JP2005277253A - Method for manufacturing semiconductor device and hydrogen treatment apparatus - Google Patents
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Abstract
【要約書】
【課題】 半導体基板上に形成された金属-絶縁膜又は酸化膜-半導体構造を有する半導体装置に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いることにより、ゲート絶縁膜/半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの水素終端を図り、界面準位密度を低減させる水素処理装置及びその作製方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、水素又は水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を前記半導体基板に供給することにより、低温にて上記ゲート絶縁膜と上記半導体界面の界面準位密度を低減させ、実際の使用に十分耐え得る良好なゲート絶縁膜/半導体界面を形成する。
【選択図】 図1[Summary]
PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a semiconductor device having a metal-insulating film or oxide film-semiconductor structure formed on a semiconductor substrate by a thermal catalytic action of a gas containing hydrogen on a surface of a thermal catalyst heated to a high temperature. By using the activated hydrogen thus produced, a hydrogen treatment apparatus and a method for manufacturing the hydrogen treatment apparatus are provided, in which dangling bonds existing in the vicinity of the gate insulating film / semiconductor interface are terminated and the interface state density is reduced.
A thermal catalyst is disposed in the vicinity of a semiconductor substrate, and hydrogen or a gas containing hydrogen is allowed to pass through the vicinity of the thermal catalyst so as to be activated by thermal catalysis on the surface of the heated thermal catalyst. By generating activated hydrogen and supplying the activated hydrogen to the semiconductor substrate, the interface state density between the gate insulating film and the semiconductor interface can be reduced at a low temperature, and can withstand actual use. A proper gate insulating film / semiconductor interface is formed.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、半導体基板上に金属-絶縁膜(又は酸化膜)-半導体(MIS又はMOS)構造を有する半導体装置(電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET))に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を供給し、界面準位密度の低い良好なゲート絶縁膜/半導体界面を形成する水素処理装置及びその作製方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a metal-insulating film (or oxide film) -semiconductor (MIS or MOS) structure on a semiconductor substrate (field effect transistor (MIS or MOSFET)) heated to a high temperature. Hydrogen treatment apparatus for supplying activated hydrogen generated by thermal catalysis of a gas containing hydrogen on the surface of a catalyst body to form a good gate insulating film / semiconductor interface having a low interface state density, and a method for manufacturing the same About.
ゲート絶縁膜が半導体基板上に形成されているMIS又はMOSFETを基幹構造とする半導体装置の製造工程において、ゲート絶縁膜形成工程時はもちろん、イオン注入工程、配線形成工程、層間絶縁膜形成工程等において半導体基板がダメージを受ける。ダメージを受けたゲート絶縁膜/半導体界面に生じる欠陥(ダングリングボンド)や再結合中心は、半導体基板上に形成される素子の特性の変動を生じさせる問題がある。
そのため、ゲート絶縁膜を形成した半導体装置の製造工程において、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面に生じたダングリングボンド等の欠陥に水素を供給して界面準位密度を低減させるという水素化処理が一般的に行われている。
In the manufacturing process of a semiconductor device having a MIS or MOSFET with a gate insulating film formed on a semiconductor substrate as a basic structure, not only the gate insulating film forming process but also the ion implantation process, wiring forming process, interlayer insulating film forming process, etc. In this case, the semiconductor substrate is damaged. Defects (dangling bonds) and recombination centers generated at the damaged gate insulating film / semiconductor interface have a problem of causing fluctuations in characteristics of elements formed on the semiconductor substrate.
Therefore, in the manufacturing process of a semiconductor device in which a gate insulating film is formed, a hydrogenation process in which hydrogen is supplied to defects such as dangling bonds generated at the interface between the gate insulating film and the semiconductor substrate to reduce the interface state density. Is generally done.
界面準位密度の低減に水素化処理が有効である半導体装置の半導体基板材料の代表的なものとして、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ダイヤモンドがある。
本発明では、特に次世代パワーエレクトロニクス素子の半導体基板材料として最も期待されている炭化珪素を実施例として用い、ゲート絶縁膜/半導体基板界面に存在する界面準位密度を低減させるための半導体装置の作製方法及びその水素処理装置を以下に説明する。
As a typical semiconductor substrate material of a semiconductor device in which hydrogenation treatment is effective in reducing the interface state density, there are silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, and diamond.
In the present invention, silicon carbide, which is most expected as a semiconductor substrate material for next-generation power electronics elements, is used as an example, and a semiconductor device for reducing the interface state density existing at the gate insulating film / semiconductor substrate interface is described. A manufacturing method and a hydrogen treatment apparatus thereof will be described below.
炭化珪素は珪素と比較して、(1)バンドギャップが広い、(2)絶縁破壊強度が大きい、(3)電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、炭化珪素を半導体基板材料として用いることにより、珪素の限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。
また、炭化珪素には、珪素と同様に、熱酸化法によって絶縁体であるシリコン酸化膜を形成できるという特徴がある。これらの理由から、炭化珪素を半導体基板材料とした高耐圧で低いオン抵抗のMOSFETが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
しかしながら、現状の技術によって作製される炭化珪素半導体パワーデバイスのオン抵抗は、珪素半導体の値と比較して小さくなったものの、理論限界値よりはかなり大きく十分に炭化珪素の性能を発揮するには至っていない。
Silicon carbide has excellent physical properties compared to silicon, such as (1) a wide band gap, (2) a high dielectric breakdown strength, and (3) a high saturation drift velocity of electrons. Therefore, by using silicon carbide as a semiconductor substrate material, a power semiconductor element having a high breakdown voltage and a low resistance exceeding the limit of silicon can be produced.
In addition, silicon carbide has a feature that a silicon oxide film which is an insulator can be formed by a thermal oxidation method, similarly to silicon. For these reasons, it is considered that a high breakdown voltage and low on-resistance MOSFET using silicon carbide as a semiconductor substrate material can be realized, and many researches and developments have been conducted.
However, although the on-resistance of silicon carbide semiconductor power devices manufactured by the current technology is smaller than that of silicon semiconductors, it is much larger than the theoretical limit value to fully demonstrate the performance of silicon carbide. Not reached.
これはシリコン酸化膜/炭化珪素半導体界面や炭化珪素半導体表面に高密度の欠陥(ダングリングボンド)が存在しているため高い界面準位密度を生じ、その結果、反転層チャネルの電子移動度が極めて小さく(〜10 cm2/Vs)なってしまうことに起因している。
前記シリコン酸化膜/炭化珪素半導体界面や炭化珪素半導体表面に存在する欠陥(ダングリングボンド)は、炭化珪素半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程だけではなく、層間絶縁膜を形成する工程、配線層を形成する工程、及び配線層を保護する絶縁膜を形成する工程における半導体基板の受けるダメージによっても生じる。
This is because high density of defects (dangling bonds) exist at the silicon oxide film / silicon carbide semiconductor interface and silicon carbide semiconductor surface, resulting in high interface state density. As a result, the electron mobility of the inversion layer channel is increased. This is due to being extremely small (˜10 cm 2 / Vs).
Defects (dangling bonds) existing on the silicon oxide film / silicon carbide semiconductor interface and the silicon carbide semiconductor surface are not only a process of forming a gate insulating film on a silicon carbide semiconductor substrate, but also a process of forming an interlayer insulating film, This also occurs due to damage received by the semiconductor substrate in the step of forming the wiring layer and the step of forming the insulating film for protecting the wiring layer.
そのため、シリコン酸化膜と炭化珪素半導体の界面近傍に存在するダングリングボンドに水素を供給して、ダングリングボンドを水素終端させ、界面準位密度を低減させることが重要であり、前記界面準位密度を低減させる水素処理が一般的に行われている。
前記のように、シリコン酸化膜/炭化珪素半導体界面に存在するダングリングボンドは、ゲート絶縁膜を形成した後の様々なプロセス工程でも生じるので、前記水素処理はプロセスの最終工程で行われることが望ましい。
そのため、アルミニウムを含むゲート電極膜の融点よりも低い温度である600°C以下に水素処理を低温化することが必要である。これまで、界面準位密度の低減を目的としたシリコン酸化膜/炭化珪素半導体界面の作製方法に関しては既にいくつかの開示がある。
Therefore, it is important to supply hydrogen to a dangling bond existing in the vicinity of the interface between the silicon oxide film and the silicon carbide semiconductor, to terminate the dangling bond with hydrogen, and to reduce the interface state density. Hydrogen treatment for reducing the density is generally performed.
As described above, dangling bonds existing at the silicon oxide film / silicon carbide semiconductor interface also occur in various process steps after the formation of the gate insulating film. Therefore, the hydrogen treatment may be performed in the final step of the process. desirable.
Therefore, it is necessary to lower the hydrogen treatment temperature to 600 ° C. or lower which is lower than the melting point of the gate electrode film containing aluminum. Up to now, several disclosures have already been made regarding a method for producing a silicon oxide film / silicon carbide semiconductor interface for the purpose of reducing the interface state density.
例えば、炭化珪素単結晶基板の熱酸化膜の改善方法において、炭化珪素を酸化する工程に続き、水素雰囲気中で熱アニールする工程と、不活性ガス雰囲気中で熱アニールする工程を有することを特徴とするヒステリシス及びフラットバンドシフトを低減する炭化珪素の熱酸化膜の改善方法が開示されている(特許文献1参照)。
この特許文献1には、特に炭化珪素を酸化後に1000°Cで水素雰囲気中での熱アニール処理する方法が記載されているが、1000°Cでは熱アニール温度が高すぎて水素により酸化膜が還元されてしまい、この酸化膜をゲート絶縁膜として用いた場合のデバイス信頼性を低下させる原因となる。
また、熱アニールの処理温度が1000°Cと高温であるため、金属配線材料であるアルミニウムの融点よりも高いため、炭化珪素半導体装置作製プロセスの最終工程として導入することができないという問題がある。
For example, in the method for improving a thermal oxide film of a silicon carbide single crystal substrate, the method includes a step of thermal annealing in a hydrogen atmosphere and a step of thermal annealing in an inert gas atmosphere following the step of oxidizing silicon carbide. A method for improving a thermal oxide film of silicon carbide that reduces hysteresis and flat band shift is disclosed (see Patent Document 1).
This
In addition, since the heat annealing treatment temperature is as high as 1000 ° C. and higher than the melting point of aluminum, which is a metal wiring material, there is a problem that it cannot be introduced as the final step of the silicon carbide semiconductor device manufacturing process.
また、炭化珪素半導体装置の熱酸化膜形成後の界面準位密度を低減するために、熱酸化後の不活性ガス雰囲気中の熱アニール時間を2時間未満とし、また、一度形成した熱酸化膜を300°C〜500°Cの低温で水素又は水素原子を含むガス雰囲気中で熱アニール処理するのもよく、更にまた、熱酸化後及び熱酸化後の熱処理工程後の冷却期間の少なくとも一部で、水素原子を含む雰囲気中で300°C〜500°Cの範囲において熱アニール処理する方法が記載されている(特許文献2参照)。
しかし、ゲート絶縁膜形成後に水素原子を含む雰囲気中での熱アニール処理としては、300°C〜500°Cの範囲は温度が低く、ダングリングボンドの水素終端工程として不十分であるという問題がある。
Further, in order to reduce the interface state density after the formation of the thermal oxide film of the silicon carbide semiconductor device, the thermal annealing time in the inert gas atmosphere after the thermal oxidation is set to less than 2 hours, and the thermal oxide film formed once May be thermally annealed in a gas atmosphere containing hydrogen or hydrogen atoms at a low temperature of 300 ° C. to 500 ° C. Furthermore, at least a part of the cooling period after thermal oxidation and after the thermal treatment step after thermal oxidation Thus, a method of performing a thermal annealing treatment in an atmosphere containing hydrogen atoms in a range of 300 ° C. to 500 ° C. is described (see Patent Document 2).
However, as a thermal annealing process in an atmosphere containing hydrogen atoms after the gate insulating film is formed, the temperature is low in the range of 300 ° C. to 500 ° C., which is insufficient as a dangling bond hydrogen termination step. is there.
また、少なくとも最上層に炭化珪素を有する半導体基板上に、ゲート絶縁膜として酸化膜及び/又は窒化膜の1層又は2層以上を形成した後、600°C〜1600°Cの範囲で水素を含んだ雰囲気中でアニールする半導体装置の製造方法が開示されており、ゲート絶縁膜/炭化珪素半導体界面に存在する珪素又は炭素のダングリングボンドを水素で終端することにより、界面準位密度を十分に減らして、実際の使用に耐え得る良好なゲート酸化膜/炭化珪素半導体界面を得ることができるという効果が記載されている(特許文献3参照)。
しかし、上記と同様に600°C〜1600°Cの範囲での熱アニールでは、金属配線材料であるアルミニウムの融点よりも高いため、炭化珪素半導体装置作製プロセスの最終工程として導入することができないという問題がある。
However, as described above, thermal annealing in the range of 600 ° C. to 1600 ° C. cannot be introduced as the final step of the silicon carbide semiconductor device manufacturing process because it is higher than the melting point of aluminum, which is a metal wiring material. There's a problem.
本発明は、上記の問題に鑑み、半導体基板上に形成された金属-絶縁膜(又は酸化膜)-半導体(MIS又はMOS)構造を有する半導体装置(電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET))に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いることにより、600°C以下の低温においてゲート絶縁膜/半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの水素終端を図り、界面準位密度を低減させることができる水素処理装置及びその作製方法を提供することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention provides a semiconductor device (field effect transistor (MIS or MOSFET)) having a metal-insulating film (or oxide film) -semiconductor (MIS or MOS) structure formed on a semiconductor substrate. On the other hand, by using activated hydrogen generated by the thermal catalysis of the gas containing hydrogen on the surface of the thermal catalyst heated to a high temperature, the vicinity of the gate insulating film / semiconductor interface at a low temperature of 600 ° C. or lower. It is an object of the present invention to provide a hydrogen treatment apparatus and a method for manufacturing the same, which can reduce the interface state density by hydrogen termination of dangling bonds existing in the substrate.
上記課題を解決するため、次の各項の発明を提案するものである。
本願1)の発明は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製方法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成した工程の後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、水素又は水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the inventions of the following items are proposed.
The invention of the present application 1) relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, and a thermal catalyst in the vicinity of the semiconductor substrate after the step of forming the gate insulating film on the semiconductor substrate. To generate hydrogen activated by thermal catalysis on the surface of the heated thermal catalyst body so that hydrogen or a gas containing hydrogen passes through the vicinity of the thermal catalyst body, and the activated hydrogen Is supplied to the semiconductor substrate.
本願2)の発明は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を含む半導体装置の作製方法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、アルミニウムを含む材料によりゲート電極膜を形成した工程の後に、前記半導体基板の近傍に熱触媒体を配置し、水素又は水素を含むガスを前記熱触媒体の近傍を通過させるようにして、加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により活性化した水素を生成させ、当該活性化した水素を前記半導体基板に供給することを特徴とする。 The invention of the present application 2) is a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, and a step of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate and a gate electrode film formed of a material containing aluminum After the step, a thermal catalyst is disposed in the vicinity of the semiconductor substrate, and hydrogen or a gas containing hydrogen is allowed to pass through the vicinity of the thermal catalyst so that the thermal catalytic action on the surface of the heated thermal catalyst is performed. The activated hydrogen is generated by the above-described method, and the activated hydrogen is supplied to the semiconductor substrate.
本願3)の発明は、上記1又は2に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板は、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする。 The invention of 3) of the present application is the method for manufacturing a semiconductor device according to 1 or 2, wherein the semiconductor substrate is silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, gallium aluminum arsenide, gallium phosphide, gallium nitride, aluminum nitride. Or diamond.
本願4)の発明は、上記1〜3に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする。
The invention of the present application 4) is characterized in that, in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the
本願5)の発明は、上記1〜3に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜を含む多層膜であることを特徴とする。
The invention of (5) of the present application is characterized in that in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the
本願6)の発明は、上記1〜5に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET,Lateral Resurf MOSFET,UMOSFETであることを特徴とする。 The invention of (6) of the present application is characterized in that, in the method for manufacturing a semiconductor device described in 1 to 5 above, the semiconductor device having a gate insulating film is a DMOSFET, a lateral resurf MOSFET, or a UMOSFET.
本願7)の発明は、上記1〜6に記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの2種類以上の合金であることを特徴とする。 The invention of the present application 7) is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 6 above, wherein the thermal catalyst is tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, vanadium, a platinum group element, or an alloy of two or more of these. It is characterized by.
本願8)の発明は、上記1〜7に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板の温度を600°C以下に維持して行うことを特徴とする。 The invention of the present application 8) is characterized in that in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 7 described above, the temperature of the semiconductor substrate is maintained at 600 ° C. or lower.
本願9)の発明は、上記1〜8に記載の半導体装置の作製方法において、熱触媒体を1000°Cから1800°Cの予め決められた温度に加熱し、熱触媒表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから活性化した水素を生成させることを特徴とする。 The invention of the present application 9) is the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 8 above, wherein the thermal catalyst is heated to a predetermined temperature of 1000 ° C. to 1800 ° C., and thermal catalytic action on the surface of the thermal catalyst. To generate activated hydrogen from hydrogen or a gas containing hydrogen.
本願10)の発明は、上記1〜9に記載の半導体装置の作製方法において、水素又は水素を含むガス圧力を1Pa〜100Paすることを特徴とする。 The invention of the present application 10) is characterized in that in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 9 above, hydrogen or a gas pressure containing hydrogen is set to 1 Pa to 100 Pa.
本願11)の発明は、上記1〜10に記載の半導体装置の作製方法において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから生成された活性化した水素を1分間〜3時間の予め決められた時間供給することを特徴とする。 The invention of the present application 11) is an activated hydrogen produced from hydrogen or a gas containing hydrogen by thermal catalysis on the surface of the thermal catalyst heated to a high temperature in the method for producing a semiconductor device according to 1 to 10 above. Is supplied for a predetermined time of 1 minute to 3 hours.
本願12)の発明は、上記1〜11に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が104mm以下の予め決められた距離に配置されていることを特徴とする。 According to the invention of the present application 12), in the method for manufacturing a semiconductor device described in 1 to 11 above, the distance between the semiconductor substrate having the gate insulating film and the thermal catalyst is arranged at a predetermined distance of 104 mm or less. It is characterized by.
本願13)の発明は、上記1〜12に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜が、大気中、酸素雰囲気中又はH2O(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成された膜であることを特徴とする。 The invention of 13) of the present application is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 12 above, wherein the gate insulating film is heated in the air, in an oxygen atmosphere, or in a water vapor atmosphere containing H 2 O (water). It is a formed film.
本願14)の発明は、上記1〜12に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜が、大気中、酸素雰囲気中又はH2O(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成した後、化学気相法によりシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜を形成するか又はシリコン窒化膜をさらに熱酸化したシリコン酸窒化膜のいずれか1つ又はこれらの2つ以上の膜からなる複合膜であることを特徴とする。 The invention of the present application 14) is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 12 above, wherein the gate insulating film is heated in the air, in an oxygen atmosphere, or in a water vapor atmosphere containing H 2 O (water). After the formation, a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed by chemical vapor deposition, or a silicon oxynitride film obtained by further thermally oxidizing the silicon nitride film, or a composite film composed of two or more of these films It is characterized by being.
本願15)の発明は、上記1〜14に記載の半導体装置の作製方法において、ゲート絶縁膜を形成する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、酸素雰囲気中で熱処理する工程、又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。 The invention of the present application 15) includes a step of forming a gate insulating film, a step of supplying hydrogen activated by a thermal catalyst to a semiconductor substrate, and performing a hydrogen treatment in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 1 to 14 above. The method includes a step of heat-treating in an oxygen atmosphere or a step of heat-treating in an inert gas atmosphere.
本願16)の発明は、上記1〜15に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、H2O(水)を含んだ水蒸気雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。 The invention of the present application 16) provides a semiconductor device manufacturing method as described in 1 to 15 above, wherein a heat treatment in an oxygen atmosphere or an inert gas atmosphere and hydrogen activated by a thermal catalyst are supplied to a semiconductor substrate. And a step of performing a heat treatment in a water vapor atmosphere containing H 2 O (water).
本願17)の発明は、上記1〜15に記載の半導体装置の作製方法において、酸素雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で熱処理する工程と、熱触媒体により活性化した水素を半導体基板に供給して水素処理する工程との間に、NO、N2O、又はNO2を含んだ雰囲気中で熱処理する工程を含むことを特徴とする。 The invention of the present application 17) provides a semiconductor device manufacturing method as described in 1 to 15 above, wherein a heat treatment in an oxygen atmosphere or an inert gas atmosphere, and hydrogen activated by a thermal catalyst are supplied to a semiconductor substrate. And a step of performing a heat treatment in an atmosphere containing NO, N 2 O, or NO 2 .
本願18)の発明は、上記1〜17に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程を含むことを特徴とする。 The invention of 18) of the present application is characterized in that the semiconductor device manufacturing method according to any one of 1 to 17 above includes a step of cleaning the surface of the semiconductor substrate.
本願19)の発明は、上記18に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に犠牲酸化処理を含むことを特徴とする。 The invention of 19) of the present application is characterized in that in the method for manufacturing a semiconductor device according to 18 above, a sacrificial oxidation treatment is included in the cleaning step of the surface of the semiconductor substrate.
本願20)の発明は、上記18又は19に記載の半導体装置の作製方法において、半導体基板表面の洗浄工程に紫外光の照射を伴うオゾン暴露処理を含むことを特徴とする。 The invention of (20) of the present application is characterized in that in the method for manufacturing a semiconductor device according to the above 18 or 19, the cleaning process of the surface of the semiconductor substrate includes an ozone exposure treatment accompanied by irradiation with ultraviolet light.
本願21)の発明は、上記1〜20に記載の半導体装置の作製方法に含まれる工程に加えて、さらに、層間絶縁膜を形成する工程と、配線層を形成する工程と、配線層を保護する絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする。 In addition to the steps included in the method for manufacturing a semiconductor device described in 1 to 20 above, the invention of the present application 21) further includes a step of forming an interlayer insulating film, a step of forming a wiring layer, and protecting the wiring layer And a step of forming an insulating film.
本願22)の発明は、ゲート絶縁膜を有する半導体基板を所定位置に配置することができるチャンバーと、所定の位置に配置された半導体基板を加熱する加熱手段と、所定位置に配置された半導体基板の表面近傍に設けられた熱触媒体と、熱触媒体を所定温度に加熱する加熱手段と、チャンバー内を減圧状態にできる真空排気系と、水素又は水素を含むガスをチャンバー内に導入するガス導入系と、チャンバー内の水素又は水素を含むガスの圧力調整手段を備え、水素又は水素を含むガスを熱触媒体の表面付近を通過させることにより活性化された水素を半導体基板の表面に供給することを特徴とする水素処理装置に関する。 The invention of the present application 22) includes a chamber in which a semiconductor substrate having a gate insulating film can be disposed at a predetermined position, a heating means for heating the semiconductor substrate disposed at the predetermined position, and a semiconductor substrate disposed at the predetermined position. A thermal catalyst provided near the surface of the substrate, a heating means for heating the thermal catalyst to a predetermined temperature, a vacuum exhaust system capable of reducing the pressure in the chamber, and a gas for introducing hydrogen or a gas containing hydrogen into the chamber Equipped with an introduction system and a pressure adjusting means for hydrogen or hydrogen-containing gas in the chamber, hydrogen or hydrogen-containing gas is passed near the surface of the thermal catalyst to supply activated hydrogen to the surface of the semiconductor substrate. The present invention relates to a hydrogen treatment apparatus.
本願23)の発明は、上記22に記載の水素処理装置において、半導体基板は、珪素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化珪素、ガリウム砒素、ガリウムアルミニウム砒素、ガリウム燐、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする。 The invention of the present application 23) is the hydrogen treatment apparatus as described in 22 above, wherein the semiconductor substrate is silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, gallium aluminum arsenide, gallium phosphide, gallium nitride, aluminum nitride, or diamond. It is characterized by being.
本願24)の発明は、上記22又は23に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする。 The invention 24) is characterized in that, in the hydrogen treatment apparatus according to the item 22 or 23, the gate insulating film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film.
本願25)の発明は、上記22又は23に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜を含む多層膜であることを特徴とする。 The invention of 25) of the present application is characterized in that, in the hydrogen treatment apparatus described in 22 or 23 above, the gate insulating film is a multilayer film including a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film.
本願26)の発明は、上記22〜25に記載の水素処理装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体装置が、DMOSFET,Lateral Resurf MOSFET,UMOSFETであることを特徴とする。 The invention of the present application 26) is characterized in that, in the hydrogen treatment apparatus as described in 22 to 25 above, the semiconductor device having a gate insulating film is a DMOSFET, a lateral resurf MOSFET, or a UMOSFET.
本願27)の発明は、上記22〜26に記載の水素処理装置において、熱触媒体は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの2種類以上の合金であることを特徴とする。 The invention of (27) of the present application is characterized in that, in the hydrogen treatment apparatus according to any of 22 to 26 above, the thermal catalyst is tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, vanadium, a platinum group element, or an alloy of two or more of these. And
本願28)の発明は、上記22〜27に記載の水素処理装置において、半導体基板の温度を600°C以下に維持する装置を備えていることを特徴とする。 The invention 28) is characterized in that, in the hydrogen treatment apparatus according to any one of the above 22 to 27, an apparatus for maintaining the temperature of the semiconductor substrate at 600 ° C. or less is provided.
本願29)の発明は、上記22〜28に記載の水素処理装置において、熱触媒体を1000°Cから1800°Cの予め決められた温度に加熱する装置を備えていることを特徴とする。 The invention of 29) of the present application is characterized in that in the hydrogen treatment apparatus described in 22 to 28 above, a device for heating the thermal catalyst to a predetermined temperature of 1000 ° C. to 1800 ° C. is provided.
本願30)の発明は、上記22〜29に記載の水素処理装置において、水素又は水素を含むガス圧力が1Pa〜100Paであるガス供給装置を備えていることを特徴とする。 The invention of (30) of the present application is characterized in that, in the hydrogen treatment apparatus according to any one of the above 22 to 29, a gas supply apparatus having a gas pressure containing hydrogen or hydrogen of 1 Pa to 100 Pa is provided.
本願31)の発明は、上記22〜30に記載の水素処理装置において、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により水素又は水素を含むガスから生成された活性化した水素を1分間〜3時間の予め決められた時間供給する装置を備えていることを特徴とする。 The invention of this application 31) is the hydrogen treatment apparatus as described in 22 to 30 above, wherein activated hydrogen generated from hydrogen or a gas containing hydrogen by thermal catalysis on the surface of the thermal catalyst heated to high temperature is 1 A device for supplying a predetermined time of minutes to 3 hours is provided.
本願32)の発明は、上記22〜31に記載の半導体形成装置において、ゲート絶縁膜を有する半導体基板と熱触媒体との間が104mm以下の予め決められた距離に配置されていることを特徴とする。 The invention of the present application 32) is characterized in that in the semiconductor forming apparatus described in 22 to 31 above, the distance between the semiconductor substrate having the gate insulating film and the thermal catalyst is disposed at a predetermined distance of 104 mm or less. And
半導体基板上に形成された金属-絶縁膜(又は酸化膜)-半導体(MIS又はMOS)構造を有する半導体装置(電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET))に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での水素を含んだガスの熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いることにより、600°C以下の低温においてゲート絶縁膜/半導体界面近傍に存在するダングリングボンドの水素終端を図り、界面準位密度を低減させることができるという優れた効果を有する。 Thermal contact heated to high temperature on a semiconductor device (field effect transistor (MIS or MOSFET)) having a metal-insulating film (or oxide film) -semiconductor (MIS or MOS) structure formed on a semiconductor substrate By using activated hydrogen generated by thermal catalysis of gas containing hydrogen on the surface of the medium, hydrogen termination of dangling bonds existing near the gate insulating film / semiconductor interface at a low temperature of 600 ° C. or lower is achieved. This has an excellent effect that the interface state density can be reduced.
以下、半導体基板の材料として炭化珪素を用いて、発明の実施形態を詳細に説明する。なお、これらの説明はあくまで理解を容易にするためのものであり、以下の説明に拘束されるものではない。すなわち本願発明の技術思想に基づく設計変更、他の実施例又は他の実施態様は全て本願に含まれるものである。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail using silicon carbide as a material for a semiconductor substrate. Note that these descriptions are merely for ease of understanding and are not restricted by the following descriptions. That is, the design change based on the technical idea of the present invention, other examples or other embodiments are all included in the present application.
図1は、本発明に係る炭化珪素領域を含む半導体基板上に金属-絶縁膜(又は酸化膜)-半導体(MIS又はMOS)構造を有する半導体装置(電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET))に対して、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用によって水素を含んだガスから生成された活性化した水素を供給して、界面準位密度の低い良好なゲート絶縁膜/炭化珪素半導体界面を形成する水素処理装置の一実施形態を示す説明図である。
符号1はチャンバー、符号2はチャンバー1内を減圧状態にできる真空排気系、符号3は水素又は水素を含むガスをチャンバー1内に導入するガス導入系、符号4は所定の位置に配置された半導体基板7を加熱する加熱手段、符号5は熱触媒体16を所定温度に加熱する加熱手段、符号6はチャンバー1内に半導体基板7を真空搬送するためのロードロック室である。
FIG. 1 shows a semiconductor device (field effect transistor (MIS or MOSFET)) having a metal-insulating film (or oxide film) -semiconductor (MIS or MOS) structure on a semiconductor substrate including a silicon carbide region according to the present invention. On the other hand, by supplying activated hydrogen generated from a gas containing hydrogen by thermal catalysis on the surface of the thermal catalyst heated to a high temperature, a good gate insulating film / silicon carbide having a low interface state density It is explanatory drawing which shows one Embodiment of the hydrogen processing apparatus which forms a semiconductor interface.
チャンバー1は真空排気系2を備えた気密性の高い真空容器である。真空排気系2は、ターボ分子ポンプやドライポンプ等の複数の真空ポンプを備えた多段式のものであり、チャンバー1内を10−4Pa以下の圧力まで真空排気する。
また、半導体基板7をチャンバー1内に真空搬送するためのロードロック室6も真空排気系2により10−1Pa以下の圧力に真空排気される。
半導体基板7は基板ホルダー8の上面に配置され、ロードロック室6を介してチャンバー1内に真空搬送され、石英基板ホルダー台10の上面に配置される。
The
In addition, the
The
半導体基板7の加熱は、チャンバー1下部に設置された加熱手段4を用いて行われ、赤外線加熱方式を採用している。熱源となる赤外線ランプ14から放射された赤外線は赤外線集光部12内部のゴールド反射ミラーに当たり反射し、チャンバー1下部に取り付けられた透明石英窓13を通して、チャンバー1内部に配置された基板ホルダー8に照射される。
基板ホルダー8は赤外線を吸収し、本例では減圧水素雰囲気下で800°Cまで加熱することが可能である。基板ホルダー8の温度は、チャンバー1内部に設置された不図示の熱電対により随時モニタリングされ、基板ホルダー設定温度に安定させるためのフィードバック制御により、一定の温度に調整される。
基板ホルダー8は珪素半導体ウエハ、炭化珪素焼結体又はグラファイトなどで形成される。また、基板ホルダーの加熱手段としては、前記赤外線加熱方式以外にも、高周波誘導加熱方式又は通電抵抗線加熱方式などを用いることもできる。
The
The
The
水素処理用ガス導入系7は、水素又は水素を含むガスをチャンバー1内に導く配管17と配管17に設けたバルブ18及び流量調整器19等で形成されている。
また、図1に示すように、基板ホルダー8が上面に配置される石英製基板ホルダー台10の外側面の位置には、リング状のガス導入リング11が配置されている。
ガス導入リング11は、内部が中空であり、上面に多数のガス噴出し孔を有する。水素を含んだガスを導入する配管17の先端はガス導入リング11に接続され、ガス噴出し孔から水素を含んだガスを噴出させてチャンバー1内部に導入するようになっている。
また、チャンバー1内の圧力は、不図示のミニチュアゲージ及びバラトロンゲージによりモニターされており、コンダクタンスバルブ15により自動調整される。水素処理用ガス導入系3によって導入された水素を含んだガスから、高温に加熱された熱触媒体16の表面での熱触媒作用により、活性化した水素が生成される。
The hydrogen treatment
Further, as shown in FIG. 1, a ring-shaped
The
The pressure in the
前記熱触媒体16は、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、白金族元素又はこれらの2種類以上の合金から成る。この熱触媒体16は、90mmの範囲で上下に移動することが可能となっており、熱触媒体と半導体基板の間の距離を最大104mmの範囲で変更することが可能となっている。また、この熱触媒体16には、加熱手段20が設けられている。
本実施形態における加熱手段20は熱触媒体16を通電して加熱する通電加熱用電源により構成されている。このような加熱手段20により、熱触媒体16は1000°C〜1800°Cの温度に加熱されるようになっている。
石英円筒9は、チャンバー1内壁を覆うように配置され、高温に加熱された熱触媒体16の表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素が、チャンバー1内壁に衝突して失活することを防ぐためのものである。
The
The heating means 20 in the present embodiment is configured by an energization heating power source that energizes and heats the
The quartz cylinder 9 is disposed so as to cover the inner wall of the
次に、上記のような装置を用いて、具体的に半導体装置を作製する方法について以下に説明する。
8°オフ4H-SiCエピタキシャル基板((0001)Si面、n型、Nd-Na=5x1015cm3)をRCA洗浄した後、犠牲酸化膜を形成しフッ酸で除去した。次いで、1200°Cの大気圧の酸素雰囲気中で、50nm厚のゲート酸化膜を炭化珪素基板上に形成し、連続して試料を流量1リットル/分の窒素ガス中で、1200°Cで30分間熱処理した。
次いで、試料を水素処理装置に導入し、高温に加熱された熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気中での処理を、基板加熱温度を室温(R.T.)から500°C、処理時間を1分〜30分、処理中のチャンバー内圧力を5Pa〜20Pa、熱触媒体の加熱温度を1400°C〜1800°Cで行った。最終的にアルミニウム膜を抵抗線加熱真空蒸着法によりゲート電極とオーミックコンタクト電極として形成し、図2に示す断面構造を有するMOSキャパシタを作製した。
Next, a specific method for manufacturing a semiconductor device using the above-described apparatus will be described below.
An 8 ° off 4H—SiC epitaxial substrate ((0001) Si surface, n-type, N d —N a = 5 × 10 15 cm 3 ) was RCA cleaned, and then a sacrificial oxide film was formed and removed with hydrofluoric acid. Next, a gate oxide film having a thickness of 50 nm is formed on the silicon carbide substrate in an oxygen atmosphere of atmospheric pressure of 1200 ° C., and a sample is continuously formed in nitrogen gas at a flow rate of 1 liter / min at 1200 ° C. for 30 minutes. Heat treated for minutes.
Next, the sample was introduced into a hydrogen treatment apparatus, and the treatment in an activated hydrogen atmosphere generated by thermal catalysis on the surface of the thermal catalyst heated to a high temperature was performed at a substrate heating temperature of room temperature (RT). ) To 500 ° C., the treatment time was 1 minute to 30 minutes, the pressure in the chamber during treatment was 5 Pa to 20 Pa, and the heating temperature of the thermal catalyst was 1400 ° C. to 1800 ° C. Finally, an aluminum film was formed as a gate electrode and an ohmic contact electrode by resistance wire heating vacuum deposition to produce a MOS capacitor having a cross-sectional structure shown in FIG.
図3に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を104mm、チャンバー内圧力を20Pa、熱触媒体加熱温度を1800°C、水素処理時間を10分間として、基板加熱温度を室温(R.T.)、300°C、500°Cと変化させて水素処理を行った試料から測定された同時容量−電圧測定法で測定された高周波CV特性(測定周波数f=100kHz)と準静的CV特性(ステップ電圧Vs=50mV、遅延時間td=10sec)を示す。
実線が高周波CV特性で、破線が準静的CV特性である。この2つのCV特性の容量差が小さいほど、界面準位密度(Dit)が小さいことを示す。
また、比較として、水素処理を行っていない試料からの高周波及び準静的CV特性も同図に示す。
図4に、図3のデータから下記の[式1]を用いて算出された界面準位密度(Dit)の炭化珪素のエネルギーバンド内の分布を示す。
ここで、Chは高周波容量、Cqは準静的容量、Coxはゲート酸化膜容量、qは電子の電荷素量である。
In FIG. 3, after forming the gate oxide film in an oxygen atmosphere, the distance between the thermal catalyst and the substrate is 104 mm, the pressure in the chamber is 20 Pa, the heating temperature of the thermal catalyst is 1800 ° C., and the hydrogen treatment time is 10 minutes. High-frequency CV characteristics (measurement frequency f) measured by a simultaneous capacitance-voltage measurement method measured from a sample subjected to hydrogen treatment by changing the substrate heating temperature to room temperature (RT), 300 ° C., and 500 ° C. = 100 kHz) and quasi-static CV characteristics (step voltage V s = 50 mV, delay time t d = 10 sec ).
A solid line is a high frequency CV characteristic, and a broken line is a quasi-static CV characteristic. A smaller capacity difference between the two CV characteristics indicates a smaller interface state density (D it ).
For comparison, high frequency and quasi-static CV characteristics from a sample not subjected to hydrogen treatment are also shown in FIG.
FIG. 4 shows the distribution in the energy band of silicon carbide of the interface state density (D it ) calculated using the following [Formula 1] from the data of FIG.
Here, Ch is a high frequency capacity, Cq is a quasi-static capacity, C ox is a gate oxide film capacity, and q is an elementary charge of electrons.
図4に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を104mm、チャンバー内圧力を20Pa、熱触媒体加熱温度を1800°C、水素処理時間を10分として、基板加熱温度を室温(R.T.)、300°C、500°Cと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。
この結果から、基板加熱温度が300°C以上のとき、水素処理を行っていない試料と比較して、界面準位密度が減少していることがわかる。また、基板加熱温度の増加とともに、界面準位密度も減少することが示された。
以上の結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、基板加熱温度が300°C以上である場合、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。しかしながら、基板加熱を行わない場合には、水素処理を行っていない試料の結果とほぼ同じ界面準位密度分布を示しており、前記活性化した水素雰囲気での水素処理の効果はない。
In FIG. 4, after forming the gate oxide film in an oxygen atmosphere, the thermal catalyst-substrate distance is 104 mm, the chamber pressure is 20 Pa, the thermal catalyst heating temperature is 1800 ° C., and the hydrogen treatment time is 10 minutes. The interface state density distributions of a sample subjected to hydrogen treatment with a substrate heating temperature changed to room temperature (RT), 300 ° C., and 500 ° C. and a sample not subjected to hydrogen treatment are shown.
From this result, it can be seen that when the substrate heating temperature is 300 ° C. or higher, the interface state density is reduced as compared with the sample not subjected to hydrogen treatment. It was also shown that the interface state density decreased with increasing substrate heating temperature.
From the above results, the hydrogen treatment in the activated hydrogen atmosphere generated by the thermal catalytic action on the surface of the heated catalyst body is effective in reducing the interface state density when the substrate heating temperature is 300 ° C or higher. It was found that there was. However, when the substrate is not heated, the interface state density distribution is almost the same as the result of the sample not subjected to the hydrogen treatment, and there is no effect of the hydrogen treatment in the activated hydrogen atmosphere.
次に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を104mm、チャンバー内圧力を20Pa、基板加熱温度を500°C、水素処理時間を10分として、熱触媒体加熱温度を1400°C、1800°Cと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を図5に示す。この結果から、基板加熱温度が1400°C以上である場合、水素処理なしの試料の結果と比較して、界面準位密度が減少していることがわかる。
特に、熱触媒体加熱温度が1800°Cである時に、界面準位密度の減少が著しい。これらの結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、熱触媒体加熱温度が高い程、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
Next, after forming the gate oxide film in an oxygen atmosphere, the thermal catalyst body-substrate distance is 104 mm, the chamber pressure is 20 Pa, the substrate heating temperature is 500 ° C., and the hydrogen treatment time is 10 minutes. FIG. 5 shows the interface state density distribution of the sample that was subjected to the hydrogen treatment while changing the heating temperature to 1400 ° C. and 1800 ° C. and the sample that was not subjected to the hydrogen treatment. From this result, it can be seen that when the substrate heating temperature is 1400 ° C. or higher, the interface state density is reduced as compared with the result of the sample without hydrogen treatment.
In particular, when the heating temperature of the thermal catalyst is 1800 ° C., the interface state density is significantly reduced. From these results, it can be seen that the hydrogen treatment in the activated hydrogen atmosphere generated by the thermal catalytic action on the surface of the heated catalyst body is more effective in reducing the interface state density as the heating temperature of the thermal catalyst body is higher. It was found.
図6に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を104mm、基板加熱温度を500°C、熱触媒体加熱温度を1800°C、水素処理時間を10分として、チャンバー内圧力を5Pa、10Pa、20Paと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。この結果から、チャンバー内圧力が20Paの時に最も界面準位密度が減少することがわかる。
以上の結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、チャンバー内圧力が高い程、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
In FIG. 6, after forming the gate oxide film in an oxygen atmosphere, the distance between the thermal catalyst and the substrate is 104 mm, the substrate heating temperature is 500 ° C., the thermal catalyst heating temperature is 1800 ° C., and the hydrogen treatment time is 10 minutes. As shown, the interface state density distributions of a sample that was subjected to hydrogen treatment with the chamber internal pressure being changed to 5 Pa, 10 Pa, and 20 Pa and a sample that was not subjected to hydrogen treatment are shown. From this result, it is understood that the interface state density is most reduced when the pressure in the chamber is 20 Pa.
From the above results, it was found that the hydrogen treatment in the activated hydrogen atmosphere generated by the thermal catalysis on the surface of the heated catalyst body is more effective in reducing the interface state density as the chamber pressure is higher. It was done.
図7に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を104mm、基板加熱温度を500°C、チャンバー内圧力を20Pa、熱触媒体加熱温度を1800°Cとして、水素処理時間を1分、10分及び30分で行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。
さらに、図8に、H2O(水)を含んだ水蒸気雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、熱触媒体−基板間距離を104mm、基板加熱温度を500°C、チャンバー内圧力を20Pa、熱触媒体加熱温度を1800°Cとして、水素処理時間を1分、10分及び30分で行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。
乾燥酸素雰囲気中及びH2O(水)を含んだ水蒸気雰囲気中でゲート酸化膜が形成された試料の両方において、水素処理を行うことにより、界面準位密度が減少することが示された。また、水素処理時間の増加に伴い界面準位密度が減少することが示された。
これらの結果から、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、水素処理時間が長い程、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
In FIG. 7, after forming the gate oxide film in an oxygen atmosphere, the thermal catalyst-substrate distance is 104 mm, the substrate heating temperature is 500 ° C., the chamber pressure is 20 Pa, and the thermal catalyst heating temperature is 1800 ° C. 2 shows interface state density distributions of samples subjected to hydrogen treatment times of 1 minute, 10 minutes, and 30 minutes and samples not subjected to hydrogen treatment.
Further, in FIG. 8, after forming a gate oxide film in a water vapor atmosphere containing H 2 O (water), the thermal catalyst-substrate distance is 104 mm, the substrate heating temperature is 500 ° C., and the chamber pressure is 20 Pa. The interface state density distributions of a sample subjected to a heat treatment temperature of 1800 ° C. and a hydrogen treatment time of 1 minute, 10 minutes, and 30 minutes and a sample not subjected to hydrogen treatment are shown.
It was shown that the interface state density is reduced by performing hydrogen treatment in both a dry oxygen atmosphere and a sample in which a gate oxide film is formed in a water vapor atmosphere containing H 2 O (water). It was also shown that the interface state density decreased with increasing hydrogen treatment time.
From these results, it was found that the hydrogen treatment in the activated hydrogen atmosphere generated by the thermal catalysis on the surface of the heated catalyst body is more effective in reducing the interface state density as the hydrogen treatment time is longer. It was done.
図9に、酸素雰囲気中でゲート酸化膜を形成した後に、基板加熱温度を500°C、チャンバー内圧力を5Pa、熱触媒体加熱温度を1800°C、水素処理時間を10分として、熱触媒体−基板間距離を104mm、14mmと変化させて水素処理を行った試料及び水素処理を行っていない試料の界面準位密度分布を示す。図は、熱触媒体−基板距離が104mm及び14mmで行った試料の界面準位密度分布はほぼ同じであることを示す。
このことから、加熱触媒体表面での熱触媒作用により生成された活性化した水素雰囲気での水素処理は、熱触媒体−基板間距離にほとんど関係なく、界面準位密度の減少に効果があることが見出された。
In FIG. 9, after forming the gate oxide film in an oxygen atmosphere, the substrate heating temperature is 500 ° C., the chamber pressure is 5 Pa, the thermal catalyst heating temperature is 1800 ° C., and the hydrogen treatment time is 10 minutes. The interface state density distribution of the sample which performed the hydrogen treatment by changing the distance between the medium and the substrate to 104 mm and 14 mm and the sample which has not been subjected to the hydrogen treatment are shown. The figure shows that the interface state density distributions of the samples with thermal catalyst-substrate distances of 104 mm and 14 mm are almost the same.
From this, hydrogen treatment in an activated hydrogen atmosphere generated by thermal catalysis on the surface of the heated catalyst body is effective in reducing the interface state density regardless of the distance between the thermal catalyst body and the substrate. It was found.
以上説明した通り、本発明によれば、加熱触媒体表面での熱触媒作用によって生成された活性化した水素を用いて水素処理が行われるので、界面準位密度の低減された良好な界面状態が低温で形成できる。また、前記活性化した水素による水素処理は基板加熱温度が600°C以下の低温でも効果があるので、アルミニウムを含むゲート電極膜を形成する工程の後で、さらには、炭化珪素半導体装置作製プロセスの最終工程として、前記水素処理を導入ことが可能となるという優れた効果を有するので、半導体基板上に形成された金属-絶縁膜(又は酸化膜)-半導体(MIS又はMOS)構造を有する半導体装置(電界効果型トランジスタ(MIS又はMOSFET))の製造に有用である。 As described above, according to the present invention, since hydrogen treatment is performed using activated hydrogen generated by thermal catalysis on the surface of the heated catalyst body, a good interface state with reduced interface state density is achieved. Can be formed at low temperature. In addition, since the hydrogen treatment with the activated hydrogen is effective even at a substrate heating temperature of 600 ° C. or lower, after the step of forming the gate electrode film containing aluminum, further, the silicon carbide semiconductor device manufacturing process As a final step, the above-described hydrogen treatment can be introduced, so that the semiconductor has a metal-insulating film (or oxide film) -semiconductor (MIS or MOS) structure formed on a semiconductor substrate. It is useful for the manufacture of devices (field effect transistors (MIS or MOSFET)).
1 チャンバー
2 真空排気系
3 水素処理用ガス導入系
4 基板加熱手段
5 熱触媒体加熱手段
6 ロードロック室
7 半導体基板
8 基板ホルダー
9 石英円筒
10 石英製基板ホルダー台
11 ガス導入リング
12 赤外線集光部
13 透明石英窓
14 赤外線ランプ
15 コンダクタンスバルブ
16 熱触媒体
17 配管
18 バルブ
19 流量調整器
20 熱触媒体加熱手段
DESCRIPTION OF
Claims (32)
32. The hydrogen treatment apparatus according to claim 22, wherein a distance between the semiconductor substrate having the gate insulating film and the thermal catalyst is disposed at a predetermined distance of 104 mm or less. apparatus.
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