(57)【要約】ＳｉＣ基板１の上部を、８００℃以上、１４００℃以下の温度下で、１．４×１０２Ｐａ以下の酸素雰囲気下で酸化することにより、厚さ２０ｎｍ以下の熱酸化膜である第１の絶縁膜２を形成する。アニールを行った後、その上に、ＣＶＤ法によって、厚さ５ｎｍ程度の窒化膜である第１のキャップ層３を形成する。その上に、ＣＶＤ法によって、厚さ１３０ｎｍ程度の堆積酸化膜である第２の絶縁膜４を形成する。その上に、厚さ１０ｎｍ程度の窒化膜である第２のキャップ層５を形成する。以上のように、第１の絶縁膜２〜第２のキャップ層５からなるゲート絶縁膜６を形成することによって、低損失で信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
2003047000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース領域およびドレイン領域を有するＳｉＣ基板と、
上記ＳｉＣ基板の一部の上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを備え、
上記ＳｉＣ基板と上記ゲート絶縁膜との界面領域には、厚みが１ｎｍ以下の遷移層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜が、上記ＳｉＣ基板の一部を酸化して形成された第１の絶縁膜と、
上記第１の絶縁膜の上方に堆積された第２の絶縁膜と
を少なくとも有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜の膜厚が、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部を熱酸化することにより形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜は、含有率で１０．０％以下の窒素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第２の絶縁膜の膜厚が、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第２の絶縁膜は、酸化物，窒化物あるいは酸窒化物のうちのいずれか１つからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜と上記第２の絶縁膜との間に、第１のキャップ層を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
上記第１のキャップ層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置において、
上記第１のキャップ層は、Ｎ／（Ｎ＋Ｏ）の値が０．１以上０．５以下である酸窒化膜からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第２の絶縁膜と上記ゲート電極との間に、厚さ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の窒化膜または酸窒化膜からなる第２のキャップ層を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、水素を含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、ハロゲンを含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記半導体装置は、反転型エンハンスメント型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記半導体装置は、蓄積型エンハンスメント型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
ＳｉＣ基板の一部を酸化することにより、第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
上記第１の絶縁膜の上方に、第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記第１の絶縁膜および上記第２の絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部に、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板の一部を、８００℃以上１４００℃以下の温度で熱酸化することにより上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素分圧が１．４×１０２Ｐａ以下である雰囲気下において酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素と亜酸化窒素とを含む雰囲気下、あるいは酸素と一酸化窒素を含む雰囲気下において酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、酸素分圧が大気圧以下で、亜酸化窒素分圧または一酸化窒素分圧が上記酸素分圧の値の１０％以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板をＣＶＤ装置内に導入し、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含み、分圧１．４×１０２Ｐａ以下のシランを含む雰囲気下で、上記ＳｉＣ基板上を酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）の後に、分圧１．４×１０Ｐａ以上大気圧以下の一酸化窒素雰囲気下において、６００℃以上１４００℃以下の温度で、１時間以上のアニールを行なう工程をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）の後に、上記第１の絶縁膜の上に第１のキャップ層を形成する工程（ｅ）をさらに備え、
上記工程（ｂ）では、上記第１のキャップ層の上に、上記第２の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、温度を上記第１の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０２Ｐａ以下のシランと、アンモニア系のガスとを含む第１の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第１のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
請求項２３に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、上記第１の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第１のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、ＣＶＤ法により、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記アニールの温度以下の温度で、シランと亜酸化窒素とを含む雰囲気下において上記第２の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２７】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）の後に、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記第２の絶縁膜を形成するための温度以下の温度で、一酸化窒素を含む雰囲気下でアニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２８】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）の後、上記工程（ｃ）の前に、上記第２の絶縁膜の上に第２のキャップ層を形成する工程（ｆ）をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｆ）では、温度を上記第２の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０２Ｐａ以下のシランとアンモニア系のガスとを含む第２の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第２のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｆ）では、上記第２の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第２のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３１】
ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化法によって酸化することにより絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
上記工程（ａ）の後に、酸素を含む分子を有する雰囲気中において、上記絶縁膜にアニールを行なう工程（ｂ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部に、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含む雰囲気中において形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３３】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、１０００℃以上１４００℃以下の温度において形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３４】
請求項３１〜３３のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、オゾンを含む雰囲気にＵＶ光を照射して、上記アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３５】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、さらに、窒素を含む分子を有する雰囲気中において上記アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、アンモニアあるいは一酸化窒素を含む雰囲気下において上記アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３７】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）の後で、上記工程（ｂ）の前に、上記絶縁膜に前段階アニールを行なう工程（ｅ）をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、７００℃以上１０００℃以下の温度において、水素を含む雰囲気中で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３９】
請求項３７に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、９００℃以上１２００℃以下の温度において、ハロゲンを含む雰囲気中で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、１０００℃以下の温度で、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）以下の圧力下で、ジクロロシランを含むガス雰囲気中において、上記前段階アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ＳｉＣ層を有する半導体装置とその製造方法に係り、特に、絶縁ゲート型の半導体装置とその製造方法に関する。
背景技術
炭化珪素は、他のバンドギャップが大きい半導体材料と比べても高い絶縁破壊特性を有する。そのため、近年では低損失パワーデバイスへの適用が期待されている。
炭化珪素の上部を熱酸化すると、炭化珪素の上に良質の二酸化珪素膜を形成することができる。このことから、大電力駆動用の炭化珪素半導体装置を形成するためには、絶縁ゲート型半導体装置の形態にすることが有力であると考えられる。
炭化珪素を用いたＭＩＳＦＥＴを低損失パワー半導体装置に用いる場合には、オン抵抗を低減することにより損失を低減するために、ゲート絶縁膜とＳｉＣ基板との界面領域における界面準位トラップ密度を低くすることが必要とされている。ここで、ゲート絶縁膜とＳｉＣ基板との界面領域には炭素の残留している遷移層が形成され、遷移層と界面準位トラップ密度とには相関関係がある。この相関関係によると、界面準位トラップ密度を１×１０１２［ｃｍ−２ｅＶ−１］以下にするには、遷移層の厚みを１ｎｍ以下にする必要のあることが知られている（Ｋ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ  ｅｔ  ａｌ，ＩＣＳＣＲＭ  ２００１  Ｐａｒｔ２（２００１））。
一般に、炭化珪素上にゲート絶縁膜用の熱酸化膜を形成するために、炭化珪素基板を１０００℃〜１４００℃の温度において酸化性ガス雰囲気に曝露する。この熱酸化の工程においては、炭化珪素の構成元素のうち化学量論的に約半分の量を占める炭素の振る舞いが、炭化珪素と熱酸化膜との間の界面部形成に大きく関与し、デバイスの電気特性に影響を与えている。
解決課題
しかしながら、炭化珪素上にゲート絶縁用の熱酸化膜を形成するためには、以下のような不具合が生じていた。
まず、炭化珪素上に熱酸化膜を形成する場合には、熱酸化膜中に存在する欠陥に起因して、炭化珪素と熱酸化膜との間の界面部に高濃度の界面準位トラップが生じてしまう。例えば、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面上に形成された厚さ４０ｎｍの熱酸化膜中において、界面準位トラップ密度を５×１０１１［ｃｍ−２ｅＶ−１］以下に抑えることは難しい。
この界面準位トラップは、電子輸送に大きな影響を及ぼし、デバイスのチャネル・コンダクタンスを著しくおとしめている。
発明の開示
本発明の目的は、ＳｉＣ層を有する半導体装置において絶縁膜とＳｉＣ層との間の界面部の整合性をとる手段を講ずることにより、低損失で信頼性の高い半導体装置を提供することと、工業的に好適である時間内で上記半導体装置を製造する方法を提供することにある。
本発明の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域を有するＳｉＣ基板と、上記ＳｉＣ基板の一部の上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを備え、上記ＳｉＣ基板と上記ゲート絶縁膜との界面領域には、厚みが１ｎｍ以下の遷移層が形成されている。
これにより、チャネル抵抗を低減することができ、ＳｉＣパワーデバイスの性能を十分に引き出すことが可能となる。
上記ゲート絶縁膜が、上記ＳｉＣ基板の一部を酸化して形成された第１の絶縁膜と、上記第１の絶縁膜の上方に堆積された第２の絶縁膜とを少なくとも有することにより、第１の絶縁膜の厚さは、従来の熱酸化膜の厚さよりも薄いので、ＳｉＣ基板と第１の絶縁膜との間の界面部の整合性が向上し、界面準位トラップの発生を抑制することが可能となる。それと同時に、第２の絶縁膜が形成されていることにより、低損失パワー半導体装置のゲート絶縁膜として必要な厚さを有するゲート絶縁膜を得ることができる。
上記第１の絶縁膜の膜厚が、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることにより、第１の絶縁膜の膜厚は、従来の熱酸化膜よりも薄いので、ＳｉＣ基板と第１の絶縁膜との間の界面部の制御が容易となる。
上記第１の絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部を熱酸化することにより形成されていることにより、第１の絶縁膜として良質の酸化膜を得ることができる。
上記第１の絶縁膜は、含有比で１０．０％以下の窒素を含むことにより、第１の絶縁膜中における欠陥の発生を抑制することができる。
上記第２の絶縁膜の膜厚が、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
上記第２の絶縁膜は、酸化物，窒化物あるいは酸窒化物のうちのいずれか１つからなることが好ましい。
上記第１の絶縁膜と上記第２の絶縁膜との間に、第１のキャップ層を備えていることにより、半導体装置の製造時において熱処理を行なっても、酸素等が第１の絶縁膜およびＳｉＣ基板の方へ拡散するのを防止することができる。
上記第１のキャップ層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることにより、第１のキャップ層は、キャップとしての機能を発揮でき、かつ、膜厚が厚すぎることにより大きくなりやすい欠陥の影響を抑制することができる。
上記第１のキャップ層は、Ｎ／（Ｎ＋Ｏ）の値が０．１以上０．５以下である酸窒化膜からなることにより、ゲート絶縁膜中における応力の発生を抑制することができる。
上記第２の絶縁膜と上記ゲート電極との間に、厚さ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の窒化膜または酸窒化膜からなる第２のキャップ層を備えていることにより、ゲート電極を作成するときに、第２の絶縁膜などの方へ不純物が拡散するのを防止することが可能となる。不純物とは、金属の電極を形成した場合には金属であり、ポリシリコンの電極を形成した場合にはボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）である。
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、水素を含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことにより、水素濃度が低く密度が高いゲート絶縁膜を得ることができるので、絶縁耐性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、ハロゲンを含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことにより、水素濃度が低く密度が高いゲート絶縁膜を得ることができるので、絶縁耐性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
上記半導体装置は、反転型エンハンスメント型トランジスタであってもよい。
上記半導体装置は、蓄積型エンハンスメント型トランジスタであってもよい。
本発明の第１の半導体装置の製造方法は、ＳｉＣ基板の一部を酸化することにより、第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、上記第１の絶縁膜の上方に、第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記第１の絶縁膜および上記第２の絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、上記ＳｉＣ基板の各一部にソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）とを少なくとも備えている。
これにより、上記工程（ａ）では、従来よりも薄い厚さを有する第１の絶縁膜を、ＳｉＣ基板と第１の絶縁膜との間の界面の制御性がよい状態で形成し、上記工程（ｂ）では、第２の絶縁膜を、ゲート絶縁膜として必要な厚さの分だけ形成することができるので、ＳｉＣ基板とゲート絶縁膜との間の界面において発生する界面準位が少なく、Ｃ等の偏析も少なく、かつ十分な膜厚を有する半導体装置を形成することができる。
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板の一部を、８００℃以上１４００℃以下の温度で熱酸化することにより上記第１の絶縁膜を形成することが好ましい。
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素分圧が１．４×１０２Ｐａ以下である雰囲気下において酸化して上記第１の絶縁膜を形成することにより、高温下においても、第１の絶縁膜を制御性よく形成することができる。
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素と亜酸化窒素とを含む雰囲気下、あるいは酸素と一酸化窒素を含む雰囲気下において酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することにより、微量の窒素を含む酸窒化膜を形成すると、欠陥の少ない第１の絶縁膜を得ることができる。
上記工程（ａ）では、酸素分圧が大気圧以下で、亜酸化窒素分圧または一酸化窒素分圧が上記酸素分圧の値の１０％以下であることが好ましい。
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板をＣＶＤ装置内に導入し、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含み、分圧１．４×１０２Ｐａ以下のシランを含む雰囲気下で、上記ＳｉＣ基板上を酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することにより、シランを導入してＳｉをＳｉＣ基板上に供給しながらＳｉＣ基板の上部を酸化することができるので、酸化のときに、ＳｉＣ基板の上部を酸化させることなく良質の熱酸化膜を形成することができる。
上記工程（ａ）の後、分圧１．４×１０Ｐａ以上大気圧以下の一酸化窒素雰囲気下において、６００℃以上１４００℃以下の温度で、１時間以上のアニールを行なってもよい。
上記工程（ａ）の後に、上記第１の絶縁膜の上に第１のキャップ層を形成する工程（ｅ）をさらに備え、上記工程（ｂ）では、上記第１のキャップ層の上に、上記第２の絶縁膜を形成することにより、上記工程（ｂ）の後に、熱処理を行なっても、酸素等が第１の絶縁膜等の方に拡散するのを防ぐことができる。
上記工程（ｅ）では、温度を上記第１の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０２Ｐａ以下のシランと、アンモニア系のガスとを含む第１の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第１のキャップ層を形成することが好ましい。
上記工程（ｅ）では、上記第１の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第１のキャップ層を形成してもよい。
上記工程（ｂ）では、ＣＶＤ法により、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記アニールの温度以下の温度で、シランと亜酸化窒素とを含む雰囲気下において上記第２の絶縁膜を形成してもよい。
上記工程（ｂ）の後に、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記第２の絶縁膜の形成するための温度以下の温度で、一酸化窒素を含む雰囲気下でアニールを行なってもよい。
上記工程（ｂ）の後、上記工程（ｃ）の前に、上記第２の絶縁膜の上に第２のキャップ層を形成する工程（ｆ）をさらに備えることにより、上記工程（ｃ）および上記工程（ｄ）において、電極を形成するときに絶縁膜界面の品質が劣化するのを防ぐことができる。その結果、ゲート絶縁膜の信頼性の向上を図ることができる。
上記工程（ｆ）では、温度を上記第２の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０２Ｐａ以下のシランとアンモニア系のガスとを含む第２の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第２のキャップ層を形成してもよい。
上記工程（ｆ）では、上記第２の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第２のキャップ層を形成してもよい。
ただ、絶縁膜・半導体間の界面が十分に鋭く不連続であったとしても、この界面におけるバンド構造はそこで連続的に変化する。その厚みは０．５ｎｍであり、界面の非伝導領域から伝導領域に遷移する距離は最低０．５ｎｍであるということである。したがって、高品質界面を制御よく形成することを目的とする第１絶縁膜の膜厚の下限は０．５ｎｍとなるが、もちろん界面が不連続でなく幅を持つとすればその限りでない。
本発明の第２の半導体装置の製造方法は、ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化法によって酸化することにより絶縁膜を形成する工程（ａ）と、上記工程（ａ）の後に、酸素を含む分子を有する雰囲気中において、上記絶縁膜にアニールを行なう工程（ｂ）と、上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、上記ＳｉＣ基板の一部に、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）とを備える。
これにより、工程（ａ）において水素濃度が低く密度の高い絶縁膜を得ることができ、上記工程（ｂ）では、酸素によって、絶縁膜とＳｉＣ基板との間に形成されている遷移層の酸化を行なうことができるので、遷移層の厚みを薄くすることができる。
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含む雰囲気中において形成することにより、膜質の高いゲート絶縁膜を得ることができる。
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、１０００℃以上１４００℃以下の温度において形成することが好ましい。
上記工程（ｂ）では、オゾンを含む雰囲気にＵＶ光を照射して、上記アニールを行なうことにより、酸素ラジカルが発生して、効率よく遷移層の酸化を行なうことができる。
上記工程（ｂ）では、さらに、窒素を含む分子を有する雰囲気中において上記アニールを行なうことにより、絶縁膜中などに含まれる欠陥を窒素で埋めることができ、より遷移層の厚みを薄くすることができる。
上記工程（ｂ）では、アンモニアあるいは一酸化窒素を含む雰囲気下において上記アニールを行なってもよい。
上記工程（ａ）の後で、上記工程（ｂ）の前に、上記絶縁膜に前段階アニールを行なう工程（ｅ）をさらに備えることにより、遷移層やその付近に残留する炭素を排出することができる。
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、７００℃以上１０００℃以下の温度において、水素を含む雰囲気中で行なってもよい。
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、９００℃以上１２００℃以下の温度において、ハロゲンを含む雰囲気中で行なってもよい。
上記工程（ｅ）では、１０００℃以下の温度で、１３．３Ｐａ以下の圧力下で、ジクロロシランを含むガス雰囲気中において、上記前段階アニールを行なうことをにより、効果的に炭素を排出することができる。
最良の実施形態
−第１の実施形態−
本実施形態では、ＭＩＳＦＥＴ等のゲート絶縁膜として、ＳｉＣの熱酸化によって得られた第１の絶縁膜と、ＣＶＤ法などで堆積することによって得られた第２の絶縁膜とを形成する場合について説明する。
−発明者らの考察−
一般に、炭化珪素のＭＩＳＦＥＴを低損失パワー半導体装置に用いる場合には、炭化珪素上に、厚さ１５０ｎｍ程度以上のゲート絶縁膜を形成することが必要とされている。
しかしながら、炭化珪素の上部に熱酸化を行なうことにより形成した酸化膜中には炭素が残留し、特に、酸化膜のうち炭化珪素との界面部付近に位置する部分には高濃度の炭素が残留してしまう。このような炭素は欠陥が発生する原因となるので、ゲート絶縁膜側から炭化珪素側への遷移層における組成比の変化を鋭くすることが必要である。
ここで、炭化珪素と熱酸化膜との間の界面部付近に残留する炭素を除去して界面部の整合性をとるためには、熱酸化工程に続いて、さらなる酸化が進まない程度の低温下の酸素雰囲気中に基板を曝露する酸化膜アニール技術（以下では、ＰＯＡ処理と呼ぶ）を行なえばよいと考えられる。しかし、炭化珪素上に形成した熱酸化膜の膜厚が２０ｎｍ以上になると、十分なＰＯＡ処理を行なうことは困難である。
一方、炭化珪素上に酸化膜を形成する他の手法として、ＣＶＤ法により堆積した酸化膜をゲート絶縁膜として使用することが考えられる。ＣＶＤ法により形成された堆積酸化膜においては、酸化膜と炭化珪素との間の界面部の組成の変化が急峻である。また、堆積酸化膜は短時間で形成することが可能である。炭化珪素における熱酸化膜形成の速度はシリコンの速度の１／１００であることから、ＣＶＤ法は、生産性からみても工業的に必要な技術であるといえる。しかし、ＣＶＤ法により形成された堆積酸化膜においては、炭化珪素と堆積酸化膜との界面部の原子間における非結合手を減らす界面部制御が難しい。そのため、堆積酸化膜をデバイスへ応用するのは困難である。
そこで、発明者らは、炭化珪素の上部を熱酸化することにより形成された熱酸化膜の上に、さらにＣＶＤ酸化膜を堆積したものをゲート絶縁膜とする方法を考えだした。
−ゲート絶縁膜の構造およびデバイスへの適用例−
以下に、上述の考察から生み出されたゲート絶縁膜の構造と、そのゲート絶縁膜を反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について述べる。
以下に、第１の実施形態における半導体装置のうち、ゲート絶縁膜付近の構造について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
図１に示すように、本発明の半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分においては、ｐ型のＳｉＣ層１の上に、厚さ５ｎｍの熱酸化膜である第１の絶縁膜２と、厚さ５ｎｍの酸窒化膜である第１のキャップ層３と、厚さ１３０ｎｍの堆積酸化膜である第２の絶縁膜４と、厚さ５ｎｍの酸窒化膜である第２のキャップ層５とからなるゲート絶縁膜６が形成され、その上に、ゲート電極７が形成されている。そして、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間には、厚さ１ｎｍ以下の遷移層８が介在している。
本実施形態においては、ゲート絶縁膜６に、ＳｉＣの熱酸化によって得られた第１の絶縁膜と、ＣＶＤ法などで堆積することによって得られた第２の絶縁膜とが含まれる。以下に、そのゲート絶縁膜６の構造について詳しく説明する。
第１の絶縁膜２は、ＳｉＣ層１に接しているため、デバイスの電気特性に大きな影響を与える。第１の絶縁膜２は、ＳｉＣ層１の上部を熱酸化することにより得られた熱酸化膜であり、これにより、ＣＶＤ法などによってＳｉＣ層１の上に堆積酸化膜を形成する場合と比較して、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部（以下では、ＳｉＣ−絶縁膜界面部とする。）の品質を保つことが容易となる。また、第１の絶縁膜２は、厚さが０．５〜２０ｎｍであることが好ましく、これにより、従来よりも厚さの値が小さいので、ＳｉＣ−絶縁膜界面部の制御は容易となる。
ここで、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の遷移層８に関して、図６および図７を用いて説明しておく。図６は、ＳｉＣの上部を熱酸化して二酸化珪素膜を形成した試料のＳＩＭＳ分析の結果を示すグラフ図である。本明細書において、遷移層とは、ＳｉＣ層と酸化膜（酸窒化膜など、酸素を含有する膜を含む）との界面において、炭素の組成比が変化している領域のことをいう。言い換えると、図６に示すグラフ図において、１８Ｏ強度の立ち下がり点Ａと、１３Ｃ強度の上がりきった点Ｂとの間の領域が遷移層８である。
この領域は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃの３元素の組成比が、連続的に変化する領域である。この領域においては、界面トラップの起源となる欠陥が大量に含まれている。
図７は、遷移層厚みと界面トラップ総数との相関関係を示すグラフ図である。図７において、遷移層厚みが３ｎｍ以上のデータは、従来の方法により作成した。界面トラップ数は、図６の測定と同様の酸化膜を用いてＭＯＳダイオードを形成して、ＣＶ解析をすることにより算出した。また、熱酸化膜は、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面上に形成した。
本実施形態の方法により、ＳｉＣ−熱酸化膜界面の遷移層８の厚みが１ｎｍ以下となり、総トラップ数は、７×１０１１ｃｍ−２となった。これにより、ＳｉＣ−熱酸化膜界面の電気特性を向上させ、チャネル移動度を上げることができる。このときのチャネル移動度の値は６０ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）である。
なお、ここでは、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面上に酸化膜を形成したが、本発明では、他の結晶面上においても、良好なＳｉＣ−酸化膜界面を有する酸化膜を形成することができる。
本実施形態では、第１の絶縁膜２を薄くすることで、ＳｉＣ基板１の上に形成される遷移層８の厚みを薄く留めることができるので、トラップ数を低減することができる。
なお、第１の絶縁膜２として、熱酸化膜のかわりに、微量（例えば、含有率が０．１％以下程度）のＮを含む熱酸化膜を用いれば、さらにトラップ数を減らすことができる。
ＳｉＣ−絶縁膜界面部の遷移層８において、組成比の変化が十分に鋭く不連続である場合においても、遷移層８におけるバンドは連続的に変化する。このときの遷移層８の厚さは、０．５ｎｍ程度である。つまり、ＳｉＣ−絶縁膜界面部において、非伝導領域から伝導領域に遷移する距離は、０．５ｎｍ程度以上であるといえる。
第１のキャップ層３は、後の熱処理工程において、酸素が第１の絶縁膜２およびＳｉＣ層１に拡散することを阻止する役割を果たす。第１のキャップ層３が１０〜５０％付近のＮ含有率を有する酸窒化膜である場合には、酸窒化膜内における応力の発生が抑制されるため、欠陥密度が低減される。第１のキャップ層３の膜厚は０．５〜１０ｎｍであることが好ましい。これにより、キャップとしての機能が発揮され、かつ、膜厚が厚すぎることによって欠陥の影響が大きくなるのを抑制することができる。
第２の絶縁膜４は、絶縁膜の膜厚を１５０ｎｍ程度以上にするために、ＣＶＤ法によって形成されている。第２の絶縁膜４により、リーク電流の発生が抑制され、デバイスの信頼性を確保することができる。第２の絶縁膜４は、５０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有していることが好ましい。第２の絶縁膜４は、酸化膜の他に、酸窒化膜，窒化膜または高誘電体材料によって形成されていてもよい。第２の絶縁膜４が高誘電体材料によって構成されている場合には、リーク電流が抑制される。さらに、高い信頼性が保持された状態で絶縁膜容量が増大するため、相互コンダクタンスの値が向上する。
第２のキャップ層５は、厚さ０．５〜１０ｎｍの窒化膜であることが好ましい。これにより、ゲート電極７を形成する際に、ゲート電極７から第２の絶縁膜４に亘る領域に不純物が拡散するのを防止することができる。この不純物とは、ゲート電極材料が金属である場合には金属であり、ゲート電極材料がポリシリコンである場合にはボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）といったものである。
次に、上述のようなゲート絶縁膜６を用いた半導体装置の構造について、図２を参照しながら説明する。図２は、第１の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
図２に示すように、本実施形態の半導体装置は、ＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０の上部に形成されたｐ型のＳｉＣ層１と、ＳｉＣ層１の上に遷移層８を介して形成されたゲート絶縁膜６と、ゲート絶縁膜６の上に形成されたゲート電極７と、ゲート絶縁膜６およびゲート電極７の側方の領域に設けられたソース領域１２，ドレイン領域１３と、ソース領域１２およびドレイン領域１３の上にそれぞれ設けられたソース電極１４，ドレイン電極１５とから構成されている。ここで、ＳｉＣ基板１０は、ｐ型半導体とｎ型半導体のうちのいずれであってもよい。また、ＳｉＣ基板１０のかわりに絶縁体の基板を用いていてもよい。
以下に、本実施形態の半導体装置のうちのゲート絶縁膜の製造方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、第１の実施形態における半導体装置のゲート絶縁膜を形成する工程の条件を表にして示す図である。
まず、ステップＳＴ１で、シランを導入しながら、減圧雰囲気下において、ＳｉＣ層１の温度を１３００℃まで昇温させる。このとき、減圧雰囲気下においてはＳｉＣの昇華速度は比較的遅いので、シランを導入せずに昇温してもよい。
次に、ステップＳＴ２で、ＳｉＣ層１上に、１．４×１０２Ｐａ以下の酸素を供給することにより、厚さ５ｎｍ程度の熱酸化膜である第１の絶縁膜２を形成する。ここで、酸素の分圧を１．４×１０２Ｐａ以下にすることにより、１３００℃程度の高温下においても、第１の絶縁膜を膜厚の制御性よく形成することができる。また、第１の絶縁膜２は、ＭＢＥ法により形成すると界面部の制御が容易となり、数原子層の制御が容易となる。
また、熱酸化の際に、雰囲気中に、酸素分圧の１０％以下程度の分圧の亜酸化窒素を含めることにより、窒素含有率が１０％以下の第１の絶縁膜を形成することができる。このように、微量の窒素を熱酸化膜中に含めることにより、酸化膜中における欠陥の発生を防止することができる。
また、ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＣ基板１上を、酸化性ガスと、パルス状に制御された分圧１．４×１０Ｐａ以下のシランとを含む雰囲気中に露出することによっても、ＳｉＣ基板１と第１の絶縁膜２との間に急峻な界面部を有する第１の絶縁膜２を形成することができる。ここで、シランを導入することによりＳｉをＳｉＣ基板上に供給することができるので、熱酸化の際に、ＳｉＣ基板１の上部を酸化することなく良質の熱酸化膜を形成することができる。
なお、第１の絶縁膜２を形成する前に、ＳｉＣ層１の表面に、８００〜１０００℃の温度下においてＵＶオゾン洗浄処理を行なってもよい。
次に、ステップＳＴ３で、基板上に、３．９×１０４Ｐａの一酸化炭素雰囲気中あるいは酸素雰囲気中で、１３００℃のアニールを行なうことにより、界面部の品質を向上させることができる。
ここで、アニールは、６００〜１４００℃の温度下で、大気圧以下の一酸化炭素または酸素を３時間以下供給して行なうことにより、欠陥の発生を抑制することができる。
次に、ステップＳＴ４で、基板をＣＶＤ装置内に導入し、第１の絶縁膜２上に、９００℃で、６６．５Ｐａのシランおよびアンモニアを１０分間供給することにより、厚さ５ｎｍ程度の窒化膜である第１のキャップ層３を形成する。
ここで、温度は、６００〜１０００℃の範囲内で、かつ、ステップＳＴ２に示す第１の絶縁膜形成温度よりも低い温度に設定し、シランの分圧は、１．４×１０２Ｐａ以下に設定する。これにより、絶縁膜中に発生する欠陥の数を最少にすることができる。このとき、欠陥の発生を防止するために、装置中の温度を室温に戻さない。
ここで、上記のシラン，アンモニア系のガスに加えて、全体の流量のうち１０％以下の流量の亜酸化窒素を加えることにより、窒素含有比が１０〜３０％である酸窒化膜を形成することができる。
次に、ステップＳＴ５で、第１のキャップ層３上に、ＣＶＤ法により、８００℃で、６．６５×１０Ｐａのジクロロシランおよび亜酸化窒素を３０分間供給することにより、厚さ１３０ｎｍ程度の堆積酸化膜である第２の絶縁膜４を形成する。なお、第２の絶縁膜４の材料として、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｒＴｉＯ３，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，ＴａＯ５，ＴｉＯ２，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２などを組み合わせて用いてもよく、あるいは、他の材料を含ませて用いてもよい。
ここで、第２の絶縁膜４の形成を、６００〜８００℃の温度範囲で、かつ、第１のキャップ層３の形成温度，アニール温度よりも低い温度で行なうことにより、絶縁膜の品質を保持することができる。
次に、ステップＳＴ６で、３．４×１０４Ｐａの一酸化窒素雰囲気下で、温度８００℃で１時間の熱処理を行なう。
次に、ステップＳＴ７で、第２の絶縁膜４上に、８００℃で、１．４×１０Ｐａのシランおよびアンモニアを１０分間供給することにより、厚さ１０ｎｍ程度の窒化膜である第２のキャップ層５を形成する。
次に、ステップＳＴ８で、基板を常温まで冷却することにより、第１の絶縁膜２，第１のキャップ層３，第２の絶縁膜４，第２のキャップ層５からなるゲート絶縁膜６を得ることができる。
以下に、本実施形態において得られる効果について述べる。
本実施形態の半導体装置においては、ゲート絶縁膜６は、厚さ０．５ｎｍ〜２０ｎｍの，ＳｉＣ層１の熱酸化により得られた第１の絶縁膜２と、厚さ５ｎｍ〜２００ｎｍの，ＣＶＤ法などによって堆積された第２の絶縁膜４とを有している。
これにより、第１の絶縁膜２の厚さは、従来の熱酸化膜の厚さよりも薄いので、従来よりも、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部の制御が容易になる。このことから、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部における遷移層の厚さを１ｎｍ以下にすることができ、界面準位トラップの発生を抑制することが可能となる。さらに、ステップＳＴ４に示すアニール処理などのＰＯＡ処理により、第１の絶縁膜２中やＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部付近に残留する炭素を洗浄化して界面部の整合性をとることが容易となる。
同時に、第２の絶縁膜４により、ゲート絶縁膜６全体としての厚さを、低損失パワー半導体装置のゲート絶縁膜の厚さとして必要な１５０ｎｍ程度以上の厚さとすることができる。
−第２の実施形態−
本実施形態では、第１の実施形態で考察したゲート絶縁膜を蓄積型エンハンスメント型の絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について述べる。
以下に、本発明の第２の実施形態における半導体装置のうち、ゲート絶縁膜付近の構造について、図４を参照しながら説明する。図４は、第２の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
図４に示すように、本発明の半導体装置においては、ｐ型のＳｉＣ層２１の上部に、ｎ型のチャネル領域２８が形成されており、その上に、厚さ５ｎｍ程度の熱酸化膜である第１の絶縁膜２２と、厚さ５ｎｍ程度の酸窒化膜である第１のキャップ層２３と、厚さ１３０ｎｍ程度の堆積酸化膜である第２の絶縁膜２４と、厚さ５ｎｍ程度の酸窒化膜である第２のキャップ層２５とからなるゲート絶縁膜２６が形成され、その上に、ゲート電極２７が形成されている。そして、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間には、厚さ１ｎｍ以下の遷移層２９が介在している。
次に、上述のようなゲート絶縁膜２６を用いた半導体装置の構造について、図５を参照しながら説明する。図５は、第２の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
図５に示すように、本実施形態の半導体装置は、ｎ型のＳｉＣ基板２０と、ＳｉＣ基板２０の上に形成されたｐ型のＳｉＣ層２１と、ＳｉＣ層２１の上部に形成されたｎ型のチャネル領域２８と、チャネル領域２８の上に、遷移層２９を挟んで形成されたゲート絶縁膜２６と、ゲート絶縁膜２６の上に形成されたゲート電極２７と、ＳｉＣ基板２０のうちゲート絶縁膜２６およびゲート電極２７の側方の領域に設けられたソース領域３２，ドレイン領域３３と、ソース領域３２およびドレイン領域３３の上にそれぞれ設けられたソース電極３４，ドレイン電極３５とから構成されている。
本実施形態の半導体装置の製造方法は、ｐ型のＳｉＣ層２１の上部にｎ型のチャネル領域２８を形成することを除いて、第１の実施形態と同じである。また、本実施形態において、ゲート絶縁膜を形成することにより得られる効果も第１の実施形態の場合と同様である。
−第３の実施形態−
本実施形態においては、第１の実施形態で考察したゲート絶縁膜を、δドープ層を有する絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について説明する。
本実施形態の特徴は、第１の実施形態において説明したゲート絶縁膜が、δドープ層の上に形成されている点である。このゲート絶縁膜の構造は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
図８は、第３の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
図８に示すように、本実施形態における半導体装置は、ｎ型のＳｉＣ基板４０と、ＳｉＣ基板４０の上部に形成されたｐ型のＳｉＣ層４１と、ｐ型のＳｉＣ層４１の上部に形成された、δドープ層を有するチャネル領域４６と、チャネル領域４６の上に形成されたゲート絶縁膜４７と、ゲート絶縁膜４７の上に形成されたゲート電極４８と、ＳｉＣ層４１のうちゲート絶縁膜４７およびゲート電極４８の側方の領域に設けられたソース領域４２およびドレイン領域４３と、ソース領域４２およびドレイン領域４３の上にそれぞれ設けられたソース電極４４およびドレイン電極４５とから構成されている。
本実施形態における半導体装置の製造方法は、ｐ型のＳｉＣ層４１の上部にδドープ層を有するチャネル領域４６を形成することを除いて、第１の実施形態と同じである。また、本実施形態において、ゲート絶縁膜を形成することにより得られる効果も第１の実施形態の場合と同様である。
−第４の実施形態−
本実施形態では、第１の実施形態で考察したゲート絶縁膜を縦型の絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について説明する。
本実施形態の特徴は、第１の実施形態において説明したゲート絶縁膜が、縦型ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いられている点である。ゲート絶縁膜の構造は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図９は、第４の実施形態における縦型の蓄積型エンハンスメント型のＭＩＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
図９に示すように、本実施形態の半導体装置では、ＳｉＣ基板５０の上に、第１ＳｉＣ層５１が形成されている。
そして、第１ＳｉＣ層５１の上部の一部には、第２導電型（ｐ型）の不純物を含むｐウェル領域５２が設けられており、第１ＳｉＣ層５１のうちｐウェル領域５２を囲む領域は、第１導電型（ｎ型）の不純物を含むドリフト領域５３が設けられている。
第１ＳｉＣ層５１のうち、ドリフト領域５３の上から、互いに離間する２つのｐウェル領域５２の上には、コンタクトホール（溝）５５を有する第２ＳｉＣ層５４が設けられている。そして、第２ＳｉＣ層５４のうち両端部を除く部分には、第１導電型の不純物を含む蓄積型チャネル層５６が設けられている。そして、第２ＳｉＣ層５４のうちの両端部から、第１ＳｉＣ層５１のうち上記両端部の下に位置する部分に亘って、第１導電型の不純物を含むコンタクト領域５７が設けられている。
コンタクト領域５７の上から、コンタクトホール５５の下面に露出するｐウェル領域５２の上に亘って、第１のオーミック電極（ソース電極）５８が設けられている。
第２ＳｉＣ層５４のうち蓄積型チャネル層５６の上から、コンタクト領域５７のうち蓄積型チャネル層５６との境界に位置する部分の上に亘って、ゲート絶縁膜５９が設けられている。このゲート絶縁膜５９は、第１の実施形態と同様の構造を有している。ゲート絶縁膜５９の上には、ゲート電極６０が設けられている。
そして、ＳｉＣ基板５０の主面と対向する面（下面）上には、第２のオーミック電極（ドレイン電極）６１が設けられている。
本実施形態における半導体装置は、ゲート絶縁膜５９を形成する工程を除いて、周知の製造方法により形成することができる。ゲート絶縁膜５９を形成する方法は、第１の実施形態と同様である。また、ゲート絶縁膜５９を形成することによって得られる効果も第１の実施形態と同様である。
また、本実施形態では、縦型ＭＩＳＦＥＴの例として蓄積型エンハンスメント型のトランジスタを示したが、本発明は、反転型エンハンスメント型のトランジスタにも適用することができる。
−第５の実施形態−
本実施形態では、ＭＩＳＦＥＴ等のゲート絶縁膜として、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化した後に所定の条件でアニールすることによって形成された酸化膜を用いる場合について説明する。
−発明者らの考察−
熱酸化膜をＳｉＣ層のウェット酸化によって形成する場合には、高濃度の水蒸気を含む酸素雰囲気下にＳｉＣ層を曝露する。ウェット酸化による方法では、界面準位トラップ密度を５×１０１１ｃｍ−２ｅＶ−１以下に抑えることができる。しかし、この熱酸化膜では、膜中に含まれる水素濃度が高く、密度が低いため、絶縁耐圧は低い。そのため、ウェット酸化による熱酸化膜は信頼性に欠けると考えられる。
また、ウェット酸化による熱酸化膜では、バンドギャップ中の伝導帯付近に生成する界面準位密度を効果的に下げることはできない。したがって、ウェット酸化による熱酸化膜を用いて半導体装置を形成した場合には、移動度を劇的に向上させることは難しい。
一方、熱酸化膜をＳｉＣ層のドライ酸化によって形成する場合には、水蒸気が導入されず水蒸気分圧が全圧の２０パーセント以下の状態の酸素雰囲気中にＳｉＣ層を曝露する。なお、より好ましくは、水蒸気圧が全圧の１０パーセント以下にＳｉＣ層を曝露する。このようにして形成された熱酸化膜では、水素の濃度は低く、密度は高い。そのため、ドライ酸化による熱酸化膜は、ウェット酸化による熱酸化膜よりも優れた膜質を有している。しかし、ドライ酸化による熱酸化膜では、熱酸化膜とＳｉＣ基板との界面領域に高濃度の炭素が残留するため、界面準位トラップ密度が１×１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１以上より大きくなってしまう。
ここで、ドライ酸化により形成した熱酸化膜を、ドライ酸化温度よりも低い温度でウェット雰囲気中で再酸化することにより、バンドギャップ中の伝導体付近に生成する界面準位密度を下げることができる。この方法によっても、遷移層の厚みが１ｎｍ以下になるほど十分に界面準位密度を下げることは困難である。
以上のように、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化することにより熱酸化膜を形成した場合には、熱酸化膜と炭化珪素との界面における遷移層の厚みを減らすことは難しい。しかしながら、ドライ酸化により形成した酸化膜は、緻密性が高く欠陥密度は低いという性質を有しており、ゲート絶縁膜に適しているといえる。
そこで、発明者らは、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化して膜質の高い酸化膜を形成した後に、所定の条件で熱酸化することにより遷移層の厚さを低減する方法を考えだした。
−ゲート絶縁膜の構造およびデバイスへの適用例−
以下に、上述の考察により生み出されたゲート絶縁膜の構造と、そのゲート絶縁膜を絶縁ゲート型半導体装置を適用する例について述べる。
以下に、第５の実施形態における半導体装置のうち、ゲート絶縁膜付近の構造および製造方法について、図１０および図１１を参照しながら説明する。図１０は、第５の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の構造を示す断面図である。図１０に示すように、本実施形態の半導体装置では、ＳｉＣ基板７１の上に遷移層７２を挟んで熱酸化膜７３が形成されている。図１１は、第５の実施形態において、半導体装置のゲート絶縁膜を形成し、アニールを行なう工程の条件を示すタイムチャート図である。
まず、図１１に示すように、ＳｉＣ基板７１（図１０に示す）を、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面を主面側として５００℃の酸素雰囲気中に投入する。そして、ＳｉＣ基板７１の温度を１３００℃まで昇温させて、２時間の熱酸化（ドライ酸化）を行なう。その結果、ＳｉＣ基板７１の４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面上に、ゲート絶縁膜として機能する膜厚４０ｎｍの熱酸化膜７３が形成される。次に、１０００℃の温度の水素雰囲気下で、１時間の前段階アニールを行なう。前段階アニールを行なうことにより、遷移層７２やその付近に残存する炭素を排出することができる。続いて、水素雰囲気を保った状態で９００℃の温度まで降温する。
そして、９００℃の温度において、酸素を含む分子を有する雰囲気中に３時間曝露することにより、アニールを行なう。
酸素を含む分子を有する雰囲気中では、活性な酸素を発生させることにより、遷移層７２を酸化することができ、炭素を排出することができると考えられる。ここで、活性な酸素とは、酸素ラジカルや、一酸化窒素などの酸素を含む反応性の高い分子のことをいう。酸素ラジカルは、オゾンなどの酸素を含む分子を、ＵＶ光の照射下やプラズマ中に導入することにより生成することができる。
このアニールにおいては、酸素を含む分子に加えて、窒素を含む分子を供給することにより、さらに遷移層７２の厚さを薄くすることができる。これは、炭素が排出されること等により熱酸化膜中に生じた欠陥を活性な窒素で埋めることができるからと考えられる。ここで、活性な窒素とは、窒素ラジカルや、一酸化窒素などの窒素を含む反応性の高い分子のことをいう。窒素ラジカルは、窒素分子やアンモニア等の窒素を含む分子を、ＵＶ光の照射下やプラズマ等に導入することにより生成することができる。この活性な窒素は窒素パッシベーション効果を有する。
前段階アニールおよびアニールを行なうことにより、図１０に示すように、ＳｉＣ基板７１と熱酸化膜７３との間に１ｎｍ以下の厚みを有する遷移層７２を形成することができる。この遷移層７２の厚さは従来と比較して薄いことから、ＳｉＣ基板７１と熱酸化膜７３との界面は、より急峻になったといえる。
以上に述べたような熱酸化膜は、図２に示すような反転型エンハンスメント型の半導体装置、図５に示すような蓄積型エンハンスメント型の半導体装置、図８に示すようなδドープ層を用いた半導体装置および図９に示すような縦型の半導体装置のゲート絶縁膜として用いることができる。なお、これらの半導体装置のうちゲート絶縁膜を除く構造は、第１〜第４の実施形態において説明した構造と同様であるので、説明を省略する。
本実施形態の熱酸化膜を４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面の上に形成して、反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いると、実効チャネル移動度が５０ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）以上にまで向上する。
上記のように、本実施の形態によると、形成される遷移層の厚みを１ｎｍ以下に抑制することができる。同時に、ゲート絶縁膜中に含まれる水素濃度を低くすることができ、ゲート絶縁膜の密度を高くすることができる。このことから、絶縁耐圧が高く信頼性に優れ、かつチャネル・コンダクタンスが高くオン抵抗が低い、低損失の半導体装置を得ることができる。
なお、本実施形態の熱処理は、特に、膜厚が２０ｎｍ以下の熱酸化膜に適用することが好ましい。その場合には、ドライ酸化によって２０ｎｍ以下の膜厚を有する熱酸化膜を形成して所定の熱処理を施した後、熱酸化膜上に必要な膜厚の酸化物や窒化物を堆積してゲート絶縁膜として用いる。このように形成したゲート絶縁膜では、信頼性を高めることができ、品質を向上させることができる。
−第６の実施形態−
本実施形態では、第５の実施形態と同様に、ＭＩＳＦＥＴ等のゲート絶縁膜として、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化した後に所定の条件でアニールすることによって形成された酸化膜を用いる場合について説明する。
本実施形態では、第５の実施形態における前段階アニールを水素雰囲気中において行なうかわりに、ハロゲンを含む雰囲気中で行なう。この前段階アニールは１０００℃の温度で３０分間行なう。そして、ハロゲンを含む雰囲気を保った状態で９００℃の温度まで降温する。活性なハロゲンを含む雰囲気中では、活性なハロゲンとして、ハロゲンラジカルを発生させてもよいし、ハロゲンを含む四塩化珪素、三塩化シラン、ジクロルシランなどのガスを用いてもよい。前段階アニールを行なうことにより、遷移層７２やその付近に残存する炭素を排出することができる。
それ以外の工程は、第５の実施形態と同様であるので、図示および説明を省略する。
本実施形態の熱酸化膜を４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面の上に形成して、反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いると、実効チャネル移動度が５０ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）以上にまで向上する。
以上に述べたような熱酸化膜は、図２に示すような反転型エンハンスメント型の半導体装置、図５に示すような蓄積型エンハンスメント型の半導体装置、図８に示すようなδドープ層を用いた半導体装置および図９に示すような縦型の半導体装置のゲート絶縁膜として用いることができる。なお、半導体装置のうちゲート絶縁膜を除く構造はこれまでに説明した構造と同様であるので、半導体装置の構造および製造方法の説明は省略する。
上記のように、本実施の形態によると、形成される遷移層の厚みを１ｎｍ以下に抑制することができる。同時に、ゲート絶縁膜中に含まれる水素濃度を低くすることができ、ゲート絶縁膜の密度を高くすることができる。このことから、絶縁耐圧が高く信頼性に優れ、かつチャネル・コンダクタンスが高くオン抵抗が低い、低損失の半導体装置を得ることができる。
本実施形態の熱酸化膜を４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面の上に形成して、反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いると、実効チャネル移動度が５０ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）以上にまで向上する。
なお、本実施形態の熱処理は、特に、膜厚が２０ｎｍ以下の熱酸化膜に適用することが好ましい。その場合には、ドライ酸化によって２０ｎｍ以下の膜厚を有する熱酸化膜を形成して所定の熱処理を施した後、熱酸化膜上に必要な膜厚の酸化物や窒化物を堆積してゲート絶縁膜として用いる。このように形成したゲート絶縁膜では、信頼性を高めることができ、品質を向上させることができる。
−その他の実施形態−
商用パワーデバイスとして使用される絶縁ゲート型トランジスタは、逆方向耐圧を出すため、あるいはオン抵抗が低い状態で定格電流を流すために、さまざまな構造で設計される。そのため、本発明の絶縁ゲート型トランジスタは、第１〜第６の実施形態で述べた構造に限られるものではない。例えば、本発明は、プレーナ型リサーフ構造の絶縁ゲート型トランジスタ、バーティカル型絶縁ゲート型トランジスタあるいはトレンチゲート型の絶縁ゲート型トランジスタにも適用することができる。これらのトランジスタを形成した場合にも、第１〜第６の実施形態におけるゲート絶縁膜に関する効果と同様の効果を得ることができる。
また、本発明は、第１〜第６の実施形態で述べたような半導体装置の他に、ＤＭＩＳ、トレンチ分離型ＭＩＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの絶縁ゲート型半導体装置に適用することができる。
なお、第１〜第４の実施形態においては、ゲート絶縁膜は、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、第１のキャップ層および第２のキャップ層から構成されていた。しかし、本発明においては、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とが形成されておればよく、第１のキャップ層および第２のキャップ層が形成されていなくてもよい。第２のキャップ層が形成されていない場合には、特に、第２の絶縁膜が酸窒化膜であると、第２の絶縁膜がゲート電極を形成する際の金属の拡散を防止する役割を果たすことができるので、第２のキャップ層が形成されている場合と同様の効果を得ることができる。
第１〜第４の実施形態において、第１の絶縁膜が、ウェット雰囲気中において熱酸化されることにより形成されている場合にも、効果を得ることができる。
第１〜第４の実施形態における第２の絶縁膜が、プラズマＣＶＤ法を用いて形成されている場合にも、第１〜第４の実施形態において述べた効果と同様の効果を得ることができる。
産業上の利用可能性
本発明の半導体装置およびその製造方法は、電子機器に搭載されるパワーデバイスとして利用され、特に、横型ＭＩＳＦＥＴ、δドープ層を有するＭＩＳＦＥＴ、縦型ＭＩＳＦＥＴなどのデバイスおよびその製造方法に利用される。
【図面の簡単な説明】
図１は、第１の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
図２は、第１の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
図３は、第１の実施形態における半導体装置のゲート絶縁膜を形成する工程の条件を表にして示す図である。
図４は、第２の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
図５は、第２の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
図６は、ＳｉＣの上部を熱酸化して二酸化珪素膜を形成した試料のＳＩＭＳ分析の結果を示すグラフ図である。
図７は、遷移層厚みと界面トラップ総数との相関関係を示すグラフ図である。
図８は、第３の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
図９は、第４の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
図１０は、第５の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の構造を示す断面図である。
図１１は、第５の実施形態において、半導体装置のゲート絶縁膜を形成し、アニールを行なう工程の条件を示すタイムチャート図である。
【図１】
2003047000.tif 000003
【図２】
2003047000.tif 000004
【図３】
2003047000.tif 000005
【図４】
2003047000.tif 000006
【図５】
2003047000.tif 000007
【図６】
2003047000.tif 000008
【図７】
2003047000.tif 000009
【図８】
2003047000.tif 000010
【図９】
2003047000.tif 000011
【図１０】
2003047000.tif 000012
【図１１】
2003047000.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成16年3月19日(2004.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース領域およびドレイン領域を有するＳｉＣ基板と、
上記ＳｉＣ基板の一部の上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを備え、
上記ＳｉＣ基板と上記ゲート絶縁膜との界面領域には、厚みが１ｎｍ以下の遷移層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜が、上記ＳｉＣ基板の一部を酸化して形成された第１の絶縁膜と、
上記第１の絶縁膜の上方に堆積された第２の絶縁膜と
を少なくとも有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜の膜厚が、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部を熱酸化することにより形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜は、含有率で１０．０％以下の窒素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第２の絶縁膜の膜厚が、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第２の絶縁膜は、酸化物，窒化物あるいは酸窒化物のうちのいずれか１つからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第１の絶縁膜と上記第２の絶縁膜との間に、第１のキャップ層を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
上記第１のキャップ層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置において、
上記第１のキャップ層は、Ｎ／（Ｎ＋Ｏ）の値が０．１以上０．５以下である酸窒化膜からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記第２の絶縁膜と上記ゲート電極との間に、厚さ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の窒化膜または酸窒化膜からなる第２のキャップ層を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、水素を含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、ハロゲンを含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記半導体装置は、反転型エンハンスメント型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記半導体装置は、蓄積型エンハンスメント型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
ＳｉＣ基板の一部を酸化することにより、第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
上記第１の絶縁膜の上方に、第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記第１の絶縁膜および上記第２の絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部に、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板の一部を、８００℃以上１４００℃以下の温度で熱酸化することにより上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素分圧が１．４×１０2 Ｐａ以下である雰囲気下において酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素と亜酸化窒素とを含む雰囲気下、あるいは酸素と一酸化窒素を含む雰囲気下において酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、酸素分圧が大気圧以下で、亜酸化窒素分圧または一酸化窒素分圧が上記酸素分圧の値の１０％以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板をＣＶＤ装置内に導入し、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含み、分圧１．４×１０2 Ｐａ以下のシランを含む雰囲気下で、上記ＳｉＣ基板上を酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）の後に、分圧１．４×１０Ｐａ以上大気圧以下の一酸化窒素雰囲気下において、６００℃以上１４００℃以下の温度で、１時間以上のアニールを行なう工程をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）の後に、上記第１の絶縁膜の上に第１のキャップ層を形成する工程（ｅ）をさらに備え、
上記工程（ｂ）では、上記第１のキャップ層の上に、上記第２の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、温度を上記第１の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０2 Ｐａ以下のシランと、アンモニア系のガスとを含む第１の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第１のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
請求項２３に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、上記第１の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第１のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、ＣＶＤ法により、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記アニールの温度以下の温度で、シランと亜酸化窒素とを含む雰囲気下において上記第２の絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２７】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）の後に、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記第２の絶縁膜を形成するための温度以下の温度で、一酸化窒素を含む雰囲気下でアニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２８】
請求項１６に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）の後、上記工程（ｃ）の前に、上記第２の絶縁膜の上に第２のキャップ層を形成する工程（ｆ）をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｆ）では、温度を上記第２の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０2 Ｐａ以下のシランとアンモニア系のガスとを含む第２の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第２のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｆ）では、上記第２の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第２のキャップ層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３１】
ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化法によって酸化することにより絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
上記工程（ａ）の後に、酸素を含む分子を有する雰囲気中において、上記絶縁膜にアニールを行なう工程（ｂ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、
上記ＳｉＣ基板の一部に、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含む雰囲気中において形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３３】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、１０００℃以上１４００℃以下の温度において形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３４】
請求項３１〜３３のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、オゾンを含む雰囲気にＵＶ光を照射して、上記アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３５】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、さらに、窒素を含む分子を有する雰囲気中において上記アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｂ）では、アンモニアあるいは一酸化窒素を含む雰囲気下において上記アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３７】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ａ）の後で、上記工程（ｂ）の前に、上記絶縁膜に前段階アニールを行なう工程（ｅ）をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、７００℃以上１０００℃以下の温度において、水素を含む雰囲気中で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３９】
請求項３７に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、９００℃以上１２００℃以下の温度において、ハロゲンを含む雰囲気中で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程（ｅ）では、１０００℃以下の温度で、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）以下の圧力下で、ジクロロシランを含むガス雰囲気中において、上記前段階アニールを行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ層を有する半導体装置とその製造方法に係り、特に、絶縁ゲート型の半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素は、他のバンドギャップが大きい半導体材料と比べても高い絶縁破壊特性を有する。そのため、近年では低損失パワーデバイスへの適用が期待されている。
【０００３】
炭化珪素の上部を熱酸化すると、炭化珪素の上に良質の二酸化珪素膜を形成することができる。このことから、大電力駆動用の炭化珪素半導体装置を形成するためには、絶縁ゲート型半導体装置の形態にすることが有力であると考えられる。
【０００４】
炭化珪素を用いたＭＩＳＦＥＴを低損失パワー半導体装置に用いる場合には、オン抵抗を低減することにより損失を低減するために、ゲート絶縁膜とＳｉＣ基板との界面領域における界面準位トラップ密度を低くすることが必要とされている。ここで、ゲート絶縁膜とＳｉＣ基板との界面領域には炭素の残留している遷移層が形成され、遷移層と界面準位トラップ密度とには相関関係がある。この相関関係によると、界面準位トラップ密度を１×１０12［ｃｍ-2ｅＶ-1］以下にするには、遷移層の厚みを１ｎｍ以下にする必要のあることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
一般に、炭化珪素上にゲート絶縁膜用の熱酸化膜を形成するために、炭化珪素基板を１０００℃〜１４００℃の温度において酸化性ガス雰囲気に曝露する。この熱酸化の工程においては、炭化珪素の構成元素のうち化学量論的に約半分の量を占める炭素の振る舞いが、炭化珪素と熱酸化膜との間の界面部形成に大きく関与し、デバイスの電気特性に影響を与えている。
【非特許文献１】K.Yamashita et al,ICSCRM 2001 Part2 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、炭化珪素上にゲート絶縁用の熱酸化膜を形成するためには、以下のような不具合が生じていた。
【０００７】
まず、炭化珪素上に熱酸化膜を形成する場合には、熱酸化膜中に存在する欠陥に起因して、炭化珪素と熱酸化膜との間の界面部に高濃度の界面準位トラップが生じてしまう。例えば、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面上に形成された厚さ４０ｎｍの熱酸化膜中において、界面準位トラップ密度を５×１０11[ｃｍ-2ｅＶ-1]以下に抑えることは難しい。
【０００８】
この界面準位トラップは、電子輸送に大きな影響を及ぼし、デバイスのチャネル・コンダクタンスを著しくおとしめている。
【０００９】
本発明の目的は、ＳｉＣ層を有する半導体装置において絶縁膜とＳｉＣ層との間の界面部の整合性をとる手段を講ずることにより、低損失で信頼性の高い半導体装置を提供することと、工業的に好適である時間内で上記半導体装置を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域を有するＳｉＣ基板と、上記ＳｉＣ基板の一部の上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを備え、上記ＳｉＣ基板と上記ゲート絶縁膜との界面領域には、厚みが１ｎｍ以下の遷移層が形成されている。
【００１１】
これにより、チャネル抵抗を低減することができ、ＳｉＣパワーデバイスの性能を十分に引き出すことが可能となる。
【００１２】
上記ゲート絶縁膜が、上記ＳｉＣ基板の一部を酸化して形成された第１の絶縁膜と、上記第１の絶縁膜の上方に堆積された第２の絶縁膜とを少なくとも有することにより、第１の絶縁膜の厚さは、従来の熱酸化膜の厚さよりも薄いので、ＳｉＣ基板と第１の絶縁膜との間の界面部の整合性が向上し、界面準位トラップの発生を抑制することが可能となる。それと同時に、第２の絶縁膜が形成されていることにより、低損失パワー半導体装置のゲート絶縁膜として必要な厚さを有するゲート絶縁膜を得ることができる。
【００１３】
上記第１の絶縁膜の膜厚が、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることにより、第１の絶縁膜の膜厚は、従来の熱酸化膜よりも薄いので、ＳｉＣ基板と第１の絶縁膜との間の界面部の制御が容易となる。
【００１４】
上記第１の絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部を熱酸化することにより形成されていることにより、第１の絶縁膜として良質の酸化膜を得ることができる。
【００１５】
上記第１の絶縁膜は、含有比で１０．０％以下の窒素を含むことにより、第１の絶縁膜中における欠陥の発生を抑制することができる。
【００１６】
上記第２の絶縁膜の膜厚が、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
上記第２の絶縁膜は、酸化物，窒化物あるいは酸窒化物のうちのいずれか１つからなることが好ましい。
【００１８】
上記第１の絶縁膜と上記第２の絶縁膜との間に、第１のキャップ層を備えていることにより、半導体装置の製造時において熱処理を行なっても、酸素等が第１の絶縁膜およびＳｉＣ基板の方へ拡散するのを防止することができる。
【００１９】
上記第１のキャップ層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることにより、第１のキャップ層は、キャップとしての機能を発揮でき、かつ、膜厚が厚すぎることにより大きくなりやすい欠陥の影響を抑制することができる。
【００２０】
上記第１のキャップ層は、Ｎ／（Ｎ＋Ｏ）の値が０．１以上０．５以下である酸窒化膜からなることにより、ゲート絶縁膜中における応力の発生を抑制することができる。
【００２１】
上記第２の絶縁膜と上記ゲート電極との間に、厚さ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の窒化膜または酸窒化膜からなる第２のキャップ層を備えていることにより、ゲート電極を作成するときに、第２の絶縁膜などの方へ不純物が拡散するのを防止することが可能となる。不純物とは、金属の電極を形成した場合には金属であり、ポリシリコンの電極を形成した場合にはボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）である。
【００２２】
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、水素を含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことにより、水素濃度が低く密度が高いゲート絶縁膜を得ることができるので、絶縁耐性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００２３】
上記ゲート絶縁膜は、上記ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化した後に、ハロゲンを含む雰囲気下で前段階アニールを行ない、酸素を含む分子および窒素を含む分子を有する雰囲気中でアニールを行なうことにより形成されたことにより、水素濃度が低く密度が高いゲート絶縁膜を得ることができるので、絶縁耐性が高く、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００２４】
上記半導体装置は、反転型エンハンスメント型トランジスタであってもよい。
【００２５】
上記半導体装置は、蓄積型エンハンスメント型トランジスタであってもよい。]
本発明の第１の半導体装置の製造方法は、ＳｉＣ基板の一部を酸化することにより、第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、上記第１の絶縁膜の上方に、第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記第１の絶縁膜および上記第２の絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、上記ＳｉＣ基板の各一部にソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）とを少なくとも備えている。
【００２６】
これにより、上記工程（ａ）では、従来よりも薄い厚さを有する第１の絶縁膜を、ＳｉＣ基板と第１の絶縁膜との間の界面の制御性がよい状態で形成し、上記工程（ｂ）では、第２の絶縁膜を、ゲート絶縁膜として必要な厚さの分だけ形成することができるので、ＳｉＣ基板とゲート絶縁膜との間の界面において発生する界面準位が少なく、Ｃ等の偏析も少なく、かつ十分な膜厚を有する半導体装置を形成することができる。
【００２７】
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板の一部を、８００℃以上１４００℃以下の温度で熱酸化することにより上記第１の絶縁膜を形成することが好ましい。
【００２８】
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素分圧が１．４×１０2 Ｐａ以下である雰囲気下において酸化して上記第１の絶縁膜を形成することにより、高温下においても、第１の絶縁膜を制御性よく形成することができる。
【００２９】
上記工程（ａ）では、上記半導体層の一部を、酸素と亜酸化窒素とを含む雰囲気下、あるいは酸素と一酸化窒素を含む雰囲気下において酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することにより、微量の窒素を含む酸窒化膜を形成すると、欠陥の少ない第１の絶縁膜を得ることができる。
【００３０】
上記工程（ａ）では、酸素分圧が大気圧以下で、亜酸化窒素分圧または一酸化窒素分圧が上記酸素分圧の値の１０％以下であることが好ましい。
【００３１】
上記工程（ａ）では、上記ＳｉＣ基板をＣＶＤ装置内に導入し、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含み、分圧１．４×１０2 Ｐａ以下のシランを含む雰囲気下で、上記ＳｉＣ基板上を酸化することにより、上記第１の絶縁膜を形成することにより、シランを導入してＳｉをＳｉＣ基板上に供給しながらＳｉＣ基板の上部を酸化することができるので、酸化のときに、ＳｉＣ基板の上部を酸化させることなく良質の熱酸化膜を形成することができる。
【００３２】
上記工程（ａ）の後、分圧１．４×１０Ｐａ以上大気圧以下の一酸化窒素雰囲気下において、６００℃以上１４００℃以下の温度で、１時間以上のアニールを行なってもよい。
【００３３】
上記工程（ａ）の後に、上記第１の絶縁膜の上に第１のキャップ層を形成する工程（ｅ）をさらに備え、上記工程（ｂ）では、上記第１のキャップ層の上に、上記第２の絶縁膜を形成することにより、上記工程（ｂ）の後に、熱処理を行なっても、酸素等が第１の絶縁膜等の方に拡散するのを防ぐことができる。
【００３４】
上記工程（ｅ）では、温度を上記第１の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０2 Ｐａ以下のシランと、アンモニア系のガスとを含む第１の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第１のキャップ層を形成することが好ましい。
【００３５】
上記工程（ｅ）では、上記第１の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第１のキャップ層を形成してもよい。
【００３６】
上記工程（ｂ）では、ＣＶＤ法により、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記アニールの温度以下の温度で、シランと亜酸化窒素とを含む雰囲気下において上記第２の絶縁膜を形成してもよい。
【００３７】
上記工程（ｂ）の後に、６００℃以上１０００℃以下の範囲のうち上記第２の絶縁膜の形成するための温度以下の温度で、一酸化窒素を含む雰囲気下でアニールを行なってもよい。
【００３８】
上記工程（ｂ）の後、上記工程（ｃ）の前に、上記第２の絶縁膜の上に第２のキャップ層を形成する工程（ｆ）をさらに備えることにより、上記工程（ｃ）および上記工程（ｄ）において、電極を形成するときに絶縁膜界面の品質が劣化するのを防ぐことができる。その結果、ゲート絶縁膜の信頼性の向上を図ることができる。
【００３９】
上記工程（ｆ）では、温度を上記第２の絶縁膜を形成するための温度以下の６００℃以上１０００℃以下の範囲に保ち、分圧１．４×１０2 Ｐａ以下のシランとアンモニア系のガスとを含む第２の供給ガスの雰囲気下において、ＣＶＤ法により、上記第２のキャップ層を形成してもよい。
【００４０】
上記工程（ｆ）では、上記第２の供給ガスの１０％以下の流量比を有する亜酸化窒素をさらに加えた雰囲気下で、上記第２のキャップ層を形成してもよい。
【００４１】
ただ、絶縁膜・半導体間の界面が十分に鋭く不連続であったとしても、この界面におけるバンド構造はそこで連続的に変化する。その厚みは０．５ｎｍであり、界面の非伝導領域から伝導領域に遷移する距離は最低０．５ｎｍであるということである。したがって、高品質界面を制御よく形成することを目的とする第１絶縁膜の膜厚の下限は０．５ｎｍとなるが、もちろん界面が不連続でなく幅を持つとすればその限りでない。
【００４２】
本発明の第２の半導体装置の製造方法は、ＳｉＣ基板の一部をドライ酸化法によって酸化することにより絶縁膜を形成する工程（ａ）と、上記工程（ａ）の後に、酸素を含む分子を有する雰囲気中において、上記絶縁膜にアニールを行なう工程（ｂ）と、上記ＳｉＣ基板の一部の上に、上記絶縁膜を挟んでゲート電極を形成する工程（ｃ）と、上記ＳｉＣ基板の一部に、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程（ｄ）とを備える。
【００４３】
これにより、工程（ａ）において水素濃度が低く密度の高い絶縁膜を得ることができ、上記工程（ｂ）では、酸素によって、絶縁膜とＳｉＣ基板との間に形成されている遷移層の酸化を行なうことができるので、遷移層の厚みを薄くすることができる。
【００４４】
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、酸素、亜酸化窒素あるいは一酸化窒素のうちの少なくとも１つを含む雰囲気中において形成することにより、膜質の高いゲート絶縁膜を得ることができる。
【００４５】
上記工程（ａ）では、上記絶縁膜を、１０００℃以上１４００℃以下の温度において形成することが好ましい。
【００４６】
上記工程（ｂ）では、オゾンを含む雰囲気にＵＶ光を照射して、上記アニールを行なうことにより、酸素ラジカルが発生して、効率よく遷移層の酸化を行なうことができる。
【００４７】
上記工程（ｂ）では、さらに、窒素を含む分子を有する雰囲気中において上記アニールを行なうことにより、絶縁膜中などに含まれる欠陥を窒素で埋めることができ、より遷移層の厚みを薄くすることができる。
【００４８】
上記工程（ｂ）では、アンモニアあるいは一酸化窒素を含む雰囲気下において上記アニールを行なってもよい。
【００４９】
上記工程（ａ）の後で、上記工程（ｂ）の前に、上記絶縁膜に前段階アニールを行なう工程（ｅ）をさらに備えることにより、遷移層やその付近に残留する炭素を排出することができる。
【００５０】
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、７００℃以上１０００℃以下の温度において、水素を含む雰囲気中で行なってもよい。
【００５１】
上記工程（ｅ）では、上記前段階アニールを、９００℃以上１２００℃以下の温度において、ハロゲンを含む雰囲気中で行なってもよい。
【００５２】
上記工程（ｅ）では、１０００℃以下の温度で、１３．３Ｐａ以下の圧力下で、ジクロロシランを含むガス雰囲気中において、上記前段階アニールを行なうことをにより、効果的に炭素を排出することができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明においては、絶縁膜と炭化珪素との間の界面部の整合性をよくすることにより、信頼性の高い半導体装置およびその製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
−第１の実施形態−
本実施形態では、ＭＩＳＦＥＴ等のゲート絶縁膜として、ＳｉＣの熱酸化によって得られた第１の絶縁膜と、ＣＶＤ法などで堆積することによって得られた第２の絶縁膜とを形成する場合について説明する。
【００５５】
−発明者らの考察−
一般に、炭化珪素のＭＩＳＦＥＴを低損失パワー半導体装置に用いる場合には、炭化珪素上に、厚さ１５０ｎｍ程度以上のゲート絶縁膜を形成することが必要とされている。
【００５６】
しかしながら、炭化珪素の上部に熱酸化を行なうことにより形成した酸化膜中には炭素が残留し、特に、酸化膜のうち炭化珪素との界面部付近に位置する部分には高濃度の炭素が残留してしまう。このような炭素は欠陥が発生する原因となるので、ゲート絶縁膜側から炭化珪素側への遷移層における組成比の変化を鋭くすることが必要である。
【００５７】
ここで、炭化珪素と熱酸化膜との間の界面部付近に残留する炭素を除去して界面部の整合性をとるためには、熱酸化工程に続いて、さらなる酸化が進まない程度の低温下の酸素雰囲気中に基板を曝露する酸化膜アニール技術（以下では、ＰＯＡ処理と呼ぶ）を行なえばよいと考えられる。しかし、炭化珪素上に形成した熱酸化膜の膜厚が２０ｎｍ以上になると、十分なＰＯＡ処理を行なうことは困難である。
【００５８】
一方、炭化珪素上に酸化膜を形成する他の手法として、ＣＶＤ法により堆積した酸化膜をゲート絶縁膜として使用することが考えられる。ＣＶＤ法により形成された堆積酸化膜においては、酸化膜と炭化珪素との間の界面部の組成の変化が急峻である。また、堆積酸化膜は短時間で形成することが可能である。炭化珪素における熱酸化膜形成の速度はシリコンの速度の１／１００であることから、ＣＶＤ法は、生産性からみても工業的に必要な技術であるといえる。しかし、ＣＶＤ法により形成された堆積酸化膜においては、炭化珪素と堆積酸化膜との界面部の原子間における非結合手を減らす界面部制御が難しい。そのため、堆積酸化膜をデバイスへ応用するのは困難である。
【００５９】
そこで、発明者らは、炭化珪素の上部を熱酸化することにより形成された熱酸化膜の上に、さらにＣＶＤ酸化膜を堆積したものをゲート絶縁膜とする方法を考えだした。
【００６０】
−ゲート絶縁膜の構造およびデバイスへの適用例−
以下に、上述の考察から生み出されたゲート絶縁膜の構造と、そのゲート絶縁膜を反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について述べる。
【００６１】
以下に、第１の実施形態における半導体装置のうち、ゲート絶縁膜付近の構造について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
【００６２】
図１に示すように、本発明の半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分においては、ｐ型のＳｉＣ層１の上に、厚さ５ｎｍの熱酸化膜である第１の絶縁膜２と、厚さ５ｎｍの酸窒化膜である第１のキャップ層３と、厚さ１３０ｎｍの堆積酸化膜である第２の絶縁膜４と、厚さ５ｎｍの酸窒化膜である第２のキャップ層５とからなるゲート絶縁膜６が形成され、その上に、ゲート電極７が形成されている。そして、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間には、厚さ１ｎｍ以下の遷移層８が介在している。
【００６３】
本実施形態においては、ゲート絶縁膜６に、ＳｉＣの熱酸化によって得られた第１の絶縁膜と、ＣＶＤ法などで堆積することによって得られた第２の絶縁膜とが含まれる。以下に、そのゲート絶縁膜６の構造について詳しく説明する。
【００６４】
第１の絶縁膜２は、ＳｉＣ層１に接しているため、デバイスの電気特性に大きな影響を与える。第１の絶縁膜２は、ＳｉＣ層１の上部を熱酸化することにより得られた熱酸化膜であり、これにより、ＣＶＤ法などによってＳｉＣ層１の上に堆積酸化膜を形成する場合と比較して、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部（以下では、ＳｉＣ−絶縁膜界面部とする。）の品質を保つことが容易となる。また、第１の絶縁膜２は、厚さが０．５〜２０ｎｍであることが好ましく、これにより、従来よりも厚さの値が小さいので、ＳｉＣ−絶縁膜界面部の制御は容易となる。
【００６５】
ここで、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の遷移層８に関して、図６および図７を用いて説明しておく。図６は、ＳｉＣの上部を熱酸化して二酸化珪素膜を形成した試料のＳＩＭＳ分析の結果を示すグラフ図である。本明細書において、遷移層とは、ＳｉＣ層と酸化膜（酸窒化膜など、酸素を含有する膜を含む）との界面において、炭素の組成比が変化している領域のことをいう。言い換えると、図６に示すグラフ図において、18Ｏ強度の立ち下がり点Ａと、13Ｃ強度の上がりきった点Ｂとの間の領域が遷移層８である。
【００６６】
この領域は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃの３元素の組成比が、連続的に変化する領域である。この領域においては、界面トラップの起源となる欠陥が大量に含まれている。
【００６７】
図７は、遷移層厚みと界面トラップ総数との相関関係を示すグラフ図である。図７において、遷移層厚みが３ｎｍ以上のデータは、従来の方法により作成した。界面トラップ数は、図６の測定と同様の酸化膜を用いてＭＯＳダイオードを形成して、ＣＶ解析をすることにより算出した。また、熱酸化膜は、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面上に形成した。
【００６８】
本実施形態の方法により、ＳｉＣ−熱酸化膜界面の遷移層８の厚みが１ｎｍ以下となり、総トラップ数は、７×１０11ｃｍ-2となった。これにより、ＳｉＣ−熱酸化膜界面の電気特性を向上させ、チャネル移動度を上げることができる。このときのチャネル移動度の値は６０ｃｍ2／（Ｖ・ｓ）である。
【００６９】
なお、ここでは、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面上に酸化膜を形成したが、本発明では、他の結晶面上においても、良好なＳｉＣ−酸化膜界面を有する酸化膜を形成することができる。
【００７０】
本実施形態では、第１の絶縁膜２を薄くすることで、ＳｉＣ基板１の上に形成される遷移層８の厚みを薄く留めることができるので、トラップ数を低減することができる。
【００７１】
なお、第１の絶縁膜２として、熱酸化膜のかわりに、微量（例えば、含有率が０．１％以下程度）のＮを含む熱酸化膜を用いれば、さらにトラップ数を減らすことができる。
【００７２】
ＳｉＣ−絶縁膜界面部の遷移層８において、組成比の変化が十分に鋭く不連続である場合においても、遷移層８におけるバンドは連続的に変化する。このときの遷移層８の厚さは、０．５ｎｍ程度である。つまり、ＳｉＣ−絶縁膜界面部において、非伝導領域から伝導領域に遷移する距離は、０．５ｎｍ程度以上であるといえる。
【００７３】
第１のキャップ層３は、後の熱処理工程において、酸素が第１の絶縁膜２およびＳｉＣ層１に拡散することを阻止する役割を果たす。第１のキャップ層３が１０〜５０％付近のＮ含有率を有する酸窒化膜である場合には、酸窒化膜内における応力の発生が抑制されるため、欠陥密度が低減される。第１のキャップ層３の膜厚は０．５〜１０ｎｍであることが好ましい。これにより、キャップとしての機能が発揮され、かつ、膜厚が厚すぎることによって欠陥の影響が大きくなるのを抑制することができる。
【００７４】
第２の絶縁膜４は、絶縁膜の膜厚を１５０ｎｍ程度以上にするために、ＣＶＤ法によって形成されている。第２の絶縁膜４により、リーク電流の発生が抑制され、デバイスの信頼性を確保することができる。第２の絶縁膜４は、５０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有していることが好ましい。第２の絶縁膜４は、酸化膜の他に、酸窒化膜，窒化膜または高誘電体材料によって形成されていてもよい。第２の絶縁膜４が高誘電体材料によって構成されている場合には、リーク電流が抑制される。さらに、高い信頼性が保持された状態で絶縁膜容量が増大するため、相互コンダクタンスの値が向上する。
【００７５】
第２のキャップ層５は、厚さ０．５〜１０ｎｍの窒化膜であることが好ましい。これにより、ゲート電極７を形成する際に、ゲート電極７から第２の絶縁膜４に亘る領域に不純物が拡散するのを防止することができる。この不純物とは、ゲート電極材料が金属である場合には金属であり、ゲート電極材料がポリシリコンである場合にはボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）といったものである。
【００７６】
次に、上述のようなゲート絶縁膜６を用いた半導体装置の構造について、図２を参照しながら説明する。図２は、第１の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【００７７】
図２に示すように、本実施形態の半導体装置は、ＳｉＣ基板１０と、ＳｉＣ基板１０の上部に形成されたｐ型のＳｉＣ層１と、ＳｉＣ層１の上に遷移層８を介して形成されたゲート絶縁膜６と、ゲート絶縁膜６の上に形成されたゲート電極７と、ゲート絶縁膜６およびゲート電極７の側方の領域に設けられたソース領域１２，ドレイン領域１３と、ソース領域１２およびドレイン領域１３の上にそれぞれ設けられたソース電極１４，ドレイン電極１５とから構成されている。ここで、ＳｉＣ基板１０は、ｐ型半導体とｎ型半導体のうちのいずれであってもよい。また、ＳｉＣ基板１０のかわりに絶縁体の基板を用いていてもよい。
【００７８】
以下に、本実施形態の半導体装置のうちのゲート絶縁膜の製造方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、第１の実施形態における半導体装置のゲート絶縁膜を形成する工程の条件を表にして示す図である。
【００７９】
まず、ステップＳＴ１で、シランを導入しながら、減圧雰囲気下において、ＳｉＣ層１の温度を１３００℃まで昇温させる。このとき、減圧雰囲気下においてはＳｉＣの昇華速度は比較的遅いので、シランを導入せずに昇温してもよい。
【００８０】
次に、ステップＳＴ２で、ＳｉＣ層１上に、１．４×１０2 Ｐａ以下の酸素を供給することにより、厚さ５ｎｍ程度の熱酸化膜である第１の絶縁膜２を形成する。ここで、酸素の分圧を１．４×１０2 Ｐａ以下にすることにより、１３００℃程度の高温下においても、第１の絶縁膜を膜厚の制御性よく形成することができる。また、第１の絶縁膜２は、ＭＢＥ法により形成すると界面部の制御が容易となり、数原子層の制御が容易となる。
【００８１】
また、熱酸化の際に、雰囲気中に、酸素分圧の１０％以下程度の分圧の亜酸化窒素を含めることにより、窒素含有率が１０％以下の第１の絶縁膜を形成することができる。このように、微量の窒素を熱酸化膜中に含めることにより、酸化膜中における欠陥の発生を防止することができる。
【００８２】
また、ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＣ基板１上を、酸化性ガスと、パルス状に制御された分圧１．４×１０Ｐａ以下のシランとを含む雰囲気中に露出することによっても、ＳｉＣ基板１と第１の絶縁膜２との間に急峻な界面部を有する第１の絶縁膜２を形成することができる。ここで、シランを導入することによりＳｉをＳｉＣ基板上に供給することができるので、熱酸化の際に、ＳｉＣ基板１の上部を酸化することなく良質の熱酸化膜を形成することができる。
【００８３】
なお、第１の絶縁膜２を形成する前に、ＳｉＣ層１の表面に、８００〜１０００℃の温度下においてＵＶオゾン洗浄処理を行なってもよい。
【００８４】
次に、ステップＳＴ３で、基板上に、３．９×１０4 Ｐａの一酸化炭素雰囲気中あるいは酸素雰囲気中で、１３００℃のアニールを行なうことにより、界面部の品質を向上させることができる。
【００８５】
ここで、アニールは、６００〜１４００℃の温度下で、大気圧以下の一酸化炭素または酸素を３時間以下供給して行なうことにより、欠陥の発生を抑制することができる。
【００８６】
次に、ステップＳＴ４で、基板をＣＶＤ装置内に導入し、第１の絶縁膜２上に、９００℃で、６６．５Ｐａのシランおよびアンモニアを１０分間供給することにより、厚さ５ｎｍ程度の窒化膜である第１のキャップ層３を形成する。
【００８７】
ここで、温度は、６００〜１０００℃の範囲内で、かつ、ステップＳＴ２に示す第１の絶縁膜形成温度よりも低い温度に設定し、シランの分圧は、１．４×１０2 Ｐａ以下に設定する。これにより、絶縁膜中に発生する欠陥の数を最少にすることができる。このとき、欠陥の発生を防止するために、装置中の温度を室温に戻さない。
【００８８】
ここで、上記のシラン，アンモニア系のガスに加えて、全体の流量のうち１０％以下の流量の亜酸化窒素を加えることにより、窒素含有比が１０〜３０％である酸窒化膜を形成することができる。
【００８９】
次に、ステップＳＴ５で、第１のキャップ層３上に、ＣＶＤ法により、８００℃で、６．６５×１０Ｐａのジクロロシランおよび亜酸化窒素を３０分間供給することにより、厚さ１３０ｎｍ程度の堆積酸化膜である第２の絶縁膜４を形成する。なお、第２の絶縁膜４の材料として、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3Ｎ4，ＳｒＴｉＯ3，Ａｌ2Ｏ3，Ｙ2Ｏ3，Ｌａ2Ｏ3，ＴａＯ5，ＴｉＯ2，ＨｆＯ2，ＺｒＯ2 などを組み合わせて用いてもよく、あるいは、他の材料を含ませて用いてもよい。
【００９０】
ここで、第２の絶縁膜４の形成を、６００〜８００℃の温度範囲で、かつ、第１のキャップ層３の形成温度，アニール温度よりも低い温度で行なうことにより、絶縁膜の品質を保持することができる。
【００９１】
次に、ステップＳＴ６で、３．４×１０4 Ｐａの一酸化窒素雰囲気下で、温度８００℃で１時間の熱処理を行なう。
【００９２】
次に、ステップＳＴ７で、第２の絶縁膜４上に、８００℃で、１．４×１０Ｐａのシランおよびアンモニアを１０分間供給することにより、厚さ１０ｎｍ程度の窒化膜である第２のキャップ層５を形成する。
【００９３】
次に、ステップＳＴ８で、基板を常温まで冷却することにより、第１の絶縁膜２，第１のキャップ層３，第２の絶縁膜４，第２のキャップ層５からなるゲート絶縁膜６を得ることができる。
【００９４】
以下に、本実施形態において得られる効果について述べる。
【００９５】
本実施形態の半導体装置においては、ゲート絶縁膜６は、厚さ０．５ｎｍ〜２０ｎｍの，ＳｉＣ層１の熱酸化により得られた第１の絶縁膜２と、厚さ５ｎｍ〜２００ｎｍの，ＣＶＤ法などによって堆積された第２の絶縁膜４とを有している。
【００９６】
これにより、第１の絶縁膜２の厚さは、従来の熱酸化膜の厚さよりも薄いので、従来よりも、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部の制御が容易になる。このことから、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部における遷移層の厚さを１ｎｍ以下にすることができ、界面準位トラップの発生を抑制することが可能となる。さらに、ステップＳＴ４に示すアニール処理などのＰＯＡ処理により、第１の絶縁膜２中やＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間の界面部付近に残留する炭素を洗浄化して界面部の整合性をとることが容易となる。
【００９７】
同時に、第２の絶縁膜４により、ゲート絶縁膜６全体としての厚さを、低損失パワー半導体装置のゲート絶縁膜の厚さとして必要な１５０ｎｍ程度以上の厚さとすることができる。
【００９８】
−第２の実施形態−
本実施形態では、第１の実施形態で考察したゲート絶縁膜を蓄積型エンハンスメント型の絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について述べる。
【００９９】
以下に、本発明の第２の実施形態における半導体装置のうち、ゲート絶縁膜付近の構造について、図４を参照しながら説明する。図４は、第２の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
【０１００】
図４に示すように、本発明の半導体装置においては、ｐ型のＳｉＣ層２１の上部に、ｎ型のチャネル領域２８が形成されており、その上に、厚さ５ｎｍ程度の熱酸化膜である第１の絶縁膜２２と、厚さ５ｎｍ程度の酸窒化膜である第１のキャップ層２３と、厚さ１３０ｎｍ程度の堆積酸化膜である第２の絶縁膜２４と、厚さ５ｎｍ程度の酸窒化膜である第２のキャップ層２５とからなるゲート絶縁膜２６が形成され、その上に、ゲート電極２７が形成されている。そして、ＳｉＣ層１と第１の絶縁膜２との間には、厚さ１ｎｍ以下の遷移層２９が介在している。
【０１０１】
次に、上述のようなゲート絶縁膜２６を用いた半導体装置の構造について、図５を参照しながら説明する。図５は、第２の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【０１０２】
図５に示すように、本実施形態の半導体装置は、ｎ型のＳｉＣ基板２０と、ＳｉＣ基板２０の上に形成されたｐ型のＳｉＣ層２１と、ＳｉＣ層２１の上部に形成されたｎ型のチャネル領域２８と、チャネル領域２８の上に、遷移層２９を挟んで形成されたゲート絶縁膜２６と、ゲート絶縁膜２６の上に形成されたゲート電極２７と、ＳｉＣ基板２０のうちゲート絶縁膜２６およびゲート電極２７の側方の領域に設けられたソース領域３２，ドレイン領域３３と、ソース領域３２およびドレイン領域３３の上にそれぞれ設けられたソース電極３４，ドレイン電極３５とから構成されている。
【０１０３】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、ｐ型のＳｉＣ層２１の上部にｎ型のチャネル領域２８を形成することを除いて、第１の実施形態と同じである。また、本実施形態において、ゲート絶縁膜を形成することにより得られる効果も第１の実施形態の場合と同様である。
【０１０４】
−第３の実施形態−
本実施形態においては、第１の実施形態で考察したゲート絶縁膜を、δドープ層を有する絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について説明する。
【０１０５】
本実施形態の特徴は、第１の実施形態において説明したゲート絶縁膜が、δドープ層の上に形成されている点である。このゲート絶縁膜の構造は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【０１０６】
図８は、第３の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【０１０７】
図８に示すように、本実施形態における半導体装置は、ｎ型のＳｉＣ基板４０と、ＳｉＣ基板４０の上部に形成されたｐ型のＳｉＣ層４１と、ｐ型のＳｉＣ層４１の上部に形成された、δドープ層を有するチャネル領域４６と、チャネル領域４６の上に形成されたゲート絶縁膜４７と、ゲート絶縁膜４７の上に形成されたゲート電極４８と、ＳｉＣ層４１のうちゲート絶縁膜４７およびゲート電極４８の側方の領域に設けられたソース領域４２およびドレイン領域４３と、ソース領域４２およびドレイン領域４３の上にそれぞれ設けられたソース電極４４およびドレイン電極４５とから構成されている。
【０１０８】
本実施形態における半導体装置の製造方法は、ｐ型のＳｉＣ層４１の上部にδドープ層を有するチャネル領域４６を形成することを除いて、第１の実施形態と同じである。また、本実施形態において、ゲート絶縁膜を形成することにより得られる効果も第１の実施形態の場合と同様である。
【０１０９】
−第４の実施形態−
本実施形態では、第１の実施形態で考察したゲート絶縁膜を縦型の絶縁ゲート型半導体装置に適用する例について説明する。
【０１１０】
本実施形態の特徴は、第１の実施形態において説明したゲート絶縁膜が、縦型ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いられている点である。ゲート絶縁膜の構造は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１１１】
図９は、第４の実施形態における縦型の蓄積型エンハンスメント型のＭＩＳＦＥＴの構造を示す断面図である。
【０１１２】
図９に示すように、本実施形態の半導体装置では、ＳｉＣ基板５０の上に、第１ＳｉＣ層５１が形成されている。
【０１１３】
そして、第１ＳｉＣ層５１の上部の一部には、第２導電型（ｐ型）の不純物を含むｐウェル領域５２が設けられており、第１ＳｉＣ層５１のうちｐウェル領域５２を囲む領域は、第１導電型（ｎ型）の不純物を含むドリフト領域５３が設けられている。
【０１１４】
第１ＳｉＣ層５１のうち、ドリフト領域５３の上から、互いに離間する２つのｐウェル領域５２の上には、コンタクトホール（溝）５５を有する第２ＳｉＣ層５４が設けられている。そして、第２ＳｉＣ層５４のうち両端部を除く部分には、第１導電型の不純物を含む蓄積型チャネル層５６が設けられている。そして、第２ＳｉＣ層５４のうちの両端部から、第１ＳｉＣ層５１のうち上記両端部の下に位置する部分に亘って、第１導電型の不純物を含むコンタクト領域５７が設けられている。
【０１１５】
コンタクト領域５７の上から、コンタクトホール５５の下面に露出するｐウェル領域５２の上に亘って、第１のオーミック電極（ソース電極）５８が設けられている。
【０１１６】
第２ＳｉＣ層５４のうち蓄積型チャネル層５６の上から、コンタクト領域５７のうち蓄積型チャネル層５６との境界に位置する部分の上に亘って、ゲート絶縁膜５９が設けられている。このゲート絶縁膜５９は、第１の実施形態と同様の構造を有している。ゲート絶縁膜５９の上には、ゲート電極６０が設けられている。
【０１１７】
そして、ＳｉＣ基板５０の主面と対向する面（下面）上には、第２のオーミック電極（ドレイン電極）６１が設けられている。
【０１１８】
本実施形態における半導体装置は、ゲート絶縁膜５９を形成する工程を除いて、周知の製造方法により形成することができる。ゲート絶縁膜５９を形成する方法は、第１の実施形態と同様である。また、ゲート絶縁膜５９を形成することによって得られる効果も第１の実施形態と同様である。
【０１１９】
また、本実施形態では、縦型ＭＩＳＦＥＴの例として蓄積型エンハンスメント型のトランジスタを示したが、本発明は、反転型エンハンスメント型のトランジスタにも適用することができる。
【０１２０】
−第５の実施形態−
本実施形態では、ＭＩＳＦＥＴ等のゲート絶縁膜として、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化した後に所定の条件でアニールすることによって形成された酸化膜を用いる場合について説明する。
【０１２１】
−発明者らの考察−
熱酸化膜をＳｉＣ層のウェット酸化によって形成する場合には、高濃度の水蒸気を含む酸素雰囲気下にＳｉＣ層を曝露する。ウェット酸化による方法では、界面準位トラップ密度を５×１０11ｃｍ-2ｅＶ-1以下に抑えることができる。しかし、この熱酸化膜では、膜中に含まれる水素濃度が高く、密度が低いため、絶縁耐圧は低い。そのため、ウェット酸化による熱酸化膜は信頼性に欠けると考えられる。
【０１２２】
また、ウェット酸化による熱酸化膜では、バンドギャップ中の伝導帯付近に生成する界面準位密度を効果的に下げることはできない。したがって、ウェット酸化による熱酸化膜を用いて半導体装置を形成した場合には、移動度を劇的に向上させることは難しい。
【０１２３】
一方、熱酸化膜をＳｉＣ層のドライ酸化によって形成する場合には、水蒸気が導入されず水蒸気分圧が全圧の２０パーセント以下の状態の酸素雰囲気中にＳｉＣ層を曝露する。なお、より好ましくは、水蒸気圧が全圧の１０パーセント以下にＳｉＣ層を曝露する。このようにして形成された熱酸化膜では、水素の濃度は低く、密度は高い。そのため、ドライ酸化による熱酸化膜は、ウェット酸化による熱酸化膜よりも優れた膜質を有している。しかし、ドライ酸化による熱酸化膜では、熱酸化膜とＳｉＣ基板との界面領域に高濃度の炭素が残留するため、界面準位トラップ密度が１×１０12ｃｍ-2ｅＶ-1以上より大きくなってしまう。
【０１２４】
ここで、ドライ酸化により形成した熱酸化膜を、ドライ酸化温度よりも低い温度でウェット雰囲気中で再酸化することにより、バンドギャップ中の伝導体付近に生成する界面準位密度を下げることができる。この方法によっても、遷移層の厚みが１ｎｍ以下になるほど十分に界面準位密度を下げることは困難である。    以上のように、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化することにより熱酸化膜を形成した場合には、熱酸化膜と炭化珪素との界面における遷移層の厚みを減らすことは難しい。しかしながら、ドライ酸化により形成した酸化膜は、緻密性が高く欠陥密度は低いという性質を有しており、ゲート絶縁膜に適しているといえる。
【０１２５】
そこで、発明者らは、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化して膜質の高い酸化膜を形成した後に、所定の条件で熱酸化することにより遷移層の厚さを低減する方法を考えだした。
【０１２６】
−ゲート絶縁膜の構造およびデバイスへの適用例−
以下に、上述の考察により生み出されたゲート絶縁膜の構造と、そのゲート絶縁膜を絶縁ゲート型半導体装置を適用する例について述べる。
【０１２７】
以下に、第５の実施形態における半導体装置のうち、ゲート絶縁膜付近の構造および製造方法について、図１０および図１１を参照しながら説明する。図１０は、第５の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の構造を示す断面図である。図１０に示すように、本実施形態の半導体装置では、ＳｉＣ基板７１の上に遷移層７２を挟んで熱酸化膜７３が形成されている。図１１は、第５の実施形態において、半導体装置のゲート絶縁膜を形成し、アニールを行なう工程の条件を示すタイムチャート図である。
【０１２８】
まず、図１１に示すように、ＳｉＣ基板７１（図１０に示す）を、４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面を主面側として５００℃の酸素雰囲気中に投入する。そして、ＳｉＣ基板７１の温度を１３００℃まで昇温させて、２時間の熱酸化（ドライ酸化）を行なう。その結果、ＳｉＣ基板７１の４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面上に、ゲート絶縁膜として機能する膜厚４０ｎｍの熱酸化膜７３が形成される。  次に、１０００℃の温度の水素雰囲気下で、１時間の前段階アニ−ルを行なう。前段階アニールを行なうことにより、遷移層７２やその付近に残存する炭素を排出することができる。続いて、水素雰囲気を保った状態で９００℃の温度まで降温する。
【０１２９】
そして、９００℃の温度において、酸素を含む分子を有する雰囲気中に３時間曝露することにより、アニールを行なう。
【０１３０】
酸素を含む分子を有する雰囲気中では、活性な酸素を発生させることにより、遷移層７２を酸化することができ、炭素を排出することができると考えられる。ここで、活性な酸素とは、酸素ラジカルや、一酸化窒素などの酸素を含む反応性の高い分子のことをいう。酸素ラジカルは、オゾンなどの酸素を含む分子を、ＵＶ光の照射下やプラズマ中に導入することにより生成することができる。
【０１３１】
このアニールにおいては、酸素を含む分子に加えて、窒素を含む分子を供給することにより、さらに遷移層７２の厚さを薄くすることができる。これは、炭素が排出されること等により熱酸化膜中に生じた欠陥を活性な窒素で埋めることができるからと考えられる。ここで、活性な窒素とは、窒素ラジカルや、一酸化窒素などの窒素を含む反応性の高い分子のことをいう。窒素ラジカルは、窒素分子やアンモニア等の窒素を含む分子を、ＵＶ光の照射下やプラズマ等に導入することにより生成することができる。この活性な窒素は窒素パッシベ−ション効果を有する。
【０１３２】
前段階アニールおよびアニールを行なうことにより、図１０に示すように、ＳｉＣ基板７１と熱酸化膜７３との間に１ｎｍ以下の厚みを有する遷移層７２を形成することができる。この遷移層７２の厚さは従来と比較して薄いことから、ＳｉＣ基板７１と熱酸化膜７３との界面は、より急峻になったといえる。
【０１３３】
以上に述べたような熱酸化膜は、図２に示すような反転型エンハンスメント型の半導体装置、図５に示すような蓄積型エンハンスメント型の半導体装置、図８に示すようなδドープ層を用いた半導体装置および図９に示すような縦型の半導体装置のゲート絶縁膜として用いることができる。なお、これらの半導体装置のうちゲート絶縁膜を除く構造は、第１〜第４の実施形態において説明した構造と同様であるので、説明を省略する。
【０１３４】
本実施形態の熱酸化膜を４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面の上に形成して、反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いると、実効チャネル移動度が５０ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）以上にまで向上する。
【０１３５】
上記のように、本実施の形態によると、形成される遷移層の厚みを１ｎｍ以下に抑制することができる。同時に、ゲート絶縁膜中に含まれる水素濃度を低くすることができ、ゲート絶縁膜の密度を高くすることができる。このことから、絶縁耐圧が高く信頼性に優れ、かつチャネル・コンダクタンスが高くオン抵抗が低い、低損失の半導体装置を得ることができる。
【０１３６】
なお、本実施形態の熱処理は、特に、膜厚が２０ｎｍ以下の熱酸化膜に適用することが好ましい。その場合には、ドライ酸化によって２０ｎｍ以下の膜厚を有する熱酸化膜を形成して所定の熱処理を施した後、熱酸化膜上に必要な膜厚の酸化物や窒化物を堆積してゲート絶縁膜として用いる。このように形成したゲート絶縁膜では、信頼性を高めることができ、品質を向上させることができる。
【０１３７】
−第６の実施形態−
本実施形態では、第５の実施形態と同様に、ＭＩＳＦＥＴ等のゲート絶縁膜として、ＳｉＣ層の上部をドライ酸化した後に所定の条件でアニールすることによって形成された酸化膜を用いる場合について説明する。
【０１３８】
本実施形態では、第５の実施形態における前段階アニールを水素雰囲気中において行なうかわりに、ハロゲンを含む雰囲気中で行なう。この前段階アニールは１０００℃の温度で３０分間行なう。そして、ハロゲンを含む雰囲気を保った状態で９００℃の温度まで降温する。活性なハロゲンを含む雰囲気中では、活性なハロゲンとして、ハロゲンラジカルを発生させてもよいし、ハロゲンを含む四塩化珪素、三塩化シラン、ジクロルシランなどのガスを用いてもよい。前段階アニールを行なうことにより、遷移層７２やその付近に残存する炭素を排出することができる。
【０１３９】
それ以外の工程は、第５の実施形態と同様であるので、図示および説明を省略する。
【０１４０】
本実施形態の熱酸化膜を４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面の上に形成して、反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いると、実効チャネル移動度が５０ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）以上にまで向上する。
【０１４１】
以上に述べたような熱酸化膜は、図２に示すような反転型エンハンスメント型の半導体装置、図５に示すような蓄積型エンハンスメント型の半導体装置、図８に示すようなδドープ層を用いた半導体装置および図９に示すような縦型の半導体装置のゲート絶縁膜として用いることができる。なお、半導体装置のうちゲート絶縁膜を除く構造はこれまでに説明した構造と同様であるので、半導体装置の構造および製造方法の説明は省略する。
【０１４２】
上記のように、本実施の形態によると、形成される遷移層の厚みを１ｎｍ以下に抑制することができる。同時に、ゲート絶縁膜中に含まれる水素濃度を低くすることができ、ゲート絶縁膜の密度を高くすることができる。このことから、絶縁耐圧が高く信頼性に優れ、かつチャネル・コンダクタンスが高くオン抵抗が低い、低損失の半導体装置を得ることができる。
【０１４３】
本実施形態の熱酸化膜を４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）Ｓｉ面の上に形成して、反転型エンハンスメント型の絶縁ゲート型炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いると、実効チャネル移動度が５０ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）以上にまで向上する。
【０１４４】
なお、本実施形態の熱処理は、特に、膜厚が２０ｎｍ以下の熱酸化膜に適用することが好ましい。その場合には、ドライ酸化によって２０ｎｍ以下の膜厚を有する熱酸化膜を形成して所定の熱処理を施した後、熱酸化膜上に必要な膜厚の酸化物や窒化物を堆積してゲート絶縁膜として用いる。このように形成したゲート絶縁膜では、信頼性を高めることができ、品質を向上させることができる。
【０１４５】
−その他の実施形態−
商用パワーデバイスとして使用される絶縁ゲート型トランジスタは、逆方向耐圧を出すため、あるいはオン抵抗が低い状態で定格電流を流すために、さまざまな構造で設計される。そのため、本発明の絶縁ゲート型トランジスタは、第１〜第６の実施形態で述べた構造に限られるものではない。例えば、本発明は、プレーナ型リサーフ構造の絶縁ゲート型トランジスタ、バーティカル型絶縁ゲート型トランジスタあるいはトレンチゲート型の絶縁ゲート型トランジスタにも適用することができる。これらのトランジスタを形成した場合にも、第１〜第６の実施形態におけるゲート絶縁膜に関する効果と同様の効果を得ることができる。
【０１４６】
また、本発明は、第１〜第６の実施形態で述べたような半導体装置の他に、ＤＭＩＳ、トレンチ分離型ＭＩＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの絶縁ゲート型半導体装置に適用することができる。
【０１４７】
なお、第１〜第４の実施形態においては、ゲート絶縁膜は、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、第１のキャップ層および第２のキャップ層から構成されていた。しかし、本発明においては、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とが形成されておればよく、第１のキャップ層および第２のキャップ層が形成されていなくてもよい。第２のキャップ層が形成されていない場合には、特に、第２の絶縁膜が酸窒化膜であると、第２の絶縁膜がゲート電極を形成する際の金属の拡散を防止する役割を果たすことができるので、第２のキャップ層が形成されている場合と同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
第１〜第４の実施形態において、第１の絶縁膜が、ウェット雰囲気中において熱酸化されることにより形成されている場合にも、効果を得ることができる。
【０１４９】
第１〜第４の実施形態における第２の絶縁膜が、プラズマＣＶＤ法を用いて形成されている場合にも、第１〜第４の実施形態において述べた効果と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明の半導体装置およびその製造方法は、電子機器に搭載されるパワーデバイスとして利用され、特に、横型ＭＩＳＦＥＴ、δドープ層を有するＭＩＳＦＥＴ、縦型ＭＩＳＦＥＴなどのデバイスおよびその製造方法に利用される。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】第１の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態における半導体装置のゲート絶縁膜を形成する工程の条件を表にして示す図である。
【図４】第２の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の部分の構造を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図６】ＳｉＣの上部を熱酸化して二酸化珪素膜を形成した試料のＳＩＭＳ分析の結果を示すグラフ図である。
【図７】遷移層厚みと界面トラップ総数との相関関係を示すグラフ図である。
【図８】第３の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図９】第４の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１０】第５の実施形態における半導体装置のうちゲート絶縁膜付近の構造を示す断面図である。
【図１１】第５の実施形態において、半導体装置のゲート絶縁膜を形成し、アニールを行なう工程の条件を示すタイムチャート図である。
【符号の説明】
【０１５２】
１      ＳｉＣ層
２      第１の絶縁膜
３      第１のキャップ層
４      第２の絶縁膜
５      第２のキャップ層
６      ゲート絶縁膜
７      ゲート電極
８      遷移層
１０    ＳｉＣ基板
１２    ソース領域
１３    ドレイン領域
１４    ソース電極
１５    ドレイン電極
２０    ＳｉＣ基板
２１    ＳｉＣ層
２２    第１の絶縁膜
２３    第１のキャップ層
２４    第２の絶縁膜
２５    第２のキャップ層
２６    ゲート絶縁膜
２７    ゲート電極
２８    チャネル領域
２９    遷移層
３２    ソース領域
３３    ドレイン領域
３４    ソース電極
３５    ドレイン電極
４０    ＳｉＣ基板
４１    ＳｉＣ層
４２    ソース領域
４３    ドレイン領域
４４    ソース電極
４５    ドレイン電極
４６    δドープ領域
４７    ゲート絶縁膜
４８    ゲート電極
５０    ＳｉＣ基板
５１    第１ＳｉＣ層
５２    ｐウェル領域
５３    ドリフト層
５４    第２ＳｉＣ層
５５    コンタクトホール
５６    蓄積型チャネル層
５７    コンタクト領域
５８    第１のオーミック電極
５９    ゲート絶縁膜
６０    ゲート電極
６１    第２のオーミック電極
７１    ＳｉＣ層
７２    遷移層
７３    熱酸化膜
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2003047000.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2003047000.tif 000018
【図６】
2003047000.tif 000019
【図７】
2003047000.tif 000020
【図８】
2003047000.tif 000021
【図９】
2003047000.tif 000022
【図１０】
2003047000.tif 000023
【図１１】
2003047000.tif 000024
【国際調査報告】
2003047000.tif 000025
2003047000.tif 000026
2003047000.tif 000027
2003047000.tif 000028
2003047000.tif 000029
2003047000.tif 000030
2003047000.tif 000031
2003047000.tif 000032