JP2006128479A

JP2006128479A - 絶縁膜の形成方法および炭化珪素半導体装置

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Publication number: JP2006128479A
Application number: JP2004316461A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sasaki; 信佐々木; Hiroyuki Kinoshita; 博之木下; Hiroshi Shiomi; 弘塩見
Original assignee: Mitsubishi Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Sixon Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Corp; Kansai Electric Power Co Inc; Sixon Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】ＳｉＣ結晶中における結晶欠陥の増加を抑制しつつ、ＳｉＣ結晶上への絶縁膜形成速度を改善した絶縁膜形成方法と、この方法を用いて形成された絶縁膜を含むＳｉＣ半導体装置を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ結晶１上への絶縁膜の形成方法であって、ＳｉＣ結晶１上にＳｉ膜２を形成する工程と、Ｓｉ膜２を酸化または窒化することによりＳｉを含む絶縁膜を形成する工程と、を含む絶縁膜の形成方法である。また、この絶縁膜形成方法を用いた炭化珪素半導体装置の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）結晶上への絶縁膜の形成方法とその方法を用いて形成された絶縁膜を含むＳｉＣ半導体装置に関する。

ＳｉＣは、シリコン（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが約３倍、絶縁破壊電圧が約１０倍、電子飽和速度が約２倍、さらに熱伝導率が約３倍大きくＳｉにない物性を有しているため、ＳｉＣを高効率・高耐圧パワーデバイス、高周波パワーデバイスまたは高温動作デバイスなどの種々のＳｉＣ半導体装置に用いることが注目されている。

ＳｉＣ半導体装置としては、ＳｉＣ結晶上にたとえばＳｉＯ₂膜などの酸化膜を形成して製造されたＭＯＳＦＥＴ（金属／酸化膜／半導体電界効果トランジスタ）が特に注目されている。ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴはユニポーラ素子でありながら、Ｓｉを用いたＳｉ半導体装置ではＧＴＯ（Gate-Turn-off-Thyristor）、ＩＧＢＴ（Insulated-Gate-Bipolar-Transistor）などのバイポーラ素子でのみ可能な１ｋＶ以上の高耐圧を実現することができ、高耐圧、低損失かつ高速スイッチングが可能な素子として非常に期待されている。

ＳｉＣ半導体装置は、従来のＳｉ半導体装置の製造方法を踏襲して製造される。しかしながら、Ｓｉは単体であってＳｉＣは化合物であることから、ＳｉＣ半導体装置の製造においては、ＳｉＣ結晶の表面上に絶縁膜であるＳｉＯ₂膜を形成する速度が、Ｓｉ結晶の表面上にＳｉＯ₂膜を形成する場合と比べて非常に遅くなる。したがって、厚膜のＳｉＯ₂膜を形成するのに非常に時間がかかり、ＳｉＣ半導体装置の製造コストが増大してしまうという問題があった。

すなわち、Ｓｉ結晶の表面上にＳｉＯ₂膜を形成する場合には、Ｓｉ結晶を酸素雰囲気または水蒸気雰囲気などの酸化性雰囲気に曝すことにより、良質なＳｉＯ₂膜をＳｉ結晶の表面上に容易に形成することができる。

しかしながら、ＳｉＣ結晶の表面上にＳｉＯ₂膜を形成する場合には、ＳｉＣ結晶の表面にあるＳｉを酸化してＳｉＯ₂膜を形成しながら、他方でＣを酸化して一酸化炭素（ＣＯ）または二酸化炭素（ＣＯ₂）として除去する必要があるため、Ｓｉ結晶の表面上にＳｉＯ₂膜を形成する場合よりもＳｉＯ₂膜の形成速度が遅くなっていた。

また、特許文献１には、ＳｉＣ結晶の表面に、窒素、フッ素、ネオン、アルミニウム、リン、アルゴンおよび砒素のうち少なくとも１つの元素のイオンをＳｉＣ結晶の表面に注入した後に熱酸化をすることによって、ＳｉＣ結晶上に酸化膜を形成する方法が開示されている（たとえば、特許文献１の請求項１および請求項４参照。）。

この方法は、ＳｉＣ結晶の表面にイオン注入をしてＳｉＣ結晶の表面にダメージを与え、結晶欠陥を増加させることにより、酸化速度を増大させることに着目してなされたものである（特許文献１の段落[０００９]参照。）。

しかしながら、この方法においては、ＳｉＣ結晶中に大量の結晶欠陥が残ってしまい、このＳｉＣ結晶を用いたＳｉＣ半導体装置の特性が悪化してしまうことがあった。
特開平７−２４０４０９号公報

本発明の目的は、ＳｉＣ結晶中における結晶欠陥の増加を抑制しつつ、ＳｉＣ結晶上への絶縁膜形成速度を改善した絶縁膜形成方法と、この方法を用いて形成された絶縁膜を含むＳｉＣ半導体装置を提供することにある。

本発明は、ＳｉＣ結晶上への絶縁膜の形成方法であって、ＳｉＣ結晶上にＳｉ膜を形成する工程と、Ｓｉ膜を酸化または窒化することによりＳｉを含む絶縁膜を形成する工程と、を含む、絶縁膜の形成方法である。

また、本発明の絶縁膜の形成方法において、Ｓｉ膜を形成する工程は、ＳｉＣ結晶上にＳｉを堆積させる工程であることが好ましい。

また、本発明の絶縁膜の形成方法において、Ｓｉ膜を形成する工程は、ＳｉＣ結晶の表面の炭素を除去する工程であることが好ましい。

また、本発明の絶縁膜の形成方法において、炭素を除去する工程は、水素雰囲気下にＳｉＣ結晶を設置することにより行なわれることが好ましい。

また、本発明の絶縁膜の形成方法においては、水素雰囲気の圧力が１０³Ｐａ以上１０⁶Ｐａ以下であることが好ましい。

また、本発明の絶縁膜の形成方法においては、ＳｉＣ結晶の表面温度が８００℃以上２０００℃以下であることが好ましい。

さらに、本発明は、上記のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法を用いて形成された絶縁膜を含む炭化珪素半導体装置である。

本発明によれば、ＳｉＣ結晶中における結晶欠陥の増加を抑制しつつ、ＳｉＣ結晶上への絶縁膜形成速度を改善した絶縁膜形成方法と、この方法を用いて形成された絶縁膜を含むＳｉＣ半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

（Ｓｉ膜を形成する工程）
本発明において、Ｓｉ膜を形成する工程としては、たとえばＳｉＣ結晶上にＳｉを堆積させる工程またはＳｉＣ結晶表面の炭素を除去する工程がある。

ＳｉＣ結晶上にＳｉを堆積させる工程は、たとえばＣＶＤ（chemical-vapor-deposition）法を用いて、ＳｉＣ結晶上にＳｉを堆積させることにより行なわれる。

また、ＳｉＣ結晶表面の炭素を除去する工程は、たとえばＳｉＣ結晶を水素雰囲気下に設置することにより行われる。炭素は水素と反応しやすいため、ＳｉＣ結晶を水素雰囲気下に設置することによって、ＳｉＣ結晶の表面の炭素を選択的に水素と反応させることにより炭化水素として除去し、結果として、ＳｉＣ結晶の表面にＳｉ膜が形成される。

ここで、水素雰囲気の圧力は、１０³Ｐａ以上１０⁶Ｐａ以下であることが好ましい。水素雰囲気の圧力が１０³Ｐａ未満である場合には、炭素の除去が不十分となってＳｉ膜を十分に形成することができない傾向にある。また、水素雰囲気の圧力が１０⁶Ｐａよりも高い場合には、ＳｉＣ結晶中の炭素が除去されすぎてＳｉＣ結晶中に結晶欠陥が増加してしまう傾向にある。

また、水素雰囲気下において、ＳｉＣ結晶の表面が８００℃以上２０００℃以下に加熱されることが好ましい。ＳｉＣ結晶の表面が８００℃未満である場合には、ＳｉＣ結晶の表面の炭素と水素との反応が進まず、Ｓｉ膜を十分に形成することができない傾向にある。また、ＳｉＣ結晶の表面が２０００℃よりも高い場合にも、ＳｉＣ結晶の表面の炭素と水素との反応が進まず、Ｓｉ膜を十分に形成することができない傾向にある。

このように、本発明においては、ＳｉＣ結晶にほとんどダメージを与えることなく、Ｓｉ膜を形成することができるので、ＳｉＣ結晶中における結晶欠陥の増加を抑制することができる。

（絶縁膜を形成する工程）
本発明において、絶縁膜を形成する工程としては、たとえばＳｉ膜形成後のＳｉＣ結晶を酸化性雰囲気または窒素雰囲気に曝して、Ｓｉ膜を酸化または窒化することにより行なわれる。このようにして得られた絶縁膜の材質は、ＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄などである。また、酸化性雰囲気としては、たとえば酸素雰囲気または水蒸気雰囲気などがある。

このように、本発明においては、ＳｉＣ結晶上のＳｉ膜を酸化または窒化することにより絶縁膜が形成されることから、ＳｉＣ結晶を酸化または窒化する場合に比べて絶縁膜の形成速度が格段に向上し、Ｓｉ結晶を酸化または窒化する場合と同等の形成速度となる。

ここで、酸化性雰囲気または窒素雰囲気は、８００℃以上１４００℃以下であることが好ましい。雰囲気が８００℃未満である場合にはＳｉ膜を十分に酸化または窒化することができない傾向にあり、１４００℃よりも高い場合にはＳｉ膜が溶融してしまうことがある。

また、酸化性雰囲気または窒素雰囲気の圧力は、１０³Ｐａ以上１０⁶Ｐａ以下であることが好ましい。雰囲気の圧力が１０³Ｐａ未満である場合にはＳｉ膜を十分に酸化または窒化することができない傾向にあり、１０⁶Ｐａよりも高い場合には酸化または窒化が進行しすぎて絶縁膜に欠陥が生じやすくなることがある。

（ＳｉＣ結晶上への絶縁膜の形成方法）
図１の模式的断面図に、本発明のＳｉＣ結晶上への絶縁膜の形成方法の一例の一連の流れを示す。まず、図１（Ａ）に示すように、基板状のＳｉＣ結晶１を用意する。次に、図１（Ｂ）に示すように、たとえばＣＶＤ法などを用いて、ＳｉＣ結晶１上にＳｉ膜２を形成する。そして、Ｓｉ膜２を形成したＳｉＣ結晶１を高温の酸素雰囲気または水蒸気雰囲気などの酸化性雰囲気に曝すことによりＳｉ膜２が酸化されて、図１（Ｃ）に示すように、ＳｉＣ結晶１上に絶縁膜であるＳｉ酸化膜３が形成される。

図２の模式的断面図に、本発明のＳｉＣ結晶上への絶縁膜形成方法の他の例の一連の流れを示す。まず、図２（Ａ）に示すように、基板状のＳｉＣ結晶１を用意する。次に、図２（Ｂ）に示すように、ＳｉＣ結晶１をたとえば水素雰囲気下に設置することにより、ＳｉＣ結晶１の表面の炭素を除去する。そして、炭素を除去することによってＳｉ膜が形成されたＳｉＣ結晶１を高温の酸素雰囲気または水蒸気雰囲気などの酸化性雰囲気に曝すことによりＳｉＣ結晶１の表面に残っているＳｉが酸化されて、図２（Ｃ）に示すように、ＳｉＣ結晶１上に絶縁膜であるＳｉ酸化膜３が形成される。

このように本発明においては、Ｓｉ結晶を酸化して絶縁膜を形成する場合と同一の条件で絶縁膜を形成することができる。したがって、ＳｉＣ結晶を酸化して絶縁膜を形成する場合よりも絶縁膜の形成速度を速くすることができる。また、本発明においては、ＳｉＣ結晶上に形成されるＳｉ膜の膜厚を制御することによって、容易に絶縁膜の膜厚も制御することができる。

なお、上記においては、Ｓｉの酸化膜を作製する場合について説明したが、図１（Ｂ）に示すＳｉ膜２が形成されたＳｉＣ結晶１または図２（Ｂ）に示す炭素除去後のＳｉＣ結晶１を窒素雰囲気に曝すことによって、ＳｉＣ結晶１上に絶縁膜であるＳｉ窒化膜を形成することもできる。

（ＳｉＣ半導体装置）
本発明のＳｉＣ半導体装置は、上記の方法によって形成されたＳｉＣ結晶１上の絶縁膜を含む構造を有していればよい。特に、本発明においては、ＳｉＣ結晶中における結晶欠陥の増加を抑制して絶縁膜を形成することができることから、本発明のＳｉＣ半導体装置は高速のスイッチング素子として機能するＭＯＳＦＥＴとして用いられることが好ましい。

（実施の形態１）
本実施の形態においては、ＭＯＳＦＥＴ用のゲート酸化膜を形成する。まず、図３（Ａ）に示すように、ｐ型のＳｉＣ結晶１を作製する。ＳｉＣ結晶１は、たとえば改良レーリー法によって成長させたｐ型のＳｉＣ単結晶インゴットを所定の厚みに切断することによって作製される。

次に、図３（Ｂ）に示すように、ＳｉＣ結晶１上にＣＶＤ法を用いてホウ素をドープしたｐ型のＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させてＳｉＣバッファ層４を形成する。そして、図３（Ｃ）に示すように、ＳｉＣバッファ層４上に高純度のｐ型のＳｉＣ結晶をエピタキシャル成長させてＳｉＣ活性層５を形成する。

次いで、図３（Ｄ）に示すように、ＳｉＣ活性層５上にＣＶＤ法によって膜厚約０．５μｍのＳｉ膜２を形成する。そして、Ｓｉ膜２が形成されたＳｉＣ結晶１を１０００℃の高湿度の水蒸気雰囲気下に１００分間曝すと、図３（Ｅ）に示すように、Ｓｉ膜２が酸化して膜厚約０．５μｍのＳｉ酸化膜３が形成され、ＳｉＣ半導体装置６が完成する。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、ＭＯＳＦＥＴであるＳｉＣ半導体装置を形成する。まず、図４の模式的断面図に示すように、改良レーリー法によって成長させたＳｉＣ単結晶インゴットを所定の厚みに切断することによって作製されたｐ型のＳｉＣ結晶１上に、ＣＶＤ法によってホウ素をドープしたｐ型のＳｉＣ結晶からなるＳｉＣ成長層７をエピタキシャル成長させる。

次に、図５の模式的断面図に示すように、ｐ型のＳｉＣ成長層７の一部に窒素イオンを注入して、ソース領域８およびドレイン領域９を形成する。そして、図６の模式的断面図に示すように、ＳｉＣ成長層７の表面上にＣＶＤ法により膜厚約０．５μｍのＳｉ膜２を形成する。次いで、Ｓｉ膜２を１０００℃の水蒸気雰囲気下に１００分間曝すと、図７の模式的断面図に示すように、Ｓｉ膜２が酸化して膜厚約０．５μｍのＳｉ酸化膜３が形成される。

そして、ＳｉＣ成長層７に形成されたＳｉ酸化膜３の一部をエッチングにより除去してソース領域８、ドレイン領域９の表面を露出させた後、図８の模式的断面図に示すように、ソース領域８およびドレイン領域９にソース電極１０およびドレイン電極１１を形成する。最後に、図９の模式的断面図に示すように、ソース電極１０とドレイン電極１１との間のＳｉ酸化膜３上にゲート電極１２を形成して、ＭＯＳＦＥＴであるＳｉＣ半導体装置１６が完成する。

今回開示された実施の形態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特許請求の範囲によって示され、特許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。

上述したように本発明によれば、ＳｉＣ結晶上への絶縁膜の形成速度を改善することができるため、本発明は半導体デバイス分野に好適に利用される。

（Ａ）は本発明の絶縁膜の形成方法の一例において用いられるＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｂ）はＳｉ膜形成後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｃ）はＳｉ酸化膜形成後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図である。（Ａ）は本発明の絶縁膜の形成方法の他の一例において用いられるＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｂ）は炭素を除去した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｃ）はＳｉ酸化膜形成後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図である。（Ａ）は本発明の実施の形態１において用いられるＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｂ）はＳｉＣバッファ層を形成した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｃ）はＳｉＣバッファ層上にＳｉ酸化膜を形成した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｄ）はＳｉ膜形成後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図であり、（Ｅ）は実施の形態１のＳｉＣ半導体装置の模式的な断面図である。本発明の実施の形態２においてＳｉＣ成長層を形成した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図である。本発明の実施の形態２においてソース領域およびドレイン領域を形成した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図である。本発明の実施の形態２においてＳｉ膜を形成した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図である。本発明の実施の形態２においてＳｉ酸化膜を形成した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図である。本発明の実施の形態２においてソース電極およびドレイン電極を形成した後のＳｉＣ結晶の模式的な断面図である。本発明の実施の形態２のＳｉＣ半導体装置の模式的な断面図である。

符号の説明

１ＳｉＣ結晶、２Ｓｉ膜、３Ｓｉ酸化膜、４ＳｉＣバッファ層、５ＳｉＣ活性層、６，１６ＳｉＣ半導体装置、７ＳｉＣ成長層、８ソース領域、９ドレイン領域、１０ソース電極、１１ドレイン電極、１２ゲート電極。

Claims

炭化珪素結晶上への絶縁膜の形成方法であって、前記炭化珪素結晶上にシリコン膜を形成する工程と、前記シリコン膜を酸化または窒化することによりシリコンを含む絶縁膜を形成する工程と、を含む、絶縁膜の形成方法。
前記シリコン膜を形成する工程は、前記炭化珪素結晶上にシリコンを堆積させる工程であることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
前記シリコン膜を形成する工程は、前記炭化珪素結晶の表面の炭素を除去する工程であることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
前記炭素を除去する工程は、水素雰囲気下に前記炭化珪素結晶を設置することにより行なわれることを特徴とする、請求項３に記載の絶縁膜の形成方法。
前記水素雰囲気の圧力が１０³Ｐａ以上１０⁶Ｐａ以下であることを特徴とする、請求項４に記載の絶縁膜の形成方法。
前記炭化珪素結晶の表面温度が８００℃以上２０００℃以下であることを特徴とする、請求項４または５に記載の絶縁膜の形成方法。
請求項１から６のいずれかに記載の絶縁膜の形成方法を用いて形成された絶縁膜を含む、炭化珪素半導体装置。