JPH11505073A - 炭化ケイ素上の酸化物層の欠陥を少なくするための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 改良された酸化物層と、酸化物をベースとしたデバイスからの改良された性能とを得るための方法が開示されている。本発明の方法は、炭化ケイ素層上の酸化物層を、ＳｉＣがかなりの速度で酸化し始める温度未満の温度ではあるが、酸化性ガス源の酸化物層中への拡散を可能にするよう充分に高くて、しかも炭化ケイ素の実質的なさらなる酸化が避けられるような温度にて、酸化物層を緻密化するに足る、そして酸化物層と炭化ケイ素層との間の界面を改良するに足る時間にわたって酸化性ガス源に暴露する工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 炭化ケイ素上の酸化物層の欠陥を少なくするための方法 発明の分野 本発明は、炭化ケイ素半導体物質上に酸化物を形成させるための改良された方 法に関する。さらに詳細には、本発明は、炭化ケイ素をベースとした金属酸化物 半導体（ＭＯＳ）デバイスにおける酸化物や酸化物界面を改良することに関する 。 発明の背景 炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、高温、高電圧、高周波数、および高出力用の電子デ バイスのための半導体物質として魅力的な電気的・物理的特性を併せもっている 。これらの特性としては、3.0エレクトロンボルト（eV）のバンドギャップ、４ ミリボルト/センチメートル（MV/cm）の電界破壊（electric field breakdown） 、4.9W/cm・K の熱伝導率、および 2.0×I0⁷センチメートル/秒（cm/s）の電子ド リフト速度などがある。さらに、ＳｉＣは熱酸化物を成長させるので、他の化合 物半導体を凌ぐ大きな利点をもたらす。特に、こうした熱酸化物の形成能力によ り、金属−酸化物−半導体（ＭＯＳ）デバイス〔ＭＯＳ電界効果トランジスター （ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラートランジスター（ＩＧＢＴ）、ＭＯ Ｓ制御によるサイリスター（ＭＣＴ）、および他の関連デバイスを含む〕を形成 できる対応した能力が高められる。ＭＯＳＦＥＴはさらに、大規模集積回路にお ける極めて重要なデバイスである。したがって、ＭＯＳデバイスおよびこれらを 使用して得られる集積回路においてＳｉＣの電子特性を充分に利用するには、適 切なＳｉＣ酸化技術が必要となる。 これらの有利な特性にもかかわらず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）上の酸化物の品質 は、炭化ケイ素ＭＯＳデバイスの開発に対して大きな障害となっている。特に、 酸化物の電荷状態と界面状態は、ＭＯＳデバイスの性能に悪影響を及ぼす。実際 、基板の結晶成長を除いて、酸化物の品質は、より高度のＳｉＣ-ＭＯＳパワー デバイス（SiC MOS power devices）とＭＯＳ集積回路を得る上でのおそらくは 最も大きな障害である。ＳｉＣ上の酸化物は、ＭＯＳ用途に使用するには許容で きない程度に高い、界面状態密度（interface state densities）及びある一定 の酸化物 電荷（oxide charge）を有することが広く報告されている。 本明細書で使用している“状態（state）”とは、物質のある特性（例えば、 得られるエネルギーレベルの位置）を表しており、量子力学を使用して定義され ることが多い。物質における“状態”の存在は、必ずしも良いことでも悪いこと でもなく、また状態の有無は、必要に応じて（不必要の場合もあるが）定義する のがおそらくはより好ましいと思われる。炭化ケイ素上の酸化物層の場合、状態 により、得られるデバイスに望ましくない動作特性が生成されるようであり、し たがって可能なときは常に状態を最小に抑えるのが望ましい。 熱酸化法を比較し、そしてＳｉＣ/ＳｉＯ₂欠陥を調べたこれまでの研究では、 幾つかの一般的な知見が得られているにすぎない：（１）湿潤酸化物（すなわち 、水蒸気の存在下で熱的に成長したもの）は、乾燥酸化物より低い酸化物電荷と 界面状態密度を有する〔S.M.Tang，W.B.Berry，R.Kwor，M.V.Zeller，及び L.G. Matusによる“J ．Electrochem．Soc.，137(1)p.221(1990)”〕；S.Zaima，K.Ono da, Y.Koide,及び Y.Yasudaによる“J ．Appl．Phys.，68(12)p.6304(1990)”〕 ；（２）ＳｉＣウエハーのＳｉ面（Si-face）は、酸化が炭素（Ｃ）面より遅い が、酸化物電荷密度（oxide charge densities）が炭素面より低い〔Nitya N.Si ngh および Andrew Rysによる“Inst ．Phys．Conf．Ser．No.137: Chapter 3，p .325(1993)”〕；（３）ｎ−型ウエハー上に成長した酸化物は、界面状態がｐ− 型ウエハー上に成長した酸化物より少なく〔Dale M.Brown，Mario Ghezzo，Jame s Kretchmer，Evan Downey，Joseph Pimbley,および John Palmourによる“IEEE Trans on Electron Devices ， Vol.41，No.4，p.618(1994)”；T．Ouisse，N.Be court，F．Templier,および C.Jaussaudによる“J ．Appl．Phys．75(1)，(1994) ”; Singhらによる上記文献〕、また酸化物電荷密度がｐ−型ウエハー上に成長 した酸化物より低い〔Brownらによる上記文献; M.Shinohara，M.Yamanoka，S.Mi sawa，H.Okumura,およびS.Yoshidaによる“Jap ．J．Appl．Phys．30(2)p.240(19 91)”; Singhらによる上記文献〕；ならびに（４）初期の研究（Brownらによる 上記文献）とは異なり、ＳｉＣへのｐ−型ドーパントとして、ホウ素（Ｂ）とア ルミニウム（Ａｌ）との間に差はない〔J.N.Shenoy，L.A.Lipkin，G.L.Chindalo re，J.Pan，J.A.Cooper, Jr.，J.W.Palmour,および M.R.Mellochによる“Inst ． Phys．Conf．Ser ．No.141 ：Chapter 4，p.449(1994)”〕。 言うまでもないことであるが、殆どの場合、これらの測定と得られた結論に対 する正確さは、その程度が高いものもそれほどでないものもあり、こうした点を 考慮して正確さを評価し理解しなければならない。 これらの特定の結論は広く受け入れられているけれども、正味の酸化物電荷（ Ｑ_ox）と界面状態密度（Ｄ_it）の定量化は、同じ結晶配向、酸化物厚さ、ドーパ ントのタイプ、およびドーパント種を測定する場合でも広範囲に変化している。 これらの変化が表１に示されており、ＳｉＣ上のＳｉＯ₂の酸化物電荷と界面状 態密度（種々の研究者により報告）がまとめられている。報告されている酸化物 厚さは、 Weissらによる上記文献で報告されている標準物のｎ−型サンプルに 対する200Å酸化物を除いて、500〜600Åの範囲である。 これらの見かけ上一貫性のない結果は、おそらくは、使用している測定法が種 々異なるためであろうと思われる。表１からわかるように、最も大きな変動が、 報告されている界面状態密度において認められる。正味の酸化物電荷は、標準的 なキャパシタンス−電圧（ＣＶ）掃引を室温にて使用することにより直接測定す る。しかしながら、界面状態密度を正確に算出するのはかなりむずかしい場合が ある。Christophe Raynoud，Jean-Lun Autran，Bernard Balland，Gerard Guill ot，Claude Jaussaud，および Thierry Billonらによる“J ．Appl．Phys．76（2 ）p.993（1994）”；Shenoyらによる前記文献; ならびに Quisseらによる前記文 献は、使用できる種々の方法、および界面状態密度を測定するときに考慮しなけ ればならない仮定と制約条件について説明している。すべての異なった方法のう ち、コンダクタンス法とハイロー法（high-low technique）が最も確実で且つ再 現性があるようである。 報告されている酸化物欠陥の量はグループによって大きく異なるが、高品質の ＭＯＳに使用するための目標は極めて正確に規定されている: すなわち、酸化物 電荷は１×10¹¹cm^-2未満であり、界面状態密度は５×10¹⁰cm^-2eV^-1未満である。 表１からわかるように、ＳｉＣ上熱酸化物の品質は大幅な改良を必要とする。し かしながら、酸化物の品質を改良するための報告されている方法はほとんどない 。現在までのところ、酸化物および予備清浄酸化物の挿入／取り出し条件を変え ることにより最も大幅な改良がなされている。J.N.Shenoy，G.L.Chindalore，M. R.Melloch，J.A.Cooper Jr.，J.W.Palmour,及び K.G.Irvineらによる“Inst ．Ph ys. Conf．Ser． No.141: Chapter 4，p.449(1994)”はさらに、９×10¹¹cm^-2と いう正味の最小酸化物電荷密度と、1.5×10¹¹cm^-2eV^-1という界面状態密度を報 告しており、これらの値は、以前の酸化状態の値の１/３〜１/４である。 発明の目的と要約 したがって本発明の目的は、ＳｉＣ酸化物の品質をさらに改良することにある 。本発明は、改良された酸化物層、および酸化物をベースとするデバイスから改 良された性能を得るための方法により、本発明の目的を果たす。本発明の方法は 、炭化ケイ素上の酸化物層（元々存在しているか、蒸着または窒化されたか、あ るいは熱的に成長させた、一般には主として二酸化ケイ素）を、ＳｉＣがかなり の速度で酸化し始める温度よりは低いが、酸化性ガス源が酸化物層中に拡散する のを可能にするだけの充分に高い温度にて、そしてまた炭化ケイ素の実質的なさ らなる酸化が避けられるような温度にて、酸化物層を緻密化し、酸化物層と炭化 ケイ素層との間の界面を改良するのに充分な時間にわたって、酸化性ガス源に暴 露する工程を含む。 本発明の上記目的と他の目的、利点、および特徴、ならびに本発明を実施する 方法は、添付の図面を参照しつつ、好ましい実施態様と代表的な実施態様につい て記載している下記の本発明の詳細な説明を考察すれば容易に明らかとなろう。 図面の簡単な説明 図１は、1050℃で成長させた最良の酸化物に関し、幾つかのバイアスにて250 ℃で測定した場合の、幾つかの当量並列コンダクタンス（equivalent parallel conductance）を周波数に対してプロットして得られる曲線である。算出した界 面 状態密度は、1.1V曲線と0.7V曲線のそれぞれに対し、1.0〜1.6×10¹¹cm^-2eV^-1変 化した。 図２は、使用可能な温度範囲にて行った幾つかの酸化に関し、正味の酸化物電 荷（Ｑ_eff）と界面状態密度（Ｄ_IT）を酸化温度に対してプロットしたものであ る。 図３は、1100℃で成長させ、次いで800、900、および950℃で再び酸化させた 酸化物に対する、正味の酸化物電荷密度の比較を示している。 図４は、1100℃で成長させ、次いで800、900、および950℃で再び酸化させた 酸化物に対する、界面状態密度の比較を示している。 図５は、1050℃で成長させ、次いで900、950、および1000℃で再び酸化させた 酸化物に対する、正味の酸化物電荷密度の比較を示している。 図６は、1050℃で成長させ、次いで900、950、および1000℃で再び酸化させた 酸化物に対する、界面状態密度の比較を示している。 図７は、異なった再酸化条件後の蒸着酸化物の絶縁破壊耐力を示す棒グラフで ある。 図８は、酸化物電荷と界面状態密度を再酸化時間と温度に対してプロットした ものである。 詳細な説明 １つの実施態様においては、本発明は、改良された酸化物層、および酸化物を ベースとしたデバイスから改良された性能を得る方法を含む。本発明の方法は、 炭化ケイ素上の酸化物層（主として二酸化ケイ素）を、炭化ケイ素がかなりの速 度で酸化し始める温度よりは低いが、酸化性ガス源が酸化物層中に拡散するのを 可能にするだけの充分に高い温度にて、酸化性ガス源（“酸化性雰囲気”とも言 う）に暴露する工程を含む。炭化ケイ素の実質的なさらなる酸化を防ぎ、暴露は 、酸化物層を緻密化するのに充分な、そして酸化物層と炭化ケイ素層との間の界 面を改良するのに充分な時間にわたって行う。 この点に関して、炭化ケイ素は、温度が約1000℃に達するまでは、ごくわずか 又はかなり遅い速度でしか酸化せず、約1000℃を越えると、熱酸化が測定可能な 量にて起こる、と一般に考えられている。しかしながら、温度が1050℃であって も、厚さ500Åの層の酸化は20〜30時間という長時間を要する。 したがって本発明の方法は、暴露工程の前に酸化物層を生成させる工程をさら に含むことができ、本発明にしたがって炭化ケイ素を熱的に酸化する場合は、酸 化温度は少なくとも1000℃であり、好ましくは約1050℃〜1300℃である。 しかしながら、炭化ケイ素層上の酸化物層を酸化性ガス源に暴露する方法は、 酸化物層を熱酸化によって最初に生成させておくことを必要としない、というこ とは言うまでもない。これとは別に、酸化物層は、他の方法〔例えば、シランガ ス（ＳｉＯ₄）と酸素（Ｏ₂）を用いた低圧化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ蒸着に よる酸化物層の形成、蒸着によるオキシ窒化物層の形成、熱によるオキシ窒化物 層の形成、あるいは酸化物、窒化物、もしくはオキシ窒化物層の蒸着形成または 熱形成のあらゆる組合せ等〕を使用して炭化ケイ素層上に酸化物層を堆積させる こともできる。 本明細書で使用している“オキシ窒化物”とは、高温で一酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ ）に暴露して窒素を導入させた形の酸化物層、Ｎ₂Ｏ中にて成長させて窒素が組 み込まれた形の酸化物層、および二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）と窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄）との交互層、を表している。 本明細書で使用している“炭化ケイ素層”とは、最も好ましくは、単結晶炭化 ケイ素の基板または炭化ケイ素のエピタキシャル層を表している。炭化ケイ素は 多くのポリタイプを有していて、そのうち３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、および15Ｒのポリ タイプが電子デバイス用として特に有用であり、本発明はこれらのポリタイプを 使用すると適切な結果をもたらす。 前述したように、ＳｉＣの酸化速度は、約1000℃未満では極めて低いので、酸 化物を酸化性雰囲気に暴露する工程は約800〜約1025℃の温度で行うのが好まし い。一般的には、1025℃というおよその上限温度により、炭化ケイ素の実質的な 酸化が防止されるとともに、800℃というおよその下限温度により、適切な速度 でのプロセスの進行が可能となる。多くの化学反応が広い温度範囲にわたってあ る程度起こるが、実際には、より狭い温度範囲内にて巨視的に観察可能な速度で 進行するにすぎない。 この点に関して（炭化ケイ素の専門技術者にとっては周知のことであるが）、 酸化に対しては（または酸化物の蒸着に対しては）、通常は結晶の基板もしくは エピレイヤー（epilayer）が、そのケイ素面（silicon face）と炭素面（carbon face）に沿って、あるいはこれらの面に垂直なＡ-軸（例えば、［1120］または ［1100］）の１つに沿って供給される。炭素はケイ素より幾らか容易に酸化され る（したがって、他の全てのファクターが実質的に等しいければ酸化がより速い ）ので、炭素面上の酸化は約900〜1300℃の温度で行うことができ、再酸化アニ ール（reoxidation anneal）は約600〜1000℃の温度で行うことができる。同様 に、ケイ素面上の酸化は約1000〜1400℃の温度で行うことができ、再酸化アニー ルを約700〜1100℃の温度で行って、同程度の酸化をほぼ同じ速度にて得ること ができる。 酸素含有ガスは、酸化物層または炭化ケイ素層の化学的、物理的、または電子 的特性に悪影響を及ぼさないものであれば、いかなる酸素含有ガスであってもよ い。適切なガスは、酸素、水蒸気、水蒸気中酸素（“湿潤酸化”）、キャリヤー ガス中水蒸気、窒素と酸素から形成される種々のガス化合物、およびこれらガス のいずれかの混合物から選択することができる。 したがって最も好ましい実施態様においては、本発明の方法は、炭化ケイ素の 層を約1050〜1100℃の温度で熱的に酸化して、炭化ケイ素層上に酸化物層を生成 させる工程、および炭化ケイ素の実質的な酸化を防止しつつ、水の存在下にて（ すなわち“湿潤酸化”にて）酸化物層と炭化ケイ素層を約1050℃未満（最も好ま しくは約950℃）の温度で、酸化物層を緻密化し、そして酸化物層と炭化ケイ素 層との界面を改良するのに充分な時間にわたって酸化性ガス源に暴露する工程、 を含む。 他の実施態様においては、本発明は、改良された炭化ケイ素−酸化物構造物（ an improved silicon carbide and oxide structure）を含む。本実施態様では 、本発明は、炭化ケイ素基板と、炭化ケイ素基板上の酸化物層とを含み、このと き酸化物層は1.6×10¹¹cm^-2eV^-1未満の界面状態密度を有する。好ましい実施態 様においては、界面状態密度は1.5×10¹¹cm^-2eV^-1未満であり、最も好ましい実 施態様においては、界面状態密度は1.1×10¹¹cm^-2eV^-1未満である。 前述したように、炭化ケイ素は、エピタキシャル層であっても基板であっても よく、２Ｈ、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、および15Ｒのポリタイプからなる群から選択す るのが好ましい。 さらに他の実施態様においては、本発明は、炭化ケイ素基板上の酸化物層が2. 5×10¹²cm^-2未満の酸化物電荷を有するような炭化ケイ素−酸化物構造物を含む 。さらに好ましい実施態様においては、酸化物電荷は1.5×10¹²cm^-2未満であり 、最も好ましい実施態様においては、酸化物電荷は1.1×10¹²cm^-2未満である。 他の実施態様の場合と同様に、炭化ケイ素は、２Ｈ、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、およ び15Ｒからなる群から選ばれるポリタイプを有する単結晶を含み、エピタキシャ ル層であっても基板であってもよい。 実験手順 サンプルの作製 アルミニウム（Ａｌ）を１〜２×10¹⁸cm^-3の範囲でドーピングしたｐ−型基板 を使用し、３μmのエピタキシャル層が２×10¹⁵cm^-3と３×10¹⁶cm^-3との間にド ーピングされた状態で、サンプルの作製を始めた。典型的なRCA/Huang洗浄剤で サンプルを清浄化してから酸化した。サンプルを室温で挿入し、次いで、アルゴ ン中にて酸化温度で取り出し、又は、酸化物を蒸着させた。酸素を95℃の脱イオ ン水中にバブリングすることによって得られる湿潤環境において、1050〜1300℃ の範囲の温度で熱酸化を行った。500Åというターゲット酸化物厚さを保持する よう酸化時間を調節し、450〜550Åの範囲で変えた。蒸着した酸化物の厚さは約 350Åであった。酸化温度での酸化に次いで、１時間のアルゴンアニールを行っ た。同じ湿潤酸化環境または高純度酸素環境にて800〜1000℃の範囲の温度でア ニールすることにより、熱酸化物と蒸着酸化物に対し酸化性雰囲気における種々 の後酸化アニール手順を検討した。この温度範囲ではＳｉＣ基板中へのさらなる 酸化はほとんど起こらないが、存在しうる炭素化合物の酸化を完全に進行させ〔 B.Hornetz, H.J.Michel,および J.Halbritterらによる“J ．Mater．Res.，9（12 ）p.3088(1994)”〕、酸化物の正しい化学量論（1:2 Si:0）をもたらすようであ る。 酸化と種々のアニールのいずれかを施した後、スパッタリングによりフロント サイド接点（front-side contact）用として酸化物上に金属層を蒸着させた。反 応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を使用して、バックサイド酸化物をエッチン グした。さらに、幾つかのサンプルに対し、Ｐｔスパッタリングによる 200nm のバックサイド接点を設けたが、これは後になって不必要であることがわかった 。 次いで、熱的に酸化したサンプルのフロント接点または“ゲート”接点をパター ン化し、市販のアルミニウムエッチング剤を使用してエッチングした（このエッ チング剤は、モリブデンをエッチングするのに極めて効率的であることが判明し た）。近くに大きな（100倍をはるかに越える面積の）接点を有する側部に、方 形コンデンサーを３つの異なったサイズ（200μm、300μm、および400μm）にパ ターン化した。大きなフロントサイド接点を使用して、基板に対する接点をバッ ックサイド接点と並列に作製した。これによって、エピタキシャル層の不均一性 または直列抵抗からの影響が最小限に抑えられることがわかった。蒸着酸化物を 有するサンプルを、モリブデンと金（Ｍｏ/Ａｕ）のリフトオフによってパター ン化した。 酸化物の品質の測定 室温での高周波（500kHz）キャパシタンス−電圧（Ｃ−Ｖ）の掃引によって測 定したフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）から酸化物の正味の電荷を算出した。フラ ットバンド電圧は、酸化物中に捕捉された電荷、酸化物中の移動性イオン、帯電 したボーダートラップ〔D.M.Fleetwood，IEEE Trans ．Nucl．Sci.，NS-39（12） p.269(1992)〕、および帯電した界面状態の組合せによって影響を受ける。Ｓｉ Ｃコンデンサー上の異なった構成部品を隔離するのは、バンドギャップが広いの で極めて困難であるが、これらの影響はいずれも“正味の”酸化物電荷として一 緒に考えることができる。 これらの影響を全て考慮した上での改良が、デバイスの動作を改良するための 必要な第一歩である。 標準的なコンダクタンス法（前記のNicollianによる文献）を高温にて使用し て、界面状態密度を測定した。測定は、HP4284Aキャパシタンスメーターを装備 したMDC CSM/2 システムを使用して行った。キャパシタンスとコンダクタンスは 、１kHz〜１MHzの周波数範囲にわたって一定電圧で測定した。これを種々のバイ アスにて繰り返し、各バイアスに対するバンドベンディング（band bending）を 並列キャパシタンスから求めた。図１は、最良の酸化物（後述）から得られる当 量並列コンダクタンス（Ｇ_f/ｗ）対周波数の曲線を示しており、1.0×10¹¹cm^-2e V^-1の最小界面状態密度に相当する。コンダクタンス法を250℃で実施して、室温 において測定できるより広い区域のバンドギャップを測定し、そして信号のより 良好な 分解が得られるようバンドベンディングの変動を少なくした。測定するためには より高い温度（最高約350℃）が好ましいが、モリブデンのゲートは、250℃以上 の温度では酸化が速すぎる。 結果と考察 酸化温度 1050℃〜1300℃の温度にて成長した酸化物に対するＤ_itとＱ_oxの比較が表２に 示されている。図２における酸化はすべて湿潤環境にて行われ、その後に１時間 のアルゴンアニールを施した。酸化温度が上昇するにつれて、Ｑ_oxとＤ_itが増大 することが図２からわかる。興味あることに、約1150℃にて界面状態密度が安定 状態に達する。酸化時間が極めて長くなるので、1050℃未満の酸化温度はあまり 実際的ではない。 酸化物の品質は、できるだけ低い温度で酸化することによって大幅に改良され る。酸化時間は1050℃において極めて長いけれども、酸化物の品質が改良される ので、ほとんどのＭＯＳデバイス用途に対し、時間をかけるだけの価値がある。 熱酸化物に対する再酸化アニール 前述したように、本発明は、酸化物の品質に対しても有益である後酸化処理を 含む。この処理は、酸化物のバルクが成長した後の、より低い温度において行わ れる酸化からなる。このアニールは、本明細書では“再酸化”アニールとも呼ぶ 。再酸化アニールの温度範囲は約800〜1000℃である。この工程では全ての不純 物（たとえば、残留炭素またはぶら下がった(dangling)ケイ素結合）が酸化され るが、ＳｉＣがそれ以上酸化されることはなく、従って酸化物が緻密化され、Ｓ ｉＣ/ＳｉＯ₂の界面が改良される。表２は、４種のサンプルを種々の後酸化処理 に関して比較している。第１の行は、後酸化アニールで処理していないものであ る。第２の行は、前記Shenoyらの文献に記載の“スロー・プル（slow pull）” 法を使用して酸化炉から取り出したものである。あとの２つの行は、それぞれ 900℃にて1.5時間、湿潤後酸化処理または乾燥後酸化処理したものである。（ア ルゴンアニールは、酸化と一緒にその場で行い、ここでは説明を単純化するため に後酸化処理とは考えないこととする。熱酸化物にはすべて、酸化の直後で且つ 再酸化アニールの前に、このアルゴンアニールを施した。） 表２のデータからわかるように、スロー・プル手順によって酸化物の品質が改 良されており、この点は Shenoyの結果と一致する。より一層高い品質の酸化物 （正味の酸化物電荷と界面状態密度が低いことからわかる）が、湿潤再酸化手順 にしたがった標準的な酸化を行うことによって得られる。乾燥再酸化アニールを 施すと、後酸化処理を施していない酸化物と比較したときに、界面状態密度が２ 倍になる。 1050℃と1100℃での熱酸化物に対して、湿潤再酸化プロセスの時間と温度を最 適化すべく検討を行った。図３と４は、種々の酸化条件下にて1100℃で酸化した サンプルの正味の酸化物電荷と界面状態密度を示している。再酸化の温度を800 ℃〜950℃の範囲で変え、そして1.5時間と３時間の酸化時間について調べた。水 平線は、同一の条件下で酸化したが、再酸化アニールは施さなかったサンプルの 密度を示している。 1100℃で成長させた酸化物の場合、酸化物電荷密度は、再酸化アニールの温度 によって大きく異なる。再酸化アニールの時間は、図４の900℃における1.5時間 と３時間のデータポイントを比較するとわかるように、正味の酸化物電荷密度に ほとんど影響を及ぼさない。しかしながら、図４における２つの900℃ポイント を比較すると、より長いアニール時間のほうが、より短いアニール時間よりやや 良好のようである。界面状態密度は、再酸化アニールの温度によって強く影響さ れる。1100℃での酸化物の場合、より長い時間と950℃という温度によって最良 の酸化物が得られ、この結果、正味の酸化物電荷密度は1/2.5に低下し、また界 面状態密度は１/４に低下する。 図５と６は、1050℃で酸化したサンプルの正味の酸化物電荷と界面状態密度を 示している。900℃〜1000℃の再酸化アニール温度、ならびに1.5時間、３時間、 および５時間という再酸化アニール時間について調べた。この場合も、水平線は 、同一の条件下で酸化したが、再酸化アニールは施さなかったサンプルの品質レ ベルを示している。 1050℃で成長させた酸化物の場合、正味の酸化物電荷密度は、酸化時間の増大 とともに大幅に変化する（図５の900℃における２つのデータポイントを比較す ることによってわかる）。しかしながら、酸化時間をより長くしても（900℃に て５時間）、950℃での３時間の再酸化アニールの場合と同等である。しかしな がら、界面状態密度は、再酸化アニール時間によってそれほど影響を受けない（ 図６における900℃での２つのアニール時間を比較することによってわかる）。1 050℃にて成長させた酸化物に対する最も大きな再酸化アニール変数はアニール 温度であり、約950℃が最適のようである。正味の酸化物電荷は１/２に減少し、 また界面状態密度は１/2.5に減少する。 1050℃で成長させた酸化物と1100℃で成長させた酸化物に対し、再酸化アニー ルのための最適温度は950℃である。アニール時間を増大させることによっても 酸化物の品質を改良することができるが、これは温度に比べて二次的な効果にす ぎない。1050℃という最適温度で成長させた酸化物に対してさえ、950℃での最 適な再酸化により、正味の酸化物電荷と界面状態が大幅に減少する。 蒸着酸化物に対する再酸化アニール 低い絶緑耐力は蒸着酸化物と関係しており、通常はケイ素量が多いという化学 量論がその原因となっている。炭化ケイ素は、かなり高い温度でしか酸化されな いという明確な利点を有しており、このため蒸着酸化物を“再酸化”することが 可能となる。これは、酸化物中のケイ素を酸化するのに充分な高い温度ではある が、ＳｉＣの実質的な酸化を起こさないような充分に低い温度にて、蒸着酸化物 を酸化性雰囲気中でアニールすることによって行うことができる。この工程によ り、酸化物の良好な緻密化が可能となるだけでなく、熱によるＳｉＯ₂界面の形 成も可能となり、このとき相当量のＳｉＣが消費されたり、あるいは酸化物中に 炭素が導入されたりすることはない。 室温と350℃における蒸着酸化物の絶縁耐力が図７に示されている。1000℃で 再酸化したサンプルの絶縁耐力の最高値は、12.4MV/cmという驚くほど高い値で あっ た。この値は、ＳｉＯ₂の固有の絶縁耐力（11.3MV/cm）より高いが、この上回っ ている部分は、金属/ＳｉＣの動作機能の違い、あるいは算出領域に考慮されて いない正味の酸化物電荷密度によるものであろう。 図７からわかるように、1000℃の再酸化条件により最も高い絶縁耐力が得られ る。降伏場（breakdown field）の20％の範囲を示している縞模様キャップによ って示されているように、最も高い降伏場は室温から350℃まで変わらないけれ ども、分布はより広くなっている。800℃で再酸化したサンプルと900℃で再酸化 したサンプルはより低い降伏場を有しており、350℃ではさらに減少する。900℃ で90分酸化したサンプルは、45分だけ酸化したサンプルより良好であった。この 挙動は、蒸着酸化物中に過剰のケイ素が存在していることと矛盾がなく、この過 剰なケイ素を酸化して、酸化物層中に正しい化学量論を達成することができる。 図８には、これらのサンプルのそれぞれに対し、界面状態密度と正味の酸化物 電荷密度がプロットしてある。この場合も、さらなる酸化を施すと、より良好な 品質が達成される。正味の酸化物電荷と界面状態密度は、時間と温度が増大する と減少する。1000℃での再酸化を施したサンプルに対しては、界面状態密度は２ 〜３×10¹¹cm^-2eV^-1の範囲であり、正味の酸化物電荷は約１×10¹²cm^-2である。 要するに、再酸化アニールを施すと、蒸着酸化物と熱酸化物の品質が大幅に改 良されることが実証された。蒸着酸化物に関して従来より悩まされている降伏場 という問題が、再酸化アニールを施すことで効果的に解消される。さらに、正味 の酸化物電荷が大幅に改良され、１×10¹²cm^-2という正味の酸化物電荷密度を使 用して酸化物を繰り返し作製することができる。本発明を使用すると、一般には １×10¹¹cm^-2eV^-1という界面状態密度が得られる。従来の酸化手順（たとえば、 1150℃で酸化し、再酸化は行わない）と比較すると、正味の酸化物電荷は１/３ に低下し、界面状態密度は一桁の大きさで改良されている。これらのプロセス改 良の結果、正味の酸化物電荷と界面状態密度が大幅に減少する（これまでに報告 されている最も低い値）。 図面と明細書本文において、本発明の代表的な好ましい実施態様について説明 してきた。特定の用語が使用されているけれども、一般的かつ説明的な意味での み使用されており、これによって本発明が限定されることはない。本発明の範囲 は、以下に記載の請求の範囲によって規定される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１０月１６日 【補正内容】 請求の範囲 １． 熱酸化による方法、炭化ケイ素層上に酸化物層を蒸着させるという方法 、酸化物層をスパッター蒸着させるという方法、酸化物層をプラズマ蒸着させる という方法、およびオキシ窒化物層を生成させるという方法、からなる群から選 ばれる方法によってｐ−型炭化ケイ素層上に酸化物層を生成させる工程を含み、 前記酸化物層生成工程の後に、酸化性ガス源が酸化物層中に拡散するのを可能 にしつつ、また炭化ケイ素のさらなる酸化を防止しつつ、ｐ−型炭化ケイ素がか なりの速度で酸化されるのを防止するために1050℃未満の温度にて、そして酸化 物層を緻密化するに足る、また酸化物層と炭化ケイ素層との間の界面を改良する に足る時間にわたって、ｐ−型炭化ケイ素層上の酸化物層を酸化性ガス源に暴露 する工程を含むことを特徴とする、 改良された酸化物層と、酸化物をベースとしたデバイスからの改良された性能 とを得る方法。 ２． ｐ−型炭化ケイ素層上に酸化物層を生成させる前記工程が、炭化ケイ素 層の炭素面を900〜1300℃の温度で熱酸化する工程を含み、酸化物層を酸化性ガ ス源に暴露する前記工程が、酸化物層を600〜1000℃の温度で暴露する工程を含 む、請求項１記載の方法。 ３． ｐ−型炭化ケイ素層上に酸化物層を生成させる前記工程が、炭化ケイ素 層のケイ素面を1000〜1400℃の温度で熱酸化する工程を含み、酸化物層を酸化性 ガス源に暴露する前記工程が、酸化物層を700〜1100℃の温度で暴露する工程を 含む、請求項１記載の方法。 ４． 前記炭化ケイ素層が炭化ケイ素エピタキシャル層または炭化ケイ素基板 を含む、請求項１記載の方法。 ５． 前記酸化性ガス源が、酸化物層または炭化ケイ素層の化学的、物理的、 または電子的特性に悪影響を及ぼさず、酸化物とｐ−型炭化ケイ素が、800〜100 0℃の温度にて酸化性ガス源に暴露される、請求項１記載の方法。 ６． 前記酸化性ガス源が、酸素、水蒸気、水蒸気中酸素、キャリヤーガス中 水蒸気、窒素と酸素との化合物、およびこれらの混合物からなる群選ばれる、請 求項１記載の方法。 ７． 酸化物と炭化ケイ素が約950℃の温度にて酸化性ガス源に暴露される、 請求項１記載の方法。 ８． 酸化物層と炭化ケイ素層を酸化性ガス源に暴露する工程の前に、酸化物 層をアルゴン雰囲気中でアニールする工程をさらに含む、請求項１記載の方法。 ９． ｐ−型ケイ素基板と前記炭化ケイ素基板上の酸化物層とを含み、前記酸 化物層が1.6×10¹¹cm^-2/eV未満の界面状態密度を有することを特徴とする、改良 された炭化ケイ素/酸化物構造物。 10． 前記界面状態密度が1.5×10¹¹cm-2/eV未満である、請求項９記載の炭化 ケイ素/酸化物構造物。 11． 前記界面状態密度が1.1×10¹¹cm^-2/eV未満である、請求項９記載の炭化 ケイ素/酸化物構造物。 12． ｐ−型炭化ケイ素基板と前記炭化ケイ素基板上の酸化物層とを含み、前 記酸化物層が2.5×10¹²cm^-2未満の酸化物電荷を有することを特徴とする、改良 された炭化ケイ素/酸化物構造物。 13． 前記酸化物電荷が1.5×10¹²cm^-2未満である、請求項12記載の炭化ケイ 素/酸化物構造物。 14． 前記酸化物電荷が1.1×10¹²cm^-2未満である、請求項12記載の炭化ケイ 素/酸化物構造物。 15． 前記炭化ケイ素層が、２Ｈ、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、および15Ｒからなる群 から選ばれるポリタイプを有する単結晶である、請求項９または12記載の炭化ケ イ素/酸化物構造物。 16． 前記炭化ケイ素層がエピタキシャル層または基板である、請求項９また は12に記載の炭化ケイ素/酸化物構造物。 17． 前記酸化物層が二酸化ケイ素である、請求項９または12に記載の炭化ケ イ素/酸化物構造物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 スレイター，デーヴィッド・ビー，ジュニ アー アメリカ合衆国ノース・カロライナ州 27613，ローリー，ジャラット・コーヴ 6304 (72)発明者 パルモウアー，ジョン・ダブリュー アメリカ合衆国ノース・カロライナ州 27606，ローリー，ハンターズ・ブラフ・ ドライブ 2920

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ＳｉＣがかなりの速度で酸化し始める温度未満の温度ではあるが、酸化 性ガス源の酸化物層中への拡散を可能にするよう充分に高くて、しかも炭化ケイ 素の実質的なさらなる酸化が避けられるような温度にて、酸化物層を緻密化する に足る、また酸化物層と炭化ケイ素層との間の界面を改良するに足る時間にわた って、炭化ケイ素層上の酸化物層を酸化性ガス源に暴露する工程を含む、改良さ れた酸化物層と、酸化物をベースとしたデバイスからの改良された性能とを得る 方法。 ２． 酸化物と炭化ケイ素を酸化性ガス源に暴露する工程の前に、炭化ケイ素 層上に酸化物層を蒸着させるという方法、酸化物層をスパッター蒸着させるとい う方法、酸化物層をプラズマ蒸着させるという方法、およびオキシ窒化物層を生 成させるという方法、からなる群から選ばれる方法によって、炭化ケイ素層上に 酸化物層を生成させる工程をさらに含む、請求項１記載の方法。 ３． 炭化ケイ素層上に酸化物層を生成させ、次いで炭化ケイ素層の炭素面を 約900〜1300℃の温度で熱酸化する工程をさらに含み、酸化物層を酸化性ガス源 に暴露する工程が、酸化物層を約600〜1000℃の温度で暴露する工程を含む、請 求項１記載の方法。 ４． 炭化ケイ素層上に酸化物層を生成させ、次いで炭化ケイ素層のケイ素面 を約1000〜1400℃の温度で熱酸化する工程をさらに含み、酸化物層を酸化性ガス 源に暴露する工程が、酸化物層を約700〜1100℃の温度で暴露する工程を含む、 請求項１記載の方法。 ５． 酸化物と炭化ケイ素を酸化性ガス源に暴露する工程が、炭化ケイ素エピ タキシャル層上の酸化物層または炭化ケイ素基板上の酸化物層を暴露する工程を 含む、請求項１記載の方法。 ６． 酸化物と炭化ケイ素を酸化性ガス源に暴露する工程が、酸化物層または 炭化ケイ素層の化学的、物理的、または電子的特性に悪影響を及ぼさない酸素含 有ガスに酸化物と炭化ケイ素を暴露する工程、および酸化物と炭化ケイ素を約80 0〜1000℃の温度にて酸素含有ガスに暴露する工程を含む、請求項１記載の方法 。 ７． 酸化物と炭化ケイ素を酸化性ガス源に暴露する工程が、酸素、水蒸気、 水蒸気中酸素、キャリヤーガス中水蒸気、窒素と酸素との化合物、およびこれら の混合物からなる群選ばれるガスに酸化物と炭化ケイ素を暴露する工程を含む、 請求項１記載の方法。 ８． 炭化ケイ素層を約1050〜1100℃の温度で熱酸化して、炭化ケイ素層上に 酸化物層を生成させる工程を含み、酸化物層を暴露する工程が、酸化物層と炭化 ケイ素層を1050℃未満の温度にて酸化性ガス源に暴露する工程を含む、請求項１ 記載の方法。 ９． 炭化ケイ素層を熱酸化する工程が、炭化ケイ素エピタキシャル層または 炭化ケイ素基板を熱酸化する工程を含む、請求項８記載の方法。 10． 酸化物と炭化ケイ素を酸化性ガス源に暴露する工程が、酸化物と炭化水 素を約950℃の温度にて酸化性ガス源に暴露する工程を含む、請求項８記載の方 法。 11． 酸化物層と炭化ケイ素層を酸化性ガス源に暴露する工程の前に、酸化物 層をアルゴン雰囲気中でアニールする工程をさらに含む、請求項１または８に記 載の方法。 12． 炭化ケイ素基板；および 1.6×10¹¹cm^-2/eV 未満の界面状態密度を有する、炭化ケイ素基板上の酸化 物層； を含む、改良された炭化ケイ素/酸化物構造物。 13． 前記界面状態密度が1.5×10¹¹cm^-2/eV未満である、請求項12記載の炭化 ケイ素/酸化物構造物。 14． 前記界面状態密度が1.1×10¹¹cm^-2/eV未満である、請求項12記載の炭化 ケイ素/酸化物構造物。 15． 炭化ケイ素基板；および 2.5×10¹²cm^-2未満の酸化物電荷を有する、炭化ケイ素基板上の酸化物層； を含む、改良された炭化ケイ素/酸化物構造物。 16． 前記酸化物電荷が1.5×10¹²cm^-2未満である、請求項15記載の炭化ケイ 素/酸化物構造物。 17． 前記酸化物電荷が1.1×10¹²cm^-2未満である、請求項15記載の炭化ケイ 素/酸化物構造物。 18． 前記炭化ケイ素層が、２Ｈ、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、および15Ｒからなる群 から選ばれるポリタイプを有する単結晶である、請求項12または15記載の炭化ケ イ素/酸化物構造物。 19． 前記炭化ケイ素層がエピタキシャル層または基板である、請求項12また は15に記載の炭化ケイ素/酸化物構造物。 20． 前記酸化物層が主として二酸化ケイ素である、請求項12または15に記載 の炭化ケイ素/酸化物構造物。