JP5057903B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、絶縁ゲートを有する炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に絶縁ゲートとなるゲート絶縁膜の製造方法に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、従来のシリコン（Ｓｉ）半導体に比べ高い耐電圧特性を有する炭化珪素半導体装置が製作可能であり、次世代の高電力用半導体装置として期待されている。このような炭化珪素半導体装置では、シリコン半導体基板上にゲート絶縁膜となる酸化膜を熱酸化法により形成するのと同様に、炭化珪素半導体基板上に熱酸化法により酸化膜を形成することができる。しかしながら酸化膜の膜質や炭化珪素半導体との界面特性は、炭化珪素に含まれる炭素の影響により、シリコンと比較するとはるかに劣ることが一般的に知られている。これが酸化膜の特性を劣化させ、炭化珪素半導体装置のリーク特性などの電気特性を不安定にする要因の一つとなっている。そのため酸化膜の膜質や炭化珪素半導体との界面特性の向上は、安定した炭化珪素半導体装置を得るための課題である。そしてこの課題解決に向けた幾つかの提案がなされている。
例えば、特許文献１においては、オゾンを用いて、活性化酸素を炭化珪素半導体基板の表面に供給して、その表面を原子層レベルで酸化して酸化膜を形成した後、この酸化膜上にシリコン膜を所定の膜厚で蒸着し、蒸着したシリコン膜を酸化させて所定の膜厚の酸化膜を形成する方法、或いはシリコン膜を形成する代わりに、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により所定の膜厚の酸化膜を直接堆積する方法が示されている。
また、特許文献２においては、炭化珪素半導体基板の表面に、熱酸化法による通常より薄い酸化膜の形成と、その後の雰囲気の異なるガス（Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、Ａｒ）中での熱処理とを繰り返して、所定の酸化膜厚を形成する方法、或いは炭化珪素半導体基板の表面に、熱酸化法による通常より薄い酸化膜の形成と、その後の雰囲気の異なるガス（Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、Ａｒ）中での熱処理とを行った後、ＣＶＤ法により酸化膜を堆積する方法が示されている。
しかしながら、特許文献１又は２に示す方法を利用して、炭化珪素半導体装置を製造しようとした場合、次に示すような課題が生じる。
第１に、特許文献１に示す方法においては、活性化酸素の発生源として、新たなオゾン製造装置等を追加する必要がある。そのため製造コストの低減が難しくなる。
第２に、特許文献１に示す方法においては、酸化しない条件で厚膜のシリコン膜を形成し、その後酸化させて酸化膜にすると、良質な酸化膜を得ることができない。例えば、耐電圧特性の低下などが生じる。
第３に、特許文献１及び特許文献２に示す方法においては、原子層レベルの酸化膜或いは薄い酸化膜を形成する製造装置と、その後の所定の膜厚まで酸化膜を堆積させる製造装置が別の装置となる。そのため製造コストの低減及び酸化膜間の界面の清浄化や制御が難しくなる。
第４に、特許文献２に示す方法においては、薄い酸化膜を形成する製造装置と、この酸化膜の形成前後に行われる熱処理を行う製造装置とは別の製造装置が必要となる。そのため製造コストの低減及び炭化珪素半導体と酸化膜の界面の清浄化や制御が難しくなる。
この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、新たな製造装置を追加する必要がなく、イオン注入後の熱処理からゲート絶縁膜となる酸化膜の形成に至る工程を、一つの製造装置内で連続して行うことを可能にする炭化珪素半導体装置の製造方法を提供するものである。それにより製造コストの低減と、酸化膜の膜質の改善、炭化珪素半導体基板と酸化膜の界面特性の改善、並びに酸化膜間の界面特性の改善による品質の向上に寄与する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることを目的とするものである。
この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、製造装置の一つである熱処理炉を用いて、この熱処理炉内に熱処理用ガスを供給し、不純物がイオン注入された炭化珪素半導体基板に熱処理を行う工程と、熱処理後、熱処理炉内に酸素を含むガスを供給し、炭化珪素半導体基板の一方面上にゲート絶縁膜となる薄膜の第１の酸化膜を形成する工程と、第１の酸化膜の形成後、熱処理炉内に酸素を含むガスと珪素を含むガスを供給し、第１の酸化膜上にゲート絶縁膜となる厚膜の第２の酸化膜を形成する工程とを含み、熱処理は、少なくとも２０℃／秒の昇温速度を有する熱処理炉を用いて行うようにしたことを特徴とするものである。
この発明によれば、炭化珪素半導体基板へのイオン注入後の熱処理工程と、炭化珪素半導体基板の一方面上に、酸素を含むガスを用いてゲート絶縁膜となる薄膜の第１の酸化膜を形成する工程と、酸素を含むガスと珪素を含むガスを用いて第１の酸化膜上にゲート絶縁膜となる厚膜の第２の酸化膜を形成する工程を、新たな製造装置を追加する必要がなく、一つの熱処理炉内で順次行うことを可能にしたので、製造コストの低減と、酸化膜の膜質の改善、炭化珪素半導体基板と酸化膜の界面特性の改善、並びに酸化膜間の界面特性の改善による品質の向上に寄与する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。
実施の形態１
この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、パワーＭＯＳＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を例として、その製造方法を説明した後、この発明に係る特徴的な製造方法について詳細に説明する。まず、パワーＭＯＳＦＥＴの製造方法を図１から図７を参照して、説明する。
この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、パワーＭＯＳＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を例として、その製造方法を説明した後、この発明に係る特徴的な製造方法について詳細に説明する。まず、パワーＭＯＳＦＥＴの製造方法を図１から図７を参照して、説明する。
まずｎ＋型（第１導電型）の半導体基板１の一方面上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、炭化珪素からなるｎ−型（第１導電型）の炭化珪素層２を形成する（図１）。半導体基板１としては、例えば、ｎ＋型の炭化珪素基板が好適である。この半導体基板１と炭化珪素層２でもって炭化珪素半導体基板（炭化珪素ウエハ）を構成する。
次に炭化珪素半導体基板の表面内、具体的には炭化珪素半導体基板を構成する炭化珪素層２の表面内の所定の間隔に離間した部位に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｐ型（第２導電型）のウェル領域３を選択的に形成する（図２）。炭化珪素層２内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。
次に、それぞれのウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、ｎ型（第１導電型）のソース領域４を選択的に形成する（図２）。ウェル領域３内でｎ型となる不純物としては、例えばリン（Ｐ）あるいは窒素（Ｎ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。
次に、ウェル領域３の表面内に、レジストをマスクとして、ｐ型（第２導電型）の不純物をイオン注入して、ソース領域４の周囲に隣接して、ｐ＋型（第２導電型）のコンタクト領域５を形成する（図２）。コンタクト領域５の不純物濃度は、ウェル領域３の不純物濃度より相対的に濃くなるように設定される。ウェル領域３内でｐ型となる不純物としては、例えばボロン（Ｂ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。イオン注入後、レジストは除去される。
次にイオン注入された炭化珪素半導体基板を、熱処理炉を用いて熱処理する。熱処理により注入イオンが電気的に活性化され、かつイオン注入により形成された結晶欠陥が回復する。なお熱処理方法の詳細については後述する。
次に、炭化珪素半導体基板の一方面上、具体的には炭化珪素層２上に、絶縁ゲートとなるゲート絶縁膜６を形成する（図３）。ゲート絶縁膜６は、熱処理に用いた熱処理炉内で、外部に取出されることなく、熱処理に続いて形成される。なおゲート絶縁膜６の形成方法の詳細については後述する。
次に、ゲート絶縁膜６上に、化学気相成長法によりポリシリコン膜を形成した後、不要部分を、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により除去してゲート電極７を形成する（図４）。
次に、ゲート絶縁膜６及びゲート電極７の表面上に、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）ガスを用いた化学気相成長法により、二酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる層間絶縁膜８を形成する（図５）。この工程で形成される層間絶縁膜８はＴＥＯＳ酸化膜である。
次に、レジストをマスクとして、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により、コンタクト領域５及び一部のソース領域４が露出するようにして、層間絶縁膜８及びゲート絶縁膜６の不要部分を除去する（図６）。その後、レジストも除去される。
次に、層間絶縁膜８及びゲート絶縁膜６が除去され露出したコンタクト領域５及び一部のソース領域４上に、例えばスパッタリングなどの物理気相成長法（ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法）により導電膜を形成する。その後、層間絶縁膜９の表面上に形成された導電膜の不要部分を、ウェットエッチング法あるいはＲＩＥなどによるドライエッチング法により除去して、コンタクト領域５及び一部のソース領域４上に、ソース電極（第１の主電極）９を形成する（図７）。ソース電極９は、コンタクト領域５及びソース領域４に電気的に接続されている。ソース電極９となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。
最後に、炭化珪素半導体基板の他方面上にスパッタリングなどの物理気相成長法により、導電膜からなるドレイン電極（第２の主電極）１０を形成する（図７）。ドレイン電極１０となる材料としてはニッケル（Ｎｉ）やアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。以上により、炭化珪素半導体装置であるＭＯＳＦＥＴの主要部が完成する。
次に、この発明の実施の形態１に係る特徴的な工程について詳細に説明する。
図８は、この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法における、イオン注入後の熱処理から炭化珪素半導体基板上にゲート絶縁膜６を形成するまでの処理シーケンス図である。この発明の実施の形態１においては、炭化珪素半導体基板に対するイオン注入後の熱処理からゲート絶縁膜６の形成に至るまでの処理が、一つの熱処理炉内で、炭化珪素半導体基板を外部に出す事なく、具体的には外気にさらすことなく、連続して行われる。
図８において、横軸は、熱処理からゲート絶縁膜６の形成にかかる時間を示し、縦軸は、熱処理及びゲート絶縁膜６の形成にかかるガスの動作及び処理温度を示す。
縦軸において、（ａ）は珪素（Ｓｉ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。珪素を含むガスとしては、例えば、シラン系のモノシラン（ＳｉＨ４）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）など、クロルシラン系のジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などがある。（ｂ）は酸素（Ｏ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。酸素を含むガスとしては、例えば、酸素（Ｏ２）や一酸化窒素（ＮＯ）又は亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などがある。（ｃ）は注入イオンを活性化するための熱処理用ガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。熱処理用ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ２）や不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）などがある。（ｄ）は炭化珪素半導体基板に対し、熱処理やゲート絶縁膜６の形成などを行う際の処理温度を示す。ここで処理温度は、熱処理炉内の温度及び炭化珪素半導体基板の温度を示す。熱処理炉内の温度は、具体的には、熱処理炉内で炭化珪素半導体基板を保持する半導体基板保持部の温度に相当する。符号ＲＴは室温、具体的には、熱処理炉内に炭化珪素半導体基板を導入又は熱処理炉内から炭化珪素半導体基板を取出し可能な温度である。
図８を参照して、この発明の実施の形態１に係るイオン注入後の熱処理からゲート絶縁膜６の形成に至るまでの処理工程の詳細を、処理開始から処理終了までの時間に沿って、各ステップに分けて説明する。図８中、各ステップはＳＴ１からＳＴ１１で示す。
図２に示す、不純物がイオン注入された炭化珪素半導体基板は、熱処理炉内に導入され、所定の位置に配置される。ここで用いる熱処理炉は、ランプ加熱による熱処理炉が好適である。ランプ加熱を用いた場合の昇温速度は、少なくとも２０℃／秒以上、具体的には２０℃／秒から１００℃／秒程度であるので、熱処理に要する時間が、一般的に用いられる熱処理に比べて短くて済む。このため、ランプ加熱を用いた熱処理は、熱処理時間が長いことにより炭化珪素半導体基板の表面に生じるステップバンチングと呼ばれる凹凸が生じにくく、比較的平坦な表面を得ることができる。比較的平坦な表面状態は、炭化珪素半導体基板とゲート絶縁膜６の間の界面特性の改善に寄与するので有利である。熱処理炉内には、熱処理用ガスである窒素（Ｎ２）若しくは不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）などが供給される。熱処理炉内の圧力は、常圧若しくは低圧に設定される。ここで低圧は、１×１０−３Ｐａ以下、具体的には１×１０−３Ｐａから１×１０−６Ｐａの範囲である。
（ＳＴ１：ｔ１−ｔ２）熱処理炉、好ましくはランプ加熱による熱処理炉内に配設された炭化珪素半導体基板は、窒素又はアルゴンなどの熱処理用ガスの雰囲気の中で、温度Ｔ１まで加熱される。ここで温度Ｔ１は、１５００℃から１９００℃までの範囲である。なおランプ加熱の場合は、昇温速度が２０℃／秒から１００℃／秒で加熱される。
（ＳＴ２：ｔ２−ｔ３）温度Ｔ１で、かつ窒素若しくはアルゴンなどの熱処理用ガスの雰囲気の中で、炭化珪素半導体基板に対して熱処理が行われる。時間ｔ２からｔ３までの熱処理にかかる時間は、１分から１０分程度である。この熱処理により注入イオンが電気的に活性化され、かつイオン注入により形成された結晶欠陥が回復する。
次に、熱処理後、同じ熱処理炉を用いて、炭化珪素半導体基板の一方面上、より詳しくは、炭化珪素層２上に、ゲート絶縁膜６が形成される。ここでは、ゲート絶縁膜６は、炭化珪素半導体基板の一方面上に、活性化酸素を用いて形成される薄膜の第１の酸化膜と、この第１の酸化膜上にシラン系のガス又はクロルシラン系のガスを用いて形成される厚膜の第２の酸化膜からなる。
（ＳＴ３：ｔ３−ｔ４）熱処理後、窒素又はアルゴンなどの熱処理用ガスの雰囲気の中で、処理温度は温度Ｔ５まで降温される。ここで温度Ｔ５は、酸素を含むガスを供給しても、酸化が極めて小さい温度であり、２００℃から４００℃までの範囲である。
（ＳＴ４：ｔ４−ｔ５）ＳＴ４は、処理温度が温度Ｔ５になった後、安定するまでの時間として設けているものであり、必要に応じて適宜定められる。
（ＳＴ５：ｔ５−ｔ６）熱処理用ガスである窒素もしくはアルゴンの供給が停止され、酸素を含むガスが熱処理炉内に供給される。処理温度は、酸化が極めて小さい温度であるＴ５から活性化酸素によって酸化が生じる温度であるＴ３まで昇温される。ここでＴ３は、５００℃以上、具体的には５００℃から８００℃までの範囲である。酸素を含むガスの圧力は、１×１０−２Ｐａから常圧までの範囲、具体的には１×１０−２Ｐａから２００Ｐａまでの範囲に設定される。なおここでは、酸素を含むガスを、アルゴンなどの不活性ガスと共に流してもよい。この場合、酸素を含むガスの圧力は、分圧として１×１０−２Ｐａから常圧までの範囲、具体的には１×１０−２Ｐａから２００Ｐａまでの範囲に設定される。
（ＳＴ６：ｔ６−ｔ７）処理温度Ｔ３で、酸素を含むガスの雰囲気の中で、炭化珪素半導体基板の一方面上、具体的には、炭化珪素層２上に、活性化酸素による薄膜の第１の酸化膜が形成される。活性化酸素による酸化は、比較的短時間で飽和し、１０ｎｍ程度の厚さにしかならない。ここでは、第１酸化膜の厚さの範囲として１ｎｍから５ｎｍが好適である。
（ＳＴ７：ｔ７−ｔ８）活性化酸素を用いて形成された第１の酸化膜は薄膜である。そのため、この第１の酸化膜上に厚膜の第２の酸化膜が形成される。この第１の酸化膜と第２の酸化膜によりゲート絶縁膜６を構成する。この第２の酸化膜は、熱処理炉内に、珪素を含んだガスと酸素を含んだガスを供給することにより形成される。処理温度は、良質な膜質が得られる温度に設定される。具体的には、珪素を含んだガスのうち、モノシラン（ＳｉＨ４）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）などのシラン系のガスを用いる場合は、処理温度をＴ４まで降温する（図中、実線で示す。）。ここでＴ４は、４００℃から５００℃の範囲である。また、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などのクロルシラン系のガスを用いる場合は処理温度をＴ２まで昇温する（図中、一点鎖線で示す。）。ここでＴ２は、７００℃から９００℃の範囲である。
（ＳＴ８：ｔ８−ｔ９）処理温度がＴ４（シラン系のガスの場合）又はＴ２（クロルシラン系のガスの場合）で、熱処理炉内に、酸素を含むガスに加えて珪素を含むガスが供給される。この時の酸素を含むガスと珪素を含むガスの供給比率は、適宜設定（１０対１から１対１０の範囲）される。酸素を含むガス及び珪素を含むガスの雰囲気の中で、第１の酸化膜上に、ＣＶＤなどの化学気相成長法により厚膜の厚膜の第２の酸化膜が形成される。この際、熱処理炉内の圧力は、１×１０−２Ｐａから２００Ｐａ程度に設定される。このように、第２の酸化膜を形成する際に、酸素を含むガスを供給することにより、形成中の第２の酸化膜中や炭化珪素半導体基板と第１の酸化膜との界面のサブオキサイドの酸化が進行する。そのため良質な酸化膜が得られる。なお、第１の酸化膜の厚さを１ｎｍから５ｎｍとして、第１の酸化膜の厚さを合わせた全体の厚さ（ゲート絶縁膜６の厚さ）が２０ｎｍから１００ｎｍとなるように第２の酸化膜を形成すれば、非常に良好な膜質及び界面特性が得られる。
（ＳＴ９：ｔ９−ｔ１０、ＳＴ９及びＳＴ１０：ｔ９−ｔ１０’）第２の酸化膜が形成された後、酸素を含むガス及び珪素を含むガスの供給が停止され、熱処理炉内に、窒素又はアルゴンなどの熱処理用ガスが供給される。熱処理用ガスの雰囲気の中で、処理温度は、温度ＲＴまで降温される。熱処理炉内の圧力は、常圧若しくは低圧に設定される。なお低圧は、１×１０−３Ｐａ以下、具体的には１×１０−３Ｐａから１×１０−６Ｐａの範囲である。なおＳＴ９は、シラン系ガスの場合の降温過程を示し、ＳＴ９及びＳＴ１０は、クロルシラン系ガスの場合の降温過程を示している。その後、炭化珪素半導体基板は、熱処理炉から取出され、図４に示すゲート電極７の形成工程に移る。
この発明の実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、炭化珪素半導体基板へのイオン注入後の熱処理工程と、炭化珪素半導体基板の一方面上に、酸素を含むガスを用いてゲート絶縁膜６となる薄膜の第１の酸化膜を形成する工程と、酸素を含むガスと珪素を含むガスを用いて第１の酸化膜上にゲート絶縁膜６となる厚膜の第２の酸化膜を形成する工程を、一つの熱処理炉内で順次行うようにした。これにより、新たな製造装置を追加する必要が無いために、製造コストの低減が可能となる。加えて、炭化珪素半導体基板を熱処理炉から取出す必要がないために、汚染の影響も少なくなり、炭化珪素半導体基板と第１の酸化膜及び第１の酸化膜と第２の酸化膜の間の界面の清浄化や制御が容易となる。
また、厚膜の第２酸化膜を形成する際に、珪素を含むガスに加え酸素を含むガスを供給しているので、形成中の第２の酸化膜中や炭化珪素半導体基板と第１の酸化膜との界面のサブオキサイドの酸化が進行するので、良質な酸化膜が得られる。即ち良質のゲート絶縁膜６を得ることができる。
よって、製造コストの低減と、ゲート絶縁膜６を構成する酸化膜の膜質の改善、炭化珪素半導体基板と第１の酸化膜の間の界面特性の改善、並びに第１及び第２の酸化膜の間の界面特性の改善による品質の向上に寄与する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。
加えて、この発明の実施の形態１によれば、熱処理の際にランプ加熱を用いているので、熱処理時間が短くなり、炭化珪素半導体基板の表面にステップバンチングが生じにくく、比較的平坦な表面を得ることができる。したがって、炭化珪素半導体基板とゲート絶縁膜６の間の界面特性が改善するので、より品質の向上に寄与する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。
なお、熱処理時間を短くすることができる加熱方法があれば、ランプ加熱を用いなくてもよく、その加熱方法を有した熱処理炉を用いることも当然可能であり、ランプ加熱による熱処理の場合と同様に、比較的平坦な表面を得ることができるので、ランプ加熱の場合と同じ効果を得ることができる。
実施の形態２
この発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。この実施の形態２において、実施の形態１と相違する工程は、注入イオンを活性化する熱処理後に炭化珪素半導体基板の表層部を除去する工程にある。これにより、熱処理後の炭化珪素半導体基板の表面状態が改善される。以下では、図９を参照し、実施の形態１と相違する工程について説明する。なお図９において、実施の形態１で示した図８と同等な工程については、同じ符号を付して、ここでの説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。この実施の形態２において、実施の形態１と相違する工程は、注入イオンを活性化する熱処理後に炭化珪素半導体基板の表層部を除去する工程にある。これにより、熱処理後の炭化珪素半導体基板の表面状態が改善される。以下では、図９を参照し、実施の形態１と相違する工程について説明する。なお図９において、実施の形態１で示した図８と同等な工程については、同じ符号を付して、ここでの説明は省略する。
図９は、この発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置の製造方法におけるイオン注入後の熱処理から炭化珪素半導体基板上にゲート絶縁膜６を形成するまでの処理シーケンス図である。この発明の実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、熱処理からゲート絶縁膜６の形成に至るまでの処理は、炭化珪素半導体基板を外部に出す事なく、一つの熱処理炉内で連続して行われる。
図９において、横軸は、熱処理からゲート絶縁膜６の形成にかかる時間を示し、縦軸は、熱処理及びゲート絶縁膜６の形成にかかるガスの動作及び処理温度を示す。
縦軸において、（ａ）は水素（Ｈ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。水素を含むガスとしては、例えば、水素（Ｈ２）やプロパン（Ｃ３Ｈ８）などがある。（ｂ）は珪素（Ｓｉ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。珪素を含むガスとしては、例えば、シラン系のモノシラン（ＳｉＨ４）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）など、クロルシラン系のジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などがある。（ｃ）は酸素（Ｏ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。酸素を含むガスとしては、例えば、酸素（Ｏ２）や一酸化窒素（ＮＯ）又は亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などがある。（ｄ）は注入イオンを活性化するための熱処理用ガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。熱処理用ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ２）や不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）などがある。（ｅ）は炭化珪素半導体基板に対し、熱処理やゲート絶縁膜６の形成などを行う際の処理温度を示す。ここで処理温度は、熱処理炉内の温度及び炭化珪素半導体基板の温度を示す。熱処理炉内の温度は、具体的には、熱処理炉内で炭化珪素半導体基板を保持する半導体基板保持部の温度に相当する。符号ＲＴは室温、具体的には、熱処理炉内に炭化珪素半導体基板を導入又は熱処理炉内から炭化珪素半導体基板を取出し可能な温度である。
図９を参照して、この発明の実施の形態２に係るイオン注入後の熱処理からゲート絶縁膜６の形成に至るまでの処理工程のうち、実施の形態１で示した図８と相違する処理工程の詳細について説明する。
図９において、実施の形態１で示した図８と相違する点は、新たにＳＴ１１からＳＴ１３が追加されていることである。以下、ＳＴ１１からＳＴ１３について詳細を説明する。
（ＳＴ１１：ｔ３−ｔ１１）熱処理後、窒素又はアルゴンなどの熱処理用ガスの雰囲気の中で、処理温度はＴ１からＴ１１まで降温される。ここでＴ１１は１２００℃から１４００℃の範囲である。
（ＳＴ１２：ｔ１１−ｔ１２）熱処理用ガスである窒素若しくはアルゴンの供給が停止され、水素を含むガスが熱処理炉内に供給される。処理温度Ｔ１１で、水素を含むガスの雰囲気の中で、炭化珪素半導体基板の表層部、具体的には炭化珪素層２の表層部がエッチング除去される。エッチング除去される表層部の厚さは、１０ｎｍから１００ｎｍ程度である。水素を含むガスの圧力は、１Ｐａからから常圧までの範囲、具体的には１００Ｐａから１００００Ｐａまでの範囲で設定される。このように、炭化珪素半導体基板の表層部をエッチング除去することにより、熱処理で得られる表面状態を平坦な状態に改善することができる。ランプ加熱の熱処理で得られる比較的平坦な表面状態は、その平坦性がさらに改善される。
（ＳＴ１３：ｔ１２−ｔ４）水素を含むガスの供給が停止され、窒素又はアルゴンなどの熱処理用ガスが熱処理炉内に供給される。熱処理用ガスの雰囲気の中で、処理温度はＴ５まで降温される。ここで温度Ｔ５は、ランプ加熱において、酸素を含むガスを供給しても、酸化が極めて小さい温度であり、２００℃から４００℃までの範囲である。熱処理炉内の圧力は、常圧若しくは低圧に設定される。ここで低圧は、１×１０−３Ｐａ以下、具体的には１×１０−３Ｐａから１×１０−６Ｐａの範囲である。
以上が、この発明の実施の形態２で示した炭化珪素半導体装置の製造方法のうち、実施の形態１で示した炭化珪素半導体装置の製造方法と相違する工程である。その他の工程は、実施の形態１で示した工程と同じであるため、説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、実施の形態１で示した炭化珪素半導体装置の製造方法に、水素を含むガスを用いて、注入イオンを活性化する熱処理後に、水素を含むガスの雰囲気の中で、炭化珪素半導体基板の表層部を除去する工程が追加されたことである。これにより、熱処理で生じる炭化珪素半導体基板の表面の平坦性を改善することができる。これにより、炭化珪素半導体基板とゲート絶縁膜６の間の界面特性が向上する。またランプ加熱による熱処理炉を用いた場合、ランプ加熱の熱処理で得られる比較的平坦な表面状態は、その平坦性がさらに改善されるので、炭化珪素半導体基板とゲート絶縁膜６の間の界面特性がより向上する。よって、実施の形態１に比して、より品質の向上に寄与する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。
実施の形態３
この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。この実施の形態３において、実施の形態１と相違する工程は、ゲート絶縁膜６を構成する厚膜の第２の酸化膜を形成後、窒素を含むガスを用いて、ゲート絶縁膜６に対し窒化処理を行う工程にある。これにより、酸化膜中及び酸化膜と炭化珪素半導体基板の界面における欠陥や準位を低減することができる。以下では、図１０を参照し、実施の形態１と相違する工程について説明する。なお図１０において、実施の形態１で示した図８と同等な工程については、同じ符号を付して、ここでの説明は省略する。
この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。この実施の形態３において、実施の形態１と相違する工程は、ゲート絶縁膜６を構成する厚膜の第２の酸化膜を形成後、窒素を含むガスを用いて、ゲート絶縁膜６に対し窒化処理を行う工程にある。これにより、酸化膜中及び酸化膜と炭化珪素半導体基板の界面における欠陥や準位を低減することができる。以下では、図１０を参照し、実施の形態１と相違する工程について説明する。なお図１０において、実施の形態１で示した図８と同等な工程については、同じ符号を付して、ここでの説明は省略する。
図１０は、この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置の製造方法におけるイオン注入後の熱処理から炭化珪素半導体基板上に窒化処理を含むゲート絶縁膜６を形成するまでの処理シーケンス図である。この発明の実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、熱処理から窒化処理を含むゲート絶縁膜６の形成に至るまでの処理は、炭化珪素半導体基板を外部に出す事なく、一つの熱処理炉内で連続して行われる。
図１０において、横軸は、熱処理から窒化処理を含むゲート絶縁膜６の形成にかかる時間を示し、縦軸は、熱処理及び窒化処理を含むゲート絶縁膜６の形成にかかるガスの動作及び処理温度を示す。
縦軸において、（ａ）は窒素（Ｎ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。窒素を含むガスとしては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）や一酸化窒素（ＮＯ）又は亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などがある。（ｂ）は珪素（Ｓｉ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。珪素を含むガスとしては、例えば、シラン系のモノシラン（ＳｉＨ４）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）など、クロルシラン系のジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などがある。（ｃ）は酸素（Ｏ）を含むガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。酸素を含むガスとしては、例えば、酸素（Ｏ２）や一酸化窒素（ＮＯ）又は亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などがある。（ｄ）は注入イオンを活性化するための熱処理用ガスの動作を示し、符号Ｆは熱処理炉内にガスを供給している状態を示し、符号Ｓは熱処理炉内へのガスの供給を停止している状態を示す。熱処理用ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ２）や不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）などがある。（ｅ）は炭化珪素半導体基板に対し、熱処理やゲート絶縁膜６の形成などを行う際の処理温度を示す。ここで処理温度は、熱処理炉内の温度及び炭化珪素半導体基板の温度を示す。熱処理炉内の温度は、具体的には、熱処理炉内で炭化珪素半導体基板を保持する半導体基板保持部の温度に相当する。符号ＲＴは室温、具体的には、熱処理炉内に炭化珪素半導体基板を導入又は熱処理炉内から炭化珪素半導体基板を取出し可能な温度である。
図１０を参照して、この発明の実施の形態３に係るイオン注入後の熱処理から窒化処理を含むゲート絶縁膜６の形成に至るまでの処理工程のうち、実施の形態１で示した図８と相違する処理工程の詳細について説明する。
図１０において、実施の形態１で示した図８と相違する点は、新たにＳＴ１４からＳＴ１６が追加されていることである。以下、ＳＴ１４からＳＴ１６について詳細を説明する。
（ＳＴ１４：ｔ９−ｔ１３）ＳＴ８において、酸素を含んだガスと珪素を含んだガスの雰囲気の中で第２の酸化膜が形成された後、酸素を含んだガスと珪素を含んだガスの供給が停止され、窒素又は不活性ガスであるアルゴンなどの熱処理用ガスが導入される。熱処理用ガスの雰囲気の中で、処理温度は、シラン系のガスを用いていた場合は、Ｔ４からＴ１２まで昇温され、クロルシラン系のガスを用いていた場合は、Ｔ２からＴ１２まで昇温される。ここでＴ１２は１０００℃から１３００℃の範囲である。熱処理炉内の圧力は、常圧若しくは低圧に設定される。ここで低圧は、１×１０−３Ｐａ以下、具体的には１×１０−３Ｐａから１×１０−６Ｐａの範囲である。
（ＳＴ１５：ｔ１３−ｔ１４）熱処理用ガスの供給が停止され、窒素を含むガスが熱処理炉内に供給される。処理温度Ｔ１２で、窒素を含むガスの雰囲気の中で、薄膜の第１の酸化膜及び厚膜の第２の酸化膜からなるゲート絶縁膜６に対し窒化処理を行う。これによりゲート絶縁膜６は窒化される。この時の処理時間は、１分から６０分程度である。窒素を含むガスの圧力は、１００Ｐａから常圧の範囲で設定される。このように、ゲート絶縁膜６に対して窒化処理を行うことにより、ゲート絶縁膜６を構成する酸化膜中及びこの酸化膜と炭化珪素半導体基板の界面の欠陥や準位を低減することができる。
（ＳＴ１６：ｔ１４−ｔ１０）窒化処理後、窒素を含むガスの供給が停止され、窒素やアルゴンなどの熱処理用ガスが熱処理炉内に供給される。熱処理用ガスの雰囲気の中で、処理温度は、温度ＲＴまで降温される。熱処理炉内の圧力は、常圧若しくは低圧に設定される。ここで低圧は、１×１０−３Ｐａ以下、具体的には１×１０−３Ｐａから１×１０−６Ｐａの範囲である。その後、炭化珪素半導体基板は、熱処理炉から取出され、図４に示すゲート電極７の形成工程に移る。
この発明の実施の形態３に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、実施の形態１で示した炭化珪素半導体装置の製造方法に、窒素を含むガスを用いて、ゲート絶縁膜６を構成する薄膜の第１の酸化膜及び厚膜の第２の酸化膜を窒化する工程が追加されたことである。これにより、ゲート絶縁膜６を構成する酸化膜中及びゲート絶縁膜６と炭化珪素半導体基板の間の界面の欠陥や準位を低減することができる。よって、実施の形態１に比して、より品質の向上に寄与する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。
なお、当然のことながら、実施の形態２で示した水素を含むガスを用いて炭化珪素半導体基板の表層部を除去する工程と、実施の形態３で示した窒素を含むガスを用いてゲート絶縁膜６に対して窒化処理を行う工程の二つの工程を、共に実施の形態１で示した工程に追加してもよく、より一層品質の向上に寄与する炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることができる。
１ ｎ＋型（第１導電型）の半導体基板、２ ｎ−型（第１導電型）の炭化珪素層、３ ｐ型（第２導電型）のウェル領域、４ ｎ型（第１導電型）のソース領域、５ ｐ＋型（第２導電型）のコンタクト領域、６ ゲート絶縁膜、７ ゲート電極、８ 層間絶縁膜、９ ソース電極（第１の主電極）、１０ ドレイン電極（第２の主電極）
Claims (7)
- 熱処理炉内に熱処理用ガスを供給し、不純物がイオン注入された炭化珪素半導体基板に熱処理を行う工程と、
前記熱処理工程の後、前記熱処理炉内に酸素を含むガスを供給し、前記熱処理炉内で前記炭化珪素半導体基板の一方面上にゲート絶縁膜となる薄膜の第１の酸化膜を形成する工程と、
前記第１の酸化膜の形成後、前記熱処理炉内に前記酸素を含むガスと珪素を含むガスを供給し、前記熱処理炉内で前記第１の酸化膜上に前記ゲート絶縁膜となる厚膜の第２の酸化膜を形成する工程と、
を含み、
前記熱処理は、少なくとも２０℃／秒の昇温速度を有する熱処理炉を用いて行うことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記熱処理は、ランプ加熱による熱処理であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 請求項１又は２のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記第１の酸化膜の形成工程では、活性化酸素による酸化によって前記第１の酸化膜を形成し、
前記熱処理工程と、前記第１の酸化膜の形成工程と、前記第２の酸化膜の形成工程とを、一つの熱処理炉内で順次行うことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記第１の酸化膜の厚さは１ｎｍから５ｎｍであり、前記第１の酸化膜と前記第２の酸化膜を合わせた厚さが２０ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記熱処理工程と前記第１の酸化膜の形成工程との間に、
前記熱処理炉内に水素を含むガスを供給し、前記炭化珪素半導体基板の表層部を除去する工程、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 請求項５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
除去される前記表層部の厚さは１０ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 請求項１から６のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記第２の酸化膜の形成工程の後に、
前記熱処理炉内に窒素を含むガスを供給し、前記第１の酸化膜及び前記第２の酸化膜を窒化する窒化処理工程、
を含む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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