JP2012039127A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この発明に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素層を有し炭化珪素層上にゲート絶縁膜を形成した基板を炉の中に導入する基板導入工程と、基板を導入した炉を加熱して一酸化窒素と窒素とを導入する加熱工程とを備え、加熱工程は、窒素を反応させてゲート絶縁膜と炭化珪素層との界面を窒化する。
【選択図】 図7
Description
炭化珪素を炭化珪素半導体装置の一種である炭化珪素縦型金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)に適用する場合、炭化珪素の上に二酸化珪素層などのゲート絶縁膜を形成する。
炭化珪素と二酸化珪素膜の界面にできるこのような界面準位を不活性化するために、炭化珪素上に二酸化珪素膜を形成した後に、一酸化窒素(NO)ガスや一酸化二窒素(N2O)ガス中の高温処理する方法がいくつか知られている。
また、減圧の一酸化窒素ガス中で熱処理することにより界面準位密度が減少することが知られていた(例えば特許文献2)。
さらに、一酸化窒素ガスと不活性ガスを混合して一酸化窒素ガスの分圧を制御すること、不活性ガスはHe、Ar、N2であってもよいこと、チャンバーの容積、流量を調整することにより、界面準位密度が減少することが従来から知られていた(例えば特許文献3)。
特許文献3には一酸化窒素ガスを窒素ガスで希釈する方法が示されていたが、窒素ガスは不活性ガスとして使用されており、また、窒化温度も十分に高くないため、窒素ガスを反応に寄与させて窒素ガスからの窒素をも窒化に利用することの記載はなかった。
本発明の実施の形態1の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の素子構造の断面模式図を図1に示す。炭化珪素半導体装置の一例として、nチャネル炭化珪素MOSFETの断面構造を示す。本実施の形態においては、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明する。
まず、図6の炉について説明する。
図6は、本発明の実施の形態1における炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程である窒化処理を行う反応炉の断面模式図である。図6において、断面が円形で内径φが140mmの炉200の内部に、直径が100mmの基板300を載せるボート201が設けられている。炉200の周囲には、炉を取り囲むようにヒーター202が設けられている。炉200のガス導入口203からガスの流れる方向に長さLだけ離れた位置より上流側に基板300が設置される。基板300の上流側および下流側には数枚のダミー基板204が設置される。
まず、図5で示した段階まで処理した基板300を炉200内に導入し、図7に示すように、炉200内を1.3Pa以下になるまで真空排気し、炉200内の酸化性ガスを除去する。つづいて、炉200が大気圧になるまでArなどの不活性ガスを炉200に導入する。次に、炉200に不活性ガスを流しながら、炉200を加熱する。炉200が窒化処理する温度に到達し、炉200内が一定の温度になった状態で、炉200に導入するガスを不活性ガスから窒素ガスと一酸化窒素ガスとの混合ガスに切り替える。所定の時間が経過し窒化処理が終了した時点で、窒素ガスと一酸化窒素ガスの混合ガスを窒素ガスに切り替え一定時間おく。次に、窒素ガスをArなどの不活性ガスに切り替えた後、炉200のヒーター202の出力を低下させ、降温させる。基板300の温度がほぼ常温になった段階で、基板300を炉200から取り出す。窒化処理終了直後に混合ガスを窒素ガスに切り替えるのは、残留一酸化窒素の分解抑制のためである。
その後、図9に示すように、ゲート絶縁膜50に開口する。最後に、ソース領域40に電気的に接続されるソース電極70を形成し、また、炭化珪素基板10の裏面側にドレイン電極80を形成して、図1に示すnチャネルMOSFETが完成する。ここで、ソース電極70およびドレイン電極80となる材料としてはAl合金などが挙げられる。
窒素ガスと一酸化窒素ガスとの混合ガスを加熱すると、R.J.Wu and C.T.Yeh, Int.J.Chem.Kinet.28,89(1996).にあるように、表1に示す反応が起こる。
初期条件として、導入する窒素ガスと一酸化窒素ガスの量を、mol/cm3の単位で式(12)〜(20)の[N2]tnと[NO]tnに入力する。窒素ガスと一酸化窒素ガス以外の元素および分子 [N2O]tn,[O]tnなどは0mol/cm3とし、微小時間Δt秒経過後の各元素、分子[N2]tn+1,[NO]tn+1,[N2O]tn+1,[O]tn+1,[N]tn+1,[O2]tn+1の濃度を求める。
なお、計算中の数値発散を防ぐため、時間ステップΔtは1ナノ秒が適当である。この計算を繰り返し行い、一定時間経過後の各要素の濃度を導出する。
本実施の形態における窒化処理の場合、窒化処理温度を1250℃、窒素ガスと一酸化窒素ガスとの混合比を1:1、窒素ガスと一酸化窒素ガスとの混合ガスの流速を8mm/秒程度、基板300とガス導入口203との距離Lを200mm以下とした。したがって、表1の反応式から、反応によって発生する酸素ガス濃度と一酸化窒素ガス濃度との比を0.05以下にでき、界面の酸化を抑制しながらより効率よく窒化できる。
図11に示されるように、基板300位置における一酸化窒素分圧に対する酸素分圧の比が低いほど、炭化珪素MOSFETのチャネル移動度が高くなり、好ましくは一酸化窒素分圧に対する酸素分圧の比を0.05以下にすればよい。
図12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である炭化珪素MOSFETの断面模式図である。図12において、炭化珪素基板10の第一の主面上にn型のドリフト層20、p型のウェル領域30、n型のソース領域40が、順に積層して形成されている。n型のドリフト層20、p型のウェル領域30、n型のソース領域40には、ウェル領域30、ソース領域40を貫通してドリフト層20に達するトレンチが設けられており、ドリフト層20、ウェル領域30、ソース領域40はいずれも炭化珪素で構成されている。
Claims (3)
- 炭化珪素層を有し前記炭化珪素層の上に接してゲート絶縁膜を備えた基板を炉の中に導入する基板導入工程と、前記基板を導入した前記炉を加熱して一酸化窒素と窒素とを導入する加熱工程とを備え、
前記加熱工程は、前記基板を1200℃以上1300℃以下に加熱し、前記窒素を反応させ、前記一酸化窒素の流量を0.15〜0.75slm、前記窒素の流量を0.75〜1.35slmの範囲で調整し、前記基板を設置する位置を調整して前記混合ガスの前記炉内の滞在時間を50秒以内にすることによって、前記基板の近傍の位置において、前記一酸化窒素と前記窒素との反応によって発生する酸素の分圧を前記一酸化窒素の分圧に対して5/100以下に制御して、前記基板の前記ゲート絶縁膜と前記炭化珪素層との界面を窒化することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 加熱工程は、一酸化窒素と窒素とを流す窒化処理が終わった直後に、降温する前に流すガスを窒素に置換する工程を有することを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- ゲート絶縁膜は、二酸化珪素膜であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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