JP2014067909A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、構造体、絶縁膜、制御電極、第1電極及び第2電極を含む。構造体は、第1面を有し、第1導電形の第1半導体領域と、第2導電形の第2半導体領域と、第1導電形の第3半導体領域と、を含む。構造体は、第1面に沿った第1方向に第1半導体領域、第2半導体領域及び第3半導体領域がこの順に並ぶ部分を有する。絶縁膜は第1面の上に設けられる。制御電極は絶縁膜の上に設けられる。第1電極は第3半導体領域と電気的に接続される。第2電極は第1半導体領域と電気的に接続される。絶縁膜は電荷を捕獲する電荷トラップ領域を含む。第1電極及び第2電極にはバイアス電圧が印加される。バイアス電圧は制御電極に印加される電圧の基準電位に対して第1電極及び第2電極に印加される電圧の基準電位を一定電圧だけシフトさせるシフト電圧を含む。
【選択図】図1
Description
前記構造体は、第1面を有し、第1導電形の第1半導体領域と、第2導電形の第2半導体領域と、第1導電形の第3半導体領域と、を含む。構造体は、前記第1面に沿った第1方向に前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域がこの順に並ぶ部分を有する。
前記絶縁膜は、前記第1面の上に設けられる。
前記制御電極は、前記絶縁膜の上に設けられる。
前記第1電極は、前記第3半導体領域と電気的に接続される。
前記第2電極は、前記第1半導体領域と電気的に接続される。
前記絶縁膜は電荷を捕獲する電荷トラップ領域を含む。
前記第1電極及び前記第2電極にはバイアス電圧が印加される。
前記バイアス電圧は、シフト電圧を含む。前記シフト電圧は、前記制御電極に印加される電圧の基準電位に対して前記第1電極及び前記第2電極に印加される電圧の基準電位を一定電圧だけシフトさせるシフト電圧を含む。
なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
また、以下の説明において、n+、n、n−及びp+、p、p−の表記は、各導電形における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわち、n+はnよりもn形の不純物濃度が相対的に高く、n−はnよりもn形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、p+はpよりもp形の不純物濃度が相対的に高く、p−はpよりもp形の不純物濃度が相対的に低いことを示す。
本実施形態では、一例として、第1導電形をn形、第2導電形をp形とした具体例を挙げる。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式図である。
図1(a)には半導体装置110の模式的断面図が表され、図1(b)には図1(a)に示すA部を拡大した模式的断面図が表されている。
図1(a)に表したように、本実施形態に係る半導体装置110は、SiCを用いた例えばDiMOSFET(Double Implanted Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。
図2(a)には、第1オン閾値Vth(ON1)がシフト電圧Vshiftよりも小さい場合の閾値の変化が表され、図2(b)には、第1オン閾値Vth(ON1)がシフト電圧Vshiftよりも大きい場合の閾値の変化が表されている。
図2(a)及び図2(b)において、横軸は制御電極Gに印加される電圧Vを表し、縦軸は第2電極D2から第1電極D1に流れる電流Iを表している。
絶縁膜60に電荷トラップ領域60aが含まれていると、オフ状態では、電荷トラップ領域60aに負の電荷が捕獲される。絶縁膜60に負の電荷が含まれることで、オン閾値Vth(ON)は第1オン閾値Vth(ON1)よりもシフト電圧Vshift側に上昇した第2オン閾値Vth(ON2)になる。第2オン閾値Vth(ON2)とシフト電圧Vshiftとの差は、第1オン閾値Vth(ON1)とシフト電圧Vshiftとの差よりも小さい。
絶縁膜60に電荷トラップ領域60aが含まれていると、オフ状態では、電荷トラップ領域60aに正の電荷が捕獲される。絶縁膜60に正の電荷が含まれることで、オン閾値Vth(ON)は第1オン閾値Vth(ON1)よりもシフト電圧Vshift側に低下した第2オン閾値Vth(ON2)になる。第2オン閾値Vth(ON2)とシフト電圧Vshiftとの差は、第1オン閾値Vth(ON1)とシフト電圧Vshiftとの差よりも小さい。
閾値のスロープとは、図2(a)及び図2(b)に表した電流I−電圧V特性において、オン閾値Vth(ON)とオフ閾値Vth(OFF)とを結ぶ線の傾斜のことをいう。第1の閾値のスロープSL1は、第1オン閾値Vth(ON1)と第1オフ閾値Vth(OFF1)とを結ぶ線の傾斜である。第2の閾値のスロープSL2は、第2オン閾値Vth(ON2)と第2オフ閾値Vth(OFF2)とを結ぶ線の傾斜である。
図3において、横軸は温度、縦軸は閾値を表している。図3には、本実施形態に係る半導体装置110、参考例1に係る半導体装置191及び参考例2に係る半導体装置192の閾値変化が表されている。
第1半導体領域10は、高濃度n形(n+形)の炭化珪素(4H−SiC:シリコンカーバイド)を含む基板15の上に設けられる。第1半導体領域10は、例えば低濃度n形(n-形)の4H−SiC層である。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図4は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示するフローチャートである。
図5(a)〜図6(d)は、半導体装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
以下、図4、図5(a)〜図6(d)に沿って半導体装置の製造方法の具体例を説明する。
またはPを用いるとよい。第1半導体領域10は、耐圧保持層となる。
以上の工程により半導体装置110が完成する。
電荷トラップ領域60aは、SiN以外に、SiONを含んでいてもよい。この場合、絶縁膜60の第2部分62は、SiON膜である。
電荷トラップ領域60aに含まれるSiONのNの組成比に対するOの組成比が0.01以上の場合は、電荷トラップ領域60aに含まれるSiONのSiの組成比は、1.13<[Si]/(1/2[O]+3/4[N])<1.27を満たす。
これにより、Siリッチとなって、Siのダングリングボンドが多数存在し、電子・ホールともに捕獲しやすくなる。
図7(a)には、クラスター状の酸化物誘電体63を含む絶縁膜60が表されている。図7(b)には、クラスター状の酸化物誘電体63を含む絶縁膜60の製造方法の一例が表されている。
図8は、第3の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図8に表したように、第3の実施形態に係る半導体装置120は、特にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に適用した例である。
このような本実施形態では、閾値の安定したIGBTが実現される。半導体装置120では、バイポーラ動作になるため、伝導度変調が起こり、オン抵抗が小さくなる。その結果、MOSFETに比べて、通電能力が大幅に高まる。
実施形態では、DiMOSFET又はIGBTに適用した例を説明したが、SiC領域(第1半導体領域10)の表面部にp形の4H−SiC領域(第2半導体領域20)を有し、p形型4H−SiC領域上にゲート絶縁膜(絶縁膜60)を介してゲート電極(制御電極G)を有する構造であれば適用可能である。
Claims (20)
- 第1面を有する構造体であって、第1導電形の第1半導体領域と、第2導電形の第2半導体領域と、第1導電形の第3半導体領域と、を含み、前記第1面に沿った第1方向に前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域がこの順に並ぶ部分を有する構造体と、
前記構造体の前記第1面の上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に設けられた制御電極と、
前記第3半導体領域と電気的に接続された第1電極と、
前記第1半導体領域と電気的に接続された第2電極と、
を備え、
前記絶縁膜は電荷を捕獲する電荷トラップ領域を含み、
前記第1電極及び前記第2電極にバイアス電圧が印加され、前記バイアス電圧は、前記制御電極に印加される電圧の基準電位に対する前記第1電極及び前記第2電極に印加される電圧の基準電位を一定電圧だけシフトさせるシフト電圧を含む半導体装置。 - 前記絶縁膜は、SiO2を含む請求項1記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域は、SiNを含む請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域に含まれるSiNのNの組成比に対するSiの組成比は、0.75よりも大きく1.05よりも小さい請求項3記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域に含まれるSiNのNの組成比に対するSiの組成比は、0.85以上0.95以下である請求項3記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域の厚さは、1ナノメートル以上4ナノメートル以下である請求項3〜5のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域は、SiONを含む請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域に含まれるSiONのSiの組成比を[Si]、Oの組成比を[O]、Nの組成比を[N]とした場合、
1.13<[Si]/(1/2[O]+3/4[N])<1.27
を満たす請求項7記載の半導体装置。 - [O]/[N]<0.01
を満たす請求項8記載の半導体装置。 - 0.85<[Si]/[N]<0.95
を満たす請求項8記載の半導体装置。 - 前記電荷トラップ領域の厚さは、1ナノメートル以上4ナノメートル以下である請求項7〜10のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域は、Tc、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pd、Pt、Co、Ni、W、Mo、Cr、Mn、及びFeよりなる群から選択された少なくとも1つを添加したTi、Zr又はHfの酸化物誘電体を含む請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記酸化物誘電体は、N、C、B、Mg,Ca,Sr,Ba,Al,Sc,Y,La及びLaよりなる群から選択された少なくとも1つが添加された請求項12記載の半導体装置。
- 前記酸化物誘電体は、前記絶縁膜中にクラスター状に設けられた請求項12または13に記載の半導体装置。
- 前記電荷トラップ領域は、前記制御電極と接する請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極の材料における仕事関数は、シリコンのミッドギャップと等しい請求項1〜15に記載の半導体装置。
- 前記第2電極は、前記構造体の前記第1面とは反対側の第2面に設けられた請求項1〜16のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記バイアス電圧を前記第1電極及び前記第2電極に印加する電圧供給部をさらに備えた請求項1〜17のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記シフト電圧は、1ボルト以上5ボルト以下である請求項1〜18のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記構造体は、SiCを含む請求項1〜19のいずれか1つに記載の半導体装置。
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