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JP7634726B2 - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Description

本開示は、高耐圧MOSFETを有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a semiconductor device having a high-voltage MOSFET and a manufacturing method thereof.

電力制御用の半導体装置として、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)または絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)など、MOS構造のゲート電極を有する半導体装置(以下、「半導体スイッチング素子」ともいう)が広く使用されている。Semiconductor devices having a gate electrode of a MOS structure (hereinafter also referred to as "semiconductor switching elements"), such as a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT), are widely used as semiconductor devices for power control.

インバータ等のパワーエレクトロニクス機器の省エネを実現するためには、MOSFETのような半導体スイッチング素子の損失を低減させる必要がある。半導体スイッチング素子の損失は、素子の導通損、および素子のスイッチング損失によって決定されるため、これらを低減させるために炭化珪素(SiC)または窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体材料を用いた半導体スイッチング素子の開発が進められている。 To achieve energy savings in power electronics devices such as inverters, it is necessary to reduce losses in semiconductor switching elements such as MOSFETs. Losses in semiconductor switching elements are determined by the conduction loss and switching loss of the element, so in order to reduce these losses, development of semiconductor switching elements using wide bandgap semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) is underway.

一方、大電力を制御するためには、半導体スイッチング素子の信頼性の向上と安定化が求められる。特にSiC-MOSFETは、Si-MOSFETに比べて絶縁破壊耐量が大きいためドリフト濃度を高濃度に設定することができるが、MOSFETのオフ動作時にドレインに高電圧が印加されたときにゲート絶縁膜に大きな電界がかかる。ゲート絶縁膜に大きな電圧がかかると、ゲート絶縁膜の劣化および破壊、すなわち半導体スイッチング素子の耐圧低下の原因となる。ここで、SiC-MOSFETとはSiCを使用したMOSFETのことをいい、Si-MOSFETとはSiを使用したMOSFETのことをいう。 On the other hand, in order to control high power, it is necessary to improve the reliability and stabilization of semiconductor switching elements. In particular, SiC-MOSFETs have a higher dielectric breakdown resistance than Si-MOSFETs, so the drift concentration can be set to a high concentration, but when a high voltage is applied to the drain during MOSFET off operation, a large electric field is applied to the gate insulating film. When a large voltage is applied to the gate insulating film, it can deteriorate and break down the gate insulating film, which in turn can cause a decrease in the breakdown voltage of the semiconductor switching element. Here, SiC-MOSFET refers to a MOSFET that uses SiC, and Si-MOSFET refers to a MOSFET that uses Si.

従来の半導体装置として、例えば、下記の特許文献1~4が開示されている。 For example, the following Patent Documents 1 to 4 are disclosed as conventional semiconductor devices.

特許文献1では、ゲート絶縁膜に接するn型エピタキシャル層に形成されたJFET(Junction Field-Effect Transistor)領域にp型電界緩和領域を設けることにより、SiC-MOSFETのオフ動作時にゲート絶縁膜にかかる電界強度を緩和する構造が提案されている。Patent document 1 proposes a structure that reduces the electric field strength applied to the gate insulating film when the SiC-MOSFET is in off-state by providing a p-type electric field reduction region in a JFET (junction field-effect transistor) region formed in an n-type epitaxial layer in contact with the gate insulating film.

特許文献2では、MOSFETのオフ動作時のゲート酸化膜の信頼性向上を目的としており、JFET部上のゲート絶縁膜に負の固定電荷を設定し、JFET部上のゲート絶縁膜にかかる電界強度を緩和する構造が提案されている。 Patent document 2 aims to improve the reliability of the gate oxide film when the MOSFET is in off-state, and proposes a structure in which a negative fixed charge is set in the gate insulating film above the JFET portion, thereby reducing the electric field strength applied to the gate insulating film above the JFET portion.

半導体装置のスイッチング特性を向上させるためには、静電容量を低減することが有効である。特許文献3では、ドレイン電流の低減を抑制し、かつスイッチング特性を向上させるためにJFET領域上のゲート絶縁膜を厚くする構造が提案されている。In order to improve the switching characteristics of a semiconductor device, it is effective to reduce the electrostatic capacitance. Patent Document 3 proposes a structure in which the gate insulating film on the JFET region is thickened in order to suppress the reduction in the drain current and improve the switching characteristics.

SiC―MOS構造では、ゲート絶縁膜と半導体層との界面に高密度の界面準位密度があり、チャネル移動度は著しく低い。従って、SiC―MOS構造では、チャネル抵抗が増大し、それに伴いオン抵抗も大きくなる。特許文献4では、ゲート絶縁膜とドリフト層と界面に適度の窒素を導入するプロセス技術を適用することについて開示されている。In a SiC-MOS structure, there is a high interface state density at the interface between the gate insulating film and the semiconductor layer, and the channel mobility is extremely low. Therefore, in a SiC-MOS structure, the channel resistance increases, and the on-resistance also increases accordingly. Patent Document 4 discloses the application of a process technology that introduces an appropriate amount of nitrogen into the interface between the gate insulating film and the drift layer.

特許第5895750号公報Patent No. 5895750 特許第5995701号公報Patent No. 5995701 特開2014-60272号公報JP 2014-60272 A 特開2011-82454号公報JP 2011-82454 A

特許文献1の構造では、MOSFETのオン動作のときに、ドレイン-ソース間の電流が電界緩和領域から広がった空乏層によって妨げられてしまい、ウェル領域の抵抗値(いわゆるJFET抵抗値)が大きくなる。特にSiC-MOSFETでは、ドリフト領域であるエピタキシャル層の膜厚を薄くし、エピタキシャル層におけるキャリア密度を濃く形成することが可能であるため、ドリフト抵抗は小さく、MOSFET全体のオン抵抗の大部分をJFET抵抗およびチャネル抵抗が占めることになる。特許文献1では、電界緩和層の膜厚を薄く設定して抵抗抑制を試みているものの、十分な低抵抗値ではない。従って、特許文献1で開示されているSiC-MOSFETでは、ゲート絶縁膜の信頼性は向上するが、オン抵抗の低減が課題であった。In the structure of Patent Document 1, when the MOSFET is turned on, the current between the drain and source is impeded by the depletion layer that spreads from the electric field relaxation region, and the resistance value of the well region (so-called JFET resistance value) becomes large. In particular, in a SiC-MOSFET, the film thickness of the epitaxial layer, which is the drift region, can be made thin and the carrier density in the epitaxial layer can be made high, so the drift resistance is small and the JFET resistance and channel resistance account for a large part of the on-resistance of the entire MOSFET. Patent Document 1 attempts to suppress the resistance by setting the film thickness of the electric field relaxation layer thin, but the resistance value is not sufficiently low. Therefore, in the SiC-MOSFET disclosed in Patent Document 1, the reliability of the gate insulating film is improved, but reducing the on-resistance was an issue.

MOSFETがオフ動作のときにゲート電圧として負バイアスが印加されると、JFET部からゲート絶縁膜へ正孔が注入される。この正孔注入によってゲート絶縁膜がダメージを受ける場合がある。特許文献2では、ゲート絶縁膜に負の固定電荷を設定することが開示されているが、負の固定電荷によってJFET部からゲート絶縁膜への正孔の注入量が増大し、ゲート絶縁膜がダメージを受ける場合があった。When a negative bias is applied as a gate voltage while the MOSFET is in the off state, holes are injected from the JFET section into the gate insulating film. This hole injection may damage the gate insulating film. Patent Document 2 discloses setting a negative fixed charge in the gate insulating film, but the negative fixed charge increases the amount of holes injected from the JFET section into the gate insulating film, which may damage the gate insulating film.

特許文献3では、ウェル上のゲート絶縁膜の厚みを大きくするとチャネルを流れるドレイン電流が低減するため、JFET領域上のゲート絶縁膜のみを厚くしている。特許文献3では、容量低減のためにJFET領域上のゲート絶縁膜を厚くしており、固定電荷について言及していない。ゲート絶縁膜の信頼性の観点から、ゲート絶縁膜を厚くすることによる電界緩和は有効であるが、正孔注入を抑制するためには、電界緩和に加えて正の固定電荷をゲート絶縁膜に設定することが有効である。In Patent Document 3, since increasing the thickness of the gate insulating film on the well reduces the drain current flowing through the channel, only the gate insulating film on the JFET region is made thicker. In Patent Document 3, the gate insulating film on the JFET region is made thicker to reduce capacitance, and there is no mention of fixed charge. From the viewpoint of gate insulating film reliability, electric field relaxation by thickening the gate insulating film is effective, but in order to suppress hole injection, it is effective to set a positive fixed charge in the gate insulating film in addition to electric field relaxation.

特許文献4では、SiC―MOSFETのウェル上のゲート絶縁膜とドリフト層との界面に適度の窒素を導入しているが、窒素濃度が高濃度になるに従って正の固定電荷量も増大するため、窒素濃度を高濃度に設定した場合には極端にしきい値電圧が低下するという問題がある。従って、SiC―MOSFETのウェル上のゲート絶縁膜とドリフト層との界面に導入する窒素濃度には上限がある。また、引用文献4では、MOSFETまたはJFET部におけるゲート絶縁膜の信頼性について言及していない。In Patent Document 4, an appropriate amount of nitrogen is introduced into the interface between the gate insulating film on the well of a SiC-MOSFET and the drift layer, but as the nitrogen concentration increases, the amount of positive fixed charge also increases, so there is a problem that the threshold voltage drops drastically when the nitrogen concentration is set to a high concentration. Therefore, there is an upper limit to the nitrogen concentration that can be introduced into the interface between the gate insulating film on the well of a SiC-MOSFET and the drift layer. In addition, Patent Document 4 does not mention the reliability of the gate insulating film in the MOSFET or JFET section.

上記より、従来の半導体装置では、オン動作時の低抵抗化と、オフ動作時のゲート絶縁膜の耐圧低下の抑制とを両立することができず、信頼性を向上させるためには改善の余地があった。 As a result of the above, conventional semiconductor devices were unable to achieve both low resistance during on-state operation and suppression of a decrease in the breakdown voltage of the gate insulating film during off-state operation, leaving room for improvement in order to improve reliability.

本開示は、このような問題を解決するためになされたものであり、信頼性を向上させることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。The present disclosure has been made to solve such problems, and aims to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can improve reliability.

上記の課題を解決するために、本開示による半導体装置は、第1導電型の炭化珪素基板と、炭化珪素基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、ドリフト層の表層に選択的に形成された第2導電型の複数のウェル領域と、各ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、ドリフト層の表層であって平面視において隣り合う各ウェル領域間に形成され、ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する低抵抗領域と、ソース領域上、各ウェル領域上、および低抵抗領域上に亘って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備え、ゲート絶縁膜は、各ウェル領域に接する第1領域と、低抵抗領域に接する第2領域とを含み、第2領域における正の固定電荷の密度は、第1領域における正の固定電荷の密度よりも高く、ゲート絶縁膜の第2領域は、ゲート絶縁膜の第1領域とは異なる元素を含み、ゲート絶縁膜の第2領域における元素の濃度ピークは、第2領域と低抵抗領域との界面、または当該界面から10nm以内の第2領域にある

In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present disclosure includes a silicon carbide substrate of a first conductivity type, a drift layer of the first conductivity type formed on the silicon carbide substrate, a plurality of well regions of a second conductivity type selectively formed in a surface layer of the drift layer, a source region of the first conductivity type selectively formed in a surface layer of each well region, a low-resistance region formed in the surface layer of the drift layer between adjacent well regions in a planar view and having an impurity concentration higher than an impurity concentration of the drift layer, a gate insulating film formed across the source region, each well region, and the low-resistance region, and a gate electrode formed on the gate insulating film, the gate insulating film includes a first region in contact with each well region and a second region in contact with the low-resistance region, a density of positive fixed charges in the second region is higher than a density of positive fixed charges in the first region, the second region of the gate insulating film contains an element different from that in the first region of the gate insulating film, and a concentration peak of the element in the second region of the gate insulating film is at an interface between the second region and the low-resistance region, or in a second region within 10 nm from the interface .

本開示によれば、オン動作時の低抵抗化と、オフ動作時のゲート絶縁膜の耐圧低下の抑制とを両立して半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to improve the reliability of a semiconductor device by achieving both low resistance during on-state operation and suppression of a decrease in the breakdown voltage of the gate insulating film during off-state operation.

本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objectives, features, aspects, and advantages of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and accompanying drawings.

実施の形態1による半導体装置の構成の一例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。3A to 3C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。3A to 3C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。3A to 3C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態2による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。11A to 11C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。11A to 11C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。11A to 11C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。11A to 11C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。11A to 11C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。11A to 11C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2によるゲート酸化膜の固定電荷とJFET領域上のゲート酸化膜通過電界との関係を示すデバイスシミュレーションの結果を示す図である。13 is a diagram showing the results of a device simulation showing the relationship between the fixed charge in the gate oxide film and the electric field passing through the gate oxide film on the JFET region according to the second embodiment. FIG. 実施の形態2によるゲート酸化膜の固定電荷とJFET領域上のゲート酸化膜通過電流との関係を示すデバイスシミュレーションの結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the result of a device simulation showing the relationship between the fixed charge of the gate oxide film and the current passing through the gate oxide film on the JFET region according to the second embodiment. 実施の形態3による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態3による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態4による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態4による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態4による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態4による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態4による半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態4による半導体装置を含むモジュールの製造方法の一例を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a module including the semiconductor device according to the fourth embodiment.

以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は模式的に示されたものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されたものではなく、適宜変更され得る。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称および機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。Hereinafter, the embodiments will be described with reference to the attached drawings. Note that the drawings are shown diagrammatically, and the size and positional relationship of the images shown in the different drawings are not necessarily described accurately, and may be changed as appropriate. In the following description, similar components are illustrated with the same reference numerals, and their names and functions are also assumed to be similar. Therefore, detailed description thereof may be omitted.

また、以下の説明では、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置および方向を意味する用語が用いられる場合がある。これらの用語は、実施形態の内容を理解することを容易にするため便宜上用いられているものであり、実際に実施される際の方向とは無関係である。In addition, in the following description, terms that indicate specific positions and directions, such as "top," "bottom," "side," "bottom," "front," or "back," may be used. These terms are used for convenience to facilitate understanding of the contents of the embodiments, and are unrelated to the directions in which they are actually implemented.

本開示において、「固定電荷」とは、本開示による半導体装置の実用温度領域での動作において、実質的に移動しないものであって、正または負に帯電した荷電状態、あるいは、正または負に帯電した荷電状態にある物質等を意味する。固定電荷は、例えば、結晶の歪みまたは欠陥等に起因する荷電状態、原子間結合の歪みまたは欠損に起因する荷電状態、正または負に帯電した原子、分子、微粒子、微結晶等、不純物等が作るドナー準位から電子が放出されて正に荷電した状態、アクセプタ準位に電子が捕獲されて負に荷電した状態に起因する状態等にある物質等であってもよい。In this disclosure, "fixed charge" refers to a substance that does not substantially move during operation of the semiconductor device according to the present disclosure in the practical temperature range, and is in a positively or negatively charged state, or is in a positively or negatively charged state. The fixed charge may be, for example, a charged state caused by crystal distortion or defects, a charged state caused by distortion or defects in interatomic bonds, a positively or negatively charged atom, molecule, particle, microcrystal, etc., a positively charged state caused by electrons being released from a donor level created by impurities, a negatively charged state caused by electrons being captured by an acceptor level, etc.

<実施の形態1>
<構成>
図1は、実施の形態1による半導体装置100の構成の一例を示す断面図である。半導体装置100は、nチャネル型のSiC-MOSFETである。
<First embodiment>
<Configuration>
1 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of a semiconductor device 100 according to the first embodiment. The semiconductor device 100 is an n-channel type SiC-MOSFET.

図1に示すように、n型(第1導電型)の炭化珪素基板1上には、n型のドリフト層3が形成されている。ドリフト層3の表層には、p型(第2導電型)のウェル領域6が選択的に形成されている。As shown in Figure 1, an n-type drift layer 3 is formed on an n-type (first conductivity type) silicon carbide substrate 1. A p-type (second conductivity type) well region 6 is selectively formed on the surface of the drift layer 3.

ウェル領域6の表層には、n型のソース領域5が形成されており、ソース領域5に隣接してp型のウェルコンタクト領域9が形成されている。ウェルコンタクト領域9は、ソース領域5とウェル領域6との電位を同一にするために設けられている。ウェルコンタクト領域9を設けることによって、寄生トランジスタの動作を抑えることができる。An n-type source region 5 is formed on the surface of the well region 6, and a p-type well contact region 9 is formed adjacent to the source region 5. The well contact region 9 is provided to equalize the potential of the source region 5 and the well region 6. By providing the well contact region 9, the operation of a parasitic transistor can be suppressed.

ドリフト層3の表層には、平面視において隣り合うウェル領域6間に、ドリフト層3の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する低抵抗領域20が形成されている。低抵抗領域20は、JFET領域4に含まれている。A low-resistance region 20 having an impurity concentration higher than the impurity concentration of the drift layer 3 is formed between adjacent well regions 6 in a plan view on the surface layer of the drift layer 3. The low-resistance region 20 is included in the JFET region 4.

ドリフト層3、ソース領域5、ウェル領域6、ウェルコンタクト領域9、および低抵抗領域20は、半導体層2を構成する。 The drift layer 3, the source region 5, the well region 6, the well contact region 9, and the low resistance region 20 constitute the semiconductor layer 2.

ソース領域5上の一部からドリフト層3上に亘って絶縁性のゲート絶縁膜7が形成されており、ゲート絶縁膜7上にゲート電極8が形成されている。ゲート電極8とソース電極11とを分離するために、ゲート電極8を覆うように層間絶縁膜13が形成されている。ウェルコンタクト領域9上には、コンタクトホール31を設けるために層間絶縁膜13が形成されていない。層間絶縁膜13およびウェルコンタクト領域9上には、バリアメタル32が形成されている。バリアメタル32上には、ソース電極11が形成されている。また、炭化珪素基板1の裏面には、ドレイン電極12が形成されている。 An insulating gate insulating film 7 is formed from a portion of the source region 5 over the drift layer 3, and a gate electrode 8 is formed on the gate insulating film 7. In order to separate the gate electrode 8 from the source electrode 11, an interlayer insulating film 13 is formed to cover the gate electrode 8. The interlayer insulating film 13 is not formed on the well contact region 9 in order to provide a contact hole 31. A barrier metal 32 is formed on the interlayer insulating film 13 and the well contact region 9. A source electrode 11 is formed on the barrier metal 32. A drain electrode 12 is formed on the back surface of the silicon carbide substrate 1.

ゲート絶縁膜7とウェル領域6との界面には窒素があり、その窒素により正の固定電荷41が設けられている。また、ゲート絶縁膜7と後述するJFET領域4との界面にも窒素があり、その窒素により正の固定電荷40が設けられている。固定電荷41は、ゲート絶縁膜7とウェル領域6との界面近傍であってゲート絶縁膜7内に設けられている。固定電荷40は、ゲート絶縁膜7とJFET領域4との界面近傍であってゲート絶縁膜7内に設けられている。ゲート絶縁膜7は、ウェル領域6に接する第1領域と、JFET領域4に接する第2領域とを含んでいる。ゲート絶縁膜7とJFET領域4との界面は、ゲート絶縁膜7と低抵抗領域20との界面と同義である。Nitrogen is present at the interface between the gate insulating film 7 and the well region 6, and a positive fixed charge 41 is provided by the nitrogen. Nitrogen is also present at the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4 described later, and a positive fixed charge 40 is provided by the nitrogen. The fixed charge 41 is provided in the gate insulating film 7 near the interface between the gate insulating film 7 and the well region 6. The fixed charge 40 is provided in the gate insulating film 7 near the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4. The gate insulating film 7 includes a first region in contact with the well region 6 and a second region in contact with the JFET region 4. The interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4 is synonymous with the interface between the gate insulating film 7 and the low resistance region 20.

ゲート絶縁膜7とJFET領域4との界面における窒素濃度は、ゲート絶縁膜7とウェル領域6との界面における窒素濃度よりも高濃度である。すなわち、ゲート絶縁膜7とJFET領域4との界面における固定電荷40は、ゲート絶縁膜7とウェル領域6との界面における固定電荷41よりも高密度である。The nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4 is higher than the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film 7 and the well region 6. In other words, the fixed charge 40 at the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4 is denser than the fixed charge 41 at the interface between the gate insulating film 7 and the well region 6.

ゲート電極にゲート電圧を印加したオン動作時のMOSFETの特性は、ウェル領域上のゲート絶縁膜界面に形成されるキャリア量とその移動度とによって決まる。例えば、特許文献4に開示されているように、従来のSiC―MOSFETにおけるゲート絶縁膜とウェル領域との界面には高密度の界面準位密度があり、MOSFETのチャネル移動度が著しく低いためチャネル抵抗は増大し、それに伴ってオン抵抗も大きかった。このような問題の対策として、特許文献4では、ゲート絶縁膜とウェル領域との界面に適度の窒素を導入するプロセス技術を適用することによって特性を改善した。しかし、ゲート絶縁膜とウェル領域との界面に導入する窒素濃度が高濃度になるに従って、正の固定電荷量も増大するため、高濃度に設定した場合には極端にしきい値電圧が低下するといった新たな問題が生じる。従って、ゲート絶縁膜とウェル領域との界面に導入する窒素濃度には上限がある。The characteristics of a MOSFET during on-state operation when a gate voltage is applied to the gate electrode are determined by the amount of carriers formed at the gate insulating film interface on the well region and their mobility. For example, as disclosed in Patent Document 4, the interface between the gate insulating film and the well region in a conventional SiC-MOSFET has a high interface state density, and the channel mobility of the MOSFET is extremely low, so the channel resistance increases and the on-resistance increases accordingly. As a countermeasure to such problems, Patent Document 4 improves the characteristics by applying a process technology that introduces an appropriate amount of nitrogen into the interface between the gate insulating film and the well region. However, as the nitrogen concentration introduced into the interface between the gate insulating film and the well region increases, the amount of positive fixed charge also increases, so that a new problem occurs in that the threshold voltage drops drastically when the concentration is set high. Therefore, there is an upper limit to the nitrogen concentration introduced into the interface between the gate insulating film and the well region.

一方、JFET領域の抵抗値はMOSFETのオン特性に影響するが、ゲート絶縁膜とJFET領域との界面における固定電荷の量は、MOSFETの特性には直接影響しない。オフ動作時は、ゲート絶縁膜の信頼性を考慮する必要があり、MOSFETの特性で制約となる窒素濃度よりも、さらに高濃度の窒素をゲート絶縁膜とJFET領域との界面に設けることが有効である。On the other hand, while the resistance value of the JFET region affects the on-characteristics of the MOSFET, the amount of fixed charge at the interface between the gate insulating film and the JFET region does not directly affect the characteristics of the MOSFET. During off-operation, the reliability of the gate insulating film must be taken into consideration, and it is effective to provide a higher concentration of nitrogen at the interface between the gate insulating film and the JFET region than the nitrogen concentration that limits the characteristics of the MOSFET.

<半導体装置100の動作>
半導体装置100の動作について説明する。
<Operation of Semiconductor Device 100>
The operation of the semiconductor device 100 will now be described.

半導体装置100において、ゲート電極8に正の電圧を印加すると、ウェル領域6におけるゲート絶縁膜7との界面に電流の経路が形成される。この状態でドレイン電極12に正の電圧を印加すると、ドレイン電極12から炭化珪素基板1、ドリフト層3、ウェル領域6、およびソース領域5を経てソース電極11に電流が流れる。In the semiconductor device 100, when a positive voltage is applied to the gate electrode 8, a current path is formed at the interface with the gate insulating film 7 in the well region 6. When a positive voltage is applied to the drain electrode 12 in this state, a current flows from the drain electrode 12 through the silicon carbide substrate 1, the drift layer 3, the well region 6, and the source region 5 to the source electrode 11.

特に、SiCのようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いた半導体装置100では、ドリフト層3を高濃度化および薄膜化することが可能であり低抵抗であるため、平面視において隣り合うウェル領域6間の電流経路(JFET領域4)の抵抗(JFET抵抗)と、チャネル部分の抵抗(チャネル抵抗)とを低減させることは、半導体装置100の導通損失を低減させるために非常に有効である。In particular, in the semiconductor device 100 using a wide band gap semiconductor material such as SiC, the drift layer 3 can be made highly concentrated and thin and has low resistance, so reducing the resistance (JFET resistance) of the current path (JFET region 4) between adjacent well regions 6 in a planar view and the resistance (channel resistance) of the channel portion is very effective in reducing the conduction loss of the semiconductor device 100.

一方、ゲート電極8に印加する正の電圧を除去する、あるいはゲート電極8に負の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜7の界面近傍のウェル領域6が空乏化される。これにより、ドレイン電極12に高電圧を印加してもドレイン電極12-ソース電極11間の電流を遮断することができる。On the other hand, when the positive voltage applied to the gate electrode 8 is removed or a negative voltage is applied to the gate electrode 8, the well region 6 near the interface with the gate insulating film 7 is depleted. This makes it possible to cut off the current between the drain electrode 12 and the source electrode 11 even when a high voltage is applied to the drain electrode 12.

このとき、ゲート絶縁膜7が高電界にさらされるが、最も電界が集中するゲート絶縁膜7とJFET領域4との界面には正の固定電荷40が形成されているため、ゲート絶縁膜7にかかる電界によるドリフト層3からの正孔の流入量を低減することができ、ゲート絶縁膜7の信頼性が確保される。特に、SiCを半導体材料として用いると絶縁破壊電界が大きくなるため、ドリフト層3に高電界が印加されるように設計することが多く、その分ゲート絶縁膜7にかかる電界強度も大きくなる。従って、本実施の形態1による半導体装置100の構造は、正の固定電荷40で正孔の流入を抑制するため、ゲート絶縁膜7の信頼性を確保する観点で有効である。At this time, the gate insulating film 7 is exposed to a high electric field, but since positive fixed charges 40 are formed at the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4 where the electric field is most concentrated, the amount of holes flowing in from the drift layer 3 due to the electric field applied to the gate insulating film 7 can be reduced, and the reliability of the gate insulating film 7 is ensured. In particular, when SiC is used as a semiconductor material, the dielectric breakdown field becomes large, so it is often designed to apply a high electric field to the drift layer 3, and the electric field strength applied to the gate insulating film 7 also becomes large accordingly. Therefore, the structure of the semiconductor device 100 according to the first embodiment is effective in terms of ensuring the reliability of the gate insulating film 7, since the positive fixed charges 40 suppress the inflow of holes.

<半導体装置100の製造方法>
半導体装置100の製造方法について、図2~図4を参照しつつ説明する。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device 100>
A method for manufacturing the semiconductor device 100 will be described with reference to FIGS.

図2に示すように、n型で低抵抗の炭化珪素基板1を準備し(第1工程)、エピタキシャル成長によって炭化珪素基板1上にn型のドリフト層3を形成する(第2工程)。本実施の形態1では、ドリフト層3のn型の不純物濃度は1×1013cm-3~1×1018cm-3であり、ドリフト層3の厚さは4μm~200μmとする。 2, an n-type low-resistance silicon carbide substrate 1 is prepared (first step), and an n-type drift layer 3 is formed on the silicon carbide substrate 1 by epitaxial growth (second step). In the first embodiment, the n-type impurity concentration of the drift layer 3 is 1×10 13 cm −3 to 1×10 18 cm −3 , and the thickness of the drift layer 3 is 4 μm to 200 μm.

図3に示すように、ドリフト層3の表層において、互いに離間したp型のウェル領域6を選択的に形成する(第3工程)。そして、ウェル領域6の表層に、n型のソース領域5を選択的に形成する(第4工程)。具体的には、フォトリソグラフィによって加工されたレジストまたは酸化膜等をマスクとして、Alイオンを注入してp型のウェル領域6を形成し、Nイオンを注入してn型のソース領域5を形成する。As shown in Fig. 3, p-type well regions 6 spaced apart from each other are selectively formed in the surface layer of the drift layer 3 (third step). Then, n-type source regions 5 are selectively formed in the surface layer of the well regions 6 (fourth step). Specifically, using a resist or oxide film processed by photolithography as a mask, Al ions are implanted to form the p-type well regions 6, and N ions are implanted to form the n-type source regions 5.

ウェル領域6における不純物濃度は、1×1015cm-3~1×1018cm-3程度である。また、ウェル領域6を形成する際に注入されるAlイオンの注入深さは、0.3μm~2.0μmである。 The impurity concentration in the well region 6 is about 1×10 15 cm −3 to 1×10 18 cm −3 . The implantation depth of the Al ions implanted when forming the well region 6 is 0.3 μm to 2.0 μm.

ソース領域5は、その底面がウェル領域6の底面より深くならないように形成される。ソース領域5における不純物濃度は、ウェル領域6の不純物濃度より高く、かつ、1×1017cm-3~1×1021cm-3程度である。 The source region 5 is formed so that its bottom surface is not deeper than the bottom surface of the well region 6. The impurity concentration in the source region 5 is higher than the impurity concentration in the well region 6 and is about 1×10 17 cm −3 to 1×10 21 cm −3 .

ウェル領域6の表層において、平面視においてソース領域5と隣接するようにウェルコンタクト領域9を形成する。ウェルコンタクト領域9の不純物濃度は、ウェル領域6の不純物濃度よりも高い。A well contact region 9 is formed in the surface layer of the well region 6 so as to be adjacent to the source region 5 in a plan view. The impurity concentration of the well contact region 9 is higher than the impurity concentration of the well region 6.

ウェル領域6が形成されていない領域、すなわちドリフト層3の表層であって平面視において隣り合うウェル領域6間に、n型の低抵抗領域20を形成する(第5工程)。具体的には、Nイオンを注入してn型の低抵抗領域20を形成する。低抵抗領域20における不純物濃度は、1×1018cm-3~1×1021cm-3程度である。また、低抵抗領域20を形成する際に注入されるNイオンの注入深さは、0.3μm~1.0μmである。低抵抗領域20は、深さ方向においてゲート絶縁膜7に近づくほど不純物濃度が高い。低抵抗領域20を形成することによって、ドリフト層3の最表面近傍の不純物濃度が高濃度となるため、JFET抵抗を低くすることができる。 In a region where no well region 6 is formed, that is, in the surface layer of the drift layer 3 between adjacent well regions 6 in a plan view, an n-type low-resistance region 20 is formed (fifth step). Specifically, N ions are implanted to form the n-type low-resistance region 20. The impurity concentration in the low-resistance region 20 is about 1×10 18 cm −3 to 1×10 21 cm −3 . The implantation depth of the N ions implanted when forming the low-resistance region 20 is 0.3 μm to 1.0 μm. The impurity concentration of the low-resistance region 20 is higher in the depth direction as it approaches the gate insulating film 7. By forming the low-resistance region 20, the impurity concentration in the vicinity of the outermost surface of the drift layer 3 becomes high, and therefore the JFET resistance can be reduced.

次に、熱処理装置によって、Arガスなどの不活性ガス雰囲気中でアニールを行う。アニールは、1300℃~1900℃で、30秒~1時間程度行う。このアニールを行うことによって、イオン注入されたN等のn型の不純物、および、Al等のp型の不純物を活性化させる。Next, annealing is performed in a heat treatment device in an inert gas atmosphere such as Ar gas. The annealing is performed at 1300°C to 1900°C for about 30 seconds to 1 hour. This annealing activates the ion-implanted n-type impurities such as N and p-type impurities such as Al.

次に、図4に示すように、ゲート絶縁膜7およびゲート電極8を形成する(第6工程、第7工程)。ゲート絶縁膜7は、1150℃以上のドライ熱酸化法によって形成する。なお、ゲート絶縁膜7は、堆積法で形成してもよく、ゲート絶縁膜7の形成後に窒素またはアンモニア雰囲気中で熱処理を行うことによって形成してもよい。また、ゲート絶縁膜7は、当該ゲート絶縁膜7の形成前にドリフト層3の表面を水素雰囲気中で高温アニールを行うことによって形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 4, the gate insulating film 7 and the gate electrode 8 are formed (steps 6 and 7). The gate insulating film 7 is formed by dry thermal oxidation at 1150° C. or higher. The gate insulating film 7 may be formed by a deposition method, or by performing a heat treatment in a nitrogen or ammonia atmosphere after the gate insulating film 7 is formed. The gate insulating film 7 may also be formed by performing high-temperature annealing on the surface of the drift layer 3 in a hydrogen atmosphere before the gate insulating film 7 is formed.

具体的には、高温の酸化雰囲気中で熱酸化による二酸化珪素膜を形成することによってゲート絶縁膜7を形成する。あるいは、CVD(Chemical Vapor Deposition)による二酸化珪素堆積膜の形成後に、高温のアンモニア雰囲気(NH)、亜酸化窒素(NO)ガス雰囲気、または一酸化窒素(NO)ガス雰囲気中で窒化することによってゲート絶縁膜7を形成する。 Specifically, a silicon dioxide film is formed by thermal oxidation in a high-temperature oxidizing atmosphere to form the gate insulating film 7. Alternatively, after a silicon dioxide deposition film is formed by CVD (Chemical Vapor Deposition), the gate insulating film 7 is formed by nitriding the silicon dioxide film in a high-temperature ammonia (NH 3 ), nitrous oxide (N 2 O) gas atmosphere, or nitric oxide (NO) gas atmosphere.

ゲート絶縁膜7を形成する工程において、ゲート絶縁膜7とウェル領域6との界面に正の固定電荷41を形成し、ゲート絶縁膜7とJFET領域4との界面に正の固定電荷40を形成する。なお、JFET領域4のドリフト層3(低抵抗領域20)には、ゲート絶縁膜7を形成する前に高濃度の窒素が注入されているため、ゲート絶縁膜7とウェル領域6との界面の窒素量よりも多くの窒素が偏析される。高濃度に窒素が偏析したゲート絶縁膜7とJFET領域4との界面には、ゲート絶縁膜7とウェル領域6との界面よりも高濃度の正の固定電荷40が形成される。In the process of forming the gate insulating film 7, a positive fixed charge 41 is formed at the interface between the gate insulating film 7 and the well region 6, and a positive fixed charge 40 is formed at the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4. Since a high concentration of nitrogen is implanted into the drift layer 3 (low resistance region 20) of the JFET region 4 before the gate insulating film 7 is formed, more nitrogen is segregated than at the interface between the gate insulating film 7 and the well region 6. A higher concentration of positive fixed charge 40 is formed at the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4 where nitrogen is segregated at a high concentration than at the interface between the gate insulating film 7 and the well region 6.

ゲート絶縁膜7は同一の酸化工程で形成されるため、ウェル領域6上に形成されるゲート絶縁膜7の膜厚とJFET領域4上に形成されるゲート絶縁膜7の膜厚とは、ほぼ同等である。ただし、ゲート絶縁膜7を形成する前に低抵抗領域20に高濃度の不純物を注入した場合は、ドリフト層3の表層に注入ダメージ層が形成され、当該注入ダメージ層を酸化することによる増速酸化によって、JFET領域4上に形成されるゲート絶縁膜7を厚くすることができる。Since the gate insulating film 7 is formed in the same oxidation process, the thickness of the gate insulating film 7 formed on the well region 6 is approximately the same as the thickness of the gate insulating film 7 formed on the JFET region 4. However, if a high concentration of impurities is injected into the low-resistance region 20 before forming the gate insulating film 7, an injection damage layer is formed on the surface of the drift layer 3, and the gate insulating film 7 formed on the JFET region 4 can be thickened by accelerated oxidation caused by oxidizing the injection damage layer.

ゲート電極8は、ポリシリコンをCVD法によって堆積し、フォトリソグラフィによって加工されたレジストをマスクとしてエッチングを行って形成する。ポリシリコンには、燐や硼素のような不純物が含まれていてもよい。ゲート電極8に不純物が含まれることによって、ゲート電極8の低抵抗化を実現することができる。The gate electrode 8 is formed by depositing polysilicon by the CVD method and etching it using a resist processed by photolithography as a mask. The polysilicon may contain impurities such as phosphorus and boron. By containing impurities in the gate electrode 8, it is possible to achieve a low resistance of the gate electrode 8.

最後に、層間絶縁膜13を形成した後に、ソース電極11およびドレイン電極12を形成することによって、図1に示すような高耐圧MOSFET(半導体装置100)が完成する(第10工程、第11工程)。Finally, after forming the interlayer insulating film 13, the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed to complete the high-voltage MOSFET (semiconductor device 100) as shown in Figure 1 (steps 10 and 11).

ゲート電極8を取り出す配線と、ソース電極11とは、Al、Cu、Ti、Ni、Mo、W、Ta、それらの窒化物、それらの積層膜、それらの合金層からなる金属をスパッタリング法または蒸着法によって堆積し、パターニングを行うことによって形成する。ドレイン電極12は、Ti、Ni、Ag、Auなどの金属膜をスパッタ法または蒸着法によって形成する。The wiring for extracting the gate electrode 8 and the source electrode 11 are formed by depositing metals such as Al, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Ta, their nitrides, their laminated films, and their alloy layers by sputtering or vapor deposition, and then patterning them. The drain electrode 12 is formed by sputtering or vapor deposition of a metal film such as Ti, Ni, Ag, or Au.

<実施の形態2>
実施の形態1では、半導体装置100において、ウェル領域6上のゲート絶縁膜7と、JFET領域4上のゲート絶縁膜7は同一工程で形成した。実施の形態2では、JFET領域4上のゲート絶縁膜を複数工程で形成し、ウェル領域6上のゲート絶縁膜よりも厚くなるように形成する例について説明する。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, in the semiconductor device 100, the gate insulating film 7 on the well region 6 and the gate insulating film 7 on the JFET region 4 are formed in the same process. In the second embodiment, an example will be described in which the gate insulating film on the JFET region 4 is formed in a plurality of processes so as to be thicker than the gate insulating film on the well region 6.

<半導体装置101の製造方法>
実施の形態2による半導体装置101の製造方法について、図5~図10を参照しつつ説明する。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device 101>
A method for manufacturing a semiconductor device 101 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.

図5に示すように、n型で低抵抗の炭化珪素基板1を準備し、炭化珪素基板1上にエピタキシャル成長によってn型のドリフト層3を形成する。本実施の形態2では、ドリフト層3におけるn型の不純物濃度は、1×1013cm-3~1×1018cm-3である。また、ドリフト層3の厚さは、4μm~200μmである。 5, an n-type low-resistance silicon carbide substrate 1 is prepared, and an n-type drift layer 3 is formed by epitaxial growth on the silicon carbide substrate 1. In the second embodiment, the n-type impurity concentration in the drift layer 3 is 1×10 13 cm −3 to 1×10 18 cm −3 . The thickness of the drift layer 3 is 4 μm to 200 μm.

図6に示すように、ドリフト層3の表層において、互いに離間したp型のウェル領域6を形成する。そして、ウェル領域6の表層に、n型のソース領域5を形成する。具体的には、フォトリソグラフィによって加工されたレジストまたは酸化膜等をマスクとして、Alイオンを注入してp型のウェル領域6を形成し、Nイオンを注入してn型のソース領域5を形成する。As shown in Figure 6, p-type well regions 6 spaced apart from each other are formed in the surface layer of the drift layer 3. Then, n-type source regions 5 are formed in the surface layer of the well regions 6. Specifically, using a resist or an oxide film processed by photolithography as a mask, Al ions are implanted to form the p-type well regions 6, and N ions are implanted to form the n-type source regions 5.

ウェル領域6における不純物濃度は、1×1015cm-3~1×1018cm-3程度である。また、ウェル領域6を形成する際に注入されるAlイオンの注入深さは、0.3μm~2.0μmである。 The impurity concentration in the well region 6 is about 1×10 15 cm −3 to 1×10 18 cm −3 . The implantation depth of the Al ions implanted when forming the well region 6 is 0.3 μm to 2.0 μm.

ソース領域5は、その底面がウェル領域6の底面より深くならないように形成される。ソース領域5における不純物濃度は、ウェル領域6の不純物濃度より高く、かつ、1×1017cm-3~1×1021cm-3程度である。 The source region 5 is formed so that its bottom surface is not deeper than the bottom surface of the well region 6. The impurity concentration in the source region 5 is higher than the impurity concentration in the well region 6 and is about 1×10 17 cm −3 to 1×10 21 cm −3 .

ウェル領域6の表層において、平面視においてソース領域5と隣接するようにウェルコンタクト領域9を形成する。ウェルコンタクト領域9の不純物濃度は、ウェル領域6の不純物濃度よりも高い。A well contact region 9 is formed in the surface layer of the well region 6 so as to be adjacent to the source region 5 in a plan view. The impurity concentration of the well contact region 9 is higher than the impurity concentration of the well region 6.

ウェル領域6が形成されていない領域、すなわちドリフト層3の表層であって平面視において隣り合うウェル領域6間に、n型の低抵抗領域20を形成する。具体的には、Nイオンを注入してn型の低抵抗領域20を形成する。低抵抗領域20における不純物濃度は、1×1018cm-3~1×1021cm-3程度である。また、低抵抗領域20を形成する際に注入されるNイオンの注入深さは、0.3μm~1.0μmである。低抵抗領域20を形成することによって、ドリフト層3の最表面近傍の不純物濃度が高濃度となるため、JFET抵抗を低くすることができる。 An n-type low-resistance region 20 is formed in a region where no well region 6 is formed, that is, in the surface layer of the drift layer 3 and between adjacent well regions 6 in a plan view. Specifically, N ions are implanted to form the n-type low-resistance region 20. The impurity concentration in the low-resistance region 20 is about 1×10 18 cm −3 to 1×10 21 cm −3 . The implantation depth of the N ions implanted when forming the low-resistance region 20 is 0.3 μm to 1.0 μm. By forming the low-resistance region 20, the impurity concentration in the vicinity of the outermost surface of the drift layer 3 becomes high, and therefore the JFET resistance can be reduced.

次に、熱処理装置によって、Arガスなどの不活性ガス雰囲気中でアニールを行う。アニールは、1300℃~1900℃で、30秒~1時間程度行う。このアニールを行うことによって、イオン注入されたN等のn型の不純物、および、Al等のp型の不純物を活性化させる。Next, annealing is performed in a heat treatment device in an inert gas atmosphere such as Ar gas. The annealing is performed at 1300°C to 1900°C for about 30 seconds to 1 hour. This annealing activates the ion-implanted n-type impurities such as N and p-type impurities such as Al.

次に、図7に示すように、ゲート絶縁膜15(第1ゲート絶縁膜)を形成する。ゲート絶縁膜15は、1150℃以上のドライ熱酸化法によって形成する。なお、ゲート絶縁膜15は、堆積法で形成してもよく、ゲート絶縁膜15の形成後に窒素またはアンモニア雰囲気中で熱処理を行うことによって形成してもよい。また、ゲート絶縁膜15は、当該ゲート絶縁膜15の形成前にドリフト層3の表面を水素雰囲気中で高温アニールを行うことによって形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 7, a gate insulating film 15 (first gate insulating film) is formed. The gate insulating film 15 is formed by dry thermal oxidation at 1150° C. or higher. The gate insulating film 15 may be formed by a deposition method, or by performing a heat treatment in a nitrogen or ammonia atmosphere after the gate insulating film 15 is formed. The gate insulating film 15 may also be formed by performing high-temperature annealing on the surface of the drift layer 3 in a hydrogen atmosphere before the gate insulating film 15 is formed.

具体的には、高温の酸化雰囲気中で熱酸化による二酸化珪素膜を形成することによってゲート絶縁膜15を形成する。あるいは、CVDによる二酸化珪素堆積膜の形成後に、高温のアンモニア雰囲気(NH)、亜酸化窒素(NO)ガス雰囲気、または一酸化窒素(NO)ガス雰囲気中で窒化することによってゲート絶縁膜15を形成する。ゲート絶縁膜15を形成する工程を行うことによって、ゲート絶縁膜15とウェル領域6との界面、およびゲート絶縁膜15とJFET領域4との界面のそれぞれに、正の固定電荷が形成される。 Specifically, a silicon dioxide film is formed by thermal oxidation in a high-temperature oxidizing atmosphere to form the gate insulating film 15. Alternatively, after forming a silicon dioxide deposition film by CVD, the gate insulating film 15 is formed by nitriding the film in a high-temperature ammonia atmosphere (NH 3 ), nitrous oxide (N 2 O) gas atmosphere, or nitric oxide (NO) gas atmosphere. By performing the step of forming the gate insulating film 15, positive fixed charges are formed at the interface between the gate insulating film 15 and the well region 6 and at the interface between the gate insulating film 15 and the JFET region 4.

その後、フォトリソグラフィによって加工されたレジストまたは酸化膜等をマスクとして、JFET領域4上のゲート絶縁膜15のみを残し、その他のゲート絶縁膜15を取り除く(第8工程)。ゲート絶縁膜15の除去は、フッ酸を用いたウエットプロセスでもよく、ドライエッチングでもよい。Then, using a resist or oxide film processed by photolithography as a mask, only the gate insulating film 15 on the JFET region 4 is left and the other gate insulating film 15 is removed (step 8). The gate insulating film 15 may be removed by a wet process using hydrofluoric acid or by dry etching.

次に、図8に示すように、1150℃以上のドライ熱酸化法によってゲート絶縁膜16(第2ゲート絶縁膜)を形成する(第9工程)。なお、ゲート絶縁膜16は、堆積法で形成してもよい。ゲート絶縁膜16の形成後、窒素またはアンモニア雰囲気中で熱処理を行う。ゲート絶縁膜16を形成する工程を行うことによって、JFET領域4上のゲート絶縁膜のみを厚くすることができる。すなわち、JFET領域4上に形成されるゲート絶縁膜は、ゲート絶縁膜15,16の2層となり、JFET領域4上以外に形成されたゲート絶縁膜16と比較して厚くなる。 Next, as shown in FIG. 8, a gate insulating film 16 (second gate insulating film) is formed by dry thermal oxidation at 1150° C. or higher (ninth step). The gate insulating film 16 may be formed by deposition. After the gate insulating film 16 is formed, a heat treatment is performed in a nitrogen or ammonia atmosphere. By performing the step of forming the gate insulating film 16, it is possible to thicken only the gate insulating film on the JFET region 4. In other words, the gate insulating film formed on the JFET region 4 is two layers, the gate insulating films 15 and 16, and is thicker than the gate insulating film 16 formed outside the JFET region 4.

ゲート絶縁膜15とJFET領域4との界面には、2回の窒化工程で窒素が導入されるため、ゲート絶縁膜16とウェル領域6との界面における窒素濃度よりも高濃度となる。従って、ゲート絶縁膜15とJFET領域4との界面における正の固定電荷40は、ゲート絶縁膜16とウェル領域6との界面における正の固定電荷41よりも高密度となる。Because nitrogen is introduced into the interface between the gate insulating film 15 and the JFET region 4 by the two nitridation processes, the nitrogen concentration is higher than that at the interface between the gate insulating film 16 and the well region 6. Therefore, the positive fixed charge 40 at the interface between the gate insulating film 15 and the JFET region 4 is denser than the positive fixed charge 41 at the interface between the gate insulating film 16 and the well region 6.

以後の工程は、実施の形態1と同様である。図9に示すように、ゲート電極8は、ポリシリコンをCVD法によって堆積し、フォトリソグラフィによって加工されたレジストをマスクとしてエッチングを行って形成する。ポリシリコンには、燐や硼素のような不純物が含まれていてもよい。ゲート電極8に不純物が含まれることによって、ゲート電極8の低抵抗化を実現することができる。The subsequent steps are the same as those in the first embodiment. As shown in FIG. 9, the gate electrode 8 is formed by depositing polysilicon by the CVD method and etching it using a resist processed by photolithography as a mask. The polysilicon may contain impurities such as phosphorus and boron. By containing impurities in the gate electrode 8, it is possible to realize a low resistance of the gate electrode 8.

最後に、層間絶縁膜13を形成した後に、ソース電極11およびドレイン電極12を形成することによって、図10に示すような高耐圧MOSFET(半導体装置101)が完成する。Finally, after forming the interlayer insulating film 13, the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed to complete the high-voltage MOSFET (semiconductor device 101) as shown in Figure 10.

ゲート電極8を取り出す配線と、ソース電極11とは、Al、Cu、Ti、Ni、Mo、W、Ta、それらの窒化物、それらの積層膜、それらの合金層からなる金属をスパッタリング法または蒸着法によって堆積し、パターニングを行うことによって形成する。ドレイン電極12は、Ti、Ni、Ag、Auなどの金属膜をスパッタ法または蒸着法によって形成する。The wiring for extracting the gate electrode 8 and the source electrode 11 are formed by depositing metals such as Al, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Ta, their nitrides, their laminated films, and their alloy layers by sputtering or vapor deposition, and then patterning them. The drain electrode 12 is formed by sputtering or vapor deposition of a metal film such as Ti, Ni, Ag, or Au.

<ゲート酸化膜に注入される正孔電流>
図11は、実施の形態2によるゲート酸化膜の固定電荷とJFET領域上のゲート酸化膜通過電界との関係を示すデバイスシミュレーションの結果である。また、図12は、実施の形態2によるゲート酸化膜の固定電荷とJFET領域上のゲート酸化膜通過電流との関係を示すデバイスシミュレーションの結果である。ここで、ゲート酸化膜は、ゲート絶縁膜15に相当する。また、ゲート酸化膜通過電流とは、ゲート酸化膜に注入される正孔電流のことをいう。
<Hole current injected into the gate oxide film>
Fig. 11 shows the result of a device simulation showing the relationship between the fixed charge of the gate oxide film and the electric field passing through the gate oxide film on the JFET region according to the second embodiment. Also, Fig. 12 shows the result of a device simulation showing the relationship between the fixed charge of the gate oxide film and the current passing through the gate oxide film on the JFET region according to the second embodiment. Here, the gate oxide film corresponds to the gate insulating film 15. Also, the current passing through the gate oxide film refers to the hole current injected into the gate oxide film.

ゲート酸化膜の膜厚(TOX)は、40nmおよび60nmの2種類であり、ゲート酸化膜とJFET領域との界面における固定電荷は、正、負、およびゼロの3種類で計算した結果を比較している。 The thickness (T OX ) of the gate oxide film is two types, 40 nm and 60 nm, and the results of calculations for the fixed charges at the interface between the gate oxide film and the JFET region are three types, positive, negative, and zero, are compared.

図11に示すように、ゲート酸化膜を厚くすると電界は緩和される。また、図12に示すように、ゲート酸化膜の破壊寿命に影響する正孔電流に注目すると、正の固定電荷が有効であることが分かる。JFET領域4上のゲート酸化膜の膜厚と固定電荷との関係に基づいて、ゲート酸化膜に注入される正孔電流量を設定することができる。図11,12より、ゲート酸化膜を厚くし、かつ、正の固定電荷を設定することが最も有効である。As shown in Figure 11, thickening the gate oxide film reduces the electric field. Also, as shown in Figure 12, when we look at the hole current that affects the breakdown life of the gate oxide film, we can see that a positive fixed charge is effective. The amount of hole current injected into the gate oxide film can be set based on the relationship between the film thickness of the gate oxide film on the JFET region 4 and the fixed charge. Figures 11 and 12 show that it is most effective to thicken the gate oxide film and set a positive fixed charge.

<実施の形態3>
実施の形態1による半導体装置100は、ウェル領域6上のゲート絶縁膜7とJFET領域4上のゲート絶縁膜7は同一工程で形成され、両者の膜厚はほぼ同一であり、正の固定電荷の量が異なる構成である。実施の形態3による半導体装置102では、JFET領域4上のゲート絶縁膜7を、増速酸化手法によってウェル領域6上のゲート絶縁膜7よりも顕著に厚く形成する例について説明する。
<Third embodiment>
In the semiconductor device 100 according to the first embodiment, the gate insulating film 7 on the well region 6 and the gate insulating film 7 on the JFET region 4 are formed in the same process, have approximately the same film thickness, and have different amounts of positive fixed charges. In the semiconductor device 102 according to the third embodiment, an example will be described in which the gate insulating film 7 on the JFET region 4 is formed by an enhanced oxidation technique to be significantly thicker than the gate insulating film 7 on the well region 6.

<半導体装置102の製造方法>
実施の形態2による半導体装置102の製造方法について、図13,14を参照しつつ説明する。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device 102>
A method for manufacturing the semiconductor device 102 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.

図13に示すように、n型で低抵抗の炭化珪素基板1を準備し、エピタキシャル成長によって炭化珪素基板1上にn型のドリフト層3を形成する。本実施の形態1では、ドリフト層3のn型の不純物濃度は1×1013cm-3~1×1018cm-3であり、ドリフト層3の厚さは4μm~200μmとする。 13, an n-type low-resistance silicon carbide substrate 1 is prepared, and an n-type drift layer 3 is formed by epitaxial growth on the silicon carbide substrate 1. In the present embodiment 1, the n-type impurity concentration of the drift layer 3 is 1×10 13 cm −3 to 1×10 18 cm −3 , and the thickness of the drift layer 3 is 4 μm to 200 μm.

図14に示すように、ドリフト層3の表層において、互いに離間したp型のウェル領域6を形成する。そして、ウェル領域6の表層に、n型のソース領域5を形成する。具体的には、フォトリソグラフィによって加工されたレジストまたは酸化膜等をマスクとして、Alイオンを注入してp型のウェル領域6を形成し、Nイオンを注入してn型のソース領域5を形成する。14, p-type well regions 6 spaced apart from each other are formed in the surface layer of the drift layer 3. Then, n-type source regions 5 are formed in the surface layer of the well regions 6. Specifically, using a resist or an oxide film processed by photolithography as a mask, Al ions are implanted to form the p-type well regions 6, and N ions are implanted to form the n-type source regions 5.

ウェル領域6が形成されていない領域、すなわちドリフト層3の表層であって平面視において隣り合うウェル領域6間に、n型の低抵抗領域20を形成する。具体的には、Nイオンを注入してn型の低抵抗領域20を形成する。低抵抗領域20における不純物濃度は、1×1018cm-3~1×1021cm-3程度である。また、低抵抗領域20を形成する際に注入されるNイオンの注入深さは、0.3μm~1.0μmである。低抵抗領域20を形成することによって、ドリフト層3の最表面近傍の不純物濃度が高濃度となるため、JFET抵抗を低くすることができる。 An n-type low-resistance region 20 is formed in a region where no well region 6 is formed, that is, in the surface layer of the drift layer 3 and between adjacent well regions 6 in a plan view. Specifically, N ions are implanted to form the n-type low-resistance region 20. The impurity concentration in the low-resistance region 20 is about 1×10 18 cm −3 to 1×10 21 cm −3 . The implantation depth of the N ions implanted when forming the low-resistance region 20 is 0.3 μm to 1.0 μm. By forming the low-resistance region 20, the impurity concentration in the vicinity of the outermost surface of the drift layer 3 becomes high, and therefore the JFET resistance can be reduced.

その後、JFET領域4のドリフト層3(低抵抗領域20)の最表層に、深さが20nm程度、濃度が1×1019cm-3~1×1021cm-3程度となるように、低エネルギでNイオンを注入する。注入層が20nm程度であることから、その後のゲート絶縁膜7を形成する工程において、Nイオンが注入された領域がすべて酸化されてゲート絶縁膜7となる。この注入層があることによって増速酸化がより顕著となり、JFET領域4上のゲート絶縁膜7をより厚く形成することが可能となる。 Thereafter, N ions are implanted with low energy into the outermost layer of the drift layer 3 (low resistance region 20) in the JFET region 4 to a depth of about 20 nm and a concentration of about 1×10 19 cm -3 to 1×10 21 cm -3 . Because the implanted layer is about 20 nm, in the subsequent step of forming the gate insulating film 7, the region into which the N ions have been implanted is entirely oxidized to become the gate insulating film 7. The presence of this implanted layer makes the accelerated oxidation more pronounced, making it possible to form a thicker gate insulating film 7 on the JFET region 4.

なお、ドリフト層3(JFET領域4、低抵抗領域20)の表面から深さ20nm程度のNイオンの注入ではなく、シリコン、酸素、およびフッ素を同時に濃度1×1019cm-3~1×1021cm-3程度注入してもよい。この場合、表面の注入領域に、より注入ダメージ層を形成することができるため、JFET領域4上のゲート絶縁膜7をより厚く形成することが可能となる。 Note that silicon, oxygen, and fluorine may be simultaneously implanted to a concentration of about 1×10 19 cm -3 to 1×10 21 cm -3 instead of implanting N ions to a depth of about 20 nm from the surface of the drift layer 3 (JFET region 4, low-resistance region 20). In this case, a larger implantation damage layer can be formed in the implantation region on the surface, making it possible to form a thicker gate insulating film 7 on the JFET region 4.

ドリフト層3(すなわち、JFET領域4、低抵抗領域20)の最表面が最も高濃度となるようにゲート絶縁膜7を形成することによって、ゲート絶縁膜7とJFET領域4と界面におけるNイオンの濃度がJFET領域4内で高濃度となる。JFET領域4の低濃度化には、JFET領域4の深さ方法の不純物プロファイルは均一でなくともよく、部分的にも高濃度の領域があれば低抵抗は可能となる。By forming the gate insulating film 7 so that the outermost surface of the drift layer 3 (i.e., the JFET region 4, the low resistance region 20) has the highest concentration, the concentration of N ions at the interface between the gate insulating film 7 and the JFET region 4 becomes high in the JFET region 4. To reduce the concentration of the JFET region 4, the impurity profile in the depth direction of the JFET region 4 does not need to be uniform, and low resistance is possible if there is a partially high concentration region.

以後の工程は、実施の形態1または2と同様である。 The subsequent steps are the same as in embodiment 1 or 2.

<窒素の濃度ピーク位置>
実施の形態1から3で説明したように、ゲート絶縁膜の形成前に、JFET領域に窒素を注入し、注入されたJFET領域を酸化することによってゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜とJFET領域との界面に窒素を偏析させている。
<Nitrogen concentration peak position>
As described in the first to third embodiments, before the gate insulating film is formed, nitrogen is implanted into the JFET region, and the implanted JFET region is oxidized to form the gate insulating film, and nitrogen is segregated at the interface between the gate insulating film and the JFET region.

また、ゲート絶縁膜を形成した後に窒化処理等を行い、ゲート絶縁膜とJFET領域との界面に窒素を偏析させている。これらいずれの製造法においても、ゲート絶縁膜とJFET領域との界面近傍のゲート絶縁膜側に窒素の濃度ピークを形成することが正の固定電荷の形成には最も有効である。ゲート絶縁膜とJFET領域との界面近傍は、界面、または界面から10nm程度のゲート絶縁膜側を含む。In addition, after the gate insulating film is formed, a nitriding process or the like is performed to segregate nitrogen at the interface between the gate insulating film and the JFET region. In either of these manufacturing methods, forming a nitrogen concentration peak on the gate insulating film side near the interface between the gate insulating film and the JFET region is the most effective way to form a positive fixed charge. The vicinity of the interface between the gate insulating film and the JFET region includes the interface or the gate insulating film side about 10 nm from the interface.

<実施の形態4>
実施の形態1から3では、ゲート絶縁膜とJFET領域との界面に、窒素により正の固定電荷を設定することについて説明した。実施の形態4では、窒素以外の他の不純物について説明する。
<Fourth embodiment>
In the first to third embodiments, the positive fixed charge is set by nitrogen at the interface between the gate insulating film and the JFET region. In the fourth embodiment, an impurity other than nitrogen will be described.

<半導体装置103の製造方法>
実施の形態4による半導体装置103の製造方法について、図15~図19を参照しつつ説明する。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device 103>
A method for manufacturing a semiconductor device 103 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.

図15に示されるように、n型で低抵抗の炭化珪素基板1を用意し、炭化珪素基板1上にエピタキシャル成長によりn型のドリフト層3を形成する。本実施形態では、ドリフト層3のn型の不純物濃度は1×1013cm-3~1×1018cm-3であり、厚さは4μm~200μmとする。 15, an n-type low-resistance silicon carbide substrate 1 is prepared, and an n-type drift layer 3 is formed by epitaxial growth on the silicon carbide substrate 1. In this embodiment, the n-type impurity concentration of the drift layer 3 is 1×10 13 cm −3 to 1×10 18 cm −3 , and the thickness is 4 μm to 200 μm.

図15に示すように、n型で低抵抗の炭化珪素基板1を準備し、エピタキシャル成長によって炭化珪素基板1上にn型のドリフト層3を形成する。本実施の形態1では、ドリフト層3のn型の不純物濃度は1×1013cm-3~1×1018cm-3であり、ドリフト層3の厚さは4μm~200μmとする。 15, an n-type low-resistance silicon carbide substrate 1 is prepared, and an n-type drift layer 3 is formed by epitaxial growth on the silicon carbide substrate 1. In the present embodiment 1, the n-type impurity concentration of the drift layer 3 is 1×10 13 cm −3 to 1×10 18 cm −3 , and the thickness of the drift layer 3 is 4 μm to 200 μm.

図16に示すように、ドリフト層3の表層において、互いに離間したp型のウェル領域6を形成する。そして、ウェル領域6の表層に、n型のソース領域5を形成する。具体的には、フォトリソグラフィによって加工されたレジストまたは酸化膜等をマスクとして、Alイオンを注入してp型のウェル領域6を形成し、Nイオンを注入してn型のソース領域5を形成する。16, p-type well regions 6 spaced apart from each other are formed in the surface layer of the drift layer 3. Then, n-type source regions 5 are formed in the surface layer of the well regions 6. Specifically, using a resist or an oxide film processed by photolithography as a mask, Al ions are implanted to form the p-type well regions 6, and N ions are implanted to form the n-type source regions 5.

ウェル領域6が形成されていない領域、すなわちドリフト層3の表層であって平面視において隣り合うウェル領域6間に、n型の低抵抗領域20を形成する。具体的には、Nイオンを注入してn型の低抵抗領域20を形成する。低抵抗領域20における不純物濃度は、1×1018cm-3~1×1021cm-3程度である。また、低抵抗領域20を形成する際に注入されるNイオンの注入深さは、0.3μm~1.0μmである。低抵抗領域20を形成することによって、ドリフト層3の最表面近傍の不純物濃度が高濃度となるため、JFET抵抗を低くすることができる。 An n-type low-resistance region 20 is formed in a region where no well region 6 is formed, that is, in the surface layer of the drift layer 3 and between adjacent well regions 6 in a plan view. Specifically, N ions are implanted to form the n-type low-resistance region 20. The impurity concentration in the low-resistance region 20 is about 1×10 18 cm −3 to 1×10 21 cm −3 . The implantation depth of the N ions implanted when forming the low-resistance region 20 is 0.3 μm to 1.0 μm. By forming the low-resistance region 20, the impurity concentration in the vicinity of the outermost surface of the drift layer 3 becomes high, and therefore the JFET resistance can be reduced.

次に、熱処理装置によって、Arガスなどの不活性ガス雰囲気中でアニールを行う。アニールは、1300℃~1900℃で、30秒~1時間程度行う。このアニールを行うことによって、イオン注入されたN等のn型の不純物、および、Al等のp型の不純物を活性化させる。Next, annealing is performed in a heat treatment device in an inert gas atmosphere such as Ar gas. The annealing is performed at 1300°C to 1900°C for about 30 seconds to 1 hour. This annealing activates the ion-implanted n-type impurities such as N and p-type impurities such as Al.

次に、図17に示すように、ゲート絶縁膜17を形成する。ゲート絶縁膜17は、1150℃以上のドライ熱酸化法によって形成する。なお、ゲート絶縁膜17は、堆積法で形成してもよい。形成したゲート絶縁膜17にセシウム(Cs)をイオン注入する。その後、半導体露出領域を形成する工程前にアニールを行い、熱拡散によって固定電荷を含む領域となるセシウムを半導体により近い領域に再分布させる。Next, as shown in FIG. 17, the gate insulating film 17 is formed. The gate insulating film 17 is formed by dry thermal oxidation at 1150° C. or higher. The gate insulating film 17 may also be formed by deposition. Cesium (Cs) ions are implanted into the formed gate insulating film 17. Then, annealing is performed before the process of forming the semiconductor exposed region, and the cesium that becomes a region containing a fixed charge due to thermal diffusion is redistributed to a region closer to the semiconductor.

その後、フォトリソグラフィによって加工されたレジストをマスクとして、JFET領域4上のゲート絶縁膜17のみを残し、その他の絶縁膜を取り除く。ゲート絶縁膜17の除去はフッ酸を用いたウエットプロセスよく、ドライエッチングでもよい。 After that, using a resist processed by photolithography as a mask, only the gate insulating film 17 on the JFET region 4 is left and the other insulating films are removed. The gate insulating film 17 can be removed by a wet process using hydrofluoric acid, or dry etching can also be used.

次に、図18に示すように、1150℃以上のドライ熱酸化法によってゲート絶縁膜18を形成する。ゲート絶縁膜18は、700℃~900℃程度の堆積法で形成する。ゲート絶縁膜18の形成後、窒素またはアンモニア雰囲気中で熱処理を行う。ゲート絶縁膜18を形成する工程を行うことによって、JFET領域4上のゲート絶縁膜17,18のみが厚くなり、かつ、セシウムを含む絶縁膜となる。ゲート絶縁膜17はゲート絶縁膜18とは異なる元素を含んでいる。 Next, as shown in FIG. 18, the gate insulating film 18 is formed by dry thermal oxidation at 1150°C or higher. The gate insulating film 18 is formed by a deposition method at about 700°C to 900°C. After the gate insulating film 18 is formed, a heat treatment is performed in a nitrogen or ammonia atmosphere. By performing the process of forming the gate insulating film 18, only the gate insulating films 17 and 18 on the JFET region 4 become thicker and become insulating films containing cesium. The gate insulating film 17 contains an element different from that of the gate insulating film 18.

以後の工程は、実施の形態2と同様である。図19に示すように、ゲート電極8は、ポリシリコンをCVD法によって堆積し、フォトリソグラフィによって加工されたレジストをマスクとしてエッチングを行って形成する。ポリシリコンには、燐や硼素のような不純物が含まれていてもよい。ゲート電極8に不純物が含まれることによって、ゲート電極8の低抵抗化を実現することができる。The subsequent steps are the same as those in the second embodiment. As shown in FIG. 19, the gate electrode 8 is formed by depositing polysilicon by the CVD method and etching it using a resist processed by photolithography as a mask. The polysilicon may contain impurities such as phosphorus and boron. By containing impurities in the gate electrode 8, it is possible to realize a low resistance of the gate electrode 8.

上述では、JFET領域4上のゲート絶縁膜17に、固定電荷となる不純物(元素)としてセシウムを注入する場合について説明したが、これに限るものではない。JFET領域4上のゲート絶縁膜17にバリウム(Ba)、ルビジウム(Rb)、およびストロンチウム(Sr)のうちの少なくとも1つを含ませることによって、ゲート絶縁膜17における固定電荷の形成を実現することができる。In the above, the case where cesium is implanted as an impurity (element) that becomes a fixed charge into the gate insulating film 17 on the JFET region 4 has been described, but this is not limited to this. By making the gate insulating film 17 on the JFET region 4 contain at least one of barium (Ba), rubidium (Rb), and strontium (Sr), the formation of a fixed charge in the gate insulating film 17 can be realized.

セシウム、バリウム、ルビジウム、およびストロンチウムは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属に属しているため、第1イオン化エネルギが小さく、正の電荷を持つイオンになりやすい性質を有している。また、セシウム、バリウム、ルビジウム、およびストロンチウムは、室温でも移動しやすいナトリウム等の軽元素とは異なり、原子番号が大きいため、通常の素子動作温度領域では電荷が移動することはない。従って、セシウム、バリウム、ルビジウム、およびストロンチウムは、正の固定電荷として働く材料である。 Cesium, barium, rubidium, and strontium belong to the alkali metal or alkaline earth metal group, and therefore have a small first ionization energy and tend to become positively charged ions. Also, unlike light elements such as sodium, which are mobile even at room temperature, cesium, barium, rubidium, and strontium have large atomic numbers, so their charges do not move in the normal device operating temperature range. Therefore, cesium, barium, rubidium, and strontium are materials that act as positive fixed charges.

図17では、ゲート絶縁膜17が酸化シリコンである場合について説明したが、酸化シリコンよりも誘電率が高い材料(絶縁材料)として、酸化ハフニウム(HfO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化アルミニウム(Al,AlO等)、酸化タンタル(Ta)、酸窒化ハフニウム(HfO)、酸窒化ジルコニウム(ZrO)、酸窒化アルミニウム(AlO)、酸窒化タンタル(TaO)、およびこれらの材料の複合的組成を有するもの(酸化ハフニウムアルミネート、酸窒化ハフニウムアルミネートなど)、あるいはシリコン等の半導体基板に含まれる元素を含むもの(酸化ハフニウムシリケート、酸化ハフニウムアルミネートシリケート)でもよい。また、酸化シリコンと酸化シリコンよりも誘電率が高い材料との積層膜、または、酸窒化シリコンと酸化シリコンよりも誘電率が高い材料との積層膜であってもよい。これらの積層膜に、セシウム、バリウム、ルビジウム、またはストロンチウムを含めてもよい。 17, the case where the gate insulating film 17 is silicon oxide has been described, but as a material (insulating material) having a higher dielectric constant than silicon oxide, hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 , Al 2 O, etc.), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), hafnium oxynitride (HfO x N y ), zirconium oxynitride (ZrO x N y ), aluminum oxynitride (AlO x N y ), tantalum oxynitride (TaO x N y ), and a composite composition of these materials (hafnium aluminate oxide, hafnium aluminate oxynitride, etc.), or a material containing an element contained in a semiconductor substrate such as silicon (hafnium oxide silicate, hafnium aluminate silicate) may be used. In addition, the gate insulating film 17 may be a laminated film of silicon oxide and a material having a higher dielectric constant than silicon oxide, or a laminated film of silicon oxynitride and a material having a higher dielectric constant than silicon oxide. These film stacks may contain cesium, barium, rubidium, or strontium.

図18では、ゲート絶縁膜18が酸化シリコンである場合について説明したが、誘電率が高い材料として、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸窒化ハフニウム、酸窒化ジルコニウム、酸窒化アルミニウム、酸窒化タンタル、およびこれらの材料の複合的組成を有するもの(酸化ハフニウムアルミネート、酸窒化ハフニウムアルミネートなど)、あるいはシリコン等の半導体基板に含まれる元素を含むもの(酸化ハフニウムシリケート、酸化ハフニウムアルミネートシリケート)でもよい。さらに、酸化シリコンと酸化シリコンよりも誘電率が高い材料との積層膜、または、酸窒化シリコンと酸化シリコンよりも誘電率が高い材料との積層膜であってもよい。18, the gate insulating film 18 is silicon oxide, but materials with a high dielectric constant may be hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, tantalum oxide, hafnium oxynitride, zirconium oxynitride, aluminum oxynitride, tantalum oxynitride, or a composite composition of these materials (hafnium aluminate oxide, hafnium aluminate oxynitride, etc.), or a material containing an element contained in a semiconductor substrate such as silicon (hafnium oxide silicate, hafnium aluminate silicate). Furthermore, the material may be a laminated film of silicon oxide and a material with a higher dielectric constant than silicon oxide, or a laminated film of silicon oxynitride and a material with a higher dielectric constant than silicon oxide.

積層膜の場合、積層膜のうち炭化珪素基板1に接する膜に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜を用いる。ゲート絶縁膜18とウェル領域6との界面は、MOSFETのチャネルとなるため、キャリアの移動度の劣化を防ぐことによって、より低抵抗を実現することができる。In the case of a laminated film, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is used for the film in contact with the silicon carbide substrate 1. The interface between the gate insulating film 18 and the well region 6 becomes the channel of the MOSFET, so that a lower resistance can be achieved by preventing deterioration of carrier mobility.

上述では、JFET領域4上に2回以上の工程でゲート絶縁膜17,18を堆積することによって、ウェル領域6上のゲート絶縁膜18よりも厚くする構造について説明した。ゲート絶縁膜17に形成する固定電荷量は、ゲート絶縁膜17に導入する元素のドーズ量でコントロールすることができるため、JFET領域4上のゲート絶縁膜17に高濃度の元素をドーズすれば、ウェル領域6上のゲート絶縁膜18と同一の厚さにすることができる。ただし、この場合、JFET領域4上にはゲート絶縁膜18を形成せずゲート絶縁膜17のみが形成されることになる。 In the above, a structure has been described in which the gate insulating films 17, 18 are deposited on the JFET region 4 in two or more steps to make the gate insulating film thicker than the gate insulating film 18 on the well region 6. Since the amount of fixed charge formed in the gate insulating film 17 can be controlled by the dose of the element introduced into the gate insulating film 17, if the gate insulating film 17 on the JFET region 4 is dosed with a high concentration of the element, it can be made to have the same thickness as the gate insulating film 18 on the well region 6. However, in this case, the gate insulating film 18 is not formed on the JFET region 4, and only the gate insulating film 17 is formed.

<半導体装置103の電気特性評価>
炭化珪素基板1にMOSFETを形成した後に、モジュールを形成する。MOSFETの形成後には、素子(半導体装置103)の良し悪しを判断するために、MOSFETの電気特性を評価する。その後、切断(ダイシング)され、個々の素子(チップ)に分割される。パワーモジュールを組み立てる際には、良品素子を用いる。良品素子とは、MOSFETの電気特性を評価した際に期待の特性を満たす素子をいう。
<Evaluation of Electrical Characteristics of Semiconductor Device 103>
After forming the MOSFET on the silicon carbide substrate 1, a module is formed. After the MOSFET is formed, the electrical characteristics of the MOSFET are evaluated to determine the quality of the element (semiconductor device 103). The MOSFET is then cut (diced) and divided into individual elements (chips). When assembling a power module, good elements are used. A good element is an element that meets the expected characteristics when the electrical characteristics of the MOSFET are evaluated.

図20は、実施の形態4による半導体装置103を含むモジュールの製造方法の一例を示すフローチャートである。なお、ここでは実施の形態4による半導体装置103を含むモジュールの製造方法について説明するが、実施の形態1~3で説明した半導体装置100,101,102のそれぞれを含むモジュールの製造方法も同様である。 Figure 20 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a module including the semiconductor device 103 according to embodiment 4. Note that, although a method for manufacturing a module including the semiconductor device 103 according to embodiment 4 is described here, the same method can be used for manufacturing modules including each of the semiconductor devices 100, 101, and 102 described in embodiments 1 to 3.

ステップS101において、炭化珪素基板1にMOSFETを形成する。In step S101, a MOSFET is formed on a silicon carbide substrate 1.

ステップS102において、MOSFETの電気特性を評価する。 In step S102, the electrical characteristics of the MOSFET are evaluated.

ステップS103において、MOSFETにおけるゲート絶縁膜17とJFET領域4との界面に対して、固定電荷を形成するための電気的なストレスを印加する。In step S103, electrical stress is applied to the interface between the gate insulating film 17 and the JFET region 4 in the MOSFET to form a fixed charge.

ステップS104において、複数の半導体装置103が形成されたウエハから、1つの半導体装置103(チップ)取り出すべくダイシングする。In step S104, the wafer on which multiple semiconductor devices 103 are formed is diced to extract a single semiconductor device 103 (chip).

ステップS105において、ステップS102で評価した電気特性に基づいて、チップを選別する。In step S105, the chips are selected based on the electrical characteristics evaluated in step S102.

ステップS106において、ステップS105で選別されたチップを用いてパワーモジュールを組み立てる。In step S106, a power module is assembled using the chips selected in step S105.

ステップS103における電気的なストレスを印加する方法について説明する。ソース電極11とゲート電極8とはショートして0Vとする。ドレイン電極12には、MOSFETの素子耐圧の80%の電圧を数秒から数時間印加する(第12工程)。この電圧印加する環境は、室温環境でもよく、150℃程度の高温環境でもよい。The method of applying electrical stress in step S103 will be described. The source electrode 11 and gate electrode 8 are shorted to 0 V. A voltage of 80% of the MOSFET's element breakdown voltage is applied to the drain electrode 12 for several seconds to several hours (step 12). The environment in which this voltage is applied may be a room temperature environment or a high temperature environment of about 150°C.

上記の電圧条件では、ソース電極11とゲート電極8との電位差がないことから、チャネル領域のゲート絶縁膜18にストレスが印加されない。一方、JFET領域4上のゲート絶縁膜17には、ドレイン電界によって電気的なストレスが印加される。このストレスによって、JFET領域4上のみに、すなわちゲート絶縁膜17とJFET領域4との界面のみに正の固定電荷40を形成することができる。電圧印加時間とともに電荷量が増大することから、設計の電荷量を形成する時間と温度を選定すればよい。印加時間を短時間にしてスループットを上げたい場合は、高温で印可する。また、複数の素子に同時に印加してもよい。Under the above voltage conditions, since there is no potential difference between the source electrode 11 and the gate electrode 8, no stress is applied to the gate insulating film 18 in the channel region. Meanwhile, electrical stress is applied to the gate insulating film 17 on the JFET region 4 by the drain electric field. This stress allows a positive fixed charge 40 to be formed only on the JFET region 4, that is, only at the interface between the gate insulating film 17 and the JFET region 4. Since the amount of charge increases with the voltage application time, the time and temperature for forming the designed amount of charge can be selected. If it is desired to shorten the application time and increase throughput, a high temperature is applied. It may also be applied to multiple elements simultaneously.

なお、本開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。Within the scope of this disclosure, it is possible to freely combine the various embodiments, or to modify or omit the various embodiments as appropriate.

本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、限定的なものではない。例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。Although the present disclosure has been described in detail, the above description is illustrative in all respects and is not limiting. It is understood that countless variations not illustrated can be envisioned.

1 炭化珪素基板、2 半導体層、3 ドリフト層、4 JFET領域、5 ソース領域、6 ウェル領域、7 ゲート絶縁膜、8 ゲート電極、9 ウェルコンタクト領域、11 ソース電極、12 ドレイン電極、13 層間絶縁膜、15 ゲート絶縁膜、16 ゲート絶縁膜、17 ゲート絶縁膜、18 ゲート絶縁膜、20 低抵抗領域、31 コンタクトホール、32 バリアメタル、40 固定電荷、41 固定電荷、100 半導体装置。 1 silicon carbide substrate, 2 semiconductor layer, 3 drift layer, 4 JFET region, 5 source region, 6 well region, 7 gate insulating film, 8 gate electrode, 9 well contact region, 11 source electrode, 12 drain electrode, 13 interlayer insulating film, 15 gate insulating film, 16 gate insulating film, 17 gate insulating film, 18 gate insulating film, 20 low resistance region, 31 contact hole, 32 barrier metal, 40 fixed charge, 41 fixed charge, 100 semiconductor device.

Claims (12)

第1導電型の炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の表層に選択的に形成された第2導電型の複数のウェル領域と、
各前記ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ドリフト層の表層であって平面視において隣り合う各前記ウェル領域間に形成され、前記ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する低抵抗領域と、
前記ソース領域上、各前記ウェル領域上、および前記低抵抗領域上に亘って形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜は、各前記ウェル領域に接する第1領域と、前記低抵抗領域に接する第2領域とを含み、
前記第2領域における正の固定電荷の密度は、前記第1領域における正の固定電荷の密度よりも高く、
前記ゲート絶縁膜の前記第2領域は、前記ゲート絶縁膜の前記第1領域とは異なる元素を含み、
前記ゲート絶縁膜の前記第2領域における前記元素の濃度ピークは、前記第2領域と前記低抵抗領域との界面、または当該界面から10nm以内の前記第2領域にある、半導体装置。
a silicon carbide substrate of a first conductivity type;
a drift layer of a first conductivity type formed on the silicon carbide substrate;
a plurality of well regions of a second conductivity type selectively formed on a surface layer of the drift layer;
a first conductivity type source region selectively formed on a surface layer of each of the well regions;
a low-resistance region that is formed in a surface layer of the drift layer between adjacent well regions in a plan view and has an impurity concentration higher than an impurity concentration of the drift layer;
a gate insulating film formed over the source region, each of the well regions, and the low resistance region;
a gate electrode formed on the gate insulating film;
Equipped with
the gate insulating film includes a first region in contact with each of the well regions and a second region in contact with the low resistance region;
a density of positive fixed charges in the second region is higher than a density of positive fixed charges in the first region;
the second region of the gate insulating film contains an element different from the first region of the gate insulating film,
a concentration peak of the element in the second region of the gate insulating film is located at an interface between the second region and the low resistance region, or within 10 nm of the interface in the second region .
前記ゲート絶縁膜の前記第2領域における前記元素は、セシウム、バリウム、ストロンチウム、およびルビジウムのうちの少なくとも1つを含む、請求項に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1 , wherein the element in the second region of the gate insulating film includes at least one of cesium, barium, strontium, and rubidium. 第1導電型の炭化珪素基板と、a silicon carbide substrate of a first conductivity type;
前記炭化珪素基板上に形成された第1導電型のドリフト層と、a drift layer of a first conductivity type formed on the silicon carbide substrate;
前記ドリフト層の表層に選択的に形成された第2導電型の複数のウェル領域と、a plurality of well regions of a second conductivity type selectively formed on a surface layer of the drift layer;
各前記ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、a first conductivity type source region selectively formed on a surface layer of each of the well regions;
前記ドリフト層の表層であって平面視において隣り合う各前記ウェル領域間に形成され、前記ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する低抵抗領域と、a low-resistance region that is formed in a surface layer of the drift layer between adjacent well regions in a plan view and has an impurity concentration higher than an impurity concentration of the drift layer;
前記ソース領域上、各前記ウェル領域上、および前記低抵抗領域上に亘って形成されたゲート絶縁膜と、a gate insulating film formed over the source region, each of the well regions, and the low resistance region;
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、a gate electrode formed on the gate insulating film;
を備え、Equipped with
前記ゲート絶縁膜は、各前記ウェル領域に接する第1領域と、前記低抵抗領域に接する第2領域とを含み、the gate insulating film includes a first region in contact with each of the well regions and a second region in contact with the low resistance region;
前記第2領域における正の固定電荷の密度は、前記第1領域における正の固定電荷の密度よりも高く、a density of positive fixed charges in the second region is higher than a density of positive fixed charges in the first region;
前記ゲート絶縁膜の前記第2領域は、前記ゲート絶縁膜の前記第1領域とは異なる絶縁材料を含む、半導体装置。The second region of the gate insulating film includes an insulating material different from that of the first region of the gate insulating film.
前記ゲート絶縁膜の前記第2領域における前記絶縁材料は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸窒化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸窒化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化タンタル、および酸窒化タンタルのうちの少なくとも1つを含む、請求項に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the insulating material in the second region of the gate insulating film includes at least one of silicon nitride, silicon oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, zirconium oxide, zirconium oxynitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, tantalum oxide, and tantalum oxynitride. 前記低抵抗領域は、深さ方向において前記ゲート絶縁膜に近づくほど不純物濃度が高い、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the low resistance region has an impurity concentration that increases toward the gate insulating film in a depth direction. 前記ゲート絶縁膜の前記第2領域は、前記ゲート絶縁膜の前記第1領域よりも厚い、請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the second region of the gate insulating film is thicker than the first region of the gate insulating film. 前記ゲート絶縁膜の前記第2領域と前記低抵抗領域との界面における窒素濃度は、前記ゲート絶縁膜の前記第1領域と各前記ウェル領域との界面における窒素濃度よりも高濃度である、請求項1からのいずれか1項に記載の半導体装置。 7. The semiconductor device according to claim 1, wherein a nitrogen concentration at an interface between the second region of the gate insulating film and the low resistance region is higher than a nitrogen concentration at an interface between the first region of the gate insulating film and each of the well regions. 第1導電型の炭化珪素基板を準備する第1工程と、
前記炭化珪素基板上に第1導電型のドリフト層を形成する第2工程と、
前記ドリフト層の表層に第2導電型の複数のウェル領域を選択的に形成する第3工程と、
各前記ウェル領域の表層に第1導電型のソース領域を選択的に形成する第4工程と、
前記ドリフト層の表層であって平面視において隣り合う各前記ウェル領域間に、前記ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する低抵抗領域を形成する第5工程と、
前記ソース領域上、各前記ウェル領域上、および前記低抵抗領域上に亘ってゲート絶縁膜を形成する第6工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第7工程と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜は、各前記ウェル領域に接する第1領域と、前記低抵抗領域に接する第2領域とを含み、
前記第2領域における正の固定電荷の密度は、前記第1領域における正の固定電荷の密度よりも高く、
前記第6工程は、
前記低抵抗領域上のみに第1ゲート絶縁膜を形成する第8工程と、
前記第8工程の後、前記ソース領域上、各前記ウェル領域上、および前記第1ゲート絶縁膜上に亘って第2ゲート絶縁膜を形成する第9工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。
A first step of preparing a silicon carbide substrate of a first conductivity type;
a second step of forming a drift layer of a first conductivity type on the silicon carbide substrate;
a third step of selectively forming a plurality of well regions of a second conductivity type in a surface layer of the drift layer;
a fourth step of selectively forming a first conductivity type source region in a surface layer of each of the well regions;
a fifth step of forming a low-resistance region having an impurity concentration higher than an impurity concentration of the drift layer between the well regions adjacent to each other in a plan view in a surface layer of the drift layer;
a sixth step of forming a gate insulating film over the source region, over each of the well regions, and over the low resistance region;
a seventh step of forming a gate electrode on the gate insulating film;
Equipped with
the gate insulating film includes a first region in contact with each of the well regions and a second region in contact with the low resistance region;
a density of positive fixed charges in the second region is higher than a density of positive fixed charges in the first region;
The sixth step comprises:
an eighth step of forming a first gate insulating film only on the low resistance region;
a ninth step of forming a second gate insulating film over the source region, each of the well regions, and the first gate insulating film after the eighth step;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of :
前記第1ゲート絶縁膜は、前記第2ゲート絶縁膜とは異なる絶縁材料を含む、請求項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8 , wherein the first gate insulating film contains an insulating material different from that of the second gate insulating film. 第1導電型の炭化珪素基板を準備する第1工程と、A first step of preparing a silicon carbide substrate of a first conductivity type;
前記炭化珪素基板上に第1導電型のドリフト層を形成する第2工程と、a second step of forming a drift layer of a first conductivity type on the silicon carbide substrate;
前記ドリフト層の表層に第2導電型の複数のウェル領域を選択的に形成する第3工程と、a third step of selectively forming a plurality of well regions of a second conductivity type in a surface layer of the drift layer;
各前記ウェル領域の表層に第1導電型のソース領域を選択的に形成する第4工程と、a fourth step of selectively forming a first conductivity type source region in a surface layer of each of the well regions;
前記ドリフト層の表層であって平面視において隣り合う各前記ウェル領域間に、前記ドリフト層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する低抵抗領域を形成する第5工程と、a fifth step of forming a low-resistance region having an impurity concentration higher than an impurity concentration of the drift layer between the well regions adjacent to each other in a plan view in a surface layer of the drift layer;
前記ソース領域上、各前記ウェル領域上、および前記低抵抗領域上に亘ってゲート絶縁膜を形成する第6工程と、a sixth step of forming a gate insulating film over the source region, over each of the well regions, and over the low resistance region;
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第7工程と、a seventh step of forming a gate electrode on the gate insulating film;
を備え、Equipped with
前記ゲート絶縁膜は、各前記ウェル領域に接する第1領域と、前記低抵抗領域に接する第2領域とを含み、the gate insulating film includes a first region in contact with each of the well regions and a second region in contact with the low resistance region;
前記第2領域における正の固定電荷の密度は、前記第1領域における正の固定電荷の密度よりも高く、a density of positive fixed charges in the second region is higher than a density of positive fixed charges in the first region;
前記ソース領域上にソース電極を形成する第10工程と、a tenth step of forming a source electrode on the source region;
前記炭化珪素基板の裏面にドレイン電極を形成する第11工程と、An eleventh step of forming a drain electrode on a back surface of the silicon carbide substrate;
前記ソース電極および前記ゲート電極に0V以下の電圧を印加し、予め定められた素子耐圧の80%以上の電圧を5秒以上印加する第12工程と、a twelfth step of applying a voltage of 0 V or less to the source electrode and the gate electrode, and applying a voltage of 80% or more of a predetermined element breakdown voltage for 5 seconds or more;
をさらに備える、半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device further comprises:
前記第12工程において、前記ソース電極および前記ゲート電極に0Vの電圧を印加する、請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 11. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10 , wherein in said twelfth step, a voltage of 0 V is applied to said source electrode and said gate electrode. 前記第5工程は、前記ドリフト層の表層であって平面視において隣り合う各前記ウェル領域間に、第1導電型の不純物を注入エネルギを変えて複数回注入することによって前記低抵抗領域を形成する工程を含む、請求項8から11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 12. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the fifth step includes a step of forming the low-resistance region by injecting a first conductivity type impurity a plurality of times with different injection energies into a surface layer of the drift layer and between the well regions adjacent to each other in a planar view.
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