JP2005136386A - 炭化珪素−酸化物積層体，その製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失で信頼性の高いＭＩＳＦＥＴなどを作成するための炭化珪素−酸化物積層体，その製造方法及び半導体装置を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ基板１０の上に、熱酸化処理により、主としてＳｉＯ₂からなる酸化物層であるゲート絶縁膜７’を形成した後、チャンバ２０内で不活性なガス雰囲気中でアニールを行なう。その後、真空ポンプ３１が付設されたチャンバ３０内にＳｉＣ基板１０を設置して、１１００℃を超え１２５０℃未満の高温で、減圧されたＮＯガス雰囲気に炭化珪素−酸化物層積層体Ａを暴露すると、ゲート絶縁膜７’内に窒素が拡散して、下部に窒素濃度の高い領域を有する，比誘電率が３．０以上のＶ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７が得られる。Ｖ族元素含有酸化物層−炭化珪素層間の界面領域の界面準位密度も低減する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、炭化珪素層を有する炭化珪素−酸化物積層体と、その製造方法と、これを用いた半導体装置に関するものである。

近年、炭化珪素（ＳｉＣ）は、ＳｉとＣとが組成比で１：１で結合してなる構造を有し、他のワイドバンドギャップ半導体材料と比べても高い耐絶縁破壊性を有するので、低損失なパワーデバイスへの適用が期待されている。

ＳｉＣをパワーデバイスに応用する場合、ＳｉＣを熱酸化することにより、ＳｉＣ層の上に良質のＳｉＯ₂膜を形成することができることを利用して、絶縁ゲート型のトランジスタ，つまりＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴの構造を有する電力駆動用ＳｉＣデバイスへの応用が有力である。

ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ構造を有する低損失パワーデバイスを実現するためには、ゲート絶縁膜中と、ＳｉＣ層−ゲート絶縁膜間の界面部とにおける欠陥を大幅に低減して、チャネル移動度２００ｃｍ²／Ｖｓ以上を実現する必要がある。

ここで、主面が（ 1 1-2 0）面である４Ｈ−ＳｉＣ（ 1 1-2 0）基板を利用して形成される反転型ＭＩＳＦＥＴは、２００ｃｍ²／Ｖｓ以上のチャネル移動度を達成しているが、４Ｈ−ＳｉＣ（ 1 1-2 0）基板は、量産に適しておらず実デバイス用基板として用いることは困難である。

一方、量産に適したＳｉＣ（ 0 0 0 1）面の基板上にゲート絶縁膜を形成する技術はこれまでに数多く提案されている（例えば、非特許文献１）。最も標準的なプロセスでは、１１００℃以上の高温で、ドライ又はウェット雰囲気中で熱酸化膜を形成し、アルゴン雰囲気中で熱酸化膜のアニールを行なった後、高濃度の水蒸気を含む酸素雰囲気中で、９５０℃，３時間のＰＯＡを行なうことにより、ゲート絶縁膜を形成している。ゲート電極形成のための高温熱処理を行なわないという条件下では、凹凸が１０ｎｍ以下である平坦な表面を有する４Ｈ−ＳｉＣ（ 0 0 0 1）基板上に形成された反転型ＭＩＳＦＥＴは、５０ｃｍ²／Ｖｓ程度のチャネル移動度を有している。
L.A.Lipkin and J.A.Palmer, J.Electron. Mater. 25, 909(1999) G.Y.Chung, C.C.Tin, J.R.Williams, K.McDonald, R.K.Chanara, Robert A.Weller, S.T. Pantelide, Leonard C. Feldman, O.W.Holland, M.K.Das, and John W.Palmour," Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Following High Temperature Anneals in Nitric Oxide"IEEE Electron Device Lett.,vol. 22, pp.176-178, 2000）

しかしながら、上述のような標準的プロセスによって形成された熱酸化膜からなるゲート絶縁膜を有するＭＩＳＦＥＴにおいては、ゲート電極の形成を行なう際に９５０℃以上の熱処理を行なうと、実用上のチャネル移動度は２０ｃｍ²／Ｖｓ以下まで劣化する。さらに、表面にステップを有する，平坦度の悪い４Ｈ−ＳｉＣ（ 0 0 0 1）基板上に、これらの標準的なプロセスを適用して形成したＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度は１０ｃｍ²／Ｖｓ以下であり、また、ＳｉＣ基板の表面上のチャネル移動度には大きな異方性がある。ステップに沿った方向に対しては大電流が流れるのに対してステップを横切る方向に対してはその電流量が一桁落ちである。したがって、これらの技術を実用デバイスに適用するのに大きな障害となっている。

本発明の目的は、炭化珪素層の上に、高い品質の酸化物層を備えた炭化珪素−酸化物積層体及びその製造方法を提供し、ひいては、高いチャネル移動度や高い電流駆動力を有する，炭化珪素−ＭＩＳＦＥＴ構造のパワーデバイスや、ＭＩＳキャパシタの実現を可能とすることにある。

本発明の炭化珪素−酸化物積層体は、炭化珪素層の上に、少なくとも下部に、窒素，リンなどのＶ族元素素濃度の高い領域を有し、比誘電率が３．０以上であるＶ族元素含有酸化物層を設けたものである。

これにより、Ｖ族元素含有酸化物層−炭化珪素層の界面付近の領域における界面準位が低減されるとともに、高い誘電率が得られる。したがって、炭化珪素−酸化物積層体をＭＩＳＦＥＴに利用したときには、高い電流駆動力と高いキャリア移動度とが得られる。

Ｖ族元素含有酸化物層の下部におけるＶ族元素濃度分布中のピーク部の半値幅が５ｎｍ以下であることが好ましい。

Ｖ族元素含有酸化物層は、その母材が熱酸化によって形成されたＳｉＯ₂膜であることが好ましい。

Ｖ族元素が窒素又は燐である場合、Ｖ族元素含有酸化物層の下部におけるＶ族元素濃度の最大値が、１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で、１×１０²²ｃｍ^-3以下であることにより、比誘電率の向上作用と、界面準位密度の低減作用とが顕著に得られる。

Ｖ族元素含有酸化物層の上記炭化珪素層との境界付近の領域における界面準位密度は、伝導帯及び価電子帯のうち少なくともいずれかのバンド端から０．１５〜０．４ｅＶの範囲にある領域で１×１０¹²ｃｍ^-3／ｅＶ以下であることが好ましい。

本発明の半導体装置は、炭化珪素層の上にＶ族元素含有酸化物層を設け、Ｖ族元素含有酸化物層上にゲート電極を設けたものであり、炭化珪素層に、第１導電型の不純物拡散領域とチャネル領域と、不純物拡散領域を挟んでチャネル領域とは対向する位置に、表面部がエッチングにより除去された第２導電型コンタクト領域とを設けたものである。

これにより、コンタクト領域のＶ族元素の濃い領域が除去されるので、チャネル移動度の高い半導体装置が得られる。

本発明の第１の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法は、炭化珪素層の表面上に酸化物層を形成した後、酸化物層を、１１００℃よりも高く１２５０℃よりも低い温度範囲で、Ｖ族元素含有ガスを含む雰囲気に曝露して、上記酸化物層を比誘電率が３．０以上のＶ族元素含有酸化物層に変化させる方法である。

この方法により、Ｖ族元素含有酸化物層の特性の劣化を防止しつつ、Ｖ族元素をＶ族元素含有酸化物層内に効率よく拡散させることができるので、Ｖ族元素含有酸化物層−炭化珪素層の界面付近の領域における界面準位が低減されるとともに、高い誘電率が得られる。したがって、高い電流駆動力と高いキャリア移動度とを備えたＭＩＳＦＥＴの形成に役立てることができる。

Ｖ族元素含有ガスを含む雰囲気は、６．６７×１０³Ｐａ以上で５．３３×１０⁴Ｐａ以下の範囲に減圧された雰囲気であることが好ましい。

熱酸化により酸化物を形成した後、Ｖ族元素含有ガスを含むガスに暴露するために、酸化物層を不活性ガス雰囲気中でアニールすることにより、酸化物層をより緻密な膜にすることができる。

酸化膜を形成する工程では、不活性ガス雰囲気中でアニールした後、８５０℃以上で９５０℃以下の温度で、酸化性ガス雰囲気中で酸化する処理をさらに行うことが好ましい。

Ｖ族元素含有ガスは、窒素又は燐を含んでいることが好ましく、その場合には、Ｖ族元素含有ガスとして、ＮＯガス，Ｎ₂Ｏガス，ＮＯ₂ガス及びＰＨ₃ガスの中から選ばれる少なくとも１つのガスを用いることが好ましい。

本発明の第２の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法は、炭化珪素層の表面上に第１の酸化物層を形成した後、さらに、第１の酸化物層をＶ族元素含有ガスを含むガス雰囲気に曝露してから、第１の酸化物層を形成し、９００℃以上１１００℃以下の温度で不活性ガス雰囲気中でアニールすることにより、第１，第２の酸化物層からなるＶ族元素含有酸化物層を比誘電率が３．０以上のＶ族元素含有酸化物層に変化させる方法である。

この方法により、酸化物層の特性の劣化を防止しつつ、Ｖ族元素をＶ族元素含有酸化物層内に効率よく拡散させることができるので、Ｖ族元素含有酸化物層−炭化珪素層の界面付近の領域における界面準位が低減されるとともに、高い誘電率が得られる。したがって、高い電流駆動力と高いキャリア移動度とを備えたＭＩＳＦＥＴの形成に役立てることができる。

Ｖ族元素含有ガスを含む雰囲気は、６．６７×１０³Ｐａ以上で５．３３×１０⁴Ｐａ以下の範囲に減圧された雰囲気であることが好ましい。

酸化膜を形成する工程では、厚さ２０ｎｍ未満の熱酸化膜を形成することが好ましく、Ｖ族元素含有ガスを含むガス雰囲気に曝露する工程では、Ｖ族元素含有ガスとして、ＮＯガス，Ｎ₂Ｏガス，ＮＯ₂ガス及びＰＨ₃ガスの中から選ばれる少なくとも１つのガスを用いることが好ましい。

本発明の炭化珪素−酸化物積層体又はその製造方法により、高い電流駆動力と高いキャリア移動度とを備えたＭＩＳＦＥＴなどの製造に供することができる。

本発明の実施形態においては、炭化珪素層（ＳｉＣ層）の上に特性のよいＶ族元素含有酸化物層を設けてなる炭化珪素−酸化物積層体を形成するための方法について、説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＳｉＣ基板を用いた蓄積型ＭＩＳＦＥＴの構造を示す断面図である。図１には、部分的な断面構造しか開示されていないが、ＭＩＳＦＥＴの平面構造は、たとえば国際出願ＰＣＴ／ＪＰ０１／０７８１０号の図２又は図１０に開示されるような構造となっている。

本実施形態においては、Ｖ族元素として、窒素を用いるが、リン（Ｐ），砒素（Ａｓ）等の他のＶ族元素を用いてもよい。

本発明における“ＳｉＣ層（炭化珪素層）”とは、最も好ましくは、バルクの単結晶ＳｉＣ基板，またはバルクの単結晶ＳｉＣ基板上のエピタキシャル成長されたＳｉＣ層を表している。ＳｉＣは多くのポリタイプを有していて、そのうち３Ｃ，４Ｈ，６Ｈおよび１５Ｒのポリタイプが電子デバイス用として特に有用である、本発明はこれらのポリタイプを使用すると適切な結果をもたらす。以下の実施形態においては、ＳｉＣ層が、バルクのＳｉＣ基板上にエピタキシャル成長された４Ｈ−ＳｉＣ（ 0 0 0 1）層である場合について、説明する。

図１に示すように、この二重注入型ＭＩＳＦＥＴは、濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のｎ型不純物（ドーパント）を含む低抵抗のＳｉＣ基板１と、ＳｉＣ基板１の主面上に設けられ、濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度のｎ型不純物がドープされている高抵抗ＳｉＣ層２と、高抵抗ＳｉＣ層２の表面部の一部に濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3から１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型不純物をドープして形成されたｐウェル領域３と、ｐウェル領域３の一部に濃度が約１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型不純物をドープして形成されたソース領域６と、ソース領域の直下方に位置するｐウェル領域３の一部に高濃度のｐ型不純物をドープして形成されたｐ⁺コンタクト領域１１と、ｐウェル領域３及び高抵抗ＳｉＣ層２に跨って形成された積層ドープ層構造を含むチャネル層５と、チャネル層５の表面上に設けられた熱酸化膜からなる，Ｖ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７と、ゲート絶縁膜７の上に設けられたＡｌ合金膜からなるゲート電極１０と、ソース領域６を貫通してｐ⁺コンタクト領域１１に到達する溝の壁面上に設けられ、ｐ⁺コンタクト領域１１及びソース領域７に接触するように設けられたソース電極８と、ＳｉＣ基板１の裏面上にオーミック接触するように形成されたドレイン電極９とを備えている。

各々ｎ型半導体層であるソース領域６と高抵抗ＳｉＣ層２とは、Ｎ型半導体層であるチャネル層５を介して電気的に接続された状態となっている。また、チャネル層５のうち、ソース領域上方に位置する部分の一部は除去されている。ソース電極８とソース領域６およびｐ⁺コンタクト領域１１とは、互いにオーミック接触するように熱処理されている。ＳｉＣ基板１とドレイン電極９とは互いにオーミック接触している。

図２（ａ）〜（ｅ）及び図３（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示す工程で、低抵抗のＳｉＣ基板１上に、ＳｉＣ基板１より高抵抗の（ドーパント濃度が低い）高抵抗ＳｉＣ層２をエピタキシャル成長させる。

次に、図２（ｂ）に示す工程で、例えばＴＥＯＳ膜を堆積し、高抵抗ＳｉＣ層２の上に、厚さ３μｍの二酸化珪素膜２１ｘを堆積する。その後、フォトリソグラフィーを行なって、二酸化珪素膜２１ｘの上に、Ｐウェル形成領域が開口されたレジストマスクＲｅ１を形成する。

次に、図２（ｃ）に示す工程で、レジストマスクＲｅ１をエッチングマスクとして用いたドライエッチングにより、二酸化珪素膜２１ｘをパターニングして、二酸化珪素マスク２１（イオン注入マスク）を形成する。そして、レジストマスクＲｅ１を除去した後、二酸化珪素マスク２１を用いて、基板を５００℃以上の高温に保持した状態で、高抵抗ＳｉＣ層２の表面部の一部にｐ型不純物のイオン注入を行なって、ｐウェル領域３を形成する。ｐウェル領域３におけるｐ型不純物の濃度は、通常１×１０¹⁷ｃｍ^-3前後から１×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、ｐウェル領域３の深さはピンチオフしないように１μｍ前後とする。

次に、図２（ｄ）に示す工程で、二酸化珪素マスク２１を除去し、注入された不純物を活性化するためのアニールを行なった後、ｐウェル領域３及び高抵抗ＳｉＣ層２の表面上に、ｎ型不純物を含むチャネル層５をエピタキシャル成長させる。

次に、図２（ｅ）に示す工程で、例えばＴＥＯＳ膜を堆積し、チャネル層５の上に、厚さ３μｍの二酸化珪素膜２４ｘを堆積する。その後、フォトリソグラフィーを行なって、二酸化珪素膜２４ｘの上に、ソース形成領域が開口されたレジストマスクＲｅ２を形成する。

次に、図３（ａ）に示す工程で、レジストマスクＲｅ２をエッチングマスクとして用いたドライエッチングにより、二酸化珪素膜２４ｘをパターニングして、二酸化珪素マスク２４（イオン注入マスク）を形成する。そして、レジストマスクＲｅ２を除去した後、二酸化珪素マスク２４を用いて、基板を５００℃以上の高温に保持した状態で、チャネル層５及びｐウェル領域３の一部に高濃度のｎ型不純物のイオン注入を行なうことにより、チャネル層５を貫通して、ｐウェル領域３の内部まで達するソース領域６を形成する。このとき、各々ｎ型半導体層であるソース領域６と高抵抗ＳｉＣ層２とは、ｎ型半導体層であるチャネル層５を介して電気的に接続された状態となっている。

次に、図３（ｂ）に示す工程で、高濃度のｐ型不純物のイオン注入を行なって、ソース領域６の直下方に位置するｐウェル領域３の一部にｐ⁺コンタクト領域１１を形成する。そして、二酸化珪素マスク２４を除去した後、ｐ⁺コンタクト領域１１やソース領域６に注入された不純物を活性化するためのアニールを行なう。さらに、ソース領域６を貫通してｐ⁺コンタクト領域１１の上部に到達する溝４を形成した後、チャネル層５，ソース領域６及びｐ⁺コンタクト領域１１の露出している表面部を熱酸化して、熱酸化膜を形成する。このとき、熱酸化膜は１２００℃以上のドライ雰囲気中で形成され、その膜厚は４０ｎｍ〜８０ｎｍである。これにより、炭化珪素−酸化物積層体Ａが形成されることになる。さらに、熱酸化膜をＶ族元素含有ガスであるＮＯガス中でアニールして、窒化処理を行うことにより、熱酸化膜中にＶ族元素である窒素を導入して、Ｖ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７を形成する。このとき、窒化処理の温度は、１０５０℃〜１２５０℃の範囲内であり、処理圧力は６．６７×１０³Ｐａ〜５．３３×１０⁴Ｐａの範囲内である。

次に、図３（ｃ）に示す工程で、ゲート絶縁膜７のうち溝４の壁面上の部分と、溝４の周囲の部分とを除去する。その後、さらに、ゲート絶縁膜７の除去により露出したソース領域６及びｐ⁺コンタクト領域１１を深さ３００ｎｍ程度までウエットエッチングして、界面準位密度の高い領域を除去する。

次に、図３（ｄ）に示す工程で、ソース領域６のうちゲート絶縁膜７が除去されて露出している部分の上にソース電極８を形成する。また、ＳｉＣ基板１の裏面上にドレイン電極９を形成する。

次に、図３（ｅ）に示す工程で、ゲート絶縁膜７の上にゲート電極１０を形成する。なお、ソース電極８とソース領域７及びｐ⁺コンタクト領域１１とがオーミック接触し、ＳｉＣ基板１とドレイン電極９とがオーミック接触するように熱処理が行われる。

ここで、上記製造工程におけるＮＯアニール工程である，図３（ｂ）に示す工程について説明する。

図４（ａ）〜（ｂ）は、第１の実施形態におけるＶ族元素含有酸化物層（ゲート絶縁膜７）を形成する手順を示す断面図である。図４（ａ）〜（ｂ）においては、炭化珪素−酸化物積層体を模式的に表している。本実施形態においては、Ｖ族元素として、窒素を用いるが、リン（Ｐ），砒素（Ａｓ）等の他のＶ族元素を用いてもよい。

図４（ａ）に示す工程で、熱酸化膜であるゲート絶縁膜７’が表面上に形成された炭化珪素−酸化物積層体Ａを、チャンバ２０内に設置して、不活性ガス（Ａｒ，Ｎ₂，Ｈｅ，Ｎｅ等）雰囲気中で、１０００℃以上の温度（例えば、１０００℃〜１３００℃）でアニールする。このアニール処理によって、熱酸化膜であるゲート絶縁膜７’が前もって緻密化される。この状態では、ゲート絶縁膜７’は、Ｖ族元素の導入処理が行われていない状態である。

次に、図４（ｂ）に示す工程で、炭化珪素−酸化物積層体Ａを、除外装置（図示せず）及び減圧装置である真空ポンプ３１が付設されたチャンバ３０内に移動させて、チャンバ３０内を真空ポンプ３１によって約１５０Torr（２．０×１０⁴Ｐａ）に減圧しつつ、チャンバ３０内に流量５００（ｍｌ／min）のＮＯガス（又は、リン（Ｐ）などの窒素以外のＶ族元素含有ガス）を流し、チャンバ３０内を窒素（Ｎ）（又は窒素以外のＶ族元素）がゲート絶縁膜７’中に拡散するのに十分に高い温度（例えば約１１５０℃）に加熱する。このとき、減圧下で、ゲート絶縁膜７’を窒素などのＶ族元素含有ガスに暴露することにより、ゲート絶縁膜７内に窒素などのＶ族元素が拡散し、比誘電率の大きい，より緻密なＶ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７が形成される。暴露は、緻密なＶ族元素含有酸化物層を形成するのに充分な、そして、ゲート絶縁膜７（Ｖ族元素含有酸化物層）の特性が改良となるのに充分な時間（例えば１Ｈｒ）の間行なう。

図５は、本実施形態の製造方法によって形成されたＶ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７の厚さ方向における窒素濃度をＳＩＭＳにより実測した窒素濃度プロファイルを示すデータである。同図に示すデータでは、ゲート絶縁膜７（Ｖ族元素含有酸化物層）の厚さが約５０ｎｍである。同図に示されるように、ＮＯガスへの暴露処理によって、ゲート絶縁膜７（Ｖ族元素含有酸化物層）中には窒素が拡散しており、特に、ゲート絶縁膜７（Ｖ族元素含有酸化物層）のうち下地のＳｉＣ層（ソース領域６又はＰ⁺コンタクト領域１１）に近い領域において窒素濃度が６×１０²⁰atoms／１０³という、鋭いピーク部が現れている。そして、ピーク部の厚さ方向の寸法は、半値幅で３ｎｍである。そして、このゲート絶縁膜７（Ｖ族元素含有酸化物層）全体の比誘電率は約３．３である。

図６は、図５に示すデータを採取したサンプルとは異なるサンプルであってＶ族含有酸化物層の厚みを厚くしたサンプルにおける窒素濃度のピーク部（ＳｉＯ₂−ＳｉＣ界面付近の領域）の濃度分布を抜き出して示す図である。同図に示すデータは、ＳｉＯ₂−ＳｉＣ界面での窒素をＣｓＮ¹⁴⁷で定量して得られたものである。

同図に示すように、このピーク部の半値幅は３ｎｍであり、非常に狭い領域に窒素が集中的に高濃度で導入されていることがわかる。ピーク部の半値幅は、５ｎｍ以下であることが好ましい。

このように、酸化物層に窒素，リン（Ｐ）などのＶ族元素を導入することにより、高い比誘電率を有するＶ族元素含有酸化物層を形成することができる。そして、本実施形態のＶ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７を有するＭＩＳＦＥＴによると、ゲートバイアスを下地層に効率よく作用させることができ、高い電流駆動力を実現することができる。

なお、Ｖ族元素含有酸化物層を容量絶縁膜とするＭＩＳキャパシタを構成した場合にも、ＳｉＣ基板上に比誘電率の高いＭＩＳキャパシタが形成されることになる。

図７は、本実施形態の方法により形成したゲート絶縁膜７（Ｖ族元素含有酸化物層）を容量絶縁膜として備えたＭＩＳキャパシタ（ゲート電極１０，ゲート絶縁膜７及びチャネル層５によって構成されるキャパシタ）のＣＶ測定の結果を示す図である。同図の横軸は電極間の電圧を表し、同図の縦軸は容量を表している。このサンプルは、Ｖ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７の上にキャパシタの上部電極であるゲート電極１０を形成する際に、９５０℃以上の熱処理を経ている。同図におけるQuasi-static ＣＶ曲線と、高周波（１ＭＨｚ）で測定したＣＶ曲線とを比較すると、両者の差がわずかであることから界面準位密度が減少していることがわかる。

図８（ａ）〜（ｂ）は、図６に示すデータに基づいて、High-Low法で計算した界面準位密度を示す図である。図８（ａ）〜（ｂ）において、横軸は価電子帯（ヴァレンスバンド）Ｅｖとのポテンシャル差（Ｅ−Ｅｖ（ｅＶ））を表し、縦軸は界面準位密度Ｄｉｔ（ｃｍ^-2ｅＶ^-1）を表している。キャリアが電子である場合（Ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴ）には、トラップとして作用する界面準位はコンダクションバンド端付近のポテンシャル範囲（Ｅ−Ｅｖ＝２．９５ｅＶ〜３．０５ｅＶ）の界面準位であり、キャリアがホールである場合（Ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴ）には、ホールトラップとして作用する界面準位はヴァレンスバンド端付近のポテンシャル範囲（Ｅ−Ｅｖ＝０．３ｅＶ〜０．４ｅＶ）の界面準位であるが、図８（ａ）〜（ｂ）に示すように、本実施形態においては、各バンド端付近のポテンシャル範囲において１×１０¹²ｃｍ^-2・ｅＶ^-1以下の界面状態密度が得られている。また、ゲート絶縁膜７（Ｖ族元素含有酸化物層）全体における窒素の平均濃度は、８．３×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

このように、Ｖ族元素含有酸化物層を容量絶縁膜とするＭＩＳキャパシタを構成した場合、容量絶縁膜と、下部電極であるＳｉＣ層との間の界面付近の領域における界面準位密度を低減することができることがわかる。

したがって、ＭＩＳキャパシタを利用してＭＩＳＦＥＴを形成した場合にも、キャリアのトラップとなる界面準位密度の低減により、キャリア移動度の向上を図ることができる。

特に、Ｖ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜７の下部における窒素濃度の最大値が、１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で、１×１０²²ｃｍ^-3以下であることにより、比誘電率の向上作用と、界面準位密度の低減作用とが顕著に得られる。

−図４（ｂ）に示す工程における好ましい条件−
図４（ｂ）において使用される窒素を含むガスとしては、例えば、ＮＯガス，Ｎ₂Ｏガス，ＮＯ₂ガス，ＰＨ₃ガスなどがあり、特に、ＮＯガス又はＮ₂Ｏガスを用いることによる効果が大きい。つまり、窒素を含むガスとして現実に最適なガスは、ＮＯガス，Ｎ₂Ｏガスであり、これらは酸素を含むガスでもある。その場合には、下地のＳｉＣ層の酸化を抑制する観点から、以下のような条件が好ましい。

［圧力条件］
図９は、第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度のＮＯアニールにおける圧力依存性を示す図である。同図は、温度を１０５０℃から１１５０℃の間で変化させてアニール処理を行なったサンプルについてのデータをグラフにしたものである。また、チャネル移動度は、ゲートバイアスが５Ｖ〜２０Ｖでもっとも高くなるので、その付近でのデータである。

同図に示すように、５０Torr〜４００Torr（６．６７×１０³Ｐａ〜５．３３×１０⁴Ｐａ））の範囲（好適範囲）で高いチャネル移動度が得られている。そして、ピーク位置は、約１５０Torr（２．０×１０⁴Ｐａ）その理由について、以下に説明する。

図４（ｂ）に示す工程におけるＳｉＣ層の熱酸化の際、又は、酸化物の蒸着の際には、通常、単結晶ＳｉＣ基板もしくはエピレイヤー（epilayer）（エピタキシャル成長されたＳｉＣ層）が、その珪素面（silicon face）と炭素面（carbon face）に沿って、あるいはこれらの面に垂直なＡ軸（例えば［ 1 1 2 0］方向，または［ 1 1 0 0］方向）の1つに沿って供給される。炭素（Ｃ）は珪素（Ｓｉ）より幾らか容易に酸化され（従って、他の全てのファクターが実質的に等しければ酸化がより速い）、炭素面上の酸化は９００℃〜１３００℃の温度で進行し、珪素面上の酸化は約１０００℃〜１４００℃の温度で進行する。

したがって、図４（ｂ）に示す工程で、窒素を含むガスとして酸素をも含むガスを用いる場合にも、炭素面上の酸化は、９００℃〜１３００℃の温度で進行し、珪素面上の酸化は、１０００℃〜１４００℃の温度で進行することになる。窒素以外のＶ族元素を含むガスを用いた場合も同様である。

以上のように、酸素を含む雰囲気下では、一般に、９００℃以上の温度でＳｉＣの熱酸化が生じることが観測されている。ところが、９００℃以上の高温下であっても、減圧下では、炭素面上及び珪素面上において、共に酸化が抑制される。特に、４００Torr（５．３３×１０⁴Ｐａ）以下の圧力下では、酸化が進行しチャネル移動度の改善効果が低下する。特に、本実施形態におけるＮＯガスのように、窒素を含むガスとして酸素を含むガスでもあるガスを用いて酸化物層（ゲート絶縁膜７’）をアニール処理する場合には、減圧下、特に４００Torr（５．３３×１０⁴Ｐａ）以下の圧力下で行なうことが好ましい。ただし、あまりに低い減圧雰囲気下においては、酸化物層（ゲート絶縁膜７’）内への窒素の拡散が抑制されるので、５０Torr（６．６７×１０³Ｐａ）以上の圧力下で行なうことが好ましい。よって、図４（ｂ）に示す，酸化物層を窒素を含むガスに暴露する処理は、６．６７×１０³Ｐａ以上で５．３３×１０⁴Ｐａ以下の範囲の圧力下で行なうことが好ましい。

ただし、不活性ガス（ＡｒやＮ₂ガス）をも流してて雰囲気全体の圧力が大気圧ないし大気圧に近い減圧雰囲気であっても、Ｖ元素含有ガスの分圧が６．６７×１０³Ｐａ以上で５．３３×１０⁴Ｐａ以下の範囲であれば、同様の効果を発揮することは可能である。

［温度条件］
図１０は、第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度のＮＯアニール温度依存性を示す図である。同図のデータは、アニール時間が１時間，圧力が１５０Torr（２．００×１０⁴Ｐａ）の条件でアニール処理を行なったサンプルについてのものである。同図に示すように、１１００℃を超え１２５０℃未満の範囲、より好ましくは、１１５０℃以上で１２００℃以下の範囲で、比較的高いチャネル移動度が得られている。その理由について、以下に説明する。

一般に、１１００℃を超える温度で窒素を含むガスへの暴露処理を行なうと、窒素が酸化物層（ゲート絶縁膜７’）内に速やかに拡散することがわかっている。ただし、酸素の酸化物層内への拡散を抑制するためには、１２５０℃以下の温度であることが好ましい。

図１１は、第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴの界面準位密度のＮＯアニール温度依存性を示す図である。同図のデータは、アニール時間が１時間，圧力が１５０Torr（２．００×１０⁴Ｐａ）の条件でアニール処理を行なったサンプルについて、ポテンシャル位置（Ｅ−Ｅｖ）が３．０ｅＶにおける界面準位密度を示している。同図に示すように、１１００℃を超え１２５０℃未満の範囲、より好ましくは、１１５０℃以上で１２００℃以下の範囲で、界面準位密度が非常に小さくなっており、これによって、高いチャネル移動度が得られることがわかる。

したがって、図４（ｂ）に示す工程における好ましい温度範囲は、１１００℃〜１２５０℃であり、より好ましくは、１１５０℃〜１２００℃である。窒素以外のＶ族元素，例えばリン（Ｐ）を用いる場合も同様である。

さらに、一般的には、１３００℃以下において、酸化物層の表面荒れが起こりにくくなる。

上記実施形態では、ＳｉＣ層（チャネル層５，ソース領域６及びＰ⁺コンタクト領域１１）上の酸化物層（ゲート絶縁膜７’）を熱酸化することによって形成したが、酸化物層を必ずしも熱酸化法によって形成する必要はない。他の方法［例えば、シランバス（ＳｉＨ₄）と酸素（Ｏ₂）を用いた低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ），プラズマ蒸着法による酸化物層の形成や、ＣＶＤ法，蒸着法，熱酸化法のあらゆる組み合わせ］を用いて、ＳｉＣ層上に酸化物層を堆積させることもできる。

なお、本実施形態では、蓄積型ＭＩＳＦＥＴについて説明したが、蓄積型ＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度によって界面準位密度そのものを評価するためにすぎない。したがって、反転型ＭＩＳＦＥＴにおいても、本実施形態の条件によって高いチャネル移動度が得られることがわかる。

（第２の実施形態）
本実施形態においては、炭化珪素−酸化物積層体の構造は、第１の実施形態と基本的は同じであるので、説明を省略し、製造工程のみについて説明する。

本実施形態においては、図４（ｂ）に示す工程の前に、ＳｉＣ層の表面上に第１の酸化物層を形成する。このとき、第１の酸化物層の厚さは、２０ｎｍ未満，例えば８ｎｍ程度であることが好ましい。その後、不活性ガス（Ａｒ，Ｎ₂，Ｈｅ，Ｎｅ等）雰囲気中で、１０００℃以上の温度（例えば、１０００℃〜１１５０℃）でアニールする。このアニール処理によって、第１の酸化物層が前もって緻密化される。

次に、ＮＯガス，Ｎ₂Ｏガスなどの窒素を含むガス、又はリン（Ｐ）を含むガスに、例えば１１５０℃，チャンバ内圧力が１５０Torr（約２．００×１０⁴Ｐａ）の条件で、１時間の間、アニールを行なう。

次に、約３００℃の温度でのＥＣＲ−ｐＣＶＤにより、第１の酸化物層の上に、厚さが例えば７５ｎｍ程度の第２の酸化物層（例えば、ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，ＨｆＯ₂などの高誘電体膜）を形成する。

その後、９００℃以上１１００℃以下の温度で（例えば１０００℃）、不活性ガス雰囲気（例えばＡｒ雰囲気）中で、１時間程度のアニールを行なう。

図１２は、第２の実施形態の方法により形成したＶ族元素含有酸化物層を容量絶縁膜として備えたＭＩＳキャパシタのＣＶ測定の結果を示す図である。同図の横軸は電極間の電圧を表し、同図の縦軸は容量を表している。同図における実験曲線と、理論曲線とを比較すると、両者の差がわずかであることから界面準位密度が減少していることがわかる。

したがって、第２の実施形態の方法によっても、第１，第２の酸化物層からなるＶ族元素含有酸化物層によって、界面準位密度の低減により、第１の実施形態と同様の効果を発揮することができる。

また、本実施形態の製造方法によると、４０ｎｍを越える厚さのＶ族元素含有酸化物層を形成する場合にも、高品質の炭化珪素−酸化物積層体が得られることになる。

本発明の炭化珪素−酸化物積層体及びその製造方法は、縦型，横型のＭＩＳＦＥＴ型パワーデバイスや、ＭＩＳキャパシタの製造に利用することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係るＳｉＣ基板を用いた反転型ＭＩＳＦＥＴの構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴの製造工程のうちの前半部分を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴの製造工程のうちの後半部分を示す断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は、第１の実施形態におけるＶ族元素含有酸化物層を形成する手順を示す断面図である。 第１の実施形態の製造方法によって形成された酸化物層の厚さ方向における窒素濃度をＳＩＭＳにより実測した窒素濃度プロファイルを示すデータである。 窒素濃度のピーク部（ＳｉＯ₂−ＳｉＣ界面付近の領域）の濃度分布を抜き出して示す図である。 第１の実施形態の方法により形成したゲート絶縁膜（Ｖ族元素含有酸化物層）を容量絶縁膜として備えたＭＩＳキャパシタのＣＶ測定の結果を示す図である。 （ａ）〜（ｂ）は、図６に示すデータに基づいて、High-Low法で計算した界面準位密度を示す図である。 第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度のＮＯアニールにおける圧力依存性を示す図である。 第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度のＮＯアニール温度依存性を示す図である。 第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴの界面準位密度のＮＯアニール温度依存性を示す図である。 第２の実施形態の方法により形成したＶ族元素含有酸化物層を容量絶縁膜として備えたＭＩＳキャパシタのＣＶ測定の結果を示す図である。

符号の説明

１０ ＳｉＣ基板
１１ 酸化物層
１２ Ｖ族元素含有酸化物層
２０ チャンバ
３０ チャンバ
３１ 真空ポンプ

Claims (17)

1. 炭化珪素層と、
   上記炭化珪素層の上に形成され、少なくとも下部にＶ族元素濃度の高い領域を有し、かつ、比誘電率が３．０以上であるＶ族元素含有酸化物層と
   を備えている炭化珪素−酸化物積層体。
2. 請求項１記載の炭化珪素−酸化物積層体において、
   上記Ｖ族元素含有酸化物層の下部におけるＶ族元素濃度分布中のピーク部の半値幅が５ｎｍ以下である，炭化珪素−酸化物積層体。
3. 請求項１又は２記載の炭化珪素−酸化物積層体において、
   上記Ｖ族元素含有酸化物層は、母材がＳｉＯ₂によって構成されている，炭化珪素−酸化物積層体。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の炭化珪素−酸化物積層体において、
   上記Ｖ族元素は窒素又は燐であり、
   上記Ｖ族元素含有酸化物層の下部におけるＶ族元素濃度の最大値が、１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で１×１０²²ｃｍ^-3以下である，炭化珪素−酸化物積層体。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の炭化珪素−酸化物積層体において、
   上記Ｖ族元素含有酸化物層の上記炭化珪素層との境界付近の領域における界面準位密度は、伝導帯及び価電子帯のうち少なくともいずれかのバンド端付近のポテンシャル範囲で１×１０¹²ｃｍ^-3／ｅＶ以下である，炭化珪素−酸化物積層体。
6. 炭化珪素層と、上記炭化珪素層の上に形成され、少なくとも下部にＶ族元素濃度の高い領域を有するＶ族元素含有酸化物層と、上記Ｖ族元素含有酸化物層の少なくとも一部の上に設けられたゲート電極とを備えた半導体装置であって、
   上記炭化珪素層は、
   ソース領域又はドレイン領域のうち少なくともいずれか一方として機能する第１導電型の不純物拡散領域と、
   上記不純物拡散領域の側方に位置するチャネル領域と、
   上記不純物拡散領域を挟んで上記チャネル領域とは対向する位置に設けられ、表面部がエッチングにより除去された第２導電型コンタクト領域とを含み、
   上記Ｖ族元素含有酸化物層は、上記チャネル領域の上に設けられたゲート酸化膜を含む，半導体装置。
7. 炭化珪素層の表面上に酸化物層を形成する工程（ａ）と、
   上記工程（ａ）の後に、上記炭化珪素層をチャンバ内に設置して、上記酸化物層を、１１００℃よりも高く１２５０℃よりも低い温度範囲で、Ｖ族元素含有ガスを含む雰囲気に曝露して、上記酸化物層を比誘電率が３．０以上のＶ族元素含有酸化物層に変化させる工程（ｂ）と
   を含む炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
8. 請求項７記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
   上記工程（ｂ）は、６．６７×１０³Ｐａ以上で５．３３×１０⁴Ｐａ以下の範囲に減圧された雰囲気で行なわれる，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
9. 請求項７又は８記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
   上記工程（ｂ）は、上記Ｖ族元素含有ガスを含む雰囲気の圧力は大気圧で、上記Ｖ族元素含有ガスの分圧が６．６７×１０³Ｐａ以上で５．３３×１０⁴Ｐａ以下の範囲である雰囲気で行なわれる，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
10. 請求項７〜９のうちいずれか１つに記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
    上記工程（ａ）では、熱酸化により酸化物層を形成した後、不活性ガス雰囲気中でアニールする処理を行う，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
11. 請求項１０記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
    上記工程（ａ）では、上記不活性ガス雰囲気中でアニールした後、８５０℃以上で９５０℃以下の温度で、酸化性ガス雰囲気中で酸化する処理をさらに行う，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
12. 請求項７〜１１のうちいずれか１つに記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
    上記Ｖ族元素含有ガスは、窒素又は燐を含んでいる，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
13. 請求項１２記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
    上記Ｖ族元素含有ガスとして、ＮＯガス，Ｎ₂Ｏガス，ＮＯ₂ガス及びＰＨ₃ガスの中から選ばれる少なくとも１つのガスを用いる，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
14. 炭化珪素層の表面上に第１の酸化物層を形成する工程（ａ）と、
    上記工程（ａ）の後に、上記炭化珪素層をチャンバ内に設置して、上記酸化物層をＶ族元素含有ガスを含むガス雰囲気に曝露する工程（ｂ）と、
    上記工程（ｂ）の後に、上記第１の酸化物層の上に、第２の酸化物層を堆積する工程（ｃ）と、
    上記工程（ｃ）の後に、９００℃以上１１００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気中でアニールすることにより、上記第１の酸化物層及び第２の酸化物層からなる酸化物層を比誘電率が３．０以上のＶ族元素含有酸化物層に変化させる工程（ｄ）と
    を含む炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
15. 請求項１４記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
    上記工程（ｂ）は、６．６７×１０³Ｐａ以上で５．３３×１０⁴Ｐａ以下の範囲に減圧された雰囲気で行なわれる，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
16. 請求項１４又は１５記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
    上記工程（ａ）では、厚さ２０ｎｍ未満の熱酸化膜を形成する，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。
17. 請求項１４〜１６のうちいずれか１つに記載の炭化珪素−酸化物積層体の製造方法において、
    上記工程（ｂ）では、上記Ｖ族元素含有ガスとして、ＮＯガス，Ｎ₂Ｏガス，ＮＯ₂ガス及びＰＨ₃ガスの中から選ばれる少なくとも１つのガスを用いる，炭化珪素−酸化物積層体の製造方法。

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