JP2019050294A - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した半導体素子特性を有する炭化珪素半導体装置の提供。【解決手段】ゲート電極と、二酸化珪素の絶縁膜と、炭化珪素の半導体基板と、を備え、前記二酸化珪素の絶縁膜と前記炭化珪素の半導体基板との界面では、炭化珪素側の２つの珪素原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位している絶縁ゲート型の炭化珪素半導体装置。【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。

従来、炭化珪素（以下、「ＳｉＣ」と称する場合がある。）は、例えば、モータ制御システムに適用されるパワーデバイスの材料として注目されている。ＳｉＣを用いたデバイスの研究が進められており、例えば、ＳｉＣを半導体基板として用いた炭化珪素半導体装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

例えば、特許文献１には、「ワイドバンドギャップ半導体材料の基板上に、組成比で９０％以上の二酸化珪素膜を母体とし且つ１０％以下の窒素で主に構成される絶縁膜を形成した絶縁膜構造体であって、前記絶縁膜と前記ワイドバンドギャップ半導体材料基板との界面近傍において、珪素組成比、及び、炭素組成比が急激に変化する遷移領域を有し、前記遷移領域において酸素濃度が前記二酸化珪素中の酸素濃度の９０％になる位置を界面と定義した時に、前記界面からの距離が二酸化珪素側で５ｎｍ以下、炭化珪素側で５ｎｍ以下の領域に含まれる窒素濃度が面積密度で５．０×１０^１３ｃｍ^−２より高く、１．６×１０^１４ｃｍ^−２未満である」絶縁膜構造体が開示されている。

特開２０１１−０８２４５４号公報

本発明の目的は、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する炭化珪素半導体装置を提供することである。

上記課題を解決するための手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞ ゲート電極と、
二酸化珪素の絶縁膜と、
炭化珪素の半導体基板と、を備え、
前記二酸化珪素の絶縁膜と前記炭化珪素の半導体基板との界面では、炭化珪素側の２つの珪素原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位している絶縁ゲート型の炭化珪素半導体装置。
＜２＞ 前記界面における前記炭化珪素側の結晶面が、ｍ面、ａ面、Ｓｉ面およびＣ面のうちのいずれか一つの面であり、かつ、各々の結晶面のずれが、±１０％以内である＜１＞に記載の炭化珪素半導体装置。
＜３＞ 前記界面における前記炭化珪素側の結晶面がｍ面である＜２＞に記載の炭化珪素半導体装置。

本発明の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する炭化珪素半導体装置が提供される。

本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の一例を表す模式図である。 本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の他の一例を表す模式図である。 本実施形態の炭化珪素半導体装置の一例を表す模式図である。 本実施形態の炭化珪素半導体装置の他の一例を表す模式図である。 ゲート電圧掃引時の静電容量を表すグラフである。 Ｘ線吸収分光分析結果を表すグラフである。

以下、本発明の炭化珪素半導体装置の一例である好ましい実施形態について説明する。

本実施形態の炭化珪素半導体装置は、ゲート電極と、二酸化珪素（以下、「ＳｉＯ_２」と称する場合がある。）の絶縁膜と、炭化珪素（ＳｉＣ）の半導体基板とを備える。そして、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の絶縁膜と炭化珪素（ＳｉＣ）の半導体基板との界面（以下、「ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面」と称する場合がある。）では、炭化珪素側の２つの珪素原子（以下、「Ｓｉ原子」と称する場合がある。）のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位している。つまり、窒素原子は、ＳｉＯ_２の絶縁膜の原子との結合によらず、ＳｉＣ側の２つのＳｉ原子と結合している。
なお、２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位されるとは、２つのＳｉ原子のみと結合している炭素原子と置換された状態であること以外にも、２つのＳｉ原子のみと結合する炭素原子が欠陥となっている炭素サイトに、窒素原子が導入されていることも包含する概念である。

また、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、絶縁ゲート型の半導体装置である。本実施形態の炭化珪素半導体装置は、ゲート電極、ＳｉＯ_２の絶縁膜（ＳｉＯ_２絶縁膜）、及びＳｉＣの半導体基板（ＳｉＣ半導体基板）を備えており、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面で、ＳｉＣ側の２つのＳｉ原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位していれば、絶縁ゲート型の半導体装置の構造は、特に限定されるものではない。

本実施形態の炭化珪素半導体装置は、例えば、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有していてもよく、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造を有していてもよい。また、プレーナ構造を有していてもよく、トレンチ構造を有していてもよい。本実施形態の炭化珪素半導体装置において、ゲート電極、ＳｉＯ_２絶縁膜、及びＳｉＣ半導体基板以外の構造は、目的とする構造に応じて、公知の構造を採用すればよい。また、ゲート電極、ＳｉＯ_２絶縁膜、及びＳｉＣ半導体基板以外の構造を設けるときの方法は、公知の方法を採用すればよい。

ここで、図を参照して、本実施形態の炭化珪素半導体装置を説明する。
図１は、本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の一例を表す模式図である。図１に示す模式図は、具体的には、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面におけるＳｉＣ側のａ面から見た結晶構造を表している。つまり、図１に示す模式図の正面がＳｉＣのａ面を表している。また、図１において、結晶構造の上部側はｍ面を表している。図１において、１１は珪素（Ｓｉ）原子、１２は炭素（Ｃ）原子、１３は窒素（Ｎ）原子を表す。図１に示すように、窒素原子は、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面で、ＳｉＣ側のｍ面において、２つのＳｉ原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に配位している。

また、図２は、本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の他の一例を表す模式図である。具体的には、図２に示す模式図は、３次元表示として、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面におけるＳｉＣ側の結晶構造を表した図である。図２に示す模式図において、結晶構造の上面側はｍ面を表している。図２に示すように、窒素原子は、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面で、ＳｉＣ側のｍ面において、２つのＳｉ原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に配位している。なお、図２において、図１に示す模式図と同じ原子には同じ符号を付してある。

図３は、本実施形態の炭化珪素半導体装置の一例を表す模式図である。図３において、３００は炭化珪素半導体装置、３１はＳｉＣの半導体基板、３３はＳｉＯ_２の絶縁膜、３５はゲート電極を示す。また、図３において、３９はＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面を示す、図３に示す炭化珪素半導体装置３００は、ＳｉＣの半導体基板（ＳｉＣ半導体基板）３１上に、ＳｉＯ_２の絶縁膜（ＳｉＯ_２絶縁膜）３３が設けられており、ＳｉＯ_２絶縁膜３３上にゲート電極３５が設けられている。ＳｉＣ半導体基板３１と、ＳｉＯ_２絶縁膜３３との間に、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面３９が存在する。ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面３９において、ＳｉＣ側のａ面から観察すると、図１に示す模式図のようになる。

図４は、本実施形態の炭化珪素半導体装置の他の一例を表す模式図である。具体的には、図４に示す模式図は、トレンチ構造を有する半導体装置を表した図である。図４において、４００は炭化珪素半導体装置、４１はＳｉＣの半導体基板、４３はＳｉＯ_２絶縁膜、４５はゲート電極を示す。図４に示す炭化珪素半導体装置は、ＳｉＣの半導体基板４１の上面から下面に向かって伸びるトレンチが設けられている。また、トレンチが設けられている部分のＳｉＣの半導体基板４１上には、ＳｉＯ_２絶縁膜４３が設けられている。そして、トレンチが設けられている部分には、ＳｉＯ_２絶縁膜４３と接するように、ゲート電極４５が設けられている。なお、図４において、Ｍで示される部分は、図３に示される炭化珪素半導体装置の構造と同じ構造が形成されている。つまり、半導体装置４００は、ＳｉＣ半導体基板４１上に、ＳｉＯ_２絶縁膜４３が設けられており、ＳｉＯ_２の絶縁膜４３上にゲート電極４５が設けられている。
以下、符号は省略して説明する。

本明細書中において、二酸化珪素の絶縁膜と炭化珪素の半導体基板との「界面」は、以下の範囲であることを意味する。
「界面」は、ＳｉＯ_２とＳｉＣとの遷移領域において、酸素濃度が、ＳｉＯ_２中での酸素濃度として５０％となる位置を中心として、その中心から、炭化珪素側に５ｎｍ以内までの範囲、および二酸化珪素側に５ｎｍ以内までの範囲を表す。
本明細書中において、ｍ面は（１−１００面）、ａ面は（１１−２０）面、Ｓｉ面（０００１）、Ｃ面は（０００−１）面を表す。なお、「−」は、「−」の右隣の数字の上に付されるものであるが、便宜上、数字の左隣に付してある。

従来、例えば、半導体基板としてＳｉＣを用い、ＳｉＣの半導体基板を熱酸化することで、ＳｉＣの半導体基板上に、二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２）ＳｉＯ_２の絶縁膜が形成された半導体装置が知られている。このＳｉＣの半導体基板と、ＳｉＣの半導体基板上に形成されたＳｉＯ_２の絶縁膜との界面には、遷移領域が形成される。そして、この遷移領域の内部では欠陥が多いために、界面準位密度が高く、チャンネル移動度が劣位である。
また、この対策として、例えば、窒素を含むガス（アンモニア、亜酸化窒素、一酸化窒素など）雰囲気中で熱処理することにより、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面に窒素を含ませることで、遷移層の欠陥を少なくして、チャンネル移動度を向上させることが知られている。

例えば、特許文献１には、一酸化窒素（ＮＯ）などのガス雰囲気下で熱処理を行うことで、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面の近傍に有する遷移領域に窒素を含ませた絶縁膜構造体が開示される。また、この絶縁膜構造体は、遷移領域において定義したＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面から、ＳｉＣ側に５ｎｍまで、およびＳｉＯ_２側に５ｎｍまでの領域での窒素濃度を一定の範囲内としている。そして、この絶縁膜構造体を用いた半導体装置は、閾値電圧の変動は実質的にほとんど起こらず、安定した電気特性が得られるとされている。

しかしながら、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面から、ＳｉＣ側まで領域およびＳｉＯ_２側まで領域における窒素濃度を特定しても、特にストレス電圧が印加された場合に、安定した半導体素子特性（電気特性）は十分に得られない。ＳｉＣを用いた半導体装置において、安定した電気特性を得るには、遷移領域におけるＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面からの特定の領域での窒素濃度を指定するだけでは十分ではないと考えられる。
このように、従来のＳｉＣを用いた半導体装置は、安定した電気特性が要求されており、さらなる性能向上が望まれている。

そこで、本実施形態の炭化珪素半導体装置では、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面における窒素原子が配位するサイトまで特定している。これによって、適切なサイトに窒素が入ることになることで、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面において、ダングリングボンドが少なくなり、キャリアのトラップが減少すると考えられる。その結果、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する（例えば、閾値電圧の変動が抑制される）と考えられる。

以下、本実施形態の炭化珪素半導体装置を製造方法と共に説明する。
本実施形態の炭化珪素半導体装置の好ましい製造方法の一例としては、例えば、製造方法が好ましいＳｉＣの半導体基板上にＳｉＯ_２の絶縁膜を設ける工程（絶縁膜形成工程）と、窒素原子を含むガス雰囲気下で熱処理する工程（熱処理工程）と、ＳｉＯ_２の絶縁膜の上に、ゲート電極を形成する工程（ゲート電極形成工程）とを有する。

（絶縁膜形成工程）
絶縁膜形成工程は、ＳｉＣの半導体基板上に、ＳｉＯ_２の絶縁膜を形成する工程である。

半導体基板に用いるＳｉＣは、例えば、２Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣが挙げられる。これらの中でも、例えばキャリア電子移動度等の点で、ＳｉＣは、４Ｈ−ＳｉＣが好ましい。

ＳｉＯ_２絶縁膜は、例えば、ＳｉＣの半導体基板を熱酸化することによって、ＳｉＣの半導体基板上に設けられる。熱酸化の条件は、例えば、酸素ガスを用いて、乾燥雰囲気下、１１００℃〜１３００℃（例えば１２００℃）の温度で熱酸化を行うことがよい。また、例えば、水蒸気を含む湿潤雰囲気下、１０００℃〜１３００℃（例えば１１００℃）の温度で熱酸化を行うことがよい。熱酸化の処理時間は目的とする絶縁膜の膜厚によって設定すればよい。
なお、ＳｉＯ_２絶縁膜は、この熱酸化による熱酸化膜に限定されず、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で堆積して、ＳｉＣの半導体基板上に設けてもよい。

ＳｉＯ_２絶縁膜は、ＳｉＣ半導体基板のｍ面、ａ面、Ｓｉ面およびＣ面のうちのいずれか一つの面に対して形成すればよい。

（熱処理工程）
熱処理（アニール）工程は、ＳｉＯ_２の絶縁膜を設けたＳｉＣの半導体基板を、窒素原子を含むガス雰囲気下で熱処理することによって、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面に、ＳｉＣ側の２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子を配位させる工程である。この工程によって、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面において、ダングリングボンドが少なくなり、キャリアのトラップが減少すると考えられる。その結果、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する炭化珪素半導体装置が得られる。

ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面において、ＳｉＣ側の２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位する結晶面は、ｍ面、ａ面、Ｓｉ面およびＣ面のうちのいずれか一つの面であり、かつ、各々の結晶面のずれが、±１０％以内であることがよく、ｍ面であることが好ましい。例えば、ＳｉＣ半導体基板のｍ面側にＳｉＯ_２絶縁膜を形成した場合には、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面におけるＳｉＣ側のｍ面で、２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位される。同様に、ＳｉＣ半導体基板のａ面側にＳｉＯ_２絶縁膜を形成した場合には、ＳｉＣ／ＳｉＯ_２界面におけるＳｉＣ側のａ面で、２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位される。

窒素原子を含むガスは、例えば、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２等の窒素酸化物ガス；ＮＨ_３；などが挙げられる。これらの窒素原子を含むガスは、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。また、窒素原子を含むガスとともに、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを併用してもよい。

窒素原子を含むガス雰囲気下での熱処理温度は、例えば、１２５０℃〜１３５０℃の範囲が好ましい。熱処理の温度が低すぎる場合は、窒素原子が配位する速度が遅すぎてしまい、安定した半導体素子特性が得られ難くなる。また、熱処理の温度が高すぎる場合は、窒素原子を含むガスが、例えば、窒素酸化物である場合、窒素酸化物が分解して、かえって熱酸化が進行してしまうことが考えられる。なお、熱処理工程での熱処理時間としては、例えば、１０分〜１０時間の範囲が挙げられる。

（ゲート電極形成工程）
ゲート電極形成工程は、ＳｉＯ_２絶縁膜を形成したＳｉＣ半導体基板のＳｉＯ_２絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程である。ゲート電極は、不純物がドープされたポリシリコンでもよい（ｐ型ポリシリコンおよびｎ型ポリシリコンのいずれでもよい）。また、ゲート電極は、アルミニウム等の金属及び金属化合物（例えば、ＴｉＳｉ）でもよい。
本実施形態の炭化珪素半導体装置が、トレンチ構造を有する場合、ゲート電極は、例えば、次のようにして得られる。ＳｉＣ半導体基板の表面をドライエッチング等により、トレンチを形成する。次に、前述の熱酸化、またはＣＶＤ法により、トレンチを形成したＳｉＣ半導体基板上に、ＳｉＯ_２絶縁膜を形成する。次に、ＳｉＯ_２絶縁膜が形成されたトレンチの内部に、ＳｉＯ_２絶縁膜上に設けられるように、例えば、不純物がドープされたポリシリコンを堆積することで、ゲート電極が形成される。
また、本実施形態の炭化珪素半導体装置が、プレーナ構造を有する場合、ＣＶＤ法などにより、ＳｉＯ_２絶縁膜上になるように、例えば、不純物がドープされたポリシリコンなどのゲート電極が形成される。
以上の工程を経て、本実施形態の炭化珪素半導体装置が得られる。

なお、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、上記で説明した各層以外に、公知の層を形成してもよい。公知の層を設ける方法は特に限定されず、公知の方法によって形成すればよい。

以下に実施例について説明するが、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、実施例に何ら限定されるものではない。

＜実施例＞
以下のようにして、実施例および比較例の酸化珪素半導体装置を作製した。
まず、市販の４Ｈ−ＳｉＣの単結晶ＳｉＣ半導体基板を準備する。次に、準備したＳｉＣ半導体基板に対し、ＳｉＣ半導体基板の表面をドライエッチング法により、トレンチを形成する。次に、熱酸化を行い、トレンチ内部のＳｉＣ半導体基板上に、ＳｉＯ_２絶縁膜を形成する。炭化珪素基板に対し熱酸化の条件は、乾燥酸素雰囲気下、１３００℃、０．１時間である。次に、ＳｉＯ_２絶縁膜を形成した炭化珪素基板に対し、濃度１０％の一酸化窒素中で、１２５０℃以上の温度となるように、０．５時間の条件で熱処理（アニール処理）を行う。次に、ＳｉＯ_２絶縁膜に接するように、ＳｉＯ_２絶縁膜上に、不純物がドープされたポリシリコンを堆積させて、トレンチ内部にゲート電極を設ける。なお、ＳｉＯ_２絶縁膜は、ゲート絶縁膜である。
以上のようにして、ＳｉＣ半導体基板上に設けられたＳｉＯ_２絶縁膜およびゲート電極を有する実施例の酸化珪素半導体装置を作製した。
また、比較例の酸化珪素半導体装置は、アニール処理温度の条件を１１５０℃に変更したこと以外に、実施例の酸化珪素半導体装置と同様の手順で作製した。

［評価］
得られた酸化珪素半導体装置について、Ｘ線吸収分光分析装置（分析条件／使用施設：九州シンクロトロン光研究センター、使用ビームライン：ＢＬ１２、測定法：全電子収量法）により分析を行った。分析の結果を図６に示す。図６において、Ａは実施例の炭化珪素半導体装置のＸ線吸収分光分析の分析結果を、Ｂは比較例の炭化珪素半導体装置のＸ線吸収分光分析の分析結果を、それぞれ表す。図６に示すように、実施例の炭化珪素半導体装置（Ａ）の吸収スペクトルには、ショルダーが見られない。よって、実施例の酸化珪素半導体装置（Ａ）は、図１に示す模式図のように、ｍ面において、２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位していることを確認した。
一方、図６に示すように、比較例の酸化珪素半導体装置（Ｂ）の吸収スペクトルには、矢印Ｓで示す位置に、ショルダーが見られる。よって、比較例の炭化珪素半導体装置（Ｂ）では、３つのＳｉ原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位していることを確認した。しかし、比較例の酸化珪素半導体装置（Ｂ）は、ｍ面、ａ面、Ｓｉ面及びＣ面のいずれの面においても、２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトに窒素原子が配位していることを確認できなかった。

また、得られた酸化珪素半導体装置について、ゲート電極に対し電圧を印加して、ＣＶ測定（容量−電圧測定）を行った。図５は、ゲート電圧掃引時の静電容量を表すグラフである。図５において、Ａは実施例の炭化珪素半導体装置のＣＶ測定結果を、Ｂは比較例の炭化珪素半導体装置のＣＶ測定結果を、それぞれ表す。図５に示すように、実施例の炭化珪素半導体装置（Ａ）は、比較例の炭化珪素半導体装置（Ｂ）に比べ、ヒステリシスが小さく、閾値電圧の変動が小さいことがわかる。
したがって、２つのＳｉ原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位している実施例の炭化珪素半導体装置は、ゲート電極にストレス電圧を印加したときに発生する閾値電圧の変動が抑制されるため、安定した半導体素子特性を有することがわかる。

Claims (3)

1. ゲート電極と、
   二酸化珪素の絶縁膜と、
   炭化珪素の半導体基板と、を備え、
   前記二酸化珪素の絶縁膜と前記炭化珪素の半導体基板との界面では、炭化珪素側の２つの珪素原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位している絶縁ゲート型の炭化珪素半導体装置。
2. 前記界面における前記炭化珪素側の結晶面が、ｍ面、ａ面、Ｓｉ面およびＣ面のうちのいずれか一つの面であり、かつ、各々の結晶面のずれが、±１０％以内である請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記界面における前記炭化珪素側の結晶面がｍ面である請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。