JP6432232B2 - 炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
まず、本発明により、界面準位密度が増加しないことを検証するため、MOSキャパシタを用いて行った実験例について、図1、図2、図14〜図16を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態にかかるMOSキャパシタの一例を示す図である。
(1)工程1
まず、n型4H−SiC(000−1)基板101((000−1)面から0〜8度オフ基板)上にドナー密度1×1016/cm3程度のn型エピタキシャル膜102を5〜10μm成長させる。なお、4H−SiC基板単体、あるいは4H−SiC基板101とエピタキシャル膜102を併せて4H−SiC半導体と呼ぶ。
4H−SiC半導体を洗浄した後に、1300℃の亜酸化窒素を含んだ雰囲気での酸窒化処理を100分間行い、厚さ50nmの絶縁膜103を形成する。乾燥酸素雰囲気でのドライ酸化、パイロジェニックを用いたウェット酸化、CVD法による堆積膜等で50nm程度の絶縁膜を形成した後、不活性ガスで希釈した亜酸化窒素または一酸化窒素の雰囲気で絶縁膜とSiCの界面を酸窒化することによって絶縁膜103を形成してもよい。
図14は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の製造方法における熱処理の雰囲気及び温度変化を示す図である。POA処理として、図14に示すように水素を含む雰囲気で1100℃まで昇温した後に30分間保持して熱処理を行い、所定の温度まで降温した後、窒素でパージし不活性ガス雰囲気とした。不活性ガス雰囲気で60分間保持した後、炉出し温度まで降温した。窒素パージし不活性ガス雰囲気で保持する温度を1000℃と1050℃とした。水素を含む雰囲気の熱処理の温度を800〜1200℃、好ましくは900〜1100℃とする。熱処理の時間は10分〜180分であるのが好ましい。その理由は、800℃未満の温度では反応が進まずダングリングボンドを水素で十分に終端できず、1200℃より高温では水素により絶縁膜がエッチングされる虞があるからである。不活性ガスでパージし保持する温度範囲を700℃〜1050℃、好ましくは700〜1000℃未満とする。水素を含む雰囲気の熱処理温度に対して、降温中に不活性ガスでパージし保持する温度は、50℃以上低くするのが好ましい。その理由は、水素を含む雰囲気の熱処理と同じ温度で不活性ガスによるパージを行うと、ダングリングボンドを終端した水素が脱離してしまうからである。また、700℃未満の温度では効率的に余剰な水素を追い出すことができないからである。不活性ガスでパージし保持する時間は10分〜180分であるのが好ましい。昇温時の雰囲気を不活性ガス雰囲気とし、昇温後に不活性ガス雰囲気から水素を含む雰囲気へ切り替えてもよい。また、熱処理の雰囲気は水素を不活性ガスで希釈してもよい。不活性ガスは窒素、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)の何れでもよい。
絶縁膜103上に、室温でドット状のアルミゲート電極104を蒸着し、4H−SiC半導体の裏面全面にアルミを蒸着したアルミ裏面電極105からなるMOSキャパシタを作製した。
図3は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の一例を示す断面図である。図3に示すように、炭化ケイ素半導体装置は、p+炭化ケイ素基板1及びpエピタキシャル膜2を備えている。
図4は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図5は、図4の続きの状態を示す断面図である。図6は、図5の続きの状態を示す断面図である。図7は、図6の続きの状態を示す断面図である。図8は、図7の続きの状態を示す断面図である。図9は、図8の続きの状態を示す断面図である。図10は、図9の続きの状態を示す断面図である。図11は、図10の続きの状態を示す断面図である。
まず、図4に示すように、p+炭化ケイ素基板1を用意する。p+炭化ケイ素基板1は、p型4H−SiC(000−1)基板((000−1)面から0〜8度オフ基板、好ましくは0〜4度オフ基板)である。このp+炭化ケイ素基板1のおもて面上に、アクセプター密度が1×1016/cm3程度であるpエピタキシャル膜2を成長させる。
次いで、図5に示すように、例えば減圧CVD法によって、pエピタキシャル膜2の表面上に、例えば厚さ1μm程度のSiO2膜を堆積する。そして、フォトリソグラフィによって、このSiO2膜をパターン加工して、マスク21を形成する。その後、このマスク21越しにpエピタキシャル膜2の表面に例えばリンイオン22をイオン注入する。イオン注入時の条件は、例えば基板温度が500℃程度であり、加速エネルギーが40keV〜250keV程度の多段であり、注入量が2×1020/cm3程度であってもよい。このイオン注入によって、図5に破線で示すように、pエピタキシャル膜2の表面領域の一部が、第1のイオン注入領域23及び第2のイオン注入領域24となる。第1のイオン注入領域23及び第2のイオン注入領域24は、例えば後述する熱処理を経ることによって、それぞれn+ドレイン領域3及びn+ソース領域4となる。
次いで、マスク21を除去した後、図6に示すように、例えば減圧CVD法によって、pエピタキシャル膜2の表面上に、例えば厚さ1μm程度のSiO2膜を堆積する。そして、フォトリソグラフィによって、このSiO2膜をパターン加工して、マスク25を形成する。その後、このマスク25越しにpエピタキシャル膜2の表面に例えばアルミニウムイオン26をイオン注入する。イオン注入時の条件は、例えば基板温度が500℃程度であり、加速エネルギーが40keV〜200keV程度の多段であり、注入量が2×1020/cm3であってもよい。このイオン注入によって、図6に破線で示すように、pエピタキシャル膜2の表面領域の一部が、第3のイオン注入領域27となる。第3のイオン注入領域27は、例えば後述する熱処理を経ることによって、p+グラウンド領域5となる。
次いで、マスク25を除去した後、例えばアルゴン雰囲気などの不活性ガス雰囲気で活性化アニールを行って、第1のイオン注入領域23、第2のイオン注入領域24及び第3のイオン注入領域27を活性化させる。それによって、図7に示すように、第1のイオン注入領域23は、n+ドレイン領域3となる。第2のイオン注入領域24は、n+ソース領域4となる。第3のイオン注入領域27は、p+グラウンド領域5となる。熱処理の温度は、例えば1600℃程度であってもよい。熱処理の時間は、例えば5分程度であってもよい。
次いで、図8に示すように、例えば減圧CVD法によって、pエピタキシャル膜2の表面上に、例えば厚さ0.5μm程度のフィールド酸化膜13を堆積する。そして、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングによって、このフィールド酸化膜13の一部を除去して、アクティブ領域15を形成する。アクティブ領域15では、n+ドレイン領域3、n+ソース領域4及びp+グラウンド領域5が露出する。
次いで、図9に示すように、例えば1300℃程度の温度で、亜酸化窒素(N2O)を含んだ雰囲気で例えば100分間程度の酸窒化を行って、例えば厚さ50nm程度のゲート絶縁膜6を形成する。続いて、POA処理として、図14に示すように、水素雰囲気で1100℃まで昇温した後に30分間保持して熱処理を行い、1000℃まで降温した後、窒素でパージして不活性ガス雰囲気とした。そして、不活性ガス雰囲気で60分間保持した後、炉出し温度まで降温した。その後、例えば減圧CVD法によって、ゲート絶縁膜6上に例えば厚さ0.3μm程度の多結晶シリコンを堆積する。そして、フォトリソグラフィによって、この多結晶シリコンをパターン加工して、ゲート電極7を形成する。
次いで、図10に示すように、フォトリソグラフィ及びフッ酸エッチングによって、n+ドレイン領域3、n+ソース領域4及びp+グラウンド領域5の上にコンタクトホール28を形成する。続いて、ゲート電極7が設けられている側の全面に、例えば、厚さ10nm程度のアルミニウムを蒸着し、さらに厚さ60nm程度のニッケルを蒸着する。そして、リフトオフによりニッケル及びアルミニウムをパターン加工して、コンタクトホール28内にコンタクトメタル29を形成する。
次いで、図11に示すように、オーミックコンタクトアニールとして、不活性ガスの雰囲気で、例えば950℃程度の温度で、例えば2分程度の時間でアニールを行って、コンタクトメタル29と炭化ケイ素との反応層8,9を形成する。不活性ガスは、窒素であってもよいし、ヘリウムであってもよいし、アルゴンであってもよい。
次いで、ゲート電極7が設けられている側の全面に、例えば厚さ300nm程度のアルミニウムを蒸着する。そして、図3に示すように、フォトリソグラフィ及びリン酸(H3PO4)エッチングによって、ゲート電極7及び反応層8,9の上にパッド電極10,11,12を形成する。また、p+炭化ケイ素基板1の裏面に、例えば厚さ100nm程度のアルミニウムを蒸着して、裏面電極14を形成する。このようにして、図3に示す炭化ケイ素MOSFETができあがる。
上述した実施例1の工程6において、窒素でパージして不活性ガス雰囲気で保持した温度を700℃とした以外は、実施例1と同様の製造方法で炭化ケイ素MOSFETを作製した。
上述した実施例1の工程6において、POA処理を、図16に示すように、水素を含む雰囲気のまま炉出し温度の600℃まで降温した以外は、実施例1と同様の製造方法で炭化ケイ素MOSFETを作製した。
図12は、本発明の実施の形態にかかるMOSFETと比較例のMOSFETを測定して得られた電界効果チャネル移動度のゲート電圧依存性を示す図である。図12において、縦軸は電界効果チャネル移動度(単位:cm2/Vs)であり、横軸はゲート電圧(単位:V)である。図12に示すように、チャネル移動度の最大値は、比較例に対して実施例1及び実施例2の方が若干高い。従って、水素を含む雰囲気の熱処理の降温途中で窒素パージしても、界面準位を終端している水素が脱離して界面準位密度が増加することはない。
しきい値電圧の安定性の指標として、ゲート絶縁膜に3MV/cmのストレスを所定時間、印加した後のしきい値電圧のシフト量を評価した。
水素を含んだ雰囲気でのPOA処理によって、界面準位密度を増大させず、チャネル移動度を維持したまま、しきい値電圧の安定性を得ることができたSiO2/SiC界面付近における窒素濃度及び水素濃度を二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)によって測定した。
2 pエピタキシャル膜
3 n+ドレイン領域
4,35 n+ソース領域
5 p+グラウンド領域
6,37 ゲート絶縁膜
7,38 ゲート電極
8,9 反応層
10,11,12 パッド電極
13 フィールド酸化膜
14 裏面電極
15 アクティブ領域
21,25 マスク
22 リンイオン
23 第1のイオン注入領域
24 第2のイオン注入領域
26 アルミニウムイオン
27 第3のイオン注入領域
28 コンタクトホール
29 コンタクトメタル
31 n+炭化ケイ素基板
32 nエピタキシャル膜
33 p領域
34 pSiC層
36 p+コンタクト領域
39 ソース電極
40 n領域
41 ドレイン電極
101 n型4H−SiC(000−1)基板
102 n型エピタキシャル膜
103 絶縁膜
104 アルミゲート電極
105 アルミ裏面電極
106 C−Vメーター
Claims (3)
- 炭化ケイ素半導体上に、酸窒化膜でできた絶縁膜を有し、
前記炭化ケイ素半導体と前記絶縁膜との界面から5nm以内の領域に窒素が2×1021/cm3以上の1つのピーク濃度で存在し、かつ、前記界面に水素が1×1020/cm3以上の濃度で存在し、かつ、前記界面から5nm以上の前記絶縁膜の領域で水素濃度が5×1019/cm3 を超えず、
前記絶縁膜は、MOSFETのゲート絶縁膜であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。 - 縦型のMOSFETであることを特徴とする請求項1に記載の炭化ケイ素半導体装置。
- 炭化ケイ素半導体上に、酸窒化膜でできた絶縁膜を形成する第1工程と、
前記絶縁膜にPOA処理を行う第2工程と、
前記POA処理の処理温度より50℃以上低い温度まで降温した後に、窒素雰囲気中で炉出し温度まで降温する第3工程と、
を含み、
前記3工程の後、
前記炭化ケイ素半導体と前記絶縁膜との界面から5nm以内の領域に窒素が2×1021/cm3以上の1つのピーク濃度で存在し、かつ、前記界面に水素が1×1020/cm3以上の濃度で存在し、かつ、前記界面から5nm以上の前記絶縁膜の領域で水素濃度が5×1019/cm3 を超えず、
前記絶縁膜は、MOSFETのゲート絶縁膜であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
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