JP2006210818A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素層を有する半導体素子において、量産性に優れた実用的なプロセスを用いてチャネル移動度を向上させる
【解決手段】
（Ａ）炭化珪素層３の上に酸化物層１１を形成する工程と、（Ｂ）酸化物層１１に対して窒素処理を行うことにより酸化物層１１に窒素を含有させて窒素含有酸化物層１２を形成する工程とを包含し、窒素処理は、窒素酸化物ガスおよびアンモニアガスの少なくとも一方を含むガスをアルゴンより分子量の小さい不活性ガスで希釈した窒素含有ガスに１１００℃以上１３００℃以下の温度で酸化物層１１の表面を曝露する工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子およびその製造方法に関する。

炭化珪素（シリコンカーバイド：ＳｉＣ）は、高い絶縁破壊電界を有するため、次世代の低損失パワーデバイス等への適用が期待されている。ＳｉＣ層上には熱酸化により良質の二酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜を形成できるので、そのようなＳｉＯ₂膜をゲート絶縁膜として用いた絶縁ゲート型のＳｉＣパワーデバイス（ＳｉＣパワーＭＩＳＦＥＴ）の開発が進められている。

ＳｉＣパワーＭＩＳＦＥＴでは、素子特性はチャネル移動度によって大きく左右される。従って、チャネル移動度を向上できれば、電力損失をより低く抑えることが可能になり、低損失化を実現できる。チャネル移動度を、例えば２００ｃｍ²／Ｖｓ以上まで向上させるためには、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面における欠陥、およびゲート絶縁膜内部で生じる欠陥を低減する必要がある。

ＳｉＣパワーＭＩＳＦＥＴは、一般的に、（１１−２０）面または（０００１）面を主面とする単結晶ＳｉＣ基板を用いて製造される。

（１１−２０）面を主面とする４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板を利用して反転型ＭＩＳＦＥＴを形成すると、２００ｃｍ²／Ｖｓ以上のチャネル移動度が得られることが知られている。しかし、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板は量産に適していないため、この基板を実デバイス用基板として使用することは困難である。

一方、主面が（０００１）面であるＳｉＣ（０００１）基板は量産に適しているため、ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴに好適に用いられ得る。そのため、ＳｉＣ（０００１）基板主面に形成されたＳｉＣ層上にゲート絶縁膜を形成する技術が数多く提案されている（例えば非特許文献１）。

ＳｉＣ（０００１）基板を利用したＭＩＳＦＥＴにおいて、ゲート絶縁膜を形成するための最も標準的なプロセスを以下に説明する。

まず、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板の主面に形成されたＳｉＣ層に対して、ドライ又はウェット雰囲気中、１１００℃以上の温度で熱酸化を行い、熱酸化膜を形成する。次いで、アルゴン雰囲気中で熱酸化膜のアニールを行なった後、水蒸気を含む高濃度の酸素雰囲気中、９５０℃の温度で３時間のＰＯＡ（Ｐｏｓｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ａｎｎｅａｌ）を行なうことにより、ゲート絶縁膜を形成する。

このようにして形成されたゲート絶縁膜上にゲート電極を設ける。この後、ドレイン電極およびソース電極などを設けることにより、ＭＩＳＦＥＴが得られる。

ここで、熱酸化膜を形成しようとするＳｉＣ層表面の粗さ（凹凸の平均レベル差）が１０ｎｍ以下のとき、ゲート電極を形成する際に高温（例えば９５０℃以上）で熱処理を実施しなければ、チャネル移動度が５０ｃｍ²／Ｖｓ程度の反転型ＭＩＳＦＥＴを形成できる。しかしながら、ソース電極を形成する際に上述したような高温の熱処理を行うと、反転型のＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度は２０ｃｍ²／Ｖｓ以下まで低下してしまう。また、熱酸化膜を形成しようとするＳｉＣ層表面の平坦性が低く（凹凸の平均レベル差：１０ｎｍ超）、表面にステップが形成されている場合には、チャネル移動度は、ゲート電極を形成する際の高温熱処理によって１０ｃｍ²／Ｖｓ以下まで低下する。さらに、ＳｉＣ層表面のチャネル移動度には大きな異方性がある。具体的には、ＳｉＣ層表面に形成されたステップに沿った方向には大電流が流れるが、ステップを横切る方向には電流が流れにくく、ステップを横切る方向における電流量はステップに沿った方向における電流量よりも一桁低くなる。

このように、ＳｉＣ（０００１）基板を利用したＭＩＳＦＥＴでは、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面における界面準位密度Ｄ_itを十分に低減できず、高いチャネル移動度が実現できないという問題があった。

これに対して、本発明者らは、未公開の特願２００３−３５０２４４号明細書等において、ＳｉＣ層上に形成された酸化物層（ＳｉＯ₂層）を、減圧雰囲気中、１０００℃以上１２００℃以下の温度でＶ族含有ガスに暴露させることにより、Ｖ族元素含有酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する方法を提案している。この方法を用いると、ゲート絶縁膜とＳｉＣ層との界面における界面準位密度Ｄ_itが低減されるので、電流駆動力およびキャリア移動度に優れたＭＩＳＦＥＴが得られる。

また、非特許文献２には、ＳｉＣ層に形成された熱酸化膜に対して、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で一酸化窒素（ＮＯガス）を用いてＰＯＡを行うことにより、ゲート絶縁膜を形成する方法を開示している。これにより、界面準位Ｎ_itを低減し、ＭＩＳＦＥＴのホットキャリア耐性やチャネル移動度を向上できる。
L.A.Lipkin and J. A. Palmour, J. Electron. Mater. 25, 909 (1996) 小杉亮治、他２名，「ＮxＯyガスへの紫外光照射により生成した活性化窒素／酸素を用いたＳｉＯ2/ＳｉＣ界面形成技術」，２００３年１２月１日、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）平成１５年度研究助成事業（２事業合同）成果報告会予稿集

本発明者らが提案した方法によると、高いキャリア移動度が実現できるが、ゲート絶縁膜に対するＶ族含有ガスによる処理を、減圧雰囲気下（例えば６．６７×１０⁴Ｐａ以下）で、かつ１０００℃以上の高温で行う必要がある。しかしながら、例えば圧力が６．６７×１０⁴Ｐａ以下のチャンバー内をそのような高温まで加熱しようとすると、大掛かりな装置が必要になり、量産性に劣るという問題がある。一方、非特許文献２で開示された方法によると、得られるチャネル移動度は約３０ｃｍ²／Ｖｓ程度であり、十分に高いチャネル移動度を確保できない。

従って、従来のゲート絶縁膜の形成方法を用いて、量産性を確保しつつ、高いチャネル移動度を有するＭＩＳＦＥＴなどの半導体素子を製造することは困難である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭化珪素層を有する半導体素子において、量産性に優れた実用的なプロセスを用いてチャネル移動度を向上させることにある。

本発明の半導体素子の製造方法は、（Ａ）炭化珪素層の上に酸化物層を形成する工程と、（Ｂ）前記酸化物層に対して窒素処理を行うことにより前記酸化物層に窒素を含有させて窒素含有酸化物層を形成する工程とを包含し、前記窒素処理は、窒素酸化物ガスおよびアンモニアガスの少なくとも一方を含むガスをアルゴンより分子量の小さい不活性ガスで希釈した窒素含有ガスに１１００℃以上１３００℃以下の温度で前記酸化物層の表面を曝露する工程を含む。

ある好ましい実施形態において、前記希釈用の不活性ガスは、窒素、ヘリウムガスおよびネオンガスからなる群から選択される少なくとも１つのガスを含む。

ある好ましい実施形態において、前記窒素酸化物ガスはＮＯ、Ｎ₂ＯおよびＮＯ₂からなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む。

前記窒素含有ガスにおける前記窒素酸化物ガスの濃度は、５％以上５０％以下であることが好ましい。

前記窒素酸化物の分圧は１．３３×１０²Ｐａ以上で６．６７×１０⁴Ｐａ以下であることが好ましい。

好ましくは、前記工程（Ｂ）の後に、前記窒素含有酸化物層を覆うポリシリコン層を形成する工程をさらに含む。

ある好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層の表面を熱酸化する工程（Ａ１）を含んでもよい。

前記工程（Ａ１）と前記工程（Ｂ）における前記窒素処理とは、同一の炉内で連続して行われてもよい。

前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層の上に酸化物を堆積する工程を含んでもよい。

本発明の半導体素子は、炭化珪素層と、前記炭化珪素層上に形成された窒素含有酸化物層とを備え、前記窒素含有酸化物層の厚さ方向における窒素濃度プロファイルは、前記窒素含有酸化物層と前記炭化珪素層との界面近傍に最大ピークを有し、前記最大ピークの半値全幅は５ｎｍ以下である。

好ましくは、前記窒素含有酸化物層を覆うポリシリコン層をさらに備える。

前記最大ピークにおける窒素濃度は１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で１×１０²²ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

ある好ましい実施形態において、前記炭化珪素層の表面のうち前記窒素含有酸化物層と接する部分における界面準位密度Ｄ_itは、コンダクションバンド端付近で１×１０¹²ｃｍ^-2／ｅＶ以下である。

前記窒素含有酸化物層の比誘電率は３．０以上であることが好ましい。

前記窒素含有酸化物層はＳｉＯ₂を含むことが好ましい。

本発明によると、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面における界面準位が低減されるので、高いチャネル移動度を有する低損失な半導体素子を提供できる。また、そのような半導体素子を、量産性に優れた実用的なプロセスで製造できる。

以下、図面を参照しながら、本発明による半導体素子の製造方法に好適に用いられる窒素含有酸化物層の形成方法を説明する。窒素含有酸化物層は、例えば、ＭＩＳＦＥＴなどの半導体素子においてゲート酸化膜として機能する。

まず、図１（ａ）に示すように、炭化珪素基板１の表面に、例えばエピタキシャル成長により炭化珪素層３を形成することにより、エピ基板１０を形成する。ここでは、炭化珪素基板１として、（０００１）面を主面とする４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いる。

なお、本明細書では、「炭化珪素層（ＳｉＣ層ともいう）」とは、主として炭化珪素を含む層であればよく、単結晶ＳｉＣ基板であってもよいし、単結晶ＳｉＣ基板あるいは他の半導体基板上に形成された炭化珪素エピタキシャル層であってもよい。炭化珪素層に含まれる炭化珪素のポリタイプも特に限定されないが、好ましくは、３Ｃ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣまたは１５Ｒ−ＳｉＣのポリタイプを用いる。

次に、図１（ｂ）に示すように、チャンバー５の内部にエピ基板１０を置き、酸化性雰囲気下でエピ基板１０を加熱することにより、炭化珪素層３の熱酸化を行う。これにより、炭化珪素層３上に、平均厚さが例えば約４０ｎｍの酸化物層１１（主としてＳｉＯ₂を含む層）を形成する。チャンバー５は、例えばＳｉＣ管である。熱酸化時の酸化温度は１０００℃以上であり、好ましくは１１００℃以上１３００℃以下である。本実施形態における酸化温度は１２００℃とする。また、チャンバー５の内部を酸化性雰囲気とするためには、チャンバー５に酸化性ガスを含むガスを流せばよく、例えば酸素および／または水蒸気を含むガスを流すことができる。なお、水蒸気を含む雰囲気で熱酸化を行うと、界面における炭素を効率よく引き抜くことができるので、良好なＭＯＳ界面が得られる。

その後、エピ基板１０をチャンバー５に設置したまま、不活性ガス（Ａｒ、Ｎ₂、Ｈｅ、Ｎｅ等）雰囲気中、１０００℃以上の温度（例えば１０００℃以上１１５０℃以下）で酸化物層１１に対するアニール処理を行う（図示せず）。このアニール処理によって、酸化物層１１が前もって緻密化される。

続いて、図１（ｃ）に示すように、酸化物層１１に対して窒素処理を行うことにより、酸化物層１１の内部に窒素を拡散させて窒素含有酸化物層１２を形成する。得られた窒素含有酸化物層１２は、酸化物層１１よりも緻密であり、かつ、酸化物層１１よりも比誘電率が大きい。

本実施形態における窒素処理は、上記熱酸化およびアニールと同一のチャンバー５を用いて連続して行うことが好ましい。本実施形態では、窒素酸化物（例えばＮＯ）ガスを含む窒素含有ガスに酸化物層１１の表面を暴露し、酸化物層１１の内部に窒素を拡散させるために十分に高い温度（例えば１１５０℃）まで加熱する。また、チャンバー５に流す窒素含有ガスは、ＮＯなどの窒素酸化物ガスをＨｅガスで希釈したガスである。

ここでは、窒素酸化物ガスとしてＮＯガスを用い、窒素含有ガスにおけるＮＯの分圧が約３００Ｔｏｒｒ（４．０×１０⁴Ｐａ）となるようにＮＯガスおよびＨｅガスの流量を調節する。具体的には、容積が１５Ｌのチャンバー（ＳｉＣ管）５に、流量が１ＳＬＭ（標準リットル毎分）のＨｅガスと、流量が０．６５ＳＬＭのＮＯガスとを流すことにより、上述したようなＮＯの分圧を実現できる。窒素処理に要する時間は、特に限定されないが、緻密で、かつ、所望の濃度の窒素を含む窒素含有酸化物層１２を形成するために充分な時間（窒素処理の温度が１１５０℃の場合、例えば１時間）に設定される。

本実施形態では、上述したような窒素処理によって、炭化珪素層１０と窒素含有酸化物層１２との界面における酸化進行を抑えつつ、界面への炭素の供給を抑えて界面における炭素と窒素との組み換え反応を進行させることができる。従って、界面における過剰な炭素を一酸化炭素（ＣＯ）として除去するとともに、炭素を抜き出した結果生じた欠陥に窒素を補充できる。その結果、界面準位密度が低減されるとともに、高い比誘電率（例えば３．０以上）を有するゲート絶縁膜を形成できる。

なお、非特許文献２の方法では、窒素処理に用いる窒素含有ガスに含まれる希釈ガスとしてＡｒガスを用いており、前述したように十分な効果が得られなかった。これに対し、本実施形態では、希釈ガスとして、Ａｒガスよりも分子量の小さいＨｅガスを用いているため、界面から炭素を引き抜きやすく、本発明者らによる減圧雰囲気下における窒素処理とほぼ同等の界面準位低減効果が得られることがわかった。その上、本実施形態によると、本発明者らによる減圧雰囲気で窒素処理を行う方法に比べて、高い量産性を維持しつつ、同程度の低い界面準位を実現できるので有利である。なお、希釈ガスはＨｅガスに限定されず、Ａｒガスよりも分子量の小さい他の不活性ガスを含んでいてもよい。例えば、不活性ガスとして窒素（Ｎ₂）ガスやネオン（Ｎｅ）ガスを用いた場合にも、上記と同様の効果が得られる。さらに、希釈ガスは、上述したような不活性ガス（Ｈｅ，Ｎ₂，Ｎｅガス）を２種以上含んでいてもよい。

本実施形態における窒素処理では、窒素酸化物ガスとして、ＮＯガス、Ｎ₂Ｏ（亜酸化窒素）ガスおよびＮＯ₂（二酸化窒素）ガスからなる群のうち少なくとも１つのガスを選択することが好ましい。特に、ＮＯガスおよび／またはＮ₂Ｏガスを用いると、窒素処理中に炭化珪素層１０が酸化されることを効果的に抑制できるので有利である。窒素酸化物ガスの代わりにアンモニアガスを用いてもよく、その場合でも、窒素処理によって図１（ｃ）に示すような窒素含有酸化物層１２を形成できる。

窒素処理は、例えば１０００℃以上１３００℃以下の温度で行うことができる。１３００℃以下に抑えることによって、窒素含有酸化物層１２の表面荒れを抑制できる。好ましくは、１０００℃以上１２００℃以下である。１０００℃より低い温度や１２００℃よりも高い温度で窒素処理を行うと、キャリアトラップ密度の低減効果が十分に得られない可能性があるからである。より好ましい窒素処理の温度は１１００℃以上１１５０℃以下である。窒素処理の温度が１１００℃以上であれば、窒素酸化物ガス（ＮＯガスなど）が酸化物層１１の内部に速やかに拡散するので有利であり、１１５０℃以下であれば、良好な界面特性が得られるからである。

次に、窒素含有ガスにおける窒素酸化物の分圧の好ましい範囲について説明する。

窒素処理の際には、炭化珪素層１０の酸化（熱酸化）が抑制される必要がある。しかしながら、酸素を含む雰囲気中、上記のような高温で炭化珪素層１０の熱処理を行うと、炭化珪素層１０の酸化が進行する可能性がある。具体的には、単結晶ＳｉＣ基板または炭化珪素エピタキシャル層の表面における珪素面と炭素面とに沿って、あるいはこれらの面に垂直なＡ軸（例えば［１１２０］方向、または［１１００］方向）の１つに沿って酸素が供給される。このとき、炭素は珪素よりも容易に酸化されるので、他のファクターが実質的に等しければ、炭素面上の酸化は９００℃〜１３００℃の温度で進行し、珪素面上の酸化は１０００℃から１４００℃の温度で進行する。

このように、酸素を含む雰囲気下では９００℃以上の温度で炭化珪素層の熱酸化が進むおそれがあるが、本発明者らは、減圧下では、炭素面上および珪素面上において酸化が抑制され、特に６．６７×１０⁴Ｐａ以下の圧力下では実質的に酸化が生じないことを見い出した。さらに、本発明者らは、Ｈｅガスにより希釈された窒素酸化物（ＮＯなど）ガスを含む雰囲気中においても、減圧下と同様に酸化が抑制されることを確認した。例えば、容積が１５ＬのＳｉＣ管に、流量が１ＳＬＭのＨｅガスと、流量が０．６６ＳＬＭのＮＯガスとを供給し、９００℃以上の温度で窒素処理を行う場合には、炭化珪素層１０の酸化が抑制される。

従って、窒素酸化物ガスのように窒素および酸素を含むガスを用いて窒素処理を行う場合、炭化珪素層の酸化を確実に抑制するためには、窒素酸化物の分圧を６．６７×１０⁴Ｐａ以下に設定することが好ましい。一方、窒素酸化物の分圧は１．３３×１０²Ｐａ以上であることが好ましい。分圧が１．３３×１０²Ｐａよりも低いと、酸化物層１１への窒素の拡散が抑制されて所望の窒素含有酸化物層１２が得られないおそれがある。より好ましくは、窒素酸化物の分圧は２．６６×１０³Ｐａ以上である。また、窒素含有ガスにおける窒素酸化物ガスの濃度は、５％以上５０％以下であることが好ましい。

本実施形態では、炭化珪素層１０の表面を熱酸化することによって酸化物層１１を形成しているが、酸化物層１１の形成は、シランバス（ＳｉＨ₄）と酸素（Ｏ₂）を用いた低化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ蒸着法など、種々のＣＶＤ法や蒸着法を単独あるいは組み合わせた方法によって行うこともできる。

ここで、窒素含有酸化物層１２と炭化珪素層１０の界面における窒素濃度プロファイルを説明する。

まず、上記方法によって厚さが約８０ｎｍの酸化物層１１を形成して窒素処理を行い、窒素含有酸化物層１２を形成する。得られた窒素含有酸化物層１２の比誘電率は約３．３である。次いで、窒素含有酸化物層１２の厚さ方向における窒素濃度プロファイルをＳＩＭＳにより測定すると、図２に示すグラフが得られる。図２の横軸は、窒素含有酸化物層１２の表面からの深さｄを表わしており、縦軸は窒素濃度を表わしている。参考のため、ＮＯを用いた窒素処理を行う前の窒素濃度プロファイル（点線）も図２に示す。

図２からわかるように、本実施形態における窒素処理によって、窒素含有酸化物層１２には窒素が拡散しており、窒素含有酸化物層１２のうち炭化珪素層１０との界面に近い領域（界面から０〜１０ｎｍ以内）に窒素濃度の最大ピークが現れている。最大ピークにおける窒素濃度は６×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、最大ピークにおける半値全幅は約３ｎｍである。なお、図２では、炭化珪素層と酸化物層との界面の深さが、ピークの１／２の窒素濃度を示す深さと一致しているが、これらは一致しない場合もある。

本実施形態では、窒素処理における種々の条件を最適化して、窒素含有酸化物層１２の厚さ方向における窒素濃度プロファイルが窒素含有酸化物層１２と炭化珪素層１０との界面近傍に最大ピークを有し、最大ピークの半値全幅が５ｎｍ以下となるように抑える。また、最大ピークにおける窒素濃度は１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で１×１０²²ｃｍ^-3以下であることが好ましい。さらに、窒素含有酸化物層全体における窒素の平均濃度は１０²⁰ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

しかしながら、窒素処理によって好適な窒素濃度プロファイルを有する窒素含有酸化物層１２を形成できても、窒素含有酸化物層１２を形成した後のプロセスにおいて、そのような窒素濃度プロファイルが崩れてしまうと、チャネル移動度が高くなって電気特性が劣化したり、炭化珪素層１０と窒素含有酸化物層１２との界面が不安定な構造になってしまうなど、信頼性の低下を引き起こすおそれがある。「窒素濃度プロファイルの崩れ」とは、例えば、窒素含有酸化物層１２の表面から窒素が抜けて窒素濃度が低下したり、窒素濃度のピークがブロードになるなど、窒素含有酸化物層１２と炭化珪素層１０との界面において窒素濃度が低下することを意味する。このような窒素濃度プロファイルの崩れが生じると、最終的に得られる半導体素子において、上記の窒素処理によって得られた窒素濃度プロファイルが維持されなくなる。その結果、比誘電率が低下し、また、窒素含有酸化物層１２と炭化珪素層１０との界面近傍における窒素濃度が低くなることによって界面準位密度が上がってしまうため、上述したようにチャネルの抵抗の増大や半導体素子の信頼性低下を引き起こす。

本実施形態では、窒素含有酸化物層１２を形成した後のプロセスにおいて、好適な窒素濃度プロファイルを維持するために、窒素含有酸化物層１２を形成した後、窒素含有酸化物層１２を覆うようにポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）層（厚さ：例えば５００Å以上５０００Å以下）を形成することが好ましい。ポリシリコン層は窒素含有酸化物層１２の保護層として機能するので、その後のプロセスにおける高温処理によって、窒素処理で得られた窒素濃度プロファイルが崩れてしまうことを防止できる。また、ポリシリコン層を、窒素含有酸化物層１２の保護層として機能させるとともにゲート電極として機能させると、ポリシリコンの仕事関数は５．２ｅＶ以上と大きいので、ＭＯＳＦＥＴの閾値を制御する際に有利である。すなわち、ポリシリコンを用いて形成されたゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴと、ポリシリコンよりも小さい仕事関数を有する材料からなるゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴとを比較すると、これらのＭＯＳＦＥＴが同じ閾値となるように設計されている場合、ポリシリコンを用いて形成されたゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴの方が、仕事関数の大きい分だけＭＯＳ動作時の電界強度を下げることが可能になる。

上記のポリシリコン層をゲート電極として用いるＭＯＳＦＥＴは、例えば次のようにして作製できる。窒素含有酸化物層１２を形成した後、ポリシリコン層を窒素含有酸化物層１２の上に形成する。次いで、ポリシリコン層を所望の形状にパターニングしてゲート電極を形成し、その後、ソース電極およびドレイン電極を形成する。ソース電極やドレイン電極は、Ｎｉなどの金属を蒸着してパターニングすることにより形成できる。このとき、一般的には、ソース電極やドレイン電極（Ｎｉ）と炭化珪素層１０とのオーミック接合を形成するために高温の熱処理を行うが、窒素含有酸化物層１２がポリシリコン層で覆われているために、この熱処理による窒素濃度プロファイルの崩れを低減できる。

また、窒素濃度プロファイルをより確実に保持するためには、窒素含有酸化物層１２の形成後にポリシリコン層を形成する場合であっても、その後に行われるプロセスにおける熱処理の温度（例えばソース電極と炭化珪素層１０とのオーミック接合を形成するための熱処理の温度）を９５０℃以下に抑えることが望ましい。

このように、本実施形態では、窒素含有酸化物層１２を形成後、半導体素子が最終的に形成されるまで、窒素処理によって得られた好適な窒素濃度プロファイルを維持することができるので、比誘電率を高めるとともに、界面準位密度を低減できる。具体的には、最終的に得られる半導体素子において、窒素含有酸化物層１２の厚さ方向における窒素濃度プロファイルが窒素含有酸化物層１２と炭化珪素層１０との界面近傍に最大ピークを有し、最大ピークの半値全幅が５ｎｍ以下となるように抑えられるので、炭化珪素層１０と窒素含有酸化物層１２との界面における窒素濃度を高く保つことができ、そのため、界面準位密度を低減でき、チャネル抵抗を低く抑えることができる。また、窒素含有酸化物層１２における比誘電率をより効果的に向上するとともに、界面準位密度Ｄ_itを顕著に低減するためには、最大ピークにおける窒素濃度は１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で１×１０²²ｃｍ^-3以下であることが好ましい。さらに、窒素含有酸化物層全体における窒素の平均濃度は１０²⁰ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

このように、窒素処理における種々の条件を最適化して窒素含有酸化物層１２の窒素濃度プロファイルを制御し、かつ、その後のプロセスにおいて、その窒素密度プロファイルを維持できれば、窒素含有酸化物層１２の比誘電率を３．０以上に向上させ、かつ、炭化珪素層１０の表面のうち窒素含有酸化物層１２と接する部分における界面準位密度Ｄ_itを、バンド端付近で１×１０¹²ｃｍ^-2／ｅＶ以下まで低減することが可能になる。

以下、上記方法を用いて形成された窒素含有酸化物層を備えた半導体素子を説明する。

本実施形態の半導体素子は、炭化珪素層上に窒素含有酸化物層が形成された構造を有していればよく、例えばＭＩＳキャパシタやＭＩＳＦＥＴである。そのような半導体素子は、例えば図１を参照しながら説明した方法を用いて製造できる。窒素含有酸化物層１２をゲート絶縁膜とするＭＩＳＦＥＴを製造すると、キャリア移動度を確保できるためでなく、ゲートバイアスを下地層に効率よく付与させることができるので、高い電流駆動力を実現できる。あるいは、窒素含有酸化物層１２を容量絶縁膜とする、比誘電率の高いＭＩＳキャパシタを製造することもできる。

ここで、窒素含有酸化物層１２を容量絶縁膜とするＭＩＳキャパシタを作製し、その特性を調べたので、その結果を説明する。

まず、図１を参照しながら上述した方法と同様の方法で、ＳｉＣ基板１の上に、炭化珪素エピタキシャル層３および窒素含有酸化物層１２をこの順で形成した。次いで、窒素含有酸化物層１２の上に上部電極（例えばＵｎｄｏｐｅ Ｐｏｌｙ−Ｓｉ電極）１３を形成することにより、図３（ａ）に示すようなサンプルＭＩＳキャパシタ２０を作製した。上部電極１３を形成する際、Ｐあるいは、ＢＦ₂を注入したあとに９５０℃以下の温度で熱処理を行った。または、上部電極１３としてドープされたポリシリコンを用いても良い。

得られたサンプルＭＩＳキャパシタ２０に対してＨｉ（周波数：１ＭＨｚ）−Ｌｏ（Ｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃｓ） Ｃ−Ｖ測定を行ったところ、図３（ｂ）に示すような結果が得られた。図３（ｂ）に示すグラフの横軸は、上部電極１３に印加する電圧Ｖｇ（Ｖ）を表し、縦軸は容量Ｃ（Ｆ）を表している。

図３（ｂ）に示す結果から、サンプルＭＩＳキャパシタ２０におけるＱｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ ＣＶ曲線（準静的Ｃ−Ｖ容量）と、高周波で測定したＣＶ曲線（高周波Ｃ−Ｖ容量）との差が僅かであることがわかる。これは、窒素含有酸化物層１２および炭化珪素エピタキシャル層３の界面における界面準位密度が低減されていることを意味する。
図４は、図３に示す結果に基づいて、ＭＩＳキャパシタ２０における界面準位密度をＨｉｇｈ−Ｌｏｗ法で計算した結果を示すグラフである。図４からわかるように、キャリア（電子）のトラップとして作用する伝導帯（コンダクションバンド）端付近（Ｅ−Ｅｖ＝３．１５ｅＶ）の界面準位の密度Ｄ_itは１×１０¹²ｃｍ^-2・ｅＶ^-1以下に低減されている。なお、ホールトラップとして機能する価電子帯（バレンスバンド）端付近（Ｅ−Ｅｖ＝０．２ｅＶ）の界面準位の密度も同様に低減されている。

上記測定結果により、窒素含有酸化物層１２を容量絶縁膜とするＭＩＳキャパシタでは、容量絶縁膜と下部電極であるＳｉＣ層との間の界面付近における界面準位密度が低減されることが確認できる。

上記ＭＩＳキャパシタを利用してＭＩＳＦＥＴなどの半導体素子を作製することができる。この場合、キャリアトラップとなる界面準位密度を低減でき、キャリア移動度を向上できるので有利である。そのような半導体素子の構成の一例を図５に示す。図５に例示する半導体素子３０は縦型の炭化珪素ＭＩＳＦＥＴであるが、横型の炭化珪素ＭＩＳＦＥＴであってもよい。

半導体素子３０は、低抵抗のｎ型炭化珪素基板１と、炭化珪素基板１の主面上に形成された炭化珪素エピタキシャル層３と、炭化珪素エピタキシャル層３の上に窒素含有酸化物層１２を介して形成されたゲート電極１９と、炭化珪素エピタキシャル層３の上に形成されたソース電極１７と、炭化珪素基板１の裏面に形成されたドレイン電極１８とを有している。

炭化珪素エピタキシャル層３は、ｐ型ウェル領域１４とドリフト領域１６とを有している。ここでは、２個のウェル領域１４しか示されていないが、半導体素子３０は、典型的には、多数のウェル領域が配列された構成を有している。ドリフト領域１６は、炭化珪素エピタキシャル層２０のうちウェル領域１４が形成されていない部分から構成され、炭化珪素基板１よりも低濃度でｎ型不純物を含む炭化珪素層である。ウェル領域１４の内部には、高濃度でｎ型不純物を含むｎ型ソース領域１５が形成されている。ソース領域１５の一部は、ソース電極１７とオーミック接触を形成している。

窒素含有酸化物層１２は、図１を参照しながら説明した方法で形成されており、半導体素子３０においてゲート絶縁膜として機能する。好ましくは、窒素含有酸化物層１２は、炭化珪素エピタキシャル層３との界面近傍で窒素濃度のピークを有し、その最大値が１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で１×１０²²ｃｍ^-3以下である。これにより、比誘電率の向上効果と界面準位密度の低減効果とが顕著に得られるので、より低損失なＭＩＳＦＥＴを実現できる。

ここでは、ゲート電極１９として、窒素含有酸化物層１２の上にポリシリコン層を形成している。ポリシリコン層は、窒素含有酸化物層１２の劣化を防止するための保護膜としても機能するので有利である。また、ポリシリコン層は、高温熱処理を行うことなく形成されるので、ポリシリコン層形成後も、窒素処理によって得られた窒素含有酸化物層１２の窒素濃度プロファイル（図２）を保持できる。

なお、ポリシリコン層を形成した後、ポリシリコン層上に金属材料を堆積することによって、ポリシリコン層およびメタルゲートからなる２層構造のゲート電極１９を形成してもよい。あるいは、窒素含有酸化物層１２の上に保護膜を形成した後に、仕事関数の大きい金属材料を用いてゲート電極１９を形成してもよい。いずれの場合でも、金属材料として、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ等を用いることができる。また、窒素含有酸化物層１２とゲート電極との間に形成される保護膜は、ポリシリコンの他、ＳｉＮ等の絶縁物を用いて形成されてもよい。

本発明は、炭化珪素層と酸化物層とを有する種々の半導体素子に適用できる。特に、縦型または横型のパワーＭＩＳＦＥＴ、およびＭＩＳキャパシタに好適に用いられる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明による好ましい実施形態における窒素含有酸化物層の形成方法を説明するための工程断面図である。 窒素含有酸化物層と炭化珪素層との界面における窒素濃度分布を示すグラフである。 （ａ）は本発明による実施形態のＭＩＳキャパシタの構成を示す断面模式図であり、（ｂ）はＭＩＳキャパシタのＣ−Ｖ特性を示すグラフである。 ＭＩＳキャパシタの界面準位密度を示すグラフである。 本発明による実施形態のＭＩＳＦＥＴの構成を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 半導体基板
３ 炭化珪素エピタキシャル層
５ チャンバー
１０ エピ基板
１１ 酸化物層
１２ 窒素含有酸化物層
１３ 上部電極
１４ ウェル領域
１５ ソース領域
１６ ドリフト領域
１７ ソース電極
１８ ドレイン電極
１９ ゲート電極
２０ ＭＩＳキャパシタ
３０ 半導体素子

Claims (15)

1. （Ａ）炭化珪素層の上に酸化物層を形成する工程と、
   （Ｂ）前記酸化物層に対して窒素処理を行うことにより前記酸化物層に窒素を含有させて窒素含有酸化物層を形成する工程と
   を包含し、
   前記窒素処理は、窒素酸化物ガスおよびアンモニアガスの少なくとも一方を含むガスをアルゴンより分子量の小さい不活性ガスで希釈した窒素含有ガスに１１００℃以上１３００℃以下の温度で前記酸化物層の表面を曝露する工程を含む半導体素子の製造方法。
2. 上記希釈用の不活性ガスは、窒素、ヘリウムガスおよびネオンガスからなる群から選択される少なくとも１つのガスを含む請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
3. 前記窒素酸化物ガスはＮＯ、Ｎ₂ＯおよびＮＯ₂からなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含む請求項１または２に記載の半導体素子の製造方法。
4. 前記窒素含有ガスにおける前記窒素酸化物ガスの濃度は、５％以上５０％以下である請求項１から３のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
5. 前記窒素酸化物の分圧は１．３３×１０²Ｐａ以上で６．６７×１０⁴Ｐａ以下である請求項１から４のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
6. 前記工程（Ｂ）の後に、前記窒素含有酸化物層を覆うポリシリコン層を形成する工程をさらに含む請求項１から５のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
7. 前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層の表面を熱酸化する工程（Ａ１）を含む請求項１から６のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
8. 前記工程（Ａ１）と前記工程（Ｂ）における前記窒素処理とは、同一の炉内で連続して行われる請求項７に記載の半導体素子の製造方法。
9. 前記工程（Ａ）は、前記炭化珪素層の上に酸化物を堆積する工程を含む請求項１から６のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
10. 炭化珪素層と、
    前記炭化珪素層上に形成された窒素含有酸化物層と
    を備え、
    前記窒素含有酸化物層の厚さ方向における窒素濃度プロファイルは、前記窒素含有酸化物層と前記炭化珪素層との界面近傍に最大ピークを有し、前記最大ピークの半値全幅は５ｎｍ以下である半導体素子。
11. 前記窒素含有酸化物層を覆うポリシリコン層をさらに備えた請求項１０に記載の半導体素子。
12. 前記最大ピークにおける窒素濃度は１×１０²⁰ｃｍ^-3以上で１×１０²²ｃｍ^-3以下である請求項１０に記載の半導体素子。
13. 前記炭化珪素層の表面のうち前記窒素含有酸化物層と接する部分における界面準位密度Ｄ_itは、伝導帯端付近で１×１０¹²ｃｍ^-2／ｅＶ以下である請求項１０から１２のいずれかに記載の半導体素子。
14. 前記窒素含有酸化物層の比誘電率は３．０以上である請求項９から１３のいずれかに記載の半導体素子。
15. 前記窒素含有酸化物層はＳｉＯ₂を含む請求項９から１４のいずれかに記載の半導体素子。