JPH09199497A - ＳｉＣの熱酸化膜の改善方法 - Google Patents
ＳｉＣの熱酸化膜の改善方法Info
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- JPH09199497A JPH09199497A JP8008557A JP855796A JPH09199497A JP H09199497 A JPH09199497 A JP H09199497A JP 8008557 A JP8008557 A JP 8008557A JP 855796 A JP855796 A JP 855796A JP H09199497 A JPH09199497 A JP H09199497A
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- sic
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＳｉＣ単結晶上に形成された熱酸化膜を用い
たＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性のヒステリシス、フ
ラットバンドシフトを解消するための熱酸化膜特性を向
上させる方法を提供する。 【解決手段】 ＳｉＣを熱酸化した後、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ
2 などの不活性ガス雰囲気およびＨ2 雰囲気中の熱処理
を行うことにより同酸化膜からヒステリシス、フラット
バンドシフトを解消する。ヒステリシス解消に当たって
は、Ｈ2 雰囲気中の熱処理により行う。また、フラット
バンドシフトを解消に当たっては、不活性ガスによる熱
処理で発生するアキュミュレーション方向へのフラット
バンドシフトとＨ2 処理により発生するインバージョン
方向へのフラットバンドシフトを相殺させることにより
実現する。不活性ガスおよびＨ2 雰囲気中の熱処理につ
いては、その順序はどちらが先でも同等の効果をもたら
す。
たＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性のヒステリシス、フ
ラットバンドシフトを解消するための熱酸化膜特性を向
上させる方法を提供する。 【解決手段】 ＳｉＣを熱酸化した後、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ
2 などの不活性ガス雰囲気およびＨ2 雰囲気中の熱処理
を行うことにより同酸化膜からヒステリシス、フラット
バンドシフトを解消する。ヒステリシス解消に当たって
は、Ｈ2 雰囲気中の熱処理により行う。また、フラット
バンドシフトを解消に当たっては、不活性ガスによる熱
処理で発生するアキュミュレーション方向へのフラット
バンドシフトとＨ2 処理により発生するインバージョン
方向へのフラットバンドシフトを相殺させることにより
実現する。不活性ガスおよびＨ2 雰囲気中の熱処理につ
いては、その順序はどちらが先でも同等の効果をもたら
す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高電圧・大電流を
扱う電力用半導体素子または高温・放射線環境下で使用
する耐環境用半導体素子として利用されるＳｉＣ単結晶
において、従来技術で同単結晶上に作製した熱酸化膜か
らＭＯＳキャパシター（ＭＯＳ capacitor ）で評価し
た場合のヒステリシスおよびフラットバンドシフトの両
方を解消する熱酸化膜の改善方法を提供するものであ
る。
扱う電力用半導体素子または高温・放射線環境下で使用
する耐環境用半導体素子として利用されるＳｉＣ単結晶
において、従来技術で同単結晶上に作製した熱酸化膜か
らＭＯＳキャパシター（ＭＯＳ capacitor ）で評価し
た場合のヒステリシスおよびフラットバンドシフトの両
方を解消する熱酸化膜の改善方法を提供するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ＳｉＣ半導体は、高電圧・大電流を扱う
電力用半導体素子または高温・放射線環境下で使用する
耐環境用半導体素子用材料として用いられる。ＳｉＣ
は、Ｓｉと同様に酸化雰囲気中、例えば、Ｏ2 または加
湿酸素（wet Ｏ2 ）中で処理することで表面にＳｉＯ2
から成る自己酸化膜を形成する点で、ＧａＡｓをはじめ
とする他の化合物半導体と際だった差異を示している。
電力用半導体素子または高温・放射線環境下で使用する
耐環境用半導体素子用材料として用いられる。ＳｉＣ
は、Ｓｉと同様に酸化雰囲気中、例えば、Ｏ2 または加
湿酸素（wet Ｏ2 ）中で処理することで表面にＳｉＯ2
から成る自己酸化膜を形成する点で、ＧａＡｓをはじめ
とする他の化合物半導体と際だった差異を示している。
【０００３】ＳｉＣの熱酸化については、古くは R.F.A
damskyらが文献［”Oxidation of Silicon Carbide in
the Temperature Range 1200 deg.C to 1500 deg.C
”; J.Phys. Chem. vol 63 , 1959］ において技術
開示しており、近年では加納らが日本学術振興会第１０
回有機薄膜研究会（Ｈ６．１２．９）で加湿酸素による
熱酸化膜形成方法を、また、E. Stein von Kamienskiら
は、文献［”Effects of Ar and H2 annealing on th
e electrical properties of oxides on 6H SiC ”;Mat
erials Science and Enngineering B29(1995)131-133］
で加湿酸素による熱酸化後ＡｒまたはＡｒ＋Ｈ2 雰囲
気により熱処理する方法を技術開示している。
damskyらが文献［”Oxidation of Silicon Carbide in
the Temperature Range 1200 deg.C to 1500 deg.C
”; J.Phys. Chem. vol 63 , 1959］ において技術
開示しており、近年では加納らが日本学術振興会第１０
回有機薄膜研究会（Ｈ６．１２．９）で加湿酸素による
熱酸化膜形成方法を、また、E. Stein von Kamienskiら
は、文献［”Effects of Ar and H2 annealing on th
e electrical properties of oxides on 6H SiC ”;Mat
erials Science and Enngineering B29(1995)131-133］
で加湿酸素による熱酸化後ＡｒまたはＡｒ＋Ｈ2 雰囲
気により熱処理する方法を技術開示している。
【０００４】しかしながら、加納ら、 E. Stein von Ka
mienski らの手法によっても、酸化膜の特性をＭＯＳキ
ャパシターによるＣ−Ｖ測定で評価した場合、依然とし
てフラットバンドシフト、ヒステリシスまたはその両方
が現れており、例えばＭＯＳＦＥＴを作製した場合、ト
ランジスターの動作点のシフトが発生しＭＯＳ型素子実
用化を困難にしている。
mienski らの手法によっても、酸化膜の特性をＭＯＳキ
ャパシターによるＣ−Ｖ測定で評価した場合、依然とし
てフラットバンドシフト、ヒステリシスまたはその両方
が現れており、例えばＭＯＳＦＥＴを作製した場合、ト
ランジスターの動作点のシフトが発生しＭＯＳ型素子実
用化を困難にしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ＳｉＣ上の酸化膜を用
いることによりＭＯＳ型素子が作製可能であるが、酸化
膜には膜中電荷の無いこと、酸化膜／ＳｉＣ界面準位の
無いことが要求される。ところが、従来技術では前述の
要請に答えられない。本発明が解決しようとする課題
は、同酸化膜からヒステリシス、フラットバンドシフト
を解消し熱酸化膜を改善する方法を提供するであり、本
発明によりＳｉＣ製ＭＯＳ型素子の実用化が可能とな
る。
いることによりＭＯＳ型素子が作製可能であるが、酸化
膜には膜中電荷の無いこと、酸化膜／ＳｉＣ界面準位の
無いことが要求される。ところが、従来技術では前述の
要請に答えられない。本発明が解決しようとする課題
は、同酸化膜からヒステリシス、フラットバンドシフト
を解消し熱酸化膜を改善する方法を提供するであり、本
発明によりＳｉＣ製ＭＯＳ型素子の実用化が可能とな
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段は、ＳｉＣ単結晶基板の熱酸化膜の改善方法にお
いて、酸化する工程に続き、水素によりアニールする工
程と、不活性ガスによりアニールする工程を有すること
を特徴とするヒステリシスおよびフラットバンドシフト
を低減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法による。
の手段は、ＳｉＣ単結晶基板の熱酸化膜の改善方法にお
いて、酸化する工程に続き、水素によりアニールする工
程と、不活性ガスによりアニールする工程を有すること
を特徴とするヒステリシスおよびフラットバンドシフト
を低減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法による。
【０００７】また、本発明の課題解決手段は、前記不活
性ガスによるアニール（熱処理）する時間と水素により
アニールする時間は、フラットバンドシフトのそれぞれ
によるシフト量を補償するように選択することを特徴と
する前記ヒステリシスおよびフラットバンドシフトを低
減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法による。
性ガスによるアニール（熱処理）する時間と水素により
アニールする時間は、フラットバンドシフトのそれぞれ
によるシフト量を補償するように選択することを特徴と
する前記ヒステリシスおよびフラットバンドシフトを低
減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法による。
【０００８】さらに、本発明の課題解決手段は、酸化さ
れたＳｉＣ単結晶基板に対して、予め不活性ガスでのア
ニール時間によるフラットバンドシフトのアキュミュレ
ーション（accumulation；蓄積）側への変化と、水素で
のアニール時間によるフラットバンドシフトのインバー
ジョン（inversion ；反転）側への変化を測定し、それ
らが相殺されるよう、それぞれのアニール時間を決定
し、不活性ガスによるアニールと水素によるアニールを
行うことを特徴とするヒステリシスおよびフラットバン
ドシフトを低減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法による。
れたＳｉＣ単結晶基板に対して、予め不活性ガスでのア
ニール時間によるフラットバンドシフトのアキュミュレ
ーション（accumulation；蓄積）側への変化と、水素で
のアニール時間によるフラットバンドシフトのインバー
ジョン（inversion ；反転）側への変化を測定し、それ
らが相殺されるよう、それぞれのアニール時間を決定
し、不活性ガスによるアニールと水素によるアニールを
行うことを特徴とするヒステリシスおよびフラットバン
ドシフトを低減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法による。
【０００９】以下に、本発明の課題を解決するための手
段を詳しく説明する。
段を詳しく説明する。
【００１０】酸素または加湿酸素中で熱酸化後、Ａｒ、
Ｈｅ、Ｎ2 をはじめとする不活性ガスおよびＨ2 による
熱処理を順次行う。酸素による熱酸化の条件としては、
温度は１０００〜１２００℃、最も好ましくは１０５０
〜１１５０℃である。また、加湿酸素による熱酸化の場
合、温度条件については酸素による熱酸化と同一であ
り、加湿量は露点で表すと８５〜９５℃、最も好ましく
は９０℃である。熱処理に際しては、不活性ガスおよび
Ｈ2 のどちらを先に処理してももたらされる効果は同じ
である。不活性ガスによる熱処理はフラットバンドをア
キュミュレーション方向にシフトさせる効果を持ち、一
方、Ｈ2 はフラットバンドをインバージョン方向にシフ
トさせる効果を持つので、不活性ガス次いでＨ2 、また
はＨ2 次いで不活性ガスによる熱処理を順次行うことに
よりフラットバンドシフトの無い熱酸化膜を形成でき
る。また、不活性ガスによる熱処理はヒステリシス低減
に効果があるがヒステリシスを皆無にする作用は無いの
に対して、Ｈ2 による熱処理はヒステリシスを皆無にす
る作用を持つのでヒステリシス解消はＨ2 中熱処理でお
こなう。不活性ガスによる熱処理温度は１０００〜１２
００℃、最も好ましくは１１５０℃で行う。また、Ｈ2
による熱処理温度は９００〜１１００℃、最も好ましく
は１０００℃で行う。図１、２に熱処理雰囲気とＣ−Ｖ
測定におけるフラットバンドシフトの方向およびヒステ
リシスの状態を示す。
Ｈｅ、Ｎ2 をはじめとする不活性ガスおよびＨ2 による
熱処理を順次行う。酸素による熱酸化の条件としては、
温度は１０００〜１２００℃、最も好ましくは１０５０
〜１１５０℃である。また、加湿酸素による熱酸化の場
合、温度条件については酸素による熱酸化と同一であ
り、加湿量は露点で表すと８５〜９５℃、最も好ましく
は９０℃である。熱処理に際しては、不活性ガスおよび
Ｈ2 のどちらを先に処理してももたらされる効果は同じ
である。不活性ガスによる熱処理はフラットバンドをア
キュミュレーション方向にシフトさせる効果を持ち、一
方、Ｈ2 はフラットバンドをインバージョン方向にシフ
トさせる効果を持つので、不活性ガス次いでＨ2 、また
はＨ2 次いで不活性ガスによる熱処理を順次行うことに
よりフラットバンドシフトの無い熱酸化膜を形成でき
る。また、不活性ガスによる熱処理はヒステリシス低減
に効果があるがヒステリシスを皆無にする作用は無いの
に対して、Ｈ2 による熱処理はヒステリシスを皆無にす
る作用を持つのでヒステリシス解消はＨ2 中熱処理でお
こなう。不活性ガスによる熱処理温度は１０００〜１２
００℃、最も好ましくは１１５０℃で行う。また、Ｈ2
による熱処理温度は９００〜１１００℃、最も好ましく
は１０００℃で行う。図１、２に熱処理雰囲気とＣ−Ｖ
測定におけるフラットバンドシフトの方向およびヒステ
リシスの状態を示す。
【００１１】図１は、ｎ型６Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ面、キャ
リア濃度：３×１０17／ｃｍ3 の試料を温度：１１５０
℃、露点９０℃相当の水蒸気分圧を有する加湿酸素を用
いて３時間熱酸化して形成した膜厚５０ｎｍの酸化膜に
Ａｒによる熱処理（１１５０℃、３時間）を行った後の
Ｃ−Ｖ測定結果を示しており、アキュミュレーション側
へのフラットバンドシフトと若干のヒステリシスが見ら
れる。なお、同図中の点線はキャリア濃度：３×１０17
／ｃｍ3 、酸化膜厚：５０ｎｍと仮定しシミュレーショ
ンで求めた理想的なＣ−Ｖ特性を示している。図２は上
述と同一の試料を同一の熱酸化条件で処理し、Ｈ2 によ
る熱処理（１０００℃、１時間）を行った後のＣ−Ｖ測
定結果を示しており、フラットバンドはＡｒの場合と逆
にインバージョン側へずれる一方、ヒステリシスは消滅
している。なお、同図中の点線はキャリア濃度：３×１
０17／ｃｍ3 、酸化膜厚：５０ｎｍと仮定しシミュレー
ションで求めた理想的なＣ−Ｖ特性を示している。
リア濃度：３×１０17／ｃｍ3 の試料を温度：１１５０
℃、露点９０℃相当の水蒸気分圧を有する加湿酸素を用
いて３時間熱酸化して形成した膜厚５０ｎｍの酸化膜に
Ａｒによる熱処理（１１５０℃、３時間）を行った後の
Ｃ−Ｖ測定結果を示しており、アキュミュレーション側
へのフラットバンドシフトと若干のヒステリシスが見ら
れる。なお、同図中の点線はキャリア濃度：３×１０17
／ｃｍ3 、酸化膜厚：５０ｎｍと仮定しシミュレーショ
ンで求めた理想的なＣ−Ｖ特性を示している。図２は上
述と同一の試料を同一の熱酸化条件で処理し、Ｈ2 によ
る熱処理（１０００℃、１時間）を行った後のＣ−Ｖ測
定結果を示しており、フラットバンドはＡｒの場合と逆
にインバージョン側へずれる一方、ヒステリシスは消滅
している。なお、同図中の点線はキャリア濃度：３×１
０17／ｃｍ3 、酸化膜厚：５０ｎｍと仮定しシミュレー
ションで求めた理想的なＣ−Ｖ特性を示している。
【００１２】
【発明の実施の形態】図４に本発明を実施するための装
置構成の一例を示す。図４に示す構成は加湿酸素による
熱酸化を行うときのもので、乾燥酸素による場合には図
４中の加湿用バブラ（符号１）および純水（符号２）を
取り外し加湿酸素（wet Ｏ2 ）給気管に直接乾燥酸素を
供給すればよい。なお、図４は不活性ガスとしてＡｒを
用いる場合の構成を示している。本発明に関わる工程を
図４を用いつつ作業手順を追って説明するが、まずはじ
めに、ＡｒおよびＨ2 の熱処理時間の決定方法について
述べる。
置構成の一例を示す。図４に示す構成は加湿酸素による
熱酸化を行うときのもので、乾燥酸素による場合には図
４中の加湿用バブラ（符号１）および純水（符号２）を
取り外し加湿酸素（wet Ｏ2 ）給気管に直接乾燥酸素を
供給すればよい。なお、図４は不活性ガスとしてＡｒを
用いる場合の構成を示している。本発明に関わる工程を
図４を用いつつ作業手順を追って説明するが、まずはじ
めに、ＡｒおよびＨ2 の熱処理時間の決定方法について
述べる。
【００１３】ＳｉＣの熱酸化条件、Ａｒ熱処理温度およ
びＨ2 熱処理温度、Ａｒ熱処理時間およびＨ2 熱処理時
間とフラットバンドのシフト量の間には一定の関係があ
る。本発明を実施するに当たり、熱酸化条件、Ａｒ熱処
理温度およびＨ2 熱処理温度を予め決めてＡｒ熱処理お
よびＨ2 熱処理時間とフラットバンドシフト量の関係を
求める校正実験が必要である。ただし、一旦、熱処理時
間とフラットバンドシフト量の関係が判れば、熱酸化条
件、Ａｒ熱処理およびＨ2 熱処理温度を変えない限り、
校正実験結果に基づいてフラットバンドシフトを差し引
きゼロにするようなＡｒおよびＨ2 の熱処理時間を各々
一義的に決めることができ、該処理時間の熱処理を行う
ことによってフラットバンドシフトをゼロにする事がで
きる。
びＨ2 熱処理温度、Ａｒ熱処理時間およびＨ2 熱処理時
間とフラットバンドのシフト量の間には一定の関係があ
る。本発明を実施するに当たり、熱酸化条件、Ａｒ熱処
理温度およびＨ2 熱処理温度を予め決めてＡｒ熱処理お
よびＨ2 熱処理時間とフラットバンドシフト量の関係を
求める校正実験が必要である。ただし、一旦、熱処理時
間とフラットバンドシフト量の関係が判れば、熱酸化条
件、Ａｒ熱処理およびＨ2 熱処理温度を変えない限り、
校正実験結果に基づいてフラットバンドシフトを差し引
きゼロにするようなＡｒおよびＨ2 の熱処理時間を各々
一義的に決めることができ、該処理時間の熱処理を行う
ことによってフラットバンドシフトをゼロにする事がで
きる。
【００１４】Ａｒ熱処理およびＨ2 熱処理時間とフラッ
トバンドシフト量の関係を求める校正実験の結果の一例
を示す。本校正実験のうち、まずＡｒ熱処理に関する校
正実験について述べる。使用した試料および処理条件は
下記の通りである。試料はｎ型６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面を
用いた。本試料のキャリア濃度は３×１０17／ｃｍ3で
ある。まず、熱酸化を行うが、本校正実験の例では加湿
酸素で酸化を行う。その条件は温度：１１５０℃、酸化
雰囲気：加湿酸素（水蒸気分圧は露点９０℃相当）、熱
酸化時間：３時間である。次いで、Ａｒ雰囲気中で熱処
理を行う。条件は温度：１１５０℃、Ａｒ圧力：大気圧
で、この条件のもとＡｒ中処理時間を変えて、処理時間
とフラットバンドシフト量を測定した。結果を図３に示
す。
トバンドシフト量の関係を求める校正実験の結果の一例
を示す。本校正実験のうち、まずＡｒ熱処理に関する校
正実験について述べる。使用した試料および処理条件は
下記の通りである。試料はｎ型６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面を
用いた。本試料のキャリア濃度は３×１０17／ｃｍ3で
ある。まず、熱酸化を行うが、本校正実験の例では加湿
酸素で酸化を行う。その条件は温度：１１５０℃、酸化
雰囲気：加湿酸素（水蒸気分圧は露点９０℃相当）、熱
酸化時間：３時間である。次いで、Ａｒ雰囲気中で熱処
理を行う。条件は温度：１１５０℃、Ａｒ圧力：大気圧
で、この条件のもとＡｒ中処理時間を変えて、処理時間
とフラットバンドシフト量を測定した。結果を図３に示
す。
【００１５】また、Ｈ2 熱処理に関する校正実験につい
て、使用した試料および処理条件は下記の通りである。
試料は前述の校正実験と同じくｎ型６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ
面で、キャリア濃度は３×１０17／ｃｍ3 である。熱酸
化条件も前述と同様で温度：１１５０℃、熱酸化雰囲
気：加湿酸素（水蒸気分圧は露点９０℃相当）、熱酸化
時間：３時間である。次いで、Ｈ2 雰囲気中で熱処理を
行う。条件は温度：１０００℃、Ｈ2 圧力：大気圧で、
この条件のもとＨ2 中処理時間を変えて、処理時間とフ
ラットバンドシフト量を測定した。結果を図３に示す。
なお、酸化雰囲気をＨ2 雰囲気に置換するに当たり、両
雰囲気が混合しても化学反応が起こらないように炉温を
十分下げてから雰囲気置換を行うか、または、酸化終了
後一旦反応管内を真空排気してからＨ2 雰囲気を導入し
両雰囲気の混合を防ぐなどの注意が必要なのは言うまで
もない。
て、使用した試料および処理条件は下記の通りである。
試料は前述の校正実験と同じくｎ型６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ
面で、キャリア濃度は３×１０17／ｃｍ3 である。熱酸
化条件も前述と同様で温度：１１５０℃、熱酸化雰囲
気：加湿酸素（水蒸気分圧は露点９０℃相当）、熱酸化
時間：３時間である。次いで、Ｈ2 雰囲気中で熱処理を
行う。条件は温度：１０００℃、Ｈ2 圧力：大気圧で、
この条件のもとＨ2 中処理時間を変えて、処理時間とフ
ラットバンドシフト量を測定した。結果を図３に示す。
なお、酸化雰囲気をＨ2 雰囲気に置換するに当たり、両
雰囲気が混合しても化学反応が起こらないように炉温を
十分下げてから雰囲気置換を行うか、または、酸化終了
後一旦反応管内を真空排気してからＨ2 雰囲気を導入し
両雰囲気の混合を防ぐなどの注意が必要なのは言うまで
もない。
【００１６】上述の熱酸化条件、Ａｒ雰囲気中熱処理条
件、Ｈ2 雰囲気中熱処理条件で試料の処理を行う限り
は、図３により処理時間からフラットバンドシフト量を
一義的に求めることができる。
件、Ｈ2 雰囲気中熱処理条件で試料の処理を行う限り
は、図３により処理時間からフラットバンドシフト量を
一義的に求めることができる。
【００１７】本発明に関わる工程は下記の１．〜３．の
ように箇条書きされる。
ように箇条書きされる。
【００１８】１．図４においてバルブ２（符号１１）お
よびバルブ３（符号１２）を閉の状態でバルブ１（符号
１０）を開けて加湿酸素中で熱酸化を行い、ＳｉＣ表面
に熱酸化膜ＳｉＯ2 を形成する。
よびバルブ３（符号１２）を閉の状態でバルブ１（符号
１０）を開けて加湿酸素中で熱酸化を行い、ＳｉＣ表面
に熱酸化膜ＳｉＯ2 を形成する。
【００１９】２．バルブ１（符号１０）を閉じ替わりに
バルブ２（符号１１）を開けてＡｒを給気しＡｒ雰囲気
中熱処理を行い、ヒステリシスを減少させる。このと
き、フラットバンドはアキュミュレーションの方向にシ
フトする。
バルブ２（符号１１）を開けてＡｒを給気しＡｒ雰囲気
中熱処理を行い、ヒステリシスを減少させる。このと
き、フラットバンドはアキュミュレーションの方向にシ
フトする。
【００２０】３．バルブ２（符号１１）を閉じ替わりに
バルブ３（符号１２）を開けてＨ2 を給気しＨ2 雰囲気
中熱処理を行いヒステリシスを消滅させると共に、上述
の工程２．によるフラットバンドのシフト量を打ち消す
ように校正実験に基づき決定された処理時間に従って熱
処理を行い、フラットバンドをインバージョンの方向に
シフトさせフラットバンドシフトをゼロにする。
バルブ３（符号１２）を開けてＨ2 を給気しＨ2 雰囲気
中熱処理を行いヒステリシスを消滅させると共に、上述
の工程２．によるフラットバンドのシフト量を打ち消す
ように校正実験に基づき決定された処理時間に従って熱
処理を行い、フラットバンドをインバージョンの方向に
シフトさせフラットバンドシフトをゼロにする。
【００２１】なお、ＡｒおよびＨ2 雰囲気中の熱処理、
すなわち前述の工程２．および３．については、その順
序はどちらが先でも同等の効果をもたらす。
すなわち前述の工程２．および３．については、その順
序はどちらが先でも同等の効果をもたらす。
【００２２】
【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。本実施例では不活性ガスとしてＡｒを用いた。実施
例においては熱酸化条件、Ａｒ熱処理温度およびＨ2 熱
処理温度については前述の校正実験と同一とし図５をも
とにＡｒおよびＨ2 の熱処理時間の決定を行った。図５
は前述の図３と同一であるが、実施例の説明を分かり易
くするためにフラットバンドシフトの表記に当たってフ
ラットバンドシフト量の絶対値を用いて書き直すと共に
熱処理時間を求めやすくするための補助線などを付記し
たものである。図５の補助線はＡｒおよびＨ2 の熱処理
により±２Ｖのフラットバンドシフトをもたらす熱処理
時間を決定するためのもので、同図からＡｒおよびＨ2
の熱処理時間はそれぞれ３時間９分、２時間１５分と求
められる。
る。本実施例では不活性ガスとしてＡｒを用いた。実施
例においては熱酸化条件、Ａｒ熱処理温度およびＨ2 熱
処理温度については前述の校正実験と同一とし図５をも
とにＡｒおよびＨ2 の熱処理時間の決定を行った。図５
は前述の図３と同一であるが、実施例の説明を分かり易
くするためにフラットバンドシフトの表記に当たってフ
ラットバンドシフト量の絶対値を用いて書き直すと共に
熱処理時間を求めやすくするための補助線などを付記し
たものである。図５の補助線はＡｒおよびＨ2 の熱処理
により±２Ｖのフラットバンドシフトをもたらす熱処理
時間を決定するためのもので、同図からＡｒおよびＨ2
の熱処理時間はそれぞれ３時間９分、２時間１５分と求
められる。
【００２３】実施例に用いた試料および各処理条件を以
下に記す。試料はｎ型６Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ面、キャリア
濃度 ３×１０17／ｃｍ3 を用い、まず、以下の条件で
熱酸化を行った。温度は１１５０℃、熱酸化雰囲気とし
ては加湿酸素を用い、本酸化雰囲気は露点９０℃相当の
水蒸気分圧を持つ。酸化時間は３時間であった。本熱酸
化によりＳｉＣのＳｉ面上に膜厚５０ｎｍの酸化膜を形
成した。図６に熱酸化のみでＭＯＳキャパシターを作製
し測定したＣ−Ｖ特性を示す。ＭＯＳキャパシターのゲ
ート電極面積は４．９×１０-4ｃｍ2 で測定周波数は１
ＭＨｚである。フラットバンドシフトが非常に大きく、
また、大きなヒステリシスを示しており、このままでは
本酸化膜をＭＯＳ型素子に適用できない。
下に記す。試料はｎ型６Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ面、キャリア
濃度 ３×１０17／ｃｍ3 を用い、まず、以下の条件で
熱酸化を行った。温度は１１５０℃、熱酸化雰囲気とし
ては加湿酸素を用い、本酸化雰囲気は露点９０℃相当の
水蒸気分圧を持つ。酸化時間は３時間であった。本熱酸
化によりＳｉＣのＳｉ面上に膜厚５０ｎｍの酸化膜を形
成した。図６に熱酸化のみでＭＯＳキャパシターを作製
し測定したＣ−Ｖ特性を示す。ＭＯＳキャパシターのゲ
ート電極面積は４．９×１０-4ｃｍ2 で測定周波数は１
ＭＨｚである。フラットバンドシフトが非常に大きく、
また、大きなヒステリシスを示しており、このままでは
本酸化膜をＭＯＳ型素子に適用できない。
【００２４】次いで、温度：１１５０℃、Ａｒ圧力：大
気圧、処理時間３時間９分の条件でＡｒ雰囲気中で熱処
理を行った。図７にＡｒ雰囲気中熱処理までで処理を止
め作製したＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す。同
図中の点線はキャリア濃度：３×１０17／ｃｍ3 、酸化
膜厚：５０ｎｍと仮定しシミュレーションで求めた理想
的なＣ−Ｖ特性を示している。フラットバンドシフトお
よびヒステリシスは減少し、フラットバンドシフト量は
校正実験に基づいて決定した値、即ち２Ｖに減少してい
る。但し、ヒステリシスが僅少ながら存在するため、Ｍ
ＯＳＦＥＴであれば動作電圧のシフト、トランジスタの
オン，オフ電圧のシフトが発生し実用素子としては適さ
ない。
気圧、処理時間３時間９分の条件でＡｒ雰囲気中で熱処
理を行った。図７にＡｒ雰囲気中熱処理までで処理を止
め作製したＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す。同
図中の点線はキャリア濃度：３×１０17／ｃｍ3 、酸化
膜厚：５０ｎｍと仮定しシミュレーションで求めた理想
的なＣ−Ｖ特性を示している。フラットバンドシフトお
よびヒステリシスは減少し、フラットバンドシフト量は
校正実験に基づいて決定した値、即ち２Ｖに減少してい
る。但し、ヒステリシスが僅少ながら存在するため、Ｍ
ＯＳＦＥＴであれば動作電圧のシフト、トランジスタの
オン，オフ電圧のシフトが発生し実用素子としては適さ
ない。
【００２５】更に、本試料に最終のＨ2 雰囲気中熱処理
を行った。処理条件は温度：１０００℃、Ｈ2 圧力：大
気圧、処理時間２時間１５分である。図８に最終のＨ2
雰囲気中熱処理を行った試料について作製したＭＯＳキ
ャパシターのＣ−Ｖ特性を示す。同図中の点線はキャリ
ア濃度：３×１０17／ｃｍ3 、酸化膜厚：５０ｎｍと仮
定しシミュレーションで求めた理想的なＣ−Ｖ特性を示
している。フラットバンドシフトは０Ｖ、ヒステリシス
も皆無である。本ＭＯＳキャパシターは理想的なＣ−Ｖ
特性を示しており、酸化膜に膜中電荷が無く、酸化膜／
ＳｉＣ界面準位の無いことが判る。
を行った。処理条件は温度：１０００℃、Ｈ2 圧力：大
気圧、処理時間２時間１５分である。図８に最終のＨ2
雰囲気中熱処理を行った試料について作製したＭＯＳキ
ャパシターのＣ−Ｖ特性を示す。同図中の点線はキャリ
ア濃度：３×１０17／ｃｍ3 、酸化膜厚：５０ｎｍと仮
定しシミュレーションで求めた理想的なＣ−Ｖ特性を示
している。フラットバンドシフトは０Ｖ、ヒステリシス
も皆無である。本ＭＯＳキャパシターは理想的なＣ−Ｖ
特性を示しており、酸化膜に膜中電荷が無く、酸化膜／
ＳｉＣ界面準位の無いことが判る。
【００２６】以上で述べたように、本発明は、ＳｉＣを
酸素または加湿酸素中で熱酸化した後、不活性ガス雰囲
気およびＨ2 雰囲気中で熱処理を行うことにより同酸化
膜からヒステリシス、フラットバンドシフトを解消し、
ＳｉＣ上の熱酸化膜を改善する方法を提供するものであ
る。
酸素または加湿酸素中で熱酸化した後、不活性ガス雰囲
気およびＨ2 雰囲気中で熱処理を行うことにより同酸化
膜からヒステリシス、フラットバンドシフトを解消し、
ＳｉＣ上の熱酸化膜を改善する方法を提供するものであ
る。
【００２７】
【発明の効果】本発明によりＳｉＣ上にヒステリシス無
し・フラットバンドシフト無しの高品位酸化膜の形成が
可能となり、実用ＭＯＳ型素子の作製が可能となる。
し・フラットバンドシフト無しの高品位酸化膜の形成が
可能となり、実用ＭＯＳ型素子の作製が可能となる。
【図１】 ＳｉＣを熱酸化後Ａｒ雰囲気中で熱処理した
場合のＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す図であ
る。
場合のＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す図であ
る。
【図２】 ＳｉＣを熱酸化後Ｈ2 雰囲気中で熱処理した
場合のＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す図であ
る。
場合のＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す図であ
る。
【図３】 ＳｉＣを熱酸化後ＡｒおよびＨ2 雰囲気中で
熱処理した場合の熱処理時間とフラットバンドのシフト
量の関係を示す図である。
熱処理した場合の熱処理時間とフラットバンドのシフト
量の関係を示す図である。
【図４】 本発明を実施する装置構成の一例を模式的に
示した図である。
示した図である。
【図５】 図３と同一であるが、実施例の説明を分かり
易くするためにフラットバンドのシフトの表記に当たっ
てフラットバンドシフト量の絶対値を用いて書き直すと
共に熱処理時間を求めやすくするための補助線などを付
記した図である。
易くするためにフラットバンドのシフトの表記に当たっ
てフラットバンドシフト量の絶対値を用いて書き直すと
共に熱処理時間を求めやすくするための補助線などを付
記した図である。
【図６】 ＳｉＣを熱酸化処理した場合のＭＯＳキャパ
シターのＣ−Ｖ特性を示す図である。
シターのＣ−Ｖ特性を示す図である。
【図７】 ＳｉＣを熱酸化後Ａｒ雰囲気中で熱処理した
場合のＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す図であ
る。
場合のＭＯＳキャパシターのＣ−Ｖ特性を示す図であ
る。
【図８】 ＳｉＣを熱酸化後Ａｒ雰囲気中で熱処理し、
更にＨ2 雰囲気中で熱処理した場合のＭＯＳキャパシタ
ーのＣ−Ｖ特性を示す図である。
更にＨ2 雰囲気中で熱処理した場合のＭＯＳキャパシタ
ーのＣ−Ｖ特性を示す図である。
１…加湿用バブラ、 ２…純水、 ３…加熱用ヒーター、 ４…ＳｉＣウェハ、 ５…ウェハ支持台、 ６…加湿酸素給気管、 ７…Ａｒ給気管、 ８…Ｈ2 給気管、 ９…反応管、 １０…バルブ１、 １１…バルブ２、 １２…バルブ３。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 星野 泰三 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新日 本製鐡株式会社技術開発本部内
Claims (3)
- 【請求項１】 ＳｉＣ単結晶基板の熱酸化膜の改善方法
において、酸化する工程に続き、水素によりアニールす
る工程と、不活性ガスによりアニールする工程を有する
ことを特徴とするヒステリシスおよびフラットバンドシ
フトを低減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法。 - 【請求項２】 前記不活性ガスによるアニールする時間
と水素によりアニールする時間は、フラットバンドシフ
トのそれぞれによるシフト量を補償するように選択する
ことを特徴とする請求項１に記載のヒステリシスおよび
フラットバンドシフトを低減するＳｉＣの熱酸化膜の改
善法。 - 【請求項３】 酸化されたＳｉＣ単結晶基板に対して、
予め不活性ガスでのアニール時間によるフラットバンド
シフトのアキュミュレーション側への変化と、水素での
アニール時間によるフラットバンドシフトのインバージ
ョン側への変化を測定し、それらが相殺されるよう、そ
れぞれのアニール時間を決定し、不活性ガスによるアニ
ールと水素によるアニールを行うことを特徴とするヒス
テリシスおよびフラットバンドシフトを低減するＳｉＣ
の熱酸化膜の改善法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00855796A JP3420876B2 (ja) | 1996-01-22 | 1996-01-22 | ＳｉＣの熱酸化膜の改善方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00855796A JP3420876B2 (ja) | 1996-01-22 | 1996-01-22 | ＳｉＣの熱酸化膜の改善方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09199497A true JPH09199497A (ja) | 1997-07-31 |
| JP3420876B2 JP3420876B2 (ja) | 2003-06-30 |
Family
ID=11696412
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00855796A Expired - Lifetime JP3420876B2 (ja) | 1996-01-22 | 1996-01-22 | ＳｉＣの熱酸化膜の改善方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3420876B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR100315018B1 (ko) * | 1998-06-30 | 2002-09-04 | 주식회사 하이닉스반도체 | 디램디바이스의전하저장전극형성방법 |
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| JP2004511101A (ja) * | 2000-10-03 | 2004-04-08 | クリー インコーポレイテッド | Ｎ２ｏを用いた、炭化ケイ素層上への酸化物層の製造方法 |
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1996
- 1996-01-22 JP JP00855796A patent/JP3420876B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JP3420876B2 (ja) | 2003-06-30 |
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