(57)【要約】【課題】炭化珪素などの化学的に安定な半導体を用いながら、その半導体層の表面に金属不純物濃度の低い酸化物層を形成する。【解決手段】本発明による半導体素子の製造方法は、ハロゲン族元素を含むガスを用いてワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層１２の表面を清浄化する工程（Ａ）と、半導体層１２の表面に酸化物層１４を形成する工程（Ｂ）とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層と、
前記半導体層の表面に形成された酸化物層と、
を備えた半導体素子であって、
前記酸化物層がハロゲン族元素を含む半導体素子。
【請求項２】
前記酸化物層におけるハロゲン族元素の濃度は１．０×１０15ｃｍ-3以上である請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記酸化物層に含まれる金属不純物の表面不純物濃度は１．０×１０11ｃｍ-2未満である、請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記酸化物層の絶縁耐圧が８ＭＶ／ｃｍ以上である請求項１から３のいずれかひとつに記載の半導体素子。
【請求項５】
前記半導体は炭化珪素であり、前記酸化物層は二酸化珪素から形成されている、請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項６】
ハロゲン族元素を含むガスを用いてワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層の表面を清浄化する工程（Ａ）と、
前記半導体層の表面に酸化物層を形成する工程（Ｂ）と、
を含む半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記工程（Ａ）は、ハロゲン族元素を含むガスおよび酸化性ガスを含む混合ガス中に前記半導体層の表面を暴露する、請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記ハロゲン族元素は、フッ素および塩素の少なくとも一方である請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記工程（Ａ）は、前記半導体層の温度を７００℃以上１０００℃以下の範囲に保持する工程を含む、請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（Ｂ）は、ハロゲン族元素を含むガスおよび酸化性ガスを含む混合ガス中に前記半導体層の表面を暴露することにより、前記半導体層の表面を酸化する熱酸化工程を含む、請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記熱酸化工程は、前記半導体層の温度を１０００℃以上１３００℃未満の範囲に保持する工程を含む、請求項１０に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（Ａ）は、前記半導体層の温度を７００℃以上１０００℃以下の範囲に保持する工程を含み、
前記工程（Ｂ）は、１０００℃以上１３００℃未満の範囲の温度で、ハロゲン族元素を含むガスおよび酸化性ガスを含む混合ガス中に前記半導体層の表面を暴露することにより、前記半導体層の表面を酸化する熱酸化工程を含む、請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（Ａ）を実行した後、前記半導体層の温度を室温まで低下させることなく前記工程（Ｂ）の実行を開始する、請求項１２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（Ｂ）は、前記酸化物を薄膜堆積技術によって前記半導体層上に堆積する工程を含む請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ハロゲン族元素を含むガスは、ＨＣｌ、ＮＦ3、ＨＣｌ、Ｃｌ2、ＣＣｌ4、Ｃ2ＨＣｌ3、ＣＨ2Ｃｌ2、およびＣ2Ｈ3Ｃｌ3からなる群から選択された少なくとも１種のガスである、請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素（シリコンカーバイド：ＳｉＣ）は、絶縁耐圧（絶縁破壊電圧）が高く、次世代の低損失パワーデバイス等への適用が期待されている。また、炭化珪素層の表面を熱酸化すると、ゲート絶縁膜として機能し得る二酸化珪素（ＳｉＯ2）膜が形成される。このため、熱酸化膜からゲート絶縁膜を形成したＭＯＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｔ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の開発が進められている。しかしながら、Ｓｉデバイスとは異なり、炭化珪素デバイスにおけるゲート絶縁膜の歩留まりおよび信頼性は充分ではなく、改善の余地が残されている。
【０００３】
ゲート絶縁膜の歩留まりおよび信頼性を向上させるには、ゲート絶縁膜を形成するプロセスにおいて、炭化珪素基板の清浄度を高いレベルに保つことが極めて重要となる。基板の清浄度を高めるためには、基板洗浄技術と熱酸化技術とを確立する必要がある。
【０００４】
炭化珪素基板の洗浄には、Ｓｉ−ＭＯＳプロセスと同様に、ピラニア洗浄およびＲＣＡ洗浄などの技術が用いられてきた。ＲＣＡ洗浄は、ＳＰＭ洗浄（硫過水洗浄）、ＤＨＦ処理、ＳＣ−１洗浄（アンモニア過水洗浄）、ＳＣ−２（塩酸過水）洗浄の各工程を実行することによって行われる。
【０００５】
ＲＣＡ洗浄では、基板表面に存在する金属不純物を酸によって解離することと、酸化剤による基板表面の酸化（化学酸化膜の形成）とが重要なプロセスである。Ｓｉ基板の場合は、基板表面が過酸化水素水（酸化剤）によって容易に酸化されるため、ＲＣＡ洗浄は有効に機能する。これに対して、炭化珪素基板は耐腐食性に優れた材料であり、化学酸化物層が形成され難いため、Ｓｉ基板に対する高い洗浄効果を炭化珪素基板に対して発揮することは困難である。
【０００６】
したがって、ＲＣＡ洗浄だけでは炭化珪素基板上の金属不純物等を効果的に除去することができず、その結果、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の信頼性が低下して量産化の障害となっている。同様の問題は、化学的に安定で酸化され難い他の半導体にも生じ得る。
【非特許文献１】「シリコンウェーハ表面のクリーン化技術」  リアライズ社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の問題を解決するため、炭化珪素デバイスの開発初期段階から、水素洗浄やオゾンプラズマ洗浄などのドライ洗浄技術が検討されてきた。しかしながら、これらのドライ洗浄技術は、炭化珪素基板上の有機物汚染や、カーボンクラスターと呼ばれる炭素が密集した箇所の除去には効果的であることがわかったが、金属不純物を除去する能力は低いという問題を有していた。このため、金属不純物を除去する目的で、犠牲酸化工程および犠牲酸化層除去工程を行なうことも検討されたが、金属不純物の再付着を避けられず、安定した洗浄効果を得ることは難しいことがわかった。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、炭化珪素などの化学的に安定な半導体を用いながら、半導体表面に金属不純物濃度の低い酸化物層を備えた半導体素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に形成された酸化物層とを備えた半導体素子であって、前記酸化物層がハロゲン族元素を含む。
【００１０】
好ましい実施形態において、前記酸化物層におけるハロゲン族元素の濃度は１．０×１０15ｃｍ-3以上である。
【００１１】
好ましい実施形態において、前記酸化物層に含まれる金属不純物の表面不純物濃度は１．０×１０11ｃｍ-2未満である。
【００１２】
好ましい実施形態において、前記酸化物層の絶縁耐圧が８ＭＶ／ｃｍ以上である。
【００１３】
好ましい実施形態において、前記半導体は炭化珪素であり、前記酸化物層は二酸化珪素から形成されている。
【００１４】
本発明による半導体素子の製造方法は、ハロゲン族元素を含むガスを用いてワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層の表面を清浄化する工程（Ａ）と、前記半導体層の表面に酸化物層を形成する工程（Ｂ）とを含む。
【００１５】
好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）は、ハロゲン族元素を含むガスおよび酸化性ガスを含む混合ガス中に前記半導体層の表面を暴露する。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記ハロゲン族元素は、フッ素および塩素の少なくとも一方である。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）は、前記半導体層の温度を７００℃以上１０００℃以下の範囲に保持する工程を含む。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、ハロゲン族元素を含むガスおよび酸化性ガスを含む混合ガス中に前記半導体層の表面を暴露することにより、前記半導体層の表面を酸化する熱酸化工程を含む。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記熱酸化工程は、前記半導体層の温度を１０００℃以上１３００℃未満の範囲に保持する工程を含む。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）は、前記半導体層の温度を７００℃以上１０００℃以下の範囲に保持する工程を含み、前記工程（Ｂ）は、１０００℃以上１３００℃未満の範囲の温度で、ハロゲン族元素を含むガスおよび酸化性ガスを含む混合ガス中に前記半導体層の表面を暴露することにより、前記半導体層の表面を酸化する熱酸化工程を含む。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）を実行した後、前記半導体層の温度を室温まで低下させることなく前記工程（Ｂ）の実行を開始する。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記酸化物を薄膜堆積技術によって前記半導体層上に堆積する工程を含む。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記ハロゲン族元素を含むガスは、ＨＣｌ、ＮＦ3、ＨＣｌ、Ｃｌ2、ＣＣｌ4、Ｃ2ＨＣｌ3、ＣＨ2Ｃｌ2、およびＣ2Ｈ3Ｃｌ3からなる群から選択された少なくとも１種のガスである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、炭化珪素などからなるワイドバンドギャップ半導体層上に、金属不純物濃度の低減された高品質の酸化物層を形成することができるため、酸化物層の信頼性を向上させることが可能となる。また、本発明の半導体素子では、ハロゲン族元素が酸化物層に含まれることにより、酸化物層と半導体層との界面における歪を低減する効果も得られ、界面準位密度を低減することが可能になる。
【００２５】
本発明によって得られる清浄な酸化物層に対して窒化処理を行うと、酸化物層と半導体層との間の界面準位密度を更に低減でき、より高いチャネル移動度を実現することができる。その結果、損失の低いパワーデバイスを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層と、半導体層の表面に形成された酸化物層とを備えており、前記酸化物層がハロゲン族元素を含んでいる。
【００２７】
本明細書における「ワイドバンドギャップ半導体」とは、伝導帯の下端と価電子帯の上端とのエネルギ差（バンドギャップ）が２．０ｅＶ以上である半導体を意味する。そのようなワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物、ダイヤモンド等が挙げられる。ワイドバンドギャップ半導体の中でも、炭化珪素は、絶縁破壊電界や熱伝導度が大きいなどの物性値に優れ、また、ｐ型およびｎ型不純物ドープによる導電性の制御が比較的容易である。炭化珪素などのワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、大電流を流すことのできるパワーデバイスや、数百℃の環境でも正常に動作するＭＯＳＦＥＴを製造することができる。一般に、これらのワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素と同様に化学的に安定であるため、ＲＣＡ洗浄だけは不充分な洗浄効果しか得られず、金属不純物による特性劣化が問題になる。
【００２８】
なお、本願明細書における「半導体層」は、単結晶基板または他の基板上に形成されたエピタキシャル層のみならず、単結晶基板そのものを広く含むものとする。この半導体層が炭化珪素から形成される場合、そのポリタイプは特に限定されないが、３Ｃ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、または１５Ｒ−ＳｉＣなどのポリタイプであることが好ましい。
【００２９】
本発明では、ハロゲン族元素が有する金属元素に対するゲッタリング効果を利用し、信頼性に優れた酸化物層をワイドバンドギャップ半導体層上に形成する。こうして形成された酸化物層は、金属不純物濃度が低く、好ましい実施形態では、酸化物層に含まれる金属不純物の濃度（表面不純物濃度）が１．０×１０11ｃｍ-2未満に低減され、更に好ましい実施形態では、１．０×１０10ｃｍ-2未満に低減される。
【００３０】
また、酸化物層に含まれるハロゲン族元素は、ＭＯＳ界面の歪を低減する効果をもたらす。酸化物層中の濃度は１．０×１０15ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００３１】
なお、ハロゲン族元素によるゲッタリングを実行する前、半導体層の表面に数ｎｍ程度の薄い自然酸化物層を形成することが好ましい。そのような薄い酸化物層は半導体層表面に存在した重金属を取り込むため、後に行う処理により、金属の除去を効果的に行うことができる。高いレベルで清浄化された表面を得た後、熱酸化による酸化物層の形成を行うときにもハロゲン族元素を添加すると、酸化物層中に金属不純物が取り込まれることを抑制できる。
【００３２】
（実施形態１）
以下、図１を参照しながら、本発明による半導体素子の第１の実施形態を説明する。図１は、この半導体素子の主要部分の断面構成を示している。
【００３３】
本実施形態の半導体素子は、炭化珪素基板１０と、炭化珪素基板の主面に成長した炭化珪素エピタキシャル層１２と、炭化珪素エピタキシャル層１２の表面に形成された酸化物層１４とを備えており、酸化物層１４がハロゲン族元素を含んでいる。本実施形態の酸化物層１４におけるハロゲン族元素の濃度は１．０×１０15ｃｍ-3以上１．０×１０20ｃｍ-3以下の範囲に調節する。ハロゲン族元素の濃度が上記範囲の下限よりも低いと、本発明の効果を得にくく、逆に上記範囲の上限を超えると、酸化物層の信頼性が低下する傾向がある。なお、酸化物層１３の厚さ方向におけるハロゲン族元素の濃度プロファイルは、酸化物層１４と炭化珪素エピタキシャル層１２との界面近傍に最大ピークを有する。
【００３４】
本実施形態では、酸化物層１４に含まれる金属不純物の濃度が１．０×１０11ｃｍ-2未満に抑制され、その結果、酸化物層１４の絶縁耐圧が８ＭＶ／ｃｍ以上の高いレベルを達成することができる。
【００３５】
図１に示す構成は、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ-Ｏｘｉｄｅ-Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造のうち、「Ｏｘｉｄｅ」として機能する酸化物層１４と「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ」として機能する炭化珪素エピタキシャル層１２とを記載している。ＭＯＳＦＥＴとして動作するには、酸化物層１４の上にゲート電極を設け、炭化珪素エピタキシャル層１２中にソース領域などの不純物拡散領域を形成する必要がある。
【００３６】
次に、図２および図３を参照しながら、本実施形態の半導体素子の製造方法を説明する。図２は、図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の製造方法で行う各工程段階を模式的に示す断面図である。図２（ａ）は、炭化珪素エピタキシャル層１２が形成された炭化珪素基板１０の断面を、図２（ｂ）は、熱酸化工程前に行う清浄化処理（前処理）工程を、図２（ｃ）は、熱酸化工程を示している。図３は、前処理工程および熱酸化工程の温度プロファイルを示している。
【００３７】
まず、図２（ａ）に示すように、主面に炭化珪素エピタキシャル層１２が形成された炭化珪素基板１０を用意する。本実施形態では、炭化珪素基板１０として、六方晶の４Ｈ−ＳｉＣからなる基板であって、（０００１）面から＜１１−２０＞方向に向かって８°（オフ角）傾けた主面を有するオフアングル基板を用いる。炭化珪素基板１０は、好ましくは１×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3程度のｎ型不純物がドープされた低抵抗基板である。
【００３８】
炭化珪素エピタキシャル層１２は、炭化珪素基板１０の主面にエピタキシャル成長した半導体層であり、例えばプロパンガスとシランガスを原料ガスとして用いる熱ＣＶＤ法によって形成される。本実施形態では、原料ガスに対し、ドーピングガスである窒素ガスを添加することにより、炭化珪素エピタキシャル層１２にｎ型不純物をドープしている。炭化珪素エピタキシャル層１２の厚さは、例えば１０μｍであり、そのｎ型不純物濃度は例えば３×１０15ｃｍ-3から１×１０16ｃｍ-3程度に設定され得る。
【００３９】
次に、炭化珪素基板１０に対してＲＣＡ洗浄を行う。具体的には、硫化水洗浄、ＨＦディップ、ＳＣ−１洗浄（アンモニア過水）、ＨＦディップ、ＳＣ−２洗浄（塩酸過水）、およびＨＦディップを行う。このようなＲＣＡ洗浄により、炭化珪素エピタキシャル層１２の表面における不純物レベルを１０11ｃｍ-2以下に低減できる。
【００４０】
この後、炭化珪素基板１０を図２（ｂ）に模式的に示す炉２０の内部に搬送（ロード）する。炉２０の内部は、９００℃以下の温度、例えば８００℃以上９００℃以下の範囲の温度に加熱された酸化性ガスで満たされている。炉２０の内部に炭化珪素基板１０を搬送するとき、炭化珪素エピタキシャル層１２の表面に付着していた有機物は燃焼して除去される。炭化珪素基板１０の搬送を行うとき、図３に示すように、窒素（Ｎ2）および酸素（Ｏ2）の流量は、それぞれ、２．９ｓｌｍおよび１００ｓｃｃｍに設定することができる。なお、「ｓｌｍ」は、供給するガスの体積流量（リットル／分）を０℃１気圧に換算した値である。この時点では、ハロゲン族元素を導入する必要は特に無い。基板搬送時の炉２０の温度は、低くても良いが、多数の炭化珪素基板１０に対する処理を繰り返して実行する場合、搬送時における炉２０の温度を必要以上に低下させることは作業時間を無駄に長くしてしまう。このため、基板搬送時の炉２０の温度は、炉内に進入した大気によって制御されない自然酸化が進行しないレベルに設定されることが好ましい。
【００４１】
基板搬送が完了した後、炉２０の内部に酸化性ガス（例えば酸素）およびハロゲン族元素（例えばＨＣｌ）を含むガスを供給し、１０００℃まで昇温させる。図３に示す例では、酸化性ガスとして酸素（Ｏ2）を用い、ハロゲン族元素を含むガスとしてＨＣｌを用いる。Ｏ2およびＨＣｌの流量は、それぞれ、２．９ｓｌｍおよび１００ｓｃｃｍに設定することができる。
【００４２】
ハロゲン族元素は、重金属と反応してガス化しやすい。このため、炉２０の内部に導入されたハロゲン族元素は、図２（ｂ）に示すように、炭化珪素エピタキシャル１２の表面や炉２０の内壁に存在する重金属と反応して揮発性のガスに変化する。本実施形態の場合、例えばＦｅＣｌ3、ＡｌＣｌ3、Ｃｕ2Ｃｌ2、ＭｇＣｌ2、ＮａＣｌ、ＮｉＣｌ2、ＰｂＣｌ2、ＳｉＣｌ4、ＺｎＣｌ2などのガス（金属原子を含む）が形成される。こうして、ハロゲン族元素による金属不純物のゲッタリングが行われ、炉２０の外部に重金属を排出することが可能になる。
【００４３】
炉２０の内部に供給するハロゲン族元素を含むガスの流量は、酸化性ガスの流量に対して例えば１〜３％の範囲に設定することができる。ハロゲン族元素の流量比率が低すぎると、重金属のゲッタリング効果が充分に得られず、また、ハロゲン族元素の流量比率が高すぎると、高濃度の塩素原子が添加されるため、酸化膜（ＳｉO2）組成比がストイキメオトリから外れてしまい、酸化膜の信頼性低下を招く可能性がある。
【００４４】
一方、炉２０の内部に導入した酸化性ガスにより、炭化珪素エピタキシャル層１２の表面には薄い自然酸化膜（厚さ：数ｎｍ）が形成される。炉２０の内部に酸化性ガスが存在しているにもかかわらず、熱酸化膜が厚く成長しない理由は、雰囲気温度が１０００℃程度と低いためである。ハロゲン族元素の働きにより、炭化珪素エピタキシャル１２上に形成された自然酸化膜の表面不純物レベルは、１０11ｃｍ-2未満まで低減される。
【００４５】
なお、炭化珪素エピタキシャル層１２の表面には微細な欠陥が存在しており、このような欠陥は重金属をトラップしやすい性質を有している。炭化珪素エピタキシャル層１２の表面にトラップされた重金属を効果的に除去するには、熱酸化がほとんど生じない１０００℃以下の温度でハロゲン族元素によるゲッタリングを充分に行うことが好ましい。重金属の除去が充分に進んだ後、熱酸化に適した温度レベルまで加熱し、熱酸化工程を実行すればよい。
【００４６】
熱酸化工程前に行なう前処理工程の時間は、例えば１０分以上６０分以下の範囲に設定される。前処理工程の温度（雰囲気温度）は、酸化の進行を抑えつつ、ゲッタリング効果を高めるため、７００℃以上１０００℃以下の範囲に設定されることが好ましい。前処理工程で用いられるハロゲン族元素を含むガスとしては、ＮＦ3、ＨＣｌ、Ｃｌ2、ＣＣｌ4、Ｃ2ＨＣｌ3、ＣＨ2Ｃｌ2、Ｃ2Ｈ3Ｃｌ3等がある。
【００４７】
次に、熱酸化工程を行うため、炉２０の雰囲気温度を１０００℃以上１３００℃以下の温度に加熱し、炉２０の内部に充分な量の酸化性ガスを供給する。図３に示す例では、Ｏ2を炉２０の内部に３．０ｓｌｍの流量で供給する。
【００４８】
これにより、炭化珪素エピタキシャル層１２の表面は熱酸化され、二酸化珪素（ＳｉＯ2）からなる酸化物層（熱酸化膜）１４が成長する。熱酸化工程では、Ｏ2以外の酸化性ガスとして、窒素酸化物（一酸化窒素または亜酸化窒素など）を用いてもよく、また、これらの酸化性ガスを不活性化ガスで希釈してもよい。熱酸化工程の温度（雰囲気温度）は、例えば１０００℃以上１３００℃未満の範囲に設定され得る。この温度範囲は、厚さ５０ｎｍ〜１００ｎｍの熱酸化膜を実用的な処理時間で成長させることができ、量産に適している。
【００４９】
熱酸化工程では、酸化性ガスとともに、ハロゲン族元素のガスを炉２０の内部に導入してもよい。図２（ｃ）は、熱酸化工程中に炉２０の内部にハロゲン族元素が供給された場合を模式的に示している。この場合に好適に用いられるハロゲン族元素は、例えばＦまたはＣｌである。
【００５０】
前述したように、炉２０の内壁には重金属が付着していることがあり、その重金属は熱酸化工程の前処理でも完全に除去できない場合がある。炉２０の内壁に重金属が残存していると、熱酸化工程中でも、成長しつつある酸化物層１４上に飛来し、酸化物層１４の中に取り込まれる可能性がある。このため、熱酸化工程中でも、可能な限り重金属のゲッタリングを行い、炉２０の外部へ排出することが望ましい。
【００５１】
図３に示す例では、前処理工程と熱酸化工程とを連続して行っており、その間に降温／昇温工程が介在していない。しかしながら、図４に示すように、前処理工程と熱酸化工程との間で、温度を一時的に低下させても良い。一般に、このように温度を一時的に低下させることは、作業効率を低下させることになるが、前処理工程と熱酸化工程とを別々の炉またはチャンバ内で行う場合には、両工程の間に温度の低下が生じることも止むを得ない。前処理工程と熱酸化工程とを別々の炉またはチャンバ内で行う場合、両工程の間で炭化珪素エピタキシャル層１２の表面が大気雰囲気に暴露されないようにすることが好ましい。このためには、前処理工程用の炉と熱酸化工程用の炉との間を大気から遮断された密閉径路で接続し、その内部に基板搬送機構を設ければよい。
【００５２】
上述してきたように、本実施形態では、酸化物層１４の形成を炭化珪素の熱酸化によって行っているが、ＣＶＤ法によって酸化物を堆積しても酸化物層１４を形成することができる。ＣＶＤ法によって堆積した酸化物層を用いると、界面における炭素濃度を低く抑えることができ、界面特性を向上させることが可能となる。一般に、炭化珪素の表面で熱酸化を行うと、炭化珪素の結合が切れた炭素の一部は外方に拡散するが、残りの炭素は酸化物層中に残存する。このような炭素がＭＯＳ界面に高濃度に蓄積されていると、界面特性が劣化してしまうおそれがある。ＣＶＤ法または他の薄膜堆積技術を用いて酸化物を堆積する場合、このように炭素濃度が界面で上昇するという問題は解決できる。ＣＶＤ炉の内壁にも、重金属が付着している場合があり、ＣＶＤ法によって堆積した酸化物層中の金属不純物濃度を低減するためにも、ハロゲン族元素によるゲッタリングは有効である。
【００５３】
なお、酸化物層１４の信頼性を更に高めるためには、熱酸化工程の後に窒素処理を行うことが好ましい。窒素処理は、窒素酸化物（例えば一酸化窒素などの亜酸化窒素）を不活性ガスで希釈した雰囲気で行うことができる。窒素処理は、ＭＯＳ界面から炭素の拡散・除去を進行させることができる温度（例えば１０００〜１３００℃）で行う。
【００５４】
窒素処理を行った後の酸化物層は、炭化珪素エピタキシャル層１２に接する窒素含有酸化物層を含んでいる。窒素含有酸化物層の厚さ方向における窒素濃度プロファイルは、窒素含有酸化物層と炭化珪素エピタキシャル層１２との界面近傍に最大ピークを有し、この最大ピークの半値全幅は５ｎｍ以下である。また、窒素濃度の最大ピークにおける値は１×１０20ｃｍ-3以上で１×１０22ｃｍ-3以下である。
【００５５】
本実施形態では、ハロゲン族元素の働きによって金属不純物濃度を低減するとともに、窒素処理の効果を得て、Ｅｃ−Ｅ＝０．２ｅＶにおける界面準位密度を１０12ｃｍ-2ｅＶ-1以下に低減することが可能である。酸化物層１４に含まれる金属不純物濃度は１０11ｃｍ-2未満、好ましくは１×１０10ｃｍ-2未満に低減される。
【００５６】
酸化物層を形成した後、絶縁膜の清浄度を維持するために、酸化物層１４を覆うようにポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）層を堆積することが好ましい。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層の厚さは例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下に設定される。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層は、酸化物層１４の保護層として機能するため、その後に行う高温プロセス中に酸化物層からハロゲン族元素が放出されることを防止するとともに、外部から金属元素などの不純物が混入することを防止することもできる。このＰｏｌｙ−Ｓｉ層は、フォトリソグラフィおよびエッチング技術によって任意の形状にパターニングされ得る。パターニングしたＰｏｌｙ−Ｓｉ層は、ゲート電極として機能させることができる。
【００５７】
（実施形態２）
次に、図５を参照しながら、本発明による半導体素子の製造方法の他の実施形態を説明する。実施形態１では、酸化前処理工程と酸化工程とを別々に実行しているが、これらの工程を実質的に同一の工程として実行しても良い。
【００５８】
本実施形態では、図５に示すように、酸化工程中に、ハロゲン族元素を含むガス（ＨＣｌ：１００ｓｃｃｍ）を酸化性ガス（Ｏ2：２．９ｓｌｍ）とともに炉内に供給している。このように、ハロゲン族元素を含む雰囲気下で熱酸化を進行させることにより、酸化物層１４中の金属不純物濃度を低減させることができる。
【００５９】
なお、炭化珪素基板１０が転位を多く含む場合は、本実施形態の方法では転位に凝縮する金属不純物を効果的に低減させることは難しい。このような場合には、実施形態１について説明したように、熱酸化膜が成長する前に、前処理としてハロゲン族によるゲッタリングを充分に行うことが望ましい。したがって、本実施形態の方法は、炭化珪素基板１０に含まれる転位の密度が十分に低い場合に特に有効である。
【００６０】
このように、本実施形態では、ハロゲン族元素を含むガスを用いてワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層の表面を清浄化する工程（Ａ）と、半導体層の表面に酸化物層を形成する工程（Ｂ）とを、別々の工程として実行することなく、時間的に重複するタイミングで実施している。本実施形態では、前処理工程を別途行わずに、熱酸化のために温度を上昇させる過程の途中で一種の「前処理」を行っているといえる。
【００６１】
図６は、本実施形態の他の態様を示している。ハロゲン族元素を炉内に供給する期間は、酸化性ガスを炉内に供給する期間と一致している必要はない。図６に示す例では、ハロゲン族元素を含むガスを供給する前に、熱酸化のための昇温を開始しているため、ハロゲン族元素を含むガスで半導体表面が処理される前に、半導体表面に薄く酸化物層が形成される可能性がある。このように薄い酸化物層が形成された状態でも、ハロゲン族元素の働きによる金属不純物のゲッタリングが行われると、薄い酸化物層に覆われた半導体層の表面が清浄化される。このため、図６に示す例でも、「ハロゲン族元素を含むガスを用いてワイドバンドギャップ半導体からなる半導体層の表面を清浄化する工程（Ａ）」を実行しているといえる。
【００６２】
なお、ハロゲン族元素によって濃度を低下させることのできる金属元素不純物は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａs、Ａｕ、Ｂ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｈｇ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｌ、Ｖ、Ｚｎ、Ｚｒである。これらの金属不純物が酸化物層中に高い濃度で存在していると、ゲート絶縁膜としての信頼性が低く、実用的なＭＯＳＦＥＴを提供できない。
【００６３】
なお、熱酸化工程の後、ＰＯＡ（ポスト・オキシデーション・アニール）工程が行われる。この工程においても、ハロゲン族を含む雰囲気中でアニールを行うことが好ましい。熱酸化によって形成された酸化物層に金属不純物が付着して取り込まれることを抑制するためである。
【００６４】
なお、実施形態１では、酸化性ガスおよび塩素ガスの混合ガス雰囲気で前処理（清浄化）を行っているが、酸化性ガスを含まない塩素ガスのみで前処理を行っても良い。このように本発明における前処理は、ハロゲンガス雰囲気で行っても良い、不活性ガスで希釈したハロゲンガス雰囲気で行っても良い。例えば塩酸１００％塩酸の雰囲気で１０００℃の前処理を行った場合、汚染低減効果が極めて大きくなる。ただし、清浄化の後に行う酸化物層形成工程では、高温処理時に発生する重金属汚染を回避するため、ハロゲンガスを含む酸化性ガス雰囲気で処理することが好ましい。酸化物層形成工程における重金属汚染が問題にならないレベルであれば、酸化性ガスにハロゲンガスを添加する必要はない。
【００６５】
上記の各実施形態では、酸化物層の成形を熱酸化によって行っているが、ＣＶＤなどの薄膜堆積技術を用いて酸化物層を形成しても良い。この場合、酸化物層の原料となるガスに、ハロゲン族元素を含有するガスを添加することにより、金属汚染を低減する効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、ワイドバンドギャップ半導体と酸化物層とを有する種々の半導体素子に適用される。特に化学的に安定な炭化珪素デバイスに適用して有効であり、縦型または横型のパワーＭＯＳＦＥＴ、ＭＯＳキャパシタに好適に用いられる。また、トレンチ溝にゲート部を有し、素子の集積度を向上させたトランジスタにも本発明を適用すれば、信頼性・特性の改善を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による半導体素子の実施形態を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明による製造方法の第１の実施形態で行う各工程段階を模式的に示す断面図であり、（ａ）は、炭化珪素エピタキシャル層１２が形成された炭化珪素基板１０の断面を、（ｂ）は、熱酸化工程前に行う清浄化処理（前処理）工程を、（ｃ）は、熱酸化工程を示している。
【図３】本発明の実施形態１における前処理工程および熱酸化工程を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１における前処理工程および熱酸化工程の他の例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態２における前処理工程および熱酸化工程を示す図である。
【図６】本発明の実施形態２における前処理工程および熱酸化工程の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０    炭化珪素基板
１２    炭化珪素エピタキシャル層
１４    酸化物層
２０    炉
【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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