JP2008283143A - 処理装置、トランジスタ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ中のＳｉ欠損を発生させずにＳｉＣ基板の不純物層をアニールする技術を提供する。
【解決手段】本発明の処理装置１０は、搬送室１１と、高温熱処理室１２と、前処理装置１３を有している。処理対象物７０は前処理装置１３内の加熱装置２２により加熱され、ＳｉＣ基板７１表面に形成された有機膜７４は焼成され、ＳｉＣ基板７１表面には炭素皮膜７６が形成される。炭素皮膜７６が形成されたＳｉＣ基板７１は高温熱処理装置１２のアニール室４０内において高温に加熱され、アニールされる。ＳｉＣ基板７１表面には炭素皮膜７６が配置されているから、ＳｉＣ基板７１からのＳｉの欠損が生じない状態で不純物層をアニールすることが可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＳｉＣ基板にＭＯＳトランジスタ等を形成する技術に関し、特に、不純物層のアニールを行なう技術に関する。

シリコン・カーバイドと呼ばれるＳｉＣ材料は、セラミックス材料として、ディーゼルエンジンの排ガス用フィルターや高温ファンの羽根等の使用環境が高温の部品に使用されているが、近年では、ＳｉＣ材料は、シリコンに比べて高耐圧，低損失で，素子の消費電力を低減することができることから、高性能半導体材料として注目されている。

特に、パワー半導体に使用した場合、シリコンよりも熱伝導率が高いので、冷却のためのファンが不要になったり、高温でも使用できる等、熱伝導性、耐熱性に優れる他、耐薬品性、耐放射線性にも優れており、利点は多い。

しかし、ＳｉＣ半導体素子として、ショットキーダイオードは初期から試作されているものの、主流と目されるＭＯＳＦＥＴは、近年漸く試作された。
ＭＯＳＦＥＴの作成が困難な理由は、第一に，半導体素子中を流れる電流を制御するチャネル部の抵抗が高いことであり、第二は、ＳｉＣウエハーの欠陥の密度が高いことが挙げられる。

ｎ型ＳｉＣの形成には、リン（Ｐ）等のＶ族元素不純物をＳｉＣに添加する必要があるが、これらの不純物の熱拡散係数は極めて小さく、Ｓｉ素子製造で従来から使われている熱拡散法ではＳｉＣ内に導入できない。
不純物を導入するためには、不純物をイオン化し、イオン注入する技術が使用されるが、イオン注入によってＳｉＣ材料がアモルファス化すると、立方晶又は六方晶のＳｉＣの結晶性を回復させるのは非常に難しく、イオン注入によって形成された不純物層が高抵抗になってしまう。

そこでイオン注入によるＳｉＣ結晶のアモルファス化を防止するために、イオン注入の際にＳｉＣを高温に加熱する高温イオン注入技術が注目されている。
高温イオン注入後、１０００℃以上の温度でアニールし、結晶が乱れたＳｉＣを再結晶化しているが、アニール温度が低いとＳｉＣの再結晶化が不十分になるため、より高温に加熱できる高温熱処理装置の開発が望まれている。
また、実験によると、ＳｉＣ基板を高温に加熱すると基板からＳｉが蒸発し、ＳｉＣ基板中のＳｉが不足するという現象があり、これも、不純物層が高抵抗化する原因となっている。
国際公開第９７／３９４７６号パンフレット

本発明は上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、ＳｉＣ中のＳｉ欠損を発生させずに、ＳｉＣ基板の不純物層をアニールする技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、搬送室と、高温熱処理装置と、前処理装置とを有し、前記搬送室内には、処理対象物を搬送する基板搬送ロボットが配置された処理装置であって、前記前処理装置は、前記前処理装置内に搬入された前記処理対象物を加熱する加熱装置を有し、前記高温熱処理装置は、前記基板搬送ロボットのハンドが挿入可能な高さに配置された準備室と、前記準備室の上方に配置され、内部が前記準備室の内部と連通されたアニール室と、前記準備室の内部と前記アニール室の内部の間を移動可能に配置され、前記準備室内に位置するときに、前記ハンド上に載置された前記処理対象物が移載される試料ステージと、前記試料ステージを、前記準備室から前記アニール室に上昇させる昇降機構と、前記アニール室内に配置され、前記準備室から前記アニール室内に到着した前記試料ステージ上の前記基板の周囲を取り囲む発熱構造体と、前記アニール室の周囲に設けられ、前記発熱構造体に電流を誘起させる誘導加熱コイルと、前記アニール室内に熱媒体ガスを供給する熱媒体ガス供給装置とを有する処理装置である。
また、本発明は、前記加熱装置は、前記基板を真空雰囲気中で加熱し、前記基板上に配置された有機膜を焼成して炭素皮膜を形成する処理装置である。
また、本発明は、前記試料ステージと共に昇降移動し、前記試料ステージが前記発熱構造体に取り囲まれる位置に上昇したときに、前記アニール室の開口を閉じ、前記アニール室内と前記準備室内を分離させる底板を有する処理装置である。
また、本発明は、前記試料ステージの底面には、石英又はグラファイトの断熱部材を介してロッド上端が取り付けられ、前記昇降機構は前記ロッドを昇降移動させる処理装置である。
また、本発明は、ＳｉＣ基板にソース領域とドレイン領域を有するＭＯＳトランジスタを形成するトランジスタ製造方法であって、内部表面に前記ソース領域と前記ドレイン領域が形成され、前記ソース領域と前記ドレイン領域が主表面に露出する前記ＳｉＣ基板の、前記主表面に有機膜を形成し、前記ＳｉＣ基板を真空雰囲気中で加熱し、前記有機膜を焼成して炭素皮膜を形成し、前記炭素皮膜が形成された前記ＳｉＣ基板を、周囲の真空雰囲気を維持したまま、発熱構造体の内部に配置し、熱媒体ガス雰囲気中で前記発熱構造体を誘導加熱し、前記ＳｉＣ基板を１８００℃以上２０００℃以下の温度範囲に昇温させるトランジスタ製造方法である。

不純物層が１８００℃以上の高温に加熱されるので、欠陥が修復される。
不純物層上に炭素皮膜が配置されているので、Ｓｉが蒸発せず、Ｓｉ欠損が生じない。
炭素皮膜の形成からアニール処理の終了まで、ＳｉＣ基板は大気に曝されないので、汚染物質の付着による特性劣化がない。

図１を参照し、符号１０は、本発明の一例の処理装置を示している。
この処理装置は搬送室１１を有しており、搬送室１１には、高温熱処理装置１２と前処理装置１３と搬入室１５と搬出室１６がそれぞれ接続されている。ここでは、高温熱処理装置１２と前処理装置１３は、それぞれ一乃至複数台接続されている。

図７（ａ）は、本発明の処理装置の処理対象物７０であり、ＳｉＣ基板７１を有している。
このＳｉＣ基板７１の内部表面には、ＳｉＣ基板７１とは反対の導電型の不純物が８００℃程度の高温で高濃度に注入され、表面から所定深さまで、ＭＯＳトランジスタのソース領域７２とドレイン領域７３が互いに離間して形成されている。

ソース領域７２とドレイン領域７３が形成された表面には、有機膜７４が形成されている（ここでは有機膜７４にはフォトレジスト膜が用いられている）。
搬送室１１内には基板搬送ロボット１４が配置されており、有機膜７４が形成された状態の処理対象物７０は、予め、複数枚が搬入室１５に配置されている。

先ず、搬送室１１と他の装置との間のゲートバルブ１８を閉じておき、搬送室１１と、高温熱処理装置１２と、前処理装置１３と、搬入室１５と、搬出室１６を大気から遮断し、真空雰囲気にした状態で、搬入室１５と搬送室１１の間のゲートバルブ１８と、前処理装置１３と搬送室１１の間のゲートバルブ１８を開け、搬入室１５内の処理対象物７０を基板搬送ロボット１４のハンド上に乗せ、搬入室１５内から取り出し、前処理装置１３の真空槽２０内に搬入する。

図２は前処理装置１３の内部を説明するための概略図である。
前処理装置１３の真空槽２０内には焼成ステージ２１が設けられており、搬入された処理対象物７０は、不図示の移載装置によってハンド１７上から焼成ステージ２１上に移載される。焼成ステージ２１上では、ＳｉＣ基板７１表面の有機膜７４は上方に向けられている。

次に、前処理装置１３と搬送室１１との間のゲートバルブ１８を閉じ、前処理装置１３の内部空間を搬送室１１の内部空間から遮断する。
この前処理装置１３は加熱装置２２を有しており、真空槽２０に接続された真空排気系２３によって、真空槽２０内を真空排気しながら、加熱装置２２によって処理対象物７０を加熱し、真空雰囲気中で７００℃以上８００℃以下の温度に昇温させ、数分間その温度を維持することによって有機膜７４が炭化し、ＳｉＣ基板７１の表面に炭素皮膜７６が形成される。ソース領域７２の表面とドレイン領域７３の表面を含むＳｉＣ基板７１の表面は、炭素被膜７６によって覆われる。

炭素皮膜７６を形成する加熱装置２２は、焼成ステージ２１の内部に配置した抵抗加熱ヒータを用いることができる。また、焼成ステージ２１上に加熱用赤外線ランプ等を設け、加熱装置２２にすることができる。
炭素皮膜７６が形成されたＳｉＣ基板７１は、基板搬送ロボット１４のハンド１７上に移載され、前処理装置１３内から搬出され、下記のように、高温熱処理装置１２内で処理される。

図３は、高温熱処理装置１２の内部を説明するための概略図である。この図３は後述の試料ステージ３１が下降した状態である。
高温熱処理装置１２は、準備室３０とアニール室４０を有している。
アニール室４０は準備室３０の上部に配置されており、アニール室４０の内部と準備室３０の内部は連通されている。準備室３０の底壁には、鉛直に配置されたロッド３２が気密に挿通されており、ロッド３２の下端は昇降装置３３に取り付けられている。

ロッド３２の上端には試料ステージ３１が取り付けられており、昇降装置３３によってロッド３２が鉛直方向に上下動すると、試料ステージ３１は、試料ステージ３１上の処理対象物と共に上下移動し、試料ステージ３１は、アニール室４０の内部と準備室３０の内部のどちらの室内にも入ることができる。

搬送室１１には準備室３０が接続されており、準備室３０は、搬送室１１内の基板搬送ロボット１４のハンド１７が挿入可能な高さに配置されている。図３に示すように、試料ステージ３１が下降し、準備室３０内に位置する状態では、試料ステージ３１の高さは、試料ステージ３１上と基板搬送ロボット１４のハンド１７上との間で処理対象物が受渡可能な高さにされている。

準備室３０と搬送室１１の間のゲートバルブ１８を開け、図４に示すように、処理対象物７５が載置された基板搬送ロボット１４のハンド１７を準備室３０内に挿入し、不図示の移載装置により、ハンド１７上の処理対象物７５を試料ステージ３１上に移載し、ハンド１７を準備室３０から抜去し、準備室３０と搬送室１１との間のゲートバルブ１８を閉じる。

図５の符号７５は、試料ステージ３１上に配置された処理対象物を示している。ハンド１７上でも、試料ステージ３１上でも、炭素皮膜７６は鉛直上方を向けられており、ＳｉＣ基板７１の底面がハンド１７や試料ステージ３１と接触している。

準備室３０とアニール室４０は、それぞれ真空排気系３４、４１に接続されており、真空排気系３４、４１を動作させ、準備室３０とアニール室４０の内部は、処理対象物７５の処理中、継続して真空排気しておく。
アニール室４０の内部には、筒状の発熱構造体４２が側面を鉛直にして配置されている。

試料ステージ３１は、発熱構造体４２の真下位置に配置されており、試料ステージ３１の大きさは、発熱構造体４２の底面の開口５１の大きさと同じか、僅かに小さい（ここでは、試料ステージ３１と発熱構造体４２と、その底面の開口５１の形状は円形である）。

昇降機構３３を動作させ、ロッド３２を上昇させると、試料ステージ３１は、ＳｉＣ基板７１と共に鉛直に上昇する。試料ステージ３１が発熱構造体４２の底面の開口５１内に挿入され、該開口５１を閉塞させたところで上昇を停止し、静止させる。

図６は、その状態を示しており、発熱構造体４２の底面の開口５１は、試料ステージ３１で閉塞された状態になり、試料ステージ３１上の処理対象物７５は、発熱構造体４２によって取り囲まれている。
アニール室４０の底部にはフランジ４５が設けられており、フランジ４５がアニール室４０と準備室３０の境界に位置している。

ロッド３２の試料ステージ３１よりも下側位置には石英製又はグラファイト製の底板３５が設けられている。
試料ステージ３１が発熱構造体４２の開口５１内に挿入され、開口５１を閉塞する位置で静止した状態では、底板３５は、フランジ４５に当接され、アニール室４０の下端の開口４６を閉塞させている。

この状態では、アニール室４０の内部空間と、準備室３０の内部空間は底板３５によって遮断されている。
発熱構造体４２の上端は、板状の蓋部５２によって塞がれている。

アニール室４０の周囲には誘導加熱コイル４３が巻き回わされている。誘導加熱コイル４３は高周波電源４４に接続されており、誘導加熱コイル４３に交流電圧を印加し、交流電流を流すと、アニール室４０内部に配置された導電性材料に誘導電流が誘起される。

発熱構造体４２と試料ステージ３１と蓋部５２は、カーボングラファイトで形成されており、誘導加熱コイル４３に印加される交流電圧の周波数は、カーボングラファイトに誘導電流を誘起しやすく、且つ、下記の冷却媒体（ここでは水）を加熱しない周波数であり、例えば、１００ｋＨｚ程度の周波数である。

発熱構造体４２と試料ステージ３１と蓋部５２に誘導電流が誘起され、それによって発熱構造体４２と試料ステージ３１と蓋部５２が発熱すると、試料ステージ３１上に配置された処理対象物７５は、試料ステージ３１からの熱伝導と、発熱構造体４２からの放射熱によって加熱される。

アニール室４０の上部には、熱媒体供給装置４７が接続されている。
蓋部５２には厚み方向を貫通するガス導入口５３が設けられており、熱媒体供給装置４７からアニール室４０の内部に熱媒体ガスが供給されると、熱媒体ガスはガス導入口５３から発熱構造体４２の内部に導入され、発熱構造体４２と接触し、高温に加熱される。

試料ステージ３１上に配置された処理対象物７５は、試料ステージ３１からの熱伝導と、発熱構造体４２からの放射熱に加え、高温の熱媒体ガスによっても加熱され、短時間で処理対象物７５は、熱媒体ガス雰囲気中で１８００℃以上２０００℃以下の高温に昇温され、その温度が数分間〜数十分間維持され、ソース領域７２とドレイン領域７３の残留欠陥は除去される（アニール処理）。このアニール処理により、ＳｉＣ基板７１のソース領域７２やドレイン領域７３の結晶の乱れが修正される。
ソース領域７２とドレイン領域７３の表面を含むＳｉＣ基板７１の表面には、炭素皮膜７６が形成されており、ＳｉＣ基板７１からのケイ素の蒸発が発生しない。

ガス導入口５３から導入された熱媒体ガスは、試料ステージ３１と発熱構造体４２の間の隙間を通って、発熱構造体４２の外部に流出し、アニール室４０の下部に接続された真空排気系４１から真空排気される。

アニール室４０と準備室３０の間は、底板３５によって遮断されているので、熱媒体ガスは準備室３０内に侵入せず、準備室３０が高温の熱媒体ガスで加熱されることはない。熱媒体ガスにはアルゴンガス等の希ガスを用いることができる。
アニール室４０の壁面は、石英の二重チューブ５８で構成されており、アニール室４０内の空間は、内側のチューブ５６によって取り囲まれている。

二重チューブ５８の内側のチューブ５６と外側のチューブ５７の間は所定距離だけ離間されており、そのチューブ間の隙間によって冷却媒体流路５９が形成されている。
この冷却媒体流路５９は冷却媒体循環装置５５に接続されており、冷却媒体循環装置５５から供給された冷却媒体は、冷却媒体流路５９内を流れ、冷却媒体循環装置５５に戻るように構成されている。

冷却媒体循環装置５５は、冷却媒体を流すポンプと、冷却媒体を冷却する冷却装置を有しており、冷却媒体流路５９から帰還し、昇温した冷却媒体を冷却し、再度冷却媒体流路５９に供給し、アニール室４０を冷却するように構成されている。

アニール室４０内では、誘導加熱コイル４３によって加熱された発熱構造体４２と試料ステージ３１と蓋部５２から熱線（赤外線）が発生しているが、冷却媒体流路５９は、内側のチューブ５６の周囲を覆うように配置されており、冷却媒体流路５９に冷却媒体が流れた状態では、アニール室４０内部から放出された熱線（赤外線）は、冷却媒体流路５９を流れる冷却媒体で遮蔽され、外部に放射されない。冷却媒体には水を用いることができる。

なお、二重チューブ５８の上端は先細であり、熱媒体供給装置４７に接続された配管は、冷却媒体流路５９とは遮断された状態で、アニール室４０内の空間（内側のチューブ５６で囲まれた空間）に接続されている。

処理対象物７５がアニール室４０内で所定時間高温に加熱された（アニール処理）後、交流電圧は停止され、加熱は終了する。
加熱処理終了後、準備室３０内にアルゴン等のガスが導入され、アニール室４０と準備室３０とが同圧になった後に試料ステージ３１は降下され、準備室３０内に戻る。

継続的なアルゴンガス等の冷却ガスの導入によって、処理対象物７５が低い温度に降温した後、アニール室４０と一体となった準備室３０が排気され、その後準備室３０と搬送室１１の間のゲートバルブ１８が開けられ、基板搬送ロボット１４のハンド１７が挿入され、処理（前処理及びアニール処理）が終了した処理対象物７５は、不図示の移載装置によって試料ステージ３１上からハンド１７上に移載され、基板搬送ロボット１４によって搬出室１６に搬送される。

処理が終了した処理対象物７５が搬送室１１内に所定枚数搬入されると、搬出室１６と搬送室１１の間のゲートバルブ１８が閉じられ、搬出室１６の内部が大気雰囲気に接続され、処理対象物７５が取り出される。

なお、試料ステージ３１とロッド３２の間には、石英製又はグラファイト製の断熱部材３６が設けられている。ロッド３２は、底板３５よりも上の部分が石英又はグラファイトで構成され、底板３５よりも下の部分が金属で構成されており、底板３５によってアニール室４０が閉塞されるとき、アニール室４０の内部には、石英又はグラファイトの部分が位置するようにされている。

試料ステージ３１は、グラファイト断熱材の表面を硬質グラファイトで覆って形成されており、試料ステージ３１が高温に加熱されても、その熱がロッド３２の金属部分に伝達されないように構成されている。

上記例では、熱媒体ガスに希ガスを用いたが、希ガスにシランガス等の化学構造中にケイ素を含むガスを添加して熱媒体ガスとし、アニール室４０内で１８００℃〜２０００℃に加熱され、ケイ素が脱離するＳｉＣ基板７１に、ケイ素を補充しながら熱処理することもできる。

なお、上記ＳｉＣ基板７１は、不純物層が露出する主表面に炭素皮膜７６が配置され、裏面はＳｉＣが露出されていたが、裏面にも炭素皮膜７６を配置してアニール処理することもできる。

本発明の一例の処理装置を説明するためのブロック図 前処理装置を説明するための断面図 高温熱処理装置の内部を説明するための断面図 搬送室から準備室にＳｉＣ基板を移載する様子を説明するための断面図 試料ステージ上にＳｉＣ基板を配置した状態を説明するための断面図 試料ステージがアニール室に上昇配置された状態の断面図 （ａ）：有機膜が形成された状態のＳｉＣ基板を説明するための断面図、（ｂ）：炭素皮膜が形成された状態のＳｉＣ基板を説明するための断面図

符号の説明

１０…処理装置 １１…搬送室 １２…高温熱処理装置 １３…前処理装置 １４…基板搬送ロボット １５…搬入室 １６…搬出室 １７…ハンド ２２…加熱装置 ３０…準備室 ３１…試料ステージ ３２…ロッド ３５…底板 ３６…断熱部材 ４０…アニール室 ４２…発熱構造体 ４３…誘電加熱コイル ４６…開口 ４７…熱媒体ガス供給装置 ７０、７５…処理対象物 ７１…ＳｉＣ基板 ７２…ソース領域 ７３…ドレイン領域 ７４…有機膜 ７６…炭素皮膜

Claims (5)

1. 搬送室と、
   高温熱処理装置と、
   前処理装置とを有し、
   前記搬送室内には、処理対象物を搬送する基板搬送ロボットが配置された処理装置であって、
   前記前処理装置は、前記前処理装置内に搬入された前記処理対象物を加熱する加熱装置を有し、
   前記高温熱処理装置は、
   前記基板搬送ロボットのハンドが挿入可能な高さに配置された準備室と、
   前記準備室の上方に配置され、内部が前記準備室の内部と連通されたアニール室と、
   前記準備室の内部と前記アニール室の内部の間を移動可能に配置され、前記準備室内に位置するときに、前記ハンド上に載置された前記処理対象物が移載される試料ステージと、
   前記試料ステージを、前記準備室から前記アニール室に上昇させる昇降機構と、
   前記アニール室内に配置され、前記準備室から前記アニール室内に到着した前記試料ステージ上の前記処理対象物の周囲を取り囲む発熱構造体と、
   前記アニール室の周囲に設けられ、前記発熱構造体に電流を誘起させる誘導加熱コイルと、
   前記アニール室内に熱媒体ガスを供給する熱媒体ガス供給装置とを有する処理装置。
2. 前記加熱装置は、前記処理対象物を真空雰囲気中で加熱し、前記処理対象物上に配置された有機膜を焼成して炭素皮膜を形成する請求項１記載の処理装置。
3. 前記試料ステージと共に昇降移動し、前記試料ステージが前記発熱構造体に取り囲まれる位置に上昇したときに、前記アニール室の開口を閉じ、前記アニール室内と前記準備室内を分離させる底板を有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の処理装置。
4. 前記試料ステージの底面には、石英又はグラファイトの断熱部材を介してロッド上端が取り付けられ、
   前記昇降機構は前記ロッドを昇降移動させる請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の処理装置。
5. ＳｉＣ基板にソース領域とドレイン領域を有するＭＯＳトランジスタを形成するトランジスタ製造方法であって、
   内部表面に前記ソース領域と前記ドレイン領域が形成され、前記ソース領域と前記ドレイン領域が主表面に露出する前記ＳｉＣ基板の、前記主表面に有機膜を形成し、
   前記ＳｉＣ基板を真空雰囲気中で加熱し、前記有機膜を焼成して炭素皮膜を形成し、
   前記炭素皮膜が形成された前記ＳｉＣ基板を、周囲の真空雰囲気を維持したまま、発熱構造体の内部に配置し、熱媒体ガス雰囲気中で前記発熱構造体を誘導加熱し、前記ＳｉＣ基板を１８００℃以上２０００℃以下の温度範囲に昇温させるトランジスタ製造方法。

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