JP2008182070A - 酸化珪素層の形成方法 - Google Patents

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。

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（ＳｉＯ_２）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。

特開２００６−２１０８１８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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５×１０^１８ｃｍ^−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５×１０^１５ｃｍ^−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０．８〜１×１０^１７ｃｍ^−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１〜３×１０^１９ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＣＨ_４）を示し、カーブＣ５は水素（Ｈ_２）を示し、カーブＣ６は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。

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。

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（Ｎ_２）等の不活性ガスを使用することもできる。

（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：ｃｍ^２／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（Ｈ_２Ｏ）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（Ｏ_２）とアルゴンガス。
実験Ｄ：酸素とアルゴンガス。

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。

（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℃。

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。

（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。

（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。

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。

（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％。

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。

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。

実施例１半導体装置を示す。 実施例１の半導体装置の製造工程を示す。 実施例１の半導体装置の製造工程を示す。 実施例１の半導体装置の製造工程を示す。 実施例１の半導体装置の製造工程を示す。 炭素の除去量と、温度の関係についての熱化学平衡状態計算の結果を示す。 炭化珪素とアンモニアの反応状態と、温度の関係についての熱力学平行状態計算の結果を示す。 実施例１の半導体装置の製造工程における、酸化珪素層を形成する工程と温度の関係について示す。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成する方法であり、
   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。
2. 炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成する方法であり、
   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。
3. 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℃以下であることを特徴とする請求項２の形成方法。
4. 炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成する工程に先立って、
   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を特徴とする請求項１から３のいずれかの形成方法。
5. 炭化珪素半導体層の表面に酸化珪素層を形成した工程の後に、
   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を特徴とする請求項１から４のいずれかの形成方法。
6. 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℃以下であることを特徴とする請求項５又は６の形成方法。

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