JP2016115860A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】炭化珪素半導体装置のオン抵抗を低減させる。【解決手段】炭化珪素基板３にゲート絶縁膜を形成する際、まず、炭化珪素基板３に酸化反応ガスを用いた酸化処理を行うことで、炭化珪素基板３の表面にゲート絶縁膜を形成する。次に、ゲート絶縁膜が形成された炭化珪素基板３に窒化反応ガスを用いた窒化処理を行う。これらの酸化処理および窒化処理は、同一の拡散炉１内で、１２００℃以上１３００℃以下の温度を維持したまま連続して行われる。【選択図】図１
Description
本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に、ゲート絶縁膜を備える炭化珪素半導体装置に関する。
近年、高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体素子が注目されており、インバータなどのパワー半導体装置への適用が期待されている。
パワー半導体装置としては、縦型の金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：ＭＯＳＦＥＴ）がよく知られているが、炭化珪素を用いてＭＯＳＦＥＴを形成する場合、炭化珪素層上に二酸化珪素などから成るゲート絶縁膜を形成する必要がある。炭化珪素層上に二酸化珪素膜を形成する方法としては、炭化珪素層の表層部を熱酸化する方法や、炭化珪素層の上に二酸化珪素膜を堆積させる方法があるが、いずれの方法を用いても、炭化珪素層と二酸化珪素膜との界面に界面準位ができる。この界面準位は、炭化珪素を用いて形成したＭＯＳＦＥＴ（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ）の電界効果移動度を、炭化珪素バルクでの移動度より低下させるように働き、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン動作時の抵抗（オン抵抗）を増加させ、その結果、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの損失を増大させる場合がある。
炭化珪素と二酸化珪素との界面にできる界面準位を不活性化させる方法として、炭化珪素上に二酸化珪素を形成した後に、それらを一酸化窒素（ＮＯ）ガスまたは一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガス中で高温処理する方法が知られている。例えば、下記の特許文献１では、炭化珪素層上に二酸化珪素膜を形成して成る基板を１２００℃以上１３００℃以下の温度に加熱して窒素と反応させることで、炭化珪素と二酸化珪素との界面を窒化する技術が開示されている。特に、特許文献１では、窒素と一酸化窒素との混合ガス（混合比は１：１〜９：１）を炉内に流し、その流量を、炉の内径１４０ｍｍφあたり０．７５ｓｌｍ以上にして、基板の設置位置を調整することで、混合ガスの炉の滞在時間を５０秒以内にしている。それにより、基板の近傍の位置において、一酸化窒素と窒素との反応により生じる酸素の分圧を、一酸化窒素の分圧に対して５／１００以下に制御している。
特許文献１の技術を用いれば、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の低減が期待できる。しかし、珪素（シリコン）を用いて形成したＭＯＳＦＥＴ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）に比べると、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は依然として高いため、さらにオン抵抗を下げることが要求されている。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、よりオン抵抗の低い炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素層に酸化反応ガスを用いた酸化処理を行うことで、前記炭化珪素層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記酸化処理の後に、前記ゲート絶縁膜が形成された前記炭化珪素層に窒化反応ガスを用いた窒化処理を行う工程と、を備え、前記酸化処理および前記窒化処理は、同一の処理装置内で、１２００℃以上１３００℃以下の温度を維持したまま連続して行われる。
本発明によれば、炭化珪素層とゲート絶縁膜との界面にできる界面準位がより不活性化されるため、炭化珪素半導体装置のオン抵抗を低減させることができる。また、酸化処理および窒化処理を同一の処理装置内で温度を維持して連続的に行うことで、処理時間を短縮できると共に、環境異物の影響を受けにくいという効果が得られる。さらに、酸化処理の後に、酸化反応ガスを不活性ガスに置換する処理を追加すると、炭化珪素半導体装置の特性の安定化を図ることができる。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法で用いる処理装置（炉）の構成を簡略的に示す図である。本実施の形態では、処理装置として拡散炉１を使用する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法で用いる処理装置（炉）の構成を簡略的に示す図である。本実施の形態では、処理装置として拡散炉１を使用する。
拡散炉１では、炭化珪素基板３（炭化珪素層）の表面に、二酸化珪素膜を形成するための酸化処理と、炭化珪素基板３と二酸化珪素膜との界面にできる界面準位を不活性化するための窒化処理とが行われる。その二酸化珪素膜は、炭化珪素半導体装置であるＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；ＩＧＢＴ）のゲート絶縁膜として用いられる。
拡散炉１内には、酸化処理および窒化処理の対象となる複数の炭化珪素基板３を保持できる支柱２が配設されている。また、拡散炉１には、酸化処理および窒化処理で用いられる各種のガスを拡散炉１内に導入するためのガス導入口４と、それらのガスを拡散炉１から排出するためのガス排出口５とが設けられている。
以下、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造における上記の酸化処理および窒化処理について説明する。図２は、それらの酸化処理および窒化処理を行うときの拡散炉１内の温度推移を示している。
まず、図１のように、炭化珪素基板３を支柱２に保持させて拡散炉１内に設置する。そして、酸化処理に必要な反応ガス（酸化反応ガス）および不活性ガスをガス導入口４から拡散炉１内へ導入して、拡散炉１内を加熱する。このとき、図２のように、拡散炉１内の温度を１２００℃以上１３００℃以下の温度まで上昇させる。そして、炭化珪素基板３上に二酸化珪素膜（ゲート絶縁膜）が所望の厚さ（例えば５０ｎｍ）だけ形成されるまで、拡散炉１内の温度を１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持する。
その後、拡散炉１内の温度は１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持させたまま、窒化処理に必要な反応ガス（窒化反応ガス）および不活性ガスをガス導入口４から拡散炉１内に導入すると共に、酸化処理で用いられて不要になったガスをガス排出口５から排出させる。これにより、拡散炉１内の処理が酸化処理から窒化処理へと移行する。窒化処理により、炭化珪素基板３と二酸化珪素膜と界面にできた界面準位が不活性化される。
窒化処理の間も拡散炉１内の温度は１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持される。また、拡散炉１内の温度は、図２のように、酸化処理と窒化処理とを通して一定（つまり、酸化処理の温度と窒化処理の温度が同じ）であることが好ましい。
窒化処理を規定の時間だけ行った後、拡散炉１内の温度を下げてから、炭化珪素基板３を拡散炉１から取り出す。この後、炭化珪素基板３の表面に形成した二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として用いる炭化珪素半導体装置が形成されるが、その形成方法は周知技術と同じでよいため、説明は省略する。
以上のように、本実施の形態では、炭化珪素基板３上に二酸化珪素膜を形成する酸化処理を行った後、そのまま同じ処理装置（拡散炉１）を用いて、温度を維持しながら連続的に窒化処理を行う。それにより、酸化処理と窒化処理とを分けて行う従来の方法よりも、炭化珪素と二酸化珪素の界面にできた界面準位をさらに不活性化して、オン抵抗を下げることができる。
図３に、本発明の実施の形態１の方法で作成したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗と、酸化処理と窒化処理とを分けて行う従来の方法で作成したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗との比較を示す。本発明に係る方法で形成した作成したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴでは、従来の方法で作成したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと比較して、同一のしきい値電圧で、オン抵抗が約７％小さくなったことが確認できた。
＜実施の形態２＞
実施の形態２では、実施の形態１における酸化処理と窒化処理との間に、酸化処理で用いた酸化反応ガスを、不活性ガス（例えば窒素ガスやアルゴンガス）に置換する処理（ガス置換処理）を行う。後述するように、ガス置換処理の間も、拡散炉１内の温度は、酸化処理および窒化処理と同様に、１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持する。よって、拡散炉１内の温度推移は実質的に図２と同様になる。
実施の形態２では、実施の形態１における酸化処理と窒化処理との間に、酸化処理で用いた酸化反応ガスを、不活性ガス（例えば窒素ガスやアルゴンガス）に置換する処理（ガス置換処理）を行う。後述するように、ガス置換処理の間も、拡散炉１内の温度は、酸化処理および窒化処理と同様に、１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持する。よって、拡散炉１内の温度推移は実質的に図２と同様になる。
以下、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造における上記の酸化処理および窒化処理について説明する。
まず、図１のように、炭化珪素基板３を支柱２に保持させて拡散炉１内に設置する。そして、酸化処理に必要な反応ガス（酸化反応ガス）および不活性ガスをガス導入口４から拡散炉１内へ導入して、拡散炉１内を加熱する。このとき、実施の形態１と同様に、拡散炉１内の温度を１２００℃以上１３００℃以下の温度まで上昇させる。そして、炭化珪素基板３上に二酸化珪素膜（ゲート絶縁膜）が所望の厚さ（例えば５０ｎｍ）だけ形成されるまで、拡散炉１内の温度を１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持する。
その後、酸化処理で用いた酸化反応ガスを、不活性ガス（例えば窒素ガスやアルゴンガス）に置換する処理（ガス置換処理）を行う。その間も、拡散炉１内の温度は１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持する（酸化処理と同じ温度に維持することが好ましい）。酸化反応ガスが不活性ガスに置換された結果、炭化珪素基板３に対して不活性ガス雰囲気での熱処理が行われることになる。炭化珪素基板３の表面にゲート絶縁膜を形成した後、不活性ガス雰囲気での熱処理が行われることで、炭化珪素半導体装置の特性の安定化を図ることができる。
酸化反応ガスが不活性ガスで置換された後も、拡散炉１内の温度は１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持する。不活性ガス雰囲気での熱処理の時間は、例えば５〜１０分である。
その後、拡散炉１内の温度は１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持させたまま、窒化処理に必要な反応ガス（窒化反応ガス）および不活性ガスをガス導入口４から拡散炉１内に導入すると共に、不要なガスをガス排出口５から排出させる。これにより、拡散炉１内の処理が窒化処理へと移行する。窒化処理により、炭化珪素基板３と二酸化珪素膜と界面にできた界面準位が不活性化される。
実施の形態１と同様に、窒化処理の間も拡散炉１内の温度は１２００℃以上１３００℃以下の範囲に維持される。また、拡散炉１内の温度は、酸化処理、ガス置換処理（不活性ガス雰囲気での熱処理）および窒化処理を通して一定であることが好ましい。
窒化処理を規定の時間だけ行った後、拡散炉１内の温度を下げてから、炭化珪素基板３を拡散炉１から取り出す。この後、炭化珪素基板３の表面に形成した二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として用いる炭化珪素半導体装置が形成される。
実施の形態２においても、実施の形態１と同様のオン抵抗低減効果が得られる（本発明者の実験では、図３と同様に約７％のオン抵抗の低減効果が確認できた）。つまり、実施の形態２では、実施の形態１の効果に加えて、さらに、ＭＯＳＦＥＴの特性の安定化の効果を得ることができる。
なお、実施の形態１，２のいずれにおいても、酸化処理と窒化処理を同一の処理装置内で連続的に行うことにより、酸化処理および窒化処理の総処理時間が短縮される。また、酸化処理と窒化処理の間に作業者が介在しないため、環境異物の影響を受けにくいという効果も得られる。
さらに、酸化処理と窒化処理の温度を同じにすることにより、炭化珪素半導体装置の特性のバラツキが低減することが期待できる。その理由は、酸化処理と窒化処理との間に温度変化があると、拡散炉１内および炭化珪素基板３内での温度勾配が変化するおそれがあり、特に、不活性ガスに窒素ガスを用いる場合には、炭化珪素基板３と二酸化珪素膜との界面の窒化量が変化し、その変化が炭化珪素半導体装置のチャネル移動度に影響を与えるからである。
なお、従来の珪素（Ｓｉ）を用いたパワー半導体装置（Ｓｉデバイス）の製造においても、ゲート絶縁膜の窒化処理を行う技術は存在した。しかし、それらの技術の目的はゲート絶縁膜の膜質改善であり、本発明のように移動度の改善を目的とするものではない。それは、Ｓｉデバイスは移動度が高いことによる。つまり、本発明は、移動度の改善という、炭化珪素半導体装置に特有の課題に着目したものであり、Ｓｉデバイスの製造におけるゲート絶縁膜の窒化処理とは本質的に異なるものである。
また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 拡散炉、２ 支柱、３ 炭化珪素基板、４ ガス導入口、５ ガス排出口。
Claims (2)
- 炭化珪素層に酸化反応ガスを用いた酸化処理を行うことで、前記炭化珪素層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化処理の後に、前記ゲート絶縁膜が形成された前記炭化珪素層に窒化反応ガスを用いた窒化処理を行う工程と、
を備え、
前記酸化処理および前記窒化処理は、同一の処理装置内で、１２００℃以上１３００℃以下の温度を維持したまま連続して行われる
ことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 炭化珪素層に酸化反応ガスを用いた酸化処理を行うことで、前記炭化珪素層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化処理の後に、前記酸化反応ガスを不活性ガスで置換するガス置換処理を行う工程と、
前記ガス置換処理の後に、前記ゲート絶縁膜が形成された前記炭化珪素層に窒化反応ガスを用いた窒化処理を行う工程と、
を備え、
前記酸化処理、前記ガス置換処理および前記窒化処理は、同一の処理装置内で、１２００℃以上１３００℃以下の温度を維持したまま連続して行われる
ことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
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