DE112014004061T5

DE112014004061T5 - Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE112014004061T5
Application number: DE112014004061.4T
Authority: DE
Inventors: Takeyoshi Masuda
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-06-02
Also published as: JP2015053372A; CN105556675A; WO2015033686A1; JP6206012B2; US20160211333A1

Abstract

Eine SiC-Halbleitervorrichtung (1) umfasst ein SiC-Substrat (10), einen Gate-Isolierfilm (20), der auf einer Oberfläche (10A) des SiC-Substrats (10) gebildet und aus SiO2 hergestellt ist, und eine Gate-Elektrode (30), die auf dem Gate-Isolationsfilm (20) gebildet ist. Ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche (21) zwischen dem SiC-Substrat (10) und dem Gate-Isolierfilm (20) beträgt 3 × 1019 cm–3 oder mehr. Ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche (22) zwischen dem Gate-Isolationsfilm (20) und der Gate-Elektrode (30) beträgt 1 × 1020 cm–3 oder weniger.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtungen und Verfahren zur Herstellung derselben, und insbesondere eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer verbesserten Kanalbeweglichkeit sowie einer hohen Schwellenspannung und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren wurde zunehmend Siliziumkarbid als Material zur Bildung einer Halbleitervorrichtung verwendet, um eine hohe Durchbruchspannung, geringe Verluste und dergleichen der Halbleitervorrichtung zu gewährleisten. Siliziumkarbid ist ein Halbleiter mit einer großen Bandlücke, der eine größere Bandlücke als Silizium, das herkömmlich weitgehend als Material zur Bildung einer Halbleitervorrichtung verwendet wurde, aufweist. Die Verwendung von Siliziumkarbid als Material zur Bildung einer Halbleitervorrichtung ermöglicht die Ausbildung einer Halbleitervorrichtung mit einer höheren Durchbruchspannung, einem niedrigeren Durchlasswiderstand und dergleichen. Eine Halbleitervorrichtung aus Siliziumkarbid weist verglichen mit einer Halbleitervorrichtung aus Silizium vorteilhafterweise eine geringere Leistungsverschlechterung auf, wenn diese in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird.
Ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung, die Siliziumkarbid als Bestandteilmaterial enthält, umfasst einen MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor). Ein MOSFET ist eine Halbleitervorrichtung, die einen Stromfluss zulässt bzw. verhindert, indem gesteuert wird, ob eine Inversionsschicht in einem Kanalgebiet mit einer vorbestimmten Schwellenspannung, die als Grenzwert definiert ist, vorhanden ist. Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-82454 (im Nachfolgenden als PTD 1 bezeichnet) offenbart beispielsweise eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung, in der ein Kanalwiderstand unterdrückt wird und eine Schwellenspannung ohne zeitliche Schwankung stabil ist.
ZITATIONSLISTE
PATENTDOKUMENT

PTD 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-82454

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung ist es zusätzlich zur Unterdrückung des Kanalwiderstands und der Schwellenspannung Schwankungen notwendig, den Absolutwert der Schwellenspannung zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der zuvor erwähnten Probleme konzipiert, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit verbesserter Kanalbeweglichkeit sowie einer hohen Schwellenspannung und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Siliziumkarbid-Substrat, einen Gate-Isolierfilm, der auf einer Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats gebildet und aus Siliziumoxid hergestellt ist, und eine Gate-Elektrode, die auf dem Gate-Isolierfilm gebildet ist. In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung ist ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3. In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung ist ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Siliziumkarbid-Substrats, Bilden eines Gate-Isolierfilms aus Siliziumoxid auf einer Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats, Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats mit dem darauf ausgebildeten Gate-Isolierfilm bei einer Temperatur von gleich oder größer als 1100°C in einer Stickstoffatmosphäre, und nach dem Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats, Bilden einer Gate-Elektrode auf dem Gate-Isolierfilm. In dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung erfolgt nach dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode kein Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats bei einer Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer verbesserten Kanalbeweglichkeit sowie einer hohen Schwellenspannung bereitgestellt werden. Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer verbesserten Kanalbeweglichkeit sowie einer hohen Schwellenspannung hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
3 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Schritte (S11) und (S12) in dem Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
4 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Schritte (S13) und (S14) in dem Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
5 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Schritte (S20) bis (S40) in dem Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
6 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Zeit und der Heiztemperatur in den Schritten (S20) bis (S40) des Verfahrens zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
7 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Schritt (S50) in dem Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
8 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Schritt (S60) in dem Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
9 zeigt einen Graphen, der eine Stickstoffkonzentrationsverteilung entlang einer Dickenrichtung eines SiC-MOSFETs darstellt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Zunächst werden die Inhalte einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgelistet und beschrieben.

(1) Eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform umfasst ein Siliziumkarbid-Substrat, einen Gate-Isolierfilm, der auf einer Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats gebildet und aus Siliziumoxid hergestellt ist, und eine Gate-Elektrode, die auf dem Gate-Isolierfilm gebildet ist. Ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm ist gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3. Ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode ist gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3.

Es wurden sorgfältige Studien zur Verbesserung der Kanalbeweglichkeit und zur Erhöhung der Schwellenspannung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung von den vorliegenden Erfindern durchgeführt. Als Ergebnis wurde die vorliegende Erfindung konzipiert, die auf den Erkenntnissen beruht, dass sowohl die Kanalbeweglichkeit als auch die Schwellenspannung erhöht werden kann, indem eine Stickstoffkonzentration in einer Grenzfläche zwischen einem Siliziumkarbid-Substrat und einem Gate-Isolierfilm sowie in einer Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und einer Gate-Elektrode gesteuert werden. Gemäß den Untersuchungen der Erfinder wird die Kanalbeweglichkeit einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung durch Zuführen von Stickstoffatomen verbessert, sodass ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen einem Siliziumkarbid-Substrat und einem Gate-Isolierfilm gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3 ist. Indes kann die Schwellenspannung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung erhöht werden, indem ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und einer Gate-Elektrode gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3 ist.
In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung ist der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3, und der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Gebiet innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und einer Gate-Elektrode ist gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3. Gemäß der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung kann somit eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gebildet werden, die eine verbesserte Kanalbeweglichkeit und eine hohe Schwellenspannung aufweist. Es sollte beachtet werden, dass die Höchstwerte der Stickstoffkonzentrationen in den Bereichen innerhalb von 10 nm von den zuvor erwähnten Grenzflächen gemäß einem bestimmten Beispiel dieser Ausführungsform, das im Nachfolgenden beschrieben wird, gemessen werden können.

(2) In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nimmt ein Bereich, in dem die Stickstoffkonzentration gleich oder größer 3 × 10¹⁹ cm^–3 ist, 80% oder mehr des Gate-Isolierfilms in einer Dickenrichtung ein.

Dadurch können die Stickstoffatome innerhalb des Gate-Isolierfilms gleichmäßiger verteilt werden. Folglich kann die Schwellenspannung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung weiter erhöht werden.

(3) In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung kann die Gate-Elektrode Polysilizium aufweisen.

Weist die Gate-Elektrode Polysilizium auf, reagiert das Polysilizium mit dem Siliziumoxid, das den Gate-Isolierfilm bildet, wodurch die Stickstoffkonzentration tendenziell an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode zunimmt. Enthält die Gate-Elektrode Polysilizium, kann somit die zuvor beschriebene Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung, in der die Stickstoffkonzentration in der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode unterdrückt wird, in geeigneter Weise verwendet werden.

(4) In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung ist der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm gleich oder kleiner als 1 × 10²¹ cm^–3.

Übersteigt der Höchstwert der Stickstoffkonzentration 1 × 10²¹ cm^–3, verbessert sich die Kanalbeweglichkeit erheblich, während die Schwellenspannung abnimmt. Indem der Höchstwert der Stickstoffkonzentration auf gleich oder weniger als 1 × 10²¹ cm^–3 eingestellt wird, kann somit sowohl die Kanalbeweglichkeit als auch die Schwellenspannung erhöht werden.

(5) In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung ist der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode gleich oder kleiner als 3 × 10¹⁹ cm^–3. Dadurch kann die Schwellenspannung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung weiter erhöht werden.
(6) In der zuvor beschriebenen Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung weist die Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats einen Abweichungswinkel von 8° oder weniger, relativ zu einer (0001)-Ebene auf. Auf diese Weise zeigt sich eine Verbesserung der Kanalbeweglichkeit durch Steuern der Stickstoffkonzentration in der Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm sehr deutlich.
(7) Ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform umfasst die folgenden Schritte: Herstellen eines Siliziumkarbid-Substrats, Bilden eines Gate-Isolierfilms aus Siliziumoxid auf einer Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats, Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats mit dem darauf ausgebildeten Gate-Isolierfilm bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr in einer Stickstoffatmosphäre, und nach dem Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats Bilden einer Gate-Elektrode auf dem Gate-Isolierfilm. In dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung erfolgt nach dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode kein Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats bei einer Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält.

Es wurden sorgfältige Untersuchungen von den vorliegenden Erfindern durchgeführt, um ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit verbesserter Kanalbeweglichkeit und hoher Schwellenspannung zu finden. Als Ergebnis wurde die vorliegende Erfindung auf der Grundlage der nachfolgenden Erkenntnisse konzipiert.
Indem zunächst ein Siliziumkarbid-Substrat mit einem darauf ausgebildeten Gate-Isolierfilm auf eine höhere Temperatur als eine vorbestimmte Temperatur in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt wird, kann eine Stickstoffkonzentration bestimmt werden, die zur Verbesserung der Kanalbeweglichkeit in einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm ausreicht. Nachdem ferner eine Gate-Elektrode auf dem Gate-Isolierfilm gebildet wurde, wird, wenn das Siliziumkarbid-Substrat bei einer Temperatur von gleich oder mehr als eine vorbestimmte Temperatur in einer Atmosphäre, die Stickstoff mit einer Konzentration von gleich oder größer als eine vorbestimmte Konzentration enthält, erhitzt wird, wird die Stickstoffkonzentration in einer Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode übermäßig hoch, wodurch sich die Schwellenspannung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung verringert.
In dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung wird das Siliziumkarbid-Substrat mit dem darauf ausgebildeten Gate-Isolierfilm bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt. Dadurch bildet sich eine ausreichend hohe Stickstoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm, wodurch sich die Kanalbeweglichkeit der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung verbessert. Ferner wird das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung derart durchgeführt, dass nach der Bildung der Gate-Elektrode auf dem Gate-Isolierfilm, das Siliziumkarbid-Substrat nicht auf eine Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, erhitzt wird. Dadurch wird ein Anstieg der Stickstoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode unterdrückt, wodurch eine Verringerung der Schwellenspannung verhindert wird. Gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung kann somit eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung mit einer verbesserten Kanalbeweglichkeit sowie einer hohen Schwellenspannung hergestellt werden.
Der hierin verwendete Begriff ”stickstoffhaltige Atmosphäre” betrifft eine Atmosphäre, mit einem Gas, das Stickstoffatome enthält, wie beispielsweise eine Atmosphäre, die ein Gas wie beispielsweise Stickstoffmonoxid (NO), Lachgas (N₂O), Stickstoff (N₂) oder Ammoniak (NH₃) enthält. Das Stickstoffatome enthaltende Gas betrifft ein Gas, das das Einbringen von Stickstoffatomen in die zuvor erwähnten Grenzflächen unterstützt. Der hierin verwendete Begriff ”Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält” betrifft eine Atmosphäre, in der ein Verhältnis (Volumenverhältnis oder Flussverhältnis) des Gases, das Stickstoffatome enthält, wie beispielsweise Stickstoffmonoxid (NO), Lachgas (N₂O), Stickstoff (N₂) und Ammoniak (NH₃), 10% oder mehr der Gesamtmenge beträgt.

(8) Das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung umfasst ferner nach dem Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats und vor dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode, den Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats auf eine Temperatur von 1100°C oder mehr in einer inertgashaltigen Atmosphäre. Beispielsweise werden Argon (Ar), Helium (He) oder Stickstoff (N₂) als Inertgas verwendet.

(9) Das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung kann ferner nach dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode, den Schritt des Bildens einer Source-Elektrode auf dem Siliziumkarbid-Substrat umfassen. In dem Schritt des Bildens einer Source-Elektrode kann das Substrat auf eine Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder weniger Stickstoff enthält, erhitzt werden. Dabei kann die Source-Elektrode gebildet werden, während eine Zunahme der Stickstoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode unterdrückt wird. Es sollte beachtet werden, dass der Begriff ”Atmosphäre, die 10% oder weniger Stickstoff enthält” gleich wie der zuvor beschriebene Begriff ”Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält” definiert ist.
(10) In dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung kann das Siliziumkarbid-Substrat nach dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, erhitzt werden. Dadurch kann ein Anstieg der Stickstoffkonzentration an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode noch zuverlässiger unterdrückt werden.
(11) In dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung wird in dem Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats das Siliziumkarbid-Substrat in einer Atmosphäre erhitzt, die wenigstens ein Gas enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Stickstoffmonoxid (NO), Lachgas (N₂O), Stickstoff (N₂) und Ammoniak (NH₃) auswählbar ist. Indem das zuvor erwähnte Gas, das Stickstoffatome (NO, N₂O, N₂, NH₃) enthält, verwendet wird, wird das Einbringen von Stickstoffatomen in die Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm zur Gewährleistung einer ausreichenden Stickstoffkonzentration in dieser Grenzfläche erleichtert.

[Detaillierte Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung]
Im Nachfolgenden wird ein spezielles Beispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den nachfolgenden Zeichnungen werden gleiche oder sich entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben nicht wiederholt. Eine einzelne Orientierung, eine Gruppenorientierung, eine einzelne Ebene und eine Gruppenebene werden hierin jeweils mit einer [ ], < >, ( ) und { } dargestellt. Obwohl in der Regel ein negativer Index kristallografisch durch Setzen eines ”–” über einer Zahl dargestellt wird, wird dieser in der vorliegenden Beschreibung durch eine Zahl mit einem negativen Vorzeichen davor ausgedrückt.
Zunächst wird eine Struktur einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bezug nehmend auf 1 ist eine Siliziumkarbid(SiC)-Halbleitervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform ein vertikaler Di(doppelt implantierter)-MOSFET und umfasst im Wesentlichen ein Siliziumkarbid(SiC)-Substrat 10, einen Gate-Isolierfilm 20, eine Gate-Elektrode 30, eine Source-Elektrode 40, eine Drain-Elektrode 50 und eine obere Source-Elektrode 41.
Eine Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 weist einen Abweichungswinkel von 8° oder weniger, bezogen auf eine (0001)-Ebene, und vorzugsweise einen Abweichungswinkel von 4° oder weniger auf. Es sollte beachtet werden, dass die Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 nicht auf die zuvor beschriebene beschränkt ist, sondern beispielsweise auch eine (0-33-8)-Ebene sein kann.
Das SiC-Substrat 10 umfasst im Wesentlichen ein Trägersubstrat 11 und eine Siliziumkarbid(SiC)-Schicht 12, die mittels epitaktischem Aufwachsen auf einer Oberfläche 11A des Trägersubstrats 11 gebildet wird. Die SiC-Schicht 12 umfasst im Wesentlichen einen Driftbereich 13, ein Körpergebiet 14, ein Source-Gebiet 15 und ein Kontaktgebiet 16.
Der Driftbereich 13 ist auf einer Oberfläche 11A des Trägersubstrats 11 ausgebildet. Der Driftbereich 13 weist durch Einbringen einer n-Verunreinigung, wie beispielsweise Stickstoff (N), den n-Leitfähigkeitstyp auf. Die Körpergebiete 14 sind beabstandet voneinander in der SiC-Schicht 12 ausgebildet. Das Körpergebiet 14 weist durch Einbringen einer p-Verunreinigung, wie beispielsweise Aluminium (Al) oder Bor (B), den p-Leitfähigkeitstyp auf.
Das Source-Gebiet 15 ist in dem Körpergebiet 14 ausgebildet, sodass es die Oberfläche 10A aufweist. Das Source-Gebiet 15 weist durch Einbringen einer n-Verunreinigung, wie beispielsweise Phosphor (P), den n-Leitfähigkeitstyp auf. Das Source-Gebiet 15 weist eine höhere n-Verunreinigungskonzentration als der Driftbereich 13 auf.
Das Kontaktgebiet 16 ist in dem Körpergebiet 14 ausgebildet, sodass es die Oberfläche 10A aufweist und neben dem Source-Gebiet 15 angeordnet ist. Das Kontaktgebiet 16 weist durch Einbringen einer p-Verunreinigung, wie beispielsweise Aluminium (Al), den p-Leitfähigkeitstyp auf. Das Kontaktgebiet 16 weist eine höhere p-Verunreinigungskonzentration als das Körpergebiet 14 auf.
Der Gate-Isolierfilm 20 ist auf und in Kontakt mit der Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 ausgebildet. Der Gate-Isolierfilm 20 ist aus Siliziumoxid, wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO₂) hergestellt, und derart ausgebildet, dass er sich von über einem der Source-Gebiete 15 bis über das andere Source-Gebiet 15 erstreckt.
Die Gate-Elektrode 30 ist auf und in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm 20 ausgebildet (gegenüberliegende Seite von der Seite des SiC-Substrats 10). Die Gate-Elektrode 30 ist aus einem Leiter, wie beispielsweise Polysilizium, das mit einer Verunreinigung wie Aluminium (Al) dotiert ist, hergestellt und ausgebildet, dass diese sich von über einer der Source-Gebiete 15 bis über das andere Source-Gebiet 15 erstreckt.
Die Source-Elektrode 40 ist auf und in Kontakt mit der Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 ausgebildet (über dem Source-Gebiet 15 und dem Kontaktgebiet 16). Die Source-Elektrode 40 ist aus einem Material, das einen ohmschen Kontakt mit dem Source-Gebiet 15 herstellen kann, wie beispielsweise Ni_xSi_y (Nickelsilizid), Ti_xSi_y (Titansilizid), Al_xSi_y (Aluminiumsilizid) und Ti_xAl_ySi_z (Titanaluminiumsilizid) (x, y, z > 0) gebildet.
Die Drain-Elektrode 50 ist auf einer Oberfläche 10B gegenüber der Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 gebildet. Die Drain-Elektrode 50 ist aus dem gleichen Material wie die Source-Elektrode 40 gebildet und in ohmschem Kontakt mit dem SiC-Substrat 10.
In einem Gebiet, der eine Grenzfläche 21 zwischen dem SiC-Substrat 10 und dem Gate-Isolierfilm 20 aufweist, ist ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration gleich oder größer 3 × 10¹⁹ cm^–3 und gleich oder kleiner als 1 × 10²¹ cm^–3, vorzugsweise gleich oder größer als 1 × 10²⁰ cm^–3 und gleich oder kleiner als 5 × 10²⁰ cm^–3. Insbesondere liegt ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration innerhalb eines Bereichs in einem Abschnitt, der die Grenzfläche 21 zwischen dem Driftbereich 13 und dem Gate-Isolierfilm 20 umfasst, einem Abschnitt, der die Grenzfläche 21 zwischen dem Körpergebiet 14 und dem Gate-Isolierfilm 20 umfasst, und in einem Abschnitt, der die Grenzfläche 21 zwischen dem Source-Gebiet 15 und dem Gate-Isolierfilm 20 umfasst. Der hierin verwendete Abschnitt mit der Grenzfläche 21 bezieht sich von der Grenzfläche 21 aus betrachtet auf einen Bereich innerhalb von 10 nm in einer Dickenrichtung des SiC-Substrats 10.
In einem Bereich, der eine Grenzfläche 22 zwischen dem Gate-Isolierfilm 20 und der Gate-Elektrode 30 umfasst, ist ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3, vorzugsweise gleich oder kleiner als 3 × 10¹⁹ cm^–3, und noch bevorzugter gleich oder kleiner als 1 × 10¹⁹ cm^–3. Der hierin verwendete Bereich mit der Grenzfläche 22 bezieht sich von der Grenzfläche 22 aus betrachtet auf einen Bereich innerhalb von 10 nm in der Dickenrichtung des SiC-Substrats 10.
Die Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche 21 zwischen dem SiC-Substrat 10 und dem Gate-Isolierfilm 20, und die Stickstoffkonzentration in dem Gebiet innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche 22 zwischen dem Gate-Isolierfilm 20 und der Gate-Elektrode 30 kann mittels SIMS (Sekundärionen-Massenspektroskopie) gemessen werden. Insbesondere wird die Stickstoffkonzentrationsverteilung entlang der Dickenrichtung der SiC-Halbleitervorrichtung 1 durch die SIMS-Messung erhalten, sodass die Höchstwerte der Stickstoffkonzentrationen in den Bereichen innerhalb von 10 nm von den Grenzflächen 21 und 22 durch diese Stickstoffkonzentrationsverteilung bestimmt werden können.
Im Nachfolgenden wird ein Betrieb der SiC-Halbleitervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Wird Bezug nehmend auf 1 eine Spannung an die Gate-Elektrode 30 angelegt, die niedriger als die Schwellenspannung ist, d. h., in einem Sperr-Zustand, wird selbst dann, wenn eine Spannung zwischen der Source-Elektrode 40 und der Drain-Elektrode 50 angelegt wird, ein zwischen dem Körpergebiet 14 und dem Driftbereich 13 ausgebildeter pn-Übergang umgekehrt vorgespannt, wodurch ein nichtleitender Zustand entsteht. Wird eine Spannung mit einem Wert, der gleich oder größer als die Schwellenspannung ist, an die Gate-Elektrode 30 angelegt, bildet sich andererseits eine Inversionsschicht in einem Kanalgebiet des Körpergebiets 14 (dem Körpergebiet 14 unterhalb der Gate-Elektrode 30). Folglich werden das Source-Gebiet 15 und der Driftbereich 13 elektrisch miteinander verbunden, sodass ein Strom zwischen der Source-Elektrode 40 und der Drain-Elektrode 50 fließt. Auf diese Weise wird die SiC-Halbleitervorrichtung 1 betrieben.
Wie zuvor beschrieben, ist in der SiC-Halbleitervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Gebiet innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche 21 zwischen dem SiC-Substrat 10 und dem Gate-Isolierfilm 20 gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3, und der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche 22 zwischen dem Gate-Isolierfilm 20 und der Gate-Elektrode 30 gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3. Auf diese Weise weist die SiC-Halbleitervorrichtung 1 eine verbesserte Kanalbeweglichkeit sowie eine hohe Schwellenspannung auf.
In der zuvor beschriebenen SiC-Halbleitervorrichtung 1 nimmt ein Gebiet, in dem die Stickstoffkonzentration gleich oder größer als 1 × 10¹⁹ cm^–3 ist, 80% oder mehr des Gate-Isolierfilms 20 in der Dickenrichtung ein, und das Gebiet, in dem die Stickstoffkonzentration gleich oder größer als 1 × 10¹⁹ cm^–3 ist, kann den gesamten Gate-Isolierfilm 20 in der Dickenrichtung einnehmen.
Auf diese Weise können die Stickstoffatome innerhalb des Gate-Isolierfilms 20 noch gleichmäßiger verteilt werden. Folglich kann die Schwellenspannung der SiC-Halbleitervorrichtung 1 weiter erhöht werden. Es sollte beachtet werden, dass die Stickstoffkonzentrationsverteilung entlang der Dickenrichtung des Gate-Isolierfilms 20 gleich wie zuvor beschrieben mit Hilfe der SIMS-Messung erhalten werden kann.
In der zuvor beschriebenen SiC-Halbleitervorrichtung 1 kann die Gate-Elektrode 30 das zuvor erwähnte Polysilizium aufweisen. Das die Gate-Elektrode 30 bildende Polysilizium reagiert mit dem den Gate-Isolierfilm 20 bildenden SiO₂, wodurch das Einbringen von Stickstoffatomen in die Grenzfläche 22 zwischen dem Gate-Isolierfilm 20 und der Gate-Elektrode 30 erleichtert wird. Enthält die Gate-Elektrode 30 Polysilizium, kann somit die zuvor beschriebene SiC-Halbleitervorrichtung 1, die zur Unterdrückung der Stickstoffkonzentration in einem Bereich in der Nähe der Grenzfläche 22 zwischen dem Gate-Isolierfilm 20 und der Gate-Elektrode 30 geeignet ist, in geeigneter Weise gebildet werden.
In der zuvor beschriebenen SiC-Halbleitervorrichtung 1 kann die Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 einen Abweichungswinkel von 8° oder kleiner, bezogen auf die (0001)-Ebene, wie zuvor erwähnt, aufweisen. Befindet sich die Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 auf einer Siliziumfläche ((0001)-Ebene), zeigt sich die Verbesserung der Kanalbeweglichkeit durch die Zuführung von Stickstoffatomen in einem Bereich in der Nähe der Grenzfläche 21 zwischen dem SiC-Substrat 10 und dem Gate-Isolierfilm 20 noch deutlicher als wenn sich die Oberfläche 10A auf einer Kohlenstofffläche ((000-1)-Ebene) befindet.
Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der SiC-Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. In dem Verfahren zur Herstellung der SiC-Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform kann die zuvor beschriebene SiC-Halbleitervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform hergestellt werden (siehe 1).
Bezug nehmend auf 2 wird in dem Verfahren zur Herstellung der SiC-Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform zunächst ein SiC-Substrat-Herstellungsschritt als Schritt (S10) durchgeführt. In dem Schritt (S10) wird das SiC-Substrat 10 durch Durchführen der Schritte (S11) bis (S14), wie im Nachfolgenden beschrieben, hergestellt.
Zunächst wird ein Trägersubstrat-Herstellungsschritt als Schritt (S11) durchgeführt. In dem Schritt (S11) wird mit Bezug auf 3 das Trägersubstrat 11 beispielsweise durch Schneiden eines Ingots aus 4H-SiC (nicht dargestellt) hergestellt.
Anschließend wird ein Epitaxiewachstumsschicht-Bildungsschritt als Schritt (S12) durchgeführt. In dem Schritt (S12) wird mit Bezug auf 3 die SiC-Schicht 12 durch epitaktisches Wachsen auf der Oberfläche 11A des Trägersubstrats 11 gebildet.
Anschließend wird ein Ionenimplantationsschritt als Schritt (S13) durchgeführt. In dem Schritt (S13) werden mit Bezug auf 4 zunächst beispielsweise Aluminium (Al)-Ionen in die SiC-Schicht 12 implantiert, um das Körpergebiet 14 in der SiC-Schicht 12 zu bilden. Anschließend werden beispielsweise Phosphor(P)-Ionen in das Körpergebiet 14 zur Bildung des Source-Gebiets 15 in dem Körpergebiet 14 implantiert. Anschließend werden beispielsweise Aluminium(Al)-Ionen in das Körpergebiet 14 implantiert, um das Kontaktgebiet 16 neben dem Source-Gebiet 15 in dem Körpergebiet 14 zu bilden. Ein Gebiet in der SiC-Schicht 12, in der kein Körpergebiet 14, Source-Gebiet 15 und Kontaktgebiet 16 gebildet sind, dient als Driftbereich 13.
Anschließend wird ein Aktivierungsglühschritt als Schritt (S14) durchgeführt. In dem Schritt (S14) wird mit Bezug auf 4 die SiC-Schicht 12 erhitzt, um die in Schritt (S13) eingebrachten Verunreinigungen zu aktivieren. Auf diese Weise werden die gewünschten Träger in den Verunreinigungsgebieten gebildet. Das SiC-Substrat 10 wird auf diese Weise durch Durchführen der Schritte (S11) bis (S14) hergestellt.
Im Nachfolgenden werden die Schritte (S20) bis (S40) mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben. Die 6 zeigt einen Graphen, der eine zeitliche Schwankung in der Heiztemperatur des SiC-Substrats 10 in den Schritten (S20) bis (S40) darstellt (Horizontalachse: Zeit, Vertikalachse: Heiztemperatur).
Zunächst wird ein Gate-Isolierfilm-Bildungsschritt als Schritt (S20) durchgeführt. In dem Schritt (S20) wird mit Bezug auf 5 und 6 der Gate-Isolierfilm 20 aus SiO₂ auf der Oberfläche 10A durch Erhitzen des SiC-Substrats 10 bei einer Temperatur T in beispielsweise einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre gebildet.
Anschließend wird ein Stickstoffglühschritt als Schritt (S30) durchgeführt. In dem Schritt (S30) wird mit Bezug auf 5 das SiC-Substrat 10 mit dem darauf ausgebildeten Gate-Isolierfilm 20 bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr (vorzugsweise gleich oder größer als 1300°C und gleich oder kleiner als 1400°C) (Temperatur T in 6) in einer Atmosphäre, die wenigstens ein Gas umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Stickstoffmonoxid (NO), Lachgas (N₂O), Stickstoff (N₂) und Ammoniak (NH₃) auswählbar ist, erhitzt. Auf diese Weise werden Stickstoffatome in einem Bereich, der die Grenzfläche 21 zwischen dem SiC-Substrat 10 und dem Gate-Isolierfilm 20 umfasst, eingebracht.
Anschließend wird ein POA-Schritt (ein Postoxidationsglühschritt) als Schritt (S40) durchgeführt. In dem Schritt (S40) wird das SiC-Substrat 10 einer Temperatur von 1100°C oder mehr (vorzugsweise gleich oder größer als 1300°C und gleich oder kleiner als 1400°C) (Temperatur T in 6) in einer Atmosphäre, die ein Inertgas wie Argon (Ar), Stickstoff (N₂) oder Helium (He) enthält, erhitzt. Auf diese Weise werden die Stickstoffatome, die der Grenzfläche 21 in dem Schritt (S30) zugeführt wurden, gleichmäßig innerhalb des Gate-Isolierfilms 20 verstreut. Während die Heiztemperatur des SiC-Substrats 10 in allen Schritten (S20) bis (S40), wie in 6 gezeigt, konstant sein kann, kann sich die Temperatur zwischen den Schritten entsprechend ändern.
Anschließend wird ein Gate-Elektroden-Bildungsschritt als Schritt (S50) durchgeführt. In dem Schritt (S50) wird mit Bezug auf 7 die Gate-Elektrode 30 aus Polysilizium beispielsweise mittels LPCVD-Verfahren (chemisches Niederdruckdampfabscheidungsverfahren) auf und in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm 20 gebildet.
Anschließend wird ein ohmscher Elektroden-Bildungsschritt als Schritt (S60) durchgeführt. In dem Schritt (S60) wird mit Bezug auf 8 zunächst der Gate-Isolierfilm 20 von einem Bereich, auf den die Source-Elektrode 40 gebildet werden soll, entfernt, um ein Gebiet zu bilden, in dem das Source-Gebiet 15 und das Kontaktgebiet 16 freigelegt sind. Anschließend wird ein Film beispielsweise aus Nickel (Ni) in diesem Gebiet gebildet. Indes wird ein Film beispielsweise aus Ni auf der Oberfläche 10B des SiC-Substrats 10 gebildet. Anschließend wird das SiC-Substrat 10 bei einer Temperatur von 900°C oder mehr erhitzt, um wenigstens einen Bereich des Films aus Ni zu silizidieren. Hierbei wird das SiC-Substrat 10 während des Erhitzens einer Atmosphäre ausgesetzt, die 10% oder weniger Stickstoff enthält. Auf diese Weise werden die Source-Elektrode 40 und die Drain-Elektrode 50 jeweils auf den Oberflächen 10A und 10B des SiC-Substrats 10 gebildet.
Die zuvor beschriebene SiC-Halbleitervorrichtung 1 (siehe 1) wird durch Durchführen der Schritte (S10) bis (S60) hergestellt, um das Verfahren zur Herstellung der SiC-Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform fertigzustellen.
In dem Verfahren zur Herstellung der SiC-Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird das SiC-Substrat 10 nach der Durchführung des Gate-Elektroden-Bildungsschritts (S50) nicht auf eine Temperatur von 900°C oder mehr (vorzugsweise gleich oder größer als 1100°C) in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, erhitzt.
Wie zuvor beschrieben, wird das SiC-Substrat 10 in Schritt (S30) des Verfahrens zur Herstellung der SiC-Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform, nach der Bildung des Gate-Isolierfilms 20 auf der Oberfläche 10A des SiC-Substrats 10 in Schritt (S20), bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr in einer Atmosphäre, die Stickstoff enthält, erhitzt. Auf diese Weise werden genügend Stickstoffatome in den Bereich, der die Grenzfläche 21 zwischen dem SiC-Substrat 10 und dem Gate-Isolierfilm 20 umfasst, eingebracht, wodurch die Kanalbeweglichkeit der SiC-Halbleitervorrichtung 1 verbessert wird. Ferner wird das SiC-Substrat 10 in dem Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen SiC-Halbleitervorrichtung, nach der Bildung der Gate-Elektrode 30 auf dem Gate-Isolierfilm in Schritt (S50), nicht auf eine Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, erhitzt. Auf diese Weise kann eine übermäßige Zufuhr von Stickstoffatomen in die Grenzfläche 22 zwischen dem Gate-Isolierfilm 20 und der Gate-Elektrode 30, die zu einer Verringerung der Schwellenspannung der SiC-Halbleitervorrichtung 1 führt, unterdrückt werden. Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann somit die SiC-Halbleitervorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform, wie zuvor beschrieben, mit einer verbesserten Kanalbeweglichkeit sowie einer hohen Schwellenspannung hergestellt werden.
Das zuvor beschriebene Verfahren zur Herstellung der Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung kann, wie zuvor beschrieben, nach dem Stickstoffglühschritt (S30) und vor dem Gate-Elektroden-Bildungsschritt (S50) den Schritt (S40) zum Erhitzen des SiC-Substrats 10 auf eine Temperatur von 1100°C oder mehr in einer inertgashaltigen Atmosphäre erhitzt werden. Während dieser Schritt (S40) kein essentieller Schritt ist, können die Stickstoffatome durch Durchführen dieses Schritts innerhalb des Gate-Isolierfilms 20 gleichmäßiger verteilt werden. Folglich kann die Schwellenspannung der SiC-Halbleitervorrichtung 1 weiter erhöht werden.
Das Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen SiC-Halbleitervorrichtung kann nach dem Gate-Elektroden-Bildungsschritt (S50) den Schritt (S60) des Bildens der Source-Elektrode 40 auf dem SiC-Substrat 10 umfassen. In dem Schritt (S60) kann das SiC-Substrat 10 auf eine Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die eine Stickstoffkonzentration von weniger als 10% umfasst, erhitzt werden. Dabei kann eine übermäßige Zufuhr von Stickstoffatomen in die Grenzfläche 22 zwischen dem Gate-Isolierfilm 20 und der Gate-Elektrode 30 während des Legierens unterdrückt werden. Folglich kann eine Verringerung in der Schwellenspannung der SiC-Halbleitervorrichtung 1 zuverlässiger unterdrückt werden.
Während die SiC-Halbleitervorrichtung 1, die ein planarer MOSFET ist, und das Verfahren zur Herstellung derselben in der zuvor beschriebenen Ausführungsform beschrieben wurden, sind diese nicht darauf beschränkt. Beispielsweise sind auch als eine weitere Ausführungsform ein Graben-MOSFET mit einer Seitenwandfläche, die aus einer (0-33-8)-Ebene gebildet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben möglich.
Beispiel
Es wurden Experimente durchgeführt, um die Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Kanalbeweglichkeit und der Schwellenspannung zu bestätigen.
(Herstellung des SiC-MOSFETs)
Zunächst wurde als Beispiel ein SiC-MOSFET mit dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Herstellung der SiC-Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform hergestellt (Nr. 1). Ferner wurde als Vergleichsbeispiel ein SiC-MOSFET hergestellt, indem die Schritte (S10) bis (S50) gleich wie im obigen Beispiel durchgeführt wurden und das SiC-Substrat bei einer Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, nach dem Schritt (S50) erhitzt wurde (Nr. 2). Ferner wurde als weiteres Vergleichsbeispiel ein SiC-MOSFET ohne die Durchführung des Stickstoffglühschritts (S30) in dem obigen Beispiel durchgeführt (Nr. 3). Ferner wurde als ein noch weiteres Vergleichsbeispiel ein SiC-MOSFET ohne die Durchführung des Stickstoffglühschritts (S30) und durch Erhitzen des SiC-Substrats auf eine Temperatur von gleich oder größer als 900°C in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, nach dem Schritt (S50) in dem obigen Beispiel hergestellt (Nr. 4).
(Messung der Stickstoffkonzentrationsverteilungen)
Es wurde eine SIMS-Messung an dem SiC-MOSFET des obigen Beispiels und der Vergleichsbeispiele durchgeführt und die in 9 gezeigten Stickstoffkonzentrationsverteilungen erhalten. In 9 stellt eine Horizontalachse einen Abstand (nm) in einer Dickenrichtung des SiC-MOSFETs und eine Vertikalachse einer Stickstoffkonzentration (cm^–3) dar. Eine Fläche, die durch ”p-Si” in 9 dargestellt ist, entspricht der Gate-Elektrode, eine Fläche, die durch ”SiO₂” dargestellt ist, entspricht dem Gate-Isolierfilm und eine Fläche, die durch ”SiC” dargestellt ist, entspricht dem SiC-Substrat. Darüber hinaus gibt (A) in 9 die Stickstoffkonzentrationsverteilungen in Nr. 1 des Beispiels und (B) die Stickstoffkonzentrationen in Nr. des Vergleichsbeispieles an. Aus diesen Stickstoffkonzentrationsverteilungen wird ein Höchstwert der Stickstoffkonzentration in jedem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem SiC-Substrat und dem Gate-Isolierfilm und der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode bestimmt.
(Messung der Kanalbeweglichkeit und der Schwellenspannung)
Es wurden die Kanalbeweglichkeit und die Schwellenspannung des SiC-MOSFETs des obigen Beispiels und der Vergleichsbeispiele gemessen. Die Ergebnisse der obigen Experimente sind in der Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

Kanalbeweglichkeit (cm²/Vs) Schwellenspannung (V)

Nr. 1 15–20 1,5

Nr. 2 15–20 1

Nr. 3 5–8 2–3

Nr. 4 5–8 1–1,8
(Ergebnisse der Experimente)
Bezug nehmend auf die 9 ist in Nr. 1 des Beispiels ((A) in 9) der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem SiC-Substrat und dem Gate-Isolierfilm gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3 (gleich oder größer als 1 × 10²⁰ cm^–3), und der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3. In Nr. 2 des Vergleichsbeispiels ((B) in 9) übersteigt andererseits der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode 1 × 10²⁰ cm^–3.
Bezug nehmend auf die Tabelle 1 betrug in Nr. 1 des Beispieles die Kanalbeweglichkeit (μ) 15 bis 20 cm²/Vs, und die Schwellenspannung in etwa 1,5 V. In Nr. 2 des Vergleichsbeispiels verringerte sich andererseits, während die Kanalbeweglichkeit 15 bis 20 cm²/Vs betrug, die Schwellenspannung auf 1,0 V. In Nr. 3 des weiteren Vergleichsbeispiels verringerte sich die Kanalbeweglichkeit auf 5 bis 8 cm²/Vs, während die Schwellenspannung 2 bis 3 V betrug. In Nr. 4 des weiteren Vergleichsbeispiels verringerte sich die Kanalbeweglichkeit auf 5 bis 8 cm²/Vs, und die Schwellenspannung betrug s 1 bis 1,8 V. Aus den Ergebnissen der Experimente zeigt sich, dass sowohl die Kanalbeweglichkeit als auch die Schwellenspannung erhöht werden konnten, indem der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem SiC-Substrat und dem Gate-Isolierfilm auf gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3 eingestellt wurde, und indem der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode gleich oder weniger als 1 × 10²⁰ cm^–3 eingestellt wurde.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen und Beispiele lediglich als Beschreibung dienen und in keinerlei Hinsicht als einschränkend zu erachten sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird vielmehr durch die Begriffe der Ansprüche als durch die obige Beschreibung definiert und soll jegliche Modifikationen, die innerhalb des Umfangs und der Bedeutung entsprechend der Begriffe der Ansprüche liegen, umfassen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung und das Verfahren zur Herstellung derselben gemäß der vorliegenden Erfindung sind besonders vorteilhaft auf eine Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung, die eine verbesserte Kanalbeweglichkeit sowie eine erhöhte Schwellenspannung aufweisen soll, und auf ein Verfahren zur Herstellung derselben anwendbar.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Siliziumkarbid-(SiC)-Halbleitervorrichtung; 10 Siliziumkarbid-(SiC)-Substrat; 10A, 10B, 11A Oberfläche; 11 Trägersubstrat; 12 Siliziumkarbid-(SiC)-Schicht; 13 Driftbereich; 14 Körpergebiet; 15 Source-Gebiet; 16 Kontaktgebiet; 20 Gate-Isolierfilm; 21, 22 Grenzfläche; 30 Gate-Elektrode; 40 Source-Elektrode; 41 Obere Source-Elektrode; 50 Drain-Elektrode.

Claims

Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung, umfassend: ein Siliziumkarbid-Substrat; einen Gate-Isolierfilm, der auf einer Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats gebildet und aus Siliziumoxid hergestellt ist; und eine Gate-Elektrode, die auf dem Gate-Isolierfilm gebildet ist, wobei ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3 ist, und wobei ein Höchstwert einer Stickstoffkonzentration in einem Bereich innerhalb von 10 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode gleich oder kleiner als 1 × 10²⁰ cm^–3 ist.
Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Bereich, in dem die Stickstoff-Konzentration gleich oder größer als 3 × 10¹⁹ cm^–3 ist, 80% oder mehr des Gate-Isolierfilms in einer Dickenrichtung einnimmt.
Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gate-Elektrode Polysilizium aufweist.
Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat und dem Gate-Isolierfilm gleich oder kleiner als 1 × 10²¹ cm^–3 ist.
Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Höchstwert der Stickstoffkonzentration in dem Bereich innerhalb von 10 nm von der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der Gate-Elektrode gleich oder kleiner als 3 × 10¹⁹ cm^–3 ist.
Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats einen Abweichungswinkel von 8° oder weniger relativ zu einer (0001)–Ebene aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Siliziumkarbid-Substrats; Bilden eines Gate-Isolationsfilms aus Siliziumoxid auf einer Oberfläche des Siliziumkarbid-Substrats; Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats mit dem darauf ausgebildeten Gate-Isolierfilm bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr in einer Stickstoffatmosphäre; und nach dem Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats, Bilden einer Gate-Elektrode auf dem Gate-Isolierfilm, wobei nach dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode kein Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats bei einer Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, das ferner den Schritt umfasst: nach dem Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats und vor dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode, Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats bei einer Temperatur von 1100°C oder mehr in einer inertgashaltigen Atmosphäre.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, das ferner den Schritt umfasst: nach dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode, Bilden einer Source-Elektrode auf dem Siliziumkarbid-Substrat, wobei in dem Schritt des Bildens einer Source-Elektrode das Siliziumkarbid-Substrat bei einer Temperatur von 900°C oder mehr in einer Atmosphäre, die weniger als 10% Stickstoff enthält, erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei nach dem Schritt des Bildens einer Gate-Elektrode, kein Erhitzen des Siliziumkarbid-Substrats bei einer Temperatur 1100°C oder mehr in einer Atmosphäre, die 10% oder mehr Stickstoff enthält, erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei in dem Schritt des Erhitzens des Siliziumkarbid-Substrats, das Siliziumkarbid-Substrat in einer Atmosphäre erhitzt wird, die wenigstens ein Gas enthält, das aus der Gruppe bestehend aus Stickstoffmonoxid, Lachgas, Stickstoff und Ammoniak auswählbar ist.