WO2011074237A1 - ＳｉＣ半導体素子およびその作製方法 - Google Patents

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矢野裕司
岡本大
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Definitions

  • the present invention reduces the interface defect between an insulating film (oxide film) of an SiC semiconductor element and an SiC semiconductor, and improves channel mobility of a MISFET (MIS type field effect transistor) or MOSFET (MOS type field effect transistor). It is about.
  • the SiC semiconductor is a semiconductor made of SiC (Silicon-carbide, silicon carbide) which is a compound of carbon (C) and silicon (Si).
  • SiC semiconductors have physical properties suitable as materials for semiconductor devices (power devices) used in power electronics.
  • the forbidden band width is 3.3 eV, which is three times wider than that of a conventional Si semiconductor
  • the dielectric breakdown electric field strength is 3 MV / cm, which is higher than that of a conventional Si semiconductor.
  • the saturation electron velocity is about 3 times faster than that of a conventional Si semiconductor.
  • SiC semiconductors are characterized by higher thermal conductivity, heat resistance, and chemical resistance than Si semiconductors, and higher resistance to radiation than Si semiconductors. Because of these characteristics, SiC semiconductors, particularly SiC MISFETs (MIS type field effect transistors) or MOSFETs (MOS type field effect transistors) are preferably used for semiconductor devices used in power electronics.
  • SiC MISFETs MIS type field effect transistors
  • MOSFETs MOS type field effect transistors
  • SiC MIS (MOS) FET it has been a problem that there are many defects at the interface between the gate insulating film (gate oxide film) and SiC and the channel mobility is low.
  • an insulating film is formed by using a thermal oxidation of SiC or a CVD method, and the formed insulating film is nitrided at the interface between the insulating film and SiC with NO, NO 2 , NH 3 gas or the like.
  • the channel mobility is improved by reducing defects at the interface.
  • the channel mobility (Si surface) of SiC MIS (MOS) FET is as small as 40-50 cm 2 / Vs even when the interface is nitrided, and further improvement in channel mobility is desired.
  • the reason why the channel mobility of SiC MIS (MOS) FET is small is that there are many defects at the interface of SiC manufactured by the conventional technique, that is, the interface state density is large. Since the channel mobility of the SiC MIS (MOS) FET is small, the on-resistance value of the MIS (MOS) FET transistor increases. As the on-resistance value of the transistor increases, power consumption increases.
  • a manufacturing method is known in which channel mobility is improved by ion implantation of nitrogen or phosphorus into SiC directly under a gate insulating film or epitaxial growth to reduce the concentration or n-type of the surface of a p-type layer.
  • a manufacturing method is known in which channel mobility is improved by nitriding an interface between an insulating film and SiC (see, for example, Patent Document 2).
  • a manufacturing method in which channel mobility is improved by performing heat treatment in an atmosphere containing H 2 O on a gate insulating film (gate oxide film) is known (see, for example, Patent Document 3).
  • Patent Document 1 nitrogen or phosphorus is ion-implanted or epitaxially grown in SiC immediately below the gate insulating film, which causes a problem that the reliability of the insulating film provided on the SiC substrate is poor.
  • the controllability of the epi concentration and the film thickness resulting in a problem that the channel mobility and the threshold voltage vary.
  • Patent Document 2 although the interface state density is reduced by nitriding the interface and the channel mobility is improved, the channel mobility is about 40 cm 2 / Vs as described above.
  • Patent Document 3 although channel mobility is improved by performing heat treatment in an atmosphere containing H 2 O on the gate insulating film (gate oxide film), the channel mobility is about 50 cm 2 / Vs. It is. Further, there is a problem that the range of effective process conditions is narrow.
  • an object of the present invention is to provide a SiC semiconductor device and a method for manufacturing the same, in which the interface state density at the interface between the insulating film in contact with the SiC semiconductor and SiC is reduced and the channel mobility is improved.
  • the present inventors do not implant phosphorus into SiC just under the gate insulating film as has been conventionally done, but add (dope) phosphorus to the gate insulating film itself by heat treatment.
  • the present inventors have found that the interface defect (interface state density) between the insulating film and SiC can be greatly reduced and the channel mobility of the MIS (MOS) FET can be greatly improved.
  • the SiC semiconductor device of the present invention is configured to include phosphorus in the insulating film in a semiconductor device including at least a SiC semiconductor substrate and an insulating film in contact with the substrate. According to this configuration, the interface state density at the interface between the SiC semiconductor substrate and the insulating film can be reduced and the channel mobility of the semiconductor element can be improved.
  • the insulating film may be formed at the interface with SiC, and can be suitably applied to any crystal plane such as the silicon surface, carbon surface, and sidewall surface of SiC.
  • the insulating film includes an oxide film and a nitride film.
  • the interface state density at the interface between the SiC semiconductor substrate and the insulating film is 1 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 or less when the energy from the conduction band edge is in the range of 0.2 to 0.6 eV.
  • the interface state density at the interface between the SiC semiconductor substrate and the insulating film is 5 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 or less when the energy from the conduction band edge is in the range of 0.2 to 0.6 eV, and the semiconductor
  • the channel mobility of the element is 35 cm 2 / Vs or higher.
  • the interface state density at the interface between the SiC semiconductor substrate and the insulating film is 1 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 or less when the energy from the conduction band edge is in the range of 0.2 to 0.6 eV, and the semiconductor
  • the channel mobility of the element is 85 cm 2 / Vs or higher.
  • the SiC semiconductor element of the present invention described above is an SiC semiconductor substrate excluding a low resistance n + type region such as a source, drain, base, emitter, and collector serving as an electron supply port and an extraction port, among SiC semiconductor substrates.
  • a preferred embodiment is that no phosphorus is present in the moiety. From another viewpoint, it is preferable that phosphorus is not added to the SiC semiconductor substrate by heat treatment. This is because the impurity concentration on the SiC semiconductor substrate side is increased.
  • the SiC semiconductor element of the present invention includes at least a MIS (MOS) channel
  • the MIS (MOS) channel does not contain phosphorus. This is because in the case of a semiconductor element having a MIS (MOS) channel, the impurity concentration of the MIS (MOS) channel is increased.
  • phosphorus is added by heat treatment to the insulating film and the impurity concentration of the SiC semiconductor substrate does not change. Moreover, by adding phosphorus to the insulating film by heat treatment, phosphorus does not enter the SiC side, and the impurity concentration on the SiC side is not changed, or an increase can be avoided. For example, when an MIS (MOS) channel is provided, phosphorus does not enter the MIS (MOS) channel, and phosphorus as an impurity is not changed or increased in the MIS (MOS) channel.
  • MOS MIS
  • phosphorus exists at the interface with SiC. This is because phosphorus is added to the insulating film by the heat treatment, and the phosphorus reaches the interface with SiC, so that interface defects (interface state density) between the insulating film and SiC can be significantly reduced.
  • the interface state density is more preferably 1 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 or less.
  • phosphorus is added to the insulating film and reaches the interface with SiC, so that the interface state density is conventionally about 1 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 . This is because the interface state density can be reduced by about one digit.
  • the density of phosphorus at the interface with SiC is more preferably 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 or more. This is because the interface density (interface state density) between the insulating film and SiC can be greatly reduced by the high density of phosphorus at the interface with SiC.
  • the phosphorus concentration is uniformly distributed to the interface with SiC in the film thickness direction. This is because the film quality can be made uniform.
  • the insulating film is preferably used as a gate insulating film. Since the interface defects between the insulating film and SiC can be reduced, using it as a gate insulating film can improve channel mobility of MIS (MOS) FET and the like, leading to a reduction in on-resistance of the transistor. is there.
  • MOS MIS
  • the insulating film is used as a surface passivation film. Since the interface defects between the insulating film and SiC can be reduced, the use of the surface passivation film suppresses carrier recombination on the SiC surface, that is, the interface between the SiC and the insulating film, thereby reducing leakage current, bipolar transistors, and thyristors. This is because it leads to an improvement in amplification factor.
  • the manufacturing method of the SiC semiconductor element of this invention is set as the structure provided with following (step S10) and (step S20) at least.
  • step S10 Insulating film forming step for forming an insulating film on a semiconductor substrate made of SiC
  • Step S20 Phosphorus adding step for adding phosphorus to the insulating film by heat treatment
  • the insulating film forming method of the above may be an existing known forming method, and is not particularly limited.
  • phosphorus addition step step S20
  • phosphorus is added to the insulating film by heat treatment because phosphorus is not added to the SiC side.
  • phosphorus that reaches the interface with SiC is hardly added to the SiC side. This is because the diffusion coefficient of phosphorus in SiC is very small.
  • step S15 Interfacial nitriding and removal of residual carbon using nitrogen oxide gas such as NO or N 2 O with respect to the formed insulating film
  • Step S30 Unbonded using hydrogen annealing Termination process to terminate the hand
  • an inert gas annealing step in which an annealing process is performed using an inert gas (step S25). It is still more preferable that it contains.
  • nitrogen gas or argon gas is preferably used as the inert gas.
  • each step of the method for producing a SiC semiconductor device of the present invention is not particularly limited, but preferably after the insulating film formation step (step 10), the interface nitridation step (step 15), and the phosphorus addition step (Step 20), a phosphorus diffusion process (Step 25), and a termination process (Step 30).
  • the temperature control between processes becomes easier.
  • a phosphoryl chloride (POCl 3 ) solution is bubbled through the insulating film, and a mixed gas atmosphere of oxygen and inert gas such as oxygen and nitrogen Then, heat treatment is performed at a temperature of 950 to 1100 ° C.
  • a mixed gas atmosphere of oxygen and inert gas such as oxygen and nitrogen
  • heat treatment is performed at a temperature of 950 to 1100 ° C.
  • nitrogen is used to bubble the phosphoryl chloride (POCl 3 ) solution at room temperature or lower.
  • heat treatment is performed for about 10 minutes in a temperature range of 950 to 1100 ° C. in an atmosphere in which bubbling gas, oxygen gas, and nitrogen gas are mixed.
  • the phosphorus addition step of (Step S20) is an atmosphere using a gas containing phosphorus such as phosphine (PH 3 ) or tertiary butylphosphine (TBP), or a raw material obtained by vaporizing the solution. It is also possible to heat-treat inside.
  • the phosphorus addition step (Step S20) is performed by bubbling a phosphoryl chloride (POCl 3 ) solution over the insulating film in a mixed gas atmosphere of oxygen and inert gas.
  • the heat treatment is performed at a temperature of 800 to 1100 ° C.
  • the inert gas annealing step is performed at a temperature of 950 to 1100 ° C.
  • the present invention by performing heat treatment with a gas containing phosphorus on the insulating film, interface defects (interface state density) between the insulating film and SiC can be greatly reduced, and the channel mobility can be dramatically improved as compared with the conventional case. It has the effect that it can be improved. Since the channel mobility can be improved, the power consumption of the power device using the present invention can be reduced. In addition, the surface passivation film using the present invention has an effect that leakage current can be reduced and gain can be improved.
  • FIG. 4 is a structural schematic diagram of 4H—SiC.
  • FIG. 5 is a correlation diagram between the on-resistance of a power MOSFET and a dielectric breakdown voltage using channel mobility as a parameter.
  • 10 is an explanatory diagram of a manufacturing method of Example 1.
  • FIG. The production flow of Example 1 is shown. It is a schematic diagram of a manufacturing device for evaluation of interface state density and channel mobility. It is a graph which shows the measurement result of an interface state density. 3 is a graph for explaining the characteristics of an n-MOSFET. It is a graph which shows the measurement result 1 of channel mobility. It is a graph which shows the measurement result 2 of channel mobility.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a SiC MOSFET.
  • the gate insulating film 20 is formed on the substrate of the SiC semiconductor 10, and the terminals of the gate electrode 11, the source electrode 12, and the drain electrode 13 are provided.
  • SiC semiconductor 10 is divided into several layers such as an n + layer, a p body layer, an n ⁇ drift layer, and an n + substrate layer. Then, there is a portion that becomes a current resistance from the source electrode 12 to the drain electrode 13.
  • the channel resistance value R ch of the interface 21 is particularly dominant.
  • FIG. 3 shows a correlation diagram between channel mobility ( ⁇ ch ) and on-resistance of the transistor, and the horizontal axis shows the breakdown voltage, that is, the breakdown voltage of the semiconductor element.
  • the on-resistance value for a semiconductor element having the same breakdown voltage is compared with that of Si as compared with a single silicon (Si limit), a drift layer of SiC semiconductor, and a substrate (drift + sub.limit). In the vicinity of the dielectric breakdown voltage of 10 3 V, it is shown to be as small as about 1/1000. It is also shown that the on-resistance value is reduced in inverse proportion to the channel mobility ( ⁇ ch ). In the SiC semiconductor, resistance values other than the channel resistance, the resistance of the n ⁇ drift layer, and the resistance of the n + substrate layer are negligible. In particular, a reduction in channel resistance value is essential for improving the performance of SiC semiconductor devices. By improving the channel mobility ( ⁇ ch ) at the interface of the SiC MOSFET from the conventional level of about 10 cm 2 / Vs to about 100 cm 2 / Vs, the high potential of the original 4H—SiC can be utilized.
  • FIG. 4 shows a state in which the gate insulating film 20 is formed on the SiC semiconductor 10 and phosphorus 30 is added to the gate insulating film 20.
  • an oxide film SiO 2
  • FIG. 4B the phosphorus 30 reaches the interface 21 between the insulating film and SiC.
  • interface defects can be reduced and channel mobility can be improved.
  • the procedure for adding phosphorus to the insulating film on the SiC substrate is to first form the insulating film on the SiC substrate (S10), and then add phosphorus to the insulating film (S20). ). Then, a diffusion process is performed to ensure that phosphorus reaches the interface 21 between the insulating film and SiC (S25).
  • a procedure for adding phosphorus to the insulating film on the SiC substrate will be described.
  • an oxide film (SiO 2 ) is used as the insulating film.
  • a sample was prepared in which an oxide film which is an insulating film of 55 nm was formed by dry oxidation of 4H—SiC on the n-type silicon surface at 1200 ° C. for 160 minutes.
  • the sample was subjected to heat treatment at 950 ° C. for 10 minutes in an atmosphere in which 2.25 slm nitrogen gas, 1.0 slm oxygen gas, and POCl 3 solution maintained at 15 ° C. were mixed with a gas in which 0.75 slm nitrogen was bubbled. went.
  • a SiC semiconductor element subjected to only dry oxidation was produced. Specifically, 4H—SiC on the n-type silicon surface was dry-oxidized to form an oxide film which is an insulating film of 55 nm at 1200 ° C. for 160 minutes.
  • the temperature of the heat treatment was changed from that of Example 1, and the other processes were performed in the same manner as in Example 1 to produce a SiC semiconductor element. Specifically, a sample was prepared in which 4H—SiC on the n-type silicon surface was dry-oxidized to form an oxide film that was an insulating film of 55 nm at 1200 ° C. for 160 minutes.
  • the sample was subjected to heat treatment at 900 ° C. for 10 minutes in an atmosphere in which 2.25 slm nitrogen gas, 1.0 slm oxygen gas, and POCl 3 solution maintained at 15 ° C. were mixed with 0.75 slm nitrogen bubbled gas. went. Thereafter, heat treatment was performed at the same temperature for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.
  • FIG. 6 shows the fabricated device.
  • the gate electrode may be any material such as a metal such as aluminum, tungsten, or molybdenum, or N-type polysilicon or P-type polysilicon.
  • aluminum was used as the gate electrode.
  • a silicide film such as a WSi 2 film, a MoSi 2 film, or a TiSi 2 film may be formed on the gate electrode. Further, after this, aluminum was formed as a back electrode.
  • MOS capacitor Fabrication of the MOS capacitor shown in FIG.
  • an oxide film as an insulating film was formed.
  • the formed insulating film was removed with 5% hydrofluoric acid.
  • a gate insulating film was formed, and then a heat treatment (PMA: Post Metallization Anneal) at 400 degrees for 30 minutes was performed in nitrogen to manufacture a MOS capacitor.
  • PMA Post Metallization Anneal
  • FIG. 7 is a graph showing the measurement result of the interface state density. From FIG. 7, it can be seen that those subjected to heat treatment at 950 ° C., 1000 ° C., 1050 ° C., and 1100 ° C. have a reduced interface state density. What was heat-processed at 900 degreeC showed the result similar to the thing of only dry oxidation, and the reduction effect of an interface state density was not able to be confirmed. In contrast, in the case of heat treatment in the temperature range of 950 to 1100 ° C., the interface state density is reduced by one digit or more, and 1 ⁇ 10 11 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 or less to 1 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 eV ⁇ . We were able to reduce it to the middle of one .
  • V th the threshold voltage
  • FIGS. 9 to 12 are graphs showing channel mobility for SiC MOSFETs that were heat-treated at 1000 ° C. for 10 minutes using the manufacturing method of Example 1.
  • FIG. 9 shows that the channel length / width (L / W) of the MOSFET is 10/200 ⁇ m
  • FIG. 10 shows that the channel length / width (L / W) of the MOSFET is 30/200 ⁇ m
  • FIG. The channel length / width (L / W) of the MOSFET is 50/200 ⁇ m
  • the channel length / width (L / W) of the MOSFET is 100/200 ⁇ m.
  • FIG. 13 shows the channel mobility of the MOSFET in the case of dry oxidation in which phosphorus is not added to the oxide film as the gate insulating film.
  • Dry / N 2 is heat-treated in a nitrogen atmosphere after dry oxidation, and the channel mobility in this case is 4 cm 2 / Vs.
  • Dry / NO is a heat treatment using nitrogen monoxide (NO) gas after dry oxidation (nitride oxide film), and the channel mobility in this case is 25 cm 2 / Vs.
  • the channel length / width (L / W) of the MOSFET is 30/200 ⁇ m.
  • the channel mobility is generally about 4 to 25 cm 2 / Vs.
  • the channel mobility is greatly increased to 90 cm 2 / Vs. You can see that it has improved.
  • the channel mobility of the MOSFET can be improved regardless of the channel size (channel length / width), and the on-resistance value is inversely proportional to the channel mobility. It can be reduced.
  • FIG. 14 shows the concentration distribution of phosphorus atoms in the film thickness direction of the oxide film produced in Example 1. From the graph of FIG. 14, it can be seen that the phosphorus concentration is uniformly distributed at a concentration of 2 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 up to the interface with SiC. In FIG. 14, it seems that phosphorus slightly enters the SiC side, but this is apparent because it was measured from the higher concentration, and there was phosphorus added by heat treatment on the SiC side. Not done.
  • an interface nitridation step (step nitriding with nitrogen oxide gas (for example, NO gas) and removal of residual carbon as shown in the flow of FIG. 15)
  • step S15 a termination step (S30) for terminating a terminal bond by H 2 annealing is added to the process of the first embodiment.
  • the present invention is useful for MIS (MOS) type field effect transistors (MIS (MOS) FETs) used in inverter switches of electric vehicles, hybrid vehicles, railways, home appliances, power systems, and the like. It can also be used for an insulated gate bipolar transistor (IGBT) used in a higher breakdown voltage region than the MIS (MOS) FET. Furthermore, the present invention can be applied to surface passivation films such as gate turn-off (GTO) thyristors, junction bipolar transistors (BJT), junction field effect transistors (JFET), P (i) N diodes, and Schottky barrier diodes (SBD). .
  • GTO gate turn-off
  • BJT junction bipolar transistors
  • JFET junction field effect transistors
  • SBD Schottky barrier diodes

Abstract

　ＳｉＣ半導体の絶縁膜とＳｉＣとの界面の界面準位密度を低減させ、チャネル移動度を向上させたＳｉＣ半導体素子およびその作製方法を提供する。ＳｉＣ半導体１０基板上に絶縁膜２０が形成された半導体素子において、絶縁膜２０にリン３０を添加する。絶縁膜にリンが添加されることにより、絶縁膜とＳｉＣの界面２１の欠陥（界面準位密度）が大幅に低減でき、チャネル移動度を従来と比べて飛躍的に向上できる。絶縁膜に対するリンの添加は、熱処理によって行われる。熱処理を用いて、絶縁膜にリンを添加することで、絶縁膜の信頼性を維持でき、チャネル移動度や閾値電圧のばらつきを回避することができる。

Description

ＳｉＣ半導体素子およびその作製方法
　本発明は、ＳｉＣ半導体素子の絶縁膜（酸化膜）とＳｉＣ半導体における界面欠陥を低減し、ＭＩＳＦＥＴ（ＭＩＳ型電界効果トランジスタ）またはＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のチャネル移動度を向上させる技術に関するものである。
　ＳｉＣ半導体とは炭素（Ｃ）とケイ素（Ｓｉ）の化合物であるＳｉＣ（Silicon carbide，炭化ケイ素）からなる半導体である。ＳｉＣ半導体の最大の特徴は、パワーエレクトロニクスに用いる半導体デバイス（パワーデバイス）の材料として適した物性値を有することである。例えば、市販されている単結晶の４Ｈ－ＳｉＣの場合、禁制帯幅が３．３ｅＶと従来のＳｉ半導体に比べて３倍と広く、絶縁破壊電界強度が３ＭＶ／ｃｍと従来のＳｉ半導体に比べて１０倍程度大きく、また飽和電子速度が従来のＳｉ半導体に比べて３倍と速い。また、ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体よりも、熱伝導性，耐熱性，耐薬品性に優れており、放射線に対する耐性もＳｉ半導体より高いという特徴を備えている。このような特徴から、ＳｉＣ半導体、特に、ＳｉＣのＭＩＳＦＥＴ（ＭＩＳ型電界効果トランジスタ）またはＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）は、パワーエレクトロニクスに用いられる半導体デバイスに好適に使用されている。
　しかし、ＳｉＣのＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴでは、ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）とＳｉＣの界面における欠陥が多く、チャネル移動度が小さいことが、従来から問題とされていた。特に、４Ｈ－ＳｉＣでは、バルク結晶中の電子移動度が８００－１０００ｃｍ２／Ｖｓと高いのに対し、ＳｉＣのＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴのチャネル移動度（Ｓｉ面）は、１０ｃｍ２／Ｖｓと小さいことが問題として挙げられていた。
　また従来から、ＳｉＣの熱酸化やＣＶＤ法を用いて絶縁膜を形成したり、また形成した絶縁膜をＮＯ，ＮＯ２,ＮＨ３ガスなどにより絶縁膜とＳｉＣの界面を窒化することなどが行われており、界面における欠陥を少なくして、チャネル移動度を向上させている。しかしながら、ＳｉＣのＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴのチャネル移動度（Ｓｉ面）は、界面を窒化した場合でも、４０－５０ｃｍ２／Ｖｓと小さく、更なるチャネル移動度の向上が切望されている。
　ＳｉＣのＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴのチャネル移動度が小さい理由は、従来技術で作製されるＳｉＣの界面には欠陥が多い、すわなち、界面準位密度が大きいためである。ＳｉＣのＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴのチャネル移動度が小さいことによって、ＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴのトランジスタのオン抵抗値が大きくなる。トランジスタのオン抵抗値が大きくなれば消費電力が多くなってしまう。
　上述したように、４Ｈ－ＳｉＣでは、本来、バルク結晶中の電子移動度が８００－１０００ｃｍ２／Ｖｓと高いにも関わらず、ＳｉＣのＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴといったデバイス化を図ると、欠陥（界面準位密度の大きさ）のためにチャネル移動度が小さくなってしまうのである。すなわち、デバイス化することで、本来、高い電子移動度を持つＳｉＣのポテンシャルを全く活かせなくなるのである。
　これまで、ＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴのチャネル移動度を向上させて、トランジスタのオン抵抗を小さくするための先行技術が数多く知られている。例えば、ゲート絶縁膜直下のＳｉＣに窒素やリンをイオン注入したり、エピタキシャル成長させたりして、ｐ型層の表面を低濃度化またはｎ型化することによりチャネル移動度を向上する作製方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、絶縁膜とＳｉＣの界面を窒化することにより、チャネル移動度を向上する作製方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。さらに、ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）に対してＨ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理を施してチャネル移動度を向上する作製方法が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
　しかしながら、上記特許文献１では、ゲート絶縁膜直下のＳｉＣに窒素やリンをイオン注入させたり、エピタキシャル成長させたりするので、ＳｉＣ基板上に設ける絶縁膜の信頼性が悪いという問題が生じていた。またエピ濃度や膜厚の制御性にも問題があり、それに起因してチャネル移動度や閾値電圧がばらつくという問題が生じていた。
　また、上記特許文献２では、界面を窒化することにより界面準位密度が低減し、チャネル移動度が向上するものの、上述したようにチャネル移動度は４０ｃｍ２／Ｖｓ程度である。
　また、上記特許文献３では、ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）に対してＨ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理を施すことにより、チャネル移動度が向上するものの、チャネル移動度は５０ｃｍ２／Ｖｓ程度である。更に、効果のあるプロセス条件の範囲が狭いという問題もある。
特開２０００－１５０８６６号公報 特開２００６－２１６９１８号公報 特開２００３－０８６７９２号公報
　上記状況に鑑みて、本発明は、ＳｉＣ半導体に接する絶縁膜とＳｉＣとの界面の界面準位密度を低減させ、チャネル移動度を向上させたＳｉＣ半導体素子およびその作製方法を提供することを目的とする。
　本発明者らは、鋭意研究を行った結果、従来行われてきたようにゲート絶縁膜直下のＳｉＣにリンを注入させるのではなく、ゲート絶縁膜自体に熱処理によってリンを添加（ドープ）することにより、絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥（界面準位密度）が大幅に低減できることおよびＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴのチャネル移動度を大幅に向上できることを見出し、本発明を完成させた。
　すなわち、上記目的を達成すべく、本発明のＳｉＣ半導体素子は、少なくともＳｉＣ半導体基板と、基板に接する絶縁膜を備える半導体素子において、絶縁膜にリンを含む構成とされる。かかる構成によれば、ＳｉＣ半導体基板と絶縁膜との界面の界面準位密度を低減ならびに半導体素子のチャネル移動度を向上させることができる。
　絶縁膜にリンが含まれることにより、絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥（界面準位密度）が大幅に低減でき、半導体素子のチャネル移動度を従来と比べて飛躍的に向上できる。
　リンが含まれることで、絶縁膜である酸化膜（ＳｉＯ２）中のＳｉの一部はリン（Ｐ）に置き換わり、リン（Ｐ）はネットワークを構成する周囲の酸素原子（Ｏ）と３配位で結合する。ＳｉＯ２中に存在するＳｉ－Ｓｉ結合（Ｏ欠損）が欠陥となることが知られているが、そのようなＳｉをリン（Ｐ）が置き換えたために欠陥が消滅することにより、絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥（界面準位密度）が低減できると推察する。また、４つの周囲の酸素原子（Ｏ）と結合していたＳｉ（４配位）の一部がリン（Ｐ）に置き換わることでネットワークを構成する酸素原子（O）に対して３配位となり、酸化膜の歪が緩和されたことも欠陥消滅に影響していると推察する。
なお、上記絶縁膜はＳｉＣとの界面に形成すればよく、ＳｉＣのシリコン面、カーボン面および側壁面などいずれの結晶面にも好適に適用できる。
ここで、絶縁膜には、酸化膜や窒化膜が含まれる。
　上記の本発明のＳｉＣ半導体素子において、具体的には、
　ＳｉＣ半導体基板と絶縁膜との界面の界面準位密度は、伝導帯端からのエネルギーが０．２～０．６ｅＶの範囲で１×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下である。
　また、好ましくは、上記の本発明のＳｉＣ半導体素子において、
　ＳｉＣ半導体基板と絶縁膜との界面の界面準位密度は、伝導帯端からのエネルギーが０．２～０．６ｅＶの範囲で５×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下であり、かつ、半導体素子のチャネル移動度は、３５ｃｍ２／Ｖｓ以上である。
　そして、更に好ましくは、上記の本発明のＳｉＣ半導体素子において、
　ＳｉＣ半導体基板と絶縁膜との界面の界面準位密度は、伝導帯端からのエネルギーが０．２～０．６ｅＶの範囲で１×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下であり、かつ、半導体素子のチャネル移動度が、８５ｃｍ２／Ｖｓ以上である。
　ここで、上記の本発明のＳｉＣ半導体素子は、ＳｉＣ半導体基板のうち、電子の供給口および取り出し口となるソース・ドレイン・ベース・エミッタ・コレクタなどの低抵抗ｎ＋型領域を除いたＳｉＣ半導体基板部分にはリンが存在しないことが好ましい態様である。
　また、他の観点からは、ＳｉＣ半導体基板に熱処理によってリンが添加されていないことが好ましい態様である。ＳｉＣ半導体基板側の不純物濃度の増加を招くからである。
　また、他の観点からは、上記の本発明のＳｉＣ半導体素子は、少なくともＭＩＳ（ＭＯＳ）チャネルを備える場合、かかるＭＩＳ（ＭＯＳ）チャネルにリンが含まれていないことが好ましい態様である。ＭＩＳ（ＭＯＳ）チャネルを有する半導体素子の場合、ＭＩＳ（ＭＯＳ）チャネルの不純物濃度の増加を招くからである。
　また、上記の本発明のＳｉＣ半導体素子において、絶縁膜への熱処理によってリンが添加され、ＳｉＣ半導体基板の不純物濃度が変化しないことが好ましい。
　また、上記の絶縁膜に対するリンの添加が熱処理によって行われることにより、ＳｉＣ側にリンが進入せず、ＳｉＣ側の不純物濃度を変化されない、或いは、増加を回避することができる。例えば、ＭＩＳ（ＭＯＳ）チャネルを有する場合には、ＭＩＳ（ＭＯＳ）チャネルにはリンが進入せず、ＭＩＳ（ＭＯＳ）チャネルに不純物としてのリンを変化させない、或いは、増加させることがない。
　熱処理を用いて、絶縁膜にリンを添加することで、絶縁膜の信頼性を維持でき、チャネル移動度や閾値電圧の変動を回避することができる。
　また、熱処理で絶縁膜にリンを添加させた場合、ＳｉＣとの界面に達したリンは、ＳｉＣ側にはほとんど添加されない。これは、ＳｉＣ中におけるリンの拡散係数が非常に小さいためである。したがって、ＳｉＣ側の不純物濃度（実効アクセプタ濃度または実効ドナー濃度）の変化はほとんどなく、このこともチャネル移動度や閾値電圧の変動の回避につながる。
　また、上記の絶縁膜において、ＳｉＣとの界面にリンが存在することがより好ましい。熱処理によって、リンが絶縁膜に添加されていくが、ＳｉＣとの界面にまでリンが到達することで、絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥（界面準位密度）が大幅に低減できるからである。
　具体的には、上記の絶縁膜において、界面準位密度が１×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下であることがより好ましい。熱処理によって、リンが絶縁膜に添加されていき、ＳｉＣとの界面にまでリンが到達することで、従来、界面準位密度が１×１０１２ｃｍ－２ｅＶ－１程度であったものが、１桁程度、界面準位密度を低減できるからである。
　また、上記の絶縁膜において、ＳｉＣとの界面のリンの密度が１×１０２１ｃｍ－３以上であることがより好ましい。ＳｉＣとの界面のリンの密度が大きいことによって、絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥（界面準位密度）が大幅に低減できるからである。
　また、上記の絶縁膜において、膜厚方向に、ＳｉＣとの界面までリン濃度が一様に分布していることが好ましい。膜質を均一にできるからである。
　上記の絶縁膜は、具体的には、ゲート絶縁膜として用いられることが好ましい態様である。
　絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥が低減できているため、ゲート絶縁膜として用いることで、ＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴ等のチャネル移動度の向上が図れ、トランジスタのオン抵抗の低減につながることになるからである。
　この他、上記の絶縁膜は、表面パッシベーション膜として用いられることも好ましい態様である。
　絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥が低減できているため、表面パッシベーション膜として用いることで、ＳｉＣ表面、すなわちＳｉＣと絶縁膜の界面におけるキャリアの再結合が押さえられ、リーク電流の低減やバイポーラトランジスタおよびサイリスタなどにおける増幅率の向上につながることになるからである。
　次に、本発明のＳｉＣ半導体素子の作製方法について説明する。
　本発明のＳｉＣ半導体素子の作製方法は、下記の（ステップＳ１０）および（ステップＳ２０）を少なくとも備える構成とされる。
（ステップＳ１０）ＳｉＣからなる半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程
（ステップＳ２０）上記の絶縁膜に熱処理によりリンを添加するリン添加工程
　上記（ステップＳ１０）の絶縁膜形成方法は既存の知られた形成方法であればよく、特に限定されるものではない。
　また、上記（ステップＳ２０）のリン添加工程において、熱処理で絶縁膜にリンを添加させるのは、リンをＳｉＣ側に添加させないためである。熱処理で絶縁膜にリンを添加させた場合、ＳｉＣとの界面に達したリンは、ＳｉＣ側にはほとんど添加されない。その理由は、ＳｉＣ中におけるリンの拡散係数が非常に小さいためである。リンをＳｉＣ側に添加させないことで、ＳｉＣ側の不純物濃度（実効アクセプタ濃度または実効ドナー濃度）の変化はほとんど起こらず、チャネル移動度や閾値電圧の変動の回避につながる。
　また、本発明のＳｉＣ半導体素子の作製方法において、更に、下記の（ステップＳ１５）および（ステップＳ３０）を備えることが好ましい。
（ステップＳ１５）形成した上記の絶縁膜に対して、NOやN2Oなどの酸化窒素ガスを用いて界面窒化および残留炭素の除去を行う界面窒化工程
（ステップＳ３０）水素アニールを用いて未結合手を終端する終端工程
　また、本発明のＳｉＣ半導体素子の作製方法において、上記の（ステップＳ２０）のリン添加工程の後に、不活性ガスを用いてアニール処理を行う不活性ガスアニール工程（リン拡散工程）（ステップＳ２５）を含むことが更に好ましい。
　不活性ガスは、例えば、窒素ガスやアルゴンガスが好適に用いられる。
　リン添加工程の後に、不活性ガスを用いてアニール処理を行うことにより、絶縁膜中をリンが拡散していき、絶縁膜とＳｉＣ半導体の界面にまでリンを確実に到達させることが可能となるからである。
　本発明のＳｉＣ半導体素子の作製方法の各工程の順序は、特に限定されるものではないが、好ましくは、絶縁膜形成工程（ステップ１０）の後、界面窒化工程（ステップ１５）、リン添加工程（ステップ２０）、リン拡散工程（ステップ２５）、終端工程（ステップ３０）のように、処理温度の高い工程から低い工程の順序で行う。これにより、工程間の温度管理がより容易になる。なお、各工程の間に、ＳｉＣ半導体素子に対してその他の工程や処理を行うことも可能である。
　ここで、上記（ステップＳ２０）のリン添加工程は、絶縁膜に対して、具体的には、塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）溶液をバブリングし、酸素・窒素などの酸素および不活性ガスの混合ガス雰囲気で、９５０～１１００℃の温度で熱処理を行う。
　塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）溶液のバブリングは、例えば、常温以下の塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）溶液に窒素を用いてバブリングする。そして、バブリングしたガスと酸素ガスと窒素ガスの混合した雰囲気で、９５０～１１００℃の温度範囲で１０分程度、熱処理を行う。
　さらに、上記熱処理後、引き続き同一温度で、窒素などの不活性ガス雰囲気中で数１０分間、熱処理を行う。
　なお、（ステップＳ２０）のリン添加工程は、上記方法以外にも、ホスフィン（ＰＨ３）やターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）などのリンを含んだガスや、溶液を気化させた原料を使用した雰囲気中にて熱処理することによっても可能である。
　また、本発明のＳｉＣ半導体素子の作製方法において、（ステップＳ２０）のリン添加工程は、絶縁膜に対して、塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）溶液をバブリングし、酸素および不活性ガスの混合ガス雰囲気で、８００～１１００℃の温度で熱処理を行い、（ステップＳ２５）の不活性ガスアニール工程は９５０～１１００℃の温度で行うことが更に好ましい態様である。
　本発明によれば、絶縁膜に対してリンを含むガスで熱処理することにより、絶縁膜とＳｉＣの界面欠陥（界面準位密度）が大幅に低減でき、チャネル移動度を従来と比べて飛躍的に向上できるといった効果を有する。チャネル移動度を向上できることで、本発明を用いたパワーデバイスの消費電力低減が図れるといった効果を有する。
　また、本発明を用いた表面パッシベーション膜は、リーク電流の低減や増幅率の向上が図れるといった効果を有する。
ＳｉＣのパワーＭＯＳＦＥＴの代表例であるＤＭＯＳＦＥＴの模式図である。 ４Ｈ－ＳｉＣの構造模式図である。 チャネル移動度をパラメータとしたパワーＭＯＳＦＥＴのオン抵抗と絶縁破壊電圧の相関図である。 実施例１の作製方法の説明図である。 実施例１の作製フローを示す。 界面準位密度およびチャネル移動度の評価のための作製デバイスの模式図である。 界面準位密度の測定結果を示すグラフである。 ｎ－ＭＯＳＦＥＴの特性を説明するグラフである。 チャネル移動度の測定結果１を示すグラフである。 チャネル移動度の測定結果２を示すグラフである。 チャネル移動度の測定結果３を示すグラフである。 チャネル移動度の測定結果４を示すグラフである。 従来技術であるドライ酸化膜のチャネル移動度特性を示すグラフである。 実施例１で作製した酸化膜の膜厚方向におけるリン濃度を示すグラフである。 その他の実施例の作製フローを示す図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
　図１に、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴの模式図を示す。ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴは、ＳｉＣ半導体１０の基板上にゲート絶縁膜２０を形成し、ゲート電極１１、ソース電極１２、ドレイン電極１３の端子を設ける。ここで、ＳｉＣ半導体１０は図１に示すように、ｎ＋層、ｐボディ層、ｎ－ドリフト層、ｎ＋基板層などいくつかの層に分けられる。そして、ソース電極１２からドレイン電極１３にかけて、電流抵抗となる部位が存在する。
　例えば、ソース電極１２とｎ＋層の間の抵抗値Ｒｃｓ、ｎ＋層の抵抗値Ｒｎ、ゲート絶縁膜２０とＳｉＣ半導体１０の界面２１のチャネル抵抗値Ｒｃｈ、ｐボディ層に挟まれたｎ－ドリフト層のＪＦＥＴ抵抗値Ｒｊ、ｎ－ドリフト層の抵抗値Ｒｄ、ｎ＋基板層の抵抗値Ｒｓｕｂ、ｎ＋基板層とドレイン電極１３の間の抵抗値Ｒｃｄである。
　これらの抵抗値のうち、特に支配的なのが、界面２１のチャネル抵抗値Ｒｃｈである。
　上述したように、４Ｈ－ＳｉＣ（図２に構造模式図を示す）では、バルク中の電子移動度が８００－１０００ｃｍ２／Ｖｓと高いのに対し、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴの界面のチャネル移動度は、１０ｃｍ２／Ｖｓと小さいことが問題として挙げられている。これについて、図３を用いて説明する。図３は、チャネル移動度（μｃｈ）とトランジスタのオン抵抗の相関図を示しており、横軸は絶縁破壊電圧、すなわち半導体素子の耐圧を示している。
　図３において、４Ｈ－ＳｉＣの場合、Ｓｉの場合と比べて、同一耐圧の半導体素子に対するオン抵抗値は、シリコン単体（Ｓｉ ｌｉｍｉｔ）とＳｉＣ半導体のドリフト層と基板（ｄｒｉｆｔ＋ｓｕｂ． ｌｉｍｉｔ）を比較すると、絶縁破壊電圧１０３Ｖ付近においては、１０００分の１程度と小さいことが示されている。また、チャネル移動度（μｃｈ）に反比例してオン抵抗値が低減されることが示されている。なお、ＳｉＣ半導体において、チャネル抵抗、ｎ－ドリフト層の抵抗およびｎ＋基板層の抵抗以外の抵抗値は無視できる大きさである。特にチャネル抵抗値の低減がＳｉＣ半導体デバイスの性能向上に不可欠である。
　ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴの界面のチャネル移動度（μｃｈ）を従来の１０ｃｍ２／Ｖｓ程度から１００ｃｍ２／Ｖｓ程度まで性能向上することで、本来の４Ｈ－ＳｉＣの高いポテンシャルを活用できることとなる。
　以下の実施例では、チャネル移動度（μｃｈ）を９０ｃｍ２／Ｖｓ程度まで性能向上できるＳｉＣ半導体素子ならびにその製造方法を詳細に説明する。
　図４と図５を用いて実施例１の作製方法を説明する。図４は、ＳｉＣ半導体１０にゲート絶縁膜２０を形成し、そのゲート絶縁膜２０にリン３０を添加する様子を示している。ここでは、絶縁膜として酸化膜（ＳｉＯ２）を用いた例を示している。図４（２）では、絶縁膜とＳｉＣの界面２１にまでリン３０が到達している。絶縁膜とＳｉＣの界面２１にまでリン３０が達することにより、界面欠陥を低減でき、チャネル移動度を向上することができることになる。
　ＳｉＣ基板上の絶縁膜にリンを添加する手順は、図５に示すように、先ず、ＳｉＣ基板上に絶縁膜を形成し（Ｓ１０）、次に、絶縁膜に対してリンを添加する（Ｓ２０）。そして、確実にリンを絶縁膜とＳｉＣの界面２１に到達させるため、拡散工程を行う（Ｓ２５）。
　具体的に、ＳｉＣ基板上の絶縁膜にリンを添加する手順について説明する。ここでは、絶縁膜として酸化膜（ＳｉＯ２）を用いた例について説明する。
　先ず、ｎ型シリコン面の４Ｈ－ＳｉＣをドライ酸化により、１２００℃、１６０分で５５ｎｍの絶縁膜である酸化膜を形成した試料を準備した。その試料に、２．２５ｓｌｍの窒素ガス、１．０ｓｌｍの酸素ガスおよび１５℃に保ったＰＯＣｌ３溶液に０．７５ｓｌｍの窒素をバブリングしたガスを混合した雰囲気で、９５０℃で１０分間、熱処理を行った。その後、引き続き同一温度で、窒素雰囲気中で３０分間、熱処理を行った。これにより、ＳｉＣ上の絶縁膜にのみリンを添加することができた。同様に、熱処理の温度を１０００℃、１０５０℃および１１００℃においてＳｉＣ基板上の絶縁膜へのリンの添加を行った。
　第１の比較例として、ドライ酸化のみを行ったＳｉＣ半導体素子を作製した。具体的には、ｎ型シリコン面の４Ｈ－ＳｉＣをドライ酸化により、１２００℃、１６０分で５５ｎｍの絶縁膜である酸化膜を形成した。
　次に、第２の比較例として、実施例１とは熱処理の温度を変更し、その他の点は実施例１と同様な処理を行ってＳｉＣ半導体素子を作成した。具体的には、ｎ型シリコン面の４Ｈ－ＳｉＣをドライ酸化により、１２００℃、１６０分で５５ｎｍの絶縁膜である酸化膜を形成した試料を準備した。その試料に、２．２５ｓｌｍの窒素ガス、１．０ｓｌｍの酸素ガスおよび１５℃に保ったＰＯＣｌ３溶液に０．７５ｓｌｍの窒素をバブリングしたガスを混合した雰囲気で、９００℃で１０分間、熱処理を行った。その後、引き続き同一温度で、窒素雰囲気中で３０分間、熱処理を行った。
　図６は、作製したデバイスを示している。これは、界面準位密度およびチャネル移動度の評価のための作製デバイスの模式図である。
　ゲート電極の形成について説明する。ゲート電極は、アルミニウム、タングステン、モリブデンなどの金属や、Ｎ型ポリシリコンあるいはＰ型ポリシリコンなどのいずれの材料でも構わない。ここでは、ゲート電極としてアルミニウムを使用した。さらに、このゲート電極の上にＷＳｉ２膜、ＭｏＳｉ２膜、あるいはＴｉＳｉ２膜などのシリサイド膜を形成しても構わない。さらに、この後に、裏面電極としてアルミニウムを形成した。
　図６（１）に示すＭＯＳキャパシタの作製について説明する。ＭＯＳキャパシタは、先ず、４Ｈ－ＳｉＣ（不純物濃度Ｎｄ－Ｎａ＝８×１０１５ｃｍ－３）を通常のＲＣＡ洗浄をした後に、絶縁膜である酸化膜を形成した。その後、形成された絶縁膜を５％フッ酸で除去した。この後に、ゲート絶縁膜を形成して、その後、窒素中で４００度、３０分の熱処理（ＰＭＡ：Ｐｏｓｔ　Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ　Ａｎｎｅａｌ）を行い、ＭＯＳキャパシタを作製した。
　次に、図６（２）に示すｎチャネルＭＯＳＦＥＴの作製について説明する。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、同様のゲート絶縁膜の形成手法と、その後の熱処理で、ｐ型の４Ｈ-ＳｉＣ（不純物濃度Ｎａ－Ｎｄ＝７×１０１５ｃｍ－３）を用いてチャネル長／幅＝１００／２００μｍのＭＯＳＦＥＴを作製したものである。
　図７は、界面準位密度の測定結果を示すグラフである。図７から、９５０℃、１０００℃、１０５０℃および１１００℃で熱処理を行ったものは、界面準位密度が低減されていることがわかる。９００℃で熱処理したものは、ドライ酸化のみのものと同様な結果を示しており、界面準位密度の低減効果は確認できなかった。これに対して、９５０～１１００℃の温度範囲で熱処理したものは、界面準位密度が１桁以上低減され、１×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下～１×１０１０ｃｍ－２ｅＶ－１台半ばにまで低減できた。
　図８は、実施例１の作製方法を用いて、１０００℃で１０分間、熱処理を施し、ＳｉＣのゲート絶縁膜である酸化膜にリンを添加したｎ－ＭＯＳＦＥＴ（チャネル長／幅 Ｌ／Ｗ＝１００／２００μｍ）の特性を示している。図８に示すように、ノーマリーオフの特性であり、閾値電圧（Ｖｔｈ）が０．０４Ｖであり、ゲート電圧の印加に伴い、ドレイン電流がリニアーに増大していく様子が示されている。
　次に、図９～１２は、実施例１の作製方法を用いて、１０００℃で１０分間、熱処理を施したＳｉＣのＭＯＳＦＥＴに対して、チャネル移動度を示すグラフである。
　図９は、ＭＯＳＦＥＴのチャネル長／幅（Ｌ／Ｗ）は、１０／２００μｍであり、図１０は、ＭＯＳＦＥＴのチャネル長／幅（Ｌ／Ｗ）は、３０／２００μｍであり、図１１は、ＭＯＳＦＥＴのチャネル長／幅（Ｌ／Ｗ）は、５０／２００μｍであり、図１２は、ＭＯＳＦＥＴのチャネル長／幅（Ｌ／Ｗ）は、１００／２００μｍである。
　図９～１２によれば、作製したＳｉＣのＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度は、すべて９０ｃｍ２／Ｖｓまで向上している。比較対照データとして、図１３にリンをゲート絶縁膜である酸化膜に添加していないドライ酸化の場合のＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度を示す。図１３において、Ｄｒｙ／Ｎ２とは、ドライ酸化後に窒素雰囲気で熱処理したものであり、この場合のチャネル移動度は４ｃｍ２／Ｖｓである。また、Ｄｒｙ／ＮＯとは、ドライ酸化後に一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用いて熱処理したものであり（酸化膜を窒化させたもの）、この場合のチャネル移動度は２５ｃｍ２／Ｖｓである。なお、ＭＯＳＦＥＴのチャネル長／幅（Ｌ／Ｗ）は、３０／２００μｍである。
　このように、従来技術であるドライ酸化の場合、チャネル移動度は、一般的に４～２５ｃｍ２／Ｖｓ程度であるが、リンをゲート絶縁膜に導入することにより、９０ｃｍ２／Ｖｓまで大幅に向上できたことがわかる。
　このように、実施例１の作製方法を用いることにより、チャネルのサイズ（チャネル長／幅）に関係なく、ＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度が向上でき、それに伴いオン抵抗値がチャネル移動度に反比例して低減できるのである。
　図１４は、実施例１で作製した酸化膜の膜厚方向におけるリン原子の濃度分布を示している。図１４のグラフから、ＳｉＣとの界面までリン濃度は、２×１０２１ｃｍ－３の濃度で一様に分布していることがわかる。
　なお、図１４において、リンがＳｉＣ側にまで少し入っているように見えるが、これは濃度の高いほうから測定したために起こる見かけ上のものであり、ＳｉＣ側に熱処理によって添加されたリンは存在していない。
（他の実施例）
　さらに、界面欠陥を低減させ、チャネル移動度を向上させる方法としては、図１５のフローに示すように、酸化窒素ガス（例えば、ＮＯガス）による界面窒化および残留炭素の除去を行う界面窒化工程（Ｓ１５）、Ｈ２アニールによる末結合手の終端を行う終端工程（Ｓ３０）のステップを、実施例１のプロセスに加える。
　本発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道、家電、電力系統などのインバータのスイッチで用いられるＭＩＳ（ＭＯＳ）型電界効果トランジスタ（ＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴ）に有用である。また、ＭＩＳ（ＭＯＳ）ＦＥＴよりも高耐圧領域で用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）にも利用できる。さらに、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ，接合型バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ），接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ），Ｐ（ｉ）Ｎダイオード，ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などの表面パッシベーション膜に適用可能である。
　　１０　ＳｉＣ半導体
　　１１　ゲート電極
　　１２　ソース電極
　　１３　ドレイン電極
　　２０　ゲート絶縁膜
　　２１　界面
　　３０　リン
 
 

Claims (16)

  1. 　少なくともＳｉＣ半導体基板と、基板に接する絶縁膜を備える半導体素子において、前記絶縁膜にリンを含むことを特徴とするＳｉＣ半導体素子。
  2. 　請求項１に記載のＳｉＣ半導体素子において、
    　前記ＳｉＣ半導体基板と前記絶縁膜との界面の界面準位密度が、伝導帯端からのエネルギーが０．２～０．６ｅＶの範囲で１×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下であることを特徴とするＳｉＣ半導体素子。
  3. 　請求項１に記載のＳｉＣ半導体素子において、
    　前記ＳｉＣ半導体基板と前記絶縁膜との界面の界面準位密度が、伝導帯端からのエネルギーが０．２～０．６ｅＶの範囲で５×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下であり、かつ、
    　前記半導体素子のチャネル移動度が、３５ｃｍ２／Ｖｓ以上であることを特徴とするＳｉＣ半導体素子。
  4. 　請求項１に記載のＳｉＣ半導体素子において、
    　前記ＳｉＣ半導体基板と前記絶縁膜との界面の界面準位密度が、伝導帯端からのエネルギーが０．２～０．６ｅＶの範囲で１×１０１１ｃｍ－２ｅＶ－１以下であり、かつ、
    　前記半導体素子のチャネル移動度が、８５ｃｍ２／Ｖｓ以上であることを特徴とするＳｉＣ半導体素子。
  5. 　前記絶縁膜に熱処理によってリンが添加され、ＳｉＣ半導体基板の不純物濃度が変化しないことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ半導体素子。
  6. 　前記絶縁膜と前記ＳｉＣ半導体基板との界面にリンが存在することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子。
  7. 　前記絶縁膜において、ＳｉＣ半導体基板との界面のリンの密度が１×１０２１ｃｍ－３以上であることを特徴とする請求項６に記載のＳｉＣ半導体素子。
  8. 　前記絶縁膜において、膜厚方向に、ＳｉＣ半導体基板との界面までリン濃度が一様に分布していることを特徴とする請求項６に記載のＳｉＣ半導体素子。
  9. 　前記絶縁膜がゲート絶縁膜として用いられることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子。
  10. 　前記絶縁膜が表面パッシベーション膜として用いられることを特徴とする請求項１～８のいずれかのＳｉＣ半導体素子。
  11. 　請求項１～１０のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の作製方法において、
    　ＳｉＣからなる半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程、
    　前記絶縁膜に熱処理によってリンを添加するリン添加工程、
    　を少なくとも備えたＳｉＣ半導体素子の作製方法。
  12. 　請求項１１に記載のＳｉＣ半導体素子の作製方法において、さらに、
    　形成した前記絶縁膜に対して、酸化窒素ガスを用いて界面窒化および残留炭素の除去を行う界面窒化工程、
    　水素アニールを用いて未結合手を終端する終端工程、
    　を備えたＳｉＣ半導体素子の作製方法。
  13. 　前記リン添加工程の後に、
    　不活性ガスを用いてアニール処理を行う不活性ガスアニール工程を含む、
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のＳｉＣ半導体素子の作製方法。
  14. 　前記リン添加工程は、前記絶縁膜に対して、
    　塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）溶液をバブリングし、酸素および不活性ガスの混合ガス雰囲気で、９５０～１１００℃の温度で熱処理を行う、
    　ことを特徴とする請求項１１～１３のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の作製方法。
  15. 　前記リン添加工程は、前記絶縁膜に対して、
    　塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）溶液をバブリングし、酸素および不活性ガスの混合ガス雰囲気で、８００～１１００℃の温度で熱処理を行い、
    　前記不活性ガスアニール工程は９５０～１１００℃の温度で行うことを特徴とする請求項１３に記載のＳｉＣ半導体素子の作製方法。
  16. 　前記不活性ガスが窒素ガスまたはアルゴンガスであることを特徴とする請求項１３～１５のいずれかに記載のＳｉＣ半導体素子の作製方法。
     
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