JP5021860B2 - 炭化珪素半導体構造における積層誘電体 - Google Patents

炭化珪素半導体構造における積層誘電体 Download PDF

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Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、大電力、高電界、又は高温の炭化珪素デバイスに関するものであり、詳しくは本発明は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ、デバイスパッシベーション、及びフィールド絶縁に関するものである。
【０００２】
発明の背景
本発明は、炭化珪素デバイス、特に絶縁ゲートデバイスと、デバイスパッシベーション、端縁終端（edge termination）又はフィールド絶縁が組込まれていて、且つ炭化珪素が有利な物理的特性及び電子特性を有することから、炭化珪素によって形成されたデバイスとに関するものである。
【０００３】
電子デバイス、特に電力デバイスに関して、炭化珪素は多くの物理的、化学的及び電子的利点を提供する。物理的には、当該材料により、非常に硬く、極めて高い融点を有し、強靭な物理的特性が得られる。化学的には、炭化珪素は、化学的攻撃に対して高度に耐性があるので、化学安定性ならびに熱安定性を提供する。しかしながら、恐らく最も重要なことは、炭化珪素が、高いフィールド絶縁破壊、比較的広いバンドギャップ（６Ｈプロ型に関して室温で約２．９ｅＶ）、高い飽和電子ドリフト速度を含む優れた電子特性を有するので、大電力動作（highpower operation）、高温動作、放射線硬度（radiation hardness）、及びスペクトルの青色領域、紫色領域及び紫外線領域における高エネルギーフォトンの吸収と放出に関して有意な利点が得られる。
【０００４】
而して、炭化珪素デバイスに対する関心は急速に高まっており、電力デバイスは関心が持たれている一つの分野である。本明細書で用いる「電力（power）」デバイスは、電力スイッチング及び電力制御のために、又は高電圧及び大電流を扱うために設計され意図されるデバイスである。例えば「高電界（high field）」及び「高温」 のような用語は本質的には相対的なものであり、いくぶん任意でしばしば用いられるが、「高電界」デバイスは、一般的に、１センチメートル当たり１メガボルト以上の電界で動作することが意図され、また「高温」デバイスは、一般的に、珪素デバイスの動作温度を超える温度；すなわち、少なくとも２００℃及び好ましくは２５０℃ 〜 ４００℃で動作可能なデバイスを指している。電力デバイスに関して、主たる関心事は、当該デバイスが扱うことができる（又は扱わなければならない）電力の絶対値と、用いる材料の特性及び信頼性によって課されるデバイスの動作限界である。
【０００５】
炭化珪素ベースの絶縁ゲートデバイス、特に酸化物ゲートデバイス、例えばＭＯＳＦＥＴは、もちろん、ＩＧＦＥＴとして動作するために絶縁材料を含んでいなければならない。同様に、ＭＩＳキャパシタは絶縁体を必要とする。しかしながら、絶縁材料を組込むことによって、デバイスの物理的特性及び動作特性のいくつかが、炭化珪素の特性によってというよりもむしろ絶縁体の特性によって制限される。特に、炭化珪素ＭＯＳＦＥＴ及び関連デバイスでは、二酸化珪素（SiO2）は、広範なバンドギャップを有し、また酸化物と炭化珪素半導体材料との間に好ましい界面を有する優れた絶縁体を提供する。而して、二酸化珪素は炭化珪素ＩＧＦＥＴにおける絶縁材料として好ましい。にもかかわらず、高温又は高電界又はその双方において、炭化珪素は、満足に動作することができると考えられるが、二酸化珪素は電気的に絶縁破壊する傾向がある；すなわち、ゲート金属から炭化珪素への電流路を創出し得るトラップを含む欠陥を発生する傾向がある。別な言い方をすれば、二酸化珪素は、比較的長期間に；すなわち何年もの間に施用される高電界又は高温（２５０℃ 〜 ４００℃）下で信頼性が無くなる。もちろん、信頼性のある半導体デバイスは、何万時間もの間正常に動作する統計的確率を有しているべきことが理解されるだろう。
【０００６】
更に、半導体の特性と半導体デバイスの操作に精通している当業者は、パッシベーションが、絶縁ゲート以外の他の構造にとって難題であることも認めるだろう。例えばメサダイオード及びプレーナーダイオードのようなデバイスにおける接合（又は金属・半導体ＦＥＴにおけるショットキーコンタクト）は、たとえゲートで制御されていないとしても、酸化物層によって典型的にパッシベートされる高電界を生起させる。前記酸化物層は、高電界又は高温での動作では、上記した短所のすべてに悩まされ得る。
【０００７】
而して、絶縁体として二酸化珪素を用いている炭化珪素で形成されたＩＧＦＥＴデバイスは、デバイスの二酸化珪素部分のリークと電位絶縁破壊（potential electrical breakdown）の故に、炭化珪素の理論的な静電容量に達しない傾向がある。
【０００８】
炭化珪素ＩＧＦＥＴの絶縁体部分に他の候補材料を利用することができるが、当該候補材料はそれら自体の短所を有している傾向がある。例えば、バリウムストロンチウムチタネート又は二酸化チタンのような高誘電体は、電界が印加されると誘電率が劇的に低下する。他の材料は、炭化珪素と低品質の結晶界面を有するので、それらの高い誘電率によって解決される問題も多いが、それと同時に多くの問題（例えば、トラップ及びリーク電流）をも生じさせる。例えば五酸化タンタル（Ta2O5）及び二酸化チタン（TiO2）のような他の材料は、より高い温度で望ましくない量のリーク電流を示す傾向がある。而して、二酸化珪素の代わりに単純に他の誘電体を用いると、それら自体が原因となって、完全に新しい範疇の問題及び短所が生じる。
【０００９】
その問題に取り組んでいる最近の試みとしては、Harris に与えられた米国特許第５，７６３，９０５号「パッシベーション層を有する半導体デバイス（Semiconductor Device Having a Passivation Layer）」に記載されている技術が挙げられる。しかしながら、Harris の‘９０５特許は、いくぶん予測であるように思われ、開示された構造に基づくデバイスをなんら報告していない。
【００１０】
而して、高電界に確実に絶えることができ、電流リークを最小にするか又は排除し、また炭化珪素の電気的特性を完全に利用するために高温で動作する誘電体組成物又は誘電体構造に関するニーズが存在する。
【００１１】
本発明の目的及び概要
而して、炭化珪素の電力処理能力を利用することができる炭化珪素ベースのＩＧＦＥＴのための誘電体構造を提供することは、本発明の目的である。
【００１２】
本発明は、炭化珪素の層（又はデバイス）、当該炭化珪素層の上にある二酸化珪素層、当該二酸化珪素層の上にある別の絶縁材料層（当該絶縁材料は二酸化珪素の誘電率に比べて高い誘電率を有する）、及び当該絶縁材料に対する（ゲートデバイスのための）ゲートコンタクトを含む炭化珪素デバイスのための誘電体構造によって達成される。好ましい態様では、誘電体構造は、高誘電体とゲートとの間に二酸化珪素のキャピング層（capping layer ）を含む。
【００１３】
別の面では、本発明は、ゲート絶縁体として本発明の誘電体構造を組込んでいるＭＩＳＦＥＴのような絶縁ゲートデバイスを提供する。
別の面では、本発明は、炭化珪素デバイスに対して、パッシベーション、端縁終端、又はフィールド絶縁を提供する。
【００１４】
別の面では、本発明は、活性部分が炭化珪素で形成され、且つ印加された電位下で高電界を経験するパッシベーション部分を含む大電力半導体デバイスを提供する。これらのパッシベーション部分は、当該炭化珪素部分の上に二酸化珪素層、当該二酸化珪素層の上に別の絶縁材料層（二酸化珪素に比べて高い誘電率を有する）、及び当該高誘電体層の上に二酸化珪素のキャッピング層という順序で形成される。
【００１５】
本発明の上記及び他の目的及び利点と、当該の目的及び利点が達成される方法は、添付の図面と共に記載した以下の詳細な説明により更に明確になる。
詳細な説明
本発明は、広範なバンドギャップを有する半導体材料及び前記材料から形成される関連デバイスのための誘電体構造である。本発明にしたがうデバイス構造、特に基本的なＭＩＳキャパシタを図１に示してあり、番号１０で示してある。当該構造は、基板部分又は炭化珪素のエピタキシャル層であることができる炭化珪素層１１を含む。前記の単結晶炭化珪素基板及び種々のエピタキシャル層の製造は、本発明に通常譲渡される（又はライセンスされる）米国特許に記載されている様々な技術にしたがって行うことができる。それらの特許としては、第Ｒｅ３４，８６１号 ；第４，９１２，０６３号；第４，９１２，０６４号；第４，９４６，５４７号；第４，９８１，５５１号；及び第５，０８７，５７６号が挙げられるが、必ずしもそれらに限定されない。前記特許のすべての開示は参照として本明細書に完全に取り入れられる。基板又はエピタキシャル層は、炭化珪素の３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ及び１５Ｒのポリタイプから選択でき、４Ｈポリタイプは一般的に大電力デバイスにとって好ましい。特に、４Ｈポリタイプは電子移動度が高いので、垂直配置デバイスにとって魅力的である。次に、デバイス構造１０は、炭化珪素層の上に二酸化珪素層１２を含む。二酸化珪素は、極めて広いバンドギャップ（室温で約９ｅＶ）を有し、炭化珪素と優れた物理的及び電子的界面を形成する。而して、発明の分野及び発明の背景で指摘したように、高電界下、高温において特性が低下することがある例外を除いて、二酸化珪素は多くの目的にとって好ましい絶縁体である。
【００１６】
而して、本発明は、更に、二酸化珪素層１２の上に別の絶縁材料の層１３を含む。層１３は、二酸化珪素に比べてより高い誘電率（ε）を有し、またデバイスの炭化珪素部分は、意図される高い温度での動作に耐えることができる物理的及び化学的特性を有するものが選択される。好ましい態様では、高誘電体材料は、窒化珪素、バリウムストロンチウムチタネート（(Ba,Sr)TiO3）、二酸化チタン（TiO2）、五酸化タンタル（Ta2O5）、窒化アルミニウム（AlN）、及び酸化された窒化アルミニウムから成る群より選択され、特に好ましくは窒化珪素及び酸化窒化アルミニウムであり、最も好ましくは窒化珪素（Si3N4）であるが、それらに限定されない。デバイス構造に対して印加されるバイアスを許すために、ゲートコンタクト１４を絶縁材料層１３に対して作る。
【００１７】
図２は、番号１５で示してあるデバイスの第二の態様（ＭＩＳキャパシタ）を示している。図１のように、当該第二の態様は、炭化珪素層１６（エピタキシャル又は基板）、第一の二酸化珪素層１７、上記基準にしたがって選択された絶縁材料２０、及びゲートコンタクト２２と絶縁層２０との間に第二の二酸化珪素層２１を含む。第二の二酸化珪素層２１は、ゲート金属と高誘電体材料との間に電荷が通過するのを防止する障壁を提供する。
【００１８】
好ましい態様では、二酸化珪素層１２又は１７を、熱を用いて形成し、その後に、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）によって絶縁層１３又は２０を堆積させる。しかしながら、絶縁層は任意の適当な技術によって形成することができ、例えばある種の酸化物は、金属をスパッター堆積し、次にそれを酸化することによって形成することができる。別の例として、プラズマ・エンハンストＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）によってSi3N4を堆積させることができる。二酸化珪素層１２又は１７はトンネル効果を防止するのに役立つので、特別に厚い必要は無い。むしろ、好ましくは、二酸化珪素層は、熱酸化の程度を制限できるように薄く保つ。これらの材料に精通している当業者には理解されるように、注入は、炭化珪素が酸化する様式に影響を与え得る。而して、注入された炭化珪素部分を有するデバイス又は前駆物質の上で広範な酸化が行われる場合、生成する酸化部分は、互いに厚さが異なり、ある種の環境では短所となり得る特性が異なる。而して、酸化の程度を制限することは、前記問題を最小にするか又は排除するのに役立つ。別法として、酸化物を堆積させて（例えばＣＶＤによって）、完全に問題を回避することができる。
【００１９】
好ましい態様では、第一の二酸化珪素層１７又は１２は、約１００オングストローム以下の厚さであり、絶縁材料層（１３又は２０）は約５００オングストロームの厚さであることができる。換言すれば、酸化物層のそれぞれは、パッシベーション構造の全体の厚さの約０．５％ 〜 ３３％であり、残りは絶縁材料である。好ましい態様では、酸化物層は、それぞれ、全体の厚さの約２０％であり、好ましい窒化物絶縁体は全体の厚さの約６０％である。
【００２０】
図３及び図４には、本発明にしたがうＩＧＦＥＴ及びＭＩＳキャパシタがそれぞれ示してある。図３は、第一の導電型を有する第一の炭化珪素部分２５を有する、番号２４で示してあるＩＧＦＥＴを示している。本発明にしたがうゲート絶縁体構造は、第一の炭化珪素部分２５の上にあり、括弧２６で示してある。個々に見ていくと、ゲート絶縁体は、二酸化珪素層２７と、炭化珪素に比べて高い誘電率を有する絶縁材料層３０とを含む。図３に示してある態様では、絶縁体２６は、更に、第二の二酸化珪素層３１を含む。図３のＩＧＦＥＴは、ゲートコンタクト３２と、第一の炭化珪素部分２５からの相対している導電型を有する炭化珪素の各第二及び第三の部分３３及び３４とを更に含む。各オーミックコンタクト３５及び３６を部分３３及び３４に対して作って、ＦＥＴのソース部分及びドレイン部分を形成する。図３において破線で示されているように、例えばＩＧＦＥＴ２４のようなデバイスを、フィールド酸化物３７を用いて互いに分離することができる。前記デバイス及び前記デバイスから作られた集積回路に精通している当業者は、フィールド酸化物部分３７が他のデバイスから当該デバイスを分離するのに役立つことを認めるだろう。フィールド酸化物はゲート絶縁体部分２６と直接に電気的に関連していないが、本発明の絶縁体構造はフィールド絶縁体と同様な利点を提供することができる。
【００２１】
図４は、本発明にしたがうＭＩＳキャパシタ、特に参照として本明細書に取り入れられる米国特許第４，８７５，０８３号に記載されているのと同様な可変キャパシタンスデバイスを示している。図４のキャパシタは番号４０で示してあり、ドーピングされた炭化珪素部分４１と、当該ドーピングされた炭化珪素部分の上にあるキャパシタンス絶縁体を含む。当該キャパシタンス絶縁体部分は、炭化珪素部分上に二酸化珪素層４２、及び二酸化珪素に比べて高い誘電率を有する他の絶縁材料の層４３を含む。図４に示した態様では、キャパシタ４０は、他の絶縁材料層４３とゲートコンタクト４５との間に第二の二酸化珪素層４４も含む。コンタクト４５は、必要なコンタクト特性を与えるのに充分にドーピングされた金属又は例えばポリシリコンのような適当な導電性半導体から作ることができる。金属コンタクト４５に対して印加されるバイアスが、ドーピングされた炭化珪素部分４１を可変的に空乏化させ、それに対応してキャパシタ４０のキャパシタンスが変化するように、図示してある態様においてリングを形成するオーミックコンタクト４６（図４の横断面図にはその２つの部分が示してある）を、ドーピングされた炭化珪素部分４１に対して作る。図３の態様において、デバイスをそれと隣接しているものから分離させるために、フィールド酸化物部分４７を典型的に含ませることもできる。上記したように、当該部分４７には本発明の誘電体構造を組込むこともできる。
【００２２】
半導体に精通した当業者は、図１ 〜 ４及び図６は、種々の絶縁ゲート及び金属・絶縁体・半導体構造を限定するものでなく、その例示であることを理解するだろう。而して、図１ 〜 ４及び図６は、一般的に、プレーナー構造及びプレーナーデバイスを示しているが、本発明の絶縁体構造は、広範な種々のデバイス配置、例えばＵＭＩＳＦＥＴに対して施用できることが理解されるだろう。本発明の誘電体構造が有用である他のゲート構造としては、ＭＩＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳターンオフサイリスタ（ＭＴＯ）、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）、及び蓄積ＦＥＴ（ＡＣＣＵＦＥＴ）が挙げられる。本発明が向上したパッシベーション、端縁終端、又はフィールド絶縁を提供することができる非ゲート構造としては、p-i-nダイオード、ショットキー整流器、及び金属・半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）が挙げられる。
【００２３】
また、本発明は、横型パワーＭＯＳＦＥＴと 、縦に配置されたデバイス（すなわち、基板の相対する表面上にソース及びドレインを有する）である二重拡散ＭＯＳＦＥＴとを含む特定の構造のために同じ利点も提供する。デバイスの例は、参照として本明細書に完全に取り入れられる米国特許第５，５０６，４２１号及び第５，７２６，４６３号に記載されている。デバイスの更なる例は、１９９６年４月１５日に出願された同時継続米国特許出願第０８／６３１，９２６号（"Silicon Carbide CMOS and Method of Fabrication"）；１９９８年６月８日に出願された第０９／０９３，２０７号（"Self-Aligned Methods of Fabricating Silicon Carbide Power Devices by Implantation and Lateral Diffusion"）；及び１９９８年６月８日に出願された第０９／０９３，２０８号（"Methods of Forming Silicon Carbide Power Devices by Controlled Annealing"）に記載されており、それらの特許の開示内容は参照として本明細書に完全に取り入れられる。
【００２４】
図８には、本発明の絶縁体構造を組込んでいる、番号６０で示してある二重拡散又は二重注入ＭＯＳＦＥＴが示してある。図８に示してあるように、トランジスタソースを、上記参照出願に記載されている様式で、エピタキシャル層６３として示してある炭化珪素部分の中に組込まれている、ｐ型ウェル６２の内にあるｎ+領域６１によって形成する。領域６３は、ｎ+ドレイン６４、ドレインコンタクト６５、及び適当なワイヤリードを有するトランジスタのドレインドリフト領域を表している。同様に、ワイヤリード７０を有するソースコンタクトがそれぞれ６７で示してある。ゲート絶縁体構造は、本発明にしたがって形成し、好ましい態様では、当該構造は、第一の二酸化珪素層７１、窒化珪素層７２、及び第二の二酸化珪素層７３を含む。ゲート金属コンタクト７４及びそのワイヤリード７５によって当該構造は完成する。動作時において、ゲートコンタクト７４に対してバイアスを印加すると、ｐ型領域６２は空乏化して反転層が形成される。これらのデバイスに精通している当業者は、ドレイン部分６４が、この構造において、ｎ+の導電型からＰ型の導電型へと変化する場合、得られる絶縁は絶縁ゲートバイポーラートランジスト（ＩＧＢＴ）であることも認識するだろう。
【００２５】
図示された構造は、二酸化珪素の上に第二の誘電体材料を重ねることによってゲートパッシベーション又はフィールドパッシベーションを向上させる。二酸化珪素は、炭化珪素上に大きな電子障壁（すなわち、９ｅＶのバンドギャップ）を提供し、積層誘電体からの電流リークを防止する。補足的な方法では、追加の誘電体材料（より高い誘電率を有する）によって、単一誘電率層と比較して、高温及び高電界における信頼性が向上する。而して、積層誘電体を２種類の異なる材料の機能的強度と組合せ、１種類の材料によって得られる誘電体に比べて、炭化珪素上においてより良い誘電体を形成させる。更に、二酸化珪素は、任意の他の誘電体材料に比べて、電気的に充電された状態又は活性な状態に関してより良い界面を炭化珪素と形成する。
【００２６】
誘電体における電界が、近傍の炭化珪素における電界と直接関係があり、また更に、積層された誘電体と炭化珪素の誘電率の比と関係があるので、二酸化珪素と重ねられるべく選択される材料の誘電率は、重要な考慮の対象である。表１では、いくつかの一般的な半導体デバイスに関する誘電率がまとめてあり、また効果尺度として炭化珪素も記載してある。
【００２７】
Figure 0005021860
＊ (Ba,Sr)TiO3 の誘電率は印加電界によって劇的に低下する。
【００２８】
＃ 推定
表１において、臨界電界とは、材料が直ちに絶縁破壊する電界強度のことである。動作電界（ＥO）とは、十分な期間、例えば少なくとも１０年間、誘電体が殆ど又は全く劣化しないことが予期される最も高い電界のことである。
【００２９】
本発明は、二酸化珪素に比べて高い誘電率を有する誘電体材料を用いることによって、炭化珪素上に存在するゲートパッシベーション又はフィールドパッシベーションの信頼性を向上させる。この点に関して、ガウスの法則は、誘電体における電界が、半導体における電界に係数（ε半導体／ε誘電体）を乗じたものであることを要求する。而して、炭化珪素の誘電率に比べて高い誘電率を有する材料は、近傍の炭化珪素に比べて低い電界を有する。而して、電力デバイスのためのゲート誘電体又はパッシベーティング材料としての材料の適用可能性に関する重要な基準は、電界強度（Ｅ）と誘電率（ε）との積である。理想的には、積εＥは、炭化珪素のそれを超える。
【００３０】
この点に関して、表１には、２種類の材料のいずれか単独の場合と比べてより良い電気的特性を有する絶縁体構造を創り出すために、二酸化珪素と潜在的に積層することができるいくつもの誘電体が列記してある。にもかかわらず、追加の材料を誘電体構造で用いても良く、その選択は表１の材料に限定されない。
【００３１】
本発明の積層誘電体は、炭化珪素ＭＩＳデバイスが高温において又は高いゲート電圧において動作できるようにする４つの重要な特性を有する：すなわち、第一には、大量の誘電体を堆積させることができるので、炭化珪素の熱による消費を防止できる。始めに指摘したように、熱的に成長させた二酸化珪素は、注入された領域よりもより急速に炭化珪素を消費する傾向があるので、注入領域の端縁において、物理的工程（physical step）と高い電界とが得られる。第二に、絶縁体構造の二酸化珪素部分が、炭化珪素と高品質な界面を有する。第三に、多層構造によって、高温（２５０℃ 〜 ４００℃）でのリーク電流が最小となる。第四に、非二酸化珪素部分は、比較的高い誘電率をもたらすので、ガウスの法則によって規定されるように、非二酸化珪素誘電体における電界を低下させる。
【００３２】
特定の構造を製造する場合、本発明の積層誘電体の物理的厚さは、一般的に、単一誘電体層のそれに比べて異なり、その差は誘電率の比によって決定される。更に、現在までのところ、最も好ましくは、積層誘電体は、底層（すなわち、炭化珪素と接触する層）として二酸化珪素によって構造化される。なぜならば、それは、高温におけるリーク電流を許容できる程度にするために必要とされるからである。
【００３３】
ＭＩＳキャパシタ
キャパシタは、本発明の材料を含む表２の材料を用いて二次加工した。好ましい態様では、三工程プロセスを用いて、それぞれ、二酸化珪素層、窒化珪素層、及び二酸化珪素層を製造した。まず最初に、酸化炉において、高品質の二酸化珪素を、約１００オングストローム（Å）の厚さまで炭化珪素上に熱的に成長させた。好ましい酸化技術は、参照として本明細書に完全に取り入れられる、１９９５年１１月８日に出願された、同時係属していて且つ通常譲渡された出願第０８／５５４，３１９号 "Process for Reducing Defects in Oxide Layers on Silicon Carbide" に記載されている。次に、５００Åの窒化層を、ガス源としてシラン（SiH4）及びアンモニア（NH3）を用いて、減圧化学的堆積法（ＬＰＣＶＤ）で堆積させた。次に、その窒化層を３時間９５０℃で湿潤周囲大気中において酸化させ、厚さ約５０Å 〜 １００Åの第二の二酸化珪素層を生成させた。
【００３４】
ＤＣリーク電流を、±１５ボルトの範囲にわたって、これらのＭＩＳキャパシタに関して測定した。前記電圧は、１センチメートル当たり約３メガボルトの電界に相当する。表２には、異なるＭＩＳキャパシタに関して測定されたリーク電流を、１平方センチメートル当たりのマイクロアンペア（μA/cm2）でまとめてある。次に、室温で最小のリークを有するキャパシタを、２５０℃で測定した。この温度でのリークは「ＨＴリーク」として表に記載してある。ダッシュ記号は測定可能なリークが無いことを示しており（５００ピコアンペア未満）、「非常に高い」は、室温でのリークが非常に高かったので２５０℃での測定が行われなかった絶縁体を示している。
【００３５】
Figure 0005021860
表２が示しているように、いくつもの誘電体は炭化珪素上において充分に絶縁しておらず、いくつかは、例えば窒化アルミニウムは、室温でさえも満足な特性を欠いている。二酸化珪素を含む構造のみが、２５０℃で、炭化珪素上において充分に絶縁した。この事は、炭化珪素と誘電体材料とのバンドギャップと、炭化珪素に関して生じた低いバンドオフセット（障壁の高さ）と最も関係が有りそうである。炭化珪素は約３ｅＶのバンドギャップを有し、絶縁する材料にとっては、少なくとも約２ｅＶの障壁の高さが望まれる。而して、炭化珪素上において、誘電体材料又は誘電体構造は少なくとも約７ｅＶのバンドギャップを有するべきである。而して、単独で、６ｅＶのバンドギャップを有する窒化珪素は 表２に報告されているリーク電流測定で示されているように、問題を実証することが期待され、また問題を実証した。窒化アルミニウムのバンドギャップ（６．２ｅＶ）は窒化珪素のそれに比べてあまり差は無く、窒化アルミニウムは実質的により高いリーク電流を有する。窒化アルミニウム及び窒化珪素によって実証されたリーク電流は、これらの材料が単独でゲート誘電体として有用ではないことを示している。更に、これらの絶縁体の更なる分析は、正味の酸化物の電荷を評価するために制限された。
【００３６】
誘電体は高温高電界デバイスパッシベーション用途に関して高い信頼性を有していなければならないが、そのような信頼性は、ＭＩＳデバイスのゲート層に誘電体を適用可能にするのに必要ではあるが十分な特性ではない。前記用途にとっては、帯電バルク欠陥及び電気的活性界面の欠陥を最小にしなければならない。帯電バルク欠陥はデバイスにおいて電圧移動を引き起こす傾向があり、電気的活性界面欠陥はチャネル移動度を低下させる。
【００３７】
帯電バルク欠陥は、伝統的に「固定酸化物の電荷（fixed oxide charge）」と呼ばれており、室温高周波数キャパシタンス・電圧（ＣＶ）曲線によって決定されるフラットバンド電圧によって測定される。フラットバンドキャパシタンスが生じる実際の電圧と、理想値との間の任意の差（金属・半導体仕事関数を説明している）は、この固定酸化物の電荷が原因である。しかしながら、例えば炭化珪素のようなバンドギャップが大きい半導体に関して、「固定」酸化物の電荷という用語は、誤った名称である。この計算された電荷密度は、界面状態からの寄与を含み、その多くは、室温では固定されていると考えられる。このために、この計算された電荷密度は本明細書では「正味の」酸化物の電荷と呼ぶ。
【００３８】
誘電体・半導体界面における電気的活性欠陥は界面準位（interface states）と呼ぶ。これらの準位は、電子の捕獲及び放出のいずれかによって、又は電流に対して直角に力を施用する帯電部位（charged site）を提供することによって、ＭＩＳデバイスのチャネル移動度を極度に低下させ得る。これらの効果は、電流を抑制し、続いてチャネル移動度を低下させる。
【００３９】
而して、表３では、正味の酸化物の電荷密度と、様々なキャパシタの最小の測定された界面準位密度を比較している。
Figure 0005021860
正味の酸化物の電荷及び界面準位密度は、熱酸化物及びＬＰＣＶＤ酸化物において最低であり、それらのサンプルの間には有意な差は認められない。ｎ型サンプルに関して、正味の酸化物の電荷及び界面準位密度は、二酸化珪素／窒化珪素／二酸化珪素サンプル（本明細書では「ＯＮＯ」構造と呼称する）に関して有意に低い。炭化珪素／絶縁体の界面品質は、二酸化珪素が炭化珪素と界面を形成するときよりも明らかに優れている。
【００４０】
表４に示してあるように、二酸化珪素層は、二酸化珪素層を成長又は堆積させる方法にかかわらず、特に高温において、最も高い絶縁破壊電界（breakdown fields）を有していた。１１００℃で熱的に成長させた酸化物は、最も高い絶縁破壊電界を有していて、堆積された酸化物も殆ど同じである。
【００４１】
絶縁破壊電界は重要であるが、誘電体も考慮しなければならない。表４には、３種類のウェーハ型（可能な場合）の平均を取り、次に室温と３５０℃での測定値の双方に経験的な誘電率（ε）を乗じた絶縁破壊電界（ＥB）が列記してある。ＥBεの最も大きな積は、ＯＮＯ、熱的に成長させた酸化物、堆積された酸化物、及びアルミニウムオキシナイトライドに関して測定された。
【００４２】
Figure 0005021860
６Ｈ ｎ型 炭化珪素ＭＩＳキャパシタに関する３５０℃における時間・バイアス測定を図７に示してある。測定点は記号で示してあり、指数最小二乗フィトを実線で示してある。これらのデバイスによって示された寿命は短いが、その理由の一部としてはサンプルサイズが小さいためである。しかしながら、これらの値は、３５０℃におけるｎ型 炭化珪素上酸化物にとっては例外的な値ではない。
【００４３】
ＯＮＯキャパシタは、最も長い寿命を有し、所定の印加電界において堆積酸化物及び熱酸化物の双方で寿命が１０倍超向上している。ＯＮＯキャパシタのｐ型界面品質は熱酸化物又は堆積酸化物と同じではなく、ｎ型界面品質は他の材料のいずれかよりも良い。
【００４４】
ＭＩＳＦＥＴ
キャパシタに加えて、いくつものプレーナー金属・絶縁体半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）を、熱酸化物及び積層ＯＮＯ誘電体で二次加工した。異なる誘電体の絶縁破壊電圧を比較することによって、ＭＯＳＦＥＴのロバストネスを更に比較した。誘電体の電界強度を、室温及び３５０℃で測定した。その結果を表５に示す。
【００４５】
Figure 0005021860
＃ 誘電体は この電圧では実際に破壊されなかったが、リークした。
【００４６】
始めに指摘したように、注入されたソース領域及びドレイン領域は未注入チャネル領域に比べてより早く酸化するので、熱酸化は物理工程をもたらす。また、注入領域上に成長させた熱酸化物は、非注入材料上に成長させたそれに比べて弱い傾向もある。これらの２つの効果を熱酸化ＭＯＳＦＥＴにおいて組合せる。その工程によって最も弱い酸化物の電界及び領域が向上する。而して、熱酸化されたＭＯＳＦＥＴの絶縁破壊電界は、ＭＯＳキャパシタによって示された絶縁破壊電界から有意に低下する。
【００４７】
堆積された酸化物は、熱成長酸化物に比べてより高い絶縁破壊電界を有するが、最も高い絶縁破壊電圧はＯＮＯ誘電体層によって達成された。当該電界は、３５０℃でわずかに低いが、窒化珪素ゲート絶縁体は同じゲートキャパシタンスを有するようにより厚くなければならないので、絶縁破壊電圧はおそらくデバイスの信頼性に関するより良い指標である。而して、ＯＮＯ構造は、熱酸化デバイスの高温絶縁破壊電圧を殆ど２倍にする。
【００４８】
ファットＦＥＴ（「ファット（fat）」ＦＥＴは、そのゲート長にほぼ等しいゲート幅を有する）のチャネル移動度は、ＭＩＳＦＥＴの線形態（linear regime）から決定した：ドレイン電圧は０．２５ボルトに設定し、ゲート電圧は１ボルト毎０ 〜 １０ボルトでステップさせた。様々なゲート電圧間のコンダクタンス（当該コンダクタンスはしきい電圧に依存しない）から当該移動度を計算した。図５は、積層ＯＮＯ誘電体で二次加工したＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度を、熱酸化物で二次加工したＭＩＳＦＥＴのそれと比較している。ＯＮＯ ＭＩＳＦＥＴはわずかに高い移動度を有する。而して、図５から、ＯＮＯ積層誘電体構造は、これらのデバイスにおいて、少なくとも熱酸化物と同じくらい良好であることが分かる。
【００４９】
高温におけるＭＩＳＦＥＴデバイスの信頼性に関する評価は、４ ｘ １０００μm のゲートに対して１５Ｖ（３MV/cm）のゲート電圧を印加し、ソース、ドレイン及び基板を接地し、そしてコンプライアンス電流が１nAに達するまでゲート電流をモニターすることによって行った。このコンプライアンス電流は、０．２５mA/cm2の電流密度に相当する。ゲート電圧は、この試験を早めるために、予想される使用電圧の５Ｖを超えて増加させた。
【００５０】
表６は、積層ＯＮＯ誘電体で二次加工したＭＩＳＦＥＴの高温信頼性を、熱二酸化珪素及び堆積二酸化珪素を有するＭＩＳＦＥＴのそれと比較している。ＯＮＯ ＭＯＳＦＥＴは、有意により良好な高温寿命、例えば１００倍超の高温寿命を有する。更に、パッケージされたＭＩＳＦＥＴは２４０時間正常に動作した。
【００５１】
Figure 0005021860
ＯＮＯサンプルは、破損せずに、７５時間３５０℃でウェーハ試験された。この時、３５０℃で数日間空気に晒されるとデバイスの金属が酸化するので、試験のためにデバイスをパッケージすることに決めた。次に、パッケージされた部品を３５０℃で試験した。しかしながら、パッケージされたデバイスの正確な温度は容易に調節することができないので、推定試験温度は恐らく３５０℃よりも３３５℃に近い温度であった。にもかかわらず、ＯＮＯサンプルは３３５℃で１０日間（２４０時間）耐えた。
【００５２】
また図９は、キャパシタと比較したＭＩＳＦＥＴの寿命も示している。乾湿熱酸化物（dry-wet thermal oxide）を有するＭＩＳＦＥＴは、キャパシタと比較した場合、劇的に寿命が短かった。これは、注入領域の成長が促進されることによってソース領域及びドレイン領域において創出された物理工程が最大の原因でありそうである。堆積酸化物ＭＩＳＦＥＴは、予想された時間に極めて近い時間に破損したが、わずかに破損率は低かった。ＯＮＯ ＭＩＳＦＥＴは、ＭＩＳキャパシタのデータから予想されるように殆ど正確に破損する。
【００５３】
ダイオード
ＭＩＳキャパシタに加えて、プレーナーダイオードの４ウェーハロットを二次加工した。図６には例示デバイス５０の横断面が示してある。上部ｐ層５１を可変用量で注入した。第一の注入物に隣接させて、接合終端拡張（Junction Termination Extension (JTE) ）５２を第二注入して、電界集中を低減した。ＪＴＥ注入物によってデバイスの端における電界集中は低減するが、パッシベーションのために、ウェーハの表面上にある高品質誘電体５３が必要とされる。プレーナーダイオードの形状は円形であった。誘電体５３を、本発明にしたがって酸化物／窒化物／酸化物から形成する。詳しくは、すべての３つの層はＰＥＣＶＤで堆積させた。
【００５４】
比較のために、単一層絶縁体としてＰＥＣＶＤ SiN4 及びＰＥＣＶＤ SiO2 で二次加工を繰返した。
１００ 〜 ５００μmの半径を有するダイオードから成るこのデバイスのためにマスクセットを用い、ＪＴＥ注入物の幅を５０ 〜 １５０μmで変化させた。エピタキシャル層は５ｋＶに耐えるべきであるが、これらのデバイスのＪＴＥは、パッシベーション上に更なる応力を配置するために、ほんの３ｋＶをブロックするように設計された。ＪＴＥ注入物は、より高い電圧によって発生する電界のすべてを終端させないので、デバイス性能はパッシベーションにより敏感である。而して、パッシベーションは、よりずっと大きな電界に耐えなければならない。而して、当該デバイスは、種々の誘電体材料を評価するのに役立つように慎重に設計した。
【００５５】
５種類のウェーハを、高圧P-i-Nダイオードの二次加工のために入手した。これらのデバイスのための４Ｈ ｎ型基板は、約１ x １０15cm-3でドーピングされた５０μmのエピタキシャルｎ-層と、約１ x １０18cm-3でドーピングされた１．２μmのｐ-層とを有していた。
【００５６】
また図６には、デバイス５４、アノード５５、及びカソード５６のｎ型部分が図示してある。
エッチングの位置合わせから開始されたダイオードの二次加工は、更なるマスクの位置合わせのために、炭化珪素ウェーハ中にマークする。アノード接合を、表面の殆どにおいて上部ｐ型層にエッチングすることによって画定し、円形ｐ型アノード領域は露出させておく。厚い（１．４μm）酸化物マスクを用いて、低用量ＪＴＥ注入物を受容している領域を画定した。意図された終端領域のみが注入物を受容し、また当該終端領域が、意図されていない領域から完全にブロックされるように、酸化物マスクの厚さ及び注入エネルギー及びｐ型ドーパント（アルミニウム）の用量を選択した。また、ｐ型層の表面に高度のドーピングがオーミックアノードコンタクトのために形成されるように、接合領域はこの注入工程も受容した。注入されたアルミニウムをアニールして、イオン注入からの損傷を最小にし、また注入物を電気的に活性化した。
【００５７】
各型のダイオードに関して絶縁破壊電圧を測定した。窒化珪素はリークが多く、２．６ｋＶで破損した。酸化物デバイスはリークが少ないか全く無く、約３．５ｋＶで破損した。本発明の誘電体構造を組込んでいるデバイスは、５ｋＶまでリークが無く、世界記録レベルの５．９ｋＶで破損した。
【００５８】
以上のことをまとめると、本発明のＯＮＯ誘電体は有意な向上を提供する。ＯＮＯ積層ＭＩＳＦＥＴの高温寿命は、従来技術の堆積酸化物に比べて１００倍を超える。この事実は、高温SiC電力デバイス及び回路にとって現在重要である。１MV/cmの予想定格動作電界では、ＯＮＯ ＭＯＳＦＥＴは３３５℃で２４０，０００時間を超える寿命を有する。
【００５９】
而して、これらのいくつものデバイスに関して現在までに証明された成功は、殆どすべてのパッシベーション構造又は絶縁ゲート構造において充分に働くことが期待される。
【００６０】
図面及び明細書において、本発明の典型的な態様を開示してきた。また特定の用語を用いてきたが、それらは一般的及び説明的な意味でのみ用いてきたのであって、限定する意味は無く、本発明の範囲は以下の請求の範囲に記載してある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一の態様に関する横断面図である。
【図２】 本発明の第二の態様に関する横断面図である。
【図３】 本発明にしたがうＩＧＦＥＴに関する横断面図である。
【図４】 本発明にしたがうＭＩＳキャパシタに関する横断面図である。
【図５】 従来の熱酸化物及び本発明にしたがう絶縁体に関する、ゲート電圧に対する電子移動度の比較プロットである。
【図６】 本発明にしたがってパッシベートされたプレーナーダイオードに関する横断面図である。
【図７】 電界に対するデバイス寿命の比較プロットである。
【図８】 本発明にしたがう別の電界効果デバイスに関する横断面図である。
【図９】 電界に対するデバイス寿命の別の比較プロットである。

Claims (17)

  1. 炭化珪素部分（１６）および当該炭化珪素部分上の誘電体構造を含む炭化珪素半導体デバイスであって；
    当該誘電体構造が、
    当該炭化珪素部分（１６）上にあり、かつ当該誘電体構造の厚さの０．５〜３３％の厚さを有する第一の二酸化珪素層（１７）；
    当該第一の二酸化珪素層上の窒化珪素層（２０）；および
    当該窒化珪素層上にあり、かつ当該誘電体構造の厚さの０．５〜３３％の厚さを有する第二の二酸化珪素層（２１）により特徴づけられ、
    当該窒化珪素層（２０）が当該誘電体構造の厚さの残りを構成し、
    前記誘電体構造がゲート絶縁体である
    ことを特徴とする、当該炭化珪素半導体デバイス。
  2. 当該誘電体構造に対してゲートコンタクト（１４，２２）をさらに含む請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  3. 当該第一の二酸化珪素層の厚さが当該誘電体構造の厚さの０．５％〜３３％であり、当該第二の二酸化珪素層が当該誘電体構造の厚さの０．５％〜３３％であり、及び当該窒化珪素層が前記誘電体構造の厚さの残りの部分を構成している請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  4. 当該炭化珪素が、炭化珪素の３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ及び１５Ｒのポリタイプから成る群より選択されるポリタイプを有する請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  5. 当該炭化珪素半導体デバイスが、ＭＩＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ＩＧＦＥＴ，ＭＴＯ，ＭＣＴ及びＡＣＣＵＦＥＴから成る群より選択される絶縁ゲート半導体デバイスである請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  6. 当該第一の二酸化珪素層の厚さが当該誘電体構造の厚さの２０％であり、当該第二の二酸化珪素層の厚さが当該誘電体構造の厚さの２０％であり、及び当該窒化珪素層が前記誘電体構造の厚さの残りの部分を構成している請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  7. 当該第一の二酸化珪素層の厚さが当該誘電体構造の厚さの０．５％〜２０％であり、当該第二の二酸化珪素層の厚さが当該誘電体構造の厚さの０．５％〜２０％であり、及び当該窒化珪素層が前記誘電体構造の厚さの残りの部分を構成している請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  8. 請求項１に記載の大電力用途に特に適する、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）であって：
    当該炭化珪素部分（１６，２５）が第一導電型を有し；
    前記誘電体構造が、前記炭化珪素部分（１６，２５）上にゲート絶縁体（２６）を形成し；
    当該炭化珪素部分が、当該炭化珪素部分からの相対する導電型を有しかつソース部分とドレイン部分の間に当該炭化珪素部分をもつ、炭化珪素のソース部分（３３）とドレイン部分（３４）を含み；
    当該ＩＧＦＥＴが、電位を当該ゲートコンタクト（３２）および当該ソース部分（３３）およびドレイン部分（３４）に対するそれぞれのオーミックコンタクト（３５，３６）に印加するときに、当該炭化珪素部分（１６，２５）を空乏化するための当該ゲート絶縁体（２６）に対するゲートコンタクト（３２）をさらに含む、絶縁ゲート電界効果トランジスタ。
  9. 当該炭化珪素部分が、基板、エピタキシャル層、又は注入領域を含む請求項８記載のＩＧＦＥＴ。
  10. 当該第一および第二の二酸化珪素層が熱酸化物である請求項８記載のＩＧＦＥＴ。
  11. 当該炭化珪素が、炭化珪素の３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ及び１５Ｒのポリタイプから成る群より選択されるポリタイプを有する請求項８記載のＩＧＦＥＴ。
  12. 前記誘電体構造が、パッケージされない場合に７５時間より長い高温寿命を有する請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  13. 前記誘電体構造が、パッケージされる場合に少なくとも２４０時間の高温寿命を有する請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  14. 前記誘電体構造が、堆積酸化物の誘電体構造を有する対応する炭化珪素デバイスの高温寿命の少なくとも１００倍を超える高温寿命を有する請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  15. 前記誘電体構造が、乾燥熱酸化物の誘電体構造を有する対応する炭化珪素デバイスの高温寿命の少なくとも１００倍を超える高温寿命を有する請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  16. 前記誘電体構造が５ｋＶまでリークがない請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
  17. 前記誘電体構造が少なくとも５．９ｋＶの絶縁破壊電圧を有する請求項１記載の炭化珪素半導体デバイス。
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