JP6052911B2 - セシウムイオンで酸化物界面を処理することによって高チャネル移動度を有するＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴの形成 - Google Patents

Description

本発明は、パワーデバイスを製作する方法及び得られるデバイス、より具体的には、炭化珪素パワーデバイス及び炭化珪素パワーデバイスを製作する方法に関する。

電力半導体デバイスは、大電流を搬送し、かつ高電圧を支持するために広く使用される。最近のパワーデバイスは、一般的に単結晶シリコン半導体材料から製作される。１つの広く使用されるパワーデバイスは、パワー「金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）」である。パワーＭＯＳＦＥＴにおいて、制御信号は、二酸化珪素である場合があるがこれに限定されない介在する絶縁体により半導体表面から分離されたゲート電極に供給される。電流電導は、バイポーラトランジスタ作動に使用される少数キャリア注入の存在がなくても多数キャリアの搬送を通じて発生する。パワーＭＯＳＦＥＴは、優れた安全作動区域を与えることができ、かつ単位セル構造体において並列化することができる。

当業者に公知のように、パワーＭＯＳＦＥＴは、横方向構造又は垂直構造を含むことができる。横方向構造において、ドレイン、ゲート、及びソース端子は、基板の同じ面上にある。これとは対照的に、垂直構造において、ソース及びドレインは、基板の反対面上にある。

１つの広く使用されるシリコンパワーＭＯＳＦＥＴは、二重拡散処理を用いて製作される二重拡散ＭＯＳＦＥＴ（ＤＭＯＳＦＥＴ）である。これらのデバイスにおいて、ｐベース領域及びｎ＋ソース領域は、マスク内の共通の開口部を通じて拡散される。ｐベース領域は、ｎ＋ソースよりも深く駆動される。ｐベース領域とｎ＋ソース領域の間の横方向拡散の差により、表面チャネル領域が形成される。

最近のパワーデバイス開発努力は、パワーデバイスのための炭化珪素（ＳｉＣ）デバイスの使用の調査も含んでいる。炭化珪素（ＳｉＣ）は、それを高温、高電圧、高周波数、及び高電力電子デバイスのための半導体材料に対して魅力的にする電気及び物理特性の組合せを有する。これらの特性は、３．０ｅＶバンドギャップ、４ｍＶ／ｃｍ電界破壊、４．９Ｗ／ｃｍ−Ｋ熱伝導率及、び２．０ｘ１０⁷ｃｍ／ｓ電子ドリフト速度を含む。

その結果、これらの特性は、炭化珪素パワーデバイスが、より高い温度、より高い電力レベル、及び／又は従来のシリコンベースのパワーデバイスよりも低い特定のオン抵抗で作動することを可能にすることができる。シリコンデバイスに対して炭化珪素デバイスの優位性の理論的な解析は、Ｂｈａｔｎａｇａｒ他著「パワーデバイスのための６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、及びＳｉの比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ６Ｈ−ＳｉＣ， ３Ｃ−ＳｉＣ ａｎｄ Ｓｉ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ）」、ＩＥＥＥ電子デバイス研究論文、第４０巻、１９９３年、６４５〜６５５頁による文献に見られる。炭化珪素に製作されたパワーＭＯＳＦＥＴは、Ｐａｌｍｏｕｒに付与されて本発明の出願人に譲渡された「炭化珪素でのパワーＭＯＳＦＥＴ」という名称の米国特許第５，５０６，４２１号明細書に説明されている。

米国特許第５，５０６，４２１号明細書 米国特許第６，５５９，０６８号明細書 米国特許第７，７２７，９０４号明細書 米国特許第５，９７２，８０１号明細書 米国特許第７，０６７，１７６号明細書 米国特許第６，７６７，８４３号明細書 米国特許第６，６１０，３６６号明細書

Ｂｈａｔｎａｇａｒ他著「パワーデバイスのための６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、及びＳｉの比較（Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ６Ｈ−ＳｉＣ， ３Ｃ−ＳｉＣ ａｎｄ Ｓｉ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ）」、ＩＥＥＥ電子デバイス研究論文、第４０巻、１９９３年、６４５〜６５５頁 Ｇ．Ｙ．Ｃｈｕｎｇ他著、ＩＥＥＥ電子デバイスレター．２２、７６（２００１年） Ｅ．Ｏ．Ｓｖｅｉｎｂｊｏｒｎｓｓｏｎ他著「Ｓｉ面４Ｈ−ＳｉＣのナトリウム強化酸化：界面近くのトラップを除去する方法（Ｓｏｄｉｕｍ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉ−ｆａｃｅ ４Ｈ−ＳｉＣ：ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｒｅｍｏｖｅ Ｎｅａｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｔｒａｐｓ）」、材料科学フォーラム、第５５６−５５７巻、４８７〜４９２頁（２００７年） Ｙ．Ｗａｎｇ他著「セシウム注入による４Ｈ−ＳｉＣ ＭＯＳ特性の最適化（Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ４Ｈ−ＳｉＣ ＭＯＳ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｉｔｈ Ｃｅｓｉｕｍ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）」、材料化学フォーラム、第６００〜６０３巻、７５１〜７５４頁（２００９年）

４Ｈ−ＳｉＣパワーＤＭＯＳＦＥＴは、従来の高電圧Ｓｉ電源スイッチに優る有意な利点を提供する可能性を有する。しかし、残念ながら、満足できるゲート酸化物をこれらのデバイスのために成長させることは困難である場合がある。多くの努力は、デバイスのチャネル移動度（μ_CH）を増大させるために、ＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面での界面トラップ密度（Ｄ_IT）を低減することに着目してきた。１１７５℃での一酸化窒素（ＮＯ）アニールにより、μ_CHは、１桁から〜３０ｃｍ²／Ｖｓまで増大した。例えば、Ｇ．Ｙ．Ｃｈｕｎｇ他著、ＩＥＥＥ電子デバイスレター．２２、７６（２００１年）を参照されたい。研究者は、金属不純物を含む環境における酸化により、より高いチャネル移動度（〜１５０ｃｍ²／Ｖｓ）さえも明らかにしている。例えば、米国特許第６，５５９，０６８号明細書を参照されたい。しかし、このような処理は、有意な酸化物汚損をもたらす場合があり、無制御の酸化速度（ｔ_ox＞１５００Å）をもたらす場合があり、及び／又はオーミック接触アニールに使用することができるような高温処理段階に適合しない場合がある。

一部の実施形態による半導体構造を形成する方法は、絶縁層を半導体層上に与える段階と、セシウムイオンを絶縁層の外側のセシウムイオン源から絶縁層の中に拡散させる段階とを含む。

セシウムイオンを絶縁層の中に拡散させる段階は、セシウムイオンを絶縁層と半導体層の間の界面に拡散させる段階を含むことができる。

本方法は、セシウムイオンを絶縁層の中に拡散させる前にセシウムイオン源を絶縁層上に堆積させる段階を更に含むことができる。セシウムイオン源を堆積させる段階は、絶縁層をＣｓＣｌ溶液中で沸騰させる段階を含むことができる。特定の実施形態において、絶縁層をＣｓＣｌ溶液中で沸騰させる段階は、絶縁層を０．０１Ｍから１ＭのＣｓＣｌ水溶液中で約９０から１００℃の温度で１から６０分にわたって沸騰させる段階を含むことができる。

本方法は、絶縁層を窒化する段階を更に含むことができる。絶縁層を窒化する段階は、絶縁層を形成する段階、及び／又は窒素を含む環境中で絶縁層をアニールする段階を含むことができる。

セシウムイオンを絶縁層の中に拡散させる段階は、絶縁層を約７００℃を超える温度でアニールする段階を含むことができる。特に、セシウムイオンを絶縁層の中に拡散させる段階は、絶縁層を約７００℃と約１０００℃の間の温度でアニールする段階を含むことができる。

絶縁層を与える段階は、半導体層を熱的に酸化させる段階を含むことができる。他の実施形態において、絶縁層を与える段階は、絶縁層を半導体層上に堆積させる段階を含むことができる。

半導体層は、炭化珪素を含むことができ、絶縁層は、二酸化珪素を含むことができる。

一部の実施形態による電界効果トランジスタデバイスを形成する方法は、半導体層を与える段階と、半導体層にチャネル領域を定める離間したソース及びドレイン領域を半導体層に形成する段階と、チャネル領域にわたって半導体層上に絶縁層を与える段階と、セシウムイオンを絶縁層の中に拡散させる段階と、ゲート電極を絶縁層上に形成する段階と、ソース接点をソース領域上に形成する段階とを含む。

本発明の更なる理解を提供するために含められ、かつ本出願に組み込まれてその一部を形成する添付図面は、本発明のある一定の実施形態を例示するものである。

本発明の一部の実施形態による横方向ＭＯＳＦＥＴの断面図である。 本発明の一部の実施形態による垂直パワーＭＯＳＦＥＴの断面図である。 本発明の一部の実施形態による酸化物／半導体界面の処理を概略的に示すバンド図である。 本発明の一部の実施形態による酸化物／半導体界面の処理を概略的に示すバンド図である。 一部の実施形態によって処理されたＳｉＣ／ＳｉＯ₂サンプルのラザフォード後方散乱スペクトルのグラフである。 本発明の一部の実施形態によって形成された横方向ＭＯＳＦＥＴデバイス並びに従来の技術によって形成されたＭＯＳＦＥＴデバイスに対して室温で測定されたチャネル移動度とゲート電圧のグラフである。 本発明の一部の実施形態によって形成されたＭＯＳＦＥＴデバイスの電流−電圧伝達特性のグラフである。 一部の実施形態による方法を示す流れ図である。 一部の実施形態による方法を示す流れ図である。

本発明を本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照して以下でより完全に説明する。本発明は、多くの異なる形態に実施することができるので本明細書に説明する実施形態に限定されないと解釈しなければならない。むしろ、これらの実施形態は、本発明の開示が徹底的かつ完全であり、かつ本発明の範囲を当業者に完全に伝達するように示されている。図面では、層及び領域の厚みは、明瞭さを期すために誇張されている。同じ数字は、全体を通して同様の部分を指す。

本明細書で使用する時の「及び／又は」という用語は、関連の記載品目の１つ又はそれよりも多くの全ての組合せを含む。第１、第２、第３のような用語を本明細書で使用して様々な要素、構成要素、領域、材料、層、及び／又は部分を説明することができるが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分は、これらの用語により制限されないことは理解されるであろう。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、材料、又は部分を別の要素、構成要素、領域、層、材料、又は部分と区別するのに使用されるに過ぎない。従って、以下に説明する第１の要素、構成要素、領域、層、材料、又は部分は、本発明の教示から逸脱することなく第２の要素、構成要素、領域、層、材料、又は部分と呼ぶことができる。

本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的したものであり、本発明を制限しないことを意図している。本明細書で使用する時の単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その語が明示的に他の場合を示さない限り、複数形も含むことを意図とする。「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、及び／又は「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という用語は、本明細書に使用する時に定まった特徴、整数、段階、作動、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又はそれよりも多くの他の特徴、整数、段階、作動、要素、構成要素、及び／又はその群の存在又は追加を排除しないことは更に理解されるであろう。

本発明の実施形態は、本発明の理想化された実施形態（及び中間構造体）の概略図である断面図を参照して本明細書に説明する。層の厚み及び図面内の領域は、明瞭さを期すために誇張される場合がある。更に、例えば、製造技術及び／又は公差の結果として、図の形状からの変形を予想することができる。従って、本発明の実施形態は、本明細書に示す領域の特定の形状に限定されないものと解釈しなければならず、例えば、製造から生じる形状の偏りを含むべきである。例えば、矩形であるように示す注入された領域は、典型的に、注入された領域から注入されていない領域への個別の変化ではなく、丸いか又は湾曲した特徴及び／又は縁部でのインプラント濃度の勾配を有することになる。同様に、注入によって形成された埋込み領域は、埋込み領域と注入が行われる面との間の領域に何らかの注入をもたらす場合がある。従って、図に示す領域は、本質的には概略的であり、領域の形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すことを目的としておらず、かつ本発明の範囲を制限することを目的としていない。

層、領域、又は基板のような要素が別の要素「上に」あるか又は別の要素「の上に」延びるという時に、それは、他の要素のすぐ上にあるか又は他の要素のすぐ上に延びることができ、又は介在要素も存在することができることは理解されるであろう。これとは対照的に、要素が別の要素の「すぐ上に」あり、又は別の要素の「すぐ上に延びる」という時は、介在する要素は存在しない。要素が別の要素に「接続された」又は「結合された」という時に、他の要素に直接に接続又は結合することができ、又は介在する要素が存在する場合があることも理解されるであろう。これとは対照的に、要素が別の要素に「直接に接続された」又は「直接に結合された」という時は、介在する要素は存在しない。

別段の定義がない限り、本明細書で使用する全ての専門用語及び科学用語は、本明細書が属する技術分野の当業者により一般的に理解されるものと同じ意味を有する。用語は、一般的に用いられる辞書で定義されるように、本明細書及び関連技術との関連における意味と合致する意味を有すると解釈しなければならず、かつ明示的に本明細書で定義されない限り、理想化したか又は過度に格式ばった意味で解釈しないこととすることは更に理解されるであろう。

上述したように、高電圧ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴデバイスの開発を制限する１つのファクタは、ＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面に沿った界面トラップという問題である。しかし、界面トラップという問題は、ＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面に限定されない。界面トラップは、ポリシリコン、非晶質シリコン、窒化ガリウムなどで形成されたＭＯＳＦＥＴのように他のタイプの材料システムで形成されたＭＯＳＦＥＴにおいて移動度を低減する可能性がある。

開示内容が引用により本明細書に組み込まれている本出願と同一の本出願人に譲渡された２０１０年６月１日に付与された「高い反転層移動度を有するＳｉＣ Ｍｏｓｆｅｔを形成する方法」という名称の米国特許第７，７２７，９０４号明細書に開示されるような金属により容易にされる酸化は、界面トラップの密度を低減し、従って、チャネル移動度が増大することが見出されている。

ごく最近では、形成中の酸化物層の意図的な汚損によるＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面へのナトリウムの組み込みが調査され、Ｅ．Ｏ．Ｓｖｅｉｎｂｊｏｒｎｓｓｏｎ他著「Ｓｉ面４Ｈ−ＳｉＣのナトリウム強化酸化：界面近くのトラップを除去する方法（Ｓｏｄｉｕｍ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉ−ｆａｃｅ ４Ｈ−ＳｉＣ：ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｒｅｍｏｖｅ Ｎｅａｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｔｒａｐｓ）」、材料科学フォーラム、第５５６−５５７巻、４８７〜４９２頁（２００７年）に説明されているように界面トラップを低減することが見出されている。しかし、ナトリウムは、ＳｉＯ₂中では移動度が高く、それによってＭＯＳＦＥＴデバイス内に温度不安定をもたらす場合がある。特に、ナトリウムは、ゲート不安定性を１００℃から２００℃の作動温度でデバイスに引き起こす場合がある。

堆積された酸化物へのＣｓ＋イオンの注入によるＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面へのセシウムの組み込みが調査され、Ｙ．Ｗａｎｇ他著「セシウム注入による４Ｈ−ＳｉＣ ＭＯＳ特性の最適化（Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ４Ｈ−ＳｉＣ ＭＯＳ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｉｔｈ Ｃｅｓｉｕｍ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）」、材料化学フォーラム、第６００〜６０３巻、７５１〜７５４頁（２００９年）に説明されているように界面トラップの密度が低減されることが見出されている。セシウムは、ＳｉＯ₂中ではナトリウムほど移動度がない。しかし、Ｃｓ＋イオンの注入は、ＭＯＳＦＥＴゲート酸化物には望ましくないと考えられる注入損傷を酸化物層において誘発する可能性がある。Ｗａｎｇは、ＭＯＳコンデンサに関するものであることに注意しなければならない。Ｃｓ＋イオンの注入により引き起こされる格子損傷は、酸化物下のキャリアの移動度に悪影響を与える可能性があり、従って、このような処理は、ＭＯＳＦＥＴデバイスに潜在的に不適切になる。Ｃｓ＋イオンの注入は、酸化物が酸化物中でのインプラント損傷のために信頼性を欠くものになる恐れもある。

本発明の実施形態は、改善した酸化物／半導体界面を有するＭＯＳＦＥＴデバイスを含むＭＯＳデバイスを提供する。特に、酸化物／半導体界面は、Ｃｓ＋イオンを酸化物層形成後に界面に拡散することによって改善することができる。得られるデバイスは、デバイスをパワーＭＯＳＦＥＴ製作に適切にすることができる高い反転層移動度を示すことができる。特定の実施形態において、得られるデバイスは、ポリシリコン、非晶質シリコン、窒化ガリウムなどのような他の材料を使用して形成される４Ｈ−ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴ及び／又はＭＯＳＦＥＴを含むことができる。更に、Ｃｓ＋イオンが比較的移動度がないので、酸化物／半導体界面を処理するためにＣｓ＋イオンを使用して、ナトリウムイオンの組み込みと比較して様々な利点を得ることができる。

特に、一部の実施形態において、ゲート酸化物は、ＣｓＣｌ水溶液で処理され、その後に、高温拡散が実行され、それによってＣｓ＋イオンの拡散により酸化物を通じてかつゲート絶縁物／半導体界面まで酸化物の面が形成される。正に帯電したＣＳイオンは、負に帯電したトラップをゲート絶縁体／半導体界面で相殺することができ、それによってチャネル移動度を改善することができる。Ｃｓ＋イオンは、例えば、ナトリウムイオンと比較すると、ＳｉＯ₂のように絶縁体において比較的移動度がないので、Ｃｓ＋イオンで処理されるデバイスのゲート電圧は、作動温度でより安定することができる。更に、拡散によるＣｓ＋イオンの組み込みは、Ｃｓ＋イオン注入中に発生する可能性があるインプラント損傷を回避することができる。

本発明の実施形態は、４Ｈ−ＳｉＣデバイスのチャネル移動度を約２０ｃｍ²／Ｖ−ｓから約１００ｃｍ²／Ｖ−ｓに増大させることができる。

図１をここで参照すると、本発明の一部の実施形態による横方向ＭＯＳＦＥＴの実施形態が示されている。

図１に示すように、Ｎチャネル横方向ＭＯＳＦＥＴ１０は、８°軸外（０００１）導電４Ｈｐ型ＳｉＣ結晶とすることができる基板１２上で成長させたｐ型エピタキシャル層１４を含む。炭化珪素の他のポリタイプ及び／又は軸外角度を基板１２に使用することができる。他の実施形態において、基板１２は、ポリシリコン、非晶質シリコン、及び／又は窒化ガリウムのような材料を含むことができる。

一部の実施形態において、エピタキシャル層１４は、約５μｍ又はそれよりも大きい厚みを有することができ、例えば、ＭＯＣＶＤ処理を使用して構成することができ、かつ約５×１０¹⁵−１×１０¹⁶ｃｍ^-3の濃度でホウ素及び／又はアルミニウムのようなｐ型不純物でドープすることができる。エピタキシャル層１４は、一部の場合に５μｍ未満の厚みを有することができる。特定の実施形態において、エピタキシャル層１４は、約５μｍの厚みを有することができ、かつ約５×１０¹⁵ｃｍ^-3のドーパント濃度を有することができる。一部の実施形態において、エピタキシャル層１４のチャネル領域は、イオン注入を通じてドープすることができ、かつ約１×１０¹⁶ｃｍ^-3から１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3のドーパント濃度を有することができる。

窒素及び／又は燐イオンは、ｎ＋ソース／ドレイン領域が約１×１０¹⁹ｃｍ^-3又はそれよりも大きいドーパント濃度を有するようにエピタキシャル層１４に注入してｎ＋ソース／ドレイン領域１６を構成することができる。しかし、ソース／ドレイン領域１６のドーパント濃度が１×１０²⁰よりも小さい場合に、熱的アニールが、オーム接触をこの領域上に形成するのに要求される場合がある。特定の実施形態において、ｎ＋ソース／ドレイン領域１６は、約１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント濃度の燐でドープすることができる。インプラントは、例えば、Ｓｉ超過圧力が存在する場合は１６５０℃Ａｒアニールにより活性化することができる。０．５μｍ厚の堆積酸化物層は、フィールド酸化膜（図示せず）として機能することができる。

ソース／ドレイン領域１６間のかつこの領域上へ延びるゲート絶縁層１８が、エピタキシャル層１４上に形成される。ゲート絶縁層１８の厚みは、デバイスの望ましい作動パラメータに依存する場合がある。例えば、酸化物厚みを３ＭＶ／ｃｍの最大電界に基づいて選択することが適切である場合がある。特に、ゲート絶縁層１８は、約３００Åの厚みを有することができる。

ゲート絶縁層は、一部の実施形態においてＳｉＯ₂を含むことができる。しかし、他の実施形態において、ゲート絶縁層１８は、窒化珪素のような異なる絶縁材料を含むことができる。

ゲート絶縁層１８は、例えば、米国特許第５，９７２，８０１号明細書に説明されているように、例えば、乾燥Ｏ₂での酸化段階、次に、湿潤Ｏ₂での再酸化（ＲｅＯｘ）を含む多段酸化工程を使用して成長させるＳｉＯ₂層とすることができ、この特許の開示内容は、全体が引用により本明細書に組み込まれている。

ゲート絶縁層８は、例えば、約９００℃から約１３００℃又はそれよりも高い温度で約３時間から約６時間にわたるエピタキシャル層１４の熱酸化によって構成することができる。特定の実施形態において、ゲート絶縁層１８は、例えば、１１７５℃の温度で３．５時間にわたるエピタキシャル層１４の熱酸化によって構成することができる。

他の実施形態において、ゲート絶縁層１８は、乾燥Ｏ₂でのバルク酸化物の成長、次に、湿潤Ｏ₂でのバルク酸化物のアニールを含む湿潤乾燥酸化工程により成長させることができる。本明細書で使用する時の湿潤Ｏ₂での酸化物のアニールは、Ｏ₂及び気化Ｈ₂Ｏの両方を含む環境における酸化物のアニールを指す。不活性大気中の付加的なアニールを乾燥酸化物成長と湿潤酸化物アニールの間に行うことができる。乾燥Ｏ₂酸化物の成長は、例えば、石英管内で約１２００℃までの温度で乾燥Ｏ₂で少なくとも約２．５時間にわたって行うことができる。乾燥酸化物の成長は、望ましい厚みにバルク酸化物層を成長させるために行われる。乾燥酸化物の成長の温度は、酸化物成長速度に影響を与える場合がある。例えば、処理温度が高いほど、高い酸化物成長速度を生成することができる。最大成長温度は、使用されるシステムに依存する場合がある。

一部の実施形態において、乾燥Ｏ₂酸化物成長は、約１２００℃の温度で約２．５時間にわたって乾燥Ｏ₂で行うことができる。得られる酸化物層は、不活性大気中で約１２００℃までの温度でアニールすることができる。特に、得られる酸化物層は、約１１７５℃の温度でＡｒを用いて約１時間にわたってアニールすることができる。湿潤Ｏ₂酸化物アニール（ＲｅＯｘ）は、約９５０℃又はそれ未満の温度で少なくとも約１時間にわたって行うことができる。湿潤Ｏ₂アニールの温度は、付加的な界面状態を招く可能性があるＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面での更に別の熱的酸化物成長を阻止するために制限することができる。特に、湿潤Ｏ₂アニールは、約９５０℃の温度で約３時間にわたって湿潤Ｏ₂を用いて行うことができる。

更に別の実施形態において、ゲート絶縁層１８は、熱的に成長させるのではなく堆積させることができる。例えば、ゲート酸化物は、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理を使用して堆積させることができる。

ゲート酸化物形成後に、ウェーハは、約９５℃の温度で１０分間にわたって０．１ＭＣｓＣｌ溶液中で沸騰させることができる。ＣｓＣｌ溶液は、０．０１Ｍ ＣｓＣｌ溶液から１Ｍ ＣｓＣｌ溶液の範囲とすることができる。溶液の温度は、室温から１００℃までの範囲とすることができる。ウェーハは、１分から１時間までの時間にＣｓＣｌ溶液中で沸騰させることができる。それによって酸化物の表面上でＣｓＣｌの吸収及び／又は堆積を発生させることができる。ＣｓＣｌ溶液の濃度は、酸化物面でＣｓの望ましい濃度を得るように変えることができる。

ゲート絶縁層１８表面上のＣｓＣｌ堆積後に、拡散（ドライブ−イン）アニールを行って、Ｃｓ＋をゲート絶縁層１８に拡散させることができる。拡散アニールを７００℃から１０００℃の温度で行って、ＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面に拡散するＣｓ＋イオンの量を制御することができる。拡散アニールは、ＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面に拡散するＣｓ＋イオンの望ましい濃度に引き起こすのに十分な時間を掛けて行うことができ、一部の実施形態において、約０．５時間から約３時間にわたって行うことができる。ドライブイン温度及び時間は、ゲート酸化物厚みに依存する。一般的に、同じレベルのＣｓ組み込みを酸化物／半導体界面で達成するためには、処理される酸化物が肉厚であるほど温度が高くなり、から時間が長くなる。界面に拡散されるＣｓの量は、ＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面で存在するか又は存在すると予想される固定電荷（界面電荷）の量に基づいて選択することができる。特定の実施形態において、拡散アニールは、８００℃の温度で１時間にわたって行うことができる。

ゲート絶縁物／半導体界面をＣｓ＋イオンで処理する前又は後に、界面電荷は、例えば、２００６年６月２７日に付与された「アニールを水素環境に利用して酸化物層を炭化珪素層上に製作する方法」という名称の本出願と同一の本出願人に譲渡された米国特許第７，０６７，１７６号明細書、「炭化珪素層上での酸化物層の成長の方法」という名称の２００４年７月２７日に付与された米国特許第６，７６７，８４３号明細書、及び２００３年８月２６日に付与された「酸化物層を炭化珪素層上でＮＯアニールする方法」という名称の米国特許第６，６１０，３６６号明細書に説明されているように、例えば、ゲート酸化物をＮＯ、ＮＯ₂、Ｎ₂Ｏ、及び／又は水素でアニールすることによって低減することができ、これらの特許の開示内容は、引用により本明細書に組み込まれている。

ゲート接点２０が、ゲート絶縁層１８上に形成される。ゲート接点２０は、例えば、モリブデン、ホウ素ドープポリシリコン、及び／又は蒸発アルミニウムを含むことができる。ホウ素でドープされたポリシリコンは、デバイスの閾値電圧を望ましいレベルに調節するのを補助するために使用することができる。ｎ型不純物を含む他の不純物を有するドープされたポリシリコンは、ゲート接点２０として使用することができる。一部の実施形態において、処理の熱収支は、懸念事項になる場合がある。このような場合に、蒸発アルミニウムの使用は、熱収支を低減するのを補助することができる。ニッケルソース／ドレイン接点２２、２４をソース／ドレイン領域１６上に構成することができる。特に、ｎ＋ソース／ドレイン領域１６上に形成されたニッケル接点２２、２４は、焼結なしにオーミック挙動を示すことができる。

図２をここで参照すると、本発明の一部の実施形態による垂直パワーＭＯＳＦＥＴ３０が示されている。垂直炭化珪素ＭＯＳＦＥＴは、通常は単位セルにおいて反復される。例示しやすいように、単一の単位セル垂直ＭＯＳＦＥＴを説明する。

図２で分るように、本発明の実施形態によるＭＯＳＦＥＴ３０は、ｎ＋単結晶炭化珪素基板３２を含むことができる。ｎ炭化珪素ドリフト層３４が、基板３２の第１の面上に与えられる。ドリフト層３４のドーピング及び厚みは、デバイスの望ましい遮断電圧を考慮することによって判断することができる。例えば、高電圧デバイスに関して、ドリフト層３４は、約５μｍから約１００μｍの厚みと、約８×１０¹⁵から１ｘ１０¹⁶ｃｍ^-3のドーピング濃度とを有することができる。第１及び第２の注入されたｐウェル３６が、ｎ型層３４内に形成される。ｐウェル３６は、注入されたアルミニウムを使用して構成することができ、従って、約１×１０¹⁷から１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3のドーパント濃度になる。特定の実施形態において、ｐウェル３６は、約１×１０¹⁸ｃｍ^-3のドーパント濃度を有することができる。ｐ＋炭化珪素の注入された接点領域３８も、ｐウェル３６内に与えることができる。注入された接点領域３８は、例えば、約１×１０²⁰ｃｍ^-3のドーパント密度を有する領域３８を生成するために、ホウ素及び／又はアルミニウムのような受容体イオンの注入によって構成することができる。特に、注入されたアルミニウムは、ＳｉＣ内のアルミニウムのより低い拡散係数のために、接点領域３８により適切とすることができる。

第１及び第２のｎ＋ソース領域４０が、接点領域３８の近くのｐウェル３６内に与えられる。注入されたソース領域４０は、例えば、約１×１０¹⁹ｃｍ^-3又はそれよりも大きいドーパント密度を有する領域４０を生成するためにドナーイオンの注入によって構成することができる。

ｎ型炭化珪素ＪＦＥＴ領域４１が、ｎ＋ソース領域４０に隣接している。ＪＦＥＴ領域４１は、ｐ型ウェル３６内のチャネル領域４３によりソース領域４０から離間している。ｎ型層３４まで延びるＪＦＥＴ領域４１は、ドリフト層３４と類似のドーパント濃度を有することができる。しかし、一部の実施形態において、ＪＦＥＴ領域４１は、ドリフト層３４よりも高いドーパント濃度を有するようにｎ型不純物と共に注入することができる。例えば、ＪＦＥＴ領域４１は、約１×１０¹⁶から約１×１０¹⁷ｃｍ^-3のドーパント密度を有するようにドナーイオンと共に注入することができる。選択される実際のドーパント濃度は、デバイスの望ましい作動特性に依存する場合がある。

ＳｉＯ₂のような適切な誘電体のゲート酸化物４２が、ｎ＋ソース領域４０までＪＦＥＴ領域４１及びチャネル領域４３上に延びる。ゲート酸化物４２は、約２５０オングストロームから約１０００オングストロームの厚みを有することができる。特に、ゲート酸化物４２は、約３００Åの厚みを有することができる。ゲート酸化物４２は、上述したようにＣｓ＋イオンで処理することができる。

ゲート接点４６が、チャネル領域４３の反対側でゲート酸化物４２上に与えられる。ソース接点４４が、ｎ＋ソース領域４０上に形成される。ソース接点４４は、ｎ＋ソース領域をｐウェル領域３６に短絡させるためにｐ＋接触領域３８上にも形成される。ｐウェル領域３６は、ソース領域４０、ウェル領域３６、及びドリフト層３４によって形成された寄生的なｎｐｎトランジスタを低減し及び／又はトランジスタをオンにすることを防止するために比較的高度にドープすることができる。例えば、ｐウェル領域３６は、約１×１０¹⁵ｃｍ^-3から約１×１０¹⁸ｃｍ^-3又はそれよりも大きいドーパント濃度を有することができる。ドレイン接点４８が、ｐ型ウェル３６の反対側の基板３２の面上に与えられる。ドレイン接点４８は、例えば、ニッケルを使用して構成することができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一部の実施形態による酸化物／半導体界面の処理を概略的に示すバンド図である。図３Ａを参照すると、複数の負の固定電荷５２が、炭化珪素層１４とＳｉＯ₂層１８の間の界面５０で存在する。図３Ｂを参照すると、上述したようにＣｓ＋イオンによるＳｉＣ／ＳｉＯ₂界面５０の処理後に、複数のＣｓ＋イオンが、界面５０の近くの酸化物層１８に存在する。Ｃｓ＋イオン５４は、負の固定電荷５２から延びる力線を終端させ、従って、炭化珪素層１４内に形成された反転層内の移動電荷キャリアに及ぼす負の固定電荷の影響が減少する。

図４は、一部の実施形態によって処理されたＳｉＣ／ＳｉＯ２サンプルのラザフォード後方散乱スペクトル（ＲＢ）信号６０のグラフである。模擬ＲＢ信号６１も示されている。図４のグラフにおいて解析したサンプルは、Ｃｓ＋イオンを８００℃の温度で０．５時間掛けて３５０Åの厚みの二酸化珪素層に拡散させることによって形成された。差込図は、Ｃｓ＋ピークを示している。ＲＢＳ解析により、約３．６×１０¹⁴ｃｍ^-2個のＣｓ原子の総量が酸化物に組み込まれたことを見ることができる。これらのＣｓ原子の何らかの部分が正に帯電したイオンであったと考えられる。図４のグラフの下のｘ軸は、エネルギチャネル数（単位を有していない）であるが、エネルギに変換することができる（上側のｘ軸）。ピークが含むエネルギは、要素の原子質量及びサンプルにおける深さに依存する。この場合に、Ｏ面ピークは、酸素がセシウムより軽いのでＣｓピークより低いエネルギで出現する。ピーク下の領域は、サンプル内の要素の量に対応する。

図５は、本発明の一部の実施形態によって形成された横方向ＭＯＳＦＥＴデバイスに対して室温で測定されたチャネル移動度とゲート電圧のグラフ６２、並びにＮＯアニールを使用して従来の技術によって形成されたＭＯＳＦＥＴデバイスのチャネル移動度とゲート電圧のグラフ６４である。３ＭＶ／ｃｍの代表的な作動電界で、本明細書に説明する方法で形成されたデバイスの移動度は、従来のデバイスの約２倍である。特に、一部の実施形態によって形成されたデバイスは、４０ｃｍ²／Ｖ−ｓを超えるチャネル移動度を示すことができる。

図６は、本発明の一部の実施形態によって形成されたＭＯＳＦＥＴデバイスの電流−電圧伝達特性のグラフである。移動度が高くなると、典型的に、閾値電圧が低くなり、好ましくない場合があるＭＯＳＦＥＴデバイスの常時オフの挙動の傾向が生じる。しかし、図６に示すように、本発明の一部の実施形態によって形成されたデバイスは、正の閾値電圧を有することができる。

一部の実施形態による方法が図７に示されている。図７に示すように、ブロック１００において、絶縁層を半導体層上に与える。半導体層は、２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ、１５Ｒ、又は３Ｃポリタイプを有する炭化珪素層、アモルファスシリコン層、ポリシリコン層、又は窒化ガリウム層とすることができる。絶縁層は、例えば、上述したように、乾燥Ｏ₂での酸化段階、次に、湿潤Ｏ₂での再酸化（ＲｅＯｘ）を含む多段酸化工程を使用して成長させる酸化物層とすることができる。一部の実施形態において、酸化物層は、炭化珪素層の熱酸化によって構成することができる。更に別の実施形態において、酸化物層は、熱成長ではなく堆積させることができる。例えば、酸化物層は、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理を使用して堆積させることができる。

絶縁層形成後に、セシウム拡散ソースを酸化物層上に堆積させることができる（ブロック１０２）。例えば、絶縁層を含む半導体層は、約９５℃の温度で１０分間にわたって０．１Ｍ ＣｓＣｌ溶液中で沸騰させることができ、ＣｓＣｌを酸化物層上に堆積させる。

最後に、セシウムイオンを絶縁層の中に拡散させることができ、特に、半導体層を高温でアニールすることによって絶縁体／半導体界面に拡散させることができる（ブロック１０４）。特に、拡散アニールは、７００℃から１０００℃の温度で約０．５時間から約３時間にわたって行うことができる。特定の実施形態において、拡散アニールは、８００℃の温度で１時間にわたって行うことができる。

更に別の実施形態による方法が図８に示されている。図８に示すように、ブロック２００において、絶縁層を半導体層上に与える。半導体層は、２Ｈ、４Ｈ、６Ｈ、１５Ｒ、又は３Ｃポリタイプを有する炭化珪素層、アモルファスシリコン層、ポリシリコン層、又は窒化ガリウム層とすることができる。絶縁層は、例えば、上述したように、乾燥Ｏ₂での酸化段階、次に、湿潤Ｏ₂での再酸化（ＲｅＯｘ）を含む多段酸化工程を使用して成長させる酸化物層とすることができる。一部の実施形態において、絶縁層は、半導体層の熱酸化によって構成することができる。更に別の実施形態において、酸化物層は、熱成長ではなく堆積させることができる。例えば、酸化物層は、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理を使用して堆積させることができる。

絶縁層を窒化して窒素を酸化物層に導入することができる（ブロック２０２）。窒化は、絶縁層の形成中又はその後に行うことができ、かつ例えば窒素を含む環境中で絶縁を形成し及び／又は絶縁層を窒素を含む環境中でアニールすることによって行うことができる。例えば、絶縁層は、例えば、先に参照した米国特許第７，０６７，１７６号明細書、米国特許第６，７６７，８４３号明細書、及び／又は米国特許第６，６１０，３６６号明細書に説明されているように、ＮＯ、ＮＯ₂、及び／又はＮ₂Ｏを含む環境中でアニールすることができる。

絶縁層形成後に、セシウム拡散ソースを酸化物層上に堆積させることができる（ブロック２０４）。例えば、絶縁層を含む半導体層は、約９５℃の温度で１０分間にわたって０．１Ｍ ＣｓＣｌ溶液中で沸騰させることができ、ＣｓＣｌを酸化物層上に堆積させる。

最後に、セシウムイオンを絶縁層の中に拡散させることができ、特に、半導体層を高温でアニールすることによって絶縁体／半導体界面に拡散させることができる（ブロック２０６）。特に、拡散アニールは、７００℃から１０００℃の温度で約０．５時間から約３時間にわたって行うことができる。特定の実施形態において、拡散アニールは、８００℃の温度で１時間にわたって行うことができる。

絶縁層の窒化は、絶縁層内へのセシウムイオンの拡散前又は後に行うことができることは認められるであろう。

図面及び本明細書において本発明の典型的な実施形態を開示し、特定の用語を使用したが、一般的かつ説明的な意味においてのみ使用しており、限定を目的としたものではなく、本発明の範囲は、以下に特許請求の範囲で定められる。

１２ 基板
１４ エピタキシャル層
１６ ソース／ドレイン領域
２０ ゲート接点
２２、２４ ニッケル接点

Claims (9)

1. 半導体構造を形成する方法であって、
   絶縁層を半導体層上に与える段階と、
   セシウムイオン源を前記絶縁層上に堆積させる段階と、
   セシウムイオンを前記セシウムイオン源から前記絶縁層の中に拡散させる段階と、
   を含み、
   セシウムイオンを前記絶縁層の中に拡散させる段階は、該絶縁層をアニールする段階を含み、
   前記セシウムイオン源を堆積させる段階は、前記絶縁層をＣｓＣｌ溶液中で沸騰させる段階を含み、
   前記絶縁層を形成する段階は、該絶縁層を形成する段階、及び窒素を含む環境中で該絶縁層をアニールする段階を含み、前記絶縁層上に前記セシウムイオン源を堆積させる前に前記絶縁層を窒化し、
   セシウムイオンを前記絶縁層の中に拡散させる段階は、セシウムイオンを前記窒化した絶縁層の中に拡散させる段階を含む、
   ことを特徴とする方法。
2. セシウムイオンを前記絶縁層の中に拡散させる段階は、セシウムイオンを該絶縁層と前記半導体層の間の界面に拡散させる段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記絶縁層をＣｓＣｌ溶液中で沸騰させる段階は、該絶縁層を０．１Ｍから１ＭのＣｓＣｌ水溶液中で９０℃から１００℃の温度で１分から６０分にわたって沸騰させる段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記絶縁層をアニールする段階は、該絶縁層を７００℃から１０００℃の間の温度でアニールする段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記半導体層は、炭化珪素を含み、前記絶縁層は、二酸化珪素を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 電界効果トランジスタデバイスを形成する方法であって、
   半導体層を与える段階と、
   前記半導体層にチャネル領域を定める離間したソース領域及びドレイン領域を該半導体層に形成する段階と、
   前記チャネル領域にわたって前記半導体層上に絶縁層を与える段階と、
   セシウムイオン源を前記絶縁層上に堆積させる段階と、
   セシウムイオンを前記セシウムイオン源から前記絶縁層の中に拡散させる段階と、
   ゲート電極を前記絶縁層上に形成する段階と、
   ソース接点を前記ソース領域上に形成する段階と、
   を含み、
   セシウムイオンを前記絶縁層の中に拡散させる段階は、該絶縁層をアニールする段階を含み、
   前記セシウムイオン源を堆積させる段階は、前記絶縁層をＣｓＣｌ溶液中で沸騰させる段階を含み、
   前記絶縁層を形成する段階は、該絶縁層を形成する段階、及び窒素を含む環境中で該絶縁層をアニールする段階を含み、前記絶縁層上に前記セシウムイオン源を堆積させる前に前記絶縁層を窒化し、
   セシウムイオンを前記絶縁層の中に拡散させる段階は、セシウムイオンを前記窒化した絶縁層の中に拡散させる段階を含む、
   ことを特徴とする方法。
7. セシウムイオンを前記絶縁層の中に拡散させる段階は、セシウムイオンを該絶縁層と前記半導体層の間の界面に拡散させる段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記絶縁層をＣｓＣｌ溶液中で沸騰させる段階は、該絶縁層を０．１ＭのＣｓＣｌ水溶液中で９５℃の温度で１０分にわたって沸騰させる段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記半導体層は、炭化珪素を含み、前記絶縁層は、二酸化珪素を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。

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