JP2012186490A - 半導体装置及び半導体基板の重水素処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンカーバイド領域を含む半導体基板上に形成された金属-絶縁膜-半導体構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MISあるいはMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での重水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した重水素を用いることにより、６００°Ｃ以下の低温においてゲート絶縁膜／シリコンカーバイド半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの重水素終端を図り、界面準位密度の低い良好なゲート酸化膜／半導体界面が形成された半導体装置、およびそれを形成する重水素処理装置およびその作製方法を提供する。
【解決手段】半導体基板とゲート絶縁膜、層間絶縁膜、配線層、保護絶縁膜等の半導体装置に形成される膜又は層の界面近傍での重水素元素濃度が1x1019cm-3以上であることを特徴とする金属−絶縁膜−半導体（MIS）構造を有する半導体装置。
【選択図】図４

Description

この発明は、半導体基板上に金属-絶縁膜（あるいは酸化膜）-半導体（MISあるいはMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MISあるいはMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での重水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した重水素を供給し、界面準位密度の低い良好な半導体装置に形成される多種の膜又は層の界面、特にゲート酸化膜／半導体界面が形成された半導体装置及びその作製方法並びにそれを形成する重水素処理装置に関する。

シリコンカーバイドはシリコンと比較して、(1)バンドギャップが広い、(2)絶縁破壊強度が大きい、(3)電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、シリコンカーバイドを半導体基板材料として用いることにより、シリコンの限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。また、シリコンカーバイドには、シリコンと同様に、熱酸化法によって絶縁体であるシリコン酸化膜を形成できるという特徴がある。
これらの理由から、シリコンカーバイドを半導体基板材料とした高耐圧で低いオン抵抗のMOSFETが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。しかしながら、現状の技術によって作製されるシリコンカーバイド半導体パワーデバイスのオン抵抗は、シリコン半導体の値と比較して小さくなったものの、理論限界値よりはかなり大きく十分にシリコンカーバイドの性能を発揮するには至っていない。

これはシリコン酸化膜／シリコンカーバイド半導体界面やシリコンカーバイド半導体表面に高密度の欠陥（ダングリングボンド）が存在しているため高い界面準位密度を生じ、その結果、反転層チャネルの電子移動度が極めて小さく（〜10 cm²/Vs）なってしまうことに起因している。
前記に記載したシリコン酸化膜／半導体界面や半導体表面に存在する欠陥（ダングリングボンド）は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程だけではなく、層間絶縁膜を形成する工程、配線層を形成する工程、及び配線層を保護する絶縁膜を形成する工程における半導体基板の受けるダメージによっても生じる。

そのため、シリコン酸化膜と半導体の界面近傍に存在するダングリングボンドに重水素を供給して、ダングリングボンドを重水素終端させ、界面準位密度を低減させることが重要であり、前記界面準位密度を低減させる重水素処理が一般的に行われている。前記のように、シリコン酸化膜／珪素半導体界面に存在するダングリングボンドは、ゲート絶縁膜を形成した後の様々なプロセス工程でも生じるので、前記水素処理はプロセスの最終工程で行われることが望ましい。そのため、アルミニウムを含むゲート電極膜の融点よりも低い温度である600°Ｃ以下に重水素処理を低温化することが必要である。

これまで、重水素処理を用いたシリコン酸化膜／半導体基板界面の作製方法に関しては、既にいくつかの開示がある。
例えば、９００°C、３０分での重水素（Ｄ_２）ガス雰囲気でのポストアニールがゲート酸化膜の基板界面との界面準位生成の抑制に対して有効であるという報告がなされているが（例えば、非特許文献１参照）、前記に示したように６００°C以上のアニール温度では、金属配線材料であるアルミニウムの融点よりも高いため、半導体装置作製プロセスの最終工程として導入することができないという問題がある。

また、酸化工程を含む半導体装置の製造方法に関し、酸化膜中に従来よりも多くの重水素結合を取り込むことができることを目的として、重水素を含んだ雰囲気中で半導体層を酸化して酸化膜を形成する方法が記載されている（特許文献１参照）。
この特許文献１では、ゲート絶縁膜を８００°Cに加熱し、その表面に重水の蒸気を供給する方法であるため、上記と同様に金属配線材料であるアルミニウムの融点よりも高く、半導体装置作製プロセスの最終工程として導入することができないという問題がある。

また、電気的な信頼性の高い薄いゲート絶縁膜を実現可能な構造と、その製造方法を提供することを目的として、半導体基板の種表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜とゲート電極との界面の重水と濃度分布が前期ゲート絶縁の膜厚方向の中間領域よりも高くなるように前期ゲート絶縁膜に重水素原子を添加する工程を備えることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法が記載されている（特許文献２参照）。
この特許文献２には、ゲート酸化膜形成後に、９００°C、ＮＤ_３雰囲気中で熱アニール処理する方法が記載されているが、上記と同様に９００°Cでの熱アニールでは、金属配線材料であるアルミニウムの融点よりも高いため、半導体装置作製プロセスの最終工程として導入することができないという問題がある。
N. S. Saks 外著 [IEEE Trans. Vol. NS-39, pp.2220-2229 (1992)] 特開平１０−２２３６２８号公報 特開平１１−２７４４８９号公報

本発明は、上記の問題に鑑み、シリコンカーバイド領域を含む半導体基板上に形成された金属-絶縁膜（あるいは酸化膜）-半導体（MISあるいはMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MISあるいはMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での重水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成する活性化した重水素を用いることにより、６００°Ｃ以下の低温において、半導体装置に形成される膜又は層の界面、特にゲート絶縁膜／シリコンカーバイド半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの重水素終端を図り、界面準位密度の低い良好なゲート酸化膜／半導体界面等が形成された半導体装置及びその作製方法並びにそれを形成するための重水素処理装置を得ることを課題とする。

上記課題を解決するため、下記の発明を提供する。
発明１）は、金属−絶縁膜−半導体（MIS）構造を有する半導体装置において、半導体基板とゲート絶縁膜、層間絶縁膜、配線層、保護絶縁膜等の前記半導体装置に形成される膜又は層の界面近傍での重水素元素濃度が1x10¹⁹cm^-3以上であることを特徴とする。
この場合、重水素元素濃度が1x10¹⁹cm^-3以上において効果が認められ、多いほど効果があるが、例えば、シリコンカーバイド（Ｓｉ面またはＣ面）半導体最表面のシリコン元素または炭素元素の単位面積当たりの原子数は約1.2x10¹⁵cm^-2であるため、これを単位体積当たりの原子数に換算した場合、単位体積当たりの原子数は約4.2x10²²cm^-3ということから、その上限は5x10²²cm^-3程度とするのが望ましい。この範囲であれば、上記の欠陥（ダングリングボンド）を効果的に抑制できる。しかし、重水素元素濃度の上限は特に制限されるべきものではない。

発明２）は、上記1）に記載の半導体装置において、半導体基板として、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又はダイヤモンドから選択した基板を用いることを特徴とする。

発明３）は、上記１）又は２）に記載の半導体装置において、シリコン又はシリコンカーバイトからなる半導体基板を、大気中、酸素雰囲気中又はＨ_２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成した酸化膜からなるゲート絶縁膜を備えていることを特徴とする。

発明４）は、上記１）〜３）のそれぞれに記載の半導体装置において、ゲート絶縁膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から選択した１の膜又は２以上の複合膜であることを特徴とする。

発明５）は、上記１）〜４）に記載の半導体装置において、MIS構造を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする。

発明６）は、半導体装置の作製方法に関し、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、重水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した重水素を生成させ、当該活性化した重水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする。

発明７）は、半導体装置の作製方法に関し、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程及びアルミニウムを含む材料によりゲート電極膜を形成する工程の後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、重水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した重水素を生成させ、当該活性化した重水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする。

発明８）は、上記６）又は７）の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜と半導体基板の界面近傍での重水素元素濃度が1x10¹⁹cm^-3以上であることを特徴とする。上限値については、特に制限を設ける必要はないが、シリコンカーバイド（Ｓｉ面またはＣ面）半導体最表面のシリコン元素または炭素元素の単位面積当たりの原子数は約1.2x10¹⁵cm^-2であるため、これを単位体積当たりの原子数に換算した場合、単位体積当たりの原子数は約4.2x10²²cm^-3ということから、5x10²²cm^-3程度とするのが望ましいと言える。

発明９）は、上記６）〜８）のいずれかに記載の半導体装置の作製法において、半導体基板は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又はダイヤモンドから選択した基板であることを特徴とする。

発明１０）は、上記６）〜９）のいずれかに記載の半導体装置の作製法において、シリコン又はシリコンカーバイトからなる半導体基板を、大気中、酸素雰囲気中又はＨ_２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする。

発明１１）は、上記６）〜９）のいずれかに記載の半導体装置の作製法において、化学気相法によりシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から選択した１の膜又は２以上の複合膜からなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする。

発明１２）は、上記６）〜１０）のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする。

発明１３）は、上記６）〜１２）のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウムから選択した１の金属又はこれらを主成分とする合金であることを特徴とする。これらの熱触媒体は、重水素を効果的に発生させることができる。

発明１４）は、上記６）〜１３）のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板の温度を６００°Ｃ以下に維持して行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。６００°Ｃを超えるとアルミニウムなどのゲート電極金属膜が溶けてしまい、配線の断線・短絡、またはゲート絶縁膜の劣化などが生じるため好ましくない。

発明１５）は、上記１４）に記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体を１０００°Ｃから１８００°Ｃの予め決められた温度に加熱し、熱触媒体表面での熱触媒作用により重水素を含むガスから活性化した重水素を生成させることを特徴とする。１０００°Ｃから１８００°Ｃの温度は重水素を含むガスから活性化した重水素を生成させるために効果的な温度である。
しかし、製造条件によっては、この範囲外でも良い。最適な条件は製造装置の構造又は成膜材料によっても変わり得るので、その設備の状況に応じて換えることができることは当然である。重水素を含むガスとしてはＤ_２ガス以外にも、ＮＤ_３やＳｉＤ_４等の重水素化合物ガスを挙げることができる。

発明１６）は、上記１５）に記載の半導体装置の作製方法において、重水素を含むガス圧力が１Ｐａ〜１００Ｐａであることを特徴とする。重水素を含むガス圧力を１Ｐａ〜１００Ｐａとするのは、重水素をゲート酸化膜／半導体等の界面に効果的に導入するためのガス圧力である。しかし、製造条件によっては、この範囲外でも良い。最適な条件は製造装置の構造又は成膜材料によっても変わり得るので、その設備の状況に応じて換えることができることは当然である。

発明１７は、上記１６）に記載の半導体装置の作製方法において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により重水素を含むガスから生成された活性化した重水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給することを特徴とする。
１分間〜３時間は、重水素をゲート酸化膜／半導体等の界面に効果的に導入するためのガス供給時間である。しかし、製造条件によっては、この範囲外でも良い。最適な条件は製造装置の構造又は成膜材料によっても変わり得るので、その設備の状況に応じて換えることができることは当然である。

発明１８）は、上記１７）に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０ｍｍ〜１２０ｍｍの予め決められた距離に配置されていることを特徴とする。
この距離は、重水素をゲート酸化膜／半導体等の界面に効果的に導入するための最適な距離である。しかし、製造条件によっては、この範囲外でも良い。最適な条件は製造装置の構造又は成膜材料によっても変わり得るので、その設備の状況に応じて換えることができることは当然である。

発明１９）は、上記６）〜１８）に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート酸化膜を形成する工程と、熱触媒体により活性化した重水素を半導体基板に供給して重水素処理する工程との間に、酸素雰囲気中で熱処理する工程あるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。
この工程は、ゲート絶縁膜の絶縁性の向上及び界面準位密度の低減に有効である。しかし、これは必ず必要であるという工程ではない。すなわち、より好ましい工程であり、推奨される態様であることを理解すべきである。

発明２０）は、上記１９）に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した重水素を半導体基板に供給して重水素処理する工程との間に、Ｈ_２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
この工程は、界面準位密度の低減に有効である。しかし、これは必ず必要であるという工程ではない。すなわち、より好ましい工程であり、推奨される態様であることを理解すべきである。

発明２１）は、上記１９）に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した重水素を半導体基板に供給して重水素処理する工程との間に、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、あるいはＮＯ_２を含んだ雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。この工程は、ゲート絶縁膜の絶縁性の向上及び界面準位密度の低減に有効である。しかし、これは必ず必要であるという工程ではない。すなわち、より好ましい工程であり、推奨される態様であることを理解すべきである。

発明２２）は、上記６）〜２０）に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程を含むことを特徴とする。表面の清浄化は、重水素をゲート酸化膜／半導体等の界面に導入するために有効である。

発明２３）は、上記２２）に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に酸化処理を含むことを特徴とする。これは、半導体基板の表面層に存在する不純物の除去及び半導体基板表面の平坦化というために実施するものである。これは必ず必要であるという工程ではない。すなわち、より好ましい工程であり、推奨される態様であることを理解すべきである。

発明２４）は、上記２２）又は２３）に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に紫外光の照射を伴うオゾン暴露処理を含むことを特徴とする。これは、半導体基板の表面層に存在する不純物の除去というために実施するものである。これは必ず必要であるという工程ではない。すなわち、より好ましい工程であり、推奨される態様であることを理解すべきである。

発明２５）は、上記６）〜２４）に記載の半導体装置の作製方法に含まれる工程に加えて、さらに、層間絶縁膜を形成する工程と、配線層を形成する工程と、配線層を保護する絶縁膜を形成する工程を含み、活性化した重水素をこれらの膜又は層の界面に適用することを特徴とする。

発明２６）は、重水素処理装置に関し、ゲート絶縁膜を有する半導体基板を所定位置に配置することができるチャンバーと、所定の位置に配置された半導体基板を予め決められた温度に調整することができる加熱手段と、所定位置に配置された半導体基板の表面近傍に設けられた熱触媒体と、熱触媒体を所定温度に加熱する加熱手段と、チャンバー内を減圧状態にできる真空排気系と、重水素を含むガスをチャンバー内に導入するガス導入系と、チャンバー内の重水素を含むガスの圧力調整機構を備え、重水素を含むガスを熱触媒体の表面付近を通過させ、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した重水素を半導体基板の表面に供給することを特徴とする。

発明２７）は、上記２６）に記載の重水素処理装置において、半導体基板は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又はダイヤモンドから選択した基板であるであることを特徴とする。

発明２８）は、上記２６）又は２７）に記載の重水素処理装置において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウムから選択した１の金属又はこれらを主成分とする合金であることを特徴とする。

発明２９）は、上記２６）〜２８）のいずれかに記載の重水素処理装置において、半導体基板の温度を６００°Ｃ以下に維持する装置を備えていることを特徴とする。

発明３０）は、上記２６）〜２９）のいずれかに記載の重水素処理装置において、熱触媒体を１０００°Ｃから１８００°Ｃの予め決められた温度に加熱する装置を備え、重水素を含むガスを熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した重水素を生成することを特徴とする。

発明３１）は、上記２６）〜３０）のいずれかに記載の重水素処理装置において、重水素を含むガス圧力を１Ｐａ〜１００Ｐａに調製する圧力調整機構を備えていることを特徴とする。

発明３２）は、上記２６）〜３１）のいずれかに記載の重水素処理装置において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により重水素を含むガスから生成された活性化した重水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給する装置を備えていることを特徴とする。

発明３３）は、上記２６）〜３２）のいずれかに記載の重水素処理装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０ｍｍ〜１２０ｍｍの予め決められた距離に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、特にシリコンカーバイド領域を含む半導体基板上に形成された金属-絶縁膜（あるいは酸化膜）-半導体（MISあるいはMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MISあるいはMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での重水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した重水素を用いることにより、６００°Ｃ以下の低温においてゲート絶縁膜／シリコンカーバイド半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの重水素終端を図り、界面準位密度の低い良好なゲート酸化膜／半導体界面等を形成することができる。

すなわち、加熱触媒体表面での熱触媒作用によって生成された活性化した重水素を用いて重水素処理が行われるので、界面準位密度の低減された良好な界面状態が低温で形成できるという優れた効果を有する。また、前記活性化した重水素による重水素処理は基板加熱温度が６００°Ｃ以下の低温でも効果があるので、アルミニウムを含むゲート電極膜を形成する工程の後で、さらにはシリコンカーバイド半導体装置作製プロセスの最終工程として、前記重水素処理を導入することが可能であるという著しい効果を有する。

本願発明の重水素処理装置の一例を示す概略説明図である。 容量−電圧特性の評価に使用したＭＯＳ構造の断面模式図である。 酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、重水素処理を行った試料及び重水素処理を行っていない試料のＣＶ曲線を示す図である。図中、実線は高周波ＣＶ曲線、破線は準静的ＣＶ曲線を示す。 図３のＣＶ曲線から導出した界面準位密度のエネルギーギャップ内の分布を示す図である。

以下、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
図１は本発明に係るシリコンカーバイド領域を含む半導体基板上に金属-絶縁膜（あるいは酸化膜）-半導体（MISあるいはMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MISあるいはMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用によって重水素を含んだガスから生成された活性化した重水素を供給して、界面準位密度の低い良好なゲート絶縁膜／シリコンカーバイド半導体界面を形成する重水素処理装置の一実施形態を示す図である。

符号１はチャンバー、符号２はチャンバー１内を減圧状態にできる真空排気系、符号３は重水素を含むガスをチャンバー１内に導入するガス導入系、符号４は所定の位置に配置された半導体基板７を加熱する加熱手段、符号５は熱触媒体１６を所定温度に加熱する加熱手段、符号６はチャンバー１内に半導体基板７を真空搬送するためのロードロック室である。
チャンバー１は真空排気系２を備えた気密性の高い真空容器である。真空排気系２は、ターボ分子ポンプやドライポンプ等の複数の真空ポンプを備えた多段式のものであり、チャンバー１内を１０^−４Ｐａ以下の圧力まで真空排気する。
また、半導体基板７をチャンバー１内に真空搬送するためのロードロック室６も真空排気系２により１０^−１Ｐａ以下の圧力に真空排気される。
半導体基板７は基板ホルダー８の上面に配置され、ロードロック室６を介してチャンバー１内に真空搬送され、石英基板ホルダー台１０の上面に配置される。

半導体基板７は、チャンバー１下部に設置された加熱手段４を用いて行われ、赤外線加熱方式を採用している。熱源となる赤外線ランプ１４から放射された赤外線は赤外線集光部１２内部のゴールド反射ミラーに当たり反射し、チャンバー１下部に取り付けられた透明石英窓１３を通して、チャンバー１内部に配置された基板ホルダー８に照射される。
基板ホルダー８は赤外線を吸収し、減圧重水素雰囲気下で８００°Ｃまで加熱されることが可能である。基板ホルダー８はシリコン半導体ウエハ、シリコンカーバイド焼結体またはグラファイトなどで形成される。

重水素処理用ガス導入系７は、重水素を含むガスをチャンバー１内に導く配管１７と、配管１７に設けたバルブ１８及び流量調整器１９等で形成されている。
また、図１に示すように、基板ホルダー８が上面に配置される石英製基板ホルダー台１０の外側面の位置には、リング状のガス導入リング１１が配置されている。ガス導入リング１１は、内部が中空であり、上面に多数のガス噴出し孔を有する。

重水素を含んだガスを導入する配管１７の先端はガス導入リング１１に接続され、ガス噴出し孔から重水素を含んだガスを噴出させてチャンバー１内部に導入するようになっている。また、チャンバー１内の圧力は、不図示のミニチュアゲージ及びバラトロンゲージによりモニターされており、コンダクタンスバルブ１５により自動調整される。
重水素処理用ガス導入系３によって導入された重水素を含んだガスから、高温に加熱された熱触媒体１６の表面での熱触媒作用により、活性化した重水素が生成される。

前記熱触媒体１６は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム又はこれらを主成分とする合金から成る。この熱触媒体１６は、９０ｍｍの範囲で上下に移動することが可能となっている。また、この熱触媒体１６には、加熱手段２０が設けられている。
本図で説明する加熱手段２０は、一例として熱触媒体１６を通電して加熱する通電加熱用電源により構成されている。このような加熱手段２０により、熱触媒体１６は１０００°Ｃ〜１８００°Ｃの温度に加熱されるようになっている。加熱手段２０は、重水素を含んだガスを分解し、活性化した重水素を放出することができれば、他の構造であっても良い。特に、その構造に制限はない。

石英円筒９は、チャンバー１内壁を覆うように配置され、高温に加熱された熱触媒体１６の表面での熱触媒作用により生成された活性化した重水素が、チャンバー１内壁に衝突して失活することを防ぐためのものである。

次に、半導体装置及びその作製方法に関する発明の実施例を説明する。
図２に示すような断面構造を有するSiC MOSキャパシタを作製するため、まず8°オフ４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル基板（（０００１）Ｓｉ面、ｎ型、Ｎ_ｄ-Ｎ_ａ＝１ｘ１０^１５ｃｍ^−３）をＲＣＡ洗浄した後、５０ｎｍ厚のゲート酸化膜をシリコンカーバイド基板上に形成し、連続して試料を流量1リットル/分の窒素ガス中で、１２００°Ｃで３０分間熱処理した。

次いで、試料を重水素処理装置に導入し、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した重水素雰囲気中での処理を、基板加熱温度を５００°Ｃ、処理時間を３０分、処理中のチャンバー内圧力を２０Ｐａ、熱触媒体の加熱温度を１８００°Ｃの条件の下で行った。
最終的にアルミニウム膜を抵抗線加熱真空蒸着法によりゲート電極とオーミックコンタクト電極として形成した。また、比較として、重水素処理を行わない試料を作製した。

図３に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、重水素（D-rad）処理を行った試料から測定された高周波ＣＶ特性（測定周波数f=１００ｋＨｚ）と準静的CV特性（ステップ電圧Ｖ_ｓ＝５０ｍＶ、遅延時間ｔ_ｄ＝１０ｓｅｃ）を示す。
実線が高周波ＣＶ特性で、破線が準静的ＣＶ特性である。この２つのCV特性の容量差が小さいほど、界面準位密度（Ｄ_ｉｔ）が小さいことを示す。また、比較として、重水素照射を行っていない熱酸化のみの試料(DRY)からの高周波及び準静的CV特性も同図に示す。
図４に、図３のデータから、下記[数１]を用いて算出された界面準位密度（Ｄ_ｉｔ）のシリコンカーバイドのエネルギーバンド内の分布を示す。ここで、Ｃｈは高周波容量、Ｃｑは準静的容量、Ｃ_ｏｘはゲート酸化膜容量、ｑは電子の電荷素量である。

図４に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、重水素処理を行った試料（D-rad）および重水素処理を行っていない試料（DRY）の界面準位密度分布を示す。この結果から、重水素処理によりSiC MOS界面の界面準位密度が減少していることがわかる。

前述した界面準位密度の低下は重水素処理による効果であり、ゲート絶縁膜／シリコンカーバイド半導体界面近傍に存在するダングリングボンドを重水素終端した結果である。そのため、界面近傍に存在する重水素元素濃度が重要となる。表１に、二次イオン質量分析法（SIMS）により測定されたゲート酸化膜／シリコンカーバイド半導体界面に存在する重水素元素濃度を示す。

重水素処理を施していない試料（DRY）では、界面の重水素元素濃度が1ｘ10¹⁷cm^-3であるのに対し、重水素処理を施した試料（Ｄ-rad）では2.8ｘ10¹⁹cm^-3と、280倍の重水素含有濃度を示す。重水素元素濃度が2.8ｘ10¹⁹cm^-3で界面準位密度が低下しており、この結果からも界面近傍における重水素元素濃度は少なくと1ｘ10¹⁹cm^-3以上であることが必要であることが分る。

以上、本発明は、加熱触媒体表面での熱触媒作用によって生成された活性化した重水素を用いて重水素処理が行われるので、界面準位密度の低減された良好な界面状態が低温で形成でき、また前記活性化した重水素による重水素処理は基板加熱温度が６００°Ｃ以下の低温でも効果があるので、アルミニウムを含むゲート電極膜を形成する工程の後で、さらにはシリコンカーバイド半導体装置作製プロセスの最終工程として、前記重水素処理を導入することが可能であり、金属-絶縁膜（あるいは酸化膜）-半導体（MISあるいはMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MISあるいはMOSFET)）等に極めて有用である。

１ チャンバー
２ 真空排気系
３ 重水素処理用ガス導入系
４ 基板加熱手段
５ 熱触媒体加熱手段
６ ロードロック室
７ 半導体基板
８ 基板ホルダー
９ 石英円筒
１０ 石英製基板ホルダー台
１１ ガス導入リング
１２ 赤外線集光部
１３ 透明石英窓
１４ 赤外線ランプ
１５ コンダクタンスバルブ
１６ 熱触媒体
１７ 配管
１８ バルブ
１９ 流量調整器
２０ 熱触媒体加熱手段

Claims (33)

1. 半導体基板とゲート絶縁膜、層間絶縁膜、配線層、保護絶縁膜等の半導体装置に形成される膜又は層の界面近傍での重水素元素濃度が1x10¹⁹cm^-3以上であることを特徴とする金属−絶縁膜−半導体（MIS）構造を有する半導体装置。
2. 請求項１において、半導体基板は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又はダイヤモンドから選択した基板であることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は２に記載の半導体装置において、シリコン又はシリコンカーバイトからなる半導体基板を、大気中、酸素雰囲気中又はＨ_２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成した酸化膜からなるゲート絶縁膜を備えていることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１〜３のそれぞれに記載の半導体装置において、ゲート絶縁膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から選択した１の膜又は２以上の複合膜であることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１〜４に記載の半導体装置において、MIS構造を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする半導体装置。
6. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、重水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した重水素を生成させ、当該活性化した重水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
7. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程及びアルミニウムを含む材料によりゲート電極膜を形成する工程の後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、重水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した重水素を生成させ、当該活性化した重水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
8. 請求項６又は７に記載の半導体装置の作製法において、ゲート絶縁膜と半導体基板の界面近傍での重水素元素濃度が1x10¹⁹cm^-3以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
9. 請求項６〜８のいずれかに記載の半導体装置の作製法において、半導体基板は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又はダイヤモンドから選択した基板であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載の半導体装置の作製法において、シリコン又はシリコンカーバイトからなる半導体基板を、大気中、酸素雰囲気中又はＨ_２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
11. 請求項６〜９のいずれかに記載の半導体装置の作製法において、化学気相法によりシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜から選択した１の膜又は２以上の複合膜からなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
12. 請求項６〜１０に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
13. 請求項６〜１２に記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウムから選択した１の金属又はこれらを主成分とする合金であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
14. 請求項６〜１３に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板の温度を６００°Ｃ以下に維持して行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
15. 請求項１４に記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体を１０００°Ｃから１８００°Ｃの予め決められた温度に加熱し、熱触媒体表面での熱触媒作用により重水素を含むガスから活性化した重水素を生成させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
16. 請求項１５に記載の半導体装置の作製方法において、重水素を含むガス圧力が１Ｐａ〜１００Ｐａであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
17. 請求項１６に記載の半導体装置の作製方法において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により重水素を含むガスから生成された活性化した重水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
18. 請求項１７に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０ｍｍ〜１２０ｍｍの予め決められた距離に配置されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
19. 請求項６〜１８に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート酸化膜を形成する工程と、熱触媒体により活性化した重水素を半導体基板に供給して重水素処理する工程との間に、酸素雰囲気中で熱処理する工程あるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
20. 請求項１９に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した重水素を半導体基板に供給して重水素処理する工程との間に、Ｈ_２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
21. 請求項１９に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中あるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した重水素を半導体基板に供給して重水素処理する工程との間に、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、あるいはＮＯ_２を含んだ雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
22. 請求項６〜２０に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
23. 請求項２２に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に酸化処理を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
24. 請求項２２又は２３に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に紫外光の照射を伴うオゾン暴露処理を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
25. 請求項６〜２４に記載の半導体装置の作製方法に含まれる工程に加えて、さらに、層間絶縁膜を形成する工程と、配線層を形成する工程と、配線層を保護する絶縁膜を形成する工程を含み、活性化した重水素をこれらの膜又は層の界面に適用することを特徴とする半導体装置の作製方法。
26. ゲート絶縁膜を有する半導体基板を所定位置に配置することができるチャンバーと、所定の位置に配置された半導体基板を予め決められた温度に調整することができる加熱手段と、所定位置に配置された半導体基板の表面近傍に設けられた熱触媒体と、熱触媒体を所定温度に加熱する加熱手段と、チャンバー内を減圧状態にできる真空排気系と、重水素を含むガスをチャンバー内に導入するガス導入系と、チャンバー内の重水素を含むガスの圧力調整機構を備え、重水素を含むガスを熱触媒体の表面付近を通過させ、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した重水素を半導体基板の表面に供給することを特徴とする重水素処理装置。
27. 請求項２６に記載の重水素処理装置において、半導体基板は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又はダイヤモンドから選択した基板であるであることを特徴とする重水素処理装置。
28. 請求項２６又は２７に記載の重水素処理装置において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウムから選択した１の金属又はこれらを主成分とする合金であることを特徴とする重水素処理装置。
29. 請求項２６〜２８のいずれかに記載の重水素処理装置において、半導体基板の温度を６００°Ｃ以下に維持する装置を備えていることを特徴とする重水素処理装置。
30. 請求項２６〜２９のいずれかに記載の重水素処理装置において、熱触媒体を１０００°Ｃから１８００°Ｃの予め決められた温度に加熱する装置を備え、重水素を含むガスを熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した重水素を生成することを特徴とする重水素処理装置。
31. 請求項２６〜３０のいずれかに記載の重水素処理装置において、重水素を含むガス圧力を１Ｐａ〜１００Ｐａに調製する圧力調整機構を備えていることを特徴とする重水素処理装置。
32. 請求項２６〜３１のいずれかに記載の重水素処理装置において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により重水素を含むガスから生成された活性化した重水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給する装置を備えていることを特徴とする重水素処理装置。
33. 請求項２６〜３２のいずれかに記載の重水素処理装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０ｍｍ〜１２０ｍｍの予め決められた距離に配置されていることを特徴とする重水素処理装置。