JP2016149428A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ基板の表面に酸化物絶縁膜を形成する場合、雰囲気ガス中の酸素がＳｉＣ基板内に侵入してＳｉＣ基板の品質が劣化する。それを防止するために、ＳｉＣ基板の表面を窒素で置換しておいて酸化物絶縁膜を堆積する技術等が開発されているが、ＳｉＣ基板内に侵入してしまった酸素には対応できない。
【解決手段】ＳｉＣ基板の表面にＳｉＯ_２より結合エネルギーが高い金属酸化物を形成する金属膜を形成し、その表面に酸化物絶縁膜を堆積する。すると、金属膜が、雰囲気ガス中の酸素がＳｉＣ基板内に侵入することを防止するとともに、ＳｉＣ基板内の酸素を吸引して金属酸化物を形成する。酸素による品質低下が少ないＳｉＣ基板を活用した半導体装置を実現できる。
【選択図】図１

Description

本明細書は、ＳｉＣ基板の表面に酸化物絶縁膜が形成されている半導体装置と、その製造方法を開示する。

ＳｉＣ基板の表面にゲート電極を形成する技術が知られており、ＳｉＣ基板とゲート電極の間に絶縁膜を介在させる技術が知られている。酸化物で絶縁膜を実現する技術も知られている。上記に例示するように、ＳｉＣ基板の表面に酸化物絶縁膜を形成することがある。

ＳｉＣ基板の表面に酸化物絶縁膜を形成する場合、酸素が半導体装置の特性を損ねるという問題が生じる。例えば（１）Ｓｉ−Ｃボンド間に不規則に酸素が入り込み、ひずみが生じることで電気的欠陥が生成される。（２）ＳｉＣ基板から酸化物絶縁膜に炭素が拡散する。あるいは（３）ＳｉＣ基板と酸化物絶縁膜の界面に炭素が析出するといった現象が生じる。ＳｉＣ基板の表面を酸化して酸化物絶縁膜を形成する場合には、酸化工程で上記現象が生じる。ＳｉＣ基板の表面に酸化物絶縁膜を堆積させる場合は、表面に酸化物絶縁膜を堆積させたＳｉＣ基板を熱処理する際に、上記現象が生じる。これらが発生すると、半導体装置の特性が低下する。例えば、ＳｉＣ基板から形成したＭＯＳのオン抵抗が増大する。あるいは閾値電圧が不安定となる。

上記の問題に対処する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術では、酸化物絶縁膜の堆積に先立ってＳｉＣ基板のＳｉ面を露出させ、表面に露出したＳｉをＮに置換し、その後に酸化物絶縁膜を堆積する。ＳｉをＮに置換してから酸化物絶縁膜を堆積すると、前記（１）〜（３）の事象が生じない。特許文献１の技術は、Ｎに置換した表面をバリア層に利用し、酸化物絶縁膜の形成時あるいはその後の熱処理時に、酸素がＳｉＣ基板に侵入することを防止する。

特開２０１４−７８７２７号公報

特許文献１の技術によると、酸化物絶縁膜の形成時あるいはその後の熱処理時に、酸素がＳｉＣ基板に侵入するのを防止することができる。しかしながら、酸化物絶縁膜の形成前に、酸素がＳｉＣ基板に侵入している場合には、その酸素による悪影響を防止することができない。実際には酸化物絶縁膜を形成する前にＳｉＣ基板に侵入している酸素量が無視できず、これによってＳｉＣ基板の電気特性が劣化するという問題がある。ＳｉＣ基板に酸化物絶縁膜を堆積する技術では、その後に加熱して酸化物絶縁膜の密度を高めることがある。それ以外の目的で、表面に酸化物絶縁膜が形成されているＳｉＣ基板に熱処理を加えることもある。ＳｉＣ基板に酸素が含まれていると、特許文献１の技術を利用しても、その熱処理によってＳｉＣがＳｉＯ_２に変質し、ＳｉＣ基板の表面にＣが析出する現象が生じる。析出したＣが、電気抵抗を上げ、あるいは閾値電圧を不安定にする。

本明細書では、酸化物絶縁膜の形成時あるいはその後の熱処理時に酸素がＳｉＣ基板に侵入することを防止するだけでなく、酸化物絶縁膜の形成前にＳｉＣ基板に侵入した酸素量を減少させる技術を開示する。

本明細書では、ＳｉＣ基板と、そのＳｉＣ基板の表面に形成されている界面膜と、その界面膜の表面に形成されている酸化物絶縁膜を備えている半導体装置を製造する方法を開示する。その製造方法は、ＳｉＯ_２より結合エネルギーが高い金属酸化物を形成する金属の膜をＳｉＣ基板の表面に形成する金属膜形成工程と、その金属膜の表面に酸化物絶縁膜を堆積させる堆積工程を備えている。ＳｉＯ_２より結合エネルギーが高い金属酸化物を形成する金属を用いると、その金属膜およびその金属膜が酸化した金属酸化物膜がバリアとなって、堆積工程またはその後の熱処理工程を実施する雰囲気ガス中の酸素がＳｉＣ基板に侵入することを防止するともに、堆積工程またはその後の熱処理工程の実施中にＳｉＣ基板内の酸素を吸引して金属酸化物を形成する現象が得られる。

上記方法によると、ＳｉＣ基板内の酸素量が低い半導体装置を製造することができる。基板表面にバリアを形成して酸素の侵入を防止する技術は、例えば特開２００４−１１１４４７号公報に開示されているように既知である。しかしながら、従来技術で用いる酸素バリアは、基板に既に侵入している酸素を吸引して基板内の酸素量を減少させるものでない。

本明細書でいう結合エネルギーは、ギブスの自由エネルギーの絶対値に相当する。また金属酸化物に含まれる酸素原子の数が等しくなる量の金属酸化物が持つ結合エネルギーをいう。
ギブスの自由エネルギーは負の値を持ち、値（＝絶対値＝結合エネルギー）が大きいほど安定していることに相当する。例えば、ＳｉＯ_２のギブスの自由エネルギーは−８５６．４ｋＪ／ｍｏｌであり、Ａｌ_２Ｏ_３のギブスの自由エネルギーは−１５８２．３ｋＪ／ｍｏｌである。両者を比較する場合には、酸素原子の数が等しくなる量の金属酸化物、例えば、ともに６個の酸素原子を含む３×ＳｉＯ_２の結合エネルギー（８５６．４×３）と２×Ａｌ_２Ｏ_３の結合エネルギー（１５８２．３×２）を比較する。前者の結合エネルギー＜後者の結合エネルギーであり、後者の方が安定している。ＳｉＣ基板内に侵入している酸素は、より安定なＡｌ_２Ｏ_３の形成に使用され、ＳｉＣ基板内の酸素量が減少する。

本明細書に記載の技術によると、界面膜がＳｉＯ_２より結合エネルギーが高い金属酸化物を含んでいる半導体装置が得られる。この半導体装置のＳｉＣ基板内の酸素量は低く、ＳｉＣ結晶の本来の性質を利用することができる。酸素の影響によって半導体装置の特性が低下する問題が解消される。

金属膜形成工程は、酸素を含まない雰囲気中で実施することが好ましい。また、酸化物絶縁膜堆積工程中に酸化が進行する金属膜の膜厚には限度がある。金属膜形成工程では、全厚みに亘って金属膜が酸化する厚みよりも薄い金属膜を形成することが好ましい。

本明細書に記載の技術によると、ＳｉＣ基板から半導体装置を製造した場合に、ＳｉＣ基板内の酸素量が低く抑えることが可能となり、ＳｉＣ結晶が本来持っている優れた性質を利用することが可能となる。例えばオン抵抗が低いＭＯＳを実現することができる。

実施例の半導体装置の断面図。 実施例の半導体装置の製造工程を示す図。 金属酸化物の結合エネルギーを示す図表。

以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）ＳｉＣ基板の表面に酸素を含まない雰囲気中でＡｌ膜を形成し、Ａｌ膜の表面にＳｉＯ_２を堆積する。
（特徴２）Ａｌ膜の膜厚は数原子層である。
（特徴３）Ａｌに代えて、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｌａ，Ｍｇを用いる。

図１は、本明細書に開示する技術を活用して製造した半導体装置（縦型のＭＯＳ）である。
参照番号２は、ＳｉＣ基板１４の裏面に形成したドレイン電極であり、ＳｉＣ基板１４の裏面にオーミック接触している。
参照番号４は、ｎ^＋型のＳｉＣ元基板である。ｎ型の導電性不純物の濃度が６×１０^１７／ｃｍ^３である。参照番号４は、ドレイン領域となる。
参照番号６は、ｎ^―型のＳｉＣエピタキシャル層である。厚みは１０μｍであり、ｎ型の導電性不純物である窒素の濃度が５×１０^１５／ｃｍ^３である。参照番号６は、ドリフト領域となる。
参照番号８は、ｐ^―型のイオン注入領域である。ｐ型の導電性不純物の濃度は１×１０^１５／ｃｍ^３〜５×１０^１６／ｃｍ^３である。参照番号８は、チャネル領域を提供するボディ領域となる。
参照番号１０は、ｎ^＋型のイオン注入領域である。ｎ型の導電性不純物の濃度は５×１０^１５／ｃｍ^３〜５×１０^１７／ｃｍ^３である。ｎ^＋型のイオン注入領域１０は、後記するソース電極１６にオーミック接触する。参照番号１０は、ソース領域となる。
参照番号１２は、ｐ^＋型のイオン注入領域である。ｐ型の導電性不純物の濃度は５×１０^１５／ｃｍ^３〜５×１０^１７／ｃｍ^３である。ｐ^＋型のイオン注入領域１２は、ソース電極１６にオーミック接触する。参照番号１２は、ボディコンタクト領域となる。
参照番号４，６，８，１０，１２等の各々は、ＳｉＣ基板１４の一部の領域ということができる。
参照番号１６は、ソース電極であり、ソース領域１０とボディコンタクト領域１２にオーミック接触する金属で形成されている。ソース電極１６は、ＳｉＣ基板１４の表面に形成されている。

参照番号１８は、界面膜であり、Ａｌ_２Ｏ_３で形成されている。その製造方法については後記する。
参照番号２０は、酸化物絶縁膜であり、ＳｉＯ_２で形成されている。ゲート絶縁膜となる。
参照番号２２は、ゲート電極である。ゲート電極２２は、ソース領域１０とドリフト領域６の間を分離している位置にあるボディ領域８に、ゲート絶縁膜２０を介して対向し、チャネル領域を形成する。

図２は、半導体装置の製造方法を示している。ステップ２では、各種の領域４，６，８，１０，１２が形成されているＳｉＣ基板１４を形成する。ＳｉＣ元基板４の表面にエピタキシャル層６を形成し、イオン注入を繰り返して、ボディ領域８とソース領域１０とボディコンタクト領域１２を備えているＳｉＣ基板１４を形成する。

ステップＳ４では、ＳｉＣ基板１４の表面にＡｌ膜を形成する。ここでは、数原子層の厚みを持つＡｌ膜を、酸素を含まない雰囲気中で形成する。ＳｉＣ基板１４内に酸素が侵入することがない。

ステップＳ６では、Ａｌ膜の表面にＳｉＯ_２膜を堆積する。実際には、ＣＶＤ方法、スパッタ―法、あるいは電子ビームを利用する蒸着法に依って、Ａｌ膜の表面にＳｉＯ_２膜を堆積する。
ＳｉＯ_２膜の堆積工程は、酸素を含む雰囲気中で実施する。堆積工程の間に、Ａｌ膜のＡｌはＡｌ_２０_３に変化する。図１の界面膜１８は、Ａｌ_２０_３で形成されている。
ＳｉＣ基板１４の表面にＡｌ膜を形成しておかないと、ＳｉＯ_２膜の堆積工程で用いる雰囲気ガス中の酸素がＳｉＣ基板１４の表面近傍に入り込み、ＳｉＣ結晶の構造を乱してしまう。本実施例では、Ａｌ膜およびそのＡｌが酸化したＡｌ_２０_３膜がバリアとなり、雰囲気ガス中の酸素がＳｉＣ基板１４の表面近傍に侵入するのを防止する。
またＳｉＯ_２膜の堆積工程に先立って、ＳｉＣ基板１４の表面近傍に酸素が侵入している。この酸素は、ＳｉＣの結晶構造を乱し、半導体装置の特性を低下させる。本実施例では、ＳｉＯ_２よりも大きな結合エネルギーを持つＡｌ_２０_３を形成するＡｌを用いることから、ＳｉＣ基板１４の表面近傍に侵入している酸素はＡｌ_２０_３を形成するためにＳｉＣ基板１４からＡｌ_２０_３層１８に吸引される。ＳｉＣ基板１４の表面近傍に侵入している酸素量が減少し、ＳｉＣの結晶構造が本来持っている特性が利用可能となる。

界面膜１８は、数原子層分の厚みを持っていれば、雰囲気ガス中の酸素がＳｉＣ基板１４の表面近傍に侵入するのを防止するバリア層となり、ＳｉＣ基板１４の表面近傍に侵入している酸素を吸引するゲッター層となる。また、数原子層分の厚みであれば、ＳｉＯ_２膜の堆積工程の間に、Ａｌ膜の全厚みにおいてＡｌが酸化してＡｌ_２０_３となる。界面膜１８は、数原子層分の厚みに相当する１ｎｍ程度の厚みとすることが好ましい。

絶縁膜２０は、ＳｉＯ_２に限られない。Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＨｆＡｌＯ、ＨｆＯＮ、ＨｆＳｉＯ_２Ｎなどであってもよい。
界面膜１８を形成する金属は、Ａｌに限られない。ＳｉＯ_２よりも大きな結合エネルギーを持つ金属酸化物を形成する金属であればよい。図３は、酸化物の結合エネルギーの大きさを示す（ギブスの自由エネルギーの絶対値）を示す。図３では、６個の酸素原子を含む量の金属酸化物が持つ結合エネルギーの大きさを示す。Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｌａ，ＭｇがＳｉＯ_２よりも大きな結合エネルギーを持つ金属酸化物を形成する。界面膜１８を形成する金属はＡｌに限られず、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｌａ，Ｍｇであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、図１の実施例では、界面膜１８が左側のソース電極から右側のソース電極まで連続している。これに代えて、チャネルの形成範囲に限定して界面膜１８を形成してもよい。同様な効果を得ることができる。また、図１の実施例では、プレーナ型のゲート電極２２を利用しているが、トレンチに埋め込んだゲート電極を利用する半導体装置に本技術を適用することもできる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ドレイン電極
４：ドレイン領域（ＳｉＣ元基板）
６：ドリフト領域
８：ボディ領域
１０：ソース領域
１２：ボディコンタクト領域
１４：ＳｉＣ基板
１６：ソース電極
１８：界面膜
２０：酸化物絶縁膜
２２：ゲート電極

Claims (3)

1. ＳｉＣ基板と、そのＳｉＣ基板の表面に形成されている界面膜と、その界面膜の表面に形成されている酸化物絶縁膜を備えており、
   前記界面膜がＳｉＯ_２より結合エネルギーが高い金属酸化物を含んでいる半導体装置。
2. ＳｉＣ基板と、そのＳｉＣ基板の表面に形成されている界面膜と、その界面膜の表面に形成されている酸化物絶縁膜を備えている半導体装置を製造する方法であり、
   ＳｉＯ_２より結合エネルギーが高い金属酸化物を形成する金属の膜をＳｉＣ基板の表面に形成する金属膜形成工程と、
   前記金属膜の表面に前記酸化物絶縁膜を堆積させる堆積工程を備えており、
   前記金属膜とその金属膜が酸化した前記金属酸化物膜が、前記堆積工程において、雰囲気ガス中の酸素が前記ＳｉＣ基板内に侵入することを防止するともに前記ＳｉＣ基板中の酸素を吸引することを特徴とする半導体装置製造方法。
3. 前記金属膜形成工程で、前記堆積工程中に前記金属膜の全厚みにおいて前記金属が酸化する厚みの金属膜を、酸素を含まない雰囲気中で形成することを特徴する請求項２に記載の半導体装置製造方法。

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