JP2006156478A - Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the channel mobility of a silicon carbide insulated gate transistor. <P>SOLUTION: The gate insulation film of the insulated gate transistor of a silicon carbide semiconductor device is formed by the vapor deposition method. Before and after the formation of the gate insulation film, nitriding is conducted in a nitrogen oxide gas atmosphere. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、炭化珪素(SiC)半導体装置およびその製造方法に関し、特に、炭化珪素を基体とする絶縁ゲート型トランジスタおよびそのオン抵抗を低減するための製造方法に関する。   The present invention relates to a silicon carbide (SiC) semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to an insulated gate transistor based on silicon carbide and a manufacturing method for reducing the on-resistance.

炭化珪素(SiC)は、珪素(Si)に比べて、バンドギャップが広く、また絶縁破壊電界強度、飽和電子速度、および熱伝導度などの物性値が優れており、パワーデバイス材料として優れた物性値を有する。この炭化珪素は、熱酸化法により良質の二酸化珪素からなる絶縁膜を形成することができることも特徴の1つである。この熱酸化法により形成した二酸化珪素をゲート絶縁膜に用いて、高耐圧・低損失の高出力絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ(MOSFET)を作製することが可能である。   Silicon carbide (SiC) has a wider band gap than silicon (Si) and has excellent physical properties such as dielectric breakdown electric field strength, saturation electron velocity, and thermal conductivity, and excellent physical properties as a power device material. Has a value. One feature of silicon carbide is that an insulating film made of high-quality silicon dioxide can be formed by a thermal oxidation method. By using silicon dioxide formed by this thermal oxidation method as a gate insulating film, it is possible to manufacture a high output insulated gate field effect transistor (MOSFET) having a high breakdown voltage and low loss.

しかしながら、炭化珪素を材料とするスイッチング用MOSFETの開発が行なわれているものの、反転層(チャネル層)の移動度が小さく、期待される性能は実現されていない。これは、従来の熱酸化法で形成した二酸化珪素(SiO2)/炭化珪素(SiC)のいわゆるMOS界面には多数の界面準位(トラップ)が存在するため、反転層内に十分な移動可能な多数キャリアを存在させるのが困難となり、チャネルコンダクタンス(チャネル移動度μch)が非常に低くなるためである。この結果、素子のオン抵抗(導通時のソース/ドレイン間抵抗)が大きくなり、オン動作時の損失が増大するという不具合が生じる。   However, although switching MOSFETs made of silicon carbide have been developed, the mobility of the inversion layer (channel layer) is small, and the expected performance has not been realized. This is because a large number of interface states (traps) exist at the so-called MOS interface of silicon dioxide (SiO 2) / silicon carbide (SiC) formed by the conventional thermal oxidation method, so that it can move sufficiently in the inversion layer. This is because it becomes difficult to have majority carriers and the channel conductance (channel mobility μch) becomes very low. As a result, the on-resistance (source / drain resistance at the time of conduction) of the element is increased, resulting in a problem that the loss during the on-operation increases.

このMOS界面に存在する界面準位を低減するために、種々の対策が報告されている。例えば、特許文献1(特表2004−511101号パンフレット(国際公開WO2002/029874号))においては、一酸化二窒素(N2O)環境中で炭化珪素層を酸化するまたは一酸化二窒素環境中で炭化珪素層上の酸化物層をアニーリングすることにより、この二酸化珪素/炭化珪素の界面準位を低減する方法が示されている。この特許文献1に示される処理方法においては、一酸化二窒素雰囲気中で炭化珪素基板をたとえば1300℃の高温条件下で熱処理することにより、炭化珪素表面に二酸化珪素膜を成長させる(熱酸化法による)、または炭化珪素基板表面に形成された酸化物を一酸化二窒素雰囲気中で窒化処理する方法が示されている。この炭化珪素基板表面に酸化膜を形成する方法として、熱酸化プロセス、減圧化学気相成長法(LPCVD法)または湿式再酸化プロセスを用いることが記載されている。   Various measures have been reported to reduce the interface state existing at the MOS interface. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 2004-511101 (International Publication WO2002 / 029874)), a silicon carbide layer is oxidized in a dinitrogen monoxide (N2O) environment or carbonized in a dinitrogen monoxide environment. There is shown a method for reducing this silicon dioxide / silicon carbide interface state by annealing an oxide layer on a silicon layer. In the processing method disclosed in Patent Document 1, a silicon carbide film is grown on a silicon carbide surface by heat-treating a silicon carbide substrate in a dinitrogen monoxide atmosphere at a high temperature of, for example, 1300 ° C. (thermal oxidation method). Or a method of nitriding an oxide formed on the surface of a silicon carbide substrate in a dinitrogen monoxide atmosphere. As a method for forming an oxide film on the surface of the silicon carbide substrate, it is described that a thermal oxidation process, a low pressure chemical vapor deposition method (LPCVD method) or a wet reoxidation process is used.

特許文献1は、上述の処理により、界面準位密度すなわち界面トラップ密度(DIT)を低減することができ、MOSFETのゲート絶縁膜として、この酸化膜を利用した場合には、トランジスタの有効表面チャネル移動度が改善されることを述べている。   According to Patent Document 1, the interface state density, that is, the interface trap density (DIT) can be reduced by the above processing. When this oxide film is used as a gate insulating film of a MOSFET, the effective surface channel of the transistor is disclosed. It states that mobility is improved.

また、非特許文献1(”G. Y. Chung et al., “Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Following High Temperature Anneals in Nitric Oxide”, IEEE Electron Device Letters, vol. 22, No.4, pp.176-178, April 2001)においては、4H−SiC横型(ラテラル)MOSFETの有効チャネル移動度が、炭化珪素/二酸化珪素の伝導体端近傍の界面準位の酸化窒素雰囲気中での高温アニールによる不動態化(パッシベーション)処理により、増加することを示している。この非特許文献1においては、4H−SiCエピタキシャル層表面を酸化して酸化膜を形成し、次いで、一酸化窒素雰囲気中で1175℃の高温下で2時間アニールして、炭化珪素/二酸化珪素界面準位密度を低減することを図っている。   Non-Patent Document 1 (“GY Chung et al.,“ Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Following High Temperature Anneals in Nitric Oxide ”, IEEE Electron Device Letters, vol. 22, No. 4, pp. 176- 178, April 2001), the effective channel mobility of the 4H-SiC lateral (lateral) MOSFET is passivated by high-temperature annealing in a nitric oxide atmosphere at the interface state near the silicon carbide / silicon dioxide conductor edge. This non-patent document 1 shows that the surface of the 4H-SiC epitaxial layer is oxidized to form an oxide film, and then a high temperature of 1175 ° C. in a nitrogen monoxide atmosphere. It is intended to reduce the silicon carbide / silicon dioxide interface state density by annealing for 2 hours.

また、従来の六方晶炭化珪素の(0001)面を用いてMOSFETを形成することに代えて、六方晶炭化珪素の(000−1)面などの異なる面方位を用いてMOSFETを形成すると、MOS界面の界面準位が少なく、(0001)面に比べて高いチャネル移動度が得られることが、非特許文献2(”K. Fukuda et al., “High Inversion Channel Mobility of MOSFET Fabricated on 4H-SiC C (000-1) Face Using H2 Post-Oxidation Annealing”, Mater. Sci. Forum, vol.433-436, pp.567-570, 2003)において報告されている。この非特許文献2においては、4H−SiCのC(000−1)面を主表面として用いて、この主表面上に犠牲酸化膜を形成してHF(沸酸)溶液で除去した後、熱酸化法によりゲート酸化膜を形成する。このゲート酸化膜をアルゴン(Ar)雰囲気中でアニールした後、さらに、水素(H2)雰囲気中でポスト酸化アニールを行なっている。
特表2004−511101号パンフレット(国際公開WO2002/029874号) ”G. Y. Chung et al., “Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Following High Temperature Anneals in Nitric Oxide”, IEEE Electron Device Letters, vol. 22, No.4, pp.176-178, April 2001 ”K. Fukuda et al., “High Inversion Channel Mobility of MOSFET Fabricated on 4H-SiC C (000-1) Face Using H2 Post-Oxidation Annealing”, Mater. Sci. Forum, vol.433-436, pp.567-570, 2003
Further, instead of forming the MOSFET using the (0001) plane of the conventional hexagonal silicon carbide, if the MOSFET is formed using different plane orientations such as the (000-1) plane of hexagonal silicon carbide, the MOS Non-Patent Document 2 (“K. Fukuda et al.,“ High Inversion Channel Mobility of MOSFET Fabricated on 4H-SiC ”indicates that the interface state of the interface is small and high channel mobility is obtained compared to the (0001) plane. C (000-1) Face Using H 2 Post-Oxidation Annealing ”, Mater. Sci. Forum, vol. 433-436, pp. 567-570, 2003. In this non-patent document 2, Using the C (000-1) plane of 4H—SiC as the main surface, a sacrificial oxide film is formed on the main surface and removed with an HF (hydrofluoric acid) solution, and then a gate oxide film is formed by a thermal oxidation method After annealing this gate oxide film in an argon (Ar) atmosphere Further subjected to post-oxidation annealing in hydrogen (H2) atmosphere.
Special Table 2004-511101 Pamphlet (International Publication WO2002 / 029874) “GY Chung et al.,“ Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Following High Temperature Anneals in Nitric Oxide ”, IEEE Electron Device Letters, vol. 22, No.4, pp.176-178, April 2001 “K. Fukuda et al.,“ High Inversion Channel Mobility of MOSFET Fabricated on 4H-SiC C (000-1) Face Using H2 Post-Oxidation Annealing ”, Mater. Sci. Forum, vol.433-436, pp.567 -570, 2003

上述のように、熱酸化法と一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気中での窒化処理とにより、チャネル移動度μchを向上させることが可能であるものの、炭化珪素が本来有する物性値から期待される素子特性を実現するには、さらに界面トラップ密度を低減する改善が必要とされる。   As described above, although the channel mobility μch can be improved by the thermal oxidation method and the nitriding treatment in a nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide atmosphere, it is expected from the inherent physical properties of silicon carbide. In order to realize the device characteristics, it is necessary to further improve the interface trap density.

すなわち、炭化珪素に対する熱酸化は、ドライ酸素雰囲気下での酸化、水蒸気と酸素との混合ガス雰囲気下での酸化、一酸化二窒素ガス雰囲気下での酸化など多くの方法により行なわれる。この場合、基板の炭化珪素表面の酸化が行なわれるため、たとえ非特許文献2に示されるように犠牲酸化膜を利用して表面を清浄化しても、不可避的に多数の界面準位が形成される。   That is, thermal oxidation of silicon carbide is performed by many methods such as oxidation in a dry oxygen atmosphere, oxidation in a mixed gas atmosphere of water vapor and oxygen, and oxidation in a dinitrogen monoxide gas atmosphere. In this case, since the silicon carbide surface of the substrate is oxidized, even if the surface is cleaned using a sacrificial oxide film as shown in Non-Patent Document 2, a large number of interface states are inevitably formed. The

また、上述の特許文献1に示されるように、LPCVD法により酸化膜を形成する場合においても、この酸化膜の成膜時には、炭化珪素表面が高温酸化雰囲気に晒され、同様、炭化珪素と酸化膜との界面に電荷トラップ中心となる界面準位が形成される。したがって、この炭化珪素表面上への二酸化珪素膜等の絶縁膜の形成時、できるだけ界面準位が形成されるのを防止し、界面トラップ密度を低減する必要がある。   Further, as shown in the above-mentioned Patent Document 1, even when an oxide film is formed by the LPCVD method, the surface of the silicon carbide is exposed to a high-temperature oxidizing atmosphere when the oxide film is formed, and similarly, the silicon carbide and the oxide are oxidized. An interface state serving as a charge trap center is formed at the interface with the film. Therefore, when forming an insulating film such as a silicon dioxide film on the silicon carbide surface, it is necessary to prevent the formation of interface states as much as possible and reduce the interface trap density.

それゆえ、この発明の目的は、界面トラップ密度が低減された炭化珪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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device having a reduced interface trap density and a method for manufacturing the same.

この発明の他の目的は、高チャネル移動度を有する炭化珪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。   Another object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device having a high channel mobility and a method for manufacturing the same.

この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、酸化窒素系ガス雰囲気中で炭化珪素基体表面を窒化処理するステップと、この窒化処理された炭化珪素基体表面に気相成長法により絶縁膜を形成するステップと、この絶縁膜を酸化窒素系雰囲気中でさらに窒化するステップとを備える。   A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a step of nitriding a silicon carbide substrate surface in a nitrogen oxide gas atmosphere, and forming an insulating film on the nitrided silicon carbide substrate surface by vapor phase growth And a step of further nitriding the insulating film in a nitrogen oxide-based atmosphere.

この発明に係る炭化珪素半導体装置は、表面が窒化処理された炭化珪素基体と、この炭化珪素基体表面に気相成長された二酸化珪素膜に窒化処理を施したゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極とを備える。   A silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide substrate whose surface is nitrided, a gate insulating film obtained by nitriding a silicon dioxide film vapor-grown on the surface of the silicon carbide substrate, and the gate insulating film And a gate electrode formed thereon.

この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法に従えば、絶縁膜形成前に、炭化珪素基体表面を窒化処理しており、この炭化珪素主表面がパッシベートされ、基体/絶縁膜界面が高品質化する。また、絶縁膜を、化学的または物理的気相成長法に従って堆積しており、従来用いられてきた熱酸化法により発生する界面準位を低減することができる。   According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, the surface of the silicon carbide substrate is nitrided before forming the insulating film, the silicon carbide main surface is passivated, and the quality of the substrate / insulating film interface is improved. To do. In addition, the insulating film is deposited according to a chemical or physical vapor deposition method, and interface states generated by a conventionally used thermal oxidation method can be reduced.

また、この気相成長法により成膜された絶縁膜は、熱酸化法により形成した絶縁膜に比べて、緻密性などの点で品質が劣るものの、この絶縁膜堆積後、窒化処理を行なうことにより、界面および絶縁膜の品質が改善され、高チャネル移動度μchを達成することができる。   In addition, the insulating film formed by this vapor deposition method is inferior in quality in terms of denseness and the like as compared with the insulating film formed by the thermal oxidation method, but nitriding treatment should be performed after this insulating film is deposited. Thus, the quality of the interface and the insulating film is improved, and a high channel mobility μch can be achieved.

これらのプロセスを、主表面が従来と異なる面方位を有する炭化珪素基体に適用することにより、さらにチャネル移動度μchを向上することができる。また、この化学的または物理的気相成長法を用いる絶縁膜形成法により、熱酸化法により絶縁膜を形成する場合に比べてプロセス時間を短縮することができる。   By applying these processes to a silicon carbide substrate having a main surface having a different plane orientation, the channel mobility μch can be further improved. Further, the insulating film forming method using the chemical or physical vapor deposition method can shorten the process time as compared with the case where the insulating film is formed by the thermal oxidation method.

また、この発明に係る炭化珪素半導体装置では、表面が窒化処理された炭化珪素基体表面に気相成長された二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として設け、このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成しており、基体/絶縁膜界面トラップ密度が低減された高チャネル移動度を有する炭化珪素MOSFETを実現することができる。   In the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, a silicon dioxide film grown on the surface of a silicon carbide substrate whose surface is nitrided is provided as a gate insulating film, and a gate electrode is formed on the gate insulating film. Thus, a silicon carbide MOSFET having a high channel mobility with a reduced substrate / insulating film interface trap density can be realized.

[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法により製造される炭化珪素半導体装置の素子構造の断面構造を概略的に示す図である。具体的には、図1には、炭化珪素半導体装置の一例として、炭化珪素MOSFETの断面構造が示される。
[Embodiment 1]
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of an element structure of a silicon carbide semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a silicon carbide MOSFET as an example of a silicon carbide semiconductor device.

図1において、炭化珪素半導体装置は、第1導電型基板1表面に形成される第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層2と、このドリフト層2上に所定の深さに、互いに間をおいて形成される第2導電型のベース領域3aおよび3bと、ベース領域3aおよび3bそれぞれの表面に形成される第1導電型のソース領域4aおよび4bと、ベース領域3aおよび3b上に、ソース領域4aおよび4bにまで延在してドリフト層2およびベース領域3aおよび3b上に形成されるゲート絶縁膜5と、ソース領域4aおよび4bそれぞれに電気的に接触されるソース電極7aおよび7bと、ゲート絶縁膜5上にベース領域3aおよび3bおよびそれらの間の領域上に平面図的に見てソース領域4aおよび4bに到達するように形成されるゲート電極6と、基板1の下部表面に形成されるドレイン電極8とを含む。   In FIG. 1, a silicon carbide semiconductor device includes a drift layer 2 made of silicon carbide of a first conductivity type formed on the surface of a first conductivity type substrate 1 and a predetermined depth on the drift layer 2 between each other. Source regions 4a and 4b of the first conductivity type formed on the surfaces of the base regions 3a and 3b, and the source regions 4a and 4b of the first conductivity type formed on the surfaces of the base regions 3a and 3b, respectively. Gate insulating film 5 extending to regions 4a and 4b and formed on drift layer 2 and base regions 3a and 3b, and source electrodes 7a and 7b in electrical contact with source regions 4a and 4b, respectively. Gate electrodes formed on the base insulating film 5 so as to reach the source regions 4a and 4b in a plan view on the base regions 3a and 3b and the region between them. When, and a drain electrode 8 formed on the lower surface of the substrate 1.

基板1と、ドリフト層2と、ベース領域3aおよび3bと、ソース領域4aおよび4bとにより、基体が構成される。   Substrate is constituted by substrate 1, drift layer 2, base regions 3a and 3b, and source regions 4a and 4b.

この図1に示す炭化珪素半導体装置においては、ゲート電極6に電圧が印加されると、このゲート電極直下のベース領域3aおよび3b表面に反転チャネル層が形成され、ソース領域4aおよび4bとドリフト層2との間に電荷の流れる経路が形成される。炭化珪素MOSFETがnチャネルMOSFETの場合、多数キャリアは電子であり、ソース領域4aおよび4bからドリフト層2へ流れ込む電子は、ドレイン電極8に印加される電圧により形成される電界に従ってドリフト層2および基板を介してドレイン電極8に到達する。したがって、ゲート電極6に電圧を印加することにより、ドレイン電極8からソース電極7aおよび7bに電流が流れる。炭化珪素MOSFETがpチャネルMOSFETであり、多数キャリアが正孔の場合には、ドレイン電極8から注入される正孔が、ドリフト層2を介して流れてベース領域3aおよび3bに到達し、次いで、ベース領域3aおよび3b表面に形成された反転チャネル層を介してソース電極7aおよび7bの電位に従ってソース領域4aおよび4bに流れ込む。これにより、正孔がドレイン電極8からソース電極7aおよび7bに流れる。   In the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1, when a voltage is applied to gate electrode 6, inversion channel layers are formed on the surfaces of base regions 3a and 3b immediately below the gate electrode, and source regions 4a and 4b and a drift layer are formed. A path through which charges flow is formed between the two. When silicon carbide MOSFET is an n-channel MOSFET, majority carriers are electrons, and electrons flowing from source regions 4a and 4b to drift layer 2 are drift layer 2 and substrate according to an electric field formed by a voltage applied to drain electrode 8. To the drain electrode 8 via Therefore, by applying a voltage to the gate electrode 6, a current flows from the drain electrode 8 to the source electrodes 7a and 7b. When the silicon carbide MOSFET is a p-channel MOSFET and the majority carriers are holes, the holes injected from the drain electrode 8 flow through the drift layer 2 and reach the base regions 3a and 3b. It flows into source regions 4a and 4b according to the potentials of source electrodes 7a and 7b through an inversion channel layer formed on the surfaces of base regions 3a and 3b. As a result, holes flow from the drain electrode 8 to the source electrodes 7a and 7b.

ゲート絶縁膜5は、二酸化珪素膜で構成され、炭化珪素で形成される基体(基板1からソース領域4aおよび4bが形成される部分までの領域を示す)を窒化処理して主表面にパッシベーション処理を施した後に基体主表面上にゲート絶縁膜5を化学的または物理的気相成長法により形成して、ゲート絶縁膜5とベース領域3aおよび3bの間の界面の電荷トラップ発生を抑制する。   Gate insulating film 5 is formed of a silicon dioxide film, and a main body surface is subjected to a passivation treatment by nitriding a substrate (showing a region from substrate 1 to a portion where source regions 4a and 4b are formed) formed of silicon carbide. After the step, the gate insulating film 5 is formed on the main surface of the substrate by chemical or physical vapor deposition to suppress the generation of charge traps at the interface between the gate insulating film 5 and the base regions 3a and 3b.

このゲート絶縁膜5形成後、酸化窒素ガス雰囲気中で窒化処理を施すことにより、さらに界面準位を低減し、かつゲート絶縁膜5の膜質を改善する。これにより、MOS界面に生じる界面準位を低減することができ、応じて界面トラップ密度を低減して炭化珪素MOSFETのチャネル移動度を向上することができる。以下、この図1に示す炭化珪素半導体装置の製造方法について順次、工程順に説明する。なお、本実施の形態においては、窒化処理雰囲気は、ガス雰囲気であるが、一酸化窒素または一酸化二窒素は、本発明の半導体装置の製造工程での処理条件下ではガスであり、以下の説明においては単に雰囲気と記載する。従って、例えば、一酸化窒素雰囲気は、一酸化窒素ガス雰囲気を示す。   After the gate insulating film 5 is formed, nitriding treatment is performed in a nitrogen oxide gas atmosphere to further reduce the interface state and improve the film quality of the gate insulating film 5. Thereby, the interface state generated at the MOS interface can be reduced, and accordingly, the interface trap density can be reduced and the channel mobility of the silicon carbide MOSFET can be improved. Hereinafter, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 will be described in the order of steps. In the present embodiment, the nitriding atmosphere is a gas atmosphere, but nitric oxide or dinitrogen monoxide is a gas under the processing conditions in the manufacturing process of the semiconductor device of the present invention, and In the description, it is simply described as atmosphere. Therefore, for example, a nitrogen monoxide atmosphere indicates a nitrogen monoxide gas atmosphere.

図2において、第1導電型基板1上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて第1導電型の炭化珪素エピタキシャル層からなるドリフト層2を形成する。このドリフト層2の厚さは、5ないし50μm程度であればよく、また不純物濃度としては、1×1015ないし1×1018/cm程度であればよい。 In FIG. 2, a drift layer 2 made of a silicon carbide epitaxial layer of the first conductivity type is formed on the first conductivity type substrate 1 using an epitaxial crystal growth method. The thickness of the drift layer 2 may be about 5 to 50 μm, and the impurity concentration may be about 1 × 10 15 to 1 × 10 18 / cm 3 .

上述の条件でドリフト層2を形成することにより、数百Vないし3KV以上の耐圧を有する縦型高耐圧MOSFETを実現することができる。   By forming the drift layer 2 under the above-described conditions, a vertical type high breakdown voltage MOSFET having a breakdown voltage of several hundred V to 3 KV or more can be realized.

第1導電型基板1としては、たとえばn型炭化珪素基板が好ましく、その面方位としては(0001)面、(000−1)面、(11−20)面などを用いることができる。また、この炭化珪素基板1のポリタイプとしては、4H、6H、および3Cのいずれかを用いることができる。   As the first conductivity type substrate 1, for example, an n-type silicon carbide substrate is preferable, and (0001) plane, (000-1) plane, (11-20) plane, etc. can be used as the plane orientation. As the polytype of silicon carbide substrate 1, any of 4H, 6H, and 3C can be used.

次に、図3を参照して、エピタキシャル結晶成長法によりドリフト層2を形成した後、このドリフト層2表面に、ベース領域を形成する領域が露出するように、写真製版技術を用いてレジスト、二酸化珪素、または窒化珪素などによりマスクを形成する。このマスクを不純物注入阻止膜として不純物をイオン注入し、一対の第2導電型のベース領域3aおよび3bを形成する。図3においては、このイオン注入時に用いられるマスクを除去した後の素子の断面構造が示される。   Next, referring to FIG. 3, after the drift layer 2 is formed by an epitaxial crystal growth method, a resist is formed using a photoengraving technique so that a region for forming a base region is exposed on the surface of the drift layer 2. A mask is formed using silicon dioxide, silicon nitride, or the like. Impurities are ion-implanted using this mask as an impurity implantation blocking film to form a pair of second conductivity type base regions 3a and 3b. FIG. 3 shows the cross-sectional structure of the element after removing the mask used for this ion implantation.

この炭化珪素半導体装置がnチャネルMOSFETの場合、ベース領域3aおよび3bに導入される第2導電型不純物としては、ボロン(B)またはアルミニウム(Al)が利用可能であり、またpチャネルMOSFETの場合には、この第2導電型注入不純物として、リン(P)または窒素(N)を利用することができる。   When this silicon carbide semiconductor device is an n-channel MOSFET, boron (B) or aluminum (Al) can be used as the second conductivity type impurity introduced into base regions 3a and 3b, and in the case of p-channel MOSFET In this case, phosphorus (P) or nitrogen (N) can be used as the second conductivity type implanted impurity.

ベース領域3aおよび3bの深さは、ドリフト層2の厚さを超えないことが要求され、その深さとしては、たとえば0.5〜3μm程度あればよい。   The depths of the base regions 3a and 3b are required not to exceed the thickness of the drift layer 2, and the depth may be about 0.5 to 3 μm, for example.

また、ベース領域3aおよび3bの第2導電型の不純物の濃度は、ドリフト層2における第1導電型不純物の濃度を超える濃度に設定し、たとえば1×1017〜1×1019/cm程度であればよい。 The concentration of the second conductivity type impurity in the base regions 3a and 3b is set to a concentration exceeding the concentration of the first conductivity type impurity in the drift layer 2, for example, about 1 × 10 17 to 1 × 10 19 / cm 3. If it is.

次いで、図4を参照して、写真製版技術を用いて基体表面にマスクを形成し、ソース領域形成部分を露出させ、このマスクを用いて、ベース領域3aおよび3b内に第1導電型不純物をイオン注入して、第1導電型のソース領域4aおよび4bをそれぞれ形成する。図4においては、このソース領域形成用のマスク除去後の素子の断面構造が示される。   Next, referring to FIG. 4, a mask is formed on the surface of the substrate using photolithography, and the source region forming portion is exposed. Using this mask, the first conductivity type impurities are introduced into base regions 3a and 3b. Ion implantation is performed to form first conductivity type source regions 4a and 4b, respectively. FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the element after removing the mask for forming the source region.

ソース領域4aおよび4b内に導入される第1導電型の不純物としては、この炭化珪素半導体装置が、nチャネルMOSFETの場合、たとえばリン(P)または窒素(N)などを利用することができ、また、この炭化珪素半導体装置がpチャネルMOSFETの場合、たとえばボロン(B)またはアルミニウム(Al)などを利用することができる。   When the silicon carbide semiconductor device is an n-channel MOSFET, for example, phosphorus (P) or nitrogen (N) can be used as the first conductivity type impurity introduced into source regions 4a and 4b. When this silicon carbide semiconductor device is a p-channel MOSFET, for example, boron (B) or aluminum (Al) can be used.

ソース領域4aおよび4bの深さは、ベース領域3aおよび3bの深さよりも浅くされる。このソース領域4aおよび4bに導入される第1導電型の不純物の濃度は、たとえば1×1018〜1×1021/cm程度であればよい。 The depths of the source regions 4a and 4b are made shallower than the depths of the base regions 3a and 3b. The concentration of the first conductivity type impurity introduced into the source regions 4a and 4b may be, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 .

続いて、熱処理装置により、炭化珪素基体を例えば1300℃ないし1900℃の高温条件下で例えば30秒から1時間程度熱処理を行うことにより、注入イオンが電気的に活性化される。   Subsequently, the implanted ions are electrically activated by performing a heat treatment on the silicon carbide substrate under a high temperature condition of, for example, 1300 ° C. to 1900 ° C. for about 30 seconds to 1 hour by a heat treatment apparatus.

次に、図5を参照して、一酸化窒素(NO)または一酸化二窒素(N2O)の酸化窒素雰囲気中で窒化処理を施し、炭化珪素基体表面のパッシベートを行なう。このパッシベーション処理の後、物理的気相成長法または化学的気相成長法を用いて炭化珪素基体表面にゲート絶縁膜5を成膜する。この絶縁膜5の形成後、さらに、一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気中で窒化処理を実施する。このゲート絶縁膜5の作製にかかる一連の工程は、本発明における特徴的な工程であり、後に詳細に説明する。   Next, referring to FIG. 5, the surface of the silicon carbide substrate is passivated by nitriding in a nitrogen oxide atmosphere of nitric oxide (NO) or dinitrogen monoxide (N2O). After this passivation treatment, a gate insulating film 5 is formed on the surface of the silicon carbide substrate using physical vapor deposition or chemical vapor deposition. After the formation of the insulating film 5, nitriding is further performed in a nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide atmosphere. A series of steps for producing the gate insulating film 5 is a characteristic step in the present invention, and will be described in detail later.

ゲート絶縁膜5作製前後における窒化処理により、ゲート絶縁膜の結晶品質の改善および界面準位の低減を効果的に実現することができる。   By the nitriding treatment before and after the production of the gate insulating film 5, the crystal quality of the gate insulating film can be improved and the interface state can be effectively reduced.

次いで、図6を参照して、ゲート絶縁膜5上にゲート電極6を成膜し、次いで写真製版技術を用いてパターニングする。ゲート電極6は、ベース領域3aおよび3bならびにソース領域4aおよび4bがその両端部に位置し、ベース領域3aおよび3b間の露出したドリフト層2がその中央に位置するような形状にパターニングされる。   Next, referring to FIG. 6, a gate electrode 6 is formed on the gate insulating film 5, and then patterned using a photoengraving technique. The gate electrode 6 is patterned in such a shape that the base regions 3a and 3b and the source regions 4a and 4b are located at both ends thereof, and the exposed drift layer 2 between the base regions 3a and 3b is located at the center thereof.

また、ゲート電極6は、一対のソース領域4aおよび4bとたとえば10nm〜5μmの範囲で平面図的に見て重なり合うように形成されるのが望ましい。ゲート電極6の端部におけるフリンジ効果の影響を抑制して、均一にベース領域3aおよび3b表面に電圧を印加して、ベース領域3aおよび3b表面に確実に、反転チャネル層を形成する。   The gate electrode 6 is preferably formed so as to overlap with the pair of source regions 4a and 4b in the range of, for example, 10 nm to 5 μm in plan view. The influence of the fringe effect at the end of the gate electrode 6 is suppressed, and a voltage is uniformly applied to the surfaces of the base regions 3a and 3b, so that the inverted channel layer is reliably formed on the base regions 3a and 3b.

このゲート電極6の素材としては、n型またはp型の多結晶珪素(ポリシリコン)であってもよく、またn型またはp型の多結晶炭化珪素であってもよく、また、アルミニウム、または、チタン、モリブデン、タンタル、ニオブおよびタングステンなどの低抵抗高融点金属であってもよく、また、高融点低抵抗金属の窒化物が用いられてもよい。   The material of the gate electrode 6 may be n-type or p-type polycrystalline silicon (polysilicon), n-type or p-type polycrystalline silicon carbide, aluminum, or A low-resistance refractory metal such as titanium, molybdenum, tantalum, niobium, or tungsten may be used, and a nitride of a refractory low-resistance metal may be used.

このゲート電極6のパターニングの後、ゲート絶縁膜5の不要部分を、写真製版技術を用いたパターニングおよびウェットまたはドライエッチングにより除去することにより、図7に示すように、ソース領域4aおよび4bの表面が露出される。ゲート絶縁膜5は、ゲート電極6よりも長く形成され、次工程で形成されるソース電極とゲート電極6の間を確実に電気的に分離する。   After the patterning of the gate electrode 6, unnecessary portions of the gate insulating film 5 are removed by patterning using photolithography and wet or dry etching, so that the surfaces of the source regions 4a and 4b are obtained as shown in FIG. Is exposed. The gate insulating film 5 is formed longer than the gate electrode 6 and reliably separates the source electrode and the gate electrode 6 formed in the next process.

次いで、図8に示すように、このソース領域4aおよび4bの露出した部分に、ソース電極7aおよび7bを成膜およびパターニングにより形成する。   Next, as shown in FIG. 8, source electrodes 7a and 7b are formed on the exposed portions of the source regions 4a and 4b by film formation and patterning.

この後、基板1の裏面にドレイン電極8を形成することにより、図1に示す素子構造を有する半導体装置の主要部が完成する。   Thereafter, the drain electrode 8 is formed on the back surface of the substrate 1 to complete the main part of the semiconductor device having the element structure shown in FIG.

ソース電極7aおよび7bとドレイン電極8の素材としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、および金などまたはこれらの複合物を用いることができる。また、ソース領域4aおよび4bと第1導電型基板1に対するオーミック接触を得るために、ソース電極7aおよび7bならびにドレイン電極8を形成した後に、1000℃程度の熱処理が施されてもよい。   As materials for the source electrodes 7a and 7b and the drain electrode 8, aluminum, nickel, titanium, gold, or a composite thereof can be used. Further, in order to obtain ohmic contact between the source regions 4a and 4b and the first conductivity type substrate 1, heat treatment at about 1000 ° C. may be performed after the source electrodes 7a and 7b and the drain electrode 8 are formed.

次に、本発明に従う炭化珪素半導体装置の製造方法において特徴的なゲート絶縁膜形成工程および一酸化窒素または一酸化二窒素の酸化窒素雰囲気中での窒化処理工程について図9を参照して詳細に説明する。   Next, a gate insulating film forming step and a nitriding step in a nitrogen oxide atmosphere of nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide characteristic in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. explain.

この図9は、ゲート絶縁膜5の形成を目的とする炭化珪素基体表面の窒化処理工程、化学的気相成長法による二酸化珪素膜の形成工程およびその後の窒化処理工程に至る各工程における反応炉内の温度プロファイルを表わす図である。ここで、ゲート絶縁膜の形成のための気相成長法としては化学的気相成長法が用いられ、また、ゲート絶縁膜5の材料として二酸化珪素が用いられる場合を一例として説明する。また、処理は、炭化珪素基体が形成されたウェハ単位で(所定数のウェハに対して並行して)行われるため、図9においては、炭化珪素基体が形成されるウェハを示す。   FIG. 9 shows a reactor in each process from the nitriding process on the surface of the silicon carbide base for the purpose of forming the gate insulating film 5, the forming process of the silicon dioxide film by chemical vapor deposition, and the subsequent nitriding process. It is a figure showing an inside temperature profile. Here, a chemical vapor deposition method is used as the vapor phase growth method for forming the gate insulating film, and a case where silicon dioxide is used as the material of the gate insulating film 5 is described as an example. Further, since the processing is performed in units of wafers on which the silicon carbide substrate is formed (in parallel with a predetermined number of wafers), FIG. 9 shows a wafer on which the silicon carbide substrate is formed.

図9においては、縦軸に、各処理工程における温度を示し、横軸に時間を示し、一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気下での窒化処理工程、化学的気相成長法による酸化膜形成工程、およびその後の一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気下での窒化処理工程を含むゲート絶縁膜形成工程が、時系列的に各対応の温度プロファイルとともに示される。   In FIG. 9, the vertical axis indicates the temperature in each processing step, the horizontal axis indicates time, the nitriding step in a nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide atmosphere, and the formation of an oxide film by chemical vapor deposition A gate insulating film forming process including a process and a subsequent nitriding process under a nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide atmosphere is shown together with each corresponding temperature profile.

図9において、まず、アルゴン(Ar)または窒素(N2)などの不活性ガス雰囲気下での窒化処理用反応炉内にベース領域3(領域3a,3bを総称的に示す)およびソース領域4(領域4a,4bを総称的に示す)形成後の炭化珪素基体を導入する(ウェハ導入)。   In FIG. 9, first, a base region 3 (regions 3a and 3b are shown generically) and a source region 4 (shown generically) in a reactor for nitriding under an inert gas atmosphere such as argon (Ar) or nitrogen (N2). The formed silicon carbide substrate is introduced (wafer introduction). The regions 4a and 4b are generically shown).

この窒化炉(窒化処理用反応炉)内の温度が処理温度に到達した時点で、この反応炉内を、アルゴンまたは窒素などの不活性ガス雰囲気から一酸化窒素(NO)または一酸化二窒素(N2O)雰囲気に切換え、この酸化窒素雰囲気および処理温度を所定時間維持することにより窒化処理を行なう。このような窒化処理工程を実施することにより、この炭化珪素基体主表面を窒素原子(N)がパッシベートし(不動態化し)、次工程で堆積される二酸化珪素膜との界面が良好となる。   When the temperature in the nitriding furnace (nitriding treatment reactor) reaches the processing temperature, the inside of the reaction furnace is charged with nitrogen monoxide (NO) or dinitrogen monoxide (NO) from an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen. The nitriding process is performed by switching to the N 2 O) atmosphere and maintaining the nitrogen oxide atmosphere and the processing temperature for a predetermined time. By carrying out such a nitriding process, nitrogen atoms (N) are passivated (passivated) on the main surface of the silicon carbide substrate, and the interface with the silicon dioxide film deposited in the next process is improved.

なお、この窒化処理用反応炉内における窒化処理中の雰囲気については、窒素、アルゴン、ヘリウムまたはクリプトンなどで希釈した一酸化窒素または一酸化二窒素が用いられてもよく、また一酸化窒素と一酸化二窒素が混在する雰囲気ガスが用いられてもよい。これらの雰囲気を総称して酸化窒素系雰囲気と称す。   As for the atmosphere during nitriding in the nitriding reactor, nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide diluted with nitrogen, argon, helium, krypton, or the like may be used. An atmosphere gas in which dinitrogen oxide is mixed may be used. These atmospheres are collectively referred to as a nitrogen oxide atmosphere.

窒化処理温度としては、900℃〜1450℃であるのが望ましい。これは、900℃以下の低温では、窒化速度が非常に遅く、窒素原子のパッシベートがほとんど進行しないためである。また、1450℃以上の高温条件下では、一酸化窒素または一酸化二窒素中に含まれる酸素原子による熱酸化が進行し、界面に熱酸化によるトラップが発生し、逆に界面トラップ密度が増加するためである。   The nitriding temperature is desirably 900 ° C. to 1450 ° C. This is because, at a low temperature of 900 ° C. or lower, the nitriding rate is very slow and the passivation of nitrogen atoms hardly proceeds. Further, under high temperature conditions of 1450 ° C. or higher, thermal oxidation by oxygen atoms contained in nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide proceeds, traps due to thermal oxidation occur at the interface, and conversely the interface trap density increases. Because.

この窒化処理時間としては、30分〜6時間程度が望ましい。   The nitriding time is preferably about 30 minutes to 6 hours.

この窒化処理工程後、窒化処理反応炉内の雰囲気を、アルゴンまたは窒素などの不活性ガス雰囲気に切換え、ある一定期間の間窒化処理の温度を保持して、完全に雰囲気を不活性ガスに切換えた後、この炭化珪素基体取出し温度まで降温し、温度降下後、この炭化珪素基体を反応炉外へ取出す。これにより、ゲート絶縁膜形成前の窒化処理工程が終了する。   After this nitriding process, the atmosphere in the nitriding reactor is switched to an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen, and the temperature of the nitriding process is maintained for a certain period, and the atmosphere is completely switched to an inert gas. Thereafter, the temperature is lowered to the silicon carbide substrate take-out temperature, and after the temperature drop, the silicon carbide substrate is taken out of the reaction furnace. Thereby, the nitriding process step before forming the gate insulating film is completed.

次に、化学的気相成長反応炉(CVD炉)内に上記窒化処理後の炭化珪素基体を導入し(ウェハ移動)、処理温度を所定の温度に設定して化学的気相成長法により、二酸化珪素を成膜する。このCVD炉における材料ガスについては、珪素源として、たとえばシラン、ジシラン、ジクロロシラン、ジフロロシラン、テトラエトキシシラン(TEOS)などを用いることができる。また、酸素源として、たとえば酸素(O,O2)、オゾン(O3)、酸素ラジカル、一酸化二窒素などを用いることができる。   Next, the silicon carbide substrate after the nitriding treatment is introduced into a chemical vapor deposition reactor (CVD furnace) (wafer movement), the processing temperature is set to a predetermined temperature, and the chemical vapor deposition method is used. Silicon dioxide is deposited. With respect to the material gas in this CVD furnace, for example, silane, disilane, dichlorosilane, difluorosilane, tetraethoxysilane (TEOS) or the like can be used as a silicon source. As an oxygen source, for example, oxygen (O, O 2), ozone (O 3), oxygen radicals, dinitrogen monoxide and the like can be used.

また、これらの分解には、熱励起、プラズマ励起、光励起などの方法を用いることができる。好ましくは、これらの材料ガス源の熱分解により成膜することにより、炭化珪素基体表面にダメージを与えることなく、良質の二酸化珪素を成膜することができる。   Moreover, methods such as thermal excitation, plasma excitation, and photoexcitation can be used for the decomposition. Preferably, good quality silicon dioxide can be formed without damaging the surface of the silicon carbide substrate by forming the film by thermal decomposition of these material gas sources.

この二酸化珪素の膜厚は、2ないし200nm程度であればよいが、好ましくは、耐圧条件から、30〜70nm程度であればよい。この二酸化珪素の膜厚は、成膜条件により制御することができるが、熱酸化法に比べて大幅に成膜時間を短縮することが可能である。   The film thickness of the silicon dioxide may be about 2 to 200 nm, but preferably about 30 to 70 nm from the pressure resistance condition. The film thickness of this silicon dioxide can be controlled by the film formation conditions, but the film formation time can be significantly shortened compared to the thermal oxidation method.

また、化学的気相成長法により二酸化珪素膜を成膜する場合には、成膜温度は、たとえば100ないし1000℃程度でよい。熱酸化法による成膜の場合は、炭化珪素が珪素に比べて熱酸化され難いため、その実用的な熱酸化処理温度も1100℃以上のより高温が求められる。また、熱酸化法では、酸素原子が炭化珪素内に拡散して二酸化珪素が形成されるため、炭化珪素/二酸化珪素の界面が、炭化珪素内部に形成される。このため、不純物注入された領域であるベース領域およびソース領域の深さおよびベース領域およびソース領域4の深さ方向の不純物プロファイルが影響を受け、素子特性値が目標値から変動する。   Further, when the silicon dioxide film is formed by chemical vapor deposition, the film formation temperature may be about 100 to 1000 ° C., for example. In the case of film formation by a thermal oxidation method, silicon carbide is less likely to be thermally oxidized than silicon, so that a practical thermal oxidation temperature is required to be higher than 1100 ° C. Further, in the thermal oxidation method, oxygen atoms diffuse into silicon carbide to form silicon dioxide, so that a silicon carbide / silicon dioxide interface is formed inside silicon carbide. For this reason, the depth of the base region and the source region, which are regions into which impurities are implanted, and the impurity profile in the depth direction of the base region and the source region 4 are affected, and the element characteristic value varies from the target value.

また、ベース領域3とソース領域4とドリフト層2の不純物濃度の差から、熱酸化速度が異なり、均一な膜厚のゲート絶縁膜5を形成するのが困難である。また、ドリフト層2、ベース領域3およびソース領域4の露出した部分にゲート絶縁膜5が形成される。この場合、熱酸化処理工程中に、これらのドリフト層2、ベース領域3およびソース領域4の不純物がゲート絶縁膜中に取込まれてしまうため、ゲート絶縁膜5の信頼性が損なわれることになる。   In addition, due to the difference in impurity concentration between the base region 3, the source region 4, and the drift layer 2, the thermal oxidation rate differs, and it is difficult to form the gate insulating film 5 having a uniform thickness. A gate insulating film 5 is formed on the exposed portions of the drift layer 2, the base region 3 and the source region 4. In this case, since the impurities of the drift layer 2, the base region 3 and the source region 4 are taken into the gate insulating film during the thermal oxidation process, the reliability of the gate insulating film 5 is impaired. Become.

化学的気相成長法を用いた場合、炭化珪素基体表面上に二酸化珪素が成膜され、従って、二酸化珪素/炭化珪素の界面は炭化珪素の表面に形成されるため、不純物注入層の深さおよび注入不純物プロファイルを厳密に制御することができ、かつ均一な膜厚で注入不純物の影響のない高信頼性のゲート絶縁膜5を形成することができる。   When chemical vapor deposition is used, silicon dioxide is deposited on the surface of the silicon carbide substrate, and therefore the silicon dioxide / silicon carbide interface is formed on the surface of the silicon carbide. In addition, the highly reliable gate insulating film 5 can be formed with a uniform film thickness and without the influence of the implanted impurities, which can strictly control the implanted impurity profile.

この化学的気相成長法により所定の時間成膜を行なうことにより、炭化珪素基体表面に二酸化珪素からなる所望の膜厚のゲート絶縁層を堆積することができる。   By performing film formation for a predetermined time by this chemical vapor deposition method, a gate insulating layer having a desired thickness made of silicon dioxide can be deposited on the surface of the silicon carbide substrate.

このCVD炉における二酸化珪素膜形成後、CVD炉を降温する。降温後、炭化珪素基体をCVD炉から取り出して窒化炉へ移動して、ゲート絶縁膜5が堆積された炭化珪素基体を窒化処理炉に導入する。このゲート絶縁膜形成後の窒化処理工程は、ゲート絶縁膜形成前の窒化処理工程と同一の手順で実行する。このゲート絶縁膜形成後の窒化処理工程を実施することにより、堆積された二酸化珪素膜の品質および二酸化珪素と炭化珪素の界面の品質が、さらに良好となる。   After the silicon dioxide film is formed in the CVD furnace, the temperature of the CVD furnace is lowered. After the temperature is lowered, the silicon carbide substrate is taken out from the CVD furnace and moved to the nitriding furnace, and the silicon carbide substrate on which the gate insulating film 5 is deposited is introduced into the nitriding furnace. The nitriding process after forming the gate insulating film is performed in the same procedure as the nitriding process before forming the gate insulating film. By performing the nitriding process after the formation of the gate insulating film, the quality of the deposited silicon dioxide film and the quality of the interface between silicon dioxide and silicon carbide are further improved.

なお、上述の一連の処理工程においては、二酸化珪素の化学的気相成長と窒化処理をそれぞれ行なう装置が別々に設けられる場合を説明している。しかしながら、これらの化学的気相成長および窒化処理が、同一の装置内で連続的に実施されてもよい。この場合、炭化珪素基体の装置間移動に伴う温度の昇降温時間を低減することができ、よりプロセス時間を短縮することができ、またさらに、装置間移動に伴う基体汚染も低減される。   In the above-described series of processing steps, a case is described in which apparatuses for performing chemical vapor deposition and nitriding of silicon dioxide are separately provided. However, these chemical vapor deposition and nitridation processes may be performed continuously in the same apparatus. In this case, the temperature raising / lowering time of the temperature accompanying the movement of the silicon carbide substrate between apparatuses can be reduced, the process time can be further shortened, and further, the contamination of the substrate due to the movement between apparatuses is reduced.

また、ゲート絶縁膜形成前後の窒化処理の手順は同一であるものの、処理条件は同一であってもよく、また、異なっていても良い。   Further, although the nitriding treatment procedure before and after the formation of the gate insulating film is the same, the processing conditions may be the same or different.

図10は、この発明による炭化珪素半導体装置の製造方法により形成された炭化珪素MOSFETと従来の熱酸化法により形成された炭化珪素MOSFETの電界効果移動度(μfe)の最大値を一覧にして示す図である。比較例としては、従来の熱酸化法に従って水蒸気を含む酸素雰囲気中での熱酸化工程を行って二酸化珪素膜を(0001)面上に形成した素子の場合が一例として示される。本発明の実施例としては、面方位として、(0001)面、(000−1)面および(11−20)面を主表面とする炭化珪素基板(エピタキシャル層)上に二酸化珪素膜が窒化処理、化学的気相成長法および窒化処理の組合せにより形成される場合が示される。   FIG. 10 shows a list of the maximum field effect mobility (μfe) of the silicon carbide MOSFET formed by the silicon carbide semiconductor device manufacturing method according to the present invention and the silicon carbide MOSFET formed by the conventional thermal oxidation method. FIG. As a comparative example, a case where a silicon dioxide film is formed on a (0001) surface by performing a thermal oxidation step in an oxygen atmosphere containing water vapor according to a conventional thermal oxidation method is shown as an example. As an example of the present invention, a silicon dioxide film is nitrided on a silicon carbide substrate (epitaxial layer) having a (0001) plane, a (000-1) plane, and a (11-20) plane as the plane orientation. The case where it is formed by a combination of chemical vapor deposition and nitriding is shown.

この図10に示すように、従来の手法では、電界効果移動度μfeのピーク値は、1.5cm/Vs(ボルト・秒)である。一方、この発明の実施の形態による炭化珪素MOSFETにおいては、(0001)面上では、40cm/Vsを達成している。また、(11−20)面上に本発明の製造方法を採用して二酸化珪素膜を形成した場合、55cm/Vsと最も高いチャネル移動度を達成することができる。炭化珪素基板の酸化を行なうことなく二酸化珪素膜を形成する堆積法と窒化処理工程とを組合わせたことにより、高移動度が実現できたと考えられる。 As shown in FIG. 10, in the conventional method, the peak value of the field effect mobility μfe is 1.5 cm 2 / Vs (volt · second). On the other hand, in the silicon carbide MOSFET according to the embodiment of the present invention, 40 cm 2 / Vs is achieved on the (0001) plane. When the silicon dioxide film is formed on the (11-20) plane by using the manufacturing method of the present invention, the highest channel mobility of 55 cm 2 / Vs can be achieved. It is considered that high mobility can be realized by combining the deposition method for forming the silicon dioxide film without oxidizing the silicon carbide substrate and the nitriding treatment step.

さらに、異なる面方位を主表面とする炭化珪素基板を用いると特性に違いが見られ、(11−20)面を主表面とする炭化珪素基板を用いた場合、最も高い移動度が得られる。   Further, when a silicon carbide substrate having a different surface orientation as the main surface is used, a difference in characteristics is observed. When a silicon carbide substrate having a (11-20) surface as the main surface is used, the highest mobility can be obtained.

また、本実施の形態においては、200℃で化学的気相成長を行なって二酸化珪素膜を堆積しているが、この成膜温度をより高くすることにより、より緻密性のある酸化膜の形成が期待でき、従って、成長温度を高くすることにより、さらに高移動度が得られることが期待される。   In the present embodiment, a silicon dioxide film is deposited by performing chemical vapor deposition at 200 ° C. By forming this film formation temperature higher, a denser oxide film is formed. Therefore, it is expected that higher mobility can be obtained by increasing the growth temperature.

また、二酸化珪素成膜中にたとえば窒素などの不純物をin−situ(その場)ドーピングすることにより酸化膜中の欠陥をパッシベートするなどの効果が期待され、移動度の向上が期待できる。   In addition, an effect such as passivating defects in the oxide film by in-situ doping of impurities such as nitrogen during silicon dioxide film formation is expected, and an improvement in mobility can be expected.

なお、上述の説明においては、炭化珪素MOSFETが炭化珪素半導体装置の一例として示されている。しかしながら、たとえばIGBTなどの炭化珪素層上に絶縁膜が形成された素子構造を有する炭化珪素半導体装置に対しても、本発明に従う製造方法を適用することにより同様な効果を得ることができる。また、半導体装置をソースおよびドレインが同一表面に形成されるトランジスタを利用する場合にも、本発明を適用することができる。従って、一般に炭化珪素層上に絶縁膜が形成された素子構造を有する半導体装置に対して、本発明に従う製造方法を適用することによりMOS界面準位の少ない半導体装置を実現することができる。   In the above description, silicon carbide MOSFET is shown as an example of a silicon carbide semiconductor device. However, a similar effect can be obtained by applying the manufacturing method according to the present invention also to a silicon carbide semiconductor device having an element structure in which an insulating film is formed on a silicon carbide layer such as IGBT. The present invention can also be applied to a case where a semiconductor device uses a transistor in which a source and a drain are formed on the same surface. Therefore, by applying the manufacturing method according to the present invention to a semiconductor device generally having an element structure in which an insulating film is formed on a silicon carbide layer, a semiconductor device having a low MOS interface state can be realized.

また、このゲート絶縁膜の形成方法として化学的気相成長法が用いられる場合が示されているものの、蒸着法、スパッタ法、イオンクラスタビーム法、分子線エピタキシ法などの物理的な成膜方法(物理的気相成長法)を用いてゲート絶縁膜が形成されてもよい。   In addition, although the chemical vapor deposition method is shown as a method for forming the gate insulating film, a physical film forming method such as an evaporation method, a sputtering method, an ion cluster beam method, or a molecular beam epitaxy method is used. The gate insulating film may be formed by using (physical vapor deposition method).

また、この炭化珪素半導体装置の第1導電型および第2導電型は、n型およびp型であってもよく、また逆に、p型およびn型であってもよい。第1導電型がn型の場合には、nチャネルMOSFETが実現され、第1導電型がp型の場合pチャネルMOSFETが実現される。   Further, the first conductivity type and the second conductivity type of the silicon carbide semiconductor device may be n-type and p-type, and conversely, may be p-type and n-type. An n-channel MOSFET is realized when the first conductivity type is n-type, and a p-channel MOSFET is realized when the first conductivity type is p-type.

また、ゲート絶縁膜が、二酸化珪素で形成される場合が示されているが、他の絶縁膜、たとえば窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜などが用いられても同様の効果を得ることができる。   Although the case where the gate insulating film is formed of silicon dioxide is shown, other insulating films such as silicon nitride film, silicon oxynitride film, aluminum oxide film, aluminum nitride film, hafnium oxide film, zirconium oxide Even if a film or the like is used, the same effect can be obtained.

[変更例]
さらに、MOSFETの素子構造として、第1導電型のドリフト層2上にゲート絶縁膜5が形成される構成が示されているものの、図11に示すように、ドリフト層2にベース領域3a、3bおよびソース領域4a、4bを形成した後に、ドリフト層2、ベース領域3a、3b、およびソース領域4a、4bの一部領域上に第1導電型のエピタキシャル炭化珪素層(エピタキシャル層)10を設け、このエピタキシャル層10上にゲート絶縁膜5が形成されてもよい。このエピタキシャル層10の膜厚は、反転チャネル層が形成される程度の厚さに設定する。この場合は、第1導電型エピタキシャル炭化珪素層10に反転チャネル層が形成されるため、不純物注入により比較的結晶性が悪化する領域がチャネルとして用いられることがなく、MOSFETのチャネル移動度をさらに向上させることができる。オフ状態時においては、エピタキシャル層10において空乏層が広がり、ノーマリオフ型のトランジスタを実現することができる。
[Example of change]
Further, as a device structure of the MOSFET, a configuration in which the gate insulating film 5 is formed on the first conductivity type drift layer 2 is shown, but as shown in FIG. After forming the source regions 4a and 4b, the first conductivity type epitaxial silicon carbide layer (epitaxial layer) 10 is provided on the drift layer 2, the base regions 3a and 3b, and the partial regions of the source regions 4a and 4b, A gate insulating film 5 may be formed on the epitaxial layer 10. The film thickness of the epitaxial layer 10 is set to such a thickness that an inversion channel layer is formed. In this case, since the inversion channel layer is formed in the first conductivity type epitaxial silicon carbide layer 10, a region where the crystallinity is relatively deteriorated by the impurity implantation is not used as the channel, and the channel mobility of the MOSFET is further increased. Can be improved. In the off state, a depletion layer spreads in the epitaxial layer 10, and a normally-off type transistor can be realized.

なお、図11において、図1に示す構成と対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。この図11に示す構成においても、エピタキシャル層10を基体全主表面に形成した後に、先の実施の形態において説明した製造工程と同様の工程にしたがって、ゲート絶縁膜5の形成前後において窒化処理を行い、又、エピタキシャル層10およびゲート絶縁膜5のパターニングを行なう。   In FIG. 11, parts corresponding to those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Also in the structure shown in FIG. 11, after the epitaxial layer 10 is formed on the entire main surface of the substrate, nitriding is performed before and after the formation of the gate insulating film 5 in accordance with the same manufacturing process as described in the previous embodiment. In addition, the epitaxial layer 10 and the gate insulating film 5 are patterned.

以上のように、この発明に従う炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、窒化処理後に化学的または物理的気相成長法により絶縁膜形成工程を実施すると下地炭化珪素基板表面の酸化が行なわれないため、熱酸化法の場合のような炭化珪素基板の熱酸化に伴うMOS界面での界面準位の発生が低減されるとともに、この絶縁膜形成前後の窒化処理工程により絶縁膜およびMOS界面の品質が改善され、MOSFETの特性が向上する。   As described above, according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, the surface of the underlying silicon carbide substrate is not oxidized when the insulating film forming step is performed by chemical or physical vapor deposition after nitriding. Therefore, the generation of interface states at the MOS interface due to the thermal oxidation of the silicon carbide substrate as in the case of the thermal oxidation method is reduced, and the quality of the insulating film and the MOS interface is improved by the nitriding process before and after the formation of the insulating film. And the characteristics of the MOSFET are improved.

この発明は、炭化珪素基板層上に形成される絶縁膜をゲート絶縁膜として有するMOSFET、IGBTなどの絶縁ゲート型トランジスタ素子に適用することができる。また、この絶縁ゲート型トランジスタとしては、ソース、ゲートおよびドレイン電極が同一主表面上に形成される横型半導体素子に対しても適用することができ、高い移動度を有する高速動作するパワーデバイスを、本発明により実現することができる。   The present invention can be applied to an insulated gate transistor element such as a MOSFET or IGBT having an insulating film formed on a silicon carbide substrate layer as a gate insulating film. In addition, as this insulated gate transistor, it can be applied to a lateral semiconductor element in which a source, a gate and a drain electrode are formed on the same main surface, and a power device having high mobility and operating at high speed, This can be realized by the present invention.

この発明に従って製造される炭化珪素半導体装置の断面構造を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the cross-section of the silicon carbide semiconductor device manufactured according to this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。It is process sectional drawing of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。It is process sectional drawing of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。It is process sectional drawing of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。It is process sectional drawing of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。It is process sectional drawing of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。It is process sectional drawing of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。It is process sectional drawing of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明に従う炭化珪素半導体装置の製造におけるゲート絶縁膜作製に関連する処理工程時系列および各工程における温度プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the temperature profile in each process process time series relevant to gate insulating film preparation in manufacture of the silicon carbide semiconductor device according to this invention. この発明の実施の形態1に従う炭化珪素半導体装置の従来の熱酸化法により作製された炭化珪素半導体装置の電界効果移動度の最大値を一覧にして示す図である。It is a figure which lists and shows the maximum value of the field effect mobility of the silicon carbide semiconductor device produced by the conventional thermal oxidation method of the silicon carbide semiconductor device according to Embodiment 1 of this invention. この発明の他の実施の形態に従う半導体装置の単位素子の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the unit element of the semiconductor device according to other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、2 ドリフト層、3、3a,3b ベース領域、4、4a,4b ソース領域、5 ゲート絶縁膜、6 ゲート電極、7a,7b ソース電極、8 ドレイン電極、10 エピタキシャル層。   1 substrate, 2 drift layer, 3, 3a, 3b base region, 4, 4a, 4b source region, 5 gate insulating film, 6 gate electrode, 7a, 7b source electrode, 8 drain electrode, 10 epitaxial layer.

Claims (7)

酸化窒素系ガス雰囲気中で炭化珪素基体表面を窒化処理するステップと、
前記窒化処理された炭化珪素基体表面に気相成長法により絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜を酸化窒素系ガス雰囲気中で窒化処理するステップとを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
Nitriding the silicon carbide substrate surface in a nitrogen oxide-based gas atmosphere;
Forming an insulating film on the nitrided silicon carbide substrate surface by vapor deposition;
And a step of nitriding the insulating film in a nitrogen oxide-based gas atmosphere.
前記気相成長法により絶縁膜を形成するステップは、熱分解による化学気相成長法を用いて二酸化珪素膜を形成するステップを備える、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the step of forming the insulating film by the vapor phase growth method includes the step of forming a silicon dioxide film by using chemical vapor deposition method by thermal decomposition. 前記酸化窒素系ガス雰囲気中での窒化処理は、ともに、900℃から1450℃の温度範囲で行なわれる、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein both the nitriding treatment in the nitrogen oxide-based gas atmosphere is performed in a temperature range of 900 ° C. to 1450 ° C. 3. 前記炭化珪素半導体装置は、絶縁ゲート型トランジスタを備え、
前記絶縁膜は、前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート絶縁膜として用いられる、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
The silicon carbide semiconductor device includes an insulated gate transistor,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is used as a gate insulating film of the insulated gate transistor.
前記炭化珪素基体は、(11−20)面を主表面の面方位として有する炭化珪素層を備え、
前記絶縁膜は、前記炭化珪素層の主表面上に前記窒化処理工程後に形成される、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
The silicon carbide substrate includes a silicon carbide layer having a (11-20) plane as a main surface plane orientation,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein said insulating film is formed on said main surface of said silicon carbide layer after said nitriding step.
表面が窒化処理された炭化珪素基体と、
前記炭化珪素基体表面に気相成長された二酸化珪素に窒化処理を施したゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極とを備える、炭化珪素半導体装置。
A silicon carbide substrate whose surface is nitrided,
A gate insulating film obtained by nitriding silicon dioxide vapor-grown on the silicon carbide substrate surface;
A silicon carbide semiconductor device comprising: a gate electrode formed on the gate insulating film.
前記炭化珪素基体は、
表面の所定領域に間をおいて不純物領域が形成される第1導電型の基板領域と、
前記第1の基板領域上に形成される前記第1導電型のエピタキシャル層とを備える、請求項6記載の炭化珪素半導体装置。
The silicon carbide substrate is
A substrate region of a first conductivity type in which an impurity region is formed at a predetermined interval on the surface;
The silicon carbide semiconductor device according to claim 6, further comprising: an epitaxial layer of the first conductivity type formed on the first substrate region.
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