JP7304577B2 - 絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に係り、特に炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いた絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に関する。

ＳｉＣを用いたＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）では、半導体層上にゲート絶縁膜を形成する際に、高密度の界面準位ができる。そのため、チャネルの移動度が低くなり、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗等の電気的特性が劣化するという課題がある。ゲート絶縁膜形成後に窒素（Ｎ）を含有するガス中で加熱処理し、シリコン酸化（ＳｉＯ₂）膜とＳｉＣ界面に高濃度窒化領域を形成することで、ゲート絶縁膜界面の界面準位密度（Ｄｉｔ）を低減し、高移動度化することが提案されている。しかし、負バイアス印加ストレスに対して、デバイスのオン-オフ電圧であるゲート閾値電圧の変動が生じる負バイアス温度不安定性（ＮＢＴＩ）によって、駆動条件によっては半導体装置の動作信頼性が確保できないという問題がある。非特許文献１では、ＮＢＴＩの問題の原因として、窒化領域形成プロセスにより、ゲート絶縁膜であるＳｉＯ₂膜中に入った窒素原子による正孔トラップ生成の可能性が指摘されている。

特許文献１では、ＮＢＴＩを改善するために、ＳｉＯ₂膜とＳｉＣ界面近傍のＮ濃度を規定する技術を開示している。具体的には、酸素（Ｏ）濃度がＳｉＯ₂膜中のＯ濃度の９０％となる位置を界面と定義し、界面から±５ｎｍの領域に含まれるＮ濃度を５×１０¹³ｃｍ^-2より高く、１．６×１０¹⁴ｃｍ^-2未満と規定している。しかし、特許文献１の技術では、界面のパッシベーションに寄与するＮ原子の量が減少するため、窒化効果が十分ではなく、チャネル移動度が低下し、また正バイアス温度不安定性（ＰＢＴＩ）が問題となる。

特開２０１１‐８２４５４号公報

J. ローゼン（Rozen）他、「ＳｉＯ2／ＳｉＣ界面での窒素取り込みに関連した酸化物ホールトラップ密度の増加（Increase in oxide hole trap density associated with nitrogen incorporation at the SiO2/SiC interface）」、ジャーナルオブアプライドフィジックス（J. Appl. Phys.）、第１０３巻、２００８年、ｐ．１２４５１３

本発明は、上記問題点を鑑み、界面準位密度の低減ができ、半導体装置の信頼性の劣化を抑制することが可能な絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、（ａ）炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、（ｂ）窒素原子を含むガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面を窒化処理して、チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面に中間窒化層を形成する工程と、（ｃ）二酸化炭素を含むガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜中の窒素原子の一部を除去し、界面に窒化終端層を形成する工程と、（ｄ）ゲート絶縁膜の上に、チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極を形成する工程と、を含む絶縁ゲート型半導体装置の製造方法であることを要旨とする。

本発明の他の態様は、（ａ）炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面に設けられたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、（ｂ）チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面に設けられた窒化シリコンからなる窒化終端層と、（ｃ）ゲート絶縁膜の上に設けられ、チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極と、を備え、ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面をＸ線光電子分光法で測定したとき、窒素の１ｓ軌道に起因するスペクトルの強度Ｉ_Nとチャネル形成領域に由来するシリコンの２ｐ軌道に起因するスペクトルの強度Ｉ_Siとの比Ｉ_N／Ｉ_Siが、ゲート絶縁膜を界面から２ｎｍ以上３ｎｍ以下の間の膜厚で残したときは０．０２以上、０．０３未満であり、ゲート絶縁膜を除去したときの窒化終端層では０．０１より大きく、０．０２未満である絶縁ゲート型半導体装置であることを要旨とする。

本発明によれば、界面準位密度の低減ができ、半導体装置の信頼性の劣化を抑制することが可能な絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の一例を示す断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の図２に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の図３に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の図４に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 比較例１のＭＯＳキャパシタの一例を示す断面概略図である。 ＭＯＳゲート構造の界面近傍の評価に用いるＳｉ２ｐのＸＰＳスペクトルの一例を示す図である。 ＭＯＳゲート構造の界面近傍の評価に用いるＮ１ｓのＸＰＳスペクトルの一例を示す図である。 実施形態に係る絶縁ゲート構造の界面近傍のＸＰＳ強度比の解析結果の一例を示す図である。 実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価結果の一例を示す表である。 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１１に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１２に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１３に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１４に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１５に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。 比較例２の絶縁ゲート型半導体装置の一例を示す断面概略図である。 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の評価結果の一例を示す表である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。

本明細書においてＭＯＳトランジスタのソース領域は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のエミッタ領域として選択可能な「一方の主電極領域（第１主電極領域）」である。又、ＭＯＳ制御静電誘導サイリスタ（ＳＩサイリスタ）等のサイリスタにおいては、一方の主電極領域はカソード領域として選択可能である。ＭＯＳトランジスタのドレイン領域は、ＩＧＢＴにおいてはコレクタ領域を、サイリスタにおいてはアノード領域として選択可能な半導体装置の「他方の主電極領域（第２主電極領域）」である。本明細書において単に「主電極領域」と言うときは、当業者の技術常識から妥当な第１主電極領域又は第２主電極領域のいずれかを意味する。

また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。また以下の説明では、第１導電型がｐ型、これと反対となる第２導電型がｎ型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としても構わない。またｎやｐに付す＋や－は、＋及び－が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物密度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じｎとｎとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物密度が厳密に同じであることを意味するものではない。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“－”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“－”を付けることで負の指数をあらわしている。

本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置は、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）膜を用いた横型ＭＯＳＦＥＴである。図１に示すように第１導電型（ｐ型）のチャネル形成領域（ベース領域）３を備え、チャネル形成領域３の表面に反転チャネルを形成する。チャネル形成領域３の上部には、高不純物密度の第２導電型（ｎ⁺型）の主電極領域４ａ、４ｂ、例えばソース領域（第１主電極領域）４ａ及びドレイン領域（第２主電極領域）４ｂが選択的に設けられる。ソース領域４ａ及びドレイン領域４ｂを跨いでチャネル形成領域３の上面に、窒素（Ｎ）で終端された窒化終端層６を介して絶縁ゲート型電極構造（５，７）が設けられる。絶縁ゲート型電極構造（５，７）は、ＳｉＯ₂膜からなるゲート絶縁膜５及びゲート絶縁膜５上のゲート電極（制御電極）７で構成される。ゲート電極７は、チャネル形成領域３の表面ポテンシャルを、ゲート絶縁膜５を介して静電的に制御して、チャネル形成領域３の表面に反転チャネルを形成する。

窒化終端層６は、ゲート絶縁膜５及びチャネル形成領域３の界面を窒化処理した後に二酸化炭素（ＣＯ₂）ガスによって熱処理して設けた窒素終端層である。ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜５であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）として、酸素（Ｏ₂）ドライ酸化やウェット酸化等の熱酸化膜、あるいはスパッタ、熱化学気相堆積（ＣＶＤ）、及びプラズマＣＶＤ等の堆積酸化膜が採用可能である。ゲート電極７の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）等の金属膜、燐（Ｐ）等の不純物を高濃度に添加したポリシリコン層（ドープドポリシリコン層）等が使用可能である。

チャネル形成領域３は、図１に示すように、ｎ型のＳｉＣ半導体からなる基板１の上にエピタキシャル成長して設けられる。また、ソース領域４ａ及びドレイン領域４ｂにそれぞれ物理的に接するようにソース電極８ａ及びドレイン電極８ｂが設けられる。ソース電極８ａ及びドレイン電極８ｂは、それぞれソース領域４ａ及びドレイン領域４ｂにオーミック接続されている。ソース電極８ａ及びドレイン電極８ｂは、例えば、Ａｌからなる単層膜や、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ_x）、窒化チタン（ＴｉＮ）、Ａｌの順で積層された金属膜が使用可能である。なお、図示は省略したが、ソース電極８ａとチャネル形成領域３とを電気的に接続するｐ⁺型のコンタクト領域がソース領域４ａと分離して、チャネル形成領域３に配置されている。

ＳｉＣ結晶には結晶多形が存在し、主なものは立方晶の３Ｃ、及び六方晶の４Ｈ、６Ｈである。室温における禁制帯幅は３Ｃ－ＳｉＣでは２．２３ｅＶ、４Ｈ－ＳｉＣでは３．２６ｅＶ、６Ｈ－ＳｉＣでは３．０２ｅＶの値が報告されている。本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、４Ｈ－ＳｉＣを用いて説明する。実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置においては、基板１はＳｉＣからなる半導体基板（ＳｉＣ基板）を用いる。ＳｉＣ基板を用いた場合、チャネル形成領域３はＳｉＣからなるエピタキシャル層（ＳｉＣ層）で構成された構造を例示する。ＳｉＣ基板の面方位は、（０００１）面（Ｓｉ面）を用いて説明するが、（１１－２０）面（ａ面）、（１－１００）面（ｍ面）、及び（０００－１）面（Ｃ面）を用いてもよい。

図１に示すように、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、ゲート電極７に電圧を印加してゲート絶縁膜５とチャネル形成領域３との界面にチャネルとなる反転層を形成する。このとき、ソース電極８ａとドレイン電極８ｂ間に電圧を印加することで、ソース領域４ａからキャリア（電子）がチャネルに注入される。注入されたキャリアは、チャネルを走行してドレイン領域４ｂに流れ込む。

通常、ゲート絶縁膜５に用いるＳｉＯ₂膜を熱酸化法等で形成すると、ＳｉＯ₂膜とＳｉＣ半導体層の界面にＣ原子が残留し、高密度の界面準位が形成される。界面準位に電子が捕獲されると、クーロン散乱等により電子移動度が低下する。ＳｉＯ₂膜とＳｉＣ半導体層の界面をＮ原子で終端することで、界面準位密度を低減する方法が提案されている。しかし、ＳｉＯ₂膜とＳｉＣ半導体層の界面に高濃度窒化領域が形成されると、ゲート負電圧印加ストレスに対して、半導体装置のゲート閾値電圧変動が生じる。

実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、窒化処理してゲート絶縁膜５及びチャネル形成領域３の界面に形成した中間窒化終端層を二酸化炭素（ＣＯ₂）ガスによる熱処理して窒化終端層６を設ける。後述するように、ＣＯ₂熱処理によってＳｉＯ₂膜中やＳｉＣ半導体層界面でのＳｉ－Ｎ結合が切断されＮ原子が除去される。ゲート絶縁膜５をすべて除去したときに、窒化終端層６のＮとＳｉのＸ線電子分光法（ＸＰＳ）信号強度比Ｉ_N／Ｉ_Siを０．０１より大きく、０．０２未満となるようにＣＯ₂熱処理する。このとき、界面近傍のゲート絶縁膜５を２ｎｍ以上３ｎｍ以下残したときのＸＰＳ信号強度比Ｉ_N／Ｉ_Siは０．０２以上、０．０３未満となる。このように、ＣＯ₂熱処理で窒化終端層６及びゲート絶縁膜５のＳｉ－Ｎ結合が切断され、余剰のＮ原子を排除できゲート絶縁膜５中の正孔トラップを除去することができる。その結果、半導体装置のゲート閾値電圧変動を抑制することが可能となる。

半導体装置のゲート閾値電圧の変動は、例えば、ＭＯＳキャパシタのフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）のシフトによって評価できる。そこで、実施形態に係る絶縁ゲート構造に相当するＭＯＳキャパシタを作製してＭＯＳキャパシタの界面特性を評価した。図２～図５に示す工程図を用いて、実施形態に係る絶縁ゲート構造に相当するＭＯＳキャパシタの製造方法を説明する。なお、以下に述べるＭＯＳキャパシタの製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

まず、窒素（Ｎ）等のｎ型不純物が添加されたｎ型のＳｉＣ基板（基板）２を用意する。基板２は４Ｈ－ＳｉＣ基板であり、面方位が（０００１）面（Ｓｉ面）である。まず、基板２を過酸化水素にアルカリや酸を加えて加熱して洗浄するＲＣＡ洗浄し、フッ化水素（ＨＦ）処理して乾燥する。図２に示すように、洗浄した基板２の上面に、１００％Ｏ₂ガス雰囲気中、１２００℃程度の温度で１６０分間程度加熱して５０ｎｍ程度のＳｉＯ₂からなる酸化膜５ａを形成する。酸化膜５ａとして、ドライ酸化膜を例示したが、ウェット酸化膜でもよく、また、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等による堆積酸化膜でもよい。例えば、減圧熱ＣＶＤでシラン（ＳｉＨ₄）ガスと酸素（Ｏ₂）ガスを用いて、０．２Ｐａ程度の圧力、６００℃程度の温度で酸化膜５ａを堆積してもよい。

次に、窒素（Ｎ₂）ガスに一酸化窒素（ＮＯ）ガスを１０％添加したガス雰囲気中、１２５０℃程度の温度で６０分間程度過熱して窒化処理を行う。この窒化処理により、図３に示すように、酸化膜５ａと基板２との界面に中間窒化層６ａが形成される。なお、窒化処理には、ＮＯに代えて亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスを用いてもよい。

次に、ＣＯ₂ガス雰囲気中、３通りの温度でそれぞれ３０分間程度の加熱処理を行う。３通りの温度は、実施例１として１４００℃、実施例２として１３００℃、実施例３として１２００℃の温度である。この３通りの加熱処理により、図４に示すように、酸化膜５ａと基板２の界面近傍の酸化膜５ａの中のＮ原子濃度が低減すると共に、中間窒化層６ａから一部のＮ原子が除去された窒化終端層６が、３種類の態様で生成される。ＣＯ₂加熱処理では、１００％のＣＯ₂ガスを用いたが、ＣＯ₂ガスとＮ₂やアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。

図５に示すように、リフトオフ又は通常のフォトリソグラフィの手法を用いて、酸化膜５ａの上面に直径が２００μｍ程度の金属膜の円形パターンを形成する。円形パターンの前提となる金属膜は、スパッタリング法、真空蒸着法等により、酸化膜５ａの上面に、厚さが１００μｍ程度のＡｌ等の金属膜を堆積すれば良い。引き続き、スパッタリング法、真空蒸着法等により、基板２の裏面全面に厚さが１００μｍ程度のＡｌ等の金属膜を堆積する。このようにして、表面電極１０及び裏面電極１１が形成される。

作製した３種類の実施例１～３について、ＸＰＳ測定及びＣＶ測定を行い、ＭＯＳ界面特性を評価している。また、実施例１～３と比較するため、図６に示すように、図３の中間窒化層６ａ形成後にＣＯ２熱処理を行わずに、表面電極１０及び裏面電極１１を形成した比較例１も作成し、評価している。

ＸＰＳ測定は、Ｘ線源としてアルミニウム（Ａｌ）Ｋα線を用い、検出角９０度で表面分析を行う。酸化膜５ａを希弗酸、例えば弗酸濃度が１％の水溶液で表面から徐々にステップエッチングしながらステップエッチング毎に繰り返し測定を行う。９８ｅＶ～１０８ｅＶの結合エネルギの範囲のナロースキャンでＳｉ２ｐ軌道に起因するスペクトル信号（Ｓｉ２ｐ信号）の検出を行う。同時に、３９４ｅＶ～４０２ｅＶの結合エネルギの範囲のナロースキャンでＮ１ｓ軌道に起因するスペクトル信号（Ｎ１ｓ信号）の検出を行う。図７に示すように、Ｓｉ２ｐ信号について、基板２由来のＳｉＣ成分の信号と、酸化膜５ａ由来のＳｉＯ₂成分の信号とをピーク分離する。ＳｉＣ成分の信号のピーク位置は１０１ｅＶ～１０２ｅＶで、ＳｉＯ₂成分の信号のピーク位置は１０３ｅＶ～１０４ｅＶである。ピーク分離したＳｉ２ｐ信号から、ＳｉＣ成分のスペクトル信号のエネルギ積分値Ｓ（ＳｉＣ）と、ＳｉＯ₂成分のスペクトル信号のエネルギ積分値Ｓ（ＳｉＯ₂）とを算出する。図８に示すように、Ｎ１ｓ信号のエネルギ積分値Ｓ（Ｎ）を算出する。

ＳｉＣ成分のエネルギ積分値Ｓ（ＳｉＣ）及びＳｉＯ₂成分のエネルギ積分値Ｓ（ＳｉＯ₂）と、ＳｉＯ₂の理論密度から、ステップエッチング毎の酸化膜５ａの残膜厚を算出する。界面近傍のＮとＳｉの強度比Ｉ_N／Ｉ_Siは、Ｎ１ｓ信号のエネルギ積分値Ｓ（Ｎ）とＳｉＣ成分のエネルギ積分値Ｓ（ＳｉＣ）との比Ｓ（Ｎ）／Ｓ（ＳｉＣ）から算出する。図９に実施例２及び比較例１について、それぞれ酸化膜５ａの界面近傍における窒化終端層６及び中間窒化層６ａのＸＰＳ測定結果を示す。図９に示すように、実施例２及び比較例１において酸化膜５ａの膜厚が界面から２．５ｎｍのとき強度比Ｉ_N／Ｉ_Siは、それぞれ０．０２６程度及び０．０４０程度で飽和する傾向にある。実施例２では、強度比Ｉ_N／Ｉ_Siは、酸化膜厚が０．２ｎｍ程度より薄くなると急激に減少し、基板２のＳｉＣ表面となる界面で０．０１７程度となる。一方、比較例１では、強度比Ｉ_N／Ｉ_Siは、酸化膜の厚さが０．４ｎｍ程度の位置から急激に減少し、基板２のＳｉＣ表面となる界面で０．０２５程度となる。

図１０には、実施例１～３及び比較例１についてのＸＰＳ測定結果及びＣＶ測定による界面準位密度Ｄ_itとフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）シフトを示す。ＸＰＳ測定結果のＳｉＣ表面Ｉ_Ｎ／Ｉ_Ｓｉとは、図９における酸化膜厚さ０ｎｍの時の強度比を、飽和Ｉ_Ｎ／Ｉ_Ｓｉとは、図９における酸化膜厚さ２ｎｍ以上３ｎｍ以下の時の強度比を記している。界面準位密度Ｄ_itは伝導帯端Ｅｃから０．２ｅＶのエネルギ位置での準位密度である。Ｖｆｂシフトは、それぞれ正バイアスでは＋６ＭＶ／ｃｍ、及び負バイアスでは－６ＭＶ／ｃｍの条件でバイアスストレス後に測定している。特に、負バイアス条件は、ゲートリーク電流が生じ始める厳しい条件であり、酸化膜５ａ中の正孔トラップ量の目安となる。Ｖｆｂシフト量が小さいほど正孔トラップが少ないことを示す。

図１０の表に示すように、酸化膜５ａを完全に除去した基板２のＳｉＣ表面の強度比Ｉ_N／Ｉ_Siは、ＣＯ₂加熱処理を行わない比較例１で高く、ＣＯ₂加熱温度の増加とともに減少する。また、酸化膜５ａ中の飽和強度比Ｉ_N／Ｉ_Siも、ＣＯ₂加熱処理を行わない比較例１で高く、ＣＯ₂加熱温度の増加とともに減少する。このように、ＣＯ₂加熱処理により界面の基板２のＳｉＣ表面及び酸化膜５ａ中のＳｉ－Ｎ結合が切断され、Ｎが脱離することが判る。

また、図１０の表に示すように、ＣＯ₂加熱温度が１４００℃の実施例１では、ＳｉＣ表面のＮ減少が顕著で界面準位密度Ｄ_itが３×１０¹²ｃｍ^-2／ｅＶに上昇している。ＣＯ₂加熱温度が１３００℃及び１２００℃の実施例２及び実施例３では、界面準位密度Ｄ_itが、それぞれ９×１０¹¹ｃｍ^-2／ｅＶ及び８×１０¹¹ｃｍ^-2／ｅＶと低い。Ｖｆｂシフト量は、実施例１～３では、正バイアス条件で０．１Ｖ程度であり、負バイアス条件で－２Ｖ～－２．６Ｖ程度といずれも小さい。一方、従来のＮＯガスによる窒化処理だけでＣＯ₂加熱を行わない比較例１では、Ｎパッシベーションの効果により界面準位密度Ｄ_itが７×１０¹¹ｃｍ^-2／ｅＶと低い。しかし、比較例１はバイアスストレス後のＶｆｂシフトが顕著で、正バイアス条件で１．０Ｖ程度、負バイアス条件で－４．９Ｖ程度と大きい。このように、実施例２及び実施例３では、界面準位密度Ｄ_itが１×１０¹²ｃｍ^-2／ｅＶ未満を維持しつつ、負バイアス条件でのＶｆｂシフトが改善されている。

実施形態に係る絶縁ゲート構造では、酸化膜５ａ形成後に、ＮＯ窒化処理に引き続きＣＯ₂処理を実施する。ＣＯ₂処理では、窒化処理で導入された酸化膜５ａと基板２との界面近傍の窒化終端層６のＳｉＯ₂膜中のＳｉ－Ｎ結合あるいはＳｉ－Ｏ－Ｎ結合が切断される。ＣＯ₂ガスは、８００℃～１４００℃程度で、還元ガスのＣＯ及び酸化ガスのＯ₂に分解される。Ｏ₂ガスでもＳｉ－Ｎ結合を切ってＳｉ－Ｏ結合に変換する作用があるが、基板２のＳｉＣ表面も酸化され、窒化処理によって形成した界面のＮパッシベーションを破壊してしまう。ＣＯ₂ガスでは、ＣＯガスが生成されるので、Ｏ₂ガスほど界面のＮパッシベーションを破壊し難く、ＳｉＯ₂膜中のＳｉ－Ｎ結合を切断することができる。そのため、界面準位密度Ｄ_itの上昇を抑制すると共に、酸化膜５ａの界面近傍における窒化終端層６中のＮを排除し、Ｎによる正孔トラップを低減することができる。

上述の説明では、基板２として、面方位が（０００１）面（Ｓｉ面）のＳｉＣ基板を用いている。Ｓｉ面は、（１１－２０）面（ａ面）、（１－１００）面（ｍ面）、及び（０００－１）面（Ｃ面）に比べて酸化速度が速い。そのため、Ｓｉ面では、ＣＯ₂処理温度は１０００℃～１４００℃の範囲、望ましくは１１００℃～１３００℃の範囲が好適である。ａ面、ｍ面、及びＣ面では、ＣＯ₂処理温度は８００℃～１２００℃の範囲、望ましくは１０００℃～１２００℃の範囲が好適である。

（絶縁ゲート型半導体装置の製造方法）
次に、図１１～図１６に示す工程図を用いて、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を、横型ＭＯＳＦＥＴの場合を一例に説明する。なお、以下に述べるＭＯＳＦＥＴの製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

まず、窒素（Ｎ）等のｎ型不純物が添加されたｎ型のＳｉＣ基板（基板）１を用意する。基板１は４Ｈ－ＳｉＣ基板であり、面方位が（０００１）面（Ｓｉ面）である。基板１の上面に、ｐ型のチャネル形成領域（ベース領域）３をエピタキシャル成長させる。チャネル形成領域３の上面側から、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入技術などにより、Ｎ等のｎ型不純物を選択的に注入する。熱処理を行うことにより注入されたｎ型不純物イオンを活性化さる。その結果、図１１に示すように、チャネル形成領域３の上部にｎ⁺型のソース領域（第１主電極領域）４ａ及びドレイン領域（第２主電極領域）４ｂが選択的に埋め込まれる。

図１２に示すように、チャネル形成領域３の上面に、１００％Ｏ₂ガス雰囲気中、１２００℃程度の温度で１６０分間程度加熱して５０ｎｍ程度のＳｉＯ₂からなるシリコン酸化膜５ｂを形成する。シリコン酸化膜５ｂとして、ドライ酸化膜を例示したが、ウェット酸化膜でもよく、また、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等による堆積酸化膜でもよい。例えば、減圧熱ＣＶＤでシラン（ＳｉＨ₄）ガスと酸素（Ｏ₂）ガスを用いて、０．２Ｐａ程度の圧力、６００℃程度の温度でシリコン酸化膜５ｂを堆積してもよい。

次に、Ｎ₂ガスに一酸化窒素（ＮＯ）ガスを１０％添加したガス雰囲気中、１２５０℃程度の温度で６０分間程度過熱して窒化処理を行う。この窒化処理により、図１３に示すように、シリコン酸化膜５ｂと、チャネル形成領域３、ソース領域４ａ及びドレイン領域４ｂとの界面に中間窒化層６ａが形成される。なお、窒化処理には、ＮＯに代えてＮ₂Ｏガスを用いてもよい。

窒化処理後、ＣＯ₂ガス雰囲気中、２通りの温度でそれぞれ３０分間程度の加熱処理を行う。２通りの温度は、実施例４として１３００℃、実施例５として１２００℃を採用する。この２通りの温度で加熱処理により、図１４に示すように、シリコン酸化膜５ｂと、チャネル形成領域３、ソース領域４ａ及びドレイン領域４ｂとの界面近傍のシリコン酸化膜５ｂの中のＮ原子濃度が、２通りの態様で低減する。又、２通りの態様で、中間窒化層６ａから一部のＮ原子が除去された窒化終端層６が生成される。ＣＯ₂加熱処理では、１００％のＣＯ₂ガスを用いたが、ＣＯ₂ガスとＮ₂やアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。

フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング等によりシリコン酸化膜５ｂにソースコンタクトホール及びドレインコンタクトホールを開孔する。その結果、図１５に示すように、チャネル形成領域３の上面にソース領域４ａ及びドレイン領域４ｂを跨ぐようにゲート絶縁膜５のパターンが選択的に残留する。

スパッタリング法、真空蒸着法等により、ゲート絶縁膜５、ソースコンタクトホール及びドレインコンタクトホールの上面に厚さが１００μｍ程度のＡｌ等の金属膜を堆積する。フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング等により、金属膜を分離してゲート電極７、ソース電極８ａ及びドレイン電極８ｂのパターンを形成する。その結果、ソース領域４ａ及びドレイン領域４ｂの端部の一部を跨ぐように、チャネル形成領域３の上面に、窒化終端層６を介して絶縁ゲート型電極構造（５，７）が形成される。このようにして、図１６に示した実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置が完成する。

このようにして作製した２通りの横型ＭＯＳＦＥＴの実施例４、５について、トランジスタ特性の測定を行い、電界効果移動度、閾値電圧Ｖｔｈ及びバイアス印加試験による閾値電圧（Ｖｔｈ）シフトの評価を行う。バイアス印加試験は、２００℃、１００時間で、＋２０Ｖの正バイアス条件、及び２００℃、１００時間で、－１０Ｖの負バイアス条件で行っている。また、図１７に示すように、実施例４、５と比較するため、図１３の中間窒化層６ａ形成後にＣＯ２熱処理を行わずに、ゲート絶縁膜５、並びに、ゲート電極７、ソース電極８ａ及びドレイン電極８ｂを形成した比較例２も同様に評価する。

図１８に、トランジスタの評価結果を示す。図１８の表に示すように、１３００℃及び１２００℃でＣＯ₂加熱処理した実施例４及び実施例５の電界効果移動度は、それぞれ２５ｃｍ²／Ｖｓ及び２２ｃｍ²／Ｖｓである。従来の窒化処理だけの比較例２の電界効果移動度が２１ｃｍ²／Ｖｓである。このように、実施例４、５では電界効果移動度は比較例２に対して同レベルか若干の改善が見られる。また、閾値電圧Ｖｔｈも比較例２と同レベルである。正バイアス条件でのＶｔｈシフトは実施例４、５、及び比較例２との間には差はないが、負バイアス条件では比較例２が－０．１５Ｖに対し、実施例４が－０．０６Ｖ、実施例５が－０．０８ＶとＶｔｈシフトが抑制されている。このように、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、電界効果移動度の向上ができ、Ｖｔｈシフトを抑制することができ、半導体装置の信頼性の劣化を抑制することが可能となる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

上述のように、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に係る半導体装置においては、４Ｈ－ＳｉＣを用いた横型ＭＯＳＦＥＴを例示したが、６Ｈ－ＳｉＣ、３Ｃ－ＳｉＣを用いた半導体装置に適用することも可能である。更に、プレーナゲート縦型ＭＯＳＦＥＴやトレンチゲート縦型ＭＯＳＦＥＴにも適用することも可能である。

このように、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１、２…基板（ＳｉＣ基板）
３…チャネル形成領域（ベース領域）
４ａ…ソース領域（第１主電極領域）
４ｂ…ドレイン領域（第２主電極領域）
５…ゲート絶縁膜
５ａ、５ｂ…酸化膜
６…窒化終端層
６ａ…中間窒化層
７…ゲート電極（制御電極）
８ａ…ソース電極
８ｂ…ドレイン電極
１０…表面電極
１１…裏面電極

Claims (6)

1. 炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
   窒素原子を含むガスで前記ゲート絶縁膜を熱処理することで、前記ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面を窒化処理して、前記チャネル形成領域と前記ゲート絶縁膜との界面に中間窒化層を形成する工程と、
   二酸化炭素を含むガスで前記ゲート絶縁膜を熱処理することで、前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の一部を除去し、前記界面に窒化終端層を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜の上に、前記チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極を形成する工程と
   を含むことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
2. 前記ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面をＸ線光電子分光法で測定したとき、窒素の１ｓ軌道に起因するスペクトルの強度Ｉ_Nと前記チャネル形成領域に由来するシリコンの２ｐ軌道に起因するスペクトルの強度Ｉ_Siとの比Ｉ_N／Ｉ_Siが、前記界面から２ｎｍ以上３ｎｍ以下の間の前記ゲート絶縁膜を残したときは０．０２以上、０．０３未満であり、前記ゲート絶縁膜を除去したときの前記窒化終端層では０．０１より大きく、０．０２未満であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
3. 前記窒化終端層は、前記二酸化炭素を含むガス中で、８００℃以上、１４００℃以下の範囲の熱処理温度で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
4. 前記チャネル形成領域の前記上面の面方位が（０００１）面であり、前記窒化終端層が１１００℃以上、１３００℃以下の熱処理温度で形成されることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
5. 前記チャネル形成領域の前記上面の面方位が（０００－１）面、（１１－２０）面、及び（１－１００）面のいずれかであり、前記窒化終端層が１０００℃以上、１２００℃以下の熱処理温度で形成されることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
6. 炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面に設けられたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、
   前記チャネル形成領域と前記ゲート絶縁膜との界面に設けられた窒化シリコンからなる窒化終端層と、
   前記ゲート絶縁膜の上に設けられ、前記チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極と、
   を備え、
   前記ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面をＸ線光電子分光法で測定したとき、窒素の１ｓ軌道に起因するスペクトルの強度Ｉ_Nと前記チャネル形成領域に由来するシリコンの２ｐ軌道に起因するスペクトルの強度Ｉ_Siとの比Ｉ_N／Ｉ_Siが、前記界面から２ｎｍ以上３ｎｍ以下の間の前記ゲート絶縁膜を残したときは０．０２以上、０．０３未満であり、前記ゲート絶縁膜を除去したときの前記窒化終端層では０．０１より大きく、０．０２未満であることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。

Images