JP6237046B2 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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まず、本願発明の実施形態(以下、「本実施形態」とも記す)の概要を以下の(1)〜(15)に列記して説明する。
以下、本実施形態に係る炭化珪素半導体装置について、より詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
図1に示す本実施形態に係る炭化珪素半導体装置201はプレーナ構造を有する縦型MOSFETとして構成されている。炭化珪素半導体装置201は、単結晶基板80と、炭化珪素半導体層100(エピタキシャル層)と、ゲート絶縁膜91と、ゲート電極92と、層間絶縁膜93と、ソース電極94と、ソース配線層95と、ドレイン電極98とを有する。
以上に説明した本実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、以下に説明する製造方法によって製造することができる。図16は本実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。図16に示すように、当該製造方法は工程S1、工程S2、工程S4および工程S5を備えるものであり、好ましくは工程S2の後に工程S3をさらに備える。以下、各工程について説明する。
工程S1では炭化珪素半導体層100が準備される。炭化珪素半導体層100は、たとえば単結晶基板80上でのエピタキシャル成長と、イオン注入によって準備される。
工程S2は、炭化珪素半導体層100上にゲート絶縁膜91を構成する下地絶縁膜91bを形成する工程である。図6を参照して、炭化珪素半導体層100上に下地絶縁膜91bが形成される。下地絶縁膜91bは、たとえば酸化珪素であり、炭化珪素半導体層100を熱酸化することにより形成されることが好ましい。このときの熱酸化条件は、たとえば酸素(O2)を含む雰囲気中において炭化珪素半導体層100を1300℃程度に加熱することにより、酸化珪素膜である下地絶縁膜91bを形成することができる。
本実施形態では、工程S2の後、炭化珪素半導体層100と下地絶縁膜91bとの界面に窒素およびリンの少なくともいずれかを導入する工程S3が実行されることが好ましい。工程S3が実行されることにより、当該界面においてダングリングボンドが窒素またはリンよって終端化され、不純物の蓄積を防止することができる。すなわち、閾値電圧をより安定化させることができる。
下地絶縁膜91bが形成された後、下地絶縁膜91b上にゲート電極92を設ける工程S4が実行される。図7を参照して、下地絶縁膜91b上に、たとえば従来公知のCVD法や蒸着法によってポリシリコン層92aおよび電極層92bがこの順に積層されることによりゲート電極92が形成される。すなわち、工程S4において、ゲート電極92は、少なくともゲート絶縁膜91(下地絶縁膜91b)との界面にポリシリコン層92aを有するように設けられる。なお、ゲート電極92は、少なくともゲート絶縁膜91との界面側にポリシリコン層を有するように構成されていればよく、後述するように全体がポリシリコン層から構成されていてもよいし、当該界面側にポリシリコン層を有する限り3以上の層から構成されていてもよい。
工程S4の後、図8を参照して工程S5が実行される。工程S5は、ゲート電極92を酸素(O2)含有雰囲気中で熱処理することにより、ゲート電極92(ポリシリコン層92a)に由来し、ゲート絶縁膜91を構成する酸化膜91aを、少なくとも下地絶縁膜91bとゲート電極92(ポリシリコン層92a)との界面に形成する工程である。
以下、図9を参照して、後工程について説明する。まず、ゲート電極92(ポリシリコン層92aおよび電極層92b)および酸化膜91aの露出面を覆うように、層間絶縁膜93が形成される。続いて、層間絶縁膜93および下地絶縁膜91bに開口部が形成されるようにエッチングが行なわれる。この開口部により、n+層83およびpコンタクト領域84の各々が露出される。そして、露出したn+層83およびpコンタクト領域84の各々に接してソース電極94が形成される。さらに単結晶基板80において、主面MPと反対側の下面上にドレイン電極98が形成される。そして再び図1を参照して、ソース電極94上にソース配線層95が形成される。
次に本実施形態の変形例について説明する。図2に示す炭化珪素半導体装置301は、本実施形態の第1の変形例であり、図1に示す炭化珪素半導体装置201と同様に、プレーナ構造を有する縦型MOSFETとして構成されている。
図3に示す炭化珪素半導体装置401は、本実施形態の第2の変形例である。炭化珪素半導体装置401は、酸化膜91aがゲート電極92の側部表面および上部表面上にまで延在する点において、図2に示す炭化珪素半導体装置301と相違する。このような構成は、実質的にゲート電極92の全体がポリシリコン層により構成されることで容易に実現される。
図10に示す炭化珪素半導体装置501は、本実施形態の第3の変形例である。炭化珪素半導体装置501は、トレンチゲート構造を有する縦型MOSFETとして構成されている。炭化珪素半導体装置501は、単結晶基板80と、炭化珪素半導体層100(エピタキシャル層)と、ゲート絶縁膜91と、ゲート電極92と、層間絶縁膜93と、ソース電極94と、ソース配線層95と、ドレイン電極98とを有する。
以下のようにして実施例に係る炭化珪素半導体装置Aを製造した。
まず、SiC単結晶からなり、厚さ300μmである単結晶基板80を準備した。単結晶基板80は、(0001)面に対して4°のオフ角度を有するものであった。
次に図6を参照して、炭化珪素半導体層100を、O2を含む雰囲気中1300℃で1時間熱処理することにより、炭化珪素半導体層100に由来するSiO2膜である厚さ45nmの下地絶縁膜91bを形成した。
続いて、NOを含む雰囲気中1400℃で1時間熱処理することにより、炭化珪素半導体層100と下地絶縁膜91bとの界面に窒素を導入した。炭化珪素半導体層100と下地絶縁膜91bとの界面から10nm以内の領域における窒素濃度をSIMSによって測定したところ、窒素濃度は1×1021/cm3以上であった。
次に図7を参照して下地絶縁膜91b上に厚さ300nmのポリシリコン層92aと厚さ100nmのAl層(電極層92b)とからなるゲート電極92をCVD法によって形成した。
続いて図8を参照して、厚さ5nmのポリシリコン層92aを熱酸化することにより、厚さ10nmの酸化膜91aを形成した。このときの熱酸化は、O2を含む雰囲気中900℃で1時間行なった。
工程S2において厚さ50nmの下地絶縁膜を形成し、工程S3および工程S5を行なわない以外は炭化珪素半導体装置Aと同様にして、比較例に係る炭化珪素半導体装置Bを製造した。すなわち、比較例に係る炭化珪素半導体装置Bでは、ゲート絶縁膜(厚さ50nm)は炭化珪素半導体層に由来する酸化珪素膜のみから構成されており、かつゲート絶縁膜と炭化珪素半導体層との界面に窒素が導入されていない。
以上のようにして得た炭化珪素半導体装置AおよびBを以下のようにして評価した。
まずSIMSによって、各炭化珪素半導体装置のゲート電極92と炭化珪素半導体層100との間における不純物(Na)濃度の分布を測定した。測定結果を図14に示す。
次に各炭化珪素半導体装置の閾値電圧の安定性を、高温における連続動作試験(耐久試験)によって評価した。すなわち、150℃の環境下において各炭化珪素半導体装置に−10Vのゲート電圧を連続印加し、閾値電圧の変動量を測定した。測定結果を図15に示す。
81 nドリフト層(第1の不純物領域)
82 pボディ層(第2の不純物領域)
83 n+層(第3の不純物領域)
84 pコンタクト領域
91 ゲート絶縁膜
91a 酸化膜
91b 下地絶縁膜
92 ゲート電極
92a ポリシリコン層
92b 電極層
93 層間絶縁膜
94 ソース電極
95 ソース配線層
98 ドレイン電極
100 炭化珪素半導体層
201,301,401,501 炭化珪素半導体装置
MP 主面
TR トレンチ
BT 底部
SW 側壁
Claims (14)
- 炭化珪素半導体層と、
前記炭化珪素半導体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設けられたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極は、少なくとも前記ゲート絶縁膜との界面側にポリシリコン層を有し、
さらに、
前記ゲート絶縁膜は、前記炭化珪素半導体層に由来する下地絶縁膜と、前記ポリシリコン層に由来する酸化膜とを含み、
前記酸化膜は、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極の前記ポリシリコン層との界面に配置されており、
前記酸化膜は、前記下地絶縁膜よりも薄い、炭化珪素半導体装置。 - 前記酸化膜の厚さは、50nm以下である、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記ゲート電極は、前記ポリシリコン層により構成される、請求項1または請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記酸化膜は、前記ゲート電極の側部表面および上部表面上にまで延在する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記炭化珪素半導体層は、主面を有し、
第1の導電型を有する第1の不純物領域と、
前記第1の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第2の不純物領域と、
前記主面の一部を構成し、前記第2の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型を有する第3の不純物領域と、を含み、さらに
前記主面には、前記第2の不純物領域および前記第3の不純物領域が側壁に表出したトレンチが設けられており、
前記ゲート絶縁膜は、前記側壁上に形成されている、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素半導体層は、主面を有し、
前記主面の一部を構成し、第1の導電型を有する第1の不純物領域と、
前記主面の一部を構成し、前記第1の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第2の不純物領域と、
前記主面の一部を構成し、前記第2の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型を有する第3の不純物領域と、を含み、さらに
前記ゲート絶縁膜は、前記第2の不純物領域により構成される前記主面上に形成されている、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記ゲート電極内において、前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜との界面から10nm以内の領域におけるナトリウム濃度が、1×1016/cm3以下であり、
前記ゲート絶縁膜内において、前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜との界面から10nm以内の領域におけるナトリウム濃度が、1×10 16 /cm 3 以下である、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素半導体層内において、前記炭化珪素半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面から10nm以内の領域における窒素濃度が、1×1021/cm3以上であり、
前記ゲート絶縁膜内において、前記炭化珪素半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面から10nm以内の領域における窒素濃度が、1×10 21 /cm 3 以上である、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 炭化珪素半導体層と、
前記炭化珪素半導体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設けられたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極は、少なくとも前記ゲート絶縁膜との界面側にポリシリコン層を有し、
前記ゲート絶縁膜は、前記炭化珪素半導体層に由来する下地絶縁膜と、前記ポリシリコン層に由来する酸化膜とを含み、
前記酸化膜は、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極の前記ポリシリコン層との界面に配置されており、
前記ゲート絶縁膜中のナトリウム濃度が、1×1016/cm3以下である、炭化珪素半導体装置。 - 前記ゲート電極内において、前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜との界面から10nm以内の領域におけるナトリウム濃度が、1×1016/cm3以下であり、
前記ゲート絶縁膜内において、前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜との界面から10nm以内の領域におけるナトリウム濃度が、1×10 16 /cm 3 以下である、請求項9に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素半導体層は、主面を有し、
第1の導電型を有する第1の不純物領域と、
前記第1の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第2の不純物領域と、
前記主面の一部を構成し、前記第2の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型を有する第3の不純物領域と、を含み、さらに
前記主面には、前記第2の不純物領域および前記第3の不純物領域が側壁に表出したトレンチが設けられており、
前記ゲート絶縁膜は、前記側壁上に形成されている、請求項9または請求項10に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記炭化珪素半導体層は、主面を有し、
前記主面の一部を構成し、第1の導電型を有する第1の不純物領域と、
前記主面の一部を構成し、前記第1の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する第2の不純物領域と、
前記主面の一部を構成し、前記第2の不純物領域内に設けられ前記第1の導電型を有する第3の不純物領域と、を含み、さらに
前記ゲート絶縁膜は、前記第2の不純物領域により構成される前記主面上に形成されている、請求項9または請求項10に記載の炭化珪素半導体装置。 - 炭化珪素半導体層を準備する工程と、
前記炭化珪素半導体層上にゲート絶縁膜を構成する下地絶縁膜を形成する工程と、
前記下地絶縁膜上にゲート電極を設ける工程と、
前記ゲート電極を酸素含有雰囲気中で熱処理することにより、前記ゲート電極に由来し、前記ゲート絶縁膜を構成する酸化膜を、少なくとも前記下地絶縁膜と前記ゲート電極との界面に形成する工程と、を備え、
前記ゲート電極を設ける工程において、前記ゲート電極は、少なくとも前記ゲート絶縁膜との界面にポリシリコン層を有するように設けられ、
前記酸化膜は、前記ポリシリコン層に由来しており、
前記酸化膜は、前記下地絶縁膜よりも薄い、炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記炭化珪素半導体層と前記下地絶縁膜との界面に窒素およびリンの少なくともいずれかを導入する工程を、さらに備える、請求項13に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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