ型（第１導電型）のソース領域４を選択的に形成する（図２）。ウェル領域３内でｎ型となる不純物としては、例えばリン（Ｐ）あるいは窒素（Ｎ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、ウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして、ｐ型（第２導電型）の不純物をイオン注入して、ソース領域４の周囲に隣接して、ｐ^＋型（第２導電型）のコンタクト領域５を形成する（図２）。ここではコンタクト領域５の不純物濃度は、ウェル領域３の不純物濃度より相対的に濃くなるように設定される。ウェル領域３内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、例えば、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）やプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）などの炭化水素ガスを用いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの化学気相成長法によって、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成する（図３）。具体的には、ＣＶＤを行う成膜装置内に、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスをキャリアガスとして流しながら、常圧或いは減圧下で成膜装置内の温度を９００℃から１０００℃の範囲に加熱する。加熱時間は２０分程度である。その後、キャリアガスに炭化水素ガスを１０％程度含ませて流して炭化水素ガスを熱分解し、炭化珪素ウエハの全表面に所定の厚さのカーボン保護膜６を形成する。ここで所定の厚さは、保護膜としての効果が生じる１ｎｍ以上で、炭化珪素ウエハに加わる温度負荷及び炭化珪素ウエハに生じる温度差によりひび割れを生じない１０００ｎｍ以下がよく、より好ましくは、膜厚制御が容易な１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下がよい。このようにＣＶＤなどの化学気相成長法によって形成されるカーボン保護膜６は、高純度の炭化水素ガスを用いることが出来るため、不純物の少ない高純度で良質なカーボン保護膜６が形成される。ここで良質とはグラファイト化が進んだ状態を指す。また、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成するため、バッチ式の膜形成処理が可能となる。具体的には、成膜装置内に、炭化珪素ウエハの全表面に均一にカーボン保護膜６が形成可能な間隔でもって、炭化珪素ウエハを複数枚配置して、一括して膜形成が可能である。そのためスループットが向上する。

次に全表面にカーボン保護膜６が成膜された炭化珪素ウエハをアニール処理装置に入れて、不活性ガスの雰囲気でアニール処理を行う。具体的には、アルゴン雰囲気で、予備加熱（１０００℃程度）を行った後、所定の温度（１５００℃以上，好ましくは１７００℃程度）で所定の時間（３０分程度）加熱し、その後速やかに冷却する。これにより、注入イオンが電気的に活性化され、かつイオン注入より形成された結晶欠陥が回復する。アニール処理の後、カーボン保護膜６を、９５０℃程度の酸素雰囲気中で３０分程度曝すことにより除去する。或いは、レジスト除去に用いられる酸素プラズマを用いたアッシングにより除去することもできる。このようにアニール処理の際、炭化珪素ウエハは、全表面にカーボン保護膜６が形成されているために、アニール処理の際に、炭化珪素ウエハ表面にステップバンチングが発生することがない。カーボン保護膜６を除去した後の炭化珪素ウエハ表面の凹凸をＡＦＭで測定したところ、カーボン保護膜６がない場合は、数１０ｎｍ程度の凹凸が炭化珪素ウエハの全面に発生するのに対して、この発明に係るカーボン保護膜６を用いた場合は、１ｎｍ以下の凹凸となり、その効果が確認できた。また不純物の少ない高純度なカーボン保護膜６が形成されるため、炭化珪素半導体装置を汚染することがない。さらに、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜を形成したため、アニール処理の際に炭化珪素ウエハに生じる不均衡な熱応力が改善され、炭化珪素ウエハに生じる歪みが低減される。そのため炭化珪素ウエハの結晶に生じる欠陥が増大することがない。

次に、カーボン保護膜６が除去された炭化珪素ウエハの一方面上、具体的にはイオン注入された側の炭化珪素ウエハ上に、熱酸化法によって二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなるゲート酸化膜７を形成する（図４）。この工程で形成されるゲート酸化膜７は熱酸化膜である。

次に、ゲート酸化膜７上に、化学気相成長法によりポリシリコン膜を形成した後、不要部分を、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により除去してゲート電極８を形成する（図５）。

次に、ゲート酸化膜７及びゲート電極８の表面上に、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）ガスを用いた化学気相成長法により、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる層間絶縁膜９を形成する（図６）。この工程で形成される層間絶縁膜９はＴＥＯＳ酸化膜である。

次に、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により、コンタクト領域５及び一部のソース領域４が露出するようにして、層間絶縁膜９及びゲート酸化膜７を除去する（図７）。その後、レジストも除去される。

次に、層間絶縁膜９及びゲート酸化膜７が除去され露出したコンタクト領域５及び一部のソース領域４上に、例えばスパッタリングなどの物理気相成長法（ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法）により導電膜を形成する。その後、層間絶縁膜９の表面上に形成された導電膜の不要部分を、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により除去して、コンタクト領域５及び一部のソース領域４上に、ソース電極（第１の主電極）１０を形成する（図８）。ソース電極１０は、コンタクト領域５及びソース領域４に電気的に接続されている。ソース電極１０となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。

最後に、炭化珪素ウエハの裏面上にスパッタリングなどの物理気相成長法により、導電膜からなるドレイン電極（第２の主電極）１１を形成する（図８）。ドレイン電極１１となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。

以上により、この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置であるＭＯＳＦＥＴの主要部が完成する。

この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、不純物のイオン注入後に、炭化水素ガスを熱分解させて成膜する化学気相成長法により炭化珪素ウエハの全表面に所定の厚さのカーボン保護膜を形成する工程を含むものである。これにより、不純物が少ない高純度で良質なカーボン保護膜６が得られるため、炭化珪素半導体装置に対する汚染が防止できる。また炭化珪素ウエハに生じる不均衡な熱応力が防止できるため、この熱応力に伴う炭化珪素ウエハの結晶欠陥の増大も防止できる。よって安定した品質と歩留まりの向上が実現可能な炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

実施の形態２
実施の形態１では、アセチレンガスやメタンガスなどの炭化水素ガスを、９００℃から１０００℃の温度範囲で分解させて、炭化珪素ウエハの全表面に高純度で良質なカーボン保護膜６を形成させた。この実施の形態１では、炭化水素ガスの熱分解と、カーボン保護膜６の形成は、ＣＶＤを行う成膜装置内で、同一工程内で同時に行うことを想定している。実施の形態２では、ＣＶＤを行う成膜装置を、炭化水素ガスの流れに対し上流側にあるガス分解炉と下流側にある成膜炉から構成し、炭化水素ガスを分解する工程と、カーボン保護膜６を形成する工程を、それぞれ別の炉で別の工程で行うことを特徴とする。以下、この実施の形態２に係るカーボン保護膜６の形成方法を、図９に示す成膜装置の説明図を参照して説明する。なお実施の形態２において、炭化水素ガスを分解させてカーボン保護膜６を形成する工程以外の工程は、実施の形態１で示した工程と同一であるため、説明は省略する。

図９において、２０はカーボン保護膜６を形成するための成膜装置である。成膜装置２０は、アセチレンやメタンなどの炭化珪素ガスを分解するためのガス分解炉２１、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成するための成膜炉２２、ガス分解炉２１から成膜炉２２に分解された炭化水素ガスを導入するための接続管２３、ガス分解炉２１に炭化水素ガスなどを導入するためのガス導入管２４、成膜炉２２内の分解された炭化水素ガスを排気するためのガス排気管２５から構成される。

またガス分解炉２１は、ヒータ２６と、ヒータ２６の熱を受けてガス分解炉２１内を均一に加熱するための均熱材２７から構成される。なお均熱材２７は、石英ガラスやセラミックスからなりガス分解炉２１内に配設される。またヒータ２６は、ガス分解炉２１の外周部に、炭化水素ガスに直接接触しないようにして設けられている。このように構成されたガス分解炉２１では、ヒータ２６からの熱が、均熱材２７を介して炭化水素ガスに均一に伝わるので、炭化水素ガスの分解を完全に行わせることができる。

また成膜炉２２は、成膜炉２２の外周部に、分解された炭化水素ガスに直接接触しないようにして設けられたヒータ２７と、図示はしていないが、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６が形成可能なように、炭化珪素ウエハをバッチ式に配設するための載置台を有している。

このような成膜装置２０において、カーボン保護膜６は、次のようにして形成される。

ガス導入管２４から成膜装置２１内にアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスをキャリアガスとして導入する。成膜装置２１内の圧力は、常圧或いは減圧となるように、ガス排気管２５で排気量が調整される。成膜装置２１内の圧力が常圧或いは減圧下において、２０分程度で、ガス分解炉２１内の温度を８００℃程度に、成膜炉２２の温度を５００℃から８００℃の範囲内で加熱する。その後、キャリアガスにアセチレンガスやメタンガスなどの炭化水素ガスを１０％程度含有させて流し、ガス分解炉２１で炭化水素ガスを熱分解する。なお、炭化水素ガスは、最初からキャリアガスに含有させて流してもよい。炭化水素ガスの分解は、均熱材２７があるために、ほぼ完全に行われる。ガス分解炉２１で分解された炭化水素ガスは、接続管２３を介して成膜炉２２に導かれる。成膜炉２２に導かれた分解された炭化水素ガスは、成膜炉２２に載置された炭化珪素ウエハの全表面に、不純物が少なく高純度で良質な所定の厚さのカーボン保護膜６を形成する。所定の厚さは、保護膜としての効果が生じる１ｎｍ以上で、炭化珪素ウエハに加わる温度負荷及び炭化珪素ウエハに生じる温度差によりひび割れを生じない１０００ｎｍ以下がよく、より好ましくは、膜厚制御が容易な１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下がよい。また良質とは、グラファイト化が進んだ状態を指す。所定の厚さのカーボン保護膜６を形成した後は、速やかに成膜装置２１内のガスを排気すると共に、成膜装置２１内の温度を、炭化珪素ウエハが取出し可能な温度まで下げる。

この実施の形態２によれば、成膜装置をガス分解炉２１と成膜炉２２に分け、カーボン保護膜６を形成する前に、前もってアセチレンガスやメタンガスなどの炭化水素ガスを分解する工程を設けたので、実施の形態１よりも低い温度で、実施の形態１と同等の効果を有するカーボン保護膜６が形成できる。よって安定した品質と歩留まりの向上が実現可能な炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

また、例えば、成膜炉２２内の温度を実施の形態１と同等の温度にすれば、実施の形態１に比して、より良質な、具体的にはよりグラファイト化の進んだカーボン保護膜６を得ることができる。よってより安定した品質と歩留まりの向上が実現可能な炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

実施の形態３
実施の形態１及び２では、アセチレン，メタン又はプロパンなどの炭化水素ガスを例として説明したが、酸素を含む炭化水素ガスであるエチルアルコール（Ｃ_２Ｈ_４ＯＨ：エタノール）やメチルアルコール（ＣＨ_３ＯＨ：メタノール）などの低級アルコールを用いることもできる。ここでは、エタノールやメタノールを用いた炭化珪素半導体装置の製造方法を、パワーＭＯＳＦＥＴを例にして説明する。なおパワーＭＯＳＦＥＴの製造方法は、カーボン保護膜の形成方法を除いて、実施の形態１で示した図１から図８と同等である。そのため、図１から図８を参照して説明する。

まずｎ^＋型（第１導電型）の半導体基板１の一方面上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、炭化珪素からなるｎ⁻型（第１導電型）の炭化珪素層２を形成する（図１）。半導体基板１としては、例えば、ｎ^＋型の炭化珪素基板が好適である。この半導体基板１と炭化珪素層２でもって炭化珪素ウエハを構成する。

次に炭化珪素ウエハの表面内、具体的には炭化珪素ウエハを構成する炭化珪素層２の表面内の所定の間隔に離間した部位に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｐ型（第２導電型）のウェル領域３を選択的に形成する（図２）。炭化珪素層２内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、それぞれのウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｎ型（第１導電型）のソース領域４を選択的に形成する（図２）。ウェル領域３内でｎ型となる不純物としては、例えばリン（Ｐ）あるいは窒素（Ｎ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、ウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして、ｐ型（第２導電型）の不純物をイオン注入して、ソース領域４の周囲に隣接して、ｐ^＋型（第２導電型）のコンタクト領域５を形成する（図２）。ここではコンタクト領域５の不純物濃度は、ウェル領域３の不純物濃度より相対的に濃くなるように設定される。ウェル領域３内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。

次に、例えば、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスを用いて、ＣＶＤなどによる化学気相成長法によって、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成する（図３）。

具体的には、ＣＶＤを行う成膜装置内に、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスをキャリアガスとして流しながら、１．３３×１０^４Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）以下、好ましくは６．６７×１０^３Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）以下、より好ましくは１．３３×１０^３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下の減圧下で成膜装置内の温度を８５０℃から１０００℃の範囲に加熱する。加熱時間は２０分程度である。その後、キャリアガスを停止又は流した状態で酸素を含む炭化水素ガスを供給し、前述した減圧下で酸素を含む炭化水素ガスを熱分解し、炭化珪素ウエハの全表面に所定の厚さのカーボン保護膜６を形成する。ここで所定の厚さは、保護膜としての効果が生じる１ｎｍ以上で、炭化珪素ウエハに加わる温度負荷及び炭化珪素ウエハに生じる温度差によりひび割れを生じない１０００ｎｍ以下がよく、より好ましくは、膜厚制御が容易な１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下がよい。このようにＣＶＤなどの化学気相成長法によって形成されるカーボン保護膜６は、高純度の炭化水素ガスを用いることが出来るため、不純物の少ない高純度で良質なカーボン保護膜６が形成される。ここで良質とはグラファイト化が進んだ状態を指す。また、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成するため、バッチ式の膜形成処理が可能となる。具体的には、成膜装置内に、炭化珪素ウエハの全表面に均一にカーボン保護膜６が形成可能な間隔でもって、炭化珪素ウエハを複数枚配置して、一括して膜形成が可能である。そのためスループットが向上する。

ここで、実施の形態３におけるカーボン保護膜６を形成するのに適している成膜装置の例を図１０に示す。

図１０において、３０はカーボン保護膜６を形成するための成膜装置である。成膜装置３０は、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスを成膜装置内に導入するためのガス導入管３１、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成するための成膜炉３２、熱分解された炭化水素ガスを排気するためのガス排気管３３、成膜炉３２の外周部に、炭化珪素ガスに直接接触しないように設けられた炭化水素ガスを熱分解させるためのヒータ３４、炭化珪素ウエハの全表面に、カーボン保護膜６が形成可能なように保持し、かつ炭化珪素ウエハをバッチ式に成膜するための基板保持具３５から構成される。基板保持具３５は、炭化珪素ウエハの周縁部、例えば、炭化珪素ウエハの周縁部の３点を支持して保持できるようにしたものが考えられる。なお、実施の形態１及び２で示した炭化珪素ウエハを保持するための載置台と基板保持具３５は同等の機能を有するものである。

この成膜装置３０によるカーボン保護膜６の形成は次のとおりである。

ガス導入管３１から成膜炉３２内にアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスをキャリアガスとして導入する。成膜炉３２内の圧力は、減圧状態（１．３３×１０^４Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）以下、好ましくは６．６７×１０^３Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）以下、より好ましくは１．３３×１０^３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）以下）となるように、ガス排気管３３で排気量が調整される。成膜炉３２内の圧力が前述した減圧状態下において、３０分程度で、成膜炉３２内の温度を、ヒータ３４により８００℃から１０００℃の範囲内で加熱する。成膜炉３２内の温度が所定の温度に到達した時点で、キャリアガスを止めて、成膜炉内３２内に、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスをガス導入管３１から導入し所定の圧力に調整する。例えば、成膜炉３２内の圧力は、前述した減圧状態にする。成膜炉３２に導入された酸素を含む炭化水素ガスは、この成膜炉３２内で分解され、基板保持具３５に載置された複数の炭化珪素ウエハの全表面に、不純物が少なく高純度で良質な所定の厚さのカーボン保護膜６を形成する。ここで所定の厚さは、前述したように、保護膜としての効果が生じる１ｎｍ以上で、炭化珪素ウエハに加わる温度負荷及び炭化珪素ウエハに生じる温度差によりひび割れを生じない１０００ｎｍ以下がよく、より好ましくは、膜厚制御が容易な１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下がよい。また良質とは、グラファイト化が進んだ状態を指す。所定の厚さのカーボン保護膜６を形成した後は、速やかに成膜炉３２内のガスを排気すると共に、再びキャリアガスを導入して、成膜炉３２内の温度を、炭化珪素ウエハが取出し可能な温度まで下げる。これにより、炭化珪素ウエハの全表面に不純物が少なく高純度で良質な所定の厚さのカーボン保護膜６が形成される。なお図１０に示した成膜装置３０の構成は、実施の形態１で示したカーボン保護膜６の形成の際にも用いることができる。なお図１０に示す成膜装置３０の構成は一例を示したものであり、特に構成を限定するものではない。図１０に示す成膜装置３０に相当する構成を備えていればよい。

次に全表面にカーボン保護膜６が成膜された炭化珪素ウエハをアニール処理装置に入れて、不活性ガスの雰囲気でアニール処理を行う。

具体的には、アルゴン雰囲気で、予備加熱（１０００℃程度）を行った後、所定の温度（１５００℃以上，好ましくは１７００℃程度）で所定の時間（３０分程度）加熱し、その後速やかに冷却する。これにより、注入イオンが電気的に活性化され、かつイオン注入より形成された結晶欠陥が回復する。

アニール処理の後、カーボン保護膜６を、９５０℃程度の酸素雰囲気中で３０分程度曝すことにより除去する。或いは、レジスト除去に用いられる酸素プラズマを用いたアッシングにより除去することもできる。

このようにアニール処理の際、炭化珪素ウエハは、全表面にカーボン保護膜６が形成されているために、アニール処理の際に、炭化珪素ウエハ表面にステップバンチングが発生することがない。カーボン保護膜６を除去した後の炭化珪素ウエハ表面の凹凸をＡＦＭで測定したところ、カーボン保護膜６がない場合は、数１０ｎｍ程度の凹凸が炭化珪素ウエハの全面に発生するのに対して、この発明に係るカーボン保護膜６を用いた場合は、１ｎｍ以下の凹凸となり、その効果が確認できた。また不純物の少ない高純度なカーボン保護膜６が形成されるため、炭化珪素半導体装置を汚染することがない。さらに、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜を形成したため、アニール処理の際に炭化珪素ウエハに生じる不均衡な熱応力が改善され、炭化珪素ウエハに生じる歪みが低減される。そのため炭化珪素ウエハの結晶に生じる欠陥が増大することがない。

次に、カーボン保護膜６が除去された炭化珪素ウエハの一方面上、具体的にはイオン注入された側の炭化珪素ウエハ上に、熱酸化法によって二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなるゲート酸化膜７を形成する（図４）。この工程で形成されるゲート酸化膜７は熱酸化膜である。

次に、ゲート酸化膜７上に、化学気相成長法によりポリシリコン膜を形成した後、不要部分を、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により除去してゲート電極８を形成する（図５）。

次に、ゲート酸化膜７及びゲート電極８の表面上に、ＴＥＯＳガスを用いた化学気相成長法により、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる層間絶縁膜９を形成する（図６）。この工程で形成される層間絶縁膜９はＴＥＯＳ酸化膜である。

次に、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により、コンタクト領域５及び一部のソース領域４が露出するようにして、層間絶縁膜９及びゲート酸化膜７を除去する（図７）。その後、レジストも除去される。

次に、層間絶縁膜９及びゲート酸化膜７が除去され露出したコンタクト領域５及び一部のソース領域４上に、例えばスパッタリングなどの物理気相成長法（ＰＶＤ法）により導電膜を形成する。その後、層間絶縁膜９の表面上に形成された導電膜の不要部分を、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により除去して、コンタクト領域５及び一部のソース領域４上に、ソース電極（第１の主電極）１０を形成する（図８）。ソース電極１０は、コンタクト領域５及びソース領域４に電気的に接続されている。ソース電極１０となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。

最後に、炭化珪素ウエハの裏面上にスパッタリングなどの物理気相成長法により、導電膜からなるドレイン電極（第２の主電極）１１を形成する（図８）。ドレイン電極１１となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。

以上により、この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置であるパワーＭＯＳＦＥＴの主要部が完成する。

この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、不純物のイオン注入後に、酸素を含む炭化水素ガスを熱分解させて成膜する化学気相成長法により炭化珪素ウエハの全表面に所定の厚さのカーボン保護膜を形成する工程を含むものである。これにより、不純物が少ない高純度で良質なカーボン保護膜６が得られるため、炭化珪素半導体装置に対する汚染が防止できる。また炭化珪素ウエハに生じる不均衡な熱応力が防止できるため、この熱応力に伴う炭化珪素ウエハの結晶欠陥の増大も防止できる。よって安定した品質と歩留まりの向上が実現可能な炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。

また酸素を含む炭化水素ガスを用いて成膜したカーボン保護膜は、酸素を含まない一般的な炭化水素ガスを用いて成膜したカーボン保護膜より、欠陥の少ないカーボン保護膜が得られる。

これは、高温時に分解して生じた活性化した酸素が、成膜時のアモルファス構造の炭素と反応して一酸化炭素を形成することにより、カーボン保護膜の欠陥を減少させる効果を有するためである。

さらにカーボン保護膜の形成に酸素を含む炭化水素ガスを用いた場合は、ＣＶＤによるカーボン保護膜の形成中に生じる未反応の炭化水素の発生が減少するために、成膜装置内に付着する未反応の炭素や高分子の炭化水素膜が減少する。よって成膜装置のメンテナンス性が向上する効果も有する。

この実施の形態３では、酸素を含む炭化水素ガスとしてエタノールやメタノールなどの低級アルコールを例にして説明したが、酸素を含む炭化水素ガスとしては、酸素、炭素及び水素を含んだガスであればよく、例えば、セタノールなどの高級アルコール、ヒドロキシ酸、カルボン酸、ケトン、アルデヒド、フェノール、エステル又はエーテルを気化させたものを用いてもよい。この場合、実施の形態３と同等の製造方法が使用可能で、同等の効果を得ることができる。なお実際の使用に当たっては、高分子のものはあまり望ましくなく、分子中に含まれる炭素数が１０以下の低分子のものが望ましい。加えて蒸気圧の高いガスがより望ましい。この見地からすれば、エチルアルコールやメチルアルコールなどの低級アルコールが望ましいと言える。

実施の形態４
実施の形態３では、エタノールやメタノールなどの酸素を含む炭化水素ガスを用いてカーボン保護膜６を形成したものを示したが、酸素を含む炭化水素ガスとしてテトラヒドロフラン（tetrahydrofuran, ＴＨＦ）などの環状エーテル化合物を用いた場合は、カーボン保護膜６の形成条件が若干相違する。以下では、炭化珪素半導体装置の製造方法のうち、実施の形態３とは相違するテトラヒドロフランを用いたカーボン保護膜６の形成方法について、図１から図８及び図１０を参照して説明する。その他の炭化珪素半導体装置の製造方法については、実施の形態３で説明したものと同じであるため、説明は省略する。

実施の形態３で示した炭化珪素ウエハに対する図２までの処理の後、酸素を含む炭化水素ガスとしてのテトラヒドロフランを用いて、ＣＶＤなどの化学気相成長法によって、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成する（図３）。

具体的には、ＣＶＤを行う成膜炉３２内に、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスをキャリアガスとして流しながら、減圧下で成膜装置内の温度を、ヒータ３４を用いて８５０℃から１０００℃の範囲に加熱する。加熱時間は２０分程度である。その後、テトラヒドロフランを無図示の供給装置から、無図示の気化器にガス圧を印加した状態で少量ずつ供給し、気化器において１２０℃の温度でもって気化させて、ガス導入管３１から成膜炉３２に供給する。ここでガス導入管３１を含む気化器から成膜炉３２までの配管は、凝縮を避けるために、配管周りに設けられた無図示のヒータで１００℃以上に加熱されている。テトラヒドロフランは、成膜炉３２内では、１．３３×１０^４Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）以下で熱分解され成膜されることが必要であり、より望ましくは７×１０^３Ｐａ（５２．５Ｔｏｒｒ）にすることで成膜速度が向上する。このように、成膜炉３２に導入された酸素を含む炭化水素ガスは、この成膜炉３２内で分解され、基板保持具３５に載置された複数の炭化珪素ウエハの全表面に、不純物が少なく高純度で良質な所定の厚さのカーボン保護膜６を形成する。ここで所定の厚さは、前述したように、保護膜としての効果が生じる１ｎｍ以上で、炭化珪素ウエハに加わる温度負荷及び炭化珪素ウエハに生じる温度差によりひび割れを生じない１０００ｎｍ以下がよく、より好ましくは、膜厚制御が容易な１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下がよい。また良質とは、グラファイト化が進んだ状態を指す。所定の厚さのカーボン保護膜６を形成した後は、供給装置からのテトラヒドロフランの供給を停止させて、成膜炉３２内の温度を、炭化珪素ウエハが取出し可能な温度まで下げる。

これにより、実施の形態３と同じ効果を有するカーボン保護膜６を形成することができる。以降の工程は、実施の形態３で示したアニール処理以降の工程と同じである。

実施の形態５
実施の形態１から４によれば、成膜装置で炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成した後、炭化珪素ウエハをアニール処理装置に移し変えている。このため、移し変えの際に、炭化珪素ウエハの表面に形成されているカーボン保護膜６が、擦れなどにより、剥がれたり一部破損したりして、炭化珪素半導体装置の品質及び歩留まりが低下することが懸念される。

これを防止する一方法として、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成する成膜装置と、カーボン保護膜６が形成された炭化珪素ウエハをアニールするアニール処理装置で基板保持具３６を共有化する。

具体的には、炭化珪素ウエハの全表面にカーボン保護膜６を形成可能であって、かつバッチ処理可能なように複数の炭化珪素ウエハを載置可能にした基板保持具３５を、実施の形態１から４に示した成膜装置及びアニール処理装置において搭載可能にする。

図１１は、一般的なアニール処理装置の一例を示したものである。図１１において、アニール処理装置４０は、アニール炉４１、このアニール炉４１にアルゴンなどの不活性ガスを導入するガス導入管４２、アニール炉４１内を排気するためのガス排気管４３、複数の炭化珪素ウエハが載置可能であり、かつ成膜装置にも利用可能な基板保持具３５、基板保持具３５の周囲に設けられたカーボンヒータなどのヒータ４４、少なくともヒータ４４の周囲に設けられ、ヒータ４４の熱を均一に炭化珪素ウエハに与えるための石英やセラミックなどからなる均熱材４５、アニール炉４１の周囲に設けられ、ヒータ４４を誘導加熱するためのコイル４６から構成されている。

このように構成されたアニール処理装置４０を用いて、アニール炉４１内を排気後に、アルゴンガスをガス導入管４２から導入し、所定の圧力に設定されたアルゴン雰囲気の中で、コイル４６により誘導加熱されたヒータ４４の熱が、均熱材４５により均一化され、基板保持具３５に設置された炭化珪素ウエハを均一に加熱することにより、所望のアニール処理が行われる。このアニール処理の際、基板保持具３５は、成膜装置で用いたものを使用している。

このように成膜処理とアニール処理の間で、基板保持具３５を共有することにより、炭化珪素ウエハが載置された基板保持具３５ごと、成膜装置からアニール処理装置に移し変えることが可能になるため、炭化珪素ウエハの表面に形成されているカーボン保護膜６が、擦れなどにより、剥がれたり一部破損したりすることがなくなるので、炭化珪素半導体装置の品質の安定と歩留まりの更なる向上を実現することができる。また、成膜装置やアニール処理装置内の汚染が減少するため生産効率を向上させることもできる。

なお各実施の形態においては、カーボン保護膜６を形成する際、炭化珪素ウエハは基板保持具に支持される。そのため、炭化珪素ウエハと基板保持具の接触部には、カーボン保護膜６が形成されない、又は形成されにくい。しかしながら、このような接触部の領域は、炭化珪素ウエハの全領域に対して、小さいものであり、この発明の効果を何ら阻害しない。そのため、この発明において、カーボン保護膜６が全表面に形成された炭化珪素ウエハとは、炭化珪素ウエハと基板保持具の接触部において、カーボン保護膜６が形成されていない、又は形成されにくく薄膜となっている炭化珪素ウエハをも含むものである。

この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から４に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る成膜装置の概要を示す説明図である。 この発明の実施の形態３に係る成膜装置の概要を示す説明図である。 この発明の実施の形態５に係るアニール処理装置の概要を示す説明図である。

１ ｎ^＋型（第１導電型）の半導体基板、２ ｎ⁻型（第１導電型）の炭化珪素層、３ ｐ型（第２導電型）のウェル領域、４ ｎ型（第１導電型）のソース領域、５ ｐ^＋型（第２導電型）のコンタクト領域、６ カーボン保護膜、７ ゲート酸化膜、８ ゲート電極、９ 層間絶縁膜、１０ ソース電極（第１の主電極）、１１ ドレイン電極（第２の主電極）、２０ 成膜装置、２１ ガス分解炉、２２ 成膜炉、２３ 接続管、２４ ガス導入管、２５ ガス排気管、２６ ヒータ、２７ ヒータ、３０ 成膜装置、３１ ガス導入管、３２ 成膜炉、３３ ガス排気管、３４ ヒータ、３５ 基板保持具、４０ アニール処理装置、４１ アニール炉、４２ ガス導入管、４３ ガス排気管、４４ ヒータ、４５ 均熱材、４６ コイル

Claims (8)

1. 酸素を含む炭化水素を気化する気化器と、
   前記気化器で気化された酸素を含む炭化水素ガスを導入するガス導入管と、
   前記ガス導入管により導入される前記酸素を含む炭化水素ガスを熱分解してウエハの全表面にカーボン保護膜を形成するための成膜炉とを備えたことを特徴とするカーボン膜成膜装置。
2. 前記ガス導入管を含む前記気化器から前記成膜炉までの配管が、ヒータで加熱されることを特徴とする請求項１記載のカーボン膜成膜装置。
3. 前記成膜炉は、ウエハ周縁部の３点を支持して保持する基板保持具を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のカーボン膜成膜装置。
4. 酸素を含む炭化水素ガスは、メチルアルコール、エチルアルコール、セタノール、ヒドロキシ酸、カルボン酸、ケトン、アルデヒド、フェノール、エステル、エーテル又はテトラヒドロフランのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のカーボン膜成膜装置。
5. 炭化水素ガスを導入するガス導入管と、
   前記ガス導入管により導入される前記炭化水素ガスを分解するガス分解炉と、
   前記分解炉で分解される炭化水素ガスを導入してウエハの全表面にカーボン保護膜を形成する成膜炉と、
   を備えたことを特徴とするカーボン膜成膜装置。
6. 前記ガス分解炉は、ヒータと、前記ヒータの熱を受けてガス分解炉内を均一に加熱するための均熱材で構成されることを特徴とする請求項５記載のカーボン膜成膜装置。
7. 前記均熱材は、石英ガラス、または、セラミックスからなることを特徴とする請求項６記載のカーボン膜成膜装置。
8. 前記ガス分解炉の温度を成膜炉の温度より高く設定する請求項５ないし７のいずれか１項記載のカーボン膜成膜装置。

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