JP2005276999A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having the metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure, consisting of an epitaxial wafer having a hexagonal system semiconductor region with superior characteristics, by improving the insulation breakdown characteristic of a gate insulation film formed on the hexagonal system semiconductor region. <P>SOLUTION: The semiconductor device has the metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure, consisting of an epitaxial wafer having the hexagonal system semiconductor region with excellent properties, by improving the insulating breakdown characteristics of the gate insulating film formed on the hexagonal system semiconductor region. Further, the device has the metal-insulating film semiconductor (MIS) structure on the epitaxial wafer having the hexagonal system semiconductor region, wherein in-plane dislocation density is 1,000/cm<SP>2</SP>or lower and a density of dislocations including in-plane dislocation is 10,000/cm2 or lower, and has the hexagonal system semiconductor region, having a total number of dislocations of 10 or smaller within a region wherein the gate insulation film is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハ上に作製した半導体装置に関し、特に金属-絶縁膜-半導体(MIS)構造を有する半導体装置(電界効果型トランジスタ(MISFET))及びその製造方法に関するものであり、六方晶系半導体のなかでも典型的な半導体である炭化珪素を使用した半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device manufactured on an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region, and more particularly to a semiconductor device (field effect transistor (MISFET)) having a metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure and a manufacturing method thereof. The present invention relates to a semiconductor device using silicon carbide which is a typical semiconductor among hexagonal semiconductors.

炭化珪素は珪素と比較して、(1)バンドギャップが広い、(2)絶縁破壊強度が大きい、(3)電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、炭化珪素を基板材料として用いることにより、珪素の限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。
また、炭化珪素には、珪素と同様に、熱酸化法によって絶縁体である酸化珪素を形成できるという特徴がある。これらの理由から、炭化珪素を基板材料とした高耐圧で低いオン抵抗のMISFETが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
Silicon carbide has excellent physical properties compared to silicon, such as (1) a wide band gap, (2) a high dielectric breakdown strength, and (3) a high saturation drift velocity of electrons. Therefore, by using silicon carbide as a substrate material, a power semiconductor element having a high breakdown voltage and a low resistance exceeding the limit of silicon can be produced.
In addition, silicon carbide is characterized in that silicon oxide, which is an insulator, can be formed by thermal oxidation as in the case of silicon. For these reasons, it is considered that a high withstand voltage and low on-resistance MISFET using silicon carbide as a substrate material can be realized, and many researches and developments have been conducted.

しかし、炭化珪素を基板材料としたMISFETの実現化には、ゲート絶縁膜として用いられる酸化珪素の優れた長期信頼性が保障されなければならない。
酸化珪素膜の長期信頼性の指標として、絶縁破壊電荷総量(QBD)が広く利用されている。この値は、酸化珪素膜が絶縁破壊に至るまでに酸化珪素膜中を流れた電荷の総量を示すものである。
ところが、炭化珪素基板上に熱酸化法により形成された酸化珪素膜の5割が絶縁破壊するときのQBDは、室温において数〜数十mC/cm2であり、この値は珪素基板上に熱酸化法により形成された酸化珪素膜に比べて、1/10〜1/100小さいという報告がなされており(例えば、非特許文献1参照)、大きな問題を有している。
C.J. Anthony 外著 [Materials Science and Engineering B61-62, 460 (1999)]
However, to realize a MISFET using silicon carbide as a substrate material, excellent long-term reliability of silicon oxide used as a gate insulating film must be ensured.
The dielectric breakdown charge total amount (Q BD ) is widely used as an index of long-term reliability of silicon oxide films. This value indicates the total amount of electric charge that has flowed through the silicon oxide film until the silicon oxide film reaches dielectric breakdown.
However, Q BD when 50% of the formed by thermal oxidation of silicon carbide on a substrate a silicon oxide film dielectric breakdown is several to several tens mC / cm 2 at room temperature, this value is on the silicon substrate It has been reported that it is 1/10 to 1/100 smaller than a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method (see, for example, Non-Patent Document 1), which has a serious problem.
CJ Anthony [Materials Science and Engineering B61-62, 460 (1999)]

本発明は、従来の問題に鑑み、六方晶系半導体領域上に形成されたゲート絶縁膜の絶縁破壊特性を改善し、優れた特性を持つ六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハからなる金属-絶縁膜-半導体(MIS)構造を有する半導体装置を得ることを課題とする。   In view of the conventional problems, the present invention improves the dielectric breakdown characteristics of a gate insulating film formed on a hexagonal semiconductor region, and comprises a metal-insulation comprising an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region having excellent characteristics. An object is to obtain a semiconductor device having a film-semiconductor (MIS) structure.

本発明は、ウエハに含まれる転位密度の低い六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハ上に、ゲート絶縁膜を形成することによって、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧及び長期信頼性の向上に効果があるとの知見を得た。
本発明は、この知見に基づいてなされたものであって、本発明による半導体装置は、面内転位密度が1000個/cm2以下である六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハであることを特徴とする。
また、本発明による半導体装置は、上記の面内転位を含む転位密度が10000個/cm2以下である六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハであることを特徴とする。
The present invention is effective in improving the withstand voltage and long-term reliability of the gate insulating film by forming the gate insulating film on the epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region having a low dislocation density contained in the wafer. I got the knowledge.
The present invention has been made based on this finding, and the semiconductor device according to the present invention is an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region having an in-plane dislocation density of 1000 / cm 2 or less. And
The semiconductor device according to the present invention is an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region having a dislocation density including in-plane dislocations of 10,000 or less per cm 2 .

また、金属−絶縁膜−半導体(MIS)構造を有し、ゲート絶縁膜が形成された領域内の転位の総数が10個以下である六方晶系半導体領域であるエピタキシャルウエハであることを特徴とする。
そして、上記の転位が螺旋転位,刃状転位,面内転位のいずれか1又は2以上であることを特徴とする。
The epitaxial wafer is a hexagonal semiconductor region having a metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure and having a total number of dislocations of 10 or less in a region where a gate insulating film is formed. To do.
The dislocation is one or more of a screw dislocation, an edge dislocation, and an in-plane dislocation.

また、上記のゲート絶縁膜は、酸化珪素,窒化珪素,酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムであることを特徴とする。
半導体装置におけるMIS構造は、ゲート絶縁膜が六方晶系半導体領域と接する部分で形成されているか、又は前記ゲート絶縁膜上に酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸窒化珪素膜のいずれか1つ又は2以上を有する複合膜であることを特徴とする。
The gate insulating film is made of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, zirconium oxide, or hafnium oxide.
In the MIS structure in the semiconductor device, the gate insulating film is formed in a portion in contact with the hexagonal semiconductor region, or one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film is formed on the gate insulating film, or It is a composite film having two or more.

また、本発明の半導体装置は、DMOSFET,Lateral Resurf MOSFET又はUMOSFETを有している。
上記の半導体装置に使用される六方晶系半導体は、炭化珪素であるか又は窒化ガリウムであることを特徴とする。
また、上記六方晶系半導体の面方位が、下記[数3]であり、またオフ角度が0°〜8°であることを特徴とする。
The semiconductor device of the present invention includes a DMOSFET, a lateral resurf MOSFET, or a UMOSFET.
The hexagonal semiconductor used in the semiconductor device is silicon carbide or gallium nitride.
Further, the plane orientation of the hexagonal semiconductor is the following [Formula 3], and the off-angle is 0 ° to 8 °.

半導体装置のMIS構造は、通常半導体基板上にエピタキシャル成長される半導体層上に形成される。本発明による半導体装置の製造方法は、最上層にエピタキシャル成長された六方晶系半導体層を有するエピタキシャルウエハを用いる半導体装置の製造方法であって、エピタキシャル成長時に面内転位密度が1000個/cm2以下であるように六方晶系半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。 The MIS structure of a semiconductor device is usually formed on a semiconductor layer that is epitaxially grown on a semiconductor substrate. A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device using an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor layer epitaxially grown on the uppermost layer, and the in-plane dislocation density is 1000 pieces / cm 2 or less during epitaxial growth. As described above, the hexagonal semiconductor layer is epitaxially grown.

また、本発明による半導体装置の製造方法は、上記の面内転位を含む転位密度が10000個/cm2以下であるように六方晶系半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
また、本発明による半導体装置の製造方法は、金属−絶縁膜−半導体(MIS)構造のゲート絶縁膜を六方晶系半導体領域上に形成する半導体装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜が形成された領域内に、上記の転位の総数が10個以下であることを特徴とする。
そして、上記の転位が螺旋転位,刃状転位,面内転位のいずれか1又は2以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
The semiconductor device manufacturing method according to the present invention is characterized in that the hexagonal semiconductor layer is epitaxially grown so that the dislocation density including the in-plane dislocations is 10,000 / cm 2 or less.
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which a gate insulating film having a metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure is formed on a hexagonal semiconductor region, and the gate insulating film is formed. The total number of the dislocations is 10 or less in the region formed.
In the semiconductor device manufacturing method, the dislocation is one or more of a screw dislocation, an edge dislocation, and an in-plane dislocation.

上記のゲート絶縁膜は、酸化珪素,窒化珪素,酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムであることを特徴とする。
また、半導体装置の製造方法におけるMIS構造は、ゲート絶縁膜が六方晶系半導体領域と接する部分で形成されているか又は前記ゲート絶縁膜上に酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸窒化珪素膜のいずれか1又は2以上を有する複合膜であることを特徴とする。
The gate insulating film is made of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, zirconium oxide, or hafnium oxide.
In the MIS structure in the method for manufacturing a semiconductor device, the gate insulating film is formed at a portion in contact with the hexagonal semiconductor region, or any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film is formed on the gate insulating film. It is characterized by being a composite film having 1 or 2 or more.

上記の半導体装置の製造方法に使用される六方晶系半導体は、炭化珪素であるか、又は窒化ガリウムであることを特徴とする。
また、上記六法晶系半導体の面方位が、下記[数4]であり、また、オフ角度が0°から8°であることを特徴とする。
The hexagonal semiconductor used in the method for manufacturing a semiconductor device is silicon carbide or gallium nitride.
Further, the hexagonal semiconductor has a plane orientation represented by the following [Equation 4] and an off angle of 0 ° to 8 °.

本発明は、六方晶系半導体領域上に形成されたゲート絶縁膜の絶縁破壊特性を改善し、長期信頼性を有するエピタキシャルウエハからなる金属-絶縁膜-半導体(MIS)構造を有する半導体装置を得ることが可能となるという優れた効果を有する。   The present invention improves the dielectric breakdown characteristics of a gate insulating film formed on a hexagonal semiconductor region, and obtains a semiconductor device having a metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure made of an epitaxial wafer having long-term reliability. It has the excellent effect that it becomes possible.

金属−絶縁膜−半導体(MIS)構造を有する半導体装置は、上記の通り、エピタキシャルウエハ内に含まれる転位の密度が低い六方晶系半導体領域上に、ゲート絶縁膜を形成することによって、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧及び長期信頼性を著しく向上させるものであり、これが本発明の大きな特徴である。   As described above, a semiconductor device having a metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure has a gate insulating film formed on a hexagonal semiconductor region having a low dislocation density contained in an epitaxial wafer. This significantly improves the dielectric strength and long-term reliability of the film, which is a major feature of the present invention.

転位としては、螺旋転位,刃状転位,面内転位が挙げられ、これらは六方晶系半導体のバルク及びエピタキシャル膜の成長中に発生し、これら3種類の転位密度の総数が10000個/cm2、又は面内転位の密度が1000個/cm2を超えて生成されると、そのエピタキシャルウエハ上に形成したゲート絶縁膜の絶縁耐圧及び長期信頼性を損ねる大きな原因となっていることが分った。
すなわち、上記のような転位、特に面内転位が六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハに生成されていると、その転位上に形成されたゲート絶縁膜/六方晶系半導体界面にマイクロラフネスが生じ、その部分(ウィークスポット)でゲート絶縁膜の内部電界の変化が局所的に速められ、絶縁破壊寿命の低下を生じさせることが原因である。
Dislocations include screw dislocations, edge dislocations, and in-plane dislocations, which occur during the growth of bulk and epitaxial films of hexagonal semiconductors, and the total number of these three types of dislocation densities is 10,000 / cm 2. If the density of in-plane dislocations exceeds 1000 / cm 2 , it can be seen that this is a major cause of damage to the dielectric strength and long-term reliability of the gate insulating film formed on the epitaxial wafer. It was.
That is, when the above-mentioned dislocations, particularly in-plane dislocations, are generated in an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region, microroughness occurs at the gate insulating film / hexagonal semiconductor interface formed on the dislocations. This is because the change of the internal electric field of the gate insulating film is locally accelerated at the portion (weak spot), and the dielectric breakdown lifetime is reduced.

このことから、転位、特に面内転位の低減が極めて重要である。このような知見は、本発明者らによって初めて認識されたものである。また、金属−絶縁膜−半導体(MIS)構造を有する六方晶系半導体領域において、ゲート絶縁膜が形成された領域内に、転位の総数が10個以下であることが望ましい。
本発明は、このような転位、特に面内転位の数が少ない六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハを出発材料として、六方晶系半導体領域と接する部分にゲート絶縁膜を形成し、半導体装置を構成する。
For this reason, it is extremely important to reduce dislocations, particularly in-plane dislocations. Such knowledge was first recognized by the present inventors. Further, in the hexagonal semiconductor region having a metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure, the total number of dislocations is preferably 10 or less in the region where the gate insulating film is formed.
The present invention uses an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region with a small number of dislocations, particularly in-plane dislocations, as a starting material, and forms a gate insulating film in a portion in contact with the hexagonal semiconductor region, thereby providing a semiconductor device. Constitute.

また、このゲート絶縁膜上に、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸窒化珪素膜のいずれか1又はこれらの2以上の膜を形成することもできる。これらの単層又は複数層の膜は化学気相法、及び/又は、化学気相法による窒化珪素膜の熱酸化により得ることができる。
本発明によれば、特性に優れた六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハが使用できると共に、高絶縁耐圧及び長期信頼性を有するゲート絶縁膜を有する半導体装置を製造することが可能となる。
これらのMIS構造を有する半導体装置は、DMOSFET,Lateral Resurf MOSFET,UMOSFETの半導体装置として使用できる。
In addition, any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film, or two or more of these films can be formed over the gate insulating film. These single-layer or multi-layer films can be obtained by chemical vapor deposition and / or thermal oxidation of a silicon nitride film by chemical vapor deposition.
According to the present invention, an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region having excellent characteristics can be used, and a semiconductor device having a gate insulating film having high withstand voltage and long-term reliability can be manufactured.
These semiconductor devices having the MIS structure can be used as DMOSFET, Lateral Resurf MOSFET, and UMOSFET semiconductor devices.

以下に、この発明の実施例を、図等を使用して説明する。
まず、基板として、(0001)Si面から8°オフした表面を持つバルク基板上に4H-SiCをホモエピタキシャル成長させた炭化珪素基板を使用した。
図1に示すように、炭化珪素基板1に厚い絶縁膜2を形成しこれに窓開けし、通常のRCA洗浄をした後、犠牲酸化膜を形成しフッ酸で除去した。次いで、1000°C以上の大気圧の酸素雰囲気中で、50nm厚の酸化珪素膜3を炭化珪素基板上に形成した。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, a silicon carbide substrate in which 4H—SiC was homoepitaxially grown on a bulk substrate having a surface off by 8 ° from the (0001) Si plane was used as the substrate.
As shown in FIG. 1, a thick insulating film 2 was formed on a silicon carbide substrate 1, a window was opened in this, and after normal RCA cleaning, a sacrificial oxide film was formed and removed with hydrofluoric acid. Next, a silicon oxide film 3 having a thickness of 50 nm was formed on the silicon carbide substrate in an oxygen atmosphere at an atmospheric pressure of 1000 ° C. or higher.

その後、試料を流量1リットル/分の窒素ガス中で、1000°C以上の温度で熱処理した。最終的にAlを用い、酸化珪素膜3上にAl電極4及び基板とオーミックコンタクトするオーミック電極5を形成してMOSキャパシタを作製した。
このサンプルを、TDDB測定装置6に接続し、真空引きされた金属製測定チャンバーで、光を遮断した状態で経時絶縁膜破壊(TDDB)測定を行った。
Thereafter, the sample was heat-treated at a temperature of 1000 ° C. or higher in nitrogen gas at a flow rate of 1 liter / min. Finally, Al was used to form an Al electrode 4 and an ohmic electrode 5 in ohmic contact with the substrate on the silicon oxide film 3 to produce a MOS capacitor.
This sample was connected to the TDDB measuring device 6 and the insulation film breakdown (TDDB) measurement was performed in a vacuumed metal measuring chamber with light blocked.

TDDB測定は、第1図に示すようにMOSキャパシタのAl電極4−オーミック電極5間に電界を印加し、ゲート絶縁膜(酸化珪素膜3)が破壊に至るまでに絶縁膜中を流れるリーク電流を観測した。また、QBDは、絶縁破壊に至るまでのリーク電流を積算して導出した。
TDDB測定によりゲート絶縁膜3を完全に絶縁破壊させた後、サンプルは燐酸によりAl電極4及びオーミック電極5を除去し、その後フッ酸によりゲート絶縁膜3及び厚い絶縁膜4を除去し、最終エッチング工程として、加熱された溶融KOHエッチング溶液中に浸すことにより炭化珪素表面層をエッチングし、転位が形成されている面を表出させた。
In the TDDB measurement, as shown in FIG. 1, an electric field is applied between the Al electrode 4 and the ohmic electrode 5 of the MOS capacitor, and the leakage current flowing in the insulating film until the gate insulating film (silicon oxide film 3) is destroyed. Was observed. Q BD was derived by integrating the leakage current up to dielectric breakdown.
After complete breakdown of the gate insulating film 3 by TDDB measurement, the sample removes the Al electrode 4 and the ohmic electrode 5 with phosphoric acid, and then removes the gate insulating film 3 and the thick insulating film 4 with hydrofluoric acid. As a process, the silicon carbide surface layer was etched by dipping in a heated molten KOH etching solution to expose the surface on which dislocations were formed.

溶融KOHエッチング後のサンプルを、光学顕微鏡を用いて炭化珪素表面層に形成された転位を観察した結果、転位はその形状ならびに大きさから3種類に分けられた。それらは、螺旋転位,刃状転位,面内転位である。
図2に、TDDB測定(ストレス電界E=9 MV/cm)から得られたQBD値と1つのゲート絶縁膜領域内に生じている転位数の相関図を示す。
As a result of observing dislocations formed on the silicon carbide surface layer using an optical microscope, the samples after the molten KOH etching were classified into three types based on their shapes and sizes. They are screw dislocations, edge dislocations, and in-plane dislocations.
FIG. 2 shows a correlation diagram between the Q BD value obtained from TDDB measurement (stress electric field E = 9 MV / cm) and the number of dislocations generated in one gate insulating film region.

この図より、MOSキャパシタのQBD値は、ゲート絶縁膜領域内に生じている転位の数と相関関係があることが示されており、転位数が増大するとMOSキャパシタのQBD値は減少する。これは、ゲート絶縁膜領域内の転位数が大きくなるほどゲート絶縁膜の絶縁破壊を引き起こすウィークスポットの生成確率が高くなるため、ゲート絶縁膜の信頼性が低くなる。 This figure shows that the Q BD value of the MOS capacitor correlates with the number of dislocations occurring in the gate insulating film region, and the Q BD value of the MOS capacitor decreases as the number of dislocations increases. . This is because, as the number of dislocations in the gate insulating film region increases, the probability of generating a weak spot that causes dielectric breakdown of the gate insulating film increases, and therefore the reliability of the gate insulating film decreases.

図3に、典型的な面内転位によりゲート絶縁膜の絶縁破壊を生じたMOSキャパシタの光学顕微鏡観察像を示す。
この図において、ゲート絶縁膜形成領域内7に、面内転位9の個数以上に螺旋転位10や刃状転位11が多数存在するにも関わらず、面内転位9の部分で選択的にゲート絶縁膜の絶縁破壊8が生じていることが確認された。
一方、螺旋転位10あるいは刃状転位11により絶縁破壊したMOSキャパシタのほとんどでは、ゲート絶縁膜形成領域には面内転位9が存在しないことが確認された。
FIG. 3 shows an optical microscope observation image of the MOS capacitor in which the dielectric breakdown of the gate insulating film is caused by typical in-plane dislocation.
In this figure, gate insulation is selectively gate-insulated in the in-plane dislocations 9 despite the presence of many screw dislocations 10 and edge dislocations 11 in the gate insulating film formation region 7 in excess of the number of in-plane dislocations 9. It was confirmed that dielectric breakdown 8 occurred in the film.
On the other hand, it was confirmed that in most MOS capacitors having dielectric breakdown due to the screw dislocations 10 or the edge dislocations 11, the in-plane dislocations 9 do not exist in the gate insulating film formation region.

TDDB測定に用いられた全てのMOSキャパシタに対して、光学顕微鏡観察によりゲート絶縁膜の絶縁破壊を引き起こした転位の種類を同定した結果を、図4において、面内転位で絶縁破壊したMOSキャパシタ12と、螺旋転位又は刃状転位で絶縁破壊したMOSキャパシタ13の円グラフで示す。
図4に示すように、7割以上のMOSキャパシタが面内転位によりゲート絶縁膜の絶縁破壊が引き起こされていることが分る。
For all the MOS capacitors used for the TDDB measurement, the result of identifying the type of dislocation that caused the dielectric breakdown of the gate insulating film by optical microscope observation is shown in FIG. And a pie chart of the MOS capacitor 13 with dielectric breakdown caused by screw dislocations or edge dislocations.
As shown in FIG. 4, it can be seen that the dielectric breakdown of the gate insulating film is caused by in-plane dislocations in 70% or more of MOS capacitors.

以上のことから、炭化珪素基板上に熱酸化法により形成されたゲート絶縁膜の絶縁破壊を引き起こす第一位の要因として面内転位がゲート絶縁膜形成領域に取り込まれることが挙げられる。また、第二位の要因としてゲート絶縁膜形成領域内に含まれる転位の総数が重要である。 From the above, the first factor causing the dielectric breakdown of the gate insulating film formed on the silicon carbide substrate by the thermal oxidation method is that in-plane dislocations are taken into the gate insulating film forming region. Further, the total number of dislocations included in the gate insulating film formation region is important as a second factor.

一般的に、高信頼性特性を有する珪素半導体上に形成された酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜のQBD値は、最低でも1C/cm2はなければならないことがわかっている。そのため、炭化珪素半導体上に形成されたゲート絶縁膜においても1C/cm2以上のQBD値である必要がある。
本実施例において、1C/cm2以上のQBD値を保障するためには、図2から、ゲート絶縁膜が形成される領域に含まれる転位の数は10個以下でなければならないことが理解できる。そして、この条件を達成するための炭化珪素エピタキシャルウエハ上の転位密度を、測定に用いたサンプル上に形成されたMOSキャパシタのゲート絶縁膜形成領域の面積を用いて算出した結果、10000個/cm2以下でなければならないことがわかった。
In general, it is known that the QBD value of a gate insulating film made of a silicon oxide film formed on a silicon semiconductor having high reliability characteristics must be at least 1 C / cm 2 . Therefore, the gate insulating film formed on the silicon carbide semiconductor also needs to have a QBD value of 1 C / cm 2 or more.
In this embodiment, in order to guarantee a QBD value of 1 C / cm 2 or more, it is understood from FIG. 2 that the number of dislocations included in the region where the gate insulating film is formed must be 10 or less. it can. As a result of calculating the dislocation density on the silicon carbide epitaxial wafer to achieve this condition using the area of the gate insulating film formation region of the MOS capacitor formed on the sample used for the measurement, 10000 / cm It turns out that it must be 2 or less.

また、炭化珪素エピタキシャルウエハ上の面内転位に関して、本実施例において、高いゲート絶縁膜の信頼性を達成するためには、面内転位をゲート絶縁膜形成領域内に取り込まないようにゲート絶縁膜を形成する必要がある。
これを実現するための面内転位密度を、上述の転位密度の算出と同様な解析を行った結果、炭化珪素エピタキシャルウエハ上の面内転位密度は1000個/cm2以下でなければならないことを見出した。
In addition, regarding the in-plane dislocations on the silicon carbide epitaxial wafer, in this embodiment, in order to achieve high gate insulating film reliability, the gate insulating film should not be taken into the gate insulating film formation region. Need to form.
As a result of analyzing the in-plane dislocation density for realizing this in the same manner as the calculation of the dislocation density described above, the in-plane dislocation density on the silicon carbide epitaxial wafer should be 1000 pieces / cm 2 or less. I found it.

また、本実施例においては、炭化珪素基板上に熱酸化により酸化珪素膜を形成した場合について説明したが、その他の六方晶系半導体領域と接する部分にゲート絶縁膜を形成し、さらにその上に酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸窒化珪素膜のなかのいずれか又は複数膜を形成した場合も、上記例と同様な傾向が認められた。 In this embodiment, the case where a silicon oxide film is formed on a silicon carbide substrate by thermal oxidation has been described. However, a gate insulating film is formed on a portion in contact with another hexagonal semiconductor region, and further on that. The same tendency as in the above example was also observed when any one or a plurality of silicon oxide films, silicon nitride films, silicon oxynitride films were formed.

六方晶系半導体領域上に形成されたゲート絶縁膜の絶縁破壊特性を改善し、長期信頼性を向上させた六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハからなる金属-絶縁膜-半導体(MIS)構造を有する半導体装置として有用である。 A metal-insulator-semiconductor (MIS) structure consisting of an epitaxial wafer with a hexagonal semiconductor region that improves the breakdown characteristics of the gate insulating film formed on the hexagonal semiconductor region and improves long-term reliability. This is useful as a semiconductor device.

TDDB測定に使用したMOSキャパシタの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the MOS capacitor used for TDDB measurement. TDDB測定(ストレス電界E=9 MV/cm)から得られたQBD値と1つのゲート絶縁膜領域内に生じている転位数の相関図である。FIG. 5 is a correlation diagram between a Q BD value obtained from TDDB measurement (stress electric field E = 9 MV / cm) and the number of dislocations generated in one gate insulating film region. 典型的な面内転位によりゲート絶縁膜の絶縁破壊を生じたMOSキャパシタの光学顕微鏡観察像を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope observation image of the MOS capacitor which produced the dielectric breakdown of the gate insulating film by typical in-plane dislocation. 面内転位で絶縁破壊したMOSキャパシタと、螺旋転位又は刃状転位で絶縁破壊したMOSキャパシタとの割合を示す図である。It is a figure which shows the ratio of the MOS capacitor which carried out the dielectric breakdown by the in-plane dislocation, and the MOS capacitor which carried out the dielectric breakdown by the screw dislocation or the edge dislocation.

符号の説明Explanation of symbols

1 炭化珪素基板
2 絶縁膜
3 酸化珪素膜
4 Al電極
5 オーミック電極
6 TDDB測定装置
7 ゲート絶縁膜形成領域内
8 絶縁破壊
9 面内転位
10 螺旋転位
11 刃状転位
12 面内転位で絶縁破壊したMOSキャパシタ
13 螺旋転位又は刃状転位で絶縁破壊したMOSキャパシタ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon carbide substrate 2 Insulating film 3 Silicon oxide film 4 Al electrode 5 Ohmic electrode 6 TDDB measuring device 7 In the gate insulating film formation area 8 Insulation breakdown 9 In-plane dislocation 10 Spiral dislocation 11 Edge dislocation 12 Insulated breakdown by in-plane dislocation MOS capacitor 13 MOS capacitor with dielectric breakdown caused by screw dislocation or edge dislocation

Claims (17)

面内転位密度が1000個/cm2以下である六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハであることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region having an in-plane dislocation density of 1000 / cm 2 or less. 請求項1に記載された半導体装置において、転位密度が10000個/cm2以下である六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハであることを特徴とする半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region having a dislocation density of 10,000 / cm 2 or less. 請求項1又は2のいずれかに記載された半導体装置において、金属−絶縁膜−半導体(MIS)構造を有し、ゲート絶縁膜が形成された領域内に、転位の総数が10個以下である六方晶系半導体領域を有するエピタキシャルウエハであることを特徴とする半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a metal-insulating film-semiconductor (MIS) structure, and a total number of dislocations is 10 or less in a region where a gate insulating film is formed. A semiconductor device comprising an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor region. 請求項1〜3のいずれかに記載された半導体装置において、前記転位が螺旋転位,刃状転位,面内転位のいずれか1又は2以上であることを特徴とする半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the dislocation is any one or more of a screw dislocation, an edge dislocation, and an in-plane dislocation. 5. 請求項3又は4に記載された半導体装置において、前記ゲート絶縁膜が、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムであることを特徴とする半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 3, wherein the gate insulating film is silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, zirconium oxide, or hafnium oxide. 請求項3〜5のいずれかに記載された半導体装置において、ゲート絶縁膜が六方晶系半導体領域と接する部分で形成されているか、又は前記ゲート絶縁膜上に酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸窒化珪素膜のいずれか1又は2以上を有する複合膜であることを特徴とする半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 3, wherein the gate insulating film is formed at a portion in contact with the hexagonal semiconductor region, or a silicon oxide film, a silicon nitride film, an acid is formed on the gate insulating film. A semiconductor device comprising a composite film having one or more of silicon nitride films. 請求項6に記載された半導体装置において、DMOSFET,Lateral Resurf MOSFET又はUMOSFETであることを特徴とする半導体装置。 7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the semiconductor device is a DMOSFET, a Lateral Resurf MOSFET, or a UMOSFET. 請求項1〜7のいずれかに記載された半導体装置において、前記六方晶系半導体が、炭化珪素、窒化ガリウムであることを特徴とする半導体装置。 8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the hexagonal semiconductor is silicon carbide or gallium nitride. 請求項1〜8のいずれかに記載された半導体装置において、前記六方晶系半導体の面方位が下記[数1]であり、かつオフ角度が0°〜8°であることを特徴とする半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the hexagonal semiconductor has a plane orientation of the following [Equation 1] and an off angle of 0 ° to 8 °. apparatus.
最上層にエピタキシャル成長された六方晶系半導体層を有するエピタキシャルウエハを用いる半導体装置の製造方法であって、エピタキシャル成長時に面内転位密度が1000個/cm2以下であるように六方晶系半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device using an epitaxial wafer having a hexagonal semiconductor layer epitaxially grown on the top layer, wherein the hexagonal semiconductor layer is epitaxially grown so that the in-plane dislocation density is 1000 pieces / cm 2 or less during epitaxial growth. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: 請求項10に記載された半導体装置の製造方法において、エピタキシャル成長時に転位密度が10000個/cm2以下であるように六方晶系半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the hexagonal semiconductor layer is epitaxially grown so that a dislocation density is 10,000 / cm 2 or less during epitaxial growth. 請求項10又は11に記載された半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁膜が形成された領域内の転位の総数が10個以下になるように、六方晶系半導体領域状にゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the gate insulating film is formed in a hexagonal semiconductor region so that the total number of dislocations in the region where the gate insulating film is formed is 10 or less. A method of manufacturing a semiconductor device. 請求項10〜12のいずれかに記載された半導体装置の製造方法において、前記転位が螺旋転位,刃状転位,面内転位のいずれか1又は2以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 13. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the dislocation is one or more of a screw dislocation, an edge dislocation, and an in-plane dislocation. Method. 請求項12又は13に記載された半導体装置の製造方法において、前記ゲート絶縁膜が、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the gate insulating film is silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum nitride, zirconium oxide, or hafnium oxide. Production method. 請求項12〜14のいずれかに記載された半導体装置の製造方法において、前記ゲート絶縁膜を形成した後、化学気相法による酸化珪素膜、化学気相法による窒化珪素膜、又は化学気相法による窒化珪素膜を熱酸化してなる酸窒化珪素膜の中のいずれか1つ又は複数を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein after the gate insulating film is formed, a silicon oxide film by a chemical vapor deposition method, a silicon nitride film by a chemical vapor deposition method, or a chemical vapor deposition method is formed. One or more silicon oxynitride films formed by thermally oxidizing a silicon nitride film by a method are formed. 請求項10項〜15のいずれかに記載された半導体装置の製造方法において、前記六方晶系半導体が、炭化珪素、窒化ガリウムであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 16. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the hexagonal semiconductor is silicon carbide or gallium nitride. 請求項10〜16のいずれかに記載された半導体装置の製造方法において、前記六方晶系半導体の面方位が、下記数[2]であり、また、オフ角度が0°〜8°であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein a plane orientation of the hexagonal semiconductor is the following number [2], and an off angle is 0 ° to 8 °. A method of manufacturing a semiconductor device.
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