JP3525149B2 - 炭化ケイ素半導体装置の製造方法 - Google Patents
炭化ケイ素半導体装置の製造方法Info
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Description
い、MOS(金属−酸化膜−半導体)構造を有する炭化
ケイ素半導体装置の製造方法に関する。
を基板結晶として用いたMOS型電界効果トランジスタ
(以下MOSFETと記す)の試作がおこなわれてい
る。これは、SiCがシリコンに比べて、バンドギャッ
プが大きくまた比電界強度が大きいことから、高耐圧、
大電流を制御する電力用半導体装置の特性改善が期待さ
れることと、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たことに
よる。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。また、MOSFETだ
けではなく、バイポーラ素子である絶縁ゲートバイポー
ラトランジスタ(以下IGBTと略す)の検討も始めら
れている。
圧を印加することによって、絶縁膜の下の半導体表面に
チャネルを形成し、電流を制御するMOS型半導体装置
である。最近のシリコンLSIもMOS構造を利用した
デバイスが重要となっているが、シリコン半導体装置で
は、シリコン基板表面に熱酸化により形成したシリコン
酸化膜を絶縁膜として利用している。
り、良好な半導体−絶縁膜界面をもつシリコン酸化膜が
得られ、そのシリコン酸化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、これらのデバイ
スへの応用が容易である。
いては、熱酸化によってシリコン酸化膜を形成した場
合、シリコン酸化膜と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,(1995) p.303]
界面凖位密度が多いことは、極く表面に近い部分の電
子を制御するMOS型半導体装置にとって、致命的であ
り、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。温度T1 において試料を酸化炉
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、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、例えば窒素やアルゴン等の不活性ガス中でのアニー
ル工程を経て、炉は冷却され、最後に試料が炉から取り
出される。これが最後の工程Cである。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、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、図
では、アニールを酸化温度と同一としたが、変えても良
い。
くつかある。von Kamienski E. S.他:Materials Sci.
and Eng. B29,(1995) p.131 では、ウェット酸化が、
ドライ酸化より良好なことが示され、また Lipkin L.
A. 他: Proc. 26th IEEE Semicond. Interface Special
ist Conf.(1995) p.131においては、酸化温度より低い
温度において、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。
依然として高い水準にあり、その改善が要望されてい
る。以上の問題に鑑み本発明の目的は、界面凖位を低減
した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、炭化ケイ素表面に熱酸化によってシリコン酸化膜
を形成する熱酸化膜形成工程を有する炭化ケイ素半導体
装置の製造方法において、前記熱酸化後、窒素ガス雰囲
気中で行うアニールを2時間より短いものとする。10
月2日付けで名称変更届けを提出済みです。
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、アニールを行うことにより界面準位
密度が上昇する。また、炭化ケイ素表面に熱酸化によっ
てシリコン酸化膜を形成する熱酸化膜形成工程を有する
炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、前記熱酸化
により酸化膜を形成した後でかつ、不活性雰囲気中でア
ニールを行った後、水素原子を含むガス雰囲気中で、3
00〜500℃の範囲でアニールするものとする。
ように、界面凖位密度が約20%減少する。温度範囲と
しては、下は300℃から、金属が融解しない程度の温
度、例えば、最も一般的な金属としてAlを使用するの
であれば、上は500℃程度が望ましい。更に、酸化終
了後の冷却過程および熱酸化膜形成工程後に行う熱処理
後の冷却過程の少なくとも一部の期間に、水素、或いは
水等の水素原子を含むガスによって雰囲気を形成するこ
とが最も良い。
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。
ケイ素半導体装置の製造方法は、熱酸化後の不活性ガス
雰囲気中でのアニール時間、この不活性ガス雰囲気中で
のアニール後の低温熱処理、或いは熱酸化後の冷却時の
雰囲気等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ものであ
る。
形態を説明する。 [実施例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。炉の昇温時には、ドライ酸素を流しているが、こ
れは、ウェット雰囲気でも不活性雰囲気でも構わない。
95℃の熱水中に酸素をバブルさせたウェット酸素で1
100℃、5時間、ウェット酸化をおこない、厚さ35
nmの酸化膜を成長させた。雰囲気ガスを乾燥窒素に変
え、0〜10時間のアニールをおこない、乾燥窒素中で
冷却した。
す。横軸に酸化後のアニール時間を、縦軸に得られた界
面凖位密度を示したものである。窒素ガス雰囲気中での
アニールによって界面準位密度が上昇することがわかっ
た。熱酸化工程での不活性雰囲気中でのアニールは、時
間0が最良であることがわかる。
処理工程がありうる。例えば、ゲートポリシリコンを熱
酸化膜の上に堆積した場合、ポリシリコンへの不純物ド
ーピング、金属とのオーミックを形成するための合金化
熱処理などが考えられる。これらの熱処理は通常1000℃
前後で行われる。よって、今回得られた実験結果から酸
化工程中および酸化工程後の熱処理工程において、不活
性ガス雰囲気中でのアニールを行う場合、その時間の総
和は2時間以内とすることが望ましい。 [実施例2]実施例1の試料を、改めて水素を10%含
む窒素雰囲気中で400℃で1時間アニールした。得ら
れた試料の界面凖位密度を図1に示す。横軸は、アニー
ル時間、縦軸は界面凖位密度である。
体的に減少している様子がわかる。例えば、2時間アニ
ールした試料の界面凖位密度は、3.3×1012cm-2
・eV-1から、2.5×1012cm-2eV-1と約25%
の減少が見られる。この事実は、何らかの問題で酸化後
の界面凖位密度が悪かった場合に、ゲート電極を形成し
たあとでも界面凖位密度を改善する方法を与えている。
たが、これは必ずしも重要な条件ではない。すなわち、
温度が低ければ、アニール時間を長く設定すればよく、
また、温度が高ければアニール時間を短くすれば良い。
実用的な温度としては、下は300℃、上は金属が融解
しない程度の温度、例えば、Alを使用するのであれ
ば、500℃程度が望ましい。アニール時間としては、
30分間〜2時間程度の範囲から選択して行うことが望
ましい。 [実施例3]実施例1と同じSiC基板を用い、同じ条
件のウェット酸化で厚さ35nmの酸化膜を成長させ
た。その後、試料の冷却期間においても、ウェット雰囲
気にした。
11cm-2・eV-1と著しい減少が見られた。(図1中の
三角印)この事実は、Lipkinの論文の結果と似ているよ
うに思われるが、Lipkinの方法は、低温で追加の酸化を
行い、その温度は950℃が最適という結果になってお
り、水素原子を含む雰囲気中で冷却するだけの本発明の
方法は、明らかに異質の実験結果とみることができる。
すなわち、ここで得られた実験事実は、全く新規なもの
であることがわかる。 [実施例4]同じSiC基板を用い、同様にウェット酸
化をおこなった後、10%の水素を含む窒素中で冷却し
た。
11cm-2・eV-1であった。この結果から、冷却過程中
の雰囲気は還元性でもよく、水素原子の存在が重要であ
ることを示している。以上の結果は、アニールにおいて
は水素が重要であるという結論に帰着する。すなわち、
酸化後に温度を下げる場合にも水素の入ったガスを用い
るべきことがわかる。その代用手段として、水素原子を
含む水を用いたのが本発明の一つの重要なポイントであ
る。もちろん、水素でもよいことは本発明の最後に指摘
した点からも明らかであるが、1000℃近くの高温で
水素を用いることは危険であるから、水を用いただけで
あって、水素原子を含むガスであればよい。水素原子の
含有量としては10%以上が望ましい。
ーム酸化やドライ酸化の試料においても、本発明の熱処
理方法で界面凖位密度の大幅な低減がなされることを確
認した。
化ケイ素半導体装置の熱酸化膜形成方法は、熱酸化後の
アニール時間、一度形成した熱酸化膜の低温熱処理、或
いは熱酸化後の冷却時の雰囲気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、炭化ケイ素のMOS型半導体装置の実用化に資する
ところ大である。
度特性図
Claims (6)
- 【請求項1】炭化ケイ素表面に熱酸化によってシリコン
酸化膜を形成する熱酸化膜形成工程を有する炭化ケイ素
半導体装置の製造方法において、前記熱酸化後、窒素ガ
ス雰囲気中で行うアニールは2時間より短くすることを
特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】炭化ケイ素表面に熱酸化によってシリコン
酸化膜を形成する熱酸化膜形成工程と前記熱酸化後に不
活性ガス雰囲気中で行うアニール工程を有する炭化ケイ
素半導体装置の製造方法において、前記不活性ガス雰囲
気中で行うアニール工程後、水素原子を含むガス雰囲気
中で、300〜500℃の範囲でアニールする工程を有
することを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方
法。 - 【請求項3】炭化ケイ素表面に熱酸化によってシリコン
酸化膜を形成する熱酸化膜形成工程を有する炭化ケイ素
半導体装置の製造方法において、前記熱酸化膜形成工程
中の熱酸化後の冷却過程および熱酸化膜形成工程後に行
う熱処理工程の冷却過程の少なくとも一部の期間に、水
素原子を含むガスによって雰囲気を形成することを特徴
とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】炭化ケイ素表面に熱酸化によってシリコン
酸化膜を形成する熱酸化膜形成工程を有する炭化ケイ素
半導体装置の製造方法において、前記熱酸化形成工程
は、前記熱酸化と、少なくとも一部の期間に水素原子を
含むガス雰囲気中で行う冷却と、からなることを特徴と
する炭化ケイ素半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】水素原子を含むガスが水素であることを特
徴とする請求項2ないし4のいずれかに記載の炭化ケイ
素半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】水素原子を含むガスが水であることを特徴
とする請求項2ないし4のいずれかに記載の炭化ケイ素
半導体装置の製造方法。
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