JP2004533727A - 炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタの反転層の移動度を高める方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
この発明は、炭化珪素(SiC)金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ(MOSFET)の反転層の移動度を高める方法に関する。特に、この発明は 金属不純物の存在下でゲート酸化物をSiC基板上に形成して反転層の移動度が高いMOSFETを製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
シリコン(Si)はこの30年間、半導体の材料として最も良く使われてきている。この間、弛まない改善、改良によりSi半導体装置技術は高レベルに達した。この弛まない改良によりシリコン・パワー半導体装置は、この材料では理論的に限界である最大出力を生む高効率レベルに達した。これは、半導体装置設計、製造工程においてさらに改善を行っても実質的に機能的に改良されたレベルにはならないことを意味する。しかし、これは、多くの現在の又は将来の、多大な動作損失を含むシリコン・パワー半導体装置機能にとっては受け容れがたいことである。そのため、材料研究者達はシリコンに代わるバンドギャップの広い各種の半導体を研究してきた。
【0003】
炭化珪素(SiC)は、高電圧、高周波数、高温度下での使用には理想的な半導体材料である。この理由は、主に、SiCの高い臨界電界(Siの10倍高い)、広いバンドギャップ(Siの3倍)、高い熱伝導率(Siの4倍)、そして高い電子飽和速度(Siの2倍)という理由による。これらの特性により、例えば、MOSFET、SiC−n−チャネルエンハンスメント型MOSFET(以後、SiCMOSFETと称する)等の高電圧、高速、高周波数使用において、SiCはSiに代わる理想的な材料となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところが、研究者により最近作成されたSiCMOSFETでは反転層の移動度が非常に悪く(〜1cm2/Vs)、予想した値より100倍低い。これは出力損失と効率が非常に悪いということで、Si装置に比べSiCMOSFETはさほど良い半導体装置ではないということになる。反転層の移動度が悪いのは、主に、電流が流れる、ゲート酸化物と炭化珪素基板間のインターフェースが悪いからである。特に、ゲート酸化物とSiC基板間のインターフェースでは、本来電流を助長する電子を捕獲してしまうインターフェース・トラップが多い。
【0005】
以上のことに鑑み、SiCMOSFETの反転層の移動度を高める方法が必要とされる。特に、ゲート酸化膜と炭化珪素基板間のインターフェースを高める方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この発明では、反転層の移動度を高める方法を提供して現存のSiCMOSFETの問題点を解決するものである。特に、この発明は、反転層の移動度が最大になるようにMOSFET上にゲート酸化膜を形成することを含む方法を提供するものである。この方法は、基本的に、酸化物と基板のインターフェースが高まるように金属不純物の存在下で酸化膜を形成することを含む。
【0007】
この発明の第1の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ(MOSFET)の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、(1)炭化珪素基板を用意し、(2)金属不純物の存在下で、炭化珪素基板表面に酸化物層を形成する工程を含む。
【0008】
この発明の第2の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ(MOSFET)の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、(1)炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に配し、(2)脱イオン水を介して飽和した窒素ガスをチャンバ内に導入して炭化珪素基板表面に酸化物層を形成する工程を含む。
【0009】
この発明の第3の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ(MOSFET)の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、(1)炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に配し、(2)チャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入して炭化珪素基板表面に酸化物層を形成する工程を含む。
【0010】
この発明の第4の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ(MOSFET)の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、(1)炭化珪素基板と金属不純物を、約1100℃に熱せられたチャンバ内に配し、(2)炭化珪素基板表面に約100乃至800nmの低温酸化物を堆積させ、(3)堆積工程の後、チャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入し、(4)約950℃の温度でアルゴン雰囲気内で炭化珪素基板を加熱する工程を含む。
【0011】
以上のように、この発明は、MOSFETの反転層の移動度を高める方法を提供する。特に、この発明では、酸化物と基板間のインターフェースを改善するために、金属不純物の存在下で、SiC基板上に酸化物膜を形成する。
【0012】
この発明の上記したそしてさらなる特徴は図面と共に後述する実施形態により明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
この発明における各図の寸法は実際とは異なる。各図は発明の特徴的な要素を概略的に示すものである。さらに、各図は発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、従って、この発明の範囲がこれらに限定されるものではない。また、各図において同様な参照番号のものは同様な要素を示す。
【0014】
図1に示すのはエンハンスメント型NMOS装置10である。NMOS装置10は、基本的に、SiC-p型ドープ基板12と、酸化膜14(場合によってはゲート酸化物と称する)と、ソース・コンタクト16と、ゲート・コンタクト18と、ドレイン・コンタクト20と、n+型ドープ・ソース領域22と、n+型ドープ・ドレイン領域24と、表面安定化層26とを備える。図に示すように、ソース・コンタクト16とドレイン・コンタクト20はそれぞれソース領域22とドレイン領域24と電気的に接触している。領域22、24とコンタクト16、18は従来の如何なる手段にても形成することができ、この発明の特徴を限定するものではない。例えば、コンタクト16、18、20は金属(例えば、アルミニウム)を堆積して形成することができる。代わりに、ゲート・コンタクト18は化学的蒸着法(CVD)により多結晶シリコンで形成してもよい。後者の場合には、ゲート・コンタクト18の上部及び側部にCVDによりさらなる酸化膜を形成してもよい。
【0015】
上述したように、半導体装置10等のSiCMOSFETは反転層の移動度が悪いことが多い。反転層の移動度とはソース領域22からドレイン領域24への電子の移動度のことである。この発明では、金属不純物の存在下で酸化膜14を形成することにより酸化膜14と基板12間のインターフェースを高める。これにより、表I及び図2を参照して後述するように反転層の移動度が非常に良くなる。
【0016】
第1の実施形態では、酸化膜14をSIC基板12上に成長させる。酸化膜14を成長させるには、通常、チャンバ(炉)内で所定の温度までSIC基板12を加熱して行う。
加熱後、水素(H2)と酸素(O2)の混合ガス(即ち、酸化雰囲気)をチャンバ内に導入する。チャンバ内では、混合ガスにより火成水蒸気が生じてSIC基板12上面を酸化して酸化膜14を形成する。これは湿式酸化として知られる。代わりに、加熱された炉内に高温の脱イオン水を介して飽和した窒素(N2)又は酸素(O2)を導入するウエット酸化でもよい。水素と酸素の混合ガスと同様に水蒸気により飽和にした窒素によりSIC基板12上面が酸化されて酸化膜14が形成される。
【0017】
この発明では、酸化工程は金属不純物の存在下で行われる。好ましくは、鉄不純物を含む焼結アルミニウム(Al2O3)片を金属不純物として基板12が設置されたチャンバ内に入れる。焼結アルミニウム片は、4×1012cm―2の鉄原子が酸化物に導入されるような濃度の鉄不純物を含むものとする。ここでは鉄不純物について言及したが、他の金属不純物、例えば、鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)不純物でも良いことは理解できるところである。さらに、金属不純物は酸化膜14の形成前又は形成中に導入すれば良いことは理解できるところである。例えば、金属不純物は、酸化ガスと同時にガス状に導入しても良い。
【0018】
酸化工程終了後、任意であるが、アルゴン等の不活性ガスで加熱する。加熱工程終了後、チャンバの温度を低くして湿式酸化と加熱工程を繰り返しても良い。金属不純物と酸化ガス(即ち、酸化雰囲気)全体が特別な酸化雰囲気(SOA)として機能し、酸化膜14とSIC基板12間のインターフェースが飛躍的に向上する。
【0019】
他の実施形態としては、金属不純物の存在下でSiC基板12上に酸化膜14を堆積させ、任意に加熱する。酸化膜14の堆積は、まず、SIC基板12上の露出部分に低温の酸化物(LTO)の層を堆積する。好ましくは、チャンバの温度を400℃にして、シラン(SiH4)ガスを分解してLTO層を形成する。LTO層堆積後、上記の湿式酸化と加熱工程を繰り返す。特に、水素と酸素の混合ガス又は脱イオン水を介して飽和した窒素の酸化雰囲気内で湿式酸化を行うと良い。いずれの場合でも、上記の金属不純物(例えば、鉄、クロム、ニッケル)の存在下で酸化工程を行う。酸化工程終了後、任意であるが、アルゴン等の不活性ガスで加熱する。その後、湿式酸化と加熱工程を繰り返しても良い。
【0020】
例:
この発明における金属不純物の効果を、ゲート酸化物(即ち、酸化膜14)を異なる2種類の方法で形成した場合の4H―SiCラテラル・エンハンスメント型NMOS装置で検証する。一つは、以下の処理により単一の湿式酸化―加熱処理により、露出した炭化珪素(基板12)表面にゲート酸化物を形成した。
【0021】
炭化珪素基板を炉内に設置し、不活性ガス雰囲気内で約800℃から約1100℃に加熱した。約1100℃で水素と酸素の混合ガスを導入して酸化処理を開始した。他の実験では、約95℃に保たれた脱イオン水を介して飽和させた窒素を導入して湿式酸化熱処理を行った。金属不純物として鉄不純物を含む焼結アルミニウム片をチャンバ内に導入した。焼結アルミニウムは、酸化ガスに約4×1012cm―2の鉄原子を導入するのに十分な鉄を含むものとした。
【0022】
400分の湿式酸化処理の後、雰囲気をアルゴンに変えて60分の加熱処理を開始した。炉内の温度を約950℃に下げて16時間そのままとした。その後、最初の湿式酸化処理(即ち、水素―酸素又は窒素による飽和)で用いた酸化ガスにより2回目の湿式酸化処理を約950℃で60分行った。最後に、酸化ガスを約60分間アルゴンに変えて、チャンバ温度を約950℃から約800℃に下げた。この結果、厚みが約50nmの酸化膜が形成された。
【0023】
他の実験では、ゲート酸化物を成長では無く堆積させた。ここでは、特に、基板表面に約100乃至800nmの厚みの低温酸化物(LTO)を堆積させた。シランガスをチャンバ内に導入し約400℃でシランを分解してこの層を堆積させた。LTOが堆積すると、(上記のように)湿式酸化処理を行った。チャンバを約1100℃に加熱して、湿式酸化ガスを導入して酸化処理を開始した。上記のように、酸化ガスは水素と酸素の混合ガス又は約95℃に保たれた脱イオン水を介して飽和させた窒素である。鉄不純物を含む焼結アルミニウム片を金属不純物としてチャンバ内に導入した。焼結アルミニウムは、酸化ガスに約4×1012cm―2の鉄原子を導入するのに十分な鉄を含むものとした。
【0024】
400分の湿式酸化処理の後、雰囲気をアルゴンに変えて60分の加熱処理を開始した。炉内の温度を約950℃に下げて16時間そのままとした。その後、最初の湿式酸化処理(即ち、水素―酸素又は窒素による飽和)で用いた酸化ガスにより2回目の湿式酸化処理を約950℃で60分行った。最後に、酸化ガスを約60分間アルゴンに変えて、チャンバ温度を約950℃から約800℃に下げた。この結果、厚みが約50nmの酸化膜が形成された。
【0025】
金属不純物無しに形成したラテラルSiCMOSFETと金属不純物を用いて形成したラテラルSiCMOSFETとの平均有効反転層移動度(cm2/Vs)を比較したものを表Iに示す。
【表1】
【0026】
表から分かるように、金属不純物を用いて形成したSiCMOSFETの方が金属不純物無しに形成したSiCMOSFETに比べ平均有効反転層移動度が非常に高い。特に、金属不純物の存在下で酸化膜を熱的に成長させて形成したSiCMOSFETの平均有効反転層移動度は約123cm2/Vsであり、一方、金属不純物無しに形成したSiCMOSFETの平均有効反転層移動度は約3cm2/Vsである。さらに金属不純物の存在下で酸化物を堆積させて形成したSiCMOSFETの平均有効反転層移動度は約70cm2/Vsであるのに対し、金属不純物無しに形成したSiCMOSFETの平均有効反転層移動度は約4cm2/Vsである。
【0027】
図2に示すグラフ30は、ゲート電圧(V)34に対する反転キャリア濃度(1012cm- 2)32の特性である。特に、グラフ30はソースからドレインへの電子の移動度を示している。曲線36は金属不純物無しに形成したSiCMOSFETの反転キャリア濃度を示している。これに対し、曲線38は上記の例のように(金属不純物を用いて)形成したSiCMOSFETの反転キャリア濃度を示している。このグラフから分かるように、金属不純物の存在下で酸化膜を形成すると反転キャリア濃度が著しく改善される。特に、点40に注目すると、ゲート電圧は約1.5Vで、金属不純物を導入せずに形成した場合(曲線36)のSiCMOSFETの反転キャリア濃度は約0.1×1012cm- 2であるのに対し、この発明によって形成した場合(曲線38)のSiCMOSFETの反転キャリア濃度は約1.35×1012cm- 2である。従って、この発明によって形成したSiCMOSFETでは電子の捕獲が著しく削減されることが分かる。
【0028】
この発明の方法は、特に、図1に示すようなエンハンスメント型NMOS装置に有効であるが、他のエンハンスメント型やデプレッション型NMOS、PMOS装置にも有効である。
【0029】
図3に、この発明による方法100のフローチャートを示す。図に示すように、方法100の第1のステップ102で、炭化珪素基板と金属不純物を用意する。第2のステップ104で、金属不純物の存在下で炭化珪素基板表面に酸化膜を形成する。
【0030】
以上詳細に説明したが、各実施形態はこの発明を説明するために開示したものでこの発明を限定するものでは無く、色々な変形例が考えられ、それら変形例は特許請求の範囲で限定されたこの発明に範疇に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】この発明のエンハンスメント型NMOS炭化珪素MOSFETを示す図である。
【図2】反転キャリア濃度対ゲート電圧特性グラフを示す図である。
【図3】この発明の方法のフローチャートを示す図である。
Claims (27)
- 炭化珪素基板を用意し、
金属不純物の存在下で前記炭化珪素基板表面に酸化膜を形成する工程を含むことを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタの反転層移動度を高める方法。 - 前記形成工程後、アルゴン雰囲気内で前記基板を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記形成工程と前記加熱工程を繰り返すことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記炭化珪素基板表面に約100乃至800nmの厚みの低温酸化物を堆積させ、
前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記炭化珪素基板表面に約100乃至800nmの厚みの低温酸化物を堆積させ、
前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記形成工程の前に金属不純物を導入することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記形成工程の間に金属不純物を導入することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記金属不純物は、少なくとも約4×1012cm- 2の鉄原子を含む焼結アルミニウムを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記金属不純物はクロム、鉄、ニッケルのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に設置し、
前記チャンバ内に脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを導入して前記炭化珪素基板表面に酸化膜を形成することを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタの反転層移動度を高める方法。 - 前記形成工程後に、アルゴン雰囲気内で前記炭化珪素基板を加熱することを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記形成工程前に、前記チャンバを約1100℃に加熱し、
約950℃で前記形成工程を繰り返し、
約950℃で前記加熱工程を繰り返し、
前記繰り返し加熱工程後に、前記チャンバ温度を約800℃に下げることを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記第1形成工程を約400分行い、前記第1加熱工程を約60分行い、前記繰り返し酸化工程を約60分行い、そして、前記繰り返し加熱工程を約60分行うことを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 前記炭化珪素基板表面に約100乃至800nmの厚みの低温酸化物を堆積させ、
脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを前記チャンバ内に導入することを特徴とする請求項12に記載の方法。 - 厚みが約50nmの酸化膜を有する炭化珪素基板を形成することを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記金属不純物は、鉄、クロム、ニッケルのいずれかであることを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に設置し、
前記チャンバ内に水素と酸素との混合ガスを導入して前記炭化珪素基板表面に酸化膜を形成することを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタの反転層移動度を高める方法。 - 前記形成工程後に、アルゴン雰囲気内で前記炭化珪素基板を加熱することを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 前記形成工程前に、前記チャンバを約1100℃に加熱し、
約950℃で前記形成工程を繰り返し、
約950℃で前記加熱工程を繰り返し、
前記繰り返し加熱工程後に、前記チャンバ温度を約800℃に下げることを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記第1形成工程を約400分行い、前記第1加熱工程を約60分行い、前記繰り返し酸化工程を約60分行い、そして、前記繰り返し加熱工程を約60分行うことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記炭化珪素基板表面に約100乃至800nmの厚みの低温酸化物を堆積させ、
水素と酸素の混合ガスを前記チャンバ内に導入することを特徴とする請求項19に記載の方法。 - 厚みが約50nmの酸化膜を有する炭化珪素基板を形成することを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 前記金属不純物は、鉄、クロム、ニッケルのいずれかであることを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 炭化珪素基板と金属不純物を約1100℃に加熱したチャンバ内に設置し、
前記炭化珪素基板表面に約100乃至800nmの厚みの低温酸化物を堆積させ、
前記堆積工程後に前記チャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入し、
約950℃の温度のアルゴン雰囲気内で前記炭化珪素基板を加熱することを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ(MOSFET)の反転層移動度を高める方法。 - 約950℃の温度で前記堆積、導入、加熱工程を繰り返すことを特徴とする請求項26に記載の方法。
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