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公開番号2025106778
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-16
出願番号2024061770
出願日2024-04-05
発明の名称炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置
出願人富士電機株式会社
代理人個人
主分類H10D 30/60 20250101AFI20250709BHJP()
要約【課題】チャネル移動度の低下を防止することができる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置を提供すること。
【解決手段】MOSゲートを形成するにあたって、まず、半導体基体を加熱しないか、または半導体基体を400℃以下程度の低温度に加熱した状態で、水素ガス、希ガスまたはハロゲン系ガスを含む非酸化の原料ガスを用いて半導体基体の表面を低温プラズマエッチングする。この低温プラズマエッチングに連続して、半導体基体を酸素雰囲気に曝すことなく、スパッタリング法等によって半導体基体の表面にゲート絶縁膜を堆積する。次に、NOガス、N₂OガスまたはN₂ガスを用いた熱処理により、ゲート絶縁膜と半導体基体との界面を窒化する。これによって、ゲート絶縁膜と半導体基体との界面の欠陥密度、SiCの酸化に由来する余剰炭素量および余剰炭素分布幅が低減される。その後、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
炭化珪素からなる半導体基体に絶縁ゲートを備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基体を加熱しないか、または前記半導体基体を４００℃以下の温度で加熱した状態で、前記半導体基体の表面を、酸素原子を含まない原料ガスを用いて発生させたプラズマによってエッチングする第１工程と、
前記第１工程の後、前記半導体基体を酸素雰囲気に曝すことなく、前記半導体基体の表面に前記絶縁ゲートを構成するゲート絶縁膜を堆積する第２工程と、
前記ゲート絶縁膜と前記半導体基体との界面を窒化する第３工程と、
前記半導体基体の表面に前記ゲート絶縁膜を介して対向して前記絶縁ゲートを構成するゲート電極を形成する第４工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
続きを表示（約 940 文字）【請求項２】
前記第１工程では、前記半導体基体の表面を前記プラズマに曝して前記半導体基体の表層を溶解す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の製造方法。
【請求項３】
前記第１工程では、水素ガスを含む前記原料ガスを用い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。
【請求項４】
前記第１工程では、前記半導体基体の表面に前記プラズマ中のラジカルを衝突させて前記半導体基体の表層を削り取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の製造方法。
【請求項５】
前記第１工程では、希ガスまたはハロゲン系ガスを含む前記原料ガスを用いることを特徴とする請求項１または４に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第１工程の後、前記第２工程の前、酸素を含まない雰囲気において８００℃以上１０００℃以下の温度で前記半導体基体を加熱する第５工程を含む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の製造方法。
【請求項７】
前記第１工程と前記第２工程とを同一のチャンバー内で連続して行う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の製造方法。
【請求項８】
前記第２工程では、スパッタリング法によって前記ゲート絶縁膜を堆積することを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第２工程では、プラズマ支援化学気相堆積法によって前記ゲート絶縁膜を堆積することを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２工程は、
前記第１工程の後、前記半導体基体を酸素雰囲気に曝すことなく、前記半導体基体を加熱しないか、または前記半導体基体を６００℃以下の温度で加熱した状態で、前記半導体基体の表面に、酸素原子を含まない珪素含有層を堆積する第１堆積工程と、
前記珪素含有層の上に前記ゲート絶縁膜を堆積する第２堆積工程と、を含む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の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この開示は、炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置に関する。
続きを表示（約 3,700 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ゲート絶縁膜の形成前に、炭化珪素（ＳｉＣ）表面に析出したドーパントや余剰炭素の析出層を再析出しないようにエッチングしてＳｉＣ表面を平坦化することで、チャネル移動度の低下を抑制する技術が記載されている。特許文献２には、ゲート絶縁膜の形成前に、ＳｉＣ基板の表面を原子状水素の照射によりエッチングして平坦化することで、チャネル抵抗の増大を抑制する技術が記載されている。特許文献３には、ＳｉＣ基板の表面をＨ
2
ガスでエッチングしてからＳｉＣ基板の表面にＳｉＯ
2
膜を形成し、その後、ＳｉＯ
2
膜とＳｉＣ基板との界面（以下、ＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面とする）を窒化することで、ＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面の欠陥密度を低減する技術が記載されている。特許文献４には、熱酸化によるＳｉＯ
2
膜の形成時にＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面の窒素量を所定範囲内にすることでＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面の余剰炭素を低減する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２１－０８２６８９号公報
特許第６４４７７３２号公報
特開２０２１－１９２３９７号公報
特開２０１８－１８６１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１，３では、１２００℃以上の高温度の処理を含むため、この高温度の処理前にＳｉＣ表面にフィールド酸化膜等の絶縁層（ＳｉＯ
2
）が存在していると、当該絶縁層にダメージが生じる。上記特許文献２では、８００℃以上の温度でＳｉＣ基板を加熱した状態でＳｉＣ基板の表面を原子状水素の照射によりエッチングするが、絶縁層がＳｉＣよりも原子状水素と反応しやすいため、絶縁層の表面荒れが顕著となる。このため、上記特許文献１～３では、製造プロセスの設計変更が必要となる虞がある。上記特許文献４では、ＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面の余剰炭素が十分に低減されているとは言えない。
【０００５】
この開示は、チャネル移動度の低下を防止することができる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この開示の一態様にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素からなる半導体基体に絶縁ゲートを備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、以下の通りである。前記半導体基体を加熱しないか、または前記半導体基体を４００℃以下の温度で加熱した状態で、前記半導体基体の表面を、酸素原子を含まない原料ガスを用いて発生させたプラズマによってエッチングする第１工程を行う。前記第１工程の後、前記半導体基体を酸素雰囲気に曝すことなく、前記半導体基体の表面に前記絶縁ゲートを構成するゲート絶縁膜を堆積する第２工程を行う。前記ゲート絶縁膜と前記半導体基体との界面を窒化する第３工程を行う。前記半導体基体の表面に前記ゲート絶縁膜を介して対向して前記絶縁ゲートを構成するゲート電極を形成する第４工程を行う。
【０００７】
この開示の一態様にかかる炭化珪素半導体装置は、以下の通りである。炭化珪素からなる半導体基体の表面にゲート絶縁膜が設けられている。前記半導体基体の表面に、前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極とで絶縁ゲートが構成される。前記半導体基体と前記ゲート絶縁膜との界面に存在する余剰炭素は、前記半導体基体と前記ゲート絶縁膜との界面から前記半導体基体側および前記ゲート絶縁膜側ともに２ｎｍ以内の範囲に分布し、かつ、前記半導体基体の炭素量に対する量の比率が０．０２５以下である。
【発明の効果】
【０００８】
本開示にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置によれば、チャネル移動度の低下を防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その１）。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その２）。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その３）。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その４）。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その５）。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その６）。
実施の形態１にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その７）。
実施の形態２にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。
実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。
実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その１）。
実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その２）。
実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その３）。
実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その４）。
実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その５）。
実施の形態３にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である（その６）。
一般的なＭＯＳキャパシタの構造を示す断面図である。
実施例１～４および比較例１のゲート絶縁膜形成前のＳｉＣ基体表面処理条件を示す図表である。
実施例１～４および比較例１，２のＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面の界面準位密度を測定した結果を示す図表である。
実施例５～７および比較例３のゲート絶縁膜形成前のＳｉＣ基体表面処理条件を示す図表である。
実施例５～７および比較例３の電界効果移動度を算出した結果を示す図表である。
実施例８，９および比較例４～６，１０のゲート絶縁膜形成前のＳｉＣ基体表面処理条件と、ゲート絶縁膜の形成条件と、ＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面の界面準位密度を測定した結果と、ＳｉＯ
2
／ＳｉＣ界面の余剰炭素量および余剰炭素分布幅を算出した結果と、を示す図表である。
実施例１０，１１および比較例７～９のゲート絶縁膜形成前のＳｉＣ基体表面処理条件を示す図表である。
実施例１０，１１および比較例７～９の電界効果移動度およびゲートしきい値電圧を算出した結果を示す図表である。
実施例１および比較例１０の余剰炭素のスペクトルの対ＳｉＣ成分面積強度比分布を示す特性図である。
試料片のＳｉＯ
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／ＳｉＣ界面近傍のＥＥＬＳ測定の測定点を模式的に示す説明図である。
図２６Ａの各測定点でのＳｉＣ成分のスペクトル（実線）および余剰炭素のスペクトル（破線）をそれぞれあらわす電子の損失エネルギー強度分布図である。
図２６Ｂの余剰炭素のスペクトルの対ＳｉＣ成分面積強度比分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜本開示の実施形態の概要＞
（１）この開示の一態様にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素からなる半導体基体に絶縁ゲートを備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、以下の通りである。前記半導体基体を加熱しないか、または前記半導体基体を４００℃以下の温度で加熱した状態で、前記半導体基体の表面を、酸素原子を含まない原料ガスを用いて発生させたプラズマによってエッチングする第１工程を行う。前記第１工程の後、前記半導体基体を酸素雰囲気に曝すことなく、前記半導体基体の表面に前記絶縁ゲートを構成するゲート絶縁膜を堆積する第２工程を行う。前記ゲート絶縁膜と前記半導体基体との界面を窒化する第３工程を行う。前記半導体基体の表面に前記ゲート絶縁膜を介して対向して前記絶縁ゲートを構成するゲート電極を形成する第４工程を行う。
（【００１１】以降は省略されています）

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