WO2010058610A1 - 炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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真 原田
健良 増田
圭司 和田
将斗 津守
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住友電気工業株式会社
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    • H01L29/0878—Impurity concentration or distribution

Definitions

  • the present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more specifically to a silicon carbide semiconductor device exhibiting excellent electrical characteristics and a method for manufacturing the same.
  • Patent Document 1 a semiconductor device using silicon carbide (SiC) is known (for example, International Publication WO01 / 018872 pamphlet (hereinafter referred to as Patent Document 1)).
  • a MOS field effect transistor (MOSFET) as a semiconductor device is formed using a 4H polytype SiC substrate having a plane orientation of approximately ⁇ 03-38 ⁇ .
  • the gate oxide film is formed by dry oxidation.
  • a large channel mobility about 100 cm 2 / Vs
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device having excellent electrical characteristics such as channel mobility and a method for manufacturing the same. That is.
  • the inventor has completed the present invention as a result of earnestly studying the cause of the decrease in channel mobility in order to achieve high channel mobility with high reproducibility in a semiconductor device using SiC as described above. That is, in the above-described semiconductor device, the gate oxide film is formed by dry oxidation, but by such dry oxidation, a trap (interface) is formed at the interface between the gate oxide film and the SiC semiconductor film located under the gate oxide film. Many levels are considered to be formed. The presence of such interface states can be a factor for reducing the above-described channel mobility. This is also estimated from the fact that the threshold voltage of the MOSFET described above is significantly higher than the theoretical value.
  • the silicon carbide semiconductor device includes a substrate made of silicon carbide having an off angle of 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ , a semiconductor layer, and an insulating film. Is provided.
  • the semiconductor layer is formed on the substrate and is made of silicon carbide.
  • the insulating film is formed in contact with the surface of the semiconductor layer.
  • the maximum value of the nitrogen atom concentration in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • the silicon carbide semiconductor device includes a substrate made of silicon carbide having an off angle of 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ , a semiconductor layer, and an insulating film.
  • the semiconductor layer is formed on the substrate and is made of silicon carbide.
  • the insulating film is formed in contact with the surface of the semiconductor layer.
  • the maximum value of the hydrogen atom concentration in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • the silicon carbide semiconductor device includes a substrate made of silicon carbide having an off angle of 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ , a semiconductor layer, and an insulating film.
  • the semiconductor layer is formed on the substrate and is made of silicon carbide.
  • the insulating film is formed in contact with the surface of the semiconductor layer.
  • the maximum value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • carrier mobility in the semiconductor layer in the vicinity of the interface between the insulating film and the semiconductor layer (for example, channel mobility when the insulating film is used as a gate insulating film) It can be made larger than the case where no hydrogen atom is contained, and an on-resistance lower than that of a conventional semiconductor device using silicon can be realized. Therefore, it is possible to obtain a silicon carbide semiconductor device having a sufficiently high carrier mobility (channel mobility) and excellent electrical characteristics.
  • the lower limit of the off angle is set to 50 °, as shown in the data described later, from the (01-14) plane having an off angle of 43.3 ° to an (01 ⁇ ) 13)
  • a significant increase in carrier mobility was observed with an increase in off-angle toward the surface, and a natural surface was present in the off-angle range between the (01-14) surface and the (01-13) surface. This is because there is no such thing.
  • the upper limit of the off-angle is 65 ° because the off-angle increases and the carrier mobility increases from the (01-12) plane with an off-angle of 62.1 ° to the (01-10) plane with an off-angle of 90 °. This is due to the fact that there is a significant decrease in the above-mentioned values and that there is no natural surface in the range of the off angle between the (01-12) surface and the (01-10) surface.
  • a step of preparing a substrate made of silicon carbide having an off angle of 50 ° to 65 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ is performed.
  • a step of forming a semiconductor layer on the substrate is performed.
  • a step of forming an insulating film so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer is performed.
  • a step of adjusting the nitrogen atom concentration is performed so that the maximum value of the nitrogen atom concentration in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • a step of preparing a substrate made of silicon carbide having an off angle of 50 ° to 65 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ is performed.
  • a step of forming a semiconductor layer on the substrate is performed.
  • a step of forming an insulating film so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer is performed.
  • a step of adjusting the hydrogen atom concentration is performed so that the maximum value of the hydrogen atom concentration in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • a step of preparing a substrate made of silicon carbide having an off angle of 50 ° to 65 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ is performed.
  • a step of forming a semiconductor layer on the substrate is performed.
  • a step of forming an insulating film so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer is performed.
  • a step of adjusting the total concentration so that the maximum value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more is performed.
  • the silicon carbide semiconductor device with increased carrier mobility (channel mobility) according to the present invention can be easily manufactured.
  • a silicon carbide semiconductor device having a high carrier mobility can be obtained.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating each process of the manufacturing method shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating each process of the manufacturing method shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating each process of the manufacturing method shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating each process of the manufacturing method shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating each process of the manufacturing method shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating each process of the manufacturing method shown in FIG. It is a cross-sectional schematic diagram which shows Embodiment 2 of the semiconductor device by this invention.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 8.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 8.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 8.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 8.
  • 14 is a flowchart for explaining a manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 13; It is a cross-sectional schematic diagram which shows Embodiment 4 of the semiconductor device by this invention.
  • 16 is a flowchart for explaining a manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 15; 17 is a flowchart showing a modification of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. It is a graph which shows the nitrogen atom concentration in the depth direction of the sample in Example 1 of this invention. It is a graph which shows the relationship between the value of the peak of the measured nitrogen atom concentration, and channel mobility. It is a graph which shows the relationship between the off-angle of a board
  • 10 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor device prepared for measurement in Example 6.
  • SYMBOLS 1 Semiconductor device, 2 board
  • a semiconductor device 1 shown in FIG. 1 is a lateral MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) as a silicon carbide semiconductor device, and includes a substrate 2 made of silicon carbide (SiC) and a substrate 2.
  • An epitaxial layer 3 made of silicon carbide formed, a p-type layer 4 made of silicon carbide formed on the epitaxial layer 3, and an n + region 5 formed on the surface of the p-type layer 4 at an interval; 6, oxide film 8 as a gate insulating film located on the channel region between n + regions 5 and 6, gate electrode 10 formed on oxide film 8, and n + regions 5 and 6.
  • a source electrode 11 and a drain electrode 12 formed on each are provided.
  • the substrate 2 is a substrate whose main surface is a (03-38) plane having an off angle of about 53 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ .
  • the substrate 2 contains n-type conductive impurities.
  • the epitaxial layer 3 made of silicon carbide formed on the substrate 2 is an undoped layer.
  • the p-type layer 4 formed on the epitaxial layer 3 contains p-type conductive impurities.
  • the n + regions 5 and 6 are implanted with n-type conductive impurities.
  • Oxide films 7 and 8 are formed so as to cover p-type layer 4 and n + regions 5 and 6. Openings are formed in the oxide films 7 and 8 in regions located on the n + regions 5 and 6. Inside the opening, a source electrode 11 and a drain electrode 12 electrically connected to each of the n + regions 5 and 6 are formed.
  • a gate electrode 10 is disposed on the oxide film 8 that acts as a gate insulating film.
  • the channel length L g which is the distance between the n + regions 5 and 6 can be set to about 100 ⁇ m, for example.
  • the channel width may be, for example, about 2 times the channel length L g (about 200 [mu] m).
  • the maximum value of the nitrogen atom concentration in the region within 10 nm from the interface between the p-type layer 4 as the semiconductor layer and the oxide film 8 is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • the mobility (channel mobility) in the channel region having the channel length L g (the region between the n + regions 5 and 6 in the p-type layer 4) can be made sufficiently large.
  • the interface state density at 0.1 eV below the conduction band is smaller than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • a substrate preparation step (S10) is performed.
  • an n-type silicon carbide substrate having a plane orientation (03-38) plane as the main surface is prepared as the substrate 2.
  • Such a substrate can be obtained by, for example, a method of cutting a substrate from an ingot having the (0001) plane as the main surface so that the (03-38) plane is exposed as the main surface.
  • an epitaxial layer forming step (S20) is performed. Specifically, as shown in FIG. 3, an undoped silicon carbide epitaxial layer 3 is formed on the substrate 2.
  • an injection step (S30) is performed. Specifically, first, a p-type layer 4 is formed as shown in FIG. 4 by injecting a conductive impurity (for example, aluminum (Al)) having p-type conductivity into the epitaxial layer 3. Next, n + regions 5 and 6 are formed as shown in FIG. 5 by implanting an impurity having n type conductivity.
  • a conductive impurity for example, aluminum (Al)
  • n + regions 5 and 6 are formed as shown in FIG. 5 by implanting an impurity having n type conductivity.
  • the n-type conductive impurity for example, phosphorus (P) can be used.
  • any conventionally known method can be used.
  • the opening having the same planar shape pattern as the planar shape pattern of the region where the n + regions 5 and 6 are to be formed by photolithography and etching Is formed on the oxide film. Further, conductive impurities are implanted using the oxide film on which this pattern is formed as a mask. In this way, the n + regions 5 and 6 described above can be formed.
  • an activation annealing process is performed to activate the implanted impurities.
  • this activation annealing treatment for example, conditions where the heating temperature is 1700 ° C. and the heating time is 30 minutes may be used.
  • a gate insulating film forming step (S40) is performed. Specifically, after sacrificial oxidation treatment is performed on the upper surfaces of the p-type layer 4 and the n + regions 5 and 6, an oxide film 7 as a gate insulating film is formed as shown in FIG. As the thickness of the oxide film 7, for example, a value of 40 nm can be used.
  • a nitrogen annealing step (S50) is performed as shown in FIG. Specifically, heat treatment is performed using nitrogen monoxide (NO) gas as the atmospheric gas.
  • NO nitrogen monoxide
  • conditions for this heat treatment for example, a condition in which the heating temperature is 1100 ° C. and the heating time is 1 hour can be used.
  • nitrogen atoms can be introduced into the interface region between oxide film 7 and p-type layer 4 and n + regions 5 and 6.
  • an annealing process using an inert gas for example, an annealing process using argon (Ar) gas as the atmospheric gas is performed. May be.
  • an electrode formation step (S60) is performed as shown in FIG. Specifically, a resist film having a pattern is formed on the oxide film 7 by photolithography. Using this resist film as a mask, the oxide film 7 is partially removed to form an opening 15 in a region located above the n + regions 5 and 6. Inside the opening 15, a conductor film to be the source electrode 11 and the drain electrode 12 is formed as shown in FIG. This conductor film is formed with the above-described resist film remaining. Thereafter, the resist film is removed, and the conductive film located on the oxide film 7 is removed (lifted off) together with the resist film, whereby the source electrode 11 and the drain electrode 12 can be formed as shown in FIG. it can. At this time, the oxide film 8 (a part of the oxide film 7 shown in FIG. 6) located between the source electrode 11 and the drain electrode 12 becomes a gate insulating film of the semiconductor device to be formed.
  • a gate electrode 10 (see FIG. 1) is further formed on the oxide film 8 acting as a gate insulating film.
  • the following method can be used. For example, a resist film having an opening pattern located in a region on the oxide film 8 is formed in advance, and a conductor film constituting the gate electrode is formed so as to cover the entire surface of the resist film. Then, by removing the resist film, the conductor film other than the portion of the conductor film to be the gate electrode is removed (lifted off). As a result, the gate electrode 10 is formed as shown in FIG. In this way, a semiconductor device as shown in FIG. 1 can be obtained.
  • a semiconductor device 1 is a vertical DiMOSFET (Double Implanted MOSFET), and includes a substrate 2, a buffer layer 21, a breakdown voltage holding layer 22, a p region 23, an n + region 24, and a p +.
  • the region 25, the oxide film 26, the source electrode 11 and the upper source electrode 27, the gate electrode 10, and the drain electrode 12 formed on the back side of the substrate 2 are provided.
  • the buffer layer 21 made of silicon carbide is formed on the surface of the substrate 2 made of silicon carbide of n conductivity type.
  • Buffer layer 21 is n-type in conductivity type and has a thickness of 0.5 ⁇ m, for example.
  • the concentration of the n-type conductive impurity in the buffer layer can be set to 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , for example.
  • a breakdown voltage holding layer 22 is formed on the buffer layer 21.
  • the breakdown voltage holding layer 22 is made of silicon carbide of n-type conductivity, and has a thickness of 10 ⁇ m, for example. Further, as the concentration of the n-type conductive impurity in the breakdown voltage holding layer 22, a value of 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 can be used.
  • p regions 23 having a p-type conductivity are formed at intervals. Inside the p region 23, an n + region 24 is formed in the surface layer of the p region 23. A p + region 25 is formed at a position adjacent to the n + region 24. From the n + region 24 in one p region 23 to the p region 23, the breakdown voltage holding layer 22 exposed between the two p regions 23, the other p region 23, and the n + region 24 in the other p region 23 An oxide film 26 is formed so as to extend up to. A gate electrode 10 is formed on the oxide film 26. Further, the source electrode 11 is formed on the n + region 24 and the p + region 25. An upper source electrode 27 is formed on the source electrode 11. In the substrate 2, the drain electrode 12 is formed on the back surface opposite to the surface on which the buffer layer 21 is formed.
  • the maximum value of the nitrogen atom concentration in the region within 10 nm from the interface between the oxide film 26 and the n + region 24, p + region 25, p region 23 and the breakdown voltage holding layer 22 as the semiconductor layer is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3. That's it.
  • the mobility of the channel region under the oxide film 26 (part of the p region 23 that is in contact with the oxide film 26 and between the n + region 24 and the breakdown voltage holding layer 22) is shown in FIG. This can be improved in the same manner as the semiconductor device shown in FIG.
  • the interface state density at 0.1 eV below the conduction band is smaller than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • the substrate preparation step (S10) is performed in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method shown in FIG.
  • substrate 2 made of silicon carbide having a (03-38) plane as a main surface is prepared.
  • the substrate 2 for example, a substrate having an n-type conductivity and a substrate resistance of 0.02 ⁇ cm may be used.
  • an epitaxial layer forming step (S20) is performed. Specifically, the buffer layer 21 is formed on the surface of the substrate 2.
  • an epitaxial layer made of silicon carbide of n-type conductivity for example, having a thickness of 0.5 ⁇ m is formed. For example, a value of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 can be used as the concentration of the conductive impurity in the buffer layer 21.
  • a breakdown voltage holding layer 22 is formed on the buffer layer 21 as shown in FIG.
  • a layer made of silicon carbide of n-type conductivity is formed by an epitaxial growth method. For example, a value of 10 ⁇ m can be used as the thickness of the breakdown voltage holding layer 22.
  • concentration of the n-type conductive impurity in the breakdown voltage holding layer 22 for example, a value of 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 can be used.
  • an implantation step (S30) is performed in the same manner as the step shown in FIG. Specifically, by using an oxide film formed by photolithography and etching as a mask, an impurity having a conductivity type of p-type is implanted into the breakdown voltage holding layer 22, thereby forming the p region 23 as shown in FIG. Form. Further, after removing the used oxide film, an oxide film having a new pattern is formed again by photolithography and etching. Then, using the oxide film as a mask, an n-type conductive impurity is implanted into a predetermined region, thereby forming an n + region 24. Further, p @ + region 25 is formed by implanting a p-type conductive impurity by the same method. As a result, a structure as shown in FIG. 10 is obtained.
  • activation annealing is performed.
  • this activation annealing treatment for example, argon gas is used as an atmospheric gas, and conditions such as a heating temperature of 1700 ° C. and a heating time of 30 minutes can be used.
  • a gate insulating film forming step (S40) is performed as in the step shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 11, an oxide film 26 is formed so as to cover the breakdown voltage holding layer 22, the p region 23, the n + region 24, and the p + region 25.
  • a condition for forming this oxide film 26 for example, dry oxidation (thermal oxidation) may be performed.
  • dry oxidation thermal oxidation
  • conditions for this dry oxidation conditions such as a heating temperature of 1200 ° C. and a heating time of 30 minutes can be used.
  • a nitrogen annealing step (S50) is performed as in the step shown in FIG. Specifically, the annealing process is performed using nitrogen monoxide (NO) as the atmosphere gas.
  • NO nitrogen monoxide
  • the heating temperature is 1100 ° C. and the heating time is 120 minutes.
  • nitrogen atoms are introduced near the interface between the oxide film 26 and the underlying breakdown voltage holding layer 22, p region 23, n + region 24, and p + region 25.
  • annealing using nitrogen monoxide as an atmospheric gas annealing using nitrogen monoxide as an atmospheric gas.
  • argon (Ar) gas which is an inert gas may be performed.
  • argon gas may be used as the atmosphere gas
  • the heating temperature may be 1100 ° C. and the heating time may be 60 minutes.
  • an electrode formation step (S60) is performed in the same manner as the step shown in FIG. Specifically, a resist film having a pattern is formed on the oxide film 26 by using a photolithography method. Using the resist film as a mask, portions of the oxide film located on n + region 24 and p + region 25 are removed by etching. Thereafter, a conductor film such as a metal is formed so as to be in contact with n + region 24 and p + region 25 on the resist film and inside the opening formed in oxide film 26. Thereafter, by removing the resist film, the conductor film located on the resist film is removed (lifted off).
  • nickel (Ni) can be used as the conductor.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 can be obtained as shown in FIG.
  • an argon (Ar) gas that is an inert gas is used as the atmosphere gas, and a heat treatment (alloying treatment) is performed with a heating temperature of 950 ° C. and a heating time of 2 minutes.
  • the upper source electrode 27 (see FIG. 8) is formed on the source electrode 11. Further, the drain electrode 12 (see FIG. 8) is formed on the back surface of the substrate 2. In this way, the semiconductor device shown in FIG. 8 can be obtained.
  • a semiconductor device 1 according to the present invention basically has the same configuration as that of the semiconductor device 1 shown in FIG. 1, but an interface between a p-type layer 4 as a semiconductor layer and an oxide film 8. 1 differs from the semiconductor device 1 shown in FIG. 1 in that the maximum value of the hydrogen atom concentration is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more in the boundary region 41 including the region within 10 nm from the region. Even in this case, similarly to the semiconductor device shown in FIG. 1, the mobility (channel mobility) in the channel region including the boundary region 41 can be set to a sufficiently large value. In the semiconductor device 1 shown in FIG.
  • the hydrogen atoms contained in the boundary region 41 are in a region within 10 nm from the interface between the p-type layer 4 and the oxide film 8 of the semiconductor device 1 shown in FIG. 1. This is presumably because the interface state is reduced similarly to the nitrogen atom contained. That is, also in the semiconductor device shown in FIG. 13, the interface state density at 0.1 eV below the conduction band is smaller than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • the manufacturing method of Embodiment 3 of the semiconductor device by this invention is demonstrated.
  • the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 14 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 2, but a hydrogen annealing step (S70) is performed instead of the nitrogen annealing step (S50) in FIG.
  • a hydrogen annealing step (S70) is performed instead of the nitrogen annealing step (S50) in FIG.
  • the substrate preparation step (S10), the epitaxial layer formation step (S20), the implantation step (S30), and the gate insulating film formation step (S40) are performed as in the manufacturing method shown in FIG.
  • a hydrogen annealing step (S70) is performed.
  • heat treatment is performed using hydrogen gas (H 2 ) gas as the atmosphere gas.
  • a condition in which the heating temperature is 1100 ° C. and the heating time is 1 hour can be used.
  • hydrogen atoms can be introduced into the interface region between oxide film 7 and p-type layer 4 and n + regions 5 and 6.
  • an annealing process using an inert gas for example, an annealing process using argon (Ar) gas as the atmosphere gas is performed. May be.
  • water vapor or water vapor-containing hydrogen gas may be used as the atmospheric gas instead of hydrogen gas.
  • the semiconductor device 1 shown in FIG. 13 can be obtained by performing the electrode forming step (S60) in the same manner as the manufacturing method shown in FIG.
  • the semiconductor device 1 basically has the same configuration as that of the semiconductor device 1 shown in FIG. 1, but the interface between the p-type layer 4 and the oxide film 8 as a semiconductor layer. 1 differs from the semiconductor device 1 shown in FIG. 1 in that the maximum value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more in the boundary region 51 including the region within 10 nm from the region. Even in this case, similarly to the semiconductor device shown in FIG. 1, the mobility (channel mobility) in the channel region including the boundary region 41 can be set to a sufficiently large value. Also in the semiconductor device shown in FIG. 15, the interface state density at 0.1 eV below the conduction band is smaller than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • the manufacturing method of Embodiment 4 of the semiconductor device by this invention is demonstrated.
  • the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 16 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 2, but after the nitrogen annealing step (S50) in FIG.
  • the hydrogen annealing step (S70) is performed before ().
  • the substrate preparation step (S10), the epitaxial layer formation step (S20), the implantation step (S30), the gate insulating film formation step (S40), the nitrogen annealing step ( S50) is carried out. Thereafter, a hydrogen annealing step (S70) is performed.
  • this step (S70) the same conditions (annealing conditions using hydrogen gas) as in the hydrogen annealing step (S70) in the manufacturing method of Embodiment 3 can be used.
  • nitrogen atoms and hydrogen atoms can be introduced into the interface region between oxide film 7 and p-type layer 4 and n + regions 5 and 6.
  • water vapor or water vapor-containing oxygen gas may be used as the atmospheric gas instead of hydrogen gas.
  • the hydrogen annealing step (S70) may be performed prior to the nitrogen annealing step (S50).
  • the hydrogen annealing step (S70) and the nitrogen annealing step (S50) may be performed simultaneously by performing a heat treatment using an atmosphere gas containing hydrogen atoms and nitrogen atoms.
  • the semiconductor device 1 shown in FIG. 15 can be obtained by performing the electrode forming step (S60) in the same manner as the manufacturing method shown in FIG.
  • the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 17 is basically the same as the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 16, but after the hydrogen annealing step (S70) in FIG. ) Is different in that a post heat treatment step (S80) is performed. Specifically, similarly to the manufacturing method shown in FIG. 16, the substrate preparation step (S10), the epitaxial layer formation step (S20), the implantation step (S30), the gate insulating film formation step (S40), the nitrogen annealing step ( S50), a hydrogen annealing step (S70) is performed. Thereafter, a post heat treatment step (S80) is performed. Specifically, an annealing process using an inert gas is performed.
  • an inert gas for example, argon (Ar)
  • the heating temperature is 1100 ° C.
  • the heating time is 60 minutes.
  • the semiconductor device 1 shown in FIG. 15 can be obtained by performing the electrode forming step (S60) in the same manner as the manufacturing method shown in FIG.
  • a heat treatment step similar to the above-described post heat treatment step (S80) may be additionally performed between the nitrogen annealing step (S50) and the hydrogen annealing step (S70).
  • the hydrogen annealing step (S70) may be performed prior to the nitrogen annealing step (S50).
  • the hydrogen annealing step (S70) and the nitrogen annealing step (S50) may be performed simultaneously by performing a heat treatment using an atmosphere gas containing hydrogen atoms and nitrogen atoms.
  • the lateral MOSFET is shown as the semiconductor device 1.
  • the features of the third and fourth embodiments may be applied to the vertical DiMOSFET shown in FIG. That is, in the semiconductor device 1 shown in FIG. 8, hydrogen atoms in a region within 10 nm from the interface between the oxide film 26 and the n + region 24, p + region 25, p region 23, and breakdown voltage holding layer 22 as semiconductor layers.
  • the maximum value of the concentration or the maximum value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms can be 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • the off orientation of the substrate 2 is in the range of ⁇ 11-20> ⁇ 5 ° or less, or the off orientation of the substrate 2 is ⁇ The range is preferably within the range of 01-10> direction ⁇ 5 ° or less.
  • the surface orientation of the main surface of the substrate 2 is -3 ° or more and + 5 ° or less with respect to the surface orientation ⁇ 03-38 ⁇ . It is more preferable that
  • a semiconductor device 1 as a silicon carbide semiconductor device includes a substrate 2 made of silicon carbide having an off angle of 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ , and a semiconductor layer (p in FIG. 1).
  • the mold layer 4 includes a p region 23 in FIG. 8 and an insulating film (the oxide film 8 in FIG. 1 and the oxide film 26 in FIG. 8).
  • the semiconductor layer (p-type layer 4, p region 23) is formed on the substrate 2 and is made of silicon carbide.
  • the insulating films (oxide films 8 and 26) are formed in contact with the surface of the semiconductor layer (p-type layer 4 including channel region, p region 23).
  • the maximum value of the nitrogen atom concentration in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film (interface between the channel region and the oxide films 8 and 26) is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • the carrier mobility (channel mobility) in the channel region in the vicinity of the interface between the oxide films 8 and 26 acting as the gate insulating film and the channel region is not included in the vicinity of the interface. It is possible to realize a lower on-resistance than a conventional semiconductor device using silicon. For this reason, it is possible to obtain a semiconductor device 1 that exhibits sufficiently large channel mobility and excellent electrical characteristics.
  • the maximum value of the nitrogen atom concentration is set to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more because the channel mobility is a practically sufficient value by setting the nitrogen atom concentration to the above value or more. It is because it can be set to 2 / Vs or more.
  • hydrogen atoms are contained in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer (p-type layer 4 in FIG. 1 and p region 23 in FIG. 8) and the insulating film (oxide films 8 and 26). May be. In this case, the interface state in the region can be more reliably reduced.
  • a semiconductor device 1 as a silicon carbide semiconductor device includes a substrate 2 made of silicon carbide having an off angle of 50 ° to 65 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ , and a semiconductor layer (p in FIG. 13).
  • the mold layer 4 includes a p region 23 in FIG. 8 and an insulating film (the oxide film 8 in FIG. 13 and the oxide film 26 in FIG. 8).
  • the semiconductor layer (p-type layer 4, p region 23) is formed on the substrate 2 and is made of silicon carbide.
  • the insulating films (oxide films 8 and 26) are formed in contact with the surface of the semiconductor layer (p-type layer 4 including channel region, p region 23).
  • the maximum value of the hydrogen atom concentration in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm. -3 or higher.
  • the carrier mobility in the channel region in the vicinity of the interface between the oxide films 8 and 26 acting as the gate insulating film and the channel region is made larger than in the case where hydrogen atoms are not contained in the vicinity of the interface, Lower on-resistance than conventional semiconductor devices using silicon can be realized.
  • the maximum value of the hydrogen atom concentration is set to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more because the channel mobility is a practically sufficient value by setting the hydrogen atom concentration to the above value or more. It is because it can be set to 2 / Vs or more.
  • a semiconductor device 1 as a silicon carbide semiconductor device includes a substrate 2 made of silicon carbide having an off angle of 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ , and a semiconductor layer (p in FIG. 15).
  • the mold layer 4 includes a p region 23 in FIG. 8 and an insulating film (the oxide film 8 in FIG. 15 and the oxide film 26 in FIG. 8).
  • the semiconductor layer (p-type layer 4, p region 23) is formed on the substrate 2 and is made of silicon carbide.
  • the insulating films (oxide films 8 and 26) are formed in contact with the surface of the semiconductor layer (p-type layer 4 including channel region, p region 23).
  • the maximum value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more.
  • the carrier mobility in the channel region in the vicinity of the interface between the oxide films 8 and 26 acting as the gate insulating film and the channel region can be made higher than in the case where nitrogen and hydrogen atoms are not included in the vicinity of the interface.
  • the on-resistance can be increased and lower than that of a conventional semiconductor device using silicon. Note that, as described above, the maximum value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms is set to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more because channel mobility is practically sufficient when the total concentration is set to the above value or more. It is because it can be set to 50 cm 2 / Vs or more which is a small value.
  • the interface state density at 0.1 eV below the conduction band is preferably smaller than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • carrier mobility in the channel region can be sufficiently increased by setting the interface state density as described above.
  • the interface state density is higher than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1
  • the channel mobility in the semiconductor device 1 is 50 cm 2 / Vs, which is considered to be a practically sufficient value. Therefore, the value of the interface state density is preferably smaller than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 as described above.
  • the off orientation of the substrate 2 may be in the range of ⁇ 11-20> direction ⁇ 5 ° or less.
  • the substrate 2 made of silicon carbide may be a 4H polytype SiC substrate.
  • the off orientation of the substrate 2 may be in a range of ⁇ 5 ° or less in the ⁇ 01-10> direction.
  • the above-described off orientation is a typical off orientation in a 4H polytype SiC substrate, and an epitaxial layer can be easily formed on the SiC substrate.
  • the reason why the range of the off orientation is set to ⁇ 5 ° or less is that the processing variation at the time of slicing the substrate is taken into consideration.
  • the surface orientation of the main surface of the substrate 2 may be an off angle of ⁇ 3 ° to + 5 ° with respect to the surface orientation ⁇ 03-38 ⁇ . More preferably, the plane orientation of the main surface of the substrate is substantially ⁇ 03-38 ⁇ , and more preferably the plane orientation of the main surface of the substrate is ⁇ 03-38 ⁇ .
  • the main surface of the substrate being substantially ⁇ 03-38 ⁇ means that the main surface of the substrate is within an off-angle range in which the plane orientation can be substantially regarded as ⁇ 03-38 ⁇ due to the processing accuracy of the substrate.
  • the plane orientation is included, and the range of the off angle in this case is, for example, a range where the off angle is ⁇ 2 ° with respect to ⁇ 03-38 ⁇ .
  • the above-described carrier mobility channel mobility
  • the range of the off angle in an arbitrary direction with respect to the plane orientation ⁇ 03-38 ⁇ is set to ⁇ 3 ° or more and + 5 ° or less is that, as will be apparent from the data described later, good carrier mobility (channel movement) This is because the range of the off angle showing the channel mobility of about 90 cm 2 / Vs or more, which is considered to be (degree), is considered to be at least the above range.
  • a step of preparing a substrate 2 made of silicon carbide having an off angle of 50 ° to 65 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ substrate preparation step (S10 )).
  • a step of forming a semiconductor layer on the substrate 2 is performed.
  • a step of forming an insulating film so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer is performed.
  • a step of adjusting the nitrogen atom concentration (nitrogen annealing step (S50)) so that the maximum value of the nitrogen atom concentration in the region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more is performed. To do. In this way, the semiconductor device 1 with increased carrier mobility (channel mobility) according to the present invention can be easily manufactured.
  • the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device includes a step of containing hydrogen atoms in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer (p-type layer 4, p region 23) and the insulating film (oxide films 8, 26) (for example, FIG. 16 or the hydrogen annealing step (S70) of FIG. 17 may be further provided.
  • a silicon carbide semiconductor device containing hydrogen atoms in addition to nitrogen atoms can be easily manufactured in the above region.
  • the step of containing hydrogen atoms (hydrogen annealing step (S70)) is performed by applying a gas containing hydrogen atoms to the substrate on which the insulating films (oxide films 8 and 26) are formed. Including a step of heat treatment using the gas. In this case, the hydrogen atom concentration in the vicinity of the interface between the semiconductor layer (p-type layer 4 including channel region, p region 23) and oxide films 8 and 26 can be easily adjusted.
  • the step of containing hydrogen atoms includes a step of performing heat treatment using a gas containing hydrogen atoms as an atmospheric gas, and then using an inert gas as an atmospheric gas. And a step of heat-treating the substrate.
  • the carrier mobility of the semiconductor device 1 can be further increased.
  • the nitrogen annealing step (S50) is a step of heat-treating the substrate 2 on which the insulating films (oxide films 8 and 26) are formed using a gas containing nitrogen atoms as an atmospheric gas. May be included. In this case, the nitrogen atom concentration in the vicinity of the interface between the semiconductor layer (the p-type layer 4 including the channel region and the p region 23) and the oxide films 8 and 26 can be easily adjusted.
  • the nitrogen annealing step (S50) uses an inert gas (Ar gas) as the atmospheric gas after the above-described heat treatment using the gas containing nitrogen atoms as the atmospheric gas.
  • a step of heat-treating the substrate 2 may be included. In this case, the carrier mobility of the semiconductor device 1 can be further increased.
  • a step of preparing a substrate 2 made of silicon carbide having an off angle of 50 ° to 65 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ substrate preparation step (S10 )).
  • a step of forming a semiconductor layer on the substrate 2 is performed.
  • a step of forming an insulating film so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer is performed.
  • a step of adjusting the hydrogen atom concentration (hydrogen annealing step (S70)) so that the maximum value of the hydrogen atom concentration in the region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more. carry out. In this way, the semiconductor device 1 with increased carrier mobility (channel mobility) according to the present invention can be easily manufactured.
  • the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device includes a step of containing nitrogen atoms in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer (p-type layer 4 and p region 23) and the insulating film (oxide films 8 and 26) (nitrogen annealing). Step (S50)) may be further provided.
  • a silicon carbide semiconductor device containing nitrogen atoms in addition to hydrogen atoms can be easily manufactured in the above region.
  • the step of containing nitrogen atoms is performed by applying a gas containing nitrogen atoms to the substrate on which the insulating films (oxide films 8 and 26) are formed. Including a step of heat treatment using the gas.
  • the nitrogen atom concentration in the vicinity of the interface between the semiconductor layer (the p-type layer 4 including the channel region and the p region 23) and the oxide films 8 and 26 can be easily adjusted.
  • the step of containing nitrogen atoms includes a step of performing heat treatment using a gas containing nitrogen atoms as an atmospheric gas, and then using an inert gas as an atmospheric gas. And the step of heat-treating the substrate may be included. In this case, the carrier mobility of the semiconductor device 1 can be further increased.
  • the step of adjusting the hydrogen atom concentration is performed by applying a gas containing hydrogen atoms to the substrate on which the insulating films (oxide films 8 and 26) are formed.
  • a step of heat treatment using the atmospheric gas may be included.
  • the hydrogen atom concentration in the vicinity of the interface between the semiconductor layer (p-type layer 4 including channel region, p region 23) and oxide films 8 and 26 can be easily adjusted.
  • the step of adjusting the hydrogen atom concentration is performed after the step of performing heat treatment using a gas containing hydrogen atoms as the atmospheric gas, A step of heat-treating the substrate using a gas may be included.
  • the carrier mobility of the semiconductor device 1 can be further increased.
  • the gas containing hydrogen atoms may be water vapor or water vapor-containing oxygen gas.
  • the hydrogen annealing step (S70) can be performed relatively easily.
  • a step of preparing a substrate 2 made of silicon carbide having an off angle of 50 ° to 65 ° with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ substrate preparation step (S10 )).
  • a step of forming a semiconductor layer on the substrate 2 is performed.
  • a step of forming an insulating film so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer is performed.
  • the semiconductor device 1 with increased carrier mobility (channel mobility) according to the present invention can be easily manufactured.
  • a semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 was fabricated as a sample as follows. That is, an epitaxial layer 3 having a thickness of 10 ⁇ m was formed on an n-type silicon carbide substrate 2 having a thickness of 400 ⁇ m, and a p-type layer 4 having a thickness of 1 ⁇ m was formed on the epitaxial layer 3. Then, phosphorus (P) was implanted as an n-type conductive impurity in the n + regions 5 and 6, and a value of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 was used as the impurity concentration.
  • the gate length (channel length L g ), which is the distance between the n + regions 5 and 6, was set to 100 ⁇ m.
  • the gate width (channel width) was 200 ⁇ m.
  • Example 1 of the present invention a sample was formed by performing nitrogen annealing after forming an oxide film by dry oxidation treatment.
  • Example 2 of the present invention a sample was formed by performing an annealing process (argon annealing process) using nitrogen gas as an inert gas atmosphere after forming an oxide film and then performing nitrogen annealing. did.
  • the heating temperature was 1200 ° C. and the heating time was 30 minutes.
  • nitrogen monoxide gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 60 minutes.
  • nitrogen monoxide gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 120 minutes.
  • argon gas was used as atmospheric gas, the conditions of heating temperature 1100 degreeC and heating time 60 minutes were used.
  • a sample that was not subjected to the nitrogen annealing step after the gate insulating film was formed was prepared as a sample for comparison.
  • the thickness of the oxide film of Example 1 described above was 40 nm
  • the thickness of the oxide film of Example 2 was 46 nm
  • the thickness of the oxide film of the comparative example was 33 nm.
  • a gate electrode 10 was formed thereon.
  • the material of the source electrode 11 and the drain electrode 12 was nickel (Ni), and the thickness thereof was 0.1 ⁇ m.
  • the gate electrode 10 is made of aluminum (Al) and has a thickness of 1 ⁇ m.
  • the distribution in the depth direction of the nitrogen atom concentration in the interface vicinity of the oxide film 8 and the p-type layer 4 as a semiconductor layer was measured.
  • a measuring method it measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry).
  • channel mobility was measured in the formed semiconductor device.
  • the concentration distribution of nitrogen atoms in the depth direction is basically as shown in FIG.
  • the horizontal direction indicates the depth from the surface of the oxide film, and the unit is nm.
  • the vertical axis indicates the nitrogen atom concentration (unit: cm ⁇ 3 ).
  • the nitrogen atom concentration is highest at the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4 as the semiconductor layer. It can be seen that the nitrogen atoms are distributed within a range of ⁇ 10 nm centering on the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4.
  • FIG. 18 shows the measurement data for Example 1, but Example 2 also showed a substantially similar nitrogen atom concentration distribution. However, in Example 2, the maximum value (peak value) of the nitrogen atom concentration was higher than in Example 1.
  • the horizontal axis in FIG. 19 represents the peak value of nitrogen atom concentration (nitrogen atom peak concentration) measured in each sample.
  • the unit is cm ⁇ 3 .
  • the vertical axis in FIG. 19 indicates the measured channel mobility (MOS channel mobility) of the semiconductor device.
  • the unit is cm 2 / Vs.
  • Example 19 in the sample of the comparative example, the peak concentration of nitrogen atoms was the lowest, and the value of the channel mobility was the lowest.
  • the peak concentration of nitrogen atoms was higher than that of the sample of Comparative Example, and at the same time, the value of channel mobility was also large.
  • Example 1 and Example 2 are compared, the value of channel mobility is higher in Example 2 where the peak concentration of nitrogen atoms is higher than in Example 1.
  • the minimum necessary value for the channel mobility is considered to be 50 cm 2 / Vs. For this reason, it is considered that a sufficient channel mobility value can be realized if the peak concentration of nitrogen atoms is set to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more from FIG. .
  • Example 2 Next, the relationship between the off angle of the substrate 2 and the channel mobility was confirmed. This will be specifically described below.
  • sample A sample was manufactured using the same manufacturing method as the sample manufacturing method of Example 2 described above. Specifically, four types of samples as comparative examples and three types of samples as examples of the present invention were prepared using substrates having different main surface orientations. That is, as Comparative Example 1, a silicon carbide substrate (8 ° off substrate of (0001)) in which the plane angle of the main surface of the substrate is (0001) is 8 °, and Comparative Example 2 is used.
  • Channel mobility was measured for each sample described above.
  • the channel mobility measurement method was basically the same as the channel mobility measurement method in the first embodiment.
  • the measurement results are shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 20 indicates the off angle (unit: °) with respect to the plane orientation ⁇ 0001 ⁇ of the main surface of the substrate constituting each sample, and the vertical axis indicates the channel mobility (unit) in the same manner as the vertical axis in FIG. : Cm 2 / Vs).
  • the value of channel mobility is higher than that of the comparative example. It turns out that it is improving greatly.
  • Example 3 Next, the contents of an experiment conducted to confirm the effect when hydrogen atoms are contained in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film will be described.
  • a semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 was fabricated as a sample as follows. That is, an epitaxial layer 3 having a thickness of 10 ⁇ m was formed on an n-type silicon carbide substrate 2 having a thickness of 400 ⁇ m, and a p-type layer 4 having a thickness of 1 ⁇ m was formed on the epitaxial layer 3. Then, phosphorus (P) was implanted as an n-type conductive impurity in the n + regions 5 and 6, and a value of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 was used as the impurity concentration.
  • the gate length (channel length L g ), which is the distance between the n + regions 5 and 6, was set to 100 ⁇ m.
  • the gate width (channel width) was 200 ⁇ m.
  • Example 1 of the present invention an oxide film was formed by dry oxidation treatment, and then a sample subjected to hydrogen annealing was produced.
  • Example 2 of the present invention a sample was formed by performing an annealing process (argon annealing process) using an argon gas as an atmosphere after performing hydrogen annealing after forming an oxide film. did.
  • the heating temperature was 1200 ° C. and the heating time was 30 minutes.
  • hydrogen gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 60 minutes.
  • Example 2 of the present invention hydrogen gas was used as the atmosphere gas for the hydrogen annealing conditions, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 120 minutes.
  • argon gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 60 minutes.
  • a sample that was not subjected to the hydrogen annealing step after the gate insulating film was formed was prepared as a sample for comparison.
  • the thickness of the oxide film of Example 1 mentioned above was 40 nm
  • the thickness of the oxide film of Example 2 was 45 nm
  • the thickness of the oxide film of the comparative example was 33 nm.
  • a gate electrode 10 was formed thereon.
  • the material of the source electrode 11 and the drain electrode 12 was nickel (Ni), and the thickness thereof was 0.1 ⁇ m.
  • the gate electrode 10 is made of aluminum (Al) and has a thickness of 1 ⁇ m.
  • the concentration distribution of hydrogen atoms in the depth direction was basically the same as the concentration distribution of nitrogen atoms shown in FIG. That is, similarly to the distribution of the nitrogen atom concentration shown in FIG. 18, the hydrogen atom concentration is highest at the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4 as the semiconductor layer, and the value is also 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ . It was 3 or more.
  • the hydrogen atoms were distributed within a range of ⁇ 10 nm around the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4. Note that both the samples of Example 1 and Example 2 described above showed substantially the same hydrogen atom concentration distribution. However, in the sample of Example 2, the maximum value (peak value) of the hydrogen atom concentration was higher than that of the sample of Example 1.
  • the measurement result of the mobility in the channel also showed a similar relationship to the relationship between the peak value of the nitrogen atom concentration and the channel mobility shown in FIG.
  • the minimum necessary value for the channel mobility is considered to be 50 cm 2 / Vs. For this reason, even if process variations are taken into account, as in the case of the peak concentration of nitrogen atoms, if the peak concentration of hydrogen atoms is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more, a sufficient channel mobility value can be obtained. It can be realized.
  • Example 4 Next, the contents of an experiment in which water vapor is used as an atmosphere gas for heat treatment and hydrogen atoms are contained in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film will be described.
  • a semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 was manufactured as a sample.
  • the sample preparation method is basically the same as the sample preparation method in Example 3 described above. That is, an epitaxial layer 3 having a thickness of 10 ⁇ m was formed on an n-type silicon carbide substrate 2 having a thickness of 400 ⁇ m, and a p-type layer 4 having a thickness of 1 ⁇ m was formed on the epitaxial layer 3. Then, phosphorus (P) was implanted as an n-type conductive impurity in the n + regions 5 and 6, and a value of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 was used as the impurity concentration.
  • the gate width (channel width) was 200 ⁇ m.
  • Example 1 of the present invention a sample was formed by performing an oxygen gas annealing after forming an oxide film by dry oxidation treatment. Moreover, after forming an oxide film as a sample of Example 2 of the present invention, water vapor-containing oxygen gas annealing was performed, and further, annealing treatment using argon gas as an inert gas as an atmosphere (argon annealing treatment) was performed. A sample was prepared.
  • the heating temperature was 1200 ° C. and the heating time was 30 minutes.
  • a sample that was not subjected to the water vapor-containing oxygen gas annealing step after the gate insulating film was formed was prepared as a comparative sample.
  • the thickness of the oxide film of Example 1 mentioned above was 40 nm
  • the thickness of the oxide film of Example 2 was 44 nm
  • the thickness of the oxide film of the comparative example was 33 nm.
  • a gate electrode 10 was formed thereon.
  • the material of the source electrode 11 and the drain electrode 12 was nickel (Ni), and the thickness thereof was 0.1 ⁇ m.
  • the gate electrode 10 is made of aluminum (Al) and has a thickness of 1 ⁇ m.
  • the concentration distribution of hydrogen atoms in the depth direction was basically the same as the concentration distribution of nitrogen atoms shown in FIG. 18, as in the case of the test of Example 3. That is, similarly to the distribution of the nitrogen atom concentration shown in FIG. 18, the hydrogen atom concentration is highest at the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4 as the semiconductor layer, and the value is also 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ . It was 3 or more.
  • the hydrogen atoms were distributed within a range of ⁇ 10 nm around the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4. Note that both the samples of Example 1 and Example 2 described above showed substantially the same hydrogen atom concentration distribution. However, in the sample of Example 2, the maximum value (peak value) of the hydrogen atom concentration was higher than that of the sample of Example 1.
  • the measurement result of the mobility in the channel also showed a similar relationship to the relationship between the peak value of the nitrogen atom concentration and the channel mobility shown in FIG.
  • the minimum necessary value for the channel mobility is considered to be 50 cm 2 / Vs. For this reason, even if process variations are taken into account, as in the case of the peak concentration of nitrogen atoms, if the peak concentration of hydrogen atoms is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more, a sufficient channel mobility value can be obtained. It can be realized.
  • Example 5 Next, the contents of the experiment in which nitrogen atoms and hydrogen atoms are contained in a region within 10 nm from the interface between the semiconductor layer and the insulating film using a gas containing nitrogen atoms and hydrogen atoms as the atmosphere gas for heat treatment will be described. .
  • a semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 was manufactured as a sample.
  • the sample preparation method is basically the same as the sample preparation method in Example 3 described above. That is, an epitaxial layer 3 having a thickness of 10 ⁇ m was formed on an n-type silicon carbide substrate 2 having a thickness of 400 ⁇ m, and a p-type layer 4 having a thickness of 1 ⁇ m was formed on the epitaxial layer 3. Then, phosphorus (P) was implanted as an n-type conductive impurity in the n + regions 5 and 6, and a value of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 was used as the impurity concentration.
  • the gate width (channel width) was 200 ⁇ m.
  • a sample was formed by performing nitrogen annealing after forming an oxide film by dry oxidation treatment. Further, as a sample of Example 1 of the present invention, after forming an oxide film, a nitrogen anneal was performed, and a sample was further subjected to a hydrogen anneal. Further, as a sample of Example 2 of the present invention, after forming an oxide film, a sample subjected to nitrogen annealing under a condition different from that of the sample of the reference example was prepared.
  • Example 3 of the present invention after forming an oxide film, nitrogen annealing was performed under conditions different from those of Example 1 above, and a sample was further subjected to hydrogen annealing.
  • the heating temperature was 1200 ° C. and the heating time was 30 minutes.
  • nitrogen monoxide (NO) gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 20 minutes.
  • Example 1 of the present invention As the conditions for the nitrogen annealing step, nitrogen monoxide gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 20 minutes. Moreover, about the hydrogen annealing process in the sample of Example 1, hydrogen gas was used for atmospheric gas, heating temperature was 1100 degreeC and heating time was 30 minutes. Further, in the nitrogen annealing step for the sample of Example 2, nitrogen monoxide (NO) gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 60 minutes.
  • NO nitrogen monoxide
  • Example 3 of the present invention As the conditions for the nitrogen annealing step, a nitric oxide gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 60 minutes. Moreover, about the hydrogen annealing process in the sample of Example 3, hydrogen gas was used for atmospheric gas, heating temperature was 1100 degreeC and heating time was 30 minutes.
  • the thickness of the oxide film of the reference example described above is 41 nm
  • the thickness of the oxide film of Example 1 is 45 nm
  • the thickness of the oxide film of Example 2 is 41 nm
  • the thickness of the oxide film of Example 3 is 45 nm
  • the thickness of the oxide film was 33 nm.
  • each sample is used as the source electrode 11 and the drain electrode 12 as shown in FIG.
  • a gate electrode 10 was formed on the oxide film 8.
  • the material of the source electrode 11 and the drain electrode 12 was nickel (Ni), and the thickness thereof was 0.1 ⁇ m.
  • the gate electrode 10 is made of aluminum (Al) and has a thickness of 1 ⁇ m.
  • the depth of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms in the vicinity of the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4 as the semiconductor layer is measured by the same method as the measurement method in the test of Example 1 already described.
  • the distribution in the vertical direction was measured. That is, SIMS (secondary ion mass spectrometry) was used as a measurement method.
  • channel mobility was measured in the formed semiconductor device. As a measuring method, the same method as the measuring method in the test of Example 1 was used.
  • the total concentration distribution of nitrogen atoms and hydrogen atoms in the depth direction was basically the same as the concentration distribution of nitrogen atoms shown in FIG. That is, similar to the distribution of nitrogen atom concentration shown in FIG. 18, the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms was highest at the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4 as the semiconductor layer.
  • the nitrogen atoms and hydrogen atoms were distributed within a range of ⁇ 10 nm around the interface between the oxide film 8 and the p-type layer 4.
  • the peak value (maximum value) of the nitrogen atom concentration in the sample of the reference example described above was 7 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 . Further, the peak value of the nitrogen atom concentration in the sample of Example 1 was 7 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , and the peak value (maximum value) of the hydrogen atom concentration was 7 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 . Moreover, the positions of the concentration peaks of nitrogen atoms and hydrogen atoms overlapped. That is, the peak value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms in the sample of Example 1 was 1.4 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 .
  • the peak value (maximum value) of the nitrogen atom concentration in the sample of Example 2 described above was 2 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 .
  • the peak value of the nitrogen atom concentration in the sample of Example 3 was 2 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3
  • the peak value (maximum value) of the hydrogen atom concentration was 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 .
  • the positions of the concentration peaks of nitrogen atoms and hydrogen atoms overlapped. That is, the peak value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms in the sample of Example 3 was 3 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 .
  • the measurement result of the mobility in the channel also showed a relationship similar to the relationship between the peak value of the nitrogen atom concentration and the channel mobility shown in FIG.
  • the measurement result of the mobility in the channel is shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 21 indicates the peak value (peak concentration) of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms measured in each sample.
  • the unit is cm ⁇ 3 .
  • the vertical axis in FIG. 21 indicates the measured channel mobility (MOS channel mobility) of the semiconductor device.
  • the unit is cm 2 / Vs.
  • the peak concentration of nitrogen atoms was the lowest and the value of the channel mobility was the lowest.
  • the peak value of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms was higher than that of the sample of Comparative Example, and at the same time, the value of channel mobility was also large.
  • the sample having a larger peak value (peak concentration) of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms has a larger channel mobility value. Yes.
  • the minimum value necessary for channel mobility is considered to be 50 cm 2 / Vs as described above.
  • the peak value (peak concentration) of the total concentration of nitrogen atoms and hydrogen atoms is 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more, as in the case of the peak concentration of nitrogen atoms.
  • Example 6 In order to confirm the effect of the present invention, a semiconductor device was prototyped and the interface state of the interface between the semiconductor layer and the insulating film of the semiconductor device was evaluated.
  • the semiconductor device shown in FIG. 22 is a MOS capacitor, which is an n-type silicon carbide substrate 2, a buffer layer 21 formed on the substrate 2, and a breakdown voltage holding layer 22 formed on the buffer layer 21. And the oxide film 26 formed on the breakdown voltage holding layer 22, the gate electrode 10 formed on the oxide film, and the back surface of the substrate 2 (the back surface opposite to the surface on which the buffer layer 21 is formed).
  • the back electrode 31 is provided.
  • the semiconductor device was manufactured by the following process. That is, the buffer layer 21 made of an n-type silicon carbide epitaxial layer was formed on the surface of the substrate 2 made of n-type silicon carbide having a thickness of 400 ⁇ m. The specific resistance of the substrate 2 is 0.02 ⁇ ⁇ cm.
  • the buffer layer 21 had a thickness of 0.5 ⁇ m and an n-type impurity concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • an n-type silicon carbide epitaxial layer 3 having a thickness of 10 ⁇ m was formed on the buffer layer 21, thereby forming a pressure resistant holding layer 22.
  • the n-type impurity concentration of the breakdown voltage holding layer 22 was 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the heating temperature was 1200 ° C. and the heating time was 30 minutes.
  • nitrogen monoxide (NO) gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 60 minutes.
  • a sample that was not subjected to the nitrogen annealing step after the oxide film 26 was formed was prepared as a sample for the comparative example. Note that the thickness of the oxide film 26 of the above-described embodiment was 40 nm, and the thickness of the oxide film 26 of the comparative example was 33 nm.
  • the back electrode 31 as an ohmic electrode is formed on the back surface of the substrate 2 as shown in FIG. 22, and the gate is formed on the oxide film 26 as a gate insulating film.
  • An electrode 10 was formed.
  • the material constituting the back electrode 31 was nickel (Ni), and its thickness was 0.1 ⁇ m.
  • the back electrode 31 was subjected to an alloying process (heat treatment) in a argon (Ar) atmosphere with a heating temperature of 950 ° C. and a heating time of 2 minutes.
  • the material which comprises the gate electrode 10 was aluminum (Al), and the thickness was 1 micrometer.
  • the planar shape of the gate electrode 10 is circular, and its diameter is 800 ⁇ m.
  • Capacitance-voltage characteristics were measured for the samples of the above examples and comparative examples having the configuration of the semiconductor device (MOS capacitor) shown in FIG.
  • the measurement frequency was 1 MHz.
  • the low frequency CV measurement was performed by the quasistatic CV measurement method.
  • the capacitance Cs due to the depletion layer formed on the semiconductor side of the MOS interface was obtained by solving the Poisson equation. At this time, a deep depletion state was assumed without considering the inversion state.
  • the interface state density was calculated using the High-Low method for the samples of the above Examples and Comparative Examples.
  • the outline of a method for calculating the interface state density using the High-Low method will be described below.
  • the capacitance Cit due to the interface state having a relatively large emission time constant does not appear as a capacitance component.
  • the CV measurement low frequency CV measurement
  • the capacitance obtained by the low-frequency CV measurement includes information on oxide film capacitance, depletion layer capacitance, and interface state capacitance. Therefore, the capacitance C LF obtained by the low frequency CV measurement is
  • the horizontal axis represents voltage
  • the vertical axis represents capacity
  • the capacitance is expressed by normalizing the entire capacitance C by the oxide film capacitance C ox .
  • the comparative sample shown in FIG. 24 shows a relatively large difference between the high frequency CV characteristics and the low frequency CV characteristics. This is probably because the sample of the comparative example is more influenced by the capacity due to the interface state (interface state capacity) than the sample of the example.
  • FIG. 25 shows the result of calculating the interface quasi-density for the samples of Examples and Comparative Examples by the above-described High-Low method.
  • the vertical axis represents the interface state density
  • the horizontal axis represents the energy value based on the conduction band.
  • the sample of the example (with nitrogen annealing) has a lower interface state density than the sample of the comparative example (without nitrogen annealing) at any energy level. Further, even at an energy level 0.1 eV below the conduction band, the interface state density of the sample of the example is smaller than 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1.
  • Example 7 In order to confirm the effect of the present invention, a sample was prepared and the relationship between the interface state density and the MOS channel mobility was evaluated.
  • a semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 was fabricated as a sample as follows. That is, an epitaxial layer 3 having a thickness of 10 ⁇ m was formed on an n-type silicon carbide substrate 2 having a thickness of 400 ⁇ m, and a p-type layer 4 having a thickness of 1 ⁇ m was formed on the epitaxial layer 3. Then, phosphorus (P) was implanted as an n-type conductive impurity in the n + regions 5 and 6, and a value of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 was used as the impurity concentration.
  • the gate length (channel length L g ), which is the distance between the n + regions 5 and 6, was set to 100 ⁇ m.
  • the gate width (channel width) was 200 ⁇ m.
  • Example 1 of the present invention a sample was formed by performing nitrogen annealing after forming an oxide film by dry oxidation treatment.
  • Example 2 of the present invention a sample was formed by performing nitrogen annealing after forming an oxide film and further performing annealing (argon annealing) using an argon gas as an inert gas as an atmosphere. did.
  • the heating temperature was 1200 ° C. and the heating time was 30 minutes.
  • NO gas was used as the atmosphere gas, the heating temperature was 1100 ° C., and the heating time was 60 minutes.
  • the conditions for the nitrogen annealing step were NO gas as the atmosphere gas, heating temperature of 1100 ° C., and heating time of 120 minutes.
  • NO gas as the atmosphere gas
  • heating temperature was 1100 ° C.
  • heating time was 60 minutes.
  • a sample that was not subjected to the hydrogen annealing step after the gate insulating film was formed was prepared as a sample for comparison.
  • the thickness of the oxide film of Example 1 mentioned above was 40 nm
  • the thickness of the oxide film of Example 2 was 46 nm
  • the thickness of the oxide film of the comparative example was 33 nm.
  • a gate electrode 10 was formed thereon.
  • the material of the source electrode 11 and the drain electrode 12 was nickel (Ni), and the thickness thereof was 0.1 ⁇ m.
  • the gate electrode 10 is made of aluminum (Al) and has a thickness of 1 ⁇ m.
  • measuring method In the formed semiconductor device sample, channel mobility was measured. As a measuring method, the same method as the measuring method in the test of Example 1 was used.
  • the interface state density is calculated by the same method as in the test of Example 6 (that is, using the High-Low method based on the data of the high-frequency CV characteristics and the low-frequency CV characteristics). did.
  • the measurement results are shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 26 indicates the value of the interface state density at an energy level 0.1 eV below the conduction band.
  • the unit is cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • the vertical axis in FIG. 26 indicates the measured channel mobility (MOS channel mobility) of the semiconductor device.
  • the unit is cm 2 / Vs.
  • the channel mobility increases as the interface state density decreases.
  • the minimum value necessary for channel mobility is considered to be 50 cm 2 / Vs as described above.
  • the range of the interface state density where the channel mobility is 50 cm 2 / Vs can be regarded as a range of 7 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 or less.
  • the interface state density (under 0.1 eV from the conduction band) is 1 ⁇ 10 12. It can be considered that sufficient channel mobility can be realized if it is smaller than cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • the present invention is advantageously applied to a silicon carbide semiconductor device formed by contacting an insulating film with a semiconductor layer made of silicon carbide, such as a MOSFET or a DiMOSFET.

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Abstract

　チャネル移動度のような電気的特性の優れた炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法が得られる。半導体装置（１）は、面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板（２）と、半導体層としてのｐ型層（４）と絶縁膜としての酸化膜（８）とを備える。ｐ型層（４）は基板（２）上に形成され、炭化ケイ素からなる。酸化膜（８）は、ｐ型層（４）の表面に接触するように形成されている。半導体層と絶縁膜との界面（チャネル領域と酸化膜（８）との界面）から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上である。

Description

炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法
　この発明は、炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、優れた電気的特性を示す炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法に関する。
　従来、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置が知られている（たとえば、国際公開ＷＯ０１／０１８８７２号パンフレット（以下、特許文献１と呼ぶ））。特許文献１では、面方位がほぼ｛０３－３８｝であり４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ基板を用いて半導体装置としてのＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を形成している。当該ＭＯＳＦＥＴでは、ゲート酸化膜をドライ酸化により形成している。上記特許文献１では、このようなＭＯＳＦＥＴにおいて大きなチャネル移動度（約１００ｃｍ2／Ｖｓ）を実現できるとしている。
国際公開ＷＯ０１／０１８８７２号パンフレット
　しかし、発明者らが検討した結果、上述したＭＯＳＦＥＴにおいてチャネル移動度が十分に大きくならない場合があることを見出した。ＳｉＣを用いた半導体装置の優れた特性を安定して発揮させるためには、大きなチャネル移動度を再現性良く実現することが求められる。
　この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、チャネル移動度のような電気的特性の優れた炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法を提供することである。
　発明者は、上述のようにＳｉＣを用いた半導体装置において大きなチャネル移動度を再現性よく実現するため、チャネル移動度が小さくなる原因について鋭意研究した結果、本発明を完成した。すなわち、上述した半導体装置では、ゲート酸化膜をドライ酸化により形成しているが、このようなドライ酸化によって当該ゲート酸化膜と当該ゲート酸化膜下に位置するＳｉＣ半導体膜との界面にトラップ（界面準位）が多数形成されると考えられる。このような界面準位の存在は、上述したチャネル移動度を小さくする要因となり得る。これは、上述したＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧が理論値に比べて大幅に高くなっていることからも推定される。そこで、発明者は、このような界面準位の影響を低減する方法を探索した結果、上記界面近傍の窒素原子濃度または水素原子濃度を高めることにより、チャネル移動度を大きくできることを見出した。これは、界面近傍における窒素原子濃度または水素原子濃度を高めることにより、界面準位の影響を抑制することができるためであると予想される。このような知見に基づき、本発明に従った炭化ケイ素半導体装置は、面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板と、半導体層と絶縁膜とを備える。半導体層は基板上に形成され、炭化ケイ素からなる。絶縁膜は、半導体層の表面に接触するように形成されている。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上である。
　また、本発明に従った炭化ケイ素半導体装置は、面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板と、半導体層と絶縁膜とを備える。半導体層は基板上に形成され、炭化ケイ素からなる。絶縁膜は、半導体層の表面に接触するように形成されている。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における水素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上である。
　また、本発明に従った炭化ケイ素半導体装置は、面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板と、半導体層と絶縁膜とを備える。半導体層は基板上に形成され、炭化ケイ素からなる。絶縁膜は、半導体層の表面に接触するように形成されている。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上である。
　このようにすれば、絶縁膜と半導体層との界面近傍における半導体層でのキャリアの移動度（たとえば絶縁膜をゲート絶縁膜として用いた場合のチャネル移動度）を、当該界面近傍に窒素原子または水素原子を含有させない場合よりも大きくし、従来の珪素を用いた半導体装置よりも低いオン抵抗を実現することができる。このため、十分大きなキャリア移動度（チャネル移動度）を示す、電気的特性の優れた炭化ケイ素半導体装置を得ることができる。
　なお、オフ角の下限を５０°としたのは、後述するデータにも示されるように、オフ角が４３．３°の（０１－１４）面からオフ角が５１．５°の（０１－１３）面にかけてオフ角の増大とともにキャリア移動度の顕著な増大が見られたこと、また、上記（０１－１４）面から（０１－１３）面の間のオフ角の範囲には自然面が無いこと、といった理由による。
　また、オフ角の上限を６５°としたのは、オフ角が６２．１°の（０１－１２）面からオフ角が９０°の（０１－１０）面にかけてオフ角の増大とともにキャリア移動度の顕著な減少が見られたこと、また、上記（０１－１２)面から（０１－１０）面の間のオフ角の範囲には自然面が無いこと、といった理由による。
　この発明に従った炭化ケイ素半導体装置の製造方法では、まず面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板を準備する工程を実施する。基板上に半導体層を形成する工程を実施する。さらに、半導体層の表面に接触するように絶縁膜を形成する工程を実施する。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となるように窒素原子濃度を調整する工程を実施する。
　また、この発明に従った炭化ケイ素半導体装置の製造方法では、まず面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板を準備する工程を実施する。基板上に半導体層を形成する工程を実施する。さらに、半導体層の表面に接触するように絶縁膜を形成する工程を実施する。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における水素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となるように水素原子濃度を調整する工程を実施する。
　また、この発明に従った炭化ケイ素半導体装置の製造方法では、まず面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板を準備する工程を実施する。基板上に半導体層を形成する工程を実施する。さらに、半導体層の表面に接触するように絶縁膜を形成する工程を実施する。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となるように合計濃度を調整する工程を実施する。
　このようにすれば、本発明に従った、キャリア移動度（チャネル移動度）の増大した炭化ケイ素半導体装置を容易に製造することができる。
　本発明によれば、キャリア移動度の大きな炭化ケイ素半導体装置を得ることができる。
本発明による半導体装置を示す断面模式図である。 図１に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２に示した製造方法の各工程を説明するための断面模式図である。 図２に示した製造方法の各工程を説明するための断面模式図である。 図２に示した製造方法の各工程を説明するための断面模式図である。 図２に示した製造方法の各工程を説明するための断面模式図である。 図２に示した製造方法の各工程を説明するための断面模式図である。 本発明による半導体装置の実施の形態２を示す断面模式図である。 図８に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。 図８に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。 図８に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。 図８に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。 本発明による半導体装置の実施の形態３を示す断面模式図である。 図１３に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明による半導体装置の実施の形態４を示す断面模式図である。 図１５に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１６に示した半導体装置の製造方法の変形例を示すフローチャートである。 本発明の実施例１における試料の深さ方向における窒素原子濃度を示すグラフである。 測定された窒素原子濃度のピークの値と、チャネル移動度との関係を示すグラフである。 本発明の実施例２における基板のオフ角度とチャネル移動度との関係を示すグラフである。 測定された窒素原子および水素原子の合計濃度のピークの値と、チャネル移動度との関係を示すグラフである。 実施例６の測定のために準備した半導体装置を示す断面模式図である。 実施例の試料についてのＣＶ特性を示すグラフである。 比較例の試料についてのＣＶ特性を示すグラフである。 上記図２３および図２４に示したＣＶ特性から算出した界面準位密度と伝導帯を基準とした場合のエネルギーとの関係を示すグラフである。 測定されたＭＯＳチャネル移動度と界面準位密度との関係を示すグラフである。
符号の説明
　１　半導体装置、２　基板、３　エピタキシャル層、４　ｐ型層、５，６　ｎ+領域、７，８　酸化膜、１０　ゲート電極、１１　ソース電極、１２　ドレイン電極、１５　開口部、２１　バッファ層、２２　耐圧保持層、２３　ｐ領域、２４　ｎ+領域、２５　ｐ+領域、２６　酸化膜、２７　上部ソース電極、３１　裏面電極、４１，５１　境界領域。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
　（実施の形態１）
　図１を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態１を説明する。
　図１に示した半導体装置１は、炭化ケイ素半導体装置としての横型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であって、炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる基板２と、この基板２上に形成された炭化ケイ素からなるエピタキシャル層３と、このエピタキシャル層３上に形成された炭化ケイ素からなるｐ型層４と、ｐ型層４の表面に間隔を隔てて形成されたｎ+領域５、６と、このｎ+領域５、６の間のチャネル領域上に位置するゲート絶縁膜としての酸化膜８と、この酸化膜８上に形成されたゲート電極１０と、ｎ+領域５、６のそれぞれの上に形成されたソース電極１１およびドレイン電極１２とを備える。基板２は、面方位｛０００１｝に対するオフ角が約５３°程度である（０３－３８）面を主表面とする基板である。基板２はｎ型の導電性不純物を含む。
　基板２上に形成された炭化ケイ素からなるエピタキシャル層３は、アンドープ層である。このエピタキシャル層３上に形成されたｐ型層４には、ｐ型を示す導電性不純物が含有されている。また、ｎ+領域５、６には、ｎ型を示す導電性不純物が注入されている。そして、このｐ型層４およびｎ+領域５、６を覆うように酸化膜７、８が形成されている。この酸化膜７、８にはｎ+領域５、６上に位置する領域に開口部が形成されている。当該開口部の内部において、ｎ+領域５、６のそれぞれに電気的に接続されたソース電極１１およびドレイン電極１２が形成されている。そして、ゲート絶縁膜として作用する酸化膜８上にゲート電極１０が配置されている。ｎ+領域５、６の間の距離であるチャネル長Ｌgは、たとえば１００μｍ程度とすることができる。また、チャネル幅は上記チャネル長Ｌgのたとえば２倍程度（２００μｍ程度）とすることができる。
　図１に示した半導体装置においては、半導体層としてのｐ型層４と酸化膜８との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となっている。この結果、チャネル長Ｌgを有するチャネル領域（ｐ型層４におけるｎ+領域５、６の間の領域）での移動度（チャネル移動度）を十分大きな値とすることができる。また、図１に示した半導体装置１では、伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくなっている。
　これは以下のような理由によると考えられる。すなわち、酸化膜８と半導体層であるｐ型層４との界面において、酸化膜８を熱酸化などによって形成した場合に界面準位が多く形成される。そして、そのままではチャネル領域におけるチャネル移動度が理論値に比べて極めて小さくなる。この問題に対し、上述のように当該酸化膜８とｐ型層４との界面領域に窒素原子を導入することにより、上述した界面準位の影響を低減してチャネル移動度を向上させることができる。
　図２～図７を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態１の製造方法を説明する。
　まず、図２に示すように、基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程においては、具体的には面方位（０３－３８）面を主表面とする導電型がｎ型の炭化ケイ素基板を基板２として準備する。このような基板は、たとえば（０００１）面を主表面とするインゴットから（０３－３８）面が主表面として露出するように基板を切出すといった手法により得ることができる。
　次に、エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、図３に示すように、基板２上にアンドープの炭化ケイ素エピタキシャル層３を形成する。
　次に、注入工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、まずエピタキシャル層３にｐ型の導電性を示す導電性不純物（たとえばアルミニウム（Ａｌ））を注入することにより、図４に示すようにｐ型層４を形成する。次にｎ型の導電型を示す不純物を注入することにより、図５に示すように、ｎ+領域５、６を形成する。このｎ型を示す導電性不純物としては、たとえばリン（Ｐ）を用いることができる。このｎ+領域５、６を形成する場合、従来周知の任意の方法を利用することができる。たとえば、酸化膜をｐ型層４の上部表面を覆うように形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチングによってｎ+領域５、６が形成されるべき領域の平面形状パターンと同じ平面形状パターンを有する開口部を当該酸化膜に形成する。さらに、このパターンが形成された酸化膜をマスクとして導電性不純物を注入する。このようにして、上述したｎ+領域５、６を形成することができる。
　この後、注入した不純物を活性化するための活性化アニール処理を行なう。この活性化アニール処理としては、たとえば加熱温度を１７００℃、加熱時間を３０分とする条件を用いてもよい。
　次に、図２に示すように、ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、ｐ型層４およびｎ+領域５、６の上部表面を犠牲酸化処理した後、ゲート絶縁膜としての酸化膜７を図６に示すように形成する。酸化膜７の厚みとしては、たとえば４０ｎｍという値を用いることができる。
　次に、図２に示すように窒素アニール工程（Ｓ５０）を実施する。具体的には、雰囲気ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用い、熱処理を行なう。この熱処理の条件としては、たとえば加熱温度を１１００℃、加熱時間を１時間とする条件を用いることができる。この結果、酸化膜７とｐ型層４およびｎ+領域５、６との界面領域に窒素原子を導入することができる。また、この窒素アニール工程においては、上述した窒素原子を含む雰囲気ガスを用いたアニール工程の後に、不活性ガスを用いたアニール工程、たとえばアルゴン（Ａｒ）ガスを雰囲気ガスとして用いたアニール工程を実施してもよい。
　次に、図２に示すように電極形成工程（Ｓ６０）を実施する。具体的には、フォトリソグラフィ法により酸化膜７上にパターンを有するレジスト膜を形成する。このレジスト膜をマスクとして用いて、酸化膜７を部分的に除去することにより、ｎ+領域５、６の上に位置する領域に開口部１５を形成する。この開口部１５の内部に、図７に示すようにソース電極１１およびドレイン電極１２となるべき導電体膜を形成する。この導電体膜は、上述したレジスト膜を残存させたまま形成する。その後、上述したレジスト膜を除去し、酸化膜７上に位置する導電体膜をレジスト膜とともに除去（リフトオフ）することにより、図７に示すようにソース電極１１およびドレイン電極１２を形成することができる。なお、このときソース電極１１およびドレイン電極１２の間に位置する酸化膜８（図６に示した酸化膜７の一部）は形成される半導体装置のゲート絶縁膜となる。
　この後、さらにゲート絶縁膜として作用する酸化膜８上にゲート電極１０（図１参照）を形成する。このゲート電極１０の形成方法としては、以下のような方法を用いることができる。たとえば、予め酸化膜８上の領域に位置する開口パターンを有するレジスト膜を形成し、当該レジスト膜の全面を覆うようにゲート電極を構成する導電体膜を形成する。そして、レジスト膜を除去することによって、ゲート電極となるべき導電体膜の部分以外の導電体膜を除去(リフトオフ）する。この結果、図１に示すようにゲート電極１０が形成される。このようにして、図１に示すような半導体装置を得ることができる。
　（実施の形態２）
　図８を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態２を説明する。
　図８を参照して、本発明による半導体装置１は、縦型ＤｉＭＯＳＦＥＴ（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ　ＭＯＳＦＥＴ）であって、基板２、バッファ層２１、耐圧保持層２２、ｐ領域２３、ｎ+領域２４、ｐ+領域２５、酸化膜２６、ソース電極１１および上部ソース電極２７、ゲート電極１０および基板２の裏面側に形成されたドレイン電極１２を備える。具体的には、導電型がｎの炭化ケイ素からなる基板２の表面上に、炭化ケイ素からなるバッファ層２１が形成されている。このバッファ層２１は導電型がｎ型であり、その厚みはたとえば０．５μｍである。また、バッファ層におけるｎ型の導電性不純物の濃度はたとえば５×１０17ｃｍ-3とすることができる。このバッファ層２１上には耐圧保持層２２が形成されている。この耐圧保持層２２は、導電型がｎ型の炭化ケイ素からなり、たとえばその厚みは１０μｍである。また、耐圧保持層２２におけるｎ型の導電性不純物の濃度としては、５×１０15ｃｍ-3という値を用いることができる。
　この耐圧保持層２２の表面には、導電型がｐ型であるｐ領域２３が互いに間隔を隔てて形成されている。ｐ領域２３の内部においては、ｐ領域２３の表面層にｎ+領域２４が形成されている。また、このｎ+領域２４に隣接する位置には、ｐ+領域２５が形成されている。一方のｐ領域２３におけるｎ+領域２４上から、ｐ領域２３、２つのｐ領域２３の間において露出する耐圧保持層２２、他方のｐ領域２３および当該他方のｐ領域２３におけるｎ+領域２４上にまで延在するように、酸化膜２６が形成されている。酸化膜２６上にはゲート電極１０が形成されている。また、ｎ+領域２４およびｐ+領域２５上にはソース電極１１が形成されている。このソース電極１１上には上部ソース電極２７が形成されている。そして、基板２において、バッファ層２１が形成された側の表面とは反対側の裏面にドレイン電極１２が形成されている。
　酸化膜２６と、半導体層としてのｎ+領域２４、ｐ+領域２５、ｐ領域２３および耐圧保持層２２との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値は１×１０21ｃｍ-3以上となっている。このようにすれば、特に酸化膜２６下のチャネル領域（酸化膜２６に接する部分であって、ｎ+領域２４と耐圧保持層２２との間のｐ領域２３の部分）の移動度を図１に示した半導体装置の場合と同様に向上させることができる。また、図８に示した半導体装置１でも、伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくなっている。
　次に、図９～図１２を参照して、図８に示した半導体装置の製造方法を説明する。
　まず、図２に示した半導体装置の製造方法と同様に、基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。ここでは、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法と同様に、（０３－３８）面が主表面となった炭化ケイ素からなる基板２（図９参照）を準備する。
　また、この基板２（図９参照）としては、たとえば導電型がｎ型であり、基板抵抗が０．０２Ωｃｍといった基板を用いてもよい。
　次に、エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、基板２の表面上にバッファ層２１を形成する。バッファ層としては、導電型がｎ型の炭化ケイ素からなり、たとえばその厚みが０．５μｍのエピタキシャル層を形成する。バッファ層２１における導電型不純物の濃度は、たとえば５×１０17ｃｍ-3といった値を用いることができる。そして、このバッファ層２１上に、図９に示すように耐圧保持層２２を形成する。この耐圧保持層２２としては、導電型がｎ型の炭化ケイ素からなる層をエピタキシャル成長法によって形成する。この耐圧保持層２２の厚みとしては、たとえば１０μｍといった値を用いることができる。また、この耐圧保持層２２におけるｎ型の導電性不純物の濃度としては、たとえば５×１０15ｃｍ-3といった値を用いることができる。
　次に、図２に示した工程と同様に注入工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて形成した酸化膜をマスクとして用いて、導電型がｐ型の不純物を耐圧保持層２２に注入することにより、図１０に示すようにｐ領域２３を形成する。また、用いた酸化膜を除去した後、再度新たなパターンを有する酸化膜を、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて形成する。そして、当該酸化膜をマスクとして、ｎ型の導電性不純物を所定の領域に注入することにより、ｎ+領域２４を形成する。また、同様の手法により、導電型がｐ型の導電性不純物を注入することにより、ｐ+領域２５を形成する。その結果、図１０に示すような構造を得る。
　このような注入工程の後、活性化アニール処理を行なう。この活性化アニール処理としては、たとえばアルゴンガスを雰囲気ガスとして用いて、加熱温度１７００℃、加熱時間３０分といった条件を用いることができる。
　次に、図２に示した工程と同様にゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、図１１に示すように、耐圧保持層２２、ｐ領域２３、ｎ+領域２４、ｐ+領域２５上を覆うように酸化膜２６を形成する。この酸化膜２６を形成するための条件としては、たとえばドライ酸化（熱酸化）を行なってもよい。このドライ酸化の条件としては、加熱温度を１２００℃、加熱時間を３０分といった条件を用いることができる。
　その後、図２に示した工程と同様に窒素アニール工程（Ｓ５０）を実施する。具体的には、雰囲気ガスを一酸化窒素（ＮＯ）として、アニール処理を行なう。アニール処理の温度条件としては、たとえば加熱温度を１１００℃、加熱時間を１２０分とする。この結果、酸化膜２６と下層の耐圧保持層２２、ｐ領域２３、ｎ+領域２４、ｐ+領域２５との間の界面近傍に窒素原子が導入される。また、この一酸化窒素を雰囲気ガスとして用いたアニール工程の後、さらに不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたアニールを行なってもよい。具体的には、アルゴンガスを雰囲気ガスとして用いて、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分といった条件を用いてもよい。
　次に、図２に示した工程と同様に電極形成工程（Ｓ６０）を実施する。具体的には、酸化膜２６上にフォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト膜を形成する。当該レジスト膜をマスクとして用いて、ｎ+領域２４およびｐ+領域２５上に位置する酸化膜の部分をエッチングにより除去する。この後、レジスト膜上および当該酸化膜２６において形成された開口部内部においてｎ+領域２４およびｐ+領域２５と接触するように金属などの導電体膜を形成する。その後、レジスト膜を除去することにより、当該レジスト膜上に位置していた導電体膜を除去（リフトオフ）する。ここで、導電体としては、たとえばニッケル（Ｎｉ）を用いることができる。この結果、図１２に示すように、ソース電極１１およびドレイン電極１２を得ることができる。なお、ここでアロイ化のための熱処理を行なうことが好ましい。具体的には、たとえば雰囲気ガスとして不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを用い、加熱温度を９５０℃、加熱時間を２分といった熱処理（アロイ化処理）を行なう。
　その後、ソース電極１１上に上部ソース電極２７（図８参照）を形成する。また、基板２の裏面上にドレイン電極１２（図８参照）を形成する。このようにして、図８に示す半導体装置を得ることができる。
　（実施の形態３）
　図１３を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態３を説明する。
　図１３を参照して、本発明による半導体装置１は、基本的には図１に示した半導体装置１と同様の構成を備えるが、半導体層としてのｐ型層４と酸化膜８との界面から１０ｎｍ以内の領域を含む境界領域４１において水素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となっている点が図１に示した半導体装置１と異なっている。このようにしても、図１に示した半導体装置と同様に、境界領域４１を含むチャネル領域での移動度（チャネル移動度）を十分大きな値とすることができる。これは、図１３に示した半導体装置１では、境界領域４１に含有される水素原子が、図１に示した半導体装置１のｐ型層４と酸化膜８との界面から１０ｎｍ以内の領域に含有される窒素原子と同様に界面準位を低減しているためであると考えられる。つまり、図１３に示した半導体装置でも、伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくなっている。
　図１４を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態３の製造方法を説明する。
　図１４に示す半導体装置の製造方法は、基本的には図２に示した半導体装置の製造方法と同様であるが、図２における窒素アニール工程（Ｓ５０）に変えて水素アニール工程（Ｓ７０）が実施される点が異なっている。具体的には、図２に示した製造方法と同様に、基板準備工程（Ｓ１０）、エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０）、注入工程（Ｓ３０）、ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０）を実施する。その後、水素アニール工程（Ｓ７０）を実施する。具体的には、雰囲気ガスとして水素ガス（Ｈ２）ガスを用い、熱処理を行なう。この熱処理の条件としては、たとえば加熱温度を１１００℃、加熱時間を１時間とする条件を用いることができる。この結果、酸化膜７とｐ型層４およびｎ+領域５、６との界面領域に水素原子を導入することができる。また、この水素アニール工程においては、上述した水素原子を含む雰囲気ガスを用いたアニール工程の後に、不活性ガスを用いたアニール工程、たとえばアルゴン（Ａｒ）ガスを雰囲気ガスとして用いたアニール工程を実施してもよい。また、上述した水素アニール工程（Ｓ７０）においては、水素ガスに代えて水蒸気もしくは水蒸気含有水素ガスを雰囲気ガスとして用いてもよい。
　その後、図１４に示すように、図２に示した製造方法と同様に電極形成工程（Ｓ６０）を実施することにより、図１３に示した半導体装置１を得ることができる。
　(実施の形態４）
　図１５を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態４を説明する。
　図１５を参照して、本発明による半導体装置１は、基本的には図１に示した半導体装置１と同様の構成を備えるが、半導体層としてのｐ型層４と酸化膜８との界面から１０ｎｍ以内の領域を含む境界領域５１において窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となっている点が図１に示した半導体装置１と異なっている。このようにしても、図１に示した半導体装置と同様に、境界領域４１を含むチャネル領域での移動度（チャネル移動度）を十分大きな値とすることができる。また、図１５に示した半導体装置でも、伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくなっている。
　図１６を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態４の製造方法を説明する。
　図１６に示す半導体装置の製造方法は、基本的には図２に示した半導体装置の製造方法と同様であるが、図１６における窒素アニール工程（Ｓ５０）の後であって電極形成工程（Ｓ６０）の前に、水素アニール工程（Ｓ７０）を行なっている点が異なっている。具体的には、図２に示した製造方法と同様に、基板準備工程（Ｓ１０）、エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０）、注入工程（Ｓ３０）、ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０）、窒素アニール工程（Ｓ５０）を実施する。その後、水素アニール工程（Ｓ７０）を実施する。この工程（Ｓ７０）においては、実施の形態３の製造方法における水素アニール工程（Ｓ７０）と同様の条件(水素ガスを用いたアニール条件）を用いることができる。この結果、酸化膜７とｐ型層４およびｎ+領域５、６との界面領域に窒素原子および水素原子を導入することができる。なお、上述した水素アニール工程（Ｓ７０）においては、水素ガスに代えて水蒸気もしくは水蒸気含有酸素ガスを雰囲気ガスとして用いてもよい。また、水素アニール工程（Ｓ７０）を、窒素アニール工程（Ｓ５０）より先に実施してもよい。また、水素原子および窒素原子を含有する雰囲気ガスを用いる熱処理を実施することにより、水素アニール工程（Ｓ７０）と窒素アニール工程（Ｓ５０）とを同時に実施してもよい。
　その後、図１６に示すように、図２に示した製造方法と同様に電極形成工程（Ｓ６０）を実施することにより、図１５に示した半導体装置１を得ることができる。
　図１７を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態４の製造方法の変形例を説明する。
　図１７に示す半導体装置の製造方法は、基本的には図１６に示した半導体装置の製造方法と同様であるが、図１６における水素アニール工程（Ｓ７０）の後であって電極形成工程（Ｓ６０）の前に、後熱処理工程（Ｓ８０）を行なっている点が異なっている。具体的には、図１６に示した製造方法と同様に、基板準備工程（Ｓ１０）、エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０）、注入工程（Ｓ３０）、ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０）、窒素アニール工程（Ｓ５０）、水素アニール工程（Ｓ７０）を実施する。その後、後熱処理工程（Ｓ８０）を実施する。具体的には、不活性ガスを用いたアニール工程を実施する。このアニール工程の条件としては、雰囲気ガスとして不活性ガス（たとえばアルゴン（Ａｒ））を用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分といった条件を用いることができる。このような不活性ガスを用いたアニール工程を実施することにより、窒素アニール工程（Ｓ５０）および水素アニール工程（Ｓ７０）によりチャネル領域に導入された窒素原子および水素原子による界面準位の低減効果をより確実に発揮させることができる。
　その後、図１７に示すように、図２に示した製造方法と同様に電極形成工程（Ｓ６０）を実施することにより、図１５に示した半導体装置１を得ることができる。
　なお、上述した後熱処理工程（Ｓ８０）と同様の熱処理工程を、窒素アニール工程（Ｓ５０）と水素アニール工程（Ｓ７０）との間に追加実施してもよい。また、また、図１７に示した製造方法においても、水素アニール工程（Ｓ７０）を、窒素アニール工程（Ｓ５０）より先に実施してもよい。また、水素原子および窒素原子を含有する雰囲気ガスを用いる熱処理を実施することにより、水素アニール工程（Ｓ７０）と窒素アニール工程（Ｓ５０）とを同時に実施してもよい。
　また、上述した実施の形態３、４においては、半導体装置１として横型ＭＯＳＦＥＴを示したが、当該実施の形態３、４の特徴は図８に示した縦型ＤｉＭＯＳＦＥＴに適用してもよい。すなわち、図８に示した半導体装置１において、酸化膜２６と、半導体層としてのｎ+領域２４、ｐ+領域２５、ｐ領域２３および耐圧保持層２２との界面から１０ｎｍ以内の領域における水素原子濃度の最大値、あるいは窒素原子と水素原子との合計濃度の最大値は１×１０21ｃｍ-3以上とすることができる。
　また、上記実施の形態１～４に示した半導体装置１を構成する基板２については、基板２のオフ方位を＜１１－２０＞方向±５°以下の範囲、あるいは基板２のオフ方位を＜０１－１０＞方向±５°以下の範囲とすることが好ましい。また、上述した実施の形態１～４における半導体装置１を構成する基板２について、基板２の主表面の面方位は、面方位{０３－３８}に対しオフ角が－３°以上＋５°以下であることがより好ましい。
　ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
　本発明に従った炭化ケイ素半導体装置としての半導体装置１は、面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板２と、半導体層（図１のｐ型層４、図８のｐ領域２３）と絶縁膜（図１の酸化膜８、図８の酸化膜２６）とを備える。半導体層（ｐ型層４、ｐ領域２３）は基板２上に形成され、炭化ケイ素からなる。絶縁膜（酸化膜８、２６）は、半導体層（チャネル領域を含むｐ型層４、ｐ領域２３）の表面に接触するように形成されている。半導体層と絶縁膜との界面（チャネル領域と酸化膜８、２６との界面）から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上である。
　このようにすれば、ゲート絶縁膜として作用する酸化膜８、２６とチャネル領域との界面近傍におけるチャネル領域でのキャリアの移動度（チャネル移動度）を、当該界面近傍に窒素原子を含有させない場合よりも大きくし、従来の珪素を用いた半導体装置よりも低いオン抵抗を実現することができる。このため、十分大きなチャネル移動度を示す、電気的特性の優れた半導体装置１を得ることができる。なお、上述のように窒素原子濃度の最大値を１×１０21ｃｍ-3以上としたのは、窒素原子濃度を上記値以上とすることで、チャネル移動度を実用上十分な値である５０ｃｍ２／Ｖｓ以上とすることができるためである。
　上記半導体装置１において、半導体層（図１のｐ型層４、図８のｐ領域２３）と絶縁膜（酸化膜８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域には水素原子が含有されていてもよい。この場合、当該領域における界面準位をより確実に低減することができる。
　本発明に従った炭化ケイ素半導体装置としての半導体装置１は、面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板２と、半導体層（図１３のｐ型層４、図８のｐ領域２３）と絶縁膜（図１３の酸化膜８、図８の酸化膜２６）とを備える。半導体層（ｐ型層４、ｐ領域２３）は基板２上に形成され、炭化ケイ素からなる。絶縁膜（酸化膜８、２６）は、半導体層（チャネル領域を含むｐ型層４、ｐ領域２３）の表面に接触するように形成されている。半導体層と絶縁膜との界面（たとえば図１３の境界領域４１に含まれる、チャネル領域と酸化膜８、２６との界面）から１０ｎｍ以内の領域における水素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上である。
　このようにすれば、ゲート絶縁膜として作用する酸化膜８、２６とチャネル領域との界面近傍におけるチャネル領域でのキャリアの移動度を、当該界面近傍に水素原子を含有させない場合よりも大きくし、従来の珪素を用いた半導体装置よりも低いオン抵抗を実現することができる。なお、上述のように水素原子濃度の最大値を１×１０21ｃｍ-3以上としたのは、水素原子濃度を上記値以上とすることで、チャネル移動度を実用上十分な値である５０ｃｍ２／Ｖｓ以上とすることができるためである。
　上記半導体装置１において、半導体層（図１３のｐ型層４、図８のｐ領域２３）と絶縁膜（図１３の酸化膜８、図８の酸化膜２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域には窒素原子が含有されていてもよい。この場合、当該領域における界面準位をより確実に低減することができる。
　本発明に従った炭化ケイ素半導体装置としての半導体装置１は、面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板２と、半導体層（図１５のｐ型層４、図８のｐ領域２３）と絶縁膜（図１５の酸化膜８、図８の酸化膜２６）とを備える。半導体層（ｐ型層４、ｐ領域２３）は基板２上に形成され、炭化ケイ素からなる。絶縁膜（酸化膜８、２６）は、半導体層（チャネル領域を含むｐ型層４、ｐ領域２３）の表面に接触するように形成されている。半導体層と絶縁膜との界面（たとえば図１５の境界領域５１に含まれる、チャネル領域と酸化膜８、２６との界面）から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上である。
　このようにすれば、ゲート絶縁膜として作用する酸化膜８、２６とチャネル領域との界面近傍におけるチャネル領域でのキャリアの移動度を、当該界面近傍に窒素原子および水素原子を含有させない場合よりも大きくし、従来の珪素を用いた半導体装置よりも低いオン抵抗を実現することができる。なお、上述のように窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値を１×１０21ｃｍ-3以上としたのは、当該合計濃度を上記値以上とすることで、チャネル移動度を実用上十分な値である５０ｃｍ２／Ｖｓ以上とすることができるためである。
　上記半導体装置１においては、伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくなっていることが好ましい。この場合、上記のような界面準位密度とすることでチャネル領域でのキャリアの移動度を十分大きくすることができる。なお、上記界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも大きくなっている場合には、当該半導体装置１におけるチャネル移動度が実用上十分な値と思われる５０ｃｍ２／Ｖｓを下回るため、上記のように界面準位密度の値は１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくすることが好ましい。
　上記半導体装置１において、基板２のオフ方位は＜１１－２０＞方向±５°以下の範囲であってもよい。また、炭化ケイ素からなる基板２が４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ基板であってもよい。また、上記半導体装置１において、基板２のオフ方位が＜０１－１０＞方向±５°以下の範囲であってもよい。この場合、上述したオフ方位は４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ基板における代表的なオフ方位であり、ＳｉＣ基板上へのエピタキシャル層の形成などを容易に行なうことができる。なお、オフ方位の範囲をそれぞれ±５°以下としたのは、基板スライス時の加工ばらつきを考慮したためである。
　上記半導体装置１において、基板２の主表面の面方位は、面方位｛０３－３８｝に対しオフ角が－３°以上＋５°以下であってもよい。また、より好ましくは基板の主表面の面方位が実質的に｛０３－３８｝であり、さらに好ましくは基板の主表面の面方位が｛０３－３８｝である。ここで、基板の主表面が実質的に｛０３－３８｝であるとは、基板の加工精度などにより実質的に面方位が｛０３－３８｝とみなせるオフ角の範囲に基板の主表面の面方位が入っていることを意味し、この場合のオフ角の範囲としてはたとえば｛０３－３８｝に対してオフ角が±２°といった範囲である。この場合、上述したキャリア移動度（チャネル移動度）を最も大きくすることができる。
　なお、面方位｛０３－３８｝に対する任意の方向でのオフ角の範囲を－３°以上＋５°以下としたのは、後述するデータからも明らかなように、良好なキャリア移動度（チャネル移動度）と考えられる９０ｃｍ2／Ｖｓ程度以上のチャネル移動度を示すオフ角度の範囲が少なくとも上記範囲と考えられるためである。
　この発明に従った炭化ケイ素半導体装置の製造方法では、まず面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板２を準備する工程（基板準備工程（Ｓ１０））を実施する。基板２上に半導体層を形成する工程（エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０））を実施する。さらに、半導体層の表面に接触するように絶縁膜を形成する工程（ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０））を実施する。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となるように窒素原子濃度を調整する工程（窒素アニール工程（Ｓ５０））を実施する。このようにすれば、本発明に従った、キャリア移動度（チャネル移動度）の増大した半導体装置１を容易に製造することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、半導体層（ｐ型層４、ｐ領域２３）と絶縁膜（酸化膜８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域に水素原子を含有させる工程（たとえば図１６または図１７の水素アニール工程（Ｓ７０））をさらに備えていてもよい。この場合、上記領域において、窒素原子に加えて水素原子を含有する炭化ケイ素半導体装置を容易に製造することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、水素原子を含有させる工程（水素アニール工程（Ｓ７０））は、絶縁膜（酸化膜８、２６）が形成された基板を、水素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含む。この場合、半導体層（チャネル領域を含むｐ型層４、ｐ領域２３）と酸化膜８、２６との界面近傍における水素原子濃度を容易に調整することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、水素原子を含有させる工程（水素アニール工程（Ｓ７０））は、水素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程の後、不活性ガスを雰囲気ガスとして用いて基板を熱処理する工程を含んでいてもよい。この場合、半導体装置１のキャリア移動度をより増大させることができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、窒素アニール工程（Ｓ５０）は、絶縁膜（酸化膜８、２６）が形成された基板２を、窒素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含んでいてもよい。この場合、半導体層（チャネル領域を含むｐ型層４、ｐ領域２３）と酸化膜８、２６との界面近傍における窒素原子濃度を容易に調整することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、窒素アニール工程（Ｓ５０）は、上述した窒素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程の後、不活性ガス（Ａｒガス）を雰囲気ガスとして用いて基板２を熱処理する工程を含んでいてもよい。この場合、半導体装置１のキャリア移動度をより増大させることができる。
　この発明に従った炭化ケイ素半導体装置の製造方法では、まず面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板２を準備する工程（基板準備工程（Ｓ１０））を実施する。基板２上に半導体層を形成する工程（エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０））を実施する。さらに、半導体層の表面に接触するように絶縁膜を形成する工程（ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０））を実施する。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における水素原子素濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となるように水素原子濃度を調整する工程（水素アニール工程（Ｓ７０））を実施する。このようにすれば、本発明に従った、キャリア移動度（チャネル移動度）の増大した半導体装置１を容易に製造することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、半導体層（ｐ型層４、ｐ領域２３）と絶縁膜（酸化膜８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域に窒素原子を含有させる工程（窒素アニール工程（Ｓ５０））をさらに備えていてもよい。この場合、上記領域において、水素原子に加えて窒素原子を含有する炭化ケイ素半導体装置を容易に製造することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、窒素原子を含有させる工程（窒素アニール工程（Ｓ５０））は、絶縁膜（酸化膜８、２６）が形成された基板を、窒素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含む。この場合、半導体層（チャネル領域を含むｐ型層４、ｐ領域２３）と酸化膜８、２６との界面近傍における窒素原子濃度を容易に調整することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、窒素原子を含有させる工程（窒素アニール工程（Ｓ５０））は、窒素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程の後、不活性ガスを雰囲気ガスとして用いて前記基板を熱処理する工程を含んでいてもよい。この場合、半導体装置１のキャリア移動度をより増大させることができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、水素原子濃度を調整する工程（水素アニール工程（Ｓ７０））は、絶縁膜（酸化膜８、２６）が形成された基板を、水素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含んでいてもよい。この場合、半導体層（チャネル領域を含むｐ型層４、ｐ領域２３）と酸化膜８、２６との界面近傍における水素原子濃度を容易に調整することができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、水素原子濃度を調整する工程（水素アニール工程（Ｓ７０））は、水素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程の後、不活性ガスを雰囲気ガスとして用いて基板を熱処理する工程を含んでいてもよい。この場合、半導体装置１のキャリア移動度をより増大させることができる。
　上記炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、水素原子を含有するガスは水蒸気もしくは水蒸気含有酸素ガスであってもよい。この場合、入手や取扱いが容易な水蒸気を雰囲気ガスとして用いるので、上記水素アニール工程（Ｓ７０）を比較的容易に行なうことができる。
　この発明に従った炭化ケイ素半導体装置の製造方法では、まず面方位｛０００１｝に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板２を準備する工程（基板準備工程（Ｓ１０））を実施する。基板２上に半導体層を形成する工程（エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０））を実施する。さらに、半導体層の表面に接触するように絶縁膜を形成する工程（ゲート絶縁膜形成工程（Ｓ４０））を実施する。半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値が１×１０21ｃｍ-3以上となるように合計濃度を調整する工程（窒素アニール工程（Ｓ５０）および水素アニール工程（Ｓ７０））を実施する。このようにすれば、本発明に従った、キャリア移動度（チャネル移動度）の増大した半導体装置１を容易に製造することができる。
　（実施例１）
　以下、本発明の効果を確認するために行なった実験の内容を説明する。
　（試料について）
　図１に示した構造の半導体装置を、試料として以下のように作製した。すなわち、厚みが４００μｍのｎ型炭化ケイ素基板２に、厚みが１０μｍのエピタキシャル層３を形成し、当該エピタキシャル層３上に厚みが１μｍのｐ型層４を形成した。そして、ｎ+領域５、６のｎ型の導電性不純物としてリン（Ｐ）を注入し、この不純物濃度として１×１０20ｃｍ-3といった値を用いた。また、このｎ+領域５、６の間の距離であるゲート長（チャネル長Ｌg）を１００μｍとした。また、ゲート幅（チャネル幅）を２００μｍとした。
　そして、本発明の実施例１の試料として、ドライ酸化処理により酸化膜を形成した後、窒素アニールを行なった試料を作製した。また、本発明の実施例２の試料として、酸化膜を形成した後、窒素アニールを行ない、さらに不活性ガスとしてのアルゴンガスを雰囲気として用いたアニール処理（アルゴンアニール処理）を行なった試料を作製した。ここで、酸化膜８を形成するためのドライ酸化処理の条件としては、加熱温度を１２００℃、加熱時間を３０分という条件を用いた。また、本発明の実施例１の試料における窒素アニール工程では、雰囲気ガスとして一酸化窒素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。また、本発明の実施例２の試料については、窒素アニール工程として、雰囲気ガスに一酸化窒素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を１２０分とした。そして、本発明の実施例２の試料におけるアルゴンアニール処理については、アルゴンガスを雰囲気ガスとして用いて、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分という条件を用いた。
　また、ゲート絶縁膜を形成した後に窒素アニール工程を行なわない試料を比較例の試料として作製した。上述した実施例１の酸化膜の厚みは４０ｎｍ、実施例２の酸化膜の厚みは４６ｎｍ、比較例の酸化膜の厚みは３３ｎｍであった。
　そして、上述のような絶縁膜を形成した後、本発明の実施の形態１における製造方法と同様に、図１に示すようにソース電極１１およびドレイン電極１２、さらにゲート絶縁膜としての酸化膜８上にゲート電極１０を形成した。ソース電極１１およびドレイン電極１２の材料はニッケル（Ｎｉ）であり、その厚みは０．１μｍとした。また、ゲート電極１０の材料としてはアルミニウム（Ａｌ）を用いて、その厚みは１μｍとした。
　（測定方法）
　上述した各試料について、酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面近傍における窒素原子濃度の深さ方向での分布を測定した。測定方法としては、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により測定を行なった。また、形成された半導体装置において、チャネル移動度の測定を行なった。測定方法としては、以下のような方法を用いた。すなわち、ソース－ドレイン間電圧ＶDS＝０．１Ｖとし、ゲート電圧ＶGを印加してソース－ドレイン間電流ＩDSを測定した（ゲート電圧依存性を測定した）。そして、ｇm＝（δＩDS）／（δＶG）として、
チャネル移動度μ＝ｇｍ×（Ｌ×ｄ）／（Ｗ×ε×ＶDS）
（ここで、Ｌ：ゲート長、ｄ：酸化膜厚、Ｗ：ゲート幅、ε：酸化膜の誘電率）
という式からチャネル移動度のゲート電圧に対する最大値を求めた。
　（測定結果）
　深さ方向における窒素原子の濃度分布は、基本的には図１８に示すような分布となった。図１８において、横方向は酸化膜の表面からの深さを示し、単位はｎｍである。また、縦軸は窒素原子濃度（単位はｃｍ-3）を示す。図１８からわかるように、窒素原子濃度は酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面部において最も高くなっている。そして、当該窒素原子は、酸化膜８とｐ型層４との界面を中心として±１０ｎｍの範囲内に分布していることがわかる。なお、図１８には実施例１についての測定データを示したが、実施例２についてもほぼ同様の窒素原子濃度分布を示した。ただし、実施例２では、窒素原子濃度の最大値（ピーク値）は実施例１よりも高くなっていた。
　次に、チャネルにおける移動度の測定結果を図１９に示す。図１９における横軸は各試料において測定された窒素原子濃度のピーク値（窒素原子のピーク濃度）を示している。単位はｃｍ-3である。また、図１９の縦軸は、測定した半導体装置のチャネル移動度（ＭＯＳチャネル移動度）を示している。単位はｃｍ2／Ｖｓである。
　図１９に示すように、比較例の試料においては窒素原子のピーク濃度が最も低いと同時に、チャネル移動度の値も最も低くなっていた。一方、実施例１および実施例２の試料については、いずれも窒素原子のピーク濃度は比較例の試料よりも高くなると同時に、チャネル移動度の値も大きくなっていた。そして、実施例１と実施例２とを比較した場合には、窒素原子のピーク濃度がより大きくなっている実施例２の方がチャネル移動度の値も実施例１より大きくなっている。
　ここで、ケイ素を用いた従来のＭＯＳＦＥＴと比較して、より低オン抵抗にするためには、チャネル移動度として必要最低限の値は５０ｃｍ2／Ｖｓと考えられる。このため、プロセスのばらつきなどを考慮しても、図１９から窒素原子のピーク濃度は１×１０21ｃｍ-3以上とすれば、十分なチャネル移動度の値を実現することができると考えられる。
　（実施例２）
　次に、基板２のオフ角度とチャネル移動度との関係を確認した。以下具体的に説明する。
　（試料）
　上述した実施例２の試料の製造方法と同様の製造方法を用いて、試料を作製した。具体的には、用いる主表面の面方位が異なる基板を用いて、比較例としての試料を４種類、本発明の実施例としての試料を３種類作製した。すなわち、比較例１として、基板の主表面の面方位が（０００１）のオフ角が８°となっている炭化ケイ素基板（（０００１）の８°オフ基板）を用いたもの、比較例２として基板の主表面の面方位が（０１－１５）で表わされる基板を用いたもの、比較例３として基板の主表面の面方位が（０１－１４）で表わされる基板を用いたもの、比較例４として、基板の主表面を表わす面方位が（０００１）のオフ角が７０°となっている基板を用いたものを準備した。また、本発明の実施例としては、実施例１として基板の主表面の面方位が（０１－１３）で表わされる基板を用いたもの、実施例２として基板の主表面の面方位が（０３－３８）で表わされる基板を用いたもの、実施例３として基板の主表面の面方位が（０１－１２）で表わされる基板を用いたものを準備した。そして、これらの異なる基板を用いて、同様の構造の半導体装置を上述した試料として形成した。
　（測定方法）
　上述した各試料について、チャネル移動度を測定した。チャネル移動度の測定方法は、基本的には実施例１におけるチャネル移動度の測定方法と同様の方法を用いた。
　（測定結果）
　測定結果を図２０に示す。図２０における横軸は、各試料を構成する基板の主表面の、面方位｛０００１｝に対するオフ角度（単位：°）を示し、縦軸は図１９の縦軸と同様にチャネル移動度（単位：ｃｍ2／Ｖｓ）を示している。図２０からもわかるように、本発明の実施例に対応するオフ角度（５０°以上６５°以下）の範囲の実施例１～３の試料においては、チャネル移動度の値が比較例に比べて大きく向上していることがわかる。
　（実施例３）
　次に、水素原子を半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域に含有させた場合の効果を確認するため行なった実験の内容を説明する。
　（試料について）
　図１に示した構造の半導体装置を、試料として以下のように作製した。すなわち、厚みが４００μｍのｎ型炭化ケイ素基板２に、厚みが１０μｍのエピタキシャル層３を形成し、当該エピタキシャル層３上に厚みが１μｍのｐ型層４を形成した。そして、ｎ+領域５、６のｎ型の導電性不純物としてリン（Ｐ）を注入し、この不純物濃度として１×１０20ｃｍ-3といった値を用いた。また、このｎ+領域５、６の間の距離であるゲート長（チャネル長Ｌg）を１００μｍとした。また、ゲート幅（チャネル幅）を２００μｍとした。
　そして、本発明の実施例１の試料として、ドライ酸化処理により酸化膜を形成した後、水素アニールを行なった試料を作製した。また、本発明の実施例２の試料として、酸化膜を形成した後、水素アニールを行ない、さらに不活性ガスとしてのアルゴンガスを雰囲気として用いたアニール処理（アルゴンアニール処理）を行なった試料を作製した。ここで、酸化膜８を形成するためのドライ酸化処理の条件としては、加熱温度を１２００℃、加熱時間を３０分という条件を用いた。また、本発明の実施例１の試料における水素アニール工程では、雰囲気ガスとして水素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。また、本発明の実施例２の試料については、水素アニールの条件として雰囲気ガスとして水素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を１２０分という条件を用いた。また、実施例２の試料におけるアルゴンアニール処理については、雰囲気ガスにアルゴンガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。
　また、ゲート絶縁膜を形成した後に水素アニール工程を行なわない試料を比較例の試料として作製した。なお、上述した実施例１の酸化膜の厚みは４０ｎｍ、実施例２の酸化膜の厚みは４５ｎｍ、比較例の酸化膜の厚みは３３ｎｍであった。
　そして、上述のような絶縁膜を形成した後、本発明の実施の形態１における製造方法と同様に、図１に示すようにソース電極１１およびドレイン電極１２、さらにゲート絶縁膜としての酸化膜８上にゲート電極１０を形成した。ソース電極１１およびドレイン電極１２の材料はニッケル（Ｎｉ）であり、その厚みは０．１μｍとした。また、ゲート電極１０の材料としてはアルミニウム（Ａｌ）を用いて、その厚みは１μｍとした。
　（測定方法）
　上述した各試料について、すでに述べた実施例１の試験における測定方法と同様の方法により、酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面近傍における水素原子濃度の深さ方向での分布を測定した。つまり、測定方法としては、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）を用いた。また、形成された半導体装置において、チャネル移動度の測定を行なった。測定方法としては、実施例１の試験における測定方法と同様の方法を用いた。
　（測定結果）
　深さ方向における水素原子の濃度分布は、基本的には図１８に示した窒素原子の濃度分布と同様の分布となった。つまり、図１８に示した窒素原子濃度の分布と同様に、水素原子濃度は酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面部において最も高くなり、その値も１×１０21ｃｍ-3以上となっていた。そして、当該水素原子は、酸化膜８とｐ型層４との界面を中心として±１０ｎｍの範囲内に分布していた。なお、上述した実施例１および実施例２の両方の試料とも、ほぼ同様の水素原子濃度分布を示した。ただし、実施例２の試料では、水素原子濃度の最大値（ピーク値）は実施例１の試料よりも高くなっていた。
　次に、チャネルにおける移動度の測定結果についても、先に説明した図１９に示す、窒素原子濃度のピークの値と、チャネル移動度との関係と類似の関係を示していた。
　つまり、図１９の場合と同様に、比較例の試料においては水素原子のピーク濃度が最も低いと同時に、チャネル移動度の値も最も低くなっていた。一方、実施例１および実施例２の試料については、いずれも水素原子のピーク濃度は比較例の試料よりも高くなると同時に、チャネル移動度の値も大きくなっていた。そして、実施例１と実施例２とを比較した場合には、水素原子のピーク濃度がより大きくなっている実施例２の方がチャネル移動度の値も実施例１より大きくなっている。なお、水素原子のピーク濃度とチャネル移動度との関係を示したデータを近似する近似線を当該グラフ中にプロットすると、図１９に示したグラフ中の近似線（曲線）とほぼ同様の曲線となった。
　ここで、ケイ素を用いた従来のＭＯＳＦＥＴと比較して、より低オン抵抗にするためには、チャネル移動度として必要最低限の値は５０ｃｍ2／Ｖｓと考えられる。このため、プロセスのばらつきなどを考慮しても、窒素原子のピーク濃度に関する場合と同様に、水素原子のピーク濃度は１×１０21ｃｍ-3以上とすれば、十分なチャネル移動度の値を実現することができると考えられる。
　（実施例４）
　次に、熱処理の雰囲気ガスとして水蒸気を用いて、水素原子を半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域に含有させた実験の内容を説明する。
　（試料について）
　図１に示した構造の半導体装置を、試料として作製した。試料の作成方法は、基本的には上述した実施例３における試料の作成方法と同様である。すなわち、厚みが４００μｍのｎ型炭化ケイ素基板２に、厚みが１０μｍのエピタキシャル層３を形成し、当該エピタキシャル層３上に厚みが１μｍのｐ型層４を形成した。そして、ｎ+領域５、６のｎ型の導電性不純物としてリン（Ｐ）を注入し、この不純物濃度として１×１０20ｃｍ-3といった値を用いた。また、このｎ+領域５、６の間の距離であるゲート長（チャネル長Ｌg）を１００μｍとした。また、ゲート幅（チャネル幅）を２００μｍとした。
　そして、本発明の実施例１の試料として、ドライ酸化処理により酸化膜を形成した後、水蒸気含有酸素ガスアニールを行なった試料を作製した。また、本発明の実施例２の試料として、酸化膜を形成した後、水蒸気含有酸素ガスアニールを行ない、さらに不活性ガスとしてのアルゴンガスを雰囲気として用いたアニール処理（アルゴンアニール処理）を行なった試料を作製した。ここで、酸化膜８を形成するためのドライ酸化処理の条件としては、加熱温度を１２００℃、加熱時間を３０分という条件を用いた。また、本発明の実施例１の試料における水蒸気含有酸素ガスアニール工程では、雰囲気ガスとして水蒸気を含む酸素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。また、本発明の実施例２の試料については、水蒸気含有酸素ガスアニールの条件として、雰囲気ガスとして水蒸気を含む酸素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を１２０分という条件を用いた。また、実施例２の試料におけるアルゴンアニール処理については、雰囲気ガスにアルゴンガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。
　また、ゲート絶縁膜を形成した後に水蒸気含有酸素ガスアニール工程を行なわない試料を比較例の試料として作製した。なお、上述した実施例１の酸化膜の厚みは４０ｎｍ、実施例２の酸化膜の厚みは４４ｎｍ、比較例の酸化膜の厚みは３３ｎｍであった。
　そして、上述のような絶縁膜を形成した後、本発明の実施の形態１における製造方法と同様に、図１に示すようにソース電極１１およびドレイン電極１２、さらにゲート絶縁膜としての酸化膜８上にゲート電極１０を形成した。ソース電極１１およびドレイン電極１２の材料はニッケル（Ｎｉ）であり、その厚みは０．１μｍとした。また、ゲート電極１０の材料としてはアルミニウム（Ａｌ）を用いて、その厚みは１μｍとした。
　（測定方法）
　上述した各試料について、すでに述べた実施例１の試験における測定方法と同様の方法により、酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面近傍における水素原子濃度の深さ方向での分布を測定した。つまり、測定方法としては、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）を用いた。また、形成された半導体装置において、チャネル移動度の測定を行なった。測定方法としては、実施例１の試験における測定方法と同様の方法を用いた。
　（測定結果）
　深さ方向における水素原子の濃度分布は、実施例３の試験の場合と同様に、基本的には図１８に示した窒素原子の濃度分布と同様の分布となった。つまり、図１８に示した窒素原子濃度の分布と同様に、水素原子濃度は酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面部において最も高くなり、その値も１×１０21ｃｍ-3以上となっていた。そして、当該水素原子は、酸化膜８とｐ型層４との界面を中心として±１０ｎｍの範囲内に分布していた。なお、上述した実施例１および実施例２の両方の試料とも、ほぼ同様の水素原子濃度分布を示した。ただし、実施例２の試料では、水素原子濃度の最大値（ピーク値）は実施例１の試料よりも高くなっていた。
　次に、チャネルにおける移動度の測定結果についても、先に説明した図１９に示す、窒素原子濃度のピークの値と、チャネル移動度との関係と類似の関係を示していた。
　つまり、図１９の場合と同様に、比較例の試料においては水素原子のピーク濃度が最も低いと同時に、チャネル移動度の値も最も低くなっていた。一方、実施例１および実施例２の試料については、いずれも水素原子のピーク濃度は比較例の試料よりも高くなると同時に、チャネル移動度の値も大きくなっていた。そして、実施例１と実施例２とを比較した場合には、水素原子のピーク濃度がより大きくなっている実施例２の方がチャネル移動度の値も実施例１より大きくなっている。なお、水素原子のピーク濃度とチャネル移動度との関係を示したデータを近似する近似線を当該グラフ中にプロットすると、図１９に示したグラフ中の近似線（曲線）とほぼ同様の曲線となった。
　ここで、ケイ素を用いた従来のＭＯＳＦＥＴと比較して、より低オン抵抗にするためには、チャネル移動度として必要最低限の値は５０ｃｍ2／Ｖｓと考えられる。このため、プロセスのばらつきなどを考慮しても、窒素原子のピーク濃度に関する場合と同様に、水素原子のピーク濃度は１×１０21ｃｍ-3以上とすれば、十分なチャネル移動度の値を実現することができると考えられる。
　（実施例５）
　次に、熱処理の雰囲気ガスとして窒素原子および水素原子を含有するガスを用いて、窒素原子および水素原子を半導体層と絶縁膜との界面から１０ｎｍ以内の領域に含有させた実験の内容を説明する。
　（試料について）
　図１に示した構造の半導体装置を、試料として作製した。試料の作成方法は、基本的には上述した実施例３における試料の作成方法と同様である。すなわち、厚みが４００μｍのｎ型炭化ケイ素基板２に、厚みが１０μｍのエピタキシャル層３を形成し、当該エピタキシャル層３上に厚みが１μｍのｐ型層４を形成した。そして、ｎ+領域５、６のｎ型の導電性不純物としてリン（Ｐ）を注入し、この不純物濃度として１×１０20ｃｍ-3といった値を用いた。また、このｎ+領域５、６の間の距離であるゲート長（チャネル長Ｌg）を１００μｍとした。また、ゲート幅（チャネル幅）を２００μｍとした。
　そして、本発明の参考例の試料として、ドライ酸化処理により酸化膜を形成した後、窒素アニールを行なった試料を作製した。また、本発明の実施例１の試料として、酸化膜を形成した後、窒素アニールを行ない、さらに水素アニールを行なった試料を作製した。また、本発明の実施例２の試料として、酸化膜を形成した後、上記参考例の試料とは異なる条件で窒素アニールを行なった試料を作製した。また、本発明の実施例３の試料として、酸化膜を形成した後、上記実施例１の条件とは異なる条件で窒素アニールを行ない、さらに水素アニールを行なった試料を作製した。ここで、酸化膜８を形成するためのドライ酸化処理の条件としては、加熱温度を１２００℃、加熱時間を３０分という条件を用いた。また、本発明の参考例の試料における窒素アニール工程では、雰囲気ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を２０分とした。また、本発明の実施例１の試料については、窒素アニール工程の条件として、雰囲気ガスとして一酸化窒素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を２０分という条件を用いた。また、実施例１の試料における水素アニール処理については、雰囲気ガスに水素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を３０分とした。また、実施例２の試料における窒素アニール工程では、雰囲気ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。また、本発明の実施例３の試料については、窒素アニール工程の条件として、雰囲気ガスとして一酸化窒素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分という条件を用いた。また、実施例３の試料における水素アニール処理については、雰囲気ガスに水素ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を３０分とした。
　また、ゲート絶縁膜を形成した後に窒素アニール工程および水素アニール工程を行なわない試料を比較例の試料として作製した。なお、上述した参考例の酸化膜の厚みは４１ｎｍ、実施例１の酸化膜の厚みは４５ｎｍ、実施例２の酸化膜の厚みは４１ｎｍ、実施例３の酸化膜の厚みは４５ｎｍ、比較例の酸化膜の厚みは３３ｎｍであった。
　そして、上述のような絶縁膜を形成した後、本発明の実施の形態１における製造方法と同様に、各試料について図１に示すようにソース電極１１およびドレイン電極１２、さらにゲート絶縁膜としての酸化膜８上にゲート電極１０を形成した。ソース電極１１およびドレイン電極１２の材料はニッケル（Ｎｉ）であり、その厚みは０．１μｍとした。また、ゲート電極１０の材料としてはアルミニウム（Ａｌ）を用いて、その厚みは１μｍとした。
　（測定方法）
　上述した各試料について、すでに述べた実施例１の試験における測定方法と同様の方法により、酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面近傍における窒素原子および水素原子の合計濃度の深さ方向での分布を測定した。つまり、測定方法としては、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）を用いた。また、形成された半導体装置において、チャネル移動度の測定を行なった。測定方法としては、実施例１の試験における測定方法と同様の方法を用いた。
　（測定結果）
　深さ方向における窒素原子および水素原子の合計濃度分布は、基本的には図１８に示した窒素原子の濃度分布と同様の分布となった。つまり、図１８に示した窒素原子濃度の分布と同様に、窒素原子および水素原子の合計濃度は酸化膜８と半導体層としてのｐ型層４との界面部において最も高くなっていた。そして、当該窒素原子および水素原子は、酸化膜８とｐ型層４との界面を中心として±１０ｎｍの範囲内に分布していた。
　なお、上述した参考例の試料における窒素原子濃度のピーク値（最大値）は７×１０20ｃｍ-3であった。また、実施例１の試料における窒素原子濃度のピーク値は７×１０20ｃｍ-3であり、水素原子濃度のピーク値（最大値）は７×１０20ｃｍ-3であった。また、窒素原子と水素原子との濃度ピークの位置は重なっていた。つまり、実施例１の試料における窒素原子および水素原子の合計濃度のピーク値は１．４×１０21ｃｍ-3であった。
　また、上述した実施例２の試料における窒素原子濃度のピーク値（最大値）は２×１０21ｃｍ-3であった。また、実施例３の試料における窒素原子濃度のピーク値は２×１０21ｃｍ-3であり、水素原子濃度のピーク値（最大値）は１×１０21ｃｍ-3であった。また、窒素原子と水素原子との濃度ピークの位置は重なっていた。つまり、実施例３の試料における窒素原子および水素原子の合計濃度のピーク値は３×１０21ｃｍ-3であった。
　次に、チャネルにおける移動度の測定結果についても、先に説明した図１９に示す、窒素原子濃度のピークの値と、チャネル移動度との関係と類似の関係を示していた。チャネルにおける移動度の測定結果を図２１に示す。図２１における横軸は各試料において測定された窒素原子および水素原子の合計濃度のピーク値（ピーク濃度）を示している。単位はｃｍ-3である。また、図２１の縦軸は、測定した半導体装置のチャネル移動度（ＭＯＳチャネル移動度）を示している。単位はｃｍ2／Ｖｓである。
　図２１に示すように、比較例の試料においては窒素原子のピーク濃度が最も低いと同時に、チャネル移動度の値も最も低くなっていた。一方、実施例１～実施例３の試料については、いずれも窒素原子および水素原子の合計濃度のピーク値は比較例の試料よりも高くなると同時に、チャネル移動度の値も大きくなっていた。そして、実施例１～実施例３を比較した場合には、窒素原子および水素原子の合計濃度のピーク値（ピーク濃度）がより大きくなっている試料の方がチャネル移動度の値も大きくなっている。
　ここで、ケイ素を用いた従来のＭＯＳＦＥＴと比較して、より低オン抵抗にするためには、すでに述べたようにチャネル移動度として必要最低限の値は５０ｃｍ2／Ｖｓと考えられる。このため、プロセスのばらつきなどを考慮しても、窒素原子のピーク濃度に関する場合と同様に、窒素原子および水素原子の合計濃度のピーク値（ピーク濃度）は１×１０21ｃｍ-3以上とすれば、十分なチャネル移動度の値を実現することができると考えられる。
　（実施例６）
　本発明の効果を確認するため、半導体装置を試作し、当該半導体装置の半導体層と絶縁膜との界面の界面準位を評価した。
　（試料について）
　図２２に示した半導体装置はＭＯＳキャパシタであって、ｎ型炭化ケイ素基板である基板２と、当該基板２上に形成されたバッファ層２１と、バッファ層２１上に形成された耐圧保持層２２と、耐圧保持層２２上に形成された酸化膜２６と、酸化膜上に形成されたゲート電極１０と、基板２の裏面（バッファ層２１が形成された表面と反対側の裏面）に形成された裏面電極３１とを備える。
　上記半導体装置は、以下のような工程により製造した。すなわち、厚みが４００μｍのｎ型炭化ケイ素からなる基板２の表面に、ｎ型の炭化ケイ素エピタキシャル層からなるバッファ層２１を形成した。基板２の比抵抗は０．０２Ω・ｃｍである。当該バッファ層２１の厚みは０．５μｍであり、ｎ型不純物濃度は５×１０17ｃｍ-3とした。そして、バッファ層２１上に厚みが１０μｍのｎ型炭化ケイ素エピタキシャル層３を形成し、耐圧保持層２２とした。耐圧保持層２２のｎ型不純物濃度は５×１０15ｃｍ-3とした。
　そして、本発明の実施例として、耐圧保持層２２の表面にドライ酸化処理により酸化膜２６を形成した後、窒素アニールを行なった試料を作製した。ここで、酸化膜２６を形成するためのドライ酸化処理の条件としては、加熱温度を１２００℃、加熱時間を３０分という条件を用いた。また、本発明の実施例の試料における窒素アニール工程では、雰囲気ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。
　また、酸化膜２６を形成した後に窒素アニール工程を行なわない試料を比較例の試料として作製した。なお、上述した実施例の酸化膜２６の厚みは４０ｎｍであり、比較例の酸化膜２６の厚みは３３ｎｍであった。
　そして、上述のように絶縁膜としての酸化膜２６を形成した後、図２２に示すように基板２の裏面にオーミック電極である裏面電極３１を、またゲート絶縁膜としての酸化膜２６上にゲート電極１０を形成した。裏面電極３１を構成する材料はニッケル（Ｎｉ）であり、その厚みは０．１μｍとした。また、当該裏面電極３１については、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で加熱温度９５０℃、加熱時間２分というアロイ処理（熱処理）を行なった。また、ゲート電極１０を構成する材料はアルミニウム（Ａｌ）であり、その厚みは１μｍとした。また、ゲート電極１０の平面形状は円形状であり、その直径は８００μｍである。このような工程を実施することにより、図２２に示す半導体装置の構成を備える実施例および比較例の試料を得ることができる。
　（測定方法）
　図２２に示した半導体装置（ＭＯＳキャパシタ）の構成を備える上記実施例及び比較例の試料について、容量－電圧特性（ＣＶ特性）を測定した。なお、高周波ＣＶ測定は測定周波数を１ＭＨｚとした。また、低周波ＣＶ測定は、ＱｕａｓｉｓｔａｔｉｃＣＶ測定法により行なった。なお、ＭＯＳ界面の半導体側に形成される空乏層による容量Ｃｓについては、ポアソン方程式を解くことにより求めた。このとき、反転状態は考慮せず、深い空乏状態を仮定した。
　また、上記実施例および比較例の試料について、Ｈｉｇｈ－Ｌｏｗ法を用いて界面準位密度を算出した。以下、Ｈｉｇｈ－Ｌｏｗ法を用いた界面準位密度の算出方法の概略を示す。
　上述した高周波ＣＶ測定において、比較的、放出時定数の大きな界面準位による容量Ｃｉｔは容量成分としては現れない。一方、界面準位への電子の捕獲・放出が応答できるような低い周波数で得られたＣＶ測定（低周波ＣＶ測定）においては、高周波ＣＶ測定における容量に界面準位による容量が加算された値として、容量が観測される。ここで、低周波ＣＶ測定で得られた容量は、酸化膜容量、空乏層容量、界面準位容量の情報が含まれる。そのため、低周波ＣＶ測定により得られた容量ＣＬＦは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
という数式（１）により表される。
　しかし、上述のように高周波ＣＶ測定では界面準位容量は応答しない（検出されない）ので、高周波ＣＶ測定により得られた容量ＣＨＦは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
という数式（２）により表される。
　したがって、上記数式（１）、（２）より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
という数式（３）より、界面準位密度Ｄｉｔを求めることができる。
　（測定結果）
　図２３～図２５を参照して、上記測定の結果を説明する。
　図２３および図２４に示したグラフでは、横軸が電圧であり縦軸は容量を示している。ただし、縦軸は容量は全体の容量Ｃを酸化膜容量Ｃｏｘで規格化して表示している。図２３および図２４から分かるように、図２３に示した本発明の実施例の試料では、高周波ＣＶ特性と低周波ＣＶ特性とで大きな差異は見られない。一方、図２４に示した比較例の試料では、高周波ＣＶ特性と低周波ＣＶ特性とで相対的に大きな差異が示されている。これは、比較例の試料の方が、実施例の試料より界面準位による容量（界面準位容量）の影響が大きくなっていると考えられる。
　そして、上述したＨｉｇｈ－Ｌｏｗ法により界面準密度を実施例および比較例の試料について算出した結果が図２５に示されている。図２５では、縦軸が界面準位密度を示し、横軸が伝導帯を基準としたエネルギーの値を示している。
　図２５から分かるように、実施例（窒素アニール有り）の試料の方が、いずれのエネルギーレベルにおいても比較例（窒素アニール無し）の試料より界面準位密度が低くなっている。また、伝導帯より０．１ｅＶ下のエネルギーレベルにおいても、実施例の試料の界面準位密度は１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくなっている。
　（実施例７）
　本発明の効果を確認するため、試料を作成して界面準位密度とＭＯＳチャネル移動度との関係を評価した。
　（試料について）
　図１に示した構造の半導体装置を、試料として以下のように作製した。すなわち、厚みが４００μｍのｎ型炭化ケイ素基板２に、厚みが１０μｍのエピタキシャル層３を形成し、当該エピタキシャル層３上に厚みが１μｍのｐ型層４を形成した。そして、ｎ+領域５、６のｎ型の導電性不純物としてリン（Ｐ）を注入し、この不純物濃度として１×１０20ｃｍ-3といった値を用いた。また、このｎ+領域５、６の間の距離であるゲート長（チャネル長Ｌg）を１００μｍとした。また、ゲート幅（チャネル幅）を２００μｍとした。
　そして、本発明の実施例１の試料として、ドライ酸化処理により酸化膜を形成した後、窒素アニールを行なった試料を作製した。また、本発明の実施例２の試料として、酸化膜を形成した後、窒素アニールを行ない、さらに不活性ガスとしてのアルゴンガスを雰囲気として用いたアニール処理（アルゴンアニール処理）を行なった試料を作製した。ここで、酸化膜８を形成するためのドライ酸化処理の条件としては、加熱温度を１２００℃、加熱時間を３０分という条件を用いた。また、本発明の実施例１の試料における窒素アニール工程では、雰囲気ガスとしてＮＯガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。また、本発明の実施例２の試料については、窒素アニール工程の条件としては雰囲気ガスとしてＮＯガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を１２０分という条件を用いた。また、実施例２の試料におけるアルゴンアニール処理については、雰囲気ガスにアルゴンガスを用い、加熱温度を１１００℃、加熱時間を６０分とした。
　また、ゲート絶縁膜を形成した後に水素アニール工程を行なわない試料を比較例の試料として作製した。なお、上述した実施例１の酸化膜の厚みは４０ｎｍ、実施例２の酸化膜の厚みは４６ｎｍ、比較例の酸化膜の厚みは３３ｎｍであった。
　そして、上述のような絶縁膜を形成した後、本発明の実施の形態１における製造方法と同様に、図１に示すようにソース電極１１およびドレイン電極１２、さらにゲート絶縁膜としての酸化膜８上にゲート電極１０を形成した。ソース電極１１およびドレイン電極１２の材料はニッケル（Ｎｉ）であり、その厚みは０．１μｍとした。また、ゲート電極１０の材料としてはアルミニウム（Ａｌ）を用いて、その厚みは１μｍとした。
　（測定方法）
　形成された半導体装置の試料において、チャネル移動度の測定を行なった。測定方法としては、実施例１の試験における測定方法と同様の方法を用いた。
　また、各試料について、上記実施例６の試験における方法と同様の方法により（つまり、高周波ＣＶ特性と低周波ＣＶ特性とのデータに基づいてＨｉｇｈ－Ｌｏｗ法を用いて）界面準位密度を算出した。
　（測定結果）
　測定結果を図２６に示す。図２６の横軸は、伝導帯より０．１ｅＶ下のエネルギーレベルにおける界面準位密度の値を示している。単位はｃｍ－２ｅＶ－１である。また、図２６の縦軸は、測定した半導体装置のチャネル移動度（ＭＯＳチャネル移動度）を示している。単位はｃｍ2／Ｖｓである。
　図２６からわかるように、界面準位密度が低くなるほど、チャネル移動度は大きくなっている。ここで、ケイ素を用いた従来のＭＯＳＦＥＴと比較して、より低オン抵抗にするためには、すでに述べたようにチャネル移動度として必要最低限の値は５０ｃｍ2／Ｖｓと考えられる。図２６では、チャネル移動度が５０ｃｍ2／Ｖｓとなる界面準位密度の範囲は７×１０11ｃｍ－２ｅＶ－１以下といった範囲であると見ることもできる。しかし、界面準位密度の測定値には一般に大きな誤差が含まれる場合があることから、発明者の経験によれば（伝導帯より０．１ｅＶ下での）界面準位密度を１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さくしておけば、十分なチャネル移動度を実現できると考えられる。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明は、ＭＯＳＦＥＴやＤｉＭＯＳＦＥＴなど、炭化ケイ素からなる半導体層に絶縁膜が接触して形成さる炭化ケイ素半導体装置に有利に適用される。

Claims (30)

  1. 　面方位{０００１}に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板（２）と、
    　前記基板（２）上に形成され、炭化ケイ素からなる半導体層（４、２３）と、
    　前記半導体層（４、２３）の表面に接触するように形成された絶縁膜（８、２６）とを備え、
    　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０２１ｃｍ－３以上である、炭化ケイ素半導体装置（１）。
  2. 　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の前記領域には水素原子が含有されている、請求の範囲第１項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  3. 　伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さいことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  4. 　前記基板（２）のオフ方位が＜１１－２０＞方向±５°以下の範囲である、請求の範囲第１項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  5. 　前記基板（２）のオフ方位が＜０１－１０＞方向±５°以下の範囲である、請求の範囲第１項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  6. 　前記基板（２）の主表面の面方位は、面方位{０３－３８}に対しオフ角が－３°以上＋５°以下である、請求の範囲第５項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  7. 　面方位{０００１}に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板（２）と、
    　前記基板（２）上に形成され、炭化ケイ素からなる半導体層（４、２３）と、
    　前記半導体層（４、２３）の表面に接触するように形成された絶縁膜（８、２６）とを備え、
    　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域における水素原子濃度の最大値が１×１０２１ｃｍ－３以上である、炭化ケイ素半導体装置（１）。
  8. 　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の前記領域には窒素原子が含有されている、請求の範囲第７項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  9. 　伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さいことを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  10. 　前記基板（２）のオフ方位が＜１１－２０＞方向±５°以下の範囲である、請求の範囲第７項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  11. 　前記基板（２）のオフ方位が＜０１－１０＞方向±５°以下の範囲である、請求の範囲第７項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  12. 　前記基板（２）の主表面の面方位は、面方位{０３－３８}に対しオフ角が－３°以上＋５°以下である、請求の範囲第１１項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  13. 　面方位{０００１}に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板（２）と、
    　前記基板（２）上に形成され、炭化ケイ素からなる半導体層（４、２３）と、
    　前記半導体層（４、２３）の表面に接触するように形成された絶縁膜（８、２６）とを備え、
    　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値が１×１０２１ｃｍ－３以上である、炭化ケイ素半導体装置（１）。
  14. 　伝導帯より０．１ｅＶ下での界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１よりも小さいことを特徴とする、請求の範囲第１３項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  15. 　前記基板（２）のオフ方位が＜１１－２０＞方向±５°以下の範囲である、請求の範囲第１３項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  16. 　前記基板（２）のオフ方位が＜０１－１０＞方向±５°以下の範囲である、請求の範囲第１３項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  17. 　前記基板（２）の主表面の面方位は、面方位{０３－３８}に対しオフ角が－３°以上＋５°以下である、請求の範囲第１６項に記載の炭化ケイ素半導体装置（１）。
  18. 　面方位{０００１}に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板（２）を準備する工程（Ｓ１０）と、
    　前記基板（２）上に半導体層（４、２３）を形成する工程（Ｓ２０）と、
    　前記半導体層（４、２３）の表面に接触するように絶縁膜（８、２６）を形成する工程（Ｓ４０）と、
    　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子濃度の最大値が１×１０２１ｃｍ－３以上となるように窒素原子濃度を調整する工程（Ｓ５０）とを備える、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  19. 　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の前記領域に水素原子を含有させる工程（Ｓ７０）をさらに備える、請求項１８に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  20. 　前記水素原子を含有させる工程は、前記絶縁膜（８、２６）が形成された前記基板（２）を、水素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含む、請求の範囲第１９項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  21. 　前記水素原子を含有するガスは水蒸気または水蒸気含有酸素である、請求の範囲第２０項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  22. 　前記窒素原子濃度を調整する工程（Ｓ５０）は、前記絶縁膜（８、２６）が形成された前記基板（２）を、窒素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含む、請求の範囲第１８項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  23. 　前記窒素原子濃度を調整する工程（Ｓ５０）は、前記窒素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程の後、不活性ガスを雰囲気ガスとして用いて前記基板を熱処理する工程を含む、請求の範囲第２２項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  24. 　面方位{０００１}に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板（２）を準備する工程（Ｓ１０）と、
    　前記基板（２）上に半導体層（４、２３）を形成する工程（Ｓ２０）と、
    　前記半導体層（４、２３）の表面に接触するように絶縁膜（８、２６）を形成する工程（Ｓ４０）と、
    　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域における水素原子濃度の最大値が１×１０２１ｃｍ－３以上となるように水素原子濃度を調整する工程（Ｓ７０）とを備える、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  25. 　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の前記領域に窒素原子を含有させる工程（Ｓ５０）をさらに備える、請求の範囲第２４項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  26. 　前記窒素原子を含有させる工程（Ｓ５０）は、前記絶縁膜（８、２６）が形成された前記基板（２）を、窒素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含む、請求の範囲第２５項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  27. 　前記水素原子濃度を調整する工程（Ｓ７０）は、前記絶縁膜（８、２６）が形成された前記基板（２）を、水素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程を含む、請求の範囲第２４項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  28. 　前記水素原子濃度を調整する工程（Ｓ７０）は、前記水素原子を含有するガスを雰囲気ガスとして用いて熱処理する工程の後、不活性ガスを雰囲気ガスとして用いて前記基板（２）を熱処理する工程を含む、請求の範囲第２７項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  29. 　前記水素原子を含有するガスは水蒸気または水蒸気含有酸素である、請求の範囲第２８項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
  30. 　面方位{０００１}に対しオフ角が５０°以上６５°以下である、炭化ケイ素からなる基板（２）を準備する工程（Ｓ１０）と、
    　前記基板（２）上に半導体層（４、２３）を形成する工程（Ｓ２０）と、
    　前記半導体層（４、２３）の表面に接触するように絶縁膜（８、２６）を形成する工程（Ｓ４０）と、
    　前記半導体層（４、２３）と前記絶縁膜（８、２６）との界面から１０ｎｍ以内の領域における窒素原子および水素原子の合計濃度の最大値が１×１０２１ｃｍ－３以上となるように前記合計濃度を調整する工程（Ｓ５０、Ｓ７０）とを備える、炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
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