JP2012038919A - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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Hisakazu Tanioka
寿一 谷岡
Akiyuki Furuhashi
壮之 古橋
Tomokatsu Watanabe
友勝 渡辺
Masayuki Imaizumi
昌之 今泉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, which can improve a threshold voltage lowered by nitriding treatment.SOLUTION: A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprises: a nitriding treatment step for applying nitriding treatment to a silicon carbide substrate 2 with a gate insulating film 11 mainly composed of silicon dioxide formed on a silicon carbide drift layer 6 including a base region 7 and a source region 8; and a heat treatment step for heat-treating the silicon carbide substrate 2 in an atmosphere containing dinitrogen monoxide in a temperature from 600°C to 1000°C after the nitriding treatment step.

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.

炭化珪素は優れた物性値を持ち、高耐圧、低損失なパワーデバイスの実現を可能にする。しかしながら、炭化珪素を用いてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を製造する場合、炭化珪素層上に二酸化珪素からなるゲート絶縁膜を形成すると、炭化珪素/二酸化珪素界面に多くの界面準位が形成される。このような伝導帯に近い界面準位の存在によって、MOSFETのチャネル移動度はバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなり、オン抵抗値が理想的な値よりも高くなってしまう。従来の炭化珪素半導体装置の製造方法では、上記のような炭化珪素/二酸化珪素界面の界面準位を低減するために、一酸化窒素雰囲気中での熱処理による窒化処理を行っていた。(例えば、非特許文献1参照)   Silicon carbide has excellent physical properties and enables the realization of a power device with high breakdown voltage and low loss. However, in the case of manufacturing a MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) using silicon carbide, when a gate insulating film made of silicon dioxide is formed on the silicon carbide layer, many interface states exist at the silicon carbide / silicon dioxide interface. It is formed. Due to the presence of such an interface state close to the conduction band, the channel mobility of the MOSFET becomes extremely smaller than the electron mobility in the bulk, and the on-resistance value becomes higher than an ideal value. In a conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, nitriding is performed by heat treatment in a nitrogen monoxide atmosphere in order to reduce the interface state at the silicon carbide / silicon dioxide interface as described above. (For example, see Non-Patent Document 1)

G.Y. Chung et al., ”Interface state density and channel mobility for 4H-SiC MOSFETs with nitrogen passivation”, Applied Surface Science 184 (2001) 399-403.G.Y.Chung et al., “Interface state density and channel mobility for 4H-SiC MOSFETs with nitrogen passivation”, Applied Surface Science 184 (2001) 399-403.

このような炭化珪素半導体装置の製造方法にあっては、窒化処理によってチャネル移動度を大きくすることができるが、同時に閾値電圧が低下する。閾値電圧が低下すること自体は低電圧駆動の観点からは好ましいが、炭化珪素半導体装置をパワーデバイスとして用いる場合、高耐圧特性の確保が必要であり、これを実現するためにはある程度の大きさの閾値電圧が必要である。例えば蓄積型チャネルMOSFETなどの比較的構造の複雑な半導体装置において上記の窒化処理を行うと、閾値電圧が低くなり過ぎてしまい、耐圧が確保できないことがあるという問題点があった。   In such a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, the channel mobility can be increased by nitriding, but at the same time the threshold voltage decreases. Although lowering the threshold voltage itself is preferable from the viewpoint of low-voltage driving, when a silicon carbide semiconductor device is used as a power device, it is necessary to ensure high withstand voltage characteristics. Threshold voltage is required. For example, when the above nitridation process is performed in a semiconductor device having a relatively complicated structure such as a storage channel MOSFET, there is a problem in that the threshold voltage becomes too low and the withstand voltage may not be secured.

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、窒化処理によって低下した閾値電圧を、向上させることができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of improving the threshold voltage reduced by nitriding.

この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素層上に二酸化珪素を主成分とするゲート絶縁膜が形成された基板を窒化処理する窒化処理工程と、窒化処理工程後、基板を、一酸化二窒素を含む雰囲気中で600℃以上1000℃以下の温度で熱処理する熱処理工程と、を備えたものである。   A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a nitriding treatment step of nitriding a substrate on which a gate insulating film mainly composed of silicon dioxide is formed on a silicon carbide layer, and after the nitriding treatment step, And a heat treatment step in which heat treatment is performed at a temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. in an atmosphere containing dinitrogen monoxide.

この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、窒化処理によって低下した閾値電圧を、向上させることができる。   According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, the threshold voltage reduced by the nitriding treatment can be improved.

この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における窒化処理工程および熱処理工程の温度プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the temperature profile of the nitriding treatment process and heat treatment process in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における熱処理工程における処理時間と閾値電圧の増加量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the processing time in the heat treatment process in Embodiment 1 of this invention, and the increase amount of a threshold voltage. この発明の実施の形態1における熱処理工程における処理温度と閾値電圧の増加量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the process temperature in the heat treatment process in Embodiment 1 of this invention, and the increase amount of a threshold voltage. 窒化処理工程のみを施した場合と、この発明の実施の形態1における窒化処理工程および熱処理工程を施した場合の、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a gate voltage when a nitriding process only is performed, and when a nitriding process and a heat treatment process in Embodiment 1 of the present invention are performed. チャネル層のドーピング濃度によって閾値電圧の制御を行った場合と、この発明の実施の形態1における熱処理工程によって閾値電圧の制御を行った場合の、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gate voltage and the drain current when the threshold voltage is controlled by the doping concentration of the channel layer and when the threshold voltage is controlled by the heat treatment process in the first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the silicon carbide semiconductor device in Embodiment 2 of this invention.

実施の形態1.
まず、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法によって製造される炭化珪素半導体装置1aの構成を説明する。図1は、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aを示す断面図である。ここでは、炭化珪素半導体装置1aの一例として、nチャネル炭化珪素MOSFETについて説明する。
Embodiment 1 FIG.
First, the structure of silicon carbide semiconductor device 1a manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in the first embodiment of the present invention will be described. 1 is a cross sectional view showing a silicon carbide semiconductor device 1a according to the first embodiment of the present invention. Here, an n-channel silicon carbide MOSFET will be described as an example of silicon carbide semiconductor device 1a.

図1において、n型(第1導電型)で低抵抗の炭化珪素基板2の一方の面3上に、n型(第1導電型)の炭化珪素ドリフト層6が形成されている。炭化珪素ドリフト層6の表面側には、p型(第2導電型)のベース領域7が、互いに所定間隔だけ離れてそれぞれ形成されている。また、各ベース領域7内の表層部には、n型(第1導電型)のソース領域8が、ベース領域7よりも浅く形成されている。   In FIG. 1, an n-type (first conductivity type) silicon carbide drift layer 6 is formed on one surface 3 of an n-type (first conductivity type) and low resistance silicon carbide substrate 2. On the surface side of silicon carbide drift layer 6, p-type (second conductivity type) base regions 7 are formed at predetermined intervals from each other. An n-type (first conductivity type) source region 8 is formed shallower than the base region 7 in the surface layer portion in each base region 7.

また、ベース領域7およびソース領域8を含む炭化珪素ドリフト層6の表面には、ソース領域8の一部を除き、ゲート絶縁膜11が形成されている。さらに、ゲート絶縁膜11上で、一対のソース領域8同士の間の領域と対向する部位には、ゲート電極12が形成されている。そして、ソース領域8の表面でゲート絶縁膜11が形成されていない部位にはソース電極13が形成され、炭化珪素基板2の他方の面16にはドレイン電極17が形成されている。   A gate insulating film 11 is formed on the surface of silicon carbide drift layer 6 including base region 7 and source region 8 except for part of source region 8. Furthermore, a gate electrode 12 is formed on the gate insulating film 11 at a portion facing the region between the pair of source regions 8. A source electrode 13 is formed on the surface of the source region 8 where the gate insulating film 11 is not formed, and a drain electrode 17 is formed on the other surface 16 of the silicon carbide substrate 2.

次に、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aの製造方法について説明する。図2〜図7は、それぞれ、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aの製造方法の一部を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention will be described. 2 to 7 are cross sectional views showing a part of a method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention.

まず、一方の面3の面方位が(0001)面であり、4Hのポリタイプを有し、例えば1×1019cm−3程度に不純物ドーピングされたn型(第1導電型)で低抵抗の炭化珪素基板2を準備する。そして、図2に示すように、炭化珪素基板2の一方の面3上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、1×1015〜1×1018cm−3のn型(第1導電型)の不純物濃度で、5〜50μmの厚さの炭化珪素ドリフト層6をエピタキシャル成長する。炭化珪素ドリフト層6をこのような条件で形成することにより、数100V〜3kV以上の耐圧を持つ縦型の高耐圧MOSFETが実現できる。 First, the plane orientation of one surface 3 is the (0001) plane, has a 4H polytype, and is n-type (first conductivity type) doped with an impurity of, for example, about 1 × 10 19 cm −3 and low resistance. The silicon carbide substrate 2 is prepared. Then, as shown in FIG. 2, an n-type (first conductivity type) of 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3 is formed on one surface 3 of the silicon carbide substrate 2 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The silicon carbide drift layer 6 having a thickness of 5 to 50 μm is epitaxially grown at an impurity concentration of By forming the silicon carbide drift layer 6 under such conditions, a vertical type high breakdown voltage MOSFET having a breakdown voltage of several hundred V to 3 kV or more can be realized.

次に、炭化珪素ドリフト層6の表面にレジストによってマスクを形成し、炭化珪素ドリフト層6の表面側から、p型(第2導電型)の不純物をイオン注入する。これにより、炭化珪素ドリフト層6に所定間隔だけ離れた一対のp型(第2導電型)のベース領域7が形成される。レジストを除去した後の断面図を図3に示す。   Next, a mask is formed on the surface of silicon carbide drift layer 6 with a resist, and p-type (second conductivity type) impurities are ion-implanted from the surface side of silicon carbide drift layer 6. As a result, a pair of p-type (second conductivity type) base regions 7 spaced apart from each other by a predetermined distance are formed in silicon carbide drift layer 6. A cross-sectional view after removing the resist is shown in FIG.

このとき、イオン注入するp型(第2導電型)の不純物は例えばアルミニウムやホウ素であって、イオン注入する不純物濃度は1×1017〜1×1019cm−3の範囲で炭化珪素ドリフト層6のn型(第1導電型)の不純物濃度を超えるものとする。また、p型(第2導電型)の不純物のイオン注入の深さは、炭化珪素ドリフト層6の厚さを超えない0.5〜3μm程度とする。 At this time, the p-type (second conductivity type) impurity to be ion-implanted is, for example, aluminum or boron, and the impurity concentration to be ion-implanted is in the range of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3. The n-type (first conductivity type) impurity concentration of 6 is exceeded. The depth of ion implantation of the p-type (second conductivity type) impurity is set to about 0.5 to 3 μm so as not to exceed the thickness of the silicon carbide drift layer 6.

次に、炭化珪素ドリフト層6の表面にレジストによってマスクを形成し、炭化珪素ドリフト層6の表面側から、n型(第1導電型)の不純物をイオン注入する。これにより、各ベース領域7内の表層部に、n型(第1導電型)のソース領域8がそれぞれ形成される。レジストを除去した後の断面図を図4に示す。   Next, a mask is formed with a resist on the surface of silicon carbide drift layer 6, and n-type (first conductivity type) impurities are ion-implanted from the surface side of silicon carbide drift layer 6. As a result, n-type (first conductivity type) source regions 8 are formed in the surface layer portion in each base region 7. A cross-sectional view after removing the resist is shown in FIG.

このとき、イオン注入するn型(第1導電型)の不純物は例えば窒素やリンであって、イオン注入する不純物濃度は1×1018〜1×1021cm−3の範囲でベース領域7のp型(第2導電型)の不純物濃度を超えるものとする。また、n型(第1導電型)の不純物のイオン注入の深さは、ベース領域7の厚さより浅いものとする。 At this time, the n-type (first conductivity type) impurity to be ion-implanted is, for example, nitrogen or phosphorus, and the impurity concentration to be ion-implanted is in the range of 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 in the base region 7. The impurity concentration exceeds the p-type (second conductivity type) impurity concentration. In addition, the depth of ion implantation of n-type (first conductivity type) impurity is shallower than the thickness of the base region 7.

次に、炭化珪素ドリフト層6、ベース領域7およびソース領域8が形成された炭化珪素基板2を、熱処理装置によって、例えばアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で、1300〜1900℃の範囲で30秒〜1時間の高温アニールを行う。この高温アニールにより、イオン注入されたアルミニウムや窒素などが電気的に活性化される。   Next, silicon carbide substrate 2 on which silicon carbide drift layer 6, base region 7 and source region 8 are formed is subjected to a heat treatment apparatus in an inert gas atmosphere such as argon, for example, in the range of 1300 to 1900 ° C. for 30 seconds. Perform high temperature annealing for ~ 1 hour. By this high temperature annealing, ion-implanted aluminum, nitrogen, and the like are electrically activated.

次に、図5に示すように、ベース領域7およびソース領域8を含む炭化珪素ドリフト層6の表面を熱酸化し、所望の膜厚の二酸化珪素のゲート絶縁膜11を形成する。ゲート絶縁膜11の膜厚は100nm以下とする。   Next, as shown in FIG. 5, the surface of silicon carbide drift layer 6 including base region 7 and source region 8 is thermally oxidized to form gate insulating film 11 of silicon dioxide having a desired thickness. The thickness of the gate insulating film 11 is 100 nm or less.

次に、縦型熱処理炉を用いて、ゲート絶縁膜11が形成された後の炭化珪素基板2を窒化処理し、その後、熱処理する。これら窒化処理工程および熱処理工程については、後で詳述する。   Next, the silicon carbide substrate 2 on which the gate insulating film 11 has been formed is nitrided using a vertical heat treatment furnace, and then heat treated. These nitriding treatment step and heat treatment step will be described in detail later.

次に、ゲート絶縁膜11上に、導電性を有する多結晶珪素膜をCVD法によって形成し、パターニングすることによりゲート電極12を形成する。図6に示すように、ゲート電極12は、一対のベース領域7およびソース領域8が両端部に位置し、ベース領域7間の炭化珪素ドリフト層6が中央に位置するような形状にパターニングされる。このとき、ゲート電極12は一対のソース領域8と例えば10nm〜5μmの範囲でオーバーラップしていることが望ましい。   Next, a polycrystalline silicon film having conductivity is formed on the gate insulating film 11 by a CVD method, and the gate electrode 12 is formed by patterning. As shown in FIG. 6, gate electrode 12 is patterned in such a shape that a pair of base region 7 and source region 8 are located at both ends, and silicon carbide drift layer 6 between base regions 7 is located in the center. . At this time, the gate electrode 12 desirably overlaps with the pair of source regions 8 in a range of, for example, 10 nm to 5 μm.

次に、図7に示すように、ゲート電極12が形成された部位およびその周囲を残して、他の部位のゲート絶縁膜11を除去する。   Next, as shown in FIG. 7, the gate insulating film 11 in other portions is removed leaving the portion where the gate electrode 12 is formed and the periphery thereof.

次に、図8に示すように、前の工程でゲート絶縁膜11を一部除去することによって、ソース領域13が表面に露出した部位にソース電極13を形成する。ソース電極13としては、アルミニウム合金などを用いる。   Next, as shown in FIG. 8, by partially removing the gate insulating film 11 in the previous step, the source electrode 13 is formed in a portion where the source region 13 is exposed on the surface. As the source electrode 13, an aluminum alloy or the like is used.

最後に、炭化珪素基板2の他方の面16にドレイン電極17を形成して、図1に示すこの発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aであるnチャネルMOSFETが完成する。ドレイン電極17としてはアルミニウム合金などを用いる。   Finally, drain electrode 17 is formed on the other surface 16 of silicon carbide substrate 2 to complete n-channel MOSFET which is silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention shown in FIG. As the drain electrode 17, an aluminum alloy or the like is used.

次に、前述した、ゲート絶縁膜11が形成された後の炭化珪素基板2の窒化処理工程と、その後の熱処理工程について詳述する。図9は、この発明の実施の形態1における窒化処理工程および熱処理工程の温度プロファイルを示す図である。図9において、横軸は時間、縦軸は炉内の温度を示す。   Next, the above-described nitridation process of silicon carbide substrate 2 after gate insulating film 11 is formed and the subsequent heat treatment process will be described in detail. FIG. 9 is a diagram showing temperature profiles of the nitriding process and the heat treatment process in the first embodiment of the present invention. In FIG. 9, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the temperature in the furnace.

まず、ゲート絶縁膜11が形成された後の炭化珪素基板2を縦型熱処理炉内に導入し、炉内を1.3Pa以下になるまで真空排気して炉内の酸化性ガスを除去する。続いて、炉内にアルゴンなどの不活性ガスを供給し、炉内が大気圧になるようにする。次に、炉内に不活性ガスを供給しながら、炉を加熱する。   First, the silicon carbide substrate 2 on which the gate insulating film 11 is formed is introduced into a vertical heat treatment furnace, and the inside of the furnace is evacuated to 1.3 Pa or less to remove the oxidizing gas in the furnace. Subsequently, an inert gas such as argon is supplied into the furnace so that the inside of the furnace is at atmospheric pressure. Next, the furnace is heated while supplying an inert gas into the furnace.

炉内が窒化処理を行う所定温度にまで到達すると、炉内に一酸化窒素(NO)を供給し、窒化処理工程を開始する。窒化処理時の炉内のガス雰囲気は、NOがほぼ100%の雰囲気でもよいし、アルゴンなどの不活性ガスとNOとを混合した雰囲気でもよい。窒化処理の処理温度は1100℃以上が好ましく、1200〜1300℃がより好適である。処理時間は、ゲート絶縁膜11の膜厚に応じて調整すればよく、例えばゲート絶縁膜11が50nm程度の膜厚の場合、1200℃で2時間処理すれば充分窒化される。炉内を所定温度で保持し、所定時間が経過すると窒化処理工程が終了する。   When the furnace reaches a predetermined temperature at which nitriding is performed, nitrogen monoxide (NO) is supplied into the furnace and the nitriding process is started. The gas atmosphere in the furnace at the time of nitriding may be an atmosphere in which NO is almost 100%, or an atmosphere in which an inert gas such as argon and NO are mixed. The treatment temperature of the nitriding treatment is preferably 1100 ° C. or higher, and more preferably 1200 to 1300 ° C. The processing time may be adjusted according to the film thickness of the gate insulating film 11. For example, when the gate insulating film 11 has a film thickness of about 50 nm, it is sufficiently nitrided by processing at 1200 ° C. for 2 hours. The inside of the furnace is held at a predetermined temperature, and the nitriding process is finished when a predetermined time has elapsed.

窒化処理工程が終了した時点で、炉のヒーターの出力を低下させ、その後の熱処理工程を行う温度まで温度を下げる第1降温工程を開始する。第1降温工程中の炉内のガス雰囲気は、NOがほぼ100%の雰囲気でもよいし、アルゴンなどの不活性ガスとNOとを混合した雰囲気でもよい。また、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気でもよい。熱処理工程を行う温度まで炉内の温度が下がると第1降温工程が終了する。   When the nitriding process is completed, the output of the furnace heater is reduced, and a first temperature lowering process is started to lower the temperature to a temperature at which the subsequent heat treatment process is performed. The gas atmosphere in the furnace during the first temperature lowering step may be an atmosphere in which NO is almost 100%, or an atmosphere in which an inert gas such as argon and NO are mixed. Moreover, inert gas atmosphere, such as argon, may be sufficient. When the temperature in the furnace decreases to the temperature at which the heat treatment process is performed, the first temperature lowering process is completed.

第1降温工程が終了した時点で、炉内に供給するガスを一酸化二窒素(NO)に切り替え、熱処理工程を開始する。熱処理工程中の炉内のガス雰囲気は、NOがほぼ100%の雰囲気でもよいし、制御性を高めるためにアルゴンなどの不活性ガスとNOとを混合した雰囲気でもよい。そして、炉内の温度を所定温度で一定時間保持して熱処理を行い、熱処理工程を終了する。熱処理工程を行う温度は600〜1000℃の範囲とし、処理時間は所望の閾値電圧が得られるように適宜決定する。処理温度および処理時間については後で詳述する。尚、第1降温工程終了後、炉内に供給するガスをNOに切り替える前に、炉内のガス雰囲気を不活性ガスで置換したり、一度真空排気した後に不活性ガスで置換したりして、その後に、供給するガスをNOに切り替えて熱処理工程を開始してもよい。 When the first temperature lowering step is completed, the gas supplied into the furnace is switched to dinitrogen monoxide (N 2 O), and the heat treatment step is started. The gas atmosphere in the furnace during the heat treatment step may be an atmosphere containing almost 100% N 2 O, or an atmosphere in which an inert gas such as argon and N 2 O are mixed in order to improve controllability. Then, the temperature in the furnace is kept at a predetermined temperature for a certain time to perform heat treatment, and the heat treatment step is completed. The temperature at which the heat treatment step is performed is in the range of 600 to 1000 ° C., and the treatment time is appropriately determined so that a desired threshold voltage is obtained. The processing temperature and processing time will be described in detail later. After the first temperature lowering step, before the gas supplied to the furnace is switched to N 2 O, the gas atmosphere in the furnace is replaced with an inert gas, or after being evacuated once and replaced with an inert gas. Thereafter, the gas to be supplied may be switched to N 2 O to start the heat treatment step.

熱処理工程後、所定のスタンバイ温度にまで炉内の温度を下げる第2降温工程を開始する。第2降温工程中の炉内のガス雰囲気は、NOがほぼ100%の雰囲気でもよいし、アルゴンなどの不活性ガスとNOとを混合した雰囲気でもよい。炉内の温度が所定のスタンバイ温度にまで下がると、第2降温工程を終了する。 After the heat treatment process, a second temperature lowering process for lowering the temperature in the furnace to a predetermined standby temperature is started. The gas atmosphere in the furnace during the second temperature lowering step may be an atmosphere in which N 2 O is almost 100%, or an atmosphere in which an inert gas such as argon and N 2 O are mixed. When the temperature in the furnace falls to a predetermined standby temperature, the second temperature lowering process is terminated.

その後、炉内を不活性ガスに置換するなどした後に、炉内から炭化珪素基板2を取り出す。そして、前述したゲート電極12を形成する工程へ進む。   Thereafter, after replacing the inside of the furnace with an inert gas, silicon carbide substrate 2 is taken out from the furnace. And it progresses to the process of forming the gate electrode 12 mentioned above.

ここで、熱処理工程における処理温度および処理時間について説明する。まず、処理温度について説明する。熱処理工程において、NOは以下に示す反応を生じる。 Here, the processing temperature and processing time in the heat treatment step will be described. First, the processing temperature will be described. In the heat treatment step, N 2 O causes the following reaction.

O→N+O (1)
O+O→N+O (2)
O+O→2NO (3)
N 2 O → N 2 + O (1)
N 2 O + O → N 2 + O 2 (2)
N 2 O + O → 2NO (3)

上記の式(1)の反応は緩やかに進行するNOの分解反応であり、原子状酸素が数多く生成される。上記の式(2)および式(3)の反応は、速く進行する反応であり、最終的にN、OおよびNOが生成される。式(3)の反応は、温度が高くなるにつれて反応が促進されるため、温度が高いほど生成されるNOが増加する。1000℃以下では、生成されるN、OおよびNO全体に対するNOの割合は10%以下であることが、E. P. Gusev et al., ”Growth and characterization of ultrathin nitrided silicon oxide films”, IBM J. RES. DEVELOP. Vol. 43 No. 3 MAY 1999.(以下、「非特許文献2」という)に記載されている。 The reaction of the above formula (1) is a slowly proceeding decomposition reaction of N 2 O, and a large amount of atomic oxygen is generated. The reactions of the above formulas (2) and (3) are fast progressing reactions, and finally N 2 , O 2 and NO are generated. Since the reaction of the formula (3) is promoted as the temperature increases, the generated NO increases as the temperature increases. Below 1000 ° C., the ratio of NO to the total amount of N 2 , O 2, and NO produced is 10% or less. EP Gusev et al., “Growth and characterization of ultrathin nitrided silicon oxide films”, IBM J. RES. DEVELOP. Vol. 43 No. 3 MAY 1999. (hereinafter referred to as “Non-Patent Document 2”).

つまり、1000℃より高い温度ではNOの生成割合が高くなり、炭化珪素/二酸化珪素界面へNOが拡散する速度も大きくなるため、効率的に窒化され、閾値電圧が下がってしまう。一方で、1000℃以下ではNOの生成割合が低く、温度が低いため炭化珪素/二酸化珪素界面へNOが拡散する速度も小さくなり、窒化されにくくなる。このとき、生成された原子状酸素による改質効果が大きくなり、閾値電圧を上げることができる。NOは600℃程度から分解反応が生じるため、熱処理工程を行う温度は600〜1000℃の範囲とする。 That is, at a temperature higher than 1000 ° C., the generation ratio of NO increases, and the rate at which NO diffuses to the silicon carbide / silicon dioxide interface increases, so that nitriding is efficiently performed and the threshold voltage decreases. On the other hand, at a temperature of 1000 ° C. or lower, the rate of NO generation is low and the temperature is low, so the rate at which NO diffuses to the silicon carbide / silicon dioxide interface is reduced and nitriding is difficult. At this time, the reforming effect by the generated atomic oxygen is increased, and the threshold voltage can be increased. Since N 2 O undergoes a decomposition reaction from about 600 ° C., the temperature at which the heat treatment step is performed is in the range of 600 to 1000 ° C.

次に、処理温度が600〜1000℃の範囲で、処理時間を0〜90分で変化させて熱処理工程を行った実験結果について説明する。図10は、この発明の実施の形態1における熱処理工程における処理時間と閾値電圧の増加量との関係を示すグラフである。図10において、横軸は熱処理工程の処理時間、縦軸は熱処理工程を行うことによる閾値電圧の増加量を示す。   Next, experimental results obtained by performing the heat treatment step by changing the treatment time from 0 to 90 minutes in the treatment temperature range of 600 to 1000 ° C. will be described. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the processing time and the increase amount of the threshold voltage in the heat treatment step according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 10, the horizontal axis represents the processing time of the heat treatment step, and the vertical axis represents the amount of increase in threshold voltage due to the heat treatment step.

図10から分かるように、閾値電圧の増加量は、いずれの処理温度においても処理時間と比例関係にある。このため、処理温度と処理時間を適切に設定することによって、閾値電圧を細かく制御できる。   As can be seen from FIG. 10, the increase amount of the threshold voltage is proportional to the processing time at any processing temperature. For this reason, the threshold voltage can be finely controlled by appropriately setting the processing temperature and the processing time.

Oの熱分解反応が生じ始める600℃では、処理時間に対する閾値電圧の増加量は小さい。そして、NOの生成割合が多くなり始める1000℃においても、処理時間に対する閾値電圧の増加量は小さい。従って、図10から、600℃程度および1000℃程度の温度は、0.1〜0.2V単位の閾値電圧の制御に好適である。 At 600 ° C. at which the thermal decomposition reaction of N 2 O begins to occur, the increase amount of the threshold voltage with respect to the processing time is small. Even at 1000 ° C. where the NO generation ratio starts to increase, the increase amount of the threshold voltage with respect to the processing time is small. Accordingly, from FIG. 10, temperatures of about 600 ° C. and about 1000 ° C. are suitable for controlling the threshold voltage in units of 0.1 to 0.2V.

また、700℃以上800℃以下では、600℃や1000℃の場合と比べて、処理時間に対する閾値電圧の増加量は大きい。従って、図10から、700〜800℃の範囲は、1V単位の閾値電圧の制御に好適である。   Further, at 700 ° C. or more and 800 ° C. or less, the increase amount of the threshold voltage with respect to the processing time is large as compared with the case of 600 ° C. or 1000 ° C. Therefore, from FIG. 10, the range of 700 to 800 ° C. is suitable for controlling the threshold voltage in units of 1V.

図11は、この発明の実施の形態1における熱処理工程における処理温度と閾値電圧の増加量との関係を示すグラフである。図11において、横軸は熱処理工程の処理温度、縦軸は熱処理工程を行うことによる閾値電圧の増加量を示す。尚、図11において処理時間は90分である。図11からも、熱処理工程によって閾値電圧を増加させる効果が、処理温度が600〜1000℃の範囲で効率良く得られることが分かる。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the processing temperature and the increase amount of the threshold voltage in the heat treatment step according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 11, the horizontal axis represents the processing temperature of the heat treatment step, and the vertical axis represents the amount of increase in the threshold voltage due to the heat treatment step. In FIG. 11, the processing time is 90 minutes. Also from FIG. 11, it can be seen that the effect of increasing the threshold voltage by the heat treatment step can be obtained efficiently in the processing temperature range of 600 to 1000 ° C.

図11から、600℃以上で700℃より低い温度および900℃より高く1000℃以下の温度では、閾値電圧の増加量は小さく、閾値電圧の細かな制御に適している。さらに、600℃程度および1000℃程度が、閾値電圧の細かな制御にはより好適である。また、700℃以上900℃以下の温度では、閾値電圧の増加量は大きく、閾値電圧を大きく変化させる場合に適している。さらに、700℃以上800℃以下の温度が閾値電圧を大きく変化させる場合にはより好適である。   From FIG. 11, at a temperature of 600 ° C. or higher and lower than 700 ° C. and a temperature of 900 ° C. and lower than 1000 ° C., the increase amount of the threshold voltage is small and suitable for fine control of the threshold voltage. Further, about 600 ° C. and about 1000 ° C. are more suitable for fine control of the threshold voltage. Further, at a temperature of 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, the increase amount of the threshold voltage is large, which is suitable when the threshold voltage is changed greatly. Furthermore, a temperature of 700 ° C. or higher and 800 ° C. or lower is more preferable when the threshold voltage is greatly changed.

次に、窒化処理工程のみを施してMOSFETを製造した場合と、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1aの製造方法に係る窒化処理工程および熱処理工程を施してMOSFETを製造した場合とを比較した実験結果について説明する。図12は、窒化処理工程のみを施した場合と、この発明の実施の形態1における窒化処理工程および熱処理工程を施した場合の、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示すグラフである。図12において、横軸はゲート電圧、縦軸はドレイン電流を示す。尚、ここでは、熱処理工程は800℃で1時間行った。   Next, when the MOSFET is manufactured by performing only the nitriding process, and when the MOSFET is manufactured by performing the nitriding process and the heat treatment process according to the method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1a in the first embodiment of the present invention. The experimental results comparing the above will be described. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the gate voltage and the drain current when only the nitriding process is performed and when the nitriding process and the heat treatment process in the first embodiment of the present invention are performed. In FIG. 12, the horizontal axis represents the gate voltage, and the vertical axis represents the drain current. Here, the heat treatment step was performed at 800 ° C. for 1 hour.

図12から、熱処理工程によって閾値電圧が約4V増加したことが分かる。また、絶縁膜リークなどの異常も無く、正常に動作することが確認できた。   From FIG. 12, it can be seen that the threshold voltage is increased by about 4 V by the heat treatment process. In addition, it was confirmed that there was no abnormality such as an insulating film leak and the operation was normal.

一般的に、閾値電圧の制御は、チャネルが形成される層のドーピング濃度を調整して行うが、この方法では、不純物や界面欠陥などによる散乱の影響が増え、チャネル移動度が大きく低下する。つまり、チャネル層のドーピング濃度による閾値電圧の制御では、閾値電圧とチャネル移動度とはトレードオフの関係にある。   In general, the threshold voltage is controlled by adjusting the doping concentration of the layer in which the channel is formed. However, in this method, the influence of scattering due to impurities, interface defects and the like increases, and the channel mobility greatly decreases. That is, in the control of the threshold voltage by the doping concentration of the channel layer, the threshold voltage and the channel mobility are in a trade-off relationship.

次に、上述のチャネル層のドーピング濃度による閾値電圧の制御と、この発明の実施の形態1における熱処理工程による閾値電圧の制御とを比較した実験結果について説明する。図13は、チャネル層のドーピング濃度によって閾値電圧の制御を行った場合と、この発明の実施の形態1における熱処理工程によって閾値電圧の制御を行った場合の、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示すグラフである。図13において、横軸はゲート電圧、縦軸はドレイン電流を示す。ここでは、上記の2つの方法において閾値電圧を9Vにした場合を示している。   Next, experimental results comparing the above-described control of the threshold voltage by the channel layer doping concentration and the control of the threshold voltage by the heat treatment process in Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 13 shows the relationship between the gate voltage and the drain current when the threshold voltage is controlled by the doping concentration of the channel layer and when the threshold voltage is controlled by the heat treatment process in the first embodiment of the present invention. It is a graph. In FIG. 13, the horizontal axis represents the gate voltage, and the vertical axis represents the drain current. Here, the case where the threshold voltage is set to 9 V in the above two methods is shown.

図13から、チャネル層のドーピング濃度によって閾値電圧を制御した場合と比較して、この発明の実施の形態1における熱処理工程によって閾値電圧を制御した場合の方が、同じゲート電圧に対してドレイン電流が大きく、チャネル移動度が大きいことが分かる。従って、従来のチャネル層のドーピング濃度による方法よりも、この発明の実施の形態1における熱処理工程による方法の方が優れていることが分かる。   From FIG. 13, when the threshold voltage is controlled by the heat treatment process according to the first embodiment of the present invention, the drain current with respect to the same gate voltage is compared with the case where the threshold voltage is controlled by the doping concentration of the channel layer. It can be seen that the channel mobility is large. Therefore, it can be seen that the method using the heat treatment process in the first embodiment of the present invention is superior to the conventional method using the channel layer doping concentration.

この発明の実施の形態1では、以上のようにしたことにより、窒化処理工程によって低下した閾値電圧を、熱処理工程によって向上させることができるという効果がある。そして、従来のチャネル層のドーピング濃度によって閾値電圧を制御する方法と比較して、より大きいチャネル移動度を確保することができる。また、熱処理工程における処理温度と処理時間を調整することによって閾値電圧を細かく制御することも可能である。   In the first embodiment of the present invention, as described above, the threshold voltage reduced by the nitriding process can be improved by the heat treatment process. Compared with the conventional method of controlling the threshold voltage according to the doping concentration of the channel layer, a larger channel mobility can be ensured. It is also possible to finely control the threshold voltage by adjusting the processing temperature and processing time in the heat treatment process.

さらに、熱処理工程を所定温度で一定時間保持して行うことにより、閾値電圧の制御性を向上させることができる。   Furthermore, the controllability of the threshold voltage can be improved by performing the heat treatment step at a predetermined temperature for a predetermined time.

また、窒化処理工程をNOを含む雰囲気中で1100℃以上の温度で行うことにより、効率良く窒化処理を行うことができ、効率良くチャネル移動度を向上させることができる。   In addition, by performing the nitriding treatment step at a temperature of 1100 ° C. or higher in an atmosphere containing NO, the nitriding treatment can be performed efficiently and the channel mobility can be improved efficiently.

窒化処理工程後、熱処理工程を行う温度までNOを含む雰囲気中で温度を下げる第1降温工程を備えたことにより、第1降温工程中に、窒化処理工程において窒化された部分から窒素が脱離することを抑制することができ、窒素の脱離によるチャネル移動度の低下を抑制することができる。   After the nitriding step, the first temperature drop step is performed to lower the temperature in an atmosphere containing NO to the temperature at which the heat treatment step is performed, so that nitrogen is desorbed from the portion nitrided in the nitridation step during the first temperature drop step. It is possible to suppress the decrease in channel mobility due to nitrogen desorption.

また、熱処理工程後、所定のスタンバイ温度までNOを含む雰囲気中で温度を下げる第2降温工程を備えたことにより、熱処理工程によって向上した閾値電圧が、第2降温工程中に低下することを抑制することができる。 In addition, by providing the second temperature lowering step for lowering the temperature in an atmosphere containing N 2 O to a predetermined standby temperature after the heat treatment step, the threshold voltage improved by the heat treatment step is reduced during the second temperature lowering step. Can be suppressed.

熱処理工程を、NO雰囲気中で行うことにより、アルゴンなどの不活性ガスとNOとを混合した雰囲気中で行う場合と比べて、熱処理工程に要する時間を短縮することができる。 By performing the heat treatment step in an N 2 O atmosphere, the time required for the heat treatment step can be shortened as compared with the case where the heat treatment step is performed in an atmosphere in which an inert gas such as argon and N 2 O are mixed.

また、ゲート絶縁膜11を二酸化珪素によって形成したことにより、ゲート絶縁膜11を熱酸化によって形成することができ、ゲート絶縁膜11の形成が容易となる。   In addition, since the gate insulating film 11 is formed of silicon dioxide, the gate insulating film 11 can be formed by thermal oxidation, and the gate insulating film 11 can be easily formed.

尚、この発明の実施の形態1では、熱処理工程を所定温度で一定時間保持して行った。しかし、熱処理工程は、温度を下げながら、上げながらまたは温度に時間変化を与えながら行ってもよい。例えば温度を下げながら行うと、第2降温工程に要する時間を短縮することができる。温度を下げながらの熱処理工程は、閾値電圧を1Vより小さい値だけ増加させるには不適であるが、1V以上増加させる場合は問題ない。   In the first embodiment of the present invention, the heat treatment step is performed at a predetermined temperature for a predetermined time. However, the heat treatment step may be performed while lowering the temperature, raising the temperature, or giving the temperature a change over time. For example, when the temperature is lowered, the time required for the second temperature lowering step can be shortened. The heat treatment process while lowering the temperature is not suitable for increasing the threshold voltage by a value smaller than 1V, but there is no problem when increasing the voltage by 1V or more.

また、この発明の実施の形態1では、窒化処理工程を1100℃以上で行った。しかし、必ずしも1100℃以上である必要はなく、1100℃より低い温度でも可能である。   Moreover, in Embodiment 1 of this invention, the nitriding process was performed at 1100 degreeC or more. However, the temperature is not necessarily 1100 ° C. or higher, and a temperature lower than 1100 ° C. is possible.

さらに、この発明の実施の形態1では、窒化処理工程を所定温度で一定時間保持して行った。しかし、窒化処理工程は、温度を下げながら、上げながらまたは温度に時間変化を与えながら行ってもよい。   Furthermore, in the first embodiment of the present invention, the nitriding process is carried out at a predetermined temperature for a predetermined time. However, the nitriding process may be performed while lowering the temperature, raising the temperature, or changing the temperature over time.

この発明の実施の形態1では、窒化処理工程をNOを含む雰囲気中で行った。しかし、NOを含む雰囲気中や、アンモニア(NH)を含む雰囲気中で行ってもよいし、プラズマや紫外線により活性した窒素原子によって窒化処理を行ってもよい。ただし、NOを含む雰囲気中で窒化処理工程を行う場合は、上述した非特許文献2から、1000℃以下では生成されるNOの割合は低く、窒化を効率良く行うことができないため、NOの生成割合が高くなる1100℃以上で窒化処理工程を行うのがよい。 In Embodiment 1 of the present invention, the nitriding process is performed in an atmosphere containing NO. However, it may be performed in an atmosphere containing N 2 O or in an atmosphere containing ammonia (NH 3 ), or nitriding may be performed by nitrogen atoms activated by plasma or ultraviolet rays. However, when the nitriding process is performed in an atmosphere containing N 2 O, from the above-mentioned Non-Patent Document 2, the ratio of NO generated at 1000 ° C. or lower is low, and nitriding cannot be performed efficiently. It is preferable to perform the nitriding step at 1100 ° C. or higher where the generation ratio of is increased.

尚、この発明の実施の形態1では、ゲート絶縁膜11を熱酸化によって形成した。しかし、CVD法、蒸着法、スパッタ法、イオンクラスタービーム法、分子線エピタキシー法などで形成してもよい。   In the first embodiment of the present invention, the gate insulating film 11 is formed by thermal oxidation. However, it may be formed by CVD method, vapor deposition method, sputtering method, ion cluster beam method, molecular beam epitaxy method or the like.

また、ゲート絶縁膜11を二酸化珪素によって形成したが、例えば窒化珪素と二酸化珪素とを組合せた積層構造などでもよく、二酸化珪素を主成分とするものであればよい。   Further, although the gate insulating film 11 is formed of silicon dioxide, a laminated structure in which silicon nitride and silicon dioxide are combined may be used, for example, as long as silicon dioxide is the main component.

この発明の実施の形態1では、ゲート電極12を多結晶珪素で形成した。しかし、この多結晶珪素の導電型はn型でもp型でもよく、n型またはp型の多結晶炭化珪素でもよい。さらには、アルミニウム、チタン、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステンやそれらの窒化物でもよい。また、ソース電極13とドレイン電極17については、アルミニウムで形成したが、上記のゲート電極12に用いる材料を用いてもよい。   In the first embodiment of the present invention, the gate electrode 12 is formed of polycrystalline silicon. However, the conductivity type of the polycrystalline silicon may be n-type or p-type, and may be n-type or p-type polycrystalline silicon carbide. Furthermore, aluminum, titanium, molybdenum, tantalum, niobium, tungsten, and nitrides thereof may be used. Further, although the source electrode 13 and the drain electrode 17 are made of aluminum, the material used for the gate electrode 12 may be used.

また、この発明の実施の形態1では、炭化珪素基板2として、一方の面3の面方位が(0001)面であり、4Hのポリタイプを有するものを用いた。しかし、面方位は(000−1)面や(11−20)面などでもよく、これらの面方位から傾斜しているものでであってもよい。さらに、ポリタイプとしては6Hや3Cであってもよい。   In Embodiment 1 of the present invention, silicon carbide substrate 2 having a plane orientation of one surface 3 of (0001) and having a 4H polytype is used. However, the plane orientation may be a (000-1) plane, a (11-20) plane, etc., or may be inclined from these plane orientations. Further, the polytype may be 6H or 3C.

尚、この発明の実施の形態1では、炭化珪素半導体装置1aの一例として、n型を第1導電型、p型を第2導電型としてnチャネル炭化珪素MOSFETについて説明した。しかし、p型を第1導電型、n型を第2導電型としたpチャネル炭化珪素MOSFETについても同様である。   In the first embodiment of the present invention, as an example of silicon carbide semiconductor device 1a, an n-channel silicon carbide MOSFET has been described in which n-type is the first conductivity type and p-type is the second conductivity type. However, the same applies to a p-channel silicon carbide MOSFET in which the p-type is the first conductivity type and the n-type is the second conductivity type.

実施の形態2.
図14は、この発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置1bを示す断面図である。図14において、図1と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態1とは、トレンチ構造のMOSFETである点が相違している。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 14 is a cross sectional view showing a silicon carbide semiconductor device 1b according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 14, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding components, and the description thereof is omitted. This embodiment is different from the first embodiment in that it is a MOSFET having a trench structure.

図14において、n型(第1導電型)で低抵抗の炭化珪素基板2の一方の面3上に、n型(第1導電型)の炭化珪素ドリフト層6が形成されている。炭化珪素ドリフト層6の表面側にはp型(第2導電型)のベース領域7がイオン注入によって形成され、ベース領域7内の表層部にはn型(第1導電型)のソース領域8がイオン注入によって、ベース領域7よりも浅く形成されている。   In FIG. 14, an n-type (first conductivity type) silicon carbide drift layer 6 is formed on one surface 3 of n-type (first conductivity type) and low resistance silicon carbide substrate 2. A p-type (second conductivity type) base region 7 is formed by ion implantation on the surface side of the silicon carbide drift layer 6, and an n-type (first conductivity type) source region 8 is formed on the surface layer in the base region 7. Is formed shallower than the base region 7 by ion implantation.

また、炭化珪素ドリフト層6には、炭化珪素ドリフト層6の表面からソース領域8およびベース領域7を貫通し、ソース領域8およびベース領域7が形成されていない炭化珪素ドリフト層6にまで達するトレンチ18が形成されている。ソース領域8の表面の一部およびトレンチ18の表面にはゲート絶縁膜11が形成されている。そして、ソース領域8の表面でゲート絶縁膜11が形成されていない部位にはソース電極13が形成され、炭化珪素基板2の他方の面16にはドレイン電極17が形成されている。   Silicon carbide drift layer 6 has a trench that penetrates source region 8 and base region 7 from the surface of silicon carbide drift layer 6 to reach silicon carbide drift layer 6 in which source region 8 and base region 7 are not formed. 18 is formed. A gate insulating film 11 is formed on part of the surface of the source region 8 and the surface of the trench 18. A source electrode 13 is formed on the surface of the source region 8 where the gate insulating film 11 is not formed, and a drain electrode 17 is formed on the other surface 16 of the silicon carbide substrate 2.

次に、この発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置1bの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing silicon carbide semiconductor device 1b in the first embodiment of the present invention will be described.

まず、n型(第1導電型)で低抵抗の炭化珪素基板2を準備し、一方の面3上にn型(第1導電型)の炭化珪素ドリフト層6をエピタキシャル成長する。次に、炭化珪素ドリフト層6の表面側から、p型(第2導電型)の不純物をイオン注入し、p型(第2導電型)のベース領域7が形成される。次に、炭化珪素ドリフト層6の表面側から、n型(第1導電型)の不純物をイオン注入し、ベース領域7内の表層部に、n型(第1導電型)のソース領域8が形成される。次に、イオン注入されたアルミニウムや窒素などを電気的に活性化するために、炭化珪素ドリフト層6、ベース領域7およびソース領域8が形成された炭化珪素基板2を、不活性ガス雰囲気中で高温アニール処理する。   First, an n-type (first conductivity type) low-resistance silicon carbide substrate 2 is prepared, and an n-type (first conductivity type) silicon carbide drift layer 6 is epitaxially grown on one surface 3. Next, p-type (second conductivity type) impurities are ion-implanted from the surface side of silicon carbide drift layer 6 to form p-type (second conductivity type) base region 7. Next, an n-type (first conductivity type) impurity is ion-implanted from the surface side of the silicon carbide drift layer 6, and an n-type (first conductivity type) source region 8 is formed in the surface layer portion in the base region 7. It is formed. Next, in order to electrically activate the ion-implanted aluminum or nitrogen, the silicon carbide substrate 2 on which the silicon carbide drift layer 6, the base region 7 and the source region 8 are formed is placed in an inert gas atmosphere. Perform high-temperature annealing.

次に、炭化珪素ドリフト層6に、炭化珪素ドリフト層6の表面からソース領域8およびベース領域7を貫通し、ソース領域8およびベース領域7が形成されていない炭化珪素ドリフト層6にまで達するトレンチ18を形成する。そして、熱酸化により、ソース領域8の表面およびトレンチ18の表面にゲート絶縁膜11を形成する。   Next, a trench that penetrates silicon carbide drift layer 6 from the surface of silicon carbide drift layer 6 to source region 8 and base region 7 and reaches silicon carbide drift layer 6 in which source region 8 and base region 7 are not formed. 18 is formed. Then, the gate insulating film 11 is formed on the surface of the source region 8 and the surface of the trench 18 by thermal oxidation.

次に、ゲート絶縁膜11が形成された後の炭化珪素基板2に対して、窒化処理工程および熱処理工程を行う。窒化処理工程および熱処理工程の条件は、この発明の実施の形態1と同様である。   Next, a nitriding treatment process and a heat treatment process are performed on silicon carbide substrate 2 after gate insulating film 11 is formed. The conditions of the nitriding process and the heat treatment process are the same as in the first embodiment of the present invention.

次に、トレンチ18の表面に形成されたゲート絶縁膜11上にゲート電極を形成する。次に、ソース領域8の表面の一部およびトレンチ18の表面に形成されたゲート絶縁膜11を残して、他の部位のゲート絶縁膜11を除去する。次に、前の工程でゲート絶縁膜11を一部除去することによって、ソース領域13が表面に露出した部位にソース電極13を形成する。最後に、炭化珪素基板2の他方の面16にドレイン電極17を形成して、図14に示すこの発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置1bが完成する。   Next, a gate electrode is formed on the gate insulating film 11 formed on the surface of the trench 18. Next, the gate insulating film 11 at other portions is removed while leaving the gate insulating film 11 formed on a part of the surface of the source region 8 and the surface of the trench 18. Next, by partially removing the gate insulating film 11 in the previous step, the source electrode 13 is formed in a portion where the source region 13 is exposed on the surface. Finally, drain electrode 17 is formed on the other surface 16 of silicon carbide substrate 2 to complete silicon carbide semiconductor device 1b in the second embodiment of the present invention shown in FIG.

以上のようなこの発明の実施の形態2における炭化珪素半導体装置1bであるトレンチ構造の炭化珪素MOSFETにおいても、ゲート絶縁膜11を形成した後に窒化処理工程および熱処理工程を行うことによって、この発明の実施の形態1と同様の効果が得られる。   Also in the trench structure silicon carbide MOSFET as the silicon carbide semiconductor device 1b in the second embodiment of the present invention as described above, the nitriding treatment process and the heat treatment process are performed after the gate insulating film 11 is formed. The same effect as in the first embodiment can be obtained.

尚、この発明の実施の形態2では、炭化珪素半導体装置1bの一例として、n型を第1導電型、p型を第2導電型としたトレンチ構造の炭化珪素MOSFETについて説明した。しかし、p型を第1導電型、n型を第2導電型としたトレンチ構造の炭化珪素MOSFETについても同様である。   In the second embodiment of the present invention, a silicon carbide MOSFET having a trench structure in which n-type is the first conductivity type and p-type is the second conductivity type has been described as an example of silicon carbide semiconductor device 1b. However, the same applies to a silicon carbide MOSFET having a trench structure in which the p-type is the first conductivity type and the n-type is the second conductivity type.

また、この発明の実施の形態2では、炭化珪素半導体装置1bの一例として、トレンチ構造の炭化珪素MOSFETについて説明した。しかし、これに限らず、炭化珪素IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)においてもゲート絶縁膜11を形成した後に窒化処理工程および熱処理工程を行うことによって同様の効果が得られる。   In the second embodiment of the present invention, a silicon carbide MOSFET having a trench structure has been described as an example of silicon carbide semiconductor device 1b. However, the present invention is not limited to this, and a similar effect can be obtained by performing a nitriding treatment process and a heat treatment process after forming the gate insulating film 11 in a silicon carbide IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

尚、この発明の実施の形態2では、この発明の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略した。   In the second embodiment of the present invention, portions different from the first embodiment of the present invention are described, and descriptions of the same or corresponding portions are omitted.

以上、この発明の実施の形態1および2について説明した。これらの、この発明の実施の形態1および2で説明した構成は互いに組合せることができる。   The first and second embodiments of the present invention have been described above. These configurations described in the first and second embodiments of the present invention can be combined with each other.

1a、1b 炭化珪素半導体装置
2 炭化珪素基板
6 炭化珪素ドリフト層
7 ベース領域
8 ソース領域
11 ゲート絶縁膜
1a, 1b Silicon carbide semiconductor device 2 Silicon carbide substrate 6 Silicon carbide drift layer 7 Base region 8 Source region 11 Gate insulating film

Claims (10)

炭化珪素層上に二酸化珪素を主成分とするゲート絶縁膜が形成された基板を窒化処理する窒化処理工程と、
前記窒化処理工程後、前記基板を、一酸化二窒素を含む雰囲気中で600℃以上1000℃以下の温度で熱処理する熱処理工程と、
を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法。
A nitriding treatment step of nitriding a substrate on which a gate insulating film mainly composed of silicon dioxide is formed on a silicon carbide layer;
A heat treatment step of heat-treating the substrate at a temperature of 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower in an atmosphere containing dinitrogen monoxide after the nitriding step;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising:
熱処理工程は、第1の所定温度で一定時間保持して行うことを特徴とする請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the heat treatment step is performed by holding at a first predetermined temperature for a predetermined time. 窒化処理工程は、一酸化窒素、一酸化二窒素またはアンモニアを含む雰囲気中で行うことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに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 nitriding step is performed in an atmosphere containing nitrogen monoxide, dinitrogen monoxide, or ammonia. 窒化処理工程は、1100℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項3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 3, wherein the nitriding step is performed at a temperature of 1100 ° C. or higher. 窒化処理工程後、熱処理工程を行う温度まで一酸化窒素、一酸化二窒素またはアンモニアを含む雰囲気中で温度を下げる第1降温工程を備えたことを特徴とする請求項4記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   5. The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, further comprising a first temperature lowering step of lowering the temperature in an atmosphere containing nitrogen monoxide, dinitrogen monoxide, or ammonia to a temperature at which the heat treatment step is performed after the nitriding step. Manufacturing method. 熱処理工程後、第2の所定温度まで一酸化二窒素を含む雰囲気中で温度を下げる第2降温工程を備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The carbonization according to any one of claims 1 to 5, further comprising a second temperature lowering step of lowering the temperature in an atmosphere containing dinitrogen monoxide to a second predetermined temperature after the heat treatment step. A method for manufacturing a silicon semiconductor device. 熱処理工程は、一酸化二窒素雰囲気中で行うことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に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 any one of claims 1 to 6, wherein the heat treatment step is performed in a dinitrogen monoxide atmosphere. ゲート絶縁膜は二酸化珪素で形成されたことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   8. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is made of silicon dioxide. 熱処理工程は、700℃以上900℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に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 heat treatment step is performed at a temperature of 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. 熱処理工程は、600℃以上で700℃より低い温度または900℃より高く1000℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   9. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the heat treatment step is performed at a temperature of 600 ° C. or higher and lower than 700 ° C. or higher than 900 ° C. and 1000 ° C. or lower. Production method.
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