制造碳化硅半导体器件的方法

专利名称：制造碳化硅半导体器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造具有界面态密度低的栅绝缘膜的碳化硅半导体器件例如MOSFET的方法。
技术背景己期望将半导体器件例如用由以1: 1的组成比相互键合的硅(Si)和碳(C)组成的碳化硅衬底(SiC衬底)形成的晶体管和二极管，投入到作 为功率器件的实际使用中。由于碳化硅是宽带隙半导体，所以其击穿 电场高于硅的击穿电场一个数量级。因此，即使在pn结或肖特基 (Schottky)结处的耗尽层具有更小的厚度，也能保持高反峰电压。在这 里，由于使用碳化硅衬底提供了更小的器件厚度和更高的掺杂浓度， 所以期望实现具有低导通电阻、高耐受电压和低损耗的功率器件。注 意，这里的碳化硅衬底包括通过在由碳化硅晶体或不同于碳化硅的材 料组成的衬底上外延生长碳化硅晶体层而得到的任何一种衬底。同时，由于下面的原因，与包括硅衬底的MOSFET(金属氧化物半 导体场效应晶体管)相比，包括碳化硅衬底的MOSFET在充当栅绝缘膜 的氧化硅薄膜的不良特性方面是不利的。主要地，由于大量碳遗留在 碳化硅衬底上的热氧化膜中，所以存在C-C键或悬空键，因此，热氧 化膜和碳化硅层之间的界面区中的界面态密度高。为了解决这种缺点，根据日本国家专利公布No.2004-511101(专利 文献1)，例如，通过在一氧化二氮(N20)中氧化碳化硅层并且在N20气 氛中退火碳化硅层上的氧化物层，实现了氧化物层和碳化硅层之间的 界面区中的较低的界面态密度。专利文献1:日本国家专利公布No.2004-511101发明内容本发明要解决的问题根据专利文献1，由于通过在N20中退火的热分解而产生的一氧 化氮(NO)使存在于氧化膜(氧化物层)和半导体层之间的界面区中的Si、 C的悬空键钝化。因此，降低了充当电子陷阱的界面态并提高了载流子 迁移率。然而，根据专利文献1中的技术，在110(TC或更高的温度下 会引起N20和SiC之间的反应，因此在由于退火炉中温度增加和降低 所需的长时间而导致的低生产量方面，以及在保持晶片内部温度的均 匀性的困难方面，专利文献l是不利的。本发明的目的在于提供一种以高生产量制造具有低界面态密度的 碳化硅半导体器件的方法。解决问题的手段根据本发明制造碳化硅半导体器件的方法，包括氧化膜形成步 骤，在形成于衬底上的碳化硅层上形成充当栅绝缘膜的氧化膜；和在 氧化膜形成步骤之后的等离子体暴露步骤，将氧化膜暴露在通过使用 包含氮元素(N)和氧元素(O)中的至少任何一种的气体产生的等离子体。根据该方法，实现了例如通过N原子使悬空键钝化和通过O原子 断开C-C键的作用，因此，通过在相对低温度下的处理能降低氧化膜 和碳化硅层之间的界面区中的界面态密度。另外，由于与在退火处理 中相比，在等离子体暴露步骤中晶片内部的等离子体处理的均匀性可 能更高，所以界面态密度的变化也更小。因此，除了改善沟道迁移率 和降低MOSFET等中的漏电流之外，MOSFET等的阈值电压的变化也 更小。而且，由于等离子体暴露步骤能够在相对低的温度下执行，因 此还改善了生产量。在以上制造碳化硅半导体器件的方法中，在等离子体暴露步骤中，优选使用从包含氮分子(N2)的气体、包含氧分子(02)的气体和包含臭氧 (03)的气体中选译的至少一种气体作为包含氮元素和氧元素中的至少 任何一种的气体。作为选择，优选使用包含氮元素和氧元素的气体作 为包含氮元素和氧元素中的至少任何一种的气体。在这里，优选使用从包含一氧化二氮(N20)的气体和包含氧化氮(N0J的气体中选择的至少一种气体作为包含氮元素和氧元素的气体。在以上制造碳化硅半导体器件的方法中，在氧化膜形成步骤中， 优选通过在包含至少氧元素的气氛中加热碳化硅层形成作为氧化膜的 氧化硅膜。在形成栅绝缘膜中，通过经由在包含至少氧元素的气氛中 碳化硅层被加热至高温的的热氧化形成氧化硅膜，使在底层的碳化硅 层的结晶态信息载送到氧化硅膜。因此得到了很好地适合于底层的栅绝缘膜。在这里，优选热氧化处理的温度在从至少1250'C到至多1400 。C的范围内。在氧化膜形成步骤中，优选用化学气相沉积(CVD)形成氧化膜。 在形成栅绝缘膜中，通过用CVD形成氧化膜，得到了在具有底层碳化 硅层的界面区中界面态密度相对低的栅绝缘膜。制造碳化硅半导体器件的方法优选进一步包括在氧化膜形成步骤 之前，用化学机械平坦化(CMP)来平坦化碳化硅层的步骤。通过在形成 栅绝缘膜之前用CMP来平坦化碳化硅层，使界面态密度的分布均匀， 且得到了阈值电压变化更小的碳化硅半导体器件。发明效果根据本发明的制造碳化硅半导体器件的方法，能够获得在栅绝缘 膜和碳化硅层之间的界面区中具有低界面态密度的碳化硅半导体器 件。


图1是示出实施方案中制造MOSFET的步骤的剖视图。 图2是示出实施方案中制造MOSFET的步骤的剖视图。 图3是示出实施方案中制造MOSFET的步骤的剖视图。 图4是示出实施方案中制造MOSFET的步骤的剖视图。 图5是示出实施方案中制造MOSFET的步骤的剖视图。 图6是示出实施方案中制造MOSFET的步骤的剖视图。 图7是示意性示出实施方案中使用的等离子体设备的结构的透视图。图8举例说明了示出根据是否执行等离子体处理，沟道迁移率对 栅电压的依赖性差异的数据。附图标记说明104H-SiC衬底；11外延生长层；12p阱区；12a沟道区；13源 区；15p+接触区；20栅绝缘膜；21源电极；22栅电极；23漏电极； 50等离子体设备；51室；52管道；53上电极；54下电极；61晶 片；和62晶片承载器。
具体实施方式
(实施方案)图1到6是示出实施方案中制造表示碳化硅半导体器件的 MOSFET的步骤的剖视图。尽管图l到6只是示出了表示垂直MOSFET 的一部分的两个晶体管单元，但是集成了大量晶体管单元以构成一个 垂直MOSFET。在图l示出的步骤中，制备了 n型4H(六边形)-SiC(4表示一个周 期中堆叠的层数)衬底10，其例如具有0.02Qcm的电阻率和400/mi的 厚度，且具有在[ll-20]方向上斜角为大约8。的(0001)面作为主表面。然 后，使用包括原位掺杂的CVD外延生长，在4H-SiC衬底10上生长例 如包含大约5X10"cn^浓度的n型掺杂剂且具有大约10/mi厚度的外 延生长层11。在外延生长之后即刻的外延生长层11的最外表面具有例如大约0.2nm到0.3nm的平均表面粗糙度Ra。在这里注意，单个方向和单个表面分别用[]和o示出。其后，在图2示出的步骤中，使用离子注入，在外延生长层ll的 表面部分的部分中形成例如包含大约1 X 1017cnT3浓度的p型掺杂剂且 具有大约l.OMin厚度(深度)的p阱区12。还使用离子注入，在p阱区 12表面部分的每个部分中形成例如包含1 X 1019cm—3浓度的n型掺杂剂 且具有大约0.3 pim厚度(深度)的源区13，和例如包含大约5X1019cnT3 浓度的p型掺杂剂且具有大约0.3/rni厚度(深度)的p+接触区15。在这 里，将在离子注入期间4H-SiC衬底10和外延生长层11的温度设置为 例如50(TC。其后，使用主要包含硅胶的研磨剂来执行CMP(化学机械 平坦化)，由此移除衬底例如大约lnm到5nm的表面部分。CMP之后 即刻的外延生长层11的最外表面具有例如大约从O.lnm到0.5mn范围 的平均表面粗糙度Ra。虽然没有示出，但是通常，在这些步骤之后， 使用热氧化在衬底上形成了牺牲氧化膜，其后，除去了牺牲氧化膜， 然后该过程进行下一步。其后，在图3示出的步骤中，例如，使用热氧化，在4H-SiC衬底 10上形成具有大约50nm厚度的作为氧化硅膜形成的栅绝缘膜20。在 这里，优选通过在包含至少氧元素(O)的气氛中加热至高温形成栅绝缘 膜20。在这里，可使用例如02、 03、 N20等作为含氧元素的气体。通 过在含氧元素的气氛中加热，能得到质量比用溅射或CVD形成的膜更 高的氧化膜。优选执行加热至从至少125(TC到至多140(TC范围的高温。 加热至不低于125(TC的高温能够在栅绝缘膜20和外延生长层11内部 的每层(尤其是，p阱区12)之间的界面产生低界面态密度。加热至不高 于140(TC的高温能抑制外延生长层11内部的每层的表面粗糙度。通过 在含氧元素和氮元素的气氛中执行热氧化，还能降低在栅绝缘膜20和 外延生长层11内部的每层(尤其是，p阱区12)之间的界面的界面态密 度。因此，与单独使用氧元素的氧化相比，通过使用含氮元素和氧元 素的气体(例如，N20和N0)，得到以下作用和效果。具体地，由于由其产生界面态的残留碳被氮化以得到钝化作用，所以能实现更低的界 面态密度。代替热氧化，例如，可使用CVD(化学气相沉积)。由于在CVD中 几乎不会改变底层碳化硅层，因此得到在与底层碳化硅层的界面区中 实现相对低界面态密度的栅绝缘膜20。因此，仅就降低界面态密度的 效果而言，优选CVD。其后，在图4示出的步骤中，利用桶型等离子体设备，采用含氮 元素和氧元素中的至少任何一种的气体，来产生用于等离子体处理栅 绝缘膜20的等离子体(等离子体暴露步骤)。在等离子体暴露步骤中， 使用例如从包含N2的气体、包含02的气体和包含03的气体中选择的 至少一种气体作为包含氮元素和氧元素中至少任何一种的气体。因此， 可实现钝化或移除(除去)残留在氧化膜和外延生长层11内部每层之间 的界面上的碳。作为选择，例如，使用包含氮元素和氧元素的气体作 为包含氮元素和氧元素中的至少任何一种的气体。通过这样做，也能 类似地实现钝化或移除(除去)残留在氧化膜和外延生长层11内部每层 之间的界面上的碳。在这里，使用例如从包含N2的气体和包含N0x的 气体中选择的至少一种气体作为包含氮元素和氧元素的气体。通过这 样做，也能类似地实现钝化或移除(除去)残留在氧化膜和外延生长层11 内部每层之间的界面上的碳。如果使用包含氮元素和氧元素的气体， 例如，可将氮元素和氧元素之间的分压(比率)设置为1: 1。没有具体限制等离子体暴露步骤，只要通过使用包含氮元素和氧 元素中的至少任何一种的气体产生等离子体。包含氮元素和氧元素中 的至少任何一种的气体可以进一步包含，例如氢等。图7是示意性示出实施方案中使用的等离子体设备50的结构的透 视图。等离子体设备50包括用石英管等形成的室51、在室51中提供 的用铝网管等形成的管道52、贴附在室51的内顶板部分上的上电极53和贴附在室51的底部部分上的下电极54。上电极53连接到具有插 入的匹配单元55的高频电源，且下电极54接地。垂直放置在晶片承 载器62上的多个晶体61排列在管道52中。在本实施方案中，例如，在诸如300W的功率和13.56MHz的频率 的条件下产生等离子体，同时使通过用大约10%体积浓度的氮气稀释 N20得到的气体流过室51。例如，将室51的温度设置为大约100°C， 且将在执行暴露于等离子体的期间的时间周期设置为大约60分钟。其后，在图5示出的步骤中，移除位于源区13和p+接触区15上 面的部分栅绝缘膜20，然后，在用例如剥离法(lift-offmethod)移除栅绝 缘膜20的区域中形成由具有大约0.1/mi厚度的镍(Ni)膜形成的源电极 21。其后，在图6示出的步骤中，例如，通过在氩(Ar)气氛中以975'C 的温度执行热处理2分钟，在组成源电极21和漏电极23的Ni与组成 底层(源区13、 p+接触区15和4H-SiC衬底IO)的碳化硅之间的接触特 性从肖特基接触改变为欧姆接触。其后，在栅极绝缘膜20上形成与源 电极21隔开的由铝组成的栅电极22。通过以上制造步骤，形成了实现作为功率器件的作用的n沟道垂 直MOSFET。在垂直MOSFET中，具有插入的栅绝缘膜20的位于p 阱区12最上部分和栅电极22下面的区域获得作为沟道区12a的作用。 当MOSFET导通时，由漏电极23提供的电流在垂直方向上从4H-SiC 衬底IO流向外延生长层11的最上部分，其后，电流通过p阱区12最 上部分中的沟道区12a到达源区13。在这里，在沟道区12a中，电子， 即载流子，从源区13跑向外延生长层11的最上面部分。电子在沟道 区12a中的迁移率称为沟道迁移率。在本实施方案的图3示出的形成栅氧化膜的步骤中，CO或C02由于外延生长层ll(SiC层)中的C原子与0原子之间的键合而挥发， 同时由于Si原子与0原子之间键合形成了氧化硅膜(Si02)。在这里， 不同于Si层表面的热氧化，在SiC层表面的热氧化处理之后留下了大量C原子。因此，大量Si、 c的悬空键或表示c原子之间键合的c-c键存在于栅氧化膜和碳化硅层之间的界面区中。因此，大量界面态密 度会存在于栅氧化膜和碳化硅层之间界面周围的区域中。在这里，通过将栅绝缘膜20暴露于通过使用包含氧元素的气体产生的等离子体，获得了由o原子断开c-c键的作用。另外，通过将栅绝缘膜20暴露于通过使用包含氮的气体产生的等离子体，获得了钝化 Si、 C的悬空键的作用(端接作用)。这些作用中的任何一种都有助于降 低栅极绝缘膜20和沟道区12a之间的界面区中的界面态密度。因此， 改善了 MOSFET的沟道迁移率并且还减少了漏电流。具体地，在本实 施方案中，由于将栅绝缘膜暴露于通过使用包含N20的气体产生的等 离子体，该包含N20的气体是包含氧和氮的气体，断开C-C键的作用 和钝化悬空键的作用都达到了，降低界面密度的作用更明显。图8举例说明了示出根据是否执行了等离子体处理，沟道迁移率 对栅电压的依赖性的差异的数据。图8中的数据曲线Ll和L2表示在 形成栅极绝缘膜之后受到等离子体处理(在该样品的情况下，N2等离子 体处理)的MOSFET样品(栅绝缘膜的厚度为60nm)和在02气氛中仅遭 受热氧化以形成栅绝缘膜的MOSFET样品(栅绝缘膜的厚度为60nm)中 的沟道迁移率。在这里，结合图1到6示出的步骤，在前面描述的条 件下，制造了 MOSFET样品。在这里，外延生长层11的平均表面粗糙 度Ra为10nm，CMP之后即刻的外延生长层11的最外表面的平均表面 粗糙度为0.5 nm，以及通过使用02作为包含氧元素的气体在130(TC下 利用热氧化形成栅极绝缘膜20，或者在等离子体暴露步骤中，其通过 使用以氮气冲淡N20至10%体积浓度而得到的气体形成。如图所示， 能够看出通过执行等离子体处理沟道迁移率得到显著提高。另外，在图4中示出的等离子体处理步骤中，将处理温度设置为大约IO(TC，且不需要如专利文献1的技术中的在UO(TC左右的高温下处理。因此，也能保持高生产量。而且，根据专利文献1的技术，由于处理在IIO(TC左右的高温下 执行，所以难于在晶片中保持均匀的温度分布，且晶片内部的界面态 密度变化大。相比之下，根据本发明，能够相对容易地执行用等离子 体对晶体的均匀处理。由于晶片内部的界面态密度的均匀性因而也很 高，所以能够使MOSFET阈值电压的变化更小。注意，通过当施加O.IV漏电压时计算基于栅电压和漏电流特性的 互导和通过测定场效应迁移率，在图中绘制图8示出的数据曲线L1和 L2。在根据本实施方案的制造MOSFET的步骤中，使用包含N20的气 体作为用于等离子体处理的气氛。在这里，通过使用包含氮元素和氧 元素中的至少任何一种的气体，能够降低栅绝缘膜20和外延生长层11 之间界面区中存在的界面态密度，因此能够实现本发明的效果。具体 地，包含N2的气体、包含02或03的气体、包含NOx的气体、包含氮 元素和氧元素的气体等是包含氮元素和氧元素中的至少任何一种的示 例性气体。通过使用这些气体，能够产生包含氧元素和氮元素中的至 少任何一种的等离子体。桶型等离子体产生设备比平行板型等离子产生设备更有利于作为 等离子体产生设备，因为对栅绝缘膜等的损伤可能性较小。通过使用 ICP(感应耦合等离子体)也能抑制损伤。在图2示出的步骤中，优选在从至少1250'C到至多1400'C范围的 温度下执行热氧化。这是因为，随着温度越高，降低界面态密度的效 果就越大。在这里，可选择包含02的气体、包含N02的气体、包含N20的气体等用作所述气氛。 (其它实施方案)以上公开的本发明实施方案的结构仅是为了举例说明且本发明的 范围不受说明书的范围限制。本发明的范围由权利要求的术语限定， 且意指包括所述范围内的任何变更和与权利要求的术语等价的意义。在以上实施方案中，已描述了根据本发明的碳化硅半导体器件应用于MOSFET(DMOSFET)的实例，然而，根据本发明的碳化硅半导体 器件还可应用于VMOSFET、 UMOSFET和IGBT等。另外，在以上实施方案中，已描述了本发明应用到反转模式 (inversion mode)MOSFET的实例，然而，本发明还可应用于累积模式 (accumulation mode)MOSFET。而且，在以上实施方案中，已描述了本 发明应用到垂直MOSFET的实例，然而，本发明还可应用于横向 MOSFET。在这里，与具有插入的沟道区的源区相对的漏区形成在外延 生长层的表面部分中。本发明的衬底不限于4H-SiC衬底，且可采用不同于4H多晶(poly) 型的多晶型SiC衬底，例如6H-SiC衬底(一个周期中堆叠的层数是6)， 或者由不同于用于SiC衬底的材料制成的衬底，例如Si衬底。例如， 通过将本发明还应用于包括在Si衬底上异质外延生长的3C-SiC外延生 长层的碳化硅半导体器件，能够得到阈值电压变化小的MOSFET或耐 受电压高的肖特基二极管。产业实用性根据本发明的碳化硅半导体器件可用于用作功率器件或高频器件 的MOSFET、 IGBT等。
权利要求
1.一种制造碳化硅半导体器件的方法，包括氧化膜形成步骤，在形成于衬底上的碳化硅层(11)上形成充当栅绝缘膜的氧化膜；和等离子体暴露步骤，在所述氧化膜形成步骤之后，将所述氧化膜(20)暴露到通过使用包含氮元素(N)和氧元素(O)中的至少任何一种的气体产生的等离子体。
2. 根据权利要求1的制造碳化硅半导体器件的方法，其中 在所述等离子体暴露步骤中，使用从包含氮分子的气体、包含氧分子的气体和包含臭氧的气体中选择的至少一种气体作为包含氮元素 和氧元素中的至少任何一种的所述气体。
3. 根据权利要求1的制造碳化硅半导体器件的方法，其中 在所述等离子体暴露步骤中，使用包含氮元素和氧元素的气体作为包含氮元素和氧元素中的至少任何一种的所述气体。
4. 根据权利要求3的制造碳化硅半导体器件的方法，其中 在所述等离子体暴露步骤中，使用从包含一氧化二氮的气体和包含氧化氮的气体中选择的至少一种气体作为包含氮元素和氧元素的所 述气体。
5. 根据权利要求1的制造碳化硅半导体器件的方法，其中 在所述氧化膜形成步骤中，通过在包含至少氧元素的气氛中加热所述碳化硅层形成作为所述氧化膜(20)的氧化硅膜。
6. 根据权利要求5的制造碳化硅半导体器件的方法，其中 在所述氧化膜形成步骤中，在从至少125(TC到至多140(TC范围的温度下执行热氧化。
7. 根据权利要求1的制造碳化硅半导体器件的方法，其中 在所述氧化膜形成步骤中，利用化学气相沉积形成所述氧化膜(20)。
8. 根据权利要求1的制造碳化硅半导体器件的方法，进一步包括 在所述氧化膜形成步骤之前，利用化学机械平坦化来平坦化所述碳化 硅层(ll)的步骤。
全文摘要
提供了在栅绝缘膜(20)和碳化硅层(11)之间的界面区中具有低界面态密度的碳化硅半导体器件的制造方法。在4H-SiC衬底(10)上生长外延生长层(11)，其后执行离子注入以形成作为离子注入层的p阱区(12)、源区(13)和p⁺接触区(15)。其后，利用热氧化或CVD，在p阱区(12)、源区(13)和p⁺接触区(15)上形成由氧化硅膜形成的栅绝缘膜(20)。然后，使用包含N₂O的气体产生等离子体，以使栅绝缘膜(20)暴露于等离子体，该包含N₂O的气体是包含氧和氮中的至少任何一种的气体。
文档编号H01L21/336GK101336473SQ20068005206
公开日2008年12月31日 申请日期2006年12月6日 优先权日2006年1月30日
发明者增田健良 申请人:住友电气工业株式会社