DE112014003518T5 - Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben Download PDF

Info

Publication number
DE112014003518T5
DE112014003518T5 DE112014003518.1T DE112014003518T DE112014003518T5 DE 112014003518 T5 DE112014003518 T5 DE 112014003518T5 DE 112014003518 T DE112014003518 T DE 112014003518T DE 112014003518 T5 DE112014003518 T5 DE 112014003518T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
silicon carbide
gate insulating
traps
layer
insulating layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE112014003518.1T
Other languages
English (en)
Inventor
Masayuki Furuhashi
Naruhisa Miura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of DE112014003518T5 publication Critical patent/DE112014003518T5/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/408—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor with an insulating layer with a particular dielectric or electrostatic property, e.g. with static charges or for controlling trapped charges or moving ions, or with a plate acting on the insulator potential or the insulator charges, e.g. for controlling charges effect or potential distribution in the insulating layer, or with a semi-insulating layer contacting directly the semiconductor surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/0445—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising crystalline silicon carbide
    • H01L21/048—Making electrodes
    • H01L21/049—Conductor-insulator-semiconductor electrodes, e.g. MIS contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H01L29/0611—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
    • H01L29/0615—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
    • H01L29/063—Reduced surface field [RESURF] pn-junction structures
    • H01L29/0634—Multiple reduced surface field (multi-RESURF) structures, e.g. double RESURF, charge compensation, cool, superjunction (SJ), 3D-RESURF, composite buffer (CB) structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1095—Body region, i.e. base region, of DMOS transistors or IGBTs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1608—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/51—Insulating materials associated therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/51—Insulating materials associated therewith
    • H01L29/518—Insulating materials associated therewith the insulating material containing nitrogen, e.g. nitride, oxynitride, nitrogen-doped material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477—Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66674—DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/66712—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801—DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7802—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung anzugeben, die dazu imstande ist, eine Schwellenspannung wirksam zu erhöhen, und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung anzugeben. Die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung weist Folgendes auf: eine Driftschicht (2) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Fläche eines Siliciumcarbid-Substrats (1) gebildet ist; eine Mehrzahl von Wannenbereichen (3) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die in einem Intervall in einem Oberflächenschicht-Bereich der Driftschicht (2) gebildet sind; einen Source-Bereich (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, der in einem Teil eines Oberflächenschicht-Bereichs der Wannenbereiche (3) gebildet ist; eine Gate-Isolierschicht (5), die auf Flächen der Wannenbereiche (3) und des Source-Bereichs (4) gebildet ist; und eine Gate-Elektrode (6), die auf einer Fläche der Gate-Isolierschicht (5) gebildet ist, so dass sie gegenüber von einem Endbereich des Source-Bereichs (4) und der Wannenbereiche (3) liegt. Ferner hat die Gate-Isolierschicht (5) in einem Grenzschichtbereich zwischen den Wannenbereichen (3) und der Gate-Isolierschicht (5) Defekte (10), die jeweils eine erste Falle mit einem Energieniveau bilden, das tiefer ist als das Leitungsbandende von Siliciumcarbid, und welche eine Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff aufweisen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Stand der Technik
  • Siliciumcarbid (SiC) ist ein vielversprechendes Halbleitermaterial der nächsten Generation, mit welchem Halbleitervorrichtungen mit hoher Spannung und niedrigen Verlusten erzielt werden können. Besonders vielversprechende Halbleitervorrichtungen, die Siliciumcarbid aufweisen, sind Halbleitervorrichtungen mit isoliertem Gate, wie z. B. Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), welche Schaltvorgänge ermöglichen. Die Halbleitervorrichtungen mit isoliertem Gate müssen bestimmte Eigenschaften haben, nämlich Eigenschaften im normalerweise ausgeschalteten Zustand, in dem kein Strom fließt, wenn keine Spannung an ein Gate angelegt wird.
  • Um als Halbleitervorrichtungen verwendet zu werden, die die Eigenschaften im normalerweise ausgeschalteten Zustand haben, müssen Halbleitervorrichtungen eine bis zu einem gewissen Grad hohe Schwellenspannung (Vth) haben, wobei die Schwellenspannung eine Gatespannung ist, bei welcher ein Strom im Einschaltzustand zu fließen beginnt. Beispielsweise haben IGBTs, welche gewöhnlich und kommerziell erhältlich sind und Silicium aufweisen, eine typische Schwellenspannung von 5 V. Eine hohe Schwellenspannung von mindestens einigen Elektronenvolt oder mehr wird auf eine solche Weise unter Berücksichtigung einer Fehlfunktion und eines Betriebs auf hoher Temperatur benötigt.
  • Die Schwellenspannung wird stark von festen Ladungen in einer Gate-Isolierschicht und von Grenzschichtfallen an einer sogenannten MOS-Grenzschicht zwischen Siliciumcarbid und der Gate-Isolierschicht beeinflusst. Wenn Siliciumcarbid verwendet wird, treten im Vergleich zu Silicium (Si), das typischerweise als ein Material für herkömmliche Halbleitervorrichtungen verwendet wird, mehr Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht auf, und es ist bekannt, dass die MOS-Grenzschicht eine schlechte Qualität hat.
  • Viele Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau von 0,2 eV oder niedriger von einem Leitungsbandende des Siliciumcarbids befinden sich an der MOS-Grenzschicht, in welcher ein Kanal während der Einschaltvorgänge ausgebildet wird. Dadurch wird der Einschaltwiderstand erhöht, und zwar durch die Verluste im Einschaltzustand infolge einer Abnahme der Kanal-Leitfähigkeit (der Kanal-Beweglichkeit). Folglich hat man aktiv auf eine Verringerung der Grenzschichtfallen hin entwickelt.
  • Beispielsweise sind Techniken zum Verringern von Grenzschichtfallen an einer MOS-Grenzschicht infolge von Wärmebehandlungen in Wasserstoffgas (H2) (Wasserstoff-Tempern), Wärmebehandlungen in Stickstoffmonoxidgas (NO) oder in Distickstoffmonoxidgas (N2O) (Stickstoff-Tempern) und Wärmebehandlungen in Phosphoroxychloridgas (POCl3) (POCl3-Tempern), sowie eine Technik zum Erhöhen der Kanal-Beweglichkeit bekannt (siehe z. B. Patentdokument 1).
  • Stand der Technik
  • Patentdokument
    • Patentdokument 1: Internationale Patentveröffentlichung Nr. WO 2011/074237 A1
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Wenn die Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht verringert werden, erhöht sich die Kanal-Beweglichkeit, und gleichzeitig nimmt die Schwellenspannung ab. Mit anderen Worten: Der Anstieg der Kanal-Beweglichkeit und der Anstieg der Schwellenspannung stehen in einem Zielkonfliktverhältnis. Wenn die Schwellenspannung auf hohem Niveau beibehalten wird, ist die Kanal-Beweglichkeit niedrig, und wenn die Kanal-Beweglichkeit hoch ist, ist die Schwellenspannung niedrig. Dies resultiert in der Eigenschaft des normalerweise eingeschalteten Zustands. Mit anderen Worten: Falls die Grenzschichtfallen verringert werden, um die Kanal-Beweglichkeit zu erhöhen, nimmt die Schwellenspannung ab, und die Eigenschaft des normalerweise ausgeschalteten Zustands kann kaum erhalten werden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben erwähnten Probleme konzipiert. Es ist ihre Aufgabe, eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung anzugeben, die dazu imstande ist, das Zielkonfliktverhältnis zwischen der Kanal-Beweglichkeit und der Schwellenspannung zu verbessern und die Eigenschaften des normalerweise ausgeschalteten Zustand zu erzielen.
  • Wege zum Lösen der Probleme
  • Eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Driftschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Fläche eines Siliciumcarbid-Substrats gebildet ist; eine Mehrzahl von Wannenbereichen von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die in einem Intervall in einem Oberflächenschicht-Bereich der Driftschicht gebildet sind; einen Source-Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der in einem Teil eines Oberflächenschicht-Bereichs der Wannenbereiche gebildet ist; eine Gate-Isoierschicht, die auf Flächen der Wannenbereiche und des Source-Bereichs gebildet ist; und eine Gate-Elektrode, die auf einer Fläche der Gate-Isolierschicht gebildet ist, so dass sie gegenüber von einem Endbereich des Source-Bereichs und der Wannenbereiche liegt.
  • Ein Koeffizient X [eV], bei welchem das Energieniveau von Grenzschichtfallen in einem Bereich von 0,1 eV bis 0,4 eV liegt, beträgt 0,09 eV oder mehr und 0,15 eV oder weniger gemäß Math 1, unter der Annahme, dass die Dichte der Grenzschichtfallen, die in einem Grenzschichtbereich zwischen der Gate-Isolierschicht und den Wannenbereichen gebildet ist, Dit [cm–2eV–1] beträgt. Ein Energieniveau der Grenzschichtfallen in einer Tiefe von einem Energieniveau Ec des Leitungsbands von Siliciumcarbid ist (Ec – E) [eV].
  • Der asymptotische Wert der Dichte Dit der Grenzschichtfallen mit einem Energie niveau von ∞ [eV] ist ein Koeffizient A [cm–2eV–1]. Ein Koeffizient B [cm–2eV–1] ist ein Wert, bei welchem die Dichte Dit der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau von 0 [eV] gleich (A + B) [cm–2 eV–1] ist. X [eV] ist ein Koeffizient.
    Figure DE112014003518T5_0002
  • Wirkungen der Erfindung
  • Die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann eine Abnahme der Kanal-Beweglichkeit verhindern und die Schwellenspannung wirksam erhöhen. Mit anderen Worten: Das Zielkonfliktverhältnis zwischen der Kanal-Beweglichkeit und der Schwellenspannung kann verbessert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht, die eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 eine vergrößerte Ansicht in der Nähe einer MOS-Grenzschicht einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ein schematisches Diagramm von Defekten inklusive einer Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff, die in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • 4 ein Diagramm, das die Gate-Kennlinien der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Dichte von Grenzschichtfallen an einer MOS-Grenzschicht von einem Energieniveau der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6 eine schematische Querschnittsansicht einer gategesteuerten Diode, die verwendet wird, um die Dichte der Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bewerten.
  • 7 eine Querschnittsansicht zum Beschreiben eines Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung einer Driftschicht in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 8 eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung von Wannenbereichen in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9 eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung von Source-Bereichen in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 10 eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung einer Gate-Isolierschicht in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 11 ein Strömungsratenverhältnis von H2O und O2 nach einer Verbrennungsreaktion in Bezug auf ein Strömungsratenverhältnis von H2 und O2 in einem Reoxidationsschritt, der durchgeführt wird, wenn die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung hergestellt wird, bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 12 die Ergebnisse einer Thermodesorptions-Spektroskopie der Gate-Isolierschicht der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 13 ein Diagramm, das die Abhängigkeit eines Verhältnisses R von der Temperatur der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 14 ein Diagramm, das die Abhängigkeit einer Schwellenspannung von der Temperatur der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 15 eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung einer Gate-Elektrode in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 16 die Abhängigkeit der Dichte von Grenzschichtfallen an einer MOS-Grenzschicht, wenn die Reoxidations-Temperatur verändert wird, von einem Energieniveau der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 17 die Abhängigkeit eines Koeffizienten X von der Reoxidations-Temperatur in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 18 ein Verhältnis zwischen dem Koeffizienten X und der Schwellenspannung in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 19 ein Verhältnis zwischen der Kanal-Beweglichkeit und der Schwellenspannung der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 20 ein Diagramm, das einen Gate-Leckstrom in Bezug auf eine Gatespannung der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 21 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht um eine MOS-Grenzschicht einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herum.
  • 22 ein schematisches Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Kanal-Beweglichkeit und einer Schwellenspannung der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Erste Ausführungsform
  • Zunächst wird eine Elementstruktur einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein n-Kanal-Siliciumcarbid-MOSFET als ein Beispiel für die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt, ist eine Driftschicht 2 von einem ersten Leitfähigkeitstyp auf einer Fläche ausgebildet, welche eine erste Hauptfläche eines Siliciumcarbid-Substrats 1 vom ersten Leitfähigkeitstyp ist, und zwei Wannenbereiche 3 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp sind in einem Intervall in einem Oberflächenschicht-Bereich der Driftschicht 2 vorgesehen. Source-Bereiche 4 vom ersten Leitfähigkeitstyp sind in einem Teil eines Oberflächenschicht-Bereichs des Wannenbereichs 3 ausgebildet, und eine Gate-Isolierschicht 5 ist auf einem Teil von Flächen der Wannenbereiche 3 und der Source-Bereiche 4 ausgebildet.
  • Eine Gate-Elektrode 6 ist auf einer Fläche der Gate-Isolierschicht 5 so ausgebildet, dass sie Endbereichen der Source-Bereiche 4 und der Wannenbereiche 3 gegenüberliegt. Eine Source-Elektrode 7 ist auf der Fläche der Source-Bereiche 4 ausgebildet, und eine Drain-Elektrode 8 ist auf einer Rückfläche ausgebildet, welche eine zweite Hauptfläche des Siliciumcarbid-Substrats 1 ist.
  • Bei dieser Ausführungsform wird der n-Kanal-Siliciumcarbid-MOSFET beschrieben, bei welchem der erste Leitfähigkeitstyp der n-Typ ist und der zweite Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist. Es versteht sich, dass diese Ausführungsform auch mit einem p-Kanal-MOSFET verwendbar ist, bei welchem der erste Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist und der zweite Leitfähigkeitstyp der n-Typ ist.
  • Bei dieser Ausführungsform ist der Leitfähigkeitstyp des Siliciumcarbid-Substrats 1 der erste Leitfähigkeitstyp, aber diese Ausführungsform ist auch bei einem IGBT vom zweiten Leitfähigkeitstyp verwendbar.
  • 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht um eine MOS-Grenzschicht herum, welche ein Grenzschichtbereich zwischen der Gate-Isolierschicht 5 und dem Wannenbereich 3 ist, was durch die gepunktete Linie in 1 angezeigt wird.
  • 2 ist ein vergrößertes schematisches Diagramm in der Nähe der MOS-Grenzschicht der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform. Wie in 2 gezeigt, hat die Gate-Isolierschicht 5 Defekte 10, die eine Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff in der Gate-Isolierschicht 5 und an der MOS-Grenzschicht beinhalten, welche der Grenzschichtbereich zwischen dem Wannenbereich 3 und der Gate-Isolierschicht 5 ist.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm einer Gitterstruktur, welche einen Bindungszustand des Defekts 10 zeigt, der die Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff beinhaltet. Bei den in 3(a) und 3(b) gezeigten Defekten ersetzt ein Wasserstoffatom eine Sauerstoff-Leerstelle, welche an sich ein Sauerstoffatom (O) enthalten sollte. Ein Bereich, der von der gepunkteten Linie umgeben ist, zeigt die Sauerstoff-Leerstelle in dem Diagramm an. Der Defekt in 3(a) beinhaltet die Bindung zwischen einem Wasserstoffatom (H) und einem von zwei Siliciumatomen (Si), die an die Sauerstoff-Leerstelle angrenzen.
  • Wenn das Wasserstoffatom die Sauerstoff-Leerstelle besetzt und mit einem der Siliciumatome eine Bindung hat, welche an sich dafür vorgesehen ist, mit dem Sauerstoffatom eine Bindung zu haben, dann hat das andere Siliciumatom eine ungesättigte Bindung oder Schlenkerbindung (dangling bond). Daraus ergibt sich ein elektrisch instabiler Zustand. Die Schlenkerbindung des Siliciumatoms ist durch eine gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen im Diagramm angezeigt.
  • Die Schlenkerbindung verursacht den elektrisch instabilen Zustand und wird zu einer Grenzschichtfalle mit einem Energieniveau, das tiefer als ein Leitungsbandende von Siliciumcarbid ist. Falls die Grenzschichtfalle negativ geladen ist, hat das gesamte System gemäß 3(a) eine elektrisch stabile Struktur. Mit anderen Worten, das System gemäß 3(a) fängt Elektronen im Leitungsband ein, um eine elektrisch stabile Struktur anzunehmen.
  • Ein Defekt, der in 3(b) gezeigt ist, ist ein solcher Defekt, dass ein Wasserstoffatom eine Bindung mit einem von zwei Siliciumatomen hat, welche an eine Sauerstoff-Leerstelle angrenzen, ähnlich wie der Defekt, der in 3(a) gezeigt ist. Das andere Siliciumatom, welches keine Bindung mit dem Wasserstoffatom hat, kann direkt eine Bindung mit dem nächsten Siliciumatom haben, um die elektrisch stabile Struktur anzunehmen. Die Bindung ist durch die strichpunktierte Linie mit doppelten Strichen in dem Diagramm angezeigt.
  • Eines der Siliciumatome, das durch die strichpunktierte Linie mit doppelten Strichen gebunden ist, hat dann eine fünfte Bindung. Ein Siliciumatom hat an sich vier Bindungen, aber das Siliciumatom hat die fünfte Bindung, welche negativ geladen sein muss. Mit anderen Worten: Um die elektrisch stabile Struktur anzunehmen, fungiert die in 3(b) gezeigte Struktur als Grenzschichtfalle, welche ein Energieniveau hat, das tiefer als das Leitungsbandende des Siliciumcarbids ist, und sie fängt die Elektronen im Leitungsband ein.
  • Auf diese Weise ersetzt das Wasserstoffatom die Sauerstoff-Leerstelle, um den in 3 gezeigten Bindungszustand auszubilden, was zu dem elektrisch instabilen Zustand führt, woraus die Grenzschichtfalle wird, welche das Energieniveau bildet. Die Grenzschichtfalle bildet das Energieniveau bei einer Tiefe von 1,1 eV vom Leitungsbandende des Siliciumcarbids in 3(a), und die Grenzschichtfalle bildet das Energieniveau bei einer Tiefe von 0,72 eV von dort gemäß 3(b). Die Energieniveaus sind tiefer als das Leitungsbandende von Siliciumcarbid, so dass die Grenzschichtfallen zu ersten Fallen werden, welche elektrisch aktiv sind und Elektronen einfangen.
  • Im Hinblick auf 3(a) und 3(b) zeigen diese jeweils den Defekt 10, welcher die Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff beinhaltet, siehe Peter E. Blochl, „First-principles calculations of defects in oxygen-deficient silica exposed to hydrogen,“ Physical Review B, Band 62, Nummer 10, 1. September 2000.
  • Die ersten Fallen, die von den Defekten 10 gebildet werden, welche die Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff beinhalten, tragen zu einem Anstieg der Schwellenspannung bei, was nachstehend beschrieben wird.
  • 4 ist ein Diagramm, das Gate-Kennlinien des MOSFETs in dieser Ausführungsform zeigt. Die Kennlinien des MOSFETs, der die in 3 gezeigten Defekte hat, sind bei dieser Ausführungsform durch schwarze Punkte angezeigt, und ein Vergleichsbeispiel, bei welchem diese Ausführungsform nicht zum Einsatz kommt, nämlich ein herkömmliches Beispiel, das keinen Defekt 10 aufweist, welcher die Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff beinhaltet, ist durch weiße Punkte angezeigt. Es ist aus 4 ersichtlich, dass die Gatespannung, wenn der Drainstrom steigt, nämlich eine Schwellenspannung Vth, bei dieser Ausführungsform stark zu einer positiven Spannung verlagert wird.
  • Die Steigungen in einem linearen Bereich, die von der gepunkteten Linie in 4 umgeben sind, nachdem der Drainstrom steigt, hängen von der Kanal-Beweglichkeit ab, aber es ist klar, dass die Steigungen bei dieser Ausführungsform und im herkömmlichen Beispiel fast gleich sind. Auf diese Weise kann der MOSFET bei dieser Ausführungsform eine Abnahme der Kanal-Beweglichkeit unterbinden, und er kann die Schwellenspannung wirksam erhöhen.
  • 5 zeigt die Abhängigkeit einer Dichte Dit der Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht von einem Energieniveau des MOSFETs bei dieser Ausführungsform. Die Kennlinien des MOSFETs, der die in 3 gezeigten Defekte hat, sind bei dieser Ausführungsform durch schwarze Punkte angezeigt, und ein Vergleichsbeispiel, bei welchem diese Ausführungsform nicht zum Einsatz kommt, nämlich ein herkömmliches Beispiel, das keinen Defekt 10 aufweist, welcher die Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff beinhaltet, ist durch weiße Punkte angezeigt.
  • Ein Energieniveau der Grenzschichtfallen wird durch eine Tiefe (Ec – E) von einem Leitungsbandende Ec wie auf der horizontalen Achse von 5 angezeigt. In 5 sind die Kennlinien bei dieser Ausführungsform durch schwarze Punkte angezeigt, und die Kennlinien, wenn diese Ausführungsform nicht verwendet wird, sind durch weiße Punkte angezeigt, als Vergleichsbeispiel.
  • Die Energieniveau-Verteilung der Dichte der Grenzschichtfallen in 5 wird auf der Basis von Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien berechnet, die mittels eines gategesteuerten Kondensators erhalten werden. 6 ist eine schematische Querschnittsansicht des gategesteuerten Kondensators bei dieser Ausführungsform. Die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien, die bestimmt werden, indem eine Spannung an das Gate in 6 angelegt wird, und eine theoretische Kurve werden durch Anpassen gesetzt, und folglich kann die Abhängigkeit von Dit in 5 von dem Energieniveau bestimmt werden.
  • Was eine Technik zum Bestimmen der Abhängigkeit von Dit vom Energieniveau aus den Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien anbelangt, siehe S. M. Sze, „Physics of Semiconductor Devices,“ zweite Auflage, Kapitel 7.
  • Die Grenzschichtfallen, die mittels des gategesteuerten Kondensators in 6 erhalten worden sind, werden bestimmt, während der p-Wannenbereich an der MOS-Grenzschicht invertiert wird, so dass die Grenzschichtfallen in der gleichen Struktur wie die Struktur im Betriebszustand des eigentlichen MOSFETs bewertet werden können. Es ist folglich verschieden von der Bewertung unter Verwendung eines einfachen n-Kondensators, und das Verhältnis zwischen der Dichte der Grenzschichtfallen und der Kanal-Beweglichkeit oder der Schwellenspannung des MOSFETs ist genau, wenn es unter Verwendung des gategesteuerten Kondensators bestimmt wird.
  • In 5 ist die Dichte der Grenzschichtfallen bei dieser Ausführungsform erhöht, und es ist klar, dass die Dichte der Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer von dem Leitungsbandende (Ec – E = 0 eV) besonders erhöht ist. Die Grenzschichtfallen, welche stärker als diejenigen in dem herkömmlichen Beispiel zugenommen haben und das tiefe Energieniveau von dem Leitungsbandende haben, entsprechen den ersten Fallen.
  • Für das flache Energieniveau von 0 bis 0,2 eV von dem Leitungsbandende ist die Differenz der Dichte Dit der Grenzschichtfallen klein, so dass die Dichte Dit der Grenzschichtfallen bei dieser Ausführungsform nahezu doppelt so hoch ist wie die Dichte Dit der Grenzschichtfallen, bei welcher diese Ausführungsform nicht zum Einsatz kommt.
  • Es ist jedoch klar, dass sich die Dichte Dit der Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer um eine Größenordnung unterscheidet. Mit anderen Worten: Die Energieniveau-Verteilung der Grenzschichtfallen bei dieser Ausführungsform kann wie in 5 erhalten werden, indem die ersten Fallen zu den Grenzschichtfallen im herkömmlichen Beispiel hinzugefügt werden.
  • Die Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht beeinflussen stark die Kanal-Beweglichkeit und die Schwellenspannung des MOSFETs. Der MOSFET, der Siliciumcarbid enthält, hat im Vergleich zu dem MOSFET, der Silicium enthält, eine MOS-Grenzschicht von schlechter Qualität, und er hat eine extrem hohe Dichte an Grenzschichtfallen. Dadurch wird die Kanal-Beweglichkeit herabgesetzt.
  • Hierbei wird die Kanal-Beweglichkeit des MOSFETs, der Siliciumcarbid enthält, stark von der Dichte der Grenzschichtfallen beeinflusst, die von dem Leitungsbandende zu der Tiefe von ungefähr 0,2 eV an der MOS-Grenzschicht angeordnet sind, was z. B. beschrieben ist in M. Noborio, J. Suda, T. Kimoto, "Enhanced Channel Mobility in 4H-SiC MISFETs by Utilizing Deposited SiN/SiO2 Stack Gate Structures," Materials Science Forum, Bände 600–603 (2009) S. 679–682.
  • Siliciumcarbid, das sich von Silicium unterscheidet, hat viele Defekte infolge von C an der MOS-Grenzschicht oder in einer Oxidschicht, und die Defekte bewirken, dass die Grenzschichtfallen das flache Energieniveau von ungefähr 0,2 eV von dem Leitungsbandende haben. Beispielsweise hat eine C = C-Bindung ein Energieniveau von 0,14 eV. Einige Schlenkerbindungen von C oder Si haben Grenzschichtfallen mit einem flachen Energieniveau nahe einem Leitungsbandende.
  • Außerdem haben Grenzschichtfallen, die insbesondere ein Energieniveau von ungefähr 0,1 eV unter den Energieniveaus von dem Leitungsbandende zu der Tiefe von 0,2 eV haben, einen größeren Einfluss auf die Kanal-Beweglichkeit. Es ist aus 5 klar, dass die Dichte der Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau in der Tiefe von 0,1 eV haben, bei dieser Ausführungsform nahezu gleich zu derjenigen in dem herkömmlichen Beispiel ist, bei welchem diese Ausführungsform keine Anwendung findet.
  • Die ersten Fallen, die von den Defekten gebildet werden, inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff, die in 3 gezeigt ist, haben das Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer von dem Leitungsbandende des Siliciumcarbids. Demzufolge vermehrt ein MOSFET mit den in 3 gezeigten Defekten insbesondere nur die Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer, indem er einen Anstieg der Grenzschichtfallen unterbindet, die ein Energieniveau von 0,2 eV oder flacher haben und die Kanal-Beweglichkeit beeinflussen, und indem er die ersten Fallen vermehrt, die die Kanal-Beweglichkeit nicht stark beeinflussen, wie in 5.
  • In 5 gilt Folgendes: Beim Vergleich der Dichte der Grenzschichtfallen bei dieser Ausführungsform mit derjenigen in dem herkömmlichen Beispiel nehmen die Dichten der Grenzschichtfallen auch auf Energieniveaus mit Ausnahme der Energieniveaus in der Tiefe des Defekts von 1,1 eV in 3(a) und in der Tiefe des Defekts von 0,72 eV in 3(b) zu. Der Grund dafür ist, dass die in 3 gezeigten Defekte nicht nur ein einziges Energieniveau haben, sondern zusätzlich Energieniveaus mit einer gewissen Breite in Bezug auf jedes Energieniveau.
  • Falls beispielsweise die atomare Anordnung fehlausgerichtet ist, wenn die Defekte erzeugt werden, oder falls teilweise Deformationsdefekte in 3 erzeugt werden, werden auch Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau erzeugt, das sich von den Energieniveaus von 0,72 eV und 1,1 eV unterscheidet. Es sei auch angemerkt, dass die Rate des Auftretens der Grenzschichtfallen allmählich bei dem Energieniveau von 0,6 eV oder flacher abnimmt.
  • In den logarithmischen Darstellungen von 5 wird eine Dichte Dit (E) der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau von (Ec – E) [eV] in einer Tiefe von einem Energieniveau Ec eines Leitungsbandendes von Siliciumcarbid durch Fitting in Math 1 eingestellt, und zwar unter der Annahme, dass A [cm–2eV–1], B [cm–2eV–1] und X [eV] Koeffizienten sind.
    Figure DE112014003518T5_0003
  • Hierbei wird Folgendes angenommen: Ein asymptotischer Wert einer Dichte Dit der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau (Ec – E) von ∞ [eV] ist der Koeffizient A [cm–2eV–1]; der Koeffizient B [cm–2eV–1] ist ein Wert, bei welchem eine Dichte Dit der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau (Ec – E) von 0 [eV] gleich (A + B) [cm–2eV–1] ist; und der Koeffizient X [eV] entspricht einer Steigung einer Energieniveau-Verteilung einer Dichte der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau in einer Tiefe von 0,1 eV oder größer und 0,4 eV oder kleiner.
  • Die Steigung X wird mittels der Methode der kleinsten Quadrate gemäß Math. 1 in 5 bestimmt. Es wird aus dem herkömmlichen Beispiel in 5 bestimmt, dass der Koeffizient X gleich 0,08 eV ist. Andererseits wird aus den Daten, die die schwarzen Punkte dieser Ausführungsform in 5 angeben, bestimmt, dass der Koeffizient X gleich 0,13 eV ist. Die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform kann die Rate der Grenzschichtfallen mit einem tiefen Energieniveau erhöhen, und folglich kann der Gradient eines Übergangsbereichs von einem flachen Energieniveau zu einem tiefen Energieniveau verringert werden. Dies ermöglicht es, dass ein kleinerer Koeffizient X die Steigung darstellt.
  • Mit anderen Worten: Die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform kann die Anstiegsrate der Dichte der Grenzschichtfallen mit dem flachen Energieniveau unterbinden, um den Koeffizienten X zu erhöhen. Dies kann die Grenzschichtfallen mit dem tiefen Energieniveau vermehren, während die Zunahme der Grenzschichtfallen minimiert wird, welche das flache Energieniveau haben und die Kanal-Beweglichkeit stark beeinflussen.
  • Eine Schwellenspannung hängt von der Dichte von Grenzschichtfallen ab, ungeachtet des Energieniveaus, und sie wird um einen Wert von Elektronen erhöht, die an der MOS-Grenzschicht eingefangen werden. Bei Umgebungstemperatur ist es z. B. wahrscheinlicher, dass Elektronen von den Grenzschichtfallen eingefangen werden, die tiefer sind als 0,1 eV vom Leitungsbandende von Siliciumcarbid, so dass die Schwellenspannung zunimmt, wenn die Grenzschichtfallen mit Energieniveaus tiefer als 0,1 eV zunehmen. Mit anderen Worten: Selbst wenn die Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer von dem Leitungsbandende auftreten, nimmt die Schwellenspannung zu.
  • Um die Abnahme der Kanal-Beweglichkeit zu unterbinden und die Schwellenspannung zu erhöhen, kann folglich gesagt werden, dass ein Anstieg der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau niedriger als 0,2 eV von dem Leitungsbandende unterbunden werden müssen, und dass Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau, das ausreichend tiefer ist als 0,2 eV, z. B. mit einem Energieniveau tiefer als 0,6 eV von dem Leitungsbandende, vermehrt werden müssen.
  • Wie in 5 gilt bei dem MOSFET mit den in 3 gezeigten Defekten bei dieser Ausführungsform im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel Folgendes: Die Grenzschichtfallen mit dem Niveau, das flacher ist als 0,2 eV von dem Leitungsbandende, werden kaum vermehrt, während die Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau tiefer als 0,2 eV, insbesondere dem Energieniveau tiefer als 0,6 eV, stark vermehrt werden.
  • Dadurch kann die Abnahme der Kanal-Beweglichkeit unterbunden werden und die Schwellenspannung stark erhöht werden, ähnlich zu den in 4 gezeigten Gate-Kennlinien.
  • Auf diese Weise haben die Erfinder herausgefunden, dass der in 3 gezeigte Defekt 10, der die Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff enthält, das Auftreten der Grenzschichtfallen unterbinden kann, die ein Energieniveau haben, das flacher als 0,2 eV von dem Leitungsbandende ist, und die Grenzschichtfallen stark vermehren kann, die das Energieniveau haben, das tiefer ist als 0,6 eV.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung der Driftschicht 2 in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform.
  • Zunächst wird das Siliciumcarbid-Substrat 1 vom ersten Leitfähigkeitstyp vorbereitet, welches der n-Typ ist. Danach wird wie in 7 die Driftschicht 2 vom ersten Leitfähigkeitstyp aus Siliciumcarbid auf der Fläche ausgebildet, welche die erste Hauptfläche des Siliciumcarbid-Substrats 1 ist, und zwar durch epitaxiales Kristallaufwachsen. Bei dieser Ausführungsform wird 4H-SiC als das Siliciumcarbid-Substrat 1 verwendet, und die Ebenenrichtung der ersten Hauptfläche ist eine (0001)-Ebene mit einem Abweichungswinkel von 4° in <11–20>-Richtung.
  • 8 ist eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung der Wannenbereiche 3 in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform. Das Paar von Wannenbereichen 3 vom zweiten Leitfähigkeitstyp wird durch Ionenimplantieren von Störstellen in Teile des Oberflächenschicht-Bereichs der Driftschicht 2 mit einer Resistschicht als Maske ausgebildet, wobei die Teile in einem vorbestimmten Intervall angeordnet sind. 8 ist eine Querschnittsansicht nach dem Entfernen der Resistschicht. Beispiele von Störstellen vom p-Typ, also dem zweiten Leitfähigkeitstyp, zum Zeitpunkt der Ionenimplantation beinhalten Bor (B) und Aluminium (Al).
  • 9 ist eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung der Source-Bereiche 4 in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform. Die Source-Bereiche 4 vom ersten Leitfähigkeitstyp werden durch Ionenimplantieren von Störstellen in den Oberflächenschicht-Bereich des Wannenbereichs 3 mit einer Resistschicht als Maske gebildet. 9 ist eine Querschnittsansicht nach dem Entfernen der Resistschicht. Beispiele von Störstellen vom n-Typ, also dem ersten Leitfähigkeitstyp, zum Zeitpunkt der Ionenimplantation beinhalten Phosphor (P) und Stickstoff (N).
  • Nach der Ionenimplantation der Störstellen vom n-Typ und der Störstellen vom p-Typ wird die in 9 gezeigte Struktur wärmebehandelt, und zwar auf einer hohen Temperatur mittels einer Wärmebehandlungseinrichtung, was die implantierten Ionen elektrisch aktiviert.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens bis zur Ausbildung der Gate-Isolierschicht 5 in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform. Wie in 10 gezeigt, wird eine Siliciumdioxidschicht (eine SiO2-Schicht) als Gate-Isolierschicht 5 auf der gesamten Fläche der Driftschicht 2 ausgebildet. Die SiO2-Schicht, die als Gate-Isolierschicht 5 fungiert, kann eine thermische Oxidschicht sein, die durch thermische Oxidation gebildet wird, und sie kann eine Abscheidungsschicht sein, die durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) gebildet wird. Die SiO2-Schicht auf dem Siliciumcarbid hat exzellente Isoliereigenschaften, so dass eine Gate-Isolierschicht 5 mit hoher Zuverlässigkeit gebildet werden kann.
  • Um die SiO2-Schicht mittels thermischer Oxidation von Siliciumcarbid zu bilden, werden Temperaturen von 1100 °C oder höher benötigt. Hierbei sind die Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht von Siliciumcarbid, welche die Abnahme der Kanal-Beweglichkeit bewirken, als die Grenzschichtfallen infolge von C bekannt, wie oben beschrieben. Die Grenzschichtfallen infolge von C werden möglicherweise durch überschüssiges C erzeugt, das dann auftritt, wenn die thermische Oxidation von Siliciumcarbid fortschreitet. Für die SiO2-Schicht, die durch thermische Oxidation von Siliciumcarbid gebildet wird, ist es bekannt, dass die thermische Oxidation, die bei hoher Temperatur beschleunigt wird, das überschüssige C erhöht, und folglich treten viele Grenzschichtfallen infolge von C auf. Dies verursacht eine Abnahme der Kanal-Beweglichkeit.
  • Die mittels CVD abgeschiedene Schicht wird durch eine Reaktion zwischen Silicium-Zufuhrgas und Sauerstoff-Zufuhrgas bei Temperaturen von 900 °C oder niedriger und durch die Abscheidung der SiO2-Schicht auf dem Siliciumcarbid gebildet. Selbst bei einer solchen CVD ist das Siliciumcarbid-Substrat 1 inklusive der Struktur aus 8 zu einem gewissen Grad einer hohen Temperatur in einer Atmosphäre des Sauerstoff-Zufuhrgases ausgesetzt, so dass die thermische Oxidation voranschreitet. Die SiO2-Schicht kann jedoch auch bei niedrigen Temperaturen von 800 °C oder niedriger gebildet werden, was die Oxidation von Siliciumcarbid unterbindet und dadurch die Grenzschichtfallen verringert.
  • Außerdem kann eine Siliciumoxinitridschicht, Al2O3, oder HfO2 oder dergleichen oder eine laminierte Schicht von diesen als Gate-Isolierschicht 5 verwendet werden. Sauerstoffatome müssen zugeführt werden, um die Schichten zu bilden, aber die thermische Oxidation von Siliciumcarbid schreitet geringfügig durch die Sauerstoffatome fort, so dass die SiO2-Schicht geringfügig um die MOS-Grenzschicht ausgebildet wird. Es sei angemerkt, dass Al2O3, HfO2 oder dergleichen bei Temperaturen von 500 °C oder niedriger abgeschieden wird, was niedriger als diejenigen für die SiO2-Schicht mittels Abscheidung sein kann. Folglich kann das Auftreten von Grenzschichtfallen weiter unterbunden werden.
  • Nachdem die Gate-Isolierschicht 5 ausgebildet worden ist, wird das Siliciumcarbid-Substrat 1, das gemäß 9 erhalten worden ist, einer Reoxidation in einer Wasserdampfatmosphäre ausgesetzt. Die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff an der MOS-Grenzschicht, wie in den 2 und 3 gezeigt, können die ersten Fallen mittels der Reoxidation erzeugen.
  • Die Temperaturen der Wärmebehandlung im Reoxidationsschritt in der Wasserdampfatmosphäre sind vorzugsweise 500 °C oder höher und 1000 °C oder niedriger, insbesondere 600 °C oder höher und 950 °C oder niedriger.
  • Für Temperaturen der Wärmebehandlung von 1000 °C oder höher in diesem Schritt wird Siliciumcarbid weiter oxidiert. Mit anderen Worten: Die thermische Oxidation von Siliciumcarbid wird in der Reoxidation beschleunigt, was erneut überschüssiges C an der MOS-Grenzschicht erzeugt. Im Ergebnis werden viele Grenzschichtfallen neu an der MOS-Grenzschicht erzeugt, so dass die Kanal-Beweglichkeit des MOSFETs signifikant abnimmt.
  • Außerdem können für Temperaturen der Wärmebehandlung von weniger als 500 °C die Wirkungen der Reoxidation nicht ausreichend erhalten werden. Mit anderen Worten: Die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff, wie in den 2 und 3 beschrieben, sind außerstande, die ersten Fallen zu erzeugen. Der Grund ist, dass OH– (nachstehend beschrieben) nicht dazu imstande ist, sich ausreichend in der Gate-Isolierschicht 5 und an der MOS-Grenzschicht auszubreiten. Die Erzeugungsgeschwindigkeit der ersten Fallen hängt von der Temperatur ab, und die ersten Fallen können für einen kurzen Zeitraum erzeugt werden, wenn die Temperatur höher ist.
  • Für Temperaturen der Wärmebehandlung von 600 °C oder höher und 950 °C oder niedriger können die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff, wie in den 2 und 3 gezeigt, wirksam die ersten Fallen erzeugen, und ferner kann das Fortschreiten der thermischen Oxidation von Siliciumcarbid in der Reoxidation unterbunden werden.
  • Außerdem reicht die Wärmebehandlungszeit im Reoxidationsschritt von ungefähr 10 Minuten bis zu 5 Stunden, und die Wärmebehandlung wird für 30 Minuten bis zu einer Stunde bei dieser Ausführungsform durchgeführt.
  • Die Reoxidation wird in einer Wasserdampfatmosphäre durchgeführt, in welcher eine Verbrennungsreaktion zwischen Sauerstoffgas (O2) und Wasserstoffgas (H2) auftritt. Das Strömungsratenverhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff (das H2/O2-Strömungsratenverhältnis) ist zu dieser Zeit 0,7 oder mehr und 1,9 oder weniger.
  • 11 zeigt das Verhältnis von H2O und O2 nach der Verbrennungsreaktion in Bezug auf das Strömungsratenverhältnis von H2 und O2. H2O (Wasserdampf), der durch die Verbrennungsreaktion erzeugt wird, trägt zu der Erzeugung der Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff bei, die in 3 gezeigt ist. O2 wiederum, das durch die Verbrennungsreaktion erzeugt wird, verursacht nur die Oxidation von Siliciumcarbid. Mit anderen Worten: O2 erzeugt nicht die ersten Fallen, die von den Defekten 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff erzeugt werden, und O2 erzeugt die Grenzschichtfallen infolge des überschüssigen C.
  • Folglich ist die Strömungsrate von H2O nach der Verbrennungsreaktion vorzugsweise größer als die Strömungsrate von O2. Die chemische Reaktionsgeschwindigkeit von H2O ist höher als diejenige von O2. Der Grund dafür ist z. B., dass sich Wasserstoffatome, die kleiner sind als Sauerstoffatome, leicht in der Gate-Isolierschicht 5 und an der MOS-Grenzschicht ausbreiten. Falls also die Strömungsrate von O2 größer ist als die Strömungsrate von H2O, dann wird die Reaktion von H2O mehr beschleunigt als die thermische Reaktion von O2, und das Auftreten von überschüssigem C wird unterbunden.
  • Folglich können die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff viele erste Fallen erzeugen. Wenn die Temperatur im Reoxidationsschritt bei dieser Ausführungsform auf 600 °C oder höher und 950 °C oder niedriger begrenzt wird, kann ein Erhöhen der Strömungsrate von H2O auf mehr als diejenige von O2 synergistisch die Wirkung verbessern, dass das Auftreten von überschüssigem C unterbunden wird, zusätzlich zu der Wirkung, dass die thermische Oxidation von O2 selbst unterbunden wird.
  • Es ist aus 11 ersichtlich, dass das Verhältnis von H2/O2 einen Wert von 0,7 oder mehr haben muss, um die Strömungsrate von H2O auf mehr als diejenige von O2 einzustellen, d. h. um das Verhältnis von H2O/O2 auf 1 oder mehr einzustellen. Falls das Verhältnis von H2O/O2 gleich 1 oder mehr ist und die Temperatur der Wärmebehandlung 600 °C oder höher und 950 °C oder niedriger ist, kann der Einfluss der thermischen Oxidation durch O2 tatsächlich auf ein Ausmaß verringert werden, das nahezu ignoriert werden kann.
  • Um das Wasserstoffgas bei der Verbrennungsreaktion vollständig zu verbrennen, muss das Verhältnis von H2/O2 einen Wert von 1,9 oder weniger besitzen. Wenn das Strömungsratenverhältnis 2 überschreitet, wird nicht alles Wasserstoffgas (H2) verbrannt, und folglich enthält die Atmosphäre der Wärmebehandlung H2, abgesehen von H2O und O2.
  • Hier wird ein Unterschied der Reaktion zwischen H2 und H2O beschrieben. Zunächst werden aus Gründen der Einfachheit eine Wärmebehandlung in einer Atmosphäre von 100% H2 und eine Wärmebehandlung in einer Atmosphäre von 100% H2O beschrieben.
  • In der Atmosphäre von H2 schreitet eine Reaktion mit H+ fort, das durch den Zerfall von H2 bei hohen Temperaturen erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Schlenkerbindung von Silicium oder Kohlenstoff, die eine Art von Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht ist, durch H+ abgeschlossen. Hierbei ist die Schlenkerbindung von Silicium oder Kohlenstoff als eine Grenzschichtfalle mit einem Energieniveau von 0,2 eV oder flacher von einem Leitungsbandende bekannt.
  • Mit anderen Worten: Die Schlenkerbindung ist negativ geladen. Die Schlenkerbindung zieht H+ an, das eine positive Ladung hat, und wird durch H+ abgeschlossen, so dass die Schlenkerbindung elektrisch inert wird, was die Grenzschichtfallen verringert.
  • In der Atmosphäre von H2O schreitet eine Reaktion mit OH– fort, das durch den Zerfall von H2O bei hohen Temperaturen erzeugt wird. Ein Defekt, der als eine Sauerstoff-Leerstelle bezeichnet wird, in welcher Sauerstoff nicht vorhanden ist, wo an sich, d. h. idealerweise Sauerstoff sein sollte, befindet sich in einer Oxidschicht oder bei der MOS-Grenzschicht. In der Gate-Isolierschicht 5 ist die Dichte von Sauerstoff-Leerstellen bei der MOS-Grenzschicht besonders hoch, die ein Grenzschichtbereich ist. Die Sauerstoff-Leerstellen sind Deffekte, welche elektrisch stabil idealerweise mit O2– sein sollten, aber die Sauerstoff-Leerstellen sind Defekte, welche Leerstellen ohne O2– sind.
  • Die Sauerstoff-Leerstellen sind positiv geladen, um elektrisch stabil zu sein. Die positiv geladenen Sauerstoff-Leerstellen ziehen OH– an, das eine negative Ladung hat, und es tritt eine Reaktion auf, bei welcher Wasserstoffatome die Sauerstoff-Leerstellen ersetzen, um dadurch die in 3 gezeigten Defekte zu erzeugen.
  • Auf diese Weise müssen die positiv geladenen Sauerstoff-Leerstellen OH– anziehen, das eine negative Ladung hat, um die in 3 gezeigten Defekte zu erzeugen. In der Atmosphäre von H2 hat jedoch H+ eine positive Ladung, und folglich wird eine Kraft ausgeübt, welche OH– von den postiv geladenen Sauerstoff-Leerstellen trennt, und die Sauerstoff-Leerstellen werden kaum substituiert.
  • Nachfolgend wird eine Atmosphäre beschrieben, in welcher H2O und H2 gemischt sind. H2O, wie oben beschrieben, ersetzt (substituiert) die Sauerstoff-Leerstellen, um die in 3 gezeigten Defekte zu bilden, und es trägt zu der Erzeugung der Grenzschichtfallen bei, welche das Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer von dem Leitungsbandende haben. H2 beendet die Schlenkerbindung und hat eine dahingehende Wirkung, dass es die Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau von 0,2 eV oder flacher von dem Leitungsbandende verringert, aber die ersten Fallen durch die Defekte in 3, die durch H2O gebildet werden, werden gleichzeitig ebenfalls verringert.
  • Die in 3 gezeigten Defekte bilden die ersten Fallen, fangen Elektronen ein und sind negativ geladen. Aus diesem Grund wird H+ mit der positiven Ladung angezogen, und beispielsweise die Schlenkerbindung von Si, die in 3(a) durch die gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen angezeigt ist, wird abgeschlossen, was zu der elektrisch stabilen Struktur führt. Die Bindung, die durch die strichpunktierte Linie in 3(b) angezeigt ist, wird unterbrochen und an Si gebunden, das die Schlenkerbindung hat, was zu einer elektrisch stabilen Struktur führt.
  • Mit anderen Worten: Die ersten Fallen, die von den Defekten 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff in 3 gebildet werden, sind elektrisch inert.
  • Wie oben beschrieben gilt für den Fall, in welchem H2-Gas während der Verbrennungsreaktion nicht vollständig verbrannt wird und der Reoxidationsschritt das H2-Gas enthält, Folgendes: H2 verringert die ersten Fallen, die von dem H2O gebildet werden, um die Schwellenspannung zu erhöhen, was die Wirkung der Erhöhung der Schwellenspannung verringert.
  • Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass das Wasserstoffgas vollständig während der Verbrennungsreaktion verbrannt wird. Das Wasserstoffgas wird vollständig verbrannt, so dass H+ die Defekte in 3 nicht verringert, also die ersten Fallen im Reoxidationsschritt, und nur die Reaktion mit OH– kann die Schwellenspannung wirksam erhöhen.
  • Die allgemein bekannte herkömmliche Reoxidation wurde zum Zwecke der Verringerung der ganzen Grenzschichtfallen durchgeführt, um die Kanal-Beweglichkeit zu erhöhen. Folglich wurde es zum Zwecke des Abschließens von Schlenkerbindungen von Silicium oder Kohlenstoff durchgeführt, und um inerte Grenzschichtfallen zu bilden, und die Bedingungen, unter welchen die Grenzschichtfallen vermehrt wurden, welche das tiefe Niveau wie bei dieser Ausführungsform haben, waren nicht bekannt.
  • Selbst wenn die herkömmliche Reoxidation eine Schwellenspannung erhöht, ist der Hauptfaktor der, dass feste Ladungen in der Gate-Isolierschicht 5 erhöht werden. In diesem Fall ist die Dichte der festen Ladungen, welche erzeugt werden können, niedriger als die Dichte der Grenzschichtfallen, welche an der MOS-Grenzschicht erzeugt werden können, und der Anstieg der festen Ladungen ist im Hinblick auf die Isoliereigenschaften der Gate-Isolierschicht 5 begrenzt.
  • Ferner enthalten die festen Ladungen in der Gate-Isolierschicht 5 oft H und OH und sind nicht an Silicium gebunden und sind einzeln, und die festen Ladungen werden von der Gate-Isolierschicht 5 bei der Wärmebehandlung bei 1000 °C oder niedriger emittiert, die in einem Elektrodenprozess oder dergleichen durchgeführt wird, so dass die Schwellenspannung in manchen Fällen verändert wird. Daher ist es wünschenswert, dass die Schwellenspannung wirksamer und stabiler erhöht wird.
  • Diese Ausführungsform optimiert das Strömungsratenverhältnis von H2/O2, so dass die in 3 gezeigten Defekte wirksam an der MOS-Grenzschicht mit vielen Sauerstoff-Leerstellen erzeugt werden können, und dies kann die Schwellenspannung wirksam erhöhen, während es die Abnahme der Kanal-Beweglichkeit unterbindet. Ferner sind die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff stabil gegenüber Wärme, so dass die Schwellenspannung, die bei dieser Ausführungsform erhalten wird, ebenfalls eine Stabilität gegen die Wärmebehandlung erhalten kann, welche in dem Elektrodenprozess oder dergleichen durchgeführt wird.
  • 12 zeigt die Ergebnisse der Thermodesorptions-Spektroskopie der Gate-Isolierschicht 5, welche einer Reoxidation unterzogen wird, bei dieser Ausführungsform. Die Temperatur wird von der Umgebungstemperatur auf 1100 °C erhöht, und die detektierte Menge von Wasserstoff, der von der Gate-Isolierschicht 5 desorbiert wird, wird bewertet.
  • 12 zeigt einen Hintergrund, der von einem Messsystem detektiert wird, mittels einer gepunkteten Linie (a) an. Aus einem Messergebnis der Gate-Isolierschicht 5 der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform, das mittels einer durchgezogenen Linie (b) angezeigt ist, geht klar hervor, dass Wasserstoff nicht detektiert wird, abgesehen von dem Wasserstoff bei ungefähr 1000 °C, der von dem Hintergrund detektiert wird. Dies deutet darauf hin, dass der Wasserstoff im stabilen Bindungszustand an Silicium gebunden ist, wie in 3 gezeigt, anstatt in Form von einzelnen Atomen vorzuliegen und sich in einem Zustand mit einer schwachen Bindung zu befinden.
  • Außerdem kann H2O mit einem Inertgas, wie z. B. N2 und Ar bei der Reoxidation verdünnt werden.
  • Bei dieser Ausführungsform kann durch Verändern der Reoxidations-Temperatur oder der Reoxidationszeit innerhalb des oben beschriebenen Bereichs die Schwellenspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesteuert werden, während die Kanal-Beweglichkeit auf einem ungefähr konstanten Wert gehalten wird.
  • Die Abhängigkeit der Dichte von Grenzschichtfallen von dem Energieniveau wird bestimmt, unter der Annahme, dass die Reoxidations-Temperaturen 600 °C bis 900 °C sind. Ein Verhältnis R wird aus Math 2 bestimmt, unter der Annahme, dass Folgendes gilt: Dit, wo das Energieniveau eine Tiefe von 0,1 eV hat, ist ein Bezugswert Dit1 [cm–2eV–1], die Differenz zwischen Dit, wo das Energieniveau 0,2 eV ist, und Dit1 ist Dit2 [cm–2eV–1], und die Differenz zwischen Dit, wo das Energieniveau 0,8 eV ist, und Dit1 ist Dit8 [cm–2eV–1].
    Figure DE112014003518T5_0004
  • 13 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Verhältnisses R, das aus den Dichten der Grenzschichtfallen von 0.2 eV und 0.8 eV bestimmt wird, von der Reoxidations-Temperatur zeigt. Das herkömmliche Beispiel, bei welchem die Reoxidation nicht durchgeführt wird, ist im Diagramm mit einer gepunkteten angezeigt.
  • In 13 hat das Verhältnis R einen Wert von 0,71, wenn die Reoxidation nicht durchgeführt wird, das Verhältnis R hat einen Wert von 0,67, wenn die Reoxidation bei 600 °C durchgeführt wird, und das Verhältnis R hat einen Wert von 0,54, wenn die Reoxidations-Temperatur 900 °C beträgt, wobei das Verhältnis R linear abnimmt, wenn die Reoxidations-Temperatur steigt.
  • 14 zeigt die Schwellenspannung des MOSFETs entsprechend 13. In 14 ist die Schwellenspannung 1,3 V, wenn die Reoxidation nicht durchgeführt wird, und die Schwellenspannung erhöht sich auf 2,3 V, wenn die Reoxidation bei 600 °C durchgeführt wird. Ferner erhöht sich die Schwellenspannung, wenn die Reoxidations-Temperatur steigt.
  • Für eine Schwellenspannung von weniger als 2 V verursachen Hochtemperaturvorgänge und Variationen der Schwellenspannung im Zeitverlauf Eigenschaften vom normalerweise eingeschalteten Zustand, und folglich müssen Maßnahmen gegen die Eigenschaften vom normalerweise eingeschalteten Zustand in den peripheren Schaltungen der Halbleitervorrichtung ergriffen werden. Bei dieser Ausführungsform wird das Verhältnis R von 0,54 auf 0,67 geändert, so dass die Schwellenspannung von 2 V oder mehr erhalten werden kann, von welcher aus die Eigenschaften im normalerweise ausgeschalteten Zustand selbst bei hoher Temperatur zuverlässig erhalten werden können.
  • Selbst wenn das Verhältnis R auf einen Wert kleiner als 0,54 eingestellt wird, nehmen außerdem die Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau von 0,2 eV oder flacher zu, was zu einer Abnahme der Kanal-Beweglichkeit führt, was nicht wünschenswert ist.
  • Nach der Fertigstellung der Reoxidation fällt die Temperatur in einer Atmosphäre von einem Inertgas, wie z. B. N2 und Ar ab, was es leicht macht, Zwischenraum-Wasserstoffatome zu emittieren, welche in der Gate-Isolierschicht 5 verbleiben, welche nicht an Silicium gebunden sind, und welche einzelne Atome sind. Die Zwischenraum-Wasserstoffatome können sich einfach in der Oxidschicht bewegen, welche die Gate-Isolierschicht 5 ist, und sie können zu beweglichen Ionen oder dergleichen werden, so dass ein Emittieren der Zwischenraum-Wasserstoffatome die Zuverlässigkeit der Oxidschicht erhöht.
  • 15 ist eine Querschnittsansicht zum Beschreiben des Herstellungsverfahrens für eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform bis zur Vervollständigung der Gate-Elektrode 6. Die Gate-Elektrode 6 wird auf der Gate-Isolierschicht 5 ausgebildet, und sie wird strukturiert. Die Gate-Elektrode 6 wird in eine Form strukturiert, welche beide Endbereiche aufweist, an welchen das Paar der Basisbereiche 3 und der Source-Bereiche 4 angeordnet ist, und welche den Mittelbereich hat, an welchem die Driftschicht 2 angeordnet ist, die von dem Bereich zwischen den Basisbereichen 3 freiliegt.
  • Nachdem der verbleibende Bereich der Gate-Isolierschicht 5 an jedem der Source-Bereiche 4 mittels einer Litographietechnik und einer Ätztechnik entfernt worden ist, wird dann die Source-Elektrode 7 auf den Bereichen der Source-Bereiche 4 ausgebildet, die zur Oberfläche hin freiliegt, und die Source-Elektrode 7 wird strukturiert. Die Drain-Elektrode 8 wird auf der zweiten Hauptfläche des Siliciumcarbid-Substrats 1 ausgebildet, und die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ist vollständig.
  • Mit der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform kann die Schwellenspannung erhöht und das Zielkonfliktverhältnis zwischen der Kanal-Beweglichkeit und der Schwellenspannung verbessert werden, ohne die Kanal-Beweglichkeit zu verringern.
  • Die Temperatur der Wärmebehandlung bei der Reoxidation wird verändert, und die Abhängigkeit der Dichte der Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht von dem Energieniveau wird bewertet. 16 zeigt die Abhängigkeit der Dichte der Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht, wenn die Temperaturbedingungen bei der Reoxidation verändert werden, von dem Energieniveau, bei der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform.
  • Das herkömmliche Beispiel, bei welchem diese Ausführungsform nicht verwendet wird, ist durch weiße Dreicke in 16 dargestellt. 17 zeigt das Ergebnis aus 16, wobei der Koeffizient X in Math 1 unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt wird. 17 zeigt die Abhängigkeit des Koeffizienten X von der Reoxidations-Temperatur.
  • In 17 hat der Koeffizient X einen Wert von 0,09 oder mehr und 0,14 oder weniger, und zwar in einem Bereich der Reoxidations-Temperaturen von 600 °C bis 950 °C. In 16 war Dit, bei welchem sich das Energieniveau in der Tiefe von 0,8 eV befindet, herkömmlicher Weise 6 × 1010 cm–2 eV–1, aber es wird bestimmt, dass Dit bei dieser Ausführungsform 1 × 1011 cm–2 eV–1 oder mehr beträgt.
  • Mit anderen Worten: Mit dieser Ausführungsform kann der Koeffizient X erhöht werden, so dass die Dichte der Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer erhöht werden kann und Dit in der Tiefe von 0,8 eV auf 1 × 1011 cm–2eV–1 oder mehr eingestellt werden kann, während der Anstieg der Dichte der Grenzschichtfallen mit dem flachen Niveau unterbunden wird. Mit der Energieniveau-Verteilung der Grenzschichtfallen kann ein MOSFET erhalten werden, welcher eine hohe Schwellenspannung und eine hohe Kanal-Beweglichkeit hat.
  • 18 zeigt ein Verhältnis zwischen dem Koeffizienten X und der Schwellenspannung in der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform. Für das herkömmliche Beispiel, bei welchem diese Ausführungsform nicht verwendet wird, also dem Beispiel, bei welchem die Reoxidation nicht durchgeführt wird und das die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff nicht enthält, wird bestimmt, dass der Koeffizient X in 5 einen Wert von 0,08 hat, wie oben beschrieben.
  • Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Schwellenspannung 1,7 V. Es ist aus 18 klar ersichtlich, dass die Schwellenspannung Vth allmählich zunimmt, wenn der Koeffizient 0,09 oder mehr beträgt. Mit anderen Worten: Um die Schwellenspannung zu erhöhen, muss der Koeffizient X einen Wert von 0,09 oder mehr haben.
  • Für einen Koeffizienten X von 0,09 beträgt die Schwellenspannung 2,01 V. Ferner ist es klar, dass sich die Schwellenspannung erhöht, wenn sich der Koeffizient X erhöht. Wenn der Koeffizient X größer als 0,14 ist, wird die Zunahme der Grenzschichtfallen mit dem Energieniveau von 0,2 eV oder flacher von dem Leitungsbandende größer, wie oben beschrieben. Folglich ist es wünschenswert, dass der Koeffizient X 0,09 oder mehr und 0,14 oder weniger beträgt, um die Schwellenspannung von 2 V zu erzielen und die Abnahme der Kanal-Beweglichkeit zu unterbinden.
  • 19 zeigt ein Verhältnis zwischen der Kanal-Beweglichkeit μch und der Schwellenspannung Vth der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung bei dieser Ausführungsform. Das Beispiel bei dieser Ausführungsform wird durch schwarze Punkte angezeigt, und das herkömmliche Beispiel, bei welchem diese Ausführungsform nicht verwendet wird, wird durch weiße Punkte angezeigt. Für die Eigenschaften der Halbleitervorrichtung ist es wünschenswert, einen niedrigen Einschaltwiderstand zu erzielen, also eine hohe Kanal-Beweglichkeit, sowie eine hohe Schwellenspannung.
  • Wie in 19 dargestellt, wurde die Schwellenspannung herkömmlicher Weise verringert, um die hohe Kanal-Beweglichkeit zu erzielen, und die Kanal-Beweglichkeit wurde herkömmlicher Weise verringert, um die hohe Schwellenspannung zu erzielen, was als das Zielkonfliktverhältnis bezeichnet wird.
  • Mit anderen Worten: Die Kanal-Beweglichkeit und die Schwellenspannung können kaum die Eigenschaften erzielen, welche von der Zielkonflikt-Kurve abgeleitet werden, die mit der gestrichelten Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen in 19 dargestellt ist. Außerdem können verschiedene Kanal-Beweglichkeiten erhalten werden, indem die Konzentration der Wannenbereiche 3 verändert wird. Mit anderen Worten: Die Daten der weißen Punkte in 19 können aus den Daten über die gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen erhalten werden, indem die Konzentration der Wannenbereiche 3 verändert wird.
  • Bei dieser Ausführungsform kann die Schwellenspannung erhöht werden, so dass die gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen zur Seite mit der hohen Schwellenspannung versetzt werden kann, ähnlich zu der Kurve, die mit der gepunkteten Linie in 19 dargestellt ist.
  • Um in 19 eine Kanal-Beweglichkeit μch von 33 cm2/Vs zu erzielen, war die Schwellenspannung Vth herkömmlicher Weise 0,5 V, und Maßnahmen gegen die Eigenschaften vom normalerweise eingeschalteten Zustand mussten in den peripheren Schaltungen ergriffen werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Schwellenspannung 3,5 V, während ungefähr die gleiche Kanal-Beweglichkeit erhalten bleibt, und die Eigenschaften im normalerweise ausgeschalteten Zustand können erhalten werden, welche keine Maßnahmen gegen die Eigenschaften im normalerweise eingeschalteten Zustand in den peripheren Schaltungen benötigen.
  • Bei dieser Ausführungsform werden die Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht beschrieben, aber die in 3 gezeigten Defekte können in der Gate-Isolierschicht 5 ausgebildet werden. Auch für den Fall, in welchem die in 3 gezeigten Defekte in der Gate-Isolierschicht 5 ausgebildet werden, werden zweite Fallen in der Gate-Isolierschicht 5 infolge der elektrisch instabilen Struktur erzeugt, und Elektronen werden eingefangen.
  • Mit anderen Worten: Die zweiten Fallen, die die Elektronen einfangen, fungieren als negative feste Ladungen und erhöhen die Schwellenspannung, so dass die zweiten Fallen negativ geladen sind. Außerdem beeinflussen die zweiten Fallen die Kanal-Beweglichkeit nicht, wenn sie in der Gate-Isolierschicht 5 ausgebildet werden.
  • Mit anderen Worten: Die Gate-Isolierschicht 5 hat die Wirkung, die Schwellenspannung weiter zu erhöhen, falls die Fallen durch die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff an der MOS-Grenzschicht und in der Gate-Isolierschicht 5 ausgebildet werden.
  • Hierbei haben die denkbaren Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff Strukturen abgesehen von den Strukturen der in 3 dargestellten Defekte, aber die Defekte, welche ein Energieniveau tiefer als das Leitungsbandende von Siliciumcarbid haben und die Grenzschichtfallen bilden, haben nur das Energieniveau von 0,6 eV oder tiefer vom Leitungsbandende.
  • 20 zeigt einen Gate-Leckstrom in Bezug auf ein elektrisches Feld der Gate-Isolierschicht 5 des MOSFETs bei dieser Ausführungsform. Außerdem wird 20 bestimmt, indem der Gatestrom gemessen wird, wenn eine Spannung an die Gate-Isolierschicht 5 angelegt wird. Mit anderen Worten: Die horizontale Achse gibt ein elektrisches Feld an, das aus der angelegten Gatespannung geteilt durch die Dicke der Gate-Isolierschicht 5 bestimmt wird.
  • Das Vergleichsbeispiel, bei welchem diese Ausführungsform nicht angewendet wird, ist mit weißen Punkten angezeigt, und es wird angenommen, dass diese Ausführungsform eine Reoxidation bei 600 °C, bei 700 °C und bei 800 °C durchführt, deren Reoxidationszeiten alle die gleichen sind. Es ist aus 20 klar ersichtlich, dass bei dieser Ausführungsform der Gate-Leckstrom verringert wird. Ferner wird der Leckstrom stärker verringert, wenn die Temperatur der Reoxidation zunimmt.
  • Wenn die Temperatur in der Reoxidation zunimmt, nehmen die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff, die in 3 gezeigt sind, zu, und mehr erste Fallen werden gebildet. Dadurch wird die Schwellenspannung erhöht. Wenn die Schwellenspannung zunimmt, wird tatsächlich eine Spannung, welche von der Schwellenspannung abgezogen wird, von der angelegten Gatespannung an die Gate-Isolierschicht 5 angelegt.
  • Folglich wird die tatsächlich an die Gate-Isolierschicht 5 angelegte Spannung verringert, indem die Reoxidation durchgeführt wird, und sie wird stärker verringert, wenn die Reoxidations-Temperatur hoch ist, so dass die Zuverlässigkeit der Gate-Isolierschicht 5 merklich zunimmt.
  • Bei dieser Ausführungsformen sind die Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff als Defekte beschrieben, welche die ersten Fallen mit dem Energieniveau tiefer als das Leitungsbandende haben, und die Defekte 10 können Na, P, V, N, As, K, Li oder dergleichen, abgesehen von Wasserstoff beinhalten. Mit anderen Worten: An der MOS-Grenzschicht können Defekte die Grenzschichtfallen nicht bilden, welche ein Energieniveau haben, das flacher ist als das Leitungsbandende, und sie können Grenzschichtfallen bilden, welche ein tiefes Energieniveau haben.
  • Bei dieser Ausführungsform ist ein MOSFET beschrieben, bei welchem der Leitfähigkeitstyp der Wannenbereiche 3 von dem zweiten Leitfähigkeitstyp zum ersten Leitfähigkeitstyp invertiert ist, also der invertierte MOSFET, aber diese Ausführungsform kann auch mit einem Speicher-MOSFET verwendet werden, welcher einen Kanalbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp hat, der vorher in einem Bereich vorgesehen wird, in welchem ein Kanal der Wannenbereiche 3 gebildet ist.
  • Für den Speicher-MOSFET ist der Leitfähigkeitstyp des Kanals vorher der erste Leitfähigkeitstyp, so dass die Schwellenspannung besonders verringert wird, und die Eigenschaften vom normalerweise ausgeschalteten Zustand werden kaum mit guter Steuerbarkeit erhalten. Folglich hat die Anwendung dieser Ausführungsform einen starken Effekt, und ein Erhöhen der Schwellenspannung ermöglicht es, dass die Eigenschaften vom normalerweise ausgeschalteten Zustand mit guter Steuerbarkeit erhalten werden.
  • Der Kanalbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp im Speicher-MOSFET kann durch epitaxiales Aufwachsen gebildet werden, oder er kann mittels Ionenimplantation gebildet werden.
  • Bei dieser Ausführungsform wird der so genannte planare MOSFET beschrieben, aber ein Graben-MOSFET, mit welchem diese Ausführungsform verwendet wird, kann die gleichen Wirkungen erzielen.
  • Bei dieser Ausführungsform wird die (0001)-Ebene mit einem Abweichungswinkel von 4° als die erste Hauptfläche des Siliciumcarbid-Substrats 1 verwendet, aber eine (11-20)-Ebene oder eine (000-1)-Ebene können ebenfalls verwendet werden. Ferner ist der Abweichungswinkel nicht auf 4° beschränkt.
  • Diese Ausführungsform weist eine sogenannte vertikale Halbleitervorrichtung auf, bei welcher der Strom im Einschaltzustand von der Oberfläche der Driftschicht 2, welche auf der ersten Hauptfläche des Siliciumcarbid-Substrats 1 gebildet ist, zu der Rückfläche fließt, welche die zweite Hauptfläche des Siliciumcarbid-Substrats 1 ist. Diese Ausführungsform kann aber auch eine sogenannte horizontale Halbleitervorrichtung aufweisen, bei welcher der Strom im Einschaltzustand von der Oberfläche der Driftschicht 2 zu der Oberfläche der Driftschicht 2 in der horizontalen Richtung fließt.
  • Bei dieser Ausführungsform ist ein Siliciumcarbid-MOSFET als ein Beispiel beschrieben. Es bedarf keiner weiteren Ausführungen, dass mit einer anderen Halbleitervorrichtung, die eine Gate-Isolierstruktur hat und Siliciumcarbid aufweist, die gleichen Wirkungen erzielt werden können, falls diese Ausführungsform damit verwendet wird, wobei die Gate-Isolierstruktur inklusive der Gate-Isolierschicht 5 auf Siliciumcarbid ausgebildet ist.
  • Zweite Ausführungsform
  • 21 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht um eine MOS-Grenzschicht einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung in einer zweiten Ausführungsform herum. Bei dieser Ausführungsform enthält eine Gate-Isolierschicht 5 Stickstoffatome. Diese Ausführungsform ist abgesehen davon die gleiche wie die erste Ausführungsform. Diese Ausführungsform kann die Schwellenspannung weiter erhöhen.
  • Nitrieren bedarf der erhöhten Aufmerksamkeit. Das Nitrieren führt eine Wärmebehandlung an der Gate-Isolierschicht 5 in einer Atmosphäre von Stickstoffgas, wie z. B. Stickstoffmonoxidgas (NO) und Distickstoffmonoxidgas (N2O) durch, um die Kanal-Beweglichkeit des MOSFETs zu erhöhen, der Siliciumcarbid enthält. Das Nitrieren erzeugt inerte Grenzschichtfallen infolge von überschüssigem C an der MOS-Grenzschicht und erhöht die Kanal-Beweglichkeit.
  • Bei dieser Ausführungsform gilt Folgendes: Nachdem die Gate-Isolierschicht 5 in 10 bei der ersten Ausführungsform gebildet worden ist, wird das Siliciumcarbid-Substrat 1, das die Struktur in 10 hat, in einen Nitrierofen überführt, und zwar vor der Reoxidation. Die Temperatur in dem Nitrierofen wird in der Atmosphäre des Inertgases erhöht, welche zu der Atmosphäre von Stickstoffmonoxidgas oder Distickstoffmonoxidgas verändert wird, wenn die Temperatur die Prozesstemperatur erreicht, und die Atmosphäre des Nitriergases und die Prozesstemperatur werden für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten, um das Nitrieren durchzuführen.
  • Stickstoffmonoxidgas oder Distickstoffmonoxidgas, das mit einem Inertgas, wie z. B. Stickstoff, Argon, Helium oder Krypton verdünnt ist, kann ebenfalls für eine Atmosphäre während des Nitrierens im Nitrierreaktor verwendet werden, und eine Atmosphäre einer Mischung aus dem Stickstoffmonoxidgas und dem Distickstoffmonoxidgas kann auch verwendet werden.
  • Die Nitriertemperaturen sind vorzugsweise 900 °C oder höher und 1450 °C oder niedriger. Der Grund dafür ist, dass die Nitriergeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen von weniger als 900 °C extrem langsam ist und die Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht kaum ausgebildet werden, um durch die Stickstoffatome inert zu werden. Außerdem ist der Grund dafür, dass die thermische Oxidation von Siliciumcarbid mittels Sauerstoff, der durch den Zerfall des Stickstoffmonoxidgases oder des Distickstoffmonoxidgases erzeugt worden ist, unter hohen Temperaturbedingungen von 1450 °C oder höher fortschreitet, und dass erneut Grenzschichtfallen an der MOS-Grenzschicht erzeugt werden.
  • Außerdem reicht die Nitrierzeit vorzugsweise von ungefähr 10 Minuten bis 10 Stunden.
  • Nach dem Nitrieren wird die Atmosphäre in dem Reaktor in die Atmosphäre des Inertgases geändert, und die Temperatur fällt auf eine Entnahmetemperatur ab, und das Siliciumcarbid-Substrat 1 wird aus dem Reaktor entnommen. Der Nitrierschritt endet damit.
  • Nachdem der Nitrierschritt beendet worden ist, wird die bei der ersten Ausführungsform beschrieben Reoxidation durchgeführt.
  • Das Nitrieren erzeugt die durch Stickstoffatome inerten Grenzschichtfallen, wobei die Grenzschichtfallen ein flaches Energieniveau, wie z. B. C = C an der MOS-Grenzschicht haben. Die Kanal-Beweglichkeit wird durch einen Anstieg der Dichte der Grenzschichtfallen mit dem flachen Niveau erhöht, aber die Schwellenspannung nimmt ebenfalls ab, was in den Eigenschaften vom normalerweise eingeschalteten Zustand resultiert.
  • Die ersten Fallen, die von den Defekten 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff gebildet werden, die bei der ersten Ausführungsform beschrieben worden sind, können die Eigenschaften vom normalerweise ausgeschalteten Zustand selbst dann erzielen, wenn das Nitrieren nicht durchgeführt wird.
  • Das Nitrieren wird bei relativ hohen Temperaturen von 900 °C oder höher und 1450 °C oder niedriger durchgeführt. Bei der Wärmebehandlung auf der hohen Temperatur werden Sauerstoffatome von der Gate-Isolierschicht 5 desorbiert. Folglich werden Sauerstoff-Leerstellen auf einfache Weise erzeugt. Die Sauerstoff-Leerstellen sind positiv geladen, so dass die Schwellenspannung des MOSFETs verringert wird, wenn die Sauerstoff-Leerstellen zunehmen. Mit anderen Worten: Das Durchführen des Nitrierens verringert die Schwellenspannung.
  • 22 zeigt schematisch das Verhältnis zwischen der Kanal-Beweglichkeit und der Schwellenspannung bei dieser Ausführungsform. In dem Diagramm ist ein herkömmliches Beispiel, bei welchem die Reoxidation und das Nitrieren nicht durchgeführt werden, durch eine gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen angezeigt, und das herkömmliche Beispiel, das durch eine gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen angezeigt ist, bei welchem nur die Reoxidation durchgeführt wird, ist durch eine gepunktete Linie angezeigt. Die gepunktete Linie entspricht der ersten Ausführungsform, mit welcher den Anstieg der Schwellenspannung im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel erzielt werden kann.
  • In dem Diagramm ist das herkömmliche Beispiel, das durch die gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen angezeigt ist, bei welchem nur das Nitrieren durchgeführt wird, durch eine durchgezogene Linie angezeigt, und das Beispiel, bei welchem sowohl das Nitrieren, als auch die Reoxidation durchgeführt werden, ist durch eine strichpunktierte Linie mit doppelten Strichen angezeigt.
  • Wenn die gestrichelte Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen mit der durchgezogenen Linie verglichen wird, dann wird die durchgezogene Linie zu der Seite mit hoher Kanal-Beweglichkeit und zu der Seite mit niedriger Schwellenspannung hin versetzt, indem das Nitrieren durchgeführt wird. Der Grund dafür ist, dass die Sauerstoff-Leerstellen positiv geladen sind und vermehrt werden, und zwar zusätzlich zu der Wirkung, dass die Grenzschichtfallen verringert werden.
  • Nach dem Nitrieren werden mehr Defekte 10 inklusive der Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff, die in 3 gezeigt sind, durch die Menge der Sauerstoff-Leerstellen in der strichpunktierte Linie mit doppelten Strichen angezeigt, wobei die Reoxidation durchgeführt wird. Mit anderen Worten: Mehr erste Fallen oder mehr negative feste Ladungen in der Gate-Isolierschicht 5 werden erzeugt, so dass die Zunahme der Schwellenspannung erhöht werden kann, und so dass die höhere Schwellenspannung bei höhere Kanal-Beweglichkeit erzielt werden kann.
  • Das Nitrieren erzeugt im Übermaß Stickstoffatome auch in der Gate-Isolierschicht 5, und die Stickstoffatome sind positiv geladen und werden zu positiven festen Ladungen. Dadurch wird die Schwellenspannung verringert. Im Reoxidationsschritt reagieren die Stickstoffatome mit OH–, um NO zu bilden, und es kann die Wirkung erzielt werden, dass NO nach außerhalb der Gate-Isolierschicht 5 emittiert wird. Dies verringert die positiven festen Ladungen, die durch das Nitrieren vermehrt worden sind, so dass zu der Verwirklichung der hohen Schwellenspannung beigetragen wird.
  • Außerdem werden Unterschiede zwischen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, und Beschreibungen der gleichen oder entsprechender Komponenten werden weggelassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Siliciumcarbid-Substrat
    2
    Driftschicht
    3
    Basisbereich
    4
    Source-Bereich
    5
    Gate-Isolierschicht
    6
    Gate-Elektrode
    7
    Source-Elektrode
    8
    Drain-Elektrode
    10
    Defekt inklusive einer Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff

Claims (11)

  1. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung, die Folgendes aufweist: – eine Driftschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Fläche eines Siliciumcarbid-Substrats gebildet ist; – eine Mehrzahl von Wannenbereichen von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die in einem Intervall in einem Oberflächenschicht-Bereich der Driftschicht gebildet sind; – einen Source-Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der in einem Teil eines Oberflächenschicht-Bereichs der Wannenbereiche gebildet ist; – eine Gate-Isolierschicht, die auf Flächen der Wannenbereiche und des Source-Bereichs gebildet ist; und – eine Gate-Elektrode, die auf einer Fläche der Gate-Isolierschicht gebildet ist, so dass sie gegenüber von einem Endbereich des Source-Bereichs und der Wannenbereiche liegt, – wobei ein Koeffizient X [eV], bei welchem ein Energieniveau von Grenzschichtfallen in einem Bereich von 0,1 eV bis 0,4 eV liegt, 0,09 eV oder mehr und 0,15 eV oder weniger in Math 1 beträgt,
    Figure DE112014003518T5_0005
    wobei die Dichte der Grenzschichtfallen, die in einem Grenzschichtbereich zwischen der Gate-Isolierschicht und den Wannenbereichen gebildet sind, Dit [cm–2eV–1] ist, ein Energieniveau der Grenzschichtfallen in einer Tiefe von einem Energieniveau Ec eines Leitungsbands von Siliciumcarbid (Ec – E) [eV] ist, ein asymptotischer Wert einer Dichte Dit der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau von ∞ [eV] ein Koeffizient A [cm–2eV–1] ist, ein Koeffizient B [cm–2eV–1] ein Wert ist, bei welchem eine Dichte Dit der Grenzschichtfallen mit einem Energieniveau von 0 [eV] gleich (A + B) [cm–2eV–1] ist, und X [eV] ein Koeffizient ist.
  2. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, – wobei die Gate-Isolierschicht Defekte inklusive einer Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff in dem Grenzschichtbereich zwischen den Wannenbereichen und der Gate-Isolierschicht hat, und – wobei die Grenzschichtfallen eine erste Falle aufweisen, welche von jedem der Defekte gebildet wird und ein Energieniveau hat, das tiefer ist als das Leitungsbandende von Siliciumcarbid.
  3. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verhältnis R einen Wert von 0,54 oder mehr und 0,67 oder weniger in Math 2 besitzt
    Figure DE112014003518T5_0006
    wobei die Dichte der Grenzschichtfallen, wenn ein Energieniveau der Grenz schichtfallen 0.1 eV ist, ein Bezugswert Dit1 [cm–2eV–1] ist, wobei die Differenz zwischen der Dichte der Grenzschichtfallen, wenn ein Energieniveau der Grenz schichtfallen 0.2 eV ist, und Dit1 [cm–2eV–1] gleich Dit2 [cm–2eV–1] ist, wobei die Differenz zwischen der Dichte der Grenzschichtfallen, wenn ein Energieniveau der Grenzschichtfallen 0.8 eV ist, und Dit1 [cm–2eV–1] gleich Dit8 [cm–2eV–1] ist, und wobei ein Verhältnis von Dit2 [cm–2eV–1] zu Dit8 [cm–2eV–1] das Verhältnis R ist.
  4. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung, die Folgendes aufweist: – eine Driftschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Fläche eines Siliciumcarbid-Substrats gebildet ist; – eine Mehrzahl von Wannenbereichen von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die in einem Intervall in einem Oberflächenschicht-Bereich der Driftschicht gebildet sind; – einen Source-Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der in einem Teil eines Oberflächenschicht-Bereichs der Wannenbereiche gebildet ist; – eine Gate-Isolierschicht, die auf Flächen der Wannenbereiche und des Source-Bereichs gebildet ist; und – eine Gate-Elektrode, die auf einer Fläche der Gate-Isolierschicht gebildet ist, so dass sie gegenüber von einem Endbereich des Source-Bereichs und der Wannenbereiche liegt, – wobei die Gate-Isolierschicht in einem Grenzschichtbereich zwischen den Wannenbereichen und der Gate-Isolierschicht Defekte hat, die jeweils eine erste Falle mit einem Energieniveau bilden, das tiefer ist als das Leitungsbandende von Siliciumcarbid, und welche eine Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff aufweisen.
  5. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Falle ein Energieniveau in einer Tiefe von 0,6 eV oder mehr und 1,5 eV oder weniger von dem Leitungsbandende von Siliciumcarbid hat.
  6. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gate-Isolierschicht ferner Defekte hat, welche jeweils eine zweite Falle bilden und eine Bindung zwischen Silicium und Wasserstoff aufweisen.
  7. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gate-Isolierschicht Stickstoffatome im Grenzschichtbereich zwischen den Wannenbereichen und der Gate-Isolierschicht enthält.
  8. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Gate-Isolierschicht eine SiO2-Schicht aufweist.
  9. Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wannenbereiche einen Kanalbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp in einem Bereich aufweisen, in welchem ein Kanal gebildet ist.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung, das folgende Schritte aufweist: – Ausbilden einer Driftschicht vom ersten Leitfähigkeitstypauf auf einer Fläche eines Siliciumcarbid-Substrats; – Ausbilden einer Mehrzahl von Wannenbereichen von einem zweiten Leitfähigkeitstyp in einem Intervall in einem Oberflächenschicht-Bereich der Driftschicht; – Ausbilden eines Source-Bereichs vom ersten Leitfähigkeitstyp in einem Teil eines Oberflächenschicht-Bereichs der Wannenbereiche; – Ausbilden einer Gate-Isolierschicht auf Flächen der Wannenbereiche und des Source-Bereichs; – Durchführen einer Wärmebehandlung der Gate-Isolierschicht bei 600 °C oder höher und 950 °C oder niedriger in einer Wasserdampfatmosphäre, in welcher eine Verbrennungsreaktion auftritt, bei einem H2/O2-Strömungsratenverhältnis von 0,7 oder mehr und 1,9 oder weniger; und – Ausbilden einer Gate-Elektrode auf einer Fläche der Gate-Isolierschicht, so dass sie gegenüber von einem Endbereich des Source-Bereichs und der Wannenbereiche liegt.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, das ein Nitrieren der Gate-Isolierschicht bei 900 °C oder höher und 1450 °C oder niedriger in einer Atmosphäre von Nitriergas aufweist, nachdem die Gate-Isolierschicht gebildet worden ist und bevor die Wärmebehandlung durchgeführt wird.
DE112014003518.1T 2013-07-31 2014-03-07 Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben Withdrawn DE112014003518T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-159292 2013-07-31
JP2013159292 2013-07-31
PCT/JP2014/001262 WO2015015672A1 (ja) 2013-07-31 2014-03-07 炭化珪素半導体装置及びその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112014003518T5 true DE112014003518T5 (de) 2016-04-14

Family

ID=52431238

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112014003518.1T Withdrawn DE112014003518T5 (de) 2013-07-31 2014-03-07 Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10002931B2 (de)
JP (1) JP5800107B2 (de)
CN (1) CN105431947B (de)
DE (1) DE112014003518T5 (de)
WO (1) WO2015015672A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11996449B2 (en) 2018-01-17 2024-05-28 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device with carbon-density-decreasing region

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016124968B4 (de) 2016-12-20 2024-01-18 Infineon Technologies Ag Ausbilden von Siliziumoxidschichten durch Oxidation mit Radikalen
JP6771669B2 (ja) * 2017-05-31 2020-10-21 三菱電機株式会社 半導体装置の製造方法
JP6785202B2 (ja) * 2017-09-11 2020-11-18 株式会社豊田中央研究所 炭化珪素半導体装置
JP7072148B2 (ja) * 2018-09-14 2022-05-20 株式会社東芝 半導体装置、半導体装置の製造方法、インバータ回路、駆動装置、車両、及び、昇降機
JP7082558B2 (ja) * 2018-10-11 2022-06-08 株式会社豊田中央研究所 炭化珪素半導体装置とその製造方法
CN114551576B (zh) * 2022-04-26 2022-07-01 成都蓉矽半导体有限公司 一种高抗浪涌电流能力的栅控二极管

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3491050B2 (ja) * 1997-05-14 2004-01-26 富士電機ホールディングス株式会社 炭化けい素半導体装置の熱酸化膜形成方法
JP3211874B2 (ja) * 1997-10-29 2001-09-25 サンケン電気株式会社 半導体装置の製造方法
DE10394374B4 (de) * 2002-06-28 2013-02-21 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben
JP2005039138A (ja) 2003-07-18 2005-02-10 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 不揮発性半導体記憶装置
JP2005277253A (ja) * 2004-03-26 2005-10-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 半導体装置の作製方法及び水素処理装置
JP2006269641A (ja) * 2005-03-23 2006-10-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 半導体装置及びその製造方法
DE112006002876B4 (de) * 2005-10-19 2014-07-24 Mitsubishi Electric Corp. MOSFETs und Verfahren zum Herstellen eines MOSFETs
JP5157843B2 (ja) * 2007-12-04 2013-03-06 住友電気工業株式会社 炭化ケイ素半導体装置およびその製造方法
JP2011091186A (ja) * 2009-10-22 2011-05-06 Mitsubishi Electric Corp 炭化珪素半導体装置の製造方法
WO2011074237A1 (ja) 2009-12-16 2011-06-23 国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学 ＳｉＣ半導体素子およびその作製方法
JP5371831B2 (ja) 2010-02-25 2013-12-18 三菱電機株式会社 半導体装置の製造方法
JP2011199132A (ja) * 2010-03-23 2011-10-06 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体装置およびその製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11996449B2 (en) 2018-01-17 2024-05-28 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device with carbon-density-decreasing region

Also Published As

Publication number Publication date
CN105431947B (zh) 2018-10-02
JP5800107B2 (ja) 2015-10-28
JPWO2015015672A1 (ja) 2017-03-02
US20160190261A1 (en) 2016-06-30
WO2015015672A1 (ja) 2015-02-05
US10002931B2 (en) 2018-06-19
CN105431947A (zh) 2016-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112014003518T5 (de) Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben
DE102011123124B3 (de) SiC-Halbleitervorrichtung
DE102011113549B4 (de) Ein Halbleiterbauelement mit einer Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper und ein Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper
DE112013002125B4 (de) Siliziumcarbid-Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren hierfür
DE102009014583A1 (de) Siliziumcarbid-MOS-Halbleitervorrichtung
DE3119886A1 (de) Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements
DE2512373A1 (de) Sperrschicht-oberflaechen-feldeffekt- transistor
DE10214066A1 (de) Halbleiterelement mit retrogradem Dotierprofil in einem Kanalgebiet und ein Verfahren zur Herstellung desselben
DE102019008579A1 (de) ELEKTRONISCHE VORRICHTUNG EINSCHLIEßLICH EINES HEMT MIT EINEM VERGRABENEN BEREICH
DE102013010245A1 (de) Halbleitervorrichtung
DE19931324A1 (de) Siliciumcarbid-Mos-Halbleiter-Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE112010005626T5 (de) Halbleitervorrichtung
DE112019001738T5 (de) Halbleitervorrichtung und herstellungsverfahren
DE102008029866A1 (de) Laterales DMOS-Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102015111213B4 (de) Verfahren zum Verringern einer bipolaren Degradation bei einem SiC-Halbleiterbauelement und Halbleiterbauelement
DE102018107966B4 (de) Verfahren zum Bilden eines Breiter-Bandabstand-Halbleiter-Bauelements
DE112006001791T5 (de) Nicht-Punch-Through Hochspannungs-IGBT für Schaltnetzteile
DE102015109545B4 (de) Transistor mit Feldelektroden und verbessertem Lawinendurchbruchsverhalten
DE102019004466A1 (de) PROZESS ZUM BILDEN EINER ELEKTRONISCHEN VORRICHTUNG EINSCHLIEßLICH EINES ZUGANGSBEREICHS
DE112012005837T5 (de) Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung
DE102010037889A1 (de) Halbleitervorrichtungen und -verfahren
DE102021113288A1 (de) Leistungshalbleitervorrichtung und verfahren zu dessen herstellung
DE112017003513B4 (de) Halbleitereinheit und Verfahren zur Herstellung derselben
DE112014007144B4 (de) Siliziumkarbid-halbleitervorrichtung
DE112019001741T5 (de) Halbleitervorrichtung und herstellungsverfahren

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: MEISSNER, BOLTE & PARTNER GBR, DE

Representative=s name: MEISSNER BOLTE PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE P, DE

R084 Declaration of willingness to licence
R016 Response to examination communication
R120 Application withdrawn or ip right abandoned