(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含むクリーニングガスを励起させてプラズマを生成し、プラズマ中の水素により炭化珪素の主表面のダングリングボンドを終端させ、
窒素含有ガスを励起させてプラズマを生成し、酸化膜を形成せずにプラズマ中の窒素により前記主表面のダングリングボンドを終端した水素を窒素で置換した後、
前記主表面上に酸化膜を形成する
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、
クリーニングガスで表面処理し、窒素含有ガスで表面処理し、主表面上に酸化膜を形成する工程を、同一のチャンバ内で連続的に行う
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、
主表面上に酸化膜を形成する工程は、クリーニングガス及び窒素含有ガスの表面処理とは別のチャンバで行う
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、
前記酸化膜の厚さを５ｎｍ以上とする
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
【請求項５】
炭化珪素上に形成された酸化膜を含む電子デバイスの製造方法であって、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載された製造方法によって前記酸化膜を形成することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素と酸化膜との界面準位密度を低減することができる炭化珪素半導体素子の製造方法及び電子デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコンと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているシリコン単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。
【０００３】
炭化珪素は、シリコンと同様の手法により絶縁膜を形成することが可能であるため、炭化珪素をベースに製造された電子デバイス、例えばＭＯＳＦＥＴの研究が盛んに行われている。しかし、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は物性値から予測される性能には及ばない。この原因として、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度がシリコンＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度に比べて小さいことが挙げられている。これは、炭化珪素と絶縁膜の界面における界面準位密度が高いことが原因と考えられている。
【０００４】
界面準位密度を低減する方法としては、炭化珪素上に絶縁膜を形成し、加熱された窒素化合物雰囲気中に曝露することにより、絶縁膜の内部に窒素を拡散させる窒化処理が開示されている（例えば、特許文献１、非特許文献１〜４参照）。この窒化処理により界面準位密度がある程度低減される。
【０００５】
また、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面を有する基板に対して、チャンバ内において水素でエッチングを行い、続けて窒素雰囲気の下でアニーリングを行い、その後、チャンバから出して大気中に放置し、自然酸化させる技術が開示されている（例えば、非特許文献５参照）。そのような工程を経た基板は、表面のダングリングボンドが窒素等で終端され、ＳｉＯＮ膜が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１０８１８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】"Increase in oxide hole trap density associated with nitrogen incorporation at the SiO2/SiC interface", John Rozen, Sarit Dhar, S. K. Dixit, V. V. Afanas’ev, F. O. Roberts, H. L. Dang, Sanwu Wang, S. T. Pantelides, J. R. Williams, and L. C. Feldman, J. Appl. Phys. 104, 124513(2008).
【非特許文献２】"Impact of Nitridation on Negative and Positive Charge Buildup in SiC Gate Oxides ", John Rozen, Sarit Dhar, Sanwu Wang, V. V. Afanas’ev, S. T. Pantelides, J. R. Williams, and L. C. Feldman, Materials Science Forum Vols. 600-603 (2009) pp 803-806.
【非特許文献３】"Density of interface states, electron traps, and hole traps as a function of the nitrogen density in SiO2 on SiC ", John Rozen, Sarit Dhar, M. E. Zvanut, J. R. Williams, and L. C. Feldman, J. Appl. Phys. 105, 124506(2009).
【非特許文献４】"Suppression of interface state generation upon electron injection in nitrided oxides grown on 4H-SiC ", John Rozen, Sarit Dhar, S. T. Pantelides, and L. C. Feldman, J. Appl. Phys. 91, 153503 (2007).
【非特許文献５】"Epitaxial Silicon Oxynitride Layer on 6H-SiC(0001) Surface ", Tetsuroh Shirakawa, Kenjiro Hayashi, Seigi Mizuno, Satoru Tanaka, Kan Nakatsuji, Fumio Komori, and Hiroshi Tochihara, Phys. Rev. Lett. 98, 136105 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の特許文献１や非特許文献１〜４に開示された技術では、炭化珪素と酸化膜との間に窒素が十分拡散せず、チャネル移動度などが向上した高性能な電子デバイスを得るためには、界面準位密度のさらなる低減が求められている。また、非特許文献５に開示された技術では、ＳｉＯＮの膜厚は、電子デバイスの酸化膜としては十分な厚さではない。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み、炭化珪素とその上に形成される酸化膜との界面の品質及び当該酸化膜の品質を改善して界面準位密度を低減することができる炭化珪素半導体素子の製造方法及び電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、水素を含むクリーニングガスを励起させてプラズマを生成し、プラズマ中の水素により炭化珪素の主表面のダングリングボンドを終端させ、窒素含有ガスを励起させてプラズマを生成し、酸化膜を形成せずにプラズマ中の窒素により前記主表面のダングリングボンドを終端した水素を窒素で置換した後、前記主表面上に酸化膜を形成することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。
【００１１】
かかる第１の態様では、炭化珪素の主表面に存在していたダングリングボンドが窒素で終端され、炭化珪素の主表面と酸化膜との界面に窒素が存在する炭化珪素半導体素子が作製される。
【００１２】
このように作製された炭化珪素半導体素子は、ダングリングボンドが窒素で終端されたことにより、界面には欠陥が無く、リーク電流の発生を抑えることができる。また、界面に存在する窒素により界面準位密度が低減され、高品質な界面及び酸化膜が得られる。さらに、酸化膜はデバイスの作製に適した厚さの膜厚とすることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、クリーニングガスで表面処理し、窒素含有ガスで表面処理し、主表面上に酸化膜を形成する工程を、同一のチャンバ内で連続的に行うことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。
【００１４】
かかる第２の態様では、炭化珪素半導体素子を作製するまでの工程を合理的に行うことができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第１の態様に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、主表面上に酸化膜を形成する工程は、クリーニングガス及び窒素含有ガスの表面処理とは別のチャンバで行うことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。
【００１６】
かかる第３の態様では、酸化膜を作製する工程において、その前の表面処理で用いたガスの影響を極力避けたい場合に有効である。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、前記酸化膜の厚さを５ｎｍ以上とすることを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。
【００１８】
かかる第４の態様では、電子デバイスを形成するのに適した膜厚の酸化膜を作製することができる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、炭化珪素上に形成された酸化膜を含む電子デバイスの製造方法であって、第１〜第４の何れか一つの態様に記載された製造方法によって前記酸化膜を形成することを特徴とする電子デバイスの製造方法にある。
【００２０】
かかる第５の態様では、界面準位密度が低減した炭化珪素半導体素子から、炭化珪素の優れた物性を生かした電子デバイスを作製することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、炭化珪素とその上に形成される絶縁膜との界面の品質及び当該絶縁膜の品質を改善して界面準位密度を低減することができる炭化珪素半導体素子の製造方法及び電子デバイスの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】炭化珪素基板上に絶縁膜を作製し、その上に電子デバイスを形成する工程を示すフロー図である。
【図２】炭化珪素基板上に絶縁膜を作製し、その上に電子デバイスを形成する工程を示すフロー図である。
【図３】本実施形態に係る製造方法により得られた炭化珪素半導体素子と、炭化珪素基板上に、水素終端処理及び窒素終端処理を行わずに絶縁膜を作製することにより得られた炭化珪素半導体素子の界面欠陥密度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体素子の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。図１及び図２は、炭化珪素基板上に絶縁膜を作製し、その上に電子デバイスを形成する工程を示すフロー図である。
【００２４】
［炭化珪素基板］
図１（ａ）に示すように、チャンバ１０内に炭化珪素基板１を収納する。炭化珪素基板１は、炭化珪素を含む層を有する基板をいう。本実施形態では、主表面が（０００１）面に略平行である４Ｈ−ＳｉＣからなる半導体基板の一方面側に、炭化珪素をエピタキシャル成長させたものを炭化珪素基板１とした。なお、４Ｈ−ＳｉＣの主表面は、（１１−２０）面、（１−１００）面、（０３−３８）面に略平行な面であってもよい。また、炭化珪素基板１としては、他にも、炭化珪素のみからなる基板でもよいし、炭化珪素以外の基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させたものでもよい。なお、本実施形態では、板状の炭化珪素を炭化珪素基板１としたが、これに限らず、本発明は任意の形状の炭化珪素に適用することができる。
【００２５】
炭化珪素基板１の炭化珪素の結晶多形（ポリタイプ）は、任意の種類を用いることができる。ポリタイプが比較的安定であり、大面積の基板を作製可能であるという観点から、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣの何れかを用いることが好ましい。
【００２６】
［水素終端処理］
次に、炭化珪素基板１をチャンバ内で水素を含むクリーニングガスで表面処理をする。具体的には、チャンバ内で、クリーニングガスを励起させてプラズマを生成し、プラズマ中の水素を炭化珪素基板１の主表面に作用させる。この表面処理により、炭化珪素基板１の主表面のダングリングボンドが水素で終端される。
【００２７】
なお、ここでいう水素を含むクリーニングガスとは、例えば、水素ガスや、ＨＣｌ、ＨＦなどのハロゲン化ガス、又はこれらの混合ガスをいう。また、他の表面処理としては、チャンバ内で炭化珪素基板１を高温のクリーニングガス下においてもよい。これによっても炭化珪素基板１の主表面のダングリングボンドが水素で終端される。
【００２８】
［窒素終端処理］
次に、図１（ｂ）に示すように、炭化珪素基板１を窒素含有ガスで表面処理をする。この表面処理は、水素終端処理を行った後、同一チャンバ１０で連続的に行う。具体的には、窒素含有ガスを励起させてプラズマを生成し、プラズマ中の窒素を炭化珪素基板１の主表面に作用させる。この結果、炭化珪素基板１の主表面のダングリングボンドを終端した水素が、窒素で置換される。すなわち、炭化珪素基板１の主表面のダングリングボンドは、窒素で終端されたことになる。
【００２９】
なお、ここでいう窒素含有ガスは、例えば、窒素ガス、アンモニアガス（ＮＨ３）、一酸化窒素ガス（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、又はこれらの混合ガスをいう。また、他の表面処理としては、チャンバ内で炭化珪素基板１を高温の窒素含有ガス下においてもよい。これによっても炭化珪素基板１の主表面のダングリングボンドを終端した水素が窒素に置換される。
【００３０】
［絶縁膜作製処理］
次に、図２（ａ）に示すように、炭化珪素基板１の主表面上に絶縁膜２を作製する。絶縁膜２の作製に際しては、炭化珪素基板１を大気に露出させずに行う。すなわち、窒素終端処理をした炭化珪素基板１が自然酸化することを避けて絶縁膜２を作製する。具体的には、チャンバ１０で水素終端処理及び窒素終端処理を行った後、炭化珪素基板１をチャンバ１０の外に出さずに絶縁膜作製処理を行う。また、チャンバ１０で水素終端処理及び窒素終端処理を行った後、大気に触れないようにして絶縁膜２を作製するための別のチャンバに移送してもよい。
【００３１】
絶縁膜２としては特に限定されないが、（１）ＳｉＯ２、（２）ＳｉＮとＳｉＯ２とが混合した膜、（３）Ａｌ２Ｏ３、（４）ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とが混合した酸化膜などが挙げられる。
【００３２】
（１）ＳｉＯ２については、熱酸化やＣＶＤ法により作製することができる。また、（２）〜（４）の各絶縁膜２については、ＣＶＤ法により作製することができる。なお、絶縁膜２を作製した後に、急速アニール処理（ＲＴＡ）を行ってもよい。すなわち、チャンバ内をアルゴン雰囲気又は窒素雰囲気にした上で急速加熱してもよい。
【００３３】
また、絶縁膜２としては、５ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、電子デバイスの作製に適した厚さの絶縁膜２とすることができる。ちなみに、炭化珪素基板１上に自然酸化によりＳｉＯＮなどの酸化膜が出来たとしてもその厚みは５ｎｍ未満と薄く、電子デバイスの作製に適さない。
【００３４】
以上の図１〜図２（ａ）に示した工程によれば、炭化珪素基板１上に絶縁膜２が作製された炭化珪素半導体素子が製造される。
【００３５】
［電子デバイス作製処理］
このようにして得られた炭化珪素半導体素子をベースに電子デバイスを作製する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、炭化珪素基板１上に作製された絶縁膜２に、パターニング等の各種プロセスを実施して、電子デバイス３を作製する。
【００３６】
［本発明の効果］
本実施形態に係る製造方法により得られた炭化珪素半導体素子（実施例）と、炭化珪素基板上に、水素終端処理及び窒素終端処理を行わずに絶縁膜を作製することにより得られた炭化珪素半導体素子（比較例）について、界面欠陥密度の比較を行った。図３にエネルギー準位（Ｅｃ−Ｅ（ｅＶ））と界面欠陥密度との関係を示す。横軸はエネルギー準位であり、縦軸は界面欠陥密度を示す。また、図中の○は比較例であり、△は実施例を示す。
【００３７】
同図に示すように、どのエネルギー準位においても、実施例は、比較例よりも界面欠陥密度が低下している。すなわち、本実施形態に係る製造方法により、炭化珪素基板１の表面と絶縁膜２との界面に窒素が導入され、高品質な界面と絶縁膜が得られることが分かる。
【００３８】
以上に説明した炭化珪素半導体素子の製造方法によれば、炭化珪素基板１の主表面に存在していたダングリングボンドが窒素で終端され、炭化珪素基板１の主表面と絶縁膜２との界面に窒素が存在する炭化珪素半導体素子が作製される。
【００３９】
このように作製された炭化珪素半導体素子は、ダングリングボンドが窒素で終端されたことにより、界面には欠陥が無く、リーク電流の発生を抑えることができる。また、界面に存在する窒素により界面準位密度が低減され、高品質な界面及び絶縁膜２が得られる。このような界面準位密度が低減した炭化珪素半導体素子からは、例えば、チャネル移動度が向上し、炭化珪素の優れた物性を生かした炭化珪素ＭＯＳＦＥＴなどの電子デバイスを作製することができる。また、絶縁膜２は、電子デバイスを作製するのに適した膜厚とすることができる。
【００４０】
［その他のバリエーション］
上述した実施形態においては、一連の処理を同一のチャンバ内で炭化珪素基板を取り出すことなく、連続的に行った。これにより、電子デバイス３を作製するまでの工程を合理的に行うことができる。
【００４１】
また、同一チャンバ内で連続的に処理する場合に限らず、例えば、クリーニングガス及び窒素含有ガスでの表面処理と、絶縁膜２を作製する工程とを別のチャンバで行ってもよい。この製法は、絶縁膜２を作製する工程において、その前の表面処理で用いたガスの影響を極力避けたい場合に有効である。また、水素終端処理、窒素終端処理、絶縁膜作製処理は全て異なるチャンバで行ってもよい。いずれにせよ、窒素終端処理のあと、炭化珪素基板１が自然酸化しないようにして、絶縁膜作製処理を行う。
【００４２】
さらに、窒素含有ガスによる表面処理を一つの工程として実施したがこれに限らない。例えば、絶縁膜２としてＣＶＤ法でＳｉＮを作製する場合、ＳｉＮの堆積と共に炭化珪素基板の主表面のダングリングボンドが窒素で終端されることが期待できる。このように、窒素含有ガスによる表面処理は、絶縁膜２の作製と同時的に行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、炭化珪素半導体素子を利用する産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１            炭化珪素基板
２            絶縁膜
３            電子デバイス
１０          チャンバ
【図１】
0005656216.tif 000002
【図２】
0005656216.tif 000003
【図３】
0005656216.tif 000004