JP6074785B2 - Silicon carbide semiconductor device manufacturing method and silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、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。特に、リフロー処理による絶縁膜の平坦化を行う際に、界面準位密度の増大を防ぐことができる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 and a silicon carbide semiconductor device. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device that can prevent an increase in interface state density when planarizing an insulating film by reflow treatment.
近年、珪素(以下Siと記す)に代わる半導体材料の一つとして炭化珪素(以下SiCと記す)が注目されている。このSiCは、バンドギャップが4H−SiCでは3.25eVと、Siのバンドギャップ1.12eVに比べて3倍近く大きいため、動作上限温度を高くできる。また、絶縁破壊電界強度が4H−SiCで3.0MV/cmと、Siの絶縁破壊電界強度0.25MV/cmに比べて約1桁大きい。これにより、絶縁破壊電界強度の3乗の逆数で効くオン状態における素子の抵抗(オン抵抗)が低減され、定常状態での電力損失を低減できる。 In recent years, silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) has attracted attention as one of semiconductor materials that can replace silicon (hereinafter referred to as Si). This SiC has a band gap of 3.25 eV in 4H-SiC, which is nearly three times larger than the Si band gap of 1.12 eV. In addition, the dielectric breakdown electric field strength is 3.0 MV / cm for 4H-SiC, which is about an order of magnitude higher than the dielectric breakdown electric field strength of Si of 0.25 MV / cm. As a result, the resistance (on resistance) of the element in the on state, which works with the inverse of the cube of the dielectric breakdown electric field strength, is reduced, and the power loss in the steady state can be reduced.
さらに、熱伝導度についても、4H−SiCで4.9W/cm・Kと、Siの熱伝導度1.5W/cmKに比べて3倍以上高いので、熱冷却効果が高く冷却装置を小型化できるという利点も有している。飽和ドリフト速度も2×107cm/sと大きいため、高速動作にも優れている。このようなことから、SiCは、電力用半導体素子(以下パワーデバイスと呼ぶ)や高周波デバイス、高温動作デバイスなどへの応用が期待されている。 Furthermore, the thermal conductivity is 4.9 W / cm · K for 4H-SiC, more than three times higher than the thermal conductivity of Si, 1.5 W / cmK. It also has the advantage of being able to. Since the saturation drift speed is as large as 2 × 10 7 cm / s, it is excellent in high-speed operation. For these reasons, SiC is expected to be applied to power semiconductor elements (hereinafter referred to as power devices), high-frequency devices, high-temperature operating devices, and the like.
これまでのMOSFET開発は、結晶性が良く比較的安価なエピタキシャルウエハが存在していたことから(0001)面にて行われてきた。しかしながら、この(0001)面上ではMOS界面のチャネルの移動度が低く、低オン抵抗化が困難となっている。これに対して、(0001)面の裏面である(000−1)面ではMOS界面のチャネル移動度が、熱酸化の雰囲気に大きく影響され、ウェット雰囲気で酸化すると(0001)面よりも高い値を示すと報告されている。従って、この(000−1)面を用いれば低オン抵抗のMOSFETが実現できると期待されている。 MOSFET development so far has been carried out on the (0001) plane because of the existence of epitaxial wafers with good crystallinity and relatively low cost. However, on this (0001) plane, the channel mobility at the MOS interface is low, and it is difficult to reduce the on-resistance. On the other hand, in the (000-1) plane which is the back surface of the (0001) plane, the channel mobility at the MOS interface is greatly influenced by the thermal oxidation atmosphere, and when oxidized in a wet atmosphere, the channel mobility is higher than that of the (0001) plane. It is reported to show. Therefore, it is expected that a low on-resistance MOSFET can be realized by using this (000-1) plane.
半導体装置においては、金属配線の下層の層間絶縁膜として、熱処理(リフロー処理)により表面平坦化が可能なものが多く用いられる。このような層間絶縁膜の一種に、ホウ素リンシリケートガラス(Boro−Phosphosilicate Glass,BPSG)膜がある。このBPSG膜においては、リフロー性能の向上のために、B(Boron)およびP(Phosphorus)の濃度を高くすることがよく行われる。そして、半導体装置の製造においては、化学気相成長(Chemical Vapor Deposition,CVD)法により、このBPSG膜を基板上に形成した後、800〜900℃の高温でリフロー処理を行うことにより、このBPSG膜の表面平坦化を行う。 In semiconductor devices, as an interlayer insulating film under a metal wiring, a film that can be flattened by heat treatment (reflow treatment) is often used. One type of such an interlayer insulating film is a boron-phosphosilicate glass (BPSG) film. In this BPSG film, the concentration of B (Boron) and P (Phosphorus) is often increased to improve the reflow performance. In manufacturing a semiconductor device, this BPSG film is formed on a substrate by a chemical vapor deposition (CVD) method, and then subjected to a reflow process at a high temperature of 800 to 900 ° C. The surface of the film is flattened.
ここで、炭化珪素基板を用いてMOSキャパシタを作製し、不活性ガスのみを用いたリフロー処理の有無による、炭化珪素基板とゲート絶縁膜との界面の界面準位密度(Dit)特性を比較してみた。その結果、MOSキャパシタとして、炭化珪素のn型基板上に酸化膜(ゲート絶縁膜)を製膜したもの(リフロー処理なし)の特性に対し、リフロー処理を実施したものは、Dit特性が大幅に増大した。これは、不活性ガス中でリフロー処理すると界面より水素が離脱してしまうためと考えられる。このDit特性の増大は、チャネル移動度の減少を示唆していることから、不活性ガスのみを用いたリフロー処理は、炭化珪素半導体を用いたMOSFETの製造プロセスには適用できない。 Here, a MOS capacitor was fabricated using a silicon carbide substrate, and the interface state density (Dit) characteristics of the interface between the silicon carbide substrate and the gate insulating film with and without reflow treatment using only an inert gas were compared. I tried. As a result, the MOS capacitor has a Dit characteristic significantly higher than that of an oxide film (gate insulating film) formed on a silicon carbide n-type substrate (no reflow process), but with a reflow process. Increased. This is thought to be because hydrogen is released from the interface when reflow treatment is performed in an inert gas. Since this increase in Dit characteristics suggests a decrease in channel mobility, the reflow process using only an inert gas cannot be applied to a MOSFET manufacturing process using a silicon carbide semiconductor.
炭化珪素基板上でのオーミックコンタクト形成のための熱処理について、ゲート絶縁膜形成後に不活性ガスを用いて熱処理する技術であり、オーミック抵抗を低減させ、低オン抵抗の炭化珪素半導体装置を製造する技術が開示されている(例えば、下記特許文献1参照。)。
A heat treatment for forming an ohmic contact on a silicon carbide substrate is a technique for performing a heat treatment using an inert gas after forming a gate insulating film, and a technique for producing a silicon carbide semiconductor device having a low on-resistance by reducing ohmic resistance. Is disclosed (for example, refer to
しかしながら、炭化珪素基板上へ形成した絶縁膜のリフロー工程を、上述した不活性ガス中で実施すると、界面準位密度が増大し、チャネル特性(チャネル移動度)が低下するという問題が生じる。また、層間絶縁膜を平坦化する際に、炭化珪素基板とゲート絶縁膜との界面における界面準位密度の増大を抑制するためには、層間絶縁膜のリフロー処理時の雰囲気と、層間絶縁膜のリフロー温度および時間の組み合わせを考慮して行わねばならない。 However, when the reflow process of the insulating film formed on the silicon carbide substrate is performed in the above-described inert gas, there occurs a problem that the interface state density increases and the channel characteristics (channel mobility) decrease. In order to suppress an increase in interface state density at the interface between the silicon carbide substrate and the gate insulating film when the interlayer insulating film is planarized, the atmosphere during the reflow treatment of the interlayer insulating film, the interlayer insulating film, The reflow temperature and time combination must be taken into consideration.
本発明は、上記課題に鑑み、絶縁膜と炭化珪素の界面準位密度を大幅に増大させることなく、層間絶縁膜の表面を平坦化でき、低オン抵抗の炭化珪素半導体装置を製造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。 In view of the above problems, the present invention can flatten the surface of an interlayer insulating film without significantly increasing the interface state density between the insulating film and silicon carbide, and can manufacture a silicon carbide semiconductor device with low on-resistance. An object is to provide a method for manufacturing a semiconductor device and a silicon carbide semiconductor device.
上記目的を達成するため、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素半導体の(000−1)面上(好ましくは4H−SiC(000−1)面上)、または、(11−20)面上に接するように第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、該ゲート電極の一部を除去し開口部を形成する工程と、該開口部の少なくとも一部に第2絶縁膜を形成する工程と、リフロー処理により前記第2絶縁膜の平坦化を実施する工程と、を有する炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記リフロー処理を、水素または、不活性ガスと水素の混合ガスを用いた雰囲気中にて、当該雰囲気を少なくとも400℃以上に加熱した状態を含み行うことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a (000-1) plane (preferably on a 4H-SiC (000-1) plane) or (11- 20) forming a first insulating film in contact with the surface; forming a gate electrode on the first insulating film; removing a part of the gate electrode to form an opening; In a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, the method comprising: forming a second insulating film on at least a part of the opening; and performing planarization of the second insulating film by reflow processing. In an atmosphere using hydrogen or a mixed gas of an inert gas and hydrogen, the process is performed including a state in which the atmosphere is heated to at least 400 ° C. or higher.
また、前記リフロー処理の昇温時に、大気または不活性ガスの雰囲気から、前記水素または、不活性ガスと水素の混合ガスを用いた雰囲気に置換する際の温度は、400℃以下で行い、前記リフロー処理の降温時に、前記水素または、不活性ガスと水素の混合ガスを用いた雰囲気から、大気または不活性ガスの雰囲気に置換する際の温度は、400℃以下で行うことを特徴とする。 Further, at the time of raising the temperature of the reflow treatment, the temperature at the time of substituting from the atmosphere of atmosphere or inert gas to the atmosphere using hydrogen or a mixed gas of inert gas and hydrogen is 400 ° C. or less, and When the temperature of the reflow treatment is lowered, the temperature at the time of replacing the atmosphere using hydrogen or a mixed gas of an inert gas and hydrogen with the atmosphere of an atmosphere or an inert gas is 400 ° C. or lower.
また、少なくとも酸素と水蒸気を含むガス中で熱酸化をし、前記炭化珪素半導体の(000−1)面上に接するように前記第1絶縁膜を形成する工程が、ゲート絶縁膜を形成する工程の少なくとも一部であることを特徴とする。 The step of thermally oxidizing in a gas containing at least oxygen and water vapor to form the first insulating film so as to be in contact with the (000-1) plane of the silicon carbide semiconductor is a step of forming a gate insulating film. It is characterized by being at least part of.
また、前記不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、窒素のいずれかを用いることを特徴とする。 The inert gas may be helium, argon, or nitrogen.
また、前記リフロー処理における、処理最高温度が600℃以上1100℃以下の範囲であることを特徴とする。 Further, the maximum processing temperature in the reflow processing is in a range of 600 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
また、前記不活性ガスと水素の混合ガス中の水素濃度が1%以上かつ4%以下の範囲であることを特徴とする。 In addition, the hydrogen concentration in the mixed gas of the inert gas and hydrogen is in the range of 1% to 4%.
また、本発明の炭化珪素半導体装置は、上記に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法により製造された炭化珪素半導体装置であり、当該炭化珪素半導体装置は、前記第1絶縁膜中の水素濃度が5×1019cm-3以上1×1022cm-3以下の範囲であることを特徴とする。
A silicon carbide semiconductor device of the present invention is a silicon carbide semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device described above, wherein the silicon carbide semiconductor device has a hydrogen concentration in the first insulating film. The range is from 5 × 10 19
上記構成によれば、(000−1)面上での炭化珪素半導体装置を、熱酸化またはCVD法等により第1絶縁膜を形成し、第1絶縁膜と炭化珪素基板の界面準位を水素で終端した後に、第2絶縁膜のリフロー処理を水素を含むガス中で行う。これにより、第1絶縁膜と炭化珪素基板との界面における炭化珪素基板表面の未結合手(ダングリングボンド)を終端している水素が第2絶縁膜のリフロー処理中に脱離するのを抑制できるため、低い界面準位密度を維持したまま、第2絶縁膜の平坦化を実現できるため、低オン抵抗の炭化珪素半導体装置の製造が可能となる。 According to the above configuration, the silicon carbide semiconductor device on the (000-1) plane is formed with the first insulating film by thermal oxidation or CVD, and the interface state between the first insulating film and the silicon carbide substrate is hydrogenated. Then, the second insulating film is reflowed in a gas containing hydrogen. This suppresses desorption of hydrogen terminating dangling bonds on the surface of the silicon carbide substrate at the interface between the first insulating film and the silicon carbide substrate during the reflow processing of the second insulating film. Therefore, the planarization of the second insulating film can be realized while maintaining a low interface state density, so that a low on-resistance silicon carbide semiconductor device can be manufactured.
本発明によれば、絶縁膜と炭化珪素との界面準位密度を維持したまま、リフロー処理による絶縁膜の平坦化を実現でき、低オン抵抗の炭化珪素半導体装置を製造できるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to realize planarization of the insulating film by the reflow process while maintaining the interface state density between the insulating film and silicon carbide, and to produce a low on-resistance silicon carbide semiconductor device.
以下に添付図面を参照して、この発明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の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の整数につくバーを意味しており、整数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。 A preferred embodiment of a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device and a silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. In the present specification, in the Miller index notation, “−” means a bar attached to an integer immediately after that, and “−” is added before the integer to indicate a negative index.
(第1実施形態)
図1は、本発明の実施形態にかかる炭化珪素半導体装置としてのMOSキャパシタを示す断面図である。このMOSキャパシタ1は、高濃度の窒素がドーピングされた厚さ300μmの(0001)面を有する第1導電型(n型)の高濃度の炭化珪素基板11表面上に、低濃度の窒素がドーピングされた第1導電型(n型)の半導体層からなる炭化珪素エピタキシャル層12が設けられる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a MOS capacitor as a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment of the present invention. This
炭化珪素基板11は、n型の4H−SiC(000−1)半導体の(000−1)面から0〜8度オフ基板、好ましくは0〜1度オフ基板である。炭化珪素エピタキシャル層12は、ドナー密度1×1016cm-3のn型のエピタキシャル膜を成長して形成する。なお、4H−SiC基板単体、あるいは4H−SiC基板とエピタキシャル膜からなるものを、いずれも4H−SiC半導体と呼ぶ。
The
炭化珪素エピタキシャル層12上には、第1絶縁膜(ゲート絶縁膜)13が形成され、このゲート絶縁膜13上にはゲート電極14が形成される。ゲート絶縁膜13およびゲート電極14は、第2絶縁膜(層間絶縁膜)17により覆われる。ゲート絶縁膜13は、少なくとも酸素と水蒸気を含むガス中(ウェット雰囲気)で熱酸化をし、炭化珪素基板11の(000−1)面上に接するように形成する。
A first insulating film (gate insulating film) 13 is formed on silicon
このほか、ゲート絶縁膜13は、CVD法などの成膜法により堆積してもよい。また、ゲート絶縁膜13は、n型の4H−SiC半導体の(11−20)面上に形成しても良い。このほか、図示しないが、4H−SiC半導体には、ソース領域およびドレイン領域が形成される。
In addition, the
図2は、本発明の第1実施形態によるリフロー処理の温度と、リフロー中のガスの交換の手順を示すタイミングチャートである。図中横軸は時間、縦軸にはリフロー炉内の温度を示している。また、リフロー処理中における雰囲気に用いる異なる種類のガスとして、図示の例では、フォーミングガスと、不活性ガスの置換タイミングを示している。以下の各手順は、4H−SiC半導体として、炭化珪素基板11表面上に炭化珪素エピタキシャル層12を形成した後に行う。
FIG. 2 is a timing chart showing the temperature of the reflow process according to the first embodiment of the present invention and the procedure for replacing the gas during the reflow. In the figure, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the temperature in the reflow furnace. In addition, as an example of different types of gases used for the atmosphere during the reflow process, in the illustrated example, the replacement timing of the forming gas and the inert gas is shown. Each of the following procedures is performed after forming silicon
4H−SiC半導体を洗浄した後、1000℃のウェット酸化を30分間にわたり行い厚さ50nmのゲート絶縁膜13を形成し、室温まで冷却する。室温まで冷却した後、図2に示すリフロー処理を行う。はじめに、大気の状態から、時期t1に、フォーミングガス(N2+1〜20%H2、または好ましくはN2+1〜4%H2、または特に好ましくはN2+3.4%H2)へ雰囲気を置換する。このフォーミングガスは、水素または、窒素等の不活性ガスと水素の混合ガスを用いる。
After the 4H—SiC semiconductor is washed, wet oxidation at 1000 ° C. is performed for 30 minutes to form a
この後、時期t2〜t3にかけて800℃まで昇温させる。この後、フォーミングガスの雰囲気中で800℃の温度を処理希望時間、例えば、10分間(期間T1)保持する。この後、時期t4〜t5にかけて降温させる。リフロー時の処理最高温度は、600℃以上1100℃以下の範囲とする。 Thereafter, the temperature is raised to 800 ° C. from time t2 to time t3. Thereafter, a temperature of 800 ° C. is maintained in a forming gas atmosphere for a desired processing time, for example, 10 minutes (period T1). Thereafter, the temperature is lowered from time t4 to t5. The maximum processing temperature during reflow is in the range of 600 ° C to 1100 ° C.
その後、時期t6にフォーミングガスより大気または不活性ガスへと置換する。そして、ゲート絶縁膜13上にドット状のAl等によりゲート電極14を蒸着し、炭化珪素基板11の裏面には全面にAl等の蒸着により裏面電極15を形成してMOSキャパシタを作製する。
Thereafter, at time t6, the forming gas is replaced with the atmosphere or an inert gas. Then, a
図3は、MOSキャパシタの容量−電圧測定を行う構成図である。MOSキャパシタ1は、表面と裏面の間に、C−Vメーター31を接続することにより、容量−電圧測定できる。
FIG. 3 is a configuration diagram for measuring capacitance-voltage of a MOS capacitor. The
図4は、MOSキャパシタの測定結果から得られた界面準位密度分布を示す図表である。図中横軸は伝導体からのエネルギー、縦軸は界面準位密度である。図3に示したC−Vメーター31を用いてMOSキャパシタ1の容量−電圧測定を行い、ゲート絶縁膜13の界面準位密度に及ぼす上記リフロー処理による雰囲気の影響について調べた。
FIG. 4 is a chart showing the interface state density distribution obtained from the measurement results of the MOS capacitor. In the figure, the horizontal axis represents the energy from the conductor, and the vertical axis represents the interface state density. The capacitance-voltage measurement of the
図4の(b)は、MOSキャパシタ1の作製をリフロー処理無しで行った状態であり、図4の(a)は、MOSキャパシタ1の作製を不活性ガス(N2ガス)中でリフロー処理を実施した場合である。図4の(a)に示すように、リフロー処理無しの場合に比べ、N2ガス中で熱処理したMOSキャパシタ1では界面準位密度が大幅に増加していることが分かる。
4B shows a state in which the
そして、この実施の形態1によれば、図4の(c)に示すように、フォーミングガス中でリフロー処理を実施することにより、界面準位密度の増大が抑制されていることが分かる。このように、ウェット酸化によってゲート絶縁膜13を形成した後、層間絶縁膜17のリフロー処理を水素を含む雰囲気で行うことにより、ウェット酸化によって得られたゲート絶縁膜13と炭化珪素エピタキシャル層12との界面における界面準位密度の増大を抑制できることが分かる。特に、ゲート絶縁膜13に好適な条件で、層間絶縁膜17をリフローすることにより、界面活性密度増大を防ぎ、かつ層間絶縁膜17を平坦化可能なことが検証できた。また、層間絶縁膜17のリフロー効果については、不活性ガスを用いたリフロー処理と、フォーミングガスを用いたリフロー処理とでは差異はみられなかった。
And according to this
図5は、不活性ガス雰囲気中におけるリフロー処理温度別の界面準位密度を示す図表である。不活性ガス雰囲気でも400℃程度であれば、界面準位密度の増大はほとんどみられないことが分かる。以上のことから、ゲート絶縁膜13の界面からの水素の離脱と思われる界面準位密度の増大を防ぐためには、4H−SiC半導体が400℃以上に熱せられる時にフォーミングガス雰囲気に存在することが好ましい。これは、図2でみて、時期t2〜t3の期間中に相当する。
FIG. 5 is a chart showing the interface state density for each reflow treatment temperature in an inert gas atmosphere. It can be seen that the interface state density is hardly increased at about 400 ° C. even in an inert gas atmosphere. In view of the above, in order to prevent an increase in interface state density that is considered to be hydrogen detachment from the interface of the
そして、本発明の製造方法によれば、ゲート絶縁膜13中(界面近傍)の水素濃度は、5×1019cm-3以上、1×1022cm-3以下の範囲となり、多量の水素を含ませることができる。これにより、層間絶縁膜17のリフロー後においてもゲート絶縁膜13と炭化珪素エピタキシャル層12との界面における炭化珪素エピタキシャル層12表面の未結合手を水素で終端させることができ、ゲート絶縁膜13と炭化珪素エピタキシャル層12との界面における界面準位密度の増大を回避することができる。
According to the manufacturing method of the present invention, the hydrogen concentration in the gate insulating film 13 (near the interface) is in the range of 5 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less. Can be included. Thereby, even after reflow of
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図6は、本発明の第2実施形態による、リフロー処理の温度と、リフロー中のガスの交換の手順を示すタイミングチャートである。この第2実施形態では、4H−SiC半導体に対するリフロー処理として、室温より昇温を行うが(時期t1)、温度が400℃を超えるタイミングで不活性ガスよりフォーミングガスへ雰囲気を置換する(時期t2)。このガスの置換は、昇温と並行して実施しても構わない。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a timing chart showing the temperature of the reflow process and the procedure for replacing the gas during the reflow according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, as the reflow process for the 4H—SiC semiconductor, the temperature is raised from room temperature (time t1), but the atmosphere is replaced with the forming gas from the inert gas at the time when the temperature exceeds 400 ° C. (time t2). ). This gas replacement may be performed in parallel with the temperature increase.
この後、処理希望温度(例えば、800℃)まで昇温し(時期t3)、処理希望時間、例えば10分間(期間T1)保持した後、時期t4〜t6の間、降温させる。降温の際にも、室温が400℃を下回るタイミング(時期t5)でフォーミングガスから不活性ガスまたは大気への置換を実施する。このガス置換は、降温と並行して実施しても構わない。 Thereafter, the temperature is raised to a desired treatment temperature (for example, 800 ° C.) (time t3), held for a desired treatment time, for example, 10 minutes (period T1), and then lowered from time t4 to time t6. When the temperature is lowered, the forming gas is replaced with an inert gas or the atmosphere at a timing (time t5) when the room temperature falls below 400 ° C. This gas replacement may be performed in parallel with the temperature drop.
このように、第2実施形態によれば、フォーミングガスを使用する時間を短くすることで、フォーミングガスとして使用するガス量の低減ができ、生産コストを下げることができるようになる。 Thus, according to the second embodiment, the amount of gas used as the forming gas can be reduced and the production cost can be reduced by shortening the time for which the forming gas is used.
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図7は、本発明の第3実施形態による、リフロー処理の温度と、リフロー中のガスの交換の手順を示すタイミングチャートである。この第3実施形態では、4H−SiC半導体リフロー処理を行う際に、生産性に優れるリフロー炉(例えば、縦型アニール炉や、拡散炉等)に適用する例を説明する。第1実施形態および第2実施形態で説明したように、室温から希望処理温度(800℃)に昇温させる時間と、希望処理温度から室温まで降温させる時間は、いずれも長くなる。このことは、タクトタイムの増大につながり、生産性を下げることになる。本発明の第3実施形態は、このようなタクトタイムの増大を解消し、生産性を高めるものである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a timing chart showing the temperature of the reflow process and the procedure for replacing the gas during the reflow according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, an example will be described in which a 4H-SiC semiconductor reflow process is applied to a reflow furnace (for example, a vertical annealing furnace, a diffusion furnace, etc.) with excellent productivity. As described in the first embodiment and the second embodiment, the time for raising the temperature from room temperature to the desired treatment temperature (800 ° C.) and the time for lowering the temperature from the desired treatment temperature to room temperature are both long. This leads to an increase in tact time and lowers productivity. The third embodiment of the present invention eliminates such an increase in tact time and increases productivity.
図7に示すように、炉の温度は、400℃に保っておき、4H−SiC半導体は、この400℃の炉の中へ投入する(時期t0)。この時のガス雰囲気は不活性ガスでも構わない。その後、ガス雰囲気を不活性ガスからフォーミングガスへ雰囲気を置換する(時期t1)。フォーミングガスで炉の中が満たされた後、処理希望温度(例えば、800℃)まで昇温し(時期t2〜t3)、希望処理時間、例えば10分間(期間T1)を保持した後、400℃以下まで降温させる(時期t4〜t5)。この後、フォーミングガスから不活性ガスまたは大気への置換を実施し(時期t6)、炉の中から4H−SiC半導体を排出する。 As shown in FIG. 7, the temperature of the furnace is kept at 400 ° C., and the 4H—SiC semiconductor is put into the furnace at 400 ° C. (time t0). The gas atmosphere at this time may be an inert gas. Thereafter, the gas atmosphere is replaced from an inert gas to a forming gas (time t1). After the inside of the furnace is filled with the forming gas, the temperature is raised to a desired processing temperature (for example, 800 ° C.) (time t2 to t3), and a desired processing time, for example, 10 minutes (period T1) is maintained. The temperature is lowered to the following (time t4 to t5). Thereafter, replacement of the forming gas with an inert gas or the atmosphere is performed (time t6), and the 4H—SiC semiconductor is discharged from the furnace.
このように、第3実施形態によれば、4H−SiC半導体の投入温度、排出温度を400℃程度に高めた状態で行う。これにより、4H−SiC半導体をリフロー炉に投入している期間を短時間にでき、生産性の高いリフロー炉を用いた製造が可能となる。 Thus, according to 3rd Embodiment, it carries out in the state which raised the injection | throwing temperature and discharge | emission temperature of 4H-SiC semiconductor to about 400 degreeC. As a result, the period during which the 4H—SiC semiconductor is put into the reflow furnace can be shortened, and manufacturing using the reflow furnace with high productivity becomes possible.
以上説明した各実施の形態によれば、(000−1)面上での炭化珪素半導体装置の製造過程において、熱酸化またはCVD法等によりゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜と炭化珪素の界面準位を水素で終端した後に、層間絶縁膜のリフロー処理を水素を含むガス中で行う。これにより、絶縁膜と炭化珪素との界面準位を終端している水素がリフロー処理中に脱離するのを抑制できるため、低い界面準位密度を維持したまま、層間絶縁膜の平坦化を実現できるため、低オン抵抗の炭化珪素半導体装置の製造が可能となる。 According to each embodiment described above, in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device on the (000-1) plane, the gate insulating film is formed by thermal oxidation or the CVD method, and the gate insulating film and the silicon carbide are formed. After the interface state is terminated with hydrogen, the interlayer insulating film is reflowed in a gas containing hydrogen. As a result, hydrogen that terminates the interface state between the insulating film and silicon carbide can be prevented from desorbing during the reflow process, so that the interlayer insulating film can be planarized while maintaining a low interface state density. Since this can be realized, it is possible to manufacture a silicon carbide semiconductor device with low on-resistance.
特に、リフロー処理を、フォーミングガスとしての、水素または、不活性ガスと水素の混合ガス中にて400℃以上の処理を実施することとした。これにより、4H−SiC半導体が400℃以上に熱せられる時にフォーミングガス雰囲気に存在することとなり、界面近傍に多量の水素を含ませることができ、ゲート絶縁膜13の界面からの水素の離脱と思われる界面準位密度の増大を防ぐことができるようになる。
In particular, the reflow treatment was performed at 400 ° C. or higher in hydrogen or a mixed gas of an inert gas and hydrogen as a forming gas. As a result, when the 4H—SiC semiconductor is heated to 400 ° C. or higher, it is present in the forming gas atmosphere, so that a large amount of hydrogen can be contained in the vicinity of the interface, and it is considered that hydrogen is detached from the interface of the
以上のように、本発明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は、例えばパワーデバイス等の電力用半導体装置や、産業用あるいは自動車用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。 As described above, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device and the silicon carbide semiconductor device according to the present invention include a power semiconductor device such as a power device, a power used for motor control and engine control for industrial or automobile use. Useful for semiconductor devices.
1 MOSキャパシタ
11 炭化珪素基板(4H−SiC基板)
12 炭化珪素エピタキシャル層
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 裏面電極
17 層間絶縁膜
31 C−Vメーター
1
12 Silicon
Claims (6)
前記リフロー処理は、リフロー炉の温度を、界面順位密度が増大しない所定の温度に保ち、前記第2絶縁膜が形成された炭化珪素半導体を当該リフロー炉に投入し、大気または不活性ガスの雰囲気から、水素または不活性ガスと水素の混合ガスを用いた雰囲気に置換した後、処理希望温度まで上昇させ、
前記所定の温度は、400℃程度であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 A step of forming a first insulating film so as to be in contact with a (000-1) plane or a (11-20) plane of a silicon carbide semiconductor; and a step of forming a gate electrode on the first insulating film; Removing a part of the gate electrode to form an opening; forming a second insulating film on at least a part of the opening; and planarizing the second insulating film by a reflow process. In a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device having:
In the reflow process, the temperature of the reflow furnace is maintained at a predetermined temperature at which the interface order density does not increase, and the silicon carbide semiconductor on which the second insulating film is formed is placed in the reflow furnace, and the atmosphere of an atmosphere or an inert gas After replacing with an atmosphere using hydrogen or a mixed gas of inert gas and hydrogen, the temperature is raised to the desired treatment temperature ,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the predetermined temperature is about 400 ° C.
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