JP2011165941A - Semiconductor device and method of fabricating the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device using SiC and having a low on-resistance and excellent reliability, and a method of fabricating the same. <P>SOLUTION: The semiconductor device is characterized by comprising a silicon carbide layer, a gate insulating film formed on the silicon carbide layer with silicon, oxygen, and nitrogen as principal components and the minimum concentration of nitrogen of ≥1×10<SP>20</SP>atoms/cm<SP>3</SP>, and a gate electrode formed on the gate insulating film. The method of fabricating the semiconductor device is characterized by comprising a step of forming an oxide film or oxynitride film on the surface (000-1) or (11-20) of the silicon carbide layer, a step of forming the gate insulating film by heat treatment in an atmosphere containing ammonia gas after the oxide film or oxynitride film has been formed, and a step of forming the gate electrode on the gate insulating film. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭化珪素(SiC)を用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using silicon carbide (SiC).

次世代のパワー半導体デバイス材料として炭化珪素(以下、SiCとも記述する)が期待されている。SiCはSiと比較して、バンドギャップが3倍、破壊電界強度が約10倍、及び熱伝導率が約3倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば超低損失かつ高温動作可能なパワー半導体デバイスを実現することができる。   Silicon carbide (hereinafter also referred to as SiC) is expected as a next-generation power semiconductor device material. Compared with Si, SiC has excellent physical properties such as a band gap of 3 times, a breakdown electric field strength of about 10 times, and a thermal conductivity of about 3 times. By utilizing this characteristic, it is possible to realize a power semiconductor device capable of operating at a low temperature and operating at a high temperature.

このような、SiCの特性を利用した高耐圧半導体デバイスとして例えば、縦型のMISFETやIGBTがあげられる。MISFETやIGBTでは、デバイスの高性能化のために、チャネルの移動度を上げ低オン抵抗を実現することが要求される。   Examples of such a high breakdown voltage semiconductor device utilizing the characteristics of SiC include a vertical MISFET and an IGBT. MISFETs and IGBTs are required to increase channel mobility and achieve low on-resistance for higher device performance.

もっとも、SiC上に形成されるゲート絶縁膜とSiCとの界面、特に熱酸化膜との界面には界面準位が形成されやすい。このため、チャネルの移動度が低下するという問題がある。   However, interface states are likely to be formed at the interface between the gate insulating film and SiC formed on SiC, particularly at the interface with the thermal oxide film. For this reason, there exists a problem that the mobility of a channel falls.

特許文献1には、SiCとゲート絶縁膜の界面近傍に窒素濃度のピークを有する半導体装置が記載されている。   Patent Document 1 describes a semiconductor device having a nitrogen concentration peak near the interface between SiC and a gate insulating film.

特開2006−210818号公報JP 2006-210818 A

デバイスの高性能化のためには、さらなるチャネルの移動度の向上が必要とされる。それとともに、ゲート絶縁膜の信頼性の向上も要求される。   In order to improve the performance of the device, it is necessary to further improve the mobility of the channel. At the same time, improvement in the reliability of the gate insulating film is also required.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、SiCを用いた、低オン抵抗、かつ信頼性にも優れた半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device using SiC and having a low on-resistance and excellent reliability and a method for manufacturing the semiconductor device. There is.

本発明の第1の態様の半導体装置は、炭化珪素層と、前記炭化珪素層上に形成され、珪素、酸素、窒素を主成分とし、窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極を有することを特徴とする。 A semiconductor device according to a first aspect of the present invention is formed on a silicon carbide layer and the silicon carbide layer, and contains silicon, oxygen, and nitrogen as main components, and the minimum concentration of nitrogen is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. And a gate electrode formed on the gate insulating film.

上記態様の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜が、前記炭化珪素層の(000−1)面または(0001)面上に形成されることが望ましい。   In the semiconductor device of the above aspect, it is preferable that the gate insulating film is formed on a (000-1) plane or a (0001) plane of the silicon carbide layer.

上記態様の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜が前記炭化珪素層に形成される溝側面の(11−20)面上に形成されることが望ましい。   In the semiconductor device of the above aspect, it is preferable that the gate insulating film is formed on a (11-20) surface of a side surface of the groove formed in the silicon carbide layer.

上記態様の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜がMISFETまたはIGBTのゲート絶縁膜であることが望ましい。   In the semiconductor device of the above aspect, it is desirable that the gate insulating film is a gate insulating film of MISFET or IGBT.

上記態様の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜の膜厚が30nm以上100nm以下であることが望ましい。   In the semiconductor device according to the above aspect, the gate insulating film preferably has a thickness of 30 nm to 100 nm.

本発明の第2の態様の半導体装置の製造方法は、炭化珪素層の(000−1)面または(11−20)面上に酸化物膜または酸窒化物膜を形成する工程と、前記酸化物膜または前記酸窒化物膜の形成後に、アンモニアガスを含む雰囲気中で熱処理しゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程を有することを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to a second aspect of the present invention includes a step of forming an oxide film or an oxynitride film on a (000-1) plane or a (11-20) plane of a silicon carbide layer, and the oxidation After the formation of the material film or the oxynitride film, the method includes a step of heat-treating in an atmosphere containing ammonia gas to form a gate insulating film, and a step of forming a gate electrode on the gate insulating film.

上記第2の態様の半導体装置の製造方法において、前記酸化物膜の形成は、ドライ酸化と前記ドライ酸化後のウェット酸化によることが望ましい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the second aspect, it is preferable that the oxide film is formed by dry oxidation and wet oxidation after the dry oxidation.

上記第2の態様の半導体装置の製造方法において、前記酸窒化物膜の形成は、ドライ酸化と前記ドライ酸化後の窒素酸化物ガスによる酸窒化によることが望ましい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the second aspect, it is preferable that the oxynitride film is formed by dry oxidation and oxynitridation with a nitrogen oxide gas after the dry oxidation.

本発明の第3の態様の半導体装置の製造方法は、炭化珪素層の(0001)面上に、ドライ酸化と前記ドライ酸化後の窒素酸化物ガスによる酸窒化により酸窒化物膜を形成する工程と、前記酸窒化物膜の形成後に、アンモニアガスを含む雰囲気中で熱処理しゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程を有することを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to a third aspect of the present invention includes a step of forming an oxynitride film on a (0001) surface of a silicon carbide layer by dry oxidation and oxynitridation with a nitrogen oxide gas after the dry oxidation. And a step of forming a gate insulating film by heat treatment in an atmosphere containing ammonia gas after forming the oxynitride film, and a step of forming a gate electrode on the gate insulating film.

上記第2または第3の態様の半導体装置の製造方法において、前記熱処理が800℃以上1350℃以下の温度で行われることが望ましい。   In the semiconductor device manufacturing method of the second or third aspect, it is preferable that the heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower.

本発明によれば、SiCを用いた、低オン抵抗、かつ信頼性にも優れた半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device using SiC and having a low on-resistance and excellent reliability and a method for manufacturing the semiconductor device.

第1の実施の形態の半導体装置であるMISFETの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of MISFET which is the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の半導体装置のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the nitrogen concentration of the gate insulating film of the semiconductor device of the first embodiment. Oガス雰囲気でPOAを行った場合のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the nitrogen concentration of the gate insulating film when POA is performed in an N 2 O gas atmosphere. 第1の実施の形態の界面準位低減効果を示す図である。It is a figure which shows the interface state reduction effect of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の界面準位低減効果を示す図である。It is a figure which shows the interface state reduction effect of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の界面準位低減効果を示す図である。It is a figure which shows the interface state reduction effect of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のMISFET特性を示す図である。It is a figure which shows the MISFET characteristic of 1st Embodiment. 第1の実施の形態におけるゲート絶縁膜の実効比誘電率を示す図である。It is a figure which shows the effective dielectric constant of the gate insulating film in 1st Embodiment. 第1の実施の形態のゲート絶縁膜のTDDB特性を示す図である。It is a figure which shows the TDDB characteristic of the gate insulating film of 1st Embodiment. 第2の実施の形態の半導体装置のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the nitrogen concentration of the gate insulating film of the semiconductor device of 2nd Embodiment. 第2の実施の形態の半導体装置のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the nitrogen concentration of the gate insulating film of the semiconductor device of 2nd Embodiment. POAを行わない場合のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。It is a SIMS analysis result of the nitrogen concentration of the gate insulating film when POA is not performed. 第2の実施の形態のMISFET特性を示す図である。It is a figure which shows the MISFET characteristic of 2nd Embodiment. 第2の実施の形態のゲート絶縁膜のTDDB特性を示す図である。It is a figure which shows the TDDB characteristic of the gate insulating film of 2nd Embodiment. 第3の実施の形態の半導体装置であるMISFETの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of MISFET which is a semiconductor device of 3rd Embodiment. 第4の実施の形態の半導体装置であるIGBTの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of IGBT which is a semiconductor device of 4th Embodiment.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。本明細書中、同一または類似の構成要素には同一の符号を付すものとする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this specification, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.

なお、本明細書中、珪素、酸素、窒素を主成分とするゲート絶縁膜とは、膜中の珪素、酸素、窒素以外の元素量が、珪素、酸素、窒素よりも少量であるゲート絶縁膜を意味する。   Note that in this specification, a gate insulating film containing silicon, oxygen, and nitrogen as main components means a gate insulating film in which the amount of elements other than silicon, oxygen, and nitrogen in the film is smaller than that of silicon, oxygen, and nitrogen. Means.

また、本明細書中、ドライ酸化とは、半導体層等を酸素ガスのみ、または、酸素ガスを不活性ガス等で希釈して熱酸化する処理を意味する。また、ウェット酸化とは、少なくとも酸素ガスと水蒸気を含む雰囲気中で熱酸化する処理を意味する。例えば、パイロジェニック酸化法が具体例としてあげられる。   In this specification, dry oxidation means a process in which a semiconductor layer or the like is thermally oxidized by diluting only oxygen gas or oxygen gas with an inert gas or the like. In addition, wet oxidation means a process of thermal oxidation in an atmosphere containing at least oxygen gas and water vapor. For example, a pyrogenic oxidation method is given as a specific example.

また、本明細書中、(000−1)面、(0001)面、(11−20)面とは結晶学上、これらに等価な面をすべて含む概念である。   In this specification, the (000-1) plane, the (0001) plane, and the (11-20) plane are concepts that include all planes equivalent to these in crystallography.

また、本明細書中、膜中の最低濃度とは、ある膜を膜厚方向に10の領域に等分し、2つの領域の境界部の濃度の中で最も低い濃度と定義される。すなわち、ある膜について特定される9つの境界部の濃度の中で、最も低い濃度と定義される。また、ある膜の平均濃度とは、上記9つの境界部の濃度の平均値で適宜される。   Further, in this specification, the minimum concentration in a film is defined as the lowest concentration among the concentrations at the boundary between two regions when a certain film is equally divided into 10 regions in the film thickness direction. That is, it is defined as the lowest concentration among the nine boundary concentrations specified for a certain film. Further, the average concentration of a certain film is appropriately determined by the average value of the concentrations of the nine boundary portions.

(第1の実施の形態)
本実施の形態の半導体装置は、炭化珪素層と、炭化珪素層上に形成され、珪素(Si)、酸素(O)、窒素(N)を主成分とし、窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極を有する。
(First embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment is formed on a silicon carbide layer and a silicon carbide layer, and has silicon (Si), oxygen (O), and nitrogen (N) as main components, and the minimum concentration of nitrogen is 1 × 10 20. It has a gate insulating film of atoms / cm 3 or more and a gate electrode formed on the gate insulating film.

ここでは、縦型のMISFETを例に説明する。上記構成を有することにより、ゲート絶縁膜とSiC層との界面準位が低減され、キャリアの移動度が向上する。したがって、オン抵抗が低く駆動力の高いMISFETが実現される。また、ゲート絶縁膜の信頼性が向上し、信頼性の高いMISFETが実現される。   Here, a vertical MISFET will be described as an example. With the above structure, the interface state between the gate insulating film and the SiC layer is reduced, and the carrier mobility is improved. Therefore, a MISFET with low on-resistance and high driving power is realized. Further, the reliability of the gate insulating film is improved, and a highly reliable MISFET is realized.

図1は、本実施の形態の半導体装置であるMISFETの構成を示す断面図である。このMISFET100は、第1と第2の主面を有するSiC基板12を備えている。図1においては、第1の主面とは図の上側の面であり、第2の主面とは図の下側の面である。このSiC基板12は、不純物濃度5×1018〜1×1019cm−3程度の、例えば窒素(N)をn型不純物として含む六方晶の4H−SiC基板(n基板)である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a MISFET which is a semiconductor device of the present embodiment. The MISFET 100 includes an SiC substrate 12 having first and second main surfaces. In FIG. 1, the first main surface is the upper surface of the drawing, and the second main surface is the lower surface of the drawing. The SiC substrate 12 is a hexagonal 4H—SiC substrate (n + substrate) having an impurity concentration of about 5 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3 and containing, for example, nitrogen (N) as an n-type impurity.

このSiC基板12は第1の主面として(000−1)面を備えている。この第1の主面上には、n型不純物の不純物濃度5×1015〜2×1016cm−3程度のn型のn層14が形成されている。n層14の膜厚は、例えば5〜10μm程度である。 This SiC substrate 12 has a (000-1) plane as a first main surface. An n-type n layer 14 having an n-type impurity impurity concentration of about 5 × 10 15 to 2 × 10 16 cm −3 is formed on the first main surface. The film thickness of the n layer 14 is, for example, about 5 to 10 μm.

層14の一部表面には、p型不純物の不純物濃度1×1017〜5×1017cm−3程度のp型のpウェル領域16が形成されている。pウェル領域16の深さは、例えば0.6μm程度である。 A p-type p-well region 16 having a p-type impurity concentration of about 1 × 10 17 to 5 × 10 17 cm −3 is formed on a partial surface of the n layer 14. The depth of the p well region 16 is, for example, about 0.6 μm.

pウェル領域16の一部表面には、n型不純物の不純物濃度1×1020程度のn型のソース領域18が形成されている。ソース領域18の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅く、例えば0.3μm程度である An n-type source region 18 having an n-type impurity impurity concentration of about 1 × 10 20 is formed on a partial surface of the p-well region 16. The depth of the source region 18 is shallower than the depth of the p-well region 16 and is, for example, about 0.3 μm.

また、pウェル領域16の一部表面であって、n型のソース領域18の側方に、p型不純物の不純物濃度1×1019〜1×1020cm−3程度のp型のpウェルコンタクト領域20が形成されている。pウェルコンタクト領域20の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅く、例えば0.3μm程度である。 Further, a p-type p-well having a p-type impurity concentration of about 1 × 10 19 to 1 × 10 20 cm −3 on a partial surface of the p-well region 16 and on the side of the n-type source region 18. A contact region 20 is formed. The depth of the p well contact region 20 is shallower than the depth of the p well region 16 and is, for example, about 0.3 μm.

さらに、pウェル領域16、n層14の表面に連続的に、これらの領域および層を跨ぐように形成されたゲート絶縁膜28を有している。すなわち、SiC層14の(000−1)面上にゲート絶縁膜28が形成されている。 Furthermore, the gate insulating film 28 is formed on the surface of the p well region 16 and the n layer 14 so as to straddle these regions and layers. That is, the gate insulating film 28 is formed on the (000-1) plane of the SiC layer 14.

このゲート絶縁膜28は、珪素、酸素、窒素を主成分とする膜であり、膜中の窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上である。比誘電率を大きくする観点および信頼性を向上させる観点から、膜中の窒素の最低濃度が1×1021atoms/cm以上であることがより望ましい。 The gate insulating film 28 is a film mainly composed of silicon, oxygen, and nitrogen, and the minimum concentration of nitrogen in the film is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. From the viewpoint of increasing the relative dielectric constant and improving the reliability, it is more desirable that the minimum concentration of nitrogen in the film is 1 × 10 21 atoms / cm 3 or more.

ゲート絶縁膜28の膜厚は、30nm以上100nm以下であることが望ましい。30nm未満ではゲート絶縁膜の初期耐圧や信頼性が劣化する恐れがある。また、100nmより大きいとMISFETの駆動力が劣化する恐れがある。   The film thickness of the gate insulating film 28 is desirably 30 nm or more and 100 nm or less. If it is less than 30 nm, the initial withstand voltage and reliability of the gate insulating film may be deteriorated. If it is larger than 100 nm, the driving force of the MISFET may be deteriorated.

そして、ゲート絶縁膜28上には、ゲート電極30が形成されている。ゲート電極30には、例えばポリシリコン等が適用可能である。ゲート電極30上には、例えば、シリコン酸化膜で形成される層間絶縁膜32が形成されている。   A gate electrode 30 is formed on the gate insulating film 28. For example, polysilicon or the like can be applied to the gate electrode 30. On the gate electrode 30, an interlayer insulating film 32 made of, for example, a silicon oxide film is formed.

そして、ソース領域18と、pウェルコンタクト領域20と電気的に接続されるソース・pウェル共通電極24を備えている。ソース・pウェル共通電極24は、例えば、Niのバリアメタル層24aと、バリアメタル層24a上のAlのメタル層24bとで構成される。Niのバリアメタル層24aとAlのメタル層24bとは反応により合金を形成していてもよい。また、SiC基板12の第2の主面上には、ドレイン電極36が形成されている。   A source / p well common electrode 24 electrically connected to the source region 18 and the p well contact region 20 is provided. The source / p-well common electrode 24 includes, for example, a Ni barrier metal layer 24a and an Al metal layer 24b on the barrier metal layer 24a. The Ni barrier metal layer 24a and the Al metal layer 24b may form an alloy by reaction. A drain electrode 36 is formed on the second main surface of SiC substrate 12.

なお、本実施の形態において、n型不純物は例えば、窒素(N)が好ましいが、リン(P)、またはヒ素(As)等を適用することも可能である。また、p型不純物は例えば、アルミニウム(Al)が好ましいがボロン(B)等を適用することも可能である。   In the present embodiment, the n-type impurity is preferably nitrogen (N), for example, but phosphorus (P), arsenic (As), or the like can also be applied. For example, aluminum (Al) is preferable as the p-type impurity, but boron (B) or the like can also be applied.

次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。図2〜図4は、本実施の形態の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described. 2 to 4 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、n型不純物としてリンまたは窒素を不純物濃度1×1019cm−3程度含み、例えば、厚さ300μmであり、六方晶系の結晶格子を有する低抵抗の4H−SiC基板12を準備する。そして、SiC基板12の一方の主面である(000−1)面上にエピタキシャル成長法により、n型不純物として、例えば窒素を不純物濃度5×1015cm−3程度含み、厚さが10μm程度の高抵抗のSiC層14を成長させる。 First, a low-resistance 4H—SiC substrate 12 containing phosphorus or nitrogen as an n-type impurity at an impurity concentration of about 1 × 10 19 cm −3 and having a thickness of, for example, 300 μm and having a hexagonal crystal lattice is prepared. Then, for example, nitrogen is included as an n-type impurity on the (000-1) plane which is one main surface of the SiC substrate 12 by an epitaxial growth method, and the thickness is about 10 × 10 15 cm −3 . A high resistance SiC layer 14 is grown.

次に、適切なマスク材を用いてp型不純物であるアルミニウムをSiC層14にイオン注入し、pウェル領域16を形成する。次に、適切なマスク材を用いてn型不純物であるリンをSiC層14にイオン注入し、ソース領域18を形成する。その後、適切なマスク材を用いてp型不純物であるアルミニウムをSiC層14にイオン注入し、pウェルコンタクト領域20を形成する。この後、例えば1600℃程度の熱処理によりイオン注入した不純物を活性化する。   Next, aluminum, which is a p-type impurity, is ion-implanted into the SiC layer 14 using an appropriate mask material to form a p-well region 16. Next, phosphorus, which is an n-type impurity, is ion-implanted into the SiC layer 14 using an appropriate mask material to form the source region 18. Thereafter, aluminum, which is a p-type impurity, is ion-implanted into the SiC layer 14 using an appropriate mask material to form the p-well contact region 20. Thereafter, the ion-implanted impurities are activated by, for example, heat treatment at about 1600 ° C.

次に、図2に示すように、1250℃のドライ酸化により、SiC層14の(000−1)面に酸化物膜28aを形成する。形成する酸化物膜28aの膜厚は例えば、40nmである。   Next, as illustrated in FIG. 2, an oxide film 28 a is formed on the (000-1) plane of the SiC layer 14 by dry oxidation at 1250 ° C. The film thickness of the oxide film 28a to be formed is 40 nm, for example.

次に、図3に示すように、いわゆるPOA(Post Oxidation Annealing)として、例えば、1200℃の温度で、アンモニアガスを含む雰囲気中で熱処理(アンモニアアニールまたはNHアニール)し、アンモニア熱窒化を行う。この熱処理により、酸化物膜28aを窒化し、ゲート絶縁膜28を形成する。このとき、酸化物膜の窒化効率をあげる観点から100%のアンモニアガス雰囲気でPOAを行うことが望ましい。 Next, as shown in FIG. 3, as so-called POA (Post Oxidation Annealing), for example, heat treatment (ammonia annealing or NH 3 annealing) is performed in an atmosphere containing ammonia gas at a temperature of 1200 ° C., and ammonia thermal nitridation is performed. . By this heat treatment, the oxide film 28a is nitrided to form the gate insulating film 28. At this time, it is desirable to perform POA in a 100% ammonia gas atmosphere from the viewpoint of increasing the nitriding efficiency of the oxide film.

熱処理の温度は、800℃以上1350℃以下であることが望ましい。800℃未満であると十分な熱窒化の効果が出ない恐れがある。1350℃より高い温度では、過剰な熱窒化による膜質の劣化が懸念される。熱処理の温度は、高い実効比誘電率および高い信頼性を得る観点から1000℃以上1200℃以下であることがより望ましい。   The temperature of the heat treatment is desirably 800 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. If it is less than 800 ° C., there is a possibility that sufficient thermal nitriding effect may not be obtained. At a temperature higher than 1350 ° C., there is a concern that the film quality is deteriorated due to excessive thermal nitriding. The temperature of the heat treatment is more preferably 1000 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower from the viewpoint of obtaining a high effective relative dielectric constant and high reliability.

また、アンモニア熱窒化の前に酸化物膜28aを窒素酸化物ガス、例えばNOガスで酸窒化して、酸窒化物膜とすることがMISFETの特性向上の観点から望ましい。また、アンモニア熱窒化の前に酸化物膜28aをウェット酸化により追加酸化することがMISFETの特性向上の観点から望ましい。 Also, from the viewpoint of improving the characteristics of the MISFET, it is desirable to oxynitride the oxide film 28a with a nitrogen oxide gas, for example, N 2 O gas, before the thermal ammonia nitridation to form an oxynitride film. Further, it is desirable from the viewpoint of improving the characteristics of the MISFET that the oxide film 28a is additionally oxidized by wet oxidation before the thermal nitridation of ammonia.

次に、図4に示すように、ゲート絶縁膜28上にポリシリコンを堆積し、適切なマスク材を用いてポリシリコンをパターニングしてゲート電極30を形成する。   Next, as shown in FIG. 4, polysilicon is deposited on the gate insulating film 28, and the polysilicon is patterned using an appropriate mask material to form the gate electrode 30.

その後、公知の半導体プロセスにより、層間絶縁膜32、ソース・pウェル共通電極24、ドレイン電極36を形成し、図1に示す縦型のMISFETが製造される。   Thereafter, the interlayer insulating film 32, the source / p-well common electrode 24, and the drain electrode 36 are formed by a known semiconductor process, and the vertical MISFET shown in FIG. 1 is manufactured.

本実施の形態の製造方法によれば、珪素、酸素、窒素を主成分とし、窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上のゲート絶縁膜が形成される。したがって、オン抵抗が低く駆動力の高いMISFETが実現される。また、ゲート絶縁膜の信頼性が向上し、信頼性の高いMISFETが実現される。 According to the manufacturing method of the present embodiment, a gate insulating film having silicon, oxygen, and nitrogen as main components and a minimum nitrogen concentration of 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more is formed. Therefore, a MISFET with low on-resistance and high driving power is realized. Further, the reliability of the gate insulating film is improved, and a highly reliable MISFET is realized.

図5は、本実施の形態の半導体装置のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。横軸はゲート絶縁膜表面からの深さ、縦軸は窒素濃度である。1250℃のドライ酸化で形成した酸化物膜に、800℃、1000℃、1200℃の温度で、100%のアンモニアガス雰囲気中でPOAを行った結果を示している。同時にPOAを行っていない場合の結果も示す。   FIG. 5 shows the SIMS analysis result of the nitrogen concentration of the gate insulating film of the semiconductor device of this embodiment. The horizontal axis represents the depth from the surface of the gate insulating film, and the vertical axis represents the nitrogen concentration. This shows the result of performing POA on an oxide film formed by dry oxidation at 1250 ° C. at a temperature of 800 ° C., 1000 ° C., and 1200 ° C. in a 100% ammonia gas atmosphere. At the same time, the result when POA is not performed is also shown.

POAを行った場合は、すべて膜中の窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上となっている。また、膜の深さ方向に比較的均質な窒素濃度分布となっている。特に、1000℃以上の場合は、膜中の窒素の最低濃度が1×1021atoms/cm以上となっている。 When POA is performed, the minimum concentration of nitrogen in the film is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. In addition, the nitrogen concentration distribution is relatively uniform in the depth direction of the film. In particular, when the temperature is 1000 ° C. or higher, the minimum concentration of nitrogen in the film is 1 × 10 21 atoms / cm 3 or higher.

膜中の窒素の平均濃度は、1000℃および1200℃いずれの場合も1×1021atoms/cm以上1×1022atoms/cm以下の範囲にある。 The average concentration of nitrogen in the film is in the range of 1 × 10 21 atoms / cm 3 to 1 × 10 22 atoms / cm 3 at both 1000 ° C. and 1200 ° C.

図6はNOガス雰囲気でPOAを行った場合のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。1250℃のドライ酸化で形成した酸化物膜に対し、1250℃でNO酸窒化をPOAとして行った結果を示している。この場合には、アンモニアガス雰囲気のPOAの場合と異なり、ゲート絶縁膜とSiC層の界面近傍に窒素濃度のピークがある。そして、このピークの部分のみで、窒素の濃度が1×1020atoms/cm以上となっている。 FIG. 6 shows SIMS analysis results of the nitrogen concentration of the gate insulating film when POA is performed in an N 2 O gas atmosphere. The figure shows the results of N 2 O oxynitridation as POA at 1250 ° C. for an oxide film formed by dry oxidation at 1250 ° C. In this case, unlike the case of POA in an ammonia gas atmosphere, there is a nitrogen concentration peak near the interface between the gate insulating film and the SiC layer. And only in this peak portion, the concentration of nitrogen is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more.

図7、図8、図9は本実施の形態の界面準位低減効果を示す図である。横軸はEc−Eであらわされる界面準位の深さ、縦軸は界面準位密度である。また、図7は、POAが100%アンモニアガス雰囲気の場合(NHアニール)である。図8は、POAが100%NOガス雰囲気の後、100%アンモニアガス雰囲気で行った場合(NOアニール+NHアニール)である。図9は、ドライ酸化後に900℃のウェット酸化を行い、その後、POAを100%アンモニアガス雰囲気で行った場合(ウェット酸化+NHアニール)である。 7, 8, and 9 are diagrams showing the interface state reduction effect of the present embodiment. The horizontal axis represents the interface state depth represented by Ec-E, and the vertical axis represents the interface state density. FIG. 7 shows the case where POA is in a 100% ammonia gas atmosphere (NH 3 annealing). FIG. 8 shows a case where POA is performed in a 100% ammonia gas atmosphere after a 100% N 2 O gas atmosphere (N 2 O annealing + NH 3 annealing). FIG. 9 shows a case where wet oxidation at 900 ° C. is performed after dry oxidation, and then POA is performed in a 100% ammonia gas atmosphere (wet oxidation + NH 3 annealing).

いずれの場合も、アンモニアガス雰囲気でのPOAで界面準位密度が低下する。特に、高温でPOAを行った場合で界面準位密度の低下が顕著である。   In either case, the interface state density is lowered by POA in an ammonia gas atmosphere. In particular, when the POA is performed at a high temperature, the interface state density is significantly reduced.

図10は、本実施の形態のMISFET特性を示す図である。図10(a)が反転チャネル移動度のNHアニール温度依存性、図10(b)がドレイン電流のNHアニール温度依存性である。それぞれ、ドライ酸化後のPOAがNHアニールの場合、ドライ酸化後のPOAがNOアニール+NHアニールの場合、ドライ酸化後にウェット酸化+NHアニールを行った場合についてのデータを示している。 FIG. 10 is a diagram showing the MISFET characteristics of the present embodiment. Figure 10 (a) is inverted channel mobility NH 3 annealing temperature dependence of, and FIG. 10 (b) is NH 3 annealing temperature dependency of the drain current. Data are shown for cases where the POA after dry oxidation is NH 3 annealing, the POA after dry oxidation is N 2 O annealing + NH 3 annealing, and wet oxidation + NH 3 annealing is performed after dry oxidation.

特に、POAがNOアニール+NHアニールの場合と、ウェット酸化+NHアニールの場合に反転チャネル移動度の増大と、ドレイン電流の増大が顕著である。このように、ドライ酸化とNHアニールの間に、NOアニールまたはウェット酸化を行うことが、MISFETの特性向上の観点から望ましい。 In particular, when POA is N 2 O annealing + NH 3 annealing and when wet oxidation + NH 3 annealing is performed, an increase in inversion channel mobility and an increase in drain current are remarkable. Thus, N 2 O annealing or wet oxidation is preferably performed between dry oxidation and NH 3 annealing from the viewpoint of improving the characteristics of the MISFET.

なお、ドライ酸化とNHアニールの間に、NOアニールまたはウェット酸化を行った場合でも、ゲート絶縁膜中の窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上となる。すなわち、図5で示したと同様の窒素濃度分布が実現される。 Even when N 2 O annealing or wet oxidation is performed between dry oxidation and NH 3 annealing, the minimum concentration of nitrogen in the gate insulating film is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. That is, the same nitrogen concentration distribution as shown in FIG. 5 is realized.

図11は、本実施の形態におけるゲート絶縁膜の実効比誘電率を示す図である。ドライ酸化後のPOAがNHアニールの場合、ドライ酸化後のPOAがNOアニール+NHアニールの場合、ドライ酸化後にウェット酸化+NHアニールを行った場合についてのデータを示している。 FIG. 11 is a diagram showing the effective relative dielectric constant of the gate insulating film in the present embodiment. The data shows the case where the POA after dry oxidation is NH 3 annealing, the POA after dry oxidation is N 2 O annealing + NH 3 annealing, and the case where wet oxidation + NH 3 annealing is performed after dry oxidation.

いずれの場合も、NHアニールが高温になるほど、実効比誘電率が高くなる。このように、実効比誘電率が高くなることで、MISFETの駆動能力を向上させることが可能になる。あるいは、MISFETの駆動能力を維持したままでゲート絶縁膜を厚膜化し、ゲート絶縁膜の信頼性を向上させることも可能となる。 In either case, the effective relative permittivity increases as the NH 3 annealing temperature increases. As described above, since the effective relative permittivity is increased, the driving capability of the MISFET can be improved. Alternatively, it is possible to improve the reliability of the gate insulating film by increasing the thickness of the gate insulating film while maintaining the drive capability of the MISFET.

図11からも明らかなように、特に、ドライ酸化後にウェット酸化+NHアニールを行った場合の実効比誘電率の上昇が著しい。したがって、実効比誘電率を向上させる観点から、ドライ酸化後にウェット酸化+NHアニールを行うことが望ましい。 As is clear from FIG. 11, the effective relative permittivity rises remarkably when wet oxidation + NH 3 annealing is performed after dry oxidation. Therefore, from the viewpoint of improving the effective relative dielectric constant, it is desirable to perform wet oxidation + NH 3 annealing after dry oxidation.

図12は、本実施の形態のゲート絶縁膜のTDDB特性を示す図である。図12(a)はドライ酸化後のPOAが1200℃、100%NHアニールの場合、図12(b)はドライ酸化後に900℃ウェット酸化+1200℃、100%NHアニールを行った場合である。比較のためNHアニールを行わない場合も示している。 FIG. 12 is a diagram showing TDDB characteristics of the gate insulating film of the present embodiment. 12A shows a case where the POA after dry oxidation is 1200 ° C. and 100% NH 3 annealing, and FIG. 12B shows a case where 900 ° C. wet oxidation + 1200 ° C. and 100% NH 3 annealing is performed after dry oxidation. . For comparison, a case where NH 3 annealing is not performed is also shown.

いずれも、室温における定電流TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)測定の結果である。ストレス電流密度を7mA/cmとして評価している。ゲート電極にはAlを用いている。いずれの場合も、ワイブル分布曲線が、NHアニールを行わない場合に比べ、高Qbd側に分布している。したがって、NHアニールによりゲート絶縁膜の信頼性が向上することがわかる。 All are the results of constant current TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) measurement at room temperature. The stress current density is evaluated as 7 mA / cm 2 . Al is used for the gate electrode. In either case, the Weibull distribution curve is distributed on the high Qbd side as compared with the case where NH 3 annealing is not performed. Therefore, it can be seen that NH 3 annealing improves the reliability of the gate insulating film.

以上のように、酸素原子を含まないアンモニアガスによるPOAにより、窒素が高濃度にかつ均一に分布するゲート絶縁膜が実現される。このため、低オン抵抗、かつ信頼性にも優れたMISFETが実現される。   As described above, a gate insulating film in which nitrogen is uniformly distributed at a high concentration is realized by POA using ammonia gas not containing oxygen atoms. Therefore, a MISFET having a low on-resistance and excellent reliability is realized.

また、100%のアンモニアガスを用いる場合、例えば、酸素ガスとアンモニアガスを混合するようなアニールに比べ、爆発の危険が少なく安全性、工業生産性に優れるという利点もある。   In addition, when 100% ammonia gas is used, for example, there is an advantage that there is less risk of explosion and safety and industrial productivity are superior compared to annealing in which oxygen gas and ammonia gas are mixed.

また、NHアニールの際に、アンモニアガスのパージを行う温度を適切にコントロールすれば、アンモニアガス中の水素により、ゲート絶縁膜とSiC層の界面およびゲート絶縁膜中に存在する未結合種の水素終端の程度を制御することが可能となる。すなわち、低温でパージを行えば終端量が多くなり、高温でパージすれば終端量が少なくなる。したがって、フラットバンドシフト量を可変にし、MISFETのVthの制御が可能となるという利点がある。 In addition, if the temperature at which the ammonia gas is purged is appropriately controlled during the NH 3 annealing, hydrogen in the ammonia gas may cause unbonded species present in the interface between the gate insulating film and the SiC layer and in the gate insulating film. It becomes possible to control the degree of hydrogen termination. That is, if the purge is performed at a low temperature, the amount of termination increases, and if the purge is performed at a high temperature, the termination amount decreases. Therefore, there is an advantage that the flat band shift amount can be made variable and the Vth of the MISFET can be controlled.

(第2の実施の形態)
本実施の形態の半導体装置は、第1の実施の形態ではSiC層の(000−1)面上にゲート絶縁膜が形成されているのに対し、SiC層の(0001)面上にゲート絶縁膜が形成されている点で異なっている。この点以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
(Second Embodiment)
In the semiconductor device of the present embodiment, the gate insulating film is formed on the (000-1) plane of the SiC layer in the first embodiment, whereas the gate insulating film is formed on the (0001) plane of the SiC layer. The difference is that a film is formed. Except this point, the second embodiment is the same as the first embodiment. Accordingly, the description overlapping with the first embodiment is omitted.

SiC基板の(0001)面上にSiC層をエピタキシャル成長させること以外は、第1の実施の形態と同様の方法で、本実施の形態の半導体装置を製造することが可能である。   The semiconductor device of the present embodiment can be manufactured by the same method as that of the first embodiment except that the SiC layer is epitaxially grown on the (0001) plane of the SiC substrate.

図13、図14は、本実施の形態の半導体装置のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。図13は、1350℃ドライ酸化後のPOAが900℃、100%NHアニールの場合、図14は、1350℃ドライ酸化後のPOAが1200℃、100%NHアニールの場合である。図15は、POAを行わない場合のゲート絶縁膜の窒素濃度のSIMS分析結果である。 13 and 14 show the SIMS analysis results of the nitrogen concentration of the gate insulating film of the semiconductor device of this embodiment. 13 shows the case where the POA after 1350 ° C. dry oxidation is 900 ° C. and 100% NH 3 annealing, and FIG. 14 shows the case where the POA after 1350 ° C. dry oxidation is 1200 ° C. and 100% NH 3 annealing. FIG. 15 shows the SIMS analysis result of the nitrogen concentration of the gate insulating film when POA is not performed.

POAが900℃、1200℃いずれの場合にも、膜中の窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上となっている。また、膜の深さ方向に比較的均質な窒素濃度分布となっている。特に、1200℃以上の場合は、膜中の窒素の最低濃度が1×1021atoms/cm以上となっている。また、膜中の窒素の平均濃度は、いずれの場合も1×1021atoms/cm以上1×1022atoms/cm以下の範囲にある。 When the POA is 900 ° C. or 1200 ° C., the minimum concentration of nitrogen in the film is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. In addition, the nitrogen concentration distribution is relatively uniform in the depth direction of the film. In particular, in the case of 1200 ° C. or higher, the minimum concentration of nitrogen in the film is 1 × 10 21 atoms / cm 3 or higher. The average concentration of nitrogen in the film is in the range of 1 × 10 21 atoms / cm 3 to 1 × 10 22 atoms / cm 3 in any case.

図16は、本実施の形態のMISFET特性を示す図である。図13、図14のゲート絶縁膜を用いている。図16より明らかなように、NHアニールにより反転チャネル移動度が向上する。 FIG. 16 is a diagram showing the MISFET characteristics of the present embodiment. The gate insulating film of FIGS. 13 and 14 is used. As apparent from FIG. 16, the inversion channel mobility is improved by NH 3 annealing.

図17は、本実施の形態のゲート絶縁膜のTDDB特性を示す図である。ドライ酸化後のPOAが1200℃、100%NHアニールの場合と、ドライ酸化後のPOAが1350℃、100%NOガス雰囲気の後、1200℃、100%NHアニールをする場合を比較している。 FIG. 17 is a diagram showing TDDB characteristics of the gate insulating film of this embodiment. POA is 1200 ° C. after dry oxidation, compared to the case of 100% NH 3 anneal, the POA 1350 ° C. after dry oxidation, after 100% N 2 O gas atmosphere, 1200 ° C., the case of the 100% NH 3 annealing is doing.

膜厚はいずれも約40nmである。室温における定電流TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)測定の結果である。ストレス電流密度を7mA/cmとして評価している。ゲート電極にはAlを用いている。 Each film thickness is about 40 nm. It is a result of constant current TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) measurement at room temperature. The stress current density is evaluated as 7 mA / cm 2 . Al is used for the gate electrode.

いずれの場合も、高いQbd値が得られるが、特に、POAがNOアニール+NHアニールの場合でゲート絶縁膜の信頼性の向上が顕著である。したがって、SiC層の(0001)面上に、ゲート絶縁膜を形成する場合には、ドライ酸化と、ドライ酸化後のNO酸窒化により酸窒化物膜を形成し、その後、アンモニアガスを含む雰囲気中で熱処理することが望ましい。なお、図17では図示しないが、POAを行わない場合のQbdは、POAが1200℃、100%NHアニールの場合と比べ、2桁程度低くなる。 In either case, a high Qbd value can be obtained, but the improvement in the reliability of the gate insulating film is particularly remarkable when POA is N 2 O annealing + NH 3 annealing. Therefore, when forming a gate insulating film on the (0001) plane of the SiC layer, an oxynitride film is formed by dry oxidation and N 2 O oxynitridation after dry oxidation, and then contains ammonia gas. It is desirable to perform heat treatment in an atmosphere. Although not shown in FIG. 17, Qbd when POA is not performed is about two orders of magnitude lower than when POA is 1200 ° C. and 100% NH 3 annealing.

(第3の実施の形態)
本実施の形態の半導体装置は、ゲート絶縁膜とゲート電極がSiC層に形成された溝(トレンチ)側面の(11−20)面上に設けられる縦型MISFETである点で、第1の実施の形態と異なっている。そして、この点以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
(Third embodiment)
The semiconductor device according to the present embodiment is a vertical MISFET in which the gate insulating film and the gate electrode are provided on the (11-20) surface on the side surface of the trench (trench) formed in the SiC layer. The form is different. Except for this point, the second embodiment is the same as the first embodiment. Accordingly, the description overlapping with the first embodiment is omitted.

図18は、本実施の形態の半導体装置であるMISFETの構成を示す断面図である。図に示すように、MISFET200のゲート絶縁膜28が、SiC層14に設けられたトレンチの側面上に設けられている。このトレンチ側面は(11−20)面である。そして、ゲート絶縁膜28上に、トレンチに埋め込まれる形でゲート電極30が形成されている。   FIG. 18 is a cross-sectional view showing a configuration of a MISFET which is a semiconductor device of the present embodiment. As shown in the figure, the gate insulating film 28 of the MISFET 200 is provided on the side surface of the trench provided in the SiC layer 14. The trench side surface is the (11-20) plane. A gate electrode 30 is formed on the gate insulating film 28 so as to be embedded in the trench.

MISFET200においても、珪素、酸素、窒素を主成分とするゲート絶縁膜中の窒素の最低濃度を1×1020atoms/cm以上であることで、ゲート絶縁膜とSiC層との界面準位が低減され、キャリアの移動度が向上する。したがって、オン抵抗が低く駆動力の高いMISFETが実現される。また、ゲート絶縁膜の信頼性が向上し、信頼性の高いMISFETが実現される。また、チャネル領域をトレンチ側面に設けることで、MISFETの微細化を図ることが可能となる。 Also in the MISFET 200, the interface state between the gate insulating film and the SiC layer can be reduced by setting the minimum concentration of nitrogen in the gate insulating film mainly containing silicon, oxygen, and nitrogen to 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more. And the mobility of the carrier is improved. Therefore, a MISFET with low on-resistance and high driving power is realized. Further, the reliability of the gate insulating film is improved, and a highly reliable MISFET is realized. Further, by providing the channel region on the side surface of the trench, the MISFET can be miniaturized.

窒素の最低濃度を1×1020atoms/cm以上とするゲート絶縁膜28は、第1または第2の実施の形態で記載した製造方法で形成可能である。 The gate insulating film 28 having a minimum nitrogen concentration of 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more can be formed by the manufacturing method described in the first or second embodiment.

(第4の実施の形態)
本実施の形態の半導体装置は、第1または第2の実施の形態において、SiC基板がn型であるのに対し、p型でありIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を構成する。SiC基板の不純物タイプが異なる点以外は第1または第2の実施の形態と同様であるので、重複する記載を省略する。
(Fourth embodiment)
In the first or second embodiment, the semiconductor device of the present embodiment is a p-type in contrast to the n-type SiC substrate, and constitutes an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Since it is the same as that of 1st or 2nd Embodiment except the point from which the impurity type of a SiC substrate differs, the overlapping description is abbreviate | omitted.

図19は、本実施の形態の半導体装置であるIGBTの構成を示す断面図である。このIGBT300は、第1と第2の主面を有するSiC基板52を備えている。図19においては、第1の主面とは図の上側の面であり、第2の主面とは図の下側の面である。このSiC基板52は、不純物濃度5×1018〜1×1019cm−3程度の、例えばAlをp型不純物として含む六方晶の4H−SiC基板(p基板)である。 FIG. 19 is a cross-sectional view showing a configuration of an IGBT which is a semiconductor device of the present embodiment. The IGBT 300 includes a SiC substrate 52 having first and second main surfaces. In FIG. 19, the first main surface is the upper surface of the drawing, and the second main surface is the lower surface of the drawing. The SiC substrate 52 is a hexagonal 4H—SiC substrate (p + substrate) having an impurity concentration of about 5 × 10 18 to 1 × 10 19 cm −3 and containing, for example, Al as a p-type impurity.

また、本実施の形態の半導体装置の製造方法は、準備するSiC基板が、例えばAlをp型不純物として含む六方晶の4H−SiC基板(p基板)であること以外は第1または第2の実施の形態と同様である。したがって、本実施の形態の半導体装置によれば、オン抵抗が低く駆動力の高いIGBTが実現される。また、ゲート絶縁膜の信頼性が向上し、信頼性の高いIGBTが実現される。低オン抵抗、かつ信頼性にも優れたIGBTを製造することが可能となる。 Further, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the SiC substrate to be prepared is first or second except that the prepared SiC substrate is, for example, a hexagonal 4H—SiC substrate (p + substrate) containing Al as a p-type impurity. This is the same as the embodiment. Therefore, according to the semiconductor device of the present embodiment, an IGBT with low on-resistance and high driving power is realized. Further, the reliability of the gate insulating film is improved, and a highly reliable IGBT is realized. An IGBT having a low on-resistance and excellent reliability can be manufactured.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、半導体装置、半導体装置の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体装置、半導体装置の製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. The above embodiment is merely given as an example, and does not limit the present invention. In the description of the embodiment, the description of the semiconductor device, the method for manufacturing the semiconductor device, etc., which is not directly necessary for the description of the present invention is omitted. Elements relating to the manufacturing method and the like can be appropriately selected and used.

例えば、実施の形態では100%のアンモニアガス雰囲気中でのアニールを例に説明したが、アンモニアガスを例えばNガス等で希釈してアニールを行っても構わない。 For example, in the embodiment, the annealing in a 100% ammonia gas atmosphere has been described as an example, but the annealing may be performed by diluting the ammonia gas with, for example, N 2 gas.

また、実施の形態においては、窒素酸化物ガスとして、NOガスを用いる場合を例に説明したが、NOガス、NOガス等を用いることも可能である。 In the embodiment, the case where N 2 O gas is used as the nitrogen oxide gas has been described as an example. However, NO gas, NO 2 gas, or the like can also be used.

また、アンモニアアニール前の酸化物膜は、ドライ酸化や、パイロジニック法によるウェット酸化による形成に限られず、例えば、HOのバブリングによるウェット酸化法、CVD法、スパッタ法、ALD法等による形成であっても構わない。また、アンモニアアニール前の酸窒化物膜も、ドライ酸化と窒素酸化物ガスによる酸窒化による形成に限られず、CVD法、スパッタ法、ALD法等による形成であっても構わない。 In addition, the oxide film before the ammonia annealing is not limited to the formation by dry oxidation or wet oxidation by a pyrological method, but can be formed by, for example, a wet oxidation method by bubbling H 2 O, a CVD method, a sputtering method, an ALD method, or the like. It does not matter. Further, the oxynitride film before the ammonia annealing is not limited to the formation by dry oxidation and oxynitridation with nitrogen oxide gas, but may be formed by CVD, sputtering, ALD, or the like.

また、実施の形態においては、電子をキャリアとするn型MOSFET、n型IGBTについて説明したが、本発明は、正孔をキャリアとするp型MOSFET、p型IGBTにも適用可能である。   In the embodiment, the n-type MOSFET and the n-type IGBT using electrons as carriers have been described. However, the present invention can also be applied to a p-type MOSFET and p-type IGBT using holes as carriers.

また、ゲート電極としてポリシリコンを材料とする場合を例に説明したが、その他の半導体、金属、金属シリサイドまたはこれらから選ばれる材料の積層構造を適用することが可能である。   In addition, although the case where polysilicon is used as a material for the gate electrode has been described as an example, a stacked structure of other semiconductors, metals, metal silicides, or materials selected from these can be applied.

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置、半導体装置の製造方法が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。   In addition, the scope of the present invention includes all semiconductor devices that include the elements of the present invention and that can be appropriately modified by those skilled in the art and methods for manufacturing the semiconductor devices. The scope of the present invention is defined by the appended claims and equivalents thereof.

12 炭化珪素基板
14 n
16 pウェル領域
18 ソース領域
20 pウェルコンタクト領域
24 ソース・pウェル共通電極
28 ゲート絶縁膜
28a 酸化物膜
30 ゲート電極
32 層間絶縁膜
36 ドレイン電極
100 MISFET
200 MISFET
300 IGBT
12 Silicon carbide substrate 14 n layer 16 p well region 18 source region 20 p well contact region 24 source / p well common electrode 28 gate insulating film 28a oxide film 30 gate electrode 32 interlayer insulating film 36 drain electrode 100 MISFET
200 MISFET
300 IGBT

Claims (10)

炭化珪素層と、
前記炭化珪素層上に形成され、珪素、酸素、窒素を主成分とし、窒素の最低濃度が1×1020atoms/cm以上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極を有することを特徴とする半導体装置。
A silicon carbide layer;
A gate insulating film formed on the silicon carbide layer, the main component of which is silicon, oxygen, and nitrogen, and the minimum concentration of nitrogen is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more;
A semiconductor device comprising a gate electrode formed on the gate insulating film.
前記ゲート絶縁膜が、前記炭化珪素層の(000−1)面または(0001)面上に形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is formed on a (000-1) plane or a (0001) plane of the silicon carbide layer. 前記ゲート絶縁膜が前記炭化珪素層に形成される溝側面の(11−20)面上に形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is formed on a (11-20) surface of a groove side surface formed in the silicon carbide layer. 前記ゲート絶縁膜がMISFETまたはIGBTのゲート絶縁膜であることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is a gate insulating film of MISFET or IGBT. 前記ゲート絶縁膜の膜厚が30nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a thickness of 30 nm to 100 nm. 炭化珪素層の(000−1)面または(11−20)面上に酸化物膜または酸窒化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜または前記酸窒化物膜の形成後に、アンモニアガスを含む雰囲気中で熱処理しゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an oxide film or an oxynitride film on the (000-1) or (11-20) plane of the silicon carbide layer;
Forming a gate insulating film by heat treatment in an atmosphere containing ammonia gas after forming the oxide film or the oxynitride film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate electrode on the gate insulating film.
前記酸化物膜の形成は、ドライ酸化と前記ドライ酸化後のウェット酸化によることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the oxide film is formed by dry oxidation and wet oxidation after the dry oxidation. 前記酸窒化物膜の形成は、ドライ酸化と前記ドライ酸化後の窒素酸化物ガスによる酸窒化によることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。   7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the formation of the oxynitride film is performed by dry oxidation and oxynitridation with a nitrogen oxide gas after the dry oxidation. 炭化珪素層の(0001)面上に、ドライ酸化と前記ドライ酸化後の窒素酸化物ガスによる酸窒化により酸窒化物膜を形成する工程と、
前記酸窒化物膜の形成後に、アンモニアガスを含む雰囲気中で熱処理しゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an oxynitride film on the (0001) surface of the silicon carbide layer by dry oxidation and oxynitridation with nitrogen oxide gas after the dry oxidation;
After the formation of the oxynitride film, heat treatment in an atmosphere containing ammonia gas to form a gate insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate electrode on the gate insulating film.
前記熱処理が800℃以上1350℃以下の温度で行われることを特徴とする請求項6ないし請求項9いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。




The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower.




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