JP6024962B2 - 半導体装置製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素単結晶基板を用いた半導体装置の製造方法及び炭化珪素単結晶基板を用いた半導体装置に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）素子は、珪素（Ｓｉ）素子と比較して、高耐圧、低オン抵抗の半導体装置を実現できることが期待されている。近年ＳｉＣ素子の製造技術が著しく進歩し、ＳｉＣ素子のデバイス特性の優位性が確立されつつある。また、半導体装置製造工程では、６インチサイズの基板が用いられるなど、半導体装置製造工程に供される基板のサイズも大型化している。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング装置では、半導体装置製造工程にゲート酸化膜形成工程が含まれる。スイッチング装置のスイッチング動作時の損失（オン抵抗）を低減するために、ゲート酸化膜とＳｉＣ基板との界面に電流の損失源となる界面準位が少ない酸化膜を形成する工程が必要となる。

ＳｉＣ基板表面に界面準位の少ない酸化膜を形成するために、オゾンを用いてＳｉＣ基板を酸化する方法が行われている（例えば、非特許文献１）。オゾン酸化は、オゾンの分解反応によって発生する原子状酸素ＯをＳｉＣ基板の酸化種として利用する。また、波長２００〜３００ｎｍの紫外光を含む光をＳｉＣ基板に照射してオゾン酸化を行うと、励起状態の原子状酸素（Ｏ（１Ｄ））が酸化種としてＳｉＣ基板に作用し、さらに界面準位の少ない高品質な酸化膜を作成することが期待される（例えば、特許文献１，２）。

特開２００８−５３５６１号公報 特開２００８−２８３２０１号公報 特開２００８−２４３９１９号公報

野中秀彦、外４名、"Rapid Oxidation of SiC Using Highly Concentrated Ozone and Characterization of Oxide Films"、Journal of the Vacuum Society of Japan、２００８年、Volume 51、Issue 3、p.221-223 小杉亮治、外２名、"Thermal oxidation of (0001)4H-SiC at high temperatures in ozone-admixed oxygen gas ambient"、Applied Physics Letters、American Institute of Physics、２００３年６月３日、第８３巻、第５号、p.884-886

しかし、オゾンを用いたＳｉＣ熱酸化法では、ガス輸送中でのオゾンの熱分解に伴いオゾン濃度が減少する。その影響により、図９（ａ）のようにＳｉＣ基板１０に形成されたオゾン酸化膜１９は、オゾンの流通方向上流側に形成されたガス上流側酸化膜厚１９ａに対して下流側に形成されたガス下流側酸化膜厚１９ｂが薄くなる。例えば、非特許文献１の記載によれば、１２ｍｍ□ＳｉＣ基板をオゾン酸化して５０ｎｍ前後の酸化膜を形成したところ、オゾン酸化膜に１０％程度の膜厚分布が発生している。実用的に用いられる６インチ程度のＳｉＣ基板に対してオゾン酸化を行う場合、ＳｉＣ基板に形成されるオゾン酸化膜にはより大きな膜厚分布が発生することが懸念される。

このオゾン酸化膜の膜厚の不均一を解消するために、オゾンの供給量や圧力、さらには、オゾンの供給流路を変更し、オゾン輸送中の熱分解の影響を低減することが考えられる。しかし、オゾン酸化は、１０００℃以上の熱酸化を行うので、処理炉の周辺部材に石英ガラスなどの高温耐熱性材料を用いるなど、処理炉は形状加工の制限を受けるので、実現が困難である。

上記事情に鑑み、本発明は、ＳｉＣ基板に形成される酸化膜の界面準位の低減、及びこの酸化膜の膜厚の不均一の低減に貢献する酸化膜形成技術の提供を目的としている。

上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の一態様は、絶縁膜が形成された炭化珪素単結晶基板を、８０体積％以上のオゾン雰囲気下、酸素による酸化膜の製膜速度が３ｎｍ／ｈ以下の処理条件で酸化処理し、当該絶縁膜とＳｉＣ基板との界面に界面酸化膜を形成する製膜工程を、有することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記半導体装置製造方法において、前記界面酸化膜の膜厚は、１ｎｍ以上であることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記半導体装置製造方法において、前記オゾンの流速は、０．５ｍ／ｓ以上であることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記半導体装置製造方法において、前記処理条件は、処理圧力が７６００Ｐａ以下であることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記半導体装置製造方法において、前記絶縁膜は、前記炭化珪素単結晶基板を酸化性ガスで酸化して形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記半導体装置製造方法において、前記絶縁膜と前記界面酸化膜でゲート酸化膜を形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置製造方法の他の態様は、上記半導体装置製造方法において、前記製膜工程において、前記炭化珪素単結晶基板に、２００〜３００ｎｍの紫外光を照射することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の半導体装置の一態様は、炭化珪素単結晶基板と、当該炭化珪素単結晶基板表面に形成される絶縁膜と、前記炭化珪素結晶基板と前記絶縁膜との間にオゾン酸化により形成される界面酸化膜と、を有することを特徴としている。

以上の発明によれば、ＳｉＣ基板に形成される酸化膜の界面準位の低減、及びこの酸化膜の膜厚の不均一の低減に貢献することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法に用いられる酸化膜形成装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法に用いられる酸化膜形成装置の要部の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法により形成される酸化膜の概略を示す図であり、(ａ)バルク酸化膜を説明する説明図、（ｂ）界面酸化膜を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法を説明するフロー図である。 ＳｉＣ基板のオゾン酸化処理における反応時間と酸化膜の膜厚との関係を示す特性図である。 ＳｉＣ基板のオゾン酸化処理における処理温度に対する界面準位密度の関係を示す特性図である。 ＳｉＣ基板のオゾン酸化処理におけるオゾン供給量と酸化膜の膜厚との関係を示す特性図である。 ＳｉＣ基板のオゾン酸化処理における反応時間と酸化膜の静電容量の関係を示す特性図である。 (ａ)従来技術に係る半導体装置の酸化膜の概略を示す図、(ｂ)本発明の実施形態に係る半導体装置の酸化膜の概略を示す図である。

本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法及び半導体装置について、図を参照して詳細に説明する。なお、本発明において炭化珪素単結晶基板（ＳｉＣ基板）とは、炭化珪素の単結晶層を有する基板や炭化珪素の単結晶にイオン注入した層を有する基板のことを示す。

［酸化膜形成装置］
図１、２を参照して、ＳｉＣ基板の表面に界面酸化膜を形成する酸化膜形成装置１について説明する。ＳｉＣ基板の表面処理を行う処理装置としては、例えば、特許文献１，２に開示される処理装置が知られている。

図１に示すように、酸化膜形成装置１は処理炉２、オゾン発生器３、光源４及び光源５を備える。

処理炉２は横型層流減圧方式の炉である。処理炉２には、配管６を介してオゾン発生器３が接続され、配管７を介してオゾン除去装置８が設けられる。このオゾン除去装置８で、処理炉２の反応に供されたガス中の残留オゾンが分解除去される。そして、オゾン除去装置８で処理後のガスは、真空ポンプ９により系外に排出される。また、処理炉２の内部中心付近には、ＳｉＣ基板１０を保持するするサセプタ１１が設けられる。サセプタ１１は、例えば、赤外光を吸収する材料（不透明石英やＳｉＣ単結晶体など）で構成される。サセプタ１１は、処理炉２外に設けられた光源５から赤外光が照射され加熱される。

図２は、処理炉２の詳細を示す図である。図２に示すように、処理炉２として、例えば、石英ガラス管２ａが用いられる。石英ガラス管２ａの端部にそれぞれＯリング１２（または、ガスケット）を介して、配管６及び配管７が設けられる。配管６及び配管７は、真空対応（到達真空度０．１Ｐａ程度）の配管であり、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）管の内面を電解研磨により表面処理したものが用いられる。配管６（配管７）と処理炉２（すなわち、石英ガラス管２ａ）との接続部６ａ（接続部７ａ）は、水冷されていることが望ましい。また、Ｏリング１２は、耐熱材料からなる部材（例えば、デュポン社製カルレッツ）が用いられる。配管６及び配管７には、それぞれ流量可変バルブ１３，１４が設けられ、この流量可変バルブ１３，１４を制御することで、処理炉２に供給されるオゾンの流量や処理炉２の圧力が制御される。なお、処理炉２の外周近傍を流通するように冷却用のガスが供給され処理炉２が空冷される。つまり、処理炉２は、コールドウォールであり、ガス輸送中におけるオゾンの熱分解が抑制される。

オゾン発生器３は、気体のオゾンを冷却して液体オゾンとし、この液体オゾンを再び気化することで、略１００％のオゾンガスを発生する。このようなオゾン発生器３としては、例えば、明電舎製のピュアオゾンジェネレータがあり、オゾン発生器３から発生したオゾンを不活性ガス（アルゴンやヘリウムなど）で希釈することで、任意の濃度のオゾンを処理炉２に供給することができる。

光源４は、波長２１０ｎｍより長い連続的または離散的な波長の輝線を有する紫外光領域の光を発する。例えば、光源４に高圧水銀ランプを用いると、大面積のＳｉＣ基板１０の処理を行うことができる。光源４からの光は、例えば、ＳｉＣ基板１０の表面に向けガスの流れと垂直に照射される。光源４からの光の照度はＳｉＣ基板１０の全面での照度の揺らぎが小さくなるように調節される。オゾンは、（１）式に示す紫外線解離反応により、励起状態原子状酸素Ｏ（¹Ｄ）を生成する。また、オゾンは、（２）式に示す熱分解反応により、基底状態原子状酸素Ｏ（³Ｐ）を生成する。
Ｏ₃ ＋ｈν（λ＜３１０ｎｍ） → Ｏ（¹Ｄ） ＋ Ｏ₂ …（１）
Ｏ₃ → Ｏ（³Ｐ） ＋ Ｏ₂ …（２）
紫外光解離反応により生じた励起状態原子状酸素は、基底状態原子状酸素よりも反応性が高いので、光源４から紫外光を照射してＳｉＣ基板１０に対してオゾンガスを供給した場合、ＳｉＣ基板１０表面の酸化膜形成速度が向上する。なお、基底状態原子状酸素も、高い反応性を有するため、ＳｉＣ基板１０上に良好な酸化膜を形成することができる。ゆえに、基底状態原子状酸素により十分な酸化膜が得られる場合は、必ずしも紫外光を照射する必要はない。

光源５は、赤外光領域の光を出力するランプである。光源５からの光は、処理炉２を透過してサセプタ１１に照射される。光源５からの光により、サセプタ１１に保持されたＳｉＣ基板１０の温度が所定の温度となるようにサセプタ１１の温度が制御される。よって、光源５から照射される光の波長は、サセプタ１１またはＳｉＣ基板１０が吸収する光であればどのような波長の光を用いてもよい。

［半導体装置製造方法］
本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法について、図３，４を参照して説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る半導体装置製造方法に供されるＳｉＣ基板１０の概略断面図であり、図３（ａ）は、オゾン処理前の図であり、図３（ｂ）は、オゾン処理後の図である。なお、図３（ａ）のＳｉＣ基板１０及び図３（ｂ）の半導体装置１５は、本発明の実施形態に係るＳｉＣ基板１０及び半導体装置１５を模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。

図４は、実施形態に係る半導体装置１５製造方法のフローを示す図である。図４を参照して、実施形態に係る半導体装置１５製造方法について説明する。

実施形態に係る半導体装置１５製造方法に供されるＳｉＣ基板１０として、例えば、１２ｍｍ□サイズ４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板（ＳｉＣ基板）が用いられる。より具体的には、Ｃｒｅｅ社製のオフ角４°、１．２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ドープされたｎ⁺層基板１０ａなどが用いられる。

まず、前工程Ｓ１で、ｎ⁺層基板１０ａ上に、ｎ^-エピ層１０ｂ（エピキャピタル成長層）を形成する。例えば、ｎ⁺層基板１０ａ上に、厚み４．７μｍ程度のｎ^-エピ層１０ｂを濃度１．２×１０¹⁵ｃｍ^-3で形成する。

次に、ＲＣＡ洗浄工程Ｓ２を行う。ＲＣＡ洗浄工程Ｓ２は、アンモニア（２８重量％）：過酸化水素水（３０〜３５重量％）：水＝１：１：５（体積比）の洗浄液で、７０〜８０℃、１０分処理するアンモニア・過酸化水素水洗浄工程（ＳＣ１）を行う。その後、塩酸（３６重量％）：過酸化水素水（３０〜３５重量％）：水＝１：１：５（体積比）の洗浄液で、７０〜８０℃、１０分処理する塩酸・過酸化水素水洗浄工程（ＳＣ２）を行う。さらに、ＳＣ２工程後に、ＳｉＣ基板１０をフッ酸（０．５〜１０％程度のフッ化水素水溶液）で処理する。

第１製膜工程Ｓ３では、ＳｉＣ基板１０上にゲート酸化膜１８として必要とされる膜厚に近い厚さのバルク酸化膜１６（例えば、必要とされるゲート酸化膜１８の膜厚より５ｎｍ程度薄い酸化膜）を形成する。第１製膜工程Ｓ３は、例えば、ホットウォール処理炉のバッチ処理で行う。ホットウォール処理炉にＳｉＣ基板１０を格納し、この処理炉に酸素を供給して、１２００℃でＳｉＣ基板１０表面にバルク酸化膜１６を形成する。なお、ＳｉＣ基板を直接酸化してバルク酸化膜を形成する場合、酸素の他にＨ₂ＯやＮＯなどの酸化性ガスを用いることができる。また、第１製膜工程Ｓ３で形成されるバルク酸化膜１６は、ＳｉＯ₂膜に限定されるものでなく、例えば、バルク酸化膜１６として酸化アルミニウム膜（Ａｌ₂Ｏ₃膜）や、窒化珪素膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）などの絶縁膜を形成してもよい。ＳｉＯ₂以外の絶縁膜をバルク酸化膜１６として製膜するときは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）堆積法などの膜形成方法により絶縁膜を形成する。

第１製膜工程Ｓ３終了後は、処理炉２内をアルゴン（Ａｒ）ガスに置換して処理炉２の温度を下げ、処理炉２からＳｉＣ基板１０を搬出し、ＳｉＣ基板１０をオゾンで処理する酸化膜形成装置１に搬送する（酸化膜形成装置搬送工程Ｓ４）。このように、バルク酸化膜１６形成後に、不活性ガス雰囲気下で処理炉の温度を低下させることで、形成される酸化膜の界面準位密度Ｄ_itがより低減する。

第２製膜工程Ｓ５では、バルク酸化膜１６が形成されたＳｉＣ基板１０をオゾン処理し、ＳｉＣ基板１０とバルク酸化膜１６との間に界面酸化膜１７を形成する。第２製膜工程Ｓ５は、図１に示した酸化膜形成装置１を用い、この酸化膜形成装置１の処理炉２に濃度が８０体積％以上のオゾンを供給して、９００℃以上でＳｉＣ基板１０の酸化処理を行う。処理炉２に供給されるオゾンの流量は、１００ｓｃｃｍ（標準状態ｃｍ³／ｍｉｎで表した流量）以上であり、この流量で処理炉２にオゾンを供給すると、処理炉２を流通するオゾンの平均流速は０．５ｍ／ｓ以上となる。なお、第２製膜工程Ｓ５の処理は、コールドウォール方式なので枚葉処理となり、スループットの観点から処理時間が制限される。例えば、第２製膜工程Ｓ５の処理時間を１０分以下とすることで半導体装置１５のスループットが向上する。また、オゾン処理後のＳｉＣ基板１０を不活性ガス（例えば、ＡｒまたはＨ₂など）を用いて酸化膜形成後アニール（ＰＯＡ）を行うことが好ましい。このＰＯＡは、オゾン酸化後にＳｉＣ基板１０を冷却せず処理炉２で行ってもよいが、ホットウォールのバッチ式の処理炉でＰＯＡを行うことで半導体装置１５のスループットが向上する。

後工程Ｓ６では、半導体装置１５をＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴとして機能させるために、半導体装置１５に電極層（ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極）を形成する。

［第２製膜工程の処理時間］
図５は、ＳｉＣ基板１０をオゾン処理したときの、処理時間とＳｉＣ基板１０に形成される酸化膜の厚さの関係を示す特性図である。図５に示すように、高い温度でオゾン酸化を行うことで、同じ処理時間で形成される酸化膜の膜厚が増加する。

ここで、ゲート酸化膜１８を５０ｎｍ形成して半導体装置１５を製造する場合の第２製膜工程Ｓ５のオゾン処理時間を決定する方法について説明する。第２製膜工程Ｓ５は、１０００℃で行い、膜厚５ｎｍの界面酸化膜１７を形成する場合について説明する。

まず、第１製膜工程Ｓ３で、ＳｉＣ基板１０上に４５ｎｍのバルク酸化膜１６を形成する。つまり、第１製膜工程Ｓ３では、ゲート酸化膜１８の膜厚より、界面酸化膜１７の膜厚分少ない厚さのバルク酸化膜１６が形成される。

次に、第２製膜工程Ｓ５で、ＳｉＣ基板１０をオゾン処理して界面酸化膜１７を形成する。このオゾン処理時間は、図５の特性図に基づいて設定する。図５に示す１０００℃でＳｉＣ基板１０のオゾン処理を行った場合の特性図より、厚さ４５ｎｍ（Ｔ₁）の酸化膜が形成されるまでの時間（ｔ₁）と、厚さ５０ｎｍ（Ｔ₂）の酸化膜が形成されるまでの時間（ｔ₂）を求めることができる。そして、ＳｉＣ基板１０をオゾン処理して形成される酸化膜の厚さがＴ₁からＴ₂まで増加するために必要なオゾン処理時間は、ｔ₂−ｔ₁（約４０分）で求めることができる。このように、見積もったオゾン処理時間で、バルク酸化膜１６が形成されたＳｉＣ基板１０のオゾン処理を行ったところ、オゾンのみを用いて酸化膜を形成したときと略同じ厚さの界面酸化膜１７を得ることができた。

［第２製膜工程の処理温度］
図５に示すように、８００℃でＳｉＣ基板１０をオゾン処理した場合、形成される酸化膜の膜厚は３時間以上の酸化を行っても３０ｎｍ以下であり、オゾン処理温度が８００℃以下の場合、目的の膜厚を有する界面酸化膜１７を形成することは困難であるものと推定される。このことから、ＳｉＣ基板１０上に５０ｎｍのゲート酸化膜１８を形成する場合、第２製膜工程Ｓ５のオゾン処理温度を、９００℃以上、より好ましくは１０００℃以上とすることで、短時間でＳｉＣ基板１０上に界面酸化膜１７を形成することができる。

また、図５のオゾン処理温度が１２００℃の場合と１４００℃の場合を比較すると、酸化膜がＴ₁からＴ₂まで増加するまでに必要な処理時間の長さは、オゾン処理温度が上昇すればするほど短くなる。よって、オゾン処理温度を高くすることで、半導体装置１５のスループットを向上させることができる。図５に示した特性図において、処理時間と酸化膜の膜厚の関係は、図中破線で示すパラボリック関数で近似（フィッティング）できる。つまり、オゾン処理による酸化膜形成反応は拡散律速で反応速度が決定されるものと考えられる。よって、オゾン処理温度を高くすればするほど、原子状酸素Ｏのバルク酸化膜１６中拡散速度が速くなるため、厚いバルク酸化膜１６を形成した状態でも界面酸化膜１７の形成速度が大きくなるものと考えられる。

図６は、ＳｉＣ基板にオゾンを供給して様々な処理温度でＳｉＣ基板１０上に酸化膜を形成し、得られた酸化膜の界面準位密度（Ｄ_it）を測定した測定結果である。オゾン処理温度を高くすることで、Ｄ_itが減少していることがわかる。参考例として、処理温度１２００℃で、酸素でＳｉＣ基板上に酸化膜を形成し、得られた酸化膜のＤ_it測定結果を点線で示す。この酸素で形成した酸化膜のＤ_itは、処理温度が８００℃から１０００℃であるオゾンで形成した酸化膜のＤ_itよりも低い値となっている。一方で、オゾン処理温度を１１００℃以上とすることで、酸素で形成した酸化膜よりも低いＤ_itを有する酸化膜を形成することができる。

［処理炉内圧力と製膜速度の関係］
処理炉２内圧力の違いによる酸化膜の製膜速度について、図７を参照して説明する。

図７に、異なる処理炉２内圧力（３５０Ｐａ、１０５０Ｐａ）で酸化膜を形成し、各処理時間で形成される酸化膜の膜厚を測定した測定結果を示す。なお、処理炉２内の圧力以外の処理条件は、同じであり、略１００％のオゾンを１００ｓｃｃｍで処理炉２に供給し、処理温度１２００℃でＳｉＣ基板１０上に酸化膜を形成した。

図７に示すように、処理炉２内の圧力を３５０Ｐａと１０５０Ｐａとした場合に形成される酸化膜の膜厚は、３５０Ｐａで形成した場合のほうが膜厚増加量が多い。これは処理炉２内の圧力を低圧にすることで、処理炉２を流通するオゾンの密度は低下するものの、オゾンのガス流速が上昇することで酸素に熱分解する前に基板表面に到達できるオゾンが増加し製膜速度が向上するものと考えられる。ゆえに、オゾン処理の圧力は、３５０Ｐａ程度の圧力とするとよい。

［オゾン供給速度と製膜速度の関係］
オゾン供給速度の違いによる酸化膜の製膜速度について、図７を参照して説明する。

図７に、異なるオゾン流量（１００ｓｃｃｍ、５００ｓｃｃｍ）でＳｉＣ基板１０上に酸化膜を形成し、各処理時間で形成される酸化膜の膜厚を測定した測定結果を示す。なお、オゾン流量以外の処理条件は、同じであり、処理炉２内圧力は３５０Ｐａ、略１００％のオゾンを処理炉２に供給し、処理温度１２００℃で酸化膜を形成した。

図７に示すように、オゾンガスの流量を１００ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍに増加させると酸化膜の膜厚増加量が多くなる。これは、オゾン流量が上昇することで、ガス流速が上昇し、ガス輸送中での熱分解を抑制してＳｉＣ基板１０表面までオゾンを供給することができるためであると考えられる。その結果、酸化膜形成に必要な酸化活性種ＯをＳｉＣ基板１０に供給できるものと考えられる。

ゆえに、ＳｉＣ基板１０を格納した処理炉２に対して、１００ｓｃｃｍ以上、より好ましくは５００ｓｃｃｍ以上の流量のオゾンを供給することで、短い処理時間で必要な膜厚の界面酸化膜１７を形成することができる。

一般的なＳｉ基板のオゾン酸化は、７００℃以下の温度範囲で行われるため、ガス流量・ガス流速に対して酸化速度の影響が少ないが、１０００℃以上の酸化温度を必要とするＳｉＣ基板の酸化では、ガス流速の影響が無視できない。このように、ＳｉＣ基板のオゾン酸化では、ガス流速の影響が無視できないことから、供給されるオゾンの濃度に対しても酸化速度が依存することが考えられる。実際、１５体積％濃度のオゾンによるＳｉＣ基板の酸化では、１２００℃での酸化速度が最大７ｎｍ／ｈであり（例えば、非特許文献２）、スループットを考慮すると、実用的な酸化膜形成方法として用いることが困難である。そこで、本発明の半導体装置製造方法では、ＳｉＣ基板１０が格納された処理炉２に対して、８０体積％以上のオゾン、より好ましくは、略１００体積％のオゾンを供給することで、ＳｉＣ基板１０の酸化速度を大きくし、実用的な膜形成速度で酸化膜を形成することができる。

図８は、第１製膜工程Ｓ３で、バルク酸化膜１６を１２００℃で４０ｎｍ程度作成し、第２製膜工程Ｓ５で界面酸化膜１７を形成したＳｉＣ基板１０に対して、Ａｌ電極を酸化膜上に形成したＭＯＳキャパシタ配置での高周波−低周波ＣＶ曲線である。

３つの試料は、酸素を用いて同時にＳｉＣ基板１０の酸化を行い、ＳｉＣ基板１０上に膜厚４１．８ｎｍのバルク酸化膜（ＳｉＯ₂）を形成した。この試料に、１２００℃・５００ｓｃｃｍ・３５０Ｐａの処理条件でオゾン処理を３６０秒行った試料及び７５０秒行った試料を作成した。オゾン処理後の各試料の酸化膜（バルク酸化膜１６と界面酸化膜１７の和）の膜厚は、高周波−低周波ＣＶ曲線の飽和容量から、４８．５ｎｍ及び５５．０ｎｍと見積もられ、オゾン処理を行うことにより酸化膜の膜厚が増加した。また、オゾン処理による酸化膜の膜厚増加速度は、処理時間に対して単調増加し、およそ１．２ｎｍ／分の程度の増加量であることが算出された。つまり、界面酸化膜１７を５ｎｍ作成する処理を行うためには、オゾン処理を４−５分行えばよいこととなる。オゾン処理により形成される酸化膜の膜厚は、図５で説明したｔ₂−ｔ₁の決め方を図７に示した５００ｓｃｃｍの曲線に適用して処理時間を算出し、この処理時間オゾン処理を行った場合に形成される膜厚と略等しい。このことから、第２製膜工程Ｓ５の界面酸化膜１７の膜厚制御は、オゾン単独でＳｉＣ基板１０に酸化膜を形成した場合の酸化膜成長条件から推定することができる。

以上のように、本発明の半導体装置製造方法によれば、酸素によるＳｉＣ基板表面の製膜速度が３ｎｍ／ｈ以下となるようなプロセス条件でオゾンによる界面酸化膜の形成工程を行うことで、酸素による酸化による影響を低減した界面酸化膜を形成することができる。例えば、非特許文献２で示されているように、処理圧力を７６００Ｐａ以下とすることで、酸素によるＳｉＣ基板表面の製膜速度が３ｎｍ／ｈ以下となるようにＳｉＣ基板表面を酸化することができる。つまり、処理炉内の圧力を低圧にすることで、酸素によるＳｉＣ基板表面の酸化反応の進行が抑制され、酸素による不完全な酸化が局所的に行われることで生じる欠陥のある界面酸化膜形成が抑制される。

さらに、予めバルク酸化膜を形成したＳｉＣ基板に対して、８０体積％以上のオゾンを供給してバルク酸化膜とＳｉＣ基板との間に界面酸化膜を形成することで、界面特性に優れ、均一な膜厚分布を有する酸化膜をＳｉＣ基板上に形成することができる。このように、高濃度（８０体積％以上）のオゾンを用いてＳｉＣ基板の酸化処理を行うことで、短時間でＳｉＣ基板の酸化処理を行うことができる。その結果、ＳｉＣ基板の熱歪みやＳｉＣ基板への不純物の混入を減少させることができる。オゾン濃度は、８０体積％以上、より好ましくは９５体積％以上のオゾンを酸化膜形成工程のオゾンとして用いることで、良好な酸化膜を形成することができる。特に、略１００体積％のオゾンを用いると数分でＳｉＣ基板の酸化処理を行うことができる。この処理時間は、８０体積％のオゾンで同じ膜厚の酸化膜を形成する形成速度の１．２５倍であり、単位時間あたりのＳｉＣ基板の処理量が向上する。半導体装置の製造工程は枚葉処理のため、酸化膜形成速度の向上は半導体装置の生産速度に大きく影響する。

また、本発明の半導体装置製造方法は、ＳｉＣ基板の処理に供するオゾンの濃度や、オゾン流量、ＳｉＣ基板の処理温度を上げることで、半導体装置の生産性を向上させることができる。例えば、オゾンガスの供給量：１００〜５００ｓｃｃｍ、処理圧力：１００〜７６００Ｐａ、処理温度：９００℃以上とすることで、界面特性に優れた界面酸化膜をＳｉＣ基板とバルク酸化膜の間に形成することができる。

また、本発明の半導体装置は、膜厚分布の差が小さく界面特性に優れた酸化膜を有するので、この酸化膜をＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング装置のゲート酸化膜に適用することでスイッチング動作時の損失（オン抵抗）を低減することができる。

つまり、必要とされる膜厚（例えば、ゲート酸化膜として必要とされる膜厚）に近いバルク酸化膜を予め形成し、このバルク酸化膜に対して８０体積％以上のオゾンを供給し界面酸化膜を形成する。このようにして、ＳｉＣ基板とバルク酸化膜との間に界面特性に優れた界面酸化膜を形成する。その結果、均一な膜厚を有し、界面準位密度が低いなど界面特性に優れた界面酸化膜の効果を有し、スループットの低下を抑制した酸化膜をＳｉＣ基板上に形成することができる。

図９（ａ）に示すように、オゾンを供給してＳｉＣ基板１０上に酸化膜１９を形成する場合ガス輸送中でのオゾン熱分解に伴いオゾン濃度が減少する。その結果、オゾンの流通方向上流側酸化膜１９ａの膜厚と下流側酸化膜１９ｂの膜厚に差が生じてしまう。これに対して、図９（ｂ）に示すように、本発明の半導体装置製造方法は、バルク酸化膜１６を形成した後に界面特性に優れた酸化膜の効果を得る程度の膜厚だけ界面酸化膜１７を形成する。つまり、酸化膜全体２０に占める界面酸化膜１７の割合が少なくなり、たとえ、オゾン処理で形成される界面酸化膜１７に膜厚分布が発生したとしても、酸化膜全体２０に対しては、界面酸化膜１７の膜厚分布の影響が低減する。よって、酸化膜全体２０としては、ガス上流側酸化膜厚２０ａとガス下流側酸化膜厚２０ｂの差が小さくなる。

例えば、一般的にゲート酸化膜は、５０〜１００ｎｍの膜厚が必要である。オゾンによる酸化膜形成工程において、上流側酸化膜厚と下流側酸化膜厚に３０％程度の膜厚差が生じると仮定すると、このゲート酸化膜をオゾンのみで形成した場合には、３０％程度の膜厚差が生じる。一方、オゾン酸化膜を５ｎｍ形成し、予め形成された酸化膜の膜厚と合わせて５０〜１００ｎｍの酸化膜を形成する場合には、オゾン酸化により形成される膜厚は、３．５〜６．５ｎｍの範囲となり、膜厚全体に対する酸化膜の不均一度は、１．５％〜３．０％となる。このように、酸化膜全体におけるオゾン酸化膜の割合を少なくすることで、酸化膜全体に対するオゾン酸化による膜厚差の影響を低減することができる。

オゾン酸化膜は界面準位の少ない高品質な酸化膜を得ることができ、この酸化膜は、ＳｉＣ基板と酸化膜との界面に形成される。この酸化膜の膜厚が１ｎｍ以上であると、界面特性を決める役割を持つ酸化膜を得ることができる。したがって、オゾンにより形成される酸化膜の膜厚は、必要以上に厚くする必要がない。また、経験的にオゾンにより形成される酸化膜の膜厚が１０ｎｍ程度であると、酸化膜のＤ_itを改善することができることがわかっている。ゆえに、オゾンにより形成される酸化膜の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば、優れた界面特性を有し、酸化膜の膜厚の差が少ない酸化膜を得ることができる。なお、酸化膜の膜厚の上限は特に限定されるものではなく、実用的な処理条件の範囲内であれば１０ｎｍ以上の酸化膜を形成してもよい。

本発明の半導体装置製造方法によれば、オゾン濃度が８０体積％以上、処理温度が９００℃以上でゲート酸化膜が形成されたＳｉＣ基板を処理することで、オゾンの分解により生成した活性種が５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度のゲート酸化膜を拡散して、ＳｉＣ基板とゲート酸化膜界面に界面酸化膜を形成することができる。このように、オゾン酸化膜形成工程を９００℃以上で行うことで、界面特性に優れた（界面準位密度Ｄ_itの低い）界面（ＳｉＣ基板−酸化膜界面）を有する酸化膜を得ることができる。また、ＳｉＣ基板に対する熱酸化による酸化膜の形成は通常１２００℃〜１４００℃で行われている。これに対して、本発明の半導体装置製造方法を１０００℃以上で行うことで、図６に示すように１２００℃で形成された熱酸化膜と同等若しくはより小さい界面準位を有する酸化膜を得ることができる。すなわち、本発明の半導体装置製造方法において、界面酸化膜を形成する際の処理温度は、形成するバルク酸化膜（絶縁膜）の厚さに応じて適宜必要な温度に設定されるものであるが、処理温度を９００℃以上、より好ましくは、１０００℃以上、さらに好ましくは１１００℃以上とすることで、界面特性に優れた酸化膜を得ることができる。

また、オゾンを処理炉に対して１００ｓｃｃｍ以上で供給することで、酸化膜形成速度が向上し、酸化膜形成処理時間を短縮することができる。この時、処理炉を流通するオゾン流速は、処理炉の形状と処理炉に供給されるオゾン流量によって定められる。本発明の半導体製造方法において、処理炉に１００ｓｃｃｍのオゾンを供給した場合、処理炉を流通するオゾン流速は、０．５ｍ／ｓであった。本発明の半導体装置製造方法は、界面酸化膜の形成速度に対するオゾン流速の影響が大きく、例えば、オゾン流速が０．５ｍ／ｓ以下の場合、１０００℃でオゾン処理を行っても十分な膜厚の界面酸化膜を得ることができない場合がある。よって、オゾン流速は、０．５ｍ／ｓ以上で反応させることで十分な膜厚を有する界面酸化膜を得ることができる。特に、オゾンの供給速度を５００ｓｃｃｍ（オゾン流速２．５ｍ／ｓ）とすると、１００ｓｃｃｍで供給した場合の略２倍の酸化膜形成速度を得ることができる。よって、オゾンの流速を２．５ｍ／ｓ以上とすることで、より界面酸化膜の製膜速度を向上させることができる。

また、２００ｎｍ以上の波長の光をＳｉＣ基板に照射することでＳｉＣ基板表面のダメージを低減することができ、３００ｎｍ以下の波長の光をオゾンに照射することで励起状態原子状酸素を生成することができる。よって、ＳｉＣ基板の表面をオゾン処理するときに、ＳｉＣ基板表面にオゾンの分解に必要な紫外光（波長２００〜３００ｎｍの光を含む）を照射することで、ＳｉＣ基板と酸化膜との界面に形成される界面酸化膜の形成速度が向上する。

また、本発明の半導体装置製造方法は、コールドウォールの処理炉でＳｉＣ基板表面のオゾン処理を行うことで、オゾン処理後のＳｉＣ基板を１００℃／ｍｉｎ以上の降温速度で冷却することができる。ＳｉＣ基板のオゾン処理が終了した後、ＳｉＣ基板を、１０Ｐａ以下の真空下、１００℃／ｍｉｎ以上の降温速度で、室温まで冷却することで半導体装置の生産性が向上する。

なお、本発明の半導体装置製造方法及び半導体装置について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の半導体装置製造方法及び半導体装置は、上述した実施形態に限定されるものでなく、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明の半導体装置製造方法及び半導体装置の技術的範囲に属する。

例えば、実施形態の説明では、炭化珪素の単結晶として、４Ｈ−ＳｉＣからなるＳｉＣ基板を用いたが、炭化珪素の単結晶としては、４Ｈ−ＳｉＣの他にも、２Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ等、他の結晶形の炭化珪素単結晶をＳｉＣ基板として用いることもできる。また、実施形態の説明では、単結晶基板の（０００１）面に対して、エピ層や金属電極層などを形成したが、（０００１）面の他、（０００−１）面や（１１−２０）面に対してエピ層などを形成した基板に本発明の半導体装置製造方法を適用することができる。また、実施形態では、オフ角４°のＳｉＣ基板を用いたが、オフ角は４°に限らず、０〜８°程度であれば他の角度でも構わない。また、ＳｉＣ基板のサイズも実施形態に限定するものではなく、適宜通常用いられるＳｉＣ基板に本発明の半導体装置製造方法を適用することができる。

また、本発明の半導体装置製造方法を、ＳｉＣ基板に堆積された絶縁膜だけでなく、高温で形成された熱酸化膜に対して適用することで界面特性に優れた絶縁膜を得ることができる。

１…酸化膜形成装置
２…処理炉
３…オゾン発生器
４…光源
５…光源
６，７…配管
８…オゾン除去装置
９…真空ポンプ
１０…ＳｉＣ基板
１０ａ…ｎ⁺層基板
１０ｂ…ｎ^-エピ層
１１…サセプタ
１５…半導体装置
１６…バルク酸化膜（絶縁膜）
１７…界面酸化膜（ＳｉＯ₂）
１８…ゲート酸化膜
１９…オゾン酸化膜
１９ａ…ガス上流側酸化膜厚
１９ｂ…ガス下流側酸化膜厚
２０…酸化膜全体
２０ａ…ガス上流側酸化膜厚
２０ｂ…ガス下流側酸化膜厚

Claims (6)

1. 絶縁膜が形成された炭化珪素単結晶基板を処理炉内に配置し、前記処理炉に８０体積％以上のオゾンを供給し、処理温度１１００℃以上、処理圧力１００〜７６００Ｐａの処理条件で酸化処理し、前記絶縁膜と前記炭化珪素単結晶基板との界面に界面酸化膜を形成する製膜工程を、有する
   ことを特徴とする半導体装置製造方法。
2. 前記界面酸化膜の膜厚は、１ｎｍ以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置製造方法。
3. 前記オゾンの流速は、０．５ｍ／ｓ以上である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置製造方法。
4. 前記絶縁膜は、前記炭化珪素単結晶基板を酸化性ガスで酸化して形成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置製造方法。
5. 前記絶縁膜と前記界面酸化膜でゲート酸化膜を形成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置製造方法。
6. 前記製膜工程において、前記炭化珪素単結晶基板に、波長２００〜３００ｎｍの紫外光を照射する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置製造方法。

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