(57)【要約】（０００−１）面の炭化珪素基板を用いた半導体装置及びその製造方法であって、ゲート酸化後の熱処理方法を最適化することによって、高耐圧で高チャネル移動度を有するＳｉＣ半導体装置を製造する。ゲート絶縁膜の形成方法に関して、半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、８００℃から１１５０℃の温度範囲において、Ｈ２Ｏ（水）ガスを１％以上含んだ雰囲気でゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含むような工程とすることによって製造できる。
2004003989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、
さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、
８００℃から１１５０℃の温度範囲において、Ｈ２Ｏ（水）ガスを１％以上含んだ雰囲気でゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
８００℃から１０５０℃の温度範囲において、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気でのゲート絶縁膜の形成が行われることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、
さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ２（水素）ガスあるいはＨ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することにより、上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、
さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理した後にＨ２（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することにより、上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理は、Ｈ２（水素）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ２（水素）ガス濃度は、予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつことを特徴とする請求の範囲第２項または第３項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理はＨ２Ｏ（水）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ２Ｏ（水）ガス濃度は予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつことを特徴とする請求の範囲第２項または第３項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
ゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ２（水素）ガスあるいはＨ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中に予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含むことを特徴とする請求の範囲第３項、第５項、または第６項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
ゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第１の期間に、あるいは、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程と、Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第２の期間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中で予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含むことを特徴とする請求の範囲第４項、ないし第６項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度よりも、Ｈ２ガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度の方が高いことを特徴とする請求の範囲第４項ないし第６項、または第８項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
ゲート絶縁膜を形成する工程の後に行うＨ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程は、６５０℃から９５０℃の範囲の予め決められた温度で予め決められた時間保持する工程であることを特徴とする請求の範囲第３項ないし第９項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
ゲート絶縁膜を半導体領域の熱酸化法により形成することを特徴とする請求の範囲第３項ないし第１０項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
半導体領域の熱酸化法は、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で行われる熱酸化法であることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ２Ｏガスと酸素あるいは、Ｈ２Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ２Ｏガスが１％から１００％の範囲の予め決められた濃度であることを特徴とする請求の範囲第１２項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
ゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ２ガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ２Ｏガスと酸素ガスあるいは、Ｈ２Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ２Ｏガスが１０％から５０％の予め決められた濃度であることを特徴とする請求の範囲第１３項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
上記のＨ２Ｏ（水）ガスは、上記の半導体領域の置かれた雰囲気においてＨ２（水素）ガスとＯ２（酸素）ガスの反応により生成されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１４項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
Ｈ２（水素）ガスの流量、［Ｈ２］、とＯ２（酸素）ガスの流量、［Ｏ２］、の比が［Ｏ２］／［Ｈ２］＝０．１から１００の範囲の予め決められた範囲にあることを特徴とする請求の範囲第１５項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
半導体領域の酸化温度が８００℃から１１５０℃の範囲の予め決められた温度範囲にあることを特徴とする請求の範囲第３項ないし第１６項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
半導体領域を熱酸化してゲート酸化膜を形成した後に、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、熱処理温度が、ゲート酸化膜を形成した温度よりも低い温度で行い、ゲート酸化膜厚を増加することを特徴とする請求の範囲第１１項ないし第１７項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理温度が６００℃から９００℃の範囲の予め決められた温度範囲にあることを特徴とする請求の範囲第３項ないし第１８項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
ゲート絶縁膜の形成及びその後のＨ２（水素）ガスあるいはＨ２Ｏ（水）ガスあるいは不活性ガス雰囲気での熱処理は、外気と遮断された装置内で連続して行われることを特徴とする請求の範囲第３項ないし第１９項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気中に置かれた半導体領域に紫外光を照射することにより清浄にする工程を含むことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２０項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
半導体領域の表面を清浄にする工程は、Ｈ２（水素）雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程を含むことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２１項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気に置かれた半導体領域に紫外光を照射して清浄にする工程と、その後に行われる、半導体領域をＨ２（水素）ガス雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程とを含むことを特徴とする請求の範囲第２２項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
層間絶縁膜を形成する工程と、配線層を形成する工程と、配線層を保護する絶縁膜を形成する工程とをさらに含む事を特徴とする請求の範囲第１項ないし第２３項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を、ゲート絶縁膜より上の層にゲート電極層を形成した後に行うことを特徴とする請求の範囲第３項ないし第２４項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を行う工程を含み、さらに、該工程の後に、６００℃以下での不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う工程を含むことを特徴とする請求の範囲第３項ないし第２５項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２７】
（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜中に１Ｅ１９／ｃｍ３から１Ｅ２０／ｃｍ３の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（ＭＩＳ  ＦＥＴ）またはＭＩＳ  キャパシタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｎチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３０】
請求項２８に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｐチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３１】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が請求項２９及び請求項３０に記載のＭＩＳＦＥＴまたはＭＩＳキャパシタから構成される相補型金属−絶縁膜−半導体（ＣＭＩＳ）を有する回路であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３２】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｒｅｓｕｒｆ  ＭＩＳＦＥＴ）あるいは横型ＤＭＩＳ電界効果型トランジスタ（Ｌａｔｅｒａｌ  ＤＭＩＳＦＥＴ）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３３】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３４】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が絶縁ゲート型バイポーラートランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の半導体装置において、該半導体装置がｐチャネル型ＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３６】
（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜と半導体領域の界面に１Ｅ２０／ｃｍ３から１Ｅ２２／ｃｍ３の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）が存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項３７】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置がＭＩＳＦＥＴまたはＭＩＳキャパシタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｎチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３９】
請求項３７に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｐチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４０】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置が請求項３８及び請求項３９に記載のＭＩＳＦＥＴまたはＭＩＳ  キャパシタから構成されるＣＭＩＳを有する回路であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４１】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型ＭＩＳ  ＦＥＴあるいは横型ＤＭＩＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４２】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４３】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置がＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４４】
請求項４３に記載の半導体装置において、該半導体装置がｐチャネル型ＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】    この発明は、基板の結晶面方位を規定した炭化珪素基板上に形成する半導体装置及びその製造方法に関し、特に、金属−酸化膜−半導体（ＭＯＳ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタあるいはＭＯＳ電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのゲート絶縁膜を用いる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】    一般に、炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いた酸化膜−炭化珪素界面は、界面準位密度がシリコンＭＯＳトランジスタに比べて、約１桁高く、それにより、炭化珪素基板を用いたＭＯＳ電界効果型トランジスタは、シリコン基板を用いたＭＯＳ電界効果型トランジスタよりもチャネル移動度が約１桁低いという問題があった。特に４Ｈ−ＳｉＣと呼ばれる結晶構造を有する炭化珪素のバルク基板の移動度は、６Ｈ−ＳｉＣと呼ばれる結晶構造を有する炭化珪素のバルク基板の移動度の約２倍だが、酸化膜／炭化珪素界面の欠陥（界面準位密度）が多く、チャネル移動度は低い。４Ｈ−ＳｉＣバルク基板の移動度は高いので、本来、パワーＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を下げるには有利であるはずである。しかし、チャネル移動度が低いために、４Ｈ−ＳｉＣのオン抵抗値は、６Ｈ−ＳｉＣよりも高く、４Ｈ−ＳｉＣのＭＯＳ構造の界面準位密度を下げることは、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴを実現するためには非常に重要である。ＳｉＣには、代表的な面として（０００１）面、（１１−２０）面、（０００−１）面の３つの面がある。酸化速度は、（０００１）面よりも（１１−２０）面の方が大きく、またこれよりも（０００−１）面の方が大きい。特に、（０００−１）面は、（０００１）面よりも約１０倍大きい。これは、ＳｉとＣの酸化機構が面方位によって異なるためである。したがって、酸化膜／炭化珪素界面における界面準位密度を下げる最適な酸化条件や酸化後のアニール条件は、面方位によって異なり、面方位毎に酸化条件や酸化後のアニール条件を最適化する必要がある。ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴは、研究当初においては、（０００１）面に形成されていたが、そのチャネル移動度は、１０ｃｍ２／Ｖｓ以下であった。
最近、ＳｉＣの（１１−２０）面にＨ２Ｏ（水）でゲート絶縁膜を形成した後に、水素アニールをすることにより界面準位密度を下げて、チャネル移動度が１１０ｃｍ２／Ｖｓまで向上することが報告された。しかし、（１１−２０）面は、絶縁破壊電界が（０００１）面や（０００−１）面と比較して小さく、高耐圧パワーデバイスには不利である。また、（０００−１）面に作製されたＭＯＳＦＥＴがチャネルドーピング技術を用いることなく動作する報告はない。チャネルドーピング技術は、チャネル移動度を向上するが、リーク電流が流れやすくなり、耐圧が低下するので、やはり、高耐圧パワーデバイスには向いていない。本発明では、絶縁破壊電圧が、（１１−２０）面よりも大きい（０００−１）面において、（０００１）面よりもチャネル移動度が高い酸化膜／炭化珪素界面形成技術を提供する。
炭化珪素基板の酸化方法とその後の熱処理方法については、以下に説明する様に、既にいくつかの発表が行われ、あるいは発明が開示されている。
例えば、特開平９−１９９４９７号公報には、ＳｉＣ単結晶基板の熱酸化膜の改善方法において、酸化する工程に続き、水素によりアニールする工程と、不活性ガスによりアニールする工程を有することを特徴とするヒステリシスおよびフラットバンドシフトを低減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法が開示されている。この公報には、特に、炭化珪素を酸化後に１０００℃で水素熱処理する方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面については記載がない。さらに、１０００℃では温度が高すぎて水素により酸化膜が還元されてしまい、この酸化膜をゲート酸化膜として用いた場合のデバイス信頼性を低下させる要因となる。
また、特開平１０−１１２４６０号公報には、炭化珪素半導体装置の熱酸化膜形成後の界面準位密度を低減するために、熱酸化後の不活性ガス中のアニール時間を２時間未満とし、また、一度形成した熱酸化膜を３００〜５００℃の低温で水素ガスや、水蒸気等の水素原子を含むガス中で熱処理するのもよく、更にまた、熱酸化後および熱酸化後の熱処理工程後の冷却期間の少なくとも一部で、水素原子を含むガスを雰囲気とする炭化珪素半導体装置の製造方法が開示されている。特に、ゲート酸化膜形成後に水素原子を含む雰囲気で３００℃から５００℃の範囲において熱処理する方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面については記載がない。また、ゲート酸化膜形成後に水素原子を含む雰囲気での熱処理としては、３００℃から５００℃の範囲は温度が低くて不充分である。
また、特開平１１−３１６９１号公報には、炭化珪素半導体装置の熱酸化膜形成後の界面準位密度を低減するために、（１）水素ガスと酸素ガスを導入して熱酸化するパイロジェニック酸化によって酸化珪素膜を成長させる熱酸化膜形成方法において、水素と酸素の流量比を１：１よりも水素の流量が多い流量比とし、あるいは、（２）水素原子を含む雰囲気中で、酸化後の冷却をおこない、その冷却速度を０．３〜３℃／ｍｉｎの範囲とし、あるいは、（３）酸化、冷却後の取り出し温度を９００℃以下とする炭化珪素半導体装置の熱酸化膜形成方法が開示されている。特に、炭化珪素の酸化をパイロジェニック法で行った後に、水素を含む雰囲気で冷却する方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面については記載がない。また、この公報に記載されたパイロジェニック法の水素と酸素の比が最適でない。
また、特開２０００−２５２４６１号公報には、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、６００〜１６００℃の範囲で水素を含んだ雰囲気でアニールする半導体装置の製造方法が開示されており、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ダ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ゲート絶縁膜／炭化珪素界面を得ることができる、という効果が記載されている。特に、炭化珪素基板上の酸化膜を形成した後に水素熱処理を行う製造方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面についての望ましい水素熱処理方法についての記載はない。
また、アメリカ合衆国特許（ＵＳＡ．ＰＡＴ．Ｎｏ．ＵＳ５９７２８０１号公報）においては、改善された酸化物層を得て、その結果、酸化物を基礎とする装置でのパフォーマンスを改善する方法が開示されている。その方法は、炭化珪素基板がさらに酸化されるほどには高温で無く、しかし、酸化ソースガスを酸化物の中に拡散するには充分高温で、また、炭化珪素基板がさらに酸化されるほどには長時間で無く、しかし、酸化膜を高密度化して酸化膜と基板との界面特性を改善することができる程度の間、炭化珪素上の酸化物層を、酸化性の雰囲気にさらす、という炭化珪素基板上の酸化物層で欠陥を減らすプロセスである。特に、炭化珪素基板の酸化方法について、ゲート酸化膜を形成した後に、６００℃から１０００℃でＨ２Ｏ（水）ガスを含む雰囲気で処理をする方法が記載されているが、この場合のＨ２Ｏガスは、Ｈ２ガスとＯ２ガスとの反応でなく、純水を熱することにより生成したＨ２Ｏの蒸気によるものである。また、（０００−１）面のゲート酸化膜の形成方法及び酸化膜形成後の熱処理については、記載されていない。
また、文献１（Ｓ．Ｏｇｉｎｏ，Ｔ．Ｏｉｋａｗａ，ａｎｄ  Ｋ．Ｕｅｎｏ、Ｍａｔ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ、３３８−３４２，１１０１（２０００）．）に、６Ｈ−ＳｉＣの（０００−１）面について、ゲート酸化膜の下に不純物を注入するチャネルドーピングを用いてＭＯＳＦＥＴを形成して動作させた旨、報告されているが、チャネルドーピングを用いない場合の結果は報告されていない。また、ゲート酸化膜の形成方法は、１１００℃での乾燥酸素を用いたドライ酸化であり、それ以外の形成方法は記載されていない。
また、文献２（Ｋ．Ｆｕｋｕｄａ，Ｗ．Ｊ．Ｃｈｏ，Ｋ．Ａｒａｉ，Ｓ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｊ．Ｓｅｎｚａｋｉ，ａｎｄ  Ｔ．ＴａｎａｋａＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７，８６６（２０００）．）には、１２００℃で熱酸化法により４Ｈ−ＳｉＣの（０００−１）面にゲート酸化膜の形成方法と界面準位密度の関係についての報告があるが、１２００℃よりも低い温度でのゲート絶縁膜の形成方法と酸化後の処理についての報告はない。
上記のように、ＳｉＣには、代表的な面として（０００１）面、（１１−２０）面、（０００−１）面の３つの面がある。酸化速度は、（０００１）面よりも（１１−２０）面が大きく、また、さらに（０００−１）面の方が大きい。特に、（０００−１）面は、（０００１）面よりも約１０倍大きい。したがって、酸化膜／炭化珪素界面における界面準位密度を下げる最適な酸化条件や酸化後のアニール条件は、面方位によって異なる。例えば、（０００１）面では、界面準位密度は、Ｈ２Ｏを用いた場合よりも、乾燥酸素を用いた場合の方が低いが、（１１−２０）面では、Ｈ２Ｏを用いた酸化の方が低い。酸化後のアニール効果も面方位により異なる。このように、面毎に、界面準位密度が最小になる酸化条件や酸化後のアニール条件を最適化する必要がある。ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴは、研究当初においては、（０００１）面に形成されていたが、そのチャネル移動度は、１０ｃｍ２／Ｖｓ程度にしかならなかった。最近、ＳｉＣの（１１−２０）面にＨ２Ｏ（水）でゲート絶縁膜を形成した後に、水素アニールをすることにより界面準位密度を下げて、チャネル移動度が１１０ｃｍ２／Ｖｓまで向上することが報告された。しかし、（１１−２０）面は、絶縁破壊電界が（０００１）面や（０００−１）面と比較して小さく、高耐圧パワーデバイスには不利である。また、（０００−１）面に作製されたＭＯＳＦＥＴがチャネルドーピング技術を用いることなく動作する報告はない。チャネルドーピング技術は、チャネル移動度を向上するが、リーク電流が流れやすくなり、耐圧が低下するので、やはり、高耐圧パワーデバイスには向いていない。
この発明は上記に鑑み提案されたもので、（０００１）面や（１１−２０）面よりも優れた（０００−１）面の炭化珪素基板を用いた半導体装置において、ゲート酸化後の熱処理方法を最適化することにより、高耐圧で高チャネル移動度を有するＳｉＣ半導体装置を提供することを目的としている。
【発明の開示】
本発明における第１の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜の形成方法に関するものであり、半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、８００℃から１１５０℃の温度範囲において、Ｈ２Ｏ（水）ガスを１％以上含んだ雰囲気でゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含む。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にＨ２Ｏを１％以上含んだ雰囲気で酸化することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第２の発明は、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度をより低減せしめるために、第１の発明において、８００℃から１０５０℃の温度範囲において、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気でのゲート絶縁膜の形成が行われる。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜の酸化温度を８００℃から１０５０℃に制限することにより、界面準位密度を下げ、チャネル移動度を向上させることができる。
また、本発明における第３の発明は、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度をより低減せしめるための半導体装置の製造方法で、半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ２（水素）ガスあるいはＨ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することにより、上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含む。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ２あるいはＨ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、本発明における第４の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜を形成した後の熱処理に関するものであり、半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理した後にＨ２（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することによりく上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含む。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ２あるいはＨ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、本発明における第５の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜を形成した後の熱処理に関するものであり、本発明の第２あるいは第３の発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理は、Ｈ２（水素）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ２（水素）ガス濃度は、予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつ。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ２あるいはＨ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第６の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜を形成した後の熱処理に関するものであり、本発明の第２あるいは第３の発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理はＨ２Ｏ（水）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ２Ｏ（水）ガス濃度は予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつ。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ２あるいはＨ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第７の発明は、第３、第５、あるいは第６の発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ２（水素）ガスあるいはＨ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中に予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含む。ゲート絶縁膜を形成した後で、Ｈ２あるいはＨ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理する前に不活性雰囲気中で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第８の発明は、第４、第５あるいは第６の発明の特徴に加えてゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第１の期間に、あるいは、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程と、Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第２の期間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中で予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含む。ゲート絶縁膜を形成した後、あるいは、Ｈ２Ｏを含んだ雰囲気で熱処理した後で、Ｈ２を含んだ雰囲気で熱処理する前のどちらか一方あるいは両方の工程において不活性雰囲気中で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第９の発明は、第４、第５、第６あるいは第８の発明の特徴に加えて、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度よりも、Ｈ２ガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度の方が高い。Ｈ２ガスを含んだ雰囲気で熱処理する温度を、Ｈ２Ｏガスを１％以上含んだ雰囲気で熱処理する温度より高くする。このことにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第１０の発明は、第３ないし第９のいずれかの発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成する工程の後に行うＨ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程は、６５０℃から９５０℃の範囲の予め決められた温度で予め決められた時間保持する工程である。ゲート絶縁膜を形成する工程の後に行うＨ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程が、６５０℃から９５０℃の範囲であるため、ゲート絶縁膜の膜厚増加は、無視できる程度にすることができる。
また、第１１の発明は、第３ないし第１０の発明のいずれかの特徴に加えて、ゲート絶縁膜を半導体領域の熱酸化法により形成する。このことにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第１２の発明は、第１１の発明の特徴に加えて、半導体領域の熱酸化法は、Ｈ２Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で行われる熱酸化法である。Ｈ２Ｏを含んだ雰囲気にて、熱酸化法を用いることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第１３の発明は、第１２の発明の特徴に加えて、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ２Ｏガスと酸素あるいは、Ｈ２Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ２Ｏガスが１％から１００％の範囲の予め決められた濃度である。Ｈ２Ｏを含んだ雰囲気がＨ２Ｏガスと酸素ガスと不活性ガスからなり、Ｈ２Ｏガスが１％から１００％の予め決められた濃度である雰囲気を用いることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第１４の発明は、第１３の発明に加えて、ゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ２ガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ２Ｏガスと酸素ガスあるいは、Ｈ２Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ２Ｏガスが１０％から５０％の予め決められた濃度である。使用するＨ２ＯがＨ２とＯ２からなり、１０％から５０％の予め決められた濃度にすることにより、界面準位密度を下げることができる。
また、第１５の発明は、第１ないし第１４の発明のいずれかの特徴に加えて、上記のＨ２Ｏ（水）ガスは、上記の半導体領域の置かれた雰囲気においてＨ２（水素）ガスとＯ２（酸素）ガスの反応により生成されたものである。使用するＨ２ＯがＨ２とＯ２（酸素）の反応により生成することにより、不純物の導入を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第１６の発明は、第１５の発明の特徴に加えて、Ｈ２（水素）ガスの流量、［Ｈ２］、とＯ２（酸素）ガスの流量、［Ｏ２］、の比が［Ｏ２］／［Ｈ２］＝０．１から１００の範囲の予め決められた範囲にある。Ｈ２Ｏの生成に当たっては、Ｈ２（水素）ガスの流量、［Ｈ２］、とＯ２（酸素）ガスの流量、［Ｏ２］、の比が［Ｏ２］／［Ｈ２］＝０．１から１００にすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第１７の発明は、第３ないし第１６の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域の酸化温度が８００℃から１１５０℃の範囲の予め決められた温度範囲にある。半導体基板の酸化温度が８００℃から１１５０℃の範囲の予め決められた温度範囲にあるようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第１８の発明は、第１１ないし第１７の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域を熱酸化してゲート酸化膜を形成した後に、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、ゲート酸化膜を形成した温度よりも低い温度で熱処理を行い、ゲート酸化膜厚を増加させる。ゲート酸化膜を形成した温度よりも低い温度で、Ｈ２Ｏを含んだ雰囲気にて熱処理をするようにしたので、ゲート酸化膜の膜圧を増加させることなくチャネル移動度を向上させることができる。
また、第１９の発明は、第３ないし第１８の発明のいずれかの特徴に加えて、Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理温度が６００℃から９００℃の範囲の予め決められた温度範囲にある。このようにすることにより、水素によるエッチングなどを避けて、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第２０の発明は、第３ないし第１９の発明のいずれかの特徴に加えて、ゲート絶縁膜の形成及びその後のＨ２（水素）ガスあるいはＨ２Ｏ（水）ガスあるいは不活性ガス雰囲気での熱処理は、外気と遮断された装置内で連続して行われる。Ｈ２Ｏを含んだ雰囲気にて、このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第２１の発明は、第１ないし第２０の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気中に置かれた半導体領域に紫外光を照射することにより清浄にする工程を含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第２２の発明は、第１ないし第２１の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域の表面を清浄にする工程は、Ｈ２（水素）雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程を含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第２３の発明は、第２２の発明の特徴に加えて、半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気に置かれた半導体領域に紫外光を照射して清浄にする工程と、その後に行われる、半導体領域をＨ２（水素）ガス雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程とを含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第２４の発明は、第１ないし第２３の発明のいずれかに含まれる工程に加えて、さらに、層間絶縁膜を形成する工程と、配線層を形成する工程と、配線層を保護する絶縁膜を形成する工程とをさらに含む。このようにすることにより、十分にオン抵抗の低い炭化珪素電子デバイス、電子回路、電力素子を実現できる。
また、第２５の発明は、第３ないし第２４の発明のいずれかの特徴に加えて、さらに、Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を、ゲート絶縁膜より上の層にゲート電極層を形成した後に行う。このようにすることにより、ゲート絶縁膜が汚染されることなく、チャネル移動度を向上させることができる。
また、第２６の発明は、第３ないし第２５の発明のいずれかの特徴において、あるいはそれに加えて、Ｈ２（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を行う工程を含み、さらに、この工程の後に、６００℃以下での不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う工程を含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
そして、本発明における第２７の発明は、（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜中に１Ｅ１９／ｃｍ３から１Ｅ２０／ｃｍ３の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）を含む。ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｉｏｎ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によるＨの分析を行ったところ、酸化膜たるゲート絶縁膜中に１Ｅ１９／ｃｍ３以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００ｃｍ２／Ｖｓ以上だが、１Ｅ２０／ｃｍ３を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ１９／ｃｍ３から１Ｅ２０／ｃｍ３に限定される。
また、第２８の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）またはＭＩＳキャパシタである。ＳｉＣでＭＩＳＦＥＴまたは、ＭＩＳキャパシタを作ることにより高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第２９の発明は、第２８の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｎチャネル型である。ＳｉＣでｎチャネルＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｎチャネル半導体素子を作製できる。
また、第３０の発明は、第２８の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｐチャネル型である。ＳｉＣでｐチャネルＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｐチャネル半導体素子を作製できる。
また、第３１の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が第２９の発明及び第３０の発明に記載のＭＩＳＦＥＴまたはＭＩＳキャパシタから構成される相補型金属−絶縁膜−半導体（ＣＭＩＳ）を有する回路である。ＳｉＣでＣＭＩＳを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するＣＭＩＳ回路を作製できる。
また、第３２の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｒｅｓｕｒｆ  ＭＩＳＦＥＴ）あるいは横型ＤＭＩＳ電界効果型トランジスタ（Ｌａｔｅｒａｌ  ＤＭＩＳＦＥＴ）である。ＳｉＣでＬａｔｅｒａｌ  Ｒｅｓｕｒｆ  ＭＩＳＦＥＴやＬａｔｅｒａｌ  ＤＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第３３の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳＦＥＴである。ＳｉＣで縦型ＤＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第３４の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が絶縁ゲート型バイポーラートランジスタ（ＩＧＢＴ）である。ＳｉＣでＩＧＢＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第３５の発明は、第３４の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置がｐチャネル型ＩＧＢＴである。ｐチャネルＩＧＢＴを作製することにより、ｎチャネルよりも高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
さらに、本発明における、第３６の発明は、（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜と半導体領域の界面に１Ｅ２０／ｃｍ３から１Ｅ２２／ｃｍ３の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）が存在する。ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｉｏｎ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によるＨの分析を行ったところ、ゲート酸化膜と半導体領域の界面に１Ｅ２１／ｃｍ３以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００ｃｍ２／Ｖｓ以上だが、１Ｅ２２／ｃｍ３を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ２０／ｃｍ３から１Ｅ２２／ｃｍ３に限定される。
また、第３７の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置がＭＩＳＦＥＴまたはＭＩＳキャパシタである。ＳｉＣでＭＩＳＦＥＴまたは、ＭＩＳキャパシタを作ることにより高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第３８の発明は、第３７の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｎチャネル型である。ＳｉＣでｎチャネルＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｎチャネル半導体素子を作製できる。
また、第３９の発明は、第３７の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳＦＥＴがｐチャネル型である。ＳｉＣでｐチャネルＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｐチャネル半導体素子を作製できる。
また、第４０の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が第３８の発明及び第３９の発明に記載のＭＩＳＦＥＴまたはＭＩＳキャパシタから構成されるＣＭＩＳを有する回路である。ＳｉＣでＣＭＩＳを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するＣＭＩＳ回路を作製できる。
また、第４１の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型ＭＩＳＦＥＴあるいは横型ＤＭＩＳＦＥＴである。ＳｉＣで横型ＭＩＳＦＥＴや横型ＤＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第４２の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳＦＥＴである。ＳｉＣで縦型ＤＭＩＳＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第４３の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置がＩＧＢＴである。ＳｉＣでＩＧＢＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
また、第４４の発明は、第４３の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置４がｐチャネル型ＩＧＢＴである。ｐチャネルＩＧＢＴを作製することにより、ｎチャネルよりも高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【図面の簡単な説明】    第１図は、ＭＯＳ電界効果型トランジスタの製造方法を示す模式図である。
第２図は、ＭＯＳキャパシタの断面を示す模式図である。
第３図は、乾燥酸素とＡｒ（アルゴン）、Ｈ２（水素）、Ｈ２Ｏ（水）雰囲気での熱処理を用いて形成したゲート絶縁膜を有するＭＯＳキャパシタのＣＶ曲線を示す図で、実線は高周波ＣＶ曲線、破線は準静的ＣＶ曲線を示す。
第４図は、第３図のＣＶ曲線から算出した界面準位密度のエネルギーギャップ内の分布を示す図である。
第５図は、Ｈ２Ｏ雰囲気での酸化とＡｒ、Ｈ２、Ｈ２Ｏ雰囲気での熱処理を用いて形成したゲート絶縁膜を有するＭＯＳキャパシタのＣＶ曲線から算出した界面準位密度のエネルギーギャップ内の分布を示す図である。
第６図は、Ｈ２Ｏ雰囲気で酸化して、アルゴン熱処理をした後に、水素熱処理の４００℃から９００℃で温度を変えた場合の界面準位密度を示す図である。
第７図は、Ｈ２Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成して、アルゴン熱処理をした後に、Ｈ２Ｏ熱処理を６５０℃、７５０℃、８５０℃、９５０℃で温度を変えた場合の界面準位密度を示す図である。
第８図は、Ｈ２Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成したのちに、アルゴン雰囲気で熱処理し、さらに、８００℃で水素ガス中にて熱処理をした場合の界面準位密度に対する、酸化温度の効果を示す図である。
第９図は、Ｈ２ＯとＯ２（酸素）からなる雰囲気中で（０００−１）面のＳｉＣ基板を酸化して形成されたＳｉＯ２膜及びＳｉＯ２／ＳｉＣ界面における水素密度を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定した結果を示した図である。一次イオン種としては、Ｃｓを用いている。
第１０図は、ｎチャネル金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（ｎ  ｃｈａｎｎｅｌ  ＭＩＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とｐチャネルＭＩＳＦＥＴによって構成される相補型金属−絶縁膜−半導体（ＣＭＩＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路の断面図である。
第１１図は、金属−絶縁膜−半導体（ＤＭＩＳ：Ｄｏｕｂｌｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路の断面図である。
第１２図は、横型（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｒｅｓｕｒｆ）ＭＩＳＦＥＴ回路の断面図である。
第１３図は、ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）回路の断面図である。ｎ＋型バッファ層はなくてもよい。
第１４図は、ｐチャネルＩＧＢＴ回路の断面図である。ｐ＋型バッファ層はなくてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】    本発明では、絶縁破壊電圧が、（１１−２０）面よりも大きい、（０００−１）面において、（０００１）面よりもチャネル移動度が高い酸化膜／炭化珪素界面形成技術に注目した半導体装置及びその製造方法を提供する。以下にこの発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
まず、具体的な半導体装置の製造方法を、第１図を用いて説明する。
第１図は、炭化珪素基板を用いたＭＯＳトランジスタの製造プロセス途中の断面図である。第１図（ａ）の（０００−１）面のＰ型炭化珪素基板１（４Ｈ−ＳｉＣ、不純物濃度：５×１０１５ｃｍ−３）を通常のＲＣＡ洗浄をした後に、Ｐ型炭化珪素基板１にフォトリソグラフィー用のアライメントマークをＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）で形成した。ここで、炭化珪素基板としては、シリコン基板上に成長した炭化珪素膜を用いることも可能である。
次いで、第１図（ｂ）に示すようにソース領域あるいはドレイン領域のイオン注入用マスク４を熱酸化膜やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によるＳｉＯ２膜で形成する。
本実施例では、第１図（ｂ）に示すようにイオン注入マスクとして、ＬＴＯ（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄｅ）膜を用いた。ＬＴＯ膜は、シランと酸素を４００℃から８００℃で反応させて二酸化珪素をＰ型炭化珪素基板１に堆積することにより形成した。次いで、フォトリソグラフィーでソース・ドレイン領域を形成した後に、ＨＦ（フッ酸）でＬＴＯをエッチングしてイオン注入されるソース領域あるいはドレイン領域を開口した。次いで、第１図（ｂ）に示したソース３あるいはドレイン４を形成するために５００℃で、窒素、燐あるいは砒素をイオン注入した。その後、アルゴン雰囲気中において１２００℃から１７００℃の範囲においで活性化熱処理を行う。本実施例では、１５００℃で５分の熱処理を行った。次いで、基板の清浄化のために、１）犠牲酸化膜形成後ＨＦでエッチング、２）オゾンに紫外光を照射しながらＳｉＣ基板表面処理、３）１０００℃で３０分のＨ２処理、４）２）の後に３）を連続して行う。次いで、８００℃から１２００℃でＯ２あるいは、Ｈ２Ｏ（水）を含むガスで酸化して、約５０ｎｍのゲート絶縁膜５を形成した。
一般に、Ｈ２Ｏを含むガスを用いた酸化には、１）Ｈ２Ｏを加熱した蒸気を酸素あるいは、不活性ガス（アルゴン、窒素、あるいはヘリウム）で炭化珪素基板まで流す方法、あるいは、２）Ｈ２（水素）とＯ２（酸素）を反応させることによりＨ２Ｏを発生させて行う方法とがある。本実施例では、１）あるいは２）で熱酸化膜を形成した。２）の場合には、８００℃から１２００℃で行った。この場合にも、Ｈ２Ｏを不活性ガスと一緒に流してもよい。さらに、熱酸化膜との比較のために５０ｎｍのＬＴＯ膜でゲート絶縁膜を形成した。次いで、不活性ガス中で熱処理して室温まで冷却した。この不活性ガス中で熱処理する工程は、省略することも可能であるが、信頼性の高いものを製造するためには省略しない方が望ましい。次いで、Ｈ２あるいはＨ２Ｏを含んだ雰囲気中で熱処理をした。Ｈ２を含んだ雰囲気の場合には、４００℃から９００℃で行った。Ｈ２Ｏを含んだ雰囲気の場合には、６５０℃から９５０℃で行うことが望ましい。本実施例では、６５０℃、７５０℃、８５０℃、９５０℃のそれぞれで行った。本実施例で使用したＨ２Ｏガスは、全てＨ２ガスとＯ２ガスを８００℃の温度で反応させて発生させたＨ２Ｏガスで、Ｈ２（水素）ガスの流量、［Ｈ２］、とＯ２（酸素）ガスの流量、［Ｏ２］、の比［Ｏ２］／［Ｈ２］は０．１から１０の範囲で調整して行ったが、第１図の場合は３であった。この時に、Ｈ２Ｏガスは、不活性ガス（アルゴン、窒素、あるいはヘリウム）と一緒に流してもよい。この後に、アルゴンや窒素などの不活性ガス中で熱処理する。この工程は、上記と同様に、省略することも可能であるが、信頼性の高いものを製造するためには省略しない方が望ましい。次いで、さらに、低温でＨ２Ｏ熱処理をしてからＨ２熱処理を行った。２回目のＨ２あるいはＨ２Ｏ熱処理は省略することも可能であるが、省略しない方が望ましい。本実施例では、Ｈ２Ｏ処理を６５０℃と８５０℃で行った後に、８００℃で水素処理を行った。
その後にゲート電極６を形成するが、ゲート電極は、アルミニウム、あるいは、Ｎ型ポリシリコン、あるいはＰ型ポリシリコンのいずれでもよい。さらに、この上に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良い。この後に、アルミニウム膜、あるいはＮ型ポリシリコン、あるいはＰ型ポリシリコンをエッチングすることによりゲート電極を形成した。引き続いて、その上に酸化膜を堆積して、その酸化膜を局部的にエッチングしてコンタクト孔を開口した。次いで、アルミニウムを蒸着した後にウエットエッチングした。ニッケル、チタン、アルミニウムを含有した金属あるいはこれらの積層膜を蒸着あるいは、スパッタ法で形成した後に、ＲＩＥあるいは、ウエットエッチングにより金属配線１０を形成してもよい。次いで、窒素中で熱処理を行い、ＭＯＳ電界効果型トランジスタを完成させた。
また、ＭＯＳキャパシタは、次の様に作製した。まず、（０００−１）面のＮ型炭化珪素基板（４Ｈ−ＳｉＣ、不純物濃度：５×１０１５ｃｍ−３）を通常のＲＣＡ洗浄をした後に、１０ｎｍの犠牲酸化膜を形成して、この犠牲酸化膜を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、熱処理を行った。ゲート絶縁膜形成方法と、その後の熱処理方法は、ＭＯＳＦＥＴ作製方法と同様である。次いで、アルミニウム膜を蒸着法によりゲート絶縁膜の上とＳｉＣ基板の裏面につけ、さらに、裏面に金属基板をつけて第２図に示す断面構造をもったＭＯＳキャパシタを完成させた。
乾燥酸素でゲート酸化膜を形成した場合とＨ２Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成した場合とでは、それぞれ酸化後に不活性ガス（アルゴン）でアニールしたが、乾燥酸素でゲート酸化膜を形成した場合は、ＭＯＳＦＥＴは動作しなかったが、Ｈ２Ｏ雰囲気の場合には、動作し、そのチャネル移動度は５０ｃｍ２／Ｖｓであった。このように、１１５０℃以下のＨ２Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成すると、（０００−１）面でも、ＭＯＳＦＥＴを動作させることができる。
第３図に、Ｈ２Ｏを含んだ雰囲気で９５０℃から１２００℃においてゲート絶縁膜を形成した後に、Ａｒ（アルゴン）雰囲気で３０分の熱処理をした試料のＭＯＳキャパシタの同時容量−電圧測定法で測定された高周波ＣＶ特性（測定周波数ｆ＝１００ｋＨｚ）と準静的ＣＶ特性（ステップ電圧Ｖｓ＝５０ｍＶ，遅延時間ｔｄ＝１０秒）を示す。実線が、高周波ＣＶ特性で、破線が準静的ＣＶ特性である。この２つＣＶ特性の容量差が大きいほど、界面準位密度（Ｄｉｔ）が大きいことを示している。
第４図に第３図のデータから、数１を用いて算出された界面準位密度（Ｄｉｔ）のＳｉＣのエネルギーバンド内の分布を示す。ここで、Ｃｈ：高周波容量、Ｃｑ：準静的容量、Ｃｏｘ：酸化膜容量、ｑ：電子の電荷である。
2004003989.tif 000003
第４図に示したデータの試料では、Ｈ２Ｏガスを含んだ雰囲気で９５０℃から１２００℃においてゲート絶縁膜を形成した後に、Ａｒ（アルゴン）雰囲気で３０分の熱処理をしている。酸化温度が１１００℃以上までは、Ｄｉｔは高く、ほぼ一定であるが、１１００℃以下になると減少し、１０００℃以下になると一定になる。したがって、酸化温度は、１１００℃より低い温度が望ましい。
第５図では、乾燥酸素（Ｄｒｙ）、Ｈ２Ｏ雰囲気（Ｗｅｔ）でＳｉＣ基板を熱酸化して、アルゴン熱処理のみをしたものと、さらに８００℃で水素熱処理をした試料を比較している。酸化方法にかかわらず、水素熱処理が、Ｄｉｔを減少させているのがわかる。したがって、水素熱処理は、Ｄｉｔの減少に効果がある。
第６図にＨ２Ｏ雰囲気で酸化して、アルゴン熱処理をした後に、水素熱処理の４００℃から９００℃で温度を変えた場合の界面準位密度を示す。４００℃までは、変化がないが、４００℃以上で急激に減少して８００℃以上で飽和する。１０００℃より高温だと、水素がゲート絶縁膜を還元してゲート絶縁膜の信頼性を損ねるので、水素熱処理の温度は、４００℃から１０００℃が望ましい。
第７図にゲート酸化膜をＨ２Ｏ雰囲気において、９５０℃から１２００℃で形成したのちに、アルゴン雰囲気で熱処理し、さらに、８００℃で水素ガスを含む雰囲気で熱処理をした場合の界面準位密度に対する、酸化温度の効果を示す。酸化温度が１１００℃以上までは、Ｄｉｔは高く、ほぼ一定であるが、１１００℃より低くなると減少し、１０００℃以下になると一定になる。したがって、ゲート絶縁膜を形成した後に水素熱処理をした場合でも、酸化温度は、１１００℃より低い温度が望ましい。
第８図にゲート絶縁膜をＨ２Ｏ雰囲気において形成したのちに、アルゴン雰囲気で熱処理し、さらに、８００℃で水素中にて熱処理をする場合において、ゲート絶縁膜形成時のＨ２Ｏ雰囲気のＨ２Ｏガス濃度が、界面準位密度に対する効果を示す。Ｈ２Ｏガス濃度が２５％までは、界面準位密度は一定であるが、５０％以上では、増加する。したがって、Ｈ２Ｏガス濃度は、５０％より低い範囲が望ましい。
この様にして得られた結果について、表１にゲート絶縁膜の形成条件と酸化後の熱処理条件とＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度の関係をまとめる。
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ゲート絶縁膜をＨ２Ｏ雰囲気で形成した場合は、チャネル移動度５０ｃｍ２／Ｖｓだが、形成後に、Ｈ２で熱処理した場合にチャネル移動度は、７２ｃｍ２／Ｖｓになった。また、酸化温度を９５０℃にした場合には、６５ｃｍ２／Ｖｓで温度を下げることにより、チャネル移動度が向上する。
次に、ゲート絶縁膜としてＬＴＯ膜と熱酸化膜の比較結果を表２に示す。この表では、共に酸化後のアニール（ＰＯＡ：Ｐｏｓｔ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ａｎｎｅａｌ）は、Ａｒ（アルゴン）ガス中でのアニールのみである。この結果から、熱酸化膜がチャネル移動度の向上に効果があることがわかる。
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次に、純水を暖めてＨ２Ｏの蒸気にし、これをアルゴンガスで流して炭化珪素基板を酸化した場合と、Ｈ２とＯ２の反応によりＨ２Ｏを生成して、アルゴンガスで流して炭化珪素基板を酸化した場合のチャネル移動度の結果を表３に示す。ゲート絶縁膜形成条件は、１１５０℃、１４分である。この結果から、Ｈ２とＯ２を反応して、Ｈ２Ｏを生成した方が、チャネル移動度が高く、チャネル移動度の向上に効果があることがわかる。
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次に、チャネル移動度に対する清浄効果を表４に示す。ゲート絶縁膜形成条件は、１１５０℃、１４分である。
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この結果から、清浄処理をしない場合よりも、清浄処理をした方が、チャネル移動度が向上することがわかる。オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理工程の後のその値は、５５ｃｍ２／Ｖｓであるが、水素アニールによる清浄処理後で５７ｃｍ２／Ｖｓになり、オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理と水素アニールによる清浄処理を行うと６０ｃｍ２／Ｖｓになった。したがって、清浄処理として、オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理、水素アニールによる清浄処理、あるいは、オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理と水素アニールによる清浄処理を行う処理、等は、チャネル移動度の改善に効果があることがわかる。
第９図にＨ２ＯとＯ２（酸素）からなる雰囲気中で（０００−１）面のＳｉＣ基板を酸化して形成されたＳｉＯ２膜及びＳｉＯ２／ＳｉＣ界面における水素密度を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定した結果を示す。一次イオン種としては、Ｃｓを用いた。
ゲート酸化膜中に１Ｅ１９／ｃｍ３以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００ｃｍ２／Ｖｓ以上だが、１Ｅ２０／ｃｍ３を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ１９／ｃｍ３から１Ｅ２０／ｃｍ３に限定される。
ゲート酸化膜と半導体領域の界面に１Ｅ２１／ｃｍ３以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００ｃｍ２／Ｖｓ以上だが、１Ｅ２２／ｃｍ３を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ２０／ｃｍ３から１Ｅ２２／ｃｍ３に限定される。
第１０図に、ｎチャネル金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（ｎ  ｃｈａｎｎｅｌ  ＭＩＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とｐチャネルＭＩＳＦＥＴによって構成される相補型金属−絶縁膜−半導体（ＣＭＩＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路の断面図を示す。
第１１図に、金属−絶縁膜−半導体（ＤＭＩＳ：Ｄｏｕｂｌｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路の断面図を示す。
第１２図に、横型（Ｌａｔｅｒａｌ  Ｒｅｓｕｒｆ）ＭＩＳＦＥＴ回路の断面図を示す。
第１３図に、ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）回路の断面図を示す。ｎ＋型バッファ層はなくてもよい。
第１４図に、ｐチャネルＩＧＢＴ回路の断面図を示す。ｐ＋型バッファ層はなくてもよい。
【産業上の利用可能性】    以上のように、本発明は上記した構成（ＳｉＣ半導体装置）からなるので、高耐圧で高チャネル移動度を有する高耐圧パワーデバイス、特に、ＭＯＳキャパシタ、ＭＯＳＦＥＴ、ｎチャネルＭＩＳＦＥＴとｐチャネルＭＩＳＦＥＴによって構成されるＣＭＩＳ回路、ＤＭＩＳ回路、あるいはＩＧＢＴ回路などのゲート絶縁膜を用いる半導体装置に用いるのに適している。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年4月25日(2005.4.25)
【手続補正１】
【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】
この発明は、基板の結晶面方位を規定した炭化珪素基板上に形成する半導体装置及びその製造方法に関し、特に、金属―酸化膜―半導体（ＭＯＳ：Metal Oxide Semiconductor）キャパシタあるいはＭＯＳ電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのゲート絶縁膜を用いる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いた酸化膜−炭化珪素界面は、界面準位密度がシリコンＭＯＳトランジスタに比べて、約１桁高く、それにより、炭化珪素基板を用いたＭＯＳ電界効果型トランジスタは、シリコン基板を用いたＭＯＳ電界効果型トランジスタよりもチャネル移動度が約１桁低いという問題があった。特に４Ｈ−ＳｉＣと呼ばれる結晶構造を有する炭化珪素のバルク基板の移動度は、６Ｈ−ＳｉＣと呼ばれる結晶構造を有する炭化珪素のバルク基板の移動度の約２倍だが、酸化膜／炭化珪素界面の欠陥（界面準位密度）が多く、チャネル移動度は低い。４Ｈ−ＳｉＣバルク基板の移動度は高いので、本来、パワーＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を下げるには有利であるはずである。しかし、チャネル移動度が低いために、４Ｈ−ＳｉＣのオン抵抗値は、６Ｈ−ＳｉＣよりも高く、４Ｈ−ＳｉＣのＭＯＳ構造の界面準位密度を下げることは、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴを実現するためには非常に重要である。ＳｉＣには、代表的な面として（０００１）面、（１１−２０）面、（０００−１）面の３つの面がある。酸化速度は、（０００１）面よりも（１１−２０）面の方が大きく、またこれよりも（０００−１）面の方が大きい。特に、（０００−１）面は、（０００１）面よりも約１０倍大きい。これは、ＳｉとＣの酸化機構が面方位によって異なるためである。したがって、酸化膜／炭化珪素界面における界面準位密度を下げる最適な酸化条件や酸化後のアニール条件は、面方位によって異なり、面方位毎に酸化条件や酸化後のアニール条件を最適化する必要がある。ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴは、研究当初においては、（０００１）面に形成されていたが、そのチャネル移動度は、１０ｃｍ2／Ｖｓ以下であった。
【０００３】
最近、ＳｉＣの（１１−２０）面にＨ2Ｏ（水）でゲート絶縁膜を形成した後に、水素アニールをすることにより界面準位密度を下げて、チャネル移動度が１１０ｃｍ2／Ｖｓまで向上することが報告された。しかし、（１１−２０）面は、絶縁破壊電界が（０００１）面や（０００−１）面と比較して小さく、高耐圧パワーデバイスには不利である。また、（０００−１）面に作製されたＭＯＳＦＥＴがチャネルドーピング技術を用いることなく動作する報告はない。チャネルドーピング技術は、チャネル移動度を向上するが、リーク電流が流れやすくなり、耐圧が低下するので、やはり、高耐圧パワーデバイスには向いていない。本発明では、絶縁破壊電圧が、（１１−２０）面よりも大きい（０００−１）面において、（０００１）面よりもチャネル移動度が高い酸化膜／炭化珪素界面形成技術を提供する。
【０００４】
炭化珪素基板の酸化方法とその後の熱処理方法については、以下に説明する様に、既にいくつかの発表が行われ、あるいは発明が開示されている。
例えば、特開平９−１９９４９７号公報には、ＳｉＣ単結晶基板の熱酸化膜の改善方法において、酸化する工程に続き、水素によりアニールする工程と、不活性ガスによりアニールする工程を有することを特徴とするヒステリシスおよびフラットバンドシフトを低減するＳｉＣの熱酸化膜の改善法が開示されている。この公報には、特に、炭化珪素を酸化後に１０００℃で水素熱処理する方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面については記載がない。さらに、１０００℃では温度が高すぎて水素により酸化膜が還元されてしまい、この酸化膜をゲート酸化膜として用いた場合のデバイス信頼性を低下させる要因となる。
【０００５】
また、特開平１０−１１２４６０号公報には、炭化珪素半導体装置の熱酸化膜形成後の界面凖位密度を低減するために、熱酸化後の不活性ガス中のアニール時間を２時間未満とし、また、一度形成した熱酸化膜を３００〜５００℃の低温で水素ガスや、水蒸気等の水素原子を含むガス中で熱処理するのもよく、更にまた、熱酸化後および熱酸化後の熱処理工程後の冷却期間の少なくとも一部で、水素原子を含むガスを雰囲気とする炭化珪素半導体装置の製造方法が開示されている。特に、ゲート酸化膜形成後に水素原子を含む雰囲気で３００℃から５００℃の範囲において熱処理する方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面については記載がない。また、ゲート酸化膜形成後に水素原子を含む雰囲気での熱処理としては、３００℃から５００℃の範囲は温度が低くて不充分である。
【０００６】
また、特開平１１−３１６９１号公報には、炭化珪素半導体装置の熱酸化膜形成後の界面凖位密度を低減するために、（１）水素ガスと酸素ガスを導入して熱酸化するパイロジェニック酸化によって酸化珪素膜を成長させる熱酸化膜形成方法において、水素と酸素の流量比を１：１よりも水素の流量が多い流量比とし、あるいは、（２）水素原子を含む雰囲気中で、酸化後の冷却をおこない、その冷却速度を０．３〜３℃／ｍｉｎの範囲とし、あるいは、（３）酸化、冷却後の取り出し温度を９００℃以下とする炭化珪素半導体装置の熱酸化膜形成方法が開示されている。特に、炭化珪素の酸化をパイロジェニック法で行った後に、水素を含む雰囲気で冷却する方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面については記載がない。また、この公報に記載されたパイロジェニック法の水素と酸素の比が最適でない。
【０００７】
また、特開２０００−２５２４６１号公報には、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、６００〜１６００℃の範囲で水素を含んだ雰囲気でアニールする半導体装置の製造方法が開示されており、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ダ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ゲート絶縁膜／炭化珪素界面を得ることができる、という効果が記載されている。特に、炭化珪素基板上の酸化膜を形成した後に水素熱処理を行う製造方法が記載されているが、これは、炭化珪素基板の（０００１）面についての方法であり、（０００−１）面についての望ましい水素熱処理方法についての記載はない。
【０００８】
また、アメリカ合衆国特許（ＵＳＡ．ＰＡＴ．Ｎｏ．ＵＳ５９７２８０１）においては、改善された酸化物層を得て、その結果、酸化物を基礎とする装置でのパフォーマンスを改善する方法が開示されている。その方法は、炭化珪素基板がさらに酸化されるほどには高温で無く、しかし、酸化ソースガスを酸化物の中に拡散するには充分高温で、また、炭化珪素基板がさらに酸化されるほどには長時間で無く、しかし、酸化膜を高密度化して酸化膜と基板との界面特性を改善することができる程度の間、炭化珪素上の酸化物層を、酸化性の雰囲気にさらす、という炭化珪素基板上の酸化物層で欠陥を減らすプロセスである。特に、炭化珪素基板の酸化方法について、ゲート酸化膜を形成した後に、６００℃から１０００℃でＨ2Ｏ（水）ガスを含む雰囲気で処理をする方法が記載されているが、この場合のＨ2Ｏガスは、Ｈ2ガスとＯ2ガスとの反応でなく、純水を熱することにより生成したＨ2Ｏの蒸気によるものである。また、（０００−１）面のゲート酸化膜の形成方法及び酸化膜形成後の熱処理については、記載されていない。
【０００９】
また、文献１（S.Ogino, T.Oikawa, and K.Ueno、 Mat. Sci. Forum、 338-342, 1101 (2000).）に、６Ｈ−ＳｉＣの（０００−１）面について、ゲート酸化膜の下に不純物を注入するチャネルドーピングを用いてＭＯＳＦＥＴを形成して動作させた旨、報告されているが、チャネルドーピングを用いない場合の結果は報告されていない。また、ゲート酸化膜の形成方法は、１１００℃での乾燥酸素を用いたドライ酸化であり、それ以外の形成方法は記載されていない。
【００１０】
また、文献２（K.Fukuda, W.J.Cho, K.Arai, S.Suzuki, J.Senzaki, and T.TanakaAppl. Phys. Lett. 77, 866(2000).）には、１２００℃で熱酸化法により４Ｈ−ＳｉＣの（０００−１）面にゲート酸化膜の形成方法と界面準位密度の関係についての報告があるが、１２００℃よりも低い温度でのゲート絶縁膜の形成方法と酸化後の処理についての報告はない。
【特許文献１】特開平９−１９９４９７号公報
【特許文献２】特開平１０−１１２４６０号公
【特許文献３】特開平１１−３１６９１号公報
【特許文献４】特開２０００−２５２４６１号公報
【特許文献５】米国特許第５９７２８０１号明細書
【非特許文献１】S.Ogino, T.Oikawa, and K.Ueno、 Mat. Sci. Forum、 338-342, 1101(2000).
【非特許文献２】K.Fukuda, W.J.Cho, K.Arai, S.Suzuki, J.Senzaki, and T.Tanaka  Appl.Phys. Lett. 77, 866 (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のように、ＳｉＣには、代表的な面として（０００１）面、（１１−２０）面、（０００−１）面の３つの面がある。酸化速度は、（０００１）面よりも（１１−２０）面が大きく、また、さらに（０００−１）面の方が大きい。特に、（０００−１）面は、（０００１）面よりも約１０倍大きい。したがって、酸化膜／炭化珪素界面における界面準位密度を下げる最適な酸化条件や酸化後のアニール条件は、面方位によって異なる。例えば、（０００１）面では、界面準位密度は、Ｈ2Ｏを用いた場合よりも、乾燥酸素を用いた場合の方が低いが、（１１−２０）面では、Ｈ2Ｏを用いた酸化の方が低い。酸化後のアニール効果も面方位により異なる。このように、面毎に、界面準位密度が最小になる酸化条件や酸化後のアニール条件を最適化する必要がある。ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴは、研究当初においては、（０００１）面に形成されていたが、そのチャネル移動度は、1０ｃｍ2／Ｖｓ程度にしかならなかった。最近、ＳｉＣの（１１−２０）面にＨ2Ｏ（水）でゲート絶縁膜を形成した後に、水素アニールをすることにより界面準位密度を下げて、チャネル移動度が１１０ｃｍ2／Ｖｓまで向上することが報告された。しかし、（１１−２０）面は、絶縁破壊電界が（０００１）面や（０００−１）面と比較して小さく、高耐圧パワーデバイスには不利である。また、（０００−１）面に作製されたＭＯＳＦＥＴがチャネルドーピング技術を用いることなく動作する報告はない。チャネルドーピング技術は、チャネル移動度を向上するが、リーク電流が流れやすくなり、耐圧が低下するので、やはり、高耐圧パワーデバイスには向いていない。
【００１２】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、（０００１）面や（１１−２０）面よりも優れた（０００−１）面の炭化珪素基板を用いた半導体装置において、ゲート酸化後の熱処理方法を最適化することにより、高耐圧で高チャネル移動度を有するＳｉＣ半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜の形成方法に関するものであり、半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、８００℃から１１５０℃の温度範囲において、Ｈ2Ｏ（水）ガスを１％以上含んだ雰囲気でゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含む。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にＨ2Ｏを１％以上含んだ雰囲気で酸化することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００１４】
また、第２の発明は、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度をより低減せしめるために、第１の発明において、８００℃から１０５０℃の温度範囲において、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気でのゲート絶縁膜の形成が行われる。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜の酸化温度を８００℃から１０５０℃に制限することにより、界面準位密度を下げ、チャネル移動度を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明における第３の発明は、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度をより低減せしめるための半導体装置の製造方法で、半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ2（水素）ガスあるいはＨ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することにより、上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含む。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ2あるいはＨ2Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明における第４の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜を形成した後の熱処理に関するものであり、半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理した後にＨ2（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することにより、上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含む。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ2あるいはＨ2Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明における第５の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜を形成した後の熱処理に関するものであり、本発明の第２あるいは第３の発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理は、Ｈ2（水素）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ2（水素）ガス濃度は、予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつ。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ2あるいはＨ2Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００１８】
また、第６の発明は、半導体装置の製造方法で、特にゲート絶縁膜を形成した後の熱処理に関するものであり、本発明の第２あるいは第３の発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理はＨ2Ｏ（水）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ2Ｏ（水）ガス濃度は予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつ。（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した後に、１％ないし１００％のいずれかの濃度をもったＨ2あるいはＨ2Ｏを含んだ雰囲気で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００１９】
また、第７の発明は、第３、第５、あるいは第６の発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ2（水素）ガスあるいはＨ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中に予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含む。ゲート絶縁膜を形成した後で、Ｈ2あるいはＨ2Ｏを含んだ雰囲気で熱処理する前に不活性雰囲気中で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２０】
また、第８の発明は、第４、第５あるいは第６の発明の特徴に加えてゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第１の期間に、あるいは、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程と、Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第２の期間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中で予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含む。ゲート絶縁膜を形成した後、あるいは、Ｈ2Ｏを含んだ雰囲気で熱処理した後で、Ｈ2を含んだ雰囲気で熱処理する前のどちらか一方あるいは両方の工程において不活性雰囲気中で熱処理することにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２１】
また、第９の発明は、第４、第５、第６あるいは第８の発明の特徴に加えて、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度よりも、Ｈ2ガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度の方が高い。Ｈ2ガスを含んだ雰囲気で熱処理する温度を、Ｈ2Ｏガスを１％以上含んだ雰囲気で熱処理する温度より高くする。このことにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２２】
また、第１０の発明は、第３ないし第９のいずれかの発明の特徴に加えて、ゲート絶縁膜を形成する工程の後に行うＨ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程は、６５０℃から９５０℃の範囲の予め決められた温度で予め決められた時間保持する工程である。ゲート絶縁膜を形成する工程の後に行うＨ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程が、６５０℃から９５０℃の範囲であるため、ゲート絶縁膜の膜厚増加は、無視できる程度にすることができる。
【００２３】
また、第１１の発明は、第３ないし第１０の発明のいずれかの特徴に加えて、ゲート絶縁膜を半導体領域の熱酸化法により形成する。このことにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２４】
また、第１２の発明は、第１１の発明の特徴に加えて、半導体領域の熱酸化法は、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で行われる熱酸化法である。Ｈ2Ｏを含んだ雰囲気にて、熱酸化法を用いることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２５】
また、第１３の発明は、第１２の発明の特徴に加えて、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ2Ｏガスと酸素あるいは、Ｈ2Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ2Ｏガスが１％から１００％の範囲の予め決められた濃度である。Ｈ2Ｏを含んだ雰囲気がＨ2Ｏガスと酸素ガスと不活性ガスからなり、Ｈ2Ｏガスが１％から１００％の予め決められた濃度である雰囲気を用いることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２６】
また、第１４の発明は、第１３の発明に加えて、ゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ2ガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ2Ｏガスと酸素ガスあるいは、Ｈ2Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ2Ｏガスが１０％から５０％の予め決められた濃度である。使用するＨ2ＯがＨ2とＯ2からなり、１０％から５０％の予め決められた濃度にすることにより、界面準位密度を下げることができる。
【００２７】
また、第１５の発明は、第１ないし第１４の発明のいずれかの特徴に加えて、上記のＨ2Ｏ（水）ガスは、上記の半導体領域の置かれた雰囲気においてＨ2（水素）ガスとＯ2（酸素）ガスの反応により生成されたものである。使用するＨ2ＯがＨ2とＯ2（酸素）の反応により生成することにより、不純物の導入を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２８】
また、第１６の発明は、第１５の発明の特徴に加えて、Ｈ2（水素）ガスの流量、［Ｈ2］、とＯ2（酸素）ガスの流量、［Ｏ2］、の比が［Ｏ2］／［Ｈ2］＝０．１から１００の範囲の予め決められた範囲にある。Ｈ2Ｏの生成に当たっては、Ｈ2（水素）ガスの流量、［Ｈ2］、とＯ2（酸素）ガスの流量、［Ｏ2］、の比が［Ｏ2］／［Ｈ2］＝０．１から１００にすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００２９】
また、第１７の発明は、第３ないし第１６の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域の酸化温度が８００℃から１１５０℃の範囲の予め決められた温度範囲にある。半導体基板の酸化温度が８００℃から１１５０℃の範囲の予め決められた温度範囲にあるようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３０】
また、第１８の発明は、第１１ないし第１７の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域を熱酸化してゲート酸化膜を形成した後に、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、ゲート酸化膜を形成した温度よりも低い温度で熱処理を行い、ゲート酸化膜厚を増加させる。ゲート酸化膜を形成した温度よりも低い温度で、Ｈ2Ｏを含んだ雰囲気にて熱処理をするようにしたので、ゲート酸化膜の膜厚を増加させることなくチャネル移動度を向上させることができる。
【００３１】
また、第１９の発明は、第３ないし第１８の発明のいずれかの特徴に加えて、Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理温度が６００℃から９００℃の範囲の予め決められた温度範囲にある。このようにすることにより、水素によるエッチングなどを避けて、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３２】
また、第２０の発明は、第３ないし第１９の発明のいずれかの特徴に加えて、ゲート絶縁膜の形成及びその後のＨ2（水素）ガスあるいはＨ2Ｏ（水）ガスあるいは不活性ガス雰囲気での熱処理は、外気と遮断された装置内で連続して行われる。Ｈ2Ｏを含んだ雰囲気にて、このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３３】
また、第２１の発明は、第１ないし第２０の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気中に置かれた半導体領域に紫外光を照射することにより清浄にする工程を含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３４】
また、第２２の発明は、第１ないし第２１の発明のいずれかの特徴に加えて、半導体領域の表面を清浄にする工程は、Ｈ2（水素）雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程を含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３５】
また、第２３の発明は、第２２の発明の特徴に加えて、半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気に置かれた半導体領域に紫外光を照射して清浄にする工程と、その後に行われる、半導体領域をＨ2（水素）ガス雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程とを含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３６】
また、第２４の発明は、第１ないし第２３の発明のいずれかに含まれる工程に加えて、さらに、層間絶縁膜を形成する工程と、配線層を形成する工程と、配線層を保護する絶縁膜を形成する工程とをさらに含む。このようにすることにより、十分にオン抵抗の低い炭化珪素電子デバイス、電子回路、電力素子を実現できる。
【００３７】
また、第２５の発明は、第３ないし第２４の発明のいずれかの特徴に加えて、さらに、Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を、ゲート絶縁膜より上の層にゲート電極層を形成した後に行う。このようにすることにより、ゲート絶縁膜が汚染されることなく、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３８】
また、第２６の発明は、第３ないし第２５の発明のいずれかの特徴において、あるいはそれに加えて、Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を行う工程を含み、さらに、この工程の後に、６００℃以下での不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う工程を含む。このようにすることにより、チャネル移動度を向上させることができる。
【００３９】
そして、本発明における第２７の発明は、（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜中に１Ｅ１９／cm3から１Ｅ２０／cm3の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）を含む。ＳＩＭＳ(Secondary ion mass spectroscopy)によるＨの分析を行ったところ、酸化膜たるゲート絶縁膜中に１Ｅ１９／cm3以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００cm2／Vs以上だが、１Ｅ２０／cm3を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ１９／cm3から１Ｅ２０／cm3に限定される。
【００４０】
また、第２８の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が金属―絶縁膜―半導体電界効果型トランジスタ（ＭＩＳ  ＦＥＴ）またはＭＩＳ  キャパシタである。ＳｉＣでＭＩＳ  ＦＥＴまたは、ＭＩＳキャパシタを作ることにより高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００４１】
また、第２９の発明は、第２８の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがｎチャネル型である。ＳｉＣでｎチャネルＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｎチャネル半導体素子を作製できる。
【００４２】
また、第３０の発明は、第２８の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがpチャネル型である。ＳｉＣでｐチャネルＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｐチャネル半導体素子を作製できる。
【００４３】
また、第３１の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が第２９の発明及び第３０の発明に記載のＭＩＳ  ＦＥＴまたはＭＩＳ  キャパシタから構成される相補型金属―絶縁膜―半導体（ＣＭＩＳ）を有する回路である。ＳｉＣでＣＭＩＳを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するＣＭＩＳ回路を作製できる。
【００４４】
また、第３２の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型金属―絶縁膜―半導体電界効果型トランジスタ（Lateral  Resurf  ＭＩＳ  ＦＥＴ）あるいは横型ＤＭＩＳ電界効果型トランジスタ（Lateral  ＤＭＩＳ  ＦＥＴ）である。ＳｉＣでLateral  Resurf  ＭＩＳ  ＦＥＴやLateral  ＤＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００４５】
また、第３３の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳ  ＦＥＴである。ＳｉＣで縦型ＤＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００４６】
また、第３４の発明は、第２７の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が絶縁ゲート型バイポーラートランジスタ（ＩＧＢＴ）である。ＳｉＣでＩＧＢＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００４７】
また、第３５の発明は、第３４の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置がｐチャネル型ＩＧＢＴである。ｐチャネルＩＧＢＴを作製することにより、ｎチャネルよりも高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００４８】
さらに、本発明における、第３６の発明は、（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜と半導体領域の界面に１Ｅ２０／cm3から１Ｅ２２／cm3の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）が存在する。ＳＩＭＳ(Secondary ion mass spectroscopy)によるＨの分析を行ったところ、ゲート酸化膜と半導体領域の界面に１Ｅ２１／cm3以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００cm2／Vs以上だが、１Ｅ２２／cm3を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ２０／cm3から１Ｅ２２／cm3に限定される。
【００４９】
また、第３７の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置がＭＩＳ  ＦＥＴまたはＭＩＳキャパシタである。ＳｉＣでＭＩＳ  ＦＥＴまたは、ＭＩＳキャパシタを作ることにより高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００５０】
また、第３８の発明は、第３７の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがｎチャネル型である。ＳｉＣでｎチャネルＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｎチャネル半導体素子を作製できる。
【００５１】
また、第３９の発明は、第３７の発明に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがpチャネル型である。ＳｉＣでｐチャネルＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するｐチャネル半導体素子を作製できる。
【００５２】
また、第４０の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が第３８の発明及び第３９の発明に記載のＭＩＳ  ＦＥＴまたはＭＩＳ  キャパシタから構成されるＣＭＩＳを有する回路である。ＳｉＣでＣＭＩＳを作製することにより、高耐圧及び高温で動作するＣＭＩＳ回路を作製できる。
【００５３】
また、第４１の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型ＭＩＳ  ＦＥＴあるいは横型ＤＭＩＳ  ＦＥＴである。ＳｉＣで横型ＭＩＳ  ＦＥＴや横型ＤＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００５４】
また、第４２の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳ  ＦＥＴである。ＳｉＣで縦型ＤＭＩＳ  ＦＥＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００５５】
また、第４３の発明は、第３６の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置がＩＧＢＴである。ＳｉＣでＩＧＢＴを作製することにより、高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【００５６】
また、第４４の発明は、第４３の発明に記載の半導体装置において、該半導体装置がｐチャネル型ＩＧＢＴである。ｐチャネルＩＧＢＴを作製することにより、ｎチャネルよりも高耐圧及び高温で動作する半導体素子を作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
本発明では、絶縁破壊電圧が、（１１−２０）面よりも大きい、（０００−１）面において、（０００１）面よりもチャネル移動度が高い酸化膜／炭化珪素界面形成技術に注目した半導体装置及びその製造方法を提供する。以下にこの発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
【００５８】
まず、具体的な半導体装置の製造方法を、図１を用いて説明する。
図１は、炭化珪素基板を用いたＭＯＳトランジスタの製造プロセス途中の断面図である。図１（ａ）の（０００−１）面のＰ型炭化珪素基板１（４Ｈ−ＳｉＣ、不純物濃度：５×１０15ｃｍ-3）を通常のＲＣＡ洗浄をした後に、Ｐ型炭化珪素基板１にフォトリソグラフィー用のアライメントマークをＲＩＥ（Reactive
Ion Etching）で形成した。ここで、炭化珪素基板としては、シリコン基板上に成長した炭化珪素膜を用いることも可能である。
【００５９】
次いで、図１（ｂ）に示すようにソース領域あるいはドレイン領域のイオン注入用マスク４を熱酸化膜やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によるＳｉＯ2膜で形成する。
本実施例では、図１（ｂ）に示すようにイオン注入マスクとして、ＬＴＯ（Low Temperature Oxide）膜を用いた。ＬＴＯ膜は、シランと酸素を４００℃から８００℃で反応させて二酸化珪素をＰ型炭化珪素基板１に堆積することにより形成した。次いで、フォトリソグラフィーでソース・ドレイン領域を形成した後に、ＨＦ（フッ酸）でＬＴＯをエッチングしてイオン注入されるソース領域あるいはドレイン領域を開口した。次いで、図１（ｂ）に示したソース３あるいはドレイン４を形成するために５００℃で、窒素、燐あるいは砒素をイオン注入した。その後、アルゴン雰囲気中において１２００℃から１７００℃の範囲においで活性化熱処理を行う。本実施例では、１５００℃で５分の熱処理を行った。次いで、基板の清浄化のために、１）犠牲酸化膜形成後ＨＦでエッチング、２）オゾンに紫外光を照射しながらＳｉＣ基板表面処理、３）１０００℃で３０分のＨ2処理、４）２）の後に３）を連続して行う。次いで、８００℃から１２００℃でＯ2あるいは、Ｈ2Ｏ（水）を含むガスで酸化して、約５０ｎｍのゲート絶縁膜５を形成した。
【００６０】
一般に、Ｈ2Ｏを含むガスを用いた酸化には、１）Ｈ2Ｏを加熱した蒸気を酸素あるいは、不活性ガス（アルゴン、窒素、あるいはヘリウム）で炭化珪素基板まで流す方法、あるいは、２）Ｈ2（水素）とＯ2（酸素）を反応させることによりＨ2Ｏを発生させて行う方法とがある。本実施例では、１）あるいは２）で熱酸化膜を形成した。２）の場合には、８００℃から１２００℃で行った。この場合にも、Ｈ2Ｏを不活性ガスと一緒に流してもよい。さらに、熱酸化膜との比較のために５０ｎｍのＬＴＯ膜でゲート絶縁膜を形成した。次いで、不活性ガス中で熱処理して室温まで冷却した。この不活性ガス中で熱処理する工程は、省略することも可能であるが、信頼性の高いものを製造するためには省略しない方が望ましい。次いで、Ｈ2あるいはＨ2Ｏを含んだ雰囲気中で熱処理をした。Ｈ2を含んだ雰囲気の場合には、４００℃から９００℃で行った。Ｈ2Ｏを含んだ雰囲気の場合には、６５０℃から９５０℃で行うことが望ましい。本実施例では、６５０℃、７５０℃、８５０℃、９５０℃のそれぞれで行った。本実施例で使用したＨ2Ｏガスは、全てＨ2ガスとＯ2ガスを８００℃の温度で反応させて発生させたＨ2Ｏガスで、Ｈ2（水素）ガスの流量、［Ｈ2］、とＯ2（酸素）ガスの流量、［Ｏ2］、の比［Ｏ2］／［Ｈ2］は０．１から１０の範囲で調整して行ったが、図１の場合は３であった。この時に、Ｈ2Ｏガスは、不活性ガス（アルゴン、窒素、あるいはヘリウム）と一緒に流してもよい。この後に、アルゴンや窒素などの不活性ガス中で熱処理する。この工程は、上記と同様に、省略することも可能であるが、信頼性の高いものを製造するためには省略しない方が望ましい。次いで、さらに、低温でＨ2Ｏ熱処理をしてからＨ2熱処理を行った。２回目のＨ2あるいはＨ2Ｏ熱処理は省略することも可能であるが、省略しない方が望ましい。本実施例では、Ｈ2Ｏ処理を６５０℃と８５０℃で行った後に、８００℃で水素処理を行った。
【００６１】
その後にゲート電極６を形成するが、ゲート電極は、アルミニウム、あるいは、Ｎ型ポリシリコン、あるいはＰ型ポリシリコンのいずれでもよい。さらに、この上に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良い。この後に、アルミニウム膜、あるいはＮ型ポリシリコン、あるいはＰ型ポリシリコンをエッチングすることによりゲート電極を形成した。引き続いて、その上に酸化膜を堆積して、その酸化膜を局部的にエッチングしてコンタクト孔を開口した。次いで、アルミニウムを蒸着した後にウエットエッチングした。ニッケル、チタン、アルミニウムを含有した金属あるいはこれらの積層膜を蒸着あるいは、スパッタ法で形成した後に、ＲＩＥあるいは、ウエットエッチングにより金属配線１０を形成してもよい。次いで、窒素中で熱処理を行い、ＭＯＳ電界効果型トランジスタを完成させた。
【００６２】
また、ＭＯＳキャパシタは、次の様に作製した。まず、（０００−１）面のＮ型炭化珪素基板（４Ｈ−ＳｉＣ、不純物濃度：５×１０15ｃｍ-3）を通常のＲＣＡ洗浄をした後に、１０ｎｍの犠牲酸化膜を形成して、この犠牲酸化膜を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、熱処理を行った。ゲート絶縁膜形成方法と、その後の熱処理方法は、ＭＯＳＦＥＴ作製方法と同様である。次いで、アルミニウム膜を蒸着法によりゲート絶縁膜の上とＳｉＣ基板の裏面につけ、さらに、裏面に金属基板をつけて図２に示す断面構造をもったＭＯＳキャパシタを完成させた。
【００６３】
乾燥酸素でゲート酸化膜を形成した場合とＨ2Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成した場合とでは、それぞれ酸化後に不活性ガス（アルゴン）でアニールしたが、乾燥酸素でゲート酸化膜を形成した場合は、ＭＯＳＦＥＴは動作しなかったが、Ｈ2Ｏ雰囲気の場合には、動作し、そのチャネル移動度は５０ｃｍ２／Ｖｓであった。このように、１１５０℃以下のＨ2Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成すると、（０００−１）面でも、ＭＯＳＦＥＴを動作させることができる。
【００６４】
図３に、Ｈ2Ｏを含んだ雰囲気で９５０℃から１２００℃においてゲート絶縁膜を形成した後に、Ａｒ（アルゴン）雰囲気で３０分の熱処理をした試料のＭＯＳキャパシタの同時容量−電圧測定法で測定された高周波ＣＶ特性（測定周波数ｆ＝１００ｋＨｚ）と準静的ＣＶ特性（ステップ電圧Ｖｓ＝５０ｍＶ，遅延時間ｔｄ＝１０秒）を示す。実線が、高周波ＣＶ特性で、破線が準静的ＣＶ特性である。この２つＣＶ特性の容量差が大きいほど、界面準位密度（Ｄit）が大きいことを示している。
【００６５】
図４に図３のデータから、数１を用いて算出された界面準位密度（Ｄit）のＳｉＣのエネルギーバンド内の分布を示す。ここで、Ｃｈ：高周波容量、Ｃｑ：準静的容量、Ｃｏｘ：酸化膜容量、ｑ：電子の電荷である。
【００６６】
【数１】
2004003989.tif 000022
【００６７】
図４に示したデータの試料では、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気で９５０℃から１２００℃においてゲート絶縁膜を形成した後に、Ａｒ（アルゴン）雰囲気で３０分の熱処理をしている。酸化温度が１１００℃以上までは、Ｄitは高く、ほぼ一定であるが、１１００℃以下になると減少し、１０００℃以下になると一定になる。したがって、酸化温度は、１１００℃より低い温度が望ましい。
【００６８】
図５では、乾燥酸素（Ｄｒｙ）、Ｈ2Ｏ雰囲気（Ｗｅｔ）でＳｉＣ基板を熱酸化して、アルゴン熱処理のみをしたものと、さらに８００℃で水素熱処理をした試料を比較している。酸化方法にかかわらず、水素熱処理が、Ｄitを減少させているのがわかる。したがって、水素熱処理は、Ｄitの減少に効果がある。
【００６９】
図６にＨ2Ｏ雰囲気で酸化して、アルゴン熱処理をした後に、水素熱処理の４００℃から９００℃で温度を変えた場合の界面準位密度を示す。４００℃までは、変化がないが、４００℃以上で急激に減少して８００℃以上で飽和する。１０００℃より高温だと、水素がゲート絶縁膜を還元してゲート絶縁膜の信頼性を損ねるので、水素熱処理の温度は、４００℃から１０００℃が望ましい。
【００７０】
図７にゲート酸化膜をＨ2Ｏ雰囲気において、９５０℃から１２００℃で形成したのちに、アルゴン雰囲気で熱処理し、さらに、８００℃で水素ガスを含む雰囲気で熱処理をした場合の界面準位密度に対する、酸化温度の効果を示す。酸化温度が１１００℃以上までは、Ｄitは高く、ほぼ一定であるが、１１００℃より低くなると減少し、１０００℃以下になると一定になる。したがって、ゲート絶縁膜を形成した後に水素熱処理をした場合でも、酸化温度は、１１００℃より低い温度が望ましい。
【００７１】
図８にゲート絶縁膜をＨ2Ｏ雰囲気において形成したのちに、アルゴン雰囲気で熱処理し、さらに、８００℃で水素中にて熱処理をする場合において、ゲート絶縁膜形成時のＨ2Ｏ雰囲気のＨ2Ｏガス濃度が、界面準位密度に対する効果を示す。Ｈ2Ｏガス濃度が２５％までは、界面準位密度は一定であるが、５０％以上では、増加する。したがって、Ｈ2Ｏガス濃度は、５０％より低い範囲が望ましい。
この様にして得られた結果について、表１にゲート絶縁膜の形成条件と酸化後の熱処理条件とＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度の関係をまとめる。
【００７２】
【表１】
2004003989.tif 000023
【００７３】
ゲート絶縁膜をＨ2Ｏ雰囲気で形成した場合は、チャネル移動度５０ｃｍ2／Ｖｓだが、形成後に、Ｈ2で熱処理した場合にチャネル移動度は、７２ｃｍ2／Ｖｓになった。また、酸化温度を９５０℃にした場合には、６５ｃｍ2／Ｖｓで温度を下げることにより、チャネル移動度が向上する。
【００７４】
次に、ゲート絶縁膜としてＬＴＯ膜と熱酸化膜の比較結果を表２に示す。この表では、共に酸化後のアニール（ＰＯＡ:Post Oxidation Anneal）は、Ａｒ（アルゴン）ガス中でのアニールのみである。この結果から、熱酸化膜がチャネル移動度の向上に効果があることがわかる。
【００７５】
【表２】
2004003989.tif 000024
【００７６】
次に、純水を暖めてＨ2Ｏの蒸気にし、これをアルゴンガスで流して炭化珪素基板を酸化した場合と、Ｈ2とＯ2の反応によりＨ2Ｏを生成して、アルゴンガスで流して炭化珪素基板を酸化した場合のチャネル移動度の結果を表３に示す。ゲート絶縁膜形成条件は、１１５０℃、１４分である。この結果から、Ｈ2とＯ2を反応して、Ｈ2Ｏを生成した方が、チャネル移動度が高く、チャネル移動度の向上に効果があることがわかる。
【００７７】
【表３】
2004003989.tif 000025
【００７８】
次に、チャネル移動度に対する清浄効果を表４に示す。ゲート絶縁膜形成条件は、１１５０℃、１４分である。
【００７９】
【表４】
2004003989.tif 000026
【００８０】
この結果から、清浄処理をしない場合よりも、清浄処理をした方が、チャネル移動度が向上することがわかる。オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理工程の後のその値は、５５ｃｍ2／Ｖｓであるが、水素アニールによる清浄処理後で５７ｃｍ2／Ｖｓになり、オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理と水素アニールによる清浄処理を行うと６０ｃｍ2／Ｖｓになった。したがって、清浄処理として、オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理、水素アニールによる清浄処理、あるいは、オゾン雰囲気中で紫外光照射する清浄処理と水素アニールによる清浄処理を行う処理、等は、チャネル移動度の改善に効果があることがわかる。
【００８１】
図９にＨ2ＯとＯ2（酸素）からなる雰囲気中で（０００−１）面のＳｉＣ基板を酸化して形成されたＳｉＯ2膜及びＳｉＯ2／ＳｉＣ界面における水素密度を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ:Secondary Ion Mass Spectroscopy）によって測定した結果を示す。一次イオン種としては、Ｃｓを用いた。
ゲート酸化膜中に１Ｅ１９／cm3以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００cm2／Vs以上だが、１Ｅ２０／cm3を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ１９／cm3から１Ｅ２０／cm3に限定される。
ゲート酸化膜と半導体領域の界面に１Ｅ２１／cm3以上の水素を含有している半導体装置のチャネル移動度は１００cm2／Vs以上だが、１Ｅ２２／cm3を超えると、水素によって酸化膜が還元されて酸化膜の耐圧が低下するので、１Ｅ２０／cm3から１Ｅ２２／cm3に限定される。
【００８２】
図１０に、ｎチャネル金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（ｎchannel ＭＩＳＦＥＴ：Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）とｐチャネルＭＩＳＦＥＴによって構成される相補型金属−絶縁膜−半導体（ＣＭＩＳ：Complementary Metal Insulator Semiconductor）回路の断面図を示す。
【００８３】
図１１に、金属−絶縁膜−半導体（ＤＭＩＳ：Double Metal Insulator Semiconductor）回路の断面図を示す。
図１２に、横型（Lateral  Resurf）ＭＩＳＦＥＴ回路の断面図を示す。
図１３に、ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulator Gate Bipolar Transistor)回路の断面図を示す。ｎ+型バッファ層はなくてもよい。
図１４に、ｐチャネルＩＧＢＴ回路の断面図を示す。ｐ+型バッファ層はなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上のように、本発明は上記した構成（ＳｉＣ半導体装置）からなるので、高耐圧で高チャネル移動度を有する高耐圧パワーデバイス、特に、ＭＯＳキャパシタ、ＭＯＳＦＥＴ、ｎチャネルＭＩＳＦＥＴとｐチャネルＭＩＳＦＥＴによって構成されるＣＭＩＳ回路、ＤＭＩＳ回路、あるいはＩＧＢＴ回路などのゲート絶縁膜を用いる半導体装置に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１は、ＭＯＳ電界効果型トランジスタの製造方法を示す模式図である。
【図２】図２は、ＭＯＳキャパシタの断面を示す模式図である。
【図３】図３は、乾燥酸素とＡｒ（アルゴン）、Ｈ2（水素）、Ｈ2Ｏ（水）雰囲気での熱処理を用いて形成したゲート絶縁膜を有するＭＯＳキャパシタのＣＶ曲線を示す図で、実線は高周波ＣＶ曲線、破線は準静的ＣＶ曲線を示す。
【図４】図４は、図３のＣＶ曲線から算出した界面準位密度のエネルギーギャップ内の分布を示す図である。
【図５】図５は、Ｈ2Ｏ雰囲気での酸化とＡｒ、Ｈ2、Ｈ2Ｏ雰囲気での熱処理を用いて形成したゲート絶縁膜を有するＭＯＳキャパシタのＣＶ曲線から算出した界面準位密度のエネルギーギャップ内の分布を示す図である。
【図６】図６は、Ｈ2Ｏ雰囲気で酸化して、アルゴン熱処理をした後に、水素熱処理の４００℃から９００℃で温度を変えた場合の界面準位密度を示す図である。
【図７】図７は、Ｈ2Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成して、アルゴン熱処理をした後に、Ｈ2Ｏ熱処理を６５０℃、７５０℃、８５０℃、９５０℃で温度を変えた場合の界面準位密度を示す図である。
【図８】図８は、Ｈ2Ｏ雰囲気でゲート酸化膜を形成したのちに、アルゴン雰囲気で熱処理し、さらに、８００℃で水素ガス中にて熱処理をした場合の界面準位密度に対する、酸化温度の効果を示す図である。
【図９】図９は、Ｈ2ＯとＯ2（酸素）からなる雰囲気中で（０００−１）面のＳｉＣ基板を酸化して形成されたＳｉＯ2膜及びＳｉＯ2／ＳｉＣ界面における水素密度を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ:Secondary Ion Mass Spectroscopy）によって測定した結果を示した図である。一次イオン種としては、Ｃｓを用いている。
【図１０】図１０は、ｎチャネル金属−絶縁膜−半導体電界効果型トランジスタ（ｎchannel ＭＩＳＦＥＴ：Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）とｐチャネルＭＩＳＦＥＴによって構成される相補型金属−絶縁膜−半導体（ＣＭＩＳ：Complementary Metal InsulatorSemiconductor）回路の断面図である。
【図１１】図１１は、金属−絶縁膜−半導体（ＤＭＩＳ：Double Metal InsulatorSemiconductor）回路の断面図である。
【図１２】図１２は、横型（Lateral  Resurf）ＭＩＳＦＥＴ回路の断面図である。
【図１３】図１３は、ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：InsulatorGate Bipolar Transistor)回路の断面図である。ｎ+型バッファ層はなくてもよい。
【図１４】図１４は、ｐチャネルＩＧＢＴ回路の断面図である。ｐ+型バッファ層はなくてもよい。
【手続補正２】
【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】
半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、
さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、
８００℃から１１５０℃の温度範囲において、Ｈ2Ｏ（水）ガスを１％以上含んだ雰囲気でゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
８００℃から１０５０℃の温度範囲において、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気でのゲート絶縁膜の形成が行われることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、
さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ2（水素）ガスあるいはＨ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することにより、上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、上記の半導体領域に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
半導体領域は、（０００−１）面の炭化珪素からなる領域が形成された半導体領域であり、
さらに、該半導体領域の表面を清浄にする工程と、
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
そのゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理した後にＨ2（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理することにより、上記のゲート絶縁膜と上記の半導体領域の界面の界面準位密度を低減せしめる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理は、Ｈ2（水素）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ2（水素）ガス濃度は、予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつことを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
ゲート絶縁膜を形成した後に行う熱処理はＨ2Ｏ（水）ガスと不活性ガスとの混合ガス中で行われ、そのＨ2Ｏ（水）ガス濃度は予め決められた１％ないし１００％のいずれかの濃度をもつことを特徴とする請求項２または３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
ゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ2（水素）ガスあるいはＨ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中に予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項３、５または６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
ゲート絶縁膜を形成する工程と、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第１の期間に、あるいは、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程と、Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程との間の第２の期間に、予め決められた温度の不活性雰囲気中で予め決められた時間上記の半導体領域を保持する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度よりも、Ｈ2ガスを含んだ雰囲気で熱処理する際の温度の方が高いことを特徴とする請求項４ないし６、８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
ゲート絶縁膜を形成する工程の後に行うＨ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で熱処理する工程は、６５０℃から９５０℃の範囲の予め決められた温度で予め決められた時間保持する工程であることを特徴とする請求項３ないし９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
ゲート絶縁膜を半導体領域の熱酸化法により形成することを特徴とする請求項３ないし１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
半導体領域の熱酸化法は、Ｈ2Ｏ（水）ガスを含んだ雰囲気で行われる熱酸化法であることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ2Ｏガスと酸素あるいは、Ｈ2Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ2Ｏガスが１％から１００％の範囲の予め決められた濃度であることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
ゲート絶縁膜を形成した後に、Ｈ2ガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気がＨ2Ｏガスと酸素ガスあるいは、Ｈ2Ｏガスと酸素ガス及び不活性ガスからなり、Ｈ2Ｏガスが１０％から５０％の予め決められた濃度であることを特徴とする請求項１３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
上記のＨ2Ｏ（水）ガスは、上記の半導体領域の置かれた雰囲気においてＨ2（水素）ガスとＯ2（酸素）ガスの反応により生成されたものであることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
Ｈ2（水素）ガスの流量、［Ｈ2］、とＯ2（酸素）ガスの流量、［Ｏ2］、の比が［Ｏ2］／［Ｈ2］＝０．１から１００の範囲の予め決められた範囲にあることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
半導体領域の酸化温度が８００℃から１１５０℃の範囲の予め決められた温度範囲にあることを特徴とする請求項３ないし１６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
半導体領域を熱酸化してゲート酸化膜を形成した後に、Ｈ2Ｏガスを含んだ雰囲気で熱処理をする場合に、熱処理温度が、ゲート酸化膜を形成した温度よりも低い温度で行い、ゲート酸化膜厚が増加しないことを特徴とする請求項１１ないし１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理温度が６００℃から９００℃の範囲の予め決められた温度範囲にあることを特徴とする請求項３ないし１８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
ゲート絶縁膜の形成及びその後のＨ2（水素）ガスあるいはＨ2Ｏ（水）ガスあるいは不活性ガス雰囲気での熱処理は、外気と遮断された装置内で連続して行われることを特徴とする請求項３ないし１９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気中に置かれた半導体領域に紫外光を照射することにより清浄にする工程を含むことを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
半導体領域の表面を清浄にする工程は、Ｈ2（水素）雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程を含むことを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
半導体領域の表面を清浄にする工程は、オゾン雰囲気に置かれた半導体領域に紫外光を照射して清浄にする工程と、その後に行われる、半導体領域をＨ2（水素）ガス雰囲気中で熱処理することにより清浄にする工程とを含むことを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
層間絶縁膜を形成する工程と、配線層を形成する工程と、配線層を保護する絶縁膜を形成する工程とをさらに含む事を特徴とする請求項１ないし２３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を、ゲート絶縁膜より上の層にゲート電極層を形成した後に行うことを特徴とする請求項３ないし２４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
Ｈ2（水素）ガスを含んだ雰囲気での熱処理を行う工程を含み、さらに、該工程の後に、６００℃以下での不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う工程を含むことを特徴とする請求項３ないし２５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２７】
（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜中に１Ｅ１９／cm3から１Ｅ２０／cm3の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が金属―絶縁膜―半導体電界効果型トランジスタ（ＭＩＳ  ＦＥＴ）またはＭＩＳ  キャパシタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがｎチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３０】
請求項２８に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがpチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３１】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が請求項２９及び請求項３０に記載のＭＩＳ  ＦＥＴまたはＭＩＳ  キャパシタから構成される相補型金属―絶縁膜―半導体（ＣＭＩＳ）を有する回路であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３２】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型金属―絶縁膜―半導体電界効果型トランジスタ（Lateral  Resurf  ＭＩＳ  ＦＥＴ）あるいは横型ＤＭＩＳ電界効果型トランジスタ（Lateral  ＤＭＩＳ  ＦＥＴ）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３３】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳ  ＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３４】
請求項２７に記載の半導体装置において、該半導体装置が絶縁ゲート型バイポーラートランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の半導体装置において、該半導体装置がｐチャネル型ＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３６】
（０００−１）面の炭化珪素からなる半導体領域にゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上にゲート電極と、上記半導体領域に電極を有する半導体装置において、ゲート絶縁膜と半導体領域の界面に１Ｅ２０／cm3から１Ｅ２２／cm3の範囲の水素あるいは水酸基（ＯＨ）が存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項３７】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置がＭＩＳ  ＦＥＴまたはＭＩＳ  キャパシタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがｎチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３９】
請求項３７に記載の半導体装置において、前記ＭＩＳ  ＦＥＴがpチャネル型であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４０】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置が請求項３８及び請求項３９に記載のＭＩＳ  ＦＥＴまたはＭＩＳ  キャパシタから構成されるＣＭＩＳを有する回路であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４１】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置が横型ＭＩＳ  ＦＥＴあるいは横型ＤＭＩＳ  ＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４２】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置が縦型ＤＭＩＳ  ＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４３】
請求項３６に記載の半導体装置において、該半導体装置がＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４４】
請求項４３に記載の半導体装置において、該半導体装置がｐチャネル型ＩＧＢＴであることを特徴とする半導体装置。
【国際調査報告】
2004003989.tif 000027
2004003989.tif 000028
2004003989.tif 000029
2004003989.tif 000030