JP2014222734A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面に余分な固定電荷を導入することなく、チャネル移動度が向上したＳｉＣ半導体装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体装置は、ＳｉＣ半導体層１１１と、ＳｉＣ半導体層１１３の第１オーミック電極１１３が設けられた側に順次設けられたゲート絶縁膜１１７及びゲート電極１１６とを備えている。ＳｉＣ半導体層１１１は、ゲート絶縁膜１１７と接して設けられ、Ｖ族元素を含むＶ族元素含有領域１３７を有している。Ｖ族元素含有領域１３７におけるＶ族元素濃度のピークは、ゲート絶縁膜１１７との界面から５ｎｍ以内に位置している。ゲート絶縁膜１１７における炭素の濃度は１原子％以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に炭化珪素を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。

炭化珪素（シリコンカーバイド：ＳｉＣ）は、珪素（Ｓｉ）に比べてバンドギャップが大きい高硬度の半導体材料である。ＳｉＣは、特に高い絶縁破壊電界を有するので、次世代の低損失パワーデバイスに最適な半導体として期待されている。

ＳｉＣを用いたパワーデバイスのうち代表的な半導体装置はＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field-Effect transistor）である。ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴの損失を低減するためには、チャネルにおけるキャリアの移動度であるチャネル移動度を向上させることが重要である。また、ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴにおいて、ボディダイオードに替えてチャネル領域を還流ダイオードとすることにより、結晶劣化を抑制することが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。このような素子においては特に、チャネル移動度を向上させることが重要である。

チャネル移動度を向上させる方法として、ゲート絶縁膜中及びＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面部における欠陥を低減することが考えられる。ゲート絶縁膜を形成する標準的なプロセスにおいては、ドライ又はウェット雰囲気において１１００℃以上の高温で熱酸化膜を形成する。しかし、標準的な熱酸化プロセスによりゲート絶縁膜を形成すると、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面部に多量の界面準位が生じ、ＳＩＣ−ＭＩＳＦＥＴの実用上のチャネル移動度が劣化すると報告されている(例えば、非特許文献１を参照。）。

ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面部における界面準位を低減する方法として、ＳｉＣ層の表面に酸化物層を形成した後、１１００℃よりも高く１２５０℃よりも低い温度範囲で酸化物層を窒素等のＶ族元素含有ガスを含む雰囲気に曝露する方法が検討されている（例えば、特許文献２を参照。）。この方法により、酸化物層の特性の劣化を防止しつつ、Ｖ族元素を酸化物層内に効率良く拡散させ、Ｖ族元素含有酸化物層を得ることができる。ゲート絶縁膜をＶ族元素含有酸化物層とすることにより、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面部における界面準位が低減される。

特開２０１２−１０４８５６号公報 特開２００５−１３６３８６号公報

荒井和雄、吉田貞史共編、ＳｉＣ素子の基礎と応用、オーム社、ｐ．８２−８３、２００３年

従来の半導体装置において、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面及びその近傍の状態をさらに最適化することにより、チャネル移動度を向上させることが望まれている。

本開示の課題は、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面近傍におけるＶ族元素及び炭素の濃度及び分布を制御して、チャネル移動度が向上したＳｉＣ半導体装置を実現できるようにすることである。

本開示の半導体装置の一態様は、基板の第１の面の上に設けられ、第１導電型の第１領域と、第２導電型の第２領域と、第２領域により第１領域から分離された第１導電型の第３領域とを有するＳｉＣ半導体層と、第３領域に接して設けられた第１オーミック電極と、基板の第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２オーミック電極と、ＳｉＣ半導体層の上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極とを備え、ＳｉＣ半導体層は、ゲート絶縁膜と接して設けられ、Ｖ族元素を含むＶ族元素含有領域を有し、Ｖ族元素含有領域におけるＶ族元素濃度のピークは、ゲート絶縁膜との界面から５ｎｍ以内に位置し、ゲート絶縁膜における炭素の濃度は１原子％以下である。

本開示の半導体装置及びその製造方法によれば、チャネル移動度が向上したＳｉＣ半導体装置を実現できる。

一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 製造方法ごとのチャネル移動度を示すグラフである。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 変形例に係る半導体装置を示す断面図である。

（本発明に至った経緯）
本発明者らは、チャネル移動度のさらなる向上を目指し、鋭意検討を行なった。その結果、チャネルにおけるキャリア移動度であるチャネル移動度は、ＳｉＣ層とＶ族元素含有酸化物層であるゲート絶縁膜との界面近傍におけるＶ族元素の濃度が、所定の値において最大となることを見いだした。具体的には、ゲート絶縁膜におけるＶ族元素の濃度が、１×１０²⁰ｃｍ^-3以上、１×１０²²ｃｍ^-3以下の範囲で、チャネル移動度を向上させることができる。しかし、Ｖ族元素の濃度が閾値を超えると、チャネル移動度が逆に低下する。

ＳｉＣ層の上に形成した酸化膜にＶ族元素を熱拡散させると、Ｖ族元素は酸化膜中に均一に分布するのではなく、酸化膜におけるＳｉＣ層との界面から１０ｎｍ程度の領域に、Ｖ族元素の濃度が高い遷移層が形成される。この場合のＶ族元素のピーク位置は、ＳｉＣ層との界面よりも数ｎｍ酸化膜側に存在する。このため、ゲート絶縁膜とＳｉＣ層との界面におけるＶ族元素の濃度を高くしようとすると、ゲート絶縁膜のうち膜厚方向の広範囲にわたって、界面準位を低減するために必要な量を超える過剰なＶ族元素が、存在することになる。過剰のＶ族元素は固定電荷となり、移動度が低下する原因となる。従って、固定電荷の上昇による移動度の低下が、界面準位の低減による移動度の向上を打ち消し、チャネル移動度を逆に低下させる。

また、ＳｉＣ層の上に熱酸化膜であるゲート絶縁膜を形成すると、ゲート絶縁膜におけるＳｉＣ層との界面に炭素が１０原子％（atom％）程度導入され、当該炭素による固定電荷がチャネル移動度を低下させるという問題があることを本発明者らは見出した。

以上の知見に基づき、本発明者らは、チャネル移動度を向上させるべく、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面近傍におけるＶ族元素の濃度及び分布、ならびにゲート絶縁膜における炭素濃度を最適化する半導体装置及び製造方法を検討し、本発明を着想した。なお、以上の説明は、以下に説明する本発明の実施形態を理解する上での一助とするものであり、本発明を限定するものではない。

（実施形態の概要）
半導体装置の一例は、基板の第１の面の上に設けられ、第１導電型の第１領域と、第２導電型の第２領域と、第２領域により第１領域から分離された第１導電型の第３領域とを有するＳｉＣ半導体層と、第３領域に接して設けられた第１オーミック電極と、基板の第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２オーミック電極と、ＳｉＣ半導体層の上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極とを備え、ＳｉＣ半導体層は、ゲート絶縁膜と接して設けられ、Ｖ族元素を含むＶ族元素含有領域を有し、Ｖ族元素含有領域におけるＶ族元素濃度のピークは、ゲート絶縁膜との界面から５ｎｍ以内に位置し、ゲート絶縁膜における炭素の濃度は１原子％以下である。

半導体装置の一例において、Ｖ族元素含有領域におけるＶ族元素の濃度は、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、５×１０²²ｃｍ^-3以下であり、Ｖ族元素含有領域を除くＳｉＣ半導体層におけるＶ族元素の濃度の最大値よりも５倍以上高くしてもよい。

半導体装置の一例において、ＳｉＣ半導体層は、第３領域及び第２領域を貫通し、第１領域に達するトレンチを有し、ゲート絶縁膜は、トレンチの側面及び底面を覆うように設けられていてもよい。

半導体装置の一例において、ＳｉＣ半導体層は、第１の層と、第１の層とゲート絶縁膜との間に設けられた第２の層とを有し、Ｖ族元素含有領域は、第２の層の最表面に設けられていてもよい。

半導体装置の一例において、第２の層は、エピタキシャル成長層としてもよい。

半導体装置の一例において、ゲート絶縁膜は、堆積膜としてもよい。

半導体装置の製造方法の一例は、基板の第１の面に、第１導電型の第１領域と、第２導電型の第２領域と、第２領域により第１領域から分離された第１導電型の第３領域と、Ｖ族元素を含むＶ族元素含有領域とを有するＳｉＣ半導体層を形成する工程と、Ｖ族元素含有領域の上にゲート絶縁膜を堆積する工程と、ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、第３領域と接する第１オーミック電極を形成する工程と、基板の第１の面と反対側の第２の面に第２オーミック電極を形成する工程とを備え、Ｖ族元素濃度のピークを、Ｖ族元素含有領域におけるゲート絶縁膜との界面から５ｎｍ以下の位置とし、ゲート絶縁膜における炭素の濃度を１原子％以下とする。

半導体装置の製造方法の一例において、Ｖ族元素含有領域は、Ｖ族元素の濃度を、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、５×１０²²ｃｍ^-3以下とし、Ｖ族元素含有領域を除くＳｉＣ半導体層におけるＶ族元素の濃度の最大値よりも５倍以上高くしてもよい。

半導体装置の製造方法の一例において、ＳｉＣ半導体層を形成する工程は、第３領域及び第２領域を貫通し、第１領域に達するトレンチを形成する工程を含み、ゲート絶縁膜を形成する工程において、トレンチの側面及び底面を覆うように、ゲート絶縁膜を形成してもよい。

半導体装置の製造方法の一例において、ＳｉＣ半導体層を形成する工程は、第１領域、第２領域及び第３領域を含む第１の層を形成する工程と、第１の層の上に第２の層を形成する工程とを含み、Ｖ族元素含有領域は、第２の層の上部に形成してもよい。

半導体装置の製造方法の一例において、Ｖ族元素含有領域は、Ｖ族元素をドープしてエピタキシャル成長してもよい。

半導体装置の製造方法の一例において、ＳｉＣ半導体層の表面をプラズマ窒化して形成してもよい。

半導体装置の製造方法の一例は、ゲート絶縁膜を堆積する工程よりも後に、非酸化雰囲気において１０００℃以上の温度で熱処理する工程をさらに備えていてもよい。

本開示において、第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型として説明する。但し、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とすることも可能である。ドーパントの相対的な濃度を示す場合には、導電型を示すｎ又はｐの符号に上付き文字の「＋」又は「−」の符号を附す。例えば「ｎ⁺」は「ｎ^-」よりもドーパントの濃度が高いことを表す。

本開示において、ＡはＢの「上方」に設けられている又は形成されているという表現は、ＡとＢとの間に他の部材が介在している場合と、ＡとＢとが接している場合との両方を含む。ＡはＢの「上」に設けられている又は形成されているという表現の場合も同様である。

炭化珪素膜（ＳｉＣ膜）と酸化膜（ＳｉＯ₂膜）とを積層すると、ある程度の範囲に亘って組成の変化が生じる。このため、本開示においては、［Ｃ］／［Ｓｉ］＝１／２（［Ｏ］／［Ｓｉ］）の位置を、ＳｉＣ膜とＳｉＯ₂膜との界面と定義する。ここで、［Ｓｉ］、［Ｃ］及び［Ｏ］は、それぞれシリコン、炭素及び酸素の原子組成百分率（atom％）を表す。なお、［Ｃ］／［Ｓｉ］及び［Ｏ］／［Ｓｉ］は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）、又はオージェ電子分光分析（ＡＥＳ）等により求めることができる。本開示においてはＳＩＭＳにより求めた。

（一実施形態）
以下、図面を参照しつつ、実施形態の一具体例について説明する。

以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号を付した構成要素については、説明の繰り返しを省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。

図１は、一実施形態に係る半導体装置１００を示している。図１に示すように本実施形態の半導体装置１００は縦型ＤＭＩＳ（Double-Diffused MIS）構造のＳｉＣパワー半導体装置である。半導体装置１００は、第１導電型の基板１０１の第１の面（表面）の上に設けられた、ＳｉＣ半導体層１１１を有している。本実施形態において、基板１０１はｎ^＋ＳｉＣ基板である。ＳｉＣ半導体層１１１は、基板１０１側から順次設けられた第１の層１２１及び第２の層１２２を有している。

第１の層１２１は、第１導電型の第１領域１３１と、第２導電型の第２領域１３２と、第２領域１３２により第１領域１３１から分離された第１導電型の第３領域１３３とを有している。第２領域１３２は第１の層１２１の表層部に配置され、第３領域１３３は第２領域１３２内に配置されている。本実施形態において、第１領域１３１はｎ^-型のドリフト層であり、第２領域１３２はｐ型のボディ領域（ウェル領域）であり、第３領域１３３は、ｎ⁺型のソース領域である。

第３領域１３３の上にはソース電極である第１オーミック電極１１３が設けられている。第１オーミック電極１１３は、第３領域１３３を貫通するように設けられた第２導電型の第４領域１３４と、第３領域１３３との両方に接している。本実施形態において第４領域１３４は、ｐ⁺型のコンタクト領域である。なお、第１オーミック電極１１３が、第３領域１３３と第４領域１３４とにまたがって形成されている例を示したが、第１オーミック電極１１３は第４領域１３４と接していなくてもよい。この場合には、第４領域１３４の上にコンタクト電極を形成し、第１オーミック電極１１３とコンタクト電極とを配線等により接続すればよい。第４領域１３４は、第２領域１３２に設けられていればよく、第３領域１３３と接していなくてもよい。基板１０１の第１の面と反対側の面（裏面）には、ドレイン電極である第２オーミック電極１１４が設けられている。

本実施形態において、第２の層１２２は、第１導電型の層であり、第１の層１２１上に、例えばエピタキシャル成長により形成されている。第２の層１２２は、第２領域１３２及び第３領域１３３の両方と接している。第２の層１２２は、第２領域１３２の上方の位置に、第１オーミック電極１１３と第２オーミック電極１１４との間に流れる電流の経路であるチャネル領域１２３を有しているため、チャネル層と呼ぶ場合がある。

第２の層１２２の上には、ゲート絶縁膜１１７が設けられている。ゲート絶縁膜１１７は、堆積により形成された酸化膜（ＳｉＯ₂膜）である。ゲート絶縁膜１１７はＶ族元素を含んでいてかまわない。ゲート絶縁膜１１７の上にはゲート電極１１５が設けられている。ゲート電極１１５と第１オーミック電極１１３との間には層間絶縁膜１１９が設けられている。

第２の層１２２は、ゲート絶縁膜１１７と接して設けられたＶ族元素を含むＶ族元素含有領域１３７と、第１の層１２１とＶ族元素含有領域１３７との間に設けられ、Ｖ族元素含有領域１３７よりもＶ族元素の濃度が低い下部領域１３６とを有している。Ｖ族元素含有領域１３７におけるＶ族元素の濃度は、下部領域１３６よりも５倍以上高い。具体的には、Ｖ族元素含有領域１３７におけるＶ族元素の濃度は、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、５×１０²²ｃｍ^-3以下である。また、Ｖ族元素含有領域１３７の膜厚は例えば５ｎｍ以下である。下部領域１３６とＶ族元素含有領域１３７との間には、Ｖ族元素の濃度が変化する遷移領域が存在するが、Ｖ族元素の濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の部分をＶ族元素含有領域１３７とし、２×１０¹⁹ｃｍ^-3未満の部分を下部領域１３６とする。すなわち、Ｖ族元素の濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3であるところを境界とする。なお、下部領域１３６は、Ｖ族元素を含まないアンドープ領域とＶ族元素を含むドープ領域との積層構造になっていてもよい。

Ｖ族元素は熱拡散等により、ゲート絶縁膜１１７側にも拡散する。このため、本実施形態において、Ｖ族元素含有領域１３７だけでなく、ゲート絶縁膜１１７におけるＶ族元素含有領域１３７との界面近傍にもＶ族元素が分布する。しかし、Ｖ族元素濃度のピークは、ゲート絶縁膜１１７側ではなく、Ｖ族元素含有領域１３７側に存在し、具体的には、Ｖ族元素含有領域１３７におけるゲート絶縁膜１１７との界面から５ｎｍ以内の位置に存在している。

本実施形態において、ゲート絶縁膜１１７は、熱酸化膜ではなく堆積により形成した酸化膜である。このため、ゲート絶縁膜１１７は理論的には炭素を含まない。実際には、成膜の際の不純物混入や拡散の影響を受けるため、ある程度の炭素が含まれるが、ゲート絶縁膜１１７における炭素の濃度は、ゲート酸化膜近傍の３ｎｍを除き平均１原子％以下である。熱酸化によりゲート絶縁膜を形成した場合には、ゲート絶縁膜における炭素の濃度は、１０原子％程度となる。従って、本実施形態においては、炭素の導入量を大幅に低減できる。

本実施形態においては、ゲート絶縁膜１１７におけるＳｉＣ半導体層１１１（Ｖ族元素含有領域１３７）との界面近傍に、界面品質を劣化させない最大の量、例えば約２原子％、を超える過剰なＶ族元素が導入されないように、Ｖ族元素の導入量及び分布を容易に制御することできる。これにより、ゲート絶縁膜１１７とＳｉＣ半導体層１１１との界面近傍において、界面準位を低減しつつ、固定電荷の導入を抑え、チャネル移動度を向上させることができる。また、本実施形態においては、ゲート絶縁膜１１７への余分な炭素の導入を抑えることができるため、炭素が固定電荷となることによるチャネル移動度の低下も抑えることができる。

次に、図２〜４を参照しながら、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。まず、図２に示すように、表面の上にＳｉＣ半導体である第１の層１２１が形成されたｎ⁺型のＳｉＣからなる基板１０１を準備する。基板１０１は、例えば、低抵抗（抵抗率０．０１〜０．０３Ωｃｍ）のｎ型４Ｈ−ＳｉＣオフカット基板とすることができる。

次に、図３に示すように、第１の層１２１の所定の位置に、第２領域１３２、第３領域１３３及び第４領域１３４を形成する。第２領域１３２は、アルミニウム（Ａｌ）等のｐ型の不純物イオンを選択的にドーピングして形成すればよい。第３領域１３３は、窒素（Ｎ）等のｎ型の不純物イオンを選択的にドーピングして形成すればよい。第４領域１３４はアルミニウム等のｐ型の不純物イオンを選択的にドーピングして形成すればよい。イオン注入をされなかった部分は、第１領域１３１となる。

第１領域１３１における不純物濃度は、例えば１×１０¹⁴ｃｍ^-3〜１×１０¹⁶ｃｍ^-3程度とすることができる、第２領域１３２における不純物濃度は、例えば１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とすることができる。第３領域１３３における不純物濃度は、例えば１×１０¹⁹ｍ^-3〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度とすることができる。第４領域１３４における不純物濃度は、例えば５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とすることができる。

イオン注入の後、高温でアニールを行い、注入した不純物を活性化する。アニールは、注入ごとに行っても、いくつかの注入を行った後に行っても、すべての注入が終わった後に行ってもよい。イオン注入は、それぞれ所定の位置に開口部を有するマスクを用いて行えばよい。マスクは、それぞれ酸化膜又はポリシリコン膜等をパターニングして形成すればよい。

次に、図４に示すように、第１の層１２１の上に第２の層１２２を形成する。第２の層１２２は、エピタキシャル成長により形成する。第２の層１２２は、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）装置を用いて、基板を１４５０℃〜１６５０℃程度に加熱しながら、シリコン系ガス、カーボン系ガス及びドーパントガスを供給して形成する。シリコン系ガスは例えばシランガスとし、カーボン系ガスは例えばプロパンとし、ドーパントガスは例えば窒素とすればよい。エピタキシャル成長時のキャリアガスとしては水素ガス又はアルゴンガスを用いればよい。シリコン系ガスとカーボン系ガスの流量比（Ｃ／Ｓｉ比）は、０．８〜１．２とすればよい。圧力は、例えば２０ｈＰａとすればよい。

第２の層１２２は、Ｖ族元素である窒素を所定量含むＶ族元素含有領域１３７と窒素を含まない又は窒素の含有量がＶ族元素含有領域１３７よりも少ない下部領域１３６とを有している。まずドーパントガスの流量を少なくして下部領域１３６を形成した後、ドーパントガスの流量を増やし、Ｖ族元素含有領域１３７を形成すればよい。これにより、成長初期のパイルアップ層の形成を防止し、Ｖ族元素含有領域１３７に制御性良くＶ族元素を導入できる。

ドーパントガスを窒素とする場合は、下部領域１３６の窒素濃度を、例えば１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、Ｖ族元素含有領域１３７の窒素濃度を、例えば１×１０²¹ｃｍ^-3とすればよい。下部領域１３６の厚さは例えば５０ｎｍ程度とし、Ｖ族元素含有領域１３７の厚さは例えば３ｎｍ程度とすればよい。なお、Ｖ族元素含有領域１３７は、窒素原子の濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の部分とする。下部領域１３６とＶ族元素含有領域１３７との間には、Ｖ族元素の濃度が変化する遷移領域が存在するが、Ｖ族元素の濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の部分をＶ族元素含有領域１３７とし、２×１０¹⁹ｃｍ^-3未満の部分を下部領域１３６とする。すなわち、Ｖ族元素の濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3であるところを境界とする。Ｖ族元素含有領域１３７の厚さは１０ｎｍ以下とすればよく、５ｎｍ以下としてもよく、３ｎｍ以下としてもよい。Ｖ族元素は、窒素に代えてリン、ヒ素、アンチモン、又はビスマスとしてもよい。また、複数種類のＶ族元素を導入することも可能である。

次に、図５に示すように、第２の層１２２の上にゲート絶縁膜１１７を形成する。ゲート絶縁膜１１７は、熱酸化ではなくＣＶＤ法等を用いて堆積により形成する。例えば、ＳｉＨ₄の流量を２５ｓｃｃｍ（室温、１気圧におけるｍｌ／min）、Ｎ₂Ｏの流量を１２５０ｓｃｃｍとし、圧力が０．６ｈＰａ、温度が８００℃条件で成膜することができる。この場合の成膜速度は約０．８９ｎｍ／minとなる。

次に、図６に示すように、ゲート絶縁膜１１７の上に、ゲート電極１１５を形成する。例えば、不純物ドープしたポリシリコン膜をゲート絶縁膜１１７の上に形成した後、レジストパターニングとエッチングにより、ゲート電極１１５、ゲート絶縁膜１１７、及び第２の層１２２の不要部分を除去すればよい。

次に、図７に示すように、ゲート電極１１５、ゲート絶縁膜１１７、及び第２の層１２２を覆い、第３領域１３３及び第４領域１３４を露出する層間絶縁膜１１９を形成した後、レジストパターニング及びエッチングにより第１オーミック電極１１３を形成する。第１オーミック電極１１３は、例えば、層間絶縁膜１１９が形成された基板１０１上の全面にニッケル膜を形成し、不活性ガス雰囲気において、９５０℃で５分間熱処理し、シリサイド化した後、不要なニッケル膜を除去して形成すればよい。基板１０１の裏面には第２オーミック電極１１４を形成する。第２オーミック電極１１４も第１オーミック電極１１３と同様に、基板１０１の裏面をシリサイド化して形成すればよい。

ゲート絶縁膜１１７は、１０００℃以上の非酸化雰囲気においてアニールしてもよい。これにより、固定電荷をさらに低減し、膜密度を向上させることができる。例えば、窒素雰囲気において１２００℃で１時間程度アニールすればよい。ゲート絶縁膜１１７のアニールはゲート絶縁膜１１７の形成後であればいつ行ってもよい。

このように、Ｖ族元素をドープしたＶ族元素含有領域を有するチャネル層の上に、堆積法によりゲート絶縁膜を形成することにより、チャネル層とゲート絶縁膜との界面における窒素の量と分布とを制御することができる。Ｖ族元素含有領域を設けていないチャネル層の上にゲート絶縁膜を形成し、Ｖ族元素を含む雰囲気においてゲート絶縁膜を熱処理することによりチャネル層とゲート絶縁膜との界面にＶ族元素をドープした場合には、Ｖ族元素濃度のピークはゲート絶縁膜側に位置する。このため、ゲート絶縁膜に過剰なＶ族元素が導入される。過剰なＶ族元素は、固定電荷となるため、界面準位の低減によるチャネル移動度を向上させる効果を打ち消す恐れがある。Ｖ族元素をドープしたＶ族元素含有領域を有するチャネル層の上に、堆積法によりゲート絶縁膜を形成した場合には、Ｖ族元素がゲート絶縁膜側に拡散したとしても、Ｖ族元素濃度のピークはチャネル層側に位置する。このため、ゲート絶縁膜側に過剰なＶ族元素を導入することなく、界面準位を低減することができる。

また、ゲート絶縁膜を堆積により形成することにより、ゲート絶縁膜に含まれる炭素の濃度を低減することも可能となる。ゲート絶縁膜に含まれる炭素は固定電荷となるため、移動度を低下させる原因となる。ＳｉＣ膜を熱酸化してゲート絶縁膜を形成する場合には、ゲート絶縁膜に必ず炭素が含まれる。しかし、堆積によりゲート絶縁膜を形成した場合には、ゲート絶縁膜に含まれる炭素の濃度を１原子％以下とすることができる。但しゲート絶縁膜に含まれる炭素の濃度は３原子％以下であってもよく、５原子％以下であってもよい。

図８は、本実施形態の方法により形成したチャネル層の界面特性を含むチャネル移動度をマイクロ-ＰＣＤ法（microwave Photo Conductive Decay）によるキャリアライフタイムにより評価した結果を示す。図８において、Ａはゲート絶縁膜を従来の熱酸化により形成した場合である。Ｂは熱酸化により形成したゲート絶縁膜をＮＯ雰囲気において窒化した場合を示す。Ｃは窒素濃度を２×１０¹⁹ｃｍ^-3としたＶ族元素含有領域の上に、堆積法によりゲート絶縁膜を形成した場合を示し、ＤはＶ族元素含有領域の窒素濃度を４×１０¹⁹ｃｍ^-3とした場合を示す。図８において縦軸は、Ｖ族元素含有領域を設けていないチャネル層の上に熱酸化によりゲート絶縁膜を形成した場合のキャリアライフタイムを１として規格化したキャリアライフタイムである。

窒素濃度を２×１０¹⁹ｃｍ^-3としたＶ族元素含有領域の上に、堆積法によりゲート絶縁膜を形成した場合の規格化キャリアライフタイムは５．３となり、窒素濃度を４×１０¹⁹ｃｍ^-3とした場合の規格化キャリアライフタイムは６．５となった。参考例として、熱酸化により形成したゲート絶縁膜をＮＯ雰囲気において窒化した場合の結果を示すが、この場合の規格化キャリアライフタイムは２．０となった。このように、Ｖ族元素を含むＶ族元素含有領域の上に堆積によりゲート絶縁膜を形成することにより、界面特性を含むチャネル移動度が大幅に向上した。

本実施形態においては、第２の層１２２をエピタキシャル成長する際に高濃度のＶ族元素をドープしてＶ族元素含有領域１３７を形成する方法を示した。しかし、Ｖ族元素含有領域１３７は、Ｖ族元素を含まない又は低濃度のＶ族元素を含む第２の層１２２を形成した後、第２の層１２２の上部をプラズマ窒化することにより形成してもよい。例えば、窒素濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3の第２の層１２２を５０ｎｍ程度エピタキシャル成長した後、窒素プラズマ雰囲気でプラズマ窒化して、３ｎｍ程度のＶ族元素含有領域１３７を形成すればよい。プラズマ窒化は、例えば窒素の流量を５００ｓｃｃｍ、圧力を２０ｍＴｏｒｒ（約２．６７Ｐａ）とし、２０００Ｗ（DutyCycle５％、実効電力１０００Ｗ）の条件で４０秒間行えばよい。Ｖ族元素含有領域１３７の厚さは５ｎｍ以下とすることができ、３ｎｍ以下としてもよい。

本実施形態においては、ＳｉＣ半導体層１１１を第１の層１２１の上に第２の層１２２を成長させた構成としたが、図９に示すように、第２の層１２２を設けず、ＳｉＣ半導体層１１１を第１の層１２１の一層とし、第１の層１２１の表面にＶ族元素含有領域１３８を設けた半導体装置１００Ａとしてもよい。第１の層１２１を通常の原料組成により成長させた後、ドーパントの量を所定の濃度まで上昇させることにより、第１の層１２１の表面にＶ族元素含有領域１３８を形成することができる。この場合にはｐ型である第２領域１３２及び第４領域１３４の表面にもｎ型不純物となるＶ族元素が導入されるが、ｐ型不純物の濃度を調整すれば問題ない。また、第１の層１２１を成長させた後、プラズマ窒化によりＶ族元素含有領域１３８を形成してもよい。第１の層１２１の表面に形成するＶ族元素含有領域１３８の厚さも５ｎｍ以下とすることができ、３ｎｍ以下としてもよい。

第１の層１２１の表面に形成するＶ族元素含有領域１３８のＶ族元素の濃度も、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、５×１０²²ｃｍ^-3以下とすることができる。また、Ｖ族元素含有領域１３８を除く第１の層１２１の他の領域よりもＶ族元素の濃度を５倍以上高くすることができる。

本実施形態においてはプレーナ型のＭＩＳＦＥＴについて説明したが、図１０に示すように、トレンチ型のＭＩＳＦＥＴとしてもよい。トレンチ型のＭＩＳＦＥＴは、チャネル層を縦方向に形成することができるため、単位セルの微細化が有効であり、集積度を高くでき、素子のオン抵抗を低減することができる。

トレンチ型の半導体装置１００Ｂは、図１０に示すように、第１導電型の基板１０１の表面の上に設けられた、ＳｉＣ半導体層１１１を有している。ＳｉＣ半導体層１１１は、基板１０１の上に設けられた第１の層１２１を有している。第１の層１２１は、基板１０１側から順次設けられたｎ^-型の第１領域１３１と、ｐ型の第２領域１３２と、ｎ⁺型の第３領域１３３と有している。第１の層１２１は、第３領域１３３及び第２領域１３２を貫通し第１領域１３１に達するトレンチを有している。トレンチの側面及び底面を覆うように第２の層１２２が設けられている。第２の層１２２の上にはゲート絶縁膜１１７を介してゲート電極１１５が設けられている。第２の層１２２におけるトレンチの側面において第２領域１３２と接する部分は、チャネル領域となる。第１の層１２１は、第３領域１３３を挟んでトレンチと反対側に設けられたｐ⁺型の第４領域１３４を有している。第３領域１３３及び第４領域１３４の上には第１オーミック電極１１３が設けられている。第１オーミック電極１１３とゲート電極１１５との間には層間絶縁膜１１９が設けられている。基板１０１の裏面には、第２オーミック電極１１４が設けられている。

第２の層１２２は、プレーナ型の半導体装置１００と同様の構成とすることができる。例えば、第２の層１２２はゲート絶縁膜１１７と接して設けられたＶ族元素を含むＶ族元素含有領域１３７と、Ｖ族元素を含まないか又はＶ族元素含有領域１３７よりもＶ族元素の濃度が低い下部領域１３６とを有している。Ｖ族元素含有領域１３７におけるＶ族元素の濃度は、下部領域１３６よりも５倍以上高い。具体的には、Ｖ族元素含有領域１３７におけるＶ族元素の濃度は、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、５×１０²²ｃｍ^-3以下である。

第２の層１２２は、エピタキシャル成長層であり、Ｖ族元素含有領域１３７は成長の際にＶ族元素をドープすることにより形成することができる。また、結晶成長後にプラズマ窒化により形成することもできる。下部領域１３６の厚さは例えば５０ｎｍ程度であり、Ｖ族元素含有領域１３７の厚さは５ｎｍ以下とすることができ、３ｎｍ以下としてもよい。ゲート絶縁膜１１７は堆積により形成した酸化膜であり、ゲート絶縁膜１１７における炭素濃度は１原子％以下である。

トレンチ型の半導体装置１００Ｂにおいても、プレーナ型の半導体装置１００と同様に、チャネル移動度を向上させることができる。また、熱酸化によりゲート絶縁膜を形成する場合には、ＳｉＣ層の結晶面方位の影響によりトレンチの底面においてゲート絶縁膜が薄くなる場合がある。しかし、堆積によりゲート絶縁膜を形成するため、トレンチ底面にもトレンチ側面と同程度の厚いゲート絶縁膜を形成できるという利点も得られる。

トレンチ型のＭＩＳＦＥＴの場合にも、図１１に示すように、第２の層１２２を形成せず、第１の層１２１の表面にＶ族元素含有領域１３８を設けた半導体装置１００Ｃとしてもよい。

以上、本開示を実施形態により説明してきたが、本開示は上記実施形態に限定されず種々の改変が可能である。例えば、半導体基板として４Ｈ−ＳｉＣを用いる例を示したが６Ｈ、３Ｃ又は１５Ｒ等の他のポリタイプの基板を用いてもよい。ＳｉＣ半導体層は、半導体基板の（０００１）Ｓｉ面の上に形成することができるが、（０００−１）Ｃ面の上にＳｉＣ半導体層を形成してもよい。また、半導体基板の主面の面方位を他の結晶面としてもよい。主面は、０．５°以上１０°以下のオフカット角度を有していてもよいが、オフカット角度を有していなくてもよい。また、炭化珪素からなる半導体基板を用いた例を示したが、他の基板を用いることもできる。

ＭＩＳＦＥＴ構造の半導体装置について説明したが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor ：ＩＧＢＴ）構造の半導体装置としてもよい。ＩＧＢＴ構造の半導体装置は、半導体基板とその直上に形成する半導体層とをそれぞれ互いに異なる導電型とすることにより作製することができる。この場合、第２領域はエミッタ領域又はコレクタ領域であり、第１オーミック電極はエミッタ電極又はコレクタ電極であり、第２オーミック電極はコレクタ電極又はエミッタ電極である。

また、ソース及びドレインを設けずＭＩＳキャパシタとすることも可能である。

本開示の半導体装置及びその製造方法は、ＳｉＣ層とゲート絶縁膜との界面に余分な固定電荷を導入することなく、チャネル移動度が向上したＳｉＣ半導体装置を実現でき、特にパワーデバイス等の分野において有用である。

１００ 半導体装置
１００Ａ 半導体装置
１００Ｂ 半導体装置
１００Ｃ 半導体装置
１０１ 基板
１１１ ＳｉＣ半導体層
１１３ 第１オーミック電極
１１４ 第２オーミック電極
１１５ ゲート電極
１１７ ゲート絶縁膜
１１９ 層間絶縁膜
１２１ 第１の層
１２２ 第２の層
１２３ チャネル領域
１３１ 第１領域
１３２ 第２領域
１３３ 第３領域
１３４ 第４領域
１３６ 下部領域
１３７ Ｖ族元素含有領域
１３８ Ｖ族元素含有領域

Claims (13)

1. 基板の第１の面の上に設けられ、第１導電型の第１領域と、第２導電型の第２領域と、前記第２領域により前記第１領域から分離された第１導電型の第３領域とを有するＳｉＣ半導体層と、
   前記第３領域に接して設けられた第１オーミック電極と、
   前記基板の前記第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２オーミック電極と、
   前記ＳｉＣ半導体層の上に設けられたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極とを備え、
   前記ＳｉＣ半導体層は、前記ゲート絶縁膜と接して設けられ、Ｖ族元素を含むＶ族元素含有領域を有し、
   前記Ｖ族元素含有領域におけるＶ族元素濃度のピークは、前記前記ゲート絶縁膜との界面から５ｎｍ以内に位置し、
   前記ゲート絶縁膜における炭素の濃度は１原子％以下である、半導体装置。
2. 前記Ｖ族元素含有領域におけるＶ族元素の濃度は、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、５×１０²²ｃｍ^-3以下であり、前記Ｖ族元素含有領域を除く前記ＳｉＣ半導体層におけるＶ族元素の濃度よりも５倍以上高い、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ＳｉＣ半導体層は、前記第３領域及び第２領域を貫通し、前記第１領域に達するトレンチを有し、
   前記ゲート絶縁膜は、前記トレンチの側面及び底面を覆うように設けられている、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記ＳｉＣ半導体層は、第１の層と、前記第１の層と前記ゲート絶縁膜との間に設けられた第２の層とを有し、
   前記Ｖ族元素含有領域は、前記第２の層の最表面に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第２の層は、エピタキシャル成長層である、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記ゲート絶縁膜は、堆積膜である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 基板の第１の面に、第１導電型の第１領域と、第２導電型の第２領域と、前記第２領域により前記第１領域から分離された第１導電型の第３領域と、Ｖ族元素を含むＶ族元素含有領域とを有するＳｉＣ半導体層を形成する工程と、
   前記Ｖ族元素含有領域の上にゲート絶縁膜を堆積する工程と、
   前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
   前記第３領域と接する第１オーミック電極を形成する工程と、
   前記基板の前記第１の面と反対側の第２の面に第２オーミック電極を形成する工程とを備え、
   前記Ｖ族元素濃度のピークを、前記Ｖ族元素含有領域における前記ゲート絶縁膜との界面から５ｎｍ以下の位置とし、
   前記ゲート絶縁膜における炭素の濃度を１原子％以下とする、半導体装置の製造方法。
8. 前記Ｖ族元素含有領域は、Ｖ族元素の濃度を、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、５×１０²²ｃｍ^-3以下とし、前記Ｖ族元素含有領域を除く前記ＳｉＣ半導体層におけるＶ族元素の濃度よりも５倍以上高くする、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記ＳｉＣ半導体層を形成する工程は、前記第３領域及び第２領域を貫通し、前記第１領域に達するトレンチを形成する工程を含み、
   前記ゲート絶縁膜を形成する工程において、前記トレンチの側面及び底面を覆うように、前記ゲート絶縁膜を形成する、請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記ＳｉＣ半導体層を形成する工程は、前記第１領域、第２領域及び第３領域を含む第１の層を形成する工程と、前記第１の層の上に第２の層を形成する工程とを含み、
    前記Ｖ族元素含有領域は、前記第２の層の上部に形成する請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記Ｖ族元素含有領域は、Ｖ族元素をドープしてエピタキシャル成長させて形成する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記Ｖ族元素含有領域は、前記ＳｉＣ半導体層の表面をプラズマ窒化して形成する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記ゲート絶縁膜を堆積する工程よりも後に、非酸化雰囲気において１０００℃以上の温度で熱処理する工程をさらに備えている、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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