特許 7639590 半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-25

(45)【発行日】2025-03-05

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/266 20060101AFI20250226BHJP

   H10D 12/00 20250101ALI20250226BHJP

   H10D 12/01 20250101ALI20250226BHJP

   H10D 30/01 20250101ALI20250226BHJP

   H10D 30/66 20250101ALI20250226BHJP

【ＦＩ】

H01L21/265 M

H10D12/00 101T

H10D12/01 A

H10D30/01 301A

H10D30/66 101T

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021116414

(22)【出願日】2021-07-14

(65)【公開番号】P2023012755

(43)【公開日】2023-01-26

【審査請求日】2024-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】立花 文人

(72)【発明者】

【氏名】岩橋 洋平

(72)【発明者】

【氏名】藤岡 仁志

【審査官】正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－２０４９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９９９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０９７０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１７９３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１０１６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１３５４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００４／０９７９１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／００６３３４２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２６６

Ｈ１０Ｄ １２／００

Ｈ１０Ｄ １２／０１

Ｈ１０Ｄ ３０／０１

Ｈ１０Ｄ ３０／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン注入によって半導体基板（１）に対して不純物層（３）を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板を用意することと、
前記半導体基板の上に所望パターンとされるレジスト（２）を形成することと、
前記レジストに対して、前記イオン注入の温度以上の温度において紫外線を照射することと、
前記紫外線の照射の後で、前記レジストをマスクとして前記イオン注入を行うことで、前記半導体基板に対して前記不純物層を形成することと、を含み、
前記不純物層を形成することでは、前記イオン注入におけるイオン種としてＡｌを用い、前記イオン注入時の前記半導体基板の温度を２００℃以上、ドーズ量を１．０×１０ ^１４ ｃｍ ^－２ 以上とする、半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記不純物層を形成したのち、Ｏ _２ プラズマアッシングによって前記レジストを除去することと、
前記Ｏ _２ プラズマアッシング時に形成される前記Ａｌの酸化膜をフッ化水素で除去することと、を含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記半導体基板を用意することでは、該半導体基板のウェハを用意することであり、
前記レジストを形成することでは、前記所望パターンの前記レジストとして、前記ウェハのうちの外縁部に形成された部分を除去したパターンとすることを含んでいる、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）などを半導体材料として用いる半導体装置の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＳｉＣ半導体装置、例えばパワー半導体の製造プロセスにおいて、ＳｉＣ基板と電極とのコンタクトを取るために高不純物濃度のイオン注入を行う必要があるが、イオン注入により結晶欠陥が発生するために、高温でイオン注入を行っている。例えば、ＭＯＳＦＥＴにおけるｐ型ベース領域とソース電極との電気的接続を行うためのコンタクトｐ型層を形成する際には、高不純物濃度のイオン注入が行われ、高温でのイオン注入が用いられている。

【0003】

高温、高不純物濃度、高エネルギーでのイオン注入を行う際には、マスクとして酸化膜、例えばＳｉＯ_２膜を用いることが一般的であるが、酸化膜を用いたマスクプロセスは工程数が増えるので、高コストプロセスとなる。このため、工程数の増加に伴うコスト高を抑制するために、レジストマスクで代用することが考えられている。ただし、高不純物濃度でのイオン注入においてレジストマスク化するためには、結晶欠陥の発生抑制のためにイオン注入を高温で行う必要がある反面、レジストの耐熱が必要になるというトレードオフを解決することが必要になる。

【0004】

これに対して、特許文献１に、耐熱温度１０００℃のレジストを用いて、レジスト成膜後に窒素雰囲気下でイオン注入と同等の温度でレジストを焼き締めすることで、レジストを高温でのアルミニウム（Ａｌ）イオン注入のマスクとして使用できることが示されている。この技術を用いれば、耐熱温度１０００℃というレジストを用いることで、高温イオン注入においてもレジストマスク化が実現できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－９７３７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、耐熱温度１０００℃のレジストという半導体製造プロセスとして一般的には使用していないレジストを使用する場合、レジストの種類を増やすことになり、現像の際に用いる現像液の廃液の問題が発生したり、工程管理が複雑になるため好ましくない。このため、半導体製造プロセスとして一般的に用いられている例えば耐熱温度３００℃のレジストを用いて、特許文献１のように窒素雰囲気下で熱を加えて確認したところ、レジスト形状が崩れてマスクとして使用できないことが判った。

【0007】

本発明は上記点に鑑みて、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、レジストの耐熱が必要になるというトレードオフを解決し、レジストを用いたイオン注入が行えるようにする半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、イオン注入によって半導体基板（１）に対して不純物層（３）を形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板を用意することと、半導体基板の上に所望パターンとされるレジスト（２）を形成することと、レジストに対して、イオン注入の温度以上の温度において紫外線（以下、ＵＶという）を照射することと、ＵＶ照射の後で、レジストをマスクとしてイオン注入を行うことで、半導体基板に対して不純物層を形成することと、を含んでいる。具体的には、不純物層を形成することでは、イオン注入におけるイオン種としてＡｌを用い、イオン注入時の半導体基板の温度を２００℃以上、ドーズ量を１．０×１０ ^１４ ｃｍ ^－２ 以上としている。

【0009】

このように、レジストにＵＶ照射を行うことでレジストに硬化層を形成することができる。そして、硬化層を形成してからイオン注入を行っている。このため、イオン注入時に高温とされても、硬化層にてデガスの吹き出しを抑制できる。より詳しくは、ＵＶ照射をイオン注入時の温度以上の高温で行って硬化層を形成しているため、イオン注入時に高温とされても、硬化層が崩れることなく形を維持できる。したがって、イオン注入時に高温とされても、硬化層によってデガスをレジスト内に閉じ込めることが可能となり、デガスがレジストの外部に吹き出すことを抑制できる。

【0010】

これにより、一般的なレジストをマスクとして使用しても、結晶欠陥の抑制を行うことが可能な高温でのイオン注入を行うことが可能となる。よって、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、レジストの耐熱が必要になるというトレードオフを解決し、一般的なレジストを用いたイオン注入を行うことが可能となる。

【0011】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】第１実施形態にかかるＳｉＣ半導体装置の製造工程を示した断面図である。

【図1B】図１Ａに続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。

【図1C】図１Ｂに続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。

【図1D】図１Ｃに続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。

【図1E】図１Ｄに続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。

【図2】図１Ｃにおけるイオン注入後の様子を示した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0014】

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態では、半導体素子を構成するＳｉＣ基板に対してイオン注入により不純物層を形成する工程を含むＳｉＣ半導体装置の製造方法を説明する。なお、ＳｉＣ半導体装置に形成される半導体素子としては、縦型ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなど、どのようなものであっても良いため、ここでは半導体素子の構造については省略する。また、ＳｉＣ基板に形成する不純物層としては、縦型ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子そのものを構成するための不純物層だけでなく、イオン注入によって形成するどのような不純物層であっても良い。特に、高温、高不純物濃度、高エネルギーのイオン注入によって形成する不純物層に対して適用されると好ましい。

【0015】

〔図１Ａに示す工程〕
まず半導体素子を構成するＳｉＣ基板１を用意する。ここでいうＳｉＣ基板１は、イオン注入により形成する不純物層の形成前の工程まで行った試料のことを意味している。例えば、縦型ＭＯＳＦＥＴの場合、ＳｉＣからなるｎ^＋型基板の主表面上にｎ^－型ドリフト層をエピタキシャル成長させたのち、ｎ^－型ドリフト層の上にチャネル層に相当するｐ型ベース領域およびｎ^＋型ソース領域を順に形成する。そして、ｐ型ベース領域のうちｎ^＋型ソース領域が配置された場所と異なる位置の表層部にｐ型不純物濃度を部分的に高くするコンタクトｐ型層を形成する。イオン注入により形成する不純物層がコンタクトｐ型層である場合、その前のｐ型ベース領域およびｎ^＋型ソース領域の形成工程まで行ったものが図１Ａに示すＳｉＣ基板１となる。勿論、これ以外の部分の不純物層の形成をイオン注入で行う場合も想定される。例えば、イオン注入により形成する不純物層がｎ^＋型ソース領域であれば、その前のｐ型ベース領域の形成工程まで行ったものが図１Ａに示すＳｉＣ基板１となる。

【0016】

そして、ＳｉＣ基板１の上にレジスト２を成膜したのち、フォトリソグラフィ工程を行ってレジスト２を所望パターンにパターニングし、コンタクトｐ型層の形成予定領域以外がレジスト２で覆われるようにする。レジスト２としては、例えば住友化学株式会社製のＰＦＩ８９のように耐熱温度３００℃程度と耐熱温度が１０００℃のような高耐熱ではない一般的に使用されているフォトレジストを使用している。レジスト２の厚みについては、イオン注入のドーズ量や加速エネルギーなどに応じて任意に決めれば良いが、ここでは１．７μｍ±１０％の範囲に調整している。

【0017】

〔図１Ｂに示す工程〕
レジスト２に対してＵＶ照射を行うＵＶキュア工程を行う。具体的には、レジスト２をパターニングした試料を図示しないＵＶキュア装置のチャンバー内におけるステージ上に搭載したのち、ステージを加熱することで試料を高温にし、その状態でＵＶキュアを行う。このときの試料の温度については、この後に行うイオン注入の温度よりも高い温度となるようにしており、２００℃以上、例えば２００～２５０℃となるようにしている。ＵＶキュアの時間については任意であるが、数十秒から数百秒の時間行うようにしている。このＵＶキュアにより、ＵＶが照射された部分となるレジスト２のうちの表層部に硬化層２ａが形成される。

【0018】

このときに形成される硬化層２ａは、ＵＶキュアの時間に応じた厚みで形成される。例えば、ＵＶキュアの時間が１００秒であれば硬化層２ａの厚みが１００ｎｍ、２００秒であれば２５０ｎｍとなり、ＵＶキュアの時間が長いほど硬化層２ａの厚みが厚くなる。硬化層２ａは、この後のイオン注入の際にＳｉＣ基板１中にイオンが注入されることを保護する役割も果たすが、イオン注入の際の高温により硬化層２ａの内側に発生するデガスを内部に閉じ込めて外部に吹き出すことをガードする役割を果たす。これらの役割を考慮して、イオン注入時のドーズ量や加速エネルギー、温度に基づいて硬化層２ａの厚みを設定している。ここでは、例えばＵＶキュアの時間を１００秒としており、硬化層２ａの厚みが１００ｎｍ程度となるようにしている。なお、ここではＵＶキュアの時間の一例を挙げているが、上記役割を果たす厚みで硬化層２ａが形成されれば良いため、ＵＶキュアの時間については適宜調整すれば良い。

【0019】

〔図１Ｃに示す工程〕
硬化層２ａを形成したレジスト２をマスクとして用いてイオン注入を行うことで、ＳｉＣ基板１のうちレジスト２で覆われていない部分に、例えばコンタクトｐ型層のような不純物層３を形成する。例えば、レジスト２を形成したＳｉＣ基板１の試料を図示しないイオン注入装置のチャンバー内におけるステージ上に搭載し、ステージを加熱することによってＳｉＣ基板１の温度を２００℃以上に加熱する。この状態で、ｐ型不純物、例えばＡｌ（アルミニウム）などをイオン種としてイオン注入を行う。例えば、不純物層３としてコンタクトｐ型層のように高不純物濃度のものを形成する場合、１．０×１０^１４ｃｍ^－２以上のドーズ量でイオン注入を行うようにしている。ただし、ドーズ量については誤差があるため、狙い値を１．０×１０^１４ｃｍ^－２以上として、±１５％程度でイオン注入が行われる。また、加速エネルギーについては、～２００ｋｅＶとしている。

【0020】

このとき、イオン注入時の高温によってレジスト２内にデガスが発生し得るが、これがレジスト２の外部に吹き出そうとしても、硬化層２ａが形成されているため、硬化層２ａによってガードされ、外部に吹き出すことが抑制される。デガスがレジスト２の外部に吹き出すと、イオン注入時に異常放電が生じることがあるため、デガスの吹き出しを抑制することで異常放電の発生を抑制でき、安定したイオン注入を行うことが可能となる。

【0021】

なお、このようにしてイオン注入を行うと、硬化層２ａがより硬化し、図２に示すように、レジスト２内、特に硬化層２ａ内にＡｌが残った状態になる。

【0022】

〔図１Ｄに示す工程〕
アッシング装置１０内に不純物層３を形成したＳｉＣ基板１を設置し、高温アッシングによりレジスト２の除去工程を行う。なお、本図では、ウェハ状態のＳｉＣ基板１を示してあるため、不純物層３については示されていないが、実際には所望位置に不純物層３が形成された状態になっている。具体的には、Ｏ_２プラズマアッシングによってＳｉＣ基板１の上に残っているレジスト２を除去する。このとき、硬化層２ａを含むレジスト２内に残ったＡｌがＯ_２プラズマアッシング時に不揮発性の酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）に変化してしまうことが確認された。この酸化物は不揮発性のものであるため、Ｏ_２プラズマアッシングでは除去が困難であり、Ｏ_２プラズマアッシングを行っただけではＳｉＣ基板１の表面に残渣として残ってしまうことになる。このため、次の図１Ｅに示す工程を行う。

【0023】

〔図１Ｅに示す工程〕
ＨＦ（フッ化水素）洗浄による酸化物除去工程を行う。上記したように、Ｏ_２プラズマアッシングを行っただけではＳｉＣ基板１の表面に不揮発性の酸化物が残渣として残ってしまう。このため、ＨＦ洗浄を行うことで、不揮発性の酸化物を溶解度の高いＡｌＯＦに変化させて溶解させる。これにより、ＳｉＣ基板１の表面の残渣を無くすことが可能となる。

【0024】

このようにして、ＳｉＣ基板１の表層部にイオン注入による不純物層３を形成することができる。図示しないが、この後も、ＳｉＣ半導体装置の製造プロセスを行い、縦型ＭＯＳＦＥＴもしくはＩＧＢＴなどの半導体素子を備えたＳｉＣ半導体装置を製造することができる。

【0025】

以上説明したように、本実施形態では、イオン注入のマスクとして耐熱温度３００℃程度の一般的に使用されているレジスト２を用い、レジスト２にＵＶ照射を行うことで硬化層２ａを形成してからイオン注入を行うようにしている。このため、イオン注入時に高温とされても、硬化層２ａがデガスの吹き出しを抑制することが可能となる。より詳しくは、ＵＶ照射をイオン注入時の温度以上の高温で行って硬化層２ａを形成しているため、イオン注入時に高温とされても、硬化層２ａが崩れることなく形を維持できる。したがって、イオン注入時に高温とされても、硬化層２ａによってデガスをレジスト２内に閉じ込めることが可能となり、デガスがレジスト２の外部に吹き出すことを抑制できる。

【0026】

これにより、一般的なレジスト２をマスクとして使用しても、結晶欠陥の抑制を行うことが可能な高温でのイオン注入を行うことが可能となる。よって、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、レジスト２の耐熱が必要になるというトレードオフを解決し、一般的なレジスト２を用いたイオン注入を行うことが可能となる。特に、不純物層３を高不純物濃度とする場合に、高ドーズ量でのイオン注入を行うことになる。そのような場合にレジスト２が崩れ易いが、本実施形態の製造方法を用いることでレジスト２が崩れることなく安定したイオン注入が行える。

【0027】

さらに、本実施形態の製造方法によれば、以下の効果を得ることもできる。

【0028】

（１）イオン種としてＡｌを用いる場合、イオン注入時に硬化層２ａを含むレジスト２内にＡｌが残ることから、Ｏ_２プラズマアッシングを行っただけではＳｉＣ基板１の表面に不揮発性の酸化物が残渣として残ってしまう。この残渣を除去するために、Ｏ_２プラズマアッシングの後にＨＦ洗浄工程を行うようにしている。これにより、ＳｉＣ基板１の表面の残渣を無くすことが可能となる。

【0029】

（２）本実施形態では、イオン注入時の基板温度を２００℃以上、ドーズ量を１．０×１０^１４ｃｍ^－２±１５％以上とするような高温、高不純物濃度、高エネルギーでのイオン注入を行う場合に、一般的なレジスト２をマスクとして用いている。高温、高不純物濃度、高エネルギーでのイオン注入を行う際には、マスクとして酸化膜を用いるのが一般的であるが、このような場合に一般的なレジスト２を用いてイオン注入を行えると、特に工程数の増加に伴うコスト高の抑制として高い効果を得ることができる。

【0030】

（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0031】

（１）例えば、上記実施形態では、半導体素子として縦型ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを例に挙げ、これらの構成要素の１つの不純物層３を形成する場合について説明した。しかしながら、これは一例を示したに過ぎず、他の半導体素子の構成要素となる不純物層の形成や、半導体素子以外の不純物層、例えば外周耐圧領域に形成される不純物層などを形成する際のイオン注入において、本発明を適用することができる。

【0032】

（２）上記実施形態では、ＳｉＣ半導体装置を製造する際のウェハのうちのチップとして取り出す有効領域での製造方法を記載しているが、チップとして取り出されないウェハの外縁部に位置する不要領域を考慮した製造方法とすると好ましい。

【0033】

具体的には、レジスト２を成膜する際には、表面張力の影響で、ウェハの外縁部の不要領域において、その内側の有効領域よりもレジスト２が厚く形成される。このため、不要領域のレジスト２をそのまま残しておくと、ＵＶ照射を行って硬化層２ａを形成しても、レジスト２の厚みが厚いためにイオン注入時に硬化層２ａが崩れてデガスが吹き出してしまう可能性がある。したがって、レジスト２をパターニングする際に、ウェハの外縁部のうち不要領域の全域において、少なくともレジスト２の膜厚が有効領域よりも厚くなっている部分の全域を除去する。このようにすれば、イオン注入時にウェハの外縁部からデガスが吹き出して異常放電を生じさせてしまうことを抑制することが可能となる。

【0034】

（３）上記実施形態では、イオン注入を行うイオン種としてＡｌを例に挙げたが、他の不純物となるイオン種、例えばＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ｂ（ボロン）を用いる場合にも、本発明を適用できる。

【0035】

（４）また、上記実施形態では、高耐熱ではない一般的なレジスト２として、ＰＦＩ８９を例に挙げたが、勿論、他の材料のレジストであっても良い。つまり、高耐熱の他の工程で使用されないような材料のレジストではなく、他の工程でも使用されるような一般的なレジストであれば、他の材料で構成されたものであっても良い。また、耐熱温度も３００℃程度のものを例に挙げているが、それに限るものではない。

【0036】

（５）また、上記実施形態では、半導体材料としてＳｉＣを用いる場合を例に挙げ、ＳｉＣ基板１に対して不純物層３を形成する場合について説明した。しかしながら、交代熱ではない一般的なレジスト２を用いて半導体基板に対してイオン注入を行って不純物層を形成する場合であれば、半導体材料がＳｉＣ以外のものであっても本発明を適用できる。

【符号の説明】

【0037】

１ ＳｉＣ基板
２ レジスト
２ａ 硬化層
３ 不純物層

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2】