JP2001244260A - 酸化膜／炭化珪素界面の作製法 - Google Patents
酸化膜／炭化珪素界面の作製法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 炭化珪素基板を用いて金属−酸化膜−半導体
(MOS)構造を形成する際に、フラットバンドシフト電圧
の小さい良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成する。 【解決手段】 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜
を形成する前の基板前処理工程において、基板の温度を
室温から１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつつ
オゾン暴露を行って酸化膜／炭化珪素界面の作成する。
(MOS)構造を形成する際に、フラットバンドシフト電圧
の小さい良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成する。 【解決手段】 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜
を形成する前の基板前処理工程において、基板の温度を
室温から１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつつ
オゾン暴露を行って酸化膜／炭化珪素界面の作成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板として炭化
珪素を用いた金属−酸化膜−半導体（MOS）構造を有す
るキャパシタ、あるいは、電界効果型トランジスタの作
製において、良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成する技
術に関する。
珪素を用いた金属−酸化膜−半導体（MOS）構造を有す
るキャパシタ、あるいは、電界効果型トランジスタの作
製において、良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成する技
術に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、金属−酸化膜−半導体 (MOS)構
造を有するキャパシタ、電界効果型トランジスタを作製
する場合、半導体基板の前処理洗浄が酸化膜/半導体界
面の特性、酸化膜信頼性に大きな影響を及ぼす。半導体
基板として炭化珪素を用いる場合も同様であり、その前
処理工程にはシリコン半導体と同様にRCA洗浄（RCA洗浄
とは、アンモニア・過酸化水素水洗浄(SC1)と塩酸・過
酸化水素水洗浄(SC2)を基本とするSi基板のウエット洗
浄法である。）が一般的手法として行われている。しか
しながら、RCA洗浄のみで作製した炭化珪素MOSキャパシ
タを作製し高周波CV特性を測定すると、酸化膜/炭化珪
素の界面特性を特徴付けるフラットバンドシフト電圧(D
VFB)が、1-2Vと大きな値となる。そのため、炭化珪素を
用いてMOSキャパシタを作成する場合には、RCA洗浄に加
え、炭化珪素基板表面を熱的に10-100 nm程度酸化し、
それをフッ酸水溶液で除去するといったことも行われて
いる（犠牲酸化処理）。これは、犠牲酸化処理を行うこ
とで表面の欠陥層を除去するためと考えられる。しかし
ながら、RCA洗浄、犠牲酸化処理といった従来の炭化珪
素基板の前処理工程は、シリコン半導体に対して確立さ
れてきたものであり、炭化珪素に対する有効性は未確認
であった。事実RCA洗浄に加えて犠牲酸化処理を行った
炭化珪素MOSキャパシタにおいて高周波CV測定を行った
ところ、DVFBは1.0〜1.2V程度の値を示すことを確認し
ている。
造を有するキャパシタ、電界効果型トランジスタを作製
する場合、半導体基板の前処理洗浄が酸化膜/半導体界
面の特性、酸化膜信頼性に大きな影響を及ぼす。半導体
基板として炭化珪素を用いる場合も同様であり、その前
処理工程にはシリコン半導体と同様にRCA洗浄（RCA洗浄
とは、アンモニア・過酸化水素水洗浄(SC1)と塩酸・過
酸化水素水洗浄(SC2)を基本とするSi基板のウエット洗
浄法である。）が一般的手法として行われている。しか
しながら、RCA洗浄のみで作製した炭化珪素MOSキャパシ
タを作製し高周波CV特性を測定すると、酸化膜/炭化珪
素の界面特性を特徴付けるフラットバンドシフト電圧(D
VFB)が、1-2Vと大きな値となる。そのため、炭化珪素を
用いてMOSキャパシタを作成する場合には、RCA洗浄に加
え、炭化珪素基板表面を熱的に10-100 nm程度酸化し、
それをフッ酸水溶液で除去するといったことも行われて
いる（犠牲酸化処理）。これは、犠牲酸化処理を行うこ
とで表面の欠陥層を除去するためと考えられる。しかし
ながら、RCA洗浄、犠牲酸化処理といった従来の炭化珪
素基板の前処理工程は、シリコン半導体に対して確立さ
れてきたものであり、炭化珪素に対する有効性は未確認
であった。事実RCA洗浄に加えて犠牲酸化処理を行った
炭化珪素MOSキャパシタにおいて高周波CV測定を行った
ところ、DVFBは1.0〜1.2V程度の値を示すことを確認し
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、炭化珪素基
板を用いて金属−酸化膜−半導体(MOS)構造を形成する
際に、通常のプロセスに加え、紫外線照射を伴うオゾン
暴露による前処理洗浄工程を付加することにより、フラ
ットバンドシフト電圧の小さい良好な酸化膜/炭化珪素
界面を形成することを目的とする。
板を用いて金属−酸化膜−半導体(MOS)構造を形成する
際に、通常のプロセスに加え、紫外線照射を伴うオゾン
暴露による前処理洗浄工程を付加することにより、フラ
ットバンドシフト電圧の小さい良好な酸化膜/炭化珪素
界面を形成することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、炭化珪素半導
体基板上に、ゲート酸化膜を形成する前の基板前処理工
程において、基板の温度を室温から１２００℃の範囲に
保ち、紫外線を照射しつつオゾン暴露を行うことによ
り、フラットバンドシフト電圧（DVFB）の小さい良好な
酸化膜/炭化珪素界面が形成できることを見いだし本発
明を完成するにいたった。
体基板上に、ゲート酸化膜を形成する前の基板前処理工
程において、基板の温度を室温から１２００℃の範囲に
保ち、紫外線を照射しつつオゾン暴露を行うことによ
り、フラットバンドシフト電圧（DVFB）の小さい良好な
酸化膜/炭化珪素界面が形成できることを見いだし本発
明を完成するにいたった。
【０００５】
【本発明の実施の形態】半導体デバイス作製前の基板前
処理洗浄工程において紫外線照射を伴う減圧下でのオゾ
ン暴露することにより、信頼性の高い半導体デバイス形
成を可能にした。本発明の実施の形態は種々変形が可能
であるがまとめると以下の通りである。 （１） 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜を形成
する前の基板前処理工程において、基板の温度を室温か
ら１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつつオゾン
暴露を行うことを特徴とする酸化膜／炭化珪素界面の作
成法。 （２） 雰囲気圧力を炭化珪素基板と紫外線照射窓間の
距離、紫外光の光量に応じて調整することを特徴とする
上記１記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （３） 雰囲気圧力を１〜１０５Paで行う上記１または
上記２記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （４） 雰囲気がオゾン以外に酸素を含む上記１ないし
上記３のいずれかひとつに記載の酸化膜/炭化珪素界面
の作製法。 （５） オゾン濃度が20vol%〜100vol%である上記１な
いし上記４のいずれか一つに記載した酸化膜／炭化珪素
界面の作成法。 （６） 波長200〜300nmの紫外線を用いる上記１ないし
上記５のいずれか一つに記載した酸化膜／炭化珪素界面
の作成法。 （７） 紫外線を照射しつつオゾン暴露を行う前に、RC
A洗浄を行う上記１ないし上記６のいずれか一つに記載
した酸化膜／炭化珪素界面の作成法。
処理洗浄工程において紫外線照射を伴う減圧下でのオゾ
ン暴露することにより、信頼性の高い半導体デバイス形
成を可能にした。本発明の実施の形態は種々変形が可能
であるがまとめると以下の通りである。 （１） 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜を形成
する前の基板前処理工程において、基板の温度を室温か
ら１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつつオゾン
暴露を行うことを特徴とする酸化膜／炭化珪素界面の作
成法。 （２） 雰囲気圧力を炭化珪素基板と紫外線照射窓間の
距離、紫外光の光量に応じて調整することを特徴とする
上記１記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （３） 雰囲気圧力を１〜１０５Paで行う上記１または
上記２記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （４） 雰囲気がオゾン以外に酸素を含む上記１ないし
上記３のいずれかひとつに記載の酸化膜/炭化珪素界面
の作製法。 （５） オゾン濃度が20vol%〜100vol%である上記１な
いし上記４のいずれか一つに記載した酸化膜／炭化珪素
界面の作成法。 （６） 波長200〜300nmの紫外線を用いる上記１ないし
上記５のいずれか一つに記載した酸化膜／炭化珪素界面
の作成法。 （７） 紫外線を照射しつつオゾン暴露を行う前に、RC
A洗浄を行う上記１ないし上記６のいずれか一つに記載
した酸化膜／炭化珪素界面の作成法。
【０００６】
【実施例】炭化珪素(SiC: Silicon Carbide)基板を用い
て実際にMOSキャパシタを作製し高周波CV測定を行い、
フラットバンド電圧シフト（DVFB）量から紫外線照射を
伴うオゾン前処理洗浄の効果を調べた。SiC基板には8°
オフ4H-SiC(0001)エピタキシャル基板を使用した。オゾ
ン前処理洗浄は、RCA洗浄に加え10 nmの犠牲酸化処理を
行った基板に対し、230〜500 nmの紫外線照射を行いな
がら、減圧下で高濃度オゾン(25％)ガスを室温で約１時
間暴露することで行った。オゾン暴露に紫外線照射を伴
うことで、励起状態の原子状酸素が生成し、より効果的
な炭化珪素基板の洗浄効果が期待できる。このオゾン前
処理洗浄後の基板を、1200 C、150分間ドライ酸化し、
約50 nmのゲート酸化膜を形成し、その上にAl電極を蒸
着してMOSキャパシタを作製した。ゲート酸化膜形成後
の後処理には、不活性ガス雰囲気での1200 C、30分間の
ポストアニールを行い、それを不活性ガス雰囲気で徐冷
した。また、比較として、(a) RCA洗浄のみを行ったも
の、(b) RCA洗浄+10 nm犠牲酸化処理したもの、(c) RCA
洗浄+100 nm犠牲酸化処理したものに対し、実施例と同
様にMOSキャパシタを作製し評価した。高周波CV特性
を、実施例を(d)とし、比較例(a), (b), (c)と共に、図
１に示す。図１における理想曲線とは、理想的な界面が
形成された場合の高周波CV特性である。DVFBの値は、理
想曲線のフラットバンド電圧と測定結果のそれとの差と
定義されるものである（図２）。図１から分かるよう
に、(a)、(b)および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線
に重なっている。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に
加え10、100 nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試み
ても、DVFBの値を改善させることは困難である。これら
の試料に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程
度である。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン
前処理を行った試料においては、DVFBの値が約0.1V程度
まで、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少する
ことが確認された（図2）。DVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるDVFBを減少させる技術として、紫外線照射を伴う
オゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効であること
を示すものである。
て実際にMOSキャパシタを作製し高周波CV測定を行い、
フラットバンド電圧シフト（DVFB）量から紫外線照射を
伴うオゾン前処理洗浄の効果を調べた。SiC基板には8°
オフ4H-SiC(0001)エピタキシャル基板を使用した。オゾ
ン前処理洗浄は、RCA洗浄に加え10 nmの犠牲酸化処理を
行った基板に対し、230〜500 nmの紫外線照射を行いな
がら、減圧下で高濃度オゾン(25％)ガスを室温で約１時
間暴露することで行った。オゾン暴露に紫外線照射を伴
うことで、励起状態の原子状酸素が生成し、より効果的
な炭化珪素基板の洗浄効果が期待できる。このオゾン前
処理洗浄後の基板を、1200 C、150分間ドライ酸化し、
約50 nmのゲート酸化膜を形成し、その上にAl電極を蒸
着してMOSキャパシタを作製した。ゲート酸化膜形成後
の後処理には、不活性ガス雰囲気での1200 C、30分間の
ポストアニールを行い、それを不活性ガス雰囲気で徐冷
した。また、比較として、(a) RCA洗浄のみを行ったも
の、(b) RCA洗浄+10 nm犠牲酸化処理したもの、(c) RCA
洗浄+100 nm犠牲酸化処理したものに対し、実施例と同
様にMOSキャパシタを作製し評価した。高周波CV特性
を、実施例を(d)とし、比較例(a), (b), (c)と共に、図
１に示す。図１における理想曲線とは、理想的な界面が
形成された場合の高周波CV特性である。DVFBの値は、理
想曲線のフラットバンド電圧と測定結果のそれとの差と
定義されるものである（図２）。図１から分かるよう
に、(a)、(b)および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線
に重なっている。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に
加え10、100 nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試み
ても、DVFBの値を改善させることは困難である。これら
の試料に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程
度である。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン
前処理を行った試料においては、DVFBの値が約0.1V程度
まで、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少する
ことが確認された（図2）。DVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるDVFBを減少させる技術として、紫外線照射を伴う
オゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効であること
を示すものである。
【０００７】これら4つの試料に対し高周波CV測定を行
った結果を図1に示す。図から分かるように、(a)、(b)
および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線に重なってい
る。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に加え10、100
nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試みても、ΔＶ
ＦＢの値を改善させることは困難である。これらの試料
に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程度であ
る。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン前処理
を行った試料においては、ΔＶＦＢの値が約0.1V程度ま
で、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少するこ
とが確認された（図2）。ΔVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるΔＶＦＢを減少させる技術として、紫外線照射を
伴うオゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効である
ことを示すものである。
った結果を図1に示す。図から分かるように、(a)、(b)
および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線に重なってい
る。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に加え10、100
nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試みても、ΔＶ
ＦＢの値を改善させることは困難である。これらの試料
に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程度であ
る。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン前処理
を行った試料においては、ΔＶＦＢの値が約0.1V程度ま
で、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少するこ
とが確認された（図2）。ΔVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるΔＶＦＢを減少させる技術として、紫外線照射を
伴うオゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効である
ことを示すものである。
【０００８】
【本発明の効果】本発明の酸化膜／炭化珪素界面の作成
法を用いれば、フラットバンドシフト電圧（DVFB）の小
さい良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成することが確認
された。
法を用いれば、フラットバンドシフト電圧（DVFB）の小
さい良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成することが確認
された。
【０００９】
【図１】は、高周波ＣＶ曲線特性図
【図２】は、ΔＶＦＢのプロセス依存性説明図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 趙 元珠 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 福田 憲司 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 先崎 純寿 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 大串 秀世 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 荒井 和雄 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 Ｆターム(参考） 5F058 BA20 BB10 BC02 BE03 BE10 BF29 BF56 BF62 BH01 BJ01 BJ10
Claims (7)
- 【請求項１】 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜
を形成する前の基板前処理工程において、基板の温度を
室温から１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつつ
オゾン暴露を行うことを特徴とする酸化膜／炭化珪素界
面の作成法。 - 【請求項２】 雰囲気圧力を炭化珪素基板と紫外線照射
窓間の距離、紫外光の光量に応じて調整することを特徴
とする請求項１記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 - 【請求項３】 雰囲気圧力を１〜１０５Paで行う請求項
１または２記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 - 【請求項４】 雰囲気がオゾン以外に酸素を含む請求項
１ないし請求項３のいずれか一つに記載した酸化膜／炭
化珪素界面の作成法。 - 【請求項５】 オゾン濃度が20vol%〜100vol%である請
求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載した酸化膜
／炭化珪素界面の作成法。 - 【請求項６】 波長200〜300nmの紫外線を用いる請求項
１ないし請求項５のいずれか一つに記載した酸化膜／炭
化珪素界面の作成法。 - 【請求項７】 紫外線を照射しつつオゾン暴露を行う前
に、RCA洗浄を行う請求項１ないし請求項６のいずれか
一つに記載した酸化膜／炭化珪素界面の作成法。
Priority Applications (1)
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2000
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