(57)【要約】【課題】毒性のあるガスの使用や特殊な装置を必要とせず、安全・環境上の問題を伴わずに、高品位のＭＯＳ界面を形成できる、簡潔で実用性の高いＳｉＣ半導体素子の方法を提供する。【解決手段】ＳｉＣ基板上に、ＳｉＣ原料用ガスとドーパント用Ｎ含有ガスとを用いた化学気相成長法（ＣＶＤ法）により、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させる工程、および上記高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を熱酸化してＳｉＯ２薄膜とすることにより、ＳｉＯ２／ＳｉＣ界面を形成する工程を含むことを特徴とするＳｉＣ半導体素子の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板上に、ＳｉＣ原料用ガスとドーパント用Ｎ含有ガスとを用いた化学気相成長法により、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させる工程、および
上記高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を熱酸化してＳｉＯ２薄膜とすることにより、ＳｉＯ２／ＳｉＣ界面を形成する工程
を含むことを特徴とするＳｉＣ半導体素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、上記高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜のＮ濃度を５×１０１８ｃｍ−３以上とすることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ半導体素子の製造方法に関し、特にＭＯＳ界面の特性を改良したＳｉＣ半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ半導体は、Ｓｉ半導体に比べて耐電圧性能が高く、高温に耐え、電力損失が少ないという優れた特性を備えているため、インバータ等に適した高電圧・大電流のパワー半導体として実用化が進められている。
【０００３】
例えば、インバータのスイッチングデバイスを構成するＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）にＳｉＣを用いることで、低損失性とスイッチング駆動性により、電力損失の低減、作動の高速化、デバイスの小型化が期待されている。これに応え得るＳｉＣ半導体を実用化するには、デバイス性能に決定的な影響を及ぼすＭＯＳ界面（ＳｉＯ２酸化膜とＳｉＣ半導体基板との界面）の品質を高める必要があった。
【０００４】
すなわち、ＳｉＣの表面を単に熱酸化してＳｉＯ２を形成すると、得られるＭＯＳ界面には高密度の結晶欠陥が存在し、その抵抗によりデバイス特性が大きく劣化する。これを回避して高品質のＭＯＳ界面を形成するために、これまで種々の提案がなされている。
【０００５】
非特許文献１には、ＳｉＣエピタキシャル層にＮを１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ３の濃度にイオン注入して不純物層を形成し、次いでこの不純物層を熱酸化してＳｉＯ２層とすることにより、界面準位密度の低いＭＯＳ界面を形成する方法が提案されている。
【０００６】
しかし上記提案された方法では、イオン注入によりＳｉＣ結晶が損傷し、アニール処理を施しても結晶性を回復できないため、ＭＯＳ構造の信頼性が低下してしまう。
【０００７】
特許文献１には、ＳｉＣ基板の表面をＮ２Ｏ環境中で酸化することで、ＭＯＳ界面の界面準位密度を低下させる方法が提案されている。
【０００８】
しかしこの方法では、毒性のあるＮ２Ｏガスを用いるため安全上・環境上の観点から工業的な生産プロセスには適用できない。仮に適用したとしても、Ｎ２Ｏ環境中での酸化処理のために特殊な酸化装置が必要となり生産コストが高くなる。
【０００９】
特許文献２には、ＳｉＣ基板上にＣＶＤ等により別途ＳｉＯ２膜を形成し、得られたＳｉＯ２／ＳｉＣ界面のＳｉＣを酸窒化することにより、高密度の欠陥発生を防止して、チャネル移動度の高いＭＯＳトランジスタを得る方法が提案されている。
【００１０】
しかしこの方法では、酸窒化処理のために特殊な処理装置が必要となり、生産コストが高くなる。
【００１１】
また、特許文献３には、酸化速度を増大し、選択酸化を可能にするために、Ｎイオンをイオン注入した後に、熱酸化する方法が開示されているが、イオン注入による結晶損傷の発生が避けられない。
【００１２】
特許文献４には、プレーナ構造の素子間分離領域を形成するために燐や硼素などの不純物をイオン注入等により導入した後に熱酸化する方法が開示されているが、イオン注入による結晶損傷の発生が避けられないし、そもそもＭＯＳ構造としての酸化層／基板界面の品質向上には配慮されていない。
【００１３】
このように、良好な素子性能に必須である高品位のＭＯＳ界面を形成できる実用性の高い方法はこれまでに得られていなかった。
【００１４】
【非特許文献１】Florin Ciobanu et al., Materials Science Forum Vols. 483-485 (2005) pp. 693-696.
【特許文献１】特表２００４−５１１１０１号公報
【特許文献２】特開２００６−２１６９１８号公報
【特許文献３】特開平０７−２４０４０９号公報
【特許文献４】特開平０２−１０２５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、毒性のあるガスの使用や特殊な装置を必要とせず、安全・環境上の問題を伴わずに、高品位のＭＯＳ界面を形成できる、簡潔で実用性の高いＳｉＣ半導体素子の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】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、下記の工程：
ＳｉＣ基板上に、ＳｉＣ原料用ガスとドーパント用Ｎ含有ガスとを用いた化学気相成長法（ＣＶＤ法）により、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させる工程、および
上記高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を熱酸化してＳｉＯ２薄膜とすることにより、ＳｉＯ２／ＳｉＣ界面を形成する工程
を含むことを特徴とするＳｉＣ半導体素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、化学気相成長によるエピタキシャル成長時にＮを導入して高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を形成し、これを熱酸化することにより、高品位のＭＯＳ界面を得ることができる。
【００１８】
本発明の方法は、従来技術のようにイオン注入も、毒性のあるＮ２Ｏガスも使用する必要もないので、イオン注入により結晶が損傷することがないし、安全上・環境上の問題も発生せず、特殊な酸化装置等の設備も必要とせず、極めて簡素で実用性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、ＳｉＣ原料用ガスとドーパント用Ｎ含有ガスとを用いた化学気相成長法（ＣＶＤ法）により、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜をエピタキシャル成長させ、これを熱酸化してＳｉＯ２薄膜とすることによりＳｉＯ２／ＳｉＣ界面を形成すると、ＭＯＳ界面の界面準位密度を大幅に低減できるという新規な知見に基づく。
【００２０】
高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜の「高Ｎ含有」とは、ＳｉＣをｎ型半導体とするのに必要なドープ濃度より高濃度のＮを含有することを意味する。例えば、ｎ型ドーパントとしての一般的なＮ濃度は１×１０１６ｃｍ−３程度であり、本発明に用いる「高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜」のＮ濃度はこれより高濃度であり、例えば、少なくとも２×１０１６ｃｍ−３以上、望ましくは５×１０１６ｃｍ−３以上、より望ましくは１×１０１７ｃｍ−３以上、更に望ましくは５×１０１７ｃｍ−３以上、最も望ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上であると考えられる。ただし、個々のデバイスについて必要あるいは適切な「高Ｎ」の値は、予備実験を行なって得られるＭＯＳ特性に応じて設定することが望ましい。
【００２１】
本発明に用いるＳｉＣ基板は、ＳｉＣウェハであっても良いし、ＳｉＣウェハ上に形成したＳｉＣエピタキシャル層であっても良い。一般に、良好な結晶性が得やすい等の観点から、ＳｉＣウェハをそのまま用いるよりも、ＳｉＣウェハ上のＳｉＣエピタキシャル層を用いる方が望ましい。
【実施例】
【００２２】
（１）ＳｉＣ−ＭＯＳキャパシタの作製
本発明の方法により、下記の手順および条件にて、ＳｉＣ−ＭＯＳキャパシタを作製した。
【００２３】
＜ＳｉＣ基板の準備＞
２インチｎ型４Ｈ−ＳｉＣウェハ、オフ角８度の（０００１）Ｓｉ面上に、ＣＶＤ法によりドナー濃度１×１０１６ｃｍ−３のｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層を形成してＳｉＣ基板とした。これは、ホットウォールＣＶＤ炉を用い、炉内を１１ｋＰａに減圧した後、キャリアガスとして水素（Ｈ２）ガス（流量３０ｓｌｍ）、ＳｉＣ原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスおよびプロパン（Ｃ３Ｈ８）ガス、ドーパント用として窒素（Ｎ２）ガスを供給して行なった。
【００２４】
＜高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜の形成＞
上記で準備した、ＳｉＣウェハ上にｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層を形成したＳｉＣ基板を用い、上記ｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層上に、ＣＶＤ法により高Ｎ含有ＳｉＣエピタキシャル薄膜を形成した。膜厚は８５、７５、６５、５５ｎｍの４水準、Ｎドープ濃度は１×１０１９ｃｍ−３、５×１０１８ｃｍ−３の２水準とした。これは、前記の基板準備におけるＳｉＣエピタキシャル層の形成と同様の手順および条件で行なった。ただし、上記４水準の膜厚を得るために製膜時間を４水準とし、上記２水準のＮドープ濃度を得るためにドーパント用窒素（Ｎ２）ガスの供給量を２水準とした。膜厚４水準についてそれぞれＮドープ濃度２水準とし、合計８種類のサンプルを得た。
【００２５】
更に、従来例のサンプルとして、本発明の高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を形成せず、前述の＜ＳｉＣ基板の準備＞において作製したままの状態、すなわちドナー濃度１×１０１６ｃｍ−３のｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層を基板表面とするＳｉＣ基板も用意した。表１に、合計９種類のサンプルをまとめて示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
＜高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜の熱酸化＞
上記の９種類のサンプルについて、ＲＣＡ洗浄後、１２５０℃でパイロジェニック酸化による熱酸化を２時間行ない、表面から深さ７５ｎｍまでのＳｉＣを酸化させて厚さ１６０ｎｍの酸化膜を形成した。酸化膜形成の前と後の層構造の関係を図１に模式的に示す。
【００２８】
図１において、（Ａ）はＳｉＣウェハ１０上にｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層１２を形成したＳｉＣ基板１４上に高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６を形成した状態の層構造を示し、（Ｂ）は熱酸化後の層構造を示す。熱酸化による表面からの酸化深さｔ０＝７５ｎｍ、酸化膜厚さｔ１＝１６０ｎｍであり、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜の厚さによって酸化膜形成前後の層構造の関係は（１）（２）（３）のように異なる。
【００２９】
比較形態として図１（１）は、（Ａ）に示すように高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６が厚さＸ＝８５ｎｍと、酸化深さｔ０＝７５ｎｍより厚い場合であり、（Ｂ）に示す熱酸化後に高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６の基板寄りの一部が未酸化で残されており、その上に酸化膜１８（厚さｔ１＝１６０ｎｍ）が形成されている。
【００３０】
本発明の形態として図１（２）は、（Ａ）に示すように高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６が厚さＸ＝７５ｎｍと、酸化深さｔ０＝７５ｎｍと等しい場合であり、（Ｂ）に示す熱酸化後には高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６は丁度全量が酸化して残らず酸化膜１８（厚さｔ１＝１６０ｎｍ）となっている。
【００３１】
比較形態として図１（３）は、（Ａ）に示すように高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６が厚さＸ＝６５ｎｍまたは５５ｎｍと、酸化深さｔ０＝７５ｎｍより薄い場合であり、（Ｂ）に示す熱酸化後にはｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層１２の表面寄りの一部まで酸化され、酸化膜１８の一部となっている。
【００３２】
＜層構造の分析＞
高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６のＮドープ濃度１×１０１９ｃｍ−３のサンプルについて、酸化膜１８の表面から掘り込むＳＩＭＳ測定を行ない熱酸化後の層構造を分析した。図２にＳＩＭＳによる測定チャートを示す。チャート上でＣ、Ｎの値はほぼ実際の濃度を示す絶対値であり、Ｏ、Ｓｉの値は絶対値ではなく相対値である。
【００３３】
図２（１）、（２）、（３）は、それぞれ図１（１）、（２）、（３）の場合の（Ｂ）に示す層構造に対応する。いずれも、測定深さ１４０〜１５０ｎｍ付近で酸素（Ｏ）の濃度（相対値）が急激に減少しており、熱酸化による酸化膜厚さｔ１＝１６０ｎｍと良く対応している。また、チャート上ではＳｉＯ２酸化膜(18)とＳｉＣ基板(14)（具体的にはｎ−型ＳｉＣエピタキシャル層(12)）との間に、特にＣ濃度（絶対値）が急勾配で変化する遷移層Ｔが介在しているように観察される。Ｎ濃度（絶対値）については、この遷移層とＳｉＣ基板との界面でピークＰが観察される。ただし、遷移層Ｔが見掛け上のものであるのか実際に存在するのかは、ＳＩＭＳの分解能に大きく依存する。このことを考慮に入れても、酸化深さｔ０＝７５ｎｍに対して高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜１６の厚さＸが（１）大きい、（２）等しい、（３）小さい各場合を比較すると下記の相違が認められる。
【００３４】
すなわち、図２（１）は酸化深さｔ０＝７５ｎｍに対して高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)の厚さがＸ＝８５ｎｍと大きい場合である。Ｎ濃度のピーク形状に着目すると、ピークのＳｉＯ２酸化膜(18)寄り斜面が急傾斜であるのに対してピークのＳｉＣ基板(14)寄り斜面が緩い傾斜であり、ピークがＳｉＣ基板(14)寄りに膨らんでいる（図中、「Ｚ」で表示した領域）。ピークにこのような膨らみが観察されるのは、図１（１）（Ｂ）の模式図に示したようにＳｉＯ２酸化膜(18)とＳｉＣ基板(14)との間に高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)の一部が未酸化のまま残留していることに対応すると考えられる。なお、Ｎ濃度のピーク値は高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)のＮドープ濃度１×１０１９ｃｍ−３にほぼ一致している。この点については、図２（２）の場合も同様であった。しかし、図２（３）については、Ｎドープ濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも低かった。
【００３５】
図２（２）は酸化深さｔ０＝７５ｎｍと高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)の厚さＸ＝７５ｎｍとが等しい場合である。Ｎ濃度のピーク形状は、ピークの両側の斜面が同等の急傾斜であり、図２（１）の場合のようなピークの膨らみは観察されない。これは、図１（２）（Ｂ）に示したように、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)の厚さに対して過不足無く熱酸化が起きていて、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)の残留が無いためであると考えられる。
【００３６】
図２（３）は酸化深さｔ０＝７５ｎｍに対して高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)の厚さＸ＝６５ｎｍと小さい場合である。Ｎ濃度のピーク形状は、ピークサイズが小さい以外は図２（２）の場合と同等であり、やはり高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)の残留が無いことと対応している。ただしこの場合は、酸化深さｔ０＝７５ｎｍ＞高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜厚さＸ＝６５ｎｍであるので、高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)が酸化し尽くされた後にＳｉＣ基板(14)内まで酸化が進行している。したがって、ＳｉＯ２酸化膜(18)とＳｉＣ基板(14)との界面状態は、ＳｉＣ基板上に本発明の高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)を設けないで直接ＳｉＣ基板を熱酸化した従来の界面状態と同等であろうと推察される。
【００３７】
＜ＭＯＳキャパシタを完成＞
上記で作製したＳｉＯ２酸化膜(18)／ＳｉＣ基板(14)サンプルのＳｉＯ２酸化膜(18)の表面にゲートＡｌ電極を、ＳｉＣ基板(14)の裏面にＡｌオーミック電極を、それぞれ形成した後、フォーミングガス中で４００℃×３０分の熱処理を行って、ＭＯＳキャパシタを完成した。
【００３８】
＜界面準位密度の測定＞
得られた各ＭＯＳキャパシタサンプルについて、界面準位密度の測定を行なった。これは、高周波ＣＶ測定と準静的（quasi-static）ＣＶ測定を行ない、hi-low法で算出することにより行なった。各サンプルについて測定点は２箇所であった。図３、図４に測定結果をまとめてしめす。図３にＮドープ濃度１×１０１９ｃｍ−３の場合、図４にＮドープ濃度５×１０１８ｃｍ−３の場合を示した。
【００３９】
なお、サンプルNo.１、No.６は、いずれも高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜が厚さＸ＝８５ｎｍであり熱酸化後もＳｉＯ２酸化膜(18)とＳｉＣ基板(14)との間に高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜(16)が介在しており、ＭＯＳ界面を構成するＳｉＣ層の不純物濃度（Ｎ濃度）が高すぎて、目的とするＭＯＳ界面が形成されていないため、測定できなかった。
【００４０】
図３、図４に示したように、従来例サンプルNo.５に対して、ＳｉＣ基板上に高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を形成し、この高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を過不足なく酸化させた本発明のＳｉＣ−ＭＯＳキャパシタ（サンプルNo.２、No.７）は、界面準位密度が大幅に低下している。
【００４１】
すなわち、ｎ型半導体を形成するための濃度にＮドープしたＳｉＣ表面を熱酸化して酸化膜を形成した場合に対して、これより高濃度にＮドープしたＳｉＣ表面を熱酸化して高濃度Ｎドープ部分のみを過不足無く酸化することにより酸化膜を形成することにより、得られるＭＯＳ界面の界面準位密度が大幅に低下する。
【００４２】
これに対して、ＳｉＣ基板上に高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を形成したが、この高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜のみでなく更にＳｉＣ基板内にまで過剰に酸化が進行した比較サンプルNo.３、４、８、９は、従来例No.５と同等の界面準位密度であり、改善が認められない。
【００４３】
このように、本発明によれば、ＳｉＣ基板上に高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を形成し、この高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜を過不足無く酸化させてＳｉＯ２酸化膜とすることにより、ＳｉＣ基板を直接酸化する従来の方法に比べて、界面準位密度を大幅に低減させたＭＯＳ界面を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、毒性のあるガスの使用や特殊な装置を必要とせず、安全・環境上の問題を伴わずに、高品位のＭＯＳ界面を形成できる、簡潔で実用性の高いＳｉＣ半導体素子の方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明および比較例の方法により形成されるＳｉＯ２／ＳｉＣ界面の構造を模式的に示す断面図であり、（２）が本発明による断面構造であり、（１）（３）が比較例による断面構造である。
【図２】本発明および比較例の方法により形成したＳｉＯ２／ＳｉＣ界面のＳＩＭＳ測定チャートを示すグラフであり、（２）が本発明による界面、（１）（３）が比較例による界面についてのチャートである。
【図３】本発明、比較例、従来例の各方法により作製したＭＯＳ構造を用いたＭＯＳキャパシタの界面準位密度の測定結果をまとめて示すグラフであり、本発明例および比較例においてＳｉＣ基板上の高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜のＮドープ濃度を１×１０１９ｃｍ−３とした場合を示す。
【図４】本発明、比較例、従来例の各方法により作製したＭＯＳ構造を用いたＭＯＳキャパシタの界面準位密度の測定結果をまとめて示すグラフであり、本発明例および比較例においてＳｉＣ基板上の高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜のＮドープ濃度を５×１０１８ｃｍ−３とした場合を示す。
【符号の説明】
【００４６】
１０    ＳｉＣウェハ
１２    ＳｉＣエピタキシャル層
１４    ＳｉＣ基板（＝１０＋１２）
１６    高Ｎ含有ＳｉＣ薄膜
１８    ＳｉＯ２酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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