JP2009212366A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板10上に熱酸化により形成された酸化膜19を介してゲート電極を設けた半導体装置の製造方法であって、基板10上に第1の酸化膜を形成する第1工程と、前記第1の酸化膜を不活性ガス雰囲気にて熱処理をする第2工程と、前記不活性ガスにて熱処理した第1の酸化膜を所定の膜厚となるようにエッチングして得られる第2の酸化膜を形成する第3工程と、前記第2の酸化膜上にゲート電極を形成して熱処理する第4工程と、を有する製造方法である。
【選択図】図1
Description
一方、同様の条件を3C−炭化珪素基板にて評価すると、4H−炭化珪素のC面と特性が近く、ドライ酸化では固定電荷が非常に多く、Wet酸化が有効である。
また、一般的に、酸化膜上に、例えばポリシリコンにてゲート電極を形成した後、ゲート電極を活性化するため熱処理を行う。しかしながら、ゲート電極を活性化する際に行う熱処理により、炭化珪素基板とゲート酸化膜との界面に炭素が偏析してしまう。この偏析した炭素により、界面準位の上昇、また、正の固定電荷が発生するため、フラットバンド電圧が負にシフトする。これは、前述のように、酸化膜(ゲート酸化膜)をWet酸化にて形成した場合でも、ドライ酸化フラットバンド電圧のシフト量が小さいものの、負にシフトする問題点があった。
このようにゲート電圧を印加していない状態であっても半導体装置に電流が流れてしまい、いわゆるノーマリーオフのデバイスを製造することができなかった。
また、一般に、Vfbがマイナス値をとっても、Vfbの絶対値が小さい場合には燐等を基板に注入することで閾値を正側にシフトする補正をすることができるものの、シフトする量が大きい場合には、この方法にて対処することができなかった。
即ち、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に熱酸化により形成された酸化膜を介してゲート電極を設けた半導体装置の製造方法であって、前記基板上に第1の酸化膜を形成する第1工程と、前記第1の酸化膜を不活性ガス雰囲気にて熱処理をする第2工程と、前記不活性ガスにて熱処理した第1の酸化膜を所定の膜厚となるようにエッチングして第2の酸化膜を形成する第3工程と、前記第2の酸化膜上にゲート電極を形成して熱処理する第4工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記第2工程での熱処理温度が、前記第4工程での熱処理温度以上であり第1工程での基板温度以下であることを特徴とする。
本発明では、半導体装置としての特性に優れており炭素原子を多く含有している炭化珪素基板を用いた場合に特に効果を発揮し、熱酸化により形成された酸化膜中に残留した炭素原子の大部分を除去することができる。従って、固定電荷を抑制してフラットバンド電圧を低減することができるため、ゲート電極を活性化するための熱処理による、閾値の負側へのシフトを抑制した半導体装置を製造することができる。
なお、本発明において、「所定の膜厚」とは、半導体装置の仕様を満たすような膜厚であり、特に限定されるものではない。
〔前記基板上に第1の熱酸膜を形成する第1工程〕
まず、図1(A)のように、窒素原子を1×1016/cm3程度ドープしたN型の炭化珪素基板10の表層領域に、各種不純物を注入し、P型拡散層12、N+拡散層14、及びP+拡散層16を形成する。例えば、P型拡散層12やP+拡散層16にはAlイオンを注入し、N+拡散層(MOSFETのソース部分)には燐を注入する。注入方法としては、例えば、従来の固相拡散法、気相拡散法、又はイオンインプランテーション法が挙げられる。その後、例えば、Ar雰囲気中や1×10−5Pa以下の真空中、1500〜1700℃程度の温度で数分から60分程度の処理時間で上記不純物の活性化と共に基板の結晶性を回復させる。
熱酸化の条件としては、例えば、従来の拡散炉を用い、常圧の酸素(O2)雰囲気(以下、適宜、「ドライ雰囲気」と称する)下、1050℃〜1250℃の温度で0.25時間〜2時間の処理を行った。また、第1の酸化膜18の形成は、熱酸化の処理時間を延ばして調整することにより設定膜厚にすることができる。本実施形態では、後述する所定の膜厚を有する第2のゲート酸化膜19の膜厚を55nmとし、後述するエッチング除去される酸化膜21の膜厚を20nmとした。なお、エッチング除去される酸化膜21の膜厚を決定する方法については後述する。なお、前述の設定膜厚とは、後述する所定の膜厚を有する第2のゲート酸化膜19と後述するエッチング除去される酸化膜21の膜厚との和を表す。
また、熱酸化による酸化膜の形成方法については、前述のようにドライ雰囲気下で熱酸化させる所謂ドライ酸化法の他に、酸素と水素とを燃焼室で燃焼させ純粋な水蒸気(H2O)を雰囲気ガスに加えて反応室内に流し熱酸化させるパイロジェニック酸化法、所謂ウエット酸化法により酸化膜を形成してもよい。
次いで、図1(C)に示すように、前述の第1の酸化膜18を不活性ガスにて熱処理して残留している炭素原子を偏析させ、エッチング除去される酸化膜21を形成する。不活性ガスとしては、例えば、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)、N2が挙げられるが、半導体プロセスで一般的に多く用いられていて、しかも安価なN2であることが好ましい。
熱処理温度としては、後述する第4工程での熱処理温度以上であり第一の工程での基板温度以下であることが好ましい。第4工程での熱処理温度以上にすると、第4工程での熱処理による炭素原子の酸化膜中に於ける偏析を防ぐことができる。下限値である第4工程での熱処理温度としては、ゲート電極として用いられるポリシリコン中にドープされたP(リン)原子の活性化の観点から、700〜900℃であることが好ましい。一方、上限値を第1工程での基板温度とすることにより、例えばゲート電極としてポリシリコンを用いた場合、ポリシリコン中のドーパントの再蒸発を防ぐことができ、ポリシリコン層の劣化を防ぐことができる。従って、第1工程での基板温度より高いと、活性化に最適な温度を超過して、ポリシリコン中のリンPが蒸発してP濃度が小さく変わるため、電極の接触抵抗が高くなり電気特性への影響が懸念される点で好ましくない。なお、本発明における熱処理温度とは、基板が感じる熱処理保持温度のことを表す。具体例としては、第2工程の熱処理温度を850℃とし、第4工程の熱処理温度を800℃とすることが一例として挙げられる。
第2工程の熱処理保持温度としては、炭素原子が偏析するような時間であればよく、30分〜2時間の範囲で熱処理することが好ましい。
なお、酸化膜中の炭素原子の分布については、前述の範囲で行えば図3と同様な傾向を示すが、熱処理条件により炭素原子の分布が変化する場合には、例えばSIMSにより炭素原子の酸化膜中の濃度を評価し、適宜エッチングする量を調整すればよい。また、ゲート酸化膜の膜厚が薄くなりすぎるとゲート酸化膜の絶縁破壊耐圧が劣るため、ゲート酸化膜の膜厚をも考慮して除去する量を調整すればよい。
その後、図1(D)のように、炭素原子の含有量が多いエッチング除去される酸化膜21を除去して第2の酸化膜19を形成する。このエッチングには、エッチング除去される酸化膜21を所望のエッチングレートにてエッチングすることができれば特に制限はないが、例えば、フッ化アンモニウム溶液(バッファードフッ酸:BHF)を用いてエッチングすることができる。
BHF液の熱酸化膜に対するエッチングレートは、室温で30nm/min.程度である。また、このエッチングレートは、BHF液中のHF及びNH4Fの濃度に敏感であり、BHF液の全質量に対して各々数%、十数%とすることで達成される。
また、エッチング後の酸化膜の膜厚は、たとえば光学式膜厚測定器であるエリプソメータを用いて非破壊で正確に短時間で測定することができる。
最後に、図2(E)のように、エッチング除去される酸化膜21をエッチングして残った第2の酸化膜19上に、ドーパントとしてリンを1×1020/cm3程度ドープしたポリシリコンから成るN型のゲート電極層20を形成する。
ゲート電極層20としては、ポリシリコン、WSi、TiSi、NiSi、CoSi等が挙げられ、特にポリシリコンを用いる場合には、ドーパントの活性化のための熱処理温度が比較的低いことと、CVD(化学気相成長)法であるためにプラズマCVD法におけるゲート酸化膜への物理ダメージが発生しない、などの利点が挙げられる。
ゲート電極層20を形成する条件として、ポリシリコンの成長レートを200nm/時間とするためには、例えば、500℃、モノシランSiH4ガスを1000sccm、フォスフィンPH4ガスを150sccmで流し、キャリアガスとしてN2を5SLM程度流しながら、反応室圧力10Torrの減圧下に保ちCVD成長させる。本実施形態では、2時間で400nm成長させた。
このように形成したゲート電極22を活性化するために熱処理を行う。この熱処理における熱処理の雰囲気ガスとしては、ゲート電極の酸化を防止する観点から不活性ガスが挙げられる。不活性ガスとしては、前述の酸化膜を熱処理する不活性ガスと同様である。
本発明におけるゲート電極22の熱処理温度は、ゲート電極の材質により適宜調整すればよいが、例えばポリシリコンの場合、700℃以上であり前記第2工程での熱処理温度より低いことが好ましい。700℃未満であるとゲート電極22が活性化しない場合がある。一方、第2工程での熱処理温度より高いと、第2の酸化膜19中に炭素が新たに偏析し、固定電荷を有してしまうため、フラットバンド電圧が負側にシフトする場合がある。
本発明の半導体装置の製造方法にて製造した半導体装置は、シリコン基板であっても炭化珪素基板であってもよく、熱酸化による酸化膜中に残留する炭素原子を極力除去されたものである。
これらの中でも、高耐圧、及び高温動作の観点から炭化珪素基板を用いることが好ましい。炭化珪素としては、例えば、2H−SiC、3C−SiC、4H−SiC、6H−SiC、8H−SiC、10H−SiC、15R−SiC等が挙げられる。なお、これらは「Ramsdellの表記法」で表したものであり、最初の数字は積層方向(c軸方向)の1周期中に含まれるSi−C単位層の数であり、後のアルファベットは、C:立方晶、H:六方晶、R:菱面体を表す。前記炭化珪素において、4H−SiC、6H−SiC、15R−SiCは2000℃以上の高温にて製造され、3C−SiCは1800℃以下の低温で製造することができる。これらの中で、3C−SiCは結晶内における電子の走行速度が最も高く(飽和電子速度はSiの2.7倍)、かつ従来のSiに類似した結晶構造(立方晶)である。従って、高速・高効率・微細化デバイスの製造が可能であり、尚且つ低温にて製造することができるという観点から、3C−SiC基板を用いることが好ましい。
また、3C−SiC基板の製造方法としては、例えば、低い結晶欠陥密度(10/cm2以下)とするために、Siを基板としてCVD法を用いたヘテロエピタキシャル成長により製造する方法が挙げられる。
なお、前述した実施形態では窒素をドープしたN型の導電性炭化珪素基板を用いた例を示したが、硼素やアルミニウムをドープしたP型の導電性炭化珪素基板についても同様の効果が期待できる。
前述のように製造した半導体装置(MOSキャパシタ)は、CV特性を評価することによりフラットバンド電圧のシフト量を測定することができる。 ここで、CV特性を評価するため、前述の第4工程において、ゲート電極層20を形成した後、例えば100μm×200μmサイズの電極パッド形状をパターニングする。
CV特性から得られるフラットバンド電圧は、電極の仕事関数、炭化珪素基板と酸化膜界面に形成される界面準位Qit、酸化膜中の固定電荷Qfなどによって影響を受ける。
このうち、固定電荷QfによるVfbへの寄与分は、下記式
Vfb=−Qf/(Cox・Tox/X)
で表すことができる(図4参照)。
式中、Coxはゲート酸化膜の静電容量であり、Toxはゲート酸化膜の膜厚であり、Xはゲート酸化膜中の炭素原子が偏析している領域の基板との界面からの位置(以下、適宜、「酸化膜中の位置」と称する。図3中のXと同じ)を表す。
しかし、実際には、図3のSIMS分析結果から分かるように、ポリシリコン電極を形成し活性化した後のゲート酸化膜中には、固定電荷となる炭素原子がある深さ分布を持ち残留している。このため、例えば、前述したような本発明の実施形態では、この炭素原子が残留している大部分の酸化膜を、SIMS分析結果を基に、ゲート電極と酸化膜との界面から基板方向に20nmをエッチング除去して、残留した炭素原子によるVfbへの影響を取り去り、Vfbをシフトさせないようにする。
図5は、基板温度の上昇もなく、蒸着元素による物理ダメージもない抵抗加熱方式によるアルミニウムAlの蒸着法によりアルミニウム電極を形成し、その後の熱処理を行わなかった半導体装置のCV特性を表した図である。図5より、Vfb=−3Vであることがわかり、Vfbは比較的小さい。一方、図6は、ポリシリコン電極を形成し、その後活性化するためN2雰囲気中にて850℃、20分間の熱処理を行った半導体装置のCV特性を表した図である。図6より、Vfb=−10Vを示し、大きく負側にシフトしていることがわかる。これらの結果より、Vfbのシフトはゲート電極形成後の熱処理に大きく起因するものである。
なお、図6と図7において、Vfbが若干異なるのはサンプル間の誤差である。
12 P型拡散層
14 N+拡散層
16 P+拡散層
18 第1の(ゲート)酸化膜
19 第2の(ゲート)酸化膜
20 ゲート電極層
21 (第一のゲート酸化膜から)エッチング除去される酸化膜
22 ゲート電極
24 層間絶縁膜
26 コンタクトホール
Claims (5)
- 基板上に熱酸化により形成された酸化膜を介してゲート電極を設けた半導体装置の製造方法であって、
前記基板上に第1の酸化膜を形成する第1工程と、
前記第1の酸化膜を不活性ガス雰囲気にて熱処理をする第2工程と、
前記不活性ガスにて熱処理した第1の酸化膜を所定の膜厚となるようにエッチングして得られる第2の酸化膜を形成する第3工程と、
前記第2の酸化膜上にゲート電極を形成して熱処理する第4工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記基板が炭化珪素基板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記不活性ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の酸化膜が基板を熱酸化して得られる二酸化ケイ素(SiO2)であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2工程での熱処理温度が前記第4工程での熱処理温度以上であり、第1工程での基板温度以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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