JP3443589B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体として炭化珪
素を用いた、金属−酸化膜−半導体（ＭＯＳ)構造、或
はＭＯＳ電界効果型トランジスタを搭載した半導体装
置、半導体集積回路等において、界面準位密度の低い良
好なゲート絶縁膜と炭化珪素界面を形成するようにした
半導体装置の製造方法に関するものである。
素を用いた、金属−酸化膜−半導体（ＭＯＳ)構造、或
はＭＯＳ電界効果型トランジスタを搭載した半導体装
置、半導体集積回路等において、界面準位密度の低い良
好なゲート絶縁膜と炭化珪素界面を形成するようにした
半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ワイドギャップ半導体である、炭化珪素
基板(SiC基板)上に形成されたゲート絶縁膜／炭化珪素
界面に発生する界面準位密度は、シリコン基板を熱的に
酸化して形成された、ゲート酸化膜／シリコン界面に発
生する界面準位密度より１桁以上高く、低チャネル移動
度の原因の一つとなっている。
基板(SiC基板)上に形成されたゲート絶縁膜／炭化珪素
界面に発生する界面準位密度は、シリコン基板を熱的に
酸化して形成された、ゲート酸化膜／シリコン界面に発
生する界面準位密度より１桁以上高く、低チャネル移動
度の原因の一つとなっている。
【０００３】また、通常シリコン基板を用いて作製され
たＭＯＳキャパシタでは、400℃で水素アニールをし
て、ダングリングボンドを終端することによりゲート酸
化膜／シリコン界面に発生する界面準位密度を低減して
良好な界面を形成するようにしているが、炭化珪素基板
を用いて作製されたＭＯＳキャパシタでは、400℃でア
ニールをしてもゲート絶縁膜／炭化珪素界面に発生する
界面準位密度を低減するような際立った効果がない。
たＭＯＳキャパシタでは、400℃で水素アニールをし
て、ダングリングボンドを終端することによりゲート酸
化膜／シリコン界面に発生する界面準位密度を低減して
良好な界面を形成するようにしているが、炭化珪素基板
を用いて作製されたＭＯＳキャパシタでは、400℃でア
ニールをしてもゲート絶縁膜／炭化珪素界面に発生する
界面準位密度を低減するような際立った効果がない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明にお
いては炭化珪素基板を用いて作製されたＭＯＳキャパシ
タ界面においける、シリコン或は炭素の未結合手を終端
して、界面準位密度の低い良好な界面を形成することを
目的とする。
いては炭化珪素基板を用いて作製されたＭＯＳキャパシ
タ界面においける、シリコン或は炭素の未結合手を終端
して、界面準位密度の低い良好な界面を形成することを
目的とする。
【０００５】以上の課題を解決するため、本願発明者ら
は鋭意研究の結果、炭化珪素基板を用いて作製されたＭ
ＯＳキャパシタを、高温下の水素を含んだ雰囲気でアニ
ールすることにより、界面準位密度のＭＯＳキャパシタ
が得られることを見出したのである。
は鋭意研究の結果、炭化珪素基板を用いて作製されたＭ
ＯＳキャパシタを、高温下の水素を含んだ雰囲気でアニ
ールすることにより、界面準位密度のＭＯＳキャパシタ
が得られることを見出したのである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記知見に
基づいて少なくとも最上層に炭化珪素を有する半導体基
板上に、ゲート絶縁膜として酸化珪素を形成した後、６
００〜１０００℃の範囲で水素を含み、且つ水素圧力を
0.1Pa〜1.01×10 ５ Paにした雰囲気で10秒〜３時間ア
ニールしてゲート絶縁膜と炭化珪素との界面準位密度を
低減するようにした半導体装置の製造方法を提案するも
のである。
基づいて少なくとも最上層に炭化珪素を有する半導体基
板上に、ゲート絶縁膜として酸化珪素を形成した後、６
００〜１０００℃の範囲で水素を含み、且つ水素圧力を
0.1Pa〜1.01×10 ５ Paにした雰囲気で10秒〜３時間ア
ニールしてゲート絶縁膜と炭化珪素との界面準位密度を
低減するようにした半導体装置の製造方法を提案するも
のである。
【０００７】なお、炭化珪素（SiC）には、３C-SiC、４
H-SiC、６H-SiC、15R-SiCなど非常に多くのポリタイプ
があるが、この発明において半導体基板として使用する
炭化珪素はSiCであれば、何れのタイプのものでもよ
い。
H-SiC、６H-SiC、15R-SiCなど非常に多くのポリタイプ
があるが、この発明において半導体基板として使用する
炭化珪素はSiCであれば、何れのタイプのものでもよ
い。
【０００８】また、半導体基板の構造は最上層がSiCで
あれば、Si上に３C-SiCがある構造、６H-SiCや４H-SiC
の上に３C-SiCがある構造でもよい。
あれば、Si上に３C-SiCがある構造、６H-SiCや４H-SiC
の上に３C-SiCがある構造でもよい。
【０００９】酸化膜乃至窒化膜としては、シリコン酸化
膜乃至シリコン窒化膜が一般的であるが、これに限定さ
れることなく、アルミニウム酸化膜、タンタル酸化膜、
別の条件で作製した窒化アルミニウム膜、ガリウム窒化
膜など何れの酸化膜乃至窒化膜でもよい。
膜乃至シリコン窒化膜が一般的であるが、これに限定さ
れることなく、アルミニウム酸化膜、タンタル酸化膜、
別の条件で作製した窒化アルミニウム膜、ガリウム窒化
膜など何れの酸化膜乃至窒化膜でもよい。
【００１０】炭化珪素基板上に酸化膜を積層する方法と
しては、炭化珪素基板上に成膜法により酸化膜を形成し
てもよいが、炭化珪素基板を熱的に酸化して酸化膜を形
成してもよい。
しては、炭化珪素基板上に成膜法により酸化膜を形成し
てもよいが、炭化珪素基板を熱的に酸化して酸化膜を形
成してもよい。
【００１１】成膜法により炭化珪素基板上にシリコン酸
化膜を形成する場合にも、例えばシリコンをMBE法（Mol
ecular beam epitaxy法）やCVD法（化学気相法）で炭化
珪素基板上に形成した後に、熱酸化して形成してもよ
く、またシリコン酸化膜をCVD法や、ＳＯＧ法（spin on
glass法）で形成してもよい。
化膜を形成する場合にも、例えばシリコンをMBE法（Mol
ecular beam epitaxy法）やCVD法（化学気相法）で炭化
珪素基板上に形成した後に、熱酸化して形成してもよ
く、またシリコン酸化膜をCVD法や、ＳＯＧ法（spin on
glass法）で形成してもよい。
【００１２】一方、炭化珪素基板上に窒化膜を積層する
方法としては、LPCVD法（低圧化学気相法）やプラズマ
窒化法を採用することができる。
方法としては、LPCVD法（低圧化学気相法）やプラズマ
窒化法を採用することができる。
【００１３】
【作用】即ち、炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に酸化膜或は
窒化膜からなるゲート絶縁膜を形成した後、600℃〜160
0℃の水素を含んだ雰囲気でアニールすることにより、
絶縁膜／炭化珪素界面に存在するシリコン或は炭素のダ
ングリングボンドが終端され、界面準位密度を低減して
良好な界面を形成することができる。
窒化膜からなるゲート絶縁膜を形成した後、600℃〜160
0℃の水素を含んだ雰囲気でアニールすることにより、
絶縁膜／炭化珪素界面に存在するシリコン或は炭素のダ
ングリングボンドが終端され、界面準位密度を低減して
良好な界面を形成することができる。
【００１４】なお、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜
を使用する場合には、シリコン酸化膜の融点が1600℃で
あるため、アニールは600℃〜1600℃の範囲で可能であ
るが、後述する本願発明者らの実験結果に依れば、最適
アニール温度は600℃〜1000℃である。
を使用する場合には、シリコン酸化膜の融点が1600℃で
あるため、アニールは600℃〜1600℃の範囲で可能であ
るが、後述する本願発明者らの実験結果に依れば、最適
アニール温度は600℃〜1000℃である。
【００１５】また、水素アニールの際の水素圧力は0.1P
a以下では、水素圧力が低すぎてダングリングボンドが
終端する効果がなく、また水素圧力が常圧（1.01×105P
a）以上であると、水素圧力が高すぎて例えばゲート絶
縁膜として使用されるシリコン酸化膜から酸素を還元し
て、酸化膜の膜質を低下させて、絶縁破壊電圧の低下を
招くので、水素圧力を0.1Pa〜1.01×105Paの範囲とし
た。
a以下では、水素圧力が低すぎてダングリングボンドが
終端する効果がなく、また水素圧力が常圧（1.01×105P
a）以上であると、水素圧力が高すぎて例えばゲート絶
縁膜として使用されるシリコン酸化膜から酸素を還元し
て、酸化膜の膜質を低下させて、絶縁破壊電圧の低下を
招くので、水素圧力を0.1Pa〜1.01×105Paの範囲とし
た。
【００１６】また、この発明による水素アニールは、水
素ガス中の他、水素と不活性ガス、特に窒素、アルゴ
ン、ヘリウム等の不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で行
うことができる。
素ガス中の他、水素と不活性ガス、特に窒素、アルゴ
ン、ヘリウム等の不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で行
うことができる。
【００１７】この場合ガス雰囲気の圧力を常圧（1.01×
105Pa)に固定して、混合ガスにおける水素濃度（水素流
量／（水素流量＋不活性ガス流量））が0.5 ％以下で
あると、水素濃度が低すぎて、ダングリングボンドが終
端する効果がなく、水素濃度を0.5％〜100％の範囲とし
た。
105Pa)に固定して、混合ガスにおける水素濃度（水素流
量／（水素流量＋不活性ガス流量））が0.5 ％以下で
あると、水素濃度が低すぎて、ダングリングボンドが終
端する効果がなく、水素濃度を0.5％〜100％の範囲とし
た。
【００１８】更に、水素アニール時間が10秒以下である
と、アニール時間が短すぎてダングリングボンドが十分
に終端できず、またアニール時間が3時間以上である
と、アニール時間が長すぎてゲート絶縁膜として使用さ
れるシリコン酸化膜の酸素が還元され、酸化膜の膜質が
低下し、絶縁破壊電圧の低下を招くので、アニール時間
を10秒〜3時間の範囲とした。
と、アニール時間が短すぎてダングリングボンドが十分
に終端できず、またアニール時間が3時間以上である
と、アニール時間が長すぎてゲート絶縁膜として使用さ
れるシリコン酸化膜の酸素が還元され、酸化膜の膜質が
低下し、絶縁破壊電圧の低下を招くので、アニール時間
を10秒〜3時間の範囲とした。
【００１９】
【実施例】以下、この発明の実施例を示す。
実施例1
８゜オフ４H-SiCエピ基板（（0001）Si面、n型、Nd−Na
＝1×1016/cm3）を通常のRCA洗浄後、犠牲酸化膜を形成
し、HFで除去した。次いで、1100℃でドライ酸化により
36nm〜50nmの酸化膜を形成した後、1100℃から室温まで
急冷した。その後、水素アニールを、温度を400℃〜100
0℃まで変えて30分間行った。水素圧力は1000℃で5.6×
103Paだった。最終的にAlをゲート電極とオーミックコ
ンタクトに用いてＭＯＳキャパシタが作製された。
＝1×1016/cm3）を通常のRCA洗浄後、犠牲酸化膜を形成
し、HFで除去した。次いで、1100℃でドライ酸化により
36nm〜50nmの酸化膜を形成した後、1100℃から室温まで
急冷した。その後、水素アニールを、温度を400℃〜100
0℃まで変えて30分間行った。水素圧力は1000℃で5.6×
103Paだった。最終的にAlをゲート電極とオーミックコ
ンタクトに用いてＭＯＳキャパシタが作製された。
【００２０】図1は、実施例1で得られたＭＯＳキャパシ
タを模式的に示す断面図であり、図2はこのＭＯＳキャ
パシタを用いて測定した高周波（ｆ＝100ｋＨｚ）ＣＶ
特性における水素アニール温度効果を示すものである。
タを模式的に示す断面図であり、図2はこのＭＯＳキャ
パシタを用いて測定した高周波（ｆ＝100ｋＨｚ）ＣＶ
特性における水素アニール温度効果を示すものである。
【００２１】ＣＶ、ＩＶ特性は、シールドされた金属の
箱の中で、暗闇の条件で測定され、図2中左側の破線
は、25Vでの酸化膜容量とNd-Na=1×1016/cm3から計算さ
れた理想曲線であり、右側の破線は水素アニールをしな
い場合のＣＶ特性曲線であり、右側の破線と左側の破線
で挟まれた実線は右側より400℃、500℃、600℃、700
℃、1000℃で夫々水素アニールした場合のＣＶ特性曲線
である。
箱の中で、暗闇の条件で測定され、図2中左側の破線
は、25Vでの酸化膜容量とNd-Na=1×1016/cm3から計算さ
れた理想曲線であり、右側の破線は水素アニールをしな
い場合のＣＶ特性曲線であり、右側の破線と左側の破線
で挟まれた実線は右側より400℃、500℃、600℃、700
℃、1000℃で夫々水素アニールした場合のＣＶ特性曲線
である。
【００２２】図中、ゲート電圧が−５Vより低い場合
に、計算された値より、実際に測定された値が低いの
は、４H-SiCのワイドギャップのために、室温で発生す
る少数キャリアが非常に少なく、平衡状態にならないた
めである。
に、計算された値より、実際に測定された値が低いの
は、４H-SiCのワイドギャップのために、室温で発生す
る少数キャリアが非常に少なく、平衡状態にならないた
めである。
【００２３】また、水素アニールをしない場合のＣＶ特
性曲線（右側の破線）において、フラットバンド電圧シ
フトは、15.7Vと非常に大きく、ゲート電圧の行きと帰
りで約１Vのヒステリシスを示しており、これは、界面
準位密度が非常に多いことを意味している。
性曲線（右側の破線）において、フラットバンド電圧シ
フトは、15.7Vと非常に大きく、ゲート電圧の行きと帰
りで約１Vのヒステリシスを示しており、これは、界面
準位密度が非常に多いことを意味している。
【００２４】右側の破線と左側の破線で挟まれた実線の
ＣＶ特性曲線においては、400℃〜500℃で水素アニール
した場合にはフラットバンド電圧シフトが減少するが、
依然としてその値は大きく、且つヒステリシスも大きい
ので、実際には使用できない。
ＣＶ特性曲線においては、400℃〜500℃で水素アニール
した場合にはフラットバンド電圧シフトが減少するが、
依然としてその値は大きく、且つヒステリシスも大きい
ので、実際には使用できない。
【００２５】一方、600℃で水素アニールした場合に
は、ほぼヒステリシスが消失し、実際に使用できる状態
にあり、1000℃で水素アニールした場合にはヒステリシ
スは消失して理想曲線に近づく。
は、ほぼヒステリシスが消失し、実際に使用できる状態
にあり、1000℃で水素アニールした場合にはヒステリシ
スは消失して理想曲線に近づく。
【００２６】なお、1000℃以上で水素アニールした場合
にはヒステリシスが完全に消失して理想曲線に更に近づ
くことが予想されるが、一般にゲート絶縁膜として使用
されているシリコン酸化膜の融点は1600℃であるので、
アニール温度の範囲を600℃〜1600℃とした。
にはヒステリシスが完全に消失して理想曲線に更に近づ
くことが予想されるが、一般にゲート絶縁膜として使用
されているシリコン酸化膜の融点は1600℃であるので、
アニール温度の範囲を600℃〜1600℃とした。
【００２７】
【発明の効果】以上要するに、この発明によればゲート
絶縁膜／炭化珪素界面に存在するシリコン或は炭素のタ
ングリングボンドを水素で終端することにより、界面準
位密度を十分に減らして、実際の使用に十分に耐える良
好な絶縁膜／炭化珪素界面を得ることができる。
絶縁膜／炭化珪素界面に存在するシリコン或は炭素のタ
ングリングボンドを水素で終端することにより、界面準
位密度を十分に減らして、実際の使用に十分に耐える良
好な絶縁膜／炭化珪素界面を得ることができる。
【図１】容量−電圧特性の評価に使用したＭＯＳ構造の
断面模式図
断面模式図
【図2】高周波CV特性に対する水素アニールの温度効果
を示す図
を示す図
─────────────────────────────────────────────────────
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特許法第30条第１項適用申請有り （３）1998年９月15
日〜18日，広島大学にて開催された第59回応用物理学
会，において発表
(72)発明者 荒井 和雄
茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業
技術院電子技術総合研究所内
(72)発明者 吉田 貞史
茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業
技術院電子技術総合研究所内
(72)発明者 永井 清子
茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業
技術院電子技術総合研究所内
(72)発明者 関川 敏弘
茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業
技術院電子技術総合研究所内
(72)発明者 福田 憲司
茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業
技術院電子技術総合研究所内
(56)参考文献 特開 平９−199497（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−112460（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−31691（ＪＰ，Ａ)
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．34［７
］，（1998−４），ｐｐ．698−700
Claims (2)
- 【請求項１】少なくとも最上層に炭化珪素を有する半導
体基板上に、ゲート絶縁膜として酸化膜及び／或は窒化
膜の１層又は２層以上を形成した後、水素濃度が0.5%以
上含まれる水素と不活性ガスとの混合ガス中で、ガス雰
囲気の圧力を常圧（1.01×１０ ５ Pa）に固定して６００
〜１０００℃の範囲でアニールすることを特徴とする半
導体装置の製造方法。 - 【請求項２】不活性ガスとして、窒素、アルゴン、ヘリ
ウムを使用する請求項１記載の方法。
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