JP2012227473A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ基板の表面荒れを低減する方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ基板１０に不純物を注入して、注入層７を形成した後、その処理対象物８の表面に、真空雰囲気を４．５Ｐａ以上の圧力に維持しながら、真空雰囲気中に配置されたカーボンターゲットに２５ｍＷ／ｍｍ²以下の電力を投入してスパッタリングしてカーボンキャップ６を形成し、アニール処理をして不純物を活性化させて活性化層１１を形成した後、カーボンキャップ６を除去して処理対象物８の表面を露出させる。カーボンキャップ６の成膜条件が処理対象物８の表面を荒らさない条件なので、表面荒れのない活性化層１１が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＳｉＣ基板を用いた半導体装置の製造方法に関する。

近年、トランジスタ、ダイオードなどの半導体装置を高耐圧化、低損失化するために、半導体装置を構成する材料としてＳｉＣ(炭化珪素)を用いる研究がおこなわれている。
ＳｉＣ基板を用いた半導体装置の製造工程では、ＳｉＣ基板内にキャリア生成用不純物を注入した後、ＳｉＣ基板内で効率よくキャリアを発生させるために、１６００℃〜２０００℃程度の高温度で熱処理を行い、注入した不純物を活性化させている。

しかし、このような高温処理を行うと、ＳｉＣ基板の表面での昇華等によって表面荒れが発生し、半導体装置の特性を著しく悪化させるという問題がある。
ＳｉＣ基板の表面荒れを低減するために、不純物を活性化させる高温処理を行う前に、ＳｉＣ基板の表面にカーボンキャップと呼ばれるカーボンコート層を形成することが一般に行われている。

カーボンキャップを形成するためには、（１）有機物塗布および焼きしめによる方法、（２）ＣＶＤ法、（３）スパッタ法の三種類が一般的に行われている。
しかし、上記（１）の焼きしめによる方法では、塗布剤や焼きしめによりＳｉＣ基板の表面が汚染されるおそれがあり、（２）のＣＶＤ方法では、スループットやコスト面に問題があることに加え、ガスを用いるために安全性に問題がある。（３）のスパッタ方法では、運動エネルギーを持ったカーボンスパッタリング粒子により、ＳｉＣ基板表面がダメージを受けるという問題がある。

それぞれの方法は一長一短であり、重視する特性によってそれぞれを使い分ける方法が採られているが、三方法の中では、生産性、品質、コストの面で優れるスパッタ法でカーボンキャップを形成することが主流となっている。
しかし、従来のスパッタ方法によるカーボンキャップの形成工程では、運動エネルギーを持ったカーボンスパッタリング粒子によってＳｉＣ基板表面がダメージを受けるという問題を解決することができず、カーボンキャップの目的であるＳｉＣ表面の荒れを防止する効果が弱まる懸念があった。

特開２００７−１１５８７５号公報 特開２０１０− ２７６３８号公報

本発明の課題は、不純物を活性化させる工程で発生するＳｉＣ基板の表面荒れを解消することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板の少なくとも一部に活性化された不純物を含有する活性化層を有する半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、前記ＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板の少なくとも一部の表面に不純物のイオンが照射されて形成された注入層とを有する処理対象物を真空雰囲気内に配置し、前記真空雰囲気にスパッタリングガスを導入し、前記真空雰囲気を４．５Ｐａ以上の圧力に維持しながら、前記真空雰囲気中に配置されたカーボンターゲットに２５ｍＷ／ｍｍ²以下の電力を投入して前記カーボンターゲットをスパッタし、前記処理対象物の表面にカーボンキャップを形成した後、前記処理対象物を加熱して前記不純物を活性化させる半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、前記不純物は、前記処理対象物を１６００℃以上２０００℃以下の温度に昇温させる半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、前記１６００℃以上２０００℃以下の温度に前記処理対象物を３分以上維持する半導体装置の製造方法である。

本発明によれば、ＳｉＣ基板の表面荒れは低減され、滑らかな表面を持った注入層表面に薄膜を形成することができるから、ＳｉＣ半導体装置の耐圧性、損失性を向上させることができる。

スパッタ装置の内部を説明するための断面図 （ａ）ＳｉＣ基板を示す図、（ｂ）注入層が形成されたＳｉＣ基板を示す図、（ｃ）注入層に密着するカーボンキャップが形成されたＳｉＣ基板を示す図、（ｄ）アニール処理終了後、活性化層が形成されたＳｉＣ基板を示す図、（ｅ）カーボンキャップを除去したＳｉＣ基板を示す図 ＳｉＣ基板Ａの活性化層の表面を原子間力顕微鏡によって撮影した写真 ＳｉＣ基板Ｂの活性化層の表面を原子間力顕微鏡によって撮影した写真 ＳｉＣ基板Ｃの活性化層の表面を原子間力顕微鏡によって撮影した写真 ＳｉＣ基板Ｄの活性化層の表面を原子間力顕微鏡によって撮影した写真

＜スパッタ装置＞
本発明に用いるスパッタ装置の一例を図１を用いて説明する。
図１の符号１は、そのスパッタ装置を表しており、該スパッタ装置１は真空槽１５を有している。真空槽１５には真空排気装置３１が接続されており、真空排気装置３１によって真空槽１５の内部を真空排気できるようになっている。

真空槽１５には、スパッタリングガス供給系３５が接続されている。スパッタリングガス供給系３５には希ガスからなるスパッタリングガスが配置されており、スパッタリングガス供給系３５から真空槽１５の内部に、スパッタリングガスを供給できるようになっている。

真空槽１５の内部には、処理対象物が配置される台２１と、炭素で構成されたターゲット９が配置されている。
ターゲット９は、表面が台２１と対面するように配置されており、ターゲット９の裏面にはカソード２２が取り付けられている。

真空槽１５の外部には電源３３が配置されており、電源３３の出力端子はカソード２２に電気的に接続されている。
台２１の内部には、電極２７が設けられており、該電極２７と真空槽１５とは接地電位に電気的に接続されている。
従って、電源３３を動作させると、電極２７とカソード２２の間に電圧が印加される。

真空槽１５内を真空雰囲気にしてスパッタリングガスを導入し、台２１内部の電極２７とカソード２２との間に電圧を印加すると真空槽１５の内部でスパッタリングガスのプラズマが生成され、プラズマ粒子がターゲット９に入射し、ターゲット９から、ターゲット９の構成物質のスパッタリング粒子が放出され、スパッタリング粒子が台２１上に配置された処理対象物の表面に到達すると、処理対象物表面に、炭素薄膜から成るカーボンキャップが形成される。

＜半導体装置の製造方法＞
上記スパッタ装置１を用いた本発明の実施例について説明する。
図２（ａ）の符号１０は、半導体製造装置の製造に用いるＳｉＣ基板であり、先ず、イオン注入装置を用いて、ＳｉＣ基板１０の表面に、ドナーまたはアクセプターになる不純物のイオンを所定量照射してＳｉＣ基板１０の内部に注入させ、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＣ基板１０の内部表面に、注入された不純物から成る注入層７を形成する。

注入層７が形成されたＳｉＣ基板１０を図１のスパッタ装置１内に搬入する際に、スパッタ装置１の真空槽１５の内部は真空雰囲気にしておき、真空槽１５の真空雰囲気を維持しながら、注入層７が形成されたＳｉＣ基板１０を、処理対象物として真空槽１５内部に搬入し、台２１上に配置する。図１の符号８は、真空槽１５内に搬入された処理対象物を示している。

処理対象物８の注入層７は露出されており、ＳｉＣ基板１０上では、処理対象物８は注入層７がターゲット９に向けられている。
真空槽１５内にスパッタリングガス（ここではスパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いる）を導入し、真空槽１５の内部のスパッタリングガスの圧力を上昇させ、スパッタリングガス雰囲気を形成する。

この実施例では、スパッタリングガス雰囲気の圧力を、４．５Ｐａ以上の圧力に維持しながら、電源３３を動作させてカソード２２と電極２７との間に電圧を印加し、プラズマを発生させる。ここでは直流電圧を印加して直流電流を流した。

電源３３は、ターゲット９へ投入する電力Ｐの大きさを制御可能であり、ターゲット９へ投入する電力Ｐを、ターゲット９の処理対象物８に向くスパッタ面の面積Ｓで除した値である電力密度(Ｐ／Ｓ)が、２５ｍＷ／ｍｍ²を上限値として、電力密度が上限値以下になるようにしながら、ターゲット９をスパッタすると図２(ｃ)に示すように、注入層７表面に、注入層７と密着したカーボンキャップ６が成長する。この例ではターゲット９には直流電圧を印加した。

カーボンキャップ６を成長させる際には、２５ｍＷ／ｍｍ²以下という低電力密度でターゲット９がスパッタされ、従って、低電力によるスパッタリング粒子の低運動エネルギー化が成されており、また、カーボンキャップ６を成長させる際には、処理対象物８の周囲の雰囲気であるスパッタリングガス雰囲気は、４．５Ｐａ以上の圧力であって、且つ、プラズマが安定して形成される圧力に維持されており、その圧力はスパッタリングガス雰囲気の圧力としては比較的高圧であるから、スパッタリング粒子を処理対象物８の注入層７の露出する表面に到達させる際に、スパッタリング粒子は減速され、低運動エネルギー化されている。

従って、２５ｍＷ／ｍｍ²よりも大きい電力密度、又は、４．５Ｐａ未満のスパッタリングガス雰囲気圧力である成膜条件でカーボンキャップ６を形成したときよりも、本実施例の処理対象物８表面の荒れは少なくなっている。
なお、ＳｉＣ基板１０の表面に注入層７が部分的に形成されている場合は、注入層７以外の部分の表面も荒れることはない。
所定膜厚のカーボンキャップ６が形成された後、電圧印加とスパッタリングガス導入を停止し、カーボンキャップ６の成長を終了させる。

次のアニール処理に用いる熱処理装置の内部を予め真空雰囲気にしておき、カーボンキャップ６が形成された処理対象物８をスパッタ装置１の内部から搬出し、熱処理装置の内部に、熱処理装置の真空雰囲気を維持しながら搬入する。

次いで、熱処理装置の内部に不活性ガス(ここではアルゴンガス)を導入し、処理対象物８を昇温させる。
熱処理装置を制御して、処理対象物８の温度が、３分間以上、１６００℃以上２０００℃以下の温度範囲にあるようにし、注入層７に含有される不純物を活性化させ、キャリアが効率よく放出されるようにする。

このときの１６００℃以上２０００℃以下の温度範囲は、処理対象物８を構成するＳｉが昇華する温度であるが、アニール処理では、注入層７の表面にはカーボンキャップ６が密着して配置されており、Ｓｉはカーボンキャップ６中を移動して真空槽１５に放出されることはないので、注入層７表面からＳｉが脱離して注入層７が荒れることはない。

熱処理中には、不純物の活性化に加え、不純物はＳｉＣ基板１０の表面付近からＳｉＣ基板１０の内部に拡散するため、図２（ｄ）に示すように、活性化された不純物を含有し、注入層７よりも深い活性化層１１が形成される。

カーボンキャップ６の除去に用いるアッシャー装置の内部を予め真空雰囲気にしておき、不純物の活性化後、活性化層１１が形成された処理対象物８を降温させ、熱処理装置から搬出し、内部の真空雰囲気を維持しながらアッシャー装置内に搬入する。

アッシャー装置の内部に酸素ガスを導入し、酸素ガスプラズマを形成し、カーボンキャップ６と接触させると、カーボンキャップ６を構成する炭素は酸化され、二酸化炭素が生成される。生成された二酸化炭素はアッシャー装置の内部に放出され、アッシャー装置の内部から排気される。

カーボンキャップ６の酸化が進行すると、カーボンキャップ６が酸化除去され、次いで、フッ酸液に浸漬して酸素ガスプラズマによって形成されたＳｉＣ中のケイ素の酸化物を溶解除去すると、図２（ｅ）に示されるように、活性化層１１の表面が露出する。

上述したように、カーボンキャップ６を形成したときには、注入層７表面の荒れは生じなかったから、カーボンキャップ６を除去した後でも、カーボンキャップ６除去後の表面には、荒れは観察されなかった。

活性化層１１を露出させた処理対象物８は、アッシャー装置の内部から搬出した後、後工程装置によって活性化層１１の表面に薄膜を形成し、次いで、他の装置によってエッチングや薄膜形成等の処理がされると、トランジスタやダイオード等の半導体装置が得られる。

後工程で、その平坦な表面に薄膜を形成し、また、処理対象物８の内部に他の活性化層を形成し、電極を形成すると半導体装置が得られる。
なお、処理対象物８の熱処理の際、熱処理装置の内部のアルゴンガス雰囲気の圧力は大気圧でなくともよい。

＜特性評価＞
図２（ｂ）に示したＳｉＣ基板１０と同じ構造のＳｉＣ基板を４枚用意した。符号Ａ〜Ｄを付して区別すると、各ＳｉＣ基板Ａ〜Ｄは、表面に露出する注入層７を有しており、上記実施例で用いた図１のスパッタ装置１の真空槽１５の内部に一枚搬入し、後述する４つの異なる成膜条件の下で注入層７上に、３ｎｍのカーボンキャップ６をそれぞれ形成した。

カーボンキャップ６を成長させる際、４枚のＳｉＣ基板Ａ〜Ｄのうち、２枚のＳｉＣ基板Ａ、Ｂは、本発明の成膜条件である、２５ｍＷ／ｍｍ²以下の電力密度と４．５Ｐａ以上のスパッタリングガス雰囲気圧力に含まれる成膜条件でカーボンキャップ６を形成し、他の２枚のＳｉＣ基板Ｃ、Ｄは、本発明の成膜条件の範囲外の条件で成膜した。

下記表１に、ＳｉＣ基板Ａ〜Ｄの成膜条件を示す。

ＳｉＣ基板Ｃでは、圧力が本発明の上限値よりも低く、ＳｉＣ基板Ｄでは、電力密度と圧力の両方が本発明の範囲外である。
ここでは、ターゲット９は、直径が２インチの円盤に成形されたものが使用されており、そのスパッタ面の面積は、２０００ｍｍ²である。
従って、電力密度をそれぞれ１５、２５、５０ｍＷ／ｍｍ²にする際には、３０Ｗ、５０Ｗ、１００Ｗの電力をターゲット９に投入した。

各ＳｉＣ基板Ａ〜Ｄは、カーボンキャップ６の形成後、上記実施例と同じ工程で不純物を活性化するアニール処理を、各ＳｉＣ基板Ａ〜Ｄの温度を１７００℃に３分間維持して行った後、カーボンキャップ６を除去し、活性化層１１の表面を露出させ、ＳｉＣ基板Ａ〜Ｄの活性化層１１の表面を原子間力顕微鏡によって撮影した。

ＳｉＣ基板Ａの写真は図３、ＳｉＣ基板Ｂの写真は図４、ＳｉＣ基板Ｃの写真は図５、ＳｉＣ基板Ｄの写真は図６に示す。
図３〜６の写真には、ＳｉＣ基板１０の表面の５．０マイクロメートル四方の領域が撮影されており、各写真の各地点の黒色の濃さは、表面からの各地点の深さ表しており、黒の色が濃い程深くなっている。
色の濃さで表される深さの最大値は、図３、４、６が５．０ｎｍで、図５が１０ｎｍである。

図３〜図６を見ると、本発明の成膜条件でカーボンキャップ６を形成したＳｉＣ基板Ａ、Ｂの方が、黒い斑点は少なく、特に、図３のＳｉＣ基板Ａについては表面荒れが無いことが分かる。
電力密度が小さい方が、ターゲット９のスパッタリング粒子の運動エネルギーが小さく、スパッタリング粒子がＳｉＣ基板表面に入射したときの衝撃が小さく、窪みが形成されても小さいので、表面荒れが少ないと考えられる。

また、スパッタリング粒子が飛行するスパッタリング雰囲気の圧力が大きい方が、スパッタリング粒子がスパッタリング雰囲気中の気体に衝突する確率が高くなり、衝突によって速度が遅くなって、運動エネルギーが小さくなるスパッタリング粒子が増加すると考えられる。図３のＳｉＣ基板Ａには、上記の二つの要因が共に働いたと考えられる。

また、カーボンキャップ６を形成したときの図５のＳｉＣ基板Ｃの成膜条件については、電力密度は本発明の成膜条件に含まれるが、圧力は含まれていない。
電力密度の値は図４のＳｉＣ基板Ｂの成膜条件の値と同じであるが、写真表面を見比べると、図４のＳｉＣ基板Ｂの方が、図５のＳｉＣ基板Ｃよりも表面荒さが低いことが分かる。
従って、電力密度が本発明の成膜条件を満たすだけでなく、電力密度と圧力の両方が本発明の成膜条件を満たしているときに、表面荒れが低減されることが分かる。

１……スパッタ装置
８……処理対象物
９……ターゲット
１０……ＳｉＣ基板
３３……電源
３５……スパッタリングガス供給系

Claims (3)

1. ＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板の少なくとも一部に活性化された不純物を含有する活性化層を有する半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
   前記ＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板の少なくとも一部の表面に不純物のイオンが照射されて形成された注入層とを有する処理対象物を真空雰囲気内に配置し、
   前記真空雰囲気にスパッタリングガスを導入し、前記真空雰囲気を４．５Ｐａ以上の圧力に維持しながら、前記真空雰囲気中に配置されたカーボンターゲットに２５ｍＷ／ｍｍ²以下の電力を投入して前記カーボンターゲットをスパッタし、
   前記処理対象物の表面にカーボンキャップを形成した後、
   前記処理対象物を加熱して前記不純物を活性化させる半導体装置の製造方法。
2. 前記不純物は、前記処理対象物を１６００℃以上２０００℃以下の温度に昇温させる請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記１６００℃以上２０００℃以下の温度に前記処理対象物を３分以上維持する請求項２記載の半導体装置の製造方法。