JP2020194880A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入のマスクの開口部の側面を半導体基板の主面に対し垂直となるように形成することのできる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】炭化珪素基板１０の主面１０ａの上に、濃度傾斜酸化膜１２０を形成する工程と、濃度傾斜酸化膜１２０の表面１２０ａに、開口部３０ａを有するレジストパターン３０を形成する工程と、レジストパターン３０の開口部３０ａにおける濃度傾斜酸化膜１２０を炭化珪素基板１０の主面１０ａが露出するまで、エッチングにより除去し開口部１２０ｂを形成する工程と、濃度傾斜酸化膜１２０をマスクとして、濃度傾斜酸化膜１２０の開口部１２０ｂにおける炭化珪素基板１０に不純物元素のイオンをイオン注入する工程と、を有し、濃度傾斜酸化膜１２０は、酸化シリコンにリンがドープされており、リンの濃度が炭化珪素基板１０側から濃度傾斜酸化膜１２０の表面１２０ａ側に向かって徐々に減少している。【選択図】 図８

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体装置の製造工程においては、ＳｉやＳｉＣ等の半導体基板の所定の領域に、表面よりイオン注入を行うイオン注入工程がある。イオン注入工程では、例えば、半導体基板の表面に酸化シリコン膜等を成膜し、マスクが形成される領域にレジストパターンを形成し、レジストパターンの形成されていない領域の酸化シリコン膜等を除去し開口部を形成し、イオン注入のマスクを形成する。この後、形成されたイオン注入のマスクを用いて開口部において露出している半導体基板の表面に、不純物元素のイオンをイオン注入する。

特開平７−３３５６４０号公報

ところで、イオン注入をする際、マスクの開口部の側面が傾斜していると、所望の領域の範囲に、イオン注入をすることができず、製造される半導体装置の特性のばらつきや歩留まりの低下を招く。このため、半導体装置の製造方法においては、イオン注入のマスクの開口部の側面を半導体基板の主面に対し垂直となるように形成することのできる方法が求められている。

本実施形態の一観点によれば、半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板の主面の上に、濃度傾斜酸化膜を形成する工程と、濃度傾斜酸化膜の表面に、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンの開口部における濃度傾斜酸化膜を炭化珪素基板の主面が露出するまで、エッチングにより除去し開口部を形成する工程と、を有する。更に、濃度傾斜酸化膜をマスクとして、濃度傾斜酸化膜の開口部における炭化珪素基板に不純物元素のイオンをイオン注入する工程と、を有し、濃度傾斜酸化膜は、酸化シリコンにリンがドープされており、リンの濃度が炭化珪素基板側から濃度傾斜酸化膜の表面側に向かって徐々に減少している。

本開示の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入のマスクの開口部の側面を半導体基板の主面に対し垂直となるように形成することができる。

図１は、半導体装置の製造方法の工程図（１）である。 図２は、半導体装置の製造方法の工程図（２）である。 図３は、半導体装置の製造方法の工程図（３）である。 図４は、半導体装置の製造方法の工程図（４）である。 図５は、半導体装置の製造方法の工程図（５）である。 図６は、本開示の第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（１）である。 図７は、本開示の第１の実施形態の濃度傾斜酸化膜の説明図（１）である。 図８は、本開示の第１の実施形態の濃度傾斜酸化膜の説明図（２）である。 図９は、本開示の第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（２）である。 図１０は、本開示の第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（３）である。 図１１は、本開示の第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（４）である。 図１２は、本開示の第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（５）である。 図１３は、本開示の第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（１）である。 図１４は、本開示の第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（２）である。 図１５は、本開示の第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（３）である。 図１６は、本開示の第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（４）である。 図１７は、本開示の第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程図（５）である。

実施するための形態について、以下に説明する。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。

〔１〕 本開示の一態様に係る半導体装置は、炭化珪素基板の主面の上に、濃度傾斜酸化膜を形成する工程と、前記濃度傾斜酸化膜の表面に、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンの開口部における前記濃度傾斜酸化膜を前記炭化珪素基板の主面が露出するまで、エッチングにより除去し開口部を形成する工程と、前記濃度傾斜酸化膜をマスクとして、前記濃度傾斜酸化膜の開口部における前記炭化珪素基板に不純物元素のイオンをイオン注入する工程と、を有し、前記濃度傾斜酸化膜は、酸化シリコンにリンがドープされており、リンの濃度が前記炭化珪素基板側から前記濃度傾斜酸化膜の表面側に向かって徐々に減少している。

これにより、濃度傾斜酸化膜の開口部における側面を炭化珪素基板の主面に対し垂直に形成することができ、所望の領域に不純物元素をイオン注入することができる。

〔２〕 前記濃度傾斜酸化膜は、シラン、酸素、ホスフィンを原料ガスとして、化学気相成長により成膜されており、前記濃度傾斜酸化膜の成膜開始時より、前記ホスフィンの流量を徐々に減らしながら成膜する。

〔３〕 前記濃度傾斜酸化膜は、リンの濃度が、０．１ｗｔ％以上、１０ｗｔ％以下であって、膜厚が１μｍ以上、５μｍ以下である。

〔４〕 炭化珪素基板の主面の上に、濃度傾斜窒化膜を形成する工程と、前記濃度傾斜窒化膜の表面に、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンの開口部における前記濃度傾斜窒化膜を前記炭化珪素基板の主面が露出するまで、エッチングにより除去し開口部を形成する工程と、前記濃度傾斜窒化膜をマスクとして、前記濃度傾斜窒化膜の開口部における前記炭化珪素基板に不純物元素のイオンをイオン注入する工程と、を有し、前記濃度傾斜窒化膜は、窒化シリコンであって、窒素の濃度が前記炭化珪素基板側から前記濃度傾斜酸化膜の表面側に向かって徐々に増加している。

〔５〕前記エッチングは、ドライエッチングである。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

〔第１の実施形態〕
最初に、半導体装置の製造工程において、イオン注入のマスクを形成する工程について説明する。

具体的には、図１に示されるように、半導体基板であるＳｉＣ（炭化珪素）基板１０の主面１０ａの上に、イオン注入のマスクを形成するための酸化膜２０を形成する。酸化膜２０は、酸化シリコンにＰ（リン）がドープされている膜であり、ＣＶＤ（chemical vapor deposition：化学気相成長）による成膜により形成され、成膜される酸化膜２０の膜厚は、例えば、約１μｍである。尚、酸化膜２０は、酸化膜２０の膜厚が厚いと応力によりクラックが発生する場合があることから、Ｐがドープされている。

次に、図２に示されるように、酸化膜２０の表面２０ａに、開口部３０ａを有するレジストパターン３０を形成する。レジストパターン３０は、酸化膜２０の表面２０ａに、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより形成する。形成されるレジストパターン３０は、例えば、厚さが、約１μｍであり、開口部３０ａの幅が、約０．５μｍである。

次に、図３に示されるように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）等のドライエッチングにより、レジストパターン３０の開口部３０ａにおける酸化膜２０を除去し、開口部２０ｂを形成する。これにより、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａを露出させる。

次に、図４に示されるように、レジストパターン３０をアッシング等により除去することにより、開口部２０ｂを有する酸化膜２０により、イオン注入のマスク２０Ｍが形成される。このように形成されるイオン注入のマスク２０Ｍは、アスペクト比が高いと、開口部２０ｂの側面２０ｃがテーパ形状に傾斜して形成される場合がある。このような傾斜は、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａ側から、酸化膜２０の表面２０ａ側に向かって、徐々に開口が広がるように形成され、酸化膜２０の膜厚が厚ければ厚く、また、開口部の幅が狭い程、顕著となる。尚、本願においてアスペクト比とは、膜厚（深さ）／開口部の幅である。

このようなイオン注入のマスク２０Ｍを用いてイオン注入をした場合、図５に示されるように、開口部２０ｂの側面２０ｃが傾斜しているため、実際のイオン注入領域４０は、理想のイオン注入領域４０ａよりも狭くなる。このため、所望の特性が得られない場合があり、製造される半導体装置の特性のばらつきや歩留まり低下を招く要因となる。

従って、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａに対し、酸化膜の開口部の側面が垂直となるようなイオン注入のマスクを形成することのできる半導体装置の製造方法が求められている。

（半導体装置の製造方法）
次に、第１の実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態における半導体装置の製造方法では、図６に示されるように、半導体基板であるＳｉＣ基板１０の主面１０ａの上に、イオン注入のマスクを形成するための濃度傾斜酸化膜１２０を形成する。濃度傾斜酸化膜１２０は、酸化シリコンにＰがドープされている膜であり、ＣＶＤによる成膜により形成され、成膜される濃度傾斜酸化膜１２０の膜厚は、１μｍ以上、５μｍ以下であり、例えば、約１μｍである。

具体的には、ＣＶＤ装置のチャンバー内にＳｉＣ基板１０を設置し、このＣＶＤ装置のチャンバー内に、成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）、酸素、ホスフィン（ＰＨ_３）を供給することにより濃度傾斜酸化膜１２０を成膜する。濃度傾斜酸化膜１２０を成膜する際のＣＶＤチャンバー内の圧力は、１気圧であり、成膜温度は６００℃である。チャンバー内には、図７に示されるように、ＳｉＨ_４を１００ｓｃｃｍ、酸素を２０００ｓｃｃｍ供給している状態で、ＰＨ_３を成膜開始時には１５０ｓｃｃｍ供給し、徐々に流量を減らし成膜終了時に１０ｓｃｃｍとなるように供給する。

このように成膜することにより、図８に示されるように、膜厚方向にＰ濃度の傾斜を有する濃度傾斜酸化膜１２０が形成される。この濃度傾斜酸化膜１２０は、ＳｉＣ基板１０側のＰ濃度が約４ｗｔ％であり、表面１２０ａ側に向かって徐々にＰ濃度が低下し、表面１２０ａにおけるＰ濃度は約０．３ｗｔ％となる膜である。

次に、図９に示されるように、濃度傾斜酸化膜１２０の表面１２０ａに、開口部３０ａを有するレジストパターン３０を形成する。レジストパターン３０は、濃度傾斜酸化膜１２０の表面１２０ａに、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより形成する。形成されるレジストパターン３０は、例えば、厚さが、約１μｍであり、開口部３０ａの幅が、約０．５μｍである。

次に、図１０に示されるように、ＲＩＥ等のドライエッチングにより、レジストパターン３０の開口部３０ａにおける濃度傾斜酸化膜１２０を除去し、開口部１２０ｂを形成し、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａを露出させる。ＲＩＥ等のドライエッチングでは、エッチングチャンバーに、ＣＦ_４を１０ｓｃｃｍ、Ａｒを１００ｓｃｃｍ供給し、チャンバー内の圧力を１Ｐａとしてエッチングを行う。エッチングガスには、ＣＦ_４に代えて、他のフッ素を含むガス、例えば、ＣＨＦ_３等を用いてもよい。

Ｐがドープされている酸化シリコン膜は、Ｐ濃度により、ＲＩＥ等のドライエッチングにおけるエッチングレートが変化し、Ｐ濃度が低いとエッチングレートが遅く、Ｐ濃度が高いとエッチングレートが高くなる。このため、濃度傾斜酸化膜１２０は、濃度傾斜酸化膜１２０の表面１２０ａの近傍では、エッチングレートが遅く、ＳｉＣ基板１０に近づくにつれてエッチングレートが早くなる。従って、濃度傾斜酸化膜１２０の側面１２０ｃでも、濃度傾斜酸化膜１２０のＳｉＣ基板１０の近くでは、濃度傾斜酸化膜１２０の表面１２０ａよりも、エッチングレートも早くなる。よって、濃度傾斜酸化膜１２０の側面１２０ｃは、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａに対し垂直に形成することができる。尚、垂直とは厳密な意味での垂直を意味するものではなく、垂直とみなされる範囲であれば本発明の効果を奏する範囲で幅を持つ意味である。

次に、図１１に示されるように、レジストパターン３０をアッシング等により除去する。これにより、開口部１２０ｂを有する濃度傾斜酸化膜１２０により、イオン注入のマスク１２０Ｍが形成される。

このような濃度傾斜酸化膜１２０により形成されるイオン注入のマスク１２０Ｍは、側面１２０ｃが、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａに対し垂直である。よって、図１２に示されるように、理想の領域にイオン注入することができ、所望の領域にイオン注入領域１４０を形成することができる。尚、このイオン注入では、ＳｉＣ基板１０の温度を４００℃まで加熱し、１０ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの注入エネルギーでイオン注入を行う。ＳｉＣ基板１０におけるイオン注入では、Ｐ型領域を形成する場合には、不純物元素としてＰをイオンを注入し、Ｎ型領域を形成する場合には、不純物元素としてＡｌ（アルミニウム）をイオンを注入する。これにより、製造される半導体装置の特性のばらつきを抑制することができ、歩留まりを向上させることができる。

尚、本実施形態においては、濃度傾斜酸化膜１２０は、リンの濃度が、０．１ｗｔ％以上、１０ｗｔ％以下の範囲で濃度が傾斜しているものであり、より好ましくは、０．２ｗｔ％以上、８ｗｔ％以下の範囲で濃度が傾斜しているものである。更には、濃度傾斜酸化膜１２０は、リンの濃度が、０．３ｗｔ％以上、４ｗｔ％以下の範囲で濃度が傾斜しているものが好ましい。

〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。本実施の形態における半導体装置の製造方法では、図１３に示されるように、半導体基板であるＳｉＣ基板１０の主面１０ａの上に、イオン注入のマスクを形成するための濃度傾斜窒化膜２２０を形成する。濃度傾斜窒化膜２２０は、窒化シリコンにおいて窒素濃度が傾斜している膜であり、ＣＶＤによる成膜により形成される。成膜される濃度傾斜窒化膜２２０の膜厚は、１μｍ以上、５μｍ以下であり、例えば、約１μｍである。

具体的には、ＣＶＤ装置のチャンバー内にＳｉＣ基板１０を設置し、このＣＶＤ装置のチャンバー内に、成膜ガスとしてＳｉＨ_４、Ａｒ（アルゴン）、アンモニア（ＮＨ_３）を供給することにより濃度傾斜窒化膜２２０を成膜する。濃度傾斜窒化膜２２０を成膜する際のＣＶＤチャンバー内の圧力は、５０Ｐａであり、成膜温度は４００℃である。チャンバー内には、ＳｉＨ_４を１０ｓｃｃｍ、Ａｒを２０ｓｃｃｍを供給している状態で、ＮＨ_３を成膜開始時には２５ｓｃｃｍ供給し、徐々に流量を増やし、成膜終了時には５０ｓｃｃｍとなるように供給する。尚、ＣＶＤによる成膜では、ＮＨ_３に代えて、Ｎ_２（窒素）を用いてもよい。

このように成膜することにより、膜厚方向に窒素濃度の傾斜を有する濃度傾斜窒化膜２２０が形成される。この濃度傾斜窒化膜２２０は、ＳｉＣ基板１０側においては、Ｓｉ_３Ｎ_２であり、表面２２０ａ側に向かって徐々に窒素濃度が上昇し、表面２２０ａにおいては、Ｓｉ_３Ｎ_４となるように窒素濃度が傾斜している。

次に、図１４に示されるように、濃度傾斜窒化膜２２０の表面２２０ａに、開口部３０ａを有するレジストパターン３０を形成する。レジストパターン３０は、濃度傾斜窒化膜２２０の表面２２０ａに、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより形成する。形成されるレジストパターン３０は、例えば、厚さが、約１μｍであり、開口部３０ａの幅が、約０．５μｍである。

次に、図１５に示されるように、ＲＩＥ等のドライエッチングにより、レジストパターン３０の開口部３０ａにおける濃度傾斜窒化膜２２０を除去し、開口部２２０ｂを形成し、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａを露出させる。ＲＩＥ等のドライエッチングでは、エッチングチャンバーに、ＣＦ_４を１０ｓｃｃｍ、Ａｒを１００ｓｃｃｍ供給し、チャンバー内の圧力を１Ｐａとしてエッチングを行う。エッチングガスには、ＣＦ_４に代えて、他のフッ素を含むガスを用いてもよい。

窒化シリコン膜は、窒素濃度により、ＲＩＥ等のドライエッチングにおけるエッチングレートが変化し、Ｓｉ_３Ｎ_４に近いストイキオメトリの状態ではエッチングレートが遅く、これよりも窒素の濃度が低くなるに伴いエッチングレートが早くなる。このため、濃度傾斜窒化膜２２０は、濃度傾斜窒化膜２２０の表面２２０ａの近傍では、エッチングレートが遅く、ＳｉＣ基板１０に近づくにつれてエッチングレートが早くなる。従って、濃度傾斜窒化膜２２０の側面２２０ｃでも、ＳｉＣ基板１０の近くでは、表面１２０ａの近くよりも、エッチングレートも早くなる。よって、濃度傾斜窒化膜２２０の側面２２０ｃは、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａに対し垂直に形成される。

次に、図１６に示されるように、レジストパターン３０をアッシング等により除去する。これにより、開口部２２０ｂを有する濃度傾斜窒化膜２２０により、イオン注入のマスク２２０Ｍが形成される。

このような濃度傾斜窒化膜２２０により形成されるイオン注入のマスク２２０Ｍは、側面２２０ｃが、ＳｉＣ基板１０の主面１０ａに対し垂直である。よって、図１７に示されるように、理想の領域にイオン注入することができ、所望の領域にイオン注入領域２４０を形成することができる。これにより、製造される半導体装置の特性のばらつきを抑制し、歩留まりを向上させることができる。

上記においては、濃度傾斜窒化膜２２０をＣＶＤにより成膜する方法について説明したが、濃度傾斜窒化膜２２０はスパッタリングにより成膜することも可能である。例えば、濃度傾斜窒化膜２２０は、Ｓｉターゲットを用いて、ＡｒとＮ_２の混合ガスを用いたリアクティブスパッタリングによる成膜により形成することができる。具体的には、Ａｒの流量を一定とした状態で、Ｎ_２の流量を最初は低くして成膜を開始し、その後、Ｎ_２の流量を徐々に増やし、成膜終了時にはストイキオメトリな状態のＳｉ_３Ｎ_４となるように供給することにより、濃度傾斜窒化膜２２０を成膜することができる。

尚、上記以外の内容については、第１の実施形態と同様である。

以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

１０ ＳｉＣ基板
１０ａ 主面
２０ 酸化膜
２０ａ 表面
２０ｂ 開口部
２０ｃ 側面
２０Ｍ マスク
３０ レジストパターン
３０ａ 開口部
４０ 実際のイオン注入領域
４０ａ 理想のイオン注入領域
１２０ 濃度傾斜酸化膜
１２０ａ 表面
１２０ｂ 開口部
１２０ｃ 側面
１２０Ｍ マスク
１４０ イオン注入領域
２２０ 濃度傾斜窒化膜
２２０ａ 表面
２２０ｂ 開口部
２２０ｃ 側面
２２０Ｍ マスク
２４０ イオン注入領域

Claims (5)

1. 炭化珪素基板の主面の上に、濃度傾斜酸化膜を形成する工程と、
   前記濃度傾斜酸化膜の表面に、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、
   前記レジストパターンの開口部における前記濃度傾斜酸化膜を前記炭化珪素基板の主面が露出するまで、エッチングにより除去し開口部を形成する工程と、
   前記濃度傾斜酸化膜をマスクとして、前記濃度傾斜酸化膜の開口部における前記炭化珪素基板に不純物元素のイオンをイオン注入する工程と、
   を有し、
   前記濃度傾斜酸化膜は、酸化シリコンにリンがドープされており、リンの濃度が前記炭化珪素基板側から前記濃度傾斜酸化膜の表面側に向かって徐々に減少している半導体装置の製造方法。
2. 前記濃度傾斜酸化膜は、シラン、酸素、ホスフィンを原料ガスとして、化学気相成長により成膜されており、
   前記濃度傾斜酸化膜の成膜開始時より、前記ホスフィンの流量を徐々に減らしながら成膜する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記濃度傾斜酸化膜は、リンの濃度が、０．１ｗｔ％以上、１０ｗｔ％以下であって、
   膜厚が１μｍ以上、５μｍ以下である請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 炭化珪素基板の主面の上に、濃度傾斜窒化膜を形成する工程と、
   前記濃度傾斜窒化膜の表面に、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、
   前記レジストパターンの開口部における前記濃度傾斜窒化膜を前記炭化珪素基板の主面が露出するまで、エッチングにより除去し開口部を形成する工程と、
   前記濃度傾斜窒化膜をマスクとして、前記濃度傾斜窒化膜の開口部における前記炭化珪素基板に不純物元素のイオンをイオン注入する工程と、
   を有し、
   前記濃度傾斜窒化膜は、窒化シリコンであって、窒素の濃度が前記炭化珪素基板側から前記濃度傾斜窒化膜の表面側に向かって徐々に増加している半導体装置の製造方法。
5. 前記エッチングは、ドライエッチングである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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