(57)【要約】炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の反転層移動度を高める方法を提供する。特に、この発明は、炭化珪素基板に酸化膜を形成してＳｉＣＭＯＳＦＥＴの酸化膜と基板のインターフェースを改善する方法を提供する。この方法は、金属不純物の存在下で酸化膜を形成する工程を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板を用意し、
金属不純物の存在下で前記炭化珪素基板表面に酸化膜を形成する工程を含むことを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタの反転層移動度を高める方法。
【請求項２】
前記形成工程後、アルゴン雰囲気内で前記基板を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記形成工程と前記加熱工程を繰り返すことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記炭化珪素基板表面に約１００乃至８００ｎｍの厚みの低温酸化物を堆積させ、
前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記炭化珪素基板表面に約１００乃至８００ｎｍの厚みの低温酸化物を堆積させ、
前記炭化珪素基板を設置したチャンバ内に脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを導入して前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記形成工程の前に金属不純物を導入することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記形成工程の間に金属不純物を導入することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属不純物は、少なくとも約４×１０１２ｃｍ-２の鉄原子を含む焼結アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属不純物はクロム、鉄、ニッケルのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に設置し、
前記チャンバ内に脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを導入して前記炭化珪素基板表面に酸化膜を形成することを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタの反転層移動度を高める方法。
【請求項１３】
前記形成工程後に、アルゴン雰囲気内で前記炭化珪素基板を加熱することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記形成工程前に、前記チャンバを約１１００℃に加熱し、
約９５０℃で前記形成工程を繰り返し、
約９５０℃で前記加熱工程を繰り返し、
前記繰り返し加熱工程後に、前記チャンバ温度を約８００℃に下げることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１形成工程を約４００分行い、前記第１加熱工程を約６０分行い、前記繰り返し酸化工程を約６０分行い、そして、前記繰り返し加熱工程を約６０分行うことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記炭化珪素基板表面に約１００乃至８００ｎｍの厚みの低温酸化物を堆積させ、
脱イオン水を介して飽和した窒素ガスを前記チャンバ内に導入することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
厚みが約５０ｎｍの酸化膜を有する炭化珪素基板を形成することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記金属不純物は、鉄、クロム、ニッケルのいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に設置し、
前記チャンバ内に水素と酸素との混合ガスを導入して前記炭化珪素基板表面に酸化膜を形成することを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタの反転層移動度を高める方法。
【請求項２０】
前記形成工程後に、アルゴン雰囲気内で前記炭化珪素基板を加熱することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記形成工程前に、前記チャンバを約１１００℃に加熱し、
約９５０℃で前記形成工程を繰り返し、
約９５０℃で前記加熱工程を繰り返し、
前記繰り返し加熱工程後に、前記チャンバ温度を約８００℃に下げることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１形成工程を約４００分行い、前記第１加熱工程を約６０分行い、前記繰り返し酸化工程を約６０分行い、そして、前記繰り返し加熱工程を約６０分行うことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記炭化珪素基板表面に約１００乃至８００ｎｍの厚みの低温酸化物を堆積させ、
水素と酸素の混合ガスを前記チャンバ内に導入することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
厚みが約５０ｎｍの酸化膜を有する炭化珪素基板を形成することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記金属不純物は、鉄、クロム、ニッケルのいずれかであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
炭化珪素基板と金属不純物を約１１００℃に加熱したチャンバ内に設置し、
前記炭化珪素基板表面に約１００乃至８００ｎｍの厚みの低温酸化物を堆積させ、
前記堆積工程後に前記チャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入し、
約９５０℃の温度のアルゴン雰囲気内で前記炭化珪素基板を加熱することを特徴とする炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の反転層移動度を高める方法。
【請求項２７】
約９５０℃の温度で前記堆積、導入、加熱工程を繰り返すことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の反転層の移動度を高める方法に関する。特に、この発明は  金属不純物の存在下でゲート酸化物をＳｉＣ基板上に形成して反転層の移動度が高いＭＯＳＦＥＴを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）はこの３０年間、半導体の材料として最も良く使われてきている。この間、弛まない改善、改良によりＳｉ半導体装置技術は高レベルに達した。この弛まない改良によりシリコン・パワー半導体装置は、この材料では理論的に限界である最大出力を生む高効率レベルに達した。これは、半導体装置設計、製造工程においてさらに改善を行っても実質的に機能的に改良されたレベルにはならないことを意味する。しかし、これは、多くの現在の又は将来の、多大な動作損失を含むシリコン・パワー半導体装置機能にとっては受け容れがたいことである。そのため、材料研究者達はシリコンに代わるバンドギャップの広い各種の半導体を研究してきた。
【０００３】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、高電圧、高周波数、高温度下での使用には理想的な半導体材料である。この理由は、主に、ＳｉＣの高い臨界電界（Ｓｉの１０倍高い）、広いバンドギャップ（Ｓｉの３倍）、高い熱伝導率（Ｓｉの４倍）、そして高い電子飽和速度（Ｓｉの２倍）という理由による。これらの特性により、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ｎ−チャネルエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（以後、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴと称する）等の高電圧、高速、高周波数使用において、ＳｉＣはＳｉに代わる理想的な材料となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、研究者により最近作成されたＳｉＣＭＯＳＦＥＴでは反転層の移動度が非常に悪く（〜１ｃｍ２/Ｖｓ）、予想した値より１００倍低い。これは出力損失と効率が非常に悪いということで、Ｓｉ装置に比べＳｉＣＭＯＳＦＥＴはさほど良い半導体装置ではないということになる。反転層の移動度が悪いのは、主に、電流が流れる、ゲート酸化物と炭化珪素基板間のインターフェースが悪いからである。特に、ゲート酸化物とＳｉＣ基板間のインターフェースでは、本来電流を助長する電子を捕獲してしまうインターフェース・トラップが多い。
【０００５】
以上のことに鑑み、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴの反転層の移動度を高める方法が必要とされる。特に、ゲート酸化膜と炭化珪素基板間のインターフェースを高める方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明では、反転層の移動度を高める方法を提供して現存のＳｉＣＭＯＳＦＥＴの問題点を解決するものである。特に、この発明は、反転層の移動度が最大になるようにＭＯＳＦＥＴ上にゲート酸化膜を形成することを含む方法を提供するものである。この方法は、基本的に、酸化物と基板のインターフェースが高まるように金属不純物の存在下で酸化膜を形成することを含む。
【０００７】
この発明の第１の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、（１）炭化珪素基板を用意し、（２）金属不純物の存在下で、炭化珪素基板表面に酸化物層を形成する工程を含む。
【０００８】
この発明の第２の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、（１）炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に配し、（２）脱イオン水を介して飽和した窒素ガスをチャンバ内に導入して炭化珪素基板表面に酸化物層を形成する工程を含む。
【０００９】
この発明の第３の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、（１）炭化珪素基板と金属不純物をチャンバ内に配し、（２）チャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入して炭化珪素基板表面に酸化物層を形成する工程を含む。
【００１０】
この発明の第４の観点では、炭化珪素金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の反転層の移動度を高める方法を提供する。この方法では、（１）炭化珪素基板と金属不純物を、約１１００℃に熱せられたチャンバ内に配し、（２）炭化珪素基板表面に約１００乃至８００ｎｍの低温酸化物を堆積させ、（３）堆積工程の後、チャンバ内に水素と酸素の混合ガスを導入し、（４）約９５０℃の温度でアルゴン雰囲気内で炭化珪素基板を加熱する工程を含む。
【００１１】
以上のように、この発明は、ＭＯＳＦＥＴの反転層の移動度を高める方法を提供する。特に、この発明では、酸化物と基板間のインターフェースを改善するために、金属不純物の存在下で、ＳｉＣ基板上に酸化物膜を形成する。
【００１２】
この発明の上記したそしてさらなる特徴は図面と共に後述する実施形態により明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明における各図の寸法は実際とは異なる。各図は発明の特徴的な要素を概略的に示すものである。さらに、各図は発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、従って、この発明の範囲がこれらに限定されるものではない。また、各図において同様な参照番号のものは同様な要素を示す。
【００１４】
図１に示すのはエンハンスメント型ＮＭＯＳ装置１０である。ＮＭＯＳ装置１０は、基本的に、ＳｉＣ-ｐ型ドープ基板１２と、酸化膜１４（場合によってはゲート酸化物と称する）と、ソース・コンタクト１６と、ゲート・コンタクト１８と、ドレイン・コンタクト２０と、ｎ＋型ドープ・ソース領域２２と、ｎ＋型ドープ・ドレイン領域２４と、表面安定化層２６とを備える。図に示すように、ソース・コンタクト１６とドレイン・コンタクト２０はそれぞれソース領域２２とドレイン領域２４と電気的に接触している。領域２２、２４とコンタクト１６、１８は従来の如何なる手段にても形成することができ、この発明の特徴を限定するものではない。例えば、コンタクト１６、１８、２０は金属（例えば、アルミニウム）を堆積して形成することができる。代わりに、ゲート・コンタクト１８は化学的蒸着法（ＣＶＤ）により多結晶シリコンで形成してもよい。後者の場合には、ゲート・コンタクト１８の上部及び側部にＣＶＤによりさらなる酸化膜を形成してもよい。
【００１５】
上述したように、半導体装置１０等のＳｉＣＭＯＳＦＥＴは反転層の移動度が悪いことが多い。反転層の移動度とはソース領域２２からドレイン領域２４への電子の移動度のことである。この発明では、金属不純物の存在下で酸化膜１４を形成することにより酸化膜１４と基板１２間のインターフェースを高める。これにより、表Ｉ及び図２を参照して後述するように反転層の移動度が非常に良くなる。
【００１６】
第１の実施形態では、酸化膜１４をＳＩＣ基板１２上に成長させる。酸化膜１４を成長させるには、通常、チャンバ（炉）内で所定の温度までＳＩＣ基板１２を加熱して行う。
加熱後、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）の混合ガス（即ち、酸化雰囲気）をチャンバ内に導入する。チャンバ内では、混合ガスにより火成水蒸気が生じてＳＩＣ基板１２上面を酸化して酸化膜１４を形成する。これは湿式酸化として知られる。代わりに、加熱された炉内に高温の脱イオン水を介して飽和した窒素（Ｎ２）又は酸素（Ｏ２）を導入するウエット酸化でもよい。水素と酸素の混合ガスと同様に水蒸気により飽和にした窒素によりＳＩＣ基板１２上面が酸化されて酸化膜１４が形成される。
【００１７】
この発明では、酸化工程は金属不純物の存在下で行われる。好ましくは、鉄不純物を含む焼結アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）片を金属不純物として基板１２が設置されたチャンバ内に入れる。焼結アルミニウム片は、４×１０１２ｃｍ―２の鉄原子が酸化物に導入されるような濃度の鉄不純物を含むものとする。ここでは鉄不純物について言及したが、他の金属不純物、例えば、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）不純物でも良いことは理解できるところである。さらに、金属不純物は酸化膜１４の形成前又は形成中に導入すれば良いことは理解できるところである。例えば、金属不純物は、酸化ガスと同時にガス状に導入しても良い。
【００１８】
酸化工程終了後、任意であるが、アルゴン等の不活性ガスで加熱する。加熱工程終了後、チャンバの温度を低くして湿式酸化と加熱工程を繰り返しても良い。金属不純物と酸化ガス（即ち、酸化雰囲気）全体が特別な酸化雰囲気（ＳＯＡ）として機能し、酸化膜１４とＳＩＣ基板１２間のインターフェースが飛躍的に向上する。
【００１９】
他の実施形態としては、金属不純物の存在下でＳｉＣ基板１２上に酸化膜１４を堆積させ、任意に加熱する。酸化膜１４の堆積は、まず、ＳＩＣ基板１２上の露出部分に低温の酸化物（ＬＴＯ）の層を堆積する。好ましくは、チャンバの温度を４００℃にして、シラン（ＳｉＨ４）ガスを分解してＬＴＯ層を形成する。ＬＴＯ層堆積後、上記の湿式酸化と加熱工程を繰り返す。特に、水素と酸素の混合ガス又は脱イオン水を介して飽和した窒素の酸化雰囲気内で湿式酸化を行うと良い。いずれの場合でも、上記の金属不純物（例えば、鉄、クロム、ニッケル）の存在下で酸化工程を行う。酸化工程終了後、任意であるが、アルゴン等の不活性ガスで加熱する。その後、湿式酸化と加熱工程を繰り返しても良い。
【００２０】
例：
この発明における金属不純物の効果を、ゲート酸化物（即ち、酸化膜１４）を異なる２種類の方法で形成した場合の４Ｈ―ＳｉＣラテラル・エンハンスメント型ＮＭＯＳ装置で検証する。一つは、以下の処理により単一の湿式酸化―加熱処理により、露出した炭化珪素（基板１２）表面にゲート酸化物を形成した。
【００２１】
炭化珪素基板を炉内に設置し、不活性ガス雰囲気内で約８００℃から約１１００℃に加熱した。約１１００℃で水素と酸素の混合ガスを導入して酸化処理を開始した。他の実験では、約９５℃に保たれた脱イオン水を介して飽和させた窒素を導入して湿式酸化熱処理を行った。金属不純物として鉄不純物を含む焼結アルミニウム片をチャンバ内に導入した。焼結アルミニウムは、酸化ガスに約４×１０１２ｃｍ―２の鉄原子を導入するのに十分な鉄を含むものとした。
【００２２】
４００分の湿式酸化処理の後、雰囲気をアルゴンに変えて６０分の加熱処理を開始した。炉内の温度を約９５０℃に下げて１６時間そのままとした。その後、最初の湿式酸化処理（即ち、水素―酸素又は窒素による飽和）で用いた酸化ガスにより２回目の湿式酸化処理を約９５０℃で６０分行った。最後に、酸化ガスを約６０分間アルゴンに変えて、チャンバ温度を約９５０℃から約８００℃に下げた。この結果、厚みが約５０ｎｍの酸化膜が形成された。
【００２３】
他の実験では、ゲート酸化物を成長では無く堆積させた。ここでは、特に、基板表面に約１００乃至８００ｎｍの厚みの低温酸化物（ＬＴＯ）を堆積させた。シランガスをチャンバ内に導入し約４００℃でシランを分解してこの層を堆積させた。ＬＴＯが堆積すると、（上記のように）湿式酸化処理を行った。チャンバを約１１００℃に加熱して、湿式酸化ガスを導入して酸化処理を開始した。上記のように、酸化ガスは水素と酸素の混合ガス又は約９５℃に保たれた脱イオン水を介して飽和させた窒素である。鉄不純物を含む焼結アルミニウム片を金属不純物としてチャンバ内に導入した。焼結アルミニウムは、酸化ガスに約４×１０１２ｃｍ―２の鉄原子を導入するのに十分な鉄を含むものとした。
【００２４】
４００分の湿式酸化処理の後、雰囲気をアルゴンに変えて６０分の加熱処理を開始した。炉内の温度を約９５０℃に下げて１６時間そのままとした。その後、最初の湿式酸化処理（即ち、水素―酸素又は窒素による飽和）で用いた酸化ガスにより２回目の湿式酸化処理を約９５０℃で６０分行った。最後に、酸化ガスを約６０分間アルゴンに変えて、チャンバ温度を約９５０℃から約８００℃に下げた。この結果、厚みが約５０ｎｍの酸化膜が形成された。
【００２５】
金属不純物無しに形成したラテラルＳｉＣＭＯＳＦＥＴと金属不純物を用いて形成したラテラルＳｉＣＭＯＳＦＥＴとの平均有効反転層移動度（ｃｍ２/Ｖｓ）を比較したものを表Ｉに示す。
【表１】
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【００２６】
表から分かるように、金属不純物を用いて形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴの方が金属不純物無しに形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴに比べ平均有効反転層移動度が非常に高い。特に、金属不純物の存在下で酸化膜を熱的に成長させて形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴの平均有効反転層移動度は約１２３ｃｍ２/Ｖｓであり、一方、金属不純物無しに形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴの平均有効反転層移動度は約３ｃｍ２/Ｖｓである。さらに金属不純物の存在下で酸化物を堆積させて形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴの平均有効反転層移動度は約７０ｃｍ２/Ｖｓであるのに対し、金属不純物無しに形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴの平均有効反転層移動度は約４ｃｍ２/Ｖｓである。
【００２７】
図２に示すグラフ３０は、ゲート電圧（Ｖ）３４に対する反転キャリア濃度（１０１２ｃｍ-２）３２の特性である。特に、グラフ３０はソースからドレインへの電子の移動度を示している。曲線３６は金属不純物無しに形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴの反転キャリア濃度を示している。これに対し、曲線３８は上記の例のように（金属不純物を用いて）形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴの反転キャリア濃度を示している。このグラフから分かるように、金属不純物の存在下で酸化膜を形成すると反転キャリア濃度が著しく改善される。特に、点４０に注目すると、ゲート電圧は約１．５Ｖで、金属不純物を導入せずに形成した場合（曲線３６）のＳｉＣＭＯＳＦＥＴの反転キャリア濃度は約０．１×１０１２ｃｍ-２であるのに対し、この発明によって形成した場合（曲線３８）のＳｉＣＭＯＳＦＥＴの反転キャリア濃度は約１．３５×１０１２ｃｍ-２である。従って、この発明によって形成したＳｉＣＭＯＳＦＥＴでは電子の捕獲が著しく削減されることが分かる。
【００２８】
この発明の方法は、特に、図１に示すようなエンハンスメント型ＮＭＯＳ装置に有効であるが、他のエンハンスメント型やデプレッション型ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ装置にも有効である。
【００２９】
図３に、この発明による方法１００のフローチャートを示す。図に示すように、方法１００の第１のステップ１０２で、炭化珪素基板と金属不純物を用意する。第２のステップ１０４で、金属不純物の存在下で炭化珪素基板表面に酸化膜を形成する。
【００３０】
以上詳細に説明したが、各実施形態はこの発明を説明するために開示したものでこの発明を限定するものでは無く、色々な変形例が考えられ、それら変形例は特許請求の範囲で限定されたこの発明に範疇に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明のエンハンスメント型ＮＭＯＳ炭化珪素ＭＯＳＦＥＴを示す図である。
【図２】反転キャリア濃度対ゲート電圧特性グラフを示す図である。
【図３】この発明の方法のフローチャートを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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2004533727.tif 000019
2004533727.tif 000020
2004533727.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004533727.tif 000022
【国際調査報告】
2004533727.tif 000023
2004533727.tif 000024
2004533727.tif 000025