JP2014086709A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】SiC基板を用いた半導体装置の信頼性や歩留まりを向上する。
【解決手段】アンモニア・過酸化水素水洗浄(SC1)、塩酸・過酸化水素水洗浄(SC2)を行い、SiC基板を洗浄する(RCA洗浄工程S2)。次に、SiC基板に、濃度が80体積%以上のオゾンガスを100sccmで供給し、300Pa、1000℃で26分間処理する(犠牲酸化工程S3)。犠牲酸化工程S3終了後のSiC基板をフッ酸で処理し、SiC基板表面に形成された酸化膜を除去する(HF洗浄工程S4)。
【選択図】図4The reliability and yield of a semiconductor device using a SiC substrate are improved.
An SiC substrate is cleaned by performing ammonia / hydrogen peroxide solution cleaning (SC1) and hydrochloric acid / hydrogen peroxide solution cleaning (SC2) (RCA cleaning step S2). Next, ozone gas having a concentration of 80% by volume or more is supplied to the SiC substrate at 100 sccm and treated at 300 Pa and 1000 ° C. for 26 minutes (sacrificial oxidation step S3). The SiC substrate after completion of the sacrificial oxidation step S3 is treated with hydrofluoric acid to remove the oxide film formed on the surface of the SiC substrate (HF cleaning step S4).
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、炭化珪素単結晶基板を用いた半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a silicon carbide single crystal substrate.
炭化珪素(SiC)素子は、珪素(Si)素子と比較して、高耐圧、低オン抵抗の半導体装置を実現できることが期待されている。近年SiC素子の製造技術が著しく進歩し、SiC素子のデバイス特性の優位性が確立されつつある。また、炭化珪素単結晶基板(SiC基板)の高品質化、大口径化が進み、半導体装置の製造に必要なSiC基板の入手が比較的容易になっている。これらの技術的進歩を背景に、SiC素子の実用を見据えた開発が本格化している。特に、ショットキーバリアダイオード(SBD)は、SiC素子で最も開発が先行している素子のひとつであり、信頼性の確保や歩留り(良品の比率)の向上など量産に向けたプロセス開発段階に達している。 A silicon carbide (SiC) element is expected to realize a semiconductor device having a higher breakdown voltage and lower on-resistance than a silicon (Si) element. In recent years, the manufacturing technology of SiC elements has remarkably advanced, and the superiority of device characteristics of SiC elements is being established. In addition, the quality and size of silicon carbide single crystal substrates (SiC substrates) are increasing, and it is relatively easy to obtain SiC substrates necessary for manufacturing semiconductor devices. Against the background of these technological advances, full-scale development with a view to practical use of SiC elements is in full swing. In particular, the Schottky barrier diode (SBD) is one of the most developed SiC devices, and has reached the stage of process development for mass production, such as ensuring reliability and improving yield (ratio of good products). ing.
SiC素子を実用するためには、さらなるSiC素子の集積度(パワー密度)の向上が求められる。SiC素子の集積度を向上させるためには、より大きなサイズの電極を用いた素子設計が必要となる。そして、大きなサイズの電極を用いる場合、SiC素子の歩留りを高く保つためのSiC基板表面処理が重要となる。SiC基板において、高温のSiC素子製造工程によって発生する基板への金属不純物の付着や混入、その他炭素化合物形成による表面の荒れなどが、SiC素子の歩留りを低下させる要因のひとつと考えられる。 In order to put the SiC element into practical use, further improvement in the degree of integration (power density) of the SiC element is required. In order to improve the integration degree of the SiC element, it is necessary to design an element using a larger size electrode. And when using a large-sized electrode, the SiC substrate surface treatment for keeping the yield of a SiC element high becomes important. In a SiC substrate, adhesion and mixing of metal impurities to the substrate generated by a high-temperature SiC element manufacturing process, and other surface roughness due to the formation of a carbon compound are considered to be one of the factors that reduce the yield of SiC elements.
SiC素子製造工程では、薬液によるSiC基板表面の洗浄工程が行われる。例えば、Si素子を製造する技術として培われた洗浄技術であるRCA洗浄がSiC素子製造工程でもよく用いられる。RCA洗浄とは、アンモニア・過酸化水素水による洗浄(SC1)と塩酸・過酸化水素水による洗浄(SC2)を基本とするSi基板のウエット洗浄法である。 In the SiC element manufacturing process, a cleaning process of the SiC substrate surface with a chemical solution is performed. For example, RCA cleaning, which is a cleaning technique cultivated as a technique for manufacturing Si elements, is often used in the SiC element manufacturing process. The RCA cleaning is a Si substrate wet cleaning method based on cleaning with ammonia / hydrogen peroxide solution (SC1) and cleaning with hydrochloric acid / hydrogen peroxide solution (SC2).
Si基板では、SC1処理によりSi基板表面に酸化膜が形成され、この膜中に金属不純物が取り込まれる。そして、SC2処理で、SC1処理により形成された酸化膜を除去することで、酸化膜に取り込まれた金属不純物も除去される。これに対して、SiC基板では、SC1処理によってSiC基板表面に酸化膜を形成することが困難であり、Si基板のSC1処理のように酸化膜を形成して、この酸化膜に金属不純物を取り込んで除去することが困難であるとされている。また、SiC基板をエッチングする場合、水酸化カリウム溶融液のような特殊な薬液を用いてエッチングするが、このエッチング速度が大きな面方位依存性を持つため、表面の荒れを制御することが困難となる。 In the Si substrate, an oxide film is formed on the surface of the Si substrate by the SC1 process, and metal impurities are taken into this film. Then, by removing the oxide film formed by the SC1 process in the SC2 process, the metal impurities taken into the oxide film are also removed. On the other hand, with an SiC substrate, it is difficult to form an oxide film on the surface of the SiC substrate by the SC1 process, and an oxide film is formed like the SC1 process of the Si substrate, and metal impurities are taken into this oxide film. It is said that it is difficult to remove by. In addition, when etching a SiC substrate, etching is performed using a special chemical solution such as a potassium hydroxide melt, but it is difficult to control surface roughness because the etching rate has a large plane orientation dependency. Become.
そこで、SiC基板の洗浄では、RCA洗浄と犠牲酸化と呼ばれる酸化膜形成プロセスとを併用して、SiC基板表面の洗浄が行われる(例えば、特許文献1)。通常の犠牲酸化は、酸素により基板表面に酸化膜が形成される。 Therefore, in the cleaning of the SiC substrate, the surface of the SiC substrate is cleaned using both RCA cleaning and an oxide film forming process called sacrificial oxidation (for example, Patent Document 1). In normal sacrificial oxidation, an oxide film is formed on the substrate surface by oxygen.
しかし、犠牲酸化工程の酸化手法(酸化ガス種)を変えることで、酸素ガスを用いた犠牲酸化手法を用いた場合より犠牲酸化膜除去後のSiC基板表面の金属不純物密度が低くなることが知られている(例えば、特許文献1)。そして、SiC基板表面の金属不純物密度を低下させることで、SiC素子の信頼性や歩留りが向上することが確認されている。 However, it is known that the metal impurity density on the surface of the SiC substrate after removal of the sacrificial oxide film becomes lower by changing the oxidation method (oxidation gas species) in the sacrificial oxidation process than when the sacrificial oxidation method using oxygen gas is used. (For example, Patent Document 1). It has been confirmed that the reliability and yield of SiC elements are improved by reducing the metal impurity density on the surface of the SiC substrate.
特許文献1には、酸素プラズマをSiC基板表面の酸化剤として用いることで、犠牲酸化膜除去後のSiC基板表面における金属不純物密度が酸素ガスを用いた犠牲酸化手法と比較して減少する傾向があることが示されている。このことより、より強い酸化種を用いることで、金属不純物を酸化膜中に効果的に取り込むことができ、この酸化膜を除去することでより多くの金属不純物を除去することができるものと考えられる。さらに、特許文献1には、SBDやMOSFETなどさまざまな素子の製造工程において、酸化手法の違いによるSiC基板表面の洗浄効果を検証し、酸化手法の違いによってSiC素子の信頼性や歩留りを向上させることができることが示されている。
In
このように、SiC基板では、従来のSi基板の処理方法が必ずしも適用できるわけではないので、SiC素子の信頼性や歩留りをより向上させるためのSiC基板の処理方法が求められている。 As described above, since the conventional Si substrate processing method is not necessarily applicable to the SiC substrate, a SiC substrate processing method for further improving the reliability and yield of the SiC element is required.
上記事情に鑑み、本発明は、SiC基板を用いた半導体装置の信頼性や歩留りの向上に貢献する技術の提供を目的としている。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique that contributes to improvement in reliability and yield of a semiconductor device using a SiC substrate.
上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の一態様は、炭化珪素単結晶基板を、80体積%以上のオゾン雰囲気下で酸化処理し、前記炭化珪素単結晶基板表面に酸化膜を形成する犠牲酸化工程を、有することを特徴としている。 In one embodiment of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object, a silicon carbide single crystal substrate is oxidized in an ozone atmosphere of 80% by volume or more, and an oxide film is formed on the surface of the silicon carbide single crystal substrate. It has a sacrificial oxidation process.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記犠牲酸化工程を、前記炭化珪素単結晶基板をRCA洗浄処理した後に行うことを特徴としている。 Another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object is characterized in that, in the semiconductor device manufacturing method, the sacrificial oxidation step is performed after the silicon carbide single crystal substrate is subjected to RCA cleaning treatment. It is said.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記犠牲酸化工程は、酸素による酸化膜の製膜速度が3nm/h以下の条件で行うことを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor device manufacturing method, the sacrificial oxidation step is performed under a condition that a film formation rate of oxygen oxide film is 3 nm / h or less. It is characterized by doing.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記犠牲酸化工程の処理条件は、処理圧力が1000Pa以下、処理温度が1200℃以下であることを特徴としている。 In another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor device manufacturing method, the processing conditions of the sacrificial oxidation step are a processing pressure of 1000 Pa or lower and a processing temperature of 1200 ° C. or lower. It is characterized by being.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記犠牲酸化工程後に、前記炭化珪素単結晶基板に電極層を形成する電極形成工程を行うことを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor device manufacturing method, an electrode forming step of forming an electrode layer on the silicon carbide single crystal substrate after the sacrificial oxidation step is performed. It is characterized by doing.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記酸化膜は、0.4nm以上であることを特徴としている。 Another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object is characterized in that, in the semiconductor device manufacturing method, the oxide film has a thickness of 0.4 nm or more.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記炭化珪素結晶基板には、エピタキシャル成長層が形成されていることを特徴としている。 Another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object is characterized in that, in the above semiconductor device manufacturing method, an epitaxially grown layer is formed on the silicon carbide crystal substrate.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記犠牲酸化工程終了後、前記炭化珪素単結晶基板を、10Pa以下の真空下で、100℃/min以上の降温速度で、室温まで冷却することを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention that achieves the above object, in the semiconductor device manufacturing method, after the sacrificial oxidation step, the silicon carbide single crystal substrate is placed under a vacuum of 10 Pa or less. It is characterized by cooling to room temperature at a temperature lowering rate of 100 ° C./min or more.
また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記の半導体装置製造方法において、前記犠牲酸化工程において、前記炭化珪素単結晶基板に、200〜300nmの紫外光を照射して、酸化膜を形成することを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor device manufacturing method of the present invention for achieving the above object, in the semiconductor device manufacturing method, the silicon carbide single crystal substrate is irradiated with ultraviolet light of 200 to 300 nm in the sacrificial oxidation step. Thus, an oxide film is formed.
以上の発明によれば、SiC基板を用いた半導体装置の信頼性や歩留りの向上に貢献することができる。 According to the above invention, it is possible to contribute to the improvement of the reliability and the yield of the semiconductor device using the SiC substrate.
本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法について、図を参照して詳細に説明する。なお、本発明の炭化珪素単結晶基板(SiC基板)とは、炭化珪素の単結晶層を有する基板や炭化珪素の単結晶にイオン注入した層を有する炭化珪素基板のことを示す。 A semiconductor device manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The silicon carbide single crystal substrate (SiC substrate) of the present invention refers to a substrate having a single crystal layer of silicon carbide or a silicon carbide substrate having a layer ion-implanted into a single crystal of silicon carbide.
まず、図1、2を参照して、SiC基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成装置1について説明する。SiC基板の表面処理を行う処理装置としては、例えば、特許文献2,3に開示される処理装置が知られている。
First, an oxide
図1に示すように、酸化膜形成装置1は処理炉2、オゾン発生器3、光源4及び光源5を備える。
As shown in FIG. 1, the oxide
処理炉2は横型層流減圧方式の炉である。処理炉2には、配管6を介してオゾン発生器3が接続され、配管7を介してオゾン除去装置8が設けられる。オゾン除去装置8により、処理炉2の反応に供されたガス中の残留オゾンが分解除去される。そして、オゾン除去装置8で処理後のガスは、真空ポンプ9により系外に排出される。また、処理炉2の内部中心付近には、SiC基板10を保持するするサセプタ11が設けられる。サセプタ11は、例えば、赤外光を吸収する材料(不透明石英やSiC単結晶体など)で構成され、処理炉2外に設けられた光源5から赤外光が照射され加熱される。
The
図2は、処理炉2の詳細を示す図である。図2に示すように、処理炉2として、例えば、石英ガラス管2aが用いられる。石英ガラス管2aの端部にそれぞれOリング12(または、ガスケット)を介して、配管6及び配管7が設けられる。配管6及び配管7は、真空対応の配管であり、例えば、ステンレス鋼(SUS材)管の内面を電解研磨により表面処理したものが用いられる。配管6(配管7)と処理炉2(すなわち、石英ガラス管2a)との接続部6a(接続部7a)は、水冷されていることが望ましい。また、Oリング12は、耐熱材料の部材(例えば、デュポン社製カルレッツ)が用いられる。配管6及び配管7には、それぞれ流量可変バルブ13,14が設けられ、この流量可変バルブ13,14を制御することで、処理炉2に供給されるオゾンの流量や処理炉2の圧力が制御される。なお、処理炉2の外周近傍を流通するように冷却用のガスが供給され処理炉2が空冷される。つまり、処理炉2は、コールドウォールであり、ガス輸送中におけるオゾンの熱分解が抑制される。
FIG. 2 is a diagram showing details of the
オゾン発生器3は、図1に示すように、処理炉2にオゾンを供給する。オゾン発生器3は、気体のオゾンを冷却して液体オゾンとし、この液体オゾンを再び気化することで、ほぼ100%のオゾンガスを発生する。このようなオゾン発生器3としては、例えば、明電舎製のピュアオゾンジェネレータがあり、オゾン発生器3から発生したオゾンを不活性ガス(アルゴンやヘリウムなど)で希釈することで、任意の濃度のオゾンを処理炉2に供給することができる。
As shown in FIG. 1, the
光源4は、波長210nmより長い連続的または離散的な波長の輝線を有する紫外光領域の光を発する。光源4からの光は、例えば、SiC基板10の表面に向けガスの流れと垂直に照射される。光源4からの光の照度はSiC基板10の全面での照度の揺らぎが小さくなるように調節される。オゾンは、(1)式に示す紫外線解離反応により、励起状態原子状酸素O(1D)を生成する。また、オゾンは、(2)式に示す熱分解反応により、基底状態原子状酸素O(3P)を生成する。
O3 +hν(λ<310nm) → O(1D) + O2 …(1)
O3 → O(3P) + O2 …(2)
紫外光解離反応により生じた励起状態原子状酸素は、基底状態原子状酸素よりも反応性が高いので、光源4から紫外光を照射してSiC基板10に対してオゾンガスを供給した場合、SiC基板10表面の洗浄効果がより向上する。なお、基底状態原子状酸素も、高い反応性を有するため、SiC基板10上に良好な酸化膜を形成することができる。ゆえに、基底状態原子状酸素により十分な洗浄効果が得られる場合は、必ずしも紫外光を照射する必要がない。
The
O 3 + hν (λ <310 nm) → O ( 1 D) + O 2 (1)
O 3 → O ( 3 P) + O 2 (2)
The excited state atomic oxygen generated by the ultraviolet photodissociation reaction has a higher reactivity than the ground state atomic oxygen. Therefore, when ozone gas is supplied to the
光源5は、赤外光領域の光を出力するランプである。光源5からの光は、処理炉2を透過してサセプタ11に照射され、サセプタ11に保持されたSiC基板10の温度が所定の温度となるようにサセプタ11の温度が制御される。よって、光源5から照射される光の波長は、サセプタ11またはSiC基板10が吸収する光であればどのような波長の光を用いてもよい。
The light source 5 is a lamp that outputs light in the infrared light region. Light from the light source 5 passes through the
[実施例]
本発明の実施例の半導体装置製造方法について、図3,4を参照して説明する。
[Example]
A semiconductor device manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図3(a)は、本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法に供されるSiC基板10の概略断面図であり、図3(b)は、SiC基板10を用いて構成された半導体装置15の特性を評価する電気的特性評価回路16の概略を示す図である。なお、図3(a)のSiC基板10及び図3(b)の半導体装置15は、本発明の実施形態に係るSiC基板及び半導体装置を模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of a
図4は、実施例の半導体装置15製造方法のフローを示す図である。図4を参照して、実施例の半導体装置15の製造方法について説明する。
FIG. 4 is a diagram illustrating a flow of the manufacturing method of the
実施例では、12mm□サイズ4H−SiC(0001)基板(SiC基板)を用いて簡易型PNダイオードを作成した。具体的には、Cree社製のオフ角4°、1.2×1018cm-3のn型ドープされたn+層基板10aを用いた。 In the example, a simple PN diode was prepared using a 12 mm □ size 4H—SiC (0001) substrate (SiC substrate). Specifically, n-type doped n + layer substrate 10a with an off angle of 4 ° and 1.2 × 10 18 cm −3 manufactured by Cree was used.
まず、前工程S1で、n+層基板10a上に、n-エピ層10b(エピキャピタル成長層)を形成した。具体的には、n+層基板10a上に、厚み4.7μm程度のn-エピ層10bを濃度1.2×1015cm-3で形成した。そして、n-エピ層10b上にp層10cなどn-エピ層10b内のキャリア分布作成処理を行い、SiC基板10を作成した。
First, in the previous step S1, an n − epi layer 10b (epicap growth layer) was formed on the n + layer substrate 10a. Specifically, an n − epi layer 10b having a thickness of about 4.7 μm was formed on the n + layer substrate 10a at a concentration of 1.2 × 10 15 cm −3 . Then, n - such as
次に、RCA洗浄工程S2を行った。RCA洗浄工程S2は、アンモニア(28重量%):過酸化水素水(30〜35重量%):水=1:1:5(体積比)の洗浄液で、70〜80℃、10分処理するアンモニア・過酸化水素水洗浄工程(SC1)を行った。その後、塩酸(36重量%):過酸化水素水(30〜35重量%):水=1:1:5(体積比)の洗浄液で、70〜80℃、10分処理する塩酸・過酸化水素水洗浄工程(SC2)を行い、SiC基板10を洗浄した。
Next, RCA cleaning step S2 was performed. The RCA cleaning step S2 is ammonia that is treated at 70 to 80 ° C. for 10 minutes with a cleaning solution of ammonia (28 wt%): hydrogen peroxide solution (30 to 35 wt%): water = 1: 1: 5 (volume ratio). -The hydrogen peroxide washing process (SC1) was performed. Then, hydrochloric acid / hydrogen peroxide treated at 70-80 ° C. for 10 minutes with a cleaning solution of hydrochloric acid (36% by weight): hydrogen peroxide (30-35% by weight): water = 1: 1: 5 (volume ratio) A water cleaning step (SC2) was performed to clean the
犠牲酸化工程S3では、図1,2に示した酸化膜形成装置1を用いてSiC基板10の酸化処理を行った。サセプタ11にSiC基板10を保持し、濃度が80体積%以上のオゾンガスを100sccm、300Paで処理炉2に供給し、1000℃で26分間SiC基板10のオゾン処理を行った。このとき、光源4による紫外光の照射は行わなかった。犠牲酸化工程S3で形成された酸化膜は、10nm程度であった。なお、犠牲酸化工程S3では、オゾン酸化後に、SiC基板10のアニール処理(POA)を行わなかった。POAを行うことで、界面準位が少ない酸化膜/SiC界面を形成することができるが、POA工程を行わないことで、プロセス時間を短縮することができる。
In the sacrificial oxidation step S3, the oxidation treatment of the
SiC基板10の酸化処理が終了したら、処理炉2へのオゾン供給を停止し、処理炉2内を真空(10Pa以下)とした。この状態で、SiC基板10の加熱を停止し、SiC基板10を室温まで冷却した。SiC基板10が室温まで冷却された後、不活性ガスをパージして、SiC基板10を処理炉2から取り出してHF洗浄工程S4に供した。
When the oxidation treatment of the
HF洗浄工程S4では、犠牲酸化工程S3でSiC基板10表面に形成された酸化膜をフッ酸(0.5〜10%程度のフッ化水素水溶液)を用いて除去した。
In the HF cleaning step S4, the oxide film formed on the surface of the
さらに、金属電極層形成工程S5では、HF洗浄工程S4で酸化膜が除去されたSiC基板10の表面17に金属電極層18を形成した。金属電極層18は、ニッケルを1000℃にて合金化して形成し、この金属電極層18をアノード電極とした。実施例の半導体装置15では、直径1mmの円形に形成した金属電極層18を16個形成した。
Further, in the metal electrode layer forming step S5, the
後工程S6では、金属電極層18にアルミニウムを融点以上の温度で合金化して、金属電極層18にアノード電極パッド19を設けた。また、SiC基板10のアノード電極パッド19が設けられる面の反対側の面(つまり、n+層基板10a)に、オーミック接合によりアルミニウムを合金化して設け、カソード電極20とした。
In the post-process S6, aluminum was alloyed on the
[比較例]
比較例の半導体装置製造方法のフローを図4(b)に示す。図4(b)に示すように、比較例の半導体装置の製造方法は、犠牲酸化工程S7以外の工程は、実施例の半導体装置の製造方法と同じである。よって、犠牲酸化工程S7についてのみ詳細に説明し、重複を避けるため他の工程には同じ符号を付してその説明を省略する。
[Comparative example]
The flow of the semiconductor device manufacturing method of the comparative example is shown in FIG. As shown in FIG. 4B, the semiconductor device manufacturing method of the comparative example is the same as the semiconductor device manufacturing method of the embodiment except for the sacrificial oxidation step S7. Therefore, only the sacrificial oxidation step S7 will be described in detail, and in order to avoid duplication, the other steps are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
比較例の半導体装置製造方法の犠牲酸化工程S7は、前工程S1及びRCA洗浄工程S2を行った後のSiC基板を処理炉2のサセプタ11に保持し、この処理炉2に100sccm、1.015×106Paで100%酸素ガスを供給して、1200℃、50分間、SiC基板の表面処理を行った。犠牲酸化工程S7で形成された酸化膜は、10nm程度であった。
In the sacrificial oxidation step S7 of the semiconductor device manufacturing method of the comparative example, the SiC substrate after performing the pre-step S1 and the RCA cleaning step S2 is held in the
犠牲酸化工程S7終了後、実施例の半導体装置製造方法と同様に、HF洗浄工程S4、金属電極層作成工程S5、後工程S6により、比較例の半導体装置にアノード電極、及びカソード電極を設けた。電極は、直径1mmの円形に形成したものを16個形成した。 After completion of the sacrificial oxidation step S7, an anode electrode and a cathode electrode were provided on the semiconductor device of the comparative example by the HF cleaning step S4, the metal electrode layer creation step S5, and the post-step S6, as in the semiconductor device manufacturing method of the example. . Sixteen electrodes formed into a circle having a diameter of 1 mm were formed.
図5は、図3(b)に示す電気的特性評価回路16で、実施例及び比較例の半導体装置の各電極で順方向特性及び逆方向特性を測定した測定結果である。
FIG. 5 shows measurement results obtained by measuring the forward characteristics and the reverse characteristics at the respective electrodes of the semiconductor devices of the example and the comparative example by the electrical
図5(a),(c)に示すように、多くの電極で図中矢印で示した場所よりも高電圧側でオーミックなVI関係が成り立った。図5(a),(b)に示すように、実施例の半導体装置では、順方向特性、逆方向特性のどちらの特性試験でも、不良特性を示す試料が1つであり、残りの15個の試料は良好な特性を示した。一方、図5(c),(d)に示すように、比較例の半導体装置では、順方向特性、逆方向特性どちらの特性試験でも、不良特性を示す試料が3つあり、残りの13個の試料は良好な特性を示した。つまり、実施例の半導体装置の製造方法によれば、比較例の半導体装置の製造方法と比較して、不良電極の数が減少した。 As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (c), an ohmic VI relationship was established on the higher voltage side than the location indicated by the arrow in the figure for many electrodes. As shown in FIGS. 5A and 5B, in the semiconductor device of the example, there is one sample exhibiting defective characteristics in the forward characteristic and reverse characteristic tests, and the remaining 15 samples. The sample showed good properties. On the other hand, as shown in FIGS. 5C and 5D, in the semiconductor device of the comparative example, there are three samples showing defective characteristics in both the forward characteristic and reverse characteristic tests, and the remaining 13 samples. The sample showed good properties. That is, according to the semiconductor device manufacturing method of the example, the number of defective electrodes was reduced as compared with the semiconductor device manufacturing method of the comparative example.
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、SiC基板の洗浄に、高濃度(80体積%以上)のオゾンを用いて犠牲酸化膜を作成する犠牲酸化工程と、当該犠牲酸化膜を除去するHF洗浄工程とを有するSiC基板洗浄方法を用いることで、SiC基板表面の金属不純物やカーボン系化合物を効果的に除去することができる。さらに、オゾンの強い酸化力による不純物除去だけでなく、SiC基板の表面の粗さを抑制することができる。その結果、SiC素子の信頼性を向上し、SiC素子の歩留りを向上することができる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a sacrificial oxidation process for forming a sacrificial oxide film using high-concentration (80% by volume or more) ozone for cleaning an SiC substrate, and the sacrificial oxidation By using the SiC substrate cleaning method including the HF cleaning process for removing the film, it is possible to effectively remove metal impurities and carbon-based compounds on the surface of the SiC substrate. Furthermore, not only the removal of impurities due to the strong oxidizing power of ozone, but also the roughness of the surface of the SiC substrate can be suppressed. As a result, the reliability of the SiC element can be improved and the yield of the SiC element can be improved.
また、200nm以上の波長の光をSiC基板に照射することでSiC基板表面のダメージを低減することができ、300nm以下の波長の光をオゾンに照射することで励起状態原子状酸素を生成することができる。よって、SiC基板の表面をオゾン処理するときに、SiC基板表面にオゾンの分解に必要な紫外光(波長200〜300nmの光を含む)を照射することで、基板表面の洗浄効果をより向上させることができる(例えば、引用文献5)。 Moreover, it is possible to reduce the damage on the surface of the SiC substrate by irradiating the SiC substrate with light having a wavelength of 200 nm or longer, and generating excited state atomic oxygen by irradiating ozone with light having a wavelength of 300 nm or shorter. Can do. Therefore, when the surface of the SiC substrate is subjected to ozone treatment, the cleaning effect on the substrate surface is further improved by irradiating the SiC substrate surface with ultraviolet light (including light having a wavelength of 200 to 300 nm) necessary for ozone decomposition. (For example, cited reference 5).
また、本発明の半導体装置の製造方法は、酸素によるSiC基板表面の製膜速度が3nm/h以下となるようなプロセス条件で、犠牲酸化処理を行うことで、酸素による酸化による影響を低減したSiC基板の洗浄を行うことができる。具体的には、非特許文献1で示されているように、処理圧力が1000Pa以下、処理温度を1200℃以下とすることで、酸素によるSiC基板表面の製膜速度が3nm/h以下となるようにSiC基板表面を酸化することができる。その結果、酸素ガスによるSiC基板表面の酸化反応の進行を抑制し、酸素による不完全な酸化が局所的に行われることでSiC基板表面の洗浄状態が不均一となることを低減することができる。なお、処理圧力が10Pa以上、処理温度を800℃以上とすることで、SiC基板表面に酸化膜を形成することができる。よって、犠牲酸化工程の処理条件は、オゾンガスの供給量:50〜300sccm、処理圧力:10〜1000Pa、処理温度:800〜1200℃とすることで、SiC基板の表面の不純物を除去するだけでなく、SiC基板の表面の粗さを低減したSiC基板の洗浄を行うことができる。
In addition, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention reduces the influence of oxidation by oxygen by performing sacrificial oxidation treatment under process conditions such that the deposition rate of the SiC substrate surface by oxygen is 3 nm / h or less. The SiC substrate can be cleaned. Specifically, as shown in
また、犠牲酸化工程のSiC基板の酸化処理に、高濃度(80体積%以上)のオゾンを用いることで、低温下、短時間で、SiC基板の酸化処理を行うことができる。その結果、SiC基板の熱歪みやSiC基板への不純物の混入を減少させることができる。濃度が80体積%以上、より好ましくは95体積%以上のオゾンをSiC基板の犠牲酸化処理に供することで、良好な酸化膜を形成することができる。特に、略100体積%のオゾンを用いると数分でSiC基板の酸化処理を行うことができる。この処理時間は、80体積%のオゾンで同じ膜厚の酸化膜を形成する形成速度の1.25倍であり、単位時間あたりのSiC基板の処理量が向上する。半導体装置の製造工程は枚葉処理のため、酸化膜形成速度の向上は、半導体装置の生産速度に大きく影響する。 Further, by using ozone with a high concentration (80% by volume or more) for the oxidation treatment of the SiC substrate in the sacrificial oxidation step, the SiC substrate can be oxidized in a short time at a low temperature. As a result, thermal distortion of the SiC substrate and contamination of impurities into the SiC substrate can be reduced. A good oxide film can be formed by subjecting ozone having a concentration of 80% by volume or more, more preferably 95% by volume or more to sacrificial oxidation treatment of the SiC substrate. In particular, when approximately 100% by volume of ozone is used, the SiC substrate can be oxidized in a few minutes. This processing time is 1.25 times the formation speed of forming an oxide film having the same film thickness with 80% by volume of ozone, and the throughput of the SiC substrate per unit time is improved. Since the manufacturing process of the semiconductor device is a single wafer process, the improvement in the oxide film formation rate greatly affects the production rate of the semiconductor device.
また、本発明の半導体装置の製造方法に用いられるSiC基板表面の洗浄方法を、SiC基板にアノード用接触電極を形成する前の基板処理工程に用いることで、結合信頼性の高いSiC/電極層(例えば、Ni)界面を形成することができる。 Further, the SiC / electrode layer having high bonding reliability can be obtained by using the method for cleaning the surface of the SiC substrate used in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention in the substrate processing step before forming the anode contact electrode on the SiC substrate. A (for example, Ni) interface can be formed.
また、コールドウォールの処理炉でSiC基板表面のオゾン処理を行うことで、オゾン処理後のSiC基板を100℃/min以上の降温速度で冷却することができる。犠牲酸化工程終了後、SiC基板を、10Pa以下の真空下で、100℃/min以上の降温速度で室温まで冷却すると、基板へのパーティクルの付着を防止し、ウエハへの不純物の混入を防止することができる。 In addition, by performing ozone treatment on the surface of the SiC substrate in a cold wall processing furnace, the ozone-treated SiC substrate can be cooled at a temperature lowering rate of 100 ° C./min or more. After completion of the sacrificial oxidation process, when the SiC substrate is cooled to room temperature at a temperature lowering speed of 100 ° C./min or higher under a vacuum of 10 Pa or lower, adhesion of particles to the substrate is prevented and contamination of impurities to the wafer is prevented. be able to.
SiC基板の表面をオゾン処理することで、SiC基板表面の炭素不純物が減少することや、品質の良い酸化膜を形成することができることが開示されている(例えば、特許文献4,5)。これに対して、本発明の半導体装置の製造方法は、犠牲酸化工程の酸化処理に80%以上のオゾンを用いることを特徴としている。特に、エピ層内にキャリア分布作成処理を行った後のSiC基板の処理に後のSiC基板の洗浄工程である犠牲酸化工程の酸化にオゾン用いることで、SiC基板と電極層との接合部の信頼性が向上する。この犠牲酸化工程で形成される酸化膜の膜厚を、原子一層分の厚さ(0.4nm)以上、特に10nm程度形成することで、SiC基板と電極層との良好な接合部を得ることができる。
It is disclosed that the surface of the SiC substrate can be treated with ozone to reduce carbon impurities on the surface of the SiC substrate and to form a high quality oxide film (for example,
なお、本発明の半導体装置の製造方法について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の半導体装置の製造方法は、上述した実施形態に限定されるものでなく、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明の半導体装置の製造方法である。 In addition, although the manufacturing method of the semiconductor device of this invention was demonstrated in detail, showing the specific example, the manufacturing method of the semiconductor device of this invention is not limited to embodiment mentioned above, The feature of this invention is shown. The design can be changed as appropriate within a range that is not impaired, and the modified form is also the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
例えば、実施形態の説明では、炭化珪素の単結晶として、4H−SiCからなるSiC基板を用いたが、炭化珪素の単結晶としては、4H−SiCの他にも、2H−SiC、6H−SiC、3C−SiC等、他の結晶形の炭化珪素単結晶をSiC基板として用いることもできる。また、実施例では、単結晶基板の(0001)面に対して、エピ層や金属電極層などを形成したが、(0001)面の他、(000−1)面や(11−20)面に対してエピ層などを形成した基板に本発明の半導体装置製造方法を適用することができる。また、実施例では、オフ角4°のSiC基板を用いたが、オフ角は4°に限らず、0〜8°程度であれば他の角度でも構わない。 For example, in the description of the embodiment, a SiC substrate made of 4H—SiC is used as the silicon carbide single crystal. However, as the silicon carbide single crystal, 2H—SiC and 6H—SiC are available in addition to 4H—SiC. Other crystal forms of silicon carbide single crystal such as 3C—SiC can also be used as the SiC substrate. In the examples, an epi layer, a metal electrode layer, and the like were formed on the (0001) plane of the single crystal substrate. However, in addition to the (0001) plane, the (000-1) plane and the (11-20) plane On the other hand, the semiconductor device manufacturing method of the present invention can be applied to a substrate on which an epi layer or the like is formed. In the embodiment, the SiC substrate having an off angle of 4 ° is used. However, the off angle is not limited to 4 °, and any other angle may be used as long as it is about 0 to 8 °.
また、本発明の半導体装置の製造方法に用いられるSiC基板の洗浄方法は、SiC基板/電極層の界面を接合するときの前処理として行うことに限定されるものではなく、さまざまなSiC基板の界面(例えば、SiC基板/SiO2の界面)に対する前処理として用いることができる。 Further, the SiC substrate cleaning method used in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is not limited to the pretreatment when bonding the interface of the SiC substrate / electrode layer. It can be used as a pretreatment for the interface (for example, SiC substrate / SiO 2 interface).
また、半導体装置としては、ショットキーバリアダイオード(SBD)の他にMOSFET、IGBTなどの半導体装置においても、SiC表面にショットキー接合またはオーミック接合により電極を形成する場合などに本発明の半導体装置の製造方法に係る洗浄方法を適用することができる。 In addition to Schottky barrier diodes (SBDs), semiconductor devices such as MOSFETs and IGBTs are also used for semiconductor devices when the electrodes are formed on the SiC surface by Schottky junctions or ohmic junctions. A cleaning method according to the manufacturing method can be applied.
1…酸化膜形成装置
2…処理炉
3…オゾン発生器
4…光源
5…光源
6,7…配管
8…オゾン除去装置
9…真空ポンプ
10…SiC基板
10a…n+層基板
10b…n-エピ層
10c…p層
11…サセプタ
15…半導体装置
16…電気的特性評価回路
17…SiC基板の表面(SiC/Ni界面)
18…金属電極層
19…アノード電極パッド
20…カソード電極
21…保護膜
DESCRIPTION OF
18 ...
Claims (9)
有する
ことを特徴とする半導体装置製造方法。 A sacrificial oxidation step of oxidizing the silicon carbide single crystal substrate in an ozone atmosphere of 80% by volume or more and forming an oxide film on the surface of the silicon carbide single crystal substrate,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記炭化珪素単結晶基板をRCA洗浄処理した後に行う
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置製造方法。 The sacrificial oxidation step includes
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the method is performed after the silicon carbide single crystal substrate is subjected to an RCA cleaning process.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the sacrificial oxidation step is performed under a condition that a deposition rate of an oxide film with oxygen is 3 nm / h or less.
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the processing conditions of the sacrificial oxidation step are a processing pressure of 1000 Pa or lower and a processing temperature of 1200 ° C. or lower.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置製造方法。 5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an electrode forming step of forming an electrode layer on the silicon carbide single crystal substrate is performed after the sacrificial oxidation step. 6.
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置製造方法。 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide film has a thickness of 0.4 nm or more.
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置製造方法。 The semiconductor device manufacturing method according to claim 1, wherein an epitaxial growth layer is formed on the silicon carbide crystal substrate.
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置製造方法。 8. The silicon carbide single crystal substrate is cooled to room temperature at a temperature lowering rate of 100 [deg.] C./min or higher under a vacuum of 10 Pa or less after the sacrificial oxidation step. 2. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の半導体装置製造方法。 9. The oxide film according to claim 1, wherein in the sacrificial oxidation step, the silicon carbide single crystal substrate is irradiated with ultraviolet light of 200 to 300 nm to form an oxide film. Semiconductor device manufacturing method.
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