JP3459975B2 - 酸化膜／炭化珪素界面の作製法 - Google Patents
酸化膜／炭化珪素界面の作製法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/0445—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising crystalline silicon carbide
- H01L21/048—Making electrodes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板として炭化
珪素を用いた金属−酸化膜−半導体（MOS）構造を有す
るキャパシタ、あるいは、電界効果型トランジスタの作
製において、良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成する技
術に関する。
珪素を用いた金属−酸化膜−半導体（MOS）構造を有す
るキャパシタ、あるいは、電界効果型トランジスタの作
製において、良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成する技
術に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、金属−酸化膜−半導体 (MOS)構
造を有するキャパシタ、電界効果型トランジスタを作製
する場合、半導体基板の前処理洗浄が酸化膜/半導体界
面の特性、酸化膜信頼性に大きな影響を及ぼす。半導体
基板として炭化珪素を用いる場合も同様であり、その前
処理工程にはシリコン半導体と同様にRCA洗浄（RCA洗浄
とは、アンモニア・過酸化水素水洗浄(SC1)と塩酸・過
酸化水素水洗浄(SC2)を基本とするSi基板のウエット洗
浄法である。）が一般的手法として行われている。しか
しながら、RCA洗浄のみで作製した炭化珪素MOSキャパシ
タを作製し高周波CV特性を測定すると、酸化膜/炭化珪
素の界面特性を特徴付けるフラットバンドシフト電圧(D
VFB)が、1-2Vと大きな値となる。そのため、炭化珪素を
用いてMOSキャパシタを作成する場合には、RCA洗浄に加
え、炭化珪素基板表面を熱的に10-100 nm程度酸化し、
それをフッ酸水溶液で除去するといったことも行われて
いる（犠牲酸化処理）。これは、犠牲酸化処理を行うこ
とで表面の欠陥層を除去するためと考えられる。しかし
ながら、RCA洗浄、犠牲酸化処理といった従来の炭化珪
素基板の前処理工程は、シリコン半導体に対して確立さ
れてきたものであり、炭化珪素に対する有効性は未確認
であった。事実RCA洗浄に加えて犠牲酸化処理を行った
炭化珪素MOSキャパシタにおいて高周波CV測定を行った
ところ、DVFBは1.0〜1.2V程度の値を示すことを確認し
ている。
造を有するキャパシタ、電界効果型トランジスタを作製
する場合、半導体基板の前処理洗浄が酸化膜/半導体界
面の特性、酸化膜信頼性に大きな影響を及ぼす。半導体
基板として炭化珪素を用いる場合も同様であり、その前
処理工程にはシリコン半導体と同様にRCA洗浄（RCA洗浄
とは、アンモニア・過酸化水素水洗浄(SC1)と塩酸・過
酸化水素水洗浄(SC2)を基本とするSi基板のウエット洗
浄法である。）が一般的手法として行われている。しか
しながら、RCA洗浄のみで作製した炭化珪素MOSキャパシ
タを作製し高周波CV特性を測定すると、酸化膜/炭化珪
素の界面特性を特徴付けるフラットバンドシフト電圧(D
VFB)が、1-2Vと大きな値となる。そのため、炭化珪素を
用いてMOSキャパシタを作成する場合には、RCA洗浄に加
え、炭化珪素基板表面を熱的に10-100 nm程度酸化し、
それをフッ酸水溶液で除去するといったことも行われて
いる（犠牲酸化処理）。これは、犠牲酸化処理を行うこ
とで表面の欠陥層を除去するためと考えられる。しかし
ながら、RCA洗浄、犠牲酸化処理といった従来の炭化珪
素基板の前処理工程は、シリコン半導体に対して確立さ
れてきたものであり、炭化珪素に対する有効性は未確認
であった。事実RCA洗浄に加えて犠牲酸化処理を行った
炭化珪素MOSキャパシタにおいて高周波CV測定を行った
ところ、DVFBは1.0〜1.2V程度の値を示すことを確認し
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、炭化珪素基
板を用いて金属−酸化膜−半導体(MOS)構造を形成する
際に、通常のプロセスに加え、紫外線照射を伴うオゾン
暴露による前処理洗浄工程を付加することにより、フラ
ットバンドシフト電圧の小さい良好な酸化膜/炭化珪素
界面を形成することを目的とする。
板を用いて金属−酸化膜−半導体(MOS)構造を形成する
際に、通常のプロセスに加え、紫外線照射を伴うオゾン
暴露による前処理洗浄工程を付加することにより、フラ
ットバンドシフト電圧の小さい良好な酸化膜/炭化珪素
界面を形成することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、炭化珪素半導
体基板上に、ゲート酸化膜を形成する前の基板前処理工
程において、基板の温度を室温から１２００℃の範囲に
保ち、紫外線を照射しつつオゾン濃度が20vol%〜100vol
%でオゾン暴露を行うことにより、フラットバンドシフ
ト電圧（DVFB）の小さい良好な酸化膜/炭化珪素界面が
形成できることを見いだし本発明を完成するにいたっ
た。
体基板上に、ゲート酸化膜を形成する前の基板前処理工
程において、基板の温度を室温から１２００℃の範囲に
保ち、紫外線を照射しつつオゾン濃度が20vol%〜100vol
%でオゾン暴露を行うことにより、フラットバンドシフ
ト電圧（DVFB）の小さい良好な酸化膜/炭化珪素界面が
形成できることを見いだし本発明を完成するにいたっ
た。
【０００５】
【本発明の実施の形態】半導体デバイス作製前の基板前
処理洗浄工程において紫外線照射を伴う減圧下でのオゾ
ン暴露することにより、信頼性の高い半導体デバイス形
成を可能にした。本発明の実施の形態は種々変形が可能
であるがまとめると以下の通りである。 （１） 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜を形成
する前の基板前処理工程において、基板の温度を室温か
ら１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつつ、オゾ
ン濃度が20vol%〜100vol%でオゾン暴露を行うことを特
徴とする酸化膜／炭化珪素界面の作成法。 （２） 雰囲気圧力を炭化珪素基板と紫外線照射窓間の
距離、紫外光の光量に応じて調整することを特徴とする
上記１記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （３） 雰囲気圧力を１〜１０ ５ Paで行う上記１または
上記２記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （４） 雰囲気がオゾン以外に酸素を含む上記１ないし
上記３のいずれかひとつに記載の酸化膜/炭化珪素界面
の作製法。 （５） 波長200〜300nmの紫外線を用いる上記１ないし
上記４のいずれか一つに記載した酸化膜／炭化珪素界面
の作成法。 （６） 紫外線を照射しつつオゾン暴露を行う前に、RC
A洗浄を行う上記１ないし上記５のいずれか一つに記載
した酸化膜／炭化珪素界面の作成法。
処理洗浄工程において紫外線照射を伴う減圧下でのオゾ
ン暴露することにより、信頼性の高い半導体デバイス形
成を可能にした。本発明の実施の形態は種々変形が可能
であるがまとめると以下の通りである。 （１） 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜を形成
する前の基板前処理工程において、基板の温度を室温か
ら１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつつ、オゾ
ン濃度が20vol%〜100vol%でオゾン暴露を行うことを特
徴とする酸化膜／炭化珪素界面の作成法。 （２） 雰囲気圧力を炭化珪素基板と紫外線照射窓間の
距離、紫外光の光量に応じて調整することを特徴とする
上記１記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （３） 雰囲気圧力を１〜１０ ５ Paで行う上記１または
上記２記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 （４） 雰囲気がオゾン以外に酸素を含む上記１ないし
上記３のいずれかひとつに記載の酸化膜/炭化珪素界面
の作製法。 （５） 波長200〜300nmの紫外線を用いる上記１ないし
上記４のいずれか一つに記載した酸化膜／炭化珪素界面
の作成法。 （６） 紫外線を照射しつつオゾン暴露を行う前に、RC
A洗浄を行う上記１ないし上記５のいずれか一つに記載
した酸化膜／炭化珪素界面の作成法。
【０００６】
【実施例】炭化珪素(SiC: Silicon Carbide)基板を用い
て実際にMOSキャパシタを作製し高周波CV測定を行い、
フラットバンド電圧シフト（DVFB）量から紫外線照射を
伴うオゾン前処理洗浄の効果を調べた。SiC基板には8°
オフ4H-SiC(0001)エピタキシャル基板を使用した。オゾ
ン前処理洗浄は、RCA洗浄に加え10 nmの犠牲酸化処理を
行った基板に対し、230〜500 nmの紫外線照射を行いな
がら、減圧下で高濃度オゾン(25％)ガスを室温で約１時
間暴露することで行った。オゾン暴露に紫外線照射を伴
うことで、励起状態の原子状酸素が生成し、より効果的
な炭化珪素基板の洗浄効果が期待できる。このオゾン前
処理洗浄後の基板を、1200 C、150分間ドライ酸化し、
約50 nmのゲート酸化膜を形成し、その上にAl電極を蒸
着してMOSキャパシタを作製した。ゲート酸化膜形成後
の後処理には、不活性ガス雰囲気での1200 C、30分間の
ポストアニールを行い、それを不活性ガス雰囲気で徐冷
した。また、比較として、(a) RCA洗浄のみを行ったも
の、(b) RCA洗浄+10 nm犠牲酸化処理したもの、(c) RCA
洗浄+100 nm犠牲酸化処理したものに対し、実施例と同
様にMOSキャパシタを作製し評価した。高周波CV特性
を、実施例を(d)とし、比較例(a), (b), (c)と共に、図
１に示す。図１における理想曲線とは、理想的な界面が
形成された場合の高周波CV特性である。DVFBの値は、理
想曲線のフラットバンド電圧と測定結果のそれとの差と
定義されるものである（図２）。図１から分かるよう
に、(a)、(b)および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線
に重なっている。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に
加え10、100 nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試み
ても、DVFBの値を改善させることは困難である。これら
の試料に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程
度である。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン
前処理を行った試料においては、DVFBの値が約0.1V程度
まで、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少する
ことが確認された（図2）。DVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるDVFBを減少させる技術として、紫外線照射を伴う
オゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効であること
を示すものである。
て実際にMOSキャパシタを作製し高周波CV測定を行い、
フラットバンド電圧シフト（DVFB）量から紫外線照射を
伴うオゾン前処理洗浄の効果を調べた。SiC基板には8°
オフ4H-SiC(0001)エピタキシャル基板を使用した。オゾ
ン前処理洗浄は、RCA洗浄に加え10 nmの犠牲酸化処理を
行った基板に対し、230〜500 nmの紫外線照射を行いな
がら、減圧下で高濃度オゾン(25％)ガスを室温で約１時
間暴露することで行った。オゾン暴露に紫外線照射を伴
うことで、励起状態の原子状酸素が生成し、より効果的
な炭化珪素基板の洗浄効果が期待できる。このオゾン前
処理洗浄後の基板を、1200 C、150分間ドライ酸化し、
約50 nmのゲート酸化膜を形成し、その上にAl電極を蒸
着してMOSキャパシタを作製した。ゲート酸化膜形成後
の後処理には、不活性ガス雰囲気での1200 C、30分間の
ポストアニールを行い、それを不活性ガス雰囲気で徐冷
した。また、比較として、(a) RCA洗浄のみを行ったも
の、(b) RCA洗浄+10 nm犠牲酸化処理したもの、(c) RCA
洗浄+100 nm犠牲酸化処理したものに対し、実施例と同
様にMOSキャパシタを作製し評価した。高周波CV特性
を、実施例を(d)とし、比較例(a), (b), (c)と共に、図
１に示す。図１における理想曲線とは、理想的な界面が
形成された場合の高周波CV特性である。DVFBの値は、理
想曲線のフラットバンド電圧と測定結果のそれとの差と
定義されるものである（図２）。図１から分かるよう
に、(a)、(b)および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線
に重なっている。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に
加え10、100 nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試み
ても、DVFBの値を改善させることは困難である。これら
の試料に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程
度である。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン
前処理を行った試料においては、DVFBの値が約0.1V程度
まで、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少する
ことが確認された（図2）。DVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるDVFBを減少させる技術として、紫外線照射を伴う
オゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効であること
を示すものである。
【０００７】これら4つの試料に対し高周波CV測定を行
った結果を図1に示す。図から分かるように、(a)、(b)
および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線に重なってい
る。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に加え10、100
nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試みても、ΔＶ
ＦＢの値を改善させることは困難である。これらの試料
に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程度であ
る。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン前処理
を行った試料においては、ΔＶＦＢの値が約0.1V程度ま
で、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少するこ
とが確認された（図2）。ΔVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるΔＶＦＢを減少させる技術として、紫外線照射を
伴うオゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効である
ことを示すものである。
った結果を図1に示す。図から分かるように、(a)、(b)
および(c)の高周波CV曲線はほぼ同一曲線に重なってい
る。すなわち、表面をRCA洗浄、RCA洗浄に加え10、100
nm犠牲酸化処理を行い欠陥層の除去を試みても、ΔＶ
ＦＢの値を改善させることは困難である。これらの試料
に対するDVFBの値は図2に示すように、約1.1V程度であ
る。これに対し、(d)の紫外線照射を伴うオゾン前処理
を行った試料においては、ΔＶＦＢの値が約0.1V程度ま
で、すなわち(a), (b), (c)と比較し1V程度減少するこ
とが確認された（図2）。ΔVFBの値は、MOS構造におけ
る酸化膜中のトラップ電荷(Qot)、可動イオン(Qm)、固
定電荷(Qf)あるいは界面トラップ(Qt)らの組み合わせに
よって生じるものであり、全て酸化膜/半導体界面特性
を劣化させる要因である。本実施例は、炭化珪素を半導
体材料として用いたMOSキャパシタおよびMOS電界効果型
トランジスタを作製する上で、MOS界面特性の劣化要因
となるΔＶＦＢを減少させる技術として、紫外線照射を
伴うオゾン暴露による炭化珪素基板前処理が有効である
ことを示すものである。
【０００８】
【本発明の効果】本発明の酸化膜／炭化珪素界面の作成
法を用いれば、フラットバンドシフト電圧（DVFB）の小
さい良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成することが確認
された。
法を用いれば、フラットバンドシフト電圧（DVFB）の小
さい良好な酸化膜/炭化珪素界面を形成することが確認
された。
【０００９】
【図１】は、高周波ＣＶ曲線特性図
【図２】は、ΔＶＦＢのプロセス依存性説明図
─────────────────────────────────────────────────────
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 先崎 純寿
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 大串 秀世
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
(56)参考文献 特開2001−244227（ＪＰ，Ａ)
Ｖ． Ｖ． Ａｆａｎａｓ’ｅｖ，Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ，米国，第68巻、第15号，ｐ.
2141−2143
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/304
H01L 21/316
H01L 29/78
Claims (6)
- 【請求項１】 炭化珪素半導体基板上に、ゲート酸化膜
を形成する前の基板前処理工程において、基板の温度を
室温から１２００℃の範囲に保ち、紫外線を照射しつ
つ、オゾン濃度が20vol%〜100vol%でオゾン暴露を行う
ことを特徴とする酸化膜／炭化珪素界面の作成法。 - 【請求項２】 雰囲気圧力を炭化珪素基板と紫外線照射
窓間の距離、紫外光の光量に応じて調整することを特徴
とする請求項１記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 - 【請求項３】 雰囲気圧力を１〜１０ ５ Paで行う請求項
１または２記載の酸化膜/炭化珪素界面の作製法。 - 【請求項４】 雰囲気がオゾン以外に酸素を含む請求項
１ないし請求項３のいずれか一つに記載した酸化膜／炭
化珪素界面の作成法。 - 【請求項５】 波長200〜300nmの紫外線を用いる請求項
１ないし請求項４のいずれか一つに記載した酸化膜／炭
化珪素界面の作成法。 - 【請求項６】 紫外線を照射しつつオゾン暴露を行う前
に、RCA洗浄を行う請求項１ないし請求項５のいずれか
一つに記載した酸化膜／炭化珪素界面の作成法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000049762A JP3459975B2 (ja) | 2000-02-25 | 2000-02-25 | 酸化膜／炭化珪素界面の作製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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