JP3697211B2 - Silicon carbide semiconductor element and method for forming insulating film thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素により構成される炭化珪素半導体素子、特にパワーMOS半導体素子のゲート絶縁膜及びその形成方法に関する物で、特に、高速・高耐圧・低損失のパワー半導体素子を実現可能にするものである。
【0002】
【従来の技術】
従来例1として述べる従来の炭化珪素により構成される絶縁ゲート型半導体素子21は、図2のごとく、n型の基板22上にn型のエピタキシャル成長層(n型層)23を形成し、その一部に例えばAlの様なp型半導体を形成する不純物を拡散又はイオン打ち込みすることによりp型の部分24を形成し、p型の部分の表面近傍の一部に例えばNの様なn型半導体を形成する不純物を拡散又はイオン打ち込みすることによりn型の部分25を形成する。上記n型層23が表面に達している部分と上記n型の部分25とに挟まれたp型の部分24の表面に酸化絶縁膜26を形成し、更にその表面にゲート電極27aを設ける。ドレイン電極27cは基板裏面に形成し、ソース電極27bはn型の部分25、p型の部分24にコンタクトして形成される。この絶縁ゲート型半導体素子は、ゲート電極27aへのバイアスによってp型の部分24の表面に形成される反転層がチャンネルとして作用して機能する。
【0003】
この従来技術の内容は、例えば Silicon Carbide; A Review of Fundamental Questions and Applications to Current Device Technology, edited by W.J.Choyke,H.Matsunami, and G.Pensl, Akademie Verlag 1997 の Vol.II pp.369-388 に開示されている。炭化珪素半導体素子は、炭化珪素が有する物性の、ワイドギャップ性・高絶縁耐圧・十分な移動度・高い熱伝導性を生かして、低損失の高温でも動作する省エネルギーに寄与する半導体素子を提供することが期待されている。
【0004】
しかし、従来の炭化珪素半導体素子、特にMOSFET等の酸化絶縁膜/炭化珪素界面を含む半導体素子は、上記酸化絶縁膜/炭化珪素界面の特性が不十分で、実用に耐えるモノではなかった。上記絶縁ゲート型半導体素子を形成する場合にチャンネル部の表面に形成される酸化絶縁膜26は、イオン打ち込み等で素子パターンが形成された炭化珪素基板を酸化処理することにより形成される。更に、酸化絶縁膜を形成した後の酸化絶縁膜を形成した場合の温度よりも低温での酸素を含む雰囲気での処理をする再酸化アニールが、酸化絶縁膜及び酸化絶縁膜/炭化珪素界面を高性能化することは報告されている。
【0005】
このような従来の酸化膜形成法は、例えば文献P-type SiC MOS reliability with improved oxidation procedures and aluminum or boron p-type dopants, L.A.Lipkin and J.W.Palmour , proceedings of high temperature electronics XIV-15-XIV-20にもあるように、酸化温度よりも低い温度の酸化雰囲気に、形成された酸化膜を曝し、界面近傍に存在する残留不純物を再度酸化して電気特性低下の原因となる界面準位密度を減少させようとする試み(再酸化)である。これまで再酸化に利用する温度は一種類に限られていた。
【0006】
これらの従来の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法は、酸化絶縁膜/炭化珪素界面の界面準位密度を減少させることは確かであるが、半導体素子として十分な界面準位密度までには、更にもう一桁以上の減少が必要で、絶縁膜の形成方法としては不十分であった。更に耐圧に関しても、1MVcm-1以下の場合が多く、不十分であった。高耐圧素子実現のためには10MVcm-1程度の耐圧は必要である。また、上記従来例の酸化絶縁膜/炭化珪素界面の界面準位密度Nitは1×1013cm-2以上有り、この絶縁膜を用いて形成した図2の炭化珪素半導体素子MOSFETは、10cm2/Vs程度の低いチャンネル移動度を示し、実用に耐えるような半導体素子のためには不十分であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
実用に耐える炭化珪素半導体素子実現のためには、最低でも2×1012cm-2以下の界面準位密度Nit、100cm2/Vs以上のチャンネル移動度が必要である。このチャンネル移動度が達成されれば、MOSFETのチャンネル抵抗が減少して、数百ボルト耐圧のパワー素子の場合のドリフト移動度とコンパラになり、パワー素子として実用に耐える半導体素子となる。
【0008】
この従来技術の課題を克服し、本発明は、炭化珪素などのワイドギャップ半導体の性質を生かした低損失・高耐圧半導体素子を実現することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記従来例において、酸化絶縁膜の絶縁耐圧が小さく不十分であること、および準位密度が大きく不十分であることに対して、本発明者らが検討した結果、次のようなことが明らかとなった。つまり、現在使用されている炭化珪素半導体基板の表面がα-SiC(0001)offcut面を用いており、表面にα-SiC(0001)テラスと(1-210)ステップを含むことが、絶縁耐圧が低く準位密度が大きいことの原因となっていることを、本発明者らは発見し、この発見に基づき本発明の絶縁膜の形成方法を発明した。
【0010】
α-SiC(0001)面(Si面)と(1-210)面において、酸化速度が異なることは、例えばSilicon Carbide; A Review of Fundamental Questions and Applications to Current Device Technology, edited by W.J.Choyke,H.Matsunami, and G.Pensl, Akademie Verlag 1997 の Vol.II pp.369-388 に開示されており知られているが、酸化絶縁膜/炭化珪素界面の特性に対しての評価は不十分であった。酸化絶縁膜の形成方法に対しても、その評価に基づいた最適化はされておらず、本発明者らによって初めて明らかとなった評価結果に基づき、最適な絶縁膜の形成方法が確立され、さらにこれを用いた従来無かった炭化珪素半導体素子が発明された。
【0011】
本発明の炭化珪素半導体素子は、2原子層(モノレイヤー)以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板と、上記炭化珪素基板表面に形成された酸化膜を含み、酸化膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下であることを特徴とする。
【0012】
上記発明の炭化珪素半導体素子において、2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板が、β-SiC(111)、6H,4H等のα-SiC(0001)、15R-SiCのSi面、β-SiC(100)、β-SiC(110)、6H,4H等のα-SiC(1-100)及び/又はα-SiC(11-20)の内から選ばれる結晶面の1度以上のオフカット面を表面とする炭化珪素基板であると好ましい。
【0013】
本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法は、2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板と、上記炭化珪素基板表面に形成された酸化膜を含む炭化珪素半導体素子を、酸素を含む雰囲気下で複数の設定温度に保ってアニール処理を施す炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法であって、1回目のアニール処理に続いて、上記1回目のアニール処理設定温度よりも低い設定温度で2回目のアニール処理を施し、少なくとも2つ以上の異なる設定温度で保たれた酸素を含む雰囲気下でのn回(n≧2)のアニール処理を含むことを特徴とする。
【0014】
上記発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法において、1回目の酸素を含む雰囲気下でのアニール処理が900℃以上であり、設定温度が850℃以下であるn回目のアニール処理を少なくとも含むと好ましい。
【0015】
さらに上記発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法において、少なくともn回目の酸素を含む雰囲気下でのアニール処理がウェット酸素雰囲気であることと好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の炭化珪素半導体素子は、図1(a)の絶縁膜/炭化珪素界面の拡大図に示したような、2原子層以上の高さを有するステップ2を含む炭化珪素基板1と、上記炭化珪素基板表面に形成された酸化膜4を含み、酸化絶縁膜4と炭化珪素1の界面3での界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下であることを特徴とする絶縁膜4を含むことを特徴とする。
【0017】
2モノレイヤー以上の高さを有するステップ2を含むオフカット炭化珪素基板1を利用した半導体素子、特に高パワー用の縦型絶縁ゲート型半導体素子(MOSFET)において、上記絶縁膜/炭化珪素の低い界面準位密度は、本発明により初めて実現されたもので、界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下の範囲でチャンネル抵抗がドリフト抵抗と同レベルとなることが初めて確認された。
【0018】
この低界面準位密度の絶縁膜/炭化珪素界面を利用することにより、大電流制御可能なMOS半導体素子が実現できることを確認した。界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以上となると、MOSFET半導体素子を形成した場合に、チャンネル抵抗がドリフト抵抗よりも一桁以上大きくなり、損失が大きくなり、大電流制御パワー半導体素子として適さないことを確認した。
【0019】
上記本発明の炭化珪素半導体素子において、2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板が、β-SiC(111)、6H,4H等のα-SiC(0001)、15R-SiCのSi面、β-SiC(100)、β-SiC(110)、6H,4H等のα-SiC(1-100)及び/又はα-SiC(11-20)の内から選ばれる結晶面の1度以上のオフカット面を表面とする炭化珪素基板であると好ましいことを確認した。ここで、オフカットの角度が1度以下の基板に対しては良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させることが難しいため、好ましくなかった。また、オフカットの角度が10度以下の基板に対して本発明の実現が容易であることを確認した。ここで炭化珪素基板の10度以上のオフ角度については良好なエピタキシャル膜を得ることが難しく、本発明の良好な絶縁膜を形成することも難しい場合があった。
【0020】
本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法は、炭化珪素の酸化処理中に図1(b)の様に、酸化処理温度を変化させる。通常1000℃以上の高温での酸化処理7の後に、(再酸化)アニール処理を施す。つまり、一般に使われているSiCエピ膜は、3.5度から8度程度(11−20)方向へのOFF角をもった炭化珪素基板上1に成長されており、その表面3は物理的には図1(a)に示したように(0001)面5と(11−20)面6から構成される。特に2原子層以上の高さを有するステップ2を含む炭化珪素基板1において、(0001)面5からのOFF角が8度にも及ぶ基板では、図1(a)に示したように基板表面の14%が(11−20)面6によって構成される。SiCエピ膜の酸化速度は、(0001)面に比べて(11−20)面では3倍ほど早く厚い酸化絶縁膜が形成され、従来例の説明で述べた残留する不純物を消失させるための再酸化アニール処理における最適な酸化温度も異なっている。
【0021】
本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法は、(0001)面に対して酸素を含む雰囲気下での再酸化アニール処理8を行った後、(11−20)面に対して酸素を含む雰囲気下での再酸化アニール処理9を行う2段アニーリングを基本とする。(0001)面は(11−20)面に比べ酸化されにくいため、(0001)面に対する再酸化アニール処理は高温を必要とする。この(0001)面に対する高温の設定温度での1回目の再酸化アニール処理8を行った後、この1回目の再酸化アニール処理8の設定温度よりも低い温度で(11−20)面を再酸化アニール処理9を行うことが有効であった。
【0022】
上述の(11-20)面については、(0001)面と直交する面で有れば、例えば(1-100)面でも同様の効果が確認され、本発明は有効であった。つまり、本発明の上記2段アニール処理を施すことにより、高耐圧の準位密度の少ない炭化珪素上の酸化絶縁膜が形成可能となった。この後に、アニール処理を更に付加して、n回のアニール処理を施してもnが2以上で有れば本発明は実現できた。
【0023】
上には、(0001)Si面のオフカット面の炭化珪素基板の場合を示したが、一般には上述の(0001)面と(11−20)面、更には(0001)面と直交する例えば(1-100)面などの同等の面から構成されるオフカット面に対して本発明は有効であることを確認した。つまり、本発明の炭化珪素半導体素子およびその絶縁膜の形成方法は、表面に形成された酸化膜を含み、β-SiC(111)、6H,4H等のα-SiC(0001)、15R-SiCのSi面、β-SiC(100)、β-SiC(110)、6H,4H等のα-SiC(1-100)及び/又はα-SiC(11-20)の内から選ばれる結晶面の1度以上のオフカット面を表面とする炭化珪素基板について有効であることを確認した。
【0024】
つまり、上記オフカット面であり、図1(a)に示したように、2原子層以上の高さを有するステップ2を含む炭化珪素基板1と、上記炭化珪素基板表面3に形成された酸化膜4を含む炭化珪素半導体素子を、酸素を含む雰囲気下で複数の設定温度に保ってアニール処理を施す炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法であって、1回目のアニール処理に続いて、上記1回目のアニール処理設定温度よりも低い設定温度で2回目のアニール処理を施し、少なくとも2つ以上の異なる設定温度で保たれた酸素を含む雰囲気下でのn回(n≧2)のアニール処理を含むと有効であることを確認した。
【0025】
さらに、酸素を含む雰囲気下でのアニール処理を1000℃以下で行うと、本発明の実現が容易であることを確認した。ここで酸素を含む雰囲気下でのアニール処理を1000℃以上で行うと、上記アニール処理中に酸化膜/炭化珪素界面で酸化が進み、界面に残留する不純物が増加してしまい、本発明の良好な絶縁膜を形成するが出来ないことも確認した。
【0026】
また、本発明の炭化珪素半導体素子およびその絶縁膜の形成方法は、1回目の酸素を含む雰囲気下でのアニール処理8の設定温度が900℃以上であり、2回目以降のアニール処理9の設定温度が850℃以下であると好ましい。1回目の酸素を含む雰囲気下でのアニール処理8の設定温度が900℃以下となると、(0001)面に対して酸素を含む雰囲気下での再酸化アニールにより残留する不純物を消失させることが十分出来ず、本発明の良好な絶縁膜の形成が難しい。また、2回目以降のアニール処理9の設定温度が850℃以上であると、(0001)面と垂直な例えば(11−20)面を再酸化アニール処理を行い不純物を消失させる間に、一回目の再酸化アニールにより正常化された酸化膜/炭化珪素界面の酸化が進み界面が再びあれてしまい、本発明の良好な絶縁膜の形成が難しかった。
【0027】
さらに、本発明の炭化珪素半導体素子およびその絶縁膜の形成方法は、1回目の酸素を含む雰囲気下でのアニール処理8がウェット酸素雰囲気であり、2回目以降のアニール処理9もウェット酸素雰囲気であると好ましい。酸素を含む雰囲気下でのアニール処理が水蒸気を含むウェット酸素雰囲気であると、上記ウェット酸素雰囲気でのアニール処理がn回の内の1回のみであっても、上記界面に残留する不純物の除去の効率が高くなり、有効であった。
【0028】
上述の本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法を用いて、初めて、絶縁膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下である酸化絶縁膜が形成された。この低い界面準位密度(Nitが1.5×1012cm-2以下)を有する絶縁膜は、例えば図2に示したような構造の、移動度の高い大電流を制御可能な炭化珪素半導体素子MOSFETを初めて実現した。
【0029】
【実施例】
(実施例1)
実施例1として本発明の炭化珪素半導体素子の第一の実施例を図2を用いて説明する。本発明の炭化珪素半導体素子の実施例1の絶縁ゲート型半導体素子21は、図2のごとく、5×1018cm-3のドープ濃度のn型の基板22上に5×1015cm-3のドープ濃度のn型のエピタキシャル成長層(n型層)23を10ミクロンの厚さで形成し、その一部にAl(p型半導体を形成する不純物)イオン打ち込みすることによりp型の部分24を5×1017cm-3の濃度で2ミクロンの厚さで形成し、p型の部分の表面近傍の一部にn型半導体を形成するN不純物をイオン打ち込みすることにより1019cm-3のドープ濃度のn型の部分25を0.3ミクロンの厚さで形成する。上記n型層23が表面に達している部分と上記n型の部分25とに挟まれたp型の部分の表面に、本発明の2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板表面に形成された酸化膜であり、上記酸化膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下である酸化絶縁膜26を25nmの厚みで形成した。更にその表面にAlのゲート電極27aを設けた。ドレイン電極27cは基板裏面にNiを蒸着してアロイ化(熱処理1000℃、5分)してオーミック電極として形成し、ソース電極27bはn型の部分25とp型の部分24にオーミックコンタクトするようにNiにより形成された。この絶縁ゲート型半導体素子21は、ゲート電極27aへのバイアスによってp型の部分24の表面に形成される反転層がチャンネル領域28として作用して、ドレインからソースに向かって電流が流れ、ゲート電圧によってソース・ドレイン電流が変調されFET動作をした。
【0030】
この場合の、本発明の炭化珪素半導体素子の実施例1として、ゲート長が2ミクロンでゲート幅が500ミクロンの素子を形成した。ゲート電圧が10Vの時の、10V印可時のソース・ドレインの電流は20mA以上あった。一方、従来の絶縁膜つまり酸化膜と炭化珪素の界面準位密度が1013cm-2以上である炭化珪素半導体素子においては、上記本発明の第一の実施例の半導体素子の実施例1と同様の大きさの半導体素子において同様の条件で1mA以下の電流が流れるのみであることが確認された。
【0031】
本発明者等は、本発明の半導体素子の酸化絶縁膜は、上記酸化膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下であることを実施例2に述べる方法により確認した。この低い界面準位密度Nit=1.5×1012cm-2以上である場合には、上記ソース・ドレイン電流値が著しく減少し、1mA以下となってしまうことも確認した。つまり、上記酸化膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以上であると、半導体素子の性能が著しく悪化し、実用に耐えないモノになってしまうことも確認した。
【0032】
この場合、炭化珪素半導体素子の表面は、SiC(0001)結晶面に対して8度オフカットした面であり、基板表面(絶縁膜/炭化珪素界面)に必ずステップを有する。ここで、上記絶縁膜/炭化珪素界面のステップがバンチングしており、2原子層以上の高さのステップを有する場合に、上記界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下であることが特に重要であることを確認した。本発明により、ソース・ドレイン電流の著しい増大が確認され、本発明の実用に耐える炭化珪素半導体素子が実現された。
【0033】
また、2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板と、上記炭化珪素基板表面に形成された酸化膜を含み、酸化膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下である本発明の半導体素子において、上記実施例1の半導体素子のチャンネル部分28にn型層を挿入したACCUFETを形成した場合には、100cm2/Vs以上のチャンネル移動度が確認された。従来の同様な炭化珪素半導体素子のチャンネル移動度は10cm2/Vs以下であり、本発明により実用に耐える炭化珪素半導体素子が実現できることが確認された。本実施例1において形成されたMOSFETは、そのon時のチャネル抵抗およびドリフト抵抗を見積もると、ほぼ同等の桁の値となっており、低損失のパワー素子が形成されていることが確認された。従来の絶縁膜/炭化珪素界面を用いて、界面準位密度が1.5×1012cm-2以上と大きい場合は、チャンネル抵抗がドリフト抵抗に対して一桁以上大きな値となり、実用に耐えるものではなかった。
【0034】
さらに、2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板と、上記炭化珪素基板表面に形成された酸化膜を含む半導体素子においては、酸化膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下であると、酸化絶縁膜の絶縁耐圧が10MVcm-1以上となることも確認した。従来の2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板と上記炭化珪素基板表面に形成された界面準位密度の大きな酸化膜を含む炭化珪素半導体素子においては、絶縁耐圧が1MVcm-1以下であり、本発明の半導体素子においてはじめて、実用に耐える十分な絶縁耐圧が達成された。
【0035】
本発明の炭化珪素半導体素子は、炭化珪素が有する物性の、ワイドギャップ性・高絶縁耐圧・十分な移動度・高い熱伝導性を生かして、低損失の高温でも動作する省エネルギーに寄与する半導体素子を提供する。
【0036】
実施例1においては、SiC(0001)の8度オフカット面を基板として用い、その表面に形成された炭化珪素半導体素子について述べたが、2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板が、他のβ-SiC(111)、6H,4H等のα-SiC(0001)、15R-SiCのSi面、β-SiC(100)、β-SiC(110)、6H,4H等のα-SiC(1-100)及び/又はα-SiC(11-20)の内から選ばれる結晶面の1度以上のオフカット面を表面とする炭化珪素基板であっても本発明は有効であることを確認した。
【0037】
(実施例2)
実施例2として本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の製造方法の実施例を図1(b)を用いて説明する。金属-酸化膜-半導体(MOS)試料を作製するために用いた単結晶ウエファは、市販のn型の4周期六方晶炭化珪素(4H-SiC)である。この単結晶ウエファは、直径2インチで(0001)面に対して8°のoff角を持っており、結晶表面には不純物濃度5×1015cm-3のエピタキシャル膜が成長させてある。この単結晶を、5mm×5mm角に切断してMOS試料作製用の基板とした。試料作製前、基板の表面を有機洗浄した直後に1100℃の酸素中に水素を吹き込んで生成した高温水蒸気で酸化を行い(水素燃焼酸化)、その単結晶表面を犠牲酸化した。その酸化膜を3%の薄いフッ酸を用いて溶融させて洗浄表面を露出させた。この洗浄表面を有する炭化珪素4H-SiC基板のシリコン面に対して、1100℃で1時間の水素燃焼酸化を行い、25nmの厚さのゲ-ト酸化膜を形成した。
【0038】
続いて、酸化温度を950℃まで低下させて3時間水素燃焼酸化雰囲気(酸素と水蒸気を含むウエット酸素雰囲気)での一回目アニール処理を行った。 引き続いて温度を800℃まで低下させて、さらに3時間の水素燃焼酸化雰囲気(酸素と水蒸気を含むウエット酸素雰囲気)での2回目のアニール処理を行った。多段アニール処理終了後、試料を反応管から引き出し、試料温度を室温まで急速冷却してSiO2/6H-SiC界面付近の化学反応を中断させた。ゲ-ト酸化膜を作製直後、アルミニウム(Al)を蒸着して直径0.5mmの電極を持つMOS構造を形成した。また、オ-ミック電極は、裏面表層に成長した酸化膜を除去してから、その露出した4H-SiC基板表面上にAlを蒸着して作製した。
【0039】
4H-SiCMOS構造の容量-重量(C-V)特性は、低周波容量測定/高周波容量測定・同時測定装置(パッケ-ジ82;ケスレ-社製)を用いて、室温、暗状態で測定した。このC-V特性の取得においては、反転領域から蓄積領域へ電圧を掃引(順方向掃引)と蓄積領域から反転領域へと測定電圧を掃引する(逆方向掃引)を行った。順方向掃引においては、掃引開始前に紫外線を試料ゲ-ト電極表面に照射し、反転層を形成させた。反転層が形成された後、紫外線照射を止めてから室温、暗状態にて測定を行っている。一方、逆方向掃引を行うときは、紫外線照射は行っていない。
【0040】
図3(a)に、ゲート酸化膜作製後に本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法のアニール処理の実施例である950℃3時間と800℃3時間の水蒸気アニール処理を続けて行ったときのC-V特性、図3(b)に、従来の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法のアニール処理である950℃3時間の水蒸気アニ-ル処理しか行わなかったときのC-V特性を示す。
【0041】
図3(a)では、高周波C-V曲線が−13Vから+10Vまで掃引されている。掃引電圧が減少して行くと、容量が一旦減少(少数キャリアの再分布)する。その後電圧0V近辺から容量の増大がはじまるが、すぐに容量の増大が抑止され、折れ曲がっている(キャパシタンスレッジ)のが解る。また、準静状態C-V曲線では、 キャパシタンスレッジが現れる0Vの電圧領域で、楔形の大きな容量の減少を引き起こしているのが解る。これらの事実は、SiO2/4H-SiC界面の界面準位が少ないことを示している。
【0042】
これに対して、図3(b)の950℃3時間の水蒸気アニール処理しか行わなかった試料では、高周波C-V特性における、少数キャリアの再分布やキャパシタンスレッジが明確ではない。また、準静状態C-V曲線の容量減少も明確ではなく、界面準位量が多いことを示している。
【0043】
図3(a)と(b)の比較において明らかなように、本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法である多段水蒸気アニール処理には界面準位減少の効果のあることが解る。この結果は、(0001)面に対して再酸化効果がある950℃で3時間の酸化雰囲気アニール処理につづいて、(11−20)面に対して再酸化効果がある800℃で3時間の酸化雰囲気アニール処理を行った結果である。その結果、低周波CV特性の形状が楔形に変化しており、従来の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法である単一温度のアニール処理よりも界面準位量の低下が計られいることが判る。
【0044】
本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法の実施例の界面準位密度Nitは、Nit=1.09×1012cm-2であり、従来の実施例の界面準位密度Nit=5.15×1012cm-2に比べて非常に小さくなっており、本発明の絶縁膜の形成方法の有効性が確認された。
【0045】
実施例2においては、4H-SiC(0001)の8度オフカット面を基板として用い、その表面に形成する炭化珪素半導体素子の絶縁膜の製造方法について述べたが、2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板が、他のβ-SiC(111)、6H,4H等のα-SiC(0001)、15R-SiCのSi面、β-SiC(100)、β-SiC(110)、6H,4H等のα-SiC(1-100)及び/又はα-SiC(11-20)の内から選ばれる結晶面の1度以上のオフカット面を表面とする炭化珪素基板であっても本発明は有効であることを確認した。
【0046】
本実施例2においては、アニール処理が2回の場合を述べたが、更に多くのn回の設定温度の変更を含むn回のアニール処理を施した場合であっても、本発明の2原子層以上の高さを有するステップを含む炭化珪素基板と、上記炭化珪素基板表面に形成された酸化膜を含む炭化珪素半導体素子を、酸素を含む雰囲気下で複数の設定温度に保ってアニール処理を施す炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法であって、1回目のアニール処理に続いて、上記1回目のアニール処理設定温度よりも低い設定温度で2回目のアニール処理を施し、少なくとも2つ以上の異なる設定温度で保たれた酸素を含む雰囲気下でのn回(n≧2)のアニール処理を含めば、有効であることを確認した。
【0047】
本実施例2においては、1回目のアニール処理の設定温度が950℃、2回目のアニール処理の設定温度が800℃の場合を述べたが、本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法であって、1回目の酸素を含む雰囲気下でのアニール処理が900℃以上であり、設定温度が850℃以下であるn回目のアニール処理を少なくとも含めば、有効であることも確認した。
【0048】
本実施例2においては、アニール処理をウェット酸素雰囲気の一種である水素燃焼酸化雰囲気で行った場合を述べたが、本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法であって、少なくともn回目の酸素を含む雰囲気下でのアニール処理が水蒸気と酸素を少なくとも含むウェット酸素雰囲気で行われると有効であることを確認した。
【0049】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の炭化珪素半導体素子によれば、高パワーを制御する低損失・高耐圧の制御素子を実現でき、例えば、エアコンなどを制御する高性能インバータ等に用いられる、実用に耐える省エネパワー素子を提供する。
【0050】
また、本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法によれば、低損失パワー素子のゲート絶縁膜として応用可能な、高い絶縁耐圧・低い固定電荷密度・低い界面準位密度を有する、炭化珪素半導体素子の絶縁膜が得られ、耐圧が高く電流容量も大きい大電力用に適した高速な低損失半導体素子を形成可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜/炭化珪素界面の拡大図である。
(b)本発明の炭化珪素半導体素子の絶縁膜の形成方法を示す図である。
【図2】絶縁ゲート型半導体素子の構造を示す図である。
【図3】(a)本発明の炭化珪素半導体素子及びその絶縁膜の形成方法による酸化絶縁膜/炭化珪素界面のC-V特性を示す図である。
(b)従来例の絶縁膜の形成方法による酸化絶縁膜/炭化珪素界面 のC-V特性を示す図である。
【符号の説明】
1 基板
2 ステップ
3 絶縁膜/炭化珪素基板界面
4 酸化絶縁膜
5 (0001)テラス面
6 (11-20)面
7 酸化設定温度
8 1回目のアニール設定温度
9 2回目のアニール設定温度
21 絶縁ゲート型半導体素子
22 n型基板
23 n型エピタキシャル成長層(n型層)
24 p型の部分(p型層)
25 n+型層
26 酸化絶縁膜
27a ゲート電極
27b ソース電極のオーミック接合の部分
27c ドレイン電極
27d ソース電極のショットキー接合の部分
28 チャンネル領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device composed of silicon carbide, and more particularly to a gate insulating film of a power MOS semiconductor device and a method for forming the same, and in particular, enables a high-speed, high breakdown voltage, and low-loss power semiconductor device to be realized. Is.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 2, a conventional insulated
[0003]
The content of this prior art is disclosed in, for example, Silicon Carbide; A Review of Fundamental Questions and Applications to Current Device Technology, edited by WJ Choyke, H. Matsunami, and G. Pensl, Akademie Verlag 1997, Vol. II pp.369-388. Has been. The silicon carbide semiconductor element provides a semiconductor element that contributes to energy saving that operates even at a low loss and high temperature by taking advantage of the physical properties of silicon carbide, such as wide gap, high withstand voltage, sufficient mobility, and high thermal conductivity. It is expected that.
[0004]
However, conventional silicon carbide semiconductor elements, particularly semiconductor elements including an oxide insulating film / silicon carbide interface such as a MOSFET, are not suitable for practical use due to insufficient characteristics of the oxide insulating film / silicon carbide interface. When forming the insulated gate semiconductor element, the
[0005]
Such conventional oxide film formation methods are also described in, for example, the document P-type SiC MOS reliability with improved oxidation procedures and aluminum or boron p-type entrapments, LALipkin and JWPalmour, proceedings of high temperature electronics XIV-15-XIV-20. As shown, let the formed oxide film be exposed to an oxidizing atmosphere at a temperature lower than the oxidation temperature, and oxidize the remaining impurities in the vicinity of the interface again to reduce the interface state density that causes the deterioration of electrical characteristics. This is an attempt (reoxidation). Until now, the temperature used for reoxidation has been limited to one kind.
[0006]
Although these conventional methods for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element certainly reduce the interface state density at the oxide insulating film / silicon carbide interface, the interface state density sufficient for a semiconductor element is not reached. Further, it is necessary to reduce by one digit or more, which is insufficient as a method for forming an insulating film. Furthermore, with regard to pressure resistance, 1 MVcm -1 In many cases, it was insufficient. 10MVcm for high voltage element -1 A degree of pressure resistance is necessary. Further, the interface state density Nit at the oxide insulating film / silicon carbide interface in the conventional example is 1 × 10. 13 cm -2 The silicon carbide semiconductor element MOSFET of FIG. 2 formed using this insulating film has a thickness of 10 cm. 2 This is insufficient for a semiconductor device which exhibits a low channel mobility of about / Vs and can withstand practical use.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In order to realize a silicon carbide semiconductor device that can withstand practical use, at least 2 × 10 12 cm -2 The following interface state density Nit, 100 cm 2 A channel mobility of at least / Vs is required. If this channel mobility is achieved, the channel resistance of the MOSFET is reduced, which is comparable to the drift mobility in the case of a power device with a breakdown voltage of several hundred volts, and becomes a semiconductor device that can withstand practical use as a power device.
[0008]
The object of the present invention, which overcomes the problems of the prior art, is to realize a low-loss / high-voltage semiconductor device that takes advantage of the properties of a wide gap semiconductor such as silicon carbide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the above conventional example, the inventors have examined that the dielectric breakdown voltage of the oxide insulating film is small and insufficient, and that the level density is large and insufficient. It became. In other words, the surface of the silicon carbide semiconductor substrate currently in use uses an α-SiC (0001) offcut surface, and the surface includes an α-SiC (0001) terrace and a (1-210) step. The inventors have found that this is the cause of the low level density and the high level density, and based on this finding, invented the method for forming an insulating film of the present invention.
[0010]
α-SiC (0001) plane (Si plane) and (1-210) plane have different oxidation rates.For example, Silicon Carbide; A Review of Fundamental Questions and Applications to Current Device Technology, edited by WJ Choyke, H. Matsunami , and G. Pensl, Akademie Verlag 1997, Vol.II pp.369-388, which is known, but the evaluation of the characteristics of the oxide insulating film / silicon carbide interface was insufficient. The method for forming the oxide insulating film has not been optimized based on the evaluation, and based on the evaluation results revealed for the first time by the present inventors, the optimum method for forming the insulating film has been established. Furthermore, a silicon carbide semiconductor element that has never been used has been invented.
[0011]
A silicon carbide semiconductor element of the present invention includes a silicon carbide substrate including a step having a height of two atomic layers (monolayer) or more, and an oxide film formed on the surface of the silicon carbide substrate. Interface state density Nit is 1.5 × 10 12 cm -2 It is characterized by the following.
[0012]
In the silicon carbide semiconductor device of the above invention, a silicon carbide substrate including a step having a height of 2 atomic layers or more is formed of α-SiC (0001) such as β-SiC (111), 6H, 4H, or 15R-SiC Si. 1 degree of a crystal plane selected from α-SiC (1-100) and / or α-SiC (11-20) such as plane, β-SiC (100), β-SiC (110), 6H, 4H, etc. A silicon carbide substrate having the above-described off-cut surface as a surface is preferable.
[0013]
An insulating film forming method for a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide substrate including a step having a height of two atomic layers or more, and a silicon carbide semiconductor device including an oxide film formed on the surface of the silicon carbide substrate. A method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element in which an annealing process is performed while maintaining an oxygen-containing atmosphere at a plurality of set temperatures, the first annealing process being followed by the first annealing process setting temperature. The second annealing process is performed at a lower set temperature, and the annealing process is performed n times (n ≧ 2) in an atmosphere containing oxygen maintained at at least two different set temperatures.
[0014]
In the method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element of the above invention, the first annealing process in an atmosphere containing oxygen is 900 ° C. or higher, and at least the n-th annealing process with a set temperature of 850 ° C. or lower is included. And preferred.
[0015]
Furthermore, in the method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element of the above invention, it is preferable that the annealing treatment in an atmosphere containing oxygen at least n times is a wet oxygen atmosphere.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The silicon carbide semiconductor element of the present invention includes a
[0017]
In a semiconductor device using an off-cut
[0018]
It has been confirmed that a MOS semiconductor device capable of controlling a large current can be realized by utilizing this low interface state density insulating film / silicon carbide interface. Interface state density Nit is 1.5 × 10 12 cm -2 As described above, it was confirmed that when a MOSFET semiconductor element was formed, the channel resistance was larger by an order of magnitude or more than the drift resistance, the loss increased, and it was not suitable as a large current control power semiconductor element.
[0019]
In the silicon carbide semiconductor device of the present invention, a silicon carbide substrate including a step having a height of 2 atomic layers or more is formed of α-SiC (0001), 15R-SiC such as β-SiC (111), 6H, 4H, etc. One of crystal planes selected from Si-plane, β-SiC (100), β-SiC (110), α-SiC (1-100) such as 6H, 4H and / or α-SiC (11-20) It was confirmed that the silicon carbide substrate having an off-cut surface of at least the upper surface is preferable. Here, since it was difficult to grow an epitaxial film having good crystallinity on a substrate having an off-cut angle of 1 degree or less, it was not preferable. In addition, it was confirmed that the present invention is easily realized for a substrate having an off-cut angle of 10 degrees or less. Here, for an off angle of 10 degrees or more of the silicon carbide substrate, it is difficult to obtain a good epitaxial film, and it is sometimes difficult to form a good insulating film of the present invention.
[0020]
In the method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element of the present invention, the oxidation treatment temperature is changed during the oxidation treatment of silicon carbide as shown in FIG. Usually, after the
[0021]
In the method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element according to the present invention, after the
[0022]
As long as the above (11-20) plane is a plane orthogonal to the (0001) plane, for example, the same effect was confirmed even in the (1-100) plane, and the present invention was effective. That is, by performing the two-step annealing process of the present invention, an oxide insulating film on silicon carbide having a high breakdown voltage and a low level density can be formed. After this, an annealing treatment was further added, and even if n annealing treatments were performed, the present invention could be realized if n was 2 or more.
[0023]
In the above, the case of a silicon carbide substrate having an off-cut surface of the (0001) Si surface is shown. In general, for example, the (0001) surface and the (11-20) surface are orthogonal to the (0001) surface. It was confirmed that the present invention is effective for an off-cut surface composed of an equivalent surface such as (1-100) surface. That is, the silicon carbide semiconductor element of the present invention and the method for forming the insulating film thereof include an oxide film formed on the surface, β-SiC (111), 6H, 4H, etc. α-SiC (0001), 15R-SiC Si plane, β-SiC (100), β-SiC (110), 6H, 4H, etc., α-SiC (1-100) and / or α-SiC (11-20) It was confirmed that the silicon carbide substrate having an off-cut surface of 1 degree or more as a surface is effective.
[0024]
That is, as shown in FIG. 1 (a), the
[0025]
Furthermore, it has been confirmed that the present invention can be easily realized when the annealing treatment in an atmosphere containing oxygen is performed at 1000 ° C. or lower. Here, if the annealing treatment in an atmosphere containing oxygen is performed at 1000 ° C. or higher, the oxidation proceeds at the oxide film / silicon carbide interface during the annealing treatment, and impurities remaining at the interface increase, which is favorable for the present invention. It was also confirmed that a simple insulating film could not be formed.
[0026]
In the silicon carbide semiconductor device and the method for forming the insulating film thereof according to the present invention, the set temperature of the
[0027]
Furthermore, in the method for forming the silicon carbide semiconductor element and the insulating film thereof according to the present invention, the
[0028]
For the first time, the interface state density Nit between the insulating film and silicon carbide is 1.5 × 10 5 by using the method for forming an insulating film of the silicon carbide semiconductor element of the present invention described above. 12 cm -2 The following oxide insulating film was formed. This low interface state density (Nit is 1.5 × 10 12 cm -2 For example, a silicon carbide semiconductor element MOSFET having a structure as shown in FIG. 2 and capable of controlling a high current with high mobility can be realized for the first time.
[0029]
【Example】
(Example 1)
As a first embodiment, a first embodiment of the silicon carbide semiconductor element of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the insulated
[0030]
In this case, as Example 1 of the silicon carbide semiconductor element of the present invention, an element having a gate length of 2 microns and a gate width of 500 microns was formed. When the gate voltage was 10V, the source / drain current when 10V was applied was more than 20mA. On the other hand, the interface state density between a conventional insulating film, that is, an oxide film and silicon carbide is 10 13 cm -2 In the silicon carbide semiconductor element as described above, only a current of 1 mA or less flows under the same conditions in the semiconductor element having the same size as that of the semiconductor element of the first embodiment of the present invention. confirmed.
[0031]
The inventors have determined that the oxide insulating film of the semiconductor element of the present invention has an interface state density Nit of 1.5 × 10 5 between the oxide film and silicon carbide. 12 cm -2 The following was confirmed by the method described in Example 2. This low interface state density Nit = 1.5 × 10 12 cm -2 In the above case, it was also confirmed that the source / drain current value was remarkably reduced to 1 mA or less. That is, the interface state density Nit between the oxide film and silicon carbide is 1.5 × 10. 12 cm -2 It was also confirmed that the performance of the semiconductor element was significantly deteriorated as described above, and the product could not withstand practical use.
[0032]
In this case, the surface of the silicon carbide semiconductor element is a surface which is off-cut by 8 degrees with respect to the SiC (0001) crystal plane, and always has a step on the substrate surface (insulating film / silicon carbide interface). Here, in the case where the step at the insulating film / silicon carbide interface is bunched and has a step having a height of two atomic layers or more, the interface state density Nit is 1.5 × 10 5. 12 cm -2 It was confirmed that the following was particularly important. According to the present invention, a significant increase in the source / drain current was confirmed, and a silicon carbide semiconductor device capable of withstanding the practical use of the present invention was realized.
[0033]
The silicon carbide substrate includes a step having a height of two atomic layers or more and an oxide film formed on the surface of the silicon carbide substrate, and the interface state density Nit between the oxide film and silicon carbide is 1.5 × 10 5. 12 cm -2 In the semiconductor device of the present invention as described below, when an ACCUFET having an n-type layer inserted is formed in the
[0034]
Further, in a semiconductor element including a silicon carbide substrate including a step having a height of two atomic layers or more and an oxide film formed on the surface of the silicon carbide substrate, the interface state density Nit between the oxide film and silicon carbide is 1 .5x10 12 cm -2 The dielectric breakdown voltage of the oxide insulating film is 10 MVcm if -1 It was also confirmed that this was the case. In a conventional silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide substrate including a step having a height of two atomic layers or more and an oxide film having a large interface state density formed on the surface of the silicon carbide substrate, the withstand voltage is 1 MVcm. -1 For the first time in the semiconductor element of the present invention, a sufficient withstand voltage that can withstand practical use was achieved.
[0035]
The silicon carbide semiconductor element of the present invention is a semiconductor element that contributes to energy saving that operates even at high temperatures with low loss by utilizing the physical properties of silicon carbide, such as wide gap, high dielectric strength, sufficient mobility, and high thermal conductivity. I will provide a.
[0036]
In the first embodiment, the silicon carbide semiconductor element formed on the surface of the SiC (0001) 8 ° off-cut surface is described as the substrate. However, the silicon carbide includes a step having a height of two atomic layers or more. The substrate is α-SiC (0001) such as other β-SiC (111), 6H, 4H, Si surface of 15R-SiC, β-SiC (100), β-SiC (110), 6H, 4H, etc. The present invention is effective even for a silicon carbide substrate having an off-cut surface of at least one degree of crystal plane selected from α-SiC (1-100) and / or α-SiC (11-20). I confirmed that there was.
[0037]
(Example 2)
As Example 2, an example of a method for manufacturing an insulating film of a silicon carbide semiconductor element of the present invention will be described with reference to FIG. The single crystal wafer used to fabricate the metal-oxide-semiconductor (MOS) sample is a commercially available n-type four-period hexagonal silicon carbide (4H-SiC). This single crystal wafer has an off angle of 8 ° with respect to the (0001) plane with a diameter of 2 inches, and an impurity concentration of 5 × 10 15 cm -3 The epitaxial film is grown. This single crystal was cut into 5 mm × 5 mm square to form a substrate for MOS sample preparation. Before the sample preparation, immediately after organic cleaning of the surface of the substrate, oxidation was performed with high-temperature steam generated by blowing hydrogen into oxygen at 1100 ° C. (hydrogen combustion oxidation), and the single crystal surface was sacrificial oxidized. The oxide film was melted using 3% thin hydrofluoric acid to expose the cleaning surface. The silicon surface of the silicon carbide 4H—SiC substrate having the cleaned surface was subjected to hydrogen combustion oxidation at 1100 ° C. for 1 hour to form a gate oxide film having a thickness of 25 nm.
[0038]
Subsequently, the first annealing treatment was performed in a hydrogen combustion oxidizing atmosphere (wet oxygen atmosphere containing oxygen and water vapor) for 3 hours while lowering the oxidation temperature to 950 ° C. Subsequently, the temperature was lowered to 800 ° C., and a second annealing treatment was performed in a hydrogen combustion oxidation atmosphere (wet oxygen atmosphere containing oxygen and water vapor) for 3 hours. After the multi-stage annealing treatment, the sample is pulled out from the reaction tube, and the sample temperature is rapidly cooled to room temperature to obtain SiO. 2 The chemical reaction near the / 6H-SiC interface was interrupted. Immediately after forming the gate oxide film, aluminum (Al) was deposited to form a MOS structure having an electrode with a diameter of 0.5 mm. The ohmic electrode was prepared by removing the oxide film grown on the back surface layer and then depositing Al on the exposed 4H—SiC substrate surface.
[0039]
The capacitance-weight (CV) characteristics of the 4H-SiCMOS structure were measured in a dark state at room temperature using a low frequency capacitance measurement / high frequency capacitance measurement / simultaneous measurement device (Package 82; manufactured by Kessley Co., Ltd.). In obtaining this CV characteristic, a voltage was swept from the inversion region to the accumulation region (forward sweep), and a measurement voltage was swept from the accumulation region to the inversion region (reverse direction sweep). In the forward sweep, the surface of the sample gate electrode was irradiated with ultraviolet rays before the sweep was started to form an inversion layer. After the inversion layer is formed, measurement is performed in a dark state at room temperature after the ultraviolet irradiation is stopped. On the other hand, when performing reverse sweep, ultraviolet irradiation is not performed.
[0040]
In FIG. 3 (a), after the gate oxide film is formed, the water vapor annealing process at 950 ° C. for 3 hours and 800 ° C. for 3 hours, which is an example of the annealing process of the method for forming the insulating film of the silicon carbide semiconductor device of the present invention, Fig. 3 (b) shows the CV characteristics when only the steam annealing process at 950 ° C for 3 hours, which is the annealing process of the conventional method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element, is performed. .
[0041]
In FIG. 3A, the high-frequency CV curve is swept from -13V to + 10V. As the sweep voltage decreases, the capacity once decreases (minority carrier redistribution). After that, the increase in capacitance starts from around the voltage 0V, but immediately, the increase in capacitance is suppressed, and it can be seen that it is bent (capacitance ledge). In the quasi-static CV curve, it can be seen that a large wedge-shaped capacitance decrease occurs in the voltage range of 0V where capacitance ledge appears. These facts indicate that SiO 2 It shows that there are few interface states at the / 4H-SiC interface.
[0042]
On the other hand, in the sample in which only the steam annealing process at 950 ° C. for 3 hours in FIG. 3B was performed, the minority carrier redistribution and capacitance ledge in the high frequency CV characteristics are not clear. In addition, the capacity decrease of the quasi-static CV curve is not clear, indicating that the amount of interface states is large.
[0043]
As apparent from the comparison between FIGS. 3A and 3B, it is understood that the multi-stage water vapor annealing process, which is the method for forming the insulating film of the silicon carbide semiconductor element of the present invention, has an effect of reducing the interface state. This result shows that, following the annealing treatment at 950 ° C. for 3 hours having a reoxidation effect on the (0001) plane, the re-oxidation effect on the (11-20) plane is performed at 800 ° C. for 3 hours. It is the result of performing an oxidizing atmosphere annealing treatment. As a result, the shape of the low-frequency CV characteristics has changed to a wedge shape, and the amount of interface states has been reduced compared to the single-temperature annealing process, which is a conventional method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element. I understand.
[0044]
The interface state density Nit of the embodiment of the method for forming the insulating film of the silicon carbide semiconductor element of the present invention is Nit = 1.09 × 10 12 cm -2 The interface state density Nit = 5.15 × 10 in the conventional example. 12 cm -2 The effectiveness of the method for forming an insulating film according to the present invention was confirmed.
[0045]
In the second embodiment, the method of manufacturing the insulating film of the silicon carbide semiconductor element formed on the surface using the 8H off-cut surface of 4H—SiC (0001) as the substrate has been described. A silicon carbide substrate including a step having a ratio of other β-SiC (111), 6H, 4H, etc. α-SiC (0001), 15R-SiC Si face, β-SiC (100), β-SiC (110 ), 6H, 4H, etc., a silicon carbide substrate having an off-cut surface of one or more crystal faces selected from α-SiC (1-100) and / or α-SiC (11-20). However, it was confirmed that the present invention is effective.
[0046]
In the second embodiment, the case where the annealing process is performed twice has been described. However, even when the annealing process including n times of changing the set temperature is performed more times, the two atoms of the present invention are used. An annealing treatment is performed by maintaining a silicon carbide semiconductor element including a silicon carbide substrate including a step having a height higher than a layer and an oxide film formed on the surface of the silicon carbide substrate at a plurality of set temperatures in an oxygen-containing atmosphere. A method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element to be performed, wherein a second annealing process is performed at a set temperature lower than the first annealing process setting temperature after the first annealing process, and at least two or more It was confirmed that it was effective if n times (n ≧ 2) of annealing treatments in an atmosphere containing oxygen maintained at different set temperatures were included.
[0047]
In the second embodiment, the case where the setting temperature of the first annealing treatment is 950 ° C. and the setting temperature of the second annealing treatment is 800 ° C. has been described, but the method for forming the insulating film of the silicon carbide semiconductor element of the present invention It was also confirmed that the first annealing treatment in an atmosphere containing oxygen was 900 ° C. or higher, and that at least the n-th annealing treatment with a set temperature of 850 ° C. or lower was included, it was effective.
[0048]
In the second embodiment, the case where the annealing process is performed in a hydrogen combustion oxidation atmosphere which is a kind of wet oxygen atmosphere is described. However, the method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element according to the present invention is at least nth. It was confirmed that the annealing treatment in an atmosphere containing oxygen was effective when performed in a wet oxygen atmosphere containing at least water vapor and oxygen.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the silicon carbide semiconductor element of the present invention, a low-loss / high-voltage control element that controls high power can be realized. For example, it can be used in a high-performance inverter that controls an air conditioner or the like. Provide energy-saving power elements that can withstand.
[0050]
In addition, according to the method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor element of the present invention, the carbonization having a high withstand voltage, a low fixed charge density, and a low interface state density, which can be applied as a gate insulating film of a low-loss power element. An insulating film for a silicon semiconductor element can be obtained, and a high-speed, low-loss semiconductor element suitable for high power use having a high breakdown voltage and a large current capacity can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an enlarged view of an insulating film / silicon carbide interface of a silicon carbide semiconductor device of the present invention.
(b) It is a figure which shows the formation method of the insulating film of the silicon carbide semiconductor element of this invention.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of an insulated gate semiconductor element.
FIG. 3A is a diagram showing CV characteristics of an oxide insulating film / silicon carbide interface according to the silicon carbide semiconductor element of the present invention and the method for forming the insulating film thereof.
(b) It is a figure which shows the CV characteristic of the oxide insulating film / silicon carbide interface by the formation method of the insulating film of the prior art example.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 steps
3 Insulating film / silicon carbide substrate interface
4 Oxide insulating film
5 (0001) terrace
6 (11-20) sides
7 Oxidation set temperature
8 First annealing set temperature
9 Second annealing set temperature
21 Insulated gate type semiconductor device
22 n-type substrate
23 n-type epitaxial growth layer (n-type layer)
24 p-type part (p-type layer)
25 n + type layer
26 Oxide insulating film
27a Gate electrode
27b Ohmic junction of source electrode
27c drain electrode
27d Schottky junction part of source electrode
28 channel area
Claims (3)
上記炭化珪素基板として、β―SiC(111)、6H,4H等のα―SiC(0001)、15R−SiCのSi面、β―SiC(100)、β―SiC(110)、6H,4H等のα―SiC(1−100)及び/又はα―SiC(11−20)の内から選ばれる結晶面の1〜10度のオフカット面を表面とする炭化珪素基板を使用し、
1回目のアニール処理を酸素を含む雰囲気下で900℃以上で行い、続いて上記1回目のアニール処理設定温度より低い設定温度である850℃以下の温度で2回目のアニール処理を施し、少なくとも2つ以上の異なる設定温度で保たれた酸素を含む雰囲気下でのn回(n≧2)のアニール処理を含むことからなる、酸化膜と炭化珪素の界面準位密度Nitが1.5×1012cm-2以下であり、且つ絶縁耐圧が10MVcm-1以上である、上記絶縁膜の形成方法。A silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide substrate including a step having a height of two atomic layers or more on the surface and an oxide insulating film formed on the surface of the silicon carbide substrate is set to a plurality of set temperatures in an atmosphere containing oxygen. In the method for forming an insulating film of a silicon carbide semiconductor that is annealed and maintained,
As the silicon carbide substrate, α-SiC (0001) such as β-SiC (111), 6H, 4H, Si surface of 15R-SiC, β-SiC (100), β-SiC (110), 6H, 4H, etc. A silicon carbide substrate having an off-cut plane of 1 to 10 degrees of a crystal plane selected from α-SiC (1-100) and / or α-SiC (11-20) of
The first annealing process is performed at 900 ° C. or higher in an atmosphere containing oxygen, and then the second annealing process is performed at a temperature of 850 ° C. or lower, which is a set temperature lower than the first annealing setting temperature. The interface state density Nit between the oxide film and silicon carbide is 1.5 × 10 5 including n annealings (n ≧ 2) in an atmosphere containing oxygen maintained at two or more different set temperatures. The method for forming an insulating film, wherein the insulating film is 12 cm −2 or less and the withstand voltage is 10 MVcm −1 or more.
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