JP4164575B2

JP4164575B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4164575B2
Application number: JP2003344345A
Authority: JP
Inventors: 亮治小杉; 憲司福田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005109396A

Description

本発明は、絶縁膜の形成工程を含む半導体装置の製造方法、およびそれに用いる絶縁膜形成装置に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は広いバンドギャップ、高い熱伝導率、高い飽和電子ドリフト速度、高い絶縁破壊電界（Ｅｃ）といった優れた特徴を有する半導体材料であり、シリコンパワーデバイスに変わる次世代の低損失パワーデバイス素子材料として注目されている。このＳｉＣからなる半導体装置（半導体デバイス）では、インバータの構成に必要な基本素子のうち、容量の小さい整流素子（ダイオード）はすでに市販化が始まっているが、スイッチング素子は実用に至っておらずその開発が急務とされている。

ＳｉＣを用いたスイッチング素子には、金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistor）が期待されている。これはＳｉＣがシリコンと同様に熱酸化プロセスによって酸化膜（絶縁膜）の形成が可能という特徴を有するからである。一方、シリコンと同様な熱酸化プロセスを用いて、ＳｉＣ上に酸化膜を形成した酸化膜／ＳｉＣ構造の場合、その酸化膜とＳｉＣとの間の界面に、炭素に関連した欠陥が形成されることが報告されている。これはカーボンクラスタと呼ばれる酸化膜／ＳｉＣ界面特有の欠陥であり、熱酸化膜の形成中に生成されると考えられ、デバイスとしの信頼性を下げる一因となっている。

このカーボンクラスタに起因した伝導体近傍の高い界面準位により、通常の熱酸化法で作製したＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度は、ＳｉＣバルクの電子移動度から予想される値よりも極めて低くなる。そして、現状のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおけるチャネル移動度は極めて小さいため、オン抵抗値（Ｒｏｎ）がその物性値から理論的に予想される値よりも極めて高くなる。とりわけ４Ｈと呼ばれる結晶構造を有する炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ）は、バルクの電子移動度が９００ｃｍ^２／Ｖｓ程度と高いため注目されているが、通常の熱酸化法によって形成した４Ｈ−ＳｉＣＭＯＳＦＥＴのチャネル移動度は５〜１０ｃｍ^２／Ｖｓ程度と極めて低い。これを改善するためには、上述したカーボンクラスタ起因の高い界面準位を低減させる必要があり、その界面準位低減のために、一酸化窒素（ＮＯ）雰囲気での熱処理法が提案されている。

このＮＯ雰囲気での熱処理法は、乾燥酸素や水蒸気雰囲気での熱酸化によってＳｉＣ上に酸化膜を形成した後、生成したカーボンクラスタをＮＯガスに含まれる窒素原子によって、電気的に不活性化あるいは除去するというものである。ＮＯガス雰囲気におけるＳｉＣの熱処理法に関しては、すでに熱処理時間、温度などに関して調査されており、長時間、高温での熱処理により効果は顕著になると報告されている。

しかし、上記のＮＯ雰囲気での熱処理は、通常のホットウォール炉を用いて行われており、このホットウォール炉での熱処理では、ＮＯガス自体が高温に熱せられる。このため、２ＮＯ→Ｏ_２＋Ｎ_２の反応によって酸素が生成され、その酸素による熱酸化膜の形成を無視することができない。酸素による酸化は、カーボンクラスタを酸化膜／ＳｉＣ界面に形成することから、結果として、界面欠陥の大幅な低減や長期信頼性に優れた界面を形成することができないのが現状であった。
G.Y.Chung et al.,Appl.Phys.Lett.76,1713(2000)

この発明は上記に鑑み提案されたもので、半導体基板側と絶縁膜との間の界面欠陥を大幅に低減することができ、デバイスとしての信頼性を優れたものとすることができる半導体装置の製造方法および絶縁膜形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、絶縁膜の形成工程を含む半導体装置の製造方法において、当該半導体装置の製造は、反応管内に配置した炭化珪素からなるサセプタと、そのサセプタ上に載置された最上層が炭化珪素層である半導体基板とを光照射により加熱するコールドウォール型の熱処理炉を用いて行われ、上記光照射は、波長が２００ｎｍから遠赤外線領域までの光の照射であり、上記絶縁膜は上記半導体基板上に形成され、上記絶縁膜形成の一工程として、不活性ガスにより希釈された０．５％以上２０％以下の一酸化窒素ガスを含む、不活性ガスと一酸化窒素ガスの混合ガス雰囲気中での熱処理を含み、上記熱処理は絶縁膜の全体の形成後に一括して行われ、上記熱処理の温度は少なくとも１２００℃以上であり、上記熱処理の後、５０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で冷却する、ことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明において、上記不活性ガスをＡｒ（アルゴン）とするものである。

この発明では、絶縁膜に対して不活性ガスにより希釈された０．５％以上２０％以下の一酸化窒素ガスを含む、不活性ガスと一酸化窒素ガスの混合ガス雰囲気中で熱処理を行うので、一酸化窒素ガス１００％の場合と比較し、ガス中に含まれる酸素原子の量が減少するので、酸素による酸化の進行を極端に減少させることができ、それによって半導体基板側と絶縁膜との間の界面欠陥を大幅に低減することができ、デバイスとしての信頼性を優れたものとすることができる。

また、半導体基板の最上層を炭化珪素層とし、その層上に絶縁膜を形成するようにしたので、処理効果を顕著なものとすることができ、それによってより一層半導体基板側と絶縁膜との間の界面欠陥を低減することができ、デバイスとしての信頼性を優れたものとすることができる。

また、不活性ガスをＡｒとすることでＮＯガスの分解を抑制でき、それによってより一層半導体基板側と絶縁膜との間の界面欠陥を低減することができ、デバイスとしての信頼性を優れたものとすることができる。

また、熱処理の後、５０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で冷却することにより、熱処理完了時のＳｉＣと絶縁膜との界面の状態を保持することが可能となり、それによってより一層半導体基板側と絶縁膜との間の界面欠陥を低減することができ、デバイスとしての信頼性を優れたものとすることができる。

さらに、絶縁膜の形成とＮＯ雰囲気での熱処理を同一装置内で行うことで、不純物の混入を避けることができ、それによってより一層半導体基板側と絶縁膜との間の界面欠陥を低減することができ、デバイスとしての信頼性を優れたものとすることができる。

また、光照射により加熱するコールドウォール型の熱処理炉を用いるようにしたので、混合ガス中の一酸化窒素が熱で酸素と窒素に分解する反応を抑えることができ、したがって、酸素による酸化の進行が減少し、それによってより一層半導体基板側と絶縁膜との間の界面欠陥を低減することができ、デバイスとしての信頼性を優れたものとすることができる。

また、反応管のガス出口側に混合ガス中の一酸化窒素ガスの除害設備を備えたので、有害な窒化酸化物の発生を防止することができる。また、本発明では、一酸化窒素ガスの濃度を大幅に低減するので、それに応じて除害設備の処理能力も低減でき、小型化することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、炭化珪素基板を用いて作製したＭＯＳキャパシタの界面特性に関する実施例に基づいて説明する。

図１は本発明に係る絶縁膜形成装置の構成を概略的に示す図である。この絶縁膜形成装置１は、半導体基板に絶縁膜を形成する装置であり、図に示すように、コールドウォール型の熱処理炉１０と、ガス供給部２０と、ガス排出部３０とを備えている。熱処理炉１０は、石英で形成された反応管１１とその外周に沿って設けられた赤外線ランプ１２とを有し、反応管１１の外周壁は冷却機構に供給された冷却用ガスで冷却されるようになっている。反応管１１の略中央には、赤外領域の光を十分に吸収する、高純度の低抵抗ＳｉＣ基板（単結晶、多結晶、焼結体など）からなるサセプタ１３が配置され、そのサセプタ１３には試料１４が載置されている。この試料１４も、サセプタ１３と同様に、赤外領域の光を吸収する、高純度の低抵抗ＳｉＣ基板からなる。

ガス供給部２０は、反応管１１のガス入口側に設けられている。このガス供給部２０には、予めＡｒガスで一酸化窒素（ＮＯ）が２０％となるように希釈されＮＯガスボンベと、同じく予めＡｒガスでＮＯが２％となるように希釈されＮＯボンベと、Ａｒガスボンベと、酸素（Ｏ_２）ガスボンベとが配置され、これらの各ボンベからのガスはマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２１，２２，２３で流量が調整され、その後マニホールド２４で混合された後、熱処理炉１０に供給される。

ガス排出部３０は、反応管１１のガス出口側に設けられ、加熱分解型のＮＯガス除害装置３１と、真空排気系３２とが配されている。

上記構成の絶縁膜形成装置１において、反応管１１の加熱は、反応管１１内を流れるＮＯガスが分解しない程度の波長（２００ｎｍ）から遠赤外線領域までの、サセプタ１３あるいは試料１４が吸収する光であればどのような波長を用いても良い。本実施例では赤外線ランプ１２からの赤外線領域の光を照射して加熱している。これによりＮＯをはじめＮ_２Ｏ、ＮＯ_２、オゾンなどの強酸化性ガス雰囲気においても、サセプタ１３からの汚染のないクリーンな高温での加熱が可能となる。

なお、コールドウォール型の熱処理炉には高周波加熱炉があるが、高周波加熱炉では低抵抗ＳｉＣ基板をサセプタとして使用することが困難である。

よく知られているように石英材は赤外線の透過率が非常に高いため、反応管１１は赤外線によりほとんど加熱されない。本装置１ではさらに反応管１１に冷却機構を付加することで、熱処理中の反応管１１の温度上昇を最小限に抑える。結果として、雰囲気ガスの温度上昇を極端に抑えることが可能となり、ＮＯガスの熱による分解が抑制される。

上記のように、この装置１の排気側にはＮＯガスの除害装置３１および真空排気系３２が装備されている。この絶縁膜形成装置１１では低いＮＯ濃度および少ない流量でも熱処理効果を得られることから、除害装置３１の処理能力を低減することができる。

試料１４のＳｉＣ基板にはエピタキシャル膜付のｎ型４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面を用いた。このＳｉＣからなるエピタキシャル膜の不純物濃度は５×１０^１５ｃｍ^−２、膜厚は５μｍであった。この絶縁膜形成装置１を用いて、試料１４のエピタキシャル膜の上に、ゲート絶縁膜を形成した。このゲート絶縁膜は熱酸（窒）化膜、堆積酸化（窒化）膜、あるいはそれらの複合膜などいずれでもよい。本実施例では１２００℃、１５０分間の乾燥酸素雰囲気での熱酸化によって形成した。ゲート酸化膜の蓄積容量から見積もられるゲート酸化膜厚は、４３ｎｍ〜４４ｎｍであった。この熱酸化膜形成後、同温度で予め決められた時間にわたり不活性ガス中での熱処理（ＰＯＡ：Post Oxidation Annealing）を行ってもよい。不活性ガスの種類はＡｒ、Ｎ_２、Ｈｅなどのいずれでも良いが、本実施例ではＮ_２を用いた。また、熱処理時間は３０分とした。このＰＯＡの後、本発明に係る熱処理、すなわちＡｒで希釈したＮＯガス雰囲気における熱処理を行った。本実施例では熱処理温度、時間をそれぞれ１２００℃、１時間とし、ＮＯ濃度は２％とした。

ゲート絶縁膜の形成および熱処理後、メタルマスクを用いて５００ｍｍφのＡｌ電極をゲート絶縁膜上に形成し、ゲート電極とした。また、裏面電極にもＡｌを用いた。作製したＭＯＳキャパシタの界面特性は、高周波−低周波ＣＶ測定法により評価した。

図２は作製したＭＯＳキャパシタの高周波−低周波ＣＶ特性である。図中、（ａ）は乾燥酸素雰囲気での熱酸化のみを施した場合、（ｂ）は（ａ）に対してさらに２％のＮＯ雰囲気で熱処理を施した場合である。破線が低周波のＣＶ特性を、実線が高周波のＣＶ特性をそれぞれ表す。

上記のＨｉｇｈ−Ｌｏｗ法では低周波測定値と高周波測定値の差分をとることにより、界面準位密度Ｄ_ｉｔの算出を行う。これは一般に界面準位が高周波測定では追従しないことを利用したものであり、同一ゲート電圧における高周波と低周波のＣＶ特性における容量の差分が、界面準位密度Ｄ_ｉｔをあらわすことになる。図２から分かるように、（ｂ）のＣＶ特性では高周波と低周波の差分が（ａ）と比較して小さい。この図２のＣＶ特性から界面準位密度を算出した結果を図３に示す。

図３中、横軸は伝導体端からのエネルギ−準位（Ｅｃ−Ｅ）を示す。図３において、エネルギ−準位（Ｅｃ−Ｅ）が０．２ｅＶ〜０．５ｅＶの範囲の界面準位を積分した値は、（ａ）が３．５×１０^１１ｃｍ^−２、（ｂ）が１．１×１０^１１ｃｍ^−２となり、２％のＮＯ処理を行なうことによって１／３以下まで界面準位が減少していることが確認された。また（ｃ）に示すように、２％のＮＯ雰囲気において熱処理時間を２時間３０分にすることにより、同様に積分した値は７．２×１０^１０ｃｍ^−２まで低減された。これは、（ｄ）に示す、５％のＮＯを含む雰囲気で１時間の熱処理を行なった場合の積分値８．０×１０^１０ｃｍ^−２とほぼ同程度であった。すなわち低濃度のＮＯ処理では、試料に到達するＮＯの総数が処理効果に影響を及ぼしていると考えられる。

上記の結果からＮＯ濃度の下限は、ＮＯ濃度が低くなるとＮＯの供給量により処理効果が律速されることから、５％、１時間の熱処理と同程度の効果が得られる現実的な熱処理の最大時間を１０時間と仮定し、０．５％と定めた。

一方、上限は次のように決定された。酸素ガスでＳｉＣを酸化する場合に、酸化雰囲気の酸素分圧が低くなると、それに伴い酸化速度は圧力のべき乗に比例して減少していく。これまでの報告から、約５０Ｔｏｒｒ以下の酸素分圧では１２００℃の酸化温度においてもほとんど酸化膜が形成されないことが分かっている。ここで５０Ｔｏｒｒの分圧とは、（５０／７６０×１００）％で約６．５％となる。すなわち、酸素分子の分圧がこれ以下であれば酸素による酸化の進行が非常に小さくなり、無視することができると考えられる。反応炉の中に導入されたＮＯの内、半分が酸素に分解したと仮定すると、前述した２ＮＯ→Ｏ_２＋Ｎ_２の反応によって生成する酸素の量を６．５％以下にするためには、ＮＯ濃度の上限は約２６％となる。上記の仮定は、１１７５℃で２００秒間ＮＯガスが加熱されたときのＮＯの分解に相当しており、熱処理温度を高く設定すればＮＯ濃度の上限は低くなる。効果的な処理を行なうためには熱処理温度を高温にすることが望ましいが、石英部材を用いて常用する温度を考えると最高温度は１３００℃程度が妥当である。これを考慮しＮＯ濃度の上限を２０％と定めた。

以上より０．５％以上２０％以下のＮＯ濃度で熱処理を行うことにより、１００％の場合と比較し酸素による酸化の進行を極端に減少させることが可能となり、界面欠陥が低減され、長期信頼性に優れたＭＯＳ（ＭＩＳ）界面の形成が可能となる。また、実際にこの０．５％以上２０％以下のＮＯ濃度で熱処理を行うことにより、界面欠陥が低減され、長期信頼性に優れたＭＯＳ（ＭＩＳ）界面の形成が可能であることを確認した。

また、ＮＯ中での熱処理を行なった後、急激に試料温度を低下させることにより処理中の界面状態が保たれ、除冷した場合に比べて界面欠陥の低減と信頼性の向上が確認された。これは光照射加熱によるコールドウォール型の熱処理炉で特に効果的に行なわれ、高温短時間の熱処理がサーマルバジェットを軽減し、効率的な処理効果をもたらす。さらに、ゲート絶縁膜の形成と熱処理を同一装置内で行なうことにより、不純物の混入を抑え半導体装置の信頼性を向上できる。

なお、上記の図１では、光の照射方法として、半導体試料全体に同一波長の光を照射するようにしたが、図４に示すように、さらに異なる波長の光を照射するような構造でも良い。この図４では、紫外線照射ユニット４を、サセプタ１３の上方に配置し、試料表面に紫外線を照射している。そして、楕円集光型の反射面４ａを用いて紫外線の光量を増大させている。反射面４ａにはＭｇＦ_２をオーバーコートしたＡｌ膜を用いた。また、紫外線照射を伴う場合には反応管１１の石英材に、紫外線の透過率の高い合成石英を用いた。

以上の実施例では、最も基本的なＭＯＳキャパシタの界面特性について述べたが、本発明は横型のＭＯＳ（ＭＩＳ）ＦＥＴだけでなく、縦型のＭＯＳ（ＭＩＳ）ＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ（ＭＩＳ）型サイリスタなどのゲート絶縁膜形成工程を有する全ての半導体装置において適用可能であることは明らかである。

以上述べたように、この発明では、絶縁膜形成装置１を用いて適切なＮＯ濃度で予め決められた時間と温度でゲート絶縁膜の熱処理を行うことによって、界面欠陥が低減され、長期信頼性に優れたＭＯＳ（ＭＩＳ）型半導体装置を実現できる。

また、半導体装置の絶縁膜形成装置装置は、不活性ガス中のＮＯガスの濃度を任意に設定可能な機構、光照射による基板加熱機構、反応管１１の冷却機構、ＮＯ除害装置３１を備えており、これを用いて絶縁膜を形成することで界面欠陥が低く、信頼性の高い絶縁膜を形成できる。

また、ゲート絶縁膜形成の一工程として、不活性ガスにより希釈された０．５％以上２０％以下の不活性ガス／ＮＯ混合ガス雰囲気における熱処理を、コールドウォール型絶縁膜形成装置を用いて行うことにより界面欠陥が低く信頼性の高い絶縁膜を形成される。

また、試料の半導体基板の少なくとも最上層を炭化珪素とすることで処理効果が顕著となり、とりわけ界面欠陥が低く、信頼性の高い絶縁膜を形成できる。

また、不活性ガスをＡｒとすることでＮＯガスの分解が抑制され、さらに界面欠陥が低く、信頼性の高い絶縁膜を形成できる。

また、熱処理後半導体装置を急激に冷却することにより、熱処理時の界面の状態を保持することが可能となり、界面欠陥が低く、信頼性の高い絶縁膜を形成できる。

さらに、ゲート絶縁膜の形成とＮＯ雰囲気での熱処理を同一装置内で行うことで不純物の混入を避け、信頼性の高い絶縁膜を形成できる。

本発明に係る絶縁膜形成装置の構成を概略的に示す図である。作製したＭＯＳキャパシタの高周波−低周波ＣＶ特性を示す図で、（ａ）は乾燥酸素雰囲気での熱酸化のみを施した場合、（ｂ）は（ａ）に対してさらに２％のＮＯ雰囲気で熱処理を施した場合であり、破線が低周波のＣＶ特性、実線が高周波のＣＶ特性である。作製したＭＯＳキャパシタの、Ｈｉｇｈ−ｌｏｗ法を用いて算出した界面準位密度特性を示す図である。試料表面への照射機構を付加した絶縁膜形成装置の構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１絶縁膜形成装置
１０熱処理炉
１１反応管
１２赤外線ランプ
１３サセプタ
１４試料
２０ガス供給部
２１，２２，２３マスフローコントローラー
２４マニホールド
３０ガス排出部
３１ＮＯガス除害装置
３２真空排気系
４紫外線照射ユニット
４ａ反射面

Claims

絶縁膜の形成工程を含む半導体装置の製造方法において、
当該半導体装置の製造は、反応管内に配置した炭化珪素からなるサセプタと、そのサセプタ上に載置された最上層が炭化珪素層である半導体基板とを光照射により加熱するコールドウォール型の熱処理炉を用いて行われ、
上記光照射は、波長が２００ｎｍから遠赤外線領域までの光の照射であり、
上記絶縁膜は上記半導体基板上に形成され、
上記絶縁膜形成の一工程として、不活性ガスにより希釈された０．５％以上２０％以下の一酸化窒素ガスを含む、不活性ガスと一酸化窒素ガスの混合ガス雰囲気中での熱処理を含み、
上記熱処理は絶縁膜の全体の形成後に一括して行われ、
上記熱処理の温度は少なくとも１２００℃以上であり、
上記熱処理の後、５０℃／ｍｉｎ以上の降温速度で冷却する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
上記不活性ガスがＡｒ（アルゴン）である、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。