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JP6945036B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.

SiC(炭化シリコン:シリコンカーバイト)は、Si(シリコン)よりも絶縁破壊耐性および熱伝導率などに優れている。そのため、SiCは、たとえば、ハイブリッド自動車のインバータなどの用途に好適な半導体として注目されている。SiCを用いたMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)は、ハイブリッド自動車のインバータなどに好適な高耐圧デバイスとして期待されている。 SiC (silicon carbide: silicon carbide) is superior to Si (silicon) in dielectric breakdown resistance and thermal conductivity. Therefore, SiC is attracting attention as a semiconductor suitable for applications such as an inverter of a hybrid vehicle, for example. MISFETs (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistors) using SiC are expected as high withstand voltage devices suitable for inverters of hybrid vehicles and the like.

SiCを用いたMISFETの一例として、特許文献1は、n型のSiC基板と、当該SiC基板上に形成されたn型ドリフト層と、ドリフト層に形成されたp型ウェル領域と、p型ウェル領域に形成されたn型ソース領域と、ドリフト層の表面に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含むSiC半導体装置を開示している。 As an example of a MISFET using SiC, Patent Document 1 describes an n-type SiC substrate, an n-type drift layer formed on the SiC substrate, a p-type well region formed on the drift layer, and a p-type well. A SiC semiconductor device including an n-type source region formed in a region, a gate insulating film formed on the surface of a drift layer, and a gate electrode formed on the gate insulating film is disclosed.

特開2009−16530号公報JP-A-2009-16530 特表2002−524860号公報Special Table 2002-524860

本発明の一実施形態は、複数の絶縁層を含む積層構造を有し、ゲートトレンチの開口端側エッジ部を被覆する部分およびゲートトレンチの底面側エッジ部を被覆する部分が凸湾曲状に形成された構造を有するゲート絶縁層を備えた半導体装置を提供する。 One embodiment of the present invention has a laminated structure including a plurality of insulating layers, and a portion covering the opening end side edge portion of the gate trench and a portion covering the bottom surface side edge portion of the gate trench are formed in a convex curved shape. Provided is a semiconductor device provided with a gate insulating layer having the above-mentioned structure.

本発明の一実施形態は、SiCからなり、側面および底面を有するゲートトレンチが形成された半導体層と、前記半導体層側からこの順に積層された第1絶縁層および前記第1絶縁層と組成の異なる第2絶縁層を含む積層構造を有し、前記ゲートトレンチの側面および底面、ならびに、前記半導体層の表面に沿って形成されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層を介して前記ゲートトレンチ内に埋め込まれていて前記ゲートトレンチの開口縁部の上方へ膨出せず、前記ゲートトレンチの内面を形成するソース領域、ボディ領域およびドレイン領域に対して、前記ゲート絶縁層を挟んでその側面および底面が対向するゲート電極と、前記ゲート電極の上面および前記ゲートトレンチの開口縁部の前記半導体層の表面を被覆する前記ゲート絶縁層の上方を覆い、前記第1絶縁層および第2絶縁層の端面と面一になるように端面が形成された層間絶縁膜とを含み、前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および前記半導体層の表面を接続する前記ゲートトレンチの開口端側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの内方に向かう凸湾曲状に形成されており、前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および底面を接続する前記ゲートトレンチの底面側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの外方に向かう凸湾曲状に形成されている、半導体装置を提供する。 One embodiment of the present invention is composed of a semiconductor layer made of SiC and having a gate trench having side surfaces and a bottom surface, a first insulating layer laminated in this order from the semiconductor layer side, and the first insulating layer. It has a laminated structure including a different second insulating layer, and has a gate insulating layer formed along the side surface and the bottom surface of the gate trench and the surface of the semiconductor layer, and the inside of the gate trench via the gate insulating layer. With respect to the source region, body region, and drain region that are embedded in the gate trench and do not bulge above the opening edge of the gate trench and form the inner surface of the gate trench, the side surfaces and the bottom surface thereof sandwich the gate insulating layer. Covers the upper surface of the gate electrode and the upper surface of the gate insulating layer covering the surface of the semiconductor layer at the opening edge of the gate trench, and the end faces of the first insulating layer and the second insulating layer. An open end of the gate trench that includes an interlayer insulating film having an end face formed so as to be flush with the gate trench and connects the side surface of the gate trench and the surface of the semiconductor layer in the second insulating layer of the gate insulating layer. The portion covering the side edge portion is formed in a convex curved shape toward the inside of the gate trench, and the gate trench connecting the side surface and the bottom surface of the gate trench in the second insulating layer of the gate insulating layer. Provided is a semiconductor device in which a portion covering the bottom surface side edge portion of the semiconductor device is formed in a convex curved shape toward the outside of the gate trench.

本発明の一実施形態は、GaNからなり、側面および底面を有するゲートトレンチが表面から形成された半導体層と、前記半導体層側からこの順に積層された第1絶縁層および前記第1絶縁層と組成の異なる第2絶縁層を含む積層構造を有し、前記ゲートトレンチの側面および底面、ならびに、前記半導体層の表面に沿って形成されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層を介してゲートトレンチに埋め込まれていて前記ゲートトレンチの開口縁部の上方へ膨出せず、前記ゲートトレンチの内面を形成するソース領域、ボディ領域およびドレイン領域に対して、前記ゲート絶縁層を挟んでその側面および底面が対向するゲート電極と、前記ゲート電極の上面および前記ゲートトレンチの開口縁部の前記半導体層の表面を被覆する前記ゲート絶縁層の上方を覆い、前記第1絶縁層および第2絶縁層の端面と面一になるように端面が形成された層間絶縁膜とを含み、前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および前記半導体層の表面を接続する前記ゲートトレンチの開口端側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの内方に向かう凸湾曲状に形成されており、前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および底面を接続する前記ゲートトレンチの底面側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの外方に向かう凸湾曲状に形成されている、半導体装置を提供する。 In one embodiment of the present invention, a semiconductor layer made of GaN and having side and bottom gate trenches formed from the surface, a first insulating layer laminated in this order from the semiconductor layer side, and the first insulating layer. It has a laminated structure including a second insulating layer having a different composition, a gate insulating layer formed along the side surface and the bottom surface of the gate trench and the surface of the semiconductor layer, and a gate trench via the gate insulating layer. With respect to the source region, body region, and drain region that are embedded in the gate trench and do not bulge above the opening edge of the gate trench and form the inner surface of the gate trench, the side surfaces and the bottom surface thereof sandwich the gate insulating layer. Covers the upper surface of the gate electrode and the upper surface of the gate insulating layer covering the surface of the semiconductor layer at the opening edge of the gate trench, and the end faces of the first insulating layer and the second insulating layer. An open end of the gate trench that includes an interlayer insulating film having an end face formed so as to be flush with the gate trench and connects the side surface of the gate trench and the surface of the semiconductor layer in the second insulating layer of the gate insulating layer. The portion covering the side edge portion is formed in a convex curved shape toward the inside of the gate trench, and the gate trench connecting the side surface and the bottom surface of the gate trench in the second insulating layer of the gate insulating layer. Provided is a semiconductor device in which a portion covering the bottom surface side edge portion of the semiconductor device is formed in a convex curved shape toward the outside of the gate trench.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図3は、ゲートリーク電流の下地SiO膜の厚さへの依存性を証明するためのシミュレーションデータである。FIG. 3 is simulation data for demonstrating the dependence of the gate leak current on the thickness of the underlying SiO 2 film. 図4は、前記ゲートリーク電流の依存性を証明するための実験例で用いた半導体装置の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a semiconductor device used in an experimental example for demonstrating the dependence of the gate leak current. 図5は、図4の半導体装置における前記ゲートリーク電流の依存性を証明するためのJ−E曲線である。FIG. 5 is a JE curve for demonstrating the dependence of the gate leak current in the semiconductor device of FIG. 図6は、フラットバンド電圧VFBのシフトの下地SiO膜の厚さへの依存性を証明するための、図4の半導体装置のC−V曲線である。FIG. 6 is a CV curve of the semiconductor device of FIG. 4 for demonstrating the dependence of the shift of the flat band voltage VFB on the thickness of the underlying SiO 2 film. 図7は、前記フラットバンド電圧VFBのシフト量の下地SiO膜の厚さへの依存性を証明するためのグラフである。FIG. 7 is a graph for demonstrating the dependence of the shift amount of the flat band voltage VFB on the thickness of the underlying SiO 2 film. 図8は、CVD1法に倣って作製したAlON膜(CVD1膜)の深さ方向の組成を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the composition of the AlON film (CVD1 film) produced according to the CVD1 method in the depth direction. 図9は、CVD2法に倣って作製したAlON膜(CVD2膜)の深さ方向の組成を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the composition of the AlON film (CVD2 film) produced according to the CVD2 method in the depth direction. 図10は、PVD法に倣って作製したAlON膜(PVD膜)の深さ方向の組成を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the composition of the AlON film (PVD film) produced according to the PVD method in the depth direction. 図11は、フラットバンド電圧VFBのシフトのN組成への依存性を証明するためのグラフである。FIG. 11 is a graph for demonstrating the dependence of the shift of the flat band voltage VFB on the N composition. 図12は、AlON膜によるフラットバンド電圧VFBの抑制効果を証明するためのグラフである。FIG. 12 is a graph for demonstrating the effect of suppressing the flat band voltage VFB by the AlON film. 図13は、フラットバンド電圧VFBと窒素組成との関係を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the relationship between the flat band voltage VFB and the nitrogen composition.

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
半導体装置1は、n型(たとえば、濃度が1×1019〜5×1019cm−3)のSiC基板2と、SiC基板2上に形成されたn型(たとえば、濃度が1×1015〜1×1016cm−3)のSiCエピタキシャル層3とを含む。SiC基板2およびSiCエピタキシャル層3が、本発明の「半導体層」の一例である。SiC基板2およびSiCエピタキシャル層3は、半導体装置1のドレインとして機能する。n型不純物としては、リン(P)、ヒ素(As)などが含まれている。以下、n型SiCには同様のn型不純物が含まれている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
The semiconductor device 1 includes an n + type (for example, a concentration of 1 × 10 19 to 5 × 10 19 cm -3 ) SiC substrate 2 and an n − type (for example, a concentration of 1 ×) formed on the SiC substrate 2. Includes 10 15 to 1 × 10 16 cm -3 ) SiC epitaxial layer 3. The SiC substrate 2 and the SiC epitaxial layer 3 are examples of the "semiconductor layer" of the present invention. The SiC substrate 2 and the SiC epitaxial layer 3 function as drains of the semiconductor device 1. Phosphorus (P), arsenic (As) and the like are included as n-type impurities. Hereinafter, the n-type SiC contains similar n-type impurities.

SiCエピタキシャル層3には、その表面からSiC基板2へ向かって掘り下がった、ゲートトレンチ4が形成されている。ゲートトレンチ4は、たとえば、格子状、ストライプ状に形成されている。これにより、SiCエピタキシャル層3には、ゲートトレンチ4により区画された単位セル5が複数形成されている。
SiCエピタキシャル層3においてゲートトレンチ4の周囲には、n型のソース領域6およびp型(たとえば、濃度が1×1017〜5×1017cm−3)のボディ領域7が、SiCエピタキシャル層3の表面に近い側からこの順に形成されている。ボディ領域7には、p型不純物として、たとえば、ボロン(B)、アルミニウム(Al)などが含まれている。以下、p型SiCには同様のp型不純物が含まれている。
The SiC epitaxial layer 3 is formed with a gate trench 4 dug down from the surface thereof toward the SiC substrate 2. The gate trench 4 is formed in a grid pattern or a stripe pattern, for example. As a result, a plurality of unit cells 5 partitioned by the gate trench 4 are formed in the SiC epitaxial layer 3.
In the SiC epitaxial layer 3, around the gate trench 4, an n + type source region 6 and a p-type body region 7 (for example, a concentration of 1 × 10 17 to 5 × 10 17 cm -3 ) are formed in the SiC epitaxial layer. It is formed in this order from the side closer to the surface of No. 3. The body region 7 contains, for example, boron (B), aluminum (Al), and the like as p-type impurities. Hereinafter, the p-type SiC contains similar p-type impurities.

ソース領域6は、SiCエピタキシャル層3の表面に露出するとともに、ゲートトレンチ4の側面の上部(一部)を形成するように、各単位セル5の表面部に形成されている。一方、ボディ領域7は、ソース領域6に対してSiC基板2側(SiCエピタキシャル層3の裏面側)にソース領域6に接するように、かつ、ゲートトレンチ4の側面の下部(一部)を形成するように形成されている。 The source region 6 is formed on the surface portion of each unit cell 5 so as to be exposed on the surface of the SiC epitaxial layer 3 and form an upper portion (part) of the side surface of the gate trench 4. On the other hand, the body region 7 forms a lower portion (part) of the side surface of the gate trench 4 so as to be in contact with the source region 6 on the side of the SiC substrate 2 (the back surface side of the SiC epitaxial layer 3) with respect to the source region 6. It is formed to do.

SiCエピタキシャル層3における、ボディ領域7に対してSiC基板2側の領域は、エピタキシャル成長後のままの状態が維持された、n型のドレイン領域8となっている。ドレイン領域8は、ボディ領域7に対してSiC基板2側にボディ領域7に接しており、ゲートトレンチ4の底面を形成している。
ゲートトレンチ4の内面には、その全域を覆うように、ゲート絶縁膜9が形成されている。ゲート絶縁膜9は、ゲートトレンチ4の内面側から順に積層された下地SiO膜10、AlON膜11および上側SiO膜12を含む。この実施形態では、ゲートトレンチ4の内面全域に接するように下地SiO膜10が形成され、その上に、下地SiO膜10と同じ形状のAlON膜11および上側SiO膜12が、それぞれ直下の膜の全域を覆うように順に積層されている。なお、これらの膜の3層構造は、この実施形態のようにゲートトレンチ4の内面全域に亘って形成されていてもよいし、ゲートトレンチ4の内面におけるチャネル部分(ゲートトレンチ4の側面においてボディ領域7が露出する部分)に選択的に形成されていてもよい。この場合、ゲート絶縁膜9の他の部分は、SiOからなる単層膜であってもよい。また、ゲート絶縁膜9は、AlON膜11の単層膜であってもよいし、上側SiO膜12が省略された2層構造の膜(下地SiO膜10/AlON膜11)であってもよい。また、ゲート絶縁膜9は、この実施形態では、ゲートトレンチ4の開口端側エッジ部を覆うように形成されていてもよい。ゲートトレンチ4の開口端側エッジ部は、SiCエピタキシャル層3の表面とゲートトレンチ4の側面との挟角を形成している。したがって、ソース領域6におけるSiCエピタキシャル層3の表面およびゲートトレンチ4の側面の各近傍部分はゲート絶縁膜9に覆われることとなる。
In the SiC epitaxial layer 3, region of the SiC substrate 2 side with respect to the body region 7, in the state after the epitaxial growth is maintained, n - has a -type drain region 8. The drain region 8 is in contact with the body region 7 on the SiC substrate 2 side with respect to the body region 7, and forms the bottom surface of the gate trench 4.
A gate insulating film 9 is formed on the inner surface of the gate trench 4 so as to cover the entire area thereof. The gate insulating film 9 includes a base SiO 2 film 10, an AlON film 11 and an upper SiO 2 film 12 laminated in order from the inner surface side of the gate trench 4. In this embodiment, the base SiO 2 film 10 is formed so as to be in contact with the entire inner surface of the gate trench 4, and the AlON film 11 and the upper SiO 2 film 12 having the same shape as the base SiO 2 film 10 are directly below the base SiO 2 film 10. They are laminated in order so as to cover the entire area of the film. The three-layer structure of these films may be formed over the entire inner surface of the gate trench 4 as in this embodiment, or the channel portion on the inner surface of the gate trench 4 (the body on the side surface of the gate trench 4). It may be selectively formed in the portion where the region 7 is exposed). In this case, the other portion of the gate insulating film 9 may be a single-layer film made of SiO 2. Further, the gate insulating film 9 may be a single-layer film of the AlON film 11 or a film having a two-layer structure in which the upper SiO 2 film 12 is omitted (underlayer SiO 2 film 10 / AlON film 11). May be good. Further, in this embodiment, the gate insulating film 9 may be formed so as to cover the edge portion on the open end side of the gate trench 4. The edge portion on the open end side of the gate trench 4 forms a sandwiching angle between the surface of the SiC epitaxial layer 3 and the side surface of the gate trench 4. Therefore, each vicinity of the surface of the SiC epitaxial layer 3 and the side surface of the gate trench 4 in the source region 6 is covered with the gate insulating film 9.

ゲート絶縁膜9の厚さは、たとえば、55nm〜150nmである。各膜の厚さの好ましい範囲は、下地SiO膜10が5nm以上(より好ましくは、5nm〜20nm)であり、AlON膜11が50nm以上(より好ましくは、50nm〜100nm)であり、上側SiO膜12が0nm以上(より好ましくは、0nm〜30nm)である。
下地SiO膜10は、この実施形態では、たとえばSiCエピタキシャル層3を熱酸化によって形成されている。SiCエピタキシャル層3(特に、チャネル部分)に接する膜を熱酸化膜とすることによって、CVD膜等の堆積膜に比べて優れたトランジスタ特性を発現することができる。
The thickness of the gate insulating film 9 is, for example, 55 nm to 150 nm. The preferable range of the thickness of each film is that the base SiO 2 film 10 is 5 nm or more (more preferably 5 nm to 20 nm), the AlON film 11 is 50 nm or more (more preferably 50 nm to 100 nm), and the upper SiO is The two films 12 are 0 nm or more (more preferably 0 nm to 30 nm).
In this embodiment, the base SiO 2 film 10 is formed by, for example, thermal oxidation of the SiC epitaxial layer 3. By using a film in contact with the SiC epitaxial layer 3 (particularly, the channel portion) as a thermal oxide film, it is possible to exhibit excellent transistor characteristics as compared with a deposited film such as a CVD film.

AlON膜11は、膜中に窒素(N)原子が分散した膜であって、たとえば窒素組成が5%〜40%(好ましくは、15%〜35%)の膜である。当該窒素組成は、AlON膜11の深さ方向いずれの位置においても上記範囲に収まっている。すなわち、AlON膜11の窒素組成は深さ方向にほぼ一定であり、好ましくは、深さ方向の平均値に対して±5%〜±20%以内に収まっている。なお、AlON膜11の他の原子(Al、O)についても、それらの組成が深さ方向にほぼ一定であることが好ましい。窒素組成が上記範囲であれば、半導体装置1のフラットバンド電圧VFBをより良好に抑制できると共に、ゲートリーク電流を低減することができる。また、AlON膜11は、アモルファスまたは微結晶であることが好ましい。AlON膜11がそのような構造であれば、ゲート絶縁膜9中の結晶粒界を減らすことができるので、ゲートリーク電流を低減することができる。 The AlON film 11 is a film in which nitrogen (N) atoms are dispersed in the film, and is, for example, a film having a nitrogen composition of 5% to 40% (preferably 15% to 35%). The nitrogen composition is within the above range at any position in the depth direction of the AlON film 11. That is, the nitrogen composition of the AlON film 11 is substantially constant in the depth direction, and is preferably within ± 5% to ± 20% with respect to the average value in the depth direction. The composition of other atoms (Al, O) of the AlON film 11 is preferably substantially constant in the depth direction. When the nitrogen composition is within the above range, the flat band voltage VFB of the semiconductor device 1 can be suppressed more satisfactorily, and the gate leakage current can be reduced. Further, the AlON film 11 is preferably amorphous or microcrystal. If the AlON film 11 has such a structure, the crystal grain boundaries in the gate insulating film 9 can be reduced, so that the gate leakage current can be reduced.

上側SiO膜12は、主に酸化シリコンからなるが、AlON膜11との界面部(界面近傍)にAlおよび/またはNを含有していてもよい。この構成により、ゲート絶縁膜9への電子注入を抑制することができる。
このようなゲート絶縁膜9は、たとえば、SiCエピタキシャル層3にゲートトレンチ4を形成した後、下地SiO膜10、AlON膜11および上側SiO膜12を順に積層することによって形成することができる。下地SiO膜10は、たとえば熱酸化法(たとえば、1100℃〜1300℃)によって形成することができる。また、AlON膜11は、たとえばALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法、CVD法、PVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長)法等によって各原子を堆積させることによって形成することができる。また、上側SiO膜12は、たとえばCVD法によって形成することができる。
The upper SiO 2 film 12 is mainly made of silicon oxide, but Al and / or N may be contained in the interface portion (near the interface) with the AlON film 11. With this configuration, electron injection into the gate insulating film 9 can be suppressed.
Such a gate insulating film 9 can be formed, for example, by forming a gate trench 4 in the SiC epitaxial layer 3 and then laminating the base SiO 2 film 10, the AlON film 11 and the upper SiO 2 film 12 in this order. .. The base SiO 2 film 10 can be formed by, for example, a thermal oxidation method (for example, 1100 ° C. to 1300 ° C.). Further, the AlON film 11 can be formed by depositing each atom by, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a CVD method, a PVD (Physical Vapor Deposition) method, or the like. Further, the upper SiO 2 film 12 can be formed by, for example, a CVD method.

なお、AlON膜11の形成後、たとえば700℃〜1000℃でPDA(Post Deposition Annealing:ポストデポジションアニーリング)を行ってもよい。これにより、フラットバンド電圧VFBのシフトをより良好に抑制することができる。
ゲートトレンチ4においてゲート絶縁膜9の内側には、ゲート電極13が埋め込まれている。こうして、ゲートトレンチ4の内面を形成するソース領域6、ボディ領域7およびドレイン領域8に対して、ゲート絶縁膜9を挟んでゲート電極13が対向するトレンチゲート型のMIS構造が構成されている。
After the formation of the AlON film 11, PDA (Post Deposition Annealing) may be performed at, for example, 700 ° C. to 1000 ° C. As a result, the shift of the flat band voltage V FB can be suppressed more satisfactorily.
In the gate trench 4, the gate electrode 13 is embedded inside the gate insulating film 9. In this way, a trench gate type MIS structure is configured in which the gate electrode 13 faces the source region 6, the body region 7, and the drain region 8 forming the inner surface of the gate trench 4 with the gate insulating film 9 interposed therebetween.

ゲート電極13は、Mo、W、Cu、Ni、Al、Ti、Ag、AuおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種を含有する金属からなることが好ましいが、ポリシリコン(たとえば不純物がドーピングされたポリシリコン)からなっていてもよい。
各単位セル5の中央部には、SiCエピタキシャル層3の表面からSiC基板2へ向かって掘り下がった、ソーストレンチ14が形成されている。ソーストレンチ14は、SiCエピタキシャル層3の表面からソース領域6およびボディ領域7を貫通してドレイン領域8に達している。この実施形態では、ソーストレンチ14は、ゲートトレンチ4と同じ深さで形成されている。
The gate electrode 13 is preferably made of a metal containing at least one selected from the group consisting of Mo, W, Cu, Ni, Al, Ti, Ag, Au and Pt, but is made of polysilicon (eg, impurities are doped. It may consist of polysilicon).
A source trench 14 is formed in the central portion of each unit cell 5 so as to be dug from the surface of the SiC epitaxial layer 3 toward the SiC substrate 2. The source trench 14 penetrates the source region 6 and the body region 7 from the surface of the SiC epitaxial layer 3 and reaches the drain region 8. In this embodiment, the source trench 14 is formed at the same depth as the gate trench 4.

SiCエピタキシャル層3においてソーストレンチ14の周囲には、p型領域15が形成されている。p型領域15は、ボディ領域7の下方領域において、ボディ領域7に連なるように(繋がるように)ソーストレンチ14の内面に露出している。つまり、p型領域15は、当該下方領域においてドレイン領域8とソーストレンチ14の内面との間に介在している。これにより、ソーストレンチ14の底面および底側エッジ部にはp型領域15が露出している。 In the SiC epitaxial layer 3, a p-type region 15 is formed around the source trench 14. The p-type region 15 is exposed on the inner surface of the source trench 14 so as to be continuous with (connect to) the body region 7 in the lower region of the body region 7. That is, the p-type region 15 is interposed between the drain region 8 and the inner surface of the source trench 14 in the lower region. As a result, the p-shaped region 15 is exposed on the bottom surface and the bottom edge portion of the source trench 14.

また、p型領域15にはソーストレンチ14の底面において、p型のボディコンタクト領域16が形成されている。この実施形態では、ボディコンタクト領域16は、ソーストレンチ14の側面から内側に間隔を隔てた中央部に配置されている。
SiCエピタキシャル層3上には、ゲート電極13を覆うように層間絶縁膜17が形成されている。層間絶縁膜17には、ソーストレンチ14よりも大径のコンタクトホール18が形成されている。これにより、コンタクトホール18内には、各単位セル5のソーストレンチ14の全体(すなわち、ソーストレンチ14の内面全域)およびソース領域6の一部が露出している。
Further, in the p-type region 15, a p + -type body contact region 16 is formed on the bottom surface of the source trench 14. In this embodiment, the body contact region 16 is located in the central portion spaced inward from the side surface of the source trench 14.
An interlayer insulating film 17 is formed on the SiC epitaxial layer 3 so as to cover the gate electrode 13. A contact hole 18 having a diameter larger than that of the source trench 14 is formed in the interlayer insulating film 17. As a result, the entire source trench 14 of each unit cell 5 (that is, the entire inner surface of the source trench 14) and a part of the source region 6 are exposed in the contact hole 18.

層間絶縁膜17上には、ソース電極19が形成されている。ソース電極19は、各コンタクトホール18を介して、すべての単位セル5のソーストレンチ14に一括して入り込んでいる。ソース電極19は、ソーストレンチ14の底側から順にボディコンタクト領域16、p型領域15、ボディ領域7およびソース領域6に接触している。すなわち、ソース電極19は、すべての単位セル5に対して共通の配線となっている。ソース電極19は、この実施形態では、SiCエピタキシャル層3との接触側から順にTi/TiN層と、Al層とが積層された構造を有している。 A source electrode 19 is formed on the interlayer insulating film 17. The source electrode 19 collectively enters the source trench 14 of all the unit cells 5 through each contact hole 18. The source electrode 19 is in contact with the body contact region 16, the p-type region 15, the body region 7, and the source region 6 in this order from the bottom side of the source trench 14. That is, the source electrode 19 has a common wiring for all the unit cells 5. In this embodiment, the source electrode 19 has a structure in which a Ti / TiN layer and an Al layer are laminated in order from the contact side with the SiC epitaxial layer 3.

SiC基板2の裏面には、その全域を覆うようにドレイン電極20が形成されている。ドレイン電極20は、すべての単位セル5に対して共通の電極となっている。ドレイン電極20としては、たとえば、SiC基板2側から順にTi、Ni、AuおよびAgが積層された積層構造(Ti/Ni/Au/Ag)を適用することができる。
この半導体装置1によれば、ゲート絶縁膜9が5%〜40%の窒素組成を有するAlON膜11を含むので、ゲート絶縁膜9中への電子トラップを低減することができる。これによりフラットバンド電圧VFBのシフトを抑制することができるので、閾値電圧Vthのシフトを抑制することができる。
A drain electrode 20 is formed on the back surface of the SiC substrate 2 so as to cover the entire area thereof. The drain electrode 20 is a common electrode for all unit cells 5. As the drain electrode 20, for example, a laminated structure (Ti / Ni / Au / Ag) in which Ti, Ni, Au and Ag are laminated in order from the SiC substrate 2 side can be applied.
According to the semiconductor device 1, since the gate insulating film 9 contains the AlON film 11 having a nitrogen composition of 5% to 40%, electron traps in the gate insulating film 9 can be reduced. As a result, the shift of the flat band voltage V FB can be suppressed, so that the shift of the threshold voltage V th can be suppressed.

また、AlON膜11を適宜厚くすることによって、ゲート絶縁膜にSiOの単層膜を用いる場合に比べて、同じゲート容量を維持しながらゲート絶縁膜9を全体として厚くすることができる。そのため、高い電圧でゲートを駆動させてもゲート絶縁膜9の劣化を抑制することができる。その結果、デバイスの信頼性の低下を抑制することができる。
また、AlON膜11の下方に下地SiO膜10を介在させ、さらにその膜厚を5nm以上とすることによって、ゲートリーク電流の立ち上がり電界を高くすることができる。その結果、ゲートの通常駆動時におけるリーク電流の発生を抑制することができる。
Further, by appropriately thickening the AlON film 11, the gate insulating film 9 can be thickened as a whole while maintaining the same gate capacitance as compared with the case where the single layer film of SiO 2 is used as the gate insulating film. Therefore, even if the gate is driven with a high voltage, deterioration of the gate insulating film 9 can be suppressed. As a result, it is possible to suppress a decrease in the reliability of the device.
Further, by interposing the underlying SiO 2 film 10 below the AlON film 11 and further setting the film thickness to 5 nm or more, the rising electric field of the gate leak current can be increased. As a result, it is possible to suppress the generation of leakage current during normal drive of the gate.

さらに、AlON膜11上に上側SiO膜12を積層し、AlON膜11を上側から覆うことによって、たとえばゲート電極13の形成時に、エッチングや洗浄に用いる薬剤からAlON膜11を保護することができる。その結果、AlON膜11がダメージを受けることを抑制することができる。
また、ゲート電極13が金属ゲートであれば、ポリシリコンゲートに比べて低温で成膜することができる。そのため、当該成膜時の温度環境を低めに抑えることができる。たとえば、金属の成膜が200℃程度で行われるのに対し、ポリシリコンの成膜では温度環境が1000℃に達する。これにより、先に形成されたAlON膜11が結晶化温度に達し難くなるので、AlON膜11の結晶化を抑えることができる。その結果、結晶粒界の増加によるゲートリーク電流の増加を抑制することができる。また、ポリシリコンゲートに比べてゲート抵抗を低減することができるので、より高速なスイッチング動作を実現でき、スイッチング損失を低減することができる。
Further, by laminating the upper SiO 2 film 12 on the AlON film 11 and covering the AlON film 11 from above, the AlON film 11 can be protected from chemicals used for etching or cleaning, for example, when the gate electrode 13 is formed. .. As a result, it is possible to prevent the AlON film 11 from being damaged.
Further, if the gate electrode 13 is a metal gate, the film can be formed at a lower temperature than the polysilicon gate. Therefore, the temperature environment at the time of the film formation can be suppressed to a low level. For example, the film formation of metal is performed at about 200 ° C., whereas the temperature environment reaches 1000 ° C. in the film formation of polysilicon. As a result, it becomes difficult for the previously formed AlON film 11 to reach the crystallization temperature, so that the crystallization of the AlON film 11 can be suppressed. As a result, it is possible to suppress an increase in the gate leak current due to an increase in grain boundaries. Further, since the gate resistance can be reduced as compared with the polysilicon gate, a faster switching operation can be realized and the switching loss can be reduced.

図2は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図2において、前述の図1に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
前述の第1の実施形態では、MIS構造は、ゲートトレンチ4の内面を形成するソース領域6、ボディ領域7およびドレイン領域8に対して、ゲート絶縁膜9を挟んでゲート電極13が対向するトレンチゲート型で構成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the same reference numerals are given to the parts corresponding to the parts shown in FIG. 1 described above.
In the first embodiment described above, the MIS structure is a trench in which the gate electrode 13 faces the source region 6, the body region 7, and the drain region 8 forming the inner surface of the gate trench 4 with the gate insulating film 9 interposed therebetween. It is composed of a gate type.

これに対し、この第2実施形態に係る半導体装置41のMIS構造は、プレーナゲート型で構成されている。
プレーナゲート型のMIS構造は、SiCエピタキシャル層3の表面部に選択的に形成されたp型のボディ領域42と、当該ボディ領域42に選択的に形成されたn型のソース領域43と、SiCエピタキシャル層3の表面に形成されたゲート絶縁膜44と、ゲート絶縁膜44を挟んで、SiCエピタキシャル層3の表面に露出するボディ領域42に対向するゲート電極45と、SiCエピタキシャル層3の表面からソース領域43を貫通し、最深部がボディ領域42に達するp型のボディコンタクト領域46とを含む。
On the other hand, the MIS structure of the semiconductor device 41 according to the second embodiment is configured as a planar gate type.
The planar gate type MIS structure includes a p-type body region 42 selectively formed on the surface portion of the SiC epitaxial layer 3 and an n + -type source region 43 selectively formed in the body region 42. A gate insulating film 44 formed on the surface of the SiC epitaxial layer 3, a gate electrode 45 facing the body region 42 exposed on the surface of the SiC epitaxial layer 3 with the gate insulating film 44 interposed therebetween, and the surface of the SiC epitaxial layer 3. Includes a p + -shaped body contact region 46 that penetrates the source region 43 and reaches the body region 42 at the deepest portion.

この半導体装置41のゲート絶縁膜44も、第1実施形態のゲート絶縁膜9と同様に、SiCエピタキシャル層3の表面側から順に積層された下地SiO膜47、AlON膜48および上側SiO膜49を含んでおり、第1実施形態の半導体装置1と同様の作用効果を発現することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
Similar to the gate insulating film 9 of the first embodiment, the gate insulating film 44 of the semiconductor device 41 also has the underlying SiO 2 film 47, the AlON film 48, and the upper SiO 2 film laminated in order from the surface side of the SiC epitaxial layer 3. 49 is included, and the same effects as those of the semiconductor device 1 of the first embodiment can be exhibited.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can also be implemented in other embodiments.

たとえば、半導体装置1,41において、各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。たとえば、半導体装置1において、p型の部分がn型であり、n型の部分がp型であってもよい。
また、前述の実施形態では、本発明の半導体装置の一例としてSiC層を有する半導体装置1を取り上げたが、前述の実施形態に記載の構造は、GaN、ダイヤモンドからなる層を有する半導体装置に適用することもできる。
For example, in the semiconductor devices 1 and 41, a configuration in which the conductive type of each semiconductor portion is inverted may be adopted. For example, in the semiconductor device 1, the p-type portion may be n-type and the n-type portion may be p-type.
Further, in the above-described embodiment, the semiconductor device 1 having a SiC layer is taken up as an example of the semiconductor device of the present invention, but the structure described in the above-described embodiment is applied to a semiconductor device having a layer made of GaN and diamond. You can also do it.

また、前述の実施形態では、トレンチゲート型およびプレーナゲート型のMISFETを本発明の一例として取り上げたが、本発明は、CMOSFET(Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等のMISトランジスタ構造にも適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
<検証例>
以下の検証例を行うことによって、下記(1)〜(6)の効果を確かめた。
(1)ゲートリーク電流の下地SiO膜の厚さへの依存性(シミュレーション)
まず、前述の実施形態における下地SiO膜10の厚さの変化に伴ってゲートリーク電流がどのように変化するかを、シミュレーション装置を用いて検証した。シミュレーション条件は、下地SiO膜10の厚さ=1nm、2nm、3nm、4nm、5nmおよび6nmとした。結果を図3に示す。
Further, in the above-described embodiment, the trench gate type and planar gate type MISFETs are taken up as an example of the present invention, but the present invention is also applied to a MIS transistor structure such as a CMOSFET (Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). be able to.
In addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.
<Verification example>
The effects of (1) to (6) below were confirmed by performing the following verification examples.
(1) Dependence of gate leak current on the thickness of the underlying SiO 2 film (simulation)
First, it was verified using a simulation device how the gate leak current changes with the change in the thickness of the base SiO 2 film 10 in the above-described embodiment. The simulation conditions were such that the thickness of the base SiO 2 film 10 was 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, and 6 nm. The results are shown in FIG.

図3によれば、下地SiO膜10が厚いほどゲートリーク電流が低減できることが分かった。特に、下地SiO膜10の厚さが5nm以上であれば、ゲートリーク電流を効果的に低減できることが分かる。
(2)ゲートリーク電流の下地SiO膜の厚さへの依存性(実験例)
次に、ゲートリーク電流の下地SiO膜の厚さへの依存性を実証するため、具体的な実験を行った。まず、n型の4H−SiC基板の(0001)面を熱酸化(ドライ酸化)することによって、下地SiO膜を形成した。次に、CVD法によってAlON膜を90nm堆積した。その後、熱処理を施さないで、スパッタ法によってアルミニウム膜を堆積し、当該アルミニウム膜をフォトリソグラフィによってパターニングしてアルミニウムパッドを形成した。これにより、図4に示すMIS構造を作製した。なお、実験条件は、下地SiO膜の厚さ=なし(0nm)、6nm未満、6nmおよび13nmとした。また、各実験例のEOT(Equivalent Oxide Thickness:酸化膜の等価換算膜厚)はそれぞれ、上記実験条件の記載順に、143.8nm、57.6nm、58.6nmおよび66.9nmであった。
According to FIG. 3, it was found that the thicker the base SiO 2 film 10 is, the more the gate leak current can be reduced. In particular, it can be seen that the gate leak current can be effectively reduced when the thickness of the underlying SiO 2 film 10 is 5 nm or more.
(2) Dependence of gate leak current on the thickness of the underlying SiO 2 film (experimental example)
Next, a specific experiment was conducted to demonstrate the dependence of the gate leak current on the thickness of the underlying SiO 2 film. First, the base SiO 2 film was formed by thermally oxidizing (dry oxidizing) the (0001) surface of the n-type 4H-SiC substrate. Next, the AlON film was deposited at 90 nm by the CVD method. Then, without performing heat treatment, an aluminum film was deposited by a sputtering method, and the aluminum film was patterned by photolithography to form an aluminum pad. As a result, the MIS structure shown in FIG. 4 was produced. The experimental conditions were that the thickness of the underlying SiO 2 film was none (0 nm), less than 6 nm, 6 nm and 13 nm. The EOT (Equivalent Oxide Thickness) of each experimental example was 143.8 nm, 57.6 nm, 58.6 nm and 66.9 nm, respectively, in the order of description of the above experimental conditions.

次に、図4のMIS構造のJ−E特性を求めた。結果を図5に示す。図5において、「Ref.」で示される曲線は、下地SiO膜およびAlON膜からなるゲート絶縁膜に代えてNOx−SiO膜(48nm)を採用したMIS構造のJ−E曲線である。
図5によれば、各実験例におけるゲートリーク電流の立ち上がり電界は、「なし」=約2MV/cm、「<6nm」=約4MV/cm、「6nm」=約6MV/cmおよび「13nm」=約6MV/cmであった。これらの実験例から、4H−SiC基板に直接AlON膜を形成した場合(「なし」)に比べて、下地SiO膜を基板との間に介在させた方がゲートリーク電流の立ち上がり電界を高くできることがわかった。特に、下地SiO膜が6nm以上であることが好ましいことがわかった。この実験例と前記シミュレーションの結果より、下地SiO膜10の厚さが5nm以上であれば、ゲートの通常駆動時におけるゲートリーク電流を効果的に低減できることが分かった。
(3)フラットバンド電圧VFBのシフトの下地SiO膜の厚さへの依存性
次に、図4のMIS構造について、開始電圧を10Vとし、+10V→−10V→+10Vとスイープ(sweep)させたときのC−V特性を求めた。結果を図6に示す。
Next, the JE characteristics of the MIS structure shown in FIG. 4 were determined. The results are shown in FIG. In FIG. 5, the curve indicated by “Ref.” Is a JE curve having a MIS structure in which a NOx—SiO 2 film (48 nm) is used instead of the gate insulating film composed of the underlying SiO 2 film and the AlON film.
According to FIG. 5, the rising electric fields of the gate leak current in each experimental example are “none” = about 2 MV / cm, “<6 nm” = about 4 MV / cm, “6 nm” = about 6 MV / cm, and “13 nm” = It was about 6 MV / cm. From these experimental examples, the rising electric field of the gate leak current is higher when the underlying SiO 2 film is interposed between the substrate and the 4H-SiC substrate than when the AlON film is directly formed on the substrate (“none”). I found that I could do it. In particular, it was found that the base SiO 2 film is preferably 6 nm or more. From this experimental example and the result of the simulation, it was found that if the thickness of the underlying SiO 2 film 10 is 5 nm or more, the gate leakage current during normal drive of the gate can be effectively reduced.
(3) Dependence of shift of flat band voltage V FB on the thickness of the underlying SiO 2 film Next, for the MIS structure of FIG. 4, the starting voltage is set to 10 V, and the MIS structure is swept from + 10 V to -10 V to + 10 V. The CV characteristics at that time were obtained. The results are shown in FIG.

図6によれば、AlON膜と基板との間に下地SiO膜が介在した構造を有するMIS構造(<6nm、6nmおよび13nm)は、4H−SiC基板に直接AlON膜を形成した場合(「なし」)に比べて、フラットバンド電圧VFBのシフト量を低減できることが分かった。
(4)フラットバンド電圧VFBのシフト量の下地SiO膜の厚さへの依存性
次に、上記(3)に倣って、開始電圧を変更した条件でもC−V特性を求めた。開始電圧の変更条件は、+5Vから+60Vまで5V刻みとした。このときの蓄積電圧(Accumulation Voltage)とフラットバンド電圧(Flatband Voltage)との関係を図7に示す。
According to FIG. 6, in the MIS structure (<6 nm, 6 nm and 13 nm) having a structure in which the underlying SiO 2 film is interposed between the AlON film and the substrate, the case where the AlON film is directly formed on the 4H-SiC substrate (““ 6 nm, 6 nm and 13 nm) It was found that the shift amount of the flat band voltage VFB can be reduced as compared with "none").
(4) Dependence of shift amount of flat band voltage V FB on the thickness of the underlying SiO 2 film Next, according to (3) above, the CV characteristics were obtained even under the condition that the starting voltage was changed. The conditions for changing the starting voltage were from + 5V to + 60V in 5V increments. The relationship between the accumulated voltage (Accumulation Voltage) and the flatband voltage (Flatband Voltage) at this time is shown in FIG.

図7によれば、蓄積電圧が同じであれば、下地SiO膜10が厚いほどフラットバンド電圧VFBのシフト量を低減できることが分かった。たとえば、蓄積電圧が45Vの場合、各MIS構造のシフト量は、「<6nm」=約9V、「6nm」=約5V、「13nm」=約1Vであることが分かった。
(5)フラットバンド電圧VFBのシフトのN組成への依存性
次に、フラットバンド電圧VFBのシフトのN組成への依存性を実証するため、具体的な実験を行った。実験サンプルとして、上記(2)に記載の方法に倣って、図4に示すMIS構造を作製した。ただし、AlON膜の成膜方法が異なる実験サンプルを3パターン作製した。採用した成膜方法は、CVD1法、CVD2法およびPVD法の3つである。得られたCVD1膜、CVD2膜およびPVD膜の組成をそれぞれ図8〜図10に示す。また、CVD1膜およびCVD2膜については、成膜後にPDAを行ったサンプル(CVD1+PDA、CVD2+PDA)も作製した。
According to FIG. 7, it was found that the thicker the base SiO 2 film 10 is, the more the shift amount of the flat band voltage VFB can be reduced if the accumulated voltage is the same. For example, when the accumulated voltage is 45 V, the shift amount of each MIS structure is found to be "<6 nm" = about 9 V, "6 nm" = about 5 V, and "13 nm" = about 1 V.
(5) Dependence of the shift of the flat band voltage V FB on the N composition Next, a concrete experiment was conducted to demonstrate the dependence of the shift of the flat band voltage V FB on the N composition. As an experimental sample, the MIS structure shown in FIG. 4 was prepared according to the method described in (2) above. However, three patterns of experimental samples having different methods for forming the AlON film were prepared. There are three film forming methods adopted: the CVD1 method, the CVD2 method, and the PVD method. The compositions of the obtained CVD1 film, CVD2 film, and PVD film are shown in FIGS. 8 to 10, respectively. Further, for the CVD1 film and the CVD2 film, samples (CVD1 + PDA, CVD2 + PDA) in which PDA was performed after film formation were also prepared.

次に、上記(3)および(4)に記載の測定方法に倣って各サンプルのC−V特性を求めた。そして、得られたC−V特性に基づいて、蓄積電圧(Accumulation Voltage)とフラットバンド電圧(Flatband Voltage)との関係を調べた。結果を図11に示す。
図11によれば、CVD2膜に比べてN組成(濃度)が高いCVD1膜の方が、フラットバンド電圧VFBのシフト量を低減できることが分かった。たとえば、蓄積電圧が55Vの場合、CVD2膜のサンプルのシフト量が約15Vであるのに対し、CVD1膜のサンプルのシフト量は約10Vであった。また、成膜後のPDAの有無に関して、PDAを行った方が行わない場合に比べて、シフト量を低減できることが分かった。
(6)AlON膜によるフラットバンド電圧VFBの抑制効果
次に、上記(5)で得られたPDA膜を用いた場合のフラットバンド電圧VFBのシフト量が、Al膜を用いた場合に比べてどの程度抑制されるかどうかを調べた。結果を図12に示す。
Next, the CV characteristics of each sample were determined according to the measurement methods described in (3) and (4) above. Then, based on the obtained CV characteristics, the relationship between the accumulated voltage (Accumulation Voltage) and the flatband voltage (Flatband Voltage) was investigated. The results are shown in FIG.
According to FIG. 11, it was found that the CVD1 film having a higher N composition (concentration) than the CVD2 film can reduce the shift amount of the flat band voltage VFB. For example, when the storage voltage is 55V, the shift amount of the CVD2 film sample is about 15V, while the shift amount of the CVD1 film sample is about 10V. Further, regarding the presence or absence of PDA after film formation, it was found that the shift amount can be reduced by performing PDA as compared with the case where PDA is not performed.
(6) Effect of suppressing flat band voltage V FB by AlON film Next, the shift amount of flat band voltage V FB when the PDA film obtained in (5) above was used was the Al 2 O 3 film. We investigated how much it was suppressed compared to the case. The results are shown in FIG.

図12によれば、N組成が0%のAl膜を用いた場合にはフラットバンド電圧VFBのシフト量が非常に大きくなることが分かった。この結果、ゲート絶縁膜にAlON膜を含めることによって、フラットバンド電圧VFBのシフトを抑制できることが分かった。したがって、AlON膜を含むゲート絶縁膜を有するMIS構造では、閾値電圧Vthのシフトを抑制することができる。
(7)フラットバンド電圧VFBと窒素組成との関係
次に、フラットバンド電圧VFBのシフトのN組成への依存性(蓄積電圧固定)を実証するため、実験サンプルとして、上記(2)に記載の方法に倣って、図4に示すMIS構造をSi基板上に作製した。実験サンプルは、N組成が異なるものを8種類作製した。そして、各サンプルのフラットバンド電圧VFBのシフトが、蓄積電圧Vaccが25Vおよび30Vのときにどのように変化するかを検証した。結果を図13に示す。なお、得られた検証結果は、Si基板上のデータであり、同様の検証をSiC基板上のMIS構造に行ったときの参考データである。図13から、N組成15%以上の場合にフラットバンド電圧VFBのシフトが少なくなるので、好ましい。また、N組成が大きいと誘電率が低下してしまうので、N組成が35%以下であると好ましい。
According to FIG. 12, it was found that the shift amount of the flat band voltage VFB becomes very large when the Al 2 O 3 film having an N composition of 0% is used. As a result, it was found that the shift of the flat band voltage VFB can be suppressed by including the AlON film in the gate insulating film. Therefore, in the MIS structure having the gate insulating film including the AlON film, the shift of the threshold voltage Vth can be suppressed.
(7) Relationship between flat band voltage V FB and nitrogen composition Next, in order to demonstrate the dependence of the shift of flat band voltage V FB on the N composition (fixed accumulated voltage), the above (2) is used as an experimental sample. The MIS structure shown in FIG. 4 was produced on a Si substrate according to the method described. Eight kinds of experimental samples having different N compositions were prepared. Then, it was verified how the shift of the flat band voltage V FB of each sample changed when the accumulated voltage Vacc was 25 V and 30 V. The results are shown in FIG. The obtained verification result is the data on the Si substrate, and is the reference data when the same verification is performed on the MIS structure on the SiC substrate. From FIG. 13, when the N composition is 15% or more, the shift of the flat band voltage VFB is small, which is preferable. Further, if the N composition is large, the dielectric constant is lowered, so that the N composition is preferably 35% or less.

この明細書および図面から抽出される特徴の例を以下に示す。
項1:半導体層と、前記半導体層に接するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含むMIS構造を有し、前記ゲート絶縁膜は、窒素組成が5%〜40%のAlON層を含む、半導体装置。
SiC−MISFETの課題の一つとして、低チャネル移動度がある。低チャネル移動度は、SiCのMIS界面に高密度に存在する欠陥(界面準位が多いこと)が原因である。すなわち、この欠陥が、正孔または電子を捕獲(トラップ)し、MIS界面にチャネルを形成し難くする。
Examples of features extracted from this specification and drawings are shown below.
Item 1: The gate insulating film has a MIS structure including a semiconductor layer, a gate insulating film in contact with the semiconductor layer, and a gate electrode formed on the gate insulating film, and the gate insulating film has a nitrogen composition of 5% to 40%. A semiconductor device containing a% AlON layer.
One of the problems of SiC-MISFET is low channel mobility. The low channel mobility is due to defects (many interface states) present at high density at the MIS interface of SiC. That is, this defect traps holes or electrons, making it difficult to form channels at the MIS interface.

従来は、比較的薄いSiO膜をゲート絶縁膜として使用し、Si−MISFETに比べて高い電界でゲートを駆動することによって、捕獲された正孔または電子が欠陥から解放され易くしていた。しかしながら、このやり方は、ゲート絶縁膜の劣化を加速させ、デバイスの信頼性の低下を招くおそれがある。
これに対し、ゲート絶縁膜としてAl膜やHfO等の高誘電率膜(Highk膜)を使用すれば、同じゲート容量を維持しながら、SiO膜に比べて膜厚を大きくできるかもしれない。しかし、この場合には、ゲート絶縁膜中に電子が捕獲されてフラットバンド電圧VFBがシフトし、閾値電圧Vthがシフトするという問題が発生する。
Conventionally, a relatively thin SiO 2 film is used as a gate insulating film, and by driving the gate with a higher electric field than that of a Si-MISFET, the captured holes or electrons are easily released from defects. However, this method accelerates the deterioration of the gate insulating film and may lead to a decrease in the reliability of the device.
On the other hand, if a high dielectric constant film (Highk film) such as Al 2 O 3 film or HfO 2 is used as the gate insulating film, the film thickness can be increased as compared with the SiO 2 film while maintaining the same gate capacitance. Maybe. However, in this case, there arises a problem that electrons are captured in the gate insulating film, the flat band voltage V FB shifts, and the threshold voltage V th shifts.

このような課題もあり、ゲート絶縁膜中への電子トラップを低減し、閾値電圧Vthのシフトを抑制することができる半導体装置が求められているという実情が存する。
項1の構成によれば、ゲート絶縁膜が5%〜40%の窒素組成を有するAlON層を含むので、ゲート絶縁膜中への電子トラップを低減することができる。これによりフラットバンド電圧VFBのシフトを抑制することができるので、閾値電圧Vthのシフトを抑制することができる。また、ゲートリーク電流を低減することができる。また、SiOの単層膜を用いる場合に比べて、同じゲート容量を維持しながら厚くすることができるので、高い電圧でゲートを駆動させてもゲート絶縁膜の劣化を抑制することができる。その結果、デバイスの信頼性の低下を抑制することができる。
Due to such problems, there is an actual situation that a semiconductor device capable of reducing electron traps in the gate insulating film and suppressing the shift of the threshold voltage Vth is required.
According to the configuration of Item 1, since the gate insulating film contains an AlON layer having a nitrogen composition of 5% to 40%, electron trapping into the gate insulating film can be reduced. As a result, the shift of the flat band voltage V FB can be suppressed, so that the shift of the threshold voltage V th can be suppressed. Moreover, the gate leak current can be reduced. Further , as compared with the case of using a single layer film of SiO 2, the thickness can be increased while maintaining the same gate capacitance, so that deterioration of the gate insulating film can be suppressed even if the gate is driven with a high voltage. As a result, it is possible to suppress a decrease in the reliability of the device.

項2:前記AlON層は50nm以上の厚さを有する、項1に記載の半導体装置。
項3:前記AlON層はアモルファスまたは微結晶である、項1または2に記載の半導体装置。
この構成により、ゲート絶縁膜中の結晶粒界を減らすことができるので、ゲートリーク電流を低減することができる。
Item 2: The semiconductor device according to Item 1, wherein the AlON layer has a thickness of 50 nm or more.
Item 3: The semiconductor device according to Item 1 or 2, wherein the AlON layer is amorphous or microcrystal.
With this configuration, the grain boundaries in the gate insulating film can be reduced, so that the gate leak current can be reduced.

項4:前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層に接する下地SiO層と、この下地SiO層に積層された前記AlON層とを含む積層構造を有する、項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
ゲート絶縁膜の半導体層に接する部分がSiOであれば、フラットバンド電圧VFBのシフト量を低減することができる。また、MIS構造のトランジスタの特性を従来と同じように制御することができので、トランジスタ特性の設計を簡単にすることができる。なお、下地SiO層は熱酸化膜であることが好ましい。
Item 4: The gate insulating film has a laminated structure including two layers of base SiO in contact with the semiconductor layer and the AlON layer laminated on the two layers of base SiO, according to any one of Items 1 to 3. The semiconductor device described.
If the portion of the gate insulating film in contact with the semiconductor layer is SiO 2 , the shift amount of the flat band voltage VFB can be reduced. Further, since the characteristics of the transistor having the MIS structure can be controlled in the same manner as in the conventional case, the design of the transistor characteristics can be simplified. The base SiO 2 layer is preferably a thermal oxide film.

項5:前記下地SiO層は5nm以上の厚さを有する、項4に記載の半導体装置。
この構成により、ゲートリーク電流の立ち上がり電界を高くすることができるので、ゲートの通常駆動時におけるリーク電流の発生を抑制することができる。
項6:前記積層構造は、前記AlON層に積層された上側SiO層をさらに含む、項4または5に記載の半導体装置。
Item 5: The semiconductor device according to Item 4, wherein the base SiO 2 layer has a thickness of 5 nm or more.
With this configuration, the rising electric field of the gate leak current can be increased, so that the generation of the leak current during normal drive of the gate can be suppressed.
Item 6: The semiconductor device according to Item 4 or 5, wherein the laminated structure further includes two upper SiO layers laminated on the AlON layer.

この構成により、AlON層が上側から覆われるので、たとえばゲート電極形成時に、エッチングや洗浄に用いる薬剤からAlON層を保護することができる。その結果、AlON層がダメージを受けることを抑制することができる。
項7:前記上側SiO層は、前記AlON層との界面部にAlおよび/またはNを含有している、項6に記載の半導体装置。
With this configuration, the AlON layer is covered from above, so that the AlON layer can be protected from chemicals used for etching and cleaning, for example, when forming a gate electrode. As a result, it is possible to prevent the AlON layer from being damaged.
Item 7: The semiconductor device according to Item 6, wherein the upper SiO 2 layer contains Al and / or N at an interface with the AlON layer.

この構成により、ゲート絶縁膜への電子注入を抑制することができる。
項8:前記半導体層はSiC、GaNまたはダイヤモンドからなる、項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
項9:前記ゲート電極は、ポリシリコンもしくは、Mo、W、Cu、Ni、Al、Ti、Ag、AuおよびPtからなる群から選択される少なくとも1種を含有する金属からなる、項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
With this configuration, electron injection into the gate insulating film can be suppressed.
Item 8. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 7, wherein the semiconductor layer is made of SiC, GaN or diamond.
Item 9: The gate electrode is made of polysilicon or a metal containing at least one selected from the group consisting of Mo, W, Cu, Ni, Al, Ti, Ag, Au and Pt, Items 1 to 8. The semiconductor device according to any one of the above.

金属電極(金属ゲート)の場合、たとえばポリシリコン電極(ポリシリコンゲート)に比べて低温で成膜することができるので、当該成膜時の温度環境を低めに抑えることができる。これにより、AlON層が結晶化温度に達し難くなるので、AlON層の結晶化を抑えることができる。その結果、結晶粒界の増加によるゲートリーク電流の増加を抑制することができる。また、ポリシリコンゲートに比べてゲート抵抗を低減することができるので、より高速なスイッチング動作を実現でき、スイッチング損失を低減することができる。 In the case of a metal electrode (metal gate), for example, the film can be formed at a lower temperature than that of a polysilicon electrode (polysilicon gate), so that the temperature environment at the time of the film formation can be suppressed to a low level. This makes it difficult for the AlON layer to reach the crystallization temperature, so that crystallization of the AlON layer can be suppressed. As a result, it is possible to suppress an increase in the gate leak current due to an increase in grain boundaries. Further, since the gate resistance can be reduced as compared with the polysilicon gate, a faster switching operation can be realized and the switching loss can be reduced.

項10:前記MIS構造は、トレンチゲート型の構造を含む、項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。
項11:前記MIS構造は、プレーナゲート構造を含む、項1〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。
項12:SiCからなる半導体層と、前記半導体層に積層された下地SiO層、5%以上40%以下の窒素組成を有し、前記下地SiO層に積層されたアモルファスまたは微結晶であるAlON層、および、前記AlON層に積層され、前記AlON層との界面部にAlおよび/またはNを含有し、外部からの電子注入を抑制する上側SiO層を含む積層構造を有するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、を含む、半導体装置。
Item 10. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 9, wherein the MIS structure includes a trench gate type structure.
Item 11. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 10, wherein the MIS structure includes a planar gate structure.
Item 12: An amorphous or microcrystal having a semiconductor layer made of SiC, two underlying SiO layers laminated on the semiconductor layer, and a nitrogen composition of 5% or more and 40% or less, and laminated on the underlying SiO 2 layers. A gate insulating film having a laminated structure including an AlON layer and an upper SiO 2 layer laminated on the AlON layer, containing Al and / or N at an interface with the AlON layer, and suppressing electron injection from the outside. A semiconductor device including a gate electrode formed on the gate insulating film.

項12の構成によれば、ゲート絶縁膜が5%以上40%以下の窒素組成を有するAlON層を含むので、ゲート絶縁膜中への電子トラップを低減することができる。これによりフラットバンド電圧VFBのシフトを抑制することができるので、閾値電圧Vthのシフトを抑制することができる。また、ゲートリーク電流を低減することができる。また、SiOの単層膜を用いる場合に比べて、同じゲート容量を維持しながら厚くすることができるので、高い電圧でゲートを駆動させてもゲート絶縁膜の劣化を抑制することができる。その結果、デバイスの信頼性の低下を抑制することができる。 According to the configuration of Item 12, since the gate insulating film contains an AlON layer having a nitrogen composition of 5% or more and 40% or less, electron traps in the gate insulating film can be reduced. As a result, the shift of the flat band voltage V FB can be suppressed, so that the shift of the threshold voltage V th can be suppressed. Moreover, the gate leak current can be reduced. Further , as compared with the case of using a single layer film of SiO 2, the thickness can be increased while maintaining the same gate capacitance, so that deterioration of the gate insulating film can be suppressed even if the gate is driven with a high voltage. As a result, it is possible to suppress a decrease in the reliability of the device.

また、AlON層はアモルファスまたは微結晶である。この構成により、ゲート絶縁膜中の結晶粒界を減らすことができるので、ゲートリーク電流を低減することができる。
また、ゲート絶縁膜は、半導体層に接する下地SiO層と、この下地SiO層に積層されたAlON層と、このAlON層に積層された上側SiO層とを含む積層構造を有している。ゲート絶縁膜の半導体層に接する部分がSiOであれば、フラットバンド電圧VFBのシフト量を低減することができる。また、トランジスタの特性を従来と同じように制御することができので、トランジスタ特性の設計を簡単にすることができる。
The AlON layer is amorphous or microcrystal. With this configuration, the grain boundaries in the gate insulating film can be reduced, so that the gate leak current can be reduced.
Further, the gate insulating film has a laminated structure including a base SiO 2 layer in contact with the semiconductor layer, an AlON layer laminated on the base SiO 2 layer, and an upper SiO 2 layer laminated on the AlON layer. There is. If the portion of the gate insulating film in contact with the semiconductor layer is SiO 2 , the shift amount of the flat band voltage VFB can be reduced. Moreover, since the characteristics of the transistor can be controlled in the same manner as in the conventional case, the design of the transistor characteristics can be simplified.

また、上側SiO層により、AlON層が上側から覆われるので、たとえばゲート電極形成時に、エッチングや洗浄に用いる薬剤からAlON層を保護することができる。その結果、AlON層がダメージを受けることを抑制することができる。前記下地SiO層は熱酸化膜であることが好ましい。
また、上側SiO層は、AlON層との界面部にAlおよび/またはNを含有している。これにより、ゲート絶縁膜への電子注入を抑制することができる。その結果、電子トラップの低減効果およびゲートリーク電流の低減効果を高めることができる。
Further, since the AlON layer is covered from the upper side by the upper SiO 2 layer, the AlON layer can be protected from chemicals used for etching or cleaning, for example, when forming a gate electrode. As a result, it is possible to prevent the AlON layer from being damaged. The base SiO 2 layer is preferably a thermal oxide film.
Further, the upper SiO 2 layer contains Al and / or N at the interface with the AlON layer. As a result, electron injection into the gate insulating film can be suppressed. As a result, the effect of reducing the electron trap and the effect of reducing the gate leak current can be enhanced.

項13:前記AlON層は50nm以上の厚さを有する、項12に記載の半導体装置。
項14:前記下地SiO層は5nm以上の厚さを有する、項12または13に記載の半導体装置。この構成により、ゲートリーク電流の立ち上がり電界を高くすることができるので、ゲートの通常駆動時におけるリーク電流の発生を抑制することができる。
項15:前記ゲート絶縁膜は、55nmを超えて150nm以下の厚さを有する、項12〜14のいずれか一項に記載の半導体装置。
Item 13: The semiconductor device according to Item 12, wherein the AlON layer has a thickness of 50 nm or more.
Item 14: The semiconductor device according to Item 12 or 13, wherein the base SiO 2 layer has a thickness of 5 nm or more. With this configuration, the rising electric field of the gate leak current can be increased, so that the generation of the leak current during normal drive of the gate can be suppressed.
Item 15. The semiconductor device according to any one of Items 12 to 14, wherein the gate insulating film has a thickness of more than 55 nm and 150 nm or less.

項16:前記ゲート電極は、金属製である、項12〜15のいずれか一項に記載の半導体装置。
この場合、AlON層がアモルファスまたは微結晶であるに加えて、ゲート電極が金属製である。したがって、たとえばポリシリコン電極(ポリシリコンゲート)に比べて低温で成膜することができるので、当該成膜時の温度環境を低めに抑えることができる。これにより、AlON層が結晶化温度に達し難くなるので、AlON層の結晶化を抑えることができる。その結果、結晶粒界の増加によるゲートリーク電流の増加を抑制することができる。また、ポリシリコンゲートに比べてゲート抵抗を低減することができるので、より高速なスイッチング動作を実現でき、スイッチング損失を低減することができる。
Item 16: The semiconductor device according to any one of Items 12 to 15, wherein the gate electrode is made of metal.
In this case, in addition to the AlON layer being amorphous or microcrystal, the gate electrode is made of metal. Therefore, since the film can be formed at a lower temperature than, for example, a polysilicon electrode (polysilicon gate), the temperature environment at the time of the film formation can be suppressed to a low level. This makes it difficult for the AlON layer to reach the crystallization temperature, so that crystallization of the AlON layer can be suppressed. As a result, it is possible to suppress an increase in the gate leak current due to an increase in grain boundaries. Further, since the gate resistance can be reduced as compared with the polysilicon gate, a faster switching operation can be realized and the switching loss can be reduced.

項17:前記ゲート電極は、Mo、W、Cu、Ni、Al、Ti、Ag、AuまたはPtのうちの少なくとも1種を含む、項12〜16のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記ゲート電極は、ポリシリコン製である、項12〜15のいずれか一項に記載の半導体装置。
金属電極(金属ゲート)の場合、たとえばポリシリコン電極(ポリシリコンゲート)に比べて低温で成膜することができるので、当該成膜時の温度環境を低めに抑えることができる。これにより、AlON層が結晶化温度に達し難くなるので、AlON層の結晶化を抑えることができる。その結果、結晶粒界の増加によるゲートリーク電流の増加を抑制することができる。また、ポリシリコンゲートに比べてゲート抵抗を低減することができるので、より高速なスイッチング動作を実現でき、スイッチング損失を低減することができる。
Item 17: The semiconductor device according to any one of Items 12 to 16, wherein the gate electrode contains at least one of Mo, W, Cu, Ni, Al, Ti, Ag, Au and Pt.
Item 2. The semiconductor device according to any one of Items 12 to 15, wherein the gate electrode is made of polysilicon.
In the case of a metal electrode (metal gate), for example, the film can be formed at a lower temperature than the polysilicon electrode (polysilicon gate), so that the temperature environment at the time of the film formation can be suppressed to a low level. This makes it difficult for the AlON layer to reach the crystallization temperature, so that crystallization of the AlON layer can be suppressed. As a result, it is possible to suppress an increase in the gate leak current due to an increase in grain boundaries. Further, since the gate resistance can be reduced as compared with the polysilicon gate, a faster switching operation can be realized and the switching loss can be reduced.

項18:前記半導体層には、ゲートトレンチが形成されている、項12〜17のいずれか一項に記載の半導体装置。
項19:前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層の表面および前記ゲートトレンチの側面を接続する前記ゲートトレンチの開口端側エッジ部を覆うように、前記ゲートトレンチの内面に加えて、前記半導体層の表面に沿って形成されている、項18に記載の半導体装置。
Item 18: The semiconductor device according to any one of Items 12 to 17, wherein a gate trench is formed in the semiconductor layer.
Item 19: The gate insulating film of the semiconductor layer is added to the inner surface of the gate trench so as to cover the surface of the semiconductor layer and the edge portion on the open end side of the gate trench connecting the side surfaces of the gate trench. Item 2. The semiconductor device according to Item 18, which is formed along the surface.

項20:前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲートトレンチに埋め込まれている、項18または19に記載の半導体装置。
項21:前記半導体層において、前記ゲートトレンチの側面に沿うように前記半導体層の表面から深さ方向にこの順に形成された第1導電型のソース領域、第2導電型のボディ領域、および、第1導電型のドレイン領域をさらに含む、項18〜20のいずれか一項に記載の半導体装置。
Item 20: The semiconductor device according to Item 18 or 19, wherein the gate electrode is embedded in the gate trench via the gate insulating film.
Item 21: In the semiconductor layer, a first conductive type source region, a second conductive type body region, and a second conductive type body region formed in this order from the surface of the semiconductor layer along the side surface of the gate trench in this order. Item 6. The semiconductor device according to any one of Items 18 to 20, further comprising a first conductive type drain region.

項22:前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜を挟んで、前記ソース領域、前記ボディ領域および前記ドレイン領域と対向している、項21に記載の半導体装置。
項23:前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層の表面の上に積層されており、前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜の上に積層されている、項12〜17のいずれか一項に記載の半導体装置。
Item 22: The semiconductor device according to Item 21, wherein the gate electrode faces the source region, the body region, and the drain region with the gate insulating film interposed therebetween.
Item 23: The item according to any one of Items 12 to 17, wherein the gate insulating film is laminated on the surface of the semiconductor layer, and the gate electrode is laminated on the gate insulating film. Semiconductor device.

1 半導体装置
2 SiC基板
3 SiCエピタキシャル層
4 ゲートトレンチ
9 ゲート絶縁膜
10 下地SiO
11 AlON膜
12 上側SiO
13 ゲート電極
41 半導体装置
44 ゲート絶縁膜
45 ゲート電極
47 下地SiO
48 AlON膜
49 上側SiO
1 Semiconductor device 2 SiC substrate 3 SiC epitaxial layer 4 gate trench 9 gate insulating film 10 base SiO 2 film 11 AlON film 12 upper SiO 2 film 13 gate electrode 41 semiconductor device 44 gate insulating film 45 gate electrode 47 base SiO 2 film 48 AlON Film 49 Upper SiO 2 film

Claims (23)

SiCからなり、側面および底面を有するゲートトレンチが表面から形成された半導体層と、
前記半導体層側からこの順に積層された第1絶縁層および前記第1絶縁層と組成の異なる第2絶縁層を含む積層構造を有し、前記ゲートトレンチの側面および底面、ならびに、前記半導体層の表面に沿って形成されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記ゲートトレンチ内に埋め込まれていて前記ゲートトレンチの開口縁部の上方へ膨出せず、前記ゲートトレンチの面を形成するソース領域、ボディ領域およびドレイン領域に対して、前記ゲート絶縁層を挟んでその側面および底面が対向するゲート電極と、
前記ゲート電極の上面および前記ゲートトレンチの開口縁部の前記半導体層の表面を被覆する前記ゲート絶縁層の上方を覆い、前記第1絶縁層および第2絶縁層の端面と面一になるように端面が形成された層間絶縁膜とを含み、
前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および前記半導体層の表面を接続する前記ゲートトレンチの開口端側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの内方に向かう凸湾曲状に形成されており、
前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および底面を接続する前記ゲートトレンチの底面側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの外方に向かう凸湾曲状に形成され
前記ゲート電極は、少なくとも前記第2絶縁層と接する部分にMo、Cu、Au、Ni、PtまたはTiNからなる部分を含む、半導体装置。
A semiconductor layer made of SiC and having side and bottom gate trenches formed from the surface,
It has a laminated structure including a first insulating layer laminated in this order from the semiconductor layer side and a second insulating layer having a composition different from that of the first insulating layer, and has a side surface and a bottom surface of the gate trench and the semiconductor layer. A gate insulating layer formed along the surface and
Without bulging upward of the opening edge portion of the gate trench be embedded through the gate insulating layer in the gate trench, a source region forming the outer surface of the gate trench, with respect to the body region and the drain region , The gate electrodes whose side surfaces and bottom surfaces face each other across the gate insulating layer,
It covers the upper surface of the gate electrode and the upper surface of the gate insulating layer covering the surface of the semiconductor layer at the opening edge of the gate trench so as to be flush with the end faces of the first insulating layer and the second insulating layer. Including an interlayer insulating film on which an end face is formed,
The portion of the second insulating layer of the gate insulating layer that covers the side surface of the gate trench and the edge portion on the open end side of the gate trench connecting the surface of the semiconductor layer is a convex curve toward the inside of the gate trench. It is formed in a shape
The portion of the second insulating layer of the gate insulating layer that covers the side surface and the bottom surface of the gate trench and covers the bottom surface side edge portion of the gate trench is formed in a convex curved shape toward the outside of the gate trench .
A semiconductor device in which the gate electrode includes a portion made of Mo, Cu, Au, Ni, Pt or TiN at least in a portion in contact with the second insulating layer .
GaNからなり、側面および底面を有するゲートトレンチが表面から形成された半導体層と、
前記半導体層側からこの順に積層された第1絶縁層および前記第1絶縁層と組成の異なる第2絶縁層を含む積層構造を有し、前記ゲートトレンチの側面および底面、ならびに、前記半導体層の表面に沿って形成されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層を介して前記ゲートトレンチ内に埋め込まれていて前記ゲートトレンチの開口縁部の上方へ膨出せず、前記ゲートトレンチの面を形成するソース領域、ボディ領域およびドレイン領域に対して、前記ゲート絶縁層を挟んでその側面および底面が対向するゲート電極と、
前記ゲート電極の上面および前記ゲートトレンチの開口縁部の前記半導体層の表面を被覆する前記ゲート絶縁層の上方を覆い、前記第1絶縁層および第2絶縁層の端面と面一になるように端面が形成された層間絶縁膜とを含み、
前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および前記半導体層の表面を接続する前記ゲートトレンチの開口端側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの内方に向かう凸湾曲状に形成されており、
前記ゲート絶縁層の前記第2絶縁層において前記ゲートトレンチの側面および底面を接続する前記ゲートトレンチの底面側エッジ部を被覆する部分は、前記ゲートトレンチの外方に向かう凸湾曲状に形成され
前記ゲート電極は、少なくとも前記第2絶縁層と接する部分にMo、Cu、Au、Ni、PtまたはTiNからなる部分を含む、半導体装置。
A semiconductor layer made of GaN with side and bottom gate trenches formed from the surface,
It has a laminated structure including a first insulating layer laminated in this order from the semiconductor layer side and a second insulating layer having a composition different from that of the first insulating layer, and has a side surface and a bottom surface of the gate trench and the semiconductor layer. A gate insulating layer formed along the surface and
Without bulging upward of the opening edge portion of the gate trench be embedded through the gate insulating layer in the gate trench, a source region forming the outer surface of the gate trench, with respect to the body region and the drain region , The gate electrodes whose side surfaces and bottom surfaces face each other across the gate insulating layer,
It covers the upper surface of the gate electrode and the upper surface of the gate insulating layer covering the surface of the semiconductor layer at the opening edge of the gate trench so as to be flush with the end faces of the first insulating layer and the second insulating layer. Including an interlayer insulating film on which an end face is formed,
The portion of the second insulating layer of the gate insulating layer that covers the side surface of the gate trench and the edge portion on the open end side of the gate trench connecting the surface of the semiconductor layer is a convex curve toward the inside of the gate trench. It is formed in a shape
The portion of the second insulating layer of the gate insulating layer that covers the side surface and the bottom surface of the gate trench and covers the bottom surface side edge portion of the gate trench is formed in a convex curved shape toward the outside of the gate trench .
A semiconductor device in which the gate electrode includes a portion made of Mo, Cu, Au, Ni, Pt or TiN at least in a portion in contact with the second insulating layer .
前記ゲート絶縁層は、前記半導体層側からこの順に積層された前記第1絶縁層および前記第1絶縁層と組成の異なる前記第2絶縁層に加え、さらに前記第1絶縁層と同じ組成の第3絶縁層を含む積層構造を有し、
前記層間絶縁膜は、前記第1絶縁層、第2絶縁層および第3絶縁層の端面と面一になるように端面が形成されている、請求項1または2に記載の半導体装置。
The gate insulating layer includes the first insulating layer laminated in this order from the semiconductor layer side, the second insulating layer having a composition different from that of the first insulating layer, and a second insulating layer having the same composition as the first insulating layer. It has a laminated structure including three insulating layers, and has a laminated structure.
The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the interlayer insulating film has an end face formed so as to be flush with the end faces of the first insulating layer, the second insulating layer, and the third insulating layer.
前記第2絶縁層は、50nm以上の厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the second insulating layer has a thickness of 50 nm or more. 前記第1絶縁層は、5nm以上の厚さを有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the first insulating layer has a thickness of 5 nm or more. 前記ゲート絶縁は、55nmを超えて150nm以下の厚さを有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the gate insulating layer has a thickness of more than 55 nm and 150 nm or less. 前記ボディ領域は、前記半導体層の表層部において前記ゲートトレンチの側壁に沿う領域に形成された第1導電型の領である、請求項1または2に記載の半導体装置。 Said body region, said the surface layer portion of the semiconductor layer is a first conductivity type realm of which is formed in a region along the sidewall of the gate trench, the semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記ソース領域は、前記ボディ領域の前記表面側に形成され前記ゲートトレンチの側壁に沿う領域に形成された第2導電型の領である、請求項7に記載の半導体装置。 The source region is a second conductivity type realm of which is formed in a region along the sidewall of the gate trench is formed on the surface side of the body region, the semiconductor device according to claim 7. 前記半導体層には、前記ゲートトレンチから間隔を空けて前記ソース領域を貫通するソーストレンチが前記表面側から形成されている、請求項8に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8, wherein in the semiconductor layer, a source trench penetrating the source region at a distance from the gate trench is formed from the surface side. 前記ボディ領域は、前記半導体層の表層部において前記ゲートトレンチおよび前記ソーストレンチの間の領域に形成されており、
前記ソース領域は、前記表面側において前記ゲートトレンチおよび前記ソーストレンチの間の領域に形成されている、請求項9に記載の半導体装置。
The body region is formed in a region between the gate trench and the source trench in the surface layer portion of the semiconductor layer.
The semiconductor device according to claim 9, wherein the source region is formed in a region between the gate trench and the source trench on the surface side.
前記ソーストレンチの幅は、前記ゲートトレンチの幅よりも大きい、請求項9または10に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9 or 10, wherein the width of the source trench is larger than the width of the gate trench. 前記ボディ領域の前記表面側と反対側の領域において、前記ソーストレンチの内壁に沿う領域に形成された第1導電型の不純物領域をさらに含む、請求項9〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。 9. Semiconductor device. 前記不純物領域は、前記半導体層における前記ソーストレンチの側壁に沿う領域において前記ボディ領域の下方に連なっている、請求項12に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12, wherein the impurity region is continuous below the body region in a region along the side wall of the source trench in the semiconductor layer. 前記不純物領域内において前記ソーストレンチの内壁に沿う領域に形成され、前記不純物領域の第1導電型不純物濃度よりも高い第1導電型不純物濃度を有する第1導電型のコンタクト領域をさらに含む、請求項12または13に記載の半導体装置。 A claim that further includes a first conductive contact region formed in the impurity region along the inner wall of the source trench and having a first conductive impurity concentration higher than the first conductive impurity concentration of the impurity region. Item 12. The semiconductor device according to Item 12. 前記半導体層の表層部において前記ゲートトレンチの側壁から間隔を空けて前記ボディ領域の下方の領域に形成された第1導電型の不純物領域をさらに含む、請求項7または8に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7 or 8, further comprising a first conductive type impurity region formed in a region below the body region at a distance from the side wall of the gate trench in the surface layer portion of the semiconductor layer. 前記不純物領域は、前記半導体層において前記ゲートトレンチの底面よりも下方の領域に形成された部分を含む、請求項12〜15のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 12 to 15, wherein the impurity region includes a portion of the semiconductor layer formed in a region below the bottom surface of the gate trench. 前記第1絶縁層は、酸化物を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 16, wherein the first insulating layer contains an oxide. 前記第2絶縁層は、アモルファスまたは微結晶を含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 17, wherein the second insulating layer contains amorphous or microcrystals. 前記第2絶縁層は、酸化物、窒化物、または、酸窒化物を含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 18, wherein the second insulating layer contains an oxide, a nitride, or an oxynitride. 前記ゲートトレンチは、格子状またはストライプ状に形成されている、請求項1〜19のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 19, wherein the gate trench is formed in a grid pattern or a striped pattern. 前記ゲート電極は、金属を含む、請求項1〜20のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 20, wherein the gate electrode contains a metal. 前記第2絶縁層は、Hfを含有するHigh−k層を含む、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating layer includes a High-k layer containing Hf. 前記ゲート電極は、少なくとも前記High−k層と接する部分を含む、請求項22に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 22, wherein the gate electrode includes at least a portion in contact with the High-k layer.
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