(57)【要約】【課題】  炭化珪素絶縁ゲート型トランジスタのチャネル移動度を向上させる。【解決手段】  炭化珪素半導体装置の絶縁ゲート型トランジスタのゲート絶縁膜を気相成長法を用いて成膜し、このゲート絶縁膜成膜の前後において酸化窒素系ガス雰囲気中で窒化処理を行なう。【選択図】        図９
2006156478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化窒素系ガス雰囲気中で炭化珪素基体表面を窒化処理するステップと、
前記窒化処理された炭化珪素基体表面に気相成長法により絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜を酸化窒素系ガス雰囲気中で窒化処理するステップとを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記気相成長法により絶縁膜を形成するステップは、熱分解による化学気相成長法を用いて二酸化珪素膜を形成するステップを備える、請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記酸化窒素系ガス雰囲気中での窒化処理は、ともに、９００℃から１４５０℃の温度範囲で行なわれる、請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記炭化珪素半導体装置は、絶縁ゲート型トランジスタを備え、
前記絶縁膜は、前記絶縁ゲート型トランジスタのゲート絶縁膜として用いられる、請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記炭化珪素基体は、（１１−２０）面を主表面の面方位として有する炭化珪素層を備え、
前記絶縁膜は、前記炭化珪素層の主表面上に前記窒化処理工程後に形成される、請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項６】
表面が窒化処理された炭化珪素基体と、
前記炭化珪素基体表面に気相成長された二酸化珪素に窒化処理を施したゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極とを備える、炭化珪素半導体装置。
【請求項７】
前記炭化珪素基体は、
表面の所定領域に間をおいて不純物領域が形成される第１導電型の基板領域と、
前記第１の基板領域上に形成される前記第１導電型のエピタキシャル層とを備える、請求項６記載の炭化珪素半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体装置およびその製造方法に関し、特に、炭化珪素を基体とする絶縁ゲート型トランジスタおよびそのオン抵抗を低減するための製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べて、バンドギャップが広く、また絶縁破壊電界強度、飽和電子速度、および熱伝導度などの物性値が優れており、パワーデバイス材料として優れた物性値を有する。この炭化珪素は、熱酸化法により良質の二酸化珪素からなる絶縁膜を形成することができることも特徴の１つである。この熱酸化法により形成した二酸化珪素をゲート絶縁膜に用いて、高耐圧・低損失の高出力絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を作製することが可能である。
【０００３】
しかしながら、炭化珪素を材料とするスイッチング用ＭＯＳＦＥＴの開発が行なわれているものの、反転層（チャネル層）の移動度が小さく、期待される性能は実現されていない。これは、従来の熱酸化法で形成した二酸化珪素（ＳｉＯ２）／炭化珪素（ＳｉＣ）のいわゆるＭＯＳ界面には多数の界面準位（トラップ）が存在するため、反転層内に十分な移動可能な多数キャリアを存在させるのが困難となり、チャネルコンダクタンス（チャネル移動度μｃｈ）が非常に低くなるためである。この結果、素子のオン抵抗（導通時のソース／ドレイン間抵抗）が大きくなり、オン動作時の損失が増大するという不具合が生じる。
【０００４】
このＭＯＳ界面に存在する界面準位を低減するために、種々の対策が報告されている。例えば、特許文献１（特表２００４−５１１１０１号パンフレット（国際公開ＷＯ２００２／０２９８７４号））においては、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）環境中で炭化珪素層を酸化するまたは一酸化二窒素環境中で炭化珪素層上の酸化物層をアニーリングすることにより、この二酸化珪素／炭化珪素の界面準位を低減する方法が示されている。この特許文献１に示される処理方法においては、一酸化二窒素雰囲気中で炭化珪素基板をたとえば１３００℃の高温条件下で熱処理することにより、炭化珪素表面に二酸化珪素膜を成長させる（熱酸化法による）、または炭化珪素基板表面に形成された酸化物を一酸化二窒素雰囲気中で窒化処理する方法が示されている。この炭化珪素基板表面に酸化膜を形成する方法として、熱酸化プロセス、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ法）または湿式再酸化プロセスを用いることが記載されている。
【０００５】
特許文献１は、上述の処理により、界面準位密度すなわち界面トラップ密度（ＤＩＴ）を低減することができ、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として、この酸化膜を利用した場合には、トランジスタの有効表面チャネル移動度が改善されることを述べている。
【０００６】
また、非特許文献１（”G. Y. Chung et al., “Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Following High Temperature Anneals in Nitric Oxide”, IEEE Electron Device Letters, vol. 22, No.4, pp.176-178, April 2001）においては、４Ｈ−ＳｉＣ横型（ラテラル）ＭＯＳＦＥＴの有効チャネル移動度が、炭化珪素／二酸化珪素の伝導体端近傍の界面準位の酸化窒素雰囲気中での高温アニールによる不動態化（パッシベーション）処理により、増加することを示している。この非特許文献１においては、４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層表面を酸化して酸化膜を形成し、次いで、一酸化窒素雰囲気中で１１７５℃の高温下で２時間アニールして、炭化珪素／二酸化珪素界面準位密度を低減することを図っている。
【０００７】
また、従来の六方晶炭化珪素の（０００１）面を用いてＭＯＳＦＥＴを形成することに代えて、六方晶炭化珪素の（０００−１）面などの異なる面方位を用いてＭＯＳＦＥＴを形成すると、ＭＯＳ界面の界面準位が少なく、（０００１）面に比べて高いチャネル移動度が得られることが、非特許文献２（”K. Fukuda et al., “High Inversion Channel Mobility of MOSFET Fabricated on 4H-SiC C (000-1) Face Using H2 Post-Oxidation Annealing”, Mater. Sci. Forum, vol.433-436, pp.567-570, 2003）において報告されている。この非特許文献２においては、４Ｈ−ＳｉＣのＣ（０００−１）面を主表面として用いて、この主表面上に犠牲酸化膜を形成してＨＦ（沸酸）溶液で除去した後、熱酸化法によりゲート酸化膜を形成する。このゲート酸化膜をアルゴン（Ａｒ）雰囲気中でアニールした後、さらに、水素（Ｈ２）雰囲気中でポスト酸化アニールを行なっている。
【特許文献１】特表２００４−５１１１０１号パンフレット（国際公開ＷＯ２００２／０２９８７４号）
【非特許文献１】”G. Y. Chung et al., “Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Following High Temperature Anneals in Nitric Oxide”, IEEE Electron Device Letters, vol. 22, No.4, pp.176-178, April 2001
【非特許文献２】”K. Fukuda et al., “High Inversion Channel Mobility of MOSFET Fabricated on 4H-SiC C (000-1) Face Using H2 Post-Oxidation Annealing”, Mater. Sci. Forum, vol.433-436, pp.567-570, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、熱酸化法と一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気中での窒化処理とにより、チャネル移動度μｃｈを向上させることが可能であるものの、炭化珪素が本来有する物性値から期待される素子特性を実現するには、さらに界面トラップ密度を低減する改善が必要とされる。
【０００９】
すなわち、炭化珪素に対する熱酸化は、ドライ酸素雰囲気下での酸化、水蒸気と酸素との混合ガス雰囲気下での酸化、一酸化二窒素ガス雰囲気下での酸化など多くの方法により行なわれる。この場合、基板の炭化珪素表面の酸化が行なわれるため、たとえ非特許文献２に示されるように犠牲酸化膜を利用して表面を清浄化しても、不可避的に多数の界面準位が形成される。
【００１０】
また、上述の特許文献１に示されるように、ＬＰＣＶＤ法により酸化膜を形成する場合においても、この酸化膜の成膜時には、炭化珪素表面が高温酸化雰囲気に晒され、同様、炭化珪素と酸化膜との界面に電荷トラップ中心となる界面準位が形成される。したがって、この炭化珪素表面上への二酸化珪素膜等の絶縁膜の形成時、できるだけ界面準位が形成されるのを防止し、界面トラップ密度を低減する必要がある。
【００１１】
それゆえ、この発明の目的は、界面トラップ密度が低減された炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【００１２】
この発明の他の目的は、高チャネル移動度を有する炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、酸化窒素系ガス雰囲気中で炭化珪素基体表面を窒化処理するステップと、この窒化処理された炭化珪素基体表面に気相成長法により絶縁膜を形成するステップと、この絶縁膜を酸化窒素系雰囲気中でさらに窒化するステップとを備える。
【００１４】
この発明に係る炭化珪素半導体装置は、表面が窒化処理された炭化珪素基体と、この炭化珪素基体表面に気相成長された二酸化珪素膜に窒化処理を施したゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
この発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法に従えば、絶縁膜形成前に、炭化珪素基体表面を窒化処理しており、この炭化珪素主表面がパッシベートされ、基体／絶縁膜界面が高品質化する。また、絶縁膜を、化学的または物理的気相成長法に従って堆積しており、従来用いられてきた熱酸化法により発生する界面準位を低減することができる。
【００１６】
また、この気相成長法により成膜された絶縁膜は、熱酸化法により形成した絶縁膜に比べて、緻密性などの点で品質が劣るものの、この絶縁膜堆積後、窒化処理を行なうことにより、界面および絶縁膜の品質が改善され、高チャネル移動度μｃｈを達成することができる。
【００１７】
これらのプロセスを、主表面が従来と異なる面方位を有する炭化珪素基体に適用することにより、さらにチャネル移動度μｃｈを向上することができる。また、この化学的または物理的気相成長法を用いる絶縁膜形成法により、熱酸化法により絶縁膜を形成する場合に比べてプロセス時間を短縮することができる。
【００１８】
また、この発明に係る炭化珪素半導体装置では、表面が窒化処理された炭化珪素基体表面に気相成長された二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として設け、このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成しており、基体／絶縁膜界面トラップ密度が低減された高チャネル移動度を有する炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法により製造される炭化珪素半導体装置の素子構造の断面構造を概略的に示す図である。具体的には、図１には、炭化珪素半導体装置の一例として、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴの断面構造が示される。
【００２０】
図１において、炭化珪素半導体装置は、第１導電型基板１表面に形成される第１導電型の炭化珪素からなるドリフト層２と、このドリフト層２上に所定の深さに、互いに間をおいて形成される第２導電型のベース領域３ａおよび３ｂと、ベース領域３ａおよび３ｂそれぞれの表面に形成される第１導電型のソース領域４ａおよび４ｂと、ベース領域３ａおよび３ｂ上に、ソース領域４ａおよび４ｂにまで延在してドリフト層２およびベース領域３ａおよび３ｂ上に形成されるゲート絶縁膜５と、ソース領域４ａおよび４ｂそれぞれに電気的に接触されるソース電極７ａおよび７ｂと、ゲート絶縁膜５上にベース領域３ａおよび３ｂおよびそれらの間の領域上に平面図的に見てソース領域４ａおよび４ｂに到達するように形成されるゲート電極６と、基板１の下部表面に形成されるドレイン電極８とを含む。
【００２１】
基板１と、ドリフト層２と、ベース領域３ａおよび３ｂと、ソース領域４ａおよび４ｂとにより、基体が構成される。
【００２２】
この図１に示す炭化珪素半導体装置においては、ゲート電極６に電圧が印加されると、このゲート電極直下のベース領域３ａおよび３ｂ表面に反転チャネル層が形成され、ソース領域４ａおよび４ｂとドリフト層２との間に電荷の流れる経路が形成される。炭化珪素ＭＯＳＦＥＴがｎチャネルＭＯＳＦＥＴの場合、多数キャリアは電子であり、ソース領域４ａおよび４ｂからドリフト層２へ流れ込む電子は、ドレイン電極８に印加される電圧により形成される電界に従ってドリフト層２および基板を介してドレイン電極８に到達する。したがって、ゲート電極６に電圧を印加することにより、ドレイン電極８からソース電極７ａおよび７ｂに電流が流れる。炭化珪素ＭＯＳＦＥＴがｐチャネルＭＯＳＦＥＴであり、多数キャリアが正孔の場合には、ドレイン電極８から注入される正孔が、ドリフト層２を介して流れてベース領域３ａおよび３ｂに到達し、次いで、ベース領域３ａおよび３ｂ表面に形成された反転チャネル層を介してソース電極７ａおよび７ｂの電位に従ってソース領域４ａおよび４ｂに流れ込む。これにより、正孔がドレイン電極８からソース電極７ａおよび７ｂに流れる。
【００２３】
ゲート絶縁膜５は、二酸化珪素膜で構成され、炭化珪素で形成される基体（基板１からソース領域４ａおよび４ｂが形成される部分までの領域を示す）を窒化処理して主表面にパッシベーション処理を施した後に基体主表面上にゲート絶縁膜５を化学的または物理的気相成長法により形成して、ゲート絶縁膜５とベース領域３ａおよび３ｂの間の界面の電荷トラップ発生を抑制する。
【００２４】
このゲート絶縁膜５形成後、酸化窒素ガス雰囲気中で窒化処理を施すことにより、さらに界面準位を低減し、かつゲート絶縁膜５の膜質を改善する。これにより、ＭＯＳ界面に生じる界面準位を低減することができ、応じて界面トラップ密度を低減して炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度を向上することができる。以下、この図１に示す炭化珪素半導体装置の製造方法について順次、工程順に説明する。なお、本実施の形態においては、窒化処理雰囲気は、ガス雰囲気であるが、一酸化窒素または一酸化二窒素は、本発明の半導体装置の製造工程での処理条件下ではガスであり、以下の説明においては単に雰囲気と記載する。従って、例えば、一酸化窒素雰囲気は、一酸化窒素ガス雰囲気を示す。
【００２５】
図２において、第１導電型基板１上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて第１導電型の炭化珪素エピタキシャル層からなるドリフト層２を形成する。このドリフト層２の厚さは、５ないし５０μｍ程度であればよく、また不純物濃度としては、１×１０１５ないし１×１０１８／ｃｍ３程度であればよい。
【００２６】
上述の条件でドリフト層２を形成することにより、数百Ｖないし３ＫＶ以上の耐圧を有する縦型高耐圧ＭＯＳＦＥＴを実現することができる。
【００２７】
第１導電型基板１としては、たとえばｎ型炭化珪素基板が好ましく、その面方位としては（０００１）面、（０００−１）面、（１１−２０）面などを用いることができる。また、この炭化珪素基板１のポリタイプとしては、４Ｈ、６Ｈ、および３Ｃのいずれかを用いることができる。
【００２８】
次に、図３を参照して、エピタキシャル結晶成長法によりドリフト層２を形成した後、このドリフト層２表面に、ベース領域を形成する領域が露出するように、写真製版技術を用いてレジスト、二酸化珪素、または窒化珪素などによりマスクを形成する。このマスクを不純物注入阻止膜として不純物をイオン注入し、一対の第２導電型のベース領域３ａおよび３ｂを形成する。図３においては、このイオン注入時に用いられるマスクを除去した後の素子の断面構造が示される。
【００２９】
この炭化珪素半導体装置がｎチャネルＭＯＳＦＥＴの場合、ベース領域３ａおよび３ｂに導入される第２導電型不純物としては、ボロン（Ｂ）またはアルミニウム（Ａｌ）が利用可能であり、またｐチャネルＭＯＳＦＥＴの場合には、この第２導電型注入不純物として、リン（Ｐ）または窒素（Ｎ）を利用することができる。
【００３０】
ベース領域３ａおよび３ｂの深さは、ドリフト層２の厚さを超えないことが要求され、その深さとしては、たとえば０．５〜３μｍ程度あればよい。
【００３１】
また、ベース領域３ａおよび３ｂの第２導電型の不純物の濃度は、ドリフト層２における第１導電型不純物の濃度を超える濃度に設定し、たとえば１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３程度であればよい。
【００３２】
次いで、図４を参照して、写真製版技術を用いて基体表面にマスクを形成し、ソース領域形成部分を露出させ、このマスクを用いて、ベース領域３ａおよび３ｂ内に第１導電型不純物をイオン注入して、第１導電型のソース領域４ａおよび４ｂをそれぞれ形成する。図４においては、このソース領域形成用のマスク除去後の素子の断面構造が示される。
【００３３】
ソース領域４ａおよび４ｂ内に導入される第１導電型の不純物としては、この炭化珪素半導体装置が、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴの場合、たとえばリン（Ｐ）または窒素（Ｎ）などを利用することができ、また、この炭化珪素半導体装置がｐチャネルＭＯＳＦＥＴの場合、たとえばボロン（Ｂ）またはアルミニウム（Ａｌ）などを利用することができる。
【００３４】
ソース領域４ａおよび４ｂの深さは、ベース領域３ａおよび３ｂの深さよりも浅くされる。このソース領域４ａおよび４ｂに導入される第１導電型の不純物の濃度は、たとえば１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３程度であればよい。
【００３５】
続いて、熱処理装置により、炭化珪素基体を例えば１３００℃ないし１９００℃の高温条件下で例えば３０秒から１時間程度熱処理を行うことにより、注入イオンが電気的に活性化される。
【００３６】
次に、図５を参照して、一酸化窒素（ＮＯ）または一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）の酸化窒素雰囲気中で窒化処理を施し、炭化珪素基体表面のパッシベートを行なう。このパッシベーション処理の後、物理的気相成長法または化学的気相成長法を用いて炭化珪素基体表面にゲート絶縁膜５を成膜する。この絶縁膜５の形成後、さらに、一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気中で窒化処理を実施する。このゲート絶縁膜５の作製にかかる一連の工程は、本発明における特徴的な工程であり、後に詳細に説明する。
【００３７】
ゲート絶縁膜５作製前後における窒化処理により、ゲート絶縁膜の結晶品質の改善および界面準位の低減を効果的に実現することができる。
【００３８】
次いで、図６を参照して、ゲート絶縁膜５上にゲート電極６を成膜し、次いで写真製版技術を用いてパターニングする。ゲート電極６は、ベース領域３ａおよび３ｂならびにソース領域４ａおよび４ｂがその両端部に位置し、ベース領域３ａおよび３ｂ間の露出したドリフト層２がその中央に位置するような形状にパターニングされる。
【００３９】
また、ゲート電極６は、一対のソース領域４ａおよび４ｂとたとえば１０ｎｍ〜５μｍの範囲で平面図的に見て重なり合うように形成されるのが望ましい。ゲート電極６の端部におけるフリンジ効果の影響を抑制して、均一にベース領域３ａおよび３ｂ表面に電圧を印加して、ベース領域３ａおよび３ｂ表面に確実に、反転チャネル層を形成する。
【００４０】
このゲート電極６の素材としては、ｎ型またはｐ型の多結晶珪素（ポリシリコン）であってもよく、またｎ型またはｐ型の多結晶炭化珪素であってもよく、また、アルミニウム、または、チタン、モリブデン、タンタル、ニオブおよびタングステンなどの低抵抗高融点金属であってもよく、また、高融点低抵抗金属の窒化物が用いられてもよい。
【００４１】
このゲート電極６のパターニングの後、ゲート絶縁膜５の不要部分を、写真製版技術を用いたパターニングおよびウェットまたはドライエッチングにより除去することにより、図７に示すように、ソース領域４ａおよび４ｂの表面が露出される。ゲート絶縁膜５は、ゲート電極６よりも長く形成され、次工程で形成されるソース電極とゲート電極６の間を確実に電気的に分離する。
【００４２】
次いで、図８に示すように、このソース領域４ａおよび４ｂの露出した部分に、ソース電極７ａおよび７ｂを成膜およびパターニングにより形成する。
【００４３】
この後、基板１の裏面にドレイン電極８を形成することにより、図１に示す素子構造を有する半導体装置の主要部が完成する。
【００４４】
ソース電極７ａおよび７ｂとドレイン電極８の素材としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、および金などまたはこれらの複合物を用いることができる。また、ソース領域４ａおよび４ｂと第１導電型基板１に対するオーミック接触を得るために、ソース電極７ａおよび７ｂならびにドレイン電極８を形成した後に、１０００℃程度の熱処理が施されてもよい。
【００４５】
次に、本発明に従う炭化珪素半導体装置の製造方法において特徴的なゲート絶縁膜形成工程および一酸化窒素または一酸化二窒素の酸化窒素雰囲気中での窒化処理工程について図９を参照して詳細に説明する。
【００４６】
この図９は、ゲート絶縁膜５の形成を目的とする炭化珪素基体表面の窒化処理工程、化学的気相成長法による二酸化珪素膜の形成工程およびその後の窒化処理工程に至る各工程における反応炉内の温度プロファイルを表わす図である。ここで、ゲート絶縁膜の形成のための気相成長法としては化学的気相成長法が用いられ、また、ゲート絶縁膜５の材料として二酸化珪素が用いられる場合を一例として説明する。また、処理は、炭化珪素基体が形成されたウェハ単位で（所定数のウェハに対して並行して）行われるため、図９においては、炭化珪素基体が形成されるウェハを示す。
【００４７】
図９においては、縦軸に、各処理工程における温度を示し、横軸に時間を示し、一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気下での窒化処理工程、化学的気相成長法による酸化膜形成工程、およびその後の一酸化窒素または一酸化二窒素雰囲気下での窒化処理工程を含むゲート絶縁膜形成工程が、時系列的に各対応の温度プロファイルとともに示される。
【００４８】
図９において、まず、アルゴン（Ａｒ）または窒素（Ｎ２）などの不活性ガス雰囲気下での窒化処理用反応炉内にベース領域３（領域３ａ，３ｂを総称的に示す）およびソース領域４（領域４ａ，４ｂを総称的に示す）形成後の炭化珪素基体を導入する（ウェハ導入）。
【００４９】
この窒化炉（窒化処理用反応炉）内の温度が処理温度に到達した時点で、この反応炉内を、アルゴンまたは窒素などの不活性ガス雰囲気から一酸化窒素（ＮＯ）または一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）雰囲気に切換え、この酸化窒素雰囲気および処理温度を所定時間維持することにより窒化処理を行なう。このような窒化処理工程を実施することにより、この炭化珪素基体主表面を窒素原子（Ｎ）がパッシベートし（不動態化し）、次工程で堆積される二酸化珪素膜との界面が良好となる。
【００５０】
なお、この窒化処理用反応炉内における窒化処理中の雰囲気については、窒素、アルゴン、ヘリウムまたはクリプトンなどで希釈した一酸化窒素または一酸化二窒素が用いられてもよく、また一酸化窒素と一酸化二窒素が混在する雰囲気ガスが用いられてもよい。これらの雰囲気を総称して酸化窒素系雰囲気と称す。
【００５１】
窒化処理温度としては、９００℃〜１４５０℃であるのが望ましい。これは、９００℃以下の低温では、窒化速度が非常に遅く、窒素原子のパッシベートがほとんど進行しないためである。また、１４５０℃以上の高温条件下では、一酸化窒素または一酸化二窒素中に含まれる酸素原子による熱酸化が進行し、界面に熱酸化によるトラップが発生し、逆に界面トラップ密度が増加するためである。
【００５２】
この窒化処理時間としては、３０分〜６時間程度が望ましい。
【００５３】
この窒化処理工程後、窒化処理反応炉内の雰囲気を、アルゴンまたは窒素などの不活性ガス雰囲気に切換え、ある一定期間の間窒化処理の温度を保持して、完全に雰囲気を不活性ガスに切換えた後、この炭化珪素基体取出し温度まで降温し、温度降下後、この炭化珪素基体を反応炉外へ取出す。これにより、ゲート絶縁膜形成前の窒化処理工程が終了する。
【００５４】
次に、化学的気相成長反応炉（ＣＶＤ炉）内に上記窒化処理後の炭化珪素基体を導入し（ウェハ移動）、処理温度を所定の温度に設定して化学的気相成長法により、二酸化珪素を成膜する。このＣＶＤ炉における材料ガスについては、珪素源として、たとえばシラン、ジシラン、ジクロロシラン、ジフロロシラン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）などを用いることができる。また、酸素源として、たとえば酸素（Ｏ，Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素ラジカル、一酸化二窒素などを用いることができる。
【００５５】
また、これらの分解には、熱励起、プラズマ励起、光励起などの方法を用いることができる。好ましくは、これらの材料ガス源の熱分解により成膜することにより、炭化珪素基体表面にダメージを与えることなく、良質の二酸化珪素を成膜することができる。
【００５６】
この二酸化珪素の膜厚は、２ないし２００ｎｍ程度であればよいが、好ましくは、耐圧条件から、３０〜７０ｎｍ程度であればよい。この二酸化珪素の膜厚は、成膜条件により制御することができるが、熱酸化法に比べて大幅に成膜時間を短縮することが可能である。
【００５７】
また、化学的気相成長法により二酸化珪素膜を成膜する場合には、成膜温度は、たとえば１００ないし１０００℃程度でよい。熱酸化法による成膜の場合は、炭化珪素が珪素に比べて熱酸化され難いため、その実用的な熱酸化処理温度も１１００℃以上のより高温が求められる。また、熱酸化法では、酸素原子が炭化珪素内に拡散して二酸化珪素が形成されるため、炭化珪素／二酸化珪素の界面が、炭化珪素内部に形成される。このため、不純物注入された領域であるベース領域およびソース領域の深さおよびベース領域およびソース領域４の深さ方向の不純物プロファイルが影響を受け、素子特性値が目標値から変動する。
【００５８】
また、ベース領域３とソース領域４とドリフト層２の不純物濃度の差から、熱酸化速度が異なり、均一な膜厚のゲート絶縁膜５を形成するのが困難である。また、ドリフト層２、ベース領域３およびソース領域４の露出した部分にゲート絶縁膜５が形成される。この場合、熱酸化処理工程中に、これらのドリフト層２、ベース領域３およびソース領域４の不純物がゲート絶縁膜中に取込まれてしまうため、ゲート絶縁膜５の信頼性が損なわれることになる。
【００５９】
化学的気相成長法を用いた場合、炭化珪素基体表面上に二酸化珪素が成膜され、従って、二酸化珪素／炭化珪素の界面は炭化珪素の表面に形成されるため、不純物注入層の深さおよび注入不純物プロファイルを厳密に制御することができ、かつ均一な膜厚で注入不純物の影響のない高信頼性のゲート絶縁膜５を形成することができる。
【００６０】
この化学的気相成長法により所定の時間成膜を行なうことにより、炭化珪素基体表面に二酸化珪素からなる所望の膜厚のゲート絶縁層を堆積することができる。
【００６１】
このＣＶＤ炉における二酸化珪素膜形成後、ＣＶＤ炉を降温する。降温後、炭化珪素基体をＣＶＤ炉から取り出して窒化炉へ移動して、ゲート絶縁膜５が堆積された炭化珪素基体を窒化処理炉に導入する。このゲート絶縁膜形成後の窒化処理工程は、ゲート絶縁膜形成前の窒化処理工程と同一の手順で実行する。このゲート絶縁膜形成後の窒化処理工程を実施することにより、堆積された二酸化珪素膜の品質および二酸化珪素と炭化珪素の界面の品質が、さらに良好となる。
【００６２】
なお、上述の一連の処理工程においては、二酸化珪素の化学的気相成長と窒化処理をそれぞれ行なう装置が別々に設けられる場合を説明している。しかしながら、これらの化学的気相成長および窒化処理が、同一の装置内で連続的に実施されてもよい。この場合、炭化珪素基体の装置間移動に伴う温度の昇降温時間を低減することができ、よりプロセス時間を短縮することができ、またさらに、装置間移動に伴う基体汚染も低減される。
【００６３】
また、ゲート絶縁膜形成前後の窒化処理の手順は同一であるものの、処理条件は同一であってもよく、また、異なっていても良い。
【００６４】
図１０は、この発明による炭化珪素半導体装置の製造方法により形成された炭化珪素ＭＯＳＦＥＴと従来の熱酸化法により形成された炭化珪素ＭＯＳＦＥＴの電界効果移動度（μｆｅ）の最大値を一覧にして示す図である。比較例としては、従来の熱酸化法に従って水蒸気を含む酸素雰囲気中での熱酸化工程を行って二酸化珪素膜を（０００１）面上に形成した素子の場合が一例として示される。本発明の実施例としては、面方位として、（０００１）面、（０００−１）面および（１１−２０）面を主表面とする炭化珪素基板（エピタキシャル層）上に二酸化珪素膜が窒化処理、化学的気相成長法および窒化処理の組合せにより形成される場合が示される。
【００６５】
この図１０に示すように、従来の手法では、電界効果移動度μｆｅのピーク値は、１．５ｃｍ２／Ｖｓ（ボルト・秒）である。一方、この発明の実施の形態による炭化珪素ＭＯＳＦＥＴにおいては、（０００１）面上では、４０ｃｍ２／Ｖｓを達成している。また、（１１−２０）面上に本発明の製造方法を採用して二酸化珪素膜を形成した場合、５５ｃｍ２／Ｖｓと最も高いチャネル移動度を達成することができる。炭化珪素基板の酸化を行なうことなく二酸化珪素膜を形成する堆積法と窒化処理工程とを組合わせたことにより、高移動度が実現できたと考えられる。
【００６６】
さらに、異なる面方位を主表面とする炭化珪素基板を用いると特性に違いが見られ、（１１−２０）面を主表面とする炭化珪素基板を用いた場合、最も高い移動度が得られる。
【００６７】
また、本実施の形態においては、２００℃で化学的気相成長を行なって二酸化珪素膜を堆積しているが、この成膜温度をより高くすることにより、より緻密性のある酸化膜の形成が期待でき、従って、成長温度を高くすることにより、さらに高移動度が得られることが期待される。
【００６８】
また、二酸化珪素成膜中にたとえば窒素などの不純物をｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）ドーピングすることにより酸化膜中の欠陥をパッシベートするなどの効果が期待され、移動度の向上が期待できる。
【００６９】
なお、上述の説明においては、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴが炭化珪素半導体装置の一例として示されている。しかしながら、たとえばＩＧＢＴなどの炭化珪素層上に絶縁膜が形成された素子構造を有する炭化珪素半導体装置に対しても、本発明に従う製造方法を適用することにより同様な効果を得ることができる。また、半導体装置をソースおよびドレインが同一表面に形成されるトランジスタを利用する場合にも、本発明を適用することができる。従って、一般に炭化珪素層上に絶縁膜が形成された素子構造を有する半導体装置に対して、本発明に従う製造方法を適用することによりＭＯＳ界面準位の少ない半導体装置を実現することができる。
【００７０】
また、このゲート絶縁膜の形成方法として化学的気相成長法が用いられる場合が示されているものの、蒸着法、スパッタ法、イオンクラスタビーム法、分子線エピタキシ法などの物理的な成膜方法（物理的気相成長法）を用いてゲート絶縁膜が形成されてもよい。
【００７１】
また、この炭化珪素半導体装置の第１導電型および第２導電型は、ｎ型およびｐ型であってもよく、また逆に、ｐ型およびｎ型であってもよい。第１導電型がｎ型の場合には、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴが実現され、第１導電型がｐ型の場合ｐチャネルＭＯＳＦＥＴが実現される。
【００７２】
また、ゲート絶縁膜が、二酸化珪素で形成される場合が示されているが、他の絶縁膜、たとえば窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜などが用いられても同様の効果を得ることができる。
【００７３】
［変更例］
さらに、ＭＯＳＦＥＴの素子構造として、第１導電型のドリフト層２上にゲート絶縁膜５が形成される構成が示されているものの、図１１に示すように、ドリフト層２にベース領域３ａ、３ｂおよびソース領域４ａ、４ｂを形成した後に、ドリフト層２、ベース領域３ａ、３ｂ、およびソース領域４ａ、４ｂの一部領域上に第１導電型のエピタキシャル炭化珪素層（エピタキシャル層）１０を設け、このエピタキシャル層１０上にゲート絶縁膜５が形成されてもよい。このエピタキシャル層１０の膜厚は、反転チャネル層が形成される程度の厚さに設定する。この場合は、第１導電型エピタキシャル炭化珪素層１０に反転チャネル層が形成されるため、不純物注入により比較的結晶性が悪化する領域がチャネルとして用いられることがなく、ＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度をさらに向上させることができる。オフ状態時においては、エピタキシャル層１０において空乏層が広がり、ノーマリオフ型のトランジスタを実現することができる。
【００７４】
なお、図１１において、図１に示す構成と対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。この図１１に示す構成においても、エピタキシャル層１０を基体全主表面に形成した後に、先の実施の形態において説明した製造工程と同様の工程にしたがって、ゲート絶縁膜５の形成前後において窒化処理を行い、又、エピタキシャル層１０およびゲート絶縁膜５のパターニングを行なう。
【００７５】
以上のように、この発明に従う炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、窒化処理後に化学的または物理的気相成長法により絶縁膜形成工程を実施すると下地炭化珪素基板表面の酸化が行なわれないため、熱酸化法の場合のような炭化珪素基板の熱酸化に伴うＭＯＳ界面での界面準位の発生が低減されるとともに、この絶縁膜形成前後の窒化処理工程により絶縁膜およびＭＯＳ界面の品質が改善され、ＭＯＳＦＥＴの特性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
この発明は、炭化珪素基板層上に形成される絶縁膜をゲート絶縁膜として有するＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの絶縁ゲート型トランジスタ素子に適用することができる。また、この絶縁ゲート型トランジスタとしては、ソース、ゲートおよびドレイン電極が同一主表面上に形成される横型半導体素子に対しても適用することができ、高い移動度を有する高速動作するパワーデバイスを、本発明により実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】この発明に従って製造される炭化珪素半導体装置の断面構造を概略的に示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図７】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の製造方法の工程断面図である。
【図９】この発明に従う炭化珪素半導体装置の製造におけるゲート絶縁膜作製に関連する処理工程時系列および各工程における温度プロファイルを示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に従う炭化珪素半導体装置の従来の熱酸化法により作製された炭化珪素半導体装置の電界効果移動度の最大値を一覧にして示す図である。
【図１１】この発明の他の実施の形態に従う半導体装置の単位素子の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  基板、２  ドリフト層、３、３ａ，３ｂ  ベース領域、４、４ａ，４ｂ  ソース領域、５  ゲート絶縁膜、６  ゲート電極、７ａ，７ｂ  ソース電極、８  ドレイン電極、１０  エピタキシャル層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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