JPH11503571A - 不純物ドーパントのＳｉＣ中への導入方法、この方法で形成した半導体デバイス及びＳｉＣ中へのドーパント拡散源としての高度ドーピング非晶質層の使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＳｉＣの半導体層（２）へのドーパント導入方法は、低温で半導体層（２）へドーパントをイオン注入する工程ａ）から成るイオン注入工程ａ）はドーピング非晶質表面近接層（６）を形成させるように実施し、工程ａ）の後で表面近接層に続く半導体層の非注入下層中にドーパントが拡散する高温での半導体層の焼鈍工程を実施する。

Description

【発明の詳細な説明】 不純物ドーパントのＳｉＣ中への導入方法、この方法で 形成した半導体デバイス及びＳｉＣ中へのドーパント 拡散源としての高度ドーピング非晶質層の使用 発明の技術分野と先行技術 本発明は低温で半導体層中にドーパントをイオン注入する工程ａ）から成る、 不純物ドーパントのＳｉＣの半導体層中への導入方法と、この方法の実施で製造 した半導体デバイスに関する。 かかるイオン注入技術は、あらゆる型式の半導体デバイス、例えばいろいろな 型式のダイオード、トランジスター、サイリスターの製造に用いられ、不純物準 位と分布の両方の室温制御ができるのでデバイス製作では魅力的な技術である。 この技術はＳｉデバイス用には充分に開発されつくしているが、かかるデバイス 用イオン注入に首尾よく用いられてきたこの方法は、即ち極度の条件下でも充分 に機能するＳｉＣの性能を利用する用途で特に用いられるＳｉＣデバイス用には 利用されていない。ＳｉＣは禁止帯の幅が大きいため熱安定性が高く、例えば上 記の材料から製造したデバイスは高温、即ち温度１０００Ｋまで操作できる。更 に、熱伝導率が高いので、ＳｉＣデバイスは高密度で配置できる。ＳｉＣはまた Ｓｉよりも降伏電界が５倍以上も高いので、デバイスのブロッキング状態で高電 圧が発生する条件下で操作する高電力デバイス材として充分に適したものである 。 従って、ＳｉＣ用にもこのデバイス製造技術を制御する手段を工夫して欠陥密 度が低い高品質ドーピング領域をイオン注入によりＳｉＣ中につくることが切望 されてきた。 米国特許第３，６２９，００１号明細書は導入方法を開示する。この方法では イオンを室温でＳｉＣ中に注入し、次いで注入表面近接層を１２００°〜１６０ ０℃の温度で焼鈍して注入済み不純物イオンを電気的に活性化している。このよ うにして形成した表面近接層の結晶性は目的とするものよりも、またＳｉデバイ ス製造用のイオン注入技術を用いて達成されるものよりも良くないことが判った 。 また、Ｓｉデバイス製造技術で成功したイオン注入を非晶質表面近接層が形成 できる量で実施し、次いでこの層の焼鈍を実施することを記載しているが、これ はこの非晶質層が焼鈍中に層の固相エピタキシー又はエピタキシャル再成長して 高品質の再結晶層となるからである。しかし、この技術はＳｉＣでは有用でない ことが判った。即ち、この非晶質層の焼鈍により炭化ケイ素の多結晶形又は炭化 ケイ素の欠陥のある単結晶が生ずるからである。発明の概略 本発明の目的は本明細書の冒頭に記載した型式の方法を提供することにあり、 低欠陥密度の極めて低いドーピング層をＳｉＣ中につくるのにイオン注入技術が 使用できる。 本目的は、本発明により、イオン注入工程ａ）をドーピング非結晶表面近接層 が形成されるように実施し、工程ａ）の後、ドーパントがこの表面近接層に続く 半導体層の非注入下部層中に拡散する高温でこの半導体層を焼鈍することにより 達成する。 本発明の方法ではｐｎ接合と極めて高品質のドーピングＳｉＣ層が得られ、活 性ＳｉＣ層。形成は、焼鈍段階でイオンビームで損傷されていない、より深いと ころの結晶領域中へドーパントを拡散させることにより行なう。イオン注入によ るＳｉＣ内での非晶質表面近接層の生成は高品質層とｐｎ接合の生成に極めて有 用であることが判った。非晶質層の生成は事実本発明の長所を得る鍵である。非 晶質層が形成する量よりも充分に少ない量でのイオン注入ではむしろ遅い無秩序 焼鈍が行われ、注入ドーパントの大半は外方に拡散する。更に、注入で生じた点 欠陥が非注入領域中に拡散し、注入領域外でも材料の品質が低下する。一方、表 面近接層が非晶質化すると、再成長機構の差のため非晶質化層内の注入により誘 起された欠陥が再結晶化により急速に除去され、注入済みドーパントのかなりの 部分が活性化する。残留欠陥はクラスターの形、又は拡散しない拡大欠陥の形を とる傾向がある。 本発明の好ましい実施態様では、表面近接層が高度にドーピングされて非晶質 化する量でドーパントをイオン注入することより注入時に表面近接層が非晶質化 される。このため、表面焼鈍後に高伝導性が得られ、抵抗率が低く、品質のよい オーム接触が得られる。更に、この高度にドーピングされた表面近接層は、ドー パントが下層へ拡散するための、ドーパントの貯蔵所又は源泉として機能し、一 方、焼鈍中はドーパントが電気的に活性化され、ドーパントの非注入下層への拡 散速度を高める。 本発明の別の好ましい実施態様では、ドーパントは注入時にＳｉＣの非晶質化 限界以下の濃度で注入され、次いで表面近接層は不活性種に注入により非晶質化 する。かかる不活性種の例としてはＡｒ、Ｓｉ又はＣが列挙される。かかる技術 は低ドーピング濃度が要求されるところでもっぱら利用される。 この抑制非晶質化を用いることで２つの問題が同時に解決され、順バイアス下 では低デバイス抵抗率が得られ、逆バイアス下では低漏れ電流と高破壊電圧が得 られる。 再結晶層の無秩序は全部が除去される訳ではなく、若し非晶質化域と基板との 界面でｐｎ接合を形成させるときは、米国特許第３６２９０１１号の出願人が得 たような低品質デバイスが得られる。 本発明の好ましい実施態様では、ＳｉＣの半導体層は低度ドーピングであり、 第１の伝導型であり、ドーパントは第２の反対伝導型であり、工程ｂ）は注入さ れる表面近接層外の下層中にグレードｐｎ接合が形成するように実施する。この 方法を用いることで、イオン注入でかなり損傷した域から充分に離れたところで グレードｐｎ接合を形成でき、この接合は品質の優れたものになる。 アクセプターイオンを注入すれば、ＳｉＣ半導体層の最上層中１０¹⁸cm^-3より も低いｎ−ドーパント濃度により損傷焼鈍中の注入ドーパントの拡散が大きくな るため、結晶中より深い所までｐｎ接合を形成できることが判った。 本発明の別の好ましい実施態様では、工程ａ）ではホウ素イオンを注入する、 ホウ素はＳｉＣ中での拡散性が高く、焼鈍により容易に活性化されるので、イオ ン注入によりＳｉＣ中にＰ型の高品質層を形成させるのに極めて有用であること が判った。 更に好ましい実施態様では、Ａｌイオンを注入する。Ａｌの拡散性はＢよりも 低いが、前記の技術を用いて充分にｐｎ接合を遠くに形成することができる。Ａ ｌの活性化エネルギが低いため、Ａｌは好ましいドーパントである。 本発明の更に好ましい実施態様では、工程ａ）は注入エネルギーを変えていく つかの副工程に分けて実施していろいろの深さのところで高濃度のドーパントを 形成させ、高度ドーピング非晶質表面近接層をかなりの厚みのある容積で形成す る。下層に拡散させて高品質のドーピング層を形成させる多量のドーパント元素 を有するドーパント貯蔵所を形成させるのにこの技術を使用できる。 本発明の更なる実施態様では、半導体層を１７００℃よりも高温で焼鈍すると 、ドーパントの下層への拡散は満足するものが得られる。 また、本発明は、請求の範囲に記載のいずれかの方法を実施することにより形 成したＳｉＣの半導体層を有する半導体デバイスを提供する。かかる半導体デバ イスは上記の理由から極めて品質の高いドーピング半導体層を有している。 本発明の好ましい実施態様では、かかるデバイスの注入済み焼鈍表面近接層は 接点形成に使用できるので、この再成長損傷表面の性質を良好な接点として利用 できる。 また、その結果として本発明はＳｉＣの半導体層中への新しい形のドーパント 拡散源、即ち、半導体層の高度にドーピングされた非晶質表面近接層の使用にあ る。 かかるドーパント拡散源はドーパントの拡散速度を高め、ドーパント拡散は精 確に制御できる。 本発明の更に好ましい特徴と長所は以下の記載とその他の従属請求項から明ら かとなる。図面の簡単な説明 添付図面を参照して、実施例として示す本発明の好ましい実施態様を以下具体 的に説明する。 図中、図１と図２は本発明の好ましい実施態様に基づくＳｉＣの半導体層中に 不純物ドーパントを導入して、整流器ダイオードの形の半導体電力デバイスを形 成する方法の異なる工程を略図的に示す。発明の好ましい実施態様の詳細な説明 図１と図２は電力ダイオード製造用のＳｉＣの半導体層中に不純物ドーパント を導入する本発明の方法の多数の工程のうちの２つの重要な主要工程を図示する ものである。このデバイスの層は全てＳｉＣから成るが、不純物ドーパントをイ オン注入により導入するこれ以外の半導体層はＳｉＣ以外の材料から成る半導体 層であり、これらは本発明の範囲に含まれる。このようにして形成され、図２に 略図的に示すデバイスはドーピングされた異なる３層、即ち、第１の高度にドー ピングされた層１（好ましくは基板を形成し、図２に図示していないデバイスの オーム接触金属板との低抵抗接点を形成するＮ型伝導性のもの）と、この上に配 置された第２の低度にドーピングされたＮ型伝導性の厚い層２と、第２の層中及 びその層上に配置された第３のＰ型伝導性の薄い層３（第２層との界面でのｐｎ 接合形成用）があり、これは本発明の方法で形成される。これらの３層を有する 整流器ダイオードでは、空間電荷領域は種として第２の低度にドーピングされた 層２であり、この層はデバイスの逆向き操作でデバイス上に印加された電圧の大 部分を引受けるもので、かかるデバイスは破壊電圧がｋＶ範囲内にある。 図１、図２を参照しながら、本発明の方法を説明する。ＳｉＣ層２の頂部はマ スク材４で被覆されており、マスク材４はマスク材の中央域５（ここにイオンを 注入する）のＳｉＣ層を露出させるためエッチングされている。マスクは本方法 の焼鈍工程での高温に耐えるＡｌＮから成ることが好ましいが、別のマスク材を 用いてもよい。マスク材は焼鈍前に除去が必要となる。好ましくは反応性イオン エッチング（ＲＩＥ）でマスク材を除去した後、ＳｉＣ層２のこの中央域５中に イオンを加速下注入する。イオンはアルミニウム又はホウ素イオンが好ましい。 Ａｌはそのイオン化エネルギーが低いので好ましく、Ｂは拡散が高く、活性化挙 動が良いという長所がある。中央域５のイオン打込みに用いるエネルギーは１０ ０ｋｅＶ〜３００ｋｅＶの範囲内が好ましい。いろいろな深さの所で高濃度のド ーパントを形成させ、高度ドーピング表面近接層をかなりの厚みのある容積で形 成させるため、注入は注入エネルギーを変えて幾つかの副工程に分けて多数回注 入を行う形で実施するのが好ましい。注入は形成する表面近接層６を非晶質化す る量で実施し、これを達成させる閾値はドーパント表面濃度で約１０¹⁵cm^-2であ る。注入はドーパント表面濃度が実質的に１０¹⁶cm^-2となり、表面近接層の容積 濃度が１０¹⁹cm^-3よりも高く、好ましくは１０²⁰cm^-3よりも高い量で実施するの が好ましい。このようにして形成した高度ドーピング非晶質表面近接層は厚みが 約０．２５μｍである。これらの多量のイオン注入で非晶質表面近接層が形成さ れて、拡大欠陥がこの層内にクラスターの形で生じる。 注入は低温、即ち、４００Ｋよりも低い温度、好ましくは常温、即ち、室温に 近い温度で実施する。 注入工程のあと、例えばＲＩＥでマスク材除去工程を行ってもよく、又は焼鈍 工程の後でマスクを除去してもよい。または、マスクが焼鈍しても劣化しないと きは、そのまま残してデバイスの表面不動態化部とする。焼鈍工程は、表面近接 域６に注入したドーパントを充分活性するだけでなく、表面近接層に続いた半導 体層２の非注入下層内に深く拡散させて、拡散ドーパントを受入れた下層域が低 度ドーピング半導体層２とのグレードｐｎ接合を損傷表面近接層６から充分離れ た所に形成させる温度と時間で実施する。これは好ましくは１７００℃の焼鈍温 度を意味する。焼鈍によりドーパントの非注入下層への拡散が向上する。非晶質 高度ドーピング層６がその層でのドーパント濃度が高いため高拡散速度のドーパ ント貯蔵所として機能するからである。更に、クラスターの形で表面近接層６に 存在する欠陥はこの注入層からは拡散しないので、形成された第３の層３は欠陥 が殆どない極めて良好な状態にある。このようにして形成されたこの第３の層３ は図２では点で示されている。この層の厚さは約０．５μｍとすることができる この拡散層のドーピング縦断面で、ホウ素原子濃度を表面近接層６の近くでは約 １０¹⁸cm^-3、表面近接層から一番遠い所では１０¹⁶cm^-3とすることができる。 更に、表面近接層６の焼鈍でこの損傷層は再成長するが、その品質はそれ自体 がｐｎ接合として機能するには充分では、この損傷面は良接点となり、本方法の 実施してつくられるデバイス用の接点として用いられる。また、焼鈍後、適切な あらゆる技術でこの表面近接層６を除去することもできる。 明解を目的として、層１，２，３，６とマスク４は実際のものとは異なる割合 で示してあり、層１と２の厚さは典型的にはそれぞれ約５μｍと２５〜４０μｍ 又はそれ以上の範囲にある。 勿論、本発明は上記の好ましい実施態様に何等限定されるものでなく、そのい くつかの改変が可能なことは当該技術分野の通常の技量を有する者にとって本発 明の基本的概念から明白である。 本発明の方法はｐｎ接合の形成だけでなく、あらゆる型のＳｉＣ半導体層中へ の不純物ドーパントの導入、特にｐ−ドーピング層を要求されるものに適用され る。接触層の形成はその別の適用例である。本発明はｐ型ドーパントの注入に適 切な技術について記載してきたが、ｎ−型注入は同様の手段によって達成できる が、ｎ−型注入は充分に確立された技術であって、適切な品質のデバイス層を造 るための前述の方法は必要としない。 用語「ＳｉＣ層」は、このＳｉＣ層が図示した幾つかの下層から成るものを含 む。更に用語「層」は広義に解釈するものとし、あらゆる型の容積拡大したもの と形のものを含む。 勿論、いろいろの層の材料に関する用語は全て不可避的不純物とＳｉＣでの意 図的ドーピングを含む。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．低温で半導体層（２）へドーパントをイオン注入する工程ａ）を含む、Ｓ ｉＣの半導体層（２）へ不純物ドーパントを導入する方法において、イオン注入 工程ａ）はドーピングされた非晶質表面近接層（６）を形成するように実施する こと；及び工程ａ）の後で、表面近接層に続く半導体層の非注入下層の中にドー パントが拡散する高温で半導体層を焼鈍する工程ｂ）を実施することを特徴とす る方法。 ２．表面近接層（６）が高度にドーピングされて非晶質となる量でドーパント のイオン注入を行って表面近接層を注入工程で非晶質化する、請求項１記載の方 法。 ３．注入工程においてドーパントをＳｉＣの非晶質化限界未満の濃度で注入し 、次いで表面近接層（６）を不活性種の注入で非晶質化する、請求項１記載の方 法。 ４．Ａｒ、Ｓｉ又はＣを不活性種として注入する、請求項３記載の方法。 ５．工程ｂ）の焼鈍は、ドーパントが下層中に深く拡散して、拡散済みドーパ ントが導入された下層の領域（３）の厚さが注入済み表面近接層（６）の厚さよ りも厚くなる高温と時間とで実施する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方 法。 ６．ＳｉＣの半導体層（２）は低度にドーピングされていて、第１の伝導型で あり、ドーパントは第２の逆伝導型であり、工程ｂ）はグレードｐｎ−接合が注 入済み表面近接層（６）外の下層中に形成するように実施する、請求項１〜５の いずれか１項に記載の方法。 ７．Ｐ型導電性ドーパントを工程ａ）で注入する、請求項６記載の方法。 ８．ホウ素イオンを工程ａ）で注入する、請求項７記載の方法。 ９．アルミニウムイオンを工程ａ）で注入する、請求項７記載の方法。 10．工程ａ）は注入エネルギーを変えていくつかの副工程に分けて実施してい ろいろの深さのところで高濃度のドーパントを形成させ、高度にドーピングされ た非晶質表面近接層（６）をかなりの厚みのある容積で形成させる、請求項２又 は５〜９のいずれか１項に記載の方法。 11．工程ａ）の注入は、１０¹⁵cm^-2よりも高いドーパント表面濃度を形成させ る量で実施する、請求項２又は５〜１０のいずれか１項に記載の方法。 12．工程ａ）の注入は、実質的に１０¹⁶cm²以上のドーパント表面濃度を形成 させる量で実施する、請求項２又は５〜１０のいずれか１項に記載の方法。 13．工程ａ）の注入は、１０¹⁹cm^-3よりも高いドーパント濃度を表面近接層（ ６）中に形成させる量で実施する、請求項２又は５〜１２のいずれか１項に記載 の方法。 14．工程ａ）の注入は、１０²⁰cm^-3よりも高いドーパント濃度を表面近接層（ ６）に形成させる量で実施する、請求項２又は５〜１３のいずれか１項に記載の 方法。 15．工程ａ）の注入エネルギーは０．１μｍよりも厚い厚さで注入表面近接層 （６）を形成させるように選択する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方 法。 16．半導体層は、注入中４００Ｋ以下の温度に維持する、請求項１〜１５のい ずれか１項に記載の方法。 17．半導体層は、１５００℃以上の温度で焼鈍する、請求項１〜１６のいずれ か１項に記載の方法。 18．半導体層は、１７００℃以上の温度で焼鈍する、請求項１〜１７のいずれ か１項に記載の方法。 19．請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法を実施して形成したＳｉＣの 半導体層を有する半導体デバイス。 20．注入済み焼鈍表面近接層がその接触点を形成する、請求項１９記載のデバ イス。 21．ＳｉＣ半導体層中へのドーパント拡散源として、ＳｉＣの半導体層の高度 にドーピングされた非晶質表面近接層（６）を使用する方法。