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CN1110068C - 半导体杂质的激活方法以及激活装置 - Google Patents

半导体杂质的激活方法以及激活装置 Download PDF

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Abstract

对于添加了杂质元素的SiC衬底1和SiC薄膜2，照射波长比引起上述半导体的能带边缘吸收的波长还长的激光5，或者照射由半导体的结构元素与杂质元素之间的结合的振动吸收的波长，例如9～11μm的波长的激光5。特别是当在SiC中添加了Al时，照射波长9.5～10μm的激光5。

Description

半导体杂质的激活方法以及激活装置
本发明涉及例如激活在半导体器件的制造中所需要的掺入到碳化硅(SiC)等中的杂质的半导体杂质的激活方法以及激活装置。
作为半导体当前在形成使用了最一般的硅(Si)的半导体器件时，通过离子注入等在Si中掺入了杂质以后，使用电炉和闪烁热处理等，把Si加热到900～1100℃左右进行热处理，由此进行杂质的激活。
另外，近年来，电特性(高耐压，大容许电流)和高频特性、环境特性出色的使用了碳化硅(SiC)的半导体器件正在引起人们的注意。该SiC与Si相比较由于离子注入以及激活困难，因此或者在Si成膜时掺入杂质，或者在加热到500～1000℃左右的高温的状态下进行离子注入，进而，如T.Kimoto，et al.：Journal of ElectronicMeterials，Vol.25，No.5，1996，pp.879-884等中公开的那样，提出了在1400～1600℃的高温下进行热处理，使杂质激活的技术。
然而，由上述那样的热处理进行杂质激活的方法必须使用电炉等把Si等加热的工艺，因此激活时需要比较长的时间，难以提高生产性。该问题在使用SiC的情况下，由于需要更高温的热处理因而更为显著，同时，特别难以形成p型掺杂剂元件大部分激活的半导体层。
因此，例如已知有象在特开平7-22311号公报等中公开的那样，通过在碳、氮以及氧浓度小于一定值的非晶Si膜上照射激光进行激光热处理，不使非晶Si膜熔融而形成非晶质区和固相有序区混合存在的区域，通过离子入射注入了杂质离子以后，照射波长248nm的激光，进行激光热处理，由此使杂质区半非晶化，使杂质激活的技术。另外，该公报中，虽然记述着通过上述那样的方法能够比非晶Si提高载流子的迁移率，然而没有记述对于非晶Si以外的半导体的激光器加热技术。
作为用于进行上述半导体的结晶化(激活)的激光加热中的激光器，更详细地讲，如在Y.Morita，et al.：Jap J.Appl.Phys.，Vol.2，No.2(1998)pp.L309-L311中记述的那样，使用波长比引起Si膜的能带边缘吸收的波长短的受激准分子激光器。使用这种波长的激光器是因为通过激光的能量，使构成半导体的原子中的电子激励、电离，把其能量的一部分变换为结构原子的晶格振动能量，由此瞬时间把半导体加热到高温促进结晶化(激活)。
然而，在上述以往的由激光热处理进行的杂质的激活中，除去能量的利用效率低，为了把半导体瞬时加热到高温而需要比较大输出的激光器装置，容易导致增大制造成本等以外，还具有可靠地进行杂质等的激活并不一定容易，而且难以形成具有良好特性的半导体元件的问题。特别是，对于SiC的p型杂质等的激活，更难以形成具有良好特性的半导体元件。
本发明鉴于上述问题，目的在于提供即使使用比较小的输出的激光器装置，也能够高效而且可靠地进行杂质激活的半导体杂质的激活方法以及激活装置。
即，为了解决上述的问题，本发明的方法是在包含主要半导体元素和杂质元素的半导体上照射光，使上述杂质元素激活的半导体杂质的激活方法，特征在于上述照射光的波长是比引起上述半导体的能带边缘吸收的波长还长的光。进而，特征在于上述照射光几乎是由上述主半导体元素与上述杂质元素的结合中固有振动产生的共振吸收的波长的光。
即，与在以往的激活中所使用的，用波长比引起能带边缘吸收的波长还短的光，通过被照射光的能量，引起构成半导体的原子的电子激励、电离，把其能量的一部分变换为结构原子的晶格振动能量，把半导体瞬时间加热到高温进行激活的方法不同，本发明者们发现了通过照射比其波长还长的上述那样波长的光，可以直接激励并且激活杂质元素与半导体的结构元素之间的晶格振动，从而完成了本发明。因此，在激活的效率高，能够使用输出小的激光器装置的基础上，还能够容易地进行良好的杂质激活。
具体地讲，例如在主要半导体元素是碳化硅，杂质元素是铝，硼以及镓的任一种的情况下，通过照射波长比引起能带边缘吸收的波长(6H-SiC的情况下，约3eV：～0.41μm)还长的，例如9μm以上，11μm以下的光，能够容易地形成特性良好的p型碳化硅半导体。特别是，在铝的情况下，最好使用9.5～10μm的波长。
另外，本发明的特征还在于使用上述那样波长的激光，照射上述激光，使得上述激光在上述半导体的表面附近聚焦，同时使得上述激光的聚焦焦点位置成为从上述半导体的表面到上述激光光源一侧预定距离的位置。更具体地讲，例如，使上述激光的聚集焦点位置从上述半导体表面的上述激光光源一侧的位置接近上述半导体表面时检测所产生的发光，并且进行控制，使得上述激光的聚集焦点位置成为检测出的上述发光开始的位置附近，照射上述激光。
通过这样设定、控制聚焦焦点位置，能够容易地进一步提高激活程度。
图1是示出实施例的半导体衬底的制造工艺的工艺图。
图2是示出在实施例的注入了杂质离子的半导体衬底中的离子浓度的曲线图。
图3是示出实施例的激光热处理装置的概略结构的说明图。
图4是示出实施例的被激光热处理了的半导体衬底中的SiC膜的光致发光光谱与焦点位置的依存性的曲线图。
图5是示出实施例的被激光热处理了的半导体衬底中的SiC膜的光致发光光谱与照射激光波长的依存性的曲线图。
图6是示出实施例的SiC二极管的制造工艺的工艺图。
图7是示出实施例的SiC二极管的电特性的曲线图。
以下，说明在碳化硅(SiC)中作为杂质注入了铝(Al)离子进行激活的例子。
半导体衬底的制造工艺
首先，根据图1概略说明包括激光热处理工艺的半导体衬底的制造工艺。
(1)如图1(a)(b)所示，在由单晶6H-SiC(六方晶系碳化硅)构成的SiC衬底1上，通过基于升华法的外延生长，形成由单晶6H-SiC构成的SiC薄膜2。该SiC薄膜的形成方法根据条件能够使用众所周知的方法，因此省略说明。这里，上述SiC衬底1以及SiC薄膜2分别在结晶生长时通过添加氮气(N2)，掺杂1018cm-3浓度的N，形成n型。另外，上述SiC衬底1以及SiC薄膜2并不限定于由6H-SiC构成，也可以是其它的结晶形态，另外，还能够使用由硅(Si)构成的衬底。另外，不限定于升华法，通过CVD法等进行单晶生长，也能够形成SiC薄膜。另外，依据使用所形成的半导体要制作的半导体元件(器件)，也不一定进行N的掺杂。
(2)如图1(c)所示，在上述SiC薄膜2中，通过离子注入，注入Al离子3，在SiC复合膜2的表面附近形成p型的杂质添加层(掺杂层)4。上述离子注入更详细地讲，通过在800℃的温度下，
加速能量：130keV注入量：1.22×1015cm-2
加速能量：80keV注入量：3.9×1014cm-2
加速能量：40keV注入量：3.9×1014cm-2的三个阶段进行，由此如图2所示，从SiC薄膜2的表面遍及大约2000埃的厚度，进行1020cm-3的Al浓度区域分布的杂质添加层4的形成。
另外，作为形成上述p型杂质添加层4的杂质，除去Al以外，还可以使用硼(B)，镓(Ga)等的任一种。其中在对于SiC薄膜的掺杂中，在杂质能级浅的p型的情况下最好使用Al。另外，也可以使用磷(P)等形成n型杂质添加层4。在这种情况下，在SiC衬底1以及SiC薄膜2的结晶生长时，代替上述N的添加，根据需要也可以添加Al等。进而，可以根据使用该半导体制作的半导体元件(器件)的构造和掺杂层的厚度等设计注入时的温度，注入的加速能量和浓度以及一阶段或者多阶段的某一个的条件下是否进行离子注入等。另外，注入时的温度虽然可以是室温，但加热到500℃以上进行离子注入，使用后述的激光热处理工艺能够更容易激活杂质。另有，也可以使用其它众所周知的各种离子注入方法等。
(3)如图1(d)所示，以预定的扫描频率在杂质添加层4上沿着水平和垂直方向边进行扫描边照射红外线区波长的激光，形成遍及整个表面同样地激活上述添加的杂质的激活掺杂层6。以下详细地说明该激活方法。
激光热处理装置
其次，说明激光热处理装置。
该激光热处理装置，如图3概略所示那样，由配置形成SiC薄膜并且进行了Al离子注入的SiC衬底1(以下，简单地称为「SiC衬底1」)的腔室21和振荡波长可变的自由电子激光器2构成。在腔室21中，设置光学窗7、反射镜8、进行与激光的聚焦对位的透镜9、反射并扫描激光的检流计反射镜10以及放置SiC衬底1的样品台11。上述光学窗7、反射镜8以及透镜9例如由ZnSe形成。样品台11构成为通过具有未图示的压电调节器或者步进电机等的样品台移动机构16，沿着该图的上下方向以及左右方向移动SiC衬底1。另外，在样品台11的附近，设置检测根据激光的照射从SiC衬底1的表面产生的火花状的发光(喷流：plume)14的光检测器15，根据该检测，控制上述样品台移动机构16，使得样品台11上下移动。
激光加热处理的详细过程
详细地说明使用了上述那样的激光热处理装置的激光热处理过程。
在该激光热处理中，通过适当地设定基于透镜9的激光5的聚焦焦点位置和激光5的波长，进行良好的杂质激活。
首先，说明焦点位置的调整。把激光5的波长设定为10.2μm，把激光5的焦点位置设定为从SiC衬底1表面上方1.5mm的位置到内部-2.0mm的位置(SiC衬底1背面一侧)的各种情况进行杂质的激活。对于所得到各个SiC衬底1，为了确认杂质激活的程度，作为激励光使用He-Cd激光(波长：325nm)，在测定样品温度：8K(-265℃)下，进行光致发光光谱的测定。图4中示出测定结果。该图中大约2.6eV(波长：480nm)附近出现的发光是起因于SiC衬底1内的被激活的杂质元素的施主(D)-受主(A)对之间的激活产生的光致发光光谱(DA对发光)，被激活的杂质越多DA对发光的强度越大。由此，激光5的焦点位置从SiC衬底1的表面稍稍偏向上方(0.5～1.0mm)的情况(该图中的○以及△符号)下，DA对发光表现为最强，确认为最能够高效地进行杂质的激活。与此不同，在从SiC衬底1的表面向内部方向一侧聚焦的情况(该图的●，▲，■，符号)下，DA对发光的强度减小。另外，在从SiC衬底1的表面稍稍移向内侧的情况(该图的●，▲)下，SiC衬底1的表面变黑，考虑是SiC衬底1的表面改质或者变质。从而，通过使激光5的焦点位置从SiC衬底1表面稍稍移向上方，能够进行良好的激活。
上述那样的焦点位置的控制实际上例如能够如下进行。即，由于上述激光5的焦点位置成为SiC衬底1的表面稍上方的状态与由激光5的照射从SiC衬底1的表面开始发生发光14的状态相当，因此用光检测器15检测发光14的发生，使用样品台移动机构16使SiC衬底1上下移动，进行反馈控制使得保持开始发生发光的状态，由此能够使照射面的位置成为最佳而进行良好的激活。这里，为了防止由于激光5的照射引起的SiC衬底1的改质和变质，最好首先把焦点位置暂时对准从SiC衬底1的表面离开的位置，然后进行控制使得接近SiC衬底1。
另外，焦点位置的控制方法并不限定于上述的方法，例如也可以通过位置检测器检测并控制SiC衬底1的表面位置。另外，在再现性良好地保持焦点位置与SiC衬底1表面的距离的情况时，可以预先设定样品台11的位置，在激光热处理时不进行控制。
另外，通过上述那样控制焦点位置，实际上能够容易地控制激光对于SiC衬底1的照射强度，而通过根据上述发光的检测进行激光的调制等也能够控制照射强度。
其次，说明激光5的波长。与上述焦点位置的情况相同，对于各个SiC衬底1，进行把激光5的波长设定为10.64～9.43μm的各种情况下进行杂质激活而得到的光致发光光谱的测定。图5中示出测定结果。(另外，在该图中，为了方便，在纵轴各错开0.05刻度描述对应于各波长的光谱)。如从该图所知，特别是在9～11μm的波长区域，进而在遍及9.53μm～10μm波长区域的光进行照射时，DA对发光强度大，DA的激活效果大。
这里，SiC对应于Si-C的晶格间振动中的TO声子和LO声子的吸收波长是12.6μm和10.3μm，Si-N的吸收波长是11.9μm，与此不同，如该图所示在照射了9.8～9.6μm波长的激光时DA对发光成为最大。因此，在Al的激活中，认为Si或者C与杂质元素Al的结合中吸收的影响最大。
即，在以往的激活中，为了向进行处理的半导体的电子系统提供能量，使用受激准分子激光器那样的波长比引起SiC的能带边缘吸收的波长(6H-SiC的情况下，大约3eV：～0.41μm)短的光，与此不同，如果依据本发明，反而采用波长比引起能带边缘吸收的波长长的光，特别是采用波长位于对于半导体的结构元素与杂质元素的结合产生吸收的波长附近的光，由此，由于直接进行基于激励杂质元素与半导体的结构元素之间的晶格振动的激活，因此效率高，能够容易地提高激活程度，另外，能够使用输出小的激光器装置。
另外，上述各数值是使用了SiC和Al情况的例子，在半导体的结构元素和杂质元素不同的情况下，可以分别相对应，照射基于上述原理的波长的光。
另外，在上述的例中，在腔室21内封入氩(Ar)等惰性气体，在这些气体中或者进行激光热处理，或者把SiC衬底1加热到1000℃以下左右的温度，另外，添加冷却SiC衬底1等的装置，在进一步提高本发明的效果或者进一步提高控制性方面是很理想的。
另外，作为半导体材料，不限定于SiC，也可以是Si等，还有，不限定于单晶，在使用非晶的半导体材料的情况下也可以得到同样的效果。
另外，在上述的例中，为了进行各种波长下的比较使用了自由电子激光器，而只要是能够得到上述那样预定的波长，则也可以使用固定波长的激光器装置，特别是因为使用较长的波长，因此还能够使用CO2激光器而易于提高生产性。
半导体元件
与上述相同，说明通过杂质的离子注入以及进行了激活的SiC形成的SiC二极管的例子。
图6是本发明的基于杂质掺杂方法的SiC二极管制造工艺的概略图。
(1)如图6(a)所示，在n型SiC衬底31的整个面上通过热氧化，CVD法，溅射法等形成绝缘膜(氧化膜)32，通过光刻以及刻蚀形成开口32a。作为上述绝缘膜32，可以形成氧化膜，氮化膜，或者氧化膜与氮化膜的复合膜等。另外，根据形成的元件结构等，也不一定形成绝缘膜32。
(2)如图6(b)所示，把绝缘膜32作为掩模，选择性地注入Al离子33，形成Al的注入层34。
(3)如图6(c)所示，照射波长9.8μm的激光35，形成激活了杂质的p型掺杂层36。
(4)如图6(d)所示，在绝缘膜32的背面一侧形成了开口32b以后，如图6(e)所示，淀积镍(Ni)膜，进行刻蚀和热处理，形成n型欧姆电极37。
(5)如图6(f)所示，在p型掺杂层36一侧淀积Al膜，进行刻蚀和热处理，形成欧姆电极38。
图7中示出如上述那样制作的二极管的特性。该图中的虚线示出通过在以往技术中说明的1500℃的热处理进行了杂质激活而制作的二极管的特性。如该图所示，依据本发明，不进行1000℃以上的高温热处理，就能够制作耐压特性等出色的优良二极管。
另外，在上述的例子中，说明了形成二极管的例子，而通过进行同样掺杂(激活)，适宜地选择元件结构和掩模等，也能够制作晶体管和FET(场效应晶体管)等各种元件。
用以上说明的形态实施本发明，则具有以下所记述的效果。
即，通过照射波长比引起上述半导体的能带边缘吸收的波长还长的光，进而，照射几乎由上述主要半导体元素和上述杂质元素的结合中固有振动产生的共振吸收的波长的光，进行杂质的激活，则即使使用较小输出的激光器装置，也能够高效而且可靠地进行杂质的激活，特别是，具有能够极其高效地进行以往很困难的SiC的p型杂质的激活。
从而，在半导体元件的制造等的领域中适用本发明，则将十分有用。

Claims (14)

1.一种半导体杂质的激活方法，这是在包含主要半导体元素和杂质元素的半导体上照射光，使上述杂质元素激活的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
上述照射光的波长比引起上述半导体的能带边缘吸收的波长还长，并且
上述照射光是由上述主要半导体元素和上述杂质元素的结合中固有的振动产生共振吸收的波长的光。
2.如权利要求1中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
上述半导体在由上述主要半导体元素构成的薄膜或者衬底上通过离子注入上述杂质元素而形成。
3.如权利要求1中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
上述主要半导体元素是碳化硅，同时上述杂质元素是铝，硼，以及镓中的任一种。
4.如权利要求3中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
上述照射光是波长大于9μm，小于11μm波长的光。
5.如权利要求1中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
上述照射光是激光。
6.如权利要求5中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
使上述激光聚焦在上述半导体表面上方不超过1.0mm的范围内，
同时，通过顺序扫描上述半导体中上述被聚焦的激光的照射区域，使上述半导体中的预定范围区域内的上述杂质元素激活。
7.如权利要求5中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
使上述激光聚焦在上述半导体表面上方不超过1.0mm的范围内，
同时，通过控制上述激光的聚焦焦点位置与上述半导体表面的距离，控制上述激光的照射强度。
8.如权利要求5中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
使上述激光聚焦在上述半导体表面上方不超过1.0mm的范围内，
同时检测使上述激光的照射强度增大时所产生的发光，进行控制使得上述激光的照射强度成为开始检测到上述发光的照射强度，照射上述激光。
9.如权利要求5中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
使上述激光聚焦在上述半导体表面上方不超过1.0mm的范围内，
使上述激光的聚焦焦点位置成为从上述半导体表面到上述激光的光源一侧不超过上述半导体表面1.0mm的位置那样，照射上述激光。
10.如权利要求5中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
使上述激光聚焦在上述半导体表面上方不超过1.0mm的范围内，
检测在把上述激光的聚焦焦点位置从上述半导体表面的上述激光的光源一侧的位置接近上述半导体表面时产生的发光，进行控制使得上述激光的聚集焦点位置成为开始检测到上述发光的位置，照射上述激光。
11.如权利要求1中记述的半导体杂质的激活方法，其特征在于：
借助掩模构件，仅选择性地在上述半导体中的预定区域照射上述照射光，激活上述杂质元素。
12.一种半导体杂质的激活装置，这是在包含主要半导体元素和杂质元素的半导体上照射光使上述杂质元素激活的半导体杂质的激活装置，其特征在于具有：
输出波长比引起上述半导体的能带边缘吸收的波长还长的照射光的光源装置；
使上述照射光聚焦的聚焦装置；
控制上述激光的聚焦焦点位置与上述半导体表面的距离的控制装置。
13.一种半导体杂质的激活装置，这是在包含主要半导体元素和杂质元素的半导体上照射光使上述杂质元素激活的半导体杂质的激活装置，其特征在于具有：
输出波长比引起上述半导体的能带边缘吸收的波长还长的照射光的光源装置；
检测由上述照射光的照射所产生的发光的光检测装置；
根据上述光检测装置的检测结果，控制上述照射光的照射强度的控制装置。
14.一种半导体杂质的激活装置，这是在包含主要半导体元素和杂质元素的半导体上照射光使上述杂质元素激活的半导体杂质的激活装置，其特征在于具有：
输出波长比引起上述半导体的能带边缘吸收的波长还长的照射光的光源装置；
使上述照射光聚焦的聚焦装置；
检测使上述照射光的聚焦焦点位置从上述半导体表面的上述照射光的光源一侧的位置接近上述半导体表面时产生的发光的检测装置；
控制上述照射光的聚焦焦点位置与上述半导体的表面的距离，使得上述照射光的聚焦焦点位置成为开始检测到上述发光的位置的控制装置。
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