(57)【要約】【要約書】【課題】  半導体基板上に形成された金属-絶縁膜又は酸化膜-半導体構造を有する半導体装置に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いることにより、ゲート絶縁膜／半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの水素終端を図り、界面準位密度を低減させる水素処理装置及びその作製方法を提供する。【解決手段】  半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、水素又は水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を前記半導体基板に供給することにより、低温にて上記ゲート絶縁膜と上記半導体界面の界面準位密度を低減させ、実際の使用に十分耐え得る良好なゲート絶縁膜／半導体界面を形成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製方法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した工程の後に、水素又は水素を含むガスを前記半導体基板の近傍に配置した熱触媒体の近くに通過させて、該加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を半導体基板に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製方法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、アルミニウムを含む材料によりゲート電極膜を形成した工程の後に、水素又は水素を含むガスを前記半導体基板の近傍に配置した熱触媒体の近くに通過させて、該加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を半導体基板に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板は、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜を含む多層膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの２種類以上の合金であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板の温度を６００°C以下に維持して行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体を１０００°C〜１８００°Cの予め決められた温度に加熱し、熱触媒体表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから活性化した水素を生成させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、水素又は水素を含むガス圧力が１Ｐａ〜１００Ｐａであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから生成された活性化した水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０４ｍｍ以下の予め決められた距離に配置されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜が、大気中、酸素雰囲気中又はＨ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成された膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１４】
請求項１〜１２に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜が、大気中、酸素雰囲気中又はＨ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成した後、化学気相法によりシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜を形成するか又はシリコン窒化膜をさらに熱酸化したシリコン酸窒化膜のいずれか１つ又はこれらの２つ以上の膜からなる複合膜であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を形成する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、酸素雰囲気中で熱処理する工程又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、Ｈ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、又はＮＯ２を含んだ雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に犠牲酸化処理を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に紫外光の照射を伴うオゾン暴露処理を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２１】
請求項１〜２０に記載の半導体装置の作製方法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を含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２２】
ゲート絶縁膜を有する半導体基板を所定位置に配置することができるチャンバーと、所定の位置に配置された半導体基板を加熱する加熱手段と、所定位置に配置された半導体基板の表面近傍に設けられた熱触媒体と、熱触媒体を所定温度に加熱する加熱手段と、チャンバー内を減圧状態にできる真空排気系と、水素又は水素を含むガスをチャンバー内に導入するガス導入系と、チャンバー内の水素又は水素を含むガスの圧力調整機構とを備え、水素又は水素を含むガスを熱触媒体の表面付近を通過させ、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により生成した活性化水素を半導体基板の表面に供給することを特徴とする水素処理装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の水素処理装置において、半導体基板は、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする水素処理装置。
【請求項２４】
請求項２２又は２３に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする水素処理装置。
【請求項２５】
請求項２２又は２３に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜を含む多層膜であることを特徴とする水素処理装置。
【請求項２６】
請求項２２〜２５のいずれかに記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする水素処理装置。
【請求項２７】
請求項２２〜２６のいずれかに記載の水素処理装置において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの２種類以上の合金であることを特徴とする水素処理装置。
【請求項２８】
請求項２２〜２７に記載の水素処理装置において、半導体基板の温度を６００°C以下に維持する加熱装置を備えていることを特徴とする水素処理装置。
【請求項２９】
請求項２２〜２８のいずれかに記載の水素処理装置において、熱触媒体を１０００°Cから１８００°Cの予め決められた温度に加熱する装置を備え、水素又は水素を含むガスを熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させることを特徴とする水素処理装置。
【請求項３０】
請求項２２〜２９のそれぞれに記載の水素処理装置において、水素又は水素を含むガス圧力が１Ｐａ〜１００Ｐａである同ガス供給装置を備えていることを特徴とする水素処理装置。
【請求項３１】
請求項２２〜３０のそれぞれに記載の水素処理装置において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから生成された活性化した水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給する装置を備えていることを特徴とする水素処理装置。
【請求項３２】
請求項２２〜３１のそれぞれに記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０４ｍｍ以下の予め決められた距離に配置されていることを特徴とする水素処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体基板上に金属-絶縁膜（又は酸化膜）-半導体（MIS又はMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を供給し、界面準位密度の低い良好なゲート絶縁膜／半導体界面を形成する水素処理装置及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲート絶縁膜が半導体基板上に形成されているMIS又はMOSFETを基幹構造とする半導体装置の製造工程において、ゲート絶縁膜形成工程時はもちろん、イオン注入工程、配線形成工程、層間絶縁膜形成工程等において半導体基板がダメージを受ける。ダメージを受けたゲート絶縁膜／半導体界面に生じる欠陥（ダングリングボンド）や再結合中心は、半導体基板上に形成される素子の特性の変動を生じさせる問題がある。
そのため、ゲート絶縁膜を形成した半導体装置の製造工程において、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面に生じたダングリングボンド等の欠陥に水素を供給して界面準位密度を低減させるという水素化処理が一般的に行われている。
【０００３】
界面準位密度の低減に水素化処理が有効である半導体装置の半導体基板材料の代表的なものとして、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ダイヤモンドがある。
本発明では、特に次世代パワーエレクトロニクス素子の半導体基板材料として最も期待されている炭化珪素を実施例として用い、ゲート絶縁膜／半導体基板界面に存在する界面準位密度を低減させるための半導体装置の作製方法及びその水素処理装置を以下に説明する。
【０００４】
炭化珪素は珪素と比較して、(1)バンドギャップが広い、(2)絶縁破壊強度が大きい、(3)電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、炭化珪素を半導体基板材料として用いることにより、珪素の限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。
また、炭化珪素には、珪素と同様に、熱酸化法によって絶縁体であるシリコン酸化膜を形成できるという特徴がある。これらの理由から、炭化珪素を半導体基板材料とした高耐圧で低いオン抵抗のMOSFETが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
しかしながら、現状の技術によって作製される炭化珪素半導体パワーデバイスのオン抵抗は、珪素半導体の値と比較して小さくなったものの、理論限界値よりはかなり大きく十分に炭化珪素の性能を発揮するには至っていない。
【０００５】
これはシリコン酸化膜／炭化珪素半導体界面や炭化珪素半導体表面に高密度の欠陥（ダングリングボンド）が存在しているため高い界面準位密度を生じ、その結果、反転層チャネルの電子移動度が極めて小さく（〜10 cm2/Vs）なってしまうことに起因している。
前記シリコン酸化膜／炭化珪素半導体界面や炭化珪素半導体表面に存在する欠陥（ダングリングボンド）は、炭化珪素半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程だけではなく、層間絶縁膜を形成する工程、配線層を形成する工程、及び配線層を保護する絶縁膜を形成する工程における半導体基板の受けるダメージによっても生じる。
【０００６】
そのため、シリコン酸化膜と炭化珪素半導体の界面近傍に存在するダングリングボンドに水素を供給して、ダングリングボンドを水素終端させ、界面準位密度を低減させることが重要であり、前記界面準位密度を低減させる水素処理が一般的に行われている。
前記のように、シリコン酸化膜／炭化珪素半導体界面に存在するダングリングボンドは、ゲート絶縁膜を形成した後の様々なプロセス工程でも生じるので、前記水素処理はプロセスの最終工程で行われることが望ましい。
そのため、アルミニウムを含むゲート電極膜の融点よりも低い温度である６００°C以下に水素処理を低温化することが必要である。これまで、界面準位密度の低減を目的としたシリコン酸化膜／炭化珪素半導体界面の作製方法に関しては既にいくつかの開示がある。
【０００７】
例えば、炭化珪素単結晶基板の熱酸化膜の改善方法において、炭化珪素を酸化する工程に続き、水素雰囲気中で熱アニールする工程と、不活性ガス雰囲気中で熱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及びフラットバンドシフトを低減する炭化珪素の熱酸化膜の改善方法が開示されている（特許文献１参照）。
この特許文献１には、特に炭化珪素を酸化後に１０００°Cで水素雰囲気中での熱アニール処理する方法が記載されているが、１０００°Cでは熱アニール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絶縁膜として用いた場合のデバイス信頼性を低下させる原因となる。
また、熱アニールの処理温度が１０００°Cと高温であるため、金属配線材料であるアルミニウムの融点よりも高いため、炭化珪素半導体装置作製プロセスの最終工程として導入することができないという問題がある。
【０００８】
また、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雰囲気中の熱アニール時間を２時間未満とし、また、一度形成した熱酸化膜を３００°C〜５００°Cの低温で水素又は水素原子を含むガス雰囲気中で熱アニール処理するのもよく、更にまた、熱酸化後及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、水素原子を含む雰囲気中で３００°C〜５００°Cの範囲において熱アニール処理する方法が記載されている（特許文献２参照）。
しかし、ゲート絶縁膜形成後に水素原子を含む雰囲気中での熱アニール処理としては、３００°C〜５００°Cの範囲は温度が低く、ダングリングボンドの水素終端工程として不十分であるという問題がある。
【０００９】
また、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／又は窒化膜の１層又は２層以上を形成した後、６００°C〜１６００°Cの範囲で水素を含んだ雰囲気中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／炭化珪素半導体界面に存在する珪素又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、実際の使用に耐え得る良好なゲート酸化膜／炭化珪素半導体界面を得ることができるという効果が記載されている（特許文献３参照）。
しかし、上記と同様に６００°C〜１６００°Cの範囲での熱アニールでは、金属配線材料であるアルミニウムの融点よりも高いため、炭化珪素半導体装置作製プロセスの最終工程として導入することができないという問題がある。
【特許文献１】特開平９−１９９４９７号公報
【特許文献２】特開平１０−１１２４６０号公報
【特許文献３】特開平２０００−２５２４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題に鑑み、半導体基板上に形成された金属-絶縁膜（又は酸化膜）-半導体（MIS又はMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いることにより、６００°C以下の低温においてゲート絶縁膜／半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの水素終端を図り、界面準位密度を低減させることができる水素処理装置及びその作製方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、次の各項の発明を提案するものである。
本願１）の発明は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製方法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した工程の後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、水素又は水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする。
【００１２】
本願２）の発明は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製方法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、アルミニウムを含む材料によりゲート電極膜を形成した工程の後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、水素又は水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする。
【００１３】
本願３）の発明は、上記１又は２に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板は、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする。
【００１４】
本願４）の発明は、上記１〜３に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする。
【００１５】
本願５）の発明は、上記１〜３に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜を含む多層膜であることを特徴とする。
【００１６】
本願６）の発明は、上記１〜５に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする。
【００１７】
本願７）の発明は、上記１〜６に記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの２種類以上の合金であることを特徴とする。
【００１８】
本願８）の発明は、上記１〜７に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板の温度を６００°C以下に維持して行うことを特徴とする。
【００１９】
本願９）の発明は、上記１〜８に記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体を１０００°Cから１８００°Cの予め決められた温度に加熱し、熱触媒表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから活性化した水素を生成させることを特徴とする。
【００２０】
本願１０）の発明は、上記１〜９に記載の半導体装置の作製方法において、水素又は水素を含むガス圧力を１Ｐａ〜１００Ｐａすることを特徴とする。
【００２１】
本願１１）の発明は、上記１〜１０に記載の半導体装置の作製方法において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから生成された活性化した水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給することを特徴とする。
【００２２】
本願１２）の発明は、上記１〜１１に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０４ｍｍ以下の予め決められた距離に配置されていることを特徴とする。
【００２３】
本願１３）の発明は、上記１〜１２に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜が、大気中、酸素雰囲気中又はＨ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成された膜であることを特徴とする。
【００２４】
本願１４）の発明は、上記１〜１２に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜が、大気中、酸素雰囲気中又はＨ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成した後、化学気相法によりシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜を形成するか又はシリコン窒化膜をさらに熱酸化したシリコン酸窒化膜のいずれか１つ又はこれらの２つ以上の膜からなる複合膜であることを特徴とする。
【００２５】
本願１５）の発明は、上記１〜１４に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を形成する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、酸素雰囲気中で熱処理する工程、又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。
【００２６】
本願１６）の発明は、上記１〜１５に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、Ｈ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。
【００２７】
本願１７）の発明は、上記１〜１５に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、又はＮＯ２を含んだ雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。
【００２８】
本願１８）の発明は、上記１〜１７に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程を含むことを特徴とする。
【００２９】
本願１９）の発明は、上記１８に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に犠牲酸化処理を含むことを特徴とする。
【００３０】
本願２０）の発明は、上記１８又は１９に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に紫外光の照射を伴うオゾン暴露処理を含むことを特徴とする。
【００３１】
本願２１）の発明は、上記１〜２０に記載の半導体装置の作製方法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を含むことを特徴とする。
【００３２】
本願２２）の発明は、ゲート絶縁膜を有する半導体基板を所定位置に配置することができるチャンバーと、所定の位置に配置された半導体基板を加熱する加熱手段と、所定位置に配置された半導体基板の表面近傍に設けられた熱触媒体と、熱触媒体を所定温度に加熱する加熱手段と、チャンバー内を減圧状態にできる真空排気系と、水素又は水素を含むガスをチャンバー内に導入するガス導入系と、チャンバー内の水素又は水素を含むガスの圧力調整手段を備え、水素又は水素を含むガスを熱触媒体の表面付近を通過させることにより活性化された水素を半導体基板の表面に供給することを特徴とする水素処理装置に関する。
【００３３】
本願２３）の発明は、上記２２に記載の水素処理装置において、半導体基板は、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする。
【００３４】
本願２４）の発明は、上記２２又は２３に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする。
【００３５】
本願２５）の発明は、上記２２又は２３に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜を含む多層膜であることを特徴とする。
【００３６】
本願２６）の発明は、上記２２〜２５に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET，Lateral Resurf MOSFET，UMOSFETであることを特徴とする。
【００３７】
本願２７）の発明は、上記２２〜２６に記載の水素処理装置において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの２種類以上の合金であることを特徴とする。
【００３８】
本願２８）の発明は、上記２２〜２７に記載の水素処理装置において、半導体基板の温度を６００°C以下に維持する装置を備えていることを特徴とする。
【００３９】
本願２９）の発明は、上記２２〜２８に記載の水素処理装置において、熱触媒体を１０００°Cから１８００°Cの予め決められた温度に加熱する装置を備えていることを特徴とする。
【００４０】
本願３０）の発明は、上記２２〜２９に記載の水素処理装置において、水素又は水素を含むガス圧力が１Ｐａ〜１００Ｐａであるガス供給装置を備えていることを特徴とする。
【００４１】
本願３１）の発明は、上記２２〜３０に記載の水素処理装置において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから生成された活性化した水素を１分間〜３時間の予め決められた時間供給する装置を備えていることを特徴とする。
【００４２】
本願３２）の発明は、上記２２〜３１に記載の半導体形成装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が１０４ｍｍ以下の予め決められた距離に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
半導体基板上に形成された金属-絶縁膜（又は酸化膜）-半導体（MIS又はMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いることにより、６００°C以下の低温においてゲート絶縁膜／半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの水素終端を図り、界面準位密度を低減させることができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、半導体基板の材料として炭化珪素を用いて、発明の実施形態を詳細に説明する。なお、これらの説明はあくまで理解を容易にするためのものであり、以下の説明に拘束されるものではない。すなわち本願発明の技術思想に基づく設計変更、他の実施例又は他の実施態様は全て本願に含まれるものである。
【００４５】
図１は、本発明に係る炭化珪素領域を含む半導体基板上に金属-絶縁膜（又は酸化膜）-半導体（MIS又はMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET)）に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用によって水素を含んだガスから生成された活性化した水素を供給して、界面準位密度の低い良好なゲート絶縁膜／炭化珪素半導体界面を形成する水素処理装置の一実施形態を示す説明図である。
符号１はチャンバー、符号２はチャンバー１内を減圧状態にできる真空排気系、符号３は水素又は水素を含むガスをチャンバー１内に導入するガス導入系、符号４は所定の位置に配置された半導体基板７を加熱する加熱手段、符号５は熱触媒体１６を所定温度に加熱する加熱手段、符号６はチャンバー１内に半導体基板７を真空搬送するためのロードロック室である。
【００４６】
チャンバー１は真空排気系２を備えた気密性の高い真空容器である。真空排気系２は、ターボ分子ポンプやドライポンプ等の複数の真空ポンプを備えた多段式のものであり、チャンバー１内を１０−４Ｐａ以下の圧力まで真空排気する。
また、半導体基板７をチャンバー１内に真空搬送するためのロードロック室６も真空排気系２により１０−１Ｐａ以下の圧力に真空排気される。
半導体基板７は基板ホルダー８の上面に配置され、ロードロック室６を介してチャンバー１内に真空搬送され、石英基板ホルダー台１０の上面に配置される。
【００４７】
半導体基板７の加熱は、チャンバー１下部に設置された加熱手段４を用いて行われ、赤外線加熱方式を採用している。熱源となる赤外線ランプ１４から放射された赤外線は赤外線集光部１２内部のゴールド反射ミラーに当たり反射し、チャンバー１下部に取り付けられた透明石英窓１３を通して、チャンバー１内部に配置された基板ホルダー８に照射される。
基板ホルダー８は赤外線を吸収し、本例では減圧水素雰囲気下で８００°Cまで加熱することが可能である。基板ホルダー８の温度は、チャンバー１内部に設置された不図示の熱電対により随時モニタリングされ、基板ホルダー設定温度に安定させるためのフィードバック制御により、一定の温度に調整される。
基板ホルダー８は珪素半導体ウエハ、炭化珪素焼結体又はグラファイトなどで形成される。また、基板ホルダーの加熱手段としては、前記赤外線加熱方式以外にも、高周波誘導加熱方式又は通電抵抗線加熱方式などを用いることもできる。
【００４８】
水素処理用ガス導入系７は、水素又は水素を含むガスをチャンバー１内に導く配管１７と配管１７に設けたバルブ１８及び流量調整器１９等で形成されている。  
また、図１に示すように、基板ホルダー８が上面に配置される石英製基板ホルダー台１０の外側面の位置には、リング状のガス導入リング１１が配置されている。
ガス導入リング１１は、内部が中空であり、上面に多数のガス噴出し孔を有する。水素を含んだガスを導入する配管１７の先端はガス導入リング１１に接続され、ガス噴出し孔から水素を含んだガスを噴出させてチャンバー１内部に導入するようになっている。
また、チャンバー１内の圧力は、不図示のミニチュアゲージ及びバラトロンゲージによりモニターされており、コンダクタンスバルブ１５により自動調整される。水素処理用ガス導入系３によって導入された水素を含んだガスから、高温に加熱された熱触媒体１６の表面での熱触媒作用により、活性化した水素が生成される。
【００４９】
前記熱触媒体１６は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの２種類以上の合金から成る。この熱触媒体１６は、９０ｍｍの範囲で上下に移動することが可能となっており、熱触媒体と半導体基板の間の距離を最大１０４ｍｍの範囲で変更することが可能となっている。また、この熱触媒体１６には、加熱手段２０が設けられている。
本実施形態における加熱手段２０は熱触媒体１６を通電して加熱する通電加熱用電源により構成されている。このような加熱手段２０により、熱触媒体１６は１０００°C〜１８００°Cの温度に加熱されるようになっている。
石英円筒９は、チャンバー１内壁を覆うように配置され、高温に加熱された熱触媒体１６の表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素が、チャンバー１内壁に衝突して失活することを防ぐためのものである。
【００５０】
次に、上記のような装置を用いて、具体的に半導体装置を作製する方法について以下に説明する。
８°オフ４Ｈ-ＳｉＣエピタキシャル基板（（０００１）Ｓｉ面、ｎ型、Ｎｄ-Ｎａ＝５ｘ１０１５ｃｍ３）をＲＣＡ洗浄した後、犠牲酸化膜を形成しフッ酸で除去した。次いで、１２００°Cの大気圧の酸素雰囲気中で、５０ｎｍ厚のゲート酸化膜を炭化珪素基板上に形成し、連続して試料を流量1リットル/分の窒素ガス中で、１２００°Cで３０分間熱処理した。
次いで、試料を水素処理装置に導入し、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気中での処理を、基板加熱温度を室温（Ｒ．Ｔ．）から５００°C、処理時間を１分〜３０分、処理中のチャンバー内圧力を５Ｐａ〜２０Ｐａ、熱触媒体の加熱温度を１４００°C〜１８００°Cで行った。最終的にアルミニウム膜を抵抗線加熱真空蒸着法によりゲート電極とオーミックコンタクト電極として形成し、図２に示す断面構造を有するＭＯＳキャパシタを作製した。
【００５１】
図３に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、チャンバー内圧力を２０Ｐａ、熱触媒体加熱温度を１８００°C、水素処理時間を１０分間として、基板加熱温度を室温（Ｒ．Ｔ．）、３００°C、５００°Cと変化させて水素処理を行った試料から測定された同時容量−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＝１０ｓｅｃ）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つのＣＶ特性の容量差が小さいほど、界面準位密度（Ｄｉｔ）が小さいことを示す。
また、比較として、水素処理を行っていない試料からの高周波及び準静的ＣＶ特性も同図に示す。
図４に、図３のデータから下記の［式１］を用いて算出された界面準位密度（Ｄｉｔ）の炭化珪素のエネルギーバンド内の分布を示す。
ここで、Ｃｈは高周波容量、Ｃｑは準静的容量、Ｃｏｘはゲート酸化膜容量、ｑは電子の電荷素量である。
【００５２】
【数１】
2005277253.tif 000003
【００５３】
図４に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、チャンバー内圧力を２０Ｐａ、熱触媒体加熱温度を１８００°C、水素処理時間を１０分として、基板加熱温度を室温（Ｒ．Ｔ．）、３００°C、５００°Cと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。
この結果から、基板加熱温度が３００°C以上のとき、水素処理を行っていない試料と比較して、界面準位密度が減少していることがわかる。また、基板加熱温度の増加とともに、界面準位密度も減少することが示された。
以上の結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、基板加熱温度が３００°C以上である場合、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。しかしながら、基板加熱を行わない場合には、水素処理を行っていない試料の結果とほぼ同じ界面準位密度分布を示しており、前記活性化した水素雰囲気での水素処理の効果はない。
【００５４】
次に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、チャンバー内圧力を２０Ｐａ、基板加熱温度を５００°C、水素処理時間を１０分として、熱触媒体加熱温度を１４００°C、１８００°Cと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を図５に示す。この結果から、基板加熱温度が１４００°C以上である場合、水素処理なしの試料の結果と比較して、界面準位密度が減少していることがわかる。
特に、熱触媒体加熱温度が１８００°Cである時に、界面準位密度の減少が著しい。これらの結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、熱触媒体加熱温度が高い程、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
【００５５】
図６に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、基板加熱温度を５００°C、熱触媒体加熱温度を１８００°C、水素処理時間を１０分として、チャンバー内圧力を５Ｐａ、１０Ｐａ、２０Ｐａと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。この結果から、チャンバー内圧力が２０Ｐａの時に最も界面準位密度が減少することがわかる。
以上の結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、チャンバー内圧力が高い程、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
【００５６】
図７に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、基板加熱温度を５００°C、チャンバー内圧力を２０Ｐａ、熱触媒体加熱温度を１８００°Cとして、水素処理時間を１分、１０分及び３０分で行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。
さらに、図８に、Ｈ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、基板加熱温度を５００°C、チャンバー内圧力を２０Ｐａ、熱触媒体加熱温度を１８００°Cとして、水素処理時間を１分、１０分及び３０分で行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。
乾燥酸素雰囲気中及びＨ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中でゲート酸化膜が形成された試料の両方において、水素処理を行うことにより、界面準位密度が減少することが示された。また、水素処理時間の増加に伴い界面準位密度が減少することが示された。
これらの結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、水素処理時間が長い程、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
【００５７】
図９に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、基板加熱温度を５００°C、チャンバー内圧力を５Ｐａ、熱触媒体加熱温度を１８００°C、水素処理時間を１０分として、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、１４ｍｍと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。図は、熱触媒体−基板距離が１０４ｍｍ及び１４ｍｍで行った試料の界面準位密度分布はほぼ同じであることを示す。
このことから、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、熱触媒体−基板間距離にほとんど関係なく、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上説明した通り、本発明によれば、加熱触媒体表面での熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いて水素処理が行われるので、界面準位密度の低減された良好な界面状態が低温で形成できる。また、前記活性化した水素による水素処理は基板加熱温度が６００°C以下の低温でも効果があるので、アルミニウムを含むゲート電極膜を形成する工程の後で、さらには、炭化珪素半導体装置作製プロセスの最終工程として、前記水素処理を導入ことが可能となるという優れた効果を有するので、半導体基板上に形成された金属-絶縁膜（又は酸化膜）-半導体（MIS又はMOS）構造を有する半導体装置（電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET)）の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本願発明の実施形態の水素処理装置の概略図である。
【図２】容量−電圧特性の評価に使用したＭＯＳ構造の断面模式図である。
【図３】酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、基板加熱温度を室温（Ｒ．Ｔ．）、３００°C、５００°Cと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料のＣＶ曲線を示す図である。図中、実線は高周波ＣＶ曲線、破線は準静的ＣＶ曲線を示す。
【図４】図３のＣＶ曲線から導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】酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体加熱温度を１４００°C、１８００°Cと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す図である。
【図６】酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、チャンバー内圧力を５Ｐａ、１０Ｐａ、２０Ｐａと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す図である。
【図７】酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、水素処理時間を１分、１０分及び３０分と変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す図である。
【図８】Ｈ２Ｏ(水)を含んだ水蒸気雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、水素処理時間を１分、１０分及び３０分と変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す図である。
【図９】酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を１０４ｍｍ、１４ｍｍと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  チャンバー
２  真空排気系
３  水素処理用ガス導入系
４  基板加熱手段
５  熱触媒体加熱手段
６  ロードロック室
７  半導体基板
８  基板ホルダー
９  石英円筒
１０  石英製基板ホルダー台
１１  ガス導入リング
１２  赤外線集光部
１３  透明石英窓
１４  赤外線ランプ
１５  コンダクタンスバルブ
１６  熱触媒体
１７  配管
１８  バルブ
１９  流量調整器
２０  熱触媒体加熱手段
【図１】
2005277253.tif 000004
【図２】
2005277253.tif 000005
【図３】
2005277253.tif 000006
【図４】
2005277253.tif 000007
【図５】
2005277253.tif 000008
【図６】
2005277253.tif 000009
【図７】
2005277253.tif 000010
【図８】
2005277253.tif 000011
【図９】
2005277253.tif 000012