JP5687220B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
炭化珪素(SiC)は、優れた物性値を有し、高耐圧で、低損失なパワーデバイスの実現を可能にする。炭化珪素を用いた炭化珪素半導体装置、たとえば金属−酸化膜−半導体電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;略称:MOSFET)では、炭化珪素基板上に二酸化珪素膜が設けられる。 Silicon carbide (SiC) has an excellent physical property value, and enables realization of a power device having a high breakdown voltage and a low loss. In a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide, such as a metal oxide semiconductor field effect transistor (abbreviation: MOSFET), a silicon dioxide film is provided on a silicon carbide substrate.
炭化珪素と二酸化珪素との界面には、多くの界面準位が存在する。たとえば、炭化珪素基板上に二酸化珪素膜を形成した後には、炭化珪素と二酸化珪素との界面に、欠陥に起因する界面準位(以下「欠陥準位」という場合がある)が発生することがある。欠陥準位は、伝導帯に近い界面準位となっている。この欠陥準位によって、MOSFETのチャネル移動度は、SiCバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなる。これによって、オン抵抗値が理想的な値よりも高くなる。 Many interface states exist at the interface between silicon carbide and silicon dioxide. For example, after a silicon dioxide film is formed on a silicon carbide substrate, an interface level (hereinafter sometimes referred to as “defect level”) due to defects may occur at the interface between silicon carbide and silicon dioxide. is there. The defect level is an interface level close to the conduction band. Due to this defect level, the channel mobility of the MOSFET becomes extremely small compared to the electron mobility in the SiC bulk. As a result, the on-resistance value becomes higher than an ideal value.
炭化珪素基板上に二酸化珪素膜を形成した後に、炭化珪素と二酸化珪素との界面に欠陥準位が発生する原因としては、界面での炭素原子の析出が考えられている。炭化珪素と二酸化珪素との界面での欠陥準位の密度を低減するためには、一酸化窒素(NO)ガスもしくは一酸化二窒素(N2O)ガスなどの窒素酸化物ガスの雰囲気、またはアンモニア(NH3)ガスの雰囲気での熱処理による窒化処理が有効である。特に、一酸化窒素ガスによる窒化処理が効果的である。窒化処理によって、炭化珪素と二酸化珪素との界面に発生した欠陥準位は、電気的に不活性となる。 As a cause of the generation of defect levels at the interface between silicon carbide and silicon dioxide after the formation of a silicon dioxide film on a silicon carbide substrate, precipitation of carbon atoms at the interface is considered. In order to reduce the density of defect states at the interface between silicon carbide and silicon dioxide, an atmosphere of nitrogen oxide gas such as nitrogen monoxide (NO) gas or dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, or Nitriding by heat treatment in an ammonia (NH 3 ) gas atmosphere is effective. In particular, nitriding with nitrogen monoxide gas is effective. The defect level generated at the interface between silicon carbide and silicon dioxide by nitriding becomes electrically inactive.
窒化処理を効果的に行うために、窒化処理が行われる温度(以下「窒化処理温度」という場合がある)は、比較的高温であることが多い(たとえば、特許文献1,2参照)。たとえば、特許文献1に開示される技術では、1100℃〜1250℃であり、特許文献2に開示される技術では、1000℃〜1300℃である。また窒化処理を効果的に行うために、窒素酸化物ガスは、アルゴンガスまたは窒素ガスなどの不活性ガスで希釈されて用いられることがある(たとえば、特許文献2〜4参照)。
In order to effectively perform the nitriding treatment, the temperature at which the nitriding treatment is performed (hereinafter sometimes referred to as “nitriding treatment temperature”) is often relatively high (see, for example,
窒化処理が終了した後、炭化珪素基板は、反応炉の外に取出される。炭化珪素基板の取出しは、窒化処理温度よりも低く、かつ大気との反応が起こりにくい温度、たとえば500℃〜800℃で行われる。炭化珪素基板を取出すときには、反応炉内を不活性ガスの雰囲気(以下「不活性ガス雰囲気」という場合がある)とした後に、反応炉内の温度を窒化処理温度から基板の取出し温度まで降温する。 After the nitriding process is completed, the silicon carbide substrate is taken out of the reaction furnace. The silicon carbide substrate is taken out at a temperature lower than the nitriding temperature and hardly reacting with the atmosphere, for example, 500 ° C. to 800 ° C. When the silicon carbide substrate is taken out, the temperature in the reaction furnace is lowered from the nitriding temperature to the substrate take-out temperature after the inside of the reaction furnace is made an inert gas atmosphere (hereinafter sometimes referred to as “inert gas atmosphere”). .
このとき、窒化処理が終了した直後に、反応炉内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換すると、炭化珪素基板が高温の不活性ガス雰囲気に曝される。高温の不活性ガス雰囲気では、炭化珪素基板上にある二酸化珪素膜から酸素原子が放出されやすいので、二酸化珪素膜中に多くの酸素空孔が生じる。 At this time, if the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an inert gas atmosphere immediately after the nitriding treatment is completed, the silicon carbide substrate is exposed to a high-temperature inert gas atmosphere. In a high-temperature inert gas atmosphere, oxygen atoms are easily released from the silicon dioxide film on the silicon carbide substrate, so that many oxygen vacancies are generated in the silicon dioxide film.
二酸化珪素膜中の酸素空孔は、正孔を捕獲し、正に帯電するので、二酸化珪素膜中に酸素空孔が生じると、正電荷が増加する。二酸化珪素膜中に正電荷が増加すると、二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とするMOSFETのしきい値電圧が低下する。また二酸化珪素膜中の酸素空孔は、しきい値電圧の不安定化の要因となり、長期的な信頼性の低下を招く(たとえば、非特許文献1参照)。 The oxygen vacancies in the silicon dioxide film capture positive holes and are positively charged. Therefore, when oxygen vacancies are generated in the silicon dioxide film, the positive charge increases. When the positive charge increases in the silicon dioxide film, the threshold voltage of the MOSFET having the silicon dioxide film as a gate insulating film is lowered. Further, oxygen vacancies in the silicon dioxide film cause instability of the threshold voltage and cause long-term reliability degradation (see, for example, Non-Patent Document 1).
以上のように炭化珪素と二酸化珪素との界面では、欠陥準位の密度が比較的高いので、炭化珪素を用いたMOSFET(以下「炭化珪素MOSFET」という場合がある)のチャネル移動度は、SiCバルク中の電子移動度に比べて小さい。二酸化珪素膜の形成後、比較的高温で窒化処理を行うことによって、界面準位の密度を低減し、チャネル移動度を向上させることは可能であるが、以下の問題が生じる。 As described above, since the density of defect levels is relatively high at the interface between silicon carbide and silicon dioxide, the channel mobility of a MOSFET using silicon carbide (hereinafter sometimes referred to as “silicon carbide MOSFET”) is SiC. Smaller than the electron mobility in the bulk. After the formation of the silicon dioxide film, it is possible to reduce the interface state density and improve the channel mobility by performing nitriding at a relatively high temperature, but the following problems arise.
窒化処理終了後に、反応炉内の雰囲気は、窒素酸化物ガスの雰囲気またはアンモニアガスの雰囲気から不活性ガス雰囲気に置換されるので、炭化珪素基板は、高温の不活性ガス雰囲気に曝される。高温の不活性ガス雰囲気では、炭化珪素基板上にある二酸化珪素膜から酸素原子が放出し、酸素空孔が生成される。酸素空孔は、正孔を捕獲することによって、正に帯電し、正電荷となるので、酸素空孔が生成されると、正電荷が増加し、MOSFETのしきい値電圧が低下する。また二酸化珪素膜中の酸素空孔は、しきい値電圧の不安定化の要因となり、長期的な信頼性の低下を招く。 After completion of the nitriding treatment, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an inert gas atmosphere from the nitrogen oxide gas atmosphere or the ammonia gas atmosphere, so that the silicon carbide substrate is exposed to a high-temperature inert gas atmosphere. In a high-temperature inert gas atmosphere, oxygen atoms are released from the silicon dioxide film on the silicon carbide substrate, and oxygen vacancies are generated. Oxygen vacancies are positively charged and become positive charges by capturing holes, so that when oxygen vacancies are generated, the positive charges increase and the threshold voltage of the MOSFET decreases. In addition, oxygen vacancies in the silicon dioxide film cause destabilization of the threshold voltage and cause long-term reliability degradation.
MOSFETなどの炭化珪素半導体装置をパワーデバイスとして用いる場合、高耐圧特性の確保が最優先となる。高耐圧特性の確保を実現するためには、しきい値電圧として、ある程度の大きさが必要となる。したがって、炭化珪素を用いたMOSFETの開発においては、チャネル移動度の向上とともに、しきい値電圧の制御技術の確立が急務となっている。 When a silicon carbide semiconductor device such as a MOSFET is used as a power device, securing high withstand voltage characteristics is a top priority. In order to ensure high breakdown voltage characteristics, a certain amount of threshold voltage is required. Therefore, in the development of MOSFETs using silicon carbide, it is an urgent task to improve the channel mobility and establish a threshold voltage control technique.
本発明の目的は、しきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度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を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of improving channel mobility while suppressing a decrease in threshold voltage.
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基体を準備する基体準備工程と、前記炭化珪素基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程とを備え、前記絶縁膜形成工程は、炭化珪素基体上に、前記絶縁膜となる二酸化珪素膜を形成する二酸化珪素膜形成工程と、前記二酸化珪素膜が形成された前記炭化珪素基体を、反応炉内で、前記反応炉内の温度を1150℃以上1350℃以下として、一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気で熱処理することによって窒化処理する窒化処理工程と、前記窒化処理工程の後に、前記一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気で満たした状態で、前記反応炉内を950℃以下まで降温した後、前記反応炉内を、前記一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気から、不活性ガスの雰囲気に置換して、前記反応炉内を降温する降温工程とを備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a substrate preparation step of preparing a silicon carbide substrate and an insulating film formation step of forming an insulating film on the silicon carbide substrate, the insulating film formation step comprising: A silicon dioxide film forming step of forming a silicon dioxide film as an insulating film on a silicon substrate, and the silicon carbide substrate on which the silicon dioxide film is formed are set in a reaction furnace, and the temperature in the reaction furnace is set to 1150. A nitriding treatment step of performing nitriding treatment by heat treatment in an atmosphere containing nitrogen monoxide (NO) gas at a temperature of not less than 1 ° C. and not more than 1350 ° C. , and filling in the atmosphere containing nitrogen monoxide (NO) gas after the nitriding treatment step in state, after the reaction furnace was lowered to 950 ° C. or less, the reaction furnace, the atmosphere containing nitric oxide (NO) gas, is replaced with an atmosphere of inert gas, the reactor Characterized in that it comprises a cooling step of cooling.
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、基体準備工程と絶縁膜形成工程とを経て、炭化珪素半導体装置が製造される。基体準備工程では、炭化珪素基体が準備される。絶縁膜形成工程では、炭化珪素基体上に絶縁膜が形成される。このとき、まず二酸化珪素膜形成工程において、炭化珪素基体上に絶縁膜となる二酸化珪素膜が形成される。二酸化珪素膜が形成された炭化珪素基体が、窒化処理工程において、反応炉内で、反応炉内の温度を1150℃以上1350℃以下として、一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気で熱処理されることによって窒化処理される。この窒化処理によって、炭化珪素半導体装置のチャネル移動度を向上させることができる。窒化処理工程の後、降温工程において、一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気で満たした状態で、反応炉内を950℃以下まで降温した後、反応炉内を、一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気から、不活性ガスの雰囲気に置換して、反応炉内が降温される。このように降温することによって、窒化処理後の酸素空孔の発生を抑えることができるので、炭化珪素半導体装置のしきい値電圧の低下を抑えることができる。したがって、炭化珪素半導体装置のしきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。
According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention, a silicon carbide semiconductor device is manufactured through a substrate preparation step and an insulating film formation step. In the substrate preparation step, a silicon carbide substrate is prepared. In the insulating film forming step, an insulating film is formed on the silicon carbide substrate. At this time, first, in the silicon dioxide film forming step, a silicon dioxide film serving as an insulating film is formed on the silicon carbide substrate. The silicon carbide substrate on which the silicon dioxide film is formed is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen monoxide (NO) gas at a temperature in the reaction furnace of 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower in a nitriding treatment step. Nitriding treatment. By this nitriding treatment, the channel mobility of the silicon carbide semiconductor device can be improved. After the nitriding treatment step, the temperature inside the reaction furnace is lowered to 950 ° C. or lower in the temperature lowering step in a state filled with an atmosphere containing nitrogen monoxide (NO) gas, and then the nitrogen monoxide (NO) gas inside the reaction furnace. The atmosphere in the reactor is replaced with an inert gas atmosphere, and the temperature in the reaction furnace is lowered. By lowering the temperature in this way, generation of oxygen vacancies after nitriding treatment can be suppressed, so that a decrease in threshold voltage of the silicon carbide semiconductor device can be suppressed. Therefore, the channel mobility can be improved while suppressing a decrease in threshold voltage of the silicon carbide semiconductor device.
図1は、本発明の実施の一形態である炭化珪素半導体装置の製造方法によって製造される炭化珪素半導体装置1の構成を示す断面図である。本実施の形態における炭化珪素半導体装置1は、炭化珪素(SiC)を用いた金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である。以下の説明では、炭化珪素を用いたMOSFETを「炭化珪素MOSFET」という場合がある。
FIG. 1 is a cross sectional view showing a configuration of a silicon
炭化珪素半導体装置1は、半導体基板である炭化珪素(SiC)基板(以下、単に「基板」という場合がある)11、ドリフト層12、ベース領域13a,13b、ソース領域14a,14b、ゲート酸化膜15、ゲート電極16、ソース電極17a,17bおよびドレイン電極18を備えて構成される。基板11と、ドリフト層12と、ベース領域13a,13bと、ソース領域14a,14bとによって、炭化珪素基体(以下、単に「基体」という場合がある)10が構成される。以下の実施の形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明する。
A silicon
基板11は、第1導電型であるn型の炭化珪素(SiC)基板によって実現される。ドリフト層12は、炭化珪素、具体的には、第1導電型であるn型の炭化珪素から成る。ドリフト層12は、基板11の厚み方向一方側の表面上に積層されて形成されている。
The
ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部分には、一部分に、一対のベース領域13a,13bが形成されている。以下の説明において、各ベース領域13a,13bを区別して示す場合には、第1ベース領域13aおよび第2ベース領域13bという。第1および第2ベース領域13a,13bは、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面から所定の深さの部分に、互いに間隔をあけて形成されている。各ベース領域13a,13bは、第2導電型の不純物(以下「第2導電型不純物」という場合がある)であるp型不純物、たとえばアルミニウム(Al)を含有する。
A pair of
各ベース領域13a,13bの厚み方向一方側の表面部分には、一部分に、ソース領域14a,14bが形成されている。すなわち、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面部分であって、ベース領域13a,13bの厚み方向一方側の表面部分には、一部分に、一対のソース領域14a,14bが形成されている。以下の説明において、各ソース領域14a,14bを区別して示す場合には、第1ソース領域14aおよび第2ソース領域14bという。
各ソース領域14a,14bは、各ベース領域13a,13bの厚み方向一方側の表面部分の一部分に、各ベース領域13a,13bよりも浅く形成されている。各ソース領域14a,14bは、第1導電型の不純物(以下「第1導電型不純物」という場合がある)であるn型不純物、たとえば窒素(N)を含有する。
Each
ゲート酸化膜15は、一対のベース領域13a,13bおよびそれらの間のドリフト層12の厚み方向一方側の表面上に、ソース領域14a,14bにまで延在して形成されている。ゲート酸化膜15は、本実施の形態では、二酸化珪素膜である。ゲート酸化膜15は、ゲート絶縁膜として機能する。
The
ゲート電極16は、ゲート酸化膜15の厚み方向一方側の表面上に形成されている。ゲート電極16は、厚み方向一方側から平面的に見て、一対のベース領域13a,13b間のドリフト層12から各ソース領域14a,14bに到達するように形成されている。
The
ソース電極17は、各ベース領域13a,13bのゲート酸化膜15で覆われていない部分に、各ソース領域14a,14bのゲート酸化膜15で覆われていない部分を覆って形成されている。すなわち、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面上のゲート酸化膜15で覆われていない部分には、一対のソース電極17a,17bが形成されている。以下の説明において、各ソース電極17a,17bを区別して示す場合には、第1ソース電極17aおよび第2ソース電極17bという。
The source electrode 17 is formed so as to cover portions of the
第1ソース電極17aは、第1ベース領域13aの厚み方向一方側の表面上に形成され、第1ソース領域14aに電気的に接続されている。第2ソース電極17bは、第2ベース領域13bの厚み方向一方側の表面上に形成され、第2ソース領域14bに電気的に接続されている。
The
ドレイン電極18は、基板11の厚み方向一方側の表面と反対側の表面、すなわち基板11の厚み方向他方側の表面に形成されている。ドレイン電極18は、基板11と電気的に接続されている。
The
図1に示す炭化珪素半導体装置1では、ゲート電極16に電圧が印加されると、ゲート電極16直下のベース領域13a,13bの表面に反転チャネル層が形成され、ソース領域14a,14bとドリフト層12との間に、電荷の流れる経路が形成される。
In the silicon
炭化珪素半導体装置1である炭化珪素MOSFETが、電子をキャリアとするnチャネルMOSFETである場合、ソース領域14a,14bからドリフト層12に電子が流れ込む。ドリフト層12に流れ込んだ電子は、ドレイン電極18に印加される電圧によって形成される電界に従って、ドリフト層12および基板11を介して流れて、ドレイン電極18に到達する。したがって、ゲート電極16に電圧を印加することによって、ドレイン電極18からソース電極17a,17bに電流が流れる。
When silicon carbide MOSFET that is silicon
炭化珪素MOSFETが、正孔をキャリアとするpチャネルMOSFETである場合には、ドレイン電極18から正孔が注入される。注入された正孔は、ドリフト層12を介して流れてベース領域13a,13bに到達し、次いで、ベース領域13a,13bの表面に形成された反転チャネル層を介して、ソース電極17a,17bの電位に従って、ソース領域14a,14bに流れ込む。これによって、正孔がドレイン電極18からソース電極17a,17bに流れる。
When the silicon carbide MOSFET is a p-channel MOSFET using holes as carriers, holes are injected from the
図1に示す炭化珪素半導体装置1は、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法を用いて、以下のようにして製造される。以下、図面を参照しながら、工程順に説明する。
Silicon
図2は、本発明の実施の一形態である炭化珪素半導体装置の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、基体準備工程と、ゲート酸化膜形成工程と、電極形成工程とを備える。ゲート酸化膜形成工程は、二酸化珪素膜形成工程と、窒化処理工程と、降温工程とを備える。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、必要な装置および材料が準備されると開始され、ステップS1の基体準備工程に移行する。 FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment of the present invention. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present embodiment includes a base preparation step, a gate oxide film formation step, and an electrode formation step. The gate oxide film forming step includes a silicon dioxide film forming step, a nitriding treatment step, and a temperature lowering step. The method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment starts when necessary devices and materials are prepared, and proceeds to the substrate preparation step of step S1.
図3〜図5は、基体準備工程を説明するための図である。ステップS1の基体準備工程では、基体10を準備する。本実施の形態では、以下のようにして、基体10を作製する。本実施の形態とは異なるが、別途、作製された基体10を準備してもよい。
3-5 is a figure for demonstrating a base | substrate preparation process. In the substrate preparation step of step S1, the
図3は、ドリフト層12の形成が終了した段階の基板11の状態を示す断面図である。ステップS1の基体準備工程では、まず、第1導電型であるn型の炭化珪素基板11の厚み方向一方側の表面上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、第1導電型であるn型の炭化珪素エピタキシャル層から成るドリフト層12を形成する。ドリフト層12の厚み方向における寸法(以下「厚さ」という場合がある)は、5μm〜50μm程度である。ドリフト層12における第1導電型不純物の濃度(以下「第1導電型不純物濃度」という場合がある)は、1×1015cm-3〜1×1018cm-3程度である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the state of the
以上の条件でドリフト層12を形成することによって、窒化物半導体装置1として、数百V〜3kV以上の耐圧を有する縦型高耐圧MOSFETを実現することができる。
By forming the
炭化珪素基板11の面方位としては、(0001)面、(000−1)面、または(11−20)面などを用いることができる。また、炭化珪素基板11のポリタイプとしては、4H、6H、および3Cのいずれかを用いることができる。
As the plane orientation of
図4は、ベース領域13a,13bの形成が終了した段階のドリフト層12および基板11の状態を示す断面図である。前述のようにしてドリフト層12を形成した後、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面に、ベース領域13a,13bを形成する領域が露出するように、不図示のマスクを形成する。たとえば、写真製版技術を用いて、レジスト、二酸化珪素、または窒化珪素などによって、マスクを形成する。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the state of the
形成したマスクを不純物注入阻止膜として用いて、基板11の厚み方向一方側から不純物をイオン注入し、一対のベース領域13a,13bを形成する。具体的には、第2導電型不純物をイオン注入することによって、第2導電型のベース領域13a,13bを形成する。イオン注入後、マスクを除去すると、図4に示す断面構造が得られる。
Using the formed mask as an impurity implantation blocking film, impurities are ion-implanted from one side in the thickness direction of the
製造する炭化珪素半導体装置1がnチャネルMOSFETである場合、ベース領域13a,13bに導入される第2導電型不純物としては、たとえばボロン(B)またはアルミニウム(Al)を用いることができる。製造する炭化珪素半導体装置1がpチャネルMOSFETである場合、第2導電型不純物としては、たとえばリン(P)または窒素(N)を用いることができる。
When silicon
各ベース領域13a,13bの深さは、ドリフト層12の厚さを超えないことが要求される。具体的には、各ベース領域13a,13bの深さは、たとえば0.5μm〜3μm程度である。ここで、「深さ」とは、ドリフト層12の厚み方向一方側の表面からの距離をいう。
The depth of each
各ベース領域13a,13bにおける第2導電型不純物の濃度(以下「第2導電型不純物濃度」という場合がある)は、ドリフト層12における第1導電型不純物濃度を超える濃度に選ばれる。各ベース領域13a,13bにおける第2導電型不純物濃度は、たとえば1×1017cm-3〜1×1019cm-3程度である。
The concentration of the second conductivity type impurity in each of the
図5は、ソース領域14a,14bの形成が終了した段階のドリフト層12および基板11の状態を示す断面図である。ドリフト層12の厚み方向一方側の表面上に、写真製版技術を用いて、ソース領域14a,14bを形成する部分を露出させるように、不図示のマスクを形成する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the state of the
形成したマスクを用いて、各ベース領域13a,13b内に第1導電型不純物をイオン注入して、第1導電型のソース領域14a,14bをそれぞれ形成する。イオン注入後、ソース領域14a,14bの形成に用いたマスクを除去すると、図5に示す断面構造が得られる。このようにして、基板11、ドリフト層12、ベース領域13a,13bおよびソース領域14a,14bで構成される基体10が得られる。
Using the mask thus formed, first conductivity type impurities are ion-implanted into the
ソース領域14a,14b内に導入される第1導電型不純物としては、製造する炭化珪素半導体装置1がnチャネルMOSFETである場合には、たとえばリン(P)または窒素(N)を用いることができ、製造する炭化珪素半導体装置1がpチャネルMOSFETである場合には、たとえばボロン(B)またはアルミニウム(Al)を用いることができる。
As the first conductivity type impurity introduced into
ソース領域14a,14bは、ベース領域13a,13bよりも浅く形成される。すなわち、ソース領域14a,14bの深さは、ベース領域13a,13bの深さよりも小さい値に選ばれる。各ソース領域14a,14bに導入される第1導電型不純物の濃度は、たとえば1×1018cm-3〜1×1021cm-3程度である。
The
マスクの除去後は、熱処理装置によって、基体10を、たとえば1300℃〜1900℃の高温条件下で、たとえば30秒〜1時間程度熱処理する。これによって、注入されたイオンが電気的に活性化される。以上のようにして基体10が作製されると、ステップS2のゲート酸化膜形成工程に移行する。
After removal of the mask, the
図6は、ゲート酸化膜15の形成が終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。ステップS2のゲート酸化膜形成工程では、以下のようにして基体10上にゲート酸化膜15を形成する。まず、ステップS21の二酸化珪素膜形成工程において、基体10の厚み方向一方側の表面上に、たとえば化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition;略称:CVD)法によって、ゲート酸化膜15となる二酸化珪素膜を形成する。CVD法では、反応炉内に基体10を投入して、二酸化珪素膜の形成が行われる。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the state of the
ステップS21の二酸化珪素膜形成工程では、化学的気相成長法に代えて、酸素を含む雰囲気での熱酸化によって、二酸化珪素膜を形成してもよい。二酸化珪素膜の形成後、基体10を反応炉内から取出し、ステップS22の窒化処理工程に移行する。
In the silicon dioxide film forming step of step S21, a silicon dioxide film may be formed by thermal oxidation in an atmosphere containing oxygen instead of chemical vapor deposition. After the formation of the silicon dioxide film, the
ステップS22の窒化処理工程では、以下のようにして窒化処理を行う。基板10を窒化処理用の反応炉内に投入した後、反応炉内の雰囲気を不活性ガスの雰囲気(以下「不活性ガス雰囲気」という場合がある)として、反応炉内を昇温する。不活性ガスとしては、たとえば窒素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスを用いる。
In the nitriding process in step S22, nitriding is performed as follows. After the
反応炉内が、予め定める窒化処理温度に到達した時点で、反応炉内の雰囲気を、窒素酸化物ガスを含む雰囲気(以下「窒素酸化物ガス雰囲気」という場合がある)に置換する。窒素酸化物ガスとしては、一酸化窒素(NO)ガス、一酸化二窒素(N2O)ガスおよび二酸化窒素(NO2)ガスから選択される少なくとも1種のガスを用いる。その中でも、たとえば一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガスを用いることが望ましく、一酸化窒素ガスを用いることが特に望ましい。 When the inside of the reaction furnace reaches a predetermined nitriding temperature, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an atmosphere containing nitrogen oxide gas (hereinafter sometimes referred to as “nitrogen oxide gas atmosphere”). As the nitrogen oxide gas, at least one gas selected from nitrogen monoxide (NO) gas, dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, and nitrogen dioxide (NO 2 ) gas is used. Among these, for example, it is desirable to use nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, and it is particularly desirable to use nitrogen monoxide gas.
反応炉内の雰囲気を窒素酸化物ガス雰囲気に置換した時点から、予め定める窒化処理時間が経過するまで、窒素酸化物ガス雰囲気で、反応炉内の温度を窒化処理温度に維持する。窒化処理時間としては、10分〜10時間程度が望ましい。 From the time when the atmosphere in the reaction furnace is replaced with the nitrogen oxide gas atmosphere, the temperature in the reaction furnace is maintained at the nitriding temperature in the nitrogen oxide gas atmosphere until a predetermined nitriding time elapses. The nitriding time is preferably about 10 minutes to 10 hours.
このような窒化処理工程を実行することによって、欠陥の発生を防ぎ、二酸化珪素と炭化珪素との界面の状態を良好にすることができる。 By performing such a nitriding process, it is possible to prevent the occurrence of defects and improve the state of the interface between silicon dioxide and silicon carbide.
窒化処理中の反応炉内における窒素酸化物ガス雰囲気としては、窒素酸化物ガスのみを含むガス雰囲気だけでなく、一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガスなどの窒素酸化物ガスを、窒素ガス、アルゴンガスまたはヘリウムガスなどの不活性ガスで希釈したガス雰囲気が用いられてもよい。また窒素酸化物ガス雰囲気は、2種類以上の窒素酸化物ガスを含んでもよく、たとえば一酸化窒素ガスと一酸化二窒素ガスとが混在する雰囲気が窒素酸化物ガス雰囲気として用いられてもよい。 The nitrogen oxide gas atmosphere in the reactor during the nitriding treatment includes not only a gas atmosphere containing only the nitrogen oxide gas, but also nitrogen oxide gas such as nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, nitrogen gas, A gas atmosphere diluted with an inert gas such as argon gas or helium gas may be used. The nitrogen oxide gas atmosphere may include two or more types of nitrogen oxide gases. For example, an atmosphere in which nitrogen monoxide gas and dinitrogen monoxide gas are mixed may be used as the nitrogen oxide gas atmosphere.
窒化処理温度は、900℃以上1450℃以下であることが望ましく、1150℃以上1350℃以下であることが特に望ましい。1150℃未満の低温条件下では、窒化速度が比較的遅く、窒素原子による界面準位の不活性化が進行しにくい。特に900℃未満の低温条件下では、窒化速度が非常に遅く、窒素原子による界面準位の不活性化がほとんど進行しない。 The nitriding temperature is preferably 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, and particularly preferably 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. Under low temperature conditions of less than 1150 ° C., the nitriding rate is relatively slow, and the inactivation of interface states by nitrogen atoms does not proceed easily. In particular, under a low temperature condition of less than 900 ° C., the nitriding rate is very slow, and interface state inactivation by nitrogen atoms hardly proceeds.
また、1350℃を超える高温条件下では、一酸化窒素または一酸化二窒素の分解によって生じる酸素による熱酸化が進行し、新たな界面準位が増加する。特に1450℃を超える高温条件下では、一酸化窒素または一酸化二窒素の分解によって生じる酸素による熱酸化が進行しやすく、新たな界面準位が増加しやすい。 Further, under high temperature conditions exceeding 1350 ° C., thermal oxidation by oxygen generated by decomposition of nitric oxide or dinitrogen monoxide proceeds, and a new interface state increases. In particular, under high temperature conditions exceeding 1450 ° C., thermal oxidation by oxygen generated by decomposition of nitric oxide or dinitrogen monoxide tends to proceed, and new interface states tend to increase.
したがって、窒化処理温度は、900℃以上1450℃以下であることが望ましく、1150℃以上1350℃以下であることが特に望ましい。これを踏まえて、本実施の形態では、窒化処理工程において、反応炉内の温度を900℃以上1450℃以下、具体的には1150℃以上1350℃以下として、熱処理を行う。 Therefore, the nitriding temperature is preferably 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, and particularly preferably 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. Based on this, in this embodiment, in the nitriding process, the temperature in the reaction furnace is set to 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, specifically, 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower, and heat treatment is performed.
以上のようにして窒化処理を行った後は、ステップS23の降温工程に移行する。ステップS23の降温工程では、反応炉内を窒素酸化物ガス雰囲気で満たした状態で降温する。窒素酸化物ガス雰囲気での降温は、反応炉内の温度が950℃以下になるまで行うことが望ましい。反応炉内の温度が950℃以下になれば、反応炉内のガス雰囲気を、不活性ガス雰囲気に置換してもよい。これは以下の理由による。 After performing the nitriding process as described above, the process proceeds to a temperature lowering process in step S23. In the temperature lowering step in step S23, the temperature is lowered in a state where the inside of the reaction furnace is filled with a nitrogen oxide gas atmosphere. It is desirable to lower the temperature in the nitrogen oxide gas atmosphere until the temperature in the reactor becomes 950 ° C. or lower. If the temperature in the reaction furnace becomes 950 ° C. or lower, the gas atmosphere in the reaction furnace may be replaced with an inert gas atmosphere. This is due to the following reason.
二酸化珪素中の酸素の拡散エネルギーは、以下の参考文献1によれば、およそ1.3eVである。参考文献1:E.L.Williams、Journal of the American Ceramic Society、1965年、48巻、p.190
According to the
二酸化珪素中における1300℃での酸素の拡散係数が1.4×10-13cm2/secであるのに対して、二酸化珪素中における950℃での酸素の拡散係数は、8.8×10-15cm2/secである。すなわち、950℃になると、二酸化珪素中の酸素の拡散係数は、1300℃での拡散係数の10分の1(1/10)以下まで低下する。つまり、950℃以下の温度領域では、二酸化珪素膜中の酸素の拡散が抑制され、酸素空孔の発生数が低下する。したがって、反応炉内を窒素酸化物ガス雰囲気で満たした状態で950℃以下まで降温することによって、後述する本発明の効果が十分に得られる。 The diffusion coefficient of oxygen at 1300 ° C. in silicon dioxide is 1.4 × 10 −13 cm 2 / sec, whereas the diffusion coefficient of oxygen at 950 ° C. in silicon dioxide is 8.8 × 10 6. -15 cm 2 / sec. That is, at 950 ° C., the diffusion coefficient of oxygen in silicon dioxide decreases to 1/10 (1/10) or less of the diffusion coefficient at 1300 ° C. That is, in the temperature range of 950 ° C. or lower, the diffusion of oxygen in the silicon dioxide film is suppressed, and the number of oxygen vacancies is reduced. Therefore, by lowering the temperature to 950 ° C. or lower in a state where the reaction furnace is filled with a nitrogen oxide gas atmosphere, the effects of the present invention described later can be sufficiently obtained.
以上のことから、本実施の形態では、窒素酸化物ガス雰囲気での降温をたとえば900℃までとし、その後に、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気への置換と、基体10の取出し温度として予め定める温度までの降温とを実行する。本発明の効果を最大限に得るために、反応炉内の雰囲気の不活性ガス雰囲気への置換は、反応炉内の温度が基体10の取出し温度に到達してから実行してもよい。
From the above, in the present embodiment, the temperature drop in the nitrogen oxide gas atmosphere is set to, for example, 900 ° C., and thereafter, the temperature is replaced with an inert gas atmosphere such as nitrogen gas and the
基体10の取出し温度は、窒化処理温度よりも低く、かつ大気との反応が起こりにくい温度に選ばれる。具体的には、基体10の取出し温度は、たとえば500℃〜800℃である。
The temperature at which the
以上のようにして基体10を取出した後は、ステップS3の電極形成工程に移行する。図7〜図9は、電極形成工程を説明するための図である。ステップS3の電極形成工程では、以下のようにして前述の図1に示すゲート電極16、ソース電極17およびドレイン電極18を形成する。
After the
図7は、ゲート電極16の形成が終了した段階の基体10を示す断面図である。ゲート酸化膜15の厚み方向一方側の表面上に、ゲート電極16となるゲート電極膜を成膜する。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the
次いで、写真製版技術を用いて、ゲート電極膜をパターニングして、ゲート電極16を形成する。ゲート電極16は、ベース領域13a,13bおよびソース領域14a,14bが、ゲート電極16の両端部に位置し、一対のベース領域13a,13b間で露出したドリフト層12が、ゲート電極16の中央に位置するような形状にゲート電極膜をパターニングすることによって形成される。
Next, the gate electrode film is patterned using the photoengraving technique to form the
ゲート電極16と、一対のソース領域14a,14bとは、厚み方向一方側から平面的に見て、たとえば10nm〜5μmの範囲で、重なり合うように形成されることが望ましい。これによって、ゲート電極16の端部におけるフリンジ効果の影響を抑制して、ベース領域13a,13bの表面に均一に電圧を印加することができる。したがって、ベース領域13a,13b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。
The
ゲート電極16の材料としては、n型またはp型の多結晶珪素(ポリシリコン)を用いてもよいし、n型またはp型の多結晶炭化珪素を用いてもよい。また、アルミニウム、チタン、モリブデン、タンタル、ニオブまたはタングステンなどの低抵抗高融点金属を用いてもよいし、これらの低抵抗高融点金属の窒化物を用いてもよい。
As a material of the
図8は、ゲート酸化膜15のパターニングが終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。ゲート電極16のパターニング後、ゲート酸化膜15の不要部分を、写真製版技術を用いたパターニングと、ウェットエッチングまたはドライエッチングとによって除去する。これによって、図8に示すように、ソース領域14a,14bの表面が露出する。ゲート酸化膜15は、厚み方向に垂直な幅方向における寸法が、ゲート電極16よりも長く形成される。これによって、次工程で形成されるソース電極17a,17bとゲート電極16との間を、確実に電気的に分離することができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the state of the
図9は、ソース電極17a,17bの形成が終了した段階の基体10の状態を示す断面図である。ゲート酸化膜15のパターニング後は、ソース領域14a,14bの露出した部分に、図9に示すように、ソース電極17a,17bを形成する。具体的には、ソース電極17a,17bとなるソース電極膜を成膜した後、パターニングすることによって、ソース電極17a,17bを形成する。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the state of the
その後、基板11の裏面、すなわち厚み方向他方側の表面に、前述の図1に示すようにドレイン電極18を形成する。これによって、図1に示す素子構造を有する炭化珪素半導体装置1の主要部が完成する。
Thereafter, the
ソース電極17a,17bおよびドレイン電極18の材料としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、銅または金などを用いてもよいし、これらの複合物を用いてもよい。
As a material for the
ソース電極17a,17bの形成後には、ソース電極17a,17bのソース領域14a,14bに対するオーミック接触を得るために、1000℃程度の熱処理が行われてもよい。また、ドレイン電極18の形成後には、ドレイン電極18の基板11に対するオーミック接触を得るために、1000℃程度の熱処理が行われてもよい。
After the formation of the
以上のように本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、ゲート酸化膜形成工程の二酸化珪素膜形成工程において、基体10上にゲート酸化膜15となる二酸化珪素膜が形成される。二酸化珪素膜が形成された基体10が、窒化処理工程において、反応炉内で、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で熱処理されることによって窒化処理される。この窒化処理によって、炭化珪素半導体装置1のチャネル移動度を向上させることができる。
As described above, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the silicon dioxide film to be
窒化処理工程の後は、降温工程において、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、反応炉内が降温される。このように降温することによって、窒化処理後の酸素空孔の発生を抑えることができるので、炭化珪素半導体装置1のしきい値電圧の低下を抑えることができる。この効果は、ゲート絶縁膜であるゲート絶縁膜15中の固定電荷の低減にのみ限定されるので、しきい値電圧の低下が抑えられることに伴って、チャネル移動度が低下することはない。したがって、炭化珪素半導体装置1のしきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。
After the nitriding treatment step, the temperature in the reaction furnace is lowered in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in the temperature lowering step. By lowering the temperature in this way, it is possible to suppress the generation of oxygen vacancies after the nitriding treatment, and thus it is possible to suppress a decrease in the threshold voltage of silicon
図10および図11は、窒化処理工程および降温工程におけるプロセスシーケンスを示す図である。図10は、本発明の実施の一形態における窒化処理工程および降温工程のプロセスシーケンスを示す図である。図10では、実施例として、図2に示すステップS21のゲート酸化膜形成工程でCVDによって二酸化珪素膜を形成し、ステップS22の窒化処理工程で一酸化窒素ガスによって窒化処理を行い、ステップS23の降温工程で反応炉内を窒素酸化物ガス雰囲気で満たして降温した場合のプロセスシーケンスを示す。 10 and 11 are diagrams showing process sequences in the nitriding treatment step and the temperature lowering step. FIG. 10 is a diagram showing a process sequence of the nitriding treatment step and the temperature lowering step in the embodiment of the present invention. In FIG. 10, as an example, a silicon dioxide film is formed by CVD in the gate oxide film forming process in step S <b> 21 shown in FIG. 2, and nitriding is performed with nitrogen monoxide gas in the nitriding process in step S <b> 22. A process sequence when the temperature in the reactor is lowered with a nitrogen oxide gas atmosphere in the temperature lowering step is shown.
図11は、比較例における窒化処理工程および降温工程のプロセスシーケンスを示す図である。図11では、比較例として、実施例と同様にステップS21のゲート酸化膜形成工程およびステップS22の窒化処理工程を行った後、反応炉内を不活性ガスである窒素ガスに置換して不活性ガス雰囲気として、反応炉内の温度を基板取出し温度まで降温する場合のプロセスシーケンスを示す。 FIG. 11 is a diagram illustrating a process sequence of a nitriding process and a temperature lowering process in the comparative example. In FIG. 11, as a comparative example, after performing the gate oxide film forming step of step S21 and the nitriding step of step S22 as in the embodiment, the inside of the reaction furnace is replaced with nitrogen gas which is an inert gas. A process sequence in a case where the temperature in the reaction furnace is lowered to the substrate take-out temperature as the gas atmosphere is shown.
実施例および比較例のいずれにおいても、時刻t1において、窒化処理用の反応炉の昇温が開始される。時刻t2において、反応炉内の温度が、予め定める基体投入取出温度T0に達すると、基体10が反応炉内に投入される。このとき、反応炉内は、不活性ガス雰囲気A0とされる。基体投入取出温度T0は、基体10の投入温度として予め定められる温度であり、かつ基体10の取出し温度として予め定められる温度である。
In both the example and the comparative example, the temperature increase of the nitriding reactor is started at time t1. When the temperature in the reaction furnace reaches a predetermined substrate charging / discharging temperature T0 at time t2, the
時刻t3において、反応炉の昇温が再開される。時刻t4において、反応炉内の温度が、予め定める窒化処理温度TNに達すると、時刻t5において、反応炉内の雰囲気が、窒素酸化物ガス雰囲気ANに置換され、熱処理が開始される。時刻t6において、予め定める窒化処理時間が経過すると、熱処理が終了される。 At time t3, the temperature rise of the reactor is resumed. When the temperature in the reaction furnace reaches a predetermined nitriding temperature TN at time t4, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with the nitrogen oxide gas atmosphere AN at time t5, and heat treatment is started. When a predetermined nitriding time elapses at time t6, the heat treatment is finished.
図10に示す実施例では、時刻t6において、熱処理が終了されると、窒素酸化物ガス雰囲気ANのまま、図2に示すステップS23の降温工程に移行し、降温が開始される。時刻t7において、反応炉内の温度が900℃に達すると、反応炉内の雰囲気が不活性ガス雰囲気A0に置換される。本実施例では、不活性ガス雰囲気A0として、窒素ガスの雰囲気を用いている。 In the example shown in FIG. 10, when the heat treatment is completed at time t6, the process proceeds to the temperature lowering process of step S23 shown in FIG. When the temperature in the reaction furnace reaches 900 ° C. at time t7, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with an inert gas atmosphere A0. In this embodiment, an atmosphere of nitrogen gas is used as the inert gas atmosphere A0.
その後、反応炉の降温が継続され、時刻t8において、反応炉内の温度が、予め定める基板投入取出温度T0に達すると、降温が終了され、時刻t9において、反応炉内から基体10が取出される。反応炉内の温度は、時刻t10において、昇温前の温度に戻る。
Thereafter, the temperature decrease of the reaction furnace is continued. When the temperature in the reaction furnace reaches a predetermined substrate loading / unloading temperature T0 at time t8, the temperature decrease is completed, and at time t9, the
これに対し、図11に示す比較例では、時刻t6において、熱処理が終了されると、反応炉内の雰囲気が、不活性ガス雰囲気A0に置換される。その後、時刻t11において、不活性ガス雰囲気A0で、降温が開始される。時刻t12において、反応炉内の温度が、基体投入取出温度T0に達すると、降温が終了され、時刻t13において、反応炉内から基体10が取出される。反応炉内の温度は、時刻t14において、昇温前の温度に戻る。
In contrast, in the comparative example shown in FIG. 11, when the heat treatment is completed at time t6, the atmosphere in the reaction furnace is replaced with the inert gas atmosphere A0. Thereafter, at time t11, temperature reduction is started in the inert gas atmosphere A0. When the temperature in the reaction furnace reaches the substrate charging / discharging temperature T0 at time t12, the temperature drop is finished, and at time t13, the
図12は、実施例および比較例で製造したMOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。図12では、実施例で製造したMOSFETの測定結果を黒丸「●」で示し、比較例で製造したMOSFETの測定結果を白丸「○」示す。図12において、横軸はゲート電圧[V]を示し、縦軸はドレイン電流[A]を示す。参照符「31」で示される直線と、横軸との交点のゲート電圧は、実施例で製造したMOSFETのしきい値電圧に相当する。参照符「32」で示される直線と、横軸との交点のゲート電圧は、比較例で製造したMOSFETのしきい値電圧に相当する。 FIG. 12 is a graph showing gate voltage-drain current characteristics of MOSFETs manufactured in Examples and Comparative Examples. In FIG. 12, the measurement result of the MOSFET manufactured in the example is indicated by a black circle “●”, and the measurement result of the MOSFET manufactured in the comparative example is indicated by a white circle “◯”. In FIG. 12, the horizontal axis represents the gate voltage [V], and the vertical axis represents the drain current [A]. The gate voltage at the intersection of the straight line indicated by reference numeral “31” and the horizontal axis corresponds to the threshold voltage of the MOSFET manufactured in the example. The gate voltage at the intersection of the straight line indicated by the reference sign “32” and the horizontal axis corresponds to the threshold voltage of the MOSFET manufactured in the comparative example.
図12から、実施例で製造したMOSFETでは、比較例で製造したMOSFETに比べて、しきい値電圧が、およそ1.0V上昇していることが分かる。このことから、実施例のように窒化処理後の反応炉内の降温を窒素酸化物ガス雰囲気ANで行うことによって、しきい値電圧の低下を抑えることができることが分かる。 From FIG. 12, it can be seen that the threshold voltage of the MOSFET manufactured in the example is increased by about 1.0 V compared to the MOSFET manufactured in the comparative example. From this, it can be seen that the decrease in the threshold voltage can be suppressed by lowering the temperature in the reaction furnace after the nitriding treatment in the nitrogen oxide gas atmosphere AN as in the embodiment.
このように本実施の形態によれば、窒化処理後、窒素酸化物ガス雰囲気ANで反応炉内を降温するので、窒化処理によるしきい値電圧の低下を抑えることができる。これによって、窒素酸化物ガス雰囲気で降温しない場合、たとえば不活性ガス雰囲気で降温する場合に比べて、しきい値電圧を高めることができる。したがって、前述のように炭化珪素半導体装置1のしきい値電圧の低下を抑えて、チャネル移動度を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, after the nitriding process, the temperature in the reaction furnace is lowered in the nitrogen oxide gas atmosphere AN, so that a decrease in threshold voltage due to the nitriding process can be suppressed. Thereby, when the temperature is not lowered in the nitrogen oxide gas atmosphere, the threshold voltage can be increased as compared with the case where the temperature is lowered in the inert gas atmosphere, for example. Therefore, as described above, channel mobility can be improved while suppressing a decrease in threshold voltage of silicon
また本実施の形態では、降温工程において、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、反応炉内を950℃以下まで降温する。前述のように950℃以下の温度領域では、二酸化珪素膜中の酸素の拡散を抑制することができるので、酸素空孔の発生を抑えることができる。したがって、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で、反応炉内を950℃以下まで降温することによって、しきい値電圧の低下を抑えることができるという前述の本発明の効果を十分に得ることができる。 In this embodiment, in the temperature lowering step, the temperature in the reaction furnace is decreased to 950 ° C. or lower in an atmosphere containing nitrogen oxide gas. As described above, in the temperature range of 950 ° C. or lower, diffusion of oxygen in the silicon dioxide film can be suppressed, so that generation of oxygen vacancies can be suppressed. Therefore, by lowering the temperature in the reactor to 950 ° C. or lower in an atmosphere containing nitrogen oxide gas, the above-described effect of the present invention can be sufficiently obtained that the reduction in threshold voltage can be suppressed.
また本実施の形態では、降温工程において、窒素酸化物ガスを含む雰囲気で反応炉内を950℃以下まで降温した後は、反応炉内を、窒素酸化物ガスを含む雰囲気から、不活性ガス雰囲気に置換して、反応炉内を降温する。これによって、基体10の不所望な窒化を抑えることができる。
Further, in this embodiment, after the temperature inside the reaction furnace is lowered to 950 ° C. or less in an atmosphere containing nitrogen oxide gas in the temperature lowering step, the inside of the reaction furnace is changed from an atmosphere containing nitrogen oxide gas to an inert gas atmosphere. The temperature in the reactor is lowered. Thereby, undesired nitridation of the
また本実施の形態では、窒化処理工程で用いられる窒素酸化物ガスは、一酸化窒素(NO)ガス、一酸化二窒素(N2O)ガスおよび二酸化窒素(NO2)ガスから選択される少なくとも1種のガスである。これによって、窒化処理を効果的に行うことができる。具体的には、ゲート酸化膜15の二酸化珪素と基体10の炭化珪素との界面に発生した欠陥準位をより確実に電気的に不活性化し、炭化珪素と二酸化珪素との界面での欠陥準位の密度を確実に低減することができる。したがって、キャリア移動度を確実に向上させることができる。
In the present embodiment, the nitrogen oxide gas used in the nitriding treatment step is at least selected from nitrogen monoxide (NO) gas, dinitrogen monoxide (N 2 O) gas, and nitrogen dioxide (NO 2 ) gas. One kind of gas. Thereby, the nitriding treatment can be performed effectively. Specifically, the defect level generated at the interface between the silicon dioxide of the
これらの窒素酸化物ガスの中でも、一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガスを用いることが望ましく、一酸化窒素ガスを用いることが特に望ましい。一酸化窒素ガスまたは一酸化二窒素ガス、特に一酸化窒素ガスを用いることによって、前述の欠陥準位の不活性化および欠陥準位の密度の低減をより確実に行うことができるので、キャリア移動度をより確実に向上させることができる。 Among these nitrogen oxide gases, it is desirable to use nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, and it is particularly desirable to use nitrogen monoxide gas. By using nitrogen monoxide gas or dinitrogen monoxide gas, in particular nitrogen monoxide gas, the above-described defect level inactivation and defect level density can be more reliably performed. The degree can be improved more reliably.
また本実施の形態では、窒化処理工程において、反応炉内の温度を900℃以上1450℃以下、具体的には1150℃以上1350℃以下とした熱処理によって窒化処理を行う。これによって、窒化処理を効果的に行うことができる。具体的には、窒素原子による界面準位の不活性化をより確実に行うことができる。また窒素酸化物ガスの分解を抑えて、分解によって生じる酸素による熱酸化を防ぎ、新たな界面準位の増加を防ぐことができる。したがって、炭化珪素半導体装置1のキャリア移動度をより確実に向上させることができる。
In this embodiment, in the nitriding treatment step, the nitriding treatment is performed by heat treatment in which the temperature in the reaction furnace is 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, specifically, 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. Thereby, the nitriding treatment can be performed effectively. Specifically, inactivation of the interface state by nitrogen atoms can be performed more reliably. Further, decomposition of the nitrogen oxide gas can be suppressed, thermal oxidation due to oxygen generated by the decomposition can be prevented, and an increase in new interface states can be prevented. Therefore, the carrier mobility of silicon
このように反応炉内の温度を900℃以上1450℃以下、具体的には1150℃以上1350℃以下の比較的高温とした熱処理によって窒化処理を行う場合に、窒化処理が終了した直後に反応炉内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換して降温すると、二酸化珪素膜中に酸素空孔が発生して、しきい値電圧が低下することがある。 As described above, when nitriding is performed by a heat treatment in which the temperature in the reactor is set to 900 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, specifically, 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower, the reactor is immediately after the nitriding is completed. When the temperature inside the inside atmosphere is replaced with an inert gas atmosphere, oxygen vacancies are generated in the silicon dioxide film, and the threshold voltage may be lowered.
これに対し、本実施の形態では、前述のように、窒化処理後は窒素酸化物ガス雰囲気で反応炉内を降温するので、二酸化珪素膜中の酸素空孔の発生を抑えて、しきい値電圧の低下を抑えることができる。したがって、しきい値電圧の低下を抑えつつ、前述のように窒化処理を効果的に行って、炭化珪素半導体装置1のキャリア移動度をより確実に向上させることができる。
In contrast, in the present embodiment, as described above, the temperature inside the reactor is lowered in a nitrogen oxide gas atmosphere after the nitriding treatment, so that the generation of oxygen vacancies in the silicon dioxide film is suppressed, and the threshold value is reduced. A decrease in voltage can be suppressed. Therefore, it is possible to effectively improve the carrier mobility of silicon
また本実施の形態では、二酸化珪素膜形成工程において、炭化珪素基体10の表面に、CVD法によって二酸化珪素膜を堆積して形成する。この工程において形成された二酸化珪素膜と基体10との界面には、欠陥に起因する欠陥準位が発生することがある。本実施の形態では、窒化処理工程で窒化処理が行われるので、二酸化珪素膜と基体10との界面に発生した欠陥準位を電気的に不活性化することができる。
In the present embodiment, in the silicon dioxide film forming step, a silicon dioxide film is deposited and formed on the surface of
これによって、二酸化珪素膜と基体10との界面での欠陥準位の密度を低減することができる。したがって、二酸化珪素膜が、欠陥の発生する可能性のあるCVD法によって形成される場合でも、炭化珪素半導体装置1のチャネル移動度を向上させることができる。
As a result, the density of defect levels at the interface between the silicon dioxide film and the
また本実施の形態とは異なるが、二酸化珪素膜形成工程では、前述のように炭化珪素基体10の表面を、酸素を含む雰囲気中で熱酸化することによって、二酸化珪素膜を形成してもよい。この場合でも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
Although different from the present embodiment, in the silicon dioxide film formation step, the silicon dioxide film may be formed by thermally oxidizing the surface of the
以上に述べた本実施の形態では、炭化珪素半導体装置1は、MOSFETであるが、これに限定されない。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基体上に形成される二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として有するMOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの絶縁ゲート型トランジスタ素子に適用することができる。ここで、「炭化珪素基体上」とは、炭化珪素基体が炭化珪素基板のみで構成される場合には、炭化珪素基板上を意味し、炭化珪素基体が、炭化珪素基板とその上に形成される炭化珪素層とを含んで構成される場合には、炭化珪素層上を意味する。
In the present embodiment described above, silicon
絶縁ゲート型トランジスタ素子としては、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極が、基板の同一面上に形成される横型半導体素子であってもよく、ソース電極およびゲート電極とドレイン電極とが基板を挟んで反対側に形成される縦型半導体素子であってもよい。すなわち、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法は、横型半導体素子に対しても適用することができ、また縦型半導体素子に対しても適用することができる。 The insulated gate transistor element may be a lateral semiconductor element in which the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are formed on the same surface of the substrate, and the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode sandwich the substrate. It may be a vertical semiconductor element formed on the opposite side. That is, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment can be applied to a horizontal semiconductor element and can also be applied to a vertical semiconductor element.
本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の構成要素を適宜、変形または省略することが可能である。たとえば、本実施の形態では、炭化珪素基体10は、炭化珪素基板11と、ドリフト層12と、ベース領域13a,13bと、ソース領域14a,14bとによって構成されるが、他の炭化珪素層を含んでもよいし、また炭化珪素基板11のみで構成されてもよい。
In the present invention, the constituent elements of the embodiments can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention. For example, in the present embodiment,
1 炭化珪素半導体装置、10 基体、11 基板、12 ドリフト層、13a,13b ベース領域、14a,14b ソース領域、15 ゲート酸化膜、16 ゲート電極、17a,17b ソース電極、18 ドレイン電極。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記炭化珪素基体上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程とを備え、
前記絶縁膜形成工程は、
炭化珪素基体上に、前記絶縁膜となる二酸化珪素膜を形成する二酸化珪素膜形成工程と、
前記二酸化珪素膜が形成された前記炭化珪素基体を、反応炉内で、前記反応炉内の温度を1150℃以上1350℃以下として、一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気で熱処理することによって窒化処理する窒化処理工程と、
前記窒化処理工程の後に、前記一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気で満たした状態で、前記反応炉内を950℃以下まで降温した後、前記反応炉内を、前記一酸化窒素(NO)ガスを含む雰囲気から、不活性ガスの雰囲気に置換して、前記反応炉内を降温する降温工程とを備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 A substrate preparation step of preparing a silicon carbide substrate;
An insulating film forming step of forming an insulating film on the silicon carbide substrate,
The insulating film forming step includes
A silicon dioxide film forming step of forming a silicon dioxide film to be the insulating film on the silicon carbide substrate;
The silicon carbide substrate on which the silicon dioxide film is formed is nitrided by heat-treating in a reaction furnace at a temperature in the reaction furnace of 1150 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower in an atmosphere containing nitrogen monoxide (NO) gas. A nitriding process to be processed;
After the nitriding treatment step, the reactor is cooled to 950 ° C. or lower in a state filled with the atmosphere containing the nitrogen monoxide (NO) gas, and then the reactor is heated in the nitrogen monoxide (NO). A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising: a temperature lowering step of lowering the temperature in the reaction furnace by substituting an atmosphere containing gas with an atmosphere of an inert gas .
前記炭化珪素基体の表面に、化学的気相成長法によって前記二酸化珪素膜を堆積して形成することを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 In the silicon dioxide film forming step,
Wherein the surface of the silicon carbide substrate, method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2 by chemical vapor deposition, and forming by depositing the silicon dioxide film.
前記炭化珪素基体の表面を、酸素を含む雰囲気中で熱酸化することによって、前記二酸化珪素膜を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 In the silicon dioxide film forming step,
The surface of the silicon carbide substrate, by thermal oxidation in an atmosphere containing oxygen, a method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized that you form the silicon dioxide film.
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