JP3372528B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化珪素半導体
あるいはダイヤモンド半導体について、金属−酸化膜−
半導体（MOS）構造、あるいは、MOS電界効果型トランジ
スタを搭載した半導体装置の製造方法に関し、特に、化
学的気相成長方法で形成した酸化珪素膜を高温でアニー
ルすることにより特性の良い金属−酸化膜−半導体（MO
S）構造、あるいは、MOS電界効果型トランジスタを搭載
した半導体装置を製造する方法に関している。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板に酸化珪素膜をつけた後にア
ニールをして膜質を改善する方法については、既にいく
つかの発明が開示されている。

【０００３】例えば、アメリカ合衆国特許（ＵＳＡ．Ｐ
ＡＴ．Ｎｏ．US6028012号公報）に、炭化珪素半導体に
化学的気相成長方法で酸化珪素膜を付けることが記載さ
れている。しかし、この公報においては、アニールによ
る効果については記載されていない。

【０００４】また、アメリカ合衆国特許（ＵＳＡ．ＰＡ
Ｔ．Ｎｏ．US3925107号公報）には、ゲート絶縁体中の
固定電荷を減少させるために、ヘリウム、ネオン、アル
ゴン、クリプトン、キセノン中で、９００℃以上の温度
で、１０分間以上アニールすることが記載されている。
しかし、この公報においては、化学的気相成長方法でつ
けた酸化珪素膜のアニールによる効果については記載さ
れていない。

【０００５】また、アメリカ合衆国特許（ＵＳＡ．ＰＡ
Ｔ．Ｎｏ．US5465249号公報）には、６Ｈ−ＳｉＣを１
１００℃、１２００℃、１３００℃でウェット酸化し
て、引き続きＡｒ／４％Ｈ₂中でアニールすることによ
り、高温であるほど酸化膜中の固定電荷が減少すること
が記載されている。しかし、この公報においては、化学
的気相成長方法でつけた酸化珪素膜のアニールによる効
果については記載されていない。

【０００６】また、アメリカ合衆国特許（ＵＳＡ．ＰＡ
Ｔ．Ｎｏ．US5350944号公報）には、ダイヤモンド上に
化学的気相成長方法で酸化珪素膜をつけ、１２００℃で
アニールした場合の密着性について記載されている。し
かし、この公報においては、アニールによる界面準位密
度の変化については記載されていない。

【０００７】一般に、半導体基板上にゲート酸化膜を有
する半導体装置においては、ゲート絶縁膜として化学的
気相成長方法で形成された酸化珪素膜を用いると、ゲー
ト絶縁膜と半導体の界面に発生する界面準位密度は高
く、チャネル移動度が低下する原因となる。半導体基板
の組成上、あるいはその物性的な観点から熱酸化膜を用
いることができない場合に、化学的気相成長方法により
ゲート絶縁膜を形成すると、問題となる場合があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
装置の製造方法において、化学的気相成長方法でゲート
絶縁膜を形成する場合は、絶縁膜を形成後、１１００℃
以下の温度でアニールされており、特に、最近の超ＬＳ
Ｉ用の１００Å以下のゲート絶縁膜の一部を化学的気相
成長方法で形成する場合は、１０００℃以下でアニール
されており、まだ界面準位密度を低下させうる可能性が
あった。

【０００９】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
半導体上に化学的気相成長方法で形成した酸化珪素膜の
膜質を向上させることにより、二酸化珪素と半導体との
界面における界面準位密度の低い良好な界面を形成する
ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、半導体装置の製造方法に
関しており、半導体基板上に化学的気相成長方法で二酸
化珪素膜を形成する手続きと、その二酸化珪素膜のつい
た半導体基板を不活性ガス中で１１００℃乃至１４００
℃の温度範囲で３０分間以上にわたり熱処理をする手続
きと、その熱処理された半導体基板に電極を形成する手
続きと、を含むことを特徴としている。

【００１１】また、請求項２に記載の発明は、半導体基
板に関しており、上記した請求項１に記載の発明の製造
方法に加えて、上記の化学的気相成長方法で形成する二
酸化珪素膜に最も近い半導体層は、炭化珪素層、あるい
は、ダイヤモンド層であることを特徴としている。

【００１２】また、請求項３に記載の発明は、アニール
の雰囲気に関しており、上記した請求項１に記載の発明
の製造方法に加えて、上記の不活性ガスは、アルゴン、
窒素、あるいはヘリウムのいずれかを含むことを特徴と
している。

【００１３】また、請求項４に記載の発明は、膜の成長
方法に関しており、上記した請求項１に記載の発明の製
造方法に加えて、化学的気相成長方法として、すくなく
とも原料の一部にシランおよび酸素、あるいは、シラン
および亜酸化窒素（N₂O）を用いてLPCVD(Low Pressure
Chemical VaporDeposition)法、APCVD(Atmosphere Pres
sure Chemical Vapor Deposition)法、あるいは、PECVD
(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法で形
成された二酸化珪素膜を用いたことを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
詳細に説明する。先ず具体的な製造プロセスを説明し、
次に、そのプロセスによるサンプルの測定結果を説明す
る。

【００１５】シリコン(0001)面から８°オフした表面を
持つＮ型4H-SiC基板上に4H-SiCをエピタキシァル成長さ
せた半導体基板（n型、つまり、ドナー密度（Nd）−ア
クセプタ密度（Na）=１×10¹⁶/cm³である）を通常のRCA
洗浄をした後、犠牲酸化膜を形成しフッ酸で除去した。
次いで、シランと酸素を４００℃〜８００℃で反応させ
て二酸化珪素を炭化珪素基板上に堆積してゲート酸化膜
を形成する。本実施例においては、４００℃のLPCVD法
で50nmの酸化珪素膜を形成した。その後、試料を流量1
リットル／分のアルゴンガス中で１０００℃〜１２５０
℃の範囲で３０分間熱処理した。最終的にアルミニウム
（Al）をゲート電極と半導体基板とのオーミックコンタ
クトに用いてMOS構造サンプルを作製した。このサンプ
ルは、電磁シールドされた金属の箱の中で、光を遮断し
た状態で容量―電圧（CV）、および電流―電圧（IV）特
性を測定した。図１に、評価に使用したMOS構造サンプ
ルの断面模式図を示す。ここで、ゲート電極としては、
良く知られているように、ドープしたポリシリコンでも
良く、あるいは、高融点金属を用いたポリサイド構造で
あっても良い。

【００１６】図２に同時容量-電圧測定法で測定された
高周波ＣＶ特性（測定周波数f=100kHz）と準静的ＣＶ特
性（ステップ電圧Vs=50mV,遅延時間td=10秒）を示す。
実線が、高周波ＣＶ特性で、破線が準静的ＣＶ特性であ
る。この２つＣＶ特性の容量差が大きいほど、界面準位
密度（D_it）が大きいことを示している。熱処理温度
が、１０００℃から上昇するにつれて、高周波ＣＶ容量
と準静的ＣＶ容量の差が小さくなり界面準位密度が減少
しているのがわかる。図3に図２のデータからhigh-low
法により数１を用いて算出された、界面準位密度
（D_it）のSiCのエネルギーバンド内の分布を示す。

【００１７】

【数１】

【００１８】ここで、qは、電子の電荷、 C_h、C_q、C_ox
は、各々、単位面積あたりの高周波容量、準静的容量、
酸化膜容量である。図３に示された結果から、界面準位
密度は、１０５０℃までは、ほとんど変化しない。ま
た、Ecを伝導帯エネルギーレベルとし、Eを測定された
エネルギーレベルとするとき、Ec-E=0.2eVで界面準位密
度Dit=1×10¹³eV^-1cm^-2と値も高いが、それより高温で
は、界面準位密度D_itでは急激に減少して、約１２５０
℃で下方に飽和する。したがって、不活性ガス熱処理温
度は、１１００℃以上で効果があるので、本発明の有効
な下限温度は、本実施例においては、１１００℃に制限
される。また、シリコン酸化膜の融点は１４００℃なの
で上限は、本発明の適用限界は１４００℃である。

【００１９】上記のように界面準位密度が低下する場合
は、MOS型電界効果トランジスタの電荷移動度が増大
し、トランジスタのチャンネル抵抗が減少することが知
られている。従って、本発明の製造方法をMOS型電界効
果トランジスタに適用した場合も有効であることは容易
に理解できる。さらに、本発明は、トレンチあるいは浅
いトレンチ構造の素子分離に用いた化学的気相成長方法
による酸化珪素膜にも容易に適用できる。

【００２０】以上の説明では炭化珪素の場合について取
り扱ったが、半導体基板としては、ダイヤモンド、シリ
コン、窒化ガリウムなどの半導体では、上記と同様な効
果があることは容易に理解できる。また、不活性ガスと
しては、アルゴンを用いたが窒素、ヘリウムを用いた場
合も同様の効果があることも容易に理解できる。さら
に、化学的気相成長方法で形成された酸化珪素膜として
は、シランと酸素あるいは、シランと亜酸化窒素（N
₂O）を原料として、LPCVD(LowPressure Chemical Vapor
Deposition)法、APCVD(Atmosphere Pressure Chemical
Vapor Deposition)法、あるいはPECVD(Plasma Enhanced
Chemical Vapor Deposition)法で形成された酸化珪素
膜すべてにおいて同様な効果があることを想像するのは
容易である。

【００２１】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００２２】請求項１に記載の発明では、化学的気相成
長方法によるゲート酸化膜であっても、酸化膜と半導体
との界面に存在する界面準位密度を減少させることがで
きた。

【００２３】また、請求項２に記載の発明では、半導体
基板として、１４００℃までの温度に耐えられるものを
用いることにしたので、高温の基板に与える影響を少な
くすることができた。

【００２４】また、請求項３に記載の発明では、比較的
安価な不活性ガスを用いるようにしたので、製造コスト
を低下させることができた。

【００２５】さらに、請求項４に記載の発明では、既に
良く知られた化学的気相成長方法を用いることにしたの
で、製造コストの上昇を避けることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＶ特性の評価に使用した、MOS構造の断面模
式図である。

【図２】同時容量-電圧測定法で測定された高周波ＣＶ
特性（実線、測定周波数f=100kHz）と準静的ＣＶ特性
（破線、ステップ電圧Vs=50mV、遅延時間td=10秒）に対
するアルゴンアニール温度依存性を示す図である。

【図３】high-low法により算出された界面準位密度（D
_it）のSiCのエネルギーバンド内の分布に対するアルゴ
ンアニール温度依存性を示す図である。

フロントページの続き (72)発明者 福田 憲司 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 荒井 和雄 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 趙 元珠 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 小杉 亮治 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 鈴木 誠二 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−105848（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−294540（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 29/78

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に化学的気相成長方法で二
   酸化珪素膜を形成する手続きと、その二酸化珪素膜のつ
   いた半導体基板を不活性ガス中で１１００℃乃至１４０
   ０℃の温度範囲で３０分間以上にわたり熱処理をする手
   続きと、その熱処理された半導体基板に電極を形成する
   手続きと、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体装置の製造方法
   において、上記の化学的気相成長方法で形成する二酸化
   珪素膜に最も近い半導体層は、炭化珪素層、あるいは、
   ダイヤモンド層であることを特徴とする半導体装置の製
   造方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の半導体装置の製造方法
   において、上記の不活性ガスは、アルゴン、窒素、ある
   いはヘリウムのいずれかを含むことを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の半導体装置の製造方法
   において、化学的気相成長方法として、すくなくとも原
   料の一部にシランおよび酸素、あるいは、シランおよび
   亜酸化窒素（N₂O）を用いてLPCVD(Low Pressure Chemic
   al VaporDeposition)法、APCVD(Atmosphere Pressure C
   hemical Vapor Deposition)法、あるいは、PECVD(Plasm
   a Enhanced Chemical Vapor Deposition)法で形成され
   た二酸化珪素膜を用いたことを特徴とする半導体装置の
   製造方法。