JP2012151400A - SiC SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SiC SEMICONDUCTOR DEVICE - Google Patents
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Abstract
【課題】SiC/SiO2界面のトラップ準位を大幅に低減し、高絶縁耐力、低リーク電流で、かつ閾値電圧が安定したSiC半導体装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明のSiC半導体装置は、SiC基板1と、SiC基板1上に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7とを備えるSiC半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜は、SiC基板1上に形成されたリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜5と、第1絶縁膜5上に形成された、SiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCよりも大きなバンドギャップを持つ材質よりなる第2絶縁膜6とを備える。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide an SiC semiconductor device that greatly reduces the trap level at the SiC / SiO 2 interface, has high dielectric strength, low leakage current, and stable threshold voltage.
An SiC semiconductor device according to the present invention is an SiC semiconductor device including an SiC substrate, a gate insulating film formed on the SiC substrate, and a gate electrode formed on the gate insulating film. The gate insulating film includes a first insulating film 5 made of SiO 2 doped with phosphorus formed on the SiC substrate 1 and a diffusion of phosphorus element more than SiO 2 formed on the first insulating film 5. And a second insulating film 6 made of a material having a lower band gap than SiC.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、低チャネル抵抗かつ信頼性の高いSiC半導体装置に関する。 The present invention relates to a SiC semiconductor device with low channel resistance and high reliability.
炭化珪素(SiC)は珪素(Si)と同様に、熱酸化により二酸化珪素(SiO2)膜を形成することができる。SiCは優れた物性値を持ち、高耐圧、低損失なパワーデバイスの実現を可能にする。しかしながら、SiC/SiO2界面には多くの界面準位が存在する。この伝導帯に近い界面準位により、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Semiconductor)のチャネル移動度はバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなり、オン抵抗値が理想的な値よりも高くなる。 Like silicon (Si), silicon carbide (SiC) can form a silicon dioxide (SiO 2 ) film by thermal oxidation. SiC has excellent physical property values, and enables the realization of a power device with high breakdown voltage and low loss. However, many interface states exist at the SiC / SiO 2 interface. Due to the interface state close to the conduction band, the channel mobility of MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Semiconductor) becomes extremely smaller than the electron mobility in the bulk, and the on-resistance value becomes higher than the ideal value.
界面準位を不活性化する為に、通常、ゲート酸化膜を形成した後に再び熱酸化を行う再酸化処理や、窒素酸化系ガス(NOx)やアンモニア(NH3)ガスなどの窒素系ガス雰囲気中での熱処理が行われる。これらの他に、塩化ホスホリル(POCl3)雰囲気での熱処理によりゲート酸化膜にリン元素をドープすることで、界面準位密度が低下することが知られている(非特許文献1参照)。塩化ホスホリル雰囲気で熱処理を行うと、一酸化窒素(NO)雰囲気で熱処理を行う場合に比べてチャネル移動度が3倍程度高くなる。 In order to inactivate the interface states, a reoxidation process in which thermal oxidation is performed again after forming a gate oxide film, or a nitrogen-based gas such as a nitrogen-oxidized gas (NO x ) or ammonia (NH 3 ) gas Heat treatment is performed in an atmosphere. In addition to these, it is known that the interface state density is reduced by doping the gate oxide film with phosphorus element by heat treatment in a phosphoryl chloride (POCl 3 ) atmosphere (see Non-Patent Document 1). When heat treatment is performed in a phosphoryl chloride atmosphere, channel mobility is about three times higher than in the case where heat treatment is performed in a nitric oxide (NO) atmosphere.
界面準位密度を低減するには、1×1021(cm-3)よりも高い濃度のリン元素が必要である。リン元素はSiO2膜中を拡散しやすいことから、SiO2膜の全域に高濃度のリンが存在することになる。SiO2は高濃度のリンを添加したことによって絶縁破壊強度が低下し、ゲート絶縁膜として用いた場合にリーク電流が増加するという問題がある。 In order to reduce the interface state density, a phosphorus element having a concentration higher than 1 × 10 21 (cm −3 ) is required. Elemental phosphorus from the easily diffuse SiO 2 film, so that a high concentration of phosphorus is present in the entire region of the SiO 2 film. SiO 2 has a problem that the dielectric breakdown strength is reduced by adding a high concentration of phosphorus, and the leakage current increases when used as a gate insulating film.
また、リン元素を含んだSiO2膜は吸湿性が非常に高く、吸湿によりSiO2から酸化リン(P2O5)が溶出してリン酸を形成し、ゲート絶縁膜中の水素イオン濃度が増加する結果、半導体装置の閾値電圧が変化するという問題もある。 Further, the SiO 2 film containing phosphorus element has very high hygroscopicity, and phosphorus oxide (P 2 O 5 ) elutes from SiO 2 due to moisture absorption to form phosphoric acid, and the hydrogen ion concentration in the gate insulating film increases. As a result of the increase, there is also a problem that the threshold voltage of the semiconductor device changes.
また、ゲート電極に多結晶Siを用いた場合、SiO2/Si境界でのリン元素の偏析係数は10であり、SiO2膜から多結晶Siへリン元素が放出し、SiO2膜中のリン濃度の低下とSiC/SiO2界面での欠陥準位の増加が懸念される。 In the case of using the polycrystalline Si gate electrode, the segregation coefficient of phosphorus element in the SiO 2 / Si boundary is 10, SiO 2 phosphorus element is released from the film into the polycrystalline Si, phosphorus in the SiO 2 film There is concern about a decrease in concentration and an increase in defect levels at the SiC / SiO 2 interface.
本発明は上述の問題点に鑑み、SiC/SiO2界面のトラップ準位を大幅に低減すると共に、絶縁耐力の向上とリーク電流の低減を図り、かつ閾値電圧が安定したSiC半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention greatly reduces the trap level at the SiC / SiO 2 interface, improves the dielectric strength, reduces the leakage current, and stabilizes the threshold voltage. The purpose is to provide a method.
本発明のSiC半導体装置は、SiC基板と、前記SiC基板上に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、前記SiC基板上に形成されたリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された、SiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCよりも大きなバンドギャップを持つ材質よりなる第2絶縁膜とを備える。 The SiC semiconductor device of the present invention includes a SiC substrate, a gate insulating film formed on the SiC substrate, and a gate electrode formed on the gate insulating film, and the gate insulating film is formed on the SiC substrate. A first insulating film made of SiO 2 to which phosphorus is added, and a material formed on the first insulating film and having a lower diffusion rate of phosphorus element than SiO 2 and a larger band gap than SiC A second insulating film.
本発明のSiC半導体装置の製造方法は、(a)SiC基板を準備する工程と、(b)前記SiC基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、(c)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを備え、前記工程(b)は、(d)前記SiC基板上にリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜を形成する工程と、(e)前記第1絶縁膜上にSiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCに比べて大きなバンドギャップを持つ第2絶縁膜を形成する工程とを備える。 The SiC semiconductor device manufacturing method of the present invention includes (a) a step of preparing a SiC substrate, (b) a step of forming a gate insulating film on the SiC substrate, and (c) a gate electrode on the gate insulating film. The step (b) includes: (d) forming a first insulating film made of SiO 2 doped with phosphorus on the SiC substrate; and (e) on the first insulating film. And a step of forming a second insulating film having a lower diffusion rate of phosphorus element than SiO 2 and a larger band gap than SiC.
本発明のSiC半導体装置において、ゲート絶縁膜は、前記SiC基板上に形成されたリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された、SiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCよりも大きなバンドギャップを持つ材質よりなる第2絶縁膜とを備える。第1絶縁膜に添加したリンにより、SiC基板との間に生じるトラップ準位を大幅に低減すると共に、第2絶縁膜により第1絶縁膜中のリンが拡散することを防ぐので、高い絶縁耐力を保ち、リーク電流が低減され、閾値電圧が安定する。 In the SiC semiconductor device of the present invention, the gate insulating film includes a first insulating film made of SiO 2 added with phosphorus formed on the SiC substrate, which is formed on the first insulating film, than SiO 2 And a second insulating film made of a material having a low diffusion rate of phosphorus element and a band gap larger than that of SiC. The phosphorus added to the first insulating film significantly reduces the trap level generated between the SiC substrate and the second insulating film, and prevents the phosphorus in the first insulating film from diffusing. The leakage current is reduced and the threshold voltage is stabilized.
本発明のSiC半導体装置の製造方法において、(b)SiC基板上にゲート絶縁膜を形成する工程は、(d)前記SiC基板上にリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜を形成する工程と、(e)前記第1絶縁膜上にSiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCに比べて大きなバンドギャップを持つ第2絶縁膜を形成する工程とを備える。リンを添加した第1絶縁膜を形成することにより、SiC基板との間に生じるトラップ準位を大幅に低減する。また、第2絶縁膜を形成することにより、第1絶縁膜中のリンが拡散することを防ぐので、高い絶縁耐力を保ち、低リーク電流で、安定した閾値電圧を有するSiC半導体装置の製造が可能である。 In the method for manufacturing a SiC semiconductor device according to the present invention, (b) the step of forming a gate insulating film on the SiC substrate includes (d) forming a first insulating film made of SiO 2 doped with phosphorus on the SiC substrate. And (e) forming a second insulating film having a lower diffusion rate of phosphorus element than SiO 2 and a larger band gap than SiC on the first insulating film. By forming the first insulating film to which phosphorus is added, the trap level generated between the SiC substrate and the SiC substrate is significantly reduced. Further, since the formation of the second insulating film prevents phosphorus in the first insulating film from diffusing, manufacturing of an SiC semiconductor device having a stable threshold voltage with a high dielectric strength, a low leakage current, and the like can be achieved. Is possible.
(実施の形態1)
以下の説明において、半導体層の導電型として「第1導電型」と「第2導電型」という語を用いるが、第1導電型がn型であれば第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば第2導電型はn型である。
(Embodiment 1)
In the following description, the terms “first conductivity type” and “second conductivity type” are used as the conductivity type of the semiconductor layer. If the first conductivity type is n type, the second conductivity type is p type, If the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type.
<構成>
図1は、実施の形態1に係るSiC半導体装置であるMOSFETの構造を示す断面図である。
<Configuration>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a MOSFET which is a SiC semiconductor device according to the first embodiment.
本実施の形態に係るMOSFETにおいて、第1導電型のSiC基板1の表面に、第1導電型のSiCからなるドリフト層2が形成される。ドリフト層2の表面には、互いに離間した第2導電型のベース領域3a,3bが形成される。ベース領域3a,3bの表面には、第1導電型のソース領域4a,4bが夫々形成される。
In the MOSFET according to the present embodiment, a
また、ゲート絶縁膜が、ベース領域3a,3bの間から露出したドリフト層2上、ベース領域3a,3b上、さらにはソース領域4a,4b上の一部と重なるように形成される。ゲート絶縁膜は、下層の第1絶縁膜5と上層の第2絶縁膜6からなる。第1絶縁膜5はリンを添加したSiO2膜であり、第2絶縁膜6は、例えば酸窒化珪素(SiON)膜などのSiO2膜よりもリン元素が拡散しにくい絶縁膜で形成される。
Further, the gate insulating film is formed so as to overlap the
第1絶縁膜5ではSiO2膜にリンを添加することによって、SiC層との界面に生じるトラップ準位を抑制している。また、第1絶縁膜5上に第2絶縁膜6としてSiON膜を形成することにより、第1絶縁膜5のリンが第2絶縁膜6に拡散しないようにし、ゲート絶縁膜全体として絶縁耐力が低下するのを避けている。
In the first
ソース領域4a,4b上にはソース電極8a,8bがそれぞれ形成される。SiON膜6上にはゲート電極7が形成される。SiC基板1と、ドリフト層2と、ベース領域3a,3bと、ソース領域4a,4bとにより基体が構成される。基体の裏面にはドレイン電極9が形成される。
<動作>
ゲート電極7に電圧が印加されると、ゲート電極7直下のベース領域3a,3b表面に反転チャネル層が形成され、ソース領域4a,4bとドリフト層2との間に電荷の流れる経路が形成される。本実施の形態のMOSFETがnチャネルMOSFETである場合、多数キャリアは電子であり、ソース領域4a,4bからドリフト層2へ流れ込む電子は、ドレイン電極9に印加される電圧により形成される電界に従ってドリフト層2及び基板1を介してドレイン電極9に到達する。したがって、ゲート電極7に電圧を印加することにより、ドレイン電極9からソース電極8a,8bに電流が流れる。
<Operation>
When a voltage is applied to the
本実施の形態のMOSFETがpチャネルMOSFETである場合、多数キャリアは正孔であり、ドレイン電極9から注入される正孔が、ドリフト層2を介してベース領域3a,3bに到達し、次いで、ベース領域3a,3b表面に形成された反転チャネル層を介してソース電極8a,8bに印加される電圧により形成される電界に従ってソース領域4a,4bに流れ込む。これにより、正孔がドレイン電極9からソース電極8a,8bに流れる。
When the MOSFET of this embodiment is a p-channel MOSFET, the majority carriers are holes, and holes injected from the drain electrode 9 reach the
<製造工程>
以下、図1に示すSiC−MOSFETの製造工程について、図2〜図9に沿って説明する。
<Manufacturing process>
Hereinafter, the manufacturing process of the SiC-MOSFET shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
まず、図2を参照して、第1導電型のSiC基板1上に、エピタキシャル成長法を用いて第1導電型のSiCエピタキシャル層からなるドリフト層2を形成する。このドリフト層2の厚さは5〜50μm程度であればよく、また不純物濃度は1×1015〜1×1018cm-3である。この条件でドリフト層2を形成することにより、数百Vないし3kV以上の耐圧を有する縦型高耐圧MOSFETを実現する。
First, referring to FIG. 2,
SiC基板1のエピタキシャル成長させる面としては、(0001)面、(000−1)面、(11−20)面などを用いることができる。また、このSiC基板1のポリタイプとしては、4H、6H、または3Cのいずれかを用いることができる。
As a surface on which the
次に、ドリフト層2の表面にベース領域を形成する領域が露出するように、写真製版技術を用いてレジスト、二酸化珪素、または窒化珪素などによりマスクを形成する。このマスクを不純物注入阻止膜として不純物をイオン注入し、一対の第2導電型のベース領域3a,3bを形成する。図3では、このイオン注入時に用いられるマスクを除去した後の素子の断面構造を示している。
Next, a mask is formed with a resist, silicon dioxide, silicon nitride or the like by using a photoengraving technique so that a region for forming a base region is exposed on the surface of the
ベース領域3a,3bに導入する第2導電型不純物としては、nチャネルMOSFETを製造する場合、例えばボロン(B)またはアルミニウム(Al)が利用可能であり、pチャネルMOSFETを製造する場合、例えばリン(P)または窒素(N)を利用することができる。
As the second conductivity type impurity introduced into the
ベース領域3a,3bの深さは、ドリフト層2の厚さを超えないことが要求され、例えば0.5〜3μm程度あればよい。
The depth of the
また、ベース領域3a,3bの不純物濃度は、ドリフト層2における第1導電型不純物濃度を超える濃度に設定し、例えば1×1017〜1×1019cm-3程度であればよい。
The impurity concentration of the
次いで、写真製版技術を用いて基体表面にマスクを形成し、ソース領域形成部分を露出させ、このマスクを不純物注入阻止膜としてベース領域3a,3b内に第1導電型不純物をイオン注入し、第1導電型のソース領域4a,4bをそれぞれ形成する。図4には、ソース領域4a,4b形成用のマスクを除去した後の装置の断面を示している。
Next, a mask is formed on the surface of the substrate using a photoengraving technique, the source region forming portion is exposed, the first conductivity type impurity is ion-implanted into the
ソース領域4a,4b内に導入される第1導電型の不純物としては、nチャネルMOSFETを製造する場合、例えばリン(P)または窒素(N)を利用することができ、pチャネルMOSFETを製造する場合、例えばボロン(B)またはアルミニウム(Al)を利用することができる。
As an impurity of the first conductivity type introduced into the
ソース領域4a,4bは、ベース領域3a,3bよりも浅く形成する。ソース領域4a,4bに導入される第1導電型の不純物濃度は、例えば1×1018〜1×1021cm-3程度であればよい。
The
続いて、熱処理装置により、SiC基体を例えば1300〜1900℃の高温条件下で10秒から1時間程度熱処理を行うことにより、ベース領域3a,3bやソース領域4a,4bに注入したイオンが電気的に活性化される。
Subsequently, the SiC substrate is subjected to a heat treatment for about 10 seconds to 1 hour under a high temperature condition of 1300 to 1900 ° C., for example, by a heat treatment apparatus, whereby ions implanted into the
次に、SiC基体の表面を、例えば水(H2O)を含んだ水蒸気雰囲気中で加熱して熱酸化させる。これにより、SiC基体表面に平均厚さが例えば約10nmのSiO2膜を形成する。熱酸化時の酸化温度は1000℃以上であり、好ましくは1100℃以上1300℃以下である。 Next, the surface of the SiC substrate is heated and oxidized in a water vapor atmosphere containing water (H 2 O), for example. Thereby, a SiO 2 film having an average thickness of, for example, about 10 nm is formed on the surface of the SiC substrate. The oxidation temperature during thermal oxidation is 1000 ° C. or higher, preferably 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
なお、上記のSiO2膜の形成方法は、酸素ガス雰囲気中での加熱や化学気相法を用いたものでもよい。 Note that the method of forming the SiO 2 film may be a method using heating in an oxygen gas atmosphere or a chemical vapor deposition method.
SiO2膜を形成した後、石英管炉内にSiC基体を導入し、処理温度を所定の温度に設定して、塩化ホスホリル(POCl3)と酸素(O2)、窒素(N2)からなる混合ガス中での熱処理により、第1絶縁膜5としてリンを添加したSiO2膜を形成する(図5)。ここで、SiO2膜にリン元素を導入する方法としては、POCl3雰囲気で熱処理を行う他、SiO2膜にリン元素をイオン注入しても良い。また、SiO2膜形成前にリン元素をSiC基体にイオン注入し、イオン注入された領域を熱酸化して、第1絶縁膜5を形成しても良いし、SiC基体上にリンを添加したポリSiを堆積させた後、低温でポリSiを酸化して第1絶縁膜5を形成しても良い。
After forming the SiO 2 film, the SiC substrate is introduced into the quartz tube furnace, the processing temperature is set to a predetermined temperature, and the phosphor is composed of phosphoryl chloride (POCl 3 ), oxygen (O 2 ), and nitrogen (N 2 ). A SiO 2 film to which phosphorus is added is formed as the first insulating
SiO2膜にリン元素をイオン注入する場合、例えばSiO2膜の膜厚を10nmとすれば、イオンの加速エネルギーはSiC基板にリン元素が到達しない2.5keV以下であることが望ましい。 If ion implantation of phosphorus element in the SiO 2 film, for example, if the thickness of the SiO 2 film with 10 nm, the acceleration energy of ions is preferably not more than 2.5keV not reach the phosphorus element in the SiC substrate.
SiO2膜を形成する前段階でリン元素をSiC基体にイオン注入し、イオン注入された領域を熱酸化して第1絶縁膜5を形成する場合、第1絶縁膜5の膜厚を10nmとすれば、加速エネルギーは0.5keV程度が望ましい。
When the first insulating
第1絶縁膜5は、通常のSiO2/SiC界面のSiO2側にて観察される炭素原子の析出深さ相当の膜厚があればよく、膜厚は5nm以上あることが望ましい。
The first
次に、図6を参照して、化学的気相成長炉(CVD炉)内にSiC基体を導入し、処理温度を所定の温度に設定してCVD法により、第1絶縁膜5上に、第2絶縁膜6として酸窒化珪素(SiON)膜を化学気相法により形成する。このCVD炉における材料ガスには、珪素源として例えば、シラン(SiH4)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、四塩化ケイ素(SiCl4)などを用いることができる。また、窒素源として、例えば窒素(N、N2)、アンモニア(NH3)を用いる。
Next, referring to FIG. 6, an SiC substrate is introduced into a chemical vapor deposition furnace (CVD furnace), a processing temperature is set to a predetermined temperature, and a CVD method is performed on the first insulating
第1絶縁膜が一般的なPSG(Phosphorus silicate glass)であってリン濃度が6〜8wt%である場合、リン濃度に応じておよそ950〜1100℃以上でリフローが起こる。この温度以上になると、堆積されたSiON膜6中にリン元素が拡散しやすくなる。SiO2膜に比べてSiON膜6中でのリン元素の拡散係数は小さいものの、リフローが起こらない温度領域でSiON膜6を堆積することにより、さらにリンの拡散を防ぐことが出来る。
When the first insulating film is a general PSG (Phosphorus silicate glass) and the phosphorus concentration is 6 to 8 wt%, the reflow occurs at about 950 to 1100 ° C. or more depending on the phosphorus concentration. Above this temperature, phosphorus element easily diffuses into the deposited
SiON膜6における窒素濃度は、リン元素の拡散防止と、バンドギャップ幅の維持の双方を考慮し、1×1020〜1×1021(cm-3)とすることが望ましい。
The nitrogen concentration in the
なお、第2絶縁膜6としてSiON膜を形成する代わりに、SiO2膜よりリン元素が拡散しにくく、SiCよりもバンドギャップ幅が大きな絶縁膜を形成してもよい。
Instead of forming the SiON film as the second
第1絶縁膜5と第2絶縁膜6の合計膜厚がゲート絶縁膜の膜厚となる。MOSFETではゲート絶縁膜厚が閾値電圧や絶縁信頼性に大きく影響を及ぼすことから、合計膜厚は10〜100nm程度とすることが望ましい。
The total thickness of the first insulating
また、SiC/SiO2界面での欠陥準位の低減には5wt%程度のリン濃度が必要であり、このリン濃度のSiO2膜5は1150℃以上でリフローが起こる。そのため、ゲート絶縁膜を形成した後は、1150℃以上の温度遷移をとらないことが望ましい。 Further, a phosphorus concentration of about 5 wt% is required to reduce the defect level at the SiC / SiO 2 interface, and the SiO 2 film 5 having this phosphorus concentration undergoes reflow at 1150 ° C. or higher. Therefore, it is desirable not to take a temperature transition of 1150 ° C. or higher after the gate insulating film is formed.
次いで、SiON膜6上にゲート電極7を成膜し、写真製版技術を用いてゲート電極7のパターニングを行う(図7)。ゲート電極7は、平面視においてベース領域3a,3bならびにソース領域4a,4bがその両端部に位置し、ベース領域3a,3b間の露出したドリフト層2がその中央に位置するような形状にパターニングされる。
Next, a
またゲート電極7は、平面視において、一対のソース領域4a,4bと例えば10nm〜5μmの範囲で重なり合うように形成されるのが望ましい。これにより、ゲート電極7の端部で生じるフリンジ効果の影響を抑制して、均一にベース領域3a,3bの表面に電圧を印加して、確実に反転チャネル層を形成することができる。
The
ゲート電極7の素材としては、n型またはp型のポリSiもしくはポリSiCや、アルミニウム、チタン、モリブデン、タンタル、ニオブ、またはタングステンなどの高融点低抵抗金属を用いることができ、また、高融点低抵抗金属の窒化物が用いられてもよい。
As a material of the
ゲート電極7をパターニングした後、リンを添加したSiO2膜5およびSiON膜6の不要部分を、写真製版技術を用いたパターニングやウェットまたはドライエッチングで除去することにより、図8に示すように、ソース領域4a及び4bの表面が露出される。リンを添加したSiO2膜5およびSiON膜6は、ゲート電極7よりも長く形成され、次工程で形成されるソース電極8a,8bとゲート電極7との間を確実に電気的に分離する。
After patterning the
次いで、ソース領域4a,4bの露出した部分に、ソース電極8a,8bを成膜、パターニングにより形成する(図9)。
Next,
この後、SiC基板1の裏面にドレイン電極9を形成することにより、図1に示す素子構造を有するSiC−MOSFETの主要部が完成する。
Thereafter, the drain electrode 9 is formed on the back surface of the
ソース電極8a,8bとドレイン電極9の素材としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、および金などまたはこれらの複合物を用いることができる。また、ソース領域4a,4bとSiC基板1に対するオーミック接触を得るために、ソース電極8a,8bならびにドレイン電極9を形成した後に、1000℃程度の熱処理を行ってもよい。
As materials for the
<効果>
以上のように、本発明に従う炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、酸窒化珪素膜を追加することにより、リン元素がゲート絶縁膜全体に拡散することを防ぎ、ゲート絶縁膜の絶縁破壊強度が著しく低下することはない。また、酸窒化珪素膜が存在することにより、水蒸気がゲート絶縁膜に触れることを防ぎ、ゲート絶縁膜の吸湿による値電圧の変化を抑制することができる。
<Effect>
As described above, according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, by adding a silicon oxynitride film, it is possible to prevent phosphorus element from diffusing throughout the gate insulating film, and to obtain a dielectric breakdown strength of the gate insulating film. Is not significantly reduced. In addition, the presence of the silicon oxynitride film can prevent water vapor from touching the gate insulating film and suppress a change in value voltage due to moisture absorption by the gate insulating film.
本発明のSiC半導体装置は、SiC基板1と、SiC基板1上に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7とを備え、前記ゲート絶縁膜は、SiC基板1上に形成されたリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜5と、第1絶縁膜5上に形成された、SiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCよりも大きなバンドギャップを持つ材質よりなる第2絶縁膜6とを備える。第1絶縁膜5にリンを添加することによって、SiC層との間に発生する界面準位を抑制し、第2絶縁膜6により第1絶縁膜5に添加したリンが拡散することを防ぐので、高い絶縁耐力を保ち、リーク電流が低減される。また、第2絶縁膜6により水蒸気が第1絶縁膜5に触れることを防ぎ、第1絶縁膜5の吸湿を防ぐので、閾値電圧が安定する。
The SiC semiconductor device of the present invention includes a
また、第2絶縁膜6をSiON膜とすることにより、第1絶縁膜5に添加したリンが拡散することを防ぐので、高い絶縁耐力を保ち、リーク電流が低減され、閾値電圧が安定する。
Further, since the second
本実施の形態のSiC半導体装置の製造方法は、(a)SiC基板1を準備する工程と、(b)SiC基板1上にゲート絶縁膜を形成する工程と、(c)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極7を形成する工程とを備え、前記工程(b)は、(d)SiC基板1上にリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜5を形成する工程と、(e)第1絶縁膜5上にSiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCに比べて大きなバンドギャップを持つ第2絶縁膜6を形成する工程とを備える。工程(d)でリンを添加した第1絶縁膜5を形成するので、SiC基板との間に生じるトラップ準位を大幅に低減する。また、工程(e)で第2絶縁膜を形成することにより、第1絶縁膜中のリンが拡散することを防ぐので、高い絶縁耐力を保ち、低リーク電流で、安定した閾値電圧を有するSiC半導体装置となる。また、第2絶縁膜6により第1絶縁膜5の吸湿を防ぐので、閾値電圧が安定する。
The manufacturing method of the SiC semiconductor device of the present embodiment includes (a) a step of preparing
また、前記工程(e)では第2絶縁膜6としてSiON膜を形成することにより、第1絶縁膜5に添加したリンが拡散することを防ぐので、高い絶縁耐力を保ち、低リーク電流で、安定した閾値電圧を有するSiC半導体装置の製造が可能である。
In the step (e), the SiON film is formed as the second
また、前記工程(d)では、(g)熱酸化またはCVD法によりSiC基板1上にSiO2膜を形成する工程と、(h)前記工程(g)の後、前記SiO2膜を塩化ホスホリル(POCl3)含有雰囲気で熱処理する工程とを備えるので、SiC層との間に生じるトラップ準位を大幅に低減する。
In the step (d), (g) a step of forming a SiO 2 film on the
あるいは、前記工程(d)では、(i)前記SiC基板1上にリン元素をイオン注入する工程と、(j)前記工程(i)の後、前記SiC基板1を熱酸化する工程とを備えるので、SiC層との間に生じるトラップ準位を大幅に低減する。
Alternatively, the step (d) includes (i) a step of ion-implanting a phosphorus element onto the
あるいは、前記工程(d)では、(k)熱酸化またはCVD法により前記SiC基板1上にSiO2膜を形成する工程と、(l)前記工程(k)の後、前記SiO2膜にリン元素をイオン注入する工程と、(m)前記工程(l)の後、前記SiO2膜を熱処理する工程とを備えるので、SiC層との間に生じるトラップ準位を大幅に低減する。
Alternatively, in the step (d), (k) a step of forming a SiO 2 film on the
あるいは、前記工程(d)は、(n)SiC基板1にリン元素をドープしたポリSi膜を堆積する工程と、(o)前記工程(n)の後、前記ポリSi膜を熱酸化する工程とを備えるので、SiC層との間に生じるトラップ準位を大幅に低減する。
Alternatively, the step (d) includes (n) a step of depositing a poly-Si film doped with a phosphorus element on the
(実施の形態2)
<構成>
図10は、実施の形態2に係るSiC半導体装置であるMOSFETの構成を示す断面図である。実施の形態1ではゲート絶縁膜を、リンを添加したSiO2膜5とSiON膜6の積層構造としていたが、実施の形態2ではSiON膜6の上にさらにノンドープのSiO2膜10を形成し、この3層でゲート絶縁膜を構成する。これ以外の点は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
(Embodiment 2)
<Configuration>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a MOSFET which is an SiC semiconductor device according to the second embodiment. In the first embodiment, the gate insulating film has a laminated structure of the SiO 2 film 5 and the
<製造工程>
図11〜図14に沿って実施の形態2に係るMOSFETの製造工程を説明する。SiC基体にリンを添加したSiO2膜5上にSiON膜6を形成するまでの工程は、図2〜図5に示す実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
<Manufacturing process>
A manufacturing process of the MOSFET according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The steps until the
SiON膜6の上面に、SiO2膜10を堆積する(図11)。次いで、SiO2膜10上にゲート電極7を成膜する(図12)。ゲート電極7の形成位置は、SiON膜6上にSiO2膜10が存在することを除き、実施の形態1と同様である。また、ゲート電極7の素材も実施の形態1と同様である。
An SiO 2 film 10 is deposited on the upper surface of the SiON film 6 (FIG. 11). Next, the
その後は、実施の形態1と同様に、SiO2膜10、SiON膜6、リンを添加したSiO2膜5の所定部分を除去してソース電極4a,4bの表面を露出し(図13)、露出した部分にソース電極8a,8bを成膜及びパターニングにより形成する(図14)。
Thereafter, as in the first embodiment, predetermined portions of the SiO 2 film 10, the
この後、SiC基板1の裏面にドレイン電極9を形成することにより、図10に示す素子構造を有するSiC−MOSFETを形成する。
Thereafter, the drain electrode 9 is formed on the back surface of the
<効果>
本実施の形態のSiC半導体装置において、ゲート絶縁膜は、第2絶縁膜6上に形成されたSiO2よりなる第3絶縁膜10をさらに備えるので、バンドギャップ幅が小さいSiONからなる第2絶縁膜の膜厚を薄くすることができ、ゲート絶縁膜の絶縁破壊強度をゲート絶縁膜がSiO2膜のみからなる場合に近づけることが出来る。また、第2絶縁膜6と第3絶縁膜10の膜厚比を調整することにより、所望の閾値を得ることができる。
<Effect>
In the SiC semiconductor device of the present embodiment, the gate insulating film further includes the third insulating
本実施の形態のSiC半導体装置の製造方法は、第2絶縁膜6上にSiO2よりなる第3絶縁膜10を形成する工程を備えるので、ゲート絶縁膜の絶縁破壊強度をゲート絶縁膜がSiO2膜のみからなる場合に近づけることが出来る。また、第2絶縁膜6と第3絶縁膜10の膜厚比を調整することにより、所望の閾値を得ることができる。
The manufacturing method of the SiC semiconductor device of the present embodiment includes the step of forming the third insulating
この発明は、SiC基板層上に形成されるSiO2膜をゲート絶縁膜として有するMOSFET、IGBTなどの絶縁ゲート型トランジスタ素子に適用することができる。また、この絶縁ゲート型トランジスタとしては、ソース、ゲートおよびドレイン電極が同一主面上に形成される横型半導体素子に対しても適用することができ、高い移動度を有し高速動作するパワーデバイスを本発明により実現することが出来る。また、本発明による効果は、シャロートレンチ分離(STI)法やLOCOS法による素子分離界面での界面準位の低減にも応用できる。 The present invention can be applied to an insulated gate transistor element such as a MOSFET or IGBT having a SiO 2 film formed on a SiC substrate layer as a gate insulating film. The insulated gate transistor can also be applied to a lateral semiconductor element in which the source, gate and drain electrodes are formed on the same main surface. A power device having high mobility and operating at high speed This can be realized by the present invention. The effect of the present invention can also be applied to the reduction of the interface state at the element isolation interface by the shallow trench isolation (STI) method or the LOCOS method.
1 SiC基板、2 ドリフト層、3a,3b ベース領域、4a,4b ソース領域、5 第1絶縁膜、6 第2絶縁膜、7 ゲート電極、8a,8b ソース電極、9 ドレイン電極、10 第3絶縁膜。 1 SiC substrate, 2 drift layer, 3a, 3b base region, 4a, 4b source region, 5 first insulating film, 6 second insulating film, 7 gate electrode, 8a, 8b source electrode, 9 drain electrode, 10 third insulation film.
Claims (10)
前記SiC基板上に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るSiC半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、
前記SiC基板上に形成されたリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成された、SiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCよりも大きなバンドギャップを持つ材質よりなる第2絶縁膜とを備える、
SiC半導体装置。 A SiC substrate;
A gate insulating film formed on the SiC substrate;
A SiC semiconductor device comprising a gate electrode formed on the gate insulating film,
The gate insulating film is
A first insulating film made of SiO 2 doped with phosphorus formed on the SiC substrate;
A second insulating film made of a material having a lower diffusion rate of phosphorus element than SiO 2 and having a larger band gap than SiC, formed on the first insulating film;
SiC semiconductor device.
請求項1に記載のSiC半導体装置。 The second insulating film is a SiON film;
The SiC semiconductor device according to claim 1.
請求項1又は2に記載のSiC半導体装置。 The gate insulating film further includes a third insulating film made of SiO 2 formed on the second insulating film;
The SiC semiconductor device according to claim 1.
(b)前記SiC基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
を備え、
前記工程(b)は、
(d)SiC基板上にリンを添加したSiO2よりなる第1絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記第1絶縁膜上にSiO2よりもリン元素の拡散速度が低く、SiCに比べて大きなバンドギャップを持つ第2絶縁膜を形成する工程と
を備える、SiC半導体装置の製造方法。 (A) preparing a SiC substrate;
(B) forming a gate insulating film on the SiC substrate;
(C) forming a gate electrode on the gate insulating film,
The step (b)
(D) forming a first insulating film made of SiO 2 doped with phosphorus on a SiC substrate;
(E) forming a second insulating film having a lower diffusion rate of phosphorus element than SiO 2 and having a larger band gap than SiC on the first insulating film.
請求項4に記載のSiC半導体装置の製造方法。 The step (e) is a step of forming a SiON film as the second insulating film.
The manufacturing method of the SiC semiconductor device of Claim 4.
請求項4又は5に記載のSiC半導体装置の製造方法。 (F) further comprising a step of forming a third insulating film made of SiO 2 on the second insulating film;
A method for manufacturing an SiC semiconductor device according to claim 4 or 5.
(g)熱酸化またはCVD法により前記SiC基板1上にSiO2膜を形成する工程と、
(h)前記工程(g)の後、前記SiO2膜を塩化ホスホリル(POCl3)含有雰囲気で熱処理する工程と、
を備える、請求項4〜6のいずれかに記載のSiC半導体装置の製造方法。 The step (d)
(G) forming a SiO 2 film on the SiC substrate 1 by thermal oxidation or CVD;
(H) after the step (g), heat-treating the SiO 2 film in an atmosphere containing phosphoryl chloride (POCl 3 );
The manufacturing method of the SiC semiconductor device in any one of Claims 4-6 provided with these.
(i)前記SiC基板上にリン元素をイオン注入する工程と、
(j)前記工程(i)の後、前記SiC基板を熱酸化する工程と
を備える、請求項4〜6のいずれかに記載のSiC半導体装置の製造方法。 The step (d)
(I) a step of ion-implanting a phosphorus element on the SiC substrate;
(J) The manufacturing method of the SiC semiconductor device in any one of Claims 4-6 provided with the process of thermally oxidizing the said SiC substrate after the said process (i).
(k)熱酸化またはCVD法により前記SiC基板上にSiO2膜を形成する工程と、
(l)前記工程(k)の後、前記SiO2膜にリン元素をイオン注入する工程と、
(m)前記工程(l)の後、前記SiO2膜を熱処理する工程と
を備える、請求項4〜6のいずれかに記載のSiC半導体装置の製造方法。 The step (d)
(K) forming a SiO 2 film on the SiC substrate by thermal oxidation or CVD;
(L) a step of ion-implanting phosphorus element into the SiO 2 film after the step (k);
(M) after said step (l), and a step of heat-treating the SiO 2 film, a manufacturing method of the SiC semiconductor device according to any one of claims 4-6.
(n)前記SiC基板1にリン元素をドープしたポリSi膜を堆積する工程と、
(o)前記工程(n)の後、前記ポリSi膜を熱酸化する工程と
を備える、請求項4〜6のいずれかに記載のSiC半導体装置の製造方法。 The step (d)
(N) depositing a phosphorus element-doped poly-Si film on the SiC substrate 1;
(O) The manufacturing method of the SiC semiconductor device in any one of Claims 4-6 provided with the process of thermally oxidizing the said poly Si film | membrane after the said process (n).
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