JP2013149842A - Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents

Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2013149842A
JP2013149842A JP2012010129A JP2012010129A JP2013149842A JP 2013149842 A JP2013149842 A JP 2013149842A JP 2012010129 A JP2012010129 A JP 2012010129A JP 2012010129 A JP2012010129 A JP 2012010129A JP 2013149842 A JP2013149842 A JP 2013149842A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon carbide
temperature
substrate
semiconductor device
reaction furnace
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012010129A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5687220B2 (en
Inventor
Akiyuki Furuhashi
壮之 古橋
Hisakazu Tanioka
寿一 谷岡
Masayuki Imaizumi
昌之 今泉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2012010129A priority Critical patent/JP5687220B2/en
Publication of JP2013149842A publication Critical patent/JP2013149842A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5687220B2 publication Critical patent/JP5687220B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device that can improve channel mobility by suppressing a decrease in threshold voltage.SOLUTION: A silicon dioxide film is formed as a gate oxide film 15 on a silicon carbide base 10, and the silicon carbide base 10 having the silicon dioxide film formed is thermally treated in an atmosphere including nitrogen oxide gas to be nitrided in a reactor. Consequently, a silicon carbide semiconductor device 1 can be improved in channel mobility. After the nitriding, the temperature in the reactor is lowered in the atmosphere including the nitrogen oxide gas. Consequently, formation of an oxygen vacancy after the nitriding can be suppressed, so that the silicon carbide semiconductor device 1 can be suppressed from decreasing in threshold voltage to have higher channel mobility.

Description

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

炭化珪素(SiC)は、優れた物性値を有し、高耐圧で、低損失なパワーデバイスの実現を可能にする。炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置、たとえば金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;略称:MOSFET)では、炭化珪素基板上に二酸化珪素膜が設けられる。   Silicon carbide (SiC) has an excellent physical property value, and enables realization of a power device having a high breakdown voltage and a low loss. In a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide, such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (abbreviation: MOSFET), a silicon dioxide film is provided on a silicon carbide substrate.

炭化珪素と二酸化珪素との界面には、多くの界面準位が存在する。たとえば、炭化珪素基板上に二酸化珪素膜を形成した後には、炭化珪素と二酸化珪素との界面に、欠陥に起因する界面準位(以下「欠陥準位」という場合がある)が発生することがある。欠陥準位は、伝導帯に近い界面準位となっている。この欠陥準位によって、MOSFETのチャネル移動度は、SiCバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなる。これによって、オン抵抗値が理想的な値よりも高くなる。   Many interface states exist at the interface between silicon carbide and silicon dioxide. For example, after a silicon dioxide film is formed on a silicon carbide substrate, an interface level (hereinafter sometimes referred to as “defect level”) due to defects may occur at the interface between silicon carbide and silicon dioxide. is there. The defect level is an interface level close to the conduction band. Due to this defect level, the channel mobility of the MOSFET becomes extremely small compared to the electron mobility in the SiC bulk. As a result, the on-resistance value becomes higher than an ideal value.

炭化珪素基板上に二酸化珪素膜を形成した後に、炭化珪素と二酸化珪素との界面に欠陥準位が発生する原因としては、界面での炭素原子の析出が考えられている。炭化珪素と二酸化珪素との界面での欠陥準位の密度を低減するためには、一酸化窒素(NO)ガスもしくは一酸化二窒素(N2O)ガスなどの窒素酸化物ガスの雰囲気、またはアンモニア(NH3)ガスの雰囲気での熱処理による窒化処理が有効である。特に、一酸化窒素ガスによる窒化処理が効果的である。窒化処理によって、炭化珪素と二酸化珪素との界面に発生した欠陥準位は、電気的に不活性となる。 As a cause of the generation of defect levels at the interface between silicon carbide and silicon dioxide after the formation of a silicon dioxide film on a silicon carbide substrate, precipitation of carbon atoms at the interface is considered. In order to reduce the density of defect states at the interface between silicon carbide and silicon dioxide, an atmosphere of nitrogen oxide gas such as nitrogen monoxide (NO) gas or dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, or Nitriding by heat treatment in an ammonia (NH 3 ) gas atmosphere is effective. In particular, nitriding with nitrogen monoxide gas is effective. The defect level generated at the interface between silicon carbide and silicon dioxide by nitriding becomes electrically inactive.

窒化処理を効果的に行うために、窒化処理が行われる温度(以下「窒化処理温度」という場合がある)は、比較的高温であることが多い(たとえば、特許文献1,2参照)。たとえば、特許文献1に開示される技術では、1100℃〜1250℃であり、特許文献2に開示される技術では、1000℃〜1300℃である。また窒化処理を効果的に行うために、窒素酸化物ガスは、アルゴンガスまたは窒素ガスなどの不活性ガスで希釈されて用いられることがある(たとえば、特許文献2〜4参照)。   In order to effectively perform the nitriding treatment, the temperature at which the nitriding treatment is performed (hereinafter sometimes referred to as “nitriding treatment temperature”) is often relatively high (see, for example, Patent Documents 1 and 2). For example, in the technique disclosed in Patent Document 1, the temperature is 1100 ° C. to 1250 ° C., and in the technique disclosed in Patent Document 2, the temperature is 1000 ° C. to 1300 ° C. Further, in order to effectively perform the nitriding treatment, the nitrogen oxide gas is sometimes diluted with an inert gas such as argon gas or nitrogen gas (for example, see Patent Documents 2 to 4).

窒化処理が終了した後、炭化珪素基板は、反応炉の外に取出される。炭化珪素基板の取出しは、窒化処理温度よりも低く、かつ大気との反応が起こりにくい温度、たとえば500℃〜800℃で行われる。炭化珪素基板を取出すときには、反応炉内を不活性ガスの雰囲気(以下「不活性ガス雰囲気」という場合がある)とした後に、反応炉内の温度を窒化処理温度から基板の取出し温度まで降温する。   After the nitriding process is completed, the silicon carbide substrate is taken out of the reaction furnace. The silicon carbide substrate is taken out at a temperature lower than the nitriding temperature and hardly reacting with the atmosphere, for example, 500 ° C. to 800 ° C. When the silicon carbide substrate is taken out, the temperature in the reaction furnace is lowered from the nitriding temperature to the substrate take-out temperature after the inside of the reaction furnace is made an inert gas atmosphere (hereinafter sometimes referred to as “inert gas atmosphere”). .

このとき、窒化処理が終了した直後に、反応炉内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換すると、炭化珪素基板が高温の不活性ガス雰囲気に曝される。高温の不活性ガス雰囲気では、炭化珪素基板上にある二酸化珪素膜から酸素原子が放出されやすいので、二酸化珪素膜中に多くの酸素空孔が生じる。   At this time, if the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an inert gas atmosphere immediately after the nitriding treatment is completed, the silicon carbide substrate is exposed to a high-temperature inert gas atmosphere. In a high-temperature inert gas atmosphere, oxygen atoms are easily released from the silicon dioxide film on the silicon carbide substrate, so that many oxygen vacancies are generated in the silicon dioxide film.

二酸化珪素膜中の酸素空孔は、正孔を捕獲し、正に帯電するので、二酸化珪素膜中に酸素空孔が生じると、正電荷が増加する。二酸化珪素膜中に正電荷が増加すると、二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とするMOSFETのしきい値電圧が低下する。また二酸化珪素膜中の酸素空孔は、しきい値電圧の不安定化の要因となり、長期的な信頼性の低下を招く(たとえば、非特許文献1参照)。   The oxygen vacancies in the silicon dioxide film capture positive holes and are positively charged. Therefore, when oxygen vacancies are generated in the silicon dioxide film, the positive charge increases. When the positive charge increases in the silicon dioxide film, the threshold voltage of the MOSFET having the silicon dioxide film as a gate insulating film is lowered. Further, oxygen vacancies in the silicon dioxide film cause instability of the threshold voltage and cause long-term reliability degradation (see, for example, Non-Patent Document 1).

特開2005−136386号公報JP 2005-136386 A 特開2006−210818号公報JP 2006-210818 A 特許第4164575号公報Japanese Patent No. 4164575 国際公開第2010/103820号パンフレットInternational Publication No. 2010/103820 Pamphlet

R.Green,A.Lelis,D.Habersat、「Application of reliability test standards to SiC Power MOSFETs」、Reliability Physics Symposium(IRPS)、IEEE International、2011年、pp.EX.2.1−EX.2.9R. Green, A.M. Lelis, D.C. Hubersat, "Application of reliability test standards to SiC Power MOSFETs", Reliability Physics Symposium (IRPS), IEEE International, 2011, pp. EX. 2.1-EX. 2.9

以上のように炭化珪素と二酸化珪素との界面では、欠陥準位の密度が比較的高いので、炭化珪素を用いたMOSFET(以下「炭化珪素MOSFET」という場合がある)のチャネル移動度は、SiCバルク中の電子移動度に比べて小さい。二酸化珪素膜の形成後、比較的高温で窒化処理を行うことによって、界面準位の密度を低減し、チャネル移動度を向上させることは可能であるが、以下の問題が生じる。   As described above, since the density of defect levels is relatively high at the interface between silicon carbide and silicon dioxide, the channel mobility of a MOSFET using silicon carbide (hereinafter sometimes referred to as “silicon carbide MOSFET”) is SiC. Smaller than the electron mobility in the bulk. After the formation of the silicon dioxide film, it is possible to reduce the interface state density and improve the channel mobility by performing nitriding at a relatively high temperature, but the following problems arise.

窒化処理終了後に、反応炉内の雰囲気は、窒素酸化物ガスの雰囲気またはアンモニアガスの雰囲気から不活性ガス雰囲気に置換されるので、炭化珪素基板は、高温の不活性ガス雰囲気に曝される。高温の不活性ガス雰囲気では、炭化珪素基板上にある二酸化珪素膜から酸素原子が放出し、酸素空孔が生成される。酸素空孔は、正孔を捕獲することによって、正に帯電し、正電荷となるので、酸素空孔が生成されると、正電荷が増加し、MOSFETのしきい値電圧が低下する。また二酸化珪素膜中の酸素空孔は、しきい値電圧の不安定化の要因となり、長期的な信頼性の低下を招く。   After completion of the nitriding treatment, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an inert gas atmosphere from the nitrogen oxide gas atmosphere or the ammonia gas atmosphere, so that the silicon carbide substrate is exposed to a high-temperature inert gas atmosphere. In a high-temperature inert gas atmosphere, oxygen atoms are released from the silicon dioxide film on the silicon carbide substrate, and oxygen vacancies are generated. Oxygen vacancies are positively charged and become positive charges by capturing holes, so that when oxygen vacancies are generated, the positive charges increase and the threshold voltage of the MOSFET decreases. In addition, oxygen vacancies in the silicon dioxide film cause destabilization of the threshold voltage and cause long-term reliability degradation.

MOSFETなどの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最優先となる。高耐圧特性の確保を実現するためには、しきい値電圧として、ある程度の大きさが必要となる。したがって、炭化珪素を用いたMOSFETの開発においては、チャネル移動度の向上とともに、しきい値電圧の制御技術の確立が急務となっている。   When a silicon carbide semiconductor device such as a MOSFET is used as a power device, securing high withstand voltage characteristics is a top priority. In order to ensure high breakdown voltage characteristics, a certain amount of threshold voltage is required. Therefore, in the development of MOSFETs using silicon carbide, it is an urgent task to improve the channel mobility and establish a threshold voltage control technique.

本発明の目的は、しきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度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である。   An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of improving channel mobility while suppressing a decrease in threshold voltage.

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基体を準備する基体準備工程と、前記炭化珪素基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程とを備え、前記絶縁膜形成工程は、炭化珪素基体上に、前記絶縁膜となる二酸化珪素膜を形成する二酸化珪素膜形成工程と、前記二酸化珪素膜が形成された前記炭化珪素基体を、反応炉内で、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で熱処理することによって窒化処理する窒化処理工程と、前記窒化処理工程の後に、前記窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、前記反応炉内を降温する降温工程とを備えることを特徴とする。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a substrate preparation step of preparing a silicon carbide substrate and an insulating film formation step of forming an insulating film on the silicon carbide substrate, the insulating film formation step comprising: A silicon dioxide film forming step of forming a silicon dioxide film to be the insulating film on a silicon substrate, and the silicon carbide substrate on which the silicon dioxide film is formed in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in a reaction furnace A nitriding treatment step for performing nitriding treatment by heat treatment, and a temperature lowering step for lowering the temperature in the reaction furnace in an atmosphere containing the nitrogen oxide gas after the nitriding treatment step.

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、基体準備工程と絶縁膜形成工程とを経て、炭化珪素半導体装置が製造される。基体準備工程では、炭化珪素基体が準備される。絶縁膜形成工程では、炭化珪素基体上に絶縁膜が形成される。このとき、まず二酸化珪素膜形成工程において、炭化珪素基体上に絶縁膜となる二酸化珪素膜が形成される。二酸化珪素膜が形成された炭化珪素基体が、窒化処理工程において、反応炉内で、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で熱処理されることによって窒化処理される。この窒化処理によって、炭化珪素半導体装置のチャネル移動度を向上させることができる。窒化処理工程の後、降温工程において、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、反応炉内が降温される。このように降温することによって、窒化処理後の酸素空孔の発生を抑えることができるので、炭化珪素半導体装置のしきい値電圧の低下を抑えることができる。したがって、炭化珪素半導体装置のしきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。   According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention, a silicon carbide semiconductor device is manufactured through a substrate preparation step and an insulating film formation step. In the substrate preparation step, a silicon carbide substrate is prepared. In the insulating film forming step, an insulating film is formed on the silicon carbide substrate. At this time, first, in the silicon dioxide film forming step, a silicon dioxide film serving as an insulating film is formed on the silicon carbide substrate. The silicon carbide substrate on which the silicon dioxide film is formed is nitrided by being heat-treated in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in a reaction furnace in a nitriding process. By this nitriding treatment, the channel mobility of the silicon carbide semiconductor device can be improved. After the nitriding treatment step, the temperature in the reaction furnace is lowered in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in the temperature lowering step. By lowering the temperature in this way, generation of oxygen vacancies after nitriding treatment can be suppressed, so that a decrease in threshold voltage of the silicon carbide semiconductor device can be suppressed. Therefore, the channel mobility can be improved while suppressing a decrease in threshold voltage of the silicon carbide semiconductor device.

本発明の実施の一形態であ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1の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device 1 manufactured by the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device which is one Embodiment of this invention. 本発明の実施の一形態である炭化珪素半導体装置の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device which is one Embodiment of this invention. ドリフト層12の形成が終了した段階の基板11の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the board | substrate 11 in the stage where formation of the drift layer 12 was complete | finished. ベース領域13a,13bの形成が終了した段階のドリフト層12および基板11の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the drift layer 12 and the board | substrate 11 of the stage which the formation of base region 13a, 13b was complete | finished. ソース領域14a,14bの形成が終了した段階のドリフト層12および基板11の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the drift layer 12 and the board | substrate 11 of the stage which completed formation of source region 14a, 14b. ゲート酸化膜15の形成が終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing the state of the substrate 10 at the stage where the formation of the gate oxide film 15 is completed. FIG. ゲート電極16の形成が終了した段階の基体10を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the substrate 10 at a stage where the formation of the gate electrode 16 has been completed. ゲート酸化膜15のパターニングが終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a state of a substrate 10 at a stage where patterning of a gate oxide film 15 is completed. FIG. ソース電極17a,17bの形成が終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the base | substrate 10 in the stage which completed formation of the source electrodes 17a and 17b. 本発明の実施の一形態における窒化処理工程および降温工程のプロセスシーケンスを示す図である。It is a figure which shows the process sequence of the nitriding process process and temperature-fall process in one Embodiment of this invention. 比較例における窒化処理工程および降温工程のプロセスシーケンスを示す図である。It is a figure which shows the process sequence of the nitriding process process and temperature-fall process in a comparative example. 実施例および比較例で製造したMOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。It is a graph which shows the gate voltage-drain current characteristic of MOSFET manufactured by the Example and the comparative example.

図1は、本発明の実施の一形態であ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1の構成を示す断面図である。本実施の形態における炭化珪素半導体装置1は、炭化珪素(SiC)を用いた金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である。以下の説明では、炭化珪素を用いたMOSFETを「炭化珪素MOSFET」という場合がある。   FIG. 1 is a cross sectional view showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device 1 manufactured by a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Silicon carbide semiconductor device 1 in the present embodiment is a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) using silicon carbide (SiC). In the following description, a MOSFET using silicon carbide may be referred to as a “silicon carbide MOSFET”.

炭化珪素半導体装置1は、半導体基板である炭化珪素(SiC)基板(以下、単に「基板」という場合がある)11、ドリフト層12、ベース領域13a,13b、ソース領域14a,14b、ゲート酸化膜15、ゲート電極16、ソース電極17a,17bおよびドレイン電極18を備えて構成される。基板11と、ドリフト層12と、ベース領域13a,13bと、ソース領域14a,14bとによって、炭化珪素基体(以下、単に「基体」という場合がある)10が構成される。以下の実施の形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明する。   A silicon carbide semiconductor device 1 includes a silicon carbide (SiC) substrate (hereinafter sometimes simply referred to as “substrate”) 11, a drift layer 12, base regions 13 a and 13 b, source regions 14 a and 14 b, and a gate oxide film that are semiconductor substrates. 15, a gate electrode 16, source electrodes 17a and 17b, and a drain electrode 18. Substrate 11, drift layer 12, base regions 13 a and 13 b, and source regions 14 a and 14 b constitute a silicon carbide substrate (hereinafter sometimes simply referred to as “substrate”) 10. In the following embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.

基板11は、第1導電型であるn型の炭化珪素(SiC)基板によって実現される。ドリフト層12は、炭化珪素、具体的には、第1導電型であるn型の炭化珪素から成る。ドリフト層12は、基板11の厚み方向一方側の表面上に積層されて形成されている。   The substrate 11 is realized by an n-type silicon carbide (SiC) substrate that is a first conductivity type. Drift layer 12 is made of silicon carbide, specifically, n-type silicon carbide which is the first conductivity type. The drift layer 12 is formed by being laminated on the surface on one side in the thickness direction of the substrate 11.

ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部分には、一部分に、一対のベース領域13a,13bが形成されている。以下の説明において、各ベース領域13a,13bを区別して示す場合には、第1ベース領域13aおよび第2ベース領域13bという。第1および第2ベース領域13a,13bは、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面から所定の深さの部分に、互いに間隔をあけて形成されている。各ベース領域13a,13bは、第2導電型の不純物(以下「第2導電型不純物」という場合がある)であるp型不純物、たとえばアルミニウム(Al)を含有する。   A pair of base regions 13 a and 13 b are formed in part on the surface portion of the drift layer 12 on one side in the thickness direction. In the following description, when the base regions 13a and 13b are distinguished from each other, they are referred to as a first base region 13a and a second base region 13b. The first and second base regions 13a and 13b are formed at a predetermined depth from the surface on one side in the thickness direction of the drift layer 12 with a space therebetween. Each base region 13a, 13b contains a p-type impurity, for example, aluminum (Al), which is a second conductivity type impurity (hereinafter sometimes referred to as “second conductivity type impurity”).

各ベース領域13a,13bの厚み方向一方側の表面部分には、一部分に、ソース領域14a,14bが形成されている。すなわち、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部分であって、ベース領域13a,13bの厚み方向一方側の表面部分には、一部分に、一対のソース領域14a,14bが形成されている。以下の説明において、各ソース領域14a,14bを区別して示す場合には、第1ソース領域14aおよび第2ソース領域14bという。   Source regions 14a and 14b are partially formed on the surface portion on one side in the thickness direction of each base region 13a and 13b. That is, a pair of source regions 14a and 14b are formed in part on the surface portion on one side in the thickness direction of the drift layer 12 and on the surface portion on one side in the thickness direction of the base regions 13a and 13b. In the following description, when the source regions 14a and 14b are shown separately, they are referred to as a first source region 14a and a second source region 14b.

各ソース領域14a,14bは、各ベース領域13a,13bの厚み方向一方側の表面部分の一部分に、各ベース領域13a,13bよりも浅く形成されている。各ソース領域14a,14bは、第1導電型の不純物(以下「第1導電型不純物」という場合がある)であるn型不純物、たとえば窒素(N)を含有する。   Each source region 14a, 14b is formed shallower than each base region 13a, 13b in a part of the surface portion on one side in the thickness direction of each base region 13a, 13b. Each source region 14a, 14b contains an n-type impurity, for example, nitrogen (N), which is an impurity of the first conductivity type (hereinafter sometimes referred to as “first conductivity-type impurity”).

ゲート酸化膜15は、一対のベース領域13a,13bおよびそれらの間のドリフト層12の厚み方向一方側の表面上に、ソース領域14a,14bにまで延在して形成されている。ゲート酸化膜15は、本実施の形態では、二酸化珪素膜である。ゲート酸化膜15は、ゲート絶縁膜として機能する。   The gate oxide film 15 is formed on the surface on one side in the thickness direction of the pair of base regions 13a and 13b and the drift layer 12 therebetween, extending to the source regions 14a and 14b. In the present embodiment, gate oxide film 15 is a silicon dioxide film. The gate oxide film 15 functions as a gate insulating film.

ゲート電極16は、ゲート酸化膜15の厚み方向一方側の表面上に形成されている。ゲート電極16は、厚み方向一方側から平面的に見て、一対のベース領域13a,13b間のドリフト層12から各ソース領域14a,14bに到達するように形成されている。   The gate electrode 16 is formed on the surface of one side in the thickness direction of the gate oxide film 15. The gate electrode 16 is formed so as to reach the source regions 14a and 14b from the drift layer 12 between the pair of base regions 13a and 13b when viewed in plan from one side in the thickness direction.

ソース電極17は、各ベース領域13a,13bのゲート酸化膜15で覆われていない部分に、各ソース領域14a,14bのゲート酸化膜15で覆われていない部分を覆って形成されている。すなわち、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面上のゲート酸化膜15で覆われていない部分には、一対のソース電極17a,17bが形成されている。以下の説明において、各ソース電極17a,17bを区別して示す場合には、第1ソース電極17aおよび第2ソース電極17bという。   The source electrode 17 is formed so as to cover portions of the base regions 13a and 13b that are not covered with the gate oxide film 15 and cover portions of the source regions 14a and 14b that are not covered with the gate oxide film 15. That is, a pair of source electrodes 17a and 17b is formed in a portion not covered with the gate oxide film 15 on the surface of the drift layer 12 on one side in the thickness direction. In the following description, when the source electrodes 17a and 17b are shown separately, they are referred to as a first source electrode 17a and a second source electrode 17b.

第1ソース電極17aは、第1ベース領域13aの厚み方向一方側の表面上に形成され、第1ソース領域14aに電気的に接続されている。第2ソース電極17bは、第2ベース領域13bの厚み方向一方側の表面上に形成され、第2ソース領域14bに電気的に接続されている。   The first source electrode 17a is formed on the surface of one side in the thickness direction of the first base region 13a, and is electrically connected to the first source region 14a. The second source electrode 17b is formed on the surface of one side in the thickness direction of the second base region 13b, and is electrically connected to the second source region 14b.

ドレイン電極18は、基板11の厚み方向一方側の表面と反対側の表面、すなわち基板11の厚み方向他方側の表面に形成されている。ドレイン電極18は、基板11と電気的に接続されている。   The drain electrode 18 is formed on the surface opposite to the surface on one side in the thickness direction of the substrate 11, that is, on the surface on the other side in the thickness direction of the substrate 11. The drain electrode 18 is electrically connected to the substrate 11.

図1に示す炭化珪素半導体装置1では、ゲート電極16に電圧が印加されると、ゲート電極16直下のベース領域13a,13bの表面に反転チャネル層が形成され、ソース領域14a,14bとドリフト層12との間に、電荷の流れる経路が形成される。   In the silicon carbide semiconductor device 1 shown in FIG. 1, when a voltage is applied to the gate electrode 16, inversion channel layers are formed on the surfaces of the base regions 13a and 13b immediately below the gate electrode 16, and the source regions 14a and 14b and the drift layer are formed. 12, a path through which charges flow is formed.

炭化珪素半導体装置1である炭化珪素MOSFETが、電子をキャリアとするnチャネルMOSFETである場合、ソース領域14a,14bからドリフト層12に電子が流れ込む。ドリフト層12に流れ込んだ電子は、ドレイン電極18に印加される電圧によって形成される電界に従って、ドリフト層12および基板11を介して流れて、ドレイン電極18に到達する。したがって、ゲート電極16に電圧を印加することによって、ドレイン電極18からソース電極17a,17bに電流が流れる。   When silicon carbide MOSFET that is silicon carbide semiconductor device 1 is an n-channel MOSFET that uses electrons as carriers, electrons flow into drift layer 12 from source regions 14a and 14b. The electrons flowing into the drift layer 12 flow through the drift layer 12 and the substrate 11 according to the electric field formed by the voltage applied to the drain electrode 18 and reach the drain electrode 18. Therefore, by applying a voltage to the gate electrode 16, a current flows from the drain electrode 18 to the source electrodes 17a and 17b.

炭化珪素MOSFETが、正孔をキャリアとするpチャネルMOSFETである場合には、ドレイン電極18から正孔が注入される。注入された正孔は、ドリフト層12を介して流れてベース領域13a,13bに到達し、次いで、ベース領域13a,13bの表面に形成された反転チャネル層を介して、ソース電極17a,17bの電位に従って、ソース領域14a,14bに流れ込む。これによって、正孔がドレイン電極18からソース電極17a,17bに流れる。   When the silicon carbide MOSFET is a p-channel MOSFET using holes as carriers, holes are injected from the drain electrode 18. The injected holes flow through the drift layer 12 and reach the base regions 13a and 13b, and then pass through the inversion channel layers formed on the surfaces of the base regions 13a and 13b to form the source electrodes 17a and 17b. It flows into the source regions 14a and 14b according to the potential. As a result, holes flow from the drain electrode 18 to the source electrodes 17a and 17b.

図1に示す炭化珪素半導体装置1は、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法を用いて、以下のようにして製造される。以下、図面を参照しながら、工程順に説明する。   Silicon carbide semiconductor device 1 shown in FIG. 1 is manufactured as follows using the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment. Hereinafter, it demonstrates in order of a process, referring drawings.

図2は、本発明の実施の一形態である炭化珪素半導体装置の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、基体準備工程と、ゲート酸化膜形成工程と、電極形成工程とを備える。ゲート酸化膜形成工程は、二酸化珪素膜形成工程と、窒化処理工程と、降温工程とを備える。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、必要な装置および材料が準備されると開始され、ステップS1の基体準備工程に移行する。   FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment of the present invention. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present embodiment includes a base preparation step, a gate oxide film formation step, and an electrode formation step. The gate oxide film forming step includes a silicon dioxide film forming step, a nitriding treatment step, and a temperature lowering step. The method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment starts when necessary devices and materials are prepared, and proceeds to the substrate preparation step of step S1.

図3〜図5は、基体準備工程を説明するための図である。ステップS1の基体準備工程では、基体10を準備する。本実施の形態では、以下のようにして、基体10を作製する。本実施の形態とは異なるが、別途、作製された基体10を準備してもよい。   3-5 is a figure for demonstrating a base | substrate preparation process. In the substrate preparation step of step S1, the substrate 10 is prepared. In the present embodiment, the substrate 10 is produced as follows. Although different from the present embodiment, a separately prepared substrate 10 may be prepared.

図3は、ドリフト層12の形成が終了した段階の基板11の状態を示す断面図である。ステップS1の基体準備工程では、まず、第1導電型であるn型の炭化珪素基板11の厚み方向一方側の表面上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、第1導電型であるn型の炭化珪素エピタキシャル層から成るドリフト層12を形成する。ドリフト層12の厚み方向における寸法(以下「厚さ」という場合がある)は、5μm〜50μm程度である。ドリフト層12における第1導電型不純物の濃度(以下「第1導電型不純物濃度」という場合がある)は、1×1015cm-3〜1×1018cm-3程度である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the state of the substrate 11 at the stage where the formation of the drift layer 12 is completed. In the substrate preparation step of step S1, first, the n-type silicon carbide substrate 11 having the first conductivity type is formed on the surface on one side in the thickness direction of the n-type silicon carbide substrate 11 having the first conductivity type by using an epitaxial crystal growth method. Drift layer 12 made of a silicon carbide epitaxial layer is formed. The dimension in the thickness direction of the drift layer 12 (hereinafter sometimes referred to as “thickness”) is about 5 μm to 50 μm. The concentration of the first conductivity type impurity in the drift layer 12 (hereinafter sometimes referred to as “first conductivity type impurity concentration”) is about 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 .

以上の条件でドリフト層12を形成することによって、窒化物半導体装置1として、数百V〜3kV以上の耐圧を有する縦型高耐圧MOSFETを実現することができる。   By forming the drift layer 12 under the above conditions, a vertical type high breakdown voltage MOSFET having a breakdown voltage of several hundred V to 3 kV or more can be realized as the nitride semiconductor device 1.

炭化珪素基板11の面方位としては、(0001)面、(000−1)面、または(11−20)面などを用いることができる。また、炭化珪素基板11のポリタイプとしては、4H、6H、および3Cのいずれかを用いることができる。   As the plane orientation of silicon carbide substrate 11, (0001) plane, (000-1) plane, (11-20) plane, or the like can be used. In addition, as the polytype of silicon carbide substrate 11, any of 4H, 6H, and 3C can be used.

図4は、ベース領域13a,13bの形成が終了した段階のドリフト層12および基板11の状態を示す断面図である。前述のようにしてドリフト層12を形成した後、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面に、ベース領域13a,13bを形成する領域が露出するように、不図示のマスクを形成する。たとえば、写真製版技術を用いて、レジスト、二酸化珪素、または窒化珪素などによって、マスクを形成する。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the state of the drift layer 12 and the substrate 11 at the stage where the formation of the base regions 13a and 13b is completed. After forming the drift layer 12 as described above, a mask (not shown) is formed so that the region for forming the base regions 13a and 13b is exposed on the surface of the drift layer 12 on one side in the thickness direction. For example, a mask is formed from resist, silicon dioxide, silicon nitride, or the like using photolithography.

形成したマスクを不純物注入阻止膜として用いて、基板11の厚み方向一方側から不純物をイオン注入し、一対のベース領域13a,13bを形成する。具体的には、第2導電型不純物をイオン注入することによって、第2導電型のベース領域13a,13bを形成する。イオン注入後、マスクを除去すると、図4に示す断面構造が得られる。   Using the formed mask as an impurity implantation blocking film, impurities are ion-implanted from one side in the thickness direction of the substrate 11 to form a pair of base regions 13a and 13b. Specifically, second conductivity type base regions 13a and 13b are formed by ion implantation of a second conductivity type impurity. When the mask is removed after the ion implantation, the cross-sectional structure shown in FIG. 4 is obtained.

製造する炭化珪素半導体装置1がnチャネルMOSFETである場合、ベース領域13a,13bに導入される第2導電型不純物としては、たとえばボロン(B)またはアルミニウム(Al)を用いることができる。製造する炭化珪素半導体装置1がpチャネルMOSFETである場合、第2導電型不純物としては、たとえばリン(P)または窒素(N)を用いることができる。   When silicon carbide semiconductor device 1 to be manufactured is an n-channel MOSFET, for example, boron (B) or aluminum (Al) can be used as the second conductivity type impurity introduced into base regions 13a and 13b. When silicon carbide semiconductor device 1 to be manufactured is a p-channel MOSFET, for example, phosphorus (P) or nitrogen (N) can be used as the second conductivity type impurity.

各ベース領域13a,13bの深さは、ドリフト層12の厚さを超えないことが要求される。具体的には、各ベース領域13a,13bの深さは、たとえば0.5μm〜3μm程度である。ここで、「深さ」とは、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面からの距離をいう。   The depth of each base region 13a, 13b is required not to exceed the thickness of the drift layer 12. Specifically, the depth of each base region 13a, 13b is, for example, about 0.5 μm to 3 μm. Here, the “depth” refers to the distance from the surface on one side in the thickness direction of the drift layer 12.

各ベース領域13a,13bにおける第2導電型不純物の濃度(以下「第2導電型不純物濃度」という場合がある)は、ドリフト層12における第1導電型不純物濃度を超える濃度に選ばれる。各ベース領域13a,13bにおける第2導電型不純物濃度は、たとえば1×1017cm-3〜1×1019cm-3程度である。 The concentration of the second conductivity type impurity in each of the base regions 13 a and 13 b (hereinafter sometimes referred to as “second conductivity type impurity concentration”) is selected to be a concentration exceeding the first conductivity type impurity concentration in the drift layer 12. The second conductivity type impurity concentration in each of the base regions 13a and 13b is, for example, about 1 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

図5は、ソース領域14a,14bの形成が終了した段階のドリフト層12および基板11の状態を示す断面図である。ドリフト層12の厚み方向一方側の表面上に、写真製版技術を用いて、ソース領域14a,14bを形成する部分を露出させるように、不図示のマスクを形成する。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the state of the drift layer 12 and the substrate 11 at the stage where the formation of the source regions 14a and 14b is completed. A mask (not shown) is formed on the surface of the drift layer 12 on one side in the thickness direction so as to expose portions where the source regions 14a and 14b are to be formed by using a photoengraving technique.

形成したマスクを用いて、各ベース領域13a,13b内に第1導電型不純物をイオン注入して、第1導電型のソース領域14a,14bをそれぞれ形成する。イオン注入後、ソース領域14a,14bの形成に用いたマスクを除去すると、図5に示す断面構造が得られる。このようにして、基板11、ドリフト層12、ベース領域13a,13bおよびソース領域14a,14bで構成される基体10が得られる。   Using the mask thus formed, first conductivity type impurities are ion-implanted into the base regions 13a and 13b to form first conductivity type source regions 14a and 14b, respectively. After the ion implantation, if the mask used for forming the source regions 14a and 14b is removed, the cross-sectional structure shown in FIG. 5 is obtained. In this way, the substrate 10 composed of the substrate 11, the drift layer 12, the base regions 13a and 13b, and the source regions 14a and 14b is obtained.

ソース領域14a,14b内に導入される第1導電型不純物としては、製造する炭化珪素半導体装置1がnチャネルMOSFETである場合には、たとえばリン(P)または窒素(N)を用いることができ、製造する炭化珪素半導体装置1がpチャネルMOSFETである場合には、たとえばボロン(B)またはアルミニウム(Al)を用いることができる。   As the first conductivity type impurity introduced into source regions 14a and 14b, when silicon carbide semiconductor device 1 to be manufactured is an n-channel MOSFET, for example, phosphorus (P) or nitrogen (N) can be used. When silicon carbide semiconductor device 1 to be manufactured is a p-channel MOSFET, for example, boron (B) or aluminum (Al) can be used.

ソース領域14a,14bは、ベース領域13a,13bよりも浅く形成される。すなわち、ソース領域14a,14bの深さは、ベース領域13a,13bの深さよりも小さい値に選ばれる。各ソース領域14a,14bに導入される第1導電型不純物の濃度は、たとえば1×1018cm-3〜1×1021cm-3程度である。 The source regions 14a and 14b are formed shallower than the base regions 13a and 13b. That is, the depth of the source regions 14a and 14b is selected to be smaller than the depth of the base regions 13a and 13b. The concentration of the first conductivity type impurity introduced into each source region 14a, 14b is, for example, about 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 .

マスクの除去後は、熱処理装置によって、基体10を、たとえば1300℃〜1900℃の高温条件下で、たとえば30秒〜1時間程度熱処理する。これによって、注入されたイオンが電気的に活性化される。以上のようにして基体10が作製されると、ステップS2のゲート酸化膜形成工程に移行する。   After removal of the mask, the substrate 10 is heat-treated by a heat treatment apparatus under a high temperature condition of, for example, 1300 ° C. to 1900 ° C., for example, for about 30 seconds to 1 hour. As a result, the implanted ions are electrically activated. When the substrate 10 is manufactured as described above, the process proceeds to the gate oxide film forming step in step S2.

図6は、ゲート酸化膜15の形成が終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。ステップS2のゲート酸化膜形成工程では、以下のようにして基体10上にゲート酸化膜15を形成する。まず、ステップS21の二酸化珪素膜形成工程において、基体10の厚み方向一方側の表面上に、たとえば化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition;略称:CVD)法によって、ゲート酸化膜15となる二酸化珪素膜を形成する。CVD法では、反応炉内に基体10を投入して、二酸化珪素膜の形成が行われる。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing the state of the substrate 10 at the stage where the formation of the gate oxide film 15 is completed. In the gate oxide film forming step in step S2, the gate oxide film 15 is formed on the substrate 10 as follows. First, in the silicon dioxide film forming process of step S21, silicon dioxide that becomes the gate oxide film 15 is formed on the surface on one side in the thickness direction of the substrate 10 by, for example, chemical vapor deposition (abbreviation: CVD). A film is formed. In the CVD method, the substrate 10 is put into a reaction furnace to form a silicon dioxide film.

ステップS21の二酸化珪素膜形成工程では、化学的気相成長法に代えて、酸素を含む雰囲気での熱酸化によって、二酸化珪素膜を形成してもよい。二酸化珪素膜の形成後、基体10を反応炉内から取出し、ステップS22の窒化処理工程に移行する。   In the silicon dioxide film forming step of step S21, a silicon dioxide film may be formed by thermal oxidation in an atmosphere containing oxygen instead of chemical vapor deposition. After the formation of the silicon dioxide film, the substrate 10 is taken out from the reaction furnace, and the process proceeds to the nitriding process in step S22.

ステップS22の窒化処理工程では、以下のようにして窒化処理を行う。基板10を窒化処理用の反応炉内に投入した後、反応炉内の雰囲気を不活性ガスの雰囲気(以下「不活性ガス雰囲気」という場合がある)として、反応炉内を昇温する。不活性ガスとしては、たとえば窒素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスを用いる。   In the nitriding process in step S22, nitriding is performed as follows. After the substrate 10 is put into the reaction furnace for nitriding treatment, the temperature in the reaction furnace is increased by setting the atmosphere in the reaction furnace as an inert gas atmosphere (hereinafter sometimes referred to as “inert gas atmosphere”). For example, nitrogen gas, argon gas or helium gas is used as the inert gas.

反応炉内が、予め定める窒化処理温度に到達した時点で、反応炉内の雰囲気を、窒素酸化物ガスを含む雰囲気(以下「窒素酸化物ガス雰囲気」という場合がある)に置換する。窒素酸化物ガスとしては、一酸化窒素(NO)ガス、一酸化二窒素(N2O)ガスおよび二酸化窒素(NO2)ガスから選択される少なくとも1種のガスを用いる。その中でも、たとえば一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガスを用いることが望ましく、一酸化窒素ガスを用いることが特に望ましい。 When the inside of the reaction furnace reaches a predetermined nitriding temperature, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an atmosphere containing nitrogen oxide gas (hereinafter sometimes referred to as “nitrogen oxide gas atmosphere”). As the nitrogen oxide gas, at least one gas selected from nitrogen monoxide (NO) gas, dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, and nitrogen dioxide (NO 2 ) gas is used. Among these, for example, it is desirable to use nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, and it is particularly desirable to use nitrogen monoxide gas.

反応炉内の雰囲気を窒素酸化物ガス雰囲気に置換した時点から、予め定める窒化処理時間が経過するまで、窒素酸化物ガス雰囲気で、反応炉内の温度を窒化処理温度に維持する。窒化処理時間としては、10分〜10時間程度が望ましい。   From the time when the atmosphere in the reaction furnace is replaced with the nitrogen oxide gas atmosphere, the temperature in the reaction furnace is maintained at the nitriding temperature in the nitrogen oxide gas atmosphere until a predetermined nitriding time elapses. The nitriding time is preferably about 10 minutes to 10 hours.

このような窒化処理工程を実行することによって、欠陥の発生を防ぎ、二酸化珪素と炭化珪素との界面の状態を良好にすることができる。   By performing such a nitriding process, it is possible to prevent the occurrence of defects and improve the state of the interface between silicon dioxide and silicon carbide.

窒化処理中の反応炉内における窒素酸化物ガス雰囲気としては、窒素酸化物ガスのみを含むガス雰囲気だけでなく、一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガスなどの窒素酸化物ガスを、窒素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスなどの不活性ガスで希釈したガス雰囲気が用いられてもよい。また窒素酸化物ガス雰囲気は、2種類以上の窒素酸化物ガスを含んでもよく、たとえば一酸化窒素ガスと一酸化二窒素ガスとが混在する雰囲気が窒素酸化物ガス雰囲気として用いられてもよい。   The nitrogen oxide gas atmosphere in the reactor during the nitriding treatment includes not only a gas atmosphere containing only the nitrogen oxide gas, but also nitrogen oxide gas such as nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, nitrogen gas, A gas atmosphere diluted with an inert gas such as argon gas or helium gas may be used. The nitrogen oxide gas atmosphere may include two or more types of nitrogen oxide gases. For example, an atmosphere in which nitrogen monoxide gas and dinitrogen monoxide gas are mixed may be used as the nitrogen oxide gas atmosphere.

窒化処理温度は、900℃以上1450℃以下であることが望ましく、1150℃以上1350℃以下であることが特に望ましい。1150℃未満の低温条件下では、窒化速度が比較的遅く、窒素原子による界面準位の不活性化が進行しにくい。特に900℃未満の低温条件下では、窒化速度が非常に遅く、窒素原子による界面準位の不活性化がほとんど進行しない。   The nitriding temperature is preferably 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, and particularly preferably 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. Under low temperature conditions of less than 1150 ° C., the nitriding rate is relatively slow, and the inactivation of interface states by nitrogen atoms does not proceed easily. In particular, under a low temperature condition of less than 900 ° C., the nitriding rate is very slow, and interface state inactivation by nitrogen atoms hardly proceeds.

また、1350℃を超える高温条件下では、一酸化窒素または一酸化二窒素の分解によって生じる酸素による熱酸化が進行し、新たな界面準位が増加する。特に1450℃を超える高温条件下では、一酸化窒素または一酸化二窒素の分解によって生じる酸素による熱酸化が進行しやすく、新たな界面準位が増加しやすい。   Further, under high temperature conditions exceeding 1350 ° C., thermal oxidation by oxygen generated by decomposition of nitric oxide or dinitrogen monoxide proceeds, and a new interface state increases. In particular, under high temperature conditions exceeding 1450 ° C., thermal oxidation by oxygen generated by decomposition of nitric oxide or dinitrogen monoxide tends to proceed, and new interface states tend to increase.

したがって、窒化処理温度は、900℃以上1450℃以下であることが望ましく、1150℃以上1350℃以下であることが特に望ましい。これを踏まえて、本実施の形態では、窒化処理工程において、反応炉内の温度を900℃以上1450℃以下、具体的には1150℃以上1350℃以下として、熱処理を行う。   Therefore, the nitriding temperature is preferably 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, and particularly preferably 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. Based on this, in this embodiment, in the nitriding process, the temperature in the reaction furnace is set to 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, specifically, 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower, and heat treatment is performed.

以上のようにして窒化処理を行った後は、ステップS23の降温工程に移行する。ステップS23の降温工程では、反応炉内を窒素酸化物ガス雰囲気で満たした状態で降温する。窒素酸化物ガス雰囲気での降温は、反応炉内の温度が950℃以下になるまで行うことが望ましい。反応炉内の温度が950℃以下になれば、反応炉内のガス雰囲気を、不活性ガス雰囲気に置換してもよい。これは以下の理由による。   After performing the nitriding process as described above, the process proceeds to a temperature lowering process in step S23. In the temperature lowering step in step S23, the temperature is lowered in a state where the inside of the reaction furnace is filled with a nitrogen oxide gas atmosphere. It is desirable to lower the temperature in the nitrogen oxide gas atmosphere until the temperature in the reactor becomes 950 ° C. or lower. If the temperature in the reaction furnace becomes 950 ° C. or lower, the gas atmosphere in the reaction furnace may be replaced with an inert gas atmosphere. This is due to the following reason.

二酸化珪素中の酸素の拡散エネルギーは、以下の参考文献1によれば、およそ1.3eVである。参考文献1:E.L.Williams、Journal of the American Ceramic Society、1965年、48巻、p.190   According to the following reference 1, the diffusion energy of oxygen in silicon dioxide is approximately 1.3 eV. Reference 1: E.E. L. Williams, Journal of the American Ceramic Society, 1965, 48, p. 190

二酸化珪素中における1300℃での酸素の拡散係数が1.4×10-13cm2/secであるのに対して、二酸化珪素中における950℃での酸素の拡散係数は、8.8×10-15cm2/secである。すなわち、950℃になると、二酸化珪素中の酸素の拡散係数は、1300℃での拡散係数の10分の1(1/10)以下まで低下する。つまり、950℃以下の温度領域では、二酸化珪素膜中の酸素の拡散が抑制され、酸素空孔の発生数が低下する。したがって、反応炉内を窒素酸化物ガス雰囲気で満たした状態で950℃以下まで降温することによって、後述する本発明の効果が十分に得られる。 The diffusion coefficient of oxygen at 1300 ° C. in silicon dioxide is 1.4 × 10 −13 cm 2 / sec, whereas the diffusion coefficient of oxygen at 950 ° C. in silicon dioxide is 8.8 × 10 6. -15 cm 2 / sec. That is, at 950 ° C., the diffusion coefficient of oxygen in silicon dioxide decreases to 1/10 (1/10) or less of the diffusion coefficient at 1300 ° C. That is, in the temperature range of 950 ° C. or lower, the diffusion of oxygen in the silicon dioxide film is suppressed, and the number of oxygen vacancies is reduced. Therefore, by lowering the temperature to 950 ° C. or lower in a state where the reaction furnace is filled with a nitrogen oxide gas atmosphere, the effects of the present invention described later can be sufficiently obtained.

以上のことから、本実施の形態では、窒素酸化物ガス雰囲気での降温をたとえば900℃までとし、その後に、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気への置換と、基体10の取出し温度として予め定める温度までの降温とを実行する。本発明の効果を最大限に得るために、反応炉内の雰囲気の不活性ガス雰囲気への置換は、反応炉内の温度が基体10の取出し温度に到達してから実行してもよい。   From the above, in the present embodiment, the temperature drop in the nitrogen oxide gas atmosphere is set to, for example, 900 ° C., and thereafter, the temperature is replaced with an inert gas atmosphere such as nitrogen gas and the substrate 10 is taken out in advance. The temperature is lowered to the temperature. In order to obtain the maximum effect of the present invention, the atmosphere in the reaction furnace may be replaced with an inert gas atmosphere after the temperature in the reaction furnace reaches the temperature at which the substrate 10 is taken out.

基体10の取出し温度は、窒化処理温度よりも低く、かつ大気との反応が起こりにくい温度に選ばれる。具体的には、基体10の取出し温度は、たとえば500℃〜800℃である。   The temperature at which the substrate 10 is taken out is selected so as to be lower than the nitriding temperature and hardly react with the atmosphere. Specifically, the temperature at which the substrate 10 is taken out is, for example, 500 ° C. to 800 ° C.

以上のようにして基体10を取出した後は、ステップS3の電極形成工程に移行する。図7〜図9は、電極形成工程を説明するための図である。ステップS3の電極形成工程では、以下のようにして前述の図1に示すゲート電極16、ソース電極17およびドレイン電極18を形成する。   After the substrate 10 is taken out as described above, the process proceeds to the electrode forming step of step S3. 7-9 is a figure for demonstrating an electrode formation process. In the electrode forming step in step S3, the gate electrode 16, the source electrode 17, and the drain electrode 18 shown in FIG. 1 are formed as follows.

図7は、ゲート電極16の形成が終了した段階の基体10を示す断面図である。ゲート酸化膜15の厚み方向一方側の表面上に、ゲート電極16となるゲート電極膜を成膜する。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing the substrate 10 at the stage where the formation of the gate electrode 16 has been completed. A gate electrode film to be the gate electrode 16 is formed on the surface of the gate oxide film 15 on one side in the thickness direction.

次いで、写真製版技術を用いて、ゲート電極膜をパターニングして、ゲート電極16を形成する。ゲート電極16は、ベース領域13a,13bおよびソース領域14a,14bが、ゲート電極16の両端部に位置し、一対のベース領域13a,13b間で露出したドリフト層12が、ゲート電極16の中央に位置するような形状にゲート電極膜をパターニングすることによって形成される。   Next, the gate electrode film is patterned using the photoengraving technique to form the gate electrode 16. In the gate electrode 16, the base regions 13 a and 13 b and the source regions 14 a and 14 b are located at both ends of the gate electrode 16, and the drift layer 12 exposed between the pair of base regions 13 a and 13 b is formed at the center of the gate electrode 16. It is formed by patterning the gate electrode film so as to be positioned.

ゲート電極16と、一対のソース領域14a,14bとは、厚み方向一方側から平面的に見て、たとえば10nm〜5μmの範囲で、重なり合うように形成されることが望ましい。これによって、ゲート電極16の端部におけるフリンジ効果の影響を抑制して、ベース領域13a,13bの表面に均一に電圧を印加することができる。したがって、ベース領域13a,13bの表面に、確実に、反転チャネル層を形成することができる。   The gate electrode 16 and the pair of source regions 14a and 14b are desirably formed so as to overlap each other in a range of, for example, 10 nm to 5 μm when viewed in plan from one side in the thickness direction. As a result, the influence of the fringe effect at the end of the gate electrode 16 can be suppressed, and a voltage can be uniformly applied to the surfaces of the base regions 13a and 13b. Therefore, the inversion channel layer can be reliably formed on the surfaces of the base regions 13a and 13b.

ゲート電極16の材料としては、n型またはp型の多結晶珪素(ポリシリコン)を用いてもよいし、n型またはp型の多結晶炭化珪素を用いてもよい。また、アルミニウム、チタン、モリブデン、タンタル、ニオブまたはタングステンなどの低抵抗高融点金属を用いてもよいし、これらの低抵抗高融点金属の窒化物を用いてもよい。   As a material of the gate electrode 16, n-type or p-type polycrystalline silicon (polysilicon) may be used, or n-type or p-type polycrystalline silicon carbide may be used. Alternatively, a low-resistance refractory metal such as aluminum, titanium, molybdenum, tantalum, niobium, or tungsten may be used, or a nitride of these low-resistance refractory metals may be used.

図8は、ゲート酸化膜15のパターニングが終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。ゲート電極16のパターニング後、ゲート酸化膜15の不要部分を、写真製版技術を用いたパターニングと、ウェットエッチングまたはドライエッチングとによって除去する。これによって、図8に示すように、ソース領域14a,14bの表面が露出する。ゲート酸化膜15は、厚み方向に垂直な幅方向における寸法が、ゲート電極16よりも長く形成される。これによって、次工程で形成されるソース電極17a,17bとゲート電極16との間を、確実に電気的に分離することができる。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing the state of the substrate 10 at the stage where the patterning of the gate oxide film 15 is completed. After the patterning of the gate electrode 16, unnecessary portions of the gate oxide film 15 are removed by patterning using a photoengraving technique and wet etching or dry etching. As a result, as shown in FIG. 8, the surfaces of the source regions 14a and 14b are exposed. The gate oxide film 15 is formed so that the dimension in the width direction perpendicular to the thickness direction is longer than that of the gate electrode 16. Thus, the source electrodes 17a and 17b and the gate electrode 16 formed in the next process can be reliably electrically separated.

図9は、ソース電極17a,17bの形成が終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。ゲート酸化膜15のパターニング後は、ソース領域14a,14bの露出した部分に、図9に示すように、ソース電極17a,17bを形成する。具体的には、ソース電極17a,17bとなるソース電極膜を成膜した後、パターニングすることによって、ソース電極17a,17bを形成する。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing the state of the substrate 10 at the stage where the formation of the source electrodes 17a and 17b is completed. After patterning the gate oxide film 15, source electrodes 17a and 17b are formed in the exposed portions of the source regions 14a and 14b, as shown in FIG. Specifically, after forming a source electrode film to be the source electrodes 17a and 17b, the source electrodes 17a and 17b are formed by patterning.

その後、基板11の裏面、すなわち厚み方向他方側の表面に、前述の図1に示すようにドレイン電極18を形成する。これによって、図1に示す素子構造を有する炭化珪素半導体装置1の主要部が完成する。   Thereafter, the drain electrode 18 is formed on the back surface of the substrate 11, that is, the surface on the other side in the thickness direction, as shown in FIG. Thereby, the main part of silicon carbide semiconductor device 1 having the element structure shown in FIG. 1 is completed.

ソース電極17a,17bおよびドレイン電極18の材料としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、銅または金などを用いてもよいし、これらの複合物を用いてもよい。   As a material for the source electrodes 17a and 17b and the drain electrode 18, aluminum, nickel, titanium, copper, gold, or the like may be used, or a composite material thereof may be used.

ソース電極17a,17bの形成後には、ソース電極17a,17bのソース領域14a,14bに対するオーミック接触を得るために、1000℃程度の熱処理が行われてもよい。また、ドレイン電極18の形成後には、ドレイン電極18の基板11に対するオーミック接触を得るために、1000℃程度の熱処理が行われてもよい。   After the formation of the source electrodes 17a and 17b, a heat treatment at about 1000 ° C. may be performed in order to obtain ohmic contact with the source regions 14a and 14b of the source electrodes 17a and 17b. In addition, after the drain electrode 18 is formed, a heat treatment at about 1000 ° C. may be performed in order to obtain an ohmic contact of the drain electrode 18 with the substrate 11.

以上のように本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、ゲート酸化膜形成工程の二酸化珪素膜形成工程において、基体10上にゲート酸化膜15となる二酸化珪素膜が形成される。二酸化珪素膜が形成された基体10が、窒化処理工程において、反応炉内で、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で熱処理されることによって窒化処理される。この窒化処理によって、炭化珪素半導体装置1のチャネル移動度を向上させることができる。   As described above, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the silicon dioxide film to be gate oxide film 15 is formed on substrate 10 in the silicon dioxide film forming process of the gate oxide film forming process. . The substrate 10 on which the silicon dioxide film is formed is subjected to nitriding treatment by heat treatment in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in a reaction furnace in a nitriding step. By this nitriding treatment, the channel mobility of silicon carbide semiconductor device 1 can be improved.

窒化処理工程の後は、降温工程において、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、反応炉内が降温される。このように降温することによって、窒化処理後の酸素空孔の発生を抑えることができるので、炭化珪素半導体装置1のしきい値電圧の低下を抑えることができる。この効果は、ゲート絶縁膜であるゲート絶縁膜15中の固定電荷の低減にのみ限定されるので、しきい値電圧の低下が抑えられることに伴って、チャネル移動度が低下することはない。したがって、炭化珪素半導体装置1のしきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。   After the nitriding treatment step, the temperature in the reaction furnace is lowered in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in the temperature lowering step. By lowering the temperature in this way, it is possible to suppress the generation of oxygen vacancies after the nitriding treatment, and thus it is possible to suppress a decrease in the threshold voltage of silicon carbide semiconductor device 1. Since this effect is limited only to the reduction of the fixed charge in the gate insulating film 15 which is a gate insulating film, the channel mobility does not decrease along with the reduction of the threshold voltage. Therefore, a decrease in threshold voltage of silicon carbide semiconductor device 1 can be suppressed and channel mobility can be improved.

図10および図11は、窒化処理工程および降温工程におけるプロセスシーケンスを示す図である。図10は、本発明の実施の一形態における窒化処理工程および降温工程のプロセスシーケンスを示す図である。図10では、実施例として、図2に示すステップS21のゲート酸化膜形成工程でCVDによって二酸化珪素膜を形成し、ステップS22の窒化処理工程で一酸化窒素ガスによって窒化処理を行い、ステップS23の降温工程で反応炉内を窒素酸化物ガス雰囲気で満たして降温した場合のプロセスシーケンスを示す。   10 and 11 are diagrams showing process sequences in the nitriding treatment step and the temperature lowering step. FIG. 10 is a diagram showing a process sequence of the nitriding treatment step and the temperature lowering step in the embodiment of the present invention. In FIG. 10, as an example, a silicon dioxide film is formed by CVD in the gate oxide film forming process in step S <b> 21 shown in FIG. 2, and nitriding is performed with nitrogen monoxide gas in the nitriding process in step S <b> 22. A process sequence when the temperature in the reactor is lowered with a nitrogen oxide gas atmosphere in the temperature lowering step is shown.

図11は、比較例における窒化処理工程および降温工程のプロセスシーケンスを示す図である。図11では、比較例として、実施例と同様にステップS21のゲート酸化膜形成工程およびステップS22の窒化処理工程を行った後、反応炉内を不活性ガスである窒素ガスに置換して不活性ガス雰囲気として、反応炉内の温度を基板取出し温度まで降温する場合のプロセスシーケンスを示す。   FIG. 11 is a diagram illustrating a process sequence of a nitriding process and a temperature lowering process in the comparative example. In FIG. 11, as a comparative example, after performing the gate oxide film forming step of step S21 and the nitriding step of step S22 as in the embodiment, the inside of the reaction furnace is replaced with nitrogen gas which is an inert gas. A process sequence in a case where the temperature in the reaction furnace is lowered to the substrate take-out temperature as the gas atmosphere is shown.

実施例および比較例のいずれにおいても、時刻t1において、窒化処理用の反応炉の昇温が開始される。時刻t2において、反応炉内の温度が、予め定める基体投入取出温度T0に達すると、基体10が反応炉内に投入される。このとき、反応炉内は、不活性ガス雰囲気A0とされる。基体投入取出温度T0は、基体10の投入温度として予め定められる温度であり、かつ基体10の取出し温度として予め定められる温度である。   In both the example and the comparative example, the temperature increase of the nitriding reactor is started at time t1. When the temperature in the reaction furnace reaches a predetermined substrate charging / discharging temperature T0 at time t2, the substrate 10 is charged into the reaction furnace. At this time, the inside of the reaction furnace is an inert gas atmosphere A0. The substrate charging / discharging temperature T0 is a temperature that is predetermined as the charging temperature of the substrate 10 and a temperature that is predetermined as the discharging temperature of the substrate 10.

時刻t3において、反応炉の昇温が再開される。時刻t4において、反応炉内の温度が、予め定める窒化処理温度TNに達すると、時刻t5において、反応炉内の雰囲気が、窒素酸化物ガス雰囲気ANに置換され、熱処理が開始される。時刻t6において、予め定める窒化処理時間が経過すると、熱処理が終了される。   At time t3, the temperature rise of the reactor is resumed. When the temperature in the reaction furnace reaches a predetermined nitriding temperature TN at time t4, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with the nitrogen oxide gas atmosphere AN at time t5, and heat treatment is started. When a predetermined nitriding time elapses at time t6, the heat treatment is finished.

図10に示す実施例では、時刻t6において、熱処理が終了されると、窒素酸化物ガス雰囲気ANのまま、図2に示すステップS23の降温工程に移行し、降温が開始される。時刻t7において、反応炉内の温度が900℃に達すると、反応炉内の雰囲気が不活性ガス雰囲気A0に置換される。本実施例では、不活性ガス雰囲気A0として、窒素ガスの雰囲気を用いている。   In the example shown in FIG. 10, when the heat treatment is completed at time t6, the process proceeds to the temperature lowering process of step S23 shown in FIG. When the temperature in the reaction furnace reaches 900 ° C. at time t7, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an inert gas atmosphere A0. In this embodiment, an atmosphere of nitrogen gas is used as the inert gas atmosphere A0.

その後、反応炉の降温が継続され、時刻t8において、反応炉内の温度が、予め定める基板投入取出温度T0に達すると、降温が終了され、時刻t9において、反応炉内から基体10が取出される。反応炉内の温度は、時刻t10において、昇温前の温度に戻る。   Thereafter, the temperature decrease of the reaction furnace is continued. When the temperature in the reaction furnace reaches a predetermined substrate loading / unloading temperature T0 at time t8, the temperature decrease is completed, and at time t9, the substrate 10 is removed from the reaction furnace. The The temperature in the reaction furnace returns to the temperature before the temperature rise at time t10.

これに対し、図11に示す比較例では、時刻t6において、熱処理が終了されると、反応炉内の雰囲気が、不活性ガス雰囲気A0に置換される。その後、時刻t11において、不活性ガス雰囲気A0で、降温が開始される。時刻t12において、反応炉内の温度が、基体投入取出温度T0に達すると、降温が終了され、時刻t13において、反応炉内から基体10が取出される。反応炉内の温度は、時刻t14において、昇温前の温度に戻る。   In contrast, in the comparative example shown in FIG. 11, when the heat treatment is completed at time t6, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with the inert gas atmosphere A0. Thereafter, at time t11, temperature reduction is started in the inert gas atmosphere A0. When the temperature in the reaction furnace reaches the substrate charging / discharging temperature T0 at time t12, the temperature drop is finished, and at time t13, the substrate 10 is extracted from the reaction furnace. The temperature in the reaction furnace returns to the temperature before the temperature rise at time t14.

図12は、実施例および比較例で製造したMOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。図12では、実施例で製造したMOSFETの測定結果を黒丸「●」で示し、比較例で製造したMOSFETの測定結果を白丸「○」示す。図12において、横軸はゲート電圧[V]を示し、縦軸はドレイン電流[A]を示す。参照符「31」で示される直線と、横軸との交点のゲート電圧は、実施例で製造したMOSFETのしきい値電圧に相当する。参照符「32」で示される直線と、横軸との交点のゲート電圧は、比較例で製造したMOSFETのしきい値電圧に相当する。   FIG. 12 is a graph showing gate voltage-drain current characteristics of MOSFETs manufactured in Examples and Comparative Examples. In FIG. 12, the measurement result of the MOSFET manufactured in the example is indicated by a black circle “●”, and the measurement result of the MOSFET manufactured in the comparative example is indicated by a white circle “◯”. In FIG. 12, the horizontal axis represents the gate voltage [V], and the vertical axis represents the drain current [A]. The gate voltage at the intersection of the straight line indicated by reference numeral “31” and the horizontal axis corresponds to the threshold voltage of the MOSFET manufactured in the example. The gate voltage at the intersection of the straight line indicated by the reference sign “32” and the horizontal axis corresponds to the threshold voltage of the MOSFET manufactured in the comparative example.

図12から、実施例で製造したMOSFETでは、比較例で製造したMOSFETに比べて、しきい値電圧が、およそ1.0V上昇していることが分かる。このことから、実施例のように窒化処理後の反応炉内の降温を窒素酸化物ガス雰囲気ANで行うことによって、しきい値電圧の低下を抑えることができることが分かる。   From FIG. 12, it can be seen that the threshold voltage of the MOSFET manufactured in the example is increased by about 1.0 V compared to the MOSFET manufactured in the comparative example. From this, it can be seen that the decrease in the threshold voltage can be suppressed by lowering the temperature in the reaction furnace after the nitriding treatment in the nitrogen oxide gas atmosphere AN as in the embodiment.

このように本実施の形態によれば、窒化処理後、窒素酸化物ガス雰囲気ANで反応炉内を降温するので、窒化処理によるしきい値電圧の低下を抑えることができる。これによって、窒素酸化物ガス雰囲気で降温しない場合、たとえば不活性ガス雰囲気で降温する場合に比べて、しきい値電圧を高めることができる。したがって、前述のように炭化珪素半導体装置1のしきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, after the nitriding process, the temperature in the reaction furnace is lowered in the nitrogen oxide gas atmosphere AN, so that a decrease in threshold voltage due to the nitriding process can be suppressed. Thereby, when the temperature is not lowered in the nitrogen oxide gas atmosphere, the threshold voltage can be increased as compared with the case where the temperature is lowered in the inert gas atmosphere, for example. Therefore, as described above, channel mobility can be improved while suppressing a decrease in threshold voltage of silicon carbide semiconductor device 1.

また本実施の形態では、降温工程において、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、反応炉内を950℃以下まで降温する。前述のように950℃以下の温度領域では、二酸化珪素膜中の酸素の拡散を抑制することができるので、酸素空孔の発生を抑えることができる。したがって、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、反応炉内を950℃以下まで降温することによって、しきい値電圧の低下を抑えることができるという前述の本発明の効果を十分に得ることができる。   In this embodiment, in the temperature lowering step, the temperature in the reaction furnace is decreased to 950 ° C. or lower in an atmosphere containing nitrogen oxide gas. As described above, in the temperature range of 950 ° C. or lower, diffusion of oxygen in the silicon dioxide film can be suppressed, so that generation of oxygen vacancies can be suppressed. Therefore, by lowering the temperature in the reactor to 950 ° C. or lower in an atmosphere containing nitrogen oxide gas, the above-described effect of the present invention can be sufficiently obtained that the reduction in threshold voltage can be suppressed.

また本実施の形態では、降温工程において、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で反応炉内を950℃以下まで降温した後は、反応炉内を、窒素酸化物ガスを含む雰囲気から、不活性ガス雰囲気に置換して、反応炉内を降温する。これによって、基体10の不所望な窒化を抑えることができる。   Further, in this embodiment, after the temperature inside the reaction furnace is lowered to 950 ° C. or less in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in the temperature lowering step, the inside of the reaction furnace is changed from an atmosphere containing nitrogen oxide gas to an inert gas atmosphere. The temperature in the reactor is lowered. Thereby, undesired nitridation of the substrate 10 can be suppressed.

また本実施の形態では、窒化処理工程で用いられる窒素酸化物ガスは、一酸化窒素(NO)ガス、一酸化二窒素(N2O)ガスおよび二酸化窒素(NO2)ガスから選択される少なくとも1種のガスである。これによって、窒化処理を効果的に行うことができる。具体的には、ゲート酸化膜15の二酸化珪素と基体10の炭化珪素との界面に発生した欠陥準位をより確実に電気的に不活性化し、炭化珪素と二酸化珪素との界面での欠陥準位の密度を確実に低減することができる。したがって、キャリア移動度を確実に向上させることができる。 In the present embodiment, the nitrogen oxide gas used in the nitriding treatment step is at least selected from nitrogen monoxide (NO) gas, dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, and nitrogen dioxide (NO 2 ) gas. One kind of gas. Thereby, the nitriding treatment can be performed effectively. Specifically, the defect level generated at the interface between the silicon dioxide of the gate oxide film 15 and the silicon carbide of the substrate 10 is more reliably electrically inactivated, and the defect level at the interface between the silicon carbide and silicon dioxide is more reliably deactivated. The density of the position can be reliably reduced. Therefore, carrier mobility can be improved reliably.

これらの窒素酸化物ガスの中でも、一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガスを用いることが望ましく、一酸化窒素ガスを用いることが特に望ましい。一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガス、特に一酸化窒素ガスを用いることによって、前述の欠陥準位の不活性化および欠陥準位の密度の低減をより確実に行うことができるので、キャリア移動度をより確実に向上させることができる。   Among these nitrogen oxide gases, it is desirable to use nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, and it is particularly desirable to use nitrogen monoxide gas. By using nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, in particular nitrogen monoxide gas, the above-described defect level inactivation and defect level density can be more reliably performed. The degree can be improved more reliably.

また本実施の形態では、窒化処理工程において、反応炉内の温度を900℃以上1450℃以下、具体的には1150℃以上1350℃以下とした熱処理によって窒化処理を行う。これによって、窒化処理を効果的に行うことができる。具体的には、窒素原子による界面準位の不活性化をより確実に行うことができる。また窒素酸化物ガスの分解を抑えて、分解によって生じる酸素による熱酸化を防ぎ、新たな界面準位の増加を防ぐことができる。したがって、炭化珪素半導体装置1のキャリア移動度をより確実に向上させることができる。   In this embodiment, in the nitriding treatment step, the nitriding treatment is performed by heat treatment in which the temperature in the reaction furnace is 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, specifically, 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. Thereby, the nitriding treatment can be performed effectively. Specifically, inactivation of the interface state by nitrogen atoms can be performed more reliably. Further, decomposition of the nitrogen oxide gas can be suppressed, thermal oxidation due to oxygen generated by the decomposition can be prevented, and an increase in new interface states can be prevented. Therefore, the carrier mobility of silicon carbide semiconductor device 1 can be improved more reliably.

このように反応炉内の温度を900℃以上1450℃以下、具体的には1150℃以上1350℃以下の比較的高温とした熱処理によって窒化処理を行う場合に、窒化処理が終了した直後に反応炉内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換して降温すると、二酸化珪素膜中に酸素空孔が発生して、しきい値電圧が低下することがある。   As described above, when nitriding is performed by a heat treatment in which the temperature in the reactor is set to 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, specifically, 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower, the reactor is immediately after the nitriding is completed. When the temperature inside the inside atmosphere is replaced with an inert gas atmosphere, oxygen vacancies are generated in the silicon dioxide film, and the threshold voltage may be lowered.

これに対し、本実施の形態では、前述のように、窒化処理後は窒素酸化物ガス雰囲気で反応炉内を降温するので、二酸化珪素膜中の酸素空孔の発生を抑えて、しきい値電圧の低下を抑えることができる。したがって、しきい値電圧の低下を抑えつつ、前述のように窒化処理を効果的に行って、炭化珪素半導体装置1のキャリア移動度をより確実に向上させることができる。   In contrast, in the present embodiment, as described above, the temperature inside the reactor is lowered in a nitrogen oxide gas atmosphere after the nitriding treatment, so that the generation of oxygen vacancies in the silicon dioxide film is suppressed, and the threshold value is reduced. A decrease in voltage can be suppressed. Therefore, it is possible to effectively improve the carrier mobility of silicon carbide semiconductor device 1 by effectively performing the nitriding treatment as described above while suppressing the decrease in threshold voltage.

また本実施の形態では、二酸化珪素膜形成工程において、炭化珪素基体10の表面に、CVD法によって二酸化珪素膜を堆積して形成する。この工程において形成された二酸化珪素膜と基体10との界面には、欠陥に起因する欠陥準位が発生することがある。本実施の形態では、窒化処理工程で窒化処理が行われるので、二酸化珪素膜と基体10との界面に発生した欠陥準位を電気的に不活性化することができる。   In the present embodiment, in the silicon dioxide film forming step, a silicon dioxide film is deposited and formed on the surface of silicon carbide substrate 10 by the CVD method. At the interface between the silicon dioxide film formed in this step and the substrate 10, a defect level due to defects may occur. In the present embodiment, since the nitriding process is performed in the nitriding process, the defect level generated at the interface between the silicon dioxide film and the substrate 10 can be electrically inactivated.

これによって、二酸化珪素膜と基体10との界面での欠陥準位の密度を低減することができる。したがって、二酸化珪素膜が、欠陥の発生する可能性のあるCVD法によって形成される場合でも、炭化珪素半導体装置1のチャネル移動度を向上させることができる。   As a result, the density of defect levels at the interface between the silicon dioxide film and the substrate 10 can be reduced. Therefore, even when the silicon dioxide film is formed by a CVD method in which defects may occur, the channel mobility of silicon carbide semiconductor device 1 can be improved.

また本実施の形態とは異なるが、二酸化珪素膜形成工程では、前述のように炭化珪素基体10の表面を、酸素を含む雰囲気中で熱酸化することによって、二酸化珪素膜を形成してもよい。この場合でも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。   Although different from the present embodiment, in the silicon dioxide film formation step, the silicon dioxide film may be formed by thermally oxidizing the surface of the silicon carbide substrate 10 in an atmosphere containing oxygen as described above. . Even in this case, the same effect as in the present embodiment can be obtained.

以上に述べた本実施の形態では、炭化珪素半導体装置1は、MOSFETであるが、これに限定されない。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基体上に形成される二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として有するMOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの絶縁ゲート型トランジスタ素子に適用することができる。ここで、「炭化珪素基体上」とは、炭化珪素基体が炭化珪素基板のみで構成される場合には、炭化珪素基板上を意味し、炭化珪素基体が、炭化珪素基板とその上に形成される炭化珪素層とを含んで構成される場合には、炭化珪素層上を意味する。   In the present embodiment described above, silicon carbide semiconductor device 1 is a MOSFET, but is not limited to this. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present embodiment is applied to an insulated gate transistor device such as a MOSFET or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a silicon dioxide film formed on a silicon carbide substrate as a gate insulating film. be able to. Here, “on a silicon carbide substrate” means that on a silicon carbide substrate when the silicon carbide substrate is composed of only a silicon carbide substrate, and the silicon carbide substrate is formed on the silicon carbide substrate. When it is configured to include a silicon carbide layer, it means on the silicon carbide layer.

絶縁ゲート型トランジスタ素子としては、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極が、基板の同一面上に形成される横型半導体素子であってもよく、ソース電極およびゲート電極とドレイン電極とが基板を挟んで反対側に形成される縦型半導体素子であってもよい。すなわち、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、横型半導体素子に対しても適用することができ、また縦型半導体素子に対しても適用することができる。   The insulated gate transistor element may be a lateral semiconductor element in which the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are formed on the same surface of the substrate, and the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode sandwich the substrate. It may be a vertical semiconductor element formed on the opposite side. That is, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment can be applied to a horizontal semiconductor element and can also be applied to a vertical semiconductor element.

本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の構成要素を適宜、変形または省略することが可能である。たとえば、本実施の形態では、炭化珪素基体10は、炭化珪素基板11と、ドリフト層12と、ベース領域13a,13bと、ソース領域14a,14bとによって構成されるが、他の炭化珪素層を含んでもよいし、また炭化珪素基板11のみで構成されてもよい。   In the present invention, the constituent elements of the embodiments can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention. For example, in the present embodiment, silicon carbide substrate 10 includes silicon carbide substrate 11, drift layer 12, base regions 13a and 13b, and source regions 14a and 14b. It may be included, or may be composed only of silicon carbide substrate 11.

1 炭化珪素半導体装置、10 基体、11 基板、12 ドリフト層、13a,13b ベース領域、14a,14b ソース領域、15 ゲート酸化膜、16 ゲート電極、17a,17b ソース電極、18 ドレイン電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon carbide semiconductor device, 10 base | substrate, 11 board | substrate, 12 drift layer, 13a, 13b base region, 14a, 14b source region, 15 gate oxide film, 16 gate electrode, 17a, 17b source electrode, 18 drain electrode

Claims (8)

炭化珪素基体を準備する基体準備工程と、
前記炭化珪素基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程とを備え、
前記絶縁膜形成工程は、
炭化珪素基体上に、前記絶縁膜となる二酸化珪素膜を形成する二酸化珪素膜形成工程と、
前記二酸化珪素膜が形成された前記炭化珪素基体を、反応炉内で、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で熱処理することによって窒化処理する窒化処理工程と、
前記窒化処理工程の後に、前記窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、前記反応炉内を降温する降温工程とを備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
A substrate preparation step of preparing a silicon carbide substrate;
An insulating film forming step of forming an insulating film on the silicon carbide substrate,
The insulating film forming step includes
A silicon dioxide film forming step of forming a silicon dioxide film to be the insulating film on the silicon carbide substrate;
A nitriding treatment step of nitriding the silicon carbide substrate on which the silicon dioxide film is formed by heat-treating in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in a reaction furnace;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising: a temperature lowering step of lowering the temperature in the reaction furnace in an atmosphere containing the nitrogen oxide gas after the nitriding step.
前記降温工程では、前記窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、前記反応炉内を950℃以下まで降温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。   2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein in the temperature lowering step, the temperature in the reaction furnace is decreased to 950 ° C. or less in an atmosphere containing the nitrogen oxide gas. 前記降温工程では、前記窒素酸化物ガスを含む雰囲気で前記反応炉内を950℃以下まで降温した後、前記反応炉内を、前記窒素酸化物ガスを含む雰囲気から、不活性ガスの雰囲気に置換して、前記反応炉内を降温することを特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   In the temperature lowering step, after the temperature in the reaction furnace is lowered to 950 ° C. or less in an atmosphere containing the nitrogen oxide gas, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an inert gas atmosphere from the atmosphere containing the nitrogen oxide gas. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 2, wherein the temperature in the reactor is lowered. 前記窒素酸化物ガスは、一酸化窒素(NO)ガス、一酸化二窒素(N2O)ガスおよび二酸化窒素(NO2)ガスから選択される少なくとも1種のガスであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The nitrogen oxide gas is at least one gas selected from nitrogen monoxide (NO) gas, dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, and nitrogen dioxide (NO 2 ) gas. Item 4. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of Items 1 to 3. 前記窒化処理工程では、前記反応炉内の温度を900℃以上1450℃以下として、前記熱処理を行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   5. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein, in the nitriding treatment step, the heat treatment is performed at a temperature in the reaction furnace of 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower. . 前記窒化処理工程では、前記反応炉内の温度を1150℃以上1350℃以下として、前記熱処理を行うことを特徴とする請求項5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 5, wherein in the nitriding treatment step, the heat treatment is performed at a temperature in the reaction furnace of 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. 前記二酸化珪素膜形成工程では、
前記炭化珪素基体の表面に、化学的気相成長法によって前記二酸化珪素膜を堆積して形成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
In the silicon dioxide film forming step,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon dioxide film is deposited on the surface of the silicon carbide substrate by chemical vapor deposition. .
前記二酸化珪素膜形成工程では、
前記炭化珪素基体の表面を、酸素を含む雰囲気中で熱酸化することによって、前記二酸化珪素膜を形成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
In the silicon dioxide film forming step,
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon dioxide film is formed by thermally oxidizing the surface of the silicon carbide substrate in an atmosphere containing oxygen. Production method.
JP2012010129A 2012-01-20 2012-01-20 Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device Active JP5687220B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012010129A JP5687220B2 (en) 2012-01-20 2012-01-20 Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012010129A JP5687220B2 (en) 2012-01-20 2012-01-20 Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013149842A true JP2013149842A (en) 2013-08-01
JP5687220B2 JP5687220B2 (en) 2015-03-18

Family

ID=49047050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012010129A Active JP5687220B2 (en) 2012-01-20 2012-01-20 Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5687220B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015072974A (en) * 2013-10-02 2015-04-16 日産自動車株式会社 Semiconductor device manufacturing method
CN115295407A (en) * 2022-09-29 2022-11-04 浙江大学杭州国际科创中心 Preparation method of gate oxide structure of SiC power device and gate oxide structure

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1523032A2 (en) * 2003-10-09 2005-04-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Silicon carbide-oxide layered structure, production method thereof, and semiconductor device
JP2005109396A (en) * 2003-10-02 2005-04-21 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Manufacturing method of semiconductor device, and insulating film forming system
JP2005136386A (en) * 2003-10-09 2005-05-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Silicon carbide-oxide laminate, manufacturing method therefor, and semiconductor device
JP2006156478A (en) * 2004-11-25 2006-06-15 Mitsubishi Electric Corp Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method
JP2006210818A (en) * 2005-01-31 2006-08-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor element and its manufacturing method
JP2007053227A (en) * 2005-08-18 2007-03-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2008244455A (en) * 2007-02-28 2008-10-09 Denso Corp Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2011049368A (en) * 2009-08-27 2011-03-10 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011146580A (en) * 2010-01-15 2011-07-28 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
WO2011111627A1 (en) * 2010-03-12 2011-09-15 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device, and process for production thereof
JP2012039127A (en) * 2009-03-11 2012-02-23 Mitsubishi Electric Corp Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device
JP2012038919A (en) * 2010-08-06 2012-02-23 Mitsubishi Electric Corp Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005109396A (en) * 2003-10-02 2005-04-21 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Manufacturing method of semiconductor device, and insulating film forming system
EP1523032A2 (en) * 2003-10-09 2005-04-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Silicon carbide-oxide layered structure, production method thereof, and semiconductor device
JP2005136386A (en) * 2003-10-09 2005-05-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Silicon carbide-oxide laminate, manufacturing method therefor, and semiconductor device
JP2006156478A (en) * 2004-11-25 2006-06-15 Mitsubishi Electric Corp Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method
JP2006210818A (en) * 2005-01-31 2006-08-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor element and its manufacturing method
JP2007053227A (en) * 2005-08-18 2007-03-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2008244455A (en) * 2007-02-28 2008-10-09 Denso Corp Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2012039127A (en) * 2009-03-11 2012-02-23 Mitsubishi Electric Corp Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device
JP2011049368A (en) * 2009-08-27 2011-03-10 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011146580A (en) * 2010-01-15 2011-07-28 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
WO2011111627A1 (en) * 2010-03-12 2011-09-15 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device, and process for production thereof
JP2012038919A (en) * 2010-08-06 2012-02-23 Mitsubishi Electric Corp Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015072974A (en) * 2013-10-02 2015-04-16 日産自動車株式会社 Semiconductor device manufacturing method
CN115295407A (en) * 2022-09-29 2022-11-04 浙江大学杭州国际科创中心 Preparation method of gate oxide structure of SiC power device and gate oxide structure

Also Published As

Publication number Publication date
JP5687220B2 (en) 2015-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5306193B2 (en) Silicon carbide switching device including p-type channel and method of forming the same
JP5603008B2 (en) Method for forming SiCMOSFET having large inversion layer mobility
JPWO2007086196A1 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011091186A (en) Method of fabricating silicon carbide semiconductor device
JP6052911B2 (en) Formation of SiC MOSFET with high channel mobility by treating oxide interface with cesium ions
JP6222771B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2011082454A (en) Insulating film structure, and semiconductor device using the same
JP2006210818A (en) Semiconductor element and its manufacturing method
JP4745396B2 (en) Method for fabricating an oxide layer on a silicon carbide layer using atomic oxygen
JP6945585B2 (en) How to Form Wide Bandgap Semiconductor Devices and Wide Bandgap Semiconductor Devices
JP4549167B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP5800107B2 (en) Silicon carbide semiconductor device
JP2004533727A (en) Method for increasing mobility of inversion layer of silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor
JP2010034481A (en) Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device
WO2014024568A1 (en) Silicon-carbide semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2012038919A (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP5197474B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP5126240B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP5687220B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP6162388B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2016201500A (en) Silicon carbide mos type semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2013247141A (en) Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP6066874B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP6253133B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP6582537B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130930

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140428

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140507

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140704

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20141224

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150121

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5687220

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250