JP6432232B2 - Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device .
炭化ケイ素(SiC)基板を用いたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field−Effect Transistor、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)などの次世代半導体デバイスの研究開発が進められている。炭化ケイ素は、シリコン(Si)と同様に、熱酸化によって炭化ケイ素の表面に絶縁膜を形成することができるため、炭化ケイ素MOS型半導体装置は、例えば次世代MOS型パワーデバイスとして有望である(例えば、特許文献1参照)。炭化ケイ素基板上にゲート絶縁膜を形成する方法として、例えば水蒸気(H2O)を用いるウェット酸化法がある(例えば、特許文献2参照)。 Research and development of next-generation semiconductor devices such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) using a silicon carbide (SiC) substrate are underway. Since silicon carbide can form an insulating film on the surface of silicon carbide by thermal oxidation like silicon (Si), silicon carbide MOS type semiconductor devices are promising as next-generation MOS type power devices, for example ( For example, see Patent Document 1). As a method for forming a gate insulating film on a silicon carbide substrate, for example, there is a wet oxidation method using water vapor (H 2 O) (see, for example, Patent Document 2).
二酸化窒素(NO2)や一酸化窒素(NO)などのような窒素(N)を含む化合物のガスを用いる酸窒化法によっても炭化ケイ素基板上に絶縁膜を形成することができる。酸窒化法では、酸化と同時に窒化が起こり、窒素が酸化膜中や、酸化膜と炭化ケイ素との界面に存在するダングリングボンドの終端に寄与するため、界面準位密度を低減する効果があるとされている。酸窒化法による酸化処理の後に、POA(Post Oxidation Annealing)処理として水素(H)を含む雰囲気でアニールしてもよい。POA処理によって、ダングリングボンドが水素で終端されるため、より一層、界面準位密度を低減する効果が得られる。 An insulating film can be formed on the silicon carbide substrate also by an oxynitriding method using a compound gas containing nitrogen (N) such as nitrogen dioxide (NO 2 ) or nitrogen monoxide (NO). In the oxynitridation method, nitridation occurs simultaneously with oxidation, and nitrogen contributes to the termination of dangling bonds existing in the oxide film or at the interface between the oxide film and silicon carbide. Therefore, there is an effect of reducing the interface state density. It is said that. After the oxidation treatment by the oxynitriding method, annealing may be performed in an atmosphere containing hydrogen (H) as a POA (Post Oxidation Annealing) treatment. Since the dangling bonds are terminated with hydrogen by the POA treatment, an effect of further reducing the interface state density can be obtained.
チャネル移動度を代替的に評価する指標の一つに界面準位密度がある。一般的には、ゲート絶縁膜と炭化ケイ素半導体との界面における界面準位密度が小さいほど、チャネル移動度が大きくなる傾向にあることが知られている。従って、酸窒化法による酸化処理の後にPOA処理を行うことによって、界面準位密度が減るため、高いチャネル移動度が得られる。 One of the indexes for alternatively evaluating channel mobility is interface state density. In general, it is known that the channel mobility tends to increase as the interface state density at the interface between the gate insulating film and the silicon carbide semiconductor decreases. Therefore, by performing the POA treatment after the oxidation treatment by the oxynitriding method, the interface state density is reduced, so that high channel mobility can be obtained.
しかしながら、MOSFETの特性としては、チャネル移動度だけでなく、しきい値電圧も重要である。しきい値電圧が電界印加などのストレスにさらされた後に変化してしまうと、デバイスが所望の動作をしなくなってしまうため、大きな問題となる。従来のウェット酸化法では、酸化膜、すなわちゲート絶縁膜と炭化ケイ素との界面に水酸基やその他の水に関係した電子トラップが多く存在しているため、しきい値電圧が不安定になるという問題点がある。 However, as the characteristics of the MOSFET, not only the channel mobility but also the threshold voltage is important. If the threshold voltage changes after being exposed to stress such as electric field application, the device will not perform a desired operation, which is a serious problem. In the conventional wet oxidation method, there are many electron traps related to hydroxyl groups and other water at the interface between the oxide film, that is, the gate insulating film and silicon carbide, so that the threshold voltage becomes unstable. There is a point.
ここで、本明細書では、ミラー指数の表記において、"−"はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に"−"を付けることで負の指数を表すものとする。 Here, in this specification, in the notation of Miller index, “−” means a bar attached to the index immediately after that, and “−” is added before the index to indicate a negative index. .
図16は、比較例のMOSキャパシタまたはMOSFETを製造する際の熱処理の雰囲気及び温度変化を示す図である。亜酸化窒素(N2O)や一酸化窒素などのような窒素を含む化合物のガス雰囲気で炭化ケイ素基板の(000−1)面や(11−20)面を熱酸化処理した後に、水素を含むガス雰囲気でPOA処理を行って界面準位密度を低減させ、チャネル移動度を向上させるとする。この場合、ダングリングボンドを終端した水素が脱離しないようにするためには、図16に示すように、POA処理の降温時の雰囲気を水素を含む雰囲気とするのが望ましい。しかし、水素を過剰に取り込んだ酸化膜には電子トラップが増えてしまうため、しきい値電圧が不安定になる虞がある。 FIG. 16 is a diagram showing the atmosphere and temperature change of the heat treatment when manufacturing the MOS capacitor or MOSFET of the comparative example. After thermally oxidizing the (000-1) plane or the (11-20) plane of the silicon carbide substrate in a gas atmosphere of a compound containing nitrogen such as nitrous oxide (N 2 O) or nitric oxide, hydrogen is removed. It is assumed that POA treatment is performed in a gas atmosphere containing the gas to reduce the interface state density and improve channel mobility. In this case, in order to prevent the hydrogen terminating the dangling bonds from desorbing, as shown in FIG. 16, it is desirable that the atmosphere at the time of temperature reduction of the POA treatment is an atmosphere containing hydrogen. However, since the number of electron traps increases in the oxide film that takes in excessive hydrogen, the threshold voltage may become unstable.
余分な水素を酸化膜中に取り込ませないためには、酸化膜と炭化ケイ素との界面に必要十分な水素が導入されたら、不活性ガスで水素をパージするのがよい。しかし、POA処理と同じ温度で、不活性ガスで水素をパージすると、ダングリングボンドを終端した水素が脱離して界面準位密度が増加してしまうため、チャネル移動度が小さくなってしまう。POA処理で導入される水素は、界面準位を効率的に終端するためには、酸化膜と炭化ケイ素との界面に存在していることが望ましい。つまり、POA処理で導入される水素は、電子トラップの要因となるため、ゲート絶縁膜中にはできる限り少ない状態であるのが望ましい。 In order to prevent excess hydrogen from being taken into the oxide film, it is preferable to purge the hydrogen with an inert gas when necessary and sufficient hydrogen is introduced into the interface between the oxide film and silicon carbide. However, when hydrogen is purged with an inert gas at the same temperature as the POA treatment, hydrogen terminated at the dangling bond is desorbed and the interface state density is increased, so that the channel mobility is decreased. The hydrogen introduced by the POA treatment is preferably present at the interface between the oxide film and silicon carbide in order to effectively terminate the interface state. In other words, hydrogen introduced by the POA process causes an electron trap, and therefore it is desirable that the amount of hydrogen in the gate insulating film is as small as possible.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、界面準位密度を増加させることなく、チャネル移動度を維持したまま、しきい値電圧の安定性を向上させることができる炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In order to eliminate the above-described problems caused by the prior art, the present invention can improve the threshold voltage stability while maintaining the channel mobility without increasing the interface state density. An object is to provide a device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device .
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる炭化ケイ素半導体装置は、炭化ケイ素半導体上に、酸窒化膜でできた絶縁膜を有し、前記炭化ケイ素半導体と前記絶縁膜との界面から5nm以内の領域に窒素が2×1021/cm3以上の1つのピーク濃度で存在し、かつ、前記界面に水素が1×1020/cm3以上の濃度で存在し、かつ、前記界面から5nm以上の前記絶縁膜の領域で水素濃度が5×1019/cm3 を超えず、前記絶縁膜は、MOSFETのゲート絶縁膜であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, a silicon carbide semiconductor device according to the present invention has an insulating film made of an oxynitride film on a silicon carbide semiconductor, and the silicon carbide semiconductor, the insulating film, Nitrogen is present at a peak concentration of 2 × 10 21 / cm 3 or more in a region within 5 nm from the interface, and hydrogen is present at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 or more at the interface, and The hydrogen concentration does not exceed 5 × 10 19 / cm 3 in the region of the
この発明によれば、界面準位を終端するのに必要十分な窒素及び水素が炭化ケイ素半導体と絶縁膜との界面に存在するため、炭化ケイ素半導体と絶縁膜との界面に存在する界面準位が終端される。炭化ケイ素半導体と絶縁膜との界面に存在する窒素及び水素の濃度が1×1020/cm3以上である理由は、1×1020/cm3よりも低いと、界面準位を十分に終端することができないからである。また、絶縁膜中に、電子トラップの要因となる過剰な水素が存在するのを抑えることができる。絶縁膜中の水素濃度が5×1019/cm3以下である理由は、5×1019/cm3を超えると、過剰な水素が電子トラップの要因となり、しきい値電圧を不安定にする原因となるからである。 According to the present invention, since nitrogen and hydrogen necessary and sufficient for terminating the interface state are present at the interface between the silicon carbide semiconductor and the insulating film, the interface state existing at the interface between the silicon carbide semiconductor and the insulating film is present. Is terminated. The reason why the concentration of nitrogen and hydrogen existing at the interface between the silicon carbide semiconductor and the insulating film is 1 × 10 20 / cm 3 or more is that the interface state is sufficiently terminated when the concentration is lower than 1 × 10 20 / cm 3. Because you can't. In addition, it is possible to suppress the presence of excess hydrogen that causes an electron trap in the insulating film. The reason why the hydrogen concentration in the insulating film is 5 × 10 19 / cm 3 or less is that when it exceeds 5 × 10 19 / cm 3 , excessive hydrogen causes an electron trap and makes the threshold voltage unstable. It is a cause.
この発明によれば、炭化ケイ素でできたMOSFETにおいても、炭化ケイ素半導体とゲート絶縁膜との界面に存在する界面準位が終端される。ゲート絶縁膜中に、電子トラップの要因となる過剰な水素が存在するのを抑えることができる。According to the present invention, even in a MOSFET made of silicon carbide, the interface state existing at the interface between the silicon carbide semiconductor and the gate insulating film is terminated. It is possible to suppress the presence of excess hydrogen that causes an electron trap in the gate insulating film.
また、この発明にかかる炭化ケイ素半導体装置は、上述した発明において、縦型のMOSFETであることを特徴とする。A silicon carbide semiconductor device according to the present invention is a vertical MOSFET in the above-described invention.
この発明によれば、炭化ケイ素でできた縦型のMOSFETにおいても、炭化ケイ素半導体とゲート絶縁膜との界面に存在する界面準位が終端される。ゲート絶縁膜中に、電子トラップの要因となる過剰な水素が存在するのを抑えることができる。According to the present invention, even in a vertical MOSFET made of silicon carbide, the interface state existing at the interface between the silicon carbide semiconductor and the gate insulating film is terminated. It is possible to suppress the presence of excess hydrogen that causes an electron trap in the gate insulating film.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、炭化ケイ素半導体上に、酸窒化膜でできた絶縁膜を形成する第1工程と、前記絶縁膜にPOA処理を行う第2工程と、前記POA処理の処理温度より50℃以上低い温度まで降温した後に、窒素雰囲気中で炉出し温度まで降温する第3工程と、を含み、前記3工程の後、前記炭化ケイ素半導体と前記絶縁膜との界面から5nm以内の領域に窒素が2×1021/cm3以上の1つのピーク濃度で存在し、かつ、前記界面に水素が1×1020/cm3以上の濃度で存在し、かつ、前記界面から5nm以上の前記絶縁膜の領域で水素濃度が5×1019/cm3 を超えず、前記絶縁膜は、MOSFETのゲート絶縁膜であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a first step of forming an insulating film made of an oxynitride film on a silicon carbide semiconductor, and the insulation. A second step of performing a POA treatment on the film, and a third step of lowering the temperature to a furnace discharge temperature in a nitrogen atmosphere after the temperature is lowered to 50 ° C. or lower than the processing temperature of the POA treatment . Thereafter, nitrogen exists at a peak concentration of 2 × 10 21 / cm 3 or more in a region within 5 nm from the interface between the silicon carbide semiconductor and the insulating film, and hydrogen exists at the interface at 1 × 10 20 / exist in cm 3 or more concentrations, and the hydrogen concentration in the region of 5nm or more of the insulating film from the surface does not exceed 5 × 10 19 / cm 3, wherein the insulating film is the gate insulating film of the MOSFET It is characterized by.
本発明にかかる炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法によれば、界面準位密度を増加させることなく、チャネル移動度を維持したまま、しきい値電圧の安定性を向上させることができる。 According to the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, the stability of the threshold voltage can be improved while maintaining the channel mobility without increasing the interface state density. it can.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書及び添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+及び−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度及び低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明及び添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Exemplary embodiments of a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region not attached thereto. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
・界面準位密度が増加しないことを検証するための実験例
まず、本発明により、界面準位密度が増加しないことを検証するため、MOSキャパシタを用いて行った実験例について、図1、図2、図14〜図16を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態にかかるMOSキャパシタの一例を示す図である。
Experimental example for verifying that interface state density does not increase First, in order to verify that the interface state density does not increase according to the present invention, an experimental example using a MOS capacitor is shown in FIGS. 2. It demonstrates using FIG. 14 ~ FIG. FIG. 1 is a diagram showing an example of a MOS capacitor according to an embodiment of the present invention.
このMOSキャパシタは次のようにして作製される。
(1)工程1
まず、n型4H−SiC(000−1)基板101((000−1)面から0〜8度オフ基板)上にドナー密度1×1016/cm3程度のn型エピタキシャル膜102を5〜10μm成長させる。なお、4H−SiC基板単体、あるいは4H−SiC基板101とエピタキシャル膜102を併せて4H−SiC半導体と呼ぶ。
This MOS capacitor is manufactured as follows.
(1)
First, an n-
(2)工程2
4H−SiC半導体を洗浄した後に、1300℃の亜酸化窒素を含んだ雰囲気での酸窒化処理を100分間行い、厚さ50nmの絶縁膜103を形成する。乾燥酸素雰囲気でのドライ酸化、パイロジェニックを用いたウェット酸化、CVD法による堆積膜等で50nm程度の絶縁膜を形成した後、不活性ガスで希釈した亜酸化窒素または一酸化窒素の雰囲気で絶縁膜とSiCの界面を酸窒化することによって絶縁膜103を形成してもよい。
(2)
After cleaning the 4H—SiC semiconductor, an oxynitriding treatment in an atmosphere containing nitrous oxide at 1300 ° C. is performed for 100 minutes to form the insulating
(3)工程3
図14は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の製造方法における熱処理の雰囲気及び温度変化を示す図である。POA処理として、図14に示すように水素を含む雰囲気で1100℃まで昇温した後に30分間保持して熱処理を行い、所定の温度まで降温した後、窒素でパージし不活性ガス雰囲気とした。不活性ガス雰囲気で60分間保持した後、炉出し温度まで降温した。窒素パージし不活性ガス雰囲気で保持する温度を1000℃と1050℃とした。水素を含む雰囲気の熱処理の温度を800〜1200℃、好ましくは900〜1100℃とする。熱処理の時間は10分〜180分であるのが好ましい。その理由は、800℃未満の温度では反応が進まずダングリングボンドを水素で十分に終端できず、1200℃より高温では水素により絶縁膜がエッチングされる虞があるからである。不活性ガスでパージし保持する温度範囲を700℃〜1050℃、好ましくは700〜1000℃未満とする。水素を含む雰囲気の熱処理温度に対して、降温中に不活性ガスでパージし保持する温度は、50℃以上低くするのが好ましい。その理由は、水素を含む雰囲気の熱処理と同じ温度で不活性ガスによるパージを行うと、ダングリングボンドを終端した水素が脱離してしまうからである。また、700℃未満の温度では効率的に余剰な水素を追い出すことができないからである。不活性ガスでパージし保持する時間は10分〜180分であるのが好ましい。昇温時の雰囲気を不活性ガス雰囲気とし、昇温後に不活性ガス雰囲気から水素を含む雰囲気へ切り替えてもよい。また、熱処理の雰囲気は水素を不活性ガスで希釈してもよい。不活性ガスは窒素、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)の何れでもよい。
(3)
FIG. 14 is a diagram showing a heat treatment atmosphere and temperature changes in the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment of the present invention. As the POA treatment, as shown in FIG. 14, the temperature was raised to 1100 ° C. in an atmosphere containing hydrogen, and then heat treatment was performed by holding for 30 minutes. After the temperature was lowered to a predetermined temperature, the atmosphere was purged with nitrogen to form an inert gas atmosphere. After holding in an inert gas atmosphere for 60 minutes, the temperature was lowered to the furnace discharge temperature. The temperature for purging with nitrogen and maintaining in an inert gas atmosphere was 1000 ° C. and 1050 ° C. The temperature of the heat treatment in the atmosphere containing hydrogen is set to 800 to 1200 ° C, preferably 900 to 1100 ° C. The heat treatment time is preferably 10 minutes to 180 minutes. The reason is that the reaction does not proceed at a temperature lower than 800 ° C., and the dangling bond cannot be sufficiently terminated with hydrogen, and the insulating film may be etched by hydrogen at a temperature higher than 1200 ° C. The temperature range for purging and holding with an inert gas is 700 ° C. to 1050 ° C., preferably 700 to 1000 ° C. The temperature for purging and holding with an inert gas during cooling is preferably lower by 50 ° C. or more than the heat treatment temperature of the atmosphere containing hydrogen. The reason is that when purging with an inert gas at the same temperature as the heat treatment in an atmosphere containing hydrogen, hydrogen terminated with dangling bonds is desorbed. Moreover, it is because excess hydrogen cannot be expelled efficiently at the temperature below 700 degreeC. The time for purging and holding with an inert gas is preferably 10 minutes to 180 minutes. The atmosphere at the time of temperature rise may be an inert gas atmosphere, and after the temperature rise, the atmosphere may be switched from an inert gas atmosphere to an atmosphere containing hydrogen. Further, in the heat treatment atmosphere, hydrogen may be diluted with an inert gas. The inert gas may be nitrogen, helium (He), or argon (Ar).
(4)工程4
絶縁膜103上に、室温でドット状のアルミゲート電極104を蒸着し、4H−SiC半導体の裏面全面にアルミを蒸着したアルミ裏面電極105からなるMOSキャパシタを作製した。
(4)
On the insulating
図15は、比較例のMOSキャパシタを製造する際の熱処理の雰囲気及び温度変化を示す図である。ここで、本実験例によるMOS界面状態を検証するため、比較例として、工程3においてPOA処理を、図15に示すように、水素を含む雰囲気の熱処理と同じ1100℃で窒素パージして60分間保持したMOSキャパシタを作製した。また、図16に示すように、水素を含む雰囲気のまま炉出し温度まで降温したMOSキャパシタも作製した。さらに、工程3のPOA処理を実施しないMOSキャパシタも作製した。完成した各MOSキャパシタをC−Vメーター106で測定し、界面準位密度を算出して比較した。
FIG. 15 is a diagram showing the atmosphere and temperature change of the heat treatment when manufacturing the MOS capacitor of the comparative example. Here, in order to verify the MOS interface state according to this experimental example, as a comparative example, the POA process in
図2は、本発明の実施の形態にかかるMOSキャパシタと比較例のMOSキャパシタを測定して得られた界面準位密度の分布を示す図である。図2において、縦軸は界面準位密度(単位:/cm2/eV)であり、横軸は伝導帯からのエネルギー(単位:eV)である。図2に示すように、窒素パージの温度が1000℃(○印のプロット)及び1050℃(◇印のプロット)のMOSキャパシタと、水素雰囲気のまま降温したMOSキャパシタ(△印のプロット)との界面準位密度には大きな差はなく、窒素パージによるMOS界面特性の劣化はない。一方、水素雰囲気の熱処理と同じ1100℃で窒素パージしたMOSキャパシタ(□印のプロット)は、POA処理なしのMOSキャパシタ(×印のプロット)ほどではないが、界面準位密度が大きくなり、MOS界面特性が劣化している。このように、水素を含む雰囲気での熱処理の後に50℃以上低い温度で窒素パージすることによって、ダングリングボンドを終端した水素が脱離することはなく、界面準位密度が増加することはないことが確認できた。 FIG. 2 is a diagram showing the distribution of interface state density obtained by measuring the MOS capacitor according to the embodiment of the present invention and the MOS capacitor of the comparative example. In FIG. 2, the vertical axis represents the interface state density (unit: / cm 2 / eV), and the horizontal axis represents the energy from the conduction band (unit: eV). As shown in FIG. 2, there are a MOS capacitor having a nitrogen purge temperature of 1000 ° C. (plotted with ○) and 1050 ° C. (plotted with ◇), and a MOS capacitor that has been cooled in a hydrogen atmosphere (plotted with a Δ mark). There is no significant difference in the interface state density, and there is no deterioration of the MOS interface characteristics due to nitrogen purge. On the other hand, a MOS capacitor purged with nitrogen at 1100 ° C. (plotted with □), which is the same as the heat treatment in a hydrogen atmosphere, is not as large as a MOS capacitor without POA treatment (plotted with x), but the interface state density increases, and the MOS capacitor Interface characteristics are degraded. Thus, by purging nitrogen at a temperature lower by 50 ° C. or more after the heat treatment in an atmosphere containing hydrogen, hydrogen terminating the dangling bonds is not desorbed, and the interface state density does not increase. I was able to confirm.
・炭化ケイ素半導体装置の一例
図3は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の一例を示す断面図である。図3に示すように、炭化ケイ素半導体装置は、p+炭化ケイ素基板1及びpエピタキシャル膜2を備えている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the silicon carbide semiconductor device includes a p +
p+炭化ケイ素基板1は、例えば炭化ケイ素にp型不純物がドーピングされた炭化ケイ素単結晶基板であってもよい。p+炭化ケイ素基板1は、例えばp型4H−SiC(000−1)基板であってもよい。p+炭化ケイ素基板1は、例えばおもて面が(000−1)面であり、例えば(000−1)面からのオフ角が0度〜8度、好ましくは0度〜4度であってもよい。p+炭化ケイ素基板1のおもて面は、例えば(11−20)面であってもよい。
The p +
pエピタキシャル膜2は、p+炭化ケイ素基板1のおもて面上に設けられている。pエピタキシャル膜2の不純物濃度は、p+炭化ケイ素基板1よりも低い。pエピタキシャル膜2のアクセプター密度は、例えば1×1016/cm3程度であってもよい。pエピタキシャル膜2は、例えば炭化ケイ素にp型不純物がドーピングされたエピタキシャル膜であってもよい。pエピタキシャル膜2は、炭化ケイ素半導体の一例である。
The
炭化ケイ素半導体装置は、p+炭化ケイ素基板1のおもて面側に、MOS構造として、例えばn+ドレイン領域3、n+ソース領域4、p+グラウンド領域5、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7、反応層8,9を備えている。
The silicon carbide semiconductor device has, for example, an n + drain region 3, an n + source region 4, a p + ground region 5, a
n+ドレイン領域3は、pエピタキシャル膜2の表面領域に選択的に設けられている。n+ドレイン領域3は、例えばn型不純物としてリン(P)を含んでいる。
The n + drain region 3 is selectively provided in the surface region of the
n+ソース領域4は、n+ドレイン領域3から離れて、pエピタキシャル膜2の表面領域に選択的に設けられている。n+ソース領域4は、例えばn型不純物としてリンを含んでいる。
The n + source region 4 is selectively provided in the surface region of the
p+グラウンド領域5は、n+ドレイン領域3から離れ、かつn+ソース領域4に接して、pエピタキシャル膜2の表面領域に選択的に設けられている。p+グラウンド領域5の不純物濃度は、pエピタキシャル膜2よりも高い。p+グラウンド領域5は、例えばp型不純物としてアルミニウム(Al)を含んでいる。
The p + ground region 5 is selectively provided in the surface region of the
ゲート絶縁膜6は、pエピタキシャル膜2の、n+ドレイン領域3とn+ソース領域4とに挟まれた領域の表面上に設けられている。ゲート絶縁膜6は、1層または2層以上の膜でできていてもよい。ゲート絶縁膜6は、窒化膜を含んでいてもよい。ゲート絶縁膜6は、酸窒化膜を含んでいてもよい。ゲート絶縁膜6は、窒化膜及び酸窒化膜を含んでいてもよい。ゲート絶縁膜6の厚さは、例えば50nm程度であってもよい。ゲート絶縁膜6は、絶縁膜の一例である。
The
ゲート絶縁膜6とpエピタキシャル膜2との界面には、窒素及び水素がともに1×1020/cm3以上の濃度で存在している。また、ゲート絶縁膜6中の水素濃度は、5×1019/cm3以下である。
Both nitrogen and hydrogen are present at a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 or more at the interface between the
ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6の表面上に設けられている。ゲート電極7は、例えば多結晶シリコンでできていてもよい。ゲート電極7の厚さは、例えば0.3μm程度であってもよい。
The gate electrode 7 is provided on the surface of the
n+ドレイン領域3の上の反応層8は、n+ドレイン領域3の表面に接している。n+ドレイン領域3の上の反応層8は、n+ドレイン領域3に電気的に接続されている。
The
n+ソース領域4の上の反応層9は、n+ソース領域4及びp+グラウンド領域5の表面に接している。n+ソース領域4の上の反応層9は、n+ソース領域4及びp+グラウンド領域5に電気的に接続されている。
n + reaction layer 9 over the
反応層8,9は、図示しない層間絶縁膜によって、ゲート電極7から絶縁されている。反応層8,9は、コンタクトメタルと炭化ケイ素とが反応してできた層である。コンタクトメタルは、例えばアルミニウム層の上にニッケル(Ni)層が積層されてできていてもよい。 The reaction layers 8 and 9 are insulated from the gate electrode 7 by an interlayer insulating film (not shown). The reaction layers 8 and 9 are layers formed by the reaction of contact metal and silicon carbide. The contact metal may be made of, for example, a nickel (Ni) layer laminated on an aluminum layer.
炭化ケイ素半導体装置は、パッド電極10,11,12、フィールド酸化膜13及び裏面電極14を備えている。
The silicon carbide semiconductor device includes
パッド電極10は、例えばゲート電極7の上に設けられている。ゲート電極7の上のパッド電極10は、ゲート電極7に電気的に接続されている。パッド電極10は、例えばアルミニウムでできていてもよい。パッド電極10の厚さは、例えば300nm程度であってもよい。
The
パッド電極11は、例えばn+ドレイン領域3の上の反応層8の上に設けられている。反応層8の上のパッド電極11は、反応層8に電気的に接続されている。パッド電極11は、例えばアルミニウムでできていてもよい。パッド電極11の厚さは、例えば300nm程度であってもよい。
The
パッド電極12は、例えばn+ソース領域4の上の反応層9の上に設けられている。反応層9の上のパッド電極12は、反応層9に電気的に接続されている。パッド電極12は、例えばアルミニウムでできていてもよい。パッド電極12の厚さは、例えば300nm程度であってもよい。
The
フィールド酸化膜13は、アクティブ領域15の外側に設けられている。フィールド酸化膜13の厚さは、例えば0.5μm程度であってもよい。
The
炭化ケイ素半導体装置は、p+炭化ケイ素基板1の裏面に裏面電極14を備えている。裏面電極14は、p+炭化ケイ素基板1にオーミック接合している。裏面電極14は、例えばアルミニウムでできていてもよい。裏面電極14の厚さは、例えば100nm程度であってもよい。
The silicon carbide semiconductor device includes a
次に本発明の実施例を図3〜図14及び図16を用いて説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
・実施例1
図4は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図5は、図4の続きの状態を示す断面図である。図6は、図5の続きの状態を示す断面図である。図7は、図6の続きの状態を示す断面図である。図8は、図7の続きの状態を示す断面図である。図9は、図8の続きの状態を示す断面図である。図10は、図9の続きの状態を示す断面図である。図11は、図10の続きの状態を示す断面図である。
Example 1
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state during the manufacture of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a continuation of FIG. 6 is a cross-sectional view showing a continuation of FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a continuation of FIG. FIG. 8 is a sectional view showing a continuation of FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a continuation of FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a continuation of FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a continuation of FIG.
(1)工程1
まず、図4に示すように、p+炭化ケイ素基板1を用意する。p+炭化ケイ素基板1は、p型4H−SiC(000−1)基板((000−1)面から0〜8度オフ基板、好ましくは0〜4度オフ基板)である。このp+炭化ケイ素基板1のおもて面上に、アクセプター密度が1×1016/cm3程度であるpエピタキシャル膜2を成長させる。
(1)
First, as shown in FIG. 4, a p +
(2)工程2
次いで、図5に示すように、例えば減圧CVD法によって、pエピタキシャル膜2の表面上に、例えば厚さ1μm程度のSiO2膜を堆積する。そして、フォトリソグラフィによって、このSiO2膜をパターン加工して、マスク21を形成する。その後、このマスク21越しにpエピタキシャル膜2の表面に例えばリンイオン22をイオン注入する。イオン注入時の条件は、例えば基板温度が500℃程度であり、加速エネルギーが40keV〜250keV程度の多段であり、注入量が2×1020/cm3程度であってもよい。このイオン注入によって、図5に破線で示すように、pエピタキシャル膜2の表面領域の一部が、第1のイオン注入領域23及び第2のイオン注入領域24となる。第1のイオン注入領域23及び第2のイオン注入領域24は、例えば後述する熱処理を経ることによって、それぞれn+ドレイン領域3及びn+ソース領域4となる。
(2)
Next, as shown in FIG. 5, a SiO 2 film having a thickness of, for example, about 1 μm is deposited on the surface of the
(3)工程3
次いで、マスク21を除去した後、図6に示すように、例えば減圧CVD法によって、pエピタキシャル膜2の表面上に、例えば厚さ1μm程度のSiO2膜を堆積する。そして、フォトリソグラフィによって、このSiO2膜をパターン加工して、マスク25を形成する。その後、このマスク25越しにpエピタキシャル膜2の表面に例えばアルミニウムイオン26をイオン注入する。イオン注入時の条件は、例えば基板温度が500℃程度であり、加速エネルギーが40keV〜200keV程度の多段であり、注入量が2×1020/cm3であってもよい。このイオン注入によって、図6に破線で示すように、pエピタキシャル膜2の表面領域の一部が、第3のイオン注入領域27となる。第3のイオン注入領域27は、例えば後述する熱処理を経ることによって、p+グラウンド領域5となる。
(3)
Next, after removing the
(4)工程4
次いで、マスク25を除去した後、例えばアルゴン雰囲気などの不活性ガス雰囲気で活性化アニールを行って、第1のイオン注入領域23、第2のイオン注入領域24及び第3のイオン注入領域27を活性化させる。それによって、図7に示すように、第1のイオン注入領域23は、n+ドレイン領域3となる。第2のイオン注入領域24は、n+ソース領域4となる。第3のイオン注入領域27は、p+グラウンド領域5となる。熱処理の温度は、例えば1600℃程度であってもよい。熱処理の時間は、例えば5分程度であってもよい。
(4)
Next, after removing the
(5)工程5
次いで、図8に示すように、例えば減圧CVD法によって、pエピタキシャル膜2の表面上に、例えば厚さ0.5μm程度のフィールド酸化膜13を堆積する。そして、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングによって、このフィールド酸化膜13の一部を除去して、アクティブ領域15を形成する。アクティブ領域15では、n+ドレイン領域3、n+ソース領域4及びp+グラウンド領域5が露出する。
(5)
Next, as shown in FIG. 8, a
(6)工程6
次いで、図9に示すように、例えば1300℃程度の温度で、亜酸化窒素(N2O)を含んだ雰囲気で例えば100分間程度の酸窒化を行って、例えば厚さ50nm程度のゲート絶縁膜6を形成する。続いて、POA処理として、図14に示すように、水素雰囲気で1100℃まで昇温した後に30分間保持して熱処理を行い、1000℃まで降温した後、窒素でパージして不活性ガス雰囲気とした。そして、不活性ガス雰囲気で60分間保持した後、炉出し温度まで降温した。その後、例えば減圧CVD法によって、ゲート絶縁膜6上に例えば厚さ0.3μm程度の多結晶シリコンを堆積する。そして、フォトリソグラフィによって、この多結晶シリコンをパターン加工して、ゲート電極7を形成する。
(6)
Next, as shown in FIG. 9, for example, oxynitridation is performed for about 100 minutes in an atmosphere containing nitrous oxide (N 2 O) at a temperature of about 1300 ° C., for example, and a gate insulating film having a thickness of, for example, about 50 nm. 6 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 14, as POA treatment, the temperature is raised to 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere and then heat-treated by holding for 30 minutes. After the temperature is lowered to 1000 ° C., the atmosphere is purged with nitrogen to form an inert gas atmosphere. did. And after hold | maintaining in inert gas atmosphere for 60 minutes, it temperature-falls to the furnace discharge temperature. Thereafter, for example, polycrystalline silicon having a thickness of about 0.3 μm is deposited on the
(7)工程7
次いで、図10に示すように、フォトリソグラフィ及びフッ酸エッチングによって、n+ドレイン領域3、n+ソース領域4及びp+グラウンド領域5の上にコンタクトホール28を形成する。続いて、ゲート電極7が設けられている側の全面に、例えば、厚さ10nm程度のアルミニウムを蒸着し、さらに厚さ60nm程度のニッケルを蒸着する。そして、リフトオフによりニッケル及びアルミニウムをパターン加工して、コンタクトホール28内にコンタクトメタル29を形成する。
(7) Step 7
Next, as shown in FIG. 10, contact holes 28 are formed on the n + drain region 3, the n + source region 4 and the p + ground region 5 by photolithography and hydrofluoric acid etching. Subsequently, for example, aluminum having a thickness of about 10 nm is deposited on the entire surface on the side where the gate electrode 7 is provided, and nickel having a thickness of about 60 nm is further deposited. Then, nickel and aluminum are patterned by lift-off to form a
(8)工程8
次いで、図11に示すように、オーミックコンタクトアニールとして、不活性ガスの雰囲気で、例えば950℃程度の温度で、例えば2分程度の時間でアニールを行って、コンタクトメタル29と炭化ケイ素との反応層8,9を形成する。不活性ガスは、窒素であってもよいし、ヘリウムであってもよいし、アルゴンであってもよい。
(8)
Next, as shown in FIG. 11, as the ohmic contact annealing, annealing is performed in an inert gas atmosphere at a temperature of, for example, about 950 ° C. for a time of, for example, about 2 minutes, and the reaction between the
(9)工程9
次いで、ゲート電極7が設けられている側の全面に、例えば厚さ300nm程度のアルミニウムを蒸着する。そして、図3に示すように、フォトリソグラフィ及びリン酸(H3PO4)エッチングによって、ゲート電極7及び反応層8,9の上にパッド電極10,11,12を形成する。また、p+炭化ケイ素基板1の裏面に、例えば厚さ100nm程度のアルミニウムを蒸着して、裏面電極14を形成する。このようにして、図3に示す炭化ケイ素MOSFETができあがる。
(9) Step 9
Next, for example, aluminum having a thickness of about 300 nm is deposited on the entire surface on the side where the gate electrode 7 is provided. Then, as shown in FIG. 3,
・実施例2
上述した実施例1の工程6において、窒素でパージして不活性ガス雰囲気で保持した温度を700℃とした以外は、実施例1と同様の製造方法で炭化ケイ素MOSFETを作製した。
Example 2
A silicon carbide MOSFET was manufactured by the same manufacturing method as in Example 1 except that the temperature purged with nitrogen and maintained in the inert gas atmosphere in
・比較例
上述した実施例1の工程6において、POA処理を、図16に示すように、水素を含む雰囲気のまま炉出し温度の600℃まで降温した以外は、実施例1と同様の製造方法で炭化ケイ素MOSFETを作製した。
Comparative Example In the above-described
・電界効果チャネル移動度の評価
図12は、本発明の実施の形態にかかるMOSFETと比較例のMOSFETを測定して得られた電界効果チャネル移動度のゲート電圧依存性を示す図である。図12において、縦軸は電界効果チャネル移動度(単位:cm2/Vs)であり、横軸はゲート電圧(単位:V)である。図12に示すように、チャネル移動度の最大値は、比較例に対して実施例1及び実施例2の方が若干高い。従って、水素を含む雰囲気の熱処理の降温途中で窒素パージしても、界面準位を終端している水素が脱離して界面準位密度が増加することはない。
Evaluation of Field Effect Channel Mobility FIG. 12 is a diagram showing the gate voltage dependence of the field effect channel mobility obtained by measuring the MOSFET according to the embodiment of the present invention and the MOSFET of the comparative example. In FIG. 12, the vertical axis represents field effect channel mobility (unit: cm 2 / Vs), and the horizontal axis represents gate voltage (unit: V). As shown in FIG. 12, the maximum value of channel mobility is slightly higher in Example 1 and Example 2 than in the comparative example. Therefore, even if nitrogen purge is performed in the middle of the temperature lowering of the heat treatment in an atmosphere containing hydrogen, hydrogen that terminates the interface state is not desorbed and the interface state density does not increase.
・しきい値電圧シフト量の評価
しきい値電圧の安定性の指標として、ゲート絶縁膜に3MV/cmのストレスを所定時間、印加した後のしきい値電圧のシフト量を評価した。
Evaluation of threshold voltage shift amount As an indicator of threshold voltage stability, the threshold voltage shift amount after applying a 3 MV / cm stress to the gate insulating film for a predetermined time was evaluated.
図13は、本発明の実施の形態にかかるMOSFETと比較例のMOSFETを測定して得られたしきい値電圧シフト量のストレス印加時間依存性を示す図である。図13において、縦軸はしきい値電圧のシフト量(単位:V)であり、横軸はストレス印加時間(単位:sec)である。図13に示すように、比較例に対して実施例1及び実施例2の方が、しきい値電圧のシフト量が小さいため、実施例1及び実施例2の方が比較例よりも、しきい値電圧が安定している。また、1000℃でパージした実施例1よりも700℃でパージした実施例2の方が、しきい値電圧のシフト量が大きい。従って、低い温度でのパージでは、十分に余剰な水素を追い出すことができない傾向にある。比較例の炉出し温度は600℃であり、これに対して実施例2の700℃のパージは、しきい値電圧の安定性向上に効果があるため、不活性ガスでパージを行う温度は700℃以上であるのが好ましい。 FIG. 13 is a diagram showing the stress application time dependence of the threshold voltage shift amount obtained by measuring the MOSFET according to the embodiment of the present invention and the MOSFET of the comparative example. In FIG. 13, the vertical axis represents the threshold voltage shift amount (unit: V), and the horizontal axis represents the stress application time (unit: sec). As shown in FIG. 13, since the shift amount of the threshold voltage is smaller in Example 1 and Example 2 than in the comparative example, Example 1 and Example 2 are more effective than the comparative example. The threshold voltage is stable. Further, the threshold voltage shift amount is larger in Example 2 purged at 700 ° C. than in Example 1 purged at 1000 ° C. Therefore, there is a tendency that excessive hydrogen cannot be expelled by purging at a low temperature. The furnace temperature in the comparative example is 600 ° C., whereas the 700 ° C. purge in Example 2 is effective in improving the stability of the threshold voltage, so the temperature for purging with an inert gas is 700 ° C. It is preferable that the temperature is not lower than ° C.
上述した各実施例では、結晶構造が4H−SiCである(000−1)基板(0〜8度オフ基板)を使用したが、結晶構造が4H−SiCである(11−20)基板を用いても同様の効果が得られる。 In each of the embodiments described above, a (000-1) substrate (0 to 8 degrees off substrate) having a crystal structure of 4H—SiC was used, but a (11-20) substrate having a crystal structure of 4H—SiC was used. However, the same effect can be obtained.
・SiO2/SiC界面付近における窒素濃度及び水素濃度の評価
水素を含んだ雰囲気でのPOA処理によって、界面準位密度を増大させず、チャネル移動度を維持したまま、しきい値電圧の安定性を得ることができたSiO2/SiC界面付近における窒素濃度及び水素濃度を二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)によって測定した。
・ Evaluation of nitrogen concentration and hydrogen concentration in the vicinity of the SiO 2 / SiC interface POA treatment in an atmosphere containing hydrogen Stability of threshold voltage while maintaining channel mobility without increasing interface state density The nitrogen concentration and the hydrogen concentration in the vicinity of the SiO 2 / SiC interface that were able to be obtained were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
図17は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の二次イオン質量分析結果を示す図である。図17には、上述した実施例1の工程6に準じて(000−1)面のSiC基板に形成したSiO2膜に対するSIMS分析の結果が示されている。図17において、左側の縦軸は窒素(N)及び水素(H)の濃度(単位:atoms/cm3)であり、右側の縦軸は酸素及び炭素の二次イオン強度(単位:カウント)であり、横軸は分析の深さ(単位:nm)である。SIMSの一次イオン種としてセシウム(Cs)を用いた。図17に示すように、左半分は酸素の二次イオン強度が高く、右半分は炭素の二次イオン強度が高いため、左側の領域がSiO2であり、右側の領域がSiCである。SiO2/SiC界面付近において、水素及び窒素は、ともに1×1020/cm3以上の濃度のピークを有することを確認することができた。また、SiO2膜中の水素濃度が、5×1019/cm3以下の低い値であることを確認することができた。
FIG. 17 is a diagram showing a result of secondary ion mass spectrometry of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment of the present invention. FIG. 17 shows the result of SIMS analysis on the SiO 2 film formed on the (000-1) -SiC substrate according to
界面準位を終端する窒素または水素は、SiO2/SiC界面のみに存在することが望ましく、それぞれ1×1020atoms/cm3以上の濃度であることが好ましい。窒素または水素の濃度が1×1020atoms/cm3より低いと、十分に界面準位を終端することができないからである。 Nitrogen or hydrogen that terminates the interface state is preferably present only at the SiO 2 / SiC interface, and preferably has a concentration of 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. This is because if the concentration of nitrogen or hydrogen is lower than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , the interface state cannot be terminated sufficiently.
SiO2膜中の水素濃度は、5×1019atoms/cm3以下であることが好ましい。SiO2膜中の水素濃度が5×1019atoms/cm3を超えると、過剰な水素が電子トラップの要因となるため、しきい値電圧が不安定になるからである。 The hydrogen concentration in the SiO 2 film is preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less. This is because if the hydrogen concentration in the SiO 2 film exceeds 5 × 10 19 atoms / cm 3 , excess hydrogen causes electron trapping and the threshold voltage becomes unstable.
以上説明したように、実施の形態によれば、界面準位を終端するのに必要十分な窒素及び水素がpエピタキシャル膜2とゲート絶縁膜6との界面に存在するため、pエピタキシャル膜2とゲート絶縁膜6との界面に存在する界面準位が終端される。また、ゲート絶縁膜6中に、電子トラップの要因となる過剰な水素が存在するのを抑えることができるため、しきい値電圧が安定する。従って、界面準位密度を増加させることなく、チャネル移動度を維持したまま、しきい値電圧の安定性を向上させることができる。
As described above, according to the embodiment, since nitrogen and hydrogen necessary and sufficient for terminating the interface state exist at the interface between the
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した数値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、本発明は、p+炭化ケイ素基板1を用いた横型の炭化ケイ素半導体装置に限らない。例えば、n+炭化ケイ素基板を用いた縦型の炭化ケイ素半導体装置など、高耐圧化構造を有する半導体装置、またはトレンチゲート構造や複雑なMOSゲート構造を有する炭化ケイ素半導体装置にも適用可能である。
As described above, the present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made. For example, the numerical values described in the embodiments are examples, and the present invention is not limited to these values. Further, the present invention is not limited to a lateral silicon carbide semiconductor device using the p +
複雑なMOSゲート構造の一例として、例えば図18に示すような、オン状態のときにSiCエピタキシャル基板の表面近傍にチャネルを形成する素子構造が挙げられる。 An example of a complex MOS gate structure is an element structure that forms a channel in the vicinity of the surface of a SiC epitaxial substrate in the on state, as shown in FIG. 18, for example.
図18は、本発明の実施の形態にかかる炭化ケイ素半導体装置の別の例を示す断面図である。図18に示すように、炭化ケイ素半導体装置は、n+炭化ケイ素基板31及びnエピタキシャル膜32を備えている。n+炭化ケイ素基板31は、例えば炭化ケイ素にn型不純物がドーピングされた炭化ケイ素単結晶基板であってもよい。n+炭化ケイ素基板31は、例えばドレイン領域となる。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing another example of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 18, the silicon carbide semiconductor device includes an n +
nエピタキシャル膜32は、n+炭化ケイ素基板31のおもて面上に設けられている。nエピタキシャル膜32の不純物濃度は、n+炭化ケイ素基板31よりも低い。nエピタキシャル膜32は、例えばn型のドリフト領域となる。
The
炭化ケイ素半導体装置は、n+炭化ケイ素基板31のおもて面側に、例えばp領域33、pSiC層34、n+ソース領域35、p+コンタクト領域36、ゲート絶縁膜37、ゲート電極38、ソース電極39及びn領域40を備えている。炭化ケイ素半導体装置は、n+炭化ケイ素基板31の裏面側に、例えばドレイン電極41となる裏面電極を備えている。
The silicon carbide semiconductor device has, for example,
p領域33は、nエピタキシャル膜32の表面領域の一部に設けられている。p領域33は、例えばnエピタキシャル膜32の表面領域の別の一部を挟むように設けられていてもよい。つまり、隣り合うp領域33とp領域33との間にnエピタキシャル膜32の領域があってもよい。
The
pSiC層34は、p領域33、及び隣り合うp領域33とp領域33との間に存在するnエピタキシャル膜32の領域の表面上に設けられている。pSiC層34の不純物濃度は、p領域33よりも低い。pSiC層34において、n+ソース領域35、p+コンタクト領域36およびn領域40を除く部分は、p領域33とともにp型のベース領域となる。pSiC層34は、炭化ケイ素半導体の一例である。
The
n領域40は、nエピタキシャル膜32の、隣り合うp領域33とp領域33との間の領域の表面上に、設けられている。n領域40は、pSiC層34を貫通してnエピタキシャル膜32に接している。n領域40の不純物濃度は、nエピタキシャル膜32よりも高いのが望ましい。n領域40は、例えばpSiC層34の一部の導電型を、n型不純物のイオン注入及び熱処理によって反転させた領域であってもよい。n領域40は、例えばnエピタキシャル膜32とともにn型のドリフト領域となる。
The
n+ソース領域35は、p領域33の上のpSiC層34の表面領域に設けられている。n+ソース領域35は、n領域40から離れて設けられている。
The n + source region 35 is provided in the surface region of the
p+コンタクト領域36は、n+ソース領域35を挟んでn領域40の反対側に設けられている。p+コンタクト領域36は、pSiC層34及びn+ソース領域35に接する。p+コンタクト領域36は、pSiC層34を貫通して、p領域33に接する。p+コンタクト領域36の不純物濃度は、pSiC層34よりも高い。
The p + contact region 36 is provided on the opposite side of the
ゲート絶縁膜37は、pSiC層34の、n領域40とn+ソース領域35とに挟まれた領域の表面上に設けられている。ゲート絶縁膜37は、例えば隣り合うn+ソース領域35とn+ソース領域35との間のpSiC層34及びn領域40の表面上に設けられていてもよい。ゲート絶縁膜37は、絶縁膜の一例である。
ゲート電極38は、ゲート絶縁膜37の表面上に設けられている。
The
ソース電極39は、n+ソース領域35及びp+コンタクト領域36の表面に接して設けられている。ソース電極39は、n+ソース領域35及びp+コンタクト領域36に電気的に接続されている。ソース電極39は、図示しない層間絶縁膜によって、ゲート電極38から絶縁されている。
The
ドレイン電極41は、n+炭化ケイ素基板31の裏面に接して設けられている。ドレイン電極41は、n+炭化ケイ素基板31にオーミック接合している。
以上のように、本発明にかかる炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、横型MOSFETに限らず、縦型MOSFETなどの高耐圧化構造を有する半導体装置、トレンチゲート構造や複雑なMOSゲート構造を有するMOSFETにも適用可能であり、同様の効果を奏することができる。従って、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱しない範囲で、種々の炭化ケイ素半導体装置および炭化ケイ素半導体装置の製造方法に適用可能である。 As described above, the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention are not limited to lateral MOSFETs, but also semiconductor devices having a high breakdown voltage structure such as vertical MOSFETs, trench gate structures, and complex MOSs. The present invention can be applied to a MOSFET having a gate structure, and the same effect can be obtained. Therefore, the present invention can be applied to various silicon carbide semiconductor devices and silicon carbide semiconductor device manufacturing methods without departing from the scope of the present invention described in the claims.
1 p+炭化ケイ素基板
2 pエピタキシャル膜
3 n+ドレイン領域
4,35 n+ソース領域
5 p+グラウンド領域
6,37 ゲート絶縁膜
7,38 ゲート電極
8,9 反応層
10,11,12 パッド電極
13 フィールド酸化膜
14 裏面電極
15 アクティブ領域
21,25 マスク
22 リンイオン
23 第1のイオン注入領域
24 第2のイオン注入領域
26 アルミニウムイオン
27 第3のイオン注入領域
28 コンタクトホール
29 コンタクトメタル
31 n+炭化ケイ素基板
32 nエピタキシャル膜
33 p領域
34 pSiC層
36 p+コンタクト領域
39 ソース電極
40 n領域
41 ドレイン電極
101 n型4H−SiC(000−1)基板
102 n型エピタキシャル膜
103 絶縁膜
104 アルミゲート電極
105 アルミ裏面電極
106 C−Vメーター
1 p + silicon carbide substrate 2 p epitaxial film 3 n + drain region 4, 35 n + source region 5 p + ground region 6, 37
Claims (3)
前記炭化ケイ素半導体と前記絶縁膜との界面から5nm以内の領域に窒素が2×1021/cm3以上の1つのピーク濃度で存在し、かつ、前記界面に水素が1×1020/cm3以上の濃度で存在し、かつ、前記界面から5nm以上の前記絶縁膜の領域で水素濃度が5×1019/cm3 を超えず、
前記絶縁膜は、MOSFETのゲート絶縁膜であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。 Having an insulating film made of an oxynitride film on the silicon carbide semiconductor;
Nitrogen is present at one peak concentration of 2 × 10 21 / cm 3 or more in a region within 5 nm from the interface between the silicon carbide semiconductor and the insulating film, and hydrogen is 1 × 10 20 / cm 3 at the interface. And the hydrogen concentration does not exceed 5 × 10 19 / cm 3 in the region of the insulating film 5 nm or more from the interface .
The silicon carbide semiconductor device, wherein the insulating film is a gate insulating film of a MOSFET.
前記絶縁膜にPOA処理を行う第2工程と、
前記POA処理の処理温度より50℃以上低い温度まで降温した後に、窒素雰囲気中で炉出し温度まで降温する第3工程と、
を含み、
前記3工程の後、
前記炭化ケイ素半導体と前記絶縁膜との界面から5nm以内の領域に窒素が2×1021/cm3以上の1つのピーク濃度で存在し、かつ、前記界面に水素が1×1020/cm3以上の濃度で存在し、かつ、前記界面から5nm以上の前記絶縁膜の領域で水素濃度が5×1019/cm3 を超えず、
前記絶縁膜は、MOSFETのゲート絶縁膜であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。 A first step of forming an insulating film made of an oxynitride film on the silicon carbide semiconductor;
A second step of performing POA treatment on the insulating film;
A third step in which the temperature is lowered to a temperature lower than the processing temperature of the POA treatment by 50 ° C. or more and then lowered to a furnace discharge temperature in a nitrogen atmosphere;
Including
After the three steps,
Nitrogen is present at one peak concentration of 2 × 10 21 / cm 3 or more in a region within 5 nm from the interface between the silicon carbide semiconductor and the insulating film, and hydrogen is 1 × 10 20 / cm 3 at the interface. And the hydrogen concentration does not exceed 5 × 10 19 / cm 3 in the region of the insulating film 5 nm or more from the interface .
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the insulating film is a gate insulating film of a MOSFET.
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