JP5197474B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に、二酸化珪素/炭化珪素界面の界面準位密度を低減する炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device that reduces the interface state density at the silicon dioxide / silicon carbide interface.
炭化珪素(SiC)は珪素と同様に、熱酸化により二酸化珪素(SiO2)膜を形成することができる。炭化珪素は優れた物性値を持ち、高耐圧、低損失なパワーデバイスの実現を可能にする。しかしながら、炭化珪素/二酸化珪素界面には伝導帯に近い多くの界面準位が存在する。この伝導帯に近い界面準位により、MOSFET(MOS field effect transistor)のチャネル移動度はバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなり、オン抵抗値が理想的な値よりも高くなる。 Similar to silicon, silicon carbide (SiC) can form a silicon dioxide (SiO 2 ) film by thermal oxidation. Silicon carbide has excellent physical properties and enables the realization of a power device with high breakdown voltage and low loss. However, there are many interface states close to the conduction band at the silicon carbide / silicon dioxide interface. Due to the interface state close to the conduction band, the channel mobility of a MOSFET (MOS field effect transistor) becomes extremely smaller than the electron mobility in the bulk, and the on-resistance value becomes higher than an ideal value.
そこで、界面準位を不活性化するために、一酸化窒素(NO)や一酸化二窒素(N2O)などの窒素酸化物ガス雰囲気中やアンモニア(NH3)ガス雰囲気中での熱処理が行われるが、その中でも一酸化窒素ガスによる酸窒化処理が効果的である。 Therefore, in order to inactivate the interface states, heat treatment in a nitrogen oxide gas atmosphere such as nitric oxide (NO) or dinitrogen monoxide (N 2 O) or in an ammonia (NH 3 ) gas atmosphere is performed. Of these, oxynitriding with nitrogen monoxide gas is effective.
この一酸化窒素ガス雰囲気での熱処理法は、炭化珪素基板上に二酸化珪素膜を形成した後、生成したカーボンクラスタを一酸化窒素ガスに含まれる窒素原子によって、電気的に不活性化、もしく大気中に外方拡散するというものである。 In this heat treatment method in a nitrogen monoxide gas atmosphere, after a silicon dioxide film is formed on a silicon carbide substrate, the generated carbon clusters are electrically inactivated by nitrogen atoms contained in the nitrogen monoxide gas. It diffuses out into the atmosphere.
しかしながら、一酸化窒素ガスは高温になるほど分解しやすく、2NO→N2+O2の反応によって発生する酸素が炭化珪素を酸化し、新たに界面準位を生じる可能性がある。また、酸素が界面欠陥の不活性化に寄与する窒素と結合し、酸化膜外へと拡散することにより、界面欠陥が再び活性化することが考えられる。すなわち、酸窒化処理中には一酸化窒素ガスによる窒化と同時に酸素が窒化を妨げ、窒化効率を低下させるものと考えられる。 However, nitric oxide gas is easily decomposed as the temperature rises, and oxygen generated by the reaction of 2NO → N 2 + O 2 may oxidize silicon carbide to newly generate an interface state. Further, it is conceivable that the interface defect is activated again when oxygen is combined with nitrogen contributing to the inactivation of the interface defect and diffuses out of the oxide film. In other words, during the oxynitriding process, it is considered that oxygen simultaneously prevents nitriding with nitrogen monoxide gas and reduces nitriding efficiency.
効率的な酸窒化処理を行うには、一酸化窒素ガスの分解を抑制し、酸素に対する一酸化窒素の比をできるだけ大きくすることが好ましい。この比を増加させる手段として、特許文献1では、不活性ガスと一酸化窒素ガスとの混合ガス雰囲気中で熱処理を行う手法が開示されている。この方法では、一酸化窒素ガスが100%の場合に比べて、ガス中に含まれる酸素量が減少し、酸素による酸化の進行が減少するとされている。
In order to perform an efficient oxynitriding treatment, it is preferable to suppress decomposition of nitric oxide gas and to increase the ratio of nitric oxide to oxygen as much as possible. As means for increasing this ratio,
以上説明したように、従来の、炭化珪素半導体装置の製造方法では、界面準位の大幅な低減や信頼性に優れた界面の形成を実現することが難しかった。 As described above, in the conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, it has been difficult to realize a significant reduction in interface states and formation of an interface with excellent reliability.
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、二酸化珪素層を有する炭化珪素半導体装置において、量産性に優れた実用的なプロセスを用いて、炭化珪素基板と二酸化珪素膜との間の界面準位を大幅に低減することができ、デバイスとしての信頼性と電気特性が優れた炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In a silicon carbide semiconductor device having a silicon dioxide layer, a silicon carbide substrate and silicon dioxide are produced using a practical process with excellent mass productivity. An object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device capable of greatly reducing the interface state between the film and having excellent device reliability and electrical characteristics.
本発明に係る請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素層を備える炭化珪素半導体装置の製造方法であって、炭化珪素層に接するように二酸化珪素膜を形成する工程(a)と、前記二酸化珪素膜上に、該二酸化珪素膜中よりも膜中での酸素の拡散に要するエネルギーが高い酸化防止絶縁膜を形成する工程(b)と、前記酸化防止絶縁膜を形成した後、窒素酸化物ガスを含んだ雰囲気中で熱処理して、前記二酸化珪素膜と前記炭化珪素層との界面を窒化する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記酸化防止絶縁膜を除去する工程(d)とを備え、前記工程(b)において、前記酸化防止絶縁膜は、酸窒化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化チタニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化タンタルから選択される何れかの絶縁物で構成される。
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to
本発明に係る請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、二酸化珪素膜上に、該二酸化珪素膜中よりも膜中での酸素の拡散に要するエネルギーが高い酸化防止絶縁膜を形成し、窒素酸化物ガスを含んだ雰囲気中で熱処理するので、酸化防止絶縁膜を設けずに窒化する場合に比べて、窒化処理中の新たな酸化が抑制され、界面準位密度をさらに低減することができる。また、工程(c)の後に、酸化防止絶縁膜を除去する工程(d)を備えるので、酸化防止絶縁膜が二酸化珪素膜上に存在することによるMOSFETの閾値電圧やゲート耐圧が影響を受けることを防止できる。
According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to
<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によって製造されるMOSFET(MOS field effect transistor)100の断面構造を示す図である。
<
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a MOSFET (MOS field effect transistor) 100 manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
なお、「MOS」という用語は、古くは金属/酸化物/半導体の積層構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にMOS構造を有する電界効果トランジスタ(以下、単に「MOSトランジスタ」と称す)においては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。 The term “MOS” has been used for a metal / oxide / semiconductor laminated structure in the past, and is an acronym for Metal-Oxide-Semiconductor. However, in particular, in a field effect transistor having a MOS structure (hereinafter, simply referred to as “MOS transistor”), materials for a gate insulating film and a gate electrode have been improved from the viewpoint of recent integration and improvement of a manufacturing process.
例えばMOSトランジスタにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。 For example, in a MOS transistor, polycrystalline silicon has been adopted instead of metal as a material of a gate electrode mainly from the viewpoint of forming a source / drain in a self-aligned manner. From the viewpoint of improving electrical characteristics, a material having a high dielectric constant is adopted as a material for the gate insulating film, but the material is not necessarily limited to an oxide.
従って「MOS」という用語は必ずしも金属/酸化物/半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。すなわち、技術常識に鑑みて、ここでは「MOS」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体/絶縁体/半導体の積層構造をも含む意義を有する。 Therefore, the term “MOS” is not necessarily limited to the metal / oxide / semiconductor stacked structure, and is not presumed in this specification. That is, in view of the common general knowledge, “MOS” is not only an abbreviation derived from the word source, but also has a meaning including widely a laminated structure of a conductor / insulator / semiconductor.
図1に示すようにMOSFET100は、第1導電型の炭化珪素基板1の主面上に形成される第1導電型の炭化珪素エピタキシャル層で構成されたドリフト層2(炭化珪素層)と、このドリフト層2の上層部に、所定の深さで互いに間隔を開けて形成される第2導電型の2つのベース領域3aと、2つのベース領域3aのそれぞれの表面内に、ベース領域3aよりも浅く形成された第1導電型のソース領域4aと、2つのソース領域4a間に跨るように形成され、2つのソース領域4a、ベース領域3aおよびドリフト層2に接するゲート酸化膜5と、ゲート酸化膜5上に形成された酸化防止絶縁膜6とを備えている。ここで、炭化珪素基板1、ドリフト層2、ベース領域3aおよびソース領域4aを炭化珪素基体10と呼称する。
As shown in FIG. 1,
また、2つのソース領域4a上にはそれぞれソース電極8aが接するように形成され、酸化防止絶縁膜6上にはゲート電極7が形成され、また、炭化珪素基板1のドリフト層2が形成された主面とは反対側の主面上にはドレイン電極9が形成されている。ここで、ゲート電極7は、酸化防止絶縁膜6上において、2つのベース領域3aおよびドリフト層2の上方を覆うとともに、2つのソース領域4aのそれぞれの端縁部の上方にまで延在するように形成されている。
Further, the
このような構成を有するMOSFET100においては、ゲート電極7に所定の電圧が印加されると、このゲート電極7直下のベース領域3aの表面内に反転チャネル層が形成され、2つのソース領域4aとドリフト層2との間に電荷の流れる経路が形成される。
In the
MOSFET100がnチャネル型である場合、多数キャリアは電子であり、ソース領域4aからドリフト層2へ流れ込む電子は、ドレイン電極9に印加される電圧により形成される電界の作用を受けてドリフト層2および炭化珪素基板1を介してドレイン電極9に到達する。従って、ゲート電極7に電圧を印加して反転チャネル層を形成することで、ドレイン電極9からソース電極8aに電流が流れることになる。
When
一方、MOSFET100がpチャネル型である場合、多数キャリアが正孔の場合には、ドレイン電極9から注入される正孔が、ドリフト層2を介してベース領域3aに到達し、次いで、ゲート電極7に所定の電圧が印加されることでベース領域3a表面内に形成された反転チャネル層を介してソース電極8aの電位に従ってソース領域4aに流れ込む。これにより、電流がドレイン電極9からソース電極8aに流れることになる。
On the other hand, when
次に、製造工程を順に示す図2〜図13を用いてMOSFET100の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing
まず、図2に示す工程において、第1導電型の炭化珪素基板1上に、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法を用いたエピタキシャル結晶成長により第1導電型の炭化珪素エピタキシャル層を形成してドリフト層2とする。
First, in the step shown in FIG. 2, a first conductivity type silicon carbide epitaxial layer is formed on a first conductivity type
炭化珪素基板1の面方位としては(0001)面、(000−1)面、(11−20)面などを用いることができる。また、この炭化珪素基板1のポリタイプとしては、4H、6H、および3Cの何れかを用いることができる。
As the plane orientation of
また、ドリフト層2の厚さは、5〜50μm程度であれば良く、不純物濃度は1×1015〜1×1018cm-3程度であれば良い。
The thickness of the
上述の条件でドリフト層2を形成することにより、数100V〜3kV以上の耐圧を有する縦型高耐圧MOSFETを実現することができる。
By forming the
次に、図3に示す工程において、ドリフト層2上に、後にベース領域3aとなる領域が露出するように開口部を有するマスクRM1を、写真製版技術を用いて形成する。このマスクRM1は、レジスト材、二酸化珪素および窒化珪素を単独で、あるいは組み合わせて構成され、不純物注入阻止マスクとして使用される。
Next, in the step shown in FIG. 3, a mask RM1 having an opening is formed on the
マスクRM1の形成後、マスクRM1の上方から第2導電型の不純物をイオン注入し、一対のベース領域3aを形成する。
After the formation of the mask RM1, ions of a second conductivity type are ion-implanted from above the mask RM1, thereby forming a pair of
ここで、MOSFET100をnチャネル型とする場合、ベース領域3aに導入される第2導電型の不純物としては、ボロン(B)またはアルミニウム(Al)が使用可能であり、またpチャネル型とする場合は、第2導電型の不純物として、リン(P)または窒素(N)を使用可能である。
Here, when the
ベース領域3aの深さは、ドリフト層2の厚さを超えないことが要求され、その深さとしては、例えば0.5〜3μmとする。
The depth of the
また、ベース領域3aの第2導電型の不純物濃度は、ドリフト層2における第1導電型の不純物濃度を超える濃度に設定し、例えば1×1017〜1×1019cm-3とする。
The impurity concentration of the second conductivity type in the
次に、マスクRM1を除去した後、図4に示す工程において、後にソース領域4aとなるベース領域3aの一部領域が露出するように開口部を有するマスクRM2を、写真製版技術を用いて形成する。このマスクRM2は、レジスト材、二酸化珪素および窒化珪素を単独で、あるいは組み合わせて構成され、不純物注入阻止マスクとして使用される。
Next, after removing the mask RM1, in the step shown in FIG. 4, a mask RM2 having an opening is formed using a photoengraving technique so that a partial region of the
マスクRM2の形成後、マスクRM2の上方から第1導電型の不純物をイオン注入し、2つのベース領域3aのそれぞれの表面内にソース領域4aを形成して炭化珪素基体10を得る。
After the formation of mask RM2, impurities of the first conductivity type are ion-implanted from above mask RM2 to form
ここで、MOSFET100をnチャネル型とする場合、ソース領域4aに導入される第1導電型の不純物としては、リン(P)または窒素(N)などを使用することができ、また、pチャネル型とする場合は、ボロン(B)またはアルミニウム(Al)などを使用することができる。
Here, when the
ソース領域4aの深さは、ベース領域3aの深さよりも浅く設定され、ソース領域4aの第1導電型の不純物濃度は、例えば1×1018〜1×1021cm-3程度であれば良い。
The depth of the
次に、マスクRM2を除去した後、基体10を熱処理装置を用いて、炭化珪素基体10を例えば1300〜1900℃の高温条件下で、例えば30秒〜1時間程度熱処理を行うことにより、イオン注入された不純物の電気的な活性化を行う。
Next, after removing the mask RM2, the
次に、図5に示す工程において、炭化珪素基体10を、例えば水(H2O)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより炭化珪素基体10表面を熱酸化する。これにより、炭化珪素基体10の表面に、平均厚さが、約40nmの二酸化珪素膜51を形成する。この熱酸化時の酸化温度は1000℃以上であり、好ましくは1100℃以上1300℃以下である。なお、二酸化珪素膜51は、大気中や酸素ガス雰囲気中での熱酸化により形成しても良い。これらの方法を採用することで、耐圧の優れたゲート酸化膜5を得ることができる。
Next, in the step shown in FIG. 5, the surface of the
また、二酸化珪素膜51は、CVD法を用いて堆積する方法を採っても良い。この方法を採用することで、炭化珪素と二酸化珪素界面での炭素量を低減することができる。
Further, the
二酸化珪素膜51の形成後、図6に示す工程において、化学的気相成長炉(CVD炉)内に炭化珪素基体10を導入し、CVD法により、二酸化珪素膜51上に酸窒化珪素(SixONy)膜61を形成する。
After the formation of the
この酸窒化珪素膜61の膜厚は、酸化防止の観点からは十分に厚いほうが良いが、一酸化窒素が二酸化珪素膜51まで到達しないことや、MOSFET100の閾値電圧が酸窒化珪素膜61の厚さに影響を受けることなどを考慮して、1〜50nmとすることが望ましい。
The thickness of the
なお、CVD法による酸窒化珪素膜61の形成に使用される材料ガスについては、珪素源として、例えば、シラン、ジクロロシラン、四塩化珪素などを用いることができる。また、窒素源として、例えば、窒素(N、N2)、アンモニアを用いることができ、材料ガスの分解には、熱励起、プラズマ励起、光励起などの方法を用いることができる。
For the material gas used for forming the
また酸窒化珪素膜61を形成する代わりに、二酸化珪素より酸素が拡散しにくい窒化珪素(SiN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化クロム(Cr2O3)、酸化チタニウム(TiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)および酸化タンタル(Ta2O5)の何れかによって絶縁膜を形成しても良い。
Further, instead of forming the
酸窒化珪素膜61の形成後、CVD炉内を降温し、降温後に炭化珪素基体10をCVD炉から取り出し、酸窒化珪素膜61が堆積された炭化珪素基体10を窒化処理反応炉に導入する。そして、窒化処理反応炉を昇温し、炉内が所定の処理温度に到達した時点で、この炉内を、一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガス雰囲気で置換し、この窒素酸化物ガス雰囲気および処理温度を所定の時間(条件により10分〜10時間)維持することにより、図7に示す窒化処理を行う。
After the formation of the
この窒化処理反応炉内における窒化処理のためのガスについては、上述したガス以外に、窒素、アルゴン、ヘリウムまたはクリプトンなどの不活性ガスで希釈した一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガスを用いても良く、また一酸化窒素ガスと一酸化二窒素ガスとを混合して用いても良い。これらのガスを使用することで、窒化を効率的に進めることができる。 As a gas for nitriding treatment in the nitriding reactor, nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas diluted with an inert gas such as nitrogen, argon, helium or krypton is used in addition to the above-described gas. Alternatively, a mixture of nitrogen monoxide gas and nitrous oxide gas may be used. By using these gases, nitriding can be efficiently advanced.
また、窒化処理温度としては、900℃〜1450℃が望ましい。これは、900℃以下の低温では、窒化速度が非常に遅く、窒素原子による界面準位の不活性化がほとんど進行しないためである。また、1450℃以上の高温条件下では、一酸化窒素または一酸化二窒素中の分解により生じる酸素による熱酸化が進行し、新たな界面準位が増加するためである。 The nitriding temperature is desirably 900 ° C. to 1450 ° C. This is because, at a low temperature of 900 ° C. or lower, the nitriding rate is very slow, and the inactivation of interface states by nitrogen atoms hardly proceeds. Further, under high temperature conditions of 1450 ° C. or higher, thermal oxidation by oxygen generated by decomposition in nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide proceeds, and a new interface state increases.
この窒化処理により、二酸化珪素と炭化珪素との界面の界面準位を低減できる。この効果について、図7におけるドリフト層2、二酸化珪素膜51および酸窒化珪素膜61の積層部分"A"の詳細を示す図8を用いてさらに説明する。
By this nitriding treatment, the interface state at the interface between silicon dioxide and silicon carbide can be reduced. This effect will be further described with reference to FIG. 8 showing details of the stacked portion “A” of the
図8に示されるように、ドリフト層2と二酸化珪素膜51との間には、炭化珪素/二酸化珪素界面SFが形成されている。
As shown in FIG. 8, a silicon carbide / silicon dioxide interface SF is formed between
ここで、二酸化珪素膜51中では、酸素の拡散に要する活性化エネルギーは1.24eVであり、界面準位の不活性化のための窒化に必要な活性化エネルギー(Ea)は2.3eVである。
Here, in the
この活性化エネルギーを熱エネルギーから得ることで、酸素は二酸化珪素膜51中を十分に拡散することができ、二酸化珪素/炭化珪素界面SFでは新たな酸化が進む。一方、酸窒化珪素膜61中では酸素の拡散速度が低く抑えられ、その拡散に要する活性化エネルギーは3.67eVである。
By obtaining this activation energy from thermal energy, oxygen can sufficiently diffuse through the
このように、酸窒化珪素膜61中では酸素の拡散に要する活性化エネルギーが大きいので、界面の窒化に必要な活性化エネルギー(2.3eV)を確保したとしても、二酸化珪素/炭化珪素界面SFでの酸化を抑制することができる。すなわち、例えば一酸化窒素ガスが高温下で窒素(N2)と酸素(O2)とに分解した場合、酸窒化珪素膜61が存在しないと、酸素は二酸化珪素膜51中を拡散しやすいので、分解で生じた酸素がドリフト層2に達し、炭化珪素を酸化して新たに界面準位を生じるが、二酸化珪素膜51上が酸窒化珪素膜61で覆われていると、界面の窒化に必要な活性化エネルギーを窒素に与えた場合でも、そのエネルギーでは酸素は酸窒化珪素膜61中を十分に拡散することができない。従って、分解で生じた酸素が酸窒化珪素膜61を通過してドリフト層2に達することが抑制されるので、二酸化珪素/炭化珪素界面SFでの酸化を抑制することができる。
Thus, since the activation energy required for oxygen diffusion is large in the
また、酸窒化珪素膜61中での一酸化窒素の拡散に要する活性化エネルギーは2.54eVであり、界面の窒化に必要な活性化エネルギー(2.3eV)とほぼ変わらない。従って、二酸化珪素膜51上に酸窒化珪素膜61を形成した場合でも、酸窒化珪素膜61によって一酸化窒素の拡散が妨げられることはなく、酸素の拡散のみが防止されるので、二酸化珪素/炭化珪素界面SFでの窒化効率を向上することができる。二酸化珪素/炭化珪素界面SFの窒化が進めば、界面準位が不活性化され、界面準位密度を低減して、チャネル移動度を高めることができる。
In addition, the activation energy required for diffusion of nitric oxide in the
なお、窒化処理中の酸素拡散を抑制する絶縁膜としては、二酸化珪素膜に比べて膜中での酸素拡散が抑制される絶縁物であれば良く、例えば、酸化アルミニウム(O2:Ea=〜6.5eV)、酸化チタニウム(O2:Ea=〜2.47eV)、酸化ジルコニウム(O2:Ea=2.29eV)を使用可能である。また、窒化珪素、酸化クロム、酸化タンタルについても同様の効果が見込まれる。これらを使用することで、二酸化珪素/炭化珪素界面SFの窒化が進み、界面準位密度を低減して、チャネル移動度を高めることができる。 The insulating film that suppresses oxygen diffusion during the nitriding treatment may be an insulating film that suppresses oxygen diffusion in the film as compared with the silicon dioxide film. For example, aluminum oxide (O 2: Ea = ˜ 6.5 eV), titanium oxide (O 2: Ea = ˜2.47 eV), zirconium oxide (O 2: Ea = 2.29 eV) can be used. Similar effects are expected for silicon nitride, chromium oxide, and tantalum oxide. By using these, nitridation of the silicon dioxide / silicon carbide interface SF proceeds, the interface state density can be reduced, and the channel mobility can be increased.
図7に示す窒化処理の後、窒化処理反応炉内の雰囲気を、不活性ガス雰囲気に切り替え、所定時間の間、窒化処理の温度を維持して、完全に炉内雰囲気を不活性ガスに切り替える。その後、炭化珪素基体10を取り出し可能な温度にまで降温し、炭化珪素基体10を炉外へ取り出す。これにより、窒化処理工程を終了する。
After the nitriding treatment shown in FIG. 7, the atmosphere in the nitriding reaction furnace is switched to an inert gas atmosphere, and the temperature of the nitriding treatment is maintained for a predetermined time to completely switch the furnace atmosphere to an inert gas. . Thereafter, the temperature is lowered to a temperature at which
なお、以上の説明においては、炭化珪素基体10の熱酸化工程、酸窒化珪素膜61の化学的気相成長工程および窒化処理をそれぞれ別個の装置を用いて行う例を示している。しかしながら、化学的気相成長工程および窒化処理が、同一の装置内で連続的に実施しても良い。この場合、炭化珪素基体10の装置間移動に伴う温度の昇降温時間を低減することができ、プロセス時間をより短縮できるとともに、装置間移動に伴う炭化珪素基体10の汚染も低減できる。
In the above description, an example is shown in which the thermal oxidation process of
次に、図9に示す工程において、酸窒化珪素膜61上にゲート電極を構成するゲート電極用膜71を成膜し、次いで、ゲート電極用膜71上に、ゲート電極をパターニングするためのマスクRM3を写真製版技術を用いて形成する。このマスクRM3は、ゲート電極の平面形状に合わせてパターニングされ、断面形状としては、2つのベース領域3aおよびドリフト層2の上方を覆うとともに、2つのソース領域4aのそれぞれの端縁部の上方にまで延在するようにパターニングされる。
Next, in the step shown in FIG. 9, a
なお、ゲート電極用膜71の材質としては、n型またはp型の多結晶珪素(ポリシリコン)であっても良く、n型またはp型の多結晶炭化珪素であっても良く、また、アルミニウム、チタニウム、モリブデン、タンタル、ニオブおよびタングステンなどの低抵抗高融点金属であっても良く、また、低抵抗高融点金属の窒化物を用いても良い。
The material of the
次に、図10に示す工程において、マスクRM3をエッチングマスクとしてゲート電極用膜71の不要部分をエッチングにより除去してゲート電極7を形成する。このエッチング方法は、ゲート電極用膜71の材質に応じて適宜に選択されるが、下地となる酸窒化珪素膜61とのエッチング選択比が得られるエッチング方法を使用する。
Next, in the step shown in FIG. 10, the
なお、ゲート電極7は、一対のソース領域4aと、例えば10nm〜5μmの範囲で平面的に見て重なり合うように形成されることが望ましい。これにより、ゲート電極7の端部(特にゲート長方向)におけるフリンジ効果の影響を抑制して、均一にベース領域3a表面に電圧を印加し、ベース領域3aの表面内に確実に反転チャネル層を形成することができる。
Note that the
ゲート電極7のパターニング後、図11に示す工程において、酸窒化珪素膜61上にゲート電極7を完全に覆うように、二酸化珪素膜51および酸窒化珪素膜61のパターニングのためのマスクRM4を写真製版技術を用いて形成する。
After patterning the
なお、マスクRM4は、ゲート電極7のゲート長方向の長さよりも長く形成され、これによって次工程で形成されるゲート酸化膜5および酸化防止絶縁膜6のゲート長方向の長さが、ゲート電極7よりも長く形成される。
The mask RM4 is formed to be longer than the length of the
そして、マスクRM3をエッチングマスクとして酸窒化珪素膜61および二酸化珪素膜51の不要部分を、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去することにより、図12に示されるように、ゲート酸化膜5上が酸化防止絶縁膜6で覆われ、酸化防止絶縁膜6上にゲート電極7が積層された積層体が形成され、当該積層体のゲート長方向の2つの側面外方に、それぞれソース領域4aの表面が露出した構成が得られる。
Then, unnecessary portions of the
図12に示されるように、ゲート酸化膜5および酸化防止絶縁膜6は、ゲート電極7よりもゲート長方向の長さが長く形成され、次工程で形成されるソース電極8aとゲート電極7の間を確実に電気的に分離することができる。
As shown in FIG. 12, the
次に、図13に示す工程において、酸化防止絶縁膜6およびゲート電極7を覆うようにマスクRM5を写真製版技術を用いて形成する。このマスクRM5は酸化防止絶縁膜6の平面形状に合わせてパターニングされ、ゲート酸化膜5および酸化防止絶縁膜6の側面は覆わないようにパターニングされる。その後、マスクRM5上を含めて基板全面に及ぶように導電膜を形成した後、リフトオフによりマスクRM5上に付着した導電膜を除去することで、ソース領域4aの露出した表面上に、ソース電極8aを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 13, a mask RM5 is formed by photolithography so as to cover the
ソース電極8aの材料には、アルミニウム、ニッケル、チタニウムおよび金、またはこれらの複合物を用いることができ、その形成方法としては、スパッタリング法あるいはMOCVD法などを用いることができる。
As the material of the
この後、炭化珪素基板1の裏面(MOSFETが形成された側とは反対側の主面)にドレイン電極9を形成することにより、図1に示したMOSFET100の主要部が完成する。
Thereafter,
なお、ドレイン電極9の材料には、アルミニウム、ニッケル、チタニウムおよび金、またはこれらの複合物を用いることができ、その形成方法としては、スパッタリング法あるいはMOCVD法などを用いることができる。
Note that aluminum, nickel, titanium and gold, or a composite thereof can be used as the material of the
また、ソース領域4aと炭化珪素基板1の裏面に対するオーミック接触を得るために、ソース電極8aおよびドレイン電極9を形成した後に、1000℃程度の熱処理を行っても良い。
Further, in order to obtain ohmic contact between the
以上説明した、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、ゲート酸化膜5を形成するための二酸化珪素膜51上に酸窒化珪素膜61を形成した状態で窒化処理を行うので、二酸化珪素/炭化珪素界面SFでの酸化が抑制され、二酸化珪素/炭化珪素界面SFの品質が改善され、オン抵抗を低減するなどMOSFETの特性が向上し、省エネルギー化を計ることができる。また、炭化珪素半導体装置であるので、同じ電力スペックであれば、シリコン半導体装置に比べて小型化も可能である。
According to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment described above, nitriding is performed with
<実施の形態2>
実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造方法においては、ゲート酸化膜5を形成するための二酸化珪素膜51上に酸窒化珪素膜61を形成した状態で窒化処理を行い、ゲート酸化膜5上に酸化防止絶縁膜6が形成された状態でゲート電極7を成膜する方法を示したが、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いては、窒化処理後に酸窒化珪素膜61を除去することを特徴とするものである。
<
In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment, nitriding is performed in a state where
以下、製造工程を順に示す図14〜図20を用いてMOSFET200の製造方法について説明する。なお、MOSFET200の構成については、最終工程を示す図20に示される。なお、図1〜図13を用いて説明したMOSFET100と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、また、同じ工程については図を引用するものとし、説明は省略する。
Hereinafter, a method for manufacturing
図1〜図8を用いて説明した工程を経て、二酸化珪素膜51上に酸窒化珪素膜61(あるいは窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタルの何れから選択した絶縁膜)を形成した状態で窒化処理を行った後、酸窒化珪素膜61をウェットエッチング、プラズマエッチングおよびリアクティブイオンエッチングの何れか、もしくはこれらを組み合わせて除去することで、図14に示すように、再び二酸化珪素膜51の表面を露出させる。
Through the steps described with reference to FIGS. 1 to 8, the silicon oxynitride film 61 (or insulation selected from any of silicon nitride, aluminum oxide, chromium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, and tantalum oxide) is formed on the
次に、図15に示す工程において、二酸化珪素膜51上にゲート電極を構成するゲート電極用膜71を成膜し、次いで、ゲート電極用膜71上に、ゲート電極をパターニングするためのマスクRM11を写真製版技術を用いて形成する。このマスクRM11は、ゲート電極の平面形状に合わせてパターニングされ、断面形状としては、2つのベース領域3aおよびドリフト層2の上方を覆うとともに、2つのソース領域4aのそれぞれの端縁部の上方にまで延在するようにパターニングされる。
Next, in a step shown in FIG. 15, a
次に、図16に示す工程において、マスクRM11をエッチングマスクとしてゲート電極用膜71の不要部分をエッチングにより除去してゲート電極7を形成する。このエッチング方法は、ゲート電極用膜71の材質に応じて適宜に選択されるが、下地となる二酸化珪素膜51とのエッチング選択比が得られるエッチング方法を使用する。
Next, in the step shown in FIG. 16, unnecessary portions of the
ゲート電極7のパターニング後、図17に示す工程において、二酸化珪素膜51上にゲート電極7を完全に覆うように、二酸化珪素膜51のパターニングのためのマスクRM12を写真製版技術を用いて形成する。
After the patterning of the
なお、マスクRM12は、ゲート電極7のゲート長方向の長さよりも長く形成され、これによって次工程で形成されるゲート酸化膜5のゲート長方向の長さが、ゲート電極7よりも長く形成される。
The mask RM12 is formed longer than the length of the
次に、マスクRM3をエッチングマスクとして二酸化珪素膜51の不要部分を、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去することにより、図18に示されるように、ゲート酸化膜5上にゲート電極7が積層された積層体が形成され、当該積層体のゲート長方向の2つの側面外方に、それぞれソース領域4aの表面が露出した構成が得られる。
Next, unnecessary portions of the
図18に示されるように、ゲート酸化膜5は、ゲート電極7よりもゲート長方向の長さが長く形成され、次工程で形成されるソース電極8aとゲート電極7の間を確実に電気的に分離することができる。
As shown in FIG. 18, the
次に、図19に示す工程において、ゲート電極7を覆うようにマスクRM13を写真製版技術を用いて形成する。このマスクRM13は、ゲート酸化膜5の平面形状に合わせてパターニングされ、ゲート酸化膜5の側面は覆わないようにパターニングされる。その後、マスクRM13上を含めて基板全面に及ぶように導電膜を形成した後、リフトオフによりマスクRM13上に付着した導電膜を除去することで、ソース領域4aの露出した表面上に、ソース電極8aを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 19, a mask RM13 is formed using a photoengraving technique so as to cover the gate electrode. The mask RM13 is patterned in accordance with the planar shape of the
この後、炭化珪素基板1の裏面(MOSFETが形成された側とは反対側の主面)にドレイン電極9を形成することにより、図20に示すようにMOSFET200の主要部が完成する。
Thereafter,
以上説明した、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、窒化処理後に酸窒化珪素膜61(あるいは窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタルの何れから選択した絶縁膜)を除去するので、酸化防止絶縁膜がゲート酸化膜5上に存在することによるMOSFETの閾値電圧やゲート耐圧が影響を受けることを防止できる。
According to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment described above, any one of silicon oxynitride film 61 (or silicon nitride, aluminum oxide, chromium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide after nitriding treatment) Therefore, it is possible to prevent the threshold voltage of the MOSFET and the gate breakdown voltage from being affected by the presence of the anti-oxidation insulating film on the
なお、上記においては、酸窒化珪素膜61を完全に除去する例を示したが、完全に除去するのではなく、MOSFETに所定の閾値電圧やゲート耐圧を与えるために、除去する膜厚を制御するものとし、二酸化珪素膜51上に酸窒化珪素膜61を残す構成としても良い。
In the above, the example in which the
また、実施の形態1および2においては、MOSFETを例に採って説明したが、この発明は、炭化珪素基板上に形成される二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として有するIGBTなどの絶縁ゲート型トランジスタ素子に適用することもできる。 In the first and second embodiments, the MOSFET has been described as an example. However, the present invention is an insulated gate transistor element such as an IGBT having a silicon dioxide film formed on a silicon carbide substrate as a gate insulating film. It can also be applied to.
この絶縁ゲート型トランジスタとしては、ソース、ゲートおよびドレイン電極が同一主表面上に形成される横型半導体素子へも適用であり、この場合は、高い移動度を有し、高速動作するパワーデバイス実現することができる。 This insulated gate transistor is also applicable to a lateral semiconductor element in which the source, gate and drain electrodes are formed on the same main surface. In this case, a power device having high mobility and operating at high speed is realized. be able to.
また、本発明は、シャロートレンチ分離(STI:Shallow Trench Isolation)法やLOCOS(Local Oxide of Silicon)法による素子分離絶縁膜と炭化珪素層との界面での界面準位の低減にも応用できる。 The present invention can also be applied to reduction of the interface state at the interface between the element isolation insulating film and the silicon carbide layer by the shallow trench isolation (STI) method or the LOCOS (Local Oxide of Silicon) method.
1 炭化珪素基板、2 ドリフト層、5 ゲート酸化膜、6 酸化防止絶縁膜、7 ゲート電極、51 二酸化珪素膜、61 酸窒化珪素膜。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
(a)炭化珪素層に接するように二酸化珪素膜を形成する工程と、
(b)前記二酸化珪素膜上に、該二酸化珪素膜中よりも膜中での酸素の拡散に要するエネルギーが高い酸化防止絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記酸化防止絶縁膜を形成した後、窒素酸化物ガスを含んだ雰囲気中で熱処理して、前記二酸化珪素膜と前記炭化珪素層との界面を窒化する工程と、
(d)前記工程(c)の後に、前記酸化防止絶縁膜を除去する工程と、を備え、
前記工程(b)において、
前記酸化防止絶縁膜は、酸窒化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化チタニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化タンタルから選択される何れかの絶縁物で構成されることを特徴とする、炭化珪素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising a silicon carbide layer,
(a) forming a silicon dioxide film in contact with the silicon carbide layer;
(b) forming on the silicon dioxide film an antioxidant insulating film having a higher energy required for oxygen diffusion in the film than in the silicon dioxide film;
(c) nitriding the interface between the silicon dioxide film and the silicon carbide layer by forming a heat treatment in an atmosphere containing a nitrogen oxide gas after forming the antioxidant insulating film ;
(d) after the step (c), the step of removing the antioxidant insulating film ,
Wherein in the step (b),
The oxidation-preventing insulating film is composed of any insulator selected from silicon oxynitride, silicon nitride, aluminum oxide, chromium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, and tantalum oxide, and a silicon carbide semiconductor Device manufacturing method.
前記炭化珪素層を大気、酸素ガス雰囲気および水を含んだ水蒸気雰囲気の何れかの雰囲気に曝して加熱することで前記二酸化珪素膜を形成する工程を含む、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (a)
2. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, comprising a step of forming the silicon dioxide film by exposing the silicon carbide layer to any one of air, an oxygen gas atmosphere, and a water vapor atmosphere containing water to heat the silicon carbide layer. Production method.
化学気相成長法により、前記二酸化珪素膜を形成する工程を含む、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (a)
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, comprising a step of forming the silicon dioxide film by chemical vapor deposition.
前記窒素酸化物ガスとして、一酸化窒素(NO)ガス、一酸化二窒素(N2O)ガス、および二酸化窒素(NO2)ガスから選択された少なくとも1種のガス含んだ雰囲気中で前記熱処理を行う工程を含む、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (c)
The heat treatment in an atmosphere containing at least one gas selected from nitrogen monoxide (NO) gas, dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, and nitrogen dioxide (NO 2 ) gas as the nitrogen oxide gas The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of Claim 1 including the process of performing.
前記二酸化珪素膜は、前記MOSFETのゲート酸化膜を構成する、請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The silicon carbide semiconductor device includes a MOSFET,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1 , wherein the silicon dioxide film constitutes a gate oxide film of the MOSFET .
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