DE112010001476B4 - Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils - Google Patents

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Abstract

Bei einem Siliciumcarbid-MOSFET kann ein Grenzflächenzustand, der an einer Grenzfläche zwischen einer Siliciumcarbidschicht und einer Gate-Isolierschicht entstanden ist, nicht ausreichend reduziert werden, und die Mobilität eines Ladungsträgers ist gesenkt. Um dieses Problem zu lösen, umfasst ein Siliciumcarbidhalbleiterbauteil gemäß dieser Erfindung einen Substrateinbringungsschritt des Einbringens eines Substrats, das eine Siliciumcarbidschicht umfasst, auf der eine Gate-Isolierschicht ausgebildet ist, in einen Ofen, und zwar so, dass das Substrat an einer vorbestimmten Stelle des Ofens angeordnet ist, und einen Erwärmungsschritt des Erwärmens des Ofens, wobei das Substrat in diesen eingebracht ist, während Stickstoffmonoxid und Stickstoff in diesen eingeleitet werden, wobei im Erwärmungsschritt der Stickstoff zur Reaktion gebracht wird, um eine Grenzfläche zwischen der Gate-Isolierschicht und der Siliciumcarbidschicht zu nitrieren.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbid-Vertikalfeldeffekttransistors, bei dem es sich um ein Siliciumcarbidhalbleiterbauteil handelt, und im Spezielleren auf ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbid-Vertikalfeldeffekttransistors für hohe elektrische Leistung mit gesenktem Durchlasswiderstand.
  • Stand der Technik
  • Siliciumcarbid hat ausgezeichnete physikalische Werte. Deshalb ist zu erwarten, dass Siliciumcarbid auf ein Leistungsbauteil mit hohem Druckwiderstand und geringem Verlust angewendet wird, wobei seine Eigenschaft genutzt wird.
  • Im Falle, dass Siliciumcarbid auf einen Siliciumcarbidvertikal-Metalloxidschicht-Halbleiterfeldeffekttransistor (Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistor: MOSFET), bei dem es sich um eine Art eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils handelt) angewendet wird, wird eine Gate-Isolierschicht wie etwa eine Siliciumdioxidschicht auf dem Siliciumcarbid ausgebildet.
  • Im Falle, dass die Siliciumdioxidschicht auf dem Siliciumcarbid ausgebildet wird, werden ein Verfahren des thermischen Oxidierens von Siliciumcarbid und ein Verfahren des Abscheidens der Siliciumdioxidschicht auf dem Siliciumcarbid verwendet. Wenn eines der beiden Verfahren eingesetzt wird, entsteht ein Grenzflächenzustand an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumcarbid und der Siliciumdioxidschicht. In manchen Fällen senkt der Grenzflächenzustand die Feldeffektmobilität des MOSFETs im Vergleich zur Mobilität in einer Siliciumcarbidmasse und erhöht den Widerstandswert des MOSFETs in einem Einschaltbetriebszustand, wodurch ein Verlust erhöht wird.
  • Um einen solchen Grenzflächenzustand, der in der Grenzfläche zwischen dem Siliciumcarbid und der Siliciumdioxidschicht entstanden ist, unwirksam zu machen, sind einige Verfahren bekannt, bei denen eine Siliciumdioxidschicht auf dem Siliciumcarbid ausgebildet wird und dann die Schicht einer Hochtemperaturbehandlung in Stickstoffmonoxid-(NO)-Gas oder Distickstoffmonoxid-(N2O)-Gas unterzogen wird.
  • Zum Beispiel sind herkömmlicher Weise ein Verfahren einer Hochtemperaturbehandlung in einem mit einem Inertgas verdünnten Stickstoffmonoxidgas, ein Verfahren zum Senken der Konzentration eines entstandenen Sauerstoffgases und ein Verfahren zum Reduzieren eines Grenzflächendefekts zwischen einem Siliciumcarbidhalbleitersubstrat und einer Isolierschicht bekannt (z. B. Patentschrift 1).
  • Darüber hinaus ist bekannt, dass eine Grenzflächenzustandsdichte durch eine Wärmebehandlung in einem Stickstoffmonoxidgas unter reduziertem Druck abnimmt (z. B. Patentschrift 2).
  • Darüber hinaus ist es herkömmlicher Weise bekannt, dass die Grenzflächenzustandsdichte abnimmt, wenn ein Partialdruck eines Stickstoffmonoxidgases durch Mischen eines Stickstoffmonoxidgases mit einem Inertgas geregelt wird, wobei es sich bei dem Inertgas um He, Ar oder N2 handeln kann, und wenn ein Volumen einer Kammer und eine Durchflussrate geregelt werden (z. B. Patentschrift 3).
  • Verweis auf den Stand der Technik
  • Patentschriften
    • Patentschrift 1: JP-A 2005-109396 (S. 3–8)
    • Patentschrift 2: JP-A 2005-136386 (S. 11)
    • Patentschrift 3: JP-A 2006-210818 (S. 6–7)
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Probleme, die die Erfindung lösen soll
  • Die Patentschriften 1 bis 3 beschreiben, dass es besser ist, das Nitrieren mit einem Stickstoffmonoxidgas zur fördern, die Wirkung von Sauerstoff durch ein durch eine Zerfallsreaktion eines Stickstoffmonoxidgases entstehendes Sauerstoffgas zu hemmen, und ein Stickstoffmonoxidgas mit einem Inertgas zu verdünnen, um die Konzentration des Stickstoffmonoxidgases zu senken. Jedoch war noch kein anderes Verfahren zum Fördern des Nitrierens bekannt als eine Nitridationsreaktion mit aus einem Stickstoffmonoxidgas entstandenem Stickstoff. Aus diesem Grund konnte die Entstehung eines Oxidation verursachenden Sauerstoffgases nicht ausreichend verhindert werden, und in manchen Fällen konnte der Grenzflächenzustand der Siliciumcarbid-/Gate-Isolierschicht, die durch die Verfahren der Technologien aus dem Stand der Technik der Patentschriften 1 bis 3 nitriert wurde, nicht ausreichend reduziert werden.
  • Patentschrift 3 zeigt ein Verfahren zum Verdünnen eines Stickstoffmonoxidgases mit Stickstoffgas auf. Allerdings wird das Stickstoffgas als Inertgas verwendet und die Nitrierungstemperatur ist nicht hoch genug. Deshalb gibt es in der Patentschrift 3 keine Beschreibung, dass Stickstoff aus dem Stickstoffgas beim Nitrieren genutzt wird, indem es zu einer Reaktion beiträgt.
  • Diese Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe besteht darin, ein Siliciumcarbidhalbleiterbauteil mit einem weiter gesenkten Grenzflächenzustand einer Siliciumcarbid-/Gate-Isolierschicht und einem Ladungsträger mit hoher Mobilität zu erhalten.
  • Mittel zur Lösung der Probleme
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Substrateinbringungsschritt des Einbringens eines Substrats, das eine Siliciumcarbidschicht und eine Gate-Isolierschicht auf der und in Kontakt mit der Siliciumcarbidschicht umfasst, in einen Ofen, und zwar so, dass das Substrat an einer vorbestimmten Stelle des Ofens angeordnet ist; und einen Erwärmungsschritt des Erwärmens des Ofens, wobei das Substrat in diesen eingebracht ist, während Stickstoffmonoxid und Stickstoff in diesen eingeleitet werden, wobei im Erwärmungsschritt der Stickstoff zur Reaktion gebracht wird, um eine Grenzfläche zwischen der Gate-Isolierschicht und der Siliciumcarbidschicht zu nitrieren.
  • Vorteil der Erfindung
  • Gemäß dieser Erfindung lässt sich ein Siliciumcarbidfeldeffekthalbleiterbauteil mit einem ausreichend gesenkten Grenzflächenzustand in einer Grenzfläche zwischen einer Siliciumcarbidschicht und einer Gate-Isolierschicht und einem Ladungsträger mit hoher Mobilität erreichen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in einer Ausführungsform 1 dieser Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 6 ist eine schematische Ansicht, die einen Nitridationsschritt in einem Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 7 ist eine Abfolgenansicht, die eine Bearbeitungszusammenfassung eines Nitridationsschritts in einem Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 9 ist eine Verhältnisansicht, die einen Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 10 ist eine Verhältnisansicht, die den Zusammenhang eines Verhältnisses eines Sauerstoffpartialdrucks zu einem Stickstoffmonoxidpartialdruck an einer Substratstelle in einem Ofen zu einer Verweilzeit eines Mischgases in einem Ofen in einem Nitridationsschritt eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 11 ist eine Verhältnisansicht, die den Zusammenhang eines Verhältnisses zwischen einem Sauerstoffpartialdruck zu einem Stickstoffmonoxidpartialdrucken an einer Substratstelle bei der Nitridation und der Kanalmobilität eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 dieser Erfindung zeigt.
  • 12 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in einer Ausführungsform 2 dieser Erfindung.
  • Art und Weise zur Umsetzung der Erfindung
  • Ausführungsform 1
  • Eine schematische Querschnittsansicht einer Elementstruktur eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils, das durch ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, ist in 1 gezeigt. Eine Querschnittsstruktur eines n-Kanal-Siliciumcarbid-MOSFETs ist als ein Beispiel des Siliciumcarbidhalbleiterbauteils gezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein erster Leitfähigkeitstyp als n-Typ und einer zweiter Leitfähigkeitstyps als p-Typ beschrieben.
  • In 1 ist eine Siliciumcarbid-Driftschicht 20 des n-Typs auf einer ersten Hauptfläche eines Siliciumcarbidsubstrats 10 des n-Typs mit geringem Widerstand ausgebildet. Eine Basiszone 30 des p-Typs, die Aluminium (Al), bei dem es sich um einen ersten Fremdstoff handelt, als Fremdstoff des p-Typs enthält, ist an einer Stelle, getrennt durch eine bestimmte Breite, an einer Oberflächenseite der Siliciumcarbid-Driftschicht 20 ausgebildet. Darüber hinaus ist eine Source-Zone 40 des n-Typs, die Stickstoff (N), bei dem es sich um einen zweiten Fremdstoff handelt, als Fremdstoff des n-Typs enthält, auf einem Oberflächenabschnitt innerhalb der jeweiligen Querschnittsrichtungen der Basiszone 30 mit einer geringeren Tiefe als die Basiszone 30 ausgebildet.
  • Eine Gate-Isolierschicht 50, die aus Siliciumdioxid aufgebaut ist, ist auf einer Oberflächenseite der Siliciumcarbid-Driftschicht 20, die die Basiszone 30 und die Source-Zone 40 enthält, mit Ausnahme eines Teils der Oberflächenseite der Source-Zone 40 ausgebildet. Darüber hinaus ist eine Gate-Elektrode 60 auf der Gate-Isolierschicht 50 an einer Position ausgebildet, die einer Stelle zugewandt ist, die einen Bereich zwischen zweien der Source-Zonen 40 enthält. Zusätzlich ist eine Source-Elektrode 70 auf einer Oberfläche der Source-Zone 40 ausgebildet, auf der die Gate-Isolierschicht 50 nicht ausgebildet ist, und eine Drain-Elektrode 80 ist auf einer zweiten Hauptfläche, d. h. einer rückseitigen Fläche, der ersten Hauptfläche des Siliciumcarbidsubstrats 10 entgegengesetzt ausgebildet.
  • In 1 wird ein Bereich der Basiszone 30, der der Gate-Elektrode 60 durch die Gate-Isolierschicht 50 zugewandt ist und in dem eine Inversionsschicht in einem Einschaltbetriebszustand gebildet ist, Kanalzone genannt. Darüber hinaus wird eine Strecke, die die Kanalzone zwischen der Source-Zone 40 und einem ioneninjektionsfreien Bereich auf dem Oberflächenabschnitt der Siliciumcarbid-Driftschicht 20 einschließt, Kanalstrecke genannt.
  • Im Nachstehenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines n-Kanal-MOSFETs, bei dem es sich um das Siliciumcarbidhalbleiterbauteil der Ausführungsform 1 handelt, in Abfolge unter Verwendung der 2 bis 9 beschrieben. 2–5, 8 und 9 sind schematische Querschnittsansichten in jedem Produktionsschritt eines n-Kanal-MOSFETs.
  • Die Siliciumcarbid-Driftschicht 20, die eine Fremdstoffkonzentration des n-Typs von 1 × 1015 cm–3 bis 1 × 1018 cm–3 und eine Dicke von 5 bis 50 μm hat, wird auf der Oberfläche des Siliciumcarbidsubstrats 10 des n-Tps mit geringem Widerstand, das einen 4H-Poly-Typ hat, wobei eine Ebenenrichtung einer ersten Hauptfläche die Ebene (0001) ist, durch ein chemisches Aufdampfungsverfahren (CVD-Verfahren) wie in 2 gezeigt epitaxial aufgezogen. Wenn die Siliciumcarbid-Driftschicht 20 unter diesen Bedingungen ausgebildet wird, kann ein hochdruckfester MOSFET mit einer Druckfestigkeit von mehreren hundert V bis 3 kV oder höher hergestellt werden.
  • Wie in 3 gezeigt ist, wird eine erste Injektionsmaske 100 auf der Oberfläche der Siliciumcarbid-Driftschicht 20 gebildet und Al, bei dem es sich um einen ersten Fremdstoff des p-Typs handelt, wird in die Siliciumcarbid-Driftschicht 20 ioneninjiziert, die die erste Injektionsmaske 100 auf ihrer Oberfläche hat. In diesem Fall beträgt die Tiefe der Al-Ioneninjektion ca. 0,5 bis 3 μm, was die Dicke der Siliciumcarbid-Driftschicht 20 nicht übersteigt. Darüber hinaus liegt die Fremdstoffkonzentration des ioneninjizierten Al in einem Bereich von 1 × 1017 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3 und ist höher als die Fremdstoffkonzentration des n-Typs der Siliciumcarbid-Driftschicht 20. Eine Zone unter den Zonen der Siliciumcarbid-Driftschicht 20, in die Al ioneninjiziert wurde, der zu einem Bereich des p-Typs wird, stellt die Basiszone 30 dar.
  • Nach Entfernen der ersten Injektionsmaske 100 wird eine zweite Injektionsmaske 110 auf der Oberfläche der Siliciumcarbid-Driftschicht 20 in einer größeren Breite als die erste Injektionsmaske 100 ausgebildet, wie in 4 gezeigt ist. N, bei dem es sich um einen zweiten Fremdstoff, einen Fremdstoff des n-Typs handelt, wird in die Oberfläche der Siliciumcarbid-Driftschicht 20 ioneninjiziert, die die zweite Injektionsmaske 110 auf sich ausgebildet hat. Eine Ioneninjektionstiefe N ist kleiner als die Dicke der Basiszone 30. Eine N-Fremdstoffkonzentration, die ioneninjiziert wird, liegt im Bereich von 1 × 1018 cm–3 bis 1 × 1021 cm–3 und übersteigt die Fremdstoffkonzentration des p-Typs der Basiszone 30. Von der Zone, in die N in die Siliciumcarbid-Driftschicht 20 injiziert wurde, stellt ein Bereich, der einen n-Typ aufweist, die Source-Zone 40 dar. Nach dem Entfernen der zweiten Injektionsmaske 110 erfolgt ein Glühen bei 1.300 bis 1.900°C von 30 Sekunden bis 1 Stunde in einer Inertgasatmosphäre, wie etwa Argongas (Ar-Gas) durch eine Wärmebehandlungsvorrichtung. Durch das Glühen werden das ioneninjizierte N und Al elektrisch aktiviert.
  • Anschließend wird die Oberfläche der Siliciumcarbid-Driftschicht 20, die die Source-Zone 40 und die Basiszone 30 enthält, wie in 5 gezeigt, wärmeoxidiert, um eine Gate-Isolierschicht 50 aus Siliciumcarbid mit einer gewünschten Dicke von 100 nm oder darunter auszubilden.
  • Die Nitrierungsbehandlung wird in der in 7 gezeigten Abfolge unter Verwendung des in 6 gezeigten Ofens durchgeführt.
  • Zuerst wird der Ofen von 6 beschrieben.
  • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Reaktionsofens, der die Nitrierungsbehandlung durchführt, bei der es sich um einen Schritt in dem Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung handelt. In 6 wird ein Tiegel, auf dem ein Substrat 300 mit einem Durchmesser von 100 mm angeordnet ist, in einen Ofen 200 mit einem kreisförmigen Querschnitt und einem Innendurchmesser von 140 mm eingebracht. Ein Heizelement 202 ist um den Ofen herum vorgesehene, so dass es den Ofen umgibt. Ein Substrat 300 wird im Vergleich zu der Position, die in einer Länge L vom Gaseinlass 203 des Ofens 200 getrennt ist, in einer Gasströmungsrichtung auf einer stromaufwärtigen Seite angeordnet. Einige Leersubstrate 204 sind auf einer stromaufwärtigen und einer stromabwärtigen Seite des Substrats 300 angeordnet.
  • Als Nächstes wird die Abfolge der Nitrierungsbehandlung unter Zuhilfenahme von 7 beschrieben.
  • Das bis zu dem in 5 gezeigten Schritt behandelte Substrat 300 wird in den Ofen 200 eingebracht, und das Innere des Ofens wird, wie in 7 gezeigt, auf 1,3 Pa oder darunter entleert, wodurch ein im Ofen 200 vorhandenes oxidierendes Gas entfernt wird. Als Nächstes wird ein Inertgas wie etwa Ar in den Ofen 200 eingeleitet, bis der Druck im Ofen 200 den Atmosphärendruck erreicht. Als Nächstes wird der Ofen 200 erwärmt und dabei das Inertgas in den Ofen 200 eingelassen. In dem Zustand, in dem der Ofen 200 die Temperatur zur Nitrierungsbehandlung erreicht und im Inneren des Ofens 200 eine konstante Temperatur herrscht, wird das in den Ofen 200 eingeleitete Gas vom Inertgas auf ein Mischgas aus einem Stickstoff- und einem Stickstoffmonoxidgas umgestellt. Zum Zeitpunkt des Ablaufs einer vorbestimmten Zeit und des Abschlusses der Nitrierungsbehandlung wird das Mischgas aus Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgas auf ein Stickstoffgas umgestellt und für eine bestimmte Zeitdauer belassen. Als Nächstes wird nach einem Umstellen des Stickstoffgases auf ein Inertgas wie Ar die Leistung des Heizelements 202 des Ofens 200 gesenkt, um die Temperatur zu senken. In dem Stadium, in dem die Temperatur des Substrats 300 zu einer fast gewöhnlichen Temperatur wird, wird das Substrat 300 aus dem Ofen 200 entnommen. Der Grund, warum das Mischgas genau nach der Nitrierungsbehandlung auf das Stickstoffgas umgestellt wird, ist, eine Zersetzung des restlichen Stickstoffmonoxids zu verhindern.
  • Hier beträgt die Nitrierungsbehandlungstemperatur zum Beispiel 1.250°C, und ein Mischverhältnis des Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgases beträgt zum Beispiel 1:1. Darüber hinaus beträgt der Abstand L vom Gaseinlass 203 des Ofens 200 zum Substrat 300 200 mm oder weniger.
  • Wie in 8 gezeigt ist, entsteht durch ein CVD-Verfahren reduzierten Drucks eine über Leitfähigkeit verfügende Polykristall-Siliciumschicht auf der Gate-Isolieschicht 50, und die Schicht wird einer Strukturierung unterzogen, um die Gate-Elektrode 60 auszubilden. In diesem Fall ist es erwünscht, dass die Gate-Elektrode ein Paar Source-Zonen 4 im Bereich zum Beispiel von 10 nm bis 5 μm überlappt.
  • Danach wird die Gate-Isolierschicht 50 wie in 9 gezeigt geöffnet. Schließlich wird eine elektrische, mit der Source-Zone 40 verbundene Source-Elektrode 70 ausgebildet, und eine Drain-Elektrode 80 wird auf der Rückseite des Siliciumcarbidsubstrats 10 ausgebildet. Dadurch wird der in 1 gezeigte n-Kanal-MOSFET fertiggestellt. Bei dem Material für die Source-Elektrode 70 und die Drain-Elektrode 80 handelt es sich zum Beispiel um eine Al-Legierung.
  • Der so hergestellte Siliciumcarbid-MOSFET, der eine Art eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils ist, kann den Grenzflächenzustand zwischen der Siliciumcarbidschicht und der Gate-Isolierschicht ausreichend reduzieren und weist einen hohen Mobilitätswert auf.
  • Die unter Zuhilfenahme von 6 und 7 beschriebene Nitrierungsbehandlung der Gate-Isolierschicht 50 wird nun im Einzelnen beschrieben.
  • Wenn das Mischgas aus dem Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgas erwärmt wird, findet die in Tabelle 1 gezeigte Reaktion statt, wie in R. J. Wu und C. T. Yeh, Int. J. Chem. Kinet. 28, 89 (1996) beschrieben ist. TABELLE 1
    Figure DE112010001476B4_0002
  • E bedeutet Aktivierungsenergie, A bedeutet einen Koeffizienten, und M bedeutet ein Molekül, das Energie in der Formel (d) bewegen kann.
  • Die Menge an zerfallenem Stickstoffmonoxid und die Menge an entstandenem Sauerstoff, wenn ein Stickstoff- und ein Stickstoffmonoxidgas erwärmt werden, werden in Tabelle 1 unter Verwendung von sechs Formeln berechnet. Speziell wird die Menge jedes Elements nach t Stunden unter Verwendung jeder Reaktionsgeschwindigkeit berechnet, die in Tabelle 2 durch die Formeln (1) bis (11) und die Berechnungsformeln (12) bis (20) gezeigt ist. In Tabelle 2 ist R [J/(mol·K)] eine Gaskonstante, T [K] ist eine Temperatur und Δt ist eine Mikrozeit.
  • Als Anfangsbedingungen werden die Mengen an eingeleitetem Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgas in [N2]tn und [NO]tn der Formeln (12) bis (20) in der Einheit von mol/cm3 eingegeben. Die anderen Elemente und Moleküle als das Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgas, wie etwa [N2O]tn und [O]tn, sind 0 mol/cm3, und es werden Konzentrationen jedes Elements und Maleküls [N2]tn+1, [NO]tn+1, [N2O]tn+1, [O]tn+1, [N]tn+1 und [O2]tn+1 erhalten, nachdem die in Sekunden angegebene Mikrozeit Δt verstrichen ist.
  • Um eine Zahlendivergenz während der Berechnung zu vermeiden, sollte der Zeitschritt Δt geeigneter Weise 1 Nanosekunde betragen. Die Kalkulation wird wiederholt und die Konzentration jedes Elements abgeleitet, nachdem eine bestimmte Zeit verstrichen ist. TABELLE 2
    Figure DE112010001476B4_0003
  • Wenn die Temperatur des Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgases höher ist als 1.150°C, wie etwa 1.200°C, bevorzugter ca. 1.250°C, reagiert das Stickstoffgas mit Sauerstoff o. dgl., wie in der Formel (c) von Tabelle 1 gezeigt ist. Deshalb kann im Vergleich dazu, dass das Stickstoffmonoxidgas mit einem Inertgas verdünnt und die Nitrierungsbehandlung durchgeführt wird, Stickstoff in einer größeren Menge zur Reaktion gebracht und die Entstehung von Sauerstoff und der auf der Sauerstoffentstehung beruhenden Oxidationsfortschritt einer Siliciumcarbidschicht verhindert werden.
  • Im Falle der Nitrierungsbehandlung ist in der vorliegenden Ausführungsform die Nitrierungsbehandlungstemperatur 1.250°C, das Mischungsverhältnis zwischen Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgas ist 1:1, die Durchflussgeschwindigkeit des Mischgases aus Stickstoff- und Stickstoffmonoxidgas beträgt ca. 8 mm/Sekunde, und der Abstand L zwischen dem Substrat 300 und dem Gaseinlass 203 ist 200 mm oder kleiner. Als Ergebnis wird das Stickstoffgas ausreichend erwärmt und mühelos zur Reaktion gebracht. Deshalb kann ausgehend von den Reaktionsformeln von Tabelle 1 das Verhältnis zwischen der Konzentration des durch die Reaktion entstandenen Sauerstoffgases und der Konzentration des Stickstoffmonoxidgases 0,05 oder weniger betragen, und das Nitrieren kann effizient durchgeführt werden, während gleichzeitig eine Oxidation an der Grenzfläche verhindert wird.
  • 10 zeigt die Ergebnisse, als das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Stickstoffmonoxidpartialdruck an der Stelle nahe dem Substrat 300 zur Verweilzeit im Ofen 200 des aus der Stelle des Gaseinlasses 203 eingeleiteten Mischgases stündlich und jeder Sauerstoff anhand des Verhältnisses zwischen dem Stickstoffmonoxid- und Stickstoffgas im eingeleiteten Mischgas in dem Fall ermittelt wurde, als die Nitrierungstemperatur 1.250°C betrug. Die Berechnung wurde gemäß den Formeln von Tabelle 1 durchgeführt. In 10 ist das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Stickstoffmonoxidpartialdruck, auch wenn das Mischgas ein beliebiges Mischungsverhältnis hat, an der Stelle nahe dem Substrat 300 bei verlängerter Verweilzeit des Mischgases im Ofen 200 erhöht. Darüber hinaus ist das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Stickstoffmonoxidpartialdruck an der Stelle nahe dem Substrat 300 bei einer Erhöhung des Mischungsverhältnisses des Stickstoffmonoxids in dem in den Ofen 200 eingeleiteten Mischgas erhöht.
  • Um den Grenzflächenzustand zwischen der Gate-Isolierschicht und der Siliciumcarbidschicht weiter zu reduzieren, sollte das Nitrieren gefördert und die Oxidation verhindert werden. Jedoch sollte, ausgehend von den in 10 gezeigten Ergebnissen, die Verweilzeit des Mischgases im Ofen 200, um den Grenzflächenzustand weiter zu reduzieren, weiter verkürzt und das Mischungsverhältnis des Stickstoffmonoxids im eingeleiteten Mischgas gesenkt werden.
  • 11 zeigt, dass die Kanalmobilität eines n-Kanal-Siliciumcarbid-MOSFETs des Inversionstyps, der eine Art des Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der vorliegenden Ausführungsform ist, das in jeder in 10 berechneten Bedingung hergestellt wird, sich am Verhältnis eines Sauerstoffpartialdrucks zu einem Stickstoffmonoxidpartialdruck an einer Stelle nahe dem Substrat 300 zeigt. Bei dem Siliciumcarbid-MOSFET, dessen Kanalmobilität in 11 gezeigt ist, beträgt eine Gate-Isolierschichtdicke ca. 50 nm, eine Durchflussrate des Stickstoffmonoxids ist auf einen Bereich von 0,15 bis 0,75 slm eingestellt, eine Durchflussrate des Stickstoffs ist auf einen Bereich von 0,75 bis 1,35 slm eingestellt, und eine Nitrierzeit beträgt 1 Stunde.
  • Wie in 11 gezeigt ist, ist die Kanalmobilität des Siliciumcarbid-MOSFETs erhöht, wenn das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Stickstoffmonoxidpartialdruck an der Stelle nahe dem Substrat 300 gesenkt ist. Das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Stickstoffmonoxidpartialdruck sollte vorzugsweise 0,05 oder weniger betragen.
  • Die vorliegende Erfindung zeigt das Beispiel, in dem es sich bei der Gate-Isolierschicht 50 um eine durch Oxidieren von Siliciumcarbid gebildete Siliciumoxidschicht handelt. Jedoch kann die Gate-Isolierschicht 50 auch eine durch ein CVD-Verfahren, ein Abscheidungsverfahren, ein Aufstäubungsverfahren, ein Cluster-Ionenstrahlverfahren, eine Malekularstrahlepitaxie o. dgl. abgeschiedene Schicht sein. Das Material ist nicht auf Siliciumoxid beschränkt, und es lassen sich auch eine Siliciumnitridschicht, eine Siliciumoxynitridschicht, eine Aluminiumoxidschicht, eine Aluminiumnitridschicht, ein Hafniumoxidschicht, eine Zirkoniumoxidschicht u. dgl. verwenden. Die Gate-Isolierschicht kann zum Beispiel eine Schichtstoffstruktur haben, in der Siliciumnitrid und Siliciumdioxid kombiniert sind.
  • Das Siliciumcarbidsubstrat 10 des n-Typs geringen Widerstands mit dem 4H-Poly-Typ, wobei es sich bei einer Ebenenrichtung einer ersten Hauptfläche um die Ebene (0001) handelt, ist als Siliciumcarbidsubstrat 10 gezeigt. Jedoch ist das Siliciumcarbidsubstrat 10 nicht auf diese beschränkt und die Ebenenrichtung kann auch die Ebene (000-1), die Ebene (11-20) o. dgl. sein. Es können auch Substrate verwendet werden, die sich geneigt aus diesen Ebenenrichtungen erstrecken.
  • Darüber hinaus kann der Poly-Typ des Siliciumcarbidsubstrats 10 auch 6H oder 3C sein.
  • Polykristallsilicium mit niedrigem Widerstand ist als das Material der Gate Elektrode 60 gezeigt, bei dem Leitfähigkeitstyp kann es sich aber auch um einen n-Typ oder einen p-Typ handeln. Ferner kann das Material ein Polykristallsiliciumcarbid geringen Widerstands eines n- oder p-Typs ein. Bei dem Material der Gate-Elektrode 60 kann es sich um Al, Titan (Ti), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Niobium (Nb), Wolfram (W) und deren Nitride handeln. Selbiges wie vorstehend für das Material der Gate-Elektrode 60 beschrieben, lässt sich auch zu den Materialien der Source Elektrode 70 und Drain-Elektrode 80 sagen. Das Glühen kann nach Ausbildung der Elektrode bei ca. 1.000°C erfolgen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des Mischgases ungefähr 8 mm/Sekunde, und der Abstand L vom Gaseinlass 203 des Ofens 200 zum Substrat 300 beträgt 200 mm oder weniger. Allerdings ist im Falle, dass die Nitrierungstemperatur 1.250°C beträgt und das Mischungsverhältnis zwischen dem Stickstoffgas und dem Stickstoffmonoxidgas 1:1 ist, die Erfindung nicht auf diese Bedingungen beschränkt, solange nur die Zeit, in der das Mischgas das Substrat 300 vom Gaseinlass 203 des Ofens 200 her erreicht, 25 Sekunden oder kürzer ist. Wenn darüber hinaus zum Beispiel das Mischungsverhältnis zwischen dem Stickstoffgas und dem Stickstoffmonoxidgas 9:1 ist, muss nur die Zeit, in der das Mischgas das Substrat 300 vom Gaseinlass 203 des Ofens 200 her erreicht, 50 Sekunden oder kürzer und die Durchflussrate des Mischgases bei gewöhnlicher Temperatur 0,75 slm oder höher sein.
  • In der vorliegenden Erfindung wurde der Fall im Einzelnen beschrieben, in dem die Nitrierungstemperatur 1.250°C beträgt, die Nitrierungstemperatur ist aber nicht auf diese Temperatur beschränkt. Selbst wenn die Temperatur niedriger ist als 1.250°C, kann die Berechnung genauso wie bei 1.250°C durchgeführt und dadurch die Durchflussrate des Stickstoffgases und Stickstoffmonoxidgases bestimmt werden. Im Falle einer Behandlung bei einer beliebigen Temperatur sollte das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Stickstoffmonoxidpartialdruck, je nach der Form des Ofens 200 und der Anordnungsposition des Substrats 300, an der Stelle des Substrats 300 0,05 oder weniger, und bevorzugter 0,01 oder weniger betragen.
  • So wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils in der vorliegenden Ausführungsform dieser Erfindung die Nitrierungsbehandlung unter Verwendung eines Mischgases aus einem Stickstoff- und einem Stickstoffmonoxidgas mit jeweils einer gesteuerten Durchflussrate und – geschwindigkeit nach Ausbildung einer Gate-Isolierschicht durchgeführt, ein Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks zum Stickstoffmonoxidpartialdruck an einer Stelle des Substrats 300 kann auf 0,05 oder weniger, und vorzugsweise 0,01 oder weniger gesenkt werden, und ein Verhältnis einer Oxidationsreaktion zu einer Nitrierreaktion kann reduziert werden. Als Ergebnis kann ein Siliciumcarbid-MOSFET mit einem geringeren Grenzflächenzustand an der Grenzfläche zwischen einer Siliciumcarbidschicht und einer Gate-Isolierschicht und mit hoher Mobilität erhalten werden.
  • Ausführungsform 2
  • 12 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Siliciumcarbid-MOSFETs, bei dem es sich um ein Siliciumcarbidhalbleiterbauteil in einer Ausführungsform 2 dieser Erfindung handelt. In 12 sind eine Drift-Schicht 20 des n-Typs, eine Basiszone 30 des p-Typs und eine Source-Zone 40 des n-Typs nacheinander auf einer ersten Hauptfläche eines Siliciumcarbidsubstrats 10 aufgeschichtet. Ein Graben, der die Basiszone 30 und die Source-Zone 40 durchdringt und bis zur Drift-Schicht 20 reicht, ist in der Drift-Schicht 20 des n-Typs, der Basiszone 30 des p-Typs und der Source-Zone 40 des n-Typs vorgesehen, und die Drift-Schicht 20, die Basiszone 30 und die Source-Zone 40 besteht jeweils aus Siliciumcarbid.
  • Eine aus Siliciumcarbid bestehende Gate-Isolierschicht 50 ist auf der Oberfläche des Grabens und der Oberfläche der Source-Zone 40 mit Ausnahme eines Abschnitts der Oberflächenseite der Source-Zone 40 ausgebildet. Eine Gate-Elektrode 60 ist an einer Stelle der Drift-Schicht 20, der Basiszone 30 und der Source-Zone 40 zugewandt auf der Gate-Isolierschicht 50 ausgebildet. Eine Source-Elektrode 70 ist auf der Oberfläche der Source-Zone 40 ausgebildet, auf der die Gate-Isolierschicht 50 nicht ausgebildet ist, und eine Drain-Elektrode 80 ist auf einer zweiten Hauptfläche, der ersten Hauptfläche entgegengesetzt, d. h. einer Rückseite des Siliciumcarbidsubstrats 10 ausgebildet. Der Siliciumcarbid-MOSFET der vorliegenden Ausführungsform ist derselbe wie in Ausführungsform 1, mit der Ausnahme, dass es sich bei der Struktur um eine Grabenstruktur handelt. Deshalb wird die Beschreibung detaillierter Zustände weggelassen.
  • Bei dem über eine Grabenstruktur verfügenden Siliciumcarbid-MOSFET der vorliegenden Erfindung kann ähnlich dem Fall der Herstellung des in der Ausführungsform 1 gezeigten Siliciumcarbid-MOSFETs, wenn die Nitrierungsbehandlung unter Verwendung eines Mischgases aus einem Stickstoff- und einem Stickstoffmonoxidgas nach Ausbildung der Gate-Isolierschicht 50 durchgeführt wird, der Grenzflächenzustand, der an der Grenzfläche zwischen der Siliciumcarbidschicht und der Gate-Isolierschicht 50 entstanden ist, reduziert und die Feldeffektmobilität eines Ladungsträgers erhöht werden.
  • Wenn bei einem Siliciumcarbid-IGBT (Bipolartransistor mit Isoliertem Gate) die Nitrierungsbehandlung unter Verwendung eines Mischgases aus einem Stickstoff- und einem Stickstoffmonoxidgas nach Ausbildung der Gate-Isolierschicht 50 ähnlich der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, zeigt sich dieselbe Wirkung.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 ist ein Beispiel eines MOSFETs des n-Typs aufgezeigt, der sich Elektronen als Ladungsträger bedient, es kann aber auch ein MOSFET des p-Typs verwendet werden, bei dem der Ladungsträger ein Defektelektron ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Siliciumcarbidsubstrat
    20
    Drift-Schicht
    30
    Basiszone
    40
    Source-Zone
    50
    Gate-Isolierschicht
    60
    Gate-Elektrode
    70
    Source-Elektrode
    80
    Drain-Elektrode
    200
    Ofen
    201
    Tiegel
    202
    Heizelement
    203
    Gaseinlass
    204
    Leersubstrat
    300
    Substrat

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils, Folgendes umfassend: einen Substrateinbringungsschritt des Einbringens eines Substrats, das eine Siliciumcarbidschicht und eine Gate-Isolierschicht auf der und in Kontakt mit der Siliciumcarbidschicht umfasst, in einen Ofen, und zwar so, dass das Substrat an einer vorbestimmten Stelle des Ofens angeordnet ist; und einen Erwärmungsschritt des Erwärmens des Ofens, wobei das Substrat in diesen eingebracht ist, während Stickstoffmonoxid und Stickstoff in diesen eingeleitet werden, wobei im Erwärmungsschritt der Stickstoff zur Reaktion gebracht wird, um eine Grenzfläche zwischen der Gate-Isolierschicht und der Siliciumcarbidschicht zu nitrieren, wobei der Erwärmungsschritt umfasst, Durchflussraten des in den Ofen eingeleiteten Stickstoffmonoxids und Stickstoffs zu steuern, wodurch ein Partialdruck des durch eine Reaktion zwischen dem Stickstoffmonoxid und Stickstoff entstandenen Sauerstoffs an einer Stelle nahe dem Substrat auf 0,05 eines Partialdrucks des Stickstoffmonoxids oder darunter geregelt wird.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsschritt umfasst, das Substrat auf eine Temperatur zwischen 1.200°C und 1.300°C zu erwärmen.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsschritt umfasst, ein einzuleitendes Gas genau nach dem Abschluss der Nitrierungsbehandlung, in der das Stickstoffmonoxid und der Stickstoff eingeleitet werden, durch Stickstoff zu ersetzen.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsschritt umfasst, den Partialdruck des Sauerstoffs an der Oberfläche des Substrats auf 0,01 des Partialdrucks des Stickstoffmonoxids oder darunter zu regeln.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei der Gate-Isolierschicht um eine Siliciumdioxidschicht handelt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Verweilzeit, bis das Stickstoffmonoxid und der Stickstoff das Substrat aus einem Gaseinlass des Ofens her erreichen, 50 Sekunden oder kürzer ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach Anspruch 6, wobei die Verweilzeit, bis das Stickstoffmonoxid und der Stickstoff das Substrat aus einem Gaseinlass des Ofens her erreichen, 25 Sekunden oder kürzer ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei, wenn ein Innendurchmesser des Ofens 140 mm beträgt, eine Durchflussrate eines Mischgases aus dem Stickstoffmonoxid und dem Stickstoff im Ofen 0,75 slm oder höher ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Siliciumcarbidhalbleiterbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei eine Durchflussgeschwindigkeit eines Mischgases aus dem Stickstoffmonoxid und dem Stickstoff im Ofen ungefähr 8 mm/Sekunde beträgt.
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