JP2015069989A - Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に、ゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device having a gate insulating film.
炭化珪素半導体装置、すなわち炭化珪素(SiC)基板を有する半導体装置、には、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のように、ゲート絶縁膜を有するものが含まれる。ゲート絶縁膜としては、熱酸化法によって形成された二酸化珪素(SiO2)膜がしばしば用いられる。熱酸化によって形成されたSiO2膜とSiC基板との界面には多くの界面準位が存在する。この結果、チャネル移動度がバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなる。このため半導体装置のオン抵抗値が理想的な値よりも高くなってしまう。そこで、ゲート絶縁膜を熱酸化法のみに依存して形成するのではなく、堆積法を利用すること、または熱酸化法および堆積法を併用することが検討されている。 Silicon carbide semiconductor devices, that is, semiconductor devices having a silicon carbide (SiC) substrate include those having a gate insulating film such as MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). . As the gate insulating film, a silicon dioxide (SiO 2 ) film formed by a thermal oxidation method is often used. Many interface states exist at the interface between the SiO 2 film formed by thermal oxidation and the SiC substrate. As a result, the channel mobility is extremely small compared to the electron mobility in the bulk. For this reason, the on-resistance value of the semiconductor device becomes higher than an ideal value. Therefore, it has been studied to use a deposition method, or to use a thermal oxidation method and a deposition method together, instead of forming the gate insulating film depending only on the thermal oxidation method.
非特許文献1によれば、SiC基板上にAl2O3膜を化学気相成長法によって190℃または230℃で形成する形態が開示されている。またさらに、SiC基板とAl2O3膜との間にごく薄い熱酸化膜を挿入する形態が開示されている。
Non-Patent
上記のように堆積法によって形成されたゲート絶縁膜は、リーク電流の低減および比誘電率の向上のために堆積後アニール(PDA:Post Deposition Anneal)を要することがある。またPDA処理を行わない場合においても、ゲート絶縁膜の形成後にゲート絶縁膜の高温での加熱が付随的になされる場合が多い。たとえば、SiC基板上に設けられたソース電極のオーミック接合を得るために行われる加熱工程が典型的なものである。この工程は、たとえば1000℃程度の高温で行われる。 The gate insulating film formed by the deposition method as described above may require post-deposition annealing (PDA: Post Deposition Anneal) in order to reduce leakage current and improve relative dielectric constant. Even when the PDA process is not performed, the gate insulating film is often heated at a high temperature after the gate insulating film is formed. For example, a heating process performed to obtain an ohmic junction of a source electrode provided on a SiC substrate is typical. This step is performed at a high temperature of about 1000 ° C., for example.
特許文献1によれば、400℃未満の低温で堆積された酸化膜に対して、400℃以上の高温でPDA処理が行われる。この際にMOS界面が劣化することを防止するために、酸素雰囲気の圧力が0.05Pa以上5Pa以下とされる。
According to
上記特許文献1の技術によってある程度は軽減はできるものの、ゲート絶縁膜がその堆積後に高温で加熱されると、界面準位密度が高まることによりチャネル移動度が低下してしまう。そこでこの現象をより抑制する方法が望まれている。
Although it can be reduced to some extent by the technique of
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ゲート絶縁膜の堆積後の熱処理に起因したチャネル移動度の低下を抑制することができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing a decrease in channel mobility caused by a heat treatment after deposition of a gate insulating film. It is to provide a manufacturing method.
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の工程を有する。炭化珪素基板上にゲート絶縁膜が形成される。ゲート絶縁膜を形成する工程は、化学気相成長(CVD)法によって第1の温度で炭化珪素基板上に第1の層を堆積する工程と、第1の温度よりも高い第2の温度で第1の層をアニールする工程と、第1の層をアニールする工程の後に第1の層上に第2の層を堆積する工程とを含む。ゲート絶縁膜が形成された後に、第2の温度よりも高い温度まで炭化珪素基板が加熱される。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes the following steps. A gate insulating film is formed on the silicon carbide substrate. The step of forming the gate insulating film includes a step of depositing a first layer on the silicon carbide substrate at a first temperature by a chemical vapor deposition (CVD) method, and a second temperature higher than the first temperature. Annealing the first layer and depositing a second layer on the first layer after the step of annealing the first layer. After the gate insulating film is formed, the silicon carbide substrate is heated to a temperature higher than the second temperature.
本発明によれば、ゲート絶縁膜の堆積後の熱処理に起因したチャネル移動度の低下を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in channel mobility due to the heat treatment after the gate insulating film is deposited.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また結晶学上のミラー指数の表記において、数字上のバーに代わり、数字前のマイナスを用いる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In crystallographic Miller index notation, a minus before the number is used instead of the bar on the number.
(装置の構造)
図1を参照して、本実施の形態のMOSFET90(炭化珪素半導体装置)はnチャネル型かつ縦型のパワーデバイスである。その耐圧は、たとえば数百V〜3kV程度を確保し得る。MOSFET90は、エピタキシャル基板50(炭化珪素基板)と、ゲート電極7と、ソース電極8(主電極)と、ドレイン電極9と、ゲート絶縁膜10とを有する。エピタキシャル基板50は、単結晶基板1と、ドリフト層2と、ベース領域3と、ソース領域4とを有する。
(Device structure)
Referring to FIG. 1, MOSFET 90 (silicon carbide semiconductor device) of the present embodiment is an n-channel and vertical power device. The breakdown voltage can be secured, for example, about several hundred V to 3 kV.
単結晶基板1は、n型(第1の導電型)の炭化珪素から作られている。単結晶基板1の面方位(図中、上面の方位)は、たとえば、(0001)面、(000−1)面、または(11−20)面である。炭化珪素の結晶構造のポリタイプは、たとえば、4H、6Hまたは3Cである。単結晶基板1の一方主面(図中、上面)上には炭化珪素層がエピタキシャルに形成されている。この炭化珪素層の結晶構造は単結晶基板1のものと同様である。この炭化珪素層は、ドリフト層2、ベース領域3およびソース領域4を有する。
ドリフト層2は単結晶基板1上に配置されている。ドリフト層2はn型を有する。ドリフト層2の不純物濃度は、単結晶基板1の不純物濃度よりも高いことが好ましく、たとえば1×1014〜1×1018cm-3程度である。ドリフト層2の厚さは、たとえば5〜200μmである。
ベース領域3はドリフト層2上にウェル状に形成されている。ベース領域3の深さは、ドリフト層2の厚さを超えないことが要求され、たとえば0.5〜3μmである。ベース領域3はp型(第2の導電型)を有する。ベース領域3のp型の不純物濃度は、ドリフト層2におけるn型の不純物濃度よりも大きく、たとえば1×1017〜1×1019cm-3程度である。
The
ソース領域4は、ドリフト層2から分離されるように、ベース領域3上に設けられている。このためソース領域4の深さはベース領域3の深さよりも小さい。ソース領域4はn型を有する。ソース領域4の不純物濃度は、たとえば1×1018〜1×1021cm-3程度である。
ゲート絶縁膜10は、ドリフト層2とソース領域4とをつなぐようにベース領域上に配置された部分を含む。ゲート絶縁膜10は、窒化珪素層5と、第1および第2の層6a,6bとを有する。窒化珪素層5、第1の層6aおよび第2の層6bは、エピタキシャル基板50上に順に積層されている。なお窒化珪素層5およびゲート絶縁膜10は、ゲート長方向(図1の横方向)においてゲート電極7よりも長く形成されてもよい。また窒化珪素層5は省略されてもよく、この場合、第1の層6aおよび第2の層6bが窒化珪素層5を介さずにエピタキシャル基板50上に順に積層される。
本実施の形態においては第1および第2の層6a,6bは、アルミニウム元素を含む酸化物から作られており、具体的にはアルミナ(Al2O3)から作られている。よって第1および第2の層6a,6bの各々は、同じ主構成元素、すなわちAlおよびOを有する。これにより、両者の主要元素が異なる場合に比して、製造方法を簡素化することができる。なお第1および第2の層6a,6bの材料は必ずしも同じでなくてもよい。またAl2O3の代わりに、SiO2、SiON、HfO2またはAlONが用いられてもよい。
In the present embodiment, the first and
ゲート電極7はゲート絶縁膜10上に設けられている。ゲート電極7の材料は、たとえば、ドープされた多結晶珪素(ポリシリコン)、ドープされた多結晶炭化珪素、低抵抗高融点金属、または低抵抗高融点金属の窒化物である。低抵抗高融点金属は、たとえば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)またはタングステン(W)である。
The
ソース電極8はエピタキシャル基板50の一方主面(図中、上面)上に設けられたオーミック電極である。ソース電極8は、ドリフト層2から離れており、ソース領域4に接触しており、好ましくはベース領域3にも接触している。ドレイン電極9は、エピタキシャル基板50の他方主面(図中、下面)、言い換えれば単結晶基板1の他方主面(図中、下面)、の上に設けられたオーミック電極である。ソース電極8およびドレイン電極9の材料としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)もしくは金(Au)、またはこれらの複合物を用いることができる。
The
(装置の動作)
次にMOSFET90の動作について説明する。ゲート電極7にしきい値を超える電圧が印加されると、ゲート電極7直下のベース領域3の表面に反転チャネル層が形成される。これにより、ソース領域4とドリフト層2との間に電荷の流れる経路が形成される。本実施の形態のようにMOSFETがnチャネル型の場合、多数キャリアは電子であり、ソース領域4からドリフト層2へ流れ込んだ電子は、ソース電極8およびドレイン電極9の間に印加された電圧により形成される電界に従って、ドリフト層2および単結晶基板1を介してドレイン電極9に到達する。言い換えれば、ドレイン電極9からソース電極8に電流が流れる。なお上記第1および第2の導電型は入れ替えられてもよく、この場合、MOSFETはpチャネル型である。pチャネル型の場合は、多数キャリアは正孔であり、ドレイン電極9から注入された正孔が、ドリフト層2の表面に到達し、次いでベース領域3表面に形成された反転チャネル層を介してソース領域4に流れ込む。
(Device operation)
Next, the operation of the
(装置の製造方法)
次にMOSFET90の製造方法について、以下に説明する。
(Device manufacturing method)
Next, a method for manufacturing
図2を参照して、単結晶基板1上にドリフト層2がエピタキシャル結晶成長法を用いて形成される。これによりエピタキシャル基板50が得られる。
Referring to FIG. 2,
図3を参照して、ドリフト層2の表面のうちベース領域3が形成されることになる領域が露出するように、写真製版技術を用いてマスク(図示せず)が形成される。マスクの材料は、たとえば、レジスト、二酸化珪素、または窒化珪素である。このマスクを不純物注入阻止膜として用いたイオン注入法により、ドリフト層2上に不純物が添加される。これによりベース領域3が形成される。MOSFET90(図1)がnチャネルの場合、不純物としてボロン(B)またはアルミニウム(Al)を利用することができる。なおpチャネルの場合はリン(P)または窒素(N)を利用することができる。不純物の注入完了後、マスクが除去される。
Referring to FIG. 3, a mask (not shown) is formed using a photoengraving technique so that a region where
図4を参照して、ベース領域3の表面のうちソース領域4が形成されることになる領域が露出するように、写真製版技術を用いてマスク(図示せず)が形成される。マスクの材料は、たとえば、レジスト、二酸化珪素、または窒化珪素である。このマスクを不純物注入阻止膜として用いたイオン注入法によりベース領域3に不純物が添加される。これによりソース領域4が形成される。MOSFET90(図1)がnチャネルの場合、不純物としてリン(P)または窒素(N)を利用することができる。なおpチャネルの場合はボロン(B)またはアルミニウム(Al)を利用することができる。不純物の注入完了後、マスクが除去される。なおベース領域3のイオン注入(図3)およびソース領域4のイオン注入(図4)の順番は入れ替えられてもよい。
Referring to FIG. 4, a mask (not shown) is formed using a photoengraving technique so that a region where
次に、注入された不純物を活性化するための熱処理が行われる。具体的には、エピタキシャル基板50を熱処理装置により、たとえば1300〜1900℃程度で30秒〜1時間程度加熱する。
Next, heat treatment for activating the implanted impurities is performed. Specifically, the
次に図5〜図7の工程によってエピタキシャル基板50上にゲート絶縁膜10(図7)が形成される。この方法について、以下に詳しく説明する。
Next, gate insulating film 10 (FIG. 7) is formed on
図5を参照して、減圧雰囲気下でエピタキシャル基板50にラジカル窒素を照射することで、エピタキシャル基板50上に窒化珪素層5が形成される。この処理の際に温度を500℃に高めることで、窒化が促進されることにより、充分な膜厚の窒化珪素層5を得ることができる。
Referring to FIG. 5,
図6を参照して、窒化珪素層5を介してエピタキシャル基板50上に第1の層6aが堆積される。この堆積はCVD法によって行われる。CVD法はスパッタ法などの物理成長法に比して、膜厚均一性が良好でありまた多数の基板を同時に処理することができることから、量産性に富んだ手法である。
Referring to FIG. 6,
第1の層6aの堆積が行われる温度(堆積温度)T1(第1の温度)は、たとえば200℃程度である。また雰囲気の圧力は、たとえば、0.1〜1000Pa程度に減圧される。本実施の形態のように第1の層6aがアルミナから作られる場合、エピタキシャル基板50への原料の供給は、たとえば、トリエチルアルミニウムおよび水の気相供給によって行われる。これにより、エピタキシャル基板50上へ、水素元素および酸素元素を含む原料ガスが供給される。第1の層6aが形成される厚さは、15nm程度以上が好ましく、本実施の形態においては15nm程度とされる。
The temperature at which the
次に、第1の層6aが上記温度T1よりも高い温度T2(第2の温度)でアニールされる。温度T2は、たとえば600℃程度である。このアニールにより第1の層6aから残留不純物がガスとして脱離される。本実施の形態においてはOH-ガスが脱離される。このアニールは、窒素もしくはアルゴンなどによる不活性雰囲気下、または高真空下で行われることが好ましい。またアニール時間は、残留ガスを十分に脱離するためには1分以上が好ましい。
Next, the
図7を参照して、次に第1の層6a上に第2の層6bが堆積される。第2の層6bは第1の層6aの堆積と同様のCVD法により堆積し得る。第2の層6bの堆積温度は、第1の層6aの堆積温度に対して高められてもよい。この理由は、第2の層6bの堆積中のエピタキシャル基板50の酸化を第1の層6aが抑制することから、第2の層6bの堆積温度がより高くされてもエピタキシャル基板50への悪影響が小さいためである。堆積温度をより高くすることで、第2の層6b中の残留不純物を少なくすることにより、第2の層6bの質を高めることができる。
Referring to FIG. 7, a
第2の層6bの厚さは、本実施の形態においては45nm程度とされる。これにより第1および第2の層6a,6bの厚さの和は15+45=60nmとされる。よって第1の層6aの厚さは、第1および第2の層6a,6bの厚さの和の4分の1以下とされる。
The thickness of the
第2の層6bの主構成元素は、第1の層6aの主構成元素(本実施の形態においてはAlおよびO)と同じであることが好ましい。第1および第2の層6a,6bの主構成元素が同じである場合において、主構成元素間の組成は異なっていてもよく同じであってもよい。本実施の形態においては、第2の層6bの主構成元素およびその組成は、第1の層6aの主構成元素およびその組成と同じである。言い換えれば、第2の層6bの材料は第1の層6aの材料と同様にAl2O3である。
The main constituent elements of the
以上、図5〜図7の工程によりゲート絶縁膜10が形成される。
As described above, the
図8を参照して、ゲート絶縁膜10上にゲート電極7が堆積される。図9を参照して、ゲート電極7が、写真製版技術を用いてパターニングされる。このパターニングは、ゲート電極7がソース領域4と、たとえば10nm〜5μmの範囲で平面的に見て重なり合うように行われることが好ましい。これにより、ゲート電極7の端部におけるフリンジ効果の影響が抑制される。よって、均一にベース領域3表面に電圧が印加されるので、ベース領域3の表面に確実に反転チャネル層を形成することができる。次に、窒化珪素層5およびゲート絶縁膜10の不要部分が、写真製版技術を用いたパターニングによって除去される。このパターニングにおいてウェットまたはドライエッチングが用いられ得る。このパターニングによりソース領域4の表面が露出される。
Referring to FIG. 8,
図10を参照して、上記のように露出されたソース領域4の上においてソース電極8の堆積およびそのパターニングが行われる。再び図1を参照して、エピタキシャル基板50の他方主面(図1の下面)上にドレイン電極9が堆積される。
Referring to FIG. 10, deposition and patterning of
次に、前述した第1の層6aのアニール(図6)の温度T2よりも高い温度T3までエピタキシャル基板50が加熱される。これによりソース電極8およびドレイン電極9の各々とエピタキシャル基板50との間でのオーミック接触が得られる。この、オーミック接触を得る目的でのアニールの温度は、900℃以上が好ましく、たとえば1000℃程度で行われる。
Next, the
なお本実施の形態においては、温度T2よりも高い温度T3までエピタキシャル基板50を加熱する工程は、オーミック接触を得る目的で行われるが、温度T3での加熱は、ゲート絶縁膜10が形成された後に行われるものであれば、他の目的で行われるものであってもよい。たとえば、第2の層6bの改質を目的として行われてもよい。
In the present embodiment, the step of heating the
(比較例)
上述したように、第1の層6aの堆積後かつ第2の層6bの堆積前に(図6)、温度T2での第1の層6aのアニールが行われる。このアニールが行われない比較例においては、第1および第2の層6a,6bの温度T1でのCVD法による堆積後に、ソース電極8およびドレイン電極9のオーミック接触のための温度T3でのアニールが行われる。CVD法による第1および第2の層6a,6bの堆積は比較的低い温度T1で行われるので、堆積中、原料ガスから生成される膜中残留不純物、具体的にはOH-ガス、の脱離は不十分なものである。このため、その後の高い温度T3でのアニールの際に、第1および第2の層6a,6bの全体からOH-ガスが大量に脱離する。これによりエピタキシャル基板50の表面が大きく酸化される。よってMOSFET90のチャネル移動度が低下してしまう。
(Comparative example)
As described above, after the
(作用効果)
これに対して本実施の形態によれば、第1の層6aの堆積後かつ第2の層6bの堆積前に(図6)、T3>T2>T1を満たす温度T2でのアニールが行われることで、第1の層6aからの残留不純物、具体的にはOH-ガス、の脱離が促進される。この時点では第2の層6bが未だ堆積されておらず、また、温度T2は温度T3より低い。これらの理由により、脱離するOH-ガスの発生量が少なくなる。よって脱離したOH-ガスによるエピタキシャル基板50の酸化も抑えられる。そして第2の層6bの堆積後の温度T3でのアニールにおいて、第2の層6bからエピタキシャル基板50上へのOH-ガスの拡散が、上記のようにガスの脱離が行われた第1の層6aによって防止される。このため、第2の層6bからのOH-ガスによるエピタキシャル基板50の酸化も抑えられる。以上のように、第1および第2の層6a,6bからのOH-ガスによるエピタキシャル基板50の酸化が抑えられる。これにより、上述した比較例と異なり、ゲート絶縁膜10の堆積後の温度T3での熱処理に起因したチャネル移動度の低下を抑制することができる。
(Function and effect)
In contrast, according to the present embodiment, after the
第1の層6aの厚さが15nm以上とされる場合、第1の層6aによって温度T3のアニール(図1)時に第2の層6bからのOH-ガスの拡散を防ぐ作用がより高められるので、エピタキシャル基板50の酸化がより抑制される。また第1の層6aの厚さが第1および第2の層6a,6bの厚さの和の4分の1以下である場合、第1の層6aの厚さが過度に大きくないことにより、温度T2でのアニール(図6)時にOH-ガスが過剰に発生することを避けることができる。これによりエピタキシャル基板50の酸化がより抑制される。
When the thickness of the
また第1の層6aはエピタキシャル基板50上に窒化珪素層5を介して形成される。酸素や水に対するバリア性が高い窒化珪素層5によってエピタキシャル基板50が保護されることで、エピタキシャル基板50の酸化がより抑制される。これによりチャネル移動度の低下をより抑制することができる。
The
(関連した実験の内容)
上記のように本実施の形態によれば、高温アニールに起因したチャネル移動度の劣化を防止するために、CVD法で用いた原料ガスから生成される膜中残留不純物の脱離の方法が最適化される。このような着想に想到するまでに本発明者らが行った実験について、以下に説明する。
(Content of related experiments)
As described above, according to the present embodiment, in order to prevent deterioration of channel mobility due to high-temperature annealing, the method for desorbing residual impurities in the film generated from the source gas used in the CVD method is optimal. It becomes. Experiments conducted by the present inventors before reaching such an idea will be described below.
まず、ポリタイプ4Hの結晶構造を有する炭化珪素基板の(0001)面上にアルミニウム濃度1×1016cm-3程度のp型エピタキシャル成長層を形成し、その表面にラジカル窒化により窒化珪素層を形成した。窒化珪素層は炭化珪素の意図しない酸化を抑制し、高いチャネル移動度を得るのに有効であることが知られている。その表面にイオン注入法によりn型ソース領域とn型ドレイン領域とを形成した。その後、トリエチルアルミニウム(Al(C2H5)3)と水(H2O)とを前駆体原料とするCVD法により、190℃の堆積温度でAl2O3ゲート絶縁膜を60nm堆積した。 First, a p-type epitaxial growth layer having an aluminum concentration of about 1 × 10 16 cm −3 is formed on the (0001) plane of a silicon carbide substrate having a polytype 4H crystal structure, and a silicon nitride layer is formed on the surface by radical nitridation. did. The silicon nitride layer is known to be effective in suppressing unintended oxidation of silicon carbide and obtaining high channel mobility. An n-type source region and an n-type drain region were formed on the surface by ion implantation. Thereafter, an Al 2 O 3 gate insulating film of 60 nm was deposited at a deposition temperature of 190 ° C. by a CVD method using triethylaluminum (Al (C 2 H 5 ) 3 ) and water (H 2 O) as precursor materials.
その後、一部の試料(試料A)に対し900℃の温度にて窒素ガス雰囲気中でアニール処理を行った。このアニール処理は、オーミック電極を得るために必要となる熱処理を模擬している。また、残りの試料(試料B)にはアニール処理は行わなかった。その後、ゲート絶縁膜上にアルミニウム膜を堆積し、この膜のうちチャネル領域以外の部分を除去することで、ゲート電極を形成した。その後、n型ソース領域およびn型ドレイン領域上の一部のゲート絶縁膜を除去し、アルミニウムを堆積後、不要な箇所のアルミニウムを除去することで、ソース電極とドレイン電極とを形成した。以上のようにして横型MOSFETを作製した。 Thereafter, some samples (sample A) were annealed at a temperature of 900 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. This annealing process simulates the heat treatment necessary to obtain an ohmic electrode. The remaining sample (Sample B) was not annealed. Thereafter, an aluminum film was deposited on the gate insulating film, and a portion other than the channel region was removed from the film to form a gate electrode. Thereafter, a part of the gate insulating film on the n-type source region and the n-type drain region was removed, and after depositing aluminum, unnecessary portions of aluminum were removed to form a source electrode and a drain electrode. A lateral MOSFET was manufactured as described above.
MOSFETの電気的特性からチャネル移動度を測定した。その結果、チャネル移動度は、試料Bにおいては約200cm2/Vsと高いのに対し、試料Aにおいては30cm2/Vsと低かった。すなわち、900℃の熱処理においてチャネル移動度が劣化することが確認された。 The channel mobility was measured from the electrical characteristics of the MOSFET. As a result, the channel mobility was as high as about 200 cm 2 / Vs in sample B, but as low as 30 cm 2 / Vs in sample A. That is, it was confirmed that the channel mobility deteriorates in the heat treatment at 900 ° C.
この原因を探るために、さらに以下の実験を行った。ポリタイプ4Hの結晶構造を有する炭化珪素基板の(0001)面上にアルミニウム濃度1×1016cm-3程度のp型エピタキシャル成長層を形成し、その後、ジメチルアミドハイドライド(H(CH3)2Al)またはトリエチルアルミニウムと、水とを前駆体原料とするCVD法により、190℃の堆積温度でAl2O3ゲート絶縁膜を60nm堆積した。本実験では窒化珪素層は形成しなかった。その後、一部の試料に対し400℃または600℃の温度にて、窒素ガス雰囲気中でアニール処理を行った。その後、前述の方法に従いゲート電極とソース電極とドレイン電極とを形成することで横型MOSFETを作製し、そのチャネル移動度を測定した。 In order to investigate the cause, the following experiment was further conducted. A p-type epitaxial growth layer having an aluminum concentration of about 1 × 10 16 cm −3 is formed on the (0001) plane of a silicon carbide substrate having a polytype 4H crystal structure, and then dimethylamide hydride (H (CH 3 ) 2 Al ) Or a CVD method using triethylaluminum and water as precursor materials, an Al 2 O 3 gate insulating film was deposited to 60 nm at a deposition temperature of 190 ° C. In this experiment, a silicon nitride layer was not formed. Thereafter, some samples were annealed in a nitrogen gas atmosphere at a temperature of 400 ° C. or 600 ° C. Thereafter, a lateral MOSFET was formed by forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode according to the method described above, and the channel mobility was measured.
図11(a)および図11(b)のグラフのそれぞれは、前駆体原料にジメチルアミドハイドライドおよびトリエチルアルミニウムを用いた場合のチャネル移動度を示している。なお堆積後にアニール処理を行わなかった場合のチャネル移動度を、グラフの表記の便宜上、アニール温度0℃として表示している。 Each of the graphs of FIG. 11A and FIG. 11B shows the channel mobility when dimethylamide hydride and triethylaluminum are used as precursor raw materials. Note that the channel mobility when annealing is not performed after deposition is shown as an annealing temperature of 0 ° C. for the convenience of graph representation.
いずれの前駆体原料を用いた場合でも、ゲート絶縁膜の堆積後にアニール処理を行わなければ、チャネル移動度は300cm2/Vs程度の非常に高い値が得られた。アニール処理を行った場合はチャネル移動度の低下が観察された。具体的には、ジメチルアミドハイドライドと水とを前駆体とした場合、アニール温度が400℃および600℃の両方のいずれの場合においてもチャネル移動度は1cm2/Vs未満にまで低下した。一方、トリエチルアルミニウムと水とを前駆体とした場合のチャネル移動度は、アニール温度が600℃の場合は1cm2/Vs未満にまで低下したが、アニール温度が400℃の場合は約80cm2/Vsであり低下量が抑制された。このように、ゲート絶縁膜堆積後の熱処理によるチャネル移動度の劣化のしやすさが、前駆体原料の種類に依存することが示された。 Regardless of which precursor material is used, the channel mobility is as high as about 300 cm 2 / Vs unless annealing is performed after the gate insulating film is deposited. When annealing was performed, a decrease in channel mobility was observed. Specifically, when dimethylamide hydride and water were used as precursors, the channel mobility decreased to less than 1 cm 2 / Vs in both cases where the annealing temperature was 400 ° C. and 600 ° C. On the other hand, the channel mobility when triethylaluminum and water are used as precursors is reduced to less than 1 cm 2 / Vs when the annealing temperature is 600 ° C., but is approximately 80 cm 2 / V when the annealing temperature is 400 ° C. Vs, and the amount of decrease was suppressed. Thus, it was shown that the ease of channel mobility degradation due to the heat treatment after the gate insulating film deposition depends on the type of precursor material.
この原因を調査するために、同じ堆積条件で炭化珪素基板上にAl2O3を堆積した後、真空雰囲気中で加熱しながら脱離するガスの組成と量とを昇温脱離ガス分光法により調べた。図12(a)および図12(b)のグラフのそれぞれは、前駆体原料にジメチルアミドハイドライドおよびトリエチルアルミニウムを用いた場合の、OH-ガスの検出シグナル強度のアニール温度依存性を示している。 In order to investigate this cause, the composition and amount of gas desorbed while being heated in a vacuum atmosphere after depositing Al 2 O 3 on a silicon carbide substrate under the same deposition conditions, temperature-programmed desorption gas spectroscopy It was investigated by. Each of the graphs of FIG. 12A and FIG. 12B shows the annealing temperature dependence of the detected signal intensity of OH - gas when dimethylamide hydride and triethylaluminum are used as precursor raw materials.
両グラフから、前駆体原料の違いによりOH-ガスの脱離の様子が異なることが明らかになった。具体的には、前駆体原料にジメチルアミドハイドライドを用いた場合、200〜300℃程度でOH-ガスが脱離するのに対し、トリエチルアルミニウムを用いた場合、400〜600℃程度でOH-ガスが脱離することが示された。特筆すべきは、OH-ガスが脱離するアニール温度が前述のチャネル移動度の劣化の様子と対応しており、OH-ガスが脱離するような温度でアニールすることでチャネル移動度が劣化したことである。 From both graphs, OH due to differences in the precursor source - state of desorption of gas was found to differ. Specifically, when dimethylamide hydride is used as a precursor raw material, OH − gas is desorbed at about 200 to 300 ° C., whereas when triethylaluminum is used, OH − gas is about 400 to 600 ° C. Was shown to be detached. Notably, OH - annealing temperature which the gas desorption corresponds with state of degradation of the channel mobility described above, OH - channel mobility degradation by annealing at a temperature such that the gas is desorbed It is that.
この結果から本発明者らは、堆積したAl2O3のアニール中にこの中から脱離したOH-ガスが炭化珪素基板を酸化することが、チャネル特性を劣化させる原因であると考えた。このことは、前掲した文献:S. Hino, et al., "High channel mobility 4H-SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with low temperature metal-organic chemical-vapor deposition grown Al2O3 gate insulator", Applied Physics Letters, Vol. 92, (2008), 183503で説明されているように、190℃という炭化珪素がほとんど酸化しない低温でゲート絶縁膜を堆積させるとチャネル移動度が高くなることと整合する。またこのことは、酸素および水に対するバリア性が高いと考えられる窒化珪素層をAl2O3の下層に形成した方がアニールによるチャネル移動度の劣化が穏やかであることとも整合する。 The present inventors have this result, OH in the deposited Al 2 O 3 anneal desorbed from this - the gas oxidizes the silicon carbide substrate was thought to be responsible for degrading the channel characteristics. This is described in the above-mentioned document: S. Hino, et al., "High channel mobility 4H-SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with low temperature metal-organic chemical-vapor deposition grown Al 2 O 3 gate insulator" , Applied Physics Letters, Vol. 92, (2008), 183503, it is consistent with the channel mobility becoming higher when the gate insulating film is deposited at a low temperature of 190 ° C where silicon carbide hardly oxidizes. . This also matches that the deterioration of channel mobility due to annealing is more gentle when a silicon nitride layer, which is considered to have a high barrier property against oxygen and water, is formed under the Al 2 O 3 layer.
そこで本発明者らは、CVD法によるAl2O3ゲート絶縁膜の堆積を2段階に分け、間に脱離アニール処理を加えることで、炭化珪素基板の酸化を抑制することができるのではないかと考えた。具体的には、第1の層をCVD法で堆積後、その堆積温度よりも高く、かつゲート絶縁膜形成後に必要となる高温アニール温度よりも低い温度で、第1の層からOH-ガスを脱離させる脱離アニール処理を行い、その後第2の層を堆積させることで、第1および第2の層を有するゲート絶縁膜を得ることが好ましいと考えた。そしてこれにより以下の作用効果が得られるとの仮説を立てた。 Therefore, the present inventors cannot suppress the oxidation of the silicon carbide substrate by dividing the deposition of the Al 2 O 3 gate insulating film by the CVD method into two stages and adding a desorption annealing process therebetween. I thought. Specifically, after depositing the first layer by the CVD method, higher than its deposition temperature, and at a temperature lower than the high-temperature annealing temperature needed after the gate insulating film formation, OH from the first layer - gas It was considered preferable to obtain a gate insulating film having the first and second layers by performing desorption annealing treatment for desorption and then depositing the second layer. And this hypothesized that the following effects can be obtained.
脱離アニールの温度を第1の層の堆積温度よりも高く設定することで、OH-ガスの蒸気圧を高め、第1の層の堆積中に脱離できなかったOH-ガスを気相中に脱離させる。脱離アニールの時点では未だ第2の層が形成されていないので、脱離するOH-ガスの量が少なく、またその温度も高温アニールに対して低い。このため脱離アニール時の炭化珪素基板の酸化は十分に少ない。その後第2の層が堆積され、次に高温アニールが行われる。この際に、第2の層から発生するOH-ガスが炭化珪素基板へ拡散することを、脱離アニールによって予め焼き締められていた第1の層が防止する。このため、最終的に炭化珪素基板が酸化される量を大幅に低減することができる。 By setting the desorption annealing temperature higher than the deposition temperature of the first layer, the vapor pressure of the OH − gas is increased, and the OH − gas that could not be desorbed during the deposition of the first layer is in the gas phase. To desorb. Since the second layer has not yet been formed at the time of desorption annealing, the amount of desorbed OH − gas is small, and its temperature is lower than that of high temperature annealing. For this reason, the oxidation of the silicon carbide substrate during desorption annealing is sufficiently small. A second layer is then deposited, followed by a high temperature anneal. At this time, the first layer that has been baked in advance by desorption annealing prevents the OH - gas generated from the second layer from diffusing into the silicon carbide substrate. For this reason, the quantity by which a silicon carbide substrate is finally oxidized can be reduced significantly.
上記の仮説を検証するために、次の方法で横型MOSFETを作製した。ポリタイプ4Hの結晶構造を有する炭化珪素基板の(0001)面上にアルミニウム濃度1×1016cm-3程度のp型エピタキシャル成長層を形成し、その表面にラジカル窒化により窒化珪素層を形成した。比較例としての試料Cの作製においては、トリエチルアルミニウムと水とを前駆体原料とし、190℃の堆積温度で60nmのゲート絶縁膜を堆積した。一方、試料Dにおいては、同様の堆積方法でまず15nmのゲート絶縁膜を堆積した後に、窒素雰囲気で600℃3分の脱離アニールを行い、その後同様の堆積方法で45nmのAl2O3を堆積した。これによりAl2O3の総膜厚を60nmとした。試料CおよびDの各々に対し、高温アニールを模擬した900℃3分のアニールを施した。その後、前述の方法でゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成することで、横型MOSFETを作製した。 In order to verify the above hypothesis, a lateral MOSFET was fabricated by the following method. A p-type epitaxial growth layer having an aluminum concentration of about 1 × 10 16 cm −3 was formed on the (0001) plane of a silicon carbide substrate having a polytype 4H crystal structure, and a silicon nitride layer was formed on the surface by radical nitridation. In the preparation of Sample C as a comparative example, a gate insulating film of 60 nm was deposited at a deposition temperature of 190 ° C. using triethylaluminum and water as precursor materials. On the other hand, in Sample D, a 15 nm gate insulating film is first deposited by the same deposition method, followed by desorption annealing at 600 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere, and then 45 nm Al 2 O 3 is deposited by the same deposition method. Deposited. Thereby, the total film thickness of Al 2 O 3 was set to 60 nm. Each of Samples C and D was annealed at 900 ° C. for 3 minutes simulating high temperature annealing. Thereafter, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode were formed by the above-described method, thereby manufacturing a lateral MOSFET.
これらのMOSFETのチャネル特性を評価した結果、試料Cのチャネル移動度が30cm2/Vsであったのに対し、試料Dのチャネル移動度は90cm2/Vsであった。すなわち、比較例の試料Cのチャネル移動度に比して、試料Dのチャネル移動度の方が格段に高くなることが確かめられた。 As a result of evaluating the channel characteristics of these MOSFETs, the channel mobility of Sample C was 30 cm 2 / Vs, whereas the channel mobility of Sample D was 90 cm 2 / Vs. That is, it was confirmed that the channel mobility of the sample D was remarkably higher than the channel mobility of the sample C of the comparative example.
(付記)
本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。たとえば、炭化珪素半導体装置はMOSFET以外のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよい。また炭化珪素半導体装置はMISFETに限定されるものではなく、IGBTなど他の絶縁ゲート型トランジスタ素子であってもよい。また、この絶縁ゲート型トランジスタは、縦型に限定されるものではなく、ソース、ゲートおよびドレイン電極が同一主表面上に形成される横型半導体素子であってもよい。
(Appendix)
In the present invention, the embodiments can be appropriately modified and omitted within the scope of the invention. For example, the silicon carbide semiconductor device may be a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) other than the MOSFET. The silicon carbide semiconductor device is not limited to the MISFET, and may be another insulated gate transistor element such as an IGBT. The insulated gate transistor is not limited to a vertical type, and may be a horizontal semiconductor element in which a source, a gate, and a drain electrode are formed on the same main surface.
1 単結晶基板、2 ドリフト層、3 ベース領域、4 ソース領域、5 窒化珪素層、6a 第1の層、6b 第2の層、7 ゲート電極、8 ソース電極、9 ドレイン電極、10 ゲート絶縁膜、90 MOSFET(炭化珪素半導体装置)。
1 single crystal substrate, 2 drift layer, 3 base region, 4 source region, 5 silicon nitride layer, 6a first layer, 6b second layer, 7 gate electrode, 8 source electrode, 9 drain electrode, 10
Claims (9)
前記ゲート絶縁膜を形成する工程の後に、前記第2の温度よりも高い温度まで前記炭化珪素基板を加熱する工程を備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film on the silicon carbide substrate, the step of forming the gate insulating film comprising depositing a first layer on the silicon carbide substrate at a first temperature by a chemical vapor deposition method; And depositing a second layer on the first layer after the step of annealing the first layer at a second temperature higher than the first temperature and the step of annealing the first layer And a step of heating the silicon carbide substrate to a temperature higher than the second temperature after the step of forming the gate insulating film.
前記炭化珪素基板を加熱する工程は、前記炭化珪素基板および前記主電極の間でのオーミック接触を得る工程を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 Further comprising forming a main electrode on the silicon carbide substrate;
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the step of heating the silicon carbide substrate includes a step of obtaining ohmic contact between the silicon carbide substrate and the main electrode. .
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