JP6032831B2 - SiC半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
Cdef={[Siの密度]+[p型ドーパントの密度]−[Cの密度]}
で定義されるC欠陥密度が、炭素の導入によってCdef<1015/cm3 に設定されている。
4H−SiC基板/SiO2 ゲート絶縁膜界面には多くの界面状態が存在し、それが移動度低下を引き起こしていることが分かっている。しかし、その起源については明確になっていない。
4H−SiCと、3C−SiC中でのC欠陥の電子状態を第一原理計算により求めた。ここで、第一原理計算は、局所密度近似による密度汎関数法に基づいている。Siはノルム保存擬ポテンシャル、CなどSi以外の物質は、バンダービルトらによって開発された、ウルトラソフト擬ポテンシャルを用いている。図1(a)(b)(c)はそれぞれ、4H−SiC、6H−SiC、3C−SiC中でのC欠陥の状態密度を説明するための模式図である。
SiC基板表面での欠陥の生成エネルギーを第一原理計算により求めた。SiC基板C面の最表面のC欠陥生成に必要なエネルギーは0.75eV、SiC基板Si面の最表面のSi欠陥生成に必要なエネルギーは4.6eVであった。水素終端のとれたSiC基板の最表面の元素は、ダングリングボンドを有しているので高いエネルギー状態にあり、簡単に離脱して欠陥を発生させることが分かる。
4H−SiC基板中にCが余分にある場合、以下の状態が考えられる。まず、格子間に存在する場合である。このとき、Cは格子間を簡単に拡散して、通常のアニールプロセス中に基板中を拡散して、外部に出てしまう。次に、格子間炭素(Ci)がダイマー(Ci2)を形成する場合である。このとき、格子間に安定に存在できるが、電子状態を計算し確認したが、ギャップ中に電子をトラップできる局在状態はない。よって、MOS界面近傍にCi2があっても、移動度に何の影響も出ない。特に、界面付近では、酸素が多くあるので、酸化されてCOとなって外部に放出されてしまう。さらに、Siを置換したCも存在する可能性がある。このときの電子状態も計算を行い確認したが、ギャップ中に電子をトラップできる局在状態はなく、MOS界面近傍にSiを置換したCがあっても、移動度に何の影響も出ない。
エピタキシャル成長によるSiC基板では、1013/cm3 オーダー以下のC欠陥しかないが、ドーパントなどのイオンを打ち込むと急激に増えることが分かっている。低ドーズであっても、1017/cm3 に達する(非特許文献2参照)。このように、C欠陥は、簡単に発生してしまうので、インプラダメージには非常に敏感である。
移動度に大きく影響を与えるC欠陥は、4H−SiC/SiO2 界面近傍の、4H−SiC側3nm以下に分布している。ここでは、Cが余分にない状態であれば、C欠陥密度Cdef は、
Cdef =|[Siの密度]+[p型ドーパントの密度]−[Cの密度]|
と言える。
上記のように、C欠陥は、チャネルの奥行きは3nm以下に分布している。Cは、イオンインプラにより、その近くに導入したい。C欠陥とCとの相互作用は2nm程度可能なので、5nm以内にピークがあると良い。従来の実験から、プロセス後のC欠陥量は、2×1016/cm3 以下まで低減できると考えられる。よって、ピーク値では、この程度以上の量の導入が必要である。絶縁膜側にCを導入する場合は、Cは簡単に拡散できる。C打ち込み量から、5nm以内が妥当と考えられる。それ以上離した場合は、打ち込むC量を増やさなくてはならず、絶縁膜へのダメージが大きくなってしまうためである。
デバイス構造全体の終端構造は、通常イオン打ち込みで作っており、今回も同様にすればよい。更に、強力な終端構造が必要な場合は、STI(Shallow Trench Isolation)によって、SiO2 酸化膜を埋め込む方法も有効である。
図3は、第1の実施形態に係わるSiC半導体装置の素子構造を示す断面図であり、特にDiMOSFETに適用した例である。
アニール工程(S10)として、ソース電極150を作製した後に、800℃熱処理を行う。例えば、アルゴン(Ar)ガス中で加熱時間5分とする。かかる熱処理により、Ni2Si電極150が形成される。SiC領域122には、大量のNが導入されているので、低い接触抵抗の電極構造が得られる。同時に、p型のコンタクトについては、SiC領域123には大量のAlが導入されているので、簡単に低接触抵抗のコンタクトが取れる。
次に、ドレイン電極形成工程(S12)として、SiC基板100の裏面上にドレイン電極となる電極160を形成することにより、前記図3に示す構造が得られる。ここで、裏面電極に関して、例えばNi/Ti積層電極などを使う。800℃程度の熱工程が必要になる。例えば、アルゴン(Ar)ガス中で加熱時間5分とする。かかる熱処理により、界面にNi2Siが形成され、オーミック接続ができる。
図7は、第2の実施形態に係わるSiC半導体装置の素子構造を示す断面図であり、特にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に適用した例である。なお、図3と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
SiC基板200の裏面には、導電性材料の電極260が形成されている。この電極260はコレクタ電極(第2の通電電極)となる。本実施形態では、Ti/Al積層膜を用いた。例えば、800℃、Ar中2分のアニール工程によりオーミック接続が得られる。
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] SiC基板の表面部の少なくとも一部に形成されたp型の4H−SiC領域と、
前記4H−SiC領域の表面部に形成された欠陥低減層と、
前記欠陥低減層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、
を具備してなり、
前記欠陥低減層は、
Cdef={[Siの密度]+[p型ドーパントの密度]−[Cの密度]}
で定義されるC欠陥密度が、炭素の導入により
Cdef<10 15 /cm 3
に設定されていることを特徴とする、SiC半導体装置。
[2] 前記欠陥低減層をチャネルとする電界効果トランジスタの電子移動度が、150cm 2 /Vs以上であることを特徴とする、[1]記載のSiC半導体装置。
[3] 前記欠陥低減層のC欠陥密度Cdefは、
Cdef<10 14 /cm 3
に設定されていることを特徴とする、[1]記載のSiC半導体装置。
[4] 前記欠陥低減層をチャネルとする電界効果トランジスタの電子移動度が、200cm 2 /Vs以上であることを特徴とする、[3]記載のSiC半導体装置。
[5] 前記欠陥低減層のC欠陥密度Cdefは、
Cdef<10 13 /cm 3
に設定されていることを特徴とする、[1]記載のSiC半導体装置。
[6] 前記欠陥低減層をチャネルとする電界効果トランジスタの電子移動度が、350cm 2 /Vs以上であることを特徴とする、[5]記載のSiC半導体装置。
[7] 前記欠陥低減層は、前記ゲート絶縁膜を形成する直前又は直後に、前記4H−SiC領域と前記ゲート絶縁膜との界面近傍に炭素を導入し、前記ゲート絶縁膜の形成及び前記炭素の導入後に前記炭素を拡散させることによって作製されていることを特徴とする、[1]〜[6]の何れかに記載のSiC半導体装置。
[8] 前記欠陥低減層は、前記界面の±5nm以内に、炭素イオンを、ピーク値が2×10 16 /cm 3 以上となるようにイオン打ち込みすることによって作製されていることを特徴とする、[7]記載のSiC半導体装置。
[9] SiC基板の表面部の一部に形成されたp型の第1の4H−SiC領域と、
前記第1の4H−SiC領域の表面部の一部に、該領域の端部から離間して形成されたn型の第2の4H−SiC領域と、
前記第1の4H−SiC領域の表面部の一部に、前記第2の4H−SiC領域よりも前記端部と反対側に形成された、前記第1の4H−SiC領域よりも不純物濃度の高いp型の第3の4H−SiC領域と、
前記第1の4H−SiC領域の表面部の一部に、前記第2の4H−SiC領域よりも前記端部側に形成された欠陥低減層と、
前記欠陥低減層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、
前記第2の4H−SiC領域及び前記第3の4H−SiC領域に跨るように形成された第1の通電電極と、
前記基板の裏面側に形成された第2の通電電極と、
を具備してなり、
前記欠陥低減層は、
Cdef={[Siの密度]+[p型ドーパントの密度]−[Cの密度]}
で定義されるC欠陥密度が、炭素の導入により
Cdef<10 15 /cm 3
に設定されていることを特徴とする、SiC半導体装置。
[10] 前記SiC基板が、n型の4H−SiCであることを特徴とする、[1]〜[9]の何れかに記載のSiC半導体装置。
[11] 前記SiC基板が、p型の4H−SiCとn型の4H−SiCとの積層構造であることを特徴とする、[1]〜[9]の何れかに記載のSiC半導体装置。
[12] SiC基板の表面部の少なくとも一部にp型の4H−SiC領域を形成する工程と、
前記4H−SiC領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程の直前又は直後に、前記4H−SiC領域と前記ゲート絶縁膜との界面近傍に炭素を導入する工程と、
前記ゲート絶縁膜の形成及び前記炭素の導入の後に、前記導入した前記炭素を拡散させることにより、前記4H−SiC領域の表面に欠陥低減層を形成する工程と、
前記欠陥低減層の形成後に前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とするSiC半導体装置の製造方法。
[13] 前記炭素を導入する工程として、前記4H−SiC領域と前記ゲート絶縁膜との界面の±5nm以内に、炭素イオンをイオン打ち込みすることを特徴とする、[12]記載のSiC半導体装置の製造方法。
[14] 前記炭素を導入する工程として、炭素イオンを、ピーク値が2×10 16 /cm 3 以上となるようにイオン打ち込みすることを特徴とする、[13]記載のSiC半導体装置の製造方法。
[15] 前記欠陥低減層を形成する工程として、100℃以上300℃以下で熱処理することを特徴とする、[12]〜[14]の何れかに記載のSiC半導体装置の製造方法。
102…n- 型SiC層
120…表面領域
121…p- 型SiC領域(第1の4H−SiC領域)
122…n+ 型SiC領域(第2の4H−SiC領域)
123…p+ 型SiC領域(第3の4H−SiC領域)
124…チャネル領域(欠陥低減層)
130…ゲート絶縁膜
140…ゲート電極
150…ソース電極(第1の通電電極)
160…ドレイン電極(第2の通電電極)
200…p+ 型SiC基板
201…n+ 型SiC層
202…n- 型SiC層
250…エミッタ電極(第1の通電電極)
260…コレクタ電極(第2の通電電極)
Claims (14)
- SiC基板の表面部の少なくとも一部に形成されたp型の4H−SiC領域と、
前記4H−SiC領域の表面部に形成され、電界効果トランジスタのチャネルとなる欠陥低減層と、
前記欠陥低減層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、
を具備してなり、
前記欠陥低減層は、
Cdef={[Siの密度]+[p型ドーパントの密度]−[Cの密度]}
で定義されるC欠陥密度が、炭素の導入により
Cdef<1015/cm3
に設定されていることを特徴とする、SiC半導体装置。 - 前記欠陥低減層をチャネルとする電界効果トランジスタの電子移動度が、150cm2/Vs以上であることを特徴とする、請求項1記載のSiC半導体装置。
- 前記欠陥低減層のC欠陥密度Cdefは、
Cdef<1014/cm3
に設定されていることを特徴とする、請求項1記載のSiC半導体装置。 - 前記欠陥低減層をチャネルとする電界効果トランジスタの電子移動度が、200cm2/Vs以上であることを特徴とする、請求項3記載のSiC半導体装置。
- 前記欠陥低減層のC欠陥密度Cdefは、
Cdef<1013/cm3
に設定されていることを特徴とする、請求項1記載のSiC半導体装置。 - 前記欠陥低減層をチャネルとする電界効果トランジスタの電子移動度が、350cm2/Vs以上であることを特徴とする、請求項5記載のSiC半導体装置。
- 前記欠陥低減層は、前記4H−SiC領域と前記ゲート絶縁膜との界面の±5nm以内に、2×10 16 /cm 3 以上となる炭素原子のピーク値を有することを特徴とする、請求項1〜6の何れかに記載のSiC半導体装置。
- SiC基板の表面部の一部に形成されたp型の第1の4H−SiC領域と、
前記第1の4H−SiC領域の表面部の一部に、該領域の端部から離間して形成されたn型の第2の4H−SiC領域と、
前記第1の4H−SiC領域の表面部の一部に、前記第2の4H−SiC領域よりも前記端部と反対側に形成された、前記第1の4H−SiC領域よりも不純物濃度の高いp型の第3の4H−SiC領域と、
前記第1の4H−SiC領域の表面部の一部に、前記第2の4H−SiC領域よりも前記端部側に形成され、電界効果トランジスタのチャネルとなる欠陥低減層と、
前記欠陥低減層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、
前記第2の4H−SiC領域及び前記第3の4H−SiC領域に跨るように形成された第1の通電電極と、
前記基板の裏面側に形成された第2の通電電極と、
を具備してなり、
前記欠陥低減層は、
Cdef={[Siの密度]+[p型ドーパントの密度]−[Cの密度]}
で定義されるC欠陥密度が、炭素の導入により
Cdef<1015/cm3
に設定されていることを特徴とする、SiC半導体装置。 - 前記SiC基板が、n型の4H−SiCであることを特徴とする、請求項1〜8の何れかに記載のSiC半導体装置。
- 前記SiC基板が、p型の4H−SiCとn型の4H−SiCとの積層構造であることを特徴とする、請求項1〜8の何れかに記載のSiC半導体装置。
- SiC基板の表面部の少なくとも一部にp型の4H−SiC領域を形成する工程と、
前記4H−SiC領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程の直前又は直後に、前記4H−SiC領域と前記ゲート絶縁膜との界面近傍に炭素を導入する工程と、
前記ゲート絶縁膜の形成及び前記炭素の導入の後に、100℃以上300℃以下で熱処理して前記導入した前記炭素を拡散させることにより、前記4H−SiC領域の表面に欠陥低減層を形成する工程と、
前記欠陥低減層の形成後に前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とするSiC半導体装置の製造方法。 - 前記炭素を導入する工程として、前記4H−SiC領域と前記ゲート絶縁膜との界面の±5nm以内に、炭素イオンをイオン打ち込みすることを特徴とする、請求項11記載のSiC半導体装置の製造方法。
- 前記炭素を導入する工程として、炭素イオンを、ピーク値が2×1016/cm3以上となるようにイオン打ち込みすることを特徴とする、請求項12記載のSiC半導体装置の製造方法。
- 前記炭素を導入する工程として、前記ゲート絶縁膜側にピークを持つようにイオン打ち込みすることを特徴とする、請求項11記載のSiC半導体装置の製造方法。
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