JP3491050B2 - 炭化けい素半導体装置の熱酸化膜形成方法 - Google Patents
炭化けい素半導体装置の熱酸化膜形成方法Info
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Description
い、MOS(金属−酸化膜−半導体)構造を有する炭化
けい素半導体装置の製造方法に関する。
ンドギャップが広く、また最大絶縁電界がシリコンと比
較して一桁も大きいことから、次世代の電力用半導体素
子への応用が期待されている材料である。そして、6H
−SiCや4H−SiCなどの単結晶が、かなり高品質
で製造できるようになってきている。これらは、閃亜鉛
鉱型とウルツ鉱型とが積層された形のアルファ相SiC
である。これまでに、ショットキーダイオード、縦形M
OSFET、サイリスタなどの試作が実現し、その特性
から従来のシリコンと比較して非常に特性が良好なこと
が確認されている。
用したMOS型半導体装置が主流となっているが、その
際、シリコン基板を高温で、例えば酸素或いは水蒸気を
含む酸化性雰囲気に曝す、いわゆる熱酸化により、基板
表面に酸化けい素膜(以下SiO2 膜と記す)が生じ、
そのSiO2 膜を絶縁膜として利用している。SiCは
シリコンと同様に、熱酸化によって表面に、良好な半導
体−絶縁膜界面をもつSiO2 膜が得られ、そのSiO
2 膜をゲート絶縁膜や安定化膜として利用することがで
きることから、同様にMOS型半導体装置への適用が可
能である。
と同様に熱酸化により表面にSiO2 膜が成長する。こ
のSiO2 膜とSiCとの界面は清浄で、成長したSi
O2 膜は表面の保護膜やMOS型半導体装置のゲート絶
縁膜として利用可能であることは上に述べた。但しこれ
までのところ、SiCにおいては、熱酸化によってSi
O2 膜を形成した場合、SiO2 膜とSiCとの間に発
生する界面凖位密度がシリコン基板の場合と比較して非
常に多いという報告が、多数なされている。[例えば、
Shenoy,J.N. 他: J. of Electron Materials,Vol.24,(1
995) p.303] 界面凖位密度が多いことは、極く表面に
近い部分のキャリアを制御するMOS型半導体装置にと
って、致命的である。このため、界面凖位密度を減少さ
せる試みが、幾つかなされている。ここで、以下の説明
を容易にするため、酸化工程について説明する。
表すフローチャートである。すなわち、横軸は時間、縦
軸は温度を表している。酸化する温度よりも低い温度T
1 においてウェハを酸化炉に導入し、その後、炉の温度
を酸化温度T2 まで上昇させる時間tu の工程が、Aの
プロセスである。その後、温度T2 でt1 の時間だけ酸
化をおこなう。この際、酸化炉内には、酸化性雰囲気と
してスチームや、水蒸気を含ませた酸素であるウェット
酸素、或いは水蒸気を含まないドライ酸素などが流され
る。この工程Bが、酸化工程となる。そのあと、酸化と
同一温度、またはそれ以外の温度において、例えば適当
なガス中でのアニール工程Cを経て、炉は冷却される
(工程D、時間td )。最後に温度T3 でウェハが炉か
ら取り出される。一般にシリコン半導体装置の製造工程
においては、界面凖位密度の低減等のため、窒素やアル
ゴン等の不活性ガス中でのアニールが必要とされてい
る。図では、アニール時間をt2 として示した。又、ア
ニール温度を酸化温度と同一としたが、変えても良い。
外線照射やプラズマ処理が良いとの報告がある。また、
界面凖位密度を減少させる試みはいくつかなされてい
る。例えば、von Kamienski E. S. 他等は、Materials
Sci. and Eng. B29,(1995) p.131 において、ウェット
酸化が、ドライ酸化より良好なことおよび酸化後のアル
ゴン、またはフォーミングガス中でのアニールが、界面
凖位密度を減少させることを示した。またShenoy,J.N.
等は、J. Electr. Mat. 24,(1995) p.303 において、酸
化前の前処理や、挿入温度等が重要であることを記し
た。更に、Lipkin L. A.等は、Proc. 26th IEEE Semico
nd. Interface Specialist Conf.(1995) p.131 におい
て、酸化温度より低い温度で、追加のウェット酸化をお
こなうことが界面凖位の低減に良いとしている。
界面凖位は依然として高い水準にあり、安定して良好な
界面準位を得ることは、非常に困難であり、その改善が
要望されている。従来純水を加熱し、そこに酸素をバブ
リングする所謂ウェット酸化の方法が取られていたが、
その方法では水と酸素の分圧比のコントロールが困難な
こと、およびバブル時に水滴が巻き込まれて汚染が発生
し易いという問題がある。
御が容易で、界面凖位を低減できる炭化ケイ素半導体装
置の熱酸化膜形成方法を提供することにある。
明は、パイロジェニック酸化によることとした。すなわ
ち、加熱された炭化けい素表面上に、水素と酸素を導入
して熱酸化するパイロジェニック酸化によって酸化けい
素膜を成長させる熱酸化膜形成方法において、水素と酸
素の流量比が1:1よりも水素の流量が多い流量比とな
るようにするものとする。
量比の影響を説明するメカニズムの詳細は不明である
が、後述の実験結果が示すように、水素と酸素の流量比
を1:1以上とすると、界面凖位密度が急減する。そし
て、熱酸化により酸化膜を形成した後、酸化後の冷却過
程が水素原子を含む雰囲気でおこなわれ、その冷却速度
が0.3〜3℃/minの範囲にあることがよい。
ように、界面凖位密度が約20%減少する。但し、余り
冷却速度が遅いと、時間がかかるので下限としては、
0.3℃/min以上が望ましい。熱酸化膜後の冷却過
程において、少なくとも900℃以下の範囲を0.3〜
3℃/minの冷却速度で冷却するものとする。
囲の冷却速度を徐冷すれば、高温から徐冷したと同じ効
果が得られる。更に、酸化後の冷却過程が水素原子を含
む雰囲気でおこなわれ、炉からの炭化けい素の取り出し
温度が900℃以下、更に望ましくは800℃以下であ
ることが良い。
ように、界面凖位密度が大幅に減少する。メカニズムの
詳細は不明である。これらの手段を重ねると更に、重複
した効果が得られる。
置の熱酸化膜形成方法を、パイロジェニック酸化を実施
例として記す。この方法は気体の水素と酸素を導入し、
反応させて水を生成し、これによってウェット雰囲気を
得るものである。熱酸化時のプロセス条件を吟味するこ
とによって、MOS型半導体装置の重要な特性である界
面凖位密度を低減する方法を得た。
し、界面凖位密度を低減する方法の詳細を述べる。 [実験1]1×1016cm-3のキャリア濃度のAlドー
プ、面方位(0001)シリコン面のp型SiCを用い
た。
が、これは、ウェット雰囲気でも不活性雰囲気でも構わ
ない。昇温後、種々の流量比の酸素と水素とを流して、
1100℃、5時間、パイロジェニック酸化をおこない
比較した。アニールは1100℃で30分間、冷却速度
は、毎分3℃とし、700℃で炉から取り出した。アニ
ール、および冷却中の雰囲気は、窒素である。成長した
酸化膜の厚さは約30〜40nmである。
す。横軸は水素と酸素の流量比を、縦軸に得られた界面
凖位密度を示したものである。図から明らかにわかるよ
うに、水素:酸素の流量比が1:1よりも水素の多いと
ころで、急激に界面準位が改善されて、それ以上では飽
和している。水素:酸素の流量比が0の点は、ドライ酸
素中での酸化を意味しており、それに比べ、水素:酸素
の流量比を1.25以上とした所では、界面凖位密度が
約1/3になっている。すなわち、水素:酸素の流量比
を1:1以上、更に望ましくは1.3以上にすることが
重要であることがわかる。
うな汚染の問題がなく、導入が容易にできることから、
シリコン半導体のプロセスではしばしば用いられてき
た。しかし、シリコン半導体のプロセスではガス流量比
については、余り検討されていない。本発明は、パイロ
ジェニック酸化をSiCに適用し、しかも流量比の制御
が容易であることを利用して実験をおこなった結果、S
iCの界面凖位密度がガス流量比に依存することを見い
だし、最適な組成を明らかにしたものである。
96において、アニール時間を短くすることと、冷却時
の雰囲気として水素、または水を含有する雰囲気が界面
凖位密度の低減に有効であることを明らかにした。上記
の実験では、窒素中で冷却したので、その条件を満足し
ていないので、もしそのようにすれば、更に低減するこ
とができると考えられる。
て酸化後の冷却速度について実験した。ここでは酸化
は、水素が8リットル/min、酸素が4.5リットル
/minの雰囲気で酸化した。酸化温度、時間は実験1
と同じとした。ただしアニールはおこなわず、後の冷却
は、酸化時と同じ雰囲気とし、取り出し温度は800℃
とした。
位密度の酸化後の冷却速度依存性の特性図である。横軸
は冷却速度、縦軸は界面準位密度である。図から冷却速
度は界面準位密度に大きな影響を与え、3℃/min以
下の速度であれば、良好な界面特性密度が得られること
がわかる。3℃/minの実験値が、実験1のデータと
比較してやや大きい値になっているが、これは次の実験
3で明らかになるように、取り出し温度が高いためであ
る。
に、slow pullとして、約4℃/minに冷却
速度を遅くした例はあるが、fast pull(急
冷)に対しておこなったもので、本発明のように3℃/
min以下の領域まで冷却速度依存性の実験をおこなっ
てはおらず、またアルゴン雰囲気のアニールが不可欠と
しており、取り出し温度も900℃と高い。
却速度を大きくすることが考えられるが、界面準位密度
の低減のためには、冷却速度は遅い方が良い。但し、余
り遅くては、プロセスの時間が延びるので、実際上の下
限としては、0.3℃/min程度であろう。前出の発
明者の先の出願に記したように冷却時の雰囲気として、
適するのは水素原子を含むガスであるので、本発明の要
件としても、必ずしも本実験2の通りの水素と酸素の混
合ガスでなければならない訳では無い。
が見られた。 [実験3]実験2の補足として、実験1と同じ基板を用
いて、酸化後徐冷が必要な温度範囲について実験した。
この実験でも酸化は、水素が8リットル/min、酸素
が4.5リットル/minの雰囲気で酸化し、酸化温
度、時間は実験1と同じとした。
3℃/minの冷却速度で冷却し、900〜800℃の
範囲を1.5℃/minの冷却速度で冷却した。実験3
bは、1100〜900℃の範囲を1.5℃/minの
冷却速度で冷却し、900〜800℃の範囲を3℃/m
inの冷却速度で冷却した。いずれも取り出し温度は8
00℃とした。
aは、実験2において1100〜800℃の全範囲を
1.5℃/minの冷却速度で冷却したものと、同じ界
面準位密度であった。これから、徐冷が必要な温度範囲
としては、特に900℃以下の範囲が重要であることが
わかる。
後の取り出し温度について実験した。この実験でも酸化
は、水素が8リットル/min、酸素が4.5リットル
/minの雰囲気で酸化し、酸化温度、時間は実験1と
同じとした。ただしアニールはおこなわず、後の冷却
は、酸化時と同じ雰囲気とし、冷却速度は3℃/min
とした。
凖位密度の酸化後の取り出し温度依存性の特性図であ
る。横軸は取り出し温度、縦軸は界面準位密度である。
図から取り出し温度は、界面準位密度に大きな影響を与
え、900℃以下での取り出しにより、低い界面準位密
度が得られることがわかる。取り出し温度の影響は非常
に大きく、900℃と800℃、800℃と700℃で
は、それぞれ倍以上の差が見られる。実験2の3℃/m
inでの測定値が、大きかったのは取り出し温度が高か
ったためである。
に、800℃で追加のウェット酸化を行った例が記載さ
れているが、800℃の結果はむしろ950℃より悪く
なっていて、本発明のように取り出し温度が低いほうが
良いことを示唆するものではない。一般には、酸化後プ
ロセス時間短縮のため、なるべく早くとりだそうと考え
られがちであるが、界面準位はその取り出し温度に大き
く依存しており、冷却後の取り出し温度を低くすること
によって、界面準位密度が改善できることがわかる。
素原子を含むガスであればよい。
化けい素半導体装置の熱酸化膜形成方法においては、パ
イロジェニック酸化時の水素:酸素流量比、酸化後冷却
速度、酸化後ウェハ取り出し温度等を吟味することによ
って、界面凖位密度を低減することができる。
な特性であり、本発明によりその密度を低減すること
は、炭化けい素のMOS型半導体装置の実用化に資する
ところ大である。
特性図
性図
性を示す特性図
Claims (8)
- 【請求項1】加熱された炭化けい素表面上に、熱酸化に
よって酸化けい素膜を成長させる熱酸化膜形成方法にお
いて、酸化後の冷却過程が水素原子を含む雰囲気でおこ
なわれ、その冷却速度が0.3〜3℃/minの範囲に
あることを特徴とする炭化けい素半導体装置の熱酸化膜
形成方法。 - 【請求項2】少なくとも900℃以下の範囲を0.3〜
3℃/minの冷却速度で冷却することを特徴とする請
求項1記載の炭化けい素半導体装置の熱酸化膜形成方
法。 - 【請求項3】加熱された炭化けい素表面上に、熱酸化に
よって酸化けい素膜を成長させる熱酸化膜形成方法にお
いて、酸化後の冷却過程が水素原子を含む雰囲気でおこ
なわれ、炉からの炭化けい素の取り出し温度が900℃
以下であることを特徴とする炭化けい素半導体装置の熱
酸化膜形成方法。 - 【請求項4】加熱された炭化けい素表面上に、熱酸化に
よって酸化けい素膜を成長させる熱酸化膜形成方法にお
いて、酸化後の冷却過程が水素原子を含む雰囲気でおこ
なわれ、炉からの炭化けい素の取り出し温度が800℃
以下であることを特徴とする炭化けい素半導体装置の熱
酸化膜形成方法。 - 【請求項5】加熱された炭化けい素表面上に、水素と酸
素を導入して熱酸化するパイロジェニック酸化によって
酸化けい素膜を成長させる熱酸化膜形成方法において、
水素と酸素の流量比を1:1よりも水素の流量が多い流
量比とし、酸化後の冷却過程が水素原子を含む雰囲気で
おこなわれ、その冷却速度が0.3〜3℃/minの範
囲にあることを特徴とする炭化けい素半導体装置の熱酸
化膜形成方法。 - 【請求項6】加熱された炭化けい素表面上に、水素と酸
素を導入して熱酸化するパイロジェニック酸化によって
酸化けい素膜を成長させる熱酸化膜形成方法において、
水素と酸素の流量比を1:1よりも水素の流量が多い流
量比とし、酸化後の冷却過程が水素原子を含む雰囲気で
おこなわれ、少なくとも900℃以下の範囲を0.3〜
3℃/minの冷却速度で冷却することを特徴とする炭
化けい素半導体装置の熱酸化膜形成方法。 - 【請求項7】炉からの炭化けい素の取り出し温度が90
0℃以下であることを特徴とする請求項1、2、5また
は6のいずれかに記載の炭化けい素半導体装置の熱酸化
膜形成方法。 - 【請求項8】炉からの炭化けい素の取り出し温度が80
0℃以下であることを特徴とする請求項1、2、5また
は6のいずれかに記載の炭化けい素半導体装置の熱酸化
膜形成方法。
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