JP2018107378A - 炭化珪素半導体装置とその製造方法、炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パッシベーション膜の機能を高めた炭化珪素半導体装置とその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の炭化珪素半導体装置１００は、炭化珪素基板１０１と、炭化珪素基板１０１の主面上を覆う第１パッシベーション膜１０２Ａと、第１パッシベーション膜１０２Ａ上に形成された第２パッシベーション膜１０２Ｂと、を有し、第１パッシベーション膜１０２Ａが、厚さ０．１μｍ以上の熱酸化膜である。【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置とその製造方法、炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法に関する。

一般に、炭化珪素半導体装置（デバイス）を構成する半導体基板の表面や、表面に形成されて露出した接合構造の終端部には、それらを保護する目的でパッシベーション膜が形成される。パッシベーション膜は、用途に応じた種々の材料、製法を用いて形成される。例えば特許文献１には、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて形成する酸化膜が、保護膜として記載されている。また、特許文献２には、ポリイミドからなるパッシベーション膜が記載されている。また、特許文献３には、炭化珪素基板の熱酸化膜の上にスパッタで形成した、非化学量論的窒化ケイ素からなるパッシベーション膜について記載されている。

図１１（ａ）〜（ｃ）に、従来のパッシベーション膜を備えた炭化珪素半導体装置２００、３００、４００の模式的な断面図を示す。図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、従来のパッシベーション膜には、ポリイミド膜２０２Ｂ、３０２Ｂの下層に、それぞれ、ＣＶＤ酸化膜（ＳｉＯ_２）２０２Ａ、ＣＶＤ窒化膜（ＳｉＮ）３０２Ａを使用したものがある。しかしながら、ＣＶＤ酸化膜２０２Ａは、ポーラスが大きいため、耐湿性が低く、デバイスの保護膜としての信頼性が十分でない。また、ＣＶＤ窒化膜３０２Ａは密着性が低く、剥がれやすい。従来のパッシベーション膜を用いる場合には、これらの問題に対応するための工夫が必要とされている。

熱酸化膜は、ＳｉＣとの密着性が高く、耐湿性はＣＶＤ酸化膜より優れているが、一般的には厚く形成することができないため、パッシベーション膜として用いることは難しいと考えられている。特許文献３では、熱酸化膜の厚さが１００〜５００オングストロームとされており、図１１（ｃ）に示すように、パッシベーション膜として厚さを積み増しするため、熱酸化膜４０２Ａの上にＣＶＤ酸化膜４０２Ｃを形成してなる２層構造としたものが提案されている。ただし、この構造では、ＣＶＤ酸化膜４０２Ｃの存在により、上述したように耐湿性が低くなり、デバイスの保護膜としての信頼性が不十分である。

特開平６−２８３５２３号公報 特開２０１３−２１９１５０号公報 特許第５２５４０３７号

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、パッシベーション膜の機能を高めた炭化珪素半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、パッシベーション膜としての機能を高めた炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法を提供することを目的とする。

ＭＯＳＦＥＴのゲート部分等に用いる酸化膜は、ＭＯＳＦＥＴの電気特性を高める観点から薄いほど良いとされており、酸化膜を０．２μｍ程度まで厚く形成する動機は、これまで存在しなかった。そのため、従来の熱酸化炉は、１２００℃以下の温度での処理を想定した構造となっており、酸化膜を０．２μｍ以上厚く形成するために必要な、１２００℃を超える高温処理を可能とする構造のものは、存在しなかった。

こうした状況下、本発明者は、鋭意検討の結果、厚く形成した熱酸化膜とポリイミドからなる膜とを組み合わせることにより、パッシベーション膜としての機能が高まることを見出した。本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の主面上を覆う第１パッシベーション膜と、前記第１パッシベーション膜上に形成された第２パッシベーション膜と、を有し、前記第１パッシベーション膜が、厚さ０．１μｍ以上の熱酸化膜である。
（２）前記（１）に記載の炭化珪素半導体装置において、前記第２パッシベーション膜が、ポリイミドからなっていてもよい。
（３）前記（１）または（２）のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置において、前記炭化珪素基板の面方位が、オフ角を有する（０００１）Ｓｉ面、またはオフ角を有する（０００−１）Ｃ面であってもよい。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置において、前記炭化珪素基板の主面に、ショットキーバリアダイオードおよび／または電界効果トランジスタが形成されていてもよい。
（５）本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の主面上を覆う第１パッシベーション膜と、前記第１パッシベーション膜に積層された第２パッシベーション膜と、を有する炭化珪素半導体装置の製造方法であって、前記炭化珪素基板の主面を、１３００℃以上の温度で熱酸化して前記第１パッシベーション膜を形成する熱酸化工程と、前記第１パッシベーション膜に対し、窒素を含む不活性ガス雰囲気中でアニール（Ｐｏｓｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ａｎｎｅａｌ）を行うＰＯＡ工程と、を有する。
（６）前記（５）に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記ＰＯＡ工程における雰囲気ガスとして、窒素のみを用いてもよい。
（７）前記（５）または（６）のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記ＰＯＡ工程における処理温度を、前記熱酸化工程における処理温度と同じとしてもよい。
（８）前記（５）〜（７）のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記アニールを行った第１パッシベーション膜上に、直接、前記第２パッシベーション膜を形成する工程を有し、前記第２パッシベーション膜の材料としてポリイミドを用いてもよい。
（９）本発明の一態様に係る炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法は、炭化珪素半導体基板の表面に熱酸化膜を形成する炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法であって、熱酸化膜の形成温度を１３００℃以上とし、前記熱酸化膜の形成後に連続して、窒素を含む不活性ガス雰囲気中でのアニール（ＰＯＡ）を行う。
（１０）前記（９）に記載の炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法において、前記ＰＯＡの温度を、前記熱酸化膜の形成温度と同じとする。

本発明の炭化珪素半導体装置では、パッシベーション膜が、０．１μｍ以上の十分な厚さを有する熱酸化膜と、ポリイミド膜とからなる２層構造を有している。熱酸化膜は、緻密で良質な構造を有しており、炭化珪素基板との密着性、耐湿性に優れているため、これを備えた本発明のパッシベーション膜は、従来のようにＣＶＤで形成したパッシベーション膜に比べて、高い機能を有している。したがって、本発明のパッシベーション膜を用いて炭化珪素半導体装置を形成することにより、その電気特性の信頼性を向上させることができる。

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法では、パッシベーション膜を構成する酸化膜を熱酸化によって形成する。この熱酸化は、１３００℃以上の高い温度で行うため、成長速度を高め、十分な厚さを有する酸化膜を形成することができ、ひいては高い機能を有するパッシベーション膜を形成することができる。したがって、熱酸化後に、ＣＶＤ等を行って膜厚をさらに増加させる必要がなく、プロセスを簡略化することができる。
また、本発明の炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法では、炭化珪素の熱酸化膜の形成を１３００℃以上の高い温度で行った後、ＰＯＡ工程の処理を行うことにより、厚くて且つ界面特性にすぐれた酸化膜を形成することができる。

本発明の一実施形態に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。 （ａ）〜（ｅ）図１の炭化珪素半導体装置の各製造工程における断面図である。 （ａ）〜（ｆ）従来の炭化珪素半導体装置の各製造工程における断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施例１に係る炭化珪素半導体装置の電気特性を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）比較例１に係る炭化珪素半導体装置の電気特性を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）比較例２に係る炭化珪素半導体装置の電気特性を示すグラフである。 酸化膜の比較実験に係る炭化珪素半導体装置の製造過程において、パッシベーション膜（酸化膜）が形成される速度を示すグラフである。 酸化膜の比較実験に係る炭化珪素半導体装置を構成するパッシベーション膜の内部または界面に含まれる電荷量を示すグラフである。 酸化膜の比較実験に係る炭化珪素半導体装置を構成するパッシベーション膜の界面準位密度を示すグラフである。 酸化膜の比較実験に係る炭化珪素半導体装置を構成するパッシベーション膜の破壊電界を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の炭化珪素半導体装置の断面図である。

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［炭化珪素半導体装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００の断面図である。炭化珪素半導体装置１００は、炭化珪素基板（ＳｉＣ基板）１０１と、炭化珪素基板の一方の主面１０１ａ上を覆う第１パッシベーション膜１０２Ａと、第１パッシベーション膜１０２Ａ上に形成された第２パッシベーション膜１０２Ｂと、を主な構成要素として有している。

炭化珪素基板の一方の主面１０１ａから所定の深さの領域に、ｎ型の炭化珪素エピタキシャル膜（ＳｉＣエピタキシャル膜）１０１Ａが形成されている。以下では、炭化珪素基板の一方の主面１０１ａが、炭化珪素エピタキシャル膜１０１Ａの表面を意味するものとする。

図１では、さらに、炭化珪素基板の一方の主面１０１ａに機能部（機能素子）１１０が形成されている場合について示している。機能部１１０は、炭化珪素半導体装置１００の電子デバイスとしての動作を直接担う部分であり、例えばショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等が挙げられる。図１では、機能部１１０がショットキーバリアダイオードの構造を有している場合について、例示されている。具体的には、炭化珪素基板の一方の主面１０１ａに、ショットキー電極１０３、表面ＰＡＤ電極１０４が順に形成されている。また、炭化珪素エピタキシャル膜１０１Ａには、Ｐ型イオン注入領域１０１Ｂが形成されている。

炭化珪素基板の一方の主面１０１ａは、面方位が、オフ角（オフセット角）を有する（０００１）Ｓｉ面、またはオフ角を有する（０００−１）Ｃ面であることが好ましい。特に、（０００１）Ｓｉ面は、ドーピングを行う際に、（０００−１）Ｃ面に比べてＣ／Ｓｉ比の影響を受けにくく、キャリア濃度を均一に維持させやすいため、機能部１１０を形成して動作させる上でより好ましい。

ショットキー電極１０３の材料としては、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）等が挙げられる。後述する実施例では、Ｍｏを用いた場合について例示している。

表面ＰＡＤ電極１０４、裏面ＰＡＤ電極１０５は、Ｎｉ膜、Ｔｉ膜、Ａｌ膜等を積層してなる金属膜（積層膜）である。この場合のＮｉ膜、Ｔｉ膜、Ａｌ膜の厚さは、それぞれ、１００ｎｍ程度、１５０ｎｍ程度、４ｎｍ程度とすることが好ましい。

第１パッシベーション膜１０２Ａは、厚さ０．１μｍ以上の熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）である。この熱酸化膜は、炭化珪素エピタキシャル膜１０１Ａの被成膜面（ここでは主面１０１ａ）近傍に拡散させた酸素分子が、そこに存在するシリコン原子と結合して形成されるものである。そのため、炭化珪素基板１０２と第１パッシベーション膜１０２Ａとの間には、連続的な結晶構造を有する良好な界面が形成されている。また、この熱酸化膜は、後述するように１３００℃以上の高い温度で形成されたものであるため、緻密で良質な膜となっている。また、この熱酸化膜は、耐薬品性においてもＣＶＤ酸化膜より優れている。

なお、ＣＶＤ酸化膜は熱酸化に比べて低温で形成できるが、ＳｉＣとＯ_２の比は成膜条件依存が大きく、未結合の手も多数あり、膜質や膜厚精度（均一性）も熱酸化膜に比べて劣っており、また耐圧も熱酸化膜に比べて劣っている。

第２パッシベーション膜１０２Ｂは、ポリイミド（ポリイミド系樹脂）からなる。ポリイミドは、他の有機材料に比較して耐熱性が高く、かつ、電気的特性および機械的特性に優れているなどの利点を有している。第２パッシベーション膜１０２Ｂの厚さは、第１パッシベーション膜１０２Ａの約５０倍以上１００倍以下であることが好ましい。第２パッシベーション膜１０２Ｂは、第１パッシベーション膜１０２Ａ上に直接形成されていることが好ましい。

本実施形態に係るパッシベーション膜１０２は、０．１μｍ以上の十分な厚さを有する熱酸化膜と、ポリイミド膜とからなる２層構造を有している。熱酸化膜は、緻密で良質な構造を有しており、炭化珪素基板１０１との密着性、耐湿性に優れているため、これを備えたパッシベーション膜１０２は、従来のようにＣＶＤで形成したパッシベーション膜に比べて、高い機能を有している。したがって、本実施形態に係るパッシベーション膜１０２を用いて炭化珪素半導体装置１００を形成することにより、その電気特性の信頼性を向上させることができる。

［炭化珪素半導体装置の製造方法］
本実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００は、主に次の工程Ａ１〜Ａ８を経て製造することができる。

＜工程Ａ１＞
図２（ａ）に示すように、一方の主面１０１ａにｎ型の炭化珪素エピタキシャル膜１０１Ａが形成された、炭化珪素基板１０１を準備する。

＜工程Ａ２＞
フォトリソグラフィ法を用いて、炭化珪素エピタキシャル膜１０１Ａの所定の領域に、アルミニウム（Ａｌ）等のｐ型不純物のイオンを注入し、ｐ型イオン注入領域１０１Ｂを形成する。ここでのｐ型イオン注入領域１０１Ｂは、後工程で形成するショットキー電極と少なくとも一部が重なる位置において、炭化珪素基板の一方の主面１０１ａから０．８μｍ程度の深さの領域となる。

＜工程Ａ３（熱酸化（ドライ酸化）工程）＞
炭化珪素エピタキシャル膜１０１Ａが形成された炭化珪素基板１０１を、ＳｉＣチューブで構成される熱酸化炉内に配置し、カンタルヒーターを用いてこの炭化珪素基板１０１を加熱（熱酸化、ドライ酸化）する。これにより、図２（ａ）に示すように、炭化珪素基板の一方の主面１０１ａに対して熱酸化膜（第１パッシベーション膜）１０２Ａを形成することができる。

通常は、石英チューブで構成される熱酸化炉が用いられるが、このタイプの熱酸化炉では、加熱温度は最大でも１２００℃であり、この場合に形成される熱酸化膜の厚さは、０．０５μｍ程度にしかならない。これに対し、上記ＳｉＣチューブおよびカンタルヒーターを用いるタイプでは、１３５０℃以上の高い温度での加熱が可能となる。１３５０℃まで加熱する場合の酸化レートは、同じ供給酸素流量で、１２００℃まで加熱する場合の酸化レートの約８倍になる。そのため、１３５０℃まで加熱する場合には、１２００℃まで加熱する場合と同じ酸化時間で、厚さ０．２μｍの熱酸化膜を形成することができる。

形成する熱酸化膜の厚さを０．１μｍ以上とするため、ここでの加熱温度は１３００℃以上とすることが好ましく、加熱時間は５０分以上とすることが好ましい。

＜工程Ａ４（ＰＯＡ工程）＞
熱酸化工程を経た被処理体をアニール炉内に配置し、炉内を窒化系ガス（Ｎ_２またはＮ_２Ｏ）雰囲気とした上で、第１パッシベーション膜１０２Ａに対してアニール（ＰＯＡ：Ｐｏｓｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ａｎｎｅａｌ）処理を行う。ここでの加熱温度は、１３００℃以上１３５０℃以下とすることが好ましく、加熱時間は、３０分以上６０分以下とすることが好ましい。ＰＯＡ処理は、熱酸化後に連続して行うことが好ましい。ＰＯＡ処理の温度は、熱酸化の温度と同じとすることが好ましい。この場合、熱酸化工程とＰＯＡ工程との間に、炉内の温度を上昇・下降させるステップが不要となり、炉内のガスの切り替え（Ｏ_２→Ｎ_２）だけ行えばよいことになるため、工程間の処理を簡略化することができる。

このアニールにより、第１パッシベーション膜１０２Ａが強固となり、また基板に対する付着強度を高めることができる。ここでのＰＯＡ処理は、熱酸化膜の硬質化を図るものである。高温熱酸化により形成された緻密な熱酸化膜に対して窒化系ガスを導入した高温ＰＯＡ処理を行うことにより、密着性を維持して硬質化した熱酸化膜を得ることができる。この熱酸化膜は、耐湿性にも優れており、パッシベーション膜としての優位性を有している。

＜工程Ａ５（裏面電極形成工程）＞
図２（ａ）に示すように、炭化珪素基板の他方の主面１０１ｂに裏面オーミック電極１０５を形成する。具体的には、まず、コーターデベロッパーで一方の主面１０１ａにレジストを塗布して保護した後、工程Ａ３で他方の主面１０１ｂに形成された熱酸化膜を、フッ酸処理で除去する。続いて、露出した炭化珪素基板の他方の主面１０１ｂに対して、スパッタ法または蒸着法を用いて、Ｎｉ等からなる金属膜を１００ｎｍ程度形成する。さらに、不活性ガス雰囲気または真空中で、約９５０℃の熱処理を５分程度行うことにより、炭化珪素基板とオーミックコンタクトする裏面電極１０５が得られる。

＜工程Ａ６（ショットキー電極形成工程）＞
図２（ｂ）に示すように、フッ酸によるエッチング処理を行って、電極形成領域の熱酸化膜１０２Ａを除去する。続いて、図２（ｃ）に示すように、エッチング処理によって露出した炭化珪素基板の一方の主面１０１ａに対し、スパッタ法または蒸着法を用いて、ショットキー電極１０３を形成する。さらに、不活性ガス雰囲気または真空中で、約６５０℃の熱処理を１０分程度行うことにより、ショットキー電極アニールを行う。
＜工程Ａ７（表面電極形成工程）＞
図２（ｃ）に示すように、工程Ａ６で形成したショットキー電極１０３上に、スパッタ法または蒸着法を用いて、Ｎｉ膜、Ｔｉ膜、Ａｌ膜を積層してなる金属膜を約４．２ｕｍ形成し、ＰＡＤ電極１０４が得られる。

＜工程Ａ８＞
図２（ｄ）に示すように、塗布法により、電極形成工程を経た被処理体の全面に、感光性のポリイミド膜（第２パッシベーション膜）１０２Ｂを形成する。第２パッシベーション膜１０２Ｂは、第１パッシベーション膜１０２Ａ上に直接形成されることになる。続いて、図２（ｅ）に示すように、エッチング処理を行って表面ＰＡＤ電極１０４の少なくとも一部を露出させることにより、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００が得られる。

次に、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００の製造方法を、図１１（ｃ）に示した従来構造の炭化珪素半導体装置４００の製造方法と比較する。そのために、炭化珪素半導体装置４００の製造方法について、図３（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。炭化珪素半導体装置４００は、主に次の工程Ｂ１〜Ｂ８を経て製造することができる。

＜工程Ｂ１＞
工程Ａ１と同様に、一方の主面４０１ａにｎ型の炭化珪素エピタキシャル膜４０１Ａが形成された、炭化珪素基板４０１を準備する。

＜工程Ｂ２＞
工程Ａ２と同様に、炭化珪素エピタキシャル膜４０１Ａの所定の領域に、ｐ型イオン注入領域４０１Ｂを形成する。

＜工程Ｂ３（熱酸化（ドライ酸化）工程）＞
炭化珪素エピタキシャル膜４０１Ａが形成された炭化珪素基板４０１を、従来の石英チューブで構成される熱酸化炉内に配置し、この炭化珪素基板４０１を加熱する。これにより、図３（ａ）に示すように、炭化珪素基板の一方の主面４０１ａに対して熱酸化膜４０２Ａを形成することができる。加熱温度は、最大でも１２００℃であるため、形成される熱酸化膜４０２Ａの厚さは最大で５００Å程度となる。

＜工程Ｂ４（ＣＶＤ酸化工程）＞
パッシベーション膜として機能する２０００Å程度の厚さの酸化膜を形成するため、図３（ｂ）に示すように、熱酸化膜４０２Ａの上に１５００Å程度の厚さのＣＶＤ酸化膜４０２Ｃを形成する。

＜工程Ｂ５（裏面電極形成工程）＞
工程Ａ５と同様に、図３（ｂ）に示すように、炭化珪素基板の他方の主面４０１ｂに裏面オーミック電極４０５を形成する。

＜工程Ｂ６（ショットキー電極形成工程）＞
工程Ａ６と同様に、図３（ｃ）に示すように、電極形成領域の熱酸化膜４０２Ａを除去し、図３（ｄ）に示すように、炭化珪素基板の一方の主面４０１ａに対し、スパッタ法または蒸着法を用いてショットキー電極４０３を形成する。
＜工程Ｂ７（表面電極形成工程）＞
工程Ａ７と同様に、図３（ｄ）に示すように、工程Ｂ６で形成したショットキー電極４０３上に、スパッタ法または蒸着法を用いて、Ｎｉ膜、Ｔｉ膜、Ａｌ膜を積層してなる金属膜を約４．２ｕｍ形成し、ＰＡＤ電極４０４が得られる。

＜工程Ｂ８＞
図３（ｅ）に示すように、塗布法により、電極形成工程を経た被処理体の全面に、感光性のポリイミド膜（第２パッシベーション膜）４０２Ｂを形成する。続いて、図３（ｆ）に示すように、エッチング処理を行って表面ＰＡＤ電極４０４の少なくとも一部を露出させることにより、従来構造の炭化珪素半導体装置４００が得られる。

従来の構造の炭化珪素半導体装置４００の製造方法では、パッシベーション膜を構成する酸化膜を、熱酸化、ＣＶＤ酸化の２工程を経て形成するのに対し、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００の製造方法では、熱酸化の１工程のみを経て形成することができる。

なお、ＣＶＤ膜４０２Ｃはポーラスを多く含んでおり、緻密な熱酸化膜４０２Ａに比べてエッチング速度が大きい。そのため、工程Ｂ６において、フッ酸によるエッチング処理を行った際に、酸化膜４０２ＡとＣＶＤ膜４０２Ｃとで削れ量が異なり、炭化珪素基板の一方の主面１０１ａに対して垂直な壁面（エッチング面）を形成することが難しい。この場合、エッチングされた領域に形成する電極のサイズが変化することになるため、所定の電気特性が得られない虞がある。

これに対し、本実施形態のパッシベーション膜は、熱酸化膜のみで構成されているため、膜全体にわたってエッチング速度が均一である。したがって、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置４００の製造方法では、パッシベーション膜に対してエッチング処理を行った際に、垂直な壁面を形成することができるため、上記のような問題が生じることはない。

本実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００の製造方法では、パッシベーション膜１０３を構成する酸化膜を熱酸化によって形成する。この熱酸化は、１３００℃以上の高い温度で行うため、成長速度を高め、十分な厚さを有する酸化膜を形成することができ、ひいては高い機能を有するパッシベーション膜１０２を形成することができる。したがって、熱酸化後に、ＣＶＤ等を行って膜厚をさらに増加させる必要がなく、プロセスを簡略化することができる。

本明細書では、熱酸化膜の形成温度を１３００℃以上とし、引き続いて窒素雰囲気でＰＯＡを行うことにより作成した酸化膜に、ポリイミドを用いた第２のパッシベーション膜を形成して用いる例を示したが、この０．1μｍの厚い熱酸化膜は他の構造の保護膜として用いることもできる。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
上述した実施形態に係る炭化珪素半導体装置１００において、機能部１１０を構成するショットキーバリアダイオードの電流電圧特性を調べた。炭化珪素半導体装置１００を製造する際の各種条件を、次のように設定した。

熱酸化膜１０３Ａを形成する際の加熱温度を１３５０℃とし、加熱時間を１００分とし、その結果として、厚さ０．２μｍの熱酸化膜１０３Ａを炭化珪素基板１０１上に形成した。形成した熱酸化膜１０３Ａに対して、窒素雰囲気でのＰＯＡ処理を行った。このとき、加熱温度を１３５０℃とし、加熱時間を３０分とした。また、ポリイミド原料の塗布条件を調整して、厚さ１０μｍのポリイミド膜を熱酸化膜１０３Ａの上に形成した。ショットキー電極１０３、表面ＰＡＤ電極１０４、裏面ＰＡＤ電極１０５の厚さを、それぞれ、０．１μｍ、４．２μｍ、０．７μｍとした。

図４（ａ）は、炭化珪素基板１０１の各位置における、ショットキーバリアダイオードの順方向の電流電圧特性を示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、それぞれ、順方向電圧Ｖ_ｆ［Ｖ］、順方向電流Ｉ_ｆ［Ａ］を示している。図４（ａ）のグラフから、位置ごとの電流ばらつきがなく、また所定の電流値が得られており、順方向においては電流電圧特性が良好であることが分かる。

図４（ｂ）は、炭化珪素基板１０１の各位置における、ショットキーバリアダイオードの逆方向の電流電圧特性を示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、それぞれ、逆方向電圧Ｖ_ｒ［Ｖ］、逆方向電流Ｉ_ｒ［Ａ］を示している。図４（ｂ）のグラフから、位置ごとの電流ばらつきがなく、また、耐圧の設計値（ここでは１２００Ｖ）において、逆方向リーク電流が１０μＡに抑えられており、逆方向においても電流電圧特性が良好であることが分かる。

（比較例１）
図１１（ａ）に示す従来の構成による炭化珪素半導体装置２００において、機能部を構成するショットキーバリアダイオードの電流電圧特性を調べた。炭化珪素半導体装置を製造する際に、ポリイミド膜とともに２層構造を形成する酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を、プラズマＣＶＤによる厚さ２０００ÅのＣＶＤ酸化膜とした。それ以外の構成については、実施例１と同様である。

図５（ａ）は、炭化珪素基板２０１の各位置における、ショットキーバリアダイオードの順方向の電流電圧特性を示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、それぞれ、順方向電圧Ｖ_ｆ［Ｖ］、順方向電流Ｉ_ｆ［Ａ］を示している。図５（ａ）のグラフから、位置ごとの電流ばらつきが大きく、所定の電流値が得られていないものも見られ、順方向においては電流電圧特性が良好でないことが分かる。

図５（ｂ）は、炭化珪素基板２０１の各位置における、ショットキーバリアダイオードの逆方向の電流電圧特性を示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、それぞれ、逆方向電圧Ｖ_ｒ［Ｖ］、逆方向電流Ｉ_ｒ［Ａ］を示している。図５（ｂ）のグラフから、位置ごとの電流ばらつきが大きく、また、耐圧の設計値（ここでは１２００Ｖ）において逆方向リーク電流が１ｍＡも流れており、逆方向においても電流電圧特性が良好でないことが分かる。

（比較例２）
図１１（ｃ）に示す従来の構成による炭化珪素半導体装置４００において、機能部を構成するショットキーバリアダイオードの電流電圧特性を調べた。炭化珪素半導体装置を製造する際に、ポリイミド膜とともに３層構造を形成する酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のうち、下層側を厚さ５００Åの熱酸化膜とし、上層側をプラズマＣＶＤによる厚さ１５００ÅのＣＶＤ酸化膜とした。それ以外の構成については、実施例１と同様である。

図６（ａ）は、炭化珪素基板４０１の各位置における、ショットキーバリアダイオードの順方向の電流電圧特性を示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、それぞれ、順方向電圧Ｖ_ｆ［Ｖ］、順方向電流Ｉ_ｆ［Ａ］を示している。図６（ａ）のグラフから、位置ごとの電流ばらつきは少なく、また所定の電流値が得られている。順方向の電流電圧特性は、酸化膜をＣＶＤのみで形成する場合（比較例１）に比べて改善されていることが分かる。

図６（ｂ）は、炭化珪素基板４０１の各位置における、ショットキーバリアダイオードの逆方向の電流電圧特性を示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、それぞれ、逆方向電圧Ｖ_ｒ［Ｖ］、逆方向電流Ｉ_ｒ［Ａ］を示している。図５（ｂ）のグラフから、位置ごとの電流ばらつきが大きく、また、耐圧が設計値（ここでは１２００Ｖ）に達していないものがあり、逆方向においては電流電圧特性が良好でないことが分かる。

（実施例２）
＜酸化膜形成方法の比較＞
異なる酸化膜形成方法での酸化膜質性能試験を行った。
下記［１］〜［５］の条件で熱酸化およびＰＯＡ処理を行った場合について、酸化レート（酸化速度）、酸化膜内・界面における電荷量、界面準位密度、酸化膜破壊電界を、ＭＯＳキャパシタ（ＭＯＳＣＡＰ）素子を作成して調べた。ＭＯＳＣＡＰ素子の構造は、炭化珪素エピタキシャルウエハのエピタキシャル側表面に酸化膜を形成し、上面及び下面に特性測定用の電極を形成し、素子間を分離したものである。酸化膜が形成される面は（０００１）Ｓｉ面である。

酸化膜及びＰＯＡの形成条件として、次の５種類（［１］〜［５］）を比較した。［１］が熱酸化膜の形成温度が１３００℃以上で熱酸化工程の処理後に連続してＰＯＡ工程を行った本発明の条件である。
［１］ドライ酸化／酸化種：Ｏ_２、Ｎ_２−ＰＯＡ／処理温度：１３５０℃
［２］ドライ酸化／酸化種：Ｏ_２、Ｎ_２−ＰＯＡ／処理温度：１２００℃
［３］ドライ酸化／酸化種：Ｏ_２、Ｎ_２Ｏ−ＰＯＡ／処理温度：１２００℃
［４］ドライ酸化／酸化種：Ｏ_２、Ｈ_２−ＰＯＡ／処理温度：１２００℃
［５］ウェット酸化（パイロジェニック酸化）／酸化種：Ｎ_２／処理温度：１２００℃

図７は、上記［１］〜［５］の条件でＰＯＡ処理を行った場合の酸化レート（ｎｍ／ｍｉｎ）を示すグラフである。横軸には、上記［１］〜［５］の条件を、左側から順に略称で示している。図７に示すように、［１］の条件で熱酸化およびＰＯＡ処理を行った場合の酸化レートは、［２］〜［４］の条件で行った場合の約８倍になっている。この結果から、高温のドライ酸化（熱酸化）とＮ_２ガスを導入したＰＯＡ処理との組み合わせが、酸化膜を厚く形成する上で、より好適な条件であることが分かる。

ドライ酸化プロセスに比べてウェット酸化プロセスは複雑であり、ウェット酸化で形成した膜は、一般に膜質が安定しないため、熱酸化膜の形成は、ドライ酸化で行うことが好ましい。したがって、［５］の条件で熱酸化およびＰＯＡ処理を行った場合の酸化レートが、［２］〜［４］の条件で行った場合の約３．３倍になっているが、ウェット酸化を行う点において、好ましい条件とはいえない。

なお、Ｓｉ面とＣ面との熱酸化レートを比較すると、同じ熱酸化条件で、Ｃ面の熱酸化レートは、Ｓｉ面熱酸化レートの約３倍になる。

図８は、上記［１］〜［５］の条件でＰＯＡ処理を行った場合に、酸化膜内・界面に発生する電荷量Ｑ_ｅｆｆ（Ｃ／ｃｍ^２）を示すグラフである。図８に示すように、［１］の条件でＰＯＡ処理を行った場合に、電荷量Ｑ_ｅｆｆが最も小さく抑えられていることから、窒素ガスを導入した高温のドライ酸化が、帯電によるダメージを回避する上でも、より好適な条件であることが分かる。反対に、［４］の条件でＰＯＡ処理を行った場合には、電荷量Ｑ_ｅｆｆが特に多いことから、帯電によるダメージを回避する上では、水素ガスを導入するだけでは不十分であり、窒素ガスの導入が有効であることが分かる。

図９は、上記［１］〜［５］の条件でＰＯＡ処理を行った場合に、酸化膜界面に発生する界面準位の密度Ｄ_ｉｔ（ｅＶ^−１・ｃｍ^−２）、を示すグラフである。図９に示すように、［１］の条件でＰＯＡ処理を行った場合に、界面準位密度Ｄ_ｉｔが最も小さく抑えられていることから、窒素ガスを導入した高温のドライ酸化が、界面準位の発生を抑える上でも、より好適な条件であることが分かる。また、［１］の条件でＰＯＡ処理を行った場合には、界面準位密度Ｄ_ｉｔが、［２］の条件でＰＯＡ処理を行った場合の１／３以下に抑えられていることから、熱酸化の処理温度を高めることの有効性を確認することができる。

図１０は、上記［１］〜［５］の条件でＰＯＡ処理を行った場合に、酸化膜の破壊電界（ＭＶ／ｃｍ）を示すグラフである。いずれの条件でＰＯＡ処理を行った場合でも、酸化破壊電界は同程度の大きさであることが分かる。
以上の結果から、本発明の熱酸化膜の形成方法は、総合的に優れていることが分かる。

（実施例３）
従来構造の炭化珪素半導体装置と本発明の炭化珪素半導体装置とで、高温高湿バイアス試験を行った。具体的には、恒温槽を用いた温度＝８５℃、湿度＝８５％の条件下で、デバイスに規定値のバイアスを印加し、連続試験１０００時間での電気特性（Ｉ_Ｒ（逆方向電流）、Ｖ_Ｒ（逆方向電圧））の異常の発生率を、不良率として判定した。不良率０％のものを合格として判定した。

従来構造の炭化珪素半導体装置としては、図１１（ｃ）に示した、２層構造の酸化膜（熱酸化膜＋ＣＶＤ酸化膜）を有するタイプのものを用いた。熱酸化膜の厚さを５００Å、ＣＶＤ酸化膜の厚さを１５００Åとした。本発明の炭化珪素半導体装置では、熱酸化膜の厚さを２０００Åとした。

従来構造の炭化珪素半導体装置では、連続試験７００時間までは合格率１００％（不良率０％）で良好であったが、７００時間以上経過したところで全滅し、合格率０％（不良率１００％）となった。

本発明の炭化珪素半導体装置では、連続試験１０００時間において、合格率１００％（不良率０％）であり、本発明の効果が確認された。本発明で行う１３５０℃ドライ酸化（＋１３５０℃ＰＯＡ処理）は、酸化レートが早いので、長い時間を要さずに１０００Å以上の酸化膜を形成することができる。また、酸化膜中および界面の電荷量が低く、パッシベーションとしては電流のパスを抑制できるので、リーク抑制や耐圧向上の効果が期待でき、パッシベーション膜としての信頼性（寿命）も十分に得られる。

本発明の炭化珪素半導体装置とその製造方法は、炭化珪素パワー半導体デバイスの表面保護膜を形成する技術として、広く活用することができる。

１００、２００、３００、４００・・・炭化珪素半導体装置
１０１、２０１、３０１、４０１・・・炭化珪素基板
１０１ａ、２０１ａ、３０１ａ、４０１ａ・・・炭化珪素基板の一方の主面
１０１ｂ、１０１ｂ、１０１ｂ、１０１ｂ・・・炭化珪素基板の他方の主面
１０１Ａ、２０１Ａ、３０１Ａ、４０１Ａ・・・炭化珪素エピタキシャル膜
１０１Ｂ、２０１Ｂ、３０１Ｂ、４０１Ｂ・・・Ｐ型イオン注入領域
１０２、２０２、３０２、４０２・・・パッシベーション膜
１０２Ａ、４０２Ａ・・・熱酸化膜（第１パッシベーション膜）
１０２Ｂ、２０２Ｂ、３０２Ｂ、４０２Ｂ・・・ポリイミド膜（第２パッシベーション膜）
２０２Ａ、４０２Ｃ・・・ＣＶＤ酸化膜
３０２Ａ・・・ＣＶＤ窒化膜
１０３、２０３、３０３、４０３・・・ショットキー電極
１０４、２０４、３０４、４０４・・・表面ＰＡＤ電極
１０５、２０５、３０５、４０５・・・裏面ＰＡＤ電極
１１０、２１０、３１０、４１０・・・機能部

Claims (10)

1. 炭化珪素基板と、
   前記炭化珪素基板の主面上を覆う第１パッシベーション膜と、
   前記第１パッシベーション膜上に形成された第２パッシベーション膜と、を有し、
   前記第１パッシベーション膜が、厚さ０．１μｍ以上の熱酸化膜であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
2. 前記第２パッシベーション膜が、ポリイミドからなることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記炭化珪素基板の面方位が、オフ角を有する（０００１）Ｓｉ面、またはオフ角を有する（０００−１）Ｃ面であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。
4. 前記炭化珪素基板の主面に、ショットキーバリアダイオードおよび／または電界効果トランジスタが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。
5. 炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の主面上を覆う第１パッシベーション膜と、前記第１パッシベーション膜に積層された第２パッシベーション膜と、を有する炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   前記炭化珪素基板の主面を、１３００℃以上の温度で熱酸化して前記第１パッシベーション膜を形成する熱酸化工程と、
   前記第１パッシベーション膜に対し、窒素を含む不活性ガス雰囲気中でアニール（Ｐｏｓｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ａｎｎｅａｌ）を行うＰＯＡ工程と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 前記ＰＯＡ工程における雰囲気ガスとして、窒素のみを用いることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
7. 前記ＰＯＡ工程における処理温度を、前記熱酸化工程における処理温度と同じとすることを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
8. 前記アニールを行った第１パッシベーション膜上に、直接、前記第２パッシベーション膜を形成する工程を有し、
   前記第２パッシベーション膜の材料としてポリイミドを用いることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
9. 炭化珪素半導体基板の表面に熱酸化膜を形成する炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法であって、
   熱酸化膜の形成温度を１３００℃以上とし、前記熱酸化膜の形成後に連続して、窒素を含む不活性ガス雰囲気中でのアニール（ＰＯＡ）を行うことを特徴とする炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法。
10. 前記ＰＯＡの温度を、前記熱酸化膜の形成温度と同じとすることを特徴とする請求項９に記載の炭化珪素半導体の酸化膜の形成方法。

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