JP2008182070A - Method for forming silicon oxide layer - Google Patents
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Abstract
【課題】 炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面に形成される界面準位の密度を小さくする。
【解決手段】 炭化珪素半導体層18,6,8の表面を、少なくとも酸素元素を含むガスと、不活性ガスと、アンモニアガスを含む混合ガス雰囲気中で加熱して酸化珪素層4を形成する。炭化珪素半導体層18,6,8に存在する珪素と結合していない炭素を除去したり、炭化珪素半導体層18,6,8の結晶欠陥を補修しつつ、炭化珪素半導体層18,6,8の表面を酸化して酸化珪素層4を形成する。
【選択図】 図1To reduce the density of interface states formed at the interface between a silicon carbide semiconductor layer and a silicon oxide layer.
A silicon oxide layer 4 is formed by heating the surfaces of silicon carbide semiconductor layers 18, 6 and 8 in a mixed gas atmosphere containing a gas containing at least an oxygen element, an inert gas, and an ammonia gas. Silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8 are removed while removing carbon that is not bonded to silicon present in silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8 and repairing crystal defects in silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8. The silicon oxide layer 4 is formed by oxidizing the surface.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、炭化珪素半導体層の表面を酸化して、絶縁性を有する酸化珪素層を形成する方法に関する。 The present invention relates to a method for oxidizing a surface of a silicon carbide semiconductor layer to form an insulating silicon oxide layer.
炭化珪素(SiC)を利用する半導体装置では、絶縁性を有する酸化珪素(SiO2)層を介して炭化珪素半導体層に対向するゲート電極を形成することがある。その半導体装置では、炭化珪素半導体層の表面を酸化して酸化珪素層を形成する。酸化珪素層は絶縁性であることから、ゲート電極と炭化珪素半導体層を絶縁するとともに、ゲート電極に所定値以上の電圧が印加されたときに、ゲート電極に対向する範囲の炭化珪素半導体層にチャネルを形成することができる。
しかしながら、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の間には界面準位が形成されやすく、その界面準位の密度が大きいと、キャリアがチャネルを移動する際の抵抗が大きくなってしまう。すなわち、半導体装置のチャネルにおけるキャリアの移動度が小さくなってしまう。
特許文献1に、炭化珪素半導体層の表面を酸化して酸化珪素層を形成した後に、窒素酸化物ガス及びアンモニアガスの少なくとも一方を含むガスをアルゴンよりも分子量の小さい不活性ガスで希釈した混合ガス雰囲気で、1100℃以上で1300℃以下に加熱する技術が開示されている。後者の工程を付加すると、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面に存在する余剰な炭素(C)を除去したり、炭化珪素から炭素が除去されて生じた珪素に窒素(N)を結合させることができる。特許文献1の技術では、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面に存在する不純物(炭素)を除去したり、珪素の不対電子に窒素を結合させることによって、界面準位の密度を小さくしている。すなわち、半導体装置のチャネルにおけるキャリアの移動度を大きくすることによって、半導体装置のオン抵抗を小さくしている。
In a semiconductor device using silicon carbide (SiC), a gate electrode opposed to the silicon carbide semiconductor layer may be formed through an insulating silicon oxide (SiO 2 ) layer. In the semiconductor device, the surface of the silicon carbide semiconductor layer is oxidized to form a silicon oxide layer. Since the silicon oxide layer is insulative, the gate electrode and the silicon carbide semiconductor layer are insulated from each other, and when a voltage equal to or higher than a predetermined value is applied to the gate electrode, A channel can be formed.
However, an interface state is easily formed between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer, and when the density of the interface state is large, resistance when carriers move through the channel is increased. That is, the mobility of carriers in the channel of the semiconductor device is reduced.
In Patent Document 1, after the surface of a silicon carbide semiconductor layer is oxidized to form a silicon oxide layer, a gas containing at least one of nitrogen oxide gas and ammonia gas is diluted with an inert gas having a molecular weight smaller than that of argon. A technique for heating to 1300 ° C. or higher in a gas atmosphere is disclosed. When the latter step is added, excess carbon (C) present at the interface between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer is removed, or nitrogen (N) is bonded to silicon generated by removing carbon from silicon carbide. be able to. In the technique of Patent Document 1, the density of interface states is reduced by removing impurities (carbon) present at the interface between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer or by bonding nitrogen to unpaired electrons of silicon. ing. That is, the on-resistance of the semiconductor device is reduced by increasing the carrier mobility in the channel of the semiconductor device.
特許文献1に開示されているように、酸化珪素層を形成した後に、その酸化珪素層を窒素酸化物ガス及びアンモニアガスの少なくとも一方を含むガス雰囲気中で熱処置することによって、炭素珪素層と酸化珪素層の間の界面準位の密度を小さくすることができる。しかしながら、特許文献1の技術では、炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層が形成された後に、両者の界面を処理するため、界面準位の密度を小さくする効果が低い。そのため、両者の間に形成される界面準位の密度を充分に小さくすることができない。
本発明では、炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成しつつ、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を充分に小さくする技術を提供する。
As disclosed in Patent Document 1, after the silicon oxide layer is formed, the silicon oxide layer is thermally treated in a gas atmosphere containing at least one of a nitrogen oxide gas and an ammonia gas. The density of interface states between the silicon oxide layers can be reduced. However, in the technique of Patent Document 1, since the interface between the two after the silicon oxide layer is formed on the surface of the silicon carbide semiconductor layer, the effect of reducing the interface state density is low. Therefore, the density of interface states formed between the two cannot be sufficiently reduced.
The present invention provides a technique for sufficiently reducing the interface state density between a silicon carbide semiconductor layer and a silicon oxide layer while forming a silicon oxide layer on the surface of the silicon carbide semiconductor layer.
本発明では、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を大きくする原因を除去しつつ、炭化珪素半導体層の表面を酸化させる。
本発明の方法では、炭化珪素半導体層の表面を、少なくとも酸素元素を含むガスと、アンモニアガスと、不活性ガスを含む混合ガス雰囲気中で加熱する。
In the present invention, the surface of the silicon carbide semiconductor layer is oxidized while removing the cause of increasing the interface state density between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer.
In the method of the present invention, the surface of the silicon carbide semiconductor layer is heated in a mixed gas atmosphere containing a gas containing at least an oxygen element, ammonia gas, and an inert gas.
上記の方法によると、炭化珪素半導体層に存在する珪素と未結合の炭素(以下、未結合炭素と称することがある)とアンモニアが反応してメタンガスとなるため、炭化珪素半導体層から未結合炭素を除去することができる。また、炭化珪素中の珪素の不対電子にアンモニア中の窒素が結合し、珪素の不対電子を窒素で終端することができる。すなわち、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を大きくする原因を除去することができる。また、炭化珪素半導体層を構成している炭素とアンモニアガスが反応して、炭化珪素半導体層から炭素を脱離させることができる。炭化珪素半導体層から炭素が脱離して生じた珪素と、酸素元素を含むガスが反応して、炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層が形成される。本発明の方法によると、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を大きくする原因を除去することと、炭化珪素半導体層の表面を酸化させて酸化珪素層を形成することが同時に実施されるため、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面に、両者の界面準位の密度を大きくする原因が残留しにくい。炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を小さくおさえながら酸化珪素層を形成することができる。半導体装置のオン抵抗を小さくすることができる。 According to the above method, silicon and unbonded carbon (hereinafter sometimes referred to as unbonded carbon) in the silicon carbide semiconductor layer react with ammonia to form methane gas. Can be removed. Further, nitrogen in ammonia is bonded to unpaired electrons of silicon in silicon carbide, and unpaired electrons of silicon can be terminated with nitrogen. That is, the cause of increasing the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer can be eliminated. Further, carbon constituting the silicon carbide semiconductor layer reacts with ammonia gas, and carbon can be desorbed from the silicon carbide semiconductor layer. Silicon generated by desorption of carbon from the silicon carbide semiconductor layer reacts with a gas containing an oxygen element, and a silicon oxide layer is formed on the surface of the silicon carbide semiconductor layer. According to the method of the present invention, the cause of increasing the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer is removed, and the surface of the silicon carbide semiconductor layer is oxidized to form the silicon oxide layer at the same time. Therefore, the cause of increasing the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer hardly remains. A silicon oxide layer can be formed while reducing the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer. The on-resistance of the semiconductor device can be reduced.
本発明の方法では、炭化珪素半導体層の表面を、少なくとも酸素元素を含むガスと、アンモニアガスと、不活性ガスを含む混合ガス雰囲気中で加熱する第1工程と、少なくとも酸素元素を含むガスと、不活性ガスからなる混合ガス雰囲気中で第1工程よりも高温で加熱する第2工程を実施してもよい。 In the method of the present invention, a first step of heating the surface of the silicon carbide semiconductor layer in a mixed gas atmosphere containing at least an oxygen element, ammonia gas, and an inert gas, and a gas containing at least an oxygen element; The second step of heating at a higher temperature than the first step may be performed in a mixed gas atmosphere made of an inert gas.
上記の方法によると、炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成するのに要する時間を短縮しつつ、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度が小さい半導体装置を製造することができる。炭化珪素半導体層を酸化させる速度は、雰囲気温度が高温であるほど速い。しかしながら、アンモニアガスを含む雰囲気中で炭化珪素半導体層を酸化させる場合、あまりに高い温度で加熱すると、アンモニアガスが炭化珪素半導体層や酸化珪素層にダメージを与えてしまう。すなわち、炭化珪素半導体層をあまり高温で加熱することができないため、酸化珪素層を形成するのに要する時間が長くなってしまう。しかしながら、上記の方法では、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を大きくする原因を除去した(第1工程)後、アンモニアガスを含まない雰囲気中で加熱する(第2工程)ために、高温で加熱することができる。第2工程においては、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を大きくする原因を除去する効果が少なくても、第1工程において炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を大きくする原因を除去しているため、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面に、未結合炭素や不対電子を有する珪素が集中することを防止できる。 According to the above method, a semiconductor device in which the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer is small while reducing the time required to form the silicon oxide layer on the surface of the silicon carbide semiconductor layer. Can do. The rate of oxidizing the silicon carbide semiconductor layer is faster as the ambient temperature is higher. However, when the silicon carbide semiconductor layer is oxidized in an atmosphere containing ammonia gas, if it is heated at an excessively high temperature, the ammonia gas damages the silicon carbide semiconductor layer or the silicon oxide layer. That is, since the silicon carbide semiconductor layer cannot be heated at a very high temperature, the time required to form the silicon oxide layer is lengthened. However, in the above method, after removing the cause of increasing the interface state density between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer (first step), heating is performed in an atmosphere not containing ammonia gas (second step). Therefore, it can be heated at a high temperature. In the second step, the interface state of the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer is reduced in the first step even though the effect of removing the cause of increasing the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer is small. Since the cause of increasing the density is removed, it is possible to prevent silicon having unbonded carbon or unpaired electrons from concentrating on the interface between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer.
本発明の方法では、第1工程における加熱温度が900℃以上で1100℃以下であり、第2工程における加熱温度が1100℃以上で1300℃以下であることが好ましい。
上述したように、炭化珪素半導体層を酸化させるためには、炭化珪素半導体層を高温で加熱することが好ましい。第1工程において、加熱温度が900℃よりも低いと、酸化珪素層を形成する速度が著しく遅くなってしまう。一方、加熱温度が1100℃よりも高いと、アンモニアガスによって酸化珪素層がダメージを受けてしまう。
第2工程において、加熱温度が1100℃よりも低いと、酸化珪素層の形成速度をあまり早くすることができない。一方、加熱温度が1300℃よりも高いと、炭化珪素半導体層を処理する装置にダメージを与えてしまうことがある。
In the method of the present invention, the heating temperature in the first step is preferably 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, and the heating temperature in the second step is preferably 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
As described above, in order to oxidize the silicon carbide semiconductor layer, it is preferable to heat the silicon carbide semiconductor layer at a high temperature. In the first step, when the heating temperature is lower than 900 ° C., the speed of forming the silicon oxide layer is remarkably slowed. On the other hand, when the heating temperature is higher than 1100 ° C., the silicon oxide layer is damaged by the ammonia gas.
In the second step, if the heating temperature is lower than 1100 ° C., the formation rate of the silicon oxide layer cannot be made too fast. On the other hand, when the heating temperature is higher than 1300 ° C., an apparatus for processing the silicon carbide semiconductor layer may be damaged.
本発明の方法では、炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成するに先立って、炭化珪素半導体層の表面を、アンモニアガスと、不活性ガスからなる混合ガス雰囲気中で加熱する前処理工程を実施することが好ましい。
上記の製造方法によると、炭化珪素半導体層の表面に存在する不純物(未結合炭素など)を除去したり、炭化珪素半導体層の形成過程で生じた結晶欠陥部分を窒化することができる。炭化珪素半導体層を酸化させる前に、炭化珪素半導体層の表面を安定した状態にすることができるため、酸化珪素層中に炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を大きくする原因が残留しにくい。炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を効率的に小さくすることができる。
In the method of the present invention, prior to the formation of the silicon oxide layer on the surface of the silicon carbide semiconductor layer, the pretreatment step of heating the surface of the silicon carbide semiconductor layer in a mixed gas atmosphere composed of ammonia gas and an inert gas. It is preferable to implement.
According to the above manufacturing method, impurities (such as unbonded carbon) existing on the surface of the silicon carbide semiconductor layer can be removed, or crystal defect portions generated in the process of forming the silicon carbide semiconductor layer can be nitrided. Causes of increasing the density of interface states between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer in the silicon oxide layer because the surface of the silicon carbide semiconductor layer can be stabilized before the silicon carbide semiconductor layer is oxidized. Is difficult to remain. The density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer can be efficiently reduced.
本発明の方法では、炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成した後に、炭化珪素半導体層の表面を、アンモニアガスと、不活性ガスからなる混合ガス雰囲気中で加熱する後処理工程を実施することが好ましい。
上記の方法によると、酸化珪素層の表面に結合している官能基を除去したり、酸化珪素層中や炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面に存在する不純物を除去することができる。半導体装置のオン抵抗をより小さくすることができる。
In the method of the present invention, after a silicon oxide layer is formed on the surface of the silicon carbide semiconductor layer, a post-treatment step is performed in which the surface of the silicon carbide semiconductor layer is heated in a mixed gas atmosphere composed of ammonia gas and an inert gas. It is preferable to do.
According to the above method, functional groups bonded to the surface of the silicon oxide layer can be removed, and impurities present in the silicon oxide layer or at the interface between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer can be removed. The on-resistance of the semiconductor device can be further reduced.
前処理工程又は後処理工程における加熱温度が500℃以上で1100℃以下であることが好ましい。
前処理工程における加熱温度を上記範囲に設定することによって、炭化珪素半導体層の表面をより効果的に安定化させることができる。加熱温度が500℃よりも低い場合、前工程又は次工程(酸化珪素層を形成する工程)との温度差が大きく、半導体装置の製造時間が長くなってしまう。一方、加熱温度が1100℃よりも高い場合、上述したように、アンモニアガスが炭化珪素半導体層や酸化珪素層にダメージを与えてしまうことがある。
It is preferable that the heating temperature in a pre-processing process or a post-processing process is 500 degreeC or more and 1100 degrees C or less.
By setting the heating temperature in the pretreatment step within the above range, the surface of the silicon carbide semiconductor layer can be more effectively stabilized. When the heating temperature is lower than 500 ° C., the temperature difference from the previous process or the next process (process for forming a silicon oxide layer) is large, and the manufacturing time of the semiconductor device becomes long. On the other hand, when the heating temperature is higher than 1100 ° C., ammonia gas may damage the silicon carbide semiconductor layer or the silicon oxide layer as described above.
本発明によると、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を小さくすることができる。酸化珪素層を介して炭化珪素半導体層に対向する電極を形成し、その電極に電圧を印加したときに、窒化珪素半導体層と酸化珪素層の界面に形成されるチャネルをキャリアが移動するときに、キャリアが界面準位に捕捉されることを抑制できる。 According to the present invention, the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer can be reduced. When an electrode facing the silicon carbide semiconductor layer is formed through the silicon oxide layer and a voltage is applied to the electrode, carriers move through a channel formed at the interface between the silicon nitride semiconductor layer and the silicon oxide layer. , Carriers can be suppressed from being trapped by the interface state.
本発明の特徴を列記する。
(第1形態) n型の炭化珪素半導体層(ドリフト領域)18の表面に、p型の炭化珪素半導体領域(ベース領域)6が形成されている。炭化珪素半導体領域6は、炭化珪素半導体層18の表面に分散して不連続に形成されている。
(第2特徴) ドリフト領域18とベース領域6の両者に酸化珪素層(絶縁層)4を介して対向するゲート電極2が形成されている。
(第3特徴) ベース領域6の表面にn+型の半導体領域(ソース領域)8が形成されている。ソース領域8は、ベース領域6によってドリフト領域18から分離されている。
(第4特徴) 炭化珪素半導体層18,6,8の表面に酸化珪素層4を形成する工程では、酸素元素を含むガスとして水蒸気を使用する。
(第5特徴) 上記工程において、アンモニアの濃度を5〜30vol%としている。
The features of the present invention are listed.
(First Embodiment) A p-type silicon carbide semiconductor region (base region) 6 is formed on the surface of n-type silicon carbide semiconductor layer (drift region) 18. Silicon
(Second Feature) A
(Third Feature) An n + type semiconductor region (source region) 8 is formed on the surface of the
(Fourth Feature) In the step of forming
(5th characteristic) In the said process, the density | concentration of ammonia is 5-30 vol%.
図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。なお、実施例ではMOSFETについて説明するが、本発明の技術はIGBT等にも適用することができる。
(実施例1)
図1に、本実施例の半導体装置10の断面図を模式的に示す。図1は、半導体装置10の単位構造を示しており、実際にはこの半導体単位構造が紙面左右方向に繰り返し形成されている。なお、各部の構成は、実際のサイズの縮尺を正確に表すものではない。図面の明瞭化のために、図面の縮尺を適宜変更している。
半導体装置10の裏面に、アルミニウム(Al)とニッケル(Ni)が積層されているドレイン電極14が形成されている。ドレイン電極14の表面に、炭化珪素を主材料とするn+型の炭化珪素半導体層(ドレイン領域)16が形成されている。炭化珪素半導体層16の不純物には窒素(N)が用いられており、その不純物濃度はおよそ5×1018cm−3に調整されている。
炭化珪素半導体層16の表面に、炭化珪素を主材料とするn−型の炭化珪素半導体層(ドリフト領域)18が形成されている。炭化珪素半導体層18の不純物には窒素が用いられており、その不純物濃度はおよそ5×1015cm−3に調整されている。
炭化珪素半導体層18の表面に、炭化珪素を主材料とするp型の炭化珪素半導体領域(ベース領域)6が形成されている。炭化珪素半導体領域6は、炭化珪素半導体層18の表面の全域に形成されておらず、不連続に分散して形成されている。隣接する炭化珪素半導体領域6の間は、炭化珪素半導体層18によって隔てられている。炭化珪素半導体領域6の不純物にはアルミニウムが用いられており、その不純物濃度は0.8〜1×1017cm−3に調整されている。後述するが、炭化珪素半導体領域6は、炭化珪素半導体領域18の表面の所定部分にアルミニウムをイオン注入して形成される。そのため、炭化珪素半導体領域6の不純物濃度の値は幅を有している。
炭化珪素半導体領域6の表面に、n+型の炭化珪素半導体領域(ソース領域)8が形成されている。ソース領域8は、ベース領域6によってドリフト領域18から分離されている。ソース領域8の不純物にはリン(P)が用いられており、その不純物濃度は1〜3×1019cm−3に調整されている。ソース領域8は、ベース領域6の所定部分にリンをイオン注入して形成される。そのため、ソース領域8の不純物濃度の値は幅を有している。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings. In addition, although an Example demonstrates MOSFET, the technique of this invention is applicable also to IGBT etc.
(Example 1)
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of a
A
An n − -type silicon carbide semiconductor layer (drift region) 18 mainly composed of silicon carbide is formed on the surface of silicon
A p-type silicon carbide semiconductor region (base region) 6 containing silicon carbide as a main material is formed on the surface of silicon
An n + type silicon carbide semiconductor region (source region) 8 is formed on the surface of silicon
ベース領域6の表面に、酸化珪素層(ゲート絶縁膜)4が形成されている。酸化珪素層4は、隣接するベース領域6同士を隔てているドリフト領域18の表面と、ソース領域8の一部分の表面にも形成されている。酸化珪素層4の表面に、ポリシリコンを主材料とするゲート電極2が形成されている。ソース領域8の表面に、アルミニウムとニッケルが積層されているソース電極12が形成されている。ソース電極12とゲート電極2は電気的に絶縁されている。
A silicon oxide layer (gate insulating film) 4 is formed on the surface of the
次に、半導体装置10の動作を説明する。
ソース電極12に接続しているn+型のソース領域8と、ドレイン電極14に接続しているn+型のドレイン領域16とn−型のドリフト領域18が、p型のベース領域6によって電気的に分離されている。ゲート電極2に電圧を印加していない状態では、ソース領域8とドリフト領域18の間の電子(キャリア)の走行が停止されるため、半導体装置10はオフしている。ゲート電極2に電圧が印加されると、ゲート電極2に対向する範囲のベース領域6の導電型が反転し、ベース領域6に電子が走行するためのチャネルが形成され、半導体装置10はオンする。すなわち、半導体装置10はノーマリーオフの動作を行う。
ベース領域6に形成されたチャネルをソース領域8から走行してきた電子は、ドリフト領域18とドレイン領域16を縦方向に流れ、ドレイン電極14に至る。ソース電極12とドレイン電極14の間が導通する。
半導体装置10では、ゲート絶縁膜4とベース領域6の界面準位の密度が小さい。チャネルを電子が走行する際に、界面準位に捕捉される電子が少なくなり、半導体装置10のオン抵抗を小さくすることができる。
Next, the operation of the
The n + -
The electrons that have traveled from the
In the
図2から5を参照して、半導体装置10の製造方法について説明する。
まず、図2に示しているように、n+型の不純物を含む炭化珪素半導体基板16を用意して、炭化珪素半導体基板16の表面にn−型の炭化珪素半導体層18をエピタキシャル成長させる。炭化珪素半導体基板16は、4H−SiCであり、その主面は面方位(0001)シリコン面である。次いで、炭化珪素半導体層18の表面の所定部分にマスク層20を形成し、炭化珪素半導体層18の露出している表面にp型の不純物をイオン注入する。n−型の炭化珪素半導体層18の表面にp型の炭化珪素半導体領域6が不連続に分散して形成される。図中の矢印は、不純物がイオン注入される範囲を示している。
次に、図3に示すように、マスク層20を除去した後、炭化珪素半導体層18の露出している表面と、炭化珪素半導体領域6の所定部分にマスク層22を形成する。次いで、炭化珪素半導体領域6の露出している表面にn型の不純物をイオン注入する。p型の炭化珪素半導体領域6の表面にn+型の炭化珪素半導体領域8が形成される。図中の矢印は、不純物がイオン注入される範囲を示している。
次に、図4に示すように、マスク層22を除去した後、炭化珪素半導体層18と炭化珪素半導体領域6と炭化珪素半導体領域8(以下、炭化珪素半導体層18,8,6と称することがある)の表面にマスク層24を形成して、不活性ガス雰囲気中で熱処理を実施する。熱処理を実施することによって、イオン注入した不純物(アルミニウムやリン)を活性化させる。
A method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 2, silicon
Next, as shown in FIG. 3, after removing mask layer 20,
Next, as shown in FIG. 4, after removing
次に、図5に示すように、マスク層24を除去した後、炭化珪素半導体層18,8,6の表面を酸化させ、酸化珪素層4を形成する。この段階で、図1に示しているドリフト領域18とボディ領域6とソース領域8が完成する。なお、酸化珪素層4を形成する詳細な方法ついては後述する。
次に、ソース領域8の表面のソース電極2を形成する部分(図1を参照)の酸化珪素層4を除去する。次いで、ゲート絶縁膜4の表面にゲート電極2を形成し、ソース領域8の露出している表面にソース電極2を形成し、ドレイン領域16の裏面にドレイン電極14を形成することによって、図1に示している半導体装置10を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 5, after removing
Next, the
酸化珪素層4の形成方法について詳細に説明する。
図8に、炭化珪素半導体層18,8,6の表面を酸化して酸化珪素層4を形成する(図5も参照)ときの炭化珪素半導体層18,6,8の温度と、酸化珪素層4を形成するための各工程の関係を示している。グラフの縦軸は炭化珪素半導体層18,6,8の温度(℃)を示し、横軸は各工程(A1〜A4)を示している。図8の左側から右側に向かって時間が変化している。工程A1は前処理工程であり、炭化珪素半導体層18,6,8の表面を安定化させる工程である。工程A2,A3は酸化工程であり、炭化珪素半導体層18,6,8の表面を酸化して酸化珪素層4を形成する工程である。工程A4は後処理工程であり、酸化珪素層4や、炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面に残留する不純物等を除去する工程である。なお、本実施例では工程A1,A2,A3,A4を経て酸化珪素層4を形成しているが、本発明では工程A1,A3,A4は必ずしも必須の工程ではない。重要なことは工程A2を実施することである。その理由については後述する。また、工程A1の左側と、工程A4右側に温度が平坦になっている部分がある。それらの平坦部分は、炭化珪素半導体層18,6,8の温度が、常温から装置内の温度まで上昇したことを示している。本実施例では、酸化珪素層4を形成する装置の温度を450℃以下にしない。装置の温度を下げすぎないことによって、複数の半導体装置10を連続的に製造する際に、酸化珪素層4の形成時間を短縮することができる。
A method for forming the
FIG. 8 shows the temperatures of silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8 when the surfaces of silicon carbide semiconductor layers 18, 8, 6 are oxidized to form silicon oxide layer 4 (see also FIG. 5), and the silicon oxide layers. The relationship of each process for forming 4 is shown. The vertical axis of the graph represents the temperature (° C.) of the silicon carbide semiconductor layers 18, 6 and 8, and the horizontal axis represents each step (A1 to A4). Time changes from the left side to the right side in FIG. Step A1 is a pretreatment step and is a step of stabilizing the surfaces of silicon carbide semiconductor layers 18, 6, and 8. Steps A2 and A3 are oxidation steps in which the surfaces of the silicon carbide semiconductor layers 18, 6, and 8 are oxidized to form the
まず、工程A1について説明する。
工程A1では、炭化珪素半導体層18,6,8を、アンモニアガスとアルゴン(Ar)からなる混合ガス雰囲気中で、500℃以上で1100℃以下に加熱する。図1で説明したように、炭化珪素半導体層18は、炭化珪素半導体基板16の表面からエピタキシャル成長させることによって形成される。炭化珪素半導体層18の表面には、微細な結晶欠陥や不純物(例えば未結合炭素)が存在している。図2で説明したように、炭化珪素半導体領域6は、炭化珪素半導体領域18の表面の所定部分にp型の不純物をイオン注入して形成される。図3で説明したように、炭化珪素半導体領域8は、炭化珪素半導体領域6の表面にn型の不純物をイオン注入して形成される。イオン注入を実施することによっても、炭化珪素半導体領域6,8の表面に結晶欠陥や未結合炭素が発生する。結晶欠陥が生じると、珪素原子にダングリングボンド(不対電子)が生じてしまい、その不対電子に官能基が結合してしまうことがある。
工程A1を実施することによって、珪素の不対電子に窒素が結合することによって他の官能基が結合することを防止したり、未結合炭素を除去することができる。炭化珪素半導体層18,6,8の表面を安定した状態にすることができ、酸化珪素層4を形成したときに、炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面準位の密度を小さくすることができる。なお、工程A1は500℃以上で1100℃以下の範囲で実施することが好ましい。工程A1を1100℃よりも高温で実施すると、アンモニアによって炭化珪素半導体層18,6,8がダメージを受け、結晶から珪素が抜けてしまうことがある。工程A1を500℃よりも低温で実施すると、後述する工程A2との温度差が大きくなりすぎ、工程A1から工程A2へ温度を上げるための時間が長くなりすぎる。半導体装置10の製造工程を短縮するために、工程A1を上記温度範囲で実施することが好ましい。なお、本実施例では、工程A1を700℃で実施している。また、上述したように、工程A1は省略することもできる。
First, the process A1 will be described.
In step A1, silicon carbide semiconductor layers 18, 6, and 8 are heated to 500 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower in a mixed gas atmosphere composed of ammonia gas and argon (Ar). As described with reference to FIG. 1, silicon
By performing the step A1, it is possible to prevent other functional groups from being bonded due to nitrogen bonding to unpaired electrons of silicon, or to remove unbonded carbon. The surfaces of silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8 can be stabilized, and when the
次に工程A2について説明する。
工程A2を実施することによって、炭化珪素半導体層18,6,8を酸化させて酸化珪素層4を形成する。工程A2では、炭化珪素半導体層18,6,8を、少なくとも酸素元素を含むガスと、アンモニアガスと、アルゴンを含む混合ガス雰囲気中で、900℃以上で1100℃以下に加熱する。混合ガス雰囲気中のアンモニアガスの濃度は特に限定させるものではないが、アンモニアガスの濃度は、1〜50%の範囲が好ましい。特に、5〜30vol%の範囲であることが好ましい。本実施例では、アンモニアガスの濃度は、約15vol%とした。なお、酸素元素を含むガスとして酸素ガスや、水蒸気等が挙げられる。本実施例では、酸素元素を含むガスとして水蒸気を使用した。
ここで、工程A2でアンモニアガスを使用する理由を説明する。工程A1で除去しきれなかった未結合炭素を除去するために、炭化珪素半導体層18,6,8を、炭素との反応性が高いガスを含む混合ガス雰囲気内で加熱することが必要である。炭素との反応性が高いガスとして、水素ガスやアンモニアガスが挙げられる。水素ガスを使用する場合、珪素の不対電子を水素で終端してしまう。珪素の不対電子を水素で終端しても、水素が容易に脱離してしまうため、結果として珪素の不対電子を終端することができない。また、炭素との反応のしやすさは、水素ガスよりもアンモニアガスの方が大きい。これらの理由から、水素ガスよりもアンモニアガスを選択することが有効である。
図6に、水素ガス又はアンモニアガスを使用したときの炭素の除去能力を、熱化学平衡状態計算を利用して算出した結果を示す。グラフの縦軸は炭素の残量(%)を示し、グラフの横軸は反応温度(℃)を示している。炭素の残量が少ないほど、炭素を除去する能力が高いことを示している。図中のカーブC1は、水素ガスを使用したときの炭素の残量を示し、カーブC2は、アンモニアガスを使用したときの炭素の残量を示している。
図6から明らかなように、水素ガスよりもアンモニアガスを使用した方が、炭素の残量が少ない。すなわち、水素ガスよりもアンモニアガスを使用した方が、未結合炭素を効率的に除去できることを示している。なお、水素ガスとアンモニアガスの両者とも、高温になるに従って炭素の残量が多くなっている。この現象は、生成したメタンガスが分解されて再び炭素を生じるためである。しかしながら、実施の工程では、生成したメタンガスを装置外に排出させているので、炭化珪素半導体層18,6,8や酸化珪素層4に、未結合炭素が再堆積することによる影響は少ない。
工程A2でアンモニアガスを使用することによって、未結合炭素を除去したり、珪素の不対電子を窒素で終端したりしつつ、酸化珪素層を形成することができる。炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位密度を小さくすることができる。
Next, step A2 will be described.
By performing step A2, silicon carbide semiconductor layers 18, 6, and 8 are oxidized to form
Here, the reason why ammonia gas is used in step A2 will be described. In order to remove unbonded carbon that could not be removed in step A1, it is necessary to heat silicon carbide semiconductor layers 18, 6, and 8 in a mixed gas atmosphere containing a gas having high reactivity with carbon. . Examples of the gas having high reactivity with carbon include hydrogen gas and ammonia gas. When hydrogen gas is used, silicon unpaired electrons are terminated with hydrogen. Even if unpaired electrons of silicon are terminated with hydrogen, hydrogen is easily desorbed, and as a result, unpaired electrons of silicon cannot be terminated. In addition, ammonia gas is easier to react with carbon than hydrogen gas. For these reasons, it is effective to select ammonia gas over hydrogen gas.
FIG. 6 shows the result of calculating the carbon removal ability using hydrogen gas or ammonia gas using thermochemical equilibrium state calculation. The vertical axis of the graph indicates the remaining amount (%) of carbon, and the horizontal axis of the graph indicates the reaction temperature (° C.). The smaller the amount of carbon, the higher the ability to remove carbon. A curve C1 in the figure indicates the remaining amount of carbon when hydrogen gas is used, and a curve C2 indicates the remaining amount of carbon when ammonia gas is used.
As is apparent from FIG. 6, the amount of carbon remaining is smaller when ammonia gas is used than when hydrogen gas is used. That is, it is shown that unbound carbon can be efficiently removed by using ammonia gas rather than hydrogen gas. In both hydrogen gas and ammonia gas, the remaining amount of carbon increases as the temperature rises. This phenomenon is because the generated methane gas is decomposed to generate carbon again. However, since the generated methane gas is exhausted outside the apparatus in the implementation process, there is little influence due to redeposition of unbonded carbon on the silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8 and the
By using ammonia gas in step A2, a silicon oxide layer can be formed while removing unbonded carbon or terminating unpaired electrons of silicon with nitrogen. The interface state density between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer can be reduced.
次に、工程A2を900℃以上で1100℃以下の温度で加熱する理由について説明する。
図7に、炭化珪素とアンモニアの反応状態について、熱力学平衡状態計算の結果を示している。グラフの縦軸は物質のモル量(mol)を示し、横軸は温度(℃)を示している。カーブC3は炭化珪素を示し、カーブC4はメタン(CH4)を示し、カーブC5は水素(H2)を示し、カーブC6は窒化珪素(Si3N4)を示し、カーブC7は炭素を示し、カーブC8は珪素を示し、カーブC9は窒素を示している。
図7から明らかなように、炭化珪素中の珪素とアンモニアが反応し、炭化珪素の100分の1程度の窒化珪素が生成する(C3とC6を参照)。窒化珪素の生成は、温度が変化してもほぼ一定である。また、炭化珪素中の炭素とアンモニアが反応し、メタンが生成する(C4を参照)。メタンの生成は、温度が高くなるに従って少なくなっている。メタンの生成が少なくなるに従って、すなわち温度が高くなるに従って炭素が生成し始める(C7を参照)。炭素は、メタンが分解することによって生成する。この現象は、閉鎖系での熱力学平衡状態計算の結果生じる現象である。実際に炭化珪素半導体層18,8,6を酸化して酸化珪素層4を形成する場合には、メタンは装置外に排除されるため、炭化珪素半導体層18,8,6や酸化珪素層4に未結合炭素が再堆積することはない。カーブC5に示すように、水素も温度が高くなるに従って生成量が多くなっている。水素は、珪素とアンモニアの窒素が反応することで生じたり、メタンが分解することによって生じる。
カーブC8に示すように、温度が600℃以上になると珪素が生成される。珪素の生成は温度が高くなるに従って多くなっている。すなわち、温度が高いほど炭化珪素を酸化して酸化珪素層を形成することが容易になる。また、カーブC9に示しているように、温度が850℃を以上になると、窒素が生成し始める。窒素は、窒化珪素から窒素が脱離することによって生じる。すなわち、温度が850℃以上の場合、酸化珪素層を形成することがさらに容易になる。また、温度が900℃よりも低い場合、珪素と酸素の反応が遅く、酸化珪素層の生成に時間がかかるため、工程A2を900℃以上の温度で実施する。また、1100℃よりも高い温度で熱処理を実施すると、生成した酸化珪素層がアンモニアによってダメージを受けてしまう。よって、工程A2を900℃以上で1100℃以下の温度で実施する。なお、本実施例では、工程A2の温度を1030℃とした。
Next, the reason why the process A2 is heated at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower will be described.
FIG. 7 shows the result of thermodynamic equilibrium calculation for the reaction state of silicon carbide and ammonia. The vertical axis of the graph indicates the molar amount (mol) of the substance, and the horizontal axis indicates the temperature (° C.). Curve C3 represents silicon carbide, curve C4 represents methane (CH 4 ), curve C5 represents hydrogen (H 2 ), curve C6 represents silicon nitride (Si 3 N 4 ), and curve C7 represents carbon. Curve C8 represents silicon and curve C9 represents nitrogen.
As is apparent from FIG. 7, silicon in silicon carbide reacts with ammonia to produce silicon nitride of about 1/100 of silicon carbide (see C3 and C6). The generation of silicon nitride is almost constant even when the temperature changes. Also, carbon in silicon carbide reacts with ammonia to produce methane (see C4). Methane production decreases with increasing temperature. As the production of methane decreases, that is, as the temperature increases, carbon begins to be generated (see C7). Carbon is produced by the decomposition of methane. This phenomenon occurs as a result of thermodynamic equilibrium calculation in a closed system. When the silicon carbide semiconductor layers 18, 8, 6 are actually oxidized to form the
As shown by curve C8, silicon is generated when the temperature is 600 ° C. or higher. The production of silicon increases as the temperature increases. That is, the higher the temperature, the easier it is to oxidize silicon carbide to form a silicon oxide layer. Further, as shown by a curve C9, when the temperature exceeds 850 ° C., nitrogen starts to be generated. Nitrogen is generated by desorption of nitrogen from silicon nitride. That is, when the temperature is 850 ° C. or higher, it becomes easier to form the silicon oxide layer. Further, when the temperature is lower than 900 ° C., the reaction between silicon and oxygen is slow, and it takes time to form the silicon oxide layer. Therefore, Step A2 is performed at a temperature of 900 ° C. or higher. Further, when heat treatment is performed at a temperature higher than 1100 ° C., the generated silicon oxide layer is damaged by ammonia. Therefore, step A2 is performed at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. In this example, the temperature in step A2 was 1030 ° C.
次に工程A3について説明する。
上述したように、工程A2を実施することによって、炭化珪素半導体層と酸化珪素層の界面準位の密度を小さくしつつ、炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成することができる。しかしながら、酸化珪素の生成速度は、温度が高くなるに従って速くなる。すなわち、炭化珪素半導体層を高い温度で熱処理するほど、酸化珪素膜の製造時間を短くすることができる。工程A3では、少なくとも酸素元素を含むガスと、アルゴンガスからなる(アンモニアガスを含まない)混合ガス雰囲気中で熱処理を実施するために、温度を1100℃以上にすることができる。なお、炭化珪素半導体層を熱処理する場合、通常は石英で形成された空間内で熱処理を行う。温度が1300℃を超えると、石英が変形してしまうため、工程A3の熱処理温度は1300℃以下で実施することが好ましい。本実施例では、工程A3の熱処理温度は1180℃とし、酸素元素を含むガスとして水蒸気を使用した。
工程A3ではアンモニアガスを含まないため、未結合炭素や珪素の不対電子を窒素で終端する効果が得られない。しかしながら、工程A2を実施したことによって、酸化珪素層4の表層部分では、未結合炭素や珪素の不対電子が極めて少ない。工程A3で酸化される部分に存在する未結合炭素や珪素の不対電子は、それらが少なく存在する領域(工程A2で形成された酸化珪素層)に拡散される。よって、工程A3ではアンモニアを含まない混合ガスで熱処理を行っても、炭化珪素半導体層18,8,6と酸化珪素層4の界面準位の密度を小さくすることができる。なお、上述したように、工程A3は省略することもできる。例えば、酸化珪素層4の厚みが薄い場合は、工程A2のみを実施することによって、必要な厚みを得ることができる。
Next, step A3 will be described.
As described above, by performing step A2, the silicon oxide layer can be formed on the surface of the silicon carbide semiconductor layer while reducing the density of the interface state between the silicon carbide semiconductor layer and the silicon oxide layer. However, the production rate of silicon oxide increases as the temperature increases. That is, as the silicon carbide semiconductor layer is heat-treated at a higher temperature, the manufacturing time of the silicon oxide film can be shortened. In step A3, the temperature can be set to 1100 ° C. or higher in order to perform the heat treatment in a mixed gas atmosphere composed of a gas containing at least an oxygen element and an argon gas (not containing ammonia gas). In addition, when heat-treating the silicon carbide semiconductor layer, the heat treatment is usually performed in a space formed of quartz. If the temperature exceeds 1300 ° C., quartz is deformed, and therefore, the heat treatment temperature in step A3 is preferably 1300 ° C. or lower. In this example, the heat treatment temperature in step A3 was 1180 ° C., and water vapor was used as the gas containing oxygen element.
In step A3, since ammonia gas is not included, the effect of terminating unpaired carbon or silicon unpaired electrons with nitrogen cannot be obtained. However, by performing the step A2, the surface layer portion of the
次に、工程A4について説明する。
工程A4では、炭化珪素半導体層18,8,6と酸化珪素層4を、アンモニアガスとアルゴンガスからなる混合ガス雰囲気中で、500℃以上で1100℃以下に加熱する。工程A4を実施することによって、酸化珪素層4に珪素に結合した(−H)や(−OH)等の官能基を除去して窒素で終端することができる。また、酸化珪素層4や、炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面に存在する未結合炭素を除去したり、それらの部分における珪素の不対電子を窒素で終端することができる。炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面準位の密度をより小さくすることができる。なお、本実施例では、工程A4を700℃で実施している。また、上述したように、工程A4は省略することもできる。
なお、上記工程A1からA4のアルゴンに代えて、窒素(N2)等の不活性ガスを使用することもできる。
Next, step A4 will be described.
In step A4, silicon carbide semiconductor layers 18, 8, 6 and
Note that an inert gas such as nitrogen (N 2 ) may be used in place of the argon in steps A1 to A4.
(実験例)
実施例1の半導体装置10において、酸化珪素層4の形成方法を変えて製造した後、半導体装置10のチャネル移動度(単位:cm2/Vs)の測定を行った。以下で説明する実験例1から5の半導体装置10において、酸素珪素層4の形成方法以外は全て同じである。
(実験1)
工程A1,A3,A4を実施しないで、工程A2のみで酸化珪素層4を形成した。本実験では、混合ガスのガス成分を下記の4条件に変化させて、酸化珪素層4を形成した。結果を表1に示す。
実験A:アンモニアガスと水蒸気(H2O)とアルゴンガス。
実験B:水蒸気とアルゴンガス。
実験C:アンモニアガスと酸素(O2)とアルゴンガス。
実験D:酸素とアルゴンガス。
(Experimental example)
The
(Experiment 1)
Without performing steps A1, A3, and A4,
Experiment A: Ammonia gas, water vapor (H 2 O), and argon gas.
Experiment B: Water vapor and argon gas.
Experiment C: Ammonia gas, oxygen (O 2 ), and argon gas.
Experiment D: Oxygen and argon gas.
表1の結果より、工程A2の混合ガスがアンモニアを含むことによって、チャネル移動度が大きくなることが確認された。炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面準位の密度が低減したことを示している。また、酸素元素を含むガスとして、水蒸気を使用することによって、チャネル移動度が大きくなっている。炭化珪素半導体層18,6,8が酸化された際に生じる炭素が、水蒸気の水素と反応して、酸化珪素層4の内部又は炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面から除去されることを示している。
From the results in Table 1, it was confirmed that the channel mobility was increased when the mixed gas in Step A2 contained ammonia. This shows that the density of interface states between the silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8 and the
(実験2)
工程A1,A3,A4を実施しないで、工程A2のみで酸化珪素層4を形成した。本実験では、工程A2の雰囲気温度を下記の3条件に変化させて、酸化珪素層4を形成した。結果を表2に示す。また、本実験では、チャネル移動度を測定するとともに、酸化珪素層4が目的とする厚みに達するまでの時間を、最も早く目的の厚みに達する条件でかかる時間と比較した。
実験E:雰囲気温度850℃。
実験F:雰囲気温度1030℃。
実験G:雰囲気温度1180℃。
(Experiment 2)
Without performing steps A1, A3, and A4,
Experiment E: Atmospheric temperature 850 ° C.
Experiment F: Atmospheric temperature 1030 ° C.
Experiment G: Atmospheric temperature 1180 ° C.
表2の結果より、工程A2の温度が高くなるに従って、酸化珪素層4が目的の厚みに早く到達することが分かる。しかしながら、温度が高くすぎる(1180℃)と、チャネル移動度が小さくなることが確認された。すなわち、形成された酸化珪素層4がアンモニアによってダメージを受けてしまい、その結果、炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面準位の密度が高くなってしまうことを示している。工程A2の温度は1100℃以下であることが好ましいことが確認された。また、本実験では、工程A2の温度が低すぎる(850℃)と、酸化珪素層4が目標厚みに達するのが遅くなるだけでなく、チャネル移動度も小さくなった。上述したように、炭化珪素とアンモニアの熱化学平衡状態計算において、温度が高くなるに従って、珪素が多く生成される。換言すると、温度が高くなるに従って、炭化珪素から炭素が脱離しやすい。すなわち、工程A2の温度が高くなるに従って、炭化珪素半導体層18,8,6を酸化させて酸化珪素層4を形成する際に、酸化珪素層4の内部に炭素が残留しにくくなることを示しており、工程A2の温度は900℃以上であることが好ましいことが確認された。
From the results in Table 2, it can be seen that the
(実験3)
工程A1,A4を実施しないで、工程A2,A3を実施して酸化珪素層4を形成した。本実験でも、実験2と同様に、工程A2の雰囲気温度を変化させて、下記の3条件で酸化珪素層4を形成した。本実験でもチャネル移動度を測定するとともに、酸化珪素層4が目的とする厚みに達するまでの時間を、実験Gが目標厚みに達する時間と比較した。結果を表2に示す。
実験H:工程A2を雰囲気温度850℃で実施した後に、工程A3を雰囲気温度1180℃で実施した。
実験I:工程A2を雰囲気温度1030℃で実施した後に、工程A3を雰囲気温度1180℃で実施した。
実験J:工程A2を雰囲気温度1180℃で実施した後に、工程A3を雰囲気温度1180℃で実施した。
表2から明らかなように、工程A2を実施した後に、工程A3を実施してもチャネル移動度が低下する現象は見られなかった。工程A2の温度を1030℃で実施した場合、工程A2と工程A3を組み合わせることによって、酸化珪素層4が目的の厚みに達するまでの時間が5分の1に短縮された(実験Fと実験Iを参照)。また、本実験ではチャネル移動度の向上もみられた。工程A2を実施した後に工程A3を実施することによって、炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素層4の界面準位を小さくするとともに、酸化珪素層4の形成速度を速くできることが確認された。
(Experiment 3)
Without performing steps A1 and A4, steps A2 and A3 were performed to form
Experiment H: Step A2 was performed at an ambient temperature of 850 ° C, and then Step A3 was performed at an ambient temperature of 1180 ° C.
Experiment I: Step A2 was performed at an ambient temperature of 1030 ° C, and then step A3 was performed at an ambient temperature of 1180 ° C.
Experiment J: Step A2 was performed at an atmospheric temperature of 1180 ° C., and then step A3 was performed at an atmospheric temperature of 1180 ° C.
As is clear from Table 2, no phenomenon was observed in which the channel mobility decreased even after the step A3 was performed after the step A2. When the temperature of the step A2 was carried out at 1030 ° C., the time until the
(実験4)
本実験では、下記の条件で酸化珪素層4を形成した。
実験K:工程A4を実施しないで、工程A1,A2,A3を実施して酸化珪素層4を形成した。
実験L:工程A1を実施しないで、工程A2,A3,A4を実施して酸化珪素層4を形成した。
実験M:工程A1,A4を実施しないで、工程A2,A3を実施して酸化珪素層4を形成した(実験Iと同じ)。
本実験でもチャネル移動度の測定を実施した。結果を表3に示す。
(Experiment 4)
In this experiment, the
Experiment K: Without performing step A4, steps A1, A2, and A3 were performed to form a
Experiment L: Without performing step A1, steps A2, A3, and A4 were performed to form
Experiment M: Without performing steps A1 and A4, steps A2 and A3 were performed to form silicon oxide layer 4 (same as Experiment I).
The channel mobility was also measured in this experiment. The results are shown in Table 3.
表3から明らかなように、工程A2,A3に先立って、工程A1を実施することによって、チャネル移動度が高くなることが分かる。すなわち、炭化珪素半導体層18,6,8の表面に存在する未結合炭素除去したり、炭化珪素半導体層18,6,8の結晶欠陥を減らすことによって、炭化珪素半導体層18,6,8の表面を安定化させてから酸化珪素膜4を形成することによって、界面準位の密度が低減することが確認された。同様に、酸化珪素膜4を形成した後に、工程A4を実施することによって、チャネル移動度が高くなることが分かる。酸化珪素膜4の内部や、炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素膜4の界面に残留している未結合炭素を除去したり、酸化珪素層4の珪素に結合している(−H)や(−OH)等の官能基を除去することによって、炭化珪素半導体層18,6,8と酸化珪素膜4の界面準位の密度を低減することができることが確認された。
As is clear from Table 3, it can be seen that the channel mobility is increased by performing the step A1 prior to the steps A2 and A3. That is, by removing unbonded carbon existing on the surfaces of the silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8 or reducing crystal defects in the silicon carbide semiconductor layers 18, 6, 8, It was confirmed that the density of interface states is reduced by forming the
(実験5)
工程A1,A3,A4を実施しないで、工程A2のみで酸化珪素層4を形成した。本実験では、混合ガス中のアンモニアガスの濃度(vol%)を変化させて、下記の5条件で酸化珪素層4を形成した。結果を表4に示す。
実験O:アンモニアガスの濃度1vol%。
実験P:アンモニアガスの濃度5vol%。
実験Q:アンモニアガスの濃度15vol%。
実験R:アンモニアガスの濃度30vol%。
実験S:アンモニアガスの濃度50vol%。
(Experiment 5)
Without performing steps A1, A3, and A4,
Experiment O: Ammonia gas concentration 1 vol%.
Experiment P: Ammonia gas concentration 5 vol%.
Experiment Q: Ammonia gas concentration of 15 vol%.
Experiment R: Ammonia gas concentration of 30 vol%.
Experiment S: Ammonia gas concentration 50 vol%.
表4から明らかなように、混合ガス中のアンモニアガスの濃度が15vol%のときが、最もチャネル移動度が高くなることが確認できた。混合ガス中のアンモニアガスの濃度が低すぎて(1vol%)も、高すぎて(50vol%)もチャネル移動度が小さくなってしまう。すなわち、工程A2において、アンモニアガスの濃度は、5〜30vol%の範囲が好ましい。アンモニアガスの濃度が低くなりすぎると、未結合炭素の除去効果や、珪素の不対電子の終端が充分に起らないと推測される。また、アンモニアガスの濃度が高くなりすぎると、酸化珪素層を形成するための酸素が足りなくなり、珪素に結合する酸素が少なくなるためと推測される。しかしながら、実験OからSの全てにおいて、混合ガス中にアンモニアガスを含まない条件(実験Bを参照)よりも、チャネル移動度が大きくなっている。すなわち、アンモニアガスの濃度を1〜50%に設定することによって、チャネル移動度が大きくなることが確認された。本実験の結果、アンモニアガスの濃度を5〜30%に設定することによって、チャネル移動度がさらに大きくなることが確認された。しかしながら、混合ガス中のアンモニアガスの濃度は上記の範囲に限定されるものではない。重要なことは、混合ガスの成分としてアンモニアガスが使用されているということである。 As is clear from Table 4, it was confirmed that the channel mobility was highest when the concentration of ammonia gas in the mixed gas was 15 vol%. Even if the concentration of ammonia gas in the mixed gas is too low (1 vol%) or too high (50 vol%), the channel mobility becomes small. That is, in step A2, the concentration of ammonia gas is preferably in the range of 5 to 30 vol%. If the ammonia gas concentration is too low, it is presumed that the effect of removing unbonded carbon and termination of unpaired electrons in silicon do not occur sufficiently. Further, it is presumed that when the concentration of ammonia gas becomes too high, oxygen for forming the silicon oxide layer becomes insufficient, and oxygen bonded to silicon decreases. However, in all of the experiments O to S, the channel mobility is higher than the condition in which the mixed gas does not contain ammonia gas (see experiment B). That is, it was confirmed that the channel mobility is increased by setting the ammonia gas concentration to 1 to 50%. As a result of this experiment, it was confirmed that the channel mobility was further increased by setting the ammonia gas concentration to 5 to 30%. However, the concentration of ammonia gas in the mixed gas is not limited to the above range. What is important is that ammonia gas is used as a component of the mixed gas.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記実施例では、n+型の不純物を含む炭化珪素半導体基板として、4H−SiCで主面が面方位(0001)シリコン面を使用している。しかしながら、他の炭化珪素半導体基板を使用することもできる。例えば、4H−SiCで主面が面方位(000−1)炭素面や、4H−SiCで主面が面方位(11−20)炭素面の炭化珪素基板を使用することもできる。
上記実施例では、p型の不純物としてアルミニウムをイオン注入しているが、アルミニウムに限定されるものではなく、ボロン(B)等を使用することもできる。すなわち、p型の不純物であればよい。
上記実施例では、n型の不純物としてリンをイオン注入しているが、リンに限定されるものではなく、窒素等を使用することもできる。すなわち、n型の不純物であればよい。
上記実施例では、不活性ガスとしてアルゴンを使用しているが、不活性ガスの種類はアルゴンに限定されるものではなく、窒素やヘリウム(He)等を使用することもできる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
For example, in the above embodiment, 4H—SiC is used as the silicon carbide semiconductor substrate containing n + -type impurities, and the main surface uses a (0001) silicon surface. However, other silicon carbide semiconductor substrates can also be used. For example, it is possible to use a silicon carbide substrate having 4H—SiC and a principal surface having a plane orientation (000-1) carbon surface, or 4H—SiC and having a principal surface having a plane orientation (11-20) carbon surface.
In the above-described embodiment, aluminum is ion-implanted as a p-type impurity, but is not limited to aluminum, and boron (B) or the like can also be used. That is, any p-type impurity may be used.
In the above embodiment, phosphorus is ion-implanted as an n-type impurity, but is not limited to phosphorus, and nitrogen or the like can be used. That is, any n-type impurity may be used.
In the above embodiment, argon is used as the inert gas, but the type of the inert gas is not limited to argon, and nitrogen, helium (He), or the like can also be used.
Further, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
4:酸化珪素層
6:ベース領域
8:ソース領域
10:半導体装置
16:ドレイン領域
18:ドリフト領域
4: Silicon oxide layer 6: Base region 8: Source region 10: Semiconductor device 16: Drain region 18: Drift region
Claims (6)
炭化珪素半導体層の表面を、少なくとも酸素元素を含むガスと、アンモニアガスと、不活性ガスを含む混合ガス雰囲気中で加熱する工程を有することを特徴とする酸化珪素層の形成方法。 A method of forming a silicon oxide layer on the surface of the silicon carbide semiconductor layer;
A method for forming a silicon oxide layer, comprising: heating a surface of a silicon carbide semiconductor layer in a mixed gas atmosphere containing a gas containing at least an oxygen element, ammonia gas, and an inert gas.
炭化珪素半導体層の表面を、少なくとも酸素元素を含むガスと、アンモニアガスと、不活性ガスを含む混合ガス雰囲気中で加熱する第1工程と、
少なくとも酸素元素を含むガスと、不活性ガスからなる混合ガス雰囲気中で第1工程よりも高温で加熱する第2工程を有することを特徴とする酸化珪素層の形成方法。 A method of forming a silicon oxide layer on the surface of the silicon carbide semiconductor layer;
A first step of heating the surface of the silicon carbide semiconductor layer in a mixed gas atmosphere containing a gas containing at least an oxygen element, ammonia gas, and an inert gas;
A method for forming a silicon oxide layer, comprising: a second step of heating at a higher temperature than the first step in a mixed gas atmosphere including a gas containing at least an oxygen element and an inert gas.
第2工程における加熱温度が1100℃以上で1300℃以下であることを特徴とする請求項2の形成方法。 The heating temperature in the first step is 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower,
The method according to claim 2, wherein the heating temperature in the second step is 1100 ° C or higher and 1300 ° C or lower.
炭化珪素半導体層の表面を、アンモニアガスと、不活性ガスからなる混合ガス雰囲気中で加熱する前処理工程を実施することを特徴とする請求項1から3のいずれかの形成方法。 Prior to the step of forming the silicon oxide layer on the surface of the silicon carbide semiconductor layer,
4. The method according to claim 1, wherein a pretreatment step of heating the surface of the silicon carbide semiconductor layer in a mixed gas atmosphere composed of ammonia gas and an inert gas is performed.
炭化珪素半導体層の表面を、アンモニアガスと、不活性ガスからなる混合ガス雰囲気中で加熱する後処理工程を実施することを特徴とする請求項1から4のいずれかの形成方法。 After the step of forming the silicon oxide layer on the surface of the silicon carbide semiconductor layer,
5. The method according to claim 1, wherein a post-treatment step is performed in which the surface of the silicon carbide semiconductor layer is heated in a mixed gas atmosphere composed of ammonia gas and an inert gas.
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