JP4016954B2 - 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)は熱酸化によって良質の二酸化珪素(SiO2)からなる絶縁膜が形成できるので、高耐圧・低損失の高出力絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MOSFET)が作製可能である。しかしながら、従来の熱酸化法で形成したSiO2/SiCのいわゆるMOS界面には多数の界面準位(トラップ)が存在するため、チャネルコンダクタンス(チャネル移動度μch)が非常に低くなる結果、素子のオン抵抗が大きくなって、オン時の損失が増大してしまう不具合があった。MOS界面に存在する界面準位を低減するために、例えば非特許文献1や非特許文献2のように窒化酸素(NO)あるいは二窒化酸素(N2O)ガスを用いた高温熱処理(窒化処理)を用いると、MOS界面の品質が改善され、チャネル移動度μchが向上すると報告されている。
Since silicon carbide (SiC) can form an insulating film made of high-quality silicon dioxide (SiO 2 ) by thermal oxidation, a high output insulated gate field effect transistor (MOSFET) with high breakdown voltage and low loss can be manufactured. However, since a large number of interface states (traps) exist at the so-called MOS interface of SiO 2 / SiC formed by the conventional thermal oxidation method, the channel conductance (channel mobility μ ch ) becomes very low. There is a problem that the on-resistance increases and the loss at the on-time increases. In order to reduce the interface state existing at the MOS interface, high temperature heat treatment (nitriding treatment) using oxygen nitride (NO) or oxygen dinitride (N 2 O) gas as in
NOやN2Oを用いた窒化処理によりチャネル移動度μchは向上するが、SiCが本来有する物性値から期待される素子特性を実現するにはさらなる改善が必要であった。また、窒化処理による界面準位の低減により、チャネル移動度μchの向上とともに閾値電圧Vthが低減されるが、低電圧駆動を考えると閾値電圧Vthの減少は好ましいものの、あまりに閾値電圧Vthが小さすぎると、蓄積チャネル型電界効果トランジスタ(ACCUFET)やエピチャネルMOSFET等のような複雑な構造の半導体装置に適用した際、素子特性として望ましくないノーマリ・オン特性となってしまうおそれがあった。これらの実用上の要請から、チャネル移動度μchをさらに向上させると同時に、閾値電圧Vthを制御する技術が望まれていた。 Although the channel mobility μ ch is improved by nitriding using NO or N 2 O, further improvement is necessary to realize device characteristics expected from the physical properties inherent in SiC. Further, the reduction of the interface state due to the nitriding treatment reduces the threshold voltage V th along with the improvement of the channel mobility μ ch. However, considering the low voltage driving, although the reduction of the threshold voltage V th is preferable, the threshold voltage V th is too high. If th is too small, there is a risk that normally-on characteristics that are undesirable as element characteristics may occur when applied to a semiconductor device having a complicated structure such as an accumulation channel field effect transistor (ACCUFET) or an epichannel MOSFET. It was. From these practical requirements, a technique for further improving the channel mobility μch and simultaneously controlling the threshold voltage Vth has been desired.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高チャネル移動度でかつ閾値電圧が制御された炭化珪素半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device having a high channel mobility and a controlled threshold voltage.
炭化珪素半導体装置の製造方法を、炭化珪素層が形成されたウエハを二窒化酸素雰囲気中で熱処理して上記炭化珪素層上に二酸化珪素膜を成膜すると同時に窒化処理を行う窒化処理工程と、上記ウエハを、水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、を含んでなることとした。 A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device, a nitriding treatment step of performing a nitriding treatment simultaneously with forming a silicon dioxide film on the silicon carbide layer by heat-treating a wafer having a silicon carbide layer formed in an oxygen dinitride atmosphere; A heat treatment step of heat-treating the wafer in an oxygen atmosphere containing water vapor.
また、炭化珪素半導体装置の製造方法を、表面に炭化珪素層が形成されたウエハを酸素雰囲気下で熱酸化することにより、前記炭化珪素層の表面側の一部を酸化せしめて二酸化珪素膜を形成する熱酸化工程と、前記二酸化珪素膜が形成されたウエハを窒化酸素または二窒化酸素雰囲気中で熱処理する窒化処理工程と、窒化処理後の前記ウエハを水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、を含んでなることとした。 According to another method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device, a silicon dioxide film is formed by oxidizing a part of the surface side of the silicon carbide layer by thermally oxidizing a wafer having a silicon carbide layer formed on the surface in an oxygen atmosphere. A thermal oxidation step to be formed; a nitridation step in which the wafer on which the silicon dioxide film is formed is heat-treated in an oxygen nitride or dioxygen atmosphere; and the nitridated wafer is heat-treated in an oxygen atmosphere containing water vapor. And a heat treatment step.
上記の炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、nチャネル炭化珪素MOSFETのチャネル移動度μchを低下させずに、熱処理温度や熱処理時間によって閾値電圧Vthを容易に制御することができる。 According to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device, without lowering the n-channel channel mobility mu ch of the silicon carbide MOSFET, it is possible to easily control the threshold voltage V th by heat treatment temperature and heat treatment time.
実施の形態1.
本発明の実施の形態1の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の素子構造を図1に示す。炭化珪素半導体装置の一例として、nチャネル炭化珪素MOSFETの断面構造を示す。また、本発明の実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造方法、具体的にはnチャネル炭化珪素MOSFETの製造方法を図2〜8に示す。
FIG. 1 shows an element structure of a silicon carbide semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the first embodiment of the present invention. As an example of the silicon carbide semiconductor device, a cross-sectional structure of an n-channel silicon carbide MOSFET is shown. Moreover, the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of
図中、1はn型(第1導電型)基板、2はn型(第1導電型)の炭化珪素からなるドリフト層、3はp型(第2導電型)のベース領域、4はn型(第1導電型)のソース領域、5は二酸化珪素(SiO2)からなるゲート絶縁膜、6はゲート電極、7はソース電極、8はドレイン電極、をそれぞれ表す。 In the figure, 1 is an n-type (first conductivity type) substrate, 2 is a drift layer made of n-type (first conductivity type) silicon carbide, 3 is a p-type (second conductivity type) base region, and 4 is n The source region of the type (first conductivity type), 5 is a gate insulating film made of silicon dioxide (SiO 2 ), 6 is a gate electrode, 7 is a source electrode, and 8 is a drain electrode.
本発明の実施の形態1の炭化珪素半導体装置の製造方法を図2〜8に基づき概説する。先ず、エピタキシャル結晶成長法により、n型(第1導電型)基板1上にn型の炭化珪素からなるドリフト層2を形成する(図2)。n型基板1としては、例えば、n型炭化珪素基板が好適である。
A method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment of the present invention will be outlined with reference to FIGS. First, a
エピタキシャル結晶成長後、ドリフト層2中で所定の間隔に離間した部位に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、一対のp型(第2導電型)のベース領域3を形成する。レジスト除去後の素子断面を図3に示す。ドリフト層2中でp型となる不純物としては、例えばボロン(B)あるいはアルミニウム(Al)が挙げられる。
After the epitaxial crystal growth, a pair of p-type (second conductivity type)
さらに、上記各p型ベース領域3中に、レジストをマスクとして不純物をイオン注入して、n型(第1導電型)のソース領域4を形成する。レジスト除去後の素子断面を図4に示す。n型不純物としては、例えばリン(P)あるいは窒素(N)が挙げられる。
Further, an n-type (first conductivity type)
n型およびp型不純物のイオン注入後、熱処理装置によってウエハを高温で熱処理すると、注入イオンが電気的に活性化される。 After the n-type and p-type impurity ions are implanted, the implanted ions are electrically activated by heat treating the wafer at a high temperature using a heat treatment apparatus.
続いて、熱酸化工程において、熱酸化法によってウエハ全面にSiO2からなるゲート絶縁膜5を成膜する(図5)。熱酸化後、窒化酸素(NO)または二窒化酸素(N2O)雰囲気にて窒化処理を実施する。さらに、熱処理工程において、水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で800℃より高く1100℃未満の温度で熱処理する。かかる一連の工程は本発明における特徴的な工程なので後に詳述する。
Subsequently, in a thermal oxidation process, a
ゲート絶縁膜5上にゲート電極6を成膜およびパターニングする(図6)。ゲート電極6は、一対のベース領域3およびソース領域4が両端部に位置し、ベース領域3間に露出したドリフト層2が中央に位置するような形状にパターニングされる。
A
さらに、各ソース領域4上のゲート絶縁膜5の残余の部分はリソグラフィ技術およびエッチング技術によって除去され(図7)、除去後、ソース領域4が表面に露出した部位にソース電極7を成膜およびパターニングする(図8)。基板1の裏面側にドレイン電極8を形成すると、図1に示すような素子構造の主要部が完成する。
Further, the remaining part of the
次に、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法において特徴的な熱酸化工程および熱酸化後のNOまたはN2O雰囲気下での窒化処理工程および熱処理工程について詳述する。図9〜11は上述したゲート絶縁膜5の形成を目的とした熱酸化工程から熱酸化後の窒化処理工程および熱処理工程に至る各工程における反応炉内の温度プロファイルを表した図である。
Next, a characteristic thermal oxidation step and a nitridation treatment step and a heat treatment step in a NO or N 2 O atmosphere after thermal oxidation in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention will be described in detail. 9 to 11 are diagrams showing temperature profiles in the reactor in each process from the thermal oxidation process for the formation of the
なお、図9は1台の反応炉を用いてO2雰囲気による熱酸化工程と続く窒化処理工程とを同じ温度で行った後、水蒸気(H2O)を含んだ酸素(O2)、すなわちウェットO2雰囲気中で熱処理工程を行った場合、図10は3つの反応炉を用いて同じ温度の熱酸化工程と窒化処理工程を行った後、ウェットO2雰囲気中の熱処理工程を行った場合、図11は1台の反応炉を用いてN2Oによる熱酸化および窒化処理を同時に実施する工程とウェットO2雰囲気中の熱処理工程を行った場合の温度プロファイルをそれぞれ示している。以下、かかる一連の工程について説明する。 Note that FIG. 9 shows that oxygen oxidation (O 2 ) containing water vapor (H 2 O), that is, oxygen (O 2 ) containing water vapor (H 2 O) after performing a thermal oxidation process in an O 2 atmosphere and a subsequent nitriding process using one reactor, When the heat treatment process is performed in a wet O 2 atmosphere, FIG. 10 shows the case where the heat oxidation process and the nitriding process at the same temperature are performed using three reactors and then the heat treatment process in a wet O 2 atmosphere is performed. FIG. 11 shows temperature profiles in the case where a thermal oxidation and nitridation process using N 2 O is simultaneously performed using one reactor and a heat treatment process in a wet O 2 atmosphere. Hereinafter, this series of steps will be described.
先ず、700℃程度に昇温された反応炉内にベース領域3およびソース領域4形成後のウエハを導入し、アルゴン(Ar)雰囲気あるいは窒素(N2)雰囲気下で熱酸化工程を実施可能な温度に到達するまで昇温する。
First, the wafer after the formation of the
熱酸化温度に到達した時点で、反応炉内をAr雰囲気あるいはN2雰囲気から水蒸気(H2O)を含んだ酸素(O2)雰囲気あるいはO2のみの雰囲気に切り換え、所定時間この状態を保持する(熱酸化工程)。かかる熱酸化工程を実施することにより、ウエハ表面の炭化珪素層(ドリフト層)が酸化されてSiO2からなるゲート絶縁膜5が形成される。つまり、図9、10に示した温度プロファイルの中における熱酸化工程の部分が実施される。なお、図11に示す温度プロファイルで表される一連の工程では、上述のゲート酸化膜5の形成は後述の窒化処理工程において窒化処理と同時に実施される。
When the thermal oxidation temperature is reached, the reactor is switched from an Ar atmosphere or N 2 atmosphere to an oxygen (O 2 ) atmosphere containing water vapor (H 2 O) or an atmosphere containing only O 2 , and this state is maintained for a predetermined time. (Thermal oxidation process). By performing this thermal oxidation process, the silicon carbide layer (drift layer) on the wafer surface is oxidized to form the
なお、上記熱酸化工程では最初の一定時間はO2のみの雰囲気で行い、残余の時間は水蒸気を含んだO2雰囲気(ウエットO2雰囲気)で行っても良いし、あるいはその逆でも良い。 In the thermal oxidation step, the first predetermined time may be performed in an atmosphere containing only O 2 , and the remaining time may be performed in an O 2 atmosphere containing water vapor (wet O 2 atmosphere), or vice versa.
熱酸化工程後、O2雰囲気をAr雰囲気あるいはN2雰囲気に切り換え、次工程であるNOあるいはN2O雰囲気下での窒化処理に要する温度に到達するまで昇温あるいは降温する。両者の熱処理温度は通常異なるからである。例えば、図10に示す一連の工程では、熱酸化工程と窒化処理工程は異なる反応炉で実施するため、両工程間で試料移動が可能な700℃以下の温度にまで一旦降温している。但し、図9の温度プロファイルで示すように両者の温度が一致する場合は、Ar雰囲気あるいはN2雰囲気への切り換えは省略できる。 After the thermal oxidation step, the O 2 atmosphere is switched to an Ar atmosphere or an N 2 atmosphere, and the temperature is raised or lowered until reaching the temperature required for the nitriding treatment in the NO or N 2 O atmosphere as the next step. This is because the heat treatment temperatures of the two are usually different. For example, in the series of steps shown in FIG. 10, since the thermal oxidation step and the nitriding step are performed in different reactors, the temperature is once lowered to a temperature of 700 ° C. or less at which the sample can be moved between the two steps. However, when the two temperatures coincide as shown in the temperature profile of FIG. 9, switching to the Ar atmosphere or the N 2 atmosphere can be omitted.
反応炉内が所定の温度に到達した時点で、Ar雰囲気あるいはN2雰囲気をNOあるいはN2O雰囲気に切り換え、窒化処理工程を開始する。かかるNOあるいはN2O雰囲気下での窒化処理工程は950℃以上1150℃以下の温度範囲が好適であるが、1150℃以上でも高温熱処理に耐えうる特殊な装置を用いることによって同様の効果が得られる。なお、窒化処理時間としては3時間程度が好適である。 When the inside of the reaction furnace reaches a predetermined temperature, the Ar atmosphere or the N 2 atmosphere is switched to the NO or N 2 O atmosphere, and the nitriding process is started. The nitriding treatment step in the NO or N 2 O atmosphere preferably has a temperature range of 950 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower, but similar effects can be obtained by using a special apparatus that can withstand high-temperature heat treatment even at 1150 ° C. or higher. It is done. The nitriding time is preferably about 3 hours.
NOあるいはN2O雰囲気下での窒化処理によってMOS界面は酸窒化される結果、界面準位が大幅に減少する。なお、N2O雰囲気下での窒化処理では、N2Oガスから発生する酸素によってゲート絶縁膜5の形成は継続される。よって、この場合、ゲート絶縁膜5の層厚は熱酸化工程に形成された分とN2O雰囲気下での窒化処理工程の形成された分を合計した値となる。したがって、N2Oを雰囲気として使用する場合は、図11に示すように最初の熱酸化工程を省略することも可能である。
As a result of the oxynitriding of the MOS interface by nitriding in an NO or N 2 O atmosphere, the interface state is greatly reduced. Note that, in the nitriding treatment in the N 2 O atmosphere, the formation of the
NOあるいはN2O雰囲気下での窒化処理終了時にNOあるいはN2O雰囲気から再度Ar雰囲気もしくはN2雰囲気に切り換える。熱処理工程に要する熱処理温度まで昇温あるいは降温して、温度が安定した時点でウェットO2雰囲気に切り換えて、熱処理工程を開始する。所定の時間、熱処理を行った後、ArあるいはN2雰囲気に切り換えてウエハ取り出し温度である700℃程度にまで降温して、ウエハを反応炉外へ取り出す。熱処理工程における熱処理温度については、後述する。 NO or N 2 switch again Ar atmosphere or an N 2 atmosphere of NO or N 2 O atmosphere at the nitriding treatment ends under O atmosphere. The temperature is raised or lowered to the heat treatment temperature required for the heat treatment step, and when the temperature is stabilized, the wet O 2 atmosphere is switched to start the heat treatment step. After performing a heat treatment for a predetermined time, the atmosphere is switched to an Ar or N 2 atmosphere and the temperature is lowered to about 700 ° C. which is a wafer take-out temperature, and the wafer is taken out of the reactor. The heat treatment temperature in the heat treatment step will be described later.
なお、上述の一連の工程において、各工程は1台の反応炉で行う必要は無い。別々の反応炉を用いる場合は700℃でウエハの導入および取り出しを行い、それぞれの処理毎に熱処理温度と700℃の間で昇降温を行う。 In the above-described series of steps, each step does not need to be performed in one reactor. When separate reactors are used, wafers are introduced and removed at 700 ° C., and the temperature is raised and lowered between the heat treatment temperature and 700 ° C. for each treatment.
本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法の実施例として、O2雰囲気による熱酸化工程とN2O雰囲気による窒化処理工程を行った後に、950℃のウェットO2雰囲気中の熱処理工程を1時間行った場合と、比較例としてのウェットO2雰囲気中の熱処理工程を省略した場合のそれぞれの炭化珪素MOSFETのゲート特性を図12に示す。比較例による炭化珪素MOSFETでは閾値電圧Vthが1V程度であるのに対し、950℃での熱処理工程を行った炭化珪素MOSFETでは閾値電圧Vthは9Vと大きくなっていることが分かる。ゲート特性の線形領域から求めたチャネル移動度μchは、比較例による炭化珪素MOSFETでは24cm2/Vsであったのに対し、本実施の形態による炭化珪素MOSFETでは32cm2/Vsと、比較例より高いチャネル移動度μchを達成した。これは、ウェットO2雰囲気中のH基やOH基がMOS界面やゲート酸化膜中に取り込まれて閾値電圧Vthの増加につながる負電荷の起源となったからと考えられる。また、これらの負電荷は窒化処理により向上したチャネル移動度μchを低下させるような影響はなく、ウェットO2雰囲気中での熱処理によりチャネル移動度μchを低下させている準位のトラップを減少させている可能性がある。 As an example of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, after performing a thermal oxidation step in an O 2 atmosphere and a nitriding step in an N 2 O atmosphere, a heat treatment step in a wet O 2 atmosphere at 950 ° C. FIG. 12 shows the gate characteristics of the respective silicon carbide MOSFETs when it is performed for 1 hour and when the heat treatment step in the wet O 2 atmosphere as a comparative example is omitted. It can be seen that the threshold voltage V th is about 1 V in the silicon carbide MOSFET according to the comparative example, whereas the threshold voltage V th is increased to 9 V in the silicon carbide MOSFET subjected to the heat treatment step at 950 ° C. The channel mobility μ ch obtained from the linear region of the gate characteristics was 24 cm 2 / Vs in the silicon carbide MOSFET according to the comparative example, whereas it was 32 cm 2 / Vs in the silicon carbide MOSFET according to the present embodiment. Higher channel mobility μch was achieved. This is presumably because the H group or OH group in the wet O 2 atmosphere was taken into the MOS interface or the gate oxide film and became a source of negative charge leading to an increase in the threshold voltage Vth . In addition, these negative charges have no effect of lowering the channel mobility μ ch improved by nitriding treatment, and traps at a level where the channel mobility μ ch is lowered by heat treatment in a wet O 2 atmosphere. It may be decreasing.
一方、ウェットO2雰囲気ではなくドライO2雰囲気中にて950℃で熱処理工程を実施すると、チャネル移動度μchは逆に13cm2/Vsと減少し、閾値電圧Vthは1.8Vとなって、熱処理工程を行わない場合、つまり上述の比較例と特性的にあまり変わらない結果となった。 On the other hand, when the heat treatment step is performed at 950 ° C. in a dry O 2 atmosphere instead of a wet O 2 atmosphere, the channel mobility μ ch is reduced to 13 cm 2 / Vs and the threshold voltage V th becomes 1.8V. Thus, when the heat treatment step was not performed, that is, the results were not so different from those of the comparative example described above.
また、ウェットO2雰囲気中による熱処理工程における熱処理温度を1100℃とした場合、チャネル移動度μchが6.7cm2/Vsと1/3以下に大幅に減少した。1100℃以上の高温下での熱処理温度では炭化珪素層の酸化が促進されるため新たに界面準位の起源が生成され、これらの界面準位がチャネル移動度μchの低下をもたらすと考えられる。また、熱処理工程における熱処理温度を800℃以下とした場合も、チャネル移動度μchは低下してしまう。ウェットO2雰囲気による熱処理工程におけるチャネル移動度μch、閾値電圧Vthの熱処理依存性を図13に示す。以上の実験および考察から、熱処理工程における熱処理温度としては、800℃より高く1100℃未満が好適な範囲であり、900℃以上1000℃以下が一層好適である。また熱処理工程時の雰囲気はウェットO2が好適である。なお、かかる熱処理温度を変えることにより、チャネル移動度μchをある一定値以上に保持しつつ閾値電圧Vthを所定の範囲内で制御できる。なお、熱処理温度だけでなく、熱処理時間によっても閾値電圧Vthを制御し得る。 Further, when the heat treatment temperature in the heat treatment step in the wet O 2 atmosphere was 1100 ° C., the channel mobility μ ch was 6.7 cm 2 / Vs, which was significantly reduced to 1/3 or less. At the heat treatment temperature of 1100 ° C. or higher, the oxidation of the silicon carbide layer is promoted, so that the origin of the interface state is newly generated, and it is considered that these interface states cause the channel mobility μ ch to decrease. . Further, even when the heat treatment temperature in the heat treatment step is set to 800 ° C. or lower, the channel mobility μ ch is lowered. FIG. 13 shows the heat treatment dependence of the channel mobility μ ch and the threshold voltage V th in the heat treatment step in a wet O 2 atmosphere. From the above experiments and considerations, the heat treatment temperature in the heat treatment step is preferably in the range of higher than 800 ° C. and lower than 1100 ° C., more preferably 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. The atmosphere during the heat treatment step is preferably wet O 2. By changing the heat treatment temperature, the threshold voltage Vth can be controlled within a predetermined range while maintaining the channel mobility μch at a certain value or higher. Note that the threshold voltage Vth can be controlled not only by the heat treatment temperature but also by the heat treatment time.
以上、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造方法によると、熱酸化工程後に窒化処理工程を実施するためMOS界面に存在する界面準位が低減するので、MOSFET特性が向上し、さらに800℃より高く1100℃未満の熱処理温度によるウェットO2雰囲気中での熱処理工程によって、前述の窒化処理の効果を保持しつつ、高チャネル移動度を保持しながら閾値電圧をノーマリ・オフ特性に望ましい大きな値を含む所望の値に制御できる。 As described above, according to the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, since the nitriding process is performed after the thermal oxidation process, the interface state existing at the MOS interface is reduced, so that the MOSFET characteristics are improved and further 800 ° C. Higher threshold value for normally-off characteristics while maintaining high channel mobility while maintaining the effect of nitriding treatment by a heat treatment step in a wet O 2 atmosphere at a heat treatment temperature higher than 1100 ° C. Can be controlled to a desired value.
実施の形態2.
本発明の実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造方法によって作製される炭化珪素半導体装置の例として、nチャネル炭化珪素MOSFETの断面構造を図14、15に示す。図中、9はn型炭化珪素層、10はn型炭化珪素9中に設けられた空乏部、をそれぞれ示す。
As an example of the silicon carbide semiconductor device manufactured by the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the second embodiment of the present invention, a cross-sectional structure of an n-channel silicon carbide MOSFET is shown in FIGS. In the figure, 9 indicates an n-type silicon carbide layer, and 10 indicates a depletion portion provided in the n-
実施の形態1の炭化珪素半導体装置、つまり図1に示した素子構造に対して、実施の形態2の炭化珪素半導体装置の製造方法の対象となる素子構造は、図14,15に示すようにゲート絶縁膜5の直下にn型炭化珪素層9が設けられ、さらに、ドリフト層2と接するn型炭化珪素層9に空乏部10が存する点が相違する。
In contrast to the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment, that is, the element structure shown in FIG. 1, the element structure that is the object of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the second embodiment is as shown in FIGS. The difference is that n-type
かかるn型炭化珪素層9は、実施の形態1で示したベース領域3およびソース領域4形成後のウエハ、つまり図4で示した状態のウエハに対して、n型不純物のイオン注入あるいはn型炭化珪素層を新たにエピタキシャル結晶成長する方法により形成される。なお、イオン注入時に空乏部10に相当する部分に対しては不純物がイオン注入されないようにマスクを施しておくことによって、空乏部10を簡易に形成できる。
The n-type
イオン注入によってn型炭化珪素層9を形成した場合は、高温熱処理を実施する。高温熱処理により注入イオンを電気的に活性化させるためである。なお、上述の特徴的な工程以外の前工程および後工程は実施の形態1と同様なので省略する。
When n-type
図14で示した素子構造において、ゲート酸化形成時にN2O雰囲気下での窒化処理を行った後、ウェットO2雰囲気中で950℃の熱処理温度下で熱処理を行った場合と行わない場合のゲート特性を図16に示す。かかる熱処理を行わない場合の閾値電圧Vth、2.4Vに比べて、熱処理を行うと閾値電圧Vthは3.8Vに増加した。チャネル移動度μchはいずれの場合も約10cm2/Vsであり、窒化処理後の熱処理に起因するチャネル移動度μchの低下は見られなかった。以上の結果から、チャネル部にn型領域を形成した炭化珪素MOSFETにおいても、ウェットO2雰囲気中で熱処理によって高チャネル移動度μchを保持しながら閾値電圧Vthを制御できることが分かった。 In the element structure shown in FIG. 14, a case where nitriding treatment is performed in a N 2 O atmosphere at the time of gate oxidation formation, and a case where heat treatment is performed at a heat treatment temperature of 950 ° C. in a wet O 2 atmosphere is performed. The gate characteristics are shown in FIG. When the heat treatment was performed, the threshold voltage V th increased to 3.8 V, compared to the threshold voltage V th of 2.4 V when the heat treatment was not performed. The channel mobility μ ch was about 10 cm 2 / Vs in any case, and no decrease in channel mobility μ ch due to the heat treatment after nitriding was observed. These results, also in the silicon carbide MOSFET forming the n-type region in the channel part, has been found to be able to control the threshold voltage V th while maintaining a high channel mobility mu ch by heat treatment in wet O 2 atmosphere.
以上の説明では炭化珪素MOSFETを炭化珪素半導体装置の一例としたが、他の炭化珪素半導体装置で炭化珪素層上に絶縁膜が形成された素子構造を有するものにおいても本実施の形態に示された製造方法を適用すれば、同様な効果がもたらされることは言うまでもない。 In the above description, the silicon carbide MOSFET is taken as an example of the silicon carbide semiconductor device. However, other silicon carbide semiconductor devices having an element structure in which an insulating film is formed on a silicon carbide layer are also shown in the present embodiment. Needless to say, the same effect can be obtained by applying the above manufacturing method.
また、以上の説明では、ゲート絶縁膜5を二酸化珪素としたが、他の絶縁膜、例えば窒化珪素膜あるいは酸化窒化珪素膜でも同様な効果を奏する。
In the above description, the
1 n型(第1導電型)の基板、 2 n型(第1導電型)の炭化珪素からなるドリフト層、 3 p型(第2導電型)のベース領域、 4 n型(第1導電型)のソース領域、 5 二酸化珪素(SiO2)からなるゲート絶縁膜、 6 ゲート電極、 7 ソース電極、 8 ドレイン電極、 9 n型炭化珪素層、 10 空乏部。
1 n-type (first conductivity type) substrate, 2 n-type (first conductivity type) silicon carbide drift layer, 3 p-type (second conductivity type) base region, 4 n-type (first conductivity type) ) Source region, 5 gate insulating film made of silicon dioxide (SiO 2 ), 6 gate electrode, 7 source electrode, 8 drain electrode, 9 n-type silicon carbide layer, 10 depletion part.
Claims (12)
炭化珪素層が形成されたウエハを二窒化酸素雰囲気中で熱処理して前記炭化珪素層上に二酸化珪素膜を成膜すると同時に窒化処理を行う窒化処理工程と、
前記ウエハを、水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、
を含んでなる炭化珪素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
A nitriding treatment step of performing a nitriding treatment simultaneously with forming a silicon dioxide film on the silicon carbide layer by heat-treating the wafer on which the silicon carbide layer is formed in an oxygen dinitride atmosphere;
A heat treatment step of heat-treating the wafer in an oxygen atmosphere containing water vapor;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising:
表面に炭化珪素層が形成されたウエハを酸素雰囲気下で熱酸化することにより、前記炭化珪素層の表面側の一部を酸化せしめて二酸化珪素膜を形成する熱酸化工程と、
前記二酸化珪素膜が形成されたウエハを窒化酸素または二窒化酸素雰囲気中で熱処理する窒化処理工程と、
窒化処理後の前記ウエハを水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、
を含んでなる炭化珪素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
A thermal oxidation step of forming a silicon dioxide film by oxidizing a part of the surface side of the silicon carbide layer by thermally oxidizing a wafer having a silicon carbide layer formed on the surface in an oxygen atmosphere ;
A nitriding treatment step of heat-treating the wafer on which the silicon dioxide film has been formed in an oxygen nitride or dioxygen atmosphere;
A heat treatment step of heat treating the wafer after nitriding in an oxygen atmosphere containing water vapor;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising:
第1導電型の基板上に第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層をエピタキシャル結晶成長する工程と、
不純物のイオン注入によって前記ドリフト層中で所定の間隔に離間した一対の第2導電型のベース領域を形成する工程と、
不純物のイオン注入によって前記各ベース領域中に第1導電型の各ソース領域をそれぞれ形成する工程と、
前記基板、前記ドリフト層、前記ドリフト層中に形成された前記ベース領域および前記ソース領域からなるウエハを二窒化酸素雰囲気中で熱処理して前記炭化珪素層上に二酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜を成膜すると同時に窒化処理を行う窒化処理工程と、
水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で窒化処理後の前記ウエハを熱処理する熱処理工程と、
前記ゲート絶縁膜上で中央部に前記ドリフト層が位置し、両端部に前記各ベース領域および各ソース領域が位置する領域にゲート電極を形成する工程と、
を含んでなる炭化珪素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
Epitaxially growing a drift layer made of silicon carbide of the first conductivity type on a substrate of the first conductivity type;
Forming a pair of second conductivity type base regions spaced apart by a predetermined distance in the drift layer by ion implantation of impurities;
Forming each source region of the first conductivity type in each of the base regions by ion implantation of impurities;
A gate insulating film made of a silicon dioxide film is formed on the silicon carbide layer by heat-treating the substrate, the drift layer, a wafer made of the base region and the source region formed in the drift layer in an oxygen dinitride atmosphere. A nitriding process for performing nitriding at the same time as forming the film;
A heat treatment step of heat treating the wafer after nitriding in an oxygen atmosphere containing water vapor;
Forming the gate electrode in a region where the drift layer is located in the center on the gate insulating film and the base region and the source region are located at both ends;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising:
第1導電型の基板上に第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層をエピタキシャル結晶成長する工程と、
不純物のイオン注入によって前記ドリフト層中で所定の間隔に離間した一対の第2導電型のベース領域を形成する工程と、
不純物のイオン注入によって前記各ベース領域中に第1導電型の各ソース領域をそれぞれ形成する工程と、
酸素雰囲気下での熱酸化によって前記炭化珪素からなるドリフト層の表面側の一部を酸化せしめることにより、前記基板、前記ドリフト層、前記ドリフト層中に形成された前記ベース領域および前記ソース領域からなるウエハ上に二酸化珪素からなるゲート絶縁膜を形成する熱酸化工程と、
前記ゲート絶縁膜形成後のウエハを窒化酸素または二窒化酸素雰囲気中で熱処理する窒化処理工程と、
水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で窒化処理後の前記ウエハを熱処理する熱処理工程と、
前記ゲート絶縁膜上で中央部に前記ドリフト層が位置し、両端部に前記各ベース領域および各ソース領域が位置する領域にゲート電極を形成する工程と、
を含んでなる炭化珪素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
Epitaxially growing a drift layer made of silicon carbide of the first conductivity type on a substrate of the first conductivity type;
Forming a pair of second conductivity type base regions spaced apart by a predetermined distance in the drift layer by ion implantation of impurities;
Forming each source region of the first conductivity type in each of the base regions by ion implantation of impurities;
By oxidizing a part of the surface side of the drift layer made of silicon carbide by thermal oxidation in an oxygen atmosphere, the substrate, the drift layer, the base region formed in the drift layer, and the source region A thermal oxidation step of forming a gate insulating film made of silicon dioxide on the wafer;
A nitriding treatment step of heat-treating the wafer after forming the gate insulating film in an oxygen nitride or dinitrogen atmosphere;
A heat treatment step of heat treating the wafer after nitriding in an oxygen atmosphere containing water vapor;
Forming the gate electrode in a region where the drift layer is located in the center on the gate insulating film and the base region and the source region are located at both ends;
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