專利名稱：：碳化硅半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總的來說涉及一種用于制造碳化硅(Sic)半導(dǎo)體裝置的方法，尤其涉及一種用于制造具有MOS(Metal-Oxide-Semiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的SiC半導(dǎo)體裝置的柵極氧化膜的方法。
背景技術(shù)：
：存在能夠在高壓和高溫下以極低損耗運行的碳化硅裝置。這是由于使用了大直徑晶片(目前為直徑達到4英寸的4H-SiC)，由于MOS界面的^f氐溝道遷移率(lowchannelmobility),因而之前使用大直徑晶片存在問題。在SiC裝置中，可以容易地驅(qū)動SiC-MOS裝置(MOSFET或IGBT),并且可以利用現(xiàn)有的Si-IGBT簡單代替SiC-MOS裝置。因此，考慮將SiC-MOS裝置作為具有幾kV或更低功率區(qū)(powerregion)的首選切換裝置之一。碳化硅半導(dǎo)體裝置是能夠通過熱氧化生成二氧化硅的僅有的寬間隙(gap)半導(dǎo)體裝置，這是維護碳化硅半導(dǎo)體裝置優(yōu)勢的有力基礎(chǔ)。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)在此實現(xiàn)的本發(fā)明的一個方面，形成一種碳化硅半導(dǎo)體裝置，其具有金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述碳化硅半導(dǎo)體裝置包括碳化硅襯底；多晶硅柵電極；柵極氧化膜，其通過熱氧化所述碳化硅襯底而形成，所述柵極氧化膜設(shè)置在所述碳化硅襯底與所述多晶硅斥冊電極之間，并且與所述石友化硅村底和所述多晶硅柵電極相連接，其中，所述柵極氧化膜的厚度為20nm或更??；歐姆觸點，其與所述碳化硅襯底電連接；以及多晶硅熱氧化膜，其通過氧化所述多晶硅柵電極的表面而形成。這里參考附圖進行說明，在這幾個附圖中，相同的附圖標記表示相同部分，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的半導(dǎo)體裝置的一部分的放大的剖視圖2是根據(jù)第一實施例的另一半導(dǎo)體裝置的一部分的放大的剖視圖3A~3C是在制造第一實施例的半導(dǎo)體裝置的工序階段中所示的該裝置的剖視圖4是第一實施例的制造工序的時間線；圖5A和5B是在制造第一實施例的半導(dǎo)體裝置的工序階段中所示的該裝置的剖視圖6A和6B是在制造第一實施例的半導(dǎo)體裝置的工序階段中所示的該裝置的剖視圖7A和7B是在制造第一實施例的半導(dǎo)體裝置的工序階段中所示的該裝置的剖視圖8是根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的柵極氧化膜的時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿(timedependentdielectricbreakdown,TDDB)特性圖9是根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜的每單4位面積的總電荷量(QBD)的特性圖IO是示出柵極氧化膜的厚度與每單位面積的總電荷量的壽命中值之間的關(guān)系的特性圖11是根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體裝置的柵極絕緣膜的時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿特性圖12是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的半導(dǎo)體裝置的一部分的剖視圖13A~13C是在制造第二實施例的半導(dǎo)體裝置的工序階段中所示的該裝置的剖視圖14A和14B是在制造第二實施例的半導(dǎo)體裝置的工序階段中所示的該裝置的剖視圖；以及圖15A~15C是在制造第二實施例的半導(dǎo)體裝置的工序階段中所示的該裝置的剖視圖。具體實施例方式下面參考附圖給出在此公開的實施例的詳細說明。以下，將碳化硅表示為SiC,將二氧化硅表示為Si02,將金屬氧化物半導(dǎo)體表示為MOS,將時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿表示為TDDB,并將介質(zhì)擊穿電荷(mediumchargetobreakdown)表示為MCTB。除非另有特別說明，否則將SiC村底稱為村底，其中，在SiC襯底上形成外延層、其它層和電極。在已知的碳化硅半導(dǎo)體裝置中，通過碳化硅的熱氧化形成柵極氧化膜，并且柵極氧化膜存在以下問題(l)與硅襯底的熱氧化膜相比，針對時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿的壽命極短；以及(2)由于大的晶片面積而導(dǎo)致的高報廢率(defectrate)。在SiC襯底，尤其在41^^襯底(11=六角形)中經(jīng)常出現(xiàn)這些問題，如表l所示。表1對4H-SiC襯底上的柵極氧化膜的MCTB和TDDB壽命QBD(C/cm"的擴展進行了比較。該數(shù)據(jù)基于以下參考文獻M.Treuetal.，MaterialsScienceForum,Vols.338-342(2000)，pg.1089;Tanimoto，AraiKazuoandYoshida，Sadafumi，"PrincipleandApplicationofSiCElement"(publishedbyOhmsha,1stEd.，2003)，Section3-2，Clause4;K.Fujihiraetal.，IEEEElectronDeviceLetters,Vol.25(2004),pg.735;Senzakietal.，JournalofInstituteofElectronics,InformationandCommunicationEngineersC，Vol.J89C(2006)，pg.597。根據(jù)對于具有直徑約200pm的非常小的柵極區(qū)域的MOS電容器和具有厚度25nm~59nm的4冊才及氧化膜的多次測試得出該#:據(jù)。Qbd表示在當向4冊極氧化膜施加電流應(yīng)力時所發(fā)生的TDDB之前通過柵才及氧化膜的每單位面積的總電荷量。Qbd被廣泛用作測量可靠性的指標。T。x表示氧化的時間。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>作為結(jié)果得到的數(shù)據(jù)顯示優(yōu)選lC/cn^的MCTB。然而.，與熱氧化膜的qbd相比，例如，與在Si襯底上形成的厚度為40nm的熱氧化膜的qbd相比，該值低至少一個數(shù)量級。另外，根據(jù)表l所示的結(jié)果，MCTB越好，壽命分布越寬。盡管MCTB測試結(jié)果對大容量功率MOS裝置或大規(guī)模MOS集成電路有利(其中，總柵極區(qū)域大)，但是該裝置的實際壽命qbd非常短。本發(fā)明人研究了基于出版公布的數(shù)據(jù)確定SiC熱氧化膜的TDDB壽命的因素。如Yamoto"The51stLectureofAppliedPhysicsandRelatedSocieties(TokyoInstituteofTechnology),LectureNo.29p-ZM-5，LectureScript,p.434(2004)的發(fā)明人所報告的，通過存在于SiC襯底表面上的10"位置/cm2量級的大量位錯來確定不同于Si熱氧化膜的市售SiC熱氧化膜的TDDB壽命。然而，表l中報告的結(jié)果是不穩(wěn)定的。因此，本發(fā)明人得出結(jié)論在先技術(shù)的裝置不能達到由這類位錯所確定的壽命。因此，設(shè)計在此所述的本發(fā)明的實施例，以通過提供用于制造具有高可靠性的MOS型SiC半導(dǎo)體裝置來克服可靠性問題，從而提高針對柵極氧化膜TDDB的壽命。在該實施例的^侖述中，應(yīng)該注意，附圖是示意性的，并且厚度與平面尺寸之間的關(guān)系、以及一層與另一層的厚度比不是按照比例繪制的。在一個實施例中，將在此所述的方法應(yīng)用于MOS結(jié)構(gòu)(電容器)，MOS結(jié)構(gòu)是最簡單的MOS裝置。圖l和2是MOS結(jié)構(gòu)的一部分的剖視圖。然而，應(yīng)該注意，可以將所/>開的實施例應(yīng)用于任何結(jié)構(gòu)。在圖1和2中，通過在襯底的上表面上同質(zhì)外延生長n-外延層獲得n+4H-SiC外延村底l。襯底l具有高雜質(zhì)濃度(如，氮>lxl0+19/cm3)。還可以4吏用通過在襯底的上表面上同質(zhì)外延生長p-外延層所獲得的、且同樣具有高雜質(zhì)濃度(如，Al〉lxl0+19/cm3"々p+4H-SiC外延襯底。代替4H4于底，可以使用6H^H"底、3C坤于底或15R^]"底(H表示六方晶系(hexagonalsystem),C表示立方晶系(cubicsystem)，而R表示菱形晶系(rhombohedralsystem))。實施例不受外延層或襯底的導(dǎo)電型、襯底的晶系或襯底的表面方向的限制。7在SiC外延襯底1上形成厚度大于幾百納米的場絕緣膜3。場絕緣膜3具有在下絕緣膜4上布置上絕緣膜5的結(jié)構(gòu)。下絕緣膜4較上絕緣膜5薄，并且通過熱氧化SiC襯底(實例中的外延層)形成下絕緣膜4。通過使用低壓CVD處理等熱氧化處理以外的處理形成上絕緣膜5。柵極窗口6開口于場絕緣膜3中。以這樣的一種方式在場絕緣膜3上設(shè)置由多晶硅制成的柵電極7:沖冊電才及7完全或部分覆蓋柵極窗口6的底部。多晶硅4冊電極7可以具有n型或p型導(dǎo)電型。另外，可以通過利用Ti或Co石圭化該表面形成多晶硅柵電極7。至少在多晶硅4冊電極7的側(cè)面上形成利用熱氧化處理所生長的多晶硅熱氧化膜8。在SiC外延襯底l和柵極窗口6底部上的斥冊電極7之間插入通過熱氧化SiC襯底1的表面所形成的柵極氧化膜9。為了延長針對TDDB的壽命，柵極氧化膜9的厚度可以為20nm或更薄，優(yōu)選為15nm或更薄。為了抑制針對TDDB的壽命分布(延長)，8nm或更厚的厚度提供較好的結(jié)果。然而，可以在柵極的總面積小的裝置中使用更薄的柵極氧化膜。在柵電極7和場絕緣膜3上形成層間絕緣膜14。以對冊極接觸窗口15穿透柵電極7的方式，在層間絕緣膜14中開口柵才及接觸窗口15?；ミB(interconnection)16通過柵極接觸窗口15將沖冊電極7與同一襯底上的其它電路元件或外部電^各連接?？梢耘渲脹_冊極接觸窗口15"i殳置在棚^及窗口中的柵電才及7上，如圖2所示，而不是如圖l所示設(shè)置在場絕緣膜3上的柵電極7上。然而，如果在150。C或更高溫度下使用MOS結(jié)構(gòu)，則圖l所示的結(jié)構(gòu)更適合，這是因為，在圖2的結(jié)構(gòu)中，可能發(fā)生以下問題由于互連材料的元素的擴散而破壞柵極氧化膜。在SiC襯底1的背表面(或上表面)配置低電阻的歐姆觸點17?？梢酝ㄟ^首先在SiC襯底l的背表面沉積Ni等觸點金屬形成歐姆觸點17。其后，通過在低于柵極氧化膜9的熱氧化溫度的溫度(例如，如果熱氧化溫度為I,IO(TC，則在1,000。C)使用快速熱處理使得觸點金屬與SiC形成合金。接著參考圖3~6說明用于制造圖1所示的MOS結(jié)構(gòu)的方法。在襯底l的上表面上生長高質(zhì)量n"卜延層。照此，形成具有朝向(0001)Si縱斷面成8°不規(guī)則尺寸(off-cut)的n+4H-SiC外延襯底l。隨后，利用RCA清洗處理等充分清洗n+4H-SiC外延襯底1。RCA清洗處理是用于清洗半導(dǎo)體襯底的方法，包括使用H202+NH4OH混合溶液的清洗和使用H202+HC1混合溶液的清洗。其后，利用千燥氧氣氧化n+4H-SiC外延襯底。如圖3A所示，在襯底1的上表面上形成場絕緣膜3，場絕緣膜3包括薄的下絕緣膜4和厚的上絕緣膜5。對于下絕緣膜4可以使用通過在氧氣氛中利用干式氧化制備外延襯底l的表面所形成的、厚度約IOnm的SiC熱氧化膜。對于上絕緣膜5可以使用利用除熱氧化處理以外的處理所形成的、具有想要的厚度的絕緣膜。例如，對于上絕緣膜5可以使用通過使用氧和硅烷的氣壓CVD處理所形成的、厚度約400nm的SiOJ莫。下絕緣膜4的熱氧化不局限于干式氧化(dryoxidation)。也就是說，可以取代使用濕式氧化(wetoxidation)或使用其它氧化氣體的熱氧化。在某些實施例中，下絕緣膜4的厚度小于50nm。理想的厚度范圍為5~20nm。如上所述，可以在外延襯底1的表面上生長下絕緣膜4之后再形成上絕緣膜5?？蛇x地，可以在形成上絕緣膜5之后，利用熱氧化在外延層2與上絕緣膜5之間生長下絕緣膜4。當形成下絕緣膜4時，在襯底l的背表面上自然形成第一瞬時熱氧化膜201。第一瞬時熱氧4b月莫(firsttransitorythermally-oxidizedfilm)201有#丈消除襯底l的背表面中由于磨削而損傷相當深的層。9接著，通過暴露于光，然后顯影，利用光刻膠涂在SiC襯底1的表面。其后，將SiC襯底l浸泡在緩沖氫氟酸溶液中(NH4F+HF混合溶液)。照此，將濕式蝕刻應(yīng)用于SiC襯底l。通過以上處理，在場絕緣膜3中的預(yù)定的位置處形成柵極窗口6，如圖3B所示。該濕式蝕刻處理使得第一瞬時熱氧化膜201消失。在形成精細柵才及窗口6的情況下，可以使用利用四氟甲烷(CF4)氣體等離子的反應(yīng)離子蝕刻處理等千式蝕刻處理，然而，在這種情況下，當留下數(shù)十納米厚度的場絕緣膜時，首先應(yīng)用干式蝕刻處理，然后應(yīng)用使用上述緩沖氫氟酸溶液的濕式蝕刻處理。這樣是合理的，因為，如果柵極窗口6通過干式蝕刻處理穿透場絕緣膜3,那么這將引起對于SiC襯底的表面由于等離子而引起的損傷，從而使得SiC襯底的表面粗糙。這樣粗糙的表面使得在后續(xù)處理中所形成的柵極絕緣膜9的特性下降。當完成了柵極窗口6的蝕刻時，清除光刻力交乂人而得到圖3B的結(jié)構(gòu)。然后，通過另一RCA清洗處理等再次清洗SiC外延襯底l。在該清洗處理的最后步驟中，為了利用該清洗處理清除在開口部分的表面上所形成的化學(xué)氧化膜，將SiC外延襯底l浸泡在緩沖氬氟酸溶液中5~IO秒。其后，通過^f吏用超純水徹底清洗SiC外延襯底1上的緩沖氫氟酸溶液，并且隨后千燥SiC外延襯底1。在SiC外延襯底l干燥后，熱氧化SiC外延村底l。照此，在柵極窗口6的底部處的外延層的表面上生長柵極氧化膜9，如圖3C所示。例如，4冊極氧化處理的條件可以是溫度1，160。C下的干式氧化。具有低露點的氧氣、一氧化二氮N20氣體、一氧化氮N0氣體或二氧化氮N02氣體足以作為干式氧化的氧化氣體。此外，通過利用低露點的惰性氣體(氬氣Ar或氮氣N2)稀釋低露點的氧化氣體所形成的混合氣體足以作為干式氧化的氧化氣體。1，000°C~1，280。C的氧化溫度提供良好結(jié)果。以下參考圖4進一步說明用于形成柵極氧化膜9的處理。在步驟一，將SiC外延襯底l放入充滿了惰性氣體且維持在足夠低的溫度(例如，900。C)的擴散爐，在該溫度實際上沒有實際實現(xiàn)SiC氧化。在步驟二，加熱擴散爐以將擴散爐的溫度升高到惰性氣體氣氛里的氧化溫度。在步驟三，當升高擴散爐的溫度從而使SiC外延襯底l的溫度達到氧化溫度(例如，1,160。C)時，穩(wěn)定擴散爐的溫度。此外，引入氧化氣體(例如，低露點的02)以啟動熱氧化。隨后，在步驟四，當熱氧化膜的厚度達到目標厚度時，停止氧化氣體的引入。另外，開始引入惰性氣體以終止SiC外延襯底l的熱氧化。當擴散爐充滿惰性氣體時，在步驟五使擴散爐的溫度下降。當擴散爐的溫度達到實際不實現(xiàn)SiC熱氧化的溫度(例如，900。C)時，在步驟六從擴散爐取出SiC外延襯底l。如上所述，在步驟三，當SiC外延襯底的溫度達到氧化溫度時，穩(wěn)定擴散爐的溫度，并且開始引入氧化氣體。然而，如果SiC外延襯底1的溫度高于1,000°C,則可以延長柵極絕緣膜的TDDB壽命。因此，當即使在升高擴散爐的溫度時SiC外延襯底1的溫度超過1,000。C時，也可以通過進行氧化氣體的引入開始熱氧化。如果在后處理中在高于1,00(TC的溫度下實施熱處理，則以加熱溫度取代參考溫度1，000°C。在步驟五，當擴散爐充滿惰性氣體時，擴散爐的溫度降低。然而，如果擴散爐在擴散爐的溫度下降至1,000。C以下后充滿了惰性氣體，那么可以延長柵極絕緣膜的TDDB壽命。因此，根據(jù)利用擴散爐的溫度降低率所確定的、在停止引入氧化氣體之后擴散爐充滿惰性氣體之前的時間、以及擴散爐的溫度為1,000。C之前的時間，可以更早開始降溫處理。再者，如果在后處理中在高于1,000。C的溫度時實施熱處理，則以加熱溫度代替參考溫度1，000。C。11現(xiàn)參考圖5A,通過SiC熱氧化在襯底l的背表面上自然形成第二瞬時SiC熱氧化膜202。與第一瞬時熱氧化膜201相似，第二瞬時SiC熱氧化膜202有效消除了由于磨削而損傷的層。另外，第二瞬時SiC熱氧化膜202使得襯底1的背表面免受用于從襯底的背表面清除多晶硅的干式蝕刻所引起的損傷，將在后續(xù)處理中對此進行說明。如果襯底l的背表面沒有被氧化膜保護，那么可能妨礙襯底l的背表面的結(jié)晶度。結(jié)果，背表面電極10的接觸電阻增大。當完全形成柵極氧化膜9時，在生長溫度600。C700°C,通過使用硅烷材料的低壓CVD處理在SiC外延襯底1的整個上表面和整個背表面上形成厚度300nm400nm的多晶硅膜。然后，在900。C950。C的加工溫度，通過眾所周知的使用三氯氧化磷(P0Cl3)和氧的熱擴散方法將磷(P)添加至多晶硅膜，從而提供導(dǎo)電性。離子注入可用于向多晶硅膜的摻雜。另外，摻雜的導(dǎo)電類型可以為p型。其后，利用光刻膠涂在外延襯底l的上表面，并將其暴露于光以形成掩膜。通過使用六氟化硫SF6的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)處理蝕刻多晶石圭，從而形成多晶硅柵電才及7。在完全清除RIE處理中所使用的抗蝕劑后，再次以厚度l(am或更厚的光刻膠涂在SiC襯底l的整個上表面。這是為了保護SiC襯底l的上表面。將干式蝕刻處理應(yīng)用于SiC襯底l的背表面，以清除沉積在SiC襯底l的背表面上的多晶硅膜。然后，清除用于保護SiC襯底l的上表面所使用的抗蝕劑材料。結(jié)果，獲得圖5A所示的斷面結(jié)構(gòu)。隨后，利用RCA清洗處理等再次清洗SiC外延襯底l,然后對其進行干燥。其后，在溫度950。C通過濕式氧化處理(高溫氧化)氧化SiC外延襯底l。如圖5B所示，在多晶-圭沖冊電才及7的側(cè)面和上半部分上生長多晶硅熱氧化膜8。12通過蝕刻多晶硅柵電極7損傷了多晶硅柵電極7的外周附近的柵極氧化膜，并且使得可靠性降低。在沒有任何處理的情況下，短時間中將會在該部分發(fā)生TDDB。通過所述的柵電極7的熱氧化生長多晶硅熱氧化膜8，以非常均勻的方式向內(nèi)重新處理柵電極7的外周。因此，柵極氧化膜的由于蝕刻而損傷的部分遠離柵電極7,并且使得柵極氧化膜下降的可靠性恢復(fù)至原始狀態(tài)。在形成多晶硅熱氧化膜8后，在SiC外延襯底l的整個上表面上沉積層間絕緣膜14,如圖6A所示。適合作為層間絕緣膜14的材料為厚度約l!im的Si02膜，可以通過使用硅烷和氧作為材料的氣壓CVD處理沉積該Si02膜。另外適用的還有可以通過向Si02膜添加磷(P)所獲得的、厚度約l(im的磷硅玻璃(PSG)。然而，層間絕緣膜14的材料不局限于Si02膜和PSG?？梢允褂萌魏纹渌牧希灰摬牧峡梢越?jīng)受以下的熱處理處理。其后，將襯底置入通用擴散爐中。在N2氣氛里將適當?shù)臒崽幚響?yīng)用于襯底幾十分鐘，以高度硬化(densify)層間絕緣膜14。此時，適當選擇熱處理溫度以低于前面所述的柵極氧化溫度(例如，950°C)。隨后，以光刻膠涂在外延襯底l的上表面，并且將后烘(postbake)充分應(yīng)用于外延襯底l的上表面，由此徹底蒸發(fā)掉抗蝕劑的揮發(fā)成分。將SiC外延襯底l浸泡在緩沖氫氟酸溶液中。照此，徹底清除殘留在襯底1的背表面上的第二瞬時SiC熱氧化膜202。然后，通過使用超純水清洗掉襯底上的緩沖氫氟酸溶液。如此暴露的SiC村底的背表面的端表面是沒有損傷或污染的清潔表面。干燥由超純水弄濕的SiC外延襯底1。在干燥之后馬上將SiC外延襯底l置于保持于高真空的沉積系統(tǒng)。因此，將想要的歐姆觸點基極材料沉積在襯底的背表面上。例如，可以使用厚度50nm~100nm的Ni膜作為歐姆觸點基才及材料。在沉積了歐姆觸點基極材料后，利用專用去除溶液(specializedstrippersolution)書刀底清除4于底上表面上的才元々蟲劑。充分清洗并干燥襯底。在干燥之后馬上將襯底安放在快速熱退火系統(tǒng)中。因此，在1,000。C的100%純Ar氣氛里將接觸式退火處理應(yīng)用于一十底兩分4f。通過這類熱處理，如圖6B所示，z使得Ni膜與被制成硅化物的低電阻SiC襯底形成合金。結(jié)果，獲得具有至少10-6Qcm2f級的極低電阻和接觸電阻的歐姆觸點17。參考圖7，利用光刻膠涂在襯底l的上表面，然后通過使用曝光系統(tǒng)將其暴露于光并進行顯影。因此，形成抗蝕劑掩膜，通過抗蝕劑掩膜，使得柵極接觸窗口15開口在層間絕緣膜14中。其后，以光刻膠涂在襯底的整個背表面作為保護膜，然后充分進行千燥。通過使用緩沖氫氟酸溶液進行蝕刻處理，從而使得柵極接觸窗口15開口在層間絕緣膜14和多晶石圭熱氧化膜8中。作為村底背表面上的光刻膠防止歐姆觸點17消失或劣化，消失或劣化是歐姆觸點17在緩沖氫氟酸溶液中被熔解的結(jié)果。另外，襯底背表面上的光刻膠防止SiC外延襯底1的上表面被可能從襯底1的背表面熔解的歐姆觸點材料所污染。在通過專用去除溶液徹底清除光刻膠后，獲得如圖7A所示的結(jié)構(gòu)。隨后，充分清洗并干燥襯底。然后，快速將襯底置于維持在真空下的磁控管濺4度系統(tǒng)(magnetronsputteringsystem)，在該系統(tǒng)中，將諸如鋁A1等厚度為1pm的期望的布線材料沉積在SiC外延襯底l的整個上表面上。其后，利用光刻膠涂在在其上形成了Al膜的襯底l的上表面。然后將光刻膠暴露于光并進行顯影，從而形成抗蝕劑掩膜。為了保護背表面電極再次以光刻膠涂在襯底l的背表面。在充分干燥抗蝕劑后，通過使用包含磷酸的蝕刻溶液圖案化A1膜，并且如圖7B所示形成互連16。可以通過RIE等干式蝕刻處理圖案化Al膜。襯底背表面上的抗蝕劑可以防止背表面上的歐姆電極17消失或劣化，消失或劣化是歐姆電極17在包含磷酸的蝕刻溶液中被熔解的結(jié)果。然而，在背表面電極不太可能消失或劣化的情況下，或者在利用RIE處理蝕刻A1膜的情況下，可以省去村底背表面上的抗蝕劑。最后，通過使用專用去除溶液徹底清除抗蝕劑掩膜和用于保護背表面電極所用的抗蝕劑。其后，充分清洗并干燥襯底。因此，獲得圖7B所示的最終結(jié)構(gòu)。照此，完成根據(jù)第一實施例的具有帶有ONO膜的MIS結(jié)構(gòu)的碳化硅半導(dǎo)體裝置。圖8示出對以上乂>開的MOS實施例的50個樣品所進行的恒定電流應(yīng)力下的TDDB測試的結(jié)果。通過繪制在根據(jù)第一實施例的MOS結(jié)構(gòu)中發(fā)生TDDB之前通過柵極絕緣膜的每單位面積的電荷密度(chargedensity,QBD(C/cm2)的分布獲得圖8中的Weibull圖，作為累積故障率F的函數(shù)。該測試中所使用的MOS結(jié)構(gòu)的柵極氧化膜厚度為12nm,柵電極直徑為200pm。柵電極的區(qū)域完全等于已知裝置的區(qū)域(參見表l中的測試結(jié)果)。另外，將該測試中的應(yīng)力電流設(shè)置為10mA/cm2。根據(jù)圖8可見，與表l相比，針對TDDB的耐久性(壽命)顯著提高。此外，當根據(jù)固8求MCTB(TDDB壽命Qbd的中值)時，將獲得12.8=10C/cm2。該值比表1所示的最高MCTB高至少一個數(shù)量級。換句話說，第一實施例可以解決極短的針對TDDB的壽命的問題。圖9示出圖8中所描繪M0S結(jié)構(gòu)的QBD壽命的最大值與電流應(yīng)力Jinj之間的關(guān)系。隨著電流應(yīng)力的減小，Qbd壽命呈指數(shù)増大。當電流應(yīng)力Jinj等于10-4A/m2(Jinj=10-4A/m2;^t,QBD高于1550C/cm2(QBD>50C/cm2)。實際MOS裝置的柵極電場強度至多約為3MV/cm。此外，流入柵極氧化膜中的電流密度比1(T4A/m2小很多。根據(jù)上述說明可以理解，在向第一實施例的MOS結(jié)構(gòu)實際施加的應(yīng)力下，具有大于50C/cm"的非常高的qbd壽命，該Qbd壽命高于已知裝置的MCTB。通過重復(fù)驗證，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)qbd壽命的提高相當大地依賴于柵極氧化膜的厚度。圖10示出柵極氧化膜的厚度與MCTB(Qbd壽命的中值)之間的關(guān)系。當柵極氧化膜的厚度下降到約20nm以下時，開始急劇出現(xiàn)改善的效果。當柵極氧化膜的厚度下降到15nm以下時，可以穩(wěn)定獲得與圖8相等的MCTB和Qbd壽命。意外地發(fā)現(xiàn)僅當根據(jù)在此所述的方法實現(xiàn)MOS結(jié)構(gòu)和MOS結(jié)構(gòu)的制造方法時，才明顯出現(xiàn)改善效果。例如，在沒有形成多晶硅熱氧化膜的情況下，或者在改變熱氧化方法的情況下，獲得等于表l中的已知裝置的數(shù)據(jù)的MCTB。接著說明抑制第一實施例的Qbd分布延長的效果。根據(jù)圖8可以理解，這50個樣品的qbd分布落在一個數(shù)量級的范圍內(nèi)。在表l中，當希望增強MCTB時，qbd分布趨于顯著延長。由于產(chǎn)出降低，這一趨勢在大規(guī)模MOS結(jié)構(gòu)中是不利的。然而，在此所述的第一實施例增強了MCTB并同時抑制了Qbd分布的延長。根據(jù)本發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，與MCTB改善效果相似，當斥冊極氧化膜的厚度降低到約20nm以下時，出現(xiàn)Qbd分布抑制效果。當柵極氧化膜的厚度降低到15nm以下時，Qbd分布落在一個數(shù)量級的范圍內(nèi)。圖ll示出分別將柵極氧化膜的膜壓力設(shè)置為6.8nm、8.7nm和12.0nm的情況下的結(jié)果。如圖ll所示，在8.7nm和12.0nm的情況下獲得最佳特性。然而，如果柵極氧化膜的厚度薄于8nm，16如6.8nm,則Qbd分布超向于逐漸延長。然而，從MOS結(jié)構(gòu)的總柵極區(qū)域?qū)?yīng)于上述測試例子的總柵極區(qū)域的情況求得該結(jié)果，通常使用的大小如表l所示。在總柵極區(qū)域較小的情況下，該結(jié)果將減小。因此，即使當膜厚小于8nm時，仍然可以獲得最佳特性。第二實施例旨在n溝道型平面功率(planarpower)MOS場效晶體管器件(cell),以下稱之為MOSFET。該實施例可應(yīng)用于方形晶胞、六角形晶胞、圓形晶胞、線形晶胞。圖12是示出根據(jù)第二實施例的功率MOSFET器件的主要部分的剖視圖。在n+單晶SiC襯底l的上表面上同質(zhì)外延生長厚度為lOiim的第一n-外延層2。向第一n-外延層2摻雜濃度為lxl0"/cn^的氮。第二實施例可應(yīng)用于襯底，而不管襯底可能具有什么晶系，包括4H、6H、3C和15R(H表示六方晶系，C表示立方晶系，而R表示菱形晶系)。在n—外延層2的表面層中的預(yù)定的區(qū)域處形成預(yù)定的深度的摻雜少量p型雜質(zhì)的P基極區(qū)域53a和53b。在P基極區(qū)域53a和53b的表面層中的預(yù)定的區(qū)域中形成具有較P基極區(qū)域53a和53b更小的深度的N+源極區(qū)域54a和54b。N+源、才及區(qū)i或54a禾口54b乂人P基才及區(qū)i或53a禾口53b6勺夕卜邊界開i臺延4申預(yù)定的距離。以下面的方式將p+基極接觸區(qū)域57設(shè)置在P基極區(qū)域53a和53b之間中部中的襯底的表面層中p+基極接觸區(qū)域57具有較P基極區(qū)域53a和53b中的每一個均更小的深度，并且3皮插入在N+源極區(qū)域54a和54b之間。在襯底的上表面上選4奪性地形成柵極氧化膜9a和9b。由多晶硅制成的柵電極7a和7b被設(shè)置在柵極氧化膜9a和9b上，其中，向柵電極7a和7b設(shè)置導(dǎo)電性。在多晶硅柵電極7a和7b的上半部分和側(cè)壁上形成多晶石圭熱氧化膜8a和8b。在包括多晶硅熱氧化膜8a和8b的SiC村底上形成層間絕緣膜14a和14b。源極窗口63開口在層間絕緣膜14a和14b中。以源極窗口63穿透N+源極區(qū)域54a和54b和p+基極接觸區(qū)域57的方式開口源4及窗口63。源一及觸點64存在于源才及窗口63的底部。通過在源極窗口63的底部選擇性地設(shè)置Ni等薄金屬膜形式的基極材料，然后通過快速熱退火使基極材料與SiC形成合金，來形成源極觸點64,源極觸點64同時與N+源極區(qū)域54a和54b、以及p十基極接觸區(qū)域57形成源4及觸點64的歐姆觸點。襯底的背表面18是漏極觸點，通過與源極觸點64相同的方法形成漏極觸點?；ミB16將源極觸點64與同一襯底上的其它電路元件連接，或者通過源極窗口63將源極觸點64與外部電路連接。接著參考圖13A~15C說明根據(jù)第二實施例用于制造平面功率MOSFET器件的方法。通過在襯底l的主表面上同質(zhì)外延生長n-外延層2，來制備n+SiC襯底1。在n-外延層2的表面上沉積厚度為20nm~3Onm的CVD氧化膜20。其后，通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法在CVD氧化膜20上形成厚度約1.5pm的多晶硅(作為離子注入處理的掩膜的材料)。代替多晶硅，可以使用均通過CVD處理所形成的Si02、或磷硅玻璃(PSG)等?？梢允∪VD氧化膜20。然而，當旨在使用多晶硅作為離子注入處理的掩膜的材料時，CVD氧化膜20(l)用作保護膜用于防止多晶硅和n-外延層2以非預(yù)期的方式相互反應(yīng)的；(2)在各向異性地蝕刻多晶硅掩膜材料的情況下檢測終點，并用作蝕刻停止膜；(3)當利用離子注入進行p基極摻雜時，用作保護表面的膜。隨后，通過使用光刻處理和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)等各向異性蝕刻處理垂直清除想要形成P基極區(qū)域的區(qū)域上的多晶硅膜。照此，形成第一離子注入掩膜21a和21b。如果在通過RIE處理18蝕刻多晶硅膜時使用SF6等蝕刻氣體，則可以利用高選擇性蝕刻比蝕刻熱氧化膜。此外，可以4全測蝕刻的終點。因此，可以避免在襯底的上表面上，尤其在溝道區(qū)域上可能發(fā)生的由于等離子而引起的損傷。如圖13A所示，將p型雜質(zhì)離子注入nT外延層2，/人而形成P基極區(qū)域53a和53b。雖然實際上將多晶硅沉積到外延襯底1的背表面，但是圖13未示出如此沉積的多晶石圭。將離子注入P基才及區(qū)域53a和53b的條件的例子如下雜質(zhì)Al+離子；村底溫度750°C;以及加速電壓/劑量360keV/5xl013cm-2。在將離子注入P基極區(qū)域53a和53b后，通過濕式蝕刻處理清除CVD氧化膜20以及第一離子注入掩膜21a和21b。隨后，如圖13B所示，通過使用與將離子選擇性地注入P基才及區(qū)；或53a禾口53b一目同的過禾呈形成N+源才及區(qū)i或54a詳口54b、以及p屮基極接觸區(qū)域57。選擇性地將離子注入N+源極區(qū)域54a和54b的條件的例子如下雜質(zhì)P+離子；襯底溫度500°C;以及加速電壓/劑量160keV/2.0xl015cm-2;100keV/1.0xl015cm-2;70keV/6.0xl014cm-2;以及40keV/5.0xl014cm-2。另外，選擇性地將離子注入p+基極接觸區(qū)域57的條件的例子如下雜質(zhì)Al+離子；襯底溫度750°C;以及加速電壓/劑量100keV/3.0xl015cm-2;70keV/2.0xlO15cm-2;50keV/1.0xl015cm-2;以及30keV/1.0xl015cm-2。在完成所有離子注入處理后，將襯底浸泡在氫氟酸和硝酸的混合溶液中。因此，徹底清除了沉積至襯底背表面的所有所使用過的掩膜和所有不需要的掩膜材料。當清除掩膜時，可以將襯底交一齊浸泡在熱磷酸溶液和BHF溶液中，以<更順序清除多晶硅和Si02。清洗并干燥清除了掩膜的襯底。其后，在1,700。C氣壓、純Ar氣氛的條件下熱處理襯底一分鐘。因此，立即激活已被離子注入進P基極區(qū)域53a和53b、N+源極區(qū)域54a和54b、以及p+基極接觸區(qū)域57的所有導(dǎo)電雜質(zhì)。在干燥氧氣氛里熱氧化通過使用RCA清洗處理已充分清洗了的村底。因此，在襯底的上表面和背表面上生長熱氧化膜。在完成該生長后立即通過使用緩沖氬氟酸溶液清除熱氧化膜。各犧牲氧化膜的厚度小于50nm是有利的，最好為5nm20nm。再次通過RCA清洗處理充分清洗已完成了犧牲氧化處理的襯底。其后，通過使用熱氧化處理或CVD處理等在村底的上表面上形成厚的絕緣膜。隨后，通過使用眾所周知的光刻處理和濕式蝕刻處理或千式蝕刻處理，形成元件區(qū)域70(圖12所示)，從元件區(qū)域70清除存在厚氧化膜的場區(qū)域和厚氧化膜。然而，圖12中的元件區(qū)域70的形狀不同于圖13所示的形狀，在圖13中未示出元件區(qū)域70。這是因為通過使用與第一實施例相同的方法在圍繞元件區(qū)域的外部部分處形成包括下絕緣膜4和上絕緣膜5的場區(qū)域。然后，再次4吏用RCA清洗處理充分清洗4于底。在該清洗處20理的最后階段，將襯底浸泡在稀氬氟酸溶液5~IO秒，以清除在元件區(qū)域70的表面上形成的化學(xué)氧化膜(SiO2)。隨后，通過使用超純水徹底清洗掉襯底上的稀氫氟酸溶液，然后干燥村底。在干燥之后立即熱氧化襯底，以便在元件區(qū)域70中的襯底的表面上生長柵極氧化膜9a和9b。結(jié)果，獲得圖13C所示的結(jié)構(gòu)。第二實施例的4冊極氧化的條件和方法、以及4冊極氧化膜的厚度均與第一實施例的相同。在這方面，重要的一點是設(shè)置柵極氧化溫度高于以下處理中的任何其它熱處理溫度。在該實施例中，稍后在1，000。C的溫度進行快速加熱處理，以實現(xiàn)襯底的上表面上的源極接觸電極64與村底背表面上的漏電極17之間的歐姆觸點。因此，作為例子，選擇高于以上溫度的1，160。C作為氧化溫度。其后，通過使用硅烷材料的低壓CVD處理，在600。C70(TC的生長溫度，在襯底的整個上表面和整個背表面上形成厚度為300nm~400nm的多晶硅膜。然后，在處理溫度900。C95(TC使用三氯氧磷(POCl3)和氧，利用眾所周知的熱擴散方法向多晶硅膜摻雜磷(P)，從而提供導(dǎo)電性。然后，利用光刻膠涂在襯底的上表面。通過^f吏用光刻處理以及4吏用六氟乙烷(C2F6)和氧作為蝕刻劑的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)處理，圖案化村底的上表面的多晶硅膜。因此，獲得圖14A所示的結(jié)構(gòu)。在該步驟中，定義柵電極7a和7b。順便提及，還在外延襯底l的背表面上形成多晶硅膜。然而，圖14A未示出該多晶硅膜。隨后，通過RCA清洗處理清洗已通過使用RIE處理蝕刻了的SiC外延襯底l，然后進行干燥。在溫度950。C通過濕式氧化處理(高溫氧化)氧化SiC外延襯底l。如圖14B所示，在多晶硅柵電極7a和7b的上表面和側(cè)面上生長多晶硅熱氧化膜8a和8b。通過這些處理，通過氧化多晶硅的外端以使多晶硅外端的位置向內(nèi)移動。這使得不能將強電場施加于通過多晶硅柵極蝕刻而損傷了的柵極氧化膜部分。另外，由于不僅在柵電極的側(cè)壁上，而且還在柵電極的上表面上形成多晶珪熱氧化膜8a和8b，因而各多晶硅柵電極的厚度降低。照此，考慮該降低，定義各多晶硅4冊電才及7a和7b的初始厚度。隨后，如圖15A所示，在襯底的整個上表面上沉積層間絕緣膜14。適合作為層間絕緣膜14的材料有厚度約lpm的Si02膜(NSG)(通過使用硅烷和氧作為材料的常壓CVD處理形成的)、厚度約l(am的磷硅玻璃(PSG)(通過進一步向Si02膜添加磷(P)所獲得的)、以及厚度約1jim的硼磷硅玻璃(BPSG)(通過進一步向磷硅玻璃添加硼所獲得的)。然而，應(yīng)該注意，層間絕緣膜14的材料不局限于Si02膜、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。其后，將襯底置于通用的擴散爐中，并且在N2氣氛里適當熱處理襯底十幾分鐘。因此，層間絕緣膜14密度特別大。適當選擇該熱處理的溫度，以使該熱處理溫度低于在例如范圍900°C~1，OO(TC中的形成柵極絕緣膜時的溫度。其后，源才及窗口63開口在層間絕纟彖膜14中，從而通過眾所周知的光刻處理和干式/濕式蝕刻處理，產(chǎn)生襯底的上表面上絕緣膜14a和14b、以及柵極氧化膜9a和9b。盡管圖15B的結(jié)構(gòu)中未示出，但是同時還打開元件區(qū)域的外周所形成的柵極接觸窗口。在蝕刻溶液或蝕刻氣體到達襯底的背表面的情況下，同時清除該背表面上的瞬時多晶硅膜上的熱氧化膜(未示出)。當完成蝕刻處理時，通過使用DC濺射處理等膜形成處理，將源極接觸電才及的基極材料25沉積在在其以上還留有光刻膠和蝕刻掩膜的襯底的整個上表面上。例如，可以使用厚度50nm的Ni膜、Co膜等作為源極接觸電極的基極材料25。當完成氣相沉積處理時，將襯底浸泡在專用光刻膠去除劑中。照此，徹底清除殘留在襯底表面上的光刻膠。因此，獲得圖15B所示的襯底結(jié)構(gòu)，其中，將源極接觸電極的基極材料25僅沉積在源才及窗口63上和一冊極接觸窗口的底部中。然后，充分清洗并干燥襯底。其后，利用厚度l(am或更厚的光刻膠等保護性抗蝕劑材料涂在襯底的整個上表面。此外，通過使用干式蝕刻處理清除殘留在村底背表面上的多晶硅膜。需要保護性抗蝕劑以防止接觸電極和柵極絕緣膜14a和14b的基傷、靜電電荷和污染而導(dǎo)致的劣化。當清除襯底背表面上的多晶硅膜時，將襯底l浸泡在緩沖氫氟酸溶液中。因此，清除柵極氧化過程中在該背表面上所形成的瞬時熱氧化膜(未示出)。此外，在外延襯底l的背表面處暴露清潔的晶面。然后，通過使用超純水徹底清洗掉襯底上的緩沖氫氟酸溶液，并進行干燥。在干燥后立即將襯底置于真空下的氣相沉積系統(tǒng)中。因此，在襯底背表面上沉積漏才及4妄觸電扨^的想要的基極材4牛(未示出)。例如，可以4吏用厚度50nm100nm的Ni膜和Co膜，作為背表面上的電極基極材料。接著通過使用專用去除溶液徹底清除用以保護襯底表面的抗蝕劑。然后，充分清洗、沖洗和干燥SiC外延襯底l。在干燥后立即將村底l安裝在快速加熱處理系統(tǒng)中。因此，在溫度l，OO(TC的純Ar氣氛里，將快速加熱處理(接觸退火處理)應(yīng)用于襯底1持續(xù)2分鐘。通過該熱處理，已沉積在源極窗口63的底部以及柵極4妄觸窗口的底部和背表面的4妻觸電才及的各基才及材剩-(Ni膜)與N+源極區(qū)域54a和54b[/p+基極接觸區(qū)域57]、多晶硅柵電極接觸區(qū)域(未示出)和n+SiC襯底的背表面形成合金。因此，形成以極低電阻歐姆觸點的源極觸點64、柵極接觸(未示出)和漏極觸點18。結(jié)果，獲得圖15C所示的村底結(jié)構(gòu)。23其后，將已經(jīng)過了接觸退火處理的襯底安裝在保持高真空的磁控管濺射系統(tǒng)中。這樣將想要的互連材料，例如厚度3fim的A1沉積在村底的整個上表面。隨后，在已形成了Al膜的襯底的上表面上應(yīng)用光刻膠，然后將氣暴露于光并進行顯影。因此，形成蝕刻處理的抗蝕劑掩膜。其后，利用用于保護背表面電極的光刻膠涂在襯底的背表面。在充分干燥抗蝕劑后，通過使用RIE處理形成A1膜的圖案。因此，形成與源極接觸電極64連接的互連16和與4冊電極觸點連接的互連(未示出)。最后，通過使用專用去除溶液徹底清除抗蝕劑掩膜。然后，充分清洗并千燥襯底。結(jié)果，完成根據(jù)第二實施例的平面功率MOSFET器件(圖12所示)。根據(jù)該實施例的包括MOS結(jié)構(gòu)平面功率MOSFET器件在此表現(xiàn)優(yōu)選的晶體管特性。MOS結(jié)構(gòu)的元件表現(xiàn)與圖8和圖9所示的、根據(jù)第一實施例的MOS結(jié)構(gòu)的元件相同的高可靠性。也就是說，平面功率MOSFET器件和它的制造方法提高了傳統(tǒng)平面功率MOSFET所包括的SiC熱氧化膜MOS柵極結(jié)構(gòu)中的針對柵才及氧化膜TDDB的耐久性。照此，在抑制TDDB壽命分布的延長的同時，MCTB值增大至少一個數(shù)量級，從而降低了TDDB所引起的報廢率。第二實施例旨在將該實施例的MOS結(jié)構(gòu)應(yīng)用于平面功率MOSFET器件。然而，該實施例可應(yīng)用于包纟舌與平面功率MOSFET器件相似的元件結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)器件。另外，在這種情況下，IGBT器件可以具有與第二實施例的平面功率MOSFET器件相同的效果。為了4吏容易理解本發(fā)明說明了上述實施例，并且上述實施例不限制本發(fā)明。相反，本發(fā)明旨在覆蓋所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的各種修改和等同配置，所附權(quán)利要求書符合最寬的解釋，以包含法律允許的所有這類修改和等同結(jié)構(gòu)。相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2007年3月16日提交的2007-068572號日本專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用包含于此。權(quán)利要求1.一種碳化硅半導(dǎo)體裝置，其具有金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述碳化硅半導(dǎo)體裝置包括碳化硅襯底；多晶硅柵電極；柵極氧化膜，其通過熱氧化所述碳化硅襯底而形成，所述柵極氧化膜設(shè)置在所述碳化硅襯底與所述多晶硅柵電極之間，并且與所述碳化硅襯底和所述多晶硅柵電極相連接，其中，所述柵極氧化膜的厚度為20nm或更??；歐姆觸點，其與所述碳化硅襯底電連接；以及多晶硅熱氧化膜，其通過氧化所述多晶硅柵電極的表面而形成。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的碳化硅半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述柵極氧化膜的厚度為15nm或更薄。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的碳化硅半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述柵極氧化膜的厚度在8nm~15nm之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種具有高可靠性和更長的針對柵極氧化膜的TDDB的壽命的MOS型SiC半導(dǎo)體裝置。該半導(dǎo)體裝置包括MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，MOS結(jié)構(gòu)具有碳化硅(SiC)襯底、多晶硅柵電極、插入在SiC襯底與多晶硅柵電極之間的且通過熱氧化SiC襯底的表面所形成的柵極氧化膜、以及與SiC襯底電接觸的歐姆觸點。該半導(dǎo)體裝置還包括通過氧化多晶硅柵電極的表面所形成的多晶硅熱氧化膜。柵極氧化膜的厚度為20nm或更薄，優(yōu)選為15nm或更薄。文檔編號H01L29/78GK101635313SQ20091016314公開日2010年1月27日申請日期2008年3月14日優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日發(fā)明者谷本智申請人:日產(chǎn)自動車株式會社